JP5412202B2 - 耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線及びそれを用いたステンレス鋼成形品 - Google Patents
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内部応力(σ i)={E/(1−V 2 )}×{0.288d/ρ} …(1)
但し、E:該ステンレス鋼線の縦弾性係数(MPa)
V:該ステンレス鋼線のポアソン比
ρ:曲率半径(mm)
d:線径(mm)
A={6.2Ni+2.1Cr+3.2Mn+9.3Mo+50(C+N)}/14.3Cu …(2)
絞り変化率(%)={1−(R1/R0)}×100
40≦最終冷間伸線加工率(%)/2√(Cuの含有量)≦85
Cは、オーステナイトの形成元素で、強度及び弾性特性を向上する。ここで、Cが0.03%未満では、例えば、ばねやロープなど硬質系の用途には適さなくなる。一方、Cの量が0.18%を超えると、結晶粒界に有害な炭化物が生成され、特性低下をもたらす。このような観点より、Cは、好ましくは、0.05〜0.10%の範囲とする。
Siは、脱酸剤として添加され、その含有によって強度、弾性限及び耐酸化性が向上する。他方、Siを多量に添加すると、靭性が低下するので、多くても1.5%とし、好ましくは0.4〜1.0%、更に好ましくは0.5〜0.8%の範囲とする。
Mnは、Siと同様に精錬時の脱酸剤として使用されるが、オーステナイト系ステンレス鋼では、オーステナイト相(γ)の相安定性に寄与する。従って、Mnは、高価なNiの使用を抑えるとともに、N元素の固溶限を高める働きをする。一方、Mnは、耐食性、とりわけ耐酸化性を低下させるおそれがあることから、その上限を2.0%とし、より好ましくは1.0〜1.8%の範囲とする。
Niは、オーステナイト系ステンレス鋼の基本元素の1つで、加工オーステナイト相の安定化を図る上で不可欠である。また、Niは、水素脆性との関係でNi当量を高めてマルテンサイトの発生を抑えるとともに、耐食性及び溶解段階ではNの固溶量を高める。このような観点より、Niは少なくとも8%以上必要であり、より好ましくは8.5%以上、さらに好ましくは9.5%以上とする。他方、Niは非常に高価で、かつ、その添加によって強度を低下させることが懸念されるため、その上限を15%とするが、より好ましくは12.0%以下、更に好ましくは10.6%以下とするのが望ましい。
Crも前記Niと同様にステンレス鋼の基本元素で、例えば耐酸化性等の耐食性を向上させるが、機械的特性、例えば靭性や硬度を減少させやすいことから、その範囲を15〜25%とし、より好ましくは16.0〜20.0%の範囲とする。
Moは、オーステナイト中に置換固溶して耐食性を向上し、またNとの共存によって疲労特性を向上する。一方、Moの多量の添加は、加工性を低下するおそれがあることから、その量は0.2%以上、より好ましくは0.5%以上とし、かつ、3.0%以下、より好ましくは2.5%以下とする。
Nは、Cと同様にオーステナイトの形成元素で、また侵入型でもあることから固溶によって強度向上を図ることができる。また他のCrやMnなどとの親和力もあって固溶限を高められる。このような作用を発揮させるために、Nは、Cの2〜4倍とする。他方、Nの多量の添加は加工性を害し、歩留まり及びコストに影響するので、その上限は0.30%とし、より好ましくは0.1〜0.25%とする。
Cuは、オーステナイトの生成元素で、その効果はNiの2倍以上にも及ぶ。また、Cuは、オーステナイト相を安定化して耐食性及び絞り特性を高め、加工性の向上を図ることができる。これは、冷間伸線加工時によって生じる内部応力を軽減させるのに役立つ。かかる作用を発揮させるためには、Cuは不純物レベルを超える量、即ち、0.2%を超えて添加される必要があり、より好ましくは0.3%以上、さらに好ましくは0.5%以上とする。しかし、Cuの多量の添加は、積層欠陥エネルギーを増加させ、また加工硬化率を減少させることにもつながる。従って、合金の安定な高強度化を図る観点より、Cuの上限は1.0%未満とし、より好ましくは0.95%以下、更に好ましくは0.9%以下とするのが望ましい。とりわけ、Cuは、次式(1)によるA値が35.0以下になるように添加されると、線材の伸線加工に伴う加工ダイスとの接触抵抗がより一層軽減され、内部応力をさらに抑制することができる。また、例えばばね等のように、繰り返し負荷応力が加わるばね特性の面から、好ましくは、A値は15.0〜32.0であり、更に好ましくは20.0〜30.0とする。
A={6.2Ni+2.1Cr+3.2Mn+9.3Mo+50(C+N)}/14.3Cu …(1)
本実施形態のステンレス鋼線には、上記必須元素に加え、更に任意元素として、質量%で、Nb:0.05〜2.5、Ti:0.05〜1.8、B:0.05〜0.20のうち少なくとも1種を含有することができる。Nb、Ti及びBは、いずれもその添加によって機械的特性の向上、組織の安定化を図ることができる。また、水素元素がトラップに影響を及ぼさない程度の微細(例えば10Å以下)な化合物の形成による粒子分散効果によるクリープ強度の向上にも有効であるが、各上限を超える多量の添加は、これら特性を低下させ、水素脆性を招来させやすい。
上記に規定される構成元素を除く残部は、Fe及び不可避不純物からなる。不純物としては、例えばP:≦0.03%、S:≦0.01%、O:≦0.02%及びAl:≦0.01%などが許容され得る。また、鋼線中のHは、10PPM以下であるのが望ましい。Hは、これを過剰に含有するものではその使用過程中の加熱状態で拡散して脆化への影響をもたらすことから、その上限は10PPM以下にすることが好ましい。Hの含有量を抑えるために、水素低減を図る脱水素処理を予め行っておくことが望ましい。この脱水素処理は、該鋼線の最終加工前の例えば素材製造段階で、大気中、150〜300℃の加熱温度で、5〜15Hr程度のベーキング処理で行うことができる。
内部応力(σi)={E/(1−V2)}×{0.288d/ρ} …(2)
但し、E:該ステンレス鋼線の縦弾性係数(MPa)
V:該ステンレス鋼線のポアソン比
ρ:曲率半径(mm)
d:線径(mm)
R0(%)={1−(A1/A0)}×100 …(3)
40≦最終冷間伸線加工率(%)/2√(Cuの含有量)(質量%)≦85 …(4)
絞り変化率(%)={1−(R1/R0)}×100 …(5)
この試験では、前記試料A1、A3及びA8の組成の鋼材を最終伸線加工率85%で0.7mmに伸線加工した。潤滑皮膜には、厚さ0.9μmのNiメッキが用いられた。また、伸線加工では、各ダイスのアプローチ角度が10゜以下(この例では9°)程度の低角度ダイスを用いるとともに、その最終ダイスを通過した後、千鳥状に配置した矯正ロールを通過させることで、更に内部応力の発生を抑えた。そして、前記と同様な方法で測定した結果、各鋼線の内部応力は、+20〜+40MPaであった。これは、前記実施例1に比してさらに低減されていることが確認できた。従って、このような内部応力の緩和手段の併用が好ましい結果をもたらすことが確認できた。
Claims (9)
- オーステナイト系ステンレス鋼線であって、質量%で、
C:0.03〜0.18、
N:Cの2〜4倍(但し、上限0.3%以下)、
Si:1.5以下、
Mn:2.0以下、
Ni:8〜15、
Cr:15〜25、
Mo:0.20〜3.0及び
Cu:0.2を超え1.0未満を含み、かつ、残部がFe及び不可避不純物で構成され、
0.2%耐力(σ 0.2)が1200〜1800MPa、絞り値(R0)が55〜75%、しかも該鋼線の軸心を通りかつ該鋼線の横断面面積を1/2とする軸芯面で分離された分離片の曲率半径ρに基づいて下記式(1)で求められる内部応力(σ i)が、0±400MPaの範囲であり、
前記Cuは、下式(2)で表されるA値が35.0以下であることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
内部応力(σ i)={E/(1−V 2 )}×{0.288d/ρ} …(1)
但し、E:該ステンレス鋼線の縦弾性係数(MPa)
V:該ステンレス鋼線のポアソン比
ρ:曲率半径(mm)
d:線径(mm)
A={6.2Ni+2.1Cr+3.2Mn+9.3Mo+50(C+N)}/14.3Cu …(2)
- 更に質量%で、Nb:0.05〜2.5、Ti:0.05〜1.8、B:0.05〜0.20のうち少なくとも1種を含有する請求項1に記載の耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
- 前記C+Nが0.23〜0.40質量%である請求項1又は2に記載の耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
- 前記内部応力σ iと、0.2%耐力σ 0.2の平方根との比(σi/√σ 0.2)が5以下である請求項3記載の耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
- 前記鋼線中のH量が10PPM以下である請求項3又は4に記載の耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
- 前記鋼線中の炭化物及び窒化物の合計量が0.10質量%以下である請求項3乃至5のいずれかに記載の耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
- 30MPaの高圧水素環境下で温度200℃×250時間水素チャージした前記ステンレス鋼線の絞り値(R1)と、水素チャージ前の前記絞り値(R0)とを用いて下式で表される絞り変化率が10%以下である請求項1乃至6のいずれかに記載の耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
絞り変化率(%)={1−(R1/R0)}×100 - 最終の冷間伸線加工率(%)と前記Cuの含有量(質量%)とは、次式の関係を満足する請求項1乃至7のいずれかに記載の耐水素脆性に優れた高強度ステンレス鋼線。
40≦冷間伸線加工率(%)/2√(Cuの含有量)≦85 - 請求項1〜8のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼線を塑性加工で所定形状に成形したことを特徴とする耐水素脆性に優れたステンレス鋼成形品。
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