JP5618057B2

JP5618057B2 - 耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料及びそのステンレス鋼線、並びにステンレス鋼成形品

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Publication number: JP5618057B2
Application number: JP2010094475A
Authority: JP
Inventors: 孝之秋月; 直行川畑
Original assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Current assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: JP2011208269A

Description

本発明は、３０ＭＰａ以上の高圧水素環境下での用途を対象とし、機械的特性と水素脆化の抑制機能を備えた、例えばねじ、ボルト、ナット、ピン、リベット等の線材製品をはじめ、板材、帯材、パイプ、ブロック体など種々成形品等の加工用に好適する耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料、ステンレス鋼線、並びにこれらを用い成形してなるステンレス鋼成形品に関する。

近年、地球温暖化対策やエネルギー政策の一環として、これまでの石油系燃料に代わる新たな代替エネルギーとして水素ガスが注目され、一般家庭用や産業用乃至自動車用等、多方面に亘って燃料電池の応用、普及が図られている。このような取り組みは、産学官を巻き込こんで拡大の一途を辿っている。

燃料電池は、例えば水の電気分解で酸素と水素を発生する原理を逆に活用し、酸素と水素ガスを用いて発電するもので、例えば固体高分子型（ＰＥＦＣ）や固体電解質型（ＳＯＦＣ）など種々のシステムが検討され、実用化に向けて取り組みされている。また、システム内での燃料ガスのエネルギー効率を高めるべく、近年ではその供給圧力をより高めることが望まれ、例えば３０ＭＰａ以上といった高圧状態での使用が前提とされている。

また自動車業界においても、燃料電池自動車の普及を図るべく、現在、水素ガスステーションの設置拡大が計画されている。これらの水素ガスステーション等の供給設備や内蔵部材には、水素ガスの漏洩がなく安定して継続使用できる高品質かつ長寿命が要求される。

これら水素設備の貯槽、配管、継手、供給ホース又はカプラ等には、例えばねじ、ボルト、ナット、ピン、リベット等の圧造用の他、その一部を部分的にプレス加工した金属製の種々成形品が用いられているが、その多くは、機械的強度や耐食性とともに、水素脆性を抑止する観点から例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼線が多用されている。このような水素脆化の発生状態の一例として、線材の引張りにより水素脆性で破断した破断面の状態を拡大した拡大写真（２００倍）を図３に示す。

しかしながら、近年の研究では、上記ステンレス鋼においても、その成形加工に伴う組織変態や前述のような高圧状態の水素環境下では、水素の影響を無視することができず、更なる水素脆性による破壊発生を抑制する手段が求められてきた。

従来、かかる耐水素脆性を向上するものとして、例えば下記特許文献１では、質量％で、Ｃ：０．０８以下、Ｓｉ：１．０以下、Ｍｎ：４．０〜１５．０、Ｎｉ：５．０〜１５．０、Ｃｒ：１８〜２５．０％、Ｍｏ：０．５〜３．０、Ｎ：０．３〜０．８を含み、残部Ｆｅと不可避不純物でなる、引張強さ１０００〜２０００ＭＰａのばね用ステンレス鋼線が提案され、同様に特許文献１では、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５、Ｎ：０．０１〜０．２５、Ｍｎ：１．２〜２．５、Ｃｒ：１６〜２０、Ｎｉ：８．０〜１４．０、Ｓｉ：０．９〜２．０と、更にＭｏ：０．１〜３．０、Ｎｂ：０．１〜２．０、Ｔｉ：０．１〜２．０の少なくとも１種を含有し、かつ０．１５≦Ｃ＋Ｎ≦０．３５％で、線引き加工で誘起されるマルテンサイト相が３．３体積％以下で、その引張強さが１３００以上２０００Ｎ／ｍｍ^２未満のばね用ステンレス鋼線が各々記載されている。

特開２００９−８４５９７号公報特開２００３−２２６９４０号公報

しかしながら、これら特許文献はいずれもばね用途を対象にするもので、最終加工は強度の冷間伸線加工による加工硬化によって引張強さ１８００ＭＰａという極めて高強度特性を持つものとされている。この為、これら高強度のステンレス鋼線では前記用途の塑性加工において加工割れを生じさせやすく、また加工工具の寿命への影響も大きいことから、その用途展開は図り難いものである。

そこで、本願発明者らは、特に塑性加工や切削加工等の加工性とともに耐食性にすぐれ、かつ耐水素脆性機能を兼備する好適材料の研究を進め、ここにその完成を見た。よって、本願発明は、前記課題を解決し、特に冷間や温間状態での圧造加工用、成形加工用の他、切削加工にも好適するステンレス材料、ステンレス鋼線並びにこれらを塑性加工してなるステンレス鋼成形品の提供を目的とする。

すなわち、本発明の請求項１に係わる発明は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８、Ｎ：０．３以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：８．０〜１５．０、Ｃｒ：１５．０〜２５．０、Ｍｏ：０．２０〜３．０、及びＣｕ：２．０以下を含み、次式Ａ値が１０．０〜３５．０％で、残部Ｆｅ及び不可避不純物でなるオーステナイト系ステンレス鋼で構成され、
Ｈｖ硬度：１５０〜３５０で、温度２０℃におけるポアソン比（Ｐ）が０．１８〜０．２８であることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料である。
Ａ＝｛６．２Ｎｉ＋０．７Ｃｒ＋３．２Ｍｎ＋９．３Ｍｏ＋５０（Ｃ＋Ｎ）｝／１４．３Ｃｕ

また、請求項２に係わる発明は、更に質量％で、Ｎｂ：０．０５〜２．５、Ｔｉ：０．０５〜１．８、Ｂ：０．０５〜０．２０のいずれか１種以上を含有することを特徴とする前記ステンレス材料である。

更に請求項３に係わる発明は、塑性加工用として、その等価換算線径が５ｍｍ以下の線条材に成形され、引張試験による絞り特性（Ｒ）が６０〜８０％、伸び特性（Ｅ）が、２０〜４０％を有するものであること、請求項４に係わる発明は、表面は、該ステンレス鋼線の線径の２０／１０００倍以下の厚さの、Ｎｉ又はＣｕの金属層で被覆されてなること、請求項５に係わる発明は、その平均表面あらさ（Ｒｚ）が０．２〜１．０μｍであること、更に請求項６に係わる発明は、更にスキンパス加工によってその表面層に加工歪を有することを各々特徴とする前記冷間圧造用のステンレス鋼線である。

請求項７に係わる発明は、前記記載のステンレス鋼又はステンレス鋼線が、更に圧造加工、転造加工又はプレス加工のいずれか塑性加工によって所定形状に成形され、加工誘起マルテンサイト量が２％以下であることを特徴とする耐水素脆性用のステンレス鋼成形品であり、請求項８に係わる発明は、前記塑性加工は、冷間加工又は温度２００℃以下の温間加工によるものであることを特徴とする。

本発明に係るステンレス材料及びステンレス鋼線は、その化学組成として、Ｍｏ及びＮ等を含むとともに、更に２．０％以下のＣｕを含むオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。これによって、加工に伴う加工誘起マルテンサイトの生成を抑えて耐水素脆性機能を高めるとともに、加工性向上を図り、耐食性良好で製造歩留まりの低下抑制が図れ得る。

また、加工硬化率の大きいオーステナイト系ステンレス材料でありながらも、延性や靭性を備えることで加工に伴う残留歪を抑制した成形品が提供でき、耐水素脆性に優れた特性を有する高強度加工用ステンレス材料高強度加工用として、種々用途に展開される効果をもたらす。

また、請求項２ないし８の発明によれば、成形品への加工性においてより優れた特性をもたらすことができ、請求項９及び１０の発明によれば、種々形態の成形品としてその用途展開を拡げ、高強度でかつ耐水素脆性機能を高めた成形品が提供できる。

Ｃｕの添加量と、ポアソン比等の差による特性結果の関係を示す試験線図である。実施例に供した成形製品の一例である。水素脆化の発生状態を示す拡大写真の一例である。

以下、本発明のステンレス材料の好ましい一形態として、ここでは、これを塑性加工用、特に過酷な加工条件である冷間圧造用のステンレス鋼線とする場合を中心に説明する。

本形態で、ステンレス鋼線は、オーステナイト系ステンレス鋼線であって、その組成は質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｎ：１．５％以下、Ｓｉ：１．５％以下Ｍｎ：２．０以下、Ｎｉ：８．０〜１５．０、Ｃｒ：１５．０〜２５．０、Ｍｏ：０．２０〜３．０及びＣｕ：２．０以下を含むとともに、次式１のＡ値が１０．０〜３５．０％に調整され、残部がＦｅ及び不可避不純物で構成されている。

Ａ＝｛６．２Ｎｉ＋０．７Ｃｒ＋３．２Ｍｎ＋９．３Ｍｏ＋５０（Ｃ＋Ｎ）｝／１４．３Ｃｕ …・式１

またその特性は、Ｈｖ硬度：１５０〜３５０で、ポアソン比（Ｐ）：０．１８〜０．２８の機械的特性を備える。

本発明の前記ステンレス材料は、例えば板材やシート、棒、線材、パイプ乃至ブロック状など種々形態の素形材に適用可能である。特に、線材ロッドから所定の仕上げ線径に伸線等の引き抜き加工と熱処理を繰り返しながら細径化した軟質仕上げされた軟質ステンレス鋼線は、前記ねじやボルト、リベット等の圧造製品や、金網、切削部品用など種々形態の成形品用として幅広く用い得る。寸法的には、例えば０．０１〜１０ｍｍ程度、好ましくは０．１〜５ｍｍの等価換算線径を持つ断面円形乃至楕円形状や四角形状、三角形状などのような非円形状にした連続線条材料として活用される。なお、該等価換算線径とは、このような断面非円形の形状品を対象にする場合の、その横断面面積から算出される真円形状での換算直径であることを意味する。

ここで、本発明が対象とする前記ステンレス鋼材料の化学組成の限定理由を説明する。

［Ｃ：０．０３〜０．１８％］
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％未満のものでは、塑性加工で十分な加工硬化が得られ難く、高強度化の弊害となる。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他、加工性低下にもなる為、より好ましくは、０．０５〜０．１０％とする。

［Ｓｉ：１．５％以下］
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為に添加され、０％を超える。しかし、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：２．０％以下］
Ｍｎは、Ｓｉと同様に精錬時の脱酸剤として使用され、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もので０％を超えて添加される。また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が、一方で耐食性、とりわけ耐酸化性を低下させる恐れがあることから、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：８．０〜１５．０％］
Ｎｉは、オーステナイト系ステンレス鋼の基本元素で、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８．０％以上必要で、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１５．０％とし、より好ましくは１２．０％以下とする。更に好ましい範囲は、９．８〜１０．６％とする。

［Ｃｒ：１５．０〜２５．０％］
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１５．０〜２５．０％とし、より好ましくは１６．０〜２０．０％の範囲とする。

［Ｍｏ：０．２〜３．０％］
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、かつその上限値は、３．０％、より好ましくは２．５％とする。

［Ｎ：０．３％以下］
Ｎは、Ｃと同様にオーステナイトの形成に有効で、結晶の微細化を図り、また侵入型でもあることから固溶によって強度特性の向上をもたらす。また、他のＣｒやＭｎなどとの親和力もあって固溶限を高めことから０％以上の添加とする。しかし、多量の添加は加工性を害して加工歩留まり及びコスト上昇に影響する。こうした面から、その上限は０．３０％とし、より好ましくは０．１〜０．２５％の範囲とする。

また、Ｎは前記Ｃと同様に侵入型元素であることから、Ｎは、前記Ｃの２〜４倍とし、かつＣ＋Ｎが０．２３〜０．４０％、より好ましくは０．２５〜０．３０％の範囲にすることも望ましい。こうした条件を満足することで、前記Ｎｉや次のＣｕなどとの相互作用によって、例えばヘッダー加工やプレス加工等のような強度の冷間加工に伴い生じやすい加工誘起マルテンサイトを抑制して、耐水素脆性を高めることができる。

［Ｃｕ：２．０％以下］
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て、軟化状態での材料の延展性を高め加工性向上をもたらす。これは、塑性加工時に生じやすい残留歪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０％を超えて含有し、好ましくは不純物レベルを超える量、例えば０．２％、好ましくは０．２５％、より好ましくは０．３０％を下限とする。しかし一方で、多量のＣｕ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から、その上限として２．０％以下、より好ましくは１．０％以下とし、更に好ましくは０．８％以下とすることが望ましい。

またこの場合、Ｃｕは、次式によるＡ値が１０．０〜３５．０になるように添加されることで、加工冶具、例えば圧造用ダイスとの接触抵抗の軽減で、内部応力が抑制できる利点があり、好ましい前記Ａ値は１５．０〜３２．０、更に好ましくは２０．０〜３０．０とする。

図１は、本出願人の試験結果に基づきまとめた前記Ｃｕの添加量とＡ値、及びポアソン比が各々及ぼす加工後の成形品の耐水素性を示すもので、試験は、種々組成に調整した前記ステンレス材料でなる加工品について、各々所定の高圧水素環境下にセットして水素チャージした後取り出してその上面を高圧プレスで加圧し、その圧縮加工による脆化割れ発生までの許容圧下率の関係を示している。この中の破線は、その圧下率が３０％以上まで可能な領域を示し、同様に太実線のハッチング部分は、同５０％以上の圧下率を達成した領域を示している。

この線図で理解されるように、Ｃｕ添加量が２．０％以下でかつＡ値１０〜３５％としたポアソン比０．１８〜０．２８のもので比較的脆性破壊は少なく、特にＣｕが０．３〜１．２％で、Ａ値２２〜３２％及びポアソン比０．２２〜０．２６の場合、より大きく圧縮できることが理解される。したがって、そうした領域に調整することでより好ましい耐水素脆性特性を備えることが推測される。

［任意元素］
また本形態では、上記各必須元素に加え、更に任意元素として、質量％で、例えばＮｂ：０．０５〜２．５、Ｔｉ：０．０５〜１．８、Ｂ：０．００５〜０．１０のうち少なくとも１種以上を含有するステンレス材料とすることもできる。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し、組織の安定化を図ることができる。また、これら元素は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って粒子分散効果をもたらし、例えばクリープ強度の向上などの面でも有効である。しかし、その分量が各設定範囲の上限を超える程の多量の添加は、これら加工性を低下させ、水素脆性の面からも好ましいものとは言い難い。

［不純物］
上記に規定される構成元素を除く残部は、実質的に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％などが想定され、またＨについても、１０ＰＰＭ以下であるのが望ましい。特にＨを過剰に含有するものでは、その使用過程中で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、例えばその製造過程いずれか段階、例えば原材料段階や中間段階で水素低減を図る脱水素処理を行ない、その上限を１０ＰＰＭ以下に抑制することが望ましい。この脱水素処理は、例えば大気中１５０〜４００℃の加熱温度で、０．５〜１５Ｈｒ程度のベーキング処理が相当する。

こうして前記形態のステンレス鋼線は、成分調整された前記鋼材に、例えば鍛造ないし熱間圧延して得たロッド線材を素材として、これを伸線や圧延等の引抜き加工と熱処理を繰り返し行ないながら所定線径に細径化した後、更にその加工歪を解消する固溶化熱処理が行われる。また必要ならば、その特性が本願発明の前記設定範囲を超えない程度、例えば２０％程度以内の比較的軽度の加工率で、更にスキンパス加工したものであってもよい。

これら固溶化熱処理及びスキンパス加工は、その加工条件及び前記成分組成の調整によって、得られる鋼線の品質特性に直接的に影響を及ぼし、そうした影響因子の相互作用によって、その表面硬度（Ｈｖ）１５０〜３５０で、かつポアソン比（Ｐ）が０．１８〜０．２８の機械的特性を具える高強度加工用ステンレス鋼線が得られる。またその場合、耐力比が７５〜９２％であることも好ましい。

Ｈｖ硬度は、例えばマイクロビッカース硬度計でその任意横断面の表面近傍部分を測定した数点の平均硬度で示され、その外観形状が平面状ないし比較的曲率の大きなものにあっては、その表面上を直接測定することができる。前記断面硬度による場合、例えば線の太さが１ｍｍを超えるようなものではその最表面から２００μｍ程度の深さ範囲内で行うことが推奨される。

また、その平均硬度が１５０未満のステンレス鋼線では、塑性加工した成形品が十分な性能を備え得ず、強度不足による寿命低下をもたらすものとなる。また３５０を超えるものでは、加工硬化によって加工ワレや工具寿命を低下させコストアップの要因となる。このことから、その好適範囲を１５０〜３５０、特に圧造加工用のステンレス鋼線においては１８０〜２７０とする。

一方、ポアソン比については、該ステンレス鋼材料の加工成形性を対象とし、合わして前記図１の中で説明するように成形品における耐水素特性をもたらすものとしている。
通常ポアソン比（Ｐ）は、軸荷重を受ける試験片における軸ひずみに対する横ひずみの比で示され、該鋼線の弾性限界内で、例えば引張りを加えた時に荷重方向の伸び（縦ひずみ％）、と荷重に直角方向の寸法の縮み（横ひずみ％）の比、すなわち、横ひずみ（％）／縦ひずみ（％）、又はＰ＝（ヤング率／２＊剛性率）−１で示すことができる。しかし、その特性は温度依存性によって大きく異なることから、本発明ではその測定環境温度を２０℃で行うこととする。

そして、その特性が０．１８未満のものでは靭性が不足して十分な加工性を備えず、また０．２８を超えるものでは加工硬化性能が得られ難く、好ましくは０．２０〜０．２８に調整され、より好ましくは０．２３〜０．２８とする。このようにポアソン比が比較的小さいことで、特に圧縮方向の加工に対する加工性が比較的向上する利点がある。

こうした特性は、前記成分組成や熱処理条件の調整で行われ、例えば熱処理条件については、その最終熱処理を温度１０００〜１１００℃で、かつ加熱時間３０〜１８０ｓとするアルゴンガス雰囲気中での急冷加熱処理で達成されるが、特に次式で示すＮｉ当量が２５．０〜３２．０％になるように調整したものでは、その後の成形品の加工性を更に高める利点がある。

特に、前記ステンレス材料がねじ等の冷間圧造用のステンレス鋼線とする場合、強度の加工を受けることから、次式２によるＮｉ当量が２５〜３２％になるように調整しておくことが望ましく、またその形態も例えば換算線径Ｄが５ｍｍ以下の線条材でもあることから、その耐力比が７５〜９５％であること、更に絞り特性が６０〜８０％で、かつ伸び特性が２０〜４０％であることも好ましく、そうした特性は前記熱処理条件などによって任意に調整可能である。

Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．６５Ｃｒ＋０．９８Ｍｏ＋１．０５Ｍｎ＋０．３５Ｓｉ＋１２．６（Ｃ＋Ｎ）… 式２

これら特性は、例えばＪＩＳ−Ｚ２２４１に記載されるように該鋼線を引張試験して破断したときの各特性から求められ、例えば耐力比はその破断応力における弾性応力との関係として、また絞り特性（Ｒ）及び伸び特性（Ｅ）は、破断前後の断面積と長さの変化率として各々次式で求めることができる。

絞り特性（Ｒ％）＝｛（Ｒ_０−Ｒ_１）／Ｒ_０｝×１００
伸び特性（Ｅ％）＝｛（Ｅ_１−Ｅ_０）／Ｅ_０｝×１００
但し、Ｒ_０，Ｅ_０は各々試験前の原線の断面積と標点長さで、標点長さは１００ｍｍとしており、またＲ_１，Ｅ_１は、同様に引張試験後に変化した同断面積と長さである。

こうして、耐力比が７５％未満のものでは成形品状態で十分な弾性特性は備え得ず、また９５％を超える程高めるには限界もある。また、前記絞り特性（Ｒ）が６０％未満のステンレス鋼線では、十分な延性及び靭性を具えず、かつ、マトリックス自体の剛性が大きいため、成形加工時の加工割れをもたらし、コストアップの要因となる。他方、８０％を超えて高めることは、現実的ではない。より好ましくは６５％以上、更に好ましくは６８〜７８％とする。

また伸び特性（Ｅ）についても、２０％未満のものでは十分な延展性が期待できず、成形品の形状バラツキを高めることとなり、４０％を超えるものでは本件ステンレス鋼線がＮを含有することからこれを超える高伸び特性は得られ難い。より好ましくは３０％以上である。

このような特性を備えることで、前記ステンレス鋼線には種々の加工を施すことができるが、更に前記冷間圧造用途での加工性を高める方策として、その表面上に例えば該鋼線の線径の２０／１０００倍以下、好ましくは（０．５〜５）／１０００倍程度の厚さのＮｉ又はＣｕの金属外装材を被覆して、これを加工潤滑用とすることも好ましい。通常、これら外装材はメッキ法またはクラッド法が採用される。

また、前記ステンレス鋼線の機械的特性として、前記引張試験での引張応力の負荷におけるヤング率が、その引張強さの１９０〜３８０倍であることで、冷間加工時の変形抵抗を減少させることができる他、該ステンレス鋼線の平均表面あらさ（Ｒｚ）が０．２〜１．０μｍの高平滑表面によって、表面状態を良好にした成形品が提供でき、例えば強度の成形加工で生じ易い加工割れを減じることもできる。その表面粗さは、例えばＪＩＳ−Ｂ０６０１他にも多々示されるように、線の長手方向に沿って任意に測定した１０点の平均あらさが用いられる。

こうして、本発明に係わる前記ステンレス鋼材料又はステンレス鋼線は、これを用いて転造加工、圧造加工、プレス加工等の塑性加工で成形してなる成形品の他、例えばその一部を切削や研削加工によるパイプ品やブロック体等としても好適し、優れた加工性を備える。

その最終的な成形品の形態は、例えばねじ、ボルト、ナット、リベット等が一例であり、その他パイプやブロック品などを含む。これら成形品は、３０ＭＰａの高圧環境下で水素脆化を生じない耐水素脆性機能を備えるもので、その特性有無のより簡便な評価方法は、許容限界を超える強加工で破壊した時の破壊面近傍の結晶組織や特性の検証で確認される。
例えばその対象品がステンレス鋼線の場合は、その試験加工後の絞り特性や圧縮率等の特性低下率が２０％を超える場合を耐水素性なしと判断することができる。

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定して解釈されるものではない。

表１は、本発明の実施例として用いたオーステナイト系ステンレス鋼線の組成の一例であって、ＥＳＲ溶解して予め鋼中の非金属介在物の清浄度が面積率で０．１％以下に抑制しながら熱間圧延を行い、線径６．０ｍｍの各ロッド線材を準備した。

この中で、試料Ａ〜Ｄは本発明の実施材として、基本組成であるＣ，Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｒとともにＭｏ、Ｎを含む種々ステンレス鋼に対して、Ｃｕの添加量が異なる次の３ランク（０．２〜０．４％、〜０．６％、〜０．９％）によってＡ値が変化したものとし、他方、試料Ｅ〜Ｈは更に第三元素として、Ｎｂ，Ｔｉ，Ｂを各々添加したものである。

また本発明の比較材として、試料ａ〜ｃは、従来から通常使用されている一般的な組成のステンレス鋼線であって、試料ａは特に耐食性を高めるＳＵＳ３１６型、試料ｂは高強度でかつ耐食性を兼ね備えたＳＵＳ３０４型、また試料ｃは延性の低下を抑え高強度を図るようにＮ添加したＳＵＳ３１６Ｎ１型のステンレス鋼を各々用いた。

そして、これら各線材ロッドに、厚さ５〜１０μｍのＮｉメッキを被覆して、最終加工ダイスをダイス角度１６°のダイヤモンドダイスを用いた連続冷間伸線機によって、仕上げ線径２．４ｍｍのワイヤーに細径化し、更にストランド型加熱装置による固溶化熱処理を行なって、ねじ圧造用の軟質ステンレス鋼線を得た。

ここで前記熱処理は、アルゴン雰囲気中で加熱した後、冷却速度１００℃／Ｓの条件で急冷することで、結晶粒と機械的特性を調整しており、得られた軟質ステンレス鋼線の各特性を各々表２に示している。

前記伸線加工は、総加工率約８４％とするものでいずれも問題なく加工することができ、そのメッキ厚さも２〜５μｍ程度で、メッキ剥離など密着性の問題は見られなかった。
またこれを前記固溶化熱処理したものでは、その結晶粒径が３０〜５０μｍ程度をなし、それとともに表面硬度及び表面アラサが向上しており、ポアソン比は０．２２〜０．２８を有するものであった。

なお、これら特性の測定方法については、前記表面硬度は、該鋼線の任意表面をマイクロビッカース硬度計で計測した数点の平均値で示し、伸び，絞り特性は前記ＪＩＳ−Ｚ２２４１による引張試験で行い、更に結晶粒度とそのアスペクト比は、測定試料を樹脂に埋め込んで超研磨仕上げした各断面を４００倍に拡大した顕微鏡組織から求めた平均で示している。

また耐食性は、表面を清浄化した後、ＪＩＳ−Ｇ０５７８による塩化第二鉄腐食試験によりその腐食減量で判定しており、２２０ｇ／ｍ２・Ｈｒ未満を○、２２０〜２５０ｇ／ｍ２を△、２５０ｇ／ｍ２を超えるものを×で示している。

またポアソン比は、前記引張試験での応力歪線図と、これを一定速度で回転捻りして破断特性を求める捻り試験した時の捻り応力との関係を次式で求め、更に、メッキ厚さは重量法により、また表面粗さは、線の任意表面の長手方向の粗さを１０点の平均粗さで示している。

これら各ワイヤーの加工性評価として、サカイ工機製のヘッダーマシンによる温間加工によって図２の十字さら頭の成形加工を行い、加工に伴う圧造割れや形状良否、ヘッダー寿命などにつき評価した。加工条件は、加工温度３００℃に通電加熱してヘッダー速度１２０個／ｍｉｎで行ったもので、その結果を表３に示す。

これら結果から、本発明に係わる各実施材は、比較材に比して同等いじの加工性を有し、過酷なヘッダー性において好適に用い得ることが認められる。

次に、こうして得られた加工成形品の耐水素性を評価する為に、実施材Ａ，Ｃ，Ｅ及び比較材ｂ，ｄによる各成形品を選択して、各々表面潤滑剤などの付着物を除去し、清浄化した各３点を準備して、次の条件による耐水素脆性の適否を確認した。

試験は、各資料をオートクレーブ内に収納して、内部に３０ＭＰａの高圧水素を注入し、温度２００℃×時間２５０時間にわたって水素チャージした後、これを取出して高圧プレスで圧縮した時のワレ発生に伴う圧下率の減少率と残留水素量の測定で行った。

その結果を表４に示す。この結果に見られるように、本発明に係わる試料はいずれも加圧プレスに伴うワレ発生の限界圧下率の減少率は軽微で実質的な影響はなく、水素の吸蔵量についても加工誘起マルテンサイト量の低減によってほとんど問題は見られなかった。

次に、前記実施例１の実施材Ａ，Ｄ，Ｆの各軟質ステンレス鋼線について、更に粘度１００ｍｍ２／Ｓ（４０℃）の金属加工油を用いたスキンパス加工により、線径２．３ｍｍの光輝ステンレス鋼線を得た。その加工率は９％程度で、機械的特性は若干硬質化したものの、表面状態は極めて光輝表面を有する良好なものであった。

そこで、この半加工線材の一部をプレス加工機によって、厚さ１．５ｍｍに押圧する圧縮加工を行い、前記各実施例と同様に圧縮加工に伴う水素脆性の加工割れと、その加工誘起マルテンサイト量をＸ線回析で測定した結果、０．６％以下に抑制され、実質的な水素脆性ワレは見られなかった。

他の製品形態として、実施材Ａと同じ組成のステンレス材料により、ＪＩＳ番手１／２Ｂの継目無鋼管を製作した。その特性は、Ｈｖ硬度１６０〜１７５程度で、ポアソン比０．２７を備え、比較的高硬度でありながらも、その表面上にジョイント用のねじ切削をする際の切削性に優れるものであった。

こうして、本発明のステンレス材料によれば、従来の例えばＳＵＳ３１６Ｌのパイプ材に比して、高硬度でまた水素脆化の問題を解消することからその肉厚を半減させることができ、それに伴ってパイプ内径をより太径化し、供給流体の流出効率と寿命特性を倍増させることができた。

以上の結果から、本発明に係わるステンレス鋼材料（鋼線）は、強度の過酷な成形加工に対する適正を備え、またその加工された成形品についても加工誘起のマルテンサイト量が少なく抑制できることに伴って、水素脆性を抑制することができ、その応用範囲として例えばねじ、ボルト、ナット、ピン、リベット等の線材成形品をはじめ、板材、帯材、パイプやブロック体など種々成形品用途の塑性加工用に好適する。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．１８、
Ｎ：０．０５〜０．３０、
Ｓｉ：１．５以下、
Ｍｎ：２．０以下、
Ｎｉ：８．０〜１５．０、
Ｃｒ：１５．０〜２５．０、
Ｍｏ：０．２０〜３．０、及び
Ｃｕ：２．０以下を含むとともに、次式Ａ値が１０．０〜３５．０％で、残部Ｆｅ及び不可避不純物でなるオーステナイト系ステンレス鋼で構成され、
Ｈｖ硬度：１５０〜３５０で、かつ温度２０℃におけるポアソン比（Ｐ）が０．１８〜０．２８であることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料。
Ａ＝｛６．２Ｎｉ＋０．７Ｃｒ＋３．２Ｍｎ＋９．３Ｍｏ＋５０（Ｃ＋Ｎ）｝／１４．３Ｃｕ
更に質量％で、Ｎｂ：０．０５〜２．５、Ｔｉ：０．０５〜１．８、Ｂ：０．００１〜０．１０のいずれか１種以上を含有する請求項１に記載の高強度加工用ステンレス材料。
請求項１又は２に記載の前記ステンレス材料でなる等価換算線径が５ｍｍ以下の線条材であって、引張試験における絞り特性（Ｒ）６０〜８０％、かつ伸び特性（Ｅ）２０〜４０％を更に備えることを特徴とする高強度加工用ステンレス鋼線。
表面は、該ステンレス鋼線の線径の２０／１０００倍以下の厚さのＮｉ又はＣｕの金属外装材で被覆されてなる請求項３に記載の高強度加工用ステンレス鋼線。
平均表面あらさ（Ｒｚ）が０．２〜１．０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の高強度加工用ステンレス鋼線。
前記ステンレス鋼線は、更にスキンパス加工によってその表面層に加工歪を有することを特徴とする請求項５に記載の冷間圧造用ステンレス鋼線。
請求項１〜６のいずれか記載のステンレス材料又はステンレス鋼線が、更に圧造加工、転造加工又はプレス加工のいずれか塑性加工によって所定形状に成形され、加工誘起マルテンサイト量が２％以下であることを特徴とする耐水素脆性用のステンレス鋼成形品。
前記塑性加工が冷間加工又は温度２００℃以下の温間加工によるものであることを特徴とする請求項７に記載のステンレス鋼成形品。