JP6424865B2 - フェライト相とマルテンサイト相の2相からなる鋼組織を有するステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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2600C+1700N−20Si+20Mn−40Cr+50Ni+1460≦TH≦2600C+1700N−20Si+20Mn−40Cr+50Ni+1660 ・・・(1)式
上記(1)式において元素記号は各元素の含有量(質量%)を意味する。
Cは、ステンレス鋼に不可避的に含まれる元素であり、マルテンサイトの生成を促進して強度を上昇させる元素である。その効果はC含有量を0.005%以上にすることで得られる。一方で、Cを過剰に含有すると、穴拡げ加工時に亀裂の起点となる炭窒化物の析出を促進して、穴拡げ性が低下する。この低下はC含有量が0.020%超で顕著となる。よって、Cの含有量は、0.005〜0.020%の範囲とする。より好ましくは、0.008〜0.018%の範囲である。
Nは、ステンレス鋼に不可避的に含まれる元素であり、マルテンサイトの生成を促進して強度を上昇させる元素である。その効果はN含有量が0.005%以上で得られる。一方で、N含有量が過剰になると、穴拡げ加工時に亀裂の起点となる炭窒化物の析出を促進して、穴拡げ性が低下する。この低下はN含有量が0.020%超で顕著となる。よって、Nの含有量は、0.005〜0.020%の範囲とする。より好ましくは、0.008〜0.018%の範囲である。
Siは、脱酸剤として用いられる元素であり、固溶強化によりステンレス鋼の強度を上昇させる元素である。その効果を得るには0.05%以上含有することが必要である。しかし、Siはフェライト安定化元素であるため、過剰の添加はマルテンサイトの生成を阻害し、強度を低下させる。その影響は含有量が0.50%を超えると顕著となる。このため、Siの含有量は0.05〜0.50%の範囲とする。より好ましくは、0.11〜0.40%である。
Mnは、オーステナイト安定化元素であり、マルテンサイトの生成を促進して、強度を上昇させる元素である。その効果はMn含有量を0.05%以上にすることで得られる。しかし、Mn含有量が3.0%を超えると、粗大なMnSの生成が促進され、穴拡げ加工時に亀裂発生が促進される。よって、Mn含有量は0.05〜3.0%の範囲とする。より好ましくは、0.11〜2.0%の範囲である。さらに好ましくは、1.1〜1.9%の範囲である。
Pは、熱間加工性の点から少ない方が好ましく、その含有量の許容される上限値を0.04%とする。より好ましくは、P含有量が0.035%以下である。
Sは、熱間加工性および耐食性の点から少ない方が好ましく、その含有量の許容される上限値を0.02%とする。好ましくは、S含有量が0.005%以下である。
Crは、ステンレス鋼において、不動態皮膜を形成し、耐食性を確保するために必須の元素である。その効果を得るためにはCr含有量を9.0%以上にすることが必要である。しかし、Crはフェライト安定化元素であるため、過剰の添加はマルテンサイトの生成を阻害し、マルテンサイト相の体積率増加による強度の上昇が困難となる。具体的には、Cr含有量が16.0%を超えると適切なマルテンサイト相体積率を得ることが困難となる。よって、Cr含有量は、9.0〜16.0%の範囲とする。より好ましくは、10.5〜13.0%である。さらに好ましくは、11.5〜12.5%である。
Niは、Mnと同様に、オーステナイト安定化元素であり、マルテンサイトの生成を促進して、強度を上昇させる元素である。その効果はNi含有量を0.1%以上にすることで得られる。しかし、Ni含有量が5.0%を超えると、後述する層状のフェライト相の形成が困難となり、穴拡げ性が低下する。よって、Ni含有量は0.1〜5.0%の範囲とする。より好ましくは、0.3〜3.0%の範囲である。さらに好ましくは、0.5〜2.5%の範囲である。
NbおよびTiは、鋼中のC、Nと炭化物、窒化物、炭窒化物を生成してCrの炭窒化物の生成を抑制し、鋭敏化による耐食性の低下を抑制する元素である。本発明では、固溶したC、Nを炭窒化物などの生成により減少させることでフェライト相の生成を促進し、板厚方向のフェライト相の密度を増加させ穴拡げ性を向上させる効果もある。その効果は、Nbおよび/またはTiの合計の含有量(Nbを含まない場合はNb含有量を0とし、Tiを含まない場合はTi含有量を0として合計を算出する。)が0.05%以上で得られる。より好ましくは0.20%以上である。さらに好ましくは0.25%以上である。一方で、Nbおよび/またはTiの合計の含有量が過剰の場合、炭窒化物の粗大化を招き、穴拡げ加工時に亀裂の発生を促進する。その影響は、Nbおよび/またはTiの合計の含有量が0.50%超で顕著となる。よって、Nbおよび/またはTiの合計の含有量を0.05〜0.50%とする。より好ましくは、0.10〜0.45%である。また、Ti含有量、Nb含有量がそれぞれ0.35%を超えると熱間加工性が低下し製造が困難となるため、Nb含有量を0.35%以下、Ti含有量を0.35%以下として、Nbおよび/またはTiの合計:0.05〜0.50%を満たすことが好ましい。
Alは、一般的には脱酸のために有用な元素であり、その効果を得るためにはAl含有量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、Al含有量が0.20%を超えると、粗大なAl系介在物が生成して穴拡げ加工時に亀裂の発生を促進して、穴拡げ加工性を低下させる。よって、Alを含有する場合、Al含有量は0.20%以下とする。より好ましくは、0.03〜0.14%の範囲である。
Vは、TiやNbと同様に窒化物を生成し、鋭敏化による耐食性低下を抑制する元素である。その効果を得るためにはV含有量を0.005%以上にすることが好ましい。しかし、V含有量が0.20%を超えると熱間加工性が低下し、製造が困難となる。よって、Vを含有する場合、V含有量は0.20%以下とする。より好ましくは、0.01〜0.10%である。
Cuは、耐食性を向上させる元素であり、特に隙間腐食を低減させる元素である。このため、高い耐食性が要求される場合に、Cuを添加することが好ましい。耐食性向上効果を十分に発揮させるためにはCu含有量を0.3%以上とすることが好ましい。しかし、Cu含有量が1.0%を超えると、Cuの析出物が形成され耐食性が低下する。よって、Cuを含有する場合には、その上限を1.0%とする。より好ましいCu含有量の範囲は、0.3〜0.5%である。
Moは、耐食性を向上させる元素である。このため、特に高い耐食性が要求される場合にMoを添加することが好ましい。耐食性を十分に発揮させるためにはMo含有量を0.03%以上にすることが好ましい。しかし、Mo含有量が2.0%を超えると、冷間での加工性が低下するうえ、熱間圧延での肌荒れが起こりやすくなり、表面品質が低下する。よって、Moを含有する場合には、その上限を2.0%とする。より好ましいMo含有量の範囲は、0.1〜1.0%である。
Wは、耐食性を向上させる元素である。このため、特に高い耐食性が要求される場合にWを添加することが好ましい。その効果を得るためにはW含有量を0.01%以上にすることが好ましい。しかし、過剰のW含有は熱間強度を上昇させ、製造性を低下させる。よって、Wの含有量は1.0%以下とした。
Coは、靭性を向上させる元素である。このため、さらに高い靭性が要求される場合にCoを添加することが好ましい。その効果を得るためにはCo含有量を0.01%以上にすることが好ましい。しかし、過剰のCo含有は製造性を低下させる。よって、Co含有量は0.5%以下とした。
Caは、連続鋳造の際に発生しやすいTi系介在物析出によるノズルの閉塞を抑制する元素である。その効果を得るためにはCa含有量を0.0001%以上にすることが好ましい。しかし、過剰のCa含有は水溶性介在物であるCaSを生成し、耐食性を低下させる。よって、Ca含有量は0.01%以下とした。さらに好ましくは0.005%以下である。
Bは二次加工脆性を改善する元素であり、その効果を得るためには、B含有量を0.0001%以上にすることが好ましい。しかし、Bを過剰に含有すると、BNなどの析出物の形成を促進し、穴拡げ加工性が低下する。よってB含有量は0.01%以下とした。さらに好ましくは0.003%以下である。
Mgはスラブの等軸晶率を向上させ、加工性の向上に寄与する元素である。その効果を得るためにはMg含有量を0.0001%以上にすることが好ましい。しかし、Mgを過剰に含有すると、鋼の表面性状が悪化する。よって、Mg含有量は0.01%以下とした。
REMは耐酸化性を向上して、酸化スケールの形成を抑制する元素である。REMの中でも、特にLa、Ceが有効である。その効果を得るためにはREM含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。しかし、過剰にREMを含有すると、酸洗性などの製造性を低下させるうえ、コストの増大を招く。よってREM含有量は0.05%以下とした。
マルテンサイト相は非常に強度の高い組織であり、本発明鋼の強度を上昇させる重要な相である。マルテンサイト相の体積率が上昇するほど本発明のステンレス鋼の強度は上昇する。本発明の目標である800MPa以上のTSを得るためには、マルテンサイト相の体積率を70%以上にすることが必要である。一方で、体積率で100%マルテンサイト相の組織としてしまうと、穴拡げ加工時に亀裂の伝播を阻害するマルテンサイト相とフェライト相の相境界が得られなくなり、穴拡げ加工性が低下する。そのため、マルテンサイト相の体積率の上限を98%とした。よって、マルテンサイト相の体積率は70%〜98%とする。好ましくは、80%〜95%である。
本発明における穴拡げ加工性の向上にとって最も重要な因子は、亀裂の伝播を阻害するフェライト相とマルテンサイト相の相境界が、圧延方向に平行な板厚断面において板厚方向に多数存在する組織とすることである。フェライト相とマルテンサイト相の相境界が板厚方向に層状に多数存在することで本発明では優れた穴拡げ加工性を実現している。本発明では、マルテンサイト相の体積率が70%以上であるため、金属組織としては、マルテンサイト相のマトリックスにフェライト相が点在するような組織となる。図1に本発明の鋼組織の例を示す。エッチング液は村上試薬赤血塩のアルカリ溶液(赤血塩10g、カセイカリ10g、水100cc)を用いた。白い領域(色が薄い灰色領域)がマルテンサイト相、黒い領域(色が濃い灰色領域)がフェライト相である。それぞれの相の領域は、単一の結晶粒ではなく、複数の結晶粒で構成されている。ここで、フェライト相の領域の形状が圧延方向に十分に広がったパンケーキ状の形状をしていない場合(即ち、圧延方向に平行な板厚断面において圧延方向に100μm以上の長さがあるフェライト相が存在しない場合)、フェライト相とマルテンサイト相の相境界を回避して亀裂が伝播してしまうため、フェライト相の存在が穴拡げ加工性を向上させることにつながらない。したがって、穴拡げ加工時に亀裂の伝播を阻害するためには、フェライト相が圧延方向および板幅方向に十分に広がった形状をしている必要がある。亀裂の伝播挙動を解析した結果、フェライト相が亀裂伝播方向に対して垂直に100μm以下(即ち、圧延方向に100μm以下)の広がりしかない場合、フェライト相を回避して亀裂が伝播する場合があることが確認できた。そこで、本発明では考慮するフェライト相の圧延方向の長さを100μm以上とした。また、穴拡げ加工の場合、亀裂は板厚方向に伝播するため、板厚方向に多数のフェライト相とマルテンサイト相の相境界が存在する方が亀裂の伝播抑制のためには望ましい。そこで本発明では、圧延方向に平行な板厚断面において板厚方向に10個/mm以上の密度でフェライト相が存在することとした。
本発明のステンレス鋼は高い強度と優れた穴拡げ加工性を両立させたステンレス鋼である。引張試験による引張強度(TS)が800MPa以上、JISに準拠した穴拡げ試験による穴拡げ率が90%以上であれば高い強度と優れた穴拡げ加工性の両立が可能である。
2600C+1700N−20Si+20Mn−40Cr+50Ni+1460≦TH≦2600C+1700N−20Si+20Mn−40Cr+50Ni+1660 ・・・(1)式
上記(1)式において元素記号は各元素の含有量(質量%)を意味する。
(ここで、df:試験後穴直径(mm)、d0:初期穴直径(mm))
一方、本発明例では、800MPa以上の高い引張強度と90%以上の優れた穴拡げ率が両立できるステンレス鋼を得られた。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.005〜0.020%、N:0.005〜0.020%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.05〜3.0%、P:0.04%以下、S:0.02%以下、Cr:9.0〜16.0%、Ni:0.1〜5.0%、Nbおよび/またはTiの合計:0.05〜0.50%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成と、
フェライト相とマルテンサイト相の2相からなり、前記マルテンサイト相の体積率が70〜98%であり、圧延方向に平行な板厚断面において圧延方向に100μm以上の長さがあるフェライト相が板厚方向に10個/mm以上の密度で存在する鋼組織とを有し、
引張強度(TS)が800MPa以上、穴拡げ率が90%以上であるフェライト相とマルテンサイト相の2相からなる鋼組織を有するステンレス鋼。 - 前記成分組成は、さらに、質量%で、Al:0.20%以下、V:0.20%以下、Cu:0.3%以上1.0%以下、Mo:2.0%以下、W:1.0%以下、Co:0.5%以下のうち1種または2種以上を含有する請求項1に記載のフェライト相とマルテンサイト相の2相からなる鋼組織を有するステンレス鋼。
- 前記成分組成は、さらに、質量%で、Ca:0.01%以下、B:0.01%以下、Mg:0.01%以下、REM:0.05%以下のうち1種または2種以上を含有する請求項1または2に記載のフェライト相とマルテンサイト相の2相からなる鋼組織を有するステンレス鋼。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のフェライト相とマルテンサイト相の2相からなる鋼組織を有するステンレス鋼の製造方法であって、
加熱温度TH (℃)を(1)式で定める温度として、鋼を熱間圧延し、
前記熱間圧延後の鋼板を、焼鈍温度を850℃以上1050℃以下とする条件で1s以上15min以下の焼鈍を行うフェライト相とマルテンサイト相の2相からなる鋼組織を有するステンレス鋼の製造方法。
2600C+1700N−20Si+20Mn−40Cr+50Ni+1460≦TH≦2600C+1700N−20Si+20Mn−40Cr+50Ni+1660 ・・・(1)式
上記(1)式において元素記号は各元素の含有量(質量%)を意味する。
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