JP7190559B2 - 拡管加工性及び耐時効割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
(1)Md30(℃)=551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
ここで、C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Moは、各元素の含量(重量%)を意味する。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、真ひずみ0.3~0.4範囲での加工硬化指数n値が0.45~0.5範囲を満足することがよい。
前記平均結晶粒サイズは、45μm以上であることが好ましい。
(2)HER=(Dh-D0)/D0×100
ここで、Dhは、破断後の内径、D0は、初期内径を意味する。
(1)Md30(℃)=551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
ここで、C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Moは、各元素の含量(重量%)を意味する。
本発明では、304材質規格の範囲を満足する材料強度(降伏強度230MPa以上、引張強度550MPa以上)の確保と同時に優れたホール拡管加工性と耐時効割れ特性を有する鋼材の開発を目標とした。304成分規格及び材質規格を満足する範囲内で、自動車の燃料注入管の成形工程で要求されるホール(Hole)拡散性と耐時効割れ性を同時に確保することは容易ではない。一般的に、304鋼は、TRIP(Transformation Induced Plasticity)特徴を有する鋼であって、0.5以上の高い加工硬化指数(n)を活用してシンク、洋食器などに用いられる鋼種である。しかし、304鋼は、TRIPにより発生する多量のマルテンサイトの生成によって燃料注入管の成形時に時効割れが引き起こされる問題がある。
図1に示したとおり、自動車の燃料注入管の成形は、直径28.6mmのチューブの一側端部を4~5段階にわたって直径約50mmまで拡管加工し、そのために、70%以上の拡管率が要求される。また、最終拡管された燃料注入口は、カーリング工程を通じて直径59mmまで成形されて拡管率100%を超過することになる。
このように、一般の304鋼をそのまま燃料注入管で成形すると、要求される高い拡管率を満たすことができずに燃料注入管の注入口の円周方向に多数のクラック(時効割れ)が発生することになる。このため、耐時効割れ性の確保のために、一般的にMd30(℃)値のみを低めて加工硬化指数n値を0.5以下に管理する方法があるが、これは、低いホール拡管率により図1のような5~6段階の拡管/カーリング加工段階でクラックが発生する問題が発生する。したがって、本発明では、高いホール拡管加工性と耐時効割れ性を同時に満足する具体的な冷燃製品の成分系組成範囲とパラメータを追求した。
以下、本発明の実施例での合金元素含量の数値限定理由について説明する。以下では、特に言及がない限り、単位は、重量%である。
鋼中のCは、オーステナイト相の安定化元素であって、多量添加するほどオーステナイト相が安定化する効果があるので、0.01%以上添加する必要はあるが、0.04%以上含有すると、変形誘起マルテンサイトを硬質化して成形中にひどく変形された部位で時効割れ(season crack)を発生させる。
鋼中のSiは、製鋼段階で脱酸剤として添加される成分であり、一定量を添加するとき、光輝焼鈍(Bright Annealing)工程を経る場合、不働態皮膜にSi-Oxideを形成して鋼の耐食性を向上させる効果がある。しかし、1.0%を超過して含有するとき、鋼の軟性を低下させる問題がある。
鋼中のMnは、オーステナイト相の安定化元素であって、多量含有するほどオーステナイト相が安定化するので、0.1%以上添加するが、過度に添加すると、耐食性を阻害するので、2%以下に制限する。
鋼中のCrは、耐食性の改善のための必須元素であって、耐食性の確保のために16.0%以上添加する必要があるが、過度に添加するときには、素材を硬質化して拡管加工性などの成形性を不利に低下させるので、20.0%に制限する。
鋼中のニッケルは、オーステナイト相の安定化元素であって、多量添加するほどオーステナイト相が安定化して素材を軟質化し、変形誘起マルテンサイトの発生に起因する加工硬化の抑制のために6.0%以上添加する必要がある。しかし、高価なNiを過度に添加すると、費用上昇の問題が発生するので、10.0%に制限する。
鋼中のCuは、オーステナイト相の安定化元素であって、添加するほどオーステナイト相が安定化して変形誘起マルテンサイトの発生に起因する加工硬化を抑制する効果があるので、0.1%以上を添加する。しかし、2.0%を超過して添加すると、耐食性が低下する問題及び費用上昇の問題がある。
鋼中のMoは、添加するとき耐食性と加工性を向上させる効果があるが、過度な添加は、費用上昇を伴うので、0.2%以下に制限する。
鋼中のNは、オーステナイト相の安定化元素であって、多量添加するほどオーステナイト相を安定化する効果及び材料の強度向上のために0.035%以上添加する必要はあるが、0.07%を超過して含有すると、変形誘起マルテンサイトを硬質化して成形中にひどく変形された部位で時効割れを発生させる。
C+Nの含量を0.06%以上に制御することで、本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼は、降伏強度(YS)230MPa以上及び引張強度(TS)550MPa以上を示すことができ、304材質規格を満足する。C+Nが0.1%を超過する場合には、Md30値と加工硬化指数n値は低くなるが、強度が過度に高くなって素材が軽くなるので、むしろ時効割れの発生可能性が高くなる。
また、本発明の一実施例による拡管加工性及び耐時効割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼は、Md30(℃)値と平均結晶粒サイズ(Grain Size、μm)の積が-500未満を満足する。
(1)Md30(℃)=551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
例えば、本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼のMd30値は、-10℃以下、平均結晶粒サイズ(GS)は、45μm以上であることがよい。
Md30値は、加工誘起マルテンサイトの生成量だけではなく、加工硬化指数にも影響を及ぼす。これによって、本発明の一実施例による拡管加工性及び耐時効割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼は、真ひずみ0.3~0.4範囲での加工硬化指数n値が0.45~0.5の範囲を満足することができる。大部分の300系オーステナイトステンレス鋼素材は、変形初盤である真ひずみ10~20%で0.3~0.4範囲の加工硬化指数(n)を有するが、オーステナイト安定化度(Md30)によって変形後半である真ひずみ30%以上では、0.55以上の加工硬化指数を有する。
これによって、本発明の一実施例によるオーステナイト系ステンレス鋼の時効割れ限界絞り比(Limited Drawing Ratio)は、2.97以上であってもよい。時効割れ限界絞り比は、時効割れが発生しない限界絞り比を意味し、絞り加工時の素材の最大直径(D)とパンチ直径(D’)の比(D/D’)を意味する。
本発明では、Md30値、最終冷燃製品の平均結晶粒サイズ及びC+N含量範囲を調和させることで、優れた拡管加工性及び耐時効割れ性を確保することができ、自動車の燃料注入管用拡管/カーリング成形時にもクラックの発生を防止することができる。
(2)HER=(Dh-D0)/D0×100
ここで、Dhは、破断後の内径、D0は、初期内径を意味する。
表1に示した成分系のオーステナイト系ステンレス鋼を、一部は、Lab.真空溶解を行ってインゴット(Ingot)を製造し、一部は、電気炉-VOD-連続工程を経てスラブ(Slab)を製造した。製造されたインゴットとスラブは、1,240℃で1~2時間再加熱した後、粗圧延機と連続仕上げ圧延機により熱延剤で製造し、1,000~1,100℃の温度で熱延焼鈍を行った後に冷間圧延及び冷延焼鈍を行った。
実施例1~7は、Md30値を-10℃以下に管理し、平均結晶粒サイズを45μm以上に製造して、Md30(℃)× Grain Size(μm)パラメータ値を-500以下に制御することで、一軸引張試験で真ひずみ(true strain)0.3~0.4区間での加工硬化指数(n)が0.45~0.5の範囲を有し、チューブ拡管加工及びカーリング加工でクラックが発生しないことが確認された。
比較例6、7、11、12、15、16、17、18、21、23は、-5℃以下の低いMd30値を有するが、45μm未満の微細な結晶粒サイズによって真ひずみ0.3~0.4区間で加工硬化指数(n)が0.45以下の区間を含むので、チューブ拡管加工及びカーリング加工後にクラックが発生した。
比較例4、5、8、9、13、14、19、20は、0℃以上の高いMd30値によって真ひずみ0.3~0.4区間で加工硬化指数(n)が0.5以上の範囲を含み、これによって、チューブ拡管加工及びカーリング加工後に多くの加工誘起マルテンサイトを生成して、時効割れによるクラックが発生した。
表1に記載した実施例と比較例の鋼種のうちその一部に対して時効割れ限界絞り比とホール拡管率(Hole Expansion Rate、HER)を測定した。
時効割れ限界絞り比は、時効割れが発生しない限界絞り比であって、絞り加工時の素材の最大直径(D)とパンチ直径(D’)の比(D/D’)を意味する。
比較例2、6、7、12、15、23は、-5℃以下の低いMd30値を有するが、30μm以下の微細な結晶粒サイズにより70%以下の拡管率を示した。
比較例4、5、8、9、14、19、20は、0℃以上の高いMd30値により2.97未満の時効割れ限界絞り比を示した。
Claims (4)
- 重量%で、C:0.01~0.056%、Si:0.1~1.0%、Mn:0.1~2.0%、Cr:16.0~20.0%、Ni:6.0~10.0%、Cu:0.1~2.0%、Mo:0.2%以下、N:0.035~0.07%、残りFe及び不可避な不純物からなり、
C+Nは、0.06~0.1%の範囲を満足し、
下記式(1)で表示されるMd30値は、-10℃以下であり、
平均結晶粒サイズは、42μm以上であり、
下記式(1)で表示される前記Md30(℃)値と前記平均結晶粒サイズ(μm)の積が-500未満を満足することを特徴とする拡管加工性と耐時効割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
(1)Md30(℃)=551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
(ここで、C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Moは、各元素の含量(重量%)を意味する) - 真ひずみ0.3~0.4範囲での加工硬化指数n値が0.45~0.5の範囲を満足す
ることを特徴とする請求項1に記載の拡管加工性と耐時効割れ性に優れたオーステナイト
系ステンレス鋼。 - 前記ステンレス鋼の時効割れ限界絞り比(Limited Drawing Ratio)は、2.97以上であることを特徴とする請求項1に記載の拡管加工性と耐時効割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
- 下記式(2)で表示されるホール拡管率(HER)が72%以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の拡管加工性と耐時効割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
(2)HER=(Dh-D0)/D0×100
(ここで、Dhは、破断後の内径、D0は、初期内径を意味する)
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