JP7256792B2 - 加工性およ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のドローイング加工品 - Google Patents

加工性およ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のドローイング加工品 Download PDF

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Description

本発明は、加工性およ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ドローイング加工品に係り、より詳しくは、シンクコーナーの曲率半径が50mm以下であるデザインシンク(Design Sink)に適用しても、時効割れまたは遅れ破壊などの欠陥が発生しない加工性およ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ドローイング加工品に関する。
台所用流し台のシンクボウルには、一般的にステンレス鋼が用いられる。主として300系汎用ステンレス鋼が使用されるが、一般的なシンクボウルの形状には成形性に問題がないため、広く使用されている。
しかしながら、最近、市場における競争力を強化するために、多様かつ複雑な形状のシンクボウルを設計しようとする試みが多くなっており、特に、Tight Radius Cornerを適用したシンクであるデザインシンク(Design Sink)の場合、通常、50mm以下のコーナー曲率半径(R)を有する。STS304のようなオーステナイト系ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼より格別に加工性に優れているが、デザインシンクに加工するときには、エッジ部分でたまにクラックが発生する。
図1は、エッジコーナーの曲率半径(R)が20mmであるデザインシンクモデルの成形時に変形量の分布を示す。図1に示したとおり、ドローイング加工時にフランジ部から底部につながるエッジに変形量が集中し、これによる集中変形部分にクラックが発生することになる。
このような問題点を解決するために、Cuを添加したオーステナイト系ステンレス鋼を使用して製品を製作しようとする試みがあったが、材料固有の加工硬化値の具体的制御方法を提示していないので、エッジ部分のクラック問題は依然として残存する課題となっている。
また、最近では、304材質規格(EN、KS)である降伏強度230MPa以上および引張強度540MPa以上を満たす鋼が要求されており、単にCu、Niを添加して軟質化したオーステナイト系ステンレス鋼では限界があるのが現状である。
本発明の目的とするところは、シンクコーナーの曲率半径が50mm以下であるデザインシンク(Design Sink)に適用しても、時効割れまたは遅れ破壊などの欠陥が発生しない加工性およ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のドローイング加工品を提供することにある
本発明の加工性およ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、重量%で、C:0.01~0.04%、Si:0.1~1%、Mn:0.1~2%、Ni:6~10%、Cr:16~20%、Cu:1~2%、Mo:0.01~0.2%、N:0.035~0.07%、残りのFeおよび不可避な不純物からなり、下記式(1)で表されるオーステナイト安定化パラメーター(ASP)値が-3以下であり、真ひずみ率0.3~0.4の範囲で加工硬化指数n値が0.4~0.5の範囲を満たすことを特徴とする。
(1)565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Cu
ここで、C、N、Si、Mn、Ni、Cr、Cuは、各元素の含量(重量%)を意味する。
本発明の一実施例によれば、前記ステンレス鋼は、下記式(2)を満たすことができる。
(2)Cu/(100*N)≦0.55
ここで、Cu、Nは、各元素の含量(重量%)を意味する。
本発明の一実施例によれば、前記ステンレス鋼は、降伏強度(YS)230MPa以上および引張強度(TS)540MPa以上であることがよい。
前記ステンレス鋼は、下記式(3)を満たすことが好ましい。
(3)100*N-(Mn+Cu)≧0
ここで、N、Mn、Cuは、各元素の含量(重量%)を意味する。
本発明のステンレス鋼は、孔食電位が245mV以上であることができる。
本発明の加工性およ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のドローイング加工品は、前記ステンレス鋼をパンチを用いてドローイング加工したとき、前記ドローイング加工品の底面および底面から10mm、20mm、30mm、40mmの側壁位置で測定された変形誘起マルテンサイトの量が、それぞれ、1.0%、1.0%、5.0%、10%、15%未満を満たすことを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、前記ドローイング加工品は、加工24時間後に時効割れが発生しないことが好ましい。
本発明によれば、本発明の加工性およ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、シンクコーナーの曲率半径が50mm以下であるデザインシンク(Design Sink)に適用しても、時効割れまたは遅れ破壊などの欠陥を防止することができる。
また、降伏強度230MPa以上および引張強度540MPa以上を確保し、材質規格を満たし、孔食電位245mV以上を示して、耐食性に優れる効果を有す。
エッジコーナーの曲率半径が20mmであるデザインシンクモデルの成形時に変形量の分布を示す。 本発明の実施例によるオーステナイト系ステンレス鋼と比較鋼の真ひずみ率と加工硬化指数との相互関係を示すグラフである。 パンチを用いたカップドローイング(Cup Drawing)加工を模式的に示す断面図である。 カップドローイング加工後に加工品の変形誘起マルテンサイトの量を測定した位置と測定結果を示す。
本発明の加工性およ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、重量%で、C:0.01~0.04%、Si:0.1~1%、Mn:0.1~2%、Ni:6~10%、Cr:16~20%、Cu:1~2%、Mo:0.01~0.2%、N:0.035~0.07%、残りのFeおよび不可避な不純物からなり、下記式(1)で表されるオーステナイト安定化パラメーター(ASP)値が-3以下であり、真ひずみ率0.3~0.4の範囲で加工硬化指数n値が0.4~0.5の範囲を満たす。
(1)565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Cu
ここで、C、N、Si、Mn、Ni、Cr、Cuは、各元素の含量(重量%)を意味する。
以下では、本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。但し、以下の実施例は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明の思想を十分に伝達するために提示するものである。本発明は、ここで提示した実施例のみに限定されず、他の形態に具体化されることもできる。図面は、本発明を明確にするために説明と関係ない部分の図示を省略し、理解を助けるために構成要素のサイズを多少誇張して表現することがある。
本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼板をクラックなしにデザインシンクに成形できる加工条件を研究したが、単純な加工条件の制御だけでは、割れの発生を抑制することができないので、新しいオーステナイト系ステンレス鋼を開発することになった。
最近、シンク製品の意匠性を強調するトレンドに伴い、プレス成形品には、複雑な形成またはエッジコーナーの曲率半径(R)が50mm以下であるデザインシンク(Design Sink)のニーズが増加している。STS304鋼種は、優れたディープドローイング性を有するが、複雑形状の加工またはデザインシンク加工時にクラックがたまに発生する。このような点から、プレス成形により複雑な形状であるか、コーナー曲率半径(R)が50mm以下に管理されるデザインシンク製品の場合、ディープドローイング性だけでなく、加工硬化指数を制御することが重要であることが分かった。
本発明によると、成分系組成と共に、オーステナイト安定化パラメーター(Austenite Stability Parameter、以下、“ASP”という)値による加工硬化指数を制御して、加工性および耐時効割れ特性を確保することができる。
本発明の一実施例による加工性およ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、重量%で、C:0.01~0.04%、Si:0.1~1%、Mn:0.1~2%、Ni:6~10%、Cr:16~20%、Cu:1~2%、Mo:0.01~0.2%、N:0.035~0.07%、残りのFeおよび不可避な不純物からなる。
以下、本発明の実施例における合金成分の含量の数値限定理由について説明する。以下では、特別な言及がない限り、単位は、重量%である。
炭素(C)の含量は、0.01~0.04%である。
鋼に含まれる炭素は、オーステナイト相安定化元素であって、多く添加するほどオーステナイト相が安定化される効果があり、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、シンク成形中にひどく変形された部位で時効割れ(season cracking)を発生させる虞がある。
シリコン(Si)の含量は、0.1~1.0%である。
鋼に含まれるシリコンは、製鋼段階で脱散剤として添加される成分であり、一定量添加時に光輝焼なまし(Bright Annealing)工程を経る場合、不動態被膜にSi-Oxideを形成して、鋼の耐食性を向上させる効果がある。しかしながら、1.0%以上含有するとき、鋼の軟性を低下させる問題がある。
マンガン(Mn)の含量は、0.1~2.0%である。
鋼に含まれるマンガンは、オーステナイト相安定化元素であって、多く含有するほどオーステナイト相が安定化されて、0.1%以上添加するが、過度に添加すると、耐食性を低下させるので、2%以下に制限することがよい。
ニッケル(Ni)の含量は、6.0~10.0%である。
鋼に含まれるニッケルは、オーステナイト相安定化元素であって、多く添加するほどオーステナイト相が安定化されて、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%以上添加することが必要である。しかしながら、高価なニッケルを過度に添加することになると、費用上昇の問題が発生するため10%に制限することがよい。
クロム(Cr)の含量は、16.0~20.0%である。
鋼に含まれるクロムは、耐食性の改善のための必須元素であって、大気環境およびシンク用途での耐食性の確保のために16%以上添加することが必要であるが、過度の添加は、素材を硬質化し、ディープドローイング性などの成形性を低下さ不利になるので、20%以下に制限することがよい。
銅(Cu)の含量は1.0~2.0%である。
鋼に含まれる銅は、オーステナイト相安定化元素であって、多く添加するほどオーステナイト相が安定化されて、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、1%以上を添加する。しかしながら、2%以上を添加すると、耐食性が低下する問題および費用上昇の問題がある。
モリブデン(Mo)の含量は、0.01~0.2%である。
鋼に含まれるモリブデンは、耐食性と加工性を向上させる効果があるので、0.01%以上を添加するが、過度な添加は、費用上昇を伴うので、0.2%以下に制限することがよい。
窒素(N)の含量は、0.035~0.07%である。
鋼に含まれる窒素は、オーステナイト相安定化元素であって、多く添加するほどオーステナイト相を安定化させる効果があり、材料の強度向上のためには0.035%以上添加する必要があるが、0.07%以上含有すると、変形誘起マルテンサイトを硬質化して、シンク成形中にひどく変形された部位で時効割れ(season cracking)を発生させる虞がある。
また、前記成分系組成と共に、下記式(1)で表されるオーステナイト安定化パラメーター(ASP)値が-3以下を満たすことがよい。
(1)565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Cu
図2は、本発明の実施例によるオーステナイト系ステンレス鋼と比較鋼の真ひずみ率と加工硬化指数との相互関係を示すグラフである。
図2に示したとおり、多くの300系オーステナイトステンレス鋼の素材は、変形初期である真ひずみ率10~20%で0.3~0.4の範囲の加工硬化指数(n)を有するが、オーステナイトの安定化度によって変形後半である真ひずみ率30~40%では、0.55~0.65の範囲の加工硬化指数を有する。コーナー曲率半径(R)が小さいデザインシンクの場合、上述した現象を避ける変形初期の加工硬化指数と変形後半の加工硬化指数が類似した素材を製造することが重要である。
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は、オーステナイト安定化パラメーター(ASP)値が-3以下を満たして、真ひずみ率0.3~0.4の範囲で加工硬化指数n値が0.4~0.5の範囲を示すことができる。
一方、シンク成形業者の観点から、素材の優れた成形性も重要であるが、各国家別の材質規格を保証することが必須の事案として注目されることもある。Cuを添加する高成形性オーステナイト系ステンレス鋼の場合にも、304材質規格である材料の強度を保証しない問題があるので、本発明では、加工性および耐時効割れ特性を有すると同時に、材質規格を満たす優れた材料強度および耐食性の確保が可能な鋼材を開発することを目的にした。
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は、下記式(2)を満たすことができる。
(2)Cu/(100*N)≦0.55
CuとNの含量を前記式(2)を満たすように制御することによって、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以上および引張強度(TS)540MPa以上を確保することができる。
また、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は、下記式(3)を満たすことができる。
(3)100*N-(Mn+Cu)≧0
真ひずみ率0.3~0.4の範囲で加工硬化指数n値が0.4~0.5の範囲を満たすように、オーステナイト安定化パラメーター(ASP)を制御するために、Mn、Cuの含量を高める場合、デザインシンクで要求されるSTS304水準の耐食性を確保することができない。したがって、N、Mn、Cuの含量を前記式(3)を満たすように制御することによって、本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼は、孔食電位245mV以上を確保することができる。
図3は、パンチを用いたカップドローイング(Cup Drawing)加工を模式的に示す断面図である。
ディープドローイングは、ドローイングダイ2の上に円形ブランク(blank)を載置した後、ブランクホルダー3で前記円形ブランクを適当な圧力で押す。次に、パンチ1が円形ブランクをダイ2内に引っ張って入ることになり、この際、素材の中心部は、徐々にドローイングされると同時に、素材の外周部は、ダイの側面を滑りながらダイ2内に流入する。
一般的に、ディープドローイング時に、パンチ1の底面を取り囲む素材の底面部10では、厚さの減少に伴い、この部分の応力状態は、二軸引張状態になる。
フランジ部30では、素材が半径方向であるダイ2の入口側にドローイングされるので、円周方向に圧縮変形が起こり、半径方向には引張変形が起こる。前記圧縮変形と引張変形の主変形作用として、フランジ部30では、厚さの増加が起こる。すなわち、フランジ部30は、素材のシール厚みが厚くなると同時に、圧縮変形による加工硬化によって素材の強度が上昇することになる。
側壁部20は、ダイ2の側面に沿って上下に引っ張られながらドローイングされるので、素材の厚みが薄くなると同時に、加工硬化により素材の強度が上昇するが、一般的に、フランジ部30の加工硬化程度よりは非常に低い。
ドローイングが進行されるにつれて、同じ破断限界を有するブランクのフランジ部30と側壁部20とでは、破断限界の差異が発生することになる。すなわち、フランジ部30は、[高い強度×厚い厚み]の破断限界を有することになり、側壁部20は、[多少高い強度×薄い厚み]の破断限界を有することになって、破断限界が不均一になり、ドローイング時に強度が弱い部分に変形が集中してクラックが発生する。
コーナー曲率半径(R)が小さいデザインシンク(Design Sink)のコーナー部分のフランジ部30の圧縮変形量が一般シンクに比べて格別に大きいので、このような破断限界の差異がさらに大きくなるため、一般STS304では成形が難しい。
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を用いたドローイング加工時には、加工後に時効割れ(season cracking)の発生を防止することができる。
本発明の一実施例による加工性およ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のドローイング加工品は、前記ステンレス鋼をパンチを用いて限界ドローイング比(Limited Drawing Ratio、以下、“LDR”という)2.0~2.3の範囲でドローイング(Drawing)加工したとき、前記ドローイング加工品の底面および底面から10mm、20mm、30mm、40mmの側壁位置で測定された変形誘起マルテンサイトの量が、それぞれ、1.0%、1.0%、5.0%、10%、15%未満を満たす。
限界ドローイング比(LDR)は、素材の最大直径(D)とパンチ直径(d)の比(D/d)を意味する。
オーステナイト安定化パラメーター(ASP)値が-3を超過する場合、ドローイング加工時にオーステナイト(γ)から変形誘起マルテンサイト(α’)変態(以下、γ→>α’変態と表記する)を抑制できなくなり、加工24時間後に時効割れが発生する虞がある。したがって、本発明によるオーステナイト安定化パラメーター(ASP)値が-3以下である前記ステンレス鋼を使用してドローイング加工する場合には、ドローイング加工品の変形誘起マルテンサイトの量を制御することができて、時効割れを防止することができる。
以下、本発明の好ましい実施例を通じてさらに詳細に説明する。
加工性および強度の評価
下記の表1に示した成分組成のオーステナイト系ステンレス鋼を一部はLab.真空溶解をしてインゴット(Ingot)を製造し、一部は、電気炉-VOD-連続鋳造工程を経てスラブ(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材を製造し、1,000~1,100℃の温度で熱延焼なましを行った後、冷間圧延および冷延焼なましを実施した。
Figure 0007256792000001
表1に示した発明鋼および比較鋼のオーステナイト安定化パラメーター(ASP)値、Cu/(100*N)値および機械的特性値である降伏強度、引張強度、加工硬化指数n値(真ひずみ率0.3~0.4の区間)を測定し、下記の表2に示した。
Figure 0007256792000002
発明鋼1~5は、いずれも、Cu/(100*N)値を0.55以下に制御すると同時に、ASP値を-3以下に制御して、目標とする降伏強度(230MPa以上)および引張強度(540MPa以上)を確保し、デザインシンクに適した真ひずみ率0.3~0.4の範囲区間での加工硬化指数n値を0.5以下で得ることができた。
反面、比較鋼1~3は、Cu/(100*N)値がそれぞれ0.13、0.03、0.20であって、本発明が目的する降伏強度と引張強度を有するが、ASP値がそれぞれ18.1、5.6、-2.5であって、本発明が目的とする範囲を外れて、その結果、真ひずみ率0.3~0.4の範囲区間で加工硬化指数n値が0.5以上の値を示すところ、デザインシンクの用途に適していないことが分かる。
比較鋼4および5は、ASP値が-10.9、-11.1であって、本発明の目的範囲に属するが、Cu/(100*N)値が、それぞれ、2.90、0.73であって、本発明の目的範囲を外れて材料の十分な降伏強度および引張強度が確保されなかった。
耐食性の評価
下記の表3は、前記式(3)の100*N-(Mn+Cu)値と孔食電位の相互関係を示した。孔食電位は、鋼板の表面を#600研磨加工した後、30℃の3.5%NaCl溶液を用いて測定した。
Figure 0007256792000003
発明鋼1~5は、100*N-(Mn+Cu)値がいずれも0以上であって、素材の耐食性を示す孔食電位が、本発明の目的とする範囲である245mV以上を示した。しかしながら、オーステナイト安定化度を高めるために、Mn、Cuの含量を高く設計した比較鋼4および5は、ASP値が-10.9と-11.1(表2参照)を示し、本発明の目的範囲を満たすにもかかわらず、100*N-(Mn+Cu)値がそれぞれ-3.1、-1.1であり、式(3)を満たさず、その結果、孔食電位値が200mV以下であり、デザインシンクにおいて要求するSTS304水準の耐食性(孔食電位245mV以上)を確保することができなかった。
耐時効割れ特性の評価
直径が50mmであるパンチを用いてパンチスピード100mm/minで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をカップドローイング(cup drawing)した。ドローイング加工は、限界ドローイング比(LDR)が1.9~2.3の範囲およびカップの上部にシワと破断が発生しない範囲内で実施した。ドローイング加工後に、図4に示したとおり、カップ加工品の底面および底面から10mm、20mm、30mm、40mmの側壁位置で変形誘起マルテンサイト(α’)の量を測定して、下記の表4に示し、ドローイング加工24時間後に時効割れが発生するか否かを示した。変形誘起マルテンサイトの量は、フェライトスコープ(ferrite-scope)を用いて測定した。
Figure 0007256792000004
発明鋼1、4、5の場合、ASP値が-18.6、-16.9、-16.6(表2参照)であり、成形時のオーステナイト(γ)から変形誘起マルテンサイト(α’)変態(γ→>α’変態)が抑制され、実際にカップドローイング後のカップ加工品の位置別マルテンサイト生成量が最大15%未満であったが、比較鋼1、2の場合、ASP値が18.1、5.6(表2参照)であり、成形時のγ→>α’変態が容易になって、実際にカップドローイング後の位置別のマルテンサイト生成量が最大40~49%まで発生することが分かった。これによって、比較例1、2は、カップドローイング加工後24時間後に時効割れ(season cracking)が発生する問題点を招いた。
以上、本発明の例示的な実施例を説明したが、本発明は、これに限定されず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、次に記載する請求範囲の概念と範囲を逸脱しない範囲内で多様な変更および変形が可能であることを理解することができる。
本発明の実施例によるオーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性と共に、優れた加工性および耐時効割れ性を有して、デザインシンクなどの高成形性製品に適用されることができる。
1:パンチ
2:ダイ
3:ブランクホルダー
10:底面部
20:側壁部
30:フランジ部
R:コーナー曲率半径
α’:変形誘起マルテンサイト
γ:オーステナイト

Claims (4)

  1. 重量%で、C:0.01~0.04%、Si:0.1~1%、Mn:0.1~2%、Ni:6~10%、Cr:16~20%、Cu:1~2%、Mo:0.01~0.2%、N:0.035~0.07%、残りのFeおよび不可避な不純物からなり、
    下記式(1)で表されるオーステナイト安定化パラメーター(ASP)値が-3以下であり、
    下記式(2)及び式(3)を満たし、
    真ひずみ率0.3~0.4の範囲で加工硬化指数n値が0.4~0.5の範囲を満たすオーステナイト系ステンレス鋼をパンチを用いてドローイング加工したドローイング加工品であって、底面および底面から10mm、20mm、30mm、40mmの側壁位置で測定された変形誘起マルテンサイトの量が、それぞれ、1.0%、1.0%、5.0%、10%、15%未満を満たすことを特徴とする加工性およ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のドローイング加工品。
    式(1) 565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Cu
    式(2) Cu/(100*N)≦0.55
    式(3) 100*N-(Mn+Cu)≧0
    (ここで、C、N、Si、Mn、Ni、Cr、Cuは、各元素の含量(重量%)を意味する。)
  2. 前記ステンレス鋼は、降伏強度(YS)230MPa以上および引張強度(TS)540MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の加工性およ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のドローイング加工品。
  3. 前記ステンレス鋼は、孔食電位が245mV以上であることを特徴とする請求項1に記載の加工性およ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のドローイング加工品。
  4. 前記ドローイング加工品は、前記加工24時間後、時効割れが発生しないことを特徴とする請求項1に記載の加工性およ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のドローイング加工品。
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