JPH0382741A - 耐応力腐食割れ性に優れた形状記憶ステンレス鋼およびその形状記憶方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、優れた形状記憶効果を示す形状記憶ステンレ
ス鋼とその特性向上方法に係り５例えば機械部品等の固
定、締めつけ部あるいはパイプ継手などに対して形状記
憶効果を有利に発現させる耐応力腐食割れ性に優れた形
状記憶ステンレス鋼に間する。

〔従来の技術と問題点〕

従来より、形状記憶効果を示す合金としてＮ１−Ｔ＋金
合金Ｃｕ合金などの非鉄系、およびＦｅ−Ｐｄ系、Ｆｅ
−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｍｎ系等の鉄合金のものが知られてい
る。そのうちＦｅ−Ｍｎ系は安価であり。

その工業的価値が大きいことから９例えば特開昭５５−
７３８４６号公報にＦ　ｅ−（１５，９〜３０．０％）
Ｍｎ合金。

特開昭５５−７６０４３号公報にＦｅ−Ｍｎ−（Ｓ　ｉ
、　Ｎｉ、　Ｃｒ）合金、特開昭６１−７６６４７号公
報にＦｅ−（２（１−４０％）　Ｍ　ｎ（３，５〜８％
）Ｓｉ合金、特開昭６３１６９４６号公報にＦｅ−（１
５〜３０％）Ｍｎ−Ｎ合金などが報告されている。

また特開昭６２−１１２７２０号公報にはＦｅ−Ｍｎ−
３ｉ合金の形状記憶効果の特性向上方法が報告されてお
り２０％以下の加工と４００℃以上の加熱を一回以上与
えるいわゆるトレーニング効果を利用する方法が示され
ている。

しかしながら、これらの鉄系の形状記憶合金は耐食性に
劣るという大きな欠点を有している。そこで特開昭６１
−２０１７６１号公報にはＦｅ−Ｍｎ−３：合金にＣｒ
などを含有させ耐食性を改善させた例もみられるが、Ｃ
ｒ含有量が１０００％以下と低いため。

いわゆるステンレス鋼としての耐食性を有しているとは
言い難い、また、特開昭６３−２１６９４６号公報でも
、耐食性を高めるためにＣｒを含有させることを教示し
ているが、実例では１０％までのＣｒ含有量であり、フ
ェライト生成元素であるＣｒをこれ以上含有させた場合
に形状記憶特性をどのようにして有利に発現させるかに
ついては教えていない。

一方、ステンレス鋼においては’５ｃｒｆｐｔａ阿ｅｔ
ａ−１１ｕｒｇｉｃａ″、１９７７、ｖｏｌ、５ｉ、６
６３〜６６７に５ＵＳ３０４鋼にて一１９６℃で変形さ
せ２次いで室温まで昇温することで形状記憶効果を示す
ことが報告させているが、形状回復率は小さく実用化に
はほど遠いものであった。

〔発明者らの知見事実〕

そこで本発明者等は優れた耐食性を有するＦｅ−Ｃｒｆ
ｉ４をベースにして形状記憶効果に及ぼす合金元素、加
工熱処理方法などの影響を鋭意研究したところ、Ｆｅ−
Ｃｒ鋼において焼鈍状態でδフェライト相やマルテンサ
イト相が存在せず、オーステナイト単相とし、かつ室温
以下の低温域で変形させても転位や加工誘起マルテンサ
イト　（α゛）の永久ひずみの生成が押割されるように
適量のＭｎＳｒおよびＧｏを含有させ、且つＣ，Ｎ、Ｎ
ｉなとの合金元素の含有量を適正にコントロールスルな
らば良好な形状記憶効果を示すこと、特にＯ′ｃ以下の
温度域で変形させると加工誘起ε相の生成が促進され、
その結果、変形後Ａｓ点（ε相がＴ相に変態を開始する
温度）以上に加熱することにより優れた形状記憶効果を
示すことを見出し、また室温以下の低温域での変形と４
５０℃以上の温度範囲での加熱処理を１回以上繰り返す
ことで形状記憶効果が著しく向上することがわかった。

かような形状記憶ステンレス鋼は他のステンレス鋼と同
様一般の耐食性は優れている。しかし使用環境例えばパ
イプ継手等への適用等によっては耐応力腐食割れ性が特
に重要視される場合もあるが、かような高Ｍｎ−高Ｓｉ
−高Ｃｏ系の形状記憶ステンレス鋼における耐応力腐食
割れ性は、その成分的にも更には形状記憶下での内部歪
（残留応力）の存在によっても、一般のステンレス鋼例
えば５ＵＳ３０４について一般的な従来の知見事実をそ
のまま適用できるとは限らす１　ここに新たな研究を必
要とする。

本発明はこのような知見事実および背景のもとに、形状
記憶特性に優れ、かつ耐応力腐食割れ性にも優れた形状
記憶ステンレス鋼の開発を目的としたものである。

〔発明の槽底〕

本発明は１重量％にて、Ｃ，Ｏ，１０％以下、５ｋｉ３
．０〜６．０％、　Ｍｎ　；　６．０〜２５．０％、Ｎ
ｉ；７．０％以下、Ｃｒ；１０．０％超〜１７．０％、
　　Ｎ　ｉｏ、０２〜０．３％。

Ｃｏ　・２．０〜１０．０％、Ｃｕ；０．２超〜３６５
％、場合によっては１　さらに２％以下のＭｏ、　０．
０５〜０．８％のＮ　ｂ　　Ｏ，０５〜０．８％のＶ、
　０．０５〜０．８％のＺ　ｒ、　０．０５〜０．８％
のＴｉの一種または二種以上を含有し、残部がＦｅなら
びに不可避的不純物からなり、かつＤ　＝　Ｎｉ＋０．
３０Ｍｎ＋５６．８Ｃ＋１９．０Ｎ　＋０．７３Ｃｏ＋
Ｃｕ　　１．８５　（Ｃｒ＋１．６Ｓｉ＋Ｍｏ＋１．５
（Ｎｂ＋Ｖ　十Ｚｒ＋Ｔｉ）　＋Ｍｏ）で定義されるＤ
値が−２６，０以上であることを特徴とする耐応力腐食
割れ性に優れた形状記憶ステンレス鋼を提供する。

さらに本発明は、この形状記憶ステンレス鋼の形状記憶
方法として、前記の職分組成からなるステンレス鋼を所
定の形状に加工後、焼鈍処理して該加工形状を記憶させ
次いで室温以下の温度で所望の形に変形させたうえ、１
００℃以上の温度に加熱してから室温に戻すことを特徴
とする形状記憶方法、および、該ステンレス鋼を所定の
形状に加工し、焼鈍を施した後１次いで室温以下の温度
での変形と４５０’Ｃ以上、７００’Ｃ以下の温度域で
の加熱処理を一回以上繰り返してから、室温に戻して最
終形状を記憶させ１次いで室温以下の温度で所望の形に
変形させたうえ、　１００℃以上の温度に加熱してから
室温に戻すことを特徴する形状記憶方法を提供するもの
である。

〔発明の詳細な 説明者等はＦ　ｅ−Ｃｒ綱に適量のＭｎ、ＳｉおよびＣ
ｏを含有させ、かつＮｉ、Ｃ，Ｎなどの合金元素の含有
量を適正にコントロールすることにより優れた形状記憶
効果を発現する成分糸において。

耐応力腐食割れ性に及ぼす合金元素の影響を鋭意研究し
たところＣ，ＭｎおよびＮｉは耐応力腐食割れ性を低下
させるのに対し、Ｃｏ、ＮおよびＣｕは逆に耐応力腐食
割れ性を向上させ、特にＮとＣｕはその効果が著しいこ
とを見出した。さらにＣｕは形状記憶効果を向上させる
有効な元素であることも判明し１本発明に至った。

本発明において鋼中の各成分の含有量を前記の範囲に限
定する理由は次のとおりである。

Ｃは強力なオーステナイト生成元素であり、焼鈍状態で
のδフェライト相の生成の防止に有効に作用する。また
Ｃは形状記憶効果を向上させる有効な元素でもある。し
かしながら、Ｃは耐応力腐食割れ性を低下させ、また５
　Ｃを多量に含有させると室温以下の温度域での変形と
４５０’Ｃ以上の温度範囲での加熱処理を１回以上繰り
返した場合Ｃｒ炭化物が生成され、耐食性、加工性が劣
化するため、その上限をｏ、　ｉｏ％とする。

Ｓｉは変形時の永久ひずみの発生を防止し、加工誘起ε
相の生成を促進させ優れた形状記憶効果を発現させる必
須の元素であり、３．０％以上の含有が必要である。し
かしながら、Ｓｊは強力なフェライト生成元素であり、
多量に含有させると。

焼鈍状態でδフェライト相が多量に残存させるようにな
り形状記憶効果が低下し、また熱間加工性も劣化し製造
が困難となるため，Ｓｉの上限を６．０％とする。

Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、焼鈍状態でδフ
ェライト相の生成を抑制するのに寄与する。またＭｎは
変形時の永久ひずみの発生を防止し、加工誘起ε相の生
成を促進させ形状記憶効果を高める有効な元素であり６
．０％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｍｎは
耐応力腐食割れ性を低下させ、また、Ｍｎを多量に含有
させると逆に加工誘起ε相の生成を抑制するようになり
。

形状記憶効果を低下させるようになるため、その上限を
２５．０％とする。

Ｎｉｌよオーステナイト生成元素であり１焼鈍状、態で
δフェライト相の生成を防止するに有効な元素である。

しかしながら、Ｎｌは変形時の永久ひずみの発生を誘起
し、形状記憶効果を低下させるとともに耐応力腐食割れ
性を低下させるためその上限を７．０％とする。

Ｃｒはステンレス鋼の必須元素であり優れたー船釣耐食
性を得るには１０％を超える含有が必要である。またＣ
ｒは変形時の永久ひずみの生成を抑制し、形状記憶効果
を向上させる元素でもある。

しかしながらＣｒはフェライト生成元素であり多量に含
有させると焼鈍状態でδフェライト相が残存しやすくな
り、形状記憶効果を低下させるためその上限を１７．０
％とする。

Ｎは本発明鋼の特徴である耐応力腐食割れ性を向上させ
る。またＮはオーステナイト生成元素であり、焼鈍状態
でδフェライト相の残存を防止するとともに変形時の永
久ひずみの生成を抑制し。

形状記憶効果を向上させる有効な元素である。このよう
な効果を発揮させるには０．０２％以上のＮの含有が必
要である。しかしながら、多量のＮを含有させると鋼塊
にブローホールが生成し、健全な鋼塊が得られなくなる
ので、その上限を０．３％とする。

Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、焼鈍状態で６フ
エライト相の残存の防止に有効である。

またＣｏは変形時の永久ひずみの生成を抑制し。

加工誘起ε相の生成を促進させ形状記憶効果を向上させ
るとともに、耐応力腐食割れ性の向上にも寄与する有効
な元素であり、２．０％以上の含有が必要である。しか
しながら、Ｃｏを多量に含有させてもこれらの効果が飽
和するため、その上限を１０．０％とする。

Ｃｕは本発明鋼の特徴である耐応力腐食割れ性を著しく
増大させる必須の元素である。またＣｕはオーステナイ
ト生成元素であり、焼鈍状態での６フエライト相の残存
を防止させ形状記憶効果を向上させる有効な元素であり
、０゜２％を超える量で含有させる必要がある。しかし
ながら、Ｃｕを多量に含有すると熱間加工性が低下し、
製造が困難になるため、その上限を３．５％とする。

Ｎｂ、Ｖ、ＺｒおよびＴｉは室温以下の温度での変形と
４５０℃以上での加熱処理の繰り返し時におけるＣｒ炭
化物の生成を抑制し、耐食性、加工性を維持するのに有
効な元素であり、それぞれ０．０５％以上含有させるの
がよい。しかし、これらの元素はフェライト生成元素で
あるため、焼鈍状態でδフェライト相が残存しやすくな
り、あまり多く含有すると形状記憶効果が低下するよう
になるのでのそれぞれの上限を０．８％とする。

Ｍｏは耐食性を向上させる有効な元素である。

しかし、Ｍｏはフェライト生成元素であり、多量に含有
させると焼鈍状態で６フエライト相が残存し、形状記憶
効果が低下するためその上限を２．０％する。

Ｄ値は形状記憶効果を低下させるδフェライト相の残存
量を規制するもので、Ｄ値と合金元素との間の関係式は
実験室的検討中に得られた経験式である。Ｄ値が−２６
，０未満では多量の６フエライト相が残存し、形状記憶
効果を低下させるようになる。したがって、前記の各成
分量の範囲においてさらにＤ値が−２６，０以上となる
ように成分量調整することが必要である。

以上の成分組成になる耐応力腐食割れ性に優れた本発明
のステンレス鋼は、所定の形状に温間または冷間加工後
１焼鈍処理して該加工形状を記憶させ１次いで、室温以
下の温度で所望の形に変形させたうえ、１００℃以上の
温度に加熱してから室温に戻す方法によって形状記憶合
金としての優れた特性が示される。また、該ステンレス
鋼は、所定の形状に温間または冷間加工後、焼鈍し９次
いで室温以下の温度での変形と４５０℃以上７００℃以
下の温度域での加熱処理を繰り返して最終形状を記憶さ
せることにより、続く、室温以下の温度で変形させたう
え、１００℃以上の温度に加熱してから室温に戻す方法
によって形状記憶合金としてのさらに優れた特性が得ら
れる。

この形状記憶方法についてさらに説明すると。

先ず１本発明鋼を所定の形状に変形（−次変形）後１焼
鈍を施して形状記憶させるのであるが、該加工は常温ま
たは温間であればよい。

本発明鋼は焼鈍ままで（焼鈍温度まで加熱後常温まで冷
却した状態で）δフェライト相やマルテンサイト相が存
在せず、実質上オーステナイト単相を呈し、該加工によ
ってε相、並びに転位およびα”相の永久ひずみが生し
るが、この加工品を焼鈍することによってε相や永久ひ
ずみは完全に除去される。

次いで室温以下の温度で変形（二次変形）させる。この
室温以下での変形によって加工誘起と相の生成が促進さ
れ、その結果、変形後にＡｓ点以上の加熱を施すと先の
加工品形状へ高い復元率のもとで復元する形状記憶効果
が得られる０本発明鋼の場合、Ａｓ点は室温付近に存在
するため、二次変形後の加熱は１００℃以上、より好ま
しくは２００℃以上で形状記憶効果を発現させることが
できる。

さらにε相→γ相への変態は温度に律速されるため、加
熱保持時間は１分程度の短時間でも十分である。

また、より優れた形状記憶効果を得るには一次変形時に
おいて室温以下の温度での変形と４５０℃〜１００’Ｃ
の温度域での加熱処理を繰り返すことにより二次変形に
おける変形量が８％程度まで高くとも優れた形状記憶効
果を示す、この場合、−次変形によって加工誘起ε相が
生成されるが、低温での変形はどε相の生ａｍが増加す
る。しかしながら、８％程度の高い変形量が付与される
場合。

ε相のみならず、永久ひずみの生成を完全に防止するこ
とができず、形状記憶効果が阻害される。

したがって、変形後の加熱処理はと相のγ相への変態が
完了し、かつ永久ひずみが回復する温度以上で行なう必
要があり、これらの理由により加熱温度は４５０℃以上
で行なう必要がある。しかしながら、加熱温度が高すぎ
るとＣ「炭化物が生成されやすくなり１本発明鋼の特徴
である耐食性が劣化するようになる。したがって、加熱
温度の上限は７００℃とする。この低温変形と加熱処理
を１回以上繰り返すことにより、以後の変形においては
永久ひずみが生成されにくくなり、変形が実質的にε相
の生成によって進行するようになるため変形後の加熱処
理にて優れた形状記憶効果を示すわけである。

〔実施例〕

第１表に示す合金を高周波溶解にて溶製した。

Ａ１−Ａｌ６１１は本発明鋼である。Ｂｌ〜８４綱は比
較鋼であり、Ｂｌ鋼およびＢ２綱はＳｔ、Ｍｎがそれぞ
れ本発明の範囲外のもの、Ｂ２Ｈ２はＣｕを含有しない
もの、　８４ｔｌｉｌは各成分は本発明の範囲内である
が、Ｄ値が−２６，０以下のものである。

これらの鋼塊を鍛造、熱間圧延により３ｍ−厚さとし、
焼鈍後、２ｍｍ厚さまで冷間圧延し１次いで焼鈍した後
、焼鈍板から２　ａｓＬＸ　１０ｍｍ’　Ｘ　７５＋ｗ
ｍ’の試験片を切り出した。この試験片を一７３℃にて
曲げ半径８ｍｍの１２０°曲げを行った後、第１図に示
す拘束治具内にセットし２次いで４００℃ＸＩＳ分の加
熱処理を施した後、室温まで空冷した。この処理により
試験片は形状回復しつつ、治具内に拘束されるため、試
験片に残留応力が生じる。このように拘束された状態で
＃ＫＭ片を４２％ＭｇＣ１ｚ沸騰水溶液内に浸漬し、応
力腐食割れが発生するまでの時間を測定した。

一方、形状記憶特性の評価には３＋ｗｍ厚さの焼鈍板を
冷間圧延と焼鈍を繰り返し１１１−厚さの焼鈍板とした
。この焼鈍板から引張り試験片（１，Ｑ、ｓ’　Ｘ２０
ｍ５”　×２００曽−１〉を切り出した後、　２０℃、
−７３℃または一１９６℃での引張りひずみを与え、４
００’Ｃｘ１５分の加熱処理を施し１形状回復率＜Ｒｏ
値）を測定した。また、２０℃、−７３℃での６％の引
張り与ひずみと６００℃×１５分の加熱処理を繰り返し
た後の形状回復率（ＲＴ値）を測定した。

形状回復率（Ｒ値）は次のように算出した。最終の変形
−加熱処理サイクルにおいて変形前のゲージ長さ（Ｉ！
、。−５０ｍｍ）を測定し２ついで引張りひずみを付与
し、ひずみ量（ｌ、）を測定した後。

加熱処理を行い、ゲージ長さの回復Ｗ（７！ｔ）を測定
した。これらの測定値より１次式 にて回復率（％）を算出した。

第２表に１本発明鋼と比較鋼の耐応力腐食割れ性の評価
結果、Ｂ０値およびＲＴ値を示す。

第２表の結果に見られるように、比較例において、Ｂｌ
、Ｂ２およびＢ４鋼は耐応力腐食割れ性に優れているも
のの、２０℃でのＢ０値、ＲＴ値は低く、はとんど形状
記憶効果は示さず、−７３℃および一１９６℃ではＲ６
，Ｒ，値は増加するもののその増加量は小さく、形状記
憶効果は小さい、またＢ３＠はＣｕを含有していないた
め、耐応力腐食割れ性に劣っている。

これに対して本発明鋼は耐応力腐食割れ性に優れており
、かつ２０℃でのＲｅ、Ｒｔ値はすべて４２％以上と高
く、さらに低温で変形した場合＋Ｒ（１＋Ｒ７値は６５
％以上と著しく増加しており、優れた形状記憶特性を有
している。

第２表 以上のように本発明によれば、Ｃｒを１０％を超えて含
有させ耐食性を向上させたステンレス鋼において、Ｍｎ
、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｎなどの合金元素の含有量を適正にコン
トロールしたうえ、低温での変形あるいは低温変形と４
５０℃〜７００’Ｃでの加熱処理を繰り返すことによっ
て優れた形状記憶特性を発現させることができ、かつ、
Ｃｕ、Ｎを適量含有させることよって耐応力腐食割れ性
を向上させたものであり、耐食性、耐応力腐食割れ性を
必要とする分野の機械部品等の固定、締めつけ部あるい
はパイプ継手などに好適な部材を提供することができ、
その工業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、形状回復下の残留応力をもった状態での応力
腐食割れ試験を行うのに使用した試験片拘束治具の斜視
図である。 １・・試験片、　　２・・拘束治具。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％にて、Ｃ；０．１０％以下，Ｓｉ；３．０
   〜６．０％，Ｍｎ；６．０〜２５．０％，Ｎｉ；７．０
   ％以下，Ｃｒ；１０．０％超〜１７．０％，Ｎ；０．０
   ２〜０．３％，Ｃｏ；２．０〜１０．０％，Ｃｕ；０．
   ２超〜３．５％を含有し、残部Ｆｅならびに不可避的不
   純物からなり、かつ、 Ｄ＝Ｎｉ＋０．３０Ｍｎ＋５６．８Ｃ＋１９．０Ｎ＋０
   ．７３Ｃｏ＋Ｃｕ−１．８５（Ｃｒ＋１．６Ｓｉ） で定義されるＤ値が−２６．０以上であることを特徴と
   する耐応力腐食割れ性に優れた形状記憶ステンレス鋼。
2. （２）重量％にて、Ｃ；０．１０％以下，Ｓｉ；３．０
   〜６．０％，Ｍｎ；６．０〜２５．０％，Ｎｉ；７．０
   ％以下，Ｃｒ；１０．０％超〜１７．０％，Ｎ；０．０
   ２〜０．３％、Ｃｏ；２．０〜１０．０％，Ｃｕ；０．
   ２超〜３．５％を含有し、さらに２％以下のＭｏ，０．
   ０５〜０．８％のＮｂ，０．０５〜０．８％のＶ，０．
   ０５〜０．８％のＺｒ，０．０５〜０．８％のＴｉの一
   種または二種以上を含有し、残部Ｆｅならびに不可避的
   不純物からなり、かつ、 Ｄ＝Ｎｉ＋０．３０Ｍｎ＋５６．８Ｃ＋１９．０Ｎ＋０
   ．７３Ｃｏ＋Ｃｕ−１．８５〔Ｃｒ＋１．６Ｓｉ＋Ｍｏ
   ＋１．５（Ｎｂ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｔｉ）〕 で定義されるＤ値が−２６．０以上であることを特徴と
   する耐応力腐食割れ性に優れた形状記憶ステンレス鋼。
3. （３）請求項１または２に記載の鋼の形状記憶方法であ
   って、当該鋼を所定の形状に加工後、焼鈍処理して該加
   工形状を記憶させ、次いで室温以下の温度で所望の形に
   変形させたうえ、１００℃以上の温度に加熱してから室
   温に戻すことを特徴とする請求項１または２に記載のス
   テンレス鋼の形状記憶方法。
4. （４）請求項１または２に記載の鋼の形状記憶方法であ
   って、当該鋼を所定の形状に加工し、焼鈍を施した後、
   次いで室温以下の温度での変形と４５０℃以上、７００
   ℃以下の温度域での加熱処理を一回以上繰り返してから
   、室温に戻して最終形状を記憶させ、次いで室温以下の
   温度で所望の形に変形させたうえ、１００℃以上の温度
   に加熱してから室温に戻すことを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載のステンレス鋼の形状記憶方法。