JPH064905B2 - ばね特性に優れた非磁性ステンレス鋼 - Google Patents

ばね特性に優れた非磁性ステンレス鋼

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JPH064905B2
JPH064905B2 JP60054186A JP5418685A JPH064905B2 JP H064905 B2 JPH064905 B2 JP H064905B2 JP 60054186 A JP60054186 A JP 60054186A JP 5418685 A JP5418685 A JP 5418685A JP H064905 B2 JPH064905 B2 JP H064905B2
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【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は磁気特性を利用して機能する各種機器・装置に
使用される耐食性が優れ、かつ、ばね特性に優れた高強
度非磁性ステンレス鋼に関する。
〈従来技術とその問題点〉 SUS304に代表されるCr−Ni系オーステナイト
ステンレス鋼は良好な耐食性と焼鈍状態で非磁性のオー
ステナイト組織を有するので、非磁性鋼として電気、精
密機器部品用に使用されている。その中で特にばね用鋼
としては高N含有鋼でいあるSUS304N、SUS3
16N系の鋼が使用されている。すなわち、Nの添加に
より高強度化させ、これに冷間加工と低温焼鈍処理を施
すことにより、ばね特性を賦与したものである。
しかしながら、これらの鋼は本来、非磁性ばね用鋼とし
て開発されたものでなく、汎用の高強度鋼を単にばね用
途に使用しているにすぎない。例えば、SUS304N
系鋼は高度に冷間加工を施すと、強磁性であるマルテン
サイト変態が誘起され磁性を帯びるようになるため、非
磁性ばねとしては使用できなくなる。またSUS316
N系鋼はオーステナイト相が安定であるため、冷間加工
によって磁性を帯びることはないが、高価なNi、Mo
を多量に含有しており、特にMoは耐食性に優れた効果
を発揮するものの非磁性ならびにばね特性に対する寄与
は低い。さらにこれらの鋼のばね特性は現在高級非磁性
ばね材料として多用されているベリリウム合金に比して
劣っている。
高Si含有するオーステナイト鋼としては、耐熱鋼や耐
応力腐食割れ鋼があり、これらの鋼種はSiが耐酸化性
あるいは応力腐食割れ防止に優れた効果を発揮すること
による。また、優れた耐擦傷性を有する鋼として、特公
昭56−32387の鋼があり、その化学成分はCr:
12〜19%、Ni:4〜12%、Mn7〜12%、S
i:3〜5%、C:0.01〜0.12%、N:0.0
3〜0.3%で、焼鈍時のオーステナイト組織を確保す
るためにSiの含有量に直接比例した量のオーステナイ
ト生成元素Niを含有させてある。
さらに耐焼付性、耐掻疵性を有する鋼として特公昭56
−11379の鋼があり、その化学成分はCr:13〜
25%、Ni:5〜15%、Mn0.5〜5.5%、S
i:2.5〜5.0%、C:0.15%以下、N:0.
05〜0.20%で、潤滑剤が使用できない条件下での
摺動部材に使用できるもので、SiとNの地質の強化な
らびにSiによる酸化被膜の生成かつ自己回復性の強化
を利用するものである。
しかしながら、これらの高Si含有オーステナイト鋼は
溶接性ならびに冷間加工により硬化された状態での非磁
性の確保について全く考慮されていない。すなわち、こ
れらの鋼は成分系によっては溶接時の高温割れがはげし
く、また冷間加工によりマルテンサイトが生成するため
磁性を帯びるようになり、非磁性鋼としては使用できな
い。
以上概説したように、加工硬化型の優れたばね特性を有
する非磁性のCr−Ni系オーステナイトステンレス鋼
はいまだ提供されていないのが現状である。
〈問題解決の手段〉 本発明者等はCr−Ni系オーステナイトステンレス鋼
のばね特性に及ぼす合金元素、冷間加工および熱処理の
影響を調査し、ばね特性に優れ、かつ、冷間加工後の非
磁性を維持し得る本系鋼の組成設計を試みた。上記の問
題は本発明鋼によって解決される。本発明において、非
磁性とは透磁率が1.01以下のものをさす。
〈発明の構成と作用〉 本発明によれば、 重量で、C:0.08%以下、Si:2.0〜6.0%、Mn:3.0
〜9.0%、Ni:12〜16%、Cr:12〜22%、N:0.10〜0.
25%を含有し、残部Feならびに不純物からなり、その
組成が次式 Ni当量=Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr-0.11Si2 で定義されるNi当量に対して、実験式 Y=exp(0.45X-4.60) (ただし、式中Yは冷間圧延率(%)、XはNi当量で
ある) で示される第4図の曲線A−A線以下の冷間加工がされ
た、120kg/mm2以上のばね限界値を有することを特徴と
する高耐蝕性、高強度の非磁性ばね用ステンレス鋼。
が提供される。
また本発明によれば、さらに、 重量で、C:0.08%以下、Si:2.0〜6.0%、Mn:3.0
〜9.0%、Ni:12〜16%、Cr:12〜22%、V:0.5%以
下、N:0.10〜0.25%を含有し、残部Feならびに不純
物からなり、その組成が次式 Ni当量=Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr-0.11Si2+2.3V で定義されるNi当量に対して、実験式 Y=exp(0.45X-4.60) (ただし、式中Yは冷間圧延率(%)、XはNi当量で
ある) で示される第4図の曲線A−A線以下の冷間加工がされ
た、120kg/mm2以上のばね限界値を有することを特徴と
する高耐蝕性、高強度の非磁性ばね用ステンレス鋼。
が提供される。
本発明の鋼において、CはNと同様に強力なオーステナ
イト相安定化元素であり、かつ、ばね特性の向上に有効
な元素であるが、反面Cは耐食性低下させる元素である
ため、それの事情を考慮すると上限は0.08%とな
る。
Siは本発明鋼の主要な特徴である優れたばね特性を得
るのに有用な元素であり、その目的を達成するめたには
少なくとも2%必要であるが、またSi含有量が増加す
ると冷間加工後に鋼が磁性を帯びるようになるととも
に、熱間加工性が劣化するために上限を6%とする。
MnはNiは同様に冷間加工後の非磁性を確保するため
に必須の元素である。さらにMnはNの固溶度を高める
元素でもある。これらの性能を発揮するには3%以上必
要であり、また冷間加工後の非磁性を保つためにSi含
有量に応じてNiとともにMnの含有量を調整する必要
があるが、多量のMnは冷間加工後の硬さの減少をもた
らすとともに溶接時の高温割れ感受性を高めるため上限
を9%とする。
Niはオーステナイト系ステンレス鋼の基本成分であ
り、オーステナイト相の安定化に寄与する有用な元素で
ある。冷間加工後の非磁性を維持するためには12%以
上必要であり、Si含有量に応じてMnとともにNi含
有量を調整する必要がある。しかしNiは冷間加工を施
した後でのばね特性を低下させ、またSi含有量が高い
場合、多量のNiは熱間加工性を著しく劣化させるため
上限は16%に抑えられる。
Crはステンレス鋼の基本成分であり、良好な耐食性を
得るためには12%以上の含有が必要であるが、多量に
含有されると、多量のデルタフェライトが生成し、非磁
性が確保できなくなるとともに、熱間加工性が低下する
ため上限を22%とする。
Nは本発明鋼の主要な特徴である非磁性を維持し、かつ
優れたばね特性を得るために有効な元素である。これら
の性能を発揮させるには0.1%以上含有させる必要が
ある。しかし、0.25%を超えると、健全な鋼塊が得
られないのでこれを上限とする。
Vは本発明鋼の主要な特徴である優れたばね特性を得る
ために有効な元素であるが、多量に含有されると多量の
デルタフェライトが生成し、非磁性が確保できなくなる
ために上限は0.5%に限定される。
前記Ni当量の数式は実験結果から洞察によって導出さ
れたものである。
本発明でばね限界値を120kg/mm2以上としたのは第1図
にみられるとおり、本発明の非磁性ばね用ステンレス鋼
のSi含有量下限値2wt%で得られるばね限界値が120k
g/mm2であるためである。
第4図も実験結果に基いている。
すなわち、本発明はCr−Niオーステナイトステンレ
ス鋼にSiおよびNならびにMnを多量含有させ、さら
に所望によりVをも含有させて、組成を上記のように調
整し、これ冷間加工し、あるいは冷間加工と熱処理を施
すことにより、優れたばね特性を賦与し、かつ冷間加工
後の透磁率を1.01以下に抑え得るものである。冷間
加工後の熱処理は350〜650℃で行うことが望まし
い。
〈発明の具体的記載〉 次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第1図は本発明の17Cr-14Ni-5Mn-xSi-0.05C-0.14N鋼
(xは変数)の60%冷間加工後、550℃で1時間の低温
焼鈍処理を施した後のばね限界値に及ぼすSiの影響を
示す線図である。この図に見られるように、Siが含有
量の増加ともにばね限界値は増大する。
第2図は本発明鋼の17Cr-14Ni-5Mn-5Si-0.16N-0.05C鋼
の60%冷間圧延後のばね限界値に及ぼす熱処理温度
(均熱時間、1時間)の影響を示す線図である。この図
に見られるように、冷間加工後の熱処理は300℃から
650℃の間で実施すべきである。
第3図は、比較鋼16Cr-13Ni-5Mn-0.05C-0.04N鋼の冷間
圧延後の透磁率に及ぼすSiの影響を示す線図である。
従来Siは冷間加工後のオーステナイト相の安定化に寄
与するといわれていたが、この図に見られるように、S
iは冷間加工後の透磁率を上昇させ、その含有量が多く
なる程その効果は著しい。従ってばね特性の向上に必須
の元素であるSiの含有量に応じてオーステナイト相安
定化元素の含有量を調整する必要がある。すなわち冷間
加工後の透磁率に及ぼすNi当量は前記の数式で定義さ
れることが見出された。
上記のSiの影響は、合金組成が近似する本願発明鋼で
も同様に現れる。
第4図は非磁性を維持するのに必要な最小限のNi当量
と加えられる冷間圧延の圧下率との関係を示す線図であ
る。冷間加工後の非磁性を維持するために必要な前記の
ように定義されるNi当量の最少限値は、この図の曲線
A−Aで与えられ、高度に圧延される鋼ほど高いNi当
量値を有しなければならないことが分った。
〈実施例〉 本発明鋼を従来鋼ならびに比較鋼と比べた実施例をもっ
て、本発明を詳細に記載する。
第1表に示す鋼が溶製された。試料A1〜A3は従来鋼
で,A1はSUS 301鋼、A2はSUS 304鋼、A3はSUS 31
6N鋼である。C1は比較鋼で、Mn、NiおよびNの含
有量が高いがSi含有量が低いために60%加工時効が
低いものである。B1〜B6が本発明鋼である。
それぞれの鋼は30kg高周波誘導溶解炉で溶製された。
それぞれの鋼を10mm厚、120mm幅に鍛造し、溶体化
処理し、これを3mmまで冷間圧延し、中間焼鈍した後さ
らに1.5mmまで冷間圧延し、最終焼鈍を施した後12
0×300mmの試片とした。
これらの試片は目標の冷間圧延を施した後、ならびに、
その後に550℃で1時間の低温焼なまし処理を施した
後、JIS H3702のくり返したわみ試験法に準じ
てばね限界値を測定した。また冷間圧延材の透磁率を島
津磁気天秤MB−3型を用いて1000Oeの磁場のも
とで測定した。
第2表は、第1表の各鋼の焼鈍後、60%冷間圧延後、
および冷間圧延の後に550℃、1時間の熱処理を施し
た後でのばね限界値、60%冷間圧延後の透磁率の評価
を示す。
第2表から知られるように、A1鋼(SUS301)お
よびA2(SUS304)は、冷間加工後の透磁率が非
常に高い。すなわち、これらの鋼は冷間加工によりマル
テンサイト相が生成し、透磁率が上昇するため、非磁性
鋼として使用できない。またA3鋼(SUS316N)
は60%の冷間圧延後の透磁率が1.01以下で非磁性
であるものの、60%冷間圧延後のばね限界値が114
kg/mm2と低く、ばね材としては不充分である。
C1鋼は冷間圧延後の透磁率は低く、非磁性は維持され
るが、ばね限界値がA3鋼と同程度である。
これらに対して、本発明鋼であるB1〜B6鋼はSi、
Nの高いもの、およびVを添加したもので、低温焼なま
し処理後のばね限界値が著しく上昇している。また前記
式で与えられるNi当量が19.0以上となる様に組成
調整されているので、60%の冷間圧延を施した後で
も、透磁率が1.01以下であり、非磁性についても優
れいる。
〈発明の効果〉 本発明鋼は耐食性が良好でSiおよびN、所望によりV
を含有し、冷間加工後および冷間加工後焼なまし処理を
施した後のばね特性に優れ、かつ冷間加工後の透磁率が
1.01以下である充分安定した非磁性を有する、優れ
たばね特性を必要とする電気および電子機器部品や装置
用の材料として極めて高い実用性を有する非磁性ステン
レス鋼を提供する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の17Cr-14Ni-5Mn- Si-0.05C-0.14N鋼の6
0%冷間加工後、550℃で1時間の低温焼鈍処理を施した
後のばね限界値に及ぼすSiの影響を示す線図である。 第2図は本発明鋼の17Cr-14Ni-1.5Mn-5Si-0.16N-0.05C
鋼の60%冷間圧延後のばね限界値に及ぼす熱処理温度
(均熱時間、1時間)の影響を示す線図である。 第3図は比較鋼16Cr-13Ni-15Mn-0.05C-0.04N鋼の冷間圧
延(図面中にCRで表示)後の透磁率に及ぼすSiの影
響を示す線図である。 第4図は非磁性を維持するのに必要な最少限のNi当量
と冷間圧延率との関係を示す線図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量で、C:0.08%以下、Si:2.0〜6.0
    %、Mn:3.0〜9.0%、Ni:12〜16%、Cr:12〜22%、
    N:0.10〜0.25%を含有し、残部Feならびに不純物か
    らなり、その組成が次式 Ni当量=Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr-0.11Si2 で定義されるNi当量に対して、実験式 Y=exp(0.45X-4.60) (ただし、式中Yは冷間圧延率(%)、XはNi当量で
    ある) で示される第4図の曲線A−A線以下の冷間加工がされ
    た、120kg/mm2以上のばね限界値を有することを特徴と
    する高耐蝕性、高強度の非磁性ばね用ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】重量で、C:0.08%以下、Si:2.0〜6.0
    %、Mn:3.0〜9.0%、Ni:12〜16%、Cr:12〜22%、
    V:0.5%以下、N:0.10〜0.25%を含有し、残部Feな
    らびに不純物からなり、その組成が次式 Ni当量=Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr-0.11Si2+2.3V で定義されるNi当量に対して、実験式 Y=exp(0.45X-4.60) (ただし、式中Yは冷間圧延率(%)、XはNi当量で
    ある) で示される第4図の曲線A−A線以下の冷間加工がされ
    た、120kg/mm2以上のばね限界値を有することを特徴と
    する高耐蝕性、高強度の非磁性ばね用ステンレス鋼。
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