JPH0819507B2 - 加工性に優れた高強度ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は加工性と強度とを必要とする材料として好適
なフェライト−マルテンサイトの２相系析出硬化型ステ
ンレス鋼に関する。

（従来技術） 従来耐食性と高強度を必要とするばね材料や構造材料
に使用されている高強度ステンレス鋼としては次のよう
なものが代表的である。

（ａ）SUS301鋼に代表される加工硬化型ステンレス鋼 （ｂ）17−4PH、17−7PH鋼に代表される析出硬化型ステ
ンレス鋼。

これらの材料を使用してばね部材や構造部材に加工す
る際打抜き、切断、成形など種々の加工を施すので、材
料としては加工時に硬さが低く、加工後高くなるものが
望まれている。特に近年は用途の拡大に伴い加工の厳し
い用途に使用されるに至り、益々加工性の優れた材料の
要求が高くなっている （発明が解決しようとする問題点） しかるに上記鋼のうち、（ａ）の鋼は焼鈍状態でのオ
ーステナイトを冷間加工により高質のマルテンサイトに
変化させて、高強度を得るものであるので、高強度を得
るためには強度の冷間加工を施して多量のマルテンサイ
トを形成しなければならない。しかし強度の冷間加工を
施すと加工性が著しく低下し、複雑な加工が困難とな
る。

これに対して（ｂ）の鋼はAl、Cuなどの析出硬化元素
を添加して、加工後時効処理により炭化物や金属間化合
物を析出させて高強度を得るものであるので、加工時の
加工性は前記（ａ）の鋼より優れている。この（ｂ）の
鋼のうち高強度のものとして使用されているものは、マ
ルテンサイト系（例えば17−4PH鋼）、セミオーステナ
イト系（例えば17−7PH鋼）などがあるが、マルテンサ
イト系は延性が小さいため、強度の加工を加えたり、複
雑な形状に成形したりするのが困難である。一方セミオ
ーステナイト系はマルテンサイト系より延性が優れてい
るが、加工の厳しい最近の用途に使用するにはまだ加工
性が不十分であった。

そこで本発明は従来鋼と同程度の硬さを有し、加工性
をさらに向上させた高加工性、高強度のステンレス鋼を
提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは析出硬化型ステンレス鋼において、セミ
オーステナイト系と同程度の強度を有し、しかも延性に
優れた鋼を開発すべく種々検討した結果、母相をフェラ
イトとマルテンサイトの２相組織にすれば、マルテンサ
イト系と同程度の強度を維持しつつ、加工性を向上させ
ることができることを見出した。すなわち本発明は軟質
なフェライト相で加工性を確保し、硬質なマルテンサイ
ト相で時効析出させることにより強度を付与して、強度
と加工性とを兼備えさせたもので、鋼組織を重量％にお
いて、C:0.08％以下、Si:1.0〜5.0％、Mn:1.0％以下、N
i:4.0〜9.0％、Cr:12.0〜20.0％、N:0.03％以下を含有
し、さらにTi:0.1〜2.0％、Zr:0.1〜2.0％、Nb:0.1〜2.
0％、Ta:0.1〜2.0％、Al:0.1〜2.0％、Cu:0.2〜3.0％、
Mo:0.2〜3.0％の範囲にあるTi、Zr、Nb、Ta、Al、Cu、M
oの１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可
避的不純物からなる合金にして、母相を溶体化処理状態
でマルテンサイト中にフェライトを20〜80％含むフェラ
イト−マルテンサイトの２相組織にしたことを特徴とし
ている。

以下本発明の限定理由を説明する。

（１）Ｃ Ｃは固溶強化による強度上昇に寄与するが、含有量が
多くなると焼入れマルテンサイト相が硬くなり、冷間加
工変形能を低下させ、目的とする十分なる成形加工性が
得られない。従って成形加工性を向上させるにはTi、Hb
などのＣ固定能を有する析出硬化元素を多く添加しなけ
ればならず、不経済である。これらの理由によりＣは0.
08％以下とした。

（２）Si 本発明鋼はNi、Si、TiおよびZrなどよりなる金属間化
合物を析出させて高強度を得るもので、Siが1.0％未満
であると十分なる時効硬化が得られない。また5.0％を
越えて添加してもその効果は飽和する。このためSiの含
有量は1.0〜5.0％とした。

（３）Mn MnはNiとともに室温でマルテンサイト相になるオース
テナイト相の生成を多くする元素である。本発明鋼では
析出硬化に有効なNiを多量に添加するため、マルテンサ
イト−フェライトの２相バランスを保つ都合上Mnを低く
抑える必要があり、このためMnは1.0％以下と低くし
た。

（４）Ni Niは析出硬化能を向上させるとともに、フェライト相
の生成を調整する必須の元素である。しかし添加量を多
くするとMs点が低下して残オーステナイト相の量が増加
するため、強度が低下する。本発明鋼の場合析出硬化能
を付与するのに最低4.0％必要で、マルテンサイト相中
の残留オーステナイト相の量を増加させないためには9.
0％以下にする必要がある。

（５）Cr CrはNi量とのバランスでフェライト−マルテンサイト
の２相組織を得るのに少なくとも12.0％以上必要であ
る。しかし添加量を多くすると残留オーステナイト量が
増加し、強度が低下するので、上限は20.0％とした。

（６）Ｎ ＮはＣと同様固溶強化に寄与するが、析出硬化元素の
Ti、Nb、Alなどとの親和力が大きいので、析出硬化元素
の添加効果を減少させる。またＮ含有量が高いと析出硬
化元素にTiを使用した場合TiNの大きな介在物を多量に
形成し、靭性を低下させる。これらのことからＮは少な
い方が好ましく、0.03％以下とした。

（７）Ti、Zr、Nb、TaおよびAl これらの元素は析出硬化を起こさせるのに必須の元素
で、少なくとも１種以上添加する必要がある。しかるに
これらの元素はＣ、Ｎ、Ｏなどとの親和力が大きく、0.
1％以上添加しないと析出硬化が不十分である。一方2.0
％を越えて添加すると強度が著しく大きくなりすぎ、靭
性が低下する。このため上記各元素はそれぞれ0.1〜2.0
％とした。

（８）Cu Cuは析出硬化元素の１種であるが、それとともに亜硫
酸ガス系腐食環境下における耐食性を著しく向上させ
る。このためCuは用途に応じて添加するのであるが、そ
の添加効果を得るには0.2％以上必要とする。しかし3.0
％を越えて添加してもその添加量の割には効果が小さ
く、しかも鋼板あるいは鋼帯製造時の熱間加工性を害す
る。このためCu上限は3.0％とした。

（９）Mo MoはCuと同様析出硬化元素であるとともに、耐食性、
靭性改善効果の大きい元素である。その効果を発現させ
るためには0.2％以上添加する必要があるが、多量に添
加すると熱間加工性に著しく低下させるので、上限は3.
0％以下にする必要がある。

（10）相比 本発明鋼はフェライトとマルテンサイトの２相組織に
するのであるが、両相の比率はSi、Cr、Ti、Zr、Nb、T
a、AlおよびMoなどのフェライト生成元素と溶体化処理
状態でマルテンサイトとなるＣ、Mn、NiおよびCuなどの
オーステナイト生成元素との比率および熱処理条件によ
り変化する。従って成分範囲が本発明鋼の範囲内でも各
々の成分のバランスおよび溶体化温度により両相の比率
は変化し、それに伴って加工性、強度も変化する。フェ
ライトとマルテンサイトとの２相組織において、前者の
比率が多い場合加工性は向上するが、強度は低下し、逆
に後者が多い場合はその逆になる。そこで高加工性、高
強度の得られる範囲について検討した結果、溶体化処理
状態でマルテンサイト中のフェライト量を20〜80％にす
ればよいことを見出した。これはフェライト量が20％未
満であるとマルテンサイト単相の鋼と同程度の延性しか
得られず、逆に80％を越えるとフェライト単相の鋼と同
程度の強度しか得られず、フェライト量が20〜80％の範
囲を外れるといずれかの特性が不十分となるからであ
る。

（実施例） 次に本発明を実施例により具体的に説明する。

第１表に示すような化学成分の合金鋼を高周波溶解炉
で溶製して、通常の熱間圧延、冷間圧延により厚さ1mm
の板にした。その後これらの材料を先ず1050℃で溶体化
処理して、フェライト量と伸びを測定し、次に時効処理
して、硬さを測定した。

第１表においてNo1〜７の鋼は本発明鋼で、組織がフ
ェライトとマルテンサイトの２相になっている。またNo
11、12は成分が本発明鋼の範囲内にあるが、フェライト
生成元素およびマルテンサイト生成元素の割合を調整し
て、実質的にNo11はフェライト組織、No12はマルテンサ
イト組織にした比較鋼である。さらにNo21および22は従
来鋼で、No21がSUS301、No22がSUS631（17−7PH）であ
る。

第２表に溶体化処理後のフェライト量および標点間20
mmの試験片で引張り試験を行った後の伸び並びに時効処
理後の硬さの測定結果を示す。ただしNo21と22の従来鋼
は40％冷間圧延後の伸びおよび時効処理後の硬さを示
す。時効処理はNo1〜７の本発明鋼およびNo11、12の比
較鋼の場合525℃×1hrで、No21および22の比較鋼の場合
それぞれ400℃×1hrおよび475℃×1hrで行った。

第２表より明らかなように、マルテンサイト中のフェ
ライト量が20〜80％の本発明鋼は溶体化処理状態での伸
びがNo21、22の従来鋼より大きく、しかも時効処理後の
硬さはHv490〜520と従来鋼の488〜524と同程度である。
従って本発明鋼はセミオーステナイト系析出硬化型ステ
ンレス鋼と同程度の強度を有し、それより加工性が向上
していることがわかる。

これに対してマルテンサイト中にょフェライト量が本
発明鋼の範囲より外れた比較鋼No11の場合、伸びは従来
鋼より大きいが、フェライト相においては十分なる時効
硬化が起こらないため硬さが低く、No12の場合は伸びお
よび硬さとも従来鋼と変わらず、加工性が改善されてい
ない。

添付図面は第２表に示した時効処理前の伸びと時効処
理後の硬さの関係を示したもので、図中の数字は第２表
の試料Noで、本発明鋼は円で囲んである。この図より本
発明鋼は高延性、高強度であることがわかる。

（効果） 以上のように本発明鋼は加工性に優れているので、形
状が複雑であったり、高度の加工性を必要とする用途に
使用でき、かつ加工後には高強度にすることができる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は実施例で第２表に示した時効処理前の伸びと
時効処理後の硬さの関係を示したものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％において、C:0.08％以下、Si:1.0〜
   5.0％、Mn:1.0％以下、Ni:4.0〜9.0％、Cr:12.0〜20.0
   ％、N:0.03％以下を含有し、さらにTi:0.1〜2.0％、Zr:
   0.1〜2.0％、Nb:0.1〜2.0％、Ta:0.1〜2.0％、Al:0.1〜
   2.0％、Cu:0.2〜3.0％、Mo:0.2〜3.0％の範囲にあるT
   i、Zr、Nb、Ta、Al、Cu、Moの１種または２種以上を含
   有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる合金で、
   溶体化処理状態でマルテンサイト中にフェライトを20〜
   80％含み、時効処理により高強度を得ることができる加
   工性に優れた高強度ステンレス鋼。