JPH08269637A - 高速連続張出し加工用オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は高速の連続張出し加工に際し、α破断
を生じることなく安定して加工が可能なオーステナイト
系ステンレス鋼を提供する。 【構成】質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％，Ｓｉ：
１．０〜２．５％，Ｍｎ：５．０％以下，Ｎｉ：５．０
〜９．０％，Ｃｒ：１４．０〜１９．０％，Ｃｕ：４．
０％以下，Ｎ：０．１０％以下，Ｍｏ：１．０％以下
（無添加を含む）を含有し、（Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％
以上であり、かつ、これらの成分の間に下記（１）式に
従うａ値が−０．３０〜１．００の範囲に維持される関
係が成立しており、残部がＦｅおよび不可避的不純物か
らなる高速連続張出し加工用オーステナイト系ステンレ
ス鋼。ａ値=19.43− 0.8Ｃ−0.14Ｓｉ−0.54Ｍｎ−1.02
Ｎｉ−0.57Ｃｒ−0.49Ｃｕ−7.53Ｎ --- (1)

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速で連続張出し加工す
る場合に、α破断を生じることなく安定してプレス加工
が可能な張出し加工用オーステナイト系ステンレス鋼に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＳＵＳ３０４のごとくオーステナイト相
が準安定なステンレス鋼は、加工時のひずみでマルテン
サイト変態（加工誘起マルテンサイト変態）が生じて、
ひずみ拡散が良好になるため、ＳＵＳ３０５やＳＵＳ３
１６等のようにオーステ、加工時のひずみでマルテンサ
イト変態（加工誘起マルテンサイト変態）が生じてひず
み拡散が良好になるため、ＳＵＳ３０５やＳＵＳ３１６
等のようにオーステナイト相が比較的安定なステンレス
鋼に比べて、張出し加工性、深絞り加工性が優れる。こ
の効果を積極的に活用した高加工性ステンレス鋼とし
て、特公昭５１−２９８５４号，特公昭５９−３３６６
３号，特公昭６０−５６６９号，特開昭５４−１２８９
１９号などの例がある。これらの鋼は、張出し加工や深
絞り加工を施して、流し台や浴槽等の大型プレス品に多
用されている。また、ドアーノブやガスコンロのガスバ
ーナー、電池ケース等の比較的小型のプレス加工品にも
多用されつつある。

【０００３】これらの加工品のうち、大型プレス品はプ
レス圧力やポンチストロークの関係から油圧を用いた低
速のプレス加工のため加工時の変形熱は金型に伝熱拡散
されたり、潤滑油で冷却されて材料温度はほとんど上昇
しない。一方、比較的小型品のプレス加工ではメカニカ
ルプレスが多用されている。この場合、油圧プレスに比
べて加工速度が大きいため加工時の変形熱により材料温
度が上昇し、マルテンサイト変態が抑制されるため加工
性が低下する。そこで、素板から製品形状まで多数回の
中間形状を経て少しずつ段階的に加工する多段プレス加
工の手法が取られる。なお、メカニカルプレスを用いた
多段プレス加工の場合でも、中間製品をまとめて各段ご
とに単発プレスする場合も多く、この場合は材料の温度
上昇は比較的少なく、高速加工と言えども加工性の低下
は小さい。

【０００４】

【発明が解決しょうとする課題】しかし、近年の比較的
小型品のプレス加工は、大量生産やプレス加工の効率化
を目的に高速の連続プレスに変更されつつある。このよ
うな加工方法や加工条件の変化に伴い、従来のＳＵＳ３
０４や前述従来例のオーステナイト系ステンレス鋼では
加工上の問題が顕在化してきた。すなわち、高速連続プ
レス加工に際しては、潤滑剤で材料、金型を冷却してい
るにもかかわらず、高速連続加工のため、変形時の発熱
量の多くが材料内に連続的に蓄積されたり、金型に伝導
後蓄積される。このため加工材料の温度が上昇し、マル
テンサイト変態が抑制されるため加工性が低下すること
から、従来鋼ではプレスの高速化や多段プレス加工時の
工程数削減を阻害していた。本発明は、このような問題
点を解消し、高速連続プレスにおいてα破断を生じるこ
となく安定して加工が可能なステンレス鋼を提供するこ
とを目的としたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、質量％
で、Ｃ：０．０５〜０．１５％，Ｓｉ：１．０〜２．５
％，Ｍｎ：５．０％以下，Ｎｉ：５．０〜９．０％，Ｃ
ｒ：１４．０〜１９．０％，Ｃｕ：４．０％以下，Ｎ：
０．１０％以下，Ｍｏ：１．０％以下（無添加を含む）
を含有し、（Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％以上であり、か
つ、これらの成分の間に、ａ値=19.43− 0.8Ｃ−0.14Ｓ
ｉ−0.54Ｍｎ−1.02Ｎｉ−0.57Ｃｒ−0.49Ｃｕ−7.53Ｎ
--- (1)式に従うａ値が−０．３０〜１．００の範囲に
維持される関係が成立しており、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなる高速連続張出し加工用オーステナイ
ト系ステンレス鋼を提供する。

【０００６】

【作用】本発明の要旨とするところは、高速で連続プレ
ス加工する際に材料の温度が上昇しても、適度なマルテ
ンサイト変態を進行させることでひずみ拡散を効率的に
生じさせ、α破断を防止することにある。そこでマルテ
ンサイト変態の起こり易さと、変態したマルテンサイト
の強度を制御することが極めて重要となる。マルテンサ
イト変態挙動はオーステナイト安定度、加工ひずみ量、
加工温度の影響が極めて強い。

【０００７】オーステナイト安定度は鋼中に含有される
化学成分とその量に依存する。オーステナイト安定度を
表す指標としては、例えば、鉄と鋼 Vol.63 No.5 p.218
に紹介されている、Ｍｄ_GS30＝ 551−462(Ｃ＋Ｎ) −
9.2Ｓｉ− 8.1Ｍｎ−29（Ｎｉ＋Ｃｕ）−13.7Ｃｒ−18.
5Ｍｏ−68.0Ｎｂ−1.42（ν− 8.0）----- (2)が挙げら
れる。このＭｄ_GS30は0.30の引張り真ひずみを与えたと
き50％のマルテンサイト量を生成する温度であり、Ｍｄ
_GS30の値が大きいほどオーステナイト相は不安定であ
る。なお、（２）式中のνはオーステナイト相のＡＳＴ
Ｍ結晶粒度番号である。しかし、このＭｄ_GS30値で高速
連続プレス加工における張出し加工性を評価した場合、
Ｍｄ_GS30値と張出し加工性の相関が乏しいことが多々あ
る。

【０００８】その理由としては、第１にＭｄ_GS30値はＳ
ＵＳ３０４，３０１系の特定成分範囲内で回帰した式で
あるため、幅広い成分範囲での適用には外挿が困難であ
る点、第２にＭｄ_GS30値は加工時の材料温度の上昇を考
慮に入れていないのに対し、高速連続プレス加工では、
材料温度が上昇するため、同一材料であっても加工時の
材料温度によって、マルテンサイト量が変化するという
点が考えられる。そこで、高速連続プレス加工性を評価
できる新たなオーステナイト安定度の指標について検討
した結果、加工ひずみ量とマルテンサイト量との関係に
着目すべきであることを知見した。

【０００９】本発明者らによる種々の実験結果、加工ひ
ずみ量とマルテンサイト量の間には、次の関係が成立す
ることを見い出した。 α'/Ａ＝ａ・ｅ^2.5 ------ (3) ここで、ｅ：引張変形で付与されたひずみ量 α':付与されたひずみ量で発生した加工誘起マルテンサ
イト相の量比 Ａ：そのときのオーステナイト相の量比で、１−α' に
等しい。 すなわち、（３）式は加工歪みの増加に伴う加工誘起マ
ルテンサイト量の増加の度合い示した関係式である。
（３）式における係数ａの値が、その材料のオーステナ
イト安定度を示す値となる。すなわち、ａ値が小さい場
合はオーステナイト相が安定であり、大きい場合はオー
ステナイト相は不安定と評価することができるのであ
る。ここで、ａ値はひずみ量ｅ＝１のときのα'/Ａの値
となることが（３）式からわかる。

【００１０】本発明者らによる数多くの実験の結果、ａ
値と化学成分の間には、次の関係式が成立することを見
い出した ａ値＝ 19.43−10.8Ｃ−0.14Ｓｉ−0.54Ｍｎ−1.02Ｎｉ
−0.57Ｃｒ−0.49Ｃｕ−7.53Ｎ --- (1)

【００１１】加工温度は加工度、加工速度、加工開始か
らの経過時間の増加とともに上昇するものであるが、加
工時には摩擦抵抗の低減、疵付き防止等の目的で液体潤
滑が施されるため、材料温度はある温度からほとんど上
昇しなくなる。実際の高速連続プレス時の温度は、多く
の場合は４０〜７０℃程度であると推定されることか
ら、この温度域でのマルテンサイト変態を適切に制御す
ることが必要である。

【００１２】詳細な調査の結果、（１）式で示されるａ
値が−０．３０〜１．００の範囲を外れた鋼では、高速
連続張出し加工において、加工割れが生じ易いことがわ
かった。すなわち、（１）式によるａ値は、実際の高速
連続張出し加工性を評価するためにふさわしいオーステ
ナイト安定度の指標である。

【００１３】なお、マルテンサイト相の強度が高い材料
に強度の縮みフランジ変形加工を施すと、縮みフランジ
変形部に強い引張残留応力が発生し時期割れを生じるた
め、従来は高速連続張出し加工用途への適用は不可能で
あるとされていた。しかし、本発明によるとき、加工部
に時期割れ発生を誘発する引張残留応力は残存しないた
め時期割れは考慮しなくて良いことを確認した。したが
って、張出し加工用途材料ではマルテンサイト強度の高
い材料の方がひずみ拡散に対して有利になり、優れた張
出し成形性が得られる。

【００１４】各成分の作用と含有量限定の理由は次の通
りである。Ｃは強力なオーステナイト生成元素であり、
また耐力をあまり上昇することなく、加工誘起マルテン
サイト相の強度を高めるのに極めて有効な元素である。
このＣの効果を十分に活用し極めて優れた張出し加工性
を確保するためには０．０５％以上のＣ量とする必要が
ある。また、高すぎると耐食性が劣化するので上限を
０．１５％とした。

【００１５】Ｓｉはその含有量が高いほど、オーステナ
イト相そのものの加工硬化性を高めることができるとと
もに、耐応力腐食割れ性の改善に有効な元素であるが、
反面、その含有量が多すぎるとδフェライト相が生成し
て熱間加工性を損ねるためその適正範囲を１．０〜２．
５％とした。

【００１６】ＭｎはＮｉと同様にオーステナイト相のひ
ずみ誘起マルテンサイト量を抑制するのに役立つが、Ｎ
ｉと異なる点はひずみによって誘起されるマルテンサイ
ト相の強度を高めるため、結果的には材料の加工硬化性
を高めると共に張出し成形性を向上させる効果があり、
単なるＮｉとの置換とは目的を異にする。しかしなが
ら、δフェライト相の抑制効果はＮｉほど強くなく、か
つ、製鋼時のロスが多くて金属Ｎｉと金属Ｍｎとの価格
差ほどのコストの低減にならないことから、その適量範
囲を５．０％以下とした。

【００１７】Ｎｉはオーステナイト相やマルテンサイト
相そのものの加工硬化にはあまり寄与しないのと、高価
な金属であるのでオーステナイト相のバランスの条件を
満たす範囲で低いことが望ましいので５．０〜９．０％
の範囲とした。

【００１８】Ｃｒは耐食性の面から高い方が望ましい
が、あまり高すぎるとδフェライト相が生じ熱間加工性
が損なわれるためその適正範囲を１４．０〜１９．０％
とした。

【００１９】ＣｕはＮｉと同様にオーステナイト相のひ
ずみ誘起マルテンサイト変態を制御するのに役立つと同
時に、ひずみによって誘起されるマルテンサイト相の強
度を高め、結果的に材料の加工硬化特性を向上せしめる
ので不可欠な元素である。しかし、その含有量が高すぎ
ると熱間加工性が阻害されるので、その含有量は４．０
％以下とした。

【００２０】ＮはＣと同様にオーステナイト生成元素で
あり、加工誘起マルテンサイト相の強度を高める。しか
し、、多すぎるとオーステナイト相自体の強度が上昇す
るとともに耐力を上昇して加工性が低下するため、上限
を０．１０％とした。

【００２１】Ｍｏは耐食性の向上に有効な元素である。
本発明の鋼では、ひずみ誘起マルテンサイトを積極的に
利用する上から、耐食性に有効なＣｒの上限が決められ
る。環境によって耐食性が不十分な場合には、耐食性の
向上を目的にＭｏを添加することが有効である。しか
し、Ｍｏは高価な元素であることから上限を１．０％と
した。

【００２２】その他、成形加工部品をスポット溶接やシ
ーム溶接等で組み立てて使用する場合は、溶接熱影響部
の鋭敏化による耐食性劣化を回避するためにＴｉ，Ｎｂ
を適量添加することが有効である。

【００２３】なお、（Ｃ＋Ｎ）量を０．０６％以上とし
たが、（Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％未満であるとマルテン
サイト相の強度が十分得られず、ひずみ拡散が不十分と
なり張出し加工性が低下するためである。

【００２４】

【実施例】

実施例１：表１に示す化学成分の鋼１〜２６を溶製し、
スラブを１２２０℃に再加熱後、熱間圧延により板厚
３．８ｍｍの熱延板とし、これに１１５０℃で均熱１分
の熱延板焼鈍を施した。この熱延焼鈍板を酸洗し、板厚
１．２ｍｍまで冷間圧延した後、１０５０℃で均熱１分
の中間焼鈍と酸洗を施し、さらに０．６ｍｍまで冷間圧
延した。これに結晶粒度が８番になるような温度で、均
熱１分の仕上げ焼鈍の後、酸洗を施した。

【００２５】

【表１】

【００２６】これらの材料について、オーステナイト安
定度の評価試験と高速連続プレス時の張出し加工性の指
標となる高速エリクセン試験を行った。また、一部の材
料については高速張出し加工試験を実施した。なお、こ
れらの試験方法は次のとおりである。

【００２７】（高速エリクセン試験方法）高速エリクセ
ン試験は高速連続張出し加工を想定した試験方法で、Ｊ
ＩＳ Ｚ２２４７に規定された２号試験片にプレス油で
潤滑を施して試験した。加工方法はメカニカルプレス機
にＪＩＳ Ｂ ７７２９に規定されたエリクセン試験治
具を取付け、加工速度１２．８ｍ／分の速度で加工し
た。試験室の気温は２０℃であった。加工時の材料温度
は高速加工のため測定が不可能であるが、加工後直ちに
試験片を取り出し温度測定を行なったところ、約４０℃
を示したことから、加工時の材料温度は４０℃以上であ
ることは容易に推察される。なお、ＪＩＳ Ｚ ２２４
７に規定された通常のエリクセン試験も一部実施した
が、エリクセン試験時の張出し加工部での温度を測定し
た結果、加工時に温度上昇を生じた材料でも加工時の材
料温度は２５℃程度であった。

【００２８】（オーステナイト安定度評価試験方法）幅
１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの短冊試験片を作製し、試験
片の中央部に１５ｍｍのけがき線を記入した。この試験
片のけがき線長さを読み取り顕微鏡で正確に測定した
後、インストロン型引張試験機で均一伸びを示す範囲内
で種々の引張ひずみを与えた。この時の引張速度は１ｍ
ｍ／分と１００ｍｍ／分の２種類で行なった。１ｍｍ／
分で引張った場合の試験片温度は高いもので２５℃程度
であった。一方、１００ｍｍ／分で引張った場合の試験
片温度は６０〜９０℃であった。ひずみ付与後は再びけ
がき線長さを正確に読み取り、ひずみ量を算出した。オ
ーステナイト安定度の指標となる加工誘起マルテンサイ
ト量は、引張ひずみ付与後の試験片から約５ｍｍ径の円
板を加工ひずみが加わらないよう電解研磨で注意深く作
製し、試料振動型磁力計で測定した。

【００２９】（高速張出し加工試験方法）１５０ｍｍ×
１５０ｍｍ角の板を表２の条件で３工程の高速連続張出
し加工を行い、割れの有無を確認した。なお、加工時の
材料温度は機構上測定できなかったが、１〜３工程終了
後直ちに加工品の温度を測定したところ４０℃以上の温
度であることから、加工時の材料温度は４０℃以上であ
ったことを確認した。

【００３０】

【表２】

【００３１】（試験結果）高速エリクセン試験およびオ
ーステナイト安定度評価試験結果を表３に示す。従来の
オーステナイト安定度の指標となるＭｄ_GS30で高速エリ
クセン値を整理すると図１のようになった。Ｍｄ_GS30と
高速エリクセン値の間には、ほとんど相関のないことが
わかる。

【００３２】

【表３】

【００３３】また、引張ひずみによるマルテンサイト変
態挙動の一例を図２、３に示す。引張り時に材料温度が
上昇しないよう１ｍｍ／分でゆっくり引張った場合は図
２に示すように、加工時に生成したマルテンサイト量が
多い。一方、引張時に材料温度が６０〜９０℃に上昇し
た１００ｍｍ／分の場合は、図３に示すようにマルテン
サイト量が少ない。これらの結果は、同一材料であって
も加工時の材料温度によってマルテンサイト量が変化す
ることを示すものである。

【００３４】図４は、前述の（３）式におけるひずみ量
ｅの対数とα'/(1−α')の対数の関係をいくつかの鋼に
ついて、プロットした例である。各鋼のプロットは、勾
配２．５の直線として近似でき、（３）式の関係が成立
することがわかる。鋼の化学組成を前述の（１）式に代
入して求めた計算ａ値と、マルテンサイト量を実測して
（３）式から求めた実測ａ値を表３中に示す。計算ａ値
と実測ａ値は、よく一致しており、（１）式によりａ値
が精度よく推定できることがわかる。

【００３５】前述（１）式を用いて求めた計算ａ値と高
速連続プレス加工を想定した高速でのエリクセン試験値
の関係を整理すると図５のようになる。高速連続プレス
加工であろうとも、張出し加工性はマルテンサイト変態
によるひずみ拡散の寄与が大きく、結局、高速加工で材
料温度が上昇した状態でのマルテンサイト変態挙動を十
分把握すれば図５のごとく、高速連続張出し加工性は、
本発明者らが提案したａ値によって評価することが可能
となる。しかもＣ，Ｎ量の多い材料の方が張出し加工性
が優れていることがわかる。

【００３６】供試材の一部について、高速連続張出し加
工試験を実施した結果を表３中に示す。Ｃが０．０５％
以上、（Ｃ＋Ｎ）が０．０６％以上の鋼で、オーステナ
イト安定度の指標となるａ値が−０．３０〜１．００の
鋼が高速連続張出し加工可能領域が極めて広いことがわ
かる。

【００３７】実施例２：実施例１と同様に、表４に示す
Ａ〜Ｒの鋼を溶製した。表４の本発明鋼の鋼Ａ〜ＪはＣ
量が０．０５％以上で、（Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％以上
にあり、ａ値は−０．３０〜１．００の範囲にある。比
較鋼の鋼ＫはＣ量が０．０５％以上で、（Ｃ＋Ｎ）量が
０．０６％以上にあるものの、ａ値が規定の範囲より低
くオーステナイト相が安定な材料である。比較鋼Ｌ〜Ｑ
は、ａ値が規定の範囲内にあるものの、Ｃ量および（Ｃ
＋Ｎ）量が規定の範囲より少ないものである。比較鋼Ｒ
のＣ，Ｎ量および（Ｃ＋Ｎ）量は規定の範囲内にあるも
のの、ａ値が規定の範囲より高くオーステナイトが不安
定な材料である。

【００３８】

【表４】

【００３９】これらの鋼の０．６ｍｍ厚の冷延焼鈍材か
ら、各試験片を採取し、実施例１と同様の試験条件で高
速エリクセン試験、オーステナイト安定度評価試験、高
速張出し加工試験を実施した。その結果を、表５および
図６に示す。

【００４０】

【表５】

【００４１】Ｃ量が０．０５％以上で、（Ｃ＋Ｎ）量が
０．０６％以上にある発明鋼の張出し加工性の指標とな
る高速エリクセン値が高く、高速張出し加工試験でもα
破断は生じていない。比較鋼のＫ，ＲはＣ量が０．０５
％以上で、（Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％以上にあるもの
の、ａ値が規格を外れているため高速エリクセン値が低
く、高速張出し加工試験でもα破断を生じた。Ｃ量が
０．０５％以上で、（Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％以上の規
格を満足しない鋼Ｌは高速張出し加工試験でα破断を生
じ、鋼Ｍはα破断発生危険部のポンチ肩Ｒ部にネッキン
グを生じた。このように、Ｃ量が０．０５％以上で、
（Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％以上の規格を満足しない鋼で
も、加工条件に適したａ値を有せば高速張出し加工は可
能であるが、加工可能なａ値の範囲が発明鋼のａ値範囲
より狭くなり、材料の管理が極めて困難となる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、材料温度の上昇をも加
味した新しいオーステナイト安定度の指標ａ値を採用し
て、鋼の化学成分を厳密にコントロールしたので、高速
連続張出し加工における加工時の割れが克服できた。そ
の結果、従来の準安定オーステナイト系ステンレス鋼で
は、複数回の単発プレスで行っていた多段プレス加工
が、本発明鋼では１つのラインで仕上げる高速連続プレ
ス（トランスファープレス）により、行うことができ
る。特に、張出し加工量が大きいプレス加工品が高速連
続プレスラインで製造できるようになり、これらの製品
の普及に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】オーステナイト安定度Ｍｄ_GS30値と高速エリク
セン試験値の関係を示した図。

【図２】１ｍｍ／分で引張与ひずみした場合のひずみ量
とマルテンサイト量の関係を示した図。

【図３】１００ｍｍ／分で引張与ひずみした場合のひず
み量とマルテンサイト量の関係を示した図。

【図４】１００ｍｍ／分で引張与ひずみした場合のひず
み量と（マルテンサイト量／オーステナイト量）の関係
を対数で整理した図。

【図５】オーステナイト安定度評価値の計算ａ値と高速
エリクセン試験値の関係を示した図。

【図６】オーステナイト安定度評価値の計算ａ値と高速
エリクセン試験値の関係を示した図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％，Ｓ
   ｉ：１．０〜２．５％，Ｍｎ：５．０％以下，Ｎｉ：
   ５．０〜９．０％，Ｃｒ：１４．０〜１９．０％，Ｃ
   ｕ：４．０％以下，Ｎ：０．１０％以下，Ｍｏ：１．０
   ％以下（無添加を含む）を含有し、 （Ｃ＋Ｎ）量が０．０６％以上であり、かつ、これらの
   成分の間に下記（１）式に従うａ値が−０．３０〜１．
   ００の範囲に維持される関係が成立しており、残部がＦ
   ｅおよび不可避的不純物からなる高速連続張出し加工用
   オーステナイト系ステンレス鋼。 ａ値=19.43− 0.8Ｃ−0.14Ｓｉ−0.54Ｍｎ−1.02Ｎｉ−
   0.57Ｃｒ−0.49Ｃｕ−7.53Ｎ --- (1)