JPH1068050A

JPH1068050A - 耐熱へたり性に優れたばね用ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH1068050A
Application number: JP22503796A
Authority: JP
Inventors: Susumu Katsuragi; 進桂木; Toshihiro Uehara; 利弘上原; Takehiro Oono; 丈博大野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1998-03-10

Abstract

(57)【要約】【課題】６００℃付近の高温で使用されても耐熱へた
り性に優れ、さらに良好な成形性を有し、かつ低価格の
ばね用ステンレス鋼を提供する。【解決手段】Ｃ０．１５％以下、Ｓｉ０．８％以
下、Ｍｎ２．５％以下、Ｎｉ７〜１０％、Ｃｒ１
４〜１８％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋（１／
２）×Ｗで２．０〜５．０％、Ｎ０．０５〜０．２％
を含み、かつ、Ｃｒ当量が２１〜２４、Ｎｉ当量が１１
〜１４であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温で使用される
ばね用ステンレス鋼に係るもので、高温での熱履歴に対
してばね限界が低下しないような高硬度を有するステン
レス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のばね用ステンレス鋼としては、準
安定オーステナイト鋼であるＳＵＳ３０１等が代表的な
ものとして知られている。また、ばね特性の優れたステ
ンレス鋼として、例えば特開平５−１１７８１３号、特
開平６−２２８６４１号等には、疲労特性や耐応力腐食
割れ性に優れたメタルガスケット用の鋼や材料が提案さ
れている。これらのばねの使用温度は、高々３００℃程
度である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、例えば３００℃
を越える高温部に対しても金属ばねの使用が試みられて
いる。しかしながら通常用いられているばねは、このよ
うな高温で長時間使用した場合には、強度が減少してば
ね特性が低下する（以下、熱へたりと記す）問題があ
る。一方、熱へたりの少ない材料、すなわち耐熱性の高
い材料としては種々の耐熱合金が存在するが、ばねに成
形する際の成形性、さらには低価格という要求に対し
て、これらを同時に満たす材料は存在しないのが現状で
ある。本発明の目的は、６００℃付近の高温で使用され
ても耐熱へたり性に優れ、さらに良好な成形性を有し、
かつ低価格のばね用ステンレス鋼を提供することであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】発明者は、高温で使用さ
れるばね用材料を開発するに当り、まずコスト面から対
象をＮｉ等の合金元素をあまり多量に含まないＦｅベー
スとして、種々検討した。その結果、本発明が目的とす
る６００℃付近の高強度を得るためには、通常の焼入
れ、焼戻しを行なうマルテンサイト強化機構による強化
はほとんど期待できないことがわかった。一方、オース
テナイト系の材料は、それ自体の強度はそれほど高くな
いが、冷間加工を施すことにより、オーステナイトの加
工硬化と加工誘起マルテンサイトを生成させて、強度の
増加を図ることは可能である。しかし冷間加工による硬
化作用も６００℃付近の温度に保持すると、通常は熱へ
たりにより強度が失われていく。

【０００５】発明者は、ＭｏおよびまたはＷを多少高め
の特定量添加し、さらにＮも適正量添加したオーステナ
イト系ステンレス鋼を基本組成として、これを冷間加工
により強化する一方、同時に加工誘起マルテンサイトも
適正量生成させると、６００℃に近い温度に保持した後
においても強度が維持されることを新たに見出した。そ
して前記加工誘起マルテンサイトは、初期硬さを確保す
るために適正量必要であるが、必要以上に多くなると、
高温に昇温した際に逆変態によりオーステナイトになっ
て却って強度が低下することがわかった。さらに適度な
加工誘起マルテンサイト量を得るには、組成のバランス
が必要であり、そのためには各添加元素について特定範
囲内に限定するとともに、Ｃｒ当量、Ｎｉ当量の値をそ
れぞれ適性量に制御することが重要であることを見出し
た。

【０００６】すなわち本発明の第１発明は、重量％で、
Ｃ０．１５％以下、Ｓｉ０．８％以下、Ｍｎ２．
５％以下、Ｎｉ７〜１０％、Ｃｒ１４〜１８％、Ｍ
ｏとＷの１種または２種をＭｏ＋（１／２）×Ｗで２．
０〜５．０％、Ｎ０．０５〜０．２％を含み、かつ、Ｃｒ当量＝Ｃｒ％＋（２×Ｓｉ％）＋（１．５×Ｍｏ
％）＋（０．７５×Ｗ％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ％＋（０．５×Ｍｎ％）＋（３０×Ｃ
％）＋（２５×Ｎ％）の式によるＣｒ当量が２１〜２
４、Ｎｉ当量が１１〜１４であり、残部がＦｅおよび不
可避的不純物からなることを特徴とする耐熱へたり性に
優れたばね用ステンレス鋼である。

【０００７】また、第２発明は、重量％で、Ｃ０．１
５％以下、Ｓｉ０．８％以下、Ｍｎ２．５％以下、
Ｎｉ７〜１０％、Ｃｒ１４〜１８％、ＭｏとＷの１
種または２種をＭｏ＋（１／２）×Ｗで２．０〜５．０
％、Ｎ０．０５〜０．２％を含み、さらにＴｉ、Ｎ
ｂ、Ｖの１種または２種以上を合計で０．０５〜０．３
０％含有し、かつ、Ｃｒ当量＝Ｃｒ％＋（２×Ｓｉ％）＋（１．５×Ｍｏ
％）＋（５×Ｖ％）＋（１．７５×Ｎｂ％）＋（１．５
×Ｔｉ％）＋（０．７５×Ｗ％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ％＋（０．５×Ｍｎ％）＋（３０×Ｃ
％）＋（２５×Ｎ％）の式によるＣｒ当量が２１〜２
４、Ｎｉ当量が１１〜１４であり、残部がＦｅおよび不
可避的不純物からなることを特徴とする耐熱へたり性に
優れたばね用ステンレス鋼である。

【０００８】そして、上記ステンレス鋼の望ましい組成
と特性は、上記鋼組成を有し、少なくともオーステナイ
ト相と加工誘起変態によって生じるマルテンサイトとの
２相を含む組織からなり、かつ前記マルテンサイトが２
５容積％以下であり、さらに前記鋼を５８０℃で５００
時間加熱した際のビッカース硬さが４００ＨＶ以上であ
る耐熱へたり性に優れたばね用ステンレス鋼である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明鋼の成分限定理由に
ついて述べる。Ｃは、オーステナイト形成元素で、高温
で生成するδフェライトの抑制、冷間加工で誘発された
マルテンサイト相の強化に極めて有効である。しかし添
加量が０．１５％を越えると、マルテンサイトが多量に
生成することで、ばねの成形性が困難になるので、加工
性を低下させないためにＣの含有量は、０．１５％以下
とした。

【００１０】Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として有効であ
り、また冷間加工によって生成されるマルテンサイト相
を強化するために非常に有効な元素である。一方、Ｓｉ
は冷間加工によるマルテンサイトの生成に大きく影響を
及ぼす元素なので、Ｓｉ量の調整は本発明において非常
に重要である。すなわちＳｉの含有量が０．８％を越え
ると、わずかな冷間加工でも加工誘起マルテンサイトが
多量に生成されるために使用時の昇温により逆変態が容
易に起り、オーステナイト相を生じて却って硬さが大き
く低下する。そのためＳｉは０．８％以下とした。Ｍｎ
も、Ｓｉ同様、脱酸剤として有効な元素であるが、オー
ステナイト相の安定度を支配する元素でもあり、その活
用は他の元素とのバランスのもとに考慮される。本発明
においては、Ｍｎが２．５％を越えると、成形時の加工
性が悪化するため、２．５％以下とする。

【００１１】Ｃｒは、耐食性を付与するのに非常に重要
な元素であり、１４％以上で効果が顕著になる。しかし
１８％を越えると、δフェライトを多量に形成するた
め、耐食性、冷間加工性を大きく悪化させる。したがっ
てＣｒの量は、１４〜１８％とする。Ｎｉは、高温およ
び室温でオーステナイト相を得るのに必須の元素である
が、本発明鋼の場合には室温で準安定オーステナイト相
にして、冷間加工でマルテンサイト相を誘発させるよう
に制御することが重要である。またＮｉの含有量が少な
いとδフェライトが生成するので、上記の効果を得るた
めには、最低７％が必要である。しかし、Ｎｉが１０％
を越えると、冷間加工を施してもマルテンサイト相が誘
発されにくくなる。したがってＮｉの含有量を７〜１０
％とした。

【００１２】ＭｏとＷは、本発明鋼において最も重要な
元素であり、どちらの元素も基地に固溶して基地の硬さ
を高めるとともに、使用時の昇温による熱へたりを緩和
させる効果があるため、単独または複合で必須添加す
る。これは、Ｍｏおよび、またはＷ自身のドラッグ効果
によると考えられ、ＭｏやＷが冷間加工によって多量に
導入された転位を固着させて動きにくくさせるためと推
測される。上記効果によって、本発明鋼は、冷間圧延後
の高硬度を６００℃付近に昇温しても、大きな硬度低下
がなく、高硬度を維持することができる。このような効
果を得るために、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋
（１／２）×Ｗ量で最低２．０％が必要である。しかし
５．０％を越えると、ＭｏとＷはフェライト形成元素で
あるために多量のδフェライトを形成して耐食性や冷間
加工性を低下させるため、ＭｏとＷの１種または２種を
Ｍｏ＋（１／２）×Ｗで２．０〜５．０％に限定する。

【００１３】Ｎは、基地に固溶して基地の硬さを上げる
とともに、使用時の昇温による熱へたりを緩和させる効
果を有する。また耐食性を向上させるとともに、オース
テナイト生成元素としてδフェライトの生成を抑制する
効果も大きく、Ｎｉのような高価な合金元素を節約し
て、Ｎｉの代わりにＮを添加することでδフェライトの
生成を抑制し、安価なばね材料を製造するのにも有効で
ある。その効果を得るためには少なくともＮの含有量
は、０．０５％が必要である。しかし、Ｎの含有量が
０．２０％を越えると、鋳造時に欠陥等が発生し易くな
り、製造上の問題となるため、Ｎは、０．０５〜０．２
％とした。

【００１４】Ｔｉ,Ｎｂ,Ｖは、必ずしも添加する必要は
ないが、一次炭化物を形成することで固溶化処理時のオ
ーステナイト結晶粒を微細化させて硬さを上げる効果が
あるので必要に応じて１種または２種以上を添加するこ
とができる。その効果を得るためには、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ
の１種または２種以上を合計で最低０．０５％が必要で
あるが、０．３０％を越えて含有すると、粗大な一次炭
化物を形成して冷間加工性を害することから、０．０５
〜０．３０％にするのがよい。なお、本発明鋼に重量％
で以下に示す範囲の元素が含まれても、特性上何らそこ
なわれるものではない。Ｃｕ３．０％以下，Ｃｏ２．０％以下，Ｃａ０．
０１％以下，Ｙ０．２％以下，ＲＥＭ（Ｌａ,Ｃｅ,Ｐｒ,Ｎｄ等）０．２％以下，Ｂ
０．０２％以下，Ｍｇ０．０２％以下，Ａｌ０．２％以下，Ｈｆ
０．２％以下，Ｚｒ０．２％以下。

【００１５】次にＣｒ当量は、フェライト安定化元素を
整理した式であり、Ｎｉ当量は、オーステナイト安定化
元素を整理した式である。上記の式がともに条件を満た
していないと、本発明鋼におけるフェライト、オーステ
ナイトのバランスが崩れ、冷間加工後の組織、すなわち
加工誘起マルテンサイトの量や使用時の昇温履歴による
熱へたり性を変動させる大きな要因となる。したがっ
て、Ｃｒ当量は２１〜２４、Ｎｉ当量は１１〜１４の範
囲にそれぞれ規定する。

【００１６】次に本発明鋼の望ましい組織と特性につい
て述べる。加工誘起マルテンサイト相は、準安定オース
テナイト組織の初期硬さを高め、同時に高温で使用され
ても熱へたりを最小限維持させるのに必要であるが、加
工誘起マルテンサイト相が容積％で２５％を越えると使
用時の昇温により、オーステナイトに逆変態が多く発生
して、硬度低下が著しくなるために、２５％以下とする
のがよい。望ましい加工誘起マルテンサイト相の量は、
１５〜２５％である。さらに本発明鋼は高温で使用して
も、初期のばね特性が最大限維持できるのがよく、その
ためには５８０℃で５００時間、加熱した後の硬さが、
ビッカース硬さ４００ＨＶ以上であることが望ましい。

【００１７】（実施例）表１，２に本発明鋼である試料
Ｎｏ．１〜２０および比較鋼である試料Ｎｏ．２１〜３
１ならびに従来鋼である試料Ｎｏ．３２の化学成分を示
す。なお、比較鋼は、Ｃｒ当量、Ｎｉ当量のいずれか、
またはいくつかが本発明の限定範囲からはずれたもので
ある。また従来鋼、ＳＵＳ３０１相当の成分からなる鋼
である。試料の作製には以下の手順で行った。まず１０
ｋｇのインゴットを溶製した後、鍛伸によって断面が２
０ｍｍ×４０ｍｍの棒材にした。続いて、この素材を１
０５０℃に加熱し、１時間保持後水冷の焼入れを行なっ
た。その後、この素材からそして厚さ２ｍｍの板を割り
出し、引き続いて、０．６ｍｍの厚さまで７０％の冷間
圧延を施した。なお冷間加工後のマルテンサイト量の測
定は、フェライトスコープで実施した。また、各試験片
は、冷間圧延後の硬さを測定した後、使用時の昇温を想
定した試験として、５８０℃に加熱して、５００時間保
持した後に炉から取り出し、硬さを測定した。表３に冷
間加工後のマルテンサイト量測定結果およびビッカース
硬さを、また５８０℃の温度に５００時間保持後のビッ
カース硬さをそれぞれ示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】本発明鋼は、いずれも冷間加工した際の加
工誘起マルテンサイト量が２５容積％以下であり、初期
硬さが比較的低い。しかし、５８０℃に加熱した後の硬
さの降下の度合は、小さく、軟化が抑制されており、耐
熱ヘタリ性が優れていることがわかる。これに対して比
較鋼は、冷間加工後のマルテンサイト量が高く、硬さも
高くなる傾向が大きい。さらに５８０℃に５００時間、
加熱保持後のビッカース硬さは、いずれも４００を下回
っており、初期硬さと、加熱後の硬さの落差が著しく、
耐熱へたり性が不十分である。また従来鋼は、冷間加工
による加熱硬化性が低く、長時間の加熱による硬度低下
も大きいことがわかる。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のばね用ステ
ンレス鋼は６００℃付近の高温で使用しても耐熱へたり
性に優れていることから、高温でばね特性が要求される
用途に対して安価に提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ０．１５％以下、Ｓｉ
０．８％以下、Ｍｎ２．５％以下、Ｎｉ７〜１０％、
Ｃｒ１４〜１８％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ
＋（１／２）×Ｗで２．０〜５．０％、Ｎ０．０５〜
０．２％を含み、かつ、Ｃｒ当量＝Ｃｒ％＋（２×Ｓｉ％）＋（１．５×Ｍｏ
％）＋（０．７５×Ｗ％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ％＋（０．５×Ｍｎ％）＋（３０×Ｃ
％）＋（２５×Ｎ％）の式によるＣｒ当量が２１〜２
４、Ｎｉ当量が１１〜１４であり、残部がＦｅおよび不
可避的不純物からなる耐熱へたり性に優れたばね用ステ
ンレス鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ０．１５％以下、Ｓｉ
０．８％以下、Ｍｎ２．５％以下、Ｎｉ７〜１０％、
Ｃｒ１４〜１８％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ
＋（１／２）×Ｗで２．０〜５．０％、Ｎ０．０５〜
０．２％を含み、さらにＴｉ、Ｎｂ、Ｖの１種または２
種以上を合計で０．０５〜０．３０％含有し、かつ、Ｃｒ当量＝Ｃｒ％＋（２×Ｓｉ％）＋（１．５×Ｍｏ
％）＋（５×Ｖ％）＋（１．７５×Ｎｂ％）＋（１．５
×Ｔｉ％）＋（０．７５×Ｗ％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ％＋（０．５×Ｍｎ％）＋（３０×Ｃ
％）＋（２５×Ｎ％）の式によるＣｒ当量が２１〜２
４、Ｎｉ当量が１１〜１４であり、残部がＦｅおよび不
可避的不純物からなることを特徴とする耐熱へたり性に
優れたばね用ステンレス鋼。
【請求項３】請求項１または２に記載の鋼組成を有
し、少なくともオーステナイト相と加工誘起変態によっ
て生じるマルテンサイト相との２相を含む組織からな
り、かつ前記マルテンサイト相が２５容積％以下であ
り、さらに前記鋼を５８０℃で５００時間加熱した際の
ビッカース硬さが４００ＨＶ以上である耐熱へたり性に
優れたばね用ステンレス鋼。