TWI534276B - Spring with Wo Si Tin iron stainless steel and spring stainless steel processing materials - Google Patents

Description

彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼以及彈簧用不鏽鋼加工材

本發明係關於家電用機器、汽車零件等所使用的機械強度優異之低Ni彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼、以及將不鏽鋼藉由冷加工賦予高強度之彈簧用不鏽鋼加工材。

作為代表性的彈簧用不鏽鋼，依JIS G 4313規格之SUS301以及SUS304是已知的。該SUS301及SUS304，是藉由冷加工而獲得高強度之加工硬化型的準安定沃斯田鐵系不鏽鋼。

該等加工硬化型的準安定沃斯田鐵系不鏽鋼，在溶體化處理後的狀態成為沃斯田鐵組織，當溶體化處理後，經由冷軋等的冷加工而生成加工誘起麻田散鐵(α^’)，藉此使強度提高。而且，已知其強度是取決於準安定沃斯田鐵系不鏽鋼所受的冷加工量、及所生成的加工誘起麻田散鐵(α^’)量。

在此所舉的SUS301和SUS304，如上述般，接受冷加工而生成加工誘起麻田散鐵(α^’)，藉此使鋼的機械強度變高，在此同時，透磁率也會明顯增高，在溶體化處理狀態雖屬於非磁性體，但經冷加工後則難稱非磁性體。而且，這種透磁率上昇而成為難稱非磁性體之加工硬化型的準安定沃斯田鐵系不鏽鋼，在電子零件用彈簧等之怕受到磁氣影響的用途，變得無法使用而發生問題。

於是，為了抑制冷加工後的透磁率上昇而獲得可作為非磁性彈簧使用之加工硬化型的準安定沃斯田鐵系不鏽鋼，具有以下化學組成，亦即以質量%計係含有0.05≦C≦0.10%、Si≦1.0%、5.0≦Mn<6.0%、P≦0.10%、S≦0.010%、2.5≦Ni≦3.0%、17.0≦Cr≦18.0%、0.10≦Mo≦0.30%、2.5≦Cu≦2.8%、0.15≦N≦0.18%，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質所構成之彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼已被提出(例如參照專利文獻1)。

依據該技術，可提供一種即使接受冷加工仍維持非磁性的彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼。

[專利文獻1]日本特許第4331731號公報

然而，上述非磁性的彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼含有2.5質量%以上3.0質量%以下的Ni，該Ni屬於高價且貴重的材料(元素)。因此，為了讓該金屬資源能持續的利用(資源保護)，同時為了提供一種更低成本的非磁性彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼，要求能進一步減少該不鏽鋼之Ni含量。

因此，本發明的主要課題是為了提供一種省Ni型的低成本「彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼」，除了主要具有與習知鋼SUS301同等級的機械性質以外，即使藉由冷加工賦予高強度仍能抑制透磁率昇高而維持其作為非磁性體的性質；並提供將該不鏽鋼實施冷加工而形成之非磁性的「彈 簧用不鏽鋼加工材」。

本發明人等，為了解決前述課題反覆進行深入研究的結果完成以下所示的發明。亦即，本發明的第1發明，(1)是一種「彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼」，其特徵在於，(2)以質量%計，係含有C≦0.12%、Si≦1.0%、7.0%≦Mn≦9.0%、1.0%≦Ni≦2.0%、16.0%≦Cr≦18.0%、Mo≦2.0%、Cu≦2.3%、Nb≦0.10%、0.10%≦N≦0.20%，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質所構成；(3)依Md₃₀Mn=551-462([%C]+[%N])-9.2[%Si]-19.1[%Mn]-13.7[%Cr]-29([%Ni]+[%Cu])-18.5[%Mo]-68[%Nb]之Md₃₀Mn值滿足-50≦Md₃₀Mn≦-30。

此外，本發明的第2發明是一種「彈簧用不鏽鋼加工材」，其特徵在於，是將申請專利範圍第1項所述之彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼實施冷加工而構成。

在此，作為「彈簧用不鏽鋼加工材」可列舉：汽車用墊片、汽車用煞車填隙片、汽車用墊片緊固夾、安全帶捲收器等的汽車零件；電氣機器連接器類、電子零件用彈簧等的電氣電子零件；建材用彈簧、建築用緊固具等的建築器具；筆夾等的文具器具；玩具用彈簧、玩具用發條彈簧等的玩具零件等。

依據本發明，由於將高價Ni的配合比例降低至1.0質量%~2.0質量%的範圍內，可經濟性地製造既定的彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼。

此外，由於將依Md₃₀Mn=551-462([%C]+[%N])-9.2[%Si]-19.1[%Mn]-13.7[%Cr]-29([%Ni]+[%Cu])-18.5[%Mo]-68[%Nb]之Md₃₀Mn值控制在-50≦Md₃₀Mn<-35的範圍，可防止輥軋後的鋼捲狀態下發生季節破裂(season cracking)而提昇製造性，且能在冷加工時抑制加工誘起麻田散鐵(α^’)生成而抑制透磁率上昇，如此可確保鋼的非磁性(嚴格說來是弱磁性)。

因此，可提供一種省Ni型的低成本「彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼」，除了主要具有與習知鋼SUS301同等級的機械性質以外，即使藉由冷加工賦予高強度仍能抑制透磁率昇高而維持其作為非磁性體的性質；並能提供將該不鏽鋼實施冷加工而形成之高強度且非磁性的「彈簧用不鏽鋼加工材」。

首先說明，構成本發明的「彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼」(以下簡稱「鋼」)之各成分的限定理由。

1)C≦0.12質量%：C(碳)，對於麻田散鐵相的強化是極有效的元素，可生成析出物而發揮讓彈簧界限值上昇的效果。再者，C作為沃斯田鐵形成元素，可減少在凝固時及高溫區所形成的δ肥粒鐵，而抑制熱加工性降低。然而，當C過度添加時，在熔接熱影響部及熱軋捲取後的熱軋鋼捲，會在粒界析出鉻碳化物而使粒界腐蝕感受性昇高，且容易發生粒界型的應力腐蝕龜裂。因此，鋼的C含 量必須為0.12質量%以下(更佳為0.10質量%以下)。

又該C含量的下限值並沒有特別的限定，為了讓上述C的效果顯著發揮，C含量宜為0.07質量%以上。

2)Si≦1.0質量%：Si(矽)，是在製鋼時作為脫氧劑而發揮效果的元素。此外，Si具有降低積層缺陷能的作用，因此可促進輥軋所導致的ε麻田散鐵相的發生。然而，在隨後的製品成型時的加工，不僅會促進α^’麻田散鐵相的形成，若含有大量的Si，在凝固時及高溫區會生成多量的δ肥粒鐵。亦即，對於獲得沃斯田鐵組織而言是不利的，因此將鋼的Si含量之上限設定為1.0質量%(更佳為0.6質量%以下)。

又該Si的含量的下限值沒有特別的限定，為了讓上述Si的效果顯著發揮，Si含量宜為0.4質量%以上。

3)7.0質量%≦Mn≦9.0質量%：Mn(錳)作為沃斯田鐵形成元素是可代替Ni的元素，藉由儘量提高Mn含量，可減少高價Ni的使用比例，有助於鋼製品成本低減。此外，Mn具有降低積層缺陷能的作用，可促進輥軋所導致之ε-麻田散鐵相的發生。為了獲得此效果，Mn含量必須為7.0質量%以上(更佳為7.5質量%以上)。另一方面，Mn過度添加時，會使鋼的耐蝕性降低，因此將其含量的上限設定為9.0質量%(更佳為8.5質量%以下)。

4)1.0質量%≦Ni≦2.0質量%：Ni(鎳)是屬於沃斯田鐵形成元素。而且，為了獲得沃斯田鐵組織的安定性、鋼之良好的熱加工性及鋼之良好的冷加工性，Ni是本發明 的鋼中不可缺的元素。然而，如前述般，Ni屬於高價且貴重的元素，此外也是造成金屬過敏的原因，因此將Ni含量的上限設定為2.0質量%(更佳為1.5質量%以下)，且將其下限設定為1.0質量%。

5)16.0質量%≦Cr≦18.0質量%：Cr(鉻)，對於提高鋼耐蝕性是最有效的元素之一，為了獲得充分的耐蝕性，Cr含量必須為16.0質量%以上。然而，若Cr含量超過18.0質量%，在凝固時及高溫區會生成多量的δ肥粒鐵，而使鋼的熱加工性降低。因此，將Cr含量的上限設定為18.0質量%(更佳為17.0質量%以下)。

6)Mo≦2.0質量%：Mo(鉬)，是讓鋼的耐蝕性提高之元素，當Mo含量超過2.0質量%時，在凝固時及高溫區會生成多量的δ肥粒鐵，而可能使鋼的熱加工性降低。因此將Mo含量的上限設定為2.0質量%。又為了更有效地抑制該弊害，Mo含量較佳為1.0質量%以下，更佳為0.5質量%以下。

7)Cu≦2.3質量%：Cu(銅)是屬於沃斯田鐵形成元素，可作為Ni的代替元素。此外，Cu可提高鋼的耐蝕性，且有助於在冷加工後仍能確保非磁性，但當Cu含量超過2.8質量%時，可能使熱加工性降低，又當超過2.3質量%時，在將鋼實施溶體化處理時會促進該鋼的軟化，因此將Cu含量的上限設定為2.3質量%。

又該Cu含量的下限值並沒有特別的限定，為了讓上述Cu的效果顯著發揮，Cu含量較佳為1.5質量%以上。

8)Nb≦0.10質量%：Nb(鈮)，是有助於鋼強度上昇的元素，藉由形成NbC可抑制Cr碳化物往粒界的析出，因此具有提高耐粒界腐蝕性的效果。但當Nb含量超過0.10質量%時，在凝固時及高溫區會生成多量的δ肥粒鐵，可能使鋼的熱加工性降低。因此將Nb含量的上限設定為0.10質量%。又為了更有效地抑制該弊害，Nb的含量較佳為0.05質量%以下。

9)0.10質量%≦N≦0.20質量%：N(氮)是與C同樣地屬於沃斯田鐵形成元素。此外，N是有助於沃斯田鐵組織的安定化、金屬組織的強化及鋼的耐蝕性提昇之元素。為了獲得該等效果，N含量必須為0.10質量%以上，基於沃斯田鐵強化的觀點較佳為0.12質量%以上。然而，由於N的固溶強化能較大，N添加量超過0.20質量%時，會造成鋼的顯著硬化。因此，將N含量的上限設定為0.20質量%，下限設定為0.10質量%。

10)-50≦Md₃₀Mn≦-30：Md₃₀Mn值，是代表沃斯田鐵系不鏽鋼加工時所產生的加工誘起麻田散鐵(α^’)之變態容易度的指標，是依Md₃₀Mn=551-462([%C]+[%N])-9.2[%Si]-19.1[%Mn]-13.7[%Cr]-29([%Ni]+[%Cu])-18.5[%Mo]-68[%Nb]而求出。該數值越大，越容易發生加工誘起麻田散鐵(α^’)變態。亦即，若Md₃₀Mn值大，輥軋時會產生多量的加工誘起麻田散鐵(α^’)相，而使調質輥軋板的加工性降低。

另一方面，若Md₃₀Mn值小，調質輥軋板成形時所產 生之加工誘起麻田散鐵(α^’)相會減少(據推定在輥軋時會生成ε-麻田散鐵)，可抑制透磁率上昇。因此，為了在冷加工時抑制加工誘起麻田散鐵(α^’)的生成而抑制透磁率上昇，以確保鋼的非磁性(嚴格說來是弱磁性)，較佳為設定成Md₃₀Mn≦-30，更佳為Md₃₀Mn<-35。然而，當Md₃₀Mn未達-50的情況，藉由冷加工將無法獲得目的硬度，且調質輥軋材的成形性可能降低。因此其下限較佳為設定成-50(Md₃₀Mn≧-50)。

又上式中的「%」表示「質量%」，「%元素符號」表示「將鋼中的元素含有比例以質量%表示」。

再者，除了上述各元素及參數，更佳為調整以下的元素含量。

11)P≦0.060質量%：P(磷)，是讓鋼的耐蝕性及熱加工性劣化的主要原因，將含量的上限設定為0.060質量%。又可將該P視為不可避免的雜質。

12)S≦0.003質量%：S(硫)，是讓夾雜物增加且使鋼的耐生銹性降低的主要原因。此外，S含量的增加會使熱加工性顯著降低，因此將S含量的上限設定為0.003質量%。又能將該S視為不可避免的雜質。

由以上各元素所構成之本發明的鋼，是藉由一般的不鏽鋼製造步驟進行製造。亦即，經由熔煉、鑄造、熱軋及冷軋後，進行溶體化熱處理。而且，為了獲得作為彈簧材所要求的特性，實施冷加工(調質輥軋)而調整成期望的硬度。

此外，本發明之「彈簧用不鏽鋼加工材」，是將如上述般製得之本發明的鋼，進行調質輥軋(之後藉由衝切等成形為既定形狀)、或使用衝模之冷抽拉加工等的冷加工而獲得。又具有與習知鋼SUS301同等級的機械性質之本發明鋼所構成的「彈簧用不鏽鋼加工材」之具體用途可列舉：汽車用墊片、汽車用煞車填隙片、汽車用墊片緊固夾、安全帶捲收器等的汽車零件；電氣機器連接器類、電子零件用彈簧等的電氣電子零件；建材用彈簧、建築用緊固具等的建築器具；筆夾等的文具器具；玩具用彈簧、玩具用發條彈簧等的玩具零件等。除了在所有用途都能達成低Ni所造成的成本降低以外，在電氣機器用連接器類、文具器具、玩具零件等的人體可能接觸的用途，可藉由低Ni而減低金屬過敏的誘發可能性。又特別是將本發明鋼(冷加工後可確保鋼的非磁性)實施冷加工而構成的「彈簧用不鏽鋼加工材」，是更適用於怕受到磁氣造成的影響之電氣電子零件。

[實施例]

以下，針對本發明的實施例，說明鋼試料的製造方法、試驗方法及結果。又本發明並不限定於該實施例。

1)季節破裂感受性、確認有無肥粒鐵組織殘留、以及加工硬化特性的評價

為了獲得具有表1所示的化學組成之鋼，使用高頻熔 煉爐製作38mm×90mm×150mm的鑄塊，將該鑄塊在電爐內以1200℃加熱60分鐘，藉由4段輥軋機熱軋成3.0mm厚而獲得熱軋板。又表1中的習知鋼1，是依JIS G 4313規格之市售的SUS301。

接著，將該熱軋板於1100℃實施6分鐘的退火，浸漬於硝氟酸而將鏽皮除去後，藉由4段輥軋機冷軋至1.0mm厚，接著於1100℃實施2分鐘的退火，浸漬於硝氟酸而將鏽皮除去，獲得冷軋退火酸洗板。使用所獲得的冷軋退火酸洗板為材料，經由冷軋而製作出減縮率30%、50%的調質輥軋板，供進行下述的特性評價試驗。

(1)季節破裂感受性

從經由前述步驟所製作之1.0mm厚的冷軋退火酸洗板採取圓形的試驗片( 85mm)，將試驗片以抽拉比：1.70進行杯狀的抽拉成形試驗(抽拉試驗條件為，衝頭徑： 50mm、衝模徑： 53mm、抽拉速度：25mm/min、防皺壓板壓力23.5kN、試驗溫度：25℃、試驗數：n=3)。接著在抽拉加工後的試驗片塗布潤滑油，於40℃的環境下保持500小時，確認季節破裂是否發生、個數。試驗的結果，將「未發生破裂」以○表示，將「發生破裂」以×表示。

(2)確認有無肥粒鐵組織殘留

從經由前述步驟所製作之1.0mm厚的冷軋退火酸洗板切出試料，將其截面用樹脂填滿，經拋光研磨後在硝酸溶液中進行電解腐蝕。接著，使用光學顯微鏡進行組織觀察，確認有無肥粒鐵組織殘留。觀察的結果，「無肥粒鐵組織殘留」以○表示，「有肥粒鐵組織殘留」以×表示。當肥粒鐵組織殘留於冷軋退火板時，由於調質輥軋前帶有磁性，無法滿足本鋼的開發目的之非磁性要求。

(3)加工硬化特性

從經由減縮率30%、50%所製作之各調質輥軋板切出試料，進行維氏硬度試驗，評價加工硬化特性。

‧ 30%調質輥軋板之硬度：「HV370以上」以○表示 ，「未達HV370」以×表示。

‧ 50%調質輥軋板之硬度：「HV430以上」以○表示，「未達HV430」以×表示。

又在此所稱之「HV370以上」、「HV430以上」分別表示JIS G 4313的SUS301-CSP的調質記號3/4H、H之硬度規格。當減縮率30%無法獲得相當於3/4H、50%無法獲得相當於H的硬度的情況，難稱具有接近SUS301的加工硬化特性之鋼。又即使藉由更高的減縮率可獲得目的硬度，由於會阻害冷軋的生產性而造成製造成本上昇，因此並非適用於本發明的鋼。

表2顯示各試驗片之季節破裂感受性、有無肥粒鐵組織殘留、及加工硬化特性的評價結果。

從上述表2可知，發明鋼1至6，在季節破裂感受性、有無肥粒鐵組織殘留、及加工硬化特性皆表現良好。

另一方面，Md₃₀Mn值大於-35之比較鋼1至3以及7至9，在抽拉加工後會發生季節破裂，而有製造性的問題。又Md₃₀Mn值小於-50之比較鋼4至6，季節破裂的問題雖不會發生，但會殘留肥粒鐵組織，並無法滿足鋼的非磁性。

在此應特別注意的是，儘管各元素的含有率都在本發明的範圍內，但Md₃₀Mn值大於-35之比較鋼7在抽拉加工後仍會發生季節破裂。有鑑於如此般各元素的含有率皆在本發明的範圍內但仍會發生季節破裂此製造性的問題，可推知(各元素的含有率相同或更高)Md₃₀Mn是表現鋼的性狀之極重要的參數。

此外，Md₃₀Mn值小於-50且Ni含量超過本發明的上限之比較鋼10至14，雖能滿足非磁性的要求，但冷加工所形成之加工硬化特性比既有鋼SUS301差，可知經由調質輥軋無法獲得充分的加工硬化。

2)本發明鋼與SUS301之特性比較

在實機作業線製造出：在本發明的彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼之元素組成範圍內，亦即以質量%計，係含有C≦0.12%、Si≦1.0%、7.0%≦Mn≦9.0%、1.0%≦Ni≦2.0%、16.0%≦Cr≦18.0%、Mo≦2.0%、Cu≦2.3%、Nb≦0.10%、0.10%≦N≦0.20%，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質所 構成，滿足-50≦Md₃₀Mn≦-30的鋼。使用70噸電爐將各元素予以熔融混合，經由精煉、連續鑄造步驟，製造出本發明的彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼之鋼坯，藉由4段輥軋機熱軋至3.0mm厚而獲得熱軋板。

將本實機作業線製造鋼(發明鋼)的化學成分分析結果、和比較用之市售SUS301(以下也稱「習知鋼」)的成分分析結果一起顯示於表3。

接著，將該熱軋板在連續退火酸洗作業線進行退火酸洗後，藉由冷間輥軋機輥軋至1.0mm厚。接著將該冷軋板在連續退火酸洗作業線進行退火酸洗後，藉由冷間輥軋機進行10~70%的調質輥軋。

接著，從所製作之板厚不同的各調質輥軋板採取JIS13B號試驗片，對於該試驗片及比較用的習知鋼SUS301，依JIS Z 2241進行拉伸試驗以及維氏硬度測定。該試驗的結果顯示於第1圖至第4圖。

此外，對於減縮率不同之各試驗片進行透磁率測定，藉由肥粒鐵測定器來測定加工誘起麻田散鐵變態相量。該測定結果顯示於第5圖及第6圖。

再者，為了評價耐蝕性而進行漬浸後乾燥(Dip & Dry)試驗。漬浸後乾燥試驗所使用的試驗液組成及試驗 條件分別顯示於表4及表5，所獲得的結果顯示於第7圖。

如第1圖至第4圖所示，本發明的不鏽鋼具備與習知SUS301大致相同之機械特性。

此外，如第5圖及第6圖所示，本發明的不鏽鋼與習知SUS301不同，在冷加工時可抑制加工誘起麻田散鐵(α^’)生成，結果可抑制透磁率上昇，而能確保鋼的非磁性(嚴格說來為弱磁性)。

再者，如第7圖所示，本發明的不鏽鋼具有與習知SUS301相同或更優異的耐蝕性。

如以上所說明，依據本發明之「彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼」可提供一種省Ni型的低成本「彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼」，除了具有與習知鋼SUS301同等級的機械性質，即使藉由冷加工賦予高強度，仍能抑制透磁率增高而維持其作為非磁性體的性質。

第1圖係顯示各調質輥軋板的減縮率和拉伸強度的關係。

第2圖係顯示各調質輥軋板的減縮率和0.2%安全應力的關係。

第3圖係顯示各調質輥軋板的減縮率和伸長率的關係。

第4圖係顯示各調質輥軋板的減縮率和硬度的關係。

第5圖係顯示各調質輥軋板的硬度和比透磁率的關係。

第6圖係顯示各調質輥軋板的減縮率和加工誘起麻田散鐵變態相量的關係。

第7圖係顯示漬浸後乾燥試驗結果之相片。

Claims (3)

1. 一種彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼，其特徵在於，以質量%計，係包含C≦0.12%、Si≦1.0%、7.0%≦Mn≦9.0%、1.0%≦Ni≦2.0%、16.0%≦Cr≦18.0%、Mo≦2.0%、Cu≦2.3%、Nb≦0.10%、0.10%≦N≦0.20%，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質所構成；且依據Md₃₀Mn=551-462([%C]+[%N])-9.2[%Si]-19.1[%Mn]-13.7[%Cr]-29([%Ni]+[%Cu])-18.5[%Mo]-68[%Nb]之Md₃₀Mn值，是滿足-50≦Md₃₀Mn≦-30。
2. 一種彈簧用不鏽鋼加工材，其特徵在於，是將申請專利範圍第1項所述之彈簧用沃斯田鐵系不鏽鋼實施冷加工而構成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之彈簧用不鏽鋼加工材，其中，前述彈簧用不鏽鋼加工材是選自：汽車用墊片、汽車用煞車填隙片、汽車用煞車墊片緊固夾、安全帶捲收器、電氣機器連接器、電子零件用彈簧、建材用彈簧、建築用緊固具、筆夾、玩具用彈簧以及玩具用發條彈簧所構成的群中之至少一者。