WO2005045082A1 - 加工性に優れたオーステナイト系高Mnステンレス鋼 - Google Patents

Description

明 細 書 加工性に優れたオーステナイ ト系高 Mnステンレス鋼 技術分野

本発明は、 軟質で加工硬化性が小さ く 、 高い加工率で冷間加工や 深絞り加工などのプレス成形ができる優れた加工性を有し、 加工後 にも非磁性が維持されるオーステナイ ト系高 Mnステンレス鋼に関す る。 背景技術

オーステナイ ト系ステンレス鋼は、 J I SG4305に規定される 300系 ( SUS304, SUS316 , SUS301等） や 200系 ( SUS201 , SUS202等） のも のがある。

300系のオーステナィ ト系ステンレス鋼は、 Mnが 2. 0質量％以下、 N iが 6〜： 15質量⁰ん程度含まれる。 SUS304に代表される N i系のオース テナイ トステンレス鋼は、 良好な加工性を有し耐食性にも優れるが 、 高価な N iを多量に含むこ とから原料コス 卜が高いという欠点があ る。 また、 SUS304は、 オーステナイ ト相が準安定であるため成形加 ェ中にマルテンサイ.ト変態を生じ、 加工品が磁性を帯びるという問 題もある。 .，

他方、 200系のオーステナイ ト系ステンレス鋼は、 N iを Mnで置換 した高 Mnステンレス鋼であり、 Cや Nを多く含むために強度が高く 非磁性である。 また、 N i系のオーステナイ ト系ステンレス鋼と比較 して安価である。 しかし、 SUS201や SUS202等に代表される高 Mnステ ンレス鋼は、 焼鈍状態において 300系と比較して強度が高く加工硬 化性も大きいために冷間加工性や深絞り加工などのプレス成形性に 劣る問題がある。

オーステナイ ト系ステンレス鋼の加工性を改善する手段に関し、

Mnが 3 %未満、 N iが 6 %以上を含む 300系については従来から多く の検討がなされている。 例えば、 特許第 3039838号公報、 特許第 339 8258号公報、 特許第 3398260号公報、 特開平 10— 102210号公報およ び特開平 10— 121207号公報に開示されているよ うに、 プレス成形性 等の加工性改善には、 Cuの添加が有効に作用するこ とが知られてい る。

他方、 1^が5. 5 %以下、 Mnが 5. 5 %以上含む 200系のオーステナイ ト系ステンレス鋼は、 電子機器用シャフ ト材、 自転車スポークス用 線、 建築、 建材用釘等の高強度非磁性が要求される部材への適用が 主体である。 そのため、 高 Mnステンレス鋼は、 高強度非磁性化の更 なる向上に関し、 多く の検討がなされている。 例えば、 特許第 2618 151号公報、 特開平 6 — 235048号公報には、 高強度 · 非磁性化には 、 高 N化とあわせて Mnや Crの増加を抑制して Nb， Mo , Pの微量添加 が有効に作用するこ とが開示されている。

低 N iオーステナイ ト系ステンレス鋼の耐腐食性を改善するために 、 特開平 11 -92885号公報、 特開 2000— 34546号公報等には、 Ca， B ， Sの不純物元素を低減するこ とが有効である と開示されている。 これら低 Niオーステナイ ト系ステンレス鋼は 0. 1 %を越える多量の Nを含有しており 、 強度 （0. 2 %耐カ） は上述の高 Mnステンレス鋼 と同様に高く加工性には問題がある。 他方、 特開 2004— 143576号公 報、 英国特許第 2359095号公報には、 耐腐食性に加えて、 加工性を 改善するために、 C r量を低く した低 N iオーステナイ ト系ステンレス 鋼が開示されており、 その機械的性質は SUS304に比較的近いもので ある。 これら低 N iオーステナイ ト系ステンレス鋼は、 熱間加工性を 確保するために、 高温でのフェライ ト量の生成を抑制するよ う にォ ーステナイ ト安定度を調整しているものの、 室温でのオーステナイ ト安定度については全く検討されていない。 すなわち、 これら低 Ni オーステナイ ト系ステンレス鋼は、 プレス成形等の冷間加工により 加工誘起マルテンサイ 卜が生成して、 その加工品は磁性を帯びたり 、 置き割れを発生したりする問題が懸念される。

上述した通り、 Ni量を低く した高 Mnステンレス鋼は、 SUS304に代 表される Ni系のステンレス鋼が使用されるプレス成形用途等へ適応 するための加工性の改善を意図したものでない。 すなわち、 SUS304 と同等以上の優れた加工性を具備しつつ、 加工後にも非磁性を実現 した高 Mnステンレス鋼は未だ出現していないのが現状である。 発明の開示

本発明は、 上述した高 Mnステンレス鋼の加工性を改善すベく案出 されたものであり、 C + N、 オーステナイ ト安定度の指標 Md30値 （ °C) 、 積層欠陥エネルギーの生成指標 SFE (mj/m²) が特定条件を 満足するよ う成分設計を行う ことによ り、 SUS304と同等以上の加工 性を具備し、 加工後にも非磁性が維持されるオーステナイ ト系ステ ンレス鋼を提供することを目的とする。 本発明の要旨は次のとおり である。

( 1 ) 本発明の高 Mnステンレス鋼は、 質量⁰/。で、 C + N ： 0.03〜 0.15% , Si ： 0.1~ 1 % , Mn： 3 ~15% , Cr ： 10~16%, Ni ： 1〜 6 %, Cu : 0.3〜 3 %， Mo : 0.3〜 3 %、 残部 Feおよび不可避的不純 物からなり、 オーステナイ ト安定度の指標 Md30値と積層欠陥エネル ギ一の生成指標 SFEが下記を満足するよ うに成分設計されているこ とを特徴とする。

- 10< Md30< 30, 40 < SFE < 80

Md30 (°C) ： 497-462 ( C + N) -9.2Si-8. lMn-13.7Cr-20 ( Ni + Cu) - 18.5Mo

SFE (mj/m²) ： 6.2Ni + 18.6Cu+ 0.7Cr+ 3.2Mn+9.3Mo-53

( 2 ) この高 Mnステンレス鋼は、 熱間加工性や耐酸化性の改善の ために、 REMを 0.001〜0.2質量⁰ /₀含むこ とができる。

( 3 ) 高い加工率で冷間加工や深絞り加工などのプレス成形がで きる加工性を確保するには、 C + Nが 0.15質量％以下、 引張試験で 求められる 0.2%耐力が 300MPa未満、 真応力一対数伸び歪曲線で公 称歪 25%と 35%の勾配である加工硬化指数 nが 0.45以下とする。 ま た、 圧下率 60%冷間圧延したときの透磁率 （ μ ) が 1.05以下である とき、 各種加工後においても非磁性が維持される。

このよ う に、 本発明の高 Mnステンレス鋼は、 C + N : 0.03〜0.15 %, - 10< Md30< 30, 40く SFEく 80とする成分設計を採用している ため、 0.2%耐力が 300MPa未満の軟質で加工硬化性が小さ く 、 高い 加工率で冷間加工や深絞り加工などのプレス成形ができる優れた加 ェ性を有し、 加工後にも非磁性が維持される。 従って、 従来の高 Mn ステンレス鋼ではなし得なかった成形加工が可能であり 、 SUS304に 代表される Ni系のステンレス鋼が使用されるプレス成形用途へ使用 される。 更に、 SUS304を加工した後で非磁性化するための焼鈍も省 略できるため、 非磁性が要求される成形加工用の材料と して広範囲 な分野で適用可能である。 図面の簡単な説明

図 1 は、 Md30値が鋼材の伸びに及ぼす影響を示したグラフ。

図 2は、 Md30値が 60%冷間圧延材の透磁率に及ぼす影響を示した グラフ。

図 3 は、 SFEと加工硬化指数 n との関係を示したグラフ。 発明を実施するための最良の形態

本発明の高 Mnステンレス鋼は、 C + N、 オーステナイ ト安定度の 指標 Md30値 C) 、 積層欠陥エネルギーの生成指標 SFE (mj/m²) が適正範囲を満足する成分設計を採用するこ とによ り、 SUS304と同 等以上の加工性を具備し、 加工後にも非磁性を維持している。 以下 、 本発明の高 Mnステンレス鋼の成分設計に関する作用効果とその限 定理由を説明する。

• C + N ： 0.15%以下

Cや Nは、 オーステナイ ト相の安定化や δ フェライ ト相の生成抑 制に有効な元素である。 他方、 これら元素は、 固溶強化によ り鋼材 の 0.2%耐カを上昇させて加工性を低下させる。 そこで、 C + Nの 上限は 0.15%と した。 Νは C と比較して 0.2%耐カを上昇させる作 用が大きいために、 Νは Cよ り低く設計するこ とが好ましい。 本発 明が目的とする高い加工率で冷間加工や深絞り加工などのプレス成 形が要求される用途には、 C + Nを 0.15%以下 （Νく C) に設計す るこ とによ り、 鋼材の 0.2%耐カを 300MPa未満に軟質化するこ とが 有効である。

しかし、 C + Nが 0.03%未満の場合、 加工品の非磁性化が困難に なるばかり でなく 、 Cや Nを低減するための製鋼コス トの負担を招 く。 従って、 C + Nの下限は 0.03%とする。 好ましい範囲は 0.08〜 0.12%である。

• オーステナィ ト安定度の指標 ： Md30値 （°C)

準安定オーステナイ トステンレス鋼は Ms点以上の温度でも塑性加 ェによってマルテンサイ ト変態を起こす。 加工によって変態点を生 じる上限温度は Md値と呼ばれる。 すなわち、 Md値はオーステナイ ト の安定度を示す指標である。 そして、 引張変形によって 30%の歪を 与えたとき、 50%のマルテンサイ 卜が生じる温度を Md30値とレヽう。 Md30 = 497-462 (C + N) - 9.2Si - 8. lMn- 13.7Cr - 20 (Ni + Cu) — 18.5Moと定義する Md30値 （°C) を本発明の高 Mnステンレス鋼にお いて一 10°C〜30°Cの範囲に設計するこ とによ り、 本発明が目的とす る加工性と非磁性が確保されるこ とを見出した。

Md30値が— 10°Cよ り小さい場合、 オーステナイ ト安定度が高いた めに鋼材の伸びが低下し （く 50%) 、 加工性が阻害される。 他方、 Md30値が 30°Cを越える場合、 加工誘起マルテンサイ 卜 の生成 （ α ' 相） によ り鋼材の伸びは向上するが、 生成した α， 相が磁性を持つ ために加工品が磁性を帯びる。 Md30値が— 10〜30°Cの場合、 本発明 の高 Mnステンレス鋼は、 加工品の非磁性を維持しつつ鋼材の加工性 を向上させるこ とができる。

• 積層欠陥エネルギーの生成指標 ： SFE (mj/m²)

bcc構造の普通鋼に比較して、 fee構造をもつオーステナイ トステ ンレス鋼は、 積層欠陥が生成しやすいために加工硬化が大きい。 本 発明では、 高い加工率で冷間加工や深絞り加工などのプレス成形を 可能にするために積層欠陥が生成し難い転位の交差すべりが容易な 成分設計を採用している。

近年、 ステンレス鋼板は複雑な形状の製品を冷間加工で製造する こ とが多く なつている。 このよ う な場合、 加工硬化が大きい鋼材は 加工の途中に中間焼鈍の工程を挟んで軟化させながら繰り返して大 きな加工度を得るこ とが必要になる。 加工硬化が小さい鋼材であれ ば中間焼鈍の工程を省略して製品加工が可能にな り、 製品コス 卜の 低減に大きく寄与する。 本発明者らは、 このよ う な観点から、 積層 欠陥エネルギー （SFE) に及ぼす成分の影響を検討した。 その結果 、 SFE (mj/m²) ： 6.2Ni + 18.6Cu+ 0.7Cr + 3.2Mn+ 9.3Mo— 53と定 義される SFEを 40〜80の高い範囲に調整する とき、 本発明が目的と する優れた加工性が発現するこ とを見出した。 SFEが 40未満の場合、 高 Mnステンレス鋼は積層欠陥が生成しやす く加工硬化が大き く な り、 本発明が目的とする加工性が得られなく なる。 このとき、 引張試験で求められる加工硬化指数 n値 （真応力 一対数伸び歪曲線で公称歪 25%と 35%の勾配） は 0.45を超える。 他 方、 SFEが 80を超える場合、 加工硬化が小さ く n値は 0.3未満となる 。 このとき、 実用のプレス成形では張り 出し加工性が低下する とい う問題がある。 従って、 本発明では、 引張試験で求められる n値は 0.3〜0.45の範囲であるこ とが好ましい。 本発明の Md30値と SFEを満 足した軟質で加工硬化性が小さ く 、 非磁性である鋼材は、 SUS304に 代表される Ni系のオーステナイ ト系ステンレス鋼で問題となる時期 割れ （置き割れ） を生じるこ となく 、 多工程に及ぶ深絞り性に優れ る。 つま り、 SUS304は、 オーステナイ ト相が準安定であるため加工 中にマルテンサイ ト変態を生じ、 深絞り成形においてフランジ部が 硬く な りすぎて残留応力の増大によ り置き割れが発生する。

本発明の C + N ： 0.03〜0.15%、 Md30値 ： — 10〜30。C、 SFE ： 40 〜80 (mj/m²) に調整された高 Mnステンレス鋼材は、 0.2%耐力が 300MPa未満の軟質で加工硬化性が小さ く高い加工率で冷間加工が可 能な非磁性ステンレスである。 以下、 本発明の Cと Nを除く他の合 金元素は次の範囲で選定される。

- Si ： 0.1~ 1 %

Siは溶製時の脱酸剤と して有効であり 、 その効果を得るために 0. 1%以上添加する。 よ り好ましく は 0.3%以上である。 また、 Siは固 溶強化および SFEを低下させて加工硬化を助長する元素である。 そ のため、 本発明の 300MPa未満の 0.2%耐カ、 加工硬化指数 n値 0.45 未満の小さい加工硬化性を得るために上限は 1 %以下である。 好ま しく は 0.2〜0.7%以下である。

- n： 3〜15% Mnは溶製時の脱酸剤と して使用されるこ とに加え、 非磁性の維持 および Niの代替と してのオーステナイ ト形成元素と有効に作用する 。 本発明では、 これら作用を得るために Mnは 3 %以上添加する。 よ り好ま しく は 5 %以上である。 他方、 Mnの添加は S系介在物の増加 をもたらし、 耐食性や加工性を阻害する という 問題がある。 従って 、 上限は 15 %とする。 好ましく は 10%以下である。

• Cr ： 10〜： 16%

Crはステンレス鋼に要求される耐食性を得るために必要な合金元 素であり、 10%以上必要であるこ とが好ま しい。 よ り好ましく は 12 %以上である。 他方、 Crは固溶強化および SFEを低下させて加工硬 化を助長する元素である。 そのため、 本発明の 300MPa未満の 0. 2 % 耐カ、 加工硬化指数 n値が 0. 45未満の小さい加工硬化性を得るため に上限は 16 %以下である。 好ましく は 15%以下である。

• Ni ： 1 〜 6 %

Niは高価な元素であり、 6 %を超える 300系のオーステナイ ト ス テンレス鋼は原料コ ス ト の上昇を招く。 従って、 Niは 6 %以下であ る。 好ましく は 5 %以下である。 Niはオーステナイ ト ステ ンレス鋼 に必要な元素であり、 更に、 冷間加工後の非磁性および延性を確保 するのに有効な元素である。 そのため、 下限は 1 %とする。

• Cu： 0. 3〜 3 %

Cuは本発明で定義する Md30値を低下し SFEを上昇させて加工性を 改善するために有効な合金元素である。 本発明ではこれら作用を得 るために、 Cuの下限は 0. 3 %以上とする。 好ま しく は 1 %以上とす る。 しかし、 過剰量の Cu添加は製鋼時の Cu汚染や熱間脆性を誘発す る問題がある。 また、 SFEが過度に上昇して加工性の低下を招く。 そのため、 Cuの上限は 3 %以下とする。

• Mo ： 0. 3〜 3 % 耐食性向上に有効な元素である。 また、 本発明で定義する Md30値 を低下し SFEを上昇させて加工性を改善するために有効な元素であ る。 本発明の高 Mnステンレス鋼の耐食性と加工性を確保するために 、 Moの下限は 0.3%以上とする。 しかし、 Moは過剰に含まれると δ フェ ライ トの生成によ り磁性が発現し、 固溶強化によ り強度上昇す る。 そのため、 Moの上限は 3 %以下とする。

• REM： 0.001〜0.2%

必要に応じて添加される元素であり、 熱間加工性および耐酸化性 を改善する作用を有する。 これら作用を得るためには 0.001%以上 添加する。 しかし、 REM添加による効果は 0.2%で飽和し、 0.2%以 上添加しても鋼材が硬質化し加工性が低下する。 従って上限は 0.2 %が好ましい。 実施例

表 1 の化学組成を有するステンレス銅を溶製し、 加熱温度 1200°C の熱間圧延によ り板厚 4.0mmの熱延鋼板を製造した。 熱延鋼板を 112 0°C、 均熱時間 2分で焼鈍し、 酸洗後に板厚 1.5mmまで冷間圧延し、 更に 1060°C、 均熱時間 2分の中間焼鈍を施し、 酸洗後、 板厚 0.7mm の冷延鋼板と し、 最終焼鈍を 1060°C、 均熱時間 1分で実施した （焼 鈍酸洗材） 。 中間焼鈍酸洗材を板厚 0.6mmまで冷間圧延することに よ り 60%冷間圧延材を得た。

焼鈍酸洗材から JIS13B引張試験片を切り出し、 引張試験によ り 0. 2%耐カ、 引張強度、 伸び、 加工硬化指数 nを測定した。 加工硬化 指数 nは、 公称歪 25%と 35%に相当する真歪 _{ε 25}， ε ₃₅における真 応力 δ ₂₅， δ ₃₅を求め、 次式に従って加工硬化指数 η値を算出した η値 =ln Ε ₃₅ / ε ₂₅ j / In ( δ ₃₅ / δ ₂₅) 焼鈍酸洗材から、 Φ 96mm円盤 （ブランク） を切り 出し、 ボンチ径 φ 48→ φ 44→ φ 40→ φ 35→ φ 30mmの 5段円筒深絞り試験によ り時期 割れ限界絞り比 （ブランク系 ポンチ径） を調査した。

60%冷間圧延材から試験片を切り 出し、 磁化による引力を磁気天 秤によ り印加磁場一磁化曲線上で磁場 5000gauj3 における傾きを測 定するこ とによ り透磁率を求めた。

焼鈍酸洗材の 0.2%耐カ、 引張強度、 伸び、 n値および 60%冷間 圧延材の透磁率 （ μ ) を表 2に示す。 鋼 No. ：! 〜 6は、 本発明で規 定した高 Mnステンレス鋼の成分設計条件を満足しており、 304と同 等の 0.2%耐力が 300MPa未満、 伸びが 50%以上の機械的性質を有し 、 加工硬化指数 nが 0.3〜0.45の 304未満で加工硬化が小さ く 、 60% 冷間圧延材の透磁率 μが 1.05以下の非磁性であった。 さ らに、 本鋼 は、 多段深絞り成形によ り時期割れが発生せず、 時期割れ限界絞り 比は 3.2以上の SUS304を大き く上回る値が得られた。 鋼 No. 7〜 14は 、 C + N量や Md30値と SFEの両者あるいは片方が本発明の規定する 条件から外れるために、 本発明が目標とする鋼材の加工性と非磁性 が得られなかったものである。 鋼 No.15は加工性の比較となる SUS30 4である。 鋼 Νο.16〜29は、 本発明が規定する成分範囲を満足しない ものであり 、 目標とする鋼材の加工性と非磁性が得られなかったも のである。

0.2%耐力と成分の関係を調査した結果、 下式で現される回帰式 が得られ、 C + N量の低減によって 0.2%耐カを 300MPa未満に軟質 化出来るこ とが確認できた。 0.2%耐カ [NZmm²] =875* ( C + N) +3.87Mn- 1.48Ni- 3.53Cu+8.58Cr+ 19.7

鋼材の伸びと透磁率に及ぼすオーステナイ ト安定度の指標 Md30値 の影響について検討した結果を図 1 および図 2に示す。 図 1 および 図 2に示すよ う に、 —10く Md30く 30に制御するこ とによって、 本発 明が目標とする伸び ： 50 %以上、 μ ： 1. 05以下が得られるこ とが確 認できた。

また、 積層欠陥エネルギーの生成指標 SFEと加工硬化指数 η との 関係を検討した結果、 図 3に見られるよ う に、 40く SFEく 80にする こ とによって、 本発明が目標とする η値が得られるこ とが確認でき た。

表 1

*本発明が目標とする高 Mnス テ ン レス鋼の加工性と非磁性に未達であるこ とを示す。 Md30=497-462(C+N)-9.2Si-8.1Μη-13.7Cr - 20(Ni + Cu) - 18.5Mo

SFE[mJ/m² ]=6.2N1 + 18.6Cu+0.7Cr + 3.2Mn+9.3Mo - 53>40

0.2%耐カ [N/mm² ]=875*(C+N) + 3.87Mn- 1.48N1-3.53Cu + 8.58Cr + 19.7(回帰式）

；本発明範囲から外れている もの

産業上の利用可能性

本発明の高 Mnステンレス鋼は、 従来の高 Mnステンレス銅ではなし 得なかった成形加工が可能であり、 SUS304に代表される N i系のステ ンレス鋼が使用されるプレス成形用途へ使用される。 特に、 SUS304 で時期割れが問題となる多工程に及ぶ深絞り成形用途に最適である 。 更に、 SUS304を加工した後で非磁性化するための焼鈍も省略でき るため、 非磁性が要求される成形加工用の材料と して広範囲な分野 で適用可能である。

Claims

1 . 質量⁰/。で、 C + N : 0.03〜0.15%, Si ： 0.1~ 1 %， Mn： 3 ~15% , Cr ： 10~16%, Ni ： 1 〜 6 %， Cu : 0.3〜 3 %, Mo ： 0.3〜 3 %、 残部 Feおよび不可避的不純物からなり、 オーステナイ ト安定 度の指標 Md30値と積層欠陥エネルギーの生成指標 SFEが下記を満足 するこ とを特徴とする加一卩青工性に優れたオーステナイ ト系高 Mnステン レス鋼。

— 10く Md30く 30， 40く SFEく 80の

Md30 (°C) ： 497-462 ( C + N) — 9.2S i _ 8. ΙΜη— 13.7Cr— 20 ( Ni + Cu) - 18.5Mo

囲

SFE (mj/m² ) ： 6.2Ni + 18.6Cu+0.7Cr + 3.2Mn+9.3Mo-53

2. 質量％で、 REMを 0.001〜0.2%を含むこ とを特徴とする請求 項 1 に記載の加工性に優れたオーステナイ ト系高 Mnステンレス鋼。

3. 0.2%耐カカ S300MPa未満、 公称歪 25%と 35%の勾配である加 ェ硬化指数 nが 0.30〜0.45、 伸びが 50%以上である請求項 1 および 2に記載の加工性に優れたオーステナイ ト系高 Mnステ ンレス銅。