JP4327030B2 - 張出し性と耐発銹性に優れた低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、省Ｎｉ型のオ−ステナイト系ステンレス鋼であって、軟質で適度な加工硬化性を有し張出し性に優れるとともに，良好な耐発銹性を兼備した低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼に関する。

オ−ステナイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳＧ４３０５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−ステナイト系ステンレス鋼は、Ｍｎが２．０質量％以下，Ｎｉが６〜１５質量％程度含まれる。ＳＵＳ３０４に代表されるＮｉ系のオ−ステナイト系ステンレス鋼は、良好な加工性を有し耐食性にも優れる。特に、ＳＵＳ３０４は、オ−ステナイト相が準安定であり，成形加工中にマルテンサイト変態を生じて加工硬化が大きくなるために、張出し性が良好である。しかし、ＳＵＳ３０４は、高価なＮｉを多量に含むことから原料コストが高いという欠点がある。

他方、２００系のオ−ステナイト系ステンレス鋼は、Ｎｉ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、Ｎｉ系のオ−ステナイト系ステンレス鋼と比較して原料コストが安価である。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いために冷間加工性やプレス成形性に劣るという問題がある。

オ−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，Ｎｉ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、特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４，特許文献５等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、２００系のオ−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−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、特許文献６，特許文献７等には、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。

上述した通り、低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、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張出し性を具備した低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は未だ出現していないのが現状である。

特許第３０３９８３８号公報 特許第３３９８２５８号公報 特許第３３９８２６０号公報 特開平１０−１０２２１０号公報 特開平１０−１２１２０７号公報 特許第２６１８１５１号公報 特開平０６−２３５０４８号公報

本発明は、上述した低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼の加工性を改善すべく案出されたものであり、Ｃ＋ＮやＭｎ等の元素，オ−ステナイト安定度の指標Ｍｄ３０値（℃），積層欠陥エネルギ−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と同等以上の張出し性を具備し，ＳＵＳ３０４と遜色ない耐発銹性を有する低Ｎｉオ−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。

（１）本発明の低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、その目的を達成するために、質量％で、Ｃ＋Ｎ：０．０３〜０．２０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：２〜７％，Ｃｒ：１０〜１６％，Ｎｉ：１〜６％，Ｃｕ：１〜３％，残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、オ−ステナイト安定度の指標Ｍｄ３０値と積層欠陥エネルギ−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。
３０＜Ｍｄ３０＜６５，４０＜ＳＦＥ＜７０
Ｍｄ３０（℃）：４９７−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７Ｃｒ−２０（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ²）：６．２Ｎｉ＋１８．６Ｃｕ＋０．７Ｃｒ＋３．２Ｍｎ＋９．３Ｍｏ−５３
（２）この低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、良好な耐発銹性を得るために、Ｓ：０．００２５質量％以下、Ｐ：０．０４０質量％以下とすることができる。
（３）この低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、良好な耐発銹性を得るために、Ｍｏを０．３〜３．０質量％含むことができる。
（４）高い加工率で張出し加工ができるプレス成形性を確保するには、Ｃ＋Ｎが０．２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−対数伸び歪曲線で公称歪１０％と３０％の勾配である加工硬化指数ｎが０．４０〜０．６０，伸びを４５％以上とする。

本発明の低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ＋Ｎ：０．０３〜０．２０％，Ｍｎ：２〜７％，３０＜Ｍｄ３０＜６５，４０＜ＳＦＥ＜７０とする成分設計を採用しているため、０．２％耐力が３００ＭＰａ未満の軟質で適度な加工硬化性を有し，高い加工率で張出し加工ができる優れたプレス成形性を有する。必要に応じて、ＳやＰの不純物元素を低減し，Ｍｏを添加することにより、更に良好な耐発銹性を兼備することができる。従って、従来の低Ｎｉオ−ステナイト系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、良好な耐発銹性を兼備することから、ＳＵＳ３０４に代表されるＮｉ系ステンレス鋼が使用されてい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。

本発明の低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ＋Ｎ，Ｍｎ，オ−ステナイト安定度の指標Ｍｄ３０値（℃），積層欠陥エネルギ−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と同等以上の張出し性を具備している。必要に応じて、ＳやＰの不純物元素を低減し，Ｍｏを添加することにより、更に良好な耐発銹性を得ることができる。

以下、本発明の低Ｎｉオ−ステナイト系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：０．０３〜０．２０％
ＣやＮは、オ−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％耐力を上昇させて加工性を低下させる。そこで、Ｃ＋Ｎの上限は０．２０％とした。ＮはＣと比較して０．２％耐力を上昇させる作用が大きいために、Ｎ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張出し加工などのプレス成形が要求される用途には、Ｃ＋Ｎを０．２０％以下（Ｎ＜Ｃ）に設計することにより、鋼材の０．２％耐力を３００ＭＰａ未満に軟質化することが有効である。好ましくは、Ｃ＋Ｎを０．１５％以下とする。

しかし、Ｃ＋Ｎが０．０３％未満の場合、オ−ステナイト相を確保すること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。好ましくは０．０８％以上とする。

Ｍｎ：２〜７％
Ｍｎは溶製時の脱酸剤として使用されることに加え，Ｎｉの代替としてのオ−ステナイト形成元素として有効に作用する。本発明では、これらの作用を得るためにＭｎは２％以上添加する。好ましくは３％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，耐発銹性を阻害するという問題がある。さらに、Ｍｎの添加量が多いと、オ−ステナイト相が安定となり、成形加工中のマルテンサイト変態（α‘相の生成）が抑制されて張出し性が低下することが分かった。従って、本発明では、耐発銹性の確保と良好な張出し性を得るために、Ｍｎの上限は７％とする。好ましくは６．５％以下である。

オ−ステナイト安定度の指標：Ｍｄ３０値（℃）
準安定オ−ステナイト系ステンレス鋼はＭｓ点以上の温度でも塑性加工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−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％のマルテンサイトが生じる温度をＭｄ３０値という。Ｍｄ３０＝４９７−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７Ｃｒ−２０（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ と定義するＭｄ３０値（℃）を本発明の低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼において３０℃〜６５℃の範囲に設計することにより、本発明が目的とする張出し性が確保されることを見出した。

Ｍｄ３０値が３０℃より小さい場合、オ−ステナイト安定度が高いために鋼材の加工誘起マルテンサイト変態が抑制されて加工硬化が小さくなり張出し性が低下する。他方、Ｍｄ３０値が６５℃を越える場合、加工誘起マルテンサイトの生成量（α‘相）が多くなり過度な強度上昇により鋼材の伸びが低下する。そのため、良好な張出し性は得られない。Ｍｄ３０値が３０〜６５℃の場合，本発明の低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、加工誘起マルテンサイト変態により適度な加工硬化能を有し、良好な張出し性を得ることができる。

積層欠陥エネルギ−の生成指標：ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ²）
ｂｃｃ構造の普通鋼に比較して、ｆｃｃ構造をもつオ−ステナイト系ステンレス鋼は、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、高い加工率で張出し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っている。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、製品コスト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、良好な張出し性を得るに必要な加工硬化を担保しつつ，過度な加工硬化を抑制するために、積層欠陥エネルギ−（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４０〜７０の範囲に調整するとき、本発明が目的とする優れた張出し性が発現することを見出した。

ＳＦＥが４０未満の場合、低Ｎｉオ−ステナイト系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張出し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−対数伸び歪曲線で公称歪１０％と３０％の勾配）は０．６０を超える。他方、ＳＦＥが７０を超える場合、加工硬化が小さくｎ値は０．４０未満となる。このとき、実用のプレス成形では張出し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０．４０〜０．６０の範囲であることが好ましい。

本発明のＣ＋Ｎ：０．０３〜０．２０％，Ｍｎ：２〜７％，Ｍｄ３０値：３０〜６５℃，ＳＦＥ：４０〜７０（ｍＪ／ｍ²）に調整された低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼材は、０．２％耐力が３００ＭＰａ未満の軟質で適度な加工硬化性を有し，高い加工率で張出し加工ができる優れたプレス成形性を有する。また、良好な耐発銹性を兼備している。以下、本発明のＣとＮ，Ｍｎを除く他の合金元素は次の範囲で選定される。

Ｓｉ：１％以下
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％以上添加することが好ましい。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％耐力を得るために上限は１％以下である。好ましくは０．７％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。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％耐力，加工硬化指数ｎ値が０．６０未満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−ステナイト系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５．５％以下である。Ｎｉはオ−ステナイト系ステンレス鋼に必要な元素であり、更に，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。好ましくは２％以上である。

Ｃｕ：１〜３％
Ｃｕは、ＮｉやＭｎの代替としてのオ−ステナイト形成元素として有効に作用する。本発明ではこれらの作用を得るためにＣｕは１％以上添加する。さらに、Ｃｕは軟質化に有効な元素であり，本発明で定義するＭｄ３０値やＳＦＥの調整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、好ましくは１．５％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が過度に上昇して張出し性の低下を招く。そのため、Ｃｕの上限は３％以下とする。

Ｍｏ：０．３〜３％
必要に応じて添加される元素であり、耐発銹性の向上に有効な元素である。また、本発明で定義するＭｄ３０値やＳＦＥの調整にも有効な元素である。これら作用を得るためには、Ｍｏは０．３％以上添加することが好ましい。しかし、Ｍｏは高価な元素であり、過剰な添加はコスト上昇を招く。また、δフェライトの生成や固溶強化により強度上昇する。そのため、Ｍｏの上限は３％以下とすることが好ましい。

Ｓ：０．００２５％以下
ＭｎＳ等の介在物を形成する不純物元素であり、耐発銹性を阻害する場合がある。そのため、耐発銹性の要求が高い場合は、Ｓを０．００２５％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．００２０％以下である。

Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは不純物元素であり，耐発銹性を低下させる場合がある。そのため、耐発銹性の要求が高い場合は、Ｐを０．０４０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００３５％以下である。

表１の化学組成を有するステンレス鋼を溶製し、加熱温度１２００℃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１１２０℃，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１０８０℃，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１０８０℃，均熱時間１分で実施した（焼鈍酸洗材）。

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％耐力，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１０％と３０％に相当する真歪ε₁₀，ε₃₀における真応力δ₁₀，δ₃₀を求め、次式に従って加工硬化指数ｎ値を算出した。
ｎ値＝ｌｎ（ε₃₀／ε₁₀）／ｌｎ（δ₃₀／δ₁₀）

張出し性は、焼鈍酸洗材から９０ｍｍ角の試験片を切り出し，ＪＩＳＺ２２４７に規定するエリクセン試験（Ｂ法：しわ押さえ圧１ｔｏｎ負荷）により評価した。また、絞り張出し複合成形性は、ＪＩＳＺ２２４９に準拠したコニカルカップ試験（１３型）により評価した。

耐発銹性は、焼鈍酸洗材から１００ｍｍ角の試験片を切り出し，ＪＩＳＺ２３７１に準拠するキャス試験（５０℃，５％ＮａＣｌ＋０．２６ｇ／Ｌ ＣｕＣｌ₂＋ＣＨ₃ＣＯＯＨ，ｐＨ３．０，１００ｈｒ噴霧）により評価した。

焼鈍酸洗材の０．２％耐力，引張強度，伸び，ｎ値，エリクセン値，ＣＣＶ値，キャス試験の発銹状況を表１に併記して示す。鋼Ｎｏ．１〜６は、本発明で規定した低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼の成分設計条件を満足しており、０．２％耐力が３００ＭＰａ未満，伸びが４５％以上，加工硬化指数ｎが０．４〜０．６の機械的性質を有し，本発明が目標とするＳＵＳ３０４と同等以上のエリクセン値，ＣＣＶ値が得られた。さらに、Ｓ，Ｐを低減してＭｏを添加した鋼Ｎｏ．１，３〜６はＳＵＳ３０４と同等の耐発銹性が得られた。鋼Ｎｏ．７〜１４は、Ｍｄ３０値とＳＦＥの片方あるいは両者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加工性（ＳＵＳ３０４と同等以上のエリクセン値とＣＣＶ値）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ＳＵＳ３０４である。鋼Ｎｏ．１６〜２６は、本発明が規定する成分範囲を満足しないものであり、目標とする加工性や耐発銹性が得られなかったものである。

鋼材のエリクセン値とＣＣＶ値に及ぼすオ−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、３０＜Ｍｄ３０＜６５に制御することによって、本発明が目標とするＳＵＳ３０４と同等以上の張出し性が得られることが確認できた。

また、積層欠陥エネルギ−の生成指標ＳＦＥと加工硬化指数ｎとの関係を検討した結果、図３に見られるように、４０＜ＳＦＥ＜７０にすることによって、本発明が目標とするｎ値が得られることが確認できた。

本発明の低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼は、従来の低Ｎｉオ−ステナイト系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、良好な耐発銹性も兼備することから、ＳＵＳ３０４に代表されるＮｉ系ステンレス鋼が使用されてい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。

Ｍｄ３０値が鋼材のエリクセン値に及ぼす影響を示したグラフ Ｍｄ３０値が鋼材のＣＣＶ値に及ぼす影響を示したグラフ ＳＦＥと加工硬化指数ｎとの関係を示したグラフ

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ＋Ｎ：０．０３〜０．２０％，Ｓｉ：１％以下，Ｍｎ：２〜７％，Ｃｒ：１０〜１６％，Ｎｉ：１〜６％，Ｃｕ：１〜３％，残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、オ−ステナイト安定度の指標Ｍｄ３０値と積層欠陥エネルギ−の生成指標ＳＦＥが下記を満足することを特徴とする張出し性と耐発銹性に優れた低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼。
   ３０＜Ｍｄ３０＜６５，４０＜ＳＦＥ＜７０
   Ｍｄ３０（℃）：４９７−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７Ｃｒ−２０（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１８．５Ｍｏ
   ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ²）：６．２Ｎｉ＋１８．６Ｃｕ＋０．７Ｃｒ＋３．２Ｍｎ＋９．３Ｍｏ−５３
2. 質量％で、Ｓ：０．００２５％以下、Ｐ：０．０４０％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の張出し性と耐発銹性に優れた低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼。
3. 質量％で、Ｍｏを０．３〜３％含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の張出し性と耐発銹性に優れた低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼。
4. ０．２％耐力が３００ＭＰａ未満，公称歪１０％と３０％の勾配である加工硬化指数ｎが０．４０〜０．６０，伸びが４５％以上である請求項１から３のいずれかに記載の張出し性と耐発銹性に優れた低Ｎｉオ−ステナイト系ステンレス鋼。

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