JP4498847B2 - 加工性に優れたオ−ステナイト系高Ｍｎステンレス鋼 - Google Patents

Description

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−ステナイト系高Ｍｎ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。また、ＳＵＳ３０４は、オ−ステナイト相が準安定であるため成形加工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−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−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、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。

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、上述した高Ｍｎ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，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と同等以上の加工性を具備し，加工後にも非磁性が維持されるオ−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）本発明の高Ｍｎステンレス鋼は、その目的を達成するために、質量％で、Ｃ＋Ｎ：０．０３〜０．１５％，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−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。
−１０＜Ｍｄ３０＜３０，４０＜ＳＦＥ＜８０
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％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−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。

以上に説明したように、本発明の高Ｍｎステンレス鋼は、Ｃ＋Ｎ：０．０３〜０．１５％，−１０＜Ｍｄ３０＜３０，４０＜ＳＦＥ＜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工性を有し，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。

本発明の高Ｍｎステンレス鋼は、Ｃ＋Ｎ，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−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０．１５％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（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。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−ステナイト安定度の指標：Ｍｄ３０値（℃）
準安定オ−ステナイトステンレス鋼は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（℃）を本発明の高Ｍｎステンレス鋼において−１０℃〜３０℃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℃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伸びが低下し（＜５０％），加工性が阻害される。他方、Ｍｄ３０値が３０℃を越える場合、加工誘起マルテンサイトの生成（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℃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−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、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４０〜８０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−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−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−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℃，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％耐力，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。

Ｍｎ：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−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％耐力，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−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−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。

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１０６０℃，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℃，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２５％と３５％に相当する真歪ε₂₅，ε₃₅における真応力δ₂₅，δ₃₅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（ε₃₅／ε₂₅）／ｌｎ（δ₃₅／δ₂₅）

焼鈍酸洗材から、φ９６ｍｍ円盤（ブランク）を切り出し，ポンチ径φ４８→φ４４→φ４０→φ３５→φ３０ｍｍの５段円筒深絞り試験により時期割れ限界絞り比（ブランク径／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−磁化曲線上で磁場５０００ｇａｕβ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％耐力，引張強度，伸び，ｎ値および６０％冷間圧延材の透磁率（μ）を表１に示す。鋼Ｎｏ．１〜６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ＳＵＳ３０４である。鋼Ｎｏ．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％耐力を３００ＭＰａ未満に軟質化出来ることが確認できた。０．２％耐力［Ｎ／ｍｍ²］＝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−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＜Ｍｄ３０＜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−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＜８０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。

本発明の高Ｍｎステンレス鋼は、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。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。

Ｍｄ３０値が鋼材の伸びに及ぼす影響を示したグラフ 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 ＳＦＥと加工硬化指数ｎとの関係を示したグラフ

Claims (3)

1. 質量％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−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加工性に優れたオ−ステナイト系高Ｍｎステンレス鋼。
   −１０＜Ｍｄ３０＜３０，４０＜ＳＦＥ＜８０
   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、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−ステナイト系高Ｍｎステンレス鋼。
3. ０．２％耐力が３００ＭＰａ未満，公称歪２５％と３５％の勾配である加工硬化指数ｎが０．３０〜０．４５，伸びが５０％以上である請求項１または２に記載の加工性に優れたオ−ステナイト系高Ｍｎステンレス鋼。

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