JP4498912B2 - 張り出し成型性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、張り出し成型用オーステナイト系ステンレス鋼板、および、その製造方法に関するものである。

一般にＳＵＳ３０４に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼は優れた耐食性と加工性を有しているために各種用途に使用されている。しかし、フェライト系ステンレス鋼の用途展開に伴い、より複雑な製品形状への適用が進んでいる。複雑な製品形状に成型する際に、プレス工程の増加はコスト増に繋がることから、深絞り性のみならず優れた張り出し成型性を有するオーステナイト系ステンレス鋼が望まれている。

深絞り性の向上を狙った数多くの研究が報告されており、Ｃｕの添加や高純化による軟質化が代表的である。Ｃｕの添加は、マトリックスが軟質化することにより深絞りを向上させる。更に、Ａｌ添加による耐時期割れ特性の向上（例えば、特許文献１参照）、Ｃｕ、Ａｌの複合添加による抗菌性と深絞り性の向上（特許文献２参照）、Ａｌ添加と冷間圧延条件の組み合わせにより面内異方性を小さくし深絞り性を向上させる方法等も知られている。

特公平１−４０１０２号公報 特開平１０−１０２２１０号公報 特開平９−２６３８２９号公報

種々の用途にオーステナイト系ステンレス鋼を使用する場合、最終製品形状に成型する際の張り出し成型性も重要な要求特性である。オーステナイト系ステンレス鋼板は、一般的にフェライト系ステンレス鋼板よりも張り出し加工性に優れるが、加工が連続する場合では加工硬化のため成型時に割れが発生しやすい。しかし、複雑な製品形状への加工は、張り出し後に絞り加工ような過酷な加工条件が採用される傾向が強く、材料の破断限界に近いため割れが発生しやすい。また、多段成型により成型が可能となっても、加工工程の増加に繋がるため、コストに対する対策が必要である。

本発明は、成分、析出物を調整することにより、張り出し成型時の割れが発生せず高精度の最終製品形状に加工できる鋼板を提供することを目的とする。併せて、上記鋼板を製造する方法を提供することを目的とする。

複雑な形状の成型では、深絞りのみで形状を成型することが困難であり、張り出しを伴って成型する場合がある。張り出し加工性が十分でない場合には、多段成型時に割れが発生し成型そのものが不可能となる。また、製品形状を精度良く製造するためには、張り出し成型を主とした成型も必要な場合がある。そこで、本発明者等は、張り出し成型における鋼の機械的性質やプレス条件の関係を調査した。その結果、延性が担保された鋼板において、高歪み条件下にて加工硬化挙動が顕著に発生すると張り出し成型時の割れ発生を抑制できることを見出した。

本発明は、その目的を達成するため、質量％でＣ：０．０５％以下Ｓｉ：２．０％以下Ｍｎ：３．０％以下Ｎｉ：６．０〜８．０％Ｃｒ：１５．０〜１８．０％Ｃｕ：１．５〜２．５％Ｎ：０．０６％以下Ｎｂ：０．００５〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、金属組織中にＮｂＣが０．００１〜０．００５体積％の範囲で存在し、ＪＩＳ１３号Ｂ試験片を用いた引張試験において、歪み量０．３０〜０．３５の加工硬化係数ｎ値が０．４５以上である張り出し成型用オーステナイト系ステンレス鋼板を特徴としている。なお、本発明において、鋼板には鋼帯を含むものとする。

また本発明は、質量％でＣ：０．０５％以下Ｓｉ：２．０％以下Ｍｎ：３．０％以下Ｎｉ：６．０〜８．０％Ｃｒ：１５．０〜１８．０％Ｃｕ：１．５〜２．５％Ｎ：０．０６％以下Ｎｂ：０．００５〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を熱延板焼鈍後に冷間圧延を施し、冷延板焼鈍後の８００〜６００℃間の冷却速度を２０〜４０℃／秒とすることによって製造することができる。

本発明による材料は、その金属組織自体に張り出し性を向上するような性質を具備させているので、従来のＳＵＳ３０４と同様の工程によって、ＳＵＳ３０４よりも張り出し成形性が優れた張り出し成型用オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板を容易に製造することができる。また、最終焼鈍処理を組み合わせることにより、さらに顕著な張り出し成型性の向上効果を得ることができる。

本発明者等は、オーステナイト系ステンレス鋼の張り出し成型を主として成型された加工品に発生する割れを詳細に調査した結果、張り出し加工後段の成型時に割れが発生しやすく、ごく希に脆性的な劈開破壊または粒界破壊を有していることが判明した。併せて、引張特性が同等な場合、破断近傍での加工硬化が大きい程割れが生じ難くなることを見出した。本発明はこれらの知見をベースに完成されたものであり、成分、析出物量を適正管理することにより、張り出し成型時の耐割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼帯および鋼板が得られる。

オーステナイト系ステンレス鋼は、普通鋼に比較して合金化により加工誘起変態挙動を有しているため加工硬化挙動が大きく、伸びが大きい。素材の延性の影響が大きい張出し変形には適していると考えられることから、機械的性質の代表的な数値である破断伸びと破断に至るまでの加工硬化挙動の違いに着目し、張り出し成型で割れが発生しないかを調査した。鋼板の破断伸びと加工硬化挙動は、島津製作所製の自動引張試験機を用いて、ＪＩＳ１３号Ｂ試験片を用い、圧延方向から採取したサンプルを用いて引張速度８０ｍｍ／ｍｉｎの条件で測定し、歪み量０．０２毎の加工硬化係数ｎ値を算出した。

以下、本発明で使用するオーステナイト系ステンレス鋼の加工硬化挙動、合金成分、含有量および析出物量を説明する。

歪み量０．３０〜０．３５で加工硬化係数ｎ値０．４５以上
張り出し加工においては、板厚が薄くなる加工後期での材料強度が高いことが重要である。しかし、加工初期では板厚が十分にあるため、むしろ軟質で金型と馴染みながら成型される必要がある。このため、加工硬化挙動では高歪み域で高ｎ値を有する特性を持つことが望ましい。図１は、歪み量とｎ値の関係をＮｂ添加有無で比較した結果である。Ｎｂ添加鋼は、歪み量が０．３０〜０．３５で急激にｎ値が上昇し０．４５以上の値で安定している。図２は、図１で用いた鋼板を用いて等円バルジ試験を実施した結果を示している。Ｎｂを含有した鋼の方が成型高さは高くなっている。Ｎｂの含有によりＮｂＣが析出し、オーステナイト相中のＣ量が低下するため、オーステナイト安定度が低下するためと考えられる。

Ｃｒ：１５．０〜１８．０質量％
Ｃｒは十分な耐食性を得るためには１５．０質量％以上必要であるため、含有量の下限を１５．０質量％以上とする。一方、多量に添加されるとδ−フェライトを形成し、成形性を低下させる。また、多量に添加されると製造性が劣化するため、含有量の上限を１８．０質量％とした。

Ｃ：０．０５質量％以下
Ｃはオーステナイト生成元素であり、オーステナイト安定度を確保する目的で添加されるが、多量に添加すると硬質になり加工性が低下するため、０．０５質量％以下（０％は含まず）の含有量とした。Ｃ含有量は０．０１質量％以上であればよい。望ましくは、０．０２〜０．０４質量％である。

Ｓｉ：２．０質量％以下
Ｓｉは強力な脱酸剤として有効であるが多量に添加されると硬質になるとともに製造性を阻害するため２．０質量％以下（０％を含まず）の含有量とする。望ましくは、０．０２〜１．０質量％である。

Ｍｎ：３．０質量％以下
Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、オーステナイト安定度の確保と深絞り成形性の向上を目的に添加するが、多量に添加するとＭｎＳを形成し耐食性が低下するため３．０質量％以下（０％を含まず）の含有量とした。望ましくは、０．５〜１．５質量％である。

Ｎｉ：６．０〜８．０質量％
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼には不可欠な元素であり、オーステナイト安定度および加工性の確保の点で６．０質量％以上の含有量とする。一方、Ｎｉは高価な金属であるため、経済性を考慮して含有量の上限を８．０質量％とする。

Ｃｕ：１．５〜２．５％
Ｃｕは、前記Ｎｉと同様に、加工性を改善、向上する上で、重要な合金元素であり、高価なＮｉと比較して安価な金属である。加工性を高位状態に確保するため、下限を１．５質量％とした。しかし、２．５質量％を超える多量の添加は、熱間加工性を低下させ、安価なＣｕ源を添加し含有させるとはいえ大幅に製造コストを引き上げることになると共にＣｕ金属成分を全く不要とする鋼種の溶鋼の品質、排出されるスラグ品質及びその有効利用に悪影響を及ぼし支障を来すことになるので、この含有量の上限を２．５質量％に規制する。

Ｎ：０．０６質量％以下
ＮはＣと同様にオーステナイト生成元素であり、オーステナイト安定度を確保する目的で添加されるが、多量に添加すると硬質になり加工性が低下する。また、表面品質の点からも多量の添加は望ましくない。このため０．０６質量％以下（０％を含まず）の含有量とする。望ましくは、０．０１〜０．０６質量％である。

Ｎｂ：０．００５〜０．０２質量％
Ｎｂは本発明の張り出し加工性を向上させるために重要な元素であり、ＮｂＣを形成するに十分な添加量が必要なため、０．００５質量％以上の含有量とする。一方、多量に添加すると成形性が低下するとともに、製造性が劣化するため、含有量の上限を０．０２質量％とした。

ＮｂＣ析出物量：０．００１〜０．００５体積％
ＮｂＣ析出物量は本発明の重要な要素である。表１に示す化学成分を有する各種オーステナイト系ステンレス鋼を高周波真空溶解炉にて３０ｋｇ溶製した。鋼ア〜ウはＮｂ含有量を０．００１〜０．０５質量％の範囲で変化させた鋼である。これらの鋼塊を熱間圧延により板厚３．０ｍｍとし、その後１１００℃均熱３０秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延を行い板厚０．８ｍｍの冷延板を作製した。冷延板焼鈍は１０８０℃均熱３０秒で表２に示す冷却条件とした。ＮｂＣ析出物量は透過電子顕微鏡によりＮｂＣの大きさ、数を測定して全体積を求め、視野内のサンプル体積から析出物の体積％を測定した。測定した析出物量を表２に併せて示している。

図３に等円バルジ試験における成型高さとＮｂＣ析出物量との関係を示す。冷延板焼鈍の冷却速度でＮｂＣ析出物量が変化し、適正範囲が存在している。ＮｂＣ析出物量が０．００１体積％以上であれば、張り出し成型性は大きく向上する。しかし、析出物量が０．００５体積％を超えると成型高さが向上しないうえ、結晶粒が微細になり、硬さが上昇して加工性が逆に低下する恐れがあるので、ＮｂＣ析出物量の上限は０．００５体積％以下とすることが望ましい。

最終焼鈍の冷却速度：２０〜４０℃／秒（８００〜６００℃）
ＮｂＣの析出物量を制御するのは、ＮｂとＣ量の他に最終焼鈍時の冷却速度を適正にする必要がある。Ｎｂは炭化物を形成しやすい元素であるため、比較的短時間で析出することが可能であることから、本発明の成分範囲では４０℃／秒以下が必要である。しかし、冷却速度を遅くすると製造性を阻害するため、２０〜４０℃／秒とした。

表３に示す成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼を高周波真空溶解炉にて３０ｋｇ溶製した。鋼Ａ〜Ｅは本発明対象鋼であり、Ｎｂ含有量を０．００６〜０．０１８質量％の範囲で変化させた鋼である。比較鋼にはＮｂ含有量が０．００５質量％以下のＦおよびＨ、Ｎｂ含有量が０．０３質量％のＧの３鋼種を用いた。これらの鋼塊を熱間圧延により板厚３．０ｍｍの熱延板とし、その後１１００℃均熱３０秒の熱延板焼鈍を施した後、板厚０．８ｍｍの冷延板を作製した。最終焼鈍は１０８０℃均熱３０秒で表４に示す冷却条件を実施し、その後等円バルジ試験により張り出し成型性の指標である成型高さを測定した。最終焼鈍材から圧延方向（Ｌ方向）ＪＩＳ １３Ｂ号試験片を採取し、引張試験に供するとともに加工硬化挙動を応力歪み線図により測定し、歪み量０．３０〜０．３５のｎ値を求めた。ＮｂＣ析出物量は透過電子顕微鏡による前述の方法に従って求めた。成型高さ、歪み量０．３０〜０．３５のｎ値およびＮｂＣ析出物量を表４に併せて示している。

最終焼鈍の冷却速度を３５℃／秒で行なった試験Ｎｏ．１〜４ではＮｂＣ析出物量が０．００１体積％以上０．００５体積％以下であり、成型高さが４１ｍ以上とＮｂＣ析出物量が０．００１体積％未満の比較例の試験Ｎｏ．９〜１１の成型高さに比べて高く、歪み量０．３０〜０．３５のｎ値も０．４５以上を示す。また、最終焼鈍の冷却速度を２０、３０℃／秒で行った本発明例の試験Ｎｏ．５〜８では本発明例の場合に比べて成型高さは４４ｍ以上とさらに高くなる。

一方、ＮｂＣ析出物量が０．００５体積％以上の試験Ｎｏ．１２では、ＮｂＣ析出物が多く非常に硬質であったため、歪み量が０．３０未満で破断するほど低延性であり、成型高さも２５ｍｍと劣位であった。比較例の試験Ｎｏ．１３〜１５は、ＮｂＣ析出物量が本発明外であり、成型高さが４０ｍｍ以下と低く、歪み量０．３０以上のｎ値も０．４５以下を示している。

図１は、歪み量とｎ値の関係をＮｂ添加有無で比較した結果を表したグラフ 図２は、図１で用いた鋼板を用いて等円バルジ試験を実施した結果を表したグラフ 図３は、等円バルジ試験における成型高さとＮｂＣ析出物量との関係を表したグラフ

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｎｉ：６．０〜８．０％、Ｃｒ：１５．０〜１８．０％、Ｃｕ：１．５〜２．５％、Ｎ：０．０６％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、金属組織中にＮｂＣが０．００１〜０．００５体積％の範囲で存在し、ＪＩＳ１３号Ｂ試験片を用いた引張試験において、歪み量０．３０〜０．３５の加工硬化係数ｎ値が０．４５以上である張り出し成型用オーステナイト系ステンレス鋼板。
2. 質量％でＣ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｎｉ：６．０〜８．０％、Ｃｒ：１５．０〜１８．０％、Ｃｕ：１．５〜２．５％、Ｎ：０．０６％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を熱延板焼鈍後に冷間圧延を施し、冷延板焼鈍後の８００〜６００℃間の冷却速度を２０〜４０℃／秒とする張り出し成型用オーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。

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