(57)【要約】【課題】強度、弾性率、捻回特性、耐へたり性、及び耐食性に優れた高強度高弾性型ステンレス鋼及びこれを伸線加工することにより得られるステンレス鋼線を提供すること。【解決手段】０．０８ｍａｓｓ％≦Ｃ≦０．３５ｍａｓｓ％、０．２０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．００ｍａｓｓ％、０．５０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦１．５０ｍａｓｓ％、７．０ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦１１．０ｍａｓｓ％、１２．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦２２．０ｍａｓｓ％、０．００２ｍａｓｓ％≦Ｎ≦０．０８ｍａｓｓ％、２．０ｍａｓｓ％≦Ｖ≦８．０ｍａｓｓ％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、マトリックス中にＶを含む第２相粒子が分散している高強度高弾性型ステンレス鋼、及び、これを用いたステンレス鋼線。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．０８ｍａｓｓ％≦Ｃ≦０．３５ｍａｓｓ％、
０．２０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．００ｍａｓｓ％、
０．５０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦１．５０ｍａｓｓ％、
７．０ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦１１．０ｍａｓｓ％、
１２．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦２２．０ｍａｓｓ％、
０．００２ｍａｓｓ％≦Ｎ≦０．０８ｍａｓｓ％、
２．０ｍａｓｓ％≦Ｖ≦８．０ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
かつ、マトリックス中にＶを含む第２相粒子が分散している
高強度高弾性型ステンレス鋼。
【請求項２】
Ｖ、Ｃ及びＮの間に次の（１）式の関係がある請求項１に記載の高強度高弾性型ステンレス鋼。
８×（Ｃ＋Ｎ）≦Ｖ≦２０×（Ｃ＋Ｎ）  ・・・（１）
【請求項３】
２．４ｍａｓｓ％≦Ｖ≦４．０ｍａｓｓ％である請求項１又は２に記載の高強度高弾性型ステンレス鋼。
【請求項４】
０．１ｍａｓｓ％≦Ｍｏ≦４．０ｍａｓｓ％、
０．０５ｍａｓｓ％≦Ｃｕ≦０．５０ｍａｓｓ％、及び、
０．１ｍａｓｓ％≦Ｃｏ≦２．０ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載の高強度高弾性型ステンレス鋼。
【請求項５】
次の（２）式に示すＰＩが１８以上である請求項４に記載の高強度高弾性型ステンレス鋼。
ＰＩ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎ  ・・・（２）
【請求項６】
前記第２相粒子の面積率は、０．０５％以上１０％以下の範囲内である請求項１から５までのいずれかに記載の高強度高弾性型ステンレス鋼。
【請求項７】
Ｐ≦０．０５ｍａｓｓ％、
Ｓ≦０．０１０ｍａｓｓ％、及び
Ｏ≦０．０３０ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１から６までのいずれかに記載の高強度高弾性型ステンレス鋼。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれかに記載の高強度高弾性型ステンレス鋼に対し、少なくとも伸線加工を施すことにより得られるステンレス鋼線。
【請求項９】
引張弾性率は１８０〜２２０ＧＰａである請求項８に記載のステンレス鋼線。
【請求項１０】
その引張強さが１６００〜３３００ＭＰａである請求項８又は９に記載のステンレス鋼線。
【請求項１１】
引張強さ（σ）と０．２％耐力（τ）との耐力比（τ×１００／σ）が８４〜９８％である請求項８から１０までのいずれかに記載のステンレス鋼線。
【請求項１２】
縦・横の弾性係数の比（ポアソン比）が０．１９〜０．３０である請求項８から１１までのいずれかに記載のステンレス鋼線。
【請求項１３】
その表面にニッケルメッキが被覆されている請求項８から１２までのいずれかに記載のステンレス鋼線。
【請求項１４】
ばねに用いられる請求項８から１３までのいずれかに記載のステンレス鋼線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度高弾性型ステンレス鋼及びステンレス鋼線に関し、さらに詳しくは、高強度、高耐食性、高弾性率、及び高捻回特性を有し、ばねやワイヤーロープ、シャフトなどの硬質用線材に使用することが可能な高強度高弾性型ステンレス鋼、及び、これを伸線加工することにより得られるステンレス鋼線に関する。
【背景技術】
【０００２】
ばね、ワイヤーロープ、ケーブルワイヤー、コンクリート補強鋼線などに用いられる線材には、繰り返し応力が作用するので、強度及び弾性限が高く、疲労やクリープに対する抵抗（耐へたり性）が大きいことが望まれる。また、使用環境によっては、耐食性も要求される。従来、この種の用途には、
（１）  共析組成付近（０．２４〜０．８６％Ｃ）の炭素鋼をパテンティング処理し、冷間伸線加工することにより得られる硬鋼線、
（２）  ０．６０〜０．９５％Ｃを含む炭素鋼をパテンティング処理し、冷間で伸線加工することにより得られるピアノ線、
（３）  硬鋼線やピアノ線の耐食性を向上させるために、これらの表面に亜鉛メッキを施した亜鉛メッキ鋼線、
（４）  オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０１、３０２、３０４、３０４Ｎ１、３１６など）を溶体化処理後、冷間で伸線加工することにより得られるステンレス鋼線、
（５）  析出硬化型ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ６３１Ｊ１など）を溶体化処理後、冷間で伸線加工し、さらに析出硬化処理することにより得られるステンレス鋼線、
などが用いられている。
これらの中でも、ステンレス鋼線は、優れた強度と加工性に加えて、優れた耐食性を備えているので、硬鋼線やピアノ線の代替材料として様々な用途に使用されている。
【０００３】
ステンレス鋼の伸線加工は、通常、７０％以上の伸線加工率で行われる。オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工によって加工誘起マルテンサイトが生成するので、加工硬化率が高い。そのため、オーステナイト系ステンレス鋼を溶体化処理後に高い加工率で伸線加工を行うと、高強度のステンレス鋼線が得られる。
また、ある種の析出硬化型ステンレス鋼は、溶体化処理後に急冷すると、準オーステナイト組織となり、成形加工が可能となる。そのため、この種の析出硬化型ステンレス鋼を溶体化処理後に高い加工率で伸線加工を行うと、高強度が得られる。また、これを所定の製品形状に加工した後、さらに４００〜５００℃程度の低温で熱処理を行うと、金属組織内に微細な金属化合物粒子が析出し、靱性が向上する。靱性の向上は、ばねなどの用途に要求される疲労特性の向上に寄与する。
【０００４】
しかしながら、ステンレス鋼線の用途の拡大に伴い、ステンレス鋼線には、さらなる特性の向上が求められるようになっている。そのため、ステンレス鋼線の組成や製造方法に関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、重量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：４．０％以下、Ｎｉ：４．０〜１０．０％、Ｃｒ：１３．０〜２０．０％、Ｎ：０．０６〜０．３０％、Ｏ：０．００７％以下を含み、さらに、時効硬化元素として所定量のＭｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂ及び／又はＶを含み、かつ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＮ量が所定の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるばね特性及び加工部の疲労特性に優れたステンレス鋼が開示されている。同文献には、調質圧延前焼鈍で結晶粒径を１０μｍ以下にすると、調質圧延後の曲げ成形加工によって肌荒れやミクロクラックが発生しない点、及び、成分を最適化することによって、時効処理後に高強度及び高いばね限界値が得られる点が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、重量％でＣ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：５．０〜８．０％、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｎ：０．００５〜０．１％、及びＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ａｌの１種又は２種以上を総計で０．００１〜１．０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる薄板ばね用オーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。同文献には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ等を添加すると、強度が向上し、結晶粒が微細化する点、及び、これによって疲労強度が向上する点が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２７９８０２号公報
【特許文献２】特開昭６３−９６２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
事務機器や電気通信機器などに用いられるばね材料には、主として耐食性の観点から冷間加工されたオーステナイト系ステンレス鋼線が使用されている。事務機器等には、年々、小型軽量化や高機能化が求められており、これに対応して、これらに用いられるばね材料にも軽薄短小化が求められている。線径が同一である線材を用いて軽薄短小型のばねを作製する場合、通常、ばねの成形寸法を小径にしたり、その巻数を少なくすることが行われる。そのため、軽薄短小型のばねにおいて一定の特性を得るためには、線材には、耐食性、強度、捻回特性、耐へたり性等に加えて、大きなばね発生力を有すること（すなわち、高弾性率）が求められる。
【０００８】
上述した特許文献１、２に開示されているばね用ステンレス鋼は、いずれも伸線加工後の時効処理によりばね特性を向上させるものであり、そのためにステンレス鋼の基本組成に加えて、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどの添加元素を加えることを特徴とする。
しかしながら、これらの添加量は、いずれも少量（０．１〜１．０重量％）であり、機械的特性の大幅な向上は期待できない。また、時効処理によって高強度と耐疲労特性はある程度向上するとされているが、弾性率の向上は不十分と考えられる。そのため、これらの線材を、例えば巻数が５以下の小径ばね、ウェーブスプリング等に適用しても、十分なばね特性は期待できない。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、高強度及び高弾性率を有し、軽薄短小型のばねにも使用可能な高強度高弾性型ステンレス鋼及びこれを伸線加工することにより得られるステンレス鋼線を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、高強度及び高弾性率に加えて、捻回特性、耐へたり性、及び耐食性に優れた高強度高弾性型ステンレス鋼及びこれを伸線加工することにより得られるステンレス鋼線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、
０．０８ｍａｓｓ％≦Ｃ≦０．３５ｍａｓｓ％、
０．２０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．００ｍａｓｓ％、
０．５０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦１．５０ｍａｓｓ％、
７．０ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦１１．０ｍａｓｓ％、
１２．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦２２．０ｍａｓｓ％、
０．００２ｍａｓｓ％≦Ｎ≦０．０８ｍａｓｓ％、
２．０ｍａｓｓ％≦Ｖ≦８．０ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
かつ、マトリックス中にＶを含む第２相粒子が分散していることを要旨とする。
この場合、Ｖ、Ｃ及びＮの間に次の（１）式の関係があることが好ましい。
８×（Ｃ＋Ｎ）≦Ｖ≦２０×（Ｃ＋Ｎ）  ・・・（１）
また、本発明に係るステンレス鋼線は、本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼に対し、少なくとも伸線加工を施すことにより得られるものからなる。
【発明の効果】
【００１１】
所定量のＣ及びＮを含むステンレス鋼に対し、さらに、２ｍａｓｓ％以上のＶを添加すると、溶体化処理状態において、マトリックス中にＶを含む第２相粒子が微細に分散した組織が得られる。第２相粒子は、マトリックスに比べて弾性率が高いので、これをマトリックス中に分散させることによって、高弾性率が得られる。また、第２相粒子を分散させることによって捻回特性も向上する。特に、（１）式を満たすようにＶ、Ｃ及びＮの含有量を最適化すると、更に高弾性率及び高捻回特性が得られる。このようなステンレス鋼を所定の条件下で伸線加工すると、高弾性率及び高捻回特性に加えて、強度、耐へたり性及び耐食性に優れたステンレス鋼線が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１３】
（１）  ０．０８ｍａｓｓ％≦Ｃ≦０．３５ｍａｓｓ％。
Ｃは、オーステナイト形成元素として不可欠であり、加工硬化率を向上させる。また、後述する第２相粒子を生成させ、弾性率及び捻回特性を向上させる。Ｃ添加量が少なすぎると、第２相粒子を分散させることにより得られる効果が不十分となり、十分なマトリックス強度も得られがたい。従って、Ｃ含有量は、０．０８ｍａｓｓ％以上が好ましく、さらに好ましくは０．１０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃの過剰添加は、第２相粒子を粗大化させ、加工性及び製品特性が損なわれる。従って、Ｃ含有量は、０．３５ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは０．３０ｍａｓｓ％以下である。
【００１４】
（２）  ０．２０ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．００ｍａｓｓ％。
Ｓｉは、鋼の脱酸剤として少なくとも０．２０ｍａｓｓ％添加される。しかし、Ｓｉを過剰に添加すると、溶体化処理後の硬さが高くなり、冷間加工性が損なわれ、熱間加工性も劣化させる。従って、Ｓｉ含有量は、１．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。冷間加工性を重視する場合には、Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは０．８５ｍａｓｓ％以下である。
【００１５】
（３）  ０．５０ｍａｓｓ％≦Ｍｎ≦１．５０ｍａｓｓ％。
Ｍｎは、鋼の脱酸剤として作用する。また、１／２Ｎｉ当量を持つので、オーステナイトの安定化に有効である。このような効果を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．５０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｍｎの過剰添加は、加工性及び靱性を低下させる。従って、Ｍｎ含有量は、１．５０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１６】
（４）  ７．０ｍａｓｓ％≦Ｎｉ≦１１．０ｍａｓｓ％。
Ｎｉは、オーステナイト系ステンレス鋼の基本元素であり、耐食性及び靱性を高める効果がある。そのためには、Ｎｉ含有量は、７．０ｍａｓｓ％以上が好ましく、さらに好ましくは７．５ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｎｉの過剰添加は、コストの上昇を招く。従って、Ｎｉ含有量は、１１．０ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは１０．５ｍａｓｓ％以下である。
【００１７】
（５）  １２．０ｍａｓｓ％≦Ｃｒ≦２２．０ｍａｓｓ％。
Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼の基本元素であり、耐食性及び機械的特性の改善に寄与する。このような効果を得るためには、Ｃｒ含有量は、１２．０ｍａｓｓ％以上が好ましい。更に好ましくは、１４．０ｍａｓｓ％以上とする。
一方、Ｃｒの過剰添加は、熱間加工性及び靱性を低下させる。従って、Ｃｒ含有量は、２２．０ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは１７．０ｍａｓｓ％以下である。
【００１８】
（６）  ０．００２ｍａｓｓ％≦Ｎ≦０．０８ｍａｓｓ％。
Ｎは、結晶粒を微細化させ、機械的特性を向上させる。また、Ｎは、Ｖ等と結合し窒化物を形成する。このような効果を得るためには、Ｎ含有量は、０．００２ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｎの過剰添加は、高度の溶解技術を必要とし、製造コストを増大させる。従って、Ｎ含有量は、０．０８ｍａｓｓ％以下が好ましい。より好ましくは、０．０５ｍａｓｓ％以下とする。
【００１９】
（７）  ２．０ｍａｓｓ％≦Ｖ≦８．０ｍａｓｓ％。
Ｖは、捻回特性や弾性特性を向上させる微細な第２相粒子を形成するために必要な元素である。また、Ｖは、マトリックス中に固溶して結晶粒を微細化させ、耐孔食性を向上させるとともに、余剰のＶは炭窒化物を形成してマトリックス中に分布し、機械的特性を向上させる効果もある。このような効果を得るためには、Ｖ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以上が好ましく、さらに好ましくは２．４ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは２．６ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｖの過剰添加は、コストを上昇させるだけでなく、第２相粒子を粗大化させる。従って、Ｖ含有量は、８．０ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは４．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは３．７ｍａｓｓ％以下である。
【００２０】
また、この場合、Ｖを２．０ｍａｓｓ％以上添加すると、マトリックス中にＶを含む第２相粒子が分散しているステンレス鋼が得られる。第２相粒子は、主として、Ｖ系の炭化物又は窒化物（例えば、(Ｆｅ、Ｖ)3Ｃ、Ｖ4Ｃ3、ＶＣ、ＶＮなど）からなり、結晶粒を微細化させ、弾性率を向上させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｖ含有量が上述の範囲にあることに加えて、Ｖ含有量とＣ含有量及びＮ含有量との間に、次の（１）式の関係があることが好ましい。
８×（Ｃ＋Ｎ）≦Ｖ≦２０×（Ｃ＋Ｎ）  ・・・（１）
Ｖ含有量が（Ｃ＋Ｎ）量の８倍未満であると、十分な効果が期待できない。一方、Ｖ含有量が（Ｃ＋Ｎ）量の２０倍を超えると、第２相粒子が粗大化し、加工性を低下させる原因となる。Ｖ含有量は、さらに好ましくは、（Ｃ＋Ｎ）量の１０〜１６倍である。
【００２１】
第２相粒子の大きさは、ステンレス鋼の機械的特性に影響を及ぼす。一般に、第２相粒子が粗大になると、加工性が低下する。良好な加工性を得るためには、第２相粒子の大きさ（断面積からの換算径）は、５．０μｍ以下が好ましく、より好ましくは、０．１〜３．０μｍである。その調整は、材料の成分、熱処理条件の任意選択によって可能である。
また、第２相粒子の量も同様に、ステンレス鋼の機械的特性に影響を及ぼす。一般に、第２相粒子の量が少なすぎると、弾性率や捻回特性の向上が不十分となる。高い弾性率と高い捻回特性を得るためには、第２相粒子の面積率は、０．０５％以上、より好ましくは、０．０８〜１０．０％が好ましい。
ここで、「第２相粒子の面積率」とは、２００倍の顕微鏡観察下において、１視野当たりの第２相粒子の面積の割合（視野の面積（Ｓ0）に対する第２相粒子の占める合計面積（Ｓ）の割合（Ｓ×１００／Ｓ0））を測定し、その例えば２０視野で測定した値を平均した値をいう。なお、第２相粒子は、通常、種々の大きさを有し、また、種々の位置に分布することから、本発明では、その面積率の測定に際しては、便宜上、粒径０．５μｍ以上のものを対象とすることとした。
【００２２】
本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、上述した各種の元素に加えて、以下のいずれか１以上の第１の添加元素をさらに含んでいても良い。
（８）  ０．１ｍａｓｓ％≦Ｍｏ≦４．０ｍａｓｓ％。
Ｍｏは、耐食性や強度をさらに高める必要がある場合に添加される。そのためには、Ｍｏ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましく、さらに好ましくは０．５ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｍｏの過剰添加は、熱間加工性が阻害され、コストアップの要因ともなる。従って、Ｍｏ含有量は、４．０ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは２．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは１．０ｍａｓｓ％以下である。
【００２３】
（９）  ０．０５ｍａｓｓ％≦Ｃｕ≦０．５０ｍａｓｓ％。
Ｃｕは、耐食性、特に還元性酸環境中での耐食性向上に有効である。また、冷間加工性を高め、熱処理によって抗菌性を発揮させることもできる。このような効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．０５ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃｕの過剰添加は、高温での粒界脆性が進み、熱間加工性を低下させる。従って、Ｃｕ含有量は、０．５０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２４】
（１０）  ０．１ｍａｓｓ％≦Ｃｏ≦２．０ｍａｓｓ％。
Ｃｏは、固溶強化によってマトリックスを高強度化させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｃｏ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃｏの過剰添加は、コストアップの原因となる。従って、Ｃｏ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは１．０ｍａｓｓ％以下である。
【００２５】
本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、上述した各種の元素を含むことに加えて、次の（２）式に示すＰＩが１８以上であるものが好ましい。
ＰＩ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎ  ・・・（２）
ＰＩ（ピッティングインデックス）は、耐孔食性の指標であり、ＰＩが大きくなるほど、耐孔食性が優れていることを示す。
【００２６】
本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、上述した第１の添加元素に加えて又はこれらに代えて、以下のいずれか１以上の第２の添加元素をさらに含んでいても良い。
（１１）  ０．００１ｍａｓｓ％≦Ａｌ≦１．０ｍａｓｓ％。
（１２）  ０．００１ｍａｓｓ％≦Ｎｂ≦１．０ｍａｓｓ％。
（１３）  ０．００１ｍａｓｓ％≦Ｔａ≦１．０ｍａｓｓ％。
（１４）  ０．００１ｍａｓｓ％≦Ｈｆ≦１．０ｍａｓｓ％。
これらの元素は、いずれも、炭化物又は窒化物を複合形成する効果、及び、結晶粒を微細化させて靱性を高める効果がある。このような効果を得るためには、これらの元素の含有量は、それぞれ、０．００１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の過剰添加は、高度の技術を要することに加えて、加工性を低下させ、製造歩留まりを悪化させる。従って、これらの元素の含有量は、それぞれ、１．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２７】
（１５）  ０．０００５ｍａｓｓ％≦Ｃａ≦０．０１０ｍａｓｓ％。
（１６）  ０．０００５ｍａｓｓ％≦Ｍｇ≦０．０１０ｍａｓｓ％。
（１７）  ０．０００５ｍａｓｓ％≦Ｂ≦０．０１０ｍａｓｓ％。
（１８）  ０．０００５ｍａｓｓ％≦ＲＥＭ≦０．０１０ｍａｓｓ％。
これらの元素は、鋼の熱間加工性を向上させる効果がある。このような効果を得るためには、これらの元素の含有量は、それぞれ、０．０００５ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の過剰添加は、効果が飽和し、逆に熱間加工性が低下する。従って、これらの元素の添加量は、それぞれ、０．０１０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、「ＲＥＭ」とは、Ｃｅ、Ｌａあるいはこれらの合金をいう。
【００２８】
本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、不可避的不純物が含まれていても良い。不可避的不純物としては、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｏなどがある。
Ｐは、粒界に析出して粒界腐食感受性を高め、靱性低下の原因となる。従って、Ｐ含有量は、０．０５ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは、０．０３ｍａｓｓ％以下である。
Ｓは、鋼の熱間加工性を低下させる。従って、Ｓ含有量は、０．０１０ｍａｓｓ％以下が好ましく、さらに好ましくは０．００５ｍａｓｓ％以下である。
Ｏは、冷間加工性や捻回特性を阻害するとともに、耐食性を低下させる。従って、Ｏ含有量は、０．０３０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２９】
次に、本発明に係るステンレス鋼線及びその製造方法について説明する。本発明に係るステンレス鋼線は、上述した組成を有する高強度高弾性型ステンレス鋼（例えば、ＲＯＤ）に対し、少なくとも伸線加工を施すことにより得られる。伸線加工は、冷間伸線でも良く、あるいは、例えば温度５０〜１５０℃程度での温間伸線でも良い。温間伸線加工は、靱性を高め、捻回値を高める効果がある。また、本発明では、前記伸線加工の前に、必要に応じて溶体化処理を行い、該熱処理と伸線加工を繰り返しながら細径化することが望ましい。
【００３０】
溶体化処理は、通常、鋼塊を９５０〜１１００℃で０．１〜６０分間保持し、急冷することにより行う。
図１に、本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼の状態図の一例を示す。図１に示すステンレス鋼は、Ｆｅ−１５Ｃｒ−９．５Ｎｉ−０．５Ｓｉ−０．８５Ｍｎ組成を有し、かつ、Ｖを３．０ｍａｓｓ％含むものである。図１より、含有炭素量と熱処理温度に応じて、γ＋α相、γ＋α＋ＶＣ相、γ＋ＶＣ相などの各種の組織が得られることがわかる。例えば、このステンレス鋼に０．０８〜０．３２ｍａｓｓ％のＣを加え、１０５０℃前後で保持すると、鋼の組織は、γ＋ＶＣ相となる。
【００３１】
次に、溶体化処理が施された鋼塊や線材に対し、冷間又は温間で伸線加工を行う。溶体化処理によって、準安定オーステナイト相が生成するので、これを伸線加工すると、加工誘起マルテンサイトが生成し、高強度が得られる。高強度を得るためには、伸線加工率は、４０％以上が好ましく、さらに好ましくは６０％以上である。なお、加工誘起マルテンサイトの生成は、加工性の低下をもたらすので、１回の伸線加工で目的とする断面形状が得られない場合には、溶体化処理と伸線加工とを必要回数だけ繰り返す。
【００３２】
得られたステンレス鋼線は、例えば、線径０．０５〜５ｍｍ程度に細径化され、そのまま各種の用途に用いても良く、あるいは、必要に応じて最終製品に仕上げるための成形加工（例えば、コイリング加工）や、伸線加工後又は成形加工後に、時効熱処理を行っても良い。時効熱処理を行うと、添加元素に応じて各種の金属間化合物などが析出し、さらに高強度が得られる。時効熱処理は、成分組成にもよるが、通常は、加工後のステンレス鋼線を３００〜５００℃で３０分程度保持することにより行われる。
なお、伸線加工後にさらに成形加工が行われる場合、時効熱処理は、伸線加工後に行っても良い。しかしながら、成形加工前に時効熱処理を行うと、成形加工が困難になる場合があるので、成形加工後に時効熱処理を行うのが好ましい。
さらに、このようにして得られたステンレス鋼線は、基本的には耐食性に優れている。しかしながら、より高度の耐食性が求められる場合には、表面にニッケルメッキなどのメッキ層を形成することが好ましく、このメッキ処理は、通例、伸線加工前に形成される。
【００３３】
上述した方法により、引張強さが１６００〜３３００ＭＰａであるステンレス鋼線が得られる。
また、上述した方法により、縦弾性率が１８０〜２２０ＧＰａである高弾性のステンレス鋼線が得られる。縦弾性率は、より好ましくは、１９０〜２１０ＧＰａである。
また、上述した方法により、引張強さ（σ）と０．２％耐力（τ）との耐力比（τ×１００／σ）が８４〜９８％であるステンレス鋼線が得られる。
さらに、上述した方法により、縦・横の弾性係数の比（ポアソン比）が０．１９〜０．３０であるステンレス鋼線が得られる。
ポアソン比は、例えば、次式で求めることができる。
ポアソン比＝（縦弾性係数／２×横弾性係数）−１
【００３４】
なお、本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、線材以外の用途に用いることもできる。この場合、伸線加工に代えて他の加工方法（例えば、帯状にする場合には、圧延加工）を用いれば良い。伸線加工以外の製造工程に関するその他の点は、ステンレス鋼線を製造する場合と同様である。
【００３５】
次に、本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼及びステンレス鋼線の作用について説明する。
本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、従来のばね用ステンレス鋼に比べて、Ｖ含有量が多いことを特徴とする。Ｖは、添加元素の中でもＣ及びＮとの親和力が強く、(Ｆｅ、Ｖ)3Ｃ、Ｖ4Ｃ3、ＶＮ、ＶＮなどの安定な炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成する。マトリックス中にこのようなＶ系の第２相粒子を分散させると、オーステナイトの粒成長が抑制され、結晶粒を微細化することができる。
また、Ｖ系の第２相粒子は、他の化合物粒子に比べて微細かつ硬質である。例えば、Ｖ4Ｃ3は、融点が２８００℃以上で、硬さが２５００〜３２００程度である。しかも、Ｖ系の第２相粒子は、フェライト及びオーステナイトマトリックスと結晶方位関係をもって微細に析出する。そのため、顕著な強化複合作用が得られ、高強度、かつ、高捻回特性が得られる。しかも、マトリックス中に分散している第２相粒子は、転位をピン止めする作用もあるので、耐へたり性が向上する。
【００３６】
また、Ｖ系の第２相粒子は、マトリックスに比べ弾性率が大きい。そのため、これをマトリックス中に分散させると、材料全体の弾性率も向上する。特に、Ｖ量と、Ｃ量及びＮ量との関係を最適化すると、所定量の第２相粒子をマトリックス中に析出・分散させることができるので、強度及び弾性率を同時に向上させることができる。
さらに、ステンレス鋼線をコイルばね用として用いる場合、変形応力は、引張方向以外に捻り方向にも作用する。従って、この種の用途に用いるステンレス鋼線は、縦方向の弾性率と横方向の弾性率の双方が優れているものが好ましい。上述した成分組成及び製造条件を最適化すると、ポアソン比が所定の範囲にあるステンレス鋼線が容易に得られる。
本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、ステンレス鋼の基本組成であるＮｉ−高Ｃｒ系であるので、耐食性に優れている。また、その表面にメッキ処理を施すと、さらに耐食性が向上する。そのため、これを伸線加工することにより得られるステンレス鋼線は、ばねやワイヤーロープなど、高強度、高弾性率、高捻回特性、耐へたり性、耐食性等が要求される各種の用途に用いることができる。
【実施例】
【００３７】
（実施例１〜２６、比較例１〜３）
［１．  試料の作製］
表１に示す化学成分を有する鋼塊をそれぞれ高周波誘導炉で溶解し、鋳造した。次いで、得られた鋳塊を鍛造後、熱間圧延して直径１２．５ｍｍの線材を得た。これを１０５０〜１１００℃での溶体化処理と伸線加工とを繰り返し行いながら細径化した。さらに、表面に厚さ２μｍのＮｉメッキを付着させ、これを最終加工率７５％での冷間伸線加工によって、線径２．０ｍｍのステンレス鋼線を製造した。
【００３８】
【表１】
2008045177.tif 000002
【００３９】
［２．  試験方法］
［２．１．  耐食性］
耐食性は、塩水噴霧試験で評価した。試験片には、直径１２．５ｍｍの線材を矯正し、１０５０℃で１．０時間溶体化処理を行ったものを用いた。試験片は、表面を＃４００で研磨し、１０φ×５０ｍｍの円柱体とした。この試験片を用いて、３５℃の５％塩化ナトリウム水溶液での噴霧環境中において、９６時間の暴露試験を行った。評価は、全く発錆しなかったものを「Ａ」、点状のしみが数点認められたものを「Ｂ」、面積率５％以下の範囲で赤錆が認められたものを「Ｃ」、さらに面積率が５％を超えるものを「Ｄ」として、目視により判定した。
［２．２．  機械的特性］
伸線加工した直径２．０ｍｍの線材から試験片を採取し、０．２％耐力、引張強さ、弾性率及び捻回値を測定した。引張強さ及び弾性率は、ＪＩＳ−Ｚ２２０１に基づき、それぞれ、線に引張荷重を加えた特の破断応力、及び、弾性領域内での傾き（縦弾性率）として求めた。また、捻回値は、標点間距離が線径×１００倍となるように線の一端を固定し、他端を２回／分の一定の速度で回転したときの破断するまでの捻り回数で評価した。
［２．３．  第２相粒子の面積率、マトリックス中のＣ量］
第２相粒子の面積率は、その横断面での顕微鏡写真と、ＥＰＭＡでの定性分析によりＶを測定し、画像解析によって１視野当たりの面積率を求めた。また、マトリックス中のＣ量は、ＥＰＭＡによる定量分析で行った。
【００４０】
［３．  結果］
次の表２に、試験結果を示す。
熱間加工性は、介在物の増大及び合金元素量の増加に伴って低下した。しかし、特に、Ｃａ、Ｂ、Ｍｇ又はＲＥＭを添加した実施例２、５、８、１４、１５、２１、２５、２６は、他の試料に比べて良好な熱間加工性が得られた。耐食性は、添加元素によらず、いずれも良好な結果が得られた。
実施例１〜２６において、ＥＰＭＡにより測定されたマトリックス中のＣ量は、いずれも試料中に含まれる全Ｃ量より少なくなっていた。従って、その差が第２相粒子の生成のために消費されていると考えられる。
さらに、実施例１〜２６は、いずれも、比較例１〜３に比べて、強度、弾性率及び捻回値がいずれも向上し、特に、２５００ＭＰａ以上の高強度で５回以上の優れた捻回特性を有することが確認された。これは、Ｖを相対的に多量に添加したために、マトリックス中に微細なＶ系の第２相粒子が分散したためと考えられる。図２に、代表例として、実施例１７で得られたステンレス鋼線の断面の光学顕微鏡写真を示す。図２より、微細な第２相粒子が均一に分散していることがわかる。
【００４１】
【表２】
2008045177.tif 000003
【００４２】
［４．  時効熱処理の効果］
次に、前記実施例の中から、試料番号６、１０、１９及び２３の各ステンレス鋼線について、温度４００〜５００℃×１Ｈｒの時効熱処理を行い、引張強さ、耐力比、縦弾性係数、ポアソン比、及び、捻回値について調査した。表３に、その結果を示す。
表３より、いずれの試料とも各特性が向上しており、ばねをはじめワイヤーロープ用、シャフト用等の硬質用として期待できる特性が得られていることがわかる。
【００４３】
【表３】
2008045177.tif 000004
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼は、ばね、ワイヤーロープ、橋梁用メインケーブル等に用いられる線材用材料として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る高強度高弾性型ステンレス鋼の状態図の一例である。
【図２】実施例１７で得られたステンレス鋼線の断面の光学顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
2008045177.tif 000006