(57)【要約】【課題】冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化が小さいオーステナイト系ステンレス鋼の提供。【解決手段】C：0.03％以下、Si：2〜4％、Mn：0.1〜2％、P：0.03％以下、S：0.03％以下、Ni：9〜15％、Cr：15〜20％、N：0.02〜0.2％、Nb：0.03％以下、MoおよびCuの１種または２種：合計で0.2〜4％を含み、残部はFeおよび不純物で、下記の(1)式および(2)式を満たすオーステナイト系ステンレス鋼。この鋼は下記の(3)式を満たす場合、溶接性も良好である。16.9+6.9Ni+12.5Cu-1.3Cr+3.2Mn+9.3Mo-205C-38.5N-6.5Si-120Nb≧40 … (1)450-440(C+N)一12.2Si-9.5Mn-13.5Cr-20(Cu+Ni)-18.5Mo≦-90 … (2)8.2+30(C+N)+0.5Mn+Ni-1.1(1.5Si+Cr+Mo)+2.5Nb≦-0.8 … (3)【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：2〜4％、Mn：0.1〜2％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Ni：9〜15％、Cr：15〜20％、Ｎ：0.02〜0.2％、Nb：0.03％以下、MoおよびCuの１種または２種：合計で0.2〜4％を含み、残部はFeおよび不純物で、かつ下記の(1)式および(2)式を満たすことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
16.9+6.9Ni+12.5Cu-1.3Cr+3.2Mn+9.3Mo-205C-38.5N-6.5Si-120Nb≧40 … (1)
450-440(C+N)一12.2Si-9.5Mn-13.5Cr-20(Cu+Ni)-18.5Mo≦-90 … (2)
ただし、(1)式および(2)式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：2〜4％、Mn：0.1〜2％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Ni：9〜15％、Cr：15〜20％、Ｎ：0.02〜0.2％、Nb：0.03％以下、MoおよびCuの１種または２種：合計で0.2〜4％を含み、残部はFeおよび不純物で、かつ下記の(1)式、(2)式および(3)式を満たすことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
16.9+6.9Ni+12.5Cu-1.3Cr+3.2Mn+9.3Mo-205C-38.5N-6.5Si-120Nb≧40 … (1)
450-440(C+N)一12.2Si-9.5Mn-13.5Cr-20(Cu+Ni)-18.5Mo≦-90 … (2)
8.2+30(C+N)+0.5Mn+Ni-1.1(1.5Si+Cr+Mo)+2.5Nb≦-0.8 … (3)
ただし、(1)式、(2)式および(3)式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼、より詳しくは、自動車の構造部材用として好適な、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化が小さいオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オーステナイト系ステンレス鋼は、加工性、強度、耐食性等に優れ、種々の構造部材に使用されており、多くの場合、冷間加工が施される。
【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼は、その化学組成により冷間加工時に加工誘起マルテンサイトが形成されることがあり、これに関連した次のような発明が開示されている。
【０００４】
特許文献１には、化学組成により加工誘起マルテンサイトを抑制し、かつ結晶粒度を制御することにより加工硬化を抑制して加工性を高めたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されているが、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化については全く顧慮されていない。
【０００５】
一方、オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工後に、比較的低温で焼鈍すると形状変化が生じることが報告されており、形状変化の指標として、積層欠陥エネルギーやマルテンサイト変態量などの異なる指標で整理されている。
【０００６】
例えば、非特許文献１〜４には、冷間圧延したSUS301からSUS310Sまでのオーステナイト系ステンレス鋼の低温熱処理時の収縮が報告されているが、これらの非特許文献では収縮量が素材の積層欠陥エネルギーだけで整理されているにすぎず、本発明が対象とするCuやMo等が複合添加された高Siのオーステナイト系ステンレス鋼の形状変化や、構造材として必要な溶接性については全く検討されていない。
【０００７】
特許文献２には、冷間加工による加工誘起マルテンサイトと、低温焼鈍時のマルテンサイト相からオーステナイト相への逆変態による収縮を利用して形状矯正することで高強度と平坦度を高めたステンレス鋼板が開示されているが、この特許文献でも冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化の抑制や構造材として必要な溶接性については全く検討されていない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平8-283915号公報
【特許文献２】
特開2001-323341号公報
【非特許文献１】
CAMP-ISIJ,vol.15(2002)-559
【非特許文献２】
鉄と鋼 Vol.81 (1995) No.5  P65〜70
【非特許文献３】
鉄と鋼 Vol.81 (1995) No.9  P32〜37
【非特許文献４】
鉄と鋼 Vol.82 (1996) No.10  P37〜42
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化が小さい高Siのオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。また、第２の目的は、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化が小さく、しかも溶接性にも優れた高Siのオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。これらのオーステナイト系ステンレス鋼は、特に自動車の構造部材として適している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）および（２）のオーステナイト系ステンレス鋼にある。
（１）質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：2〜4％、Mn：0.1〜2％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Ni：9〜15％、Cr：15〜20％、Ｎ：0.02〜0.2％、Nb：0.03％以下、MoおよびCuの１種または２種：合計で0.2〜4％を含み、残部はFeおよび不純物で、かつ下記の(1)式および(2)式を満たすオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１１】
16.9+6.9Ni+12.5Cu-1.3Cr+3.2Mn+9.3Mo-205C-38.5N-6.5Si-120Nb≧40 … (1)
450-440(C+N)一12.2Si-9.5Mn-13.5Cr-20(Cu+Ni)-18.5Mo≦-90 … (2)
ただし、(1)式および(2)式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（２）質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：2〜4％、Mn：0.1〜2％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Ni：9〜15％、Cr：15〜20％、Ｎ：0.02〜0.2％、Nb：0.03％以下、MoおよびCuの１種または２種：合計で0.2〜4％を含み、残部はFeおよび不純物で、かつ下記の(1)式、(2)式および(3)式を満たすオーステナイト系ステンレス鋼。
【００１２】
16.9+6.9Ni+12.5Cu-1.3Cr+3.2Mn+9.3Mo-205C-38.5N-6.5Si-120Nb≧40 … (1)
450-440(C+N)一12.2Si-9.5Mn-13.5Cr-20(Cu+Ni)-18.5Mo≦-90 … (2)
8.2+30(C+N)+0.5Mn+Ni-1.1(1.5Si+Cr+Mo)+2.5Nb≦-0.8 … (3)
ただし、(1)式、(2)式および(3)式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００１３】
本発明は次に述べる知見に基づいて完成された。
【００１４】
冷間加工後の加熱冷却処理による形状変形については、(イ)加工誘起α’マルテンサイトのオーステナイトへの逆変態による収縮や、(ロ)α’マルテンサイト生成時の中間相として生成するεマルテンサイトの逆変態による収縮等が考えられる。0.3％の引張真歪みを加えたときに50体積％のマルテンサイト変態が生じる温度を表すMd30の値が高いほど、(イ)のα’マルテンサイト変態が起こりやすい。(ロ)については、積層欠陥エネルギー(SFE)を指標に整理される。
【００１５】
しかし、現状の工業製品の全てについて冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化を単純に上記のMd30またはSFEのみで整理して抑制することは困難である。
【００１６】
そこで、本発明者らは、上記の課題を達成すべく種々の実験を行い、その結果を詳しく検討して、以下のことを知得するに至った。
(a) 冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化は、加工誘起α’マルテンサイトのオーステナイトへの逆変態と、εマルテンサイトの逆変態の相互作用を受けた収縮である。
(b) Nbは鋼中のＣを粒内に固定して耐食性を向上させるために添加されるが、多量のSiが共存する場合には、積層欠陥エネルギーを著しく低下させ収縮を促す。
(c) CuおよびMoはステンレス鋼の耐食性を向上させるだけでなく、収縮の抑制に効果が大きい。
(d) 種々の組成の鋼を用いた冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化を調査した結果、本発明で対象とする高Siのオーステナイト系ステンレス鋼においては、基礎実験およびその補完実験に基づいて補正された積層欠陥エネルギーに関する下記の(1)式と、Md30に関する下記の(2)式を同時に満たせばよいことが明らかになった。
【００１７】
すなわち、(1)式を満たさない場合は、加工誘起α’マルテンサイトのオーステナイトヘの逆変態による熱収縮がもたらす形状変化が大きく、(2)式を満たさない場合は、εマルテンサイトの逆変態による熱収縮がもたらす形状変化が大きいと考えられる。特に、高Si鋼では、Nbが共存する場合、双方をバランスさせることが重要なことが明らかとなった。
【００１８】
16.9+6.9Ni+12.5Cu-1.3Cr+3.2Mn+9.3Mo-205C-38.5N-6.5Si-120Nb≧40 … (1)
450-440(C+N)一12.2Si-9.5Mn-13.5Cr-20(Cu+Ni)-18.5Mo≦-90 … (2)
ただし、前記のとおり、(1)式および(2)式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００１９】
また、溶接時の高温割れを防ぎ、良好な溶接性を有するためには、溶接部でδ−フェライトが形成しやすい組成が望ましい。すなわち、比較的Crが多く、Niの少ない組成とするのがよい。しかし、溶接部でδ−フェライトが生成しやすい組成の場合は、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化が大きくなる傾向がある。したがって、溶接性と小さい形状変化の両立には、化学成分のバランスを取る必要がある。
【００２０】
本発明者らは、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化が少なく、かつ溶接部のδ−フェライト形成が容易である組成を検討した。その結果、上述の(1)式および(2)式 に加え、下記の(3)式を満たせばよく、(3)式を満たさない場合は、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化は小さいが、溶接性が著しく低下することも明らかとなった。
【００２１】
8.2+30(C+N)+0.5Mn+Ni-1.1(1.5Si+Cr+Mo)+2.5Nb≦-0.8 … (3)
ただし、前記のとおり、(3)式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼を上記のように定めた理由について詳細に説明する。なお、以下において「％」は特に断らない限り「質量％」を表す。
【００２３】
Ｃ：0.03％以下
Ｃはオーステナイト相を安定化し加工誘起マルテンサイト変態を抑制する一方で、積層欠陥エネルギーを低下させる。また、Ｃは溶接部にCr炭化物として析出した場合、耐食性を低下させる元素でもある。さらに、ＣはNbと複合添加した場合、粒内に固定され、溶接部での析出抑制が可能ではあるが、Nbは冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化を促進させる作用があるため、ＣおよびNbの含有量は少ない方が望ましい。したがって、Ｃ含有量は0.03％以下とした。好ましい上限は0.025％である。なお、Nbの含有量については後述する。
【００２４】
Si：2〜4％
Siは脱酸剤としての作用をする他、耐酸化性の向上にも有効な元素であるが、これらの効果を十分に発揮させるためには2％以上の含有量が必要である。一方、4％を超えると、成形性および溶接性が低下する。したがって、Si含有量は2〜4％とした。下限として好ましいのは2.5％、より好ましいのは3.0％である。また、上限として好ましいのは3.8％である。
【００２５】
Mn：0.1〜2％
Mnはオーステナイト相を安定にして冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化を抑制する効果がある。また、Mnは熱間加工性の改善にも有効な元素である。これらの効果を十分に発揮させるためには0.1％以上の含有量が必要である。一方、2％を超えると、硫化物（MnＳ）を形成して鋼中の非金属介在物となり、耐食性および機械的性質に悪影響を及ぼす。したがって、Mn含有量は0.1〜2％とした。下限として好ましいのは0.2％、より好ましいのは0.4％である。また、上限として好ましいのは1.5％、より好ましいのは1.0％である。
【００２６】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは不純物元素であり、ステンレス鋼としての耐食性を低下させるためできるだけ少ない方がよいが、0.03％までであれば特に問題ないので、0.03％以下とした。
【００２７】
Ｓ：0.03％以下
Ｓも上記のＰと同様に不純物元素であり、非金属介在物である硫化物を形成して耐食性および機械的性質に悪影響を及ぼす。また、溶接部の表面に優先的に濃化して溶接部の耐食性を低下させるため、できるだけ少ない方がよいが、0.03％までであれば特に問題ないので、0.03％以下とした。好ましいのは0.02％以下、より好ましいのは0.01％以下である。
【００２８】
Ni：9〜15％
Niはオーステナイト相を安定にして冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化を抑制する効果がある。また、Niはステンレス鋼としての耐食性を維持するための重要な元素であり、十分な耐食性を確保するためには9％以上の含有量が必要である。一方、過剰なNiは、溶接部におけるδ−フェライトの生成を困難にし、溶接時に高温割れが生じやすくなる。さらに、前記の(1)式、(2)式および(3)式からわかるように、Ni含有量の上限はCr含有量と関係付けて決定する必要があり、これらを総合的に判断してNi含有量の上限は15％とした。下限として好ましいのは10％、より好ましいのは10.5％である。また、上限として好ましいのは13.0％、より好ましいのは12.5％である。
【００２９】
Cr：15〜20％
Crはステンレス鋼の耐食性を保つために不可欠な元素である。15％未満では十分な耐食性が得られない。一方、20％を超えると、加工性の低下および実用鋼としての価格の点から問題がある。したがって、Cr含有量は15〜20％とした。下限として好ましいのは15.5％、より好ましいのは16％である。また、上限として好ましいのは18.0％、より好ましいのは17.5％である。
【００３０】
Ｎ：0.02〜0.2％
Ｎはオーステナイト相の安定化元素として冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化を抑制する効果があるとともに、鋼の強度を上昇させる効果がある。これらの効果を得るためには0.02％以上の含有量が必要である。一方、過剰なＮは加工性を低下させるので、上限は0.2％とする。下限として好ましいのは0.025％、より好ましいのは0.03％である。また、上限として好ましいのは0.15％、より好ましいのは0.1％である。
【００３１】
Mo、Cu：１種または２種の合計で、0.2〜4％
MoおよびCuはオーステナイト相の安定化元素で冷間加工後の加熱冷却時の形状変化を抑制する効果が大きい。また、MoおよびCuはステンレス鋼の表面に形成される不働態皮膜を安定にする効果もある。これらの効果を得るためにはいずれか一方または両方の合計含有量で0.2％以上が必要である。一方、その含有量が4％を超えると、熱間加工性および溶接性が低下する。したがって、MoおよびCuの含有量は、１種または２種の合計で、0.2〜4％とした。下限として好ましいのは0.4％、より好ましいのは0.7％である。また、上限として好ましいのは3％、より好ましいのは2％である。
【００３２】
Nb：0.03％以下
Nbは、前述したように、鋼中のＣを粒内に固定して耐食性を向上させる作用を有するため、通常、積極的に添加される。しかし、Nbは本願発明のような高Si鋼では、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化を著しくする。また、Nbは溶接時のδ−フェライト形成をも抑制し、溶接性も低下させる。このため、Nbはできるだけ少ない方が望ましいので、本発明では不純物としてのNb含有量を0.03％以下とした。好ましいのは0.0２％以下、より好ましいのは0.01％以下である。
【００３３】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する14種類のオーステナイト系ステンレス鋼を溶製し、得られた鋳塊を1200℃に加熱した後、熱間鍛造して厚さ20mmの素材に成形した。次いで、得られた素材を1200℃に加熱した後、圧下比5で熱間圧延して厚さ4mmの鋼板を製造した。
【００３４】
得られた各鋼板は、その一部を切断し、1100℃に15分間保持した後に水冷する溶体化熱処理を施した後、厚さ4mm、幅100mm、長さ100mmの溶接試験片を採取し、その表面を600番のエメリー紙で湿式研磨した後、下記条件のトランスバレストレイン(Transvarestraint)試験に供した。
【００３５】
また、残りの各鋼板は、1100℃に15分間保持する焼鈍処理を施した後、冷間圧延と1100℃に15分間保持する焼鈍を繰り返して厚さ0.3mmの冷延鋼板とした。次いで、各鋼板に、1100℃で15分間保持する最終焼鈍を施して冷延焼鈍鋼板に仕上げ、得られた各冷延焼鈍鋼板から幅30mm、長さ100mmの試験片を採取し、その表面を600番のエメリー紙で湿式研磨した後、図１に示す形状変化調査試験に供した。
【００３６】
トランスバレストレイン試験は、負荷歪み3.72％の条件下で、電流100A、電圧14V、溶接速度15cm／minのTIG溶接を行い、溶接後の最大割れ長さを測定し、最大割れ長さが0.5mm未満の場合を溶接性が良好「○」、0.5mm以上の場合を溶接性が不良「×」として評価した。
【００３７】
形状変化調査試験は、図１に示すように、試験片１を下部ブロック２と上部ブロック３で固定した後、室温下で押し治具４を深さ30mmまで押し込む負荷後、除荷した。その後、図２に示すように、除荷後の試験片のＢの長さを測定して初期長さBxとした。次いで、除荷後の試験片に、600℃で30分間保持した後に炉冷する熱処理を施し、熱処理後の試験片のＢの長さを測定して加熱冷却後の長さByとした。そして、除荷後の長さBxと熱処理後の長さByとの変位（By−Bx）を求め、一般的なステンレス鋼であるSUS304の変位を１とした場合の相対値で、変位が0.4以下の場合を形状変化が小さく優良「◎」、0.4を超え0.6以下の場合を良好「○」、0.6を超える場合を形状変化が大きく不良「×」とて評価した。以上の結果を表１に併記した。
【００３８】
【表１】
2004190103.tif 000002
【００３９】
表１から明らかなように、本発明例のNo.1〜7の鋼は、冷間加工後の加熱冷却における形状変化が小さいことがわかる。また、No.1〜5の鋼は、溶接性にも優れている。
【００４０】
これに対し、比較例のNo.8〜13の鋼は、いずれかの成分が本発明で規定する範囲を外れているか、いずれの成分も本発明で規定する範囲内であるが、(1) 式、(2)式および(3)式のうちの１つ以上を満たさないため、形状変化が大きいか、または溶接性が悪い。なお、No.14の鋼は、MoとCuの含有量が多すぎて熱間加工性が悪く、評価試験に供することができなかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工後の加熱冷却処理による形状変化が小さいので、自動車の構造部材として特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】形状変化の調査試験態様を示す図である。
【図２】試験による塑性変形後の試験片を示す図である。
【符号の説明】
１：試験片、
２：下部ブロック、
３：上部ブロック、
４：押し治具。
【図１】
2004190103.tif 000003
【図２】
2004190103.tif 000004