(57)【要約】      （修正有）【課題】準安定オーステナイト系ステンレス鋼をベースとする強度，耐食性及びバネ性等の優れたステンレス鋼製バネ材。【解決手段】％は全て質量％とし、Ｃ：０．１５％以下，Ｓｉ：１．０〜４．０％，Ｍｎ：５．０％以下，Ｐ：０．０４０％以下，Ｓ：０．０１０％以下，Ｎｉ：４．０〜１０．０％，Ｃｒ：１３．０〜１８．０％，Ｃｕ：０〜３．５％，Ｍｏ：１．０〜５．０％，Ｎ：０．１５％以下，Ｎｂ：０．１５％以下，Ｔｉ：０．０５％以下，Ｖ：０．２０％以下，Ｏ：０．０１５％以下，２Ｎｂ＋４Ｔｉ＋Ｖ：０．７０％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｍｄ（Ｎ）＝５８０−（５２０Ｃ＋２Ｓｉ＋１６Ｍｎ＋１６Ｃｒ＋２３Ｎｉ＋３００Ｎ＋１０Ｍｏ）と定義されるＭｄ（Ｎ）値を０〜１００の範囲に設定する。  冷延のままでもよいが、冷間圧延の後に３００〜５００℃で０〜２０時間の保持を行う時効処理を施すことが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１５質量％以下，Ｓｉ：１．０〜４．０質量％，Ｍｎ：５．０質量％以下，Ｐ：０．０４０質量％以下，Ｓ：０．０１０質量％以下，Ｎｉ：４．０〜１０．０質量％，Ｃｒ：１３．０〜１８．０質量％，Ｃｕ：０〜３．５質量％，Ｍｏ：１．０〜５．０質量％，Ｎ：０．１５質量％以下，Ｎｂ：０．１５質量％以下，Ｔｉ：０．０５質量％以下，Ｖ：０．２０質量％以下，Ｏ：０．０１５質量％以下，２Ｎｂ＋４Ｔｉ＋Ｖ：０．７０質量％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｍｄ（Ｎ）＝５８０−（５２０Ｃ＋２Ｓｉ＋１６Ｍｎ＋１６Ｃｒ＋２３Ｎｉ＋３００Ｎ＋１０Ｍｏ）と定義されるＭｄ（Ｎ）値が０〜１００の範囲にあることを特徴とする曲げ性に優れた高強度高耐食ステンレス鋼製バネ材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車シートベルトのリトラクターぜんまいバネ等、曲げ加工されて使用され、強度，バネ性及び耐食性を必要とする各種汎用バネに適用されるステンレス鋼性バネ材に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種汎用バネの素材には、マルテンサイト系ステンレス鋼，加工硬化型ステンレス鋼或いは析出硬化型ステンレス鋼等が従来から使用されている。
マルテンサイト系ステンレス鋼は、高温のオーステナイト状態から急冷してマルテンサイト変態させることによって硬化させた鋼種であり、SUS402J2等がこれに相当する。焼き入れ・焼戻しの調質処理によって高い強度及び靭性が得られるが、Ｃｒ含有量が１２．０〜１４．０％と低いために耐食性が劣り、さらにＣを多量に含んでいるために曲げ加工性も悪い場合がある。
【０００３】
加工硬化型オーステナイト系ステンレス鋼は、溶体化処理状態でオーステナイト相を呈し、その後の冷間圧延工程で加工誘起マルテンサイトを生成させて高強度を得ようとするものである。加工硬化型オーステナイト系ステンレス鋼の強度は、冷間加工量やマルテンサイト量に依存するが、冷間加工のみによる強度の調整は非常に困難である。また、冷間加工率を著しく大きくすると良好な曲げ性が得られない場合がある。
【０００４】
析出硬化型ステンレス鋼は、析出硬化能の高い元素を添加し、時効処理により硬化させるもので、Ｃｕを添加したSUS630，Ａｌを添加したSUS631等が代表的である。
Ｃｕ添加の析出硬化型ステンレス鋼は、溶体化処理後にマルテンサイト単相を呈し、その後の時効処理により硬化させたものであるが、引張強さは高くても１４００Ｎ／ｍｍ2程度に留まる。
Ａｌ添加の析出硬化型ステンレス鋼は、溶体化処理で生じた準安定オーステナイト相を冷間加工等によってマルテンサイトに一部変態させた後、時効処理によって金属間化合物Ｎｉ3Ａｌを析出させて硬化させたものである。引張強さを１８００Ｎ／ｍｍ2まで上昇させることが可能であるが、非金属介在物が鋼中に残存しやすく靭性低下を招きやすい。
【０００５】
上記の従来鋼種に対し、時効処理による強度上昇を利用した高強度ステンレス鋼が開発されている。例えば特許文献１では、ＣｕとＳｉを複合添加した準安定オーステナイト系ステンレス鋼に冷間圧延を施して加工誘起マルテンサイトを生成させ、その後の時効処理で引張強さ２０００Ｎ／ｍｍ2，ビッカース硬さ５８０を得ている。しかしながら、特許文献１で提案されたステンレス鋼は、最適な時効処理温度範囲が比較的狭いため、前記強度レベルを安定して得るには、精度の高い温度制御を必要とし、生産性は必ずしもよくない。
【特許文献１】特開昭６１−２９５３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、バネ材は自動車，建築等の各分野で幅広く使用されており、安全基準も年々厳しくなっている。用途によっては素材の耐食性も要求されている。例えば、曲げ加工後に腐食させ、その後引張試験を実施してその破断強度を一つの判断基準としている。素材の耐食性が劣ると、発銹を起点に応力が集中し、切欠き作用によって素材自体の強度低下をもたらす。しかし、現状では要求レベルを満足する強度と耐食性を兼ね備えたバネ用の素材は見当たらない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、加工誘起マルテンサイト相＋オーステナイト相の二相組織をもつ準安定オーステナイト系ステンレス鋼が優れた強度及び耐食性を呈するとの知見をベースに素材の曲げ加工性を改善し、強度，耐食性及びバネ性等の要求特性を満足するステンレス鋼製バネ材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の曲げ性に優れた高強度高耐食ステンレス鋼製バネ材は、その目的を達成するため、Ｃ：０．１５質量％以下，Ｓｉ：１．０〜４．０質量％，Ｍｎ：５．０質量％以下，Ｐ：０．０４０質量％以下，Ｓ：０．０１０質量％以下，Ｎｉ：４．０〜１０．０質量％，Ｃｒ：１３．０〜１８．０質量％，Ｃｕ：０〜３．５質量％，Ｍｏ：１．０〜５．０質量％，Ｎ：０．１５質量％以下，Ｎｂ：０．１５質量％以下，Ｔｉ：０．０５質量％以下，Ｖ：０．２０質量％以下，Ｏ：０．０１５質量％以下，２Ｎｂ＋４Ｔｉ＋Ｖ：０．７０質量％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｍｄ（Ｎ）＝５８０−（５２０Ｃ＋２Ｓｉ＋１６Ｍｎ＋１６Ｃｒ＋２３Ｎｉ＋３００Ｎ＋１０Ｍｏ）と定義されるＭｄ（Ｎ）値が０〜１００の範囲にあることを特徴とする。
【０００８】
本発明バネ材は、冷延のままでも加工硬化及び加工誘起マルテンサイト変態による変態強化によって硬質化しているが、さらに冷間加工後に３００〜５００℃で０〜２０時間の保持を行う熱処理を施すと、時効硬化によってさらに硬質化することができる。
このステンレス鋼製バネ材としては、JIS Z2248による曲げ試験で曲率Ｒと板厚ｔの比Ｒ／ｔが４以下の曲げ特性と、腐食液として３５℃の５％ＮａＣｌ水溶液を用い、当該腐食液を被試験板に１５分間噴霧した後、湿度３５％で６０℃の雰囲気で６０分間乾燥し、湿度４５％で５０℃の雰囲気で１８０分間湿潤させる処理を１サイクルとし、これを５０サイクル実施する腐食試験を行った後に１０００Ｎ／ｍｍ2以上の引張破断強度を有するものが好ましい。
また、JIS H3130で規定される繰返したわみ試験を行ったとき、８００Ｎ／ｍｍ2以上のバネ限界値［Kb0.1］を有するものが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のステンレス鋼製バネ材は、オーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、冷間圧延時の加工硬化，変態強化及び時効硬化によって強度が付与され、また析出物の生成を抑制することにより曲げ加工性が改善されている。さらに、腐食環境下に曝されても優れた強度が維持可能な耐食性を有している。
その結果、曲げ加工が必要とされ、さらに強度，バネ性及び耐食性が要求されるバネ用途に最適なステンレス鋼製バネ材として使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者等は、過酷な腐食環境に耐え得るバネ材を得る手段について種々検討した。その結果、オーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、「加工硬化」，「変態強化」及び「時効硬化」の現象を利用して強度上昇を図った、加工誘起マルテンサイト相＋オーステナイト相の二相組織からなる準安定オーステナイト系ステンレス鋼によって達成されることを見出した。ただし、上記条件のみでは所望の曲げ性や耐食性を満たすことはできない。さらに鋭意検討した結果、成分・組成を細かく調整することで、はじめて所望の強度，バネ性及び耐食性を有するバネ材に最適な準安定オーステナイト系ステンレス鋼が得られる。
【００１１】
前掲のように成分・組成が特定されたステンレス鋼は、加工硬化及び加工誘起マルテンサイト変態による変態強化によって硬質化し、更に冷間加工後の熱処理で時効硬化する。また、時効硬化が促進しやすい成分設計のため、比較的低温・短時間の時効処理で靭性を回復させることができる。比較的低温・短時間の時効処理は、介在物や析出物の生成要因となる成分の制限と合せて、疲労破壊の起点となる粗大析出物の生成防止に有効であり、疲労特性及び耐食性をも向上させる。
【００１２】
次いで、本発明のステンレス鋼に含まれる成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０．１５質量％以下
オーステナイト形成元素であり、高温域でのδフェライトの生成を抑え、冷間加工で生じる加工誘起マルテンサイトを強化する合金成分である。しかし、Ｓｉ含有量の多い本発明の成分系では、Ｃの固溶限が低下している。そのため、Ｃ含有量を多くすると、時効処理で粗大なＣｒ系炭化物が析出し、耐粒界腐食や疲労特性を低下させる原因となる。そこで、Ｃ含有量の上限を０．１５質量％に設定した。なお、好ましい範囲は０．０５〜０．１０質量％である。
【００１３】
Ｓｉ：１．０〜４．０質量％
製鋼段階で脱酸剤として添加される合金成分でもある。脱酸剤として添加されるＳｉ含有量は、SUS301，SUS304等の加工硬化型ステンレス鋼にみられるように１．０質量％以下である。これに対し、本発明では、Ｓｉ含有量を高く設定し、冷間加工時に加工誘起マルテンサイト相の生成を著しく促進させる効果を利用している。また、Ｓｉは加工誘起マルテンサイト相を硬質化するとともに、オーステナイト相にも固溶して硬化させ、冷間加工後の強度を上昇させる。さらに、時効処理においてはＣｕとの相互作用によって時効硬化を促進させる。このようにＳｉは種々の効果を有しているが、その効果はＳｉ含有量１．０質量％以上で顕著になる。しかし、４．０質量％を超える過剰量のＳｉが含まれると、高温割れを誘発しやすくなり、製造上でもトラブルが発生しやすくなる。そこで、Ｓｉ含有量は１．０〜４．０質量％の範囲とした。なお、好ましい範囲は１．０〜３．５質量％である。
【００１４】
Ｍｎ：５．０質量％以下
オーステナイト相の安定度を支配する合金成分であり、他の合金成分とのバランスによってＭｎ含有量が定められる。しかし、５．０質量％を超える過剰量のＭｎが含まれると、冷間圧延時に加工誘起マルテンサイト変態しにくく、変態硬化能が期待できなくなるので、５．０質量％以下とした。なお、好ましいＭｎの含有量は４．５質量％以下である。
Ｐ：０．０４０質量％以下
固溶強化能の大きな合金成分であるが、曲げ性に悪影響を与えることがあるため、通常許容されている程度の０．０４０質量％を上限にした。
【００１５】
Ｓ：０．０１０質量％以下
曲げ加工性低下の原因となる非金属介在物を生成する成分であり、優れた曲げ加工性を得るためには、Ｓ含有量を低減して非金属介在物を少なくすることが必要である。そこで、Ｓ含有量は０．０１０質量％を上限にした。
Ｎｉ：４．０〜１０．０質量％
高温及び室温でオーステナイト相を安定化させる合金成分であるが、室温で準安定オーステナイト相にし、冷間加工で加工誘起マルテンサイト相が生成するようにＮｉ含有量が定められる。４．０質量％未満のＮｉ含有量では、高温域で多量のδフェライトが生成し、室温までの冷却過程でマルテンサイト相が生成するため、オーステナイト単相として存在できなくなる。逆に１０．０質量％を超える過剰量のＮｉが含まれると、冷間加工時に加工誘起マルテンサイト変態しがたく、変態硬化が期待できない。そこで、Ｎｉ含有量は４．０〜１０．０質量％の範囲とした。なお、好ましい範囲は５．０〜９．５質量％である。
【００１６】
Ｃｒ：１３．０〜１８．０質量％
耐食性の向上に必須の合金成分であり、意図する耐食性を得るには少なくとも１３．０質量％のＣｒを必要とする。しかし、フェライト形成元素であるＣｒを１８．０質量％を超える過剰量添加すると、高温域で多量のδフェライトが生成する。δフェライトの生成はＣ，Ｎ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ等のオーステナイト形成元素を添加することによってδフェライトの生成は抑えられるが、オーステナイト形成元素を過度に添加すると室温でのオーステナイト相が安定化する。その結果、冷間加工時に加工誘起マルテンサイト変態しなくなり、時効処理後に高強度が得られなくなる。そこで、Ｃｒ含有量は１３．０〜１８．０質量％の範囲とした。なお、好ましい範囲は１３．０〜１６．５質量％である。
【００１７】
Ｃｕ：０〜３．５質量％
必要に応じて添加される合金成分であり、Ｓｉとの相互作用によって時効処理時に時効硬化を促進させる。時効硬化に及ぼす影響は、Ｃｕ含有量の増加に応じて大きくなる。しかし、３．５質量％を超えるＣｕの過剰添加は、熱間加工性を低下させ、割れ発生の原因となる。そこで、Ｃｕ含有量は３．５質量％以下とした。なお、好ましい範囲は１．０〜３．０質量％である。
【００１８】
Ｍｏ：１．０〜５．０質量％
耐食性を向上させるとともに、時効処理時に炭窒化物を微細分布させる作用を呈する合金成分である。さらに、本発明では曲げ加工性に悪影響を及ぼす過度の圧延歪を低減するために時効温度を高くするが、Ｍｏは高い時効処理温度での急激な歪の解放を抑制する上で非常に有効な元素である。このような作用は、１．０質量％以上のＭｏ添加で顕著に発現する。しかし、５．０質量％を超える過剰量のＭｏを添加すると、高温域でδフェライトが生成しやすくなる。また、Ｍｏ含有量が多くなると、高温での変形抵抗が高くなり、熱間加工性が低下することもある。そこで、Ｍｏ含有量は１．０〜５．０質量％の範囲とした。なお、好ましい範囲は１．０〜４．５質量である。
【００１９】
Ｎ：０．１５質量％以下
オーステナイト形成元素であるとともに、オーステナイト相及びマルテンサイト相の硬質化に極めて有効な合金成分である。しかし、過剰量のＮ添加は鋳造時にブローホールを発生させることになる。そこで、Ｎ含有量は０．１５質量％を上限とした。
Ｎｂ：０．１５質量％以下，Ｔｉ：０．０５質量％以下
固溶強化により素材強度を高める作用を呈する。しかし、曲げ加工性低下の原因となる析出物を生成させる成分であることから、Ｎｂ，Ｔｉの含有量はそれぞれ、０．１５質量％，０．０５質量％を上限とした。
Ｖ：０．２質量％以下
固溶強化により所望の強度を得るために効果的な成分である。しかしその効果は０．２０質量％で飽和する。また、曲げ加工性低下の原因となる析出物を生成させる成分でもあるから、Ｖ含有量は０．２質量％を上限とした。
Ｏ：０．０１５質量％以下
酸化物系の非金属介在物を形成して鋼の清浄度を低下させ，曲げ加工性に悪影響を及ぼす。このような悪影響は、Ｏ含有量を０．０１５質量％以下に規制することによって抑制できる。
【００２０】
２Ｎｂ＋４Ｔｉ＋Ｖ：０．７質量％以下
製品に存在する析出物は、良好な曲げ加工性を得る上では有害である。上記したように、Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖはともに析出物を生成させる成分であるため、これらの総量を制限して析出物の生成を抑制する必要がある。本発明者等は、２Ｎｂ＋４Ｔｉ＋Ｖの合計量が０．７質量％を超えると曲げ加工性が低下することを確認した。
ここで、上記式中、Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖは、それぞれ当該鋼のＮｂ含有量，Ｔｉ含有量，Ｖ含有量（いずれも質量％で表される値）を意味している。
【００２１】
Ｍｄ（Ｎ）値：０〜１００
本発明では、冷間圧延時に起こる加工誘起マルテンサイト変態を高強度化手段の一つとして積極的に利用している。このため、溶体化処理後の冷間圧延で付与される歪に応じて加工誘起マルテンサイト相が容易に形成されやすいように、オーステナイト相の加工に対する安定度が調整されたものでなくてはならない。本発明では、オーステナイト相の加工に対する安定度を表す指標として、次式で定義されるＭｄ（Ｎ）値を採用する。
Ｍｄ(Ｎ)＝580−(520Ｃ＋2Ｓｉ＋16Ｍｎ＋16Ｃｒ＋23Ｎｉ＋300Ｎ＋10Ｍｏ)
ここで、上記式中、Ｃ，Ｓｉ，・・・は、それぞれ当該鋼のＣ含有量，Ｓｉ含有量，・・・（いずれも質量％で表される値）を意味している。
本発明では、Ｍｄ（Ｎ）値を０〜１００の範囲に限定している。Ｍｄ（Ｎ）値をこの範囲内にすることによって、冷間加工時に適正量の加工誘起マルテンサイト相が生成し、加工硬化及び変態効果による高強度化が可能となる。Ｍｄ（Ｎ）値が０未満の鋼種では、冷間圧延に対するオーステナイト相の安定度が高く、高強度化に寄与する加工誘起マルテンサイト相が十分に生成されない。逆に１００を超えるＭｄ（Ｎ）値では、比較的低い冷間圧延率で多量の加工誘起マルテンサイト相が生成し、却って製品の曲げ加工性が低下することにもなる。
【００２２】
冷間圧延後に実施する時効処理では、連続焼鈍炉あるいはバッチ炉を考慮し、また前記のＭｏの作用を得るために、３００〜５００℃の温度範囲で０〜２０時間の時効処理を行うことが好ましい。なお、時効時間が３００℃に満たないと、有効な時効効果が発現しない。また、時効温度が５００℃を超え、あるいは時効時間が２０時間を超えると、加工誘起マルテンサイト相の一部がオーステナイト相に逆変態し、強度が却って低下する。そのため、冷延後に時効処理を施す場合には、３００〜５００℃の温度範囲で、０〜２０時間の範囲の均熱時間で行うことが好ましい。
【実施例】
【００２３】
表１の組成をもつステンレス鋼を真空溶解炉で溶製し、鍛造，熱延，中間焼鈍を経て板厚０．６５ｍｍまで冷間圧延した。冷延鋼帯に１０５０℃×１分保持の溶体化処理を施した後、水冷した後、板厚０．３０ｍｍまで冷間圧延した。さらに冷延板の一部については時効処理を施した。
なお、表１中、鋼種No.１〜５が本発明で規定する化学組成を有する発明対象鋼であり、比較鋼として鋼種No.６〜９及び市販のオーステナイト系バネ用鋼板SUS301（冷延材），析出硬化型バネ用鋼板SUS630（480℃×1hの熱処理材）及びマルテンサイト系バネ用鋼板SUS420J2（1050℃焼入れ→520℃焼戻し材）を用いている。
【００２４】
2007113068.tif 000002
【００２５】
表１に示すステンレス鋼板の曲げ加工性，引張特性，バネ特性及び腐食試験後の引張破断強度を以下の方法により評価した。
曲げ加工性は、圧延方向に切り出した試験片をJIS‐Z2248に準拠してＶ曲げ試験し、曲げ加工可能な最小曲げ半径（Ｒ）の鋼板板厚（ｔ）に対する比（Ｒ／ｔ）を測定した。
引張特性は、JIS‐Z2201に規定されている13B号試験片を用い、JIS‐Z2241に規定されている引張試験法で引張強さを測定した。
【００２６】
バネ特性は、圧延方向に切り出した試験片を使用し、JIS‐H3130に準拠して繰返したわみ試験を行ってバネ限界値［Kb0.1］を測定した。
腐食試験後の引張破断強度は、腐食液として３５℃の５％ＮａＣｌ水溶液を用い、当該腐食液を被試験板に１５分間噴霧した後、湿度３５％で６０℃の雰囲気で６０分間乾燥し、湿度４５％で５０℃の雰囲気で１８０分間湿潤させる処理を１サイクルとし、これを５０サイクル実施する腐食試験を行った後に、上記と同じ引張試験法で破断強度を測定した。
表２に、各ステンレス鋼の試験結果を示す。
なお、表中、曲げ加工性は、Ｖ曲げ試験でＲ／ｔが４以下であったものを○で、Ｒ／ｔが４を超えていたものを×で示した。
【００２７】
2007113068.tif 000003
【００２８】
表２に示す結果に見られるように、本発明鋼は曲げ加工性に優れ、さらに繰返したわみ試験によるバネ限界値［Kb0.1］はいずれも８００Ｎ／ｍｍ2以上であった。また腐食後の引張破断強度は１０００Ｎ／ｍｍ2以上であり、強度と耐食性を兼ね備えたバネ用途に適した材料であることがわかる。
これに対して、比較例のNo.６はＭｄ（Ｎ）が低すぎたために加工誘起マルテンサイトが十分に生成されずに、強度が比較的低く十分なバネ限界値が得られなかった。同じくNo.７は２Ｎｂ＋４Ｔｉ＋Ｖが０．７０％以上となっていたため、析出物が多く曲げ加工性に劣っていた。No.８はＭｄ（Ｎ）が高すぎたために延性・靭性に寄与するオーステナイト量が不十分になって曲げ加工性に劣っていた。さらに、No.９はＣｒ含有量が少なすぎたために耐食性が不十分で、耐食試験後に引張破断強度が低くなっていた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上に説明したように、本発明のステンレス鋼製バネ材はオーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、冷間圧延時の加工硬化，変態強化及び時効硬化によって強度が付与されているとともに、腐食環境下に曝されても優れた強度を維持できる耐食性を有している。
したがって、本発明により、自動車シートベルトのリトラクターぜんまいバネ等のような曲げ加工されて使用され、しかも強度，バネ性及び耐食性が要求される用途に最適なバネ材が提供される。