(57)【要約】 【課題】低い縦弾性係数を有する低弾性係数鉄鋼材料、特に耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】低縦弾性係数鉄鋼材料は、縦弾性係数が１５０ＧＰa以下であることを特徴とする。低縦弾性係数鉄鋼材料を、連続鋳造又は加工後の再結晶により製造されて、[１００]または[１００]から標準ステレオ投影図で３０度以内の優先方位を体積分率で２０％以上有する柱状晶又は単結晶からなるものとすることができる。また、低縦弾性係数鉄鋼材料を、オーステナイト系ステンレス鋼とすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦弾性係数が１５０ＧＰa以下であることを特徴とする低縦弾性係数鉄鋼材料。
【請求項２】
連続鋳造又は加工後の再結晶により製造されて、[１００]または[１００]から標準ステレオ投影図で３０度以内の優先方位を体積分率で２０％以上有し、柱状晶又は単結晶からなることを特徴とする請求項１に記載の低縦弾性係数鉄鋼材料。
【請求項３】
鉄鋼材料がオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１又は２に記載の低縦弾性係数鉄鋼材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低い縦弾性係数を有する低弾性係数鉄鋼材料、特に耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
縦弾性係数はヤング率とも呼ばれ、縦軸に応力、横軸に歪みを採った応力歪み曲線の直線部の傾きに相当する。この値の小さい材料は、小さい負荷応力で容易に弾性変形する。代表的な金属材料の縦弾性係数を表１に示すが、鉄鋼材料の縦弾性係数は、おおむね２００ＧＰａである。
【０００３】
【表１】
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【０００４】
一方、チタンやチタン合金、銅や銅合金の縦弾性係数は、１００〜１４０ＧＰa程度であって、これらの材料と鉄鋼材料を接合したばあいには、縦弾性係数の違いから接合界面に発生する残留応力が大きくなって、歪みが生じやすいという問題がある。
【０００５】
しかしながら、例えば特許文献１，２にみられるように、軽量化、低燃費化、低コスト化等を目的として鉄鋼材料を強靭化するのが一般的であって、この目的のためには高縦弾性係数（ヤング率）の材料が望まれている。一方、特許文献３にあるように自動車車体などの軽量化のために、弾性限内で歪が生じやすくプレス加工しやすい低縦弾性係数を有するフェライト系鉄鋼圧延材料の開発もなされている。
【０００６】
縦弾性係数の小さい鉄鋼材料を製造すれば、他の金属材料との接合界面での残留応力の低減のみならず、接触応力の低減や生体材料との適合性も改善されることが期待される。さらに、外部応力により大きく変形させることができるので、高効率圧力センサーに適用可能となるといった利点が生ずる。したがって、低い縦弾性係数を有する鉄鋼材料は、産業上利用価値の高い材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１６７４９２号公報
【特許文献２】特開２００１−７３０６８号公報
【特許文献３】特許第３９６５７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のような従来技術の問題に鑑み、本発明は、低い縦弾性係数を有する低弾性係数鉄鋼材料、特に耐食性に優れるオー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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するためになされた本発明に係る低縦弾性係数鉄鋼材料は、縦弾性係数が１５０ＧＰa以下であることを特徴とするものである。この発明において、低縦弾性係数鉄鋼材料を、連続鋳造又は加工後の再結晶により製造されて、[１００]または[１００]から標準ステレオ投影図で３０度以内の優先方位を体積分率で２０％以上有し、柱状晶又は単結晶からなるものとすることができるし、また、低縦弾性係数鉄鋼材料を、オーステナイト系ステンレス鋼とすることができる。柱状晶を優先的に成長させるには、凝固時の温度勾配を大きくし固液界面速度すなわち凝固速度を低くすれば良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の低縦弾性係数鉄鋼材料は、縦弾性係数がチタンやチタン合金、あるいは銅や銅合金と同等であるので、これらの金属材料と接合したときに発生する残留応力が小さく、よって、歪みを小さくすることができる。また、接触応力の低減や生体材料との適合性も向上することができる。さらに、外部応力により大きく変形させることができるので、高効率圧力センサーに適用可能となるといった利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】連続鋳造により製造した２０％Ｎｉ−２０％Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼の横断面を示す組織写真と、切り出した部位において共振法で測定した縦弾性係数値を示す図である。
【図２】図１に示した組織写真の一部拡大図である。Ｅ＝１１０．９ＧＰaを示す柱状晶組織を示す図である。
【図３】図１に示した組織写真の一部拡大図である。Ｅ＝１７７．９ＧＰaを示す等軸晶組織を示す図である。
【図４】図２の組織を持つ試料の極点図である。Ｅ＝１１０．９ＧＰaの板が（１００）標準ステレオ投影図上で[１１５]方位を優先方位として持つ結晶粒であることを示すＸ線回折極点図である。
【図５】Ｅ＝１２４．２ＧＰaである組織のＥＢＳＰ解析結果を示す図である。各点の結晶面と方位は（１）（図中のまる１、以下同じ）１(１００)[１１５]、（３）（１００）[００１]であるのに対し（２）（１１０）[１３３]、（４）（１１０）[０１１]と解析された。（１）＋（３）の体積分率は３５％であった。
【図６】純鉄の縦弾性係数の方位依存性を示す図である。
【図７】２０Ｃｒ−２０Ｎｉオーステナイトステンレス鋼での縦弾性係数と0.2%耐力の相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施例に従って詳細に説明する。
図１は、連続鋳造により製造した２０％(質量％、以下同じ)Ｎｉ−２０％Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼の横断面を示す組織写真である。この組織写真において、上下と右の三方から鋳片が冷却されて柱状晶が内部に向かって成長している、写真中央よりやや左部の、柱状晶が三方から成長して衝突した部分には等軸晶帯が形成されている。この鋳片からいくつかの試料を採取して、縦弾性係数を測定するとともに、優先面(露出している面の方位をＸ線回折により測定した。縦弾性係数の測定は、ＪＩＳ Ｚ２２８０に準拠する共振法に依った。共振法は、試験片に強制振動を与えて共振周波数(固有振動数)を計測し、この共振周波数から縦弾性係数を計測する測定法である。詳細は省略する。なお特許文献３のように圧延加工で集合組織を有する材料での縦弾性係数は圧延方向、４５度、９０度のそれから計算され、本願とは組織と材料が本質的に異なる。
【００１３】
図１に示したオーステナイト系ステンレス鋼から採取した試験片の例を、図２〜３に示す。図２の試験片は、図１に示す３Ｘの部分から採取した試験片であるが、結晶粒はオーステナイト相からなる柱状晶であり、柱状晶は試験片の長手方向に平行に成長している。各結晶粒の優先方位は[１００]または[１００]から標準ステレオ投影図で３０度以内の優先方位たとえば[１１５]、[１１７]を体積分率で５０％以上有ることを、図４のＸ線回折極点図およびＥＢＳＰにより確認した。測定した縦弾性係数は、１１０．９ＧＰaである。
一方図５は、図１の３Ｘ上部から切り出した試験片の組織およびＥＢＳＰ解析結果であるが、点（１）は[１００]から標準ステレオ投影図で３０度以内にある(１００)[１１５]、点（３）標準ステレオ投影図で（１００）[００１]にある結晶で（１）＋（３）の体積分率は全体の３５％であった。この試料の縦弾性係数はＥ＝１２４．２ＧＰaであった。
【００１４】
一方、図３の試験片は、図１右側から採取した試験片であるが、結晶粒はオーステナイト相からなる等軸晶であり、試験片の長手方向に各結晶粒の優先方位は[１１０]に[２１１][３１１] 一部に[１１１]が混在していることを確認した。そして、測定した縦弾性係数は、１７４．７ＧＰaと高いことを確認した。これは、等軸晶が粗粒であるが試験片内均一に分布していることが主原因である。
【００１５】
単結晶材料の縦弾性係数が結晶方位依存性をもつことは、よく知られた事実である。純鉄での例を図６に示すが本図は長嶋晋一博士が１９９２年に計算した値である。ステンレス鋼では原子半径が大きなＣｒ，Ｎｉ原子が固溶しているため全体的に縦弾性率の値が低くなる。[１００]方位が最小となるのでこの方位を多量に含む鉄基金属材料では低弾性率体が得られる。
【００１６】
表２には、２０％Ｎｉ−２０％Ｃｒ、３０％Ｎｉ−２０％Ｃｒ，２０％Ｎｉ−２５％Ｃｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼についての試験結果を示す。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
Ｎｏ．１，４，７に示すものは、等軸晶率が３６〜７０％と高く、そのため縦弾性係数は１７７．９〜１６５．６ＧＰaと高いものであった．この結果からこれらのステンレス鋼で１５０ＧＰａの縦弾性係数を得るには、等軸晶の混入は１０％以下であることを必要とすると判断された。
【００１９】
また、Ｎｏ．２，５，８の柱状晶が試験片に垂直に成長している試験片においては、柱状晶は[１００]、[１１０]、[１１１]からなり、縦弾性係数は１４４．１〜１４１．９ＧＰaと比較的低いものであった。
【００２０】
また、Ｎｏ．３，６，９の柱状晶が試験片に平行に成長している試験片においては、柱状晶は[１００]と[１００]から３０度以内の方位を主体（４０％以上）とし、[１１０]と[１１１]が混在するが、縦弾性係数は１０８．２〜１２４．７ＧＰaと低いものであった。これらの結果から、低い縦弾性係数を得るには柱状晶は試験片と平行の方向に成長しているのが望ましいことがわかった。
縦弾性経数値Ｅはステンレス鋼の強度に大きく影響する。引張降伏強度を0.2%耐力としてとったときの相関を図７に示す。Ｅが小さいほど降伏しやすい傾向にある。
【００２１】
以上はオーステナイト系ステンレス鋼を中心に本発明を説明したが、本発明はすべてのオーステナイト系鉄鋼材料に適用することができる。また、柱状晶の作製には、一方向凝固のみならず、一方向に圧延した鉄鋼材料を再結晶させて集合組織を発達させることによっても可能である。
【００２２】
比較例
２０Ｃｒ−２０Ｎｉ組成のオーステナイトステンレス鋼の熱間圧延材における縦弾性係数Ｅは１９７ＧPaと本発明の鋳造材より大きく、０．２％耐力は２９６ＭＰａと鋳造材より高かった。図７の丸印がその値である。
【００２３】
以上のような次第であって、本発明の鉄鋼材料は、チタン、銅やそれらの合金と同等の低い縦弾性係数を有するので、これらの材料と接合したときに界面に生ずる残留応力が小さく、発生するひずみが小さい。生体材料との適合性が良好となる。外部応力により大きく弾性変形するので圧力センサーの感度を高めることができる、さらには、複合材料基材として用いた場合には、繊維や粒子との弾性的適合性が向上するといった多くの利点を有する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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