(57)【要約】  本発明は、高い強度および延性を有するオーステナイト系高マンガンステンレス鋼に関する。ステンレス鋼は、重量％で、0.03〜0.1％の炭素、0.08〜1.0％のケイ素、14〜26％のマンガン、10.5〜18％のクロム、0.8％未満のニッケル、0.05〜0.6％の銅、0.1〜0.8％の窒素および0.0008〜0.005％のホウ素からなり、残部は鉄、およびステンレス鋼に生じる不可避的不純物であり、TWIP（双晶誘起塑性）機構を利用した可冷間変形性である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高い強度および延性を有するオーステナイト系高マンガンステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、重量％で、0.03〜0.1％の炭素、0.08〜1.0％のケイ素、14〜26％のマンガン、10.5〜18％のクロム、0.8％未満のニッケル、0.05〜0.6％の銅、0.1〜0.8％の窒素および0.0008〜0.005％のホウ素からなり、残部は鉄、およびステンレス鋼に生じる不可避的不純物であり、TWIP（双晶誘起塑性）機構を利用した可冷間変形性であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のステンレス鋼において、オーステナイト系マンガン鉄ステンレス鋼の焼きなまし状態における降伏強さRp0.2および引張り強度Rmならびに破断伸びA80の範囲は、Rp0.2が470〜600MPa、Rmが800〜930MPa、A80が40〜60％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載のステンレス鋼において、前記降伏強さRp0.2に対する冷間変形度10％での前記冷間変形に基づく加工硬化率は少なくとも20％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載のステンレス鋼において、前記降伏強さRp0.2に対する冷間変形度20％での前記冷間変形に基づく前記加工硬化率は少なくとも40％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項５】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、冷間変形度10％での前記破断伸びA80は25〜35％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項６】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、冷間変形度20％での前記破断伸びA80は10〜20％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項７】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、マンガン含有量は、17.5〜26.0％の範囲であり、より好適には19〜23％の範囲であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項８】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、クロム含有量は、12〜16.0％の範囲であり、より好適には12.5〜14％の範囲であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項９】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、銅含有量は0.3〜0.6％の範囲であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１０】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、任意で0.001〜0.02％のチタンおよび任意で0.04％未満のアルミニウムを含有することを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１１】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、熱間加工後に焼鈍された鋼帯の状態にてTWIP効果について可冷間変形性であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１２】
請求項１ないし10のいずれかに記載のステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、冷間加工後に焼鈍された鋼帯の状態にて前記TWIP効果について可冷間変形性であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１３】
請求項１ないし10のいずれかに記載のステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、前記熱間加工および前記冷間加工を施して、さらに前記冷間変形を行った後に焼鈍された鋼帯の状態にて、前記TWIP効果について可冷間変形性であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１４】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、該オーステナイト系ステンレス鋼は、平板、ブルーム、ビレット、ならびにコイル、鋼帯、厚板、薄板などの平型製品、ならびに条鋼、棒鋼、ワイヤ、異形鋼、形鋼などの長尺製品、ならびにパイプ、チューブなどの管状製品として製造されることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１５】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、該オーステナイト系ステンレス鋼は、自動車構体、タンク、破砕関連部品、建造物および鉄道車両に適用されることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【詳細な説明】
【０００１】
本発明は、高強度および高延性を備えるオーステナイト系高マンガンステンレス鋼に関するものであり、本ステンレス鋼は変形工程時に双晶誘起塑性（TWIP）機構を利用する。
【０００２】
例えば、最も汎用性が高く広く使用されている304型オーステナイト系ステンレス鋼のようなオーステナイト系ステンレス鋼は、冷間圧延などの冷間変形を行うと、非常に低い強度と比較的高い残留伸度を併せ持つようになる。例えば2304型フェライトオーステナイト二相ステンレス鋼など、フェライト−オーステナイト系の二相ステンレス鋼は高い強度を示すものの、冷間変形の度合いが低い場合であっても、延性が低い。
【０００３】
炭素含有量の高いオーステナイト系マンガンステンレス鋼は、溶接後、熱影響を受けた溶接部ではその領域のクロムが減少するため、溶接後は粒間腐食が起こりやすくなる。さらに、標準的なマンガンステンレス鋼は、概して、冷間変形後にマルテンサイト相を形成しやすいため、置き割れを招く。
【０００４】
フランス特許出願第2071667号はオーステナイト系ステンレス鋼に関するものであり、当該ステンレス鋼は、重量％で、炭素0.02〜0.3％、ケイ素0.1〜3.0％、マンガン8.0〜17.0％、クロム12.0〜16.0％、窒素0.05〜0.3％、ならびに任意で銅0.1〜3.0％およびモリブデン0.1〜3.0％を含有し、残部は焼鈍後にオーステナイト相を備えるための必須成分として鉄の形態をなす。フランス特許出願第2071667号は、軟化特性が向上し、より優れた成形特性をもたらすことを目的とする。しかし、フランス特許出願第2071667号の化学組成では、マンガン（Mn）含有量が高いとオーステナイト相が減少するため、マンガン含有量は17重量％を超えてはならない。
【０００５】
米国特許第6,454,879号は常磁性のオーステナイト系ステンレス鋼の鍛造片を製造する方法を記載し、当該ステンレス鋼は、重量％で、0.1％の炭素、0.21〜0.60％のケイ素、20〜30％のマンガン、17〜24％のクロム、最大2.5％のニッケル、最大1.9％のモリブデン、0.6〜1.4％の窒素、最大0.3％の銅、最大0.002％のホウ素、最大0.8％の炭化物形成元素を含有し、残部には実質的にフェライトを含有しない微細構造の鉄が含まれる。チタン、ジルコニア、バナジウムおよびニオブは、強炭化物および強窒化物、ならびに／または窒化炭素の形成物として記載され、これら元素の含有量は、0.8重量％未満である。当該方法によると、原材料を少なくとも850℃の温度で少なくとも約3.5倍の変形度まで熱間成形した後、能動的に冷却する。第２の工程にて、窒化物の析出温度より低い600℃未満の高温で、ただし350℃よりも高い温度で、原材料を５〜20％の変形率で冷間成形する。マルテンサイトの形成を抑制するために、変形処理は各処理工程において高温下で行われることから、生産品の製造費用が高くなる。
【０００６】
金属材料の微細構造の双晶化は、一般に、同一の結晶格子の一部を分かち合う２つの独立した結晶として定義される。TWIP（双晶誘起塑性）ステンレス鋼は、面心立方格子（FCC）のオーステナイト微細構造を有するとともに、双晶変形機構、すなわち結晶格子に機械的に誘起される双晶化の活性化を促す比較的低い積層欠陥エネルギー（SFE）を備えている。用語「TWIP」とは、格子転位を経て双晶化がしばしば適合塑性とともに起こることを指している。
【０００７】
本発明は、従来技術におけるいくつかの問題点を解消し、改良されたオーステナイト系高マンガンステンレス鋼を実現することを目的とし、本ステンレス鋼は、冷間変形においてTWIP（双晶誘起塑性）機構を利用することで、高い加工硬化率および優れた耐食性を備えるとともに、溶接後の粒間腐食、ならびに置き割れおよび応力腐食割れが起こりにくくなる。本オーステナイト系ステンレス鋼の基本的な特徴を本願特許請求の範囲に規定する。
【０００８】
本発明によるオーステナイト系高マンガンステンレス鋼は、重量％で、0.03〜0.1％の炭素、0.08〜1.0％のケイ素、14〜26％のマンガン、10.5〜18％のクロム、0.8％未満のニッケル、0.05〜0.6％の銅、0.1〜0.8％の窒素および0.0008〜0.005％のホウ素からなり、残部は鉄、およびステンレス鋼中に生じる不可避的不純物である。本発明のオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、任意で0.001〜0.02％のチタンと、任意で0.04％未満のアルミニウムを含有する。よって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、冷間変形処理においてTWIP（双晶誘起塑性）機構を利用した塑性変形後に、優れた延性および高い強度を有する。本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、ニッケルの低含有量に関連して、当初の焼鈍状態における高い強度と、冷間圧延などの冷間変形処理後に高い伸びの高加工硬化率を併せ持つ。
【０００９】
本発明に係るオーステナイト系高マンガンステンレス鋼の焼きなまし状態における降伏強さRp0.2および引張り強度Rmならびに破断伸びA80の範囲は、温度1000〜1150℃で焼鈍後、Rp0.2が470〜600MPa、Rmが800〜930MPa、A80が40〜60％である。本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼にさらに冷間圧延などの冷間変形を施した際のTWIP（双晶誘起塑性）機構の効果は、還元度10％および20％で冷間圧延を施した後では、降伏強さRp0.2および引張り強度Rmならびに破断伸びA80の各範囲で以下の表１に示すように表すことができる。
【００１０】
【表１】
2017512906.tif 000002
【００１１】
本発明に係るオーステナイト系高マンガンステンレス鋼は、変形度10％で少なくとも20％の高い加工硬化率を有し、変形度20％では降伏強さRp0.2に対し少なくとも40％の硬化率を有する。また、破断伸びA80は、変形度10％で25〜35％、変形度20％では10〜20％と、良好な延性を示す。
【００１２】
本発明に係るオーステナイト系高マンガンステンレス鋼の化学組成における主要元素の効果について、とくに規定しない限り、その範囲は重量％とする。
【００１３】
炭素(C)は、オーステナイトの形成および安定に有用な元素であり、高価な元素であるニッケルおよび銅の使用量を低減できる。炭素の合金化の上限（0.1％未満）は、ステンレス鋼の耐食性を低下させる炭化物が析出する危険性に基づいて設定される。良好な耐食性を維持するために、炭素含有量をできる限り少なくする。脱炭処理を行って炭素含有量を低レベルまで減少させることは非経済的であるため、炭素含有量は0.03％未満にしてはならない。
【００１４】
ケイ素(Si)は、溶解処理時に脱酸素処理を行うためにステンレス鋼に添加されるものであり、含有量は0.08％を下回らないようにする。ケイ素はフェライトを形成する元素であるため、含有量は１％未満に抑えるべきである。
【００１５】
マンガン(Mn)は、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼において重要な元素であり、オーステナイト結晶構造を確実に安定させ、双晶機構の形成を可能にし、さらには、より高価なニッケルの使用量を削減できる。また、マンガンは窒素のステンレス鋼への溶解性を高める。マンガンの量が14％以上の場合、変形構造、すなわち歪み誘起マルテンサイトを有することなく、双晶変形に伴う塑性変形が簡単に発生する。マンガンの含有量が高いと、鋼の脱炭処理がより困難になり、鋼の表面品質が損なわれるうえに、耐食性が低下する。したがって、マンガン含有量は26％未満とする。好適には、マンガン含有量は17.5〜26.0％の範囲とし、より好適には19〜23％の範囲とする。
【００１６】
クロム(Cr)は、ステンレス鋼の耐食性を確保する役割を果たす。したがって、本ステンレス鋼におけるクロム含有量は最低でも10.5％とすべきである。クロムは置き割れ現象の防止において重要な元素である。上述の水準よりも含有量を増加させることにより、鋼の耐食性を向上させることができる。しかし、クロムはフェライト形成元素であるため、クロム含有量を増やすと、ニッケルやマンガンなどの高価なオーステナイト形成元素の必要量が高くなるか、あるいは炭素および窒素の含有量を非実用的なほど高くしなければならない。したがって、クロム含有量は18％未満にすべきである。また、クロムは窒素の溶解性を高める。クロム含有量は、好適には12〜16.0％の範囲とし、より好適には12.5〜14％の範囲とする。
【００１７】
ニッケル(Ni)は、強力なオーステナイト形成剤および安定剤であるが、高価な元素である。しかし、ニッケル含有量が非常に低いと、他のオーステナイト形成安定元素を使用して非現実的なほど高い率で合金化を行わなければならなくなる。したがって、ニッケルの含有量は0.8％未満とするのが望ましく、好適には0.5％未満とすべきである。
【００１８】
銅(Cu)は、残りの元素として0.05〜0.6％、好適には0.3〜0.6％存在する。銅はオーステナイト相の安定剤としては働きが弱いものの、マルテンサイト形成に対する抵抗に大きな効果を発揮する。また、銅は、延性および成形性特性に好影響をもたらす。
【００１９】
窒素(N)は、強力なオーステナイトの形成剤および安定剤である。そのため、窒素合金化によって、ニッケルおよび銅の使用を少なくでき、鋼の費用対効果が向上する。上記の合金元素の使用を確実に相当量少なくするために、窒素含有量は少なくとも0.1％とすべきである。窒素含有量が高いと鋼の強度が高くなるため、成形作業がより困難になる。また、窒素含有量が増えるにつれ、窒化物の析出の危険性が高まる。こういった理由から、窒素含有量は0.8％を超えるべきでなく、好適には窒素含有量を0.6％未満にすべきである。窒素はTWIP効果の予測に使用される積層欠陥エネルギー（SFE）を増大させるため、TWIPが効果的になり、また、TWIP効果が促進される。
【００２０】
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、常温以上では、冷間圧延時に変形マルテンサイトを形成しない。そのため、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は高い延性を備える。また、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼では、空気中で、および５％の濃度の塩化ナトリウム（NaCl）環境下でも、時効処理後でさえ応力腐食割れおよび置き割れが生じない。
【００２１】
［実施例］
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼を生産規模で溶解させた後、以下の重量％で表す化学組成で平板形状に鋳造した。
【００２２】
【表２】
2017512906.tif 000003
【００２３】
平板をさらに熱間圧延して4.0mmの厚さにし、温度1080℃で焼鈍した。また、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼を圧延度50％で冷間圧延して2.0mmの厚さにし、温度1080℃で焼鈍した。次に、焼鈍した鋼帯生産品について、降伏強さRp0.2および引張り強度Rmならびに破断伸びA80を測定することで試験した。
【００２４】
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼のTWIP効果を利用するために、ステンレス鋼帯を還元度10％で冷間変形させ、降伏強さRp0.2および引張り強度Rmならびに破断伸びA80を測定した。また、還元度20％で冷間変形させた鋼帯に対しても、各作業を行った。これらの試験の結果を以下の表に示す。
【００２５】
【表３】
2017512906.tif 000004
【００２６】
上記の結果は、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼が降伏強さRp0.2に対して高い加工硬化率を備えていることを示している。また、破断伸びA80は、10％の変形度では28％であり、20％の変形度では14％と、冷間圧延後でも依然として高い強度で良好な延性を示している。
【００２７】
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、平板、ブルーム、ビレット、ならびにコイル、鋼帯、厚板、薄板などの平型製品、ならびに条鋼、棒鋼、ワイヤ、異形鋼、形鋼などの長尺製品、ならびにパイプ、チューブなどの管状製品として製造可能であり、例えば、自動車構体、タンク、破砕関連部品、建造物および鉄道車両に適用できる。
【００２８】
本発明に係る高マンガンオーステナイト系ステンレス鋼は、熱間圧延などの熱間加工後に焼鈍した鋼帯、冷間圧延などの冷間加工後に焼鈍した鋼帯、または熱間加工および冷間加工を行い、さらに冷間変形させた後に焼鈍した鋼帯の状態で冷間変形でき、TWIP効果を利用して高い延性を維持したまま、より高い降伏強さおよび引張り強度の値を得ることができる。
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月19日(2016.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高い強度および延性を有するオーステナイト系高マンガンステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、重量％で、0.03〜0.1％の炭素、0.08〜1.0％のケイ素、14〜26％のマンガン、10.5〜18％のクロム、0.8％未満のニッケル、0.05〜0.6％の銅、0.1〜0.8％の窒素および0.0008〜0.005％のホウ素からなり、残部は鉄、およびステンレス鋼に生じる不可避的不純物であり、焼きなまし状態における降伏強さRp0.2および引張り強度Rmならびに破断伸びA80の範囲は、Rp0.2が470〜600MPa、Rmが800〜930MPa、A80が40〜60％であり、TWIP（双晶誘起塑性）機構を利用した可冷間変形性を呈して、前記降伏強さRp0.2に対する冷間変形度10％での前記冷間変形に基づく加工硬化率が少なくとも20％となることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のステンレス鋼において、前記降伏強さRp0.2に対する冷間変形度20％での前記冷間変形に基づく前記加工硬化率は少なくとも40％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項３】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、冷間変形度10％での前記破断伸びA80は25〜35％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項４】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、冷間変形度20％での前記破断伸びA80は10〜20％であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項５】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、マンガン含有量は19〜23％の範囲であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項６】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、クロム含有量は12〜16.0％の範囲であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項７】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、クロム含有量は12.5〜14％の範囲であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項８】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、銅含有量は0.3〜0.6％の範囲であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項９】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、熱間加工後に焼鈍された鋼帯の状態にてTWIP効果について可冷間変形性であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載のステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、冷間加工後に焼鈍された鋼帯の状態にて前記TWIP効果について可冷間変形性であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１１】
請求項１ないし８のいずれかに記載のステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、前記熱間加工および前記冷間加工を施して、さらに前記冷間変形を行った後に焼鈍された鋼帯の状態にて、前記TWIP効果について可冷間変形性であることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１２】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、該オーステナイト系ステンレス鋼は、平板、ブルーム、ビレット、ならびにコイル、鋼帯、厚板、薄板などの平型製品、ならびに条鋼、棒鋼、ワイヤ、異形鋼、形鋼などの長尺製品、ならびにパイプ、チューブなどの管状製品として製造されることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【請求項１３】
前記請求項のいずれかに記載のステンレス鋼において、該オーステナイト系ステンレス鋼は、自動車構体、タンク、破砕関連部品、建造物および鉄道車両に適用されることを特徴とするオーステナイト系高マンガンステンレス鋼。
【国際調査報告】
2017512906.tif 000005
2017512906.tif 000006
2017512906.tif 000007