(57)【要約】  本発明は、遅れ割れに対する耐性を示す変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼、およびこのようなステンレス鋼の製造方法に関する。ステンレス鋼の遅れ割れに対する耐性は、熱処理を温度100℃〜700℃の範囲で0.1〜300時間行い、好適には200〜600℃で1〜100時間、より好適には250〜500℃で1〜100時間行って、ステンレス鋼の総水素含有量を不活性ガス溶融法による測定で、４重量ppm未満に、好適には３重量ppm未満に抑えることにより得られる。【選択図】図
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遅れ割れに対する耐性を示す変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼において、平板状ステンレス鋼製品の前記遅れ割れに対する耐性は、熱処理を温度100℃〜700℃の範囲で0.1〜300時間行い、好適には200〜600℃で1〜100時間、より好適には250〜500℃で1〜100時間行って、該ステンレス鋼の総水素含有量を不活性ガス溶融法による測定で、４重量ppm未満に、好適には３重量ppm未満に抑えることにより得られることを特徴とする変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼において、該ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼であり、該オーステナイト系ステンレス鋼は、重量％で、0〜0.15％のC、0〜3％のSi、0〜15％のMn、10〜30％のCr、0〜8％のNi、0〜3％のMo、0〜3％のCu、0〜0.5％のN、0〜0.5％のNb、0〜0.5％のTi、0〜0.5％のVを含有し、残部はFe、および水素を含む不可避的不純物であることを特徴とするステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１に記載の変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼において、該ステンレス鋼は二相オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼であり、その微細構造は10〜95％の、好適には30〜90％のフェライト相を含み、重量％で、0〜0.10％のC、0〜2％のSi、0〜10％のMn、10〜30％のCr、0〜8％のNi、0〜3％のMo、0〜3％のCu、0〜0.4％のN、0〜0.5％のNb、0〜0.5％のTi、0〜0.5％のVを含有し、残部はFe、および水素を含む不可避的不純物であることを特徴とするステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼において、該ステンレス鋼は、板、薄板、帯板、コイルなどの平板状製品の形状であることを特徴とするステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼において、該ステンレス鋼では、深絞り後に、遅れ割れが生じることなく絞り比2.0まで達成され、またはそれを超える比すら達成されることを特徴とするステンレス鋼。
【請求項６】
変態誘起塑性（TRIP）効果を呈し、遅れ割れに対する耐性を有するステンレス鋼の製造方法において、遅れ割れ耐性を得るために、該ステンレス鋼を、温度100℃〜700℃の範囲で0.1〜300時間、好適には200〜600℃で1〜100時間、より好適には250〜500℃で1〜100時間熱処理することを特徴とするステンレス鋼の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記ステンレス鋼は、バッチ炉で熱処理して鋼の水素含有量を低減させて、遅れ割れに対する耐性を向上させることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、前記ステンレス鋼は、連続焼鈍ラインにて熱処理して水素含有量を低減させて、遅れ割れに対する耐性を向上させることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６、７または８に記載の方法において、少なくとも一部保護ガスを含む雰囲気中で前記熱処理を行って、前記ステンレス鋼からの水素の放出を増進させることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６、７または８に記載の方法において、前記熱処理を真空中で行って、前記ステンレス鋼からの水素の放出を増進させることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６、７または８に記載の方法において、前記熱処理を空気雰囲気中で行って、前記ステンレス鋼からの水素の放出を増進させることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６ないし11のいずれかに記載の方法において、前記ステンレス鋼は、前記熱処理を施す前に冷間圧延によって強固にすることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項６ないし11のいずれかに記載の方法において、前記ステンレス鋼は、前記熱処理を施した後に冷間圧延によって強固にすることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【詳細な説明】
【０００１】
本発明は、いわゆる遅れ割れ現象に対する耐性が高い変態誘起塑性（TRIP）効果を呈する不安定ステンレス鋼に関するものである。ステンレス鋼は、不安定オーステナイト系ステンレス鋼または不安定オーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼である。また、本発明は、遅れ割れに対する耐性を向上させるステンレス鋼の製造方法に関するものであり、従来のステンレス鋼の製造方法に比べ、水素含有量を少なくできる。
【０００２】
塑性変形時に生じる不安定オーステナイト相から加工誘起εマルテンサイト相および／またはα’マルテンサイト相への変態に起因する、いわゆる変態誘起塑性（TRIP）効果を呈する低合金で不安定なオーステナイト系二相ステンレス鋼は、時期割れと呼ばれることもある遅れ割れ現象が起きやすい。遅れ割れ自体は、成形プロセスの直後または成形後の一定期間後に成形した金属部品にひびが入ることで発現する。従来技術によると、割れ現象が発生する主な原因は、鋼が本来含有する水素に対するεマルテンサイトおよび／またはα’マルテンサイトの感受性であり、十中八九はα’マルテンサイト相の感受性である。
【０００３】
遅れ割れは、不安定ステンレス鋼の幅広い応用分野における使用が制限されてしまうため、深刻な問題であり、厳密な成形作業が必要となる。とりわけ問題となるのは成形方法であり、成形部材に余剰の引張応力を生じてしまう。深絞りはこのような成形プロセスの一例である。よって、遅れ割れ現象を抑制、防止できるようにすることは、きわめて重要である。
【０００４】
具体的には、ニッケル含有量を低くして費用対効果を高めた鋼は、遅れ割れが非常に生じやすい。遅れ割れ現象が発生しやすいステンレス鋼は、化学組成の幅が広く、主要な合金要素の含有量は、一般的に次の通りである。すなわち、クロム15〜20重量％、ニッケル含有量0〜8重量％、マンガン含有量0〜10重量％、窒素含有量0〜0.3重量％、炭素含有量0〜0.1重量％、銅含有量0〜3重量％である。このような工業用鋼の例として、例えば、鋼種AISI  301、AISI  301LN、AISI  201、AISI  201LN、およびAISI  204Cuがある。
【０００５】
新規の低ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼もいくつかの特許文献に開示されている。これら特許文献の例として、例えば、ヨーロッパ特許公報第0694626号、米国特許公報第3893850号、およびヨーロッパ特許公報第0593158号が含まれる。しかし、いずれの文献も遅れ割れを防止する手段を明示していない。
【０００６】
遅れ割れは、塑性変形時の加工誘起マルテンサイト相の形成および存在と関係している。したがって、ステンレス鋼の化学組成を綿密に微調整して、塑性変形時のマルテンサイトの形成を抑制することで、遅れ割れを防止できる。つまり、ステンレス鋼をマルテンサイト組織に対して安定させる。このようなオーステナイト系ステンレス鋼が国際公開公報第2011/138503号に記載されている。しかし、このようなアプローチには、鋼の機械的性質に関して妥協が必要となるという問題がある。変形時に加工誘起マルテンサイト相が形成されることにより、TRIP（変態誘起塑性）効果によって引張強さおよび伸びが増大し、安定なステンレス鋼の場合よりも強度と伸びの両立性が優れたものになる。このような特性の両立は、高いつぶれ耐性およびエネルギー吸収力が求められる軽量な構造体において、とくに有用である。国際公開公報第2011/138503号によるステンレス鋼は安定型であり、TRIP効果を呈しない。そのため、引張強さおよび伸長性の両立性は、加工誘起マルテンサイト組織およびTRIP効果を示すステンレス鋼よりも劣っている。
【０００７】
従来技術によると、TRIP効果を呈し、ゆえに遅れ割れし難い望ましい機械的性質を有する低ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼を製造することは、不可能である。
【０００８】
従来のオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼は、フェライト相と安定なオーステナイト相からなり、オーステナイト相は塑性変形時にマルテンサイトに変態しない。そのため、従来のオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼では遅れ割れ現象が生じにくい。しかし、最近開発された新しいタイプのオーステナイト−フェライト系二相鋼は、塑性変形時に加工誘起マルテンサイト相に変態する不安定なオーステナイト相を含んでいる。つまり、このような鋼はTRIP効果を呈する。この特徴によって、この新しいオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼の強度と伸長性の両立性は、従来のオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼よりも優れたものになる。ただし、TRIP効果の影響で、この鋼もまた遅れ割れ現象が生じやすく、鋼の適用範囲が制限されてしまう。このような鋼は国際公開公報第2012/143610号および第2011/135170号に記載されているが、これらの公報には、このようなTRIP効果を呈するオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼における遅れ割れを防止する手段がない。
【０００９】
オーステナイト系ステンレス鋼の水素脆性に対する感受性は、鋼の水素含有量を調整することで低くできることが知られている。しかし、TRIP効果を呈する不安定なオーステナイト系またはオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼の遅れ割れを防止する手段は、開示されていない。
【００１０】
ヨーロッパ特許出願第2108710号は、水素をオーステナイト系ステンレス鋼から除去する方法を開示している。しかし、このヨーロッパ特許出願は、ニッケルを8%より多く含むオーステナイト系ステンレス鋼のみに関するものであり、つまりは、低ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼またはオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼は考慮していない。このヨーロッパ特許出願の鋼は、機械的性質を向上させるTRIP効果を呈しない。また、当該ヨーロッパ特許出願の鋼は、加工誘起マルテンサイト変態に対して実質的に安定しているため、遅れ割れに耐性があることが知られている。このヨーロッパ特許出願は、不安定オーステナイト系ステンレス鋼における遅れ割れ現象を防止する手段を提示していないが、水素含有量を調整することで疲労亀裂進展速度を低減させることに注目している。また、当該ヨーロッパ特許出願による方法は、水素含有量を必要以上に低いレベルまで減少させることを目標とし、工場規模の生産では現実的でないかなり低い圧力（真空）下で熱処理を行うことを提案している。
【００１１】
特開平10-121208号および特開2005-298932号は、不安定オーステナイト系ステンレス鋼線に関する。これらの特許出願では、引き線における縦割れと呼ばれる現象を防止するために、鋼の水素含有量を低減させる熱処理方法を提案している。しかし、これらの特許公開公報では、平板状ステンレス鋼製品における遅れ割れ現象を考慮せず、オーステナイト系またはオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼における遅れ割れ現象を防止する手段を提供していない。
【００１２】
本発明は、従来技術における欠点をなくし、水素含有量を制限することで遅れ割れに対する耐性が改善された変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼を製造することを目的とするものであり、このようなステンレス鋼は、不安定オーステナイト系ステンレス鋼または不安定オーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼である。また、本発明は、このようなステンレス鋼の製造方法にも関する。本発明の基本的な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載する。
【００１３】
本発明はステンレス鋼に関するものであり、とくに平板状生産品としての不安定低ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼または不安定オーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼に関するものである。本ステンレス鋼は、機械的性質を高める変形時に加工誘起マルテンサイトの形成（TRIP効果）を示すステンレス鋼であるが、遅れ割れに対する耐性を有している。遅れ割れに対する耐性は、鋼の水素含有量を不活性ガス溶融法で測定して4重量ppm（百万分率）未満に制限することにより得られ、好適には3重量ppm未満に制限する。本発明による鋼は、例えば、低ニッケル含有量、塑性変形時の加工誘起マルテンサイト相の形成（TRIP効果）による強度と伸長性の優れた両立性、および低い遅れ割れ現象発生度といった所望の特徴を組み合わせている。本発明の方法では、材料を100〜700℃の温度範囲で熱処理することでステンレス鋼の水素含有量を調整して、ステンレス鋼の遅れ割れに対する耐性を向上させる。本発明のステンレス鋼の遅れ割れ耐性の向上は深絞りによって示され、深絞りでは、遅れ割れが生じることなく絞り比2.0、またはそれ以上の比でさえ達成される。
【００１４】
一実施形態によると、本発明のステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼であり、これは重量％で、0〜0.15％のC、0〜3％のSi、0〜15％のMn、10〜30％のCr、0〜8％のNi、0〜3％のMo、0〜3％のCu、0〜0.5％のN、0〜0.5％のNb、0〜0.5％のTi、0〜0.5％のVを含有し、残部はFe、および水素を含む不可避的不純物である。
【００１５】
別の実施形態によると、本発明のステンレス鋼は二相オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼であり、その微細構造には、10〜95％、好適には30〜90％のフェライト相が含まれ、重量％で、0〜0.10％のC、0〜2％のSi、0〜10％のMn、10〜30％のCr、0〜8％のNi、0〜3％のMo、0〜3％のCu、0〜0.4％のN、0〜0.5％のNb、0〜0.5％のTi、0〜0.5％のVを含有し、残部はFe、および水素を含む不可避的不純物である。
【００１６】
本発明による変態誘起塑性（TRIP）効果を呈するステンレス鋼は、例えば、平板、薄板、帯板、コイルなどの平板状製品の形をとるという利点を有する。
【００１７】
本発明によるステンレス鋼およびその製造方法は、熱処理によるステンレス鋼の水素含有量の低減および調整に基づく。熱処理は、ステンレス鋼の微細構造および他の特性に大きな影響を及ぼさずに材料から水素を十分な速さで放出できる温度で行う。熱処理の継続時間は水素含有量が十分に減少することにより決まるため、割れ耐性を望みどおりに改善できる。
【００１８】
本発明によると、熱処理を、温度100℃〜700℃の範囲で0.1〜300時間、好適には200〜600℃で1〜100時間、より好適には250〜500℃で1〜100時間行うことにより、遅れ割れに対する耐性が向上する。
【００１９】
本発明によるステンレス鋼は、とりわけ電気アーク炉、AOD（アルゴン酸素脱炭転炉での溶解と、取鍋処理、連続鋳造、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍および酸洗いを含む従来のステンレス鋼の処理工程を経て製造される。従来の加工処理を行ってステンレス鋼を冷延平板製品にした後、材料は、本発明に従って熱処理してステンレス鋼の水素含有量を調整し、遅れ割れに対する耐性を向上させる。本発明によると、本熱処理は、空気雰囲気中で、少なくとも一部保護ガスを含む雰囲気中で、または真空で行う。連続処理またはバッチ処理のどちらを用いてもよい。また、本発明による熱処理の前または後に、本発明によるステンレス鋼を、調質圧延によって、すなわち鋼に0.1〜60％の所望の圧下率で冷間圧延を施すことで、強化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明について、以下の図面を参照してより詳細に述べる。
【図１】冷間圧延、焼鈍および酸洗いした状態の（供給状態のままの）本発明のオーステナイト系ステンレス鋼、ならびに冷間圧延、焼鈍および酸洗いした素材を空気雰囲気中において400℃で3時間（400℃/3h）、24時間（400℃/24h）、および72時間（400℃/72h）熱処理した本発明のステンレス鋼を絞り比2.12で深絞りしたカップのサンプルを示す。
【図２】冷間圧延、焼鈍および酸洗いした状態の（供給状態のままの）本発明のオーステナイト系ステンレス鋼、ならびに冷間圧延、焼鈍および酸洗いした素材を空気雰囲気中において400℃で3時間（400℃/3h）、24時間（400℃/24h）、および72時間（400℃/72h）熱処理した本発明のステンレス鋼を絞り比2.0で深絞りしたカップのサンプルを示す。
【図３】冷間圧延、焼鈍および酸洗いした状態の（供給状態のままの）本発明のオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼、ならびに冷間圧延、焼鈍および酸洗いした素材を空気雰囲気中において300℃で24時間（300℃/24h）および72時間（300℃/72h）、ならびに400℃で24時間（400℃/24h）および72時間（400℃/72h）熱処理した本発明のステンレス鋼を深絞りしたカップのサンプルを示す。
【図４】400℃での熱処理によって本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の総水素含有量に及ぶ影響を、Leco TCH600分析装置を使用して不活性ガス溶融法によって測定した結果を示す。
【図５】300℃および400℃での熱処理によって本発明のオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼の総水素含有量に及ぶ影響を、Leco TCH600分析装置を使用して不活性ガス溶融法によって測定した結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明のステンレス鋼を深絞りによって試験した結果、遅れ割れが生じることなく、絞り比2.0まで、さらにはそれ以上の絞り比も達成できた。絞り比は、深絞り作業で使用され直径が変化する環状ブランクと直径が一定のパンチの直径比として規定される。
【００２２】
図１は、400℃での熱処理が本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の遅れ割れに及ぼす効果を示し、本ステンレス鋼は、クロム17％、ニッケル4％、およびマンガン7％を主要合金要素として含有し、絞り比2.12で深絞りした。供給時のままの鋼は冷間圧延、焼鈍および酸洗いを施した状態であり、その厚さは0.8mmであった。試験結果によると、供給時のままの状態の素材が割れやすいのに対し、熱処理を施した鋼はまったく割れなかった。
【００２３】
図２は、400℃での熱処理が本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の遅れ割れに及ぼす効果を示し、本ステンレス鋼は、クロム15％、ニッケル1％、マンガン9％、および銅2％を主要合金要素として含有し、絞り比2.0で深絞りした。供給時のままの鋼は冷間圧延、焼鈍および酸洗いを施した状態であり、厚さは1.0mmであった。試験結果によると、ニッケルを1％含有する本オーステナイト系鋼は、本質的に非常に遅れ割れしやすいが、割れの程度は熱処理によって実質的に低減した。割れを完全に防止することは不可能であったものの、非常に厳密さを要するカップ成形作業におけるひび割れの数の実質的な減少は、実際の適用において素材の能力が大幅に向上することを意味している。
【００２４】
図３は、300℃および400℃での熱処理が本発明の不安定オーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼の遅れ割れに及ぼす効果を示し、本ステンレス鋼は、クロム20％、ニッケル1％、マンガン3％、および窒素0.2％を主要合金要素として含有し、TRIP効果を呈するものであり、絞り比2.12で深絞りした。供給時のままのステンレス鋼は冷間圧延、焼鈍および酸洗いを施した状態であり、厚さは1.0mmであった。試験結果によると、供給時のままの素材は遅れ割れしやすく、これに対し、本発明による熱処理を施した素材では割れが完全に防止された。
【００２５】
図４は、400℃での熱処理が本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の総水素含有量に及ぼす影響を示す。図５は、300℃および400℃での熱処理が本発明のオーステナイト−フェライト系二相ステンレス鋼の総水素含有量に及ぼす影響を示す。試験結果によると、素材の水素含有量は熱処理によって明らかに減少した。しかし、およそ２ppmの中程度の水素含有量が依然として認められることが明らかである。これは重要なことである。なぜならば、かなり低い水素含有量に至るには非実際的な長さの熱処理時間を要するうえに真空を使う必要があり、そのどちらも産業上の利用性の点において望ましくないからである。水素含有量が遅れ割れ現象に及ぼす影響を判断する際、低水素含有量を正確に測定することは、かえって難しいことを念頭に置いておくことが重要である。個々の測定値にばらつきがあり、別々の計器で測定した測定値には整合性がないこともあり得る。
【００２６】
本発明によると、TRIP効果を呈するオーステナイト系ステンレス鋼またはオーステナイト−フェライト系ステンレス鋼の遅れ割れ耐性は、素材に適切な熱処理を施して水素含有量を2ppm程度まで減少させることにより向上できる。熱処理の温度および時間を選択して、水素を素材から十分に放出させる。温度が300℃より低いと、水素の放散が遅すぎて滞留時間が非実際的な長さになってしまうであろう。温度が400℃より高いと、炭化物および窒化物が析出する危険性があり、また、その他にも鋼の微細構造に望ましくない変化が起こる危険性がある。本発明による熱処理は空気雰囲気にて行ったため、実験用の温度では表面に酸化をもたらす。この表面酸化は、例えば窒素またはアルゴンなどの保護雰囲気にて、もしくは真空にて焼鈍を施すことによって防止できる。雰囲気中の水素分圧を最小にすれば、素材からの水素の放出も促進させて、低水素含有量を達成できることになる。
【００２７】
工業規模では、本発明による熱処理は、例えばベル炉などのバッチ炉を利用して、窒素またはアルゴンなどの不活性保護ガスを少なくとも一部含むガス雰囲気中で実現できる。また、雰囲気、温度および保留時間を適切に選択して水素を素材から十分に除去できれば、連続焼鈍ラインを利用することも可能である。
【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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【国際調査報告】
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