JP2011017039A

JP2011017039A - 構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2011017039A
Application number: JP2009160796A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Ikezawa; 守池澤; Kazutaka Fujihira; 和孝藤平
Original assignee: Nippon Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Nippon Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】高い加工性を維持しつつ、１０³／ｓｅｃ．の高歪み速度下のみならず、１０^-3／ｓｅｃ．の低歪み速度下でも強度の低下の少ない構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼の組成を、質量％で、Ｃ≦０．２５％、Ｓｉ≦１．００％、１４．００％≦Ｍｎ≦１６．００％、１６．００％≦Ｃｒ≦１８．００％、１．００％≦Ｎｉ≦２．００％、Ｎ≦０．５０％を含有し、残部をＦｅおよび不可避的不純物とすることにより、上記課題を解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車において高い強度や衝撃吸収性能が要求されるフレーム、ピラー、バンパー、あるいは鉄道車両の車体、または自転車のフレームなどの構造部材として使用される構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼に関する。

近年、排出ＣＯ₂の削減など環境問題の観点から、自動車、二輪車、バス、鉄道車両などといった車両の燃費向上が必須の課題になってきており、このような課題を解決する方法の一つとして車体の軽量化が推進されている。

車体の軽量化は、部材を形成する素材の薄肉化によるものが多い。しかし、薄肉化することにより剛性や衝突安全性能が低下してしまうことから、これを補うための方策として、部材の高強度化が有効である。

従来の普通鋼高強度鋼の場合、固溶強化、析出硬化、変態などによって高強度化を図っていることから、高強度化することによって、加工性が阻害され、構造の自由度が低くなるという別の問題があった。また、普通鋼では耐食性が十分ではないことから、耐食塗装を行う事が前提となっており、この耐食塗装による重量の増加が避けられなかった。

これに対し、Ｃｒを含有するステンレス鋼は十分な耐食性を有しており、無塗装での使用が可能となることから、上記普通鋼に比べて耐食塗装の省略による軽量化が可能である。また、ステンレス鋼の中でも、オーステナイト系ステンレス鋼は高い強度と高い延性とを兼ね備えており（耐食性が要求される車両（例えば鉄道車両）の構造部材では、耐食性に優れたＳＵＳ３０１ＬやＳＵＳ３０４などの延性が高く成型性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。）、軽量かつ、車両衝突時の衝撃を受け止めることのできる衝撃吸収能に優れた車両用フレームを作成する事が可能となる（衝撃吸収能は、変形時の強度と延性とで評価されるが、普通鋼高強度鋼は、強度が高いものの延性が低いため、その衝撃吸収能には限界があった。）。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼を用いることにより、軽量で、衝撃吸収能に優れた安全性の高い車両フレームの提供が可能となっていた（例えば、特許文献１）。

特開平１０−０３６０８９号公報

しかしながら、従来のオーステナイト系ステンレス鋼の高強度および高衝撃吸収能は、変形時に生成される加工誘起マルテンサイト相に起因しており、これら高強度および高衝撃吸収能は、主に高歪み速度域で現れるものであって低歪み速度では強度の減少が著しいことから、従来のオーステナイト系ステンレス鋼では、常に荷重のかかる部位の軽量化を達成することができなかった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明は、強度の歪み速度依存性に着目し、オーステナイト系ステンレス鋼の高い加工性を維持しつつ、１０³／ｓｅｃ．の高歪み速度下のみならず、１０^-3／ｓｅｃ．の低歪み速度下でも強度の低下の少ない構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することをその目的とする。

請求項１に記載した発明は、「質量％で、Ｃ≦０．２５％、Ｓｉ≦１．００％、１４．００％≦Ｍｎ≦１６．００％、１６．００％≦Ｃｒ≦１８．００％、１．００％≦Ｎｉ≦２．００％、Ｎ≦０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼」である。

また、請求項２に記載した発明は、請求項１のステンレス鋼に関し、「質量％で、Ｔｉ≦０．３％、およびＣｕ≦５．００％の少なくとも一方をさらに含有する」ことを特徴とする。

本発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼の高い加工性を維持しつつ、１０³／ｓｅｃ．の高歪み速度下のみならず、１０^-3／ｓｅｃ．の低歪み速度下でも強度の低下の少ない構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することが可能となる。

鋼Ｎｏ．１〜５の０．２％耐力に対する歪み速度の影響を示すグラフである。鋼Ｎｏ．１〜５の引張強度に対する歪み速度の影響を示すグラフである。

本発明に係る構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ（炭素）≦０．２５％、Ｓｉ（ケイ素）≦１．００％、１４．００％≦Ｍｎ（マンガン）≦１６．００％、１６．００％≦Ｃｒ（クロム）≦１８．００％、１．００％≦Ｎｉ（ニッケル）≦２．００％、Ｎ（窒素）≦０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成で構成されている。

まず、本発明に係る構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼（以下、単に「ステンレス鋼」と記載する。）を構成する各成分の限定理由について説明する。

１）Ｃ（炭素）≦０．２５質量％：Ｃ（炭素）は、オ−ステナイト相の安定化に有効な元素であるとともに、Ｎと同様に固溶強化により鋼材の強度を上昇させる効果を有するが、炭化物の析出による悪影響を回避するため、Ｃの上限を０．２５質量％とした。

２）Ｓｉ（ケイ素）≦１．００質量％：Ｓｉ（ケイ素）は溶製時の脱酸剤として有効であり、また、固溶強化にも有効な元素であるが、熱間加工性や鋼材の延性・靭性を阻害する場合があることから、その含有量は低い方が好ましい、よって、その上限を１．００質量％とした。

３）１４．００質量％≦Ｍｎ（マンガン）≦１６．００質量％：Ｍｎ（マンガン）は、Ｎｉの代替オ−ステナイト安定化元素として有効に作用する。また、Ｍｎを添加することにより、加工誘起マルテンサイト変態が抑制され、強度の歪み速度依存性が減少するといった効果を得られることから、この効果を得るために下限を１４．００質量％とした。一方、多量のＭｎの添加は、製鋼時において溶解炉耐火物の損傷を招くとともに介在物が増加して製品の品質を損ない、耐食性を低下させ、さらには加工性を阻害することから、その上限を１６．００質量％とした。

４）１６．００質量％≦Ｃｒ（クロム）≦１８．００質量％：Ｃｒ（クロム）はステンレス鋼に要求される耐食性を得るために必須の合金元素であり、十分な効果を得るには１６．００質量％以上の添加が必要である。また、多量の添加はオーステナイト相の維持を困難とするため上限を１８．００質量％とした。

５）１．００質量％≦Ｎｉ（ニッケル）≦２．００質量％：Ｎｉ（ニッケル）は、オーステナイト組織の安定化や良好な熱間加工性、冷間加工性、および耐食性などを実現させる、ステンレス鋼に必要不可欠な元素であり（Ｍｎの単独添加ではオーステナイト相を維持できない。）、その下限を１．００％とした。一方、Ｎｉは高価な元素であるため、コストの面から添加量の上限を２．００％とした。

６）Ｎ（窒素）≦０．５０質量％：Ｎ（窒素）は、Ｃと同様にオーステナイト形成元素であり、オ−ステナイト相の安定化に有効な元素であり、加工誘起マルテンサイト変態によらない強度の増加が可能であるが、多量の添加は加工性を阻害するため上限を０．５０％とした。

７）Ｔｉ（チタン）≦０．３質量％：Ｔｉ（チタン）は、必要に応じて添加する元素であり、ＣやＮと結合して微細な炭化物あるいは窒化物を形成することによってステンレス鋼の高強度化、および固溶強化に寄与する。しかし、０．３質量％を超える過度な添加は、熱間加工性の悪化や表面疵の発生、延性の低下をもたらすことから、その上限を０．３質量％とした。

８）Ｃｕ（銅）≦５．００質量％：Ｃｕ（銅）は、Ｔｉと同じく必要に応じて添加するオーステナイト安定化元素であり、冷間加工性や耐食性の改善にも有効な元素であって、ＭｎやＮとの相乗効果によって双晶変形を生じやすくすることから、加工誘起マルテンサイトの生成を有効に抑止する。しかし、多量のＣｕを添加すると、製鋼時のＣｕ汚染や熱間脆性を誘引するとともに、ステンレス鋼の延性・靱性を悪化させることから、その上限を５．００質量％とした。

表１に示す化学組成を有するステンレス鋼を溶製し、熱間圧延により板厚３．０ｍｍとした後、１１００℃で焼鈍、酸洗を行い、熱延焼鈍板とした。さらに、これら熱延焼鈍板を冷間圧延し、１１００℃で焼鈍、酸洗を行って１．０ｍｍ厚の冷延焼鈍板を製造して試験に供した。鋼Ｎｏ．１〜２は、本発明鋼であり、鋼Ｎｏ．３〜５は本発明の成分範囲外の組成を有する鋼である。

鋼Ｎｏ．１〜５の歪み速度１０^-3／ｓｅｃ．、１／ｓｅｃ．、１０³／ｓｅｃ．での引張試験結果を表２に示す。また、図１および図２には、鋼Ｎｏ．１〜５の「０．２％耐力に対する歪み速度の影響」および「引張強度に対する歪み速度の影響」をそれぞれ示す。

表２、図１、および図２によれば、本発明鋼（鋼Ｎｏ．１〜２）は、他の鋼（鋼Ｎｏ．３〜５）に比べて、全ての歪み速度において高い強度を示しており、しかも、延性も十分にあることがわかる。また、本発明鋼（鋼Ｎｏ．１〜２）は、１０^-3／ｓｅｃ．といった低歪み速度でも強度の低下が少ないことから、本発明鋼によれば、常に静的な荷重のかかる部位に用いても軽量化が可能となる。

なお、本発明のステンレス鋼が有する優れた衝撃吸収特性は、その成分組成に起因する特性であるため、ステンレス鋼の製造方法は上述の方法に限られず、他の方法で製造しても同様の特性を得ることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高強度で衝撃吸収性能に優れ、かつ低歪み速度下でも強度の低下の少ないステンレス鋼を提供することができ、特に自動車、鉄道車両等の運輸に関わる構造部材に適用することにより、軽量化による環境対策や衝突時の安全性向上など社会的寄与は大きい。

Claims

質量％で、Ｃ≦０．２５％、Ｓｉ≦１．００％、１４．００％≦Ｍｎ≦１６．００％、１６．００％≦Ｃｒ≦１８．００％、１．００％≦Ｎｉ≦２．００％、Ｎ≦０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼。
質量％で、Ｔｉ≦０．３％、およびＣｕ≦５．００％の少なくとも一方をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の構造部材用オーステナイト系ステンレス鋼。