JPH07118805A - 加工性に優れた２相系ステンレス鋼およびその加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工性に優れたフェライト相とマルテンサイ
ト相とからなる超塑性加工を含む加工性に優れた２相系
ステンレス鋼およびその加工方法を目的とする。 【構成】 主成分として、Ｃｒ１２〜２０％、Ｎｉ８％
以下、Ｓｉ２．５％以下、Ｍｎ４％以下を含有し、残部
がＦｅ及び不可避的不純物からなる２相系ステンレス鋼
であって、常温ではフェライト相とマルテンサイト相の
２相を呈する２相系ステンレス鋼である。この２相系ス
テンレス鋼は、温間または冷間において５０％以上の加
工を施すと、７００℃〜１１５０℃の範囲において超塑
性変形を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間加工性、超塑性加
工等の加工性に優れ、さらには耐食性にも優れた２相系
ステンレス鋼およびその超塑性加工方法を含む加工方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】フェライト（α）相とオーステナイト
（γ）相とからなる２相系ステンレス鋼は良く知られて
おり、適当な熱処理及び加工を組合せて微細な２相組織
を得ることにより超塑性変形能を高める方法が種々提案
されている。

【０００３】例えば、特許1521683 号あるいは特開平3-
215625号公報では、α相とγ相とからなる２相系ステン
レスを、α単相に近い高温（1200〜1360℃）に加熱した
後に急冷し、冷間または温間加工を加え、次いで超塑性
加工温度に加熱してγ相を微細に析出させることによっ
て超塑性変形能を高める方法が提案されている（以下従
来技術１と呼ぶ）。

【０００４】また、特開平3-215625号公報では、α相と
γ相からなる２相系ステンレス鋼を、溶解し凝固後、α
単相となる高温から急冷し、さらに冷間加工または温間
加工を加えた後に超塑性加工を行う方法が提案されてい
る（以下従来技術２と呼ぶ）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術１では、
その実施例から明らかなように、α相とγ相とからなる
２相系ステンレスをα単相に近づける目的で1200〜1360
℃の高温に加熱する必要があるため、材料の高温酸化に
よって製造歩留まりが低下するとともに、通常のステン
レス鋼の溶体化熱処理工程（1000〜1200℃の加熱）では
製造できず、上記のような高温で加熱するという特別な
工程を必要とするため、製造コストが増大する。

【０００６】また、従来技術２では、凝固後の鋼塊又は
鋳片を急冷するための特殊な設備を必要とするため、や
はり製造コストが増大する。このように、従来技術で
は、超塑性変形能を高めた２相系ステンレス鋼を得るた
めに、特殊な工程または設備を要するため、製造が容易
ではなく、かつ製造コストが高いという問題があった。

【０００７】本発明は、従来のような高温加熱あるいは
鋼塊または鋳片の急冷等の特殊な工程を必要とすること
なく、通常のステンレス鋼の溶体化熱処理と同様な温度
範囲に加熱後に冷却し、常温付近における組織をフェラ
イト相とマルテンサイト相との２相組織とし、次に適当
な温間加工または冷間加工を施すことによって、低コス
トで超塑性変形能を含む加工性に優れた２相系ステンレ
スを見出し、さらにその超塑性加工法を見出したもので
以下の通りである。

【０００８】（１）請求項１の発明は、下記の特徴を備
えたの加工性に優れた２相系ステンレス鋼（成分組成は
ｗｔ％である）である。 （ａ）主成分として、Cr:12 〜 20 % 、 Ni:8% 以
下、Si:2.5 %以下 、 Mn:4% 以下を含有し、残部
がFeからなり、（ｂ）常温における金属組織がフェライ
ト相とマルテンサイト相の２相より構成されている。

【０００９】（２）請求項２の発明は、前記マルテンサ
イトの体積率が20〜80% である請求項１記載の加工性に
優れた２相系ステンレス鋼である。

【００１０】（３）請求項３の発明は、下記の工程を備
えた２相系ステンレス鋼の超塑性加工方法である。 （ａ）主成分組成として、Cr:12 〜 20 % 、 Ni:8
% 以下、Si:2.5 %以下 、 Mn:4% 以下を含有し、
残部がFeからなり、さらに、常温における金属組織がフ
ェライト相とマルテンサイト相の二相より構成されてい
る２相系ステンレス鋼を用意し、（ｂ）前記２相組織と
したステンレス鋼を温間加工または冷間加工により５０
％以上の塑性加工を行い、（ｃ）次に、700 〜1150℃に
加熱し、超塑性加工を行う。

【００１１】（４）請求項４の発明は、前記２相系ステ
ンレスの常温におけるマルテンサイト相の体積率が 20
〜80% である請求項３記載の２相系ステンレス鋼の超塑
性加工方法。

【００１２】鋼の成分組成について 常温近傍でフェライト（α）相とマルテンサイト相から
なる２相組織をより安定して得るためには下記のような
主成分についての範囲が必要である。 Ｃｒ：１２〜２０％とする。Ｃｒ含有量が１２％以下で
あると、ステンレスとしての耐食性が劣り、他方２０％
を超えるとγ相が発生するからである。

【００１３】Ｎｉ：８％以下とする。Ｎｉ含有量が８％
を超えるとα相に変わって一部γ相が発生するからであ
る。 Ｓｉ：２．５％以下とする。Ｓｉの含有量は、鋼の脱酸
のために最小０．０５％程度含有させることが望まし
い。他方、２．５％を超えて含有させると、超塑性変形
能を損なうので上記範囲とする。

【００１４】Ｍｎ：４％以下とする。Ｍｎ含有量が４％
を超えると、γ相のマルテンサイト相への変態を阻害す
るので上記範囲とする。

【００１５】以上が主成分についての限定理由である。
その他の成分、例えばＣについてはステンレスとしての
耐食性を劣化させるため可及的に低い方が望ましいが、
０．０５％までは含有しても耐食性の点から許容され
る。

【００１６】Sol.Ａｌについてはこのステンレスを溶解
し凝固する際にある程度含有していることが気泡発生を
抑制する点から望ましが、0.05％を超えるとその効果が
飽和し、また介在物が増加するので、0.05％以下とする
ことが望ましい。また、Ｎは少量含有させても強度の向
上に寄与するが、0.2 ％を超えて含有させてと熱間加工
性時の回復・再結晶挙動を著しく遅延させ、熱間加工性
を損なうことから0.2％以下とする。

【００１７】Ｃｕは耐食性を更に向上させるため含有さ
せるが、3.0 ％を超えるとその効果が飽和することから
3.0 ％以下とする。

【００１８】Ｃａ、Ｚｒ及び希土類元素は鋼の熱間加工
性を向上させるために含有させるが、Ｃａは0.01％、Ｚ
ｒは0.1 ％、希土類元素は 0.1％を超えるとそれぞれ靱
性の劣化を招くのでそれぞれ上記含有量以下とする。

【００１９】Ｂは鋼の熱間加工性を向上させるので、添
加させるがその含有量が0.01％を超えるとその効果が飽
和し、また、靱性の劣化が生ずるので、上記含有量以下
とする。また、不可避的不純物であるＰ、Ｓなどは可及
的に少ない方が望ましいが、その特性を損なわない範囲
として０．０５％までは許容できる。

【００２０】鋼の組織について この２相系ステンレスが超塑性変形能を有するためには
前述のとおり、常温における金属組織がフェライト相と
マルテンサイト相の２相に構成されていることが必要で
ある。この理由は、このステンレスの超塑性変形能を高
めるために温間加工もしくは冷間加工を行うが、この際
マルテンサイト組織の中に蓄積された歪みエネルギーが
大きいため、γ相への変態と同時に再結晶による微細化
が促進されるためである。

【００２１】なお、上記温間加工もしくは冷間加工を行
なわなくてもある程度の超塑性変形能がある。従って、
フェライト相とマルテンサイト相の２相に構成されてい
るという概念には、上記温間加工もしくは冷間加工を行
う前の状態および上記温間加工もしくは冷間加工を行な
った後における状態の双方を意味するのである。

【００２２】上記温間加工もしくは冷間加工を行なう
と、この加工時における加工歪みのエネルギーがこのマ
ルテンサイト相の中に蓄積されるため、超塑性加工温度
に加熱した際、γ相への変態と同時に再結晶による微細
化が促進される。したがって、超塑性変形能を高めるた
めにはマルテンサイト相の体積率が、少なくとも２０％
以上〜８０％であることが必要となる。

【００２３】このことは他面α相の体積率が２０〜８０
％であることを意味している。以上が請求項１及び２に
記載した２相系ステンレスの成分組成及び金属組織の限
定理由である。

【００２４】請求項１記載の加工性に優れた２相系ステ
ンレス鋼は、実施例において後述するように熱間加工性
も優れている。実験式として下記のＡＦ値を導入し、調
査したところＡＦ値が１６以下では熱間加工中に耳割
れ、かみこみ疵、ラップ疵が発生せず、ＡＦ値が１６を
超えるとこれらが発生する。

【００２５】ここで、 ＡＦ値＝1.2(Ｃｒ＋Ｓｉ）−０．９Ｍｎ−０．６Ｎｉ−
８（Ｃ−Ｎ） である。即ち、請求項１記載の範囲で成分組成から定ま
るＡＦ値を上記の通り制御することにより、熱間におけ
る継ぎ目なし圧延、あるいは、板圧延において優れた熱
間圧延性を示す。

【００２６】また、２相系ステンレス鋼は一般に耐食性
は良好であるが、請求項１記載の加工性に優れた２相系
ステンレス鋼は耐食性も極めて優れている。請求項１記
載の成分組成の範囲内で、下式で定義されるＭｓＡ≧０
である場合においては耐食性と強度が優れている。

【００２７】ここで、 ＭｓＡ＝1950−2400（Ｃ−Ｎ）−42Ｓｉ−50Ｍｎ−63Ｃ
ｒ−93Ｎｉ である。即ち、ＭｓＡは、熱間加工または溶体化処理後
の冷却開始温度におけるオーステナイト相のＣ、Ｓｉ、
Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉにより定まる値である。こ
の値は、熱間加工または溶体化処理後の冷却開始温度に
おけるオーステナイト相およびフェライト相への各合金
元素の分配比率を求め、平均組成から計算により求めた
値である。

【００２８】２相系ステンレス鋼の超塑性加工方法 上記超塑性加工用２相系ステンレス鋼を超塑性加工する
ためには、最初に前述の成分組成を有する２相系ステン
レスを用意することが必要となる。この場合具体的に
は、例えば鋼塊または鋳片を通常の圧延プロセスにより
塑性加工を行い薄板、型鋼あるいは棒鋼に加工する。こ
の状態で金属組織がフェライト相とマルテンサイト相の
２相組織となっていることが必要である。

【００２９】次に、一旦常温においてフェライト相とマ
ルテンサイト相の２相組織になった状態において、温間
加工または冷間加工により、少なくとも５０％の塑性加
工を行なう。この場合の加工方法は通常の圧延でも、ま
た、鍛造等の加工でもよい。この理由は優れた超塑性変
形能を得るためには超塑性変形前の段階において組織を
微細化することが重要だからである。

【００３０】この際、α相とマルテンサイトからなる２
相系ステンレス鋼では、マルテンサイト相がγ相である
場合に比べてより転移密度の高いマルテンサイト相が存
在し、さらに冷間加工または温間加工を受けるため、こ
のマルテンサイトにはより大きい歪みエネルギーが蓄積
される。尚、冷間または温間加工前のマルテンサイト相
の転位密度を高めるためには、その加工前において急冷
処理をしておくことが有効である。例えば、超塑性加工
前の状態が薄鋼板の場合は、熱間圧延後において急冷処
理を行って、その後冷間圧延を行って少なくとも５０％
の塑性加工を行なうことがよい。

【００３１】このマルテンサイトは、その後超塑性温度
領域（７００〜１１５０℃）に加熱すると、γ相に変態
するが、前述の冷間加工等によって蓄積された歪みエネ
ルギーが大きいため、γ相への変態と同時に再結晶し微
細な結晶が発生し、このため超塑性変形能が増大する。
なお、前述の温間加工度は７００℃以下の加工度であ
り、また、冷間加工とは常温近傍における加工をいう。

【００３２】温間加工または冷間加工における加工度を
５０％以上としたのはマルテンサイト相中に十分な歪み
エネルギーを蓄積し、これにより後に超塑性温度領域に
加熱した際に微細な結晶を発生させるために必要だから
である。また、優れた超塑性変形能を得るためには、上
記のような超塑性変形前の段階での組織の微細化に加
え、さらに超塑性変形中に各相が均一に分散して等軸組
織を容易に形成し得ることが重要であるが、常温付近で
α相とγ相からなるステンレス鋼では１１５０℃以下の
温度での加工によって生じた粗大なγ相は、変形中には
容易には分断／等軸化しない。

【００３３】これに対し、常温付近でα相とマルテンサ
イト相からなるステンレス鋼では、ステンレス鋼として
の耐食性を確保しつつ、常温でα相とマルテンサイトの
２相組織とするため、前述の通り、Ｃｒ含有量を必要最
小限度まで低減してあり、また、ＳｉおよびＭｎ含有量
も低減している。

【００３４】また、Ｃｒ、ＳｉおよびＭｎはいずれもγ
相の高温変形を抑制する元素であるため、これらの元素
の含有量低減によって超塑性変形中におけるγ相結晶粒
の変形能が向上し、容易な結晶粒の変形と粒界すべりに
よる分断・等軸化が進行して超塑性変形能が向上する。

【００３５】次に、超塑性加工の具体的方法であるが、
前述のとおり７００〜１１５０℃に加熱し、その温度範
囲で、圧延、鍛造あるいはプレス等の従来公知の加工方
法で目的とする最終製品に加工すればよい。

【００３６】

【実施例】

実施例１ 表１に示すＮｏ．１〜６の化学組成を有する２相系ステ
ンレス鋼を、高周波真空溶解炉で各々１０ｋｇ溶製し、
鋼塊を鋳造し、１０ｍｍ厚まで熱間圧延後、１０５０℃
で３０分間保持し、その後マルテンサイト相の転位密度
をより高めるために水冷の熱処理を施した。Ｎｏ．１〜
６は本発明鋼で、いずれも常温でフェライト相とマルテ
ンサイト相の２相組織を有する。

【００３７】これに対して、Ｎｏ．６〜９は比較鋼で、
いずれも常温でフェライト相とオーステナイト相の２相
組織を有する。これらの２相ステンレス鋼に、８０％の
冷間圧延を施し、得られた冷間圧延板から引張試験片を
採取して、温度９００℃、歪速度１×１０^-3／ｓで引張
試験を行なった。常温でフェライト相とマルテンサイト
相の２相組織を有する本発明鋼は４５０〜７００％の伸
びを示し、なかでも、Ｃｒを２０％以下、Ｎｉを８％以
下、Ｓｉを２．５％以下、Ｍｎを４％以下としたＮｏ．
３〜５の本発明鋼は６５０％以上の大きい伸びを示し
た。

【００３８】これに対して、常温でフェライト相とオー
ステナイト相の２相組織を有する比較鋼すなわち従来の
２相系ステンレス鋼では、いずれも伸びは３００％以下
の低い水準にあり、本発明鋼との差は明瞭であった。図
１は、表１のＮｏ．３の本発明鋼について、温度７００
℃〜１１５０℃、歪速度１×１０^-3／ｓで引張試験を行
なった結果を示したもので、３００％以上の伸びが得ら
れている。

【００３９】

【表１】

【００４０】実施例２ 表2 に示すNo 1〜30の成分組成を有するステンレス鋼
を、高周波溶解炉で溶解し、50 kg の鋼塊を製造した。
No 1〜22は本発明の２相系ステンレス鋼であり、No23〜
27は比較の２相系ステンレス鋼である。また、No 28 、
29、30はJIS に規定されている２相系ステンレス鋼であ
るSUS 329J1L, SUS 329J3L, SUS 329J4Lである。これら
の鋼塊側面の平行部が 6ｍｍφの丸棒試験片を採取し、
高温引張試験を行ない、絞り値により熱間加工性を評価
した。

【００４１】絞り値が６５％未満では実製造において許
容出来ない割れが発生するので、この値を熱間加工性の
良否の基準した。図２は、上記試験片を800 〜1100℃に
加熱して、高温引張試験を行なった際の最低の絞り値を
示す。この図から明らかなように、前述のAF値が16.0未
満の場合は最低の絞り値が65％以上であり、良好な熱間
加工性を示している。

【００４２】

【表２】

【００４３】

【表３】

【００４４】また、図３は本発明鋼の熱間加工温度、熱
間加工終了温度と加工疵との関係を示す。本発明鋼は熱
間加工温度が1100〜1250℃の範囲では加工性疵は発生せ
ず、この範囲外では加工疵が発生している。また、熱間
加工終了温度が800 ℃以上では加工疵が発生せず、800
℃未満では疵の発生が著しい。

【００４５】実施例３ 表３に示す成分組成を有するステンレス鋼を、高周波溶
解炉で溶解し、50 kgの鋼塊を製造した。この鋼塊を１
０ｍｍ厚の鋼板に熱間圧延し、室温まで空冷したもの、
および1000℃に再加熱して水冷したものを用意した。ま
た、冷却条件を揃えるため、空冷時の室温及び水冷時の
水温はいずれも25℃に調整した。

【００４６】得られた鋼板から平行部 6ｍｍの丸棒引張
り試験片および５×３０×５０ｍｍの板状腐食試験片を
採取し、引張り強度を評価および１ヶ月間の大気暴露試
験により耐食性の評価を行なった。大気暴露試験の評価
は錆の発生の有無で評価した。この結果も表３に併せて
示した。

【００４７】本発明鋼１〜１４はＭｓＡ≧０であるた
め、いずれも0.２％耐力が６０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上であ
り、耐食性も優れている。これに対し、比較鋼15〜17、
19はＭｓＡ＜0 であるためフェライト/ オーステナイト
の２相系ステンレス鋼となっており、最高でも４３ｋｇ
ｆ／ｍｍ² の耐力しか得られなかった。

【００４８】また、比較鋼１８はＭｓＡ≧０であるが、
Ｃｒ含有量が特許請求範囲記載の１６％より低いので十
分な耐食性が得られていない。更に、比較鋼２０はＭｓ
Ａ≧０であるが、Ｎｉ含有量が特許請求範囲記載の０．
５％より低いので十分な耐食性が得られていない。

【００４９】

【表４】

【００５０】

【発明の効果】以上述べたとおり、この２相系ステンレ
ス鋼は、1100〜1250℃の範囲で通常の熱間加工性が優れ
ており、継ぎ目なし圧延、板圧延において圧延疵の発生
が少ない。また、このステンレス鋼は従来のフェライト
相とオーステナイト相との２相ステンレスとほぼ同程度
の耐食性を有し、種々の用途に使用することができる。

【００５１】また、本発明による２相系ステンレス鋼は
適当な温間加工または冷間加工を施すことによりその後
700 ℃〜1150℃に加熱すると優れた超塑性変形能を示
す。700 ℃前後では少なくとも約300 ％の伸び、さらに
は700 ℃〜1000℃程度の範囲においては700 ％に近い伸
びを有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２相系ステンレス鋼の超塑性変形能を
示す図である。

【図２】本発明の２相系ステンレス鋼のＡＦ値と８００
〜１１００℃における最低の絞り値との関係を示す図で
ある。

【図３】本発明の２相系ステンレス鋼の熱間加工性を示
す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲積 透 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 正村 克身 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の特徴を備えたの加工性に優れた２
   相系ステンレス鋼（成分組成はｗｔ％である）。 （ａ）主成分として、 Cr:12 〜 20 % 、 Ni:8% 以下、 Si:2.5 %以下 、 Mn:4% 以下を含有し、 残部がFeからなり、（ｂ）常温近傍における金属組織が
   フェライト相とマルテンサイト相の２相より構成されて
   いる。
2. 【請求項２】 前記マルテンサイト相の体積率が20〜80
   % である請求項１記載の加工性に優れた２相系ステンレ
   ス鋼。
3. 【請求項３】 下記の工程を備えた２相系ステンレス鋼
   の超塑性加工方法。 （ａ）主成分として、 Cr:12 〜 20 % 、 Ni:8% 以下、 Si:2.5 %以下 、 Mn:4% 以下を含有し、 残部がFeからなり、 さらに、常温近傍における金属組織がフェライト相とマ
   ルテンサイト相の２相より構成されている２相系ステン
   レス鋼を用意し、（ｂ）前記２相組織としたステンレス
   鋼を温間加工または冷間加工により５０％以上の塑性加
   工を行い、（ｃ）次に、700 〜1150℃に加熱し、超塑性
   加工を行う。
4. 【請求項４】 前記２相系ステンレスの常温におけるマ
   ルテンサイト相の体積率が20〜80% である請求項３記載
   の２相系ステンレス鋼の超塑性加工方法。