非磁性ステンレス鋼
【課題】 強磁場の環境下においても耐食性が高く、高荷重・高負荷に耐えられる高い強度を有する非磁性ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】 非磁性ステンレス鋼は、Ｃ、Ｃｒ、Ｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、及びＡｌの含有量が最適化されており、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であって、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％であり、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式で表されるＸに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式で表されるＹに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５である。
【解決手段】 非磁性ステンレス鋼は、Ｃ、Ｃｒ、Ｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｉ、及びＡｌの含有量が最適化されており、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であって、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％であり、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式で表されるＸに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式で表されるＹに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強磁場の環境下で使用される非磁性ステンレス鋼に関し、特に、優れた耐食性及び強度を有する析出強化型高強度非磁性ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、電動機で駆動される例えば新幹線等の鉄道車輌に代わる輸送手段として、磁気により浮上させた車輌に、地上又は車輌側に設けたリニアモータにより磁界を切り替えて推進力を与え、これにより走行させる方式の磁気浮上式車輌（リニアモータカー）が注目を集めている。このような超伝導磁石等の構造物の材料としては、例えばオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１においては、極低温下におけるオーステナイト系ステンレス鋼の強度及び靱性を高めるための組成及び制御圧延方法が開示されており、添加するＣの量を０．０３質量％以下に減らすと共に、Ｎ：０．１０乃至０．４０質量％及びＮｂ：０．０２乃至０．２５質量％添加することにより、鋼の再結晶温度が高まって制御圧延が容易になり、粗圧延後に微細な結晶組織を得やすくなることが開示されている。
【０００３】
一方、磁気浮上式車輌が走行する際には、外部から作用する磁気力が磁気抵抗として作用するため、例えば敷設されるガイドウェイを支持する橋梁等の構造物には、従来の鉄橋梁及び鉄筋コンクリートを使用することができず、非磁性の材料を使用することが必要となる。同様の理由により、地上電磁コイルをガイドウェイに固定するためのボルト等の部材にも、非磁性の材料を使用することが求められている。そして、これらの構造物及びボルト等の部材に使用される非磁性ステンレス鋼の開発が近時ますます進められている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、高強度非磁性高Ｍｎ鋼において、フェライト組織を形成することにより透磁率を高めるＣｒの添加量を１５％以下に減らすことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−９７６４９号公報
【特許文献２】特開平２−１０４６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１のオーステナイト系ステンレス鋼は、制御圧延及び制御冷却による加工硬化により強度を高めているため、大径材又は大型部品の場合に、ステンレス鋼の内部まで均一且つ十分に加工硬化を施すことが難しく、強度向上には限界がある。また、特許文献１の技術においては、製造可能なステンレス鋼の形状及び寸法が制限され、複雑な形状のステンレス鋼部品を製造しにくいという問題点がある。
【０００７】
また、特許文献２に開示された高強度非磁性高Ｍｎ鋼は、十分な耐食性を確保することができず、橋梁等の耐食性が望まれる用途には適していない。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、強磁場の環境下においても耐食性が高く、高荷重・高負荷に耐えられる高い強度を有する非磁性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】
本発明に係る非磁性ステンレス鋼は、Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｖ：１．０乃至２．５質量％、Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％、Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％及びＡｌ：０．００１乃至０．０５０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であって、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％であり、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式１で表される数値Ｘに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式２で表される数値Ｙに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５であることを特徴とする。
【００１０】
【数１】
【００１１】
【数２】
【００１２】
この非磁性ステンレス鋼は、更に、Ｃｕ：０．０５乃至４．００質量％、Ｍｏ：０．０５乃至２．００質量％、Ｗ：０．０５乃至２．００質量％、Ｎｂ：０．０１乃至１．００質量％、Ｔｉ：０．０１乃至１．００質量％、Ｂ：０．０００５乃至０．０２００質量％及びＭｇ：０．０００５乃至０．０２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することが好ましい。
【００１３】
また、非磁性ステンレス鋼は、更に、Ｐ：０．０２乃至０．２０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．３００質量％及びＳｅ：０．００５乃至０．２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の非磁性ステンレス鋼は、Ｃ、Ｎ、Ｖ及びＣｒの含有量が最適化されている。これにより、時効処理によりＭＣ型炭窒化物が優先的に析出し、耐食性の確保のためにＣｒを多量に含有する非磁性ステンレス鋼において、硬度及び強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明におけるＮ及びＣｒの適正添加範囲を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る非磁性ステンレス鋼について、具体的に説明する。本実施形態の非磁性ステンレス鋼は、Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｖ：１．０乃至２．５質量％、Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％、Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％及びＡｌ：０．００１乃至０．０５０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であり、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％である。また、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式３で表される数値Ｘに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式４で表される数値Ｙに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５である。
【００１７】
【数３】
【００１８】
【数４】
【００１９】
非磁性ステンレス鋼において、強磁場の環境下においても高い耐食性を付与するためには、Ｃｒを従来に比して多量に含有させればよい。しかしながら、Ｃｒを多量に含有させることは、鋼内にフェライト組織が形成されることにより、透磁率が高くなってしまい、また、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ炭窒化物が形成されることにより、ステンレス鋼を時効処理する際に、析出強化による十分な硬化量を得られなくなってしまう。本願発明者は、この問題点を解決するために、種々実験検討を行った。そして、高Ｃｒのステンレス鋼において、非磁性を維持するためには、非磁性に寄与するＭｎ及びＣを適量添加すればよいことを見出した。また、この非磁性ステンレス鋼において、高荷重・高負荷に耐えられる高い強度を得るためには、Ｃ及びＮをＣｒ及びＶに対して適量添加すればよいことを見出し、本発明の構成を見出した。
【００２０】
即ち、本発明においては、Ｃｒの添加により高い耐食性を維持しつつ、Ｍｎ及びＣの添加によりステンレス鋼の透磁率が高くなることを抑制し、Ｎの添加により、Ｃ及びＮがＶと優先的に結合してＭＣ型炭窒化物を形成するようになり、ＭＣ型炭窒化物の析出により、非磁性ステンレス鋼の強度が向上する。
【００２１】
即ち、本発明においては、所定の組成を有する鋳塊に、圧延加工及び矯正加工を施し、その後、固溶化熱処理を施した後、固溶化処理後の素材を例えばボルト等の用途に合わせて、所定の寸法に切断する。そして、冷間加工又は切削加工により、拡径、顎加工、六角ボルト頭等の形状を加工した後、時効処理を施す。この時効処理の際に、本発明においては、Ｃ及びＮがＶと優先的に結合したＭＣ型炭窒化物が析出する。このように、本発明においては、熱処理による析出硬化のみにより、耐食性の確保のためにＣｒを多量に含有する非磁性ステンレス鋼において、硬度及び強度を高めることができる。よって、制御圧延及び制御冷却等による加工硬化により強度を高める場合に比して、ステンレス鋼の内部まで十分に高い強度が得られ、また、寸法及び形状による制約がほとんどないため、非磁性ステンレス鋼を適用できる製品に大きな自由度が得られる。特に、大径の顎付きボルト及び複雑な形状の部品等において、十分な強度を表面から鋼内部まで均一に得るためには、本発明のように、熱処理による析出強化が最適である。
【００２２】
以下、本実施形態の非磁性ステンレス鋼における数値限定理由について説明する。
【００２３】
Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％
Ｃは、Ｖと結びついて、ＭＣ型炭窒化物を生成し、時効処理における析出強化に寄与する。即ち、ＣとＶとの間に生成される炭窒化物は、ステンレス鋼の硬度及び強度を高める作用がある。また、Ｃは、オーステナイトフォーマーとして非磁性に寄与する。Ｃの含有量が０．２０質量％未満であると、時効処理による十分な析出強化の効果が得られず、０．５５質量％を超えると、生成する炭窒化物が粗大化して靱性が劣化する。よって、本発明においては、Ｃの含有量は、０．２０乃至０．５５質量％と規定する。
【００２４】
Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下
Ｃｒは、非磁性ステンレス鋼において、高い耐食性、耐酸化性及び非磁性を確保するために添加する。また、Ｃｒは、冷間加工時に、マルテンサイトの生成を抑制する効果がある。Ｃｒの含有量が１５．０質量％以下であると、これらの効果が十分に得られず、Ｃｒの含有量が２０．０質量％を超えると、時効処理の際に、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ炭窒化物を生成して、Ｖを主体とするＭＣ型炭窒化物の生成を阻害し、時効処理による析出強化の効果を十分に得られなくなる。よって、本発明においては、Ｃｒの含有量は、１５．０質量％を超え、２０．０質量％以下と規定する。
【００２５】
Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％
Ｎは、Ｃと同様にＶと結びついて、ＭＣ型炭窒化物を生成し、時効処理による析出強化に寄与する。Ｃｒの含有量が多いステンレス鋼において、時効処理時に、ＭＣ型炭窒化物を他の炭窒化物よりも優先的に生成させるために添加する。Ｎの含有量が０．０２５質量％未満であると、時効処理により析出する炭窒化物がＭＣ型ではなく、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ主体の炭窒化物となり、時効処理による析出強化の効果が不十分となり、強度が低下する。また、マトリックス中のＣｒ量の減少により、耐食性が低下する。Ｎを０．０２５質量％以上添加することにより、時効処理による析出物がＶ主体のＭＣ型炭窒化物となり、耐食性を低下させることなく、析出強化の効果を十分に得ることができる。一方、Ｎの添加量が０．２５質量％を超えると、凝固の際に、巨大な共晶炭窒化物が晶出し、靱性が劣化する。よって、本発明においては、Ｎの含有量は、０．０２５乃至０．２５質量％と規定する。
【００２６】
Ｃ及びＮ：総量で０．３乃至０．６質量％
上記のように、本発明においては、Ｃ及びＮは、ＭＣ型炭窒化物の生成に寄与する成分であるが、これらの含有量を総量で０．３乃至０．６質量％とすることにより、ＭＣ型炭窒化物を、両成分により、最適の割合で生成させることができる。即ち、Ｃ及びＮの含有量が総量で０．３質量％未満であると、ＭＣ型炭窒化物の生成量が少なくなり、時効処理における析出強化の効果が不十分となる。一方、Ｃ及びＮの含有量が総量で０．６質量％を超えると、生成する炭窒化物が粗大化して靱性が劣化する。
【００２７】
［Ｎ］／Ｘ：０．４乃至３．０（但し、Ｘ＝［Ｃｒ］／１００−０．１０）
本発明の非磁性ステンレス鋼は、Ｃ及びＮを添加した高Ｃｒの析出強化型ステンレス鋼であり、適量を超えてＣｒを多量に添加した場合においては、時効処理の際に、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ炭窒化物を生成し、またＮを適量を超えて多量に添加した場合においては、巨大な共晶炭窒化物が晶出する。これにより、時効処理時にＶを主体とするＭＣ型炭窒化物の生成が阻害され、時効処理による析出強化の効果を十分に得られなくなる場合がある。よって、上記のように、Ｃ及びＮの含有量を総量で規定するのに加えて、Ｃｒ及びＮの両者を最適な量で組み合わせて添加する。即ち、本発明においては、Ｃｒ量に応じて、Ｎを最適な量で添加することにより、時効処理により、析出強化の効果を十分に得ることができる。上記比［Ｎ］／Ｘが０．４未満であると、Ｃｒ量に対してＮの含有量が少なくなり、Ｎの添加によるＭＣ型炭窒化物の優先的な生成の効果が得にくくなって強度が低下する。一方、比［Ｎ］／Ｘが３．０を超えると、Ｃｒ量に対して、Ｎの含有量が多くなり、凝固の際に、巨大な共晶炭窒化物が晶出し、靱性が劣化するようになる。
【００２８】
本発明におけるＮ及びＣｒの最適な添加量の関係について、図１を参照して説明する。図１は、本発明におけるＮ及びＣｒの適正添加範囲を示す図であり、実線で囲まれた部分が本発明の範囲を示す。なお、図１における白丸のプロットは、後述する実施例において、本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．１０のＮ及びＣｒの含有量を示し、引張強度、延性、耐食性及び非磁性が良好であった実施例を示す。黒丸のプロットは、本発明の範囲を満足しない比較例Ｎｏ．３９，Ｎｏ．４２，Ｎｏ．４５乃至Ｎｏ．４８，Ｎｏ．５３及びＮｏ．５４のＮ及びＣｒの含有量を示し、引張強度、延性、耐食性及び非磁性の１以上の項目が劣化した比較例を示す。図１において、各プロットに付した番号は、実施例又は比較例の番号を示す。図１に示すように、本発明においては、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下であり、比［Ｎ］／Ｘの値が０．４乃至３．０であれば、引張強度、延性、耐食性及び非磁性のいずれも優れた非磁性ステンレス鋼が得られる。
【００２９】
Ｖ：１．０乃至２．５質量％
Ｖは、時効処理の際に、Ｃ及びＮと結びついてＭＣ型炭窒化物を生成し、析出強化により非磁性ステンレス鋼の強度を高める効果がある。Ｖの含有量が１．０質量％未満であると、析出強化の効果が十分に得られず、Ｖの含有量が２．５質量％を超えると、析出する炭窒化物が粗大化し、靱性が劣化する。よって、Ｖは、１．０乃至２．５質量％添加する。
【００３０】
［Ｖ］／Ｙ：０．８乃至１．５（但し、Ｙ＝４．２５×［Ｃ］＋３．６４×［Ｎ］）
本発明においては、高Ｃｒのステンレス鋼において、時効処理時にＭＣ型炭窒化物を他の炭窒化物よりも優先的に生成させるために、適量のＣ及びＮを添加し、Ｖと結合させている。よって、Ｖの含有量を規定するだけではなく、Ｖの含有量をＣ及びＮの夫々の含有量に対する比で規定することにより、ＭＣ型炭窒化物の生成量を最適にすることができる。即ち、上記比［Ｖ］／Ｙが０．８未満であると、生成するＭＣ型炭窒化物の量が十分でなく、時効処理による析出強化の効果を十分に得られなくなる。一方、［Ｖ］／Ｙが１．５を超えると、Ｃ及びＮの含有量に対してＶの含有量が過剰となり、靭性が劣化し、冷間加工性が低下する。
【００３１】
Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％
Ｍｎは、オーステナイトを生成する成分として添加し、冷間加工時のマルテンサイトの生成を抑制する。Ｍｎは、非磁性ステンレス鋼の強度を高めるために重要であり、固溶化処理時に炭窒化物の固溶を促進し、時効処理時に炭窒化物の析出量を増加させて、非磁性ステンレス鋼の強度を高める効果がある。また、Ｍｎはステンレス鋼の非磁性に寄与する。これらの効果を得るため、本発明においては、Ｍｎを４．５０質量％以上添加する。工業的には、量産型の弧光式電気炉を使用して非磁性ステンレス鋼を製造する際に、製造の容易さからＭｎの添加量は９．５０質量％以下とするのが一般的である。
【００３２】
Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％
Ｎｉは、オーステナイト形成元素として重要であり、ステンレス鋼の基本元素である。即ち、Ｎｉを添加することにより、非磁性ステンレス鋼の冷間加工性及び耐食性が向上すると共に、冷間加工時のマルテンサイトの生成が抑制される。しかし、Ｎｉは高価であるため、その添加量の上限値を１０．０質量％とする。
【００３３】
Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％
Ｓｉは、脱酸剤として溶鋼に添加する。即ち、Ｓｉの添加量が０．０１質量％未満であると、溶鋼を十分に脱酸できず、Ｓｉの添加量が１．００質量％を超えると、非磁性ステンレス鋼の冷間加工性及び耐食性が劣化する。
【００３４】
Ａｌ：０．００１乃至０．０５０質量％
Ａｌは、Ｓｉと同様に、脱酸剤として溶鋼に添加する。即ち、Ａｌの添加量が０．０００１質量％未満であると、溶鋼を十分に脱酸できず、Ａｌの添加量が０．０５０質量％を超えると、酸化物系介在物が増加し、非磁性ステンレス鋼の靱性及び疲労特性が劣化する。
【００３５】
Ｃｕ：０．０５乃至４．００質量％
Ｃｕは、非磁性ステンレス鋼の延性を高め、冷間加工性を向上させる成分として、Ｎｉの代わりに適量添加することができる。但し、４．００質量％を超える多量のＣｕを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化しやすくなるため、Ｃｕは、０．０５乃至４．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３６】
Ｍｏ：０．０５乃至２．００質量％
Ｍｏは、耐食性を高める成分として添加することができるが、２．００質量％を超える多量のＭｏを添加すると、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｍｏは、０．０５乃至２．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３７】
Ｗ：０．０５乃至２．００質量％
Ｗは、Ｍｏと同様に、耐食性を高める成分として、０．０５乃至２．００質量％の範囲で添加することができる。多量に添加すると、Ｍｏと同様に、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｗは、０．０５乃至２．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３８】
Ｎｂ：０．０１乃至１．００質量％
Ｎｂは、炭窒化物を生成して、結晶粒を微細化し、強度を高める成分として添加することができるが、１．００質量％を超える多量のＮｂを添加すると、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｎｂは、０．０１乃至１．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３９】
Ｔｉ：０．０１乃至１．００質量％
Ｔｉは、Ｎｂと同様に、炭窒化物を生成して、結晶粒を微細化し、強度を高める成分として添加することができる。しかし、多量に添加すると、Ｎｂと同様に、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｔｉは、０．０１乃至１．００質量％の範囲で添加することができる。
【００４０】
Ｂ：０．０００５乃至０．０２００質量％
Ｂは、熱間加工性を高めるために０．０００５乃至０．０２００質量％の範囲で添加することができる。０．０２００質量％を超える多量のＢを添加すると、熱間加工性が低下する。
【００４１】
Ｍｇ：０．０００５乃至０．０２００質量％
Ｍｇは、Ｂと同様に、熱間加工性を高めるために添加することができる。多量のＭｇを添加すると、Ｂと同様に、熱間加工性が低下する。
【００４２】
Ｐ：０．０２乃至０．２０質量％
Ｐは、非磁性ステンレス鋼の被削性を向上させるために０．０２乃至０．２０質量％の範囲で添加することができる。０．２０質量％を超える多量のＰを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化する。
【００４３】
Ｓ：０．００５乃至０．３００質量％
Ｓは、Ｐと同様に、非磁性ステンレス鋼の被削性を向上させるために０．００５乃至０．３００質量％の範囲で添加することができる。０．３００質量％を超える多量のＳを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化する。
【００４４】
Ｓｅ：０．００５乃至０．２００質量％
Ｓｅは、Ｐ及びＳと同様に、非磁性ステンレス鋼の被削性を向上させるために０．００５乃至０．２００質量％の範囲で添加することができる。０．２００質量％を超える多量のＳｅを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化する。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、種々の組成を有する共試材を作製した。この供試材の組成を表１−１乃至表２−２に示す。なお、表１−１乃至表１−３に示す供試材Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．３４は、その組成が本発明の範囲を満足する実施例であり、表２−１及び表２−２に示す供試材Ｎｏ．３５乃至Ｎｏ．５６は、その組成が本発明の範囲を満足しない比較例である。なお、表１−２及び表１−３において、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｐ、Ｓ及びＴｅの含有量の空欄は、その含有量が不純物レベルであることを意味する。即ち、量産炉においては、例えばＣ、Ｍｏ及びＷ等が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｍｏ：０．０５質量％以下及びＷ：０．０５質量％以下程度の不可避的不純物レベルで混入することがある。各供試材について、その組成から算出されるＭｄ３０値を表３−１及び表３−２に示す。なお、Ｍｄ３０値とは、固溶化熱処理後の準安定オーステナイト相が冷間加工によりマルテンサイト相に変態する加工誘起マルテンサイト変態のしやすさを示すパラメータであり、単層のオーステナイト相に対して０．３の引張歪みを与えたときに、組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度として、下記数式５のように定義されている。即ち、Ｍｄ値が小さいほど、例えば−１００以下であれば、オーステナイト組織が安定的であり、透磁率が高いマルテンサイトに変態しにくくなり、非磁性を維持することができる。
【００４６】
【数５】
【００４７】
表１−１乃至表２−２に示す実施例及び比較例の各供試材について、各溶鋼を所定の鋳型に流し込んでインゴットに成形した後、熱間鍛造（鍛造加熱温度：１１５０℃）により直径が４４ｍｍの棒鋼に鍛造し、その後、棒鋼を熱間圧延により断面形状が２４ｍｍ角（２４ｍｍ×２４ｍｍ）の棒状の部材に成形して硬さ試験用の試験片に供した。その後、試験片に、電気マッフル炉により、処理温度１１５０℃で１時間保持する固溶化処理を施し、固溶化処理後の試験片のロックウェル硬さ（ＨＲＢ硬さ）を測定した。各試験片の固溶化処理後のＨＲＢ硬さを表３−１及び表３−２に示す。
【００４８】
その後、固溶化処理後の素材を各評価試験用の試験片に粗加工し、時効処理温度を６５０℃、７００℃として８時間時効処理を施した後、各評価試験用の試験片に仕上げ加工して評価試験に供した。即ち、６５０℃、７００℃の時効処理後のＨＲＣ硬さを、ロックウェル硬度計で測定した。この測定結果を表３−１及び表３−２に示す。
【００４９】
また、７００℃の時効処理温度で時効処理を施した各実施例及び比較例の試験片については、以下の条件により、延性、耐食性及び非磁性を評価した。即ち、各供試材をＪＩＳ Ｚ２２０１に規定された１４Ａ号試験片に加工し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定された引張試験方法により、引張強さ及び絞り（延性）を測定した。そして、各時効処理温度において、９００ＭＰａ以上（ＨＲＣ：２８．０以上）の引張強度が得られた場合に、引張強度が良好と判定した。また、絞りが４０％以上であった場合に、延性が極めて良好（◎）、絞りが３０％以上４０％未満であった場合に、延性が良好（○）、絞りが３０％未満であった場合に、延性が不良（×）と評価した。耐食性については、ＪＩＳ Ｚ２３７１に規定された塩水噴霧試験方法により、直径２０ｍｍ、長さ１５ｍｍに加工した試験片に対して５％ＮａＣｌを３５℃の温度条件で８時間噴霧し、試験片の断面に生成された島状の錆の個数をレイティングナンバ法により目視で評価した。即ち、円形断面のエッジから生じたものを除き、試験片の円形断面内に生成した錆を、ＪＩＳ Ｈ８５０２に規定されたレイティングナンバ標準図表と照合し、各試験片の断面における錆の発生状態を点数評価した。そして、レイティングナンバが８点以上（試験片の断面における面積腐食率が０．２５％以下）であったものを耐食性が極めて良好（◎）、レイティングナンバが６点以上８点未満（面積腐食率が０．２５％を超え１．００％以下）であったものを耐食性が良好（○）と評価した。非磁性については、表面スケールの影響を受けないように、各試験片の横断面における透磁率を透磁率計で計測した。そして、透磁率が１．０２以下であり、且つＭｄ３０値が−１００以下であったものを非磁性が良好（○）と評価した。
【００５０】
【表１−１】
【００５１】
【表１−２】
【００５２】
【表１−３】
【００５３】
【表２−１】
【００５４】
【表２−２】
【００５５】
【表３−１】
【００５６】
【表３−２】
【００５７】
表３−１に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．３４の非磁性ステンレス鋼は、各組成が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない組成を有する比較例Ｎｏ．３５乃至５６に比して、耐食性が高く、非磁性及び延性が向上した。この実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．３４のうち、実施例Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２及びＮｏ．３１は、Ｃｕを適量含有するため、非磁性ステンレス鋼の延性が向上した。また、実施例Ｎｏ．１３乃至Ｎｏ．１６及びＮｏ．３２は、Ｍｏ又はＷを適量含有することにより、非磁性ステンレス鋼の耐食性が向上した。実施例Ｎｏ．１７乃至Ｎｏ．２０及びＮｏ．３３は、Ｎｂ又はＴｉを適量含有することにより、非磁性ステンレス鋼の引張強度が向上した。
【００５８】
比較例Ｎｏ．３５は、Ｃｒ及びＮの含有量が本発明の範囲未満であったため、耐食性が低下し、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲を超えたため、延性が低下した。この比較例Ｎｏ．３５は、Ｃｒ量が少なかったものの、他の元素により−１００以下のＭｄ３０値が得られ、非磁性は良好であった。また、比較例Ｎｏ．３５は、Ｎの含有量が本発明の範囲未満であったものの、Ｃ及びＶの含有量が多く、引張強度の低下も見られなかった。比較例Ｎｏ．３６は、Ｎの含有量が少なく、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下した。この比較例Ｎｏ．３６は、Ｎの含有量が本発明の範囲未満であったものの、Ｃｒ及びＳｉの含有量が多く、耐食性の低下は見られなかった。
【００５９】
比較例Ｎｏ．３７、Ｎｏ．３８及びＮｏ．４０は、Ｎの含有量が少なく、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下し、Ｃｒ及びＮの不足により、耐食性が劣化した。このうち、比較例Ｎｏ．３８及びＮｏ．４０は、Ｃｒ量不足により、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性が劣化した一方、比較例Ｎｏ．３７は、Ｃｒ量は少なかったものの、他の元素により、−１００以下のＭｄ３０値が得られ、非磁性は良好であった。また、比較例Ｎｏ．４０は、Ａｌの含有量が本発明の範囲を超えたため、延性が低下した。比較例Ｎｏ．３９及びＮｏ．４１は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲未満であったため、耐食性が劣化し、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性も劣化した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．４２は、Ｎの含有量が少なく、Ｎ及びＣの総量も本発明の範囲未満であり、比［Ｎ］／Ｘの値も本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下し、また、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性も劣化した。比較例Ｎｏ．４３は、Ｃの含有量が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下した。一方、比較例Ｎｏ．４４は、Ｃの含有量が多かったため、延性が低下した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．４５は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲未満であったため、耐食性が劣化し、Ｎの含有量が多く、Ｃ及びＮの総量及び比［Ｎ］／Ｘの値も本発明の範囲を超えたため、延性が低下した。この比較例Ｎｏ．４５も、Ｃｒ量は少なかったものの、他の元素により、−１００以下のＭｄ３０値が得られ、非磁性は良好であった。比較例Ｎｏ．４６は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲を超えたため、引張強度が低下した。比較例Ｎｏ．４７は、Ｎの含有量が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下し、耐食性も劣化した。また、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性が劣化した。比較例Ｎｏ．４８は、Ｎ量が過多となり、延性が低下した。
【００６２】
比較例Ｎｏ．４９は、Ｖ量が少なく、引張強度が低下した一方、比較例Ｎｏ．５０は、Ｖ量が過多となり、延性が低下した。比較例Ｎｏ．５１及びＮｏ．５２は、非磁性ステンレス鋼の各成分の夫々の含有量は本発明の範囲を満足するものの、比較例Ｎｏ．５１は、Ｃ及びＮの総量が少なく、引張強度が低下した一方、比較例Ｎｏ．５２は、Ｃ及びＮの総量が過多となり、延性が低下した。
【００６３】
比較例Ｎｏ．５３は、非磁性ステンレス鋼の各成分の夫々の含有量は本発明の範囲を満足するものの、Ｎ及びＣｒの含有量により定義される比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲未満であったため、非磁性ステンレス鋼の引張強度が低下した。一方、比較例Ｎｏ．５４は、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲を超えていたため、非磁性ステンレス鋼の延性が低下した。
【００６４】
比較例Ｎｏ．５５は、非磁性ステンレス鋼の各成分の夫々の含有量は本発明の範囲を満足するものの、Ｃ、Ｎ及びＶの含有量により定義される比［Ｖ］／Ｙの値が本発明の範囲未満であったため、非磁性ステンレス鋼の引張強度が低下した。比較例Ｎｏ．５６は、比［Ｖ］／Ｙの値が本発明の範囲の範囲を超えたため、非磁性ステンレス鋼の延性が低下した。
【技術分野】
【０００１】
本発明は強磁場の環境下で使用される非磁性ステンレス鋼に関し、特に、優れた耐食性及び強度を有する析出強化型高強度非磁性ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、電動機で駆動される例えば新幹線等の鉄道車輌に代わる輸送手段として、磁気により浮上させた車輌に、地上又は車輌側に設けたリニアモータにより磁界を切り替えて推進力を与え、これにより走行させる方式の磁気浮上式車輌（リニアモータカー）が注目を集めている。このような超伝導磁石等の構造物の材料としては、例えばオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１においては、極低温下におけるオーステナイト系ステンレス鋼の強度及び靱性を高めるための組成及び制御圧延方法が開示されており、添加するＣの量を０．０３質量％以下に減らすと共に、Ｎ：０．１０乃至０．４０質量％及びＮｂ：０．０２乃至０．２５質量％添加することにより、鋼の再結晶温度が高まって制御圧延が容易になり、粗圧延後に微細な結晶組織を得やすくなることが開示されている。
【０００３】
一方、磁気浮上式車輌が走行する際には、外部から作用する磁気力が磁気抵抗として作用するため、例えば敷設されるガイドウェイを支持する橋梁等の構造物には、従来の鉄橋梁及び鉄筋コンクリートを使用することができず、非磁性の材料を使用することが必要となる。同様の理由により、地上電磁コイルをガイドウェイに固定するためのボルト等の部材にも、非磁性の材料を使用することが求められている。そして、これらの構造物及びボルト等の部材に使用される非磁性ステンレス鋼の開発が近時ますます進められている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、高強度非磁性高Ｍｎ鋼において、フェライト組織を形成することにより透磁率を高めるＣｒの添加量を１５％以下に減らすことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−９７６４９号公報
【特許文献２】特開平２−１０４６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１のオーステナイト系ステンレス鋼は、制御圧延及び制御冷却による加工硬化により強度を高めているため、大径材又は大型部品の場合に、ステンレス鋼の内部まで均一且つ十分に加工硬化を施すことが難しく、強度向上には限界がある。また、特許文献１の技術においては、製造可能なステンレス鋼の形状及び寸法が制限され、複雑な形状のステンレス鋼部品を製造しにくいという問題点がある。
【０００７】
また、特許文献２に開示された高強度非磁性高Ｍｎ鋼は、十分な耐食性を確保することができず、橋梁等の耐食性が望まれる用途には適していない。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、強磁場の環境下においても耐食性が高く、高荷重・高負荷に耐えられる高い強度を有する非磁性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】
本発明に係る非磁性ステンレス鋼は、Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｖ：１．０乃至２．５質量％、Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％、Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％及びＡｌ：０．００１乃至０．０５０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であって、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％であり、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式１で表される数値Ｘに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式２で表される数値Ｙに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５であることを特徴とする。
【００１０】
【数１】
【００１１】
【数２】
【００１２】
この非磁性ステンレス鋼は、更に、Ｃｕ：０．０５乃至４．００質量％、Ｍｏ：０．０５乃至２．００質量％、Ｗ：０．０５乃至２．００質量％、Ｎｂ：０．０１乃至１．００質量％、Ｔｉ：０．０１乃至１．００質量％、Ｂ：０．０００５乃至０．０２００質量％及びＭｇ：０．０００５乃至０．０２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することが好ましい。
【００１３】
また、非磁性ステンレス鋼は、更に、Ｐ：０．０２乃至０．２０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．３００質量％及びＳｅ：０．００５乃至０．２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の非磁性ステンレス鋼は、Ｃ、Ｎ、Ｖ及びＣｒの含有量が最適化されている。これにより、時効処理によりＭＣ型炭窒化物が優先的に析出し、耐食性の確保のためにＣｒを多量に含有する非磁性ステンレス鋼において、硬度及び強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明におけるＮ及びＣｒの適正添加範囲を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る非磁性ステンレス鋼について、具体的に説明する。本実施形態の非磁性ステンレス鋼は、Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｖ：１．０乃至２．５質量％、Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％、Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％及びＡｌ：０．００１乃至０．０５０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であり、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％である。また、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式３で表される数値Ｘに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式４で表される数値Ｙに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５である。
【００１７】
【数３】
【００１８】
【数４】
【００１９】
非磁性ステンレス鋼において、強磁場の環境下においても高い耐食性を付与するためには、Ｃｒを従来に比して多量に含有させればよい。しかしながら、Ｃｒを多量に含有させることは、鋼内にフェライト組織が形成されることにより、透磁率が高くなってしまい、また、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ炭窒化物が形成されることにより、ステンレス鋼を時効処理する際に、析出強化による十分な硬化量を得られなくなってしまう。本願発明者は、この問題点を解決するために、種々実験検討を行った。そして、高Ｃｒのステンレス鋼において、非磁性を維持するためには、非磁性に寄与するＭｎ及びＣを適量添加すればよいことを見出した。また、この非磁性ステンレス鋼において、高荷重・高負荷に耐えられる高い強度を得るためには、Ｃ及びＮをＣｒ及びＶに対して適量添加すればよいことを見出し、本発明の構成を見出した。
【００２０】
即ち、本発明においては、Ｃｒの添加により高い耐食性を維持しつつ、Ｍｎ及びＣの添加によりステンレス鋼の透磁率が高くなることを抑制し、Ｎの添加により、Ｃ及びＮがＶと優先的に結合してＭＣ型炭窒化物を形成するようになり、ＭＣ型炭窒化物の析出により、非磁性ステンレス鋼の強度が向上する。
【００２１】
即ち、本発明においては、所定の組成を有する鋳塊に、圧延加工及び矯正加工を施し、その後、固溶化熱処理を施した後、固溶化処理後の素材を例えばボルト等の用途に合わせて、所定の寸法に切断する。そして、冷間加工又は切削加工により、拡径、顎加工、六角ボルト頭等の形状を加工した後、時効処理を施す。この時効処理の際に、本発明においては、Ｃ及びＮがＶと優先的に結合したＭＣ型炭窒化物が析出する。このように、本発明においては、熱処理による析出硬化のみにより、耐食性の確保のためにＣｒを多量に含有する非磁性ステンレス鋼において、硬度及び強度を高めることができる。よって、制御圧延及び制御冷却等による加工硬化により強度を高める場合に比して、ステンレス鋼の内部まで十分に高い強度が得られ、また、寸法及び形状による制約がほとんどないため、非磁性ステンレス鋼を適用できる製品に大きな自由度が得られる。特に、大径の顎付きボルト及び複雑な形状の部品等において、十分な強度を表面から鋼内部まで均一に得るためには、本発明のように、熱処理による析出強化が最適である。
【００２２】
以下、本実施形態の非磁性ステンレス鋼における数値限定理由について説明する。
【００２３】
Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％
Ｃは、Ｖと結びついて、ＭＣ型炭窒化物を生成し、時効処理における析出強化に寄与する。即ち、ＣとＶとの間に生成される炭窒化物は、ステンレス鋼の硬度及び強度を高める作用がある。また、Ｃは、オーステナイトフォーマーとして非磁性に寄与する。Ｃの含有量が０．２０質量％未満であると、時効処理による十分な析出強化の効果が得られず、０．５５質量％を超えると、生成する炭窒化物が粗大化して靱性が劣化する。よって、本発明においては、Ｃの含有量は、０．２０乃至０．５５質量％と規定する。
【００２４】
Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下
Ｃｒは、非磁性ステンレス鋼において、高い耐食性、耐酸化性及び非磁性を確保するために添加する。また、Ｃｒは、冷間加工時に、マルテンサイトの生成を抑制する効果がある。Ｃｒの含有量が１５．０質量％以下であると、これらの効果が十分に得られず、Ｃｒの含有量が２０．０質量％を超えると、時効処理の際に、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ炭窒化物を生成して、Ｖを主体とするＭＣ型炭窒化物の生成を阻害し、時効処理による析出強化の効果を十分に得られなくなる。よって、本発明においては、Ｃｒの含有量は、１５．０質量％を超え、２０．０質量％以下と規定する。
【００２５】
Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％
Ｎは、Ｃと同様にＶと結びついて、ＭＣ型炭窒化物を生成し、時効処理による析出強化に寄与する。Ｃｒの含有量が多いステンレス鋼において、時効処理時に、ＭＣ型炭窒化物を他の炭窒化物よりも優先的に生成させるために添加する。Ｎの含有量が０．０２５質量％未満であると、時効処理により析出する炭窒化物がＭＣ型ではなく、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ主体の炭窒化物となり、時効処理による析出強化の効果が不十分となり、強度が低下する。また、マトリックス中のＣｒ量の減少により、耐食性が低下する。Ｎを０．０２５質量％以上添加することにより、時効処理による析出物がＶ主体のＭＣ型炭窒化物となり、耐食性を低下させることなく、析出強化の効果を十分に得ることができる。一方、Ｎの添加量が０．２５質量％を超えると、凝固の際に、巨大な共晶炭窒化物が晶出し、靱性が劣化する。よって、本発明においては、Ｎの含有量は、０．０２５乃至０．２５質量％と規定する。
【００２６】
Ｃ及びＮ：総量で０．３乃至０．６質量％
上記のように、本発明においては、Ｃ及びＮは、ＭＣ型炭窒化物の生成に寄与する成分であるが、これらの含有量を総量で０．３乃至０．６質量％とすることにより、ＭＣ型炭窒化物を、両成分により、最適の割合で生成させることができる。即ち、Ｃ及びＮの含有量が総量で０．３質量％未満であると、ＭＣ型炭窒化物の生成量が少なくなり、時効処理における析出強化の効果が不十分となる。一方、Ｃ及びＮの含有量が総量で０．６質量％を超えると、生成する炭窒化物が粗大化して靱性が劣化する。
【００２７】
［Ｎ］／Ｘ：０．４乃至３．０（但し、Ｘ＝［Ｃｒ］／１００−０．１０）
本発明の非磁性ステンレス鋼は、Ｃ及びＮを添加した高Ｃｒの析出強化型ステンレス鋼であり、適量を超えてＣｒを多量に添加した場合においては、時効処理の際に、Ｍ２３Ｃ６型のＣｒ炭窒化物を生成し、またＮを適量を超えて多量に添加した場合においては、巨大な共晶炭窒化物が晶出する。これにより、時効処理時にＶを主体とするＭＣ型炭窒化物の生成が阻害され、時効処理による析出強化の効果を十分に得られなくなる場合がある。よって、上記のように、Ｃ及びＮの含有量を総量で規定するのに加えて、Ｃｒ及びＮの両者を最適な量で組み合わせて添加する。即ち、本発明においては、Ｃｒ量に応じて、Ｎを最適な量で添加することにより、時効処理により、析出強化の効果を十分に得ることができる。上記比［Ｎ］／Ｘが０．４未満であると、Ｃｒ量に対してＮの含有量が少なくなり、Ｎの添加によるＭＣ型炭窒化物の優先的な生成の効果が得にくくなって強度が低下する。一方、比［Ｎ］／Ｘが３．０を超えると、Ｃｒ量に対して、Ｎの含有量が多くなり、凝固の際に、巨大な共晶炭窒化物が晶出し、靱性が劣化するようになる。
【００２８】
本発明におけるＮ及びＣｒの最適な添加量の関係について、図１を参照して説明する。図１は、本発明におけるＮ及びＣｒの適正添加範囲を示す図であり、実線で囲まれた部分が本発明の範囲を示す。なお、図１における白丸のプロットは、後述する実施例において、本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．１０のＮ及びＣｒの含有量を示し、引張強度、延性、耐食性及び非磁性が良好であった実施例を示す。黒丸のプロットは、本発明の範囲を満足しない比較例Ｎｏ．３９，Ｎｏ．４２，Ｎｏ．４５乃至Ｎｏ．４８，Ｎｏ．５３及びＮｏ．５４のＮ及びＣｒの含有量を示し、引張強度、延性、耐食性及び非磁性の１以上の項目が劣化した比較例を示す。図１において、各プロットに付した番号は、実施例又は比較例の番号を示す。図１に示すように、本発明においては、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下であり、比［Ｎ］／Ｘの値が０．４乃至３．０であれば、引張強度、延性、耐食性及び非磁性のいずれも優れた非磁性ステンレス鋼が得られる。
【００２９】
Ｖ：１．０乃至２．５質量％
Ｖは、時効処理の際に、Ｃ及びＮと結びついてＭＣ型炭窒化物を生成し、析出強化により非磁性ステンレス鋼の強度を高める効果がある。Ｖの含有量が１．０質量％未満であると、析出強化の効果が十分に得られず、Ｖの含有量が２．５質量％を超えると、析出する炭窒化物が粗大化し、靱性が劣化する。よって、Ｖは、１．０乃至２．５質量％添加する。
【００３０】
［Ｖ］／Ｙ：０．８乃至１．５（但し、Ｙ＝４．２５×［Ｃ］＋３．６４×［Ｎ］）
本発明においては、高Ｃｒのステンレス鋼において、時効処理時にＭＣ型炭窒化物を他の炭窒化物よりも優先的に生成させるために、適量のＣ及びＮを添加し、Ｖと結合させている。よって、Ｖの含有量を規定するだけではなく、Ｖの含有量をＣ及びＮの夫々の含有量に対する比で規定することにより、ＭＣ型炭窒化物の生成量を最適にすることができる。即ち、上記比［Ｖ］／Ｙが０．８未満であると、生成するＭＣ型炭窒化物の量が十分でなく、時効処理による析出強化の効果を十分に得られなくなる。一方、［Ｖ］／Ｙが１．５を超えると、Ｃ及びＮの含有量に対してＶの含有量が過剰となり、靭性が劣化し、冷間加工性が低下する。
【００３１】
Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％
Ｍｎは、オーステナイトを生成する成分として添加し、冷間加工時のマルテンサイトの生成を抑制する。Ｍｎは、非磁性ステンレス鋼の強度を高めるために重要であり、固溶化処理時に炭窒化物の固溶を促進し、時効処理時に炭窒化物の析出量を増加させて、非磁性ステンレス鋼の強度を高める効果がある。また、Ｍｎはステンレス鋼の非磁性に寄与する。これらの効果を得るため、本発明においては、Ｍｎを４．５０質量％以上添加する。工業的には、量産型の弧光式電気炉を使用して非磁性ステンレス鋼を製造する際に、製造の容易さからＭｎの添加量は９．５０質量％以下とするのが一般的である。
【００３２】
Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％
Ｎｉは、オーステナイト形成元素として重要であり、ステンレス鋼の基本元素である。即ち、Ｎｉを添加することにより、非磁性ステンレス鋼の冷間加工性及び耐食性が向上すると共に、冷間加工時のマルテンサイトの生成が抑制される。しかし、Ｎｉは高価であるため、その添加量の上限値を１０．０質量％とする。
【００３３】
Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％
Ｓｉは、脱酸剤として溶鋼に添加する。即ち、Ｓｉの添加量が０．０１質量％未満であると、溶鋼を十分に脱酸できず、Ｓｉの添加量が１．００質量％を超えると、非磁性ステンレス鋼の冷間加工性及び耐食性が劣化する。
【００３４】
Ａｌ：０．００１乃至０．０５０質量％
Ａｌは、Ｓｉと同様に、脱酸剤として溶鋼に添加する。即ち、Ａｌの添加量が０．０００１質量％未満であると、溶鋼を十分に脱酸できず、Ａｌの添加量が０．０５０質量％を超えると、酸化物系介在物が増加し、非磁性ステンレス鋼の靱性及び疲労特性が劣化する。
【００３５】
Ｃｕ：０．０５乃至４．００質量％
Ｃｕは、非磁性ステンレス鋼の延性を高め、冷間加工性を向上させる成分として、Ｎｉの代わりに適量添加することができる。但し、４．００質量％を超える多量のＣｕを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化しやすくなるため、Ｃｕは、０．０５乃至４．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３６】
Ｍｏ：０．０５乃至２．００質量％
Ｍｏは、耐食性を高める成分として添加することができるが、２．００質量％を超える多量のＭｏを添加すると、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｍｏは、０．０５乃至２．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３７】
Ｗ：０．０５乃至２．００質量％
Ｗは、Ｍｏと同様に、耐食性を高める成分として、０．０５乃至２．００質量％の範囲で添加することができる。多量に添加すると、Ｍｏと同様に、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｗは、０．０５乃至２．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３８】
Ｎｂ：０．０１乃至１．００質量％
Ｎｂは、炭窒化物を生成して、結晶粒を微細化し、強度を高める成分として添加することができるが、１．００質量％を超える多量のＮｂを添加すると、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｎｂは、０．０１乃至１．００質量％の範囲で添加することができる。
【００３９】
Ｔｉ：０．０１乃至１．００質量％
Ｔｉは、Ｎｂと同様に、炭窒化物を生成して、結晶粒を微細化し、強度を高める成分として添加することができる。しかし、多量に添加すると、Ｎｂと同様に、粗大な炭化物を生成するようになり、靱性が低下しやすくなるため、Ｔｉは、０．０１乃至１．００質量％の範囲で添加することができる。
【００４０】
Ｂ：０．０００５乃至０．０２００質量％
Ｂは、熱間加工性を高めるために０．０００５乃至０．０２００質量％の範囲で添加することができる。０．０２００質量％を超える多量のＢを添加すると、熱間加工性が低下する。
【００４１】
Ｍｇ：０．０００５乃至０．０２００質量％
Ｍｇは、Ｂと同様に、熱間加工性を高めるために添加することができる。多量のＭｇを添加すると、Ｂと同様に、熱間加工性が低下する。
【００４２】
Ｐ：０．０２乃至０．２０質量％
Ｐは、非磁性ステンレス鋼の被削性を向上させるために０．０２乃至０．２０質量％の範囲で添加することができる。０．２０質量％を超える多量のＰを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化する。
【００４３】
Ｓ：０．００５乃至０．３００質量％
Ｓは、Ｐと同様に、非磁性ステンレス鋼の被削性を向上させるために０．００５乃至０．３００質量％の範囲で添加することができる。０．３００質量％を超える多量のＳを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化する。
【００４４】
Ｓｅ：０．００５乃至０．２００質量％
Ｓｅは、Ｐ及びＳと同様に、非磁性ステンレス鋼の被削性を向上させるために０．００５乃至０．２００質量％の範囲で添加することができる。０．２００質量％を超える多量のＳｅを添加すると、非磁性ステンレス鋼が脆化する。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、種々の組成を有する共試材を作製した。この供試材の組成を表１−１乃至表２−２に示す。なお、表１−１乃至表１−３に示す供試材Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．３４は、その組成が本発明の範囲を満足する実施例であり、表２−１及び表２−２に示す供試材Ｎｏ．３５乃至Ｎｏ．５６は、その組成が本発明の範囲を満足しない比較例である。なお、表１−２及び表１−３において、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｐ、Ｓ及びＴｅの含有量の空欄は、その含有量が不純物レベルであることを意味する。即ち、量産炉においては、例えばＣ、Ｍｏ及びＷ等が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｍｏ：０．０５質量％以下及びＷ：０．０５質量％以下程度の不可避的不純物レベルで混入することがある。各供試材について、その組成から算出されるＭｄ３０値を表３−１及び表３−２に示す。なお、Ｍｄ３０値とは、固溶化熱処理後の準安定オーステナイト相が冷間加工によりマルテンサイト相に変態する加工誘起マルテンサイト変態のしやすさを示すパラメータであり、単層のオーステナイト相に対して０．３の引張歪みを与えたときに、組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度として、下記数式５のように定義されている。即ち、Ｍｄ値が小さいほど、例えば−１００以下であれば、オーステナイト組織が安定的であり、透磁率が高いマルテンサイトに変態しにくくなり、非磁性を維持することができる。
【００４６】
【数５】
【００４７】
表１−１乃至表２−２に示す実施例及び比較例の各供試材について、各溶鋼を所定の鋳型に流し込んでインゴットに成形した後、熱間鍛造（鍛造加熱温度：１１５０℃）により直径が４４ｍｍの棒鋼に鍛造し、その後、棒鋼を熱間圧延により断面形状が２４ｍｍ角（２４ｍｍ×２４ｍｍ）の棒状の部材に成形して硬さ試験用の試験片に供した。その後、試験片に、電気マッフル炉により、処理温度１１５０℃で１時間保持する固溶化処理を施し、固溶化処理後の試験片のロックウェル硬さ（ＨＲＢ硬さ）を測定した。各試験片の固溶化処理後のＨＲＢ硬さを表３−１及び表３−２に示す。
【００４８】
その後、固溶化処理後の素材を各評価試験用の試験片に粗加工し、時効処理温度を６５０℃、７００℃として８時間時効処理を施した後、各評価試験用の試験片に仕上げ加工して評価試験に供した。即ち、６５０℃、７００℃の時効処理後のＨＲＣ硬さを、ロックウェル硬度計で測定した。この測定結果を表３−１及び表３−２に示す。
【００４９】
また、７００℃の時効処理温度で時効処理を施した各実施例及び比較例の試験片については、以下の条件により、延性、耐食性及び非磁性を評価した。即ち、各供試材をＪＩＳ Ｚ２２０１に規定された１４Ａ号試験片に加工し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定された引張試験方法により、引張強さ及び絞り（延性）を測定した。そして、各時効処理温度において、９００ＭＰａ以上（ＨＲＣ：２８．０以上）の引張強度が得られた場合に、引張強度が良好と判定した。また、絞りが４０％以上であった場合に、延性が極めて良好（◎）、絞りが３０％以上４０％未満であった場合に、延性が良好（○）、絞りが３０％未満であった場合に、延性が不良（×）と評価した。耐食性については、ＪＩＳ Ｚ２３７１に規定された塩水噴霧試験方法により、直径２０ｍｍ、長さ１５ｍｍに加工した試験片に対して５％ＮａＣｌを３５℃の温度条件で８時間噴霧し、試験片の断面に生成された島状の錆の個数をレイティングナンバ法により目視で評価した。即ち、円形断面のエッジから生じたものを除き、試験片の円形断面内に生成した錆を、ＪＩＳ Ｈ８５０２に規定されたレイティングナンバ標準図表と照合し、各試験片の断面における錆の発生状態を点数評価した。そして、レイティングナンバが８点以上（試験片の断面における面積腐食率が０．２５％以下）であったものを耐食性が極めて良好（◎）、レイティングナンバが６点以上８点未満（面積腐食率が０．２５％を超え１．００％以下）であったものを耐食性が良好（○）と評価した。非磁性については、表面スケールの影響を受けないように、各試験片の横断面における透磁率を透磁率計で計測した。そして、透磁率が１．０２以下であり、且つＭｄ３０値が−１００以下であったものを非磁性が良好（○）と評価した。
【００５０】
【表１−１】
【００５１】
【表１−２】
【００５２】
【表１−３】
【００５３】
【表２−１】
【００５４】
【表２−２】
【００５５】
【表３−１】
【００５６】
【表３−２】
【００５７】
表３−１に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．３４の非磁性ステンレス鋼は、各組成が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない組成を有する比較例Ｎｏ．３５乃至５６に比して、耐食性が高く、非磁性及び延性が向上した。この実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．３４のうち、実施例Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２及びＮｏ．３１は、Ｃｕを適量含有するため、非磁性ステンレス鋼の延性が向上した。また、実施例Ｎｏ．１３乃至Ｎｏ．１６及びＮｏ．３２は、Ｍｏ又はＷを適量含有することにより、非磁性ステンレス鋼の耐食性が向上した。実施例Ｎｏ．１７乃至Ｎｏ．２０及びＮｏ．３３は、Ｎｂ又はＴｉを適量含有することにより、非磁性ステンレス鋼の引張強度が向上した。
【００５８】
比較例Ｎｏ．３５は、Ｃｒ及びＮの含有量が本発明の範囲未満であったため、耐食性が低下し、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲を超えたため、延性が低下した。この比較例Ｎｏ．３５は、Ｃｒ量が少なかったものの、他の元素により−１００以下のＭｄ３０値が得られ、非磁性は良好であった。また、比較例Ｎｏ．３５は、Ｎの含有量が本発明の範囲未満であったものの、Ｃ及びＶの含有量が多く、引張強度の低下も見られなかった。比較例Ｎｏ．３６は、Ｎの含有量が少なく、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下した。この比較例Ｎｏ．３６は、Ｎの含有量が本発明の範囲未満であったものの、Ｃｒ及びＳｉの含有量が多く、耐食性の低下は見られなかった。
【００５９】
比較例Ｎｏ．３７、Ｎｏ．３８及びＮｏ．４０は、Ｎの含有量が少なく、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下し、Ｃｒ及びＮの不足により、耐食性が劣化した。このうち、比較例Ｎｏ．３８及びＮｏ．４０は、Ｃｒ量不足により、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性が劣化した一方、比較例Ｎｏ．３７は、Ｃｒ量は少なかったものの、他の元素により、−１００以下のＭｄ３０値が得られ、非磁性は良好であった。また、比較例Ｎｏ．４０は、Ａｌの含有量が本発明の範囲を超えたため、延性が低下した。比較例Ｎｏ．３９及びＮｏ．４１は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲未満であったため、耐食性が劣化し、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性も劣化した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．４２は、Ｎの含有量が少なく、Ｎ及びＣの総量も本発明の範囲未満であり、比［Ｎ］／Ｘの値も本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下し、また、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性も劣化した。比較例Ｎｏ．４３は、Ｃの含有量が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下した。一方、比較例Ｎｏ．４４は、Ｃの含有量が多かったため、延性が低下した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．４５は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲未満であったため、耐食性が劣化し、Ｎの含有量が多く、Ｃ及びＮの総量及び比［Ｎ］／Ｘの値も本発明の範囲を超えたため、延性が低下した。この比較例Ｎｏ．４５も、Ｃｒ量は少なかったものの、他の元素により、−１００以下のＭｄ３０値が得られ、非磁性は良好であった。比較例Ｎｏ．４６は、Ｃｒの含有量が本発明の範囲を超えたため、引張強度が低下した。比較例Ｎｏ．４７は、Ｎの含有量が本発明の範囲未満であったため、引張強度が低下し、耐食性も劣化した。また、Ｍｄ３０値が大きくなって非磁性が劣化した。比較例Ｎｏ．４８は、Ｎ量が過多となり、延性が低下した。
【００６２】
比較例Ｎｏ．４９は、Ｖ量が少なく、引張強度が低下した一方、比較例Ｎｏ．５０は、Ｖ量が過多となり、延性が低下した。比較例Ｎｏ．５１及びＮｏ．５２は、非磁性ステンレス鋼の各成分の夫々の含有量は本発明の範囲を満足するものの、比較例Ｎｏ．５１は、Ｃ及びＮの総量が少なく、引張強度が低下した一方、比較例Ｎｏ．５２は、Ｃ及びＮの総量が過多となり、延性が低下した。
【００６３】
比較例Ｎｏ．５３は、非磁性ステンレス鋼の各成分の夫々の含有量は本発明の範囲を満足するものの、Ｎ及びＣｒの含有量により定義される比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲未満であったため、非磁性ステンレス鋼の引張強度が低下した。一方、比較例Ｎｏ．５４は、比［Ｎ］／Ｘの値が本発明の範囲を超えていたため、非磁性ステンレス鋼の延性が低下した。
【００６４】
比較例Ｎｏ．５５は、非磁性ステンレス鋼の各成分の夫々の含有量は本発明の範囲を満足するものの、Ｃ、Ｎ及びＶの含有量により定義される比［Ｖ］／Ｙの値が本発明の範囲未満であったため、非磁性ステンレス鋼の引張強度が低下した。比較例Ｎｏ．５６は、比［Ｖ］／Ｙの値が本発明の範囲の範囲を超えたため、非磁性ステンレス鋼の延性が低下した。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｖ：１．０乃至２．５質量％、Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％、Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％及びＡｌ：０．００１乃至０．０５０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であって、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％であり、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式で表される数値Ｘに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式で表される数値Ｙに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５であることを特徴とする非磁性ステンレス鋼。
【請求項２】
更に、Ｃｕ：０．０５乃至４．００質量％、Ｍｏ：０．０５乃至２．００質量％、Ｗ：０．０５乃至２．００質量％、Ｎｂ：０．０１乃至１．００質量％、Ｔｉ：０．０１乃至１．００質量％、Ｂ：０．０００５乃至０．０２００質量％及びＭｇ：０．０００５乃至０．０２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することを特徴とする請求項１に記載の非磁性ステンレス鋼。
【請求項３】
更に、Ｐ：０．０２乃至０．２０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．３００質量％及びＳｅ：０．００５乃至０．２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の非磁性ステンレス鋼。
【請求項１】
Ｃ：０．２０乃至０．５５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％を超え２０．０質量％以下、Ｎ：０．０２５乃至０．２５質量％、Ｖ：１．０乃至２．５質量％、Ｍｎ：４．５０乃至９．５０質量％、Ｎｉ：３．０乃至１０．０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至１．００質量％及びＡｌ：０．００１乃至０．０５０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる非磁性ステンレス鋼であって、Ｃ及びＮの含有量は、総量で０．３乃至０．６質量％であり、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ及びＶの含有量を夫々［Ｃｒ］、［Ｎ］、［Ｃ］及び［Ｖ］としたときに、Ｎの含有量［Ｎ］は、下記数式で表される数値Ｘに対する比［Ｎ］／Ｘが０．４乃至３．０であり、Ｖの含有量［Ｖ］は、下記数式で表される数値Ｙに対する比［Ｖ］／Ｙが０．７乃至１．５であることを特徴とする非磁性ステンレス鋼。
【請求項２】
更に、Ｃｕ：０．０５乃至４．００質量％、Ｍｏ：０．０５乃至２．００質量％、Ｗ：０．０５乃至２．００質量％、Ｎｂ：０．０１乃至１．００質量％、Ｔｉ：０．０１乃至１．００質量％、Ｂ：０．０００５乃至０．０２００質量％及びＭｇ：０．０００５乃至０．０２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することを特徴とする請求項１に記載の非磁性ステンレス鋼。
【請求項３】
更に、Ｐ：０．０２乃至０．２０質量％、Ｓ：０．００５乃至０．３００質量％及びＳｅ：０．００５乃至０．２００質量％からなる群から選択された成分を１種又は２種以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の非磁性ステンレス鋼。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−２１９３６７（Ｐ２０１２−２１９３６７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８９６６６（Ｐ２０１１−８９６６６）
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（０００２３１１６５）日本高周波鋼業株式会社 (12)
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（０００２３１１６５）日本高周波鋼業株式会社 (12)
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