JP4120354B2 - 非磁性ステンレス鋼およびその部品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、非磁性ステンレス鋼と、その鋼を材料とする部品の製造方法に関する。本発明の鋼は、非磁性を必須の特性とし、あわせて耐食性と強度とが要求される鍛造品、鋼棒、極細線（線径１００μｍ以下）を含む鋼線を素材とした部品の製造に好適である。この材料は、とりわけ、石油井掘削用の非磁性ドリルカラー、それも直径が６０mm以上の大径品に適用したとき、意義を発揮する。
【０００２】
【従来の技術】
非磁性であって、高い強度と耐食性とを兼ね備えた鋼として、出願人は、下記の合金組成のステンレス鋼が適切であると考えて、すでに開示した（特開２０００−８７１８７）。その鋼は、重量％で、Ｃ：≦０．０６％、Ｓｉ：≦０．５０％、Ｍｎ：１３〜１６％、Ｐ: ≦０．０４０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｕ：０．３５〜１．００％、Ｎｉ：２．５０〜５．５０％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｍｏ＋Ｗ：０．５〜１．０％、Ｎ：０．３８〜０．６０％、Ｏ：≦０．０１００％およびsol-Ａｌ：０．０５％以下を含有し、残部が実質的にＦｅであり、ただし、８６（［％Ｎｉ］＋［％Ｃｕ］）≧１３［％Ｃｒ］＋１９［％Ｍｏ］＋９［％Ｗ］＋２［％Ｍｎ］の条件を満たす合金組成の鋼である。
【０００３】
この非磁性ステンレス鋼が達成した特性を実施例にみると、０．２％耐力に関しては、７７６〜９５５ＭＰａのレベルである。この強度レベルにおいて、さきの発明の鋼は、良好な耐食性（塩水噴霧試験の成績Ａ）を有し、非磁性（透磁率１．００３以下）であって、製造性もよい。
【０００４】
ところが、最近はドリルカラーに対し、０．２％耐力にして９６０ＭＰａ（１４０，０００psi相当）のレベルを超える、きわめて高い強度が要求されるようになった。とくに、「ＭＷＤカラー」と呼ばれる、測定機器を埋め込む部材の材料には、高強度が強く求められている。それに対して、上記の非磁性ステンレス鋼は、こたえることができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基本的な目的は、こうした非磁性ステンレス鋼がより高い強度をもつことが要求されているという技術の現状にかんがみて、０．２％耐力が９６０ＭＰａを超えるレベルにあり、しかも、さきに開示した鋼のもつ、良好な耐食性や製造性は維持した非磁性ステンレス鋼を提供することにある。
【０００６】
本発明の付随的な目的は、この非磁性ステンレス鋼を材料とする、高い強度をもった部品の製造方法を提供することにある。その主たる対象は、前述したとおり、石油井掘削用のドリルカラー部品である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の基本的な目的を達成する本発明の非磁性ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：１５．５〜１７％、Ｐ:０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｕ：０．３５〜２．００％、Ｎｉ：２．５０〜４．００％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｍｏ＋Ｗ：０．５〜１．５％、Ｎ：０．４８〜０．６５％、Ｏ：０．０１％以下、sol-Ａｌ：０．０５％以下およびＢ：０．００１〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、ただし、８６（［％Ｎｉ］＋［％Ｃｕ］）≧１３［％Ｃｒ］＋１９［％Ｍｏ］＋９［％Ｗ］＋２［％Ｍｎ］の条件を満たす合金組成を有し、０．２％耐力が９６０ＭＰａ以上の高強度を有することを特徴とする。
【０００８】
上記した付随的な目的を達成する本発明の非磁性ステンレス鋼部品の製造方法は、請求項1に規定した合金組成の鋼を、被加工材の表面温度が８５０℃以下である条件下に３０％以上の減面率の熱間加工を施すことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施形態】
前掲の特開２０００−８７１８７に開示した既知の鋼と、本発明の鋼との主要な差異は、本発明においては、１）既知の鋼より高いＮ含有量を採用したこと、および、２）Ｂの所定量の添加を必須としたこと、である。以下、この差異がもつ意義を、既知の鋼に関してすでに述べた事項とともに説明する。
【００１０】
既知の鋼を開発したときの技術思想は、在来の高マンガン非磁性ステンレス鋼の強度を、Ｎの増量により向上させることであった。鋼の耐食性を確保するためには、一定量のＣｒおよびＭｏ（またはＭｏ＋Ｗ）を添加することが必要であるから、既知の鋼においても、多量のＭｎに加えて、所定量のＣｒと、Ｍｏ＋Ｗを添加し、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏを多量に添加した高Ｎ鋼において生じやすくなる、凝固過程における窒素ブローを適量のＮｉおよびＣｕの添加により抑制したことにある。
【００１１】
本発明においては、従来達成されていなかった高強度を実現するために、既知の鋼で実施しなかった、いっそうの高Ｎ含有量を実現するとともに、比較的低い温度における高い加工率の加工がもたらす加工硬化を利用する。その場合に弱点として浮かび上がる、腐食曲げ特性の低下を、特定の、これも既知の鋼では採用しなかった多量のＢの添加で防止する、という技術思想が、新しい鋼の基礎をなす技術思想である。
【００１２】
以下、本発明の非磁性ステンレス鋼の合金組成を前記のように限定した理由を、既知の鋼のそれと関連させつつ説明する。
【００１３】
Ｃ：０．０６％以下
Ｃが鋼中に存在すると、Ｃｒを含む炭化物が析出し、耐食性など諸特性を劣化させるから、Ｃ含有量は低いほうがよい。とくにこの鋼は、高強度を得るため、炭化物が析出する温度域で加工することが避けられないので、Ｃ量を極力下げるべきである。さきの発明では０．０８％を上限としたが、本発明では０．０６％を上限とした。好ましくは、０．０４％以下である。
【００１４】
Ｓｉ：０．４０％以下
脱酸剤として有用であるが、必要以上に添加すると、Ｎの溶鋼への溶解度および凝固した鋼への固溶度を低めるほか、金属間化合物の析出を助長するから、多量に存在させることは好ましくない。さきの発明の上限０．５０％を、本発明では０．４０％に引き下げた。
【００１５】
Ｍｎ：１５．５〜１７％
非磁性を確保し、溶鋼中のＮ溶解度を確保するために、多量のＭｎを必要とする。さきの発明では１３〜１６％を選択したが、本発明では、より多量の１５．５〜１７％の領域を採用した。上限を超える多量の添加は、熱間加工性および耐食性を低下させるうえ、凝固時の窒素ブローを引き起こす。
【００１６】
Ｐ:０．０４０％以下
Ｐは粒界に偏析して鋼の特性を悪くする不純物であるから、その含有量は低ければ低いほど好ましい。製造コストとの兼ね合いもあって、０．０４０％を許容限界として設けた。
【００１７】
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓも、Ｐと同様に、熱間加工性および耐食性に悪影響を及ぼす不純物であるから、その量は低いことが望ましい。さきの発明の鋼では０．０３０％を許容限界としたが、本発明では、よりきびしい０．０１０％の限界を定めた。
【００１８】
Ｃｕ：０．３５〜２．００％、Ｎｉ：２．５０〜４．００％
ＣｕおよびＮｉは、さきの発明に関して述べたように、強度の向上に役立つＮを安定して添加するために添加する。すなわち、凝固時にＮの固溶度が大きいオーステナイト相の比率を高めることによって、窒素ブローを抑制する。ＣｕおよびＮｉそれ自体でも、耐食性の向上に寄与する。それぞれの添加量下限は、こうした効果が確実に得られる限界である。一方、過剰な添加は溶湯中のＮ溶解度を低くする上、コストを上昇させ、ＳＣＣ特性を下げるから、避けなければならない。上限は、この観点から定めた。さきの発明では、Ｃｕ：０．３５〜１．００％およびＮｉ：２．５０〜５．５０％の添加量範囲を定めたが、本発明では添加量範囲を変更し、Ｃｕを増量するとともにＮｉを減量した。
【００１９】
Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｍｏ＋Ｗ：０．５〜１．５％
前述のように、これらの成分は鋼の耐食性を確保するために必須である。ただし、凝固時の窒素ブローを助ける傾向があり、相安定性を低めるおそれもあるので、あまり多量な添加は好ましくない。さきの発明ではＣｒ：１７．０〜１９．０％、Ｍｏ＋Ｗ：０．５〜１．０％と規定したが、本発明では、コスト上昇を忍んで、ＣｒおよびＭｏ＋Ｗの両方に、より高い添加量範囲を選択した。
【００２０】
Ｎ：０．４８〜０．６５％
再三述べたように、Ｎは鋼の強度と耐食性を高め、かつ非磁性を確保するうえで、きわめて有効な元素として、本発明では積極的に利用する。窒素ブローを生じる危険があり、健全な製品の取得を確実にするという観点から、従来はあまり多量の添加を行なわなかった。さきの発明では、添加量範囲を０．３８〜０．６０％と規定したものの、実施例では０．４６％を上限としていた。本発明ではこの実際的な限界を打破して、０．４８〜０．６５％の多量を添加し、所期の高い強度を実現したわけである。
【００２１】
Ｏ：０．０１％以下
Ｏは鋼の清浄度を低くする成分であり、熱間加工性、耐食性、靭性などにとって有害な成分であるから、少ない方が好ましい。０．０１％は許容限度である。
【００２２】
sol-Ａｌ：０．０５％以下、好ましくは０．０１％以下
sol-Ａｌもまた鋼の清浄度を低くするし、熱間加工性、耐食性、靭性などを低くする。０．０５％の上限は、さきの発明と同じであるが、実施例の鋼は、もっと低い０．００１〜０．００２％のsol-Ａｌ含有量である。
【００２３】
Ｂ：０．００１〜０．０１０％、好ましくは０．００１５〜０．００４０％
本発明の鋼は、目的とする高い強度を得るために、比較的低温での強加工を行なって部品を製造することが推奨される。発明者らの経験により、さきに開示の鋼に対して低い温度で加工を施すと、腐食曲げ特性が低下することが判明した。本発明の新規な点は、Ｂの添加により、低温度強加工を行なっても、腐食曲げ特性を維持したままで高い強度が得られることにある。
【００２４】
Ｂの添加はまた、熱間加工性自体も向上させる。この効果は知られていたので、既知の鋼においても、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭなどとともに、熱間加工性向上元素として、選択的に添加することとしていた。しかし、さきの発明においてＢ：０．００１１％を添加した唯一の実施例（No.１２）では、Ｎ量が低い（０．４１％）ため、０．２％耐力は８９３ＭＰａに止まっていた。Ｂの過剰な添加は、局部溶融温度を低下させるほか、清浄度も低下させるから、０．０１０％の上限を設けた。好ましい範囲は、０．００１５〜０．００４０％である。
【００２５】
８６（［％Ｎｉ］＋［％Ｃｕ］）≧１３［％Ｃｒ］＋１９［％Ｍｏ］＋９［％Ｗ］＋２［％Ｍｎ］
すでに開示したように、この成分条件は、鋼が凝固するときに窒素ブローが生じることを抑制するために必要なものである。
【００２６】
表面温度が８５０℃以下で３０％以上の加工率の熱間加工
上に説明したように、加工開始温度を８５０℃以下という比較的低い温度で、３０％以上の加工率で加工するのは、加工硬化を利用して、意図する高強度を得るうえで好ましい。高温かつ低い加工率の加工では、強度の確保が困難であるから、この加工条件は、実際上は必須といってもよいものである。
【００２７】
【実施例】
ＡＯＤ炉において表１の合金組成の非磁性ステンレス鋼を溶解し、３．６トンインゴットを製造した。このインゴットを分塊し、１１００℃で熱間鍛造して、３００mm角のビレットとした。各ビレットを、表２に示す加工開始温度および加工率をもって、種々の直径の丸棒に加工後、衝風冷却した。比較例５は、さきの発明の実施例No.12である。
【００２８】
表２において、各欄における表示は、それぞれ下記の意味である。
Ｃｕ＋Ｎｉ：８６（[％Ｎｉ]＋[％Ｃｕ]）
Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｍｎ：１３[％Ｃｒ]＋１９[％Ｍｏ]＋９[％Ｗ]＋２[％Ｍｎ]
成分条件:「Ｃｕ＋Ｎｉ」≧「Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｍｎ」の条件が満たされている場合は○、そうでない場合は×
加工サイズ：加工によって得た丸棒の直径（mm）
加工条件：表面温度８５０℃以下、加工率３０％以上の条件が満たされている場合は○、そうでない場合は×
【００２９】
棒材の製造時の製造性を記録し、得られた鍛造品から試験片を採取して、下記の測定法で、耐食性、引張特性、腐食曲げ耐性および透磁率を測定した。その結果を、表３に示す。
製造性：鍛造時、救済不可能なほど大きい割れが生じたときは×、そうでないときは○
塩水噴霧試験（３５℃、５％ＮａＣｌ、９６時間）
Ａ：腐食なし Ｂ：僅かに腐食あり Ｃ：若干腐食あり Ｄ：ほぼ全面腐食
引張試験：ＪＩＳ４号試験片（φ１０mm）、ＪＩＳ Ｚ２２４１準拠
腐食曲げ試験：硫酸・硫酸銅腐食試験（ＪＩＳ Ｇ０５７５）
曲げ角度１８０度 ２０mm×７０mm×５mmｔ
透磁率：ＶＳＭ法 外部磁界２０００Ｏｅ
【００３０】

【００３１】
表２ 試験結果

【００３２】
表３ 試験結果

【００３３】
【発明の効果】
本発明によって、さきに開示した非磁性ステンレス鋼において得られた高い耐食性と製造性を維持したまま、その既知の鋼では達成できなかった、０．２％耐力が９６０ＭＰａを超える高い強度が実現した。これにより本発明は、ドリルカラーを代表とする非磁性ステンレス鋼の諸用途において、きびしい要求に応えることができる。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：１５．５〜１７％、Ｐ:０．０４０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｕ：０．３５〜２．００％、Ｎｉ：２．５０〜４．００％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｍｏ＋Ｗ：０．５〜１．５％、Ｎ：０．４８〜０．６５％、Ｏ：０．０１％以下、sol-Ａｌ：０．０５％以下およびＢ：０．００１〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、ただし、８６（［％Ｎｉ］＋［％Ｃｕ］）≧１３［％Ｃｒ］＋１９［％Ｍｏ］＋９［％Ｗ］＋２［％Ｍｎ］を満たす合金組成を有し、０．２％耐力が９６０ＭＰａ以上の高強度を有することを特徴とする非磁性ステンレス鋼。
2. 請求項１に規定した合金組成の鋼に対し、被加工材の表面温度が８５０℃以下である条件下に３０％以上の減面率の熱間加工を施すことを特徴とする非磁性ステンレス鋼部品の製造方法。
3. 請求項２の方法により製造した非磁性ドリルカラー。