JP4830239B2

JP4830239B2 - 打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP4830239B2
Application number: JP2001263692A
Authority: JP
Inventors: 節雄柿原; 利広笠茂; 芳宏尾崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003073743A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二輪車のディスクブレーキ材などの車輌部材や機械部材などの用途に好適な、マルテンサイト系ステンレス鋼に関し、特に、打ち抜き加工におけるダレ発生の少ないマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二輪車のディスクブレーキ材は、ブレーキとしての性能を長期間維持するために耐摩耗性が必要とされ、高硬度であることが望ましい。しかし、一般に、鋼材の耐摩耗性は、高硬度になるほど良好になる一方、靱性は逆に低下し、機械的な衝撃が加わった際、破損しやすくなるという一面もある。これらの点を考慮して、車両や機械の部材には、耐摩耗性と靱性の両方の要求を満たす、ロックウェル硬さＨＲＣで30〜40の鋼板が使用されている。
従来、このような用途に使用されるステンレス鋼としては、Ｃ：0.2mass％の SUS 420J1 およびＣ：0.3mass％の SUS 420J2 等の高Ｃマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板か、特公昭60−2380号に開示されたような低Ｃ高Mnマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板が用いられてきた。
【０００３】
上記熱延鋼板には、一般に、熱間圧延後に焼鈍したものが用いられるが、必要に応じて、ショットブラストや酸洗されたものを用いることもある。また、ディスクブレーキ等の部材は、上記熱延鋼板を打ち抜き加工し、所定の形状に加工した後、焼入れと必要に応じて焼戻し処理が施されて、硬さを調整し、製造される。
【０００４】
しかし、上記 SUS 420J1 や SUS 420J2 等の、高Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼では、焼入れ温度が変動したときの硬度の変化が大きいため、焼入れのみで所定の硬度を得るには、極めて精度の高い温度管理が必要であった。また、その後の焼戻しにより、焼入れ条件を緩和できたとしても、焼戻しによって析出するCr炭窒化物の周囲には、低Cr濃度の領域が生じ、耐食性が低下するという問題があった。
【０００５】
一方、低Ｃ高Mnマルテンサイト系ステンレス鋼では、焼入れ温度の変化による硬度の変動が少ないため、高Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼のような厳しい熱処理条件の管理は不要となる。
しかし、低Ｃ高Mnマルテンサイト系ステンレス鋼のように、焼入れ前に比較的軟質の鋼は、打ち抜き加工において、剪断面近傍に、自由表面部分が塑性変形により引きずり込まれてできる「ダレ」（図１参照）が発生し易く、加工精度を低下させるという問題がある。打ち抜き部の縁辺部にダレが発生すると、外形の維持や他部材と摺動したときのビビリ防止の必要性等から、ダレ除去のための切削・研摩工程を余分に行わなければならず、工数の増大と歩止ロスを招くという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この問題を解決するため、従来から、Nb等の合金元素を添加し、固溶・析出強化を図る方法や軽圧延による加工効果を利用する方法が検討されてきた。しかし、前者の方法では、添加された成分により焼き入れ感受性が大きくなり、却って硬度管理が難しくなるほか、合金コストの上昇を招くという問題がある。また、後者の方法では、圧延工程を追加することによる、表面疵の発生や、コストアップという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、打ち抜き加工性に優れた、特にダレの小さいマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、低Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼におけるダレの低減について鋭意検討を行った。その結果、熱延後の焼鈍において、鋼板の硬度を適正な範囲に制御することにより、ダレの発生を抑制し、良好な打ち抜き加工が可能であることを見出し、本発明を想到した。
【０００９】
すなわち、本発明は、Ｃ＋Ｎ：０．０４〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．０〜３．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１０．０〜１４．５ｍａｓｓ％を含有し、かつ、Ｎｉ：０．０７〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％およびＮｂ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を、熱延後、７０５〜７３５℃の温度で焼鈍することにより、ＨＲＢ：８５〜１００の鋼とすることを特徴とする打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法である。
【００１０】
なお、本発明においては、上記鋼中には必要によりさらに、下記のＡ〜Ｄ群から選ばれる１種または２種以上の成分を添加することが好ましい。
記
Ａ群；Ｗ：１．０ｍａｓｓ％以下
Ｂ群；Ｍｏ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％
Ｃ群；Ｂ：０．０００２〜０．０１０ｍａｓｓ％
Ｄ群；ＶおよびＨｆから選ばれる１種または２種を、単独または合計で０．０１〜０．５ｍａｓｓ％
Ｅ群；Ｃａ：０．０００２〜０．０５０ｍａｓｓ％
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の契機となった実験について説明する。
（実験１）
図２は、Ｃ：0.06mass％、Mn：1.56mass％、Cr：12.3mass％、Ｎ：0.014mass％をベースとした鋼を溶製し、5.5mmに熱間圧延した熱延鋼板を、打ち抜き時に発生するダレを該熱延鋼板の硬さとの関係において調査した結果をグラフに示したものである。実験では、クリアランス（ダイ−ポンチ間距離／板厚×100(％))を３段階に変えて行った。また、ダレの評価は、図１に示したダレＸの値と、ダレＺの値を求め、それらの値を、下式により改善率を求めることで行った。
[(HRB80におけるダレ−測定されたダレ)／(HRB80におけるダレ)]×100(％)
図２から、クリアランスが適正（5〜10％)であれが、ＨＲＢ：85以上とすることにより、50％以上のダレの改善率が得られる、すなわちダレの大きさを1/2以下にできること、また、この改善効果は、ＨＲＢ：100でほぼ飽和しており、それ以上では、逆に打ち抜き金型が磨耗しやすくなり寿命が短くなる。
この結果から、打ち抜き時のダレを改善するためには、ＨＲＢ：85〜100の範囲に制御する必要があることが判った。
【００１２】
（実験２）
Ｃ：0.06mass％、Mn：1.56mass％、Cr：12.3mass％、Ｎ：0.014mass％を含有する鋼をベースとし、さらにその鋼にNb，Cu，Ｃを添加した鋼を溶製し、熱間圧延を行い、5.5mmの熱延鋼板とした。これらの鋼板について、温度を500〜1000℃の範囲で変化させて焼鈍を行い、鋼板の硬度の変化を測定した。図３に、その結果を示したが、この図から、各鋼板とも焼鈍温度が高くなるとともに硬度は低下していること、また、調査した全ての鋼板を、適正硬度であるＨＲＢ：85〜100の範囲に収めることが可能な焼鈍温度は550〜750℃であることが判った。
本発明は、上記の実験の結果に基づき完成したものである。
【００１３】
以下、本発明に係るステンレス鋼の成分組成を限定した理由について説明する。
(Ｃ＋Ｎ)：0.04〜0.15mass％
ＣおよびＮは、いずれも硬度を高め、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素である。しかし、(Ｃ＋Ｎ)が、0.04mass％より低いと、焼入れ後の硬さが低くなり、ディスクブレーキには適さない。また、(Ｃ＋Ｎ)が、0.15mass％より高くなると、Crとの化合物が多くなり、耐食性を劣化させる。このため、(Ｃ＋Ｎ)量は、0.04〜0.15mass％の範囲とする。
【００１４】
Si：1.0mass％以下
Siは、高温においてフェライトを生成させる元素であり、高温耐食性を改善するが、1.0mass％を超えると焼入れ硬度を低下させるのみならず、靱性にも悪影響を与えるので、その上限を1.0mass％とする。
【００１５】
Mn：1.0〜3.0mass％
Mnは、高温におけるδ−フェライトの生成を抑制するのに有効な元素である。しかし、1.0mass％未満の含有量ではδ−フェライトを生成し、所望の焼入れ硬度が得られなくなる。また、この不足分を、高(Ｃ＋Ｎ)の成分系で達成しようとすると、（Ｃ＋Ｎ）の範囲や焼入れ温度範囲が極端に狭くなり、温度管理も難しくなるので、その下限を1.0mass％とする。一方、Mn量が3.0mass％を超えると、高温での耐酸化性が低下し、鋼板の製造工程におけるスケール生成量が多くなり、板面に肌荒を生じて鋼板の寸法精度を著しく低下させるので、その上限を3.0mass％に限定する。
【００１６】
Ni：1.0mass％以下、Cu：1.0mass％以下
NiおよびCuは、いずれもMnと同様に、高温においてδフェライトの生成を防止するのに有効である。本発明においては、Mn：1.0〜3.0mass％の添加によってその目的を達せられるので、必要に応じて添加することができる。なお、Niは、焼入れ硬度を高くする効果はあるが、過度に添加すると硬度のばらつきを大きくし、コストアップにもなる。また、Cuは、熱間圧延において表面疵を発生し歩留を低下させるので、Niの添加を必要とする。これらのことから、Ni：1.0mass％以下、Cu：1.0mass％以下の範囲で含有させるのが好ましい。
【００１７】
Cr：10.0〜14.5mass％
Crは、耐食性を保持するために、10.0mass％以上の含有量が不可欠である。しかし、14.5mass％を超えると、Mn、NiおよびCuのそれぞれ上限量を添加しても、焼入れのための加熱温度でδ−フェライトが出現するようになり、十分な焼入れ硬度が得られなくなる。よってCr含有量は10.0〜14.5mass％の範囲とする。
【００１８】
Nb：1.0mass％以下
Nは、単独で1.0mass％以下含有することにより、鋼板の結晶粒を微細化し、かつ再結晶後の粒成長を抑制する効果を有する。この結果、結晶粒の細粒化が達成されて、焼き入れ前における打ち抜き加工でのダレが改善され、同時に焼入れ後の靱性も維持される。このような効果が得られる機構は、必ずしも明らかではないが、以下のように考えている。
(1)結晶粒内の転位が結晶粒界に集積し易くなり、塑性変形に対する抵抗力が大きくなる。そのため、打ち抜き加工の際の塑性変形領域が、剪断面近傍に限定されてダレが小さくなる。
(2)粒界は、応力集中が大きく亀裂の伝播経路になるが、細粒化により粒界面積が増大し、単位粒界面積当りの応力集中が緩和され靱性が維持される。
こうしたNbの効果を得るためには、好ましくは0.01mass％以上添加することが好ましい。しかし、過剰に添加しても、その効果は飽和するので、コストを考慮して上限を1.0mass％とする。
【００１９】
本発明では、上記の成分のほか、必要に応じて、以下の成分を添加することができる。
Al：0.10mass％以下
Alは、脱酸に有効な元素であるため、必要に応じて含有してもよい。ただし、過剰に添加しても、その効果は飽和するので、コストを考慮して上限を0.10mass％とするのが好ましい。
【００２０】
Co：1.0mass％以下，Ｗ：1.0mass％以下
Co，Ｗは、他元素の拡散・移動を抑制し、耐酸化性を高める元素である。耐酸化性が改善される詳細な機構については必ずしも明確ではないが、高温酸化において形成され耐酸化性を担っているスピネル酸化物層（FeＯ・Cr₂Ｏ₃)外部へのCr元素の離脱を抑制することによるものと思われる。このような効果を発揮するためには、それぞれ0.01mass％以上の添加が好ましい。しかし、過度に添加すると逆に地金内部から酸化物層へのCrの供給を抑止する作用が大きくなりすぎてスピネル酸化物層が減衰してしまうので、上限をいずれも1.0mass％とするのが好ましい。
【００２１】
Mo：0.01〜1.0mass％
Moは、ステンレス鋼の耐食性を付加的に高める元素であるので、必要に応じて、添加される。耐食性向上の効果を発揮させるには、0.01mass％以上の添加が好ましい。また、過度に添加すると、焼入れ後の硬度のばらつきを大きくし、コスト上昇の要因ともなるので、1.0mass％以下が好ましい。
【００２２】
Ｂ：0.0002〜0.010mass％
Ｂは、粒界偏析により粒界強度を強化し、ステンレス鋼の加工性を付加的に高めるため、必要に応じて添加される元素である。加工性向上の効果を発揮させるためには、0.0002mass％以上の添加が必要である。しかし、過度に添加すると、Crとの共晶を形成し、熱間加工性に悪影響を及ぼすので、上限は0.010mass％とするのが好ましい。
【００２３】
Ｖ，Ti，Zr，TaおよびHf：単独または合計で0.001〜0.50mass％
Ｖ，Ti，Zr，TaおよびHfは、鋼板の結晶粒を微細化し、かつ再結晶後の粒成長を抑制し、Nbと同様の効果を得ることができる。そこで必要に応じて、これらの元素を、単独または合計で0.001〜0.50mass％の範囲で添加することができる。
【００２４】
Ca：0.0002〜0.050mass％、Mg：0.0002〜0.050mass％
Ca，Mgは、非金属介在物の形態と分布を制御して、切削加工時の被削性を改善する。このような効果を発現させるには、いずれも0.0002mass％以上含有させることが好ましい。しかし、添加量が0.050mass％を超えると、Ca，Mgの硫化物、珪酸塩、酸化物を起点とした点錆は発生するため、0.050mass％を上限とするのが好ましい。なお、ＲＥＭも硫化物の形態制御による耐食性向上の目的で添加することも可能である。
【００２５】
その他、不可避的不純物として含有されるＰは、耐食性と加工性劣化を防止する観点から、0.035mass％以下に、また、Ｓは、耐食性劣化防止の点から、0.020mass％以下に抑制することが好ましい。また、Ｏは、靭性および耐食性に対して有害であるので、0.010mass％以下とすることが好ましい。
なお、残部は実質的にFeよりなる。
【００２６】
次に、本発明方法の適用によって得られるステンレス鋼板の特性について説明する。
打ち抜き性は、上述した図２から明らかなように、素材の硬さＨＲＢ：85以上で大きく改善される。しかし、硬さがＨＲＢ：100を超えると、素材の伸びが低くなり過ぎ、打ち抜き金型の磨耗速度が大きくなるという欠点がある。よって、本発明方法の適用によって得られる鋼については、硬さＨＲＢが85〜100のものにする。なお、打ち抜き加工の際の、ポンチとダイスのクリアランスは、小さくした方が本発明の効果を発現させる上では好ましい。
【００２７】
次に、上記ステンレス鋼板の製造条件について説明する。
本発明に係る製造方法では、上述した成分範囲に調整した溶鋼を、転炉または電気炉等にて溶製したのち、真空脱ガス法（ＲＨ法）、ＶＯＤ法、ＡＯＤ法等の公知の精錬方法で精錬し、ついで連続鋳造法あるいは造塊法でスラブ等に鋳造して、鋼素材とするのが好ましい。
【００２８】
続いて鋼素材は、1000〜1300℃の温度に加熱後、仕上げ圧延温度を900〜1100℃の範囲に制御して熱間圧延し、700〜900℃の温度範囲で巻き取り、板厚：2.0〜10.0mmの熱延鋼板とするのが好ましい。
【００２９】
熱延に引き続いて行われる本発明方法において特有の焼鈍工程は、本発明の鋼板の硬さを決定する最も重要な工程であり、箱焼鈍で行うのが好ましく、以下の条件で行うのがよい。
・昇温速度：20〜50℃／minの範囲に制御するのが好ましい。昇温速度が速すぎると、均熱に入る際に、温度がオーバーシュートして高くなりすぎ、硬度不良を引き起こす。しかし、遅すぎると、生産性を落とし、エネルギーロスが大きいからである。
・均熱温度：均熱温度は550〜750℃とする。焼鈍温度が低すぎると、焼鈍不足になり、均一な組織が得られず、目標の硬さより硬くなり、逆に、高すぎると軟化し過ぎるからである。
・均熱(焼鈍)時間：4〜12時間とするのが好ましい。均熱時間が短いと、焼鈍不足となり、均一な組織が得られず、またこれより長いと、結晶粒が粗大化して、靭性が劣化すると同時に所望の硬度が得られないからである。
・冷却速度：焼鈍温度〜500℃までの冷却速度は、5〜30℃／minとすることが好ましい。これより速くするには、大容量の冷却設備が必要となり、また、遅すぎると、Cr炭化物が多く析出し耐食性を劣化させるほか、生産性が低下する。
【００３０】
【実施例】
表１に示した成分の鋼を溶製し、連続鋳造法により、厚さ200mmのスラブとし、1150℃に加熱したのち、熱間圧延して、板厚5mmの熱延鋼板とした。この熱延鋼板を、表２に示した条件で焼鈍した。この鋼板から、ロックウェル硬度測定のための試験片と、焼き入れ前の打抜性（打ち抜き時のダレ）を調べるための試験片も採取した。なお、打抜性の試験は、熱延鋼板から外径150mmφ、内径50mmφのドーナツ状円板を打ち抜き、内径側の打ち抜き断面について、図１に示したダレ量Ｘ，Ｚを測定した。
試験の結果を表２に併記して示す。本発明に適合する成分を有する鋼は、本発明の温度で焼鈍することにより、打ち抜き加工に適正な硬度を安定して得ることができる。また、本発明鋼は、いずれもダレが少なく極めて良好な打抜性を有していることが判る。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱延後の鋼板の焼鈍温度を適正化することにより、打ち抜き加工に適した硬さをもつステンレス鋼板を安定して製造することが可能になる。この結果、打ち抜き加工におけるダレを小さくでき、その後の研削代を削減できるので、加工における製品歩留りの向上、生産性の向上、製品コストの低減などに大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】打ち抜き加工時に発生したダレを説明するための図である。
【図２】素材熱延鋼板の硬さと打ち抜きにより発生するダレの改善率との関係を示す図である。
【図３】焼鈍温度による鋼板の硬さの変化を示す図である。

Claims

Ｃ＋Ｎ：０．０４〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．０〜３．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１０．０〜１４．５ｍａｓｓ％を含有し、かつ、Ｎｉ：０．０７〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％およびＮｂ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を、熱延後、７０５〜７３５℃の温度で焼鈍することにより、ＨＲＢ：８５〜１００の鋼とすることを特徴とする打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法。
請求項１において、マルテンサイト系ステンレス鋼がさらに、Ｗ：１．０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法。
請求項１または２において、マルテンサイト系ステンレス鋼がさらに、Ｍｏ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％を含有することを特徴とする打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項において、マルテンサイト系ステンレス鋼がさらに、Ｂ：０．０００２〜０．０１０ｍａｓｓ％を含有することを特徴とする打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項において、マルテンサイト系ステンレス鋼がさらに、ＶおよびＨｆから選ばれる１種または２種を、単独または合計で０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法。
請求項１〜５のいずれか１項において、マルテンサイト系ステンレス鋼がさらに、Ｃａ：０．０００２〜０．０５０ｍａｓｓ％を含有することを特徴とする打ち抜き性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板の製造方法。