奥氏体系不锈钢板及使用其的高弹性极限非磁性钢材的制造
方法
[0001] 本
发明是
申请号为201480010753.9、申请日为2014年2月27日、
发明名称为“
奥氏体系不锈钢板及使用其的高弹性极限非磁性钢材的制造方法”的中国
专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及适于利用磁性发挥功能的各种设备、装置所使用的零件用的、即使实施严酷的加工也能维持非磁性的奥氏体系不锈钢板、及原料中使用了该奥氏体系不锈钢板的韧性优异的高弹性极限非磁性不锈钢材的制造方法。
背景技术
[0003] 以SUS304为代表的奥氏体系不锈钢具有良好的耐
腐蚀性，在
退火状态下呈现非磁性的奥氏体组织，所以作为非磁性钢被用于各种设备、装置。
[0004] 但是，由于根据用途而要求强度，因此需要在实施冷加工而使其加工硬化的状态下使用。在SUS304的情况下，由于奥氏体相准稳定，所以冷加工中诱发
马氏体的生成使其带上磁性，不能作为非磁性钢使用。作为高强度用非磁性钢，有时还使用N含量高的SUS304N，但该钢冷加工后的非磁性维持也不充分。
[0005] 因此，高强度非磁性用途中一般使用奥氏体相更稳定的SUS316系的钢种。该钢种含有大量Mo。但是，虽然Mo对于
耐腐蚀性发挥优异的效果，但对于强度、非磁性的贡献度低。在重视高强度的用途时，即使是SUS316系钢种，有时也难以维持非磁性。
[0006] 近年来，因
电子学领域的快速发展，作为各种设备、装置使用的零件，呈现非磁性和高弹性极限的钢板原料的需求日益提高。这种钢板原料一般是对调质
轧制材料实施冲孔加工、弯曲加工成形为零件形状后，通过时效处理而谋求高强度化。因此，如果考虑大量生产中的生产性，则要求如下的材料：在调质轧制材料阶段软质且冲孔加工、弯曲加工的模具负担小，通过之后的时效处理可以硬质化、高强度化，并且可以赋予高的弹性极限。
[0007] 专利文献1中，作为仅利用了加工硬化的非磁性钢高强度钢，公开了一种非磁性不锈钢，其即使实施严酷的加工，也维持非磁性，且强度、耐腐蚀性优异。专利文献2中公开了一种
弹簧特性优异的非磁性不锈钢板。专利文献3中公开了一种沉淀硬化型的高强度非磁性不锈钢。
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1:日本特开昭61-261463号
公报[0011] 专利文献2:日本特公平6-4905号公报
[0012] 专利文献3:日本特开平5-98391号公报
发明内容
[0013] 发明要解决的课题
[0014] 但是，即使对专利文献1的钢板实施通常的调质轧制及时效处理，也不一定能得到足够满意的时效硬化特性。另外，专利文献2的钢板虽然在调质轧制后通过进行时效处理得到了优异的弹簧特性，但在该技术中，调质轧制中的硬质化大，另外，对于时效硬化特性也没有足够满意的
水平。专利文献3的钢板因调质轧制产生的硬质化过甚，所以加工性差，不适于实施冲孔加工、弯曲加工而制造的零件用。
[0015] 加工硬化型的不锈钢是将利用固溶处理调整为30μm左右的结晶粒径的奥氏体相通过
冷轧等的加工应变而高强度化的不锈钢。但是，一部分奥氏体相结晶旋转为特定方向而形成集合组织，到达稳定方位的结晶粒即使赋予这以上的
变形，也难以引起结晶旋转。因此，在奥氏体相的一部分残留加工应变的导入少的结晶粒。混杂许多加工应变的导入少的奥氏体结晶粒的集合组织中，在之后的时效处理中难以得到高的弹性极限应
力。
[0016] 在以往所公开的技术的
合金成分设计和利用高加工应变的导入及时效处理的高强度化方法中，不易将弹性极限
应力提高到作为弹簧(バネ)材料可以充分满意的水平。如果只是简单地使弹性极限应力上升，则可通过增大调质压延率来一定程度地进行应对。但是，调质压延率增大会导致硬质化，妨碍加工性。
[0017] 本发明是为了解决这种问题而提出的，其目的在于，提供一种即使实施严酷的加工也可以维持非磁性，且通过时效处理能够显著提高弹性极限应力的奥氏体系不锈钢板。另外，提供一种在原料中使用该奥氏体系不锈钢板而得到具有高强度、高弹性极限、高韧性的非磁性钢材的方法。
[0018] 用于解决课题的技术方案
[0019] 上述目的通过以下的奥氏体系不锈钢板而实现：一种奥氏体系不锈钢板，以
质量％计，含有C：0.12％以下，更优选0.02％～0.09％，Si：0.30％～3.00％，Mn：2.0％～9.0％，Ni：7.0％～15.0％，更优选7.0％～14.0％，Cr：11.0％～20.0％，更优选16.0％～
20.0％，N：0.30％以下，更优选0.02％～0.30％，另外，根据需要含有Mo：3.0％以下，V：
1.0％以下，Nb：1.0％以下，Ti：1.0％以下，B：0.010％以下的1种以上，余部由Fe及不可避免的杂质构成，且具有用下述(1)式或(3)式定义的Ni当量的值为19.0以上的成分组成，在将奥氏体平均结晶粒径设为d(μm)时，d－1/2(μm－1/2)为0.40以上，具有赋予等效应变0.50以上的冷加工后的导磁率μ为1.0100以下的性质。
[0020] Ni当量＝Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr－0.11Si2…(1)
[0021] Ni当量＝Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr－0.11Si2+0.6Mo+2.3(V+Nb+Ti)…(3)[0022] 在此，含有Mo、V、Nb、Ti、B一种以上的情况适用(3)式，除此以外适用(1)式。在这些式的元素符号的部位代入用质量％表示的该元素的含量的值。
[0023] 奥氏体平均结晶粒径d是将在与板厚方向垂直的截面(即将
板面抛光了的面，以下称为“ND面”)观察到的各个奥氏体结晶粒的当量圆直径进行平均后的值。
[0024] 上述本发明的钢板是特定了的赋予加工前的钢板、即加工用钢板。在此所说的加工是冷轧、
拉丝加工、弯曲加工等冷加工。在该加工后实施时效处理，成为高弹性钢材。时效处理不仅可以在连续加工线上进行，而且可以在加工成各种零件后，通过间歇处理来进行。
[0025] 等效应变(equivalent strain)表示在多轴应力状态下给予的应变相当于在单轴应力状态下多少的应变量。在将主应变设为ε1、ε2、ε3时，等效应变εe一般用下述(5)式来表示。
[0026] εe＝[(2/3)×(ε12+ε22+ε32)]1/2…(5)
[0027] 轧制加工时的等效应变可以用下述(6)式表示。
[0028] εe＝(2/31/2)×ln(h0/h1)…(6)
[0029] 在此，h0为轧制前的板厚(mm)，h1为轧制后的板厚(mm)。
[0030] 另外，在本发明中，作为高弹性极限非磁性不锈钢材的制造方法的一个方式，公开了一种制造方法，即，对上述不锈钢板实施压延率40％以上(例如40～80％)的冷轧后，在时效
温度300℃～600℃且满足下述(4)式的条件下实施时效处理。
[0031] 13000＜T(logt+20)＜16500…(4)
[0032] 其中，T为用绝对温度表示的时效温度(K)，t为时效时间(h)。
[0033] 在将时效处理前的钢板的轧制方向的弹性极限应力设为σ0.01[0](N/mm2)、将时效2
处理后的钢板的轧制方向的弹性极限应力设为σ0.01[1](N/mm)时，时效前后的弹性极限应力σ0.01的增加量Δσ0.01用下述(2)式来表示。
[0034] Δσ0.01＝σ0.01[1]－σ0.01[0]…(2)
[0035] 上述本发明的奥氏体系不锈钢板的情况，在按照上述时效条件时，Δσ0.01为150N/2
mm以上。弹性极限应力σ0.01是产生0.01％的永久应变时的应力，可以根据通过拉伸试验所测定的应力－应变曲线，利用补偿法(オフセット法)求出。
[0036] 发明效果
[0037] 根据本发明，能够提供一种作为各种设备、装置所使用的零件用，即使实施严酷的加工也能维持非磁性的奥氏体系不锈钢板。该钢板不必含有价格贵的Mo，比SUS316价格性能比更优异。另外，如果原料中使用本发明的钢板，通过时效处理就能够容易地形成具有高弹性极限的高强度钢材，该钢材的韧性也优异。
附图说明
[0038] 图1是关于将平均结晶粒径不同的退火材料分别以压延率40％进行冷轧而成的冷轧材料，例示通过电子背散射衍射法EBSD而得到的ND面的IPF及KAM图形的图。
[0039] 图2是表示Ni等量和导磁率的关系的曲线图。
[0040] 图3是表示d－1/2和Δσ0.01的关系的曲线图。
具体实施方式
[0041] 下面，在将奥氏体平均结晶粒径设为d(μm)时，将d－1/2(即d的2次平方根的倒数)的值称为“结晶粒径d－1/2”。本
发明人等发现，如果将结晶粒径d－1/2细粒化为0.40以上，则虽然奥氏体结晶粒因加工变形而向特定方向旋转形成集合组织，但被导入的应变均匀且细分化，由此，弹性极限应力提高。
[0042] 图1中，对于使用后述表1的A1钢，将结晶粒径d－1/2＝0.20(d＝25μm)的退火材料及结晶粒径d－1/2＝0.62(d＝2.6μm)的退火材料，分别在压延率40％、轧制温度70℃的条件下进行冷轧所得的材料，例示通过电子背散射衍射法EBSD(Electron Backscatter Diffraction)得到的ND面的IPF及KAM图形。KAM图形表示结晶粒内的局部的结晶方位变化，认为其与塑性变形量存在比例关系。即KAM图形的
颜色的浓淡表示应变量的大小。结晶粒径d－1/2＝0.62(d＝2.6μm)的材料与结晶粒径d－1/2＝0.20(d＝25μm)的材料相比，积累于结晶粒内的应变量大，另外，因颜色的浓淡差较小，所以可以说应变的偏差也少。具有这种应变均匀且细分化了的集合组织的钢板，通过时效处理可以显著增大弹性极限。
[0043] 本发明中，采用具备即使实施严酷的条件的加工，也不会诱发马氏体，并且在使用环境下维持非磁性的要件的钢种。作为用于确保这种要件的指标，本
申请人之前提出的专利文献1的Ni当量是有效的。
[0044] 即，为了适用于利用非磁性而发挥功能的各种设备、装置所使用的零件用途，优选1kOe(79.58kA/m)
磁场中的导磁率为1.0100以下。因此，需要使由下述(1)式或(3)式定义的Ni当量的值为19.0以上。在此，含有Mo、V、Nb、Ti、B的一种以上的钢的情况，适用(3)式，除此以外，适用(1)式。在这些式的元素符号的部位代入用质量％表示的该元素的含量的值。应用(3)式时在Mo、V、Nb、Ti、B中具有未添加的元素的情况下，在该元素符号的部位代入0。
[0045] Ni当量＝Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr－0.11Si2…(1)
[0046] Ni当量＝Ni+0.6Mn+9.69(C+N)+0.18Cr－0.11Si2+0.6Mo+2.3(V+Nb+Ti)…(3)[0047] 图2表示对于使用了后述表1的各奥氏体系不锈钢的80％冷轧材料，Ni当量给1kOe(79.58kA/m)的磁场中的导磁率带来的影响。可知在Ni当量的值为19.0以上的情况下，维持导磁率μ为1.0100以下(μ－1为0.0100以下)的非磁性。
[0048] 为了提高Ni当量值，有效的是Ni、Mn的增量，但如果这些元素的含量过多，则钢的加工硬化能力下降，所以Ni当量优选为19.0～21.0的范围。
[0049] 将具有上述规定的成分组成的钢经过通常的
热轧工序及冷轧工序形成冷轧钢板，对其退火，由此能够得到本发明的钢板。但是，重要的是该退火在结晶粒径d－1/2为0.40以上的条件下进行。为此，优选将退火温度设定在700℃以上1000℃以下的范围内，更优选设定在700℃以上860℃以下的范围内。考虑退火前的
冷压延率，采用结晶粒径d－1/2为0.40以上的退火条件。该退火条件可以根据制造生产线事先通过予备试验求出。更优选结晶粒径d－1/2为0.45以上，进一步优选为0.50以上。但是，奥氏体结晶粒必需由再结晶粒构成。
[0050] 这样，遵从如上述调整了奥氏体结晶粒径d－1/2的本发明的钢板，冲孔后实施弯曲加工等冷加工成型为零件形状，之后，通过时效处理可以高弹性化。在该冷加工中，即使实施等效应变为0.5以上的严酷的加工，也维持非磁性。另一方面，在作为钢板原料得到具有高弹性极限的奥氏体系不锈钢板制品的情况下，可以在通过调质轧制谋求板厚调整及高强度化后供时效处理。该情况下，上述退火是在调质轧制前进行的退火，所以在本
说明书中，有时将该退火称为“调质轧制前退火”。即使以等效应变为0.5以上的压延率进行调质轧制的情况，也可维持非磁性。在高强度化方面，调质压延率为40％以上((6)式的等效应变计为0.59以上)更有利。另外，调质压延率的上限没有特别规定，但由于过度的加工硬化有时会使之后的零件加工等难以进行，所以通常优选在压延率80％以下(在(6)式的等效应变计为
1.86以下)的范围进行调质轧制。也可以管理冷加工量，以使等效应变为1.5以下的范围。
[0051] 如上所述，使结晶粒径微细化后的奥氏体系不锈钢板，可得到在实施调质轧制时加工应变的分布均一化的集合组织。因此，之后实施时效处理时，可以显著增大弹性极限的指标即σ0.01。时效处理条件优选采用时效温度300℃～600℃，且满足下述(4)式的条件。
[0052] 13000＜T(logt+20)＜16500…(4)
[0053] 其中，T为以绝对温度表示的时效温度(K)，t为时效时间(h)。
[0054] 遵从本发明的钢板的情况，通过在该条件下实施时效处理，能够使用下述(2)式表示的时效处理前后的σ0.01的增加量Δσ0.01为150N/mm2以上。
[0055] Δσ0.01＝σ0.01[1]－σ0.01[0]…(2)
[0056] 在此，σ0.01[0]为时效处理前的钢板的轧制方向的弹性极限应力σ0.01(N/mm2)，σ0.01[1]为时效处理后的钢板的轧制方向的弹性极限应力σ0.01(N/mm2)。
[0057] 以下，对合金成分的含量范围进行说明。关于合金成分含量的“％”只要没有特别说明，则是指“质量％”。
[0058] C：0.12％以下
[0059] C是强力的奥氏体相稳定化元素，并且是在通过加工强度提高方面有效的元素。确保0.02％以上的C含量更有效。如果C含量增多，则成为导致耐腐蚀性降低等的要因，所以C含量限制在0.12％以下，更优选为0.09％以下。
[0060] Si:0.30％～3.00％
[0061] Si是在高强度化方面有效的元素，确保0.30％以上的Si含量。但是，如果Si含量增高，则冷加工后的导磁率急剧上升，不可保持非磁性。各种研究结果表明，Si含量限制在3.00％以下。
[0062] Mn：2.0％～9.0％
[0063] Mn与Ni同样是奥氏体稳定化元素，抑制冷加工产生的导磁率的上升。另外，Mn是提高N的固溶度的元素。为了发挥它们的性能，确保2.0％以上的Mn含量。含有大量的Mn成为使低温韧性劣化的要因，所以Mn含量为9.0％以下的范围。
[0064] Cr：11.0％～20.0％
[0065] Cr是不锈钢的基本成分，为了得到耐腐蚀性，需要含有11.0％以上。形成16.0％以上在耐腐蚀性提高方面更有效。如果Cr含量增多，则δ
铁素体的生成量增大，在维持非磁性上成为障碍。Cr含量限制在20.0％以下。
[0066] Ni：7.0％～15.0％
[0067] Ni是奥氏体相的稳定化必须的元素。为了确保冷加工后的非磁性，需要含7.0％以上的Ni。含有大量的Ni成为使冷加工带来的强度上升效果降低的要因，所以Ni含量限制在15.0％以下，更优选为14.0％以下。
[0068] N：0.30％以下
[0069] N是在高强度化及奥氏体相稳定化方面有效的元素。确保0.02％以上的N含量更有效。但是，如果N含量增多，有时得不到健全的铸片。本发明中将N含量限制在0.30％以下。
[0070] Mo：3.0％以下
[0071] Mo具有提高耐腐蚀性、增大加工硬化能力这种有用的作用，所以可以根据需要添加。添加Mo的情况，设定为0.2％以上的含量更有效。但是，如果大量添加，则δ铁素体生成量增加，在维持非磁性方面不利。添加Mo的情况，设定为3.0％以下的含量范围。更优选为2.5％以下。
[0072] V：1.0％以下、Nb：1.0％以下、Ti：1.0％以下
[0073] V、Nb、Ti均具有提高加工硬化能力的作用，所以根据需要可以添加它们中的一种以上。添加它们的情况，V为0.1％以上，Nb为0.1％以上，Ti为0.1％以上的含量更有效。但是，这些元素的大量添加会使热加工性劣化，并且导致δ铁素体生成。添加这些元素的1种以上的情况，都需要在1.0％以下的范围下进行。
[0074] B：0.010％以下
[0075] B具有改善热加工性的效果，所以可以在0.010％以下的范围根据需要添加。添加B的情况，为0.001％以上的含量更有效。
[0076] 其它，作为
脱氧剂、
脱硫剂使用的Ca、REM(稀土类元素)容许混入至合计0.01％。另外，作为脱氧剂使用的Al容许混入至0.10％。
[0078] 将表1所示的化学组成的钢在
真空熔解炉中熔炼，实施热轧后进行固溶处理、冷轧，进行一次或多次中间退火及冷轧，进行最终退火(相当于调质轧制前退火)，之后，实施调质轧制，形成板厚0.2mm，再实施时效处理。时效处理条件为500℃×1h。该情况下，前述(4)式中的T(logt+20)的值为15460。最终退火温度、调质压延率示于表2。另外，按照前述(6)式的等效应变在压延率40％时为0.59，在压延率60％时为1.06，在压延率70％时为1.39。
[0079] 对于最终退火材料，进行ND面的组织观察，通过
图像处理作为当量圆直径求出奥氏体结晶粒的平均结晶粒径d。表2表示平均结晶粒径d及结晶粒径d－1/2。
[0080] 对于调质轧制材料，测定板面的维氏硬度。另外，使用与轧制方向平行的JIS13B号试验片，进行在应变速度1.67×10－3(s－1)下的拉伸试验，测定弹性极限应力σ0.01、0.2％耐力σ0.2、
抗拉强度σB。另外，对于调质轧制材料，使用振动试样型磁力计(理研电子株式会社制)，测定1kOe(79.58kA/m)的磁场中的导磁率。将这些测定结果示于表2。
[0081] 对于时效处理材料，通过与上述调质轧制材料同样的方法，测定硬度、σ0.01、σ0.2、σB。另外，根据拉伸试验后的试验片求出断裂部的断面收缩率(收缩)。通过前述(2)式求出时效处理带来的σ0.01的增加量Δσ0.01，据此评价弹性极限的增大效果。将这些值示于表2。
[0082] (表1)
[0083]
[0084] 下线：本发明规定范围外
[0085] (表2)
[0086]
[0087] 下线：本发明规定范围外
[0088] 图3表示结晶粒径d-1/2和时效处理前后的弹性极限应力的增加量Δσ0.01的关系。可知以通过调质轧制前退火使d-1/2成为0.40以上的方式将奥氏体结晶粒细粒化的本发明例的奥氏体系不锈钢板，在调质轧制后的时效处理中，弹性极限应力显著增大。另外，如表2所示，根据本发明，拉伸试验后的断裂部的截面收缩率(收缩)为30％以上，时效处理后的韧性也优异。
