专利名称：加工性优异的奥氏体系高Mn不锈钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及软质且加工硬化性较小，具有可以以高加工率进行冷加工及深拉深加工等冲压成形的良好的加工性，在加工后也可以维持非磁性的奥氏体系高Mn不锈钢。
背景技术：
奥氏体系不锈钢，有JISG4305规定的300系(SUS304、SUS316、SUS301等)和200系(SUS201、SUS202等)。
300系的奥氏体系不锈钢，含有Mn2.0质量％或其以下，Ni6～15质量％左右。以SUS304为代表的Ni系的奥氏体不锈钢，具有良好的加工性，并且耐腐蚀性也好，但由于含有大量高价的Ni，因此存在原料成本较高的缺点。另外，SUS304，由于奥氏体相是亚稳定，因此还有在成形加工中产生马氏体转变，并且加工品带有磁性的问题。
另一方面，200系的奥氏体不锈钢，是用Mn置换了Ni的高Mn不锈钢，由于含有较多的C和N故强度高且是非磁性的。另外，与Ni系的奥氏体不锈钢相比较便宜。但是，以SUS201和SUS202等为代表的高Mn不锈钢，在退火状态中，与300系相比，由于强度高且加工硬化性也大，因此存在在冷加工性和深拉深加工等冲压成形性上较差的问题。
关于改善奥氏体不锈钢的加工性的方法，一直以来对含有Mn不到3％、Ni6％或其以上的300系进行了多次探讨。例如，如日本专利第3039838号公报、日本专利第3398258号公报、日本专利第3398260号公报、特开平10-102210号公报以及特开平10-121207号公报中所公开的那样，已知在冲压成形性等加工性改善上，Cu的添加非常有效地起作用。
另一方面，含有Ni5.5％或其以下，Mn5.5％或其以上的200系的奥氏体系不锈钢，主要适用于电子机器用轴材、自行车辐条用线、建筑、建材用钉等要求高强度非磁性的部件。因此，高Mn不锈钢，关于高强度非磁性化的进一步提高，进行了较多的探讨。例如，在日本专利第2618151号公报、特开平6-235048号公报中，公开了在高强度·非磁性化上，在高N化的同时抑制Mn和Cr的增加，并且Nb、Mo、P的微量添加有效地起作用的情况。
为了改善低Ni奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性，在特开平11-92885号公报、特开2000-34546号公报中，公开了减少Ca、B、S的不纯物元素有效的情况。这些低Ni奥氏体系不锈钢含有超过0.1％的多量的N，强度(0.2％耐力)和上述额高Mn不锈钢一样高，在加工性上有问题。另一方面，在特开2004-143576号公报、英国专利第2359095号公报中，公开了除了耐腐蚀性，为了改善加工性，减少了Cr量的低Ni奥氏体系不锈钢，其机械的性质较接近SUS304。这些低Ni奥氏体系不锈钢，为了确保热加工性，虽然以抑制在高温下的铁素体量的生成的方式调整奥氏体稳定度，但对于在室温下的奥氏体稳定度却完全没有探讨。即，这些低Ni奥氏体系不锈钢，因冲压成形等冷加工生成加工感应马氏体，从而其加工品带有磁性，或发生自发开裂的问题还是悬念。
正如上述所述，减少了Ni量的高Mn不锈钢，不是意图改善用于适应使用以SUS304为代表的Ni系的不锈钢的冲压成形用途等的加工性的。即，现状是具备与SUS304相同或其以上的良好的加工性，同时在加工后实现了非磁性的高Mn不锈钢还没有出现。
发明内容
本发明，是要改善上述高Mn不锈钢的加工性而提出的方案，其目的在于提供一种通过以C+N、奥氏体稳定度的指标Md30值(℃)、层叠缺陷能量的生成指标SFE(mJ/m2)满足特定条件的方式进行成分设计，从而具备与SUS304同等或其以上的加工性，并在加工后也能维持非磁性的奥氏体系不锈钢。本发明的要旨如下。
(1)本发明的高Mn不锈钢，其特征在于，以质量％计，包括C+N0.03～0.15％、Si0.1～1％、Mn3～15％、Cr10～16％、Ni1～6％、Cu0.3～3％、Mo0.3～3％、其余为Fe及不可避免的不纯物，并被成分设计为奥氏体稳定度的指标Md30值和层叠缺陷能量的生成指标SFE满足以下条件。
-10＜Md30＜30，40＜SFE＜80Md30(℃)497-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-20(Ni+Cu)-18.5MoSFE[mJ/m2]6.2Ni+18.6Cu+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo-53(2)该高Mn不锈钢，为了热加工性和耐氧化性的改善，可以含有0.001～0.2％质量的REM。
(3)为了确保可以以较高的加工率进行冷加工和深拉深加工等冲压成形的加工性，C+N设为0.15％质量或其以下，用拉伸试验求得的0.2％耐力设为不到300MPa，在实际应力-对数伸长率曲线中标称应变25％和35％的斜率、即加工硬化指数n设为0.45或其以下。另外，当压下率60％冷轧时的导磁率(μ)为1.05或其以下时，在各种加工后都可以维持非磁性。
这样，本发明的高Mn不锈钢，由于采用了设为C+N0.03～0.15％，-10＜Md30＜30，40＜SFE＜80的成分设计，因此是0.2％耐力不足300MPa的软质，且加工硬化性较小，具有可以用较高的加工率进行冷加工和深拉深加工等冲压成形的良好的加工性，在加工后也可以维持非磁性。因而，可以进行以往的高Mn不锈钢得不到的成形加工，并可以应用于使用以SUS304为代表的Ni系的不锈钢的冲压成形用途中。再者，由于可以省略在加工SUS304后用于非磁性化的退火，因此作为要求非磁性的成形加工用的材料可以在较大范围的领域内适用。
图1是展示Md30值给钢材的伸长率带来的影响的图。
图2是展示Md30值给60％冷轧材的导磁率的影响的图。
图3是展示SFE和加工硬化指数n的关系的图。
具体实施例方式
本发明的高Mn不锈钢，通过采用C+N、奥氏体稳定度的指标Md30值(℃)、层叠缺陷能量的生成指标SFE(mJ/m2)满足适当范围的成分设计，从而具备与SUS304相同或其以上的加工性，并且在加工后也维持非磁性。以下，说明关于本发明的高Mn不锈钢的成分设计的作用效果和其限定理由。
·C+N0.15％或其以下C和N，是对奥氏体相的稳定化和δ铁素体相的生成抑制有效的元素。另一方面，这些元素，由于固溶强化使钢材的0.2％耐力上升而使加工性下降。于是，C+N的上限设为0.15％。N与C相比，使0.2％耐力上升的作用较大，因此最好N设计的比C低。在本发明作为目的的、要求用较高的加工率进行冷加工或深拉深加工等冲压成形的用途中，通过将C+N设计为0.15％或其以下(N＜C)，从而有效地将钢材的0.2％耐力软质化到300Mpa。
但是，当C+N不到0.03％时，不仅加工品的非磁性化较困难，还会导致用于减少C、N的制钢成本的负担。因而，C+N的下限设为0.03％。理想的范围是0.08～0.12％。
·奥氏体稳定度的指标Md30值(℃)亚稳定奥氏体不锈钢即便是在Ms点或其以上的温度也会因塑性加工而引起马氏体转变。因加工而产生转变点的上限温度被称为Md值。即，Md值是表示奥氏体的稳定度的指标。并且，将因拉伸变形而导致30％的畸变时，生成50％马氏体的温度称为Md30值。在本发明的高Mn不锈钢中，通过将定义为Md30＝497-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-20(Ni+Cu)-18.5Mo的Md30值(℃)设计在-10℃～30℃的范围内，从而发现了确保作为本发明的目的的加工性和非磁性的方案。
当Md30值小于-10℃时，由于奥氏体稳定度较高，因此钢材的伸长率降低(＜50％)，阻碍加工性。另一方面，当Md30值超过30℃时，虽然钢材的伸长率因加工感应马氏体的生成(α’相)而提高，但由于生成的α’相具有磁性，因此加工品带有磁性。当Md30值在-10～30℃时，本发明的高Mn不锈钢，可以维持加工品的非磁性，同时使钢材的加工性提高。
·层叠缺陷能量的生成指标SFE(mJ/m2)与bcc结构的普通钢相比，具有fcc结构的奥氏体不锈钢，由于容易生成层叠缺陷，因此加工硬化较大。在本发明中，为了能够用较高的加工率进行冷加工和深拉深加工等冲压成形，采用较难生成层叠缺陷的、位错的交叉滑动较容易的成分设计。
近年，不锈钢板通过冷加工制造成复杂的形状的制品的情况很多。在这种情况下，加工硬化较大的钢材必须在加工的过程中加入中间退火的工序，一面使其软化一面重复来得到较大的加工度。如果是加工硬化较小的钢材，可以省略中间退火的工序来进行制品加工，大大有助于制品成本的降低。本发明者们基于这样的观点探讨了涉及层叠缺陷能量(SFE)的成分的影响。其结果，发现了当将被定义为SFE(mJ/m2)6.2Ni+18.6Cu+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo-53的SFE调整到40～80这样较高的范围内时，呈现出本发明所要达到的良好的加工性的情况。
当SFE不到40时，高Mn不锈钢容易生成层叠缺陷，且加工硬化变大，便不能得到本发明作为目的的加工性。这时，用拉伸试验求得的加工硬化指数n值(在实际应力-对数伸长率曲线中标称应变25％和35％的斜率)超过0.45。另一方面，当SFE超过80时，加工硬化较小且n值不到0.3。这时，在实用的冲压成形上存在鼓凸成形性降低的问题。因而，在本发明中，用拉伸试验求得的n值最好是0.3～0.45的范围。满足了本发明的Md30值和SFE的软质且加工硬化性较小、且是非磁性的钢材，不会产生在以SUS304为代表的Ni系的奥氏体系不锈钢上成为问题的自然裂纹(自发开裂)，在有很多工序的深拉深性上良好。即，SUS304，由于奥氏体相是亚稳定，因此在加工中产生马氏体转变，在深拉深成形中，法兰部变得过硬，从而由于残留应力的增大而发生自发开裂。
本发明的调整到C+N0.03～0.15％、Md30值-10～30℃、SFE40～80(mJ/m2)的高Mn不锈钢材，是0.2％耐力不到300MPa的软质且加工硬化性较小且能够用较高的加工率进行冷加工的非磁性不锈钢。以下，本发明的除了C和N以外的合金元素在以下的范围内选定。
·Si0.1～1Si作为熔炼时的脱氧剂是有效的，为了得到其效果，添加0.1％或其以上。更理想的是0.3％或其以上。另外，Si是使固溶强化以及SFE降低从而助长加工硬化的元素。因此，为了得到本发明的不到300MPa的0.2％耐力、加工硬化指数n值不到0.45的较小的加工硬化性，上限是1％或其以下。最好是0.2～0.7％或其以下。
·Mn3～15％Mn除了作为熔炼时的脱氧剂使用以外，还作为维持非磁性以及代替Ni的奥氏体形成元素有效地起作用。在本发明中，为了得到这些作用，Mn添加3％或其以上。更理想的是5％或其以上。另一方面，Mn的添加存在导致S系夹杂物的增加，并且阻碍耐腐蚀性和加工性的问题。因而，上限设为15％。理想的是10％或其以下。
·Cr10～16％Cr是为了在不锈钢上得到要求的耐腐蚀性而必需的合金元素，最好需要10％或其以上。更理想的是12％或其以上。另一方面，Cr是使固溶强化以及SFE降低从而助长加工硬化的元素。因此为了得到本发明的不到300MPa的0.2％耐力、加工硬化指数n值不到0.45的较小的加工硬化性，上限是16％或其以下。理想的是15％或其以下。
·Ni1～6％Ni是贵重的元素，超过6％的300系的奥氏体不锈钢导致原料成本的上升。因而，Ni是6％或其以下。理想的是5％或其以下。Ni是奥氏体不锈钢所必需的元素，再者，是在确保冷加工后的非磁性以及延展性上有效的元素。因此，下限设为1％。
·Cu0.3～3％Cu是为了降低在本发明中定义的Md30值并使SFE上升从而改善加工性而有效的合金元素。在本发明中为了得到这些作用，Cu的下限设为0.3％或其以上。理想的是1％或其以上。但是，过剩量的Cu添加存在诱发制钢时的Cu污染和热脆性的问题。另外，SFE过度上升则导致加工性的降低。因此，Cu的上限设为3％或其以下。
·Mo0.3～3％是在耐腐蚀性提高上有效的元素。另外，是为了降低在本发明中定义的Md30值并使SFE上升从而改善加工性而有效的元素。为了确保本发明的高Mn不锈钢的耐腐蚀性和加工性，Mo的下限设为0.3％或其以上。但是，如果过多地含有Mo，由于δ铁素体的生成而出现磁性，并且由于固溶强化而强度上升。因此，Mo的上限设为3％或其以下。
·REM0.001～0.2％是根据需要添加的元素，具有改善热加工性以及耐氧化性的作用。为了得到这些作用，添加0.001％或其以上。但是，由REM添加所带来的效果在0.2％就饱和了，如果添加0.2％或其以上，钢材就硬质化且加工性降低。因而上限最好是0.2％。
实施例熔炼具有表1的化学组成的不锈钢，并通过加热温度1200℃的热轧制造板厚4.0mm的热轧钢板。将热轧钢板用1120℃、均热时间2分钟退火，在酸洗后冷轧至板厚1.5mm，进而实施1060℃、均热时间2分钟的中间退火，酸洗后，制成板厚0.7mm的冷轧钢板，并用1060℃、均热时间1分钟实施最终退火(退火酸洗材料)。通过将中间退火酸洗材料冷轧至0.6mm得到60％冷轧材料。
从退火酸洗材料上切出JIS13B拉伸试验片，通过拉伸试验测定0.2％耐力、拉伸强度、伸长率、加工硬化指数n。加工硬化指数n，是求出相当于标称应变25％和35％的实际应变ε25、ε35的实际应力δ25、δ35，并遵循下式算出加工硬化指数n值。
n值＝ln(ε35/ε25)/ln(δ35/δ25)从退火酸洗材料切出φ96mm圆盘(坯料)，通过冲孔径φ48→φ44→φ40→φ35→φ30mm这5段圆筒深拉深试验调查自然裂纹极限拉延比(坯料系/冲孔径)。
从60％冷轧材料切出试验片，将由磁化产生的引力，通过用磁称测定在附加磁场-磁化曲线上磁场5000gauβ处的倾斜，求出导磁率。
在表2中展示了退火酸洗材料的0.2％耐力、拉伸强度、伸长率、n值以及60％冷轧材料的导磁率(μ)。钢No.1～6，满足在本发明中规定的高Mn不锈钢的成分设计条件，具有与304同等的0.2％耐力不到300MPa、伸长率为50％或其以上的机械性质，且加工硬化指数n为0.3～0.45低于304，加工硬化较小，60％冷轧材料的导磁率μ为1.05或其以下的非磁性。再者，本钢不会因多段深拉深成形而发生自然裂纹，自然裂纹极限拉延比能得到3.2或其以上的远远大于SUS304的值。钢No.7～14，是由于C+N量、Md30值和SFE这两者或一方脱离了本发明的规定条件，因而没能得到本发明所要达到的钢材的加工性和非磁性的。钢No.15是用于加工性比较的SUS304。钢No.16～29，是没有满足本发明规定的成分范围的，是没能得到作为目标的钢材的加工性和非磁性的。
研究0.2％耐力和成分的关系的结果，得到了以下式表达的回归式，并可以确认通过C+N量的降低可以将0.2％耐力软质化为不到300MPa的情况。0.2％耐力[N/mm2]＝875*(C+N)+3.87Mn-1.48Ni-3.53Cu+8.58Cr+19.7在图1以及图2中展示了奥氏体稳定度的指标Md30值对钢材的伸长率和导磁率的影响进行探讨的结果。如图1以及图2所示，可以确认通过控制在-10＜Md30＜30，可以得到本发明作为目标的伸长率50％或其以上、μ1.05或其以下的情况。
另外，探讨层叠缺陷能量的生成指标SFE和加工硬化指数n的关系的结果，正如从图3所见，可以确认通过设为40＜SFE＜80，可以得到本发明作为目标的n值的情况。
表1
*表示没有达到本发明作为目标的高Mn不锈钢的加工性和非磁性的情况。
Md30＝497-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-20(Ni+Cu)-18.5MoSFE[mJ/m2]＝6.2Ni+18.6Cu+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo-53＞400.2％耐力[N/mm2]＝875*(C+N)+3.87Mn-1.48Ni-3.53Cu+8.58Cr+19.7(回归式)_____脱离本发明范围的工业上的可利用性本发明的高Mn不锈钢，可以进行以往的高Mn不锈钢得不到的成形加工，可以在使用以SUS304为代表的Ni系的不锈钢的冲压成形用途中使用。特别是，最适合于在SUS304上自然裂纹成为问题的涉及多个工序的深拉深成形用途。再者，由于可以省略在加工SUS304后用于非磁性化的退火，因此作为要求非磁性的成形加工用的材料，在较大范围的领域内可以适用。
权利要求
1.一种加工性优异的奥氏体系高Mn不锈钢，其特征在于，按质量％，包括C+N0.03～0.15％、Si0.1～1％、Mn3～15％、Cr10～16％、Ni1～6％、Cu0.3～3％、Mo0.3～3％、其余为Fe及不可避免的不纯物，奥氏体稳定度的指标Md30值和层叠缺陷能量的生成指标SFE满足以下条件，-10＜Md30＜30，40＜SFE＜80Md30(℃)497-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-20(Ni+Cu)-18.5MoSFE[mJ/m2]6.2Ni+18.6Cu+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo-53
2.如权利要求1所述的加工性优异的奥氏体系高Mn不锈钢，其特征在于，按质量％，含有0.001～0.2％的REM。
3.如权利要求1以及2所述的加工性优异的奥氏体系高Mn不锈钢，其中，0.2％耐力不到300MPa、标称应变25％和35％的斜率即加工硬化指数n为0.30～0.45，伸长率为50％或其以上。
全文摘要
本发明是以提供改善高Mn不锈钢的加工性，并在加工后也能维持非磁性的奥氏体系不锈钢为目的的发明，按质量％，包括C+N0.03～0.15％、Si0.1～1％、Mn3～15％、Cr10～16％、Ni1～6％、Cu0.3～3％、Mo0.3～3％、其余为Fe及不可避免的不纯物，并以奥氏体稳定度的指标Md30值和层叠缺陷能量的生成指标SFE满足以下条件的方式进行成分设计－10＜Md30＜30，40＜SFE＜80Md30(℃)497－462(C+N)－9.2Si－8.1Mn－13.7Cr－20(Ni+Cu)－18.5MoSFE[mJ/m
文档编号C22C38/58GK1788100SQ20048001288
公开日2006年6月14日 申请日期2004年10月22日 优先权日2003年11月7日
发明者秦野正治, 石丸永一朗, 高桥明彦 申请人:新日铁住金不锈钢株式会社