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特開2024-137014フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024137014
(43)【公開日】2024-10-04
(54)【発明の名称】フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板
(51)【国際特許分類】
   C22C 38/00 20060101AFI20240927BHJP
   C22C 38/58 20060101ALI20240927BHJP
   C21D 9/46 20060101ALN20240927BHJP
【FI】
C22C38/00 302H
C22C38/58
C21D9/46 Q
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023048351
(22)【出願日】2023-03-24
(71)【出願人】
【識別番号】503378420
【氏名又は名称】日鉄ステンレス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100217249
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 耕一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100221279
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 健吾
(74)【代理人】
【識別番号】100207686
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 恭宏
(74)【代理人】
【識別番号】100224812
【弁理士】
【氏名又は名称】井口 翔太
(72)【発明者】
【氏名】坪井 耕一
(72)【発明者】
【氏名】今川 一成
(72)【発明者】
【氏名】菊池 淳
(72)【発明者】
【氏名】石丸 詠一朗
【テーマコード(参考)】
4K037
【Fターム(参考)】
4K037EA01
4K037EA02
4K037EA05
4K037EA09
4K037EA10
4K037EA12
4K037EA13
4K037EA14
4K037EA15
4K037EA16
4K037EA17
4K037EA18
4K037EA19
4K037EA20
4K037EA21
4K037EA27
4K037EA29
4K037EA31
4K037EA32
4K037EA33
4K037EA35
4K037EA36
4K037EB05
4K037EB07
4K037EB09
4K037EB14
4K037FA03
4K037FB00
4K037FC05
4K037FJ06
4K037FJ07
4K037FK02
4K037FK03
4K037FM02
4K037JA07
(57)【要約】
【課題】高強度、エッチング面の平滑性、エッチング加工前後の平坦性に優れるフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板を提供する。
【解決手段】化学組成が、質量%で、C:0.02~0.10%、Si:0.1~1.0%、Mn:0.5~5.0%、Cr:20.0~28.0%、Ni:1.0~7.0%、Cu:0.2~2.0%、Mo:0.3~5.0%、N:0.10~0.50%、を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、平均結晶粒径が2.0μm以下であり、ビッカース硬さが450HV以上であり、析出物の平均粒子直径が150nm以下であり、析出物の体積率が0.50%以上である、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学組成が、質量%で、
C :0.02~0.10%、
Si:0.1~1.0%、
Mn:0.5~5.0%、
Cr:20.0~28.0%、
Ni:1.0~7.0%、
Cu:0.2~2.0%、
Mo:0.3~5.0%、
N :0.10~0.50%、
Nb:0~0.50%、
Ti:0~0.50%、
V :0~0.50%、
W :0~0.50%、
Co:0~0.50%、
B :0~0.0050%、
Sn:0~0.50%、
Al:0~0.50%、
Mg:0~0.010%、
Ca:0~0.0100%、
Ta:0~0.050%、
Ga:0~0.050%、
Zr:0~0.50%、および
希土類元素:0~0.010%
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
平均結晶粒径が2.0μm以下であり、
ビッカース硬さが450HV以上であり、
析出物の平均粒子直径が150nm以下であり、
前記析出物の体積率が0.50%以上である
ことを特徴する、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
【請求項2】
金属組織において、フェライト相比が20~80%であることを特徴とする、請求項1のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
【請求項3】
ハーフエッチング後の曲率半径が150mm以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
【請求項4】
電子機器または精密機器の部品に使用されることを特徴とする、請求項1または2に記載のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
【請求項5】
電子機器または精密機器の部品に使用されることを特徴とする、請求項3に記載のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板に関する。特に電子機器や精密機械の部品素材に適した高強度のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板に関する。
【背景技術】
【0002】
電子機器や精密機器に使用される部品には、更なる小型化・軽量化が要求されており、対応する素材の薄板化とともに、部品に必要とされる剛性を維持するためにより高い強度が必要とされる。更に言えば、高い寸法精度も必要とされ、優れた強度と伸びのバランス、具体的には、従来並みの加工性を維持した上での高強度(以下、単に高強度ともいう)が必要となる。
【0003】
また、前記部品を製造する際、高い精度で所定の形状を得るための手段の一つとしてエッチング加工によって板厚を部分的に薄くする手法が用いられることが多い。そのため、前記部品の素材には、エッチング加工後の形状変化が小さく、板反りが無いこと、すなわちエッチング加工前後の平坦性と、エッチング面の平滑性に優れることが要望されている。
【0004】
板反りは、鋼板表面に対する部分的なエッチング(ここで言う「ハーフエッチング」)を行った後の鋼板全体での変形を表す。ハーフエッチング後の鋼板の反りは、鋼板の残留応力に起因して生じる。そのため、調質圧延後に応力緩和を目的とした熱処理、いわゆる、歪取熱処理を実施することで反りを軽減することができる。
【0005】
また、前記部品の素材は、一般的にステンレス鋼中でも強度と伸びのバランスに優れ、調質圧延などにより強度を高めたオーステナイト系ステンレス鋼が使用される場合が多い。特に、加工誘起マルテンサイト変態を伴う高強度化とTRIP効果による優れた加工性を両立し、前記オーステナイト系ステンレス鋼の中でも高強度を比較的容易に得られるSUS301、SUS304系の準安定オーステナイト系ステンレスが適用される。
【0006】
調質圧延などによって強度を高めたオーステナイト系ステンレス鋼板には、更にテンションレベラーによる形状矯正、残留応力低減を目的とした歪取熱処理などが施される。これは、前記部品への精密加工に対応し、鋼板の形状を整え、平坦にするためである。また、比較的大きな鋼板ないし鋼帯で製造される素材からプレス加工、エッチング加工などにより部品に対応する小片を取り出す場合、もしくは、上述したように、さらなるエッチング加工などによりその小片の一部の板厚を減少させる場合、残留応力に起因した変形が生じるためである。更に言えば、その際の加工面、特にエッチング加工した面(以下、エッチング面ともいう)の平滑性に優れる素材ほど、より高い寸法精度の精密部品を製造することができる。
【0007】
特許文献1には、エッチング面の平滑性が得られるように平均結晶粒径を微細化し、さらに歪取熱処理が施されたフォトエッチング加工用ステンレス鋼板が開示されている。
【0008】
特許文献2には、冷間圧延条件およびテンションレベラーによる矯正条件を調整し、さらに冷間圧延材の0.2%耐力以下に相当する張力を付与して歪取熱処理が施されたオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開2005-320587号公報
【特許文献2】特開2001-226718号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
一方、部品素材としての更なる高強度化という面から見た場合、SUS630、SUS631などの適用による析出強化の活用も期待される。しかし、例えば、特許文献1に示されるような600℃以下の低温域での歪取熱処理では、同熱処理による析出強化の活用は難しいと考えられる。このように、従来のステンレス鋼板において、部品素材の薄板化の要求に対応する高強度を達成でき、かつエッチング面の平滑性およびエッチング加工前後の平坦性を確保することは困難であった。
【0011】
本発明は、電子機器や精密機器に使用される部品の更なる小型化、軽量化の要求に対応可能で、かつ部品素材の薄板化の要求に対応可能な、従来を超える高強度を維持した上で、エッチング面の平滑性およびエッチング加工前後の平坦性を備えるフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板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】
【0012】
本発明者らは、前記の課題を解決するため、二相ステンレス鋼への析出強化の活用、ならびに、析出強化のための時効熱処理として従来より実施される歪取熱処理の活用について鋭意研究した。その結果、特定の成分からなる二相ステンレス鋼において従来よりも高温となる700℃超の歪取熱処理を行うことにより、析出強化を有効に活用できることを見出した。また、歪取熱処理の温度範囲を規制することで、調質圧延およびテンションレベラーによる形状矯正で生じた鋼板の残留応力を低減させ、エッチング加工前後の平坦性も維持される。更に、平均結晶粒径を所定以下に達成でき、エッチング面の平滑性を確保できることを見出した。これらの効果が得られる鋼板の化学組成、金属組織の特徴を明確にすることで本発明を完成した。
【0013】
本発明は、上記の知見に更に検討を加えてなされたものであり、上記課題を解決することを目的とした本発明の要旨は、以下の通りである。
【0014】
[1]化学組成が、質量%で、
C :0.02~0.10%、
Si:0.1~1.0%、
Mn:0.5~5.0%、
Cr:20.0~28.0%、
Ni:1.0~7.0%、
Cu:0.2~2.0%、
Mo:0.3~5.0%、
N :0.10~0.50%、
Nb:0~0.50%、
Ti:0~0.50%、
V :0~0.50%、
W :0~0.50%、
Co:0~0.50%、
B :0~0.0050%、
Sn:0~0.50%、
Al:0~0.50%、
Mg:0~0.010%、
Ca:0~0.0100%、
Ta:0~0.050%、
Ga:0~0.050%、
Zr:0~0.50%、および
希土類元素:0~0.010%
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
平均結晶粒径が2.0μm以下であり、
ビッカース硬さが450HV以上であり、
析出物の平均粒子直径が150nm以下であり、
前記析出物の体積率が0.50%以上である
ことを特徴する、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
[2]金属組織において、フェライト相比が20~80%であることを特徴とする、上記[1]のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
[3]ハーフエッチング後の曲率半径が150mm以上であることを特徴とする、上記[1]または[2]に記載のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
[4]電子機器または精密機器の部品に使用されることを特徴とする、上記[1]または[2]に記載のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
[5]電子機器または精密機器の部品に使用されることを特徴とする、上記[3]に記載のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、電子機器や精密機械などに代表される部品の更なる小型化に対応しうる高い強度を有し、エッチング面の平滑性、エッチング加工前後の平坦性を備えたフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施形態にかかるフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板(以下、単に「二相ステンレス鋼板」、「ステンレス鋼板」もしくは「鋼板」とも称する)について詳細に説明する。
【0017】
1.フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板
(化学組成)
まず、本実施形態に係る二相ステンレス鋼板の化学組成について、詳しく説明する。本実施形態の二相ステンレス鋼板を構成するオーステナイト相(γ相)は、加工誘起変態の発現しない安定したγ相から構成される。つまり、本実施形態の二相ステンレス鋼板の化学組成は、加工誘起変態の発現しない成分系である。以下、具体的な化学組成について説明する。なお、特に注記しない限り、本明細書において元素含有量の%は質量%を意味する。
【0018】
C:0.02~0.10%
炭素(C)は、オーステナイト相の安定化元素として作用する元素である。またCは、固溶強化元素として強度を向上させる効果もある。C含有量が0.02%未満であると、強度の向上が不十分となるおそれがある。それゆえC含有量は0.02%以上とする。好ましくは0.03%以上である。C含有量が0.10%を超えると、仕上げ焼鈍および歪取熱処理(特に、歪取熱処理)の後の冷却の際にCr炭化物が過度に生成されて、鋼板の耐食性を低下させる場合がある。それゆえC含有量は0.10%以下とする。好ましくは0.09%以下、より好ましくは0.07%以下である。
【0019】
Si:0.1~1.0%
ケイ素(Si)はフェライト相の安定化元素として作用する元素である。Si含有量が0.1%未満であると、製造コストの増加を招く。それゆえSi含有量は0.1%以上とする。好ましくは0.2%以上、より好ましくは0.3%以上である。一方、Si含有量が1.0%を超えると、製造時の割れを助長する。それゆえSi含有量は1.0%以下とする。好ましくは0.9%以下、より好ましくは0.8%以下、さらに好ましくは0.7%以下である。
【0020】
Mn:0.5~5.0%
Mnはオーステナイト相の安定化元素として作用する元素である。Mn含有量が0.5%未満であると、歪取熱処理時の強度低下を抑制する効果が得られない場合がある。したがってMn含有量は0.5%以上とする。好ましくは1.0%以上、より好ましくは1.5%以上である。一方、Mn含有量が5.0%を超えると、製造コストの増加を招く。したがってMn含有量は5.0%以下とする。好ましくは4.5%以下、より好ましくは4.0%以下である。
【0021】
Cr:20.0~28.0%
クロム(Cr)はフェライト相の安定化元素として相比に作用する元素である。またCrは、歪取熱処理の際にCr窒化物の析出物を生成する元素としても重要である。Cr含有量が20.0%未満では、前記析出物の体積率が少なくなるため強度が不十分になる場合がある。そのため、Cr含有量は20.0%以上とする。好ましくは20.5%以上、より好ましくは21.0%以上である。一方、Cr含有量が28.0%を超えると、製造性の低下を招く場合がある。そのため、Cr含有量は28.0%以下とする。好ましくは27.0%以下、より好ましくは26.0%以下である。
【0022】
Ni:1.0~7.0%
ニッケル(Ni)はオーステナイト相の安定化元素として作用する元素である。Ni含有量が1.0%未満であると、耐食性が不十分になる場合がある。そのため、Ni含有量は1.0%以上とする。好ましくは1.3%以上、より好ましくは1.6%以上である。一方、Ni含有量が7.0%を超えると、合金コストの上昇や製造性を阻害することにつながる恐れがある。そのため、Ni含有量は7.0%以下とする。好ましくは5.7%以下、より好ましくは5.4%以下である。
【0023】
Cu:0.2~2.0%
銅(Cu)は、歪取熱処理の際に析出強化に寄与する有効な元素である。なお、Cuは、固溶状態ではオーステナイト安定化元素として作用する。Cu含有量が0.2%未満であると、析出物を生成しないため鋼板の強度が不十分となる場合がある。そのため、Cu含有量は0.2%以上とする。好ましくは0.3%以上、より好ましくは0.4%以上である。一方、Cu含有量が2.0%を超えると、強度向上に対する含有効果は飽和する。そのため、Cu含有量は2.0%以下とする。好ましくは1.7%以下、より好ましくは1.4%以下である。
【0024】
Mo:0.3~5.0%
モリブデン(Mo)はフェライト相の安定化元素として作用する元素である。またMoは、固溶強化元素として強度を向上させる効果もある。Mo含有量が0.3%未満であると、強度の向上効果を十分に得られない場合がある。そのため、Mo含有量は0.3%以上とする。好ましくは0.4%以上、より好ましくは0.5%以上である。一方、Mo含有量が2.0%を超えると、前記固溶強化による強度向上の効果が飽和する。またMoは高価元素であるため、Moを過度に含有させると製造コストの増大を招く。そのため、Mo含有量は5.0%以下とする。好ましくは4.5%以下、より好ましくは4.0%以下である。
【0025】
N:0.10~0.50%
窒素(N)は、Cと同様に、オーステナイト相の安定化元素かつ有効な固溶強化元素として作用する元素である。またNは、歪取熱処理の際にCr窒化物を形成し、析出強化に寄与する。ただし、Nは拡散の容易な侵入型固溶元素であり、700℃以下の歪取熱処理でも析出していると考えられる。N含有量が0.10%未満であると、前記の析出物の体積率が少ないために強度が不十分となる場合がある。そのため、N含有量は0.10%以上とする。好ましくは0.12%以上、より好ましくは0.14%以上である。一方、N含有量が0.50%を超えて含有すると、析出物の平均粒子直径が過度に増大するため、強度が不十分となる場合がある。そのため、N含有量は0.50%以下とする。好ましくは0.45%以下、より好ましくは0.40%以下である。
【0026】
以上が、本実施形態のフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板の基本となる化学組成であり、上記組成の残部は鉄(Fe)および不純物である。なお、更に、本実施形態のフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板は、加工性、耐食性、熱間加工性を更に向上させるために、Nb、Ti、V、W、Co、B、Snの中から一種または二種以上を任意で含有することができる。これらの元素の下限は、0%以上、好ましくは0%超である。
【0027】
Nb:0.50%以下
ニオブ(Nb)は、窒化物(NbN)や炭化物(NbC)を形成し、加工性を向上させる効果を持つ。したがって、Nb含有量は0.01%以上としてもよい。ただし、Nb含有量が0.50%超の場合は延性を低下させるおそれがあることから、Nb含有量は0.50%以下が好ましい。Nb含有量は0.30%以下がより好ましく、0.20%以下がさらに好ましい。
【0028】
Ti:0.50%以下
チタン(Ti)は、Nbと同様に窒化物(TiN)や炭化物(TiC)を形成し、加工性を向上させる効果を持つ。したがって、Ti含有量は0.01%以上としてもよい。ただし、Ti含有量が0.50%超の場合は延性を低下させるおそれがあることから、Ti含有量は0.50%以下が好ましい。Ti含有量は0.30%以下がより好ましく、0.20%以下がさらに好ましい。
【0029】
V:0.50%以下
バナジウム(V)は窒化物を形成し、加工性を向上させる効果を持つ。したがって、V含有量は0.01%以上としてもよい。ただし、V含有量が0.50%超の場合は延性および熱間加工性を低下させるおそれがあることから、V含有量は0.50%以下が好ましく、0.40%以下がより好ましい。
【0030】
W:0.50%以下
タングステン(W)は耐食性を向上させる元素であり、その効果を発揮するためにはW含有量を0.05%以上とすることが好ましい。ただし、W含有量が0.50%超場合は加工性を低下させるおそれがあることから、W含有量は0.50%以下が好ましく、0.40%以下がより好ましい。
【0031】
Co:0.50%以下
コバルト(Co)は高温強度を高め、熱間加工性を向上させる効果を持つ。したがって、Co含有量は0.01%以上とすることが好ましい。ただし、Co含有量が0.50%超の場合は靭性低下をもたらすおそれがあることから、Co含有量は0.50%以下が好ましく、0.30%以下がより好ましい。
【0032】
B:0.0050%以下
ホウ素(Bは)、粒界に偏析して熱間加工性を向上させる元素である。その効果を発揮するためには、B含有量は0.0002%以上とすることが好ましい。しかし、B含有量が0.0050%を超えると耐食性が著しく劣化するおそれがあるため、B含有量は0.0050%以下が好ましく、より好ましくは0.0030%以下である。
【0033】
Sn:0.50%以下
スズ(Sn)は耐食性を向上させうる元素である。その効果を発揮するためには、Sn含有量は0.01%以上とすることが好ましく、0.03%以上がより好ましい。ただし、Sn含有量が0.50%を超えると熱間加工性を悪化させるおそれがあるため、Sn含有量は0.50%以下が好ましく、0.4%以下がより好ましい。
【0034】
更に、本実施形態のフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板は、精錬時に脱酸や脱硫を行うために、Al、Ca、Mg、Ta、Ga、Zr、希土類元素の中から一種または二種以上を任意で含有してもよい。これらの元素の下限は、0%以上、好ましくは0%超である。
【0035】
Al:0.50%以下
アルミニウム(Al)は、脱硫、脱酸のために若干含有されてもよい。Al含有量が0.01%の場合に上記効果が発揮されるため、Al含有量は0.01%以上が好ましい。ただし、Al含有量が0.50%超の場合、製造疵の増加ならびに原料コストの増加を招くおそれがあるため、Al含有量は0.50%以下が好ましい。
【0036】
Mg:0.010%以下
マグネシウム(Mg)は、脱酸だけでなく、凝固組織を微細化する効果を持つ。これらの効果を発揮するためには、Mg含有量は0.0002%以上が好ましい。ただし、Mg含有量が0.010%超場合、製鋼工程でのコスト増加をもたらすため、Mg含有量は0.010%以下がよい。
【0037】
Ca:0.0100%以下
カルシウム(Ca)は脱硫、脱酸のために若干含有されてもよい。Ca含有量が0.0001%以上の場合に上記効果が発揮されるため、Ca含有量は0.0001%以上が好ましい。ただし、Ca含有量が0.0100%超の場合、熱間加工割れの発生および耐食性の低下を招くおそれがあることから、Ca含有量は0.0100%以下が好ましく、0.0050%以下がより好ましい。
【0038】
Ta:0.050%以下
タンタル(Ta)は介在物の改質により耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて含有されてもよい。その効果を発揮するためには、Ta含有量は0.0002%以上が好ましい。ただし、Ta含有量が0.050%超の場合、常温延性の低下や靱性の低下を招くおそれがあるため、Ta含有量は0.050%以下が好ましく、より好ましくは0.030%以下である。
【0039】
Ga:0.050%以下
ガリウム(Ga)は、耐食性向上や水素脆化を抑制する元素であり、必要に応じて含有されてもよい。その効果を発揮するためには、Ga含有量は0.0002%以上が好ましい。ただし、Ga含有量が0.050%超の場合、加工性の低下を招くおそれがあるため、Ga含有量は0.050%以下が好ましく、より好ましくは0.030%以下である。
【0040】
Zr:0.50%以下
ジルコニウム(Zr)は、NbおよびTiと類似の作用があるとともに、耐酸化性を向上させる元素でもある。それら効果を発揮するには、Zr含有量は0.01%以上が好ましい。ただし、Zr含有量が0.50%超の場合、原料コストの増加を招くため、Zr含有量は0.50%以下が好ましく、0.30%以下がより好ましい。
【0041】
希土類元素:0.010%以下
希土類元素(REM)は、熱間加工性を向上させる元素である。希土類元素の含有量が合計で0.0002%以上の場合に上記効果が発揮されるため、希土類元素の含有量は0.0002%以上としてもよい。しかし、希土類元素の添加量が合計で0.010%を超えると、製造性を損なうとともにコスト増加をもたらすため、希土類元素の上限は0.010%とすることが好ましい。より好ましい希土類元素の含有範囲は、0.0005~0.008%である。
【0042】
ここで、希土類元素(REM)は、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)の2元素と、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までの15元素(ランタノイド)の総称を指す。本明細書でいう「希土類元素」は、これら希土類元素から選択される1種以上であり、「希土類元素の含有量」とは、希土類元素の合計量である。
【0043】
本実施形態のステンレス鋼板は、上述してきた元素以外は、Fe及び不純物(不可避的不純物を含む)からなるが、以上説明した各元素の他にも、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることが出来る。
【0044】
また、ステンレス鋼板の製造では、スクラップ原料を使用することが多い。このため、ステンレス鋼板には、種々の不純物元素が不可避的に混入する場合が多く、不純物元素の含有量を一義的に定めることは困難である。したがって、本実施形態における不純物とは、本発明の作用効果を阻害しない量で含有される元素を意味する。
【0045】
(金属組織)
本実施形態のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板の金属組織において、フェライト相比が所定範囲にある場合、平均結晶粒径の微細化が容易になる。前記フェライト相比は20%以上80%以下であることが好ましい。より好ましくは25%以上75%以下、さらに好ましくは30%以上70%以下である。なお、フェライト相およびオーステナイト相の各相が互いの粒成長を抑制し、結晶粒を微細化すると考えられる。そのため、フェライト相比は50%が最も好ましい。
【0046】
(平均結晶粒径)
優れたエッチング面の平滑性を得るためには、平均結晶粒径を2.0μm以下にすることが有効である。平均結晶粒径が2.0μmを超えると、エッチング面が粗面化するため、良好なエッチング面の平滑性を得られない。平均結晶粒径は、1.5μm以下が好ましく、更に好ましくは1.0μm以下である。なお、平均結晶粒径の下限は特に限定されるものではないが、実用的には0.4μm以上としてよい。
【0047】
(ビッカース硬さ)
電子機器や精密機械の小型化、軽量化に対応できる素材として、鋼板のビッカース硬さ(以下、単に「硬さ」ともいう)は450HV以上であることが有効である。硬さは455HV以上が好ましく、さらに好ましくは460HV以上である。一方、硬さの上限は特に限定されるものではないが、実用的には485HV以下としてよい。一方で硬さが450HV未満であると、前記部品素材として必要な強度を確保できない。
【0048】
本実施形態のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板において、硬さ450HV以上を確保するためには、析出物の平均粒子直径(平均粒径、平均直径)が150nm以下であることが有効である。析出物の平均粒子直径は130nm以下が好ましく、さらに好ましくは110nm以下である。
【0049】
析出物の体積率は、硬さの観点から、0.50%以上であることも有効である。析出物の体積率は0.75%以上が好ましく、さらに好ましくは1.00%以上である。析出物の平均粒子直径または体積率のどちらか一方でも前記範囲を満たさない場合には、硬さ450HV以上は得られない。なお、本明細書でいう「析出物」は、特に限定されないが、例えば、Cu主体の析出物(Cu粒子)、Cr窒化物(CrN、CrN)などが例示される。
【0050】
析出物の平均粒子直径および体積率は以下の方法で測定できる。
まず、鋼板の1/4厚さの位置から薄膜試料を作製し、透過型電子顕微鏡(TEM)にて画像を撮影する。ここでは前記画像を用いて、析出物の平均粒子直径および体積率を計測する。TEMの撮影倍率は、平均粒子直径の測定では3万倍、体積率の測定では1万倍とする。本実施形態のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板での析出強化は主としてCuを主体とする析出物により図られると考えられる。なお、析出物にはCr、Fe、N、Cなどの元素を含むCr窒化物なども含まれ、析出強化の一部を担っていると推定される。ここでは、それらの総称を便宜上、「Cr窒化物」と呼称する。しかし、Cr窒化物は700℃以下の歪取熱処理でも析出し、Nを含有する一般的なフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼の一般的な歪取熱処理後の強度に寄与していると考えられる。なお、析出物は、TEM-EDXにより組成分析して同定することができ、Cr窒化物も確認可能である。
【0051】
析出物の平均粒子直径は、以下の方法にて特定できる。
画像解析ソフトウエア「Image J」を用いて析出物1個の面積を計測し、これを円相当直径に換算する。前記の計測および換算を100個以上の析出物について行い、その平均値を析出物の平均粒子直径と定義した。なお、計測対象となる析出物は、その種類を問わず、種々の析出物が計測の対象である。ただし、上記のとおり、本実施形態の二相ステンレス鋼における析出物は、主にCu粒子およびCr窒化物であり、かつ、これらが析出強化に大きく寄与していると考えられることから、計測対象はCu粒子およびCr窒化物が主であってもよい。なお、Cu粒子およびCr窒化物以外の析出物が計測対象に含まれても構わない。
【0052】
析出物の体積率は、以下の方法にて特定できる。
まず、画像解析ソフトウエア「Image J」を用いてTEM画像中に写る析出物の総面積を求める。そして前記析出物の総面積を、撮影視野の総面積で除して、撮影視野に占める析出物の割合(%)を求める。本実施形態では、前記撮影視野に占める析出物の割合を、析出物の体積率と定義する。
【0053】
(ハーフエッチング後の曲率半径)
エッチング加工前後での鋼板の平坦性を得るためには、ハーフエッチング後の曲率半径が150mm以上であることが有効である。ハーフエッチング後の曲率半径は160mm以上が好ましく、さらに好ましくは170mm以上である。一方、ハーフエッチング後の曲率半径の上限は、∞(無限大)、すなわち反り無しであることが望ましく、特に限定されるものではないが、実用上では400mm以下としてよい。
【0054】
なお、ここで言う「ハーフエッチング」とは、鋼板の一方の圧延面から板厚方向にエッチング加工を実施し、板厚1/2になるまでエッチングすることである。ハーフエッチングは、前記圧延面をマニキュア被覆処理し、塩化第二鉄等の腐食液に浸漬することで実施する。
【0055】
(板厚)
本実施形態に係る二相ステンレス鋼板の板厚は特に限定されないが、3.0~0.05mmとしてもよい。好ましくは0.08mm以上である。また、板厚を1.5mm以下とすることで、金属組織の微細化が容易となり、上述した金属組織を容易に確保することができる。板厚は1.0mm以下としてもよい。好ましくは0.5mm以下である。
【0056】
2.フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板の製造方法
(製造方法)
本実施形態のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板の製造方法について説明する。
本実施形態に係るフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板は、製造方法によらず、上記の特徴を有していればその効果は得られる。ただし、強度、エッチング面の平滑性およびエッチング加工前後の平坦性を両立させるためには、上述したように金属組織(特に、平均結晶粒径、析出物サイズ、析出物の割合)および硬さを制御する必要がある。上記の金属組織および硬さは、鋼の化学組成と、適切な製造条件とを組み合わせることで実現することができる。
以下、本実施形態のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板を得るための好適な製造方法について説明する。
【0057】
まず、溶解後に連続鋳造法または造塊法によって製造された上記化学組成を有する鋼片を、熱間圧延によって鋼板とする(熱間圧延工程)。その後、熱延板焼鈍工程、酸洗工程および冷間圧延工程を実施し、所定板厚を有する冷延板を得る。熱延板焼鈍は必要に応じて実施されればよく、省略されてもよい。前記各工程は、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板において一般的な製造方法でよい。
【0058】
(仕上焼鈍工程)
冷間圧延工程にて所定板厚に制御された冷延鋼板に対し、仕上焼鈍を施す。仕上焼鈍温度は850℃以上1050℃以下とする。仕上焼鈍の温度が850℃未満であると、再結晶粒と未再結晶粒が混在した金属組織となり、結晶粒間の硬さのバラツキが生じた状態になる。結晶粒間に硬さのバラツキが生じると、テンションレベラーによる形状矯正後に良好な平坦性を得られない。一方で仕上焼鈍の温度が1050℃を超えると、仕上焼鈍後の平均結晶粒径が粗大になり、歪取熱処理後の平均結晶粒径も粗大になる。したがって、仕上焼鈍の温度は850℃以上1050℃以下とする。仕上焼鈍工程における焼鈍時間(保定時間)は適宜設定できる。代表的には600秒以下である。好ましくは400秒以下、より好ましくは150秒以下である。なお、仕上焼鈍工程における焼鈍時間の下限は、再結晶化の観点から、5秒以上としてよい。
【0059】
仕上焼鈍工程後は、鋼板を室温(25℃前後)まで冷却する。冷却する際の平均冷却速度は1℃/秒~100℃/秒としてよい。平均冷却速度が1℃/秒未満であると、冷却過程で粒成長が生じるおそれがある。なお、生産性や酸洗性を考慮すると平均冷却速度は5~50℃/秒が望ましい。ここで、「平均冷却速度」は、冷却開始(保定終了)時から室温までの鋼板の温度降下幅を、冷却開始時から室温までの冷却に要した所要時間で除した値とする。
【0060】
(調質圧延工程)
前記仕上焼鈍工程の後、調質圧延を行う(調質圧延工程)。調質圧延は素材(鋼板)の強度を向上させる工程である。本実施形態における調質圧延はステンレス鋼製造において一般的な製造方法でよく、所望の強度に応じて調質圧延率を調整してよい。例えば、調質圧延率は40~70%としてよい。なお本実施形態のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼のオーステナイト相は安定状態であり、調質圧延の際に加工誘起マルテンサイトは生成されない。
【0061】
(形状矯正工程)
前記調質圧延の後の鋼板に対し、テンションレベラーにより伸び率0.5~3.0%の張力を付与しつつ曲げを繰り返すことで形状矯正を行う(形状矯正工程)。テンションレベラーによる形状矯正は、鋼板の平坦性を確保するための工程であり、通常、伸び率で制御される。本実施形態における形状矯正工程は、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板の製造における一般的な条件で問題ないが、伸び率を0.5~3.0%とすることが好ましい。伸び率が0.5%未満であると、ハーフエッチング後の反りが大きくなるおそれがある。一方、伸び率が3.0%を超えると製造ライン内で硬質化が生じる場合がある。安定製造の観点から、伸び率は、0.5%~1.5%の範囲が好ましい。
【0062】
(歪熱処理工程)
テンションレベラーによる形状矯正の後の鋼板に対し、720℃以上、780℃以下の温度範囲にて歪取熱処理を行う(歪熱処理工程)。当該温度範囲での歪取熱処理によって、調質圧延およびテンションレベラーによる形状矯正によって生じた残留応力が著しく低減するとともに、析出強化が達成される。歪取熱処理の温度範囲が720℃以上であればエッチング加工前後での平坦性は確保できるが、720℃未満であると、析出物の体積率が少ないため、強度が不十分となる。一方で780℃を超えると、エッチング加工前後での平坦性は確保できるが、析出物の平均粒子直径が粗大になり、強度が不十分となる。したがって、前記歪取熱処理の温度は720℃以上、780℃以下とする。好ましくは、725℃以上775℃である。
【0063】
以上説明した工程により、本実施形態に係るフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板を製造することができる。
【実施例0064】
本発明の効果を詳細に確認するため、以下の実験を行った。なお、本実施例は、本発明の一実施例を示すものであり、本発明は以下の構成に限定されるものではない。
【0065】
表1に示す化学組成を有する鋼を溶製し、厚さ100mmの鋳塊を得た。続いて、前記鋼塊を1230℃に加熱した後、熱延して板厚5.0mmの熱延板とした。その後、熱延板焼鈍(焼鈍温度:1070℃、焼鈍時間:45秒)を施し、さらに冷間圧延を、中間焼鈍を挟んで繰り返し実施して、板厚0.18~0.33mmの冷延板を得た。そして前記冷延板を表2の仕上焼鈍温度で60秒間加熱した後、室温まで冷却し仕上焼鈍板を得た。さらに、前記仕上焼鈍板に対して、表2に示す調質圧延率およびテンションレベラーによる伸び率(TL伸び)で調質圧延、テンションレベラー(TL)による形状矯正を実施し、板厚を0.10mmとする鋼板を得た。その後、表2に示す条件で60秒間の歪取熱処理を行い、二相ステンレス鋼板を得た。
得られた二相ステンレス鋼板を下記各種評価試験に供した。
【0066】
(平均結晶粒径の測定方法)
平均結晶粒径は、以下の通り特定した。
電解研磨により調整した鋼板のL断面(圧延方向および板厚方向を含む平面)を後方散乱電子回折(Electron BackScatter Diffraction:EBSD)により測定した。前記測定の領域は、板厚中心の100μm×300μmLとし、測定のステップサイズは0.1μmとした。TSL Solutions製の解析ソフトウエア「OIM-Analysis」により、測定したデータからConfidence Indexの値が0.1より大きいプロットデータを抽出したうえ、求積法により平均結晶粒径を求めた。なお隣接するプロットデータ同士の結晶方位差が15°未満であれば、それらを同一結晶粒とみなし、15°以上の方位差があれば、異なる結晶粒として扱った。また前記平均結晶粒径を算出する際、フェライト相とオーステナイト相の区別はしていない。
【0067】
(析出物の平均粒子直径および体積率の測定方法)
まず、鋼板の1/4厚さから薄膜試料を作製し、透過型電子顕微鏡(TEM)にて画像を撮影する。ここでは前記画像を用いて、析出物の平均粒子直径および体積率を計測した。TEMの撮影倍率は、平均粒子直径の測定では3万倍、体積率の測定では1万倍とした。析出物は、TEM-EDXにより組成分析して同定した。
【0068】
析出物の平均粒子直径は、以下の通り特定した。
まず、画像解析ソフトウエアを用いて析出物1個の面積を計測し、これを円相当直径に換算した。前記の計測および換算を100個以上の析出物について行い、その平均値を析出物の平均粒子直径と定義した。
【0069】
析出物の体積率は、以下の通り特定した。
まず、画像解析ソフトウエア「Image J」を用いてTEM画像中に写る析出物の総面積を求めた。そして前記析出物の総面積を、撮影視野の総面積で除して、撮影視野に占める析出物の割合(%)を求めた。本実施例では、前記撮影視野に占める析出物の割合を、析出物の体積率と定義した。なお、撮影視野内において前記Cuを主体とする析出物またはCr窒化物が認められない場合には、表2の「平均粒子直径」、「体積率」の各項目は、「析出無」と表記した。
【0070】
(硬さの測定方法)
JIS Z 2244:2009に準拠し、ビッカース硬度計により鋼板表面の硬さを測定した。荷重0.5kgfにて、鋼板表面を10回測定し、平均値を算出し代表値とした。鋼板の硬さが450HV以上あれば、高強度であると判断した。
【0071】
(フェライト相比の測定方法)
フェライト相比の測定は、以下の通り特定した。
鋼板から板厚t×40mm40mmの試験片を複数切り出し、総厚み2mm以上となるように積層したうえで、フェライトメータを用いて測定する。測定は5回行い、平均値を鋼板のフェライト相比とする。
【0072】
(エッチング面の平滑性の評価試験)
鋼板から切出した板厚0.1mm×50mm×50mmの試験片の片側表面に、50℃に加温した比重1.35の塩化第二鉄水溶液を4分間噴射しエッチングした。エッチング面の平滑性は、接触式表面粗さ計を用い、圧延方向に対して垂直な方向に沿って算術平均粗さRaを測定した。Raが0.6μm以下を満たす場合、良好なエッチング面の平滑性を有している(合格)と判断した。
【0073】
(エッチング加工前後の平坦性の評価試験)
鋼板から板厚0.1mm×12mmw×100Lの試験片を切出し、これを塩化第二鉄水溶液中でハーフエッチングし、板厚が半分に減少した時点での試験片の曲率半径を測定した。ハーフエッチング後の曲率半径が150mm以上であれば、必要なエッチング加工前後の平坦性を備えているとして、合格と判断した。
【0074】
表2に上記各種評価試験の結果を示す。なお、表1、2中に示す下線は、本発明の範囲もしくは本発明の好ましい製法条件および各特性の範囲外であることを示す。
鋼板の化学組成、硬さ、平均結晶粒径、析出物の平均粒子直径、析出物の体積率、ハーフエッチング後の曲率半径が所定範囲にある発明例No.1~21、32~41は、高強度、エッチング面の平滑性、エッチング加工前後での平坦性をすべて満足した。なお、これらの発明例、ならびに後述する比較例を含めて、ハーフエッチング前の鋼板の曲率半径は、ほぼ∞(無限大)であり、反りの無い、平坦な形状に調整した。
【0075】
No.22は歪取熱処理の温度が低過ぎたため、析出物の体積率が所定より小さくなり、強度が不十分であった。
【0076】
No.23は歪取熱処理の温度が高すぎたため、析出物の平均粒子直径が所定より大きくなり、強度が不十分であった。
【0077】
No.24はN含有量が過少のため、強度が不十分であった。
No.25はN含有量が過多のため、強度が不十分であった。
【0078】
No.26はCr含有量が過少のため、強度が不十分であった。
No.27はCu含有量過少のため、強度が不十分であった。
【0079】
No.28~30は鋼組成が本発明の範囲外のため、いずれも強度が不十分であった。
【0080】
No.31は、フェライト系ステンレス鋼である。No.31では、仕上焼鈍時の粒成長が速く、平均結晶粒径が粗大化したことにより、エッチング面の平滑性が不十分であった。また強度も不十分であった。
【0081】
No.32は、仕上げ焼鈍の温度が高すぎたため、平均結晶粒径が粗大化したことにより、エッチング面の平滑性が不十分であった。また強度も不十分であった。
No.33は、仕上げ焼鈍の温度が低すぎたため、再結晶粒と未再結晶粒が混在した金属組織となり、結晶粒間の硬さのバラツキが生じてしまったため、テンションレベラーによる形状矯正後に良好な平坦性が得られなかった。なお、形状矯正後に良好な平坦性が得られなかったことから、No.33では、ハーフエッチング試験を実施しなかった。
【0082】
【表1】
【0083】
【表2A】
【0084】
【表2B】
【産業上の利用可能性】
【0085】
本発明のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板は、高強度、エッチング加工前後の平坦性およびエッチング面の平滑性すべてを兼ね備えている。すなわち、本発明のフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼板を部品素材として適用することで、一例として、部品製造の際、エッチング加工が実施される電子機器や精密機械の小型化、軽量化が期待される。