JP2005320586A - フォトエッチング加工用ステンレス鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エッチング面の平滑性を確実かつ大幅に向上させることができ、これによって電解研磨を不要とすることが可能なフォトエッチング加工用ステンレス鋼板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれ含有し、また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれ制限され、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板を、圧延率が３０％以上で冷間圧延した後、７００℃以上９００℃以下の温度で熱処理することによって平均結晶粒径を１０μｍ以下とし、次いで、最終圧延時に、表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下の圧延ロールを用いて２０％以上８０％以下の圧延率で冷間圧延する圧延工程を経た後、さらに、５５０℃以上７００℃以下の温度で熱処理する。

Description

本発明は、エッチングされる面（以下、エッチング面と称する）の平滑性に優れ、フォトエッチング加工に好適に使用されるステンレス鋼板およびその製造方法に関する。

フォトエッチング加工は、フォトレジスト法によって金属表面に耐酸性のレジスト皮膜を製品形状に形成し、不要部分をエッチング液で溶解した後、レジスト皮膜を除去して製品を得るもので、複雑形状の部品の多品種少量生産に適していることから、ステンレス箔の加工に広く採用されている。

このような加工方法を用いて生産されている部品としては、ハードディスクのジンバルバネ、ロータリーエンコーダのスリット、ＩＣやＬＳＩを生産する際に治具として用いられる真空蒸着用のメタルマスク、インクジェットプリンタの紙送り用拍車等、数多くが挙げられる。

例えば、上記紙送り用拍車においては、印刷画像の高品質化に伴い、専用の光沢紙等が使用されるようになってきたことから、その拍車による印刷紙への疵付きが問題となっている。また、拍車が印刷紙面を擦ることにより紙粉が発生する場合があるが、その場合、紙粉が拍車に付着し、さらにその紙粉がインクを吸収して印刷紙面を汚すといった問題が生じる。

拍車においては、印刷紙面に接触する部分である周面およびその近傍部分は、エッチングによって平滑に処理されているものが多い。ところが、上記の各問題点は、いずれも印刷紙面への接触部のエッチング面の平滑の度合いが低いために起こることが判っている。そこで従来は、拍車のエッチング面をより平滑とするために、エッチング後に電解研磨を施す場合があった。しかしながら電解研磨を施すことは、工程およびコストの増加を招くため、できれば避けたい工程である。そこで、結晶粒径を微細化することによりエッチング速度を速め、これによってエッチング面をより平滑にすることが考えられた。

例えば特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼を５００〜８５０℃の温度で１０秒以上熱処理することにより、結晶粒度を６以上に微細化してエッチング面を平滑に処理することが記載されている。また、特許文献２には、炭化物からなるスマットと呼ばれる腐食生成物に起因して生じるマスキング効果を抑制するために、Ｃ量を０．０３質量％以下とし、粒界のエッチング速度を速めることを目的として平均結晶粒径を１５μｍ以下に微細化し、さらに、粗大な炭化物と結晶粒成長を抑制するために、Ｎｂを０．０１〜０．３質量％含有させることが記載されている。

特許第２７５４２２５号公報 特開２００３−３２４４号公報

しかしながら、上記従来技術のうち、前者の場合には、結晶粒径を微細化するための熱処理により、結晶粒界に炭化物が析出し、結晶粒界近傍にクロム欠乏層が形成されることにより、耐食性が劣化し、これを補うために、不働態化処理等を必要とする場合があった。また、後者の技術で到達可能な表面粗さは、Ｒａでせいぜい０．３μｍ程度であり、電解研摩が省略可能とされるＲａ：≦０．２０μｍまで平滑にすることは困難であった。

よって本発明は、エッチング面の平滑性を確実かつ大幅に向上させることができ、これによって電解研磨を不要とすることが可能なフォトエッチング加工用ステンレス鋼板およびその製造方法を提供することを目的としている。

改めて従来方法の概要を記載すると、結晶粒径を微細化することによってエッチングされやすい結晶粒界の単位面積当たりの存在頻度（密度）を増加させるということである。しかしながら、この方法では、電解研磨が不要とされるエッチング面の表面粗さ：Ｒａ≦０．２０μｍに到達することが難しかったわけである。そこで本発明者らは、その目的のエッチング面の表面粗さ：Ｒａ≦０．２０μｍを達成するために鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。

まず、結晶粒内に転位やマルテンサイトを導入して結晶粒内のエッチング速度を増加させ、この結晶粒内のエッチング速度を結晶粒界と同等にすることにより、従来以上に平滑なエッチング面を得ることができる。結晶粒内に転位やマルテンサイトを導入させるには、最終圧延時に、表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下の圧延ロールを用いて２０％以上８０％以下の圧延率で冷間圧延することにより可能である。

また、素材の圧延前の結晶粒径が１０μｍを超える時は、導入した転位は結晶粒界付近に偏在するのに対し、圧延前の結晶粒径が１０μｍ以下になると、導入した転位は結晶粒内に均一に分布するので、結晶粒内が均一にエッチングされるようになり、従来以上に平滑なエッチング面を得ることができる。

エッチング面の粗さは素材表面の粗さの影響を受け、その粗さが平滑であればあるほどエッチング面は平滑になりやすい。

上記の知見に基づいてなされた本発明は、下記のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板およびその製造方法を要旨としている。
すなわち、本発明のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれの元素を含有し、また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれの元素が制限され、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、圧延方向に直交する断面での板幅方向の平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、さらに、ビッカース硬さが３００以上で、かつ、表面粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ以下であることを特徴としている。

また、本発明のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれ含有し、また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれ制限され、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板を、圧延率が３０％以上で冷間圧延した後、７００℃以上９００℃以下の温度で熱処理することによって平均結晶粒径を１０μｍ以下とし、次いで、最終圧延時に、表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下の圧延ロールを用いて２０％以上８０％以下の圧延率で冷間圧延する圧延工程を経た後、さらに、５５０℃以上７００℃以下の温度で熱処理することを特徴としている。

本発明によれば、含有元素と、素材であるステンレス鋼板の圧延条件および熱処理条件とを特定することにより、エッチング面の平滑性が確実かつ大幅に向上し、これによって電解研磨を不要とすることが可能なフォトエッチング加工用ステンレス鋼板を得ることができるといった効果を奏する。

本発明に係るステンレス鋼板が含有する各成分の含有量範囲（質量％）について、以下に限定理由を説明する。
Ｃ：０．０３％以下
Ｃは結晶粒径を微細化するために低温で焼鈍すると炭化物を形成しやすくなるが、Ｃｒ炭化物の周囲には脱Ｃｒ層が形成され、耐食性を劣化させる。また、この炭化物はスマットの原因となり、マスキング効果でエッチング面を粗面化させる。ただし、０．０３％以下では炭化物の析出に要する時間が長くなり、通常の生産設備での焼鈍時間以内に炭化物が生成することはなくなるので、Ｃの上限を０．０３％とした。

Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは熱間加工性を向上させるために添加するが、２．０％を超えて含有量が多くなるとその効果も飽和し、かつコスト高となるので、２．０％を上限とした。

Ｎｉ：５．０％以上１５％以下
Ｎｉはステンレス鋼の耐食性ならびに強度の向上に必要な元素であるが、含有量が５．０％を下回ると耐食性が劣化し、１５％を超えるとコスト高となるため、５．０％以上１５％以下に限定した。

Ｃｒ：１５％以上２０％以下
Ｃｒは耐食性向上に最も重要な元素であり、含有量が１５％を下回ると耐食性が劣化し、２０％を超えるとコスト高となるため、１５％以上２０％以下に限定した。

Ｎ：０．３０％以下
Ｎはステンレス鋼の耐食性ならびに強度の向上に有効な元素であり、また、結晶粒径を微細化するために低温で焼鈍した時に炭化物の析出を抑制する効果があるため、添加することが好ましい。しかしながら、０．３０％以上添加すると窒化物を形成するようになり、これはスマット化してマスキング効果によりエッチング面を粗面化する。したがって、Ｎは上限を０．３０％以下とした。

Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは脱酸材として使用されるが、１．０％を超えて含有量が多くなるとエッチング速度を低下させるため、１．０％を上限とした。

Ｐ：０．０４５％以下
Ｐは０．０４５％を超えて含有量が多くなると熱間加工性を劣化させるので、上限を０．０４５％とした。

Ｓ：０．０５％以下
Ｓは０．０５％を超えて含有量が多くなると熱間加工性を劣化させるので、上限を０．０５％とした。

また、圧延方向に直交する断面での板幅方向の平均結晶粒径が１０μｍ以下とした理由は、１０μｍを超えると転位の分布が結晶粒界の周辺に偏在し、結晶粒内全体で結晶粒径が均一とならなくなるため、エッチング面の粗面化を惹起するからである。また、ビッカース硬さを３００以上に限定した理由は、３００を下回ると、加工度が小さいために結晶粒内における転位分布が均一化しておらず、エッチング面が粗面化しやすくなるためである。

さらに、表面粗さ（Ｒａ）を０．１５μｍ以下に限定した理由は、エッチング面の粗さは素材表面の粗さの影響を受け、その粗さが平滑であればあるほどエッチング面は平滑になりやすいからである。なお、エッチング面の粗さに及ぼす素材表面の粗さの影響は、エッチング量が少ないほど大きく、エッチング断面よりハーフエッチング面の方が大きい。

次に、本発明の製造方法に掲げた条件の限定理由について述べる。
まず、最初の冷間圧延での３０％以上の圧延率の理由は、圧延率が３０％未満では、再結晶の駆動力となる十分な歪みが入らず、その後の熱処理において混粒組織となり、エッチング面が粗面化する。したがって、圧延率を３０％以上とした。

本発明に係る熱処理はいずれも焼鈍であり、上記冷間圧延後の最初の焼鈍においては、平均結晶粒径を１０μｍ以下とするために、焼鈍温度を９００℃以下とする必要がある。また、次に行う２回目の冷間圧延を可能とする延性を回復させるためには、７００℃以上とする必要がある。

次に、２回目の冷間圧延では、結晶粒内の転位分布を均一とするために２０％以上の圧延率が必要である。ここで、８０％を超えた圧延率で冷間圧延すると、圧延中に耳割れが発生しやすくなって破断する危険が増大するため、圧延率の上限を８０％とした。また、圧延ロールの表面粗さ（Ｒａ）を０．２μｍ以下と規定した理由は、素材表面の粗さは圧延ロールの粗さの影響を受けるためであり、素材表面の粗さ（Ｒａ）を０．１５μｍ以下とするために必要な粗さであるからである。なお、ここでの冷間圧延は、１回もしくは複数回のいずれも想定しており、複数回の場合には、最終圧延時に使用する圧延ロールの表面粗さ（Ｒａ）を０．２μｍ以下と規定する。

２回目の冷間圧延後の焼鈍は応力除去焼鈍であり、この場合は、５５０℃未満の温度でステンレス鋼板内部の残留応力が均質化しないことに起因してエッチング時にそりが生じる場合があるので、下限温度を５５０℃とした。また、７００℃を超える焼鈍温度では、導入した転位が消失し始めてエッチング面が粗面化しやすくなるため、７００℃を上限とした。

次に、本発明の効果を実証する実施例を説明する。
表１に示す合金成分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ有する４種の鋼塊１０ｋｇを７ｍｍの厚さに鍛造した後、固溶化熱処理、冷間圧延により２．５ｍｍの厚さとし、さらに、１１００℃で１分間の熱処理後、水冷して、試験用のステンレス鋼板（素材）を得た。

上記各素材を１ｍｍの厚さまで冷間圧延した後、表２に示す条件で、焼鈍−調質圧延−ＳＲ処理（応力除去焼鈍）を施し、試験片を得た。なお、調質圧延に用いた圧延ロールは、表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下のものを使用した。

次に、それぞれの試験片について平均結晶粒径、ビッカース硬さ、素材表面粗さ、エッチング面粗さを調べた。
平均結晶粒径は、圧延方向に直交する断面での板幅方向の結晶粒径であり、これは、調質圧延前の焼鈍状態の平均結晶粒径に相当するものである。この平均結晶粒径の調査方法は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法）計数方法により、測定した。また、ビッカース硬さはビッカース硬度計（明石製作所社製、ＡＶＫ）を用いて調べた。

素材表面の粗さは、接触式の表面粗さ計（東京精密社製、サーフコム１４００Ａ）を用いて、圧延方向と直交する方向に沿って測定した。また、エッチング面粗さの測定は、塩化第二鉄溶液（温度：５０℃、液比重：１．４９、酸化還元電位：６４６ｍＶ）を素材表面に圧力：２．５ｋｇ／ｍｍ^２で２分間スプレーしてエッチングした表面を、上記表面粗さ計を用いて、圧延方向と直交する方向に沿って測定した。

以上の試験結果を表２に併記する。
表２によれば、本発明例であるＮｏ．１〜６のステンレス鋼板は、いずれも表面粗さ（Ｒａ）が０．２０μｍ以下で平滑なエッチング面となっている。しかしながら、Ｎｏ．７，９のステンレス鋼板は、焼鈍温度が９５０℃と本発明の条件より高温で、かつ平均結晶粒径が１０μｍ以上の２２μｍとなったため、エッチング面が粗面化した。

Ｎｏ．８，１０のステンレス鋼板は、ＳＲ温度が７５０℃と本発明の条件より高温であることから、回復が進み軟質化したため、エッチング面が粗面化した。Ｎｏ．１１のステンレス鋼板は、本発明成分よりＣ量が多く、これによって炭化物が生成したため、エッチング中にスマットが発生し、そのマスキング効果によってエッチング面が粗面化した。Ｎｏ．１２のステンレス鋼板は、本発明成分よりＮ量が多く、これによって窒化物が生成したため、エッチング中にスマットが発生し、そのマスキング効果によってエッチング面が粗面化した。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれの元素を含有し、
   また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれの元素が制限され、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
   かつ、圧延方向に直交する断面での板幅方向の平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、
   さらに、ビッカース硬さが３００以上で、かつ、表面粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ以下であることを特徴とするフォトエッチング加工用ステンレス鋼板。
   
2. 質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれ含有し、
   また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれ制限され、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板を、
   圧延率が３０％以上で冷間圧延した後、７００℃以上９００℃以下の温度で熱処理することによって平均結晶粒径を１０μｍ以下とし、
   次いで、最終圧延時に、表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下の圧延ロールを用いて２０％以上８０％以下の圧延率で冷間圧延する圧延工程を経た後、
   さらに、５５０℃以上７００℃以下の温度で熱処理することを特徴とするフォトエッチング加工用ステンレス鋼板の製造方法。