JP2005330580A - 高強度でかつ耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎｉを添加せず、製造工程を増やさずに、高強度でかつ耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を経済的に製造する方法を提案する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０８０％以下、Ｃｒ：１１％以上１９％以下を含有するステンレス鋼板素材を用い、冷間圧延後の仕上熱処理を、目標加熱温度を７００℃以上８２０℃以下の範囲内とし、その目標加熱温度に対し、±１５℃の実際の加熱温度における保持時間を５０秒以上１００秒以下でかつ該目標加熱温度と該保持時間の積が３８５００℃・秒以上、７７０００℃・秒以下を満たすように施し、しかる後、酸洗を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、高強度でかつ耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板に係わり、特に自転車リム等の車輪用鋼板として好適な、曲げ加工性に優れ、高強度でかつ耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法に関する。

高強度ステンレス鋼板としては、従来から、オーステナイト系ステンレス鋼を冷間圧延したもの、あるいはマルテンサイト系ステンレス鋼を焼入れ焼戻したものが広く用いられてきた。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼板は、ヤング率が低く、構造設計のうえで剛性の確保に不利であり、また、オーステナイト系ステンレス鋼板は冷間圧延時に導入される歪に不均一が生じる場合があり、さらに、高価なNiを８質量％程度含有しているため、コスト高となる。また、マルテンサイト系ステンレス鋼板は、延性が低く、曲げ加工性が著しく劣る。

そこで従来から、自転車リム用鋼板としては、主として耐食性の観点から、１６〜１８％のＣｒを含有するＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸなどのフェライト系ステンレス鋼板が使用されてきた。最近では、自転車の軽量化が指向され、自転車のリムも薄肉化することが要望されている。図２に、自転車のリム１の断面形状を例示した。スポーク孔２は重ね合わせシーム溶接部４に設けられている。

通常、自転車のリムは、鋼板の幅方向の両端を曲げ加工し重ね合わされてシーム溶接されたのち、所定の長さに切断され、ついでリング状に成形され、さらに切断部を突き合わせ溶接される。図２中、自転車のリム１の両側の部分３、３は、割れを発生させないように１８０°曲げ加工により内側曲げ半径が２．０ｍｍ以下に成形する必要があり、自転車のリム用鋼板としては、従来のフェライト系ステンレス鋼板の強度から、さらに高強度とする必要があると共に、耐食性と曲げ加工性に優れた鋼板が要求される。

しかし、従来のＳＵＳ４３０やＳＵＳ４３０ＬＸのようなフェライト系ステンレス鋼板は、良好な延性を有しているが、強度が低い。このようなフェライト系ステンレス鋼板の強度を高める方法として、仕上熱処理後、冷間圧延を施し、高強度化することが試みられた（特許文献１）。
特開昭６２−１６４８５７号公報

しかしながら、フェライト系ステンレス鋼板の強度を高める方法として、仕上焼鈍後、圧延歪を導入して高強度化を図った場合には、１．冷間圧延→２．仕上焼鈍、酸洗→３．高強度化を目的とする冷間圧延（圧下率が１〜１０％）→４．脱脂処理（圧延油の除去）の４工程が必要であるうえ、仕上焼鈍により形成された耐食性に有効な不動態皮膜が圧下率が１〜１０％の冷間圧延によって損傷をうけるため、耐食性が劣るという問題があった。

本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、Ｎｉを添加せず、製造工程を増やさずに、高強度でかつ耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を経済的に製造する方法を提案することを目的とする。
なお、本発明でいう「高強度」ステンレス鋼板とは、好ましくは引張強さが７３０〜１２００ＭＰａ であるステンレス鋼板をいうものとする。

本発明者らは、冷間圧延後の仕上熱処理を、再結晶が完全に終了する焼なまし条件とせずに、７００〜８２０℃かつ短時間の焼なまし条件とし、しかる後、酸洗を行うことで、不動態皮膜上に形成されるスケールを、不動態皮膜に損傷を与えずに除去するようにして上記課題を達成した。
すなわち、本発明は、質量％で、
Ｃ：０．０８０％以下、 Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：１．０％以下、 Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、 Ａｌ：１．０％以下、
Ｃｒ：１１％以上１９％以下、 Ｎ：０．０５０％以下
を含有するステンレス鋼板素材を用い、冷間圧延後の仕上熱処理を、目標加熱温度を７００℃以上８２０℃以下の範囲とし、その目標熱温度に対し、±１５℃以内の実際の加熱温度における保持時間を５０秒以上１００秒以下でかつ該目標加熱温度と該保持時間の積が３８５００℃・秒以上、７７０００℃・秒以下を満たすように施し、しかる後、酸洗を行うことを特徴とする高強度フェライト系ステンレス鋼板の製造方法である。

また、前記フェライト系ステンレス鋼板の引張強さが７３０〜１２００ＭＰａであることを特徴とする高強度フェライト系ステンレス鋼板の製造方法である。
さらに、前記フェライト系ステンレス鋼板が車輪用として使用されることを特徴とする高強度フェライト系ステンレス鋼板の製造方法である。

本発明によれば、冷間圧延後の仕上熱処理を、再結晶が完全に終了する焼なまし条件とせずに、７００〜８２０℃かつ短時間の焼なまし条件とすることで、引張強さが７３０ＭＰａ以上の高強度を有すると共に、仕上熱処理を７００〜８２０℃かつ短時間の焼なまし条件で行った後、酸洗を行うようにしたから、不動態皮膜上に形成されるスケールを、不動態皮膜に損傷を与えずに除去することができ、耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼板を経済的に提供することができる。

以下、本発明に係る高強度ステンレス鋼板の製造方法により自転車リム等の車輪用のフェライト系ステンレス鋼板を製造する場合の数値限定理由について説明する。
なお、組成における質量％は単に％で記す。
Ｃ：０．０８０％以下
Ｃは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を確保するためには０．００１％以上含有することが望ましいが、０．０８０％を超える含有は、延性、曲げ加工性および溶接部靭性を著しく低下させ、とくに、曲げ加工性、溶接部の打抜き加工性を顕著に低下させる。このため、本発明ではＣは０．０８０％以下限定した。

Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、脱酸剤として作用するとともに、鋼の強度を高める元素であり、このような効果は０．１％以上の含有で顕著となる。一方、１．０％を超える含有は、鋼板を硬化させるとともに脆化させ靱性を低下させる。このため、Ｓｉは１．０％以下に限定することが好ましい。

Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、強度を高める効果がある元素であり、この効果のために０．２％以上含有することが望ましいが、１．０％を超えて過剰に含有すると鋼板の延性および耐食性を低下させる。このため、Ｍｎは１．０％以下に限定することが好ましい。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、鋼板の延性を低下させる元素であり、本発明ではできるかぎり低減することが望ましいが、過度の低減は製鋼時の脱Ｐ処理に長時間を要し、製造コストの高騰を招く。このため、本発明ではＰは０．０４０％を上限とすることが好ましい。なお、延性の観点からは、好ましくは０．０３０％以下である。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、鋼中では介在物として存在し鋼板の耐食性を低下させる元素であり、できるだけ低減することが望ましいが、過度の低減は製鋼時の脱Ｓ処理に長時間を要し、製造コストの高騰を招く。このため、本発明ではＳは０．０３０％を上限とすることが好ましい。なお、好ましくは耐食性の観点から、０．０１５％以下である。

Ａｌ：１．０％以下
Ａｌは、脱酸剤として作用する元素であり、０．００１％以上含有することが望ましいが、１．０％を超える含有は、介在物の生成が顕著となり、耐食性および延性が低下する。このため、本発明ではＡｌは１．０％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは延性の観点から、０．６％以下である。

Ｃｒ：１１％以上１９％以下
Ｃｒは、ステンレス鋼の特徴である耐食性の向上に有効な元素であり、十分な耐食性を得るためには１１％以上の含有を必要とする。一方、過剰なＣｒの含有は鋼板の延性および靱性を低下させるうえ、１９％を超えるＣｒの含有は曲げ加工性を顕著に低下させる。このため、本発明では１１％以上１９％以下に限定した。

また、自転車リム等の車輪用フェライト系ステンレス鋼板を経済的に製造するには、以下のように成分を限定するのが好ましい。
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは、Ｃと同様に鋼の強度を増加させる元素であるが、多量の含有は延性、溶接部靭性および曲げ特性を著しく低下させる。とくに０．０５０％を超える含有は、曲げ特性を顕著に低下させ、さらには０．０６０％を超える含有は溶接部の打抜き加工性を顕著に低下させる。このため、本発明ではＮは０．０５０％以下に限定することが好ましい。なお、曲げ加工性、溶接部の打抜き加工性向上の観点から、０．０３５％以下とすることがより好ましい。

引張強さ：７３０〜１２００ＭＰａ
ステンレス鋼板の引張強さが、730MPa以上であれば従来のＳＵＳ４３０やＳＵＳ４３０ＬＸの強度より高強度であり、リム等の車輪用として十分な強度となる。なお、１２００ＭＰａを超えると構造体としての強度は高くなるが、スプリングバックが大きくなり、リム等車輪成形の際の曲げ加工が著しく困難となる。

本発明のステンレス鋼板素材は、上記した成分以外は実質的にＦｅからなる。
ここで、実質的にＦｅからなるとは、残部がＦｅ以外に、不可避的不純物あるいは本発明の効果を損わない範囲で含有される他の成分を許容することを意味する。なお、Ｃｕについては、原料の一部となるスクラップからの混入により、０．１％程度まで含有される場合があるが、自転車リム用の場合には、不可避的不純物としては、Ｃｕを０．０４％未満に調整することが好ましい。Ｃｕが０．０４％を超えて高くなると、溶接部の打抜き加工性が低下する。Ｃｕ以外の不可避的不純物としては、少量（０．０５％程度）のアルカリ金属類、アルカリ土金属類、希土類元素類および遷移金属類などが例示できる。これら元素の少量の含有は、本発明の効果を何ら妨げるものではない。

上記した基本組成に加えて、本発明では、Moおよび／またはＢを含有できる。
Ｍｏ：０.１％以上２.０％未満
Ｍｏは、耐食性向上に有効に寄与する元素であり、溶接部の打抜き穴剪断面の耐食性向上に有効に寄与する。このような効果を得るためには０.１％以上含有することが好ましい。一方、２.０％以上含有しても耐食性向上効果が飽和するうえ、却って加工性が低下し、含有量に見合う効果が期待できず経済的に不利となる。このため、０.１％以上２.０％未満に限定することが好ましい。なお、耐食性向上の観点から１.０％以上とすることがより好ましい。

Ｂ：０.０００５〜０.００５０％
Ｂは、微量の含有で鋼の焼入れ性をを高め、強度を高くする作用を有し、さらには溶接部の打抜き加工性を顕著に向上させる効果を有する。このような効果は、０.０００５％以上の含有で認められる。しかし、０.００５０％を超えて含有しても効果が飽和するうえ、耐食性が低下する。このようなことから、Ｂは０.０００５〜０.００５０％の範囲に限定した。なお、焼入れ性向上の観点からは、０.００１０％以上とすることが好ましく、耐食性の観点からは０.００３０％以下とすることが好ましい。

本発明では、冷間圧延後の仕上熱処理前までの工程は通常の工程でよく、とくに限定されない。仕上熱処理前までの好ましい工程はつぎのとおりである。
上記した成分組成を有する溶鋼を、転炉あるいは電気炉等による一次精錬と、ＶＯＤ（Ｖａｃｕｕｍ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ ）あるいはＡＯＤ（Ａｒｇｏｎ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）による二次製錬とにより溶製し、通常公知の連続鋳造法等でスラブ等の鋼素材とする。ついでこれら鋼素材に、１０００〜１２５０℃のスラブ加熱処理を施したのち、一般的に採用されている通常の熱延工程により、所望の板厚の熱延板とする。熱延板は、ついで６００ 〜８００℃のバッチ式焼鈍を施され、酸洗等により脱スケールされたのち、通常の冷延工程を施され所定板厚の冷延板とされる。ここまでは、一般的に採用されている製造工程と同じ工程を適用できる。

本発明の実施の形態に係るフェライト系ステンレス鋼板の製造方法は、このようなステンレス冷延鋼板を素材として、該素材に仕上熱処理を図１に示す図形の範囲内で施し、しかる後、酸洗を行う。酸洗を行う際には、ショットブラストを投射して、スケールにクラックを発生させるショットブラスト処理や圧延加工によりスケールにクラックを発生させる圧延加工を行うのは避けて、不動態皮膜の損傷を抑制しつつ、不動態皮膜上に形成されるスケールを除去することが肝要である。このようなフェライト系ステンレス鋼板の製造方法において、酸洗処理は、硝酸、弗酸による浸漬や、中性塩による電気分解によって行うのが一般的である。

また、仕上熱処理を図１に示す範囲内で行う理由は、以下のとおりである。
ここでいう加熱温度とは、目標加熱温度をいい、保持時間とは、目標加熱温度に対し、±１５℃の実際の加熱温度における時間をいう。
(ｉ）加熱温度を７００℃未満とした場合には、加熱温度不足により、局部的に硬質ゾーンが残り、その結果、延性が不十分となって、曲げ加工性が不足する問題があり、
(ii)加熱温度を８２０℃超えとした場合には、加熱温度過大により、局部的に軟質ゾーンが発生し、強度不足となってしまう問題が発生する。
(iii)加熱温度が７００℃以上８２０℃以下の範囲で、かつ保持時間が１００秒を超えた場合には、保持時間過多により、局部的に軟質ゾーンが発生し、強度不足となってしまう問題が発生する。
(iv)加熱温度が７００℃以上８２０℃以下の範囲で、かつ保持時間が５０秒未満の場合には、保持時間不足により、局部的に硬質ゾーンが残り、その結果、延性が不十分となって、曲げ加工性が不足する問題が発生する。
(v)加熱温度と保持時間の積が７７０００℃・秒超えの場合には入熱過多により、その結果、完全に再結晶して、強度が不十分となってしまう問題が発生する。
(vi)加熱温度と保持時間の積が３８５００℃・秒未満の場合には、入熱不足により、その結果、延性が不十分となって、曲げ加工性が不足する問題が発生する。

したがって、引張強さが７３０〜１２００ＭＰａ で、しかも延性が５〜３０％として、曲げ加工性を良好とするため、冷間圧延後の仕上熱処理を、目標加熱温度を７００℃以上８２０℃以下の範囲内とし、その目標加熱温度に対し、±１５℃以内の実際の加熱温度における保持時間を５０秒以上１００秒以下でかつその目標加熱温度とその保持時間の積が３８５００℃・秒以上、７７０００℃・秒以下を満たすように施した。このような仕上熱処理は、酸化性雰囲気に調整した従来の連続焼鈍炉で行うことができる。その際、仕上熱処理後の冷却は、従来のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法と同様に、空冷により行うことができる。

板厚が０．８ｍｍのステンレス冷延鋼板（組成：質量％で、Ｃ：０．０１２％、Ｓｉ：０．３１％、Ｍｎ：０．４６％、Ｐ：０．０３０％、Ｓ：０．００５％、Ａｌ：０．００３％、Ｃｒ：１７．５％、Ｎ：０．０１４％を含有し、残部実質的にＦｅ）を素材として、該素材に表１に示す条件の連続焼鈍炉により仕上熱処理を施し、酸洗して自転車リム用鋼板とした。得られた鋼板について、（１）引張試験、（２）腐食試験、（３）曲げ試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）引張試験
得られた鋼板から引張方向が圧延方向となるようにＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して引張試験を実施し、引張強さ（ＴＳ）と伸び（Ｅｌ）を求めた。
（２）腐食試験
得られた鋼板から腐食試験片（大きさ：板厚×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）を採取し、片面を試験面として、下記に示す条件で複合サイクル腐食試験（Ｃｙｃｌｉｃ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ：以下、ＣＣＴともいう）を実施した。試験後、各鋼板の試験面における発錆面積を画像解析により求め、ＣＣＴ発錆面積がＳＵＳ４３０(１６％ｍａｓｓＣｒ）より良好な場合、実用上問題のない耐食性を有しているといえ、耐食性の評価を○とし、それ以下の場合、耐食性の評価を×とした。

試験条件：
塩水（５％ＮａＣｌ水溶液、液温：３５℃）２時間噴霧→４時間乾燥（６０℃、湿度：３０％以下）→２時間湿潤（５０℃、湿度：９５％以上）を1サイクルとして、２０サイクル行う。
（３）曲げ試験
得られた鋼板から長手方向が圧延方向と平行となるように曲げ試験片（板厚×２５ｍｍ幅×７０ｍｍ長さ）を採取し、内側半径１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍで１８０℃曲げを行い、曲げの外側を拡大鏡で観察し、割れの有無を調査し、割れ発生のない最小内側曲げ半径（ｍｍ）を求めた。最小内側曲げ半径が２．０ｍｍ以下であれば、実用上十分な曲げ加工性を持っていると言える。

得られた結果を表１に併記して示す。

自転車リム用としての好適範囲を満足する本発明例はいずれも、引張強さ：７３０ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下の高強度を有し、優れた耐食性を有するとともに、曲げ加工性にも優れている。一方、自転車リム用としての好適範囲を外れた場合は、引張強さが７３０ＭＰａ未満であるか、耐食性がＳＵＳ４３０(１６％ｍａｓｓＣｒ）より劣化している。

なお、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼板の製造方法は、自転車リム用以外の車輪用フェライト系ステンレス鋼板にも適用可能である。

本発明に係る仕上熱処理における加熱温度と保持時間の範囲を示すグラフである。 自転車のリム１の概略断面図である。

符号の説明

１ 自転車のリム
２ スポーク孔
３ １８０°曲げ加工部分(最小内側曲げ半径１．８ｍｍ)
４ 重ね合わせシーム溶接部

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．０８０％以下、 Si：１．０％以下、
   Ｍｎ：１．０％以下、 Ｐ：０．０４０％以下、
   Ｓ：０．０３０％以下、 Ａｌ：１．０％以下、
   Ｃｒ：１１％以上１９％以下、 Ｎ：０．０５０％以下
   を含有するステンレス鋼板素材を用い、冷間圧延後の仕上熱処理を、目標加熱温度を７００℃以上８２０℃以下の範囲とし、その目標熱温度に対し、±１５℃以内の実際の加熱温度における保持時間を５０秒以上１００秒以下でかつ該目標加熱温度と該保持時間の積が３８５００℃・秒以上、７７０００℃・秒以下を満たすように施し、しかる後、酸洗を行うことを特徴とする高強度フェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
2. 前記フェライト系ステンレス鋼板の引張強さが７３０〜１２００ＭＰａであることを特徴とする請求項１に記載の高強度フェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
3. 前記フェライト系ステンレス鋼板が車輪用として使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度フェライト系ステンレス鋼板の製造方法。

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