JP2017039956A - 高Ａｌ含有制振性フェライト系ステンレス鋼材および製造方法 - Google Patents

高Ａｌ含有制振性フェライト系ステンレス鋼材および製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】制振性に優れたフェライト系ステンレス鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０.００１〜０.０４％、Ｓｉ：０.１〜２.０％、Ｍｎ：０.１〜１.０％、Ｎｉ：０.０１〜０.６％、Ｃｒ：１０.５〜２０.０％、Ａｌ：０.５〜５.０％、Ｎ：０.００１〜０.０３％、Ｎｂ：０〜０.８％、Ｔｉ：０〜０.５％、Ｃｕ：０〜０.３％、Ｍｏ：０〜０.３％、Ｖ：０〜０.３％、Ｚｒ：０〜０.３％、Ｃｏ：０〜０.６％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｃａ：０〜０.１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である化学組成を有し、マトリックスがフェライト単相であり、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が０.３〜３.０ｍｍである金属組織を有し、残留磁束密度が４５ｍＴ以下である制振性フェライト系ステンレス鋼材。【選択図】図４

Description

本発明は、強磁性型の振動減衰機構を発揮する高Ａｌ含有制振性フェライト系ステンレス鋼材およびその製造方法に関する。
自動車排ガス経路部材を構成する排気ガス流路管や、その遮熱カバーには、耐熱性に加え耐塩害腐食性も要求されることから、耐熱性に優れるフェライト系ステンレス鋼種が多用されている。排気ガス流路管にはエンジンの振動が伝わるため、その振動から発生する騒音が問題となる。近年、自動車の各部材には燃費向上のために軽量化が求められている。排気ガス流路管を軽量化のために薄肉化すると、その振動による騒音は更に増大しやすい。また、遮熱カバー内に発生するエンジンからの振動がこもり音となり、不快な騒音源となることがある。排気ガス流路管からの振動、騒音を抑制する性能に優れた耐熱ステンレス鋼材の出現が待たれている。また、自動車用耐熱部材に限らず、フェライト系ステンレス鋼材の制振性改善に対する要求は大きい。
金属材料単体で外部から加えられた振動エネルギーを減衰させる機構は、共晶型、転位型、強磁性型、複合型、その他に分類される。マトリックス（金属素地）がフェライト相である鋼材は強磁性体であることから、強磁性型の振動減衰機構を利用した制振材料が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、Ｃｒを含有する鋼材について制振性を付与した例が示されている。Ｃｒは制振特性を向上する作用を有すること、および２０.０ｗｔ％までは添加効果が向上することが記載されている（段落００２６）。ただし、実施例に示されている具体例のＣｒ含有量は高々３.０８％に過ぎない。
特許文献２には、ＳｉとＣｏを多量に含有させた鋼材を用いて制振性を付与する技術が開示されている。Ｃｒは磁歪を向上させる効果が顕著であるが、９％を超えるとかえって損失係数を低下させると教示されている（段落００１５）。
特許文献３には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒなどの合金元素を多量に添加することなく、結晶粒径、最大比透磁率、残留磁束密度を制御することにより制振性を付与する技術が記載されている。結晶粒径については加工時の肌荒れを考慮して３００μｍ以下としている（段落００２３）。
特許文献４には、ＣｒとＧａを多量に含有する鉄合金を用いて制振性を付与することが記載されている。
特開平１０−７２６４３号公報 特開２００２−２９４４０８号公報 特開２００７−２５４８８０号公報 特開２０１１−２４１４３８号公報
上記特許文献に示されるように、Ｃｒは鋼材の制振性を向上させるうえで有効であるとされる。しかし、フェライト系ステンレス鋼のような高Ｃｒ含有鋼を用いた鋼材において、その制振性を改善する技術は確立されていない。特に、数百℃以上といった高温での長時間使用に耐えうる耐熱性を備えた鋼材において、例えばＪＩＳ Ｋ７３９１：２００８に従う中央加振法による常温での損失係数ηが１０〜１０,０００Ｈｚの範囲に観測される各共振ピークにおいて０.００７０以上となるような優れた制振性を付与した材料は、出現していない。
本発明は、数百℃以上の高温で使用できる優れた耐熱性と、優れた制振性を兼ね備えたフェライト系ステンレス鋼材を提供しようというものである。
発明者らの詳細な研究によれば、強磁性型の振動減衰機構による優れた制振性をフェライト系ステンレス鋼材に付与するためには、所定形状の鋼材に加工したのち、最終焼鈍によって平均結晶粒径が０.３ｍｍ以上と非常に大きくなるように高温で加熱を行うことが極めて有効であることが明らかとなった。そして、特にＣｒとＡｌの複合添加によって、制振性の顕著に向上することがわかった。本発明はこのような知見に基づいて完成したものである。
すなわち上記目的は、質量％で、Ｃ：０.００１〜０.０４％、Ｓｉ：０.１〜２.０％、Ｍｎ：０.１〜１.０％、Ｎｉ：０.０１〜０.６％、Ｃｒ：１０.５〜２０.０％、Ａｌ：０.５〜５.０％、Ｎ：０.００１〜０.０３％、Ｎｂ：０〜０.８％、Ｔｉ：０〜０.５％、Ｃｕ：０〜０.３％、Ｍｏ：０〜０.３％、Ｖ：０〜０.３％、Ｚｒ：０〜０.３％、Ｃｏ：０〜０.６％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｃａ：０〜０.１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である化学組成を有し、マトリックスがフェライト単相であり、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が０.３〜３.０ｍｍである金属組織を有し、残留磁束密度が４５ｍＴ以下である制振性フェライト系ステンレス鋼材によって達成される。
ここで、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｏ、ＲＥＭ（希土類元素）、Ｃａの各元素は任意添加元素である。ＲＥＭはＳｃ、Ｙとランタノイド系元素である。
上記の制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法として、上記化学組成を有する鋼材に対して、非酸化性雰囲気中９００〜１２５０℃の温度範囲に１０ｍｉｎ以上保持してフェライト結晶粒の平均結晶粒径を０.３〜３.０ｍｍとする条件で最終焼鈍を施す製造方法が提供される。
上記製造方法において、最終焼鈍の雰囲気を非酸化性雰囲気に代えて大気雰囲気としても構わない。その場合は、最終焼鈍後に酸洗を施す。最終焼鈍に供する鋼材としては、鋼板素材を加工したものが適用できる。その場合、使用する鋼板の板厚（最終焼鈍に供する鋼材の肉厚）は、例えば０.２〜３.０ｍｍとすることができる。
本発明によれば、フェライト系ステンレス鋼材に強磁性型の振動減衰機構を利用して優れた制振性を付与することが可能となった。その制振性のレベルは、例えば、ＪＩＳ Ｋ７３９１：２００８に従う中央加振法による常温での損失係数ηが１０〜１０,０００Ｈｚの範囲に観測される各共振ピークにおいて０.００７０以上であり、それら各共振ピークでのηの平均値で評価した損失係数においては０.０１以上の値を得ることも可能である。高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼を用いているため耐高温酸化性にも優れており、７００℃を超える高温域まで制振性を発揮させることができる。従来、Ｃｕ−Ｍｎ系合金などの非鉄合金において制振性に優れる金属材料が知られているが、それらは高温での使用ができない。また、制振性を付与した従来公知の鋼材も、耐食性・耐熱性の点で本発明鋼材に及ばない。本発明は例えば自動車排ガス系統の制振化に寄与するものである。
比較例Ｎｏ.１の光学顕微鏡金属組織写真。 比較例Ｎｏ.２の光学顕微鏡金属組織写真。 比較例Ｎｏ.３の光学顕微鏡金属組織写真。 本発明例Ｎｏ.４の光学顕微鏡金属組織写真。
〔対象鋼種〕
本発明では、常温でフェライト単相からなるマトリックス（金属素地）が得られるフェライト系ステンレス鋼種のうち、特にＡｌ含有量が０.５〜５.０質量％である高Ａｌフェライト系ステンレス鋼を対象とする。Ｃｒと多量Ａｌの複合添加によって制振性のレベルを顕著に引き上げることができる。その制振性向上のメカニズムについては現時点では未解明である。
各合金成分の含有量は上述の範囲で設定することができる。Ｐ、Ｓは不可避的不純物であるが、Ｐ含有量は０.０４０％まで、またＳ含有量は０.０３０％まで許容できる。
特に耐熱性の高い鋼種としては、例えば下記（Ａ）の組成範囲を例示することができる。
（Ａ）質量％で、Ｃ：０.００１〜０.０３％、Ｓｉ：０.１〜１.０％、Ｍｎ：０.１〜１.０％、Ｎｉ：０.０１〜０.６％、Ｃｒ：１７.５〜１９.０％、Ａｌ：２.５〜４.０％、Ｎ：０.００１〜０.０３％、Ｎｂ：０〜０.３％、Ｔｉ：０.１〜０.３％、Ｃｕ：０〜０.３％、Ｍｏ：０〜０.３％、Ｖ：０〜０.３％、Ｚｒ：０〜０.３％、Ｃｏ：０〜０.６％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｃａ：０〜０.１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼。
〔金属組織〕
本発明に従う鋼材においては、マトリックス（金属素地）を構成しているフェライト再結晶粒の平均結晶粒径が０.３〜３.０ｍｍと非常に大きくなっていることが重要である。０.３５ｍｍ以上であることがより好ましい。強磁性型の制振材料は、磁区壁の移動によって振動エネルギーを吸収する。結晶粒界は磁区壁の移動を妨げる障害物となるので、一般的に結晶粒径が大きいことは制振性の向上に有利であるとされる。しかしながら、フェライト系ステンレス鋼材の場合、１００μｍ程度の平均結晶粒径では良好な制振性が得られないことが多く、安定して高い制振性を付与する手法が明確にされていなかった。発明者らは種々検討の結果、平均結晶粒径を０.３ｍｍ以上に非常に大きくすることによってフェライト系ステンレス鋼材の制振性が向上することを見いだした。その理由については現時点で明確ではないが、フェライト系ステンレス鋼材のマトリックスを構成するフェライト再結晶粒には、サイズの大きいものと小さいものが混在しており、そのうち特にサイズの小さいものが磁区壁の移動に不利に働いていたものと考えられる。平均結晶粒径が０.３ｍｍ以上、より好ましくは０.３５ｍｍ以上と極めて大きくなるような熱処理を施すことによって、サイズ小さい再結晶粒も磁区壁移動を阻害しないサイズに成長し、鋼材全体において制振減衰機構が向上するのではないかと推察される。
平均結晶粒径の測定は、断面の光学顕微鏡観察により、切片法を用いて行うことができる。ＪＩＳ Ｇ０５５１：２００３に記載の方法により、光学顕微鏡写真の画像上の無作為な位置に直線を引き、直線と結晶粒界との交点の数をカウントし、平均切片長さを算出する。複数の観察視野を用いて直線の合計本数を２０本以上とする。この方法で測定される平均結晶粒径が０.３ｍｍ以上であるフェライト系ステンレス鋼材において優れた制振性が発揮される。平均結晶粒径が１.０ｍｍ以上であることがより好ましい。部材形状への加工を終えた鋼材に対して後述の最終焼鈍を施して結晶粒を成長させることによって、結晶粒粗大化による加工性への悪影響を回避することができる。耐高温クリープ性の観点からは、結晶粒が大きいことは有利になる。ただし過剰な結晶粒を粗大化させることは最終焼鈍の負荷を増大させ、不経済となる。平均結晶粒径は３.０ｍｍ以下の範囲とすればよく、２.５ｍｍ以下に管理してもよい。
〔磁気特性〕
磁区壁の移動をスムーズに行わせるためにはフェライト結晶格子の歪が少ないことも重要である。結晶中の歪の大きさは、磁気特性における残留磁束密度に反映される。すなわち、同じ組成の材料であれば、残留磁束密度が小さいものは結晶格子の歪が小さいと評価できる。発明者らの検討によれば、常温での残留磁束密度が４５ｍＴ（４５０Ｇ）以下であるフェライト系ステンレス鋼材において、良好な制振性が得られる。残留磁束密度が３０ｍＴ（３００Ｇ）以下であることがより好ましい。下限は特に限定されないが、通常、１２ｍＴ（１２０Ｇ）以上となる。
他の磁気特性として、保磁力は４００Ａ／ｍ（約５Ｏｅ）以下であることが望ましい。また、最大磁束密度は４５０ｍＴ（４５００Ｇ）以上であることが望ましく、５２０ｍＴ（５２００Ｇ）以上であることがより好ましい。
〔製造方法〕
本発明では、フェライト系ステンレス鋼材の最終焼鈍においてフェライト再結晶粒を成長させ、制振性を付与する。
最終焼鈍に供するための鋼材を得るまでの工程は、従来一般的な製造工程を利用することができる。例えば、常法により製造されたフェライト系ステンレス鋼の冷延焼鈍酸洗鋼板や調質圧延仕上鋼板などを素材として所定の部材へ加工する。材部材への加工としては、金型を用いた各種プレス加工、曲げ加工、溶接加工などが挙げられる。
部材への加工が施された鋼材に最終焼鈍を施す。材料を９００〜１２５０℃の温度範囲で加熱保持して、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が０.３〜３.０ｍｍ、より好ましくは０.３５〜３.０ｍｍとなるように再結晶粒を成長させる。上記温度範囲での保持時間（材料温度がその温度範囲にある時間）は、最終焼鈍に供する鋼材の化学組成や加工度に応じて、フェライト結晶粒が上記の平均結晶粒径に粒成長するに足る時間を確保する。ただし、保持時間が短いと均質化が不足して制振性の向上が不十分となる場合もある。種々検討の結果、１０ｍｉｎ以上の保持時間を確保することが望ましい。５０ｍｉｎ以上保持することがより好ましく、１００ｍｉｎ以上とすることが更に好ましい。ただし、あまり保持時間が長いと不経済となる。上記温度での保持時間は３００ｍｉｎ以下の範囲で設定すればよく、２００ｍｉｎ以下の範囲としてもよい。適正な保持温度、保持時間は、鋼材の化学組成や加工度に応じて予備実験により予め把握しておくことができる。
上記温度範囲に保持したのちの冷却過程では、冷却に伴う熱収縮などにより結晶に歪が導入されないように、急冷を避けることが好ましい。種々検討の結果、９００〜１２５０℃の範囲にある最高到達温度から２００℃までの最大冷却速度を５℃／ｓｅｃ以下にコントロールすることが効果的である。一方、冷却速度が遅すぎると、途中の温度域で時効析出が生じる場合があり、その析出相は結晶に歪場を形成して磁区壁の動きを妨げる要因となる。従って、過度の緩冷却を回避することが望ましい。例えば、８５０℃から４００℃までの平均冷却速度を０.３℃／ｓｅｃ以上とすることが効果的である。
以上のことから、冷却速度を考慮したより好ましい最終焼鈍条件として、９００〜１２５０℃の温度範囲に１０ｍｉｎ以上保持してフェライト結晶粒の平均結晶粒径を０.５〜３.０ｍｍとしたのち、最高到達材料温度から２００℃までの最大冷却速度を５℃／ｓｅｃ以下、かつ８５０℃から４００℃までの平均冷却速度を０.３℃／ｓｅｃ以上として２００℃以下の温度まで冷却する条件を開示することができる。
最終焼鈍は非酸化性雰囲気で行うことが望ましい。例えば、真空焼鈍が挙げられる。この場合、炉内を真空引きして例えば約１×１０-2Ｐａ以下の減圧状態（真空雰囲気）で上記温度域での加熱保持を行う。その冷却過程では例えば不活性ガスの導入量等を調整することにより冷却速度をコントロールすることができる。水素を含有する還元性雰囲気で行ってもよい。一方、大気雰囲気中で最終焼鈍を施すこともできるが、その場合は酸化スケール除去のために酸洗等の後処理が必要となる。
なお、平坦な板状部材を得る場合であれば、冷延焼鈍鋼板をコイルのままの状態で焼鈍炉に装入して最終焼鈍を施し、その後、所定寸法に裁断する手法を採用することも可能である。
表１に示す鋼を溶製し、常法に従い板厚１.５ｍｍの冷延焼鈍酸洗鋼板を得た。この鋼板から採取した試料について、一部の比較例（Ｎｏ.１、３）を除き、表２中に示す条件で最終焼鈍を施した。最終焼鈍の方法は真空焼鈍とし、以下のようにして行った。試料を密封可能な容器に入れ、容器内を真空引きして圧力約１×１０-2Ｐａ以下とした状態で加熱して表２中に記載の温度（最高到達温度）で保持した。その後、９００℃まで降温した後、アルゴンガスを容器内に約９０ｋＰａの圧力まで導入して４００℃以下の温度まで冷却し、その後、２００℃以下の温度になってから大気に開放した。最高到達温度から２００℃までの最大冷却速度が５℃／ｓｅｃ以下、かつ８５０℃から４００℃までの平均冷却速度が０.３℃／ｓｅｃ以上となるように最終焼鈍での冷却速度をコントロールした。
以上のようにして供試材を得た。
各供試材について、以下の調査を行った。
〔平均結晶粒径の測定〕
圧延方向および板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）の金属組織を光学顕微鏡で観察し、前述の切片法により平均結晶粒径を測定した。
図１に比較例Ｎｏ.１、図２に比較例Ｎｏ.２、図３に比較例Ｎｏ.３、図４に本発明例Ｎｏ.４の金属組織写真をそれぞれ例示する。
〔磁気測定〕
圧延方向を長手方向とする２５０ｍｍ×２０ｍｍ×ｔ（ｔは板厚；１.５ｍｍ）の試験片について、直流磁気測定装置（リケン電子社製のＢ−Ｈトレーサー）により磁気測定を行った。使用コイルはφ６２.５ｍｍ×１６０ｍｍ、１００巻のソレノイドコイルである。得られたＢ−Ｈ曲線から最大磁束密度Ｂｍ、残留磁束密度Ｂｒ、保磁力Ｈｃを求めた。
〔損失係数ηの測定〕
圧延方向を長手方向とする２５０ｍｍ×２０ｍｍ×ｔ（ｔは板厚；１.５ｍｍ）の試験片について、ＪＩＳ Ｋ７３９１：２００８に従い中央支持定常加振法にて常温での周波数応答関数を求め、得られた周波数応答関数の共振ピークから３ｄＢ低減した位置での半値幅を読み取ってＪＩＳ Ｋ７３９１：２００８の式（１）によりηを算出し、１０〜１０,０００Ｈｚの範囲内で観測される各共振ピークで算出されたηの平均値をその材料の損失係数ηとして定めた。
これらの結果を表３に示す。
上述の適正な条件で最終焼鈍を施して得た比較例Ｎｏ.２と本発明例Ｎｏ.４の供試材は、残留磁束密度が小さく、結晶格子の歪が少ないことがわかる。また、平均結晶粒径が非常に大きい。これらはいずれも、最終焼鈍を施していない供試材と比べ、損失係数ηの向上が認められた（Ｎｏ.１と２の対比、およびＮｏ.３と４の対比）。Ｃｒと多量Ａｌを複合添加している本発明例Ｎｏ.４は、Ａｌ含有量が少ない比較例Ｎｏ.２と比べ、損失係数ηの向上の程度が非常に大きい。
Ｎｏ.４の例では、１０〜１０,０００Ｈｚの周波数域に７個の共振ピークが存在し、各共振ピークでの損失係数ηを低周波数側から順に、η1，η2，・・・，η7とすると、それらの測定値は以下の通りであった。
η1＝０.０３８７、η2＝０.０２０９、η3＝０.０１０５、η4＝０.００９２、η5＝０.００８７、η6＝０.００８４、η7＝０.００８２
これらの平均値が表２に示した損失係数ηの値０.０１４９である。η1〜η7のうち、共振周波数が１,０００〜１０,０００Ｈｚの範囲にあるものはη3〜η7の５個である。
Ｃｒと多量Ａｌを複合添加した場合でも、通常の冷延焼鈍酸洗材のままでは、Ａｌ含有量が少ない鋼種と比べて制振性が高いという傾向は見られない（比較例Ｎｏ.１と比較例Ｎｏ.３の対比）。これに対し、本発明に従う最終焼鈍を施すことによって、制振性の向上効果に大きな差が生じ、Ｃｒと多量Ａｌの複合添加による効果が顕在化するのである（比較例Ｎｏ.２と本発明例Ｎｏ.４の対比）。また、Ｃｒと多量Ａｌの複合添加は、耐熱性（特に耐高温酸化性）の顕著な向上をもたらす。

Claims (4)

  1. 質量％で、Ｃ：０.００１〜０.０４％、Ｓｉ：０.１〜２.０％、Ｍｎ：０.１〜１.０％、Ｎｉ：０.０１〜０.６％、Ｃｒ：１０.５〜２０.０％、Ａｌ：０.５〜５.０％、Ｎ：０.００１〜０.０３％、Ｎｂ：０〜０.８％、Ｔｉ：０〜０.５％、Ｃｕ：０〜０.３％、Ｍｏ：０〜０.３％、Ｖ：０〜０.３％、Ｚｒ：０〜０.３％、Ｃｏ：０〜０.６％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｃａ：０〜０.１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である化学組成を有し、マトリックスがフェライト単相であり、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が０.３〜３.０ｍｍである金属組織を有し、残留磁束密度が４５ｍＴ以下である制振性フェライト系ステンレス鋼材。
  2. 質量％で、Ｃ：０.００１〜０.０４％、Ｓｉ：０.１〜２.０％、Ｍｎ：０.１〜１.０％、Ｎｉ：０.０１〜０.６％、Ｃｒ：１０.５〜２０.０％、Ａｌ：０.５〜５.０％、Ｎ：０.００１〜０.０３％、Ｎｂ：０〜０.８％、Ｔｉ：０〜０.５％、Ｃｕ：０〜０.３％、Ｍｏ：０〜０.３％、Ｖ：０〜０.３％、Ｚｒ：０〜０.３％、Ｃｏ：０〜０.６％、ＲＥＭ（希土類元素）：０〜０.１％、Ｃａ：０〜０.１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である化学組成を有する鋼材に対して、非酸化性雰囲気中９００〜１２５０℃の温度範囲に１０ｍｉｎ以上保持してフェライト結晶粒の平均結晶粒径を０.３〜３.０ｍｍとする条件で最終焼鈍を施す、制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
  3. 請求項２に記載の製造方法において、最終焼鈍の雰囲気を非酸化性雰囲気に代えて大気雰囲気とし、最終焼鈍後に酸洗を施す、制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
  4. 最終焼鈍に供する鋼材が鋼板素材を加工したものである、請求項２または３に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
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