JP2020172694A - オーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:4.0%以下、
P:0.040%以下、
S:0.005%以下、
N:0.030%以下、
Cr:15.0〜18.0%、
Ni:5.0〜8.5%、
Nb:0.005〜1.0%、
Mo:0〜2.0%、
Cu:0〜4.0%、
Al:0〜0.50%、
Ti:0〜0.50%、
V:0〜0.50%、
W:0〜0.50%、
Co:0〜0.50%、
Mg:0〜0.0050%、
Ca:0〜0.010%、
Ga:0〜0.010%、
Hf:0〜0.10%、
Zr:0〜0.50%、
La:0〜0.10%、
Y:0〜0.10%、
REM:0〜0.10%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
下記(i)式で算出されるf値が、−50(℃)以上−10(℃)未満であり、
厚さが0.03〜0.70mmである、オーステナイト系ステンレス鋼。
f値(℃)=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo−68Nb ・・・(i)
但し、上記(i)式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
Mo:0.01〜2.0%、
Cu:0.05〜4.0%、
Al:0.01〜0.50%、
Ti:0.005〜0.50%、
V:0.005〜0.50%、
W:0.005〜0.50%、
Co:0.005〜0.50%、
Mg:0.0005〜0.0050%、
Ca:0.0005〜0.010%、
Ga:0.0005〜0.010%、
Hf:0.005〜0.10%、
Zr:0.005〜0.50%、
La:0.005〜0.10%、
Y:0.005〜0.10%、および
REM:0.005〜0.10%、
から選択される一種以上を含有する、上記(1)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
2.0<(Nb+Mo+Cu)/Cr<10.0 ・・・(ii)
但し、上記(ii)式中の各元素記号は、不動態皮膜中に含まれる各元素のカチオン分率(原子%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
(b)焼鈍された前記冷間加工材を溶融塩浸漬後、硫酸水溶液で酸洗する工程と、
(c)硫酸水溶液で酸洗された前記冷間加工材を、硝弗酸水溶液で酸洗する工程と、
を有する、上記(3)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
前記硝弗酸水溶液の組成は、硝酸濃度が5〜20%であり、弗酸濃度が0.1〜5.0%である、上記(6)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト安定度を確保し、非磁性とするために有効な元素である。しかしながら、過剰に含有させると、固溶強化と炭化物析出により伸びを低下させるために、加工性が低下する。このため、C含有量は、0.030%以下とする。C含有量は0.025%以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、C含有量は、0.005%以上とするのが好ましい。
Siは、脱酸効果と加工誘起マルテンサイトの形成を抑制する効果を有する元素である。しかしながら、過剰に含有させると、固溶強化により伸びを低下させるために、加工性が低下する。さらに、Siは表面に濃化しやすくNbなどの不動態皮膜への濃化を抑制して、放熱性が低下する。このため、Si含有量は2.0%以下とする。Si含有量は1.5%以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Si含有量は0.3%以上とするのが好ましく、0.5%以上とするのがより好ましい。
Mnは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相を安定化させ、非磁性化させる効果を有する。しかしながら、Mnを過剰に含有させると、MnSを形成し、耐食性を低下させる他、伸びも低下して加工性が低下する。このため、Mn含有量は4.0%以下とし、1.5%以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Mn含有量は0.5%以上とするのが好ましく、1.0%以上とするのがより好ましい。
Pは、鋼中に含まれる不可避的不純物元素であり、鋼中で介在物を形成し、製造性を低下させる場合がある他、他の機械的特性を低下させる。このため、P含有量は、低い程好ましい。P含有量は0.040%以下とする。しかしながら、Pの過度の低減は、原料コストおよび精錬コストの上昇を招く。このため、P含有量は、0.010%以上であるのが好ましく、0.020%以上であるのがより好ましい。
Sは、鋼中に含まれる不可避的不純物元素であり、鋼中で介在物を形成し、製造性を低下させる場合がある他、他の機械的特性を低下させる。このため、S含有量は、低い程好ましい。したがって、S含有量は、0.005%以下とする。しかしながら、Sの過度の低減は、原料コストおよび精錬コストの上昇を招く。このため、S含有量は0.001%以上とするのが好ましい。
Nは、オーステナイト安定化元素であり、非磁性化させる効果を有する。しかしながら、Nを過剰に含有させると、固溶強化と炭化物析出により伸びを低下させるために、加工性が低下する。このため、N含有量は0.030%以下とする。一方、上記効果を得るためには、N含有量は0.01%以上とするのが好ましい。
Crは、ステンレス鋼としての耐食性を具備させ、不動態皮膜を安定化する効果を有し、放熱性を確保する基本元素である。このため、Cr含有量は15.0%以上とする。Cr含有量は16.5%以上が好ましい。しかしながら、Cr含有量が過剰であると、固溶強化または金属間化合物の析出により製造性および加工性を低下させる。このため、Cr含有量は18.0%以下とする。Cr含有量は17.5%以下とするのが好ましく、17.2%以下とするのがより好ましい。
Niは、オーステナイト安定度を高め、非磁性とする効果を有する。このため、Ni含有量は5.0%以上とする。Ni含有量は6.5%以上とするのが好ましい。しかしながら、Niは高価で希少な元素であるため、Ni含有量は8.5%以下とする。Ni含有量は、8.0%以下とするのが好ましい。
Nbは、オーステナイト相の安定度を高め、放熱性を向上させる効果を有する。このため、Nb含有量は0.005%以上とする。Nb含有量は0.02%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Nb含有量が過剰であると、製造性の低下および合金コストの上昇を招くため、Nb含有量は1.0%以下とする。Nb含有量は0.5%以下とするのが好ましい。
Moは、耐食性を向上させ、強度を高めるとともに、放熱性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Moを過剰に含有させると、加工性が低下する。このため、Mo含有量は、2.0%以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Mo含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.10%以上とするのがより好ましい。
Cuは、焼入れ性を向上させ、強度を高めるとともに、放熱性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Cuを過剰に含有させると、製造性と加工性とが低下する。このため、Cu含有量は4.0%以下とする。Cu含有量は、3.5%以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Cu含有量は、0.05%以上とするのが好ましく、0.20%以上とするのがより好ましい。
Alは、脱酸効果を有する元素である。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Alを過剰に含有させると製造性を低下させる場合があるため、Al含有量は0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Al含有量は、0.01%以上とするのが好ましい。
Tiは、鋼の放熱性を向上させる効果を有する。具体的にはTiは、Cとカーバイドを形成して固溶Cを低減させ、またNと窒化物を形成して、不動態皮膜を安定化させることで放熱性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Tiを過剰に含有させると、鋼の強度を劣化させる。このため、Ti含有量は0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ti含有量は0.005%以上とするのが好ましい。
Vは、Cおよび/またはNを炭窒化物として固定し、鋼の強度を高める効果を有する。また、炭窒化物を形成することで、不動態皮膜を安定化させることで放熱性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、加工性を低下させる。このため、V含有量は0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、V含有量は0.005%以上とするのが好ましい。
Co:0〜0.50%
WおよびCoは、固溶強化に加え、不動態皮膜およびその直下に濃化して放熱性を向上させる効果も有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、WおよびCoは高価な元素であるため、過剰に含有させると製造コストを増加させる。このため、W:0.50%以下、Co:0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、W:0.005%以上、Co:0.005%以上とするのが好ましい。
Ca:0〜0.010%
Ga:0〜0.010%
Mg、Ca、およびGaは、熱間加工性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Mg、Ca、およびGaの過剰な含有は、製造性を低下させる。このため、Mg:0.0050%以下、Ca:0.010%以下、Ga:0.010%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Mg:0.0005%以上、Ca:0.0005%以上、Ga:0.0005%以上とするのが好ましい。
Hfは、熱間加工性および、鋼の清浄性を高める元素である。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Hfを過剰に含有させると、製造コストが上昇する。このため、Hfは、0.10%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Hf含有量は、0.005%以上とするのが好ましい。
La:0〜0.10%
Y:0〜0.10%
REM:0〜0.10%
Zr、La、Y、およびREMは、熱間加工性および、鋼の清浄性を高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Zr、La、Y、およびREMの過剰な含有は、却って製造コストを上昇させる。このため、Zr:0.50%以下、La:0.10%以下、Y:0.10%以下、REM:0.10%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Zr:0.005%以上、La:0.005%以上、Y:0.005%以上、REM:0.005%以上とするのが好ましい。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼では、オーステナイト相の安定度を表す指標として、以下に算出されるf値を規定する。具体的には、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼では、下記(i)式で算出されるf値を、−50(℃)以上−10(℃)未満とする。
但し、上記(i)式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、車載用熱交換器に用いられるため、例えば、形状が鋼板である場合は、30%程度の冷間圧延も想定して、板厚0.03〜0.70mmとする。オーステナイト系ステンレス鋼の厚さは0.50mm以下とするのが好ましい。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、不動態皮膜を有する。上述したように、素材自体の厚さが薄い場合、表面に極薄く形成する不動態皮膜であっても、熱の伝わりやすさ、すなわち放熱性に影響を与える。このため、不動態皮膜中に、放熱性を向上させる、Nb、Mo、およびCuを濃化させるのが好ましい。したがって、不動態皮膜中における化学組成のカチオン分率が、下記(ii)式を満足するのが好ましい。
但し、上記(ii)式中の各元素記号は、不動態皮膜中に含まれる各元素のカチオン分率(原子%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の形状は特に限定しないが、車載用熱交換器に使用する場合は、鋼板であるのが好ましい。また、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の用途としては、例えば、車載用熱交換器に用いられる銅ステンレスクラッド鋼板の合せ材である。電子機器、例えばスマートフォンの放熱板、スマートフォンの筐体等に使用しても構わない。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼では、放熱性、つまり熱伝導度が代表的なオーステナイト系ステンレスのSUS304(18Cr−8Ni)と比較して25%高い数値、すなわち、0.20(W/m℃)超である場合を良好な放熱性を有すると評価する。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、不動態皮膜に、Nb、Mo、およびCuを濃化させる場合には、以下に記載の製造方法により安定して製造することができる。
具体的には、
(a)上述した化学組成を有する冷間加工材を900〜1150℃の範囲で焼鈍し、オーステナイト単相の金属組織にする工程と、
(b)焼鈍された前記冷間加工材を溶融塩浸漬後、硫酸水溶液で酸洗する工程と、
(c)硫酸水溶液で酸洗された前記冷間加工材を、硝酸水溶液で酸洗する工程と、
を有する、製造方法である。
(d)前記(c)の工程の後、700〜1000℃で、1秒〜60分の熱処理を行う工程を、さらに行ってもよい。
不動態皮膜中のCr、Mo、Cu、Nbのカチオン分率は以下の手順で測定した。具体的には、XPSを用い、測定においては、X線源は、AlKα線とし、入射X線エネルギーは1486.8eVとし、X線の検出角度は90°とした。これにより結合エネルギー付近におけるスペクトルの検出により確認した。各元素のカチオン分率は、上述の各スペクトルの積分強度を測定し、C、O、Nの元素を除くカチオンイオン換算で算出した。
得られた冷延鋼板について、放熱性の指標となる熱伝導率を求めた。熱伝導率は、室温である20℃から100℃の範囲であり、次の式から求めることができる。
λ=Cp×α×ρ ・・・(a)
但し、上記(a)式中の各記号は、以下により定義されてる。
λ:熱伝導率(W/m・℃)
Cp:比熱(J/g・℃)
α:熱拡散率(mm2/s)
ρ:密度(g/cm3)
得られた鋼板について、非磁性であるかを、透磁率を測定することで、評価した。評価の際、加工誘起マルテンサイトが形成しやすい状況を想定して、磁性を評価した。具体的には製品形状への機械加工を想定し、圧延方向を長手方向とする100mm幅×250mm長さの試料を切り出した後、30%の冷間加工を行った。その後、上記(d)の工程を想定し、800℃または900℃、1分の熱処理を行った。その後、透磁率を測定し、透磁率が1.05以下である場合を、非磁性「〇」と評価した。さらに、透磁率が1.02以下の場合を、焼鈍材と変わらない非磁性「◎」と評価した。また、透磁率が1.05超である場合を、磁性を有するとして「×」と評価した。
加工性については硬さを測定することで評価した。具体的には、加工硬化を考慮し、30%の冷間加工を行った後のビッカース硬さを測定することで評価した。硬さは、鋼板のL断面から硬さ試験片を採取して、得られた試験片について試験を行った。なお、試験はJIS Z 2244:2009に準拠し、試験力9.8N(1.0kgf)で行い、各5か所の平均値を測定硬さとした。そして、試験片の硬さがHv250〜300の場合を加工性が良好である「〇」とし、Hv250以下の場合を加工性がさら良好である「◎」と評価した。Hv>300となる場合は、材料の加工硬化が大きく、加工性が低い「×」と評価した。
Claims (8)
- 表面に不動態皮膜を有するオーステナイト系ステンレス鋼であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:4.0%以下、
P:0.040%以下、
S:0.005%以下、
N:0.030%以下、
Cr:15.0〜18.0%、
Ni:5.0〜8.5%、
Nb:0.005〜1.0%、
Mo:0〜2.0%、
Cu:0〜4.0%、
Al:0〜0.50%、
Ti:0〜0.50%、
V:0〜0.50%、
W:0〜0.50%、
Co:0〜0.50%、
Mg:0〜0.0050%、
Ca:0〜0.010%、
Ga:0〜0.010%、
Hf:0〜0.10%、
Zr:0〜0.50%、
La:0〜0.10%、
Y:0〜0.10%、
REM:0〜0.10%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
下記(i)式で算出されるf値が、−50(℃)以上−10(℃)未満であり、
厚さが0.03〜0.70mmである、オーステナイト系ステンレス鋼。
f値(℃)=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo−68Nb ・・・(i)
但し、上記(i)式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 前記化学組成が、質量%で、
Mo:0.01〜2.0%、
Cu:0.05〜4.0%、
Al:0.01〜0.50%、
Ti:0.005〜0.50%、
V:0.005〜0.50%、
W:0.005〜0.50%、
Co:0.005〜0.50%、
Mg:0.0005〜0.0050%、
Ca:0.0005〜0.010%、
Ga:0.0005〜0.010%、
Hf:0.005〜0.10%、
Zr:0.005〜0.50%、
La:0.005〜0.10%、
Y:0.005〜0.10%、および
REM:0.005〜0.10%、
から選択される一種以上を含有する、請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。 - 前記不動態皮膜中における化学組成のカチオン分率が、下記(ii)式を満足する、請求項1または2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
2.0<(Nb+Mo+Cu)/Cr<10.0 ・・・(ii)
但し、上記(ii)式中の各元素記号は、不動態皮膜中に含まれる各元素のカチオン分率(原子%)を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 車載用熱交換器に用いられる、請求項1〜3のいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- 銅クラッドステンレス鋼板の合せ材として用いられる、請求項4に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- (a)請求項1または2に記載の化学組成を有する冷間加工材を900〜1150℃の範囲で焼鈍し、オーステナイト単相の金属組織にする工程と、
(b)焼鈍された前記冷間加工材を溶融塩浸漬後、硫酸水溶液で酸洗する工程と、
(c)硫酸水溶液で酸洗された前記冷間加工材を、硝弗酸水溶液で酸洗する工程と、
を有する、請求項3に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。 - 前記硫酸水溶液の組成は、硫酸濃度が10〜35%であり、
前記硝弗酸水溶液の組成は、硝酸濃度が5〜20%であり、弗酸濃度が0.1〜5.0%である、請求項6に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。 - (d)前記(c)の工程の後、700〜1000℃で、1秒〜60分の熱処理を行う工程を、さらに有する、請求項6または7に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
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