JP3727646B2

JP3727646B2 - 精密打抜き性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP3727646B2
Application number: JP2005059389A
Authority: JP
Inventors: 聡鈴木; 孝井川; 廣藤本; 直人平松
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2005220443A

Description

本発明は、打抜き性、特に精密打抜き性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法に関する。

プレスによる剪断加工，特に打抜き加工は、極めて効率よく切断加工できることから、普通鋼はもとより、非鉄金属からステンレス鋼に至るまで広範な金属材料の加工に使用されている。しかし、打抜き加工で形成される剪断破面は凹凸が大きく、寸法精度の低い破断面になる。また、金属板の広面側にダレが発生しやすく、打抜き破面近傍で板厚減少が生じる。
寸法精度が要求される用途に打抜き加工を適用する場合、バレル研磨で打抜き破面を研磨除去する後処理が採用されていたが、余分な工程を必要とすることから生産性低下の原因となる。そこで、打抜き時のクリアランスを非常に小さくして破断面の生成を抑え、且つ素材の流込みを抑えることによりダレの生成を低減した精密打抜き加工が採用されるようになってきた。
他方、耐食性や耐熱性が求められる用途では、従来からステンレス鋼が使用されており、なかでもＳＵＳ３０４オーステナイト系ステンレス鋼が多用されている。

ＳＵＳ３０４オーステナイト系ステンレス鋼板を素材として精密打抜き加工すると、硬質であるために金型寿命が短い。また、剪断破面性状を劣化させる破断面の生成量が多く、ダレ生成量も多い。精密打抜き加工で剪断破面の寸法精度を向上できても、普通鋼に比較すると金型寿命が短くなるため、加工コストが高くなる。そのため、剪断破面の寸法精度が要求される用途では、通常の打抜き加工後に研磨処理を施していた。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、軟質化及びオーステナイト相の安定度を調節することにより、剪断破面に占める剪断面の生成量が多く、精密打抜き加工に適したオーステナイト系ステンレス鋼板を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の精密打抜き性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法は、その目的を達成するため、（Ｃ＋１／２Ｎ）：０.０６０質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：５質量％以下，Ｓ：０.００６質量％以下，Ｃｒ：１５〜２０質量％，Ｎｉ：５〜１２質量％，Ｃｕ：５質量％以下，必要に応じてＭｏ：３.０質量％以下，残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、下式で定義される加工誘起マルテンサイト生成量の指標Ｍｄ₃₀が−６０〜−１０となるように成分調整された冷延板を、酸洗焼鈍後、ビッカース硬さの増加率で２０％以上に硬質化されるような圧下率で調質圧延することを特徴とする精密打抜き性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
Md₃₀＝551−462(C＋N)−9.2Si−29(Ni＋Cu)−8.1Mn−13.7Cr−18.5Mo

本発明方法で得られるオーステナイト系ステンレス鋼板は、打抜き加工、特に精密打抜き加工で形成される打抜き破面に占める剪断面の割合が高く、しかもダレも低減されることから、高い寸法精度をもつ打抜き製品に加工される。しかも、従来から適用されてきたＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼板に比較して金型寿命も長くなる。したがって、本発明方法で得られたオーステナイト系ステンレス鋼板を使用することにより、製造コストの上昇を招くことなく、寸法精度の良好な打抜き製品が得られる。

本発明者等は、精密打抜き加工したオーステナイト系ステンレス鋼板の打抜き破面の状態と材質との関係を種々調査検討した。その結果、打抜き破面に占める剪断面の割合は、加工誘起マルテンサイト（α’相）の生成量に大きく影響されることを見出した。
加工誘起マルテンサイト（α’相）は、母相のオーステナイト(γ相）に比較して硬質で延性が低い。そのため、加工誘起マルテンサイト（α’相）が過度に生成すると延性低下が大きくなり、打抜き破面における破断が早期に生じ、剪断面の割合が低下する。しかし、加工誘起マルテンサイト（α’相）の生成量が少なすぎると、加工誘起変態塑性による延性向上効果が発現せず、延性の低いγ相のままで打抜きが進行する。その結果、この場合にも打抜き破面における破断が早期に生じ、剪断面の割合が低下する。また、破面性状に及ぼす加工誘起マルテンサイト（α’相）の影響と軟質さとを適度にバランスさせることによりダレ生成量が抑制され、寸法精度に優れた打抜き破面となり、金型寿命も長くなることを解明した。

以下、本発明で規定した合金成分，含有量等を説明する。
（Ｃ＋１／２Ｎ）：０．０６０質量％以下
Ｃ及びＮは、共にオーステナイト相の安定度を調整するために有効な合金成分であるが、多量に含まれると固溶強化によりオーステナイト相が硬質化するばかりでなく、加工誘起マルテンサイト相も硬質化する。そのため、打抜き荷重の増加や金型寿命の低下等の原因となることから、（Ｃ＋１／２Ｎ）：０．０６０質量％以下にＣ及びＮを規制した。
Ｓｉ：１．０質量％以下
溶製時に脱酸剤として添加される合金成分であるが、過剰量のＳｉ含有は，固溶強化によりオーステナイト相を硬質化し、打抜き性を低下させるので、Ｓｉ含有量の上限を１．０質量％に設定した。

Ｍｎ：５質量％以下
オーステナイト相を安定化し，打抜き性の改善に有効な合金成分であり、含有量が多くなるほどＭｎの効果が顕著になる。しかし、５質量％を超える過剰量のＭｎが含まれると、介在物が増加して耐食性や加工性に悪影響を及ぼす。
Ｓ：０．００６質量％以下
打抜き破面に占める剪断面の割合は、Ｓ含有量の増加に伴って低下する。Ｓは、ステンレス鋼に最も必要とされる耐食性に悪影響を及ぼす成分であるので、上限を０．００６質量％に設定した。特に、打抜き破面性状が問題にされる用途では、剪断面の割合を多くするためＳ含有量を０．００３質量％以下に規制することが好ましい。

Ｃｒ：１５〜２０質量％
ステンレス鋼に要求される耐食性を確保する上から、１５質量％以上のＣｒ含有量が必要である。しかし、２０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、オーステナイト系ステンレス鋼が過度に硬質化し、金型寿命を低下させることにもなる。
Ｎｉ：５〜１２質量％
オーステナイト相を安定化させる合金成分であり、５質量％以上のＮｉ含有量が必要とされる。また、Ｎｉの増量に応じて打抜き性も向上する。しかし、鋼材コストを上昇させる高価な元素であることから、Ｎｉ含有量の上限を１２質量％に設定した。

Ｃｕ：５質量％以下
打抜き性の改善及びオーステナイト相の安定化に有効な合金成分である。しかし、５質量％を超える過剰量のＣｕが含まれると、熱間加工性に悪影響が現れる。
Ｍｏ：３．０質量％以下
耐食性向上に有効な合金成分であり、必要に応じて添加される。しかし、３．０質量％を超える過剰量のＭｏが含まれると過度に硬質化し、精密打抜き性が低下する。

加工誘起マルテンサイト生成量の指標Ｍｄ ₃₀ ：−６０〜−１０
加工誘起マルテンサイト（α’相）の生成量が打抜き破面に占める剪断面の割合に及ぼす影響は、本発明者等による多数の実験結果から解明されたものである。加工誘起マルテンサイト（α’相）の生成量は、オーステナイト系ステンレス鋼の成分及び含有量から計算でき、指標Ｍｄ₃₀が−６０〜−１０の範囲に維持されるように成分調整するとき、後述の実施例にもみられるように剪断面の割合が高く、打抜き破面精度が向上する。

オーステナイト系ステンレス鋼板の硬さ増加率：ビッカース硬さで２０％以上
オーステナイト系ステンレス鋼板は、冷間圧延で多数の転位が導入されることにより、転位が少ない焼鈍材に比較して硬質化している。この冷間圧延による硬質化の程度を、ビッカース硬さで２０％以上の硬さ増加率に調整するとき、打抜き時のポンチ周辺からポンチ下方向への素材の流込みが少なくなり、ダレ生成量が低減する。
本件明細書では、〔（冷間圧延後のビッカース硬さ）−（焼鈍まま材のビッカース硬さ）〕／（焼鈍まま材のビッカース硬さ）×１００％として硬さ増加率を示す。打抜きによるダレ生成量を、焼鈍まま材を打抜いた場合の半分以下に抑えるためには２０％以上の硬さ増加率が必要である。しかし、過度に硬質の素材では、打抜き時の剪断抵抗が増加し、金型の磨耗を促進させることになる。そこで、ダレ低減効果と金型寿命の低下とを勘案し、硬さ増加率の上限を１５０％にすることが好ましい。

結晶粒度番号：８〜１１番
結晶粒を粗大化すると材質が軟質化し、打抜き破面に占める剪断面の割合が多くなるが、ダレの生成量も増加するため、剪断破面性状に加え鋼板面の精度も要求される製品には不適である。これに対し、本発明に従ったオーステナイト系ステンレス鋼では、通常の結晶粒度６〜８番に比較して仕上げ焼鈍された状態で結晶粒度番号を８〜１１番と大きく、換言すると結晶粒径を細粒化している。結晶粒径の細粒化は、焼鈍温度の低温化，在炉時間の短時間化等による入熱量の低減により制御される。このように結晶粒度番号を調整することにより、剪断面の割合を同程度に維持し、しかもダレの生成量が低減される。

実施例１：
表１の組成をもつ各種ステンレス鋼を溶製し、抽出温度１２３０℃で熱間圧延し、板厚１０ｍｍの熱延板を製造した。熱延板に１１５０℃×均熱１分の焼鈍を施した後、酸洗し、更に板厚５ｍｍまで冷間圧延し、１０５０℃×均熱１分の焼鈍及び酸洗を施した。

各冷延焼鈍板について、ＪＩＳＺ２２４０で規定されているロックウェルＢ硬さとして鋼板表面のビッカース硬さを測定すると共に、次の打抜き試験で剪断抵抗，打抜き破面に占める剪断面の割合及びダレ発生量を調査した。
外径５０ｍｍのポンチ及び内径５０．２ｍｍ，５０．５ｍｍのダイスを用い、クリアランスを０．１ｍｍ，０．２５ｍｍに設定し、クリアランス比（クリアランス／供試材厚さ）２％、５％及び打抜き速度６００ｍｍ／分の条件で試験片を打抜き加工した。

円盤状に打抜かれた試験片のダレ量Ｚを、圧延方向，圧延方向に直交する方向及び圧延方向に対して４５度の方向それぞれについて２点，合計８点の測定個所でレーザ式非接触変位計により測定した（図１）。測定値を平均化し，板厚に対する割合をダレ率として求めた。
また、打抜かれた試験片について、圧延方向，圧延方向に直交する方向及び圧延方向に対して４５度の方向それぞれについて２点，合計８点の測定個所で剪断面Ｓの厚さを測定した（図２）。測定値を平均化し、板厚に対する割合を剪断面率として求めた。

クリアランス比２％で打抜いた場合の各試験片のＭｄ₃₀値と剪断面率との関係を調査した。図３の調査結果にみられるように、Ｍｄ₃₀値が−６０〜−１０の範囲にあるとき剪断面率１００％の良好な破面性状が得られた。ただし、試験番号４，１５，１６は，Ｍｄ₃₀値が−６０〜−１０の範囲にあるものの，例外的に剪断面率が８５％，９５％及び７１％を示し，破面性状が不良であった。
Ｍｄ₃₀値が−６０〜−１０の試験番号１〜４，１２について，（Ｃ＋１／２Ｎ）量と剪断面率との関係を調査した。図４の調査結果にみられるように、（Ｃ＋１／２Ｎ）量が０．０６質量％以下の試験番号１〜３，１２では剪断面率１００％が得られていた。他方、（Ｃ＋１／２Ｎ）量が０．０６質量％を超える試験番号４では剪断面率が８５％であった。

更に、Ｍｄ₃₀値が−６０〜−１０で且つ（Ｃ＋１／２Ｎ）≦０．０６質量％の試験番号１〜３，１３〜１６の試験片をクリアランス比２％で打抜き、剪断面率とＳ含有量との関係を調査した。図５の調査結果にみられるように、Ｓ含有量が０．００６質量％以下の試験番号１〜３，１３，１４では剪断面率１００％が得られていた。他方、０．００６質量％を超えるＳを含む試験番号１５，１６では、剪断面率がそれぞれ９５％、７１％であった。

Ｓ含有量と剪断面率との関係は、同じ素材を使用した場合でもクリアランス比によって変わる。すなわち、試験番号１３，１４の試験片を２％のクリアランスで打抜くと剪断面率１００％の破面性状が得られるが、クリアランス比５％の場合に図６に示したようにそれぞれ９２％、８８％まで低下する。このことから、剪断面率が低下しやすい大きなクリアランス比で打抜き加工する場合、Ｓ含有量を０．００３質量％以下に規制することが有効であることが判る。

実施例２：
表２の鋼Ａ，Ｂを溶製し、抽出温度１２３０℃で熱間圧延を施して板厚１０ｍｍの熱延板を得た。熱延板を１１５０℃×均熱１分で焼鈍した後、酸洗し、５〜８ｍｍの中間板厚まで冷延し、１０５０℃×均熱１分の焼鈍及び酸洗を施した。板厚５ｍｍの鋼板を焼鈍材（Ａ１，Ｂ１）とし、残りの中間板厚の焼鈍材を更に冷間圧延して板厚５ｍｍの調質圧延材（Ａ２〜Ａ６，Ｂ２，Ｂ３）とした。

焼鈍材及び調質圧延材から試験片を切り出し、クリアランスを２％に設定した実施例１と同じ条件下で打抜き加工した。各試験片のビッカース硬さと剪断面率との関係を示す図７にみられるように、本発明に従った試験鋼種Ａ１〜Ａ６は焼鈍材及び調質圧延材共に剪断面率が１００％であった。他方、ＳＵＳ３０４に相当するＢ１〜Ｂ３は、何れも４５％程度の低い剪断面率であった。

更に、焼鈍材のダレ率に対する調質材のダレ率の割合をダレ比として算出し、調質圧延による硬さ増加率との関係を調査した。図８の調査結果にみられるように、硬さ増加率が２０％を超える調質材Ａ３〜Ａ６は何れもダレ比が５０％以下であり，焼鈍材Ａ１に対しダレが半分以下に低減されていた。他方、固さ増加率が２０％に満たない調質材Ａ２では、焼鈍材Ａ１のダレに対する割合が７０％程度にとどまり、ダレが十分に低減されていない。

各試験片を連続打抜きすることにより、金型交換までの打抜き回数を求め、金型寿命に及ぼす影響を調査した。表３の調査結果にみられるように、鋼種Ａは鋼種Ｂに比較して何れも金型交換までの打抜き回数が多く、金型寿命が延びていることが判る。鋼種Ａの中で比較すると、硬さ増加率が１５０％を超えるＡ６では金型交換までの打抜き回数が低下しており、過度の硬質化は金型寿命を低下させることを示している。

実施例３：
表４の鋼Ｃ，Ｄを溶製し，抽出温度１２３０℃で板厚１０ｍｍに熱間圧延した。得られた熱延板を１１５０℃×均熱１分で焼鈍し、酸洗した後、板厚５ｍｍまで冷間圧延し、８５０〜１１００℃×均熱１分で焼鈍し、酸洗した。

焼鈍酸洗材から試験片を切り出し、クリアランス比を２％に設定した実施例１と同じ条件下で打抜き加工した。打抜かれた試験片の剪断面率を測定し、結晶粒度番号との関係を調査した。図８の調査結果にみられるように、本発明に従った鋼種Ｃは、結晶粒度に拘わらず１００％の剪断面率を示した。他方、ＳＵＳ３０４に相当する鋼種Ｄは、何れも４５％程度の低い剪断面率であった。
ダレ比と結晶粒度番号との間には、図９に示す関係があった。すなわち、結晶粒度番号が増加（細粒化）すると、鋼種に拘わらずダレ比が低下する傾向が示されている。本発明に従った鋼種Ｃについてみると、結晶粒度番号が８番以上のＣ３〜Ｃ６では、８番未満のＣ１，Ｃ２に比較してダレが半分以下に低減されている。

各試験片を連続打抜きし、金型交換までの打抜き回数を調査した。表５の調査結果にみられるように、鋼種Ｃ，Ｄは何れも金型交換までの打抜き回数が多く、金型寿命が延びていることが判る。しかし、結晶粒度番号が１１番を超えるＣ６では、打抜き回数が低下しており、過度の細粒化は金型寿命を低下させることが示されている。

打抜き製品に発生するダレ及びその測定位置を説明する図打抜き製品の破面に生じる剪断面及びその測定位置を説明する図本発明に従った成分指標Ｍｄ₃₀値と剪断面率との関係を示すグラフ（Ｃ＋１／２Ｎ）量と剪断面率との関係を示すグラフクリアランス比２％におけるＳ含有量と剪断面率との関係を示すグラフクリアランス比５％におけるＳ含有量と剪断面率との関係を示すグラフビッカース硬さと剪断面率との関係を示すグラフ調質圧延による硬さ増加率とダレ比との関係を示すグラフ結晶粒度と剪断面率との関係を示すグラフ結晶粒度とダレ比との関係を示すグラフ

Claims

（Ｃ＋１／２Ｎ）：０.０６０質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：５質量％以下，Ｓ：０.００６質量％以下，Ｃｒ：１５〜２０質量％，Ｎｉ：５〜１２質量％，Ｃｕ：５質量％以下，残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、式（１）で定義される加工誘起マルテンサイト生成量の指標Ｍｄ₃₀が−６０〜−１０となるように成分調整された冷延板を、酸洗焼鈍後、ビッカース硬さの増加率で２０％以上に硬質化されるような圧下率で調質圧延することを特徴とする精密打抜き性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
Md₃₀＝551−462(C＋N)−9.2Si−29(Ni＋Cu)−8.1Mn−13.7Cr ・・・（１）
（Ｃ＋１／２Ｎ）：０.０６０質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：５質量％以下，Ｓ：０.００６質量％以下，Ｃｒ：１５〜２０質量％，Ｎｉ：５〜１２質量％，Ｃｕ：５質量％以下，Ｍｏ：３.０質量％以下，残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、式（２）で定義される加工誘起マルテンサイト生成量の指標Ｍｄ₃₀が−６０〜−１０となるように成分調整された冷延板を、酸洗焼鈍後、ビッカース硬さの増加率で２０％以上に硬質化されるような圧下率で調質圧延することを特徴とする精密打抜き性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
Md₃₀＝551−462(C＋N)−9.2Si−29(Ni＋Cu)−8.1Mn−13.7Cr−18.5Mo・・・（２）