JP3747326B2 - 耐食性フェライト鋼合金の製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、フェライトステンレス鋼、特に公知のフェライトステンレス鋼と比較して、改善された磁気特性を発揮するようなフェライトステンレス鋼を製造する方法に関するものである。
今日の自動車の多くは、電子燃料噴射システム、アンチロックブレーキシステム及び自動調整サスペンションシステム等の最先端技術を含んでいる。これらのシステムは軟磁性体を必要とする電磁駆動部品を有している。このような部品の性能を高めるためには、保磁力が低く、飽和磁束密度が高いことが望ましい。自動車は、通常、相対湿度が高く及び（又は）塩分のある雰囲気を含んだ腐食性環境に晒されるため、使用される磁性体は耐食性をも有するものでなければならない。従来の自動車燃料よりも腐食性があることが知られているエタノール及びメタノールを含む燃料の使用が増加していることを考慮すると、自動車の燃料噴射システムにおいては、耐食性が高いことが特に重要である。
上記のシステムに使用される磁性部品は、棒状、ワイヤ状、ロッド状或いは帯状の形態の標準的な材料から加工される。従って、使用する材料は比較的加工のし易いものであることが非常に好ましい。フェライトステンレス鋼は、加工され焼きなましされた状態で、耐食性と、良好な磁気特性と、良好な被削性とを兼ね備えた特性を発揮するものであることが知られている。然し、最先端の自動車システムにおいて、より高い信頼性の要求が高まるにつれて、これらのシステム用の磁性部品を製造するために使用される材料がより良好な磁気性能を発揮するものであることが要求されてきている。
従来、フェライトステンレス鋼の磁気特性を高めるという問題に対する解決策の一つは、フェライトステンレス鋼中の炭素、窒素及び硫黄の量を減らすというものであった。硫化物、炭化物及び窒化物が存在すると、磁壁の動きが妨げられることにより直接的に、また、熱処理中の結晶粒の成長を規制することにより間接的に、耐食性フェライト合金の磁気特性が損なわれる。これらの影響でフェライトステンレス鋼の保磁力が高くなってしまうため、磁気特性が損なわれる。然し、実際にはそのようなフェライトステンレス鋼を生産することが法外に高価となる程に硫黄、炭素及び窒素のレベルを減らした場合にのみ、このような成分規制が効果的であることが認識されている。別の解決策は、フェライトステンレス鋼に少量の鉛を含ませることである。鉛を含んだ等級のフェライトステンレス鋼は、良好な磁気性能を発揮するが、鉛を含有させることは、フェライトステンレス鋼の熱間加工性に悪影響を及ぼし、また、健康上及び環境上の理由で、非常に好ましくない。
成分を変えることにより快削性フェライトステンレス鋼の磁気特性を向上させようとする試みにおいて遭遇する困難性を考慮すると、問題解決のためには別の方法が必要であると思われる。
発明の概要
鉛を含まない公知の快削性フェライトステンレス鋼と比較して磁気性能の高い、鉛を含まない耐食性のある快削性フェライトステンレス鋼を提供するという問題は、本発明に依る方法でフェライトステンレス鋼を製造することにより大幅に解決される。本発明の方法は、フェライトステンレス鋼合金の中間形態のものを提供することから開始される。この合金は、重量パーセントで以下の成分を有している。
炭素 最大０．０２
マンガン 最大１．５
ケイ素 最大３．０
リン 最大０．０３
硫黄 ０．１〜０．５
クロム ８〜２０
ニッケル 最大０．６０
モリブデン 最大１．５
銅 最大０．３
コバルト 最大０．１０
アルミニウム 最大０．０１
チタン 最大０．０１
窒素 最大０．０２
鉄 残部
この合金を、鉛を実質的に取り除くために溶解し精製する。この合金の中間形態のものを７００〜９００℃の範囲の温度で少なくとも２時間焼きなましして室温まで冷却する。その後、焼きなましされた中間形態のものを冷間加工してその断面積を少なくとも１０％、２５％を越えない程度まで減少させて、所望の最終断面積を有する、上記合金の細長い形態のものとする。その後、その細長い形態のものを７５０〜１０５０℃の範囲の温度で少なくとも４時間焼きなましすることにより、所望の磁気特性を有する細長い形態のものが得られる。
本明細書を通じて、「パーセント」という用語或いは「％」という記号は、特に言及していない限り、重量パーセントを意味するものとする。
詳細な説明
本発明による方法は種々の耐食性フェライト鋼合金に適用される。好適な合金は、自動車が通常遭遇する環境において好ましいレベルの耐食性を発揮するために、少なくとも８％、好ましくは少なくとも１１％、更に好ましくは少なくとも１２．５％のクロムを含んでいる。クロムは合金の電気抵抗にも寄与する。フェライトステンレス鋼合金にはクロムを２０％まで含有させることができるが、最高の飽和磁束密度を確保するためには、クロムの量を１３．５％以下に制限するのが好ましい。
モリブデンは、メタノールやエタノールを含む燃料環境、塩化物を含む環境、ＣＯ₂及びＨ₂Ｓ等の汚染物質を含む環境、例えば、酢酸や希硫酸等を含む酸性環境のような種々の腐食性環境における合金の耐食性に資するために、合金には１．５％までのモリブデンを含有させることができる。モリブデンを存在させると、合金の電気抵抗にも利点がある。合金は少なくとも０．２％或いは０．３％のモリブデンを含んでいるのが好ましい。モリブデンの量が多過ぎると、クロムと同様に合金の磁気誘導に悪影響を及ぼす。従って、モリブデンは１．０％以下、より好ましくは０．５％以下に制限するのが好ましい。
加工性に利するために、合金には少なくとも０．１％の硫黄が存在している。然しながら、硫黄は合金の磁気特性、特に保磁力に悪影響を及ぼす硫化物を生成する傾向があるため、硫黄は０．５％以下、好ましくは０．２％或いは０．３％以下に制限する。
マンガンは合金の熱間加工性に寄与するため、合金には少量の、通常は少なくとも０．２％或いは０．３％のマンガンが存在する。マンガンは硫黄の一部と結合して、合金の加工性に利するマンガンを多く含んだ硫化物を生成する。然しながら、そのような硫化物中にマンガンが過剰に存在すると、合金の耐食性に悪影響を及ぼす。更に、マンガン硫化物が過剰に生成されると、上述のように合金の磁気特性に悪影響を及ぼす。従って、合金には１．５％以下、好ましくは１．０％以下のマンガンが存在する。最適な磁気特性を確保するためには、合金は０．８％以下、好ましくは０．６％以下のマンガンを含んでいる。
ケイ素は、合金のフェライトを安定化させ、良好な電気抵抗に有益である。その理由で、合金は３．０％までの少量のケイ素を含んでいる。ケイ素の存在によってもたらされる利点を確実なものとするために、好ましくは少なくとも０．５％、より好ましくは少なくとも０．８％のケイ素が合金中に存在する。ケイ素が多過すぎると、合金の冷間加工性に悪影響を及ぼす。そのため、合金中のケイ素は好ましくは２．００％以下、最良の結果を得るためには１．５０％以下に制限する。高い電気抵抗が必要とされない分野で使用されるものの場合には、溶解及び精製の間に合金を脱酸させるためにケイ素を存在させる。このような場合には、ケイ素の残留量は通常０．５％以下である。
合金の残部は、鉄と、同様の用途に用いられる市販等級のフェライトステンレス鋼中に見られる通常の不純物である。そのような不純物の量は、合金の所望の磁気性能、特に保持力（Ｈ_c）に悪影響を及ばさないようにコントロールされる。そのため、炭素及び窒素は夫々０．０２％以下、好ましくは０．０１５％以下に制限する。リンは最大０．０３％、好ましくは０．０２％以下に制限する。チタン及びアルミニウムは、炭素及び（又は）窒素及び（又は）酸素と結合して、結晶粒の成長を規制すること及び磁壁の動きを妨げることにより合金の磁気性能に悪影響を及ぼす炭化物、窒化物及び酸化物を生成する。アルミニウム及びチタンによって生成される酸化物は、合金の加工性に悪影響を及ぼす。同様にチタンは合金の磁気特性に悪影響を及ぼす硫化物を生成する。そのため、チタン及びアルミニウムは、夫々、０．０２％以下、好ましくは０．０１％以下、より好ましくは０．００５％以下に制限する。ニッケルは好ましくは０．６０％以下、より好ましくは０．４０％以下に制限する。銅は０．３０％以下、好ましくは０．２０％以下に制限し、コバルトは０．２０％以下、好ましくは０．１０％以下に制限する。鉛及びテルルのような元素は加工性に寄与するものであることが知られているが、そのような元素は健康上及び環境上悪影響を及ぼすので望ましくない。従って、鉛及びテルルは、夫々２０ｐｐｍ以下の微量な量に制限する。
合金の中間形態のものは、従来の何らかの溶解技術により作成することができる。然しながら、合金は電気炉中で溶解させ、アルゴン・酸素脱炭法（ＡＯＤ法）によって精錬するのが好ましい。合金は通常インゴットの形態に鋳造される。然し、溶解した合金を連続鋳造して直接細長い形態のものにすることもできる。インゴット或いは連続した鋳造ビレットを１１００〜１２００℃の温度範囲からプレス，分塊圧延（cogging）或いは圧延によるように熱間加工して第一の中間サイズのビレットにする。合金は、熱間加工したビレットのサイズ及び断面積を考慮して選択された時間及び温度条件下で熱間加工した後に、焼きならしするのが好ましい。例えば、５．０８ｃｍ（２インチ）までの厚さのビレットを１０００℃で少なくとも１時間加熱してから空気中で冷却することにより焼きならしする。次に、そのビレットを熱間加工及び（又は）冷間加工して断面積を減少させる。合金を冷間加工する場合には、良好な商業プラクティスをもって保管するのに必要とされるように、中間焼きなまし処理を連続的な冷間加工の間に実施する。適切な設備を利用することが可能であれば、溶解した合金を直接帯状或いはワイヤ状形態のものに鋳造することにより、上述した工程を避けることができる。合金の中間形態のものは粉末冶金技術を用いて作ることもできる。
中間形態の合金を作るのに用いられる方法に関係なく、合金を機械的に加工して、最終寸法から２番目の断面積を有する細長い形態のものにする。この細長い形態のものは、１０〜２５％、好ましくは１０〜２０％に断面積（ＲＣＳＡ）を減少させる１段冷間圧下（a single cold reduction）において最終的なサイズを有する最終形態のものにする。この最終の冷間圧下は、一つ或いはそれ以上のパス（Ｐａｓｓ）で行うことができるが、多重パスを用いる場合には、連続するパス間で焼きなましを行わない。中間形態の合金を最終寸法から２番目の断面積まで減少させた後で最終的な断面積まで冷間加工する前に、中間形態の合金を７００〜９００℃の温度範囲で少なくとも２時間焼きなまししてから、室温にまで冷却する。好ましくは、この最後から２番目の焼きなましは、７５０〜８５０℃の温度範囲で実施する。
中間形態の合金を最終的な断面積のものにするための冷間加工は、圧延，引抜き，スウェージング，ストレッチング又はベンディング等の公知の技術によって行う。上述したように、冷間加工工程は、中間形態の合金を１０〜２５％の断面積のものにするために実施する。或る場合には、最終的な冷間圧下が特定範囲内にあるようにするために、機械加工又はグラインディング，シェービングのような表面仕上げ技術によって、冷間加工された合金の外形寸法を更に減少させることが有益かもしれない。冷間加工された合金は、一般に、電子燃料噴射装置、アンチロックブレーキシステム及び電子サスペンション調整システムのような自動車システムの部品に加工される。
最終的に冷間圧下させた後で何らかの加工を施した後に、細長い形態のもの或いはそれから加工された部品を７００〜１０５０℃、好ましくは８００〜９００℃の温度範囲で少なくとも４時間焼きなますことにより最適な磁気性能となるように熱処理する。その焼きなまし時間及び温度は、好ましくはＡＳＴＭ４〜５又はそれより荒い結晶粒度を有する完全なフェライト構造を確保するために、実際の組成及び部品サイズに基づいて選択する。焼きなましした合金或いは部品の残留応力を避けるために、焼きなまし温度からの冷却はゆっくりと行う。８０〜１１０℃／時間の冷却速度で良好な結果が得られる。
実施例
下掲表１に示した重量％組成を有する合金Ａを本発明に従って作成し処理した。

合金Ａをアーク溶解させ、アルゴン・酸素脱炭法（ＡＯＤ法）を用いて精錬し、４８．３センチメートル平方（１９インチ平方）の４つのインゴットに鋳造した。それらのインゴットを二つのパス内で１２．７センチメートル平方（５インチ平方）のビレットに分塊圧延した。これらビレットのうちの二つを直径が９．１２６ｍｍ（０．３５９３インチ）、残りのビレットを直径が夫々９．５２５ｍｍ（０．３７５０インチ）、９．９２１ｍｍ（０．３９０６インチ）の棒に熱間圧延した。熱間圧延された棒をシェービングして、直径８．６１１ｍｍ（０．３３９０インチ）、直径８．８６５ｍｍ（０．３４９０インチ）、直径９．１４４ｍｍ（０．３６００インチ）、直径９．４４９ｍｍ（０．３７２０インチ）の最後から２番目の寸法にした。最後から２番目の寸法は、最終の断面積寸法が夫々１０％ＲＣＳＡ，１５％ＲＣＳＡ，２０％ＲＣＳＡ及び２５％ＲＣＳＡの１段冷間圧下で得られるように選択した。それら棒に８２０℃で２時間最後から２番目の焼きなまし熱処理を施してから、室温まで冷却した。焼きなましした棒の各々を、冷間引抜きして周囲８．１８ｍｍ（０．３２２インチ）のものにし、研磨して周囲８．００ｍｍ（０．３１５インチ）の仕上げ寸法を有するものにした。
冷間加工された各棒から、長さが７．６２ｃｍ（３センチ）の４つの片と、長さが２５．４ｃｍ（１０インチ）の４つの片を切除した。冷間加工された各棒から切除した７．６２ｃｍ（３インチ）の４つの片の内の一つと、２５．４ｃｍ（１０インチ）の４つの片の内の一つとを、乾燥した水素中において、７５４℃、８５４℃、９５４℃及び１０５４℃の各温度で４時間ずつ焼きなましした。それぞれの場合で、焼きなましされた片を焼きなまし温度から毎時１００℃で冷却した。
下掲表２に、焼きなましした試験片の磁気試験の結果を示した。その試験結果としては、Ａ／ｍ（エルステッド（Ｏｅ））で示した保磁力（Ｈ_c）と、テスラ（Ｔ）（キロガウス（ｋＧ））で示した、１６０Ａ／ｍ（２Ｏｅ），２４０Ａ／ｍ（３Ｏｅ），４００Ａ／ｍ（５Ｏｅ）及び２４００Ａ／ｍ（３０Ｏｅ）の磁化における夫々の磁気誘導（Ｂ₁₆₀，Ｂ₂₄₀，Ｂ₄₀₀，及びＢ₂₄₀₀）と、２４００Ａ／ｍ（３０Ｏｅ）の最大磁界強度からの残留誘導（Ｂ_R2400）とを示した。更に、簡単に参照することができるようにするために、断面積の減少率（％ＲＣＳＡ）と、℃で示した最終焼きなまし温度（Ｔｅｍｐ．）も表２中に示した。

表２から、本発明による方法によって非常に保磁力の低い材料が得られることが分かる。実際に、好ましい処理条件では、試験片の保磁力の値が最も低かった。表２に示した試験結果の重要性は、従来の方法で製造した耐食性フェライト鋼合金が概して１６０Ａ／ｍ（２．０Ｏｅ）以上の遥かに高い保磁力の値を示しているという事実から明らかであろう。
本明細中で使用した用語及び表現は説明のために便宜上用いたにすぎないものであって、本発明の内容を何ら限定するものではない。そのような用語及び表現を用いたからといって、そのことに、上述した本発明の形態と均等なもの又はその一部を排除する意図はない。権利が請求されている本発明の範囲内で種々の変更を加えることができることは明白である。

Claims (8)

1. 重量％にして、
   炭素 最大０．０２
   マンガン 最大１．５
   ケイ素 最大３．０
   リン 最大０．０３
   硫黄 ０．１〜０．５
   クロム ８〜２０
   ニッケル 最大０．６０
   モリブデン 最大１．５
   銅 最大０．３
   コバルト 最大０．１０
   アルミニウム 最大０．０１
   チタン 最大０．０１
   窒素 最大０．０２
   を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であるフェライト合金の中間の形態を提供する工程と、
   前記合金の前記中間の形態を７００〜９００℃の第１の温度範囲で少なくとも２時間焼きなましする工程と、
   前記焼きなましした形態を冷間加工してその断面積を１０〜２５％減少させることにより、前記合金の細長い形態を提供する工程と、
   その後、前記細長い形態を７５０〜１０５０℃の第２の温度範囲で少なくとも４時間焼きなましする工程とにより成る、耐食性フェライト鋼合金の製造方法。
2. 前記細長い形態を前記焼きなまし温度から毎時８０〜１１０℃の冷却速度で冷却して前記細長い形態内の残留応力を回避する工程を更に有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記冷間加工を１段冷間圧下で実施する、請求項１に記載の方法。
4. 前記耐食性フェライト合金が、
   炭素 最大０．０１５
   マンガン ０．２０〜１．０
   ケイ素 ０．８０〜１．５０
   リン 最大０．０２５
   硫黄 ０．１〜０．５
   クロム １２．８０〜１３．２０
   ニッケル 最大０．４０
   モリブデン ０．２０〜０．５
   銅 最大０．２０
   コバルト 最大０．１０
   アルミニウム 最大０．０１０
   チタン 最大０．０１０
   窒素 最大０．０２０
   を含有していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記フェライト合金の前記中間の形態を、７５０〜８５０℃の第１の温度範囲で焼きなましすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記フェライト合金の前記中間の形態を、８００〜９００℃の第２の温度範囲で焼きなましすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記中間の形態を冷間加工する前記工程が、その中間の形態の断面積を２０％以内減少させる工程を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 重量％にして、
   炭素 最大０．０１５
   マンガン ０．３０〜０．８０
   ケイ素 ０．８０〜１．５０
   リン 最大０．０２５
   硫黄 ０．１〜０．３
   クロム １２．５〜１３．５
   ニッケル 最大０．４０
   モリブデン ０．２０〜０．５
   銅 最大０．２０
   コバルト 最大０．１０
   アルミニウム 最大０．０１０
   チタン 最大０．０１０
   窒素 最大０．０２０
   を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であるフェライト合金の中間の形態を提供する工程と、
   前記合金の前記中間の形態を７５０〜８５０℃の第１の温度範囲で少なくとも２時間焼きなましする工程と、
   前記焼きなましした形態を冷間加工してその断面積を１０〜２５％減少させることにより、前記合金の細長い形態を提供する工程と、
   その後、前記細長い形態を８００〜９００℃の第２の温度範囲で少なくとも４時間焼きなましする工程とにより成る、耐食性フェライト鋼合金の製造方法。