JP4210097B2 - フェライト系ステンレス鋼製角筒容器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、壁割れ（ウォールブレーク）がなく形状精度の良好なフェライト系ステンレス鋼製角筒容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４３０ＬＸ等のフェライト系ステンレス鋼は、良好な耐食性を呈し、高価なＮｉを含まないためオーステナイト系ステンレス鋼に比較して安価であるため、耐久消費財を中心に広範な用途で使用されている。フェライト系ステンレス鋼の用途展開に伴い、製品形状に成形するプレス加工条件が一段と過酷になることから、一層優れた深絞り加工性を呈するフェライト系ステンレス鋼が望まれている。
【０００３】
深絞り加工性の向上を狙った数多くの研究が報告されており、Ｔｉ，Ｎｂの複合添加が代表的である。複合添加したＴｉ，Ｎｂは、マトリックスに固溶しているＣ，Ｎを炭窒化物として析出させ、マトリックスのＣ，Ｎ濃度を低減させることにより深絞り加工性を向上させる。更に、Ｍｇ系介在物によるリジング特性の向上（特開２０００−１９２１９９号公報），Ｔｉ，Ｎｂの複合添加と熱延条件との組合せによるランクフォード値の向上（特公平８−２６４３６号公報）等も知られている。
【０００４】
種々の用途にフェライト系ステンレス鋼を使用する場合、ランクフォード値，リジング特性だけでなく最終製品形状に成形する際の形状対称性も重要な要求特性である。たとえば、角筒形状に成形する角筒絞りでは、素材各部に均一な変形が生じがたく、壁割れや肉厚変動が発生しやすい。場合によっては、角筒絞り後の二次加工で最終製品形状に成形する場合があり、二次加工時に割れ，破断等の加工欠陥が生じないことも要求特性である。
【０００５】
一般的にオーステナイト系ステンレス鋼板よりも加工性が劣るフェライト系ステンレス鋼板を角筒絞りすると、オーステナイト系ステンレス鋼板に比較して大きな減肉が生じやすい。大きな減肉部のある角筒容器に型寸法最終調整のためのプレス（リストライク）を施すと、減肉部を起点とする壁割れ（ウォールブレーク）が発生する。壁割れは、穴拡げ加工，曲げ，扁平化，張出し等の二次加工によっても発生しがちである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
角筒絞り後に角筒容器を６００〜８００℃で軟化焼鈍することにより壁割れをある程度抑制できるが、二次加工条件が過酷になるに従い軟化焼鈍だけでは壁割れの発生を完全に抑制できない。壁割れを完全に防止できない現状では、壁割れの発生率を予測することが困難であり、角筒絞りや二次加工の際に壁割れが急に頻発する事態もある。
【０００７】
壁割れ対策が十分でないことは、壁割れに及ぼす合金設計や金属組織が解明されていないことに原因がある。そこで、本発明者等は、耐壁割れ性と合金設計，金属組織との関係を調査・検討した。その結果、成分・組成を適正に管理し、深絞り加工性の指標であるランクフォード値の面内異方性を小さくするとき、過酷な条件下で二次加工しても壁割れを抑制できることを見出した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、新規な知見をベースに完成されたものであり、合金設計，ランクフォード値の最小値及び平均偏差Δｒ*を総合的に調整することにより、壁割れがなく高精度の最終製品形状に加工できる角筒容器を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の角筒容器は、その目的を達成するため、Ｃ：０．１０質量％以下，Ｓｉ：２．０質量％以下，Ｍｎ：２．０質量％以下，Ｐ：０．０５０質量％以下，Ｓ：０．０２０質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜３５．０質量％，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｔｉ：０．１４〜０．５質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％を含み、更にＮｉ：２．０質量％以下，Ｍｏ：３．０質量％以下，Ｃｕ：２．０質量％以下，Ｖ：０．３０質量％以下，Ｚｒ：０．３０質量％以下，Ａｌ：４．０質量％以下，Ｂ：０．０１００質量％以下の１種又は２種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、面内全方向に沿って測定したランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎが１．４以上，Δｒ*＝（｜ｒ_Ｌ−ｒ_Ｄ｜＋｜ｒ_Ｔ−ｒ_Ｄ｜）／２（ただし、ｒ_Ｌ，ｒ_Ｔ，ｒ_Ｄはそれぞれ圧延方向，圧延方向に直交する方向，圧延方向に対して４５度傾斜する方向に沿って測定したランクフォード値）で定義される平均偏差Δｒ*が０．６７以下のフェライト系ステンレス鋼板を素材とし、深絞り加工によって角筒状に成形されていることを特徴とする
【００１１】
【作用】
本発明者等は、角筒絞りによって素材フェライト系ステンレス鋼から作製された角筒容器に発生する壁割れを素材の材質，物性との関係で詳細に調査・検討した。その結果、ランクフォード値の最小値ｒ_min及び平均偏差Δｒ*に壁割れが大きく依存しており、最小値ｒ_min及び平均偏差Δｒ*を適正に管理することにより耐壁割れ性を改善できることを解明した。
【００１２】
フェライト系ステンレス鋼は、普通鋼に比較してＣｒ含有量が高いため硬質化しており、伸びも低い。素材の延性に基づく張出し要素による加工性の向上が期待できないことから、板厚収縮又は幅方向に沿った材料流入の指標としてランクフォード値（ｒ値）に着目し、最終製品形状への成形に耐え得るフェライト系ステンレス鋼を調査した。ランクフォード値としても、従来から汎用されている圧延方向（Ｌ方向），圧延方向に直交する方向（Ｔ方向），圧延方向に対して４５度傾斜した方向（Ｄ方向）の三方向に限らず、面内全方向に沿って測定し、最小のランクフォード値ｒ_ｍｉｎ及びΔｒ＊＝（｜ｒ_Ｌ−ｒ_Ｄ｜＋｜ｒ_Ｔ−ｒ_Ｄ｜）／２で定義される平均偏差Δｒ＊評価指標に使用している。
ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎ及び平均偏差Δｒ＊は角筒絞り加工性，二次加工性を的確に表す指標であり、ｒ_ｍｉｎ≧１．４，Δｒ*≦０．６７に管理することにより角筒絞り時や二次加工時に割れ等の欠陥発生が抑制され、形状精度の良好な角筒容器が得られる。
【００１３】
以下、素材に使用するフェライト系ステンレス鋼の合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０.１０質量％以下
最終焼鈍時に再結晶フェライトのランダム化に有効な再結晶核となる炭化物を形成する。しかし、過剰量のＣ含有は、冷延焼鈍板の強度を上昇させ延性の低下を招くことから、上限を０.１０質量％に規制した。
Ｓｉ：２.０質量％以下
溶鋼段階で脱酸剤として使用される合金成分である。しかし、固溶強化能が高く、過剰量のＳｉ含有は材質硬化，延性低下を引き起こすので、Ｓｉ含有量の上限を２.０質量％に規制した。
【００１４】
Ｍｎ：２.０質量％以下
オーステナイト形成元素であり、固溶強化能が小さく材質への悪影響が小さい。しかし、２.０質量％を超える過剰量のＭｎが含まれると、溶製時にヒュームが発生しやすく、製造性が低下する。
Ｐ：０.０５０質量％以下
熱間加工性に悪影響を及ぼす有害成分であるが、０.０５質量％以下にＰ含有量を抑えることによりＰ起因の悪影響がなくなる。
【００１５】
Ｓ：０.０２０質量％以下
結晶粒界に偏析しやすく、粒界脆化によって熱間加工性を劣化させる有害成分であるが、０.０２０質量％以下に規制することによりＳ起因の悪影響がなくなる。
Ｃｒ：１１.０〜３５.０質量％
ステンレス鋼に要求される耐食性の向上に有効な不動態皮膜を形成する合金成分であり、１１.０質量％以上でＣｒ添加の効果がみられる。しかし、Ｃｒ含有量が高くなると靭性，加工性が低下するので、上限を３５.０質量％に規制した。
【００１６】
Ｎ：０．０５質量％以下
最終焼鈍時に再結晶フェライトのランダム化に有効な再結晶核となる窒化物を形成する。しかし、過剰量のＮ含有は、冷延焼鈍板の強度を上昇させ延性の低下を招くことから、上限を０．０５質量％に規制した。
Ｔｉ：０．１４〜０．５質量％
Ｃ，Ｎの固定及びフェライト結晶粒の微細化によって加工性，耐食性，耐壁割れ性を向上させる合金成分であり、０．０５質量％以上でＴｉ添加の効果がみられる。しかし、０．５０質量％を超える過剰量のＴｉを添加すると、鋼材コストが上昇するばかりでなくＴｉ系介在物起因の表面欠陥が発生しやすくなる。
【００１７】
Ｎｂ：０.１０〜０.５０質量
Ｔｉと同様にＣ，Ｎの固定及びフェライト結晶粒の微細化よって加工性，耐壁割れ性を向上させる合金成分であり、０.１０質量％以上で添加効果がみられる。Ｎｂに由来するＮｂ系炭化物やＦｅ₂Ｎｂは、フェライトの再結晶核として働き、ランクフォード値の最小値ｒ_min及び平均偏差Δｒ*を改善する上でも有効である。しかし、０.５０質量％を超える過剰量のＮｂを添加すると、鋼材が硬質化し加工性に悪影響が現れやすくなる。Ｎｂの過剰添加は、再結晶温度を上げる点でも不利である。
【００１８】
Ｎｉ：２.０質量%以下
必要に応じて添加される合金成分であり、オーステナイト形成元素であって過剰添加は鋼材の硬質化，コスト上昇の原因となるので、Ｎｉ添加量を２.０質量％以下に定める。
Ｍｏ：３.０質量%以下
必要に応じて添加される合金成分であり、耐食性を改善する作用を呈する。しかし、３.０質量%を超える過剰量のＭｏを添加すると高温での固溶強化や動的再結晶の遅滞により熱間加工性が低下する。
【００１９】
Ｃｕ：２.０質量％以下
製鋼段階でスクラップ等の原料から不可避的に混入する成分であるが、Ｃｕ含有量を２.０質量％以下に規制するときＣｕ起因の熱間加工性，耐食性低下が抑えられる。
Ｖ，Ｚｒ：０.３０質量%以下
Ｖは固溶Ｃを炭化物として析出させることにより、Ｚｒは鋼中酸素を酸化物として捕捉することにより加工性，靭性の向上に寄与する任意成分である。しかし、過剰添加は製造性の低下を招くので、Ｖ，Ｚｒを添加する場合には０.０１〜０.３０質量%の範囲で含有量を選定することが好ましい。
【００２０】
Ａｌ：４.０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、製鋼段階で脱酸剤として添加され、耐酸化性を向上させる作用も呈する。しかし、Ａｌを過剰添加すると表面欠陥が発生しやすくなるので、４.０質量％にＡｌ含有量の上限を設定した。
Ｂ：０.０１００質量%以下
必要に応じて添加される合金成分であり、Ｎを固定し耐食性，加工性を改善する。０.０００５質量％以上で添加効果がみられるが、０.００５０質量％を超える過剰添加は熱間加工性に悪影響を及ぼす。
以上に掲げた成分の他、Ｃａ，Ｍｇ，Ｃｏ，REM等もあるが、過剰に含まれない限り角筒容器の耐壁割れ性に影響を及ぼさない。
【００２１】
ランクフォード値の最小値の最小値：ｒ_min≧１.４
ランクフォード値が高い材料は、プレス成形，角筒絞り加工時に板厚方向の歪みが小さく平面方向の歪みが大きくなる。板厚方向に優先して平面方向に歪みが進行することは、プレス成形，角筒絞り加工で得られる角筒容器の減肉が少なくなることを意味する。逆にランクフォード値の低い材料から得られる角筒容器では大きな減肉部が生じやすく、壁割れや二次加工の際に割れ発生の起点となる。
【００２２】
プレス成形，角筒絞り加工で角筒容器を作製するとき、素材形状に応じてコーナ部分が種々の方向に変わるので、Ｌ，Ｔ，Ｄの三方向に沿った従来のランクフォード値だけでは角筒容器の耐壁割れ性を適正に評価できない。そこで、鋼板の面内全方向においてランクフォード値を測定し、ランクフォード値の最小値ｒ_minで耐壁割れ性を評価することが必要である。最小値ｒ_minを１.４以上と管理することにより、角筒容器の板厚が均等化され、後述の実施例にみられるように壁割れのない角筒容器が得られ、穴拡げ加工，曲げ，扁平化，張出し等の二次加工の際にも加工欠陥の発生が抑制される。
【００２３】
ランクフォード値の最小値の平均偏差：Δｒ*≦０．６７
素材ステンレス鋼板は、直辺部１２，コーナ部１３のあるフランジ１１をもつ角筒容器１０（図１）に角筒絞り加工される。直辺部１２，コーナ部１３が不均一変形した素材を更に角筒絞りすると、コーナ部１３が局部的に増肉する。増肉したコーナ部１３は、大きく加工硬化しており、壁部１４に壁割れ１５が発生しやすくなる。
【００２４】
壁割れの発生原因になるコーナ部の局部的増肉は、Ｌ，Ｔ，Ｄの三方向に沿ったランクフォード値の最小値から式Δｒ＊＝（｜ｒ_Ｌ−ｒ_Ｄ｜＋｜ｒ_Ｔ−ｒ_Ｄ｜）／２で求められる平均偏差Δｒ*を０．６７以下に調整することにより抑制される。すなわち、Δｒ*≦０．６７に平均偏差Δｒ＊を調整することにより、フランジ部を構成する直辺部とコーナ部の変形が均一化され、二次加工時にも壁割れが生じがたい角筒容器が得られる。ｒ_ｍｉｎ≧１．４，Δｒ*≦０．６７は、Ｎｂ系析出物が析出する温度での熱延板焼鈍及びフェライト再結晶が完了し且つ粗粒化しない中間焼鈍を適正に組み合わせることにより達成される。
【００２５】
この点、Ｄ方向に沿ったランクフォード値ｒ_Ｄが最も低いとする前提でΔｒ＝（ｒ_Ｌ−２ｒ_Ｄ＋ｒ_Ｔ）／２が異方性の指標に従来から使用されているが、Ｄ方向に沿ったランクフォード値ｒ_Ｄが最小でない場合が多い角筒絞りではΔｒは意味をもたない。
特定された成分系においてｒ_ｍｉｎ≧１．４，Δｒ≦０．６７に調整されたフェライト系ステンレス鋼板から作製された角筒容器は、耐壁割れ製に優れていると共に伸びフランジ部の割れも抑制され、フランジ部，ダイアール部で板厚減少が小さく良好な形状をもつ製品となる。また、二軸引張り応力下での側壁破断も抑制されるので、穴拡げ加工，曲げ，扁平化，張出し等の二次加工性も優れている。
【００２６】
【実施例】
表１に示した成分・組成のステンレス鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造，鍛造を経て板厚４.０ｍｍに熱間圧延した。表中、鋼種Ａ〜Ｆは本発明で規定した成分・組成を満足し、鋼種Ｇ〜Ｉは本発明の規定を外れる成分・組成をもつ。
【００２７】

【００２８】
各熱延鋼帯を焼鈍した後、中間板厚２ｍｍに冷間圧延し、中間焼鈍を経て最終板厚０.６ｍｍに仕上げ圧延し、最終的に仕上げ焼鈍した。熱延板焼鈍から仕上げ焼鈍までの熱処理条件を表２に示す。
【００２９】

【００３０】
圧延方向（Ｌ方向）から直交方向（Ｔ方向）に至る９０度の範囲を５度刻みした各方向に沿って焼鈍仕上げ材からJIS 13B号試験片を切り出し、引張試験に供した。引張試験では、１５％の引張り歪みを試験片に与えた後、ランクフォード値を測定し、ランクフォード値の最小値ｒ_minを求め、式Δｒ*＝(|ｒ_L−ｒ_D|＋|ｒ_T−ｒ_D|)／２に従って平均偏差Δｒ*を算出した。
次いで、焼鈍仕上げ材を角筒形状（図１）に一段絞りし、更にリストライクした各焼鈍仕上げ材につき５個の角筒容器を作製した。角筒容器の各部寸法を図２に示す。個々の角筒容器を観察し、一段絞り又はリストライク後に壁割れが発生していない角筒容器を○，１個でも壁割れが検出された角筒容器を×として耐壁割れ性を評価した。
【００３１】
表３の調査結果にみられるように、成分・組成，ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎ及び平均偏差Δｒ＊が本発明条件を満足する角筒容器では、壁割れが皆無であった。また、リストライクで型寸法を最終調整しても壁割れが発生せず、二次加工性に優れていた。
他方、成分・組成が本発明条件を満足していても、ｒ_ｍｉｎ＜１．４又はΔｒ＊＞０．６７の試験番号Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｅ２では、角筒絞りによる割れが壁部に検出された。過剰のＮ，Ｎｂを含む素材ＧやＮｂが過剰な素材Ｉから作製された角筒容器は、素材強度が高いため大きな壁割れが発生していた。逆にＮｂが少なすぎる素材Ｈから作製された角筒容器にも壁割れが発生しており、Ｎｂ系析出物が不足してランクフォード値の低下が壁割れ発生に至ったことが窺われる。
【００３２】

【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように、成分・組成が特定されたフェライト系ステンレス鋼板においてｒ_ｍｉｎ≧１．４，Δｒ*≦０．６７とランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎ及び平均偏差Δｒ＊が管理された素材から得られた角筒容器は、壁部に割れがなく、フランジの直辺部及びコーナ部が均一変形している。そのため、各種流体の容器に使用した場合に液漏れが生じる虞がない。また、穴拡げ加工，曲げ，扁平化，張出し等の二次加工を施す場合でも、加工欠陥がなく形状精度の良好な製品形状となる。しかも、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して安価な素材を使用しているにも拘らず、優れた耐食性を呈する容器が得られる。このような長所を活用し、高精度で且つ複雑形状が要求される車載用燃料タンク，シンク，角バット，各種器物，電磁調理器鍋等の家庭用機器の部品，モータケース，電池ケース，カバー，センサー，インジェクタ，サーモスタットバルブ，ベアリングシール，フランジ等の産業用機器部品に適した角筒容器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例で作製した角筒容器を示す斜視図
【図２】 角筒容器の各部寸法を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）
【符号の説明】
１０：角筒容器 １１：フランジ １２：フランジの直辺部 １３：フランジのコーナ部 １４：壁部 １５：壁割れ

Claims (1)

1. Ｃ：０．１０質量％以下，Ｓｉ：２．０質量％以下，Ｍｎ：２．０質量％以下，Ｐ：０．０５０質量％以下，Ｓ：０．０２０質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜３５．０質量％，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｔｉ：０．１４〜０．５質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％を含み、更にＮｉ：２．０質量％以下，Ｍｏ：３．０質量％以下，Ｃｕ：２．０質量％以下，Ｖ：０．３０質量％以下，Ｚｒ：０．３０質量％以下，Ａｌ：４．０質量％以下，Ｂ：０．０１００質量％以下の１種又は２種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、面内全方向に沿って測定したランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎが１．４以上，Δｒ*＝（｜ｒ_Ｌ−ｒ_Ｄ｜＋｜ｒ_Ｔ−ｒ_Ｄ｜）／２（ただし、ｒ_Ｌ，ｒ_Ｔ，ｒ_Ｄはそれぞれ圧延方向，圧延方向に直交する方向，圧延方向に対して４５度傾斜する方向に沿って測定したランクフォード値）で定義される平均偏差Δｒ*が０．６７以下のフェライト系ステンレス鋼板を素材とし、深絞り加工によって角筒状に成形されていることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼製角筒容器。

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