JP4357334B2 - フェライト系ステンレス鋼を基材とする高弾性歪みセンサ - Google Patents

Description

本発明は、弾性領域の広範囲にわたり大きな歪み量を示すフェライト系ステンレス鋼を基材に使用することにより、検出範囲を拡げ、検出精度を高めた高弾性歪みセンサに関する。

歪みセンサは、金属からなる基材１の表面上の絶縁層２に所望の回路パターン３を形成し、この回路パターン３間に歪抵抗素子４を設け、少なくともこの歪抵抗素子４及び回路パターン３を絶縁層５で覆っている（図５）。基材１に引張り方向又は圧縮方向の歪みを与えると、基材１に伴って歪抵抗素子４も歪み、電気抵抗値を変化させる。これら歪抵抗素子４を組み込んだブリッジ回路等の検出回路を構成し、歪抵抗素子４の電気抵抗値の変化を測定することにより、歪みセンサに与えられた歪み量が検出される。
歪みの検出領域は、弾性領域における歪み範囲の広い基材の選択により拡げられる。通常のフェライト系又はオーステナイト系ステンレス鋼は、強度，耐食性等に優れているものの、弾性領域で測定に使用可能な歪みの範囲が狭いため歪みセンサの基材に不適と扱われている。この点、特許文献１は、フェライト系よりも二相系ステンレス鋼の方が歪みセンサの基材に適していると開示している。
特開2003-114153号公報

フェライト系ステンレス鋼の狭い歪み範囲は、歪みセンサの製造工程で基材１に使用されるステンレス鋼が受ける熱履歴に原因がある。具体的には、ガラス質絶縁材料を焼成して絶縁層２を形成するとき、基材１のステンレス鋼が８００〜９００℃の高温雰囲気に曝され、靭性や耐力が劣化しやすい。また、ガラス質材料の焼成時にSUS430等のフェライト系ステンレス鋼が８００℃以上に加熱されるとα→γの相変態が生じ、ガラスとの熱膨張差が大きくなって基材１と絶縁層２との接合強度が低下しやすい。しかも、高温焼成されたフェライト系ステンレス鋼に弾性領域の歪みを与えると焼成時の耐力劣化により残留歪を生じやすく、原点への復帰精度が低下して高精度検出ができなくなる。

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、８００℃以上の高温雰囲気に曝されても相変態せず、ガラス質絶縁層との接合性も良好な低熱膨張特性を呈するフェライト系ステンレス鋼を基材に使用することにより、フェライト系本来の高強度，高弾性を活用し、弾性領域の広範囲で歪み量を高精度に検出できる高弾性歪みセンサを提供することを目的とする。

本発明の高弾性歪みセンサは、Ｃｕ：０.３〜３.０質量％を含むフェライト系ステンレス鋼を基材１１とし、８００〜９００℃で焼成された第一の絶縁層１２，回路パターン１３，歪抵抗素子１４，６００〜７００℃で焼成された第二の絶縁層１５が基材表面に順次積層されており、当該歪みセンサを構成する基材フェライト系ステンレス鋼は、０.２体積％以上のε−Ｃｕ相を含み、オーステナイト相，σ相の生成が抑制されたフェライト組織に調整されている。
フェライト系ステンレス鋼は、Ｃｕの他にＣ：０.０３質量％以下，Ｓｉ：３.０質量％以下，Ｍｎ：３.０質量％以下，Ｎｉ：３.０質量％以下，Ｃｒ：１０〜３５質量％，Ｃｕ：０.３〜３.０質量％，Ｎ：０.０３質量％以下，更にＴｉ：０.５質量％以下，Ｎｂ：１.０質量％以下，Ｍｏ：２.０質量％以下，Ａｌ：３.５質量％以下の１種又は２種以上を含むステンレス鋼が好適である。
そして、室温で４５０ＭＰａ以上の０.２％耐力（JIS G0202）を呈するものが好ましい。

歪みセンサの製造にあっては、ガラス質材料を８００〜９００℃で焼成して絶縁層を形成している。オーステナイト系，二相系に比較すると熱膨張係数が小さなフェライト系ステンレス鋼は接合性に有利であるが、高温焼成時の昇温でα→γの相変態が生じると相変態に起因する体積変化で基材／絶縁層の界面に熱応力が集中し、接合強度が低下する。α→γの相変態は、オーステナイトバランスを下げた成分設計により抑制できる。また、６００〜７００℃で絶縁層を焼き付ける際の高温雰囲気でＣｕ等の析出によって鋼材が硬質化・強化される成分設計を採用すると、室温で４５０ＭＰａ以上の０.２％耐力がステンレス鋼に付与され、広範囲の弾性領域にわたって歪み量を精度良く測定できる歪みセンサに適した基材となる。

以下、本発明の一実施形態である歪みセンサを図面を参照しながら説明する。
図１は歪みセンサの構造を示す側断面図，図２は上面図である。
図１，２において、１１は金属からなる基材であり、基材１１に第一の絶縁層１２が設けられ、更にＡｇからなる回路パターン１３が第一の絶縁層１２に備えられている。１４は四つの歪抵抗素子を示し、回路パターン１３と電気的に接続されるように第一の絶縁層１２上に設けられている。１５は第二の絶縁層であり、少なくとも四つの歪抵抗素子１４及び回路パターン１３を覆っている。１６は四つのＡｇからなる電極を示し、回路パターン１３から延出して設けられている。電極１６は、第二の絶縁層１５で覆われておらず外部に露出している。

〔基材・ステンレス鋼〕
基材１１として使用されるフェライト系ステンレス鋼には、以下の合金成分を含んでいる。
Ｃ：０.０３質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下
何れもオーステナイト形成元素であり、多量に含まれるとマルテンサイト相が生成し、鋼材が高強度化する。マルテンサイト相を生成すると相変態で発生する歪みにより絶縁層１２との密着性が損なわれるので、可能な限りＣ，Ｎを低減しマルテンサイト相の生成を抑制することが好ましい。そこで、Ｃ，Ｎ含有量を共に０.０３質量％以下としている。

Ｓｉ：３.０質量％以下
高温での耐酸化性を改善する合金成分として知られているが、本成分系においては、室温の強度上昇に固溶強化元素として働く。このような作用は、０.１質量％以上のＳｉで顕著になる。しかし、Ｓｉの過剰添加はσ相の生成を促進させて低温靭性を劣化させるので、Ｓｉ含有量の上限を３.０質量％としている。

Ｍｎ：３.０質量％以下
フェライト系ステンレス鋼の高温酸化特性，溶接性を改善する合金成分であり、０.１質量％以上でＭｎの添加効果が顕著になる。しかし、オーステナイト形成元素であり過剰添加はＣ，Ｎと同様な悪影響を及ぼすので、Ｍｎ含有量の上限を３.０質量％としている。

Ｎｉ：３.０質量％以下
本成分系においては、室温強度の上昇に有効な固溶強化元素として働く。このような作用はＮｉ：０.０５質量％以上で顕著になる。しかし、オーステナイト形成元素であるため、Ｃｒ含有量の少ないフェライト系ステンレス鋼にＮｉを過剰添加すると、Ｍｎと同様にマルテンサイト相が生成しやすくなる。そこで、Ｎｉ含有量の上限を３.０質量％とした。

Ｃｒ：１０〜３５質量％
フェライト相を安定させると共に、耐食性，耐酸化性の改善に不可欠な合金成分である。室温での強度上昇に有効な固溶強化元素としても働き、Ｃｒの増量に応じて添加効果が大きくなる。しかし、過剰量のＣｒを添加するとσ相の生成によって鋼材が脆化しやすくなる。このようなことから、Ｃｒ含有量を１０〜３５質量％の範囲とする。

Ｃｕ：０.３〜３.０質量％
Ｃｕ添加量の増加に伴い、固溶強化作用によって鋼材強度が向上し、０.３質量％以上でＣｕの添加効果がみられる。特にセンサ用途の製造工程では、６００〜７００℃の熱処理時にε-Ｃｕ相が活発に析出し鋼材強度が大幅に向上する。しかし、過剰量のＣｕ添加は低温靭性や耐食性に悪影響を及ぼすので、Ｃｕ含有量の上限を３.０質量％とした。

Ｔｉ：０.５質量％以下
Ｃ，Ｎを固定してマルテンサイト相の生成を抑制すると共に、耐食性を向上させる合金成分であり、好ましくは０.０５質量％以上でＴｉの添加効果が顕著になる。しかし、Ｔｉを過剰添加するとＴｉＮを生成し鋼材の表面性状を劣化させるので、Ｔｉ含有量の上限を０.５質量％とする。

Ｎｂ：１.０質量％以下
Ｔｉと同様に、Ｃ，Ｎを炭窒化物として固定する作用を呈し、好ましくは０.１質量％以上でＮｂの添加効果が顕著になる。しかし、Ｎｂの過剰添加は低温靭性を低下させ、溶接高温割れ感受性を高くする原因となるので、Ｎｂ含有量の上限を１.０質量％とした。

Ｍｏ：２.０質量％以下
フェライト系ステンレス鋼の高強度化に有効な合金成分であり、耐食性，高温強度の向上にも顕著な作用を呈し、好ましくは０.１質量％以上でＭｏの添加効果がみられる。しかし、過剰量のＭｏを添加すると加工性，溶接性が劣化し、σ相が生成しやすくなり、低温靭性に悪影響が現れる。このようなことから、Ｍｏ含有量の上限を２.０質量％とする。

Ａｌ：３.５質量％以下
フェライト系ステンレス鋼を高強度化し、耐高温酸化性の向上にも有効な合金成分であり、好ましくは０.０５質量％以上でＡｌの添加効果がみられる。しかし、過剰量のＡｌを添加すると加工性，溶接性が劣化し、σ相が生成しやすくなり、低温靭性にも悪影響が現れるので、Ａｌ含有量を３.５質量％以下とする。

ＴｉやＮｂを含む成分系では、オーステナイト相の生成に最も影響を及ぼすＣ，Ｎの大部分が炭窒化物として固定されるので、高温域においてもオーステナイト相が生成されない。更に、２×Ｔｉ＋Ｎｂ＞８(Ｃ＋Ｎ)＋０.１の関係を満足するようにＣ，Ｎとの関係でＴｉ，Ｎｂの含有量を調整するとき、オーステナイト相の生成が一層確実に抑制される。

本成分系においては、その他の合金成分を特に規制するものではないが、一般的な不純物元素であるＰ，Ｓ，Ｏ等は可能な限り低減することが好ましい。具体的にはそれぞれの上限をＰ：０.０４質量％，Ｓ：０.０３質量％，Ｏ：０.０２質量％とするが、不純物元素の上限を更に厳密に規制すると高レベルの加工性，靭性が確保される。耐熱性改善に有効なＷ，Ｚｒ，Ｙ，REM（希土類金属）や熱間加工性改善に有効なＣａ，Ｍｇ，Ｂ，Ｃｏ等の合金成分も必要に応じて適宜添加できる。

基材のフェライト系ステンレス鋼は、熱延まま，熱延焼鈍まま，冷延まま，冷延焼鈍等、何れの状態であっても優れた特性を発揮する。優れた特性は、鋼板を造管し、或いは加工，溶接を施した後でも維持される。当該フェライト系ステンレス鋼から歪みセンサを製造する場合、最終熱処理工程でε-Ｃｕ相が生成するが、最終熱処理工程前に何れの段階でも微細なε-Ｃｕ相の生成が可能である。

以上の条件により構成された歪みセンサについて、以下にその製造方法を説明する。
〔絶縁層形成工程〕
先ず、基材１１の表面にペースト状のガラス材料をスクリーン印刷等で塗布し、８００〜９００℃の温度で焼成することにより第一の絶縁層１２を形成する。-図３(a)-

〔回路パターン形成工程〕
次いで、絶縁層１２上の所望個所にペースト状電極材料をスクリーン印刷等で塗布し、８００〜９００℃の温度で焼成することにより回路パターン１３及びこの回路パターン１３を延出してなる電極１６（本図では図示せず）を形成する。-図３(b)-

〔歪抵抗素子形成工程〕
更に、回路パターン１３の上にペースト状の抵抗材料をスクリーン印刷等で塗布し、８００〜９００℃の温度で焼成することにより四つの歪抵抗素子１４を形成する。-図３(c)-

〔絶縁層形成工程〕
最後に、少なくとも歪抵抗素子１４及び回路パターン１３を覆うようにペースト状の絶縁材料をスクリーン印刷等で塗布し、６００〜７００℃の温度で焼成することにより第二の絶縁層１５を形成する。-図３(d)-

この第二の絶縁層１５の形成時に基材１１のステンレス鋼が６００〜７００℃の高温雰囲気に曝されるが、このときマトリックスからε−Ｃｕ相が析出して硬質化（高強度化）される。基材１１の硬質化に及ぼす影響は、ε−Ｃｕ相の析出量が０.２体積％以上で顕著になる。また、オーステナイトバランスが低く設定されているのでオーステナイト相の生成もない。
しかも、高温雰囲気に曝される時間が合計でも数時間程度と比較的短く、Ｃｒ，Ｓｉ等のフェライト形成元素を比較的多量に含む成分系であってもσ相も生じていないため、センサ基材が優れた低温靭性を呈し、第一の絶縁層１２，回路パターン１３，電極１６，歪抵抗素子１４，第二の絶縁層１５が強固に接合された高弾性歪みセンサが得られる。

成分・組成を表１に示すステンレス鋼を真空炉で溶製し、鋳造，鍛造，熱延，焼鈍・酸洗，冷延，仕上げ焼鈍を経て板厚２.０ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。

各冷延焼鈍板から試験片を切り出し、第一の絶縁層１２の焼付けを想定して８５０℃に１時間加熱した後で室温まで冷却し、更に第二の絶縁層１５の焼付けを想定して６５０℃に３０分加熱した後で室温まで冷却する熱処理を施した。熱処理された試験片の組織変化を観察し、透過型電子顕微鏡の１０視野から求められたε−Ｃｕ相の平均面積率を体積率に換算し、光学顕微鏡の１０視野からオーステナイト相，σ相の平均面積率を求めた。

また、第一の絶縁層１２，回路パターン１３，電極１６，歪抵抗素子１４の焼成条件：８５０℃で１時間の焼成後、第二の絶縁層１５の焼成条件：６４０℃で３０分の焼成で作製された歪みセンサについて絶縁層２の剥離，断線を調査すると共に、室温における基材１１に使用したステンレス鋼の０.２％耐力を測定した。
表２の調査結果にみられるように、本発明例では、基材１１と第一の絶縁層１２及び第二の絶縁層１５の密着性が優れ、０.２％耐力も５５０ＭＰａと高い値であった。したがって、広範囲の弾性領域にわたって歪み量を高精度測定できる歪みセンサとして使用可能なことが理解できる。

鋼種Ｎo.１の基材は、最終熱処理時の加熱温度に応じてε-Ｃｕ相の析出量が異なり、０.２％耐力が図２に示すように変化していた。なお、図２のデータは、鋼種Ｎo.１の基材を８５０℃に１時間加熱した後、最終熱処理温度に３０分加熱したときの値である。また、鋼種Ｎo.１，Ｎo.２共にオーステナイト相，σ相が析出していなかった。
他方、SUS430ステンレス鋼を基材とした歪みセンサでは、焼成時の昇温過程で相変態したオーステナイト相が冷却過程でマルテンサイト変態するため、相変態に起因する体積変化の影響を受けて基材１１と第一の絶縁層１２及び第二の絶縁層１５の密着性が悪く電極破断が生じていた。０.２％耐力も低いため、測定可能な歪み範囲が本発明例より限られていると考えられる。

SUS631ステンレス鋼は、０.２％耐力が高いものの焼成時の熱履歴によって多量のマルテンサイトが生成し、基材からガラス質絶縁層が剥離したため歪みセンサとして使用できなかった。
SUH21鋼を基材とした歪みセンサは、基材１１と第一の絶縁層１２及び第二の絶縁層１５の密着性が良好であるものの、ε-Ｃｕ相が生成していないため焼成後の基材の０.２％耐力が低かった。しかも、焼成時に若干のσ相が生成したため、基材の低温靭性が低くなっていた。

以上に説明したように、高温焼成でガラス質絶縁層や樹脂質抵抗体を形成する際にα→γの相変態がなく、室温での０.２％耐力が高く低熱膨張性のフェライト系ステンレス鋼を基材１１に使用しているので、基材１１と第一の絶縁層１２及び第二の絶縁層１５の接合界面に亀裂，剥離等の欠陥がなく、弾性領域の広い範囲にわたって歪み量を高精度測定できる歪みセンサとなる。

本発明の一実施形態における歪みセンサの構造を示す側断面図 同歪みセンサの上面図 同歪みセンサの製造方法を説明する図 最終熱処理時の加熱温度に応じて室温での０.２％耐力が変わることを示したグラフ 従来の歪みセンサの構造を示す側断面図

符号の説明

１１：基材 １２：第一の絶縁層 １３：回路パターン １４：歪抵抗素子 １５：第二の絶縁層 １６：電極

Claims (3)

1. Ｃｕ：０.３〜３.０質量％を含むフェライト系ステンレス鋼を基材とし、この基材に８００〜９００℃で焼成された第一の絶縁層，電極，回路パターン，歪抵抗素子，６００〜７００℃で焼成された第二の絶縁層を順次設けている歪みセンサであって、当該歪みセンサを構成する基材のフェライト系ステンレス鋼が、０.２体積％以上のε−Ｃｕ相を含み、オーステナイト相，σ相の生成が抑制されたフェライト組織を有していることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼を基材とする高弾性歪みセンサ。
2. フェライト系ステンレス鋼がＣ：０.０３質量％以下，Ｓｉ：３.０質量％以下，Ｍｎ：３.０質量％以下，Ｎｉ：３.０質量％以下，Ｃｒ：１０〜３５質量％，Ｃｕ：０.３〜３.０質量％，Ｎ：０.０３質量％以下，更にＴｉ：０.５質量％以下，Ｎｂ：１.０質量％以下，Ｍｏ：２.０質量％以下，Ａｌ：３.５質量％以下の１種又は２種以上を含んでいる請求項１記載の高弾性歪みセンサ。
3. 室温での０.２％耐力：４５０ＭＰａ以上のフェライト系ステンレス鋼を基材に使用している請求項１又は２記載の高弾性歪みセンサ。

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