JP4544589B2 - スピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びスピニング加工方法 - Google Patents
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Description
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、従来からのフェライト系ステンレス鋼ではなし得なかった、スピニング加工時の母材管端や平板ブランク端での割れを防止できるスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びスピニング加工方法を提供することを目的とする。
まず、数多くの円盤状ブランク端や溶接管端を細かく観察し、スピニング加工割れとの相間を調査した。その結果、せん断端の加工歪みが大きい場合にスピニング加工割れの割合が高くなることがわかった。すなわち、母材せん断端の変形能がその後のスピニング加工性に大きく影響を及ぼしていることがわかった。
すなわち、O含有量の増加により打抜き等のせん断加工時に亀裂の起点となる酸化物を主体とする介在物が増加する。特にSiO2を含むMnO・SiO2系,MnO・SiO2・MnS系の介在物は母材せん断端の変形能に影響を及ぼし、破断面の割合を増加させる。破断面の割合が増加した端面は破断限界歪みが増加するために、端面に引張応力が発生するスピニング加工が施されるとき、加工割れに至るものと考えられる。
そして、この加工歪みの除去手段としては、レーザ照射や高周波誘導加熱等の手段も想定されるが、生産性を考慮し、本発明では切削もしくは研磨により加工歪み残存部分をスピニング加工する前に除去することとした。
せん断時にダメージを受けた端面部分を切除すれば、ある程度の介在物があっても変形能は回復する。すなわち、切削もしくは研磨の処理を施すことにより、スピニング加工時の加工割れを回避することができる。
まず、本発明鋼に含まれる合金成分,含有量等を説明する。
C:0.15質量%以下
強力なオーステナイト形成元素であり、焼入れマルテンサイト相を利用する鋼には必須の元素である。ただし、過度に含有させると固溶強化により耐力や硬さが高くなりすぎる。そのため、C含有量を0.15質量%(好ましくは、0.08質量%)以下に規制する。
製鋼脱酸に有効な元素である。マトリックス強化に有効な合金成分でもある。しかしながら、2.0質量%を超える過剰量のSiが含まれると、過度に硬質化してスピニング加工性を阻害する。そこで、2.0質量%以下に規制する。ただし、耐高温酸化性を向上させるためには重要な元素であるため、耐熱用材として使用する場合には、0.4質量%以上含有させることが好ましい。
耐酸化性,高温強度増加に有効な元素であるが、多量に含有すると製造性を阻害するため、2.0質量%以下(好ましくは、1.0質量%)に規制する。
S:0.010質量%以下
熱間加工性に有害な元素であり、しかもMnS系のサルファイドやMn−Si−O−S系のオキシサルファイドを生成して加工性を阻害する。したがって極力少なくすることが好ましい。しかしながら過度の低硫化は、原料費の増加や精錬時間の長時間化につながる。このため、0.010質量%(好ましくは、0.003質量%)以下に規制する。
耐食性及び耐熱性を向上させる上では必須の合金成分であり、ステンレス鋼として要求される耐食性を確保する上で10質量%以上のCrが必要である。しかしながら、Cr含有量の増加に伴って硬質化し、曲げ性や伸縮性が損なわれることになるので、Cr含有量の上限を20質量%に設定した。好ましくは11〜18質量%の範囲である。
強力なオーステナイト形成元素であり、また、耐すきま腐食性の向上に有効な元素である。しかしながら、過剰量のNiが含まれるとAc1点が下がり、焼鈍時の冷却過程でマルテンサイト相が生成して硬質化しやすくなる。そのため、上限を2.0質量%とする。
N:0.03質量%以下
固溶強化元素、オーステナイト形成元素として有効な元素である。しかし、過度に含有させると硬質化を招く。このため、上限を0.03質量%とする。
本発明においてもっとも重要な元素である。多量の含有していると酸化物、特にSiO2を含む複合酸化物を形成する。これらの酸化物系介在物が割れの起点となってスピニング加工性を低下させる。O含有量が100ppmを超えるとスピニング加工性の低下が顕著になる。したがって、本発明ではO含有量は100ppm以下に制限する。なお、より割れ感受性を低めるためには70ppm以下にすることが好ましい。
フェライト系ステンレス鋼において、C,Nを炭化物や窒化物として固定し、Cr炭化物・窒化物の形成を抑制するため、耐食性,耐熱性あるいは加工性等の向上に有効な元素である。ただし、過度に含有させると、余剰のTi,Nbが母相中に固溶し、素材の硬質化等の弊害が生じる。このため、それらの上限を、Nbは1.0質量%に、Tiは0.5質量%に設定した。これらの元素は、いずれか一方もしくは両方を含有させる。
Mo:3.0質量%以下
耐食性の向上に非常に有効な元素である。ただし、過度に含有させると硬質化を招く。したがって、含有させる場合には3.0質量%を上限とする。
Cu:2.0質量%以下
耐食性の向上に有効な元素である。ただし、過度に含有させると熱間加工性が低下する。したがって、含有させる場合には2.0質量%を上限とする。
製鋼工程において脱酸剤として添加される成分である。しかし、過剰に添加すると硬質化を招く。このため、Alを添加する場合には、0.2質量%を上限とする。
B:0.0100質量%以下
Nを固定し、耐食性や加工性を改善する作用をもつ合金元素であり、必要に応じて添加される。しかし過剰に添加すると熱間加工性の低下や溶接性の低下を招く。このため、添加する場合には、0.0100質量%を上限とする。
以上の元素以外の成分は、基本的には不可避的な不純物である。極力少なくすることが好ましい。
SiO 2 を含む介在物清浄度:0.01%以下
本発明において、O(酸素)の規制とともに重要な要件である。SiO2を含む介在物の存在量が多くなると、加工時に割れ起点となってスピニング加工性を低下させる。この介在物が0.01%の清浄度を超えるとスピニング加工性の低下が顕著になる。このため、本発明では上記介在物清浄度を0.01%以下に制限する。なお、本明細書では、清浄度としてJIS G0555に規定された方法で測定したものを採用している。
SiO2を含む介在物量を少なくしようとする場合、脱酸剤としてSiを使用せず、AlもしくはTiで脱酸すればよい。しかし、AlもしくはTiで脱酸しても、脱酸が不十分なときには、SiO2を含む介在物が形成される。また、Siを脱酸剤に使用しても、併せて使用するスラグを適正組成にすることによってO(酸素)は低くなり、介在物はスラグに吸着されるので、O:100ppm以下及びSiO2を含む介在物の清浄度を0.01%以下にすることができる。
本発明では、スピニング加工を行う前に、予め素材端面に切削又は研磨による端面処理を施すことも、スピニング加工性を向上させる上で重要な要件になっている。
量産性が重要となる工業製品においては、破断分離加工手段として、打抜き等のせん断加工が多用されている。この加工により形成されるせん断端面には、前記したように、加工歪みが残存し、この加工歪みが母材せん断端の変形能に影響を及ぼすことになるので、スピニング加工を向上させるためには、この加工歪みをせん断端面から除去する必要がある。
表1の組成をもつ各種ステンレス鋼1〜15を溶製し、連鋳スラブを得た後、抽出温度1230℃で熱間圧延することにより、板厚3mmの熱延鋼帯を製造した。熱延鋼帯に1100℃×均熱1分の焼鈍を施した後、冷間圧延を行って板厚1.5mmの冷延鋼板とした。さらに、この鋼帯に1050℃×均熱1分の焼鈍を施した後酸洗し、焼鈍酸洗交代を作製した。
その際、格子点上に存在した介在物の座標を記録した。次にその座標をもとに、EDX(Energy Dispersed X-ray Analysis)による介在物の成分を同定し、Siが質量%で5%以上含まれるものを化学量論的に酸化物換算してSiを含む介在物とし、SiO2を含む介在物の清浄度を算出した。
この溶接管を母材として、図2に示す形状の加工品をスピニング加工により成形した。
スピニング条件は、回転速度700rpm,絞込み量3mm/パスで15パス,成形ロール相対移動速度110mm/sで、無潤滑,無冷却で加工した。鋼種毎に3000個連続で加工し、管端割れの発生個数を把握した。
また、これとは別に、各鋼の管端を回転させながらバイトで約1mm切削加工後にスピニング加工し、管端割れの発生個数を把握した。
なお、割れ長さが0.5mmを超えたものをスピニング加工割れと判断した。
O(酸素)量が100ppmを超える鋼No.5,6及び11と、O量が100ppm以下であるがSiを含む介在物の清浄度が0.01%を超える鋼No.2及び10では、端面での割れが総加工数の50%以上で発生していた。
一方、O量が100ppm以下であり、SiO2を含む介在物の清浄度が0.01%以下の鋼No.1,3,4,7,8,9,12,13,14および15では端面の割れが総加工数の1%未満であり、著しく加工性が向上していた。特に、鋼No.1,3,6,12,13,14及び15は不良率が0.2%以下であり、O含有量を70ppm以下とすることで、不良率がより一層低減されている。
O含有量が100ppmを超える鋼であっても、端面処理を施すことにより、端面での加工割れの割合が1%未満となり、著しく不良率が低減されていた。
なかでも、O含有量が70ppm以下である鋼No.1,3,7,12,13,14及び15では不良率が0%であり、O含有率の制限と端面処理の相乗効果により不良率ゼロが達成できた。
実施例1で用いた各種鋼板から、打抜き加工により図3に示すφ140mmのブランクを作製した。
このブランクを母材とし、図4に示す形状のへら絞り加工品を作成した。へら絞り条件は、回転速度200rpm,コマ送り速度0.2mm/回転とし、鋼種毎に500個連続で加工し、端面割れの発生個数を把握した。
なお、割れ長さが0.5mmを超えたものをへら絞り割れと判断した。
O(酸素)量が100ppmを超える鋼No.5,6及び11と、O量が100ppm以下であるがSiO2を含む介在物の清浄度が0.01%を超える鋼No.2及び10では、端面での割れが総加工数の0.2%以上で発生していた。
一方、O量が100ppm以下であり、SiO2を含む介在物の清浄度が0.01%以下の鋼No.1,3,4,7,8,9,12,13,14および15では端面の割れが総加工数の1%未満であり、著しく加工性が向上していた。
O含有量が100ppmを超える鋼であっても、端面処理を施すことにより、端面での加工割れの割合が1%未満となり、著しく不良率が低減されていた。
以上により、従来の素材ではなし得なかったスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板が得られることがわかる。特に、加工前に、予め切削又は研磨による端面処理を施すと、スピニング加工性がさらに向上することがわかる。
Claims (2)
- C:0.15質量%以下,Si:2.0質量%以下,Mn:2.0質量%以下,S:0.010質量%以下,Cr:10〜20質量%,Ni:2.0質量%以下,N:0.03質量%以下,O:100ppm以下を含み、さらに1.0質量%以下のNbと0.5質量%以下のTiのいずれか又は両方を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成と、SiO2を含む介在物が0.01%以下の清浄度で分散した組織を有することを特徴とするスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
- C:0.15質量%以下,Si:2.0質量%以下,Mn:2.0質量%以下,S:0.010質量%以下,Cr:10〜20質量%,Ni:2.0質量%以下,N:0.03質量%以下,O:100ppm以下を含み、さらに1.0質量%以下のNbと0.5質量%以下のTiのいずれか又は両方、及び3.0質量%以下のMo,2.0質量%以下のCu,0.2質量%以下のAl,0.0100質量%以下のBの少なくとも一種以上を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成と、SiO2を含む介在物が0.01%以下の清浄度で分散した組織を有することを特徴とするスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
(以下余白)
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