JP5001520B2

JP5001520B2 - ひずみ検出センサー基板用ステンレス鋼およびそれを用いたセンサー

Info

Publication number: JP5001520B2
Application number: JP2005097774A
Authority: JP
Inventors: 廣藤本; 学奥
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006274391A

Description

本発明は、ひずみ検出センサーに用いるための、強度レベルの高いステンレス鋼、およびそれを用いたひずみ検出センサーに関する。

ひずみ検出センサーは、図１に断面構造を模式的に例示するように、基板１の上に絶縁層２を介して電極３とその間を埋める抵抗体４をもち、さらに電極３と抵抗体４の上から絶縁層５により被覆された構造を有する。基板１に引張方向または圧縮方向のひずみを与えると、基板１の変形に伴って抵抗体４もひずみ、その電気抵抗値が変化する。この電気抵抗の変化が電極３を含む回路で読み取られ、ひずみ量が検出される。

通常、基板１は金属材料で構成され、絶縁層２はガラス系材料で構成される。基板１と絶縁層２とは例えば７００〜１０００℃といった高温での焼成により接合される。したがって、焼成温度で相変態を生じる金属材料を基板１に使用する場合は、変態に伴う体積変化で絶縁層２との接合不良を起こさないよう厳重に工程管理する必要があり、これはセンサーの製造工程において大きな負担となる。

従来、高温で焼成を行わず接着剤で接合するタイプのひずみ検出センサーの場合、基板１に相当する部材には特殊鋼が主に使われていたが、用途によっては耐食性が不足する場合があった。一方、上述したような高温で焼成するタイプの基板１に使用する金属材料として、耐食性が良好で、かつ上記のような焼成温度で相変態を生じない「ステンレス鋼」が挙げられる。ただし、オーステナイト系ステンレス鋼や、フェライト（α）＋オーステナイト（γ）の２相系ステンレス鋼では、ガラス系材料との熱膨張係数の差が大きいため、それに起因した接合不良が問題になりやすい。これに対し、フェライト系ステンレス鋼は熱膨張係数がガラス系材料により近く、また組成調整により８００℃を超えるような高温でもオーステナイトが生じないようにすることもできるので、接合不良を防止する上では有利な鋼種であると言える。

特開２０００−１８０２５５号公報特開２００３−４５５３号公報特開２００３−１１４１５３号公報特開２００４−８３９３７号公報

ひずみ検出センサーは、それに負荷される応力が基板１によって負担される構造になっている。このため、高強度を必要とする用途では基板１の肉厚を厚くすることによって対応していた。しかし、自動車をはじめ種々の機械構造物においては、部品の小型・軽量化が強く求められており、肉厚の増大により強度を向上させる手法は得策でない。

上記のようにフェライト系ステンレス鋼はガラス系材料との接合性の面では有利であるものの、ステンレス鋼のなかでは熱処理後の強度レベルが低く、高強度を要する用途に適用するには肉厚の増大に頼らざるを得ない場合がある。そこで、ひずみセンサーの強度向上を図るために、σ相が生成するフェライト＋オーステナイト２相系ステンレス鋼を基板に使用し、σ相による強化を利用する手法が提案されている（特許文献３、４）。しかしながら、σ相はそれ自体が脆化相であるため、基板の靱性確保の点では信頼性に欠ける面がある。

本発明は、このような現状に鑑み、ガラス系材料と接合する際の焼成プロセスにおける体積変化（変態起因および熱膨張係数起因の体積変化）を接合不良の問題が生じない程度、すなわちセンサーの機能を損なわない程度とし、かつ、脆い析出相に頼ることなく、焼成プロセス後に従来のフェライト系ステンレス鋼よりも大幅な強度向上が実現できる、ひずみ検出センサーに好適な高強度ステンレス鋼を提供しようというものである。また、そのステンレス鋼を基板に用いたひずみ検出センサーを提供しようというものである。

上記目的は、質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：３.０以下、Ｐ：０.１０％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：０.６超え〜５.０％、Ｃｒ：１４〜２０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｂ：０〜０.０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物、かつ下記(１)式で定義されるＧ値が６０〜９０となる化学組成を有するひずみ検出センサー基板用ステンレス鋼によって達成される。
Ｇ＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ−１１.５(Ｃｒ＋Ｓｉ)＋２３Ｎｉ＋７Ｍｎ＋１８９ …(１)

ここで、Ｂは任意元素であり、下限０％は、通常の製鋼工程における分析手法においてその元素の含有量が検出限界以下である場合を意味する。この任意元素を含むものとして、Ｂ：０.０００２〜０.０１％を含むものが好適な対象となる。
(１)式の元素記号の箇所には質量％で表された当該元素の含有量の値が代入される。
また、本発明では、金属基板の上にガラス系絶縁層を介して電極と抵抗体をもち、さらに前記電極と抵抗体の上から絶縁層により被覆された構造を有するひずみ検出センサーであって、
金属基板とガラス系絶縁層が焼成により接合されており、
当該金属基板は、質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：３.０以下、Ｐ：０.１０％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：０.６超え〜５.０％、Ｃｒ：１４〜２０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｂ：０〜０.０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物、かつ上記(１)式で定義されるＧ値が６０〜９０となる組成を有し、マルテンサイト相が４０体積％以上、オーステナイト相が１体積％未満（検出されない場合を含む）、σ相が１体積％未満（検出されない場合を含む）、かつフェライト相が存在する組織を有し、２００℃から３０℃までの間の線膨張ひずみが０.５％以下であり、０.２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ²以上であるステンレス鋼からなるものである、ひずみ検出センサーが提供される。
ここで、「２００℃から３０℃までの間の線膨張ひずみが０.５％以下」とは、当該材料の２００℃における体積をＶ₂₀₀、体積膨張を伴うマルテンサイト変態を経た後の３０℃での体積をＶ_RTとするとき、線膨張測定において、
(Ｖ_RT−Ｖ₂₀₀)／Ｖ₂₀₀×１００≦０.５
となることを意味する。
なお、マルテンサイト量が多くなると、マルテンサイト変態に起因する線膨張ひずみが大きくなるので、前記「線膨張ひずみが０.５％以下」の規定によってマルテンサイト量の上限が必然的に制限されることになる。このため本発明では前記熱履歴後におけるマルテンサイト量の上限値を特に規定する必要はないが、例えば９０体積％以下のマルテンサイト量となるものが好適な対象となる。

本発明によれば、ひずみ検出センサー製造時の焼成過程に供したとき、焼成後にフェライト＋マルテンサイトの２相組織を呈することにより、マルテンサイトによる強化作用が得られ、従来のフェライト系ステンレス鋼種では困難であった６００Ｎ／ｍｍ²以上の０.２％耐力を実現することができた。このため、本発明の高強度鋼を用いるとひずみ検出センサーの基材を薄肉化することができ、特に高強度が要求される用途のひずみ検出センサーでは従来より大幅な小型・軽量化が期待できる。そのうえ基板の弾性変形範囲を広くすることができ、センサーの感度向上にも有利である。また、本発明の高強度鋼は、ガラス系材料との熱膨張係数の差および変態に起因する焼成過程での体積変化が小さく抑えられており、基材と絶縁層との間の接合信頼性も高い。したがって本発明は、サイズ、性能、信頼性の各面において優れたひずみ検出センサーの構築に寄与するものである。

発明者らは詳細な研究の結果、ひずみ検出センサーの焼成過程において適度な量のマルテンサイトが生成して、フェライト＋マルテンサイトの２相組織を呈するようになるステンレス鋼において、マルテンサイトによる強化を実現しながら、焼成過程でガラス系材料との接合不良を引き起こすような体積変化を防止することが可能であることを見出した。

以下、元素含有量における「％」は特にことわらない限り「質量％」を意味する。
ひずみ検出センサーの基板用材料としては、種々の用途への適用を考慮すると、耐食性の観点から１４％以上のＣｒ含有量を必要とする。

また、ひずみ検出センサーの小型・軽量化に十分貢献するには、例えば７００〜１０００℃に１ｈ以上保持したのち冷却するような熱履歴を付与した後に、６００Ｎ／ｍｍ²以上の０.２％耐力を呈する性質が望まれる。このような高強度を得るには、その熱履歴を経た後に約４０体積％以上のマルテンサイトが生成することが望ましい。

ただし、マルテンサイト変態は体積膨張を伴う。あまり高温でマルテンサイト変態が起こると、ガラス系材料との間に接合欠陥が入りやすいため、できるだけ冷却過程の低温域でマルテンサイト変態が生じ、完了することが望ましい。具体的にはＭｓ点およびＭｆ点が２００℃から室温までの間にある場合に、良好な結果が得られることがわかった。「室温」とは２０℃±１５℃（ＪＩＳＫ００５０）である。

また、マルテンサイトの生成量は、２００℃から室温までの間の線膨張ひずみが０.５％以下となる範囲で許容されることがわかった。これよりマルテンサイト量が多くなると、変態起因の体積膨張による接合不良が顕在化するようになる。

このような、適切なマルテンサイト変態は、下記(１)式で定義されるＧ値が６０〜９０となる組成にコントロールされたステンレス鋼において実現することが可能となる。
Ｇ＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ−１１.５(Ｃｒ＋Ｓｉ)＋２３Ｎｉ＋７Ｍｎ＋１８９ …(１)
Ｇ値が６０未満だとマルテンサイトの生成量が不足して焼成後に６００Ｎ／ｍｍ²以上の０.２％耐力を実現することが難しくなる。一方、Ｇ値が９０を超えるとマルテンサイト変態に起因する体積変化が大きくなって、基板と絶縁層（ガラス系材料）との間の接合不良を生じるようになる。Ｇ値は８５以下とすることが一層好ましい。

焼成後においてオーステナイト相が多量に残留するようでは、マルテンサイトによる強度向上効果が十分に得られない。またガラス系材料との熱膨張差が大きくなり好ましくない場合がある。種々検討の結果、７００〜１０００℃から冷却する熱履歴を付与した後に、オーステナイト量が１体積％未満になることが望ましいことがわかった。また、σ相が多量に生成すると靱性を阻害し好ましくない。σ相についても上記熱履歴付与後に１体積％未満になることが望ましい。このような望ましい組織状態は上述のＧ値の適正範囲および下記各元素の適正範囲において実現できる。

焼成後の基板の強度は、そのステンレス鋼を構成する各成分元素の含有量にも大きく依存する。具体的には、Ｃｒ：１４％以上、Ｎｉ：６％超えとすることが必要であり、その他、Ｃ：０.００５％以上、Ｎ：０.００５％以上を確保することが望ましい。

ただし、主としてフェライト生成元素の含有量が多くなりすぎると靱性や加工性が劣化する。具体的には、Ｓｉ：２.０％以下、Ｃｒ：２０％以下とすることが望ましい。特にＣｒが多くなるとσ相が生成しやすくなるので注意を要する。

また主としてオーステナイト生成元素の含有量が多くなりすぎると相変態によるガラスとの接合性が劣化する。具体的には、Ｃ：０.１５％以下、Ｍｎ：３.０以下、Ｎｉ：５.０％以下、Ｎ：０.１０％以下とすることが望ましい。Ｂは０.０１％以下の含有量とすることができる。

このような組成の鋼を用いてひずみ検出センサー基板用の材料を製造するには、通常のステンレス鋼溶製プロセス、およびステンレス鋼板製造プロセスを採用することができる。最終的に板厚０.５〜３.５ｍｍ程度の熱延鋼板または冷延焼鈍鋼板とすればよい。表面仕上げは酸洗仕上げとすればよい。

表１に示す組成の鋼を溶製し、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍の工程を経て板厚２.０ｍｍの冷延焼鈍鋼板を得た。これらの鋼板について、ひずみ検出センサーを製造する際の焼成工程を模擬した熱処理として、「昇温速度３℃／ｍｉｎで昇温→９００℃×１ｈ保持→冷却速度３℃／ｍｉｎで室温まで冷却」の熱履歴を付与した。

熱処理後の試料について、以下の試験を実施し、各特性を評価した。
・熱処理後のマルテンサイト量：光学顕微鏡を用いて試料断面の組織観察を行い、面積率法によりマルテンサイト量を求めた。マルテンサイト量が４０体積％以上のものを○、４０体積％未満のものを×とした。
・熱処理後のオーステナイト量：同様の方法でオーステナイト量を求めた。オーステナイト量が１体積％未満のもの（検出されないものも含む）を○、１体積％以上のものを×とした。
・熱処理後のσ相の量：同様の方法でσ相の量を求めた。σ相の量が１体積％未満のもの（検出されないものも含む）を○、１体積％以上のものを×とした。
・常温での０.２％耐力：圧延方向に平行方向のＪＩＳ１３Ｂ号試験片を用いてＪＩＳＺ２２４１に準じて引張試験を行い、０.２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ²以上のものを○、６００Ｎ／ｍｍ²未満のものを×とした。
・靱性：ＪＩＳＺ２２４２に準じてＶノッチシャルピー衝撃試験を行い、常温での衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ²以上のものを○、４０Ｊ／ｃｍ²未満のものを×とした。
・耐食性：５％ＮａＣｌに０.２６ｇ／ＬのＣｕＣｌ₂を加え酢酸にてｐＨ３.０に調整した液を５０℃で１００ｈ噴霧した後に、試料表面の外観を目視観察し、発銹が認められなかったものを○、認められたものを×とした。

また、前記冷延焼鈍鋼板から板厚２×幅５×長さ５０（ｍｍ）の試験片を切り出して、装置にセットし、上記熱処理と同じ熱履歴を付与して、２００℃から室温（ここでは３０℃）までの間の線膨張ひずみを測定した。線膨張ひずみが生じないものを◎、線膨張ひずみの値が０.５％以下のものを○、０.５％を超えるものを×とした。

さらに、前記冷延焼鈍鋼板から幅２５×長さ１００（ｍｍ）の板を切り出し、これに結晶質ガラスをほぼ均一に塗布し、その状態で炉に入れて上記熱処理と同じ熱履歴を付与した。室温まで冷却したサンプルについて、目視観察にてガラスの剥離状態を調べ、剥離が認められなかったものを○、認められたものを×とした。
これらの結果を表２に示す。なお、表２のＮｏ.は、表１に記載のＮｏ.に対応している。

表１、表２から判るように、本発明例のものはフェライト＋マルテンサイト２相組織を呈して０.２％耐力６００Ｎ／ｍｍ²以上の高強度が得られた。マルテンサイト変態を伴うにもかかわらず、それに起因する体積変化（線膨張ひずみ）が十分に小さいため、ガラス系材料との密着性にも問題なかった。さらに、靱性および耐食性も良好であった。したがってこれらは高強度を要するひずみ検出センサー用の基板材料として好適なものである。
なお、本発明例のものはいずれも２００℃から室温までの間においてマルテンサイト変態が生じた。

これに対し、比較例Ｎｏ.１７はＮｉ含有量が高いためマルテンサイト変態が十分に起こらず残留オーステナイトが多くなり、０.２％耐力に劣った。

ひずみ検出センサーの構造を模式的に表した断面図。

符号の説明

１基板
２絶縁層
３電極
４抵抗体
５絶縁層

Claims

質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：３.０以下、Ｐ：０.１０％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：０.６超え〜５.０％、Ｃｒ：１４〜２０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｂ：０〜０.０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物、かつ下記(１)式で定義されるＧ値が６０〜９０となる化学組成を有するひずみ検出センサー基板用ステンレス鋼。
Ｇ＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ−１１.５(Ｃｒ＋Ｓｉ)＋２３Ｎｉ＋７Ｍｎ＋１８９ …(１)
Ｂ：０.０００２〜０.０１％を含有する請求項１に記載のひずみ検出センサー基板用ステンレス鋼。
金属基板の上にガラス系絶縁層を介して電極と抵抗体をもち、さらに前記電極と抵抗体の上から絶縁層により被覆された構造を有するひずみ検出センサーであって、
金属基板とガラス系絶縁層が焼成により接合されており、
当該金属基板は、質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：３.０以下、Ｐ：０.１０％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：０.６超え〜５.０％、Ｃｒ：１４〜２０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｂ：０〜０.０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物、かつ下記(１)式で定義されるＧ値が６０〜９０となる組成を有し、マルテンサイト相が４０体積％以上、オーステナイト相が１体積％未満（検出されない場合を含む）、σ相が１体積％未満（検出されない場合を含む）、かつフェライト相が存在する組織を有し、２００℃から３０℃までの間の線膨張ひずみが０.５％以下であり、０.２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ²以上であるステンレス鋼からなるものである、ひずみ検出センサー。
Ｇ＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ−１１.５(Ｃｒ＋Ｓｉ)＋２３Ｎｉ＋７Ｍｎ＋１８９ …(１)
金属基板の組成において、Ｂ：０.０００２〜０.０１％を含有することを要件とする請求項３に記載のひずみ検出センサー。