JP5245454B2

JP5245454B2 - エッチングしやすいステンレス箔

Info

Publication number: JP5245454B2
Application number: JP2008046132A
Authority: JP
Inventors: 裕弘山口; 國夫福田; 充孝本田; 伸石川; 正俊小田桐
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2009203513A

Description

本発明は、自動車、オートバイなどの排ガス浄化装置に用いられるステンレス箔、特に、フィルターに用いられるエッチングしやすいステンレス箔に関する。

ディーゼル車は、ガソリン車に比べ、排ガス中のHC、CO、NOxなどの含有量が少なく、燃費もよいため、CO₂排出量の削減など環境問題解消の一助になるとして、注目されている。しかし、ディーゼル車では、煤、SOF(Soluble Organic Fraction)、硫酸化合物などの微粒子状物質(Particulates)の排出量が多く、その対策が必要である。

ディーゼル車から排出されるこうした微粒子状物質は、通常、排ガス浄化装置に設けられた特許文献1に記載のような耐酸化性を有するFe-25Cr-5Al系のステンレス箔フィルターで捕獲・除去される。このステンレス箔フィルターには、小さな孔が多数設けられているが、こうした孔はパンチングやエキスパンドメタルなどの方法によって加工されているため、その孔径を十分に小さくすることは難しく、微粒子状物質の捕獲・除去が十分でなかった。そこで、孔径が50〜100μm程度のいわゆる金網状のフィルターが考案されている。
特許第2991296号公報

しかしながら、50〜100μm程度の小径の孔は、これまでのパンチングやエキスパンドメタルなどの方法では加工できないため、エッチング法で加工する必要があるが、エッチング法では必ずしも小径の孔を均一に加工できず、孔径が不均一になってフィルターの目詰まりなどの原因となる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、エッチング法によって50〜100μm程度の小径の孔を均一に加工できるエッチングしやすいステンレス箔およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、エッチング法によって小径の孔を均一に加工できるステンレス箔について詳細に調査した結果、以下の知見を得た。

i)エッチング法によって小径の孔を均一に加工できない原因は、ステンレス箔の表層に存在し、光学顕微鏡で黒色に見える窒化した部分(以後、窒化部と呼ぶ。)である。

ii)この窒化部は、ステンレス箔を製造するときに繰り返し行われる焼鈍時に雰囲気ガスに含まれるN₂ガスの浸入によって形成される。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、エッチング法によって50〜100μmの小径の孔が加工されるステンレス箔であって、質量%で、C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0%以下、Cr:13〜25%、Al:5.5〜10.0%、Ti:0.02%以下、Zr:0.005〜0.20%、REM:0.03〜0.20%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ表面に存在する窒化部の面積率が10%以下であることを特徴とするエッチングしやすいステンレス箔を提供する。

ここで、表面に存在する窒化部の面積率とは、光学顕微鏡を用い倍率100倍で観察した視野に占める窒化により黒色に変色した部分の面積率のことである。

本発明のステンレス箔には、さらに、質量%で、Hf:0.01〜0.2%、Ca:0.0010〜0.0300%、Mg:0.0015〜0.0300%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素が含有されることが好ましい。

本発明のステンレス箔は、上記成分組成を有する鋼を、熱間圧延後、冷間圧延と焼鈍を繰り返して行うに際し、800〜900℃の温度域で、露点-50℃以下で焼鈍を行うことによって製造できる。

本発明により、エッチング法によって50〜100μm程度の小径の孔を均一に加工できるエッチングしやすいステンレス箔を製造できるようになった。本発明のステンレス箔は、特に、ディーゼル車から排出される微粒子状物質を捕獲・除去するためのフィルター用に好適である。

以下に、本発明であるエッチングしやすいステンレス箔およびその製造方法について詳述する。なお、成分元素の含有量を表す「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味する。

1)成分
C:0.05%以下
C量が0.05%を超えると、耐酸化性および靭性が低下する。このため、C量は0.05%以下、好ましくは0.02%以下とする。

Si:2.0%以下
Si量が2.0%を超えると、靭性が低下して箔製造が困難になる。このため、Si量は2.0%以下、好ましくは1.0%以下とする。

Mn:1.0%以下
Mn量が1.0%を超えると、耐酸化性および耐食性が劣下する。このため、Mn量は1.0%以下、好ましくは0.5%以下とする。

Cr:13〜25%
Crは、高温強度を確保するために必要不可欠な元素である。特に、高温の排気ガスを多量に処理するステンレス箔フィルターでは、高温強度の確保が重要になる。Cr量が13%未満だと、800℃以上の温度域における高温強度が十分でなくなるとともに、酸化とともにAlなどのフェライト相形成元素が消費されてオーステナイト相が生成されやすくなり、フィルターが大きく変形する。一方、Cr量が25%を超えると、靭性が低下して箔製造が困難になる。このため、Cr量は13〜25%、好ましくは15〜22%とする。

Al:3.0〜10.0%
Alは、FeやCrより酸化されやすく、ステンレス箔の最終熱処理時に箔表面にAl₂O₃皮膜を形成して耐酸化性を付与する。Al量が3.0%未満では、このような効果が得られないばかりか、FeやCrなどの酸化物がAl₂O₃皮膜中に多量に生成してロウ付け性を著しく阻害する。一方、Al量が10.0%を超えると、圧延性やコルゲート加工性が低下して箔製造が困難になる。このため、Al量は3.0〜10.0%とする。なお、不可避的不純物などの影響を少なくして安定した効果を得るには、Al量を3.5〜7.5%とすることが好ましい。

Ti:0.02%以下
Ti量が0.02%を超えると、Tiの酸化物がAl₂O₃皮膜中に多量に生成してロウ付け性を著しく阻害するとともに、耐酸化性を低下させる。このため、Ti量は0.02%以下、好ましくは0.01%以下とする。

Zr:0.005〜0.20%
Zrは、CやNと結合して高温強度を高める、クリープ特性を改善する、靭性や圧延性を向上させるなどの効果を有する。また、Zrには、ロウ付け性を著しく阻害するAl₂O₃皮膜中のFe、Cr、Tiの酸化物の生成を抑制する効果もある。こうした効果を得るには、Zr量を0.005%以上にする必要がある。一方、Zr量が0.20%を超えると、Feなどと金属間化合物を形成して靭性を低下させ、箔製造を困難にする。このため、Zr量は0.005〜0.20%、好ましくは0.02〜0.06%とする。

REM(希土類元素):0.03〜0.20%
La、Ce、Nd、SmなどのREMは、Al₂O₃皮膜の密着性を向上させ、繰り返し酸化による皮膜剥離の防止に顕著な効果を有する。このような効果を得るには、REM量を0.03%以上にする必要がある。一方、REM量が0.20%を超えると、靭性を低下させ、箔製造を困難にする。このため、REM量は0.03〜0.20%、好ましくは0.05〜0.10%とする。

残部は、Feおよび不可避的不純物であるが、以下の理由で、Hf:0.01〜0.2%、Ca:0.0010〜0.0300%、Mg:0.0015〜0.0300%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有させることもできる。

Hf:0.01〜0.2%
Hfは、Alの酸化を抑制してAl₂O₃皮膜を形成する時間を延ばし、耐酸化性を向上させる効果を有する。このような効果を得るには、Hf量を0.01%以上にする必要がある。一方、Hf量が0.2%を超えると、Hfの酸化物がAl₂O₃皮膜中に混入してAlの酸化を速めたり、Feなどと金属間化合物を形成して靭性を低下させ、箔製造を困難にする。このため、Hf量は0.01〜0.2%、好ましくは0.01〜0.1%とする。

Ca:0.0010〜0.0300%、Mg:0.0015〜0.0300%
Ca、Mgは、耐酸化性を付与するAl₂O₃皮膜の形成を助長する効果を有する。このような効果を得るには、Ca量を0.0010%以上、Mg量を0.0015%以上にする必要がある。一方、Ca量、Mg量がそれぞれ0.0300%を超えると、耐酸化性が低下するばかりか、靭性を低下させて箔製造を困難にする。このため、Ca量は0.0010〜0.0300%、Mg量は0.0015〜0.0300%とする。なお、好ましくはCa量は0.0020〜0.0070%、Mg量は0.0020〜0.0100%である。

2)箔表面に存在する窒化部の面積率:10%以下
図1に、エッチング法によって小径の孔を均一に加工できたエッチング良好材と均一に加工できなかったエッチング不良材の表面の光学顕微鏡観察像を示す。図の黒色に見える部分をオージェ分析したところ、白色に見える部分より窒素量が多く検出され、窒化した部分であることが判明した。

そこで、この黒色に見える窒化部の観察視野に占める面積率とエッチング不良の発生率との関係を調査したところ、図2に示すように、窒化部の面積率が10%以下であればエッチング不良の発生率が5%以下と著しく低下することがわかる。ここで、黒色に見える窒化部の面積率は黒色に見える部分を100倍の顕微鏡写真を基に判別して画像処理により、エッチング不良の発生率はフォトレジスト塗布して塩化第二鉄により直径80μmの孔を180μmピッチでエッチングした後、100個の孔を観察し、各孔の真円性を評価し、目的とする真円性のない孔の数の割合により評価した。

なお、窒化部には、多数のAl、Crの窒化物が検出されたが、これらの窒化物がエッチングを妨げて、均一な小径の孔の加工を阻害していると考えられる。

3)製造方法
ステンレス箔は、一般に、Fe-25Cr-5Al系の成分組成を有する鋼を、転炉や電炉で溶製し、VODやAODなどで精錬後、分塊圧延や連続鋳造によりスラブとし、1050〜1250℃に加熱し、熱間圧延して熱延板とし、スケール除去後、冷間圧延と焼鈍を複数回繰り返し、所定の板厚の箔とする方法により製造される。

上記のような箔表面における窒化が起こる原因を調査したところ、複数回行われる焼鈍時に用いる雰囲気ガス(75%H₂+25%N₂)からのN₂浸入であることがわかった。そこで、N₂浸入を抑制し、表面の窒化部の面積率が10%以下となる焼鈍条件を検討したところ、従来から行われていた980℃程度の高温焼鈍に代わり、800〜900℃の温度域で、露点-50℃以下で焼鈍を行うことが効果的であることがわかった。

(実施例1)
C:0.005%、Si:0.1%、Mn:0.1%、Cr:20.0%、Al:5.5%、Ti:0.004%、Zr:0.043%、La:0.08%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分の鋼を溶製し、1200℃に加熱し、900〜1200℃の温度域で熱間圧延を行い、板厚3mmの熱延板とした。次いで、この熱延板に冷間圧延と温度850℃、露点-50℃の焼鈍を繰り返し行って、板厚50μmのステンレス箔を作製した。そして、上記のような方法で窒化部の面積率およびエッチング不良の発生率を調査したところ、窒化部の面積率が3.0%で、エッチング不良の発生率が0.05%と低かった。したがって、このステンレス箔はエッチングしやすいステンレス箔であることがわかる。
(実施例2)
C:0.005%、Si:0.1%、Mn:0.1%、Cr:20.0%、Al:5.5%、Ti:0.004%、Zr:0.045%、La:0.08%、Hf:0.03%、Ca:0.003%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分の鋼を溶製し、実施例1と同様な方法で、板厚50μmのステンレス箔を作製した。そして、実施例1と同様な調査をしたところ、窒化部の面積率が6.7%で、エッチング不良の発生率が0.1%と低かった。したがって、このステンレス箔はエッチングしやすいステンレス箔であることがわかる。なお、このステンレス箔は耐酸化性も非常に良好であった。

(従来例1)
実施例1と同じ成分系の鋼を、1200℃に加熱し、900〜1200℃の温度域で熱間圧延を行い、板厚3mmの熱延板とした。次いで、この熱延板に冷間圧延と温度980℃、露点-30℃の焼鈍を繰り返し行って、板厚50μmのステンレス箔を作製した。そして、実施例1と同様な調査をしたところ、窒化部の面積率が27.3%で、エッチング不良の発生率がほぼ100%と高かった。したがって、このステンレス箔はエッチングしにくいステンレス箔であることがわかる。

エッチング良好材(a)とエッチング不良材(b)の表面の光学顕微鏡観察像を示す図である。窒化部の面積率とエッチング不良の発生率との関係を示す図である。

Claims

エッチング法によって50〜100μmの小径の孔が加工されるステンレス箔であって、質量%で、C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0%以下、Cr:13〜25%、Al:5.5〜10.0%、Ti:0.02%以下、Zr:0.005〜0.20%、REM:0.03〜0.20%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ表面に存在する窒化部の面積率が10%以下であることを特徴とするエッチングしやすいステンレス箔；ここで、表面に存在する窒化部の面積率とは、光学顕微鏡を用い倍率100倍で観察した視野に占める窒化により黒色に変色した部分の面積率のことである。
さらに、質量%で、Hf:0.01〜0.2%、Ca:0.0010〜0.0300%、Mg:0.0015〜0.0300%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項1に記載のエッチングしやすいステンレス箔。