JP5500840B2

JP5500840B2 - 意匠性を改善した軟磁性ステンレス鋼およびその製造方法

Info

Publication number: JP5500840B2
Application number: JP2009048555A
Authority: JP
Inventors: 智治重富; 淳一香月; 広森川
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: JP2010202923A

Description

本発明は、モーター、電磁弁、磁気センサーなどに使用される軟磁性ステンレス鋼に関し、磁気焼鈍後の意匠性と耐食性を改善するものである。

ステンレス鋼は、その優れた耐食性により様々な用途で利用されているが、フェライト系ステンレス鋼は軟磁性金属材料としても利用される。軟磁性金属材料に特有の製造方法として、部品形状に加工された後で磁気的性質を回復するため、加工歪みの除去と結晶粒の粗大化を目的に磁気焼鈍と呼ばれる熱処理がなされている。フェライト系軟磁性ステンレス鋼の磁気焼鈍では９００℃を越える温度で１〜２ｈの長時間の加熱が行われる。このとき、Ｔｉを含有するフェライト系軟磁性ステンレス鋼を用いると、鋼板表面にＴｉを含む酸化皮膜が生成され着色が認められる。酸化皮膜の生成により着色した軟磁性金属材料部品は金属光沢を失い、用途によってはその外観が敬遠される場合がある。また、生成した酸化皮膜に鋼中のＴｉが消費され、本来耐食性に改善効果を持つＴｉが奪われることで素材の耐食性の劣化を伴う場合がある。

このような磁気焼鈍による酸化皮膜の生成とそれに伴う意匠性や耐食性の劣化を回避する方法としては、合金元素であるＣｒやＭｏ等の増量で素材の耐食性を向上することや、Ｔｉの添加を避けることが考えられる。そのような方法は、例えば特許文献１〜３に開示されたフェライト系ステンレス鋼の成分を調整することで達成される。

特開２００２−２２９６５４号公報特開平１０−３６９５０号公報特開平９−２６３９０２号公報

しかしながら、ＣｒやＭｏなどの合金元素の添加量の増大は飽和磁束密度の低下を招くため、出来る限り合金元素の添加量を抑えることが望ましい。また、Ｔｉは耐食性の改善と共にフェライト組織を安定させる目的でも有効な元素であり、特にＣｒ含有量が１０〜１３質量％の比較的Ｃｒ含有量の低いフェライト系軟磁性ステンレス鋼においてはＴｉの添加は有効である。
このＴｉの作用を有効に利用しつつ、磁気焼鈍による着色や耐食性低下を防止することが求められている。

１０〜１３質量％のＣｒと０．１〜０．３質量％のＴｉの添加を前提として、磁気焼鈍時の酸化皮膜を抑制するため、発明者らは新たに磁気焼鈍前の表面改質を試みた。すなわち、ＸＰＳによる測定で鋼板表面の酸化皮膜が５から１５at％のＮを含有し、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ、Ｆｅ，Ｎの原子比率の合計が９５at％以上である軟磁性ステンレス鋼を用いることで、磁気焼鈍時の酸化皮膜の生成を軽減できることを見出した。
そこで、本発明においては、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）による測定でＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎを分析対象元素とした場合に、鋼板表面の酸化皮膜に原子比率５〜１５ａｔ％のＮを含有し、Ｔｉの原子比率が５ａｔ％以下である軟磁性ステンレス鋼とすることにより、磁気焼鈍後の意匠性と耐食性を確保することとした。
鋼材の合金組成としては、Ｃ：０．０２質量％以下、Ｓｉ：０．３〜２．０質量％、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下、Ｎｉ：０．５質量％以下、Ｃｒ：１０〜１３％、Ａｌ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．１〜０．３質量％、Ｎ：０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物とする。
磁気焼鈍前の表面改質のための処理は、水素比率６０〜９５体積％からなる水素と窒素の混合ガス雰囲気中で、雰囲気ガスの露点−７０〜−５０℃、材料温度９００〜９８０℃の条件で光輝焼鈍することにより行う。

本発明に係る軟磁性ステンレス鋼を用いれば、磁気焼鈍後の酸化皮膜の生成を抑制でき、金属光沢の低下を軽減することができる。

図１は各雰囲気ガス組成・温度で熱処理した場合における皮膜中のＮ原子比率を示す図である。図２は雰囲気ガス中のＨ_２−Ｎ_２混合比と温度を変えて熱処理した場合に得られる、鋼板の光沢度・保持力を示す図である。

発明者らは、低ＣｒかつＴｉを添加したフェライト系ステンレス鋼を用いてさまざまな熱処理条件による表面改質を試みた結果、以下の知見を得た。
まず、素材の合金元素の含有量の限定理由について述べる。
Ｃ：０．０２質量％以下
Ｃは炭化物を生成して耐食性および磁気的性質を劣化する元素であるため、上限を０．０２％に制限する。
Ｓｉ：０．３〜２．０質量％
Ｓｉはフェライト組織を安定化するとともに素材の電気抵抗率を向上し、磁気的性質の改善に有効な元素である。また、本発明では表面改質に必須の元素であり、その効果を得るため０．３質量％以上の添加とした。しかしながら過剰の添加は素材を硬質化して加工性を劣化させるため、その上限を２．０質量％とする。
Ｍｎ：０．５質量％以下
Ｍｎはフェライト組織の安定化を阻害すると共に、硫化物を生成しやすく磁気的性質を劣化するため、その上限を０．５質量％とする。

Ｐ：０．０５質量％以下
Ｐはリン化物を生成して磁気的性質を劣化させる元素であるため、その上限を０．０５質量％とする。
Ｓ：０．００５質量％以下
Ｓは硫化物を生成して磁気的性質を劣化させる元素であるため、その上限を０．００５質量％とする。
Ｎｉ：０．５質量％以下
Ｎｉはフェライト組織の安定化を阻害し磁気的性質を損ねるため、その上限を０．５質量％とする。

Ｃｒ：１０〜１３質量％
Ｃｒは耐食性を向上するための必須元素であると共に、フェライト組織を安定化する効果を持つ。その効果を得るために１０質量％以上の添加が必要である。一方、過剰の添加は飽和磁束密度の低下を招くため、上限を１３質量％とする。
Ａｌ：０．０５〜２．０質量％
ＡｌはＳｉと同様にフェライト組織を安定化させるとともに素材の電気抵抗率を向上し、磁気的性質の改善に有効な元素である。また、本発明では表面改質に必須の元素であり、その効果を得るため０．０５質量％以上の添加とした。しかし、過剰の添加は素材を硬質化して加工性を低下されるため、上限を２．０質量％とする。

Ｔｉ：０．１〜０．３質量％
Ｔｉは耐食性を改善すると共にフェライト組織の安定化にも有効な元素であり、その効果を得るため０．１質量％以上の添加とする。一方、過剰な添加は本発明で提案する磁気焼鈍後の着色の軽減を阻害するためその上限を０．３質量％とした。
Ｎ：０．０２質量％以下
Ｎは窒化物を生成して磁気的性質を劣化させる元素であるため、その上限を０．０２質量％とする。

次に表面改質法について述べる。
焼鈍雰囲気は水素比率６０〜９５体積％からなる水素と窒素の混合ガス雰囲気とし、雰囲気ガスの露点は−７０〜−５０℃とする。
水素比率１００体積％の雰囲気ガスを用いた場合には、表面改質の熱処理の時点で目的の酸化皮膜組成が得られず、磁気焼鈍時と同様に酸化皮膜中へのＴｉの濃化が顕著となり、磁気焼鈍時の酸化皮膜生成を軽減する効果がなくなる。そのため、使用する雰囲気ガスは水素と窒素の混合ガスである必要がある。
一方、雰囲気ガスの窒素濃度が過剰に高くなれば鋼材の窒化が進行し磁気特性が劣化する。そのため水素ガスと窒素ガスの混合比は水素比率６０〜９５％とした。

雰囲気ガスの露点を変えた場合、−４０℃では本発明で提案する皮膜中のＮ濃度が得られないが、かろうじて目的の光沢度は得られた。この原因は、酸化皮膜中へのＳｉの濃化がなんらかの影響を及ぼしているものと推察されるが、露点−５０℃のものと比較すると光沢度は大きく劣る。一方、−７０℃より低い露点は工業的に維持することが困難であり製造コストを増大させる。そのため、雰囲気ガスとしては−７０〜−５０℃とした。

焼鈍温度については、９００℃未満の温度では本発明で提案する酸化皮膜組成が得られない。また、表面改質のための熱処理は通常のステンレス鋼板の製造工程における仕上げ焼鈍を兼ねることができ、素材の再結晶による軟質化を行うためには９００℃以上の温度が必要である。また、９８０℃を超える温度では酸化皮膜中のＮ原子比率が本発明範囲を超え、さらに高温ではコスト増大を招く。そのため温度範囲は９００〜９８０℃とした。
均熱時間については０ｓでも本発明で提案する酸化組成の組成は得られるので均熱は必ずしも必要ではないが、目的の表面改質皮膜を得るために１〜１０ｍｉｎの均熱時間を確保しても良い。この均熱時間の確保によって改質皮膜厚みが増し、磁気焼鈍時のＴｉの酸化抑制効果も増大することが期待される。

表面改質のため熱処理によって得られる鋼板表面の酸化皮膜はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光装置）による測定でＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎを分析対象と元素した場合に、鋼板表面の酸化皮膜に原子比率５〜１５ａｔ％のＮを含有し、Ｔｉの原子比率が５％以下であることを特徴とする。このとき、酸化皮膜の組成分析および皮膜厚みの測定はＸＰＳにより得られる数値で定量化したものである。すなわち、各元素の原子比率はＸＰＳによる各元素のスペクトルの積分面積に基づいた半定量分析値により算出し、再表面および２．５ｎｍスパッタした面における平均値とした。なお、各試験片の酸化皮膜の厚みをＸＰＳ装置のＡｒイオンによるスパッタリング機能を利用して測定した。具体的には、スパッタ時間からＳｉＯ_２換算で深さを算出し、２．５ｎｍ毎に測定を繰り返し酸素の原子比率が表面と比較して１／２となる位置を酸化皮膜の厚みとして算出した。その結果、いずれのサンプルも５ｎｍ以上の皮膜厚みを有することを確認している。

表１に示すステンレス鋼板を、通常の溶製、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延を経て製造し、最終工程で表２に示す条件で表面改質のための焼鈍を実施した。比較材として、最終工程を通常の大気雰囲気による焼鈍と酸洗で仕上げた０．５ｍｍの鋼板も作成した。作成した鋼板を用いて真空度を０．１Ｐａに調整した真空度で温度９５０℃、均熱２ｈの磁気焼鈍を行った。
表２にはＸＰＳ法により定義された表面改質後の鋼板の表面の皮膜組成と皮膜厚みと、磁気焼鈍後の鋼板の意匠性を光沢度で評価した結果を示す。光沢度計を用いて表面光沢度を比較材と相対比較し、比較材の２倍以上の金属光沢を維持するものを「良好」と評価した。この比較材としては、本発明の熱処理条件を適用しない、大気焼鈍および酸洗により作成したサンプルを用いた。磁気的性質の評価には、外径４５ｍｍ、内径３３ｍｍのリング試験片を用いて、印加磁場０．８ｋＡ／ｍにおける保持力を測定した。

表２にはその結果も示すが、焼鈍温度が高すぎる試料Ｎｏ．８，１０は鋼材の窒化が進行したと推察され、保磁力が増大した。露点が高すぎる試料Ｎｏ．９はかろうじて目的の光沢度は得られたが、皮膜中のＮの濃度が不足しており安定した光沢度を得ることは難しいと考える。試料Ｎｏ．１１，１２は皮膜改質焼鈍時の雰囲気ガス組成が本発明範囲から外れ、目的の皮膜組成が得られず磁気焼鈍後の光沢度も著しく低くなった。

本発明に係る鋼板は、磁気焼鈍後の意匠性と耐食性が改善されたモーター、電磁弁、磁気センサーなどに使用される軟磁性ステンレス鋼として有益である。

Claims

鋼材がＣ：０．０２質量％以下、Ｓｉ：０．３〜２．０質量％、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下、Ｎｉ：０．５質量％以下、Ｃｒ：１０〜１３％、Ａｌ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．１〜０．３質量％、Ｎ：０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）による測定でＡｌ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎを分析対象元素とした場合に、鋼板表面の酸化皮膜に原子比率５〜１５ａｔ％のＮを含有し、Ｔｉの原子比率が５ａｔ％以下であることを特徴とする、軟磁性ステンレス鋼。
水素比率６０〜９５体積％からなる水素と窒素の混合ガス雰囲気中で、雰囲気ガスの露点−７０〜−５０℃、材料温度９００〜９８０℃の条件で光輝焼鈍することを特徴とする請求項１に記載の軟磁性ステンレス鋼の製造法。