JP5845527B2

JP5845527B2 - オーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材およびその製造方法

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Publication number: JP5845527B2
Application number: JP2012026503A
Authority: JP
Inventors: 秀嶋　保利; 保利秀嶋; 広田　龍二; 龍二広田; 西村　泰司; 泰司西村
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: JP2013163834A

Description

本発明は、過酷な冷間鍛造によっても内部割れの発生がなく、かつ、高強度、非磁性および生産性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材に関する。

携帯型電子機器外装部材は、小型軽量化および意匠性のため、複雑形状を呈し、過酷な冷間鍛造後、切削加工により製造されることが多用されるようになった。これらの部材には、地磁気センサー等に悪影響を及ぼさないため非磁性が要求されるとともに外装部材としての強度も要求される。

このような用途には、従来、ＳＵＳ３０４が使用されてきたが、ＳＵＳ３０４は加工硬化が大きいため、最終部材形状に近い形での冷間鍛造ができないばかりでなく、金型負荷が大きく、最終形状が複雑な場合、冷間鍛造後、焼鈍による軟質化を繰り返す必要があった。さらに、切削加工での切削代が大きくなり量産性に課題が生じていた。また、冷間鍛造ままでは、加工誘起マルテンサイト相が生成しているため、非磁性要求には答えることができなかった。非磁性要求に答える場合、最終製品を焼鈍し溶体化する必要があるが、焼鈍後には部材強度が軟質になり、強度要求を満足することができない。

冷間鍛造用途には、加工誘起マルテンサイト変態しにくい安定オーステナイト単相系ステンレス鋼が用いられることがある。しかしながら、これらの鋼は、加工硬化が小さいため、高強度を得るためには、過酷な冷間鍛造による方法しかなく、さらに過酷な冷間鍛造を行うと内部割れが生じやすい。特開２００８−２０８４３０には、Ｂを添加した冷間鍛造性に優れる安定オーステナイト系ステンレス鋼が示されているが、通常の熱間圧延よりも、高温加熱、高温仕上圧延温度が必要であり、従来の鋼板用の熱間圧延では実現が難しいばかりでなく、冷間鍛造品の内部割れも回避できない。

特開２００２−３７１３３９では、オーステナイト安定度およびＳＦＥを規制し、非金属介在物の７０質量％以上がＳｉＯ_２：１５質量％以上、Ａｌ_２Ｏ_３：４０質量％以下の組成をもつＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物で占められるように、介在物制御した加工性、冷間鍛造性に優れた軟質ステンレス鋼が開示されてある。しかしながら、拡開先先端の微小クラックの発生は抑えられるもの、より過酷な冷間鍛造で生じる内部割れの防止までには至っていないし、必要とする強度も得られていない。

本発明者らは、鍛造品内部で生じる内部割れに関して、検討を進めた。その結果、内部割れの起点となるものは、特開２００２−３７１３３９の微小クラックと同じくＡｌ_２Ｏ_３系もしくはＴｉＮ系の比較的硬質な介在物であることが分かった。Ａｌ_２Ｏ_３系の介在物は、以前から、加工性を阻害するとともに、バフ研磨仕上げ時の表面結果の原因となることが知られている。特開平４−９９２１５ではＡｌ_２Ｏ_３系介在物を抑制するため、溶解原料中の全Ａｌ含有量を粗溶鋼１トンあたり０．０２０ｋｇ以下として還元製錬終了後の溶鋼中のＳｉを０．４０％以上とすることを示しており、特開平８−１０４９１５では鋳造工程に至るまでＡｌ含有物質を無添加として溶鋼中のＡｌを０．００５０％以下に制御し、還元製錬終了時のスラグ組成を制御することについて示してある。また、特願２０１１−６８８５８では、酸化物系非金属介在物の組成と硫化物系介在物の大きさを制御する方法について示してある。しかしながら、これらに従いＡｌ_２Ｏ_３系介在物のみを制御するだけでは、過酷な冷間鍛造で生じる内部割れの防止までには至らなかった。

また、これらの鋼は、冷間鍛造性を考慮しておらず、ましてや、冷間鍛造後の強度も考慮していない。そのため、これらの発明での鋼は、冷間鍛造での内部割れの防止や、鍛造品の強度も満足できなかった。

特開２００８−２０８４３０号公報特開２００２−３７１３３９号公報特開平４−９９２１５号公報特開平８−１０４９１５号公報特願２０１１−６８８５８公報

本発明は、以上のような問題を解決すべく案出されたものであり、化学成分および内部割れを防止するために非金属介在物大きさを厳密に制御することにより冷間鍛造性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板を提供し、さらには、そのオーステナイト系ステンレス鋼を素材として冷間鍛造により成形し、その成形に際し最終形状に近いニアネットに冷間鍛造を行い、３００℃〜５００℃の温度で１時間以上の時効硬化を伴う歪取り熱処理を行った後、切削加工により成形し、硬度２３０ＨＶ以上、加工誘起マルテンサイト量３．５ｖｏｌ．％以下のオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材を提供することを目的とする。

本発明の構成は、
質量％で
Ｃ：０．００３〜０．０８０％
Ｓｉ≦１．００％
Ｍｎ≦３．０％
Ｐ≦０．０４０％
Ｓ≦０．０３０％
Ｎｉ：８．５〜１０．５％
Ｃｒ：１５〜２０％
Ｃｕ：２．５〜３．５％
Ｎ：０．０１〜０．０６％
Ａｌ：≦０．００３％
Ｔｉ：≦０．００３％
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、鋼板中に含まれる非金属介在物の平均粒径が５μｍ以下のＭｎＯ−ＳｉＯ _２ −Ａｌ _２Ｏ _３もしくはＴｉＮである素材からなるオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材であり、
更に、
前記素材からなる部材は、内部割れがなく、硬さが２３０ＨＶ以上、加工誘起マルテンサイト量が３．５vol.%以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材であり、
それらのオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材を製造するにあたって、鋼板を冷間鍛造により鍛造品とした後、３００℃〜５００℃の温度で１時間以上の時効硬化を伴う歪取り熱処理を行い切削加工により成形することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材の製造法である。

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材は、最終形状に近いニアネット形状まで過酷な冷間鍛造を行っても内部割れの発生がなく、さらには、高強度、非磁性および生産性を満足することが出来る。

採取した試験片の形状を示す図である。試験片を冷間鍛造して得んとする形状である。鋼Ｌから採取した試験片の形状を示す図である。図３の試験片を冷間鍛造して得んとする形状である。図２の鍛造片を切削して得んとする形状である。図４の鍛造片を切削して得んとする形状である。

本発明者らは種々のステンレス鋼板に対し、携帯型電子機器外装部材を模擬した据え込試験による冷間もしくは温間鍛造と歪取り熱処理および切削加工を行い、鍛造での内部割れの有無、切削での形状変化、加工誘起マルテンサイト量について調査した。
その結果、
質量％で
Ｃ：０．００３〜０．０８０％
Ｓｉ≦１．００％
Ｍｎ≦３．０％
Ｐ≦０．０４０％
Ｓ≦０．０３０％
Ｎｉ：８．５〜１０．５％
Ｃｒ：１５〜２０％
Ｃｕ：２．５〜３．５％
Ｎ：０．０１〜０．０６％
Ａｌ：≦０．００３％
Ｔｉ：≦０．００３％
残部Ｆｅとなる成分が必要であり、さらに内部割れを防止するためには、鋼板中に含まれる非金属介在物の平均粒径が５μｍ以下のＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物もしくはＴｉＮにする必要があることがわかった。そのような介在物の大きさおよび組成とするためには、上記成分を満足するとともに、その製錬において、真空下もしくは非酸化性雰囲気下で塩基性スラグを形成し、Ａｌ含有量が０．０１重量％以下のＳｉ合金を添加し、強制脱酸する必要がある。また、スクラップや前鍋を規制し、不純物中に含まれるＴｉを極力低減する必要がある。この上記の鋼は、複雑形状に鍛造しても内部割れが生じず、目標の硬度が得られるが、このまま切削加工すると内部応力により切削品の形状変化が生じ、また、切削加工品の強度が足らない。そこで、３００℃〜５００℃の温度で1時間以上の時効硬化を伴う歪取り熱処理が必要となり、上記の鋼は時効硬化能の考慮もしているため、最終的に、硬度２３０ＨＶ以上で、加工誘起マルテンサイト量が３．５%以下である高強度、非磁性かつ生産性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材が得られる。
なお、本発明において「内部割れがない」とは、鍛造品の断面を鏡面研磨した後、光学顕微鏡で少なくとも倍率２００倍の観察においてわれが認められない事を言う。なお、観察面は鍛造品の内部割れが発生しやすい領域とし、いずれの断面においても割れが認められないこととする。

以下、本発明のステンレス鋼に含まれる成分、含有量について説明する。
Ｃ：０．００３〜０．０８０質量％
Ｃは、侵入型元素であって強度を向上させる合金成分である。そのため、過剰に添加されると冷間鍛造性を低下させるため０．０８０％以下とする。また、Ｃはオーステナイトを安定化させる元素であり、また、過剰な脱炭は、精錬コストを上昇させ、また、必要とする加工硬化および時効硬化能を得ることから０．００３%を下限とする。

Ｓｉ≦１．００質量％
Ｓｉは、固溶強化元素であり、冷間鍛造性を低下させるため上限を１．００％とする。

Ｍｎ≦３．０質量％
Ｍｎは、添加量が増しても強度をほとんど向上させない。また、オーステナイト安定化元素であり、加工誘起マルテンサイト変態を抑制する効果がある。しかしながら、過剰な添加は耐食性の低下を招くため上限を３．０%とする。

Ｐ≦０．０４０質量％
Ｐは耐食性を劣化させる元素であり、極力少量に抑えることが好ましく、上限を０．０４０％とする。

Ｓ≦０．０３０質量％
ＳはＭｎと反応しＭｎＳを生成し、耐食性を劣化させるので、その上限を０．０３０％とする。

Ｎｉ：８．５〜１０．５質量％
Ｎｉはオーステナイトを安定化させる元素であり、その下限を８．５％とした。ただし、多量に添加するとコストアップにつながるため、上限を１０．５%とした。

Ｃｒ：１５〜２０質量％
Ｃｒは耐食性を向上させる元素であり、その効果を十分に得るために下限を１５％とした。ただし、多量に添加すると冷間鍛造性を低下させるため、上限は２０%とした。

Ｃｕ：２．５〜３．５質量％
Ｃｕは、オーステナイト相の加工硬化を抑制し、冷間鍛造性を向上させる元素である。その効果を発揮させるために、下限を２．５%とした。また、時効硬化を伴う歪取り熱処理の際に時効硬化に寄与する。ただし、多量に添加されると熱間加工性の低下を生じさせるため、その上限を３．５%とした。

Ｎ：０．０１〜０．０６質量％
Ｎはオーステナイトを安定化させとともに、加工硬化および時効硬化に寄与する元素であることから、０．０１％を下限とする。また、過剰に添加されると冷間鍛造性を悪化させるため０．０６％を上限とする。

Ａｌ：≦０．００３質量％
Ａｌは酸素親和力がＳｉ，Ｍｎに比べて高く、含有量が０．００３％を超えると内部割れの起因となる５μｍ以上のＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物が生成してしまう。そのため、上限を０．００３％とした。

Ｔｉ：≦０．００３質量％
ＴｉはＮと反応しＴｉＮを形成する。ＴｉＮの大きさは内部割れの起点となるため、その上限を０．００３%とした。これを達成するためには、スクラップや前鍋を規制し、不純物中に含まれるＴｉを極力低減する必要がある。

ＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物は、真空又は非酸化性雰囲気中で塩基性スラグを形成し、Ａｌ含有量が低いＳｉ合金で溶鋼脱酸することにより生成する。このＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物は、通常の溶製で生成する４０質量％を超える多量のＡｌ_２Ｏ_３を含む硬質のガラキサイト(ＭｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３)系介在物と異なり、冷間鍛造時に塑性変形に伴って進展し、表面割れの発生起点にはならない。しかしながら、Ａｌ含有量が０．０１質量％以下でないと、平均粒径が５μｍより大きいＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物が生成してしまい、内部割れの発生起点となる。冷間鍛造での内部割れは、塑性流動にともなう内部の引張歪場で生じ、介在物とマトリックスもしくは介在物内部での剥離が生じ、内部割れにつながると考えられ、それには、介在物の平均粒径を５μｍ以下にしなければならない。

冷間鍛造後、残留応力のため、そのまま切削加工を行うと部品形状が崩れてしまう。そのため歪取り熱処理を行う。本発明では時効硬化能を考慮した成分設計を行っているため、冷間鍛造の歪取りだけではなく、熱処理での時効硬化により部品強度を向上させる。３００℃より低温では、歪が取れずまた、時効硬化も発現しないため、下限を３００℃の一時間とする。また、５００℃より高温では、歪は取れるものの、時効硬化は発現せず、さらには、回復により部品強度が低下する。そのため、上限は５００℃とする。

部材の硬さ２３０ＨＶ以上、加工誘起マルテンサイト量が３．５％以下
携帯型電子機器外装部材として、使用中の剛性感や、携帯型電子機器を落下させた場合等の内部機器を保護する役割があり、強度が要求される。各硬さを有するモックアップを準備し、１ｍの高さから落下させる試験を行った結果、少なくとも部材硬さが２３０ＨＶ以上必要であることがわかった。硬さが２３０ＨＶ以上を達成するために、Ｃ，Ｎ等の加工硬化および時効硬化に有効な元素を、冷間鍛造性を阻害しない範囲で活用し、また、Ｃｕの時効硬化を有効に活用している。また、地磁気センサー等の磁性に敏感なセンサー等を外装部材近くに配置する場合、低磁化量が要求されるが、外装部材として透磁率が１．１５以下であれば、外装部材と地磁気センサー等を数ｍｍ離せば実質的に影響がなくなることから、透磁率を１．１５以下とするため、外装部材の加工誘起マルテンサイト量を３．５％以下とする。これを達成するために、オーステナイト安定度を本発明では調整している。

表１に示す組成をもつ鋼Ａ〜鋼Ｌを真空溶解炉で溶製し、厚さ５０ｍｍまで鍛造し、１２３０℃で２時間加熱後、４．０ｍｍの板厚の熱延鋼板を得た。その熱延鋼板に、１１００℃で均熱１分の焼鈍を行った後に酸洗し、板厚２．０ｍｍまで冷間圧延を行った。さらに、この鋼板を１１００℃×均熱１分の焼鈍後酸洗を施し、焼鈍酸洗板を作製した。なお、鋼Ｌは、比較のためのＳＵＳ３０４である。得られた焼鈍酸洗板からＬ断面をＳＥＭ観察し、倍率５００倍の視野に対し、確認された介在物の大きさを調べ、その平均を介在物の大きさとした。

また、得られた板厚２．０mmの焼鈍酸洗板から、図１のような試験片を採取し、図２のような冷間鍛造を行った。なお、これらについては、よりニアネットシェイプになるように型設計し、さらに、鍛造途中での焼鈍は入れていない。鍛造は、２００ｔｏｎの油圧プレスでおこなった。また、鋼Ｌのみ図３のような試験片から、図２より安易な形状である図４のような冷間鍛造を行った。これについては加工硬化が大きく図２の形状では加工が困難であることから、冷間鍛造途中で３回の１１００℃均熱６０秒による焼鈍を入れておこなった。それぞれの冷間鍛造後に、鍛造品のＡ断面を顕微鏡観察し、内部割れが生じていないか調査した。内部割れが観察されなかったものは○、観察されたものは×と判定した。さらに、内部割れが観察されなかったものは、４５０℃で２時間の時効硬化を伴う歪取り熱処理を施した後、切削加工を行った。鋼Ａ〜Ｅは図５に示すような形状に、鋼L（比較のためのＳＵＳ３０４）は、図６のような形状に、ＣＮＣ切削機を用いて切削した。切削後、長辺の形状が真っ直ぐなものを○、０．１ｍｍ以上たわんだ物を×とした。切削加工品のＢ断面について、３００μｍピッチの格子状に硬さ(ＨＶ１)を測定した。硬さの最低値が、２３０ＨＶ以上のものを○、２３０ＨＶより小さいものを×とした。また、切削加工品の表面より、フェライト含量計を用い簡易的に加工誘起マルテンサイトを測定し、すべての測定点において加工誘起マルテンサイト量が３．５ｖｏｌ．％以下のものを○、３．５ｖｏｌ．％より大きいものを×とした。

結果を表２に示す。本発明を全て満たした鋼Ａ、Ｂ、Ｃについて、鍛造品の内部欠陥もなく、硬さも２３０ＨＶ以上であり、加工誘起マルテンサイト量も３．５ｖｏｌ．%以下であり、切削品の反りもない結果となり、携帯型電子機器外装部材に好適である。

次に、鋼Ａ，Ｂ，Ｃの鍛造品を、時効硬化を伴う歪取り熱処理の熱処理条件を変えた結果を示す。鋼Ａについて、４５０℃―３０ｍｉｎおよび６００℃−１ｈｒのものは硬さが低く、２５０℃―２ｈｒのものは、切削後に反りが発生した。また、鋼Ｂについて、２５０℃―２ｈｒのものは、切削後に反りが発生した。それ以外の本発明条件を満足するものは、切削後、反りも発生せず、硬さも満足している。

以上説明したように、本発明は、実施例でも示したように従来のＳＵＳ３０４では、中間焼鈍が必要だったものが、冷間鍛造のみで、内部割れのない鍛造品が成形でき、また、出来た鍛造品は、従来のものに比べよりニアネットシェイプに成形できる。それにより、切削時間も短縮でき、生産性が向上できる。また、切削後に完成した部材は、高強度であり、さらには、地磁気センサー等に影響しない程度の磁性である。よって、携帯型電子機器外装部材に好適である。

Claims

質量％で
Ｃ：０．００３〜０．０８０％
Ｓｉ≦１．００％
Ｍｎ≦３．０％
Ｐ≦０．０４０％
Ｓ≦０．０３０％
Ｎｉ：８．５〜１０．５％
Ｃｒ：１５〜２０％
Ｃｕ：２．５〜３．５％
Ｎ：０．０１〜０．０６％
Ａｌ：≦０．００３％
Ｔｉ：≦０．００３％
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、鋼板中に含まれる非金属介在物の平均粒径が５μｍ以下のＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３もしくはＴｉＮである素材からなるオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材。
前記部材は、内部割れがなく、硬さが２３０ＨＶ以上、加工誘起マルテンサイト量が３．５ｖｏｌ．％以下であることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材。
請求項１または２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板を冷間鍛造により鍛造品とした後、３００℃〜５００℃の温度で1時間以上の時効硬化を伴う歪取り熱処理を行い切削加工により成形することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材の製造方法。