JP6222498B2

JP6222498B2 - 準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板

Info

Publication number: JP6222498B2
Application number: JP2016051026A
Authority: JP
Inventors: 雄太松村; 恭平小川; 佳弘細谷
Original assignee: TOKUSHU KINZOKU EXCEL CO Ltd
Current assignee: TOKUSHU KINZOKU EXCEL CO Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017166010A

Description

この発明は、磁化コイルなどの鉄心、磁気回路のヨーク、電磁誘導加熱されるプリンターの定着ロール等、とりわけ、高強度と軟磁気特性が要求される小型高速モーターのローター鉄心などの用途に好適な軟磁気特性に優れる高強度の準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板に関するものである。

磁化コイルなどの鉄心、磁気回路のヨーク、電磁誘導加熱されるプリンターの定着ロール等は、高透磁率と高磁束密度が要求される。このため、従来、磁気コアやコイルなどの鉄心用には電磁鋼板が用いられ(例えば特許文献１〜６)、プリンターの定着ロールなどにはＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼が用いられている(例えば特許文献７〜８)。しかし、これらの鋼は、その強度（ＴS）が概ね３００Ｎ／ｍｍ^２〜８００Ｎ／ｍｍ^２程度である。
ところで、近年、小型電装部品に装着される高出力かつ低損失の小型高速モーターやドローンなどに代表される屋外や過酷環境で使用される小型高速モーターなどの市場拡大により、軟磁気特性に加えて、耐食性と高強度を兼備した素材の出現が待ち望まれている。しかし、上述したように、フェライト系ＳＵＳ４３０ステンレス鋼板や電磁鋼板などは強度が低いため、高磁束密度とともに高強度が要求される用途には適用し難いという課題があった。

一方、従来から、高耐食性を有する鋼板としてはＣｒを１２％以上含有し必要に応じて５％以上のＮｉを含有するステンレス鋼が用いられ、特にＨＶ３５０以上の硬さを有する鋼板としてはマルテンサイト相を主相とする超高強度鋼板が用いられてきた。一方、軟磁気特性を有する鋼板としてはＳｉを添加したフェライト相を主相とした電磁鋼板が用いられている。
優れた耐食性を有するステンレス鋼では、強磁性のフェライト相からなるフェライト系ステンレス鋼は電磁用途に使用される例はあるが、飽和磁束密度は電磁鋼板に及ばないばかりか硬さもＨＶ２００〜３００程度である。

他方、マルテンサイト相からなる超高強度鋼板には広範な強度レベルの鋼板が実用化されており、ＨＶ６００を超える鋼板も開発されている。しかしながら、Ｃｒを含有するステンレス鋼に匹敵する耐食性を有していない点と軟磁気特性に関しても電磁用途に使えるレベルの鋼板は存在しないのが現状である。

また、ＳｉまたはＡｌを多量に添加した電磁鋼板は、再結晶焼鈍で十分に粒成長させたフェライト相によって優れた軟磁気特性は有しているが、Ｃｒを含有するステンレス鋼に匹敵する耐食性は有していない。小型高速モーターなどへの適用を意図した高強度電磁鋼板の技術も開示されているが、転位強化型高強度電磁鋼板（特許文献９参照）などにおいてもＨＶは２５０程度であるため、引張強度は高々８００Ｎ／ｍｍ^２程度である。

特許第５８１９２１６号公報特許第５７３２７１８号公報特許第５６２１６２６号公報特許第５６０９０７６号公報特許第５５７３２９０号公報特許第５３８７０３３号公報特開２０１３−４４０００公報特開２００２−２６８４３２公報特許第４７７９４７４号公報

電気製鋼、Vol.75, No.4(2004), p.289-295

この様な事情に鑑み、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、加工誘起変態によって生成するα’相を主相とし、必要に応じて時効析出強化を付加することで強度（ＴS）が１５００Ｎ／ｍｍ^２程度まで高強度化が可能である、ＳＵＳ６３１に代表される準安定オーステナイト系ステンレス鋼に着目した。
従来のＳＵＳ６３１は、高強度であるものの磁束密度（Ｂ１０ｋ）１０ｋG未満と低く、そのままでは上述した高磁束密度とともに高強度が要求される用途に適用することはできない。
そこで本発明者らは、このステンレス鋼の金属組織を微細粒化することにより、高強度を維持しつつ、高磁束密度かつ低保磁力の軟磁性特性が発現することを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、上記した高強度、高耐食性、優れた軟磁気特性という特性を全て兼備した鋼帯または鋼板であり、高強度電磁ステンレス鋼の範疇に属する。
なお、高強度電磁ステンレス鋼としては、ソレノイド用鉄心材として析出硬化型電磁ステンレス鋼（非特許文献１参照）などが開示されている。ただし、このステンレス鋼は、線材を対象とした技術であり、組成はＮｉ／Ａｌが３％を超えない範囲に規定したフェライト相を主相とするステンレス鋼であって、本発明の金属組織とは異なる。

本発明は、上述した知見に基づいてなされたもので、質量％で、Ｃ含有量が０．０５〜０．１２％でＣｒ含有量とＮｉ含有量がそれぞれ１６．０〜１８．０％と４．０〜８．０％である、準安定オーステナイト系ステンレス鋼をベースとする。そして、この準安定オーステナイト系ステンレス鋼に対して、従来の製法とは異なる製造条件下での熱処理と冷間圧延によって、９０％以上の加工誘起マルテンサイト相(α´相)を主相とし、結晶粒径（直径）をデータ群としてその変動係数を０．８５以下、かつ重み付き平均結晶粒径を１０μ以下とした金属組織を有するステンレス鋼帯または鋼板である。
この様な金属組織は従来にない新規な組織であり、この様な組織を得ることによりα’相自体が、１０ｋＧ以上の磁束密度（Ｂ１０ｋ）を発現し、加えて圧延方向（parallel）と圧延直角方向(perpendicular)における磁気異方性が無くなることを見出した。このことは、当業者が予期できなかった、新規な発見であった。
また本発明では、上記の基本成分に、更に質量％で０．７５〜１．５％のＡｌを添加した鋼に上記の組織制御を行った後に４５０℃〜５００℃で熱処理を行うことによって、ＨＶ≧５００（引張強度≧１５００Ｎ／ｍｍ^２）の高強度を有しながら保磁力（Ｈｃ）を２０Ｏｅ以下まで低減できることも見出した。
さらにまた、本発明では、上記の基本成分に、更に質量％で、Ｃｕ：０．４〜１．０％、Ｍｏ：１．５〜３．５％の一種又は二種含有することにより、軟磁気特性や強度を劣化させることなく加工誘起変態後の主相であるα´相の耐食性と耐孔食性を一層向上させることができることを見出した。

以下、本発明に係る準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板について説明する。
（組成について）
本発明に係るステンレス鋼帯または鋼板は、軟磁性準安定オーステナイト系ステンレス鋼からなり、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｍｎ：１．４％以下、Ｃｒ：１６〜１８％、Ｎｉ：４．０〜８.０％を含有する。
Ｃは、冷間圧延時の加工誘起変態と変態後のα´相に必要な強度を付与するために０．０５％以上添加する。しかし、０．１２％を超えて添加するとオーステナイト相が安定化するため冷間圧延時の加工誘起変態が発現しにくくなると同時に、打抜き等の二次加工性を劣化させるため０．１２％以下とした。
ＭｎはＮｉとともにオーステナイト相を安定化させる元素であり、多量に添加すると通常の冷間圧延では９０％以上の加工誘起α´相を主相とする組織が得られない。そのため、本発明ではその上限を１．４％に規定する。下限は特に規定しないが、熱間圧延時の熱間割れ対策として０．１％とするのが好ましい。
Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を付与するため１６％以上添加する。しかし、１８％を超えて添加するとオーステナイト相が安定化するため、通常の冷間圧延工程では十分な量の加工誘起変態α´相を出現させることが出来ない。そのため本発明では上限を１８％に限定した。
Ｎｉはオーステナイト安定化元素であり、冷間圧延前の組織を準安定オーステナイト状態に維持するため所定量の添加が必須である。本発明では溶体化処理後に準安定オーステナイト相とするための下限として４．０％以上添加する。しかし、８．０％を超えて添加するとオーステナイト相が安定となるため通常の冷間圧延で加工誘起変態α´相を主相とする組織が得られなくなる。そのため上限を８．０％に限定した。
上記の基本成分に更に質量％でＡｌ：０．７５〜１．５％を添加して、時効硬化能を付与する事ができる。０.７５％未満では十分な時効硬化能が得られず、１．５％を超えて添加すると靱性の低下をもたらすため、Ａｌ含有量は上記範囲とした。

本発明に係るステンレス鋼帯または鋼板には、加工誘起変態後のα´相の耐食性を向上させるために、質量％でＣｕ：０．４〜１．０％配合することも可能である。０．４％未満では、際立った耐食性向上効果が認められず、逆に１．０％を超えると、熱間圧延時の熱間割れなどの製造工程上の問題が生じやすくなる。
また、耐孔食性を向上するために、質量％でＭｏ：１．５〜３．５％配合することも可能である。１．５％未満では、耐孔食性の著しい改善効果が認められず、逆に３．５％を超えると、耐孔食性に対する効果が飽和すると同時に合金コストの高騰が問題となる。
本発明の鋼帯または鋼板には不可避的不純物として、Ｐ，Ｎ，Ｓ，Ｏ等が含まれるが、その不純物量は、通常の製造工程で含まれる程度であれば本発明の目的を阻害することがないので、許容される。

(金属組織)
本発明に係るステンレス鋼帯またはステンレス鋼板は、９０％以上の加工誘起マルテンサイト相(α´相)を主相として、結晶粒径（直径）をデータ群としてその変動係数が０．８５以下、重み付き平均結晶粒径は１０μｍ以下、好ましくは変動係数が０．６５以下、重み付き平均結晶粒径は５μｍ以下である。
このような金属組織とすることにより、ナノレベルでの構造変化が起こり磁区のサイズと分布が均一になることで、磁壁が整然と速やかに移動できるようになるため、本発明に係る磁気特性が得られていると発明者は推定する。このことは本発明者が見出した新規な知見であり、ナノ結晶軟磁性材料のコンセプトからも支持されるメカニズムと考えられる。変動係数と重み付き平均結晶粒径が、それぞれ０．８５、１０μｍを超え、或は、加工誘起マルテンサイト相が９０％未満であると、磁区のサイズと分布が不均一になるばかりか、非磁性のオーステナイト相が残留してしまい、磁壁の移動が遅滞するため、本発明で要求する磁気特性が得られ難いと考えられる。なお、重み付き平均結晶粒径は１０μｍ以下であればよいが、実操業上その下限は０．０５μｍ程度である。
ここで変動係数CVは式１により算出する。

次に本発明における重み付き平均結晶粒の評価は、EBSD（後方電子散乱回折）法を用いて、鋼材の圧延方向に垂直な面（所謂RD面）を０．０５ｍｍ×０．０５ｍｍ以上の観察面積であって、かつ含まれる結晶粒の数が少なくとも１０００個以上の場合において、方位差５°以上を粒界と定義した場合の結晶粒径（直径）xの測定結果を式４により算出した重み付き平均値とする。

(特性)
本発明に係る組成及び金属組織を有するステンレス鋼帯または鋼板は、硬さ（ＨＶ）が３５０以上でかつ磁束密度（Ｂ１０ｋ）が１０ｋG以上である。この特性は、今までのステンレス鋼帯または鋼板では得られなかった優れた強度と磁気特性とを兼ね備えた特性である。
またＡｌを添加することにより、Ｈｖ≧５００（引張強度≧１５００Ｎ／ｍｍ^２）の高強度を有し、かつ、保持力（Ｈｃ）を１５Ｏｅまで低減することができる。

（製法）
上述した本発明に係る金属組織及び特性を得るための製法の一例を、従来から行われている常套的なステンレス鋼帯の製法と対比して、以下に説明する。

まず、従来から行われている常套的なステンレス鋼帯または鋼板の製法について簡単に説明し、次に、本発明に係るステンレス鋼帯または鋼板の製法の一例を説明する。

従来から常套的に行われている析出強化型の準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯(例えばSUS631(17-7PH))の製法は、常套的な手段により得られたスキンパス上がりのステンレス鋼帯を定法(例えば圧下率８５％)に従って圧延した後、固溶化熱処理を行う。この固溶化熱処理は、例えば１１００℃で固溶体化した後、水冷するものである。ついで、マルテンサイト変態処理、具体的には、例えば、圧下率６０％で圧延する。その後、例えば４７５℃で析出硬化処理を行なう。
このような処理により、ＨＶが５５０程度の硬さのステンレス鋼帯が得られるが、磁束密度（Ｂ１０ｋ）は１０ｋG未満と低い値である。

次に本発明に係るステンレス鋼帯または鋼板を得るための製法の一例を説明する。
第１工程：この工程では、常套的な手段により得られた本発明の組成を有するスキンパス上がりのステンレス鋼帯(例えばSUS631(17-7PH))を圧延する。この圧延工程は、重み付き平均結晶粒径を１０μｍ以下にすることを意図したものである。そのため、冷間加工率はスキンパス上がりの鋼帯の組成、板厚などにより異なるが、冷間加工率を５０％〜９０％の範囲、好ましくは６０％以上の加工率とする。

第２工程：ついで、この圧延後のステンレス鋼帯に対して微細化熱処理を施す。この熱処理は、従前から行われた固溶体化熱処理とは異なり、固溶体化温度よりも低い温度(固溶体化までに至らない温度)での熱処理である。超微細化熱処理の熱処理温度は、ステンレス鋼帯の組成などにより異なるが、例えば、６８０℃〜９８０℃の範囲で、好ましくは７５０℃〜９５０℃の範囲である。ついで、加熱後急冷(例えば水冷)する。

第３工程：次に、マルテンサイト変態処理を行う。この処理での圧下率は、求める特性や鋼帯の組成、板厚などにより異なるが、加工前の鋼材(スキンパス上がりの鋼帯)に対して０％〜９０％の範囲、好ましくは４５％〜８０％の範囲である。
これらの工程を経た本発明の組成を有する鋼帯または鋼板は、重み付き平均結晶粒径の微細化が促進され、本発明の強度、磁気特性を有するようになる。

低温熱処理：鋼帯の種類などに異なるが、４００℃〜６００℃の範囲の温度で低温熱処理することにより、保持力（Ｈｃ）の低下と磁束密度の更なる上昇を図ることができる。

そして、これらの条件を満たして本発明の請求項の範囲の鋼材を加工することで、ＨＶ３５０以上で、磁束密度（Ｂ１０ｋ）１０ｋG以上の特性を有する準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板を製造することが可能である。

この本発明に係るステンレス鋼帯または鋼板の製造方法によれば、通常実施する２次加工工程の範囲から大きく逸脱することなく、製造コストや環境負荷を大幅に増加することなく、従来実現不可能とされていた特性を両立するステンレス鋼帯または鋼板を製造することができる。
なお、上述した本発明に係るステンレス鋼帯または鋼板の製法は、あくまで一例であって、本発明は、この製法に限定されるものではない。

本発明によれば、準安定オーステナイト系ステンレス鋼の特徴である強度と、電磁鋼板などの軟磁性材料の軟磁気特性を高位で両立することができる。
これにより従来の軟磁性材料では実施することのできなかった、構造上高強度が求められる磁気回路や部品構造の設計を可能にするものである。
ベースとなる準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯は、Ｃｒ、Ｎｉの含有量が多く、一般的な鉄ベースの軟磁性材料と比べて耐食性も優位であることから、強度や軟磁性特性だけでなく、耐食性が必要とされる用途への活用も期待できる。
従来公知の準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯では、冷間加工率の増加に伴い磁気異方性や保磁力が増加し、ヒステリシス損失が増大する。これにより、磁気回路中のエネルギー損失が増大してしまう。
これに対し、本発明では、冷間加工率を問わず磁気異方性が無く、保磁力も一般鋼と比べて大幅に小さくすることができる。

図１は、比較例１-２の金属組織画像を示す図面代用顕微鏡写真である。図２は、発明例１-１の金属組織画像を示す図面代用顕微鏡写真である。図３は、発明例１-２の金属組織画像を示す図面代用顕微鏡写真である。図４は、発明例２-１の金属組織画像を示す図面代用顕微鏡写真である。

以下、本発明を実施態様に基づいて説明する。ただし、本発明はこれらの実施態様に限定されるものでない。

以下、本発明の発明例を、比較例と共に説明する。
本発明の化学組成を有する鋼（SUS631）と本発明から外れる化学組成を有する鋼（SUS430,電磁鋼板）を用意し（表１参照）、これらを下記表４に示す製造条件で製造した。得られた供試材について、変動係数、重み付き平均結晶粒径を測定し、その測定結果を表２に示す。また、硬さ（HV)、引張強度（N/mm²）、磁束密度B10k(kG)、保磁力Hc（Oe）、磁気異方性の有無を測定し、その測定結果を表３に示す。なお、表１〜３において、左側に「*」が付いている数値は、本発明から外れている値を示す。

※本表には、比較例及び発明例のマルテンサイト率は記載されていないが、いずれもマルテンサイト率が90％以上のものである。
※また、本表には、比較例３及び比較例４の特性（変動係数、重み付き平均結晶粒径）は記載されていない。これは、比較例３及び比較例４においてはフェライトを主相とした本発明とは金属組織が本質的に異なる材料であるためである。なお、比較例1-1、比較例1-2は、本発明と同様に、準安定オーステナイト系ステンレスをベースとしているため、その特性を記載している。

なお、比較例１-2、発明例１-１、発明例１-２、発明例２-１については、表２のデータとともに、図１〜図４に金属組織画像を示す。

表３において、
※磁束密度B10k（kG)及び保磁力（Hc)並びに磁気異方性の有無は振動試料型磁気測定機（VSM）を用いて測定した。
※硬さはJIS Z 2244に基づいて測定した。
※引張強度はJIS Z 2241に基づいてJIS13号B試験片を用いて測定した。
※磁気異方性は0〜10kOeの磁場におけるヒステリシスをparallel及びperpendicularの２方向から測定し、その差の有無から判断した。
※比較例４は汎用電磁鋼板の特性を参考として示したものである。

表４において、
※１：冷間圧延の温度は通常実施される冷間圧延の定義範囲内であり、加工温度は各種材質の変態点以下の温度で実施した。
※２：熱処理工程の加熱時間は、熱処理設備の特性に応じて所定の温度に到達する時間以上の範囲で実施した。
※３：低温熱処理の加熱温度及び時間は、目的とする特性を得られる様に、熱処理設備の能力に応じて自由に実施した。

上記表から、本発明例によれば、硬さ、引張強度などの機械的特性とともに、磁束密度、保磁力（Hc）などの磁気特性がいずれも優れていることが分かる。また、本発明例によれば、磁気異方性がないので、小型高速モーターなどのローター鉄芯などに好適である。

本発明は加工誘起変態によってα´相を主相とする組織が得られる準安定オーステナイト系ステンレス鋼の特徴である強度と、電磁鋼板などの軟磁性材料の軟磁性特性の高位で両立するようにしたものである。
これにより従来の軟磁性材料では実施することのできなかった、磁気回路や部品構造の設計を可能にするものである。
ベースとなる準安定オーステナイト系ステンレス鋼は、Cr、Niの含有量が多く、一般的な鉄ベースの軟磁性材料と比べて耐食性も優位であることから、強度や軟磁性特性だけでなく、耐食性が必要とされる用途への活用も期待できる。
一般の準安定オーステナイト系ステンレス鋼では、冷間加工率の増加に伴い磁気異方性や、保磁力が増加しヒステリシス損失が増加する。これにより、磁気回路中のエネルギー損失が増加してしまう。これに対し、本発明では、冷間加工率を問わず磁気異方性が無く、保磁力も一般鋼と比べて大幅に小さくすることができる。

Claims

質量%で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｍｎ：１．４％未満、Ｃｒ：１６〜１８％、Ｎｉ：４．０〜８．０％、Ａｌ：０．７５〜１．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、９０％以上の加工誘起マルテンサイト相(α´相)を主相とし、結晶粒径（直径）をデータ群としてその変動係数が０．８５以下、重み付き平均結晶粒径が１０μｍ以下の組織を有し、硬さ（ＨＶ）が３５０以上、磁束密度（Ｂ１０ｋ）が１０ｋＧ以上の軟磁気特性を有し、かつ、保持力（Ｈｃ）が１５〜２９．３（Ｏｅ）であることを特徴とする準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板。
保持力（Ｈｃ）が１５〜２７．７（Ｏｅ）であることを特徴とする請求項１に記載の準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．４〜１．０％及びＭｏ：１．５〜３．５％から選択され一種又は二種を更に含有する請求項１又は２に記載の準安定オーステナイト系ステンレス鋼帯または鋼板。