JP6370275B2 - 制振性フェライト系ステンレス鋼材および製造方法 - Google Patents

制振性フェライト系ステンレス鋼材および製造方法 Download PDF

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本発明は、強磁性型の振動減衰機構を発揮する制振性フェライト系ステンレス鋼材およびその製造方法に関する。
自動車排ガス経路部材を構成する排気ガス流路管や、その遮熱カバーには、耐熱性に加え耐塩害腐食性も要求されることから、耐熱性に優れるフェライト系ステンレス鋼種が多用されている。排気ガス流路管にはエンジンの振動が伝わるため、その振動から発生する騒音が問題となる。近年、自動車の各部材には燃費向上のために軽量化が求められている。排気ガス流路管を軽量化のために薄肉化すると、その振動による騒音は更に増大しやすい。また、遮熱カバー内に発生するエンジンからの振動がこもり音となり、不快な騒音源となることがある。排気ガス流路管からの振動、騒音を抑制する性能に優れた耐熱ステンレス鋼材の出現が待たれている。また、自動車用耐熱部材に限らず、フェライト系ステンレス鋼材の制振性改善に対する要求は大きい。
金属材料単体で外部から加えられた振動エネルギーを減衰させる機構は、共晶型、転位型、強磁性型、複合型、その他に分類される。マトリックス(金属素地)がフェライト相である鋼材は強磁性体であることから、強磁性型の振動減衰機構を利用した制振材料が種々提案されている。
例えば、特許文献1には、Crを含有する鋼材について制振性を付与した例が示されている。Crは制振特性を向上する作用を有すること、および20.0wt%までは添加効果が向上することが記載されている(段落0026)。ただし、実施例に示されている具体例のCr含有量は高々3.08%に過ぎない。
特許文献2には、SiとCoを多量に含有させた鋼材を用いて制振性を付与する技術が開示されている。Crは磁歪を向上させる効果が顕著であるが、9%を超えるとかえって損失係数を低下させると教示されている(段落0015)。
特許文献3には、Al、Si、Crなどの合金元素を多量に添加することなく、結晶粒径、最大比透磁率、残留磁束密度を制御することにより制振性を付与する技術が記載されている。結晶粒径については加工時の肌荒れを考慮して300μm以下としている(段落0023)。
特許文献4には、CrとGaを多量に含有する鉄合金を用いて制振性を付与することが記載されている。
特開平10−72643号公報 特開2002−294408号公報 特開2007−254880号公報 特開2011−241438号公報
上記特許文献に示されるように、Crは鋼材の制振性を向上させるうえで有効であるとされる。しかし、フェライト系ステンレス鋼のような高Cr含有鋼を用いた鋼材において、その制振性を改善する技術は確立されていない。
本発明は、制振性に優れたフェライト系ステンレス鋼材を提供することを目的とする。
発明者らは詳細な研究の結果、強磁性型の振動減衰機構による優れた制振性をフェライト系ステンレス鋼材に付与するためには、所定形状の鋼材に加工したのち、最終焼鈍によって平均結晶粒径が0.3mm以上と非常に大きくなるように高温で加熱を行うことが極めて有効であることを見いだした。ただし、その最終焼鈍後の冷却過程においては歪(転位)ができるだけ導入されにくく、かつ化合物粒子が析出しにくい冷却速度にコントロールすることが重要である。本発明はこのような知見に基づいて完成したものである。
すなわち上記目的は、質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、Ni:0.01〜0.6%、Cr:10.5〜24.0%、N:0.001〜0.03%、Nb:0〜0.8%、Ti:0〜0.5%、Cu:0〜2.0%、Mo:0〜2.5%、V:0〜1.0%、Al:0〜0.3%、Zr:0〜0.3%、Co:0〜0.6%、REM(希土類元素):0〜0.1%、Ca:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物である化学組成を有し、マトリックスがフェライト単相であり、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が0.3〜3.0mmである金属組織を有し、残留磁束密度が45mT以下である制振性フェライト系ステンレス鋼材によって達成される。
ここで、Nb、Ti、Cu、Mo、V、Al、Zr、Co、REM(希土類元素)、Caの各元素は任意添加元素である。REMはSc、Yとランタノイド系元素である。
自動車排ガス経路部材といった耐熱性が要求される用途においては、大気中900℃で200h保持したときの酸化増量が2.5mg/cm2以下となる化学組成に調整されている鋼種を適用することが好ましい。なお、上記大気中での酸化試験温度900℃は、耐酸化性を厳しく評価するための条件を規定したものであり、本発明に従う鋼材は、それよりも低温域にある強磁性領域で優れた制振性を発揮する。
上記の制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法として、上記化学組成を有する鋼材に対して、非酸化性雰囲気中900〜1250℃の温度範囲に20min以上保持してフェライト結晶粒の平均結晶粒径を0.3〜3.0mmとしたのち、最高到達材料温度から200℃までの最大冷却速度を5℃/sec以下、かつ850℃から400℃までの平均冷却速度を0.3℃/sec以上として200℃以下の温度まで冷却する条件で最終焼鈍を施す製造方法が提供される。
上記製造方法において、最終焼鈍の雰囲気を非酸化性雰囲気に代えて大気雰囲気としても構わない。その場合は、最終焼鈍後に酸洗を施す。最終焼鈍に供する鋼材としては、鋼板素材を加工したものが適用できる。その場合、使用する鋼板の板厚(最終焼鈍に供する鋼材の肉厚)は、例えば0.2〜3.0mmとすることができる。
本発明によれば、フェライト系ステンレス鋼材に強磁性型の振動減衰機構を利用した制振性を付与することが可能となった。特に、耐熱性に優れたフェライト系鋼種を適用することによって、700℃を超える高温域まで制振性を発揮させることができる。従来、Cu−Mn系合金などの非鉄合金において制振性に優れる金属材料が知られているが、それらは高温での使用ができない。また、制振性を付与した従来の鋼材も耐熱性や耐食性の点でフェライト系ステンレス鋼材を適用すべき用途には対応できない。本発明は例えば自動車排ガス系統の制振化に寄与するものである。
比較例No.1の光学顕微鏡金属組織写真。 本発明例No.3の光学顕微鏡金属組織写真。 本発明例No.6の光学顕微鏡金属組織写真。
〔対象鋼種〕
本発明では、常温でフェライト単相からなるマトリックス(金属素地)が得られるフェライト系ステンレス鋼種を対象とする。各合金成分の含有量は上述の範囲で設定することができる。P、Sは不可避的不純物であるが、P含有量は0.040%まで、またS含有量は0.030%まで許容できる。規格鋼種としては、上述の成分組成を満たす範囲において、例えばJIS G4305:2012の表5に示されている各種フェライト系ステンレス鋼種に属する鋼を採用することができる。
耐熱性の高い鋼種としては、例えば下記(A)の組成範囲を例示することができる。
(A)質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.7〜1.5%、Ni:0.01〜0.6%、Cr:17.5〜19.5%、N:0.001〜0.03%、Nb:0.3〜0.8%、Ti:0〜0.5%、Cu:0〜1.0%、Mo:1.5〜2.5%、V:0〜1.0%、Al:0〜0.3%、Zr:0〜0.3%、Co:0〜0.6%、REM(希土類元素):0〜0.1%、Ca:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼。
〔金属組織〕
本発明に従う鋼材においては、マトリックス(金属素地)を構成しているフェライト再結晶粒の平均結晶粒径が0.3〜3.0mmと非常に大きくなっていることが重要である。0.35mm以上であることがより好ましい。強磁性型の制振材料は、磁区壁の移動によって振動エネルギーを吸収する。結晶粒界は磁区壁の移動を妨げる障害物となるので、一般的に結晶粒径が大きいことは制振性の向上に有利であるとされる。しかしながら、フェライト系ステンレス鋼材の場合、100μm程度の平均結晶粒径では良好な制振性が得られないことが多く、安定して高い制振性を付与する手法が明確にされていなかった。発明者らは種々検討の結果、平均結晶粒径を0.3mm以上に非常に大きくすることによってフェライト系ステンレス鋼材の制振性が向上することを見いだした。その理由については現時点で明確ではないが、フェライト系ステンレス鋼材のマトリックスを構成するフェライト再結晶粒には、サイズの大きいものと小さいものが混在しており、そのうち特にサイズの小さいものが磁区壁の移動に不利に働いていたものと考えられる。平均結晶粒径が0.3mm以上、より好ましくは0.35mm以上と極めて大きくなるような熱処理を施すことによって、サイズ小さい再結晶粒も磁区壁移動を阻害しないサイズに成長し、鋼材全体において制振減衰機構が向上するのではないかと推察される。
平均結晶粒径の測定は、断面の光学顕微鏡観察により、切片法を用いて行うことができる。JIS G0551:2003に記載の方法により、光学顕微鏡写真の画像上の無作為な位置に直線を引き、直線と結晶粒界との交点の数をカウントし、平均切片長さを算出する。複数の観察視野を用いて直線の合計本数を20本以上とする。この方法で測定される平均結晶粒径が0.3mm以上であるフェライト系ステンレス鋼材において優れた制振性が発揮される。平均結晶粒径が1.0mm以上であることがより好ましい。部材形状への加工を終えた鋼材に対して後述の最終焼鈍を施して結晶粒を成長させることによって、結晶粒粗大化による加工性への悪影響を回避することができる。耐高温クリープ性の観点からは、結晶粒が大きいことは有利になる。ただし過剰な結晶粒を粗大化させることは最終焼鈍の負荷を増大させ、不経済となる。平均結晶粒径は3.0mm以下の範囲とすればよく、2.5mm以下に管理してもよい。
〔磁気特性〕
磁区壁の移動をスムーズに行わせるためにはフェライト結晶格子の歪が少ないことも重要である。結晶中の歪の大きさは、磁気特性における残留磁束密度に反映される。すなわち、同じ組成の材料であれば、残留磁束密度が小さいものは結晶格子の歪が小さいと評価できる。発明者らの検討によれば、常温での残留磁束密度が45mT(450G)以下であるフェライト系ステンレス鋼材において、良好な制振性が得られる。残留磁束密度が30mT(300G)以下であることがより好ましい。下限は特に限定されないが、通常、12mT(120G)以上となる。
他の磁気特性として、保磁力は400A/m(約5Oe)以下であることが望ましい。また、最大磁束密度は450mT(4500G)以上であることが望ましく、520mT(5200G)以上であることがより好ましい。
〔X線回折ピーク半価幅〕
結晶の歪を評価するためには、X線回折ピークの半価幅を測定する手法も有効である。具体的には、Co−Kα線を用いたX線回折パターン(横軸は回折角2θ)において、フェライト結晶(211)面の回折ピークの1/2半価幅を指標とすることができる。発明者らの検討によると、この半価幅が0.160°以下であるフェライト系ステンレス鋼材において、良好な制振性が得られている。結晶の歪を評価する指標として、上述の残留磁束密度に代えて、あるいは加えて、(211)結晶面のX線回折ピーク半価幅を採用することができる。
〔製造方法〕
本発明では、フェライト系ステンレス鋼材の最終焼鈍においてフェライト再結晶粒を成長させ、制振性を付与する。
最終焼鈍に供するための鋼材を得るまでの工程は、従来一般的な製造工程を利用することができる。例えば、常法により製造されたフェライト系ステンレス鋼の冷延焼鈍酸洗鋼板や調質圧延仕上鋼板などを素材として所定の部材へ加工する。部材への加工としては、金型を用いた各種プレス加工、曲げ加工、溶接加工などが挙げられる。
部材への加工が施された鋼材に最終焼鈍を施す。材料を900〜1250℃の温度範囲で加熱保持して、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が0.3〜3.0mm、より好ましくは0.35〜3.0mmとなるように再結晶粒を成長させる。上記温度範囲での保持時間(材料温度がその温度範囲にある時間)は、最終焼鈍に供する鋼材の化学組成や加工度に応じて、フェライト結晶粒が上記の平均結晶粒径に粒成長するに足る時間を確保する。ただし、保持時間が短いと均質化が不足して制振性の向上が不十分となる場合もある。種々検討の結果、10min以上の保持時間を確保することが望ましい。50min以上保持することがより好ましく、100min以上とすることが更に好ましい。ただし、あまり保持時間が長いと不経済となる。上記温度での保持時間は300min以下の範囲で設定すればよく、200min以下の範囲としてもよい。適正な保持温度、保持時間は、鋼材の化学組成や加工度に応じて予備実験により予め把握しておくことができる。
上記温度範囲に保持したのちの冷却過程では、冷却に伴う熱収縮などにより結晶に歪が導入されないように、急冷を避ける必要がある。種々検討の結果、900〜1250℃の範囲にある最高到達温度から200℃までの最大冷却速度を5℃/sec以下にコントロールすればよいことがわかった。一方、冷却速度が遅すぎると、途中の温度域で時効析出が生じる場合があり、その析出相は結晶に歪場を形成して磁区壁の動きを妨げる要因となる。従って、過度の緩冷却も回避する必要かある。詳細な検討の結果、850℃から400℃までの平均冷却速度を0.3℃/sec以上とすることによって析出相生成による弊害は解消される。
最終焼鈍は非酸化性雰囲気で行うことが望ましい。例えば、真空焼鈍が挙げられる。この場合、炉内を真空引きして例えば約1×10-2Pa以下の減圧状態(真空雰囲気)で上記温度域での加熱保持を行う。その冷却過程では例えば不活性ガスの導入量等を調整することにより冷却速度をコントロールすることができる。水素を含有する還元性雰囲気で行ってもよい。一方、大気雰囲気中で最終焼鈍を施すこともできるが、その場合は酸化スケール除去のために酸洗等の後処理が必要となる。
なお、平坦な板状部材を得る場合であれば、冷延焼鈍鋼板をコイルのままの状態で焼鈍炉に装入して最終焼鈍を施し、その後、所定寸法に裁断する手法を採用することも可能である。
表1に示す鋼を溶製し、常法に従い板厚2mmの冷延焼鈍酸洗鋼板を得た。この鋼板から採取した試料について、一部の比較例(No.1、2)を除き、表2中に示す条件で最終焼鈍を施した。最終焼鈍の方法は真空焼鈍とし、以下のようにして行った。試料を密封可能な容器に入れ、容器内を真空引きして圧力約1×10-2Pa以下とした状態で加熱して表2中に記載の温度(最高到達温度)で保持した。その後、一部の比較例(No.5)を除き、900℃まで降温した後、アルゴンガスを容器内に約90kPaの圧力まで導入して400℃以下の温度まで冷却し、その後、200℃以下の温度になってから大気に開放した。No.5の例では、最高到達温度からの冷却過程において、700℃で60min保持する熱履歴を加えた。表2中に、最終焼鈍後の冷却速度条件を以下の基準で表示した。
〔最大冷却速度条件〕
○印:最高到達温度から200℃までの最大冷却速度が5℃/sec以下であるもの。
×印:最高到達温度から200℃までの最大冷却速度が5℃/secを超えるもの。
〔中間温度域の平均冷却速度条件〕
○印:850℃から400℃までの平均冷却速度が0.3℃/sec以上であるもの。
×印:850℃から400℃までの平均冷却速度が0.3℃/sec未満であるもの。
表2中に示す一部の例については後処理として圧延方向に10%の引張歪を付与した。以上のようにして供試材を得た。
各供試材について、以下の調査を行った。
〔平均結晶粒径の測定〕
圧延方向および板厚方向に平行な断面(L断面)の金属組織を光学顕微鏡で観察し、前述の切片法により平均結晶粒径を測定した。
図1にNo.1、図2にNo.3、図3にNo.6の金属組織写真をそれぞれ例示する。
〔磁気測定〕
圧延方向を長手方向とする250mm×20mm×t(tは板厚;約1.8〜2mm)の試験片について、直流磁気測定装置(リケン電子社製のB−Hトレーサー)により磁気測定を行った。使用コイルはφ62.5mm×160mm、100巻のソレノイドコイルである。得られたB−H曲線から最大磁束密度Bm、残留磁束密度Br、保磁力Hcを求めた。
〔X線回折〕
X線回折装置(リガク社製;RINT2500H)を用いて、Co管球、40kV、200mAの条件でX線回折パターンを測定し、フェライト結晶(211)面の回折ピークの1/2半価幅(°)を求めた。
〔損失係数ηの測定〕
圧延方向を長手方向とする250mm×20mm×t(tは板厚;約1.8〜2mm)の試験片について、JIS K7391:2008に従い中央支持定常加振法にて常温での周波数応答関数を求め、得られた周波数応答関数の共振ピークから3dB低減した位置での半値幅を読み取ってJIS K7391:2008の式(1)によりηを算出し、種々の周波数で得られたηの平均値をその材料の損失係数ηとして定めた。
これらの結果を表3に示す。
上述の適正な条件で最終焼鈍を施して得た本発明例のものは、残留磁束密度が小さく、X線回折ピークの半価幅も小さいことから結晶格子の歪が少ないことがわかる。また、平均結晶粒径が非常に大きい。これらはいずれも他の比較例と比べ損失係数ηが大幅に高く、JIS K7391:2008に従う中央加振法による常温での損失係数ηが0.0020以上という優れた制振性を呈する。
これに対し、比較例であるNo.1は通常の冷延焼鈍酸洗仕上材であるため平均結晶粒径が小さく、制振性に劣る。No.2は通常の冷延焼鈍酸洗仕上材に加工歪を付与したものであるためNo.1よりもさらに制振性が低い。No.4は適正な最終焼鈍を施して非常に大きい平均結晶粒径としたが、その後に加工歪を付与したので制振性が低い。No.5は最終焼鈍の冷却時に700℃で保持したので時効析出物が生成したと考えられ、制振性が低い。

Claims (9)

  1. 質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、Ni:0.01〜0.6%、Cr:10.5〜24.0%、N:0.001〜0.03%、Cu:2.0%以下、Mo:2.5%以下、Al:0.3%以下を含有し、Nb:0〜0.8%、残部Feおよび不可避的不純物である化学組成を有し、マトリックスがフェライト単相であり、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が0.3〜3.0mmである金属組織を有し、残留磁束密度が45mT以下である制振性フェライト系ステンレス鋼材。
  2. Co−Kα線を用いたX線回折パターンにおいて、フェライト結晶(211)面の回折ピークの1/2半価幅が0.160°以下である請求項1に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材。
  3. 質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.7〜1.5%、Ni:0.01〜0.6%、Cr:17.5〜19.5%、N:0.001〜0.03%、Nb:0.3〜0.8%、Cu:2.0%以下、Mo:2.5%以下、Al:0.3%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物である化学組成を有し、マトリックスがフェライト単相であり、フェライト結晶粒の平均結晶粒径が0.3〜3.0mmである金属組織を有し、残留磁束密度が45mT以下である制振性フェライト系ステンレス鋼材。
  4. 大気中900℃で200h保持したときの酸化増量が2.5mg/cm2以下である請求項に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材。
  5. Co−Kα線を用いたX線回折パターンにおいて、フェライト結晶(211)面の回折ピークの1/2半価幅が0.160°以下である請求項3または4に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材。
  6. 前記残留磁束密度が30mT以下である請求項3〜5のいずれか1項に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材。
  7. 質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、Ni:0.01〜0.6%、Cr:10.5〜24.0%、N:0.001〜0.03%、Cu:2.0%以下、Mo:2.5%以下、Al:0.3%以下を含有し、Nb:0〜0.8%、残部Feおよび不可避的不純物である化学組成を有する鋼材に対して、非酸化性雰囲気中900〜1250℃の温度範囲に10min以上保持してフェライト結晶粒の平均結晶粒径を0.3〜3.0mmとしたのち、最高到達材料温度から200℃までの最大冷却速度を5℃/sec以下、かつ850℃から400℃までの平均冷却速度を0.3℃/sec以上として200℃以下の温度まで冷却する条件で最終焼鈍を施す、請求項1または2に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
  8. 質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.7〜1.5%、Ni:0.01〜0.6%、Cr:17.5〜19.5%、N:0.001〜0.03%、Nb:0.3〜0.8%、Cu:2.0%以下、Mo:2.5%以下、Al:0.3%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物である化学組成を有する鋼材に対して、非酸化性雰囲気中900〜1250℃の温度範囲に10min以上保持してフェライト結晶粒の平均結晶粒径を0.3〜3.0mmとしたのち、最高到達材料温度から200℃までの最大冷却速度を5℃/sec以下、かつ850℃から400℃までの平均冷却速度を0.3℃/sec以上として200℃以下の温度まで冷却する条件で最終焼鈍を施す、請求項3〜6のいずれか1項に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
  9. 終焼鈍の雰囲気を非酸化性雰囲気に代えて大気雰囲気とし、最終焼鈍後に酸洗を施す、請求項7または8に記載の制振性フェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
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