JP6727055B2

JP6727055B2 - 厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼

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Publication number: JP6727055B2
Application number: JP2016145595A
Authority: JP
Inventors: 大村　圭一; 圭一大村; 石丸　詠一朗; 詠一朗石丸
Original assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-07-25
Also published as: JP2018016824A

Description

本発明は、厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼に関するものである。

給食センター等において使用される大量・大型の食品加工施設の加熱源は、従来のガスや電熱方式から電磁加熱方式（以下、「ＩＨ方式」ともいう。）への転換が進みつつある。ＩＨ方式は、従来のガスや電熱方式に比べて余分な熱放出が少なく労働環境改善になり、且つ安全性・操作性も優れるという理由である。

前記ＩＨ方式からなる電磁加熱調理器には、磁性材料として、鉄、フェライト系ステンレス鋼、或いは鉄とステンレス鋼のクラッド材等が用いられてきた。しかし、鉄は耐食性に劣り、クラッド材は高コスト、という問題があった。フェライト系ステンレス鋼は、鉄とクラッド材の中間的コストであるが、加工性・溶接性がよくないという問題があった。また、フェライト系ステンレス鋼は、鉄よりは耐食性がよいものの、オーステナイト系ステンレス鋼に比べ耐食性に劣るという問題があった。調理用器具ということで美観性や耐食性も要求され、そのためステンレス鋼のニーズはますます高まっている。

このため、オーステナイト相及びフェライト相からなる二相ステンレス鋼（以下、「二相鋼」という。）は、高強度であり且つ耐食性に優れる特性を有している。また、オーステイナト系ステンレス鋼は非磁性であるため電磁調理器には適用できないが、オーステナイトとフェライトの二相鋼にすることにより、磁性を有するフェライトと、耐食性、加工性を有するオーステナイトの長所を生かすことができる。

特許文献１及び２には、二相鋼を用いた電磁調理器が開示されている。特許文献１には、単にオーステナイト相とフェライト相の特徴を利用した電磁調理器の提案がされている。特許文献２には、磁気歪みおよび熱膨張における異方性を改善するために、オーステナイト粒のアスペクト比を規定する提案がされている。

しかし、特許文献１は、電磁調理器のサイズ及び板厚について具体的に開示していない。また、特許文献２に開示された電磁調理器に用いられた二相鋼の板厚は０．５ｍｍに過ぎない。また、特許文献１及び２のいずれも、加工性についても具体的に開示されていない。このように、特許文献１及び２には、給食センター等において使用される大型の電磁調理器を製造するために５．０ｍｍ以上の板厚の二相鋼を加工するという課題認識が存在しない。

特開平２−１９７０６９号公報特開平７−３０７１９５号公報

給食センター等、前述した大量・大型の食品加工施設で用いられる調理器のサイズは、例えば内径600〜1200mm、深さ270〜450mm、製品容量は60〜400Lといった大きさであって、前述した家庭用の電磁調理器よりも格段に大きい。また、調理器サイズの大型化に伴い、容器の強度を高めるために厚手化が必須である。

ここで、板厚が５．０ｍｍ以上のものを本発明では「厚手」という。但し、蒸気釜の場合、第二種圧力容器の規定に適合させる必要がある場合、７〜８ｍｍ以上の板厚が必要である。

また、大型化、厚手化により人間が処理できる重さではなくなるため、調理機械に組込むなど、複雑形状化してくる。そのため、厚手化された電磁調理器（厚手電磁調理器）は、形状の複雑化にも対応するため、加工性も求められる。さらに、もちろん、調理器具として美観性や耐食性も求められている。

しかし、前述の通り、大型且つ厚手の電磁調理器用として使用可能な厚手での電磁加熱性、加工性に優れた実用的な材料はこれまでのところ報告されていなかった。

本発明の課題は、以上の事情を鑑み、大型且つ複雑形状である厚手電磁調理器に好適に適用できる材料を見出すことである。

上記課題を解決するために、本発明者は、二相ステンレス鋼を厚手電磁調理器に適用することを発想し、その適用性について検証した。すなわち、曲げ半径（Ｒ）が板厚（ｔ）以下になるように鋼板を９０°超曲げ加工した時に、曲げ加工部分に割れを生じさせないための各種要因について、鋭意研究した。その結果、フェライト相が３０〜７０％、オーステナイト相が７０〜３０％になるようにフェライト及びオーステナイトの二相で金属組織を構成し、化学組成を見直して最適化することによって、５．０ｍｍ以上の厚手電磁調理器用の材料として電磁特性とプレス加工性の双方を満足して使用し得ることを見出した。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１）フェライト及びオーステナイトの二相よりなり、
フェライト相が３０〜７０％、オーステナイト相が７０〜３０％で構成され、
質量％で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：６．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：０．５０〜８．０％、Ｃｒ：１９．０〜２７．０％、Ｍｏ：４．０％以下、Ｃｕ：３．０以下、Ｎ：０．０５０〜０．３５％含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
板厚が５ｍｍ以上であって、９０°超曲げ加工した時に、曲げ加工部分に割れを生じないことを特徴とする厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
（２）質量％で、Ｎｉ：１．０〜６．０％、Ｃｒ：２０．５〜２４．５％、Ｍｏ：１．９％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎ：０．０５０〜０．２５％に制限されることを特徴とする（１）に記載の厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
（３）質量％で、Ｍｎ：２．０％超〜６．０％、Ｎｉ：１．０〜４．０％未満に制限されることを特徴とする（１）又は（２）に記載の厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
（４）下記のPRE値が21〜34であることを特徴とする（１）〜（３）のうちいずれかに記載の厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
PRE = Cr + 3.3×Mo + 16×N；但し、式中のCr、Mo及びNは、鋼中の元素Cr、Mo及びNのそれぞれの含有量（単位：mass%）を示す。

本発明によれば、ＩＨ加熱に対応し、かつ耐食性、成形加工性にも優れた大型鍋等の発熱体機器を経済的に製造することができる。また、本発明によれば、ＩＨ採用可能性が広がり、省エネ・省コスト（調理時の出力制御可能・自動調理可能）が可能になる。また、本発明によれば、給食センター等の大規模食品調理・加工施設の加熱調理に余熱排出を削減できるため、作業環境（室温、湿度）を大幅に改善可能なＩＨ加熱方式の導入可能性を格段に広げることができる。

（ａ）、（ｂ）は曲げ半径を説明するための曲げ加工部の拡大断面図であり、（ａ）は曲げ角度θ（θ≧９０°）で曲げた場合の曲げ加工部の拡大断面図であり、（ｂ）は曲げ角度１８０°で曲げた場合の曲げ加工部の拡大断面図である。

以下に本発明における鋼の組成範囲について説明する。
以下の説明において、各元素の含有量を表す「％」は特に断りがない限り質量％を意味する。

（Ｃ：０．０５０％以下）
Ｃは、フェライト相に固溶あるいはＣｒ炭化物を形成して耐酸化性を阻害する。一方、Ｃは、炭化物を形成し、鋼の強化及びフェライト粒の微細化に有効な元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めるために有効である。しかし、Ｃは、多量に添加されると加工性の劣化を招く。このような観点から、０．０５０％を上限としてＣを含有しても良い。尚、Ｃを過度に低減することは製鋼段階でのコスト増加を招くため、その下限値は０．０００５％としても良い。なお、安定的な製造性の観点からは０．００１５％以上とすることが好ましい。

（Ｓｉ：１．０％以下）
Ｓｉは、溶製時の脱酸元素として活用する場合や、耐酸化性の向上のために積極的に添加する場合がある。また、フェライト安定化元素でもある。なお、脱酸の観点から、０．０３％以上とすることが好ましい。また多量の添加は材質硬質化による加工性の低下を招くことがあるため、上限は１．０％とする。なお、加工性、安定製造性の観点からは０．３０％以下とすることが好ましく、さらに０．２０％以下とすることが好ましい。さらに加工性、安定製造性を確実にするために０．１５％以下にすることが望ましい。但し、極低Ｓｉ化はコスト増加を招くためその下限を０．０１％とすることが好ましい。

（Ｍｎ：６．０％以下）
Ｍｎは、溶製時の脱酸剤として添加される元素であるとともに、オーステナイト単相域を拡大し組織の安定化に寄与する。ただし、過度に添加すると、粗大介在物が生成して、加工性が劣化するので、上限を６．０％とする。下限は特に定めないが、オーステナイト相の確実な安定化と加工性の観点から、２．０％超が好ましい。

（Ｐ：０．０４０％以下）
Ｐは原料である溶銑やフェロクロム等の主原料中に不純物として含まれる元素である。熱間加工性に対しては有害な元素であるため、０．０４０％以下とする。なお、好ましくは０．０３０％以下である。過度な低減は高純度原料の使用を必須にするなど、コストの増加に繋がるため０．０１０％以上とする。経済的に好ましくは、０．０２０％以上にすることが望ましい。

（Ｓ：０．０３０％以下）
Ｓは、硫化物系介在物を形成し、鋼材の一般的な耐食性（全面腐食や孔食）を劣化させるため、その含有量の上限は少ないほうが好ましく、０．０３０％とする。また、Ｓの含有量は少ないほど耐食性は良好となるが、低Ｓ化には脱硫負荷が増大し、製造コストが増大するので、その下限を０．０００１％とするのが好ましい。なお、好ましくは０．０００１〜０．００１０である。

（Ｎｉ：０．５０％以上８．０％以下）
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト相を安定化させる元素であって、耐酸化性の面では、Ｍｎよりも優れた効力を有する。これらの効果は０．５０％以上で得られるため、下限を０．５０％以上とする。Ｎｉの含有量は、好ましくは、１．０％以上である。一方、過度なＮｉの添加は熱間加工性を低下させるために、８．０％以下とする。加工性を高める観点から、Ｎｉは６．０％以下とすることが好ましく、４．０％未満とすることがより好ましい。

（Ｃｒ：１９．０％以上２７．０％以下）
Ｃｒは、ステンレス鋼の基本元素であり、耐酸化性や耐食性確保のために必須な元素である。１９．０％未満では、これらの効果は発現しないので、下限を１９．０％以上とする。耐酸化性の観点からは２０．５％以上にすることが望ましい。一方で、２７．０％超ではオーステナイト単相域が縮小し、Ｃ、Ｎと化合物を形成して製造時の熱間加工性を損ねるため、上限を２７．０％とする。好ましくは、２４．５％以下である。

（Ｍｏ：４．０％以下）
Ｍｏは耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて添加してもよい。Ｍｏは０．０１％以上の添加で効果が発揮されるため、これを下限とすることが好ましい。一方、Ｍｏは原子半径が大きいために固溶強化能が強く、結果として鋼を硬くして加工性を悪くするので、過度な添加は好ましくない。そのため、Ｍｏの添加量の上限は、４．０％以下とする。Ｍｏの添加量の上限は、１．９％以下とすることが好ましい。

（Ｃｕ：３．０％以下）
Ｃｕは、必要に応じて添加してもよい元素であるが、オーステナイト安定化元素としてＮｉを代替する相対的に安価な元素である。更に隙間腐食や孔食の進展抑制に効果があり、そのためには０．０１％以上添加することが望ましい。但し、３．０％を超えると熱間加工性を低下させるため３．０％以下とする。好ましくは、２．０％以下である。

（Ｎ：０．０５０％以上０．３５％以下）
Ｎは、最も強力なオーステナイト相安定化元素であり、かつ、侵入型の有効な固溶強化元素である。添加効果を得るため、０．０５０％以上とする。ただし、過度の添加は、窒化物の析出を招き、必要な強度、オーステナイト相の安定性がともに得られない。また、加工性の観点から、上限を０．３５％とする。好ましくは、０．２５％以下である。

残部は基本的に鉄および不可避不純物からなるが、本発明の効果を損なわない範囲で、上記した元素以外の元素を含有させても良い。

（耐孔食指数）
前述したように、Ｍｏの過度な添加によって鋼を硬くして加工性を悪くするので、Ｍｏの添加量の上限は１．９％以下とすることが好ましい。一方、ステンレス鋼の耐孔食性は下記式で定義されるPRE値（孔食指数: Pitting Resistance Equivalent）が大きいほど良いとされている。
PRE = Cr + 3.3×Mo + 16×N；但し、式中のCr、Mo及びNは、鋼中の元素Cr、Mo及びNのそれぞれの含有量（単位：mass%）を示す。
そのため、前記PRE値が２１〜３４になるように、Ｍｏ量を調整することが好ましい。より好ましい下限は２３であり、より好ましい上限は３０である。

（フェライト相が３０〜７０％、オーステナイト相が７０〜３０％）
なお、本発明の二相ステンレス鋼において良好な特性を得るためには、オーステナイト相面積率を３０〜７０％にすることが必要である。オーステナイト相面積率が３０％未満では靱性不良が、７０％超では熱間加工性、応力腐食割れが生じる。また、いずれの場合も、曲げ加工性が不良となり、９０°曲げ加工した時に、曲げ加工部分に割れが生じる。

（製造工程）
本発明における厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼の製造方法において、仕上げ圧延に供される鋼板を製造する工程は、特に限定されない。公知の手段（例えば電気炉）により溶製された鋼を連続鋳造機で１５０〜２５０ｍｍ厚のスラブに鋳造し、必要に応じて表面を研削した後、１２００℃以上に加熱して、熱間圧延機で熱間圧延を行って熱延鋼帯とする。熱延鋼帯を１１００℃程度の温度で焼鈍し、酸洗する。引き続き冷間圧延と焼鈍を繰り返して、所望厚みの鋼板とする。仕上げ焼鈍は焼鈍酸洗仕上げ（２Ｂ仕上げ）でも、無酸化雰囲気で焼鈍するＢＡ（ＢｒｉｇｈｔＡｎｎｅａｌｉｎｇ）仕上げでも構わない。尚、仕上げ圧延後の工程も特に限定されない、形状強制や脱脂洗浄工程を付与する場合もある。

本発明によれば、鋼板の板厚（ｔ）が５．０ｍｍ以上であっても、図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、曲げ加工部分の内側の鋼板表面の屈曲半径（以下、「曲げ半径」という。）の大きさ（Ｒ）がｔ以下になるように９０°超の曲げ加工を行った時に、目視観察で、曲げ加工部分にひび或いは割れが生じない。このように、本発明によれば、厚手の電磁調理器用として使用可能な厚手での電磁加熱性、加工性に優れた実用的な材料としての二相ステンレス鋼を提供することができる。

以下、実施例により本発明の効果を説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。

本実施例では、まず、真空溶解法により表１に示す発明例１〜５及び比較鋼１〜４の化学成分の鋼を５０ｋｇ溶製し、１２００℃にて加熱鍛造を行って６０ｍｍ厚×２８０ｍｍ幅×約３６０ｍｍ長さの鋼塊とし、続いて１２００℃加熱で厚さ６．３ｍｍに熱間圧延した。このようにして得られた熱間圧延鋼板をそれぞれ表２の条件で焼鈍し、その後酸洗して発明例１〜５及び比較鋼１〜４の熱間圧延焼鈍鋼板を得た。

（加工性評価試験）
発明例１〜５及び比較鋼１〜４の熱間圧延焼鈍鋼板のそれぞれの加工性を次の要領にて評価した。まず、発明例１〜５及び比較鋼１〜４の熱間圧延焼鈍鋼板のそれぞれから、長手方向１８０ｍｍ×幅約２８０ｍｍの板２枚を採取し、平坦矯正した後、表面を２８０ｍｍ方向に♯１２０番研磨仕上げし、厚手材（板厚６ｍｍ）の試験片を作製した。次いで、０℃にて、図１（ａ）に示すように、前記試験片を、曲げ稜線が熱間圧延方向と平行になるように熱間圧延方向と直角の方向に１３５°まで曲げて、そのときの割れ発生状況を目視観察した。尚、曲げ半径（Ｒ）は、板厚（ｔ＝６．０ｍｍ）とした。この結果を表４の項目「加工性の評価」に示す。

比較例１、２はいずれも曲げ角度９０°までに板厚貫通するような大きな割れが発生したのに対し、発明鋼１〜３及び比較鋼３、４はいずれも割れ発生無く、図１（ｂ）に示されるように１８０°曲げが可能であった。また、発明鋼４、５は曲げ角１３５°までは割れ発生が無かったが、曲げ角度１８０°では、エッジ部分とその近傍の曲げ外側表面に口開き状の微小な割れが認められた。この結果から、比較鋼４、５は加工性が劣り（×）、発明鋼４、５は加工性が良好であり（○）、発明鋼１〜３及び比較鋼３、４は加工性が優れる（◎）と評価した。

（電磁加熱特性試験）
前記加工性評価試験に供した部分を除いて、発明例１〜５及び比較鋼１〜４の熱間圧延焼鈍鋼板のそれぞれの表面を部分的に♯６０番グラインダーで手入れして酸化スケールや欠陥を除去することにより、発明例１〜５及び比較鋼１〜４の冷間圧延用素材を作製した。これらの冷間圧延用素材に対して、それぞれ、一旦、２．４ｍｍまで冷間圧延し、次いで、表３に示す条件にて１回目の焼鈍を施した後、酸洗を行った。酸洗された発明例１〜５及び比較鋼１〜４の冷間圧延用素材のそれぞれの表面を♯２４０エメリーペーパーで研削除去し、圧延方向に長さ４００ｍｍの板を採取し、これらをそれぞれ１．０ｍｍまで更に冷間圧延した。

こうして得た１．０ｍｍ厚の発明例１〜５及び比較鋼１〜４の冷延鋼板について、表３の条件にて２回目の焼鈍を行い、酸洗し、発明例１〜５及び比較鋼１〜４の最終冷延鋼板を得た。

発明例１〜５及び比較鋼１〜４の最終冷延鋼板のそれぞれを用いて、次の要領にて、鋼板自体の消費電力量を比較した。すなわち、まず、発明例１〜５及び比較鋼１〜４の最終冷延鋼板から外径１８０ｍｍの円形平板を採取し、可能な限り平坦に矯正して、円形の試験片を作製した。次いで、市販の家庭用電磁調理器（定格１００Ｖ、１４００Ｗ）のワーク面中央に前記円形の試験片を平置きし、出力を「中」（７００Ｗ）に設定して、赤外線温度計で測定されるサンプルの表面温度が２００℃に達した時点までの消費電力量を比較した。消費電力量の評価基準として、フェライト系の代表鋼種ＳＵＳ４３０に相当する比較鋼１の最終冷延鋼板を基準とし、前記基準の鋼板の消費電力量に対して１１５％以下を良好とし（○）、１１５％超を劣る（×）と評価した。この結果を表４の「消費電力量の評価」の項目に示す。

また、発明例１〜５及び比較鋼１〜４の最終冷延鋼板のそれぞれを角筒にプレス成形して、これらを模擬的な容器として使用し、それに同量同温の水を張って電磁調理器で加熱開始した際の水温上昇速度を比較することにより、素材の電磁加熱性能を評価した。すなわち、まず、発明例１〜５及び比較鋼１〜４の最終冷延鋼板のそれぞれから、２３０ｍｍ角の板を、ポンチ１０５ｍｍ角、深さ５０ｍｍ程度にてプレス成形して角筒を作製した。次いで、市販の家庭用電磁調理器（定格１００Ｖ、１４００Ｗ）のワーク面中央に前記角筒を置き、その中に２５℃の水道水５００ｍｌを入れて、前記家庭用電磁調理器を１４００Ｗで加熱した。水中のほぼ中心に配置した熱電対の測定温度がこの加熱によって９５℃に達するまでの時間を、前記発明例１〜５及び比較鋼１〜４の各最終冷延鋼板について３回測定し、平均時間を比較した。電磁加熱性能の評価基準として、フェライト系の代表鋼種ＳＵＳ４３０に相当する比較鋼４の最終冷延鋼板の角筒を基準とし、２５℃の水が９５℃に達するまでの平均時間に対して１０５％以下を良好とし（○）、１０５％超を劣る（×）と評価した。この結果を表４の「電磁加熱性能の評価」の項目に示す。尚、各欄の丸括弧内の数値は、前記３回測定の平均時間を示す。

表４の加工性の評価及び電磁加熱特性試験の結果から、発明鋼１〜５及び比較鋼１〜４の電磁調理器への適用性を総合的に評価した。表４の加工性の評価及び電磁加熱特性試験の結果のうち、いずれかの項目で劣る（×）の評価を有する鋼種は、適用性無し（×）と評価した。一方、表４の加工性の評価及び電磁加熱特性試験の結果のうち、全ての項目が良好であるものを合格（○）とし、特に加工性が優れるものを（◎）とした。

このように、本発明の組成及び／或いは金属組織から外れる鋼板は、電磁調理器への使用に適さない。これに対して、本発明の組成及び金属組織を有する鋼板は、加工性及び電磁加熱特性に優れるので、電磁調理器に好適に適用できる。

本発明によれば、大型且つ厚手の電磁調理器に好適に適用できる二相ステンレス鋼を提供することができる。

Claims

フェライト及びオーステナイトの二相よりなり、
フェライト相が３０〜７０％、オーステナイト相が７０〜３０％で構成され、
質量％で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：６．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：０．５０〜８．０％、Ｃｒ：１９．０〜２７．０％、Ｍｏ：４．０％以下、Ｃｕ：３．０以下、Ｎ：０．０５０〜０．３５％含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
板厚が５ｍｍ以上であって、９０°超曲げ加工した時に、曲げ加工部分に割れを生じないことを特徴とする厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
質量％で、Ｎｉ：１．０〜６．０％、Ｃｒ：２０．５〜２４．５％、Ｍｏ：１．９％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎ：０．０５０〜０．２５％に制限されることを特徴とする請求項１に記載の厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
質量％で、Ｍｎ：２．０％超〜６．０％、Ｎｉ：１．０〜４．０％未満に制限されることを特徴とする請求項１又は２に記載の厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
下記のPRE値が２１〜３４であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の厚手電磁調理器用二相ステンレス鋼。
PRE = Cr + 3.3×Mo + 16×N；但し、式中のCr、Mo及びNは、鋼中の元素Cr、Mo及びNのそれぞれの含有量（単位：mass%）を示す。