JP6816844B1 - オーステナイト系ステンレス鋼板 - Google Patents
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Abstract
Description
従来、メタルマスクは、金属板を化学的に成形加工するフォトエッチングと呼ばれる手法で製造されることが多かった。フォトエッチングとは、フォトレジスト法などで金属板の一部をマスクしたのち、スプレーや浸漬により金属板とエッチング液とを接触させて、マスク面以外の露出した金属板を溶かして開口部を形成する手法である。またフォトエッチングの際、金属板の板を部分的にエッチングするハーフエッチングと呼ばれる技術により、プリント基板の凹凸に対応するような段差のあるメタルマスクにする手法を用いることもある。
また、上記のような精密機器に用いられる鋼板には、部品軽量化の観点から高強度化のニーズも高まっている。
しかしながら、レーザー照射や前述の熱処理時の熱によって、ステンレス鋼の主要構成元素であるCrがCと結びつき、結晶粒界にCr炭化物が生成することで、結晶粒界近傍にクロム欠乏層が形成される場合がある。この場合、溶融部や熱影響部の耐食性が著しく劣化する。本発明者らは、検討の結果、素材中のC含有量などの化学成分を厳密にコントロールしCr炭化物の生成を制御することで、レーザー加工後の溶融部、熱影響部の耐食性を向上させることができることを見出した。
さらに、レーザー加工部の粗さが大きくなる(平滑性が劣化する)と、メタルマスクとして精度が不十分だったり、接合部に隙間が発生したりするといった問題もある。本発明者らは、エッチング加工部やレーザー加工部の平滑性について検討した結果、素材のステンレス鋼板の化学成分に加え、製造プロセスを適正化して素材鋼板を均一な微細結晶粒からなる金属組織とすることで、加工部の平滑性を確保できることを見出した。
また、強度について、結晶粒をさらに微細にすることで、強度を高めることができるが、一定以上に結晶粒を微細化することは、工業的にはコストの点で困難である場合が多い。本発明者らが検討を行った結果、未再結晶率を高めることで、強度を高めることができることが分かった。
[1]本発明の一態様に係るオーステナイト系ステンレス鋼板は、化学組成が、質量%で、C:0.030%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.5%以下、Cr:15.0%以上20.0%以下、Ni:6.5%以上9.0%以下、N:0.030%以上0.150%以下、Nb、V、Tiのいずれか、あるいはそれらの2つ以上を合計で0.030%以上0.300%以下、Mo:0%以上2.0%以下、Cu:0%以上1.5%以下、Co:0%以上1.0%以下、Ca、Mg、Zr、Sn、Pb、Wの合計:0%以上0.10%以下、P:0.10%以下、S:0.010%以下、Al:0.10%以下、を含み、残部がFe及び不純物よりなり、平均結晶粒径が5.0μm以下であり、未再結晶率が3%超、20%以下であり、Nb、V、Ti系炭窒化物の平均直径が30nm以下であり、かつ、前記Nb、V、Ti系炭窒化物の単位面積当たりの個数密度が10〜50個/μm 2 であり、板厚が0.05mm以上、0.2mm以下である。
[2]上記[1]に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板は、前記化学組成において、質量%で、Cu:0.1〜1.5%、Mo:0.1〜2.0%、Co:0.1〜1.0%の1種または2種以上を含有してもよい。
[3]上記[1]に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板は、前記未再結晶率が7%以上、20%以下であってもよい。
まず、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼板の化学組成(成分組成)の限定理由を以下に説明する。以下、各元素の含有量の「%」表示は、断りがない限り「質量%」を意味する。
Cはレーザー加工時や熱処理時の熱によって粗大なCr炭化物として結晶粒界に析出し、鋼板の耐食性を著しく損なうのに加え、硬度低下の要因となる元素である。そのため、C含有量は少ない方がよい。しかしながら、Cは安価に鋼板強度を上げられる元素であるので、耐食性や硬度に悪影響を及ぼさない0.030%以下の範囲で含有してもよい。レーザー加工後の耐食性の観点から、C含有量は0.020%以下が望ましい。
前述のように、C含有量は少ない程よいが、過度な低減は精錬コストの上昇を招く。そのため、C含有量の下限は0.005%とすることが望ましい。
Siは溶製時の脱酸材として使用され、鋼の強化にも寄与する元素である。しかしながら、Si含有量が過度に多くなると、鋼板の表面清浄が低下し、洗浄効率などに悪影響がある。よって、Si含有量は、1.0%以下とする。好ましくは、0.8%以下とする。
Si含有量は少ない程よいが、過度の低下は原料コストの増加を招く。そのため、Si含有量の下限を0.01%とすることが望ましい。
Mnは安価なオーステナイト生成元素として有用な元素である。しかしながら、Mn含有量が過度に多くなると、冷間圧延時に生成する加工誘起マルテンサイトが少なくなり、その後の焼鈍で微細結晶粒を得ることができない。また、過度の含有は耐食性を劣化させる要因にもなる。よって、Mn含有量は、1.5%以下とする。好ましくは、1.2%以下とする。
Mn含有量の過度の低下は原料コストの増加を招く。そのためMn含有量の下限は0.01%とすることが望ましい。
Crはステンレス鋼の基本元素であり、鋼材表面に金属酸化物層を形成し、耐食性を高めるために必要な元素である。Cr含有量が15.0%未満では十分な耐食性は得られない。そのため、Cr含有量は15.0%以上とする。好ましくは、16.0%以上である。
一方、Crは強力なフェライト安定化元素であり、Cr含有量が多すぎると、δフェライトが生成する。このδフェライトは素材の熱間加工性を劣化させる。よって、Cr含有量は、20.0%以下とする。好ましくは19.0%以下である。
Niはオーステナイト生成元素であり、室温でオーステナイト相を安定して得るために必要な元素である。この効果を得るため、Ni含有量を6.5%以上とする。好ましくは、7.0%以上である。
一方、Ni含有量が多すぎると、オーステナイト相が安定化しすぎて、冷間圧延時の加工誘起マルテンサイト変態が抑制され、その後の焼鈍で微細結晶粒を得ることができない。さらに、Niは高価な元素であり、含有量の増大はコストの大幅な上昇を招く。よって、Ni含有量は9.0%以下とする。好ましくは8.5%以下である。
NはCと同様に固溶強化元素であり、鋼の強度向上に寄与する元素である。また、Nは、Nb、V、Tiと結合して微細な窒化物として焼鈍時に析出し、ピン止め効果により結晶粒成長を抑制する効果を有する元素である。これらの効果を得るため、N含有量を0.030%以上とする。好ましくは、0.050%以上である。
一方、N含有量が過度に多くなると、鋼板の製造過程で粗大な窒化物が多数生成する。粗大な窒化物は破壊の起点となって、熱間加工性を顕著に劣化させ、鋼板の製造を困難にする。よって、N含有量は、0.150%以下とする。好ましくは0.130%以下である。
Nb、V、Tiはいずれも微細な炭化物、窒化物あるいは複合炭窒化物を生成し、ピン止め効果により結晶の粒成長を抑制する元素である。すなわち、Nb、V、Tiは結晶粒の微細化に有効な元素である。従って、Nb、V、Tiのいずれか1つ、あるいはこれらの2つ以上を合計で、0.030%以上含有させる。Nb、V、Tiの合計含有量は、好ましくは0.050%以上である。
一方、これらの元素の合計含有量が多くなりすぎると、溶解時に粗大な介在物として晶出し、その結果、製造性が著しく劣化したり、再結晶が抑制されて焼鈍後に未再結晶部が過剰に残存したりする悪影響がある。また、これらの元素の多量に含有させることは、素材のコストアップに直結する。よって、これらの元素の合計含有量は0.300%以下とする。好ましくは0.200%以下である。
Moはステンレス鋼板の耐食性を向上させる元素である。この効果を得る場合、Mo含有量は0.1%以上とすることが望ましい。より望ましくは0.5%以上である。
一方、Mo含有量が過度に多くなると、Laves相と呼ばれる脆化相が析出しやすくなる。また、Moは高価な元素でありコストの上昇にもつながる。よって、含有させる場合でも、Mo含有量は、2.0%以下とする。好ましくは1.0%以下である。
CuはNiと同様にオーステナイト生成元素であり、Niより安価にオーステナイト相の安定度を調整可能な元素である。そのため、含有させてもよい。上記効果を得る場合、Cu含有量を0.1%以上とすることが望ましい。
一方、Cu含有量が過度に多くなると、製造過程で粒界に偏析する。この粒界偏析は、熱間加工性を顕著に劣化させ、製造を困難にする。よって、含有させる場合でも、Cu含有量は1.5%以下とする。好ましくは1.0%以下である。
Coはオーステナイト生成元素であり、レーザー加工時に生成する脆化相であるδフェライト相を抑制する効果を有する元素である。そのため、含有させてもよい。上記効果を得る場合、Co含有量は0.1%以上とすることが望ましい。
一方、Coは高価な元素である。そのため、含有させる場合でも、Co含有量は1.0%以下とする。
また、ステンレス鋼の製造では、スクラップ原料を使用することが多い。このため、ステンレス鋼には、種々の不純物元素が不可避的に混入する。不純物元素の含有量を一義的に定めることは困難である。したがって、本実施形態における不純物とは、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼板の作用効果を阻害しない量で含有される元素を意味する。このような不純物としては、たとえばP、S、O等が挙げられる。P含有量は、0.10%以下が好ましく、0.05%以下がより好ましい。S含有量は、0.01%以下が好ましい。O含有量は、通常の製鋼工程によって製造されれば、20〜30ppmとなり、50ppmを超えることはほとんどない。O含有量が50ppm以下であれば、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼板の効果は損なわれない。
本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼板は、平均結晶粒径が5.0μm以下であり、未再結晶率が3%超、20%以下である。
平均結晶粒径が小さくなると、レーザー加工面の粗さが小さくなる。この効果は、特に平均結晶粒径を5.0μm以下とすると顕著に現れる。また、平均結晶粒径を小さくすることで、YSが向上する。このため平均結晶粒径を5.0μm以下とする。上記効果をより一層発揮するためには、3.0μm以下が望ましい。
一方で、平均結晶粒径を1.0μm未満とするには、著しくコストが向上する。そのため、平均結晶粒径1.0μm以上とすることが好ましい。
具体的には、板厚中心部における走査型電子顕微鏡を用いた電子線後方散乱回折(EBSD)法で測定した方位マップから求める。より具体的には、鋼板の圧延方向に、垂直断面の、表面から板厚中心の位置付近に対し、20μm×20μmの領域を1視野とし、測定ピッチを0.1μmとして、少なくとも5視野以上測定を行い、隣接する測定点同士の方位差が10°以上である境界を粒界とし、(i)粒界に囲まれている(ii)アスペクト比が0.8〜1.2である(iii)粒界内に含まれる測定点が5点以上である、の全ての条件を満足する領域を再結晶粒と規定する。この際、双晶粒界(Σ3粒界)は粒界とみなさない。
平均粒径はこの方位マップから求積法で算出した再結晶粒の平均結晶粒面積と同じ面積を有する円の直径とすることで得られる。
EBSDの測定、解析ソフトは特定するものではないが、例えばTSL OIM Data CollectionおよびOIM Analysisである。
本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼板では、YSを高めるために、未再結晶率(未再結晶部の割合)を3%超20%以下とする。
平均結晶粒径をさらに微細に制御すれば、YSを高めることができるが、1.0μmよりも結晶粒を安定的に微細化することは、工業的にはコストの点で困難である。そのため、平均結晶粒径が5.0μm以下(好ましくは1.0μm以上)で十分なYS(例えば800MPa以上)を確保するため、未再結晶率を3%超とする。好ましくは5%以上である。
一方で、未再結晶率が20%を超えると、圧延方向に長く伸びた粗大な未再結晶粒がサンプル表面に顕在化し加工部の平滑性が低下する。そのため、未再結晶率を20%以下とする。
マルテンサイトは硬質な組織である。そのため、研磨前にマルテンサイトが過剰に存在すると、レーザー加工性や研磨性が劣化する。したがって、マルテンサイトの残存量は5%以下とすることが望ましい。残存量はフェライトスコープで測定して求めることとする。
Nb、V、Ti系炭窒化物は、結晶粒界のピン止め効果により結晶粒成長を抑制し、微細結晶粒組織を得るために有効である。Nb、V、Ti系炭窒化物の平均直径が30nm以下であれば、ピン止め効果に有効である。ただし、平均直径が30nm以下であっても、Nb、V、Ti系炭窒化物が偏在して析出しては、ピン止め効果の発現にバラツキが生じることとなり、微細な結晶粒と粗大な結晶粒とが混在してしまい、加工面の平滑性にムラが生じてしまう。そのため、Nb、V、Ti系炭窒化物は、微細かつ均一に分散して析出していることが必要である。
また、Nb、V、Ti系炭窒化物の平均直径が30nm以下であると、レーザー加工などで溶融した際に、窒素、炭素量が局所的に著しく高い領域(高濃度領域)が生成されず、耐食性を劣化させるCr炭窒化物が生成しにくい。ただし、Nb、V、Ti系炭窒化物の個数密度が高すぎると、その領域がレーザー加工で溶融、あるいは熱を受けた際に、これらの析出物が溶解し、Cが高い領域(高濃度領域)が形成されやすくなる。その結果、このCがその後の冷却中にCrと結びついてCr炭化物を析出させ、耐食性が劣化する。
そのため、Nb、V、Ti系炭窒化物は、平均直径が30nm以下であってかつ、析出状態(個数密度)が、1視野を1平方μmとし、前記Nb、V、Ti系炭窒化物の個数密度(個/μm2)を全10視野にて計測した際、計測した全10視野の前記個数密度のうち、最小の個数密度、最大の個数密度がいずれも10〜50個/μm2の範囲内であることが好ましい。これにより、ピン止め効果の発現のバラツキを抑制し、板面内で均一な平滑性を確保できる。
本実施形態においてNb、V、Ti系炭窒化物は、後述する最終焼鈍工程で析出するが、上述した平均結晶粒径及び未再結晶率が得られる条件で焼鈍を行うことで、粗大化を抑制しながら析出させることができるので、Nb、V、Ti系炭窒化物の平均直径が30nm以下、個数密度が10〜50個/μm2の範囲内となる。
中間焼鈍を行う場合、中間焼鈍では、1050℃以上の温度に加熱し、10℃/秒以上の平均冷却速度で、500℃以下まで冷却する。上記の中間焼鈍によれば、途中で炭窒化物は生成しない。
中間焼鈍の温度が低いと、Nb、V、Ti系炭窒化物が再固溶せず、最終焼鈍時の再結晶を抑制できないため、未再結晶率が低くなる。また、平均冷却速度が遅いと、冷却中に炭窒化物が粗大に析出してしまい、その後の最終焼鈍時の再結晶を抑制できないため未再結晶率が低くなる。
冷間圧延後の熱処理(最終焼鈍)においては、500〜800℃までの間の昇温速度S1を40℃/秒以上、最高到達温度T1を800℃以上950℃以下、800℃以上に曝される時間t1を15秒以下、800℃〜500℃までの間の冷却速度S2を30℃/秒以上とすることが好ましい。
一方で、最高到達温度T1が低すぎると、γ相への逆変態が不十分となりα’相が残存したり、再結晶していない未再結晶のγ相が過剰に残存する。これらは、加工部の平滑性を損なう要因になるので、最高到達温度T1を800℃以上とする。好ましくは820℃以上とする。
「鋼板が800℃以上に曝される時間t1」は、鋼板が800℃に達した時点から計測するものとし、それが昇温段階の途中であってもよい。また冷却を開始しても鋼板温度が800℃以上であれば計測に含めるものとする。
応力除去焼鈍では、材料内部の残留応力を除去することに加え、調質圧延やテンションレベラー矯正で生成した加工誘起マルテンサイトを微細なオーステナイトに逆変態させることで、調質圧延前と同様に、レーザー加工面が平滑になる。応力除去焼鈍(ひずみ取り焼鈍)は、一般的に実施される700〜800℃で行えば良い。
得られた厚さ0.2mmの鋼板より試験片を採取し、以下の要領で諸特性を調査した。
YSが800MPa以上である場合に、十分な強度を有していると判断した。
鋼板12〜32は、比較例の鋼板であり、レーザー加工部の粗さが悪いか、強度(YS)が低いか、Cr炭化物の析出により耐食性が劣化しているか、1つ以上の目標の特性を満足しなかった。
鋼板12〜16、21〜26は、化学組成は本発明の規定を満たすものの、製造方法が好ましい範囲を外れた例であり、平均結晶粒径や未再結晶率が本発明範囲を外れた。
鋼板17〜20、27〜32は、化学組成が本発明の範囲外であり、平均結晶粒径や未再結晶率が本発明範囲を外れた。
Claims (3)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:1.5%以下、
Cr:15.0%以上20.0%以下、
Ni:6.5%以上9.0%以下、
N:0.030%以上0.150%以下、
Nb、V、Tiのいずれか、あるいはそれらの2つ以上を合計で0.030%以上0.300%以下、
Mo:0%以上2.0%以下、
Cu:0%以上1.5%以下、
Co:0%以上1.0%以下、
Ca、Mg、Zr、Sn、Pb、Wの合計:0%以上0.10%以下、
P:0.10%以下、
S:0.010%以下、
Al:0.10%以下、を含み、
残部がFe及び不純物よりなり、
平均結晶粒径が5.0μm以下であり、
未再結晶率が3%超、20%以下であり、
Nb、V、Ti系炭窒化物の平均直径が30nm以下であり、
かつ、前記Nb、V、Ti系炭窒化物の単位面積当たりの個数密度が10〜50個/μm 2 であり、
板厚が0.05mm以上、0.2mm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板。 - 前記化学組成において、質量%で、
Cu:0.1〜1.5%、
Mo:0.1〜2.0%、
Co:0.1〜1.0%
の1種または2種以上を含有する
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板。 - 前記未再結晶率が7%以上、20%以下である
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。
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