JP7318648B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼帯およびその製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち本発明の一態様は、マルテンサイト組織を有する厚さ1mm以下のマルテンサイト系ステンレス鋼帯であって、
前記鋼帯の表面における圧縮残留応力が50MPa以上であり、
前記鋼帯の金属組織中に存在する炭化物の面積率は、0.5%以上8.0%以下であることを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼帯である。
好ましくは、前記鋼帯の表面における圧縮残留応力は、圧延直角方向における圧縮残留応力が圧延方向における圧縮残留応力よりも50MPa以上大きい。
好ましくは、前記炭化物のうち円相当径0.10μm以上の炭化物の面積率を100%としたとき、円相当径0.10μm~0.50μmの炭化物の面積率が45%以上である。
鋼帯を非酸化性ガス雰囲気の焼入れ炉に通板して加熱し、次いで冷却する焼入れ工程と、
焼入れ後の鋼帯を、非酸化性ガス雰囲気の焼戻し炉に通板して焼戻しする焼戻し工程と、を行い、
前記焼入れ工程時の焼入れ炉は、少なくとも昇温部と保持部とを有し、前記昇温部は、所定の焼入れ温度をT(℃)とした場合、0.7T(℃)以上T(℃)未満の温度範囲内に設定され、かつ前記昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定され、前記保持部は焼入れ温度T(℃)に設定され、前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間は、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間以上であり、
前記焼戻し工程を終えた鋼帯の表面を機械加工により研磨する研磨工程を行うことを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法である。
好ましくは、前記焼入れ工程において、前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間をTS、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間をTHとした場合、TS/THが1より大きく、5より小さい。
まず本発明は、焼入れ焼戻しを連続で行うために、コイル状に巻かれている鋼帯が巻出し機1に装着されており、巻出し機1より圧延済みの鋼帯2を巻出した後(巻出し工程)、非酸化性ガス雰囲気の加熱炉(焼入れ炉)3に通板して加熱し、次いで鋼帯を冷却する(焼入れ工程)。本実施形態で用いる焼入れ炉3は、図1に示すように昇温部3Aと、保持部3Bとが設置されている。尚、図1の焼入れ炉3は、保持部3Bに続いて降温部3Cも設けられている。この降温部3Cは必須ではないが、設けられていることが好ましい。本実施形態では、通板されてきた鋼帯を所定の焼入れ温度に保持する保持部の前に、設定加熱温度を焼入れ温度より低く設定した昇温部を設けている。尚、昇温部は、昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定されている。具体的には本実施形態の焼入れ工程は、所定の焼入れ温度をT(℃)とした場合、0.7T(℃)以上T(℃)未満の温度範囲内で、かつ昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定された昇温部を有し、次いで焼入れ温度T(℃)に設定された保持部を有する。上記の条件で焼入れ工程の加熱を行うことで、鋼帯の通板速度を低下させることなく急速な加熱による形状不良を抑制し、さらに炭化物サイズの抑制や炭化物面積率の低減といった効果を得ることができる。昇温部の好ましい設定加熱温度の下限は、0.8T(℃)である。昇温部の設定加熱温度が0.7T(℃)未満の場合、鋼帯が所望の時間で所望の温度まで上昇できず、特性が低下する可能性がある。昇温部の設定加熱温度がT(℃)以上の場合、鋼帯が急速に加熱されて、形状不良の発生する可能性が高まる。ここで本実施形態において鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間(図1において、焼入れ炉3を通過する時間(昇温部3Aに入って、降温部3Cを出るまでの時間))をM1[min]、鋼帯の板厚をt[mm]としたときに、M1/tを4~8に調整することが好ましい。上記のM1/tは例えば板厚が0.3mmのとき、焼入れ炉の通過に要する時間を1.2~2.4minで通過するように調整すればよい。この数値に調整することで、本発明の形状抑制効果を確実に得ることが可能である。ここで昇温部の設定加熱温度は、例えば、急激な温度変化を防ぐために、昇温部の鋼帯の入側から鋼帯の出側まで段階的に設定加熱温度が上がるように設定しても良い。
また予熱工程時の予熱温度は、予熱を有効なものにするために、600℃以上に設定することが好ましい。一方で急激な昇温による変形をより確実に抑制するために、800℃未満に設定することが好ましい。
また、焼入れ工程の急冷は、圧縮空気と水を用いた噴霧装置4によって鋼帯2をMs点を超えて350℃以下に冷却する第一冷却工程の後、鋼帯を挟みこむように水冷定盤5で拘束し、形状を矯正しながらMs点以下に冷却する第二冷却工程を行ってマルテンサイト組織とするのが好ましい。冷却を二段階とするのは、第一冷却工程でパーライトノーズを避けつつ、且つ、鋼帯2の焼入れ時に生じる歪を軽減し、次の第二冷却工程でマルテンサイト変態を行わせつつ、鋼帯2の形状を整えることができるためである。 本実施形態で用いる水冷定盤5は水により冷却しつつ、更に、複数個を連続して配置することが好ましい。これは、水冷定盤内で拘束する時間を長くすることができるため、より確実にMs点以下まで冷却することができる。これにより、鋼帯2の変形の防止や矯正をより確実に行うことが期待できる。
焼き入れ工程後、非酸化性ガス雰囲気の焼戻し炉6にて鋼帯を焼戻し、鋼帯を所望の硬さに調整する。この焼戻し炉の温度は用途により所望の温度に設定することが可能である。例えばより高硬度な特性が必要な場合は、200~300℃に設定することができる。またプレス加工等の形状加工性を良くするためには、300℃~400℃に設定することもできる。なお、焼戻し工程における通板速度が過度に速すぎると、上述した温度範囲に到達しない可能性があるため、鋼帯が焼戻し炉の通過に要する時間をM2[min]、鋼帯の板厚をt[mm]としたときに、M2/tを5~9となるように設定することが好ましい。
続いて、焼戻し工程後の鋼帯の表面を研磨装置7を用いて研磨する、研磨工程を行う。本実施形態ではこの研磨工程により、鋼帯の表層のスケールを除去しつつ、鋼帯の表面に安定して圧縮残留応力を付与することが可能となる。なお、焼入れ前の冷間圧延工程にて、冷間圧延にて鋼帯の表面に圧縮残留応力を付与したとしても、最終圧延後に焼鈍を行ったり、焼入れ焼戻しを行った場合、応力分布が変化して鋼帯表層に引張残留応力が付与される場合がある。焼入れ焼戻し後の鋼帯に再び圧縮残留応力を付与する方法として、ショットピーニングやショットブラストなどの投射材を用いた研磨があるが、鋼帯の幅に均一に処理することが難しく、高コストな傾向にある。そのため本実施形態における研磨工程では、砥石研磨、ベルト研磨、ブラシ研磨、バフ研磨等に代表される機械加工により研磨する研磨工程を適用する。好ましくは、バフ研磨を適用することで、表層のスケールを除去しつつ、鋼帯の表面に大きなダメージを与えることなく、容易に所望の残留応力に調整することが可能である。バフ研磨を適用する場合、バフの材質は綿やポリエステル等の既存の化学繊維や麻繊維を用いたバフを適用することが可能であり、研磨力を上げまた持続させるためにアルミナやシリカ等の研磨材をバフに含浸させたり、噴射させてもよい。なおこの研磨工程は、焼戻し後の鋼帯に連続して行ってもよく、焼戻し後の鋼帯を一旦巻取り、別のラインで再度巻き出して研磨工程のみを行ってもよい。研磨工程後、巻取り機8によって巻取ることにより、所望の疲労強度を有するマルテンサイト系ステンレス鋼帯を得ることができる。
まず幅が約300mmであり、厚さが0.2mmであるマルテンサイト系ステンレス鋼帯を用意した。組成を表1に示す。用意した鋼帯はコイル状に巻かれており、それを巻出し機1にセットし、鋼帯を巻出し機より巻き出し、巻き出された鋼帯を、アルゴンガス雰囲気とした焼入れ炉に通板した。焼入れ炉は昇温部3Aと保持部3Bと降温部3Cとから構成され、昇温部3Aの設定加熱温度を保持部の温度以下で、かつ800℃以上1040℃未満の範囲内で、保持部に向かって徐々に設定加熱温度が高くなるように設定し、保持部3Bの温度を1040℃~1100℃に設定し、降温部3Cの温度を950℃以上1040℃未満に設定した。鋼帯が焼入れ炉を通過するのに要する時間(焼入れ炉3の昇温部3Aに入って、降温部3Cを出るまでの時間)をM1[min]、鋼帯の板厚をt[mm]としたときのM1/tが約6になるようにそれぞれ鋼帯の通板速度を調整した。続いて、焼入れ炉の出側に設置された冷却液の噴霧装置4により、鋼帯に純水を噴霧して1次冷却を行い、鋼帯を290℃~350℃まで冷却した後、水冷定盤5で押圧する2次冷却工程を行い、100℃以下まで冷却した。その後、鋼帯をアルゴンガス雰囲気とした焼戻し炉6に、鋼帯が焼戻し炉を通過するのに要する時間をM2[min]、鋼帯の板厚をt[mm]としたときのM2/tが約7になるように通板速度を調整して通板した。焼戻し炉の温度は250℃~300℃に設定して焼戻しを行った。さらに焼戻し後の鋼帯に、バフ研磨による機械研磨を行い、巻取り機によって鋼帯を巻取って本発明例のマルテンサイト系ステンレス鋼帯を作製した。ここで本発明例は鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間M1を100%と規定したとき、昇温部の所要時間(鋼帯の炉内滞在時間)が50%、保持部の所要時間が34%、降温部の所要時間が16%となるように調整した。対して比較例11のマルテンサイト系ステンレス鋼帯は、焼入れ工程時の加熱が全て保持部で構成されており、設定加熱温度は1040℃~1100℃であり、焼戻し温度は320~370℃であった。
続いて、研磨工程の有無による残留応力の変化を調査した。実施例1で作製した本発明例1の鋼帯表層の残留応力と、研磨工程を行わず、他の条件は本発明例の条件と同等とした比較例12の鋼帯表層の残留応力とを測定・比較した。残留応力の測定方法は、裁断した試料に、X線応力測定装置(sin2Ψ法)を用いて測定した。測定結果を図2に示す。なお図2では、引張と圧縮の残留応力を分かりやすく記載するため、負の値(-表示)で圧縮残留応力を、正の値(+表示)で引張残留応力を示しているが、本明細書中では圧縮残留応力は負の値ではなく、正の値で記載している。図2に示すように、比較例12はわずかな引張残留応力が付与されていることに対して、本発明例1は大きな圧縮残留応力が付与されており、より高い疲労強度が必要な用途に適した発明であることが確認できた。
2 鋼帯
3 焼入れ炉
4 噴霧装置
5 水冷定盤
6 焼戻し炉
7 研磨装置
8 巻取り機
Claims (4)
- マルテンサイト組織を有する厚さ1mm以下のマルテンサイト系ステンレス鋼帯であって、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼帯の表面における圧縮残留応力が50MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼帯の表面における圧縮残留応力は、圧延直角方向における圧縮残留応力が圧延方向における圧縮残留応力よりも50MPa以上大きく、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼帯の金属組織中に存在する炭化物の面積率は、0.5%以上8.0%以下であることを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼帯。 - 前記炭化物のうち円相当径0.10μm以上の炭化物の面積率を100%としたとき、円相当径0.10μm~0.50μmの炭化物の面積率が45%以上であることを特徴とする、請求項1に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯。
- 厚さ1mm以下のマルテンサイト系ステンレス鋼帯を巻出す巻出し工程と、
鋼帯を非酸化性ガス雰囲気の焼入れ炉に通板して加熱し、次いで冷却する焼入れ工程と、
焼入れ工程後の鋼帯を、非酸化性ガス雰囲気の焼戻し炉に通板して焼戻しする焼戻し工程と、を行い、
前記焼入れ工程時の焼入れ炉は、少なくとも昇温部と保持部とを有し、前記昇温部は、所定の焼入れ温度をT(℃)とした場合、0.7T(℃)以上T(℃)未満の温度範囲内に設定され、かつ前記昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定され、前記保持部は焼入れ温度T(℃)に設定され、前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間は、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間以上であり、
前記焼戻し工程を終えた鋼帯の表面を機械加工により研磨する研磨工程を行い、
鋼帯の表面における圧縮残留応力が50MPa以上であり、鋼帯の表面における圧縮残留応力は、圧延直角方向における圧縮残留応力が圧延方向における圧縮残留応力よりも50MPa以上大きく、鋼帯の金属組織中に存在する炭化物の面積率は、0.5%以上8.0%以下であるマルテンサイ系ステンレス鋼帯を得ることを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。 - 前記焼入れ工程において、前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間をTS、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間をTHとした場合、TS/THが1より大きく、5より小さいことを特徴とする、請求項3に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
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