JP7453796B2

JP7453796B2 - 低磁性オーステナイト系ステンレス鋼

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Publication number: JP7453796B2
Application number: JP2020009293A
Authority: JP
Inventors: 幸寛西田; 太一朗溝口
Original assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: JP2021116444A

Description

本発明は、低磁性オーステナイト系ステンレス鋼に関する。

従来、オーステナイト系ステンレス鋼として、例えばリニアモータカーの鉄筋固定用金具や、スマートフォンなどの精密機器のばね材などとして利用可能なものがある。

このような用途のステンレス鋼は、まず低磁性であることが求められる。元来、これらの用途ではＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４などの安定系または準安定系のオーステナイト系ステンレス鋼を調質圧延により高強度化しばね性を付与して使用することが多いが、オーステナイト安定度が低いと調質による加工歪が加わることで加工誘起マルテンサイトの生成により磁性を有するようになり、このような用途に対し不適となる場合がある。そのようなステンレス鋼を低磁性（非磁性）鋼とする手段として、一般的には、（ａ）Ｎｉ（ニッケル）の含有量を増やしたり、Ｎ（窒素）を添加したり、Ｃｕ（銅）を添加したりすることによりオーステナイト安定度を高める手法、および、（ｂ）Ｍｎ（マンガン）を多量添加する手法などが知られている。

特開昭６１－２１３３５１号公報特開平７－１１３１４４号公報特開２０１２－１７７１７０号公報特開２００４－２２５０８２号公報特開平９－２７２９５４号公報

上記の（ａ）の手法では、高価なＮｉの含有率増加によりコスト高を招き、またγ単相とすることで製造性が悪化するおそれがある。また、上記の（ｂ）の手法では、Ｎｉの含有量が低く、Ｍｎの含有量が高いステンレス鋼は、スクラップ管理が問題となり、また製鋼での製造性が悪化するおそれがある。

そこで、Ｎｉベースでオーステナイト安定度を高めた鋼が望まれる。

さらに、リニアモータカーでは、走行時に磁力を使用しており、精密機器では、周囲の電子機器やセンサ類に対し影響を極力与えないようにすることから、それぞれに使用されるステンレス鋼は、シールド性が高いほうが望ましい。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、低磁性で、かつ、ばね性およびシールド性に優れた安価な低磁性オーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。

請求項１記載の低磁性オーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ（炭素）：０．０８％以下、Ｓｉ（ケイ素）：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％未満、Ｐ（リン）：０．０４５％以下、Ｓ（硫黄）：０．０２％未満、Ｎｉ：８．０％以上９．５％未満、Ｃｒ（クロム）：１７％以上２１％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．５％以下、Ｃｕ：０．１％以上１．５％以下、Ｎ：０．０２％以上０．１２％以下、Ｏ（酸素）：０．０１５％以下、Ｃｏ（コバルト）：０．１７％以上０．２４％以下、Ａｌ（アルミニウム）：０．０２４％以下、Ｓｎ（錫）：０．０２％以下を含有するとともに、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）の少なくともいずれか１種を合計で０．０９３％以上０．３８１％以下含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなり、含有されている各元素の含有量の質量％が代入され、無添加のものは０が代入される以下の各式において、Ｃｕ－０．２Ｍｏの値が０．１０以上で、２５Ｎ－Ｃｕの値が０以上で、Ｍｄ_３０＝５５１－４６２（Ｃ＋Ｎ）－９．２Ｓｉ－８．１Ｍｎ－２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）－１３．７Ｃｒ－１８．５Ｍｏで示されるオーステナイト安定指標であるＭｄ_３０の値が－４０℃～－１００℃であり、ビッカース硬さＨＶが３００以上３５０以下であるものである。

請求項２記載の低磁性オーステナイト系ステンレス鋼は、請求項１記載の低磁性オーステナイト系ステンレス鋼において、質量％で、Ｂ（ホウ素）：０．００５％以下をさらに含有するものである。

本発明によれば、Ｎｉをベースとしながら、主としてＣｕ、Ｎ、Ｍｏの添加バランスを制御し、高価なＮｉの添加量を抑制して、低磁性で、かつ、ばね性およびシールド性に優れた安価な低磁性オーステナイト系ステンレス鋼を提供できる。

本実施例のＣｕ－０．２Ｍｏと比透磁率との関係を示すグラフである。本実施例のＣｕ－０．２Ｍｏとシールド効果との関係を示すグラフである。本実施例の２５Ｎ－Ｃｕとビッカース硬さとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

本実施の形態のステンレス鋼は、低磁性のオーステナイト系ステンレス鋼であって、０．０８質量％以下のＣ、１．０質量％以下のＳｉ、２．０質量％未満のＭｎ、０．０４５質量％以下のＰ、０．０２質量％未満のＳ、８．０質量％以上９．５質量％未満のＮｉ、１７質量％以上２１質量％以下のＣｒ、０．５質量％以下のＭｏ、０．１質量％以上１．５質量％以下のＣｕ、０．０２質量％以上０．１２質量％以下のＮ、０．０１５質量％以下のＯを含有する。また、ステンレス鋼は、０．００５質量％以下のＢを含有していてもよい。さらに、ステンレス鋼は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒの少なくともいずれか１種を合計０．５質量％以下含有していてもよい。そして、ステンレス鋼は、残部がＦｅおよび不可避的不純物で構成される。

Ｃは、オーステナイト安定化元素であり、低磁性化（非磁性化）に対してきわめて有効な元素である。また、Ｃは添加により高強度化、ばね性の付与が図れる元素であるが、０．０８質量％を超えて添加するとステンレス鋼の耐食性を損なう。そのため、Ｃは上限を０．０８質量％とする。なお、Ｃは無添加を含まない。

Ｓｉは、高強度化に有利な元素であるものの、フェライト安定化元素であるため、非磁性化には不利な元素である。したがって、Ｓｉは、上限を１．０％質量とする。なお、Ｓｉは無添加を含まない。

Ｍｎは、オーステナイト安定化元素であり、低磁性化（非磁性化）には極めて有効な元素である。また、Ｍｎを用いることにより、高価なＮｉを節約することができる。ただし、Ｍｎは、含有量が高いとステンレス鋼の耐食性が低下し、特にＭｎの含有量が高く、Ｎｉの含有量を抑制した場合は、ステンレス鋼のスクラップの管理などの問題が生じる。そのため、本実施の形態のステンレス鋼は、Ｎｉベースとし、Ｍｎの上限を２．０質量％未満とする。また、Ｍｎの下限は、好ましくは０．７質量％とする。なお、Ｍｎは無添加を含まない。

ＰおよびＳは、ステンレス鋼に不可避的に混入する不純物であるが、いずれも熱間加工性を低下させる元素である。そのため、Ｐ、Ｓは無添加とすることが好ましいが、不可避的に混入する場合でもＰの上限を０．０４５質量％、Ｓの上限を０．０２質量％未満とする。

Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、低磁性化（非磁性化）には極めて有効な元素である。本実施の形態において、必要な低磁性化（非磁性化）を確保するためには、最低でもＮｉを８．０質量％以上添加する必要がある。一方で、Ｎｉは、高価な元素であり、必要以上の添加はコスト増となるため、９．５質量％未満とする。

Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼の基本元素であり、耐食性を付与する元素である。Ｃｒは、ステンレス鋼に必要な耐食性を付与するために１７質量％以上の添加を必要とする。ただし、Ｃｒの過剰な添加は非磁性を損なうため、上限を２１質量％とする。

Ｍｏは、高価な元素かつフェライト生成元素である。他方、検討の結果、Ｍｏは電磁波シールド性を低下させることが判明した。したがって、本実施の形態においては、無添加とすることが好ましいが、工業生産においてはＭｏ添加鋼も同一ラインで製造し、また一定量のスクラップを使用する関係上、不可避的な混入は避けられない。その点を考慮し、Ｍｏの上限を０．５質量％とする。

Ｃｕは、本実施の形態において最も重要な添加元素である。Ｃｕは、非磁性を向上するだけでなく、検討の結果、電磁波シールド性を向上させる効果があることが明らかになった。これは、鋼表面またはバルク中への濃化もしくは析出により電界波の反射もしくは多重反射特性を向上させていることが考えられる。この効果を発揮するために、Ｃｕは最低でも０．１質量％の添加が必要となり、好ましくは０．２質量％以上、さらに好ましくは０．４質量％以上とする。ただし、必要以上のＣｕの添加は、ステンレス鋼の熱間加工性およびばね性を損なうため、上限を１．５質量％とし、好ましくは１．０質量％以下とする。

Ｎは、オーステナイト安定度を高めるとともに、ステンレス鋼の強度や耐食性、および、ばね性を向上させる。そのため、Ｎは０．０２質量％以上、好ましくは０．０３質量％以上添加する。他方、Ｎの過剰な添加はステンレス鋼の熱間加工性等の製造性を低下させるため、上限を０．１２質量％とする。

Ｏは、不可避的不純物として鋼中への混入が避けられない元素であるが、加工品として使用される用途が多く、加工割れの起点となる大型介在物の生成を極力抑制するために、極力低減することが望ましい。つまり、本実施の形態において、Ｏは無添加とすることが好ましいが、不可避的に混入される場合でも上限を０．０１５質量％とする。

Ｂは、オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｂの過剰な添加はステンレス鋼の製造性を損なうので、上限を０．００５質量％とする。

Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒは、いずれもステンレス鋼の強度を向上させる元素であり、またＣを固定することで耐粒界腐食性を向上させる元素である。これらＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒは、少なくともいずれか１種を必要に応じ添加することができる。ただし、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒの必要以上の添加はステンレス鋼中に過剰に形成された析出物により冷間加工性が低下するため、合計の上限を０．５質量％以下とする。

そして、本実施の形態のステンレス鋼は、調質圧延やプレス加工などにより圧延率３０％の冷間圧延に相当する加工歪を付加した状態で、硬さがＨＶ３００～３５０、かつ、比透磁率μｒが１．１以下であるとともに、周辺機器に誤操作などの影響を与えるノイズを遮断するシールド性を有している。本実施の形態のステンレス鋼は、ＫＥＣ法（電界）により測定される周波数２００ＭＨｚの電磁波に対する板厚０．３０ｍｍでのシールド効果（ＳＥ）が７４ｄＢ以上である。

そのため、本実施の形態のステンレス鋼は、上記各元素の含有量の範囲において、含有されている各元素の含有量の質量％が代入され、無添加のものは０が代入される以下の各式において、Ｃｕ－０．２Ｍｏの値が０．１０以上で、２５Ｎ－Ｃｕの値が０以上で、Ｍｄ_３０＝５５１－４６２（Ｃ＋Ｎ）－９．２Ｓｉ－８．１Ｍｎ－２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）－１３．７Ｃｒ－１８．５Ｍｏで示されるオーステナイト安定指標であるＭｄ_３０の値が－４０℃～－１００℃、好ましくは－５０℃～－８０℃となるように成分調整されている。

これは、上記のとおり、電界波のシールド特性に対し、Ｃｕ添加が有効である一方で、Ｍｏの添加はシールド特性を阻害することから、その効果がＣｕ－０．２Ｍｏで整理できることを見出したことに基づくものである。０．３０ｍｍの板厚で、周波数２００ＭＨｚの電界波に対するシールド効果（ＳＥ）を７４ｄＢ以上とするために、Ｃｕ－０．２Ｍｏの値は０．１０以上とする必要がある。

また、調質圧延時のステンレス鋼のばね特性に対し、Ｎが有効である一方で、Ｃｕの添加はばね性を低下させることから、その効果が２５Ｎ－Ｃｕにより整理できることを見出し、ビッカース硬さＨＶを指標としたときに、圧延率３０％の冷間圧延に相当する加工歪を付加した状態でＨＶ３００～３５０とするために、２５Ｎ－Ｃｕを０以上とする必要がある。

さらに、圧延率３０％の冷間圧延に相当する加工歪を付加した状態で比透磁率μｒを１．１以下とするために、Ｍｄ_３０を－４０℃以下、好ましくは－５０℃以下とする必要がある。その中で、本実施の形態のステンレス鋼は、Ｎｉベースでかつ極力低Ｎｉとするため、ＣｕとＮとの添加バランスを考慮した成分系とし、Ｍｄ_３０の下限を設定している。

このように、本実施の形態によれば、Ｎｉをベースとしながら、主としてＣｕ、Ｎ、Ｍｏの添加バランスを制御し、高価なＮｉの添加量を抑制しつつ、低磁性で、かつ、ばね性およびシールド性に優れた安価な低磁性オーステナイト系ステンレス鋼を提供できる。

そして、本実施の形態のステンレス鋼は、所定の製造工程を経て、リニアモータカー周辺部材、特にリニアモータカー鉄筋固定用金具として、または、例えばスマートフォン内部の構成部品、自動車、ゲーム機器、ロボットなどの電装部品、センサ周辺部材、各種自動回路、制御回路など、精密機器のばね材やシールドカバーなどの内部構成部品として好適に用いられる。

以下、本実施例および比較例について説明する。

まず、表１に示す組成のステンレス鋼を溶製した。表１において、サンプルＮｏ．１～６が本発明で規定する化学成分を有する発明対象鋼（本実施例）で、サンプルＮｏ．７～16が比較鋼（比較例）である。

表１に示す各組成のステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶解した３０ｋｇインゴットを厚み５０ｍｍ、幅１５０ｍｍに鍛造した後、厚み３５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、奥行き１８０ｍｍに切り出し、１２３０℃で２時間在炉後、この温度から熱間圧延を７パス実施し、厚み４．５ｍｍに圧延し３００ｍｍ長さに切断した後、１１００℃で均熱１分のＴＯＰ焼鈍および酸洗を行った。その後、室温での冷間圧延、３００ｍｍ長さへの切断、１１００℃で均熱１分の焼鈍および酸洗、の一連の工程を２度繰り返し、板厚０．４３ｍｍの冷延焼鈍酸洗板を得た。その後、室温で圧延率３０％の調質圧延を実施し、厚み０．３０ｍｍに仕上げた。

このように製造されたステンレス鋼に対し、比透磁率を測定した。この比透磁率の測定には、理研電子株式会社の振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用い、放電加工にて直径８ｍｍに切り出した試験片を５枚重ねにして、磁場Ｈ＝１５ｋＯｅ（エルステッド）付与時の磁束密度を測定し、その傾きより比透磁率μｒを求めた。比透磁率μｒは、１．１０以下を良好と判定し、それより大きいものをＮＧと判定した。

また、上記ステンレス鋼に対し、電磁波のシールド性を測定した。このシールド性の測定には、アンリツ株式会社製シールドボックス（ＭＡ８６０２Ｂ）を用いＫＥＣ法（電界）にて測定した。微小モノポールアンテナを発信源とした電界波にて、発信波に対する受信波の電力の比で表されるシールド効果（ｄＢ）を測定した。シールド効果は、周波数２００ＭＨｚにおける値が７４ｄＢ以上となるものを良好と判定し、それ未満のものをＮＧと判定した。

さらに、上記ステンレス鋼に対し、ばね特性を測定した。ばね特性の指標としては、ビッカース硬さを用いた。硬さ測定はＪＩＳＺ２２４４に準拠し、板表面の硬さを測定した。ビッカース硬さＨＶは、３００以上３５０以下を良好と判定し、その範囲を逸脱するものをＮＧと判定した。

表１、および、図１に示すように、本実施例のステンレス鋼は、上記の実施の形態の範囲を満たしていることにより、Ｎｉをベースとしながらも、Ｃｕ、Ｎの添加バランスによって、極力低Ｎｉでオーステナイト安定度を確保し、比透磁率μｒが１．１０以下の低磁性（非磁性）を有する。

また、表１、および、図２に示すように、本実施例のステンレス鋼は、上記の実施の形態の範囲を満たしていることにより、周波数２００ＭＨｚの電界波に対するシールド効果が７４ｄＢ以上の、良好なシールド性を有する。

それに対し、表１中のサンプルＮｏ．８～10のステンレス鋼については、鋼中成分に基づくＭｄ_３０の数値が上記の実施の形態の範囲を逸脱していたため（表中の下線）、比透磁率μｒが１．１０より大きかった。

また、表１中のサンプルＮｏ．11～16のステンレス鋼については、鋼中成分に基づくＣｕ－０．２Ｍｏの値が上記の実施の形態の範囲を逸脱していたため（表中の下線）、シールド効果が７４ｄＢ未満となった。

さらに、表１、および、図３に示すように、本実施例のステンレス鋼は、上記の実施の形態の範囲を満たしていることにより、ビッカース硬さＨＶが３００以上３５０以下の範囲にある、良好なばね特性を有する。

それに対し、表１中のサンプルＮｏ．７，８のステンレス鋼については、鋼中成分に基づく２５Ｎ－Ｃｕの値が上記の実施の形態の範囲を逸脱していたため（表中の下線）、ビッカース硬さＨＶが３００未満となり、良好なばね性を得ることができなかった。

したがって、本発明の条件を満たすことにより、安価かつ比透磁率、ばね性およびシールド性に優れたステンレス鋼が製造できることが確認された。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％未満、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０２％未満、Ｎｉ：８．０％以上９．５％未満、Ｃｒ：１７％以上２１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｕ：０．１％以上１．５％以下、Ｎ：０．０２％以上０．１２％以下、Ｏ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１７％以上０．２４％以下、Ａｌ：０．０２４％以下、Ｓｎ：０．０２％以下を含有するとともに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒの少なくともいずれか１種を合計で０．０９３％以上０．３８１％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
含有されている各元素の含有量の質量％が代入され、無添加のものは０が代入される以下の各式において、
Ｃｕ－０．２Ｍｏの値が０．１０以上で、
２５Ｎ－Ｃｕの値が０以上で、
Ｍｄ_３０＝５５１－４６２（Ｃ＋Ｎ）－９．２Ｓｉ－８．１Ｍｎ－２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）－１３．７Ｃｒ－１８．５Ｍｏで示されるオーステナイト安定指標であるＭｄ_３０の値が－４０℃～－１００℃であり、
ビッカース硬さＨＶが３００以上３５０以下である
ことを特徴とする低磁性オーステナイト系ステンレス鋼。
質量％で、Ｂ：０．００５％以下をさらに含有する
ことを特徴とする請求項１記載の低磁性オーステナイト系ステンレス鋼。