JPWO2016039429A1 - 拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼板 - Google Patents
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Abstract
表面の少なくとも一部に皮膜が形成されたオーステナイト系ステンレス鋼板であって、前記オーステナイト系ステンレス鋼板の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０１％以上０．１０％以下、Ｓｉ：０．２％以上２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｒ：１５．０％以上２２．０％以下、Ｎｉ：４．５％以上１０．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｂ：０．３０％以下、Ｎ：０．０１％以上０．１５％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、前記皮膜が、その表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｓｉ量が１０．０％以上で、かつ最大Ｆｅ量が８．５％以下であるＳｉ濃化層を備え、前記Ｓｉ濃化層の厚さが５ｎｍ以上である。この鋼板は、高温でも拡散接合し難い。
Description
本発明は、拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼板に関する。
高い耐熱性が要求される自動車や二輪車の排気系ガスケット等の耐熱部品には、オーステナイト系ステンレス鋼が使われている。燃費向上の観点から、排気温度が年々上昇しており、これらの耐熱部品は、７００℃以上の高温に曝される場合がある。このような高温では、素材の軟化に加え、周辺のパーツと接合してしまうという問題がある。これは、接触した部分の原子が相互に拡散する拡散接合と呼ばれる現象である。
例えば、特許文献１には、Ａｌを３〜１０％添加し、Ａｌ2Ｏ3皮膜を生成させることで拡散接合し難いフェライト系ステンレス鋼が提案されている。
特許文献１の技術のように、フェライト系ステンレス鋼では、排気系ガスケットとして十分な高温強度が得られない。また、特許文献１が開示するように、多量にＡｌを添加すると、ＡｌＮからなる介在物が生成し易く、ガスケットのような薄い部品では、疲労特性などに顕著な悪影響を与える。
本発明の目的は、従来技術の問題を解決するため、高温でも拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼を工業的に安定して提供することである。
本発明者らは、拡散接合性は、鋼板の表面皮膜に大きな影響を受けると考え、皮膜の組成、厚みおよび皮膜構成物質の構造と拡散接合性の関係について調査、検討した。その結果、皮膜中のＦｅを低減した上で、皮膜中にＳｉＯ２として存在するＳｉの量を濃化させること、及び、このＳｉ濃化層を厚くすることが、拡散接合の抑制に効果的であることを知見した。
オーステナイト系ステンレス鋼表面の皮膜中のＳｉＯ２は、ステンレス鋼の皮膜として一般的なＣｒ２Ｏ３と比較して、高温でも消失し難いため、接合を抑制する効果を有する。Ｆｅは、オーステナイト系ステンレス鋼の母材に多量に存在するため、Ｆｅ酸化物として接合界面近傍に存在し得る。しかし、Ｆｅ酸化物は、上記のＳｉＯ２およびＣｒ２Ｏ３に比べて拡散接合工程において容易に消失する。このため、接合界面近傍にＦｅが多量に存在する場合は、表面皮膜中のＳｉＯ２を濃化させたとしても、Ｆｅの拡散を抑制することが困難であり、接合を抑制する効果は不十分となる。よって、表面皮膜中のＦｅを低減し、ＳｉＯ２として存在するＳｉを濃化させることが重要である。
また、製造方法についても、詳細に検討した結果、上記のようなＳｉ量の高い皮膜形成に有効な熱処理条件を見出した。例えば、図１に、熱処理温度（℃）と、熱処理後のステンレス鋼表面の皮膜中の最大Ｓｉ量（質量％）及びＳｉ濃化層厚さ（ｎｍ）の関係を示す。なお、この実験は、Ｎ2：90vol%およびＨ2：10vol%を含む混合ガス雰囲気（露点が-50℃）の熱処理炉を用い、種々温度を変更して行った。図１に示すように、特定の熱処理温度で、表面皮膜中の最大Ｓｉ量が極めて多くなり、Ｓｉ濃化層が厚くなることを知見した。なお、熱処理条件は、具体的には、処理温度、雰囲気、及び、露点である。処理温度とは、所定温度に設定された熱処理炉内で一定時間均熱した後の温度であり、具体的には熱処理炉の設定温度と同じである。この知見により、表面にＳｉ濃化層を形成することができるが、必ずしも表面のＦｅを低減させることはできず、接合の抑制は不十分である。
そこで、本発明者らは、皮膜中のＦｅを低減させた上でＳｉ濃化層を工業的に安定して形成できる方法について検討を行った結果、高電流密度で電解処理を施すことがよいことが判明した。図２には、電解処理時の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、ステンレス鋼表面の皮膜中の最大Ｓｉ量（質量％）との関係を示す。図２に示すように、特定の電流密度で、皮膜中のＳｉ量が非常に多くなり、本発明の目的を達成し得るオーステナイト系ステンレス鋼板を、工業的に安定して提供できることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。
（１）表面の少なくとも一部に皮膜が形成されたオーステナイト系ステンレス鋼板であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼板の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．１０％以下、
Ｓｉ：０．２％以上２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｍｏ：１．０％以下、
Ｃｒ：１５．０％以上２２．０％以下、
Ｎｉ：４．５％以上１０．０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、
Ｎ：０．０１％以上０．１５％以下、
残部がＦｅ及び不可避不純物であり、
前記皮膜が、その表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｓｉ量が１０．０％以上で、かつ最大Ｆｅ量が８．５％以下であるＳｉ濃化層を備え、
前記Ｓｉ濃化層の厚さが５ｎｍ以上である、拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼板。
前記オーステナイト系ステンレス鋼板の化学組成が、質量％で、
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残部がＦｅ及び不可避不純物であり、
前記皮膜が、その表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｓｉ量が１０．０％以上で、かつ最大Ｆｅ量が８．５％以下であるＳｉ濃化層を備え、
前記Ｓｉ濃化層の厚さが５ｎｍ以上である、拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼板。
本発明によれば、高温でも拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼を、工業的に安定して提供することができる。
１．オーステナイト系ステンレス鋼板の化学組成
本発明鋼板の化学組成は、オーステナイト系ステンレス鋼板を得るのに必要な化学組成に、高温強度などの耐熱性、更に、高Ｓｉ皮膜を得るのに必要な化学組成を加えて規定されている。具体的には、以下の通りである。ただし、％は、質量％を意味する。
本発明鋼板の化学組成は、オーステナイト系ステンレス鋼板を得るのに必要な化学組成に、高温強度などの耐熱性、更に、高Ｓｉ皮膜を得るのに必要な化学組成を加えて規定されている。具体的には、以下の通りである。ただし、％は、質量％を意味する。
Ｃ：０．０１％以上０．１０％以下
Ｃは、固溶強化や析出強化によって高温での高強度化に寄与する元素である。従って、Ｃは０．０１％以上含有させる。好ましくは０．０３％以上である。多量に含有すると、熱処理時に粗大なＣｒ炭化物が結晶粒界に析出し、高温での耐酸化性が低下するので、その含有量は０．１０％以下とする。好ましくは０．０８％以下である。
Ｃは、固溶強化や析出強化によって高温での高強度化に寄与する元素である。従って、Ｃは０．０１％以上含有させる。好ましくは０．０３％以上である。多量に含有すると、熱処理時に粗大なＣｒ炭化物が結晶粒界に析出し、高温での耐酸化性が低下するので、その含有量は０．１０％以下とする。好ましくは０．０８％以下である。
Ｓｉ：０．２％以上２．０％以下
Ｓｉは、本発明鋼板において最も重要な元素の一つである。Ｓｉは、鋼板表面にＳｉＯ２から構成されるＳｉ量の高い皮膜を形成し、拡散接合をし難くする作用をなす元素である。従って、Ｓｉは０．２％以上含有させる。好ましくは、０．３１％以上であり、より好ましくは、０．５％以上である。多量に含有すると、靭性が低下し、板の製造性が劣化するので、その含有量は２．０％以下とする。好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．２０％である。
Ｓｉは、本発明鋼板において最も重要な元素の一つである。Ｓｉは、鋼板表面にＳｉＯ２から構成されるＳｉ量の高い皮膜を形成し、拡散接合をし難くする作用をなす元素である。従って、Ｓｉは０．２％以上含有させる。好ましくは、０．３１％以上であり、より好ましくは、０．５％以上である。多量に含有すると、靭性が低下し、板の製造性が劣化するので、その含有量は２．０％以下とする。好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．２０％である。
Ｍｎ：１．５％以下
Ｍｎは、熱間加工時の脆性破壊防止と鋼の強化に寄与する元素である。しかし、多量に含有すると、耐食性が劣化するので、その含有量は１．５％以下とする。好ましくは１．３５％以下であり、より好ましくは１．２％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、通常は鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記の効果を確実に得るためには、０．２１％以上が好ましく、０．５％以上がより好ましい。
Ｍｎは、熱間加工時の脆性破壊防止と鋼の強化に寄与する元素である。しかし、多量に含有すると、耐食性が劣化するので、その含有量は１．５％以下とする。好ましくは１．３５％以下であり、より好ましくは１．２％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、通常は鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記の効果を確実に得るためには、０．２１％以上が好ましく、０．５％以上がより好ましい。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、耐食性の向上に寄与する元素である。しかし、多量に含有させても、コストの大幅な上昇を招くので、その含有量は１．０％以下とする。好ましくは、０．８０％以下、より好ましくは０．７％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記の効果を確実に得るためには、０．０２％以上が好ましく、０．５％以上がより好ましい。
Ｍｏは、耐食性の向上に寄与する元素である。しかし、多量に含有させても、コストの大幅な上昇を招くので、その含有量は１．０％以下とする。好ましくは、０．８０％以下、より好ましくは０．７％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記の効果を確実に得るためには、０．０２％以上が好ましく、０．５％以上がより好ましい。
Ｃｒ：１５．０％以上２２．０％以下
Ｃｒは、ステンレス鋼の基本元素であり、鋼板表面に金属酸化物層Ｃｒ２Ｏ３を形成し、耐食性を高める作用をなす元素である。よって、Ｃｒは１５．０％以上含有させる。好ましくは１６．１％以上であり、より好ましくは１７．０％以上である。しかし、Ｃｒは、強力なフェライト安定化元素でもあり、多量に含有すると、素材の熱間加工性を阻害するδフェライトが生成するので、その含有量は２２．０％以下とする。好ましくは２１．０％であり、より好ましくは２０．０％以下である。
Ｃｒは、ステンレス鋼の基本元素であり、鋼板表面に金属酸化物層Ｃｒ２Ｏ３を形成し、耐食性を高める作用をなす元素である。よって、Ｃｒは１５．０％以上含有させる。好ましくは１６．１％以上であり、より好ましくは１７．０％以上である。しかし、Ｃｒは、強力なフェライト安定化元素でもあり、多量に含有すると、素材の熱間加工性を阻害するδフェライトが生成するので、その含有量は２２．０％以下とする。好ましくは２１．０％であり、より好ましくは２０．０％以下である。
Ｎｉ：４．５％以上１０．０％以下
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化するのに必要な元素である。また、Ｎｉは、高温強度の向上にも有効な元素でもある。よって、Ｎｉは４．５％以上含有させる。好ましくは４．９％以上であり、より好ましくは５．０％以上である。しかし、多量に含有すると、冷間圧延時の加工誘起マルテンサイト変態が抑制される。さらに、Ｎｉは高価な元素であり、多量の添加は、コストの大幅な上昇を招く。それ故、Ｎｉ含有量は１０．０％以下とする。好ましくは９．５％以下であり、より好ましくは８．０％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化するのに必要な元素である。また、Ｎｉは、高温強度の向上にも有効な元素でもある。よって、Ｎｉは４．５％以上含有させる。好ましくは４．９％以上であり、より好ましくは５．０％以上である。しかし、多量に含有すると、冷間圧延時の加工誘起マルテンサイト変態が抑制される。さらに、Ｎｉは高価な元素であり、多量の添加は、コストの大幅な上昇を招く。それ故、Ｎｉ含有量は１０．０％以下とする。好ましくは９．５％以下であり、より好ましくは８．０％以下である。
Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定度を調整することが可能な元素である。しかし、多量に含有すると、製造過程で粒界に偏析し、熱間加工性を顕著に阻害し、製造が困難になる場合があるので、１．０％以下とする。好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．７０％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記の効果を確実に得るためには、０．０２％以上が好ましく、０．５％以上がより好ましい。
Ｃｕは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定度を調整することが可能な元素である。しかし、多量に含有すると、製造過程で粒界に偏析し、熱間加工性を顕著に阻害し、製造が困難になる場合があるので、１．０％以下とする。好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．７０％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記の効果を確実に得るためには、０．０２％以上が好ましく、０．５％以上がより好ましい。
Ｎｂ：０．３０％以下
Ｎｂは、微細な炭化物又は窒化物を形成して、高強度化に寄与し、高温での再結晶による軟化を抑制する作用をなす元素である。しかし、多量に含有させても、コストの上昇を招くので、０．３０％以下とする。好ましくは０．２０％以下であり、より好ましくは０．０７９％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記効果を確実に得るためには、０．０１％以上が好ましい。
Ｎｂは、微細な炭化物又は窒化物を形成して、高強度化に寄与し、高温での再結晶による軟化を抑制する作用をなす元素である。しかし、多量に含有させても、コストの上昇を招くので、０．３０％以下とする。好ましくは０．２０％以下であり、より好ましくは０．０７９％以下である。下限は０％を含むが、鉄原料から不可避的に０．００１％程度混入し、鋼板中に残留する。よって、０．００１％が実質的な下限である。上記効果を確実に得るためには、０．０１％以上が好ましい。
Ｎ：０．０１％以上０．１５％以下
Ｎは、Ｃと同様に固溶強化元素であり、高温強度の向上に寄与する元素である。よって、Ｎは０．０１％以上含有させる。好ましくは０．０３％以上であり、より好ましくは０．０４％以上である。一方、多量に含有すると、鋼板の製造過程で、破壊の起点となる粗大な窒化物が多数生成して、熱間加工性が劣化し、製造が困難となる場合があるので、０．１５％以下とする。好ましくは０．１３％以下であり、より好ましくは０．１２％以下である。
Ｎは、Ｃと同様に固溶強化元素であり、高温強度の向上に寄与する元素である。よって、Ｎは０．０１％以上含有させる。好ましくは０．０３％以上であり、より好ましくは０．０４％以上である。一方、多量に含有すると、鋼板の製造過程で、破壊の起点となる粗大な窒化物が多数生成して、熱間加工性が劣化し、製造が困難となる場合があるので、０．１５％以下とする。好ましくは０．１３％以下であり、より好ましくは０．１２％以下である。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼板の化学組成において、残部は、Ｆｅと不可避不純物である。
２．Ｓｉ濃化層
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼板は、表面の少なくとも一部に皮膜が形成されており、皮膜中のＦｅを低減した上で、その表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｓｉ量が１０％以上で、かつ最大Ｆｅ量が８．５％以下であるＳｉ濃化層を備える。皮膜は、主として酸化物で構成される、酸化皮膜である。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼板は、表面の少なくとも一部に皮膜が形成されており、皮膜中のＦｅを低減した上で、その表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｓｉ量が１０％以上で、かつ最大Ｆｅ量が８．５％以下であるＳｉ濃化層を備える。皮膜は、主として酸化物で構成される、酸化皮膜である。
表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｓｉ量：１０．０％以上
高温での拡散接合を抑制するためには、拡散を抑制する鋼板表面の皮膜を高温でも維持することが有効である。本発明における皮膜中のＳｉは、主としてＳｉ酸化物（ＳｉＯ２）として存在する。Ｓｉ酸化物は、ステンレス鋼の一般的な皮膜組成であるＣｒ酸化物と比較して、高温で安定して存在する。
高温での拡散接合を抑制するためには、拡散を抑制する鋼板表面の皮膜を高温でも維持することが有効である。本発明における皮膜中のＳｉは、主としてＳｉ酸化物（ＳｉＯ２）として存在する。Ｓｉ酸化物は、ステンレス鋼の一般的な皮膜組成であるＣｒ酸化物と比較して、高温で安定して存在する。
したがって、表層から１０ｎｍの範囲（皮膜最表面）のＳｉ量を多くすることで、高温でも、ステンレス鋼部品同士の拡散接合を抑制することができる。この効果を得るため、皮膜最表面のＳｉ量を１０．０％以上とする。好ましくは１２．５％以上であり、より好ましくは１４．０％以上である。
鋼板のＳｉ量と皮膜改質熱処理条件で、皮膜最表面のＳｉ量は変動するので、上限は、特に定めないが、実用鋼板上、３０．０％が上限となる。
表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｆｅ量：８．５％以下
Ｆｅは、オーステナイト系ステンレス鋼の母材に多量に存在するため、Ｆｅ酸化物として接合界面近傍に存在し得る。しかし、Ｆｅ酸化物は、ＳｉＯ２およびＣｒ２Ｏ３に比べて拡散接合工程において容易に消失する。このため、接合界面近傍にＦｅが多量に存在する場合は、表面皮膜中のＳｉＯ２を濃化させたとしても、Ｆｅの拡散を抑制することが困難であり、接合を抑制する効果は不十分となる。よって、表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｆｅ量を８．５％以下とする。
Ｆｅは、オーステナイト系ステンレス鋼の母材に多量に存在するため、Ｆｅ酸化物として接合界面近傍に存在し得る。しかし、Ｆｅ酸化物は、ＳｉＯ２およびＣｒ２Ｏ３に比べて拡散接合工程において容易に消失する。このため、接合界面近傍にＦｅが多量に存在する場合は、表面皮膜中のＳｉＯ２を濃化させたとしても、Ｆｅの拡散を抑制することが困難であり、接合を抑制する効果は不十分となる。よって、表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｆｅ量を８．５％以下とする。
Ｓｉ濃化層の厚：５ｎｍ以上
前述のとおり、皮膜中のＳｉ量が多いと拡散接合が抑制されるが、Ｓｉ濃化層が薄いと、長時間、高温に曝された際、皮膜が、徐々に金属と酸素ガスに分解され、ステンレス鋼部品同士が接合してしまう。それ故、Ｓｉ濃化層の厚さを５ｎｍ以上とする。好ましくは８ｎｍ以上である。
前述のとおり、皮膜中のＳｉ量が多いと拡散接合が抑制されるが、Ｓｉ濃化層が薄いと、長時間、高温に曝された際、皮膜が、徐々に金属と酸素ガスに分解され、ステンレス鋼部品同士が接合してしまう。それ故、Ｓｉ濃化層の厚さを５ｎｍ以上とする。好ましくは８ｎｍ以上である。
ここで、Ｓｉ濃化層の厚さの定義について説明する。図３に、表面からの距離（ｎｍ）とＳｉ量（質量％）の関係に基づく、最大Ｓｉ量（質量％）とＳｉ濃化層厚さ（ｎｍ）の定義を示す。Ｓｉ濃化層の厚さは、図３に示すように、Ｓｉ量が、最大Ｓｉ量の１／２の量（図中、１／２Ｓｉ量）となるまでの厚さである。
３．製造方法
次に、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼板を製造するのに適した方法について説明する。溶製、熱間圧延などは、従来と同様の方法で行ってもよい。以下、最終仕上げ処理としての皮膜改質熱処理と皮膜改質電解処理の条件を示すが、これら処理以外の処理には特段の条件はない。
次に、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼板を製造するのに適した方法について説明する。溶製、熱間圧延などは、従来と同様の方法で行ってもよい。以下、最終仕上げ処理としての皮膜改質熱処理と皮膜改質電解処理の条件を示すが、これら処理以外の処理には特段の条件はない。
３−１．皮膜改質熱処理
前述の通り、拡散接合し難い表面状態として、皮膜最表面（表層から１０ｎｍの範囲）のＳｉ量を１０％以上とすることが重要である。一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の仕上げ焼鈍は、表面の光沢を維持するため、Ｈ2とＮ2の混合雰囲気で実施され、その温度は、１１００〜１１５０℃程度である。
前述の通り、拡散接合し難い表面状態として、皮膜最表面（表層から１０ｎｍの範囲）のＳｉ量を１０％以上とすることが重要である。一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の仕上げ焼鈍は、表面の光沢を維持するため、Ｈ2とＮ2の混合雰囲気で実施され、その温度は、１１００〜１１５０℃程度である。
しかし、上記温度では、本発明鋼板で規定するような、Ｓｉ量の多い皮膜を得ることは難しい（図１、参照）。また、仕上げ焼鈍後に冷間圧延などを施した場合、皮膜が部分的に破壊、分割し、新生面に、新たなＣｒ酸化物皮膜が生成して、皮膜中のＳｉ量が減少する場合がある。
仕上げ焼鈍（皮膜改質熱処理）は、Ｈ2とＮ2の混合雰囲気で、７５０〜１０００℃に保持することによって行うのがよい。皮膜の表層に所定のＳｉ濃化層を形成するためである（図１、参照）。処理温度の好ましい下限は８００℃であり、好ましい上限は９５０℃である。また、在炉時間は、鋼板を上記の処理温度で均熱できれば、特に定めないが、その時間が短すぎると、皮膜中のＳｉ濃化が不充分となる場合があるため、在炉時間は、１０秒以上が望ましい。
Ｈ2とＮ2の混合雰囲気の露点が高いと、熱処理時に生成する皮膜が、Ｃｒ酸化物主体の皮膜になるので、露点は−４５℃以下とするのがよい。好ましくは−６０℃以下である。一方、過剰に低い露点を得るには、大きなコストを必要とするので、実用上、露点は−７０℃以上とする。好ましくは−６５℃以上である。
Ｈ2とＮ2の混合比（Ｈ2／Ｎ2）については、特に制約がないが、混合比は、充分な還元性を示す雰囲気とするために1/19以上とするのが好ましい。一方、高価な水素ガス割合を増加させることは経済性に問題があるために1/2以下とするのが好ましい。
３−２．皮膜改質電解処理
通常、熱処理後の鋼板を所定の液中で電解処理を行うことにより、熱処理で生成した皮膜を除去する、電解洗浄処理が行われている。皮膜改質電解処理は、所定の液中で電解処理を行う点で従来の電解洗浄処理と共通する部分があるが、皮膜改質電解処理は、皮膜中のＦｅを低減した上で皮膜中のＳｉを濃化するために実施するものである点で大きく異なる。具体的には、液温が３０〜５０℃で、濃度が５〜１０％程度の硝酸水溶液中で、鋼板が正になるように電圧を印加しながら、鋼板を通板させるのがよい。液温または濃度が低すぎると、十分な改質効果が得られず、液温や濃度が高すぎると、鋼板の表面粗さを増加させたり、電解槽を痛めたりする可能性がある。
通常、熱処理後の鋼板を所定の液中で電解処理を行うことにより、熱処理で生成した皮膜を除去する、電解洗浄処理が行われている。皮膜改質電解処理は、所定の液中で電解処理を行う点で従来の電解洗浄処理と共通する部分があるが、皮膜改質電解処理は、皮膜中のＦｅを低減した上で皮膜中のＳｉを濃化するために実施するものである点で大きく異なる。具体的には、液温が３０〜５０℃で、濃度が５〜１０％程度の硝酸水溶液中で、鋼板が正になるように電圧を印加しながら、鋼板を通板させるのがよい。液温または濃度が低すぎると、十分な改質効果が得られず、液温や濃度が高すぎると、鋼板の表面粗さを増加させたり、電解槽を痛めたりする可能性がある。
この電解処理を、電流密度が板面積に対し１００ｍＡ/ｃｍ2以上なるように実施するのがよい。これにより、鋼板表面において皮膜中のＦｅを低減した上でＳｉが濃化する（図２、参照）。好ましくは１５０ｍＡ/ｃｍ2以上である。電解によるＳｉの表面濃化は、電解過程において、ＦｅやＣｒなどは酸化反応により溶出し表面から除去されるが、ＳｉＯ２として存在するＳｉは、これ以上酸化されることはなく、表面に残存するためである。
電流密度が１００ｍＡ/ｃｍ2未満の場合、鋼板表面においてＳｉが濃化せず、特に、電流密度が、一般的な電解洗浄処理時の電流密度の２０ｍＡ／ｃｍ2程度の場合、Ｓｉ量が低減するおそれがある（図２、参照）。
一方、電流密度を過大にすると、鋼板を過度に削ってしまい、歩留りが落ち、また、鋼板表面が粗くなるので、電流密度は３００ｍＡ/ｃｍ2以下とするのがよい（図２、参照）。好ましくは２５０ｍＡ/ｃｍ2以下である。
通電時間が短いと、Ｓｉの濃化程度が小さいので、通電時間は１０秒以上とするのがよい。好ましくは１５秒以上である。通電時間の上限は特に定めないが、実用上、６０秒程度が上限である。
電解処理槽において、鋼板を正極又は負極として電圧を印加したり、正負を交互に繰り返して電圧を印加してもよいが、鋼板を正極として通電する時間を負極として通電する時間の２倍以上とする。この場合も、鋼板を正として通電する時間を１０秒以上とする。
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
（実施例１）
表１に、供試材の鋼の化学組成を表１に示す。
表１に、供試材の鋼の化学組成を表１に示す。
表１に示すＡ〜Ｇの化学組成を有する小型鋳塊を溶製し、切削加工、熱間圧延、焼鈍、脱スケール後、冷間圧延と焼鈍を３回繰り返した。その後、仕上げ圧延で板厚を０．２ｍｍとし、次いで、表２に示す条件で皮膜改質熱処理と皮膜改質電解処理を実施した。得られた鋼板より試験片を採取し、以下の要領で特性を調査した。結果を表２に併せて示す。
最大Ｓｉ量、最大Ｆｅ量およびＳｉ濃化層厚さ
鋼板表面に形成された皮膜を、Ａｒイオンでスパッタリングしながら、ＧＤ−ＯＥＳを用いて、皮膜の最表面から１００ｎｍ程度以下の深さまでのＳｉ量およびＦｅ量を測定した（図３、参照）。最大Ｓｉ量は、Ｓｉ量が最大となるＳｉ量（質量％）であり、最大Ｆｅ量は、Ｆｅ量が最大となるＦｅ量（質量％）であり、Ｓｉ濃化層厚さは、最表面から、Ｓｉ量が最大Ｓｉ量の１／２のＳｉ量となる位置までの厚さである。
鋼板表面に形成された皮膜を、Ａｒイオンでスパッタリングしながら、ＧＤ−ＯＥＳを用いて、皮膜の最表面から１００ｎｍ程度以下の深さまでのＳｉ量およびＦｅ量を測定した（図３、参照）。最大Ｓｉ量は、Ｓｉ量が最大となるＳｉ量（質量％）であり、最大Ｆｅ量は、Ｆｅ量が最大となるＦｅ量（質量％）であり、Ｓｉ濃化層厚さは、最表面から、Ｓｉ量が最大Ｓｉ量の１／２のＳｉ量となる位置までの厚さである。
表面酸化物の主要構成物質の同定
鋼板から、ＦＩＢ加工により表面酸化物を含むように切り出し、ＴＥＭ―ＥＤＳを用いて、表面酸化物の結晶構造と組成分析を行い、表面酸化物の主要構成物質を同定した。
鋼板から、ＦＩＢ加工により表面酸化物を含むように切り出し、ＴＥＭ―ＥＤＳを用いて、表面酸化物の結晶構造と組成分析を行い、表面酸化物の主要構成物質を同定した。
接合性
鋼板を２枚のφ８ｍｍの円盤状試験片に加工した。２枚の試験片を重ね、７５０℃の真空チャンバー内で、荷重を２０ＭＰａ負荷して、３０秒間加圧した。
鋼板を２枚のφ８ｍｍの円盤状試験片に加工した。２枚の試験片を重ね、７５０℃の真空チャンバー内で、荷重を２０ＭＰａ負荷して、３０秒間加圧した。
加圧後、重ねた試験片をチャンバーから取り出し、２枚の試験片が接合していない場合を○とし、接合しているように見えるが、樹脂埋めした試験片を研磨した後、接合面の断面を光学顕微鏡で観察して、接合界面を跨ぐ結晶粒の割合が１０％未満の場合を△とし、接合界面を跨ぐ結晶粒の割合が１０％以上の場合を×として評価した。これらの結果を表2に示し、また、図４〜６にプロットした。
表２に示す鋼板１〜７（発明例）は、本発明の規定を満たし、拡散接合され難い鋼板である。比較例の鋼板８〜１３は、拡散接合し易い鋼板である。鋼板８は、皮膜中の最大Ｓｉ量が極めて低い。これは、皮膜改質熱処理の温度が低いことに起因する。鋼板９は、皮膜改質熱処理時の露点が高く、Ｃｒ酸化物が主体の皮膜であるため、拡散接合され易い鋼板である。
鋼板１０は、比較的、一般的な製造条件で試作したＳＵＳ３０４である。熱処理温度や電解処理時の電流密度は一般的な条件あるが、皮膜中の最大Ｓｉ量が低く、Ｓｉ濃化層深さも小さいので、鋼板１０は接合され易い鋼板である。鋼板１１は、最大Ｓｉ量が極めて低いため、適正条件の皮膜改質熱処理によっても、鋼板表面にＳｉが濃化せず、拡散接合され易い鋼板である。
鋼板１２も、皮膜中の最大Ｓｉ量が低く、Ｓｉ濃化層深さも小さいため、拡散接合され易い鋼板である。これは、皮膜改質熱処理や皮膜改質電解処理を施していないことによる。鋼板１３は、皮膜中の最大Ｓｉ量は本発明で規定される範囲にあるが、最大Ｆｅ量が過剰であるため、拡散接合され易い鋼板である。これは、負極としての通電時間が長いことによる。
図４〜５に示すように、Ｓｉ濃化層中の最大Ｓｉ量を１０質量％以上、Ｓｉ濃化層厚さが５ｎｍ以上、Ｓｉ濃化層中の最大Ｆｅ量を８．５％以下とすることで、急激に接合界面を跨ぐ粒界の割合が低下し、拡散接合の抑制効果が発揮される。なお、図中の「▲」は、比較例１３の点である。この例では、皮膜中の最大Ｓｉ量は本発明で規定される範囲にあるが、最大Ｆｅ量が過剰であるため、接合界面を跨ぐ粒界の割合が高くなっていた。
前述したように、本発明によれば、高温でも拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼を工業的に安定して提供することができる。よって、本発明は、ステンレス鋼製造・利用産業において利用可能性が高いものである。
Claims (1)
- 表面の少なくとも一部に皮膜が形成されたオーステナイト系ステンレス鋼板であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼板の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．１０％以下、
Ｓｉ：０．２％以上２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｍｏ：１．０％以下、
Ｃｒ：１５．０％以上２２．０％以下、
Ｎｉ：４．５％以上１０．０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、
Ｎ：０．０１％以上０．１５％以下、
残部がＦｅ及び不可避不純物であり、
前記皮膜が、その表層から１０ｎｍまでの範囲の最大Ｓｉ量が１０．０％以上で、かつ最大Ｆｅ量が８．５％以下であるＳｉ濃化層を備え、
前記Ｓｉ濃化層の厚さが５ｎｍ以上である、拡散接合し難いオーステナイト系ステンレス鋼板。
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