TW201715056A - 制振性肥粒鐵系不銹鋼材及製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的課題係提供制振性優異的肥粒鐵系不銹鋼材。本發明提供一種具有下列金屬組織，且殘留磁束密度為45mT以下之制振性肥粒鐵系不銹鋼材，該金屬組織具有以質量%計為C：0.001至0.03%、Si：0.1至1.0%、Mn：0.1至2.0%、Ni：0.01至0.6%、Cr：10.5至24.0%、N：0.001至0.03%、Nb：0至0.8%、Ti：0至0.5%、Cu：0至2.0%、Mo：0至2.5%、V：0至1.0%、Al：0至0.3%、Zr：0至0.3%、Co：0至0.6%、REM(稀土類元素)：0至0.1%、Ca：0至0.1%、殘餘部Fe以及不可避免的雜質之化學組成，基質為肥粒鐵單相，肥粒鐵結晶粒之平均結晶粒徑為0.3至3.0mm。

Description

制振性肥粒鐵系不銹鋼材及製造方法
本發明有關於發揮強磁性型的振動衰減機構之制振性肥粒鐵系不銹鋼材以及其製造方法。
構成汽車排氣通路構件之排氣氣體流路管或其擋熱蓋，由於除了耐熱性外亦要求有耐鹽害腐蝕性，故多採用耐熱性優異之肥粒鐵系不銹鋼鋼種。由於排氣氣體流路管會受到自引擎傳來的振動，由其振動所產生的噪音會成為問題。近年來，汽車的各構件由於燃料費用的提升而要求輕量化。若為將排氣氣體流路管輕量化而使其薄壁化，因其振動所致的噪音會更容易增大。此外，從擋熱蓋內產生之來自引擎的振動會成為悶響(muffled sound)，變成令人不悅的噪音源。目前正期待具有可抑制來自排氣氣體流路管的振動、噪音之性能之耐熱不銹鋼材的出現。此外，不限於汽車用耐熱構件，對於肥粒鐵系不銹鋼材的制振性改善亦有極大要求。
以金屬材料單體使自外部所施加的振動能量衰減的機構，可分類為共晶型、轉位型、強磁性型、複 合型及其他。基質(金屬基底)為肥粒鐵相之鋼材由於為強磁性體，故提出有各種利用強磁性型的振動衰減機構之制振材料。
例如，在專利文獻1中揭示對於含有Cr之鋼材賦予制振性之例。其中記載著Cr具有提升制振特性之作用，以及添加至20.0wt%效果會提升(段落0026)。然而，在實施例所顯示之具體例的Cr含量最高不過3.08%。
於專利文獻2中揭示，使用含有大量Si與Co之鋼材以賦予制振性之技術。教示Cr係對提升磁致伸縮之效果顯著，但超過9%時反而會使損耗係數降低(段落0015)。
於專利文獻3中記載不添加大量的Al，Si，Cr等的合金元素，藉由控制結晶粒徑、最大比透磁率、殘留磁束密度賦予制振性之技術。對於結晶粒徑係考量加工時的表面粗糙而設為300μm以下(段落0023)。
於專利文獻4中記載使用大量含有Cr與Ga之鐵合金而賦予制振性。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平10-72643號公報
[專利文獻2]日本特開2002-294408號公報
[專利文獻3]日本特開2007-254880號公報
[專利文獻4]日本特開2011-241438號公報
如上述專利文獻所示，Cr被認為對於提升鋼材的制振性為有效的。但是，在使用如肥粒鐵系不銹鋼鋼的含有高Cr的鋼之鋼材中，尚未確立改善其制振性之技術。
本發明之目的係提供制振性優異的肥粒鐵系不銹鋼材。
本案的發明人們詳細研究的結果，發現若要對肥粒鐵系不銹鋼材賦予自強磁性型的振動衰減機構所致之優異的制振性，在加工為指定形狀的鋼材後，藉由最終退火而將平均結晶粒徑成為0.3mm以上之非常大的方式以高溫進行加熱係極為有效。惟，於其最終退火後的冷卻過程中難以盡可能地導入應變(轉位)，且化合物粒子難以析出之冷卻速度的控制為重要的。本發明係基於此發現而完成者。
亦即，上述目的係藉由具有下列金屬組織，且殘留磁束密度為45mT以下之制振性肥粒鐵系不銹鋼材而達成；該金屬組織係具有以質量%計為C：0.001至0.03%，Si：0.1至1.0%，Mn：0.1至2.0%，Ni：0.01至0.6%，Cr：10.5至24.0%，N：0.001至0.03%，Nb：0至0.8%，Ti：0至0.5%，Cu：0至2.0%，Mo：0至2.5%，V：0至1.0%，Al：0至0.3%，Zr：0至0.3%，Co：0至0.6%，REM(稀土類元素)：0至0.1%，Ca：0至0.1%，殘餘部Fe以及不 可避免的雜質之化學組成，基質為肥粒鐵單相，肥粒鐵結晶粒之平均結晶粒徑為0.3至3.0mm。
在此，Nb、Ti、Cu、Mo、V、Al、Zr、Co、REM(稀土類元素)、Ca之各元素係任意添加元素。REM係Sc、Y與鑭系元素。
於所謂汽車排氣通路構件之要求耐熱性的用途中，較佳為適用調整為在大氣中以900℃保持200h時的氧化增加量成為2.5mg/cm2以下化學組成之鋼種。另外，在上述大氣中之氧化試驗溫度900℃，規定用以嚴格評價耐氧化性之條件，依據本發明之鋼材係在比其更低溫域之強磁性領域發揮優異的制振性。
作為上述之制振性肥粒鐵系不銹鋼材之製造方法，提供對於具有上述化學組成之鋼材，於非氧化性氛圍中900至1250℃之溫度範圍保持20min以上，而使肥粒鐵結晶粒之平均結晶粒徑設為0.3至3.0mm之後，最高到達材料溫度至200℃為止之最大冷卻速度設為5℃/sec以下，且從850℃至400℃為止之平均冷卻速度設為0.3℃/sec以上，而冷卻至200℃以下之溫度之條件實施最終退火之製造方法。
於上述製造方法中，可使最終退火的氛圍為大氣氛圍而取代非氧化性氛圍。於該情況，在最終退火後實施酸洗。作為供應至最終退火之鋼材係可使用鋼板素材經加工者。其時，使用之鋼板之板厚(供應最終退火之鋼材之厚度)例如可設為0.2至3.0mm。
依據本發明，可對肥粒鐵系不銹鋼材賦予利用強磁性型之振動衰減機構之制振性。特別是，藉由適用耐熱性優異的肥粒鐵系鋼種，至超過700℃之高溫域可發揮制振性。以往，於Cu-Mn系合金等非鐵合金中已知有制振性優異之金屬材料，但該等卻無法於高溫使用。此外，賦予制振性之以往之鋼材在耐熱性或耐腐蝕性之點亦無法對應於應適用肥粒鐵系不銹鋼材之用途。本發明係有助於例如汽車排氣系統之制振化者。
第1圖係比較例No.1之光學顯微鏡金屬組織照片。
第2圖係本發明例No.3之光學顯微鏡金屬組織照片。
第3圖係本發明例No.6之光學顯微鏡金屬組織照片。
〔對象鋼種〕
本發明係以在常溫由肥粒鐵單相所構成之基質(金屬基底)所得之肥粒鐵系不銹鋼鋼種作為對象。各合金成分之含量可設為上述之範圍。P、S為不可避免的雜質，但可容許P含量至0.040%，且S含量至0.030%為止。作為規格鋼種，係可採用在滿足上述成分組成之範圍中，例如屬於JIS G4305：2012之表5所示之各種肥粒鐵系不銹鋼鋼種之鋼。
耐熱性高之鋼種，例如可例示下述(A)之組 成範圍。
(A)以質量%計，由C：0.001至0.03%、Si：0.1至1.0%、Mn：0.7至1.5%、Ni：0.01至0.6%、Cr：17.5至19.5%、N：0.001至0.03%、Nb：0.3至0.8%、Ti：0至0.5%、Cu：0至1.0%、Mo：1.5至2.5%、V：0至1.0%、Al：0至0.3%、Zr：0至0.3%、Co：0至0.6%、REM(稀土類元素)：0至0.1%、Ca：0至0.1%、殘餘部Fe以及不可避免的雜質所構成之鋼。
〔金屬組織〕
依據本發明之鋼材中，構成基質(金屬基底)之肥粒鐵再結晶粒之平均結晶粒徑為0.3至3.0mm之非常大者係為重要的。更佳為0.35mm以上。強磁性型之制振材料係藉由磁區壁之移動而吸收振動能量。結晶粒界係成為妨礙磁區壁之移動之障害物，故一般結晶粒徑大者在提升制振性上被認為有利。然而，在肥粒鐵系不銹鋼材之情況，100μm左右之平均結晶粒徑大多無法得到良好的制振性，且以往尚未確立有安定地賦予高制振性之手法。本案的發明人們經各種檢討的結果，發現將平均結晶粒徑設為0.3mm以上之非常大之方式提升肥粒鐵系不銹鋼材的制振性。其理由於現時點尚未明確，但可認為構成肥粒鐵系不銹鋼材之基質之肥粒鐵再結晶粒中，混入尺寸大者及小者，其中，尺寸小者特別不利於磁區壁的移動。推測可能是藉由實施使平均結晶粒徑成為0.3mm以上、更佳為0.35mm以上之極大結晶粒之熱處理，而使尺寸小之再結晶粒亦會成長至 無法阻害磁區壁移動之尺寸，而使鋼材全體中制振衰減機構提升。
平均結晶粒徑之測定係可藉由剖面之光學顯微鏡觀察，使用切片法進行。依JIS G0551：2003所述之方法，光學顯微鏡照片的圖像上於隨機的位置劃直線，計算直線與結晶粒界之交點之數，算出平均切片長度。使用複數的觀察視野而使直線之合計條數設為20條以上。以此方法所測定之平均結晶粒徑為0.3mm以上之肥粒鐵系不銹鋼材係發揮優異的制振性。平均結晶粒徑更佳為1.0mm以上。藉由對於結束對構件形狀之加工之鋼材實施後述之最終退火而使結晶粒成長，可避免因結晶粒粗大化所致之對加工性的不良影響。從耐高溫潛變性之觀點來看，結晶粒大者為有利。惟過剩地使結晶粒粗大化會使最終退火的負荷增大，變得不經濟。平均結晶粒徑只要為3.0mm以下之範圍即可，亦可管理至2.5mm以下。
〔磁氣特性〕
為使磁區壁的移動順利進行，使肥粒鐵結晶格子的應變少亦為重要。結晶中的應變之大小，係由磁氣特性中的殘留磁束密度所反映。亦即，若為同樣組成的材料，殘留磁束密度為小者係評價為結晶格子的應變小。依據本案的發明人們的檢討，在常溫的殘留磁束密度為45mT(450G)以下之肥粒鐵系不銹鋼材中，可得到良好的制振性。殘留磁束密度更佳為30mT(300G)以下。下限無特別限定，但通 常設為12mT(120G)以上。
其他的磁氣特性，保磁力期望為400A/m(約5Oe)以下。此外，最大磁束密度期望為450mT(4500G)以上，更佳為520mT(5200G)以上。
〔X射線繞射譜峰半值寬〕
為評價結晶的應變，測定X射線繞射譜峰之半值寬之手法亦為有效。具體而言，於使用Co-K α線之X射線繞射圖譜(橫軸為繞射角2 θ)，可以肥粒鐵結晶(211)面之繞射譜峰之1/2半值寬作為指標。經本案的發明人們之檢討，此半值寬為0.160°以下之肥粒鐵系不銹鋼材可得到良好的制振性。作為評價結晶之應變之指標，取代或除了上述之殘留磁束密度，可採用(211)結晶面之X射線繞射譜峰半值寬。
〔製造方法〕
本發明係於肥粒鐵系不銹鋼材之最終退火中使肥粒鐵再結晶粒成長，賦予制振性。
得到用以供應最終退火之鋼材之步驟，可利用以往一般的製造步驟。例如，將通常方法所製造之肥粒鐵系不銹鋼鋼之冷延退火酸洗鋼板或調質延壓精加工鋼板等作為素材，而加工為指定之構件。對材料構件之加工，可舉使用模具之各種衝壓加工、彎曲加工、焊接加工等。
對構件施予加工鋼材實施最終退火。將材 料以900至1250℃的溫度範圍加熱保持，以使肥粒鐵結晶粒之平均結晶粒徑為0.3至3.0mm，更佳為0.35至3.0mm之方式使再結晶粒成長。在上述溫度範圍之保持時間(材料溫度在其溫度範圍之時間)，係因應供應至最終退火之鋼材之化學組成及加工度，確保為足以使肥粒鐵結晶粒粒徑成長至上述之平均結晶粒徑之時間。惟，保持時間短時，有時亦會使均質化不足而使制振性的提升不充分。各種檢討之結果，期望為確保為10min以上之保持時間。更佳為保持50min以上，更較佳為100min以上。惟，保持時間過長時，會變得不經濟。在上述溫度之保持時間只要設為300min以下之範圍即可，亦可設為200min以下之範圍。適合之保持溫度、保持時間可對應鋼材之化學組成及加工度而藉由預備實驗預先掌握。
在保持上述溫度範圍之後之冷卻過程，為免受伴隨冷卻之熱收縮等而將應變導入結晶中，必須避免急冷。各種檢討之結果，只要將在900至1250℃之範圍之最高到達溫度開始至200℃為止之最大冷卻速度控制在5℃/sec以下即可。另一方面，冷卻速度過慢時，有時會在途中的溫度域產生時效析出，其析出相會在結晶形成應變場，成為妨礙磁區壁的移動之主要原因。因此，亦須回避過度的緩冷卻。詳細檢討的結果，藉由從850℃至400℃為止之平均冷卻速度設為0.3℃/sec以上而解除因析出相生成所致之弊害。
最終退火係期望在非氧化性氛圍進行。可 舉例如真空退火。於此情況，將爐內抽真空，在例如約1×10-2Pa以下之減壓狀態(真空氛圍)進行在上述溫度域之加熱保持。在其冷卻過程例如可藉由調整惰性氣體之導入量等而控制冷卻速度。亦可在含有氫之還原性氛圍進行。另一方面，雖然亦可在大氣氛圍中實施最終退火，但其時為了除去氧化銹，必須有酸洗等後處理。
另外，若為獲得平坦的板狀構件時，亦可採用將冷延退火鋼板直接以捲的狀態裝入退火爐並實施最終退火，其後，裁斷為指定尺寸之手法。
[實施例]
將表1所示之鋼熔製，依通常方法製得板厚2mm之冷延退火酸洗鋼板。對於從此鋼板採取之試料，除了一部分的比較例(No.1、2)，係以表2中所示之條件實施最終退火。最終退火的方法係設為真空退火，以下列之方式進行。將試料置入可密封之容器，將容器內抽真空，以壓力設為約1×10-2Pa以下之狀態加熱，保持在表2中所述之溫度(最高到達溫度)。其後，除了一部分的比較例(No.5)，降溫至900℃後，於容器內導入氬氣體至約90kPa之壓力為止，冷卻至400℃以下之溫度，其後，在成為200℃以下之溫度後向大氣開放。No.5之例，於從最高到達溫度開始之冷卻過程中，加上在700℃保持60分鐘之熱歷程。表2中，最終退火後之冷卻速度條件係以下列之基準表示之。
〔最大冷卻速度條件〕
○記號：從最高到達溫度至200℃為止之最大冷卻速度為5℃/sec以下。
×記號：從最高到達溫度至200℃為止之最大冷卻速度超過5℃/sec。
〔中間溫度域之平均冷卻速度條件〕
○記號：從850℃至400℃為止之平均冷卻速度為0.3℃/sec以上。
×記號：從850℃至400℃為止之平均冷卻速度為未達0.3℃/sec。
於表2中所示之一部份之例，係於延壓方向賦予10%之拉伸應變作為後處理。如以上之方式得到供試材。
對於各供試材，進行以下之調查。
〔平均結晶粒徑之測定〕
以光學顯微鏡觀察平行於延壓方向以及板厚方向之剖面(L剖面)之金屬組織，藉由前述之切片法測定平均結晶粒徑。
各別於第1圖例示No.1，於第2圖例示No.3，於第3圖例示No.6之金屬組織照片。
〔磁性測定〕
於以延壓方向作為長度方向之250mm×20mm×t(t係板厚；約1.8至2mm)之試驗片，藉直流磁性測定裝置(Riken電子公司製之B-H TRACER)進行磁性測定。使用線圈為 62.5mm×160mm，100捲之螺線管線圈。由所得B-H曲線求得最大磁束密度Bm、殘留磁束密度Br、保磁力Hc。
〔X射線繞射〕
使用X射線繞射裝置(RIKAGU公司製；RINT2500H)，以Co管球、40kV、200mA之條件測定X射線繞射圖譜，求取肥粒鐵結晶(211)面之繞射譜峰之1/2半值寬(°)。
〔損耗係數η之測定〕
對於以延壓方向作為長度方向之250mm×20mm×t(t係板厚；約1.8至2mm)之試驗片，依JIS K7391：2008以中央支持定常加振法求得在常溫時的頻率數應答函數，由所 得之頻率應答函數之共振譜峰降低3dB之位置讀取半值寬，以JIS K7391：2008之式(1)算出η，由各種的頻率所得之η之平均值設定為其材料之損耗係數η。
該等之結果表示於表3。
上述之以適合之條件實施最終退火而得之本發明例，可知殘留磁束密度小，X射線繞射譜峰之半值寬亦小，故結晶格子之應變少。此外，平均結晶粒徑為非常大。與其他的比較例相比，本發明例之任一者均損耗係數η大幅提高，呈現依JIS K7391：2008之中央加振法所致之在常溫之損耗係數η有0.0020以上之優異的制振性。
相對於此，比較例之No.1由於為通常之冷延退火酸洗精加工材，故平均結晶粒徑小，制振性差。No.2由於為對通常之冷延退火酸洗精加工材賦予加工應變者，故制振性比No.1更低。No.4雖然實施適合之最終退火，而為非常大的平均結晶粒徑，但其後賦予加工應變，故制振性低。No.5咸認為在最終退火之冷卻時保持在700℃， 故生成時效析出物，制振性低。

Claims (6)

  1. 一種制振性肥粒鐵系不銹鋼材，係具有下列金屬組織，且殘留磁束密度為45mT以下者；該金屬組織係具有以質量%計為C：0.001至0.03%、Si：0.1至1.0%、Mn：0.1至2.0%、Ni：0.01至0.6%、Cr：10.5至24.0%、N：0.001至0.03%、Nb：0至0.8%、Ti：0至0.5%、Cu：0至2.0%、Mo：0至2.5%、V：0至1.0%、Al：0至0.3%、Zr：0至0.3%、Co：0至0.6%、REM(稀土類元素)：0至0.1%、Ca：0至0.1%、殘餘部Fe以及不可避免的雜質之化學組成，基質為肥粒鐵單相，肥粒鐵結晶粒之平均結晶粒徑為0.3至3.0mm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之制振性肥粒鐵系不銹鋼材，其係在大氣中以900℃保持200h時的氧化增加量為2.5mg/cm2以下者。
  3. 一種制振性肥粒鐵系不銹鋼材之製造方法，係對具有以質量%計為C：0.001至0.03%、Si：0.1至1.0%、Mn：0.1至2.0%、Ni：0.01至0.6%、Cr：10.5至24.0%、N：0.001至0.03%、Nb：0至0.8%、Ti：0至0.5%、Cu：0至2.0%、Mo：0至2.5%、V：0至1.0%、Al：0至0.3%、Zr：0至0.3%、Co：0至0.6%、REM(稀土類元素)：0至0.1%、Ca：0至0.1%、殘餘部Fe以及不可避免的雜質之化學組成之鋼材，於非氧化性氛圍中在900至1250℃的溫度範圍保持10min以上使肥粒鐵結晶粒之平均結晶粒徑設為0.3至3.0mm之後，從最高到達材料溫度 至200℃為止之最大冷卻速度設為5℃/sec以下，且從850℃至400℃為止之平均冷卻速度設為0.3℃/sec以上，冷卻至200℃以下之溫度的條件而實施最終退火。
  4. 一種制振性肥粒鐵系不銹鋼材之製造方法，其中，於申請專利範圍第3項所述之製造方法中，將最終退火的氛圍設為大氣氛圍而取代非氧化性氛圍，在最終退火後實施酸洗。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所述之制振性肥粒鐵系不銹鋼材之製造方法，其中，供應至最終退火之鋼材係鋼板素材經加工者。
  6. 如申請專利範圍第3或4項所述之制振性肥粒鐵系不銹鋼材之製造方法，其中，供應至最終退火之鋼材係具有在大氣中以900℃保持200h時的氧化增加量為2.5mg/cm2以下之化學組成。
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