CN101517101A - 疲劳性能优异的亚稳奥氏体不锈钢钢带的制造方法及该钢带 - Google Patents

疲劳性能优异的亚稳奥氏体不锈钢钢带的制造方法及该钢带 Download PDF

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Abstract

本发明提供适用于开关用金属弹片部件的具有优异疲劳性能的亚稳奥氏体不锈钢钢带，其适用于各种电子设备开关部分所使用部件等需要反复回弹性的部件。本发明涉及拉伸强度达到1200MPa以上的具有优异疲劳性能的亚稳奥氏体不锈钢钢带的制造方法，所述方法对平均晶粒粒径为5.0μm以下的材料进行最终冷轧，使制品厚度中的马氏体量为90％以下；优选对平均晶粒粒径为5.0μm以下的材料进行冷轧，再结晶退火以使平均晶粒粒径达到5.0μm以下，之后进行最终冷轧的制造方法；通过该方法制备的亚稳奥氏体不锈钢钢带、和由该不锈钢钢带形成的开关用金属弹片部件。

Description

疲劳性能优异的亚稳奥氏体不锈钢钢带的制造方法及该钢带
技术领域
本发明涉及便携终端和家电制品等所使用的开关部分的金属弹片用亚稳奥氏体不锈钢钢带的制造方法及该钢带。
背景技术
近年来，随着手机、个人电脑等电子设备向小型化发展，能用于电接触点或接触部分的开关所使用的金属弹片也日益小型化。然而，即使金属弹片实现小型化，对于开关所需要的点击感和耐久性并无大的变化，因此，施加到能用于小型化的开关材料上的应力升高。因此，对小型化开关的耐久性，即材料的疲劳性能产生更高的性能要求。
作为同时满足良好的点击感和高耐久性的材料，多采用亚稳奥氏体不锈钢钢带，即SUS301不锈钢。经过加工，亚稳奥氏体不锈钢中产生马氏体相变，材料中生成马氏体，因此强度得到提高，耐久性得到改善。
对于强度和疲劳性能的关系，已有多种文献报告，虽然因疲劳实验模式的不同有所差异，但已知随着拉伸强度的增加，疲劳强度也随之升高，但当拉伸强度超过一定值时，这种关系变得不明确(非专利文献1)。
一方面，已知亚稳奥氏体不锈钢具有下述性质，即若应力集中在因疲劳而产生裂纹的前端时，该部分产生马氏体而提高强度，使裂纹扩展变难，疲劳性能变得良好。作为控制该亚稳奥氏体不锈钢的马氏体量的方法，在专利文献1中公开有调节轧制速度、压缩比(压下量rolling reduction)、轧制油温度的轧制方法。另外，关于通过控制马氏体量改善疲劳性能，在专利文献2中公开有控制板厚方向上的马氏体分布量的方法。
另外，作为一般性金属材料的疲劳性能改善方法，已知有通过将晶粒粒径微细化的方法(非专利文献2)，已知有利用该方法使平均晶粒粒径达到3μm以下，从而改善疲劳性能的实例(专利文献3)。
再者，还已知有调整以上所列举影响疲劳性能的材料因子，并将材料的强度与化学成分、加工所诱导的马氏体量的关系调整到一定范围内，从而改善疲劳性能的实例(专利文献4)。
专利文献1：日本特开2001-286904号公报
专利文献2：日本特开2004-323882号公报
专利文献3：日本特开2004-244725号公报
专利文献4：日本特开2006-207005号公报
非专利文献1：越智保雄，“金属疲劳的基础”，《材料试验技术》，Vol.48，No.2，第68页
非专利文献2：横堀武夫监译，《金属的疲劳破坏》，丸善株式会社，1970年6月3日，第32-39页
发明内容
发明所需解决的课题
基于以上见解，可预计如果要设计疲劳性能优异的不锈钢钢带材料，需要将晶粒粒径微细化、并适当控制马氏体的产生量。另外，通过调整材料强度与化学成分、加工所诱导的马氏体量的关系，可期待获得更优良的疲劳性能。
于是，为了达成该目的，专心致力于研发，结果发现若对晶粒粒径微细化后的材料进行轧制加工，加工所诱导的马氏体的产生量必然增加，难以将马氏体量控制在指定的范围。
在专利文献1中，虽然通过控制轧制条件对马氏体量进行控制，但没有研究材料的疲劳性能。另外，采用专利文献1中公开的方法时，需要引进轧制控制所必需的新型设备或进行设备改造，不可避免地增加了生产成本。
在专利文献2中，记载了通过变更最终轧制的加工度、材料张力、工作辊直径等控制马氏体量的方法，但未考虑晶粒粒径(专利文献2第0018栏)。在专利文献3、4中，没有记载涉及考虑控制马氏体量的轧制方法。
解决课题的手段
本发明者为了改善材料的疲劳性能，而对可在将晶粒粒径微细化的同时抑制马氏体生成量的方法进行了种种研究，结果发现如果使最终轧制前的材料平均晶粒粒径为5.0μm以下，使此材料被轧制为制品厚度时的马氏体含量为90％以下，并使该制品厚度上的拉伸强度为1200MPa以上时，则材料的疲劳性能升高。
即，本发明涉及：
(1)拉伸强度为1200MPa以上的疲劳性能优异的亚稳奥氏体不锈钢钢带的制造方法，其中，对平均晶粒粒径为5.0μm以下的材料进行最终冷轧，使制品厚度中的马氏体量为90％以下；
(2)由上述(1)的制造方法制得的亚稳奥氏体不锈钢钢带；以及
(3)由上述(2)的亚稳奥氏体不锈钢钢带形成的开关用金属弹片部件。
发明的效果
本发明的亚稳奥氏体不锈钢钢带，是适用于开关用金属弹片部件的具有优异疲劳性能的材料，适用于各种电子设备开关部分所使用部件等需要反复回弹性的部件。
具体实施方式
以下，对限定理由进行说明。
(1)最终轧制前的平均晶粒粒径：
晶粒粒径的微细化是改善材料的疲劳性能的有效方法。这是因为疲劳初期所产生的裂纹在晶粒内扩展时，晶粒边界起到了防止裂纹扩展的障碍物的作用。在实际的制品中，在再结晶退火后进行轧制加工，轧制前的平均晶粒粒径越小，轧制后的晶粒边界所占的比例越大，对改善疲劳性能有效。即，在最终轧制前的再结晶退火工序中，将晶粒粒径微细化后进行最终轧制是有效的。但是，如本发明面临的课题，在一面将晶粒粒径微细化，再进一步控制马氏体量的方法中，为了能进一步改善材料的疲劳性能，对考虑到与马氏体量的平衡的最佳平均晶粒粒径范围进行了各种研究。结果发现当最终轧制前的平均晶粒粒径为5.0μm以下时，疲劳性能可显著改善。本发明的效果在亚微米级的平均晶粒粒径中也得到表现。平均晶粒粒径超过5.0μm时，材料的疲劳性能下降。
(2)马氏体量：
由于应力集中在因疲劳而产生裂缝的前端，亚稳奥氏体不锈钢在该部分生成马氏体进而高强度化，因此裂缝难以扩展，从而获得良好的疲劳性能。对马氏体量影响疲劳性能的情况进行了各种研究，结果发现在被轧制为制品厚度时的马氏体量为90％以下时，疲劳性能得到显著改善。马氏体量超过90％时，在应力集中的部分马氏体不能生成，裂纹扩展导致疲劳强度下降。
此外，除了上述的平均晶粒粒径的控制之外，轧制加工时的轧制油的温度，也会对马氏体量的控制产生很大的影响，因此需要根据平均晶粒粒径、轧制加工度对轧制油温度进行适当的设置、控制。
(3)拉伸强度：
通过本发明的制造方法制备的亚稳奥氏体不锈钢钢带的拉伸强度优选1200MPa以上。若拉伸强度低于1200MPa，不能获得足够的疲劳性能。
实施例
购入SUS301不锈钢(板厚1.5mm，固溶处理材料)，以50％以上的加工度进行冷轧，然后使用连续退火炉，使炉温和材料的炉内滞留时间分别为1200℃以下和120秒以下，将平均晶粒粒径调整为5.0μm以下。进一步对该材料进行冷轧，使加工度达到50％以上；与上述方法相同地，在调整了炉温和炉内滞留时间的炉内进行再结晶退火，使平均晶粒粒径达到5.0μm以下，之后进行最终冷轧使板厚达到60μm。例如当板厚为0.1mm时，上述平均晶粒粒径达到5.0μm以下时的再结晶退火的炉温及炉内滞留时间分别为950℃-1050℃、9-14秒。在最终冷轧过程中，根据平均晶粒粒径的大小，将轧制加工度和轧制油温度分别在40-60％和40-60℃的范围内适当调整并进行组合，将板厚60μm中的马氏体量调整到90％以下。将该材料作为试验材料，进行机械性能的测量、采用薄板传送带寿命试验机(薄板ベルト寿命試験機)的疲劳试验、马氏体量的测量。以下，对这些材料性能的评估方法进行详细描述。
(1)平均晶粒粒径：
对轧制面进行电解研磨加工成镜面。在电解研磨中，采用将高氯酸和乙醇按1∶4的体积比混合后的溶液，将样品作为阳极，接通电流。
用FE-SEM(场发射扫描电子显微镜)观察电解研磨后的表面，根据晶粒的大小，测量4.5×10-3-2.5×10-2mm2内的晶粒粒子的平均晶粒粒径。通过JIS H 0501规格规定的切断法进行晶粒粒径的评估。
(2)马氏体(Ms)量：
与奥氏体相呈非磁性相反，马氏体相呈顺磁性，利用上述情况，通过使用基于磁感应原理的铁素体含量测定仪(铁素体分析仪フエライトスコ一プferrite scope)测量材料的磁性强度求出向马氏体量的相变量，具体而言，通过体积率求出马氏体量。此外，测量中以作为强磁性体的纯Ni的马氏体量为100％，将相对于该值的相对值作为马氏体量(％)。
(3)机械性能(拉伸强度)：
对基于JIS Z 2201规格的13B号板状试验片进行冲压，依照JISZ 2241规格进行拉伸试验。
(4)疲劳性能：
将材料加工成金属弹片后，确认疲劳试验。即，使操作荷重达到2.0±0.2N，将材料加工成直径4.0mm的金属弹片，在荷重500gf、速度3次/秒的条件下，反复开关达300万次。将各种材料分别加工10个金属弹片，在上述开关试验中，若有5个以上金属弹片出现裂纹，将该开关标示为“×”；若裂纹发生数为2-4个，用“△”标示；若裂纹发生数为1个以下，用“○”标示。
发明实施例如表1所示。
表1
  实施例   晶粒粒径(μm)   轧制加工度(％)   轧制油温度(℃)   Ms量(％)   拉伸强度(MPa)   疲劳性能
  1   4.5   40   40   42   1429   ○
  2   4.5   50   40   54   1575   ○
  3   2.2   40   40   49   1505   ○
  4   2.2   50   40   77   1666   ○
  5   2.2   60   50   82   1794   ○
  6   2.2   60   60   76   1742   ○
  7   1.4   40   40   86   1576   ○
  8   1.4   45   50   78   1558   ○
  9   1.4   50   50   86   1612   ○
  10   1.4   50   60   76   1589   ○
  A   0.6   40   60   80   1619   ○
  B   0.6   50   60   88   1788   ○
比较实施例如表2所示。
表2
  比较实施例   晶粒粒径(μm)   轧制加工度(％)   轧制油温度(℃)   Ms量(％)   拉伸强度(MPa)   疲劳性能
  11   11.2   50   40   40   1465   ×
  12   5.7   50   40   51   1509   ×
  13   2.2   50   30   91   1696   △
  14   2.2   60   40   94   1804   ×
  15   2.2   68   60   92   1849   ×
  16   1.4   10   40   22   1105   ×
  17   1.4   45   40   95   1618   ×
  18   1.4   60   50   94   1767   ×
  C   0.6   10   60   33   1187   △
在实施例1-10及实施例A、B中，最终轧制前的平均晶粒粒径为5.0μm以下，马氏体量为90％以下，拉伸强度为1200MPa以上，在金属弹片加工后的疲劳试验中，10个金属弹片中产生裂纹的为1个以下，疲劳性能良好。
另一方面，在比较例11、12中，马氏体量为90％以下，拉伸强度为1200MPa以上，虽然轧制加工度和轧制油温度与实施例2、4相同，但最终轧制前的平均晶粒粒径超过5.0μm，因此与所述实施例相比，所述比较例疲劳性能差。
在比较例13、14中，最终轧制前的平均晶粒粒径为5.0μm以下，拉伸强度为1200MPa以上，虽然比较例13与实施例4，以及比较例14与实施例5的轧制加工度相同，但是各自与实施例相比，所述比较例轧制油温度低，马氏体量超过90％，因此与所述实施例相比，所述比较例疲劳性能差。
虽然比较例15与实施例6的最终轧制前的平均晶粒粒径以及最终轧制中的轧制油温度相同，该比较例的最终轧制前的平均晶粒粒径为5.0μm以下，拉伸强度为1200MPa以上，但该比较例轧制加工度高，马氏体量超过90％，因此与所述实施例相比，所述比较例疲劳性能差。
在比较例16及C中，最终轧制前的平均晶粒粒径为5.0μm以下，马氏体量为90％以下，但拉伸强度低于1200MPa，因此与实施例相比，所述比较例疲劳性能差。
在比较例17、18中，最终轧制前的平均晶粒粒径为5.0μm以下，拉伸强度为1200MPa以上，比较例17的轧制加工度与实施例8相同，但该比较例轧制油温度低于实施例8，而比较例18与实施例8、9的轧制油温度相同，但该比较例轧制加工度较高，因此所述比较例的马氏体量均超过90％，与所述实施例相比，其疲劳性能差。

Claims (3)

1.拉伸强度为1200MPa以上的疲劳性能优异的亚稳奥氏体不锈钢钢带的制造方法，其中，对平均晶粒粒径为5.0μm以下的材料进行最终冷轧，使制品厚度中的马氏体量为90％以下。
2.由权力要求1的制造方法制得的亚稳奥氏体不锈钢钢带。
3.由权力要求2的亚稳奥氏体不锈钢钢带形成的开关用金属弹片部件。
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