CN107923015A - 减振性铁素体系不锈钢材及制造方法 - Google Patents

减振性铁素体系不锈钢材及制造方法 Download PDF

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Abstract

提供减振性优异的铁素体系不锈钢材。减振性铁素体系不锈钢材，其具有以质量％计，C：0.001～0.03％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.1～2.0％、Ni：0.01～0.6％、Cr：10.5～24.0％、N：0.001～0.03％、Nb：0～0.8％、Ti：0～0.5％、Cu：0～2.0％、Mo：0～2.5％、V：0～1.0％、Al：0～0.3％、Zr：0～0.3％、Co：0～0.6％、REM(稀土元素)：0～0.1％、Ca：0～0.1％、余量Fe及不可避免的杂质的化学组成，具有基质为铁素体单相、铁素体晶粒的平均结晶粒径为0.3～3.0mm的金相组织，剩余磁通密度为45mT以下。

Description

减振性铁素体系不锈钢材及制造方法
技术领域
本发明涉及发挥铁磁性型的振动衰减机制的减振性铁素体系不锈钢材及其制造方法。
背景技术
对于构成汽车排气通路部件的排气流路管或其隔热罩，除了耐热性之外，还要求耐盐害腐蚀性，因此多使用耐热性优异的铁素体系不锈钢钢种。由于发动机的振动被传递到排气流路管，因此由该振动产生的噪音成为问题。近年来，为了改善耗油率，要求汽车的各部件轻量化。在为了轻量化而使排气流路管薄壁化时，由该振动引起的噪音更加容易增大。另外，有时在隔热罩内产生的来自发动机的振动成为闷响(こもり音)，成为令人不快的噪音源。期待着抑制来自排气流路管的振动、噪音的性能优异的耐热不锈钢材的出现。另外，不限于汽车用耐热部件，对于改善铁素体系不锈钢材的减振性的要求也高。
以金属材料单体使自外部施加的振动能量衰减的机制分类为孪晶型、位错型、铁磁性型、复合型、其它。由于基质(金属基体)是铁素体相的钢材为铁磁性体，因此提出了各种利用铁磁性型的振动衰减机制的减振材料。
例如，在专利文献1中示出了对于含Cr钢材赋予了减振性的例子。记载了Cr具有提高减振特性的作用，以及在20.0wt％之前，添加效果提高(第0026段)。然而，在实施例中所示的具体例的Cr含量最高不过3.08％。
在专利文献2中公开了一种使用大量含有Si和Co的钢材来赋予减振性的技术。其教导了虽然Cr提高磁致伸缩的效果显著，但超过9％则反而使损耗系数下降(第0015段)。
在专利文献3中记载了一种不大量添加Al、Si、Cr等合金元素，而是通过控制结晶粒径、最大相对磁导率、剩余磁通密度来赋予减振性的技术。关于结晶粒径，考虑加工时的表面粗糙而设为300μm以下(第0023段)。
在专利文献4中记载了使用大量含有Cr和Ga的铁合金来赋予减振性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-72643号公报
专利文献2：日本特开2002-294408号公报
专利文献3：日本特开2007-254880号公报
专利文献4：日本特开2011-241438号公报
发明内容
发明所要解决的课题
如上述专利文献所示，认为Cr在提高钢材的减振性方面是有效的。但是，在使用铁素体系不锈钢这样的高Cr含量的钢的钢材中，尚未确立改善其减振性的技术。
本发明的目的在于，提供减振性优异的铁素体系不锈钢材。
为了解决课题的手段
发明人的详细的研究的结果发现，为了向铁素体系不锈钢材赋予利用铁磁性型振动衰减机制的优异减振性，在加工成规定形状的钢材后，在高温下进行加热使得通过最终退火平均结晶粒径成为非常大的0.3mm以上是非常有效的。但是，在该最终退火后的冷却过程中，难以尽可能地导入应变(位错)且化合物粒子不易析出的冷却速度的控制是重要的。本发明是基于这样的发现而完成的。
即，上述目的通过以下的减振性铁素体系不锈钢材来实现，该不锈钢材具有以质量％计，C：0.001～0.03％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.1～2.0％、Ni：0.01～0.6％、Cr：10.5～24.0％、N：0.001～0.03％、Nb：0～0.8％、Ti：0～0.5％、Cu：0～2.0％、Mo：0～2.5％、V：0～1.0％、Al：0～0.3％、Zr：0～0.3％、Co：0～0.6％、REM(稀土元素)：0～0.1％、Ca：0～0.1％、余量Fe及不可避免的杂质的化学组成，具有基质为铁素体单相、铁素体晶粒的平均结晶粒径为0.3～3.0mm的金相组织，剩余磁通密度为45mT以下。
在此，Nb、Ti、Cu、Mo、V、Al、Zr、Co、REM(稀土元素)、Ca各元素是任意添加元素。REM是Sc、Y和镧系元素。
在汽车排气通路部件这样的要求耐热性的用途中，优选应用调整为在大气中、900℃下保持了200h时的氧化增加量成为2.5mg/cm2以下的化学组成的钢种。予以说明，上述大气中的氧化试验温度900℃规定了用于严格评价耐氧化性的条件，按照本发明的钢材在比其更低的温度范围的铁磁性区域发挥优异的减振性。
作为上述减振性铁素体系不锈钢材的制造方法，提供如下制造方法，其中对于具有上述化学组成的钢材，在非氧化性气氛中、900～1250℃的温度范围保持20min以上以使铁素体晶粒的平均结晶粒径为0.3～3.0mm之后，将从最高到达材料温度至200℃的最大冷却速度设为5℃/sec以下、且将从850℃至400℃的平均冷却速度设为0.3℃/sec以上并冷却至200℃以下的温度的条件下实施最终退火。
在上述制造方法中，可以将最终退火的气氛设为大气气氛来代替非氧化性气氛。在该情况下，最终退火后实施酸洗。作为供给最终退火的钢材，可应用对钢板坯料加工而得到的钢材。在该情况下，使用的钢板的板厚(供给最终退火的钢材的壁厚)可设为例如0.2～3.0mm。
发明效果
根据本发明，可对铁素体系不锈钢材赋予利用了铁磁性型的振动衰减机制的减振性。特别是通过应用耐热性优异的铁素体系钢种，能够在直至超过700℃的高温范围发挥减振性。以往，在Cu-Mn系合金等非铁合金中已知有减振性优异的金属材料，但它们不能在高温下使用。另外，就耐热性或耐腐蚀性方面而言，赋予了减振性的以往钢材也不能应对待应用的铁素体系不锈钢材的用途。本发明有助于例如汽车排气***的减振化。
附图说明
图1是比较例No.1的光学显微镜金相组织照片。
图2是本发明例No.3的光学显微镜金相组织照片。
图3是本发明例No.6的光学显微镜金相组织照片。
具体实施方式
[对象钢种]
本发明中，以在常温下得到由铁素体单相构成的基质(金属基体)的铁素体系不锈钢钢种为对象。各合金成分的含量可在上述的范围内设定。P、S是不可避免的杂质，但P含量可允许达到0.040％，另外，S含量可允许达到0.030％。作为标准钢种，在满足上述的成分组成的范围内，可采用例如属于JIS G4305：2012的表5所示的各种铁素体系不锈钢钢种的钢。
作为耐热性高的钢种，可例示例如下述(A)的组成范围。
(A)以质量％计C：0.001～0.03％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.7～1.5％、Ni：0.01～0.6％、Cr：17.5～19.5％、N：0.001～0.03％、Nb：0.3～0.8％、Ti：0～0.5％、Cu：0～1.0％、Mo：1.5～2.5％、V：0～1.0％、Al：0～0.3％、Zr：0～0.3％、Co：0～0.6％、REM(稀土元素)：0～0.1％、Ca：0～0.1％、余量Fe及不可避免的杂质构成的钢。
[金相组织]
在根据本发明的钢材中，重要的是构成基质(金属基体)的铁素体再结晶晶粒的平均结晶粒径成为非常大的0.3～3.0mm。更优选为0.35mm以上。铁磁性型的减振材料通过磁畴壁的移动来吸收振动能量。由于晶界成为阻碍磁畴壁移动的障碍物，一般认为结晶粒径大有利于提高减振性。然而，在铁素体系不锈钢材的情况下，100μm左右的平均结晶粒径经常得不到良好的减振性，赋予稳定且高的减振性的方法还不明确。本发明人进行了各种研究，结果发现，通过使平均结晶粒径成为非常大至0.3mm以上，铁素体系不锈钢材的减振性提高。关于其原因目前尚不清楚，但认为，构成铁素体系不锈钢的基质的铁素体再结晶晶粒中混合存在有尺寸大的晶粒和尺寸小的晶粒，其中尺寸特别小的晶粒不利地作用于磁畴壁的移动。推测通过实施热处理，使得平均结晶粒径成为非常大的0.3mm以上，更优选0.35mm以上，尺寸小的再结晶晶粒也成长为不阻碍磁畴壁移动的尺寸，在钢材整体中改善减振衰减机制。
平均结晶粒径的测定可通过用剖面的光学显微镜观察，使用切片法进行。依据JISG0551:2003中记载的方法，在光学显微镜照片的图像上的随机位置绘制直线，计数直线与晶界的交点数目，算出平均切片长度。使用多个观察视场，使直线的总条数为20条以上。通过该方法测定的平均结晶粒径为0.3mm以上的铁素体系不锈钢材发挥优异的减振性。更优选平均结晶粒径为1.0mm以上。通过对结束了部件形状加工的钢材实施后述的最终退火以使晶粒成长，能避免由晶粒粗化引起的对于加工性的不良影响。从耐高温蠕变性的观点来看，晶粒大是有利的。然而，使晶粒过度粗化则增大了最终退火的负荷，变得不经济。平均结晶粒径可设定在3.0mm以下的范围，也可以控制在2.5mm以下。
[磁特性]
为了顺利地进行磁畴壁的移动，铁素体晶格的应变少也是重要的。晶体中的应变的大小反映于磁特性中的剩余磁通密度。即，如果是相同组成的材料，则剩余磁通密度小的材料可评价为晶格的应变少。根据本发明人的研究，常温下的剩余磁通密度为45mT(450G)以下的铁素体系不锈钢材中可得到良好的减振性。更优选剩余磁通密度为30mT(300G)以下。下限没有特别限定，通常为12mT(120G)以上。
作为其它磁特性，期望矫顽力为400A/m(约5Oe)以下。另外，期望最大磁通密度为450mT(4500G)以上，更优选为520mT(5200G)以上。
[X射线衍射峰半高宽]
为了评价结晶的应变，测定X射线衍射峰的半高宽的方法也是有效的。具体而言，在使用了Co-Kα射线的X射线衍射图案(横轴为衍射角2θ)中，可将铁素体结晶(211)面的衍射峰的1/2半高宽设为指标。根据发明人的研究，在该半高宽为0.160°以下的铁素体系不锈钢材中，可得到良好的减振性。作为评价结晶的应变的指标，可取代上述的剩余磁通密度，或者除此之外，采用(211)晶面的X射线衍射峰半高宽。
[制造方法]
在本发明中，在铁素体系不锈钢材的最终退火中使铁素体再结晶晶粒成长，赋予减振性。
得到用于供给最终退火的钢材之前的工序可利用以往一般的制造工序。例如，将通过常规方法制造的铁素体系不锈钢的冷轧退火酸洗钢板、调质轧制精加工钢板等作为坯料加工成规定的部件。作为加工成部件的加工，可举出使用模具的各种压制加工、弯曲加工、焊接加工等。
对实施了加工成部件的加工的钢材实施最终退火。将材料在900～1250℃的温度范围加热保持，使再结晶晶粒成长，使得铁素体晶粒的平均结晶粒径成为0.3～3.0mm、更优选0.35～3.0mm。在上述温度范围的保持时间(材料温度处于该温度范围的时间)根据供给最终退火的钢材的化学组成、加工度，确保足以使铁素体晶粒晶粒成长为上述平均结晶粒径的时间。但是，如果保持时间短，则有时均质化不够，减振性的提高变得不充分。作为各种研究的结果，优选确保10min以上的保持时间。更优选保持50min以上，进一步优选设为100min以上。但是，如果保持时间过长则变得不经济。上述温度下的保持时间可设定为300min以下的范围，也可设定为200min以下的范围。可根据钢材的化学组成、加工度，通过预备试验预先掌握合适的保温温度和保温时间。
在保持于上述温度范围后的冷却过程中，需要避免急冷，以便不因伴随冷却的热收缩等而在晶体中引入应变。各种研究的结果可知，可以将从处于900～1250℃范围的最高到达温度至200℃的最大冷却速度控制在5℃/sec以下。另一方面，冷却速度过慢时，有时在中途的温度范围发生时效析出，该析出相在晶体中形成应变场，从而成为妨碍磁畴壁移动的主要原因。因此，也需要避免过度的缓冷却。作为详细的研究的结果，通过将从850℃至400℃的平均冷却速度设为0.3℃/sec以上，消除析出相生成导致的弊害。
期望最终退火在非氧化性气氛中进行。例如，可举出真空退火。在该情况下，将炉内抽真空，在例如约1×10-2Pa以下的减压状态(真空气氛)下进行上述温度范围中的加热保持。在其冷却过程中，可通过例如调节非活性气体的导入量等来控制冷却速度。也可在含氢的还原性气氛中进行。另一方面，也可在大气气氛中实施最终退火，但在该情况下，需要酸洗等后处理以用于除去氧化皮。
予以说明，如果是得到平坦的板状部件的情况，也可采用将冷轧退火钢板以卷材的状态装入退火炉中实施最终退火，其后，剪裁为规定尺寸的方法。
实施例
熔炼表1所示的钢，依照常规方法得到板厚2mm的冷轧退火酸洗钢板。对于从该钢板采取的试样，除了一部分比较例(No.1、2)，在表2中所示的条件下实施最终退火。最终退火方法采用真空退火，按如下进行。将试样放入可密封的容器中，将容器内抽真空，在使压力为约1×10-2Pa以下的状态下加热，并保持于表2中记载的温度(最高到达温度)。其后，除了一部分比较例(No.5)，降温至900℃后，将氩气导入容器内至约90kPa的压力，冷却至400℃以下的温度，其后，在达到200℃以下的温度后向大气开放。在No.5的例子中，在从最高到达温度的冷却过程中，施加在700℃下保持60min的受热历程。表2中，按照以下的基准表示最终退火后的冷却速度条件。
[最大冷却速度条件]
○符号：从最高到达温度至200℃的最大冷却速度为5℃/sec以下。
×符号：从最高到达温度至200℃的最大冷却速度超过5℃/sec。
[中间温度范围的平均冷却速度条件]
○符号：从850℃至400℃的平均冷却速度为0.3℃/sec以上。
×符号：从850℃至400℃的平均冷却速度低于0.3℃/sec。
对表2中所示的一部分例子，作为后处理，在轧制方向赋予10％的拉伸应变。如以上那样得到供测试材料。
表1
表2
对于各供测试材料，进行了以下调查。
[平均结晶粒径的测定]
用光学显微镜观察与轧制方向及板厚方向平行的剖面(L剖面)的金相组织，通过上述的切片法测定平均结晶粒径。
图1、图2、图3、图4分别例示No.1、No.3、No.6的金相组织照片。
[磁测定]
对于将轧制方向设为纵向的250mm×20mm×t(t为板厚；约1.8～2mm)的试样，通过直流磁测定装置(リケン電子社制的B-Hトレーサー)进行磁测定。使用线圈为100圈的螺线管线圈。根据得到的B-H曲线求出最大磁通密度Bm、剩余磁通密度Br、矫顽力Hc。
[X射线衍射]
使用X射线衍射装置(リガク社制；RINT2500H)，在Co管球、40kV、200mA的条件下测定X射线衍射图案，求出铁素体结晶(211)面的衍射峰的1/2半高宽(°)。
[损耗系数η的测定]
对将轧制方向设为纵向的250mm×20mm×t(t为板厚；约1.8～2mm)的试样，基于JIS K7391：2008，以中央支撑恒定加振法求得常温下的频率响应函数，从得到的频率响应函数的共振峰读取降低了3dB位置处的半高宽，通过JIS K7391：2008的式(1)算出η，将在各种频率下得到的η的平均值确定为该材料的损耗系数η。
将这些结果示于表3。
表3
可知，在上述的合适条件下实施最终退火而得到的本发明例的供测试材料由于剩余磁通密度小，X射线衍射峰的半高宽也小，因此晶格的应变少。另外，平均结晶粒径非常大。与其它比较例相比，它们的任一者的损耗系数η大幅地高，呈现按照JIS K7391：2008的利用中央加振法在常温下的损耗系数η为0.0020以上的优异减振性。
与此相对，作为比较例的No.1为通常的冷轧退火酸洗精加工材料，因此平均结晶粒径小，减振性差。No.2是对于通常的冷轧退火酸洗精加工材料赋予了加工应变而成的，因此与No.1相比减振性更低。No.4实施合适的最终退火而形成非常大的平均结晶粒径，但其后赋予了加工应变，因此减振性低。No.5在最终退火的冷却时在700℃下保持，因此认为生成时效析出物；减振性低。

Claims (6)

1.减振性铁素体系不锈钢材，其具有以质量％计，C：0.001～0.03％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.1～2.0％、Ni：0.01～0.6％、Cr：10.5～24.0％、N：0.001～0.03％、Nb：0～0.8％、Ti：0～0.5％、Cu：0～2.0％、Mo：0～2.5％、V：0～1.0％、Al：0～0.3％、Zr：0～0.3％、Co：0～0.6％、REM(稀土元素)：0～0.1％、Ca：0～0.1％、余量Fe及不可避免的杂质的化学组成，具有基质为铁素体单相、铁素体晶粒的平均结晶粒径为0.3～3.0mm的金相组织，剩余磁通密度为45mT以下。
2.权利要求1所述的减振性铁素体系不锈钢材，其中，在大气中、900℃下保持了200h时的氧化增加量为2.5mg/cm2以下。
3.减振性铁素体系不锈钢材的制造方法，其中，对于具有以质量％计，C：0.001～0.03％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.1～2.0％、Ni：0.01～0.6％、Cr：10.5～24.0％、N：0.001～0.03％、Nb：0～0.8％、Ti：0～0.5％、Cu：0～2.0％、Mo：0～2.5％、V：0～1.0％、Al：0～0.3％、Zr：0～0.3％、Co：0～0.6％、REM(稀土元素)：0～0.1％、Ca：0～0.1％、余量Fe为及不可避免的杂质的化学组成的钢材，在非氧化性气氛中、900～1250℃的温度范围保持10min以上以使铁素体晶粒的平均结晶粒径为0.3～3.0mm之后，将从最高到达材料温度至200℃的最大冷却速度设为5℃/sec以下、且将从850℃至400℃的平均冷却速度设为0.3℃/sec以上，冷却至200℃以下的温度的条件下实施最终退火。
4.权利要求3所述的减振性铁素体系不锈钢材的制造方法，其中，将最终退火的气氛设为大气气氛来代替非氧化性气氛，在最终退火后实施酸洗。
5.权利要求3或4所述的减振性铁素体系不锈钢材的制造方法，其中，供给最终退火的钢材是对钢板坯料加工而得到的钢材。
6.权利要求3或4所述的减振性铁素体系不锈钢材的制造方法，其中，供给最终退火的钢材具有在大气中900℃下保持了200h时的氧化增加量成为2.5mg/cm2以下的化学组成。
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