JP2004068118A - 精密打抜き加工性に優れるフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【目的】寸法精度が求められる部品を、金型寿命を低下させることなく、打抜き加工できるフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【構成】Ｃｒを９〜２５質量％含有し、Ｓ含有量を０．００５質量％以下に規制するとともに、ＪＩＳ　Ｇ０５５５で規定される清浄度で０．００４％以上のＴｉＮを含み、表面硬さをビッカース硬度で１６０ＨＶ以下にする。
さらに、Ａｌ，Ｎｂ，ＺｒまたはＲＥＭのうち、一種又は二種以上を０．５０質量％以下含有していても良い。
【効果】打抜きせん断面率が４０％以上になって、シェービング加工や精密打抜き加工において１００％のせん断面が得られる。さらにせん断抵抗が低くなっているので金型寿命を低下させることがない。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、機械・電子電機等の部品やケース等、寸法精度が厳しい成形用フェライト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題がクローズアップされ、リサイクル性に優れる金属素材は、多用な工業製品の部材として需要が増加している。特に、高速回転させて使用される部材や、組込み精度が要求される部品では、バルク材からの削り出し加工（総削り出し加工）により、要求される寸法精度に対応してきた。しかし、切削加工は成形に要する時間が長く、多くの加工エネルギーが必要な上、投入素材に占める使用素材の割合が低いため、製造のコストアップを招く。さらに、部品製造に必要なトータルエネルギーが多くなり、結果的に、地球環境への負荷が大きくなると言う問題があった。
【０００３】
真円度や寸法精度を確保するために、部品端面を切削仕上げするケースも多い。このような加工は、作業効率，歩留まり，エネルギーのいずれの観点からも、切削加工に代えて、打抜き加工が有効である。ただし、打抜き端面における破断面の割合が増加すると、寸法精度の低下や、組立て時における異物混入，使用時における異物巻き込み等、多くの問題が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
さらに厳しい寸法精度が要求される用途に対しては、クリアランスをマイナスにして打抜くシェービング加工や、静水圧を加えながら微小クリアランスで打抜く精密打抜き加工が適用される。いずれも、打抜き端面に占めるせん断面の割合を１００％にすることを目的として開発された加工方法であるが、従来のステンレス鋼では、１００％のせん断面を得ることが困難であった。またステンレスの場合、せん断抵抗が高いため金型への負担が大きく、金型寿命が短いという問題もあった。このような課題に対し、本発明者等は、精密打抜き加工に適したオーステナイト系ステンレス鋼を特願２００１−３１２３７１号で提案した。しかしながら、熱膨張係数が低いこと、熱伝導率が高いことを要求される部材・部品では、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、熱膨張係数が低く、熱伝導率が高いフェライト系ステンレス鋼が適しており、従来から使用されてきた。したがってフェライト系ステンレス鋼にあって、精密打抜き加工に優れたものが要求されている。
【０００５】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、寸法精度が求められる機械・電子電機等の部品やケース等に使用される、打抜き加工やシェービング加工、および、精密打抜き加工に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
なお、本発明では、これらの加工方法を精密打抜き加工と称することとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の精密打抜き加工性に優れるフェライト系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃｒを９〜２５質量％含有し、Ｓ含有量を０．００５質量％以下に規制するとともに、ＪＩＳ　Ｇ０５５５で規定される清浄度で０．００４％以上のＴｉＮを含み、表面硬さがビッカース硬度で１６０ＨＶ以下であることを特徴とする。
このフェライト系ステンレス鋼には、Ａｌ，Ｎｂ，ＺｒまたはＲＥＭのうち、一種又は二種以上を０．５０質量％以下含有することもできる。
このように規制することにより、精密打抜き加工における端面性状に優れた製品が得られる。特に打抜き加工において、板厚に対するせん断面の占める割合が４０％以上の打抜き製品が得られ、さらに、素材破断強度に対し、７０％以下のせん断抵抗で打抜き可能となる。
【０００７】
【作用】
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、以下のように規定されている。このように規定されたフェライト系ステンレス鋼を使用することにより、切削加工された製品と同等な端面の寸法精度を有した部品を打抜き加工で、素材歩留まりが高く、経済的で、しかも環境への負荷を小さく製造することができる。
ビッカース硬さ：１６０ＨＶ以下
過度に硬質になると、せん断変形の破面における塑性流動が円滑に進まず、早期に破断面を生成することになる。そこで各種予備実験からビッカース硬さを１６０ＨＶ以下に制限した。
ビッカース硬さを１６０ＨＶ以下にする手法としては、例えば、製造方法としては、昇温温度を高めて結晶粒径を粗大化させる方法や、箱型焼鈍のように長時間加熱保持する方法が挙げられる。さらに、成分的には、後述するように、固溶強化元素であるＣやＮを固定するＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ等の元素を添加することによっても、軟質化が図れる。
【０００８】
Ｓ含有量：０．００５質量％以下
Ｓが多量に含有されると、ＭｎＳを主体とするＡ系の介在物が多くなる。Ａ系の介在物は、打抜き破面において亀裂起点として作用するため、破断面に割合が増え、さらに、シェービング加工や精密打抜き加工においても、Ｓ量が０．００５質量％を超えると、破断面が生じ、せん断面率を１００％に維持できなくなる。そこで、Ｓ含有量は０．００５質量％以下に制限した。
【０００９】
ＴｉＮの清浄度：０．００４％以上
ＴｉＮを主体とする介在物が鋼中に存在する場合、打抜き加工におけるせん断面率が向上する。また、シェービング加工や精密打抜き加工においても、せん断面率の向上に有効である。
この理由については、以下の通り推定される。すなわち、ＴｉＮは非常に硬質な介在物であって、数μｍ〜１０μｍの非定型塊状形態で鋼中に分散している。せん断変形が進行中に、分離先端がＴｉＮに会合したときに、硬質であるためこれを避ける形で分離が進行し、局部的な応力集中を招くことがない。また、形態が塊状であることから、分離を枝分かれさせることなくせん断変形が進行する。よって、破断面の生成が抑制される。
さらに、ＴｉＮが存在する場合、引張試験程度の速度では素材強度を低下させることはないが、打抜き加工のような高速変形では、せん断変形を低減する効果を発揮する。
【００１０】
ところで、打抜き加工において、せん断破面率が高ければ打抜き製品の寸法精度が向上する。さらに、せん断破面における破断面が少なくなるため、その表面凹凸に起因する異物混入や巻き込み、摺動による金属粉発生が抑制できる。このため、打抜き加工する際にはより高いせん断面率が得られる素材を使用することが好ましい。ただし通常の打抜き加工におけるせん断面率は、加工条件であるクリアランスや抜き輪郭形状によっても変化する。そこで、本発明では、加工条件の影響を排除するために、一定の条件で打抜き加工した場合のせん断面により定量化を図った。すなわち、板厚１ｍｍの素材を、ポンチ径１０ｍｍ，クリアランス比１０％の円形状に打抜き加工し、せん断面率が４０％を超える場合、良好な破断性状が得られると判断した。なお、この基準を満たす素材では、シェービング加工や精密打抜き加工での破断におけるせん断面率が１００％となる。
【００１１】
また、通常、せん断抵抗は素材の引張破断強度に比例する。せん断抵抗が小さければ、打抜き加工時の負荷が少なくなるため、金型がより超寿命化し、より経済的な生産が可能になる。なお、せん断抵抗は、前記条件で素材を打抜き加工した際の、ポンチに加わる最大荷重を打抜き輪郭面積で除した値をせん断抵抗として測定した。そして、このせん断抵抗が、引張破断強度の７０％以下であれば金型負荷が低くなり加工しやすいと判断した。
【００１２】
以上、せん断面率およびせん断抵抗の二つの判断指標と上記ＴｉＮ清浄度の関係を種々の予備実験から調査・検討したところ、これらの効果は、ＪＩＳ　Ｇ０５５５に規定される清浄度測定に準じた方法で、ＴｉＮが０．００４％以上含まれる場合に得られることがわかった。ＴｉＮの清浄度を０．００４％以上にするには、０．０１質量％以上のＴｉおよび０．００１質量％以上のＮを含有することで、通常のステンレス鋼の製造方法で達成することができる。なお、ＴｉＮ含有量が多くなるとその効果は飽和するので、Ｔｉ量では０．５質量％以下とすることが好ましい。また、Ｎを過剰に多くすると他の元素と窒化物を形成して硬質化を招くので、Ｎ含有量は０．１質量％以下にすることが好ましい。
さらに、Ｔｉは、鋼中の固溶強化元素であるＣやＮを炭化物や窒化物の形で捕捉して固溶量を低減させるため、素材硬さを低減し、せん断面率を向上させることにも寄与しているものと考えられる。
【００１３】
Ｃｒ：９〜２５質量％
Ｃｒはステンレス鋼に必須の元素であり、耐食性を確保するために９質量％以上が必要である。ただし、多量に含有すると過度に硬質化し、打抜き性が損なわれるため、２５質量％以下とする。
【００１４】
Ａｌ，Ｎｂ，Ｚｒ， ＲＥＭ の一種又は二種以上：０．５０質量％以下
これらの元素は固溶強化元素であるＣ，Ｎと炭化物，窒化物を形成し、母相を軟質化する効果を有する。したがって、これらの元素を含有することで母相の硬さが低減し、せん断面率向上に寄与する。ただし、Ｃ，Ｎの含有量以上に過度に含有させると、これらの元素が母相に固溶して硬質化を招くので、それらの上限は０．５０質量％以下とする。
【００１５】
本発明ステンレス鋼は、以上の要件を必須とするものであるが、成分組成的には、以下のようなものが好ましい。
Ｃ：０．１２質量％以下
Ｃは、α−γ変態点温度を上昇させる。よって高温域までの再結晶温度を確保するために必要な元素である。ただし、過度に含有すると炭化物量が増加し、耐食性が劣化するため、その上限を０．１２質量％とすることが好ましい。
Ｓｉ：１質量％以下
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として有効な元素である。ただし、多量に含有すると固溶強化により過度に硬質化し、打抜き加工性を低下させる。したがってその上限を１質量％にすることが好ましい。
【００１６】
Ｍｎ：１質量％以下
Ｍｎは、高温域におけるオーステナイト相の割合を増加させるため、熱間圧延時の加工性向上に有効である。しかし、Ｍｎは過度に含有するとＭｎＳとして鋼中に存在し、せん断破面性状を劣化させる。そのため、上限を１質量％にすることが好ましい。
Ｎｉ：１質量％以下
Ｎｉは、Ｍｎと同様に高温域におけるオーステナイト相の割合を増加させるため、熱間圧延時の加工性向上に有効である。しかし、過度に含有するとα−γ変態点温度が低下し、十分な再結晶温度を確保できなくなる。また、高価な元素でもある。したがってＮｉ含有量の上限は１質量％にすることが好ましい。
【００１７】
Ｐ：０．０５質量％以下
Ｐは、その含有量に応じて熱間加工性を低下させるので、その含有量上限は０．０５質量％にすることが好ましい。
Ｍｏ：１．５質量％以下
Ｍｏは、耐食性向上に有効な元素である。しかし過度に含有すると硬質化する。したがって、Ｍｏを含有させる場合、その上限は、１．５質量％にとどめることが好ましい。
Ｃｕ：３質量％以下
Ｃｕは、高温域におけるオーステナイト相の割合を増加させるため、熱間圧延時の加工性向上に有効である。しかし、熱延温度域における固溶限以上を超えて含有すると、かえって熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕを含有させる場合、その上限を３質量％とすることが好ましい。
【００１８】
【実施例１】
表１の成分・組成をもつフェライト系ステンレス鋼を、電気溶解炉によりそれぞれ４００ｋｇ溶解・鋳造した。１００ｍｍ厚，２００ｍｍ幅に切り出したインゴットを１２３０℃で２時間溶体化処理後、熱延により板厚３ｍｍの鋼帯とした。この鋼帯を８００℃で１２時間のバッチ焼鈍後、酸洗し、冷延により板厚１ｍｍの鋼帯とした。引き続き、温度８５０℃，均熱時間０秒の連続焼鈍・酸洗により冷延焼鈍板を作製した。
得られた素材の表面硬さを表２に示す。なお、Ｎｏ．１鋼のみ仕上げ焼鈍温度を変え、異なる硬さの鋼板を作製した。
【００１９】
各冷延鋼板を、ポンチ径１０ｍｍ，クリアランス比１０％で円形状に打抜き加工し、抜き材のせん断破面におけるせん断面率を測定した。測定部の説明を図１に示す。素材圧延方向と、これに直角な方向、および４５度方向におけるせん断破面８箇所の、板厚方向でのせん断破面長さを測定し、各素材板厚に対する割合を求め、その平均値をせん断面率とした。
せん断面率と素材硬さの関係を図２に示す。
硬さの増加とともに、せん断面率が低下する傾向を示す。特に仕上げ焼鈍温度を変えて異なる硬さの供試材としたＮｏ．１鋼において、１６０ＨＶを超えるとせん断面率が４０％未満になっていた。
【００２０】
せん断面率と素材硬さおよびＳ含有量の関係をそれぞれ図３，図４に示す。
図３から、Ｓ量の増加とともにせん断面率が低下する傾向が認められる。Ｎｏ．１，Ｎｏ．２およびＮｏ．３では、硬さが１５０ＨＶとほぼ同レベルであるが、Ｓ量が０．００５質量％をこえるＮｏ．３では、せん断面率が４０％未満になっている。なお、Ｎｏ．４は、ＴｉＮの清浄度が０．００４％に満たなかったため、せん断面率が４０％に達しなかったものである。
図４から、ＴｉＮ清浄度の増加とともにせん断面率が増加する傾向が認められる。特に、１４０ＨＶから１５０ＨＶの硬さを示すＮｏ．１，Ｎｏ．４，Ｎｏ．５，Ｎｏ，６およびＮｏ．７で比較すると、ＴｉＮ清浄度が０．００４％以上のとき、せん断面率が４０％以上になっている。さらに、Ａｌを０．１０３質量％含むＮｏ．８や、Ｎｂを０．２４１質量％含むＮｏ．９は、それぞれほぼ同等のＴｉＮ清浄度を示すＮｏ．５やＮｏ．１に対して、さらにせん断面の割合が増加している。なお、Ｎｏ．３は、Ｓ含有量が多いために、せん断面率が低くなったものである。
各鋼板の打抜きせん断抵抗と、引張強さの関係を図５に示す。
本発明に係るステンレス鋼Ｎｏ．１，２，５，６，７，８および９は、引張強さに対するせん断抵抗の割合が、７０％以下を示し、金型負荷が低減されていた。
【００２１】

【００２２】

【００２３】
【実施例２】
表３に示す鋼Ｎｏ．１３〜２０を、実施例１と同様な方法で、１．０ｍｍ厚，１０ｍｍ幅の冷延焼鈍コイルとした。この素材を用いて、外径φ５ｍｍの円板を、シェービング加工により連続的に作製した。なお、素材毎に金型を交換し同一条件で作製した。１００個毎に部品を抜き取り、せん断破面を観察して、破断面の有無を確認した。
【００２４】

【００２５】
破断面を生成した打抜き個数を表４に示す。表面硬さが１６０ＨＶ以下で、ＴｉＮ清浄度が０．００４以上，Ｓ含有量が０．００５質量％以下のＮｏ．１１，１２，１３および１４は、製造終了の１０００個まで破断面の生成は認められなかった。
一方、Ｓ含有量が０．００５質量％を超えるＮｏ．１５，１６では、加工初期から破断面が生成していた。また、表面硬さが１６０ＨＶを超えるＮｏ．１７や、Ｓ含有量が０．００５質量％未満であってもＴｉＮ清浄度が０．００４％未満のＮｏ．１８では、加工初期から破断面が生成し、精密部品として使用することができなかった。
【００２６】

【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のフェライト系ステンレス鋼を素材とすれば、高いせん断面率の端面を有する、寸法精度に優れた打抜き製品が得られる。また、シェービング加工や精密打抜き加工においても、せん断面率１００％の端面を有する製品が安定して得られる。しかも、本発明フェライト系ステンレス鋼は
せん断抵抗が低いので金型寿命を低下させることがない。
したがって、本発明により、寸法精度と経済性を兼備した、従来にない優れた打抜き部品用素材を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】円盤状に打抜き加工した際の、せん断面率測定方法を説明する図
【図２】硬さとせん断面率の関係を説明する図
【図３】Ｓ含有量とせん断面率の関係を説明する図
【図４】ＴｉＮ清浄度とせん断面率の関係を説明する図
【図５】素材の引張強さとせん断応力の関係を説明する図

Claims (2)

1. Ｃｒを９〜２５質量％含有し、Ｓ含有量を０．００５質量％以下に規制するとともに、ＪＩＳ　Ｇ０５５５で規定される清浄度で０．００４％以上のＴｉＮを含み、表面硬さがビッカース硬度で１６０ＨＶ以下であることを特徴とする精密打抜き加工性に優れるフェライト系ステンレス鋼。
2. さらに、Ａｌ，Ｎｂ，ＺｒまたはＲＥＭのうち、一種又は二種以上を０．５０質量％以下含有する請求項１に記載の精密打抜き加工性に優れるフェライト系ステンレス鋼。

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