JP2004131830A

JP2004131830A - フェライト系ステンレス鋼の深絞り成形体

Info

Publication number: JP2004131830A
Application number: JP2002299866A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Tomimura; 冨村　宏紀; Yasutoshi Hideshima; 秀嶋　保利; Naoto Hiramatsu; 平松　直人
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【目的】高い絞り比で深絞り加工したにも拘らず、二次加工時に割れの発生がない深絞り成形体を提供する。
【構成】Ｃ：０．０１５質量％以下，Ｓｉ：０．５質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜２５．０質量％，Ｎ：０．０２０質量％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％，Ｂ：０．００５０質量％以下，残部実質的にＦｅの組成をもち、フェライト結晶粒の平均粒径が３０μｍ以下，面内全方向に沿って測定したランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎが１．４以上のフェライト系ステンレス鋼板を素材とし、深絞り加工により最終製品形状で最大絞り深さ／円筒最小直径の比が１．５以上に成形された深絞り成形体である。素材ステンレス鋼は、３．０質量％以下のＭｏを含むことができ、必要に応じてＮｉ：２．０質量％以下，Ｃｕ：２．０質量％以下，Ａｌ：４．０質量％以下の１種又は２種以上を添加しても良い。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、最終製品形状に二次加工しても破断，亀裂，座屈等が生じないフェライト系ステンレス鋼の深絞り成形体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４３０ＬＸ等のフェライト系ステンレス鋼は、良好な耐食性を呈し、高価なＮｉを含まないためオーステナイト系ステンレス鋼に比較して安価であるため、耐久消費財を中心に広範な用途で使用されている。フェライト系ステンレス鋼の用途展開に伴い、製品形状に成形するプレス加工条件が一段と過酷になることから、一層優れた深絞り加工性を呈するフェライト系ステンレス鋼が望まれている。
【０００３】
深絞り加工性の向上を狙った数多くの研究が報告されており、Ｔｉ，Ｎｂの複合添加が代表的である。複合添加したＴｉ，Ｎｂは、マトリックスに固溶しているＣ，Ｎを炭窒化物として析出させ、マトリックスのＣ，Ｎ濃度を低減させることにより深絞り加工性を向上させる。更に、Ｍｇ系介在物によるリジング特性の向上（特開２０００−１９２１９９号公報），Ｔｉ，Ｎｂの複合添加と熱延条件との組み合わせによるランクフォード値の向上（特公平８−２６４３６号公報）等も知られている。
【０００４】
種々の用途にフェライト系ステンレス鋼を使用する場合、ランクフォード値，リジング特性だけでなく最終製品形状に成形する際の二次加工性も重要な要求特性である。フェライト系ステンレス鋼板は、一般的にオーステナイト系ステンレス鋼板よりも加工性が劣り、プレス成形又は深絞り加工後の穴拡げ加工で最終形状となる製品においてはプレス成形又は深絞り加工時の板厚減少がオーステナイト系ステンレス鋼板に比較して大きく、プレス成形又は深絞り加工後の二次加工性に劣る。
深絞り成形体に施される曲げ，扁平化，張出し等の二次加工は、最終製品のコンパクト化，形状の複雑化に伴い頻繁になり、過酷な加工条件が採用される傾向が強い。その結果、材料の破断限界に近い条件下で二次加工され、一次加工に比較して割れが発生しやすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
深絞り成形体を６００〜８００℃で軟化焼鈍することにより二次加工時の割れ発生をある程度抑制できるが、二次加工条件が過酷になるに従い軟化焼鈍だけでは割れの発生を完全に抑制できない。二次加工割れを完全に防止できない現状では、二次加工割れの発生率を予測することが困難であり、操業中に二次加工割れが急に頻発する事態もある。
二次加工割れ対策が十分でないことは、耐二次加工割れ性に及ぼす合金設計や金属組織が解明されていないことに原因がある。そこで、本発明者等は、耐二次加工割れ性と合金設計，金属組織との関係を調査・検討した。その結果、フェライト結晶粒を細粒化し、深絞り加工性の指標であるランクフォード値の面内異方性を小さくするとき、過酷な条件下で二次加工しても二次加工割れを抑制できることを見出した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、新規な知見をベースに完成されたものであり、合金設計，金属組織，ランクフォード値の最小値を総合的に調整することにより、二次加工割れの発生なく高精度の最終製品形状に加工できる深絞り成形体を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の深絞り成形体は、その目的を達成するため、Ｃ：０．０１５質量％以下，Ｓｉ：０．５質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜２５．０質量％，Ｎ：０．０２０質量％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％，Ｂ：０．００５０質量％以下，残部実質的にＦｅの組成をもち、フェライト結晶粒の平均粒径が３０μｍ以下，面内全方向に沿って測定したランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎが１．４以上のフェライト系ステンレス鋼板を深絞り加工することにより成形され、最終製品形状で最大絞り深さ／円筒最小直径の比が１．５以上であることを特徴とする。
【０００８】
素材ステンレス鋼は、３．０質量％以下のＭｏを含むことができ、必要に応じてＮｉ：２．０質量％以下，Ｃｕ：２．０質量％以下，Ａｌ：４．０質量％以下の１種又は２種以上を添加しても良い。
【０００９】
【作用】
本発明者等は、ステンレス鋼の深絞り成形体に発生する二次加工割れを詳細に調査した結果、低い温度環境下で二次加工割れが発生しやすく、一次加工ではほとんどみられない脆性的な劈開破壊又は粒界破壊であることを解明した。併せて、フェライト結晶粒の微細化に応じて二次加工割れが生じがたくなることを見出した。本発明はこれらの知見をベースに完成されたものであり、成分・組成，フェライト結晶粒，ランクフォード値の最小値を適正管理することにより、耐二次加工割れ性に優れた深絞り成形体が得られる。
【００１０】
フェライト系ステンレス鋼は、普通鋼に比較してクロム含有量が高いため硬質化しており、伸びも低い。素材の延性に基づく張出し要素による加工性の向上が期待できないことから、板厚収縮又は幅方向に沿った材料流入の指標としてランクフォード値（ｒ値）に着目し、最終製品形状への成形に耐え得るフェライト系ステンレス鋼を調査した。ランクフォード値としても、従来から汎用されている圧延方向（Ｌ方向），圧延方向に直交する方向（Ｔ方向），圧延方向に対して４５度傾斜した方向（Ｄ方向）の三方向に限らず、面内全方向に沿って測定し、最小のランクフォード値ｒ_ｍｉｎを評価指標に使用している。面内全方向におけるランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎは深絞り加工性，二次加工性を適切に表す指標であり、ｒ_ｍｉｎ≧１．４に管理することにより深絞り加工時や二次加工時に割れ等の欠陥発生が抑制され、形状精度の良好な最終製品が得られる。
【００１１】
以下、本発明で使用するフェライト系ステンレス鋼の合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０．０１５質量％以下
最終焼鈍時に再結晶フェライトのランダム化に有効な再結晶核となる炭化物を形成する。しかし、過剰量のＣ含有は、冷延焼鈍板の強度を上昇させ延性の低下を招くことから、上限を０．０１５質量％に規制した。
Ｓｉ：０．５質量％以下
溶鋼段階で脱酸剤として使用される合金成分である。しかし、固溶強化能が高く、過剰量のＳｉ含有は材質硬化，延性低下を引き起こすので、Ｓｉ含有量の上限を０．５質量％に規制した。
【００１２】
Ｃｒ：１１．０〜２５．０質量％
ステンレス鋼に要求される耐食性の向上に必須の合金成分であり、１１．０質量％以上でＣｒ添加の効果がみられる。しかし、Ｃｒ含有量が高くなると靭性，加工性が低下するので、上限を２５．０質量％に規制した。
Ｎ：０．０２０質量％以下
最終焼鈍時に再結晶フェライトのランダム化に有効な再結晶核となる窒化物を形成する。しかし、過剰量のＮ含有は、冷延焼鈍板の強度を上昇させ延性の低下を招くことから、上限を０．０２０質量％に規制した。
【００１３】
Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％
Ｃ，Ｎの固定及びフェライト結晶粒の微細化よって耐衝撃特性，耐二次加工割れ性を向上させる合金成分であり、０．０５質量％以上でＴｉ添加の効果がみられる。しかし、０．５０質量％を超える過剰量のＴｉを添加すると、鋼材コストが上昇するばかりでなくＴｉ系介在物起因の表面欠陥が発生しやすくなる。
Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％
Ｔｉと同様にＣ，Ｎの固定及びフェライト結晶粒の微細化よって耐衝撃特性，耐二次加工割れ性を向上させる合金成分であり、０．１０質量％以上で添加効果がみられる。しかし、０．５０質量％を超える過剰量のＮｂを添加すると、鋼材が硬質化し加工性に悪影響が現れやすくなる。Ｎｂの過剰添加は、再結晶温度を上げる点でも不利である。
【００１４】
Ｂ：０．００５０質量％以下
Ｎを固定し耐食性，加工性を改善する合金成分であり、０．０００５質量％以上でＢ添加の効果がみられる。しかし、０．００５０質量％を超えるＢの過剰添加は、熱間加工性に悪影響を及ぼす。
Ｍｏ：３．０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、耐食性を改善する作用を呈する。しかし、Ｍｏを過剰添加すると高温での固溶強化や動的再結晶の遅滞により熱間加工性が低下するので、Ｍｏを添加する場合には上限を３．０質量％に設定する。
【００１５】
Ｎｉ：２．０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、オーステナイト形成元素であって過剰添加は鋼材の硬質化，コスト上昇の原因となるので、Ｎｉ添加量を２．０質量％以下に定める。
Ｃｕ：２．０質量％以下
製鋼段階でスクラップ等の原料から不可避的に混入する成分であるが、Ｃｕ含有量を２．０質量％以下に規制するときＣｕ起因の熱間加工性，耐食性低下が抑えられる。
Ａｌ：４．０質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、製鋼段階で脱酸剤として添加され、耐酸化性を向上させる作用も呈する。しかし、Ａｌを過剰添加すると表面欠陥が発生しやすくなるので、４．０質量％にＡｌ含有量の上限を設定した。
【００１６】
以上に掲げた成分の他、２．０質量％以下のＭｎ，０．０１〜０．３質量％以下のＶ，Ｚｒを添加しても良く、有害元素であるＰ，Ｓの上限をそれぞれ０．０５０質量％，０．０２０質量％に規制することが好ましい。Ｍｎは固溶強化能が小さく材質への悪影響が少ない合金成分であるが、２．０質量％を超える過剰量のＭｎが含まれると溶製時にヒュームが発生しやすく製造性も低下する。Ｖは固溶Ｃを炭化物として析出させることにより加工性を向上させ、Ｚｒは炭化物析出に加えて鋼中酸素を酸化物として捕捉することにより加工性，靭性を向上させるが、過剰添加は製造性を低下させる。スクラップ等の原料から溶鋼に混入する成分にはＣａ，Ｍｇ，Ｃｏ，ＲＥＭ等もあるが、過剰に含まれない限り深絞り成形体の二次加工割れに影響を及ぼさない。
【００１７】
ランクフォード値の最小値：ｒ_ｍｉｎ≧１．４
ランクフォード値が高い材料は、プレス成形，深絞り加工時に板厚方向の歪みが小さく平面方向の歪みが大きくなる。板厚方向に優先して平面方向に歪みが進行することは、プレス成形，深絞り加工で得られる深絞り成形体の板厚減少が少なくなることを意味する。逆にランクフォード値の低い材料から得られる深絞り成形体では大きな減肉部が生じやすく、二次加工の際に割れ発生の起点となる。プレス成形，深絞り加工時の塑性流動を考慮すると、Ｌ，Ｔ，Ｄの三方向に沿ったランクフォード値だけでは、深絞り成形体の二次加工割れを適正に評価できない。そこで、鋼板の面内全方向においてランクフォード値を測定し、ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎで二次加工性を評価することが必要である。最小値ｒ_ｍｉｎを１．４以上と管理することにより、深絞り成形体の板厚が均等化され、後述の実施例にみられるように割れのない最終製品形状に二次加工できる。
【００１８】
フェライト結晶粒：平均粒径３０μｍ以下
深絞り成形体の二次加工性向上にはフェライト結晶粒の微細化が重要であり、平均粒径を３０μｍ以下に制御することにより材料の劈開応力が上昇する。劈開応力は、劈開破壊で材料が破断する際にクラック発生及びクラック伝播が併合した応力であり、フェライト結晶粒の微細化によって伝播したクラックが粒界で止められる頻度が高くなる。フェライト結晶粒の微細化に応じてクラックの伝播距離も短くなり、応力集中や劈開応力が小さくなることも二次加工性向上の原因と考えられる。
【００１９】
このように成分・組成の特定，フェライト結晶粒の微細化，ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎの管理を組み合わせることにより、最大絞り深さ／円筒最小直径の比が１．５以上の最終製品形状に二次加工しても二次加工割れのない深絞り成形体が得られる。
【００２０】
【実施例】
表１の成分・組成をもつフェライト系ステンレス鋼を溶製し、鋳造後、板厚４ｍｍに熱間圧延した。熱延板を１００℃×６０秒焼鈍し、板厚２ｍｍに中間圧延し、９２０℃×６０秒で中間焼鈍し、板厚０．４ｍｍに仕上げ冷延し、次いで表２の条件下で仕上げ焼鈍した。
【００２１】

【００２２】

【００２３】
各フェライト系ステンレス鋼の最終焼鈍材を倍率２００倍の光学顕微鏡で観察し、４５０μｍ×３５０μｍを１視野とする５視野について切片法に従ってフェライト結晶粒の粒径を測定し、平均値を求めた。
また、圧延方向（Ｌ方向）から直交方向（Ｔ方向）に至る９０度の範囲を５度刻みした各方向に沿って最終焼鈍材からＪＩＳ　１３Ｂ号試験片を切り出し、引張試験に供した。引張試験では、１５％の引張り歪みを試験片に与えた後、ランクフォード値を測定し、ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎを求めた。
【００２４】
更に、最終焼鈍材から直径５５ｍｍのブランクを切り出し、直径１７．５ｍｍのポンチを用いた４段絞りで絞り比３．１４の深絞り成形体を成形した。底部から３５ｍｍの位置で深絞り成形体を切断し、切断面を＃４００研磨し、最大絞り深さ／円筒最小直径の比２．０の被試験体を各例ごとに５個用意した。
被試験体を氷点下２５℃の恒温槽に浸漬し、１５分以上保持した。被試験体が−２５℃まで冷却されたことを確認した後、恒温槽に配置されている被試験体に高さ４５０ｍｍの位置から２．３６ｋｇの重錘を落下させる落下衝撃試験（二次加工試験）で被試験体に発生する割れの有無を調査した。全ての被試験体で割れが発生しなかった場合を○，１個でも割れた被試験体を×として深絞り成形体の耐二次加工割れ性を評価した。
【００２５】
表３の調査結果にみられるように、成分・組成，フェライト結晶粒の平均粒径，ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎが本発明で規定した条件を満足する深絞り成形体は、何れも落下衝撃試験で割れが発生しなかった。
成分・組成が本発明で規定した条件を満足していても、フェライト結晶粒が３０μｍを超える組織をもつＢ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｆ２では、落下衝撃試験で割れが発生した。
【００２６】
過剰なＣ，Ｎを含む比較鋼Ｇは、素材強度が高いため落下衝撃試験で割れが発生した。過剰なＣ，Ｎｂを含む比較鋼Ｈ，Ｊは、ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎが１．４未満の低い値であり、落下衝撃試験前の深絞り加工後ですでにフランジ部分に割れが検出された。Ｎｂが不足する比較鋼Ｉは、フェライト結晶粒が粗大に成長した組織になっており、落下衝撃試験で割れが発生した。
以上の対比結果から、成分・組成，フェライト結晶粒の平均粒径，ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎの全てを適正に管理することにより、二次加工によっても割れが発生しない深絞り成形体が得られることが確認される。
【００２７】

【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、成分・組成，フェライト結晶粒の平均粒径，ランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎの全てを適正に管理するとき、一次加工で成形された絞り比の大きな深絞り成形体を二次加工しても割れのない最終製品形状に加工できる。素材に使用するフェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して安価な材料であり、しかも優れた耐食性を呈する。このような長所を活用し、高精度で且つ複雑形状が要求される電池ケース，コンデンサケース，モータケース，各種センサケース，シンク，各種器物サーモスタットバルブ等の産業用機器に適した深絞り成形体が提供される。

Claims

Ｃ：０．０１５質量％以下，Ｓｉ：０．５質量％以下，Ｃｒ：１１．０〜２５．０質量％，Ｎ：０．０２０質量％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％，Ｎｂ：０．１０〜０．５０質量％，Ｂ：０．００５０質量％以下，残部実質的にＦｅの組成をもち、フェライト結晶粒径の平均粒径が３０μｍ以下，面内全方向に沿って測定したランクフォード値の最小値ｒ_ｍｉｎが１．４以上のフェライト系ステンレス鋼板を深絞り加工することにより成形され、最終製品形状で最大絞り深さ／円筒最小直径の比が１．５以上であることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼の深絞り成形体。
更にＭｏ：３．０質量％以下を含むフェライト系ステンレス鋼板から成形された請求項１記載の深絞り成形体。
更にＮｉ：２．０質量％以下，Ｃｕ：２．０質量％以下，Ａｌ：４．０質量％以下の１種又は２種以上を含むフェライト系ステンレス鋼板から成形された請求項１又は２記載の深絞り成形体。