JP2006193789A - 熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 金属間化合物の分散析出によって室温強度を高め、非金属材料との接合性,耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】 C:0.08%以下,Si:3.0%以下,Mn:3.0%以下,P:0.10%以下,S:0.03%以下,Ni:0.6%を超え5.0%以下,Cr:9〜40%以下,N:0.03%以下,Nb:0.05〜1.0%,Cu:0.5〜3.0%,Al:0.5〜5.0%を含み、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0の範囲に調整されたフェライト系ステンレス鋼である。必要に応じ、Ti:0.05〜0.5%,Mo:0.2〜4.0%,Co:3.0%以下,W:3.0%以下,Zr:0.5%以下,V:0.5%以下,Ta:1.0%以下,Y:0.1%以下,REM:0.1%以下,B:0.01%以下,Mg:0.01%以下,Ca:0.01%以下の一種又は二種以上を含む。
【選択図】 図1
【解決手段】 C:0.08%以下,Si:3.0%以下,Mn:3.0%以下,P:0.10%以下,S:0.03%以下,Ni:0.6%を超え5.0%以下,Cr:9〜40%以下,N:0.03%以下,Nb:0.05〜1.0%,Cu:0.5〜3.0%,Al:0.5〜5.0%を含み、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0の範囲に調整されたフェライト系ステンレス鋼である。必要に応じ、Ti:0.05〜0.5%,Mo:0.2〜4.0%,Co:3.0%以下,W:3.0%以下,Zr:0.5%以下,V:0.5%以下,Ta:1.0%以下,Y:0.1%以下,REM:0.1%以下,B:0.01%以下,Mg:0.01%以下,Ca:0.01%以下の一種又は二種以上を含む。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ガラス,セラミック等の非金属材料に良好な接合性を呈する高強度フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
ガラス,セラミック等の非金属材料と金属材料との接合には従来から種々の方法が採用されているが、欠陥のない高強度接合部の形成が重要である。特に精密さが要求される電気電子部品や過酷な加工が想定される建材等の用途では、接合性,高強度化の要求が格段に高くなっている。一部の用途では、接合体の金属部分に優れた耐食性が求められる場合もある。
金属材料に非金属材料を接合する一般的な方法は、低融点ガラス,酸化物ガラス,結晶化ガラス等を用いた接合法である。ガラス質接合材にはホウ酸塩ガラス,ケイ酸塩ガラス,エナメルガラス,琺瑯等、種々の接合材が使用されており、塗布した接合材を400〜1000℃で焼き付けることにより非金属材料を金属材料に接合している。高温焼成を経ずに金属材料,非金属材料を接合する方法(特許文献1)も提案されているが、真空設備を必要とするため適用対象が制約される。
特開2003-26480号公報
ガラス質接合材の高温焼付けを伴った接合では、金属材料,接合材,非金属材料の間に熱膨張係数の相違に起因する熱応力が接合界面に生じやすい。欠陥のない接合界面の形成には、熱膨張差の小さいことが重要な要因になる。また、非金属材料の相手材として高温焼成時に相変態を生じる鉄系材料を使用すると、相変態に起因する体積変化も接合性に影響を及ぼす。しかも、低合金の鉄系材料は、高温焼成時に導入された欠陥部が腐食起点になりやすく、非金属材料の相手材としては適当でない。
焼付け温度域で相変態せず良好な耐食性を示す鉄系材料としてステンレス鋼が知られているが、オーステナイト系,オーステナイト/フェライト二相系は接合材との熱膨張差が大きいことが問題である。この点、フェライト系ステンレス鋼はガラス質接合材に比較的近い熱膨張係数をもち、非金属材料の相手材として期待できる。しかし、強度がビッカース硬さで160HV以下と低く、高強度が要求される用途では必ずしも十分な被接合材とはいえない。
そこで、本発明者等は、フェライト系ステンレス鋼の成分・組成を種々調査し、Nb,Mo,Cu等の化合物を熱処理で析出させることにより、ステンレス鋼本来の耐食性を備えた高強度フェライト系ステンレス鋼が得られることを解明し、高強度化,耐食性に好適な合金系を提案した(特許文献2)。Nb,Mo,Cu等の化合物析出による強化では、HV165以上の高強度が維持できるものの、更なる高強度(具体的には、HV200以上)を常に安定して得るには必ずしも十分でない。
特願2003-328134号
本発明者等は、Nb,Mo,Cu等の化合物の析出で強化したフェライト系ステンレス鋼について更に調査・検討を進めた結果、400〜1000℃の温度域で熱膨張係数が小さく、相変態せず高強度が維持される合金設計を採用することにより、ガラス,セラミック等の非金属材料との接合性に優れ、鋼材自体の強度も高い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。
本発明の熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼は、C:0.08質量%以下,Si:3.0質量%以下,Mn:3.0質量%以下,P:0.10質量%以下,S:0.03質量%以下,Ni:0.6質量%を超え5.0質量%以下,Cr:9〜40質量%以下,N:0.03質量%以下,Nb:0.05〜1.0質量%,Cu:0.5〜3.0質量%,Al:0.5〜5.0質量%,Fe:実質的に残部の基本組成をもち、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0に調整され、最終熱処理状態でNi(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型又はε-Cu型の析出物が平均間隔:5μm以下で分散していることを特徴とする。
該フェライト系ステンレス鋼は、基本組成にIグループ及び/又はIIグループの合金成分を添加しても良い。また、Si含有量,Mn含有量共に0.1〜0.5質量%の範囲に制限することが好ましい。
Iグループ
Ti:0.05〜0.5質量%,Mo:0.2〜4.0質量%の一種又は二種
IIグループ
Co:3.0質量%以下,W:3.0質量%以下,Zr:0.5質量%以下,V:0.5質量%以下,Ta:1.0質量%以下,Y:0.1質量%以下,REM(希土類金属):0.1質量%以下,B:0.01質量%以下,Mg:0.01質量%以下,Ca:0.01質量%以下から選ばれた少なくとも一種
Ni(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型,ε-Cu型等の金属間化合物は、所定組成のフェライト系ステンレス鋼に加熱温度:400〜900℃,加熱時間:0.01〜1時間の最終熱処理を施すことにより析出する。
Iグループ
Ti:0.05〜0.5質量%,Mo:0.2〜4.0質量%の一種又は二種
IIグループ
Co:3.0質量%以下,W:3.0質量%以下,Zr:0.5質量%以下,V:0.5質量%以下,Ta:1.0質量%以下,Y:0.1質量%以下,REM(希土類金属):0.1質量%以下,B:0.01質量%以下,Mg:0.01質量%以下,Ca:0.01質量%以下から選ばれた少なくとも一種
Ni(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型,ε-Cu型等の金属間化合物は、所定組成のフェライト系ステンレス鋼に加熱温度:400〜900℃,加熱時間:0.01〜1時間の最終熱処理を施すことにより析出する。
ガラス質材料を用いた金属材料/非金属材料の接合に使用されるステンレス鋼には、接合過程で各種熱処理が施される際に接合材,非金属材料との間で熱膨張差が小さく、高温域でも相変態に起因した体積変化のないことが必要である。また、小型化,高密度化,高性能化等の要求に応え品質,信頼性を向上させるため、鋼材自体の強度,耐食性も優れていることが要求される。
本発明は、非金属材料との接合に要求される特性を考慮し、接合材,非金属材料に近い熱膨張係数を示すフェライト系ステンレス鋼の使用を前提とし、400〜1000℃の温度域における熱膨張,相変態を抑え、且つ400〜1000℃で熱処理した製品においてもビッカース硬さが調質圧延を施したフェライト系ステンレス鋼のレベルであるHV190を超える高強度を維持する合金設計を採用している。
本発明は、非金属材料との接合に要求される特性を考慮し、接合材,非金属材料に近い熱膨張係数を示すフェライト系ステンレス鋼の使用を前提とし、400〜1000℃の温度域における熱膨張,相変態を抑え、且つ400〜1000℃で熱処理した製品においてもビッカース硬さが調質圧延を施したフェライト系ステンレス鋼のレベルであるHV190を超える高強度を維持する合金設計を採用している。
具体的には、Ni,Al,Cuの三元素を特定量以上含有させ、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xを5.0〜9.0の範囲に調節している。Ni,Al,Cuの三元素は、強度発現に有効なNi(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型又はε-Cu型化合物の形成に必須の成分であり、何れか一つ欠けても目標強度が得られない。強化指数X=Ni+2.25Al+1.5Cuは、強度向上に寄与する化合物の有効析出量を示す指標である。X値が5.0未満では化合物の析出量が少なすぎ効果的な強化が期待できないが、逆にNi,Al,Cuの過剰添加でX値が9.0を超えると鋼材の靭性が損なわれ生産性が劣化しやすい。更に、ステンレス鋼/非金属材料の接合界面にCr,Si,Mn,Al等の酸化物又は複合酸化物を生成させると、接合時の熱処理過程でステンレス鋼,非金属材料の間に生じる熱膨張差が緩和され、一層優れた接合性でステンレス鋼が非金属材料に接合される。
本発明では、フェライト系ステンレス鋼に含まれる合金成分,含有量を次のように定めている。
〔C:0.08質量%以下,N:0.03質量%以下〕
何れもクリープ強度等の高温強度に有効な合金成分であるが、過剰含有は耐食性,酸化特性,加工性,低温靭性,溶接性に悪影響を及ぼす。また、オーステナイト形成元素であるため、Cr,Si等のフェライト形成元素が少ない成分系にC,Nを過剰添加すると高温でオーステナイト相が生成しやすくなり、結果として接合時の冷却過程でマルテンサイト変態に起因する膨張が生じ、ガラス質材料との熱膨張差が大きくなる。また、C,Nを炭窒化物として固定するNbを添加している本成分系では、C,Nが多くなるとNbを増量することが必要になり、原料コストを上昇させる。この点、C,N含有量が低いほど有効であり、共に上限を0.03質量%(更には、0.02質量%)とすることが好ましい。
〔C:0.08質量%以下,N:0.03質量%以下〕
何れもクリープ強度等の高温強度に有効な合金成分であるが、過剰含有は耐食性,酸化特性,加工性,低温靭性,溶接性に悪影響を及ぼす。また、オーステナイト形成元素であるため、Cr,Si等のフェライト形成元素が少ない成分系にC,Nを過剰添加すると高温でオーステナイト相が生成しやすくなり、結果として接合時の冷却過程でマルテンサイト変態に起因する膨張が生じ、ガラス質材料との熱膨張差が大きくなる。また、C,Nを炭窒化物として固定するNbを添加している本成分系では、C,Nが多くなるとNbを増量することが必要になり、原料コストを上昇させる。この点、C,N含有量が低いほど有効であり、共に上限を0.03質量%(更には、0.02質量%)とすることが好ましい。
〔Si:3.0質量%以下〕
室温強度の向上に有効な固溶強化元素として働き、高温酸化特性を改善する作用も呈する。また、加熱中にシリコン系酸化物が生成するとステンレス鋼/ガラス質材料の熱膨張差が緩和され、高い接合性が確保される。しかし、過剰量のSi添加は低温靭性を低下させるので、Si含有量の上限を3.0質量%とした。また、本成分系では、鋼材の低温靭性を低下させる傾向を示すAlを含んでいるので、Si含有量を0.1〜0.5質量%の範囲に制限することが好ましい。
室温強度の向上に有効な固溶強化元素として働き、高温酸化特性を改善する作用も呈する。また、加熱中にシリコン系酸化物が生成するとステンレス鋼/ガラス質材料の熱膨張差が緩和され、高い接合性が確保される。しかし、過剰量のSi添加は低温靭性を低下させるので、Si含有量の上限を3.0質量%とした。また、本成分系では、鋼材の低温靭性を低下させる傾向を示すAlを含んでいるので、Si含有量を0.1〜0.5質量%の範囲に制限することが好ましい。
〔Mn:3.0質量%以下〕
フェライト系ステンレス鋼の高温酸化特性,特にスケール剥離性を改善する合金成分であるが、過剰添加は加工性,溶接性の面から好ましくない。また、オーステナイト相安定化元素であるため、過剰量のMnを添加するとC,Nと同様な悪影響が現れる。そこで、Mn含有量の上限を3.0質量%に規制する。熱処理時に生成する酸化スケールの耐剥離性を向上させる上では、0.5〜1.0質量%の範囲にMn含有量を規制することが好ましい。
フェライト系ステンレス鋼の高温酸化特性,特にスケール剥離性を改善する合金成分であるが、過剰添加は加工性,溶接性の面から好ましくない。また、オーステナイト相安定化元素であるため、過剰量のMnを添加するとC,Nと同様な悪影響が現れる。そこで、Mn含有量の上限を3.0質量%に規制する。熱処理時に生成する酸化スケールの耐剥離性を向上させる上では、0.5〜1.0質量%の範囲にMn含有量を規制することが好ましい。
〔P:0.10質量%以下〕
フェライト系ステンレス鋼の高強度化に有効な反面、過剰添加は溶接性,低温靭性を劣化させる原因となる。そこで、P含有量を0.10質量%(好ましくは0.08質量%)以下に規制する。
〔S:0.03質量%以下〕
熱間加工性,耐食性に有害な成分であり、可能な限りS含有量を低減することが好ましい。本成分系では0.03質量%(好ましくは、0.01質量%)以下に規制することによりS起因の悪影響を抑えている。
フェライト系ステンレス鋼の高強度化に有効な反面、過剰添加は溶接性,低温靭性を劣化させる原因となる。そこで、P含有量を0.10質量%(好ましくは0.08質量%)以下に規制する。
〔S:0.03質量%以下〕
熱間加工性,耐食性に有害な成分であり、可能な限りS含有量を低減することが好ましい。本成分系では0.03質量%(好ましくは、0.01質量%)以下に規制することによりS起因の悪影響を抑えている。
〔Ni:0.6質量%を超え5.0質量%以下〕
フェライト系ステンレス鋼の高強度化に有効な固溶強化元素であり、複合添加されるAl,Cuと共に析出強化作用のある化合物を生成する。このような効果は、0.6質量%を超える含有量でNiを添加することにより顕著となる。しかし、オーステナイト形成元素であるため、Cr含有量の少ないフェライト系ステンレス鋼にNiを過剰添加すると、Mnと同様にマルテンサイト相が生成しやすくなる。そのため、Ni含有量の上限を5.0質量%(好ましくは、3.0質量%)とした。
フェライト系ステンレス鋼の高強度化に有効な固溶強化元素であり、複合添加されるAl,Cuと共に析出強化作用のある化合物を生成する。このような効果は、0.6質量%を超える含有量でNiを添加することにより顕著となる。しかし、オーステナイト形成元素であるため、Cr含有量の少ないフェライト系ステンレス鋼にNiを過剰添加すると、Mnと同様にマルテンサイト相が生成しやすくなる。そのため、Ni含有量の上限を5.0質量%(好ましくは、3.0質量%)とした。
〔Cr:9〜40質量%以下〕
フェライト相を安定させると共に耐食性,耐酸化性の改善に必須の合金成分であり、9質量%以上でCrの添加効果がみられる。耐食性,耐酸化性の向上は多量のCrが含まれるほど顕著になるが、過剰添加は鋼材の脆化を招くので上限を40質量%とした。好適なCr含有量の範囲は耐食性の要求レベルに応じて異なるが、一般的な室内環境では10〜15質量%,室外環境では15〜22質量%,海塩粒子が飛来する環境では22質量%以上である。
フェライト相を安定させると共に耐食性,耐酸化性の改善に必須の合金成分であり、9質量%以上でCrの添加効果がみられる。耐食性,耐酸化性の向上は多量のCrが含まれるほど顕著になるが、過剰添加は鋼材の脆化を招くので上限を40質量%とした。好適なCr含有量の範囲は耐食性の要求レベルに応じて異なるが、一般的な室内環境では10〜15質量%,室外環境では15〜22質量%,海塩粒子が飛来する環境では22質量%以上である。
〔Nb:0.05〜1.0質量%〕
C,Nを炭窒化物として固定することにより鋼材の耐食性,成形性を向上させる合金成分であり、0.05質量%以上でNbの添加効果がみられ、0.1質量%以上で効果が顕著になる。C,Nの固定に消費された残りの固溶状態にあるNbは、固溶強化作用又は熱処理条件によっては析出強化作用で鋼材を高強度化する。しかし、過剰添加は低温靭性を低下させ、溶接高温割れ感受性を高くするので、Nb含有量の上限を1.0質量%とした。好ましくは、0.20〜0.60質量%の範囲でNb含有量を選定する。
C,Nを炭窒化物として固定することにより鋼材の耐食性,成形性を向上させる合金成分であり、0.05質量%以上でNbの添加効果がみられ、0.1質量%以上で効果が顕著になる。C,Nの固定に消費された残りの固溶状態にあるNbは、固溶強化作用又は熱処理条件によっては析出強化作用で鋼材を高強度化する。しかし、過剰添加は低温靭性を低下させ、溶接高温割れ感受性を高くするので、Nb含有量の上限を1.0質量%とした。好ましくは、0.20〜0.60質量%の範囲でNb含有量を選定する。
〔Cu:0.5〜3.0質量%〕
一般には耐食性の改善に有効な成分であるが、本成分系ではNi,Alとの複合添加によって鋼材を高強度化する作用を呈し、0.5質量%以上で強度改善効果が現れる。析出強化による高強度化は、特に400〜700℃の温度域における熱処理によって顕著になる。また、700〜1000℃の温度域における熱処理では、固溶強化,析出強化双方の作用が発現する。しかし、オーステナイト形成元素であるCuをCr含有量の少ないフェライト系ステンレス鋼に過剰添加すると、Mnと同様にマルテンサイト相が生成しやすくなる。Cuの過剰添加は、低温靭性,溶接高温割れ感受性にとっても好ましくない。そこで、Cu含有量を0.5〜3.0質量%の範囲とした。強度,低温靭性の高いレベルでの両立が要求される鋼材にあっては、0.8〜1.8質量%の範囲でCu含有量を選定する。
一般には耐食性の改善に有効な成分であるが、本成分系ではNi,Alとの複合添加によって鋼材を高強度化する作用を呈し、0.5質量%以上で強度改善効果が現れる。析出強化による高強度化は、特に400〜700℃の温度域における熱処理によって顕著になる。また、700〜1000℃の温度域における熱処理では、固溶強化,析出強化双方の作用が発現する。しかし、オーステナイト形成元素であるCuをCr含有量の少ないフェライト系ステンレス鋼に過剰添加すると、Mnと同様にマルテンサイト相が生成しやすくなる。Cuの過剰添加は、低温靭性,溶接高温割れ感受性にとっても好ましくない。そこで、Cu含有量を0.5〜3.0質量%の範囲とした。強度,低温靭性の高いレベルでの両立が要求される鋼材にあっては、0.8〜1.8質量%の範囲でCu含有量を選定する。
〔Al:0.5〜5.0質量%〕
一般には耐高温酸化性を改善する元素であるが、本成分系ではNi,Cuとの複合添加によって鋼材を高強度化する作用を呈し、0.5質量%以上でAlの添加効果がみられる。しかし、5.0質量%を超える過剰量のAlを添加すると鋼材の表面性状が劣化し、溶接性,低温靭性に悪影響が現れる。強度,低温靭性のより高いレベルでの両立が要求される鋼材にあっては、0.8〜2.0質量%の範囲でAl含有量を選定する。
一般には耐高温酸化性を改善する元素であるが、本成分系ではNi,Cuとの複合添加によって鋼材を高強度化する作用を呈し、0.5質量%以上でAlの添加効果がみられる。しかし、5.0質量%を超える過剰量のAlを添加すると鋼材の表面性状が劣化し、溶接性,低温靭性に悪影響が現れる。強度,低温靭性のより高いレベルでの両立が要求される鋼材にあっては、0.8〜2.0質量%の範囲でAl含有量を選定する。
〔Ti:0.05〜0.5質量%〕
必要に応じて添加される合金成分であり、Nbと同様にC,Nを炭窒化物として固定する作用を呈し、0.05質量%以上でTiの添加効果がみられる。しかし、過剰量のTiを添加すると、TiNの生成によって鋼材の表面性状が劣化し、溶接性,低温靭性にも悪影響が現れる。そこで、Tiを添加する場合には、0.05〜0.5質量%(好ましくは,0.10〜0.30質量%)の範囲にTi含有量を定める。
〔Mo:0.2〜4.0質量%〕
必要に応じて添加される合金成分であり、熱処理条件に応じて固溶状態からFe2Mo型の金属間化合物として微細析出し、鋼材を高強度化する。しかし、Moの過剰添加は低温靭性を低下させ、溶接高温割れ感受性を高くする。そこで、Moを添加する場合には、0.2〜4.0質量%の範囲にMo含有量を定める。
必要に応じて添加される合金成分であり、Nbと同様にC,Nを炭窒化物として固定する作用を呈し、0.05質量%以上でTiの添加効果がみられる。しかし、過剰量のTiを添加すると、TiNの生成によって鋼材の表面性状が劣化し、溶接性,低温靭性にも悪影響が現れる。そこで、Tiを添加する場合には、0.05〜0.5質量%(好ましくは,0.10〜0.30質量%)の範囲にTi含有量を定める。
〔Mo:0.2〜4.0質量%〕
必要に応じて添加される合金成分であり、熱処理条件に応じて固溶状態からFe2Mo型の金属間化合物として微細析出し、鋼材を高強度化する。しかし、Moの過剰添加は低温靭性を低下させ、溶接高温割れ感受性を高くする。そこで、Moを添加する場合には、0.2〜4.0質量%の範囲にMo含有量を定める。
〔Co:3.0質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、固溶強化によって鋼材を高強度化する作用を呈し、0.03質量%以上でCoの添加効果がみられる。しかし、過剰添加は鋼材の成形性を低下させるばかりでなく、比較的高価な元素を多量消費することになって鋼材コストの上昇を招くので、Coを添加する場合でも上限を3.0質量%に設定する。
〔W:3.0質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、熱処理条件に応じ固溶状態からFeW型の金属間化合物として微細析出し、鋼材を高強度化する。このような作用は、0.2質量%以上のW添加で顕著になる。しかし、3.0質量%を超える過剰量のWを添加すると低温靭性が低下し、溶接高温割れ感受性も高くなる。
必要に応じて添加される合金成分であり、固溶強化によって鋼材を高強度化する作用を呈し、0.03質量%以上でCoの添加効果がみられる。しかし、過剰添加は鋼材の成形性を低下させるばかりでなく、比較的高価な元素を多量消費することになって鋼材コストの上昇を招くので、Coを添加する場合でも上限を3.0質量%に設定する。
〔W:3.0質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、熱処理条件に応じ固溶状態からFeW型の金属間化合物として微細析出し、鋼材を高強度化する。このような作用は、0.2質量%以上のW添加で顕著になる。しかし、3.0質量%を超える過剰量のWを添加すると低温靭性が低下し、溶接高温割れ感受性も高くなる。
〔Zr:0.5質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、C,Nを固定し耐食性を向上させる作用を呈し、0.05質量%以上でZrの添加効果がみられる。しかし、0.5質量%を超える過剰量のZrを添加すると、溶接性,低温靭性の低下が懸念される。
〔V:0.5質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、C,Nを固定して耐食性を向上させる作用を呈し、0.05質量%以上でVの添加効果がみられる。しかし、0.5質量%を超える過剰量のVを添加すると、鋼材の表面性状が劣化し、溶接性,低温靭性にも悪影響が現れる。
必要に応じて添加される合金成分であり、C,Nを固定し耐食性を向上させる作用を呈し、0.05質量%以上でZrの添加効果がみられる。しかし、0.5質量%を超える過剰量のZrを添加すると、溶接性,低温靭性の低下が懸念される。
〔V:0.5質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、C,Nを固定して耐食性を向上させる作用を呈し、0.05質量%以上でVの添加効果がみられる。しかし、0.5質量%を超える過剰量のVを添加すると、鋼材の表面性状が劣化し、溶接性,低温靭性にも悪影響が現れる。
〔Ta:1.0質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、C,Nを炭窒化物として固定する。C,Nの固定に消費された残りのTaは、固溶強化によって鋼材を高強度化する。このような作用は、0.1質量%以上のTaで顕著になる。しかし、非常に高価な元素であり、過剰添加は低温靭性を低下させ、溶接高温割れ感受性を高くするので上限を1.0質量%に規制する。
〔Y:0.1質量%以下,REM(希土類金属):0.1質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、耐高温酸化性,耐食性を改善する作用を呈し、何れも0.005質量%以上で添加効果がみられる。しかし、0.1質量%を超える過剰添加は鋼材の表面性状を劣化させ、溶接高温割れ感受性も高くなる。
〔B,Mg,Ca:0.01質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、何れも鋼材の熱間加工性を改善する作用を呈し、何れも0.0002質量%以上で添加効果が顕著になる。しかし、0.01質量%を超える過剰添加は、加工性,低温靭性に悪影響を及ぼす。
必要に応じて添加される合金成分であり、C,Nを炭窒化物として固定する。C,Nの固定に消費された残りのTaは、固溶強化によって鋼材を高強度化する。このような作用は、0.1質量%以上のTaで顕著になる。しかし、非常に高価な元素であり、過剰添加は低温靭性を低下させ、溶接高温割れ感受性を高くするので上限を1.0質量%に規制する。
〔Y:0.1質量%以下,REM(希土類金属):0.1質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、耐高温酸化性,耐食性を改善する作用を呈し、何れも0.005質量%以上で添加効果がみられる。しかし、0.1質量%を超える過剰添加は鋼材の表面性状を劣化させ、溶接高温割れ感受性も高くなる。
〔B,Mg,Ca:0.01質量%以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、何れも鋼材の熱間加工性を改善する作用を呈し、何れも0.0002質量%以上で添加効果が顕著になる。しかし、0.01質量%を超える過剰添加は、加工性,低温靭性に悪影響を及ぼす。
〔強化指数X:5.0〜9.0〕
以上に掲げた各合金成分は、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0の範囲に入るように成分調整されている。X=Ni+2.25Al+1.5Cuは、フェライト系ステンレス鋼の高強度化に及ぼす合金成分の影響を定量化した関係式であり、強化指数Xが5.0以上となるように成分設計することにより熱処理後の室温におけるビッカース硬さで200HV以上の高強度化が図られる(図1)。しかし、強化指数Xが9.0を超えることは合金成分の過剰添加を意味し、スラブ冷却過程での割れ発生や鋼材の延性低下による製造性の低下、更には製品としての靭性低下を引き起こす。
以上に掲げた各合金成分は、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0の範囲に入るように成分調整されている。X=Ni+2.25Al+1.5Cuは、フェライト系ステンレス鋼の高強度化に及ぼす合金成分の影響を定量化した関係式であり、強化指数Xが5.0以上となるように成分設計することにより熱処理後の室温におけるビッカース硬さで200HV以上の高強度化が図られる(図1)。しかし、強化指数Xが9.0を超えることは合金成分の過剰添加を意味し、スラブ冷却過程での割れ発生や鋼材の延性低下による製造性の低下、更には製品としての靭性低下を引き起こす。
〔最終熱処理〕
最終熱処理では、Ni,Al,Cuを所定量析出させることにより、フェライト系ステンレス鋼に必要強度を付与する。Ni,Al,Cuの析出量は加熱温度,加熱時間に応じて変わるが、工業的レベルでフェライト系ステンレス鋼を高強度化するため加熱温度:400〜900℃,加熱時間:0.01〜1時間の範囲で熱処理条件を設定する。当該熱処理条件は、大気中で加熱したステンレス鋼とガラス質材料との接合強度を高める上でも有効である。接合強度の上昇は、接合時の熱処理段階でステンレス鋼/ガラス質材料の界面にCr,Si,Mn,Al等の酸化物又は複合酸化物が生成し、ステンレス鋼,ガラス質材料の熱膨張差が緩和されることに起因するものと推察される。
最終熱処理では、Ni,Al,Cuを所定量析出させることにより、フェライト系ステンレス鋼に必要強度を付与する。Ni,Al,Cuの析出量は加熱温度,加熱時間に応じて変わるが、工業的レベルでフェライト系ステンレス鋼を高強度化するため加熱温度:400〜900℃,加熱時間:0.01〜1時間の範囲で熱処理条件を設定する。当該熱処理条件は、大気中で加熱したステンレス鋼とガラス質材料との接合強度を高める上でも有効である。接合強度の上昇は、接合時の熱処理段階でステンレス鋼/ガラス質材料の界面にCr,Si,Mn,Al等の酸化物又は複合酸化物が生成し、ステンレス鋼,ガラス質材料の熱膨張差が緩和されることに起因するものと推察される。
〔金属間化合物:Ni(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型、ε-Cu型〕
Ni(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型、ε-Cu型等の金属間化合物は、最終熱処理時の熱処理条件によって高強度化に有効な分散形態に調整される。金属間化合物の析出間隔が小さいほど高強度化に及ぼす影響が強くなる。本成分系では、析出物の平均間隔を5μm以下とすることにより、固溶強化と相俟って一般的なフェライト系ステンレス鋼に比較して十分に高強度化された鋼材になる。しかし、極端に狭い平均間隔や微細析出には析出強化元素の多量添加,低温長時間の加熱処理が必要になる。
工業的レベルでの高強度化を前提にすると、平均粒径:0.01〜0.10μmの析出物が平均間隔:0.01〜3.0μmでマトリックスに分散していることが好ましく、強化指数Xを初めとする成分調整や最終熱処理条件によって制御される。
Ni(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型、ε-Cu型等の金属間化合物は、最終熱処理時の熱処理条件によって高強度化に有効な分散形態に調整される。金属間化合物の析出間隔が小さいほど高強度化に及ぼす影響が強くなる。本成分系では、析出物の平均間隔を5μm以下とすることにより、固溶強化と相俟って一般的なフェライト系ステンレス鋼に比較して十分に高強度化された鋼材になる。しかし、極端に狭い平均間隔や微細析出には析出強化元素の多量添加,低温長時間の加熱処理が必要になる。
工業的レベルでの高強度化を前提にすると、平均粒径:0.01〜0.10μmの析出物が平均間隔:0.01〜3.0μmでマトリックスに分散していることが好ましく、強化指数Xを初めとする成分調整や最終熱処理条件によって制御される。
析出物の間隔は、電子顕微鏡で金属組織を観察し、抽出残渣法等によって析出物の体積率を算出した値から析出物の径を換算することにより求められるが、電子顕微鏡観察で測定された析出物の間隔をそのまま使用することも可能である。比較的多量にNi,Al,Cuを含む本成分系では、Ni(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型、ε-Cu型等の金属間化合物が高強度化に有効な析出物として利用される。Ni(Al,Cu)型とは純粋にNi,Al,Cuのみからなる金属間化合物を指すのではなく、他の成分の含有をも許容する金属間化合物であることは当然である。Ni3(Al,Cu)型、ε-Cu型も、同様に他の成分の含有を許容する金属間化合物である。
表1,2の各種フェライト系ステンレス鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造,鍛造,熱延,焼鈍・酸洗,冷延を経て800〜1200℃で焼鈍し、板厚:2.0mmの冷延焼鈍板を製造した。
各ステンレス鋼帯について、熱延時の耳割れ発生有無を調査し、耳割れが発生しなかった鋼帯を○,スラブ割れに起因して熱延できなかった鋼帯を×として熱間加工性を評価した。また、各冷延焼鈍板を試験片を切り出し、室温から1000℃まで加熱した後で室温に冷却する加熱・冷却試験により相変態の有無を調査し、相変態しなかった試験片を○,加熱中にオーステナイト変態し、冷却過程でマルテンサイト相を生成した試験片を×として熱膨張特性を評価した。更に、室温でのビッカース硬さを測定し、165HV以上を○,165HV未満を×として室温強度を評価した。
調査結果を、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xと共に表3に示す。
表3にみられるように、強化指数Xを適正管理した鋼種は、熱間加工性,熱膨張特性,室温強度の何れにも優れていた。他方、強化指数Xが高い鋼種21,22,過剰量のSiを含む鋼種23,過剰量のTiを含む鋼種24は、スラブの靭性が低く熱間加工性に劣っていた。また、過剰量のNiを含む鋼種20は熱膨張特性に劣り、強化指数Xの小さな鋼種18,19では室温強度も低い値を示した。
表3にみられるように、強化指数Xを適正管理した鋼種は、熱間加工性,熱膨張特性,室温強度の何れにも優れていた。他方、強化指数Xが高い鋼種21,22,過剰量のSiを含む鋼種23,過剰量のTiを含む鋼種24は、スラブの靭性が低く熱間加工性に劣っていた。また、過剰量のNiを含む鋼種20は熱膨張特性に劣り、強化指数Xの小さな鋼種18,19では室温強度も低い値を示した。
更に、最終熱処理による析出強化を調査するため、加熱温度T(℃),加熱時間t(時)を種々変更し、熱処理した板の室温でのビッカース硬さを測定した。室温強度が220HV以上であれば、従来材に比較して優れた室温強度をもち、非金属材料に対して優れた接合性を呈する鋼材と評価される。
ヒートNo.15〜23,26〜28については、熱処理と同時にステンレス鋼をガラスと接合した。ヒートNo.15〜18,22,23では、低融点の非晶質ガラスを相手方被接合材に用い、加熱温度を700℃に設定した。ヒートNo.19〜21,26〜28では、高融点の結晶質ガラスを相手方被接合材に用い、加熱温度を900℃に設定した。何れの場合も、大気雰囲気中で熱処理した。接合された試験片を目視観察し、ガラス剥離の有無をもってガラス接合性を評価した。
表4の調査結果にみられるように、成分・組成を適正管理し、最終熱処理で析出物を生成させると、室温強度が高く接合性にも優れたステンレス鋼/ガラス接合体が得られた。表4には、主に析出している析出物と当該析出物の平均間隔を合わせ示している。析出物の平均間隔は、マトリックスを電子顕微鏡で観察し析出物100個当りの平均間隔として求めた。Ni(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型,ε-Cu型何れの析出物であっても、析出物の平均間隔が5μm以下であれば十分な室温強度が得られている。
他方、強化指数Xの小さいヒートNo.22,26(鋼種18),ヒートNo.23,27(鋼種19)では、表5に示すように十分な室温強度が得られず、Niが過剰なヒートNo.28(鋼種20)では最終熱処理中にオーステナイト相が生成しガラス接合性が劣っていた。成分が本発明で規定した条件を満足している場合でも、熱処理温度が低いヒートNo.24(鋼種14)や熱処理温度が高いヒートNo.25(鋼種10)は、200HV以上であっても220HVを超えることはなく、他のヒートよりも特性が劣っていた。
金属間化合物についてみると、ヒートNo.22,23,26,27は、成分が本発明で規定した範囲を外れる鋼種18,19を使用しているため、本発明で規定した熱処理を施しても所望の平均間隔が得られなかった。また、熱処理温度が低すぎるヒートNo.14,熱処理温度が高すぎるヒートNo.25やオーステナイト相が生成したヒートNo.28では、金属間化合物自体の観察が困難であった。
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は、固溶強化,析出強化によって母材を高強度化すると共に、ガラス質接合材を用いて非金属材料と接合する際の高温焼成時にも非金属材料に熱膨張係数が近似し、相変態に起因する体積変化も少ないので亀裂,剥離等の欠陥がない健全な接合界面が形成される。その結果、品質信頼性に優れたステンレス鋼/非金属材料接合体が得られ、ICパッケージ,半導体基板,プリント配線基板,蛍光表示管,EL封止管,ホウロウ基板等の広範な分野に適したフェライト系ステンレス鋼が提供される。
Claims (6)
- C:0.08質量%以下,N:0.03質量%以下,Si:3.0質量%以下,Mn:3.0質量%以下,P:0.10質量%以下,S:0.03質量%以下,Ni:0.6質量%を超え5.0質量%以下,Cr:9〜40質量%以下,Nb:0.05〜1.0質量%,Cu:0.5〜3.0質量%,Al:0.5〜5.0質量%,残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0に調整され、最終熱処理状態でNi(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型又はε-Cu型の析出物が平均間隔:5μm以下で分散していることを特徴とする熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼。
- C:0.08質量%以下,N:0.03質量%以下,Si:3.0質量%以下,Mn:3.0質量%以下,P:0.10質量%以下,S:0.03質量%以下,Ni:0.6質量%を超え5.0質量%以下,Cr:9〜40質量%以下,Nb:0.05〜1.0質量%,Cu:0.5〜3.0質量%,Al:0.5〜5.0質量%を含み、更にTi:0.05〜0.5質量%,Mo:0.2〜4.0質量%の一種又は二種を含み、残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0に調整され、最終熱処理状態でNi(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型又はε-Cu型の析出物が平均間隔:5μm以下で分散していることを特徴とする熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼。
- C:0.08質量%以下,N:0.03質量%以下,Si:3.0質量%以下,Mn:3.0質量%以下,P:0.10質量%以下,S:0.03質量%以下,Ni:0.6質量%を超え5.0質量%以下,Cr:9〜40質量%以下,Nb:0.05〜1.0質量%,Cu:0.5〜3.0質量%,Al:0.5〜5.0質量%を含み、更にCo:3.0質量%以下,W:3.0質量%以下,Zr:0.5質量%以下,V:0.5質量%以下,Ta:1.0質量%以下,Y:0.1質量%以下,REM(希土類金属):0.1質量%以下,B:0.01質量%以下,Mg:0.01質量%以下,Ca:0.01質量%以下から選ばれた少なくとも一種を含み、残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0に調整され、最終熱処理状態でNi(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型又はε-Cu型の析出物が平均間隔:5μm以下で分散していることを特徴とする熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼。
- C:0.08質量%以下,N:0.03質量%以下,Si:3.0質量%以下,Mn:3.0質量%以下,P:0.10質量%以下,S:0.03質量%以下,Ni:0.6質量%を超え5.0質量%以下,Cr:9〜40質量%以下,Nb:0.05〜1.0質量%,Cu:0.5〜3.0質量%,Al:0.5〜5.0質量%を含み、更にTi:0.05〜0.5質量%,Mo:0.2〜4.0質量%の一種又は二種を含み、更にCo:3.0質量%以下,W:3.0質量%以下,Zr:0.5質量%以下,V:0.5質量%以下,Ta:1.0質量%以下,Y:0.1質量%以下,REM(希土類金属):0.1質量%以下,B:0.01質量%以下,Mg:0.01質量%以下,Ca:0.01質量%以下から選ばれた少なくとも一種を含み、残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、X=Ni+2.25Al+1.5Cuで定義される強化指数Xが5.0〜9.0に調整され、最終熱処理状態でNi(Al,Cu)型,Ni3(Al,Cu)型又はε-Cu型の析出物が平均間隔:5μm以下で分散していることを特徴とする熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼。
- Si含有量が0.1〜0.5質量%,Mn含有量が0.5〜1.0質量%に制限されている請求項1〜4何れかに記載の熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼。
- 請求項1〜4何れかに記載の組成をもつフェライト系ステンレス鋼に加熱温度:400〜900℃,加熱時間:0.01〜1時間の最終熱処理を施すことを特徴とする熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼の製造方法。
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