JP5050565B2 - フェライト系ステンレス鋼板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、厨房や器物に使用されるフェライト系ステンレス鋼板に関し、特に曲げ加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びその製造方法に関する。

フェライト系ステンレス鋼板は、耐食性、価格のバランスが良く、建築物外装、厨房器具、化学プラント等に広く用いられている。Ｃを０．０１質量％以上含有するフェライト系ステンレス鋼板は、溶接熱サイクルでＣｒ炭窒化物析出によるＣｒ欠乏層形成で鋭敏化する。このため、プレス成形品の端部はヘムの様な厳しい曲げ加工が行われる場合がある。ところが、フェライト系ステンレス鋼板の曲げ加工では、曲げ割れを生じてしまうため、特に、板厚が１．５ｍｍ以下程度の薄物で厳しい曲げ加工ができず、プレス品の形状に制約が生じていた。

この曲げ加工性を直接目的としたものではないが、例えば、特許文献１（特開昭５４−１１２３２０号公報）には、Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｎの含有量を規定して、Ｃ，Ｎの含有量に応じてＺｒを加え、Ｚｒ炭窒化物を形成することで伸びフランジ性を改良する方法が開示されている。

また、特許文献２（特開平１０−９９９５２号公報）では、鋳造中の未凝固部にオーステナイト形成元素を添加して、延性を改善するフェライト系ステンレス鋼の製造方法が開示されている。

また、特許文献３（特開２０００−２８２１８６号公報）では、Ｃ／Ｎ比と、オーステナイト形成元素量とを規定した延性に優れるフェライト系ステンレス鋼板が開示されている。

また、特許文献４（特開２００１−２０７２４４号公報）には、粗大コロニー組織のアスペクト比を５以下とする延性に優れたフェライト系ステンレス鋼板が開示されている。
特開昭５４−１１２３２０号公報 特開平１０−９９９５２号公報 特開２０００−２８２１８６号公報 特開２００１−２０７２４４号公報

しかし、上記特許文献１に開示されている方法は、伸びフランジ性には優れても曲げ加工性は改善されないという問題がある。

また、上記特許文献２に開示されている方法では、表層と内部に組織の差が生じ、曲げ加工時に、この組織の境界で割れが生じるという問題がある。

また、上記特許文献３に開示されている方法は、伸びは向上するものの、曲げ割れは回避できないという問題がある。

また、上記特許文献４に開示されている方法は、延性が改善されていても、曲げ割れは回避できないという問題がある。

このように、上記の従来技術では、延性の改善は達成できても、厳しい曲げ加工には不向きであるという問題がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、曲げ加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、フェライト系ステンレス鋼板の曲げ加工性と、鋼板の組織との関係について詳細な検討を行った。その結果、従来のフェライト系ステンレス鋼板中では、Ｃｒ炭化物が列状をなしており、この列状のＣｒ炭化物に沿って亀裂が進行して曲げ割れが生じていることが明らかとなった。

この列状のＣｒ炭化物は通常の引張試験の伸び値には影響を及ぼさない。しかし、曲げ加工では、曲げの外側は伸び、内側が縮む変形をするため、板厚方向で変形方向が逆となる。そのため、板面に平行に並んだＣｒ炭化物の板厚方向の上下でせん断がおきやすく、Ｃｒ炭化物がせん断破壊の起点となることがわかった。なお、通常の引張試験では板全体が同じ方向に引張られることから列状のＣｒ炭化物の形態に影響を受けない。

この列状のＣｒ炭化物形成の原因を調査したところ、圧延方向に展伸した組織を有する熱延板を箱焼鈍する際に、展伸したフェライト粒界に沿って片状のＣｒ炭化物が析出し、これが冷間圧延で粉砕されることで、列状のＣｒ炭化物が冷延鋼板中に析出することがわかった。Ｃｒ炭化物が列状になるのを防止するためには、箱焼鈍時に圧延方向に展伸したフェライト粒界にＣｒ炭化物が片状に析出するのを防止すればよい。そして、本発明者らは、Ｃｒ炭化物（主としてＣｒ_２３Ｃ_６ または、これと同じ結晶構造を有するＣｒ炭化物）中のＣｒの一部をＦｅと置き換えることにより、片状のＣｒ炭化物が球状化することを見出した。さらに、従来、固溶強化で強度を上げて延性を劣化させると考えられてきたＭｎを低減するのではなく、逆に適量添加することで、Ｃｒ炭化物中のＦｅ置換率を制御できることを見出した。

この理由は未だ明らかではないが、ＭｎはＣと相互作用をしてＣｒ炭化物の析出速度に影響を与え、その結果、ＦｅがＣｒ炭化物中に取り込まれるようになると考えられる。

本発明は、上記知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものであり、以下のような特徴を有する。
［１］質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０３％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：１５〜２０％、Ａｌ：０．０１％以下を含むフェライト系ステンレス鋼板であって、
フェライト中にＣｒ炭化物が分散するとともに、前記Ｃｒ炭化物中におけるＦｅ及びＣｒの金属元素の存在比が質量％比で、
Ｆｅ／Ｃｒ：０．０５〜０．１５
であることを特徴とする曲げ加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
［２］上記［１］において、フェライト系ステンレス鋼板が、さらに、質量％で、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０５％以下を含むことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼板。
［３］鋳片を、１０００℃以上に加熱し、仕上圧延温度９００℃以上、巻取温度８００℃以上で熱間圧延した後、８５０℃以下で熱延板焼鈍することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の曲げ加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。

本発明によれば、曲げ加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びその製造方法が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

本発明のフェライト系ステンレス鋼板の組成限定理由について以下説明する。なお、以下の記載において％は、質量％を表すものとする。また、本発明は、板厚が０．１〜０．１５ｍｍ程度の薄鋼板に好適に用いられる。

［Ｃ：０．０１〜０．０３％］
Ｃは鋼中に固溶して、熱間圧延中のオーステナイト相を安定化するとともに、Ｃｒと結合してＣｒ炭化物（主としてＣｒ_２３Ｃ_６ または、これと同じ結晶構造を有するＣｒ炭化物）を形成する。Ｃが０．０１％を下回ると、熱間圧延中でも、組織がフェライト単一組織となり、オーステナイト中へのＣ濃縮とＣｒ炭化物の粗大析出が抑制されて、フェライト中にＣｒ炭化物が析出して、硬質化し、延性が低下する。

一方、Ｃが０．０３％を超えるとＣｒ炭化物量が増加して延性そのものが低下してしまう。このため、Ｃの含有量を０．０１〜０．０３％とした。

［Ｍｎ：０．５〜１．０％］
Ｍｎは鋼を固溶強化することから、従来は低減する方が好ましいとされてきた。本発明では、Ｃｒ炭化物の形態制御のためにＭｎを最適量添加する。Ｍｎを０．５％以上添加することで、Ｃｒ_２３Ｃ_６ 中のＣｒの一部がＦｅと置換しやすくなる。一方、１．０％を超えて添加されると、Ｍｎの固溶強化による延性低下が無視できなくなる。また、腐食性が劣化する。このため、Ｍｎの含有量を０．５〜１．０％とした。

ここで、Ｃｒ_２３Ｃ_６ または、これと同じ結晶構造を有するＣｒ炭化物中のＣｒ元素の一部がＦｅ元素と置換されたＣｒ炭化物の状態をＣｒ_２３−ｉＦｅ_ｉＣ_６ と表すものとする。なお、前記ｉは、１以上２２以下の整数を表す。また、格子点にあるＦｅまたはＣｒの一部が欠落しているＣｒ_２３−ｉＦｅ_ｉＣ_６ も結晶構造が同じである限り含まれる。

［Ｃｒ：１５〜２０％］
Ｃｒは鋼表面にＣｒ酸化物を形成し、耐食性向上に寄与する元素である。Ｍｎを積極的に添加することから、１５％未満のＣｒ添加量ではステンレスとしての耐食性を維持できない。一方、２０％を超えて添加すると、Ｃｒの固溶強化による延性低下が著しい。このため、Ｃｒの含有量を１５〜２０％とした。

［Ａｌ：０．０１％以下］
Ａｌは脱酸剤として作用するとともに、鋼中ではＮと結合してＡｌＮとして析出する。ＡｌＮは、熱延板中のフェライト粒界に微細析出することから、展伸した熱延板組織の熱延板焼鈍での等軸化を阻害し、Ｃｒ炭化物のフェライト粒界への片状析出を促進する。このため、ＡｌＮの析出量を低減するため、Ａｌの含有量を０．０１％以下、好ましくは０．００５％以下、さらに好ましくは０．００３％以下とする。

本発明においては、上記成分の他に、さらに、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０５％以下を含有することが好ましい。以下、これらの組成限定理由について説明する。

［Ｓｉ：０．２５％以下］
Ｓｉは脱酸剤として作用する元素であり、鋼を著しく固溶強化する元素である。Ａｌを低減する本発明においては、Ｓｉで脱酸させる目的で、０．０５％以上の添加が好ましい。一方、Ｃの含有量を下げていることから、Ｓｉの含有量を０．２５％以下として、熱間圧延時におけるオーステナイト分率を維持することが好ましい。これより、Ｓｉの含有量は０．２５％以下とすることが好ましく、０．０５％以上、０．２５％以下とすることがさらに好ましい。

［Ｐ：０．０４０％以下］
Ｐは、鋼を固溶強化する。また、フェライト粒界に偏析して鋼を脆化する。このため、Ｐの含有量を０．０４０％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０３０％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下とする。

［Ｓ：０．０１％以下］
Ｓは鋼中で硫化物を形成する。Ｍｎを含有する鋼ではＭｎＳが析出する。このＭｎＳはフェライト粒界に片状に析出することから延性を劣化、特に曲げ加工性を劣化させることからＳはできるだけ低減することが好ましい。このため、Ｓの含有量を０．０１％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．００５％以下とする。

［Ｎ：０．０５％以下］
Ｎは熱間圧延中のオーステナイトを安定化させるとともにＣｒ窒化物（Ｃｒ_２Ｎ）を形成する。Ｃｒ炭化物とＣｒ窒化物とでは、同じ含有量でも析出物の体積は大きく異なり、Ｃｒ窒化物の方が体積は小さい。このため、Ｎの含有量は０．０５％以下とすることが好ましく、オーステナイトの安定化のために０．０１％以上とすることが好ましい。

上記成分以外はＦｅ及び不可避不純物である。前記不純物としては、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｏ：０．１％以下、Ｖ：０．０６％以下、Ｎｂ：０．０３％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｂ：０．００１％以下が許容できるが少ない程好ましい。

［Ｆｅ／Ｃｒ：０．０５〜０．１５］
Ｃｒ炭化物Ｃｒ_２３−ｉＦｅ_ｉＣ_６ 中のＦｅ／Ｃｒの存在比は本発明においては重要である。Ｃｒ_２３−ｉＦｅ_ｉＣ_６ 中におけるＦｅ及びＣｒの金属元素の存在比（Ｆｅ／Ｃｒ）が質量％比で０．０５を下回ると、つまり、Ｃｒ炭化物中のＦｅ量が低下し過ぎるとＣｒ炭化物が片状に析出するため冷延板中に列状のＣｒ炭化物が生成してしまう。一方、前記Ｆｅ／Ｃｒが０．１５を超えるとＣｒ炭化物が微細化してしまい、鋼を硬質化且つ低延性化してしまう。このため、Ｃｒ_２３−ｉＦｅ_ｉＣ_６ 中におけるＦｅ及びＣｒの金属元素の存在比が質量％比で０．０５〜０．１５とする。

以上のように、本発明のフェライト系ステンレス鋼板は、フェライト相と、Ｃｒ炭化物、Ｃｒ窒化物及びこれらの複合体とからなるフェライト単一組成を有する。但し、不可避不純物による析出物、例えば、ＴｉＳ，Ｔｉ_４Ｃ_２Ｓ_２，ＮｂＣ，ＶＮなどは不可避不純物レベルの含有量であれば許容できる。フェライト以外のベイナイト相、マルテンサイト相、オーステナイト相が混入すると鋼が硬質化して高い延性が得られないばかりではなく、曲げ加工性も劣化する。このため、本発明においては、フェライト単一組成とすることが好ましい。

また、本発明のフェライト系ステンレス鋼板は、フェライト中に前記Ｃｒ炭化物Ｃｒ_２３−ｉＦｅ_ｉＣ_６ が分散している。ここで、前記分散した状態とは、圧延方向に列状に連なっているものではなく、ランダムに分散しているものである。列状とは、圧延方向５ｍｍの長さの、圧延方向に平行な板厚断面で、圧延方向にＣｒ炭化物が５つ以上並んでいるものである。特に限定するものではないが、列と列の間隔が２０μｍ以下の列の群れが板厚方向に１０個以上存在すると延性が劣化しやすい。このため、列の群れは板厚方向に９個以下が好ましい。

以下、上記本発明のフェライト系ステンレス鋼板の製造方法の一例を説明する。

本発明のステンレス鋼板は、上記フェライト系ステンレス鋼素材に熱間圧延工程と、熱延板焼鈍および酸洗処理を施す熱延板焼鈍工程と、冷間圧延工程と、冷延板焼鈍工程とを施して製造される。

上記組成のステンレス溶鋼を公知の溶製方法で溶製した後、公知の鋳造方法、好ましくは連続鋳造方法でスラブ（「鋳片」ともいう。）とする。本発明においては、前記溶製方法、鋳造方法については特に限定されるものではなく、通常の方法のいずれかを適用することができる。

前記熱間圧延工程では、前記スラブを１０００℃以上に加熱する。加熱温度が１０００℃未満では圧延荷重が高くなり、表面粗さが著しく上昇して、表面品質が劣化する。これが曲げ加工の亀裂の起点となり、曲げ割れが発生しやすくなる。

前記１０００℃以上に加熱されたステンレススラブを、仕上圧延温度９００℃以上で熱間圧延し、巻取温度８００℃以上で巻き取り、熱間圧延工程を終了する。９００℃以上で圧延することで、熱延板中のフェライト粒が著しく展伸することを抑制する。また、巻取温度８００℃以上とすることで、熱延板中のフェライト粒の等軸化を促進する。仕上圧延温度が９００℃未満または巻取温度が８００℃未満では、熱延板中のフェライト粒が展伸したままであることから、熱延板中にＣｒ炭化物が片状に析出しやすくなり、これが冷間圧延で割れて、圧延方向に並んだ列状のＣｒ炭化物が形成しやすくなるため曲げ加工性が劣化する。

また、本発明においては、前記熱間圧延終了後、８５０℃以下で熱延板焼鈍する。この熱延板焼鈍温度が８５０℃を超えると、Ｃｒ炭化物のフェライト粒界に沿った成長が著しくなり、片状となる。これも、冷間圧延で粉砕されて、冷延焼鈍板中の列状Ｃｒ炭化物を形成して曲げ加工性が劣化する。その後、通常の方法で酸洗処理を行うことで熱延板焼鈍工程を終了する。

前記熱延板焼鈍工程の終了後に、通常の方法により冷間圧延工程及び冷延板焼鈍工程を経ることで本発明に係るフェライト系ステンレス鋼板が製造される。

表１に示す組成のステンレス鋼を溶製し、スラブとした。次に、これらのスラブを１２００℃に加熱して、表２に示す条件で熱間圧延を行った。得られた熱延板を表２に示す温度で箱焼鈍した。続けて、混酸（ＨＦ：３mass％＋ＨＮＯ_３ ）で酸洗し、板厚４ｍｍの熱延板を作製した。

この熱延板を８０％の圧延率で冷間圧延を行った。その後、８３０℃で３０秒均熱で焼鈍し、冷延板を作製した。得られた冷延板の引張試験、曲げ試験及び析出物観察をＳＥＭ及びＴＥＭで行った。

以下、前記引張試験、曲げ試験及び析出物観察の条件を示す。

［引張試験］
圧延方向と引張方向が平行となるようにＪＩＳ１３号Ｂに規定された引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１の規定に準拠して引張試験を行い、降伏応力ＹＳ（ＭＰａ）、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）および延性ＥＬ（％）の測定を行った。

［曲げ試験］
幅３０ｍｍ、長さ２００ｍｍの長方形の板を、幅方向が圧延方向と平行となるように切り出し、曲げ半径ｔ／２で１８０°曲げを行った。曲げ部の割れの有無を目視で判断し、割れの無いものを「○」、割れの生じたものを「×」と評価した。

［析出物観察］
（イ）ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）観察
圧延方向に平行な板厚断面中央部を研磨し、王水により腐食した。その断面をＳＥＭで観察し、Ｃｒ炭化物の列状の析出の有無を確認した。観察範囲は圧延方向に５ｍｍの長さである。局所的に列状の析出が認められても、曲げ割れが生じるものではないことから、列状の顕著なもの、同じ長手方向位置で板厚方向に列が１０個以上あるものを「列状」析出とし、それ以外のものについては「ランダム」と評価した。

（ロ）ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察
レプリカ法でＣｒ炭化物を採取し、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線検出装置）でＣｒ炭化物中のＣｒとＦｅの存在比（質量％比）を測定した。

析出物観察結果、引張試験及び曲げ試験の結果を表３に示す。表３に示すように、本発明例は、比較例に比べて曲げ試験において良好な結果を示し、曲げ加工性に優れていることが確認できた。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０３％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：１５〜２０％、Ａｌ：０．０１％以下を含むフェライト系ステンレス鋼板であって、
   フェライト中にＣｒ炭化物が分散するとともに、前記Ｃｒ炭化物中におけるＦｅ及びＣｒの金属元素の存在比が質量％比で、
   Ｆｅ／Ｃｒ：０．０５〜０．１５
   であることを特徴とする曲げ加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
2. フェライト系ステンレス鋼板が、さらに、質量％で、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０５％以下を含むことを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼板。
3. 鋳片を、１０００℃以上に加熱し、仕上圧延温度９００℃以上、巻取温度８００℃以上で熱間圧延した後、８５０℃以下で熱延板焼鈍することを特徴とする請求項１または２に記載の曲げ加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。