制振性ステンレス鋼、その製造方法及びその成形体
【課題】製造コストを低減した制振性ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ温間加工をし、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行い、これを更に１０％以上、６０％以下の冷間加工を施すことによって１０％以上４０％未満のε−Ｍｓ相を発現させる。
【解決手段】炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ温間加工をし、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行い、これを更に１０％以上、６０％以下の冷間加工を施すことによって１０％以上４０％未満のε−Ｍｓ相を発現させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制振性ステンレス鋼、その製造方法及びその成形体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車、精密機器、電子機器、医療機器の分野で、振動や騒音を軽減する機能をもつ材料の提供が求められている。これに応えるものとして振動減衰能のある材料として、鉛、鋳鉄、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金等が知られている。このような材料は、振動減衰能は優れているが、機械的性質が不良で特殊用途以外には使用が不可能であり、また高価な元素を多く含んでいるため合金材料の価格上昇となり工業的用途が極めて制限されている。
【０００３】
このような問題を解決するために、機械的強度が高く、振動減衰能を有する材料として、高強度高減衰能Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金及びその製造方法が開示されている。この特許には、Ｃｒ：９〜１５重量％、Ｍｎ：１８〜２６重量％、Ｆｅ：残部鉄からなる素材を１０００〜１１５０℃の温度で溶体化熱処理した後に冷却し、１５〜８０％の冷間加工を加えることによって４０％以上のεマルテンサイト相を発現させることを特徴とする高強度高減衰能Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金及びその製造方法が開示されている。上記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金は、組成的にステンレス鋼をベースとしたものであり、従って、その機械的性質はステンレス鋼とほぼ同等であり、かつ、その振動減衰能は鉛や鋳鉄並という、上記の問題点を解決する画期的な発明である（特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、特許文献１によって開示された技術によれば、マンガン組成を１８〜２６重量％と主張しているが、この材料を溶製する場合、マンガン成分が蒸発し易いため添加するマンガン合金の歩留が悪いだけでなく、有害なマンガン・ヒュームが発生し易くなるという作業環境上の問題があり、また、マンガンは溶製時に用いられる耐火物の溶損を促進させるという難点があるので、マンガン成分を可能な限り低くすることが製造コスト及び労働環境面の点で求められている。
【０００５】
本発明者らは、上記の問題を解決するために、炭素０．０５重量％以下、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、６重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上であることを特徴とする高強度高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金を提案している（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特許第３３７８５６５号公報
【特許文献２】特開２００７−３４１８８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２によって開示された技術は、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満とすることを主張しているが、例えば、自動車排気管等の大量使用部材については、原料、精錬及び熱間・冷間圧延、及び冷間加工成形の観点から、更なるマンガン成分を低くすることによって製造コストを低減することが必須である。即ち、マンガン元素は、制振性発現に必要な元素であるが、固溶体硬化によって材料を必要以上に硬くするので、冷間圧延のパス回数が多く必要になるとともに、中間熱処理回数が多く必要になるため製造コストが高くなるので、可能な限りマンガン量を下げて製造コストを低く抑えることが必要である。
【０００８】
また、特許文献１及び２になる発明は、準安定オーステナイト相を冷間加工することによって生成する加工誘起イプシロン−マルテンサイト相（以下、「ε−Ｍｓ相」という。）が制振性を発現するというものであるが、これは、本材料の製造の観点からは、加工硬化現象が大となり、冷間加工の製造コスト高となっている。この相反する現象への対策が、製造コストを抑えるための重要な技術課題である。
【０００９】
更に、従来のボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等は、普通鋼或いはステンレス鋼を加工して作られているので、材料自体の振動減衰能が極めて小さいので、対振動、対騒音及び制振性に関わる機能の観点からは不十分である。
【００１０】
本発明者らは、上記の課題を解決するために検討した結果、冷間加工によってε−Ｍｓ相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１、非特許文献１参照）を２０ｍＪ／ｍ２以下に保持した上で、マンガンの効果をシリコンの微量添加によって一部置換えることによってマンガン量の低下ができることを見出し、その効果を実証する知見を得て本発明に至った。
【００１１】
【数式１】
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）＝２５．７＋２（％Ｎｉ）＋４１０（％Ｃ）−０．９（％Ｃｒ）−７７（％Ｎ）−１３（％Ｓｉ）−１．２（％Ｍｎ）
【非特許文献１】Ｐｉｃｋｅｒｉｎｇ：Ｐｒｏｃ．Ｃｏｎｆ．Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌｓ，Ｇｏｔｈｅｎｂｕｒｇ，Ｓｅｐｔ．（１９８４）
【００１２】
更に、本発明者らは、上記の冷間加工の製造コスト高に対する方法として、加工誘起変態の起こり易さの指標であるＭｄ３０（℃）にも着目した。この指標は数式２に示すように鋼中の化学成分との関係が求められており、具体的には、単相オーステナイトに対して３０％の引張り歪を与えた時に、組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度（℃）と定義されている。これは、冷間加工時の温度をＭｄ３０（℃）以上とすることによって冷間圧延時のε−Ｍｓ相の生成を抑制し、冷間加工時の加工硬化を抑制して冷間加工コスト低減ができることを確認して本発明に至った。
【数式２】
Ｍｄ３０（℃）＝４９７−４６２（％Ｃ＋％Ｃ）−９．２（％Ｓｉ）−８．１（％Ｍｎ）−１３．７（％Ｃｒ）−２０（％Ｎｉ）−１８．５（％Ｍｏ）
【００１３】
また、本発明者らは、本発明になる制振性ステンレス鋼を、個々の制振性部品に適用する場合、その部品の形状による共振周波数を推定して、その使用される振動環境に適合した形状にすることによって始めて本発明の制振性ステンレス鋼の機能が発揮されることを見出し、その関係を確認して本発明に至った。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、残部鉄及び不可避不純物からなり、数式１で計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）が２０ｍＪ／ｍ２以下、ε−Ｍｓ相が１０％以上、４０％未満であることを特徴とする。
【００１５】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、炭素０．１０重量％以下、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下となるように化学成分を制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、ＪＩＳによって規定されている損失係数（η）が０．００５以上、０．１０以下であることを特徴とする。
【００１７】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の製造方法は、炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ冷間加工を施し、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行い、これを必要に応じて更に冷間加工を施すことを特徴とする。
【００１８】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の製造方法は、前記の冷間加工の際、必要に応じて１００℃以上３００℃以下の温度で温間加工を行うことを特徴とする。
【００１９】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の製造方法は、前記の溶体化熱処理の後、１０％以上６０％以下の冷間加工によってε−Ｍｓ相を生成させることを特徴とする。
【００２０】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の成形体は、上記の制振性ステンレス鋼を、該ステンレス鋼の成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、その成形体の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整してなる、ボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の制振性部品に適用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、主な化学成分として炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下となるようにしてあるので、冷間加工によってε−Ｍｓ相（制振性の発現組織）が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１）を２０ｍＪ／ｍ２以下に保持した上で、微量のシリコン添加によってマンガン添加量が少なく抑えられ、また、１００℃以上、３００℃以下、望むらくはＭｄ（３０）（℃）（数式２）以上の温度で温間加工することによって、良好な制振性発現能を持ちながら、かつ、原料、精錬、熱間圧延、冷間圧延、及び冷間加工成形での製造コストが低く抑えられている。本発明による製造プロセスを図１に示す。
【００２２】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の成形体は、該成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、該成形体のボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整してあるので使用環境に応じた良好な制振効果を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の請求項１記載事項において、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満としている。これは、良好な制振性発現能を持ちながら、マンガン添加量を低く抑えるためのものであり、冷間加工によってε−Ｍｓ相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１）を２０ｍＪ／ｍ２以下に保持した上で、微量のシリコン添加によってマンガン添加量が少なく抑えられている。ここで、シリコン０．１重量％以上としたのは、０．１％重量以下ではシリコン添加効果が見られないためであり、３．０％重量以上はシリコンによる固溶体硬化によって材料が硬くなり過ぎるためである。また、マンガン５．０重量％未満では、制振性発現効果がなく、また、１３．０重量％以上では、製造コストが抑制できないためである。
【００２４】
また、本発明の請求項１記載事項において、上記に加えて、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満としているが、これは、本発明の基となるオーステナイト相生成に関するものである。本発明者らは、既に特許文献２において、鋼のオーステナイト相を安定させかつ制振性発現の効果作用をするニッケル成分とマンガン成分との相互関係を検討した結果、その指標としてＡ値＝Ｍｎ（％）＋Ｎｉ（％）の関係を見出し、このＡ値を用いて、原料、精錬及び冷間圧延、及び冷間加工成形の観点から製造コストを上げるマンガン成分の一部をニッケル成分に置換することを提唱している。本発明では、クロム及びニッケルの効果と上記シリコンの効果の共同作用によって、マンガン含有量を５．０重量％以上、１３．０重量％未満にすることに成功したものである。クロム９．０重量％未満及び１５．０重量％以上ではオーステナイト相の生成へのクロムの効果がなくなるためであり、ニッケル０．０１重量％未満ではニッケルのオーステナイト安定効果が無くなり、また、ニッケル５．０重量％以上では、ニッケルの添加量が過大でありコスト上昇となるためである（図３．参照）。
【００２５】
さらに、本発明の請求項１記載事項において、ε−Ｍｓ相の体積分率が１０％以上、４０％未満としているが、ε−Ｍｓ相の体積分率が１０％未満では制振性発現が不十分であり、４０％以上では材料が硬くなり成形体として脆くなり過ぎるためである。
【００２６】
さらにまた、本発明の請求項１記載事項において、数式１で計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）が２０ｍＪ／ｍ２以下としているのは、冷間加工においてε−Ｍｓ相が生成し易くするためであり、２０ｍＪ／ｍ２を超えるとε−Ｍｓ相（ＨＣＰ相）がα’−マルテンサイト（ＢＣＣ相）に変態し易くなるために制振性発現が抑制されるためである。
【００２７】
次に、本発明の請求項２記載事項において、炭素含有量を０．１０重量％以下とするのは、振動減衰能を発現するγ／ε相間の相互作用に悪影響を及ぼす不純物元素、特に、炭素の上限を定めることによって振動減衰能の向上及び安定を計るためであり、炭素含有量が０．１０重量％を越えると振動減衰能を示す損失係数（η）が低下しかつ不安定になるためである。また、炭素と同様の影響を及ぼす窒素については、鋼中の窒素量を０．０１重量％以下にして、かつ、アルミニウム含有量を０．０１重量％以上、０．０５重量％以下とすることによって鋼中の窒素をＡｌＮの大きい介在物の形にすることによって、溶解製造時に大気中より不可避的に混入する固溶窒素による振動減衰能を低下させる害を無くすためである。即ち、アルミニウム含有量が０．０１重量％未満であると上記の鋼中窒素と結合するに必要なアルミニウム含有量が不足する場合がり、０．０５重量％を越えると過剰のアルミニウムによって合金の表面や内部にＡｌ２Ｏ３系の欠陥が発生しやすくなるためである。また、鋼中の窒素が０．０１重量％を越えると、これと結合するアルミニウム含有量が多く必要となるため、アルミニウムによるＡｌ２Ｏ３系の欠陥が増大するためである。
【００２８】
次に、本発明の請求項３記載事項において、ＪＩＳによって規定されている測定方法による損失係数（η）が、０．００５以上、０．１０以下としているが、損失係数（η）が０．００５未満であると、対振動、対騒音及び制振の観点から高機能な成形体を製造できないためであり、また、損失係数（η）が０．１０以下としたのは、これ以上になると機械的性質が劣化するためである。
【００２９】
次に、本発明の請求項４記載事項において、炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ冷間加工を施し、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行うのは、８００℃未満では溶体化熱処理が不十分なためであり、１０００℃以上では結晶粒が粗大化して材質を劣化させるためである。
【００３０】
次に、本発明の請求項５記載事項において、前記の冷間加工の際、必要に応じて１００℃以上３００℃以下の温度で温間加工を行うのは、加工によるε−Ｍｓ相生成による加工硬化を抑制して中間熱処理の回数を少なくする等の圧延・加工コストを抑制するためであり、１００℃未満ではε−Ｍｓ相生成の抑制が不十分であり、３００℃を超えると材料の酸化等の問題が起きるためである。
【００３１】
次に、本発明の請求項６記載事項において、前記の溶体化熱処理の後、１０％以上、６０％以下の冷間加工によって制振性を発現させるのは、１０％未満だとε−Ｍｓ相の生成が不十分であり、また、６０％を超えると材料が脆化してしまうためである。
【００３２】
次に、本発明の請求項７記載事項において、請求項１、２又は３記載の制振性ステンレス鋼を、ボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の制振性部品に適用するに際して、該ステンレス鋼の成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、その成形体の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整することによって、使用環境に応じた良好な制振効果を発揮することができる。個々の用途に応じた説明は、実施例によって詳述する。
【００３３】
本発明は、製造コストを抑制してかつ良好な振動吸収能を有する制振性ステンレス鋼、その製造方法及びその成形体の基本的要件を提示するものである。その成形体の使用環境によっては、材料強度、加工性、耐高温酸化性、耐腐食性等の制振性能以外の特性を付与する必要がある場合には、本発明の基本要件である化学成分に対して、例えば、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＲＥＭ、Ｚｒ、Ｂ或いはＣａ等の元素を適宜添加することができるが、これらは本発明の範囲内である。
【００３４】
以下、本発明を実施例によって説明する。
【実施例１】
表１に示す組成の鋼について、冷間加工によるε−Ｍｓ相の生成し易さを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１）、Ｍｄ（３０）（℃）（数式２）及びマルテンサイト変態点Ｍｓ点（℃）（数式３）を試算して表２．に示す。なお、計算に当たって、表１に示されていないＮを０．００８％、Ａｌを０．０３％に固定してその他元素は０％とした。表１に於いて代表的な例、即ち、本発明例（鋼Ｎｏ２）、比較例として特許文献２（鋼Ｎｏ１０）及びＳＵＳ３０４（鋼Ｎｏ１１）について上記項目を比較して図２に示す。また、考察のためにＦｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ状態図を図３に示す。
【数式３】
Ｍｓ（℃）＝５０２−８１０（％Ｃ）−１２３０（％Ｎ）−１３（％Ｍｎ）−３０（％Ｎｉ）−１２（％Ｃｒ）−５４（％Ｃｕ）−６（％Ｍｏ）
【００３５】
ＳＦＥが２０ｍＪ／ｍ２以下かどうかを基準として考察すると、鋼Ｎｏ３は、シリコンを添加しないでマンガンだけを低くした例であるが、ＳＦＥが２５．１と高いのでε−Ｍｓ相は生成し難い。本発明材（鋼Ｎｏ１及び２）は、ＳＦＥが２０以下なので冷間加工によってε−Ｍｓ相を生成し易いので制振性も良好である。鋼Ｎｏ１１（ＳＵＳ３０４）及び鋼Ｎｏ１２（ＳＵＳ２０２）は、ＳＦＥが２０以上でありかつＭｓ点も０℃以下なので、冷間加工によってε−Ｍｓ相よりもα’−Ｍｓ相が生成し制振性は劣る。鋼Ｎｏ８は、ニッケルが５．５％と過多の場合であるが、Ｍｓ点が０℃以下なのでオーステナイト相の安定度が高いのでε−Ｍｓ相は生成し難い。鋼Ｎｏ７は、クロムが１６．０と過多な場合であるが、図３に示すようにニッケルが２％と低い場合はフェライト（α相）＋オーステナイト（γ相）の２相となる領域となるので、ε−Ｍｓ相の生成は十分でない。
【００３６】
【表１】
【表２】
【実施例２】
【００３７】
組成が本発明の範囲内である、炭素０．０２重量％、シリコン１．０重量％、マンガン８．０重量％、クロム１３．０重量％、ニッケル２．０重量％、アルミニウム０．０３重量％、窒素０．００８重量％、残部鉄残部鉄及び不可避不純物からなる組成の鋼を高周波溶解炉で溶解・鋳造し、５ｋｇの鋼塊を得た。得られた鋼塊を表面切削加工した後、１１００℃ｘ１時間加熱処理した後、熱間圧延によって板厚５．０ｍｍの板にした。更に、酸洗によって表面の酸化層を除去した後に冷間圧延を行い１．０ｍｍの板を得て後、９５０℃にて溶体化熱処理を行ったのち３０％の冷間加工の制振性を付与する処理を行い、これを実施例２の本発明例とした。比較例として、特許文献２記載の鋼及び市販のＳＵＳ３０４の１．０ｍｍの板を９５０℃にて溶体化熱処理を行ったのち３０％の冷間加工を行った。これらを引張試験、硬さ及び損失係数（η）を測定した。さらに、０．２μｍの薄片を作成し透過電子顕微鏡（以下、「ＴＥＭ」という。）によって冷間加工によって生成した加工誘起マルテンサイトの結晶構造を観察して更に電子線回折によって結晶構造を同定した。
【００３８】
上記の供試材の引張試験値、硬さ及び損失係数（η）を表３．に示す。本発明例は特許文献２と同等の特性を持っていることが確認された。即ち、本発明は、特許文献２記載の材料の制振性及び機械的性質を損なわずにマンガン成分を下げることができるので、大幅な製造コスト抑制ができることが確認された。
【表３】
【００３９】
実施例２のもう一つの目的は、冷間加工によって生成する加工誘起マルテンサイトの結晶学的検証である。図４は、本発明例と比較例２についての加工誘起マルテンサイトのＴＥＭ写真である。本発明例では、ＳＦＥは１２．７であるが、オーステナイト粒（ＦＣＣ構造）の中に加工誘起ε−Ｍｓ相（ＨＣＰ構造）が見られる。一方、比較例２においては、ＳＦＥは４４．０であり、加工誘起マルテンサイトは、殆どが加工誘起α’−Ｍｓ相（ＢＣＣ構造）であることが確認された。即ち、このことは、鋼の化学組成から計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥを特定値（本発明では２０ｍＪ／ｍ２）以下にすることによってε−Ｍｓ相を効果的に生成させ良好な制振性が得られることが結晶学的に実証された。
【実施例３】
【００４０】
実施例３においては、本発明における温間加工の重要性を明らかにする。供試材は、実施例２における本発明例及び比較例２を用いた。５ｍｍ厚の供試材をワークロール径８０ｍｍφの４段冷間圧延機により０．５ｍｍ厚の鋼板に圧延する時に鋼板の温度を変えて、その時の中間熱処理が必要となる最大冷延率（Ｍａｘ．ＣＲ％）を求めた。表４において、両者材料のＳＦＥ、Ｍｄ（３０）及び加工硬化係数を示し、更に、本実験によって得られた加工温度毎のＭａｘ．ＣＲ（％）を記載した。表４によると、本発明例については、加工温度をＭｄ（３０）以上にすることによって、比較例（ＳＵＳ３０４）と同等の最大冷延率（Ｍａｘ．ＣＲ％）とすることができる。また、Ｍｄ（３０）以上であれば必要以上に加工温度を上げる必要はないことも明らかとなった。ε−Ｍｓ相は、制振性を発現する結晶組織であるが、本発明の制振性ステンレス鋼を圧延等の冷間加工を行う際には加工硬化が大となり加工コストを引上げるという逆効果をもたらす。実施例３では、この相反するε−Ｍｓ相生成に対する有効な方策として、冷間加工の段階では、温間加工によってε−Ｍｓ相生成を抑制して加工コストを下げ、最終段階の冷間加工に於いて有効にε−Ｍｓ相を生成させるような製造工程とすることによって大幅に製造コストを抑制することができかつ良好な制振性を得ることができることを示した。
【表４】
【実施例４】
【００４１】
本発明になる制振性ステンレス鋼をその振動吸収能を効果的に発揮させるには、その成形体の１次共振周波数を使用する振動環境に適するように調整する必要がある。そこで、実施例４として、箔、板及び棒の様々な形状寸法について、その形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）と１次共振周波数ｆｎとの関係を実験によって求めた。結果を表５及び図５に示す。これによると、次式（数式４）の関係が求められた。即ち、ｆｎ＝ＣｘＦの関係にあることが分かった。ただし、数式４に於ける係数（Ｃ）は、本発明による制振性ステンレス鋼でかつ１０〜６０％の冷間加工によってε−Ｍｓ相の生成した材料にのみ適用されるもので、他の材料には別途測定するする必要がある。また上記の関係は、Ｆが０．０００１〜１．０の広い範囲で適用でき、また、Ｆは無次元項となっているので広く応用できる。
【数式４】
１次共振周波数：ｆｎ（Ｈｚ）＝１．０ｘ１０５ｘＦ
【表５】
【００４２】
表６は、本発明になる制振性ステンレス鋼を成形体として適用した例である。その時の成形体の寸法例、それから数式４によって算出される形状ファクタＦ及び１次共振周波数を併せて記載した。表７は、該制振性ステンレス鋼を成形体に適用するに際しての振動環境、成形体の１次共振周波数及びそれを得るための成形体の寸法設計の考え方、さらに、その適用結果の評価を記載した。これによると、本発明になる制振性ステンレス鋼は、各々の適用分野において、上記の関係を適用することによって優れた制振性能を発揮することが明らかとなった。
【表６】
【表７】
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上の記述より明らかなように、本発明による制振性ステンレス鋼は、シリコン元素の効果を発揮させて、マンガン量を抑制することができたので、良好な制振性を有しながら大幅な製造コストを低減させることができたので、自動車用等大量使用にも耐える製造コストにすることが可能となった。即ち、ボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の振動対策や騒音防止に効果的に適用できることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】制振性ステンレス鋼製造プロセス
【図２】相変態のし易さの比較
【図３】Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ状態図
【図４】加工誘起マルテンサイトのＴＥＭ写真
【図５】形状ファクタＦと１次共振周波数との関係
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制振性ステンレス鋼、その製造方法及びその成形体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車、精密機器、電子機器、医療機器の分野で、振動や騒音を軽減する機能をもつ材料の提供が求められている。これに応えるものとして振動減衰能のある材料として、鉛、鋳鉄、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金等が知られている。このような材料は、振動減衰能は優れているが、機械的性質が不良で特殊用途以外には使用が不可能であり、また高価な元素を多く含んでいるため合金材料の価格上昇となり工業的用途が極めて制限されている。
【０００３】
このような問題を解決するために、機械的強度が高く、振動減衰能を有する材料として、高強度高減衰能Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金及びその製造方法が開示されている。この特許には、Ｃｒ：９〜１５重量％、Ｍｎ：１８〜２６重量％、Ｆｅ：残部鉄からなる素材を１０００〜１１５０℃の温度で溶体化熱処理した後に冷却し、１５〜８０％の冷間加工を加えることによって４０％以上のεマルテンサイト相を発現させることを特徴とする高強度高減衰能Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金及びその製造方法が開示されている。上記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金は、組成的にステンレス鋼をベースとしたものであり、従って、その機械的性質はステンレス鋼とほぼ同等であり、かつ、その振動減衰能は鉛や鋳鉄並という、上記の問題点を解決する画期的な発明である（特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、特許文献１によって開示された技術によれば、マンガン組成を１８〜２６重量％と主張しているが、この材料を溶製する場合、マンガン成分が蒸発し易いため添加するマンガン合金の歩留が悪いだけでなく、有害なマンガン・ヒュームが発生し易くなるという作業環境上の問題があり、また、マンガンは溶製時に用いられる耐火物の溶損を促進させるという難点があるので、マンガン成分を可能な限り低くすることが製造コスト及び労働環境面の点で求められている。
【０００５】
本発明者らは、上記の問題を解決するために、炭素０．０５重量％以下、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、６重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上であることを特徴とする高強度高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金を提案している（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特許第３３７８５６５号公報
【特許文献２】特開２００７−３４１８８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２によって開示された技術は、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満とすることを主張しているが、例えば、自動車排気管等の大量使用部材については、原料、精錬及び熱間・冷間圧延、及び冷間加工成形の観点から、更なるマンガン成分を低くすることによって製造コストを低減することが必須である。即ち、マンガン元素は、制振性発現に必要な元素であるが、固溶体硬化によって材料を必要以上に硬くするので、冷間圧延のパス回数が多く必要になるとともに、中間熱処理回数が多く必要になるため製造コストが高くなるので、可能な限りマンガン量を下げて製造コストを低く抑えることが必要である。
【０００８】
また、特許文献１及び２になる発明は、準安定オーステナイト相を冷間加工することによって生成する加工誘起イプシロン−マルテンサイト相（以下、「ε−Ｍｓ相」という。）が制振性を発現するというものであるが、これは、本材料の製造の観点からは、加工硬化現象が大となり、冷間加工の製造コスト高となっている。この相反する現象への対策が、製造コストを抑えるための重要な技術課題である。
【０００９】
更に、従来のボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等は、普通鋼或いはステンレス鋼を加工して作られているので、材料自体の振動減衰能が極めて小さいので、対振動、対騒音及び制振性に関わる機能の観点からは不十分である。
【００１０】
本発明者らは、上記の課題を解決するために検討した結果、冷間加工によってε−Ｍｓ相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１、非特許文献１参照）を２０ｍＪ／ｍ２以下に保持した上で、マンガンの効果をシリコンの微量添加によって一部置換えることによってマンガン量の低下ができることを見出し、その効果を実証する知見を得て本発明に至った。
【００１１】
【数式１】
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）＝２５．７＋２（％Ｎｉ）＋４１０（％Ｃ）−０．９（％Ｃｒ）−７７（％Ｎ）−１３（％Ｓｉ）−１．２（％Ｍｎ）
【非特許文献１】Ｐｉｃｋｅｒｉｎｇ：Ｐｒｏｃ．Ｃｏｎｆ．Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌｓ，Ｇｏｔｈｅｎｂｕｒｇ，Ｓｅｐｔ．（１９８４）
【００１２】
更に、本発明者らは、上記の冷間加工の製造コスト高に対する方法として、加工誘起変態の起こり易さの指標であるＭｄ３０（℃）にも着目した。この指標は数式２に示すように鋼中の化学成分との関係が求められており、具体的には、単相オーステナイトに対して３０％の引張り歪を与えた時に、組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度（℃）と定義されている。これは、冷間加工時の温度をＭｄ３０（℃）以上とすることによって冷間圧延時のε−Ｍｓ相の生成を抑制し、冷間加工時の加工硬化を抑制して冷間加工コスト低減ができることを確認して本発明に至った。
【数式２】
Ｍｄ３０（℃）＝４９７−４６２（％Ｃ＋％Ｃ）−９．２（％Ｓｉ）−８．１（％Ｍｎ）−１３．７（％Ｃｒ）−２０（％Ｎｉ）−１８．５（％Ｍｏ）
【００１３】
また、本発明者らは、本発明になる制振性ステンレス鋼を、個々の制振性部品に適用する場合、その部品の形状による共振周波数を推定して、その使用される振動環境に適合した形状にすることによって始めて本発明の制振性ステンレス鋼の機能が発揮されることを見出し、その関係を確認して本発明に至った。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、残部鉄及び不可避不純物からなり、数式１で計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）が２０ｍＪ／ｍ２以下、ε−Ｍｓ相が１０％以上、４０％未満であることを特徴とする。
【００１５】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、炭素０．１０重量％以下、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下となるように化学成分を制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、ＪＩＳによって規定されている損失係数（η）が０．００５以上、０．１０以下であることを特徴とする。
【００１７】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の製造方法は、炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ冷間加工を施し、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行い、これを必要に応じて更に冷間加工を施すことを特徴とする。
【００１８】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の製造方法は、前記の冷間加工の際、必要に応じて１００℃以上３００℃以下の温度で温間加工を行うことを特徴とする。
【００１９】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の製造方法は、前記の溶体化熱処理の後、１０％以上６０％以下の冷間加工によってε−Ｍｓ相を生成させることを特徴とする。
【００２０】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の成形体は、上記の制振性ステンレス鋼を、該ステンレス鋼の成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、その成形体の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整してなる、ボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の制振性部品に適用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼は、主な化学成分として炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下となるようにしてあるので、冷間加工によってε−Ｍｓ相（制振性の発現組織）が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１）を２０ｍＪ／ｍ２以下に保持した上で、微量のシリコン添加によってマンガン添加量が少なく抑えられ、また、１００℃以上、３００℃以下、望むらくはＭｄ（３０）（℃）（数式２）以上の温度で温間加工することによって、良好な制振性発現能を持ちながら、かつ、原料、精錬、熱間圧延、冷間圧延、及び冷間加工成形での製造コストが低く抑えられている。本発明による製造プロセスを図１に示す。
【００２２】
本発明が提供する制振性ステンレス鋼の成形体は、該成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、該成形体のボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整してあるので使用環境に応じた良好な制振効果を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の請求項１記載事項において、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満としている。これは、良好な制振性発現能を持ちながら、マンガン添加量を低く抑えるためのものであり、冷間加工によってε−Ｍｓ相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１）を２０ｍＪ／ｍ２以下に保持した上で、微量のシリコン添加によってマンガン添加量が少なく抑えられている。ここで、シリコン０．１重量％以上としたのは、０．１％重量以下ではシリコン添加効果が見られないためであり、３．０％重量以上はシリコンによる固溶体硬化によって材料が硬くなり過ぎるためである。また、マンガン５．０重量％未満では、制振性発現効果がなく、また、１３．０重量％以上では、製造コストが抑制できないためである。
【００２４】
また、本発明の請求項１記載事項において、上記に加えて、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満としているが、これは、本発明の基となるオーステナイト相生成に関するものである。本発明者らは、既に特許文献２において、鋼のオーステナイト相を安定させかつ制振性発現の効果作用をするニッケル成分とマンガン成分との相互関係を検討した結果、その指標としてＡ値＝Ｍｎ（％）＋Ｎｉ（％）の関係を見出し、このＡ値を用いて、原料、精錬及び冷間圧延、及び冷間加工成形の観点から製造コストを上げるマンガン成分の一部をニッケル成分に置換することを提唱している。本発明では、クロム及びニッケルの効果と上記シリコンの効果の共同作用によって、マンガン含有量を５．０重量％以上、１３．０重量％未満にすることに成功したものである。クロム９．０重量％未満及び１５．０重量％以上ではオーステナイト相の生成へのクロムの効果がなくなるためであり、ニッケル０．０１重量％未満ではニッケルのオーステナイト安定効果が無くなり、また、ニッケル５．０重量％以上では、ニッケルの添加量が過大でありコスト上昇となるためである（図３．参照）。
【００２５】
さらに、本発明の請求項１記載事項において、ε−Ｍｓ相の体積分率が１０％以上、４０％未満としているが、ε−Ｍｓ相の体積分率が１０％未満では制振性発現が不十分であり、４０％以上では材料が硬くなり成形体として脆くなり過ぎるためである。
【００２６】
さらにまた、本発明の請求項１記載事項において、数式１で計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）が２０ｍＪ／ｍ２以下としているのは、冷間加工においてε−Ｍｓ相が生成し易くするためであり、２０ｍＪ／ｍ２を超えるとε−Ｍｓ相（ＨＣＰ相）がα’−マルテンサイト（ＢＣＣ相）に変態し易くなるために制振性発現が抑制されるためである。
【００２７】
次に、本発明の請求項２記載事項において、炭素含有量を０．１０重量％以下とするのは、振動減衰能を発現するγ／ε相間の相互作用に悪影響を及ぼす不純物元素、特に、炭素の上限を定めることによって振動減衰能の向上及び安定を計るためであり、炭素含有量が０．１０重量％を越えると振動減衰能を示す損失係数（η）が低下しかつ不安定になるためである。また、炭素と同様の影響を及ぼす窒素については、鋼中の窒素量を０．０１重量％以下にして、かつ、アルミニウム含有量を０．０１重量％以上、０．０５重量％以下とすることによって鋼中の窒素をＡｌＮの大きい介在物の形にすることによって、溶解製造時に大気中より不可避的に混入する固溶窒素による振動減衰能を低下させる害を無くすためである。即ち、アルミニウム含有量が０．０１重量％未満であると上記の鋼中窒素と結合するに必要なアルミニウム含有量が不足する場合がり、０．０５重量％を越えると過剰のアルミニウムによって合金の表面や内部にＡｌ２Ｏ３系の欠陥が発生しやすくなるためである。また、鋼中の窒素が０．０１重量％を越えると、これと結合するアルミニウム含有量が多く必要となるため、アルミニウムによるＡｌ２Ｏ３系の欠陥が増大するためである。
【００２８】
次に、本発明の請求項３記載事項において、ＪＩＳによって規定されている測定方法による損失係数（η）が、０．００５以上、０．１０以下としているが、損失係数（η）が０．００５未満であると、対振動、対騒音及び制振の観点から高機能な成形体を製造できないためであり、また、損失係数（η）が０．１０以下としたのは、これ以上になると機械的性質が劣化するためである。
【００２９】
次に、本発明の請求項４記載事項において、炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ冷間加工を施し、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行うのは、８００℃未満では溶体化熱処理が不十分なためであり、１０００℃以上では結晶粒が粗大化して材質を劣化させるためである。
【００３０】
次に、本発明の請求項５記載事項において、前記の冷間加工の際、必要に応じて１００℃以上３００℃以下の温度で温間加工を行うのは、加工によるε−Ｍｓ相生成による加工硬化を抑制して中間熱処理の回数を少なくする等の圧延・加工コストを抑制するためであり、１００℃未満ではε−Ｍｓ相生成の抑制が不十分であり、３００℃を超えると材料の酸化等の問題が起きるためである。
【００３１】
次に、本発明の請求項６記載事項において、前記の溶体化熱処理の後、１０％以上、６０％以下の冷間加工によって制振性を発現させるのは、１０％未満だとε−Ｍｓ相の生成が不十分であり、また、６０％を超えると材料が脆化してしまうためである。
【００３２】
次に、本発明の請求項７記載事項において、請求項１、２又は３記載の制振性ステンレス鋼を、ボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の制振性部品に適用するに際して、該ステンレス鋼の成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、その成形体の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整することによって、使用環境に応じた良好な制振効果を発揮することができる。個々の用途に応じた説明は、実施例によって詳述する。
【００３３】
本発明は、製造コストを抑制してかつ良好な振動吸収能を有する制振性ステンレス鋼、その製造方法及びその成形体の基本的要件を提示するものである。その成形体の使用環境によっては、材料強度、加工性、耐高温酸化性、耐腐食性等の制振性能以外の特性を付与する必要がある場合には、本発明の基本要件である化学成分に対して、例えば、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＲＥＭ、Ｚｒ、Ｂ或いはＣａ等の元素を適宜添加することができるが、これらは本発明の範囲内である。
【００３４】
以下、本発明を実施例によって説明する。
【実施例１】
表１に示す組成の鋼について、冷間加工によるε−Ｍｓ相の生成し易さを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）（数式１）、Ｍｄ（３０）（℃）（数式２）及びマルテンサイト変態点Ｍｓ点（℃）（数式３）を試算して表２．に示す。なお、計算に当たって、表１に示されていないＮを０．００８％、Ａｌを０．０３％に固定してその他元素は０％とした。表１に於いて代表的な例、即ち、本発明例（鋼Ｎｏ２）、比較例として特許文献２（鋼Ｎｏ１０）及びＳＵＳ３０４（鋼Ｎｏ１１）について上記項目を比較して図２に示す。また、考察のためにＦｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ状態図を図３に示す。
【数式３】
Ｍｓ（℃）＝５０２−８１０（％Ｃ）−１２３０（％Ｎ）−１３（％Ｍｎ）−３０（％Ｎｉ）−１２（％Ｃｒ）−５４（％Ｃｕ）−６（％Ｍｏ）
【００３５】
ＳＦＥが２０ｍＪ／ｍ２以下かどうかを基準として考察すると、鋼Ｎｏ３は、シリコンを添加しないでマンガンだけを低くした例であるが、ＳＦＥが２５．１と高いのでε−Ｍｓ相は生成し難い。本発明材（鋼Ｎｏ１及び２）は、ＳＦＥが２０以下なので冷間加工によってε−Ｍｓ相を生成し易いので制振性も良好である。鋼Ｎｏ１１（ＳＵＳ３０４）及び鋼Ｎｏ１２（ＳＵＳ２０２）は、ＳＦＥが２０以上でありかつＭｓ点も０℃以下なので、冷間加工によってε−Ｍｓ相よりもα’−Ｍｓ相が生成し制振性は劣る。鋼Ｎｏ８は、ニッケルが５．５％と過多の場合であるが、Ｍｓ点が０℃以下なのでオーステナイト相の安定度が高いのでε−Ｍｓ相は生成し難い。鋼Ｎｏ７は、クロムが１６．０と過多な場合であるが、図３に示すようにニッケルが２％と低い場合はフェライト（α相）＋オーステナイト（γ相）の２相となる領域となるので、ε−Ｍｓ相の生成は十分でない。
【００３６】
【表１】
【表２】
【実施例２】
【００３７】
組成が本発明の範囲内である、炭素０．０２重量％、シリコン１．０重量％、マンガン８．０重量％、クロム１３．０重量％、ニッケル２．０重量％、アルミニウム０．０３重量％、窒素０．００８重量％、残部鉄残部鉄及び不可避不純物からなる組成の鋼を高周波溶解炉で溶解・鋳造し、５ｋｇの鋼塊を得た。得られた鋼塊を表面切削加工した後、１１００℃ｘ１時間加熱処理した後、熱間圧延によって板厚５．０ｍｍの板にした。更に、酸洗によって表面の酸化層を除去した後に冷間圧延を行い１．０ｍｍの板を得て後、９５０℃にて溶体化熱処理を行ったのち３０％の冷間加工の制振性を付与する処理を行い、これを実施例２の本発明例とした。比較例として、特許文献２記載の鋼及び市販のＳＵＳ３０４の１．０ｍｍの板を９５０℃にて溶体化熱処理を行ったのち３０％の冷間加工を行った。これらを引張試験、硬さ及び損失係数（η）を測定した。さらに、０．２μｍの薄片を作成し透過電子顕微鏡（以下、「ＴＥＭ」という。）によって冷間加工によって生成した加工誘起マルテンサイトの結晶構造を観察して更に電子線回折によって結晶構造を同定した。
【００３８】
上記の供試材の引張試験値、硬さ及び損失係数（η）を表３．に示す。本発明例は特許文献２と同等の特性を持っていることが確認された。即ち、本発明は、特許文献２記載の材料の制振性及び機械的性質を損なわずにマンガン成分を下げることができるので、大幅な製造コスト抑制ができることが確認された。
【表３】
【００３９】
実施例２のもう一つの目的は、冷間加工によって生成する加工誘起マルテンサイトの結晶学的検証である。図４は、本発明例と比較例２についての加工誘起マルテンサイトのＴＥＭ写真である。本発明例では、ＳＦＥは１２．７であるが、オーステナイト粒（ＦＣＣ構造）の中に加工誘起ε−Ｍｓ相（ＨＣＰ構造）が見られる。一方、比較例２においては、ＳＦＥは４４．０であり、加工誘起マルテンサイトは、殆どが加工誘起α’−Ｍｓ相（ＢＣＣ構造）であることが確認された。即ち、このことは、鋼の化学組成から計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥを特定値（本発明では２０ｍＪ／ｍ２）以下にすることによってε−Ｍｓ相を効果的に生成させ良好な制振性が得られることが結晶学的に実証された。
【実施例３】
【００４０】
実施例３においては、本発明における温間加工の重要性を明らかにする。供試材は、実施例２における本発明例及び比較例２を用いた。５ｍｍ厚の供試材をワークロール径８０ｍｍφの４段冷間圧延機により０．５ｍｍ厚の鋼板に圧延する時に鋼板の温度を変えて、その時の中間熱処理が必要となる最大冷延率（Ｍａｘ．ＣＲ％）を求めた。表４において、両者材料のＳＦＥ、Ｍｄ（３０）及び加工硬化係数を示し、更に、本実験によって得られた加工温度毎のＭａｘ．ＣＲ（％）を記載した。表４によると、本発明例については、加工温度をＭｄ（３０）以上にすることによって、比較例（ＳＵＳ３０４）と同等の最大冷延率（Ｍａｘ．ＣＲ％）とすることができる。また、Ｍｄ（３０）以上であれば必要以上に加工温度を上げる必要はないことも明らかとなった。ε−Ｍｓ相は、制振性を発現する結晶組織であるが、本発明の制振性ステンレス鋼を圧延等の冷間加工を行う際には加工硬化が大となり加工コストを引上げるという逆効果をもたらす。実施例３では、この相反するε−Ｍｓ相生成に対する有効な方策として、冷間加工の段階では、温間加工によってε−Ｍｓ相生成を抑制して加工コストを下げ、最終段階の冷間加工に於いて有効にε−Ｍｓ相を生成させるような製造工程とすることによって大幅に製造コストを抑制することができかつ良好な制振性を得ることができることを示した。
【表４】
【実施例４】
【００４１】
本発明になる制振性ステンレス鋼をその振動吸収能を効果的に発揮させるには、その成形体の１次共振周波数を使用する振動環境に適するように調整する必要がある。そこで、実施例４として、箔、板及び棒の様々な形状寸法について、その形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）と１次共振周波数ｆｎとの関係を実験によって求めた。結果を表５及び図５に示す。これによると、次式（数式４）の関係が求められた。即ち、ｆｎ＝ＣｘＦの関係にあることが分かった。ただし、数式４に於ける係数（Ｃ）は、本発明による制振性ステンレス鋼でかつ１０〜６０％の冷間加工によってε−Ｍｓ相の生成した材料にのみ適用されるもので、他の材料には別途測定するする必要がある。また上記の関係は、Ｆが０．０００１〜１．０の広い範囲で適用でき、また、Ｆは無次元項となっているので広く応用できる。
【数式４】
１次共振周波数：ｆｎ（Ｈｚ）＝１．０ｘ１０５ｘＦ
【表５】
【００４２】
表６は、本発明になる制振性ステンレス鋼を成形体として適用した例である。その時の成形体の寸法例、それから数式４によって算出される形状ファクタＦ及び１次共振周波数を併せて記載した。表７は、該制振性ステンレス鋼を成形体に適用するに際しての振動環境、成形体の１次共振周波数及びそれを得るための成形体の寸法設計の考え方、さらに、その適用結果の評価を記載した。これによると、本発明になる制振性ステンレス鋼は、各々の適用分野において、上記の関係を適用することによって優れた制振性能を発揮することが明らかとなった。
【表６】
【表７】
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上の記述より明らかなように、本発明による制振性ステンレス鋼は、シリコン元素の効果を発揮させて、マンガン量を抑制することができたので、良好な制振性を有しながら大幅な製造コストを低減させることができたので、自動車用等大量使用にも耐える製造コストにすることが可能となった。即ち、ボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の振動対策や騒音防止に効果的に適用できることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】制振性ステンレス鋼製造プロセス
【図２】相変態のし易さの比較
【図３】Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ状態図
【図４】加工誘起マルテンサイトのＴＥＭ写真
【図５】形状ファクタＦと１次共振周波数との関係
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、残部鉄及び不可避不純物からなり、次式で計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）が２０ｍＪ／ｍ２以下、イプシロン・マルテンサイト相の体積分率が１０％以上、４０％未満であることを特徴とする制振性ステンレス鋼。
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）＝２５．７＋２（％Ｎｉ）＋４１０（％Ｃ）−０．９（％Ｃｒ）−７７（％Ｎ）−１３（％Ｓｉ）−１．２（％Ｍｎ）
【請求項２】
炭素０．１０重量％以下、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下となるように化学成分を制御してなることを特徴とする請求項１記載の制振性ステンレス鋼。
【請求項３】
ＪＩＳによって規定されている損失係数（η）が０．００５以上、０．１０以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の制振性ステンレス鋼。
【請求項４】
炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ冷間加工を施し、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行い、これを必要に応じて更に冷間加工を施すことを特徴とする請求項１、２又は３記載の制振性ステンレス鋼の製造方法。
【請求項５】
前記の冷間加工の際、必要に応じて１００℃以上３００℃以下の温度で温間加工を行うことを特徴とする請求項４記載の制振性ステンレス鋼の製造方法。
【請求項６】
前記の溶体化熱処理の後、１０％以上６０％以下の冷間加工によってイプシロン・マルテンサイト相を生成させることを特徴とする請求項４又は５記載の制振性ステンレス鋼の製造方法。
【請求項７】
請求項１、２又は３記載の制振性ステンレス鋼を、該ステンレス鋼の成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、その成形体の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整してなるボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の制振性部品に適用される制振性ステンレス鋼の成形体。
【請求項１】
シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、残部鉄及び不可避不純物からなり、次式で計算される積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）が２０ｍＪ／ｍ２以下、イプシロン・マルテンサイト相の体積分率が１０％以上、４０％未満であることを特徴とする制振性ステンレス鋼。
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ２）＝２５．７＋２（％Ｎｉ）＋４１０（％Ｃ）−０．９（％Ｃｒ）−７７（％Ｎ）−１３（％Ｓｉ）−１．２（％Ｍｎ）
【請求項２】
炭素０．１０重量％以下、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下となるように化学成分を制御してなることを特徴とする請求項１記載の制振性ステンレス鋼。
【請求項３】
ＪＩＳによって規定されている損失係数（η）が０．００５以上、０．１０以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の制振性ステンレス鋼。
【請求項４】
炭素０．１０重量％以下、シリコン０．１重量％以上、３．０重量％以下、マンガン５．０重量％以上、１３．０重量％未満、クロム９．０重量％以上、１５．０重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、５．０重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成になるように溶製し、鋳造した素材を均質化熱処理した後、熱間加工を施し、さらに必要に応じ冷間加工を施し、これを８００℃以上１０００℃未満で加熱した後に水冷或いは空冷する溶体化熱処理を行い、これを必要に応じて更に冷間加工を施すことを特徴とする請求項１、２又は３記載の制振性ステンレス鋼の製造方法。
【請求項５】
前記の冷間加工の際、必要に応じて１００℃以上３００℃以下の温度で温間加工を行うことを特徴とする請求項４記載の制振性ステンレス鋼の製造方法。
【請求項６】
前記の溶体化熱処理の後、１０％以上６０％以下の冷間加工によってイプシロン・マルテンサイト相を生成させることを特徴とする請求項４又は５記載の制振性ステンレス鋼の製造方法。
【請求項７】
請求項１、２又は３記載の制振性ステンレス鋼を、該ステンレス鋼の成形体の横断面の面積（Ｓｍｍ２）及び長さ（Ｌｍｍ）によって表わされる形状ファクタＦ（＝Ｓ／Ｌ２）を基に、関係式ｆｎ＝１．０ｘ１０５ｘＦによって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）を、その成形体の使用する振動環境に適合した共振周波数となるように調整してなるボルト・ナット、切削工具支持体、ボールねじ、鋼球、ＨＤＤ用サスペンション、板ばね、コイルばね、自動車排気管及び自動車補強部材等の制振性部品に適用される制振性ステンレス鋼の成形体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−９０４７２（Ｐ２０１０−９０４７２Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７８８２９（Ｐ２００８−２７８８２９）
【出願日】平成２０年１０月３日（２００８．１０．３）
【出願人】（５０６２２３６４６）有限会社ＴＫテクノコンサルティング (15)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３日（２００８．１０．３）
【出願人】（５０６２２３６４６）有限会社ＴＫテクノコンサルティング (15)
【Ｆターム（参考）】
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