(57)【要約】【課題】高強度で、かつ黒色の意匠を有する黒色ステンレス鋼板を提供する。【解決手段】Ｍｎ：０．０４〜１５．５０質量％を含むステンレス鋼板を素地（ＢＭ）とし、素地（ＢＭ）の表面に酸化皮膜（Ｌ）が形成されており、酸化皮膜（Ｌ）と素地（ＢＭ）との界面近傍に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上の内部酸化物を含む層を有しており、室温での引張強さが７００Ｎ/ｍｍ２以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎ：０．０４〜１５．５０質量％を含むステンレス鋼板を素地とし、当該素地の表面に酸化皮膜が形成されており、前記酸化皮膜と前記素地との界面近傍に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上の内部酸化物を含む層を有しており、室温での引張強さが７００Ｎ/ｍｍ２以上である、黒色ステンレス鋼板。
【請求項２】
前記酸化皮膜の厚みが、０．７０μｍ以上である、請求項１に記載の黒色ステンレス鋼板。
【請求項３】
さらにＴｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ａｌ：０．０４〜１．００質量％のうち１種以上を前記素地中に含む、請求項１または２に記載の黒色ステンレス鋼板。
【請求項４】
前記素地がマルテンサイト組織を有する、請求項１から３までの何れか１項に記載の黒色ステンレス鋼板。
【請求項５】
前記素地がオーステナイト組織を有する、請求項１から３までの何れか１項に記載の黒色ステンレス鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度特性を有する黒色ステンレス鋼板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼板は、耐食性、意匠性に優れた素材であり、ステンレス無垢材が有する光沢のある銀白色の地肌を活かし、内装・外装材、排ガス経路部材等に使用されている。一方で、銀白色以外の意匠が求められる場合は、様々な色調を持つステンレス鋼板が適用される。ステンレス鋼板に黒色の色調を付与する手段としては、化学発色法、塗装法、酸化処理法等が採用されている。
【０００３】
黒色化手法としての酸化処理法は、酸化性雰囲気でステンレス鋼板を加熱し、表面に形成した酸化皮膜によって黒色の色調を付与するものである。酸化処理法は、ステンレス鋼板の製造工程における焼鈍処理を利用できるので、工程数を追加する必要がなく、比較的安価に黒色の色調を付与することが可能である。
【０００４】
従来、意匠性を付与する目的での黒色ステンレス鋼板は、フェライト系ステンレス鋼を素材とするものがほとんどであった。例えば、特許文献１には、Ｍｎ、ＴｉおよびＡｌを含むステンレス鋼板に、露点＋２０℃以上の酸化性雰囲気中で最高到達温度を１０００℃以上とし、９７５℃以上の温度から最高到達温度までの温度域で２５秒以上加熱する酸化処理を施す黒色ステンレス鋼板の製造方法が記載されている。実施例として、いずれも１７質量％Ｃｒをベースとしたフェライト系ステンレス鋼が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１-６１３７６号公報
【特許文献２】特開平５−２４７５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、酸化処理によりフェライト系ステンレス鋼板において十分な黒色度を得るには、通常の焼鈍温度よりもやや高温で、長時間の加熱処理が要求されるため、結晶粒の粗大化が避けられず、機械的強度や加工性が低下しやすい問題がある。そのため、黒色の意匠を有し、かつ高強度を求められる用途への適用は制限される。
【０００７】
また、特許文献２には、ニッケルを含む鉄基合金を酸化処理することにより、暗灰色から黒色の酸化物の保護層が形成される材料が示されている。これは、高価なインコロイ８４０合金の代替となる低コスト合金として想定されたものであり、結果として引張強さなど機械的性質の面で、インコロイ８４０に類似した特性が得られるとの記載がある。しかしながら、その用途は電気ヒーター素子シース材としてのものであり、特許文献２には、高強度化の必要性や他用途への適用などについては言及されていない。
【０００８】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、高強度で、かつ黒色の意匠を有する黒色ステンレス鋼板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
高強度を有するステンレス鋼として、オーステナイト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼を素材として用いて、これらを加熱処理して黒色化することにより、高強度で、かつ黒色の意匠を有する黒色ステンレス鋼板が得られる。具体的には、本発明は以下のものを提供する。
【００１０】
（１）本発明は、Ｍｎ：０．０４〜１５．５０質量％を含むステンレス鋼板を素地とし、当該素地の表面に酸化皮膜が形成されており、前記酸化皮膜と前記素地との界面近傍に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上の内部酸化物を含む層を有しており、室温での引張強さが７００ Ｎ/ｍｍ２以上である黒色ステンレス鋼である。
【００１１】
（２）本発明は、前記酸化皮膜の厚みが、０．７０μｍ以上である黒色ステンレス鋼板である。
【００１２】
（３）本発明は、さらにＴｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ａｌ：０．０４〜１．００質量％のうち１種以上を前記素地中に含む、（１）または（２）に記載の黒色ステンレス鋼板である。
【００１３】
（４）本発明は、前記素地がマルテンサイト組織を有する、（１）〜（３）の何れかに記載の黒色ステンレス鋼板である。
【００１４】
（５）本発明は、前記素地がオーステナイト組織を有する、（１）〜（３）の何れかに記載の黒色ステンレス鋼板である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様によれば、高強度で、かつ黒色の意匠を有する黒色ステンレス鋼板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る黒色ステンレス鋼板の表面構造を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（ステンレス鋼：素地と酸化皮膜）
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るステンレス鋼板（黒色ステンレス鋼板）１０は、Ｍｎ：０．０４〜１５．５０質量％を含み、さらにＴｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ａｌ：０．０４〜１．００質量％のうち１種以上を含むステンレス鋼を素地ＢＭとしている。また、ステンレス鋼板１０は、素地ＢＭの表面に酸化皮膜Ｌが形成されている。酸化皮膜Ｌの厚み（トータル酸化皮膜厚み）は、０．７０μｍ以上である。酸化皮膜Ｌの厚みを０．７０μｍ以上とすることで、鋼板表面の黒色性を向上させることができる。
【００１８】
トータル酸化皮膜厚みは、ＧＤＳ（Glow Discharge Spectroscopy）分析において、酸素強度がピークの１／４となる位置までの厚みを示す。
【００１９】
また、同図に示すように、酸化皮膜Ｌは、素地ＢＭから近い順に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上の内部酸化物を含む第１領域Ｌ１と、主としてＣｒの酸化物からなる第２領域Ｌ２と、Ｍｎの濃化層、またはＭｎおよびＴｉの濃化層からなる第３領域Ｌ３とが積層された膜となっている。第１領域Ｌ１では、Ａｌの酸化物、Ｔｉの酸化物、Ｍｎの酸化物、またはそれらの複合酸化物のそれぞれが、第１領域Ｌ１内に点在する構造を有している。第３領域Ｌ３では、Ｍｎの酸化物、またはＭｎおよびＴｉの酸化物を含む濃化層が存在している。Ｌ２＋Ｌ３の皮膜の厚みは、０．３０μｍ以上、より好ましくは０．４０μｍ以上である。
【００２０】
この第１領域Ｌ１の任意の断面において、第２領域Ｌ２との界面から深さ０．５μｍまでの範囲に、断面積０．００１μｍ２以上のＡｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上の内部酸化物が、単位面積１μｍ２あたり１０個以上分布している。
【００２１】
ステンレス鋼を高温に加熱すると、Ｃｒを始めとする合金成分が酸素と結合し、Ｃｒの酸化物を主な組成とする酸化皮膜Ｌが生成する。そして、素地ＢＭから成分元素が表面側に拡散していくこと、および雰囲気中から酸素、水蒸気等が酸化皮膜Ｌを介して素地ＢＭに向けて拡散することにより、酸化皮膜Ｌが成長する。ステンレス鋼は、この酸化皮膜Ｌの成長に伴って表面が着色される。
【００２２】
なお、本発明の一態様に係る黒色ステンレス鋼板は、Ｃ：０．２００質量％以下、Ｓｉ：１．５０質量％以下、Ｍｎ：０．０４〜１５．５０質量％、Ｐ：０．０４０質量％以下、Ｓ：０．００６質量％以下、Ｎｉ：０．１０〜０．５０質量％以下、Ｃｒ：１３．５５〜１８．５０質量％、Ｍｏ：０．０３〜０．５０質量％、およびＮ：０．００６〜０．０２０質量％を含み、さらにＴｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ａｌ：０．０４〜１．００質量％、およびＮｂ：０．０５〜１．００質量％のうち１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
【００２３】
酸化皮膜Ｌに酸化物として含まれるＭｎは、酸化処理で生成する酸化皮膜Ｌの最も表側の第３領域Ｌ３および／または内側の第１領域Ｌ１に濃化する。本発明者等の調査・研究によると、第３領域Ｌ３におけるＭｎ酸化物の濃化が大きいほど黒色化が促進されていることが判った。
【００２４】
Ｍｎは、耐スケール剥離性等の耐高温酸化性の向上に有効な元素であり、黒色の色調を有する均一な酸化皮膜を形成するには、０．０４％以上を含有する必要がある。また、Ｍｎはオーステナイト形成元素としてＮｉを代替することができる元素であり、可能な限りＭｎ含有量を高くすることにより、高価なＮｉの使用割合を低減することができるので鋼の製品コスト低減に有効である。また、Ｍｎの添加量増加に伴い、Ｎを多く固溶させることができるため、耐力、引張強さを上昇させることができることから、Ｍｎは高強度化に有効な元素である。一方、Ｍｎの過剰添加は、鋼の耐食性を低下させることから、その含有量の上限を１５．５質量％とした。より好ましくは１５．０質量％以下である。
【００２５】
次に、Ｔｉの酸化物は、酸化皮膜Ｌの表側の第３領域Ｌ３および内側の第１領域Ｌ１の両方に濃化する。黒色性に及ぼすＴｉ酸化物の作用・効果を確保するためには、マトリックスのＴｉ含有量を０．０５質量％以上とし、第３領域Ｌ３でマトリックス濃度の５倍以上、第１領域Ｌ１でマトリックス濃度の７倍以上に酸化物としてのＴｉを濃化させることが有効である。しかし、ステンレス鋼板に多量のＴｉが含まれると、ステンレス鋼板の表面に疵が発生し易くなり、また鋳造スラブの靭性低下等によって製造性が悪くなる。そこで、本実施形態においては、Ｔｉの有害な影響がでないように、Ｔｉ含有量の上限を０．５０質量％に設定した。
【００２６】
次に、Ａｌの酸化物は、酸化皮膜Ｌの内側の第１領域Ｌ１に濃化する。黒色化の効果を発揮させるためには、マトリックスのＡｌ含有量を０．０４質量％以上とし、マトリックス濃度の６倍以上にＡｌが第１領域Ｌ１に濃化されていることが有効である。しかし、ステンレス鋼板に多量のＡｌが含まれると、Ｔｉと同様に表面疵が発生し易くなる。そこで、本実施形態においては、Ａｌ含有量の上限を１．００質量％に設定した。本発明が対象とするステンレス鋼板１０は、Ｍｎを含むことを必須とし、ＴｉおよびＡｌのうち１種以上を含んでもよいとされるが、これら元素以外に黒色性を損なうことなく耐食性や加工性の向上に有効な合金成分を含むこともできる。
【００２７】
（黒色性）
ステンレス鋼板１０の表面は、明度指数（Ｌ＊）がＬ＊≦４５、クロマティクネス指数（ａ＊、ｂ＊）が、−５≦ａ＊≦５、−５≦ｂ＊≦５、および黒色度（Ｅ）がＥ＝（Ｌ＊２＋ａ＊２＋ｂ＊２）１／２≦４５の範囲にあることが好ましい。これにより、鋼板表面の黒色性を向上させることができるため、意匠性に優れたステンレス鋼板１０を実現できる。
【００２８】
（黒色ステンレス鋼板の製造方法）
本実施形態の黒色マルテンサイト系ステンレス鋼板および黒色オーステナイト系ステンレス鋼板は、例えば以下の工程により製造することができる。
【００２９】
マルテンサイト系：  溶解・鋳造→熱間圧延→熱延板焼鈍→冷間圧延→研磨→仕上焼鈍（黒色化処理、焼き入れ）。
【００３０】
オーステナイト系：  溶解・鋳造→熱間圧延→熱延板焼鈍→冷間圧延→研磨→仕上焼鈍（黒色化処理）。
【００３１】
仕上焼鈍では、オーステナイト温度域に加熱することにより、再結晶オーステナイト組織となり、マルテンサイト系では、その後の冷却によりマルテンサイト相に変態し、マルテンサイト組織が得られる。オーステナイト温度域での加熱保持は、溶体化処理および酸化処理も兼ねている。
【００３２】
上記各工程に加えて、冷間圧延後の中間焼鈍や、酸洗やテンションレベラーによる形状矯正の工程が適宜施される。また、仕上焼鈍後に、調質圧延および時効処理を行うこともできる。
【００３３】
（黒色化処理方法）
本実施形態のステンレス鋼板１０の製造方法では、Ｍｎ：０．０４〜１５．５０質量％を含み、さらにＴｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ａｌ：０．０４〜１．００質量％、およびＮｂ：０．０５〜１．００質量％のうち１種以上を含むステンレス鋼板に、露点が＋２０℃以上の酸化性雰囲気中で最高到達温度を８００℃以上とし、５００℃から８００℃の温度範囲を１０℃／秒以下の昇温速度で加熱する酸化処理を施す。
【００３４】
このうち、５００〜６００℃の範囲を緩やかに昇温することにより、Ｃｒの酸化皮膜の生成前に、Ｍｎ、またはＭｎおよびＴｉを酸化させることができる。６００〜８００℃の範囲を緩やかに昇温することにより、生成したＣｒ酸化皮膜と母材の界面での酸素分圧を下げつつ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上を内部酸化させ点在させることができる。この内部酸化物の存在により、皮膜の密着性を向上させることができる。
【００３５】
上記方法によれば、上記の酸化処理は、通常のステンレス鋼板製造ラインに組み込まれている焼鈍工程で実施することができるため、工程数を増やすことなく、ステンレス鋼板１０が製造される。また、マルテンサイト組織あるいはオーステナイト組織を有する成分系の鋼種を用いることにより、フェライト系に比べて高強度、すなわち室温における引張強さが７００ Ｎ/ｍｍ２以上のステンレス鋼板が得られる。
【００３６】
また、上記方法によれば、露点が＋２０℃以上の酸化性雰囲気中で加熱する酸化処理を施すため、Ｃｒの貧化を小さくでき、耐食性を向上させることができる。また、上記方法によれば、Ｃｒ酸化皮膜／母材界面に点在するＡｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上の内部酸化物のアンカー効果により、高温からの冷却時の剥離を抑制し、酸化皮膜の皮膜密着性が向上する。これにより黒色度を維持することに加えて、皮膜による保護性を高め耐食性を維持することができる。また、この内部酸化物が生成する過程で生じた酸化皮膜／母材界面の凹凸により、Ｃｒ酸化皮膜を透過した光を、酸化皮膜／母材界面で散乱させ反射を抑制することで、黒色度を高めていると推察される。
【００３７】
〔実施例〕
以下、本発明に係る実施例について説明する。なお、本発明は、以下の説明に限定されるものではない。
【００３８】
下記の表１に示す化学成分を有するステンレス鋼を溶製し、熱間圧延によって板厚３ｍｍの熱延板を作製した。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
上記の熱延板に１０５０℃で３分間焼鈍を施した後、ドライホーニングを用いて表面の酸化皮膜を除去した。その後、板厚１ｍｍまで冷間圧延し、１０３０℃で１分間の仕上焼鈍を施した後、１２０番、２４０番および４００番の乾式研磨紙を順次用いて手研磨を行った。表１の鋼組成は、質量％で示されており、残部がＦｅおよび不可避的不純物である。
【００４１】
その後、得られた鋼板の表面を黒色化するため、露点＋４０℃、１０質量％Ｏ２、９０質量％Ｎ２の混合ガス雰囲気中で、１１００℃、均熱３分の熱処理を行った。
【００４２】
（黒色度の評価）
【００４３】
【表２】
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【００４４】
以上の方法により得られたステンレス鋼板１０は、意匠性に優れた表面の色調を活用して内装材、外装材、屋根材等の建築用材料や、家電製品、事務機器等のケーシングや部品等として使用される。また、マフラー等の自動車用排ガス部材用途では、溶接管の素材としても使用される。なお、本発明で黒色化されるステンレス鋼板１０の原板としては、圧延材や酸洗材以外に研磨、ダル目柄圧延等によって意匠性を付与した材料も使用できる。
【００４５】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の一態様によれば、塗装することなく意匠性に優れた黒色の外観を有し、各種機器、装置の部品や、構造部材の用途に適した高強度の黒色ステンレス鋼板を実現することができる。
【００４７】
また、本発明の一態様によれば、通常のオーステナイト系ステンレス鋼の固溶化熱処理温度や、マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れ温度に近い温度で熱処理することができることから、結晶粒径が粗大化することなく、素材の持つ高強度を維持できる。
【００４８】
さらに、各種機器、装置の部品や構造部材を高強度化できれば、設計板厚を薄くできるため、装置や構造部材の軽量化、コスト、施工作業性などの面でメリットがある。ステンレス鋼素材に対して高強度が要求される分野・用途としては、具体的には、電子機器、精密機器の分野、自動車用の耐熱部材、機械構造物のフレームなどが挙げられる。
【符号の説明】
【００４９】
ＢＭ  素地
Ｌ    酸化皮膜
Ｌ１  第１領域：Ａｌ、Ｔｉ、およびＭｎのいずれか１つ以上の内部酸化物を含む
Ｌ２  第２領域：主としてＣｒの酸化物からなる
Ｌ３  第３領域：Ｍｎの濃化層、またはＭｎおよびＴｉの濃化層からなる
１０  ステンレス鋼板（黒色ステンレス鋼板）
【図１】
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