(57)【要約】【課題】フェライト系ステンレス鋼製部品の製造または使用に際し、簡便かつ確実に二次加工脆化割れの発生を防止する。【解決手段】フェライト系ステンレス鋼製部品の設計に際し、次式(1)  Ｔ＞(Ａ・ε＋Ｂ)・ｒ0.5・Ｅ0.1    ・・・・・(1)の関係を満足させる。  ただし、ε：部品に付与される塑性歪み量、ｒ：部品における最小の曲率半径(mm)、Ｅ：製造時または使用時に部品が受ける衝撃エネルギー(J/g)、Ｔ：部品の製造時または使用時の温度(K)、Ａ、Ｂ：素材定数。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト系ステンレス鋼製の部品の製造または使用に際し、次式(1)の関係を満足させることを特徴とする、二次加工脆化割れを回避するフェライト系ステンレス鋼製部品の設計方法。
Ｔ＞(Ａ・ε＋Ｂ)・ｒ0.5・Ｅ0.1      ・・・・・(1)
ただし、
ε：部品に付与される塑性歪み量
ｒ：部品形状中、最小の曲率半径(mm)
Ｅ：製造時または使用時に部品が受ける衝撃エネルギー(J/g)
Ｔ：部品の製造時または使用時の温度(K)
Ａ、Ｂ：素材定数
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼製部品の設計方法に関し、特にフェライト系ステンレス鋼製の部品を製造または使用する際に、二次加工脆化割れの発生を効果的に回避しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ステンレス鋼製品の高機能化・高性能化の要求や、部品点数の削減によるコストダウン要求、さらには成形加工における技術進歩などの要因により、個々の部品において過酷な成形加工が施されることが増えてきた。
このような過酷な成形加工を施す部品は、従来、主にオーステナイト系ステンレス鋼が使用されてきたが、近年では、SUS430に代表されるフェライト系ステンレス鋼も使用されるようになってきている。これは、近年のNi地金の高騰により、オーステナイト系ステンレス鋼の製造コストが上昇しているからである。
しかしながら、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べて加工性に劣り、特に、二次加工脆化割れが発生し易いという問題がある。ここに、二次加工脆化割れとは、素材に深絞り等の一次加工をした後、拡管、張出し等の二次加工をする際に、素材が脆化して割れが発生することである。狭義の二次加工脆化割れは、二次加工を施す際に割れが発生するものであるが、広義には、加工時には割れは発生しないものの、加工により脆化した成形品に衝撃力が加わり割れが発生する場合も含まれる。
【０００３】
特に、広義の場合の二次加工脆化割れは、最終製品を構成する部品が使用中に割れることを意味し、甚大な被害を招く。また、狭義の場合であっても、二次加工時に部品が割れるわけであるから、部品が供給できず、最終製品の組み立てができないといった大きな問題となる。従って、部品設計時に十分な検討を行い、適切な素材選択および形状設計をしておく必要がある。
【０００４】
しかしながら、部品設計時の検討は、試行錯誤で行われているのが現状である。具体的には、試作品を製作し、最終製品に組み入れたもの、あるいは最終製品を模した半製品に試作品を組み入れて試験をし、不具合があれば修正して部品の材質・形状等の仕様を決定していくという手法である。
この手法では、最終製品の開発期間の長期化および開発コストの増大を招くことから、二次加工脆化割れを防止できる効果的な部品の設計方法の開発が望まれていた。  
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の要望に有利に応えるもので、フェライト系ステンレス鋼製の部品の製造または使用に際し、簡便かつ確実に二次加工脆化割れの発生を防止することができる設計方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、本発明の解明経緯について説明する。
二次加工脆化割れの発生は温度に依存し、延性脆性遷移温度と呼ばれるしきい値温度以下では二次加工脆化割れが顕在化するため、対処法としては、二次加工の温度（もしくは使用中に衝撃が付与される温度）を上げることが知られている。しかしながら、しきい値である延性脆性遷移温度もその部品に付与された塑性歪み量、部品に与えられる衝撃エネルギーおよび部品の形状などに依存し、実際にはどの程度まで温度を上げれば良いかは試行錯誤により見出すしかなく、事前に判断するのは、極めて困難であった。
【０００７】
そこで、発明者らは、フェライト系ステンレス鋼の二次加工脆化割れに関し、鋭意研究を重ねた結果、二次加工脆性割れに及ぼす温度、歪み量、部品の形状および部品に加わる衝撃エネルギー等の素材に特有の二次加工脆化割れに関わる因子を関係式としてまとめ、この関係式を満足するように部品設計を行えば、製造時または使用時における二次加工脆性割れを阻止できるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、本発明は、フェライト系ステンレス鋼製の部品の製造または使用に際し、次式(1)の関係を満足させることを特徴とする、二次加工脆化割れを回避するフェライト系ステンレス鋼製部品の設計方法である。
Ｔ＞(Ａ・ε＋Ｂ)・ｒ0.5・Ｅ0.1    ・・・・・(1)
ただし、
ε：部品に付与される塑性歪み量
ｒ：部品における最小の曲率半径(mm)
Ｅ：製造時または使用時に部品が受ける衝撃エネルギー(J/g)
Ｔ：部品の製造時または使用時の温度(K)
Ａ、Ｂ：素材定数
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、フェライト系ステンレス鋼製部品について、製造時または使用時に懸念される二次加工脆性割れの発生を効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を具体的に説明する。
二次加工脆化割れの発生は、対象としている部品の形状や部品に加わる衝撃力が同一であれば、温度に依存する。すなわち、ある特定温度を境にして、延性が、急激に低下して脆化する。この境の温度を延性脆性遷移温度と呼ぶ。
従って、二次加工脆化割れを防止するには、部品の延性脆性遷移温度が、部品の製造時や使用時における温度よりも低ければ良い。しかしながら、実際の製品においては、部品の使用温度や形状、部品に加わる衝撃力などは、部品が組み込まれる最終製品の仕様によって決まる。それ故、これらの特性は、最終製品の仕様によって、さまざまな制約を受けることになる。
従って、このような種々の制約を、如何に最適化するかが重要なわけであるが、この制約の組み合わせは多数あり、どの程度の変更で二次加工脆化割れを防止できるかは明確でなかった。本発明は、この点を解明して完成させたものである。
以下、本発明の基礎となった実験について説明する。
【００１１】
（実験１）
表１に示す成分組成からなる３種類の冷延板（板厚：2.0mm）を準備した。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
この冷延板に対し、一次加工として円筒絞り加工を施した。ここでの絞り加工の絞り比は約2.13および2.79であった。この円筒形状の長手方向の異なる位置より試験片を切出し採取した。これらの試験片は部位ごとに異なる塑性歪みが付与されている。円筒絞りの場合は各部位の絞り加工の前後での位置を対応付けることで解析的に求められ、塑性歪み量εは次式(2)式で得られる。
塑性歪み：ε＝(2/3(ε1２＋ε2２＋ε3２)１／２        ・・・・(2)
ただし、ε1：円周方向歪み、ε2：半径方向歪み、ε3：板厚方向歪み
【００１４】
これにより、試験片ごとに曲率半径ｒ(mm)、塑性歪み量εおよび質量ｍ(g)が特定される。これらの試験片に対し、質量Ｍ(＝５kg)の重錘を落下させたときの衝撃により脆性割れが生じるかを、試験片の温度を変更しながら調べ、延性脆性遷移温度を求めた。この際に重錘を落下させる高さｈ(m)により衝撃エネルギーも変化させた。ここで衝撃エネルギーは、
Ｅ(J/g)＝(Ｍ・Ｇ・ｈ)/ｍ
（ただし、Ｇは重力加速度：9.8m・sec−２）
で求められる。
【００１５】
αSUS-1、αSUS-2、αSUS-3について上記の調査を行った結果を図１〜３に示す。例えば、図１ではαSUS-1について、試験片に付与された塑性歪み量と延性脆性遷移温度の関係を、曲率半径および衝撃エネルギーの影響とあわせて示したものである。ここで塑性歪み量が大きいほど延性脆性遷移温度は高くなり、二次加工脆化割れしやすくなる。また、同じ塑性歪み量であっても衝撃エネルギーが大きくなると延性脆性遷移温度は高くなり、同様に二次加工割れしやすいことがわかる。曲率半径の異なる場合、すなわち試験片形状の異なる場合でも上記の傾向はみられるものの、延性脆性遷移温度のデータは連続せず試験片形状によっても二次加工脆化割れのしやすさは影響されることがわかる。
【００１６】
これらの膨大なデータを回帰的に整理した結果、素材毎のＴ0、ε、ｒおよびＥは、次式(1)′で表されることが究明された。
Ｔ0＝(Ａ・ε＋Ｂ)・r0.5・Ｅ0.1      ・・・・・(1)′
ただし、
ε：部品に付与される塑性歪み量
ｒ：部品における最小の曲率半径(mm)
Ｅ：製造時または使用時に部品が受ける衝撃エネルギー(J/g)
Ｔ0：延性脆性遷移温度(K)
Ａ、Ｂ：素材定数（K×mm-0.5×(J/g)-0.1）
αSUS-1：Ａ＝７２、Ｂ＝１６
αSUS-2：Ａ＝５１、Ｂ＝２４
αSUS-3：Ａ＝６３、Ｂ＝１９
【００１７】
従って、上掲式(1)、(1)′から、部品の製造時または使用時の温度Ｔが、Ｔ0よりも大となるように設計することにより、部品の設計段階で二次加工脆化割れを回避することが可能となるわけである。なお、部品の形状変更（最小の曲率半径の変更）や材質の変更などの場合において事前検討を行うこともできる。さらには、この関係式を用いて二次加工脆化割れが予測された場合には、部品あるいは二次加工前の素材に焼鈍を施すなど、回避策の検討が可能となる。
【００１８】
ここに素材定数Ａ、Ｂとは、素材によって決まる定数のことで、その物理的に意味するところは明確ではないが、図１〜３のように塑性歪みと延性脆性遷移温度の相関において、曲率半径ｒおよび衝撃エネルギーＥは一定条件の場合の傾きＡと切片Ｂに相当し、Ａは塑性歪み量に対する素材の割れ感受性を、Ｂは未加工（塑性歪み量ゼロ）状態での延性脆性遷移温度に対応する指標と考えられる。これら素材定数は実験により同定され、試験条件パラメータである塑性歪み量ε、曲率半径ｒ、衝撃エネルギーＥに対する延性脆性遷移温度Ｔ０(k)を同一素材に対して少なくとも２組以上で求め、式(1)′に代入して解くことで素材乗数Ａ、Ｂが得られる。
【００１９】
（実験２）
表２に示す具体的二次加工を行い、その際の二次加工脆化割れの危険性について、部品毎に調査した。
それぞれの部品について、付与される塑性歪み量、部品における最小の曲率半径および使用時に部品が受ける衝撃エネルギーから、関係式(1)′を用いて、それぞれの部品の延性脆性遷移温度を求めた。なお、いずれの部品も素材の初期設定は、αSUS-1とした。得られた結果を表２に示す。また、同表には各部品の使用想定温度を併記する。さらには、部品を実際に使用した際の二次加工脆化割れの有無について調査した結果も併記する。
【００２０】
【表２】
2009255126.tif 000004
【００２１】
まず、部品Ａは、使用温度範囲が0〜40℃であるのに対し、延性脆性遷移温度は-13℃であるため二次加工脆化割れの懸念はない。実試験においても、二次加工脆化割れは発生しなかった。
次に部品Ｂでは、使用温度範囲が-30〜50℃であるのに対し、延性脆性遷移温度が-23℃であるので、二次加工脆化割れが発生する可能性があることを示している。実試験においても、やはり二次加工脆化割れが発生した。
部品Ｃ、ＤおよびＥについても部品Ｂと同様であった。
上述した通り、各部品の使用温度範囲の下限値が、上の関係式で求めた延性脆性遷移温度よりも低い場合に、実試験で割れが発生していることから、上の関係式は妥当であることが分かる。
【００２２】
（実験３）
上記の実験２で二次加工脆化割れが発生した部品Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥについて、二次加工脆化割れ防止対策を行った。
対策としては、
（１）部品の形状を変更する方法、すなわち最小の曲率半径を変更し、それに伴い塑性歪みを変える方法、
（２）素材を変更する方法、
（３）周辺部も含めた設計の見直しにより、部品にかかる衝撃エネルギーを低減する方法、
（４）部品の使用温度範囲を、関係式で求めた延性脆性遷移温度より低くしないようにする方法、
など種々の方法が考えられる。従って、各々の部品の事情を考慮して、可能かつ簡便な方法を選択すればよい。
【００２３】
表３に、それぞれの対策内容、対策を行ったときの上の関係式で求めた延性脆性遷移温度および実試験の結果を示す。
【００２４】
【表３】
2009255126.tif 000005
【００２５】
まず、部品Ｂにおける対策として、最小の曲率半径を6mmから8mmに変更することにより、塑性歪み量を0.83から0.60に減少させた。このとき上掲式(1)′から求めた延性脆性遷移温度Ｔ0は-47℃であり、使用温度範囲-30〜50℃よりも低いため、二次加工脆化割れは発生しないと判断された。実試験でもやはり、二次加工脆化割れは発生しなかった。
部品Ｃでは、対策として、素材をαSUS-1からαSUS-2に変更した。このとき上掲式(1)′から求めた延性脆性遷移温度は-24℃であり、使用温度範囲-10〜30℃よりも低いため、二次脆化割れは発生しないと判断された。台上試験でもやはり、二次加工脆化割れは発生しなかった。
部品Ｄでは、対策として、素材をαSUS-1からαSUS-3に変更した。このとき上掲式(1)′から求めた延性脆性遷移温度は-16℃であり、使用温度範囲0〜30℃よりも低いため、二次脆化割れは発生しないと判断された。実試験でもやはり、二次加工脆化割れは発生しなかった。
部品Ｅでは、対策として、部品周辺の構造を改善し、部品Ｅに加わる衝撃エネルギーを5J/gから2J/gまで低減するようにした。このとき上掲式(1)′から求められた延性脆性遷移温度は-36℃となり、使用温度範囲-30〜80℃よりも低いため、二次加工脆化割れは発生しないと判断された。台上試験でもやはり、二次加工脆化割れは発生しなかった。
このように、フェライト系ステンレス鋼製部品の製造時または使用時における温度Ｔが、上掲式(1)′により求まる延性脆性遷移温度Ｔ0よりも大となるように、部品の設計を行うことにより、部品の製造時または使用時における二次加工脆化割れの発生を確実に防止することができる。
なお、以上の実験およびその検討は、主にαSUS-1〜αSUS-3について行ったが、本発明は、これらの鋼種だけでなく、フェライト系ステンレス鋼すべてに適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】素材がαSUS-1の場合における、部品に付与される塑性歪み量、部品における最小の曲率半径、製造時または使用時に部品が受ける衝撃エネルギーおよび延性脆性遷移温度の関係を示すグラフである。
【図２】素材がαSUS-2の場合における、部品に付与される塑性歪み量、部品における最小の曲率半径、製造時または使用時に部品が受ける衝撃エネルギーおよび延性脆性遷移温度の関係を示すグラフである。
【図３】素材がαSUS-3の場合における、部品に付与される塑性歪み量、部品における最小の曲率半径、製造時または使用時に部品が受ける衝撃エネルギーおよび延性脆性遷移温度の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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