耐加工脆性と高サイクル疲労耐久性を有する
ハプティックデバイス用超高強度薄鋼板の開発
松 村 雄 太小 川 恭 平細 谷 佳 弘1)
2)
3)
田 中 慎 一嶋 崎 真 人平 田 辰 美4)
5)
6)

.

開 発 の 背 景

スマートフォンやタブレット端末などのモバイル通信デバ
イスの技術革新と普及は目覚ましく，通信速度やメモリー容量の拡大と並行して，より薄く・より軽く・より高強度のデバイス開発へのニーズが高まっている．さらに，グローバル市場での使用環境の多様化や過酷化に応えるため，構成部材の耐食性・耐久性向上へのニーズは高まる一方である．素材選定に関しても，従来は入手性，調達コスト，二次加工性などの要求仕様を満たす Commodity 素材をベースとした設計が主流であったのに対し，より厳しい仕様に耐える信頼性の高い Custom made の素材が求められる例も少なくない．
スマートフォンに使われる金属素材は，ボディや補強板などの比較的大きな部品から，内部に組み込まれて静的強度が図1求められる部品や，ハプティックデバイスとしての機能を果たす振動部品などがある．とくに図に示す振動モータの例

振動モータ特許図面(矢印部がばね)．
出典「特開2011030370振動型電動機」

では，ユーザーに振動を伝えるためにヘアピン状に成形された高耐久ステンレス製ばねが複数組み込まれており，素材に 180°
対して◯
密着曲げ加工と曲げ加工部の信頼性と耐久性，

.

開発の基本コンセプト

 108 サイクルを超える高サイクル振動時の耐疲労破壊性な◯高温高湿環境下での耐食性などが求められる．
どに加えて，◯

そこで，上記のニーズに応える機械特性を得るための成分
設計と組織制御に対する基本コンセプトに基づいたラボ検証 ～◯ に列記する．
本開発の基本コンセプトを◯［基本成分］
◯

合金鉄での成分調整可能な商用鋼並の成分とする．

を重ねた上で，その量産技術の確立に成功した．本稿では，

◯ステンレス鋼並の耐食性を具備する成分とする．

ハプティックデバイス等に用いられる成形後の信頼性と耐久［組織制御］性に優れた超高強度ステンレス薄板について紹介する．

◯

可能な限り平衡状態に近い状態で組織制御を行う．

◯

変態による加TRIP 鋼または TWIP 鋼では加工誘起 a′
工硬化能が大きい反面局部延性が劣化するため，高強度を維持しながら局部伸びを持続できる組織とする．

◯
株式会社 特殊金属エクセル
1)新機能材料開発本部アシスタントマネジャー 2)研究員
3)取締役 兼 CTO 4)冷延材製造技術グループマネジャー
5)営業本部アシスタントマネジャー 6)営業本部チームリーダー
Development of High Strength Stainless Steel Sheet with HighDurability and High Fatigue Limit Applied to Haptic Devices;
Yuta Matsumura, Kyohei Ogawa, Yoshihiro Hosoya, Shinichi
Tanaka, Masato Shimasaki and Tatsumi Hirata(TOKUSHUKINZOKU EXCEL CO. LTD.)2017年10月31日受理[doi:10.2320/materia.57.20]



高降伏強度を実現するため，母相は再結晶 a 相ではなく，加工誘起 a′相として析出硬化を重畳させる．

◯相構造は a′相が準安定 g 相を取り囲む組織とする．

［機械特性］
◯

実用上，応力ひずみ線図の理想を完全弾塑性変形と考え，高降伏強度と高い流動応力を維持しながら高延性化を図ることで，部品としての信頼性と高い衝撃特性を狙う．

新技術・新製品

表1

図2

CSi

MnNi

Cr

Mo

N

0.08

0.38

0.67

4.70

16.8

2.70.10

開発目標とした YSEl バランス．

［期待する効果］
◯

化学成分(mass)．

図3

熱処理後の代表的組織(EBSDPhase Map)．

図4

400°
Cで処理した材料の応力ひずみ線図．

 に記載した組織とすることで，塑性変形過程では準◯安定 g 相が a ′相に加工誘起変態して母相 a ′相との硬変態に伴う体積膨張によ度差が縮まる効果と， g → a ′って母相との界面に圧縮応力が作用することで微小割れの発生が抑制される効果を期待する．
 疲労耐久性に関しては，g 相中ではクラック先端の塑性◯域での a ′変態による亀裂伝播抵抗と，ネットワーク相による亀裂伝播の障壁を期待する．
状 a′
上記コンセプトに基づいて設定した開発目標を図に示す．

.

基本成分系と製造方法

開発鋼は，高窒素準安定オーステナイト系ステンレス鋼であり，その代表的化学組成を表に示す．
冷間圧延による加工誘起変態のみを利用した高強度化プロセスでは延性が犠牲になる事から，冷間圧延と熱処理を組み合わせる事で相分率や g の安定度をコントロールし，強度延性バランスを両立させる事から検討を進めた．
所定の厚みまで冷間圧延と溶体化処理を繰り返し行って，

.

開発鋼の実用特性を母相として g 相が島状に分布した t 0.13 mm の冷間圧延a′
鋼帯を製造した．その後 200 ～ 600 °C の範囲で，数分から数実用特性として，引張片振り疲労試験結果を図に，耐加時間の範囲でバッチ熱処理を行い，金属組織や相分率，炭化工脆化性の評価を目的として引張試験の平行部を先端曲げ物の析出量や機械的特性の変化を確認した．

曲げた後に曲げ戻して引張試験を行った時
R: 0.2 mm で 90 °図に EBSD による相マップを示す．ネットワーク状に相に囲まれた g 相を確認した．
均一に分布した a′最適条件( 400 °C )で熱処理した応力ひずみ線図を図にの破断位置を図に示す．開発鋼は 107 以上で 1450 MPa の疲労限を有し，当該強度レベルで曲げ加工部が脆化し難い事から，図 1 に示した形状の振動デバイスへの適用が実現した．

示す．RD 及び TD 方向での機械的特性に大きな差はなく，冷間圧延のみで強化したステンレス鋼のような機械的異方性.

高強度高延性化メカニズムは極めて小さいことが確認された．
最適条件より低温側(300°C)で熱処理を行うと延性の保持J PARC での中性子回折実験よって熱処理前後の g 分率

時間依存性が強く，コイル全長全幅での均一な特性向上は難を 6×8×65 mm のバルク試験片で評価した結果を図に示しい．一方，高温側(500°C)で熱処理をした場合，保持時間す．冷間圧延後と熱処理後では， g 相分率の変化は 3以内の増加と共に延性が低下する事を確認した．これらの実験結であるのに対し，伸びは400°Cで圧延直後に比して約 2 倍と果から，安定した超高強度と高延性を兼備できる条件がなる．

400°Cであることを明らかにした．

400°
Cで保持する事で伸びが向上するメカニズムに関して

は，a′相中の過飽和固溶炭素が g 相中に濃化して g 相を安定化させていることが推定されるが，500°Cでの伸びの低下に

ま て り あ 第57巻 第 1 号(2018)Materia Japan

図5

図7

高サイクル疲労特性．

図 6 曲げ曲げ戻し引張試験での破断形態．

図8

電解抽出法による Cr 及び Mo の炭化物析出．

g 相分率と伸びの関係(協力茨城大学小貫祐介
博士)．
図9

開発材の強度延性上昇の模式図．

関して更なる考察実験を行った．
最適熱処理条件前後の温度条件での材料中の炭化物の析出量を電解抽出法で定量分析した． 1  AA 電解抽出後， 0.2mm のメッシュフィルターで捕集し混酸分解後に ICP で Crと Mo 量を評価した結果を図に示す．
Asrolled から300°
Cでは析出量に変化がないが，400°Cで微増して 500 °C で Cr 析出量は 2 倍， Mo 析出量は 3.7 倍に増加したため，g 相に濃化する固溶炭素の減少が示唆された．
以上の結果を基に，冷間圧延～400°C加熱保持過程での組織形成の模式図を図に示す．冷間圧延率を適切に制御することで，図 3 に示した未変態 g 相が加工誘起マルテンサイト変態によって生成する a ′相に取り囲まれた組織となる．

図 10

開発鋼の量産特性と従来製法の製品特性比較．

相中の過飽和固溶炭素は次第に g400°C に加熱することで a ′相中に分配(Partitioning)する．Partitioning によって未変態間圧延率などで製造管理される冷間圧延ステンレス鋼板と比相中にg 相の安定性が増大する．保持時間を増すことで，a′べて格段に優れた量産安定性を有しており，世界で 1 億台相が一層析出強化される．
Cr や Mo の炭化物が析出して a ′を超える販売実績を誇る通信デバイスに独占的に採用された．

これによって，超高強度と高延性を高位で両立させることが可能になった．

.

特許本法は，Q&P (Quench and Partitioning)(1)と同様の効果を，加工誘起 a ′相を母相としてバッチ熱処理で実現したも開発材料に関する特許は下記の通り出願登録済みである．

ので，R&P (Rolling and Partitioning)と名付けた．該法で

特許第6222504

製造されたステンレス鋼板は，安定して耐力1600 MPa，

PCT/JP2017020147

伸び24の特性を有し，YS×El 値では30000 MPaを超える耐力・延性バランスを実現した．
開発鋼の量産材は，図に示すように従来の Md30 や冷

文献( 1 ) J. G. Speer: Materials Research, 8(2005), 417423.

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