JP4324509B2 - フォトエッチング加工用ステンレス鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エッチングされる面（以下、エッチング面と称する）の平滑性に優れ、フォトエッチング加工に好適に使用されるステンレス鋼板およびその製造方法に関する。

フォトエッチング加工は、フォトレジスト法によって金属表面に耐酸性のレジスト皮膜を製品形状に形成し、不要部分をエッチング液で溶解した後、レジスト皮膜を除去して製品を得るもので、複雑形状の部品の多品種少量生産に適していることから、ステンレス箔の加工に広く採用されている。

このような加工方法を用いて生産されている部品としては、ハードディスクのジンバルバネ、ロータリーエンコーダのスリット、ＩＣやＬＳＩを生産する際に治具として用いられる真空蒸着用のメタルマスク、インクジェットプリンタの紙送り用拍車等、数多くが挙げられる。

例えば、上記紙送り用拍車においては、印刷画像の高品質化に伴い、専用の光沢紙等が使用されるようになってきたことから、その拍車による印刷紙への疵付きが問題となっている。また、拍車が印刷紙面を擦ることにより紙粉が発生する場合があるが、その場合、紙粉が拍車に付着し、さらにその紙粉がインクを吸収して印刷紙面を汚すといった問題が生じる。

拍車においては、印刷紙面に接触する部分である周面およびその近傍部分は、エッチングによって平滑に処理されているものが多い。ところが、上記の各問題点は、いずれも印刷紙面への接触部のエッチング面の平滑の度合いが低いために起こることが判っている。そこで従来は、拍車のエッチング面をより平滑とするために、エッチング後に電解研磨を施す場合があった。しかしながら電解研磨を施すことは、工程およびコストの増加を招くため、できれば避けたい工程である。そこで、結晶粒径を微細化することによりエッチング速度を速め、これによってエッチング面をより平滑にすることが考えられた。

例えば特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼を５００〜８５０℃の温度で１０秒以上熱処理することにより、結晶粒度を６以上に微細化してエッチング面を平滑に処理することが記載されている。また、特許文献２には、炭化物からなるスマットと呼ばれる腐食生成物に起因して生じるマスキング効果を抑制するために、Ｃ量を０．０３質量％以下とし、粒界のエッチング速度を速めることを目的として平均結晶粒径を１５μｍ以下に微細化し、さらに、粗大な炭化物と結晶粒成長を抑制するために、Ｎｂを０．０１〜０．３質量％含有させることが記載されている。

特許第２７５４２２５号公報 特開２００３−３２４４号公報

しかしながら、上記従来技術のうち、前者の場合には、結晶粒径を微細化するための熱処理により、結晶粒界に炭化物が析出し、結晶粒界近傍にクロム欠乏層が形成されることにより、耐食性が劣化し、これを補うために、不働態化処理等を必要とする場合があった。また、後者の技術で到達可能な表面粗さは、Ｒａでせいぜい０．３μｍ程度であり、電解研摩が省略可能とされるＲａ：≦０．２０μｍまで平滑にすることは困難であった。

よって本発明は、エッチング面の平滑性を確実かつ大幅に向上させることができ、これによって電解研磨を不要とすることが可能なフォトエッチング加工用ステンレス鋼板およびその製造方法を提供することを目的としている。

改めて従来方法の概要を記載すると、結晶粒径を微細化することによってエッチングされやすい結晶粒界の単位面積当たりの存在頻度（密度）を増加させるということである。しかしながら、この方法では、電解研磨が不要とされるエッチング面の表面粗さ：Ｒａ≦０．２０μｍに到達することが難しかったわけである。そこで本発明者らは、その目的のエッチング面の表面粗さ：Ｒａ≦０．２０μｍを達成するために鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。

まず、Ｎｂの炭化物は、Ｃｒの炭化物と同様にエッチング液に溶解しないためスマットとなり、エッチング面の粗面化の原因となり得る。ただし、Ｎｂの炭化物はＣｒの炭化物よりも微細であるため、影響の程度は小さい。また、Ｖは、Ｎｂと同様に微細な炭化物を形成するので、結晶粒の微細化効果があるが、Ｃとの親和力はＮｂほどではないため、母材中のＣ量が同一の場合でも、炭化物の生成量が少ない。

上記の知見に基づいてなされた本発明は、下記のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板およびその製造方法を要旨としている。
すなわち、本発明のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎｂ：０．０１％以上０．０３％以下、Ｖ：０．０３％以上０．２％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれの元素を含有し、また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれの元素が制限され、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、圧延方向に直交する断面での板幅方向の平均結晶粒径が１０μｍ以下であることを特徴としている。この発明では、さらに、ビッカース硬さが３００以上であることが好ましい条件である。

また、本発明のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎｂ：０．０１％以上０．０３％以下、Ｖ：０．０３％以上０．２％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれの元素を含有し、また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれの元素が制限され、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板を、圧延率が３０％以上で冷間圧延した後、７００℃以上９００℃以下の温度で熱処理することによって平均結晶粒径を１０μｍ以下とすることを特徴としている。この製造方法では、上記熱処理の後に、２０％以上８０％以下の圧延率で冷間圧延（調質圧延）し、この後、さらに、５５０℃以上７００℃以下の温度で熱処理する条件を付加することが、より好ましい形態である。

本発明によれば、含有元素と、素材であるステンレス鋼板の圧延条件および熱処理条件とを特定することにより、エッチング面の平滑性が確実かつ大幅に向上し、これによって電解研磨を不要とすることが可能なフォトエッチング加工用ステンレス鋼板を得ることができるといった効果を奏する。

本発明に係るステンレス鋼板が含有する各成分の含有量範囲（質量％）について、以下に限定理由を説明する。
Ｃ：０．０３％以下
Ｃは結晶粒径を微細化するために低温で焼鈍すると炭化物を形成しやすくなるが、Ｃｒ炭化物の周囲には脱Ｃｒ層が形成され、耐食性を劣化させる。また、この炭化物はスマットの原因となり、マスキング効果でエッチング面を粗面化させる。ただし、０．０３％以下では炭化物の析出に要する時間が長くなり、通常の生産設備での焼鈍時間以内に炭化物が生成することはなくなるので、Ｃの上限を０．０３％とした。

Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは熱間加工性を向上させるために添加するが、２．０％を超えて含有量が多くなるとその効果も飽和し、かつコスト高となるので、２．０％を上限とした。

Ｎｉ：５．０％以上１５％以下
Ｎｉはステンレス鋼の耐食性ならびに強度の向上に必要な元素であるが、含有量が５．０％を下回ると耐食性が劣化し、１５％を超えるとコスト高となるため、５．０％以上１５％以下に限定した。

Ｃｒ：１５％以上２０％以下
Ｃｒは耐食性向上に最も重要な元素であり、含有量が１５％を下回ると耐食性が劣化し、２０％を超えるとコスト高となるため、１５％以上２０％以下に限定した。

Ｎｂ：０．０１％以上０．０３％以下、
Ｎｂは強力な炭化物を形成する元素であるため、同一Ｃ量の場合、スマットの原因となる炭化物量がＶ添加の場合よりも多くなり、最小限とするべきであることから、上限を０．０３％とした。しかしながら、不可避的不純物として混入してくるＮｂを除去したり、低Ｎｂ含有量の原料を選択して使用することはコスト上昇の原因となるので、下限を０．０１％とした。

Ｖ：０．０３％以上０．２％以下、
Ｖは炭化物を形成する元素であり、また、微細に析出して結晶粒径を微細化する効果がある元素である。これらの効果は、含有量が０．０３％未満では効果が小さい。また、含有量が０．２％を超えると効果が飽和し、コスト上昇の要因となる。したがって、Ｖの含有量は０．０３％以上０．２％以下とした。

Ｎ：０．３０％以下
Ｎはステンレス鋼の耐食性ならびに強度の向上に有効な元素であり、また、結晶粒径を微細化するために低温で焼鈍した時に炭化物の析出を抑制する効果があるため、添加することが好ましい。しかしながら、０．３０％以上添加すると窒化物を形成するようになり、これはスマット化してマスキング効果によりエッチング面を粗面化する。したがって、Ｎは上限を０．３０％とした。

Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは脱酸材として使用されるが、１．０％を超えて含有量が多くなるとエッチング速度を低下させるため、１．０％を上限とした。

Ｐ：０．０４５％以下
Ｐは０．０４５％を超えて含有量が多くなると熱間加工性を劣化させるので、上限を０．０４５％とした。

Ｓ：０．０５％以下
Ｓは０．０５％を超えて含有量が多くなると熱間加工性を劣化させるので、上限を０．０５％とした。

次に、圧延方向に直交する断面での板幅方向の平均結晶粒径が１０μｍ以下とした理由は、結晶粒界は結晶粒内に比べてエッチングされやすく、さらに結晶方位の影響も受けないため、単位面積当たりの結晶粒界の存在割合を増加させれば、エッチング面が平滑になるからである。また、圧延によってビッカース硬度を３００以上の高硬度とすると、結晶粒内に転位が導入され、この転位をエッチングの起点とすることによって結晶粒界と結晶粒内のエッチング速度差が減少し、その結果、エッチング面がより平滑になりやすいので好ましい。

次に、本発明の製造方法に掲げた条件の限定理由について述べる。
まず、最初の冷間圧延での３０％以上の圧延率の理由は、圧延率が３０％未満では、再結晶の駆動力となる十分な歪みが入らず、その後の熱処理において混粒組織となり、エッチング面が粗面化する。したがって、圧延率を３０％以上とした。

本発明に係る熱処理は焼鈍であり、上記冷間圧延後の焼鈍においては、７００℃未満では再結晶しないため、エッチング後に冷間加工する場合に混粒組織を残留させるという問題が生じる場合がある。また、平均結晶粒径を１０μｍ以下とするためには、焼鈍温度を９００℃以下とする必要がある。

本発明の製造方法における好ましい付加的条件は、上記熱処理の後に、２０％以上８０％以下の圧延率で冷間圧延し、この後、さらに、５５０℃以上７００℃以下の温度で熱処理するものである。この場合の冷間圧延は調質圧延であって、この調質圧延の圧延率が２０％未満であると、かえってエッチング面が粗面化する場合があり、８０％を超えると、圧延中に耳割れが発生しやすくなって破断する危険が増大する。したがって、この２回目の冷間圧延の圧延率は２０％以上８０％以下が適切である。

また、調質圧延後の熱処理は応力除去焼鈍であり、この時の温度が５５０℃未満では、圧延時にステンレス鋼板内部の残留応力が均質化しないことに起因してエッチング時に反りが生じる場合がある。また、７００℃を越える温度では、調質圧延の効果がなくなり、軟質化してしまう。したがって、この２回目の熱処理温度は、５５０℃以上７００℃以下が適切である。

次に、本発明の効果を実証する実施例を説明する。
表１に示す合金成分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆをそれぞれ有する６種の鋼塊１０ｋｇを７ｍｍの厚さに鍛造した後、固溶化熱処理、冷間圧延により２．５ｍｍの厚さとし、さらに、１１００℃で１分間の熱処理後、水冷して、試験用のステンレス鋼板（素材）を得た。

上記各素材を１ｍｍの厚さまで冷間圧延した後、表２に示す条件で、焼鈍−調質圧延−ＳＲ処理（応力除去焼鈍）を施し、試験片を得た。

次に、それぞれの試験片について平均結晶粒径、ビッカース硬さ（Ｈｖ）、エッチング面粗さを調べた。
平均結晶粒径は、圧延方向に直交する断面での板幅方向の結晶粒径であり、これは、調質圧延前の焼鈍状態の平均結晶粒径に相当するものである。この平均結晶粒径の調査方法は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法）計数方法により、測定した。また、ビッカース硬さはビッカース硬度計（明石製作所社製、ＡＶＫ）を用いて調べた。

エッチング面粗さ（Ｒａ）の測定は、塩化第二鉄溶液（温度：５０℃、液比重：１．４９、酸化還元電位：６４６ｍＶ）を素材表面に圧力：２．５ｋｇ／ｍｍ^２で２分間スプレーしてエッチングした表面を、接触式の表面粗さ計（東京精密社製、サーフコム１４００Ａ）を用いて、圧延方向と直交する方向に沿って測定した。

以上の試験結果を表２に併記する。
表２によれば、本発明例であるＮｏ．１〜６のステンレス鋼板は、いずれも表面粗さ（Ｒａ）が０．２０μｍ以下で平滑なエッチング面となっている。しかしながら、Ｎｏ．７のステンレス鋼板は、焼鈍温度が９２５℃と本発明の条件よりも高温であったため平均結晶粒径が大きくなり、エッチング面が粗面化した。Ｎｏ．８のステンレス鋼板は、Ｃ含有量が０．０５４％と本発明成分よりも多く、これによって炭化物が生成したため、エッチング中にスマットが発生し、そのマスキング効果によってエッチング面が粗面化した。

Ｎｏ．９のステンレス鋼板は、Ｎｂ含有量が０．０６％と本発明成分よりも多いため、Ｎｂ炭化物が生成し、これがエッチング時にスマットとなり粗面化した。Ｎｏ．１０のステンレス鋼板は、Ｖ含有量が０．０１％と本発明成分よりも少ないため、結晶粒が１０μｍ以上となり、粗面化した。Ｎｏ．１１のステンレス鋼板は、Ｎ含有量が０．３３％と本発明成分よりも多いため、ＣｒとＶの窒化物が生成し、これがエッチング時にスマットとなり、そのマスキング効果によって粗面化した。

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎｂ：０．０１％以上０．０３％以下、Ｖ：０．０３％以上０．２％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれの元素を含有し、
   また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれの元素が制限され、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
   かつ、圧延方向に直交する断面での板幅方向の平均結晶粒径が１０μｍ以下であることを特徴とするフォトエッチング加工用ステンレス鋼板。
2. さらに、ビッカース硬さが３００以上であることを特徴とする請求項１に記載のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板。
3. 質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：５．０％以上１５％以下、Ｃｒ：１５％以上２０％以下、Ｎｂ：０．０１％以上０．０３％以下、Ｖ：０．０３％以上０．２％以下、Ｎ：０．３０％以下の範囲でそれぞれの元素を含有し、
   また、Ｓｉ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５％以下にそれぞれの元素が制限され、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板を、
   圧延率が３０％以上で冷間圧延した後、７００℃以上９００℃以下の温度で熱処理することによって平均結晶粒径を１０μｍ以下とすることを特徴とするフォトエッチング加工用ステンレス鋼板の製造方法。
4. 前記ステンレス鋼板を、前記熱処理の後、２０％以上８０％以下の圧延率で冷間圧延し、この後、さらに、５５０℃以上７００℃以下の温度で熱処理することを特徴とする請求項３に記載のフォトエッチング加工用ステンレス鋼板の製造方法。