本發(fā)明涉及在擴散接合的成型品中使用的多相系不銹鋼材料。
背景技術(shù)：
擴散接合是不銹鋼材料彼此的接合方法之一。通過擴散接合而組裝的不銹鋼擴散接合產(chǎn)品被應(yīng)用于熱交換器、機械部件、燃料電池部件、家電產(chǎn)品部件、設(shè)備部件、裝飾品構(gòu)成部材、建材等各種用途。擴散接合方法中，有將插入材插入接合界面，通過固相擴散或液相擴散進行接合的“插入材插入法”，以及使雙方的不銹鋼材料的表面彼此直接接觸而進行擴散接合的“直接法”。
上述插入材插入法在能夠比較簡便地實現(xiàn)確實的擴散接合的方面上是有利的。然而，在因使用插入材而導(dǎo)致成本增加，由于接合部分由與母材不同種類的金屬形成因此有時耐蝕性降低，從這方面考慮，該方法與直接法相比是不利的。
另一方面，上述直接法與插入材插入法相比，一般而言，難以得到充分的接合強度。然而，由于該直接法包括能夠降低制造成本這方面而變得有利的可能性，因此研究了各種方法。
例如，專利文獻1中公開了如下的技術(shù)：通過將不銹鋼中的s量設(shè)為0.01重量％以下并且在預(yù)定溫度的非氧化性氣氛中擴散接合，從而避免了材料的變形而提高了不銹鋼材料的擴散接合性。專利文獻2中公開了使用通過酸洗處理對表面賦予了凹凸的不銹鋼箔材的方法。專利文獻3中公開了將抑制了al含量的不銹鋼用作被接合材以使得在擴散接合時難以生成成為擴散接合的阻礙原因的氧化鋁皮膜的方法。專利文獻4中公開了使用通過冷加工而賦予了變形的不銹鋼箔來促進擴散的方法。專利文獻5、6中記載了優(yōu)化了成分組成的直接擴散接合用的鐵素體系不銹鋼。
現(xiàn)有技術(shù)文獻
專利文獻
專利文獻1:日本特開昭62-199277號公報
專利文獻2:日本特開平2-261548號公報
專利文獻3:日本特開平7-213918號公報
專利文獻4:日本特開平9-279310號公報
專利文獻5:日本特開平9-99218號公報
專利文獻6:日本特開2000-303150號公報
專利文獻7:日本特開2013-103271號公報
專利文獻8:日本特開2013-173181號公報
專利文獻9:日本特開2013-204149號公報
專利文獻10:日本特開2013-204150號公報
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明要解決的課題
通過上述的接合技術(shù)等，采用直接法也可以實施不銹鋼材料的擴散接合。然而，在工業(yè)上，直接法還不至于被定性為不銹鋼材料的擴散接合方法的主流。其主要原因在于，難以兼顧如下兩個課題：確保接合強度、密合性等在接合部的可靠性以及抑制接合裝置、接合時間等制造上的負荷。根據(jù)以往的技術(shù)見解，為了使得用直接法制造的接合部確保充分的可靠性，需要采用將接合溫度設(shè)為超過1100℃的高溫的工序或者通過熱壓、hip等賦予高的面壓的工序等制造負荷大的工序，無法避免其帶來的成本增加。目前，如果試圖利用直接法以與通常的插入材插入法同等的作業(yè)負荷來實施不銹鋼材料的擴散接合，則難以充分確保接合部的可靠性。
因此，提出了如下的制造方法，即，在擴散接合時，通過利用鐵素體相向奧氏體相相變時的驅(qū)動力(專利文獻7)、利用晶粒生長的驅(qū)動力(專利文獻8)，從而無需賦予特別的高溫加熱、高面壓而能夠以與插入材插入法同等的作業(yè)負荷實施的、利用直接法的擴散接合品的制造方法。此外，提出了盡量減少供擴散接合用的不銹鋼材料的表面氧化物來提高擴散接合性的方法(專利文獻9、10)。對于這些方法，為了確保良好的接合性，需要限制所使用的不銹鋼材料的接合前表面粗糙度。因此，對于用于擴散接合產(chǎn)品的不銹鋼材料，要求進一步提高接合性。
本發(fā)明的目的在于，提供一種不受表面粗糙度的程度的影響且進一步提高了擴散接合性的、適合擴散接合成型品的不銹鋼材料。
用于解決課題的方案
本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，對于具有由鐵素體相、馬氏體相、奧氏體相中的至少2種以上構(gòu)成的多相組織的多相系不銹鋼材料，通過控制擴散接合前的平均晶體粒徑、γmax量、蠕變伸長率，從而能夠不受鋼材的表面粗糙度的影響而得到良好的擴散接合性，制成擴散接合用不銹鋼材料而完成了本發(fā)明。具體而言，本發(fā)明提供以下方案。
(1)本發(fā)明為一種擴散接合用不銹鋼材料，其是擴散接合前的金屬組織具有由鐵素體相、馬氏體相或奧氏體相的至少2種以上構(gòu)成的多相組織的多相系不銹鋼材料，上述多相組織的平均晶體粒徑為20μm以下，由下述(a)式表示的γmax為10～90，將1.0mpa的負荷以1000℃施加0.5h時的蠕變伸長率為0.2％以上。
γmax＝420c-11.5si+7mn+23ni-11.5cr-12mo+9cu-49ti-47nb-52al+470n+189…(a)式
其中，上述(a)式中的元素符號表示各元素的含量(質(zhì)量％)。
(2)本發(fā)明為上述(1)所述的擴散接合用不銹鋼材料，上述不銹鋼材料以質(zhì)量％計包含c：0.2％以下、si：1.0％以下、mn：3.0％以下、p：0.05％以下、s：0.03％以下、ni：10.0％以下、cr：10.0～30.0％、n：0.3％以下、ti：0.15％以下、al：0.15％以下，余部包含fe和不可避免的雜質(zhì)，ti和al的合計量為0.15％以下。
(3)本發(fā)明為上述(1)或上述(2)所述的擴散接合用不銹鋼材料，上述不銹鋼材料進一步以質(zhì)量％計包含nb：4.0％以下、mo：0.01～4.0％、cu：0.01～3.0％、v：0.03～0.15％的1種或2種以上。
(4)本發(fā)明為上述(1)～(3)中任一項所述的擴散接合用不銹鋼材料，上述不銹鋼材料進一步以質(zhì)量％計包含b：0.0003～0.01％。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，具有由鐵素體相、馬氏體相、奧氏體相中的至少2種以上構(gòu)成的多相組織的多相系不銹鋼以最優(yōu)的范圍具備擴散接合前的平均晶體粒徑和γmax、在接合溫度下的蠕變伸長率，從而可以提供具有優(yōu)異擴散接合性的不銹鋼材料，因此可以提供呈現(xiàn)良好接合界面的擴散接合成型品。進一步，通過控制ti和al的合計含量，從而能夠得到擴散接合性得以提高的擴散接合成型品。
附圖說明
圖1為表示在接合性試驗中使用的測定試驗體的圖。
具體實施方式
以下，對本發(fā)明的實施方式進行說明。本發(fā)明不限于該說明。
對于不銹鋼材料的利用直接法的擴散接合，根據(jù)以往的方法，認為通過平行地進行如下3種過程來完成，即(i)接合面的凹凸發(fā)生變形而密合，接合部位的接合面積增大的過程、(ii)接合前鋼材的表面氧化物皮膜在密合的部位消失的過程、(iii)作為未接合部的空隙內(nèi)的殘留氣體與母材反應(yīng)的過程。
在過去，發(fā)明人等關(guān)注于上述(ii)的過程，限制母材成分、鈍化皮膜中所含的成分、接合面的表面粗糙度，為了避免在工業(yè)上成為障礙的生產(chǎn)性的降低而進行研究。然而，即使控制了上述(ii)的工序，有時也難以確保工業(yè)上穩(wěn)定的接合性，還考慮到上述(i)的工序，關(guān)于用于得到穩(wěn)定的接合性的鋼材進行了很多研究。其結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)供擴散接合用的不銹鋼為具有多相組織的多相系不銹鋼時，使擴散接合前的晶體粒徑微細的方法極其有效。
1.多相組織
一般而言，不銹鋼可根據(jù)在常溫下的金屬組織而分類為奧氏體系不銹鋼、鐵素體系不銹鋼、馬氏體系不銹鋼等。本發(fā)明的“多相組織”是具有由鐵素體相、馬氏體相、奧氏體相中的至少2種以上構(gòu)成的金屬組織的組織。本發(fā)明的“多相系不銹鋼材料”是具有這樣的多相組織的鋼材，指在接合溫度域成為奧氏體+鐵素體雙相組織的鋼。這樣的雙相系的不銹鋼中，有時包含被分類為鐵素體系不銹鋼、馬氏體系不銹鋼的不銹鋼。
在本發(fā)明中，為了在低溫及低面壓下實現(xiàn)利用直接法的擴散接合，作為供擴散接合用的不銹鋼材料，使用具有由鐵素體相、馬氏體相、奧氏體相中的至少2種以上構(gòu)成的多相組織的多相系不銹鋼。在進行擴散接合的溫度域，該不銹鋼的鐵素體相以及馬氏體相的一部分相變?yōu)閵W氏體相，成為奧氏體相+鐵素體相的雙相組織。該雙相組織中的彼此的相抑制在高溫下發(fā)生的晶粒生長，從而可以維持微細的組織，容易產(chǎn)生可推測引起晶界滑移的蠕變變形。其結(jié)果是，在接合面的凹凸部促進容易的變形，接合部位的接合面積增大，從而能夠在低溫及低面壓下實現(xiàn)利用直接法的擴散接合。
本發(fā)明的多相系不銹鋼材料可用于進行直接接觸并通過擴散接合進行一體化的不銹鋼材料的雙方或者其一方。作為進行一體化的配合件，除了可以適用本發(fā)明的不銹鋼材料以外，還可以適用除此之外的雙相系鋼種、在擴散接合的加熱溫度域成為奧氏體單相的奧氏體系鋼種、成為鐵素體單相的鐵素體系鋼種等。
2.成分組成
在本發(fā)明中成為適用對象的多相系不銹鋼，從擴散接合性的觀點出發(fā)，對于ti、al以外的成分元素?zé)o需特別限制，可根據(jù)需要采用各種成分組成。然而，由于本發(fā)明在進行擴散接合的溫度域以奧氏體+鐵素體雙相組織為對象，因此需要采用由下述(a)式表示的γmax滿足10～90的成分組成的鋼。作為具體的成分組成范圍，可例示以下的范圍。
以質(zhì)量％計，包含c：0.2％以下、si：1.0％以下、mn：3.0％以下、p：0.05％以下、s：0.03％以下、ni：10.0％以下、cr：10.0～30.0％、n：0.3％以下、ti：0.15％以下、al：0.15％以下，余部包含fe和不可避免的雜質(zhì)，ti和al的合計量為0.15％以下。
進一步可以以質(zhì)量％計包含nb：4.0％以下、mo：0.01～4.0％、cu：0.01～3.0％、v：0.03～0.15％中的1種或2種以上。進一步可以以質(zhì)量％計包含b：0.0003～0.01％。
以下，對不銹鋼材料中所含的成分進行說明。
c通過固溶強化來提高鋼的強度、硬度。另一方面，如果c含量變多，則會降低鋼的加工性和韌性，因此c含量優(yōu)選為0.2質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.08質(zhì)量％以下。
si是用于鋼脫氧的元素。另一方面，如果si含量過多，則會降低鋼的韌性和加工性。此外，形成堅固的表面氧化膜而阻礙擴散接合性。因此，si含量優(yōu)選為1.0質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.6質(zhì)量％以下。
mn是提高高溫氧化特性的元素。另一方面，如果mn含量過多，則會使鋼加工硬化，降低鋼的冷加工性。因此，mn含量優(yōu)選為3.0質(zhì)量％以下。
p是不可避免的雜質(zhì)，其在提高晶界腐蝕性的同時導(dǎo)致鋼的韌性降低。因此，p含量優(yōu)選為0.05質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.03質(zhì)量％以下。
s是不可避免的雜質(zhì)，降低鋼的熱加工性。因此，s含量優(yōu)選為0.03質(zhì)量％以下。
ni是奧氏體生成元素，此外，具有提高還原性酸環(huán)境中的鋼的耐蝕性的作用。另一方面，如果ni含量過多，則奧氏體相會穩(wěn)定，無法抑制鐵素體晶體的生長，因而形成穩(wěn)定的奧氏體單相而抑制鐵素體晶體的生長。因此，ni含量優(yōu)選為10.0％以下。
cr是形成鈍化被膜而賦予耐蝕性的元素。在cr含量小于30.0質(zhì)量％的情況下，賦予耐蝕性的效果不充分。如果超過10.0質(zhì)量％，則加工性降低。因此，cr含量優(yōu)選為10.0～30.0質(zhì)量％。
n是不可避免的雜質(zhì)，由于使冷加工性劣化，因此優(yōu)選為0.3質(zhì)量％以下。
ti具有固定c、n的作用，因此是在改善耐蝕性、加工性方面有效的元素。al多作為脫氧劑來添加。另一方面，由于ti和al為易氧化性元素，因此鋼材表面的氧化皮膜中所含的ti氧化物、al氧化物在真空擴散接合的熱處理中不易被還原。因此，如果這些ti氧化物、al氧化物多，則在擴散接合時有時會妨礙上述(ii)的過程的進行，因此ti含量為0.15質(zhì)量％以下，al含量優(yōu)選為0.15質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.05質(zhì)量％。并且，ti和al的合計含量優(yōu)選為0.15質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.05質(zhì)量％以下。
nb是形成碳化物或碳氮化物，并使鋼的晶粒微細化而賦予提高韌性的效果的元素。另一方面，如果nb含量過多，則會導(dǎo)致鋼的加工性降低，因此nb含量優(yōu)選為4.0質(zhì)量％以下。
mo是具有不降低強度而提高耐蝕性的作用的元素。如果mo含量過多，則會導(dǎo)致鋼的加工性降低，因此mo含量優(yōu)選為0.01～4.0質(zhì)量％。
cu對于提高耐蝕性有效，此外，是具有生成鐵素體相的作用的元素。另一方面，如果cu含量過多，則鋼的加工性降低，因此cu含量優(yōu)選為0.01～3.0質(zhì)量％。
v是通過將固溶c作為碳化物固定從而有助于提高鋼的加工性、韌性的元素。另一方面，如果含有過剩的v元素，則會導(dǎo)致制造性降低，因此v含量優(yōu)選為0.03～0.15％。
b是通過固定n從而有助于改善耐蝕性、加工性的元素。另一方面，如果含有過剩的b元素，則會導(dǎo)致鋼的熱加工性降低，因此b含量優(yōu)選為0.0003～0.01％。
作為具有上述化學(xué)組成的多相系不銹鋼，尤其可以適用由下述(a)式表示的γmax為10～90的鋼。
γmax＝420c-11.5si+7mn+23ni-11.5cr-12mo+9cu-49ti-47nb-52al+470n+189…(a)式
其中，上述(a)式中，c、si等元素符號表示各元素的含量(質(zhì)量％)。
γmax是表示在加熱保持于1100℃左右時生成的奧氏體相的量(體積％)的指標。γmax為100以上時，可認為是奧氏體單相的鋼種。γmax為0以下時，可認為是鐵素體單相的鋼種。
對于本發(fā)明的多相系不銹鋼，當(dāng)γmax為10～90時，在進行擴散接合的溫度域就成為奧氏體+鐵素體雙相，該雙相相互抑制在高溫下的晶粒生長，因此對于得到微細結(jié)晶組織是有效的。如果γmax為50～80則更加優(yōu)選。
3.接合前的平均晶體粒徑
本發(fā)明的多相系不銹鋼越是細粒組織，越能夠迅速地進行上述(i)的過程。因此，接合前的平均晶體粒徑優(yōu)選為20μm以下，更優(yōu)選為10μm以下。
4.表面粗糙度
具有本發(fā)明的微細晶粒的多相系不銹鋼，由于迅速地進行上述(i)的過程，因此，上述(ii)過程所造成的影響小，接合性根據(jù)表面粗糙度ra的程度而受到約束的可能性低。但是，如果供擴散接合用的不銹鋼材料的表面粗糙度變大，則有上述(ii)的過程中的氧化皮膜的消失變慢的傾向。因此，不銹鋼材料的表面優(yōu)選為平滑，作為表面粗糙度ra，優(yōu)選為0.3μm以下。
5.擴散接合產(chǎn)品的制造方法
對于本發(fā)明的不銹鋼材料，通過利用直接法進行真空擴散接合，能夠得到接合性良好的擴散接合品。作為具體的擴散接合處理，例如，通過在以接觸面壓0.1～1.0mpa直接接觸的狀態(tài)下，在壓力1.0×10-2pa以下、優(yōu)選在1.0×10-3pa以下、露點-40℃以下的爐內(nèi)加熱保持于900～1100℃，從而能夠進行擴散接合。保持時間可以在0.5～3h的范圍進行調(diào)整。
實施例
以下，對本發(fā)明實施例進行說明。本發(fā)明不限于以下實施例，可以在發(fā)明要旨的范圍內(nèi)適當(dāng)變更來實施。
對于具有表1所示化學(xué)組成的不銹鋼，用30kg的真空熔融來熔制，將所得到的鋼塊鍛造成30mm厚的板后，在1230℃進行2h的熱軋，得到3.0mm厚的熱軋板。接著，進行退火、酸洗、冷軋，得到1.0mm厚的冷軋板。然后對該冷軋板實施后述的退火處理，制造冷軋退火板，將其作為試驗材料。
表1
表1中示出多種鋼材。fm-1鋼～fm-4鋼是擴散接合前的金屬組織為鐵素體+馬氏體的雙相鋼(α+m相)。fa-1鋼和fa-2鋼是擴散接合前的金屬組織為鐵素體+奧氏體的雙相鋼(α+γ相)。f-1鋼是擴散接合前的金屬組織為鐵素體的單相鋼(α相)。a-1鋼是擴散接合前的金屬組織為奧氏體的單相鋼(γ相)。m-1鋼是擴散接合前的金屬組織為馬氏體的單相鋼(m相)。
對于各鋼板，通過使冷軋后的退火溫度在900℃～1200℃之間變化，從而得到平均晶體粒徑不同的試驗材料。此外，為了調(diào)查表面粗糙度的影響，通過使用一部分鋼板，變更冷軋退火板的精加工處理，從而得到表面粗糙度ra不同的試驗材料。
1)平均晶體粒徑
鋼板的擴散接合前的平均晶體粒徑(μm)如下所示通過求積法來測定。在連續(xù)的1mm2以上觀察與冷軋方向平行的板厚截面的金屬組織，使用求積法算出單位面積內(nèi)所包含的晶粒的個數(shù)。并且，求出每一個晶粒的平均面積，算出它的1/2次方值，使用該值作為平均晶體粒徑。
2)表面粗糙度
對于表面粗糙度ra(μm)，使用表面粗糙度測定裝置(東京精密公司制，surfcom2900dx)，測定相對于軋制方向為直角方向的表面粗糙度ra。
3)蠕變伸長率
蠕變伸長率按照如下所示的方法測定。從各鋼板切出jis13b試驗片，在一方的握持部中央開
4)接合性試驗
從各鋼板切出20mm×20mm的平板試驗片，按照以下方法進行擴散接合。使相同鋼材的2張試驗片處于以表面彼此相互接觸的方式層疊的狀態(tài)。使用具有砝碼的夾具，將對這2張試驗片的接觸表面賦予的面壓調(diào)整為0.1mpa。以下，將層疊的平板試驗片稱為“鋼材”。將該鋼材層疊的狀態(tài)稱為“層疊體”。接著，將夾具和層疊體插入真空爐，抽真空而使其成為壓力1.0×10-3～1.0×10-4pa的初始真空度，然后經(jīng)約1h升溫至1000℃，在該溫度保持2h。然后，移至冷卻室，進行冷卻。該冷卻中，將上述真空度維持直至900℃，然后，導(dǎo)入ar氣，在90kpa的ar氣氣氛中冷卻至約100℃以下。對于結(jié)束了上述熱處理的層疊體，使用超聲波厚度計(奧林巴斯公司制，model35dl)，如圖1所示，對于在20mm×20mm的層疊體表面上按照3mm間隔設(shè)置的49處測定點，進行厚度測定。探針徑為1.5mm。某一測定點的板厚測定值表示2張鋼材的合計板厚的情況下，可認為在與該測定點對應(yīng)的兩張鋼材的界面位置，兩張鋼材因原子的擴散而一體化。另一方面，板厚測定值與兩張鋼材的合計板厚不同的情況下，可認為在與該測定點對應(yīng)的兩張鋼材的界面位置存在未接合部(缺陷)。對于加熱處理后的層疊體的截面組織與通過該測定方法得到的測定結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系進行了調(diào)查，結(jié)果確認到，利用測定結(jié)果為兩張鋼材的合計板厚的測定點數(shù)除以測定總數(shù)49得到的值(以下將其稱為“接合率”。)，能夠精度良好地評價接合部分在接觸面積中所占的面積率。因此，按照以下評價基準來評價擴散接合性。
a：接合率100％(優(yōu)秀)
b：接合率90～99％(良好)
c：接合率60～89％(稍微良好)
d：接合率0～59％(不良)
各種研究的結(jié)果，對于評價a和b，可充分確保擴散接合部的強度，且兩個構(gòu)件之間的密封性(不產(chǎn)生氣體經(jīng)由連通的缺陷而泄漏的性質(zhì))也良好，因此將評價a和b判定為合格。
表2中示出各鋼的冷軋退火后的平均晶體粒徑以及γmax、表面粗糙度、蠕變伸長率、接合性評價結(jié)果。
表2
如表2所示，本發(fā)明例1～6的接合率為90％以上，即使在1000℃這樣比較低的溫度且在0.1mpa這樣的低面壓，也顯示了良好的擴散接合性。此外，本發(fā)明例1～6無論表面粗糙度ra的程度如何，都顯示了良好的擴散接合性，未見表面粗糙度所帶來的影響。具備本發(fā)明的構(gòu)成的多相系不銹鋼材料即使表面粗糙度增加，擴散接合性也不降低，由此可見，其擴散接合性不受鋼材表面性狀的約束。
相對于此，比較例1～10的平均晶體粒徑、γmax、蠕變伸長率超出了本發(fā)明的范圍，因此在雙相高溫域的接合面的凹凸部的變形小，接合部位的接合面積沒有增加。因此，大多情況下接合率小于80％，為稍微不良或不良。
此外，對于比較例5～7的鐵素體單相鋼、比較例8～9的奧氏體單相鋼，基于與表面粗糙度ra對應(yīng)的接合率的變化，表面粗糙度極小的比較例7和比較例9顯示了90％以上的接合率。而另一方面，除此之外的比較例的表面粗糙度大，接合率降低。由此可見，對于單相系的鋼，如果表面粗糙度大則接合率不良，其擴散接合性受到表面粗糙度的約束。