JP3908120B2 - 荷重センサーの弾性基板用高耐力ステンレス鋼の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重応答性に優れた荷重センサーの弾性基板などに適した高耐力ステンレス鋼およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に荷重センサーは、セラミックス製の歪抵抗素子と金属製の弾性基板から成る伸縮部位に外力を伝達する操作部位が荷重を伝える構造になっている。荷重は操作部位から弾性基板に伝わり、弾性基板の変形に応じて歪抵抗素子の抵抗値が変化して２次元方向の荷重を検知するものである。
【０００３】
従来、荷重センサーにおける弾性基板には金属材料が使用されているが、弾性基板の耐力が低い場合に、過大な荷重が瞬間的に作用した時、弾性基板が塑性変形してしまい、荷重を正確に測定できない問題点があった。特開平８−１４５８１９には耐力が低い材料を用いても信頼性が高い荷重センサーが記載されているが、弾性基板そのものの特性向上すなわち高耐力化ができれば、従来の構造においても荷重応答性が高く、信頼性が高い荷重センサーとなる。
【０００４】
弾性基板の高耐力化の方法としては、鋼製造時に冷間加工を施す方法があるが、製造工程が増える欠点がある。また、加工硬化により高耐力化させても、セラミックや樹脂からなる歪抵抗素子との接合のために熱処理が施されることが一般的であり、その際に歪みが除去されて軟化してしまい、耐力が低下してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、既知技術の問題点を解決し、荷重センサーの弾性基板などに適した高耐力ステンレス鋼を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明者らは荷重センサーの弾性基板に要求される特性について、金属組織学、材質制御の観点から詳細な研究を行った結果、センサー製造の熱処理時においてσ相を析出させることにより、高耐力化することを可能にしたものであり、その要旨は、
（１）質量％にて、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｎｉ：５〜２５％、Ｍｏ：０．５〜８％、Ｎ：０．１０〜０．２０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成るステンレス鋼を、６００〜９００℃で１０ｍｉｎ以上の熱処理を施すことにより、σ相を１〜４０％存在させ、前記熱処理は、荷重センサー製造時に、他部材と結合するための熱処理において行うことを特徴とする荷重センサーの弾性基板用高耐力ステンレス鋼の製造方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の限定理由について説明する。
【０００８】
荷重センサーの荷重応答性を向上させるためには、歪抵抗素子の抵抗値の応答性を向上させる必要があり、そのためには弾性基板の機械的性質における耐力が高い方が良い。耐力が低いと塑性変形により正確な荷重が測定できず、瞬間的な応答性が悪くなる。そこで、弾性基板において、金属間化合物を生成させることにより耐力を上げることが有効であることを見出し、耐力を増す金属間化合物としてσ相に着目した。
【０００９】
図１は、オーステナイト系ステンレス鋼に熱処理を種々の条件で付与してσ相を析出させた場合の、σ相の生成量と耐力の関係を示す。σ相生成量の測定は、断面組織観察を行い、σ相の生成面積率を画像解析装置にて、５００倍で１０視野測定し、平均値を求めた。また、耐力は、ＪＩＳ１３号Ｂ試験片を採取して圧延方向に平行な方向の引張試験を行った際の０．２％耐力値である。
【００１０】
σ相の増加により耐力の向上は著しく、１％以上の生成により耐力値が６００Ｎ／ｍｍ²以上となる。一般的に荷重センサーの荷重応答性は弾性基板の耐力により支配され、６００Ｎ／ｍｍ²以上あると十分な荷重応答性が得られるため、σ相の下限を１％にした。一方、σ相は鋼材の脆化を引き起こすが、荷重センサーにおける弾性基板はハウジング構造により外部から保護されるため、ある程度のσ相の増加は許容される。しかしながら、σ相が４０％超になると著しく脆化して、センサー組立時の衝撃に耐えられない場合がある他、荷重センサーのハウジング構造を強化する必要があるため、上限を４０％とした。
【００１１】
σ相の形成は、主にＦｅ、Ｃｒ、Ｍｏが主組成であり、これらの元素を含むステンレス鋼の使用が良い。以下、好ましい成分組成について説明する。
【００１２】
Ｃは、耐食性を劣化させる他、σ相生成を抑制する元素であるため低い方が望ましいが、過度な低減はベース耐力の低減や精錬コストの増加をもたらすため、０．０１〜０．１０％とした。更に、製造コストや製造性を考慮すると、Ｃ量は０．０２〜０．０５％が望ましい。
【００１３】
Ｃｒは、σ相生成を促進する元素である他、耐食性や耐酸化を向上させる元素であるため、多い方が望ましいが、過度な添加は製造コスト高をもたらすため、１５〜３０％とした。更に、センサー製造時の熱処理時のスケール生成抑制や耐食性、更に製造コストを考慮すると、Ｃｒ量は２２〜２７％が望ましい。
【００１４】
Ｎｉは、耐食性や耐酸化性確保のために添加されるが、過度の添加はコストの増加をまねくことから、５〜２５％とした。更に、センサー製造時における熱処理時のスケール生成抑制や耐食性、更に鋼の製造性を考慮すると、Ｎｉ量は５〜２０％が望ましい。
【００１５】
Ｍｏは、σ相生成を促進する元素であり、また耐食性を向上させる元素であるため、多い方が望ましいが、過度な添加はコスト増加や脆くなることによる生産性の低下をもたらすため、０．５〜８％とした。更に耐酸化性や製造コストを考慮すると、１．５〜３．５％が望ましい。
【００１６】
Ｎは、耐食性や耐力を向上させる元素であるため、多い方が望ましいが、過度な添加はコスト増加や生産性の低下をもたらすため、更に過度な添加はσ相生成を抑制する他、製造コストや生産性を考慮すると、Ｎ量は０．１０〜０．２０％が望ましい。
【００１７】
図２は、ステンレス鋼の熱処理温度とσ相生成量の関係を示す。これより、９００℃超ではσ相が固溶してしまい、必要量が得られないため、上限を９００℃とした。また６００℃未満では、σ相よりもＣｒ窒化物や炭化物が安定析出して、σ相生成量が減少するため、下限を６００℃した。このσ相生成熱処理は、弾性基板として加工された後に行えばよく、例えば荷重センサーの他部材と結合するための熱処理において行えば、効率的に高耐力化できる。また、この熱処理の雰囲気はいかなる雰囲気でもよく、加熱条件や冷却条件は関係ない。また、熱処理時間は総時間であり、繰り返し熱処理でもσ相は生成可能であるため、６００〜９００℃における保定時間の総時間が１０ｍｉｎ以上であればよい。
【００１８】
【実施例】
表１示す成分組成のステンレス鋼を溶製、鋳造後、熱間圧延、熱延板連続焼鈍・酸洗を施し、２．０ｍｍ厚まで冷間圧延し、連続焼鈍−酸洗、調質圧延を施して製品とした。この製品を表１に示す条件で熱処理を行った。
【００１９】
上記の様にして得られたサンプルについて、σ相生成量と耐力を測定した。測定方法は先述した方法と同様である。
【００２０】
表１から明らかなように、σ相が１〜４０％存在し、σ相に加えて成分組成が請求項１に記載の範囲であり、且つ熱処理条件が請求項２の範囲であるＮｏ．３〜１２は、比較例と比べて耐力が更に高いことがわかる。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば荷重センサーの弾性基板において高耐力が得られ、新規設備を必要とせず、効率的に荷重応答性に優れた荷重センサーを提供することができる。そして、家電、自動車、重機、建築物などの必要部位において、検知精度が著しく優れた測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステンレス鋼におけるσ相生成量と耐力の関係を示す図である。
【図２】ステンレス鋼における熱処理条件とσ相生成量の関係を示す図である

Claims (1)

1. 質量％にて、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｎｉ：５〜２５％、Ｍｏ：０．５〜８％、Ｎ：０．１０〜０．２０％、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成るステンレス鋼を、６００〜９００℃で１０ｍｉｎ以上の熱処理を施すことにより、σ相を１〜４０％存在させ、前記熱処理は、荷重センサー製造時に、他部材と結合するための熱処理において行うことを特徴とする荷重センサーの弾性基板用高耐力ステンレス鋼の製造方法。

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