精密加工用奥氏体不锈钢钢板的开发

　　奥氏体不锈钢钢板经冷轧具有较高的强度，作为弹簧钢用于汽车、家电等精密装备的机械零件或电子元件。近年来，随着装备小型化、高性能化的发展，对奥氏体不锈钢提出了高性能化的要求。

　　新日铁住金为应对市场的需求，开发出多种精密加工用奥氏体不锈钢钢板。这些开发出的钢板是：用于光刻和激光等精密加工的厚度0.6mm以下的奥氏体不锈钢弹簧薄板SUS304H-SR，在SUS304H-SR钢板制造技术的基础上通过晶粒细化提高精密加工性的SUS304H-SR2以及NSSMC-NAR-301LSEl(301LSE1)。

　　本文对精密加工用奥氏体不锈钢钢板的特征及其细晶化等开发技术进行简要介绍。

　　1精密加工技术

　　1.1光刻加工和激光加工

　　本文所说精密加工的代表性加工方法是光刻加工和激光加工。这些加工技术都是对原料钢板进行化学溶解或热熔融将无用的部分去除，制作成预定的制品形状。

　　光刻加工是利用印刷技术和腐蚀技术对金属材料进行加工的方法。该方法广泛用于精密机械部件、精密电子元件和精密光学部件的制造以及装饰材料和装饰品的制造。光刻加工按照制品形状图案将感光性树脂涂敷在被加工金属的表面，然后用氯化亚铁溶液等腐蚀性药剂对金属的暴露部位进行溶解，制成预定的制品形状。光刻加工制品无毛刺、无应变、无变形、无加工硬化，尺寸精度可达微米。由于不需要模具，既适用于小批量制作，也可以大批量制作。此外，利用双面光刻、单面光刻、阶梯光刻等光刻方法的组合，可以进行复杂断面形状的加工。

　　激光加工是根据CAD设计图，将激光直接照射在被加工金属的表面，将无用部位熔融穿孔的加工方法。激光加工的优点是加工密度比光刻更高、更容易进行少量多品种加工。激光加工制品的一个例子是金属掩膜。是在厚度为0.1-0.2mm的不锈钢薄板上将配线图形进行穿孔制作成的。过去用光刻方法制作，现在增加了激光加工的方法，以实现金属掩膜基板的高密度化。因此要求具有更高加工性的基板材料。近年来迅速普及的智能手机和平板电脑等薄型电子设备的高密度实装，要求进行超过传统技术的高精细加工，因此相应地也要求采用高性能不锈钢薄钢板原料。

　　1.2精密加工用材的性能要求

　　为保证在线通板性和露光图样精度，光刻加工用材应具有高的板厚精度和高平坦度。并且材料内部的残余应力要小，以防止光刻后发生扭曲、翘曲、尺寸收缩和变形。此外，为保证光刻加工材料与感光树脂的良好密着性，光刻加工材料应具有与感光树脂良好的浸润性。由于光刻制品的高密度化，要求光刻边缘具有高锐度和光刻平面具有高的平滑性。

　　激光加工时，被加工材料安装在激光加工装置上。如果材料的平坦性不良，材料与激光头的距离就会有波动，就不能达到要求的加工精度。此外，激光熔融时的局部热量有时会导致材料的变形。因此，激光加工用材与光刻用材一样应具有优良的平坦性、低残余应力和加工面平滑性。

　　2精密加工用不锈钢钢板

　　新日铁住金直津江制造所对用于光刻和激光加工等精密加工的不锈钢材料进行开发、改进材料的制造工艺、提高材料的质量。SUS304H-SR是精密加工的通用材料，SUS304H-SR2、301LSEl用于高密度金属掩膜等特殊高精度加工。

　　SUS304H-SSR2是为满足光刻加工厂的要求，以SUS304H-SR为基础开发出的微细晶粒钢。成分与SUS304相同，通过制造条件的优化，将钢的晶粒平均直径细化到5μm，因此减轻了单面光刻加工后材料的翘曲程度。

　　301LSEl是自主成分设计与冷轧、退火工艺相结合开发出的晶粒平均直径小于2μm的微细晶粒钢。由于301LSEl的碳含量低，光刻时不易发生污斑。

　　SUS304H-SR、SUS304H-SR2、301LSEl都是经热轧、冷轧、退火及调质轧制获得预定的厚度和强度。然后经张力矫直(T/L)机在施加张力的同时，使钢板沿矫直辊方向正弯曲-反弯曲，达到高平坦度。但这时钢板内部有很大的残余应力，所以不适合精密加工。

　　因此，在T/L处理后进行较低温度的消除应力(S/R)热处理，释放钢板内部的残余应力。

　　T/L处理钢板发生与调质轧制钢板方向相反的下凹翘曲。调质轧制钢板在调质轧制中表面附加的拉伸残余应力与板厚中心的压缩残余应力达到平衡使钢板保持平坦状态。刻蚀使钢板表面减薄，钢板厚度方向的应力平衡被破坏，导致翘曲发生。T/L处理钢板在进行正弯曲-反弯曲的过程中，钢板表面附加的压缩应力与钢板厚度中心的拉伸残余应力达到平衡，使钢板保持平坦状态。刻蚀使钢板表面的压缩应力缓解，导致发生与调质轧制钢板方向相反的下凹翘曲。与这两种状态的钢板不同，S/R处理钢板经热处理，使钢板在全厚度范围内的应力得到缓解，因此单面刻蚀后的翘曲现象受到抑制。此外，SUS304H-SR2、301LSEl钢板不仅经过S/R处理，而且，在前部工序中也采取措施，进一步减轻了刻蚀加工后钢板的翘曲。

　　精密加工用不锈钢钢板制造流程中，对S/R处理后的钢板实施特殊洗净处理对钢板表面进行改质，提高浸润性。如果浸润性差，钢板和感光树脂的密着性不良，刻蚀液会流入感光树脂与钢板之间的缝隙，形成刻蚀缺陷。浸润性提高，刻蚀液不会流入感光树脂与钢板之间的缝隙，制品合格率大大提高。

　　如上所述，精密加工用不锈钢钢板，从成分设计到全部制造过程，采取多种措施，最终达到要求的平坦性、低残余应力和良好浸润性等综合性能。

　　3细晶化技术

　　3.1细晶化技术

　　普通不锈钢的晶粒直径约为20-30μm。在进行微米级精度加工时，晶粒直径对加工精度有影响。晶粒越小，刻蚀制品边缘的直线性和加工面的平滑性越好。在激光加工时，晶界熔点低于晶内，晶界优先融化，因此晶粒细化会使激光加工面的粗糙变变小。也就是说，对于光刻加工和激光加工，钢板晶粒微细化是提高加工面平滑性的有效方法。此外，晶粒细化对提高钢板强韧性以及钢板弯曲部的平滑性都是有效的。因此，在精密加工用不锈钢钢板的开发中，晶粒细化是关键技术。

　　在精密加工用不锈钢钢板301LSEl开发之前；新日铁住金开发出晶粒细化提高疲劳强度的奥氏体不锈钢NSSMC-NAR-301HSl。该材料作为发动机汽缸盖密封垫片材料被许多汽车制造厂采用，并受到好评。

　　由于从成分设计到冷轧、热处理等制造条件进行一系列的优化和控制，并融合了SUS301LHSl的细晶技术和SUS304H-SR的T/L处理、S/R处理、特殊洗净工艺等独有技术，开发出高平坦度、低残余应力、光刻边缘高锐度和加工面平滑的精密加工用不锈钢钢板301LSEl。

　　3.2晶粒微细化机制

　　SUS304、SUS301L等亚稳定奥氏体不锈钢，通过热处理使冷轧产生的应变诱发马氏体(α’)发生转变为γ的逆相变，获得微细化晶粒组织。但如果热处理温度过低，会形成未再结晶组织大量存在的不均匀组织。若热处理温度过高会导致晶粒粗化。因此，不能在实机生产线上稳定地批量生产微细晶粒不锈钢。新日铁住金为了能够稳定批量生产微细晶粒不锈钢，在利用应变诱发α’的逆相变的基础上，利用热处理析出的微细碳氮化物抑制晶粒长大，实现了微细晶粒不锈钢的稳定批量生产。

　　在利用微细碳氮化物抑制晶粒长大时，利用了热力学计算的方法。例如，在SUS301L钢中添加0.05%Nb时，Nb在1100℃以上的高温固溶到γ，在低温时以Nb(C、N)的形式析出。因此，对钢进行固溶处理，使Nb固溶后，在低于固溶处理温度下进行退火，就会析出微细的Nb(c、N)，这些析出物成为晶界移动的障碍(钉扎效应)抑制晶粒长大。

　　试样的制备方法是，对小型钢锭制造的冷轧钢板进行1150℃固溶处理后，进行厚度减薄率为67%的冷轧，然后再分别进行1000℃(a)和850℃退火(b、c)。1000℃退火的未添加Nb的SUS301L钢板的平均晶粒直径是10μm，而850℃退火的未添加Nb的SUS301L钢板的平均晶粒直径是4μm。这种晶粒细化的原因是，低温退火使晶粒长大驱动力下降。如果退火温度过度下降，钢的组织就会成为有大量未再结晶组分存在的不均匀组织，钢板的性能会有很大波动。

　　在SUS301L钢中添加微量Nb，在退火中会析出20nm左右的微细Nb(c、N)，这些Nb(c、N)发挥钉扎作用，抑制晶粒长大，钢板退火后的平均晶粒直径约1μm，是微细化的晶粒组织。

　　3.3晶粒微细化对提高精密加工性的作用以SUS304为基钢，通过对成分和热处理条件的控制获得不同晶粒直径的材料。研究了材料的平均直径与光刻加工后材料的表面粗度的关系，使用的光刻溶液是氯化亚铁溶液。研究发现，材料的晶粒直径越小，光刻面的平滑性越好。原因是光刻速度因晶粒取向的不同而不同，晶粒越细小，光刻的程度越均匀化。

　　用光刻法在301LSEl钢板和对比材SUS304钢板上开出的研钵形孔穴，观察孔穴壁面的电子显微镜图像可以看出，301LSE1钢板的孔穴壁面比通用材孔穴壁面光滑。光刻加工平面平滑性的提高，对提高加工精度十分有利。使用301LSEl钢板，可省略光刻加工后的电解研磨。

　　晶粒细化也有利于激光加工制品表面平滑性的提高。观察301LSEl钢板和通用材SUS304钢板激光加工面的照片发现，和光刻加工面同样，钢板晶粒的微细化，减轻了激光加工面的凸凹程度。加工面的高平滑性，提高了加工的尺寸精度，并且减少了加工面上异物的附着量，用作金属掩膜时，提高了操作的稳定性。由于激光加工时熔融金属飞溅量减少，可省略之后的化学研磨和电解研磨，使总成本下降。

　　钢板晶粒的微细化对钢板的弯曲加工也十分有利。观察晶粒直径不同的3种奥氏体不锈钢(301LSEl、304H-SR2、304H-SR)钢板弯曲90°时弯曲部位的外表面形貌发现，3种钢试样弯曲前的表面粗度相同。常规晶粒尺寸的SUS304H-SR钢板弯曲后出现晶粒浮凸的桔皮状表面，而晶粒微细化的SUS304H-SR2和301LSEl钢板弯由面的平滑性大大提高。

　　晶粒细化是钢材强化方法中延性损失较小的方法，有利于强度、延性综合性能的提高。研究冷轧压下率和晶粒直径对SUS301L钢0.2%屈服强度和伸长率的影响发现，平均晶粒直径为10μm的退火SUS301L钢(基钢)随冷轧压下率的增加，0.2%屈服强度升高、伸长率下降。但由于低温退火和Nb的添加，使基钢晶粒微细化，0.2%屈服强度升高、伸长率略有下降。相对于强度的增加，伸长率的下降很小。因此在强度相同情况下，细晶粒钢的伸长率大于冷轧提高强度的钢。细晶粒钢可获得良好的强度-延性综合性能。上述的弯曲加工部位良好的平滑性和良好的强度-延性综合性能，可以提高光刻制品的冲压成形性和弯曲成形性，在用做金属掩膜时，可提高墨辊的耐久性。

　　文/高佩

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