CN102906290A - 精密加工用易切削不锈钢原材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够同时满足优异的切削加工精度、切削性、耐腐蚀性、环境友好性的精密加工用易切削不锈钢原材料及其制造方法。本发明的精密加工用易切削不锈钢原材料是通过微米级的切削而进行成形的，其特征是，易切削性赋予材料为h-BN粒子，且以单体状态分散在钢中。此外，本发明的精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法的特征是，对析出有h-BN粒子的精密加工用易切削不锈钢原材料加热后，进行急冷，使h-BN粒子固溶而消失，然后进行回火，从而使h-BN粒子再次在原材料中均匀地分散析出。

Description

精密加工用易切削不锈钢原材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及通过微米级的切削进行成形的精密加工用易切削不锈钢原材料。
背景技术
以往，作为加工精密部件的原材料，为充分利用其耐腐蚀性而使用不锈钢，但在精密加工中，由于使用不锈钢与使用普通的钢铁相比切削加工困难，因此人们希望改善其切削性。作为改善了切削性的不锈钢，硫易切削不锈钢SUS303已广为人知，但其切削后的表面变得粗糙，认为难以用于微米级的精密的切削加工。换言之，认为以往的不锈钢没有同时具备切削性和精密加工性(切削后的表面粗糙度)。
国际专利申请WO2008/016158中公开了能同时满足优异的切削性和耐腐蚀性的易切削不锈钢及其制造方法。该发明中，耐腐蚀性与以往的不锈钢材料相同，且切削性改良了25％左右，但是没有揭示该材料的切削加工后的表面粗糙度。
这样，到现在仍没有公开切削加工后的表面性状优异并且耐腐蚀性优异的精密加工用易切削不锈钢原材料及其制造方法。
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明鉴于上述情况，以提供能同时满足切削性和精密加工性的精密加工用易切削不锈钢原材料及其制造方法为课题。
解决技术问题所采用的技术方案
通过有效地利用作为固体润滑材料优异、化学性稳定且不会受酸或碱侵蚀的h-BN(六方晶系氮化硼)粒子的性质，并利用通过特定的热处理将h-BN固溶和再析出，发现重视尺寸精度的切削加工后的表面性状和切削性以及耐腐蚀性优异的精密加工用易切削不锈钢原材料及其制造方法，从而完成了本发明。
发明1是通过微米级的切削进行成形的精密加工用易切削不锈钢原材料，其采用具有下述特征的构成：易切削性赋予材料为h-BN(六方晶系氮化硼)粒子，粒径为200nm至5μm的球状的上述h-BN粒子在钢中以单体状态分散析出。这里，单体状态是指多个h-BN粒子彼此或者h-BN以外的非金属夹杂物粒子与h-BN粒子未发生凝集的状态。
发明2是在发明1的精密加工用易切削不锈钢原材料中，采用具有下述特征的构成：其B含量为0.003～0.1质量％。
发明3是在发明1的精密加工用易切削不锈钢原材料中，采用具有下述特征的构成：其N含量在摩尔比方面与B含量相同或在其之上。
发明4是在发明1～3中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料中，采用具有下述特征的构成：具有其车削加工面的表面粗糙度的10点平均粗糙度(Rz)为5μm以下的车削表面特性。
发明5是在发明4所述的精密加工用易切削不锈钢原材料中，采用具有下述特征的构成：上述车削表面特性是在下述的条件下对直径为8mm的圆棒进行车削而得到的。切削速度:16m/分钟；切入深度:0.2mm；工具进给速度:0.08mm/rev；工具材质:M30；工具形状:正三角形，有断屑槽(chip breaker)；切削液:不使用。
发明6是发明1～5中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，采用具有下述特征的构成：通过硼铁或金属硼的添加而将B添加到不锈钢钢液中，通过在作为熔化气氛的(氩＋氮)或减压后的氮中的熔化而将N添加到不锈钢钢液中。
发明7是发明1～5中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，采用具有下述特征的构成：通过硼铁或金属硼的添加而将B添加到不锈钢钢液中，通过含氮化合物的添加而将N添加到不锈钢钢液中。
发明8是发明1～5中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，其特征是，将在由技术方案6或7所述的方法所得的组织中不均匀地析出有h-BN粒子的不锈钢加热至1200℃以上的温度后，进行急冷，使h-BN粒子暂且固溶而消失，然后进行在950～1100℃的温度下的回火热处理，从而使h-BN粒子再次分散析出。
发明效果
通过使化学性稳定且不会受酸或碱侵蚀的h-BN粒子以单体状态分散析出，能够提供作为固体润滑剂具有优异的切削性、切削加工精度优异且耐腐蚀性也不会劣化的精密加工用易切削不锈钢原材料及其制造方法。特别是，如实施例所示，精密加工用易切削不锈钢原材料具有切削后的表面粗糙度与无改削性的不锈钢同样或比其更小的性能，几乎不需要精密加工后的表面处理加工。这些效果是通过有效地将作为固体润滑材料具有优异特性的h-BN粒子应用于精密加工用易切削不锈钢原材料而得到的，由于没有使用Pb及Se这种对环境造成负荷的物质，因此能够提供不仅能满足加工精度、耐腐蚀性、易切削性，而且还能满足环境友好性的精密加工用易切削不锈钢原材料。此外，由于加工精度优异，因此还能够省略进一步提高加工精度的工序，例如研磨加工、抛光加工，此外，由于用于提高切削性的切削机械的动力得到削减，能够实现电气能源消耗的降低和高速切削，因此还能提高生产率。
具体实施方式
本发明是具有如上所述的特征的发明，下面，针对其实施方式进行说明。本发明的制造方法中，精密加工用易切削不锈钢原材料的熔化通过使用能调整熔化气氛的用于熔化通常的不锈钢的熔化炉来进行。该熔化中，作为B(硼)的原料，可使用硼铁或金属硼，但溶点低的硼铁作为溶化原料在技术上更加有利，B(硼)的每单位重量的市场价格低，因此比较经济。
关于B的添加量，精密加工用易切削不锈钢原材料中的最终B含量通常为0.003～0.1质量％B，更优选0.003～0.03质量％B。此外，作为N(氮)的原料，添加可吸收熔化气氛中的N或构成不锈钢的合金元素的氮化物，例如氮化铬、氮化铁铬等。
精密加工用易切削不锈钢原材料中的N含量通常只要以摩尔比计N/B为1以上即可。如果精密加工用易切削不锈钢原材料中的N与B的摩尔比小于1，则固溶的B量增大，对切削性有效的h-BN的析出量减少，因此必须使N/B为1以上。N含量取决于精密加工用易切削不锈钢原材料中的构成元素成分，但由于B可以增加N的活性，因此随B的增加钢中的平衡N浓度减小。SUS304的成分组成中，若除去加压的N气氛中的熔化，则N含量为0.25质量％以下。
将由如上制造的含B和N的不锈钢钢液浇铸在铸型中，形成精密加工用易切削不锈钢铸块。
精密加工用易切削不锈钢铸块经过通常的锻造、轧制加工等热加工，成形为精密加工用易切削不锈钢原材料的棒材、线材、板材等。将热加工后的精密加工用易切削不锈钢原材料空冷至室温。精密加工用易切削不锈钢原材料中，在热加工后的冷却过程中，由于其冷却速度不同，有时会有粗大地成长至20～30μm左右的h-BN在部分原材料中不均匀地分布、生成。
通过保持在1200℃以上的温度，精密加工用易切削不锈钢原材料中析出的h-BN能以在较短的时间(例如，在1250℃时为0.5小时至1小时)内分解成固溶的B和N的状态而存在于基质中。利用该h-BN的固溶现象，进行将原材料中不均匀地或粗大地生成的h-BN再固溶于原材料中的热处理。另外，这种处理在精密加工用易切削不锈钢原材料熔融的情况下是不可能的，因此必须在低于其熔融温度的条件下进行处理。
该状态下，通过急冷可获得含有处于过饱和地固溶的状态的B和N的精密加工用易切削不锈钢原材料。急冷的操作可以是对通常的不锈钢进行的水冷，但是在后述的析出h-BN的温度范围内的冷却速度必须设为不发生析出的冷却速度。
如果在800℃～1150℃的温度下对过饱和地固溶的B和N进行回火，则在固溶化热处理时固溶的h-BN会再次析出。如果在800℃附近进行回火，则因B、N在该温度下的平衡溶解度和过饱和溶解度的差较大以及在温度下的B、N的扩散速度慢使能够扩散的移动距离变小这两个主要原因，而导致h-BN的核产生优先于核成长，因此可观察到非常微细的h-BN在原材料整体中均匀地析出。相反地，如果在1150℃附近进行回火，则与800℃附近时的回火相反，h-BN的核成长优先于核产生，因此可观察到成长为大粒径的h-BN的析出。
因此，为了使具有切削性为良好的粒径及分布状态的h-BN析出，回火温度的选择是重要的。进行试验的结果是，获得具有切削性为良好的粒径及分布状态的回火温度优选在950～1100℃的范围内。此外，热加工在加工时的温度使h-BN固溶的状态下进行时，通过在热加工后进行急冷，也能够获得B和N过饱和地固溶的状态。在这种加工温度条件的情况下，当然不需要在1200℃以上的温度下的h-BN固溶化的热处理。
还有，关于回火的保持时间，由于温度越高B和N的扩散速度越快，因此在短时间内完成，其范围为0.5～3小时即可，优选1～2小时。该回火热处理还可兼作对通常的不锈钢进行的固溶热处理，因此可按照固溶热处理时所进行的冷却的速度来冷却。
将B的含量设为0.003质量％至0.1质量％的原因在于，如果B的含量在0.003质量％以下，则切削性的显著效果消失，如果超过0.1质量％，则会由于大量的h-BN析出而导致多个h-BN粒子发生凝集的倾向增高，切削性虽然大幅提高，但会对表面粗糙度造成不良影响。
将N的含量设为以摩尔比计N/B在1以上的原因在于，如果低于1，则过饱和地固溶的B和N的热处理时的h-BN的再析出将无法充分完成，并且因为B过量存在，所以难以进行塑性加工。
实施例
(实施例1)将市售的奥氏体系不锈钢(SUS304)圆棒(重量2kg)作为熔化原料，使用水冷坩埚悬浮熔化炉(日语：コ一ルドクル一シブル浮揚溶解炉)进行熔化。熔化原料的成分组成(质量％)为0.06％C、0.28％Si、1.33％Mn、0.035％P、0.025％S、8.05％Ni、18.39％Cr。熔融时，将N以0.07MPa封入真空感应熔化炉中，对钢液中的N浓度进行调整。熔融后，将规定量的市售的硼铁(19.2质量％B)添加到熔融金属中，对B浓度进行调整，在弱减压N气氛中熔化，之后，于1600℃保持10分钟，在水冷坩埚中凝固，来制造铸块。在1200℃下对铸块实施锻造、轧制，将铸块加工成14mm见方的棒材，进行空冷。对棒材实施在1250℃下保持0.5小时后进行水冷，再在1100℃下保持1小时后进行水冷的热处理。
将熔炼的开发钢的分析值示于表1。此外，作为比较材料1，自实施例1的熔化原料所使用的市售材料SUS304不锈钢切出直径为55mm的圆棒，以作为表面粗糙度试验的试样；作为比较材料2，自市售材料硫易切削SUS303不锈钢切出直径为55mm的圆棒，以作为表面粗糙度试验的试样。将熔炼的材料的B、N及S的分析值(单位：质量％)示于表1。
[表1]
试样中的B和N的分析值(单位：质量％)(-为未分析)
Figure BDA00002324887000061
作为表面粗糙度的评价试验，使用扫描型激光显微镜对自试样切出的圆棒材料试样测定表面粗糙度(10点平均粗糙度Rz)。对于试样，均以相同的车削条件(切削速度、切入深度、工具进给速度)车削至直径为7.6mm。最终的切削条件为，切削速度:16m/分钟；切入深度:0.2mm；工具进给速度:0.08mm/rev；工具材质:M30；工具形状:正三角形，有断屑槽；切削液:不使用。将表面粗糙度的测定结果示于表2。
[表2]
表面粗糙度Rz的测定值
Figure BDA00002324887000062
根据表2，开发的精密加工用易切削不锈钢原材料的表面粗糙度比比较材料1(SUS304)的表面粗糙度有改善，与比较材料2的易切削不锈钢SUS303相比，表面粗糙度减小至1/3左右，表面粗糙度大幅度改善。其原因在于，开发钢中微细的h‐BN粒子以单体状态分散，与此相对，比较材料2中，作为易切削赋予物质的MnS粒子形成了粗大且伸长为针状的金属组织。图1中示出自开发钢2切出的试样的断裂面的SEM观察照片。图1(a)是实施于1250℃保持0.5小时后进行水冷，再于1100℃保持1小时后进行水冷的热处理而得的图；图1(b)是实施于1250℃保持0.5小时后进行水冷，再于850℃保持2小时后进行水冷的热处理而得的图。通过EDS分析，确认了图中的白色球状粒子全部是h‐BN粒子。图1(a)的观察面中，确认了为3μm以下且h‐BN粒子以单体状态分散，还有，观察到如果在再析出温度低的状态下析出，则存在h‐BN粒径变得更小的倾向。
图2中示出比较材料2(SUS303)的试样的断裂面的SEM观察照片。通过EDS分析，确认了以箭头示出的是钢中以纤维状存在的直径为数μm、长度为数十μm的伸长的MnS粒子。切削加工时，伸长的MnS粒子在加工表面露出并脱落，所以表2中也示出了与脱落的MnS的形状相当的表面粗糙度。
当然，本发明并不限定于以上的例子，对于细节能够进行各种形式的变更。
产业上利用的可能性
如以上详细说明的那样，根据本发明，能够容易地提供切削加工精度和被切削性优异，并且耐腐蚀性、环境友好性也优异的精密加工用易切削不锈钢原材料，能给使用不锈钢的各种加工领域带来优异的使用性能。
附图的简单说明
图1是开发钢试样的断裂面的SEM观察照片，图1(a)的热处理条件为于1250℃保持0.5小时后进行水冷，于1100℃保持1小时后进行水冷，图1(b)的热处理条件为于1250℃保持0.5小时后进行水冷，于850℃保持2小时后进行水冷。
图2是比较材料2的试样的断裂面的SEM观察照片。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开2002-38238号公报
专利文献2:日本专利特开2001-234298号公报
专利文献3:国际专利申请WO2008/016158

Claims (8)

1.一种精密加工用不锈钢原材料，其为以微米级的表面粗糙度完成切削加工的精密加工用易切削不锈钢原材料，其特征在于，粒径为200nm至5μm的球状的h-BN粒子作为易切削赋予材料以单体状态分散。
2.如权利要求1所述的精密加工用不锈钢原材料，其特征在于，其中B含量为0.003～0.1质量％。
3.如权利要求1所述的精密加工用不锈钢原材料，其特征在于，其中N含量在摩尔比方面与B含量相同或在其之上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料，其特征在于，具有其车削加工面的表面粗糙度的10点平均粗糙度(Rz)为5μm以下的车削表面特性。
5.如权利要求4所述的精密加工用易切削不锈钢原材料，其特征在于，所述车削表面特性是在下述的条件下对直径为8mm的圆棒进行车削而得到的；切削速度:16m/分钟；切入深度:0.2mm；工具进给速度:0.08mm/rev；工具材质:M30；工具形状:正三角形，有断屑槽；切削液:不使用。
6.一种精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，其为权利要求1～5中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，其特征在于，通过硼铁或金属硼的添加来添加B，通过将原料不锈钢的熔化气氛设为惰性气体和氮或者减压后的氮来添加N。
7.一种精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，其为权利要求1～5中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，其特征在于，作为不锈钢钢液中的BN的原料，B是通过硼铁或金属硼的添加、N是通过含氮化合物的添加，在不锈钢钢液中添加B和N。
8.一种精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，其为权利要求1～5中任一项所述的精密加工用易切削不锈钢原材料的制造方法，其特征在于，将在由权利要求6或7所述的方法所得的组织中不均匀地析出有h-BN粒子的不锈钢加热至1200℃以上的温度后，进行急冷，使h-BN粒子暂且固溶而消失，然后进行在950～1100℃的温度下的回火热处理，从而使h-BN粒子再次分散析出。
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