JP2000063996A

JP2000063996A - 被削性及び抗菌性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2000063996A
Application number: JP10231881A
Authority: JP
Inventors: Hideki Tanaka; 秀記田中; Satoshi Suzuki; 聡鈴木; Hiroshi Fujimoto; 廣藤本; Sadayuki Nakamura; 定幸中村
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2000-02-29

Abstract

(57)【要約】【目的】被削性，抗菌性が良好で、切削加工後の表面
においても抗菌性が持続されるオーステナイト系ステン
レス鋼を提供する。【構成】このオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ：
０．１％以下，Ｓｉ：２％以下，Ｍｎ：５％以下，Ｓ：
０．３％以下，Ｃｒ：１０〜３０％，Ｎｉ：５〜１５
％，Ｃｕ：２．０〜５．０％を含む組成をもち、Ｃｕを
主体とする第２相が０．４体積％以上の割合で分散して
いる。任意成分には、Ｎｂ：０．０２〜１％，Ｔｉ：
０．０２〜１％，Ｍｏ：３％以下，Ａｌ：１％以下，Ｚ
ｒ：１％以下，Ｖ：１％以下，Ｂ：０．０．５％以下，
希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５％等がある。Ｃｕを主
体とする第２相は、熱間圧延後から最終製品となるまで
の間に６００〜９００℃の温度範囲で１時間以上加熱保
持する時効処理を１回施すことにより、マトリックス中
に分散析出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、毒性のないＣｕの添加
によって被削性及び抗菌性を改善したオーステナイト系
ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密機械工業の著しい発達や家庭電気器
具、家具調度品等の需要増加により、従来ステンレス鋼
が使用されていなかった部分にもステンレス鋼が使用さ
れるようになってきた。また、工作機械の自動化・省力
化に伴って被削性に優れたステンレス鋼が望まれている
ため、ＪＩＳＧ４３０３に規定されるＳＵＳ３０３のよ
うにＳ，Ｐｂ等の快削性元素を添加し、被削性を改善し
たオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、快削性元素と
して有効なＳは、熱間加工性，延性及び耐食性を著しく
低下させる。しかも、機械的性質に異方性を生じさせる
原因にもなる。Ｐｂ添加により被削性を向上させたオー
ステナイト系ステンレス鋼は、使用中に有害なＰｂの溶
出があり、リサイクル利用しにくい材料である。他に、
被削性を付与したオーステナイト系ステンレス鋼として
は、Ｂｉ添加による耐食性及び熱間加工性に優れたオー
ステナイト系快削ステンレス鋼（特開昭６３−１６９３
６３号），ＪＩＳＧ４３０３に規定されるＳｅを添加し
たＳＵＳ３０３Ｓｅ等があるが、何れも有害な元素を添
加することが環境対策上で問題となる。

【０００４】ところで、黄色ブドウ球菌等による感染が
問題となってきている昨今、定期的な消毒等によって感
染防止を図る必要がない抗菌性等の機能を付与したメン
テナンスフリーの材料が望まれている。抗菌性は、ステ
ンレス鋼にＣｕを添加し、ステンレス鋼表面のＣｕ濃度
を高めることにより付与できる（特願平６−２０９１２
１号，特願平７−５５０６９号公報）。また、Ｃｕを主
体とする第２相（ε−Ｃｕ等のＣｕリッチ相）を所定量
析出させると、Ｃｕの抗菌作用が更に高められる（特開
平９−１７６８００号公報）。しかし、被削性，耐食性
に優れ、なおかつ、持続性のある抗菌特性を付与した材
料は得られていない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、先のＣｕの作
用を抗菌性のみならず被削性に利用するべく案出された
ものであり、Ｃｕを主体とする第２相（Ｃｕリッチ相）
を所定量析出させることにより、抗菌性に併せて優れた
被削性が付与されたオーステナイト系ステンレス鋼を提
供することを目的とする。本発明のオーステナイト系ス
テンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０．１重
量％以下，Ｓｉ：２重量％以下，Ｍｎ：５重量％以下，
Ｓ：０．３重量％以下，Ｃｒ：１０〜３０重量％，Ｎ
ｉ：５〜１５重量％，Ｃｕ：２．０〜５．０重量％を含
む組成を持ち、Ｃｕを主体とする第２相が０．４体積％
以上の割合で分散していることを特徴とする。

【０００６】このオーステナイト系ステンレス鋼は、更
にＮｂ：０．０２〜１重量％，Ｔｉ：０．０２〜１重量
％，Ｍｏ：３重量％以下，Ａｌ：１重量％以下，Ｚｒ：
１重量％以下，Ｖ：１重量％以下，Ｂ：０．０．５重量
％以下及び希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５重量％以下
の１種又は２種以上を含むことができる。Ｃｕを主体と
する第２相は、特定された組成をもつオーステナイト系
ステンレス鋼を熱間圧延後から最終製品となるまでの間
に６００〜９００℃の温度範囲で１時間以上加熱保持す
る時効処理を１回施すことにより、マトリックス中に分
散析出する。

【０００７】

【作用】ステンレス鋼は、全般的に被削性が悪く、特に
オーステナイト系ステンレス鋼は難削材の一つに数えら
れている。被削性が悪い原因として、熱伝導率が低いこ
と，延性が高いこと，加工硬化の程度が大きいこと，凝
着しやすいこと等が挙げられる。本発明者等は、工具−
被削材との潤滑及び熱伝導に及ぼすε−Ｃｕ等のＣｕリ
ッチ相の作用に着目し、ステンレス鋼中にＣｕを添加
し、一部がＣｕリッチ相として微細にかつ均一に析出し
ていると、被削性が改善されることを見い出した。Ｃｕ
リッチ相による被削性の改善は、切削時において工具掬
い面上でのＣｕリッチ相による潤滑，熱伝導作用に基づ
く減摩により、切削抵抗が減少すると共に工具寿命を延
ばし、結果として被削性が向上するものと考えられる。
なお本発明は、鋼中にＣｕを添加し、ε−Ｃｕ等のＣｕ
リッチ相として析出させ、潤滑作用，熱伝導作用を発現
させたものであり、ＪＩＳＧ４３０３に規定されるＳＵ
Ｓ３０３Ｃｕにみられる、鋼中にＣｕを固溶させ加工硬
化の抑制を図る技術とは根本的に異なる。

【０００８】被削性の改善に有効なＣｕリッチ相は、同
時にステンレス鋼に抗菌性を付与する作用も呈する。ス
テンレス鋼は、不動態皮膜と称されるＣｒ主体の水酸化
物で表面が覆われているため優れた耐食性を呈する材料
であるが、このステンレス鋼に添加したＣｕの一部を時
効処理によって微細なε−Ｃｕ等のＣｕリッチ相として
マトリックスに均一に析出させると、快削性のみならず
抗菌性も向上する。時効処理でＣｕリッチ相を析出させ
たステンレス鋼は、加工又は使用中に表面が損傷を受け
た場合にあっても、内部のＣｕリッチ相が新規表面に露
出するため持続性のある抗菌作用を呈する。

【０００９】Ｃｕリッチ相を析出させる手段としては、
Ｃｕリッチ相が析出し易い温度域で時効等の等温加熱す
ること，加熱後の降温過程で析出温度域の通過時間が出
来るだけ長くなる条件下で徐冷すること等が考えられ
る。本発明者等は、Ｃｕリッチ相の析出について種々調
査研究した結果、最終焼鈍後に６００〜９００℃の温度
域で時効処理するとＣｕリッチ相の析出が促進され、優
れた被削性及び抗菌性がオーステナイト系ステンレス鋼
に付与されることを見出した。Ｃｕリッチ相の析出は、
炭窒化物や析出物を形成し易いＮｂ，Ｔｉ，Ｍｏ等の元
素を添加することによっても促進される。炭窒化物や析
出物等は、析出サイトとして働き、マトリックスにＣｕ
リッチ相を均一分散させ、抗菌性及び製造性を効率よく
改善する。また、ステンレス鋼に添加されているＣｕの
一部がＣｕリッチ相として析出していると、表面のＣｕ
濃度が上昇すると共に被削性及び抗菌性も改善される。

【００１０】以下、本発明のオーステナイト系ステンレ
ス鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。Ｃ：０．１重量％以下Ｃｕリッチ相の析出サイトとして有効なＣｒ炭化物を生
成し、微細なＣｕリッチ相をマトリックス全体に渡って
均一分散させる作用を呈する。しかし、過剰なＣ含有量
は製造性や耐食性を低下させる原因となるので、本発明
においてはＣ含有量の上限を０．１重量％に設定した。Ｓｉ：２重量％以下耐食性の改善に有効な合金成分であり、抗菌性を向上さ
せる作用も呈する。しかし、２重量％を越える過剰量で
Ｓｉが含まれると、製造性が劣化する。Ｍｎ：５重量％以下製造性を改善すると共に、鋼中の有害なＳをＭｎＳとし
て固定する作用を呈する。ＭｎＳは、被削性の向上にも
有効に働くと共に、Ｃｕリッチ相生成の核として作用す
るため、微細なＣｕリッチ相の精製に有効な合金成分で
ある。しかし、５重量％を越える過剰量のＭｎが含まれ
ると、耐食性が劣化する傾向を示す。

【００１１】Ｓ：０．３重量％以下被削性の改善に有効なＭｎＳを形成する元素であるが、
Ｓ含有量が０．３重量％を越えると熱間加工性及び延性
が著しく低下する。したがって、本発明においてはＳ含
有量の上限を０．３重量％に設定した。Ｃｒ：１０〜３０重量％オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を維持するため
に必要な合金成分であり、要求される耐食性を確保する
ために１０重量％以上のＣｒを添加する。しかし、３０
重量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、製造性，加
工性に悪影響を及ぼす。Ｎｉ：５〜１５重量％オーステナイト相の安定化に重要な合金成分である。し
かし、過剰なＮｉ添加は、高価なＮｉを消費し、鋼材コ
ストを上昇させる原因となるので、本発明においてはＮ
ｉ含有量の上限を１５重量％に設定した。他方、５重量
％を下回るＮｉ含有量では、安定したオーステナイト組
織が得られがたくなる。

【００１２】Ｃｕ：２．０〜５．０重量％本発明のステンレス鋼において最も重要な合金成分であ
り，良好な被削性及び抗菌性を発現させるためには、
０．４体積％以上の割合でＣｕリッチ相がマトリックス
に析出していることが必要である。各合金成分の含有量
が前述のように特定された組成のオーステナイト系ステ
ンレス鋼で０．４体積％以上のＣｕリッチ相を析出させ
るために、本発明においてはＣｕ含有量を２．０重量％
以上としている。しかし、５．０重量％を越える過剰量
のＣｕ添加は、製造性，加工性，耐食性等に悪影響を及
ぼす。マトリックスに析出するＣｕリッチ相は、析出物
のサイズに特別な制約を受けるものではないが、表面及
び内部においても均一分散していることが好ましい。Ｃ
ｕリッチ相の均一分散は、被削性を安定して改善すると
共に、製品表面全体において均質な抗菌性を発揮させ、
研磨，加工，摩耗等によって鋼材表面がダメージを受け
た場合にも良好な抗菌性を持続させる。

【００１３】Ｎｂ：０．０２〜１重量％Ｃｕリッチ相
は、各種析出物のなかでもＮｂ系析出物の周囲に析出す
る傾向が強い。したがって、Ｃｕリッチ相を均一に析出分散させ
るためには、必要に応じてＮｂの炭化物，窒化物，炭窒
化物等を微細に析出させた組織が好ましい。しかし、過
剰量のＮｂ添加は、製造性や加工性に悪影響を及ぼす。
したがって、Ｎｂを添加する場合には、Ｎｂ含有量を
０．０２〜１重量％の範囲で選定する。Ｔｉ：０．０２〜１重量％必要に応じて添加される合金成分であり、Ｎｂと同様に
Ｃｕリッチ相の析出サイトとして有効な炭窒化物を形成
する合金成分である。しかし、過剰量のＴｉ添加は、製
造性や加工性を劣化させ、製品表面に疵を発生させ易く
する原因となる。したがって、Ｔｉを添加する場合に
は、Ｔｉ含有量を０．０２〜１重量％の範囲で選定す
る。

【００１４】Ｍｏ：３重量％以下必要に応じて添加される合金成分であり、耐食性を向上
させると共に、微細なＣｕリッチ相の核サイトとして有
効なＦｅ₂ Ｍｏ等の金属間化合物として析出する。ま
た、Ｍｏ及びＭｏ含有化合物は、それ自体でも抗菌性を
向上させる作用を呈する。しかし、３重量％を越える過
剰なＭｏ含有は、製造性及び加工性に悪影響を及ぼす。Ａｌ：１重量％以下必要に応じて添加される合金成分であり、Ｍｏと同様に
耐食性を改善すると共に、微細なＣｕリッチ相の核サイ
トとして有効な化合物として析出する。しかし、過剰な
Ａｌ添加は製造性及び加工性を劣化させるので、Ａｌを
添加する場合には含有量の上限を１重量％に規制する。Ｚｒ：１重量％以下必要に応じて添加される合金成分であり、微細なＣｕリ
ッチ相の核サイトとして有効な炭窒化物となって析出す
る。しかし、Ｚｒの過剰添加は製造性や加工性に悪影響
を及ぼすので、Ｚｒを添加する場合には含有量の上限を
１重量％に規制する。

【００１５】Ｖ：１重量％以下必要に応じて添加される合金成分であり、Ｚｒと同様に
微細なＣｕリッチ相の核サイトとして有効な炭窒化物と
なって析出する。しかし、Ｚｒの過剰添加は製造性や加
工性に悪影響を及ぼすので、Ｚｒを添加する場合には含
有量の上限を１重量％に規制する。Ｂ：０．０５重量％以下必要に応じて添加される合金成分であり、熱間加工性を
改善すると共に、析出物となってマトリックスに分散す
る．Ｂの析出物も、Ｃｕリッチ相の析出サイトとして働
く。しかし、Ｂの過剰添加は熱間加工性を低下させるこ
とになるので、Ｂを添加する場合には含有量の上限を
０．０５重量％に規制する。希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５重量％以下必要に応じて添加される合金成分であり、適量の添加に
よってＢと同様に熱間加工性を改善する。また、Ｃｕリ
ッチ相の析出に有効な析出物となってマトリックスに分
散する。しかし、過剰に添加すると熱間加工性が劣化す
るので、希土類元素を添加する場合には含有量の上限を
０．０５重量％に規制する。

【００１６】熱処理温度：６００〜９００℃ Ｃｕリッチ相の析出により優れた被削性及び抗菌性を得
るためには，６００〜９００℃の時効処理が有効であ
る。時効処理温度が低くなるほど、マトリックス中の固
溶Ｃｕ量が少なくなり、Ｃｕリッチ相の析出量が増加す
る。しかし、低すぎる時効処理温度では、拡散速度が遅
くなるため、析出量が却って減少する傾向がみられる。
被削性及び抗菌性に有効なＣｕリッチ相の析出に及ぼす
時効処理温度の影響を種々の実験から調査したところ、
６００〜９００℃の温度域で時効処理するとき、被削性
及び抗菌性に最も有効なＣｕリッチ相が０．４体積％以
上の割合で析出することを見出した。時効処理は、好ま
しくは１時間以上で施され、熱間圧延終了後から製品と
なるまでの何れの段階で実施しても良い。

【００１７】

【実施例１】表１に示した組成をもつオーステナイト系
ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、鍛造加工
後に焼鈍及び時効処理を施し、直径５０ｍｍの丸棒材を
得た。なお、各鋼材を１０００℃で均熱３０分の焼鈍
後、種々の温度で時効処理した。

【００１８】

【００１９】得られた鋼材から切り出された試験片を、
ＪＩＳＢ―４０１１「超硬バイト切削試験方法」に準
じた切削試験に供した。切削試験では、送り速度０．０
５ｍｍ／回，切込み量０．３ｍｍ／回，切削長さ２００
ｍｍの条件を採用し、逃げ面磨耗（Ｖ_B ＝０．３ｍｍ）
を寿命判定基準としてバイト磨耗を評価した。また、同
じ鋼材から切り出した試験片を透過型電子顕微鏡で組織
観察し，画像処理によってマトリックスに分散析出して
いるＣｕリッチ相を定量してＣｕリッチ相の体積分率
（体積％）を求めた。

【００２０】更に、各鋼材から切り出され＃４００研磨
した５ｃｍ×５ｃｍの試験片を抗菌性試験に供し、Ｃｕ
リッチ相の析出量が抗菌性に及ぼす影響を調査した。抗
菌性試験では、Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓａｕｒ
ｅｕｓＩＦＯ１２７３２（黄色ブドウ球菌）を普通
ブイヨン培地で３５℃，１６〜２４時間振盪培養し、培
養液を用意した。培養液を滅菌リン酸緩衝液で２０，０
００倍に希釈し、菌液を調製した。菌液１ｍｌを試験片
の表面に滴下し、２５℃で２４時間保存した。保存後、
試験片をＳＣＤＬＰ培地（日本製薬株式会社製）９ｍｌ
で洗い流し、得られた液について標準寒天培地を用いた
混釈平板培養法（３５℃，２日間培養）で生菌数をカウ
ントした。また、参照としてシャーレに菌液を直接滴下
し、同様に菌数をカウントした。生菌が検出されなかっ
たものを◎，参照の菌数と比較して９５％以上が死滅し
たものを○，６０〜９５％未満の範囲で死滅したものを
△，６０％未満の死滅量であったものを×として調査結
果を評価した。

【００２１】７８０℃×２４時間で時効処理した試験番
号Ａ−１〜Ｐ−１の供試材について、被削性及び抗菌性
の評価結果を表２に示す。表２において、被削性は、試
験番号Ｄ−１のＶ_B 磨耗時間を基準とし、基準値に対す
る各供試材のバイト磨耗時間を相対評価した。また、従
来から被削性の良好な材料とされている試験番号Ｅ−１
と比較し、試験番号Ｅ−１より良好な被削性を示すもの
を◎，同等の被削性を示すものを○，試験番号Ｅ−１よ
り被削性が劣るものを×と判定した。本発明に従った試
験番号Ａ−１，Ｂ−１，Ｇ−１〜Ｐ−１の供試材は、
２．０重量％以上のＣｕが添加されており、時効処理に
よって０．４体積％以上の割合でＣｕリッチ相が析出し
ており、何れも良好な被削性及び抗菌性を示していた。
これに対し、Ｃｕ含有量が２．０重量％以上であっても
時効処理を施していない試験番号Ａ−２，Ｂ−２では、
Ｃｕリッチ相の析出量が０．４体積％を下回っており、
被削性及び抗菌性共に劣っていた。また、時効処理を施
した鋼材であってもＣｕ含有量が０．２重量％未満の試
験番号Ｃ−１，Ｆ−１では、良好な抗菌性が示された
が、Ｃｕリッチ相の析出量が０．４体積％に達せず、被
削性に劣っていた。

【００２２】

【００２３】

【実施例２】表１の鋼材Ａを用いて、実施例１と同じ条
件で供試材を作製した。得られた供試材に、５５０〜９
２０℃及び０．５〜２６時間の範囲で条件を種々変更し
た時効処理を施した。時効処理後の各供試材について、
実施例１と同様に被削性及び抗菌性を調査した。表３の
調査結果にみられるように、６００〜９００℃で１時間
以上時効処理された試験番号Ａ−４，Ａ−６〜Ａ−８，
Ａ−１０は、Ｃｕリッチ相の析出量が０．４体積％以上
となっており、被削性及び抗菌性共に優れていた。他
方、時効処理温度が６００〜９００℃の範囲にあっても
時効処理時間が１時間未満の試験番号Ａ−５，Ａ−９で
は、Ｃｕリッチ相が０．４体積％に達せず、被削性及び
抗菌性の双方に劣っていた。また、時効処理温度が６０
０℃未満、或いは９００℃を越えると、Ｃｕリッチ相の
析出量が０．４体積％未満となり、快削性に劣ってい
た。以上の結果から、被削性の改善には、２．０重量％
以上のＣｕ含有量，析出量０．４体積％以上のＣｕリッ
チ相が必要なことが確認された。また、Ｃｕリッチ相を
０．４体積％以上で析出させるためには、６００〜９０
０℃×１時間以上の時効処理が必要であることが判る。

【００２４】

【００２５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のオース
テナイト系ステンレス鋼においては、２．０重量％以上
のＣｕを添加し、０．４体積％以上でＣｕリッチ相をマ
トリックスに析出分散させているため、被削性及び抗菌
性の両方に優れた材料である。しかも、被削性改善のた
めにＳ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｅ等の有害元素を含んでいない
ため、環境対策上の問題も解消される。このようにし
て、本発明に従ったオーステナイト系ステンレス鋼は、
必要形状に切削加工され、加工後の表面も良好な抗菌性
を呈するため、家庭電気器具，家具調度品，厨房機器，
病院等で使用される各種機械・器具，電車やバス等の輸
送機関において人体が接触する機器等の材料として広範
な分野で使用される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤本廣山口県新南陽市野村南町4976番地日新製鋼株式会社技術研究所内 (72)発明者中村定幸山口県新南陽市野村南町4976番地日新製鋼株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．１重量％以下，Ｓｉ：２重量％
以下，Ｍｎ：５重量％以下，Ｓ：０．３重量％以下，Ｃ
ｒ：１０〜３０重量％，Ｎｉ：５〜１５重量％，Ｃｕ：
２．０〜５重量％を含み、残部が実質的にＦｅの組成を
もち、Ｃｕを主体とする第２相がマトリックス中に０．
４体積％以上の割合で分散していることを特徴とする被
削性及び抗菌性に優れたオーステナイト系ステンレス
鋼。
【請求項２】Ｎｂ：０．０２〜１重量％，Ｔｉ：０．
０２〜１重量％，Ｍｏ：３重量％以下，Ａｌ：１重量％
以下，Ｚｒ：１重量％以下，Ｖ：１重量％以下，Ｂ：
０．０５重量％以下及び希土類元素（ＲＥＭ）：０．０
５重量％以下の１種又は２種以上を更に含む請求項１記
載の被削性及び抗菌性に優れたオーステナイト系ステン
レス鋼。
【請求項３】請求項１又は２記載の組成を持つオース
テナイト系ステンレス鋼を熱間圧延後から最終製品とな
るまでの間に６００〜９００℃の温度範囲で１時間以上
加熱保持する時効処理を１回以上施し、Ｃｕを主体とす
る第２相の析出を促進させることを特徴とする被削性及
び抗菌性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の製造
方法。