JP2004231984A - オーステナイト系ｓ快削ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】熱間圧延時に割れを発生することなく、また、耐食性及び被削性も優れたオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼を提供することを課題とする。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜４．０％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、Ｃｒ：１７〜２０％、Ｎｉ：７〜１０％、Ｚｒ：０．００２〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなるステンレス鋼を基本成分として、必要に応じて、Ａｌ：０．００５％以下、Ｏ：０．００５〜０．０１５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、添加することにより、鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２の質量％を３％以上とすることができる。前記に加えて、Ｍｎ：０．５％以上、Ｓ：０．０５％以上とすることにより、酸化物系介在物の個数と該酸化物系介在物の周囲に硫化物が存在するものの個数の比率を５％以上とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、快削元素としてＳを含有し熱間加工性、耐食性及び被削性に優れたオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼に関するものであり、例えば、耐食性及び被削性が要求されるネジ，ボルト等の部品や、時計，カメラ，ＯＡ機器等の精密部品等の素材として利用されるオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼は一般に粘性が大きく、熱伝導度が低いため、切削に際して工具に切り屑が付着し易く、特にオーステナイト系ステンレス鋼は加工硬化性が大きいため切削が困難である。
【０００３】
それゆえ、被削性改善のためにＳを添加したオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼が多く採用されており、オーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼は、一般に、Ｍｎを添加してＳをＭｎＳとして固定することにより、ＦｅＳの生成による赤熱脆性の発生を防止する方法が採用されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３４２９８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓを高濃度含有したオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼は、熱間加工性が悪く熱間圧延時に割れが発生するので、割れを除去するために表面切削を行う必要があることから、生産性が低下すると共にコスト高となるという問題がある。
【０００６】
耐食性を劣化させずに被削性を改善したオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼として、Ｍｎを０．２〜２％、Ｓを０．０５％以下、Ｚｒを１．０％以下、Ａｌを０．０００３〜０．００８％、Ｏを０．００５〜０．０２％、Ｃａを０．００１〜０．０１％添加したものが、例えば、特許文献１によって知られている。しかしながら、この文献に記載のオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼は、後述する酸化物系介在物の組成制御が行えていないので、熱間加工性、耐食性及び被削性を十分に満足するものではない。
【０００７】
本発明は、オーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼における前記問題に鑑みてなされたものであって、熱間加工性をより一層向上させることで、熱間圧延時に割れを発生することなく、また、耐食性及び被削性も優れたオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はＺｒやＣａ等の脱酸元素の微妙なコントロールにより酸化物系介在物の組成を制御し、ＭｎＳ等の硫化物の生成サイトを与え、ＭｎＳの形態制御を促進させることにより、熱間加工性、耐食性及び被削性を改善できることを明らかにしたものであり、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜４％、Ｓ：０．０５〜０．４％、Ｃｒ：１７〜２０％、Ｎｉ：７〜１０％、Ｚｒ：０．００２〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
（２）質量％で、 Ｐ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：０．２〜３．５％の１種又は２種を含有することを特徴とする前記（１）に記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
（３）質量％で、Ｍｏ：０．０５〜３％、Ｎ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）又は（２）の何れかに記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
（４）質量％で、Ａｌ：０．００５％以下、Ｏ：０．００５〜０．０１５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）乃至（３）の何れかに記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
（５）鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２が質量％で３％以上であることを特徴とする前記（４）に記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
（６）鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２が質量％で３％以上であり、かつ酸化物系介在物の個数と該酸化物系介在物の周囲に硫化物が存在するものの個数の比率が５％以上であることを特徴とする前記（４）に記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる成分組成（質量％）の限定理由を各元素の作用とともに説明する。
【００１０】
Ｃは強力なオーステナイト化元素であるとともに、０．０１％以上で固溶強化の作用があり、０．０１％未満では被削性が悪く、０．１％を超えると炭化物を生成して耐食性が劣化するので、０．０１〜０．１％とした。好ましくは０．０３〜０．０８％である。
【００１１】
Ｓｉは０．０５％以上でステンレス鋼の溶製時に脱酸剤としての作用があり、０．０５％未満では被削性が悪く、１％を超えると耐食性および靭性が低下するので、０．０５〜１％とした。好ましくは０．１〜０．４％である。
【００１２】
Ｍｎは脱酸剤であるとともに、０．５％以上で熱間加工性および被削性を向上させる作用があり、また、ＳをＭｎＳとして固定してＦｅＳの生成による赤熱脆性の発生を防止する作用があるが、４％を超えると溶製中で耐火物溶損を増大させることや耐食性が劣化するので０．５〜４％とした。好ましくは１．５〜４％である。
【００１３】
Ｓは０．０５％以上で被削性を向上させる作用があるが、０．４％を超えると熱間加工性が低下して熱間圧延時に割れが発生し易くなり、また、耐食性が劣化するので、０．０５〜０．４％以下とした。好ましくは０．１０〜０．３５％である。
【００１４】
Ｃｒはオーステナイト系ステンレス鋼の基本元素であり、１７％以上で耐食性および耐酸化性を向上させる作用があるが、２０％を超えると熱間加工性が低下するので、１７〜２０％とした。好ましくは１７〜１９％である。
【００１５】
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼の基本元素であり、７％以上で安定なオーステナイト相を形成し、鋼の耐食性および靭性を向上させる作用があるが、１０％を超えると熱伝導度の低下により被削性が低下し、また、高価なものともなるので、７〜１０％以下とした。好ましくは８〜１０％である。
【００１６】
Ｚｒは０．００２％以上で熱間加工性を向上させるとともに、ＺｒＯ_２を含有する酸化物はＭｎＳ等の硫化物の生成サイトとなり、硫化物の粒状化を促進して熱間加工性および被削性を改善する作用があるが、０．０１％を超えると硬質のＺｒＯ_２量が増大して被削性が低下するので０．００２〜０．０１％とした。好ましくは０．００３〜０．００８％である。
【００１７】
Ｐは製鋼工程では不純物であり、０．０２％以上で被削性を向上させる作用があるが、０．１％を超えると熱間加工性を害するので０．０２〜０．１％が好ましい。
【００１８】
Ｃｕはオーステナイト安定化元素であり、０．２％以上で耐食性および被削性を改善する作用があるが、３．５％を超えると熱間加工性を害するので０．２〜３．５％が好ましい。
【００１９】
Ｍｏは０．０５％以上で耐食性向上の作用があるとともに、固溶強化の作用があるが、３％を超えると熱間加工性が急激に悪化するので、０．０５〜３％が好ましい。
【００２０】
Ｎは０．０１％以上でオーステナイトの安定化及び強度向上の作用があるが、０．２０％を超えると気泡の生成や強度アップにより熱間加工時に割れが発生するので、０．０１〜０．２０％が好ましい。
【００２１】
Ｂは熱間加工性を向上させる作用があるが、０．０００５％未満ではその効果が不十分であり、０．０１％を超えるとホウ化物の生成により逆に熱間加工性及び耐食性が悪化するので、０．０００５〜０．０１％が好ましい。
【００２２】
Ａｌは強力な脱酸剤である。本発明では酸化物系介在物をＺｒＯ_２を含有するものに組成制御することで、ＭｎＳ等の硫化物形態をコントロールする作用あるが、０．００５％を超えると酸化物系介在物がＡｌ_２Ｏ_３系になってしまい、ＺｒＯ_２が生成せず硫化物の形態制御ができない。その結果、熱間加工性および被削性の改善効果が得られないので、０．００５％以下が好ましい。
【００２３】
Ｏは固体中ではほとんど酸化物となり、鋼中に分散している。本発明ではＺｒ又はＣａ等の脱酸元素の微妙なコントロールと適量のＯの存在による硫化物の生成を制御することにより、熱間加工性および被削性を改善できることを明らかにした。０．００５％未満ではその効果が小さく、０．０１５％を超えると硬質のＣｒ_２Ｏ_３が増大して被削性を低下させるので０．００５〜０．０１５％が好ましい。
【００２４】
Ｃａは強力な脱酸剤であり、酸化物組成制御上、Ｚｒと同様に重要な元素である。ＺｒＯ_２およびＣａＯを含有する酸化物は硫化物の形態制御を促進して熱間加工性および被削性が改善する作用があるが、０．０００５％未満ではその作用が不十分であり、０．００５％を超えると硬質のＣａＯ系介在物量が増大して被削性及び耐食性を低下させるので０．０００５〜０．００５％が好ましい。
【００２５】
図１は、オーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼のＺｒ（％）と１０００℃における破断絞り値の関係を示す。なお、Ｚｒ以外の成分組成は前記本発明の範囲内である。図１より、Ｚｒ：０．００２〜０．０１において破断絞り値が良好である。
【００２６】
本発明は、Ｚｒ又はＺｒとＣａ等の脱酸元素の微妙なコントロールにより、鋼中の酸化物系介在物の組成を制御し、酸化物系介在物にＭｎＳ等の硫化物の生成サイトを与え、ＭｎＳの形態制御を促進させるものである。硫化物の生成サイトとなる酸化物系介在物は、該酸化物系介在物中のＺｒＯ_２が質量％で３％以上である。また、鋼中の酸化物系介在物の個数のうち図２に示すように該酸化物系介在物の周囲にＭｎＳ等の硫化物が存在するものの個数の比率が５％以上であれば、熱間加工性、耐食性及び被削性を改善できることを明らかにした。
【００２７】
図３は、酸化物系介在物中のＺｒＯ_２の質量％と１０００℃における破断絞り値との関係を示す。ＺｒＯ_２の質量％の測定は、１０チャージのオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼から製造した棒線から採取した試料について、ＥＰＭＡ分析により求めたものである。図３よりＺｒＯ_２の質量％が３％以上であると破断絞り値が飛躍的に向上していることから、本発明は、鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２の質量％を３％以上とした。
【００２８】
図４は、鋼中の酸化物系介在物の個数と該酸化物系介在物の周囲にＭｎＳ等の硫化物が存在するものの個数の比率と 破断絞り値及び切屑処理性の評点の関係を示す。評点は切り粉が規則的に分断された場合を評点２、切り粉が規則的に分断されないで連続した場合を評点１とした。前記比率の測定は、前記により採取した試料について、光学顕微鏡観察により１００個の酸化物系介在物を無作為に選び、該酸化物系介在物の周囲にＭｎＳ等の硫化物が存在するものの比率を求めたものである。図４より、酸化物系介在物の周囲に硫化物が存在するものの比率が５％以上であると破断絞り値及び切削性評点が飛躍的に向上していることから、本発明は、酸化物系介在物の周囲に硫化物が存在するものの比率を５％以上とした。
【００２９】
図３において、鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２の質量％を３％以上にする手段は、鋼中のＺｒを０．００２％以上に制御するとともに、好ましくはＡｌ：０．００５％以下、Ｏ：０．００５〜０．０１５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％の１種以上を満足するように制御することにより達成できる。
【００３０】
また、図４において、鋼中の酸化物系介在物の個数と該酸化物系介在物の周囲にＭｎＳ等の硫化物が存在するものの個数の比率を５％以上にする手段は、鋼中のＭｎを０．５％以上、Ｓを０．０５％以上、Ｚｒ：０．００２〜０．０１％にするとともに好ましくは、Ａｌ：０．００５％以下、Ｏ：０．００５〜０．０１５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％の１種以上を満足するように制御することにより達成できる。
【００３１】
【実施例】
表１〜表３に示す化学成分の供試材を真空溶解し、５０ｋｇ鋼塊を製造した。この鋼塊を熱間鍛造および熱間圧延を行い、２１ｍｍφの棒線に加工した。その後、１１００℃で焼鈍を行い、センタレス加工により、２０ｍｍφの棒線に仕上げた。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
この棒線について、表４に示す条件で工具寿命の試験と切削処理性の試験を行い、被削性は工具寿命と切削処理性で評価した。工具寿命の評価は、フランク摩耗量が３０μｍとなる時間で評価し、３０分未満を不良とした。また、切削処理性の評価は、切屑形状が規則的にカール状に分断されていれば○，不規則な形の連続切屑の場合は×とした。本発明鋼の工具寿命は全て３０分以上、切屑処理性は全て○であった。
【００３６】
【表４】

【００３７】
上記鋳塊から、試験片（φ８ｍｍ×１１０ｍｍ）を切り出し、サーモレスター試験によって熱間加工性を評価した。評価は１０００℃における破断絞り値で行い、その時の絞り値が６０％以上であれば熱間加工性を良好と判断し○を付し、６０％未満であれば熱間加工性を不良と判断し×を付した。本発明鋼の熱間加工性は全て○であった。
【００３８】
また、上記棒線から試験片を切り出し、塩水噴霧試験（湿度９５％，８５℃，２４時間）を行い、耐食性を評価した。評価はＡ：腐食せず、Ｂ：点錆び発生，Ｃ：一部で流れ錆び発生，Ｄ：ほぼ全面腐食の４段階で評価した。本発明鋼の耐食性は全てＡ，Ｂであった。
【００３９】
【表５】

【００４０】
これらの試験結果をまとめて表５に示す。本発明鋼は、オーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼にＺｒを添加し、更には介在物の形態を制御するによって、切削バイトの寿命が３０分以上となり、切屑形状は規則的にカール状に分断された形状であり、破断絞り値は６０％以上であり、塩水噴霧試験では、腐食せず又は点錆び発生であった。
【００４１】
これに比べて比較鋼３５は、Ｃが高目外れのため、固溶強化により工具寿命が短く、また、炭化物生成により耐食性が劣化した。比較鋼３６は、Ｓｉが低目外れのため、脱酸不足により工具寿命が短く、切り屑処理性も悪い結果となった。比較鋼３７は、Ｓｉが高目外れのため、耐食性及び熱間加工性が悪い結果となった。比較鋼３８は、Ｍｎが高目外れのため、耐食性が悪い結果となった。比較鋼３９は、Ｓが高目外れのため、熱間加工性及び耐食性が悪い結果となった。
【００４２】
比較鋼４０は、Ｃｒが低目外れのため、耐食性が悪く、比較鋼４１は、Ｃｒが高目外れのため、熱間加工性が悪い結果となった。比較鋼４２は、Ｎｉが高目外れのため、工具寿命が短い結果となった。比較鋼４３は、Ｚｒが低目外れのため、比較鋼４４及び４５は、Ｚｒが高目外れのため、ともに工具寿命、切屑処理性及び熱間加工性が悪い結果となった。
【００４３】
比較鋼４６は、Ｐが低目外れのため、工具寿命が悪い結果となった。比較鋼４７は、Ｃｕが高目外れのため、熱間加工性が悪い結果となった。
【００４４】
比較鋼４８は、Ｍｏが高目外れのため、熱間加工性が悪い結果となった。比較鋼４９は、Ｎが高目外れのため、熱間加工性が悪い結果となった。比較鋼５０は、Ｂが高目外れのため、熱間加工性及び耐食性が悪い結果となった。
【００４５】
比較鋼５１は、Ａｌが高目外れのため、工具寿命、切屑処理性及び熱間加工性が悪い結果となった。比較鋼５２は、Ｏが低目外れのため、工具寿命及び切屑処理性が悪く結果となった。比較鋼５３は、Ｏが高目外れのため、工具寿命、切屑処理性及び熱間加工性が悪い結果となった。比較鋼５４は、Ｃａが高目外れのため、工具寿命、切り屑処理性及びが悪い結果となった。比較鋼５５は、Ｃａ及びＢが高目外れのため、工具寿命、切り屑処理性、熱間加工性及び耐食性が悪い結果となった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、オーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼にＺｒを添加し、更には介在物の形態を制御することによって、熱間加工性、耐食性及び被削性に優れたオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼のＺｒ（％）と破断絞り値（％）の関係を示す図である。
【図２】酸化物系介在物の周囲にＭｎＳ等の硫化物が存在する介在物の模式図である。
【図３】鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２の質量％と破断絞り値との関係を示す図である。
【図４】鋼中の酸化物系介在物の個数と該酸化物系介在物の周囲にＭｎＳ等の硫化物が存在するものの個数の比率と破断絞り値及び切削性評点の関係を示す図である。

Claims (6)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜４％、Ｓ：０．０５〜０．４％、Ｃｒ：１７〜２０％、Ｎｉ：７〜１０％、Ｚｒ：０．００２〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
2. 質量％で、 Ｐ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：０．２〜３．５％の１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
3. 質量％で、Ｍｏ：０．０５〜３％、Ｎ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
4. 質量％で、Ａｌ：０．００５％以下、Ｏ：０．００５〜０．０１５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
5. 鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２が質量％で３％以上であることを特徴とする請求項４に記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。
6. 鋼中の酸化物系介在物中のＺｒＯ_２が質量％で３％以上であり、かつ酸化物系介在物の個数と該酸化物系介在物の周囲に硫化物が存在するものの個数の比率が５％以上であることを特徴とする請求項４に記載のオーステナイト系Ｓ快削ステンレス鋼。

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