JP2005060812A

JP2005060812A - フェライト系快削ステンレス鋼

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Publication number: JP2005060812A
Application number: JP2003296449A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Sawada; 安夫澤田; Yukitaka Mizuno; 幸隆水野; Yuichi Yuasa; 祐一湯浅; Sadayoshi Furusawa; 貞良古澤
Original assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: JP3966841B2

Abstract

【課題】耐アウトガス性、耐食性及び被削性に優れた鉛フリーフェライト系快削ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】フェライト系快削ステンレス鋼の組成を、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｐ：０．０５質量％を超えて０．１５質量％以下、Ｓ：０．１乃至０．４質量％、Ｃｕ：０．５乃至１．５質量％、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６乃至２１質量％、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｎ：０．０５質量％以下及びＯ：０．０３質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎ含有量とＳ含有量との比（Ｍｎ／Ｓ）が２以下になるようにする。
【選択図】なし

Description

本発明は、機械部品及び電気機器部品等として使用される鉛フリーのフェライト系快削ステンレス鋼に関する。

フェライト系快削ステンレス鋼は、機械部品及び電子機器部品等として広く使用されており、一般には、被削性を重視してＣｒ１７質量％にＳを添加したＳＵＳ４３０Ｆが使用されている。このＳＵＳ４３０Ｆには、被削性を向上させるための快削元素としては、Ｓのみが添加されており、環境に悪影響を及ぼすＰｂ等は含有していない。快削元素であるＳは、Ｍｎ及びＣｒ等と化合して（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｓを生成し、鋼中に分散分布するため、快削性を極めて良好にする効果があるが、その一方で耐食性を低下させる原因にもなっている。例えば、高温多湿の環境下においては、鋼中の硫化物により孔食が生じてＨ_２Ｓガスを放出するため、ＳＵＳ４３０Ｆを電気製品に使用すると、Ａｇ、Ｃｕ及びＡｌ製の金属部品及び銅線等が腐食するという問題がある。このようなＳＵＳ４３０Ｆを、発錆を極度に嫌う精密部品等へ適用するためには、耐食性の改善が必要である。

従来、鋼中のＭｎ含有量及びＳ含有量の比（Ｍｎ／Ｓ）を、Ｃｒ含有量に応じた値以下に規制することにより、硫化物中のＭｎの一部をＣｒに置換し、鋼中の硫化物を腐食しにくい組成にして、耐食性を向上させたフェライト系快削ステンレス鋼が提案されている（特許文献１参照。）。また、快削元素であるＳｅを添加すると共に、Ｍｎ含有量とＳ及びＳｅの総含有量との比（Ｍｎ／Ｓ＋Ｓｅ）を２以下にすることにより、硫化物中のＭｎの一部をＣｒで置換し、（Ｍｎ＋Ｃｒ）（Ｓ＋Ｓｅ）化合物を生成させて鋼中硫化物の耐孔食性の改善を図ったフェライト系快削ステンレス鋼もある（特許文献２参照。）。更に、耐食性を劣化させるＭｎ含有量を２質量％以下にし、Ｍｎ量の低減による被削性の低下を防ぐため、Ｐｂ及びＢｉ等の快削性元素を添加したフェライト系快削ステンレス鋼も提案されている（特許文献３参照。）。特許文献３に記載のフェライト系快削ステンレス鋼においては、Ｍｎ含有量を更に０．５質量％以下にすることにより、Ｈ_２Ｓガスの発生の抑制を図っている。

特開平１０−４６２９２号公報（第３−４頁）特開平１０−２３７６０３号公報（第３−４頁）特開平１１−１４０５９７号公報（第２−３頁）

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示す問題点がある。ハードディスク及びモーターシャフト等の用途においては、特に、耐アウトガス性が求められている。耐アウトガス性を向上させるために、Ｈ_２Ｓガスを発生する要因であるＳの含有量を低減すると、被削性が劣化し、表面精度が低下するという問題点がある。そこで、前述の特許文献１乃至３に記載のフェライト快削ステンレス鋼においては、被削性向上に効果があるＰｂを添加しているが、近時、環境問題の点から、Ｐｂを使用することは敬遠されている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、耐アウトガス性、耐食性及び被削性に優れた鉛フリーフェライト系快削ステンレス鋼を提供することを目的とする。

本発明に係るフェライト系快削ステンレス鋼は、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｐ：０．０５質量％を超えて０．１５質量％以下、Ｓ：０．１乃至０．４質量％、Ｃｕ：０．５乃至１．５質量％、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６乃至２１質量％、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｎ：０．０５質量％以下及びＯ：０．０３質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎ含有量とＳ含有量との比（Ｍｎ／Ｓ）が２以下であることを特徴とする。

本発明においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ及びＯの含有量を規定すると共に、Ｐを適量添加する。これにより、耐アウトガス性及び耐食性を低下させずに、優れた被削性を得ることができる。その結果、構成刃先を小さくし、仕上げ面位を向上することができる。

また、前記フェライト系快削ステンレス鋼は、Ｐ含有量が０．０７乃至０．１３質量％であることが好ましい。これにより、仕上げ面品位が更に向上する。更に、Ａｌ：０．０６質量％以下、Ｓｅ：０．５質量％以下、Ｚｒ：０．８質量％以下、Ｔｉ：０．５質量％以下及びＮｂ：１．０質量％以下のうち少なくとも１種を含有していてもよい。これにより、耐食性及び被削性が更に向上する。

本発明によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ及びＯの含有量を規定すると共に、Ｐを適量添加することにより、環境に有害なＰｂを添加しなくても、耐アウトガス性及び耐食性を低下させることなく、優れた被削性を得ることができる。

以下、本発明に係るフェライト系快削ステンレス鋼について詳細に説明する。本発明のフェライト系快削ステンレス鋼は、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｐ：０．０５質量％を超えて０．１５質量％以下、Ｓ：０．１乃至０．４質量％、Ｃｕ：０．５乃至１．５質量％、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６乃至２１質量％、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｎ：０．０５質量％以下及びＯ：０．０３質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、更に、Ｍｎ含有量とＳ含有量との比（Ｍｎ／Ｓ）が２以下である。

以下、本発明のフェライト系快削ステンレス鋼における各成分の数値限定理由について説明する。

Ｃ：０．１質量％以下
Ｃは硬度を向上させる効果がある。但し、Ｃ含有量が０．１質量％を超えると、Ｃｒ炭化物を生成し、耐食性が劣化する。よって、Ｃ含有量は０．１質量％以下とする。なお、耐食性の劣化を防止するためには、Ｃ含有量をより低くすることが望ましいが、Ｃ含有量を極端に少なくするためにはコストがかかるため、Ｃ含有量は０．０１質量％以上とすることが望ましい。

Ｓｉ：１．０質量％以下
Ｓｉは鋼の脱酸剤として有効な成分であるが、Ｓｉ含有量が１．０質量％を超えると硬度が高くなりすぎる。よって、Ｓｉ含有量は１．０質量％以下とする。

Ｍｎ：０．５質量％以下
Ｍｎは硫化物を形成して、被削性を向上させる効果があるが、Ｍｎ含有量が０．５質量％を超えると、硫化物中のＣｒ量が減少してＨ_２Ｓガスが発生しやすくなり、耐アウトガス性及び耐食性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は０．５質量％以下にする。

Ｐ：０．０５質量％を超えて０．１５質量％以下
Ｐは切り屑を脆化すると共に、構成刃先を小さくし、仕上げ面品位を向上させる効果がある。但し、Ｐ含有量が０．０５質量％以下の場合、前述の効果が得られない。一方、Ｐ含有量が０．１５質量％を超えると、硬度が高くなり過ぎて被削性が低下する。よって、Ｐ含有量は０．０５質量％を超えて０．１５質量％以下とする。なお、Ｐ含有量は０．０７乃至０．１３質量％にすることがより好ましい。これにより、仕上げ面品位（加工後の表面粗さ）が更に向上する。

Ｓ：０．１乃至０．４質量％
Ｓは（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｓ系介在物を生成し、被削性を向上させる。但し、Ｓ含有量が０．１質量％未満の場合、前述の効果が得られない。一方、Ｓ含有量が０．４質量％を超えると、ＭｎＳを生成するため耐アウトガス性及び耐食性が低下する。よって、Ｓ含有量は０．１乃至０．４質量％にする。

Ｃｕ：０．５乃至１．５質量％
Ｃｕは耐食性を向上させると共に、青熱脆性を利用して被削性を改善するために有効な元素である。但し、Ｃｕ含有量が０．５質量％未満では、前述の効果が得られない。一方、Ｃｕ含有量が１．５質量％を超えると、硬度が高くなりすぎて被削性が低下すると共に、熱間加工性が低下する。よって、Ｃｕ含有量は０．５乃至１．５質量％とする。

Ｎｉ：１．０質量％以下
Ｎｉは耐食性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｎｉはオーステナイト生成元素であるため、その含有量が１．０質量％を超えると、熱間加工温度域において、フェライト相を不安定にして熱間加工性を劣化させる。よって、Ｎｉ含有量は１．０質量％以下とする。

Ｃｒ：１６乃至２１質量％
Ｃｒは耐食性を向上させると共に、硫化物中に入って耐アウトガス性を向上させる効果がある。但し、Ｃｒ含有量が１６質量％未満であると、前述の効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が２１質量％を超えると、熱間加工性が悪化する。よって、Ｃｒ含有量は１６乃至２１質量％とする。

Ｍｏ：１．０質量％以下
Ｍｏは耐食性を向上させる効果があるが、高価な元素であるため、多量に添加するとコストが高くなる。よって、Ｍｏ含有量は１．０質量％以下にする。

Ｎ：０．０５質量％以下
Ｎは切削加工後の表面精度を向上させる効果があるが、その含有量が０．０５質量％を超えると、母相の硬度を高めると共に、窒化物を形成して被削性を低下させる。よって、Ｎ含有量は０．０５質量％以下とする。

Ｏ：０．０３質量％以下
Ｏは硫化物生成時に核となる酸化物を形成するため、被削性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｏ含有量が０．０３質量％を超えると、酸化物の量が過剰になって被削性が劣化する。よって、Ｏ含有量は０．０３質量％以下とする。

Ｍｎ含有量／Ｓ含有量：２以下
本発明者等は、Ｍｎ含有量及びＳ含有量が前述の範囲内であっても、Ｍｎ含有量とＳ含有量との比（Ｍｎ含有量／Ｓ含有量）が２を超えると、耐アウトガス性が劣化することを見出した。また、（Ｍｎ含有量／Ｓ含有量）が２を超えると、生成する硫化物の長さが長くなり、硫化物のアスペクト比が大きくなるため、ドリル加工性及び仕上げ面精度が劣化する。よって、（Ｍｎ含有量／Ｓ含有量）は２以下とする。

更に、本発明のフェライト系快削ステンレス鋼においては、必要に応じて、Ａｌ、Ｓｅ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｂのうち、少なくとも１種を添加してもよい。

Ａｌ：０．０６質量％以下
Ａｌは強力な脱酸剤であると共に、酸化物を生成して硫化物生成のための核となる。しかしながら、Ａｌ含有量が０．０６質量％を超えると、硬質の酸化物を形成して被削性を低下させる。よって、Ａｌを添加する際は、Ａｌ含有量を０．０６質量％以下にすることが好ましい。

Ｓｅ：０．５質量％以下
ＳｅはＭｎ及びＣｒを含むセレン化化合物を形成し、切り屑の切れ性を向上し、工具寿命を延ばすと共に、Ｈ_２Ｓガスの発生を抑制して耐アウトガス性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｓｅを多量に添加するとコストが高くなる。よって、Ｓｅを添加する際は、Ｓｅ含有量を０．５質量％以下にすることが好ましい。

Ｚｒ：０．８質量％以下
Ｚｒは硫化物の変形を抑制するため硫化物が球状となり、加工による変形が少なく、被削性を向上させる効果がある。更に、Ｚｒを添加することにより、ドリル加工性も向上する。但し、Ｚｒ含有量が０．８質量％を超えると、強度が高くなりすぎて、被削性が劣化する。また、Ｚｒは高価であるため、多量に添加するとコストが高くなる。よって、Ｚｒを添加する際は、Ｚｒ含有量を０．８質量％以下にすることが好ましい。

Ｔｉ：０．５質量％以下
Ｔｉは硫化物を形成し、被削性を向上させると共に、耐食性を向上させる効果がある。但し、Ｔｉ含有量が０．５質量％を超えると、粗大な硬質介在物が生成するため被削性が低下する。よって、Ｔｉを添加する際は、Ｔｉ含有量を０．５質量％以下にすることが好ましい。

Ｎｂ：１．０質量％以下
Ｎｂは炭窒化物を生成し、Ｃｒの炭窒化物の生成を抑制するため、Ｎｂを添加することにより、耐食性を向上させることができる。しかしながら、Ｎｂ含有量が１．０質量％を超えると、炭窒化物が多くなりすぎて被削性が劣化する。よって、Ｎｂを添加する際は、Ｎｂ含有量を１．０質量％以下にすることが好ましい。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、下記表１及び表２に示す組成のステンレス鋼１０ｋｇを、真空溶解炉にて溶解し、インゴットにした後、直径２０ｍｍの鍛造丸棒及び厚さが３０ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さが任意の角材に鍛造した後、７８０℃で３時間焼きなましした試料、並びに直径２０ｍｍの丸棒を直径が１６ｍｍになるように圧延した後、７８０℃で３時間焼鈍し、直径１５ミリの引き抜き棒鋼にした試料を作製した。

次に、上述の試料の評価を行った。硬さは、焼き鈍しした丸棒の円形の面において、中心から直径の（１／４）の長さ離れた位置で測定した。

耐食性は、焼き鈍しした直径２０ｍｍの丸棒を、汎用の旋盤により、直径が１６ｍｍになるように加工し、鍛造及び焼き鈍しの際に表面に付着又は生成したスケール及び脱炭層を除去したものを使用した。この丸棒の円形の面を８００番のエメリー紙で研磨して試験面とし、ＪＩＳ規格に規定されている塩水噴霧試験を９６時間行い、試験面の錆の発生度合いを目視により確認した。その結果、試験面全面に発錆した試料をＥランク、試験面の大部分が発錆した試料をＤランク、中程度に発錆した試料をＣランク、わずかに発錆した試料をＢランク、発錆無しの試料をＡランクとした。

耐アウトガス性は、焼き鈍し丸棒の表面を研磨仕上げして、直径が１０ｍｍ、長さが１０ｍｍの試料片を作製し、表面を８００番のエメリー紙で研磨した厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１５ｍｍのＡｇの薄板と共に、少量の純水を入れた容積３００ｃｍ^３のフッ素系樹脂製ビーカーに入れて密封した。このビーカーを８５℃の恒温槽中で２０時間保持し、試験片からのＨ_２Ｓ等のガスの発生をＡｇ薄板表面の着色度合いにより確認した。その結果、Ａｇ薄板が黒色になったものをＤランク、着色が中程度だったものをＣランク、着色が薄かったものをＢランク、着色しなかったものをＡランクとした。

被削性評価のうちドリル加工性は、厚さ３０ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さが任意である試料の厚さ及び幅により形成される縦３０ｍｍ、横６０ｍｍの面をフライス加工し、直径２ｍｍのハイスドリルにより、切削速度を２５ｍ／分、送りを０．０３ｍｍ／ｒｅｖとし、乾式により加工深さが６ｍｍになるように加工し、ドリルが折損するまでの加工個数（穴あけ個数）で評価した。

切削加工性は、１５ｍｍの引き抜き棒鋼を、超鋼（Ｐ１０）の三角チップ（形状切削ＴＮＧＣ１６０４０４Ｒ−ＵＭ）により、深さ１．５ｍｍ、長さ２０ｍｍの加工範囲を、速度を１５０ｍ／分、送りを０．１ｍｍ／ｒｅｖとし、乾式により４９８乃至５００個加工した加工面の粗さ（最大粗さＲｙ）の平均値により評価した。

以上の結果を下記表３及び表４にまとめて示す。また、図１は横軸にＰの含有量をとり、縦軸に加工面の表面粗さをとって、Ｐ含有量と加工面の表面粗さとの関係を示すグラフ図である。

図１に示すように、Ｐ含有量が本発明の範囲である０．０５質量％を超えて０．１５質量％以下である試料は、加工後の表面粗さが４．５μｍ以下であり、良好な被削性を示した。特に、Ｐ含有量が０．０７乃至０．１３質量％である試料は、表面粗さが小さく、優れた仕上げ面品位が得られた。一方、Ｐ含有量が本発明の範囲から外れると、表面粗さが粗くなり、Ｐ以外の元素を添加した場合においても、Ｐを添加した場合程の効果は得られなかった。

また、上記表４に示すように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ又はＯの含有量が本発明の範囲から外れる比較例１９乃至４１の試料は、耐アウトガス性、耐食性及び被削性に問題があった。一方、上記表３に示すように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ及びＯの含有量を本発明の範囲内にすると共に、Ｐを適量添加した実施例１乃至１８の試料は、耐食性及び耐アウトガス性を低下させずに、加工面の仕上げ面品位を向上させることができた。その結果、耐アウトガス性、耐食性及び被削性が優れたＰｂフリーフェライト系快削ステンレス鋼が得られた。

図１は横軸にＰの含有量をとり、縦軸に加工面の表面粗さをとって、Ｐ含有量と加工面の表面粗さとの関係を示すグラフ図である。

Claims

Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｐ：０．０５質量％を超えて０．１５質量％以下、Ｓ：０．１乃至０．４質量％、Ｃｕ：０．５乃至１．５質量％、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６乃至２１質量％、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｎ：０．０５質量％以下及びＯ：０．０３質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎ含有量とＳ含有量との比（Ｍｎ／Ｓ）が２以下であることを特徴とするフェライト系快削ステンレス鋼。
Ｐ含有量が０．０７乃至０．１３質量％であることを特徴とする請求項１に記載のフェライト系快削ステンレス鋼。
更に、Ａｌ：０．０６質量％以下、Ｓｅ：０．５質量％以下、Ｚｒ：０．８質量％以下、Ｔｉ：０．５質量％以下及びＮｂ：１．０質量％以下のうち少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のフェライト系快削ステンレス鋼。