JP2006152354A

JP2006152354A - 快削軟磁性ステンレス鋼

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Publication number: JP2006152354A
Application number: JP2004343109A
Authority: JP
Inventors: Kiyohito Ishida; 清仁石田; Masanari Oikawa; 勝成及川; Takashi Ehata; 貴司江幡; Koichi Ishikawa; 浩一石川; Tetsuya Shimizu; 哲也清水
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP4544977B2

Abstract

【課題】本発明は、良好な磁気特性や耐食性を備えつつも、優れた被削性が付与された快削軟磁性ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【解決手段】上記課題を解決するため、本発明の快削軟磁性ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％，Ｓｉ：０．５〜３．０％，Ｍｎ：２．０％以下，Ｓ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：１０〜２２％，Ａｌ：０．０１〜４．０％，Ｔｉ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、快削軟磁性ステンレス鋼に関する。

近年、切削加工を経て製造される部材の生産性を向上させるため、被削性向上元素としてＳを含有させた快削鋼が材料として用いられている。これは、主にＭｎＳ系の介在物を生成させ、切屑形成時における介在物への応力集中効果や工具と切屑間の潤滑作用によって被削性を高めているものである。

ＵＳＰＡＴＥＮＴＮｏ．５７６９９７４特開２００１−１４００３４号公報

なかでも、電磁弁のソレノイド，モーター，センサー等の磁心材料に好適な軟磁気特性材料としては、０．３％前後のＳを添加し、ＭｎＳ系やＣｒＳ系の介在物を分散させた４３０Ｆ等の快削ステンレス鋼が、従来より用いられている（特許文献１参照）。しかしながら、かかる快削軟磁性ステンレス鋼では、Ｓの添加による被削性の向上を重視するあまり、磁気特性や耐食性が損なわれてしまうという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたものであり、良好な磁気特性や耐食性を備えつつも、優れた被削性が付与された快削軟磁性ステンレス鋼を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段・発明の効果

上記課題を解決するため、本発明の快削軟磁性ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％，Ｓｉ：０．５〜３．０％，Ｍｎ：２．０％以下，Ｓ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：１０〜２２％，Ａｌ：０．０１〜４．０％，Ｔｉ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。

かかる本発明では、上記組成範囲のＴｉ，Ｃ，Ｓを含有させることで、これらを含有するＴｉ系介在物を鋼組織中に生成させることが可能であり、これによって良好な被削性を付与することができる。また、ＭｎＳやＣｒＳを主要介在物とする場合（上記特許文献１参照）と比較して、少量のＳであっても被削性を改善できるため、磁気特性や耐食性を良好に維持できる。つまり、本発明によれば、良好な磁気特性や耐食性を備えつつも、優れた被削性が付与された快削軟磁性ステンレス鋼を実現できるのである。

ここで、上記Ｔｉ系介在物は、組成式Ｔｉ_４Ｃ_２Ｓ_２にて表される介在物（以下、ＴｉＣＳともいう）を主に含有するものとすることができる。また、ＴｉＣＳにおいては、Ｔｉの一部又は全部がＺｒと、Ｓの一部又は全部がＳｅ若しくはＴｅと置換されていてもよい。鋼中のＴｉ系介在物の同定は、Ｘ線回折（例えば、ディフラクトメータ法）や電子線プローブ微小分析（ＥＰＭＡ）法により行うことができる。例えば、Ｔｉ_４Ｃ_２Ｓ_２の介在物にて存在しているか否かは、Ｘ線ディフラクトメータ法による測定プロファイルに、対応する介在物のピークが現れるか否かにより確認できる。また、組織中における該介在物の形成領域は、鋼材の断面組織に対してＥＰＭＡによる面分析を行い、Ｔｉ，Ｃ，Ｓの特性Ｘ線強度の二次元マッピング結果を比較することにより特定できる。

なお、本発明者らは以前、フェライト系ステンレス鋼中にＴｉ系介在物を分散形成させた発明（上記特許文献２参照）を為しているが、このようなＴｉ系介在物を本発明のような軟磁性ステンレス鋼に適用した場合には、Ｔｉ系介在物の成分によって磁気特性が大幅に劣化するものと予想していた。しかしながら、本発明者らは、実際には、磁気特性の劣化がそれ程生じずに被削性を付与可能であることを見出し、本発明を為すに到った。

以下、上記各成分の組成限定理由について説明する。

（１）Ｃ：０．０２〜０．１５％
Ｃは、被削性を向上させるＴｉ系介在物を構成する元素である。また、Ｔｉ系介在物に固定されることによって、マトリックス相中の固溶Ｃ量が低下し、マトリックス相の軟磁気特性が良好に維持される。かかる効果を得るためには、０．０２％以上の添加が必要である。さらには、０．０３％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、炭化物や固溶Ｃが増加して、磁気特性を劣化させてしまうので、０．１５％以下の添加とする。さらには、０．０６％以下の添加が好ましい。

（２）Ｓｉ：０．５〜３．０％
Ｓｉは、脱酸剤として有効なだけでなく、保磁力を低下させる等の軟磁気特性の改善や、電気抵抗増加効果による磁気回路の損失低減に有効な元素である。かかる効果を得るためには、０．５％以上の添加が必要である。さらには、０．６％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、磁束密度を低下させてしまうので、３．０％以下の添加とする。さらには、１．５％以下の添加が好ましい。

（３）Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、精錬における脱酸剤として有効な元素であるが、過度の添加は軟磁気特性を低下させてしまうので、２．０％以下の添加とする。さらには、０．５％以下の添加が好ましい。なお、本発明では、上述の通り、被削性を向上させるためにＴｉ系介在物を生成させていることから、ＭｎＳの形成は抑制されている。

（４）Ｓ：０．１〜０．５％
Ｓは、被削性を向上させるＴｉ系介在物を構成する元素である。かかる効果を得るためには、０．１％以上の添加が必要である。さらには、０．１５％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、軟磁気特性を劣化させてしまうので、０．５％以下の添加とする。さらには、０．３０％以下の添加が好ましい。また、Ｓは、Ｓｅ，Ｔｅにより置換することが可能である。詳しくは、Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅが０．１〜０．５％となるようにＳ，Ｓｅ，Ｔｅの１種又は２種以上を含有するようにすることができる。

（５）Ｃｒ：１０〜２２％
Ｃｒは、フェライト系ステンレスの主要合金元素として、耐食性向上に寄与する元素である。かかる効果を得るためには、１０％以上の添加が必要である。さらには、１２％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、冷鍛性を阻害してしまうので、２２％以下の添加とする。さらには、２０％以下の添加が好ましい。

（６）Ａｌ：０．０１〜４．０％
Ａｌは、Ｓｉと同様に、電気抵抗増加効果による磁気回路の損失低減に有効な元素である。かかる効果を得るためには、０．０１％の添加が必要である。さらには、０．１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、磁気特性を阻害してしまうので、４．０％以下の添加とする。さらには、１．０％以下の添加が好ましい。

（７）Ｔｉ：０．５〜１．５％
Ｔｉは、被削性を向上させるＴｉ系介在物を構成する元素であるとともに、マトリックス相中の固溶ＣやＳを低下させて磁気特性の向上に寄与する。また、ＭｎＳの形成が抑制されるので、耐食性向上にも寄与する。かかる効果を得るためには、０．５％以上の添加が必要である。さらには、０．６％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、磁気特性を低下させてしまうので、１．５％以下の添加とする。さらには、１．３％以下の添加が好ましい。また、Ｔｉは、Ｚｒにより置換することが可能である。詳しくは、Ｔｉ＋０．５２Ｚｒが０．５〜１．５％となるようにＴｉ，Ｚｒの１種又は２種を含有するようにすることができる。

次に、本発明の快削軟磁性ステンレス鋼は、鋼成分としてさらに、Ｎｉ：１％以下，Ｃｕ：１％以下，Ｍｏ：２％以下，Ｎｂ：２％以下，Ｖ：１％以下のうちのいずれか１種または２種以上を含有させることができる。Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｎｂ及びＶは、いずれも耐食性をより向上させるのに有効であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、軟磁気特性を阻害する場合があるので、上限をそれぞれ上記の通りとすることが好ましい。

次に、本発明の快削軟磁性ステンレス鋼は、鋼成分としてさらに、Ｐｂ：０．１５％以下を含有させることができる。Ｐｂは、Ｓと比較して、耐食性や冷間加工性を低下させずに被削性、特にドリル穿孔性を向上させることができる。また、Ｐｂを添加させることにより、Ｐｂがほぼ単独で鋼中に分散的に析出する。このような析出物が被削性を向上させるのに有効となる。しかしながら、過度の添加は、熱間加工性を低下させてしまうため、０．１５％以下の添加が好ましい。

次に、本発明の快削軟磁性ステンレス鋼は、マトリックス相中の固溶Ｃ量が０．１ｐｐｍ以下であることが好ましい。これによって、マトリックス相の軟磁気特性が良好に維持される。ここで、マトリックス相中の固溶Ｃ量は、Ｃ添加量からＴｉと結合して介在物を形成するＣ量を引いた値で見積もられる。すなわち、例えば、Ｔｉ添加量からＴｉ_４Ｃ_２Ｓ_２として固定されるＣ量（ただし、Ｓが不足する場合はＴｉＣとして固定される）を求め、残余のＣがマトリックス相中に固溶しているとする。

次に、本発明の快削軟磁性ステンレス鋼は、ＭｎＳ快削材で一般的に必要とされるＳ量と同じＳ：約０．３％では、１．９Ａ／ｃｍ以下の保磁力が得られ、ＭｎＳ快削材と同等以上の被削性を得るに十分なＳ：約０．２％では、１．７Ａ／ｃｍ以下の保磁力を得ることができる。

次に、本発明の快削軟磁性ステンレス鋼は、マトリックス相中に分散形成されたＴｉ系介在物の平均径が２〜５μｍであることが好ましい。Ｔｉ系介在物は、マトリックス相中に微細に分散されることで、鋼の被削性を向上させる。かかる効果を高めるためには、Ｔｉ系介在物の径（例えば、鋼材の研磨断面組織において観察されるＴｉ系介在物の外形線に外接平行線を引いたときの最大間隔にて表すことができる）の平均値が、上記範囲であることが好ましい。また、Ｔｉ系介在物の組織中の面積率は、例えば０．１〜０．６％程度であることが好ましい。

以下、本発明の効果を確認するために行った試験について説明する。
表１に示す化学組成に基づき、真空誘導溶解炉を用いてＡｒ雰囲気中で１００ｋｇの鋳塊を造り、更に、熱間鍛造で８０角鋼片とした後、熱間圧延で線径９．５ｍｍの線材として、７５０℃×３時間焼鈍−冷間引抜き−８５０℃×３時間焼鈍−曲り矯正−センタレス研磨により、８ｍｍ径の棒鋼とした。
なお、表１中の比較鋼の組成において、本発明で規定する組成範囲を逸脱しているものには、下限を下回る場合は下向矢印（↓）、上限を上回る場合は上向矢印（↑）を付している。

次に、かかる発明鋼及び比較鋼に対し、以下に記述する磁気特性，被削性，介在物径の評価を行った。評価結果を表１及び図１〜５に示す。なお、図中において、「発明鋼１２％Ｃｒ系」とはＣｒ含有量が１２％付近の発明鋼（発明鋼２，３，６，７，１０）を、「比較鋼１２％Ｃｒ系」とはＣｒ含有量が１２％付近の比較鋼（比較鋼１３，１４，１５，１８，１９，２１）を、「発明鋼１７％Ｃｒ系」とはＣｒ含有量が１７％付近の発明鋼（発明鋼１，４，５，８，１１）を、「比較鋼１７％Ｃｒ系」とはＣｒ含有量が１７％付近の比較鋼（比較鋼１２，１６，１７，２０，２２）を、「比較鋼ＭｎＳ系」とは主にＭｎＳ系の介在物を有する比較鋼（比較鋼２３，２４）を表す。

＜磁気特性＞
磁気特性は、各々を８ｍｍ外径×３．６ｍｍ内径×５ｍｍ厚のリングに切削し、真空炉で９５０℃×３時間焼鈍後、Ｂ−Ｈループトレーサーで測定した。

＜被削性＞
被削性は、自動盤で、呼び径４ｍｍ、先端角１１８度のＳＫＨ５１ドリルで、水溶性潤滑剤を用い、切削速度１５ｍ／ｍｉｎ、送り０．０７ｍｍ／ｒｅｖ、深さ１０ｍｍで１５００回穴あけ後の切刃磨耗量を測定した。

＜介在物径＞
介在物径は、各々を鏡面研磨し、観察される介在物の長短径について、視野内最大値及び平均値を取った。なお、この際、僅かに観察された角型のＴｉＮ（ＥＰＭＡ、特性Ｘ線マップで確認）は、観察対象から除外している。

図１は保磁力、図２は最大透磁率、図３は磁束密度のＳ濃度依存性の評価結果を示すものである。図によると、いずれもＳ濃度が０．１％付近を越えると依存性が緩やかとなっている。また、後述の切刃磨耗の評価結果（図４）によると、Ｓ濃度が０．２％付近で被削性が最も優れているため、発明鋼は、一般的にＳが約０．３％の添加されるＭｎＳ快削材よりも磁気特性を良好にすることが可能である。

図４は、ドリル切刃磨耗のＳ濃度依存性の評価結果を示すものである。被削性は、Ｓ濃度が０．１〜０．５％で良好であり、特に０．２％付近で最も優れている。

図５は、介在物径のＳ濃度依存性の観察結果を示すものである。上記したように磁気特性（図１〜３）はＳ濃度が０．１％付近で依存性が緩やかとなるが、これは、図５に示されるようにＳ濃度が０．１％付近で平均径が２μｍを超えることで、磁壁ピンニング効果が弱められているものと推定される。一般に、磁壁の厚さが粒子径と同じときに、最もピンニングの効果が強くなると言われている。

以上より、本発明の発明鋼は、上記組成範囲とすることでＴｉ系介在物が鋼組織中に生成し、その結果、良好な磁気特性及び被削性を備えるものであることがわかる。

保持力のＳ濃度依存性を表す図最大透磁率のＳ濃度依存性を表す図磁束密度のＳ濃度依存性を表す図ドリル切刃磨耗のＳ濃度依存性を表す図介在物粒子径のＳ濃度依存性を表す図

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％，Ｓｉ：０．５〜３．０％，Ｍｎ：２．０％以下，Ｓ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：１０〜２２％，Ａｌ：０．０１〜４．０％，Ｔｉ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする快削軟磁性ステンレス鋼。
鋼成分としてさらに、Ｎｉ：１％以下，Ｃｕ：１％以下，Ｍｏ：２％以下，Ｎｂ：２％以下，Ｖ：１％以下のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の快削軟磁性ステンレス鋼。
鋼成分としてさらに、Ｐｂ：０．１５％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の快削軟磁性ステンレス鋼。
前記Ｓ：０．１〜０．５％に代えて、Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅが（０．１）〜（０．５）％となるようにＳ，Ｓｅ，Ｔｅ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ないし３のいずれか１項に記載の快削軟磁性ステンレス鋼。
前記Ｔｉ：０．５〜１．５％に代えて、Ｔｉ＋０．５２Ｚｒが（０．５）〜（１．５）％となるようにＴｉ，Ｚｒの１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の快削軟磁性ステンレス鋼。
マトリックス相中の固溶Ｃ量が０．１ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の快削軟磁性ステンレス鋼。
マトリックス相中に分散形成されたＴｉ系介在物の平均径が２〜５μｍであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の快削軟磁性ステンレス鋼。