JP2008179891A - オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼からなる冷温間鍛造部品及び冷温間鍛造部品の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い強度と耐蝕性を有しかつ良好な塑性加工性（冷温間鍛造性）と機械加工性（被削性）を兼ね備えたオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼の組成をＣ０．０８％以下、Ｓｉ１．００％以下、Ｍｎ２．００％以下、Ｐ０．０４５％以下、Ｓ０．０５〜０．１５％、Ｎｉ８．５０〜１０．５０％、Ｃｒ１７．００〜１９．００％、Ｃｕ３．００〜４．００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とする。又製造に際しては室温〜３５０°Ｃの温度において塑性加工（鍛造）し割れを防止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高い耐蝕性と強度を保有しかつ冷温間鍛造加工性及び被削性を兼ね備えたオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

一般に、高い耐蝕性と強度を有する材料としてＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４に示すようなオーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳが規定する１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステンレス鋼）が知られている。しかし、このようなオーステナイト系ステンレス鋼は塑性加工による加工硬化が大きいために塑性加工によって製品にすることが難しく、冷温間鍛造などの塑性加工を行なわずに機械加工（切削）によって部品を製造することが多く行なわれている。
ところが、切削によって中空状（カップ状）あるいは複雑な部品を製造するような場合には材料の歩留まりが著しく低下し、また鍛造などの加工品に比べ強度も劣るという欠点を有している。

普通鋼（快削鋼）において一般に被削性を向上させる元素としてＳ、Ｐｂ、Ｓｅ等が知られているが、上記のオーステナイト系ステンレス鋼にも０．１５％を超えるＳ、あるいは０．１５％を超えるＳｅを添加して、機械加工性（被削性）を向上させたもの（ＳＵＳ３０３）がある。この０．１５％を超えるＳあるいはＳｅを添加したものは、もともと被削性のみを向上させることが目的であるから、製造上の何らかの都合でこれらを塑性加工するような場合には、単に変形抵抗が大きいということばかりではなく、これらの多量に添加したＳ等が原因で簡単な塑性加工でも割れを発生してしまうという問題があった。

しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は本来、高い耐蝕性と強度を有する材料であり製造工程が安定し製品が広く普及しているので、欠陥があればそれを改善し極力この材料を採用しようとする動機は高い。このようなことから上記の問題点に関し、いくつかの改良が検討されている。
その一つに、ＳＵＳ３０４のオーステナイト系ステンレス鋼にＣｕ３〜４％を添加し、Ｓ及びその他不純物を低く抑えて塑性加工性を向上させたＳＵＳＸＭ７がある。このＳＵＳＸＭ７はオーステナイト系ステンレス鋼の加工硬化性が緩和され、比較的形状の簡単なボルト、ナット類のヘッダー材の製造に主として使用されている。しかし、これもまたステンレス鋼に塑性加工性を付与することが中心に考えられた材料なので、上記ＳＵＳ３０３の問題とは逆に機械加工性（被削性）が著しく劣る結果となった。
したがって、このような材料は上記ヘッダー材のような単純形状の切削など、精密な機械加工性を必要としない部品の製造に限定されるという問題がある。

本発明は、上記のような問題点に鑑み、高い耐蝕性と強度を有しかつ塑性加工（冷温間鍛造加工）性を付与すると同時に機械加工性（被削性）を向上させたオーステナイト系ステンレス鋼及び冷温間鍛造部品並びにこれらの加工方法を提供する。そしてこれにより、製品強度をさらに向上させ、中空状（カップ状）あるいは複雑な部品の製造においても、材料の歩留まりを著しく低減させようとするものである。

本発明は、
１．Ｃ０．０８％以下、Ｓｉ１．００％以下、Ｍｎ２．００％以下、Ｐ０．０４５％以下、Ｓ０．０５〜０．１５％、Ｎｉ８．５０〜１０．５０％、Ｃｒ１７．００〜１９．００％、Ｃｕ３．００〜４．００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼
２．Ｃ０．０８％以下、Ｓｉ１．００％以下、Ｍｎ２．００％以下、Ｐ０．０４５％以下、Ｓ０．０５〜０．１５％、Ｐｂ０．１５％以下、Ｎｉ８．５０〜１０．５０％、Ｃｒ１７．００〜１９．００％、Ｃｕ３．００〜４．００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼
３．Ｓ０．０７〜０．１２％であることを特徴とする上記１又は２に記載の冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼
４．冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼からなる上記１〜３のそれぞれに記載の冷温間鍛造部品
５．室温〜３５０°Ｃの温度において加工することを特徴とする上記４に記載の冷温間鍛造部品の加工方法、に関する。

高い耐蝕性と強度を有しかつ塑性加工性（冷温間鍛造性）を付与すると同時に機械加工性（被削性）を向上させ、さらに鍛造などの加工工程を経ることにより製品強度を高め、中空状（カップ状）あるいは複雑な部品の製造においても材料の歩留まりを著しく改善できるオーステナイト系ステンレス鋼及び冷温間鍛造部品並びにその加工方法を提供するものである。

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に含有される元素の作用と数値の技術的理由及び製造条件を以下に説明する。なお、本発明明細書中で使用する％は全て重量％を示す（特に表示しない限り「重量」の記載を省略する）。
（Ｃ：０．０８％以下）
Ｃはオーステナイト系ステンレス鋼に止むを得なく含まれる不純物であり、多すぎると熱間加工性を悪化させるだけでなく耐食性も劣化させるので、なるべく少ない方がよい。しかし、Ｃ：０．０８％以下にするためには原料の純度を上げるか、特別な精練等が必要になり高価になるので、上限を０．０８％とする。
（Ｓｉ：１．００％以下）
Ｓｉはオーステナイト系ステンレス鋼に脱酸剤として添加され、又このＳｉはＦｅのマトリックスに固溶して鋼の強度を高める。多すぎると冷温間鍛造加工性を損なうので上限を１．００％とする。

（Ｍｎ：２．００％以下）
ＭｎはＳｉと同様にオーステナイト系ステンレス鋼の製造時に脱酸剤として必要とされ、鋼中の介在物の形態を制御、特にＭｎＳを形成して被削性を高める。しかし、２．００％を超えると加工硬化が大きくなり冷温間鍛造加工性が著しく阻害されるので、上限を２．００％とする。
（Ｐ：０．０４５％以下）
Ｐはオーステナイト系ステンレス鋼に止むを得なく含まれる不純物であり、多すぎると熱間加工性を悪化させるだけでなく耐食性も劣化させるので、なるべく少ない方がよい。しかし、Ｐ：０．０４５％以下にするためには原料の純度を上げるか、特別な精練等が必要になり高価になるので、上限を０．０４５％とする。

（Ｓ：０．０５〜０．１５％）
Ｓはオーステナイト系ステンレス鋼の被削性向上のために添加するもので０．０５％未満ではその効果も十分でなく、又０．１５％を超えて添加すると冷温間鍛造加工性が著しく悪化し、ＭｎＳのような非金属介在物に沿ってクラックが発生し易くなるので、Ｓの添加は０．１５％を上限とする。 被削性向上と良好な冷温間鍛造加工性を保有させるために、より好ましくはＳ：０．０７〜０．１２％とする。
（Ｐｂ：０．１５％以下）
ＰｂはＳと複合添加することによりオーステナイト系ステンレス鋼の被削性を更に向上させることができる。０．１５％以下であれば、冷温間鍛造加工性に影響を与えることはない。したがって、上限を０．１５％とする。

（Ｎｉ：８．５０〜１０．５０％）
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼の基本元素で、本鋼の組織をオーステナイト組織に維持し高い耐食性と強度を保有させるために添加する。８．５０％未満では安定なオーステナイト組織を維持できず、又１０．５０％を超えるとこの効果も飽和し高価になるだけなのでＮｉを８．５０〜１０．５０％に限定する。
（Ｃｒ：１７．００〜１９．００％）
ＣｒはＮｉと同様オーステナイト系ステンレス鋼の基本元素で、本鋼の組織をオーステナイト組織に維持し、高い耐食性と強度を保有させるために添加する。しかし、１７．００％未満ではその効果も十分ではなく１９．００％を超えると冷温間鍛造加工性を阻害するばかりでなく高価になるのでＣｒ：１７．００〜１９．００％に限定する。

（Ｃｕ：３．００〜４．００％）
Ｃｕはオーステナイト系ステンレス鋼にあって、冷温間鍛造加工時の加工硬化性を抑え、冷温間鍛造加工を改善するために添加するもので、その効果は３．００％未満では十分でなく、４．００％を超えるとＣｕが粒界に析出し熱間加工性を阻害するためにＣｕを３．００〜４．００％に限定する。
（室温〜３５０°Ｃの温度における加熱加工）
後述するように、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は冷間でも加工できるが、加温して鍛造などの塑性加工を行なうと加工性が向上するので室温（２５°Ｃ前後をいうが、「常温」と表示する場合もある。）〜３５０°Ｃの温度に加熱加工するのが好ましい。しかし、３５０°Ｃを超えると鍛造などの塑性加工の際に使用した潤滑剤が劣化し、焼き付が生じるだけでなく熱膨張等により鍛造加工品の寸法精度が著しく悪化するので３５０°Ｃを上限とするのが良い。さらに好適な温度範囲は１００°Ｃ〜２５０°Ｃである。

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の実施例に供した代表的組成（実施例１〜４）並びに比較例１（ＳＵＳＸＭ７の代表的組成）及び比較例２（ＳＵＳ３０３の代表的組成）、比較例３（ＳＵＳ３０３にＣｕ添加、Ｓを低下）及び比較例４（ＳＵＳ３０３にＣｕ添加）を表１に示す。これらの実施例および比較例について以下に述べる加工性（鍛造性）の評価試験及び被削性の評価試験等を実施した。

はＳＵＳＸＭ７（比較例１に相当）を主成分とするオーステナイト系ステンレス鋼にＳを添加した（比較例２のみＳＵＳ３０３の組成）冷間鍛造加工での割れ限界加工率を示したものである。冷間鍛造加工性の試験は塑性加工学会で指定されているノッチ付き拘束プレス試験を行なった。
に示すようにＳが添加されることにより、割れ限界加工率は明らかに減少するが、Ｓ：０．０６９〜０．１２０％の範囲で添加した本発明鋼の実施例１〜３は安定して５０％以上の加工率を確保できるが、Ｓ：０．１８％以上添加した比較例２〜４では急激に割れ限界加工率は低下し３０％以下となる。特に比較例２（ＳＵＳ３０３）ではわずか１０〜１５％程度の加工率しか示さない。
なお、ここでＳの添加量が０．００２％である比較例１（ＳＵＳＸＭ７）は６５％程度の割れ限界加工率を示し、この加工率という観点だけでみれば最も良好な値を示している。

に比較例１と本発明鋼の実施例１〜３の常温及び２００°Ｃの冷温間鍛造加工での歪みと変形抵抗を示す。なお、ここで比較例２〜比較例４は冷温間鍛造加工性試験の際に割れが発生するため提示していない。
このから明らかなように、本発明鋼の実施例１〜３は理由は定かでないが、常温及び２００°Ｃにおいて変形抵抗は割れ限界加工率が高い比較例１（ＳＵＳＸＭ７）よりも低い値を示し、良好な結果が得られた。また実施例１〜３のＳ：０．０６９〜０．１２０％の範囲では変形抵抗の差はない。

に、実施例２の組成について加工温度と変形抵抗の関係を示した。これによれば、加工温度が高くなるにつれ変形抵抗値が低くなり、加工温度を上げることが有効であることが分かる。

表２に、本発明の実施例２及び４並びに比較例２及び３について温間後方押し出し試験を行った結果を示す。に冷温鍛造加工工程を示す。
表２に示すように、実施例２鋼については加工工程は３段階（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）で、試験温度は１００〜５００°Ｃで行なった。又、Ｐｂを添加した実施例４鋼は２００°Ｃでのみテストした。特に比較例２及び３では実施例に比し変形抵抗及び変形能が劣ることが予想されるので、２００°Ｃ以上での温度で割れ発生状況を調査した。
表２より明らかなように、本発明の実施例２は１００〜３５０°Ｃのいずれの温度及びＰ１〜３のいずれの加工においても割れ発生及び焼き付き等が全く発生せず良好な冷温鍛造加工性を示した。又、実施例４鋼も上記Ｐ１〜３工程で割れは全く発生しなかった。しかし、実施例２において５００°Ｃで全加工範囲で焼き付きが発生した。
また、比較例２及び３では、２００°Ｃ、３５０°Ｃの温度でも工程Ｐ２の段階で割れが発生し、比較例３では２００°Ｃ、Ｐ１の工程で焼き付きが発生した。

上記加温試験による、実施例２と比較例２の変形抵抗（パンチ面圧）の変化をに示す。実施例２において、鍛造加工の工程Ｐ１、Ｐ２では温度上昇に伴い、パンチ面圧荷重は低下（変形抵抗の低下）を示す。だだし、工程Ｐ３では温度変化によるパンチ面圧の変化は殆ど認められない。
これは工程Ｐ１、Ｐ２が押し出しによって成形されるのに対し、工程Ｐ３は押し出しと剪断加工を含む複合加工成形のため、押し出しのみのＰ１、Ｐ２との成形方法の違いによるものと考えられる。
これに対し、比較例２（ＳＵＳ３０３）は加熱温度２００°Ｃでも変形抵抗が高く、良好な結果は得られていない。いずれにしても、本発明において３５０°Ｃ以下の加熱は変形抵抗を低下させ、鍛造加工に極めて有効であることを示している。

比較例２及び３の２００°Ｃの温度で鍛造割れを発生した鍛造内周部のミクロ組織写真を(ａ)、(ｂ)に示す。割れは鍛造内周部に開口し内部に進展している。この割れは鍛造工程Ｐ２の初期の段階で発生しているが、この段階は剪断と前方押出し加工が複合された状態であり、それによる引っ張り力が加工硬化された材料の伸び限界を超え、微少クラックが進展し割れに至ったものと思われる。
(ａ)、(ｂ)に上記割れの先端部のミクロ組織を示す。割れ先端部にはＭｎＳの介在物が認められ、割れはＭｎＳの介在物に沿って進展しているのが認められる。この割れは比較的Ｓの少ない比較例３（０．１８５％Ｓ）でも発生している。
(ａ)、(ｂ)に、実施例３の２００°Ｃ及び１００°Ｃの鍛造内周部（比較例と同一部）のミクロ組織写真を示す。本発明鋼には、割れは全く認められずＳの上限を０．１５％以下としたことの重要性が認められる。

次に、本発明鋼の実施例１〜３並びに比較例１及び２の被削性を調査した。表３にそれぞれの切削試験条件を示す。結果を(ａ)、(ｂ)に示す。なお、(ａ)は外径切削加工での主分力の変化を、(ｂ)は穴あけ加工でのスラスト力の変化を示す。
(ａ)から明らかなように、比較例１はＳ：０．００２％と低く上記のように冷温間鍛造性に優れているが、外径切削加工では切削抵抗が非常に高く、被削性が極めて悪いことが分かる。切削抵抗はＳを添加することにより急激に減少するが、特に冷温間鍛造加工によって材料硬度がＨＲＣ１０〜２５となり、切削加工による切粉の破砕性が助長される。
その結果Ｓ：０．０５％以上になると快削オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０３相当）に匹敵する被削性を示す。(ｂ)に穴あけ加工時のスラスト力とＳの関係を示すが、外径切削試験と同様の結果が得られた。
(ａ)、(ｂ)にＰｂ：０．１４％を添加した実施例４鋼の切削抵抗値を同時に示した。この図から分かるように、Ｐｂを添加することにより更に切削抵抗が減少し被削性が改善される。

以上の試験結果を纏めると表４に示すようになる。この表４に示すように代表的オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳＸＭ７及びＳＵＳ３０３を含む比較例１〜４のいずれも、塑性加工性（冷温間鍛造性）と機械加工性（被削性）の一方が良ければ他方が悪いという結果が得られた。
これに対し、同表４の実施例１〜４に示すように本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は塑性加工性（冷温間鍛造性）及び機械加工性（被削性）が双方とも向上するというバランスのとれた優れた性質を有していることが分かる。
以上の通り、強度が高く耐蝕性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が、さらに塑性加工性（冷温間鍛造性）と機械加工性（被削性）の双方を兼ね備えることにより、用途を飛躍的に増大することができ、従来被削性や材料歩留まりが悪いとされていた常識を覆す画期的な材料となるものである。

高い耐蝕性と強度を有しかつ塑性加工性（冷温間鍛造性）を付与すると同時に機械加工性（被削性）を向上させ、さらに鍛造などの加工工程を経ることにより製品強度を高め、中空状（カップ状）あるいは複雑な部品の製造においても材料の歩留まりを著しく改善できるオーステナイト系ステンレス鋼及び冷温間鍛造部品並びにその加工方法を提供するものであり、これらの用途に有効である。

オーステナイト系ステンレス鋼へのＳ添加量と割れ限界加工率の関係を示す。 実施例と比較例の常温と２００°Ｃの温度における歪みと変形抵抗の関係を示す。 実施例２の組成について加工温度と変形抵抗の関係を示す。 プレス（鍛造）加工の３段階の工程（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を示す。 加熱試験による実施例２と比較例２の変形抵抗（パンチ面圧）の変化を示す。 比較例における２００°Ｃの温度で割れが発生した鍛造内周部のミクロ組織写真を示す。 比較例における割れの先端部のミクロ組織写真を示す。 実施例における２００°Ｃ及び１００°Ｃの鍛造内周部のミクロ組織写真を示す。 実施例１〜４並びに比較例１及び２の被削性の調査結果であり、(ａ)は外径切削加工（主分力）、(ｂ)は穴あけ加工（スラスト）を示す。

符号の説明

Ｃ 割れ発生部

Claims (5)

1. Ｃ０．０８％以下、Ｓｉ１．００％以下、Ｍｎ２．００％以下、Ｐ０．０４５％以下、Ｓ０．０５〜０．１５％、Ｎｉ８．５０〜１０．５０％、Ｃｒ１７．００〜１９．００％、Ｃｕ３．００〜４．００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
2. Ｃ０．０８％以下、Ｓｉ１．００％以下、Ｍｎ２．００％以下、Ｐ０．０４５％以下、Ｓ０．０５〜０．１５％、Ｐｂ０．１５以下、Ｎｉ８．５０〜１０．５０％、Ｃｒ１７．００〜１９．００％、Ｃｕ３．００〜４．００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
3. Ｓ０．０７〜０．１２％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
4. 冷温間鍛造加工性及び被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼からなる請求項１〜３のそれぞれに記載の冷温間鍛造部品。
5. 室温〜３５０°Ｃの温度において加工することを特徴とする請求項４に記載の冷温間鍛造部品の加工方法。

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