JP3703008B2 - 快削ステンレス鋼 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、快削ステンレス鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、OA機器や精密機械部品等には、SUS430FやSUS303に代表されるSを添加した快削ステンレス鋼のみならず、Pb,Te等のいわゆる快削元素を複合添加して被削性改善を図った快削鋼が使用されてきた。しかしより一層の被削性に優れた快削ステンレス鋼のニーズは極めて強い。近年では、機器の小型化、高精密化に対応すべく、被削性の要求レベルが厳しくなっている。特に、ハードディスクドライブ(HDD)等の精密機器部品用材として多用されている快削ステンレス鋼には、ステンレス鋼本来の耐食性に優れていること、切削加工表面の美麗さや寸法精度を満足する被削性を有していること、快削鋼中の硫化物が空気中の水分と反応して発生する硫化水素ガス(アウトガス)が少ないことが求められている。
【0003】
これまでアウトガス対策として特開平10−46292号公報等に開示されているように、低Mn化した快削ステンレス鋼が発明されている。しかし、低Mn化した快削鋼は、Mn含有量が1%前後と高い従来の快削鋼と比較して被削性が大幅に劣るという問題がある。これは低Mn化により硫化物がMnSから(Cr,Mn)Sに組成変化する結果、硫化物硬さが上昇し、かつ熱間延伸性に富むようになり、被削性改善効果が薄れるためである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
高Mnの従来のS快削鋼の被削性改善方法として、硫化物(MnS)の形態制御を目的に、SeやTeを添加することが知られている。しかし、低Mn化により硫化物(Cr,Mn)Sが生成した場合のSeやTeの効果を明らかにした従来知見はなかった。コンピュターHDD部品のように、耐食性、硫化水素アウトガス特性が優れ、高い被削性が要求される部品に対して用いられてきた上記特開平10−46292号公報では、近年の精密機器の小型高性能化に伴い厳しくなる部品の加工寸法精度を満足することが困難になりつつあり、一層の高被削性が求められている。本発明では、低MnのS快削鋼におけるSeおよびTeの効果を明らかにし、これらを利用して大幅に被削鋼を改善した快削ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上述したような問題を解消するべく、発明者らは鋭意開発を進めた結果、S,Se,Teを最適なバランスで同時に複合添加することにより介在物組成を制御した結果、介在物の形状と硬さを切削加工時の工具摩耗制御に好適なものにできることを見出したものである。その発明の要旨とするところは、
(1)質量%で、C:0.50%以下、Si:0.05〜2.00%、Mn:0.05〜1.00%、S:0.05〜0.50%、Se:0.02〜0.20%、Te:0.01〜0.10%、Cr:10.00〜30.00%、かつ、Mn/S比:2以下、Se/S比:0.2以上、Te/S比:0.04以上の成分比を満たし、残部がFeおよび不可避的不純物からなる快削ステンレス鋼。
【0006】
(2)質量%で、O:0.005〜0.040%を含有することを特徴とする前記(1)に記載の快削ステンレス鋼。
(3)質量%で、Al:0.0001〜0.020%、Ca:0.0005〜0.010%、Mg:0.0005〜0.010%のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の快削ステンレス鋼。
(4)質量%で、Mo:3.00%以下を含有することを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
【0007】
(5)質量%で、Ni:20.00%以下、Cu:4.00%以下のうちの1種または2種を含有することを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
(6)質量%で、Pb:0.03〜0.30%、Bi:0.03〜0.30%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする前記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
【0008】
(7)質量%で、Ti:0.02〜1.00%、Nb:0.02〜1.00%、V:0.02〜1.00%、W:0.02〜1.00%のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(6)のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
(8)質量%で、N:0.005〜0.10%、B:0.001〜0.010%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする前記(1)〜(7)のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼にある。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る成分組成の限定理由について説明する。
C:0.50%以下
Cは、強度を上げるに必要な元素である。しかし、0.50%を超えると耐食性と靱性を劣化させるので、その上限を0.50%とした。
Si:0.05〜2.00%
Siは、脱酸元素として有用な元素であるが、しかし、多いと焼なまし硬さが上昇するので、その範囲を0.05〜2.00%とした。
【0010】
Mn:0.05〜1.00%
Mnは、Siと同様に脱酸元素であり、硫化物系介在物の組成制御に有用である。しかし、0.05%未満ではその効果を達成できず、また、多過ぎてもその効果は飽和に達し、その範囲を0.05〜1.00%とした。
S:0.05〜0.50%
Sは、快削元素である。しかし、0.05%未満ではその効果が得られず、多いと熱間加工性を悪化させるので、その範囲を0.05〜0.50%とした。
【0011】
Se:0.02〜0.20%
Seは、Sと同様に快削元素である。しかし、0.02%未満ではその効果が得られず、多いと熱間加工性を悪化させるので、その範囲を0.02〜0.20%とした。
Te:0.01〜0.10%
Teは、Sと同様に快削元素である。しかし、0.01%未満ではその効果が得られず、多いと熱間加工性を悪化させるので、その範囲を0.01〜0.10%とした。
【0012】
Cr:10.00〜30.00%
Crは、耐食性を向上させる基本元素である。しかし、10.00%未満では効果が少なく、多いと被削性を悪化させ、かつ脆化しやすくなるので、その範囲を10.00〜30.00%とした。
O:0.005〜0.040%
Oは、硫化物系介在物の熱間変形能を下げ被削性を改善させる。しかし、多いと不要な酸化物が増加するので、その範囲を0.005〜0.040%とした。
【0013】
Al:0.0001〜0.020%
Alは、強力な脱酸元素であり、酸化物組成制御に有効である。しかし、0.0001%未満ではその効果は少なく、多いと硬質酸化物が被削性を悪化させる。従って、その範囲を0.0001〜0.020%とした。
Ca:0.0005〜0.010%
Caは、強力な脱酸元素であり、酸化物組成制御に有効である。しかし、0.0005%未満ではその効果は少なく、0.010%を超える添加は困難である。従って、その範囲を0.0005〜0.010%とした。
【0014】
Mg:0.0005〜0.010%
Mgは、強力な脱酸元素であり、酸化物組成制御に有効である。しかし、0.0005%未満ではその効果は少なく、多いと硬質非延性酸化物が被削性を悪化させる。従って、その範囲を0.0005〜0.010%とした。
Mo:3.00%以下
Moは、耐食性を向上させる元素である。しかし、多いと脆化しやすく、しかも高価であるので、その上限を3.00%とした。
【0015】
Ni:20.00%以下
Niは、耐食性を向上させる元素であり、また、オーステナイト相の安定化させる。しかし、多いと延性を増し被削性を悪化させる。従って、その上限を20.00%とした。
Cu:4.00%以下
Cuは、冷間加工性を改善する元素であり、また、オーステナイト相の安定化させる。しかし、多いと熱間加工性を悪化させる。従って、その上限を4.00%とした。
【0016】
Pb:0.03〜0.30%
Pbは、快削元素である。しかし、0.03%未満ではその効果が得られず、多過ぎても快削性が飽和すると共に、熱間加工性が悪化することから、その範囲を0.03〜0.30%とした。
Bi:0.03〜0.30%
Biは、Pbと同様に、快削元素である。しかし、0.03%未満ではその効果が得られず、多過ぎても快削性が飽和すると共に、熱間加工性が悪化することから、その範囲を0.03〜0.30%とした。
【0017】
Ti:0.02〜1.00%
Tiは、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を0.02〜1.00%とした。
Nb:0.02〜1.00%
Nbは、Tiと同様に、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を0.02〜1.00%とした。
【0018】
V:0.02〜1.00%
Vは、Tiと同様に、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を0.02〜1.00%とした。
W:0.02〜1.00%
Wは、Tiと同様に、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を0.02〜1.00%とした。
【0019】
N:0.005〜0.10%
Nは、強度上昇に役立つ元素である。しかし、多いと靱性を悪化させるので、その範囲を0.005〜0.10%とした。
B:0.001〜0.010%
Bは、熱間加工性を向上させる元素である。しかし、多いと逆に熱間加工性が悪化することから、その範囲を0.001〜0.010%とした。
【0020】
次に、本発明の特徴とするSeとTeを特に一定の割合で複合添加したときの効果について説明する。一般的に、硫化物系介在物(S,Se,Teのいずれか、あるいは数種を含有する介在物)は、切削加工時に応力集中源となって働き脆化させることで被削性を改善し、中でもサイズが大きく、また球状の介在物であるほど被削性への寄与が大きいとされている。SeおよびTeの添加量を変化させた鋼種の介在物を詳細に調査した結果、Teは従来から知られているように介在物の延伸を抑制し、球状あるいは紡錘状に保ち、加えてSeを添加すると介在物サイズの大型化、および介在物延伸の抑制傾向がわずかに認められた。
【0021】
さらに、Seは介在物硬さを上昇させる傾向もみられた。Se添加で硬さが増した介在物は、切削加工時に受ける剪断応力下で、介在物自体が破壊し、すべりの助長および亀裂の発生と伝播を容易にする様子が見られたため、介在物硬さの上昇も被削性改善に効果があるのではないかと推察される。このように、SeやTeの添加により変化する硫化物系介在物の諸性質が、被削性を改善していると考えられる。
【0022】
また、硫化物系介在物の組織、硬さおよび大きさに及ぼすSeとTe添加量の影響について、以下のような傾向がある。Seの場合、介在物組織は、Se/S比の増加に伴いSe濃度も一様に増加する。介在物硬さは、Se/S比増加に伴い上昇し、その後一定となり、介在物大きさは、Se/S比が増加すると一様に大きくなる傾向がある。また、介在物延伸性(アスペクト比:介在物の長径長さ/短径長さで評価)は、Se/S比の増加により緩やかに低下する。Teの場合、Te/S比の増加とともに介在物中のTe濃度が増加してTe/S比が0.1前後で飽和し、Teによる介在物延伸抑制効果もTe/S比が0.1前後まで、この比の上昇に伴って増す。介在物硬さは、わずかに上昇する傾向があるが変化は小さくほぼ一定である。
【0023】
SeおよびTeの有効な添加量はSとの比で決められ、Se/S比は0.2以上(好適な介在物硬さを得るため、および延伸抑制のため)、Te/S比は0.04以上(介在物延伸抑制のため)必要である。このようにSeとTeの効果があいまって初めて好適な介在物が生成し、被削性を著しく改善する効果を奏するものである。また、快削鋼の硫化水素アウトガスは、従来より、Mn/S比の低下による硫化物系介在物の高Cr化に伴って抑制されることが知られていたが、硫化物系介在物にSeやTeが固溶するS−Se−Te快削鋼においても同様にMn/S比によりアウトガス特性が決定されることが分かった。耐食性においても同様である。
【0024】
Mn/S比:2以下
SeやTeの添加により硫化物は(Cr,Mn)(S,Se,Te)組成になるが、この場合でも材料の耐食性、アウトガス特性(硫化水素発生量)はMn/S比で決定される。Mn/S比が低いほどこれらの特性は向上するが、Mn/S比が2以下であれば実際上工業的な使用に耐えうる場合が多い。
Se/S比:0.2以上
Se/S比の増加に伴って硫化物系介在物中のSe濃度は増加する。Se含有硫化物系介在物は、切削加工時に破壊して亀裂の発生・伝播を容易にするとともに剪断変形をしやすくする。Se/S比が0.2以上で有効である。
【0025】
Te/S比:0.04以上
Te/S比の増加に伴って硫化物系介在物中のTe濃度は増加し、これに伴って硫化物系介在物が形態制御され被削性が改善しTe/S比が0.04以上で効果が顕著である。ただしTe/S比が0.1でTe濃度が飽和するまで被削性改善効果は持続するので、望ましくは0.1以上である。
【0026】
【実施例】
以下、本発明について実施例をもって具体的に説明する。
真空誘導炉で100kg鋼塊を溶製し、表1に示す化学成分を有する鋼を所定の寸法の棒鋼に鍛伸した後、熱処理を行った。すなわち、表1に示すNo.1〜18はフェライト系ステンレス鋼であり、焼なましを行い、また、No.19〜23はマルテンサイト系であり、介在物形状と被削性調査は焼なまし、アウトガス試験、耐食性試験は焼入焼戻しを行い、No.24〜29はオーステナイト系であり、固溶化熱処理を行った。その結果を表2に示す。
【0027】
表2における、(1)硫化物系介在物形状は、φ20mm棒鋼の鍛伸方向に平行な面の硫化物系介在物の形状を画像解析装置にて測定した。解析項目は介在物大きさ分布と介在物アスペクト比(長/短径)とした。
(2)被削性については、φ60mm棒鋼の長手方向に超硬工具を用い旋削し(周速200m/min、切込み1.0mm、送り0.2mm/rev、切削油なし)、10min旋削後の逃げ面およびすくい面の工具摩耗を測定した。さらに、仕上切削性評価として、φ24mm棒鋼の端面をサーメット工具を用いて切削し(周速150m/min、切込み0.04mm、送り0.03mm/rev、切削油剤使用)、200mm切削後の被削材の仕上面の表面粗さ、ムシレの有無から仕上切削性の良否を評価した。
【0028】
(3)硫化水素アウトガス特性としては、φ12mm×L21mmの棒状試験片を80℃の飽和水蒸気下にAg板と共に20h封入し、Ag板の変色度により硫化水素発生量の多寡を評価した。すなわち、硫化水素アウトガスが多くなるのに従って、Ag板が白色から褐色に変化する。
(4)耐食性については、φ12mm×L21mmの棒状試験片について、90%RHで(20←→70)℃×20回のサイクル中に放置し、表面の発銹状態を調査した。
【0029】
【表1】
Figure 0003703008
【0030】
【表2】
Figure 0003703008
【0031】
表2に示すように、No.1〜14とNo.15〜18はフェライト系ステンレス鋼、No.19〜23はマルテンサイト系ステンレス鋼、No.24〜29はオーステナイト系ステンレス鋼の例である。No.1〜9、No.15〜16(フェライト系)、No.19〜21(マルテンサイト系)、No.24〜27(オーステナイト系)は本発明例であり、被削性、硫化水素アウトガス特性、耐食性を兼ね備えた従来にない優れた材料である。
【0032】
比較例である、No.10はSUS430であり、快削鋼でないため特に被削性が悪い。No.11はSUS430Fであり、被削性は良好だがアウトガス特性、耐食性が悪い。No.12は高MnでMn/S比が大きいためアウトガス特性、耐食性が悪い。No.13はSe量が少なく、発明鋼と比べて介在物がやや小さ目であり、被削性が劣っている。No.14はTe量が少なく、アスペクト比が大きく被削性がやや劣っている。No.17、18はそれぞれSe、Teを全く含まず、被削性が悪い。No.22はSe、Teを両方とも含まない場合で、介在物形態制御がされていないため被削性が悪い。No.23は高Mn/S比のためアウトガス特性、耐食性が悪い。No.28は従来鋼のSUS303であり、No.11と同様に被削性は良好だがアウトガス性、耐食性が悪い。No.29は低Teの場合で、介在物形態制御が不十分で被削性が劣る。
【0033】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるS、Se、Teを適度なバランスで同時に添加することにより介在物組成を制御し、これにより介在物の形態と硬さを好適なものとすることができ、切削部品の要求精度アップに対して、従来より格段に被削性が優れた材料を提供することが可能となった。

Claims (8)

  1. 質量%で、
    C:0.50%以下、
    Si:0.05〜2.00%、
    Mn:0.05〜1.00%、
    S:0.05〜0.50%、
    Se:0.02〜0.20%、
    Te:0.01〜0.10%、
    Cr:10.00〜30.00%、
    かつ、Mn/S比:2以下、Se/S比:0.2以上、Te/S比:0.04以上の成分比を満たし、残部がFeおよび不可避的不純物からなる快削ステンレス鋼。
  2. 質量%で、O:0.005〜0.040%を含有することを特徴とする請求項1に記載の快削ステンレス鋼。
  3. 質量%で、
    Al:0.0001〜0.020%、
    Ca:0.0005〜0.010%、
    Mg:0.0005〜0.010%
    のうちの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または2に記載の快削ステンレス鋼。
  4. 質量%で、Mo:3.00%以下を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
  5. 質量%で、
    Ni:20.00%以下、
    Cu:4.00%以下
    のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
  6. 質量%で、
    Pb:0.03〜0.30%、
    Bi:0.03〜0.30%
    のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
  7. 質量%で、
    Ti:0.02〜1.00%、
    Nb:0.02〜1.00%、
    V:0.02〜1.00%、
    W:0.02〜1.00%
    のうちの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1〜6のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
  8. 質量%で、
    N:0.005〜0.10%、
    B:0.001〜0.010%
    のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の快削ステンレス鋼。
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