JP4088539B2

JP4088539B2 - 軸用材料および軸用材料の製造方法

Info

Publication number: JP4088539B2
Application number: JP2003039159A
Authority: JP
Inventors: 康雄山本
Original assignee: TOKUSEN CO.,LTD
Current assignee: TOKUSEN CO.,LTD
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2023-02-18
Also published as: JP2004250717A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸用材料および軸用材料の製造方法に関するものであり、特に、ＶＴＲ、コンピューター周辺機器等の精密機器の回転部（軸、軸受など）に好適な、被削性に優れた非磁性ステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼）からなる軸用材料および軸用材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気を回避する必要のある電子機器、音響機器、事務機器などの精密機器の部品の材料として、被削性に優れた非磁性ステンレス鋼の使用量が増大している。そして、これら機器部品の材料、例えば軸用材料として、従来から使用されている非磁性ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼または高Ｍｎ鋼等である。
【０００３】
ところで、これらオーステナイト系ステンレス鋼や高Ｍｎ鋼は、軸用材料等に使用する場合、通常は最終工程で冷間伸線加工や冷間抽伸加工して仕上げるので、加工誘起マルテンサイトが生成してフェライト相が増加し、そのため、非磁性の確保が困難になる。
【０００４】
そこで、現在では、Ｎｉの含有量を増やして非磁性確保を確実にした非磁性ステンレス鋼として、例えば、重量比で、Ｃ（炭素）が０．０５％、Ｓｉ（ケイ素）が０．１６％、Ｍｎ（マンガン）が１．０６％、Ｐ（リン）が０．０３２％、Ｓ（イオウ）が０．１０４％、Ｃｒ（クロム）が１８．４９％、Ｎｉ（ニッケル）が１１．１１％、Ｓｅ（セレン）が０．１８％、Ｍｏ（モリブデン）が０．２１％、残部がＦｅ（鉄）および不可避的に混入する不純物からなる非磁性ステンレス鋼も用いられている（文献公知発明に係るものではない。）。
【０００５】
また、Ｍｎは、Ｎｉの代替元素として利用される安価な元素であり、非磁性も確保できるため、Ｍｎ含有量を更に増やし、５．０〜８．５％とした非磁性ステンレス鋼も考えられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１-２４１１４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｎｉは高価な元素であるため、ステンレス鋼のＮｉ含有量を増やすと、コストアップとなる。また、ステンレス鋼のＭｎ含有量を５％以上にもしたのでは、被削性が悪化する。
【０００８】
しかも、軸用材料として用いる非磁性ステンレス鋼は、表面硬度が高いことが必要であるが、従来のステンレス鋼は、表面に窒化処理を施しても硬度が高くなり難く、かつ窒化が深くまで入らず、硬度のバラツキも大きいという問題があった。
【０００９】
本発明は、こうした問題を解消するためのもので、非磁性を確保することができ、コスト的に有利で、しかも被削性および窒化性に優れた軸用材料を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述したような問題を解消するべく鋭意開発を進めた結果、ＳＵＳ２７（ＡＩＳＩ３０４）で代表されるオーステナイト系ステンレス鋼をベースにして、Ｓ、Ｓｅなどの添加により被削性を向上させた材料を、伸線、抽伸等の冷間加工後に焼鈍処理することにより、高価なＮｉの含有量を増やさず、また被削性を悪化させるほどＭｎを含有させずに、非磁性を確保できることを見出し、本発明をなすにいたった。
【００１１】
すなわち、本発明は、重量比で、Ｃが０．０７％以下、Ｓｉが０．８％以下、Ｍｎが２％以下、Ｐが０．０５％以下、Ｓが０．１５〜０．２５％、Ｃｒが１８〜２０％、Ｎｉが８〜１０％、Ｓｅが０．０５〜０．１５％、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼で、線材に圧延された後、伸線または抽伸により１０％以上の減面率で塑性加工され、その後焼鈍処理されて、透磁率が１．０３以下となったことを特徴とする軸用材料を提供する。この軸用材料は、焼鈍処理後、必要に応じて表面に窒化処理が施される。
【００１２】
また、本発明は、重量比で、Ｃが０．０７％以下、Ｓｉが０．８％以下、Ｍｎが２％以下、Ｐが０．０５％以下、Ｓが０．１５〜０．２５％、Ｃｒが１８〜２０％、Ｎｉが８〜１０％、Ｓｅが０．０５〜０．１５％、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を、線材に圧延した後、伸線あるいは抽伸により１０％以上の減面率で塑性加工し、その後焼鈍処理し、透磁率を１．０３以下としたことを特徴とする軸用材料の製造方法を提供する。この軸用材料の製造方法は、焼鈍処理後、必要に応じて表面に窒化処理を施すものとする。
【００１３】
本発明に係る上記化学成分組成のオーステナイト系ステンレス鋼は、通常、分塊圧延後、線材圧延（棒鋼圧延を含む）された後、熱処理を挟んで伸線または抽伸が繰り返されて最終で１０％以上の減面率となるよう冷間塑性加工され、その後、焼鈍処理されて透磁率が１．０３以下の軸用材料となる。そして、必要に応じて表面研削され、窒化処理が施される。
【００１４】
本発明の軸用材料は、透磁率が１．０３以下となり、非磁性を確保できる。非磁性確保のためには透磁率１．０３以下が必要である。そして、本発明の軸用材料は、窒化処理を施したときの窒化層の深さが深く、表面硬度も高い。また、本発明の軸用材料は、従来のＮｉ含有量を増やして非磁性を確保するようにした非磁性ステンレス鋼に較べて材料コストを低くすることができ、Ｍｏを含有しないので良好な被削性を確保できる。
【００１５】
本発明の軸用材料が、透磁率１．０３以下となるのは、上記化学成分組成のオーステナイト系ステンレス鋼が冷間塑性加工後に焼鈍処理されることによる。
【００１６】
また、本発明の軸用材料が、従来の材料に対して窒化性に優れ、窒化深さが深く、表面硬度も高いのは、主として、冷間塑性加工時に生じた加工誘起マルテンサイト量の違いによるものと考えられる。
【００１７】
オーステナイトステンレス鋼は、一般に、炭素鋼や低合金鋼に比べて窒化層が浅くなるが、それは、Ｃｒ含有量が多いため、ＮがＣｒと結合して、Ｃｒ窒化物を形成し易く、そのＣｒ窒化物により、芯部へのＮの拡散が妨げられためである。しかし、本発明の軸用材料の場合、従来の軸用材料と比較して、Ｃｒの含有量はほとんど差が無いにも拘わらず、窒化深さは従来材料のそれよりも深くなる。そして、その原因は、両者の金属組織の差に起因するものと考えられる。
【００１８】
すなわち、よく知られているようにオーステナイト組織の不安定性（加工誘起マルテンサイトの生成し易さ）のパラメータとして、Ｍｄ₃₀［Ｍｄ₃₀＝４１３−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７Ｃｒ−９．５Ｎｉ−１８．５Ｍｏ］という指標がある。Ｍｄ₃₀は、３０％の引張変形を加えたときに組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度である。このＭｄ₃₀の値が大きいほどマルテンサイトに変態しやすく、冷間加工率の増加に伴って、加工誘起マルテンサイトが増加しフェライト相が増加する。そして、フェライト相は、透磁率に影響する（フェライト相が増加すると透磁率が高くなる）が、窒素の拡散速度にも大きく影響し、一般に、同じ温度では、フェライト相中の拡散速度は、オーステナイト相中の数十倍になる。本発明の軸用材料の場合、特にＮｉ含有量の違いにより、Ｍｄ₃₀の値が従来の軸用材料のそれに較べて大きい。そのため、本発明の軸用材料は、伸線、抽伸による冷間塑性加工時に生じる加工誘起マルテンサイト量が従来の材料の場合より多い。そして、その後の焼鈍処理により透磁率は低くなっても、加工誘起マルテンサイトの量はそのままで、そのため、窒化処理した場合に、従来の材料の場合に較べて窒化層が深まり、また、表面硬度が高くなると推測される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態としては、例えば、重量比で、Ｃが０．０６％、Ｓｉが０．３８％、Ｍｎが１．４１％、Ｐが０．０３４％、Ｓが０．２０４％、Ｃｒが１８．２７％、Ｎｉが８．３８％、Ｓｅが０．１０％で、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を用いる。そして鋼塊を溶製し、その鋼塊を例えばφ８．５ｍｍ〜φ９．５ｍｍの線材に圧延した後、熱処理を施し、その後１０％以上の減面率をかけて例えばφ８．０ｍｍに抽伸し、さらに８００〜１１００℃で焼鈍処理を行い、表面研削して、最後に表面を窒化処理して軸用材料とする。
【００２０】
上記オーステナイト系ステンレス鋼の含有成分は、Ｃが０．０７％以下、Ｓｉが０．８％以下、Ｍｎが２％以下、Ｐが０．０５％以下、Ｓが０．１５〜０．２５％、Ｃｒが１８〜２０％、Ｎiが８〜１０％、Ｓeが０．０５〜０．１５％の範囲で変更してよい。
【００２１】
Ｃは、強力なオーステナイト生成元素であり、強度向上に効果的な元素であるが、含有量が多くなると耐食性が悪化し、特に、０．０７％を越えると耐食性の悪化が顕著となるため、０．０７％以下とする。
【００２２】
Ｓｉは、脱酸元素として必要であるが、多くなると耐食性が悪化し、また、フェライト生成元素であって、含有量が多くなると非磁性確保が困難になり、特に、０．８％を越えるとそれらが顕著となるため、０．８％以下とする。
【００２３】
Ｍｎは、脱酸のため必要であるが、多くなると被削性が悪化し、特に、２％を越えると被削性の悪化が顕著とるため、２％以下とする。
【００２４】
Ｐは、含有量が多いと、粒界偏析などにより耐食性、加工性、靭性が悪化し、特に、０．０５％を越えるとそれら耐食性、加工性、靭性の悪化が顕著となるため、０．０５％以下とする。
【００２５】
Ｓは、Ｍｎなどの元素とともにサルファイド（硫化物）を生成し、これが鋼中に分散して存在することにより、切削抵抗を低減して工具寿命を改善する。そして、０．１５％未満ではサルファイド生成による切削抵抗の低減効果が不十分であり、０．２５％を越えると機械的強度の低下を招き、熱間加工性を害する。そのため、０．１５〜０．２５％とする。
【００２６】
Ｃｒは、酸化保護皮膜の生成により耐食性を向上させる元素である。そして、１８％未満では耐食性が不充分であり、また、強力なフェライト生成元素であるので、２０％を超えるとオーステナイト相が不安定となり、且つ、高価であるのでコストアップとなる。そのため、１８％〜２０％とする。
【００２７】
Ｎｉは、オーステナイト生成元素で非磁性確保に必要であり、また耐食性にも効果があるが、高価な元素でもある。そして、８％未満ではオーステナイト相の安定と耐食性に不充分で、１０％を越えるとコストアップとなる。そのため、８〜１０％とする。
【００２８】
Ｓｅは、Ｍｎ等の元素とともにセレナイド（セレン化物）を生成し、これが鋼中に分散して存在することによって、切削抵抗を低減し、工具寿命を改善するが、０．０５％未満では効果が十分でなく、０．１５％を越えると被削性改善効果が飽和に向かい、また熱間加工性を害する。そのため、０．０５〜０．１５％とする。
【００２９】
【実施例】
本発明による軸用材料として、真空誘導溶解炉にて、表１のＮｏ．１〜４に示す成分組成の少量の実験鋼塊を溶製し、その鋼塊を、φ８．５ｍｍ〜φ９．５ｍｍの線材に圧延した後、熱処理を施し、その後、１０％以上の減面率をかけてφ８．０ｍｍに抽伸し、さらに８００〜１１００℃で焼鈍処理を行い、表面研削し最終に表面を窒化処理して軸用材料とした。
【００３０】
表１のＮｏ．５〜６は、比較例として、同様に鋼塊を、φ８．５ｍｍ〜φ９．５ｍｍの線材に圧延した後、熱処理を施し、その後、約１５％と２０％の減面率をかけてφ８．０ｍｍに抽伸し、焼鈍処理を行わず、表面研削し、最後に表面を窒化処理した軸用材料を示す。
【００３１】
また、表１のＮｏ．７〜８は、従来例として、Ｎｉを多く含有する従来の鋼塊を同様にしてφ９ｍｍの線材に圧延した後、熱処理を施し、その後、約１５％と２０％の減面率をかけてφ８．０ｍｍに抽伸し、焼鈍処理を行わず、表面研削し最終に表面を窒化処理した軸用材料を示す。
【表１】

これら材料の透磁率、硬度、窒化層深さと、コスト比較を表２に示す。表２のＮｏ．１〜８は、表１のＮｏ．１〜８に対応する。
【表２】

透磁率の測定は、振動磁力計（ＶＳＭ）を用い、温度は室温、印加磁界５，０００Ｏｅで行った。コスト比較は、従来のＮｉを多量に含有するＮｏ．７とＮｏ．８の材料費を１００として、指数表示した。
【００３２】
比較例であるＮｏ．５およびＮｏ．６は、本発明によるＮｏ．１〜４の内のＮｏ．２あるいはＮｏ．３と化学成分組成および減面率が同じ材料を抽伸した後、焼鈍処理を行わなかったもので、表２から解るように、本発明によるＮｏ．１〜４と比べて透磁率が高く、非磁性材としては適さない。また、従来例であるＮｉを多量に含有するＮｏ．７およびＮｏ．８は、透磁率は低いが、本発明によるＮｏ．１〜４と比べて表面硬度が低く、窒化層の深さが浅くて硬度のバラツキも大きい。
【００３３】
これに対して、本発明によるＮｏ．１〜４は、透磁率は１．０３以下で、表面硬度も高く、窒化層の深さも深い（Ｎｏ．１〜４の軸用材料の場合、上記Ｍｄ₃₀の値は約１５℃で、従来例であるＮｏ．７〜８の材料のそれは例えば−６１．５℃と計算される。この差が加工誘起マルテンサイト量の違いとなり、窒化層の深さの違いとなって現れている。）。また、従来例であるＮｏ．７およびＮｏ．８に比べてＮｉの含有量が少なく、Ｍｏを含有してないので、材料コストも低くすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、軸用材料の非磁性を確保することができ、コスト的に有利で、しかも被削性および窒化性に優れた軸用材料を得ることができ、特に、ＶＴＲ、コンピューター周辺機器などの精密機器のコストダウンおよび性能向上を図ることができる。

Claims

重量比で、Ｃが０．０７％以下、Ｓｉが０．８％以下、Ｍｎが２％以下、Ｐが０．０５％以下、Ｓが０．１５〜０．２５％、Ｃｒが１８〜２０％、Ｎｉが８〜１０％、Ｓｅが０．０５〜０．１５％、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼で、線材に圧延された後、伸線あるいは抽伸により１０％以上の減面率で塑性加工され、その後焼鈍処理されて、透磁率が１．０３以下となったことを特徴とする軸用材料。
焼鈍処理後、表面に窒化処理が施された請求項１記載の軸用材料。
重量比で、Ｃが０．０７％以下、Ｓｉが０．８％以下、Ｍｎが２％以下、Ｐが０．０５％以下、Ｓが０．１５〜０．２５％、Ｃｒが１８〜２０％、Ｎｉが８〜１０％、Ｓｅが０．０５〜０．１５％、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を、線材に圧延した後、伸線あるいは抽伸により１０％以上の減面率で塑性加工し、その後焼鈍処理し、透磁率を１．０３以下としたことを特徴とする軸用材料の製造方法。
焼鈍処理後、表面に窒化処理を施す請求項３記載の軸用材料の製造方法。