JP4090889B2 - 被削性に優れたフェライト系ステンレス鋼及びマルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents

被削性に優れたフェライト系ステンレス鋼及びマルテンサイト系ステンレス鋼 Download PDF

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Description

本発明は、毒性のないＣｕ添加によって被削性を改善したフェライト系及びマルテンサイト系ステンレス鋼に関する。
精密機械工業の著しい発達や家庭電気器具、家具調度品等の需要増加により、従来ステンレス鋼が使用されていなかった部分にもステンレス鋼が使用されるようになってきた。工作機械の自動化・省力化に伴いステンレス鋼の被削性改善要求が強く、フェライト系ではJISG4303に規定されるSUS430Fのように快削性元素としてＳｅを添加したフェライト系ステンレス鋼，マルテンサイト系ではJIS4303に規定されるSUS410F，SUS410F2のように快削性元素としてＰｂを添加し、或いはSUS416，SUS420FのようにＳを添加したステンレス鋼が使用されている。
しかし、快削性元素として有効なＳは、熱間加工性，延性及び耐食性を著しく低下させ、機械的性質に異方性を生じさせる原因にもなる。Ｐｂ添加により被削性を向上させたフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼は、使用中に有害なＰｂの溶出があり、リサイクル性に劣る材料である。Ｓｅ添加により被削性を付与したＳＡＥ規定の51430FSe（AISI規格でType430Seに相当）では、有害元素の添加が環境対策上の問題になっている。
本発明は、従来の被削性マルテンサイト系ステンレス鋼にみられる快削性元素に代えてＣｕ主体の第２相を使用することにより、加工性，耐食性，機械的特性，環境等に悪影響を及ぼすことなく被削性が改善されたフェライト系，マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
本発明は、濃度０.１質量％以上と比較的多量のＣを含ませたＣｕ主体の第２相、或いは濃度１０質量％以上でＳｎ及び／又はＩｎを含ませたＣｕ主体の第２相を０.２体積％以上の割合でマトリックスに分散させることにより、環境に悪影響を及ぼすことなくフェライト系及びマルテンサイト系ステンレス鋼の被削性を改善したことを特徴とする。
本発明に従ったフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０.００１〜１質量％，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：１.０質量％以下，Ｃｒ：１５〜３０質量％，Ｎｉ：０.６０質量％以下，Ｃｕ：０.５〜６.０質量％を含んでいる。マルテンサイト系ステンレス鋼は、Ｃ：０.０１〜０.５質量％，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：１.０質量％以下，Ｃｒ：１０〜１５質量％，Ｎｉ：０.６０質量％以下，Ｃｕ：０.５〜６.０質量％を含んでいる。
１０質量％以上の濃度でＳｎ又はＩｎを含むＣｕ主体の第２相を分散析出させる場合には、０.００５〜０.５質量％のＳｎ又はＩｎを含む組成をもつステンレス鋼が使用される。フェライト系及びマルテンサイト系共に、任意成分としてＮｂ：０.２〜１.０質量％，Ｔｉ：０.０２〜１質量％，Ｍｏ：３質量％以下，Ｚｒ：１質量％以下，Ａｌ：１質量％以下，Ｖ：１質量％以下，Ｂ：０.０５質量％以下，希土類元素（REM）：０.０５質量％以下の１種又は２種以上を含むことができる。
Ｃ濃度０.１質量％以上、或いはＳｎ又はＩｎ濃度１０質量％以上のＣｕ主体の第２相は、所定組成に調整されたフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間圧延後から最終製品となるまでの間に５００〜９００℃の温度範囲で１時間以上加熱保持する時効処理を１回以上施すことによりマトリックスに分散析出する。
ステンレス鋼は、全般的に被削性が悪く、難削材の一つに数えられている。被削性が悪い原因として、熱伝導率が低いこと，加工硬化の程度が大きいこと，凝着しやすいこと等が挙げられる。本発明者等は，この種のステンレス鋼に関し、環境に悪影響を及ぼすことなく被削性，抗菌性を著しく向上させる手段としてＣｕ主体の第２相を所定量析出させたオーステナイト系ステンレス鋼を紹介した（特許文献１）。本発明は、先に紹介したＣｕ主体の第２相による性質改善を更に発展させ、フェライト系及びマルテンサイト系においても被削性が改善される知見をベースにしている。
特開2000−63996号公報
本発明者等は、工具−被削材との潤滑及び熱伝導に及ぼすε-Ｃｕ相等のＣｕ主体の第２相（Ｃｕリッチ相）の作用に着目し、ステンレス鋼中にＣｕを添加し、一部をＣｕリッチ相として微細に且つ均一に析出させると、被削性が改善されることを見い出した。Ｃｕリッチ相による被削性の改善は、切削時において工具掬い面上でのＣｕリッチ相による潤滑，熱伝導作用に基づく減摩により、切削抵抗が減少すると共に工具寿命を延ばし、結果として被削性が向上するものと考えられる。
特にフェライト系ステンレス鋼や焼き鈍し状態のマルテンサイト系ステンレス鋼では、結晶構造が体心立方晶Ｂ.Ｃ.Ｃ.であり、この中に面心立方晶Ｆ.Ｃ.Ｃ.のＣｕリッチ相を析出させることは、Ｃｕリッチ相と同じ結晶構造をもつオーステナイト系ステンレス鋼にＣｕリッチ相を析出させた場合に比較して被削性向上に関して更に大きな効果が得られる。
Ｃｕリッチ相の分散析出がオーステナイト系とフェライト系，マルテンサイト系で異なる原因は次のように推察される。体心立方晶の結晶構造をもつフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼のマトリックスに面心立方晶のＣｕリッチ相を析出させると、Ｃｕリッチ相によって結晶整合性が低下し、大きな転位の集積が可能になる。また、オーステナイト形成元素であるＣがマトリックス（フェライト相）からＣｕリッチ相（オーステナイト相）に分配されるため、マトリックスに比較してＣｕリッチ相のＣ濃度が高くなり、Ｃｕリッチ相の靭性が低下する。このように転位の集積度が高く、且つ靭性が低く破壊の起点となるＣｕリッチ相が異物としてマトリックスに分散するため、破壊現象である被削性が向上する。
Ｓｎ又はＩｎを０.００５質量％以上含むステンレス鋼組成では、Ｃｕリッチ相中に１０質量％以上の濃度でＳｎ又はＩｎが濃化し、融点の低いＣｕ-Ｓｎ合金又はＣｕ-Ｉｎ合金が形成される。その結果、転位の集積が高く、融点が低いＣｕリッチ相が異物としてマトリックスに分散するため、低融点のＣｕリッチ相が切削工具との間で潤滑作用が発現し、工具寿命を大幅に向上させる。
Ｃｕリッチ相の析出手段としては、Ｃｕリッチ相が析出し易い温度域で時効等の等温加熱すること，加熱後の降温過程で析出温度域の通過時間が出来るだけ長くなる条件下で徐冷すること等が考えられる。本発明者等は、Ｃｕリッチ相の析出について種々調査研究した結果、最終焼鈍後に５００〜９００℃の温度域で時効処理するとＣ濃度０.１質量％以上又はＳｎ，Ｉｎ濃度１０質量％以上のＣｕリッチ相の析出が促進され、優れた被削性及び抗菌性がフェライト系及びマルテンサイト系ステンレス鋼に付与されることを見出した。
Ｃｕリッチ相の析出は、炭窒化物や析出物を形成し易いＮｂ，Ｔｉ，Ｍｏ等の元素を添加することによっても促進される。炭窒化物や析出物等は、析出サイトとして働き、マトリックスにＣｕリッチ相を均一分散させ、製造性を効率よく改善する。
以下、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０.００１〜０.１質量％（フェライト系）
Ｃ：０.０１〜０.５質量％（マルテンサイト系）
Ｃｕリッチ相に固溶してＣｕリッチ相を脆化させると共に、Ｃｕリッチ相の析出サイトとして有効なＣｒ炭化物を生成し、微細なＣｕリッチ相をマトリックス全体に渡って均一分散させる作用を呈する。このような作用は、フェライト系では０.００１質量％以上のＣｕ含有量で、マルテンサイト系では０.０１質量％以上のＣｕ含有量で顕著になる。しかし、過剰なＣ含有量は製造性や耐食性を低下させる原因となるので、Ｃ含有量の上限をフェライト系では０.１質量％，マルテンサイト系では０.５質量％に設定した。
Ｓｉ：１.０質量％以下
耐食性の改善に有効な合金成分であり、抗菌性を向上させる作用も呈する。しかし、１.０質量％を超える過剰量でＳｉが含まれると、製造性が劣化する。
Ｍｎ：１.０質量％以下
製造性を改善すると共に、鋼中の有害なＳをＭｎＳとして固定する作用を呈する。ＭｎＳは、被削性の向上にも有効に働くと共に、Ｃｕリッチ相生成の核として作用するため、微細なＣｕリッチ相の生成に有効な合金成分である。しかし、１.０質量％を超える過剰量のＭｎが含まれると、耐食性が劣化する傾向を示す。
Ｓ：０.３質量％以下
被削性の改善に有効なＭｎＳを形成する元素であるが、Ｓ含有量が０.３質量％を超えると熱間加工性及び延性が著しく低下する。したがって、本発明においてはＳ含有量の上限を０.３質量％に設定した。
Ｃｒ：１０〜３０質量％（フェライト系）
Ｃｒ：１０〜１５質量％（マルテンサイト系）
ステンレス鋼本来の耐食性を維持するために必要な合金成分であり、要求される耐食性を確保するために１０質量％以上のＣｒを添加する。しかし、フェライト系では30質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、製造性，加工性に悪影響を及ぼす。マルテンサイト系では１５質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、フェライト相が安定化し、焼入れ時にマルテンサイト組織が得られがたくなる。
Ｎｉ：０.６０質量％以下
フェライト系及びマルテンサイト系ステンレス鋼の工業的な製造工程では、原料から不可避的に混入する成分である。本発明では、通常の生産ラインで混入するレベルの上限値０.６０質量％にＮｉ含有量の上限を設定した。
Ｃｕ：０.５〜６.０質量％
本発明のステンレス鋼において最も重要な合金成分であり，良好な被削性を発現させるためには、０.２体積％以上の割合でＣｕリッチ相がマトリックスに析出していることが必要である。各合金成分の含有量が前述のように特定された組成のフェライト系及びマルテンサイト系ステンレス鋼で０.２体積％以上のＣｕリッチ相を析出させるため、Ｃｕ含有量を０.５質量％以上としている。しかし、６.０質量％を超える過剰量のＣｕ添加は、製造性，加工性，耐食性等に悪影響を及ぼす。マトリックスに析出するＣｕリッチ相は、析出物のサイズに特別な制約を受けるものではないが、表面及び内部においても均一分散していることが好ましい。Ｃｕリッチ相の均一分散は、被削性を安定して改善すると共に、抗菌性の発現にも寄与する。
Ｓｎ及び／又はＩｎ：０.００５〜０.５質量％
Ｓｎ又はＩｎが濃化したＣｕリッチ相を析出させる場合に必要な合金成分であり、Ｓｎ又はＩｎ濃度１０質量％以上でＣｕリッチ相の低融点化が進み被削性が著しく向上する。Ｃｕリッチ相を低融点化させるためには、合金全体としてＳｎ又はＩｎの含有量を０.００５質量％以上とする必要がある。Ｓｎ，Ｉｎの両者を添加する場合には、合計含有量を０.００５質量％以上に調整する。しかし、Ｓｎ又はＩｎの過剰含有はＣｕリッチ相を過度に低融点化して液膜脆化に起因する熱間圧延性を著しく低下させるので、Ｓｎ又はＩｎ含有量の上限値を０.５質量％に設定する。
Ｎｂ：０.０２〜１質量％
必要に応じて添加される合金成分であり、各種析出物のなかでもＮｂ系析出物の周囲にＣｕリッチ相が析出する傾向が強く、Ｃｕリッチ相の析出サイトとして作用する。したがって、Ｃｕリッチ相を均一に析出分散させるためには、Ｎｂの炭化物，窒化物，炭窒化物等を微細に析出させた組織が好ましい。しかし、過剰量のＮｂ添加は、製造性や加工性に悪影響を及ぼす。したがって、Ｎｂを添加する場合、Ｎｂ含有量を０.０２〜１質量％の範囲で選定する。
Ｔｉ：０.０２〜１質量％
必要に応じて添加される合金成分であり、Ｎｂと同様にＣｕリッチ相の析出サイトとして有効な炭窒化物を形成する合金成分である。しかし、過剰量のＴｉ添加は、製造性や加工性を劣化させ、製品表面に疵を発生させ易くする原因となる。したがって、Ｔｉを添加する場合、Ｔｉ含有量を０.０２〜１質量％の範囲で選定する。
Ｍｏ：３質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、耐食性を向上させると共に、微細なＣｕリッチ相の核サイトとして有効なＦｅ2Ｍｏ等の金属間化合物として析出する。しかし、３質量％を超える過剰なＭｏ含有は、製造性及び加工性に悪影響を及ぼす。
Ｚｒ：１質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、微細なＣｕリッチ相の核サイトとして有効な炭窒化物となって析出する。しかし、Ｚｒの過剰添加は製造性や加工性に悪影響を及ぼすので、Ｚｒを添加する場合には含有量の上限を１質量％に規制する。
Ａｌ：１質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、Ｍｏと同様に耐食性を改善すると共に、微細なＣｕリッチ相の核サイトとして有効な化合物として析出する。しかし、過剰なＡｌ添加は製造性及び加工性を劣化させるので、Ａｌを添加する場合には含有量の上限を１質量％に規制する。
Ｖ：１質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、Ｚｒと同様に微細なＣｕリッチ相の核サイトとして有効な炭窒化物となって析出する。しかし、Ｚｒの過剰添加は製造性や加工性に悪影響を及ぼすので、Ｚｒを添加する場合には含有量の上限を１質量％に規制する。
Ｂ：０.０５質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、熱間加工性を改善すると共に、析出物となってマトリックスに分散する．Ｂの析出物も、Ｃｕリッチ相の析出サイトとして働く。しかし、Ｂの過剰添加は熱間加工性を低下させることになるので、Ｂを添加する場合には含有量の上限を０.０５質量％に規制する。
希土類元素（REM）：０.０５質量％以下
必要に応じて添加される合金成分であり、適量の添加によってＢと同様に熱間加工性を改善する。また、Ｃｕリッチ相の析出に有効な析出物となってマトリックスに分散する。しかし、過剰に添加すると熱間加工性が劣化するので、希土類元素を添加する場合には含有量の上限を０.０５質量％に規制する。
熱処理温度：５００〜９００℃
Ｃｕリッチ相の析出により優れた被削性を得るためには、５００〜９００℃の時効処理が有効である。時効処理温度が低くなるほど、マトリックス中の固溶Ｃｕ量が少なくなり、Ｃｕリッチ相の析出量が増加する。しかし、低すぎる時効処理温度では拡散速度が遅く、析出量が却って減少する傾向がみられる。被削性に有効なＣｕリッチ相の析出に及ぼす時効処理温度の影響を種々の実験から調査したところ、５００〜９００℃の温度域で時効処理するとき、被削性に最も有効なＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合で析出することを見出した。時効処理は、好ましくは１時間以上で、熱間圧延終了後から製品となるまでの何れの段階で実施しても良い。
以下、実施例によって本発明の特徴をより具体的に説明する。
表１に示した組成をもつ各種フェライト系ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、鍛造加工後に焼鈍及び時効処理を施し、直径５０ｍｍの丸棒材を得た。各鋼材を１０００℃で均熱３０分の焼鈍後、種々の温度で時効処理した。
Figure 0004090889
得られた鋼材から切り出された試験片を、JIS B-4011「超硬バイト切削試験方法」に準じた切削試験に供した。切削試験では、送り速度０.０５ｍｍ／回，切込み量０.３ｍｍ／回，切削長さ２００ｍｍの条件を採用し、逃げ面磨耗（ＶB＝０.３ｍｍ）を寿命判定基準としてバイト磨耗を評価した。
同じ鋼材から切り出した試験片を透過型電子顕微鏡で観察し、画像処理によってマトリックスに分散析出しているＣｕリッチ相を定量し、Ｃｕリッチ相の体積分率（体積％）を求めた。更に、Ｃｕリッチ相中のＣｕ含有量をＥＤＸ（Energy Dispersed X-ray Analysis：エネルギー分散X線）分析によりＣｕリッチ相のＣｕ濃度を定量した。
８００℃×９時間で時効処理した試験番号Ａ-1〜Ｐ-1の供試材について、被削性の評価結果を表２に示す。被削性は、従来から被削性の良好な材料とされている試験番号Ｅ-1のＶB磨耗時間を基準として各供試材を相対評価し、試験番号Ｅ-1より良好な被削性を示すものを◎，同等の被削性を示すものを○，試験番号Ｅ-1より被削性が劣るものを×と判定した。
本発明に従った試験番号Ａ-1，Ｂ-1，Ｃ-1，Ｆ-1，Ｇ-1，Ｉ-1，Ｋ-1の各供試材は、何れも０.５質量％以上のＣｕが添加されており、時効処理によってＣ濃度０.１質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、何れも良好な被削性を示した。
これに対し、Ｃｕ含有量が０.５質量％以上であっても時効処理を施していない試験番号Ａ-2，Ｂ-2，Ｃ-2，Ｆ-2では、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％を下回っており、被削性が劣っていた。時効処理を施した鋼材であってもＣｕ含有量が０.５質量％未満の試験番号Ｊ-2では、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。０.５質量％以上のＣｕ含有量及び０.２体積％以上のＣｕリッチ相析出量であっても、Ｃｕリッチ相のＣ濃度が０.００１質量％未満と低い試験番号Ｐ-1では、Ｃｕリッチ相の脆化不足に起因して被削性が十分でなかった。
Figure 0004090889
表１の鋼材Ａを用いて、実施例１と同じ条件で供試材を作製した。得られた供試材に、４５０〜９５０℃及び０.５〜１２時間の範囲で条件を種々変更した時効処理を施した。時効処理後の各供試材について、実施例１と同様に被削性を調査した。
表３の調査結果にみられるように、５００〜９００℃で１時間以上時効処理された試験番号Ａ-4，Ａ-6〜Ａ-10は、Ｃ濃度０.１質量％以上を含むＣｕリッチ相の析出量が０.２体積％以上となっており、被削性に優れていた。
他方、時効処理温度が５００〜９００℃の範囲にあっても時効処理時間が１時間未満の試験番号Ａ-5では、Ｃ濃度０.１質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。また、時効処理温度が５００℃未満、或いは９００℃を超えると、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％未満となり、被削性に劣っていた。
以上の結果から、素材ステンレス鋼が０.５質量％以上のＣｕを含有すること及びＣ濃度０.１質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合でマトリックスに分散していることが被削性の改善に必要であり、５００〜９００℃×１時間以上の時効処理が０.２体積％以上の割合でＣｕリッチ相を分散析出させるために必要なことが確認された。
Figure 0004090889
表４に示した組成をもつ各種マルテンサイト系ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、鍛造加工後に焼鈍及び時効処理を施し、直径５０ｍｍの丸棒材を得た。なお、各鋼材を１０００℃で均熱３０分の焼鈍後、種々の温度で時効処理した。
Figure 0004090889
得られた鋼材から切り出された試験片を用いて、実施例１と同様にＣｕリッチ相の体積分率及びＣ濃度を定量すると共に、バイト磨耗を評価した。
７８０℃×９時間で時効処理した試験番号MA-1〜MP-1の供試材について、被削性の評価結果を表５に示す。被削性は、従来から被削性の良好な材料とされている試験番号ME-1のＶB磨耗時間を基準として各供試材を相対評価し、試験番号ME-1より良好な被削性を示すものを◎，同等の被削性を示すものを○，試験番号ME-1より被削性が劣るものを×と判定した。
本発明に従った試験番号MA-1，MB-1，MC-1，MF-1，MG-1，MI-1，MK-1の各供試材は、何れも０.５質量％以上のＣｕが添加されており、時効処理によってＣ濃度０.１質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、何れも良好な被削性を示していた。
これに対し、Ｃｕ含有量が０.５質量％以上であっても時効処理を施していない試験番号MA-2，MB-2，MC-2，MF-2では、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％を下回っており、被削性が劣っていた。また、時効処理を施した鋼材であってもＣｕ含有量が０.５質量％未満の試験番号MJ-2では、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。０.５質量％以上のＣｕ含有量及び０.２体積％以上のＣｕリッチ相析出量であっても、Ｃｕリッチ相のＣ濃度が０.００１質量％未満と低い試験番号MP-1では、Ｃｕリッチ相の脆化不足に起因して被削性が十分でなかった。
Figure 0004090889
表１の鋼材MAを用いて、実施例３と同じ条件で供試材を作製した。得られた供試材に、４５０〜９５０℃及び０.５〜１２時間の範囲で条件を種々変更した時効処理を施した。時効処理後の各供試材について、実施例１と同様に被削性を調査した。
表６の調査結果にみられるように、５００〜９００℃で１時間以上時効処理された試験番号MA-4，MA-6〜MA-10は、Ｃ濃度０.１質量％以上を含むＣｕリッチ相の析出量が０.２体積％以上となっており、被削性に優れていた。
他方、時効処理温度が５００〜９００℃の範囲にあっても時効処理時間が１時間未満の試験番号MA-5では、Ｃ濃度０.１質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。また、時効処理温度が５００℃未満、或いは９００℃を超えると、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％未満となり、被削性に劣っていた。
以上の結果から、素材ステンレス鋼が０.５質量％以上のＣｕを含有すること及びＣ濃度０.１質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合でマトリックスに分散していることがマルテンサイト系の場合でも被削性の改善に必要であり、５００〜９００℃×１時間以上の時効処理が０.２体積％以上の割合でＣｕリッチ相を分散析出させるために必要なことが確認された。
Figure 0004090889
表７に示した組成をもつ各種マルテンサイト系ステンレス鋼を３００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、１２３０℃で１時間加熱後、熱間圧延し、種々の温度で時効処理を施した後、酸洗して板厚４ｍｍ，幅５００ｍｍ，長さ１２００ｍｍの鋼板を得た。
Figure 0004090889
得られた鋼板を用い、横型フライス盤により被削性の評価を実施した。図１に評価試験の概要を示す。JIS B4107に規定される外径１２５ｍｍ，幅１０ｍｍの超硬フライス１の円周方向に１６個の超硬バイト２を取り付けたカッタを使用し、ダウンカットで回転速度２０００ｒｐｍ，送り速度０.６ｍｍ／分，切込み深さ０.５ｍｍ，切削方向は圧延方向に直角な方向として無潤滑で試験片３を切削した。
鋼板の長手方向１２００ｍｍを連続切削し、引き続き、幅方向に１０ｍｍ送って隣接する長手方向の切削を実施した。鋼板広面全域を０.５ｍｍ切り込んだ後で起点に戻り、新たに０.５ｍｍの切り込みを行った。この切込みを繰返し、バイト刃先が０.１ｍｍ減少するまでの切削時間を寿命判定基準としてバイト摩耗を評価した。
同じ鋼材から切り出した試験片を透過型電子顕微鏡で組織観察し、画像処理によってマトリックスに分散析出しているＣｕリッチ相を定量化してＣｕリッチ相の体積分率（体積％）を求めた。更に、Ｃｕリッチ相中のＳｎ又はＩｎ濃度をEDX分析により定量化した。
７９０℃×９時間で時効処理した試験番号MA-1〜MT-1の供試材の被削性評価結果を表８に示す。被削性は、従来から被削性の良好な材料とされている試験番号MT-1と比較し、試験番号MT-1より良好な被削性を示すものを◎，同等の被削性を示すものを○，試験番号MT-1より被削性が劣るものを×と判定した。
本発明に従った試験番号MB-1，MC-1，MD-1，MF-1，MG-1，MI-1，MJ-1，MK-1，ML-1，MM-1，MN-1，MO-1，MP-1，MQ-1，MR-1及びMS-1の各供試材は、何れも０.５質量％以上のＣｕを含み、０.００５質量％以上のＳｎが添加されており、時効処理によって１０質量％以上のＳｎ（MO-1においてはＩｎ）を含むＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、何れも良好な被削性を示していた。
これに対し、Ｃｕ含有量が０.５質量％以上であっても時効処理を施していない試験番号MＢ-2，MC-2，MD-2，MF-2，MG-2，MI-2，MJ-2，MK-2，ML-2，MM-2，MN-2，MO-2，MP-2，MQ-2，MR-2及びMS-2の各供試材では、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％を下回っており、被削性が劣っていた。また、時効処理を施した鋼材であってもＣｕ含有量が０.５質量％未満の試験番号MF-1，2では、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。更に、Ｃｕ含有量が０.５質量％以上であり、且つＣｕリッチ相が０.２体積％認められたMA-1は、従来から被削性の良好な材料とされている試験番号MT-1と比較し良好な被削性を示すが、Ｓｎ含有量が０.００５質量％未満であるため、Ｃｕリッチ相中のＳｎ量が１０質量％に達せず被削性が劣っていた。更に、Ｓ含有量が０.１５質量％を超えるML-1では熱間変形能が低く、評価試料として製造できなかった。
Figure 0004090889
表７の鋼材MCを用いて、実施例５と同じ条件で供試材を作製した。得られた供試材に、４５０〜９５０℃及び０.５〜１６時間の範囲で条件を種々変更した時効処理を施した。時効処理後の各供試材について、実施例５と同様に被削性を調査した。
表９の調査結果にみられるように、５００〜９００℃で１時間以上時効処理された試験番号MC-4，MC6〜MC10は、１０質量％以上のＳｎを含むＣｕリッチ相の析出量が０.２体積％以上となっており、被削性に優れていた。他方、時効処理温度が５００〜９００℃の範囲にあっても、時効処理時間が１時間に満たない試験番号MC-5では、Ｃｕリッチ相が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。また、時効処理温度が５００℃未満、或いは９００℃を超えると、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％未満となり、被削性に劣っていた。
以上の結果から、被削性の改善には、０.５質量％以上のＣｕ含有量，１０質量％以上のＳｎ又はＩｎを含有するＣｕリッチ相が０.２体積％以上の析出が必要であることが確認された。また、Ｃｕリッチ相を０.２体積％以上で析出させるためには、５００〜９００℃×１時間以上の時効処理が必要であることが判る。
Figure 0004090889
表１０に示した組成をもつ各種フェライト系ステンレス鋼を３００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、１２３０℃で１時間加熱後、熱間圧延し、種々の温度で時効処理を施した後、酸洗して板厚４ｍｍ，幅５００ｍｍ，長さ１２００ｍｍの鋼板を得た。
得られた鋼板を用い、実施例５と同様に横型フライス盤により被削性の評価を実施し、バイト刃先が０.１ｍｍ減少するまでの切削時間を寿命判定基準としてバイト摩耗を評価した。
同じ鋼材から切り出した試験片を透過型電子顕微鏡で組織観察し、画像処理によってマトリックスに分散析出しているＣｕリッチ相を定量化してＣｕリッチ相の体積分率（体積％）を求めた。更に、Ｃｕリッチ相中のＳｎ又はＩｎ含有量をEDX分析により定量化した。
Figure 0004090889
８２０℃×９時間で時効処理した試験番号FA-1〜FT-1の供試材の被削性評価結果を表１１に示す。被削性は、従来から被削性の良好な材料とされている試験番号FN-1と比較し、試験番号FN-1より良好な被削性を示すものを◎，同等の被削性を示すものを○，試験番号FN-1より被削性が劣るものを×と判定した。
本発明に従った試験番号FB-1，FC-1，FF-1，FG-1，FH-1，FI-1，FJ-1，FK-1，FL-1及びFM-1の各供試材は、何れも０.５質量％以上のＣｕを含み、０.００５質量％以上のＳｎが添加されており、時効処理によって１０質量％以上のＳｎ（FK-1においてはＩｎ）を含むＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合でマトリックスに分散析出しており、何れも良好な被削性を示していた。
これに対し、Ｃｕ含有量が０.５質量％以上であっても時効処理を施していない試験番号FB-2，FC-2，FF-2，FG-2，FH-2，FI-2，FJ-2，FK-2，FL-2及びFM-2の各供試材は、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％を下回っており、被削性が劣っていた。また、時効処理を施した鋼材であってもＣｕ含有量が０.５質量％未満の試験番号FE-1，2では、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。更に、Ｃｕ含有量が０.５質量％以上であり、且つＣｕリッチ相が０.２体積％認められたFA-1は、Ｓｎ含有量が０.００５質量％未満であるため、Ｃｕリッチ相中のＳｎ量が１０質量％に達せず、被削性が劣っていた。更に、Ｓｎ含有量が０.５質量％を超えるFD-1では熱間変形能が低く、評価試料を作製できなかった。
Figure 0004090889
表１０の鋼材FCを用いて、実施例７と同じ条件で供試材を作製した。得られた供試材に、４５０〜９５０℃及び０.５〜１１時間の範囲で条件を種々変更した時効処理を施した。時効処理後の各供試材について、実施例７と同様に被削性を調査した。
表１２の調査結果にみられるように、５００〜９００℃で１時間以上時効処理された試験番号FC-4，FC6〜FC10は、１０質量％以上のＳｎを含むＣｕリッチ相の析出量が０.２体積％以上となっており、被削性に優れていた。
他方、時効処理温度が５００〜９００℃の範囲にあっても、時効処理時間が１時間に満たない試験番号FC-5では、Ｓｎ含有量が１０質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％に達せず、被削性に劣っていた。また、時効処理温度が５００℃未満、或いは９００℃を超えると、Ｃｕリッチ相の析出量が０.２体積％未満となり、被削性に劣っていた。
以上の結果から、０.５質量％以上のＣｕ含有量，Ｓｎ又はＩｎ濃度が１０質量％以上のＣｕリッチ相が０.２体積％以上の割合で分散析出していることが被削性の改善に有効であることが確認された。また、Ｃｕリッチ相を０.２体積％以上で析出させるためには、５００〜９００℃×１時間以上の時効処理が必要であることが判る。
Figure 0004090889
以上に説明したように、本発明のフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼においては、０.５質量％以上のＣｕ及び０.００１質量％以上のＣを添加し、Ｃ濃度０.１質量％以上又はＳｎ，Ｉｎ濃度１０質量％以上のＣｕリッチ相を０.２体積％以上の割合でマトリックスに析出分散させているため、被削性に優れた材料である。しかも、被削性改善のためにＳ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｅ等の有害元素を含んでいないため、環境対策上の問題も解消される。このようにして、本発明に従ったステンレス鋼は、必要形状に切削加工され、家庭電気器具，家具調度品，厨房機器，各種機械・器具，機器等の材料として広範な分野で使用される。
被削性評価試験方法を説明する図

Claims (8)

  1. Ｃ：０．００１〜１質量％，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１５〜３０質量％，Ｎｉ：０．６０質量％以下，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｃ濃度０．１質量％以上のＣｕ主体の第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散していることを特徴とする被削性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
  2. Ｃ：０．００１〜１質量％，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１５〜３０質量％，Ｎｉ：０．６０質量％以下，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％を含み，更にＳｎ及び／又はＩｎを０．００５〜０．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｓｎ及び／又はＩｎ濃度１０質量％以上のＣｕ主体の第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散していることを特徴とする被削性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
  3. Ｃ：０．０１〜０．５質量％，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１０〜１５質量％，Ｎｉ：０．６０質量％以下，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｃ濃度０．１質量％以上のＣｕ主体の第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散していることを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。
  4. Ｃ：０．０１〜０．５質量％，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１０〜１５質量％，Ｎｉ：０．６０質量％以下，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％を含み，更にＳｎ及び／又はＩｎ：０．００５〜０．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｓｎ及び／又はＩｎ濃度１０質量％以上のＣｕ主体の第２相が０．２体積％以上の割合でマトリックスに分散していることを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。
  5. Ｎｂ：０．２〜１．０質量％，Ｔｉ：０．０２〜１質量％，Ｍｏ：３質量％以下，Ｚｒ：１質量％以下，Ａｌ：１質量％以下，Ｖ：１質量％以下，Ｂ：０．０５質量％以下，希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５質量％以下の１種又は２種以上を含む請求項１又は２記載のフェライト系ステンレス鋼。
  6. Ｎｂ：０．２〜１．０質量％，Ｔｉ：０．０２〜１質量％，Ｍｏ：３質量％以下，Ｚｒ：１質量％以下，Ａｌ：１質量％以下，Ｖ：１質量％以下，Ｂ：０．０５質量％以下，希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５質量％以下の１種又は２種以上を含む請求項３又は４記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
  7. Ｃ：０．００１〜１質量％，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１０〜３０質量％，Ｎｉ：０．６０質量％以下，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもつフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間圧延後から最終製品となるまでの間に５００〜９００℃の温度範囲で１時間以上加熱保持する時効処理を１回以上施し、Ｃ濃度０．１質量％以上のＣｕ主体の第２相の析出を促進させることを特徴とする被削性に優れたフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  8. Ｃ：０．００１〜１質量％，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１０〜３０質量％，Ｎｉ：０．６０質量％以下，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％を含み，更にＳｎ又はＩｎ：０．００５〜０．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもつフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間圧延後から最終製品となるまでの間に５００〜９００℃の温度範囲で１時間以上加熱保持する時効処理を１回以上施し、Ｓｎ及び／又はＩｎ濃度１０質量％以上のＣｕ主体の第２相の析出を促進させることを特徴とする被削性に優れたフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
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