JP4176617B2 - 熱間加工性に優れたｓ含有オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、快削性を良好にすべく大量のＳを含有したオーステナイト系ステンレス鋼鋳片を、分塊圧延等の付加プロセスを使用せずに直接線材等の製品に熱間圧延する際に問題となる表面疵について、これを生じ難い鋼材に関するものである。

普通鋼と比べ切削加工が困難であるステンレス鋼において、その被削性を良好にするためにＳを大量に添加したＳ快削ステンレス鋼は、ＯＡ機器のシャフト等に広く使用されており、オーステナイト系ではＳＵＳ３０４ベースでＳを添加しＭｎを高めたＳＵＳ３０３、更にＣｕを添加したＳＵＳ３０３Ｃｕ等がＪＩＳに規定されている。

これらＳ快削オーステナイト系ステンレス鋼はＳを大量に含有するため熱間加工時に割れが生じやすい難熱間加工鋼種である。そのため従来の製造法としては、分塊圧延等によって熱間でひずみを加えることにより鋳片の粗大結晶を再結晶させ微細粒とし、熱間加工性を向上させてから圧延に供することが多い。しかしながらこの方法は、鋳造から圧延までに余分な工程を必要とする上、再加熱に余分なエネルギーがかかる。更にコーナー部等に生じる割れを除去するための研削を必要とし歩留ロスも大きい。

そのため分塊圧延を省略しても割れを生じない方法として、発明者らは特許文献１にて円形断面鋳片を鋳片加熱工程で加熱後傾斜圧延にて軽度の圧延を行い、次いで孔型圧延を行うことにより棒線材を製造する際に、その傾斜圧延における鋼材表層のロール１回あたりの加工率が１５％以上となるよう断面減少率、ロール角度等の圧延条件を規定する方法を開示した。

ところで、ステンレス鋼の製造では、原料としてスクラップが使用されている。近年、製造コスト低減を目的に低価格のスクラップが大量に使われる傾向にある。この場合、スクラップ中に存在する不純物元素の材質特性に及ぼす影響を考慮する必要がある。この中で特に、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、ＳｎそしてＳについては濃度が上昇すると熱間加工時に割れが発生し易いといわれており、特許文献２には、上記成分組成を重量ｐｐｍでＰｂ：１５ｐｐｍ以下，Ｚｎ：２０ｐｐｍ以下，Ｂｉ：１５ｐｐｍ以下，Ｓｎ：２００ｐｐｍ以下，Ｓ： ９０ｐｐｍ以下とし、かつこれらの１次式で計算される値を一定値未満に規定した加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。

前述の通りＳ快削オーステナイト系ステンレス鋼はＳを場合によっては０．３％以上も添加する鋼であり、前述の特許文献２を満たすことは到底不可能であるが、通常の場合、Ｍｎ等の添加によりＳはＭｎＳ等の硫化物となり熱間加工性への影響を最小限にするような成分設計が為されているため、前述のように分塊圧延や傾斜圧延といった工程を加えることにより割れを生じずに圧延することは十分可能である。一方、Ｓ以外の不純物については他元素の添加等で回避することは出来ず、特許文献２の規制を満たす必要がある。

特開２００１−０１００４号公報 特開平６−１５８２３４号公報

本発明は、Ｓ含有オーステナイト系ステンレス鋼における不純物元素の規制量を明確にすること、更に成分の適正化により分塊圧延を省略した傾斜圧延による直行プロセスでも確実に表面疵を生じないＳ含有オーステナイト系ステンレス鋼材を提供することを目的とする。

本発明は上記課題の解決に当たり、Ｓ含有オーステナイト系ステンレス鋼における表面疵発生に及ぼす不純物元素を始めとした成分の影響を綿密に調査し、その結果優れた特性をもつ材料を見出したことに基づくもので、特に不純物元素Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｓｎの影響について、通常のオーステナイト系ステンレス鋼とは異なる現象に基づく表面疵発生機構を明確にし、その結果として最適な鋼材成分系を得たことに基づいて構成したものである。

本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％にてＣ：０．００１〜０．１５％
Ｓｉ：０．１〜０．７％
Ｍｎ：１．０〜３％
Ｐ ：０．１％以下
Ｓ ：０．１〜０．４％
Ｎｉ：７〜１４％
Ｃｒ：１６〜２０％
Ｎ：０．０８％以下を含有し、
更に、Ｐｂ＋Ｂｉ：０．０００２％以下、
Ｚｎ：０．００１％以下、
Ｓｎ：０．０２％以下
である熱間加工性に優れたＳ含有オーステナイト系ステンレス鋼。
（２）（１）に加え更にＭｏ：０．５〜３％以下、Ｃｕ：０．５〜３．５％以下のうち１種又は２種を含有する熱間加工性に優れたＳ含有オーステナイト系ステンレス鋼。
（３）（１），（２）において下式で表されるδＦｅ（ｃａｌ）値が−２．５以上１．５以下である熱間加工性に優れたＳ含有オーステナイト系ステンレス鋼。
δＦｅ（ｃａｌ）＝３（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ）
−２．８｛Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２５Ｃｕ＋３０（Ｃ＋Ｎ）｝
−１９．８ （１）式

本発明によれば、分塊圧延を省略し代わりに傾斜圧延を孔型圧延の直前に行う直行プロセスにおいて、高Ｓオーステナイト系ステンレス鋼における熱間圧延時の表面疵の課題を解決し、安定して高品質の圧延材を供給することが可能であり、大幅なコスト，時間を省略出来、産業上有用な効果が奏される。

以下、発明を詳細に説明する。

前述のように、Ｓ含有オーステナイト系ステンレス鋼についてＳ以外の不純物については特許文献２の条件を満たし、かつ熱間引張試験による破断絞り値が十分良好であるのを確認した上で製造しても特定チャージのみ極端に表面疵が大量に発生する現象について、発明者らは綿密に調査を重ねていったところ、当該鋼では前述の不純物元素のうち特にＰｂとＢｉについてはその寄与度が他と比べ非常に大きく、Ｐｂ，Ｂｉ合計で０．０００２％を超えると表面疵発生率が急激に増加することを突き止めた。その結果を基に、Ｓ含有オーステナイト系ステンレス鋼についてＰｂとＢｉをメインとして不純物を極力規制したのが本発明の主旨とするところである。

Ｐｂ，Ｂｉは低融点かつステンレス母材にほとんど固溶しない金属元素であり、凝固時の溶質濃化により偏析し、粒界に低融点相を形成することにより粒界強度を弱め、熱間加工性を非常に悪化させる元素である。しかしながら、過去の知見では前述の通り１５ｐｐｍ以下を確保すれば熱間加工性は維持されており、これらが高蒸気圧成分であり高温化での蒸発反応により除去可能であることから、それほど問題視されていなかった。しかしながら、図１にＰｂ＋Ｂｉ量と表面疵との関係を示すとおり、高Ｓオーステナイト系ステンレス鋼の場合、鋼中に極微量の０．０００２％超あるだけで表面疵が大量に発生する現象を生じさせることを発明者らは見出したのである。

この微量レベルのＰｂ，Ｂｉは蒸発せずに残存する可能性があり、場合によっては原料の管理により当初から混入させない方策を検討する必要がある。

さらに、上記の現象の解明を困難ならしめた原因として、熱間引張試験による破断絞り値では良好材とほぼ同レベルの成績であるにもかかわらず、実際の圧延においては表面疵が多発したことがある。この原因は、本発明で問題にしているような微量不純物では、破断絞り値に発現するような大面積の粒界が影響を受けるのではなく、ごく一部の粒界において影響が発現するのであり、その結果、熱間引張試験での絞り値では明確にはならないが、表面疵にはなるものと推定される。

また、この現象が高Ｓオーステナイト系ステンレス鋼のみで発生した原因は、高Ｓ量起因で粒界にＳがあるため通常鋼より粒界強度が弱く、上記のようなごく一部の粒界で発現した影響が表面疵になる程度まで大きくなるためと考えられる。

以下、鋼の成分範囲について本発明の範囲を上記に限定した理由を述べる。

Ｃは母材の加工硬化を助長し、工具寿命を劣化させるばかりか、熱間加工性， 耐食性を劣化させる。そのため、上限を０．１５％とした。また、Ｃを極端に低減することは精練コスト高となるために下限を０．００１％とした。好ましくは、０．０３〜０．１０％である。

Ｓｉは脱酸をするために０．１％以上添加するが、加工硬化を助長し、工具寿命を劣化させるため、上限を０．７％とした。好ましくは、０．１〜０．６％である。

Ｍｎは脱酸元素であり、熱間加工性の確保のために下限を０．３％とした。しかしながら、大量に添加すると溶解時に耐火物の溶損を生じコスト高となるので上限を３％とした。好ましくは１．０〜２．８％である。

Ｐは熱間製造性を著しく劣化させる元素であるため、上限を０．１％とした。好ましくは０．０２〜０．０５％である。

Ｓは被削性を向上させる元素であるため、０．１％以上添加する。しかしながら、０．４％を超えて添加しても被削性への効果は飽和するし、熱間加工性や耐食性が著しく劣化する。そのため、上限を０．４％とした。好ましくは、０．１〜０．３５％である。

Ｎｉはオーステナイト相を形成し、耐食性と靱性を向上させる基本元素であり、７％以上添加する。しかしながら、１４％を超えて添加すると熱間加工性が劣化し、表面疵が多発する。そのため、上限を１４％とした。好ましくは８〜１２％である。

Ｃｒはオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保するために１６％以上添加する。しかしながら、過度に添加すると組織中にデルタフェライトが出現し、熱間加工性の劣化や磁性の発現を招く。そのため、上限を２０％とした。好ましくは１６．５〜１９％である。

Ｎは母材の加工硬化を助長し、工具寿命を劣化させる。そのため、上限を０．０８％とした。好ましくは、０．０１〜０．０５％である。

Ｐｂ＋Ｂｉの規制は本発明の最も重要な項目である。両元素は粒界に低融点相を形成することにより粒界強度を著しく低下させ、大量の表面疵を発生させるため、高Ｓオーステナイト系ステンレス快削鋼においては、ＰｂとＢｉは極低レベルに抑制する必要がある。このため、Ｐｂ＋Ｂｉ上限を０．０００２％とした。

Ｚｎ、Ｓｎはある程度Ｆｅと固溶するためＰｂ、Ｂｉに比べて影響は少ないものの高濃度では同様の影響があり、上限をＺｎは０．００１％、Ｓｎは０．０２％とした。

これに加え、耐食性や冷間加工性を向上させるため、Ｍｏ、Ｃｕの何れかもしくは両方を添加することが好ましい。

Ｍｏは耐食性を向上させるために非常に効果的な元素であるために０．５％以上添加することが好ましい。しかしながら、過度に添加すると組織中にδフェライトが出現し、熱間加工性の劣化や磁性の発現を招くため、０．５〜３％とした。好ましくは、１〜２．５％である。

Ｃｕは加工硬化抑制により冷間加工性が向上する上、工具寿命の向上にも寄与する。その効果は０．５％以上添加することが好ましい。しかしながら、３．５％を超えて添加してもその効果は飽和するし、熱間加工性を劣化させる。そのため、Ｃｕの範囲は０．５〜３．５％とした。好ましくは１〜３．２％である。

また、更に熱間加工性の向上を図るために、必要に応じて、前記の（１）式で規定されるδＦｅ（ｃａｌ）値が−２．５以上１．５以下であるように成分を調整することが好ましい。この（１）式による調整は、本発明に示す範囲の高Ｓオーステナイト系ステンレス鋼において、鋳造時にデルタフェライトが少量残るようにするもので、これにより凝固時にＳがデルタフェライト中に固溶されるため、粒界に濃縮し粒界強度を低下するのを抑制できる。この効果を発揮するにはδＦｅ（ｃａｌ）値が−２．５以上である必要があるが、値が大きすぎると大量のデルタフェライトによりかえって熱間加工性が悪化する上、磁性の発現を招くため上限を１．５とした。

次に、本発明の優位性を実施例と比較例を用いて、具体的に説明する。表１に本発明例と比較例の化学成分と製造条件および圧延結果を示す。いずれの供試材もステンレス鋼の通常の精錬工程（例えば、電気炉または転炉溶解後、真空或いはアルゴン／酸素脱炭処理による精錬）で溶解・精錬後、連続鋳造により製造した鋳片をそのまま熱間圧延した。

熱間圧延方法は特許文献１に記載の傾斜圧延を用いた直行プロセスにより、１７０φの鋳片を傾斜圧延により１４０φとし、更に孔型圧延で１０．０φの線材としている。傾斜圧延の圧延温度は１１００℃、孔型圧延の圧延温度は９５０℃以上をキープした。得られた熱延材を１１００℃で焼鈍し、引き続き、酸洗し、引抜き，矯直加工によりφ９．５ｍｍの棒鋼にした。その後、表面疵，耐食性，被削性，磁性を評価した。

評価は熱延材の表面疵と切削性について行った。表面疵は、得られた１０．０φの線材について割れ発生を目視評価し、以下のようにランク付けした。
◎：表面疵発生無し ○：ごく少量の表面疵発生 △：一部表面疵発生 ×：全面表面疵発生。

切削性は、ＮＣ旋盤で超鋼バイトを使用し、切込み０．５ｍｍ（製品径φ８．３ｍｍ）、送り０．０５ｍｍ，周速５０ｍ／ｍｉｎ 、切削油無しの条件で長さがΦ８．５×１５ｍｍの製品を３００個製造し、工具の先端の摩耗幅を拡大鏡にて測定し、通常のＳＵＳ３０３並みもしくはそれ以上の特性を得られたものを○、不良だったものを×とした。

本発明例Ｎｏ．１，２は本発明の請求項１に関するものであり、Ｐｂ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｓｎを規定以下に制限することで一部表面疵が発生するものの手入れによる救済が可能なレベルである。Ｎｏ．３〜５は本発明の請求項２に関するものであり、Ｍｏ，Ｃｕを単独もしくは複合添加しても同様の特性を有することが判る。

次に本発明例Ｎｏ．６〜１２は本発明の請求項３に関するものであり、δＦｅ（ｃａｌ）値を−２．５〜１．５の範囲内にすることで、表面疵が極少量か全く発生しなくなる。

一方、Ｎｏ．１３〜３０は比較例である。まずＮｏ．１３はＰｂ＋Ｂｉが、Ｎｏ．１４はＺｎが、Ｎｏ．１５はＳｎがそれぞれ高すぎることで全長に渡って表面疵が多発し、線材の製造が不可となる。

Ｎｏ．１６はＣが高すぎるため熱間加工性が悪い上に切削工具の寿命も短くなる。Ｎｏ．１７はＳｉが低すぎるため脱酸が不良であり、過大に酸化物を生じ工具寿命の劣化を招く。Ｎｏ．１８は逆に高すぎるため加工硬化により切削工具の寿命を短くする。Ｎｏ．１９はＭｎが低すぎるため熱間加工性が不良であり表面疵が多くなる。Ｎｏ．２０はＭｎが高すぎる場合で特性上は特に問題ないが、コスト高となるので本発明からは除外している。Ｎｏ．２１はＰが高すぎるため熱間加工性が不良であり表面疵が多発する。

Ｎｏ．２２はＳが低すぎるため快削性が不良である。Ｎｏ．２３は逆に高すぎるため熱間加工性が不良で表面疵が多発する。Ｎｏ．２４はＮｉが低すぎるため耐食性、靱性が不良である。Ｎｏ．２５は逆に高すぎるため熱間加工性が不良で表面疵が多発する。Ｎｏ．２６はＣｒが低すぎるため耐食性が不良である。Ｎｏ．２７は逆に高すぎるため熱間加工性が不良で表面疵が多発する。Ｎｏ．２８はＮが高すぎるため切削工具の寿命が短くなる。

Ｎｏ．２９はＭｏが、Ｎｏ．３０はＣｕがそれぞれ高すぎることで熱間加工性が悪く表面疵が多発する。

鋼中のＰｂ＋Ｂｉ量と表面疵との関係を示した図である。

Claims (3)

1. 質量％にて
   Ｃ：０．００１〜０．１５％
   Ｓｉ：０．１〜０．７％
   Ｍｎ：１．０〜３％
   Ｐ ：０．１％以下
   Ｓ ：０．１〜０．４％
   Ｎｉ：７〜１４％
   Ｃｒ：１６〜２０％
   Ｎ：０．０８％以下を含有し、
   更に、Ｐｂ＋Ｂｉ：０．０００２％以下、
   Ｚｎ：０．００１％以下、
   Ｓｎ：０．０２％以下
   であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間加工に優れたＳ含有オーステナイト系ステンレス鋼。
2. 更にＭｏ：０．５〜３％、Ｃｕ：０．５〜３．５％のうち１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱間加工に優れたＳ含有オーステナイト系ステンレス鋼。
3. （１）式で表されるδＦｅ（ｃａｌ）値が−２．５以上１．５以下であることを特徴とする請求項１および２に記載の熱間加工に優れたＳ含有オーステナイト系ステンレス鋼。
   δＦｅ（ｃａｌ）＝３（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ）
   −２．８｛Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．２５Ｃｕ＋３０（Ｃ＋Ｎ）｝
   −１９．８・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１） 式

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