JP4279041B2 - アウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密機器であるHDD部品等に使用されるアウトガス特性に優れた非Pb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、HDDのスピンドルモーターハブ、スリーブ、シャフト、スペーサ、ヘッドクランプ等の部品は精密作動性が必要なことから、構成部品にも高い寸法精度が要求されている。これらの部品は切削加工で成型されるため、安定した寸法精度と生産性を確保するために、その素材には快削性が求められる。しかも、錆等のコンタミネーションを嫌い、材料からのSガス(アウトガス)を抑制するために、低Mn化して硫化物の耐食性を高めたS快削ステンレス鋼が多用されている。これは、低Mn化により硫化物中のCr濃度を高めて(Cr,Mn)Sとして硫化物自体の耐食性を向上させ、Sガスの発生(アウトガス)を抑えるためである。
【0003】
しかしながら、(Cr,Mn)Sは通常のMnSと比較して硬さが高く、被削性改善に及ぼす効果はやや小さい。この欠点を補うため、Sに加えて快削元素であるPbやTeまたはSeを含有した被削性改善鋼が使用されている。一方、近年の環境意識の高まりにより、有害物質の使用を削減する動きが強まっており、快削ステンレス鋼においてもPbやTeまたはSeのような有害物質の添加なく被削性を改善する方法が望まれているが、高い寸法精度を必要とする本用途にはこれらを使用せずに快削性を付与する合理的な方法は知られていなかった。
【0004】
以上のように、アウトガスを抑制した快削ステンレス鋼の被削性を改善することが課題になっていた。アウトガス特性に優れた快削ステンレス鋼の一つとして、例えば特開平10−237603号公報(特許文献1)が開示されている。この発明は、S+Seの添加により、被削性の改善を図ったものである。しかしながら、Seは有害物質であるうえ、アウトガス特性改善のため低Mn化して組成制御された(Mn,Cr)(S,Se)がMn(S,Se)より快削性に劣る点について特段の対策を講じていない。
【0005】
また、特開2001−98352号公報(特許文献2)が開示されている。この発明は、低Mn化して組成制御された(Cr,Mn)Sの形状を、Oの添加によって被削性に好適な形状に保っている。しかしながら、Oを高める方法は、同時に硬質酸化物の多量生成にため、逆に被削性を減じる危険性も含んでいる。さらに、特開2002−38238号公報(特許文献3)が開示されている。この発明は、CとSまたはSeを含有する(Ti,Zr)系化合物により被削性を向上させたとしている。しかしながら、この化合物は、(Cr,Mn)Sと比較しても被削性改善に対する寄与は小さい。
【0006】
【引用文献】
(1)特許文献1(特開平10−237603号公報)
(2)特許文献2(特開2001−98352号公報)
(3)特許文献3(特開2002−38238号公報)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように、アウトガスを嫌い、かつ快削性が求められる快削ステンレス鋼として、低Mn化して硫化物組成を制御したり、別種の化合物を利用したりする方法が開示されているものの、有害物質を使用せずにさらなる快削性を追求するための有効な方法は知られていない。本発明は、このような問題を鑑みて、優れたアウトガス特性と被削性の両者を具備した快削ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【0008】
【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ために発明者らは鋭意開発を進めた結果、質量%で、Bを0.0151〜0.10%、Nを0.02〜0.10%添加することにより、BN(ボロンナイトライド)が生成し、このBNと硫化物の複合効果により飛躍的に被削性が改善することを見出した。BNの役割は、切削加工時のマトリックスー硫化物間の亀裂発生を助長して工具摩耗の減少や切削処理性の改善をもたらすことにあると考えられる。
【0009】
その発明の要旨とするところは、
(1)質量%で、C:0.05%以下、Si:1.0%以下、Mn:0.5%以下、Cr:15〜25%、S:0.05〜0.40%、B:0.0151〜0.10%、N:0.02〜0.10%、残部Feおよび不可避的不純物からなり、Mn/S比が2以下、およびBN(ボロンナイトライド)生成による被削性を向上させることを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼。
(2)前記(1)に加えて、O:0.001〜0.050%、Ca:0.001〜0.010%、の1種または2種を含有させたことを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼。
【0010】
(3)前記(1)または(2)に加えて、Ni:1%以下、Mo:2%以下、Cu:1%以下、Ti:0.03%以下、V:0.03%以下、Nb:0.03%以下、W:0.03%以下、の1種または2種以上を含有させたことを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼。
(4)前記(1)〜(3)に加えて、Al:0.001〜0.100%、Mg:0.001〜0.010%、REM:0.001〜0.010%、の1種または2種以上を含有させたことを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼である。
【0011】
【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述べる。
C:0.05%以下
Cは、強度を上げる重要な元素であるが、しかし、多すぎると耐食性を悪化させるので、その上限を0.05%とした。
Si:1.0%以下
Siは、製鋼時脱酸剤として有用であり、鋼材の強度を高める効果がある。しかし、多すぎると焼なまし硬さを大きくし加工性を阻害することから、上限を1.0%とした。
【0012】
Cr:15〜25%
Crは、ステンレス鋼の基本的な元素で酸化皮膜を形成し耐食性を付与する。従って、少ないと十分な耐食性皮膜を形成できず、多いと高価であり、かつ熱間加工性が悪化するので、その範囲を15〜25%とした。
B:0.0151〜0.10%
Bは、本発明の最大の特徴であり、Nと反応しBNが硫化物を核として生成し、これらの複合効果で被削性が改善される。しかし、0.0151%未満では十分なBNが生成しない。また、多すぎると逆に悪化させるので、その上限を0.10%とした。
【0013】
Cr:15〜25%
Crは、ステンレス鋼の基本的な元素で酸化皮膜を形成し耐食性を付与する。従って、少ないと十分な耐食性皮膜を形成できず、多いと焼なまし硬さを上げるとともに靭性を低下させるので、その範囲を15〜25%とした。
B:0.01〜0.10%
Bは、本発明の最大の特徴であり、Nと反応しBNが硫化物等を核として生成し、これらの複合効果で被削性が改善される。しかし、0.01%未満では十分なBNが生成しない。また、多すぎると熱間加工性を悪化させるので、その上限を0.10%とした。
【0014】
N:0.02〜0.10%
Nは、上記したBと反応しBNとなり、被削性を改善する。しかし、0.02%未満では十分なBNが生成しない。また、過大な添加は鋼塊中に欠陥を生じさせるので、その上限を0.10%とした。
O:0.001〜0.050%
Oは、硫化物の熱間延性を下げて被削性を改善する。また、多すぎると被削性改善効果が飽和し、酸化物量が増加して逆に被削性を低下させる。従って、その範囲を0.001〜0.050%とした。
【0015】
Ca:0.001〜0.010%
Caは、強力な脱酸元素であり、その酸化物は被削性を改善する。しかし、多すぎると硬質酸化物が生成して被削性低下をもたらす。従って、その範囲を0.001〜0.010%とした。
Ni:1%以下
Niは、非酸化性酸に対する耐食性を改善する効果を有する。しかし、多量の添加は焼なまし硬さを上昇させるため、その上限を1%とした。
【0016】
Mo:2%以下
Moは、耐食性を向上させる元素である。しかし、多すぎると脆化相を析出し耐食性、機械的性質を低下させるので、その上限を2%とした。
Cu:1%以下
Cuは、耐食性改善、冷間加工性改善の効果がある。しかし、過剰添加は熱間加工性を悪化させるので、その上限を1%とした。
【0017】
Ti:0.03%以下
Tiは、Ti炭窒化物形成により耐食性改善に有効だが、しかし、多すぎると脆化を起こすので、その上限を0.03%とした。
V:0.03%以下
Vは、炭窒化物を生成し、耐食性を向上させるに有効である。しかし、多すぎると熱間加工性を低下させるので、その上限を0.03%とした。
【0018】
Nb:0.03%以下
Nbは、強力な炭窒化物生成元素でNb炭窒化物を形成し、Cr炭化物の生成を抑制し、耐食性を向上させる。しかし、多すぎると熱間加工性を悪化させるので、その上限を0.03%とした。
W:0.03%以下
Wは、強力な炭窒化物生成元素でW炭窒化物を形成し、耐食性を向上させる。しかし、多すぎると熱間加工性を悪化させるので、その上限を0.03%とした。
【0019】
Al:0.001〜0.100%
Alは、脱酸、脱窒元素であり、熱間延伸性を改善する元素である。0.001%以下ではその効果が小さく、多すぎると二次酸化の危険が増すため、その範囲を0.001〜0.100%とした。
Mg:0.001〜0.100%
Mgも、熱間加工性を改善する元素である。しかし、0.001%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0.001〜0.100%とした。
【0020】
REM:0.001〜0.100%
REMも、熱間加工性を改善する元素である。しかし、0.001%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0.001〜0.100%とした。
Mn/S比:2以下
Sを添加した快削ステンレス鋼のアウトガス特性は、Mn/S比で決定される。Mn/S比が低いほど、硫化物中のCr量が増加し、アウトガス特性が向上する。Mn/S比が2を超えると、顕著なアウトガスが認められることから、その上限を2とした。
【0021】
本発明の最大の特徴は、通常のフェライト系快削ステンレス鋼の一般的な範囲を超えたBおよびNを添加することにより、BNを生成させて被削性を飛躍的に改善することである。しかし、B,Nのいずれかが本発明の範囲よりも少ないと被削性改善に十分なBNが生成しない。
【0022】
【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−焼きなまし後、各種試験に供した。
(1)介在物形態観察は、鋼塊鋳込みままにおける介在物形態を観察した。
(2)旋削超硬工具摩耗は、φ60焼きなまし材について以下の条件で旋削し、10min切削後の逃げ面摩耗量を測定した。
工具:超硬P20、0.4R、周速:200m/min、切込:1.0mm、送り:0.2mm/rev、切削油:なし。
【0023】
(3)アウトガス試験は、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。
【0024】
【表1】
【0025】
表1に示すように、No.1〜7は本発明例であり、No.8〜12は比較例である。また、図1に、本発明例であるNo.1と比較例であるNo.8の鋼塊鋳込みままの介在物形態を示す。この図に示すように、本発明例であるNo.1には硫化物(Cr,Mn)Sの周囲にBNが生成している。比較例のNo.8に生成している介在物は硫化物(Cr,Mn)Sのみである。No.1〜7の本発明例では被削性、アウトガス性、耐食性のいずれも兼備している。これに対し、比較例であるNo.8、9はBおよびNが少ないためにBNが生成せず被削性が悪い。No.10はNが不足しているためBNが生成せず被削性が悪い。No.11はMn/Sが2.22と高いため、被削性は改善方向にあるが、アウトガス特性、耐食性に劣っている。No.12はMn/Sが3.98とさらに高いため、被削性は良好であるが、アウトガス特性、耐食性が悪いことが判る。
【0026】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により優れたアウトガス特性が要求される特にHDD部品用に、Pb等の有害物質を使用せずに優れた被削性を有する快削ステンレス鋼を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】鋼塊の介在物形態を示す顕微鏡写真である。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.05%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:0.5%以下、
Cr:15〜25%、
S:0.05〜0.40%、
B:0.0151〜0.10%、
N:0.02〜0.10%、
残部Feおよび不可避的不純物からなり、Mn/S比が2以下、およびBN(ボロンナイトライド)生成による被削性を向上させることを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼。 - 請求項1に加えて、
O:0.001〜0.050%、
Ca:0.001〜0.010%、
の1種または2種を含有させたことを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼。 - 請求項1または2に加えて、
Ni:1%以下、
Mo:2%以下、
Cu:1%以下、
Ti:0.03%以下、
V:0.03%以下、
Nb:0.03%以下、
W:0.03%以下、
の1種または2種以上を含有させたことを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼。 - 請求項1〜3に加えて、
Al:0.001〜0.100%、
Mg:0.001〜0.010%、
REM:0.001〜0.010%、
の1種または2種以上を含有させたことを特徴とするアウトガス特性に優れた非Pb快削ステンレス鋼。
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