JP4592224B2 - 被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼及び製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、毒性のないＣｕの添加によって被削性を改善したオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。また、工作機械の自動化・省力化に伴って被削性に優れたステンレス鋼が望まれているため、ＪＩＳＧ４３０３に規定されるＳＵＳ３０３のように快削性元素としてＳを添加し、ＳＵＳ３０３ＳｅのようにＳｅを添加し、被削性を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。さらにマルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＪＩＳＧ４３０３に規定されるＳＵＳ４１０Ｆや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を添加して被削性を改善したステンレス鋼が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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る。しかも、機械的性質に異方性を生じさせる原因にもなる。またＳｅ添加により被削性を付与した場合、有害な元素を添加することが環境対策上で問題となる。さらに、Ｐｂ添加により被削性を向上させた場合、使用中に有害なＰｂの溶出があり、リサイクル利用しにくい材料でもある。
【０００４】
ところで、本発明者らは、環境に悪影響を及ぼすことなく被削性を著しく向上させる手段として、一定量以上のＣを含むＣｕを主体とした第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（特願２０００−６３９９６）。
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たオーステナイト系ステンレス鋼を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｓｎ又はＩｎを１０質量％以上含む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オーステナイト系ステンレス鋼の被削性を改善したものである。
【０００６】
具体的には、Ｃ：０．００１〜０．３質量％，Ｓｉ：２．０質量％以下，Ｍｎ：５．０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：５〜１２質量％，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％，Ｓｎ又はＩｎ：０．００５〜０．５質量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、必要に応じて更にＳ：０．１５質量％未満，Ｎｂ：０．０１〜１．０質量％，Ｔｉ：０．０１〜１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％以下及び希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５質量％以下の１種又は２種以上を含むオーステナイト鋼を、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又はＩｎを１０質量％以上含む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析出させたものである。
（以下余白）
【０００７】
【作用】
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、工具−被削材との潤滑及び熱伝導に及ぼすε−Ｃｕ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、一部がＣｕリッチ相として微細にかつ均一に析出していると、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。
特にオーステナイト系ステンレス鋼は、結晶構造が面心立方晶ｆ.c.c.であり、Ｃｕリッチ相と同一の結晶構造を有するため整合する。したがって、結晶構造がＣｕリッチ相と異なり体心立方b.c.cであるフェライト系ステンレス鋼と焼き鈍し状態のマルテンサイト系ステンレス鋼に見られる、大きな転位の集積による被削性の向上が期待できない。
【０００８】
そこで、本発明の根幹であるＳｎ又はＩｎを０．００５質量％以上添加することにより、Ｃｕリッチ相中に１0質量％以上の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。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、破壊現象である被削性が向上し、かつ低融点の異物が切削工具との間で潤滑作用をするため、工具寿命が著しく向上することになる。
【０００９】
Ｃｕリッチ相を析出させる手段としては、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Ｓｎ又はＩｎを１０質量％以上含む低融点のＣｕリッチ相の析出が促進され、優れた被削性がオーステナ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等の元素の添加や、Ｓ含有量を増やして硫化物を形成することによっても促進される。炭窒化物や硫化物等は、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。
【００１０】
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：０．００１〜０．３質量％
Ｃはオーステナイト形成元素であり、不可避的に含まれる。ただし、過剰に含有すると硬質化し、加工性が損なわれるため、本発明では、その上限を０．３質量％に設定した。
【００１１】
Ｓｉ：１．０質量％以下
製鋼時脱酸に有用な元素であるが、２．０質量％を超える過剰量でＳｉが含まれると、硬質化し加工性が低下する。
Ｍｎ：５．０質量％以下
Ｎｉとともにオーステナイト相を安定化する有用な元素である。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、５．０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。
【００１２】
Ｓ：０．１５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０．１５重量％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０．１５質量％に設定した。
Ｃｒ：１０〜２０質量％
オーステナ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、２０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、過度に硬化するとともに製造性，加工性に悪影響を及ぼす。
【００１３】
Ｎｉ：５〜１２質量％
オーステナイト系ステンレス鋼に必須の元素であり、安定的にオーステナイト相を発現させるためには５質量％以上必要である。一方、高価な元素であるため、その効果と製造コストを勘案し、その上限は１２質量％とした。
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オーステナ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に、本発明においては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。
【００１４】
Ｓｎ又はＩｎ：０．００５質量％以上
Ｃｕ同様、本発明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、１０質量％以上の割合でＣｕリッチ相に含まれている必要がある。この割合でＣｕリッチ相にＳｎ又はＩｎのいずれか又は両方が含まれているとき、Ｃｕリッチ相自身が低融点化するため被削性が著しく向上する。この低融点化を発現させるためには、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。ただし、含有量の増加により、過度に低融点化すると液膜脆化により熱間圧延性が著しく低下するため、その上限値は０．５質量％とすることが望ましい。
【００１５】
Ｎｂ：０．０１〜１質量％
Ｃｕリッチ相は、各種析出物のなかでもＮｂ系析出物の周囲に析出する傾向が強い。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、必要に応じて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０．０１〜１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、拡散速度が遅くなるため、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時間以上で施され、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。
【実施例１】
表１に示した組成をもつ各種オーステナ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。
【００２０】
【００２１】
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。カッタはＪＩＳＢ４１０７に規定される外径１２５ｍｍ、幅１０ｍｍの超硬フライスを用い、ダウンカットで回転速度２０００ｒｐｍ、送り速度０．６ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ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切り込んだ後は、もとの起点に戻り、新たに０．５ｍｍの切り込みを行った。これを繰返し、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。また、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。さらに、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。
【００２２】
７９０℃×９時間で時効処理した試験番号Ａ−１〜Ｑ−１の供試材について行った被削性の評価結果を表２に示す。表２において、従来から被削性の良好な材料とされている試験番号Ｑ−１と比較し、試験番号Ｑ−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Ｑ−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Ｂ−１，Ｃ−１，Ｄ−１，Ｆ−１，Ｇ−１，Ｉ−１，Ｊ−１，Ｋ−１，Ｌ−１，Ｍ−１，Ｎ−１，Ｏ−１及びＰ−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（Ｌ−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。
【００２３】
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Ｂ−２，Ｃ−２，Ｄ−２及びＦ−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Ｈ−１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。さらに、Ｃｕ含有量が０．５質量％以上であり、かつＣｕリッチ相が０．２体積％認められたＡ−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Ｑ−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。
【００２４】
【００２５】
【実施例２】
表１の鋼材Ｃ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０．５〜１６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１と同様に被削性を調査した。その結果を表３に示すが、５００〜９００℃で１時間以上時効処理された試験番号Ｃ−４，Ｃ６〜Ｃ１０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Ｃ−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、あるいは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。
【００２６】
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼においては、０．５質量％以上のＣｕと０．００５質量％以上のＳｎ又はＩｎを添加し、１０質量％以上のＳｎ又はＩｎを含有する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、本発明に従ったマルテンサイト系ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼は、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】被削性評価試験方法を説明する図
【産業上の利用分野】
本発明は、毒性のないＣｕの添加によって被削性を改善したオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。また、工作機械の自動化・省力化に伴って被削性に優れたステンレス鋼が望まれているため、ＪＩＳＧ４３０３に規定されるＳＵＳ３０３のように快削性元素としてＳを添加し、ＳＵＳ３０３ＳｅのようにＳｅを添加し、被削性を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。さらにマルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＪＩＳＧ４３０３に規定されるＳＵＳ４１０Ｆや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を添加して被削性を改善したステンレス鋼が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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る。しかも、機械的性質に異方性を生じさせる原因にもなる。またＳｅ添加により被削性を付与した場合、有害な元素を添加することが環境対策上で問題となる。さらに、Ｐｂ添加により被削性を向上させた場合、使用中に有害なＰｂの溶出があり、リサイクル利用しにくい材料でもある。
【０００４】
ところで、本発明者らは、環境に悪影響を及ぼすことなく被削性を著しく向上させる手段として、一定量以上のＣを含むＣｕを主体とした第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（特願２０００−６３９９６）。
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たオーステナイト系ステンレス鋼を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｓｎ又はＩｎを１０質量％以上含む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オーステナイト系ステンレス鋼の被削性を改善したものである。
【０００６】
具体的には、Ｃ：０．００１〜０．３質量％，Ｓｉ：２．０質量％以下，Ｍｎ：５．０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：５〜１２質量％，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％，Ｓｎ又はＩｎ：０．００５〜０．５質量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、必要に応じて更にＳ：０．１５質量％未満，Ｎｂ：０．０１〜１．０質量％，Ｔｉ：０．０１〜１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％以下及び希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５質量％以下の１種又は２種以上を含むオーステナイト鋼を、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又はＩｎを１０質量％以上含む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析出させたものである。
（以下余白）
【０００７】
【作用】
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、工具−被削材との潤滑及び熱伝導に及ぼすε−Ｃｕ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、一部がＣｕリッチ相として微細にかつ均一に析出していると、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。
特にオーステナイト系ステンレス鋼は、結晶構造が面心立方晶ｆ.c.c.であり、Ｃｕリッチ相と同一の結晶構造を有するため整合する。したがって、結晶構造がＣｕリッチ相と異なり体心立方b.c.cであるフェライト系ステンレス鋼と焼き鈍し状態のマルテンサイト系ステンレス鋼に見られる、大きな転位の集積による被削性の向上が期待できない。
【０００８】
そこで、本発明の根幹であるＳｎ又はＩｎを０．００５質量％以上添加することにより、Ｃｕリッチ相中に１0質量％以上の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。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、破壊現象である被削性が向上し、かつ低融点の異物が切削工具との間で潤滑作用をするため、工具寿命が著しく向上することになる。
【０００９】
Ｃｕリッチ相を析出させる手段としては、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Ｓｎ又はＩｎを１０質量％以上含む低融点のＣｕリッチ相の析出が促進され、優れた被削性がオーステナ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等の元素の添加や、Ｓ含有量を増やして硫化物を形成することによっても促進される。炭窒化物や硫化物等は、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。
【００１０】
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：０．００１〜０．３質量％
Ｃはオーステナイト形成元素であり、不可避的に含まれる。ただし、過剰に含有すると硬質化し、加工性が損なわれるため、本発明では、その上限を０．３質量％に設定した。
【００１１】
Ｓｉ：１．０質量％以下
製鋼時脱酸に有用な元素であるが、２．０質量％を超える過剰量でＳｉが含まれると、硬質化し加工性が低下する。
Ｍｎ：５．０質量％以下
Ｎｉとともにオーステナイト相を安定化する有用な元素である。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、５．０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。
【００１２】
Ｓ：０．１５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０．１５重量％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０．１５質量％に設定した。
Ｃｒ：１０〜２０質量％
オーステナ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、２０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、過度に硬化するとともに製造性，加工性に悪影響を及ぼす。
【００１３】
Ｎｉ：５〜１２質量％
オーステナイト系ステンレス鋼に必須の元素であり、安定的にオーステナイト相を発現させるためには５質量％以上必要である。一方、高価な元素であるため、その効果と製造コストを勘案し、その上限は１２質量％とした。
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オーステナ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に、本発明においては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。
【００１４】
Ｓｎ又はＩｎ：０．００５質量％以上
Ｃｕ同様、本発明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、１０質量％以上の割合でＣｕリッチ相に含まれている必要がある。この割合でＣｕリッチ相にＳｎ又はＩｎのいずれか又は両方が含まれているとき、Ｃｕリッチ相自身が低融点化するため被削性が著しく向上する。この低融点化を発現させるためには、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。ただし、含有量の増加により、過度に低融点化すると液膜脆化により熱間圧延性が著しく低下するため、その上限値は０．５質量％とすることが望ましい。
【００１５】
Ｎｂ：０．０１〜１質量％
Ｃｕリッチ相は、各種析出物のなかでもＮｂ系析出物の周囲に析出する傾向が強い。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、必要に応じて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０．０１〜１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、拡散速度が遅くなるため、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時間以上で施され、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。
【実施例１】
表１に示した組成をもつ各種オーステナ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。
【００２０】
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。カッタはＪＩＳＢ４１０７に規定される外径１２５ｍｍ、幅１０ｍｍの超硬フライスを用い、ダウンカットで回転速度２０００ｒｐｍ、送り速度０．６ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ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切り込んだ後は、もとの起点に戻り、新たに０．５ｍｍの切り込みを行った。これを繰返し、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。また、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。さらに、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。
【００２２】
７９０℃×９時間で時効処理した試験番号Ａ−１〜Ｑ−１の供試材について行った被削性の評価結果を表２に示す。表２において、従来から被削性の良好な材料とされている試験番号Ｑ−１と比較し、試験番号Ｑ−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Ｑ−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Ｂ−１，Ｃ−１，Ｄ−１，Ｆ−１，Ｇ−１，Ｉ−１，Ｊ−１，Ｋ−１，Ｌ−１，Ｍ−１，Ｎ−１，Ｏ−１及びＰ−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（Ｌ−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。
【００２３】
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Ｂ−２，Ｃ−２，Ｄ−２及びＦ−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Ｈ−１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。さらに、Ｃｕ含有量が０．５質量％以上であり、かつＣｕリッチ相が０．２体積％認められたＡ−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Ｑ−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。
【００２４】
【実施例２】
表１の鋼材Ｃ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０．５〜１６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１と同様に被削性を調査した。その結果を表３に示すが、５００〜９００℃で１時間以上時効処理された試験番号Ｃ−４，Ｃ６〜Ｃ１０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Ｃ−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、あるいは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。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼においては、０．５質量％以上のＣｕと０．００５質量％以上のＳｎ又はＩｎを添加し、１０質量％以上のＳｎ又はＩｎを含有する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、本発明に従ったマルテンサイト系ステンレス鋼又はフェライト系ステンレス鋼は、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】被削性評価試験方法を説明する図
Claims (3)
- Ｃ：０．００１〜０．３質量％，Ｓｉ：２．０質量％以下，Ｍｎ：５．０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：５〜１２質量％，Ｃｕ：０．５〜６．０質量％， Ｓｎ又はＩｎ：０．００５〜０．５質量％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、Ｓｎ又はＩｎを１０質量％以上含むＣｕを主体する第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オーステナイト系ステンレス鋼。
- Ｓ：０．１５質量％未満，Ｎｂ：０．０１〜１．０質量％，Ｔｉ：０．０１〜１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％以下及び希土類元素（ＲＥＭ）：０．０５質量％以下の１種又は２種以上を更に含む請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- 請求項１又は２に記載の組成をもつオーステナ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又はＩｎを１０質量％以上含むＣｕを主体する第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オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
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