JP5683197B2 - 耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線 - Google Patents

Description

本発明は、耐食性，切削性および製造性に優れたフェライト系ステンレス鋼棒線に係わ
り、Ｐｂ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｂｉ等の環境負荷の大きい元素や重金属，希少金属を含有しない
環境に優しい鋼であって、ＯＡ機器，電子機器部品等の表面性状の良好な精密切削部品用
のフェライト系快削ステンレス鋼棒線に関するものである。

ＯＡ機器，電子機器部品等の精密切削部品には、切削時の切屑処理性に加え、切削加工
後に精度の高い表面性状と高耐食性が求められる。これらの要求に対し、従来はＳを０．
１５％以上添加したＳＵＳ４３０Ｆや切削性を更に向上させるためＰｂ，Ｔｅを添加した
複合快削ステンレス鋼が使用されてきた。また、耐食性を高めるために低Ｍｎ／Ｓ化して
硫化物中のＣｒ濃度を高めたフェライト系快削ステンレス鋼も提案されている（特許文献
１）。更には熱処理温度を規定して鋼中のＭｎ／Ｓ，Ｍｎ／Ｃｒ比を制御することも提案
されている（特許文献２）。しかし、近年更なる耐食性の向上が求められている。

一方、環境負荷の大きいＰｂ，Ｓｅ，Ｔｅ等の抑制の市場要求に対して、Ｂｉ、Ｓｎ添
加やＢＮを分散させたフェライト系快削ステンレス鋼が提案されている（特許文献３，４
，５）。しかしながら、製造面や切削後の表面性状などの満足なものが得られていない。
とりわけ、切削後の表面性状は、切削速度≧２０ｍ／分、切込み≧０．１ｍｍ、送り速度
≧０．０１ｍｍ／ｒｅｖの工業的な切削条件において、Ｒａ≦０．５μｍの表面粗さを確
保することが充分できていない。

特開２００７−２３８９８１号公報 特開２００６−３１６３１０号公報 特開２００１−３５５０４８号公報 特開昭６４−４２５５７号公報 特開２００４−３３２０２１号公報

本発明の目的は、製造性に優れ、精密部品の切削加工条件下において表面粗さ（Ｒａ）
：０．５μｍ以下の優れた表面性状と高い耐食性を得ることが可能で、製造面においても
良好なＰｂレスのフェライト系快削ステンレス鋼棒線を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、ＰｂレスのＳ含有フェラ
イト系ステンレス快削鋼において、優れた耐食性と表面粗度を確保するため、Ｓｎ添加と
低Ｍｎ／Ｓ比の相乗効果により耐食性が向上することを見出した。かつ、Ｃｕ添加、及び
棒線の硬さをＨｖ≧１４０に制御することで飛躍的に表面精度を向上できることを見出し
た。これらの効果により、製造性を劣化させるＣｒを高めることなく、優れた耐食性と表
面性状を確保できることがわかった。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０２〜０．１０％，Ｓ：０．１５〜０．５０％，Ｃｒ：１５．０〜２０．０％，Ｃｕ：０．４０〜３．０％，Ｓｎ：０．０３〜０．５０％，Ｎ：０．０３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物から構成され、Ｍｎ／Ｓ≦２．０であり、ビッカース硬さが１４０Ｈｖ以上であり、使用工具：超硬Ｐ種、刃先Ｒ０．４ｍｍ，切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ，送り量：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ，切込み：０．１ｍｍ，切削油（鉱物油）：有りで外周切削を行った後の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であることを特徴とする耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線である。
（２）質量％で、Ｎｉ：３．０％以下を含有することを特徴とする前記（１）記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線である。
（３）質量％で、Ｍｏ：３．０％以下，Ｗ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）または（２）記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線である。
（４）質量％で、Ｎｂ：１．０％以下，Ｔｉ：１．０％以下，Ｖ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線である。
（５）質量％で、Ｃａ：０．０２０％以下，Ｚｒ：０．０２０％以下，Ａｌ：０．０１％以下，Ｏ：０．００３〜０．０１５％の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（４）記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線である。
（６）棒線圧延後の線材に６００℃以上、８５０℃未満の温度で３０〜３００分の熱処理を施すことを特徴とする前記（１）〜（５）記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線の製造方法である。

本発明による耐食性に優れたフェライト系快削ステンレス鋼は、切削加工後の表面粗さ
（Ｒａ）：０．５μｍ以下の優れた表面性状と、高温・多湿環境下で飛躍的に優れた耐食
性を付与でき、耐食性と表面性状の良好な精密切削部品を提供する効果を発揮する。

７５０℃で熱処理を施した鋼のＳｎ，Ｃｕ量と表面粗度（Ｒａ）の関係 ７５０℃で熱処理を施した鋼のＳｎ，Ｍｎ／Ｓ比と耐食性の関係

以下に、先ず、本発明の請求項１記載の限定理由について説明する。
Ｓｎは、粒界偏析し、切削加工時の材料延性低下や潤滑性効果により切削抵抗を低減さ
せ、切削性（表面粗度，切屑処理性，工具寿命）を向上させるのに有効な上、耐食性を劣
化させる硫化物と共存させることで耐食性劣化を抑制する効果を発揮する。そのため、０
．０３％以上添加する。しかしながら、０．５０％を超えて添加するとその効果は飽和す
るばかりか、製造性を劣化させるため上限を０．５０％とする。好ましくは、０．０５〜
０．３０％である。

Ｓは、硫化物を形成して切削加工時の応力集中や潤滑効果により切削抵抗を低減させ、
切削表面精度を劣化させることなく、切削性（切屑処理性，工具寿命）を向上させるのに
有効であるため、０．１５％以上添加する。しかしながら、０．５０％を超えて添加する
と製造性が著しく劣化するばかりか、粗大硫化物に起因して切削加工後の表面精度が著し
く劣化する。そのため、上限を０．５０％とする。好ましくは、０．２〜０．４０％であ
る。

Ｃｕは、固溶強化により材料の硬さを高め、粒界偏析してＳｎと共存することで構成刃
先の生成を防止し、切削加工時の表面精度を向上させる。また、マトリックスの耐食性も
向上させる。そのため、０．１０％超添加する。しかしながら、３．０％を超えて添加し
てもその効果は飽和するし、鋳片割れが発生するなど製造性が劣化する。そのため、上限
を３．０％とする。好ましくは、０．３０〜２．０％である。最も好ましくは０．４０〜２．０％である。

Ｓ含有のフェライト系快削ステンレス鋼は、ＭｎＳ系硫化物を形成するために耐食性が
悪く、本発明の場合、後述のようにＣｒ量を抑制しているため、従来であると耐食性劣化
は顕著であった。それに対し、本発明では、前述するＳｎ添加に加え、低Ｍｎ／Ｓ化との
相乗効果により耐食性の向上効果は一層顕著となる。すなわち、Ｍｎ／Ｓ比を２．０以下
にして硫化物中のＭｎ濃度を低減して硫化物中のＣｒ濃度を３０％以上にすることで、Ｃ
ｒとの親和力の高いＳｎが硫化物との界面に偏析し、耐食性劣化を著しく抑制できること
を見出した。そのため、Ｍｎ／Ｓ比を２．０以下に限定する。好ましくは、１．５以下で
ある。

Ｍｎは、脱酸のため添加するが、０．５％を超えて添加すると、前述のＭｎ／Ｓが高く
なるばかりか、マトリックスの耐食性も低下する。そのため上限を０．５％以下とする。
Ｍｎは添加しなくても良い。好ましくは、０．１０％〜０．４０％以下である。

Ｃｒはマトリックスに固溶し、耐食性を向上させる元素である。本発明は、前述のＳｎ
添加と低Ｍｎ／Ｓ化による耐食性向上効果が発現できるため、Ｃｒ量の上限を２０．０％
としても十分な耐食性を得ることができる。また、それ以上に添加すると、熱間でスケー
ル生成を抑制し、熱間圧延疵の原因となることから、２０．０％以下とする。しかし
、Ｃｒ量が１５．０％未満になるとＳｎ添加を行っても耐食性が劣化するため、下限を１
５．０％とする。好ましいＣｒ量の範囲は、１６．０〜１８．０％である。

Ｓｉは、脱酸およびＳｎの粒界偏析促進およびＳｉの固溶強化による切削加工時の表面
精度向上の効果を引き出すために添加するが、１％以上添加すると棒線熱間圧延時のスケ
ール生成を抑制し、熱間圧延疵を助長する。そのため、上限を１．０％とする。Ｓｉは添
加しなくても良い。好ましくは、０．３％〜１．０％である。

Ｃ，Ｎは、炭窒化物を生成し、耐食性を劣化させるばかりか、切削加工時に構成刃先の
生成を促進して表面精度を劣化させるため、いずれも０．０３０％以下とする。好ましく
は０．０２０％以下である。さらに好ましくは、Ｃ＋Ｎ：０．０３０％以下である。

Ｐを含有すると、Ｓｎ同様に粒界偏析して切削加工時の材料延性低下効果により表面精
度が向上する。そのため、Ｐ含有量を０．０２％以上とする。しかしながら、０．１０％
以上添加するとその効果は飽和するばかりか、製造性が著しく劣化する。そのため、上限
を０．１０％とする。好ましくは、０．０２５〜０．０５％である。

ビッカース硬さは、切削加工界面の温度に影響を及ぼして構成刃先の生成に寄与する。
ビッカース硬さで１４０Ｈｖ以上の場合、切削界面の温度が上昇し、Ｓｎ，Ｃｕの粒界偏
析による表面性状の向上効果を一層顕著にし、Ｒａで０．５μｍ以下の良好な表面性状を
安定的に得ることができる。そのため、棒線材料のビッカース硬さを１４０Ｈｖ以上とす
る。好ましくは、１７０Ｈｖ以上である。

なお、ビッカース硬さを高める手段として、例えば、後述するように棒線圧延後の焼鈍
を８５０℃未満にすること，Ｎｉなどを添加することが適用できる。

本発明の請求項２記載の限定理由について述べる。
Ｎｉは、固溶強化により材料の硬さを高めて構成刃先の生成を防止し、切削加工時の表
面性状を向上させる。しかしながら、３．０％を超えて添加してもその効果は飽和するし
、逆に過度に硬質化して工具寿命劣化を引き起こす。そのため、上限を３．０％とする。
好ましくは、０．１５〜１．５％である。

本発明の請求項３記載の限定理由について述べる。
Ｍｏは、マトリックスの耐食性を向上させる元素である。しかし、多量に添加すると、
その効果は飽和するし、逆に工具寿命を低下させる。そのため、その上限を３．０％とし
た。好ましくは、０．１〜２．０％である。

Ｗは、マトリックスの耐食性を向上させる元素である。しかし、多量の添加は、工具寿
命を低下することから上限を１．０％とした。好ましくは、０．１〜０．８％である。

本発明の請求項４記載の限定理由について述べる。
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖは、炭窒化物を形成し、マトリックスの耐食性を改善する効果がある。
しかし、多量の添加は、工具寿命を低下させることから各々の上限を１．０％とした。好
ましくは、それぞれ０．０５〜０．５％である。

本発明の請求項５記載の限定理由について述べる。
Ｃａは、酸化物を軟質化して微細分散させて被削性を改善する効果がある。しかしなが
ら、０．０２０％を超えると効果が飽和したり、熱間製造性が低下することから、上限を
０．０２０％とした。好ましくは、０．００１〜０．０１０％である。

Ｚｒは、酸化物を微細分散化させて被削性を改善する効果がある。しかしながら、０．
０２０％を超えると粗大な硬質酸化物を形成し、工具寿命を低下することから、上限を０
．０２０％とした。好ましくは、０．００１〜０．００５％である。

Ａｌは、脱酸元素として重要な元素であるが、０．０１％を超えて添加すると硬質な酸
化物が形成し、工具寿命を低下させる。そのため、上限を０．０１％とした。好ましくは
、０．００１〜０．００５％である。

Ｏは、酸化物を分散させて被削性を向上させる。そのため、０．００３％以上必要であ
る。しかし、０．０１５％を超えて添加すると粗大な硬質酸化物が増加し、工具寿命を低
下させる。そのため上限を０．０１５％とした。好ましくは、０．００５〜０．０１０％
である。

線材圧延後の焼鈍条件は、１４０Ｈｖ以上の硬さを得るために、成分規制と共に低温で
熱処理することが望ましい。そのため、８５０℃未満に限定する。しかしながら、６００
℃未満になるとＳｎの偏析効果が不十分であり、下限の温度を６００℃に限定する。また
、熱処理時間が２分未満ではＳｎの偏析効果が不十分であり、３００分を超えると１４０
Ｈｖ以上が得られなくなる。そのため、熱処理時間を２〜３００分に限定する。好ましく
は、５〜１２０分である。

以下に本発明の実施例について説明する。
表１、２に実施例の鋼の化学組成を示す。表１は本発明鋼の化学組成、表２は比較鋼の
化学組成である。

これらの化学組成の鋼は、１５０ｋｇの真空溶解炉にて溶解し、φ１８０ｍｍの鋳片に
鋳造し、棒鋼圧延→熱処理→酸洗→引抜き加工を施してφ１０ｍｍの棒鋼に仕上げ、評価
用素材とした。なお、素材の硬度を高めるために、９５０℃で低温仕上げの棒線圧延を実
施し、熱処理は７５０℃，１時間の低温で施した。一部の鋼については、熱処理条件の影
響を調査するために、５００〜９００℃の範囲で焼鈍を施した。その後、各評価試験を実
施した。

評価は、ビッカース硬さ測定，外周切削後の表面粗度測定，高温・多湿環境下での発銹
試験により実施した。

７５０℃で熱処理を施した本発明鋼および比較鋼の評価結果を表３，４に示す。表３は
本発明鋼の評価結果、表４は比較鋼の評価結果である。

ビッカース硬さは、素材の横断面（鏡面研磨面）について表層１ｍｍ部分をマイクロビ
ッカース（荷重１ｋｇｆ）により測定した。本発明鋼の硬さは１４０Ｈｖ以上であった。

外周切削は周方向に一定の条件で旋削を行い、加工後の表面について、接触式の粗さ測
定機により中心線平均粗さ（Ｒａ）を測定した。測定は基準長さ２．５ｍｍで各５点づつ
測定しその平均値を値とした。その際の加工は、使用工具：超硬Ｐ種、刃先Ｒ０．４ｍｍ
，切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ，送り量：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ，切込み：０．１ｍｍ，切
削油（鉱物油）：有りで行った。

表３、４において、Ｓｎ、Ｃｕ含有量と表面粗さの関係を見ると、Ｓｎ≧０．０３％，
Ｃｕ≧０．１％の領域で表面粗さが良好であり、本発明鋼の中心平均粗さ（Ｒａ）は０．
５μｍ以下であった。図１に本発明鋼の低Ｓｎ（≦０．１５％），低Ｃｕ（≦１．０％）
領域でのＳｎ，Ｃｕ含有量と切削加工後の表面粗度（Ｒａ）の関係を示す。Ｒａ：０．５
μｍ以下を「○」、０．５μｍ超を「×」としている。

高温・多湿環境下での耐食性評価は、素材を長さ２０ｍｍに切断したものについて、表
面を＃５００で研磨・洗浄後に実施した。各鋼５個づつ、７０℃、８５％の環境下に１２
０時間放置し、取り出し後発銹の有無について観察を行った。無発銹のものはＡランク、
発銹起点の総数が１〜５個のものをＢランク、６〜１０個のものをＣランク、１０個以上
のものをＤランクとして評価した。

表３、４において、ＳｎとＭｎ／Ｓと耐食性ランクの関係を見ると、Ｓｎ≧０．０３％
，Ｍｎ／Ｓ≦２．０の領域で耐食性ランクがＡおよびＢと良好であり、本発明鋼の耐食性
は、Ａ及びＢランクと良好であった。図２に本発明鋼の低Ｓｎ（≦０．２０％），低Ｍｎ
／Ｓ（≦２．０）領域でのＳｎ含有量，Ｍｎ／Ｓ比と耐食性の関係を示す。耐食性判定Ａ
、Ｂを「○」、Ｃ、Ｄを「×」としている。図２において、「判定：Ａ」と表示された円
形で囲った部分については耐食性判定がＡであり、特に耐食性が良好であった。

表４に示す比較例において、Ｎｏ．５４はＣｕ含有量が上限を超えたために鋳片割れが
発生し、Ｎｏ．５５はＳｎ含有量が上限を超えたために製造性が劣化し、Ｎｏ．５９はＳ
ｉ含有量が上限を超えたために熱間圧延疵が発生し、Ｎｏ．６１はＰ含有量が上限を超え
たために製造性が劣化し、Ｎｏ．６７はＣｒ含有量が上限を超えたために熱間圧延疵が発
生し、Ｎｏ．７５はＣａを上限が超える量まで添加したために粗大な介在物が発生して熱間圧延疵が発生し、いずれも製造性が劣化した。また、Ｎｏ．６３、６４はＳ含有量が下限を外れ、Ｎｏ．６９〜７４、７６〜７８はそれぞれＮｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｏ含有量が上限を外れたため、いずれも工具寿命が劣化した。即ち比較例では、製造性，工具寿命の劣化無しに、表面性状および耐食性の両特性を満足できておらず、本発明鋼の優位性が明らかである。

次に、熱処理条件の影響を調査した結果について述べる。表５に、鋼２，１７，３１，３７を各条件で熱処理した素材の評価結果を示す。

熱処理条件が、８５０℃以上，３００分以上になると１４０Ｈｖ未満となり、表面粗度
（Ｒａ）が０．５μｍを超える。一方、熱処理条件が６００℃未満、２分未満の場合、表
面性状および耐食性が劣化する。

以上、１４０Ｈｖ以上の高硬度を得て、良好な表面性状を得る本発明の製造方法の優位
性は明らかである。

以上の各実施例から明らかなように、本発明により、耐食性および切削加工後の表面性
状に優れた安価なフェライト系快削ステンレス鋼棒線を製造でき、切削加工後の表面粗さ
（Ｒａ）：０．５μｍ以下と安定した表面高性状と、高温・多湿環境下で飛躍的に優れた
耐食性を付与でき、耐食性と表面性状に優れた精密切削部品を安価に提供することができ
、産業上極めて有用である。

Claims (6)

1. 質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０２〜０．１０％，Ｓ：０．１５〜０．５０％，Ｃｒ：１５．０〜２０．０％，Ｃｕ：０．４０〜３．０％，Ｓｎ：０．０３〜０．５０％，Ｎ：０．０３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物から構成され、Ｍｎ／Ｓ≦２．０であり、ビッカース硬さが１４０Ｈｖ以上であり、使用工具：超硬Ｐ種、刃先Ｒ０．４ｍｍ，切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ，送り量：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ，切込み：０．１ｍｍ，切削油（鉱物油）：有りで外周切削を行った後の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であることを特徴とする耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線。
2. 更に質量％で、Ｎｉ：３．０％以下を含有することを特徴とする請求項１記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線。
3. 更に質量％で、Ｍｏ：３．０％以下，Ｗ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線。
4. 更に質量％で、Ｎｂ：１．０％以下，Ｔｉ：１．０％以下，Ｖ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線。
5. 更に質量％で、Ｃａ：０．０２０％以下，Ｚｒ：０．０２０％以下，Ａｌ：０．０１％以下，Ｏ：０．００３〜０．０１５％の１種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線。
6. 棒線圧延後の線材に６００℃以上、８５０℃未満の温度で３０〜３００分の熱処理を施すことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の耐食性に優れるフェライト系快削ステンレス鋼棒線の製造方法。

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