JP6044037B2 - 精密加工用快削ステンレス鋼素材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミクロンメートルレベルの切削による成形を行う精密加工用快削ステンレス鋼素材に関するものである。

従来、精密部品を加工する素材として、その耐食性を生かしてステンレス鋼を用いることが行われていたが、精密加工においてステンレス鋼を用いることは、一般の鉄鋼を用いるのに比べ、切削加工が困難であるので、その切削性を改善することが望まれていた。
切削性を改善したステンレス鋼としては、硫黄快削ステンレス鋼ＳＵＳ３０３が広く知られているが、切削後の表面が粗くなり、ミクロンメートルレベルの精密な切削加工に用いることは困難であるとされていた。
つまり、従来は、切削性と精密加工性（切削後の表面粗さ）は、ステンレス鋼では両立しないものとされていた。

国際特許出願ＷＯ２００８／０１６１５８には、優れた切削性と耐食性を同時に満足することができる快削ステンレス鋼とその製造方法が開示されている。この発明では、耐食性が従来のステンレス鋼材料と同等で、２５％程度の切削性の改良が行われたが、この材料の切削加工後の表面粗さに関しての開示はされていない。

このように、切削加工後の表面性状に優れ、かつ、耐食性に優れた精密加工用快削ステンレス鋼素材及びその製造方法は、現在のところ開示されていない。

本発明は、このような実情に鑑み、切削性と精密加工性の双方を満足できる精密加工用快削ステンレス鋼素材及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、固体潤滑材として優れ、化学的に安定で酸あるいはアルカリに侵されることのないｈ−ＢＮ（六方晶系窒化ホウ素）粒子の性質を有効に利用し、特定の熱処理によりｈ−ＢＮが固溶・再析出することを利用することで、寸法精度が重要視される切削加工後の表面性状及び切削性並びに耐食性に優れた精密加工用快削ステンレス鋼素材とその製造方法を見い出し、なされたものである。

発明１は、ミクロンメーターレベルの切削による成形を行う精密加工快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材であって、その快削性付与材がｈ−ＢＮ（六方晶系窒化ホウ素）粒子であって、粒径が２００ｎｍから５μｍの球状の前記ｈ−ＢＮ粒子が鋼中に単体状態で分散析出し、かつ切削後の加工面の表面粗さの１０点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下となる切削表面特性を有し、さらに前記切削表面特性は、直径８ｍｍの丸棒を以下の精密加工条件で旋削して得られるものであることを特徴とする構成を採用した。ここで単体状態とは、複数個のｈ−ＢＮ粒子同士あるいはｈ−ＢＮ以外の非金属介在物粒子とｈ−ＢＮ粒子が凝集していない状態を言う。
切削速度：１６ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ：０．２ｍｍ、工具送り速度：０．０８ｍｍ／ｒｅｖ、工具材質：Ｍ３０、工具形状：正三角形、チップブレーカーあり、切削液：不使用。

発明２は、発明１の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材において、そのＢ含有量が０．００３〜０．１ｍａｓｓ％であることを特徴とする構成を採用した。

発明３は、発明１の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材において、そのＮ含有量がモル比においてＢ含有量と同等かそれ以上あることを特徴とする構成を採用した。

発明４は、発明１〜３のいずれかに記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法であって、Ｂは、フェロボロン又は金属ボロンの添加により、Ｎは溶解雰囲気を（アルゴン＋窒素）あるいは減圧した窒素中での溶解により、ステンレス溶鋼に添加する構成を採用した。

発明５は、発明１〜３のいずれかに記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法であって、Ｂは、フェロボロン又は金属ボロンの添加により、Ｎは溶解雰囲気を（アルゴン＋窒素）あるいは減圧した窒素中での溶解により、ステンレス溶鋼に添加する構成を採用した。

発明６は、発明１〜３のいずれかに記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法であって、発明４又は５に記載の方法により得られた組織中にｈ−ＢＮ粒子が不均一に析出しているステンレス鋼を１２００℃以上の温度まで加熱した後に急冷して、ｈ−ＢＮ粒子を一旦固溶消滅させ、その後９５０〜１１００℃の温度での焼もどし熱処理を行うことにより、ｈ−ＢＮ粒子を再度分散析出させる構成を採用した。

化学的に安定で酸あるいはアルカリに侵されることのないｈ−ＢＮ粒子を単体状態で分散析出させて、固体潤滑材として優れた切削性を持ち、切削加工精度に優れ、かつ、耐食性も劣化することもない、精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材とその製造方法を提供することができた。
特に、実施例に示す通り、切削後の表面粗さが、快削性のないスレンレス鋼と同様かそれ以上に少ない性能を有するものであり、精密加工後の表面処理加工がほとんど不要となった。
これらの効果は、固体潤滑材として優れた特性を持つｈ−ＢＮ粒子を精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材に有効に適用したことによるものであり、加工精度、耐食性、快削性のみならず、ＰｂやＳｅのような環境負荷物質を使用しないため、環境性も満足し得る精密加工用快削ステンレス鋼素材の提供が実現できた。
また、加工精度が優れているため、更なる加工精度向上の工程、例えば研削加工、研磨加工を省略することも可能で、また、切削性の向上による切削機械の動力が削減され、電気エネルギー消費の低減化と、高速切削も可能なため、生産性の向上にもつながる。

本発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
この発明の製造方法において、精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の溶解は、溶解雰囲気の調整が可能な、通常のステンレス鋼を溶製する溶解炉を使用して行われる。この溶解において、Ｂ（ホウ素）の原料としては、フェロボロンあるいは金属ボロンが使用されるが、溶融点の低いフェロボロンのほうが溶解原料としては技術的に有利であり、Ｂ（ホウ素）の単位重量当たりの市場価格が低いため経済的である。

Ｂの添加量は、精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材中の最終Ｂ含有量が一般的な目安として０．００３〜０．１ｍａｓｓ％Ｂ、更に好ましくは０．００３〜０．０３ｍａｓｓ％Ｂである。また、Ｎ（窒素）の原料としては、溶解雰囲気中のＮを吸収させる、あるいはステンレス鋼を構成する合金元素の窒化物、例えば窒化クロム、窒化フェロクロムなどの添加がある。

精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス素材中のＮ含有量は、一般的な目安としてモル比でＮ／Ｂが１以上であればよい。精密加工用快削ステンレス鋼素材中のＮとＢのモル比が１より小さいと、固溶するＢ量が増大し、切削性に有効なｈ−ＢＮの析出量が減少するため、Ｎ／Ｂを１以上にする必要がある。Ｎ含有量は精密加工用快削ステンレス鋼素材中の構成元素成分にもよるが、ＢがＮの活量を増加するので、Ｂの増加とともに鋼中の平衡Ｎ濃度は減少する。ＳＵＳ３０４の成分組成では、加圧したＮ雰囲気中での溶解を除けば、０．２５ｍａｓｓ％以下となる。

上記のようにして製造されたＢとＮを含有するステンレス鋼溶鋼は、鋳型に鋳湯され精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼鋳塊になる。

精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼鋳塊は、通常の鍛造、圧延加工等の熱間加工を経て、精密加工用快削ステンレス鋼素材の棒材、線材、板材等に成形される。熱間加工後の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材は室温まで空冷される。
精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材には、熱間加工後の冷却過程で、その冷却速度により、２０〜３０μｍ程度にまで粗大に成長したｈ−ＢＮが素材の一部に不均一に分布して生成することがある。

精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材中に析出したｈ−ＢＮは、１２００℃以上の温度に保持することにより、比較的短時間（例えば、１２５０℃では、０．５から１時間）にて固溶したＢとＮに分解した状態で、マトリックス中に存在することができる。このｈ−ＢＮの固溶現象を利用して、素材中に不均一に、あるいは粗大に生成しているｈ−ＢＮを素材中の再固溶する熱処理を行う。
なお、このような処理は、精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材が溶融した場合は不可能であるから、その溶融温度未満で処理する必要がある。

この状態は急冷することにより、過飽和に固溶した状態のＢとＮを含有する精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材が得られる。急冷の操作は、通常のステンレス鋼に対して行われる水冷で構わないが、後述のｈ−ＢＮを析出する温度範囲での冷却速度が、析出を起こさない冷却速度とする必要がある。

過飽和に固溶したＢとＮを８００℃〜１１５０℃の温度で焼戻すと、固溶化熱処理で固溶したｈ−ＢＮが再び析出する。８００℃付近で焼戻しを行うと、Ｂ、Ｎのこの温度での平衡溶解度と過飽和溶解度との差が大きく、かつこの温度でのＢ、Ｎの拡散速度が遅いため拡散できる移動距離が小さいという二つの要因でｈ−ＢＮの核発生が核成長よりも優先的に起こるため、非常に微細なｈ−ＢＮが素材全体に均一に析出するのが見られる。逆に１１５０℃付近で焼もどすと、８００℃付近での焼戻しとは反対に、ｈ−ＢＮの核成長が核発生よりも優先的に起こるため、大きな粒径に成長したｈ−ＢＮの析出が見られる。

したがって、切削性が良好となるような粒径及び分布状態のｈ−ＢＮを析出させるのには、焼戻し温度の選択が重要である。試行実験を行った結果、切削性が良好となるような粒径及び分布状態が得られる焼戻し温度は、９５０〜１１００℃の範囲が好ましい。
また、熱間加工の加工時の温度がｈ−ＢＮが固溶した状態で行われる場合には、熱間加工後急冷することで、ＢとＮが過飽和に固溶した状態を作ることも可能である。このような加工温度条件の場合には、１２００℃以上の温度でのｈ−ＢＮ固溶化の熱処理が不要になることは言うまでもない。

更に、焼戻しの保持時間に関しては、温度が高いほどＢとＮの拡散速度が速いため短時間ですみ、その範囲は０．５〜３時間、好ましくは１〜２時間で十分である。この焼もどし熱処理は、一般的なステンレス鋼に対して行われる溶体化熱処理を兼ねることができるため、溶体化熱処理時に行われる冷却速度で冷却する。

Ｂの含有量を０．００３ｍａｓｓ％から０．１ｍａｓｓ％にするのは、含有量が０．００３ｍａｓｓ％以下であると切削性に目立った効果がなくなり、０．１ｍａｓｓ％を超え、多量のｈ−ＢＮが析出することにより複数個のｈ−ＢＮ粒子が凝集する傾向が高まり、切削性は大きく向上するが、逆に表面粗さに悪影響を及ぼすためである。

Ｎの含有量をモル比でＮ／Ｂが１以上にするのは、１に満たないと過飽和に固溶しているＢとＮの熱処理時のｈ−ＢＮの再析出が十分に達成できないのと、Ｂが過剰に存在するため塑性加工がし難くなるためである。

（実施例１） 市販のオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）丸棒（重量２ｋｇ）を溶解原料として、コールドクルーシブル浮揚溶解炉を用いて溶解した。溶解原料の成分組成（ｍａｓｓ％）は、０．０６％Ｃ、０．２８％Ｓｉ、１．３３％Ｍｎ、０．０３５％Ｐ、０．０２５％Ｓ、８．０５％Ｎｉ、１８．３９％Ｃｒであった。溶融時に真空誘導溶解炉にＮを０．０７ＭＰａ封入し、溶鋼中のＮ濃度の調整を行った。溶融後、溶湯に市販のフェロボロン（１９．２ｍａｓｓ％Ｂ）を所定量添加し、Ｂ濃度の調整を行い、弱減圧Ｎ雰囲気中で溶け落ち後、１６００℃で１０ｍｉｎ保持し、コールドクルーシブル中で凝固し、鋳塊を製造した。
鋳塊は、１２００℃で、鍛造、圧延を施し、１４ｍｍ角の棒材に加工し、空冷した。棒材を１２５０℃で０．５時間保持した後、水冷し、更に、１１００℃で１時間保持した後水冷する熱処理を施した。

溶製した開発鋼の分析値を表１に示した。
また、比較材１として、実施例１の溶解原料に使用した市販材のＳＵＳ３０４ステンレス鋼、比較材２として市販材の硫黄快削ＳＵＳ３０３ステンレス鋼をいずれも径５５ｍｍの丸棒より切り出して表面粗さ試験の試料とした。
溶製した材料のＢ、Ｎ及びＳの分析値（単位ｍａｓｓ％）を表１に示す。

表面粗さの評価試験として、試料から切り出した丸棒材試料について、走査型レーザー顕微鏡を用いて、表面粗さ（１０点平均粗さＲｚ）を測定した。試料は、いずれも、同一の旋削条件（切削速度、切り込み深さ、工具送り速度）で径が７．６ｍｍまで旋削した。最終の切削条件は、切削速度：１６ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ：０．２ｍｍ、工具送り速度：０．０８ｍｍ／ｒｅｖ、工具材質：Ｍ３０、工具形状：正三角形、チップブレーカーあり、切削液：不使用であった。表面粗さの測定結果を表２に示した。

表２より、開発された精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の表面粗さは、比較材１（ＳＵＳ３０４）のそれよりも向上しており、比較材２の快削ステンレス鋼のＳＵＳ３０３に比較し表面粗さが１／３程度にまで減少し、はるかに向上している。この理由は、開発鋼では、微細ｈ‐ＢＮ粒子が単対状態で分散しているのに対し、比較材２では、快削付与物質としてのＭｎＳ粒子が、粗大でかつ針状に伸長している金属組織を形成していることに起因している。図１に、開発鋼２から切り出した試料の折断面のＳＥＭ観察写真を示した。図１（ａ）は、１２５０℃で０．５時間保持した後水冷し、更に、１００℃で１時間保持した後水冷する熱処理を、図１（ｂ）は、１２５０℃で０．５時間保持した後水冷し、更に、８５０℃で２時間保持した後水冷する熱処理を施したものである。図中の白色の球状粒子は全て、ＥＤＳ分析により、ｈ‐ＢＮ粒子であることが認められた。図１（ａ）の観察面では、３μｍ以下でｈ‐ＢＮ粒子が単体状態で分散しているのが認められ、更に、再析出温度が低い状態で析出させるとｈ‐ＢＮ粒子径がより小さくなる傾向があることが観察された。

図２に比較材２（ＳＵＳ３０３）の試料の折断面のＳＥＭ観察写真を示した。矢印で示されるのは、鋼中に繊維状に存在する径が数μｍ、長さ数十μｍの伸長したＭｎＳ粒子であることがＥＤＳ分析で確認された。切削加工の際、伸長したＭｎＳ粒子が加工表面に出て、抜け落ちるため、抜け落ちたＭｎＳの形状に相当する表面粗さが表２でも示されている。

もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部に付いては様々な態様が可能であることは言うまでもない。

以上詳しく説明した通り、この発明によって、切削加工精度と被削性に優れ、かつ耐食性、対環境性にも優れた精密加工用快削ステンレス鋼素材が容易に提供できるようになり、ステンレス鋼を用いた各種加工分野に優れた利用性をもたらすことができた。

開発鋼試料の折断面のＳＥＭ観察写真で、（ａ）は、熱処理条件が、１２５０℃、０．５時間保持後水冷、１１００℃、１時間保持後水冷、（ｂ）は、熱処理条件が、１２５０℃０．５時間保持後水冷、８５０℃、２時間保持後水冷である。 比較材２の試料の折断面のＳＥＭ観察写真。

特開２００２−３８２３８号公報 特開２００１−２３４２９８号公報 国際特許出願ＷＯ２００８／０１６１５８

Claims (6)

1. ミクロンメーターレベルの表面粗さで切削加工される精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材であって、粒径が２００ｎｍから５μｍの球状のｈ−ＢＮ粒子が快削付与材として単体状態で分散し、かつ切削後の加工面の表面粗さの１０点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下となる切削表面特性を有し、さらに前記切削表面特性は、直径８ｍｍの丸棒を以下の精密加工条件で旋削して得られるものであることを特徴とする精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材。
   切削速度：１６ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ：０．２ｍｍ、工具送り速度：０．０８ｍｍ／ｒｅｖ、工具材質：Ｍ３０、工具形状：正三角形、チップブレーカーあり、切削液：不使用。
2. 請求項１に記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材において、そのＢ含有量が０．００３〜０．１ｍａｓｓ％であることを特徴とする精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材。
3. 請求項１に記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材において、そのＮ含有量がモル比において、Ｂ含有量と同等かそれ以上であることを特徴とする精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法であって、Ｂは、フェロボロン又は金属ボロンの添加により、Ｎは、原料ステンレス鋼の溶解雰囲気を不活性ガスと窒素又は減圧した窒素とすることにより添加することを特徴とする精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法であって、ステンレス溶鋼へＢＮの原料としてのＢは、フェロボロン又は金属ボロンの添加により、Ｎは窒素含有化合物の添加により、ステンレス溶鋼にＢ及びＮを添加することを特徴とする精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載の精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法であって、請求項４又は５に記載の方法により得られた組織中にｈ−ＢＮ粒子が不均一に析出しているステンレス鋼を１２００℃以上の温度まで加熱した後に急冷して、ｈ−ＢＮ粒子を一旦固溶消滅させ、その後９５０〜１１００℃の温度での焼もどし熱処理を行うことにより、ｈ−ＢＮ粒子を再度分散析出させることを特徴とする精密加工用快削ＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の製造方法。