JP6193414B2 - ステンレス鋼製品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、２相ステンレス鋼ワイヤ製品を製造する方法に関する。

２相ステンレス鋼合金は、約４５〜６５％のオーステナイトと約３５〜５５％のフェライトからなる微細構造を有する。２相構造が粒の成長を妨げ、それによる微細な粒度が、２相ステンレス鋼合金に非常に高い強度をもたらす。オーステナイト系ステンレス鋼ワイヤ製品に比べ、２相ステンレス鋼ワイヤ製品は、優れた耐食性と高い機械的強度、並びに良好な疲労特性を併せ持つことが知られており、例えば海水に適用されるバネ用途に適している。

２相ステンレス鋼ワイヤ製品の製造方法は、直径５．５〜１２ｍｍの焼鈍した又は焼鈍していない線材を原材料とする。線材は、酸化物スケールを除去するために塩酸中で酸洗され、引抜きを容易にするためにキャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）、通常は水和ナトリウム、を線材の表面に塗布する。その後線材を、幾つかの縮径工程において最終線径まで冷間伸線加工する。２．５ｍｍ未満の最終線径に達するためには中間焼鈍が通常必要である。こうして最終的に得られたワイヤ製品は、卓越した耐食性が求められるバネ用途等に用いることができる。

しかしながら、最終製品が極度の高サイクル疲労と高い動的応力を受ける特定の用途、例えば噴射ポンプ用バネ等、に関して、２相ステンレス鋼ワイヤ製品の疲労特性を向上させることが望ましい。高い疲労特性を有する従来のオーステナイト系ステンレス鋼及び析出硬化ステンレス鋼ワイヤ製品の良く知られた製造方法は、皮むき工程を含み、該工程によって最終製品の表面品質を改善することでクラックの起点を減らし、結果的に疲労耐性を向上させる。皮むきされたオーステナイト系ステンレス鋼ワイヤ製品の製造方法は、２相ステンレス鋼ワイヤ製品の製造に用いられる上記工程以外に、最終寸法に伸線加工する前のシェービングダイスを用いた皮むき工程と、例えば塩浴炉、白酸洗（二回目酸洗、ｗｈｉｔｅ ｐｉｃｋｌｉｎｇ）、塩酸及びキャリア皮膜の塗布等を含む、皮むき後の追加の酸洗工程とを含む。しかしながら、その高い機械的強度やオーステナイトとフェライトの組合せといった２相ステンレス鋼ワイヤの特性のために、上記皮むき工程を２相ステンレス鋼ワイヤの製造方法に組み込み得るように適合させることが困難であることが分かった。フェライト相はシェービングダイスに付着し易いのに対し、オーステナイト相は強靭且つ硬質であるため、工具の摩耗が激しく、切屑切断性に乏しい。ステンレス鋼合金の粒度が通常大きくなる焼鈍状態においても、２相ステンレス鋼合金の粒度は小さく、このことが化学組成とあいまって非常に硬質な材料を生成する。かくして２相ステンレス鋼合金の特性は、２相ステンレス鋼線材の皮むき作業を困難にする。

従って、本発明の課題は、従来の方法で製造された２相ステンレス鋼ワイヤ製品に比べ、高い疲労耐性を呈する２相ステンレス鋼ワイヤ製品を製造する方法を提供することである。

この課題は、以下の工程を含む線材から２相ステンレス鋼ワイヤ製品を製造する方法によって解決される。この方法は、線材の表面を粗くする工程、線材の表面にキャリア皮膜を塗布する工程、超硬合金を含むシェービングダイスを使用して線材を皮むきする工程、線材の表面を粗くする工程、線材の表面にキャリア皮膜を塗布する工程、及び最終線径まで伸線する工程を含む。皮むき工程において使用するシェービングダイスは、１０〜３０°のすくい面ランド角ηと、１０〜２５°のすくい角γと、３〜１０°の逃げ角αと、０．１〜０．５ｍｍのすくい面ランド幅ωと、０．０２〜０．０８ｍｍの切れ刃半径とを有する。本発明による製造方法は、皮むきされた２相ステンレス鋼ワイヤ製品をもたらす。本発明による方法を用いることによって、従来の方法で製造された２相ステンレス鋼ワイヤ製品に比べ、完成した２相ステンレス鋼ワイヤ製品における表面欠陥を顕著に減らすことができ、その結果疲労耐性を向上させる。

皮むき工程の概略図である。 シェービングダイスの概略図である。 シェービングダイスの概略図である。 渦電流探傷試験の結果を示す。

本発明による皮むきされた２相ステンレス鋼ワイヤ製品（以後、皮むきされた２相ワイヤ製品と呼ぶ）の製造方法の原材料は、直径５．５〜１２ｍｍの２相ステンレス鋼線材であり、該線材は焼鈍されているものでもされていないものでもよい。通常、焼鈍によって粒度が大きくなると共に材料が軟化する。しかしながら、２相ステンレス鋼線材に関してはその影響は無視できるほど僅かであることから、どちらの種類も利用することができる。

本発明による製造方法は、次の工程を含む。
特に、線材表面に焼鈍に起因する酸化物スケールが存在する場合、好適には塩酸中で酸洗することにより、線材表面を粗くする工程。これは塩浴炉を用いたより強力な酸洗及び白酸洗と組み合わせることができる。また、酸洗の代わりに機械的に粗くすることも可能である。
キャリア皮膜、好適には水和ホウ酸ナトリウム、を線材表面に塗布する工程。
シェービングダイスを用いて表面層を剥ぎ取る工程。この皮むき工程を概略的に図１（正確な縮尺率で描いてない）に示す。引抜きダイスは、線材（１）を矯正してシェービングダイス（２）内に案内するためにシェービングダイスの前に配置されることが好ましい。線材径は、引抜き作業中に僅かに縮小される。線材径の約０．２〜０．５ｍｍが、皮むき作業中に除去される。潤滑剤、好適にはステアリン酸カルシウム潤滑剤、を使用して引抜き中の摩擦を減らし、エマルションを伸線されたワイヤ及びシェービングダイスに噴霧して摩擦を軽減すると共に皮むき中のダイスを冷却する。硬質の超硬合金組成物、好適にはＩＳＯグレードのＰ１０に属する材料、をシェービングダイスに使用しなければならない。シェービングダイスは、すくい面ランド角η、逃げ角α、すくい角γ、すくい面ランド幅ω、及び切れ刃半径を有する。図２ａは、シェービングダイスの概略的な断面図である。図２ｂは、図２ａの丸で囲んだ部分の拡大図であり、種々のダイス角度とすくい面ランド幅を示す。これらの図面は、正確な縮尺率で描かれたものではない。

すくい面ランド角ηは、切屑（３）の切断力に影響を及ぼす。角度が大きいと工具の安定性が増し、摩耗による損傷を受けにくくなるが、同時に切屑切断処理が困難になることで剪断応力及び切削力が増し、温度の上昇を招く。すくい面の高温は、工具寿命を低下させる。すくい面ランド角は主として、刃に近い工具の部分に影響を及ぼす。可能な限り切れ刃を頑丈にすると共に皮むき作業中に発生する熱を最小限に抑えるために、すくい面ランド角を少なくとも１０°、最大３０°にするべきである。本発明によれば、すくい面ランド角ηは１０〜３０°、好適には１５〜２０°である。

逃げ角αは、皮むきされたワイヤの表面に影響を及ぼす。同角が大きいほど、ワイヤ表面が切削力の圧力によって影響されにくくなる。接触圧力及び同圧力により生じる熱を最小限に抑えるために、逃げ角を少なくとも３°又はそれ以上にすべきである。しかしながら、同角を大きくすると刃の摩耗を早め、その結果皮むきされた表面が切削力によって影響され易くなる。また大きな逃げ角は、刃損傷を受け易い刃をもたらし工具の破損を招く。可能な限り切れ刃を頑丈にするために、逃げ角を１０°以下にすべきである。本発明によれば、逃げ角αは３〜１０°、好適には５〜７°、さらに好適には約６°である。

すくい面ランド幅ωは、すくい面ランド角と同様に、切屑の切断力に影響を及ぼす。可能な限り切れ刃を頑丈にすると共に皮むき作業中に発生する熱を最小限に抑えるには、すくい面ランド幅を、切れ刃の強度を上げるために少なくとも０．１ｍｍとし、すくい面温度を許容可能なレベルに保てるように最大０．５ｍｍとすべきである。本発明によれば、すくい面ランド幅ωは０．１〜０．５ｍｍ、好適には約０．３ｍｍである。

同様にすくい角γも切屑の切断力に影響を及ぼす。すくい角が大きいと工具の安定性が低下し、摩耗による損傷を受け易くなるが、同時に切屑切断処理が円滑になることで剪断応力及び切削力が減少する。切屑の流れ及び切屑の刻みは、すくい角によって制御される。正のすくい角が大きいとより刻みが付いた切屑を生じる。切削中に発生する熱を最小限に抑えながら切屑の流れを最適化するために、すくい角は少なくとも１０°にすべきである。しかしながら、シェービングダイスが安定し且つ摩耗による損傷を受け過ぎないようにするためには、すくい角は２５°以下にすべきである。本発明によれば、すくい角γは、１０〜２５°、好適には１０〜２０°、さらに好適には約１５°である。

すくい面ランド角η、すくい面ランド幅ω及びすくい角γの組合せは、切屑形成処理の全エネルギー消費を生じ、その結果切屑形成処理の全エネルギーを制御する。

またシェービングダイスは、切れ刃（２ａ）の鋭利度を決定する切れ刃半径を有する。切れ刃半径は、可能な限り切れ刃を頑丈にするために少なくとも０．０２ｍｍとし、切削作業中に発生する熱を最小限に抑えるために最大０．０８ｍｍとすべきである。本発明によれば、切れ刃半径は、０．０２〜０．０８ｍｍ、好適には０．０３〜０．０６ｍｍ、さらに好適には０．０３〜０．０５ｍｍである。

このシェービングダイスのパラメータの組合せセットは、本発明によるシェービングダイスを、粘着性のフェライト相と強靭且つ硬質なオーステナイト相の組合せを有する２相ステンレス鋼線材の皮むき工程に適合させる。

表１は、オーステナイト系ステンレス鋼線材の皮むき用の標準的なシェービングダイスで使用される角度の概要と、本発明による製造方法で使用される角度の間隔を示す。

線材の表面を粗くする工程。好適には、塩浴炉内における酸洗によって、その後、白酸洗（二回目酸洗）及び塩酸中での酸洗を行って表面を粗くし粒界をエッチングすること。あるいは、表面を機械的に粗くしてもよい。表面を粗くする工程が必要な理由は、皮むき後の表面が非常に滑らかで乾式伸線加工を行うことができないからである。同様に、この滑らかな表面には良好なキャリア及び伸線潤滑剤を付着させることもできない。
ワイヤ表面にキャリア皮膜を塗布する工程。好適には、キャリア皮膜は水和ホウ酸ナトリウムからなる。
最終寸法までロールからロールへと連続的に伸線加工を行う工程。好適には、順次径が小さくなる多数の引抜きダイスを用いた幾つかの工程において、典型的には、４〜１０の引抜きダイスが必要である。例えば、線径を８．２ｍｍから３．６ｍｍに縮小するには、７つの引抜きダイスが必要である。

このようにして本発明の方法によって製造された、皮むきした２相ワイヤ製品は、好適には、仕上がり線径の６％より深い凹又は仕上がり線径の６％より高い凸の表面欠陥を含むべきでない。

本発明による線材は、好適には、重量％で下記の組成を有する。
０≦Ｃ≦０．５、
０．１≦Ｓｉ＜２．０、
０．１≦Ｍｎ≦７．０、
０．１≦Ｎｉ≦８．０、
１８≦Ｃｒ≦３５、
０≦Ｃｕ≦３．０、
０．１０≦Ｎ≦０．６、
０≦Ｍｏ≦６．０、
０≦Ｗ≦１．０、
０≦Ｖ≦１．０、
０≦Ｔｉ≦１．０、
０≦Ａｌ≦１．０、
０≦Ｎｂ≦１．０、
０≦Ｃｏ≦１．５、
残部のＦｅ及び通常存在する不純物、を有する。オーステナイト含有量は、好適には４５〜６５％であり、フェライト含有量は、好適には３５〜５５％である。

より好適には、線材は標準規格ＵＮＳ Ｓ３１８０３に準じた組成を有し、さらに好適には、線材は標準規格ＵＮＳ Ｓ３２２０５に準じた組成を有する。

本発明の好適な実施形態において、焼鈍していない状態で提供される標準規格ＵＮＳ Ｓ３２２０５に準じた２相ステンレス鋼線材を、皮むきに先立って酸洗及びコーティングした。幾つかの異なる種類のシェービングダイスを試験して、ダイス角度を評価した。試験結果を表２に示す。サンプル１及び２は本発明によるシェービングダイス、サンプル３〜５は参照サンプルであった。サンプル５は、オーステナイト系ステンレス鋼線材の皮むきに用いられる一般的なシェービングダイスであった。シェービングダイスに用いられるカーバイドグレードは、市販されているグレードＭＰ１０（サンドビック社）であった。試験した全てのダイスに関し、逃げ角αは６°、すくい面ランド幅ωは０．３ｍｍ、切れ刃半径は０．０５ｍｍであった。

次に、皮むき後の結果が良好なサンプル１及び２に酸洗及びキャリア皮膜のコーティングを施し、これらを７つの引抜きダイスを使用して最終寸法まで伸線加工した。ワイヤは、皮むきされた８．２ｍｍの線材から直接３．６ｍｍの最終線径までマルチブロックマシン（ｍｕｌｔｉ ｂｌｏｃｋ ｍａｃｈｉｎｅ）において伸線された。最初の３つのダイスボックス内ではステアリン酸カルシウムを潤滑剤として用い、残りのダイスボックス内ではステアリン酸ナトリウムを用いた。第１の伸線工程中は速度が遅く比較的材料が軟らかいためそれほど材料温度は上昇しない。そのため、融解温度が低いカルシウムは最良の選択である。材料変形が硬化し伸線速度が上昇したら、高い融点を有する潤滑剤を使用しなければならない。従って、ナトリウム石鹸が常に最終伸線工程に用いられる。

ワイヤ上に良好な潤滑膜を形成するために、ダイス及びキャプスタンの冷却水の温度を３０±５℃に保った。最終寸法における伸線速度は秒速５ｍ以下とした。

最終伸線工程の後に続けて、皮むきされた２相ステンレス鋼ワイヤの完成品に、渦電流探傷（ＥＣ）試験を用いた表面品質測定を行った。渦電流探傷試験は、表面の凸凹やクラックを検出するための非破壊試験法である。基準標準器が器具を較正するためにを使用される。基準標準器の長手方向の切欠きは、ワイヤ径の６％の深さ（０．２ｍｍ）、１０ｍｍ長さ、０．１０ｍｍ幅を有するＵ字断面形状を有する。図３ａ−３ｃに、３．６ｍｍの皮むきされた２相ステンレス鋼ワイヤ（図３ａ）の渦電流探傷試験の結果を、焼鈍していない線材から伸線加工された一般的な３．６ｍｍの２相ステンレス鋼ワイヤ（図３ｂ）の試験結果と共に示す。横軸は時間ｔを表し、縦軸は検出された信号の振幅Ａを表す。各試験は約８分間行われた。これは秒速２ｍのワイヤ速度の場合、約１０００ｍの完成したワイヤに対して試験が行われたことに相当する。図３ｃは、手動によってかなり遅い速度で伸線加工された対比試験片の渦電流探傷試験を示す。試験結果から分かるように、皮むきされた２相ステンレス鋼ワイヤは、焼鈍されていない線材から伸線加工された一般的な３．６ｍｍ２相ステンレス鋼ワイヤに比べて、はるかに示度が低い、すなわち表面欠陥が少ない。

その結果、本発明による製造方法が疲労耐性を顕著に向上させたと結論付けることができる。なぜなら、本発明による皮むきされた２相ワイヤ製品の主な対象である１００，０００，０００サイクルまでのサイクル範囲においては特に、表面欠陥に起因するクラックが疲労破壊の原因として一番多いからである。

耐食性は、理論的に耐孔食指数（ＰＲＥ）値を計算することによって、あるいは実験的に腐食試験によって測定されてもよい。臨界孔食温度（ＣＰＴ）は、一般的によく知られた腐食試験方法である。ＣＰＴは、一定の電圧を加え（定電圧法）、電流が劇的に増加する温度を測定することによって電気化学的に測定される。

本発明による２相ステンレス鋼ワイヤのサンプル及びステンレス鋼合金１７−７ＰＨの比較サンプルのＣＰＴ値を測定した。これらのサンプルを、３００ｍＶの一定電圧で０．１％ＮａＣｌ溶液に浸漬した。溶液温度は、サンプル上に腐食を示すことができるまで５分毎に５℃上昇させた。

ＰＲＥ値は次のように定義される。
ＰＲＥ、耐孔食指数＝％Ｃｒ＋３．３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ
より高いＰＲＥ値は、より良好な耐食性に相当する。

表３において、標準規格ＵＮＳ Ｓ３２２０５に準じた２相ステンレス鋼合金のＰＲＥ値及びＣＰＴ値を、しばしば高疲労のバネ用途に用いられる析出硬化ステンレス鋼合金１７−７ＰＨの同値と比較する。

１７−７ＰＨは腐食特性に乏しいため、腐食性媒体内のポンプバネや航空宇宙用途のためのバネといった幾つかの高疲労のバネ用途には不適当である。多くの用途において、十分な耐食性を得るために１７−７ＰＨに不動態化処理を施す必要がある。本発明による製造方法を用いた場合、この追加の製造工程が不要であるため、より経済的な製品を得ることができる。また、皮むきされていない２相ステンレス鋼ワイヤ製品と比較した場合、皮むきされた２相ワイヤ製品は、腐食の起点が少ない滑らかな表面のおかげでより良好な腐食特性を呈する。従って、皮むきされた２相ワイヤ製品は、１７−７ＰＨ等の皮むきされた析出硬化ステンレス鋼ワイヤ製品及び皮むきされていない２相ステンレス鋼ワイヤ製品の双方に比べ、優れた腐食特性を有すると共に卓越した疲労特性を呈する。本発明による皮むきされた２相ワイヤ製品は、腐食性媒体における高疲労のバネ用途に用いるのに最適であると結論付けることができる。

Claims (4)

1. ２相ステンレス鋼線材の皮むき工程で使用されるシェービングダイスであって、
   １０〜３０°のすくい面ランド角ηと、
   １０〜２０°のすくい角γと、
   ３〜１０°の逃げ角αと、
   ０．１〜０．５ｍｍのすくい面ランド幅ωと、
   ０．０２〜０．０８ｍｍの切れ刃半径とを有することを特徴とするシェービングダイス。
2. すくい面ランド角ηが１５〜２０°であることを特徴とする請求項１に記載のシェービングダイス。
3. 逃げ角αが５〜７°であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシェービングダイス。
4. 前記２相ステンレス鋼線材が重量％で下記の組成、すなわち
   ０≦Ｃ≦０．５、
   ０．１≦Ｓｉ＜２．０、
   ０．１≦Ｍｎ≦７．０、
   ０．１≦Ｎｉ≦８．０、
   １８≦Ｃｒ≦３５、
   ０≦Ｃｕ≦３．０、
   ０．１０≦Ｎ≦０．６、
   ０≦Ｍｏ≦６．０、
   ０≦Ｗ≦１．０、
   ０≦Ｖ≦１．０、
   ０≦Ｔｉ≦１．０、
   ０≦Ａｌ≦１．０、
   ０≦Ｎｂ≦１．０、
   ０≦Ｃｏ≦１．５、
   残部のＦｅ及び通常存在する不純物、を有し、
   フェライト含有量が３５〜５５％、オーステナイト含有量が４５〜６５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のシェービングダイス。

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