JP3791664B2

JP3791664B2 - オーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼

Info

Publication number: JP3791664B2
Application number: JP2000046974A
Authority: JP
Inventors: 一夫中間; 和美柿本; 辰郎磯本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: JP2001234298A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃａ添加によるオーステナイト系快削ステンレス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性、延性、靱性、溶接性に優れることから種々の分野で幅広く用いられている。しかし、延性が高いこと、加工硬化しやすいこと、熱電導率が低いこと等から、切削加工においては、切削工具の摩耗が大きく、切屑処理性が悪いため、炭素鋼や低合金鋼に比べて被削性が劣っている。このような欠点を補うため、Ｓ等の快削元素を添加して被削性を改善したＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６Ｆ等の快削ステンレス鋼がＪＩＳにも規格化されており、家庭用電化製品やＯＡ機器の切削小物部品や装飾性を重視する部品に多用されている。
【０００３】
Ｓは鋼中においてＭｎ等の元素と反応してＭｎＳ等の硫化物を生成し、この硫化物が切削加工中に応力集中源となって、切削抵抗の低下に伴う工具摩耗の抑制や切屑処理性の改善のような被削性向上作用をもたらす。ところが、上記快削ステンレス鋼中に生成する硫化物はステンレス鋼マトリックスより腐食されやすいことから、発銹や孔食の起点となって耐食性を悪化させる。
【０００４】
他方、被削性を改善する方法の中に、古くから脱酸時にＣａ処理を行うことで生じる含Ｃａ酸化物を利用する方法が知られている。含Ｃａ酸化物の中でも、アノーサイトやゲーレナイトと呼ばれる低融点型酸化物組成のときに被削性改善効果が大きいが、特に低融点であるアノーサイトが良いとされている。低融点型酸化物は、切削時に生じる熱で軟化して工具表面に付着保護するため摩耗を抑制する作用があるからとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、炭素鋼や低合金鋼と異なり、Ｃｒ，Ｎｉ等比較的多量の合金元素を含有するオーステナイト系ステンレス鋼においては、成分によってＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ等の酸化物が生じることがあり、被削性改善に好適な酸化物を生じせしめる成分系を示した先行技術例は少ない。特開平６−１４５９０８号公報においては、Ａｌ：５０〜１５０ｐｐｍ、Ｃａ：１０〜１００ｐｐｍ、かつ原子比でＣａ／Ｏ≧０．５およびＡｌ／Ｏ≧０．５の条件のとき、ゲーレナイトが生じ、工具潤滑作用が得られるとしている。ただし、この特許中では、アノーサイト自体の被削性改善効果を認めながら、多量のＣｒが存在するステンレス鋼においてアノーサイトの生成は妨げられるとしており、酸化物種のうちゲーレナイトを生成させるための成分範囲にのみ着目している。
【０００６】
また、特開平９−１３７２５４号公報においては、硫化マンガンと共に可鍛性のある低融点の石灰アルミノケイ酸塩型酸化物が固体潤滑材の役目をして工具の摩耗を抑制する効果があることを示している。この特許においては、上記性能を得るための成分系として、酸化物構成元素としては、ＳｉとＣａ，Ｏ量およびＣａ／Ｏ比を制御しているが、石灰アルミノケイ酸塩型酸化物組成に与える影響が大きいＡｌの好適量については言及されていない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上述べたような問題を解消するため発明者らは鋭意開発を進めた結果、オーステナイト系ステンレス鋼において、ＡｌとＣａ等の量を種々変化させて酸化物組成と被削性等の諸特性を調査した結果、被削性改善に有効な酸化物を生成させるための適当な成分系を見出すことができた。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１５．０％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、Ａｌ：０．０００３〜０．００１４％、Ｃａ：０．００１〜０．０１％、Ｏ：０．００５〜０．０２０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
【０００８】
（２）前記（１）の成分に加えて、Ｓ：０．０５％以下を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
（３）前記（１）または（２）の成分に加えて、Ｍｏ：３．０％以下、Ｃｕ：４．０％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
（４）前記（１）〜（３）のいずれかの成分に加えて、Ｎ：０．２％以下、Ｂ：０．０１％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
【０００９】
（５）前記（１）〜（４）のいずれかの成分に加えて、Ｔｉ：１．０％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｔａ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下、のうち１種または２種以上を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
（６）前記（１）〜（５）のいずれかの成分に加えて、鋼中のＣａとＡｌの質量比が、Ｃａ／Ａｌ：０．２〜５であることを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼にある。
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。
オーステナイト系ステンレス鋼において、合金成分の調整により、前述したように、Ａｌ，Ｃａ等を含有した低融点型酸化物を生成させて被削性を改善することができるが、そのためには、従来考えられていたよりも低濃度かつ狭い範囲でＡｌをコントロールし、その上でＣａを添加するが重要であることを見出した。加えて、Ｏ量の制御もまた重要であり、Ｏが０．００５％未満と少ないと酸化物量が少なくなって被削性改善に対する寄与が乏しく、逆に０．０２０％を超えて多いとＭｎやＣｒを主体とする高融点酸化物が生じ易く被削性改善効果がなくなることも見出した。
【００１１】
さらに、より安定的に好適組成の酸化物を生成させるためには、ＣａとＡｌの重量比を一定の範囲内に制御することが有効であることが分かった。すなわち、Ｃａ／Ａｌ比を０．２〜５の間に抑制すると良く、もしＣａ／Ａｌ比が０．２未満であると、Ａｌ₂Ｏ₃濃度が高く高融点型の酸化物を生じて被削性改善効果がなくなり、また、Ｃａ／Ａｌ比が５を超える場合も、好適な酸化物組成から外れて被削性改善効果が乏しくなる。このように、本発明では成分元素を従来考えられていた範囲よりも低Ａｌ濃度領域で微妙に制御することにより被削性改善に有効な酸化物を生成させることが出来ることを明らかにしており、耐食性を悪化させずに被削性を改善したオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的としている。
【００１２】
【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：０．１％以下
Ｃは強度を上げるに必要な元素である。しかし、耐食性を悪化させる元素でもあるため、その上限値を０．１％とした。
Ｓｉ：０．２〜１．０％
Ｓｉは通常脱酸のために添加され、特に本発明では低融点型酸化物を生成させるために必要な元素である。しかし０．２％未満では脱酸剤としての効果がうすく、また、１．０％を超えると靱性を低下させる。従って、その範囲を０．２〜１．０％とした。
【００１３】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
ＭｎはＳｉと同様に製鋼時の脱酸剤として用いる。また、Ｓと反応して硫化物を生成する。しかし、０．２％未満では上記の働きを示すには不十分であり、２．０％を超えると耐食性を害するので、その範囲を０．２〜２．０％とした。
Ｎｉ：８．０〜１５．０％
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼には必要不可欠な元素で、オーステナイト相を安定させる元素である。８．０％未満ではオーステナイト相が安定しないので下限を８．０％とした。また、Ｎｉは高価な元素であるため、上限を１５．０％とした。
【００１４】
Ｃｒ：１６．０〜２０．０％
Ｃｒはステンレス鋼の基本的な元素であり、表面に酸化皮膜を生成するこで耐食性を付与する。１６．０％未満では耐食性確保に不十分で２０．０％を超える添加は高価になる。従って、その範囲を１６．０〜２０．０％とした。
Ａｌ：０．０００３〜０．００１４％
Ａｌは強力な脱酸元素であり、本発明においては酸化物組成を制御する上で極めて重要な元素である。しかし、０．０００３％未満だと酸化物組成制御には不十分で、０．００１４％を超えると硬質の酸化物を生成し被削性を阻害する。従って、その範囲を０．０００３〜０．００１４％とした。
【００１５】
Ｃａ：０．００１〜０．０１％
Ｃａは強力な脱酸元素であり、酸化物組成制御上、Ａｌと同様重要な元素である。被削性改善に有効な組成の酸化物を生成させるためには、０．００１％未満では効果がなく、０．０１％を超える添加は困難であると同時に多量の硫化物の生成により耐食性が劣化するため、その範囲を０．００１〜０．０１％とした。
Ｏ：０．００５〜０．０２０％
Ｏは常温では殆どが酸化物となり鋼中に分散して存在する。本発明においては、Ａｌ，Ｃａ等の脱酸元素の微妙なコントロールと適量のＯの存在により、被削性を著しく改善することができることを明らかにしており、このためには、０．００５％未満では効果が薄く、０．０２０％を超えるとＭｎやＣｒを主体とする高融点酸化物が生じて被削性を悪化させることから、その範囲を０．００５〜０．０２０％とした。
【００１６】
Ｓ：０．０５％以下
Ｓは硫化物を形成し被削性向上に極めて効果が大きい。しかし本発明においては耐食性の劣化を抑えるため、その上限を０．０５％とした。
Ｍｏ：３．０％以下
Ｍｏは耐食性を改善する効果を有する。しかし、多量の添加はコスト高を招くので、その上限を３．０％とした。
【００１７】
Ｃｕ：４．０％以下
Ｃｕはオーステナイト地に固溶し耐食性を改善させると共に、変形抵抗を低下させる。しかし、４．０％を超える添加は熱間加工性を悪化させる。従って、その上限値を４．０％とした。
Ｎ：０．２％以下
Ｎは強力なオーステナイト生成元素で耐食性の改善や強度向上に効果がある。しかし、０．２％を超えると熱間加工性が悪化するため上限を０．２％とした。
【００１８】
Ｂ：０．０１％以下
Ｂはオーステナイト系で熱間加工性を改善する。しかし、多すぎると逆に悪化する。従って、その上限を０．０１％とした。
Ｔｉ：１．０％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｖ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｔａ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒはいずれも炭化物を生成し耐食性を向上させる。しかし、１．０％を超える添加は効果が飽和すると共に熱間加工性を悪化させる。従って、いずれもその上限値を１．０％とした。
【００１９】
Ｃａ／Ａｌ：０．２〜５
Ｃａ、Ａｌは前述したように、ステンレス鋼中にＡｌ，Ｃａ等を含有した低融点型酸化物を生成させるために必要な元素である。この酸化物は、切削加工時に加工工具に凝着して工具表面を保護したり工具の機械的摩耗を抑制したりすることにより工具の寿命を改善する。好適組成の酸化物を生成させるためには微量の範囲でＡｌをコントロールし、その上でＣａを添加することが重要で、ＣａとＡｌの重要比を一定の範囲内に制御することが有効である。Ｃａ／Ａｌ比が０．２未満であると、Ａｌ₂Ｏ₃濃度が高く高融点型の酸化物を生じて被削性改善効果がなくなり、また、Ｃａ／Ａｌ比が５を超える場合も、好適な酸化物組成から外れて被削性改善効果が乏しくなる。従って、その範囲を０．２〜５とした。
【００２０】
【実施例】
実験炉を用いて表１に示す成分のオーステナイト系ステンレス鋼を溶製した。製作した鋼塊を１２００℃で棒鋼に鍛伸し、１１００℃水冷の固溶化熱処理後各種試験に供した。まず、鍛伸方向に平行な面を切断、研磨し、観察された酸化物系介在物について、エネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて酸化物組成を分析した。次に、径６０ｍｍの鍛伸材に、以下に示す旋盤による旋削を行い、工具逃げ面およびすくい面の摩耗量を測定した。他方、径１２ｍｍ×２１ｍｍの腐食試験片を作製し、以下に示す耐食性試験に供した。これらの結果を表２に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
（１）工具摩耗試験
工具材種：Ｐ２０
周速：２００、２５０ｍ／ｍｉｎ
切込：１．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
潤滑油：なし
評価：１０分旋削後の工具逃げ面およびすくい面の摩耗量
（２）耐食性試験サイクル湿潤試験：９０％ＲＨ、｛（２０℃−１．５ｈ）←→（７０℃−４．５ｈ）｝×２０回のサイクル後、試験片表面の発銹状態を観察。
【００２４】
表１に示すように、発明鋼Ｎｏ１〜７は、適当な組成の酸化物を生成しており、良好な耐食性を有したまま被削性が改善されている。
比較鋼Ｎｏ８は、ＡｌおよびＣａを含有していない通常のＳＵＳ３０４であり、生成酸化物は主にＳｉとＭｎからなるものであり、工具摩耗抑制作用がみられない。
比較鋼Ｎｏ９のように、Ａｌを含有しているもののＣａを含有していない場合は、Ａｌを含有する酸化物が生じるが、工具摩耗抑制作用は少ない。
比較鋼Ｎｏ１０は、Ａｌによる強脱酸を行った場合であるが、大部分Ａｌを含有する酸化物になっており、硬質の酸化物のため、むしろ逃げ面摩耗を促進している。
【００２５】
比較鋼Ｎｏ１１は、Ａｌは含まずＣａを含有しており、主にＳｉとＣａからなる酸化物を生成し、工具摩耗抑制作用は乏しい。
比較鋼Ｎｏ１２のように、Ｃａを含む場合でも過度のＡｌを含む場合は、Ａｌ濃度の高い酸化物になっており、摩耗促進傾向が見られる。
比較鋼Ｎｏ１３は、ＡｌおよびＣａを適当量含んでいるが、溶存酸素量が高かった場合で、この場合は主にＭｎとＣｒからなる酸化物が主体となり、摩耗は促進される。
【００２６】
比較鋼Ｎｏ１４は、Ｓを０．１５％含んだＳＵＳ３０３である。被削性は良好だが、比較的硫化物が多いため、耐食性がやや劣る。
比較鋼Ｎｏ１５は、さらにＳを０．３３％まで増加したＳＵＳ３０３である。多量の硫化物のため、発明鋼より工具摩耗は抑制されているが、耐食性は非常に悪い。
比較鋼Ｎｏ１６は、通常のＡｌ脱酸を行ったＳＵＳ３１６である。Ａｌ濃度の高い酸化物を生成しており、被削性は良くない。
比較鋼Ｎｏ１７は、Ａｌ脱酸したＳＵＳ３１６Ｆであり、Ｓの影響で工具摩耗は抑えられているが、耐食性がやや悪い。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により耐食性を劣化させずに被削性を改善した快削ステンレス鋼を提供することができる極めて優れた効果を奏するものである。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１％以下、
Ｓｉ：０．２〜１．０％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｎｉ：８．０〜１５．０％、
Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、
Ａｌ：０．０００３〜０．００１４％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１％、
Ｏ：０．００５〜０．０２０％
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
請求項１の成分に加えて、Ｓ：０．０５％以下を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
請求項１または２の成分に加えて、
Ｍｏ：３．０％以下、
Ｃｕ：４．０％以下
のうち１種または２種を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
請求項１〜３のいずれかの成分に加えて、
Ｎ：０．２％以下、
Ｂ：０．０１％以下
のうち１種または２種を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
請求項１〜４のいずれかの成分に加えて、
Ｔｉ：１．０％以下、
Ｎｂ：１．０％以下、
Ｖ：１．０％以下、
Ｗ：１．０％以下、
Ｔａ：１．０％以下、
Ｚｒ：１．０％以下、
のうち１種または２種以上を含有することを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。
請求項１〜５のいずれかの成分に加えて、鋼中のＣａとＡｌの質量比が、Ｃａ／Ａｌ：０．２〜５であることを特徴とするオーステナイト系Ｃａ添加快削ステンレス鋼。