JP2006097040A - 被削性に優れた快削ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の快削ステンレス鋼と比較してより一層被削性に優れた快削ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】 質量%で、C:0.40%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0〜3.0%、S:0.15〜0.40%、Cr:10〜30%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、Cr、Mn、Sの含有量をそれぞれ[%Cr]、[%Mn]、[%S]としたときに、式(1)を満足することを特徴とする被削性に優れた快削ステンレス鋼。
[%Mn]≧exp{(38+0.18×[%Cr]−36×[%S])/22}×[%S] …… (1)
【選択図】 図1
【解決手段】 質量%で、C:0.40%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0〜3.0%、S:0.15〜0.40%、Cr:10〜30%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、Cr、Mn、Sの含有量をそれぞれ[%Cr]、[%Mn]、[%S]としたときに、式(1)を満足することを特徴とする被削性に優れた快削ステンレス鋼。
[%Mn]≧exp{(38+0.18×[%Cr]−36×[%S])/22}×[%S] …… (1)
【選択図】 図1
Description
本発明は、従来の快削ステンレス鋼と比較してより一層被削性に優れた快削ステンレス鋼に関するものである。
一般にSUS416、SUS430F、SUS303等のS添加快削ステンレス鋼の耐食性その他特性には、鋼中に生成した快削物質である硫化物の量だけでなく、硫化物組成が重要な影響を及ぼしていることが知られている。硫化物組成は鋼自体の成分に極めて大きく依存しており、ステンレス鋼の場合、12%以上含有しているCrのため通常は硫化物中にもCrが自然に含まれる。しかしながら、硫化物中Cr量が増加すると硫化物硬さが上昇し、被削性に悪影響を与える。
硫化物組成は、鋼自体の成分に大きく依存するが、従来は硫化物組成を制御する方法として、例えば特開平10−46292号公報(特許文献1)に開示されているように、Mn/S比とCr量で表わさせる因子を制御して硫化物中のMnをCrに置換して耐食性向上を図ると共に、硫化物組織の変化で若干被削性は低下するが、Pb、Seの添加で補え、かつ熱間加工時の組織をフェライト一相として十分な熱間加工性を確保したフェライト系快削ステンレス鋼が提案されている。
また、特許第1274716号公報(特許文献2)に開示されているように、16〜20%Crを含有するステンレス鋼において、Mn/S比を2〜4に調整して、Crを10%以上含有する(Mn,Cr)S系介在物を生成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。
しかしながら、上述の技術は、硫化物中に意図的にCrを含有させて耐食性を向上させることを主眼としており、逆に、硫化物中の微量のCrが被削性に及ぼす影響については知られていなかった。
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意研究を重ねた結果、被削性を重視するS添加快削ステンレス鋼において、Mnの添加量の下限を式にて定め、この式を満たすとき、硫化物中のCr量を10%以下%になり、硫化物の硬さが低下して、被削性がより改善することを見出した。例えば、日本工業規格(JIS G 4303)に規定されているフェライト系快削ステンレス鋼SUS430Fの成分規格は、Mnの上限を1.25%に定めているが、この上限をも超えるようなMnを添加することによって、一層被削性に優れた快削ステンレス鋼を提供するものである。
その発明の要旨とするところは、
(1)質量%で、C:0.40%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0〜3.0%、S:0.15〜0.40%、Cr:10〜30%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、Cr、Mn、Sの含有量をそれぞれ[%Cr]、[%Mn]、[%S]としたときに、式(1)を満足することを特徴とする被削性に優れた快削ステンレス鋼。
[%Mn]≧exp{(38+0.18×[%Cr]−36×[%S])/22}×[%S] …… (1)
(1)質量%で、C:0.40%以下、Si:2.0%以下、Mn:1.0〜3.0%、S:0.15〜0.40%、Cr:10〜30%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、Cr、Mn、Sの含有量をそれぞれ[%Cr]、[%Mn]、[%S]としたときに、式(1)を満足することを特徴とする被削性に優れた快削ステンレス鋼。
[%Mn]≧exp{(38+0.18×[%Cr]−36×[%S])/22}×[%S] …… (1)
(2)Ni:25%以下、Mo:3.0%以下、Cu:3.0%以下、Co:3.0%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
(3)Ti:0.50%以下、V:0.50%以下、Nb:0.50%以下、W:0.50%以下、Ta:0.50%以下、Hf:0.50%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
(3)Ti:0.50%以下、V:0.50%以下、Nb:0.50%以下、W:0.50%以下、Ta:0.50%以下、Hf:0.50%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
(4)Se:0.20%以下、Te:0.10%以下、Sn:0.30%以下、Pb:0.30%以下、Bi:0.30%以下、Ca:0.020%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(3)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
(5)B:0.020%以下、Al:0.20%以下、Mg:0.020%以下、Zr:0.20%以下、REM:0.020%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(4)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
(5)B:0.020%以下、Al:0.20%以下、Mg:0.020%以下、Zr:0.20%以下、REM:0.020%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(4)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
(6)P:0.20%以下、N:0.20%以下、O:0.030%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(5)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
(7)硫化物系介在物に含まれるCr量の平均値が、質量%で15〜35%であることを特徴とする前記(1)〜(6)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼にある。
(7)硫化物系介在物に含まれるCr量の平均値が、質量%で15〜35%であることを特徴とする前記(1)〜(6)に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼にある。
以上述べたように、本発明によるMnの添加量の下限を式にて定め、硫化物中のCr量を10%以下に高精度で制御することにより、被削性を重視する用途に好適なS添加快削ステンレス鋼を提供することができる。
以下、本発明に係る成分組成の限定理由について説明する。
C:0.40%以下
Cは、その添加量に伴って強度を上昇させる元素であり、所望の強度を調整するのに有効な元素である。しかしながら、過度に増加すると、炭化物の析出により耐食性および被削性が低下するので、その上限を0.40%とした。
Si:2.0%以下
Siは、脱酸元素として有効である。しかし、過度に増量すると硬さを上昇させて靱性が悪化するので、上限を2.0%とした。
C:0.40%以下
Cは、その添加量に伴って強度を上昇させる元素であり、所望の強度を調整するのに有効な元素である。しかしながら、過度に増加すると、炭化物の析出により耐食性および被削性が低下するので、その上限を0.40%とした。
Si:2.0%以下
Siは、脱酸元素として有効である。しかし、過度に増量すると硬さを上昇させて靱性が悪化するので、上限を2.0%とした。
Mn:1.0〜3.0%
Mnは、脱酸元素として有効であるだけでなく、硫化物を生成し、その組成に重要な影響を与える元素である。式1に示すように、他成分のバランスにもよるが、1.0%未満であると硫化物中のMn濃度が十分でなく卓越した被削性が得られず、3.0%を超えると効果が飽和するので、その範囲を1.0〜3.0%とした。
Mnは、脱酸元素として有効であるだけでなく、硫化物を生成し、その組成に重要な影響を与える元素である。式1に示すように、他成分のバランスにもよるが、1.0%未満であると硫化物中のMn濃度が十分でなく卓越した被削性が得られず、3.0%を超えると効果が飽和するので、その範囲を1.0〜3.0%とした。
S:0.15〜0.40%
Sは、被削性向上元素として極めて有効な元素であるが、含有量が0.15%未満ではこの効果が十分発揮されない。また、0.40%を超えて添加すると、添加量に見合うだけの被削性向上効果が得られない上、熱間加工性を劣化させるので、その範囲を0.15〜0.40%とした。
Sは、被削性向上元素として極めて有効な元素であるが、含有量が0.15%未満ではこの効果が十分発揮されない。また、0.40%を超えて添加すると、添加量に見合うだけの被削性向上効果が得られない上、熱間加工性を劣化させるので、その範囲を0.15〜0.40%とした。
Cr:10〜30%
Crは、マトリックスに固溶して鋼表面に酸化保護被膜を形成して耐食性を向上させる元素であるとともに、硫化物にも含有されると耐食性を著しく改善する。しかし、10%未満では十分な被膜ができず耐食性が不十分で、30%を超えると靱性および被削性が低下することから、その範囲を10〜30%とした。
Crは、マトリックスに固溶して鋼表面に酸化保護被膜を形成して耐食性を向上させる元素であるとともに、硫化物にも含有されると耐食性を著しく改善する。しかし、10%未満では十分な被膜ができず耐食性が不十分で、30%を超えると靱性および被削性が低下することから、その範囲を10〜30%とした。
Ni:25%以下
Niは、オーステナイト生成元素で、オーステナイト系ステンレス鋼では基本元素である。延靱性を改善し、非酸化性酸に対する耐食性を向上させる効果がある。しかし、25%を超えると本発明であるS添加快削鋼では熱間加工性が悪化するので、その上限を25%とした。
Niは、オーステナイト生成元素で、オーステナイト系ステンレス鋼では基本元素である。延靱性を改善し、非酸化性酸に対する耐食性を向上させる効果がある。しかし、25%を超えると本発明であるS添加快削鋼では熱間加工性が悪化するので、その上限を25%とした。
Mo:3.0%以下
Moは、Crの酸化保護被膜を強固にし耐食性を改善する効果がある。しかし、3.0%を超えるとσ相が析出しやすくなり機械的性質を低下させるので、その上限を3.0%とした。
Cu:3.0%以下
Cuは、オーステナイト系ステンレス鋼に添加されると冷間加工性を向上する働きがある。しかし、3.0%を超えると熱間加工性が悪化するので、その上限を3.0%とした。
Moは、Crの酸化保護被膜を強固にし耐食性を改善する効果がある。しかし、3.0%を超えるとσ相が析出しやすくなり機械的性質を低下させるので、その上限を3.0%とした。
Cu:3.0%以下
Cuは、オーステナイト系ステンレス鋼に添加されると冷間加工性を向上する働きがある。しかし、3.0%を超えると熱間加工性が悪化するので、その上限を3.0%とした。
Co:3.0%以下
Coは、強度を高め耐熱性や耐摩耗性を改善する元素である。しかし、3.0%を超えると熱間加工性が劣化するので、その上限を3.0%とした。
Ti:0.50%以下、V:0.50%以下、Nb:0.50%以下、W:0.50%以下、Ta:0.50%以下、Hf:0.50%以下
これらの元素は炭窒化物を生成し耐食性を改善する効果がある。しかし、0.50%を超えると被削性が悪化することから、各々の上限を0.50%とした。
Coは、強度を高め耐熱性や耐摩耗性を改善する元素である。しかし、3.0%を超えると熱間加工性が劣化するので、その上限を3.0%とした。
Ti:0.50%以下、V:0.50%以下、Nb:0.50%以下、W:0.50%以下、Ta:0.50%以下、Hf:0.50%以下
これらの元素は炭窒化物を生成し耐食性を改善する効果がある。しかし、0.50%を超えると被削性が悪化することから、各々の上限を0.50%とした。
Se:0.20%以下、Te:0.10%以下、Sn:0.30%以下、Pb:0.50%以下、Bi:0.30%以下、Ca:0.020%以下
これらの元素は被削性を改善する効果がある。しかし、それぞれの上限を超えると、効果が飽和したり熱間加工性が低下したりするので、各々の上限を0.020%とした。
これらの元素は被削性を改善する効果がある。しかし、それぞれの上限を超えると、効果が飽和したり熱間加工性が低下したりするので、各々の上限を0.020%とした。
B:0.020%以下、Al:0.20%以下、Mg:0.020%以下、Zr:0.20%以下、REM:0.020%以下
これらの元素は熱間加工性を改善する効果がある。しかし、それぞれの上限を超えると、効果が飽和したり逆に熱間加工性が低下したりするので、各々の上限を定めた。
P:0.20%以下、N:0.20%以下、O:0.030%以下
これらの元素は不純物であり、熱間加工性や機械的性質を低下させるために含有量はなるべく少ない方が良いが、本発明が提供する効果を著しく阻害しない許容できる範囲内として定めた。
これらの元素は熱間加工性を改善する効果がある。しかし、それぞれの上限を超えると、効果が飽和したり逆に熱間加工性が低下したりするので、各々の上限を定めた。
P:0.20%以下、N:0.20%以下、O:0.030%以下
これらの元素は不純物であり、熱間加工性や機械的性質を低下させるために含有量はなるべく少ない方が良いが、本発明が提供する効果を著しく阻害しない許容できる範囲内として定めた。
[%Mn]≧exp{(38+0.18×[%Cr]−36×[%S])/22}×[%S]
この式は、被削性改善効果を最大限に発揮する硫化物組成に制御するための、合金元素成分調整方法を示すものであって、本発明において最も重要なものである。Mn量が右辺にて計算される値よりも少なくなると、硫化物中のMn量が不十分となり、Cr量が増加して被削性が低下する。従って、上記範囲とした。
この式は、被削性改善効果を最大限に発揮する硫化物組成に制御するための、合金元素成分調整方法を示すものであって、本発明において最も重要なものである。Mn量が右辺にて計算される値よりも少なくなると、硫化物中のMn量が不十分となり、Cr量が増加して被削性が低下する。従って、上記範囲とした。
図1は、硫化物系介在物の硬さに及ぼす硫化物中のCr量を示した図である。この図に示すように、硫化物中のCr量が増加すると硫化物硬さは急激に上昇し、Cr量がおよそ10%を超えると硫化物硬さは約250HVを超えて硬化する。図2は、16%Cr−0.32%S鋼のドリル寿命に及ぼすMn量と硫化物中のCr量の影響を示す図である。この図に示すように、十分なMnを添加して硫化物中Cr量を10%以下に制御した場合に安定して優れた優れた被削性を有するようになった。
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表1に示す成分組成の鋼を真空誘導炉にて溶製して100kgの鋼塊とし、鍛伸後熱処理を行ない、各種試験に供した。試験は硫化物系介在物調査、ドリル寿命試験、旋削工具摩耗試験を行った。その結果を表2に示す。
表1に示す成分組成の鋼を真空誘導炉にて溶製して100kgの鋼塊とし、鍛伸後熱処理を行ない、各種試験に供した。試験は硫化物系介在物調査、ドリル寿命試験、旋削工具摩耗試験を行った。その結果を表2に示す。
(1)硫化物系介在物調査
φ20mm鍛伸−熱処理後、組織観察用に長手方向に平行に試験片を切り出し、エメリー紙とバフを用いて鏡面まで研磨した後、各供試材当たり30個の硫化物系介在物の組織をエネルギー分散型X線分析装置にて定量分析した。また、同じく各供試材当たり10個の硫化物系介在物の硬さを超微小硬度計(荷重3g)にて測定した。
φ20mm鍛伸−熱処理後、組織観察用に長手方向に平行に試験片を切り出し、エメリー紙とバフを用いて鏡面まで研磨した後、各供試材当たり30個の硫化物系介在物の組織をエネルギー分散型X線分析装置にて定量分析した。また、同じく各供試材当たり10個の硫化物系介在物の硬さを超微小硬度計(荷重3g)にて測定した。
(2)ドリル寿命試験
φ60mm鍛伸−熱処理材について、鍛伸方向に平行に、一定条件で、ドリルが折損または溶損して穿孔不能になるまでドリル穿孔を行った。同条件で試験を3回繰り返し、その平均値をドリル寿命とした。使用ドリル:SKH51、φ5mmストレートドリル、穿孔深さ:15mm、切削速度:30m/min、送り量:0.1mm/rev、クーラント:なし、で行った。
φ60mm鍛伸−熱処理材について、鍛伸方向に平行に、一定条件で、ドリルが折損または溶損して穿孔不能になるまでドリル穿孔を行った。同条件で試験を3回繰り返し、その平均値をドリル寿命とした。使用ドリル:SKH51、φ5mmストレートドリル、穿孔深さ:15mm、切削速度:30m/min、送り量:0.1mm/rev、クーラント:なし、で行った。
(3)旋削工具摩耗試験
φ60mm鍛伸−熱処理材について、周方向に一定条件で旋削を行った。切削距離2000mのときの工具逃げ面摩耗を測定した。使用工具:超硬P20、正方形ネガティブチップ、刃先R0.4mm、切削速度:200m/min、切込量:1.0mm、送り量:0.2mm/rev、クーラント:なし、で行った。
ドリル寿命および旋削摩耗は、No.1〜9は、No.4のドリル寿命(穴数)または旋削工具摩耗量(mm)に対する各供試材のドリル寿命または旋削工具摩耗量の比で表した。同様に、No.10〜27については、No.14を基準とし、また、No.28〜37については、No.37を基準とした。
φ60mm鍛伸−熱処理材について、周方向に一定条件で旋削を行った。切削距離2000mのときの工具逃げ面摩耗を測定した。使用工具:超硬P20、正方形ネガティブチップ、刃先R0.4mm、切削速度:200m/min、切込量:1.0mm、送り量:0.2mm/rev、クーラント:なし、で行った。
ドリル寿命および旋削摩耗は、No.1〜9は、No.4のドリル寿命(穴数)または旋削工具摩耗量(mm)に対する各供試材のドリル寿命または旋削工具摩耗量の比で表した。同様に、No.10〜27については、No.14を基準とし、また、No.28〜37については、No.37を基準とした。
表2に示すように、No.1〜3、No.7〜8、No.10〜13、No.20〜21、No.23〜25、No.28〜29、No.31、No.33、No.35〜36は本発明鋼であり、No.4〜6、No.9、No.14〜19、No.22、No.26〜27、No.30、No.32、No.34、No.37は比較鋼である。比較鋼No.4はMn、S含有量が低いために被削性が劣る。比較鋼No.5〜6はいずれもMn含有量が低いために比較鋼No.4と同様に、被削性が劣る。比較鋼No.9はC含有量が過多のために被削性が悪い。
比較鋼No.14はS含有量が少ないために被削性が悪く、比較鋼No.15〜18、比較鋼No.22はMn含有量が低いために被削性が劣り、逆に比較鋼No.19ではMnが多すぎて効果が飽和している。No.26はSi含有量が多すぎて被削性が劣り、比較鋼No.27のようにCr含有量が過多になると悪化する。比較鋼No.30は本発明鋼No.28および29のように十分なMnを含有しておらず被削性が劣り、比較鋼No.32および34もそれぞれ本発明鋼No.31および33のようにMn量が十分でないため劣っている。比較鋼No.37はMnおよびS含有量が少なく被削性が劣る。
これに対し、本発明例である、No.1〜3、No.7〜8、No.10〜13、No.20〜21、No.23〜25、No.28〜29、No.31、No.33、No.35〜36のいずれも、被削性は鋼種系によって異なるが、硫化物中のCr量が10%以下に制御され、優れた被削性を有していることが分かる。
以上、表2から分かるように、成分組成を規制し、かつMnの添加量の下限を式にて定めると共に硫化物中のCr量を一定に制御することにより、被削性に優れた快削ステンレス鋼を得ることができた。
以上、表2から分かるように、成分組成を規制し、かつMnの添加量の下限を式にて定めると共に硫化物中のCr量を一定に制御することにより、被削性に優れた快削ステンレス鋼を得ることができた。
Claims (7)
- 質量%で、
C:0.40%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:1.0〜3.0%、
S:0.15〜0.40%、
Cr:10〜30%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼であって、Cr、Mn、Sの含有量をそれぞれ[%Cr]、[%Mn]、[%S]としたときに、式(1)を満足することを特徴とする被削性に優れた快削ステンレス鋼。
[%Mn]≧exp{(38+0.18×[%Cr]−36×[%S])/22}×[%S] …… (1) - Ni:25%以下、Mo:3.0%以下、Cu:3.0%以下、Co:3.0%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
- Ti:0.50%以下、V:0.50%以下、Nb:0.50%以下、W:0.50%以下、Ta:0.50%以下、Hf:0.50%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
- Se:0.20%以下、Te:0.10%以下、Sn:0.30%以下、Pb:0.30%以下、Bi:0.30%以下、Ca:0.020%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
- B:0.020%以下、Al:0.20%以下、Mg:0.020%以下、Zr:0.20%以下、REM:0.020%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜4に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
- P:0.20%以下、N:0.20%以下、O:0.030%以下の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜5に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
- 硫化物系介在物に含まれるCr量の平均値が、質量%で10%以下であることを特徴とする請求項1〜6に記載の被削性に優れた快削ステンレス鋼。
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WO2018107311A1 (zh) * | 2016-12-12 | 2018-06-21 | 孙瑞涛 | 一种含氮不锈轴承钢及制备方法 |
CN115216693A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-21 | 山西太钢不锈钢股份有限公司 | 一种无铅易切削不锈钢及其制备方法 |
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