JP2017203190A - フェライト系快削ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】切削性、耐食性及び面疲労強度に優れたフェライト系快削ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】フェライト系快削ステンレス鋼を、質量％で、0.003≦Ｃ≦0.030、0.05≦Si≦1.00、1.00≦Mn≦2.00、Ｐ≦0.05、0.25≦Ｓ≦0.40、Cu≦0.50、Ni≦0.50、17.00≦Cr≦25.00、0.50≦Mo≦3.00、0.0020≦Ｏ≦0.0500、0.012≦Ｎ≦0.050、0.010≦Ｖ≦0.050、0.001≦Ｗ≦0.020、0.001≦Nb≦0.020、0.001≦Ti≦0.020、を含有するとともに、下記の式（１）〜（３）を満足し、
0.006≦（[Ｖ]＋[Ｗ]＋8[Nb]＋15[Ti]）／（[Cr]＋3[Mo]）≦0.020・・式（１）
4.2≦[Mn]／[Ｓ]≦6.0・・式（２）、10≦[Ｓ]／[Ｏ]≦30・・式（３）
更に、0.05≦Se≦0.30、0.08≦Pb≦0.20、0.08≦Bi≦0.20、0.005≦Te≦0.100、の何れか２種以上を含有し，残部Fe及び不可避的不純物の組成を有するものとする。
【選択図】 なし
【解決手段】フェライト系快削ステンレス鋼を、質量％で、0.003≦Ｃ≦0.030、0.05≦Si≦1.00、1.00≦Mn≦2.00、Ｐ≦0.05、0.25≦Ｓ≦0.40、Cu≦0.50、Ni≦0.50、17.00≦Cr≦25.00、0.50≦Mo≦3.00、0.0020≦Ｏ≦0.0500、0.012≦Ｎ≦0.050、0.010≦Ｖ≦0.050、0.001≦Ｗ≦0.020、0.001≦Nb≦0.020、0.001≦Ti≦0.020、を含有するとともに、下記の式（１）〜（３）を満足し、
0.006≦（[Ｖ]＋[Ｗ]＋8[Nb]＋15[Ti]）／（[Cr]＋3[Mo]）≦0.020・・式（１）
4.2≦[Mn]／[Ｓ]≦6.0・・式（２）、10≦[Ｓ]／[Ｏ]≦30・・式（３）
更に、0.05≦Se≦0.30、0.08≦Pb≦0.20、0.08≦Bi≦0.20、0.005≦Te≦0.100、の何れか２種以上を含有し，残部Fe及び不可避的不純物の組成を有するものとする。
【選択図】 なし
Description
この発明は、切削性、耐食性及び面疲労強度に優れたフェライト系快削ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
フェライト系ステンレス鋼は、優れた耐食性を有する一方で、高合金鋼であるために削り難いといった難点がある。フェライト系ステンレス鋼に快削性を付与する手段として、例えば鋼にＳを添加することで、鋼中にＭｎＳを介在物として生成させ、切削時に介在物への応力集中効果によって被削性を高めたものがある。
ＭｎＳ介在物を生成した鋼は、ステンレス鋼の特徴である優れた耐食性を低下させるが、ステンレス鋼の場合、鋼中に含まれるＣｒの一部がＭｎの一部を置換する形で硫化物中に入り込んで来るため、この硫化物中のＣｒ濃度を制御することで被削性と耐食性の両立を図っている。
ＭｎＳ介在物を生成した鋼は、ステンレス鋼の特徴である優れた耐食性を低下させるが、ステンレス鋼の場合、鋼中に含まれるＣｒの一部がＭｎの一部を置換する形で硫化物中に入り込んで来るため、この硫化物中のＣｒ濃度を制御することで被削性と耐食性の両立を図っている。
一方で、精密機器の軸受けやボールペンチップなどの用途では、流体や異材種との物理的摩擦環境、とりわけ水溶性潤滑油や水溶性インクに代表される腐食性流体中での使用により、エロージョン・コロージョンや摩擦による剥離、脱落、変形などの問題が発生しており、これらの問題についての改善の要望が強い。
このような用途に用いられる快削ステンレス鋼では、被削性、耐食性だけでなく、優れた面疲労強度も求められるが、従来これらの特性を満たすフェライト系快削ステンレス鋼は提供されていない。
このような用途に用いられる快削ステンレス鋼では、被削性、耐食性だけでなく、優れた面疲労強度も求められるが、従来これらの特性を満たすフェライト系快削ステンレス鋼は提供されていない。
尚、下記特許文献１には、耐食性の低下を極力抑え、且つ強度を向上させた快削フェライト系ステンレス鋼についての発明が開示され、また下記特許文献２には被削性及び耐食性に優れたフェライト系快削ステンレス鋼についての発明が開示されている。しかしながら、これらの特許文献には、本発明における炭化物及び硫化物系介在物の組成制御や形態制御については開示されておらず、本発明とは異なるものである。
本発明は以上のような事情を背景とし、切削性、耐食性及び面疲労強度に優れたフェライト系快削ステンレス鋼及びその製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
而して請求項１はフェライト系快削ステンレス鋼に関するもので、０．００３≦Ｃ≦０．０３０、０．０５≦Ｓｉ≦１．００、１．００≦Ｍｎ≦２．００、Ｐ≦０．０５、０．２５≦Ｓ≦０．４０、Ｃｕ≦０．５０、Ｎｉ≦０．５０、１７．００≦Ｃｒ≦２５．００、０．５０≦Ｍｏ≦３．００、０．００２０≦Ｏ≦０．０５００、０．０１２≦Ｎ≦０．０５０、０．０１０≦Ｖ≦０．０５０、０．００１≦Ｗ≦０．０２０、０．００１≦Ｎｂ≦０．０２０、０．００１≦Ｔｉ≦０．０２０を含有するとともに、下記の式（１）〜（３）を満足し、
０．００６≦（[Ｖ]＋[Ｗ]＋８[Nb]＋１５[Ti]）／（[Cr]＋３[Mo]）≦０．０２０・・・式（１）、４．２≦[Mn]／[Ｓ]≦６．０・・・式（２）、１０≦[Ｓ]／[Ｏ]≦３０・・・式（３）、式(１)，式(２)，式(３)中[ ]は各元素の含有質量％を示す）
更に、０．０５≦Ｓｅ≦０．３０、０．０８≦Ｐｂ≦０．２０、０．０８≦Ｂｉ≦０．２０、０．００５≦Ｔｅ≦０．１００の何れか２種以上を含有し，残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有していることを特徴とする。
０．００６≦（[Ｖ]＋[Ｗ]＋８[Nb]＋１５[Ti]）／（[Cr]＋３[Mo]）≦０．０２０・・・式（１）、４．２≦[Mn]／[Ｓ]≦６．０・・・式（２）、１０≦[Ｓ]／[Ｏ]≦３０・・・式（３）、式(１)，式(２)，式(３)中[ ]は各元素の含有質量％を示す）
更に、０．０５≦Ｓｅ≦０．３０、０．０８≦Ｐｂ≦０．２０、０．０８≦Ｂｉ≦０．２０、０．００５≦Ｔｅ≦０．１００の何れか２種以上を含有し，残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有していることを特徴とする。
請求項２のものは、請求項１において、質量％で、０．０００５≦Ｂ≦０．０５００、０．０００５≦Ｃａ≦０．０１００、０．０００５≦Ｍｇ≦０．０１００、の何れか１種又は２種以上を更に含有することを特徴とする。
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、硫化物系介在物の組成が、質量％で、Ｍｎ：４５〜６０％，Ｃｒ：５％以上，Ｍｏ：０．６％以上を満たし、且つ、前記硫化物系介在物が面積率にして０．２〜２．５％分布していることを特徴とする。
請求項４はフェライト系快削ステンレス鋼の製造方法に関するもので、請求項１〜３の何れかに記載のフェライト系快削ステンレス鋼において、熱間圧延を９００〜１２００℃の範囲で行った後，５５０〜７８０℃の温度範囲で１０時間以下の焼鈍処理を施すことを特徴とする。
請求項５のものは、請求項４において、前記焼鈍処理後における前記硫化物系介在物の形状を、円相当径が２〜５０μｍで、アスペクト比が２〜１０としたことを特徴とする。尚、ここでアスペクト比とは、硫化物系介在物の長径／硫化物系介在物の短径の値である。
以上のような本発明は、Ｃｒ，Ｍｏに換えて、Ｖ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉを主な組成とする微細な炭化物を適量分散析出させるように、炭化物形成元素の含有量をバランスさせたことを特徴としている。
フェライト系ステンレス鋼において、所定の面疲労強度を得るためには、所定硬さの炭化物を析出させることが有効である。但し、フェライト系ステンレス鋼の炭化物の主な組成はＣｒ，Ｍｏであるため、炭化物が析出すると、その近傍においてＣｒ，Ｍｏ欠乏層が生じ、これが腐食の起点となり耐食性が劣化する。
本発明では、Ｃｒ，Ｍｏよりも炭化物生成傾向が高いＶ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉを添加するとともに、上記式（１）を満足するようにＶ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉ及びＣｒ，Ｍｏの各元素の含有量をバランスさせることで、Ｖ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉ系の炭化物を析出させて面疲労強度を確保する一方、Ｃｒ，Ｍｏについては固溶状態を維持させて耐食性の劣化を防止する。
フェライト系ステンレス鋼において、所定の面疲労強度を得るためには、所定硬さの炭化物を析出させることが有効である。但し、フェライト系ステンレス鋼の炭化物の主な組成はＣｒ，Ｍｏであるため、炭化物が析出すると、その近傍においてＣｒ，Ｍｏ欠乏層が生じ、これが腐食の起点となり耐食性が劣化する。
本発明では、Ｃｒ，Ｍｏよりも炭化物生成傾向が高いＶ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉを添加するとともに、上記式（１）を満足するようにＶ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉ及びＣｒ，Ｍｏの各元素の含有量をバランスさせることで、Ｖ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉ系の炭化物を析出させて面疲労強度を確保する一方、Ｃｒ，Ｍｏについては固溶状態を維持させて耐食性の劣化を防止する。
更に本発明では、式（２）、式（３）を満たすようにＭｎ，Ｓ、Ｏの各元素の含有量をバランスさせたことを他の特徴としている。
式（２）では、Ｍｎ量とＳ量との比率を規定する。硫化物系介在物中には被削性に優れたＭｎＳと、耐食性に優れたＣｒＳが存在するため、式（２）によるＭｎ量とＳ量との比率は、被削性及び硫化物系介在物の耐食性に影響する。
一方、式（３）では、Ｓ量とＯ量との比率を規定する。硫化物系介在物は鋼中の酸化物を核として成長するため、Ｓ量とＯ量との比率は、硫化物系介在物の分散性及び大きさに影響する。
本発明では、式（２）、式（３）を満たすようにＭｎ，Ｓ、Ｏの各元素の含有量をバランスさせることで、硫化物系介在物の組成及び形態を制御して、耐食性を維持しつつ被削性を効果的に高めることができる。
式（２）では、Ｍｎ量とＳ量との比率を規定する。硫化物系介在物中には被削性に優れたＭｎＳと、耐食性に優れたＣｒＳが存在するため、式（２）によるＭｎ量とＳ量との比率は、被削性及び硫化物系介在物の耐食性に影響する。
一方、式（３）では、Ｓ量とＯ量との比率を規定する。硫化物系介在物は鋼中の酸化物を核として成長するため、Ｓ量とＯ量との比率は、硫化物系介在物の分散性及び大きさに影響する。
本発明では、式（２）、式（３）を満たすようにＭｎ，Ｓ、Ｏの各元素の含有量をバランスさせることで、硫化物系介在物の組成及び形態を制御して、耐食性を維持しつつ被削性を効果的に高めることができる。
本発明の請求項１、２何れかの組成に基づいたフェライト系快削ステンレス鋼においては、硫化物系介在物の組成を、Ｍｎ：４５〜６０％，Ｃｒ：５％以上，Ｍｏ：０．６％以上とし、且つ、この硫化物系介在物を面積率で０．２〜２．５％分布させることで、優れた耐食性と被削性を付与することができる（請求項３）。
また本発明のフェライト系快削ステンレス鋼は、熱間圧延時における硫化物系介在物の変形防止効果に優れた元素Ｓｅ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅの何れか２種以上を含有している。このため、熱間圧延時の硫化物系介在物の変形を抑制して、特性的な異方性、即ち圧延方向とその直角方向とで特性的な差が生じるのを有効に抑制することができる。
本願発明のフェライト系快削ステンレス鋼では、熱間圧延を９００〜１２００℃の範囲で行った後，５５０〜７８０℃の温度範囲で１０時間以下の焼鈍処理を施すことができる
（請求項４）。
（請求項４）。
そして本発明の合金組成によれば、前記焼鈍処理後における硫化物系介在物の形状を、円相当径が２〜５０μｍで、アスペクト比が２〜１０とすることができ、優れた快削性を得ることができる（請求項５）。
次に本発明における各化学成分等の限定理由を以下に説明する。
「請求項１について」
０．００３≦Ｃ≦０．０３０
Ｃは、代表的な固溶強化元素であるが、耐食性及び常温靭性を低下させるといった害が大きいため低い方が望ましい。しかし、極端に低減することは製造コストの上昇を招くため精錬技術を考慮し、０．００３〜０．０３０％とした。
「請求項１について」
０．００３≦Ｃ≦０．０３０
Ｃは、代表的な固溶強化元素であるが、耐食性及び常温靭性を低下させるといった害が大きいため低い方が望ましい。しかし、極端に低減することは製造コストの上昇を招くため精錬技術を考慮し、０．００３〜０．０３０％とした。
０．０５≦Ｓｉ≦１．００
Ｓｉは、固溶強化元素であり強度を向上させる。但し、１．００％を超えた添加は熱間加工性を低下させるため、０．０５〜１．００％とした。
Ｓｉは、固溶強化元素であり強度を向上させる。但し、１．００％を超えた添加は熱間加工性を低下させるため、０．０５〜１．００％とした。
１．００≦Ｍｎ≦２．００
Ｍｎは、Ｓ、Ｓｅと化合物を生成し、被削性を向上させる。この効果を得るため１．００％以上添加する。但し、２．００％を超える添加は、耐食性を低下させると共に、オーステナイト相の生成を促進させるため、その上限を２．００％とした。
Ｍｎは、Ｓ、Ｓｅと化合物を生成し、被削性を向上させる。この効果を得るため１．００％以上添加する。但し、２．００％を超える添加は、耐食性を低下させると共に、オーステナイト相の生成を促進させるため、その上限を２．００％とした。
Ｐ≦０．０５
Ｐは不純物となるもので、粒界に偏析し、粒界腐食に対する感受性を高める。また熱間加工性の低下、靭性の低下を招く。このため含有量を０．０５％以下に規制する。
Ｐは不純物となるもので、粒界に偏析し、粒界腐食に対する感受性を高める。また熱間加工性の低下、靭性の低下を招く。このため含有量を０．０５％以下に規制する。
０．２５≦Ｓ≦０．４０
Ｓは、快削元素であり、鋼中で主に（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｓを形成して、切り屑の切れ性を良くし工具寿命を伸ばす。このため０．２５％以上添加する。しかし、０．４０％を超えた添加は熱間加工性を著しく低下させるので、その上限を０．４０％とする。
Ｓは、快削元素であり、鋼中で主に（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｓを形成して、切り屑の切れ性を良くし工具寿命を伸ばす。このため０．２５％以上添加する。しかし、０．４０％を超えた添加は熱間加工性を著しく低下させるので、その上限を０．４０％とする。
Ｃｕ≦０．５０
Ｃｕは、耐食性の向上に寄与するが、オーステナイト生成元素であり、フェライト相を不安定にするため、その上限を０．５０％とした。
Ｃｕは、耐食性の向上に寄与するが、オーステナイト生成元素であり、フェライト相を不安定にするため、その上限を０．５０％とした。
Ｎｉ≦０．５０
Ｎｉは、耐食性の向上に寄与するが、オーステナイト生成元素であり、フェライト相を不安定にするため、その上限を０．５０％とした。
Ｎｉは、耐食性の向上に寄与するが、オーステナイト生成元素であり、フェライト相を不安定にするため、その上限を０．５０％とした。
１７．００≦Ｃｒ≦２５．００
Ｃｒは、耐食性の確保に必須の元素であり、十分な耐食性を持たせるためには１７．００％以上の添加が必要であるが、２５．００％を超えるとコストが高くなるため、その範囲を１７．００％〜２５．００％とした。
Ｃｒは、耐食性の確保に必須の元素であり、十分な耐食性を持たせるためには１７．００％以上の添加が必要であるが、２５．００％を超えるとコストが高くなるため、その範囲を１７．００％〜２５．００％とした。
０．５０≦Ｍｏ≦３．００
Ｍｏは、固溶強化元素であり、強度を向上させる。また耐食性も向上させる。このため０．５０％以上添加する。但し、３．００％を超えた添加は熱間加工性を低下させるため、その上限を３．００％とする。
Ｍｏは、固溶強化元素であり、強度を向上させる。また耐食性も向上させる。このため０．５０％以上添加する。但し、３．００％を超えた添加は熱間加工性を低下させるため、その上限を３．００％とする。
０．００２０≦Ｏ≦０．０５００
Ｏは、被削性を向上させるのに必要な硫化物の形成に関わる元素である。詳しくは、Ｏは、ＭｎＳ等硫化物形成の核となる酸化物として分散生成する。ＭｎＳ等硫化物はその核の存在の下に、核を中心として生成し易い。従ってＭｎＳ等硫化物を上手く分散状態で良好に形成するためには一定量のＯを必要とする。そのため本発明ではＯを０．００２０％以上とする。
但し、Ｏが過剰になると、被削性の向上に有効でない粗大な酸化物が生成し易くなるため、上限を０．０５００％とする。
Ｏは、被削性を向上させるのに必要な硫化物の形成に関わる元素である。詳しくは、Ｏは、ＭｎＳ等硫化物形成の核となる酸化物として分散生成する。ＭｎＳ等硫化物はその核の存在の下に、核を中心として生成し易い。従ってＭｎＳ等硫化物を上手く分散状態で良好に形成するためには一定量のＯを必要とする。そのため本発明ではＯを０．００２０％以上とする。
但し、Ｏが過剰になると、被削性の向上に有効でない粗大な酸化物が生成し易くなるため、上限を０．０５００％とする。
０．０１２≦Ｎ≦０．０５０
Ｎは、代表的な固溶強化元素であるが、耐食性及び常温靭性を低下させるといった害が大きいため低い方が望ましい。しかし、極端に低減することは製造コストの上昇を招くため精錬技術を考慮し、０．０１２〜０．０５０％とする。
Ｎは、代表的な固溶強化元素であるが、耐食性及び常温靭性を低下させるといった害が大きいため低い方が望ましい。しかし、極端に低減することは製造コストの上昇を招くため精錬技術を考慮し、０．０１２〜０．０５０％とする。
０．０１０≦Ｖ≦０．０５０
０．００１≦Ｗ≦０．０２０
０．００１≦Ｎｂ≦０．０２０
０．００１≦Ｔｉ≦０．０２０
Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉは炭化物を形成して摺動性を向上させる。但し過剰な添加はコストの増加を招くため、その上限をＶで０．０５０％、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉで０．０２０％とする。
０．００１≦Ｗ≦０．０２０
０．００１≦Ｎｂ≦０．０２０
０．００１≦Ｔｉ≦０．０２０
Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉは炭化物を形成して摺動性を向上させる。但し過剰な添加はコストの増加を招くため、その上限をＶで０．０５０％、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉで０．０２０％とする。
０．００６≦（[Ｖ]＋[Ｗ]＋８[Nb]＋１５[Ti]）／（[Cr]＋３[Mo]）≦０．０２０・・・式（１）
Ｖ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏは何れも炭化物形成元素である。この式（１）を満たすことでＶ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ系の炭化物を効率的に析出させることができる。特に炭化物形成元素の質量比、即ち、（[Ｖ]＋[Ｗ]＋８[Nb]＋１５[Ti]）／（[Cr]＋３[Mo]）の値を０．０１５以上とすることで、良好な面疲労強度を確保することができる。
一方、式中の炭化物形成元素の質量比が０．００６未満であると硬さが不足して、面疲労強度が低下する。他方、０．０２０を越えるとＶ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ系の炭化物の析出量が過多となり硬度が上がって被削性が悪化する。
Ｖ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏは何れも炭化物形成元素である。この式（１）を満たすことでＶ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ系の炭化物を効率的に析出させることができる。特に炭化物形成元素の質量比、即ち、（[Ｖ]＋[Ｗ]＋８[Nb]＋１５[Ti]）／（[Cr]＋３[Mo]）の値を０．０１５以上とすることで、良好な面疲労強度を確保することができる。
一方、式中の炭化物形成元素の質量比が０．００６未満であると硬さが不足して、面疲労強度が低下する。他方、０．０２０を越えるとＶ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ系の炭化物の析出量が過多となり硬度が上がって被削性が悪化する。
４．２≦[Mn]／[Ｓ]≦６．０・・・式（２）
鋼中の硫化物系介在物はＭｎＳを主体とするが、鋼にＭｎとＣｒとがＳとともに含有されている場合、介在物にはＭｎＳに加えてＣｒＳが含まれる。
但し、ＭｎＳの方がＣｒＳよりも生成エネルギーが低いのでＭｎＳが優先的に生成する。ここでＭｎＳは被削性向上効果が大きいが、耐食性は低い。一方、ＣｒＳは被削性向上効果はＭｎＳに比べて小さいが、耐食性は高い。
式（２）は、（Ｍｎ，Ｃｒ）ＳにおけるＭｎの比率を規定するもので、この式（２）を満たすことで、切削性と耐食性との両立を図ることができる。
この場合において[Mn]／[Ｓ]が４．２未満であると、ＣｒＳ生成量が適正バランスよりも多くなって、介在物硬さが上昇し、十分な被削性向上効果が得られない。
逆に[Mn]／[Ｓ]が６．０を超えて高くなると、ＣｒＳが少なくなって硫化物系介在物の耐食性が著しく劣化し、そのことが鋼の耐食性の劣化を招く。
そこで本発明では、[Mn]／[Ｓ]を４．２〜６．０の範囲内とする。
鋼中の硫化物系介在物はＭｎＳを主体とするが、鋼にＭｎとＣｒとがＳとともに含有されている場合、介在物にはＭｎＳに加えてＣｒＳが含まれる。
但し、ＭｎＳの方がＣｒＳよりも生成エネルギーが低いのでＭｎＳが優先的に生成する。ここでＭｎＳは被削性向上効果が大きいが、耐食性は低い。一方、ＣｒＳは被削性向上効果はＭｎＳに比べて小さいが、耐食性は高い。
式（２）は、（Ｍｎ，Ｃｒ）ＳにおけるＭｎの比率を規定するもので、この式（２）を満たすことで、切削性と耐食性との両立を図ることができる。
この場合において[Mn]／[Ｓ]が４．２未満であると、ＣｒＳ生成量が適正バランスよりも多くなって、介在物硬さが上昇し、十分な被削性向上効果が得られない。
逆に[Mn]／[Ｓ]が６．０を超えて高くなると、ＣｒＳが少なくなって硫化物系介在物の耐食性が著しく劣化し、そのことが鋼の耐食性の劣化を招く。
そこで本発明では、[Mn]／[Ｓ]を４．２〜６．０の範囲内とする。
１０≦[Ｓ]／[Ｏ]≦３０・・・式（３）
式（３）は（Ｍｎ，Ｃｒ）Ｓの核となる酸化物の分布を規定するものである。[Ｓ]／[Ｏ]がこの式（３）を満たす範囲内であると（Ｍｎ，Ｃｒ）Ｓが粗大粒となることなく、均一に分布するため切削破砕性に優れ、ドリル切削性を向上させることができる。
尚、[Ｓ]／[Ｏ]が１０未満の場合、相対的にＯが多くなり酸化物が粗大化し、被削性に有効でない硬質な酸化物が多くなり切削性が悪化する。
逆に３０を超えて、相対的にＯが過少となると、核となる酸化物が少なくなるため、酸化物を核に生成する（Ｍｎ，Ｃｒ）Ｓが粗大化して、切屑が十分に破砕されず、被削性向上の効果が得られない。そこで本発明では、[Ｓ]／[Ｏ]を１０〜３０とする。
式（３）は（Ｍｎ，Ｃｒ）Ｓの核となる酸化物の分布を規定するものである。[Ｓ]／[Ｏ]がこの式（３）を満たす範囲内であると（Ｍｎ，Ｃｒ）Ｓが粗大粒となることなく、均一に分布するため切削破砕性に優れ、ドリル切削性を向上させることができる。
尚、[Ｓ]／[Ｏ]が１０未満の場合、相対的にＯが多くなり酸化物が粗大化し、被削性に有効でない硬質な酸化物が多くなり切削性が悪化する。
逆に３０を超えて、相対的にＯが過少となると、核となる酸化物が少なくなるため、酸化物を核に生成する（Ｍｎ，Ｃｒ）Ｓが粗大化して、切屑が十分に破砕されず、被削性向上の効果が得られない。そこで本発明では、[Ｓ]／[Ｏ]を１０〜３０とする。
０．０５≦Ｓｅ≦０．３０
０．０８≦Ｐｂ≦０．２０
０．０８≦Ｂｉ≦０．２０
０．００５≦Ｔｅ≦０．１００
これらＳｅ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｔｅは快削性元素であり、切削性を向上させる。またこれらの元素は硫化物系介在物の周りに存在し、熱間圧延時に溶融して硫化物系介在物と素地との間で潤滑油のように作用する。これにより圧延時に硫化物系介在物が伸長して材料の異方性が大きくなるのを有効に防止することができる。これらの元素は１種添加でも効果あるが、特にこれらの元素を２種以上添加した場合にその効果が大きい。尚、各元素はその上限値を超えて添加されると熱間加工性を著しく低下させるため、Ｓｅは０．３０％、Ｐｂ，Ｂｉは０．２０％、Ｔｅは０．２０％を上限とする。
０．０８≦Ｐｂ≦０．２０
０．０８≦Ｂｉ≦０．２０
０．００５≦Ｔｅ≦０．１００
これらＳｅ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｔｅは快削性元素であり、切削性を向上させる。またこれらの元素は硫化物系介在物の周りに存在し、熱間圧延時に溶融して硫化物系介在物と素地との間で潤滑油のように作用する。これにより圧延時に硫化物系介在物が伸長して材料の異方性が大きくなるのを有効に防止することができる。これらの元素は１種添加でも効果あるが、特にこれらの元素を２種以上添加した場合にその効果が大きい。尚、各元素はその上限値を超えて添加されると熱間加工性を著しく低下させるため、Ｓｅは０．３０％、Ｐｂ，Ｂｉは０．２０％、Ｔｅは０．２０％を上限とする。
「請求項２について」
Ｓを０．２５％以上含有する本発明のステンレス鋼では、熱間加工性の改善にＢ−Ｃａ−Ｍｇを選択的に添加することが有効である。具体的には、
０．０００５≦Ｂ≦０．０５００
０．０００５≦Ｃａ≦０．０１００
０．０００５≦Ｍｇ≦０．０１００
の何れか１種又は２種以上含有させれば良い。
但し、いずれの元素も過剰に含有させると熱間加工性を低下させるため、Ｂは０．０５００％、Ｃａ，Ｍｇは０．０１００％を上限とする。
Ｓを０．２５％以上含有する本発明のステンレス鋼では、熱間加工性の改善にＢ−Ｃａ−Ｍｇを選択的に添加することが有効である。具体的には、
０．０００５≦Ｂ≦０．０５００
０．０００５≦Ｃａ≦０．０１００
０．０００５≦Ｍｇ≦０．０１００
の何れか１種又は２種以上含有させれば良い。
但し、いずれの元素も過剰に含有させると熱間加工性を低下させるため、Ｂは０．０５００％、Ｃａ，Ｍｇは０．０１００％を上限とする。
「請求項３について」
硫化物系介在物の組成が、Ｍｎ：４５〜６０％，Ｃｒ：５％以上，Ｍｏ：０．６％以上を満たし、且つ、硫化物系介在物が面積率で０．２〜２．５％分布
硫化物系介在物の組成及び面積率を上記のようにすることで、鋼に優れた耐食性と被削性を付与することができる。
硫化物系介在物におけるＭｎ量が４５％未満の場合には、ＭｎＳ量が減少して被削性が悪化する。Ｍｎ含有量が６０％を超える場合には、ＣｒＳ量が減少して硫化物系介在物自体が腐食し易くなる。
面積率については、０．２％未満ではそもそも被削性向上の効果が得られない。一方、上限の２．５％を超えると耐食性、疲労強度などの特性が低下する。
硫化物系介在物の組成が、Ｍｎ：４５〜６０％，Ｃｒ：５％以上，Ｍｏ：０．６％以上を満たし、且つ、硫化物系介在物が面積率で０．２〜２．５％分布
硫化物系介在物の組成及び面積率を上記のようにすることで、鋼に優れた耐食性と被削性を付与することができる。
硫化物系介在物におけるＭｎ量が４５％未満の場合には、ＭｎＳ量が減少して被削性が悪化する。Ｍｎ含有量が６０％を超える場合には、ＣｒＳ量が減少して硫化物系介在物自体が腐食し易くなる。
面積率については、０．２％未満ではそもそも被削性向上の効果が得られない。一方、上限の２．５％を超えると耐食性、疲労強度などの特性が低下する。
以上のような本発明によれば、切削性、耐食性及び面疲労強度に優れたフェライト系快削ステンレス鋼及びその製造方法を提供することができる。
次に本発明の実施例を以下に詳しく説明する。
表１に示す化学組成（質量％）の鋼５０ｋｇを高周波誘導炉を用いて溶製した後、冷却して各インゴットを作製した。
次いで、各インゴットを１１００℃に加熱し、熱間鍛造及び熱間圧延を行い、Φ２８ｍｍの丸棒を作製した。そしてこれを７５０〜８００℃の間で４Ｈｒ焼鈍処理を施し、各試験片形状に切削加工、研磨を実施した。
表１に示す化学組成（質量％）の鋼５０ｋｇを高周波誘導炉を用いて溶製した後、冷却して各インゴットを作製した。
次いで、各インゴットを１１００℃に加熱し、熱間鍛造及び熱間圧延を行い、Φ２８ｍｍの丸棒を作製した。そしてこれを７５０〜８００℃の間で４Ｈｒ焼鈍処理を施し、各試験片形状に切削加工、研磨を実施した。
＜ドリル寿命試験＞
ドリル寿命試験はΦ５ｍｍのドリル（ＳＫＨ５１）を使用し、潤滑油を用いず、１０００ｍｍの切削（穴あけ）が可能な最大切削速度（ＶＬ１０００）を求め、以下の基準に従い評価した。
Ａ：ＶＬ１０００が７０．０ｍ／ｍｉｎ以上
Ｂ：ＶＬ１０００が６０．０ｍ／ｍｉｎ以上、７０．０ｍ／ｍｉｎ未満
Ｃ：ＶＬ１０００が６０．０ｍ／ｍｉｎ未満
ドリル寿命試験はΦ５ｍｍのドリル（ＳＫＨ５１）を使用し、潤滑油を用いず、１０００ｍｍの切削（穴あけ）が可能な最大切削速度（ＶＬ１０００）を求め、以下の基準に従い評価した。
Ａ：ＶＬ１０００が７０．０ｍ／ｍｉｎ以上
Ｂ：ＶＬ１０００が６０．０ｍ／ｍｉｎ以上、７０．０ｍ／ｍｉｎ未満
Ｃ：ＶＬ１０００が６０．０ｍ／ｍｉｎ未満
＜硫化物組成評価＞
硫化物組成評価では、ＥＰＭＡを用い、硫化物系介在物中のＭｎ、Ｃｒ及びＭｏの平均組成を求めた。具体的には、元素濃度が明らかな標準試料の特性Ｘ線強度と、各実施例／比較例の硫化物系介在物の特性Ｘ線強度を比較し、定量分析を行ない、以下の基準に従い評価した。
○：硫化物系介在物中に含まれるＭｎ、Ｃｒ及びＭｏの組成が以下を全て満たす
Ｍｎの組成が４５〜６０質量％
Ｃｒの組成が５質量％以上
Ｍｏの組成が０．６質量％以上
×：上記以外
硫化物組成評価では、ＥＰＭＡを用い、硫化物系介在物中のＭｎ、Ｃｒ及びＭｏの平均組成を求めた。具体的には、元素濃度が明らかな標準試料の特性Ｘ線強度と、各実施例／比較例の硫化物系介在物の特性Ｘ線強度を比較し、定量分析を行ない、以下の基準に従い評価した。
○：硫化物系介在物中に含まれるＭｎ、Ｃｒ及びＭｏの組成が以下を全て満たす
Ｍｎの組成が４５〜６０質量％
Ｃｒの組成が５質量％以上
Ｍｏの組成が０．６質量％以上
×：上記以外
＜硫化物形態評価＞
硫化物形態は光学顕微鏡による観察で、倍率×１００倍にて１０視野観察し、画像解析により硫化物系介在物の面積率、アスペクト比（硫化物系介在物の長軸長さ／短軸長さ）、円相当径を求め、以下の基準に従い評価した。
○：硫化物系介在物の面積率が１０％以上、アスペクト比が２〜１０、円相当径が２〜５０μｍの全てを満足する
×：上記以外
硫化物形態は光学顕微鏡による観察で、倍率×１００倍にて１０視野観察し、画像解析により硫化物系介在物の面積率、アスペクト比（硫化物系介在物の長軸長さ／短軸長さ）、円相当径を求め、以下の基準に従い評価した。
○：硫化物系介在物の面積率が１０％以上、アスペクト比が２〜１０、円相当径が２〜５０μｍの全てを満足する
×：上記以外
＜面疲労強度＞
面疲労強度はローラピッチング試験機による疲労強度試験にて行なった。試験は、大ローラ：ＳＵＪ２（クラウニング１５０Ｒ）、回転数：１５００ｒｐｍ、潤滑油：トランスミッション油、油温：９０℃、すべり率：−６０％の条件で、大ローラを所定面圧で試験片に押し付けて行い、１０７回強度（試験片表面にピッチングが発生する限界強度）を面疲労強度として測定した。各実施例及び比較例の面疲労強度について、ＳＵＳ４３０Ｆ（比較例２）の面疲労強度を１とした時の比率、即ち、面疲労強度比を用いて、下記基準に従い評価した。
Ａ：面疲労強度比が１．５以上
Ｂ：面疲労強度比が１．３以上、１．５未満
Ｃ：面疲労強度比が１．３未満
これらの結果が表２に示してある。
面疲労強度はローラピッチング試験機による疲労強度試験にて行なった。試験は、大ローラ：ＳＵＪ２（クラウニング１５０Ｒ）、回転数：１５００ｒｐｍ、潤滑油：トランスミッション油、油温：９０℃、すべり率：−６０％の条件で、大ローラを所定面圧で試験片に押し付けて行い、１０７回強度（試験片表面にピッチングが発生する限界強度）を面疲労強度として測定した。各実施例及び比較例の面疲労強度について、ＳＵＳ４３０Ｆ（比較例２）の面疲労強度を１とした時の比率、即ち、面疲労強度比を用いて、下記基準に従い評価した。
Ａ：面疲労強度比が１．５以上
Ｂ：面疲労強度比が１．３以上、１．５未満
Ｃ：面疲労強度比が１．３未満
これらの結果が表２に示してある。
表２により、以下のことが分かる。
比較例１は、Ｖ量が本発明の下限値よりも少なく、式（１）が下限値０．００６を下回っている。このため面疲労強度比が低く、評価の判定が「Ｃ」で摺動部材としての使用には適していない。またＭｎ量が少なく、式（２）が下限値４．２を下回っている。このため硫化物系介在物中のＣｒ量が多くなり、硫化物組成の評価が「×」となっている。この場合介在物硬さが上昇する一方、ＭｎＳの生成量が少なくなり、十分な被削性向上の効果が得られておらずドリル寿命の評価が「Ｃ」である。
比較例１は、Ｖ量が本発明の下限値よりも少なく、式（１）が下限値０．００６を下回っている。このため面疲労強度比が低く、評価の判定が「Ｃ」で摺動部材としての使用には適していない。またＭｎ量が少なく、式（２）が下限値４．２を下回っている。このため硫化物系介在物中のＣｒ量が多くなり、硫化物組成の評価が「×」となっている。この場合介在物硬さが上昇する一方、ＭｎＳの生成量が少なくなり、十分な被削性向上の効果が得られておらずドリル寿命の評価が「Ｃ」である。
比較例２は、ＪＩＳにて規定されているフェライト系快削ステンレス鋼ＳＵＳ４３０Ｆで、面疲労強度判定の基準となるものである。比較例２は、Ｖ量が少なく、式（１）が下限値０．００６を下回っており、摺動部材としての使用には適していない。また快削元素であるＳ量が本発明の下限値０．２５％を下回っているため、十分な被削性向上の効果が得られておらずドリル寿命の評価が「Ｃ」である。
またこの比較例２は、Ｓｅ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｔｅの何れも含有されておらず、圧延時に硫化物系介在物が伸長されアスペクト比が１０を越えており、硫化物形態の評価が「×」である。このため材料の特性に異方性が生じてしまうことが懸念される。
またこの比較例２は、Ｓｅ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｔｅの何れも含有されておらず、圧延時に硫化物系介在物が伸長されアスペクト比が１０を越えており、硫化物形態の評価が「×」である。このため材料の特性に異方性が生じてしまうことが懸念される。
比較例３は、Ｓ量、Ｍｎ量及び式（２）、式（３）といった被削性に拘る規定を満足しており、ドリル寿命についての評価は「Ｂ」と他の比較例に比べて良好であった。しかしながら比較例１，２と同様にＶ量が少なく、式（１）が下限値０．００６を下回っている。このため面疲労強度比の評価が「Ｃ」と悪く、摺動部材としての使用には適していない。
比較例４は、式（３）の値が上限値３０を超えている。このよう場合、Ｓ量に対してＯ量が過少な状態では、核となる酸化物が少なくなるため、酸化物を核に生成する硫化物が粗大化して、円相当径が５０μｍを超えており、硫化物形態の評価は「×」であった。このため切屑が十分に破砕され難く、十分な被削性向上の効果が得られずドリル寿命の評価が「Ｃ」と悪い。
一方、実施例１〜１６は、各炭化物形成元素が式（１）を満足するように添加されており、面疲労強度の評価が「Ａ」又は「Ｂ」と良好で、従来のフェライト系快削ステンレス鋼（比較例２）よりも良好な面疲労強度が得られている。特に式（１）の値が０．０１５以上の実施例５，８，１２，１６において面疲労強度の評価が「Ａ」と高い。
また式（２）、式（３）を満たすことで、鋼中に生成された硫化物の組成及び形態も評価の基準を満たしており、被削性と耐食性の両立が図られている。
尚、図１は、式（３）の質量比[Ｓ]／[Ｏ]とドリル寿命との関係を示した図である。同図で示すように[Ｓ]／[Ｏ]が１８以下であるとドリル寿命が高く維持される傾向にあり、実施例３，６〜１０，１２〜１４においてドリル寿命の評価が「Ａ」と高い。
また式（２）、式（３）を満たすことで、鋼中に生成された硫化物の組成及び形態も評価の基準を満たしており、被削性と耐食性の両立が図られている。
尚、図１は、式（３）の質量比[Ｓ]／[Ｏ]とドリル寿命との関係を示した図である。同図で示すように[Ｓ]／[Ｏ]が１８以下であるとドリル寿命が高く維持される傾向にあり、実施例３，６〜１０，１２〜１４においてドリル寿命の評価が「Ａ」と高い。
以上本発明のフェライト系快削ステンレス鋼について詳しく説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
Claims (5)
- 質量％で
０．００３≦Ｃ≦０．０３０
０．０５≦Ｓｉ≦１．００
１．００≦Ｍｎ≦２．００
Ｐ≦０．０５
０．２５≦Ｓ≦０．４０
Ｃｕ≦０．５０
Ｎｉ≦０．５０
１７．００≦Ｃｒ≦２５．００
０．５０≦Ｍｏ≦３．００
０．００２０≦Ｏ≦０．０５００
０．０１２≦Ｎ≦０．０５０
０．０１０≦Ｖ≦０．０５０
０．００１≦Ｗ≦０．０２０
０．００１≦Ｎｂ≦０．０２０
０．００１≦Ｔｉ≦０．０２０
を含有するとともに、下記の式（１）〜（３）を満足し、
０．００６≦（[Ｖ]＋[Ｗ]＋８[Nb]＋１５[Ti]）／（[Cr]＋３[Mo]）≦０．０２０・・・式（１）
４．２≦[Mn]／[Ｓ]≦６．０・・・式（２）
１０≦[Ｓ]／[Ｏ]≦３０・・・式（３）
（式(１)，式(２)，式(３)中[ ]は各元素の含有質量％を示す）
更に、
０．０５≦Ｓｅ≦０．３０
０．０８≦Ｐｂ≦０．２０
０．０８≦Ｂｉ≦０．２０
０．００５≦Ｔｅ≦０．１００
の何れか２種以上を含有し，残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有していることを特徴とするフェライト系快削ステンレス鋼。 - 質量％で、
０．０００５≦Ｂ≦０．０５００
０．０００５≦Ｃａ≦０．０１００
０．０００５≦Ｍｇ≦０．０１００
の何れか１種又は２種以上を更に含有することを特徴とする請求項１に記載のフェライト系快削ステンレス鋼。 - 硫化物系介在物の組成が、質量％で、
Ｍｎ：４５〜６０％，Ｃｒ：５％以上，Ｍｏ：０．６％以上を満たし、且つ、
前記硫化物系介在物が面積率にして０．２〜２．５％分布していることを特徴とする請求項１，２の何れかに記載のフェライト系快削ステンレス鋼。 - 熱間圧延を９００〜１２００℃の範囲で行った後，５５０〜７８０℃の温度範囲で１０時間以下の焼鈍処理を施すことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のフェライト系快削ステンレス鋼の製造方法。
- 前記焼鈍処理後における前記硫化物系介在物の形状を、円相当径が２〜５０μｍで、アスペクト比が２〜１０としたことを特徴とする請求項４に記載のフェライト系快削ステンレス鋼の製造方法。
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| CN109898025A (zh) * | 2017-12-07 | 2019-06-18 | 中国科学院金属研究所 | 一种环保无铅圆珠笔笔头用易切削不锈钢及其冶炼方法 |
| 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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-
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