JP3638828B2 - 表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳＵＳ４１６、ＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＵＳ３０３等のＳ含有快削ステンレス鋼において、Ｓは主に鋼中のＭｎと反応して硫化物ＭｎＳを形成し、この硫化物が切屑処理性の向上や切削抵抗の低下等の効果を発揮することにより被削性を改善することが知られている。一方、ＭｎＳは一般的に耐食性がステンレス鋼マトリクスと比較して劣り、腐食の起点となりやすい欠点があった。また、材料自体の耐食性のみならず、ＭｎＳが空気中の水分と反応して発生する腐食性の硫化水素ガス（アウトガス）が周辺材料を腐食する現象があることも知られており、例えば切削加工で作られる電子機器用の部品などにおいて問題となることがある。これらを改善する一方法として、硫化物組成を変化させる方策が採られている。すなわち、Ｍｎを低減して硫化物組成をＣｒ−ｒｉｃｈの（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓにする方法であり、これによって、耐食性とアウトガス特性を向上させた快削ステンレス鋼が開発され実用化されている。
【０００３】
上述した硫化物による被削性改善の度合は硫化物の硬さや形状により異なり、硬さが低く、かつ大型で球状に近い（延伸度が小さい）形状の場合に効果が大きい。（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓの硬さは、ＭｎＳに比較して常温で高いため、（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓの被削性改善効果はＭｎＳより低い。加えて（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓの熱間加工による延伸度はＭｎＳより大きく、この点からも（Ｃｒ，Ｍｎ）ＳはＭｎＳの場合より被削性が悪い。
【０００４】
以上のように、（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓ系硫化物を含有する快削ステンレス鋼の被削性を改善することが課題になっていた。そこで、硫化物の熱間加工における延伸度を抑制させるための方法の一つとしてＯに着目した。Ｏ量（製鋼時の溶鋼中の溶存酸素量）が多いと、硫化物中に固溶したり微細な酸化物が析出したりする等の効果により、硫化物は熱間圧延で延伸しにくいものになる。硫化物形状を被削性改善に好適なものにするためには、Ｏを適量含有していることが必要である。
【０００５】
ところが、溶存酸素を高くすることは不純物としての酸化物の増大をもたらす。酸化物は、組成によっては被削性改善に有効であるとする文献もあるが、改善効果が現れるのは一定の狭い酸化物組成範囲であり、効果の程度は切削条件によっても影響を受ける。殆どの組成の酸化物は硬質で切削工具の摩耗を促進し被削性に悪影響を与えるとともに、軟化温度の高い酸化物は圧延等の熱間加工でも変形せずに切削面に粗く表出することもある。この表出酸化物は、常温では通常マトリクスよりも硬く脆い性質のため、加工表面に異物として残存することにより、表面処理時の欠陥を生じたり、脱落して精密機械の故障を引き起こしたりする恐れがある。このように粗大酸化物は表面仕上性を悪化させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特に、本発明にあるような、耐食性、アウトガス特性の向上のために低Ｍｎ化した鋼種の場合は、酸化物が軟化しにくく、短径でも数百μｍとなる酸化物がみられることが往々にしてあり、中でも熱間圧延法で製造した丸棒に関しては中心軸と直交する断面において上記の問題を生じ易くなっている。これを解決するためには、酸化物を軟質のものとし、熱間加工により十分に延伸させて切断面に表出する酸化物の断面積を減少させ硫化物と同程度に無害化する必要がある。
【０００７】
そこで、精錬時に多量のＳｉＯ2 やＣｒ2 Ｏ3 が生成する当該快削ステンレス鋼において特徴的である上記問題を解消する方法としてＡｌやＣａの効果に着目した。いままでに快削ステンレス鋼の酸化物に関して、例えば特開平１０−２３７６０３号公報が開示されている。この特許はＡｌがＯと酸化物を生成し、硫化物、セレン化物の核となることから、ＡｌとＯとの酸化物が有用であるとしているものである。しかしながら、この酸化物に対する考え方は、本発明とは全く異なるものである。本発明では、核としてのＡｌとＯの酸化物の利用を全く必要とせず酸化物（中でもＳｉＯ2 やＣｒ2 Ｏ3 が主体の酸化物）は低Ｍｎ化した鋼においては巨大化するので有害であるとしており、強力な酸化物生成元素であるＡｌ，さらにはＣａを微量の添加で、これらの酸化物の組成を変化させ延性を有する複合型酸化物に制御することにより無害化するものである。
【０００８】
従って、これらのことから本発明においては、ある一定の成分範囲にあるときにはじめて、溶存酸素の過度の低下（被削性の低下）を抑制しつつ、精錬時に多量のＳｉＯ2 やＣｒ2 Ｏ3 を含むステンレス鋼において生成酸化物の軟化温度を低下させることができることを見出したものである。他方、被削性のためには、硫化物はできるだけ熱間加工で延伸させない方が都合が良い。本発明は、耐食性とアウトガス特性を改善した快削ステンレス鋼に関し、介在物組成制御により、酸化物は延伸させて無害化し、硫化物は被削性に好適な紡錘形を保持させて、被削性と切削表面仕上性を両立させた高耐食快削ステンレス鋼を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
その発明の要旨とするところは、
（１）重量％で、Ｃ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４１％、Ｓ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、Ｏ：０．００５〜０．０４％からなり、長径が１０μｍ以上の硫化物系介在物の組成について、介在物中のＣｒ／Ｍｎの重量比が１．２〜３であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
【００１０】
（２）重量％で、Ｃ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４１％、Ｓ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｏ：０．００５〜０．０４％からなり、長径が１０μｍ以上の硫化物系介在物の組成について、介在物中のＣｒ／Ｍｎの重量比が１．２〜３であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
【００１１】
（３）前記（１）または（２）の成分に加え、さらに重量％で、Ｎｉ：２０．００％以下、Ｍｏ：３．００％以下、Ｃｕ：４．００％以下、Ｔｉ：１．００％以下、Ｎｂ：１．００％以下、Ｖ：１．００％以下、Ｚｒ：１．００％以下、Ｎ：０．５０％以下、Ｂ：０．０２％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下の中から１種または２種以上含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
【００１２】
（４）熱間加工をした鋼材において、熱間加工による鋼材の延伸方向の長さが１０μｍ以上の酸化物系介在物に関して、重量％でＳｉＯ2 量が３０％以上７０％以下で、Ａｌ2 Ｏ3 を５％以上含み、かつＳｉＯ2 量より少ない量で他の酸化物を含有した複合型酸化物になっているものが、個数割合で８０％以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）に記載の表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
（５）熱間加工をした鋼材において、熱間加工による鋼材の延伸方向と垂直な断面の長径が１００μｍ以下の酸化物系介在物からなることを特徴とする前記（１）〜（３）に記載の表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼にある。
【００１３】
【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：０．５０％以下
Ｃは強度を上げる重要な元素であるが、しかし、多すぎると耐食性を悪化させるので、その上限を０．５０％とした。
Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは発明が解決しようとする課題のところで述べたとおり巨大酸化物となるＳｉＯ2 の生成源ではあるが、製鋼時脱酸剤として有用であり、鋼材の硬さ、すなわち強度を高めるとともに、後述するように酸化物を高延伸性の好適組成にするためにも必要であり、そのためにも０．０５％必要である。しかし、多すぎると焼なまし硬さを大きくし加工性を阻害することから、上限を２．００％とした。
【００１４】
Ｍｎ：０．０５〜０．４１％
Ｍｎは脱酸剤として用いられる。また、酸化物を形成する重要な元素であり、適度な組成になったとき酸化物の高温延性が向上する。また硫化物生成元素であり、そのためにも０．０５％以上必要である。しかし、多すぎると硫化物中のＭｎ濃度が増加し耐食性を悪化させるので、上限を０．４１％とした。
Ｓ：０．０５〜０．５０％
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、多すぎると被削性改善効果が飽和し、かつ熱間加工性を悪化させるので、その上限を０．５０％とした。
【００１５】
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％
Ｃｒはステンレス鋼の基本的な元素で酸化皮膜を形成し耐食性を付与する。従って、少ないと十分な耐食性皮膜を形成できず、多いと高価であり、かつ熱間加工性が悪化するので、その範囲を１０．００〜３０．００％とした。
Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、
Ａｌは本発明の最大の特徴とするものであり、そのＡｌは強力な脱酸元素であり、酸化物組成に対する影響が大で、適量を含有するときに熱間延伸性に優れた酸化物を生成する。しかし、多すぎると酸化物組成が不適当になり非延性酸化物を生じるとともに、溶製時に溶存酸素量を減少させ被削性を悪化させることから、その範囲を０．０００１〜０．００３％未満、好ましくは０．０００１〜０．００２０％、さらにより好ましくは０．０００３〜０．００１５％とした。
【００１６】
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％
Ｃａは強力な脱酸元素であり、酸化物組成に大きく影響し、適量含有するときに好適な酸化物組成となる。しかし、多すぎると酸化物組成が不適当になり非延性化するとともに、溶存酸素の低下による被削性低下をもたらす。従って、その範囲を０．０００５〜０．０１％とした。
Ｏ：０．００５〜０．０４％
Ｏは製鋼時に脱酸元素の過剰添加等の原因で過少になると、硫化物が熱間で延伸しやすくなり被削性改善に不適当な形状になる。また、多すぎると被削性改善効果が飽和し、酸化物量が増加し、靱性が低下する。従って、その範囲を０．００５〜０．０４％、好ましくは０．０１０〜０．０２５％とした。
【００１７】
Ｎｉ：２０．００％以下
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼に主に添加される。非磁性用途向けに一定以上必要とされる。さらに、非酸化性酸に対する耐食性を改善する等の効果を有する。しかし、多量の添加はコスト高となるため、その上限を２０．００％とした。
Ｍｏ：３．００％以下
Ｍｏは耐食性を向上させる元素である。しかし、多すぎると脆化相を析出し耐食性、機械的性質を低下させるので、その上限を３．００％とした。
【００１８】
Ｃｕ：４．００％以下
Ｃｕは主にオーステナイト地に固溶し、耐食性改善、冷間加工性改善の効果がある。しかし、過剰添加は熱間加工性を悪化させるので、その上限を４．００％とした。
Ｔｉ：１．００％以下
ＴｉはＴｉ炭窒化物形成により耐食性改善に有効だが、しかし、多すぎると脆化を起こすので、その上限を１．００％とした。
【００１９】
Ｎｂ：１．００％以下
Ｎｂは強力な炭窒化物生成元素でＮｂ炭窒化物を形成し、Ｃｒ炭化物の生成を抑制し、耐食性を向上させる。しかし、多すぎると熱間加工性を悪化させるので、その上限を１．００％とした。
Ｖ：１．００％以下
Ｖは炭窒化物を生成し、耐食性を向上させるに有効である。しかし、多すぎると熱間加工性を低下させるので、その上限を１．００％とした。
【００２０】
Ｚｒ：１．００％以下
ＺｒはＴｉと同様に炭窒化物を形成し、耐食性改善に有効である。また、熱間加工性を向上させるが、多すぎると逆に悪化させるので上限を１．００％とした。
Ｎ：０．５０％以下
Ｎは耐食性を改善し、強度を向上させる。しかし、過大な添加は鋼塊中に欠陥を生じさせるので、その上限を０．５０％とした。
Ｂ：０．０２％以下
Ｂは適度の添加で、特にオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を改善する。しかし、多すぎると逆に悪化させるので、その上限を０．０２％とした。
【００２１】
Ｓｅ：０．３０％以下
ＳｅはＳと同様、ＭｎやＣｒ等と反応し非金属介在物を形成して被削性を改善する。しかし、過剰添加は効果が飽和し熱間加工性を悪化させるので、その上限を０．３０％とした。
Ｔｅ：０．３０％以下
ＴｅはＳ、Ｓｅと同様、介在物を形成することにより被削性を改善する効果がある。しかし、過剰添加は効果が飽和し熱間加工性を悪化させるので、その上限を０．３０％とした。
【００２２】
Ｐｂ：０．３０％以下
Ｐｂは鋼中に単独あるいは介在物に付着する形で分散して存在し、切削加工中に溶解して潤滑剤としての効果や切屑破砕性改善の効果がある。しかし、過剰の添加は被削性改善効果の飽和と熱間加工性の阻害をもたらすことから、その上限を０．３０％とした。
Ｂｉ：０．３０％以下
ＢｉはＰｂと同様、低融点金属で鋼中に分散して存在し、被削性改善に効果がある。しかし、過剰添加は効果が飽和し熱間加工性を悪化させることから、その上限を０．３０％とした。
【００２３】
硫化物および硫化物とセレン化物、テルル化物の複合体（これらを纏めて硫化物系介在物と呼ぶ）の組成について、Ｃｒ／Ｍｎ比は、耐食性、アウトガス特性を左右する因子であり、Ｍｎ濃度が減少し、Ｃｒ濃度が増加するのに伴って、これらの特性は向上し、硫化物系介在物中のＣｒ量がＭｎ量を上回ると著しく改善するので、Ｃｒ／Ｍｎ比を１．２〜３に限定した。硫化物系介在物の組成について、１０μｍ以上のものに限定しているのは、１０μｍ以上の硫化物系介在物が特性上大きな影響を及ぼすと考えられるためである。
【００２４】
酸化物組成は酸化物の熱間延性に大きく影響する。硬質で巨大化し易いＳｉＯ2 を延性に富んだ酸化物にするためには、Ａｌを０．０００１〜０．００３％未満、好ましくは０．０００１〜０．００２０％、より好ましくは０．０００３〜０．００１５％鋼中に残存させ、Ａｌ2 Ｏ3 を含んだ複合型酸化物にする必要がある。しかし複合型酸化物中のＡｌ2 Ｏ3 が過度に増大すると、やはり複合型酸化物が硬質化する。Ａｌ2 Ｏ3 過多による複合型酸化物の生成を防ぐには、複合型酸化物を構成する各酸化物の中で特にＳｉＯ2 とＡｌ2 Ｏ3 の含有量に関して、重量％でＳｉＯ2 量が３０％以上７０％以下で、Ａｌ2 Ｏ3 量が５％以上とすれば良い。
【００２５】
このように硬質な酸化物を延性に富んだ複合型酸化物に制御するためには、ＳｉとＡｌの共存が必要であるが、なかでもＡｌの管理が重要である。Ａｌは精錬過程で脱酸目的で添加したＡｌの一部が脱酸作用によりスラグと共に除去される。従って、溶鋼中に添加するＡｌ量ではなく、凝固した鋼中に残存するＡｌ量に注目し、その残存量を上述の組成になるよう微量に管理する必要がある。なお、１０μｍ以上の酸化物の個数割合を規定したのは、大型酸化物は表面仕上性悪化の原因となるためである。大きな酸化物を軟質なものとすれば表面仕上げ性に有害である酸化物の巨大化を防ぐことができる。この理由から１０μｍ以上の酸化物について、その個数割合で８０％以上を上述した複合型介在物にすれば良い。
【００２６】
さらに、Ｃａを０．０００５〜０．０１％添加すると延性はさらに良くなる。適当な組成の酸化物は熱間加工により延伸し実質上無害化する。本発明でいう酸化物中のＳｉＯ2 量とは、酸化物をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で酸化物組成を分析したＳｉの濃度をＳｉＯ2 換算したものである。他の酸化物についても同様な換算を行っている。切削加工等で表面に表出する酸化物は、延伸方向と垂直な断面に表出した酸化物の長径が１００μｍ以下ならば実質上問題ない。好ましくは５０μｍ以下である。
【００２７】
【実施例】
６０ｔアーク電気炉で、フェライト系、マルテンサイト系およびオーステナイト系ステンレス鋼を溶製した。その成分組成を表１に示す。この出来上がった約４５０ｍｍの角鋼塊を約１０００℃でφ３０ｍｍに圧延し、適正な熱処理を施し、圧延方向に直角に切り出して実体顕微鏡を用いて倍率３０倍で介在物の大きさを測定した。この顕微鏡測定法では、認知できるのは２０μｍ以上の酸化物であり、認知された酸化物の最大径を測定した。さらに、圧延方向に平行な面でも観察を行い、長径が１０μｍ以上の酸化物の組成をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて調査した。また、硫化物系介在物についてもＥＤＸ分析を行った。その硫化物系介在物組成および酸化物系介在物の組成を表２に示す。
【００２８】
さらに、これらの材料について耐食性およびアウトガス試験に供した。耐食性試験は、相対湿度９０％で２０℃−２ｈ←→５０℃−４ｈの昇温および降温を２０サイクル繰返して行い、試験片表面の発銹状況を観察した。アウトガス試験は、試験片、純水および銀板を８０℃で封入して行い、２０ｈ後の銀板の色の変化により、硫化水素ガスの発生多寡を評価した。すなわち、硫化水素は銀と反応して銀板を褐色に変化させ、硫化水素アウトガス量の増加に伴って変色度も大きくなる。また、被削性評価として、ドリル穿孔性試験を行った。φ５ｍｍ、ＳＫＨ５１製ストレートシャンクドリルを用い、４１４Ｎ、１８．７ｍ／ｍｉｎの一定推力、一定周速下で、φ１５ｍｍの試験片断面に垂直に穿孔を行い、深さ１０ｍｍに達するまでに要した時間（秒数）で被削性評価を行った。すなわち、被削性が良くなるほど穿孔時間が短くなる。その結果を表３に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】
【表３】
【００３２】
表３に示すように、発明例Ｎｏ１〜２４は、硫化物組成が適当に制御されているため、良好な被削性を保持しつつ、耐食性、アウトガス特性が優れている。かつ大部分の酸化物が適当な組成に複合酸化物化して圧延により延伸しているため、粗大酸化物が切断面に表出して表面性状を害することはない。
一方、比較例Ｎｏ２５は、従来の製鋼方法によるものであり、Ａｌ，Ｃａ無添加のため、生成する酸化物は大部分がＳｉＯ2 を主体とするものであり、圧延で延伸せず球状の形態を保つため粗大に残存し、これが製品において表面仕上性を減じる原因となっている。
【００３３】
比較例Ｎｏ２６のように、Ａｌを過分に添加すると、酸化物組成がＡｌ2 Ｏ3 濃度の高いものへと変化し、圧延による酸化物延伸が低下し、粗大な酸化物が残存する。さらにＡｌ量が多い比較例Ｎｏ２７の場合は、脱酸元素であるＡｌの過剰添加により溶製時の溶存酸素量の低下が進み、酸化物量自体が少なくなる。しかし、溶存酸素の減少が硫化物の熱間延伸性を高め、圧延により著しく延伸した硫化物が十分な効果を発揮できないため被削性が低下する。
【００３４】
比較例Ｎｏ２８のように、Ａｌ量が多い場合にＣａを添加すると、Ｃａも強力な脱酸元素であるためにＣａＯを含む複合組成の酸化物が生成するが、Ａｌ2 Ｏ3 濃度が高い不適当な組成のため熱間延伸性に乏しく、粗大酸化物が残存する。比較例Ｎｏ２９のように、Ａｌ無添加でＣａを含む場合は、酸化物が主にＳｉＯ2 とＣａＯの２種類からなる組成となり、圧延で延伸せず粗大に残存する。
【００３５】
汎用の快削鋼であるＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ４１６の場合を比較として示しているが、これらの鋼種はもともとＭｎ含有量が多く、酸化物もＭｎＯを多く含むＳｉＯ2 −ＭｎＯ組成であるため、熱間延伸性が良好で粗大酸化物の問題は殆ど生じない。ただし、硫化物がＭｎＳ組成であるため、耐食性、アウトガス特性に関しては発明例に比べて非常に悪い。また、ＳＵＳ４３０は、快削鋼でなく被削性が発明例に比べ非常に劣っている。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、硫化物系介在物の組成制御により、優れた耐食性、アウトガス特性、被削性を兼ね備えた高耐食性快削ステンレス鋼において典型的である粗大酸化物残存の問題を、微量のＡｌ、Ｃａの添加により酸化物組成制御することで解決した、実用上非常に高い効果を奏するものである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳＵＳ４１６、ＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＵＳ３０３等のＳ含有快削ステンレス鋼において、Ｓは主に鋼中のＭｎと反応して硫化物ＭｎＳを形成し、この硫化物が切屑処理性の向上や切削抵抗の低下等の効果を発揮することにより被削性を改善することが知られている。一方、ＭｎＳは一般的に耐食性がステンレス鋼マトリクスと比較して劣り、腐食の起点となりやすい欠点があった。また、材料自体の耐食性のみならず、ＭｎＳが空気中の水分と反応して発生する腐食性の硫化水素ガス（アウトガス）が周辺材料を腐食する現象があることも知られており、例えば切削加工で作られる電子機器用の部品などにおいて問題となることがある。これらを改善する一方法として、硫化物組成を変化させる方策が採られている。すなわち、Ｍｎを低減して硫化物組成をＣｒ−ｒｉｃｈの（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓにする方法であり、これによって、耐食性とアウトガス特性を向上させた快削ステンレス鋼が開発され実用化されている。
【０００３】
上述した硫化物による被削性改善の度合は硫化物の硬さや形状により異なり、硬さが低く、かつ大型で球状に近い（延伸度が小さい）形状の場合に効果が大きい。（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓの硬さは、ＭｎＳに比較して常温で高いため、（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓの被削性改善効果はＭｎＳより低い。加えて（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓの熱間加工による延伸度はＭｎＳより大きく、この点からも（Ｃｒ，Ｍｎ）ＳはＭｎＳの場合より被削性が悪い。
【０００４】
以上のように、（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｓ系硫化物を含有する快削ステンレス鋼の被削性を改善することが課題になっていた。そこで、硫化物の熱間加工における延伸度を抑制させるための方法の一つとしてＯに着目した。Ｏ量（製鋼時の溶鋼中の溶存酸素量）が多いと、硫化物中に固溶したり微細な酸化物が析出したりする等の効果により、硫化物は熱間圧延で延伸しにくいものになる。硫化物形状を被削性改善に好適なものにするためには、Ｏを適量含有していることが必要である。
【０００５】
ところが、溶存酸素を高くすることは不純物としての酸化物の増大をもたらす。酸化物は、組成によっては被削性改善に有効であるとする文献もあるが、改善効果が現れるのは一定の狭い酸化物組成範囲であり、効果の程度は切削条件によっても影響を受ける。殆どの組成の酸化物は硬質で切削工具の摩耗を促進し被削性に悪影響を与えるとともに、軟化温度の高い酸化物は圧延等の熱間加工でも変形せずに切削面に粗く表出することもある。この表出酸化物は、常温では通常マトリクスよりも硬く脆い性質のため、加工表面に異物として残存することにより、表面処理時の欠陥を生じたり、脱落して精密機械の故障を引き起こしたりする恐れがある。このように粗大酸化物は表面仕上性を悪化させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特に、本発明にあるような、耐食性、アウトガス特性の向上のために低Ｍｎ化した鋼種の場合は、酸化物が軟化しにくく、短径でも数百μｍとなる酸化物がみられることが往々にしてあり、中でも熱間圧延法で製造した丸棒に関しては中心軸と直交する断面において上記の問題を生じ易くなっている。これを解決するためには、酸化物を軟質のものとし、熱間加工により十分に延伸させて切断面に表出する酸化物の断面積を減少させ硫化物と同程度に無害化する必要がある。
【０００７】
そこで、精錬時に多量のＳｉＯ2 やＣｒ2 Ｏ3 が生成する当該快削ステンレス鋼において特徴的である上記問題を解消する方法としてＡｌやＣａの効果に着目した。いままでに快削ステンレス鋼の酸化物に関して、例えば特開平１０−２３７６０３号公報が開示されている。この特許はＡｌがＯと酸化物を生成し、硫化物、セレン化物の核となることから、ＡｌとＯとの酸化物が有用であるとしているものである。しかしながら、この酸化物に対する考え方は、本発明とは全く異なるものである。本発明では、核としてのＡｌとＯの酸化物の利用を全く必要とせず酸化物（中でもＳｉＯ2 やＣｒ2 Ｏ3 が主体の酸化物）は低Ｍｎ化した鋼においては巨大化するので有害であるとしており、強力な酸化物生成元素であるＡｌ，さらにはＣａを微量の添加で、これらの酸化物の組成を変化させ延性を有する複合型酸化物に制御することにより無害化するものである。
【０００８】
従って、これらのことから本発明においては、ある一定の成分範囲にあるときにはじめて、溶存酸素の過度の低下（被削性の低下）を抑制しつつ、精錬時に多量のＳｉＯ2 やＣｒ2 Ｏ3 を含むステンレス鋼において生成酸化物の軟化温度を低下させることができることを見出したものである。他方、被削性のためには、硫化物はできるだけ熱間加工で延伸させない方が都合が良い。本発明は、耐食性とアウトガス特性を改善した快削ステンレス鋼に関し、介在物組成制御により、酸化物は延伸させて無害化し、硫化物は被削性に好適な紡錘形を保持させて、被削性と切削表面仕上性を両立させた高耐食快削ステンレス鋼を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
その発明の要旨とするところは、
（１）重量％で、Ｃ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４１％、Ｓ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、Ｏ：０．００５〜０．０４％からなり、長径が１０μｍ以上の硫化物系介在物の組成について、介在物中のＣｒ／Ｍｎの重量比が１．２〜３であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
【００１０】
（２）重量％で、Ｃ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４１％、Ｓ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｏ：０．００５〜０．０４％からなり、長径が１０μｍ以上の硫化物系介在物の組成について、介在物中のＣｒ／Ｍｎの重量比が１．２〜３であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
【００１１】
（３）前記（１）または（２）の成分に加え、さらに重量％で、Ｎｉ：２０．００％以下、Ｍｏ：３．００％以下、Ｃｕ：４．００％以下、Ｔｉ：１．００％以下、Ｎｂ：１．００％以下、Ｖ：１．００％以下、Ｚｒ：１．００％以下、Ｎ：０．５０％以下、Ｂ：０．０２％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．３０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下の中から１種または２種以上含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
【００１２】
（４）熱間加工をした鋼材において、熱間加工による鋼材の延伸方向の長さが１０μｍ以上の酸化物系介在物に関して、重量％でＳｉＯ2 量が３０％以上７０％以下で、Ａｌ2 Ｏ3 を５％以上含み、かつＳｉＯ2 量より少ない量で他の酸化物を含有した複合型酸化物になっているものが、個数割合で８０％以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）に記載の表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
（５）熱間加工をした鋼材において、熱間加工による鋼材の延伸方向と垂直な断面の長径が１００μｍ以下の酸化物系介在物からなることを特徴とする前記（１）〜（３）に記載の表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼にある。
【００１３】
【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：０．５０％以下
Ｃは強度を上げる重要な元素であるが、しかし、多すぎると耐食性を悪化させるので、その上限を０．５０％とした。
Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは発明が解決しようとする課題のところで述べたとおり巨大酸化物となるＳｉＯ2 の生成源ではあるが、製鋼時脱酸剤として有用であり、鋼材の硬さ、すなわち強度を高めるとともに、後述するように酸化物を高延伸性の好適組成にするためにも必要であり、そのためにも０．０５％必要である。しかし、多すぎると焼なまし硬さを大きくし加工性を阻害することから、上限を２．００％とした。
【００１４】
Ｍｎ：０．０５〜０．４１％
Ｍｎは脱酸剤として用いられる。また、酸化物を形成する重要な元素であり、適度な組成になったとき酸化物の高温延性が向上する。また硫化物生成元素であり、そのためにも０．０５％以上必要である。しかし、多すぎると硫化物中のＭｎ濃度が増加し耐食性を悪化させるので、上限を０．４１％とした。
Ｓ：０．０５〜０．５０％
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、多すぎると被削性改善効果が飽和し、かつ熱間加工性を悪化させるので、その上限を０．５０％とした。
【００１５】
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％
Ｃｒはステンレス鋼の基本的な元素で酸化皮膜を形成し耐食性を付与する。従って、少ないと十分な耐食性皮膜を形成できず、多いと高価であり、かつ熱間加工性が悪化するので、その範囲を１０．００〜３０．００％とした。
Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、
Ａｌは本発明の最大の特徴とするものであり、そのＡｌは強力な脱酸元素であり、酸化物組成に対する影響が大で、適量を含有するときに熱間延伸性に優れた酸化物を生成する。しかし、多すぎると酸化物組成が不適当になり非延性酸化物を生じるとともに、溶製時に溶存酸素量を減少させ被削性を悪化させることから、その範囲を０．０００１〜０．００３％未満、好ましくは０．０００１〜０．００２０％、さらにより好ましくは０．０００３〜０．００１５％とした。
【００１６】
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％
Ｃａは強力な脱酸元素であり、酸化物組成に大きく影響し、適量含有するときに好適な酸化物組成となる。しかし、多すぎると酸化物組成が不適当になり非延性化するとともに、溶存酸素の低下による被削性低下をもたらす。従って、その範囲を０．０００５〜０．０１％とした。
Ｏ：０．００５〜０．０４％
Ｏは製鋼時に脱酸元素の過剰添加等の原因で過少になると、硫化物が熱間で延伸しやすくなり被削性改善に不適当な形状になる。また、多すぎると被削性改善効果が飽和し、酸化物量が増加し、靱性が低下する。従って、その範囲を０．００５〜０．０４％、好ましくは０．０１０〜０．０２５％とした。
【００１７】
Ｎｉ：２０．００％以下
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼に主に添加される。非磁性用途向けに一定以上必要とされる。さらに、非酸化性酸に対する耐食性を改善する等の効果を有する。しかし、多量の添加はコスト高となるため、その上限を２０．００％とした。
Ｍｏ：３．００％以下
Ｍｏは耐食性を向上させる元素である。しかし、多すぎると脆化相を析出し耐食性、機械的性質を低下させるので、その上限を３．００％とした。
【００１８】
Ｃｕ：４．００％以下
Ｃｕは主にオーステナイト地に固溶し、耐食性改善、冷間加工性改善の効果がある。しかし、過剰添加は熱間加工性を悪化させるので、その上限を４．００％とした。
Ｔｉ：１．００％以下
ＴｉはＴｉ炭窒化物形成により耐食性改善に有効だが、しかし、多すぎると脆化を起こすので、その上限を１．００％とした。
【００１９】
Ｎｂ：１．００％以下
Ｎｂは強力な炭窒化物生成元素でＮｂ炭窒化物を形成し、Ｃｒ炭化物の生成を抑制し、耐食性を向上させる。しかし、多すぎると熱間加工性を悪化させるので、その上限を１．００％とした。
Ｖ：１．００％以下
Ｖは炭窒化物を生成し、耐食性を向上させるに有効である。しかし、多すぎると熱間加工性を低下させるので、その上限を１．００％とした。
【００２０】
Ｚｒ：１．００％以下
ＺｒはＴｉと同様に炭窒化物を形成し、耐食性改善に有効である。また、熱間加工性を向上させるが、多すぎると逆に悪化させるので上限を１．００％とした。
Ｎ：０．５０％以下
Ｎは耐食性を改善し、強度を向上させる。しかし、過大な添加は鋼塊中に欠陥を生じさせるので、その上限を０．５０％とした。
Ｂ：０．０２％以下
Ｂは適度の添加で、特にオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を改善する。しかし、多すぎると逆に悪化させるので、その上限を０．０２％とした。
【００２１】
Ｓｅ：０．３０％以下
ＳｅはＳと同様、ＭｎやＣｒ等と反応し非金属介在物を形成して被削性を改善する。しかし、過剰添加は効果が飽和し熱間加工性を悪化させるので、その上限を０．３０％とした。
Ｔｅ：０．３０％以下
ＴｅはＳ、Ｓｅと同様、介在物を形成することにより被削性を改善する効果がある。しかし、過剰添加は効果が飽和し熱間加工性を悪化させるので、その上限を０．３０％とした。
【００２２】
Ｐｂ：０．３０％以下
Ｐｂは鋼中に単独あるいは介在物に付着する形で分散して存在し、切削加工中に溶解して潤滑剤としての効果や切屑破砕性改善の効果がある。しかし、過剰の添加は被削性改善効果の飽和と熱間加工性の阻害をもたらすことから、その上限を０．３０％とした。
Ｂｉ：０．３０％以下
ＢｉはＰｂと同様、低融点金属で鋼中に分散して存在し、被削性改善に効果がある。しかし、過剰添加は効果が飽和し熱間加工性を悪化させることから、その上限を０．３０％とした。
【００２３】
硫化物および硫化物とセレン化物、テルル化物の複合体（これらを纏めて硫化物系介在物と呼ぶ）の組成について、Ｃｒ／Ｍｎ比は、耐食性、アウトガス特性を左右する因子であり、Ｍｎ濃度が減少し、Ｃｒ濃度が増加するのに伴って、これらの特性は向上し、硫化物系介在物中のＣｒ量がＭｎ量を上回ると著しく改善するので、Ｃｒ／Ｍｎ比を１．２〜３に限定した。硫化物系介在物の組成について、１０μｍ以上のものに限定しているのは、１０μｍ以上の硫化物系介在物が特性上大きな影響を及ぼすと考えられるためである。
【００２４】
酸化物組成は酸化物の熱間延性に大きく影響する。硬質で巨大化し易いＳｉＯ2 を延性に富んだ酸化物にするためには、Ａｌを０．０００１〜０．００３％未満、好ましくは０．０００１〜０．００２０％、より好ましくは０．０００３〜０．００１５％鋼中に残存させ、Ａｌ2 Ｏ3 を含んだ複合型酸化物にする必要がある。しかし複合型酸化物中のＡｌ2 Ｏ3 が過度に増大すると、やはり複合型酸化物が硬質化する。Ａｌ2 Ｏ3 過多による複合型酸化物の生成を防ぐには、複合型酸化物を構成する各酸化物の中で特にＳｉＯ2 とＡｌ2 Ｏ3 の含有量に関して、重量％でＳｉＯ2 量が３０％以上７０％以下で、Ａｌ2 Ｏ3 量が５％以上とすれば良い。
【００２５】
このように硬質な酸化物を延性に富んだ複合型酸化物に制御するためには、ＳｉとＡｌの共存が必要であるが、なかでもＡｌの管理が重要である。Ａｌは精錬過程で脱酸目的で添加したＡｌの一部が脱酸作用によりスラグと共に除去される。従って、溶鋼中に添加するＡｌ量ではなく、凝固した鋼中に残存するＡｌ量に注目し、その残存量を上述の組成になるよう微量に管理する必要がある。なお、１０μｍ以上の酸化物の個数割合を規定したのは、大型酸化物は表面仕上性悪化の原因となるためである。大きな酸化物を軟質なものとすれば表面仕上げ性に有害である酸化物の巨大化を防ぐことができる。この理由から１０μｍ以上の酸化物について、その個数割合で８０％以上を上述した複合型介在物にすれば良い。
【００２６】
さらに、Ｃａを０．０００５〜０．０１％添加すると延性はさらに良くなる。適当な組成の酸化物は熱間加工により延伸し実質上無害化する。本発明でいう酸化物中のＳｉＯ2 量とは、酸化物をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で酸化物組成を分析したＳｉの濃度をＳｉＯ2 換算したものである。他の酸化物についても同様な換算を行っている。切削加工等で表面に表出する酸化物は、延伸方向と垂直な断面に表出した酸化物の長径が１００μｍ以下ならば実質上問題ない。好ましくは５０μｍ以下である。
【００２７】
【実施例】
６０ｔアーク電気炉で、フェライト系、マルテンサイト系およびオーステナイト系ステンレス鋼を溶製した。その成分組成を表１に示す。この出来上がった約４５０ｍｍの角鋼塊を約１０００℃でφ３０ｍｍに圧延し、適正な熱処理を施し、圧延方向に直角に切り出して実体顕微鏡を用いて倍率３０倍で介在物の大きさを測定した。この顕微鏡測定法では、認知できるのは２０μｍ以上の酸化物であり、認知された酸化物の最大径を測定した。さらに、圧延方向に平行な面でも観察を行い、長径が１０μｍ以上の酸化物の組成をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて調査した。また、硫化物系介在物についてもＥＤＸ分析を行った。その硫化物系介在物組成および酸化物系介在物の組成を表２に示す。
【００２８】
さらに、これらの材料について耐食性およびアウトガス試験に供した。耐食性試験は、相対湿度９０％で２０℃−２ｈ←→５０℃−４ｈの昇温および降温を２０サイクル繰返して行い、試験片表面の発銹状況を観察した。アウトガス試験は、試験片、純水および銀板を８０℃で封入して行い、２０ｈ後の銀板の色の変化により、硫化水素ガスの発生多寡を評価した。すなわち、硫化水素は銀と反応して銀板を褐色に変化させ、硫化水素アウトガス量の増加に伴って変色度も大きくなる。また、被削性評価として、ドリル穿孔性試験を行った。φ５ｍｍ、ＳＫＨ５１製ストレートシャンクドリルを用い、４１４Ｎ、１８．７ｍ／ｍｉｎの一定推力、一定周速下で、φ１５ｍｍの試験片断面に垂直に穿孔を行い、深さ１０ｍｍに達するまでに要した時間（秒数）で被削性評価を行った。すなわち、被削性が良くなるほど穿孔時間が短くなる。その結果を表３に示す。
【００２９】
【表１】
【表２】
【表３】
表３に示すように、発明例Ｎｏ１〜２４は、硫化物組成が適当に制御されているため、良好な被削性を保持しつつ、耐食性、アウトガス特性が優れている。かつ大部分の酸化物が適当な組成に複合酸化物化して圧延により延伸しているため、粗大酸化物が切断面に表出して表面性状を害することはない。
一方、比較例Ｎｏ２５は、従来の製鋼方法によるものであり、Ａｌ，Ｃａ無添加のため、生成する酸化物は大部分がＳｉＯ2 を主体とするものであり、圧延で延伸せず球状の形態を保つため粗大に残存し、これが製品において表面仕上性を減じる原因となっている。
【００３３】
比較例Ｎｏ２６のように、Ａｌを過分に添加すると、酸化物組成がＡｌ2 Ｏ3 濃度の高いものへと変化し、圧延による酸化物延伸が低下し、粗大な酸化物が残存する。さらにＡｌ量が多い比較例Ｎｏ２７の場合は、脱酸元素であるＡｌの過剰添加により溶製時の溶存酸素量の低下が進み、酸化物量自体が少なくなる。しかし、溶存酸素の減少が硫化物の熱間延伸性を高め、圧延により著しく延伸した硫化物が十分な効果を発揮できないため被削性が低下する。
【００３４】
比較例Ｎｏ２８のように、Ａｌ量が多い場合にＣａを添加すると、Ｃａも強力な脱酸元素であるためにＣａＯを含む複合組成の酸化物が生成するが、Ａｌ2 Ｏ3 濃度が高い不適当な組成のため熱間延伸性に乏しく、粗大酸化物が残存する。比較例Ｎｏ２９のように、Ａｌ無添加でＣａを含む場合は、酸化物が主にＳｉＯ2 とＣａＯの２種類からなる組成となり、圧延で延伸せず粗大に残存する。
【００３５】
汎用の快削鋼であるＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ４１６の場合を比較として示しているが、これらの鋼種はもともとＭｎ含有量が多く、酸化物もＭｎＯを多く含むＳｉＯ2 −ＭｎＯ組成であるため、熱間延伸性が良好で粗大酸化物の問題は殆ど生じない。ただし、硫化物がＭｎＳ組成であるため、耐食性、アウトガス特性に関しては発明例に比べて非常に悪い。また、ＳＵＳ４３０は、快削鋼でなく被削性が発明例に比べ非常に劣っている。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、硫化物系介在物の組成制御により、優れた耐食性、アウトガス特性、被削性を兼ね備えた高耐食性快削ステンレス鋼において典型的である粗大酸化物残存の問題を、微量のＡｌ、Ｃａの添加により酸化物組成制御することで解決した、実用上非常に高い効果を奏するものである。
Claims (5)
- 重量％で、
Ｃ：０．５０％以下、
Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜０．４１％、
Ｓ：０．０５〜０．５０％、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、
Ｏ：０．００５〜０．０４％
からなり、長径が１０μｍ以上の硫化物系介在物の組成について、介在物中のＣｒ／Ｍｎの重量比が１．２〜３であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。 - 重量％で、
Ｃ：０．５０％以下、
Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜０．４１％、
Ｓ：０．０５〜０．５０％、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：０．０００１〜０．００３％未満、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｏ：０．００５〜０．０４％
からなり、長径が１０μｍ以上の硫化物系介在物の組成について、介在物中のＣｒ／Ｍｎの重量比が１．２〜３であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。 - 請求項１または請求項２の成分に加え、さらに重量％で、
Ｎｉ：２０．００％以下、
Ｍｏ：３．００％以下、
Ｃｕ：４．００％以下、
Ｔｉ：１．００％以下、
Ｎｂ：１．００％以下、
Ｖ：１．００％以下、
Ｚｒ：１．００％以下、
Ｎ：０．５０％以下、
Ｂ：０．０２％以下、
Ｓｅ：０．３０％以下、
Ｔｅ：０．３０％以下、
Ｐｂ：０．３０％以下、
Ｂｉ：０．３０％以下
の中から１種または２種以上含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。 - 熱間加工をした鋼材において、熱間加工による鋼材の延伸方向の長さが１０μｍ以上の酸化物系介在物に関して、重量％でＳｉＯ2 量が３０％以上７０％以下で、Ａｌ2 Ｏ3 を５％以上含み、かつＳｉＯ2 量より少ない量で他の酸化物を含有した複合型酸化物になっているものが、個数割合で８０％以上であることを特徴とする請求項１〜３に記載の表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
- 熱間加工をした鋼材において、熱間加工による鋼材の延伸方向と垂直な断面の長径が１００μｍ以下の酸化物系介在物からなることを特徴とする請求項１〜３に記載の表面仕上性に優れた高耐食快削ステンレス鋼。
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