JP4949100B2

JP4949100B2 - 冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼

Info

Publication number: JP4949100B2
Application number: JP2007081146A
Authority: JP
Inventors: 裕也日笠; 光司高野; 成雄福元; 信二柘植; 好宣多田
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008240053A

Description

本発明は、冷間鍛造性と被削性に優れた環境にやさしいオーステナイト系ステンレス鋼に関するものであり、例えば、複雑な形状を有しこれまで、切削加工のみで加工を行っている精密部品などを冷間鍛造加工と切削加工をあわせて行うことにより、材料歩留よく加工することが可能なオーステナイト系ステンレス鋼に関するものである。

オーステナイト系ステンレス鋼は加工性、耐食性などに優れた性質を有することから、様々な分野において広く使用されている。ネジ、ボルトなどの各種機器部品は一般に冷間鍛造によって成形加工して製造されることが多い。この冷間鍛造による方法は加工能率、歩留が高い利点を有するが、精密な加工精度に劣る。一方、複雑な形状を有する部品では、すべて切削加工で製造されている。切削加工による方法では複雑な形状への加工が可能であり、非常に精密な寸法精度を満足することができる利点があるものの、太い線径の材料から加工されるため材料歩留が悪いという欠点がある。

従来、冷間鍛造性を求められる製造方法ではＳＵＳＸＭ７（１７％Ｃｒ−９％Ｎｉ−３％Ｃｕ−低Ｃ、Ｎ系）が、被削性を求められる製造方法ではＳＵＳ３０３（１８％Ｃｒ−９％Ｎｉ−０．３％Ｓ）などが用いられてきた。

冷間鍛造性に優れたＳＵＳＸＭ７は被削性が悪く、被削性の優れたＳＵＳ３０３は冷間鍛造性が悪いという相反する特徴を有している。従って、複雑な形状を有する部品では材料歩留が悪くても被削性の高い鋼を使用し、切削加工にて製造しているのが通常であった。

しかしながら、近年、複雑な形状を有する部品を歩留・生産性よく製造するために、冷間鍛造性と被削性を兼備したオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている（特許文献１〜６）。一方最近、脱酸による介在物の形態を変えることで特性を改善することも提案されている（特許文献６〜８）。

特許文献１に記載された発明は高い耐食性と強度を有しかつ塑性加工（冷温間鍛造加工）性を付与すると同時に被削性を向上させた発明であり、被削性を向上させるためにＳ（０．０５〜０．１５％）を添加させることを特徴としているが、その塑性加工性はＳＵＳＸＭ７には及ばない。

特許文献２、４、５に記載された発明はＰｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅといった低融点金属を添加することによって被削性、冷間圧造性を向上させることを特徴としたものである。

特許文献３に記載された文献は被削性を向上させる元素であるＳｅの添加に加えて、介在物の大きさを規定することにより、被削性、冷間鍛造性を向上させたことを特徴とするものである。

特許文献６に記載された発明は耐食性を劣化させることなく被削性を向上させるために、耐食性の低下が少ないとされているＣａを添加し、また硬質な介在物であるＡｌ₂Ｏ₃の生成を可能な限り抑制し、鋼中の介在物をＣａＯ・ＳｉＯ_２とＭｎＯ・ＳｉＯ_２の複合体とすることで被削性、冷間加工性を向上させることを特徴とするものである。

特許文献７に記載された発明は高Ｓ含有材にてＣａ、Ｚｒを添加することによる硫化物の形態を制御（粒状化）し、熱間加工性等を向上させることを特徴とするものである。

特許文献８に記載された発明は硫化物が発銹や孔食の起点となり耐食性を悪化させることから、これらの硫化物を用いないで、被削性改善に有効なアノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）系の酸化物を生成させ被削性を改善し、また多量のＺｒなどを添加することにより炭化物を生成し、耐食性を改善したことを特徴とするものである。

しかしながら、これまで、被削性と冷間鍛造性の両特性をバランスよく付与した環境にやさしいオーステナイト系ステンレス鋼は提案されていない。
特開２０００−１７３９６号公報特開平９−２９１３４１号公報特開平６−１４５９１４号公報特開平２−５０９３７号公報特開平２−１７９８５０号公報特開２００４−２５６９００号公報特開２００４−２３１９８４号公報特開２００１−２３４２９８号公報

本発明の目的は、環境に悪影響を与える重金属（Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅ）を使用しないで、冷間鍛造性と被削性を併せ持つオーステナイト系ステンレス快削鋼を提供することで、これまで切削加工のみで行われてきた部品加工の歩留を向上させることにある。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、種々検討した結果、冷間鍛造性に優れるＳＵＳＸＭ７（１７％Ｃｒ−９％Ｎｉ−３％Ｃｕ−低Ｃ、Ｎ系）を基本成分として、微量Ｓと極微量のＡｌ、Ｚｒ、Ｃａの複合添加量を制御することで、硫化物系を中心とした介在物を著しく微細分散化でき、かつ引張強さを５２０ＭＰａ以下に軟質化することで、冷間鍛造性と被削性の両特性をバランスよく付与することを見出した。

すなわち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ≦０．０３％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ０．１〜３．０％、Ｐ≦０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０４％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１７．０〜２０．０％、Ｃｕ：１．０〜４．０％、Ｎ≦０．０３％、Ａｌ：０．００２〜０．０１％、Ｃａ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００１〜０．０１％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼であって、冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。
（２）さらに、質量％で、Ｂ≦０．０１％を含有することを特徴とする（１）に記載の冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。
（３）さらに、質量％で、質量％でＭｏ≦３．０％を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。
（４）前記鋼の引張強度（ＴＳ）が５２０ＭＰａ以下であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。

本発明による冷間鍛造性と被削性を併せ持つオーステナイト系ステンレス快削鋼は冷間鍛造性と切削加工で効率よく部品加工が可能となり、部品加工の低コスト化の効果を発揮する。

以下に、先ず、本発明の請求項１記載の限定理由について説明する。
＜Ｃ：０．０３％以下＞
Ｃはオーステナイト安定化元素であるが多量に含有させると耐食性、冷間鍛造性、耐工具磨耗性が劣化するため上限を０．０３％とした。また、Ｃは鋼の強度を確保するために０.００３％以上は必要である。好ましくは０．００５〜０．０１５％である。
＜Ｓｉ：０．１〜２．０％＞
Ｓｉは脱酸剤として作用し、耐酸化性を向上させるにも有効な元素であるので０．１％以上含有させるが、必要以上の含有は冷間鍛造性、耐工具磨耗性を劣化させるため２．０％を上限とした。好ましくは０．１〜０．４％である。
＜Ｍｎ：０．１〜３．０％＞
本発明ではＭｎはＭｎＳとして被削性を向上させる効果があるため。０．１％以上含有させるが、過剰な含有は耐食性や靭性を低下させるためその上限を３．０％とした。好ましくは１．０〜２．５％である。
＜Ｐ：０．０５％以下＞
Ｐは含有量が多いと熱間加工性を低下させるため０．０５％を上限とした。好ましくは０．０４％以下である。
＜Ｓ：０．０１〜０．０４％＞
Ｓは被削性を改善する元素であるため０．０１％以上含有させるが、大量に含有させると硫化物を中心とした介在物が粗大化し、冷間鍛造性が劣化する。そのため微量Ａｌ、Ｚｒ、Ｃａを添加（制御）して、被削性と冷間鍛造性を兼備させるためには０．０１〜０．０４％の範囲とした。好ましくは０．０２〜０．０４％である。

図１に引張強度を約480〜510MPaとした材料の限界据込率に及ぼすＳ量の影響を示す。限界据込率の測定方法は実施例の項で述べる。一般に限界据込率が８０％以上あればヘッダー加工など冷間鍛造において良好な作業性・生産性を示すことが知られている。図１から被削性を向上させる元素であるＳ量の増加によって冷間鍛造性が低下していることが分かる。また、０．０３％のＳ量の鋼にＺｒ、Ｃａ添加すると約８０％の限界据込率を示した。しかし、０．１５％のＳを含有した鋼ではＺｒ、Ｃａ添加による限界据込率の上昇は確認できなかった。この試験結果より、冷間鍛造性を高く保つためにはＳ量を制限する必要がある。従ってＳの上限を０．０４％とした。
＜Ｎｉ：８．０〜１２．０％＞
Ｎｉは耐食性を向上させるとともに、冷間加工性を改善させる元素である。そのため下限を８．０％とした。また、Ｎｉは高価な元素であるためにその上限を１２．０％とした。好ましくは９．０〜１１．０％である。
＜Ｃr：１７．０〜２０．０％＞
Ｃｒは耐食性向上に有効な元素である。１７．０％以下では耐食性が悪くなり、多いとオーステナイト相が不安定となるため上限を２０．０％とした。好ましくは１７．０〜１９．０％である。
＜Ｃｕ：１．０〜４．０％＞
Ｃｕはオーステナイト安定元素であり、冷間鍛造性を改善させる重要な元素である。そのためには少なくとも１．０％以上の添加が必要であるが、４．０％を超えて含有すると熱間加工性が悪化することから上限を４．０％とした。好ましくは２．０〜４．０％である。
＜Ｎ：０．０３％以下＞
Ｎは固溶作用によって冷間鍛造性を低下させる元素であるため、できる限り低下させることが望ましく、上限を０．０３％とした。しかしながら低Ｎ量化は製造コストを増加させるため０．０１％以上は必要である。好ましくは０．０１〜０．０１５％である。
＜Ａｌ：０．００２〜０．０１％＞
Ａｌは脱酸剤として介在物の微細分散の形態制御に必要な元素であるが、多量に含有すると硬質な粗大非金属介在物として存在するために冷間鍛造性を低下させる。そこで、その範囲を０．００２〜０．０１％とした。好ましくは０．００２〜０．００８％である。
＜Ｃａ：０．００１〜０．０１＞
Ｃａは被削性を改善するのに有効な元素である。また、Ｃａは単体の添加によってもＣa系の酸化物となり、硫化物の析出サイトになることによって比較的微細に分散することに有効である。これらの効果を得るためには少なくとも０．００１％以上の添加が必要である。また図１に示すようにＺｒと複合添加することによって硫化物の微細分散化が向上し、冷間鍛造性向上につながる。また、Ｃａ添加は硫化物の形態制御の役割だけでなく、被削性の向上効果もある。しかし、多量に含有させると、これらの効果が得られなくなることに加え、製造性も低下することから、その上限を０．０１％とした。好ましくは０．００１〜０．００５％である。
＜Zr：０．０００１〜０．０１％＞
Zrは本発明鋼において最も重要な元素である。Ｚｒは酸化物の析出サイトとして働き、硫化物の析出サイトとなる酸化物を微細に分散させることにより硫化物の微細分散化に有効な元素である。またこの硫化物の微細分散化は微量Ｓ含有材にＣａと複合添加することにより効果が著しく向上する。しかし、多量に含有すると介在物として存在し、冷間鍛造性を低下させるため上限を０．０１％とした。好ましくは０．００１〜０．００５％である。
本発明の請求項２記載の限定理由について述べる。
＜B：≦０．０1％＞
Bは熱間加工性や軟質化を改善するために添加される元素であり、０．００２％以上の添加により安定した効果が得られる。しかし過剰に添加するとBの化合物が析出し、熱間加工性を劣化させるので、その上限を０．０１％とした。好ましくは０．００２〜０．００４％である。

本発明の請求項３記載の限定理由について述べる。
＜Ｍｏ：≦３．０％＞
ＭｏはＣｒと同様に耐食性を向上させるのに有効な元素であり０．１％以上の添加により安定した効果が得られる。しかし、多量に添加させると熱間加工性が低下するために上限を３．０％とした。好ましくは０．１〜２．５％である。

本発明の請求項4記載の限定理由について述べる。
＜引張強度≦５２０ＭＰａ＞
図２にＳ量を約０．０３％とした材料の限界据込率に及ぼす引張強度の影響を示す。図２から引張強度（ＴＳ）の上昇によって冷間鍛造性が低下していることが分かる。この試験結果より、冷間鍛造性を高く保つためには引張強度を制限する必要がある。従って引張強度の上限を５２０ＭＰａとした。

以下に本発明の実施例について説明する。

表1、２に本発明の実施例の化学成分と冷間鍛造性、被削性（切屑処理性、耐工具磨耗性）および引張強度の評価結果を示す。

これら化学成分の鋼は１００ｋｇ真空溶解炉にて１５０ｍｍ角の鋳片に鋳込み、その後、直径２２及び１１ｍｍまで熱間鍛造を行い、１０５０℃（オーステナイト系ステンレス鋼線で組織を安定化させる温度）で溶体化処理を施し、棒鋼サンプルを製造した。その後、冷間鍛造性、被削性（切屑処理性、耐工具磨耗性）および引張強度を調査した。

冷間鍛造性は圧縮試験によって得られる限界据込率によって評価した。圧縮試験は直径１１ｍｍの線材から高さ１２ｍｍ、直径８ｍｍの円柱状の試験片を作製して供試材とし、同心円状の溝をもつ拘束型ダイスでの圧縮試験により評価した。試験片の初期の高さをH_０、割れが発生した圧縮後の高さをHとし以下の式で求めた値を限界据込率とした。
（1−H／H_０）×１００（％）
圧縮試験機によって一定速度で試験片を圧縮し、試験片側面の割れの有無を目視で判定し、限界据込率によって大小で評価した。
本発明鋼は限界据込率が８０％以上であった。

切削試験は直径２２ｍｍに熱間鍛伸した棒鋼を供試材として、超硬工具（Ｐ２０種）を用いて、切削速度（５０〜２００ｍ／ｍｉｎ）、切込み（０．１〜１．０ｍｍ）、送り速度（０．０１〜０．１ｍｍ／ｒｅｖ）で外周切削をおこなった。被削性の評価は切屑処理性、耐工具磨耗性にて評価した。

切屑処理性の評価は短く破損しているものおよび規則的ならせん状のものを○、無規則で長く繋がったものを×とした。これは、短く破損した切屑を排出するものは切削中に表面に疵をつける可能性が低いが、無規則で長く繋がった切屑は表面に疵をつけたり、工具に絡まったりするためである。本発明鋼は短く破損したものと規則的ならせん状の切屑が観察された。

耐工具磨耗は約4000ｍ切削時の工具を観察して評価した。工具磨耗がないものは○、局所的に大きな工具磨耗が観察されるものを×とした。本発明鋼は一部微量の工具磨耗が観察されるものもあるが、大きな工具磨耗は観察されなかった。

引張強度はＪＩＳ９号Ａ（Ｇ．Ｌ１００ｍｍ）を用いて試験を行い、引張強度を測定した。本発明鋼の引張強度は５２０ＭＰａ以下であった。

一方、比較例Ｎｏ．１４〜３０は本発明に比べ、冷間鍛造性、被削性（切屑処理性、耐工具磨耗性）、引張強度のいずれかが劣っていた。

以上の実施例から分かるように本発明例に優位性は明らかである。

以上の実施例から明らかなように、本発明により冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の提供が可能であり、これまで切削加工のみで複雑な形状を製造していた部品を冷間鍛造と切削加工によって、材料歩留まり、生産性よく製造する上で極めて有用である。

引張強度を約４８０〜５１０MPaとした材料の限界据込率に及ぼすＳ量の影響を示す図である。Ｓ量を約０．０３％とした材料の限界据込率に及ぼす引張強度の影響を示す図である。

Claims

質量％で、
Ｃ≦０．０３％、
Ｓｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ０．１〜３．０％、
Ｐ≦０．０５％、
Ｓ：０．０１〜０．０４％、
Ｎｉ：８．０〜１２．０％、
Ｃｒ：１７．０〜２０．０％、
Ｃｕ：１．０〜４．０％、
Ｎ≦０．０３％、
Ａｌ：０．００２〜０．０１％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００１〜０．０１％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼であって、冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。
さらに、質量％で、Ｂ≦０．０１％を含有することを特徴とする請求項１に記載の冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。
さらに、質量％で、質量％でＭｏ≦３．０％を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。
前記鋼の引張強度（ＴＳ）が５２０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか一項に記載の冷間鍛造性と被削性に優れたオーステナイト系ステンレス快削鋼。