JPH07150308A - 切削加工性を改良したマルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents

切削加工性を改良したマルテンサイト系ステンレス鋼

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JPH07150308A
JPH07150308A JP6155171A JP15517194A JPH07150308A JP H07150308 A JPH07150308 A JP H07150308A JP 6155171 A JP6155171 A JP 6155171A JP 15517194 A JP15517194 A JP 15517194A JP H07150308 A JPH07150308 A JP H07150308A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 切削加工性を改良したマルテンサイト系ステ
ンレス鋼を提供する。 【構成】 下記の重量組成を有し、少くとも1回急冷熱
処理される。 炭素 1.2%以下 珪素 2%以下 マンガン 2%以下 クロム 10.5%≦Cr≦19% 硫黄 0.55%以下 カルシウム 32×10−4%以上 酸素 70×10−4%以上 カルシウムと酸素の含有比Ca/Oは0.2≦Ca/O
≦0.6、

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、切削加工性が改良され
たマルテンサイト系ステンレス鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】クロムを少なくとも10.5%含有する鉄合
金はステンレス鋼といわれる。このステンレス鋼の組成
の一部を他の元素で置き換えることによってこの鋼の構
造および特性を変えることができ、主要な4つの構造は
下記である: マルテンサイト鋼 フェライト鋼 オーステナイト鋼 オーステノフェライト鋼 マルテンサイトステンレス鋼は一般に12〜18%のクロム
と、約1%までの炭素を含む。多くの合金元素、例えば
Ni、Mo、Si、Ti、V、Nb等を添加することによって広範
囲の特性(例えば加熱して酸化物となる特性)が得ら
れ、多様な用途、例えば機械、工具、刃物の製造で用い
られている。
【0003】マルテンサイトステンレス鋼の特徴は主と
してクロムに起因する良好な腐食耐性とマルテンサイト
構造による良好な機械特性との組合せにある。マルテン
サイトステンレス鋼には多様な組成と使用特性とを有す
る極めて広範囲な種類が存在するが、最も一般的なグレ
ードとしては以下のものを挙げることができる: (1) 硬度、腐食耐性および艶出し性の改良を目的とした
ニッケルを含まないカーボン/クロムグレード(2) クロ
ムの存在で耐食性を良くし、ニッケル(2〜4%)によ
って急冷後にマルテンサイト構造を得る16%のクロムの
他にニッケルを含有するグレード、(3) 優れた腐食耐性
と高い機械特性を有する構造硬化したグレード、(4) 高
温強度、クリープ、弾性、耐食性等の使用特性を最適化
するためにバナジウム、モリブデン、タングステン、珪
素、ニオブ、チタン等の元素を添加した12%クロムを含
有する改良グレード。
【0004】これらのグレードの全てにおいて、最終製
品の構造と機械特性は熱処理に大きく依存する。一般的
な熱処理は急冷(quenching) 、焼戻し(tempering) およ
び軟化アニーリング(softening annealing) の3種類で
ある。急冷の目的は鋼にマルテンサイト構造と非常に高
い硬度を与えることにある。焼戻しをすると急冷で極め
て低くなっている延性を増加させることができ、軟化ア
ニーリングをすると金属に複雑・微妙な加工操作(ある
種の切削加工法や成形法で要求される)を加えることが
できるようになる。これらの処理(焼戻し温度と長さの
調節、冷却法など)は全て各グレードの組成の関数で定
義される。
【0005】マルテンサイトステンレス鋼は切削が困難
である。その理由として種々の説明がなされているが、
実際に、マルテンサイトステンレス鋼は硬度が高いた
め、破断点を越えるような極めて大きな切削応力が加わ
る工具の場合には機械疲労を起してしまう。しかも、熱
伝導性がそれほど高くない上に摩擦が大きいため、工具
/材料境界面が高温になって熱疲労し、拡散で劣化す
る。さらに、多くの場合チップスプリッティング(chip
splitting)領域が減少する。そして、アルミナ、クロマ
イト等の硬い酸化物が存在することは切削工具の耐磨耗
性を悪くする原因である。従って、工具を磨耗させる原
因はオーステナイト鋼(低温加工可能、熱伝導率が低
く、チップスプリティングが悪い)の場合よりもマルテ
ンサイト鋼(硬度が高く、摩擦が大きい)の場合の方が
多い。
【0006】切削加工性の改良方法は種々知られている
が、それらには全て欠点がある。硫黄を添加すると硫化
マグネシウム(クロムで置換される場合もある)が生じ
て耐食性、熱間・冷間変形性、溶接性および横方向の機
械特性が低下する。セレンの添加は硫黄添加を補うもの
であり、硫化物を球状化して横軸方向の機械特性を向上
させる。しかし、セレンは価格が高く、極めて毒性が強
い。テルリウムの添加で硫化物を球状化することもで
き、鋼の異方性、特に鋼の機械特性の異方性を減少させ
ることができ、切削加工性が向上するが、熱間加工性が
低下するという欠点があるため、その使用は制限され
る。鉛(鋼に不溶)を添加すると球状モジュールができ
るが、この元素は有毒であり鍛造性を低下させるという
欠点がある。
【0007】フランス国特許FR−A−2,648,477 号に
は組成の一部にカルシウムと酸素とを含む切削加工性が
改良した再硫黄化(resulphurized) オーステナイト鋼が
記載されている。しかし、オーステナイトステンレス鋼
が切削が困難であるということは周知である。その主た
る理由は、熱伝導性が低いため切削工具の所で発生する
熱が良好に伝導されず、加工硬化が高いため局所的に硬
度の高い領域ができてしまうためである。この鋼を切削
した場合には、切削温度が高く介在物(inclusion) が被
切削鋼と切削工具との界面で潤滑剤の役目をするため切
削工具の磨耗が減少し、切削製品の表面外観が向上す
る。しかも、オーステナイト鋼の場合には、鋼とその介
在物の物理化学的な状態が変わるような極端な熱処理を
切削加工で行う必要は全くない。これに対して、マルテ
ンサイト鋼の場合には急冷が可能で、その特徴の1つは
硬度が高いということであるため、切削の困難性という
問題は完全には解決されない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、変形
性(deformability) すなわち熱間・冷間での鍛造特性、
機械特性およびその熱処理下での挙動を変えずに、マル
テンサイト鋼の切削加工性を良くすることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の対象は下記の重
量組成を有する切削加工性を改良したマルテンサイト系
ステンレス鋼にある: 炭素 1.2 %以下 珪素 2%以下 マンガン 2%以下 クロム 10.5%≦Cr≦19% 硫黄 0.55%以下 カルシウム 32×10-4%以上 酸素 70×10-4%以上 カルシウムと酸素の含有比Ca/Oは 0.2≦Ca/O≦0.6
、 上記鋼は少なくとも1回急冷熱処理されてマルテンサイ
ト構造にされる。
【0010】本発明の上記以外の特徴は下記の点にあ
る: (1) 硫黄の含有率が 0.035%以下である鋼 (2) 鋼に硫黄が再添加(resulphurized) され、硫黄の
含有率が 0.15 %≦S≦0.45%である鋼 (3) ニッケルをさらに6%以下含む鋼 (4) モリブデンをさらに3%以下含む鋼 (5) タングステン、コバルト、ニオブ、チタン、タン
タル、ジルコニウム、バナジウムおよびモリブデンより
選択される元素を下記重量比でさらに含む鋼: タングステン 4 %以下 コバルト 4.5 %以下 ニオブ 1 %以下 チタン 1 %以下 タンタル 1 %以下 ジルコニウム 1 %以下 バナジウム 1 %以下 モリブデン 3 %以下 (6) ニッケルを2%≦Ni≦6%の比率でさらに含み、
銅を1%≦Cu≦5%の比率でさらに含む鋼 (7) アノルサイト(anorthite) 型および/または擬ウ
ォラストナイト(pseudowollastonite) 型および/また
はゲーレナイト(gehlenite) 型の石灰シリコアルミネー
ト介在物を含む鋼。 本発明は下記の試験および添付図面からより明瞭になろ
う。
【0011】
【作用】マルテンサイト鋼はオーステナイト鋼と比較し
た場合に全く異なる組成と構造を有しており、マルテン
サイト鋼では切削時の挙動が特に問題になる。マルテン
サイト鋼はその特性を維持したままその組成を変えるこ
とは不可能であり、まして特性を改良することはできな
い。マルテンサイト鋼は急冷可能であり、その特性の一
つは高い硬度である。このマルテンサイト鋼はオーステ
ナイト鋼とは金属的に全く異なったものである。マルテ
ンサイト鋼は急冷可能で、冷間時にマルテンサイト鋼で
得られる結晶構造はオーステナイト構造では見られない
ものである。
【0012】また、マルテンサイト鋼の製造法は多くの
点でオーステナイト鋼の製造法と異なっている。特に、
前者の熱処理は無数で、金属に使用特性を与える。急冷
(高温から鋼の組成に応じたマルテンサイト変態の開始
温度Ms以下まで急冷却)によって熱間でオーステナイ
ト構造から出発して得られるマルテンサイト構造にする
ことができる。一般にはその後で焼戻し(鋼の種類に応
じた中間温度に維持)を行い、急冷後の極めて低い延性
を大きくすることができる。
【0013】マルテンサイトのいくつかはグレードには
軟化処理をする。この軟化処理は鋼に複雑・微妙な変換
操作(ある種の切削加工法や成形法で行われる)をする
際に必要になる。この処理をした金属の構造はもはやマ
ルテンサイト構造ではなく、粒界にクロムカーバイドを
有するフェライト構造である。しかし、適当な熱処理を
すると、マルテンサイト構造とその機械的特性を回復す
る。
【0014】また、マルテンサイト鋼は化学組成がオー
ステナイト鋼のそれとは非常に異なっている。このこと
はマルテンサイト変態の開始温度Msを十分に高くする
必要があることからも分かる。マルテンサイト鋼のニッ
ケル含有量はごく少量(6%以下)であり、ステンレス
鋼としてはクロム含有量が低い(クロム11〜19%)。
【0015】本発明のマルテンサイト鋼の特徴は下記重
量組成にある: 炭素 1.2 %以下 珪素 2%以下 マンガン 2%以下 クロム 10.5%≦Cr≦19% 硫黄 0.55%以下 カルシウム 32×10-4%以上 酸素 70×10-4%以上 カルシウムと酸素の含有比Ca/Oは 0.2≦Ca/O≦0.6
、 上記鋼は少なくとも1回急冷熱処理されてマルテンサイ
ト構造にされる。
【0016】驚くべきことに、マルテンサイト組成物に
可鍛性(malleable) 酸化物を導入することによって、所
定の酸化物すなわち図1の三元図で示されるアノルサイ
ト型および/または擬ウォラストナイト型および/また
はゲーレナイト型の石灰シリコアルミナート(lime sili
coaluminates) が、熱処理後も機械的特性を低下させず
にマルテンサイト鋼の主要特徴を保持し、しかも、加工
性が大幅に向上するということが分かった。
【0017】切削加工性はマトリクス自体の問題である
から、可鍛(malleable) 酸化物の介在物(inclusion) が
切削加工性に好ましい影響を与えることはない。しか
し、驚くべきことに、可鍛性酸化物の介在物は、マルテ
ンサイト鋼とは異なるマトリクス構造を有し、切削加工
性に好ましい影響を与えるということを、本出願人は発
見した。なお、製造法が違うので、本出願人が鋼中に同
じ形式の介在物を作るのに成功したことは自明なことで
はない。
【0018】さらに驚くべきことに、介在物の種類は熱
処理では全く変化しないということを、本出願人は見出
した。特に、マルテンサイト鋼を熱処理した際に生じる
固相での拡散では介在物の分析組成は変化せず、少なく
とも大きな変化はない。
【0019】マルテンサイト鋼の切削加工性の問題はオ
ーステナイト鋼の場合と極めて異なっている。マルテン
サイト鋼はオーステナイト鋼とは違って加工硬化せず、
また熱伝導性は後者ほど悪くない。マルテンサイト鋼の
切削加工での主要な問題点はその硬さにある。切削加工
での問題点が上記のように大きく異なっているので、同
じ介在物が有益な効果を与えるということを期待する理
由はなにも無かった。
【0020】マルテンサイト鋼を切削加工した場合には
上記の可鍛性酸化物は鋼の切削加工の温度で十分に加熱
されて潤滑膜を形成し、この潤滑膜は金属中に存在する
酸化物介在物によって連続的に再生産されるというこ
と、そして、この潤滑膜によって工具上での鋼材料の摩
擦が低下するので、鋼材料の硬度が高いことに起因する
高負荷が軽減されるということが分かった。
【0021】試験はマルテンサイト鋼の2つのクラスで
行った。1つは硫黄を0.15〜0.45重量%の比率で含むも
のであり、他方は硫黄を0.035 重量%以下の比率で含む
ものである。その結果、低硫黄組成の場合および硫黄再
添加(resulphurized) 組成の場合のいずれでも鋼中に可
鍛性酸化物が存在しても孔食(pitting corrision) およ
びキャビティー腐食(cavity corrosion)で耐食性に変化
はないということが観察された。一般に、この切削加工
性の向上によって鍛造性や熱間または冷間での変形性が
犠牲になることはない。また、添加した酸化物はどのよ
うな熱処理を行ってもその特性を保持するということも
観察された。
【0022】本発明では炭素含有量とは無関係に可鍛性
酸化物が添加される (炭素には窒素が付加されており、
その減少は機械的特性を低下させる傾向があるというこ
とが分かっている) 。
【0023】本発明は、重量組成中にさらに2〜6%の
ニッケルと、1〜5%の銅または3%以下のモリブデン
を含むマルテンサイト鋼に関するものである。クロムを
16%以上含有する鋼では、急冷後にマルテンサイド構造
を得るためにニッケルが必要である。いわゆる構造硬化
グレードではニッケルは上記機能(δフェライト量を減
少させる)の他に、銅と一緒に " Ni3Cu”相を形成し、
これが金属を硬化させる。この場合、硬化は炭素のみに
で起こるものではない(この場合の炭素含有率はかなり
低い)。銅はこの金属と一緒になって構造硬化を起こ
し、従って、機械的特性を増加させる。モリブデンは耐
食性を向上させ、焼戻し後の硬度に好影響を与え、衝撃
強度も向上させる。
【0024】本発明のマルテンサイト鋼はタングステ
ン、コバルト、ニオブ、チタン、タンタルおよびジルコ
ニウムより選択される安定化元素をさらに以下の重量比
で含むことができる: タングステン 4 %以下 コバルト 4.5 %以下 ニオブ 1 %以下 チタン 1 %以下 タンタル 1 %以下 ジルコニウム 1 %以下
【0025】
【実施例】本発明の実施例のマルテンサイト鋼Aは〔表
1〕の組成を有している:
【0026】
【表1】
【0027】これに、下記を加えた: Ca : 30×10-4% O : 129 ×10-4% カルシウムと酸素の比Ca/Oは0.22である。この実施例
では、鋼Aは残留物として0.5 %以下のニッケルと、0.
2 %以下の銅とを含有している。この鋼を〔表2〕の組
成を有する参考用の鋼(参考1及び参考2)と比較し
た。
【0028】
【表2】
【0029】上記3つの鋼を回転切削加工性の試験に供
した。回転切削加工はカーバイドチップを用いて行っ
た。Vb30/0.3 と表示した試験は30分の切削後に逃げ
面の磨耗が0.3mm となる速度を求める試験で、コーティ
ングされたカーバイドチップを用いて行う。Vb15/0.
15と表示した試験では15分の切削後に逃げ面の磨耗が0.
15mmとなるような速度を求める。
【0030】〔表3〕は可鍛性酸化物介在物を導入して
も、2回の熱軟化処理した場合すなわちオイルを用いて
950 ℃で急冷し、820 ℃で4時間保ち、ゆっくりと650
℃へ冷却し、その後空冷した場合と、「処理後(treate
d) 」の場合、すなわち 950℃で急冷し、640 ℃で焼戻
し、空気中で冷却した場合とで機械特性が全く変化しな
いことを示している。
【0031】
【表3】
【0032】この試験結果は、いわゆる「処理後」の鋼
の方が軟化軟化処理した鋼よりも良好に切削されること
を示している。別の実施例の本発明のマルテンサイト鋼
Bの重量組成は下記の通りである。
【0033】
【表4】
【0034】この実施例の鋼Bは、残留物として0.5 %
以下のニッケルと0.2 %以下の銅とを含有している。こ
の鋼と可鍛性酸化物を含まない〔表5〕の組成を有する
参考用標準鋼と比較した。
【0035】
【表5】
【0036】〔表6〕から分かるように、参考鋼3と本
発明鋼Bの特性を比較しても軟化処理および処理後のの
いずれでも大差はない。
【0037】
【表6】
【0038】〔表7〕は切削試験の特徴的な値を示して
いる。本発明による処理後の鋼は切削加工性が25〜30%
向上していることが示されている。
【0039】
【表7】
【0040】第3の実施例の本発明による2種類のマル
テンサイト鋼C、Dの組成は下記の通りである。
【0041】
【表8】
【0042】鋼C、Dを可鍛性酸化物を含まない下記組
成の参考鋼と比較した。
【0043】
【表9】
【0044】上記参考用鋼4、5はその組成中に銅とニ
ッケルを含む構造硬化グレードの一部である。異なる熱
処理に対応した3つの冶金状態が共通して見られる: (1) 急冷状態:1050℃でのオイルで急冷した後、250 ℃
で焼戻し Rm≒ 1000 MPa (2) 時効状態(金属の硬度が最大になる):1050℃で急
冷した後、約450 ℃で焼戻し Rm≒ 1400 MPa (3) 軟化状態:1050℃で急冷し、760 ℃で4時間焼戻
し、約620 ℃で2度目の焼戻し Rm≒ 900MPa この型のグレードの特徴は熱処理で寸法変化を起こさな
いことにあるので、切削後に時効処理することができ
る。
【0045】本発明の鋼Dを急冷状態で切削処理した。
すなわち、1050℃でオイル中で急冷した。図2の曲線が
示すように、可鍛性酸化物が存在すると切削加工性が向
上する(このことは曲線で工具の磨耗が減少することで
確認される)。すなわち、参考鋼4では速度190 m/分
で、アドバンス0.15mm/回転、パス深さが1.5mm で15分
の切削加工後に磨耗が0.15mmであるが、本発明の鋼Dで
は磨耗は0.125mm に低下する。本発明の鋼Dでは軟化状
態で240 m/分の切削加工速度が得られるが、参考鋼5
の切削速度は210 m/分であり、速度が20%が増加す
る。上記の各実施例は、組成中に可鍛性酸化物を含むマ
ルテンサイト鋼は切削加工性が向上し、この酸化物は鋼
のその他の特性を低下させないことを明らかに示してい
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によって鋼に導入された酸化物の組成
を示すSiO2 −CaO−Al23 三元図。
【図2】 本発明実施例での工具の磨耗変化を表すグラ
フ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パスカル テリアン フランス国 73200 アルベールヴィル シュマン デ トロワ ポワリエール 112

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記の重量組成を有する切削加工性を改
    良したマルテンサイト系ステンレス鋼: 炭素 1.2 %以下 珪素 2%以下 マンガン 2%以下 クロム 10.5%≦Cr≦19% 硫黄 0.55%以下 カルシウム 32×10-4%以上 酸素 70×10-4%以上 カルシウムと酸素の含有比Ca/Oは 0.2≦Ca/O≦0.6
    、 上記鋼は少なくとも1回急冷熱処理されてマルテンサイ
    ト構造にされる。
  2. 【請求項2】 硫黄含有量が 0.035%以下である請求項
    1に記載の鋼。
  3. 【請求項3】 硫黄含有量が 0.15 %≦S≦0.45%で、
    上記鋼が硫黄添加されてたもの(resulphurized) である
    請求項1に記載の鋼。
  4. 【請求項4】 さらにニッケルを6%以下の割合で含む
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の鋼。
  5. 【請求項5】 さらにモリブデンを3%以下の割合で含
    む請求項1〜4のいずれか一項に記載の鋼。
  6. 【請求項6】 タングステン、コバルト、ニオブ、チタ
    ン、タンタル、ジルコニウム、バナジウムおよびモリブ
    デンよりなる群の中から選択される元素を下記の重量比
    でさらに含有する請求項1〜3のいずれか一項に記載の
    鋼: タングステン 4 %以下 コバルト 4.5 %以下 ニオブ 1 %以下 チタン 1 %以下 タンタル 1 %以下 ジルコニウム 1 %以下 バナジウム 1 %以下 モリブデン 3 %以下。
  7. 【請求項7】 ニッケルを2%≦Ni≦6%の比率で含
    み、銅を1%≦Cu≦5%の比率で含む請求項6に記載の
    鋼。
  8. 【請求項8】 アノルサイト(anorthite) 型および/ま
    たは擬ウォラストナイト(pseudowollastonite)型および
    /またはゲーレナイト(gehlenite) 型の石灰シリコアル
    ミネート介在物を含む請求項1〜7のいずれか一項に記
    載の鋼。
JP15517194A 1993-06-14 1994-06-14 切削加工性を改良したマルテンサイト系ステンレス鋼 Ceased JP3398772B2 (ja)

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FR9307141 1993-06-14
FR9307141A FR2706489B1 (fr) 1993-06-14 1993-06-14 Acier inoxydable martensitique à usinabilité améliorée.

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JPH07150308A true JPH07150308A (ja) 1995-06-13
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US (1) US5427635A (ja)
EP (1) EP0629714B1 (ja)
JP (1) JP3398772B2 (ja)
KR (1) KR100338886B1 (ja)
AT (1) ATE191753T1 (ja)
CA (1) CA2125732C (ja)
CZ (1) CZ292392B6 (ja)
DE (1) DE69423930T2 (ja)
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