(57)【要約】【課題】  高速度鋼工具による加工が適した低切削速度域から超硬工具による加工が適した高切削速度域での加工に到る幅広い条件において、耐食性を劣化することなくオ−ステナイト系ステンレス鋼の被削性を改善すること。【解決手段】  酸化物系介在物の主な組成がCaO、MnO、Al2O3、SiO2からなり、存在する酸化物系介在物の全個数のうち、Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodoniteの合計の割合が25%以上、Al2O3含有酸化物系介在物Anorthiteと、MnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOの合計の割合が10%以上であることを特徴とする被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。【選択図】    図１
2006249517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、C：0.15%以下、Si：0.10〜1.00%、Mn：0.20〜10.00%、P：0.060%以下、S：0.010〜0.050%、Ni：3.50〜15.00%、Cr：16.00〜20.00%、Mo：3.00%以下、N：0.30%以下、Nb:0.15%以下、Ca：0.0010〜0.0100%、O：0.0020〜0.0200%、Al：0.0005〜0.005%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、酸化物系介在物の主な組成がCaO、MnO、Al2O3、SiO2からなり、存在する酸化物系介在物の全個数のうち、Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodoniteの合計の割合が25%以上、Al2O3含有酸化物系介在物Anorthiteと、MnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOの合計の割合が10%以上であることを特徴とする被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Caの添加により被削性を改善したオ−ステナイト系ステンレス鋼に関するものであり、特に超硬工具を使用した高切削速度域から、高速度工具鋼(ハイス)を使用した低切削速度域の切削加工に到るまでの、幅広い切削条件全てにおいて良好な被削性を有するオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼は、機械的特性と耐食性に優れ、広く汎用的に使用されている。しかし、オ−ステナイト系ステンレス鋼は、一般的に粘性が大きく、熱伝導度が低いために、切削加工時に切粉が工具に付着し易く、さらに加工硬化性が高いために切削工具の寿命が短い。
【０００３】
それ故に、SUS303や特許文献１〜３に記載されているように、被削性向上元素であるSを多量に添加したS含有快削ステンレス鋼が提案され、使用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−２９４５４号公報
【特許文献２】特開昭６３−１９９８５２号公報
【特許文献３】特開平２−１０４６１７号公報
【０００５】
しかしながら、これらの快削ステンレス鋼はSという被削性向上元素を添加することによって被削性については当然向上しているが、逆に耐食性については劣化してしまう。従って、被削性と耐食性の両方が優れていることが同時に要求される部品に対して適用することができず、そのような部品に対しては機械加工時の生産性、工具寿命等の点で満足できる状態が得られないことを承知の上で、被削性向上元素を添加せず、基本成分のみ添加された鋼を使用しているのが通常であった。
【０００６】
この被削性を改善しようとすると耐食性が低下するという問題を解決するために、耐食性に対する悪影響が比較的少ないCaを添加して、比較的低温で溶融する酸化物系介在物を鋼中に生成させて、超硬工具を使用する高切削速度域で切削工具の寿命を延長する試みが行われており、例えば特許文献４〜６に示される提案がされている。
【０００７】
【特許文献４】特開平７−３３１３９１号公報
【特許文献５】特開平９−１３７２５４号公報
【特許文献６】特開２００１−２３４２９８号公報
【０００８】
このうち、特許文献４、５に記載の発明は、前記した通り、被削性改善のためにCaを添加するとともに、他の成分についても特定範囲に調整することによって、鋼中にゲーレナイト、アノールサイト、擬ウォラストナイト等の低融点酸化物(この特許文献では可鍛性酸化物と記載されている。)を生成させ、この介在物の存在によって被削性を向上させたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、特許文献６に記載のCa快削ステンレス鋼は、その請求の範囲には何ら生成させる酸化物の種類について規定がないものの、その発明は、AlとCaの量を適切に調整して、被削性改善に有効な酸化物であるアノールサイトを生成させることを目的として成されたものであり(特許文献６第２欄第１８〜１９行及び第３欄第３〜４行参照)、実施例に記載の酸化物の組成も全てアノールサイトである。従って、その点で特許文献４、５と全く共通した技術について記載されたものである。
【００１０】
この被削性改善方策は、従来主として構造用鋼に適用されていたものである。すなわち、鋼中に低融点の酸化物系介在物を生成させることで、主に超硬工具で切削した場合に、鋼中の酸化物系介在物が溶融して、工具面にCaを含む複合酸化物の厚い付着物が生じ、付着物層が工具面を保護し、工具が切粉で直接擦過されたり、工具中の元素が熱拡散で切粉中に移行して工具性能が劣化するのを防ぐことにより、被削性を改善するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、この方法をステンレス鋼にそのまま適用した場合には次のような問題点がある。
すなわち、鋼中にアノールサイトやゲーレナイト等の低融点酸化物を生成するには、必然的にこれら酸化物が生成されるに十分な量のAlを添加しなければならない。その結果、アノールサイト、ゲーレナイトといった低融点酸化物は狙いどおり生成されるものの、それ以外に硬質な介在物であるAl2O3も同時に生成されることになり、低融点酸化物生成による工具寿命向上効果が、硬質なAl2O3の生成によって大きく低下してしまい、狙い通りの被削性向上効果が得られないという問題がある。
【００１２】
さらに、ステンレス鋼から各種部品を製造する際に行われる機械加工には、様々な方法が行われており、旋盤を用いた旋削加工、フライス加工、超硬ドリルでしかできない高速のドリル加工といった高切削速度域の加工から、バンドソー加工、高速度工具鋼(ハイス)のドリルを用いた比較的低速のドリル加工といった低切削速度域の加工まで様々な条件による機械加工が行われている。このうち、高切削速度域での加工の場合においては、機械加工中の温度がかなり高くなり、低融点酸化物の溶融が起こりえるため、前記した通り溶融酸化物による潤滑機能によって工具寿命の改善を期待することが可能である。しかしながら、後者の低切削速度域による加工の場合には、他の酸化物に比べれば低融点といっても、融点が1200〜1400℃というアノールサイトやゲーレナイト等の溶融温度まで加工中に温度が上昇しないため、酸化物系介在物の溶融による工具寿命の改善効果を得ることができないという問題があった。
【００１３】
一方、本出願人は前記したAl2O3の生成による工具寿命低下の問題に対応するため、脱酸時にAlの使用を行わず、Al含有酸化物の生成を極力排除した特許文献７に記載の発明を既に新規に提案している。この発明は、Al2O3の代わりに酸化物としてMnOを生成させ、この酸化物を有効利用して工具寿命を改善することを特徴としている。
【００１４】
【特許文献７】特開２００４−２５６９００号公報
【００１５】
しかしながら、この発明はAl2O3の生成による工具寿命の低下については十分に考慮されており、脱酸剤としてAlを使用しないなどの方法によって、極力Alの低減を図っているものの、低切削速度域における被削性については、全く考慮されておらず、いかなる酸化物を優先的に生成した場合に低切削速度域での加工における工具寿命を大きく延長させることが可能となるかについて明確になっていなかった。
【００１６】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、具体的には、実際に行われる機械加工が、高切削速度域の加工であるか低切削速度域での加工であるかという点に関係なく、幅広い条件範囲で優れた工具寿命を確保することのできる被削性に優れたオ−ステナイト系ステンレス鋼を新規に提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、質量%で、C：0.15%以下、Si：0.10〜1.00%、Mn：0.20〜10.00%、P：0.060%以下、S：0.010〜0.050%、Ni：3.50〜15.00%、Cr：16.00〜20.00%、Mo：3.00%以下、N：0.30%以下、Nb：0.15%以下、Ca：0.0010〜0.0100%、O：0.0020〜0.0200%、Al：0.0005〜0.005%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、酸化物系介在物の主な組成がCaO、MnO、Al2O3、SiO2からなり、存在する酸化物系介在物の全個数のうち、Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodoniteの合計の割合が25%以上、Al2O3含有酸化物系介在物Anorthiteと、MnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOの合計の割合が10%以上であることを特徴とする被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００１８】
本発明において注目すべきことは、上記特定の組成のステンレス鋼を用い、かつ酸化物系介在物として、Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodonite及びAl2O3を含有する酸化物系介在物であるAnorthiteと、MnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOの酸化物系介在物の個数比率が特定範囲内となるように生成することによって、優れた被削性を確保している点にある。
【００１９】
本発明では、硬質なAl2O3介在物の生成は、工具を損傷し、被削性を劣化させるため、Al2O3の生成を抑制し、その代わりにMnOを生成させている点では、先願である特許文献７と同様である。しかしながら、Alの添加を完全に否定してしまうと、当然の如くAl2O3含有酸化物の量が減少する。このAl2O3含有酸化物の効果は、高切削速度域での工具寿命に対しては無視できない効果を有しているため、この効果を得ることを完全に否定することは、必ずしも得策とは言えない。
【００２０】
また、本発明者等は、低切削速度域での被削性について詳細に検討した結果、低切削速度域での工具寿命は、オ−ステナイト系ステンレス鋼の高い加工硬化性に加え、低い曲げ強度の性質を有する酸化物を生成させることにより、機械加工時に切粉が分断されやすく、また工具と被削材間で粘性流体潤滑機能を発揮するため、工具寿命が著しく改善すること、曲げ強度は、Al2O3を含有しない酸化物より、Al2O3を含有し、かつMnOも含有するAnorthite・MnOやMullite・MnOが最も低く、この介在物の存在が低切削速度域での被削性改善に大きく影響すること、そのためには、必要最低限のAlを添加し、かつAl2O3を含有する酸化物の割合を適切な範囲に制御する必要のあることを新規に見出したものである。
【００２１】
また、Alは添加するといってもその量がごく少量であり、Alのみで脱酸するには量が不足するため、Si脱酸を行う点は、先願と全く同様である。
【００２２】
なお、ここで言うTridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodoniteと、Anorthite及びMnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOとは、図１左側(CaO-MnO-SiO2)、図１右側(CaO-Al2O3-SiO2)の状態図におけるX、Yの範囲をを指す。このX、Yの範囲は特別に設定された範囲ではなく、既に公知となっている前記状態図にも記載されているTridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodonite、Anorthite、Anorthite・MnO、Mullite・MnOと全く同じ範囲である(但し、MnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOは、CaO-Al2O3-SiO2状態図上のAnorthite、Mulliteの範囲であって、さらにMnOを含むものを意味する)。そして、酸化物系介在物の組成及び個数は、SEM、EPMA等を用いることにより容易に測定できるものである。すなわち、SEM、EPMAを用いて酸化物系介在物の組成及びその含有割合を分析すると、状態図に記載されているCaO、MnO、Al2O3、SiO2のそれぞれの含有割合を求めることができる。この値を図１左側、右側で示されるそれぞれの状態図上にプロットし、その位置が本発明で規定したX及びYの範囲にあるかどうかを調べることにより、この介在物が本発明で規定した介在物であるかどうかは容易に判定することができる。
【００２３】
但し、Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Cristobaliteの酸化物は、Al2O3を含む場合もあるため、CaO-MnO-SiO2 の状態図上だけでなく、CaO-Al2O3-SiO2状態図上にも存在する(範囲をX'で示す。)。そこで、この状態図上で示すYは、このX'で示された領域を除外し、同一種類の酸化物を２つの状態図で重複カウントすることがないよう配慮している。しかしながら、調査した介在物がXで指定した介在物とYで指定した介在物の複合介在物であった場合には、１つの介在物がX、Yの両方について範囲内にプロットされる場合が生じる。これは、後述するようにAl2O3もしくはMnOという１種類の構成要素の存在を無視しないと状態図上にプロットできず、片方の状態図のみではXとYの複合酸化物である場合の判断ができないためである。そこで、このような場合は、X、Yの複合酸化物であると判断し、両方共にカウントするものとする。
【００２４】
従って、本発明では、１つの介在物について得られた結果を２種類の状態図上にそれぞれプロットし、その結果が重複カウントされるかどうかは関係なく、Xの範囲内である比率とYの範囲内である比率を求め、前者が25%以上であってかつ後者が10%以上である場合に、本発明の範囲内であると判断する。
【００２５】
なお、プロットする際には２つの状態図上とも3種類の構成要素からなる状態図であるため、CaO-MnO-SiO2状態図上にプロットする際にはAl2O3、CaO-Al2O3-SiO2状態図上にプロットする際には、MnOの含有割合を考慮してプロットできないため、この酸化物系介在物については無視して状態図上にプロットし、それぞれの介在物が前記X、Yの範囲の組成であるかどうかを判定するものとする。
【００２６】
但し、測定装置の仕様により、測定できる最小の介在物の大きさが異なるので、使用する装置により前記酸化物系介在物の総個数測定結果が変化することを防止するため、本発明では対象とする介在物を2μm以上の大きさ(介在物の最も長い部分の長さ)のものに限定する。2μm以上の大きさの酸化物系介在物のうちTridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodoniteの合計の割合(Xの範囲にプロットされた介在物の割合)が25％以上、Al2O3含有酸化物系介在物Anorthiteと、MnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOの合計の割合(Yの範囲にプロットされた介在物の割合)が10％以上となる場合を本発明の範囲とする。
【００２７】
次に、本発明である被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の成分組成の範囲を限定した理由を以下に説明する。但し、本発明は、生成させる酸化物系介在物の種類、量において特徴を有する発明であり、成分自体に特徴のある発明ではない。しかし、より優れた効果を得るために、それぞれの成分範囲の最適化を行っているので、その範囲及び限定理由について説明する。
【００２８】
C：0.15%以下
Cは、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を維持するCrと結合して炭化物を生成し、耐食性の確保に寄与するCrを減少させるために、耐食性に悪影響を与える元素であり、また素地に固溶して硬さを上昇させる。そして、0.15%を越えると硬さが急激に上昇して被削性に悪影響を与えるとともに、耐食性が劣化するために、上限を0.15%とした。
【００２９】
Si：0.10〜1.00%
Siは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素である(本発明では脱酸剤として使用できるAlを微量添加することを特徴としているが、Alは必要最低限の量しか添加しないため、脱酸処理をするのに十分な量ではないことから、脱酸剤としてはSiが主体となる。)とともに、本発明で指定した酸化物系介在物を生成するためにも必要な元素である。Siが0.10%未満になると脱酸が充分にできなくなると同時に、生成する酸化物系介在物中のSiO2の必要量を確保できず、被削性の向上が不十分となるために、下限量を0.10%とした。また、Siが多すぎると靭性を低下させるために、上限を1.00%とした。
【００３０】
Mn：0.20〜10.00%
Mnは、本発明では請求項1に記載の酸化物系介在物として、Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodoniteを生成させるとともに、MnSとの共同潤滑作用によって優れた被削性を確保する。すなわち、Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodonite等の酸化物系介在物は、MnSとともに工具上に付着して粘性流体潤滑機能を発揮し、工具面を保護して工具寿命を延長させる効果を有する。さらにこれらの酸化物系介在物は、オーステナイト系ステンレス鋼の高い加工硬化性によって応力集中が増大し、結果として切粉を分断して良好な切粉処理性を得る。また超硬工具を採用した高切削速度域において、工具上に溶着して工具と被削材間で潤滑機能を発揮する。
【００３１】
従って、優れた被削性を確保するにはTridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、RhodoniteおよびMnSを十分に生成させる必要があり、そのためには、最低でも0.20%以上含有させることとした。一方、多量に含有させると、熱間加工性が低下するために、上限を10.00%とした。
【００３２】
P：0.060%以下、
Pは、不純物として不可避的に少量含有する元素であり、偏析を起こし、熱間加工性を劣化させる元素である。従って、上限を0.060%とした。
【００３３】
S：0.010〜0.050%
Sは、ステンレス鋼の被削性を向上させるのに有効な元素であり、MnSを生成し、高い加工硬化性による応力集中の増大から、切粉を分断して切粉処理性を良好にする効果を有する。また、MnSは工具と被削材間で粘性流体潤滑機構の発生から工具寿命を延長させる効果も有する。従って、これらの効果を十分に発揮させるために、0.010%以上含有させることとした。但し、多量に含有させると、前記した通り耐食性が大きく低下するため、上限を0.050%とした。
【００３４】
Ni：3.50〜15.00%、
本発明鋼において適切な酸化物系介在物を生成させ、応力集中の増大による切粉処理性の向上効果は、オ−ステナイト系ステンレス鋼を切削した際に生じる高い加工硬化性によるものである。すなわち、フェライト系等他のステンレス鋼では、加工硬化性が低く、前記現象が起きないためである。Niは、その添加量によって得られるステンレス鋼の組織が変化するが、本発明の被削性向上効果を大きく得るためには、オ−ステナイト系ステンレス鋼でなくてはならないので、そのための必要不可欠な添加量として、下限を3.50％とした。しかしながら、15.00%以上になるとNiが示す耐食性向上効果が飽和し、コスト高となるので、上限を15.00％とした。
【００３５】
Cr：16.00〜20.00%
Crは、ステンレス鋼の特徴である耐食性を確保するために不可欠な元素であり、現有のオ−ステナイト系ステンレス鋼と比較して問題のない耐食性を維持するには、最低でも16.00%以上の含有が必要である。しかし、多量に含有すると熱間加工性が劣化して製造が難しくなるため、上限を20.00%とした。
【００３６】
Mo：3.00%以下(意図的に添加しない場合を含む)
Moは、Crと同様に耐食性を向上させる元素であり、耐食性をより改善したい場合に必要に応じて添加することができる任意添加元素である。従って、下限は特に限定していない。但し、多量に含有させると熱間加工性が低下して製造が難しくなるため、上限を3.00%とした。
【００３７】
N：0.30%以下、
Nは、強力なオーステナイト生成元素であり、少量添加することによりオーステナイト組織の安定化を図ることができる。また、添加によって固溶強化により容易に強度向上を図ることができる。しかしながら添加しすぎると、硬度の上昇が著しく、被削性の劣化が無視できなくなるため、上限を0.30%とした。
【００３８】
Nb：0.15%以下(意図的に添加しない場合を含む。)
Nbは強力な炭化物形成元素であり、Cと容易に結合するため、CがCrと結合して耐食性を低下するのを防止する効果を有する元素であり、必要に応じて添加できる任意添加元素である。従って、下限は特に限定していない。しかし、多量に含有すると熱間加工性が劣化するので、上限を0.15%とした。
【００３９】
Ca：0.0010〜0.0100%
Caは、被削性の改善を目的とする本発明にとって最も重要な元素である。本発明では前記した通り、CaO・SiO2、CaO・MnOを主体とする酸化物系介在物を生成し、かつ一部はAl2O3との複合酸化物を形成し、高切削速度での加工時にはこれらが工具上で溶解して潤滑機能を発揮して工具面を保護する。また低切削速度での加工時には、工具面上で粘性流体潤滑機能の発生から工具寿命を延長し、また高い加工硬化性によって応力集中が増大し、曲げ強度の低い酸化物の存在が起因となって切粉を分断し、切粉処理性を向上させる。これらの効果を十分に得るには、最低でも0.0010%以上の含有が必要である。しかし、多量に含有すると溶製時にノズルの閉塞を起こし、製造性が低下するため、上限を0.0100%とした。
【００４０】
O：0.0020〜0.0200%
本発明では、被削性の改善のために生成すべき酸化物系介在物の種類を規定しているが、これらの酸化物を生成するためにはOの含有が必須であるため、下限を0.0020%とした。また多量にOを含有しすぎると前記した被削性改善のために必要な酸化物系介在物以外の酸化物が生成し、指定した酸化物を鋼中酸化物の総個数に対し規定した範囲で生成させることが難しくなるため、上限を0.0200%とした。
【００４１】
Al：0.0005〜0.005%
本発明は、前記した通りAl含有酸化物であるAnorthite及びAnorthite・MnO、Mullite・MnOを酸化物系介在物の総個数のうち10％以上生成させて、主としてハイス工具を用いた低切削速度域での機械加工から、超硬工具を用いた高切削速度域の機械加工に到るまで、幅広い条件で被削性を改善できることを特徴としている。一方でAlの添加は硬質なAl2O3を生成し、被削性を低下させる。そこで、本発明者等が詳細に検討した結果、少量のAlの添加の場合には、Al2O3の生成による悪影響よりもAnorthite及びAnorthite・MnO、Mullite・MnOの生成による被削性改善効果の方が大きいことを見出したものである。しかし、Alを多量に含有した場合にはAl2O3の生成による被削性低下が無視できないものとなるため、Anorthite及びAnorthite・MnO、Mullite・MnOを酸化物系介在物の総個数の10%以上を確保できることを条件に、Alの添加は最小限に抑制することが望ましい。しかしながら、最低でも0.0005%の添加は必要となるため、下限を0.0005%とし、上限はAl2O3の生成量を抑制する必要があることから0.005%とした。
【００４２】
Tridymite、Pseudo-Wollastonite、Wollastonite、Cristobalite、Rhodoniteの合計の割合が鋼中酸化物の総個数の25%以上
これらの酸化物は、既に説明しているように、低切削速度域では工具と被削材間で粘性流体潤滑機能を発揮するとともに、切粉を分断し、良好な切粉処理性を得るのに効果を発揮し、高切削速度域では、Cristobaliteを除き比較的低融点(1200〜1400℃)であるという特徴を有するため、溶融して工具上に溶着し、工具と被削材との間で潤滑機能を発揮して工具寿命の改善に効果を発揮する。従って、その効果を十分に得るために、鋼中酸化物の総個数の25%以上を生成させることとした。
【００４３】
Al2O3含有酸化物系介在物であるAnorthiteとMnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOの合計の割合が鋼中酸化物の総個数の10%以上
本発明で規定したCaを含むAl2O3含有酸化物系介在物のうち、Anorthite、Anorthite・MnOは比較的低融点の酸化物であるため、高切削速度域での加工時には、溶融して工具を保護し、寿命向上に効果を有する。また、MnOを含有するAnorthite・MnO、Mullite・MnOは、曲げ強度が低いため、機械加工時に切粉が容易に分断され、切粉分断時の工具への負荷が小さく抑えられる。従って、特に低切削速度域での工具寿命向上に効果を発揮する。この効果を得るためには、効果を得るのに十分な量のAl2O3含有酸化物系介在物を生成させる必要があるため、その下限を鋼中酸化物の総個数の10%と限定した。望ましくは15%以上とするのが良い。
【００４４】
また、MnOを含有しないMulliteは、融点、曲げ強度が共に低いとは言えず、被削性向上効果が小さいため、対象から除外している。さらに、一部の先願で被削性向上に効果があることが示されているゲーレナイトも曲げ強度が高く、低切削速度域での加工では被削性改善効果が認められないため、除外している。
【００４５】
なお、以上説明した通りの比率で目的の酸化物を生成させるためには、脱酸をSiを主として使用し、Alの添加は微量に制御する必要がある。
【００４６】
具体的には、溶解酸化期に鋼中に存在する酸化物系介在物の主体がCaO・SiO2、CaO・MnOとなるよう原料投入するとともに、還元期に必要最低限の量のAlとCa-Si原料を投入することで低い曲げ強度を示すAnorthite・MnO、Mullite・MnOが生成される。なお、還元期における脱酸に必要なCaとSiは、例えばCa-Siワイヤーフィーダにより添加することができる。
【実施例】
【００４７】
次に、本発明の被削性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼により得られる効果を実施例により明らかにする。供試材の化学成分を表１に示す。
【００４８】
【表１】
2006249517.tif 000003
【００４９】
表１に示した供試材は、従来のAl脱酸処理によりCaを添加することなく製造したD鋼及び同様にAl脱酸を行った鋼であるが、被削性向上元素であるCaを添加したC鋼、特許文献７に記載されているように、MnOを含む酸化物系介在物が生成されるように、製鋼原料を添加するとともに、脱酸のためにAlを添加することなく製造したB鋼、MnOを含む酸化物系介在物が生成されるように製造する点では同じであるが、必要量のAl2O3含有酸化物が生成される最低限の量のAlを添加して製造した本発明鋼であるA鋼の４種類を準備して、存在する酸化物系介在物の種類による被削性への影響を評価した。
【００５０】
そして、鋼種による本発明の効果の違いを明確に評価可能とするために、これら４種類の鋼材を代表的なオ−ステナイト系ステンレス鋼であるSUS304、SUS316、SUS301、SUS201の４種類についてそれぞれ準備し、後述する被削性の評価を行った。このようにCa、Al以外の成分がほぼ同じであるA〜D鋼を準備したのは、基本成分が変化してしまうと、それによって被削性のレベルが変化してしまうため、鋼中に存在する酸化物の種類、個数の変化のみによる被削性への影響を正しく評価することが難しくなるためである。
【００５１】
供試材は、10ton溶解炉で溶製し、AODで精錬を行った後鋼塊を製造し、これを熱間圧延し、1050℃の温度で固溶化熱処理し、適当な寸法に加工することにより準備した。
【００５２】
まず、前記供試材全てについて鋼中の酸化物系介在物の組成分析を実施した。分析は臭素−メタノール法にて酸化物系介在物を抽出し、抽出された介在物の中で大きさ2μm以上の介在物50個を無作為に選択し、EPMAを用いて１個ずつ成分分析を実施し、CaO、MnO、Al2O3、SiO2の４種類の含有率を求めた。そして、この求めた結果に基づいて、前記した図１左側(CaO-MnO-SiO2)、図１右側(CaO-Al2O3-SiO2)の状態図上にそれぞれプロットし、どの種類の介在物であるかを判定した。このプロットの際、２つの状態図は共に3種類ずつの構成要素の含有率を基にしたプロットしかできないため、残りの１種類(CaO-MnO-SiO2状態図にプロットする際はAl2O3、CaO-Al2O3-SiO2状態図にプロットする際はMnO)の構成要素の含有率は考慮せず、残りの3種類の構成要素のみで合計が100%となるように補正してそれぞれの状態図上にプロットし、規定された介在物かどうかを判断した。但し、Anorthite・MnO、Mullite・MnOの２種類の酸化物については、前記プロットした結果が、状態図上のAnorthiteかMulliteのいずれかの範囲内となっており、かつMnOが検出されたものをその対象とした。
【００５３】
その結果、Al脱酸処理しているC、D鋼は、当然の如くAl2O3が多量検出され、かつMnOはわずかしか検出されなかった。さらにD鋼についてはCaを添加していないため、CaOについても不純物程度のレベルしか検出されなかった。従って、これらの鋼で生成されている介在物については状態図上にプロットするまでもなく、本発明で規定する組成の介在物でないことが明らかであるため、X、Yの範囲の比率については記載を省略した。X、Yの比率の判定結果を表２に示す。
【００５４】
【表２】
2006249517.tif 000004
【００５５】
表２には具体的数値は示していないが、Al脱酸した供試材であるＣ、Ｄ鋼は、前記した先願でも明らかにしているように、本発明であるＡ鋼及び比較鋼Ｂ鋼に比べAl2O3の含有率が高く(D鋼についてはほとんどが75%以上、C鋼は、Al2O3以外にCaOを多量に含むため、25〜45%程度)、MnOはわずか(大半が10%未満)しか含有していない。それに対し、本発明鋼及び比較鋼B鋼は、Siを用いた脱酸処理をし、かつ介在物中のMnOが増加するように製鋼原料を選択しているので、MnOを含む介在物が多量に生成していることが確認され、Xの範囲の介在物が多量に生成していることが確認できた。また、B鋼では製鋼時にAl添加せず、不純物としてのAlのみしか含有していないため、Xの範囲の介在物は多量に生成しているが、本発明鋼に比べYの範囲の介在物が少ないことがわかる。それに対し、本発明鋼は、Xの範囲の介在物もYの範囲の介在物も請求範囲通り生成されている。なお、Xの介在物の比率とYの介在物の比率の合計が100%を超える場合があるのは、既に前記した通りであるが、簡単に説明すると、MnOもAl2O3も共にある程度高い量を含む介在物の場合には、X、Yのどちらの範囲にも含まれる場合があるからである。
【００５６】
次に、以上説明した方法により準備した供試材の被削性を、低切削速度域と高切削速度域の両方について評価するために、旋削加工試験、ドリル穴加工試験、バンドソー切断試験を実施した。このうち、旋削加工試験は、切削速度が170m/minと高切削速度域での評価試験に該当し、ドリル穴加工試験、バンドソー切断試験は切削速度がそれぞれ20m/min、40ｍ/minであり低切削速度域での評価試験に該当する。試験は、表１に示す成分からなる鋼のφ60の丸棒を準備し、表３に示す条件で評価した。
【００５７】
【表３】
2006249517.tif 000005
【００５８】
そして、SUS304、SUS316、SUS301、SUS201のそれぞれについてCa未添加である従来鋼の工具寿命の時間を100とした場合の寿命を整数比で求めた。このように評価基準をCa未添加の従来鋼とすることで、Al、Ca以外の成分の違いによる被削性への影響を考える必要がないため、生成させた介在物の違いによる被削性への影響について、正確な評価が可能となる。結果を表４に示す。
【００５９】
【表４】
2006249517.tif 000006
【００６０】
表４から明らかなように、Al脱酸しCa添加したC鋼は、Ca未添加の従来鋼であるD鋼に比べCa添加によって高切削速度域の被削性は若干改善されるものの、その差は大きくなく、かつ低切削速度域での被削性は全く改善されないことがわかる。また、Alを使用せず、介在物中のMnOの割合が高くなるように製造した比較鋼B鋼は、Xの介在物については十分な量の酸化物が生成しているため、比較鋼C鋼、D鋼に比較して、高切削速度域では、大きく優れた被削性を有しているものの、曲げ強度の低い酸化物の量が少ないため、低切削速度域における工具寿命については、C鋼、D鋼の被削性と比較してほとんど改善効果がみられなかった。
【００６１】
以上説明した比較鋼、従来鋼に対し、本発明鋼は、MnOを有する酸化物を多量に生成し、かつAlの微量添加によって曲げ強度の低い酸化物を適量生成させているため、超硬工具が必要な高切削速度域での加工から、高速度鋼工具により加工が行われることが通常である低切削速度域での加工に到るまで幅広い条件で優れた工具寿命が得られることが確認できた。
なお、本実施例では耐食性の評価結果については示していないが、5%NaCl+2%H2O2水溶液(40℃)への24hr浸漬試験にて評価した結果、耐食性については対応する従来鋼D鋼とほぼ同等の性能が得られることが確認できた。従って、Sを多量添加した場合のように、被削性は改善できるが耐食性は劣化するということがないことが把握できた。
【００６２】
上述のごとく、本発明によれば、鋼中に生成させる介在物を図１で示すXの範囲のものが25%以上、Yの範囲のもの(MnOを含有するものを含む)が10%以上と特定したことによって、従来鋼に比較して耐食性を劣化することなく被削性を大幅に改善することができた。特に、MnOを含む介在物が生成しやすいよう製鋼原料を添加し、かつAlを微量添加することによって、曲げ強度の低い酸化物であるAnorthite・MnO、Mullite・MnOを一定量生成させた効果により、従来多くの先願で検討されていた高切削速度域での工具寿命だけでなく低切削速度域での工具寿命も合わせて大幅に改善させた点で顕著な特徴を有するものであり、オ−ステナイト系ステンレス鋼の被削性改善に大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明で規定している酸化物系介在物の組成の範囲を説明するCaO−MnO−SiO2状態図とCaO−Al2O3−SiO2状態図。
【図１】
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