(57)【要約】  Ｃ：０．０７以下、Ｓｉ：１．５以下、Ｍｎ：０．２〜５、Ｓ：０．０１〜０．４、Ｃｒ：１０〜１５、Ｎｉ：７〜１４、Ｍｏ：１〜６、Ｃｕ：１〜３、Ｔｉ：０．３〜２．５、Ａｌ：０．２〜１．５、Ｎ：０．１以下、残部：Ｆｅおよび通常存在する不純物から成る組成（wt％）を有する析出硬化型クロムニッケルステンレス鋼が開示されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
wt％で下記：
Ｃ  ：０．０７以下
Ｓｉ：１．５以下
Ｍｎ：０．２〜５
Ｓ  ：０．０１〜０．４
Ｃｒ：１０〜１５
Ｎｉ：７〜１４
Ｍｏ：１〜６
Ｃｕ：１〜３
Ｔｉ：０．３〜２．５
Ａｌ：０．２〜１．５
Ｎ  ：０．１以下
残部：Ｆｅおよび通常存在する不純物
から成る組成を有し、硫化チタンを含有する
ことを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項２】
請求項２において、硫化マンガンを実質的に含まないことを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２において、Ｓ含有量が０．０１５〜０．３wt％であることを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項において、Ｔｉ含有量が０．５wt％以上であることを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項５】
請求項４において、Ｔｉ含有量が２wt％以下であることを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項６】
請求項１において、Ｍｏ含有量が２〜５wt％であることを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項７】
請求項１において、Ｃｒ含有量が１１．５〜１３wt％、Ｎｉ含有量が８〜１３wt％であることを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項８】
請求項１において、析出硬化型であることを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項９】
請求項１において、従来の冶金法で製造されていることを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項１０】
請求項１〜３および４〜９のいずれか１項において、下記：
Ｃ  ：０．２以下
Ｓｉ：０．３以下
Ｍｎ：０．５
Ｓ  ：０．１
Ｃｒ：１２
Ｎｉ：９
Ｍｏ：４
Ｃｕ：２
Ｔｉ：１
Ａｌ：０．４
Ｎ  ：０．１以下
残部：Ｆｅおよび通常存在する不純物
から成る概略組成を有することを特徴とするマルテンサイトステンレス鋼。
【請求項１１】
請求項１〜３および４〜９のいずれか１項において、下記：
Ｃ  ：０．２以下
Ｓｉ：０．２
Ｍｎ：２．５
Ｓ  ：０．１
Ｃｒ：１２
Ｎｉ：９
Ｍｏ：４
Ｃｕ：２
Ｔｉ：１
Ａｌ：０．４
Ｎ  ：０．１以下
残部：Ｆｅおよび通常存在する不純物
から成る概略組成を有するマルテンサイトステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼に関し、特に非常に単純な合金処理で硬化できる該鋼に関する。より詳細には、クロム・ニッケル系析出硬化型ステンレス鋼であって、低温で硬化でき、ドリル加工、旋削加工、フライス加工などの切削加工における被削性の良好な該鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼の用途例は、種々の高強度用途であり、例えばバネ、外科用縫合針、クリップ類、小径管、楽器用部品、耐摩耗用部品などがある。このような高強度用として適切な材料選択には、材料が特定の性質を備えている必要がある。例えば、合金成分添加、鋳造、熱間加工、冷間加工などを含めて容易なプロセスで製造できて、高強度材料とすることができ、線材、シート、棒材、管材から最終的な部品への機械切削が容易であることを必要とする。
【０００３】
更に、最終的に高強度になるにもかかわらず、延性を備えていて、受領ままの状態で曲げ、巻き取り、プレス成形、捻り加工などの強加工が容易にできることが望ましい。これら機械的性質に加えて、多くの場合、塗装などの表面被覆のような耐食処理の配慮を必要とせずに種々の環境中で使用できるように、優れた耐食性も必要である。また、形状変動が最小限になるように単純な低温処理で最終的な高硬さに硬化できることが必要である。
【０００４】
現在、上記の諸要求の多くを満たし、煩雑でない製造プロセスにより最終製品に必要な性質を具備し得る種々の合金組成が知られている。しかし、場合によっては、必要な種々の性質を単一の材料では満たせないことがある。炭素鋼は、組成によって成形性が異なるし、炭素含有量を多くすれば硬化できる硬さが高くなる。しかし、耐食性が低いため、弱い腐食性のある環境中でも使用することができない。クロム系マルテンサイト鋼は硬化できるが延性が低いため用途が限られる。オーステナイトステンレス鋼は、組成によって焼鈍状態では比較的軟らかくて延性があるが、これを冷間加工した状態では硬くなり延性が低下する。オーステナイト鋼は硬い状態では機械加工も非常に困難である。もう一つの材料グループとして、析出硬化型ステンレス鋼があり、かなり軟らかい状態で成形した後に、硬化処理により高い硬さにすることができる。このグループの鋼は、例えば焼入れ型マルテンサイト鋼のグループに比べて、機械加工が困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の判定基準を満たす材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のクロム・ニッケル系析出硬化型ステンレス鋼は下記の組成（wt％）を有する。
【０００７】
Ｃ      ：０．０７以下
Ｓｉ    ：１．５以下
Ｍｎ    ：０．２〜５
Ｓ      ：０．０１〜０．４
Ｃｒ    ：１０〜１５
Ｎｉ    ：７〜１４
Ｍｏ    ：１〜６
Ｃｕ    ：１〜３
Ｔｉ    ：０．３〜２．５
Ａｌ    ：０．２〜１．５
Ｎ      ：０．１以下
残部    ：Ｆｅおよび通常存在する不純物。
【０００８】
本発明のステンレス鋼は硫化チタンを含有する。
【０００９】
本発明のステンレス鋼は低温で硬化でき、ドリル加工、旋削加工、フライス加工などの切削加工において良好な被削性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の析出硬化型ステンレス鋼の性質に及ぼす組成の影響を十分に理解するために、個々の成分元素について説明する。成分元素の含有量は全てwt％である。
【００１１】
〔炭素〕
炭素は、鋼に種々の影響を及ぼす強力な元素である。炭素含有量が多いと変形による硬化作用があり、冷間変形時に硬さが高くなって鋼の延性が低下する。炭素含有量が多いと腐食の点でも不利であり、炭素含有量の増加に伴ってクロム炭化物の析出が増加する。したがって、炭素含有量は０．０７wt％以下、望ましくは０．０５wt％以下、より望ましくは０．０２５wt％以下とする。
【００１２】
〔シリコン〕
シリコンは、フェライト形成元素であり、含有量が多いと鋼の熱間加工性が低下する。したがって、シリコン含有量は１．５wt％以下、より望ましくは１．０wt％以下とする。
【００１３】
〔マンガン〕
マンガンは、オーステナイト形成元素であり、ニッケルと同様に、冷間変形によるマルテンサイト変態を抑制する。本発明の鋼のマンガン含有量の下限は０．２wt％である。本発明の鋼は析出硬化のためのマルテンサイト量を確保するために、マンガン含有量は５wt％以下、望ましくは３wt％以下、より望ましくは２．５wt％以下とする。マンガンが硫黄と形成する非金属介在物は、変形能の高く、被削性を高める作用がある。
【００１４】
〔硫黄〕
硫黄は、鋼中に硫化物を形成する元素である。硫化物はチップブレーカとして作用するので被削性の観点から好ましい。したがって、硫黄含有量は０．０１wt％以上、望ましくは０．０１５wt％以上、より望ましくは０．０５wt％以上、最も望ましくは０．１wt％以上とする。しかし、硫化物は耐食性の点では劣化部として作用する。また、硫黄含有量が多いと、熱間加工性にも悪影響を及ぼす。したがって、硫黄含有量は、０．４wt％以下、望ましくは０．３wt％以下とする。本発明の鋼の組成は、硫化チタンを含むように選定する。硫化チタンは主としてＴｉＳまたはＴｉ２Ｓの形で存在する。
【００１５】
〔クロム〕
クロムは、耐食性の観点から必須であり、本発明の鋼への添加量は１０wt％以上、望ましくは１１．５wt％以上とする。しかし、クロムは強力なフェライト形成元素でもあり、クロム含有量が多いと、変形時のマルテンサイト変態を抑制する。したがって、クロム含有量は、１５wt％以下、望ましくは１４wt％以下に制限する。
【００１６】
〔ニッケル〕
ニッケルは、焼鈍によりオーステナイト組織を得るために、フェライト形成元素とバランスを取るように添加する。ニッケルは、冷間変形による硬化を緩和するための重要な元素でもある。更に、ニッケルは、チタンやアルミニウムなどの元素と共に析出硬化にも寄与する。したがって、ニッケル含有量は、７wt％以上、より望ましくは８wt％以上とする。ニッケル含有量が多過ぎると、変形によるマルテンサイト生成能が低下する。ニッケルは高価な元素でもある。したがって、ニッケル含有量は、１４wt％以下、望ましくは１３wt％以下とする。
【００１７】
〔モリブデン〕
モリブデンは、本発明の鋼に必須であり、鋼の耐食性に寄与する。モリブデンは、析出硬化に対しても効果的な元素である。したがって、モリブデン含有量の下限値は、１wt％、望ましくは２wt％、最も望ましくは３wt％である。しかし、モリブデン含有量が多過ぎると、熱間加工性に悪影響を及ぼす量のフェライト生成を促進する。また、モリブデン含有量が多過ぎると、冷間変形によるマルテンサイト生成を抑制する。したがって、モリブデン含有量は６wt％以下、より望ましくは５wt％以下である。更に、所望の鋼性質を達成しつつ、当業者に公知の共通した方法で、モリブデンの一部または全部をタングステンに置換することができる。
【００１８】
〔銅〕
銅は、オーステナイト形成元素であり、ニッケルと共に所望のオーステナイト組織を安定化する。銅は、少量の添加で延性を高める元素でもある。したがって、銅含有量は、１wt％以上、より望ましくは１．５wt％以上である。一方、銅含有量が多過ぎると、熱間加工性が低下するので、銅含有量は３wt％以下、望ましくは２．５wt％以下である。
【００１９】
〔チタン〕
チタンは、少なくとも２つの理由で本発明において必須の合金元素である。第一に、チタンは強力な析出硬化元素として用いられるので、鋼を最終（目標）強度に硬化できるように存在しなくてはならない。第二に、チタンは硫黄と共に硫化チタン（ＴｉＳまたは場合によってはＴｉ２Ｓ）を形成する。一般にチタンはマンガンよりも強力な硫化物形成元素である。ＴｉＳはＭｎＳよりも電気化学的に貴であるため、被削性向上のためにＭｎＳを用いた快削鋼で通常発生する耐食性の劣化を伴わずに、被削性を向上させることができる。したがって、チタン含有量の下限値は０．３wt％、望ましくは０．５wt％である。チタン含有量が多過ぎると、鋼中のフェライト生成が促進されて脆化が進行する。したがって、チタン含有量の上限値は２．５wt％、望ましくは２wt％、最も望ましくは１．５wt％である。
【００２０】
〔アルミニウム〕
アルミニウムは、熱処理による硬化作用を高めるために鋼に添加する。アルミニウムは、ニッケルとＮｉ３ＡｌおよびＮｉＡｌのような金属間化合物を形成することが知られている。良好な硬化応答性を確保するために、アルミニウム含有量の下限値は０．２wt％、最も望ましくは０．３wt％である。しかし、アルミニウムは強力なフェライト形成元素なので、アルミニウム含有量の上限値は１．５wt％、望ましくは１．０wt％である。
【００２１】
〔窒素〕
窒素は、歪硬化性を高める強力な元素である。しかし、冷間成形時にオーステナイトのマルテンサイト変態を抑制する作用もある。窒素は、チタン、アルミニウム、クロムなどの窒化物形成元素との親和性も高い。窒素含有量は、０．１wt％以下、望ましくは０．０７wt％以下、最も望ましくは０．０５wt％以下とする。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、本発明の鋼は硫化マンガンを含まない。
【００２３】
望ましい実施形態によれば、本発明の鋼は下記の概略組成（wt％）を有する。
Ｃ      ：０．２以下
Ｓｉ    ：０．３以下
Ｍｎ    ：０．５以下
Ｓ      ：０．１
Ｃｒ    ：１２
Ｎｉ    ：９
Ｍｏ    ：４
Ｃｕ    ：２
Ｔｉ    ：１
Ａｌ    ：０．４
Ｎ      ：０．１以下
残部    ：Ｆｅおよび通常存在する不純物。
【００２４】
本発明のもう一つの望ましい実施形態によれば、本発明の鋼は下記の概略組成（wt％）を有する。
Ｃ      ：０．２以下
Ｓｉ    ：０．３以下
Ｍｎ    ：２．５
Ｓ      ：０．１
Ｃｒ    ：１２
Ｎｉ    ：９
Ｍｏ    ：４
Ｃｕ    ：２
Ｔｉ    ：１
Ａｌ    ：０．４
Ｎ      ：０．１以下
残部    ：Ｆｅおよび通常存在する不純物。
【実施例】
【００２５】
以下に、実施例により本発明をより詳細に説明する。
【００２６】
〔実施例１〕
表１に示す５種類の化学組成の溶湯各２７０ｋｇを真空誘導炉（ＶＩＭ）で溶解し、９インチすなわち２２９ｍｍのインゴットに鋳造した。鋼８３０２０７は比較鋼であり、本発明鋼ではない。インゴットを鍛造して１０３ｍｍ×１０３ｍｍのスラブにした。スラブを１１５０℃に加熱し、熱間圧延して５．５ｍｍの線材にした。線材を酸洗し、多段引抜き機により中間焼鈍なしで引抜いて２．１ｍｍにした。熱間圧延線材を直径５．５ｍｍから直径２．１ｍｍに至るまで引抜く過程における断面減少率に対する引張強さ（単位ＭＰａ）を表２に示す。引張試験は熱処理なしの状態でＳＳ−ＥＮ１０００２−１に従って行なった。
【００２７】
表１に示した本発明鋼の組成は、Ｍｎ含有量が約０．５wt％および約２．５wt％でＳ含有量が約０．０１５wt％および約０．１wt％のものに分類される。
【００２８】
【表１】
2008525637.tif 000002
【００２９】
【表２】
2008525637.tif 000003
【００３０】
〔実施例２〕
表２の引抜き線材に４７５℃、４時間の熱処理を施し、引張試験を行なって、析出硬化（ＰＨ）による機械的強度の増加を評価した。析出硬化による熱処理後の引張強さを表３に示す。
【００３１】
【表３】
2008525637.tif 000004
【００３２】
〔実施例３〕
表１に示した各鋼の析出硬化後の耐食性を試験した。０．１％ＮａＣｌ溶液中で臨界孔食温度（ＣＰＴ：critical pitting temperature）を測定した。電位は標準カロメル電極（ＳＣＥ：standard calomel electrode）に対して３００ｍＶに保った。各鋼について、直径３．５ｍｍ、６００グリット表面仕上げの試験片を６個ずつ用いて臨界孔食温度を測定した。表４に各鋼のＣＰＴ値を示す。
【００３３】
【表４】
2008525637.tif 000005
【００３４】
〔実施例４〕
表１の各鋼について被削性を試験した。直径５．５ｍｍの線材を３．５ｍｍまで引抜いた後に矯正処理を行なって、直径３．５ｍｍの矯正済棒を作製した。矯正済で熱処理なしの状態で、表５に示す機械的性質の試験片にドリル加工試験を行なった。硬さ試験はＳＳＥＮＩＳＯ６５０７に従って行なった。
【００３５】
【表５】
2008525637.tif 000006
【００３６】
ドリル加工試験の条件を表６に示す。用いたドリルは、φ２ｍｍで被覆なしの超硬合金ドリルであり、刃先角度（tip angle）１３０°であった。ドリル加工深さは棒直径の２倍であった。
【００３７】
【表６】
2008525637.tif 000007
【００３８】
被削性を、チップ（切屑）形成、ドリル摩耗、ドリル加工性によって評価した。ドリル加工中のチップ形状を、「Svenska Mekanforbundets Spanskala」（Karlebo Handbook, 15th Edition, 2000, page 449-450）を基準チャートとして用いて判定した。最良の生産性を得る最適なチップ形成はNo.５−７である。
【００３９】
【表７】
2008525637.tif 000008
【００４０】
摩耗の測定は、切削刃先のクリアランス面の摩耗（フランク摩耗、逃げ面摩耗）、構成刃先によるコーナー摩耗、刃先の損傷によって行なった。試験は場合により同一組成の鋼について２個のサンプルについて行なった。損傷／摩耗を種々タイプの摩耗／損傷についての程度に応じて等級付けした。等級は低いほど望ましい。値の小さいものは値の大きいものに比べて工具寿命が長い。結果を表８に示す。
【００４１】
【表８】
2008525637.tif 000009
【００４２】
各鋼について、２回の試験の工具摩耗の平均のランクを表９に示す。ランクの低いものはランクの高いものに比べて工具寿命が長い。
【００４３】
【表９】
2008525637.tif 000010
【００４４】
大規模ドリル加工試験を鋼８３０２０７と鋼８３０２０９について行なった。ドリルが摩耗するまでにドリル加工したワーク個数によってドリル加工性を評価した。時間当たりに加工したドリル加工穴個数も測定した。結果を表１０に示す。
【００４５】
【表１０】
2008525637.tif 000011
【００４６】
ドリル加工試験の結果から、本発明の各鋼は比較鋼８３０２０７に比べて、チップ形成の点で優れた被削性を示しており、ドリル加工中のチップの絡み合いを少なくできる。本発明の鋼はいずれも比較鋼８３０２０７に比べて、工具摩耗が少なく、ドリル交換までに加工できるワーク個数を多くできる。
【００４７】
〔実施例５〕
比較鋼８３０２０７と発明鋼８３０２１１を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い後方散乱電子（ＢＳＥ）により分析した。材料表面はエッチングなしの状態であった。図１に、比較鋼のＳＥＭ写真を示す。３箇所の分析点、すなわち図２ａのSpectrum１、図３ａのSpectrum２、図４ａのSpectrum３について、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により分析した。それぞれの結果を図２ｂ、図３ｂ、図４ｂに示す。これらの結果から明瞭に分かるように、硫化チタンは存在しない。これは鋼の硫黄含有量が少ないことによると考えられる。
【００４８】
図５に、本発明の鋼８３０２１１のＳＥＭ写真を示す。図１と対比すると違いは明瞭である。４箇所の分析点、すなわちSpectrum１、Spectrum２、Spectrum３、Spectrum４を図６ａ、図７ａ、図８ａ、図９ａに示す。これら分析点の組成をＥＤＸで分析し、それぞれの結果を図６ｂ、図７ｂ、図８ｂ、図９ｂに示す。
【００４９】
驚くべきことに、鋼８３０２１１はＭｎ含有量が非常に多い（約２．５wt％）にもかかわらず、硫化マンガンは存在しない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上の実施例から明らかなように、本発明の鋼は従来公知の鋼に比べて、耐食性を低下させずに被削性が大幅に向上している。硫黄含有量を更に増加させれば、硫化マンガンの量が実質的に増加しない限り、耐食性を低下させずに被削性を更に高めることができると推測される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】比較鋼のＳＥＭ写真。
【図２ａ】図１に分析点「Spectrum１」を記入したＳＥＭ写真。
【図２ｂ】図２ａのSpectrum１のＥＤＸ結果。
【図３ａ】図１に分析点「Spectrum２」を記入したＳＥＭ写真。
【図３ｂ】図３ａのSpectrum２のＥＤＸ結果。
【図４ａ】図１に分析点「Spectrum３」を記入したＳＥＭ写真。
【図４ｂ】図４ａのSpectrum３のＥＤＸ結果。
【図５】本発明の鋼のＳＥＭ写真。
【図６ａ】図５に分析点「Spectrum１」を記入したＳＥＭ写真。
【図６ｂ】図６ａのSpectrum１のＥＤＸ結果。
【図７ａ】図５に分析点Spectrum２を記入したＳＥＭ写真。
【図７ｂ】図７ａのSpectrum２のＥＤＸ結果。
【図８ａ】図５に分析点Spectrum３を記入したＳＥＭ写真。
【図８ｂ】図８ａのSpectrum３のＥＤＸ結果。
【図９ａ】図５に分析点Spectrum４を記入したＳＥＭ写真。
【図９ｂ】図９ａの分析点Spectrum４のＥＤＸ結果。
【図１】
2008525637.tif 000012
【図２ａ】
2008525637.tif 000013
【図２ｂ】
2008525637.tif 000014
【図３ａ】
2008525637.tif 000015
【図３ｂ】
2008525637.tif 000016
【図４ａ】
2008525637.tif 000017
【図４ｂ】
2008525637.tif 000018
【図５】
2008525637.tif 000019
【図６ａ】
2008525637.tif 000020
【図６ｂ】
2008525637.tif 000021
【図７ａ】
2008525637.tif 000022
【図７ｂ】
2008525637.tif 000023
【図８ａ】
2008525637.tif 000024
【図８ｂ】
2008525637.tif 000025
【図９ａ】
2008525637.tif 000026
【図９ｂ】
2008525637.tif 000027
【国際調査報告】
2008525637.tif 000028
2008525637.tif 000029
2008525637.tif 000030
2008525637.tif 000031