(57)【要約】【課題】マルテンサイト系快削ステンレス鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｓ：０．０１超〜０．０５％未満、Ｃｒ：１０〜１４％、Ｂｉ：０．０３〜０．１５％、かつ、Ｃｒ当量＝［％Ｃｒ］＋１．４×［％Ｍｏ］＋１．５×［％Ｓｉ］−［％Ｎｉ］−０．３×［％Ｍｎ］−２２×［％Ｃ］−１４×［％Ｎ］−［％Ｃｕ］≦１０、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるマルテンサイト系快削ステンレス鋼。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．２〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．５％、
Ｓ：０．０１超〜０．０５％未満、
Ｃｒ：１０〜１４％、
Ｂｉ：０．０３〜０．１５％、
かつ、Ｃｒ当量＝［％Ｃｒ］＋１．４×［％Ｍｏ］＋１．５×［％Ｓｉ］−［％Ｎｉ］−０．３×［％Ｍｎ］−２２×［％Ｃ］−１４×［％Ｎ］−［％Ｃｕ］≦１０（ただし、請求項に規定されていない元素は「０」として計算）、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マルテンサイト系快削ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１に加えて、質量％で、
Ｂ：０．００１〜０．０１％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％
の１種または２種以上を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２に加えて、質量％で、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｍｏ：１．０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１〜３に加えて、質量％で、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．０１〜０．５％、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｗ：０．０１〜０．５％、
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１〜４に加えて、質量％で、
Ｏ：０．０３％以下、
Ｎ：０．２％以下
のうちの１種または２種を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルテンサイト系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、ＯＡ機器や精密機器のシャフト、スリーブ、ハウジング等には、ＳＵＳ４１６、ＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＵＳ３０３に代表されるＳを添加した快削ステンレス鋼が多用されてきた。近年では、機器の小型化、高精密化に対応すべく、被削性の要求レベルが厳しくなっている。これに応じてより一層の被削性に優れた快削ステンレス鋼のニーズも強く、Ｐｂ，Ｓｅ，Ｔｅ等のいわゆる快削元素を複合添加して被削性改善を図った快削鋼が使用されてきた。一方、環境負荷物質として知られるＰｂ以外に，Ｓｅ，Ｔｅも人体に有害であることが知られており、昨今の環境保護意識の高まりから、これら元素使用量の削減が叫ばれている。鉄鋼材料においても例外ではなく、自動車メーカーをはじめ、家電製品、精密機器メーカーからの鉄鋼材料中の有害物質削減要求は強い。このような背景から、Ｐｂ，Ｓｅ，Ｔｅの有害物質を実質的に含有しない快削ステンレス鋼が求められていた。
【０００３】
このような背景の中で、Ｐｂ，Ｓｅ，Ｔｅを含有しない快削鋼が種々発明されている。例えば、特開２００１−２６２２８０号公報（特許文献１）に開示されているように、Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物を利用した快削ステンレス鋼や、特開２００２−２１２６８０号公報（特許文献２）に開示されているような、Ｓｎを添加した快削ステンレス鋼や、特開昭６２−８０２５４号公報（特許文献３）に開示されているような、Ｉｎを添加した快削ステンレス鋼、および特開平６−２１２３６１号公報（特許文献４）に開示されているような、Ｂｉを添加した快削ステンレス鋼が発明されている。
【０００４】
【引用文献】
（１）特許文献１（特開２００１−２６２２８０号公報）
（２）特許文献２（特開２００２−２１２６８０号公報）
（３）特許文献３（特開昭６２−８０２５４号公報）
（４）特許文献４（特開平６−２１２３６１号公報）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した快削ステンレス鋼は、いずれも環境負荷物質とされるＰｂ，Ｓｅ，Ｔｅを使用せずに快削性を有することを目的としている。しかしながら、本発明者による調査では、特許文献１に記されたＴｉ、Ｚｒ炭硫化物を含有する快削鋼は、所期の快削性が得られず、特許文献２に記されたＳｎ添加鋼においても、被削性改善効果が認められなかった。また特許文献３のＩｎ快削鋼はＩｎの融点が１６０℃以下と低いために液体金属脆化を引き起こす危険性が高く実用に供しにくい欠点がある。一方、特許文献４に開示されたＢｉ添加鋼は、ＢｉがＰｂと似た性質を持つ金属であることから非常に有望であるが、Ｐｂよりも低融点で、単純に添加しただけではＰｂ添加鋼よりも熱間加工性が劣り、鍛造、圧延時に疵が多発する恐れがある。このように、いずれの特許文献も快削性、耐食性および製造性を両立させた快削ステンレス鋼としては十分なものでないという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述したような問題を解消するべく、発明者らは鋭意開発を進めた結果、快削元素としてＢｉの採用が最も適していることを見出した。Ｂｉは低融点金属であり、切削加工中に生じる熱で溶融し、金属マトリクスを脆化させることで被削性を改善する。ただし、Ｂｉは熱間加工性を著しく悪化させる欠点が知られている。発明者らの調査により、Ｂｉによる熱間加工割れは、特にδ−フェライト相とオーステナイト相との結晶粒界へのＢｉの偏析による悪影響が大きいことが分かった。この問題を解決するには、δ−フェライトの生成を抑制するために、Ｃｒ当量を１０以下に規制し、かつＢｉの粒界偏析を分散して晶出させるために、適量のＳを添加してＭｎＳを生成させてＢｉの晶出サイトを分散させる方法が有効であることが分かった。このようにして、本発明は、快削性、耐食性および製造性を両立させたマルテンサイト系快削ステンレス鋼を提供するものである。
【０００７】
その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｓ：０．０１超〜０．０５％未満、Ｃｒ：１０〜１４％、Ｂｉ：０．０３〜０．１５％、かつ、Ｃｒ当量＝［％Ｃｒ］＋１．４×［％Ｍｏ］＋１．５×［％Ｓｉ］−［％Ｎｉ］−０．３×［％Ｍｎ］−２２×［％Ｃ］−１４×［％Ｎ］−［％Ｃｕ］≦１０（ただし、請求項に規定されていない元素は「０」として計算）、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マルテンサイト系快削ステンレス鋼。
【０００８】
（２）前記（１）に加えて、質量％で、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｃａ：０．００１〜０．０１％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％の１種または２種以上を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼。
（３）前記（１）または（２）に加えて、質量％で、Ｎｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼。
【０００９】
（４）前記（１）〜（３）に加えて、質量％で、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｔｉ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｗ：０．０１〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼。
（５）前記（１）〜（４）に加えて、質量％で、Ｏ：０．０３％以下、Ｎ：０．２％以下のうちの１種または２種を含有することを特徴とするマルテンサイト系快削ステンレス鋼にある。
【００１０】
【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説明する。
Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは、強度を上げるに必要な元素である。しかし、０．３％を超えると耐食性と靱性を劣化させるので、その上限を０．３％とした。
Ｓｉ：０．２〜１．０％
Ｓｉは、脱酸元素として有用な元素であるが、しかし、多いと焼なまし硬さが上昇するので、その範囲を０．２〜１．０％とした。
【００１１】
Ｍｎ：０．３〜１．５％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸元素であり、Ｓと化合して硫化物を生成する。しかし、０．３％未満ではＳの固定が不十分で熱間加工性が悪化し、また、多過ぎてもその効果は飽和に達し、その範囲を０．３〜１．５％とした。
Ｓ：０．０１％超〜０．０５％未満
Ｓは、Ｍｎと化合してＭｎＳを生成する。ＭｎＳは、被削性を向上させるのみならず、Ｂｉの晶出サイトとしても有効に働き、適量存在するときは熱間加工性を改善する。しかし、０．０１％以下ではその効果が得られず、多いと逆に熱間加工性と耐食性を悪化させるので、その範囲を０．０１％超〜０．０５％未満とした。
【００１２】
Ｃｒ：１０〜１４％
Ｃｒは、耐食性を向上させる基本元素である。しかし、１０％未満では効果が少なく、多いと被削性を悪化させ、かつ脆化しやすくなるので、その範囲を１０〜１４％とした。
Ｂｉ：０．０３〜０．１５％
Ｂｉは、溶融脆化作用により、被削性を改善する。その効果はＰｂの１．５〜５倍を有し、しかも、Ｐｂと異なりその人体への有害作用はないと報告されている。しかし、０．０３％未満ではその効果が不十分で、多過ぎると快削性が飽和すると共に、熱間加工性の悪化が著しいことから、その範囲を０．０３〜０．１５％とした。
【００１３】
Ｂ：０．００１〜０．０１％
Ｂは、高温域でオーステナイト粒界強度を高め熱間加工性を向上させる元素である。しかし、多いと逆に熱間加工性が悪化することから、その範囲を０．００１〜０．０１％とした。
Ｃａ：０．００１〜０．０１％
Ｃａは、硫化物の分布を調整し、熱間加工性を改善する。しかし、０．００１％未満ではその効果は少なく、０．０１％を超えると効果が飽和する。従って、その範囲を０．００１〜０．０１％とした。
【００１４】
Ｍｇ：０．００１〜０．０１％
Ｍｇは、Ｃａと同様に、熱間加工性を改善する。しかし、０．００１％未満ではその効果は少なく、０．０１％を超えると効果が飽和する。従って、その範囲を０．００１〜０．０１％とした。
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％
ＲＥＭは、Ｃａと同様に、熱間加工性を改善する。しかし、０．００１％未満ではその効果は少なく、０．０１％を超えると効果が飽和する。従って、その範囲を０．００１〜０．０１％とした。
【００１５】
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは、耐食性を向上させる元素であり、熱入性を改善する。しかし、多いと焼なまし硬さを増大させ被削性を悪化させる。従って、その上限を１．０％とした。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。しかし、多いと脆化しやすく、しかも高価であるので、その上限を１．０％とした。
【００１６】
Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、耐食性を向上させる元素である。しかし、多いと熱間加工性を悪化させる。従って、その上限を１．０％とした。
Ａｌ：０．００１〜０．１％
Ａｌは、強力な脱酸元素として有用である。しかし、０．００１％未満ではその効果は少なく、多いと二次酸化の危険がある。従って、その範囲を０．００１〜０．１％とした。
【００１７】
Ｔｉ：０．０１〜０．５％
Ｔｉは、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を０．０１〜０．５％とした。
Ｎｂ：０．０１〜０．５％
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を０．０１〜０．５％とした。
【００１８】
Ｖ：０．０１〜０．５％
Ｖは、Ｔｉと同様に、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を０．０１〜０．５％とした。
Ｗ：０．０１〜０．５％
Ｗは、Ｔｉと同様に、炭窒化物生成により耐食性を向上させる。しかし、多いとその効果が飽和することから、その範囲を０．０１〜０．５％とした。
【００１９】
Ｏ：０．０３％以下
Ｏは、不純物であり、多いと酸化物を生成し被削性が悪化するので、その上限を０．０３％とした。
Ｎ：０．２％以下
Ｎは、強度上昇と耐食性改善に役立つ元素である。しかし、多いと被削性を悪化させるので、その上限を０．２％とした。
【００２０】
Ｃｒ当量＝［％Ｃｒ］＋１．４×［％Ｍｏ］＋１．５×［％Ｓｉ］−［％Ｎｉ］−０．３×［％Ｍｎ］−２２×［％Ｃ］−１４×［％Ｎ］−［％Ｃｕ］≦１０
次に、本発明の特徴とするＣｒ当量について説明する。このＣｒ当量は熱間加工温度域でのδ−フェライト量を決める因子であり、１０を超えるとオーステナイト相中に強度が低いδ−フェライトが生成しやすい。このδ−フェライトとオーステナイトの結晶粒界にＢｉが偏析すると、粒界強度が著しく低下して熱間加工割れを助長する。従って、その上限を１０とした。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明について実施例をもって具体的に説明する。
真空誘導炉で１００ｋｇ鋼塊を溶製し、表１に示す化学成分を有する鋼をφ２０ｍｍ寸法の棒鋼に鍛伸した後、焼なまし：８７０℃徐冷、焼入焼戻し：９８０℃油冷→１８０℃空冷なる各熱処理を施して各種試験に供した。その結果を表２に示す。表２における、（１）被削性（ドリル穿孔性）については、焼なまし材を使用し、ドリル：ＳＫＨ５１（φ５ｍｍ）、推力４１４Ｎ、周速：１８．７ｍ／ｍｉｎで、深さ１０ｍｍ穿孔するのに要する時間で評価した。
【００２２】
（２）耐食性については、焼入焼戻材を使用し、塩水噴霧試験（５％ＮａＣｌ溶液、３５℃−１６ｈ噴霧）を行い、表面の発銹状態を観察した。
（３）機械的性質については、焼入焼戻材を使用し、常温（２０℃）で硬さ（ＨＲＣ）、シャルピー衝撃試験（２ｍｍＵノッチ試験片）した。
（４）熱間加工性については、φ８ｍｍの試験片を用い１１００℃でグリーブル試験機による高速引張を行い、破断したときの絞り値を測定した。引張速度は５ｃｍ／ｓとした。
【００２３】
【表１】
2004256874.tif 000002
【００２４】
【表２】
2004256874.tif 000003
【００２５】
表２に示すように、Ｎｏ．１〜９は本発明例であり、Ｎｏ．１０〜２０は比較例である。比較例Ｎｏ．１０はＣｒ当量が本発明の条件より高いため、δ−フェライトが生じ熱間加工性が劣る。比較例Ｎｏ．１１はＳが低いために、Ｂｉが十分に分散されずに粒界に偏析し熱間加工性が劣る。比較例Ｎｏ．１２はＣｒ当量が本発明の条件より高いため、Ｎｏ．１０と同様にδ−フェライトで熱間加工性が劣る。比較例Ｎｏ．１３はＮｏ．１２と同様に、Ｃｒ当量が本発明の条件より高いため、δ−フェライトで熱間加工性が劣る。比較例Ｎｏ．１４はＳが高く、かつＳｅ、ＴｅおよびＰｂを添加しているために、Ｍｎ（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）で耐食性、熱間加工性および靱性が劣る。
【００２６】
比較例Ｎｏ．１５は高Ｓだが過大にＴｉ，Ｚｒを添加しているために、逆に被削性が悪く靱性に劣る。比較例Ｎｏ．１６はＳｎを添加しているものの被削性改善効果は認められない。比較例Ｎｏ．１７はＩｎを添加しているため、熱間加工性が劣る。比較例Ｎｏ．１８はＭｎは低いために、低Ｍｎ化でＳによる粒界脆化で熱間加工性が劣る。比較例Ｎｏ１９は従来鋼のＳＵＳ４１６であり、耐食性、靱性および熱間加工性が劣る。比較例Ｎｏ．２０は従来鋼のＳＵＳ４１０Ｆ２であり、Ｐｂ鋼で人体に有害である。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による環境負荷物質であるＰｂ，Ｓｅ，Ｔｅを代替した快削ステンレスは、耐食性、靱性および製造過程での熱間加工性の両立したマルテンサイト系快削ステンレス鋼を提供することが可能となった。