(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００５％以上０．０５％以下，Ｓｉ：０．１０％以上２．０％以下，Ｍｎ：０．０５％以上０．６％以下，Ｐ：０．０１％以上０．０４３％以下，Ｓ：０．３０％以上０．６０％以下，Ｃｕ：０．０１％以上２．０％以下，Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下，Ｃｒ：１６．０％以上２５．０％以下，Ｍｏ：０．０１％以上４．０％以下，Ｔｉ：０．１０％以上１．０％以下，Ｏ：０．０１５％以下，Ｎ：０．０２０％以下，Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下、Ｖ：０．１０％以上２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、下記の式（１）ないし式（３）を満たし、かつ、鋼中に生成するＭｎＳ系硫化物に含まれるＣｒ量が５％以上であり、同じく含まれるＴｉ量が１０％以上であることを特徴とするフェライト系快削ステンレス鋼。
０．０８≦[Ｍｎ(%)]／[Ｓ(%)]≦１．６６・・・式（１）
０．５０≦[Ｔｉ(%)]／[Ｓ(%)]≦１．２０・・・式（２）
[Ｓ(%)]／[Ｃ(%)]≧１０．０・・・式（３）
【請求項２】
請求項１に記載の成分に加え、Ｐｂ：０．０１％以上０．３０％以下，Ｓｅ：０．０１％以上０．３０％以下，Ｔｅ：０．０１％以上０．１０％以下，Ｂｉ：０．０１％以上０．３０％以下のうち１種または２種以上を含有するフェライト系快削ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の成分に加え、Ｃａ：０．０００１％以上０．０５％以下，Ｍｇ：０．０００１％以上０．０２％以下，Ｂ：０．０００１％以上０．０２％以下，ＲＥＭ：０．０１００％以下，Ｗ：０．０１％以上２．０％以下，Ｎｂ：０．０１％以上０．５０％以下，Ｔａ：０．０１％以上０．５０％以下のうち１種または２種以上を含有するフェライト系快削ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト系快削ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｆｅ系材料の被削性向上元素としては、Ｓ，Ｐｂ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ｔｅ，Ｃａ等が一般に知られている。このうちＰｂは、環境保護の観点から次第に敬遠されるようになってきており、その使用を制限する機器や部品が多くなっている。そこで、Ｓを被削性向上元素の主体として用いた材料が代替材料として考えられている。これは、主にＭｎＳ等の硫化物を生成させ、切屑時における硫化物への応力集中効果や工具と切屑の間の潤滑作用によって、被削性を高めるものである。
【０００３】
また、近年、精密電子機器やその他の弱電製品のメンテナンスフリー化を図るべく、比較的安価に高耐食性が得られるフェライト系ステンレス鋼が部品材料として広く用いられている。特に、寸法精度確保のため精密な仕上げ加工が要求される部品や加工代の大きい複雑形状の部品に用いるには、十分な被削性が要求されることから、快削性付与元素の添加量は増やされる傾向にある。また、これらの元素を複合添加して用いることも行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−０４６２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｓを快削性付与元素として用いる場合、添加が過剰になると、ＭｎＳ成分が大気中や湿潤環境下で発錆するため、耐食性を劣化させる原因となる。また、ＭｎＳは、粗大化しやすい傾向にあるとともに、材料の鍛伸方向に延伸して針状化しやすい傾向にあるため、冷間加工などの加工時に硫化物を起点とした破壊が生じやすく、加工性を劣化させる原因ともなる。
【０００６】
本発明は、上記問題を鑑みて為されたものであり、良好な被削性および耐食性を有するフェライト系快削ステンレス鋼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及び発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のフェライト系快削ステンレス鋼は、
質量％で、Ｃ：０．００５％以上０．０５％以下，Ｓｉ：０．１０％以上２．０％以下，Ｍｎ：０．０５％以上０．６％以下，Ｐ：０．０１％以上０．０４３％以下，Ｓ：０．３０％以上０．６０％以下，Ｃｕ：０．０１％以上２．０％以下，Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下，Ｃｒ：１６．０％以上２５．０％以下，Ｍｏ：０．０１％以上４．０％以下，Ｔｉ：０．１０％以上１．０％以下，Ｏ：０．０１５％以下，Ｎ：０．０２０％以下，Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下、Ｖ：０．１０％以上２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、下記の式（１）ないし式（３）を満たし、かつ、鋼中に生成するＭｎＳ系硫化物に含まれるＣｒ量が５％以上であり、同じく含まれるＴｉ量が１０％以上であることを特徴とする。
０．０８≦[Ｍｎ(%)]／[Ｓ(%)]≦１．６６・・・式（１）
０．５０≦[Ｔｉ(%)]／[Ｓ(%)]≦１．２０・・・式（２）
[Ｓ(%)]／[Ｃ(%)]≧１０．０・・・式（３）
なお、本明細書において“[Ｘ(%)]”とは、Ｘに表される元素の添加量を表す。
【０００８】
上記本発明のフェライト系快削ステンレス鋼では、鋼中に生成するＭｎＳ系硫化物について、良好な被削性を得るのに十分な量のＳを含有させる一方で、耐食性劣化の原因となるＭｎを低減し、その代わりにＴｉやＣｒを含有させることによって、良好な被削性および耐食性を得ている。また、ＭｎＳ系硫化物がＴｉやＣｒを含むことによって、大型化が抑制され、硬さが上昇して針状化が抑制されるため、異方性が改善する。なお、ＭｎＳ系硫化物とは、ＭｎＳのみならず、Ｍｎの一部がＣｒやＴｉなどの他の金属元素に置換された（Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ）Ｓ等の硫化物をも含む概念である。ここで、上記のようなＴｉやＣｒを含むＭｎＳ系硫化物は、特に、式（１）ないし式（３）を満たすことによって生成することができる。
【０００９】
（１）０．０８≦[Ｍｎ(%)]／[Ｓ(%)]≦１．６６・・・式（１）
[Ｍｎ(%)]／[Ｓ(%)]が当該範囲にあることにより、耐食性が劣化しない程度に、ＭｎＳ系硫化物に含まれるＭｎ量を低減することができる。かかる効果を得るには、[Ｍｎ(%)]／[Ｓ(%)]が１．６６以下であることが必要である。望ましくは１．００以下とする。それを上回ると、ＭｎＳ系硫化物中のＭｎ成分が多くなり過ぎて、耐食性が損なわれてしまう。一方、コストとの兼ね合い、熱間加工性を十分に確保するためには、[Ｍｎ(%)]／[Ｓ(%)]が０．０８以上であることが必要である。望ましくは０．２０以上とする。
【００１０】
（２）０．５０≦[Ｔｉ(%)]／[Ｓ(%)]≦１．２０・・・式（２）
[Ｔｉ(%)]／[Ｓ(%)]が当該範囲にあることにより、ＭｎＳ系硫化物が大型化および針状化しない程度に、ＭｎＳ系硫化物に含まれるＴｉ量を増加することができる。かかる効果を得るには、[Ｔｉ(%)]／[Ｓ(%)]が０．５０以上であることが必要である。望ましくは０．７０以上とする。他方、[Ｔｉ(%)]／[Ｓ(%)]が１．５を上回ると、ＭｎＳ系硫化物に含まれるＴｉ量が多くなり過ぎて、材料の硬さが過剰となってしまう。望ましくは１．２０以下とする。
【００１１】
（３）[Ｓ(%)]／[Ｃ(%)]≧１０．０・・・式（３）
[Ｓ(%)]／[Ｃ(%)]が当該範囲にあることにより、ＭｎＳ系硫化物の組成が適正に保たれ、被削性（特にドリル加工性）を十分なものとすることができる。すなわち、[Ｓ(%)]／[Ｃ(%)]が１０．０を下回るほどＣが含まれている場合、ＭｎＳ等と比較すると硬質なＴｉ炭硫化物が生成してしまい、被削性（特にドリル加工性）に悪影響を及ぼす場合があることから、上記範囲にする必要がある。望ましくは１３．０以上とする。
【００１２】
上記のようなＴｉやＣｒを含むＭｎＳ系硫化物は、ＭｎＳ（Ｍｎ：６０％程度，Ｓ：４０％程度）におけるＭｎの一部を置換する形でＴｉやＣｒが固溶している。ここで、かかるＭｎＳ系硫化物では、含まれるＣｒ量とＴｉ量の合計がＭｎ量を上回る関係にあり、また、含まれるＣｒ量が少なくとも５％以上、同じくＴｉ量が少なくとも１０％以上となっている。また、かかるＭｎＳ系硫化物は、ビッカース硬さがＨｖ４００以上Ｈｖ８００以下となっている。ＭｎＳ系硫化物がこのように構成されることによって、上記の効果が得られる。なお、ＭｎＳ系硫化物の成分については、ＥＰＭＡ（電子プローブ微小分析）等の分析により得られる成分ごとの面積から重量比を求めることができる。ＭｎＳ系硫化物の硬さは、微小硬度計にて求めることができる。
【００１３】
以下、各成分の組成限定理由について説明する。
【００１４】
（４）Ｃ：０．００５％以上０．０５％以下
Ｃは、過度に添加すると、被削性向上に不利となる単体の炭化物を多量に生成してしまうため、０．０５％以下の添加とする。望ましくは０．０３５％以下とする。但し、添加を過度に制限すると、コスト上昇を招いてしまうため、０．００５％以上の含有を許容する。
【００１５】
（５）Ｓｉ：０．１０％以上２．０％以下
Ｓｉは、鋼の脱酸剤として添加するため、かかる効果を得るべく０．１０％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、熱処理後の硬さが高くなって被削性が劣化してしまうため、２．０％以下の添加とする。被削性加工性を重視する場合、望ましくは１．０％以下とする。
【００１６】
（６）Ｍｎ：０．０５％以上０．６％以下
Ｍｎは、鋼の脱酸剤として作用するため、かかる効果を得るべく０．０５以上の添加とする。他方、過度に添加すると、耐食性を劣化させるＭｎＳを多く生成してしまうため、０．６％以下の添加とする。耐食性を重視する場合、望ましくは０．４％以下とする。
【００１７】
（７）Ｐ：０．０１％以上０．１０％以下
Ｐは、粒界に偏析して、粒界腐食感受性を高めたり、靭性の低下を招くため、０．１０％以下に制限する。望ましくは０．０３％以下とする。但し、過度の低減はコスト上昇を招いてしまうため、０．０１％以上の含有を許容する。
【００１８】
（８）Ｓ：０．３０％以上０．６０％以下
Ｓは、被削性を向上させるＭｎＳ系硫化物の構成元素であり、十分な被削性向上効果を得るべく、０．３０％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、熱間加工性が低下してしまうことから、０．６０％以下の添加とする。また、被削性の向上と熱間加工性の低下との兼ね合いにより、下限については望ましくは０．３５％以上とし、上限については望ましくは０．５０％以下とする。
【００１９】
（９）Ｃｕ：０．０１％以上２．０％以下
Ｃｕは、耐食性（特に還元性酸環境中での耐食性）を向上させるのに有効であることから、かかる効果を得るべく０．０１％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、熱間加工性が劣化してしまうことから、２．０％以下の添加とする。望ましくは１．０％以下、更に望ましくは０．６％以下とする。
【００２０】
（１０）Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下
Ｎｉは、Ｃｒのみでは十分でない耐食性を補填するために必要な元素である。かかる効果を得るべく０．０１％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、コスト上昇を招いてしまうため、２．０％以下の添加とする。また、耐食性の向上とコスト上昇との兼ね合いにより、望ましくは１．０％以下、更に望ましくは０．６％以下とする。
【００２１】
（１１）Ｃｒ：１６．０％以上２５．０％以下
Ｃｒは、耐食性を向上させる元素であり、かかる効果を得るべく１６．０％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、コスト上昇を招くばかりでなく、熱間加工性が低下してしまうため、２５．０％以下の添加とする。また、耐食性の向上とコスト上昇との兼ね合いにより、下限については望ましくは１７．０％以上とし、上限については望ましくは２２．０％以下とする。
【００２２】
（１２）Ｍｏ：０．０１％以上４．０％以下
Ｍｏは、耐食性や強度をより向上することができるため、かかる効果を得るべく０．０１％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、熱間加工性を害するほか、コストの上昇を招いてしまうため、４．０％以下の添加とする。コスト面をより重視する場合、望ましくは１．５％以下とする。
【００２３】
（１３）Ｔｉ：０．１０％以上１．０％以下
Ｔｉは、硫化物の大型化を抑制し、加工性に寄与するため、かかる効果を得るべく０．１０％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、コストの上昇を招いてしまうため、１．０％以下の添加とする。また、加工性とコスト上昇との兼ね合いにより、下限については望ましくは０．２０％以上とし、上限については望ましくは０．６０％以下とする。
【００２４】
（１４）Ｏ：０．０１５％以下
Ｏは、Ｔｉと結合して被削性の向上には効果的でない酸化物を形成してしまうことから、極力低く抑制すべきであり、０．０１５％以下に制限する。製造コストとの兼ね合いであるが、望ましくは０．００８％以下、更に望ましくは０．００５％とする。
【００２５】
（１５）Ｎ：０．０２０％以下
Ｎは、Ｔｉと結合して被削性の向上には効果的でない窒化物を形成してしまうことから、極力低く抑制すべきであり、０．０２０％以下に制限する。製造コストとの兼ね合いであるが、望ましくは０．０１６％以下、更に望ましくは０．０１０％以下とする。
【００２６】
（１６）Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下
Ａｌは、鋼の脱酸剤として添加するため、かかる効果を得るべく０．０１０％以上の添加とする。他方、過度に添加すると、被削性に有害な酸化物を形成してしまうことから、０．１００％以下の添加とする。望ましくは０．０５０％以下とする。
【００２８】
（１７）Ｖ：０．１０％以上２．０％以下
Ｖは、被削性改善に寄与する元素であることから、かかる効果を得るべく０．１０％以上添加することができる。但し、過度に添加すると、コストの上昇を招くことがあるため、２．０％以下の添加が好ましい。また、被削性とコストとの兼ね合いにより、下限については望ましくは０．２０％以上とし、上限については望ましくは１．０％以下とする。
【００２９】
次に、本発明のフェライト系快削ステンレス鋼は、上記成分に加え、Ｐｂ：０．０１％以上０．３０％以下，Ｓｅ：０．０１％以上０．３０％以下，Ｔｅ：０．０１％以上０．１０％以下，Ｂｉ：０．０１％以上０．３０％以下のうち１種または２種以上を含有させることができる。
【００３０】
（１８）Ｐｂ：０．０１％以上０．３０％以下，Ｓｅ：０．０１％以上０．３０％以下，Ｔｅ：０．０１％以上０．１０％以下，Ｂｉ：０．０１％以上０．３０％以下
Ｐｂ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｂｉは、被削性を更に向上させることが可能な元素であることから、かかる効果を得るべく各々０．０１％以上添加することができる。但し、過度に添加すると、熱間加工性が低下することがあるため、Ｐｂは０．３０％以下，Ｓｅは０．３０％以下，Ｔｅは０．１０％以下，Ｂｉは０．３０％以下とすることが好ましい。
【００３１】
次に、本発明のフェライト系快削ステンレス鋼は、上記成分に加え、Ｃａ：０．０００１％以上０．０５％以下，Ｍｇ：０．０００１％以上０．０２％以下，Ｂ：０．０００１％以上０．０２％以下，ＲＥＭ：０．０１００％以下，Ｗ：０．０１％以上２．０％以下，Ｎｂ：０．０１％以上０．５０％以下，Ｔａ：０．０１％以上０．５０％以下のうち１種または２種以上を含有させることができる。
【００３２】
（１９）Ｃａ：０．０００１％以上０．０５％以下，Ｍｇ：０．０００１％以上０．０２％以下，Ｂ：０．０００１％以上０．０２％以下，ＲＥＭ：０．０１００％以下
Ｃａ，Ｍｇ，Ｂ，ＲＥＭ（希土類元素）は、鋼の熱間加工性を向上させるのに有効な元素であることから、かかる効果を得るべく各々０．０００１％以上添加することができる。但し、過度に添加すると、その効果は飽和し、逆に熱間加工性が低下することがあるため、Ｃａは０．０５％以下，Ｍｇは０．０２％以下，Ｂは０．０２％以下，ＲＥＭは０．０１００％以下とすることが好ましい。
【００３３】
（２０）Ｗ：０．０１％以上２．０％以下
Ｗは、耐食性や強度をより向上させるのに有効な元素であることから、かかる効果を得るべく０．０１％以上添加することができる。但し、過度に添加すると、熱間加工性を害するほか、コストの上昇を招くことがあるため、２．０％以下の添加とすることが好ましい。
【００３４】
（２１）Ｎｂ：０．０１％以上０．５０％以下，Ｔａ：０．０１％以上０．５０％以下
Ｎｂ、Ｔａは、炭窒化物を形成し、鋼の結晶粒を微細化して靭性を高める効果があることから、かかる効果を得るべく各々０．０１％以上添加することができる。但し、過度に添加すると、その効果は飽和してしまうため、各々０．３０％以下の添加とすることが好ましい。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の効果を確認するために行った試験について説明する。
表１に示す成分組成の鋼種について、各々１５０ｋｇを高周波誘導炉にて溶製し、冷却してインゴットを作製した。そして、各インゴットを１０５０〜１２００℃に加熱し、熱間鍛造により２０ｍｍの丸棒に加工した。それらの丸棒を、更に７８０℃で４時間加熱した後、空冷(焼きなまし処理)して、以下に記述する各試験に供した。試験結果を表２に示す。
【００３６】
なお、表１中の比較鋼の組成において、本発明で規定する組成範囲を逸脱しているものには、下限を下回る場合は下向矢印（↓）、上限を上回る場合は上向矢印（↑）を付している。
【００３７】
【表１】
0004770437.tif 000002
【００３８】
（Ａ）被削性
（Ａ−１）旋削性
旋削性評価は、旋削加工後のワーク外径変寸量および切屑形状によって評価した。
旋削加工は、超硬コーティングバイトを用いて、周速１００mm／min，一回転当たりの切込み量０．１０ｍｍ，一回転当たりの送り量０．０１mm／revで不水溶性油による湿式にて実施した。外径変寸量は、サンプル５０個の切削を行った後の初期ワークからの変寸量である。判定基準は、外径変寸量が３０μｍ以下の場合を「小」、３０μｍ超過１００μｍ以下の場合を「中」、１００μｍ超過の場合を「大」とした。更に、切屑形状を目視観察し、破砕性が良好であるものは「良」、破砕性が悪く切屑がつながった状態のものは「劣」とした。
【００３９】
（Ａ−２）ドリル加工性
ドリル加工性評価は、ドリル加工後のドリル摩耗量および切屑形状により評価した。
ドリル加工は、ハイスドリルを用いて、周速３０mm／min，ドリル径５ｍｍ，穴深さ２０ｍｍ（非貫通），一回転あたりの送り量０．０７mm／revで不水溶性油による湿式にて実施した。ドリル摩耗量は、１００個の穴を加工した後の摩耗量である。判定基準は、ドリル磨耗量が５０μｍ以下の場合を「小」、５０μｍ超過１５０μｍ以下の場合を「中」、１５０μｍ超過の場合を「大」とした。更に、切屑形状は目視観察し、破砕性が良好であるものは「良」、破砕性が悪く切屑がつながった状態のものは「劣」とした。
【００４０】
（Ｂ）耐食性
耐食性評価試験は、塩水噴霧試験によって行った。
試験片は、直径１０ｍｍ，高さ５０ｍｍの円柱形状のものを用い、表面をエメリー紙により＃４００番まで研磨加工し、脱脂洗浄して、これら各試料を温度３０℃，５％ＮａＣｌの塩水噴霧雰囲気中に９６ｈ保存した後、目視での外観判定により発錆の有無を確認した。
【００４１】
（Ｃ）硫化物の組成評価
硫化物の組成については、ＥＰＭＡ（電子プローブ微小分析）を用い、観察面において任意に１０個の硫化物を選択して定量分析を行った。その代表例を表２に示す。
【００４２】
【表２】
0004770437.tif 000003
【００４３】
表２に示す試験結果によると、本発明の組成範囲を充足する発明鋼１，３，７，１２，１４，１６，１７，１９〜２１は、比較鋼１〜５と比べて、良好な被削性および耐食性を有することがわかる。また、Ｖを含む１〜５，７，８，１０，１２〜１４，１６，１７，１９〜２２，２５の発明鋼及び参考鋼は、良好な被削性を有する。比較鋼１は、Ｓが不足であるため、被削性（旋削性およびドリル加工性）が不良となったと考えられる。比較鋼２はＭｎが過剰でＴｉが不足であるため、比較鋼３はＴｉが不足であるため、硫化物中のＭｎＳ成分が多くなり、その結果、耐食性が不良となったと考えられる。比較例４及び５は、Ｃが過剰であるため、Ｔｉ炭硫化物が生成し、その結果、被削性の中でも特にドリル加工性が劣化したものと考えられる。