(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．１５０％、Ｓｉ≦１．００％、Ｍｎ５．００〜１６．００％、Ｐ≦０．０５０％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、Ｎｉ：１．００〜８．００％、Ｃｒ：１６．００〜２２．００％、Ｎ：０．１０〜０．５０％、Ｏ：０．００５〜０．０１５％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ａｌ：０．００２〜０．０１０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼であって、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が４００以上かつ非磁性であることを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１の成分に加えて、質量％でＺｒ：０．０００１〜０．０１００％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２の成分に加えて、質量％でＭｏ≦３．０％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの成分に加えて、質量％でＣｕ≦３．０％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの成分に加えて、質量％でＮｂ≦０．２０％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
【請求項６】
熱間圧延にて製造、冷間加工後、温度：３００〜６００℃、時間２分以上の時効熱処理を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高硬度・非磁性でかつ耐銹性と冷間加工性および切削性を必要とする用途に利用される高Ｍｎステンレス鋼線材に関するもので、電子機器用シャフト材、精密機器部品などに利用される。
【背景技術】
【０００２】
電子機器用精密部品材は表面疵および磁性を嫌うことから高硬度・非磁性に優れていることが要求される。また、高精度加工がなされることから冷間加工性及び切削性に優れていることが要求される。このためにＳＵＳ３０３、ＳＵＳＸＭ７、高Ｎ含有のオーステナイト系ステンレス鋼に被削性を向上させる成分であるＳ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅなどを単独もしくは複合で添加した鋼が実用化されている。特にＳＵＳ３０３に代表されるＳ添加の快削鋼は広く活用されている。しかし、切削性改善成分、特にＳにより熱間加工性が劣化する、高硬度化のため高度の冷間加工を施すと磁性を帯びてくるなどの解決すべき課題があり、これらの課題の解決が求められている。
【０００３】
これらの課題を解決するために、電子機器用、精密機器用材料として高硬度・非磁性ステンレス鋼が提案されている（特許文献１〜４）。また高硬度・非磁性の特性に加え、被削性も兼備したステンレス鋼が提案されている。（特許文献５〜１１）
特許文献１〜４に記載された発明は冷間加工と時効熱処理によってビッカース硬さ５５０以上、透磁率１．０５以下であることを特徴とする高Ｍｎステンレス鋼であるが、被削性元素を含んでいないために、ＳＵＳ３０３並の被削性を持たない。
【０００４】
特許文献５に記載された発明は被削性を向上させるためにＳを、被削性、熱間加工性を向上させるためにＣａを添加することを特徴としたものである。
【０００５】
特許文献６に記載された文献は被削性を向上させる元素であるＳの添加に加え、重金属であるＳｅ、Ｐｂを添加し、熱間加工性を向上させるためにＢも添加したことを特徴とするものである。
【０００６】
特許文献７、８、１０、１１に記載された発明は被削性を向上させるためにＳ（Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｃａ）を添加したことを特徴とするものである。
【０００７】
しかしながら、これまで、高硬度、非磁性に加え被削性も兼備した環境にやさしい高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼は提案されていない。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２３５０４８号公報
【特許文献２】特開平６−２３５０４９号公報
【特許文献３】特開平５−２９５４８６号公報
【特許文献４】特開平５−２９５４８７号公報
【特許文献５】特開平６−３０６５４４号公報
【特許文献６】特開平１１−２４１１４４号公報
【特許文献７】特開２００６−２８５４２号公報
【特許文献８】特開２００１−１１５７９号公報
【特許文献９】特開平１１−９２８７４号公報
【特許文献１０】特開昭６１−３７９５３号公報
【特許文献１１】特開昭６１−８４３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高ＭｎのＳ添加快削ステンレス鋼の切削改善成分による熱間加工性の劣化、被削性の更なる向上という課題を解決した安価な高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、種々検討した結果、Ｂを添加するとともに、Ａｌ、Ｃａ、Ｏ量を制御することにより、酸化物系介在物の組成と硫化物の形態を制御し、熱間加工性、被削性を著しく改善できることを明らかにしたものである。
【００１１】
すなわち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．１５０％、Ｓｉ≦１．００％、Ｍｎ５．００〜１６．００％、Ｐ≦０．０５０％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、Ｎｉ：１．００〜８．００％、Ｃｒ：１６．００〜２２．００％、Ｎ：０．１０〜０．５０％、Ｏ：０．００５〜０．０１５％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ａｌ：０．００２〜０．０１０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼であって、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が４００以上かつ非磁性であることを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
（２）（１）の成分に加えて、質量％でＺｒ：０．０００１〜０．０１００％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
（３）（１）または（２）の成分に加えて、質量％でＭｏ≦３．０％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
（４）（１）〜（３）のいずれかの成分に加えて、質量％でＣｕ≦３．０％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
（５）（１）〜（４）のいずれかの成分に加えて、質量％でＮｂ≦０．２０％を含有することを特徴とする高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼。
（６）熱間圧延にて製造後、各種サイズまで冷間加工後、温度：３００〜６００℃、時間２分以上の時効熱処理を行うことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のステンレス鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、高ＭｎのＳ添加快削ステンレス鋼の課題である、Ｓ添加による熱間加工性の劣化を防止しするとともに、その被削性を更に向上させた安価で、環境にやさしい重金属（Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｅ）無添加の高硬度・非磁性の快削ステンレス鋼を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、先ず、本発明の請求項１記載の限定理由について説明する。
【００１４】
Ｃ：０．０３０〜０．１５０％
Ｃは伸線加工後の強度及び非磁性を確保するために０．０３０％以上添加する。しかし、過剰の添加は耐食性を悪化させるため上限を０．１５０％とした。好ましくは０．０７０〜０．１２０％である。
【００１５】
Ｓｉ：１．００％以下
Ｓｉは脱酸元素として必要な元素である。１．００％超添加すると耐食性が悪化し、フェライト生成元素であるために非磁性確保が困難になるため上限を１．００％とした。好ましくは０．２０〜０．７０％である。
【００１６】
Ｍｎ：５．００〜１６．００％
ＭｎはＮｉの代替元素として利用される安価な元素である。また、冷間加工後でも非磁性を確保するのに必要な元素である。５．００％未満であると非磁性確保が困難のため下限を５．００％とした。また、過剰な添加は耐食性を悪化させるためにその上限を１６．００％とした。好ましくは８．００〜１２．００％である。
【００１７】
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは含有量が多いと熱間加工性を低下させるため０．０５０％を上限とした。好ましくは０．０４０％以下である。
【００１８】
Ｓ：０．０５〜０．４０％
Ｓは被削性を改善する元素であるため０．０５％以上含有させるが、過剰に添加すると熱間加工性、冷間加工性、および耐銹性を劣化させるために上限を０．４０％とした。好ましくは０．１０〜０．２０％である。
【００１９】
Ｎｉ：１．００〜８．００％
Ｎｉはオーステナイト生成元素で非磁性確保に必要であるが、高価な元素である。１．００％未満では非磁性確保に不十分であるため下限を１．００％とした。また８．００％を超えると非磁性に対する効果が飽和し、高価格となるために、上限を８．００％とした。好ましくは４．００〜７．００％である。
【００２０】
Ｃｒ：１６．００〜２２．００％
Ｃｒは耐食性向上に有効な元素である。１６．００％未満では耐食性が悪くなり、また、多いとオーステナイト相が不安定となり冷間加工性が悪化するため上限を２２．００％とした。好ましくは１６．００〜１９．００％である。
【００２１】
Ｎ：０．１０〜０．５０％
ＮはＣと同様伸線加工後の強度、非磁性を確保するために０．１０％以上添加する。０．５０％超の添加は冷間加工後の延性を劣化させるためにその上限を０．５０％とした。好ましくは０．２０〜０．４０％である。
【００２２】
Ｏ：０．００５〜０．０１５％
Ｏは固体中ではほとんど酸化物となり、鋼中に分散している。本発明ではＣａ、Ａｌなどの脱酸元素の微妙なコントロールと適量のＯの存在による硫化物の生成・形態を均一分散制御することにより、熱間加工性および被削性を改善できる。具体的には、Ａｌ、Ｃａを添加することによりＯ濃度をコントロールし、ＳｉＯ2−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系の酸化物を均一分散させる。鋼中に均一分散した酸化物は硫化物（ＭｎＳ）の発生核として働き、硫化物の形態を制御することが可能となる。Ｏ濃度が０．００５％未満ではその効果が小さく、また、０．０１５％を超えると硬質のＣｒ2Ｏ3が増大し被削性を低下させる。好ましくは０．００６〜０．００１２％である。
【００２３】
Ｃａ：０．００１〜０．０１０％
Ｃａは強力な脱酸剤であり、Ｃａ系の酸化物となり、硫化物の析出サイトとなることにより、硫化物の形態制御（均一分散）を促進して、熱間加工性および被削性が改善する作用があるが、０．００１％未満ではその作用が不十分であり、０．０１０％を超えると硬質のＣａＯ系介在物量が増大して被削性および耐食性を低下させる。好ましくは０．００１〜０．００５％である。
【００２４】
Ａｌ：０．００２〜０．０１０％
Ａｌは脱酸及び硫化物の形態制御のために０．００２％以上添加するが、過剰の添加は硬質な介在物を増加させ、熱間加工性および被削性を劣化させるために上限を０．０１０％としたとした。好ましくは０．００２〜０．００８％である。
【００２５】
Ｂ：０．００１〜０．０１０％
Ｂは熱間加工性や軟質化を改善するために添加される元素であり、０．００１％以上の添加により安定した効果が得られる。しかし過剰に添加するとＢの化合物が析出し、熱間加工性を劣化させるので、その上限を０．０１０％とした。好ましくは０．００２〜０．００５％である。
【００２６】
ビッカース硬さ（Ｈｖ）：４００以上
電子機器などの精密部品のシャフト材などに使用されるために、高硬度化が望まれる。これらの部材に必要なビッカース硬さとして最低４００は必要である。好ましくはビッカース硬さ４５０以上である。
【００２７】
非磁性
電子機器部品は種々の磁気発生を誘導するための装置を備えているために、シャフト材などは磁性を持たないものが求められており、こうした部品には透磁率が１．０１０以下であることが必須条件とされている。磁性の有無を評価する手段として透磁率の測定がある。一般的に透磁率が１．０１０以下であれば、磁性を持たない（非磁性）。本発明では、高度の冷間加工後も非磁性となるように、成分設計を行っているため、冷間加工後も非磁性である。
【００２８】
本発明の請求項２記載の限定理由について述べる。
Ｚｒ：０．０００１〜０．０１００％
Ｚｒは酸化物の析出サイトとして働き、硫化物の析出サイトとなる酸化物を微細に分散させることにより硫化物の微細分散化に有効な元素である。また熱間加工性も向上する。これらの効果を得るためには必要に応じて０．０００１％以上の添加が必要である。しかし、多量に含有すると介在物として存在し、冷間加工性を低下させるため上限を０．０１００％とした。好ましくは０．００１０〜０．００５０％である。
【００２９】
本発明の請求項３記載の限定理由について述べる。
Ｍｏ：３．０％以下
ＭｏはＣｒと同様に耐食性を向上させるのに有効な元素であり必要に応じて０．１％以上添加することにより安定した効果が得られる。しかし、多量に添加させると熱間加工性が低下するために上限を３．０％とした。好ましくは０．１〜２．５％である。
【００３０】
本発明の請求項４記載の限定理由について述べる。
Ｃｕ：３．０％以下
Ｃｕは冷間加工後の延性を確保するために必要に応じて０．１％以上添加する。しかし、過剰の添加は熱間加工性を劣化、冷間加工後の硬さを低くするために上限を３．０％とした。好ましくは、２．０〜３．０％である。
【００３１】
本発明の請求項５記載の限定理由について述べる。
Ｎｂ：０．２０％以下
Ｎｂは結晶粒を微細化すること及びＮｂＣを析出することにより硬度改善に有効であり、必要に応じて０．０３％以上添加する。しかし、多量に添加すると、有害な非金属介在物を多量に生じ、被削性の劣化、冷間加工時の断線の原因となるので、上限を０．２０％とした。好ましくは０．０５〜０．１５％である。
【００３２】
本発明の請求項６記載の限定理由について述べる。
時効熱処理条件：温度３００〜６００℃  時間２分以上
３００〜６００℃、２分以上の時効熱処理を行うことにより、Ｃ、Ｎによって転位の固着が起こり、ビッカース硬さの向上が見られる。しかし、３００℃未満で行うと、時効硬化によるＣ，Ｎによる転位の固着が起こらず、Ｈｖ４００以上を満足できない。また６００℃超であると鋼の軟化が起こり、時効熱処理を行っていないものと同程度の強度になることから上限の温度とした。好ましくは４００〜５００℃である。時効熱処理時間については２分未満であると、時効硬化による強度の上昇が見られない。また１００分以上行うと、生産性が低下する。好ましくは２〜１００分である。
【実施例】
【００３３】
以下に本発明の実施例について説明する。
【００３４】
表１、２に本発明の実施例の化学成分とビッカース硬さ（Ｈｖ）、被削性（切屑処理性）、透磁率及び熱間加工性の評価結果を示す。
【００３５】
【表１】
0005142601.tif 000002
【００３６】
【表２】
0005142601.tif 000003
【００３７】
これら化学成分の鋼は１００ｋｇ真空溶解炉にて１３５ｍｍ角の鋳片に鋳込み、その後、直径１０ｍｍまで熱間鍛造を行い、１０５０℃（オーステナイト系ステンレス鋼線で組織を安定化させる温度）で溶体化処理を施した。
【００３８】
その後、表面を研磨し、酸洗後に冷間加工（伸線加工）により直径４．９ｍｍの線材とし、時効熱処理後、ビッカース硬さ、被削性（切屑処理性）および、透磁率を調査した。また熱間加工性は鋳片からサンプルを切出し、調査を行った。
【００３９】
ビッカース硬さは荷重１ｋｇを用いてＣ断面の１／４ｔ部の硬さを測定した。本発明鋼はビッカース硬さが４００以上であった。
【００４０】
切削試験は直径９．０ｍｍに熱間鍛伸した棒鋼を作製後直径４．９ｍｍまで伸線加工を行い、各種条件で時効熱処理したものを供試材として、超硬工具（ＪＩＳ；Ｐ２０種）を用いて、切削速度（２５ｍ／ｍｉｎ）、切込み（０．１〜３．０ｍｍ）、送り速度（０．０１〜０．１０ｍｍ／ｒｅｖ）で外周切削をおこなった。被削性の評価は切屑処理性にて評価した。
【００４１】
切屑処理性は短く破損した切屑を排出するものは切削中に表面に疵をつける可能性が低いが、無規則で長く繋がった切屑は表面に疵をつけたり、工具に絡まったりするためであるため、短く破損しているもの及び規則的ならせん状のものが良好であり、無規則で長く繋がったものが悪いとされている。今回、切屑処理性の評価は５段階評価で行い、短く破損しているものが５、規則的ならせん状で、数巻で破断しているものを４、規則的ならせん状で数巻から１０巻程度のものを３、規則的ならせん状で、１０巻以上長く連続しているものを２、無規則で長く繋がったものを１というように評価した。本発明鋼は短く破損したものと規則的ならせん状の切屑（評点４以上）が観察された。
【００４２】
透磁率は直径４．９ｍｍまで伸線加工を行った後、透磁率を測定した。本発明鋼の透磁率は１．０１０以下である。
【００４３】
熱間加工性は鋳片から平行部１０ｍｍの試験片を採取し、１０００℃で引張試験を行い破断後の絞り値で評価した。一般的にこの絞り値が５０％以上であれば、熱間圧延は可能である。本発明鋼は５０％以上の良好な熱間加工性を示した。
【００４４】
一方、比較例Ｎｏ．２６〜５２は本発明に比べ、ビッカース硬さ、被削性（切屑処理性）、透磁率、耐食性、熱間加工性、冷間加工性、コストのいずれかが劣っていた。
【００４５】
以上実施例から分かるように本発明例の優位性は明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上に実施例から明らかなように、環境に悪影響を与える重金属（Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅ）を使用しないで、高Ｍｎ鋼のＳ快削ステンレス鋼の切削性改善成分による熱間加工性の劣化、高度の冷間加工後の非磁性という課題を解決した安価な高硬度・非磁性の快削ステンレス快削鋼を提供すること可能である。