(57)【要約】【課題】有害な被削性元素を含まず、かつ耐食性の良好な快削ステンレス鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０.０１〜０.５％、Ｓｉ：１.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｓ：０.００５〜０.０５％未満、Ｃｒ：１０〜３０％、Ｎｉ：０.６％以下、Ｃｕ：０.５〜４.０％、Ｔｉ：０.０２〜１.０％であり、さらに必要に応じて、Ｎｂ：１.０％以下、Ｍｏ：３.０％以下、Ｚｒ：１.０％以下、Ａｌ：１.０％以下、Ｖ：１.０％以下、希土類元素（ＲＥＭ）：０.０５％以下の１種以上を含有し、残部実質的にＦｅの組成を有し、粒径０.０１μｍ以上のＣｕ相、およびＳとＣを構成元素に含む粒径０.１〜１０μｍのＴｉ系化合物相がマトリクス中に分散した金属組織を有するフェライト系快削ステンレス鋼材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０.０１〜０.５％、Ｓｉ：１.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｓ：０.００５〜０.０５％未満、Ｃｒ：１０〜３０％、Ｎｉ：０.６％以下、Ｃｕ：０.５〜４.０％、Ｔｉ：０.０２〜１.０％、残部実質的にＦｅの組成を有し、Ｃｕ相、およびＳとＣを構成元素に含むＴｉ系化合物相がマトリクス中に分散した金属組織を有するフェライト系快削ステンレス鋼材。
【請求項２】
さらにＮｂ：１.０％以下、Ｍｏ：３.０％以下、Ｚｒ：１.０％以下、Ａｌ：１.０％以下、Ｖ：１.０％以下、希土類元素（ＲＥＭ）：０.０５％以下の１種以上を含有する組成を有する請求項１に記載のフェライト系快削ステンレス鋼材。
【請求項３】
前記Ｃｕ相は、鋼材の断面組織において、粒径０.０１μｍ以上のものが面積率で０.２％以上を占める分布状態である請求項１または２に記載のフェライト系快削ステンレス鋼材。
【請求項４】
前記Ｔｉ系化合物相は、鋼材の断面組織において、粒径０.１〜１０μｍのものが面積率で１％以上を占める分布状態である請求項１〜３のいずれかに記載のフェライト系快削ステンレス鋼材。
【請求項５】
前記金属組織は、熱間圧延後または冷間圧延後の鋼板に対し、８００超え〜１１００℃の温度域に加熱する最終焼鈍、ただしその加熱温度が８００超え〜９００℃のときは当該温度域に保持する時間として少なくとも１ｈｒを超える保持時間を確保する最終焼鈍、を施すことによって得られるものである請求項１〜５のいずれかに記載のフェライト系快削ステンレス鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた耐食性および被削性が要求される機械部品素材に適したフェライト系快削ステンレス鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密機械工業の著しい発達や、耐食性が要求される家電製品・家具調度品等の需要増により、従来ステンレス鋼が使用されていなかった部分にもステンレス鋼が使用されるようになってきた。なかでも工作機械の自動化・省力化に伴い、切削加工を必要とする機器や部品等の生産性向上のため、被削性に優れたステンレス鋼材の要求が高まっている。
【０００３】
これまで、被削性向上元素としてＳ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等を含有させた快削ステンレス鋼が開発され使用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３８２３８号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９５３１号公報
【特許文献３】特開２００５−８９８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
被削性元素として有効なＳは、添加量が多いと熱間加工性、延性および耐食性を著しく低下させ、機械的性質に異方性を生じさせる原因にもなる。このためＳの添加量は最小限に抑えたい。Ｐｂ添加により被削性を向上させた快削ステンレス鋼は使用中に有害なＰｂの溶出を生じることがあり、また環境保護の観点からリサイクル利用しにくいことから、Ｐｂ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る。その他、Ｓｅは鋼中への添加歩留りが悪く、また有害な元素であるため環境対策上で問題となる。ＢｉはＰｂと同様に被削性向上に有効であるが、添加量が多くなると熱間加工性を著しく低下させる。
【０００６】
本発明は、有害な被削性元素を含まず、かつ耐食性の良好な快削ステンレス鋼材を開発し提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは詳細な検討の結果、Ｃｕ相と特定のＴｉ系化合物相とがマトリクス中に共存したフェライト系ステンレス鋼において、快削性が顕著に向上することを見出した。
すなわち本発明では、質量％で、Ｃ：０.０１〜０.５％、Ｓｉ：１.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｓ：０.００５〜０.０５％未満、Ｃｒ：１０〜３０％、Ｎｉ：０.６％以下、Ｃｕ：０.５〜４.０％、Ｔｉ：０.０２〜１.０％であり、さらに必要に応じて、Ｎｂ：１.０％以下、Ｍｏ：３.０％以下、Ｚｒ：１.０％以下、Ａｌ：１.０％以下、Ｖ：１.０％以下、希土類元素（ＲＥＭ）：０.０５％以下の１種以上を含有し、残部実質的にＦｅの組成を有し、Ｃｕ相、およびＳとＣを構成元素に含むＴｉ系化合物相がマトリクス中に分散した金属組織を有するフェライト系快削ステンレス鋼材が提供される。
【０００８】
ここで、「残部実質的にＦｅ」とは、本発明の効果を阻害しない元素の混入が許容されることを意味し、「残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる」ものが含まれる。Ｃｕ相は金属Ｃｕを主体とする析出相であり、いわゆるε−Ｃｕがこれに含まれる。
【０００９】
前記Ｃｕ相は、鋼材の断面組織において、粒径０.０１μｍ以上のものが面積率で０.２％以上を占める分布状態で分散していることが好ましい。また、前記Ｔｉ系化合物相は、鋼材の断面組織において、粒径０.１〜１０μｍのものが面積率で１％以上を占める分布状態で分散していることが好ましい。
【００１０】
このような金属組織をもつ鋼材は、熱間圧延後または冷間圧延後の鋼板を８００超え〜１１００℃の温度域に加熱する最終焼鈍に供することによって製造できる。ただし、その加熱温度が８００超え〜９００℃のときは当該温度域に保持する時間として少なくとも１ｈｒを超える保持時間を確保する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｃｕ相とＴｉ系化合物相とをマトリクス中に分散させる手法によりフェライト系ステンレス鋼の被削性を向上させた。そのため従来被削性元素として多量に添加されていたＳの添加量を大幅に低減することが可能になり、耐食性が顕著に改善された。また、人体に有害なＰｂ、Ｓｅ等の被削性元素を添加しておらず、Ｂｉ等の特殊元素の添加も必要ないので、環境問題やリサイクル性、さらには材料コストの面でも従来の快削ステンレス鋼に比べ有利である。本発明の快削ステンレス鋼材は耐食性が要求される切削加工部品の材料として好適であり、広範な分野での使用が期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ステンレス鋼は一般的に被削性が悪く、広く普及している金属材料の中でも難削材の一つに数えられている。被削性が悪い原因として、熱伝導率が低いこと、加工硬化の程度が大きいこと、凝着しやすいこと等が挙げられる。
【００１３】
被削性を改善する手段として、比較的脆性な介在物あるいは析出物をマトリクス中に分散させることが有効である。しかし、従来から採用されているＳ系の介在物あるいは析出物による被削性向上手段は、ステンレス鋼の耐食性を低下させるという弊害を生じ、ステンレス鋼本来の高耐食性が十分に活かされないという問題を伴っていた。
【００１４】
そこで発明者らは種々の析出相について被削性の向上効果を検討した。その結果、ε−Ｃｕ等のＣｕ相が被削性向上に利用できることを知見した。
Ｃｕ相はステンレス鋼の析出強化手段として従来からも利用されている（特許文献３）。しかし、強度向上に有効なＣｕ相は非常に微細に分散した析出物であり、これによって被削性を大幅に向上させることは困難である。ところが、析出強化能にはやや劣る程度に成長したＣｕ相、あるいは析出強化には十分寄与しない程度に粗大化したＣｕ相が分散して存在すると、被削性の顕著な向上が可能になることがわかった。このようなＣｕ相は、切削時において工具すくい面上での潤滑、熱伝導作用に基づく減摩により、切削抵抗を低減させるとともに工具寿命を延ばし、被削性が向上に大きく寄与するものと考えられる。
【００１５】
ただし、単に上記のようなＣｕ相を分散させるだけでは被削性を十分に向上させることはできない。Ｃｕ相は軟質であるため、切削時の亀裂の起点となりうる硬質な粒子がさらに必要である。研究の結果、そのような硬質な粒子として、ＳとＣを構成元素に含むＴｉ系化合物相を分散させることが極めて効果的であることがわかった。このＴｉ系化合物相は、組成式Ｔｉ4Ｓ2Ｃ2で表される化合物を主体とするものと考えられる。Ｔｉ系化合物相は切削時に亀裂の起点となり、切削抵抗の低減および工具寿命の向上に寄与する。
【００１６】
このように、本発明の快削ステンレス鋼材は、軟質なＣｕ相と硬質なＴｉ系化合物相とを複合析出させた組織を有するものである。切削時においてＳとＣを構成元素に含む硬質なＴｉ系化合物相が亀裂起点となり、その亀裂が軟質なＣｕ相に伝播するとともにＣｕ相の潤滑作用が発揮され、切削抵抗が低減するとともに工具寿命が延び、結果的に被削性の顕著な向上がもたらされるものと考えられる。
【００１７】
被削性を向上させる上でＣｕ相は比較的粗大なものがマトリクス中に分散している必要がある。種々検討の結果、Ｃｕ相は、鋼材の断面組織において、粒径０.０１μｍ以上のものが面積率で０.２％以上を占めるような分布状態で分散していることが望ましい。しかし、あまり粗大なＣｕ相が多量に存在するとＣｕ相同士の距離が大きくなりすぎて亀裂のスムーズな伝播が起こりにくくなるとともに、鋼材の脆化にも繋がるので、Ｃｕ相の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
Ｔｉ系化合物相については、鋼材の断面組織において、粒径０.１〜１０μｍのものが面積率で１％以上を占めるように分散していることが望ましい。
【００１９】
これらの析出相の粒径は、鋼材の断面組織中に観察される個々の粒子の最も長い部分の直径によって表される。析出相の粒径や面積率は、鋼材の断面を研磨した試料を観察することにより求められるが、透過型電子顕微鏡を用いて例えば加速電圧２００ｋＶで観察することにより測定することもできる。なお、Ｃｕ相およびＴｉ系化合物相の存在量（面積率）の上限については後述する化学組成により必然的に制約されるので特に規定する必要はない。
【００２０】
Ｃｕ相およびＴｉ系化合物相を生成させるための熱処理としては、比較的粗大なＣｕ相が十分に生成する条件に設定することが必要である。すなわち、鋼材を８００℃を超え１１００℃以下の温度域に加熱保持する熱処理が採用できるが、加熱温度が８００℃超え〜９００℃である場合は当該温度域に鋼材を１ｈｒを超えて保持することが望ましい。加熱後の冷却は、例えば８００〜３００℃の間の平均冷却速度が５℃／ｍｉｎ以下であるように徐冷することが被削性の向上に有効な脆性的なＣｕ相を十分に生成させるうえで有利である。Ｃｕ相の析出は、炭窒化物や析出物を形成しやすいＮｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ等の元素を添加することによっても促進される。
Ｔｉ系化合物相については、Ｃｕ相の適正な析出を優先的に考慮した上記の熱処理条件を採用することによって適正に析出させることができる。
【００２１】
本発明のフェライト系快削ステンレス鋼材は一般的なステンレス鋼板の製造プロセスに従って製造できる。例えば、後述する組成の鋼を溶製し、目標板厚に応じて「熱間圧延→最終焼鈍」の工程、あるいは「熱間圧延→（焼鈍）→冷間圧延→最終焼鈍」の工程により製造できる。その際、最終焼鈍において上記の熱処理を実施する。なお、熱間圧延後あるいは焼鈍後には必要に応じて酸洗が施される。目標板厚は１.５〜５ｍｍの範囲で設定すれば、鋼板を素材にした種々の切削部品用途に幅広く適用できる。
【００２２】
以下、成分元素について説明する。
Ｃは、被削性を向上させるＴｉ系化合物相を構成する重要な元素であり、被削性向上効果を発現させるためには０.０１質量％のＣ含有が必要であるが、０.０１質量％を超えて含有させることが効果的であり、特に０.０２質量％以上を含有させることが好ましい。０.０３質量％を超えるＣ含有量を確保することが一層好ましい。しかし、過剰なＣ含有は製造性や耐食性を低下させる要因になるので、Ｃ含有量の上限は０.５質量％に制限され、０.１５質量％以下の範囲で添加することが一層好ましい。
【００２３】
Ｓｉは、耐食性の改善に有効な元素であり、鋼の脱酸剤として添加することができる。しかし、Ｓｉ含有量が過大となると固溶強化により鋼が硬質化し、製造性や加工性の低下を招く。また、熱間加工性を低下させる要因にもなる。したがってＳｉ含有量は１.０質量％以下に制限される。
【００２４】
Ｍｎは、製造性を改善すると共に、鋼中のＳをＭｎＳとして固定する作用を有する。ＭｎＳは被削性の向上には有効であるが、耐食性を劣化させる要因になるので、本発明ではＭｎＳの生成を抑制する方が好ましい。このため、Ｍｎ含有量は１.０質量％以下に制限される。
【００２５】
Ｓは、Ｃと共にＴｉ系化合物相を構成する重要な元素であり、その被削性向上効果を得るためには０.００５質量％以上のＳ含有が必要である。しかし、過剰なＳ含有はステンレス鋼本来の耐食性を劣化させるので、本発明ではＳ含有量を０.０５質量％未満に制限する。
【００２６】
Ｃｒは、耐食性を維持するための必須元素であり、少なくとも１０質量％の含有量が必要である。しかし、過剰なＣｒ含有は熱間加工性の低下および靱性の低下を招くので、３０質量％以下の含有量とする。
【００２７】
Ｎｉは、耐食性の向上に有効であるが、オーステナイト形成元素であるため過剰な含有は好ましくない。本発明ではＮｉ含有量を０.６質量％以下に制限する。
【００２８】
Ｃｕは、本発明において耐食性と被削性を向上させるために重要な元素である。上述のようにＣｕ相による被削性向上効果を得るためには０.５質量％以上のＣｕ含有が必要である。０.７質量％以上のＣｕ含有量を確保することがより好ましく、１.０質量％以上とすることが一層好ましい。ただし、過剰なＣｕ含有は熱間加工性を劣化させ、製造性や加工性等に悪影響を及ぼすので、Ｃｕ含有量の上限は４.０質量％に制限される。特に良好な加工性が要求される場合は３.０質量％以下の範囲でＣｕを含有させることが好ましい。
【００２９】
Ｔｉは、脱酸、脱窒剤であるとともに、本発明では上述のように切削時の亀裂基点となるＴｉ系化合物相を生成させるために重要な元素である。Ｔｉ系化合物相による被削性向上効果を得るには少なくとも０.０２質量％のＴｉ含有が必要であるが、０.０５質量％以上のＴｉ含有量を確保することがより効果的であり、０.１質量％以上のＴｉ含有量とすることが一層好ましい。しかし、過剰なＴｉ含有は製造性や加工性を劣化させ、また製品表面に疵を発生させやすくする原因となるので、Ｔｉ含有量は１.０質量％以下の範囲に制限される。通常、０.５質量％以下のＴｉ含有量範囲で良好な被削性改善効果が得られる。
【００３０】
Ｎｂは、Ｃｕ相の均一分散に寄与する。すなわちＣｕ相はＮｂ系析出物の周囲に析出する傾向が強いので、Ｃｕ相を均一に分散させるには、Ｎｂを添加して高温でＮｂ系析出物を微細に析出させた組織を得ておくことが有利である。その際、Ｎｂ含有量を０.０１質量％以上確保するとより効果的である。しかし、過剰のＮｂ添加は製造性や加工性に悪影響を及ぼすので、Ｎｂを添加する場合は１.０質量％以下の範囲で行う。
【００３１】
Ｍｏは、耐食性を向上させるとともに、Ｃｕ相の核生成サイトとして有効なＦｅ2Ｍｏ等の金属間化合物として析出する。これらの効果を十分に発揮させるためには０.５質量％以上のＭｏを含有量させることが好ましい。ただし、過剰のＭｏ含有は製造性や加工性に悪影響を及ぼすので、Ｍｏを添加する場合は３.０質量％以下の範囲で行う。
【００３２】
Ｚｒは、Ｃｕ相の核生成サイトとして有効な炭窒化物となって析出する。その効果を十分に得るためには０.１質量％以上のＺｒ含有量を確保することが望ましい。ただし、過剰のＺｒ含有は製造性や加工性に悪影響を及ぼすので、Ｚｒを添加する場合は１.０質量％以下の範囲で行う。
【００３３】
Ａｌは、Ｍｏと同様、耐食性を改善するとともに、Ｃｕ相の核生成サイトとして有効な化合物として析出する。その効果を十分に得るためには０.０１質量％以上のＡｌ含有量を確保することが望ましい。ただし、過剰のＡｌ含有は製造性や加工性に悪影響を及ぼすので、Ａｌを添加する場合は１.０質量％以下の範囲で行う。
【００３４】
Ｖは、Ｚｒと同様にＣｕ相の核生成サイトとして有効な炭窒化物となって析出する。その効果を十分に得るためには０.１質量％以上のＶ含有量を確保することが望ましい。ただし、過剰のＶ含有は製造性や加工性に悪影響を及ぼすので、Ｖを添加する場合は１.０質量％以下の範囲で行う。
【００３５】
希土類元素（ＲＥＭ）は、熱間加工性を改善する作用があり、０.００１質量％以上含有させることが効果的である。また、Ｃｕ相の析出に有効な析出物となってマトリクス中に分散する。しかし、過剰のＲＥＭ添加は逆に熱間加工性を低下させる原因になるので、ＲＥＭを添加する場合は０.０５質量％以下の範囲で行う。
【００３６】
その他、Ｂは、Ｎを固定し耐食性や加工性を改善する元素であり、その作用は０.０００５質量％以上のＢ含有によって顕在化する。しかし、過剰のＢ含有は熱間加工性に悪影響を及ぼす。したがってＢの添加は０.０１質量％以下の範囲で許容される。Ｐは少ない方がよく、０.１質量％以下に規制することが望ましい。Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｏ等も原料から混入することがあるが、過剰に含まれない限り耐食性や被削性には特に悪影響を及ぼさない。これらの元素は本発明の効果を阻害しない範囲（例えば０.１質量％以下）で含有が許容される。
【実施例】
【００３７】
表１に示す組成のフェライト系鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、得られたインゴットを１２００〜９００℃温度範囲で板厚３ｍｍまで熱間圧延した。その後、熱延板を８００超え〜１１００℃の温度範囲に加熱したのち炉冷する条件で最終焼鈍を行った。その際、８００℃超え〜９００℃の加熱温度を採用した試料では、当該温度域での加熱保持時間として１ｈｒを超える時間を確保した。また、最終焼鈍での冷却速度は８００〜３００℃の平均冷却速度が約０.５℃／ｍｉｎとなるようにコントロールした。最終焼鈍後の鋼板の両面を研削して、板厚２.５ｍｍの供試鋼板を得た。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
〔組織観察〕
各供試鋼板から切り出した試験片について、圧延方向に垂直な断面（Ｃ断面）を研磨し、フッ硝酸によりエッチングしたのち、この面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、Ｃｕ相とＴｉ系化合物相のサイズおよび面積率を調べた。Ｃｕ相とＴｉ系化合物相の同定はＳＥＭに付属のＥＤＳ装置によって行った。
その結果、本発明例の鋼はいずれも、Ｃｕ相については粒径０.０１μｍ以上のものが面積率で０.２％以上を占める分布状態であり、かつＴｉ系化合物相については粒径０.１〜１０μｍのものが面積率で１％以上を占める分布状態であることが確認された。また、当該Ｔｉ系化合物相中にはＳおよびＣの存在が確認され、定量分析結果からＴｉ系化合物相は組成式Ｔｉ4Ｓ2Ｃ2で表される化合物を主体とするものであると考えられた。
【００４０】
〔被削性試験〕
各供試鋼板について以下のようにして被削性を調べた。
供試鋼板から切削試験片を切り出し、横型フライス盤を用いて切削試験に供した。切削条件は以下のとおりである。
乾式、切削工具：３.５ｍｍφハイスエンドミル、周速：１０〜３０ｍ／ｍｉｎ、送り速度：１０〜５０ｍｍ／ｍｉｎ、切込み深さ：０.５ｍｍ
【００４１】
試験片はロードセルに固定し、上記条件で切削を行ったときに試験片に発生する主分力を測定した。その測定値を切削抵抗とした。切削抵抗が１０Ｎ以下のものを◎（極めて良好）、１０Ｎ超え〜１５Ｎのものを○（良好）、１５Ｎを超えるものを×（不良）と評価し、○評価以上のものを合格と判定した。
また、切削後の試験片の表面（切削面）について仕上面粗さを測定した。仕上面粗さは触針式表面粗さ計を用いてＪＩＳ Ｂ０６０１に規定される算術平均粗さＲａを切削方向に対して直角方向に測定することにより求めた。Ｒａが０.５μｍ以下のものを◎（極めて良好）、０.５超え〜１.０μｍのものを○（良好）、１.０μｍを超えるものを×（不良）と評価し、○評価以上のものを合格と判定した。
さらに、切削試験で生じた切粉の形状を目視観察し、形状が丸まって破砕性が良好なものを○、破断形状が悪く破砕性に劣るものを×と評価し、○評価のものを合格と判定した。
結果を表２に示してある。
【００４２】
〔耐食性試験〕
ＪＩＳ Ｚ２３７１に準拠した塩水噴霧試験を行った。
供試鋼板から切り出した腐食試験片（５０×１００ｍｍ）の表面をエメリー紙により＃６００まで研磨し、脱脂洗浄したの後、３５℃の５質量％塩化ナトリウム水溶液噴霧環境に７２時間暴露させた。試験後の試験片表面を目視観察し、発生が全く認められなかったものを○（良好）、発生が認められたものを×（不良）と評価し、○評価のものを合格と判定した。
結果を表２に示してある。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
表２からわかるように、本発明例のフェライト系ステンレス鋼材はいずれも優れた被削性を有しており、また耐食性も良好であった。
これに対し、比較例であるＮｏ.２１はＳ含有量が高すぎたため耐食性に劣り、Ｃｕ含有量が不足したため本発明例のものより切削抵抗が高かった。Ｎｏ.２２はＳ含有量が高すぎたため耐食性に劣り、Ｔｉ含有量が不足したため本発明例のものより切削抵抗が高かった。Ｎｏ.２３はＳ含有量が高すぎたため耐食性に劣り、Ｃｕ、Ｔｉともに含有量が不足したためＣｕ相およびＴｉ系化合物相による被削性向上作用が得られず、被削性が悪かった。Ｎｏ.２４はＳ含有量とＴｉ含有量が低すぎたためＴｉ系化合物相による被削性向上作用が発揮されず、被削性に劣った。Ｎｏ.２５はＳ含有量が低すぎたためＴｉ系化合物相による被削性向上作用が発揮されず、被削性に劣り、またＣｒ含有量が不足したため耐食性も悪かった。