(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でＣｒ：１１．０〜２５．０％を必須元素として含有するステンレス鋼において、Ｂｉ：０．０１〜０．１５％を含有し、且つ、Ｃｕ：０．３〜３．０％，Ｓｎ：０．０３〜０．３％，Ａｇ：０．０１〜０．２％，Ｍｇ：０．００５〜０．０５％のうち１種以上を含有し、鋼中のＢｉ介在物にＣｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇのうち１種以上の元素が、質量％合計で平均２０％以上含まれることを特徴とするＢｉ快削ステンレス鋼。
【請求項２】
フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載のＢｉ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、環境に優しく被削性に優れたPbレスのBi快削鋼に関するものである。特にＢｉの溶解度が低い鋼において、ＢｉとともにＣｕ，Ｓｎ等を溶鋼へ添加することにより、ＢｉとＣｕ，Ｓｎ等の低融点合金の金属介在物を鋼中に多く導入することができ、少量のＢｉ量で被削性を大幅に向上させるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高快削性を要求される分野においては、Ｐｂ快削鋼が広く使用されてきた。例えば、近年、Ｍｎを低減し、ＭｎＳの比率を下げて耐食性を上げると同時に、Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ等の快削元素を添加した高機能快削ステンレス鋼が提案・実用化されいる（例えば、特開平１０−２３７６０３号公報）。しかしながら、これらＰｂ等の毒性の強い快削元素は、近年の環境問題から、規制される動きが強くなっており、製造ができなくなりつつある。
【０００３】
一方、Ｐｂと同じような特性を示すＢｉは希少元素であるが、毒性が低く、また、耐腐食性も高い。そのため、Ｂｉ含有鋼は、環境調和型の高機能快削鋼として有望視されている（例えば、特公平５−４５６６１号公報）。しなかながら、Ｂｉは溶鋼に難溶解であり、蒸気圧も高い。ステンレス溶鋼に対しては特に難溶解を示す。そのため、被削性を実現するために必要なＢｉを添加すると、Ｂｉの難溶性に起因して熱間加工性が劣化するという問題が発生していた。
そのため、従来、環境に優しいBi快削鋼は、世の中であまり使用されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のようなBi含有鋼の従来の欠点を解消するためになされたものであって、Ｃｕ，Ｓｎ等をＢｉとともに溶鋼へ添加することにより被削性の向上を図り、これによって難溶解のＢｉの添加を抑え、少量のＢｉ量で低融点のＢｉ系金属介在物を鋼中に多く導入することを考案し、Ｐｂレスの環境に優しいBi含有鋼（特にステンレス鋼）を安価に提供することを目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、溶鋼に難溶解を示すＢｉに対して、ＦｅとＢｉの両方に親和性が強いＣｕ，Ｓｎ等をＢｉとともに溶鋼へ添加することで被削性の向上が可能であり、これによって熱間加工性などの製造性を劣化させる難溶解のＢｉ量の添加を極力抑えて、低融点のＢｉ系金属介在物を鋼中に多く導入し、Ｂｉ快削鋼の被削性を大幅に向上できることを見出し、本発明をなしたのである。
【０００６】
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Ｃｒ：１１．０〜２５．０％を必須元素として含有するステンレス鋼において、Ｂｉ：０．０１〜０．１５％を含有し、且つ、Ｃｕ：０．３〜３．０％，Ｓｎ：０．０３〜０．３％，Ａｇ：０．０１〜０．２％，Ｍｇ：０．００５〜０．０５％のうち１種以上を含有し、鋼中のＢｉ介在物にＣｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇのうち１種以上の元素が、質量％合計で平均２０％以上含まれるＢｉ快削ステンレス鋼である。
（２）前記（１）記載のＢｉ快削ステンレス鋼がフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、請求項１記載の本発明の限定理由について述べる。
製造性を劣化させるＢｉの添加を最小限に抑えて、低融点の金属介在物を鋼中に多く導入させることが被削性向上と製造性向上に有効である。種々検討した結果、Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，ＭｇがＢｉと相互作用が強く、溶鋼へＢｉとともに添加した場合に、一部がＢｉと合金化して鋼中で低融点の金属介在物を形成することがわかった。このとき、Ｂｉが存在せずにＣｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇだけでは鋼中で低融点の金属介在物を形成せず、Ｂｉが共存するときにのみ低融点の金属介在物を形成する。これにより、従来に比較してＢｉの添加量を少なくしても良好な被削性を実現することが可能になり、結果としてＢｉ快削鋼の熱間加工性を向上させることができる。
【０００８】
また、前記のＢｉ介在物において、Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇのうち１種以上の元素をあわせて、質量％で平均２０％以上含有させると、さらに被削性向上と製造性向上の効果が大きくなる。好ましくは３０％以上である。
【０００９】
次に、請求項１、２記載の本発明の限定理由について述べる。
Ｃｒを含有するステンレス鋼では特に、Ｂｉが難溶解を示し、前記課題が大きくなる。そのため、Ｃｒ：１１．０〜２５．０％を必須元素として含有するステンレス鋼では、本発明の効果が特に大きくなる。尚、ＮｉはＢｉの溶解度を上げる作用があることから、ステンレス鋼の中でもＮｉを殆ど含有しないフェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼で、本発明の効果が特に大きくなる。好ましくは１２％〜２０％である。
【００１０】
ここで、Ｂｉは鋼中で低融点のＢｉ介在物を形成し、鋼に快削性を付与するため、０．０１％以上添加する。しかしながら、０．１５％を超えて添加すると製造性が著しく劣化する。そのため、０．０１％〜０．１５％に限定した。好ましくは０．０５％〜０．１３％である。本発明は、Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇのうち１種以上をＢｉとともに添加するので、Ｂｉ含有量が０．１５％以下であっても良好な被削性を実現することができ、その結果良好な熱間加工性を維持することができる。
【００１１】
Ｃｕは、Ｂｉと低融点の金属介在物を鋼中に形成させて被削性を向上させるとともにＢｉ添加量を抑制できるため、０．３％以上添加する。しかしながら、３．５％を超えて添加すると熱間製造性が劣化する。そのため、上限を３．０％に限定した。好ましくは、０．５％〜２．０％である。
【００１２】
Ｓｎは、Ｃｕと同じような効果で、Ｂｉと低融点の金属介在物を鋼中に形成させて被削性を向上させるとともにＢｉ添加量を抑制できるため、０．０３％以上添加する。しかしながら、０．３％を超えて添加すると熱間製造性が劣化する。そのため、上限を０．３％に限定した。好ましくは０．０５％〜０．２％である。
【００１３】
Ａｇは、Ｃｕと同じような効果で、Ｂｉと低融点の金属介在物を鋼中に形成させて被削性を向上させるとともにＢｉ添加量を抑制できるため、０．０１％以上添加する。しかしながら、０．２％を超えて添加すると製造性が劣化する。そのため、上限を０．２％に限定した。好ましくは０．０５〜０．１５％である。
【００１４】
Ｍｇは、Ｃｕと同じような効果で、Ｂｉと低融点の金属介在物を鋼中に形成させて被削性を向上させるとともにＢｉ添加量を抑制できるため、０．００５％以上添加する。しかしながら、０．０５％を超えて添加すると硬質な粗大非金属介在物が形成して切削性が劣化する。そのため、上限を０．０５％に限定する。
【００１５】
【実施例】
表１に示す化学成分の供試鋼を１００ｋｇ真空溶解し、溶鋼温度が１６００〜１６５０℃で、表２に組成を示すような粒状のＢｉ合金（φ約１０ｍｍ前後）を溶鋼上方から添加して、３分後に上方から約３００ｇの溶鋼をサンプリングした。その後、残りを鋳型に鋳造した。溶解後、３００ｇサンプリング材のチェック分析を行い、製品の化学成分とした。
【００１６】
鋳造後、これらの鋼塊を熱間加工し、φ２１mmの棒鋼にした。その後、焼鈍・酸洗を行い、冷間引き抜き加工およびセンタレス加工により、２０ｍｍφの摩棒に仕上げた。
【００１７】
評価として、Ｂｉ介在物の組成と切削性，熱間製造性を評価した。Ｂｉ介在物の組成について、摩棒の縦断面を鏡面研磨し、ＥＰＭＡのＭＡＰ分析によりＢｉ介在物の位置を調査して、その後、１０箇所の点分析の平均によりＢｉ介在物の組成を調査した。なお、ＭＡＰ分析の測定条件については、加速電圧；１５ｋＶ，照射電流；２．４１×１０-9Ａ，ビーム径；１μm，照射時間；１０ｍｓとした。また、点分析の測定条件については、加速電圧；１５ｋＶ，照射電流；１×10-8Ａ，ビーム径；１μm，照射時間；２０ｓ（バックグランド補正時間内１０ｓ）とした。
【００１８】
切削性は、この摩棒を表３に示す条件で切削試験を行い、被削性を評価した。なお、被削性の評価は工具寿命と切屑形状で行った。工具寿命はフランク摩耗量で評価し、30min後のフランク摩耗量を評価した。また、切屑形状は規則的にカール状に分断されていれば○，不規則な形の連続切屑の場合は×とした。
【００１９】
熱間製造性は、上記鋳片の表層から試験片（φ８ｍｍ×１１０ｍｍ）を切り出し、熱間引張試験によって熱間加工性を評価した。評価は１０００℃における破断絞り値で行った。
【００２０】
まず、鋼中のＢｉ介在物にＣｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇのうち１種以上の元素を含有している本発明の効果について述べる。表４に製品の化学成分を質量％で示し、また、その特性評価結果を表５に示す。表４中の「＊」は、成分値が本発明範囲外であることを示す。
【００２１】
【表１】
0004979162.tif 000002
【００２２】
【表２】
0004979162.tif 000003
【００２３】
【表３】
0004979162.tif 000004
【００２４】
【表４】
0004979162.tif 000005
【００２５】
【表５】
0004979162.tif 000006
【００２６】
参考例No.1と比較例No.11は0.6%C-0.05%Biの炭素鋼を基本成分として本発明の効果を確認したものである。Ｂｉ添加量が同じにも関わらず、参考例No.1ではBi介在物が合金化しているため、比較例No.11に比べ切削性に優れる。
【００２７】
参考例No.2と比較例No.12は0.1%C-0.3%Sの炭素鋼を基本成分として本発明の効果を確認したものである。参考例No.2はBi介在物が合金化しているため、比較例No.12に比べＢｉ量が少ないが、同等の切削性を示す。一方、Bi量が多く添加させている比較例No.12は熱間製造性に劣る。
以上、炭素鋼において本発明の優位性は明らかである。
【００２８】
本発明例No.3と比較例No.13はオーステナイト系ステンレス鋼を基本成分として本発明の効果を確認したものである。本発明例No.3はBi介在物が合金化しているため、比較例No.13に比べBi量が少ないが、同等の切削性を示す。一方、Bi量が多く添加させている比較例No.13は熱間製造性に劣る。
【００２９】
本発明例No.4〜8と比較例No.14〜19は19%Crのフェライト系ステンレス鋼を基本成分として本発明の効果を確認したものである。本発明例No.4〜8はBi介在物が合金化しているため工具寿命も100μm以下であり、切屑処理性も良好である。
【００３０】
一方、Bi添加量が本発明例No.4と同じ比較例No.14は、Bi介在物が合金化しておらず、工具寿命および切屑処理性に劣る。
【００３１】
また、比較例No.15〜18はBi，Cu，Sn，Ag添加量がそれぞれ多いため、切削性は本発明例No.4〜8並に優れるものの熱間製造性が著しく劣化している。また、比較例No.19はMg添加量が多いため、切削性（工具寿命）に劣っている。
【００３２】
本発明例No.9と比較例No.20は19%Cr-0.3%Sのフェライト系ステンレス鋼を基本成分として本発明の効果を確認したものである。本発明例No.9はBi介在物が合金化しているため、比較例No.20に比べBi量が少ないが、同等の切削性を示す。一方、Bi量が多く添加させている比較例No.20は熱間製造性に劣る。
【００３３】
本発明例No.10と比較例No.21はマルテンサイト系ステンレス鋼を基本成分として本発明の効果を確認したものである。Ｂｉ添加量が同じにも関わらず、本発明例No.10ではBi介在物が合金化しているため、比較例No.20に比べ切削性に優れる。
【００３４】
以上、ステンレス鋼においても本発明の効果は明らかである。但し、オーステナイト系ステンレス鋼では、基本の熱間製造性が劣るため本発明の効果が小さい。
【００３５】
次に、鋼中のＢｉ介在物にＣｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇの１種以上の元素が、質量％で平均２０％以上含有することの請求項２の発明効果について述べる。表６に製品の化学成分を質量％で示し、また、その特性評価結果を表７に示す。
【００３６】
【表６】
0004979162.tif 000007
【００３７】
【表７】
0004979162.tif 000008
【００３８】
本発明例No.22〜25と比較例No.26〜28は19%Crのフェライト系ステンレス鋼を基本成分として本発明の効果を確認したものである。Bi介在物中のＣｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｍｇの１種以上の元素濃度が低くなる程、すなわち、Bi濃度が高くなる程、切削性が劣化している。Bi介在物中のBi濃度が80%以上を示す比較例No.26〜28では切削性が劣化している。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、溶鋼に難溶解を示すＢｉに対して、ＦｅとＢｉの両方に親和性が強いＣｕ，Ｓｎ等とともに溶鋼へ添加することで、製造性を劣化させる難溶解のＢｉ量の添加を抑えて、低融点のＢｉ系金属介在物を鋼中に多く導入でき、Ｂｉ含有鋼の被削性を大幅に向上できるものである。