技術論文

SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響
柿本

和美*1・貴傳名

一成*2・中間一夫*3

Effect of oxides on machinability and corrosion resistance of SUS304
Kazumi Kakimoto, Kazushige Kidena and Kazuo Nakama

Synopsis: Austenitic stainless steels such as SUS304 are widely used because of their good corrosion resistance, ductility
and weldability. Their high work-hardening rate and poor thermal conductivity, however, degrade machinability incomparison to carbon steels and alloy steels. For machining application, free-machining grades such as SUS303
which are resulfurized to generate manganese sulfides are popular in use. Although manganese sulfides improvemachinability, they deteriorate corrosion resistance of steels because they easily dissolve in water to be corrosion
sites.
On the other hand, it is well known that calcium deoxidized steels have good machinability. Improvement ofmachinability of these steels is due to its protective "belag" on cutting tool, which consists of low melting point calcium bearing oxides. Calcium addition can be one of the remedies for machinability improvement without deterioration of corrosion resistance.
In this paper calcium and aluminum additions were conducted to investigate the effects of oxides on machinability,
corrosion resistance and other properties of SUS304. Calcium bearing steel, especially the steel which includes
low melting point oxides, CaO-SiO2-Al2O3, exerted superior machinability to the conventional deoxidized steel.
Excess amount of aluminum or insufficient amount of calcium resulted in production of alumina-rich oxides, andwas less beneficial to machinability. Calcium addition to the steels dosen't deteriorate corrosion resistance andhave no effect on mechanical properties and hot-workability.
Key words: machinability; free-machining; stainless steel; calcium; aluminum; oxide; corrosion resistance.

1．緒言はすでに多くの報告例 1）〜3），6）〜9）があり，Ca快削鋼の工具寿命の改善の機構は，鋼中に存在する酸化物系介在物

一般に，SUS304等のオーステナイト系ステンレス鋼は，（CaO-SiO2-Al2O3系）が，高速切削時に軟化・溶融して工耐食性，靭性，溶接性等に優れていることから，幅広い分

具表面に付着し，工具と切屑の直接の摩擦を防ぐために摩野で使用されている。しかしその反面，加工硬化しやすい

耗が抑制されるものと考えられている。さらに，耐食性やこと，熱伝導率が低いこと等から，切削加工時の工具摩耗

機械的性質等の他の特性に及ぼす影響が小さいため，優れが大きく被削性については炭素鋼や低合金鋼に比べて劣った耐食性を特徴とするステンレス鋼の被削性を改善するにている。このため快削性が求められる場合には，快削元素は有効な方法の一つである。近年ヨーロッパの鉄鋼メーカ

であるSを添加して被削性を向上させたSUS303等の快削鋼ーをはじめとして，オーステナイト系ステンレス鋼にCa快が多用されている。これらの快削鋼では，硫化物が切削時削鋼化を適用したもの4），5）があるが，鋼中に生成した酸化に応力集中源として働き，切削抵抗を低下させ，切屑処理物の組成は広範囲に及んでおり，最適値はまだ確立されて性を改善する効果を利用している。ところがこれらの快削いない。また，これまで高Cr合金であるオーステナイト系

鋼では，硫化物が発銹や孔食の起点となるため，耐食性がステンレス鋼におけるAl，Ca等の脱酸元素量と生成酸化物

劣化するという問題が生じる。

組成，およびその被削性に関する報告はほとんどなかった7）。

被削性（工具寿命）を改善させる手段として，Caを含む
脱酸剤を用いて脱酸することにより生じる酸化物系介在物

そこで本報では，AlとCaを種々変化させたSUS304の被を利用する方法が知られている。炭素鋼や合金鋼に関して

削性や耐食性，その他諸特性に及ぼす生成酸化物の影響に*1 元技術研究所 高合金鋼グループ*2 技術研究所 高合金鋼グループ（現，条鋼製造部）*3 技術研究所 高合金鋼グループ

27

Sanyo Technical Report Vol.8 (2001) No.1

SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響

Table1. Chemical compositions of materials.
O（ mass%，O，N，solCa，totalCa：ppm ）N
solAl totalAl solCa totalCa

Steel

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Ca-1

0.066

0.32

1.22

0.032

0.021

8.29

18.21

42

449

0.019

0.022

36

37

Ca-2

0.060

0.32

1.21

0.032

0.026

8.32

18.30

100

361

0.006

0.007

42

43

Ca-3

0.058

0.34

1.20

0.031

0.024

8.32

18.34

66

358

0.007

0.011

16

19

SUS304

0.067

0.29

1.18

0.036

0.024

8.17

18.07

52

492

0.002

0.003

tr

tr

SUS303

0.070

0.25

1.90

0.038

0.328

9.01

18.41

105

538

tr

−

−

−

100kg実験鋼塊を直径15mm，20mm，60mmの棒鋼に1493Kにて鍛伸後，固溶化熱処理（1373K-1.2ks保持後水冷）を行って各調査に供した。

ついて検討した。

（クレーター摩耗部）にCaO-SiO 2-Al2O3系の低融点酸化物が付着し保護するために摩耗が抑制されると考えられてい2．供試材および実験方法る9）。本実験の供試材についても酸化物の付着状況を把握することが必要と考え，10min切削後の超硬工具のクレー

2・1

供試材

ター摩耗部を，電子線マイクロアナライザー（EPMA）に

Table1に本実験に用いた供試材の化学成分値を示す。Caよりマッピング分析を行った。

とAlを添加したCa-1〜Ca-3鋼とベース鋼であるSUS304，

2・4

耐食性

そして比較鋼SUS303を100kg真空誘導炉にて溶製し，実験

耐食性は，直径20mm鍛伸材から直径12mm，高さ21mmに供した。Ca-1〜Ca-3鋼のCa，Al添加は，SUS304の成分の試験片を作製し，全面腐食試験，孔食試験およびサイクに調整後，鋳造直前に金属CaSi，Alを溶湯直上から自由落

ル湿潤試験を行って評価した。試験条件および評価方法は下させることにより行った。また，各成分は，Ca-1鋼がTable3に示す。

高Al-高Ca，Ca-2鋼が低Al-高Ca，Ca-3鋼が低Al-低Caとな

2・5

るように，それぞれCa，Alを変化させて設定した。
2・2

その他諸特性

機械的性質は，直径20mm鍛伸材から試験片を作製して酸化物形態と組成

常温引張試験を行い評価した。また，熱間加工性は，直径

酸化物形態は，鋳造材と直径60mm鍛伸材の鍛伸方向に15mmの鍛伸材に1473K-10.8ksの均質化処理を施した後試

平行な断面について光学顕微鏡を用いて観察した。更に，験片に加工し，グリーブル試験を行い評価した。

エネルギー分散型X線分析装置（EDX）を用いて，酸化物

3．実験結果および考察

組成の定量分析を行った。
2・3

被削性
3・1

被削性は，直径60mm鍛伸材を超硬工具P20を用いて，酸化物形態と組成

10分間切削した時の工具摩耗量で評価した。Table2にその鋳造状態の酸化物組成およびその代表的な酸化物形態

切削条件を示す。また，一般にCa快削鋼では，工具摩耗部を，それぞれFig.1とFig.2に示す。高Al-高CaとしたCa-1鋼に生成した酸化物の組成範囲は，（4〜12）％CaO-（0〜2）％SiO2-（88〜99）％Al2O3であり，わずかにCaOを含む

Table2. Cutting conditions.

がAl2O3が大部分の組成であった。低Al-低CaとしたCa-3鋼

Tool

P20（0.4R）の酸化物の場合は，（2〜36）％CaO-（0〜12）％SiO 2 -Feed

0.2mm／min（52〜97）％Al 2O 3であり，Ca-1鋼と同様にAl 2O3が大部分

Cutting depth

1.0mmの酸化物に加え，Al2O3含有率の高いCaO-SiO2-Al2O3系の酸

Cutting speed

200m／min

化物が一部に生成していた。これらに対し，低Al-高Caと

Cutting fluid

None

したCa-2鋼では，ほぼすべての酸化物がCaO-SiO2-Al2O3系

Table3. Conditions and evaluations of corrosion tests.
Test

Condition

Evaluation

General Corrosion

1%HCl 60℃−1440min

Corrosion Loss

Pitting Corrosion

6%FeCl3 35℃−1440min

Corrosion Loss

Humid Atmosphere［（20℃−90min）⇔（70℃−270min）］

Appearance

Corrosion

20cycles，90%RH

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SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響で，その組成範囲は（33〜36）％CaO-（28〜33）％SiO2-

直径60mm鍛伸材の酸化物組成およびその代表的な酸化（35〜37）％Al2O3であり，CaOとSiO2とAl2O3の重量比はほ物形態を，それぞれFig.3とFig.4に示す。鍛伸材の酸化物組

ぼ1：1：1となっていた。また，Fig.2に示すように，Ca-1

成も鋳造状態とほぼ同様の傾向があり，Ca-1鋼およびCa-

鋼とCa-3鋼に比べてCa-2鋼には，やや粗大な酸化物が散3鋼の酸化物は，いずれもCaOやSiO 2をほとんど含まない見された。

Al2O3含有率の高い粒状酸化物であった。それらの酸化物の組成範囲は，重量比で，Ca-1鋼が（2〜8）％CaO-（92〜98）％Al2O3，Ca-3鋼が（5〜11）％CaO-（0〜3）％SiO2-

Si02

Ca-1
Ca-2
Ca-3

0

100

は，CaO：SiO 2：Al 2O 3がほぼ1：1：1となるようなCaOSiO 2 -Al 2 O 3 系の延伸性酸化物で，その組成範囲は（24〜8037）％CaO-（26〜35）％SiO2-（34〜43）％Al2O3であっ
60

40

60

）
％
（
2
Si0

（
％
）

20

Ca
0

（88〜95）％Al2O3であった。これに対し，Ca-2鋼の酸化物

た。Ca快削鋼において，工具摩耗の抑制に有効に作用する

40

鋼やCa-3鋼に生成したAl2O3含有率の高い酸化物の融点は，0

低融点を有することが必要である。文献2）によると，Ca-1

20

80

100
Ca0

酸化物は，切削温度で軟化し摩耗部へ付着するのに適した

20

40

60

80

Si02

Ca-1
Ca-2
Ca-3

0
AI203
100

0

100

80

20

Ca

60

60

）
％
（

40

2

Fig. 1. Compositions of oxide inclusions（as cast）.

Si0

0（
％
）

AI203（％）

40

Ca-1

100
Ca0

80

20

0

0
AI203
100

20

40

60

80

AI203（％）
Fig. 3. Compositions of oxide inclusions（solution treated after
forging）.

Ca-2

Ca-1

Ca-2

Ca-3

SUS304

Ca-3

25µ m
25µm

Fig. 4. Appearance of typical oxide inclusions（Solution treatedafter forging）.

Fig. 2. Appearance of typical oxide inclusions（as cast）.

29

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SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響

2223K〜2273K付近，Ca-2鋼に生成したCaO，SiO2，Al2O3

ように，いずれの摩耗部においても，CaO：SiO2：Al2O3≒がほぼ等比である酸化物の融点は，1673K〜1773K付近と1：1：1となるCaO-SiO2-Al2O3系の低融点酸化物を有する

推定される。また，鋼の切削速度が200m/minであると，工Ca-2鋼は，最も摩耗が少なく，SUS304の被削性を大きく具の平均切削温度は1073K〜1173K，最も高い部分では改善していた。また，Al2O3が大部分の組成である酸化物を1473Kに達し，酸化物はその組成によって軟化・溶融する有するCa-1鋼とCa-3鋼では，CaOの含有率がやや高く若という報告もある 。本実験では，Ca-2鋼に生成した酸化干のSiO2を含有するCa-3鋼の方が摩耗は少なくなってはい物が，最高切削温度に近い1493Kの鍛伸で延性を帯びているが，Ca-2鋼の低減程度には及んでいない。特に，クレる。このことは，Ca-2鋼の酸化物が切削時に軟化しやす

ーター摩耗では，Ca-1鋼とCa-3鋼がSUS304に近い摩耗量

く，工具への付着に適した組成であることを示している。

を示すのに対し，Ca-2鋼はSUS303に近い摩耗量を示して1）

ベース鋼であるSUS304鍛伸材の酸化物は，Cr2O3-MnO-

おり，その差は顕著であった。

Al2O3系であり，Fig.4に示すようなほぼ球状または角張った

すでに述べたように，炭素鋼や合金鋼等のCa快削鋼の工多角形状であった。

具寿命が長くなるのは，鋼中の低融点酸化物が，切削時の3・2

温度や圧力で工具-切屑界面で軟化・溶融し，工具に付着

被削性

Fig.5に超硬工具切削試験における工具摩耗量を示す。フ

して摩耗を抑制するためと考えられている。本実験でも，ランク摩耗量は，SUS304，Ca-1鋼，Ca-3鋼，Ca-2鋼の順

最も摩耗量が少なかったCa-2鋼には，融点が比較的低いに減少していた。特にCa-2鋼のフランク摩耗量は，と推定される酸化物が生じていた。これら酸化物が工具摩SUS304に比べ約70％も低減しており，快削鋼として知ら耗部に付着し，その保護作用により摩耗が抑制されたもの

れるSUS303と同等以上の良好な被削性を示していた。クと考え，実験に用いた超硬工具の10min切削後のクレータ

レーター摩耗量もフランク摩耗量と同様に，SUS304，Ca-

ー摩耗部を電子線マイクロアナライザー（EPMA）で分析

1鋼，Ca-3鋼，Ca-2鋼の順に減少しており，Ca-2鋼のクレした。その結果をFig.6に示す。Ca-2鋼では，摩耗部のほぼーター摩耗量はSUS304に比べ約67％低減していた。この全体にCa，Si，Alの酸化物の付着が確認され，SUS304ではそれら酸化物の付着は全くなかった。また，Ca-1鋼やCa-

Ca-1
Ca-2
Ca-3

SUS304
SUS303Ca-2

0.16
Flank wear VB（mm）

0.14

0

Si

AI

Ca

0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
SUS304

Crater wear KT（mm）

0.00
0.10
0.08

0

Si

AI

Ca

0.06
0.04
0.02
0.00
0

2

4

6

8

25µm

10

Cutting time（min）

Fig. 6. EPMA mapping of the rake face of the tool after turning for10min.

Fig. 5. Tool wear curves.

30

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SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響

3鋼では，Ca，Alの酸化物の付着が若干認められたが，Ca-

3・3

耐食性

2鋼に比べると全体の付着量は非常に少なくなっていた。

快削鋼として広く知られているSUS303は，快削元素でこれは，Ca-1鋼やCa-3鋼の酸化物が，融点を高めるAl2O3

あるSの添加によりMnSを生成させて被削性を改善させてが過剰であり，切削温度で軟化しにくくなったためと考えいるが，その硫化物が発銹の起点となるため，耐食性はられる。即ち，適量のAl2O3を含有する酸化物は，工具摩耗

SUS304に比べて大きく劣っている。一方，Ca快削鋼は，抑制に効果的に働くが，過剰になるとその効果は減少する

SUS303のようにS添加をしていないため大きく劣化すること言える。このように，酸化物の付着量が多いほど摩耗量とはなく，SUS304並みの耐食性であることを特徴としてが少なくなる傾向にあることから，これら酸化物が工具のいる。Fig.8に全面腐食および孔食試験結果を示す。全面腐

保護作用として働き ，摩耗抑制に大きく寄与していると

食試験では，Ca-1〜Ca-3鋼はいずれもSUS303に比べると推察される。また，Ca-2鋼の場合に酸化物の付着量が最

腐食減量は非常に少なく，SUS304と同等の良好な耐食性

6）も多かったことから，CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 系でCaO：SiO 2 ：を示した。孔食試験でも，いずれの鋼種もSUS303よりも

Al2O3≒1：1：1の組成である酸化物が摩耗抑制に適してい

腐食減量は少なく，SUS304に近い耐食性を示していた。

ると考えられる。

Fig.9にはサイクル湿潤試験結果を示す。SUS303は全面に

Fig.7に10min切削後の切屑形態を示す。Ca添加鋼の中で，発銹が認められるが，Ca-1〜Ca-3鋼はSUS304と同様に全工具摩耗量が大きかったCa-1鋼の切屑はSUS304と同様で

く発銹は認められない。以上のようにCa，Alを添加した

形が不揃いで大きいが，工具摩耗量が少なかったCa-2鋼

Ca-1〜Ca-3鋼の耐食性は，SUS304とほぼ同等であり，Sの切屑は，比較的均一で細かく，よりSUS303に近い良好快削鋼のSUS303に比べると非常に優れていることが確認な形状であった。

できた。

60

Ca-1
Corrosion loss（g／m2・h）

General corrosion

Ca-2

50

1％HCl 333K-86.4Ks

40
10
8
6
4
2

Ca-3

0
Ca-1

Ca-2

Ca-3

SUS304 SUS303

Corrosion loss（g／m2・h）

100

SUS304

SUS303

90
80

Pitting corrosion
6％FeCl3 308K-86.4Ks

70
60
50
40
30
20
10
0
Ca-1

Ca-2

Ca-3

SUS304 SUS303

10mm
Fig. 8. Results of corrosion tests.
Fig. 7. Photographs of chips in machining specimen.

31

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SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響

3・4

Ca-1

その他諸特性

Table.4には，常温引張試験により機械的性質を評価した
結果を示す。Ca-1〜Ca-3鋼はいずれもSUS304と同等であり，Ca，Al添加の影響はほとんど認められない。
Fig.10には，グリーブル試験により熱間加工性を評価しCa-2た結果を示す。いずれの鋼種もSUS304と同等で，すべての温度範囲で絞り値60％以上を確保しており，製造上の問
題はない。
Ca-3

機械的性質や熱間加工性に及ぼすCa，Al添加の影響はな
く，被削性に有効に作用する酸化物がこれらの特性に及ぼす影響もないといえる。

SUS304

4．結言
SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響について調査を行い，以下の知見を得た。

SUS3031）酸化物組成はCa，Alにより変化する。Ca-2鋼のように
高Ca-低Alとした成分であれば，重量比で，CaO：
SiO2：Al2O3≒1：1：1となるCaO-SiO2-Al2O3系の延伸性
酸化物を生成し，Ca-1鋼やCa-3鋼のように高Ca-高Al，Fig. 9. Appearance of specimens after humid atmosphere corrosion test.

低Ca-低Alの場合にはAl 2O 3含有率の高い球状酸化物を生成する。
2）工具摩耗を抑制するためには，酸化物をCaO-SiO 2 -Table4. Mechanical properties
Steel

Al2O3系でCaO：SiO2：Al2O3≒1：1：1の組成に制御する

0.2％YSTS

EI

RA

ことが必要である。この場合，酸化物の融点は1673K

（MPa）

（MPa）

（％）

（％）

〜1773Kと推定される。酸化物のAl2O3含有率が過剰に

Ca-1

252

651

61.4

74

なると，融点が高くなってしまうため，被削性の改善

Ca-2

236

645

64.4

75

Ca-3

244

650

62.2

75

SUS304

232

650

66.2

78

効果は少なくなる。
3）工具摩耗が抑制されるのは，鋼中に生成した酸化物が，切削時に軟化・溶融し摩耗部に付着するためである。
クレーター摩耗部にCaO-SiO2-Al2O3系の酸化物の付着が顕著であったCa-2鋼は，SUS304に比べ，フランク
摩耗量を約70％，クレーター摩耗量を約67％も低減し

100

ている。

Reduction of area（％）4）Ca快削鋼の耐食性はSUS303よりも優れ，SUS304とほ80

ぼ同等である。被削性に有効な酸化物が耐食性に及ぼす影響はほとんどない。
5）機械的性質，熱間加工性等の諸特性についてもSUS30460と同等であり，Al，Ca添加の影響や生成する酸化物の影響はない。

40
Ca-1

文

Ca-2
20

献

Ca-3
SUS304

1） 大野鐵；第96，97回西山記念技術講座，日本鉄鋼協会偏，（1984），

0

159．

1100 1200 1300 1400 1500 1600

2） T.Araki，S.Hanabata；Tetsu-to-Hagane，57（1971），2090．

Temperature（K）

3） Jean-Cales BRUNET，Michel HUIGO，Paul TORTERAT and Jean BELLOT

Fig. 10. Hot workability.

：International Symposium on influence of Metallurgy on Machinability of Steel,32

Sanyo Technical Report Vol.8 (2001) No.1

SUS304の被削性および耐食性に及ぼす酸化物の影響

Tokyo，（1977），151．

7） T.Kato，S.Abeyama，A.Kimura，S.NakamuraYamaguti：Denki-Seiko，55

4） SILLE J C：Stainless Steel Ind.，18（1990），18-19，22．

（1984），162．

5） Alloy Digest，SS-722（1998）．

8） T.Ito，T.Takahasi，A.Kimura，K.Yamano：Denki-Seiko，44（1973），29．

6） R.Narutaki，K.Iwata，S.Yamamoto，Y.Yamaguti：Tetsu-to-Hagane，56

9） H.Yamada，S.Yoshida，A.Kimura，K.Kato，T.Ito：Tetsu-to-Hagane，57（1970），391．

（1971），2111．

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