專利名稱：具有優(yōu)異的表面粗糙度和抗釋氣性的鐵素體易切削不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有優(yōu)異的表面粗糙度和抗釋氣性(outgass resistance)的鐵素體易切削不銹鋼。
背景技術(shù)：
近年來，為了推動使計算機(jī)、其外圍設(shè)備或其它電子產(chǎn)品免于維修的趨勢，可以以較低成本獲得抗腐蝕性的鐵素體不銹鋼被廣泛用作其部件的材料。尤其是，由于可切削(加工)性的改善被認(rèn)為對于要求精密的精切削加工以確保尺寸精度的部件和具有復(fù)雜形狀且涉及大的切削量(machining removal)的部件而言是重要的，故要包含的提供易切削性能的元素的量趨于增加。此外，這些元素在使用時不僅分別加入其中的每一種而且也組合加入。
作為提供可切削性的元素，已知S、Pb、Se、Bi、Te和Ca等。在這些元素中，鉛(Pb)在全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的關(guān)注提升的近年來逐漸被排斥，因此，限制使用鉛的設(shè)備和部件越來越多。于是，將硫用作改善可切削性元素的主要元素的材料被認(rèn)為是一種替代材料(參見例如日本專利申請公開Nos.S56-16653、S62-258955、S54-17567和H10-46292)。通過在這些材料中生成錳基硫化物如主要是MnS，可以將其用于改善當(dāng)切削硫化物而形成切屑時的應(yīng)力集中效應(yīng)，以及由于工具和切屑之間的潤滑作用而產(chǎn)生的可切削性和可磨削性。
然而，當(dāng)生成錳基硫化物時，硫化物成為一個降低合金的抗腐蝕性和抗釋氣性的因素。降低抗釋氣性意味著當(dāng)合金暴露于大氣時，合金材料中包含的硫成分產(chǎn)生含硫的氣體并釋放該氣體，該氣體易于造成部件外圍電路的腐蝕。這種含硫氣體尤其易于在組件如經(jīng)常在密封狀態(tài)下使用的計算機(jī)的外圍設(shè)備，例如硬盤驅(qū)動器(HDD)中造成故障。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鐵素體易切削不銹鋼，其具有優(yōu)異的表面粗糙度、抗腐蝕性和抗釋氣性，同時具有優(yōu)異的可切削性。
為了實現(xiàn)以上目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種具有優(yōu)異的表面粗糙度和抗釋氣性的鐵素體易切削不銹鋼，包含以重量百分比計0.06％或更低的C、0.05至1.0％的Si、2.0％或更低的Mn、0.050％或更低的P、0.05至0.50％的S、2.0％或更低的Cu、2.0％或更低的Ni、9.0至25.0％的Cr、4.0％或更低的Mo、0.065至2.0％的Ti、0.0150％或更低的O、0.020％或更低的N、0.001至0.100％的Al，以及鐵和在余下部分中的不可避免的雜質(zhì)，其中所述不銹鋼滿足以下方程式中的方程式(1)和(2)，[Ti]≥1.3×[S]……方程式(1)[Mn]/[Ti]≤3……方程式(2)(WTi+WCr)＞2×WMn……方程式(3)其中所述不銹鋼中含有的Ti的量以[Ti]表示，S的量以[S]表示，且Mn的量以[Mn]表示，且其中所述不銹鋼滿足方程式(3)，其中在鋼組織結(jié)構(gòu)中所生成的硫化物中所含有的Ti的量以WTi表示，Cr的量以WCr表示，且Mn的量以WMn表示。
通常，S易于與鋼材料中的成分Mn形成硫化物。然而，如上所述，錳基硫化物成為一個降低合金的抗腐蝕性和抗釋氣性的因素。則根據(jù)本發(fā)明，通過在鋼的組織結(jié)構(gòu)中加入Ti以生成鈦基硫化物如TiS而不是錳基硫化物，抗腐蝕性和抗釋氣性得以改善。此外，由于鈦基硫化物呈球體形式并很細(xì)致地分散，故本發(fā)明的鐵素體易切削不銹鋼具有優(yōu)異的可切削性，并且在精密機(jī)加工中具有優(yōu)異的雜質(zhì)掉落性能(inclusion fallingproperty)，尤其是表面粗糙度。而且，當(dāng)硫化物含有Cr時可以取得同樣的效果。這里使用的“A”基硫化物指的是其中在與硫結(jié)合的成分中以最高重量比被包含在硫化物中的成分(元素)是“A”的硫化物。也就是說，在鈦基硫化物中，與其它元素(如Mn)相比，有更多的Ti與S結(jié)合。
以下將說明對本發(fā)明的權(quán)利要求書的限定理由。
C(碳)0.06％或更低當(dāng)C的含量過多時，C通過形成許多單質(zhì)形式的碳化物而阻礙可切削性的改善。因此，上限是0.06％且優(yōu)選范圍是0.03％或更低。更優(yōu)選的范圍是0.015％或更低。
Si(硅)0.05至1.0％Si作為鋼的脫氧劑加入。為了獲得脫氧劑的效果，需要0.05％或更多的Si。然而，當(dāng)Si的含量過多時，鋼的熱加工性降低。因此，上限是1.0％。強調(diào)熱加工性的優(yōu)選范圍是0.05至0.5％。
Mn(錳)2.0％或更低Mn作為鋼的脫氧劑加入，此外，因為其產(chǎn)生錳基硫化物(MnS)而具有改善可切削性的作用。然而，由于錳基硫化物(MnS)降低抗腐蝕性，故含量上限是2.0％。當(dāng)特別強調(diào)抗腐蝕性時，含量范圍是1.0％或更低。更優(yōu)選的是0.5％或更低。
P(磷)0.050％或更低由于P除了通過在顆粒邊界偏析而增加顆粒間的腐蝕敏感性之外，還引起剛性降低，所以希望其含量盡可能地低。P的含量范圍理想地為0.050％或更低。優(yōu)選的是0.030％或更低。
S(硫)0.05至0.50％S是硫化物的組成元素，可改善可切削性，為獲得此效果需要有0.05％的S。然而，當(dāng)S的含量過多時，熱加工性降低，故上限是0.50％。考慮到可切削性的改善和熱加工性的降低之間的平衡，S的含量范圍理想地為0.15至0.40％。
Cu(銅)2.0％或更低因為Cu可有效改善抗腐蝕性，尤其是在還原性酸性環(huán)境中的抗腐蝕性，故Cu可在需要時加入。然而，由于過量加入Cu會降低熱加工性，故上限是2.0％，理想地為1.0％或更低。
Ni(鎳)2.0％或更低Ni是為了補充僅含Cr時抗腐蝕性的不足所必需的元素。然而，由于過量加入Ni引起成本增加，故上限是2.0％。此外，考慮到有效的抗腐蝕性和綜合成本之間的平衡，Ni的含量理想地為1.0％或更低。
Cr(鉻)9.0至25.0％Cr是改善抗腐蝕性的元素，為了獲得此效果，應(yīng)含有9.0％或更多的Cr。另一方面，當(dāng)Cr的含量過多時，除增加成本外還降低熱加工性，故上限是25.0％。此外，考慮到有效的抗腐蝕性和綜合成本之間的平衡，Cr的含量范圍理想地為13.0至21.0％。
Mo(鉬)4.0％或更低Mo可進(jìn)一步改善抗腐蝕性和強度。然而，由于過量加入Mo降低熱加工性，除此之外還引起成本增加，故上限是4.0％?？紤]到成本的增加，Mo的含量范圍理想地為1.5％或更低。
Ti(鈦)0.065至2.0％Ti是生成改善可切削性的鈦基硫化物必需的元素，為了獲得此效果必須含有0.065％或更多的Ti。另一方面，由于Ti含量過多時成本增加，故Ti含量的上限是2.0％。此外，為了獲得更有效的可切削性，Ti的含量范圍理想地為0.075至2.0％。
O(氧)0.0150％或更低O含量的上限是0.0150％，這是因為O與可有效改善可切削性的化合物的組成元素Ti結(jié)合并形成不利于改善可切削性的氧化物。O的含量范圍理想地為0.0080％或更低，而且考慮到制造成本并且為了確保形成鈦基硫化物所必需的Ti的有效量，更理想的O含量為0.0050％。
N(氮)0.020％或更低N的含量上限是0.020％，這是因為N與可有效改善可切削性的化合物的組成元素Ti結(jié)合并形成不利于改善可切削性的氮化物。N的含量范圍理想地為0.010％或更低，考慮到制造成本并且為了確保形成鈦基硫化物所必需的Ti的有效量，更理想的N含量為0.006％或更低。
Al(鋁)0.001至0.100％Al作為鋼的脫氧劑加入。然而，Al含量的上限是0.100％，這是因為當(dāng)Al含量過多時形成對可切削性不利的氧化物。Al的含量范圍理想地為0.050％或更低。
≥1.3×[s]……方程式(1)Ti的含量是S含量的1.3倍或更高，以便抑制降低抗腐蝕性和抗釋氣性的錳基硫化物(MnS)的生成并將鋼組織結(jié)構(gòu)中所有的S固定于Ti上。更理想地是，[Ti]≥1.5×[S]，即Ti的含量可以是S含量的1.5倍或更高。[]表示鋼中所含成分的量。
/[Ti]≤3……方程式(2)Mn的含量是Ti含量的3倍或更低，以便抑制降低抗腐蝕性和抗釋氣性的錳基硫化物(MnS)的生成，并且(以便降低硫化物中Mn的含量并提高Ti的含量)而導(dǎo)致生成鈦基硫化物。
(WTi+WCr)＞2×WMn……方程式(3)為了使鋼具有優(yōu)異的抗腐蝕性和抗釋氣性，優(yōu)選在硫化物中Ti的含量和Cr的含量的和超過Mn含量的兩倍。這里，“W”表示其后的成分在硫化物中的量。
在本發(fā)明的鐵素體易切削不銹鋼中，除上述成分外，所述不銹鋼還可含有以重量百分比計的任何一種或多種選自以下的成分0.01至0.30％的Pb、0.01至0.30％的Se、0.10％或更低的Te和0.01至0.30％的Bi。
由于Pb(鉛)、Se(硒)、Te(碲)和Bi(鉍)可進(jìn)一步改善可切削性，故可在需要時加入。然而，由于其過量加入會降低熱加工性，故其每一種的加入量的上限分別為0.3％的Pb、0.30％的Se、0.10％的Te和0.30％的Bi。為了充分獲得改善可切削性的效果，理想的是分別加入0.01％或更多的以上每種成分。
在本發(fā)明的鐵素體易切削不銹鋼中，除上述成分外，所述不銹鋼還可含有以重量百分比計的任何一種或多種選自以下的成分0.05％或更低的Ca、0.02％或更低的Mg、0.02％或更低的B、0.02％或更低的REM、0.50％或更低的V、0.50％或更低的Nb、2.0％或更低的W和0.50％或更低的Ta。
由于Ca(鈣)、Mg(鎂)、B(硼)和REM(一種或多種稀土元素)可以改善鋼的熱加工性，故它們可以在需要時加入。然而，由于其過量加入使效果飽和并相反地會降低熱加工性，故所要加入量的上限是0.05％的Ca、0.02％的Mg、0.02％的B和0.02％的REM。
由于W(鎢)可以改善鋼的抗腐蝕性和強度，故可在需要時加入。然而，由于其過量加入會降低熱加工性并引起成本增加，故所要加入量的上限為2.0％。
由于Nb(鈮)、V(釩)和Ta(鉭)具有通過形成碳氮化物和使鋼中的晶粒非常細(xì)而改善粗糙度的效果，故其中每一種可分別在0.50％或更低的范圍內(nèi)加入。
具體實施例方式
為了驗證本發(fā)明的效果，進(jìn)行了以下的實驗。
首先，通過將具有表1中所示組成成分的每種類型的鋼的50kg錠料在高頻感應(yīng)電爐中熔化制備后，通過冷卻所熔化的鋼制成鋼錠。然后，將每個鋼錠加熱至1050至1100℃，通過熱鍛形成長度為20mm的圓棒。再將這些圓棒在800℃加熱一小時后，將其在空氣中冷卻(退火)并用于各實驗。各實驗的結(jié)果示于表1。
wt％ 表1
(1)可切削性的評價通過評價切削后工件外部直徑的偏差、表面粗糙度和切屑形狀而對可切削性進(jìn)行評價。
使用硬質(zhì)合金刀具在不溶性油中在下列條件下進(jìn)行切削100mm/min的切削速度、0.10mm的切削深度和0.01mm/rev的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。對50個樣本實施切削，測量試樣的外部直徑和切削后工具的磨損。
外部直徑的偏差是相對于初始工件(initial work)外部直徑的變化。將判定改變的標(biāo)準(zhǔn)確定為橫向后角(lateral relief)的磨損小于50μm的情形為“小”，等于或大于50μm和等于或小于100μm的情形為“中”，以及超過100μm的情形為“大”。
表面粗糙度是用JIS-B0601所指定的方法測量切削后的工件表面的算術(shù)平均值(Raμm)。
此外，切屑的形狀可以目測，并且大約10mm或更小尺寸的、具有良好碎裂性能的切屑被評價并表示為“好”，而其它沒有彼此分離的切屑被評價并表示為“差”。
(2)抗腐蝕性抗腐蝕性評價試驗以濕式試驗(wet-type test)的形式進(jìn)行。使用具有圓柱形狀、直徑為10mm且高度為50mm的工件作為試樣，并將它們的表面用400目的砂紙拋光并且清洗以去油。此后，將這些工件在50℃的溫度和98％的相對濕度的高溫和高濕度環(huán)境中存放98小時。然后，通過目測其外表來評價工件是否生銹。
(3)抗釋氣性抗釋氣性的評價通過確定所產(chǎn)生硫的量而進(jìn)行。更具體而言，所使用的試樣是矩形平行六面體，尺寸為高15mm、寬3mm且深25mn，其全部表面已用400目的砂紙拋光。然后，將所述試樣、一張銀箔(尺寸高0.1mm、寬5mm且深10mm；且純度為99.9％或更高)和0.5cc的純水置于一個容積為250cc的密封容器中。然后，將容器內(nèi)的溫度保持在85℃下20小時。當(dāng)含硫氣體產(chǎn)生時，該銀箔作為吸氣劑，并且當(dāng)該銀箔所吸收的硫成分過量時，銀箔的表面因為硫化銀的生成而變黑。然后，通過目測來檢查銀箔表面顏色的變化，并且將抗釋氣性評價為3級，其中顏色沒有任何變化的評價為“A”，顏色略微變化的評價為“B”，顏色明顯變化的評價為“C”。那些獲得A或B的評價結(jié)果的被認(rèn)為抗釋氣性優(yōu)異。
根據(jù)表1所列的試驗結(jié)果，可以看出，根據(jù)本發(fā)明的任何類型的鋼均具有良好的可切削性和表面粗糙度，并且具有優(yōu)異的抗腐蝕性和抗釋氣性。
下面，對于本發(fā)明的一些鋼型和對比的鋼型，利用電子探針顯微分析法(EPMA)對鋼組織結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的硫化物進(jìn)行組成分析。分析結(jié)果示于表2。根據(jù)表2，可以看出，本發(fā)明的鋼的硫化物的組成滿足方程式(3)并且硫化物含有高比例的Ti。相比之下，對于鋼的組成不滿足方程式(1)和(2)的4號對比鋼和鋼的組成不滿足方程式(1)的7號對比鋼，其硫化物中所含的Ti和Mn的量幾乎相同，并且硫化物的組成不滿足方程式(3)。具有這種硫化物的對比鋼4號和7號抗腐蝕性和抗釋氣性差，這從表1中也可以明顯看出。
≥1.3×[S]……方程式(1)[Mn]/[Ti]≤3……方程式(2)(WTi+WCr)＞2×WMn……方程式(3)表2
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)異的表面粗糙度和抗釋氣性的鐵素體易切削不銹鋼，包含以重量百分比計的0.06％或更低的C、0.05至1.0％的Si、2.0％或更低的Mn、0.050％或更低的P、0.05至0.50％的S、2.0％或更低的Cu、2.0％或更低的Ni、9.0至25.0％的Cr、4.0％或更低的Mo、0.065至2.0％的Ti、0.0150％或更低的O、0.020％或更低的N、0.001至0.100％的Al，以及Fe和在剩余部分中不可避免的雜質(zhì)，其中所述鋼滿足以下方程式中的方程式(1)和(2)，[Ti]≥1.3×[S]......方程式(1)[Mn]/[Ti]≤3......方程式(2)(WTi+WCr)＞2×WMn......方程式(3)其中所述鋼中含有的Ti的量以[Ti]表示，S的量以[S]表示，且Mn的量以[Mn]表示，并且所述鋼滿足方程式(3)，其中在所述鋼的組織結(jié)構(gòu)中所生成的硫化物中所含有的Ti的量以WTi表示，Cr的量以WCr表示，且Mn的量以WMn表示。
2.一種具有優(yōu)異的表面粗糙度和抗釋氣性的鐵素體易切削不銹鋼，其中除了權(quán)利要求1中所述的成分外，所述鋼含有以重量百分比計的任何一種或多種選自以下的成分0.01至0.30％的Pb、0.01至0.30％的Se、0.10％或更低的Te，以及0.01至0.30％或更低的Bi。
3.一種具有優(yōu)異的表面粗糙度和抗釋氣性的鐵素體易切削不銹鋼，其中除了權(quán)利要求1或2中所述的成分外，所述鋼含有以重量百分比計的任何一種或多種選自以下的成分0.05％或更低的Ca、0.02％或更低的Mg、0.02％或更低的B、0.02％或更低的REM、0.50％或更低的V、0.50％或更低的Nb、2.0％或更低的W，以及0.50％或更低的Ta。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有優(yōu)異的表面粗糙度和抗釋氣性的鐵素體易切削不銹鋼，其包含以重量百分比計的0.06％或更低的C、0.05至1.0％的Si、2.0％或更低的Mn、0.050％或更低的P、0.05至0.50％的S、2.0％或更低的Cu、2.0％或更低的Ni、9.0至25.0％的Cr、4.0％或更低的Mo、0.065至2.0％的Ti、0.0150％或更低的O、0.020％或更低的N、0.001至0.100％的Al，以及鐵和在剩余部分中不可避免的雜質(zhì)，其中所述鋼滿足方程式中的方程式(1)和(2)，[Ti]≥1.3×[S]——方程式(1)，[Mn]/[Ti]≤3——方程式(2)，(WTi+WCr)>2×WMn——方程式(3)，其中所述鋼中含有的Ti的量以[Ti]表示，S的量以[S]表示，且Mn的量以[Mn]表示，并且所述鋼滿足方程式(3)，其中在所述鋼的組織結(jié)構(gòu)中所生成的硫化物中所含有的Ti的量以WTi表示，Cr的量以WCr表示，且Mn的量以WMn表示。
文檔編號C22C38/00GK1616701SQ20041009071
公開日2005年5月18日 申請日期2004年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
發(fā)明者石川浩一, 清水哲也 申請人:大同特殊鋼株式會社