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被削性の悪いステンレス鋼に朗報
―切削性が 20%以上も向上し、高速切削が可能、しかも耐食性も劣化せず、環境にや さしい、硫黄も鉛も含まない h-BN 快削ステンレス鋼― 平成１８年１０月 ６日 独立行政法人 物質・材料研究機構 概要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸輝雄）、新構造材料センター（セ ンター長：津崎兼彰）の櫻谷和之 主席研究官は、ステンレス鋼中に数μm程度の h-BN（六方晶系窒化ホウ素１））粒子を均一に分散析出させることにより、従来切 削性２）が非常に悪いとされてきたステンレス鋼の切削性を 20％以上も向上したス テンレス鋼の製造に成功した。 ２．従来のステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は加工硬化を起こし やすいため、被削性が劣る材料として知られている。この欠点を補うため、現在 硫黄や鉛を含むステンレス鋼３）が市販されているが、硫黄を含んだ場合には耐食 性が劣化し、鉛を含む場合には環境汚染等の危険性があるなど様々な問題があり、 新たなステンレス鋼の開発が待ち望まれていた。 ３．当機構では、市販のオーステナイト系ステンレス鋼SUS304 を弱減圧窒素雰囲気 中で溶解した後、フェロボロン４）を添加することによりホウ素と窒素を含むイン ゴットを製造した。これを熱間加工して素材とし、1250℃、30 分保持後水冷のh-BN （六方晶窒化ホウ素）の固溶化熱処理を行った。次に、1050℃、1 時間保持後冷却 の焼きもどし熱処理を行い、析出するh-BNの粒径と分布状態を制御して従来のス テンレス鋼より遥かに高性能な「h-BN快削ステンレス鋼」の開発に成功した。 ４．開発したh-BN快削ステンレス鋼は「高速切削時の切削抵抗が 20％以上小さくな り、切削加工性に優れる」「硫黄を添加していないため、耐食性が劣化しない」「環 境やリサイクル時の問題がない」「従来のステンレス鋼製造法と同じ設備で、製造 工程での熱処理を 1 回追加するだけでできる」「h-BN析出粒子が球形で、素材内に 均一に分布しているため、材料の機械的性質に異方性５）を示さない」といった特 徴を持っている。 ５．このように、h-BN ステンレス快削鋼は JIS 等で規格化されている市販の硫黄快 削ステンレス鋼、鉛快削ステンレス鋼に比較して機械的・化学的性質で優れた特 長を持っており、既存の快削ステンレス鋼に置き換わるもの、また切削加工を必 要とするステンレス鋼製品製造に普及していくものとして期待される。 ６．この研究成果は特許出願済み（快削ステンレス鋼及びその製造方法、出願番号： 2006-208017、出願日：平成 18 年 7 月 31 日）であり、2006 産学官技術交流フェア （平成 18 年 10 月 11 日～13 日、東京ビックサイトにて開催）で発表を行う。研究の背景 ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は、加工硬化を起こしやすいた め、被削性が劣る材料として知られている。この欠点を補うために、快削成分として 硫黄を含む硫黄快削ステンレス鋼（SUS303）が市販されているが、硫黄によりステン レス鋼の最大の特長である耐食性が劣化するので、耐食性が問題とならない使用範囲 に限定されてしまう。また、鉛を含む鉛ステンレス快削鋼も市販されてはいるが、昨 今、鉛による環境汚染の問題から使用が差し控えられている。 当機構では平成 9 年度より、超鉄鋼プロジェクト（強度 2 倍、寿命 2 倍）を推進し てきた(平成 17 年度で終了)。このプロジェクトの中に、火力発電所用の高強度高クロ ムフェライト系耐熱鋼の開発研究があり、ホウ素や窒素を添加して高温強度を改善す る試みがなされた。ホウ素と窒素が同時に添加されると、条件により耐熱鋼中に窒化 ホウ素が析出することが分かり、その析出挙動を検討した。その結果、1250℃以上の 温度で保持すると BN は短時間でホウ素と窒素に分解し鋼中に固溶し、逆に、固溶して いるホウ素と窒素は焼もどし熱処理を行うと再度窒化ホウ素の析出を開始することが 明らかとなった。 この結果をふまえ、窒化ホウ素自身の持つ特殊な性質と、高クロム鋼中での固溶・ 析出挙動に着目し、固体潤滑性に優れた h-BN 粒子をステンレス鋼中に適当な粒径で均 一に分散させることにより、切削性を高めることを目的として h-BN 快削ステンレス鋼 の開発に取り組んでいた。 成果の内容 当機構では、まず市販のオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304(18％Cr―8％Ni）を 弱減圧窒素雰囲気中で溶解し、これにフェロボロンを添加することにより、目的の濃 度のホウ素と窒素を含むインゴットを製造した。インゴットを上下 1／2 に切断し、一 方は棒材、他方は板材に熱間加工した。加工温度は両方とも 1250℃で、棒材は 55mm φに鍛造加工し、板材は、50mm×90mm の角材に鍛造加工後熱間ロール圧延機で 15mm 厚、100mm 幅に圧延加工した。 熱間加工した棒材、板材に対し、共に、h-BN を固溶化するため 1250℃、30 分保持 した後水冷した。この熱処理により、鋼中にすでに析出していた h-BN は、ホウ素と窒 素に分解し、これらが過飽和に固溶している状態となる。 次に、h-BN を鋼中に均一に分散析出させるため、1050℃、1 時間保持後水冷の焼も どし熱処理を施した。この焼もどし温度と保持時間を選択することにより、析出する h-BN の粒径と分布状態を制御することができた。 これら 2 種類の熱処理（h-BN 固溶化と h-BN 焼もどし析出）を組み合わせることに より、適正な粒径の球形 h-BN 粒子を鋼中に均一分散させることが可能となった。 これらの処理を行った後の、ステンレス鋼中のホウ素及び窒素の分析値（単位 mass％）を表に示す。 表からわかるように、処理後では添加したホウ素のおよそ 8 割が歩留まっており、 固溶Ｂ量は 0.005％以下であることから、添加したホウ素のほとんどが h-BN を形成し たことがわかる。また、窒素は、雰囲気窒素圧力を一定に保っているため、ほぼ一定 量が添加されていることも明らかになった。
図 1 は、焼もどしを行った後の試料中の析出物の生成・分布状態を示す SEM（走査 電子顕微鏡）写真である。この写真は、表に示す試料 A33 の例であり、試料から 3mm の棒を削りだし、これを折り曲げて破断しその破断面（圧延方向に平行な面）を SEM で観察したものである。 更に、観察された析出物を SEM に付属した EDS（エネルギー分散形Ｘ線分析装置） で分析し、析出物の種類を同定した。1000 倍視野の中に、10 個の 1～3μm の h-BN が 視野全体にわたって分布していた。また、市販の SUS304 ステンレス鋼中には、製造 工程で混入する不可避的不純物である硫黄が 0.02％程度含まれている。本実験試料中 にも硫黄が MnS（硫化マンガン）を形成し、視野中央部に６個も局在し、更に 10μm 程度の 2 個の MnS と BN が共存したものが観察された。視野中央部に観察される 3 個 のMnSは、熱間加工時に展伸されて20μm程度の細長い針状のMnSに変形したものが、 試料破断時に分断されたものである。このように、MnS はインゴットの凝固時に析出 するため偏在しやすく、また圧延方向に容易に展伸されるため材料の異方性を示しや すいが、h-BN は過飽和に固溶させた状態から析出されるため比較的均一に存在し、材 料の異方性を示さない特長を示す。 切削性の評価試験として、丸棒材についての旋削試験を行った結果を図2 に示した。 図 2 は、ホウ素添加量を変えた試料の旋削加工における切削速度と切削抵抗合力の関 係を示したものである。切削試験の条件は、切り込み深さ 1.0mm、工具の送り 0.1mm ／rev、工具材質 M30（チップブレーカ無し）である。 ホウ素を添加することにより、しない場合に比較し切削抵抗が低切削速度では同程度 であるが、高切削速度側になると 20～25％低減されることを示し、切削性が向上して いることが示された。これにより、高速度での旋削加工が容易になり、生産性、経済 性の向上が図られる。 ステンレス鋼の耐食性の評価試験として、板材についての耐食試験を行った結果を 図 3 に示した。図 3 はホウ素添加量を変えた試料のステンレス鋼の硫酸腐食試験方法 （JIS G 0591）による腐食試験の結果を示したものである。試験条件は、沸騰 5％H2SO4 に連続 6 時間浸漬し、腐食減量を試料初期表面積で除した腐食度で比較した。ホウ素 の量が増加しても、腐食度が増大する傾向は見られず、耐食性の劣化は認められない。 波及効果と今後の展開 我が国では現在約 350 万ｔ/年のステンレス鋼が生産されている。生産量の 1％が切 削加工されると仮定すると、少なくとも 100 億円規模のマーケットになっていると推 定される。 また、切削加工が容易でないため、切削工具としてタングステン合金が多く使用さ れているが、タングステンの産出国が限られているため希少金属資源対策の観点から タングステンの消費量を抑制しようとする動向がある。この点でも快削ステンレス鋼 の使用は、その目的に適う。 さらに、他の材料で代用されているものが、h-BN 快削ステンレス鋼に代替される可 能性も高く、需要量の増加も期待される。 ホウ素を 0.02％の濃度まで添加する際のコストアップは、SUS304 の 35 万円/t の 1% 未満であり、熱処理を 1 回増やすことのコストアップも大きくはないと考えられ、切 削性が大幅に改善されるのと、耐食性が劣化しないメリットのほうがはるかに大きい
と考えられる。 今後の商用生産規模における問題点、ノウハウに関して、ステンレス鋼製造企業と の共同研究・共同開発を望んでいる。 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１ 独立行政法人物質・材料研究機構 国際・広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 新構造材料センター 耐熱グループ 櫻谷 和之（さくらや かずゆき） ＴＥＬ：029－859－2117 Ｆａｘ：029－859－2101 用語解説 １）窒化ホウ素： h-BN(六方晶系窒化ホウ素)は、ホワイトグラファイト（白い黒鉛）とも呼ばれるよ うに、黒鉛と類似した結晶構造と物理的性質を有し、密度も 2.27g/cm3と小さい。しか しながら、熱伝導率は低く、電気抵抗も大きい。黒鉛を鋼中に生成させた鋳鉄は切削 性が良好であることが古くから知られている。また、h-BNの融点は 3000℃以上であり、 酸やアルカリにも侵されず、熱的にも、化学的にも安定なため人に対して安全な化合 物である。これらの性質を利用して、固体潤滑剤、離型剤、化粧品などに使用されて いる。 一方、c-BN（立方晶系窒化ホウ素)は、h-BN を高温・高圧で処理することで生成す るが、ダイヤモンドと類似した結晶構造と物理的性質を有している。硬さはダイヤモ ンドに次ぐもので、切削用工具に利用されている。 ２）切削性： 切削性(被削性)の評価には、切削抵抗の大きさ、工具の磨耗、切りくずの破砕性な どの要素がある。切削抵抗が小さく、高速切削が可能ならば、生産性が向上する。工 具磨耗が少ないならば、工具交換が減少し経済的である。切りくずが適当な形状で破 砕されれば、切りくずの処理が容易となり作業性もよくなる。 ３）硫黄や鉛を含むステンレス鋼： 【硫黄快削ステンレス鋼】 硫黄を 0.15%以上含ませることにより、切削性を改良したステンレス鋼。普通のス
テンレス鋼では、硫黄は 0.03％以下とされており、硫黄濃度が高いため耐食性は劣化 する。JIS 規格では、オーステナイト系（18Cｒ-8Ni）では、SUS303、フェライト系（18Cr） では、SUS430F、マルテンサイト系（13Cr）では SUS416、SUS420F が規格化されている。 硫黄快削鋼中では、硫黄はマンガンと結合し硫化マンガンをを生成し、これが切削 性を改良しているが、硫化マンガンは鍛造・圧延時に変形し,圧延方向に沿って針状の 介在物となる。このため、圧延方向とその直角方向で材料の機械的性質に差が出るの で、製品に加工する際には方向性に注意する必要がある。 【鉛快削ステンレス鋼】 鉛を 0.05～0.30％含ませることにより、切削性を改良したステンレス鋼。鉛を含ん でも耐食性は劣化しないが、鉛の人体への有害性と環境汚染から使用が避けられるよ うになった。JIS 規格では、マルテンサイト系（13Cr）では SUS410F2、SUS420F2 が規 格化されている。 ４）フェロボロン： ホウ素を 20％程度含む合金鉄で、ホウ素を含む鉄鋼を製造する際に添加される。 ５）異方性： インゴットから素材を製造するときには、一般的には鍛造、圧延などの熱間加工、 あるいは冷間加工を行う。このとき、圧延方向とこれに直角方向では、圧延の影響で 金属組織や介在物の形状に差が生じるため、強度などの機械的性質や磁化率などの電 磁気的性質に違いが生じること。
表 試料中のホウ素及び窒素分析値（単位：mass％）． 試料番号 フェロボロン添加量ｇ 全ホウ素量 固溶ホウ素量 窒素量 Ａ３１ ０ ０．０００ ０．０００ ０．２０ Ａ３２ ９．４ ０．００７ ０．００２ ０．２０ Ａ３３ １８．８ ０．０１６ ０．００３ ０．１８ 図１ 試料A33中の析出物の分布状態
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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 A33 A32 A31 腐食度 [m g/ cm 2 h] 10 100 0 10 30 40 50 60 切削抵抗合 力 [kgf] 切削速度 ［m/min］ A31（0.000％B) A32（0.007％B) A33（0.016％B) 図２ ホウ素添加量を変えた試料の旋削加工における切削速度と 切削抵抗合力の関係. 図３ ホウ素添加量を変えた試料の硫酸腐食試験方法(JIS G 0591)による 腐食試験の結果（試験条件：沸騰5%H2SO4に連続6時間浸漬）．
