JP3581882B2

JP3581882B2 - Lead-free high-strength free-cutting steel

Info

Publication number: JP3581882B2
Application number: JP2001189797A
Authority: JP
Inventors: 重男山本; 晋高森; 嘉昭大澤; 隆木村; 彰佐藤
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: JP2003003235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、快削鋼に関し、鉛快削鋼の代替材として、鉛を含まなくとも効率的に快削でき、機械構造用炭素鋼、低合金鋼、工具鋼、軸受鋼等に適用できる鉛フリー高強度快削鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術とその解決課題】
従来から、鉛快削鋼はその優れた被削性によって、自動車部品を始め機械部品として多用されてきた。しかし、鉛を含むことから、製造の際における環境汚染の問題や、リサイクル性の困難な点から製造中止の動きもある。一方、鉛快削鋼の快削能は高速度鋼工具との関連で発揮されてきた。このために現在の主流工具である超硬工具では十分な快削能が発揮し難くなっている。加えて、切削部の冷却および潤滑に用いる切削剤の廃液による環境汚染も深刻化しており、このようなことから、ドライ切削の研究が進められている。さらに、自動車部品に代表されるように、機械部品の軽量・小型化に対する要請が強く、このために高強度快削鋼の開発が進められている。
【０００３】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉛快削鋼の代替材として、工具摩耗、切屑処理性及び切削抵抗の観点から優れた快削鋼を得ることであり、また、リサイクルの容易さ、ドライ切削の可能な点から環境への配慮をもした、新しい鉛フリー高強度快削材を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記課題を解決するために、第１には、機械構造用鋼（Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５８Ｃ）、構造用合金鋼（低合金鋼ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ）、軸受鋼（ＳＵＪ）、炭素工具鋼（ＳＫ）、合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ、ＳＫＨ）のいずれかの溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整し、チタンを含む酸化物を鋼中に分散させた鋼で、重量比でチタン量0.005 から0.01%、マンガン量が0.3から1.0%、可溶性アルミニウム量、窒素量および酸素量を各々0.01%以下含有し、硬さがHV300〜450であることを特徴とする鉛フリー高強度快削鋼を提供する。
【０００５】
また、この出願の発明は、第２には、その使用法から、切削速度１０〜１２０ｍ／ｍｉｎで切削され、超硬工具の磨耗が抑制される特性を有している前記の鉛フリー高強度快削鋼も提供する。
【０００６】
さらにまた、この出願の発明は、第３には、溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整し、次いで焼入れ・焼戻し処理することを特徴とする前記の鉛フリー高強度快削鋼の製造方法をも提供する。
【０００７】
以下、この出願の発明について、さらに詳細に説明する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明による鉛フリー高強度快削鋼は、前記のとおりにチタン脱酸した鋼であって、溶鋼に対してチタンまたはチタン合金を添加することで脱酸調整されたものである。そして、この出願の発明の鉛フリー高強度快削鋼は、高強度鋼（ＨＶ３００〜４５０）であって、しかも優れた被削性を有している。チタン脱酸がこのような優れた特性の実現を可能としている。なお、この出願の発明におけるＨＶ３００〜４５０の高強度鋼は、引張り強さとしては、１０００〜１５００ＭＰａである。
【０００９】
チタン脱酸調整によって得られるこの発明の鉛フリー高強度快削鋼では、溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整することで、被削性を向上させるために必要なチタンを含む酸化物を鋼中に分散させた鋼である。このようなチタン脱酸調整の対象となる鋼については、被削性の向上が課題とされている高強度性の各種の鋼が考慮される。
【００１０】
たとえば、機械構造用鋼（Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５８Ｃ）、構造用合金鋼（低合金鋼ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ）、軸受鋼（ＳＵＪ）、炭素工具鋼（ＳＫ）、合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ、ＳＫＨ）等の鋼種である。
【００１１】
これらの鋼種を対象としてチタン脱酸調整されたこの発明の鉛フリー高強度快削鋼においては、その組成（組織）の特徴は、チタンを含有する酸化物が生成していることであり、そしてこの酸化物の融点が重要となることである。酸素、マンガン量の変化によってチタン系酸化物の組成が変化し、融点も異なることから、これらの組成範囲をチタン量が重量比で０．００５から０．０１％、マンガン量が０．３から１．０％とし、酸素量を０．０１％以下とする必要がある。これによって、たとえば、ＭｎＯ・ＴｉＯ_２・ＳｉＯ_２系の複合酸化物が主に生成する。一方、可溶性アルミニウムおよび窒素については、これが多すぎると、高融点の、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（融点１８５０℃）のような、Ａｌ_２Ｏ_３複合体や、さらに高融点のＴｉＮが生成し易くなり、アブレシブな作用で工具摩耗を増大させることから、チタンを酸化物中に保持するために、各個別に０．０１％以下に制限する必要がある。
【００１２】
また、酸素量も多すぎると複合酸化物が増大し、機械的な性質に悪影響を与えかねない。特に、熱間圧延方向に延伸し易い複合酸化物は鋼の異方性を増すことになる。このため、酸素量については前記のとおりとする。
【００１３】
チタン脱酸した鋼中には、チタンを含む低融点の酸化物が生成される。この酸化物は切削中に超硬工具に付着し堆積する。堆積物は切屑の擦過から工具を保護する作用もある。
【００１４】
一方、切削中に工具に加わる切削抵抗は、被削材の硬さがＨＶ３００〜４５０の範囲において極小値を示す。したがって、チタン脱酸した鋼の強度を切削抵抗が最小値を示す範囲とすることで、切削工具の摩耗および切削抵抗の観点から優れた被削性が得られる。さらに、チタン脱酸鋼は、切屑の処理性も良好である。一般に切削仕上げ面の粗さは工具形状を転写する。この発明の快削鋼では、工具摩耗の抑制が著しいことを特徴としており、仕上げ面粗さも良好である。
【００１５】
この発明の鉛フリー高強度快削鋼では、その製造、圧延、熱処理、切削加工の各工程において、鉛快削鋼の場合のように、環境汚染を生じることはない。また、リサイクルに際しても、チタン脱酸鋼中の酸化物はスラグと反応し易く、除去は容易である。鋼の機械的性質にしても、鉛の融点付近で認められたような鋼の脆化は生じない。
【００１６】
現在の切削加工工程において、加工可能な限界強度は引張強さ１０００Ｍｐａとされている。この発明の快削鋼はその強度が１０００から１５００Ｍｐａであり、限界を超えた強度であるにも拘わらず、工具に加わる切削抵抗は硬さＨＶ２００の球状化材の切削抵抗を若干下回る程度である。このために、現在の切削加工工程において使用可能な快削鋼である。しかも、切削剤を必要としないため、廃液による環境汚染が生じることもない。
【００１７】
以上のとおりのこの出願の発明の鉛フリー高強度快削鋼は、従来の鉛快削鋼の代替材として、機械構造用炭素鋼、低合金鋼、工具鋼、軸受鋼、さらには、自動車材料及び機械部品等の各種用途使用にも供することができ、機械部品の小型軽量化、イコール鋼の高強度化、快削鋼製造および使用時の汚染の減少、快削鋼のリサイクル性の促進を図ることもできる。
【００１８】
そして、この出願の発明の鉛フリー高強度快削鋼については、溶鋼中にチタンまたはチタン合金を投入して脱酸調整することにより製造される。対象とする鋼種により、適宜に必要に応じて焼入れ・焼戻し、さらには、必要であればその後の熱処理を行うことで所要の強度とすることができる。もちろん、これらの手段に限定はない。
【００１９】
そこで、以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【００２０】
【実施例】
実施例としての鉛フリー高強度快削鋼は、高周波炉で１００Ｋｇ溶製し、５０Ｋｇ鋼塊に分注の際にトリベ中でＴｉ脱酸することによって得た。この際、残りの溶鋼５０Ｋｇは比較材として用いるためにＡｌ脱酸した。なお、上記鋼の基本組成は、軸受鋼（ＳＵＪ２）であり、以下の説明においては、Ｔｉ脱酸鋼をＪＴの記号で表し、比較材として用いたＡｌ脱酸鋼の記号をＪＡとする。ＪＴおよびＪＡの化学組成（重量％）を表１に示した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
また、このＪＴおよびＪＡについて、表２の条件によって焼入れ・焼戻し、さらには球状化を行った。
【００２３】
【表２】

【００２４】
焼入・焼戻し材（ＱｕｅｎｃｈａｎｄＴｅｍｐｅｒｅｄ）をＪＡ−ｑおよびＪＴ−ｑとし、球状化材（Ｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚｅｄ）はＪＡ−ｓおよびＪＴ−ｓと記号化して区別する。焼入・焼戻し材：ＪＴ−ｑの硬さはＨＶ４１０であり、引張強さ１３００Ｍｐａ、伸び１２％、絞り４０％であった。
【００２５】
鉛フリー高強度快削鋼の被削性試験は旋盤を用いて行った。
図１には、切削部の幾何学的な２次元的模式図を示した。この模式図は、図１の右上の切削状態で示した鎖線部分を矢印⇒の方向から観察した拡大図である。被削材（１）は工具（２）によって切削されている状態を示す。工具（２）は、すくい面（２ａ）、逃げ面（２ｂ）を備える。切削条件のファクターとしては、切込深さ（Ｄｃ）、切削速度（Ｖ）、工具送り量（ｆ（ｔ_１））がある。そして切削部の、切屑剪断角（φ）、工具・切屑接触長さ（Ｌ）、すくい面摩耗深さ（Ｋ_Ｔ）、切屑厚さ（ｔ_２）及びフランク摩耗幅（Ｖ_Ｂ）を与えてある。切削後、被削材（１）に仕上げ面（１ａ）が形成される。
【００２６】
被削性試験として、工具逃げ面（２ｂ）に生ずるフランク摩耗幅（Ｖ_Ｂ）に及ぼす影響を中心として、切削抵抗（主分力（Ｆｃ）、送り分力（Ｆｓ）、背分力（Ｆｔ）およびこれらの合力（Ｒ））の測定、切屑形状の観察についても行った。
【００２７】
鉛フリー高強度快削鋼中には前記したようにＴｉ脱酸の際に生成した酸化物が分散している。代表的な酸化物はＭｎＯ・ＴｉＯ_２系、ＭｎＯ・ＴｉＯ_２・ＳｉＯ_２系であるが、さらに、ＴｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３・ＭｎＯ系などからなる複合酸化物であり、いずれも熱間圧延方向に延伸されている。
【００２８】
図２は、５００ｍ距離切削後のチタン脱酸鋼（ＪＴ−ｑ）とアルミニウム脱酸鋼（ＪＡ−ｑ）のそれぞれについて、工具すくい面の摩耗状態（上段）と逃げ面の摩耗状態（下段）を示している。図２（ａ）〜（ｄ）は、焼入・焼戻し材を、切込深さ（Ｄ_Ｃ）１．０ｍｍ、工具送り量（ｔ_１）０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で切削後の代表的な工具摩耗状態を示しているが、図２（ａ）及び（ｂ）は、Ａｌ脱酸鋼を切削速度４０および９０ｍ／ｍｉｎでそれぞれ５００ｍ距離切削後の工具すくい面（２ａ）と逃げ面（２ｂ）の状態を、図２（ｃ）および（ｄ）は、Ｔｉ脱酸鋼の状態を示している。Ｔｉ脱酸鋼のフランク摩擦幅（Ｖ_Ｂ）はＡｌ脱酸鋼のそれに比較して１／３〜１／５に抑制されていた。一方、工具―切屑接触長さ（Ｌ）はＪＴ−ｑ試料の場合、ＪＡ−ｑ試料より２５％〜３０％短縮されていた。特にＪＴ−ｑ試料を切削中には鋼中の複合酸化物が工具面に付着して堆積物（Ｂｅｌａｇ）を形成する。このような堆積物に原因してか、切削速度９０ｍ／ｍｉｎにおけるすくい面（２ａ）の摩耗深さ（Ｋ_Ｔ）は、ＪＡ−ｑ試料で最大１１８μｍ、ＪＴ−ｑ試料で最大３３μｍとなっている。すなわち、堆積物には切屑の擦過から工具面を保護する作用が認められた。しかし、切削速度が１０ｍ／ｍｉｎ以下あるいは１２０ｍ／ｍｉｎ以上では堆積物の形状は減少する。このために、この切削速度では工具摩耗の抑制効果も減少する。
【００２９】
図３は、切込深さ（Ｄ_Ｃ）１．０ｍｍ、工具送り量（ｔ_１）０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で切削したときの、工具逃げ面（２ｂ）のフランク摩擦幅（Ｖ_Ｂ）を切削速度（Ｖ）との関係で示した図である。全体的に見るとフランク摩擦幅Ｖ_Ｂは、切削速度および硬さの大きい焼入・焼戻し材の方が増している。焼入・焼戻したＪＴ−ｑ試料は、球状化材であるＪＡ−ｓ試料と比較した場合、高速切削域を除けば、近似した摩耗量を示している。
【００３０】
工具摩耗に及ぼすミクロ組織の影響としては、球状化材が最も優れているが、Ｔｉ脱酸鋼中の複合酸化物は、焼入・焼戻しした硬さＨＶ４００程度の被削材の工具摩耗を、球状化材の工具摩耗の水準にまで抑制していることが分かる。さらに、球状化材であるＪＴ−ｓ試料の工具摩耗はＪＡ−ｓ試料より高速切削で著しく抑制されている。
【００３１】
ＪＴ−ｑ試料を切削時の工具すくい面の堆積物（Ｂｅｌａｇ）の組成は、ＳｉＯ_２・ＭｎＯ・ＴｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系であり、鋼中の複合酸化物は工具面で混合されながら堆積物を形成した機構が考えられる。
【００３２】
次に、切削抵抗（Ｒ）および切屑剪断角（φ）について図４（ａ）（ｂ）に示した。
図４（ａ）の切削抵抗合力（Ｒ）は、球状化材（点線）に比較して、焼入・焼戻し材（実線）で減少傾向が認められる。その原因は生成する切屑厚さによる。図２（ｂ）に切屑剪断領域における剪断角（φ）について示した。球状化材は焼入・焼戻し材に比較して、剪断角（φ）が減少（切屑厚さは増大）している。球状化材は切屑剪断領域における単位面積当たりの変形応力は低下しているにも関わらず、剪断領域が拡張されているために切削工具に加わる抵抗値を増大させている。
【００３３】
図４に示すように、球状化材のような硬さが低い鋼の場合は、切削時に切屑が工具にへばり付き易く、切屑厚さを増すために切削抵抗が増大する。逆に大幅に硬さが高い鋼の切削の場合には、切屑が生成する領域での変形応力が大きく、このときも切削抵抗は一層増大するものであった。その結果、好ましい切削抵抗を得る観点から、鋼の硬さについて、硬さＨＶ３００〜４５０範囲の鋼が最適であり、この硬さ範囲の鋼において、優れた被削性を示すものであった。
【００３４】
切屑処理性は切削加工の無人化・自動化の観点から重要である。図５（ａ）（ｂ）に各切削速度域で生じた切屑形状を示した。処理性の良好な切屑は一巻以下で折断したものであるが、これに対してリボン状に連続して生成する切屑は、切削中に工具や被削材に巻き付き易く、処理性は最も劣る。Ｔｉ脱酸鋼は処理性の優れた切屑が生成しているが、Ａｌ脱酸鋼は連続したリボン状であり、人為的に切断して示した。Ｔｉ脱酸鋼の切屑中には複合酸化物が延伸された形で分布している部分があり、切屑が折断する際に、クラックの伝播に対してミシン目の役割を示すことが予想される。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この出願の発明によれば、鉛快削鋼の代替材として工具摩耗、切削処理性および切削抵抗の観点から優れた快削鋼を提供することができる。これによって、自動車を始め機械部品への実用化が見込まれる。
【００３６】
現有の切削加工工程における切削可能な被削材の強度域を大幅に拡張した快削鋼として提供することができ、この分野の技術水準の向上に寄与できる。これによって、高強度材の切削に、従来ならば必要とされる高剛性を備えた工作機械の導入を待たなくても加工が可能であり、高強度快削鋼として機械部品の軽量小型化の促進を図ることができる。
【００３７】
また、この出願の発明によれば、切削工程の一部を省略することも可能である。これまでの加工では、切削し易いミクロ組織に熱処理後、荒加工をした上で、最終熱処理後仕上げ加工を行う必要があるが、この出願の発明による快削鋼を用いる場合には、最終熱処理後に、切削仕上げ加工も可能となる。
【００３８】
さらにまた、この出願の発明によれば、鉛快削鋼に比較して、製造時および製品化の過程での汚染がなく、リサイクル性にも優れ、切削剤の廃液処理の問題も生じないため、実用化が容易である。この点、リサイクルの容易さ、ドライ切削が可能なことから、社会的な要請を反映した技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】旋盤切削の際の、切削部の幾何学的な２次元模式図である。
【図２】５００ｍ距離切削後のチタン脱酸鋼（ＪＴ−ｑ）とアルミニウム脱酸鋼（ＪＡ−ｑ）の工具すくい面と逃げ面の摩耗状態を示す図である。
【図３】工具逃げ面のフランク摩耗幅（Ｖ_Ｂ）に及ぼす切削速度およびミクロ組織の影響を示す図である。
【図４】切削抵抗（Ｒ）および切屑剪断角（φ）に及ぼす切削速度およびミクロ組織の影響を示す図である。
【図５】チタン脱酸鋼（ＪＴ）とアルミニウム脱酸鋼（ＪＡ）の切削処理性に及ぼすミクロ組織と切削速度の影響を示す図である。
【符号の説明】
１被削材
１ａ仕上げ面
１ｂ切削裏面
２工具
２ａ工具すくい面
２ｂ工具逃げ面
ＪＡ−ｑアルミニウム脱酸鋼の焼入・焼戻し材
ＪＴ−ｑチタン脱酸鋼の焼入・焼戻し材
ＪＡ−ｓアルミニウム脱酸鋼の球状化材
ＪＴ−ｓチタン脱酸鋼の球状化材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention of this application relates to free-cutting steel, which can be efficiently cut without lead as an alternative to lead free-cutting steel, and is applied to carbon steel for machine structures, low alloy steel, tool steel, bearing steel, etc. Lead free high strength free cutting steel.
[0002]
[Prior art and its solutions]
Conventionally, lead free-cutting steel has been widely used as a machine part including an automobile part due to its excellent machinability. However, there is a movement to stop production due to the problem of environmental pollution during production and the difficulty of recyclability because it contains lead. On the other hand, the free cutting ability of lead free cutting steel has been demonstrated in relation to high speed steel tools. For this reason, it is difficult for a carbide tool, which is the current mainstream tool, to exhibit sufficient free cutting ability. In addition, environmental pollution due to the waste liquid of the cutting agent used for cooling and lubricating the cutting part is becoming more serious, and therefore, research on dry cutting is being promoted. Further, as typified by automobile parts, there is a strong demand for lighter and smaller mechanical parts, and for this purpose, development of high-strength free-cutting steel is being promoted.
[0003]
The invention of this application has been made in view of such circumstances, and an object of the invention is to provide a material which is excellent as a substitute for lead free-cutting steel from the viewpoints of tool wear, chip disposal, and cutting resistance. It is an object of the present invention to provide a new lead-free high-strength free-cutting material that is made of steel and is environmentally friendly because of its ease of recycling and dry cutting.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of this application firstly provides steel for machine structural use (S40C to S58C), structural alloy steel (low alloy steels SCr, SCM, SNC, SNCM), and bearing steel (SUJ). ), Carbon tool steel (SK) or alloy tool steel (SKS, SKD, SKT, SKH) is prepared by deoxidizing molten steel with titanium or a titanium alloy and dispersing an oxide containing titanium in the steel. The titanium content is 0.005 to 0.01% by weight, the manganese content is 0.3 to 1.0%, the soluble aluminum content, the nitrogen content and the oxygen content are each 0.01% or less, and the hardness is HV300 to 450. Provide lead-free high-strength free-cutting steel.
[0005]
Secondly, the invention of this application is based on the lead-free high strength, which is characterized in that it is cut at a cutting speed of 10 to 120 m / min and has a characteristic of suppressing wear of a cemented carbide tool. Free cutting steel is also provided.
[0006]
Still further, the invention of this application thirdly provides a method for producing a lead-free high-strength free-cutting steel as described above, wherein molten steel is deoxidized with titanium or a titanium alloy, and then quenched and tempered. Also provide.
[0007]
Hereinafter, the invention of this application will be described in more detail.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The lead-free high-strength free-cutting steel according to the invention of this application is a steel that has been deoxidized with titanium as described above, and has been deoxidized by adding titanium or a titanium alloy to molten steel. The lead-free high-strength free-cutting steel according to the invention of this application is a high-strength steel (HV 300 to 450) and has excellent machinability. Titanium deoxidation makes it possible to achieve such excellent properties. The high-strength steel of HV 300 to 450 in the invention of this application has a tensile strength of 1000 to 1500 MPa.
[0009]
In the lead-free high-strength free-cutting steel of the present invention obtained by adjusting the deoxidation of titanium, the molten steel is deoxidized with titanium or a titanium alloy to remove oxides containing titanium necessary for improving machinability. Steel dispersed inside. As the steel to be subjected to such titanium deoxidation adjustment, various high-strength steels, for which improvement in machinability is an issue, are considered.
[0010]
For example, steel for machine structural use (S40C to S58C), structural alloy steel (low alloy steels SCr, SCM, SNC, SNCM), bearing steel (SUJ), carbon tool steel (SK), alloy tool steel (SKS, SKD, SKT, SKH).
[0011]
The composition (structure) of the lead-free high-strength free-cutting steel of the present invention in which titanium deoxidation is adjusted for these steel types is characterized by the formation of an oxide containing titanium, and The important thing is the melting point of this oxide. Since the composition of the titanium-based oxide changes due to the change in the amount of oxygen and manganese, and the melting point also changes, these composition ranges are set so that the titanium amount is 0.005 to 0.01% by weight and the manganese amount is 0.3 to 0.3%. It is necessary to set the oxygen content to 1.0% and the oxygen content to 0.01% or less. Thereby, for example, a MnO.TiO ₂ .SiO ₂ -based composite oxide is mainly generated. On the other hand, if the amount of soluble aluminum and nitrogen is too large, an Al ₂ O ₃ composite such as 3Al ₂ O ₃ .2SiO ₂ (melting point 1850 ° C.) having a high melting point and TiN having a higher melting point are formed. In order to keep the titanium in the oxide, it is necessary to individually limit the content to 0.01% or less in order to keep the titanium in the oxide, since the wear becomes easy and the tool wear is increased by an abrasive action.
[0012]
On the other hand, if the amount of oxygen is too large, the amount of the composite oxide increases, which may adversely affect the mechanical properties. In particular, a composite oxide that is easily stretched in the hot rolling direction increases the anisotropy of the steel. Therefore, the amount of oxygen is as described above.
[0013]
In the deoxidized steel, a low-melting oxide containing titanium is generated. This oxide adheres and deposits on the carbide tool during cutting. Deposits also protect the tool from chip scraping.
[0014]
On the other hand, the cutting resistance applied to the tool during cutting has a minimum value when the hardness of the work material is in the range of HV300 to 450. Therefore, by setting the strength of the titanium-deoxidized steel to a range where the cutting resistance shows the minimum value, excellent machinability can be obtained from the viewpoints of wear of the cutting tool and cutting resistance. Furthermore, titanium deoxidized steel also has good chip disposability. Generally, the roughness of the cut surface transfers the shape of the tool. The free-cutting steel according to the present invention is characterized in that tool wear is remarkably suppressed, and the finished surface roughness is good.
[0015]
The lead-free high-strength free-cutting steel of the present invention does not cause environmental pollution in the steps of production, rolling, heat treatment, and cutting as in the case of lead free-cutting steel. Also, at the time of recycling, the oxides in the titanium deoxidized steel easily react with the slag and are easily removed. Even with the mechanical properties of steel, the steel does not embrittle as observed near the melting point of lead.
[0016]
In the current cutting process, the limit strength that can be processed is set to a tensile strength of 1000 Mpa. The free-cutting steel of the present invention has a strength of 1000 to 1500 Mpa, and the cutting force applied to the tool is slightly lower than that of the spheroidized material having a hardness of HV200, despite the strength exceeding the limit. . For this reason, it is a free-cutting steel that can be used in current cutting processes. In addition, since no cutting agent is required, there is no environmental pollution caused by waste liquid.
[0017]
As described above, the lead-free high-strength free-cutting steel of the invention of this application is used as a substitute for conventional lead free-cutting steel, as carbon steel for machine structural use, low-alloy steel, tool steel, bearing steel, and automotive material. It can also be used for various applications such as machine parts, etc., to reduce the size and weight of machine parts, to increase the strength of equal steel, to reduce contamination during the production and use of free-cutting steel, and to promote the recyclability of free-cutting steel. You can also plan.
[0018]
The lead-free high-strength free-cutting steel of the invention of this application is manufactured by charging titanium or a titanium alloy into molten steel and adjusting the deoxidation. Depending on the target steel type, the required strength can be obtained by appropriately performing quenching and tempering as necessary, and, if necessary, subsequent heat treatment. Of course, these means are not limited.
[0019]
Therefore, examples will be shown below, and the invention of this application will be described in more detail. Of course, the invention is not limited by the following examples.
[0020]
【Example】
A lead-free high-strength free-cutting steel as an example was obtained by melting 100 kg in a high-frequency furnace and deoxidizing Ti in a tribe when dispensing into a 50 kg steel ingot. At this time, the remaining 50 kg of molten steel was deoxidized with Al for use as a comparative material. The basic composition of the steel is bearing steel (SUJ2). In the following description, Ti deoxidized steel is represented by the symbol of JT, and the symbol of Al deoxidized steel used as a comparative material is represented by JA. Table 1 shows the chemical compositions (% by weight) of JT and JA.
[0021]
[Table 1]

[0022]
The JT and JA were quenched / tempered and spheroidized under the conditions shown in Table 2.
[0023]
[Table 2]

[0024]
The quenched and tempered materials (Quench and Tempered) are JA-q and JT-q, and the spheroidized materials (Spheroidized) are distinguished by JA-s and JT-s. Hardened / tempered material: The hardness of JT-q was HV410, the tensile strength was 1300 Mpa, the elongation was 12%, and the drawing was 40%.
[0025]
The machinability test of the lead-free high-strength free-cutting steel was performed using a lathe.
FIG. 1 shows a geometrical two-dimensional schematic view of the cutting portion. This schematic diagram is an enlarged view of the chain line portion shown in the upper right cutting state in FIG. 1 observed from the direction of arrow ⇒. The work material (1) shows a state being cut by the tool (2). The tool (2) has a rake face (2a) and a flank (2b). Factors of the cutting conditions include a cutting depth (Dc), a cutting speed (V), and a tool feed amount (f (t ₁ )). Then, the chip shear angle (φ), tool / chip contact length (L), rake face wear depth (K _T ), chip thickness (t ₂ ), and flank wear width (V _B ) of the cutting portion are given. is there. After cutting, a finished surface (1a) is formed on the work material (1).
[0026]
As a machinability test, the cutting force (main component (Fc), feed component (Fs), back component (Ft), centering on the effect on the flank wear width (V _B ) generated on the tool flank (2b). ) And the resultant force (R)), and the shape of the chips were also observed.
[0027]
As described above, oxides generated during the deoxidation of Ti are dispersed in the lead-free high-strength free-cutting steel. Typical oxides are MnO · TiO ₂ based, is a MnO _· TiO ₂ _· SiO 2 system, _further, TiO 2 · _Al 2 _{O 3} _system, a composite oxide made of _{_{SiO 2 · Al 2 O 3 ·}} MnO system Which are drawn in the hot rolling direction.
[0028]
FIG. 2 shows the wear state of the tool rake face (upper) and the flank wear state (lower) of titanium deoxidized steel (JT-q) and aluminum deoxidized steel (JA-q) after cutting 500 meters. Is shown. FIGS. 2 (a) to 2 (d) show typical hardened and tempered materials after cutting under conditions of a cutting depth (D _C ) of 1.0 mm and a tool feed amount (t ₁ ) of 0.2 mm / rev. 2 (a) and 2 (b) show the tool rake face (2a) and the flank (2) after cutting Al deoxidized steel at a cutting speed of 40 and 90 m / min for 500 m, respectively. 2B) and FIGS. 2C and 2D show the state of Ti deoxidized steel. Ti-deoxidized steel Frank friction width (V _B) was suppressed to be compared with that 1 / 3-1 / 5 of Al-deoxidized steel. On the other hand, the tool-chip contact length (L) was shorter by 25% to 30% in the case of the JT-q sample than in the case of the JA-q sample. In particular, when cutting the JT-q sample, the composite oxide in the steel adheres to the tool surface to form a deposit (Belag). Or by causing such a deposit, wear depth of the rake face of the cutting speed _{90m / min (2a) (K} T) is, EN-q samples at maximum 118 .mu.m, the largest 33μm in JT-q samples I have. That is, the effect of protecting the tool surface from the scraping of chips was recognized in the deposit. However, when the cutting speed is 10 m / min or less or 120 m / min or more, the shape of the deposit decreases. Therefore, at this cutting speed, the effect of suppressing tool wear is also reduced.
[0029]
FIG. 3 shows the flank friction width (V _B ) of the tool flank (2b) when cutting under the conditions of a cutting depth (D _C ) of 1.0 mm and a tool feed amount (t ₁ ) of 0.2 mm / rev. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the cutting speed and the cutting speed (V). Overall the flank friction width V _B is towards larger quenched and tempered material of the cutting speed and the hardness is increased. The quenched and tempered JT-q sample shows an approximate amount of wear, except for the high-speed cutting zone, when compared to the JA-s sample, which is a spheroidized material.
[0030]
As the effect of the microstructure on tool wear, the spheroidized material is the best, but the composite oxide in the Ti deoxidized steel reduces the tool wear of the quenched and tempered work material with a hardness of about HV400. It can be seen that the wear of the spheroidized material is suppressed to the level of tool wear. Furthermore, tool wear of the JT-s sample, which is a spheroidizing material, is significantly suppressed by high-speed cutting compared to the JA-s sample.
[0031]
The composition of the JT-q samples deposits tool rake face during cutting (Belag) _is a _{SiO 2 · MnO · TiO 2 ·} Al 2 O 3 system, while the composite oxides in the steel is mixed with a tool surface The mechanism that formed the deposit is considered.
[0032]
Next, the cutting resistance (R) and the chip shear angle (φ) are shown in FIGS.
The cutting resistance resultant force (R) in FIG. 4A shows a decreasing tendency in the quenched and tempered material (solid line) as compared to the spheroidized material (dotted line). The cause depends on the generated chip thickness. FIG. 2B shows the shear angle (φ) in the chip shearing region. The spheroidized material has a reduced shear angle (φ) (increased chip thickness) as compared with the quenched and tempered materials. The spheroidized material increases the resistance value applied to the cutting tool due to the expansion of the shearing region, although the deformation stress per unit area in the chip shearing region is reduced.
[0033]
As shown in FIG. 4, in the case of steel having a low hardness, such as a spheroidized material, chips tend to stick to the tool during cutting, and the cutting resistance increases because the chip thickness increases. Conversely, in the case of cutting steel having a significantly high hardness, the deformation stress in the region where chips are generated is large, and the cutting resistance is further increased at this time. As a result, from the viewpoint of obtaining a preferable cutting resistance, the steel having a hardness of HV 300 to 450 was optimal for the hardness of the steel, and the steel having this hardness range exhibited excellent machinability.
[0034]
Chip control is important from the viewpoint of unmanned and automatic cutting. FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the shapes of chips generated in each cutting speed range. Chips with good processability are cut in less than one roll, whereas chips generated continuously in a ribbon form tend to wind around tools and workpieces during cutting, and are the least processable. . Chips with excellent treatability are generated in Ti deoxidized steel, while Al deoxidized steel is in the form of a continuous ribbon and is shown by artificial cutting. In the chip of Ti deoxidized steel, there is a portion where the complex oxide is distributed in a stretched form, and when the chip breaks, it is expected to play a role of perforation for crack propagation. .
[0035]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the invention of this application, a free-cutting steel excellent in terms of tool wear, cutting processability, and cutting resistance can be provided as a substitute for a lead free-cutting steel. As a result, practical application to mechanical parts including automobiles is expected.
[0036]
It can be provided as free-cutting steel in which the strength range of the work material that can be cut in the existing cutting process is greatly expanded, and can contribute to the improvement of the technical level in this field. This makes it possible to cut high-strength materials without waiting for the introduction of machine tools with high rigidity, which is conventionally required, and to reduce the weight and size of machine parts as high-strength free-cutting steel. Promotion can be achieved.
[0037]
Further, according to the invention of this application, it is possible to omit a part of the cutting process. In conventional processing, it is necessary to perform heat treatment on a microstructure that is easy to cut, then perform rough processing, and then perform finishing processing after final heat treatment. However, when free cutting steel according to the invention of this application is used, final processing is performed. Later, a finishing process is also possible.
[0038]
Furthermore, according to the invention of this application, compared to lead free-cutting steel, there is no contamination during production and in the process of commercialization, excellent recyclability, and no problem of waste liquid treatment of cutting agent occurs. It is easy to put into practical use. In this respect, it is a technology that reflects social demands because it is easy to recycle and dry cutting is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a geometric two-dimensional schematic view of a cutting portion during lathe cutting.
FIG. 2 is a view showing a wear state of a tool rake face and a flank of titanium deoxidized steel (JT-q) and aluminum deoxidized steel (JA-q) after cutting for a distance of 500 m.
FIG. 3 is a diagram showing the effect of cutting speed and microstructure on the flank wear width (V _B ) of the tool flank.
FIG. 4 is a diagram showing the effects of cutting speed and microstructure on cutting resistance (R) and chip shear angle (φ).
FIG. 5 is a diagram showing the effects of microstructure and cutting speed on the cutting properties of titanium deoxidized steel (JT) and aluminum deoxidized steel (JA).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Work material 1a Finished surface 1b Cutting back surface 2 Tool 2a Tool rake surface 2b Tool flank JA-q Hardened and tempered material of aluminum deoxidized steel JT-q Hardened and tempered material of titanium deoxidized steel JA-s Aluminum Spheroidizing material of deoxidized steel JT-s Spheroidizing material of titanium deoxidized steel

Claims

Machine structural steel (S40C-S58C), structural alloy steel (low alloy steel SCr, SCM, SNC, SNCM), bearing steel (SUJ), carbon tool steel (SK), alloy tool steel (SKS, SKD, SKT, SKH) is a steel obtained by deoxidizing any molten steel with titanium or a titanium alloy and dispersing an oxide containing titanium in the steel. The titanium content is 0.005 to 0.01% by weight and the manganese content is A lead-free, high-strength free-cutting steel containing 0.3 to 1.0%, soluble aluminum content, nitrogen content and oxygen content of 0.01% or less, respectively, and having a hardness of HV300 to 450.

2. The lead-free high-strength free-cutting steel according to claim 1, wherein the cutting is performed at a cutting speed of 10 to 120 m / min, and the wear of the carbide tool is suppressed.

3. The method for producing a lead-free high-strength free-cutting steel according to claim 1, wherein the molten steel is deoxidized and adjusted with titanium or a titanium alloy, and then quenched and tempered. Manufacturing method.