CN105026592B

CN105026592B - 含铅易切削钢

Info

Publication number: CN105026592B
Application number: CN201480009262.2A
Authority: CN
Inventors: 渡里宏二; 桥村雅之
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: KR101685864B1; TWI510640B; WO2014125779A1; TW201435095A; JPWO2014125779A1; CN105026592A; KR20150093816A; JP5954484B2

Abstract

本发明提供切削性优异的含铅易切削钢。本实施方式的含铅易切削钢(1)以质量％计含有C：0.005～0.2％、Mn：0.3～2.0％、P：0.005～0.2％、S：0.01～0.7％、Pb：0.03～0.5％、N：0.004～0.02％、和O：0.003～0.03％，余量包含Fe和杂质。钢中的易切削夹杂物(8)中，具有5μm以上的当量圆直径的Pb‑MnS夹杂物的个数相对于具有5μm以上的当量圆直径的易切削夹杂物(8)的总数的比率为5％以上。易切削夹杂物(8)的长度为200μm以下。钢中的具有5μm以上的当量圆直径的易切削夹杂物(8)的平均长度为50μm以下。易切削夹杂物(8)中，具有2μm以上的当量圆直径、且具有10以下的长径比的易切削夹杂物为500个/mm²以上。

Description

含铅易切削钢

技术领域

本发明涉及易切削钢，更详细而言，涉及含有铅的含铅易切削钢。

背景技术

汽车、电气化制品等一般的机械制品包含多个部件。这些部件大多通过切削加工来制造。因此，对作为部件的原材料的钢要求“易切削”、即优异的切削性。

易切削钢的切削性优异。代表性的易切削钢例如有JIS标准规定的SUM23、SUM24L等。Pb由于提高钢的切削性，因此，易切削钢大多含有Pb。以下，将含有Pb的易切削钢称为含铅易切削钢。

近年来，出于对环境的考虑，提出了抑制Pb含量的易切削钢、不含有Pb的无Pb易切削钢。然而，含铅易切削钢在切削性方面优异。因此，即便现在含铅易切削钢的需要也高。最近，对部件的形状和表面粗糙度等表面品质要求更高的精度。因此，即使对于含铅易切削钢也要求切削性的进一步的提高。

一直以来，已知的是如果含有Pb，则切削性提高。然而，基本没有关于钢中的Pb的存在形态的报告事例。另外，上述低碳含铅易切削钢SUM24L含有Pb、S和P。然而，SUM24L的切削性有时也不充分，有时无法得到期望的表面粗糙度。与SUM24L相当的化学组成中如果还含有提高切削性的S、P，则切削性提高，但是制造工序中容易产生裂纹。

日本特开2004-176175号公报(专利文献1)提出了改善易切削钢的切削性。具体而言，专利文献1中，控制钢中的MnS夹杂物的形态来提高钢的切削性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-176175号公报

然而，含铅易切削钢的情况下，仅仅单纯地控制MnS夹杂物的形态时，有时无法得到充分的切削性。

发明内容

本发明的目的在于提供切削性优异的含铅易切削钢。

对于本实施方式的含铅易切削钢，以质量％计，含有：C：0.005～0.2％、Mn：0.3～2.0％、P：0.005～0.2％、S：0.01～0.7％、Pb：0.03～0.5％、N：0.004～0.02％、和O：0.003～0.03％，余量包含Fe和杂质。钢中的MnS夹杂物、Pb夹杂物、以及含有Pb和MnS的Pb-MnS夹杂物中，具有5μm以上的当量圆直径的Pb-MnS夹杂物的个数相对于具有5μm以上的当量圆直径的MnS夹杂物、Pb夹杂物和Pb-MnS夹杂物的总数的比率为5％以上。MnS夹杂物、Pb夹杂物和Pb-MnS夹杂物的长度为200μm以下。钢中的具有5μm以上的当量圆直径的MnS夹杂物、Pb夹杂物和Pb-MnS夹杂物的平均长度为50μm以下。MnS夹杂物、Pb夹杂物和Pb-MnS夹杂物中，具有2μm以上的当量圆直径、且具有10以下的长径比的夹杂物为500个/mm²以上。

上述含铅易切削钢可以含有选自由Cu：0.5％以下、Ni：0.5％以下、和Sn：0.5％以下组成的组中的1种或2种以上代替一部分Fe。另外，上述含铅易切削钢可以含有选自由Te：0.2％以下、和Bi：0.5％以下组成的组中的1种以上代替一部分Fe。进而，上述含铅易切削钢可以含有选自由Cr：0.5％以下、和Mo：0.5％以下组成的组中的1种以上代替一部分Fe。

本实施方式的含铅易切削钢具有优异的切削性。

附图说明

图1A为切削时切屑瘤大的情况的切削面附近的截面图。

图1B为切削时切屑瘤小的情况的切削面附近的截面图。

图2为钢中的Pb夹杂物和Pb-MnS夹杂物的照片。

图3为用于说明有效大型易切削夹杂物的长度大的情况的切削时的切屑瘤的形状的示意图。

图4为用于说明有效大型易切削夹杂物的长度小的情况的切削时的切屑瘤的形状的示意图。

图5为示出本实施方式的含铅易切削钢的制造工序中的原材料的温度历程的一个例子的流程图。

图6为用于说明铸造工序中的冷却速度的示意图。

图7A为用于说明凸缘切削试验的示意图。

图7B为用于说明凸缘切削试验的其他示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。对图中同一或相当部分标注同一符号不重复其说明。以下，元素的含量的“％”是指质量％。

本发明人等关注于含铅易切削钢中的Pb和MnS夹杂物的形态与切削性的关系，进行了调查和研究。其结果，本发明人等得到以下见解。

(A)如果钢的切削性高，则经切削加工的钢材的表面粗糙度变良好，切削工具的寿命也延长。切削性受到切削中附着于切削工具的刀尖的“切屑瘤”的影响。

切屑瘤是指，被切削的钢材的一部分，切削加工中的附着于切削工具的刀尖的物质。切削中，切屑瘤边重复自工具的脱落和附着，边作为实质性的刀尖发挥功能。因此，切屑瘤对切削性有影响。

(B)图1A和图1B为在切削加工的中途拆下切削工具后的、切削面附近的截面图。图中的白色的虚线是指，切削工具3的刀尖位置。图1A中，形成有大的切屑瘤2，切屑瘤2从切削工具3分离附着于钢材1。另一方面，图1B中，切屑瘤与图1A相比足够小，因此，与切削工具3一起从钢材1脱离。

如以上所述，如果切屑瘤较大地生长，则切屑瘤易于附着于钢材。附着于钢材的切屑瘤与切削工具再次接触。此时，切削工具有时损坏。进而，存在由于附着于钢材的切屑瘤而使钢材的切削表面的表面粗糙度变粗的情况。进而，切屑瘤自切削工具脱离时，一部分切屑瘤有时残留于切削工具。上述情况下，所残留的一部分切屑瘤变成核，切屑瘤再次生长。因此，损坏切削工具，或使钢材表面变粗。

另一方面，如图1B那样，切屑瘤小的情况下，切屑瘤容易自钢材和切削工具脱离。上述情况下，切屑瘤不易对切削工具的寿命造成影响，钢材的表面粗糙度也容易变良好(小)。

如以上所述，切屑瘤优选小，优选切削时切屑瘤不易生长。切屑瘤小的情况下，伴随着切屑瘤的脱落，裂纹生成被促进。进而，切屑瘤保持微细不变而频繁地脱落，因此表面粗糙度变良好，工具寿命也延长。即，切削性提高。

(C)MnS夹杂物、Pb夹杂物、Pb-MnS夹杂物的形状对切削时的裂纹进展和切屑瘤的形状有影响。本说明书中，MnS夹杂物是指，包含Mn、S和杂质的夹杂物。Pb夹杂物是指，如图2的符号4所示那样地包含Pb和杂质的夹杂物。Pb-MnS夹杂物是指，例如如图2的符号7所示那样地含有MnS5、和附着于MnS5的表面的Pb6的夹杂物。本说明书中，将这三种夹杂物总称为“易切削夹杂物”。

易切削夹杂物在切削时促进基于工具刀尖附近的应力集中效应的裂纹发生和进展。易切削夹杂物进而在切削工具与切削材料的接触面发挥润滑作用。

(D)有效大型易切削夹杂物的形状对切屑瘤的形状有影响。易切削夹杂物中，将具有5μm以上的当量圆直径的易切削夹杂物定义为有效大型易切削夹杂物。具体而言，各易切削夹杂物中，如果含铅易切削钢材的拉伸方向的长度ML(Maximum Length)过大，或有效大型易切削夹杂物的含铅易切削钢材的拉伸方向的平均长度AL(Average Length)过大，则切屑瘤容易生长而变大，切削性降低。

图3为用于说明易切削夹杂物的长度大的情况的切削时的切屑瘤的形状的示意图。图4为用于说明易切削夹杂物的长度小的情况的切削时的切屑瘤的形状的示意图。参照图3和图4，切削工具10切削钢材1时，在切削工具10的刀尖附近的钢部分、切削工具的行进方向上产生裂纹。进而，与切削工具的行进方向X垂直的方向Y(轧制方向)的裂纹在钢部分与易切削夹杂物8的界面形成。因此，如图3所示那样，在易切削夹杂物8的长度大的情况下，所形成的切屑瘤2也变大。另一方面，如图4所示那样，易切削夹杂物8的长度小的情况下，所形成的切屑瘤2也变小。因此，优选易切削夹杂物8的长度小。

具体而言，易切削夹杂物的长度ML为200μm以下、有效大型易切削夹杂物的平均长度AL为50μm以下的情况下，切屑瘤变微细，切削性提高。

(E)如上述那样，钢中的易切削夹杂物促进裂纹的生成和进展。因此，如图4所示那样，如果长径比小的易切削夹杂物大量存在于钢中，则均匀地形成大量微细的切屑瘤。因此，表面粗糙度变良好，工具寿命也延长。

将具有2μm以上的当量圆直径的易切削夹杂物定义为有效易切削夹杂物。有效易切削夹杂物中，如果具有10以下的长径比的夹杂物的个数(以下，称作特定夹杂物密度SN0)存在500个/mm²以上，则均匀地生成大量微细的切屑瘤，切削性提高。需要说明的是，当量圆直径为5μm以上的有效大型易切削夹杂物也包含在有效易切削夹杂物中。

(F)有效大型易切削夹杂物中，Pb-MnS夹杂物的比率多时，裂纹容易进展，切削性提高。可以推定在MnS的表面附着Pb时，以MnS为起点产生裂纹的情况下，裂纹容易进展。因此，Pb-MnS夹杂物的个数相对于有效大型易切削夹杂物的总数多时，切削性提高。具体而言，如果钢中的有效大型Pb-MnS夹杂物的个数相对于有效大型易切削夹杂物的总数的比率RI为5％以上，则裂纹容易发生和进展，可以得到高的切削性。此处所谓有效大型Pb-MnS夹杂物是指，具有5μm以上的当量圆直径的Pb-MnS夹杂物。

基于以上的见解，本发明人等完成了本实施方式的含铅易切削钢。以下，对本实施方式的含铅易切削钢进行详细描述。

[化学组成]

本实施方式的含铅易切削钢具有以下的化学组成。

C：0.005～0.2％

碳(C)提高钢的强度。C进而对钢中的氧量和切削性产生影响。如果C含量过低，则氧大量残留于钢中，产生针孔。进而，生成硬质氧化物，切削性降低。另一方面，如果C含量过高，则钢的强度过度变高，切削性降低。因此，C含量为0.005～0.2％。C含量的优选的下限高于0.005％，进一步优选为0.05％，进一步优选为0.07％。C含量的优选的上限小于0.2％，进一步优选为0.12％，进一步优选为0.09％。

Mn：0.3～2.0％

锰(Mn)在钢水中形成软质的氧化物、抑制硬质氧化物的生成。因此，钢的切削性提高。Mn进而与S结合形成MnS，降低固溶S量。如果固溶S量降低，则高温脆化裂纹被抑制。如果Mn含量过低，则难以得到上述效果。如果Mn含量过低，则进而S形成FeS代替形成MnS，钢发生脆化。另一方面，如果Mn含量过高，则钢的硬度变得过高，切削性和冷加工性降低。因此，Mn含量为0.3～2.0％。Mn含量的优选的下限高于0.3％，进一步优选为0.5％，进一步优选为0.8％。Mn含量的优选的上限小于2.0％，进一步优选为1.8％，进一步优选为1.6％。

P：0.005～0.2％

磷(P)使钢脆化、提高钢的切削性。如果P含量过低，则无法获得该效果。另一方面，如果P含量过高，则切削性提高的效果饱和。如果P含量过高，则进而难以稳定地制造钢。因此，P含量为0.005～0.2％。P含量的优选的下限高于0.005％，进一步优选为0.03％，进一步优选为0.05％。P含量的优选的上限小于0.2％，进一步优选为0.15％，进一步优选为0.1％。

S：0.01～0.7％

硫(S)与Mn结合形成MnS夹杂物。MnS夹杂物提高钢的切削性。进而，Pb在凝固过程中聚集在结晶的MnS的周边，因此，MnS使Pb在钢中均匀地分散。如果S含量过低，则无法获得上述效果。另一方面，如果S含量过高，则生成以粗大的MnS为主要成分的硫化物，热变形特性降低。因此，S含量为0.01～0.7％。考虑切削性与轧制等制造性的平衡的情况下，S含量的优选的下限高于0.01％，进一步优选为0.05％，进一步优选为0.15％。S含量的优选的上限小于0.7％，进一步优选为0.5％，进一步优选为0.4％。维持制造时的钢的品质稳定性、且切削性优先于切削性以外的机械特性的情况下，优选的S含量为0.28％以上。

Pb：0.03～0.5％

铅(Pb)几乎不固溶于基质(matrix)的Fe而形成软质的Pb夹杂物。Pb进而与MnS周边接触形成Pb-MnS夹杂物。与MnS接触的Pb提高Pb-MnS夹杂物与母材的界面的润滑性，抑制热轧时的Pb-MnS夹杂物的拉伸。另外，Pb有助于裂纹的进展。因此，在钢中形成Pb夹杂物和MnS夹杂物、进而形成Pb-MnS夹杂物时，切削性提高。如果Pb含量过低，则无法获得上述效果。另一方面，如果Pb含量过高，则难以稳定地制造含铅易切削钢。因此，Pb含量为0.03～0.5％。Pb含量的优选的下限高于0.03％，进一步优选为0.1％，进一步优选为0.15％。Pb含量的优选的上限小于0.5％，进一步优选为0.4％，进一步优选为0.35％。

N：0.004～0.02％

氮(N)对切削性和切削后的表面粗糙度产生影响。具体而言，如果N含量过低，则切削时的钢中的位错容易移动。因此，基质的延性变得过高。上述情况下，容易产生切削撕裂，无法得到良好的表面粗糙度。另一方面，如果N含量过高，则位错难以移动。上述情况下，钢发生脆化，在拉丝、冷锻等除切削以外的冷加工时钢容易开裂。因此，N含量为0.004～0.02％。N含量的优选的下限高于0.004％，进一步优选为0.006％，进一步优选为0.008％。N含量的优选的上限小于0.02％，进一步优选为0.018％，进一步优选为0.015％。

O：0.003～0.03％

氧(O)对MnS的形状产生影响。O含量过低的情况下，MnS中的氧量也降低。因此，MnS的拉伸性提高。通过轧制等对钢进行加工的情况下，MnS容易沿规定的方向(例如轧制方向)拉伸，钢中容易产生各向异性。上述情况下，切削时切屑瘤大型化，或产生被切削的钢部分的不规则的脱落。因此，钢的表面变粗，或工具劣化。本实施方式中，特别是，MnS的形状对Pb的分散有影响。因此，不优选长径比高(即，经拉伸)的MnS。O含量过低的情况下，进而特定夹杂物密度SN0变小。另一方面，O含量过高的情况下，在钢中形成过量的硬质氧化物，钢的切削性降低。因此，O含量为0.003～0.03％。O含量的优选的下限高于0.003％，进一步优选为0.005％，进一步优选为0.008％，进一步优选为0.012％。O含量的优选的上限小于0.03％，进一步优选为0.025％，进一步优选为0.022％。考虑耐火物的熔损等的情况下，O含量的进一步优选的上限为0.018％。

本实施方式的含铅易切削钢的余量包含铁(Fe)和杂质。此处所谓杂质是指，从作为钢的原料利用的矿石、废料或从制造过程的环境等中混入的元素。

[关于钢中的易切削夹杂物]

本实施方式的易切削钢中，钢中的易切削夹杂物(MnS夹杂物、Pb夹杂物、Pb-Mn夹杂物)满足以下条件1～条件4。

[条件1]

钢中的易切削夹杂物中，具有5μm以上的当量圆直径的Pb-MnS夹杂物的个数相对于具有5μm以上的当量圆直径的MnS夹杂物、具有5μm以上的当量圆直径的Pb夹杂物、和具有5μm以上的当量圆直径的Pb-MnS夹杂物的总数的比率RI为5％以上。此处，当量圆直径是指，将易切削夹杂物的面积换算为具有相同面积的圆的情况下的圆的直径。

[条件2]

钢中的易切削夹杂物的长度ML为200μm以下。

[条件3]

钢中的易切削夹杂物中，具有5μm以上的当量圆直径的MnS夹杂物、具有5μm以上的当量圆直径的Pb夹杂物、和具有5μm以上的当量圆直径的Pb-MnS夹杂物的平均长度AL为50μm以下。

[条件4]

钢中的易切削夹杂物中，具有2μm以上的当量圆直径、且具有10以下的长径比的易切削夹杂物的个数(称为特定夹杂物密度SN0)为500个/mm²以上。

以下，对各条件进行详细描述。

[关于条件1]

如上述那样，Pb-MnS夹杂物中，附着于MnS的表面的Pb促进以MnS为起点产生的裂纹的进展。因此，如果有效大型Pb-MnS夹杂物的个数相对于有效大型易切削夹杂物的总数的比率RI高，则切削性提高。具体而言，如果比率RI为5％以上，则裂纹容易进展，可以得到高的切削性。

比率RI可以通过以下方法得到。对与含铅易切削钢材(例如棒钢、线材等)的拉伸方向(例如轧制方向)平行、包含含铅易切削钢材的中心线的截面(以下，称为主面)进行研磨。主面中，从含铅易切削钢材的表面朝向半径方向地，观察10个视野的深度为半径的1/2的位置(所谓R/2位置)部。各视野的面积设为4mm²(2mm×2mm)。因此，所观察的视野的总面积为40mm²。

将各视野分割为16×12区域。然后，识别存在于各区域的夹杂物。然后，对识别的夹杂物的化学组成进行分析，确定识别的夹杂物的易切削夹杂物的种类(Pb夹杂物、MnS夹杂物、Pb-MnS夹杂物)。

夹杂物的识别和易切削夹杂物的种类的确定中使用具备能量色散型X射线光谱仪(EDX)的电子显微镜(SEM)。识别的夹杂物中，当量圆直径小于1μm的夹杂物判断为图像的噪声，从对象中排除。

使用通过SEM和EDX得到的图像(夹杂物组成解析图像)，求出各易切削夹杂物的当量圆直径。利用以上的方法，具有5μm以上的当量圆直径的易切削夹杂物(即，有效大型易切削夹杂物)被识别，具有5μm以上的当量圆直径的Pb-MnS夹杂物(有效大型Pb-MnS夹杂物)被识别。对易切削夹杂物的当量圆直径的上限没有特别限定，例如为200μm。

分别求出10个视野中识别的有效大型易切削夹杂物的总数TN0、和10个视野中识别的有效大型Pb-MnS夹杂物的总数TN1。然后，基于以下式(1)求出比率RI(％)。

RI＝TN1/TN0×100 (1)

易切削夹杂物的识别、当量圆直径的算出、有效大型易切削夹杂物的识别、总数TN0和TN1的识别等可以使用上述的夹杂物组成解析图像、通过公知的颗粒解析软件来解析。

优选的比率RI为10％以上，进一步优选为15％以上。上述情况下，切削性进一步提高。

[关于条件2和条件3]

钢中的易切削夹杂物的长度ML为200μm以下(条件2)。进而，易切削夹杂物中，有效大型易切削夹杂物(即，具有5μm以上的当量圆直径的MnS夹杂物、具有5μm以上的当量圆直径的Pb夹杂物、和具有5μm以上的当量圆直径的Pb-MnS夹杂物)的平均长度AL为50μm以下(条件3)。上述情况下，切屑瘤容易微细化，切削时在钢中裂纹容易产生和进展。因此，可以得到优异的表面粗糙度和工具寿命，可以得到高的切削性。

易切削夹杂物的长度ML和有效大型易切削夹杂物的平均长度AL利用以下方法测定。对含铅易切削钢材(例如棒钢、线材等)的主面进行研磨。主面中，对R/2位置部进行镜面研磨并观察。将观察总面积设为2000mm²。观察总面积为20个视野的总面积，各视野面积设为10mm×10mm。使用光学显微镜以400倍的倍率识别各视野的易切削夹杂物。所识别的易切削夹杂物中，对于当量圆直径为2μm以上的各个易切削夹杂物(有效易切削夹杂物)，测定钢材的拉伸方向的长度LL、和与拉伸方向垂直的长度LS。所识别的各易切削夹杂物的长度LL中，将最大者定义为易切削夹杂物的长度ML(μm)。

进而，利用上述的方法所识别的各易切削夹杂物中，将有效大型易切削夹杂物(当量圆直径为5μm以上的易切削夹杂物)的长度LL(μm)的平均值定义为平均长度AL(μm)。长度ML和有效大型易切削夹杂物的平均长度AL可以使用上述的颗粒解析软件进行解析。

易切削夹杂物的长度ML超过200μm、或有效大型易切削夹杂物的平均长度AL超过50μm的情况下，易切削夹杂物过度地大，或易切削夹杂物的长径比AR过度地大，易切削夹杂物拉伸。长径比AR如以下式(2)定义。

长径比AR＝易切削夹杂物的长度LL/易切削夹杂物的长度LS (2)

易切削夹杂物过度地大、或过度地拉伸的情况下，如图3所示那样，形成了大型的切屑瘤2。如果切屑瘤2变为大型，则所生成的切屑瘤2的分布容易变得不均匀，其结果，表面粗糙度降低，工具寿命也变短。

长度ML为200μm以下、且有效大型易切削夹杂物的平均长度AL为50μm以下的情况下，易切削夹杂物的长径比AR小、易切削夹杂物接近于球状。上述情况下，如图4所示那样，切屑瘤2变得微细，在切削工具的刀尖处，多个微细的切屑瘤2容易均匀地分布。因此，能够进行均匀的切削，可以得到良好的表面粗糙度，工具寿命也变长。

[关于条件4]

本实施方式的易切削钢中，钢中的易切削夹杂物中，具有2μm以上的当量圆直径、且具有10以下的长径比的易切削夹杂物的个数(以下称为特定夹杂物密度SN0)为500个/mm²以上。

此处，特定夹杂物密度SN0利用以下方法求出。利用条件1中规定的方法识别各视野(总计10个视野)中的易切削夹杂物。对于所识别的各易切削夹杂物，利用与条件1相同的方法求出当量圆直径。另外，各易切削夹杂物中，对于当量圆直径为2μm以上的易切削夹杂物，基于式(2)求出长径比AR。通过以上的方法，求出10个视野中的具有2μm以上的当量圆直径、且具有10以下的长径比的易切削夹杂物的总数SN1。

使用总数SN1、和10个视野的总面积(mm²)，通过以下式(3)求出特定夹杂物密度SN0(个/mm²)。

特定夹杂物密度SN0＝总数SN1/10个视野的总面积 (3)

当量圆直径、长径比、总数SN1等可以使用上述颗粒解析软件进行解析。

有效易切削夹杂物(具有2μm以上的当量圆直径的易切削夹杂物)有助于切屑瘤的微细化。如果特定夹杂物密度SN0过少，则钢中的有效易切削夹杂物的分布不充分。因此，产生切屑瘤不发生微细化的情况，容易产生过度生长的切屑瘤。上述情况下，切削性降低。

特定夹杂物密度SN0为500个/mm²以上的情况下，有效易切削夹杂物在钢中均匀地分散。因此，切屑瘤容易微细化，可以抑制切屑瘤的不匀。其结果，可以得到良好的表面粗糙度。

[关于选择元素]

本实施方式的含铅易切削钢可以进一步含有选自由Cu、Ni和Sn组成的组中的1种或2种以上代替一部分Fe。这些选择元素提高耐腐蚀性。

Cu：0.5％以下

铜(Cu)为选择元素。Cu提高钢的耐腐蚀性。Cu进一步提高钢的切削性。另一方面，如果Cu含量过高，则钢的热延性降低。因此，Cu含量为0.5％以下。如果Cu含量为0.05％以上，则可以明显地得到上述效果。Cu含量的进一步优选的下限为0.07％，进一步优选为0.15％。Cu含量的优选上限小于0.5％，进一步优选为0.4％，进一步优选为0.3％。

Ni：0.5％以下

镍(Ni)为选择元素。Ni提高钢的耐腐蚀性。Ni进一步提高钢的延性。含铅易切削钢含有Cu的情况下，Ni抑制含铅易切削钢的脆化，提高钢的制造稳定性。另一方面，如果Ni含量过高，则延性变得过高，切削性降低。因此，Ni含量为0.5％以下。如果Ni含量为0.05％以上，则可以明显地得到上述效果。Ni含量的进一步优选的下限为0.1％。Ni含量的优选的上限小于0.5％，进一步优选为0.4％，进一步优选为0.3％。

Sn：0.5％以下

锡(Sn)为选择元素。Sn提高钢的耐腐蚀性。Sn进一步提高钢的切削性。另一方面，如果Sn含量过高，则钢的热延性降低。因此，Sn含量为0.5％以下。如果Sn含量为0.05％以上，则可以明显地得到上述效果。Sn含量的进一步优选的下限为0.1％，进一步优选为0.2％。Sn含量的优选的上限小于0.5％，进一步优选为0.4％，进一步优选为0.3％。

本实施方式的含铅易切削钢可以进一步含有选自由Te和Bi组成的组中的1种以上代替一部分Fe。这些元素为选择元素，提高钢的切削性。

Te：0.2％以下

碲(Te)为选择元素。Te提高钢的切削性。Te对控制易切削夹杂物的形状特别有效，具体而言，减小MnS夹杂物、Pb-MnS夹杂物的长径比。另一方面，如果Te含量过高，则钢的热延性降低。因此，Te含量为0.2％以下。如果Te含量为0.0003％以上，则可以明显地得到上述效果。Te含量的进一步优选的下限为0.0008％，进一步优选为0.01％。Te含量的优选的上限小于0.2％，进一步优选为0.1％，进一步优选为0.05％。

Bi：0.5％以下

铋(Bi)为选择元素。Bi提高钢的切削性。另一方面，如果Bi含量过高，则钢的热延性降低。因此，Bi含量为0.5％以下。如果Bi含量为0.005％以上，则可以明显地得到上述效果。Bi含量的进一步优选的下限为0.008％，进一步优选为0.01％。Bi含量的优选的上限小于0.5％，进一步优选为0.1％，进一步优选为0.05％。

本实施方式的含铅易切削钢可以进一步含有选自由Cr和Mo组成的组中的1种以上代替一部分Fe。这些选择元素提高轧制后的钢的硬度。

Cr、Mo提高淬透性。因此，即便对于本实施方式的含铅易切削钢那样的低碳钢，也存在用于调整轧制后的原材料的强度而有效的情况。对于本实施方式的含铅易切削钢大多切削被拉丝而加工硬化的材料。一般来说，钢硬时，表面粗糙度优异，但促进工具磨耗。因此，钢的硬度对尺寸精度有影响。对于精密部件，优选将通过拉丝而加工硬化后的钢的硬度控制为150～250HV左右，进而优选根据加工的形状、切削量而调整为最佳的硬度。

通过拉丝而加工硬化后的钢的硬度由轧制后的钢的硬度、加工硬化特性和加工量确定。加工量(例如拉丝断面收缩率)小的情况下，加工后的钢的硬度不易变大。因此，预先提高轧制后的钢的硬度是有效的。因此，Cr和/或Mo那样的提高淬透性的元素是有效的。

Cr：0.5％以下

铬(Cr)为选择元素。Cr提高轧制后的钢的硬度。如果Cr含量过高，则钢变得过硬，或难以得到作为易切削钢的切削性。因此，Cr含量为0.5％以下。如果Cr含量为0.05％以上，则可以明显地得到上述效果。Cr含量的优选的下限为0.08％，进一步优选为0.1％。Cr含量的优选的上限小于0.5％，进一步优选为0.3％，进一步优选为0.2％。

Mo：0.5％以下

钼(Mo)为选择元素。Mo提高轧制后的钢的硬度。如果Mo含量过高，则钢变得过硬，或难以得到作为易切削钢的切削性。因此，Mo含量为0.5％以下。如果Mo含量为0.02％以上，则可以明显地得到上述效果。Mo含量的优选的下限为0.03％。Mo含量的优选的上限小于0.2％，进一步优选为0.1％。

[制造方法]

包含满足上述的条件1～4的易切削夹杂物的含铅易切削钢例如通过以下的制造方法来制造。

图5为示意性示出本实施方式的含铅易切削钢的制造工序中的钢材的温度历程的图。参照图5，制造方法的一个例子中，首先，将满足上述化学组成的钢水通过连续铸造法制成铸坯。或者，将钢水通过铸锭法制成铸锭(铸造工序S1)。然后，将铸坯或铸锭进行多次热加工，制造含铅易切削钢材(热加工工序S2)。以下，对各个工序进行详细描述。

[铸造工序S1]

铸造工序S1中，铸造钢水从而制造铸坯或铸锭。以下，将铸坯和铸锭总称为原材料。此处所谓原材料的横截面积例如为350mm×560mm、220mm×220mm、200mm×200mm和150mm×150mm的任一种。根据该原材料的截面积和凝固过程中的冷却条件，控制钢水的冷却速度RC。MnS夹杂物在铸造工序S1中的原材料的凝固末期结晶。铸造工序S1中，钢水的冷却速度RC越快，Mn的固溶量越增大。因此，钢中结晶的MnS不生长而MnS的形状变小。上述情况下，MnS中的氧量变多，因此形成长径比小的MnS。然而，如果冷却速度RC过快，则S固溶量变得过多，钢的热延性降低。因此，通过连续铸造制造铸坯时，容易产生断裂。如果冷却速度过快，则进而有效大型易切削夹杂物中，Pb-MnS夹杂物变少，比率RI变得过低。另一方面，如果冷却速度RC过慢，则钢中结晶的MnS变粗大，个数也变少。其结果，特定夹杂物密度SN0变为小于500个/mm²，钢的切削性降低。而且Pb的分布也容易变得不均匀，品质稳定性也差。

图6为所铸造的原材料的横截面图。对于厚度W(mm)的原材料中从表面朝向原材料中心的W/4的位置的地点P1，将从液相线温度至固相线温度的冷却速度定义为铸造工序S1中的冷却速度RC(℃/分钟)。冷却速度RC为0.1～20℃/分钟时，可以形成长径比和尺寸合适的MnS，可以得到适合的特定夹杂物密度SN0。进而，促进Pb-MnS夹杂物的生成，得到适合的比率RI。进而，如果热加工工序S2适合，则可以制造含有满足上述条件1～4的易切削夹杂物的含铅易切削钢。

冷却速度RC的优选的上限小于20℃/分钟，进一步优选为15℃/分钟，更优选小于15℃/分钟。上述情况下，容易形成长径比和尺寸合适的MnS。另一方面，如果冷却速度RC过慢，则MnS夹杂物的个数变少，或Pb夹杂物容易不均匀地分布，品质稳定性降低。因此，冷却速度RC的优选的下限为0.1℃/分钟，进一步优选为5℃/分钟。

冷却速度RC可以利用以下方法求出。将凝固后的原材料沿横截方向切断。原材料的横截面中，测定地点P1处的凝固组织的厚度方向的二次枝晶臂间距λ2(μm)。使用测定值λ2，基于以下式(4)，求出冷却速度RC(℃/分钟)。

RC＝(λ2/770)^-(1/0.41) (4)

二次枝晶臂间距λ2依赖于冷却速度。因此，通过测定二次枝晶臂间距λ2，从而可以求出冷却速度RC。

[热加工工序S2]

热加工工序S2中，通常实施多次热加工(S21～S2k、k为2以上的自然数)。实施各热加工前，对原材料进行加热。例如，图5中，实施2次的热加工S21和S22。热加工S21中，首先，对原材料进行加热(HP1)。之后，对原材料实施热加工(WP1)。热加工例如为初轧。热加工后的原材料可以通过空气冷却等公知的冷却法进行冷却。热加工S22也与热加工S21同样地，首先对通过第1次热加工制造的原材料再次进行加热(HP2)。之后，实施第2次热加工，制造钢材(WP2)。例如，通过连轧机轧制原材料而制造棒钢、线材。如以上所述，热加工工序S2中，可以实施多次热加工(S21～S2k)。

有效易切削夹杂物(也包括有效大型易切削夹杂物)主要在铸造时结晶并生长。这些易切削夹杂物为软质的夹杂物。因此，通过热加工，易切削夹杂物的形状容易变化。热加工中，一般来说，将含铅易切削钢沿单轴进行拉伸。因此，易切削夹杂物也容易沿单轴(轧制方向等)拉伸。

如果各热加工S21～S2k中的热加工开始时的原材料的表面温度(以下，称为加工开始温度)过低，则利用轧制装置、热锻装置等的加工(压下等)容易渗透至易切削夹杂物，因此易切削夹杂物容易拉伸。如果轧制开始温度为1080℃以上，则基质的热延性提高。因此，加工(压下)不易渗透至易切削夹杂物。即，在易切削夹杂物变形前，基质变形。因此，易切削夹杂物在热加工中不易变形，所制造的含铅易切削钢的易切削夹杂物满足条件2和3。

实施多次热加工S21～S2k时，如果将各热加工的加工开始温度设为1080℃以上，则制造后的钢中的易切削夹杂物满足条件2和3。例如，如上述的例子那样，实施2次的热加工S21和S22时，将各加工WP1、WP2中的加工开始温度设为1080℃以上。WP1为初轧，WP2为利用连轧机的制品轧制的情况下，将初轧的加工开始温度(轧制开始温度)设为1080℃以上、且将连续轧制的加工开始温度(轧制开始温度)也设为1080℃以上。

加工开始温度例如可以通过配置于加工装置(初轧机和连轧机)的入口侧的辐射温度计来测定。

实施例

在各种化学组成和制造条件下制造含铅易切削钢，评价切削性。

[试验方法]

制造具有表1所示的化学组成的试验编号1～27的钢水。

[表1]

使用钢水，通过连续铸造法或铸锭法，制造铸坯或铸锭(以下，总称为原材料)。连续铸造法、铸锭法中，截面均为200×200mm，铸造控制其冷却方法而得到的各试验编号的钢时的冷却速度RC(℃/分钟)如表1所示。各试验编号的冷却速度RC通过测定二次枝晶臂间距、基于上述的式(4)进行计算从而求出。

对各试验编号的原材料实施2次热加工，制造具有50mm的外径的圆棒材。各热加工中，实施初轧、拉伸轧制和热锻中的任一者。各热加工中，测定加工开始温度T1和T2(℃)。表1示出各试验编号的加工开始温度。表1中的“T1”栏记载了第1次热加工的加工开始温度。“T2”栏记载了第2次热加工的加工开始温度。

对于各试验编号，分别实施各热加工，观察热加工后的原材料的表面，确认裂纹的有无。发生裂纹的情况下，中止该试验编号的试验。

[易切削夹杂物观察试验]

从各试验编号的圆棒材采集组织观察用的试验片。试验片的表面中，将与圆棒材的长度方向(即，轧制方向或拉伸方向)平行、且包含圆棒材的中心线的截面定义为检测面。基于上述方法，求出各试验编号的易切削夹杂物的长度ML(μm)、有效大型易切削夹杂物的平均长度AL(μm)、比率RI(％)和特定夹杂物密度SN0(个/mm²)。

[钻头穿孔试验]

利用钻头穿孔试验评价各试验编号的钢的切削性。钻头穿孔试验中，对各试验编号的圆棒材，使用钻头，以任意的切削速度持续多次形成15mm深的孔。然后，求出能够切削至累计的孔深度为1000mm(即，能够穿孔15mm深的孔67个以上)的最高的切削速度VL1000(m/分钟)。

具体而言，使用NACHI(商标)制的直径5mm的钻头。将钻头的外伸量设为60mm、进给量设为0.33mm/rev，穿孔时使用市售的水溶性切削油。穿孔方向设为与圆棒材的长度方向垂直的方向(横截方向)。重复实施开孔加工直至钻头熔损或折损，求出切削速度VL1000。切削速度VL1000越大，表明能以高速穿孔越多的孔，因此，判断为工具寿命优异、切削性高。

[凸缘切削试验]

利用图7A和图7B所示的凸缘切削试验评价各试验编号的钢的切削后的表面粗糙度。凸缘切削试验中，使用车刀工具20，边使圆棒材30绕轴旋转边切削圆棒材30的表面，如图7B所示那样，依次形成槽G1～G10。具体而言，使车刀工具20沿圆棒材30的半径方向前进，形成槽G1。之后，如图7B中的箭头那样，使车刀工具20沿圆棒材30的半径方向后退，之后沿圆棒材的轴向移动规定距离。然后，使车刀工具20再次沿半径方向前进，形成槽G2。之后，同样地依次形成槽G3～槽G10。形成槽G10后，使车刀工具20再次移动至槽G1的位置，对槽G1～槽G10再次重复槽加工。实施200道槽加工(对于各槽G1～G10进行20道槽加工)后，评价槽G10的底面的表面粗糙度。

车刀工具20的原材料相当于JIS标准的SHK57，前角为20°、后角为6°。槽加工时的车刀工具20的切削速度为80m/分钟，进给量为0.05mm/rev。切削时，使用市售的非水溶性切削油。

表面粗糙度利用以下方法测定。在200道槽加工后的槽G10的底面处，使用触针式表面粗糙度计，基于JIS B0601(1972)测定最大高度Rmax(μm)。最大高度Rmax越小，评价为切削性越优异。

[试验结果]

试验结果示于表1。表1中的“加工裂纹”栏的“有”是指，热加工后确认到裂纹。“无”是指，没有确认到裂纹。“ML”栏中记载了各试验编号的易切削夹杂物的长度ML(μm)。“AL”栏中记载了各试验编号的有效大型易切削夹杂物的平均长度AL(μm)。“RI”栏中记载了各试验编号的比率RI(％)。“SN0”栏中记载了特定夹杂物密度(个/mm²)。“VL1000”栏中记载了利用钻头穿孔试验得到的各试验编号的切削速度(m/分钟)。“Rmax”栏中记载了利用凸缘切削试验得到的各试验编号的表面的最大高度Rmax(μm)。

参照表1，试验编号1～14中，化学组成是适合的，铸造工序的冷却速度RC、各热加工工序的加工开始温度T1和T2也是适合的。因此，钢中的易切削夹杂物的最大长度ML为200μm以下，平均长度AL为50μm以下。进而，比率RI为5％以上，特定夹杂物密度SN0也为500个/mm²以上。因此，试验编号1～14的切削速度均高，为130m/分钟以上。进而，最大高度Rmax也均小，为14.5μm以下。

另一方面，试验编号15中，化学组成是适合的，但铸造工序的冷却速度RC过快。因此，在第1次热加工后的原材料中确认到裂纹。

试验编号16中，化学组成是适合的，但第1次和第2次的加工开始温度T1和T2均低于1080℃。因此，圆棒材中的易切削夹杂物的最大长度ML和有效大型易切削夹杂物的平均长度AL过长。因此，最大高度Rmax大，切削性低。

试验编号17中，氧含量过低。因此，特定夹杂物密度SN0少。其结果，最大高度Rmax大，切削性低。

试验编号18的氧含量也过低。因此，特定夹杂物密度SN0少。其结果，切削速度VL1000过小，最大高度Rmax过大。

试验编号19中，N含量过低。因此，最大高度Rmax过大，切削性低。认为N含量过低导致基质的延性变得过高。

试验编号20～22中，化学组成是适合的，但第1次和第2次的加工开始温度T1和T2均低于1080℃。因此，钢中的易切削夹杂物的长度ML和有效大型易切削夹杂物的平均长度AL的至少一者过大。其结果，最大高度Rmax均大，切削性低。

试验编号23的N含量过低。因此，最大高度Rmax过大，切削性低。

试验编号24中，与试验编号17和18同样地，氧含量过低。因此，特定夹杂物密度SN0少。其结果，切削速度VL1000小，最大高度Rmax大，切削性低。

试验编号25中，Pb含量过低。因此，易切削夹杂物的长度ML、有效大型易切削夹杂物的平均长度AL过大。认为这是由于，Pb含量低，夹杂物与母材的界面的润滑性低。进而，Pb-MnS夹杂物的比率RI也过低。因此，切削速度VL1000小，最大高度Rmax大，切削性低。

试验编号26中，化学组成是适合的，但冷却速度RC过快。因此，比率RI过低。其结果，切削速度VL1000小，最大高度Rmax大。

试验编号27中，化学组成是适合的，但冷却速度RC过慢。因此，特定夹杂物密度SN0过少。其结果，最大高度Rmax大。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述的实施方式不过是用于实施本发明的示例。因此，本发明不限定于上述的实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内对上述实施方式进行适当变形从而实施。

Claims

1.一种含铅易切削钢，以质量％计，含有：

C：0.005～0.2％、

Mn：0.3～2.0％、

P：0.005～0.2％、

S：0.01～0.7％、

Pb：0.03～0.5％、

N：0.004～0.02％、和

O：0.003～0.03％，

余量包含Fe和杂质，

钢中的MnS夹杂物、Pb夹杂物、以及含有Pb和MnS的Pb-MnS夹杂物中，具有5μm以上的当量圆直径的所述Pb-MnS夹杂物的个数相对于具有5μm以上的当量圆直径的所述MnS夹杂物、所述Pb夹杂物和所述Pb-MnS夹杂物的总数的比率为5％以上，

所述MnS夹杂物、所述Pb夹杂物和所述Pb-MnS夹杂物的长度为200μm以下，

所述具有5μm以上的当量圆直径的所述MnS夹杂物、所述Pb夹杂物和所述Pb-MnS夹杂物的平均长度为50μm以下，

所述MnS夹杂物、所述Pb夹杂物、所述Pb-MnS夹杂物中，具有2μm以上的当量圆直径、且具有10以下的长径比的夹杂物为500个/mm²以上。

2.根据权利要求1所述的含铅易切削钢，其中，

含有选自由Cu：0.5％以下、

Ni：0.5％以下、和

Sn：0.5％以下

组成的组中的1种或2种以上代替一部分所述Fe。

3.根据权利要求1所述的含铅易切削钢，其中，

含有选自由Te：0.2％以下、和

Bi：0.5％以下

组成的组中的1种以上代替一部分所述Fe。

4.根据权利要求2所述的含铅易切削钢，其中，

含有选自由Te：0.2％以下、和

Bi：0.5％以下

组成的组中的1种以上代替一部分所述Fe。

5.根据权利要求1～权利要求4中的任一项所述的含铅易切削钢，其中，

含有选自由Cr：0.5％以下、和

Mo：0.5％以下

组成的组中的1种以上代替一部分所述Fe。