JP2001234279A - 切屑処理性に優れた冷間鍛造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた冷鍛性を保持したまま、切削工程の自
動化において重要な切屑処理性を大幅に向上させた冷間
鍛造用鋼を提供する。 【解決手段】 鋼中に０．２％以下のＢｉを含有させる
とともに、鋼中のＭｎ硫化物系介在物中の平均酸素量を
１０％以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷間鍛造後に切削
加工を行う鋼材に関するものであって、被削性のうち特
に切屑処理性に優れた冷間鍛造用鋼に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の被削性を向上させる為に、鉛や硫
黄の如き被削性向上元素を添加した鋼が広く実用化され
ている。鋼中に添加された硫黄は、Ｍｎ等と硫化物を形
成して鋼中に分散し、これが鋼材切削中に応力集中源と
して作用する為、切屑が細かく分断され易くなって加工
が容易になる。また鉛は、その柔らかさ故に鋼材切削中
に応力集中源として作用するだけでなく、融点が低いの
で切削熱で溶解し、部分的に溶融金属脆化を引き起こす
為に、切屑が分断され易く被削性が向上する。

【０００３】一方、冷間鍛造用鋼は、従来より精密機械
部品用の素材として用いられることが多く、まず冷間加
工され、その後仕上げの為に切削加工が行われる。従っ
て、冷間鍛造用鋼は、冷間鍛造性（以下、冷鍛性とい
う）に加えて被削性に優れていることを要する。しかし
ながら被削性向上の為に鉛や硫黄を添加すると、上記諸
性質が災いして冷鍛性に悪影響を及ぼし、厳しい冷間鍛
造に耐え難くなる。その為、上記精密機械部品の製造に
は、冷鍛性劣化の悪影響が生じない程度の単純な形状に
まで冷間鍛造した後、残部を切削する工程が採用されて
いる。しかしこの方法では、切削加工に多くの時間を要
するだけでなく歩留りも低下する。従って、厳しい冷間
鍛造に耐え得るだけの冷鍛性を保持しつつ、被削性を高
めた冷間鍛造用鋼が望まれている。尚、切削は、実際の
製造ラインでは自動運転で行われる為、被削性としては
特に切屑処理性の向上が要求されている。

【０００４】この問題に対処する従来技術として、特許
第１６０９７９４号公報には被削性に優れた機械構造用
鋼が開示されているが、被削性を改善するために鉛の添
加を必須としているので、上述の通り優れた冷鍛性は望
めない。また、特公平１−３３５４４号公報には、冷鍛
性と被削性の優れた機械構造用鋼が開示されている。し
かし、その手段は介在物をＣａＳ−ＣａＯの形態に制御
するものであり、介在物中に多量の酸素が含まれる為、
該介在物は上述の通り細かく分散されず、優れた切屑処
理性を期待することができない。この被削性の向上をＢ
ｉやＰｂを添加して図るが、これらの元素は、鋼中に介
在物として析出し応力集中源となる為、更に微細分散等
を行わない限り、一般に冷鍛性もあまり良くない。ま
た、特開昭６３−２１６９５２号公報にも冷間鍛造用鋼
について開示されているが、硫化物を細かく分散させる
ことについては検討されておらず、優れた切屑処理性は
望めない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、この様な事
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、優れた冷鍛性を保持したまま、自動切削工程におい
て重要な特性である切屑処理性を向上させた冷間鍛造用
鋼を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明の鋼材とは、Ｂｉ：０．２％（質量％の
意味、以下同じ）以下を含むとともに、Ｍｎ硫化物系介
在物中の平均酸素量が１０％以下であることを要旨とす
る。尚、Ｂｉにおける％表示は０％を含むものではな
い。

【０００７】本発明の冷間鍛造用鋼は、上記２つの要件
を満たすことによって目的を達成するものであるが、一
般に次に示す様な化学成分、即ちＣ：０．７％以下、Ｍ
ｎ：０．１〜３％、Ｓｉ：２．５％以下、Ｃｒ：１．５
％以下、Ａ１：０．１％以下、Ｓ：０．０２５％以下、
Ｎ：０．０２５％以下、Ｏ：０．００３％以下を満たす
ものが挙げられる。尚、これらの元素等における％表示
はいずれも０％を含むものではない。

【０００８】また、本発明の冷間鍛造用鋼には、希土類
元素を合計で１００ｐｐｍ以下、Ｃａ：１００ｐｐｍ以
下、Ｍｇ：１００ｐｐｍ以下よりなる群から選択される
少なくとも１種の元素を含有させることが望ましい。更
に、Ｃｕ：２％以下、又はＮｉ：２％以下、又はＭｏ：
１％以下、又はＴｉ：０．３％以下、又はＶ：０．５％
以下、又はＮｂ：０．３％以下、又はＢ：０．０１％以
下のいずれかを含有させることも有効である。尚、ここ
に示す元素も選択的に含有される場合の％を表示するも
のであるから、いずれも０％を含むものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らは、前述した様な状況
の下で、切屑処理性に優れた冷間鍛造用鋼の開発を期し
て鋭意研究を進めた結果、鋼中のＭｎ硫化物系介在物中
の平均酸素量を制御すると共に、少量のＢｉを添加する
ことが有効であることを突き止め、前記Ｍｎ硫化物系介
在物中の平均酸素量及び鋼中Ｂｉ含有量の定量的作用効
果について更に追求を重ねた結果、上記本発明に想到し
たものである。

【００１０】以下、本発明において鋼材の化学成分等を
定めた理由を述べる。

【００１１】まず本発明者らは、冷鍛性の向上に有効
に寄与するＭｎ硫化物系介在物中の平均酸素量について
調べた。その結果を図１に示す。図１は、鋼中のＭｎ硫
化物系介在物中の平均酸素量と、冷鍛性の指標である割
れ発生限界圧縮率との関係を示している。実験には、後
述する表１のＡグループ試料を用いた。これらの試料は
いずれもＢｉを０．０２％含有している。また、比較ベ
ース鋼としては、Ｂｉが無添加であり且つＭｎ硫化物系
介在物中の酸素濃度が１０％を超える鋼（以下、第１ベ
ース鋼と略す）を用いた。

【００１２】図１より、適量のＢｉ存在下で、Ｍｎ硫化
物系介在物中の酸素量を低減すれば割れ発生限界圧縮率
が改善されることが分かる。即ち、本発明者らは、適量
のＢｉを存在させた上でＭｎ硫化物系介在物中の酸素量
を１０％以下に抑制することで、第１べース鋼と同等若
しくはより優れた冷鍛性が得られることを見出した。こ
の様に、Ｍｎ硫化物系介在物中の酸素量の低減が、冷鍛
性の改善に有効に作用した理由として、Ｍｎ硫化物系介
在物中の酸素濃度を下げることでＭｎ硫化物系介在物が
微細化し、Ｂｉ粒が、微細化されたＭｎ硫化物にとりつ
いて微細分散するためと推察される。また、上記Ｍｎ硫
化物系介在物の微細化は、前記介在物中の酸素の低減で
Ｍｎ硫化物系介在物が軟らかくなり、圧延段階で展伸さ
れ、更に比較的低温域の圧延最終段階で上記介在物が細
かく分断され易くなるためと推察される。

【００１３】また、Ｍｎ硫化物系介在物中の平均酸素量
の低減は、切屑処理性の向上にも寄与する。その理由と
して、Ｍｎ硫化物系介在物中の平均酸素量が低い場合に
は、Ｍｎ硫化物がデンドライト状に析出し易いこと、及
び、上述の通り延性が高く熱間圧延時に微細分散し易い
ことが推察される。

【００１４】切屑処理性の改善は、上記Ｍｎ硫化物系介
在物中の平均酸素量を１０％以下に抑えることで達成さ
れるが、より好ましくは６％以下、さらに好ましくは４
％以下に抑える。

【００１５】上記Ｍｎ硫化物系介在物中の酸素濃度の調
整は、溶鋼処理の段階において、Ｍｎ硫化物の析出する
温度域（約１７００℃〜凝固温度）で酸素と結合し易い
ＲＥＭ，Ｃａ，Ｍｇ等を添加して行う。尚、これらの添
加元素は、酸素と結合しほとんどがスラグ中に出るの
で、最終製品の品質には影響を及ぼさない。

【００１６】次に、優れた冷鍛性を保持したまま切屑
処理性を著しく向上させるＢｉの定量的効果について調
べた。その結果を図２に示す。図２は、被削性の指標で
ある切屑処理性指数と、冷鍛性の指標である割れ発生限
界圧縮率との関係について、Ｂｉ添加鋼とＰｂ添加鋼と
を比較した結果を示している。実験には、ベース鋼とし
て、Ｂｉ及びＰｂを添加せず且つＭｎ硫化物系介在物中
の平均酸素量が１０％以下の鋼（以下、第２ベース鋼と
略す）を用いた。また実験には、第２ベース鋼にＢｉ量
又はＰｂ量のいずれかを変化させて添加した鋼を用い
た。切屑処理性指数は、後述の実施例で示す切削試験法
と同じ方法で求めた。

【００１７】尚、図２において、第２べース鋼が第１ベ
ース鋼よりも割れ発生限界圧縮率が高い、即ち冷鍛性が
良いのは、第２べース鋼のＭｎ硫化物系介在物中の酸素
含有量が、第１ベース鋼よりも低く１０％以下であるこ
とに起因する。

【００１８】図２より、０．２％までのＢｉを鋼に含有
させると、第１べース鋼と同等若しくはそれ以上の優れ
た冷鍛性を保持したまま、切屑処理性が著しく向上する
ことが分かる。これに対し、Ｐｂを添加した場合は、切
屑処理性指数が向上するにつれて冷鍛性が著しく劣化
し、優れた切屑処理性と冷鍛性とを同時に得ることがで
きない。

【００１９】即ち、本発明者らは優れた冷鍛性及び被削
性を同時に実現するには、０．２％以下、望ましくは
０．１％以下のＢｉを鋼中に含有させる必要があること
を見出した。尚、Ｂｉはごく微量でもその効果を発揮す
るが、効果をより明確に発現させるには、０．０１％以
上添加することが好ましい。

【００２０】次に本発明の冷間鍛造用鋼における基本的
な成分の好ましい範囲及びその理由について述べる。

【００２１】Ｃ：０．７％以下 Ｃは最終製品の強度を確保するために重要な元素であ
り、通常は０．００２％程度以上を必要とするが、０．
７％を超えると強度が高くなりすぎて冷鍛性が劣化する
ので、上限を０．７％とする。

【００２２】Ｍｎ：０．１〜３％ ＭｎもＣと同様、最終製品の強度を確保するために必要
な元素であり、また本発明では、特にＭｎ硫化物を形成
させて被削性の向上を図る必要があるため、０．１％以
上を含有させる。しかし、過剰に添加すると鋼が硬質化
して冷鍛性が低下するので３％以下に抑える。

【００２３】Ｓｉ：２．５％以下、Ａ１：０．１％以下 Ｓｉ及びＡ１は共に脱酸に有効な元素であり、しかもＳ
ｉは、鋼の固溶強化に有効に作用して最終製品の強度を
向上させるので、Ｓｉは０．１％以上、Ａｌは０．０１
％以上含有させることが好ましい。しかし、いずれの元
素も多すぎると冷鍛性を劣化させるので、Ｓｉは２．５
％以下、Ａ１は０．１％以下に抑える。尚、Ｓｉは冷間
鍛造時の変形抵抗を高める元素なので、切削性の評価と
して工具寿命を重視する場合は、０．１％以下に抑える
ことが望ましい。

【００２４】Ｃｒ：１．５％以下 Ｃｒは、固溶炭素による時効を抑制して冷鍛性を向上さ
せる為、０．１％以上含有させることが好ましい。しか
し、過剰に添加すると鋼材が硬質化するので上限を１．
５％とする。

【００２５】Ｓ：０．０２５％以下 Ｓは、被削性の向上に有効なＭｎ硫化物系介在物を形成
するのに必要な元素である。従って、０．００５％以上
添加することが好ましい。しかし、多過ぎると冷鍛性を
著しく劣化させるので０．０２５％以下、好ましくは
０．０１５％以下とする。

【００２６】Ｎ：０．０２５％以下 Ｎは、鋼中に硬い窒化物、炭窒化物を生成して冷鍛性の
向上を阻害する元素であるので、冷鍛性を重視する場合
は、低含有量であることが望ましい。一方、Ｎは時効効
果を促進し、切削熱で切屑の時効脆化を起こし易くする
元素でもあるので、被削性を重視する場合には高含有量
であることが望ましい。しかしＮが過剰になると、冷間
鍛造時の時効硬化が大きくなり冷鍛性が劣化するので、
０．０２５％以下に抑える。

【００２７】Ｏ：０．００３％以下 Ｏ含有量が０．００３％を超えるとアルミナ等の硬質な
酸化物系介在物等が増加して工具摩耗を促進するので、
上限を０．００３％とする。

【００２８】本発明における基本的な化学成分組成は以
上の通りであるが、必要によっては、希土類元素、Ｃ
ａ、Ｍｇよりなる群から選ばれる少なくとも１種、及び
／又はＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂのいずれ
かを適量含有させて、次の様な改善効果を得ることも有
効である。

【００２９】希土類元素：合計で１００ｐｐｍ以下、Ｃ
ａ：１００ｐｐｍ以下、Ｍｇ：１００ｐｐｍ以下 これらの元素は、上述の通り、鋼中の酸素濃度の低減に
大きく寄与する。即ち、これらの元素をＭｎ硫化物の析
出温度域（Ｍｎ硫化物が析出する温度はＭｎ含有量やＳ
含有量によって異なる）で溶鋼中に添加すると、Ｍｎ硫
化物系介在物の低酸素濃度化が一層助長される。上記元
素は鋼中酸素の低減の為に添加するので、最終的に残存
させる必要性はないが一部残存してもよい。ただし、上
記いずれの元素も１００ｐｐｍを超えると、酸化物系介
在物が多くなり冷鍛性を阻害するので、含有量の上限を
それぞれ１００ｐｐｍとする。

【００３０】Ｃｕ：２％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｍｏ：
１％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎ
ｂ：０．３％以下、Ｂ：０．０１％以下 これらの元素は、主に強度や焼入れ性の向上に有効に作
用する。また、ＢはＮと結合してＢＮを形成し、被削性
を改善する作用も有している。しかし、いずれの元素も
過剰に添加すると冷鍛性を劣化させるので、上記の通り
上限を規定する。

【００３１】尚、本発明鋼中に含まれる元素については
上記説明したものの他、原料、資材、製造設備等の状況
によって持ち込まれる不可避的不純物、更には、本発明
の課題達成に悪影響を与えない元素が含まれる場合も、
本発明の技術的範囲に包含される。

【００３２】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限
を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範
囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、そ
れらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

【００３３】実施例 転炉にて下記表２及び表３に示す化学成分組成の冷間鍛
造用鋼を溶製、鋳造後に８０ｍｍφの棒鋼に圧延し、そ
の後熱処理して供試材を得た。得られた鋼材を用いて、
Ｍｎ硫化物系介在物中の平均酸素量、Ｍｎ硫化物系介在
物の個数、切屑処理性指数、及び割れ発生限界圧縮率を
調べた結果を表４に示す。

【００３４】表２及び表４に示す記号Ａグループは、Ｍ
ｎ硫化物系介在物中の酸素含有量を変化させた実施例で
ある。Ｍｎ硫化物系介在物中の酸素濃度は、前述の通り
Ｍｎ硫化物の析出する温度域で酸素と結合しやすいＲＥ
Ｍ、Ｃａ、Ｍｇ等を添加して調整した。尚、酸素濃度は
溶鋼処理中に上昇し、最終製品の酸素濃度は、表２に示
す通り１２ｐｐｍ程度となっている。

【００３５】また、表２及び表４に示すＢグループは、
Ｂｉ添加量を変化させた実施例であり、Ｃグループは、
Ｂｉの代わりにＰｂを添加した場合の比較例である。更
に、表３及び表４に示すＦグループは、Ｓの含有量を変
化させた実施例である。表２〜４には、その他にＣ，Ｍ
ｎ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎ，Ｏの含有量を変化させた実
施例、及びＲＥＭ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｍ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｂを添加した実施例を示す。

【００３６】各供試材のＭｎ硫化物系介在物中の平均酸
素量は、以下の様にして求めた。即ち、上記８０ｍｍφ
棒鋼のＤ／８部より無作為に選択したＭｎ硫化物系介在
物の酸素含有量をＥＰＭＡで測定し、ｎ１０の平均をそ
のサンプルのＭｎ硫化物系介在物中の平均酸素量とし
た。尚、測定するＭｎ硫化物が小さい場合には、マトリ
ックスであるＦｅの影響を受けて、上記酸素含有量が実
際の介在物中の酸素量よりも低値となり易いので、最大
半径５μｍ以上の介在物を測定対象とした。また、測定
結果がマトリックスであるＦｅの影響を受けていると思
われる場合には、Ｆｅ量を無視し、Ｆｅ以外の化学成分
の合計が１００％となるように補正して酸素量を求め
た。

【００３７】更に、本発明の骨子であるＭｎ硫化物系介
在物中の平均酸素量を制御することで、実際にＭｎ硫化
物系介在物の形態も制御されていること、即ち、Ｍｎ硫
化物系介在物の微細分散化により個数が増加しているこ
とを確認する為に、介在物の個数についても測定した。
Ｍｎ硫化物系介在物の個数は、前記ＥＰＭＡ分析を実施
したサンプルを用い、Ｄ／８位置での面積１ｍｍ²の視
野を光学顕微鏡で６００倍で撮影した写真を画像解析
し、長さ及び幅がともに０．５μｍ以上のものを数え
た。表２に示す結果より、Ｍｎ硫化物系介在物の個数
は、介在物中の酸素含有量を低減させると増大すること
が分かった。

【００３８】各供試材についての切削試験及び冷間鍛造
試験は以下の様に行った。尚、冷間鍛造試験には、サン
プルとして上記８０ｍｍφ棒鋼のＤ／８部から２０ｍｍ
φ×３０ｍｍＬの鋼片を切り出して用いた。

【００３９】＜切削試験＞ 切削速度：１５０ｍ／min 切り込み：０．５，１．０，２．０ｍｍ、 送り：０．０５，０．１０，０．２０，０．３０ｍｍ／
rev の全組み合わせの１２条件で切屑を観察した。切屑処理
性の評価には、１２条件それぞれにおける切屑の状態を
図３より判断し、表１に示す様に１２条件の評価点を合
計した切屑処理性指数を用いた。尚、表１は実験Ｎｏ．
３の切屑処理性指数の算出方法を表したものであるが、
他の実施例についても、表１の様にして切屑処理性指数
を求めた。

【００４０】

【表１】

【００４１】＜冷間鍛造試験＞割れ発生限界圧縮率は、
神戸製鋼所技報「Ｒ＆Ｄ／Ｖｏ１．２３Ｎｏ２．ｐ.９
０」に記載された方法で切欠きを入れた円柱状試験片を
同心円状の溝を付けた圧縮盤を用いて拘束圧縮し、割れ
が発生しない最大の圧縮率を測定した。尚、Ｍｎ硫化物
系介在物中の平均酸素量、及びＢｉ含有量の制御の有無
が冷間鍛造性へ与える影響を調べる為に、Ｍｎ硫化物系
介在物中の平均酸素量が１０％以上、且つＢｉ無添加で
あることを除き、各実施例と化学成分がほぼ同じベース
鋼（以下、単にベース鋼という）についても、上記割れ
発生限界圧縮率を測定した。

【００４２】

【表２】

【００４３】

【表３】

【００４４】

【表４】

【００４５】表２〜４における実験Ｎｏ．３〜１３及び
Ｎｏ．１８〜４２は、請求項１の規定要件を満たしてお
り、いずれも優れた冷鍛性を保持したまま切屑処理性を
向上させることができた。尚、実験Ｎｏ．３６〜４２は
Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｂのいずれかを添
加している例であるが、本実施例も請求項１の規定要件
を全て満たしている為、べース鋼と同等の割れ発生限界
圧縮率を確保したまま優れた切屑処理性を達成すること
ができた。

【００４６】これに対して、実験Ｎｏ．１，２，１４〜
１７は、請求項１で定める要件のいずれかを欠き、下記
の如く割れ発生限界圧縮率又は切屑処理性が不良で本発
明の目的を達成することができない。

【００４７】即ち、実験Ｎｏ．１及び２は、Ｍｎ硫化物
系介在物中の平均酸素量が高い為、割れ発生限界圧縮率
がベース鋼よりも劣化している。

【００４８】また、実験Ｎｏ．１４は、鋼中Ｂｉ含有量
が規定範囲を超えている為、割れ発生限界圧縮率がベー
ス鋼よりも劣化している。更に、実験Ｎｏ．１５〜１７
はＢｉの代わりにＰｂを添加しているが、ベース鋼と比
較して割れ発生限界圧縮率が著しく劣化しており、冷鍛
性を劣化させることなく十分な切屑処理性を付与させる
ことができない。

【００４９】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、鋼
中に０．２％以下のＢｉを含有させ、且つ鋼中のＭｎ硫
化物系介在物中の平均酸素量を１０％以下とすることに
よって、優れた冷鍛性を保持したまま、自動切削工程に
おいて重要な特性である切屑処理性を向上させた冷間鍛
造用鋼を提供し得ることとなった。こうした冷間鍛造用
鋼の実現によって、精密機械部品の製造では、仕上げの
切削加工前に厳しい冷間鍛造を行い得る為、切削加工に
要する時間が削減でき、且つ歩留りの向上も期待できる
こととなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｍｎ硫化物系介在物中の平均酸素量と、冷鍛性
の指標である割れ発生限界圧縮率との関係を示したグラ
フである。

【図２】被削性の指標である切屑処理性指数と、冷鍛性
の指標である割れ発生限界圧縮率との関係について、Ｂ
ｉを添加した場合とＰｂを添加した場合とを比較したグ
ラフである。

【図３】切屑状態に対する切屑評価点を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｂｉ：０．２％（質量％の意味、以下同
   じ）以下を含むとともに、Ｍｎ硫化物系介在物中の平均
   酸素量が１０％以下であることを特徴とする切屑処理性
   に優れた冷間鍛造用鋼。
2. 【請求項２】 Ｃ：０．７％以下、Ｍｎ：０．１〜３
   ％、Ｓｉ：２．５％以下、Ｃｒ：１．５％以下、Ａ１：
   ０．１％以下、Ｓ ：０．０２５％以下、Ｎ ：０．０
   ２５％以下、Ｏ ：０．００３％以下を満たす請求項１
   に記載の切屑処理性に優れた冷間鍛造用鋼。
3. 【請求項３】 更に他の元素として、希土類元素：合計
   で１００ｐｐｍ以下、Ｃａ：１００ｐｐｍ以下、Ｍｇ：
   １００ｐｐｍ以下よりなる群から選択される少なくとも
   １種の元素を含むものである請求項１または２に記載の
   切屑処理性に優れた冷間鍛造用鋼。
4. 【請求項４】 更に他の元素として、Ｃｕ：２％以下、
   又はＮｉ：２％以下、又はＭｏ：１％以下、又はＴｉ：
   ０．３％以下、又はＶ ：０．５％以下、又はＮｂ：
   ０．３％以下、又はＢ ：０．０１％以下のいずれかを
   含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の切屑処
   理性に優れた冷間鍛造用鋼。