JP2001262270A - 被削性に優れた機械構造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理を行わず、鋼材の靭性および疲労
強度を劣化させることなく、被削性を向上させた機械構
造用鋼を提供する。 【解決手段】 重量パーセントで、Ｃ＝０．１０〜０．
７０％、Ｓｉ＝０．０５〜０．５０％、Ｍｎ＝０．２０
〜２．５０％、Ｃｒ＝０．０１〜２．５０％、Ｓｂ＝
０．０１５〜０．１００％、Ｐ＝０．０２０％以下、Ｏ
＝０．００１５％以下を含有し、かつ、Ｓ＝０．００５
〜０．０５０％、Ｃａ＝０．００１０〜０．０１００
％、Ｂｉ＝０．０４〜０．２０％、Ｔｅ＝０．００１〜
０．０５０％、Ｚｒ＝０．０１〜０．２０％のうちから
１種または２種以上を含有していることを特徴とする被
削性に優れた機械構造用鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車および建設
機械部品等、その製造過程において切削加工が施される
部品の素材として用いられる被削性に優れた機械構造用
鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、機械構造用鋼の被削性を向上させ
る手段として、Ｐｂ、Ｓ、Ｐ、Ｃａを添加した鋼材が開
発され、その中でもＰｂは鋼材の機械的性質を劣化しな
いため、Ｐｂを添加した鋼材が多く使用されてきた。し
かし、Ｐｂは人体に極めて有毒であり、また、製造工程
において、集塵装置の設置等、環境への対策が必要であ
るため、Ｐｂを添加せずに被削性を向上する鋼材の開発
が望まれていた。

【０００３】ＳおよびＰを添加した鋼材は被削性は向上
するが、同時に靭性および疲労強度を著しく劣化させる
ため、添加量は制限される。また、Ｃａを添加した鋼材
は工具寿命、特に高速切削加工において効果が認められ
るが、低速切削加工および切屑の破砕性についてはその
効果が十分に発揮されないという問題がある。

【０００４】これらの問題を解決するため、特開平６−
２１２３４８号等では鋼中のＣを黒鉛として存在させ、
この黒鉛を利用することによって被削性を向上させる方
法が開示されている。しかし、鋼中のＣを黒鉛化するに
は熱処理（黒鉛化処理）を行う必要があるため、生産性
および経済的な問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、人体および
環境に有害なＰｂの添加および製造コストを増大するよ
うな熱処理を行うことなく、かつ、鋼材の靭性および疲
労強度を劣化させることなく被削性を向上させた機械構
造用鋼を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意研究
を重ねた結果、化学成分を調整することにより、靭性を
劣化することなく被削性を向上する手段を見出した。

【０００７】具体的な手段は、重量パーセントで、Ｃ＝
０．１０〜０．７０％、Ｓｉ＝０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ＝０．２０〜２．５０％、Ｃｒ＝０．０１〜２．５
０％、Ｓｂ＝０．０１５〜０．１００％、Ｐ＝０．０２
０％以下、Ｏ＝０．００１５％以下を含有し、かつ、Ｓ
＝０．００５〜０．０５０％、Ｃａ＝０．００１０〜
０．０１００％、Ｂｉ＝０．０４〜０．２０％、Ｔｅ＝
０．００１〜０．０５０％、Ｚｒ＝０．０１〜０．２０
％のうちから１種または２種以上を含有していることを
特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼を製造すること
である。

【０００８】更に、強度を向上する元素で、重量パーセ
ントで、Ｍｏ＝０．０１〜１．００％、Ｎｉ＝０．０１
〜２．００％、Ｖ＝０．０１〜０．５０％、Ｂ＝０．０
００５〜０．００５０％のうちから１種または２種以上
を含有していることを特徴とする被削性に優れた機械構
造用鋼を製造することである。

【０００９】更に、オーステナイト結晶粒を微細化する
元素で、重量パーセントで、Ｔｉ＝０．００５〜０．０
５０％、Ｎｂ＝０．００５〜０．０５０％、Ａｌ＝０．
００５〜０．０５０％、Ｎ＝０．００５０〜０．０２０
０％のうちから１種または２種以上を含有していること
を特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼を製造するこ
とである。

【００１０】次に本発明の上記化学成分について、その
限定理由を説明する。 Ｃ：０．１０〜０．７０ｗｔ％ Ｃは強度を付与する元素である。その効果を発揮するた
めには、少なくとも０．１０ｗｔ％以上の添加が必要で
ある。しかしながら、過剰な添加は熱間加工性および被
削性を劣化させる。これを回避するためには上限を０．
７０ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｃの添
加量は０．１０〜０．７０ｗｔ％の範囲とした。

【００１１】Ｓｉ：０．０５〜０．５０ｗｔ％ Ｓｉは溶鋼の脱酸用として効果がある。その効果を発揮
するためには、少なくとも０．０５ｗｔ％以上の添加が
必要である。しかしながら、過剰な添加は熱間加工性お
よび被削性を劣化させる。これを回避するためには上限
を０．５０ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、
Ｓｉの添加量は０．０５〜０．５０ｗｔ％の範囲とし
た。

【００１２】Ｍｎ：０．２０〜２．５０ｗｔ％ Ｍｎは強度を付与する元素である。その効果を発揮する
ためには、少なくとも０．２０ｗｔ％以上の添加が必要
である。しかしながら、過剰な添加は被削性を劣化させ
る。これを回避するためには上限を２．５０ｗｔ％に限
定する必要がある。したがって、Ｍｎの添加量は０．２
０〜２．５０ｗｔ％の範囲とした。

【００１３】Ｃｒ：０．０１〜２．５０ｗｔ％ Ｃｒは強度を付与する元素である。その効果を発揮する
ためには、少なくとも０．０１ｗｔ％以上の添加が必要
である。しかしながら、過剰な添加は被削性を劣化させ
る。これを回避するためには上限を２．５０ｗｔ％に限
定する必要がある。したがって、Ｃｒの添加量は０．０
１〜２．５０ｗｔ％の範囲とした。

【００１４】Ｓｂ：０．０１５〜０．１００ｗｔ％ Ｓｂは本発明において最も重要な元素である。Ｓｂはマ
トリックス中に固溶し、鋼を脆化させることにより、被
削性を向上する。またＳｂは粒界酸化深さを低減する効
果を有し、この粒界酸化深さの低減を介して疲労強度向
上に寄与する。その効果を発揮するためには、少なくと
も０．０１５ｗｔ％以上の添加が必要である。しかしな
がら、過剰な添加は靭性を劣化させる。これを回避する
ためには上限を０．１００ｗｔ％に限定する必要があ
る。したがって、Ｓｂの添加量は０．０１５〜０．１０
０ｗｔ％の範囲とした。

【００１５】Ｐ：０．０２０ｗｔ％以下 Ｐはオーステナイト粒界に偏析して粒界を脆弱にさせ、
靭性および疲労強度を劣化させる。これを回避するため
には上限を０．０２０ｗｔ％に限定する必要がある。し
たがって、Ｐの含有量は０．０２０ｗｔ％以下と限定し
た。

【００１６】Ｏ：０．００１５ｗｔ％以下 Ｏは鋼中においては酸化物系介在物として存在し、靭性
および疲労強度を劣化させる。これを回避するためには
上限を０．００１５ｗｔ％に限定する必要がある。した
がって、Ｏの含有量は０．００１５ｗｔ％以下と限定し
た。

【００１７】Ｓ：０．００５〜０．０５０ｗｔ％ Ｓは大部分は硫化物系介在物として鋼中に存在し、被削
性を向上させる。その効果を発揮するためには、少なく
とも０．００５ｗｔ％以上の添加が必要である。しかし
ながら、過剰な添加は靭性および疲労強度の低下を招く
要因となる。これを回避するためには上限を０．０５０
ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｓの添加量
は０．００５〜０．０５０ｗｔ％の範囲とした。

【００１８】Ｃａ：０．００１０〜０．０１００ｗｔ％ Ｃａは被削性を向上させる元素である。その効果を発揮
するためには、少なくとも０．００１０ｗｔ％以上の添
加が必要である。しかしながら、過剰な添加は靭性を劣
化させる。これを回避するためには上限を０．０１００
ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｃａの添加
量は０．００１０〜０．０１００ｗｔ％の範囲とした。

【００１９】Ｂｉ：０．０４〜０．２０ｗｔ％ Ｂｉは被削性を向上させる元素である。その効果を発揮
するためには、少なくとも０．０４ｗｔ％以上の添加が
必要である。しかしながら、過剰な添加は靭性を劣化さ
せる。これを回避するためには上限を０．２０ｗｔ％に
限定する必要がある。したがって、Ｂｉの添加量は０．
０４〜０．２０ｗｔ％の範囲とした。

【００２０】Ｔｅ：０．００１〜０．０５０ｗｔ％ Ｔｅは被削性を向上する元素である。その効果を発揮す
るためには、少なくとも０．００１ｗｔ％以上の添加が
必要である。しかしながら、過剰な添加は熱間加工性を
劣化させる。これを回避するためには上限を０．０５０
ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｔｅの添加
量は０．００１〜０．０５０ｗｔ％の範囲とした。

【００２１】Ｚｒ：０．０１〜０．２０ｗｔ％ Ｚｒは被削性を向上する元素である。その効果を発揮す
るためには、少なくとも０．０１ｗｔ％以上の添加が必
要である。しかしながら、過剰な添加は靭性を劣化させ
る。これを回避するためには上限を０．２０ｗｔ％に限
定する必要がある。したがって、Ｚｒの添加量は０．０
１〜０．２０ｗｔ％の範囲とした。

【００２２】Ｍｏ：０．０１〜１．００ｗｔ％ Ｍｏは強度を付与する元素である。その効果を発揮する
ためには、少なくとも０．０１ｗｔ％以上の添加が必要
である。しかしながら、過剰な添加は被削性を劣化させ
る。これを回避するためには上限を１．００ｗｔ％に限
定する必要がある。したがって、Ｍｏの添加量は０．０
１〜１．００ｗｔ％の範囲とした。

【００２３】Ｎｉ：０．０１〜２．００ｗｔ％ Ｎｉは強度を付与する元素である。その効果を発揮する
ためには、少なくとも０．０１ｗｔ％以上の添加が必要
である。しかしながら、過剰な添加は被削性を劣化させ
る。これを回避するためには上限を２．００ｗｔ％に限
定する必要がある。したがって、Ｎｉの添加量は０．０
１〜２．００ｗｔ％の範囲とした。

【００２４】Ｖ：０．０１〜０．５０ｗｔ％ Ｖは強度を付与する元素である。その効果を発揮するた
めには、少なくとも０．０１ｗｔ％以上の添加が必要で
ある。しかしながら、過剰な添加は被削性を劣化させ
る。これを回避するためには上限を０．５０ｗｔ％に限
定する必要がある。したがって、Ｖの添加量は０．０１
〜０．５０ｗｔ％の範囲とした。

【００２５】Ｂ：０．０００５〜０．００５０ｗｔ％ Ｂは強度を付与する元素である。その効果を発揮するた
めには、少なくとも０．０００５ｗｔ％以上の添加が必
要である。しかしながら、過剰な添加は熱間加工性を劣
化させる。これを回避するためには上限を０．００５０
ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｂの添加量
は０．０００５〜０．００５０ｗｔ％の範囲とした。

【００２６】Ｔｉ：０．００５〜０．０５０ｗｔ％ Ｔｉは鋼中のＣおよびＮと結合して炭窒化物を形成し、
オーステナイト結晶粒の微細化に効果がある元素であ
り、この微細化を介して靭性向上に寄与する。その効果
を発揮するためには、少なくとも０．００５ｗｔ％以上
の添加が必要である。しかしながら、過剰な添加は被削
性を劣化させる。これを回避するためには上限を０．０
５０ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｔｉの
添加量は０．００５〜０．０５０ｗｔ％の範囲とした。

【００２７】Ｎｂ：０．００５〜０．０５０ｗｔ％ Ｎｂは鋼中のＣおよびＮと結合して炭窒化物を形成し、
オーステナイト結晶粒の微細化に効果がある元素であ
り、この微細化を介して靭性向上に寄与する。その効果
を発揮するためには、少なくとも０．００５ｗｔ％以上
の添加が必要である。しかしながら、過剰な添加は被削
性を劣化させる。これを回避するためには上限を０．０
５０ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｎｂの
添加量は０．００５〜０．０５０ｗｔ％の範囲とした。

【００２８】Ａｌ：０．００５〜０．０５０ｗｔ％ Ａｌは鋼中のＣおよびＮと結合して炭窒化物を形成し、
オーステナイト結晶粒の微細化に効果がある元素であ
り、この微細化を介して靭性向上に寄与する。その効果
を発揮するためには、少なくとも０．００５ｗｔ％以上
の添加が必要である。しかしながら、過剰な添加は被削
性を劣化させる。これを回避するためには上限を０．０
５０ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ａｌの
添加量は０．００５〜０．０５０ｗｔ％の範囲とした。

【００２９】Ｎ：０．００５０〜０．０２００ｗｔ％ ＮはＴｉ、Ｎｂ、Ａｌと結合してＴｉＮ、ＮｂＮ、Ａｌ
Ｎを形成し、オーステナイト結晶粒の微細化に効果があ
る元素であり、この微細化を介して靭性向上に寄与す
る。その効果を発揮するためには、少なくとも０．００
５０ｗｔ％以上の添加が必要である。しかしながら、過
剰な添加は凝固時の鋼塊表面での気泡の発生や被削性を
劣化させる。これを回避するためには上限を０．０２０
０ｗｔ％に限定する必要がある。したがって、Ｎの添加
量は０．００５０〜０．０２００ｗｔ％の範囲とした。

【００３０】

【発明の実施の形態】数多くの実験による検証を積み重
ねた結果の例を以下に示す。表１には被削性および靭性
を評価するために使用した発明鋼と比較鋼の化学成分を
示す。ここで、発明鋼Ｎｏ．１からＮｏ．１２は請求項
１に該当する発明鋼、発明鋼Ｎｏ．１３からＮｏ．１６
は請求項２に該当する発明鋼、発明鋼Ｎｏ．１７からＮ
ｏ．１９は請求項３に該当する発明鋼である。

【００３１】

【表１】

【００３２】発明鋼Ｎｏ．１からＮｏ．１９および比較
鋼Ｎｏ．ＡからＮｏ．Ｊは実験室における高周波真空溶
解炉により溶製した。これらの鋼を１２５０℃に加熱
し、６０ｍｍφに鍛伸後、９２５℃で焼準し、試験片を
作製した。

【００３３】表２に被削性試験結果および衝撃値を示
す。被削性試験は直径６０ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片
を表３に示す条件にてドリル穿孔試験を行い、切屑の破
砕性および穴あけ個数（工具刃先の損耗により穿孔不能
になるまで試験片を貫通した数）を調査した。なお、切
屑破砕性の評価は切屑が短く破断する（５巻き以下）場
合を切屑破砕性良好（○と表記）とし、切屑が連なる
（５巻き超）場合を切屑破砕性不良（×と表記）とし
た。

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】本試験により、切屑破砕性および穴あけ個
数を調査した結果、発明鋼および比較鋼Ｎｏ．Ｇ、Ｎ
ｏ．Ｈ、Ｎｏ．Ｉにおいて良好な被削性が確認された。

【００３７】また、鋼材の硬さの違いによる被削性への
影響を考慮して、基本成分が同じ（硬さが同等）であ
る、発明鋼Ｎｏ．２と比較鋼Ｎｏ．Ｄ、発明鋼Ｎｏ．７
と比較鋼Ｎｏ．Ｅ、発明鋼Ｎｏ．８と比較鋼Ｎｏ．Ｂ、
発明鋼Ｎｏ．１８と比較鋼Ｎｏ．Ａについて各々を比較
しても、いずれの場合も発明鋼の方が被削性が良好であ
ることが確認できる。

【００３８】図１にＳｂ含有量と穴あけ個数の関係を示
す。Ｓｂ含有量が多いほど穴あけ個数が多くなっている
が、０．０１５％未満では、その効果は小さくなってい
る。したがって、被削性を向上させるにはＳｂ含有量は
０．０１５ｗｔ％以上含有させる必要がある。

【００３９】一方、衝撃値については、６０ｍｍφの１
／２ＲからＪＩＳ３号衝撃試験片を作製し、シャルピー
衝撃試験を実施した。なお、衝撃値は鋼材の硬さの影響
を受けるため、硬さが同等である発明鋼Ｎｏ．５、Ｎ
ｏ．９、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２および比
較鋼Ｎｏ．Ｃ、Ｎｏ．Ｆ、Ｎｏ．Ｇ、Ｎｏ．Ｈ、Ｎｏ．
Ｉ、Ｎｏ．Ｊについて衝撃値を調査した。本試験によ
り、被削性が良好であった比較鋼Ｎｏ．Ｇ、Ｎｏ．Ｈ、
Ｎｏ．Ｉの衝撃値は発明鋼よりも低下していることが確
認された。

【００４０】次に、発明鋼Ｎｏ．９と比較鋼Ｎｏ．Ｊ、
比較鋼Ｎｏ．Ｃと比較鋼Ｎｏ．Ｉを比較すると、Ｓｂを
含有させることにより、衝撃値は低下している。しか
し、発明鋼Ｎｏ．９、比較鋼Ｎｏ．Ｃ、比較鋼Ｎｏ．Ｉ
の比較から、Ｐ及びＯ含有量を低減することにより衝撃
値が向上しており、したがって、Ｓｂの含有により低下
した衝撃値をＰ及びＯ含有量を低減することにより、Ｓ
ｂを含有しない鋼と同等の衝撃値が得られることが確認
された。また、基本成分が同じ（硬さが同等）である、
発明鋼Ｎｏ．２と比較鋼Ｎｏ．Ｄ、発明鋼Ｎｏ．７と比
較鋼Ｎｏ．Ｅ、発明鋼Ｎｏ．８と比較鋼Ｎｏ．Ｂ、発明
鋼Ｎｏ．１８と比較鋼Ｎｏ．Ａについて各々を比較して
も、発明鋼と比較鋼の衝撃値はほぼ同等であり、その効
果が確認できる。

【００４１】図２にＳｂ含有量と衝撃値の関係を示す。
Ｓｂ含有量が０．１００ｗｔ％まではほぼ同等の衝撃値
であるが、０．１００ｗｔ％を越えると衝撃値の低下が
顕著になる。したがって、靭性を劣化させないために
は、Ｓｂ含有量は０．１００ｗｔ％以下に制限する必要
がある。

【００４２】以上説明した研究成果から、ＳｂとＳ、Ｃ
ａ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｚｒのうちから１種または２種以上を
含有させ、かつ、ＰおよびＯ含有量を制限することによ
り、靭性を劣化させることなしに被削性を向上させる具
体的な手法が発明された。

【００４３】

【実施例】次に、実施例を挙げて、本発明を詳細に説明
する。表４には、以上の知見を元にして実炉溶製した発
明鋼と比較鋼の化学成分を示す。比較鋼はＪＩＳに規定
されているＳＣｒ４２０Ｈである。

【００４４】

【表４】

【００４５】これらの発明鋼および比較鋼の被削性を評
価するため、６０ｍｍφに圧延した後、９２５℃で焼準
し、直径６０ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を作製して、
表３に示す条件にてドリル穿孔試験を実施し、切屑破砕
性および穴あけ個数を調査した。ドリル穿孔試験結果を
表５に示す。本試験結果より、発明鋼の被削性は比較鋼
よりも優れていることが確認された。

【００４６】

【表５】

【００４７】次にこれらの発明鋼および比較鋼におい
て、疲労特性を評価するため、図３に示す試験片を作製
した後、図４に示す条件で浸炭焼入−焼戻し処理を行
い、小野式回転曲げ疲労試験を実施した。

【００４８】表６に試験片の浸炭硬さ、有効硬化層深さ
および粒界酸化層深さを示す。発明鋼の浸炭硬さおよび
有効硬化層深さは比較鋼とほぼ同等であるが、粒界酸化
層深さは発明鋼の方が比較鋼よりも浅くなっている。小
野式回転曲げ疲労試験結果を図５に示す。発明鋼の疲労
強度は比較鋼よりも優れていることが確認された。

【００４９】

【表６】

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本研究により、人体およ
び環境に有害なＰｂの添加および製造コストを増大する
ような熱処理を行うことなく、かつ、靭性および疲労強
度を劣化させることなく被削性を向上することが可能と
なった。したがって、本発明の効果としては、自動車お
よび建設機械部品等、その製造過程において切削加工を
施して部品を製造する産業において製造コストの低減と
信頼性の向上に広く貢献することが挙げられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｓｂ含有量と穴あけ個数の関係を示す図であ
る。

【図２】Ｓｂ含有量と衝撃値の関係を示す図である。

【図３】小野式回転曲げ疲労試験片寸法形状を示す図で
ある。

【図４】浸炭焼入−焼戻し条件を示す図である。

【図５】小野式回転曲げ疲労試験結果を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量パーセントで、 Ｃ＝０．１０〜０．７０％、 Ｓｉ＝０．０５〜０．５０％、 Ｍｎ＝０．２０〜２．５０％、 Ｃｒ＝０．０１〜２．５０％、 Ｓｂ＝０．０１５〜０．１００％、 Ｐ＝０．０２０％以下、 Ｏ＝０．００１５％以下 を含有し、かつ、 Ｓ＝０．００５〜０．０５０％、 Ｃａ＝０．００１０〜０．０１００％、 Ｂｉ＝０．０４〜０．２０％、 Ｔｅ＝０．００１〜０．０５０％、 Ｚｒ＝０．０１〜０．２０％ のうちから１種または２種以上を含有していることを特
   徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
2. 【請求項２】 強度を向上する元素で、重量パーセント
   で、 Ｍｏ＝０．０１〜１．００％、 Ｎｉ＝０．０１〜２．００％、 Ｖ＝０．０１〜０．５０％、 Ｂ＝０．０００５〜０．００５０％ のうちから１種または２種以上を含有していることを特
   徴とする請求項１に記載された被削性に優れた機械構造
   用鋼。
3. 【請求項３】 オーステナイト結晶粒を微細化する元素
   で、重量パーセントで、 Ｔｉ＝０．００５〜０．０５０％、 Ｎｂ＝０．００５〜０．０５０％、 Ａｌ＝０．００５〜０．０５０％、 Ｎ＝０．００５０〜０．０２００％ のうちから１種または２種以上を含有していることを特
   徴とする請求項１又は２に記載された被削性に優れた機
   械構造用鋼。