JP2003003235A

JP2003003235A - 鉛フリー高強度快削鋼

Info

Publication number: JP2003003235A
Application number: JP2001189797A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yamamoto; 重男山本; Susumu Takamori; 晋高森; Yoshiaki Osawa; 嘉昭大澤; Takashi Kimura; 隆木村; Akira Sato; 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: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: JP3581882B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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鉛フリー高強度快削
鋼を提供する。これにより、現在切削可能な被削材の強
度を大幅に向上させ、また、リサイクルを容易とし、ド
ライ切削可能とする。【解決手段】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の各
々を0.01%以下を含み、硬さをHV300〜450とした鉛フリ
ー高強度快削鋼とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、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ＨＶ３００〜４５
０の高強度鋼は、引張り強さとしては、１０００〜１５
００ＭＰａ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〜Ｓ５
８Ｃ）、構造用合金鋼（低合金鋼ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮ
Ｃ、ＳＮＣＭ）、軸受鋼（ＳＵＪ）、炭素工具鋼（Ｓ
Ｋ）、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・
ＴｉＯ₂・ＳｉＯ₂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、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂（融点
１８５０℃）のような、Ａｌ₂Ｏ₃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50
Kg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(Quench and Tempered)をJ
A-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(D
c)、切削速度(V)、工具送り量(f(t₁))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(t₂)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(1
ａ)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・TiO₂系、MnO・TiO₂・SiO₂系であるが、
さらに、TiO₂・Al₂O₃系、SiO₂・Al₂O₃・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(J
T-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(t₁)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/mi
n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(Bela
g)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、J
A-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
(t₁)0.2mm/revの条件で切削したときの、工具逃げ面（2
b）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、SiO₂・MnO・TiO₂・Al₂O₃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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村隆茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内 (72)発明者佐藤彰茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内Ｆターム(参考） 4K013 AA06 BA14 EA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調
整して、チタンを含む酸化物を鋼中に分散させた鋼であ
って、重量比でチタン量を0.005から0.01%、マンガン量
を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。
【請求項２】切削速度10〜120m/minにおいて切削さ
れ、超硬工具の磨耗が抑制される特性を有していること
を特徴とする請求項１の鉛フリー高強度快削鋼。
【請求項３】請求項１または２の鉛フリー高強度快削
鋼の製造方法であって、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
徴とする鉛フリー高強度快削鋼の製造方法。