JP2003049240A - 快削鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 旋削性がすぐれているとともに、旋削面のア
ラサが良好であって、かつ、地キズの発生が問題になら
ない快削鋼を提供すること。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０２〜０．４０％、
Ｓ：０．２％を超え１．０％以下、ＴｉおよびＺｒの１
種または２種（２種の場合は合計量）：０．０１〜３．
０％およびＯ：０．０００５〜０．００５０％を含有
し、Ｐｂ：０．０１％未満であって、残部がＦｅおよび
不可避な不純物からなる合金組成を有する快削鋼であっ
て、その中にＴｉおよび（または）Ｚｒの炭硫化物系介
在物、（Ｔｉ，Ｚｒ）₄Ｃ₂Ｓ₂が存在している快削鋼。
Ｂｉ：０．４％以下、Ｓｅ：０．５％以下およびＴｅ：
０．１％以下のうちの１種または２種以上をさらに含有
してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、快削鋼に関する。
詳しくは、Ｐｂの含有量が検出限界以下であってＰｂは
実質上含まれていないということができ、被削性、とり
わけ旋削性にすぐれ、かつ、旋削後の面アラサが良好な
快削鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、強度をあまり必要としないネジ類
やニップル等の製造に当たっては、材料として快削鋼を
選択し、機械加工を行なって製品とする。一般に快削鋼
は、低炭素鋼であって、Ｓ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｃａ等の快削
元素が添加されている。これら快削元素のうちＰｂは、
鋼の強度特性を損なうことなく材料の旋削性を向上させ
る元素として、その効果がよく知られている。

【０００３】しかし近年では、Ｐｂは環境へ悪影響を与
える物質であることにかんがみ、快削鋼に関しても鉛フ
リー化が要請されている。このため、Ｐｂを実質上含有
していなくても、従来のＰｂ快削鋼と同程度の、好まし
くはそれ以上の被削性を有する快削鋼の開発が進められ
ている。このような快削鋼の例としては、Ｐｂを含有せ
ず、Ｓを０．４質量％超過１．０質量％以下含有する低
炭素イオウ快削鋼が提案されている(特開２０００−３
１９７５３号公報参照)。

【０００４】上記した低炭素イオウ快削鋼は、基地内
に、融点が１６００℃程度である軟質のＭｎＳを分散状
態で生成させ、切削時に、このＭｎＳ介在物を利用して
バイト刃先と基地との間の摩擦抵抗を低減することによ
り、旋削性を高めた鋼である。被削性の中でもとくに旋
削性を問題にすればよい場合には、ＭｎＳを鋼中に多量
に生成させればよいことになる。

【０００５】しかしながら、このＭｎＳ介在物は伸展性
を有するため、多量のＭｎＳが生成している鋼を旋削し
ていると、旋削加工中に伸展した状態のＭｎＳが基地か
ら剥離し、これがバイトの刃先に付着することにより構
成刃先が形成され、成長しやすい。構成刃先が成長する
と、それが旋削面に再付着するという過程が繰り返され
ることにより、結局、旋削面が荒れた、面アラサのよく
ない加工品ができる、という問題が生じる。

【０００６】このような、旋削面が荒れやすい材料を用
いて旋削加工を行なう場合、表面のアラサを悪くしない
ためには、仕上げ旋削における送り速度を遅くする必要
に迫られる。このような材料を用いることは、生産能率
を下げ、ひいては製造コストを高めることになるので、
不利である。

【０００７】そこで、旋削性がすぐれているとともに、
旋削後の面アラサが良好である快削鋼が要望された。発
明者らは、この要望を満たすことを意図して研究し、適
量のＴｉを添加して、ＴｉとＣおよびＳとの間に炭硫化
物系の介在物を形成させた快削鋼を開発して、すでに提
案した（特願２００１−１６７１２０）。その鋼は、質
量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：０．２％以
下、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０２〜０．４０
％、Ｓ：０．２％を超え１．０％以下、Ｔｉ：０．０１
〜３．０％、Ａｌ：０．００５％以下およびＯ：０．０
００５〜０．０４０％を含有し、Ｐｂ：０．０１％未満
であって、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合
金組成を有し、その中にＴｉの炭硫化物系介在物、代表
的にはＴｉ₄Ｃ₂Ｓ₂が存在していることを特徴とする。

【０００８】さらに研究の結果、上記快削鋼において、
ＳｉおよびＡｌの量はあまり重要な意義をもたないこと
が判明し、かつ、Ｏ量が上記の範囲内で高めであると、
地キズが発生しやすくなることが経験された。地キズ
は、鋼の品質にとって、避けるべき大きな問題である。
地キズの発生は、Ｏ量を低減して０．００５％以下とす
れば問題にならないが、このような低い含有量でも、所
望の被削性は確保できることが確認できた。さらに、Ｚ
ｒがＴｉと同じはたらきをすること、したがって、Ｔｉ
の一部または全部をＺｒで置き換えられることがわかっ
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｔｉ
の炭硫化物系介在物を利用した上記の快削鋼に関し、そ
の後に得た知見を総合し、被削性とくに旋削性がすぐれ
ているとともに、旋削後の面アラサが良好であり、か
つ、地キズが問題にならない快削鋼を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
本発明の快削鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０
％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０２〜０．４０
％、Ｓ：０．２％を超え１．０％以下、ＴｉおよびＺｒ
の１種または２種（２種の場合は合計量）：０．０１〜
３．０％およびＯ：０．０００５〜０．００５０％を含
有し、Ｐｂ：０．０１％未満であって、残部がＦｅおよ
び不可避な不純物からなる合金組成を有し、その中にＴ
ｉおよび（または）Ｚｒの炭硫化物系介在物が存在して
いることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】上記のＴｉおよび（または）Ｚｒ
の炭硫化物系介在物は、（Ｔｉ，Ｚｒ）₄Ｃ₂Ｓ₂である
ことが好ましい。以下の記述においては、「Ｔｉの炭硫
化物系介在物」の語で、Ｔｉおよび（または）Ｚｒの炭
硫化物系介在物を代表させる。本発明の快削鋼は、基地
の中に、ＭｎＳと、このＴｉの炭硫化物系介在物とが共
存するように合金設計されたものである。

【００１２】本発明の快削鋼は、上記の基本的な合金成
分に加えて、さらに、同じく質量％で、Ｂｉ：０．４％
以下、Ｓｅ：０．５％以下およびＴｅ：０．１％以下の
うちの１種または２種以上を含有することができる。

【００１３】基地の中にＭｎＳが多量に存在する低炭素
イオウ快削鋼は、確かに旋削性は良好であるが、他方で
は、前記したように構成刃先が生じて、旋削後の面アラ
サがよくない。この面アラサの不良化を抑制するために
は、Ｓの含有量を少なくして、ＭｎＳの生成量が過大に
ならないようにすればよいわけであるが、その場合には
旋削性の低下が避けられない。

【００１４】本発明においては、上記した低炭素イオウ
快削鋼においては両立困難であった高い旋削性と良好な
面アラサとを、マトリクス内に、ある量のＭｎＳを生成
させる一方で、Ｔｉの炭硫化物系介在物を析出させるこ
とにより解決した。Ｔｉの炭硫化物系介在物は、その融
点がＭｎＳとほぼ同じであって、被削性の向上にＭｎＳ
と同じような機構で寄与する。Ｔｉの炭硫化物系介在物
は粒形状でマトリクス内に分散して析出し、ＭｎＳのよ
うな伸展性は示さない。

【００１５】したがって、マトリクス内にＭｎＳとＴｉ
の炭硫化物系介在物が共存している快削鋼は、ＭｎＳの
生成量が少なくても、旋削性はＴｉの炭硫化物系介在物
によって補償され、不十分になることはない。ＭｎＳの
生成量が少ない鋼は、旋削時にＭｎＳに起因する構成刃
先が成長する懸念が小さく、それとともに、Ｔｉの炭硫
化物系介在物は構成刃先を成長させないので、ＭｎＳが
多量に存在している鋼に比べれば、構成刃先の成長が、
はるかに抑制されることになる。このようにして、旋削
性を確保して、旋削後の面アラサが好くないという問題
が解決する。

【００１６】地キズの発生は、主として硬質の酸化物系
介在物、具体的にはＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃に起因するもの
である。ＳｉもＡｌも、鋼の溶製時に添加したり、原料
に含まれていたりして、それらの含有量を極端に低減す
ることは困難である。本発明では、前記のように、酸化
物の生成量を、Ｏ量を低めにすることにより抑え、地キ
ズの発生を防ぐことに成功した。

【００１７】本発明の快削鋼は、上述のような設計思想
に基づいて開発されたものであり、その合金組成は、Ｍ
ｎＳとＴｉの炭硫化物系介在物との共存状態を考慮し
て、以下のように設定した。

【００１８】Ｃ：０．０３〜０．２０％ Ｃは、鋼の強度を確保し、かつ、ＴｉおよびＳと結合し
てＴｉの炭硫化物系介在物を形成することにより、旋削
後の面アラサを向上させる作用をもつ成分である。Ｃの
含有量が０．０３％未満では、このような効果を得るこ
とができない。一方、Ｃを過剰に含有させると、鋼の硬
さが高くなりすぎて旋削性が低下する。それゆえ、Ｃ含
有率の上限を０．２０％と定めた。

【００１９】Ｍｎ：０．５〜３．０％ Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを形成し、旋削性を確保す
るために必要な成分である。含有量が０．５％未満では
この効果が十分に得られず、また３．０％より多い場合
は、鋼の硬さを不当に高めて旋削性を損なったりするの
で、３．０％以下の添加量とする。

【００２０】Ｐ：０．０２〜０．４０％ Ｐは単なる不純物ではなく、鋼の旋削性、とくに仕上面
性状の改善にとって有用な成分である。Ｐ含有量が０．
０２％未満では、旋削性の改善効果が不十分である。し
かし、Ｐを過剰に含有すると、鋼が脆くなって靭性が著
しく低下するので、Ｐ含有量は、０．４％までを限度と
する。

【００２１】Ｓ：０．２％超過１．０％以下 Ｓは、ＣおよびＭｎや、後述するＴｉとともに、鋼の旋
削性を向上させる作用のある成分である。すなわち、Ｍ
ｎＳを生成するだけでなく、ＴｉおよびＣと結合してＴ
ｉの炭硫化物系介在物を形成し、面アレを生じさせるこ
となく旋削性を向上させる。Ｓ含有量が０．２％以下で
は、生成するＭｎＳやＴｉの炭硫化物系介在物が少量で
あり、旋削性の向上および面アレ抑制の効果が得られな
い。一方、Ｓ含有量が１．０％を超えると、熱間加工性
が著しく低下する。

【００２２】Ｔｉおよび（または）Ｚｒ：０．０１〜
３．０％ ＴｉおよびＺｒ（以下、「Ｔｉ」で代表させる）は、添
加された量の全部または一部がＣおよびＳと結合して、
Ｔｉの炭硫化物系介在物を形成するという機構を通じ
て、ＭｎＳと同様に旋削性を高め、それとともに、旋削
時の面のアレを抑制するという、ＭｎＳにない効果を奏
する。Ｔｉ含有量が０．０１％未満では、このような効
果が得られない。しかし、多量に添加してもその効果は
飽和するので、３．０％までの添加に止めるのが得策で
ある。

【００２３】Ｏ：０．０００５〜０．００５０％ Ｏは、鋼中で形成される硫化物、とりわけＭｎＳの形態
に大きな影響を与える元素である。すなわち、鋼中のＯ
含有率が低いと、溶鋼中に形成されるＭｎＳ粒子は小型
化し、熱間圧延、鍛延などの熱間加工時にはさらに軸方
向に延伸して細長い形状となり、鋼の旋削性を低下させ
る。Ｏ量の下限とした０．０００５％は、鋼の溶製上、
実現可能な低い限度である。上記のＭｎＳの形態への影
響は、それゆえ、この限度以上のＯ含有量における問題
である。一方、多量にＯを含有させれば、鋼の溶製時に
耐火物の溶損量が増加して溶製に不利益となる、という
問題に加えて、耐火物から溶出して溶鋼に混入し、また
は溶鋼中のＳｉやＡｌとＯの結合により生成した硬質酸
化物によって、鋼の旋削性が損なわれるとともに、地キ
ズが発生する。地キズが問題にならない限度として、Ｏ
含有量の上限を０．００５０％に選んだ。

【００２４】前述のように、本発明の快削鋼において、
ＳｉおよびＡｌの含有量は重要な意味をもたない。しか
し実際には、これらの元素は、鋼の脱酸剤として、とく
にＯ量が比較的低い本発明の鋼にとっては、ある程度必
要な合金成分である。この観点からの下限値は、Ｓｉは
０．０３％、Ａｌは０．００３％である。Ａｌによる脱
酸の結果生成する酸化物は硬質の介在物であり、旋削性
を低下させるから、これら元素の含有量は、あまり高く
すべきでない。推奨される上限値は、Ｓｉは０．５％、
Ａｌは０．３％である。

【００２５】これも前述したように、本発明の快削鋼
は、Ｐｂを実質上含有しない。一般的な分析法における
Ｐｂの検出下限は０．０１％である。から、この限界以
下であって、Ｐｂが実質上含まれていないようにする。

【００２６】本発明の快削鋼に任意に添加してよい成
分、すなわちＢｉ，ＳｅおよびＴｅのうちの１種または
２種以上の含有量を前記のように限定した理由は、以下
のとおりである。

【００２７】Ｂｉ：０．４％以下 Ｂｉは旋削性を向上させる成分であるが、０．４％を超
える量のＢｉを添加しても、鋼への溶解度を超える。そ
の大きな比重のために、溶けなかったＢｉは単独で凝
集、沈殿して、鋼中の欠陥を形成する。

【００２８】Ｓｅ：０．５％以下 Ｓｅもまた、旋削性を向上させる成分であるが、０．５
％を超える量を添加すると、鋼の熱間加工性が低下し
て、加工時に割れが多発する。

【００２９】Ｔｅ：０．１％以下 ＴｅもＢｉおよびＳｅと同様に、旋削性を向上させる成
分であるが、その添加量が０．１％を超えると、Ｓｅと
同様に、鋼の熱間加工性を低下させて、割れを招く。

【００３０】

【実施例】［実施例１〜１０および比較例１〜１４］高
周波誘導炉を用いて、表1（実施例）および表２（比較
例）に示す合金組成の鋼を溶製し、１５０kgのインゴッ
トに鋳造した。このインゴットを熱間鍛造により鍛錬比
８で鍛伸し、直径５５mmの丸棒とした後、９５０℃−空
冷の焼ならし処理を施して、切削試験用のサンプルとし
た。

【００３１】この切削試験用サンプル１０本について、
地キズの発生状態を調べ、つぎのように評価した。 ○：地キズなし △：１〜９本に地キズ ×：全数
に地キズあり

【００３２】それととともに、ＮＣ旋盤を用いた下記の
条件の切削試験を行なった。 工 具： 超硬Ｋ１０ 切削速度：１５０ｍ／分 送 り： ０．１mm／rev 切込み： １mm 切削油： 油性 工具寿命：工具横逃げ面の平均フランク摩耗幅が１００
μｍに達するまでの旋削加工時間

【００３３】上記と同じ切削試験用サンプルについて、
外周を１００ｍ旋削した。サンプルをＶブロック上に載
せ、アラサ計の触針を試験材の軸方向に移動させて面ア
ラサを測定し、外削部最大アラサとした。

【００３４】以上の試験結果を、鋼の合金組成とともに
表1および表２に示す。得られた工具寿命と面アラサと
の関係を、図１のグラフに示す。実施例７および比較例
７の切削試験用サンプルの断面を研磨し、エッチング処
理の後、光学顕微鏡により観察した。それぞれのサンプ
ルの観察結果を、図２および図３の写真に示す。

【００３５】表１および表２、ならびに図１のデータか
ら明らかなように、本発明の快削鋼（実施例１〜１０）
は、工具寿命と面アラサとの関係が良好であり、かつ、
地キズの発生が問題にならない。これに対し、比較例の
快削鋼は、工具寿命と面アラサとの関係が良好であるも
の（比較例１〜６）は、地キズが多く、一方、地キズに
関して良好であるもの（比較例７〜１４）は、一般に工
具寿命が短いか、面アラサが大きいか、またはその両方
である。

【００３６】実施例７の金属組織には、図２にみるよう
に、マトリクスに若干伸展した棒状のＭｎＳ介在物と、
伸展していない、角形のＴｉの炭硫化物系介在物が存在
している。この炭硫化物の組成を波長分散型ＥＰＭＡに
より測定したところ、Ｔｉ，ＣおよびＳが検出された。
これに対し、比較例７の金属組織には、図３にみるよう
に、実施例７で観察されたＭｎＳ介在物よりも大きく、
かつ伸展したＭｎＳ介在物のみが観察された。

【００３７】

【００３８】

【００３９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
快削鋼は、適切なＯ含有量を含めて、注意深く選択され
た合金成分と組成範囲を有し、かつ、Ｔｉの炭硫化物系
介在物がその中に分散していることにより、Ｐｂを実質
上添加しない合金組成であるにもかかわらず、旋削性に
すぐれるとともに、旋削時に面アレが発生せず、かつ、
地キズが問題にならない。本発明の快削鋼を使用すれ
ば、仕上げ旋削工程での送り速度を遅くする必要がな
く、能率的な機械加工を行なうことができる。このよう
にして、各種の機械加工部品の製造コストを低減するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のデータであって、実施例および比較
例における工具寿命と面アラサとの関係を示すグラフ。

【図２】 本発明の快削鋼である実施例７のサンプルの
光学顕微鏡写真。

【図３】 従来の快削鋼である比較例５のサンプルの、
図２に対応する光学顕微鏡写真。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、
   Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０２〜０．４０％、
   Ｓ：０．２％を超え１．０％以下、ＴｉおよびＺｒの１
   種または２種（２種の場合は合計量）：０．０１〜３．
   ０％およびＯ：０．０００５〜０．００５０％を含有
   し、Ｐｂ：０．０１％未満であって、残部がＦｅおよび
   不可避な不純物からなる合金組成を有し、その中にＴｉ
   および（または）Ｚｒの炭硫化物系介在物が存在してい
   ることを特徴とする快削鋼。
2. 【請求項２】 Ｔｉおよび（または）Ｚｒの炭硫化物系
   介在物が、（Ｔｉ，Ｚｒ）₄Ｃ₂Ｓ₂である請求項１の快
   削鋼。
3. 【請求項３】 合金がさらに、Ｂｉ：０．４％以下、Ｓ
   ｅ：０．５％以下およびＴｅ：０．１％以下のうちの１
   種または２種以上を含有している請求項１または２の快
   削鋼。