JP2003226933A

JP2003226933A - 低炭素快削鋼

Info

Publication number: JP2003226933A
Application number: JP2002026368A
Authority: JP
Inventors: Naoki Matsui; 直樹松井; Yasutaka Okada; 康孝岡田; Koji Watari; 宏二渡里
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-15
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: KR100513992B1; JP3758581B2; EP1335035A1; TW200302872A; DE60300506D1; CN1210432C; TWI228149B; DE60300506T2; EP1335035B1; US20030152476A1; KR20030066448A; CN1436875A

Abstract

(57)【要約】【課題】鉛を含有せず、従来の鉛含有快削鋼以上の被削
性を有する低炭素硫黄快削鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：0.05〜0.19、Mn：0.4〜2.0
％、Ｓ：0.21〜1.0％、Ti：0.03〜0.30％、Si：1.0％以
下、Ｐ：0.001〜0.3％、Al：0.2％以下、Ｏ（酸素）：
0.0010〜0.050％およびＮ：0.0001〜0.0200％を含有
し、残部がFeおよび不純物からなり、TiとＳの含有量が
下記式を満たし、MnとＳの原子比が下記式を満た
し、かつ、鋼中にTi硫化物または／およびTi炭硫化物が
内在するMnＳを含有することを特徴とする低炭素硫黄快
削鋼。 Ti（質量％）／Ｓ（質量％）＜１・・・ Mn／Ｓ≧１・・・上記の成分に加えてさらに、Se、Te、Bi、Sn、Zr、Ca、
Mgおよび希土類元素からなる群、ならびにCu、Ni、Cr、
Mo、ＶおよびNbからなる群の一方または両方から選んだ
１種以上の成分を含有してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Pbを含有せずに、
しかも従来の鉛快削鋼および鉛と他の快削元素を併用し
た複合快削鋼に優る被削性と熱間加工性を有する低炭素
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軟質の
小物部品には生産性向上のため被削性に優れた鋼材、い
わゆる快削鋼が用いられている。最も良く知られている
快削鋼は、Ｓを多量に添加してMnＳにより被削性を改善
した硫黄快削鋼、Pbを添加した鉛快削鋼、およびＳとPb
の両者を含む複合快削鋼である。特に、Pbを含む快削鋼
は、切屑切断性に優れ、工具寿命の延長に寄与する。さ
らに被削性改善の目的でTe（テルル）やBi（ビスマス）
等を含有する快削鋼もある。これらは、自動車部品、パ
ソコン周辺器機部品をはじめ、電気機器部品や金型等の
各種機械部品に大量に使用されている。

【０００３】近年、切削機械の性能向上によって切削作
業の高速度化が可能になった。それにともなって、上記
のような部品の素材となる鋼材にも、高速切削加工時の
被削性向上が望まれている。

【０００４】鋼材の被削性としては、工具寿命を延長す
るための被削性とともに、切屑の分断性、つまり切屑処
理性が重要視される。この切屑処理性は、加工ラインの
自動化に欠かせないものであり、生産性向上のためには
必須だからである。

【０００５】鉛快削鋼および鉛と他の被削性改善元素を
併用した複合快削鋼は、上記の被削性に最も優れている
とされてきた。しかし、Pbを含む鋼材は、その製造過程
において大がかりな排気設備を必要とする。また、環境
保全のためにPbの使用を抑制する動きが高まるとともに
Pbを含有しない快削鋼が強く望まれている。

【０００６】上記の要望に応えるべく、鉛快削鋼に代わ
るものとして低炭素硫黄快削鋼においてはＳ含有量を増
やし、鋼中のMnＳ量を増やすことで被削性を改善する技
術などが提案されている。しかし、Ｓ含有量の増加は鋼
の熱間加工性を悪化させる。また、高Ｓ快削鋼でも、切
削速度が150m/min以上というような高速切削時において
は、工具寿命の延長効果が乏しく、鉛快削鋼に匹敵する
被削性は得られていない。

【０００７】特開2000-319753号公報には、0.4％を超え
るＳを含有させてMnＳを増量した、Pbを添加しない低炭
素硫黄系快削鋼が開示されている。このような鋼では、
ある程度の工具寿命の改善は認められるが、高速切削加
工時にはその効果が小さい。また、その鋼は、工具寿命
と共に被削性の要素として重要視される切屑処理性が改
善されたものではなく、従来の硫黄快削鋼の性能を大き
く変えるものではない。

【０００８】特開昭50-20917号公報には、0.5％以下の
Ｃ、0.3〜0.75％のＳ、0.1〜0.5％のTiを含有する鋼で
あって、Ti量がＳ量を超えないという硫黄快削鋼が開示
されている。この鋼は、硫化鉄を主に活用し、これにTi
を添加することで硫化鉄中にTiとMnを固溶させて被削性
を改善したというものである。しかし、この鋼のＣ含有
量は、実施例の記載から明らかなように、0.24％以上で
ある。同公報には、Ｃが0.19％以下の低炭素鋼において
硫化物の組成形態を制御することで格段の被削性が得ら
れることについての記載は一切ない。また、適量のTi及
びMnを固溶した硫化鉄を主体として被削性改善を図って
いるが、後述する本願発明鋼のような低炭素系快削鋼や
複合快削鋼と比較して、十分な被削性を有するものでは
ない。さらに、上記公報に開示される鋼は、硫化鉄の組
成制御が困難であって十分な熱間加工性が得られないた
めに、連続鋳造設備等で製造するのは困難であって実用
的でない。

【０００９】特開平09-53147号公報には、Ｃ：0.01〜0.
2％、Si：0.10〜0.60％、Mn：0.5〜1.75％、Ｐ：0.005
〜0.15％、Ｓ：0.15〜0.40％、Ｏ（酸素）：0.001〜0.0
10％、Ti：0.0005〜0.020％、Ｎ：0.003〜0.03％を含有
し、超硬工具に対する被削性が優れる快削鋼が開示され
ている。この組成範囲にすることによって、ある程度の
工具寿命の改善を図ることは可能であるが、Ti量の上限
が0.02％と少ないために、十分な工具寿命が得られない
ばかりでなく、工具寿命と共に重要視される優れた切屑
処理性が確保できない。

【００１０】特開2001-107182号公報、ならびに特開200
1-152281号、同152282号および同152283号の各公報に
は、主要成分としてＣ：0.05％未満、Mn：0.1〜4.0％、
Ｓ：0.15超〜0.5％、Cr：0.5％未満、Ti：0.003〜0.3
％、Ｂ：0.0003〜0.004％を含有させた鋼が開示されて
いる。その鋼では、硫化物の周囲にＢを偏析させること
により切屑処理性を向上させるとともに、Ｃを0.05％未
満とすることで被削性を改善した快削鋼である。しか
し、Ｃが0.05％未満であるために切削中にむしれを起こ
して仕上げ面が悪く、十分な被削性が得られない。

【００１１】特開2001-294976号公報には、Ｃ：0.02〜
0.15％、Mn：0.3〜1.8％、Ｓ：0.2〜0.5％を含有し、更
に、Ti：0.1〜0.6％とZr：0.1〜0.6％のうち少なくとも
１種を含有し、且つ「Ti＋Zrが0.3〜0.6％で、かつ（Ti
＋Zr）／Ｓが1.1〜1.5である快削鋼が開示されている。
この鋼は、上記の組成にすることによって熱間での変形
抵抗の高いTiやZrの硫化物を生成させ、機械的異方性や
被削性を改善したものである。しかし、変形抵抗の高い
硫化物では切削時に硫化物による擬似的な潤滑効果は得
難く、切削抵抗が高くなり、被削性の改善効果には限界
がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、鉛（Pb）を
含有せず、しかも、これまでの鉛快削鋼および鉛と他の
被削性改善元素を含む複合添加快削鋼以上の被削性を有
し、かつ熱間加工性にも優れた低炭素硫黄快削鋼を提供
することを課題としてなされたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、実質的に
Pbを含有しない低炭素硫黄快削鋼について被削性を改善
するために、Ti添加による介在物の形態と被削性の関係
を詳細に調査した。その結果、次に述べるような新しい
知見が得られた。

【００１４】Ｃ含有量は、0.05〜0.19％とするのが
よい。

【００１５】上記のＣ含有量の鋼中に含有されるMn
とＳの原子比が、Mn／Ｓ≧1の条件を満たし、かつ、Ｓ
含有量（質量％）を超えない範囲でTiを含有させた場合
には、大部分の硫化物は、Ti硫化物でも硫化鉄でもな
く、MnＳになる。

【００１６】上記のように限定された組成におい
て、Tiは、MnＳ中にほとんど固溶せず、Mn・Ti硫化物、
即ち、(Mn，Ti)Ｓを形成することはない。そして、Ti硫
化物やTi炭硫化物としてMnＳとは別の相として存在す
る。このTi系介在物(硫化物、炭硫化物)の多くは、MnＳ
中に内在した形態で存在する。

【００１７】上記に述べた形態でMnＳとTi系介在
物が存在する鋼材は、高速切削において優れた被削性を
示す。即ち、例えば100m/min以上の高速度で旋削を行う
と、工具表面にMnＳが付着すると共に、硬質の層状を呈
するTiＮが形成される。このTiＮが工具を保護すること
によって、これまで最も被削性に優れるとされてきたJI
S SUM22L〜24Lの複合快削鋼と比較しても、遙かに優れ
た工具寿命を得ることができる。また、上記の規定範囲
内でTiを添加することによって、硫化物は微細に生成
し、個数が増大する。これらの硫化物が切削中に応力集
中源となって亀裂伝播を助長するので、これまでの硫黄
快削鋼やPbとの複合快削鋼に比べ、優れた切屑処理性を
も同時に得ることができる。更に、この鋼は熱間加工性
に全く問題がないことから、連続鋳造設備等によって製
造する場合にも何ら支障をきたすことがなく、実用性に
優れている。

【００１８】本発明は、上記の知見に基づき、前述の合
金成分以外の成分についても作用効果を詳細に検討して
なされたもので、その要旨は下記(1)〜(4)の快削鋼にあ
る。

【００１９】(1) 質量％で、Ｃ：0.05〜0.19％、Mn：
0.4〜2.0％、Ｓ：0.21〜1.0％、Ti：0.03〜0.30％、S
i：1.0％以下、Ｐ：0.001〜0.3％、Al：0.2％以下、Ｏ
（酸素）：0.0010〜0.050％およびＮ：0.0001〜0.0200
％を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、TiとＳの
含有量が下記式を満たし、MnとＳの原子比が下記式
を満たし、かつ、鋼中にTi硫化物または／およびTi炭硫
化物が内在するMnＳを含有することを特徴とする低炭素
硫黄快削鋼。

【００２０】 Ti（質量％）／Ｓ（質量％）＜１・・・ Mn／Ｓ≧１・・・ (2) 上記(1)に記載した成分に加えてさらに、Se：0.00
1〜0.01％、Te：0.001〜0.01％、Bi：0.005〜0.3％、S
n：0.005〜0.3％、Ca：0.0005〜0.01％、Mg：0.0005〜
0.01％および希土類元素：0.0005〜0.01％からなる群か
ら選んだ１種または２種以上を含有し、上記式および
式を満たすことを特徴とする低炭素硫黄快削鋼。

【００２１】(3) 上記(1)に記載した成分に加えてさら
に、Cu：0.01〜1.0％、Ni：0.01〜2.0％、Cr：0.01〜2.
5％、Mo：0.01〜1.0％、Ｖ：0.005〜0.5％およびNb：0.
005〜0.1％からなる群から選んだ１種または２種以上を
含有し、上記式および式を満たことを特徴とする低
炭素硫黄快削鋼。

【００２２】(4) 上記(1)に記載した成分に加えてさら
に、Se：0.001〜0.01％、Te：0.001〜0.01％、Bi：0.00
5〜0.3％、Sn：0.005〜0.3％、Ca：0.0005〜0.01％、M
g：0.0005〜0.01％および希土類元素：0.0005〜0.01％
からなる群から選んだ１種または２種以上と、Cu：0.01
〜1.0％、Ni：0.01〜2.0％、Cr：0.01〜2.5％、Mo：0.0
1〜1.0％、Ｖ：0.005〜0.5％およびNb：0.005〜0.1％か
らなる群から選んだ１種または２種以上を含有し、上記
式および式を満たすことを特徴とする低炭素硫黄快
削鋼。

【００２３】上記(1)〜(4)の快削鋼は、そのSi含有量が
0.1質量％未満であることが望ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】１．Ti硫化物または／およびTi炭
硫化物が内在するMnＳについて本発明の快削鋼の大きな特徴の一つは、「Ti硫化物また
は／およびTi炭硫化物が内在するMnＳ」を含むことであ
る。

【００２５】Tiは、MnＳ中に微量に固溶して(Mn,Ti)Ｓ
として存在し得るが、そのMnＳ中に固溶するTi量は微量
であるから、この硫化物は実質的にMnＳである。一方、
このようなMnＳとは明らかにその組成が異なり、TiＳま
たはTi_４Ｃ_２Ｓ_２の化学式で表されるTi硫化物またはTi
炭硫化物が存在する。これらの多くは、MnＳ中にMnＳと
は明白に相分離して存在する。

【００２６】上記のような形態の硫化物が存在すること
は、鋼材から切り出したミクロ試験片に対してEPMA（電
子線マイクロアナライザー）やEDX（エネルギー分散型
Ｘ線分析装置）等によって面分析及び定量分析を行うこ
とにより把握できる。

【００２７】図１は、後述する表１のNo.3の鋼の硫化物
をEPMAによって面分析をした結果を示すものである。
(a)に示すのが１個の介在物であり、（b)〜(d）はその
介在物中のTi、MnおよびＳの存在を示す。

【００２８】これらの図から明らかなように、Ti硫化物
またはTi炭硫化物は、１個の硫化物の周辺付近に存在し
たり、MnＳに取り囲まれる形で存在する等、その存在形
態は多様である。このように１個のMnＳと共にTi硫化物
または／およびTi炭硫化物が相分離して存在し、かつ１
個の硫化物中のMnＳが占める面積率が50％以上である硫
化物を、本発明では「Ti硫化物または／およびTi炭硫化
物が内在するMnＳ」と定義する。

【００２９】１個のMnＳ中に内在するTi硫化物およびTi
炭硫化物の組成および面積率は、前記EPMAまたはEDXに
よって確認できる。また、鋼中の「Ti硫化物または／お
よびTi炭硫化物が内在するMnＳ」も同じ方法で確認で
き、その個数も測定することができる。複数の視野で測
定した個数を１mm^２当たりの個数に換算し、その平均値
が10個／１mm^２以上であれば、優れた被削性が得られ
る。

【００３０】Ti硫化物または／およびTi炭硫化物が内在
するMnＳを含む鋼を切削すると、軟質なMnＳが被削材と
工具との接触面において擬似的な潤滑作用をなし、工具
表面にはTiＮが形成されて工具を保護する。即ち、切削
中に被削材と接触する工具の表面にMnＳと共にTi硫化物
もしくはTi炭硫化物が付着し、さらに切削中の摩擦によ
る温度上昇によってこれらのTi系硫化物が雰囲気中のＮ
（窒素）と反応し、厚さ数μｍから数十μmの層状を呈
する硬質のTiＮが形成されるものと考えられる。その存
在は、切削終了後に炭素系汚染（油分等）をArスパッタ
リング゛等で除去した工具表面について、AES（オージェ
電子分光分析）やEPMAによる面分析および点分析を行う
ことによって確認することができる。

【００３１】上記のような方法で調査したところ、層状
のTiＮ膜の表面積は被削材と工具との接触面積のおよそ
10〜80％にわたって存在し、残りの部分にはMnＳやFeが
付着しているか、または付着物のない工具素地のままで
あった。このように工具表面に形成された硬質のTiＮ膜
が大きな工具保護効果をもたらし、工具の耐摩耗性が向
上し、その寿命が長くなるのである。この工具寿命の改
善効果は、硫黄快削鋼やPbを含む複合快削鋼より格段に
大きい。

【００３２】本発明鋼の中には「Ti硫化物または／およ
びTi炭硫化物が内在するMnＳ」の外に、MnＳ、Ti硫化物
およびTi炭硫化物が微細な介在物として存在する。即
ち、全介在物個数が著しく多く、これが切削時に生成す
る切屑中の応力集中点として作用し、亀裂伝播を助長す
るために切屑分断性も向上するのである。

【００３３】鋼の組成を前記のように調整することによ
って、鋼中の「Ti硫化物または／およびTi炭硫化物が内
在するMnＳ」を存在させることができる。なお、このMn
Ｓを安定して存在させるためには、鋳造後、1000℃以上
の十分に高い温度に加熱し、十分に保持した後に鍛造す
るか、または同じく高温で焼準するといった熱履歴を与
えることが望ましい。

【００３４】２．化学組成の限定理由以下、本発明において化学組成を限定した理由について
説明する。なお、成分含有量についての％は質量％を意
味する。

【００３５】Ｃ:0.05〜0.19％Ｃは、鋼の被削性に大きな影響を及ぼす重要な元素であ
る。被削性が重要視される用途の鋼材の場合、Ｃ含有量
が0.19％を超えると鋼材の強度が高くなって被削性が劣
化する。しかし、Ｃ含有量が0.05％未満の場合は、鋼材
が軟質になり過ぎ、切削中にむしれを生じて、かえって
工具摩耗を促進するうえに切り屑処理性が劣化する。よ
ってＣを0.05〜0.19％の範囲に限定した。なお、さらに
良い被削性を得るためのＣ量のより適正な範囲は0.05〜
0.17％である。

【００３６】Mn：0.40〜2.0％ MnはＳとともに硫化物系介在物を形成して被削性に大き
な影響を及ぼす重要な元素である。0.40％未満では硫化
物としての絶対量が不足して満足な被削性を得ることが
できない。また、2.0％を超えると、鋼材の強度が上昇
するために切削抵抗が高くなるのに加え、工具寿命を低
下させる。さらに切削抵抗の低減、工具寿命の向上、切
り屑処理性の向上、熱間加工性の改善を図るためにもＳ
量との関係が重要である。即ち、その量は、原子比でMn
／Ｓ≧1の関係を維持しなければならない。なお、これ
らの性能を確実に得るためにはMn含有量は0.6〜1.8％と
することが好ましい。

【００３７】Ｓ：0.21〜1.0％ＳはMnあるいはTiと共に硫化物もしくは炭硫化物を形成
して被削性を改善するのに有効な必須添加元素である。
特にMnＳによる被削性向上効果はその生成量に応じて向
上する。しかし、0.21％未満では十分な量の硫化物系介
在物が得られず、満足な被削性は期待できない。通常、
Ｓの含有量が0.35％を超えると鋼の熱間加工性を劣化さ
せ、鋼塊中央部でのＳ偏析が生じ、鍛造時に割れを誘発
する。しかし、本発明で定める組成を維持すれば、この
ような弊害なしに、Ｓ含有量の上限を1.0％まで高める
ことができる。製造時の歩留りを考慮すれば、Ｓ含有量
の好ましい上限は0.70％である。

【００３８】Ti：0.03〜0.30％ TiはＳやＣとともにTi硫化物またはTi炭硫化物を形成
し、これらがMnＳに内在する形態で存在することにより
鋼の被削性および熱間加工性改善する。従って、本発明
鋼においては重要な必須の元素である。Tiは、Mnと比較
しても強力な硫化物生成元素であり、含有量が0.03％以
上であればTi硫化物またはTi炭硫化物を形成し、MnＳ中
に内在する形態で存在するので被削性を改善する効果は
十分に得られる。0.03％未満ではその効果は不十分であ
る。一方、Tiが0.30％を超えると硫化物とし硬質なTi硫
化物またはTi炭硫化物が多くなり、切削抵抗を高めて被
削性を劣化させる。より望ましいTi含有量の上限は、0.
10％である。

【００３９】Si：1.0％以下 Siは脱酸元素として鋼中の酸素量を調整するのに有用で
ある。しかし、その含有量が1.0％を超えると鋼の熱間
加工性を劣化させ、また、フェライト相を固溶強化する
ために切削抵抗が高くなって被削性を損なう。従って、
Si含有量の上限を1.0％とするが、0.1％未満に抑えるの
が一層望ましい。なお、脱酸のためには、Si含有量は0.
001％以上であるのが望ましいが、実質的に０（零）％
であっても、後述するAlの添加などで鋼中酸素量が適切
な範囲に調整できれば、被削性の劣化は生じない。

【００４０】Ｐ：0.001〜0.3％Ｐは、0.3％を超えると鋼塊の偏析を助長し、かつ熱間
加工性を劣化させる。従って、含有量の上限を0.3％と
した。他方、Ｐは被削性改善効果を有する元素であるか
ら、この効果が得るために下限を0.001％とした。より
好ましいＰの含有量は0.01〜0.15％である。

【００４１】Al：0.2％以下 Alは強力な脱酸元素として用いられ、0.2％までは含有
されていてもよい。しかし脱酸によって生成する酸化物
は硬質であって、Al含有量が0.2％を超えると硬質酸化
物が大量に生成し、被削性を劣化させる。より好ましい
のは、0.1％以下とすることである。なお、前記のSiに
よって十分な脱酸が可能な場合には、Alの添加は不必要
であり、その含有量は実質的に０（零）％であってもよ
い。

【００４２】Ｏ（酸素）：0.0010〜0.05％鋼中に適切な量の酸素を含有させると、その酸素はMnＳ
中に固溶して圧延によるMnＳの延伸を防ぎ、機械的性質
の異方性を小さくする。さらに被削性および熱間加工性
の改善にも寄与し、Ｓの偏析防止にも有効である。従っ
て、酸素は0.0010％以上含有させるのがよい。しかし、
0.05％を超えると溶製時における耐火物の劣損を招く等
の弊害がある。よって上限を0.05％とした。上記の効果
を適切に得るためのより好ましい範囲は0.005〜0.02％
である。

【００４３】Ｎ：0.0001〜0.0200％Ｎは、AlやTiと共に硬質な窒化物を形成し、これらの窒
化物は結晶粒を微細化する効果を有する。この効果はＮ
の含有量が0.0001％以上で生じる。これらの窒化物が大
量に存在すると被削性が劣化し、また、切削工具の摩耗
が大きくなるが、本発明鋼の切削時には工具表面にTiＮ
が形成されて工具を保護するため、鋼中にある程度の量
の窒化物が存在していてもその被削性を劣化させること
はない。しかし、Ｎ量が0.0200％を超えるとその効果が
薄れる。より長い工具寿命を得るためには、0.0150％以
下とすることが好ましい。さらなる工具寿命の延長を望
む場合には0.0100％以下とすればよい。

【００４４】本発明鋼の一つは、上記の成分の外、残部
がFeと不純物からなるものである。

【００４５】本発明のもう一つは、上記の成分の外に、
次に述べる第１群の元素または／および第２群の元素の
１種以上を含む鋼である。

【００４６】第１群元素は、Se、Te、Bi、Sn、Ca、Mgお
よび希土類元素からなり、これらは鋼の被削性をさらに
改善するものである。第２群元素は、Cu、Ni、Cr、Mo、
ＶおよびNbからなり、これらは鋼の機械的性質を改善す
るものである。

【００４７】Se：0.001〜0.01％、Te：0.001〜0.01％ SeおよびTeは、Mnと共にMn(Ｓ,Se)またはMn(Ｓ,Te)を生
成し、被削性改善に有効な元素である。これらは、それ
ぞれ0.001％未満では効果が乏しい。一方、Se、Teとも
に0.01％を超えるとその効果が飽和するばかりでなく、
経済的でなくなる上に熱間加工性が劣化する。

【００４８】Bi：0.005〜0.3％、Sn：0.005〜0.3％ BiおよびSnは、低融点金属介在物として切削時に潤滑効
果を発揮し、被削性を改善する。その効果は、それぞれ
0.005％以上で顕著になる。但し、その含有量がそれぞ
れ0.3％を超えると効果が飽和するばかりでなく、熱間
加工性が劣化する。

【００４９】Ca：0.0005〜0.01％、Mg：0.0005〜0.01％ CaおよびMgは、鋼中のＳや酸素に対して大きな親和力を
有するのでこれらと硫化物または酸化物を形成すると同
時にMnＳ中に固溶して(Mn,Ca)Ｓや(Mn,Mg)Ｓとして存在
する。また、これらの酸化物を生成核としてMnＳが晶出
するために、MnＳの延伸を抑制する効果を有する。この
ように、CaおよびMgは、硫化物の形態を制御して被削性
を改善するので、必要に応じて添加しても良い。この効
果を確実に得たい場合には、Ca、Mgともにそれぞれ0.00
05％以上含有させればよい。ただし、0.01％を超えて含
有させても効果は飽和する。また、CaもMgも添加歩留り
が低いので、含有量を多くするには多量の添加を要し、
製造コストの面からも好ましくない。従って、含有量の
上限はそれぞれ0.01％とした。

【００５０】希土類元素：0.0005〜0.01％希土類元素は、ランタノイドとして分類される元素群で
ある。これを添加する場合には、通常、これらを主要成
分とするミッシュメタル等を用いる。本発明では希土類
元素の含有量は、希土類元素の中の１種または２種以上
の元素の合計含有量で表す。希土類元素は、Ｓおよび酸
素と共に硫化物または酸化物を形成すると同時に、硫化
物の形態を制御して被削性を向上させる。その効果を確
実に得るためには0.0005％以上含有させればよい。しか
し、含有量が0.01％を超えると効果は飽和するばかりで
なく、CaおよびMgと同じく添加歩留りが低いので多量に
含有させるのは経済的でない。

【００５１】Cu：0.01〜1.0％ Cuは、鋼の焼入れ性を向上させる。その効果を得たい場
合には0.01％以上含有させると良い。しかし、含有量が
1.0％を超えると鋼の熱間加工性が劣化し、また被削性
の低下を招く。

【００５２】Ni：0.01〜2.0％ Niには、固溶強化によって鋼の強度を向上させる効果が
あり、また、焼入れ性の向上や靭性向上の効果もある。
この効果を確実に得るためにはその含有量を0.01％以上
とすることが望ましい。しかし、2.0％を超えると被削
性の劣化を招くと共に熱間加工性も劣化する。

【００５３】Cr：0.01〜2.5％ Crには鋼の焼入れ性を改善する効果がある。その効果を
得るには0.01％以上の含有が好ましいが、2.5％を超え
ると被削性を劣化させる。

【００５４】Mo：0.01〜1.0％ Moには鋼の組織を微細化し、靱性を改善する効果があ
る。その効果を確実に得るためには含有量を0.01％以上
とすることが望ましい。但し、1.0％を超えると効果が
飽和し、鋼の製造コストが上昇する。

【００５５】Ｖ：0.005〜0.5％、Nb：0.005〜0.1％ＶおよびNbは、微細な窒化物や炭窒化物として析出し、
鋼の強度を高める。その効果を確実に得るためには、そ
れぞれ0.005％以上の含有量とすることが望ましい。し
かし、Ｖは0.5％、Nbは0.1％をそれぞれ超えると、上記
の効果が飽和するばかりでなく、窒化物や炭化物が過剰
に生成し、被削性の劣化をきたす。

【００５６】３．式および式について Ti含有量とＳ含有量が式を満たす必要がある理由は以
下のとおりである。

【００５７】Tiは、前記のようにＣおよびＳと共にTi硫
化物またはTi炭硫化物を形成する。その傾向は、Mn硫化
物の生成傾向も大きい。Tiの効果は、前述したとおり、
Ti系介在物によって切削時に工具表面にTiＮを形成する
ことによる工具寿命の向上である。ところが、Ti硫化物
やTi炭硫化物は、MnＳに比べると変形抵抗の大きい硬い
介在物である。従って、Tiの含有量がＳ含有量以上とな
る組成では、MnＳの生成量が少なくなってTi硫化物やTi
炭硫化物が主体となり、切削時に工具と被削材間の硫化
物による擬似的な潤滑効果が得られず、切削抵抗が急激
に上昇してしまう。切削抵抗が上昇すると工具寿命が短
くなるだけでなく、細径の材料を切削する場合に被削材
が振動を起こす等の不具合が生じる。

【００５８】前記の式を満足するように、即ち、「Ti
（質量％）／Ｓ（質量％）」が１よりも小さくなるよう
に調整することによって、Ti硫化物やTi炭硫化物が主要
な硫化物にはならず、硫化物の主体はMnＳとなる。この
場合には、上記のようにTi硫化物やTi炭硫化物が主要硫
化物となった場合に生ずる切削抵抗が上昇するなどの不
具合が無く、工具寿命や切屑処理性を向上させることが
できる。

【００５９】MnとＳの原子比が式を満たす必要がある
理由は以下のとおりである。

【００６０】Ｓは熱間鍛造時に割れを誘発させる元素で
あるが、原子比にてMn／Ｓ≧１となる組成を維持すれ
ば、ＳはMn硫化物として晶出し、熱間加工性に悪影響を
及ぼさない。

【００６１】Mn／Ｓが１未満であっても、TiとＳの含有
量を前記式を満たすように調整すれば、Ti系硫化物が
生成し、熱間加工性を改善できる。しかし、その場合に
は、前記のように切削抵抗の増大、工具寿命の短縮等の
不具合が生じる。さらに、Mn／Ｓが１未満であって、Ti
をＳ含有量を超えない範囲で含有させた場合、即ち、前
記式は満たすが式を満足しない組成とした場合、介
在物の主体は、FeＳがMnＳおよびTiＳに多く固溶した硫
化物となる。これらの硫化物は、FeＳを多く固溶するた
めに鋼の熱間加工性を悪化させ、連続鋳造法などによっ
て製造する場合には操業条件の制御が難しくなる。

【００６２】

【実施例】表１および表２に示す組成の供試鋼を高周波
誘導炉を用いて溶製し、直径220mmで150kgの鋼塊を作製
した。これらの鋳塊を、「Ti硫化物または／およびTi炭
硫化物が内在するMnＳ」を安定して生成させるために、
1200℃の高温まで加熱して２時間以上保持した後、1000
℃以上で仕上げる鍛造を行い、空冷（AC）して直径65mm
の丸棒を得た。この丸棒に950℃で１時間保持して空冷
（AC）する焼準を施した。

【００６３】

【表１】

【００６４】

【表２】

【００６５】(1)介在物の組成形態の調査上記の鍛伸材のDｆ／4（Dｆは鍛伸材の直径）に当たる
部分の縦断面方向からミクロ観察用試験片を切り出し、
研磨した後、EPMAおよびEDXによって面分析と定量分析
を行った。その結果、No.1からNo.29までの鋼には、Ti
硫化物または／およびTi炭硫化物が内在するMnＳが平均
10個／mm^２以上存在することが確認された。

【００６６】(2)被削性の調査鍛造によって得られた丸棒を60mmφまで外削した後、切
削試験に供した。なお、熱間加工性が悪いために鍛造に
よって割れを生じたものについては割れが生じた時点で
そのまま950℃で１時間保持する焼準を行い空冷（AC）
した後、切削によって60mmφまで外削して供試材とし
た。

【００６７】被削性試験は、TiＮコーティング処理が施
されていないJIS P種の超硬工具を用いて行った。切削
は乾式（潤滑油無し）の旋削で、その条件は、切削速
度：150m/min、送り：0.10mm/rev、切り込み：2.0mm、で
ある。

【００６８】上記の条件で30分旋削した後の切削工具の
平均逃げ面摩耗量（VB）を測定した。なお、30分以内に
平均逃げ面摩耗量が200μm以上に到達した供試材につい
ては、その到達時間とその時の平均逃げ面摩耗量（VB）
を測定した。また、平均逃げ面摩耗量（VB）が100μmに
達する時間を工具寿命の目安として評価した。試験途中
で耐摩耗性に優れ、摩耗進行速度が極めて小さいために
供試材が不足したものについては旋削時間−工具摩耗量
曲線から平均逃げ面摩耗量（VB）が100μmに達する時間
を回帰により算出した。また切屑処理性は、排出された
切屑のうちの代表的なものを200個以上採取し、その重
量を測定した上で単位重量当たりの個数を算出して評価
した。

【００６９】(3)熱間加工性の評価熱間加工性の評価は次のように行った。即ち、連続鋳造
設備による製造条件を模擬するために、前述と同様に作
製した150kg鋼塊の表面部に近いDｉ／8（Dｉは鋼塊の直
径）の位置を中心として、鋼塊高さ方向から直径10mm、
長さ130mmの高温引張試験片を採取した。これを、固定
間隔を110mmとした上で直接通電によって1250℃まで加
熱し、５分保持後、10℃／秒の冷却速度で1100℃まで冷
却し、さらに10秒保持した後、歪み速度10^−３／秒にて
引張試験を行った。その際、破断部の絞りを測定して熱
間加工性を評価した。

【００７０】以上の試験結果を表３および表４に示す。
また、図２に切り屑処理性と工具寿命との関係、図３に
熱間引張試験の絞り値と工具寿命の関係をそれぞれ示
す。

【００７１】

【表３】

【００７２】

【表４】

【００７３】表２の鋼No.30と31は複合快削鋼、鋼No.32
は硫黄快削鋼で、これまで被削性に最も優れるものとさ
れていた鋼（JIS SUM23LまたはSUM23相当材）である。
表３、表４および図２から明らかなように、これらと比
較しても本発明鋼は格段に優れた工具摩耗抑制効果を有
している。さらに、鋼No.1〜29の本発明鋼では鍛造時
に割れを起こすことが一切なく、連続鋳造設備等による
実用的な製造を模擬した高温引張試験による絞りも、表
３に示すとおり、複合快削鋼や硫黄快削鋼と同等以上で
あって実用的には何ら問題がない。

【００７４】一方、鋼No30〜47のように本発明で規定す
る条件の一つでも外れているものは、熱間延性、工具寿
命、切屑処理性のうち少なくとも一つが本発明鋼に比べ
て劣っている。なお、鋼No.41と42ではMnとＳが前記
式を満たさないために熱間加工性が劣悪となっている。

【００７５】

【発明の効果】本発明の快削鋼は、Pbを含有しないにも
かかわらず、従来の鉛快削鋼および複合快削鋼のいずれ
にも勝る被削性を有している。この鋼は、熱間加工性に
も優れ、連続鋳造法によって安価に製造できる。従っ
て、各種機械部品の素材として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼で観察されたTi硫化物または／および
Ti炭硫化物が内在するMnＳのEPMA分析結果を示す図であ
る。

【図２】本発明鋼（鋼No.1〜29）と比較鋼（鋼No.30〜4
7）における切り屑処理性と工具寿命との関係を示す図
である。

【図３】：本発明鋼（鋼No.1〜29）と比較鋼（鋼No.30
〜47）における熱間延性試験による絞りと工具寿命との
関係を示す図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡里宏二大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.05〜0.19％、Mn：0.4〜
2.0％、Ｓ：0.21〜1.0％、Ti：0.03〜0.30％、Si：1.0
％以下、Ｐ：0.001〜0.3％、Al：0.2％以下、Ｏ（酸
素）：0.0010〜0.050％およびＮ：0.0001〜0.0200％を
含有し、残部がFeおよび不純物からなり、TiとＳの含有
量が下記式を満たし、MnとＳの原子比が下記式を満
たし、かつ、Ti硫化物または／およびTi炭硫化物が内在
するMnＳを含有することを特徴とする低炭素硫黄快削
鋼。 Ti（質量％）／Ｓ（質量％）＜１・・・ Mn／Ｓ≧１・・・
【請求項２】質量％で、Ｃ：0.05〜0.19％、Mn：0.4〜
2.0％、Ｓ：0.21〜1.0％、Ti：0.03〜0.30％、Si：1.0
％以下、Ｐ：0.001〜0.3％、Al：0.2％以下、Ｏ（酸
素）：0.0010〜0.050％、Ｎ：0.0001〜0.0200％、なら
びにSe：0.001〜0.01％、Te：0.001〜0.01％、Bi：0.00
5〜0.3％、Sn：0.005〜0.3％、Ca：0.0005〜0.01％、M
g：0.0005〜0.01％および希土類元素：0.0005〜0.01％
からなる群から選んだ１種または２種以上を含有し、残
部がFeおよび不純物からなり、TiとＳの含有量が下記
式を満たし、MnとＳの原子比が下記式を満たし、か
つ、Ti硫化物または／およびTi炭硫化物が内在するMnＳ
を含有することを特徴とする低炭素硫黄快削鋼。 Ti（質量％）／Ｓ（質量％）＜１・・・ Mn／Ｓ≧１・・・
【請求項３】質量％で、Ｃ：0.05〜0.19％、Mn：0.4〜
2.0％、Ｓ：0.21〜1.0％、Ti：0.03〜0.30％、Si：1.0
％以下、Ｐ：0.001〜0.3％、Al：0.2％以下、Ｏ（酸
素）：0.0010〜0.050％、Ｎ：0.0001〜0.0200％、なら
びにCu：0.01〜1.0％、Ni：0.01〜2.0％、Cr：0.01〜2.
5％、Mo：0.01〜1.0％、Ｖ：0.005〜0.5％およびNb：0.
005〜0.1％からなる群から選んだ１種または２種以上を
含有し、残部がFeおよび不純物からなり、TiとＳの含有
量が下記式を満たし、MnとＳの原子比が下記式を満
たし、かつ、Ti硫化物または／およびTi炭硫化物が内在
するMnＳを含有することを特徴とする低炭素硫黄快削
鋼。 Ti（質量％）／Ｓ（質量％）＜１・・・ Mn／Ｓ≧１・・・
【請求項４】質量％で、Ｃ：0.05〜0.19％、Mn：0.4〜
2.0％、Ｓ：0.21〜1.0％、Ti：0.03〜0.30％、Si：1.0
％以下、Ｐ：0.001〜0.3％、Al：0.2％以下、Ｏ（酸
素）：0.0010〜0.050％、Ｎ：0.0001〜0.0200％、なら
びにSe：0.001〜0.01％、Te：0.001〜0.01％、Bi：0.00
5〜0.3％、Sn：0.005〜0.3％、Ca：0.0005〜0.01％、M
g：0.0005〜0.01％および希土類元素：0.0005〜0.01％
からなる群から選んだ１種または２種以上と、Cu：0.01
〜1.0％、Ni：0.01〜2.0％、Cr：0.01〜2.5％、Mo：0.0
1〜1.0％、Ｖ：0.005〜0.5％およびNb：0.005〜0.1％か
らなる群から選んだ１種または２種以上を含有し、残部
がFeおよび不純物からなり、TiとＳの含有量が下記式
を満たし、MnとＳの原子比が下記式を満たし、かつ、
Ti硫化物または／およびTi炭硫化物が内在するMnＳを含
有することを特徴とする低炭素硫黄快削鋼。 Ti（質量％）／Ｓ（質量％）＜１・・・ Mn／Ｓ≧１・・・
【請求項５】Si含有量が0.1質量％未満である請求項１
から４までのいずれかに記載の低炭素硫黄快削鋼。