JP2004027333A - 快削鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉛を用いることなしに、しかも圧延のままで被削性に優れる快削鋼について提案する。
【解決手段】Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％未満、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％未満、Ｍｎ：０．１〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００１５〜０．０５０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる、成分組成に調整し、かつ組織中の擬ポリゴナルフェライトを面積率で５％以上とする。
【選択図】 なし
【解決手段】Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％未満、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％未満、Ｍｎ：０．１〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００１５〜０．０５０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる、成分組成に調整し、かつ組織中の擬ポリゴナルフェライトを面積率で５％以上とする。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、切削加工において工具寿命および切りくず処理性等の被削性に優れた快削鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削加工時の工具寿命および切りくず処理性に優れた快削鋼としては、ＪＩＳ Ｇ４８０４に規定されている硫黄快削鋼および鉛快削鋼、あるいはその他としてカルシウム快削鋼、テルル快削鋼、セレン快削鋼またはビスマス快削鋼等、種々の快削鋼が開発されている。なかでも、鉛快削鋼は被削性に優れ、しかもテルル、ビスマス等に比較して経済的なことから、快削鋼として多用されている。しかし、鉛は人体に有害であることから、鋼材の製造工程のみならず、それを用いた機械部品の製造工程において、大がかりな排気設備を必要とし、また鋼材のリサイクル面でも問題があった。このため、従来、鉛を添加せずに鉛添加鋼と同等程度の被削性を有する快削鋼の開発が望まれていた。
【０００３】
上記の要請に応えるものとして、例えば特開昭５０−９６４１６号公報では、鋼中のＣを黒鉛として存在させ、この黒鉛の切欠き潤滑作用を利用することによって、鉛を用いることなしに被削性を改善する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、鋼中のＣを黒鉛化する必要上、その前処理として熱処理が不可欠であり、必ずしも経済的な方法とはいえなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明は、鉛を用いることなしに、しかも圧延のままで被削性に優れる快削鋼について提案することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、鉛を添加せずとも圧延のままで鉛添加鋼と同等の被削性を有する鋼材の組成について鋭意検討したところ、被削性の向上には、組織中に面積率で５％以上の擬ポリゴナルフェライトを含有させることが有効であることを見出した。
【０００６】
ここで、擬ポリゴナルフェライトとは、日本鉄鋼協会基礎研究会ベイナイト調査委員会において定義されている組織であり、低炭素鋼においてフェライトよりもせん断的に変態し、マルテンサイトよりも拡散的に変態した組織である。すなわち、光学顕微鏡で観察される組織的に言えば、通常のフェライト（ポリゴナルフェライト）が比較的滑らかな粒界を持つのに対し、擬ポリゴナルフェライトは粒界が不規則に角ばった形状となる。また、擬ポリゴナルフェライトは、ポリゴナルフェライトに比べ転位を多く含み、転位密度が高い。
【０００７】
この擬ポリゴナルフェライトは、切削時に切りくずが生成した際に、鋼材のせん断変形を容易にする作用があるため、切りくず生成を容易にして切削抵抗を減少させ工具寿命および切りくず処理性等の切削性を向上させる作用を有する。なお、擬ポリゴナルフェライト以外の残りの組織は、フェライトやパーライト等いずれの組織でも良く、特に規定する必要はない。
【０００８】
すなわち、この発明の要旨構成は、次のとおりである。
（１）Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％未満、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％未満、Ｍｎ：０．１〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００１５〜０．０５０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ組織中に擬ポリゴナルフェライトを面積率で５％以上含むことを特徴とする快削鋼。
【０００９】
（２）上記（１）において、さらにＣｕ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以下およびＭｏ：２．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１０】
（３）上記（１）または（２）において、さらにＷ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．５ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１１】
（４）上記（１）、（２）または（３）において、さらにＴｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｂｉ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０４ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１２】
（５）上記（１）ないし（４）のいずれかにおいて、さらにＭｇ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｈｆ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＡｌ：１．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の快削鋼において、成分組成を、上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％未満
Ｃは、強度確保のために添加する。しかし、０．１５ｍａｓｓ％以上を添加すると、擬ポリゴナルフェライト組織が得られなくなり、また切削加工時の工具磨耗が増大し、被削性が低下するため、０．１５ｍａｓｓ％未満に制限する。さらに擬ポリゴナルフェライト組織を確保する上では、０．１０ｍａｓｓ％未満とすることが好ましい。
【００１４】
Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％未満
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であるが、０．１ｍａｓｓ％以上添加すると、工具寿命が低下するため、０．１ｍａｓｓ％未満に制限する必要がある。さらに好ましくは、０．０５ｍａｓｓ％未満とする。
【００１５】
Ｍｎ：０．１〜４．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは、ＳあるいはＯと結合してＭｎＳあるいはＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物を生成し、これにより被削性を向上させる作用がある。また、焼入性を向上するため、強度の確保にも有効である。このためには、０．１ｍａｓｓ％以上で添加する。一方、４．０ｍａｓｓ％を超えると、過度に強度が上昇して被削性が低下するため、０．１〜４．０ｍａｓｓ％の範囲に限定する。なお、好適範囲は０．５〜２．０ｍａｓｓ％である。さらに好ましくは、１．０〜２．０ｍａｓｓ％である。
【００１６】
Ｓ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％
Ｓは、鋼中でＭｎと結合しＭｎＳとして存在あるいは、Ｓ、Ｏと結合しＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物として存在し、切削加工時の応力集中源となり切りくずの分断を容易にして被削性を向上させるので添加する。しかし、０．０５ｍａｓｓ％未満ではその添加効果に乏しく、一方０．５ｍａｓｓ％を超えて添加すると熱間加工性を低下させるため、０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。なお、好適範囲は０．１〜４ｍａｓｓ％である。
【００１７】
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｐは、生成した切りくず中のクラックの伝播を容易にすることによって、切りくず処理性を顕著に向上させるため、好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以上で添加する。しかしながら、０．２ｍａｓｓ％を超えて添加すると、熱間加工性を低下させることから、０．２ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、０．１ｍａｓｓ％以下である。
【００１８】
Ｎｂ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｎｂは、擬ポリゴナルフェライト組織の生成を促進し、被削性を向上させる。また、強度確保にも有効であり、このために添加することができる。しかし、過剰に添加した場合、成分コストが上昇する上、過度に強度が上昇して被削性の低下を招くため、０．１ｍａｓｓ％以下の範囲に制限する。さらに好ましくは、０．０８ｍａｓｓ％以下の添加とする。尚、擬ポリゴナルフェライト組織を面積率で５％以上とするには、Ｎｂを０．００４ｍａｓｓ％以上とすることが好ましい。
【００１９】
Ｏ：０．００１５〜０．０５０ｍａｓｓ％
Ｏは、ＳとともにＭｎと結合してＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物を形成する。ＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物は、ＭｎＳ単独介在物に比べ鋼中での生成サイズが大きく、またＭｎＳ−ＭｎＯ複合介存物は熱間圧延時に延伸しづらく、比較的球状に近い形状で存在するため、切削加工時に応力集中源として作用し、切削性を向上させる効果がある。このために積極的に添加するが、０．００１５ｍａｓｓ％未満の添加ではその効果が小さく、一方０．０５０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、鋼魂に内部欠略が発生するようになるため、０．００１５ｍａｓｓ％以上０．０５０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定した。さらに好ましくは、０．００５０ｍａｓｓ％以上０．０３０ｍａｓｓ％以下である。
【００２０】
また、この発明では上記した基本成分の他に、所定の化学成分を添加あるいは添加を規制することにより、更なる被削性の向上あるいは強度の調整を行うことができる。
まず、強度の上昇あるいは焼入性向上のために、Ｃｕ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以下およびＭｏ：２．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を添加することが有利である。
【００２１】
Ｃｕ：２．０ｍａｓｓ％以下
Ｃｕは、焼入性を向上させ、強度を確保するのに有効である。しかし、２．０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、強度が上昇して被削性が低下するとともに、コストが上昇するため、２．０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、１．０ｍａｓｓ％以下とする。
【００２２】
Ｎｉ：２．０ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、焼入性向上による強度確保のために、添加することができる。しかしながら、過剰に添加しても、高価である上、強度が上昇して被削性が低下するため、２．０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、１．０ｍａｓｓ％以下とする。
【００２３】
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以下
Ｃｒは、焼入性を向上し、強度確保に有効なため添加できる。しかし、３．０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、強度が上昇して被削性が低下するとともに、成分コストが上昇するため、３．０ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、１．５ｍａｓｓ％以下とする。
【００２４】
Ｍｏ：２．０ｍａｓｓ％以下
Ｍｏは、強度確保のために添加することができる。しかしながら、過剰に添加した場合、高価である上、強度が上昇しすぎて被削性が低下するため、２．０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、１．０ｍａｓｓ％以下とする。
【００２５】
次に、強度向上を図るために、Ｗ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．５ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種を添加することができる。
Ｗ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｗは、固溶による強度向上作用があるが、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、被削性が低下するため、０．１ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、０．０５ｍａｓｓ％以下である。尚、Ｗにより強度を向上させるためには、０．０１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００２６】
Ｖ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｖは、Ｖ（Ｃ、Ｎ）による析出強化により強度を向上する作用があるが、０．５ｍａｓｓ％を超えて添加すると被削性が低下するため、０．５ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、０．４ｍａｓｓ％以下である。尚、Ｖにより強度を向上させるためには、０．０１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００２７】
また、被削性の更なる向上を図るために、Ｔｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｂｉ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０４ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することができる。
【００２８】
Ｔｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．２ｍａｓｓ％以下
ＴｅおよびＳｅは、Ｍｎと結合してＭｎＴｅおよびＭｎＳｅをそれぞれ形成して、これがチップブレーカーとして作用することにより、被削性を改善する。しかし、それぞれ０．２ｍａｓｓ％を超えて添加すると、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くため、０．２ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、それぞれ０．１ｍａｓｓ％以下である。尚、ＴｅおよびＳｅにより被削性を向上させるためには、それぞれ０．００５ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００２９】
Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｃａ、ＲＥＭおよびＺｒは、ＭｎＳとともに硫化物を形成し、これがチップブレーカーとして作用することにより、被削性を改善する。しかしながら、Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％およびＺｒ：０．２ｍａｓｓ％を超えて添加しても、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くため、これらを添加量の上限とする。さらに好ましくは、Ｃａ：０．０１ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０１５ｍａｓｓ％以下およびＺｒ：０．１ｍａｓｓ％以下である。
【００３０】
Ｂｉ：０．３ｍａｓｓ％以下
Ｂｉ もＰｂと同様、切削時の溶融、潤滑および脆化作用により、被削性を向上させるため、この目的で添加することができる。しかしながら、０．３ｍａｓｓ％を超えて添加しても、効果が飽和するばかりか、成分コストが上昇するため、０．３ｍａｓｓ％以下の範囲に制限する。さらに好ましくは、０．２ｍａｓｓ％以下である。尚、Ｂｉにより被削性を向上させるためには、０．００１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００３１】
Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％以下およびＣｏ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｓｎ、ＳｂおよびＣｏは、脆化作用により被削性を向上させる元素である。しかしながら、Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％およびＣｏ：０．１ｍａｓｓ％を超えて添加しても、効果が飽和する上、コストが上昇し、経済的に不利となるため、添加量を上記の範囲に制限する。さらに好ましくは、Ｓｎ：０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＣｏ：０．０５ｍａｓｓ％以下である。
【００３２】
Ｎ：０．０４ｍａｓｓ％以下
Ｎは、切削時に切りくずを脆化させる作用を有するために、切りくず処理性および工具寿命を向上させる働きがある。しかしながら、０．０４ｍａｓｓ％を超えて添加した場合、鋼塊の内部欠陥および表面庇が発生するため、０．０４ｍａｓｓ％以下の添加とする。なお好ましくは０．０２ｍａｓｓ％以下の添加とする。
【００３３】
Ａｌ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０２ｍａｓｓ％以下およびＨｆ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ａｌ、ＭｇおよびＨｆは、脱酸元素であるとともに応力集中源となり、被削性を改善する効果があるため、添加することができる。しかしながら、過剰に添加すると効果が飽和する上、成分コストが上昇するため、添加量としてはそれぞれ上記の範囲に制限する。さらに好ましくは、Ａｌ：０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０１ｍａｓｓ％以下およびＨｆ：０．０５ｍａｓｓ％以下である。
【００３４】
以上の、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｎ、Ｍｇ、ＨｆおよびＡｌの添加成分は、いずれも微量の添加によって、上記した作用を発現するため、特に下限を設ける必要はない。
【００３５】
なお、この発明では、その主旨からＰｂは基本的に添加しないが、これは技術的に添加することができないという意味ではない。すなわち、単に快削性の面だけ考慮すればよいのであれば、その添加を妨げるものではない。しかしながら、この場合であっても、環境衛生の面から添加量は０．２５ｍａｓｓ％以下程度に抑制することが好ましい。
【００３６】
また、この発明においては、組織中に含まれる、擬ポリゴナルフェライトを面積率で５％以上とすることが肝要である。この理由は、擬ポリゴナルフェライトが切削時の切りくず生成の際に、鋼材のせん断変形を容易にする効果を有するために、切りくず生成が容易となり、その結果切削抵抗が減少して工具寿命あるいは切りくず処理性等の切削性を向上させる働きがあるためである。
【００３７】
切削性向上のためには、擬ポリゴナルフェライトが面積率で５％以上、より好ましくは１０ｍａｓｓ％以上存在させることが必要である。
【００３８】
以下に、この発明の快削鋼の製造方法について説明する。
まず、素材の製造については、従来公知の転炉あるいは電気炉等で溶製した後、連続鋳造法あるいは造塊・分魂法によってスラブあるいはブルームとする。次いで、熱間圧延により所定の形状とする。熱間圧延に際しては、５％以上の擬ポリゴナルフェライト組織を得るために、仕上圧延を９６０℃以下とする制御圧延および／または、圧延終了後に水冷（５〜８０℃／ｓの冷却速度）で冷却する制御冷却を施すことが効果的である。しかる後、所定の部品形状に成形後、機械部品とする。また、窒化あるいは浸炭処理等を施して製品とする場合もある。
【００３９】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼を転炉にて溶製し、連続鋳造によりブルームとした後、１５０ｍｍ角のビレットに熱間圧延し、さらに棒鋼圧延により３０ｍｍφの棒鋼とした。棒鋼圧延においては、制御圧延または制御冷却を実施した。かくして得られた棒鋼の被削性について調査した。その結果を、表２に示す。
【００４０】
ここで、被削性試験は、超硬工具（ＰｌＯ）を用い、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、切込み：２．Ｏｍｍおよび無潤滑の条件で外周旋削試験により行った。工具寿命判定は、超硬工具逃げ面摩耗が０．２ｍｍに達するまでの総切削時間で評価した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
表２に示すとおり、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４の発明鋼は、いずれも超硬工具寿命が１４．８〜３７．Ｏｍｉｎと優れた工具寿命が得られ、Ｎｏ．２５の従来鉛添加鋼ＪＩＳ ＳＵＭ２４Ｌの１２．４ｍｉｎに比べて非常に良好な寿命が得られている。切りくず形状に関してもいずれも長さが５ｍｍ以下と細かな良好な切りくずが得られている。
【００４４】
これに対し、Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．２３の比較鋼のうち、Ｎｏ．１５はＣが範囲外であり、擬ポリゴナルフェライト組織が得られなくなった結果、発明鋼に比べて超硬工具寿命が著しく低下し、切りくず形状も劣化している。Ｎｏ．１６は、ＳｉおよびＯが、この発明の範囲外であるため、工具寿命が低下し切りくず形状が劣化している。Ｎｏ．１７は、Ｍｎがこの発明の上限より高いため、工具寿命が低下している。Ｎｏ．１８は、Ｍｎがこの発明の下限よりも低いため、擬ポリゴナルフェライト組織分率が低下して範囲外となり、工具寿命および切りくず形状が劣化している。Ｎｏ．１９は、Ｐが発明の上限より高いため、圧延時に熱間割れが発生したため圧延を中止し、評価不能であった。Ｎｏ．２０は、Ｓが発明の上限より高いため、圧延時に熱間割れが発生したため圧延を中止し、評価不能であった。Ｎｏ．２１は、Ｓがこの発明の下限より低いため、工具寿命が低下し、切りくず形状が劣化している。Ｎｏ．２２は、Ｎｂがこの発明の上限より高いため、工具寿命が低下している。Ｎｏ．２３は、Ｏがこの発明の上限より高いため、鋼塊に内部欠絶が発生し圧延不能であったため、評価不能であった。Ｎｏ．２４は、鋼記号１１の鋼に制御圧延および制御冷却を施さずに製造したところ、擬ポリゴナルフェライト組織分率がこの発明の下限以下となった場合であり、工具寿命が低下し、切りくず形状も劣化している。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、鉛を添加せずとも、圧延のままの状態で、鉛添加快削鋼と同等以上の被削性を有する、鋼材を得ることができる。
【発明の属する技術分野】
この発明は、切削加工において工具寿命および切りくず処理性等の被削性に優れた快削鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削加工時の工具寿命および切りくず処理性に優れた快削鋼としては、ＪＩＳ Ｇ４８０４に規定されている硫黄快削鋼および鉛快削鋼、あるいはその他としてカルシウム快削鋼、テルル快削鋼、セレン快削鋼またはビスマス快削鋼等、種々の快削鋼が開発されている。なかでも、鉛快削鋼は被削性に優れ、しかもテルル、ビスマス等に比較して経済的なことから、快削鋼として多用されている。しかし、鉛は人体に有害であることから、鋼材の製造工程のみならず、それを用いた機械部品の製造工程において、大がかりな排気設備を必要とし、また鋼材のリサイクル面でも問題があった。このため、従来、鉛を添加せずに鉛添加鋼と同等程度の被削性を有する快削鋼の開発が望まれていた。
【０００３】
上記の要請に応えるものとして、例えば特開昭５０−９６４１６号公報では、鋼中のＣを黒鉛として存在させ、この黒鉛の切欠き潤滑作用を利用することによって、鉛を用いることなしに被削性を改善する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、鋼中のＣを黒鉛化する必要上、その前処理として熱処理が不可欠であり、必ずしも経済的な方法とはいえなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明は、鉛を用いることなしに、しかも圧延のままで被削性に優れる快削鋼について提案することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、鉛を添加せずとも圧延のままで鉛添加鋼と同等の被削性を有する鋼材の組成について鋭意検討したところ、被削性の向上には、組織中に面積率で５％以上の擬ポリゴナルフェライトを含有させることが有効であることを見出した。
【０００６】
ここで、擬ポリゴナルフェライトとは、日本鉄鋼協会基礎研究会ベイナイト調査委員会において定義されている組織であり、低炭素鋼においてフェライトよりもせん断的に変態し、マルテンサイトよりも拡散的に変態した組織である。すなわち、光学顕微鏡で観察される組織的に言えば、通常のフェライト（ポリゴナルフェライト）が比較的滑らかな粒界を持つのに対し、擬ポリゴナルフェライトは粒界が不規則に角ばった形状となる。また、擬ポリゴナルフェライトは、ポリゴナルフェライトに比べ転位を多く含み、転位密度が高い。
【０００７】
この擬ポリゴナルフェライトは、切削時に切りくずが生成した際に、鋼材のせん断変形を容易にする作用があるため、切りくず生成を容易にして切削抵抗を減少させ工具寿命および切りくず処理性等の切削性を向上させる作用を有する。なお、擬ポリゴナルフェライト以外の残りの組織は、フェライトやパーライト等いずれの組織でも良く、特に規定する必要はない。
【０００８】
すなわち、この発明の要旨構成は、次のとおりである。
（１）Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％未満、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％未満、Ｍｎ：０．１〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００１５〜０．０５０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ組織中に擬ポリゴナルフェライトを面積率で５％以上含むことを特徴とする快削鋼。
【０００９】
（２）上記（１）において、さらにＣｕ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以下およびＭｏ：２．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１０】
（３）上記（１）または（２）において、さらにＷ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．５ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１１】
（４）上記（１）、（２）または（３）において、さらにＴｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｂｉ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０４ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１２】
（５）上記（１）ないし（４）のいずれかにおいて、さらにＭｇ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｈｆ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＡｌ：１．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の快削鋼において、成分組成を、上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％未満
Ｃは、強度確保のために添加する。しかし、０．１５ｍａｓｓ％以上を添加すると、擬ポリゴナルフェライト組織が得られなくなり、また切削加工時の工具磨耗が増大し、被削性が低下するため、０．１５ｍａｓｓ％未満に制限する。さらに擬ポリゴナルフェライト組織を確保する上では、０．１０ｍａｓｓ％未満とすることが好ましい。
【００１４】
Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％未満
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であるが、０．１ｍａｓｓ％以上添加すると、工具寿命が低下するため、０．１ｍａｓｓ％未満に制限する必要がある。さらに好ましくは、０．０５ｍａｓｓ％未満とする。
【００１５】
Ｍｎ：０．１〜４．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは、ＳあるいはＯと結合してＭｎＳあるいはＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物を生成し、これにより被削性を向上させる作用がある。また、焼入性を向上するため、強度の確保にも有効である。このためには、０．１ｍａｓｓ％以上で添加する。一方、４．０ｍａｓｓ％を超えると、過度に強度が上昇して被削性が低下するため、０．１〜４．０ｍａｓｓ％の範囲に限定する。なお、好適範囲は０．５〜２．０ｍａｓｓ％である。さらに好ましくは、１．０〜２．０ｍａｓｓ％である。
【００１６】
Ｓ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％
Ｓは、鋼中でＭｎと結合しＭｎＳとして存在あるいは、Ｓ、Ｏと結合しＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物として存在し、切削加工時の応力集中源となり切りくずの分断を容易にして被削性を向上させるので添加する。しかし、０．０５ｍａｓｓ％未満ではその添加効果に乏しく、一方０．５ｍａｓｓ％を超えて添加すると熱間加工性を低下させるため、０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。なお、好適範囲は０．１〜４ｍａｓｓ％である。
【００１７】
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｐは、生成した切りくず中のクラックの伝播を容易にすることによって、切りくず処理性を顕著に向上させるため、好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以上で添加する。しかしながら、０．２ｍａｓｓ％を超えて添加すると、熱間加工性を低下させることから、０．２ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、０．１ｍａｓｓ％以下である。
【００１８】
Ｎｂ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｎｂは、擬ポリゴナルフェライト組織の生成を促進し、被削性を向上させる。また、強度確保にも有効であり、このために添加することができる。しかし、過剰に添加した場合、成分コストが上昇する上、過度に強度が上昇して被削性の低下を招くため、０．１ｍａｓｓ％以下の範囲に制限する。さらに好ましくは、０．０８ｍａｓｓ％以下の添加とする。尚、擬ポリゴナルフェライト組織を面積率で５％以上とするには、Ｎｂを０．００４ｍａｓｓ％以上とすることが好ましい。
【００１９】
Ｏ：０．００１５〜０．０５０ｍａｓｓ％
Ｏは、ＳとともにＭｎと結合してＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物を形成する。ＭｎＳ−ＭｎＯ複合介在物は、ＭｎＳ単独介在物に比べ鋼中での生成サイズが大きく、またＭｎＳ−ＭｎＯ複合介存物は熱間圧延時に延伸しづらく、比較的球状に近い形状で存在するため、切削加工時に応力集中源として作用し、切削性を向上させる効果がある。このために積極的に添加するが、０．００１５ｍａｓｓ％未満の添加ではその効果が小さく、一方０．０５０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、鋼魂に内部欠略が発生するようになるため、０．００１５ｍａｓｓ％以上０．０５０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定した。さらに好ましくは、０．００５０ｍａｓｓ％以上０．０３０ｍａｓｓ％以下である。
【００２０】
また、この発明では上記した基本成分の他に、所定の化学成分を添加あるいは添加を規制することにより、更なる被削性の向上あるいは強度の調整を行うことができる。
まず、強度の上昇あるいは焼入性向上のために、Ｃｕ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以下およびＭｏ：２．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を添加することが有利である。
【００２１】
Ｃｕ：２．０ｍａｓｓ％以下
Ｃｕは、焼入性を向上させ、強度を確保するのに有効である。しかし、２．０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、強度が上昇して被削性が低下するとともに、コストが上昇するため、２．０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、１．０ｍａｓｓ％以下とする。
【００２２】
Ｎｉ：２．０ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、焼入性向上による強度確保のために、添加することができる。しかしながら、過剰に添加しても、高価である上、強度が上昇して被削性が低下するため、２．０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、１．０ｍａｓｓ％以下とする。
【００２３】
Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以下
Ｃｒは、焼入性を向上し、強度確保に有効なため添加できる。しかし、３．０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、強度が上昇して被削性が低下するとともに、成分コストが上昇するため、３．０ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、１．５ｍａｓｓ％以下とする。
【００２４】
Ｍｏ：２．０ｍａｓｓ％以下
Ｍｏは、強度確保のために添加することができる。しかしながら、過剰に添加した場合、高価である上、強度が上昇しすぎて被削性が低下するため、２．０ｍａｓｓ％以下の範囲に限定する。さらに好ましくは、１．０ｍａｓｓ％以下とする。
【００２５】
次に、強度向上を図るために、Ｗ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．５ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種を添加することができる。
Ｗ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｗは、固溶による強度向上作用があるが、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、被削性が低下するため、０．１ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、０．０５ｍａｓｓ％以下である。尚、Ｗにより強度を向上させるためには、０．０１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００２６】
Ｖ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｖは、Ｖ（Ｃ、Ｎ）による析出強化により強度を向上する作用があるが、０．５ｍａｓｓ％を超えて添加すると被削性が低下するため、０．５ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、０．４ｍａｓｓ％以下である。尚、Ｖにより強度を向上させるためには、０．０１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００２７】
また、被削性の更なる向上を図るために、Ｔｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｂｉ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０４ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することができる。
【００２８】
Ｔｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．２ｍａｓｓ％以下
ＴｅおよびＳｅは、Ｍｎと結合してＭｎＴｅおよびＭｎＳｅをそれぞれ形成して、これがチップブレーカーとして作用することにより、被削性を改善する。しかし、それぞれ０．２ｍａｓｓ％を超えて添加すると、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くため、０．２ｍａｓｓ％以下の添加とする。さらに好ましくは、それぞれ０．１ｍａｓｓ％以下である。尚、ＴｅおよびＳｅにより被削性を向上させるためには、それぞれ０．００５ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００２９】
Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｃａ、ＲＥＭおよびＺｒは、ＭｎＳとともに硫化物を形成し、これがチップブレーカーとして作用することにより、被削性を改善する。しかしながら、Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％およびＺｒ：０．２ｍａｓｓ％を超えて添加しても、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くため、これらを添加量の上限とする。さらに好ましくは、Ｃａ：０．０１ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０１５ｍａｓｓ％以下およびＺｒ：０．１ｍａｓｓ％以下である。
【００３０】
Ｂｉ：０．３ｍａｓｓ％以下
Ｂｉ もＰｂと同様、切削時の溶融、潤滑および脆化作用により、被削性を向上させるため、この目的で添加することができる。しかしながら、０．３ｍａｓｓ％を超えて添加しても、効果が飽和するばかりか、成分コストが上昇するため、０．３ｍａｓｓ％以下の範囲に制限する。さらに好ましくは、０．２ｍａｓｓ％以下である。尚、Ｂｉにより被削性を向上させるためには、０．００１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００３１】
Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％以下およびＣｏ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｓｎ、ＳｂおよびＣｏは、脆化作用により被削性を向上させる元素である。しかしながら、Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％およびＣｏ：０．１ｍａｓｓ％を超えて添加しても、効果が飽和する上、コストが上昇し、経済的に不利となるため、添加量を上記の範囲に制限する。さらに好ましくは、Ｓｎ：０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＣｏ：０．０５ｍａｓｓ％以下である。
【００３２】
Ｎ：０．０４ｍａｓｓ％以下
Ｎは、切削時に切りくずを脆化させる作用を有するために、切りくず処理性および工具寿命を向上させる働きがある。しかしながら、０．０４ｍａｓｓ％を超えて添加した場合、鋼塊の内部欠陥および表面庇が発生するため、０．０４ｍａｓｓ％以下の添加とする。なお好ましくは０．０２ｍａｓｓ％以下の添加とする。
【００３３】
Ａｌ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０２ｍａｓｓ％以下およびＨｆ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ａｌ、ＭｇおよびＨｆは、脱酸元素であるとともに応力集中源となり、被削性を改善する効果があるため、添加することができる。しかしながら、過剰に添加すると効果が飽和する上、成分コストが上昇するため、添加量としてはそれぞれ上記の範囲に制限する。さらに好ましくは、Ａｌ：０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０１ｍａｓｓ％以下およびＨｆ：０．０５ｍａｓｓ％以下である。
【００３４】
以上の、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｎ、Ｍｇ、ＨｆおよびＡｌの添加成分は、いずれも微量の添加によって、上記した作用を発現するため、特に下限を設ける必要はない。
【００３５】
なお、この発明では、その主旨からＰｂは基本的に添加しないが、これは技術的に添加することができないという意味ではない。すなわち、単に快削性の面だけ考慮すればよいのであれば、その添加を妨げるものではない。しかしながら、この場合であっても、環境衛生の面から添加量は０．２５ｍａｓｓ％以下程度に抑制することが好ましい。
【００３６】
また、この発明においては、組織中に含まれる、擬ポリゴナルフェライトを面積率で５％以上とすることが肝要である。この理由は、擬ポリゴナルフェライトが切削時の切りくず生成の際に、鋼材のせん断変形を容易にする効果を有するために、切りくず生成が容易となり、その結果切削抵抗が減少して工具寿命あるいは切りくず処理性等の切削性を向上させる働きがあるためである。
【００３７】
切削性向上のためには、擬ポリゴナルフェライトが面積率で５％以上、より好ましくは１０ｍａｓｓ％以上存在させることが必要である。
【００３８】
以下に、この発明の快削鋼の製造方法について説明する。
まず、素材の製造については、従来公知の転炉あるいは電気炉等で溶製した後、連続鋳造法あるいは造塊・分魂法によってスラブあるいはブルームとする。次いで、熱間圧延により所定の形状とする。熱間圧延に際しては、５％以上の擬ポリゴナルフェライト組織を得るために、仕上圧延を９６０℃以下とする制御圧延および／または、圧延終了後に水冷（５〜８０℃／ｓの冷却速度）で冷却する制御冷却を施すことが効果的である。しかる後、所定の部品形状に成形後、機械部品とする。また、窒化あるいは浸炭処理等を施して製品とする場合もある。
【００３９】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼を転炉にて溶製し、連続鋳造によりブルームとした後、１５０ｍｍ角のビレットに熱間圧延し、さらに棒鋼圧延により３０ｍｍφの棒鋼とした。棒鋼圧延においては、制御圧延または制御冷却を実施した。かくして得られた棒鋼の被削性について調査した。その結果を、表２に示す。
【００４０】
ここで、被削性試験は、超硬工具（ＰｌＯ）を用い、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、切込み：２．Ｏｍｍおよび無潤滑の条件で外周旋削試験により行った。工具寿命判定は、超硬工具逃げ面摩耗が０．２ｍｍに達するまでの総切削時間で評価した。
【００４１】
【表１】
【表２】
表２に示すとおり、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４の発明鋼は、いずれも超硬工具寿命が１４．８〜３７．Ｏｍｉｎと優れた工具寿命が得られ、Ｎｏ．２５の従来鉛添加鋼ＪＩＳ ＳＵＭ２４Ｌの１２．４ｍｉｎに比べて非常に良好な寿命が得られている。切りくず形状に関してもいずれも長さが５ｍｍ以下と細かな良好な切りくずが得られている。
【００４４】
これに対し、Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．２３の比較鋼のうち、Ｎｏ．１５はＣが範囲外であり、擬ポリゴナルフェライト組織が得られなくなった結果、発明鋼に比べて超硬工具寿命が著しく低下し、切りくず形状も劣化している。Ｎｏ．１６は、ＳｉおよびＯが、この発明の範囲外であるため、工具寿命が低下し切りくず形状が劣化している。Ｎｏ．１７は、Ｍｎがこの発明の上限より高いため、工具寿命が低下している。Ｎｏ．１８は、Ｍｎがこの発明の下限よりも低いため、擬ポリゴナルフェライト組織分率が低下して範囲外となり、工具寿命および切りくず形状が劣化している。Ｎｏ．１９は、Ｐが発明の上限より高いため、圧延時に熱間割れが発生したため圧延を中止し、評価不能であった。Ｎｏ．２０は、Ｓが発明の上限より高いため、圧延時に熱間割れが発生したため圧延を中止し、評価不能であった。Ｎｏ．２１は、Ｓがこの発明の下限より低いため、工具寿命が低下し、切りくず形状が劣化している。Ｎｏ．２２は、Ｎｂがこの発明の上限より高いため、工具寿命が低下している。Ｎｏ．２３は、Ｏがこの発明の上限より高いため、鋼塊に内部欠絶が発生し圧延不能であったため、評価不能であった。Ｎｏ．２４は、鋼記号１１の鋼に制御圧延および制御冷却を施さずに製造したところ、擬ポリゴナルフェライト組織分率がこの発明の下限以下となった場合であり、工具寿命が低下し、切りくず形状も劣化している。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、鉛を添加せずとも、圧延のままの状態で、鉛添加快削鋼と同等以上の被削性を有する、鋼材を得ることができる。
Claims (5)
- Ｃ：０．１５ｍａｓｓ％未満、
Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％未満、
Ｍｎ：０．１〜４．０ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、
Ｎｂ：０．１ｍａｓｓ％以下および
Ｏ：０．００１５〜０．０５０ｍａｓｓ％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ組織中に擬ポリゴナルフェライトを面積率で５％以上含むことを特徴とする快削鋼。 - 請求項１において、さらにＣｕ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：２．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：３．０ｍａｓｓ％以下およびＭｏ：２．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
- 請求項１または請求項２において、さらにＷ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．５ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種を含有することを特徴とする快削鋼。
- 請求項１、２または３において、さらにＴｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓｎ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．０２ｍａｓｓ％以下、ＲＥＭ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｂｉ：０．３ｍａｓｓ％以下、Ｓｂ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．０４ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
- 請求項１ないし４のいずれかにおいて、さらにＭｇ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｈｆ：０．１ｍａｓｓ％以下およびＡｌ：１．０ｍａｓｓ％以下のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
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