JP2004083924A - 硫黄含有快削性機械構造用鋼 - Google Patents

硫黄含有快削性機械構造用鋼 Download PDF

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Abstract

【課題】鋼の化学成分を調整して得られた硫黄含有快削性機械構造用鋼により、鉛を含有せずとも従来の鉛含有快削鋼と同レベルの被削性と機械的特性を有する硫黄快削鋼を提供することである。
【解決手段】重量%で、C:0.10〜0.55%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.30〜2.50%、P:0.15%以下、S:0.050〜0.350%、Al:0.010%超〜0.020%以下、Nb:0.015〜0.200%、O:0.0015〜0.0150%、N:0.02%以下を含有し、更に、V:0.03〜0.50%、Ti:0.02〜0.20%、Zr:0.01〜0.20%から選択される1種または2種以上を含有し、且つS含有量とO含有量の比S/Oが15〜120であり、Nbの酸化物(図1参照)、炭化物、窒化物及び炭窒化物の1種以上がMnS系介在物の析出核となっていることを特徴とする。
【選択図】  図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業機器や自動車部品など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。
【0002】
【従来の技術】
産業機械や自動車部品などに用いるために機械加工される鋼材は、優れた被削性を備えていることが必要とされる。優れた被削性を備える機械構造用鋼として、硫黄を或るレベル以上に含有した硫黄快削鋼と鉛を微量含有した鉛快削鋼がJISによって制定されている。この他、鉛と性質が類似する元素であるBi、Te、Se等を含有する快削鋼も開発されているが、高価格等の理由から工業的には一般化されていない。
【0003】
被削性の点で最も確実に成果が期待できるのは鉛快削鋼であり、鉛を含有させても鋼の機械的性質を劣化させないことが大きな特色であった。しかし、鉛快削鋼の製造工程およびその鋼材を切削や旋削する工程において、鉛がフュームとなって空気中に飛散して労働環境を悪化させ、また、こうした工程で発生する鋼滓や切り屑などの産業廃棄物を処理する際にも、鉛を含有していることから、環境保護上の問題が生じていた。
【0004】
一方、快削鋼として最も歴史の古い硫黄快削鋼は、工業的に製造される鋼中の硫化物の形態や分布の点でバラツキが大きいために、被削性に関して信頼性が低かった。硫黄の含有量を多くして被削性を高めようとすると、鋼材の製造工程において熱間脆性が起きて不良品が多く発生する場合もあった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、硫黄は鉛と異なって安全衛生や環境問題の点で問題は少なく、そのため、鉛を含有せずとも従来の鉛含有快削鋼と同レベルの被削性を有する硫黄快削鋼の開発が待たれている。従って、本発明の目的は、優れた被削性を有する硫黄含有快削性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】
発明者は、鉛を添加しなくとも従来の鉛含有快削鋼と同等の被削性を有する快削鋼を開発すべく鋼の化学成分を種々検討した。その結果、S:0.050〜0.350%含有の硫黄快削鋼中に酸素が0.0015〜0.0150%、好ましくは0.0020〜0.0100%含まれている場合、S含有量とO含有量の比S/Oが15〜120の範囲にある時、鋼の被削性が確実に向上することを見いだした。
【0007】
すなわち本発明に係る快削鋼は、以下に示す硫黄含有快削性機械構造用鋼である。
(1)重量%で、C:0.10〜0.55%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.30〜2.50%、P:0.15%以下、S:0.050〜0.350%、Al:0.010%超〜0.020%以下、Nb:0.015〜0.200%、O:0.0015〜0.0150%、N:0.02%以下を含有し、更に、V:0.03〜0.50%、Ti:0.02〜0.20%、Zr:0.01〜0.20%から選択される1種または2種以上を含有し、且つS含有量とO含有量の比S/Oが15〜120であり、Nbの酸化物、炭化物、窒化物及び炭窒化物の1種以上がMnS系介在物の析出核となっていることを特徴とする硫黄含有快削性機械構造用鋼である。
【0008】
(2)前記快削鋼が重量%で、Sn:0.020〜0.100%、Sb:0.015〜0.100%の1種または2種を含有することを特徴とする上記(1)記載の硫黄含有快削性機械構造用鋼である。
【0009】
(3)前記快削鋼が重量%で、Cr:0.10〜2.0%、Ni:0.10〜2.0%及びMo:0.05〜1.0%から選択される1種または2種以上含有することを特徴とする上記(1)または(2)記載の硫黄含有快削性機械構造用鋼である。
【0010】
(4)前記快削鋼が重量%で、Ca:0.0002〜0.020%、Mg:0.0002〜0.020の1種または2種を含有することを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の硫黄含有快削性機械構造用鋼である。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の硫黄含有快削性機械構造用鋼における成分元素の含有量の限定理由を以下に説明する。含有量の単位は重量%である。
C:0.10〜0.55%
Cは鋼の強度を確保するために添加するが、中・高炭素鋼程度の強度を対象とするので0.10%未満では必要な強度が得られず、0.55%を超えると靭性が低下する。従って、下限を0.10%とし、上限を0.55%とした。
【0012】
Si:0.05〜1.00%
Siは脱酸剤として添加し、Mnとの共同脱酸を行なわせる。0.05%程度の添加で脱酸効果が現れるが、1.00%を超えると鋼の被削性が低下する。従って下限を0.05%とし、上限を1.00%とした。
【0013】
Mn:0.30〜2.50%
Mnは脱酸剤として添加するとともにMnSを形成させて鋼の被削性を向上させる。これらの硫化物を形成させるためには最低0.30%のMnが含有されていることが必要であり、2.50%を超えると鋼の硬度が上がるために被削性が低下する。従って、下限を0.30%とし、上限を2.50%とした。
【0014】
Al:0.010%超〜0.020%
Alは鋼中のNと結合してAlN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には少なくとも0.010%超の添加が必要である。しかしながら、過剰の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0.020%に限定する必要がある。したがって、Alの添加量は0.010%超〜0.020%の範囲とした。
【0015】
P:0.15%以下
Pは鋼の被削性、特に仕上がり面の性状を改善させるために添加する。0.15%を超えると靭性が低下する。従って上限を0.15%とした。
【0016】
S:0.050〜0.350%
Sは鋼の被削性を向上させる元素としてよく知られていて、Sの含有量が高いほど被削性が良好となる。0.050%未満では良好な被削性は得られない。しかし、Mnとともに添加した場合であってもS含有量が多すぎると鋼の熱間加工性が低下する。そのため上限を0.350%とした。
【0017】
O:0.0015〜0.0150%
酸素が0.0015%より少ない場合、MnS系介在物の形状が快削性を付与するのに少なすぎ、0.0150%を超える場合は冷却中の脱酸で生じる2次脱酸生成物の量が多くなりすぎ被削性を悪化させる。酸素を0.0015〜0.0150%の範囲に保ち、且つS含有量とO含有量の比S/Oを15〜120に保つことが鋼の被削性向上のために重要なことである。従って酸素含有量は0.0015〜0.0150%の範囲とした。
【0018】
N:0.02%以下
Nが0.02%を超えると鋼の延性が低下してしまう。従って上限を0.02%とした。
【0019】
Cr:0.10〜2.00%、
Ni:0.10〜2.00%、
Mo:0.05〜1.00%
Cr、Ni、Moから選択される1種または2種以上を添加する。
それぞれ上記範囲の下限よりも少ないと鋼の焼入性と靭性が確保されない。それぞれ上記範囲の上限を超えると鋼の硬度が高くなり、被削性が悪くなる。従ってCr、Ni、及びMoの添加量はそれぞれ上記の範囲とした。
【0020】
Nb:0.015〜0.200%
Nbが上記範囲内である場合はNbの酸化物、炭化物、窒化物及び炭窒化物の1種以上が鋼中に適度に析出し、MnS系介在物の析出核となり、前述介在物を鋼中に均一に分散析出するのを助ける。すなわち、0.015%未満の場合はこの効果が少なく、0.20%を超えると鋼の被削性が悪くなる。また適度のNbは鋼のオーステナイトの結晶粒度を微細化し鋼の靭性を損なわない。
【0021】
V:0.03〜0.50%
Vが上記範囲内である場合はVの炭窒化物がガンマー鉄中に適度に析出し、鋼の機械的性質を向上させる働きがある。また適度のVは鋼のオーステナイトの結晶粒度を微細化し鋼の靭性を損なわない。従ってVの添加量は0.03〜0.50%の範囲とした。
【0022】
Ti:0.02〜0.20%、
Zr:0.01〜0.20%
これらの元素は酸素との親和力が強く、酸化物を生成しやすいので溶鋼への添加は脱酸作業終了後にするのが望ましい。
Ti:0.02%未満、Zr:0.01%未満ではその脱酸効果は少なく、Ti:0.20%超、Zr:0.20%を超えると被削性を悪化させる炭窒化物を多く発生する。また適度のTiは鋼のオーステナイトの結晶粒度を微細化し鋼の靭性を損なわない。従ってTi及びZrの添加量はそれぞれ上記の範囲とした。
【0023】
Sn:0.020〜0.100%
Snはマトリックス中に固溶し、鋼を脆化させることにより、被削性を向上させる。その効果を発揮させるためには、少なくとも0.020%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0.100%に限定する必要がある。したがって、Snの添加量は0.020%〜0.100%の範囲とした。
【0024】
Sb:0.015〜0.100%
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、被削性を向上させる。その効果を発揮させるためには、少なくとも0.015%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。これを回避するには上限を0.100%に限定する必要がある。したがって、Sbの添加量は0.015〜0.100%の範囲とした。
【0025】
Ca:0.0002〜0.020%
Caは鋼の脱酸元素であり、被削性に有効な酸化物を生成する。0.0002%未満ではその効果は現れない。また0.020%を超えて添加しても被削性には効果がない。従ってCaの添加量は0.0002〜0.020%の範囲とした。
【0026】
Mg:0.0002〜0.020%
Mgは鋼の脱酸元素であり、被削性に有効な酸化物を生成する。0.0002%未満ではその効果は現れない。また0.020%を超えて添加しても被削性には効果がない。従ってMgの添加量は0.0002〜0.020%の範囲とした。
【0027】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。
実施例1(硫黄含有快削性機械構造用鋼の製造)
本発明による硫黄含有快削性機械構造用鋼を下記の工程により製造した。
機械構造用鋼に相当する組成を有する鋼を15トン電気炉を使って溶解した。酸化期で0.3%の脱炭を行い、酸化末期での溶鋼中の酸素量は0.028〜0.042%であった。酸化期スラグを除滓し、新たに還元期スラグを作り、初期脱酸に用いた脱酸剤は60kgのFe−Siと100kgのSi−Mnであった。その後Alを5kg(比較材においては10kg)使った。スラグ中のFeOが2%以下になったことを確認した後、取鍋に出鋼した。
【0028】
その時溶鋼中の酸素量は0.0050〜0.0130%であった。次いで、取鍋精練炉(LF炉)の位置に取鍋を設置し、アークによる昇温と成分の微調整後、溶鋼の温度が1650℃になった後、加硫と穏やかな酸素富化を実施して、取鍋の底に設置したポーラスプラグよりアルゴンガスを30リットル/分の流量で吹き込み、攪拌を15分行った。その後、LF炉のアークにより昇温した後、Nb、Ti、Zrを添加し、4.7トン鋼塊に鋳込んだ。鋼塊を直径100mmの丸棒に圧延し、この丸棒から切削試験に供するテストピースを作成した。得られた化学成分を下の表1に示す。単位は重量%である。但し、N、Oについてはppm単位である。
【0029】
【表1】
【0030】
実施例2(MnS系介在物内の析出核のEPMA分析)
本発明の硫黄含有快削性機械構造用鋼におけるMnS系介在物の析出核となるNb元素の役割を確認するため、テストピース8(発明材)の鋼の電子線マイクロアナライザー分析(EPMA)を行った。その結果を図1、図2に示す。
図1はNbの酸化物を核としてMnS系介在物が生成されたことを示すEPMA像であり、また図2はNbの炭化物を核としてMnS系介在物が生成したことを示すEPMA像である。
SEIと表示したそれぞれの写真はマトリックス中に析出したMnS系介在物の二次電子像である。図1、図2ともに大きな島状体に内包された比較的小さな島状体が示されている。これらの小さな島状体が図1の場合はNb酸化物、図2の場合はNb炭化物であることが、それぞれ下段の4枚のEPMA解析像から示される。写真上に示した元素即ち、Nb、O、C、Mn、Sの解析像であり白色部分がそれぞれの元素の存在位置を示している。これらから明らかに小さな島状体はNb酸化物またはNb炭化物であり、MnS系介在物(大きな島状体)の核となっていることが分かる。
【0031】
実施例3(旋削試験)
上のテストピース1〜22の鋼と同一ヒートの直径100mmの丸棒を焼鈍し、タングステンカーバイトの工具による旋削を32分間行ない、工具のすくい面の摩耗を測定した。旋削速度は160m/分であった。その結果を表2に示す。
【0032】
【表2】
【0033】
本発明材はテストピース5、6の比較材に比べて、切削油を使用しないときの工具磨耗は1/4であった。
また本発明材は、切削油を使用しない場合と切削油を使用した場合の両方において、テストピース1〜4及び7の鉛快削鋼の値に匹敵する。
【0034】
次に、市販の切削油を使用し旋削作業の生産性を比較した。
高速度鋼工具を使用し、ピニオンを旋削によって製作した。その時の時間当りの製作個数で生産性を測定した。結果を表3に示す。
【0035】
【表3】
【0036】
市販の切削油を使用した時の本発明材の生産性は、非鉛の比較材5、6に比して約60%向上した。又、比較材1〜4及び7の鉛快削鋼と比較して、本発明材はほとんど変わらない好成績であった。
【0037】
実施例4(機械的特性の測定)
テストピース1〜22の機械構造用鋼としての機械的特性を測定した。全てのテストピースについて850℃での油焼入れと650℃での焼戻しを施した後の強度、延性、靭性および硬度に関するパラメータを測定した結果を表4に示す。
いずれの特性に関しても本発明材は比較材とほぼ同等もしくは同等以上の値を示した。
【0038】
【表4】
【0039】
実施例5(オーステナイト結晶粒度の測定)
テストピース1〜22のオーステナイト結晶粒度をJISG0551に基づいて測定した。結果を表5に示す。
オーステナイト結晶粒度番号は8番以上となり本発明材も比較材もほぼ同等の値を示している。
【0040】
【表5】
【0041】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、安全衛生や環境問題の点で問題が少なく、鉛含有快削鋼と同等の被削性及び機械的特性を有する硫黄含有機械構造用鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る硫黄含有快削性機械構造用鋼のNbの酸化物を核としてMnS系介在物が生成されたことを示すEPMA解析像の写真である。
【図2】同じくNbの炭化物を核としてMnS系介在物が生成されたことを示すEPMA解析像の写真である。

Claims (4)

  1. 重量%で、C:0.10〜0.55%、Si:0.05〜1.00%、Mn:0.30〜2.50%、P:0.15%以下、S:0.050〜0.350%、Al:0.010%超〜0.020%以下、Nb:0.015〜0.200%、O:0.0015〜0.0150%、N:0.02%以下を含有し、更に、V:0.03〜0.50%、Ti:0.02〜0.20%、Zr:0.01〜0.20%から選択される1種または2種以上を含有し、且つS含有量とO含有量の比S/Oが15〜120であり、Nbの酸化物、炭化物、窒化物及び炭窒化物の1種以上がMnS系介在物の析出核となっていることを特徴とする硫黄含有快削性機械構造用鋼。
  2. 前記快削鋼が重量%で、Sn:0.020〜0.100%、Sb:0.015〜0.100%の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1記載の硫黄含有快削性機械構造用鋼。
  3. 前記快削鋼が重量%で、Cr:0.10〜2.00%、Ni:0.10〜2.00%及びMo:0.05〜1.00%から選択される1種または2種以上含有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の硫黄含有快削性機械構造用鋼。
  4. 前記快削鋼が重量%で、Ca:0.0002〜0.020%、Mg:0.0002〜0.020の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の硫黄含有快削性機械構造用鋼。
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