JP2005273000A

JP2005273000A - 被削性に優れた機械構造用鋼

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Publication number: JP2005273000A
Application number: JP2004170527A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fujimatsu; 威史藤松; Norimasa Tokokage; 典正常陰; Kazuhiko Hiraoka; 和彦平岡
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-10-06
Also published as: US20050191203A1

Abstract

【課題】Ｐｂ快削鋼に代わり環境に悪影響を及ぼすことなく、安定した被削性を発揮する機械構造用鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．０２〜０．２５％、Ａｌ：０．００２〜０．０３０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる被削性に優れた機械構造用鋼である。
【選択図】図１

Description

熱間圧延ままあるいは鍛造した鋼素材に各種切削加工を施して所定の形状に加工した後、その後、焼入れ焼戻しあるいは浸炭処理や高周波焼入れ、または窒化処理等を施して使用する被削性に優れた機械構造用鋼に関する。

近年の環境負荷物質低減の時流から、主として自動車用の鋼などの分野で利用されてきたＰｂ快削鋼に代わり、非Ｐｂ快削鋼が求められている。そこでＰｂに代わる被削性向上元素が検討された結果、鋼に硫黄（Ｓ）を添加して鋼中にマンガン硫化物（ＭｎＳ）を生成させることにより、これを切削時の応力集中源として作用させることで被削性を改善させるＳ系快削鋼が有望視されている。そして、さらにＳ系快削鋼の超硬工具加工性を改善するためＣａを添加する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、本願発明者らは、Ｃａを添加したＳ系快削鋼において、鋼中のＣａ含有量やＳ含有量がほぼ同等であるにも関わらず、工具寿命がばらつき、安定した切削加工性が得られないということを見出している。

特開昭５７−１４０８５３号公報

本発明が解決しようとする課題は、Ｐｂ快削鋼に代わり環境に悪影響を及ぼすことなく安定した被削性を発揮する機械構造用鋼を提供することである。

本願の発明者らは、表１に示すＣａとＳを添加した鋼Ａ〜Ｆ、および参考のためにＰｂを含有する鋼Ｇを超硬工具で旋削加工した際の工具摩耗量を測定した。その結果、Ｃａ、Ｓ量がほぼ同量の鋼においても図１に示すように超硬工具の逃げ面摩耗量およびすくい面摩耗量が異なることが判った。従来、鋼中のＡｌ量が高いと硬質のＡｌ₂Ｏ₃が多いために切削工具を損傷させ易いことが言われている。

このことから、表１における供試材であるＡ〜Ｆ鋼中のＡｌ₂Ｏ₃量の分析を実施した。その結果、表２に示すように、鋼中のＡｌ量の高い鋼が必ずしも多くのＡｌ₂Ｏ₃を含有していないことが明らかとなった。さらにまた、Ａ、Ｂ鋼のようにＡｌ₂Ｏ₃含有量の低い鋼においても工具摩耗が増大する事例が散見された。したがって、かならずしもＡｌ₂Ｏ₃量が工具摩耗特性を支配していないことが分かった。

そこで、表１の鋼Ａ〜Ｆ中の質量％比で示すＣａ／Ａｌ比を指標として、図１において超硬工具のすくい面摩耗量とＣａ／Ａｌ比の関係を白丸で示すグラフ１とし、逃げ面摩耗量とＣａ／Ａｌ比の関係を黒丸で示すグラフ２として整理した。この結果、Ｃａ／Ａｌ比と工具摩耗量の間に良好な相関関係があることを見出した。すなわち、図１においてＣａ／Ａｌ比が０．１以上では工具の切れ味を支配する逃げ面摩耗量がほぼ飽和し、一方、工具すくい面摩耗量についてもＣａ／Ａｌ比が増大するに伴って連続的に摩耗量が減少することが明らかとなった。なお、図１において、使用した切削工具のチップはＰ２０種で刃先の曲率半径Ｒは０．４ｍｍ、切削条件は切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、１回転当たりの送り量０．２５ｍｍ、切り込み０．５ｍｍ、切削油なしとして行った。

そして、さらなる発明者らの鋭意研究により、Ｃａ／Ａｌ比が０．１以下の鋼においては、硫化物がＣａをほとんど含有しないＭｎＳであり、かつ酸化物組成がＡｌ₂Ｏ₃に富む高融点酸化物であるのに対し、Ｃａ／Ａｌ比が０．１以上の鋼では、硫化物中のＣａが増量して、ＭｎＳから（Ｍｎ、Ｃａ）Ｓに改質されるとともに、表３に示すようにＡｌ₂Ｏ₃含有率が質量％で平均９０％以下の酸化物（ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃もしくはＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂）を含有していることが明らかとなった。
したがって、Ｃａ／Ａｌ比の増大による超硬工具摩耗特性の改善は、これらの改質された硫化物およびＡｌ₂Ｏ₃含有率が質量％で平均９０％以下の酸化物が切削時に工具表面に付着し、工具被覆保護に有効に作用した結果であるとの結論に至った。

なお、前述した「質量％で平均９０％以下」の平均とは、表３において示した酸化物の平均組成（質量％）をいう。この平均組成は、鋼中の圧延方向の断面において観察される酸化物のうちｎ個の酸化物について、個々の酸化物に含まれるＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＣａＯの含有率（質量％）を分析し、これらの含有率それぞれについてｎ個の平均値を算出した値である。つまり鋼Ａについては、鋼中の１４個の酸化物について分析したところ、Ａｌ₂Ｏ₃の分析値は９３．７％よりも高いものや少ないものがあったが、１４個の平均では９７．３％であった。このように、鋼中の酸化物の組成にはバラツキがあるが、被削性はこれらの平均値で相関が認められることを見出したものである。なおここで、これらの分析はＥＤＳで行うとよく、分析程度や酸化物の組成のバラツキを勘案し、大きさが１μｍ以上の酸化物について、少なくとも１０個以上を分析することが望ましい。一方、従来から使用されてきたＰｂ快削鋼は鋼中に微細に分散した低融点のＰｂ粒の存在が、旋削時の切削抵抗を減ずる作用をもたらすが、工具被覆保護効果は示さないものである。

そこで、上記の課題を解決するための本発明の手段は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．０２〜０．２５％、Ａｌ：０．００２〜０．０３０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼である。

さらに質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．０２〜０．２５％、Ａｌ：０．００２〜０．０３０％、Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼である。

さらに、上記のそれぞれの鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％から選択した１種または２種以上を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼である。

さらに、上記のそれぞれの機械構造用鋼において、該鋼は酸化物を含有し、該酸化物中に含有されるＡｌ₂Ｏ₃の割合が質量％で平均９０％以下であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼である。

上記の新機械構造用鋼とすることで、安定した被削性を発揮する機械構造用鋼材が得られる。特に上記のそれぞれの機械構造用鋼において、Ｃａ／Ａｌ比を０．１〜１．０とし、さらにこの鋼中に含有される酸化物中に含まれるＡｌ₂Ｏ₃の割合を質量％で平均９０％以下であるとしているが、これらは切削工具被覆保護効果の向上を図るためである。
なお、鋼中に含有される酸化物中に含まれるＡｌ₂Ｏ₃の割合を質量％で平均９０％以下であるというとき、この「平均」とは、前掲したとおり、鋼中の圧延方向の断面において観察されるｎ個の酸化物について分析し、Ａｌ₂Ｏ₃等の酸化物の含有率（質量％）を求めて、これらの値から算出した平均値をいう。

ここで、本願発明の鋼成分の限定理由を以下に説明する。なお、それぞれの％は質量％を示すものとする。

Ｃ：０．１０〜０．６０％
Ｃは、強度確保に必要な元素で、このためには０．１０％以上が必要である。しかし、０．６０％を超えると被削性を低下する。そこでＣは０．１０〜０．６０％とし、望ましくは０．１０〜０．３５％とする。

Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素で、このためには０．０５％以上必要である。しかし、１．０％を超えると硬質酸化物増大による被削性の低下を招き、さらに、浸炭用途では、浸炭層表面の粒界酸化層深さが増大し、疲労寿命を低下する。そこでＳｉは０．０５〜１．０％とし、望ましくは０．０５〜０．５％とする。

Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは、焼入性確保に必要な元素で、またＭｎＳ生成に必要な元素であり、このためには０．３％以上必要である。しかし、２．０％を超えると被削性低下を招き、さらに浸炭部品においては過剰Ｍｎが浸炭時の浸炭異常層深さを増大し、疲労寿命を低下させる。そこでＭｎは０．３〜２．０％とし、望ましくは０．４〜１．０％とする。

Ｓ：０．０２〜０．２５％
Ｓは、被削性確保に必要な元素で、また切り屑処理性確保に必要な元素であり、このためには０．０２％以上必要である。しかし、０．２５％を超えると静的強度、疲労強度などの強度特性を低下し、さらに熱間加工性を低下する。そこでＳは０．０２〜０．２５％とし、望ましくは０．０２〜０．２０％とする。

Ａｌ：０．００２〜０．０３０％
Ａｌは、窒化物を形成することで浸炭時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素で、このためには０．００２％以上必要である。しかし、工具摩耗を増大させるＡｌ₂Ｏ₃の生成を抑制する必要があるので、上限を０．０３０％とする。そこでＡｌは０．００２〜０．０３０％とし、望ましくは０．００２〜０．０２５％とする。

Ｃａ：０．０００５〜０．０１％
Ｃａは、硫化物形態制御に必要な元素であり、さらに工具を被覆して保護する効果を発揮して旋削加工性を向上する元素である。そのためには０．０００５％以上必要である。しかし、０．０１％を超えると製造性を悪化し、また製造コストの増大を招く。そこでＣａは０．０００５〜０．０１％とし、望ましくは０．０００５〜０．００５０％とする。

質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０
Ｃａ／Ａｌにおいて、下限の０．１はＣａによる酸化物および硫化物の制御に必要であり、上限の１．０を超えると工具被覆保護効果が飽和し、さらに硫化物が硬くなり過ぎるためにドリル寿命の低下を招く。そこでＣａ／Ａｌは０．１〜１．０とし、望ましくは０．１〜０．８とする。

Ｃｒ：０．１〜２．５％
Ｃｒは、基地の焼入性確保に必要な元素で、このためには０．１％以上必要である。しかし、２．５％より多過ぎると切削性の低下を招く。そこでＣｒは０．１〜２．５％とし、望ましくは０．６〜１．５％とする。

Ｎｉ：０．１〜２．５％
Ｎｉは、焼入性および靱性の確保に必要な元素であり、このためには０．１％以上必要である。しかし、２．５％より多過ぎると切削性を低下させ、また高価な元素であるためコストアップを招く。そこＮｉは０．１〜２．５％とする。

Ｍｏ：０．０５〜１．５０％
Ｍｏは、焼入性および靱性の確保に必要な元素であり、このためには０．０５％以上必要である。しかし、１．５０％より多過ぎると切削性を低下し、また製造コストを増大させる。そこでＭｏは０．０５〜１．５０％とする。

Ｖ：０．０１〜０．５０％
Ｖは、焼入性および靱性の確保に必要な元素であり、このためには０．０１％以上必要である。しかし、０．５０％より多過ぎると切削性を低下し、また製造コストを増大させる。そこでＶは０．０１〜０．５０％とする。

Ｔｉ：０．０１〜０．５０％
Ｔｉは、炭窒化物を形成して浸炭時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素であり、このためには０．０１％以上必要である。しかし、０．５０％より多過ぎるとコストアップとなり、さらに熱間加工性および切削性を損なうＴｉＳを抑制することができなくなる。そこでＴｉは０．０１〜０．５０％とする。

Ｎｂ：０．００１〜０．３０％
Ｎｂは、炭窒化物を形成して浸炭時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素であり、このためには０．００１％以上必要である。しかし、０．３０％より多過ぎると切削性を損なうＮｂＣを抑制することができなくなる。そこでＮｂは０．００１〜０．３０％とする。

Ｂ：０．０００３〜０．００５％。
Ｂは、焼入性確保および粒界強化に必要な元素であり、このためには０．０００３％以上必要である。しかし、０．００５％を超えるとその効果が飽和する。そこでＢは０．０００３〜０．００５％とする。

本発明の機械構造用鋼は、快削性成分として環境負荷元素であるＰｂを含有しないにもかかわらず、優れた被削性を有し、工具寿命にばらつきのない安定した切削加工性を得ることができ、かつ環境負荷物質削減に貢献するなど、優れた効果を奏するものである。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に表４〜表７を参照して実施例１により説明する。

表４に示す化学成分の鋼を１００ｋｇ真空誘導炉で溶解し、インゴットに鋳造し、１２００℃に加熱してφ６５ｍｍ材および４０ｍｍ角材に圧鍛し、９００℃で１時間保持して空冷することで焼きならしを行い、下記試験の供試材とした。

上記の焼きならしを行ったφ６５ｍｍ材をφ６０ｍｍ材に旋削して、表５に示す超硬工具旋削加工試験に供した。

さらに、上記の焼きならしを行った４０ｍｍ角材を３５ｍｍ角材にフライス加工して、表６に示すドリル寿命試験に供した。

これらの超硬工具旋削加工試験およびドリル寿命試験の結果である超硬工具旋削特性およびドリル加工性について、表７に示す。

表７において、比較鋼のうちＰｂを含有するＮｏ．４、Ｎｏ．１０、Ｎｏ１５、Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２５は、それぞれ比較対象鋼である発明鋼のＮｏ．１〜３、Ｎｏ．７〜９、Ｎｏ．１３〜１４、Ｎｏ．１７〜１８、Ｎｏ．２１〜２４に比べ、超硬工具旋削加工における工具被覆保護作用が無く、超硬工具旋削特性では、逃げ面摩耗、すくい面摩耗ともに劣っている。

比較鋼のうち、Ｃａ／Ａｌ比が本願発明の範囲より小さいＮｏ．５、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．２０、Ｎｏ．２６、Ｎｏ．２８は、超硬工具旋削加工における工具被覆保護作用が極めて不十分であり、それぞれ比較対象鋼である発明鋼のＮｏ．１〜３、Ｎｏ．７〜９、Ｎｏ．１３〜１４、Ｎｏ．１７〜１８、Ｎｏ．２１〜２４に比べて、超硬工具旋削特性では、逃げ面摩耗、すくい面摩耗ともに劣っている。

また、比較鋼のＮｏ．２０、Ｎｏ．２６またはＮｏ．２８はＡｌの含有量が本願発明の範囲を大きく超えるもので、Ａｌ₂Ｏ₃を多く含有するために、ほぼ同量のＳを添加した発明鋼のＮｏ．１８、Ｎｏ．２２またはＮｏ．２４比べてドリル寿命にやや劣る。

比較鋼のうちＣａ／Ａｌ比が本願発明の範囲を超えるＮｏ．６、Ｎｏ．１２またはＮｏ．２７は、超硬工具旋削加工における逃げ面およびすくい面の工具摩耗量は本願発明と同等に優れるものの、硫化物が硬くなり過ぎたために、比較対象となるＳをほぼ同量含有した発明鋼のＮｏ．３、Ｎｏ．９またはＮｏ．２３に比べて、いずれもドリル寿命が低下している。

鋼中の質量％で示すＣａ／Ａｌ比に対する工具摩耗量を示す図である。

符号の説明

１超硬工具のすくい面摩耗量とＣａ／Ａｌ比の関係を示すグラフ
２超硬工具の逃げ面摩耗量とＣａ／Ａｌ比の関係を示すグラフ

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．０２〜０．２５％、Ａｌ：０．００２〜０．０３０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．０２〜０．２５％、Ａｌ：０．００２〜０．０３０％、Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
請求項１に記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％から選択した１種または２種以上を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
請求項２に記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％から選択した１種または２種以上を含有し、かつ、質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
請求項１〜４のいずれか１項における機械構造用鋼において、該鋼は酸化物を含有し、該酸化物中に含有されるＡｌ₂Ｏ₃の割合が質量％で平均９０％以下であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。