JP2011052299A

JP2011052299A - 切屑処理性に優れたｂｎ快削鋼

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Publication number: JP2011052299A
Application number: JP2009204171A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Murakami; 俊之村上; Kunikazu Tomita; 邦和冨田; Tetsuo Shiragami; 哲夫白神
Original assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Current assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: JP5461929B2

Abstract

【課題】切屑処理性に優れたＢＮ快削鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．５０％未満、Ｓｉ：０．３５超え〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．０％、Ｓ：０．０１５超え〜０．２％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、Ｂ：０．００５０〜０．０１５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％、必要に応じてＮｉ：２．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、（１）式を満足する鋼。
５．１≦［Ｓｉ］−［Ｎ］＋３×１０^−６［Ｂ］^３−８［Ｂ］^２＋９００［Ｂ］≦１３．９・・・・（１）但し、［］内は記載各元素の含有量（質量％）
【選択図】なし

Description

本発明は、ＢＮ快削鋼に関し、被削性のうち、特に切屑処理性に優れたものに関する。

快削鋼は、鋼中に低融点金属あるいは快削性化合物を含有することにより被削性を向上させた鋼で、低融点金属としてはＰｂ、Ｂｉ、快削性化合物として、硫化物（サルファイド）、酸化物（カルシウム系）、およびＢＮ化合物を用いたものが種々開発されてきた。

これらの快削鋼のうち、Ｐｂ快削鋼は安価で性能に優れるため広範囲に使用されてきたが、地球環境保全の観点からＰｂの適用が制限されるようになり、新たに非鉛快削鋼の一種であるＢＮ快削鋼への関心が高まっている。

特許文献１は、ＢＮを鋼中に含有させた場合に生じる機械的性質や、熱間延性を低下させることなく被削性を向上させた熱間延性に優れたＢＮ快削鋼に関し、エンジン部品や足回り部品などの自動車部品として好適なものが記載されている。

特許文献２は、高強度高靭性快削鋼に関し、圧延や鋳造により加工方向に展伸するＢＮと一定の角度の方向の疲労強度や耐衝撃特性を改善するため、硫化物（サルファイド）を微細に分散させ、硫化物（サルファイド）を析出核とするＢＮの悪影響を軽減させることが記載されている。

特許文献３は、調質処理を行うことなく切削加工などの仕上加工を施して製品とする非調質型の快削鋼に関し、優れた被削性を強度を低下させることなく得るため、ＢＮを特定量含有したＢＮ快削鋼が記載されている。

特許文献４は、浸炭焼入れ後、従来研削加工で仕上げていた表層の浸炭焼入れ部をセラミックス工具による切削にて仕上げる場合に優れた被削性を示す浸炭焼入れ用快削鋼に関する。

溶鋼中にＢとＮを別々に添加することで、ＢＮ化合物を直接溶鋼に添加させる際の比重差の問題を解決し、Ｎ／Ｂ比を特定範囲として強度と被削性を確保する。更に、Ｓｉ量を低減することにより工具寿命に有害な粒界酸化層の生成を抑制し、浸炭焼入れ部の切削における工具摩耗を大幅に低減したＢＮ快削鋼が記載されている。

特許文献５は、歯車の切削等の機械加工後に実施される浸炭焼入れに代えて高周波焼入れによる表面硬化処理を可能とした高周波焼入歯車用鋼であって、微細粒子となって材料組織中に均等に分散したＢＮの潤滑効果により被削性を高めたＢＮ快削鋼が記載されている。

特許第２７３３９８９号公報特開平６−１４５８９０号公報特開平１−２１９１４８号公報特開平３−１００４７号公報特許第３２３９４３２号公報

上述したように、ＢＮ快削鋼に関して種々の提案がなされているが、一般的にＢＮ快削鋼は、ＢＮ化合物が析出物で微細なため、被削性を十分に向上させることが難しく更なる改善が望まれている。

被削性は工具寿命、切屑処理性、表面粗さ等を含む概念であるが、ＢＮ快削鋼における被削性の検討は、主に工具寿命の観点からなされ、切削により発生する切屑の連続性で評価される切屑処理性の観点からの検討は少ない。

そこで、本発明は、被削性、特に切屑処理性に優れたＢＮ快削鋼を提供することを目的とする。

快削鋼の被削性向上のメカニズムは大きく分けて次の４つである。
１．切欠き効果により切屑生成を容易にする。
２．材料を脆化させて、せん断領域における切屑生成を容易にする。
３．工具と切屑あるいは被削材の接触面で潤滑性を持たせる。
４．工具と被削材間の拡散反応を防止する。

本発明者等は、これらのうち、特に切屑処理性の向上に重要とされる１及び２のメカニズムの観点から検討を進め、ＢＮ快削鋼の場合、鋼中のＢ量、Ｎ量、Ｓｉ量が特定量で、且つ特定のバランスを満足するように添加された時に、切屑のせん断領域における破断歪が小さく、且つＢＮの晶出が促進されて切屑処理性が飛躍的に向上することを見出した。

本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．１０〜０．５０％未満、Ｓｉ：０．３５超え〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．０％、Ｓ：０．０１５超え〜０．２％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、Ｂ：０．００５０〜０．０１５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、下記（１）式を満足することを特徴とする切屑処理性に優れたＢＮ快削鋼。
記
５．１≦［Ｓｉ］−［Ｎ］＋３×１０^−６［Ｂ］^３−８［Ｂ］^２＋９００［Ｂ］≦１３．９・・・・（１）但し、［］内は記載各元素の含有量（質量％）
２．更に、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下のうちから選んだ１種または２種以上を含有する１記載の切屑処理性に優れたＢＮ快削鋼。

本発明によれば、被削性のうち，特に切屑処理性に優れたＢＮ快削鋼が得られ、切削能率が向上し、産業上きわめて有用である。

以下に本発明における化学成分の限定理由について説明する。説明において％は質量％とする。
Ｃ：０．１０〜０．５０％未満
Ｃは、強度、ひいては、被削性を確保するために必要な元素である。その含有量が０．１０％未満では、フェライト主体の組織となり、延性が上昇し過ぎるため、被削性が確保できない。一方、０．５０％以上になるとパーライト主体の組織となり、被削性、特に面粗さが低下する。従って、含有量は０．１０〜０．５０％未満とする。

Ｓｉ：０．３５超え〜１．５０％
Ｓｉはフェライト組織に固溶し、強度を上昇させると同時にそのことにより材料を脆化させる、本発明の根幹に関わる重要な元素である。切屑処理性は切屑のせん断領域における破断歪を小さくすることにより向上するが、Ｓｉ添加により材料自体が脆化するため、切屑のせん断領域における破断歪も小さくなり、切屑処理性の向上に寄与する。

また、ＳｉはＳｉ酸化物として、ＢＮ介在物の晶出時の核として有効に機能することから、Ｂ量、Ｎ量とバランスさせた適量のＳｉを添加することにより、飛躍的に切屑処理性が向上する。その含有率が０．３５％以下では、十分な効果が得られず、一方、１．５０％を超えるとその効果が飽和するとともに強度の上昇が過度となり、被削性のうち、特に工具寿命を劣化させる。従って、含有量は０．３５超え〜１．５０％とする。

Ｍｎ：０．３０〜２．０％
Ｍｎは、快削性化合物であるＭｎＳ硫化物を構成し、強度ならびに熱間加工性を確保するために必要な元素である。その含有量が０．３０％未満では、ＭｎＳ硫化物の量が少ないため、被削性を劣化させる。また、低融点のＦｅＳ硫化物が生成することにより熱間加工性が低下し、熱間圧延時、あるいは、熱間鍛造時に表面疵が生じやすくなる。一方、２．０％を超えると強度の上昇が過度となり、被削性が劣化する。従って、含有量は０．３０〜２．０％とする。

Ｓ：０．０１５超え〜０．２％
Ｓは、快削性化合物であるＭｎＳ硫化物を構成する重要な元素である。その含有量が０．０１５％以下では、ＭｎＳ硫化物の量が少ないため、被削性を向上させる効果が小さい。一方、０．２％を超えると熱間加工性が低下し、熱間圧延時、あるいは、熱間鍛造時に表面疵が生じやすくなる。従って、含有量は０．０１５超え〜０．２％とする。

Ａｌ：０．０１０〜０．１０％
Ａｌは脱酸に必要な元素で、またＢＮ快削鋼の場合、工具面上にＡｌＮ皮膜を生成させ、切削時の工具の拡散摩耗を抑制することから、ＢＮ快削鋼の工具寿命の向上に対して重要な元素である。０．０１０％未満ではその効果が得られないため、０．０１０％以上とする。一方、０．１０％を越えるとその効果が飽和するとともに硬質のアルミナ系酸化物が増加し、被削性、特に工具寿命が低下するため、含有量は０．０１０〜０．１０％とする。

Ｂ：０．００５０〜０．０１５０％
Ｂは、被削性を向上させるＢＮ介在物を生成させるために必要な元素で、本発明の根幹に関わる重要な元素である。被削性のうち、切屑処理性を切欠き効果により向上させるのに有効で、特に、Ｂ量、Ｎ量とバランスさせた適量のＳｉと共存することにより、飛躍的に切屑処理性が向上する。

その含有量が０．００５０％未満では切屑処理性を含めて被削性を向上させるのに十分な量のＢＮ介在物を生成することが出来ない。一方、０．０１５０％を超えると熱間加工性が低下し、熱間圧延時、あるいは、熱間鍛造時に表面疵が生じやすくなる。従って、含有量は０．００５０〜０．０１５０％とする。

Ｎ：０．０１００〜０．０２００％
Ｎは、被削性を向上させるＢＮ介在物を生成させるために必要な元素であり、本発明の根幹に関わる重要な元素である。被削性のうち、切屑処理性を切欠き効果により向上させるのに有効で、特に、Ｂ量、Ｎ量とバランスさせた適量のＳｉと共存することにより、飛躍的に切屑処理性が向上する。その含有量が０．０１００％未満では切屑処理性を含めた被削性を向上させるのに十分な量のＢＮ介在物を生成することが出来ない。一方、０．０２００％を超えると熱間加工性が低下し、熱間圧延時、あるいは、熱間鍛造時に表面疵が生じやすくなる。従って、含有量は０．０１００〜０．０２００％とする。

５．１≦［Ｓｉ］−［Ｎ］＋３×１０^−６［Ｂ］^３−８［Ｂ］^２＋９００［Ｂ］≦１３．９
［Ｓｉ］−［Ｎ］＋３×１０^−６［Ｂ］^３−８［Ｂ］^２＋９００［Ｂ］は、鋼中のＳｉ量、Ｂ量およびＮ量のバランスを規定する本発明の根幹に関わる重要なインデックスである。この値が５．１未満、あるいは、１３．９を超える場合、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜を生成させることができない。また、Ｓｉ酸化物がＢＮ介在物の晶出時の核として有効に機能しないことから切屑処理性が向上しないため、本インデックスは５．１以上、１３．９以下とする。なお、［］内は記載各元素の質量％表示の数値とする。

本インデックスを満足するように、上述した添加量の上下限の範囲内でＳｉ量、Ｂ量およびＮ量を添加することにより、工具面上にＡｌＮ皮膜が生成、ならびに、ＢＮ介在物の切欠き効果が向上するとともに材料の脆化が著しくなるため、切屑処理性が飛躍的に向上する。

本発明に係るＢＮ快削鋼は、Ｓｉ添加により材料が脆化している状態においてＢＮ介在物の切欠き効果で、ＢＮ介在物を起点として亀裂が発生するため、その亀裂が伝播しやすく、切屑処理性が格段に向上する。加えて、ＳｉはＳｉ酸化物として、ＢＮ介在物が晶出時の核として有効に機能することから、亀裂発生の起点となるＢＮ介在物の量を増加させる。以上が本発明の基本成分組成であるが、更に特性を向上させるため、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの１種または２種以上を含有することが可能である。

Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下の１種または２種以上
Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏは、焼入性を向上させ、強度上昇に寄与する。Ｎｉ：２．０％、Ｃｒ：２．０％、Ｍｏ：２．０％を超えて添加すると強度の上昇が過度となり、被削性を劣化させ、経済的に不利になる。そのため、添加する場合は、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下とする。以下に本発明を実施例に従って詳細に説明する。

＜機械構造用炭素鋼（成分組成：ＳＣ系）＞
表１に示す、本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明例）Ｎｏ．１〜１０、および本発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較例）Ｎｏ．１１〜２６を溶製し、鋳造断面４００×３１０（ｍｍ）の鋼塊に鋳造後、それぞれ直径９０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、被削性試験、引張試験および表面疵試験を行った。

被削性試験は、表２に示す条件で実施し、工具寿命、切屑処理性、仕上げ面粗さを評価した。試験は、最初に外周を１ｍｍ切削して、スケール、脱炭層を除去してから開始した。また、工具寿命は丸棒の直径が４４ｍｍになった時点で、そのサンプルの使用を終了した（直径９０ｍｍの丸棒の半径方向で表面下１ｍｍから２３ｍｍの範囲を使用）。

引張試験は、被削性試験を実施した領域からＪＩＳ４号引張試験片を採取（表面下１２ｍｍが引張試験片の長手方向の中心軸に一致）して実施し、引張強さ（強度）、絞り（延性値）を測定した。また、表面疵試験は３００ｍｍ長さに切断した丸棒を酸洗し、目視にて表面疵個数を測定した。表面疵試験では熱間延性を調査する。

表３に試験結果を示す。本発明範囲は、外側寿命：２０ｍｉｎ以上、切屑評点：２０点以下、面粗さ（Ｒｚ）：８μｍ以下、表面疵個数：５個以下とした。本発明例（Ｎｏ．１〜１０）は引張強さ（強度）、絞り（延性値）、表面性状のいずれかまたは複数の特性が比較例（Ｎｏ．１１〜２６）より優れている。以下に各比較例について記述する。

比較例Ｎｏ．１１は、Ｃ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、フェライト主体の組織となり、延性が上昇し過ぎるため、被削性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．１２は、Ｃ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、パーライト主体の組織となるため、被削性、特に、面粗さが本発明例に比較して劣っている。

比較例Ｎｏ．１３は、Ｓｉ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、被削性のうち、切屑処理性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．１４は、Ｓｉ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、強度が高くなり過ぎ、そのため、工具寿命が劣っており、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例Ｎｏ．１５は、Ｍｎ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、被削性ならびに表面疵個数が多く熱間延性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．１６は、Ｍｎ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、強度が高くなり過ぎ、そのため、工具寿命と切屑処理性が劣っており、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例Ｎｏ．１７は、Ｓ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、被削性を向上させる硫化物量が少ないことにより、工具寿命と切屑処理性の被削性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．１８は、Ｓ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、被削性を向上させる硫化物量が多いことにより被削性は向上しているが、Ｓ量が多いため熱間延性が劣化しており、表面性状が不良である。なお、表面性状が不良であると、面粗さに悪影響を及ぼすとともに工具寿命を劣化させることから、切屑処理性を劣化させ、被削性に対しても悪影響を与える。

比較例Ｎｏ．１９は、Ａｌ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．２０は、Ａｌ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、硬質のアルミナ系酸化物が増加し、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例Ｎｏ．２１は、Ｂ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜、ならびに、十分な量のＢＮ介在物が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．２２は、Ｂ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、被削性は向上しているが、熱間延性が低下してしまい、表面性状が不良である。なお、表面性状が不良であると、面粗さに悪影響を及ぼすとともに工具寿命を劣化させることから、切屑処理性を劣化させ、被削性に対しても悪影響を与える。

比較例Ｎｏ．２３は、Ｎ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜、ならびに、十分な量のＢＮ介在物が生成されないことにより、切屑処理性を含めた被削性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．２４は、Ｎ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、被削性は本発明例と同等であるが、熱間延性が低下して、表面性状が不良である。なお、表面性状が不良であると、面粗さに悪影響を及ぼすとともに工具寿命を劣化させることから、切屑処理性を劣化させ、被削性に対しても悪影響を与える。

比較例Ｎｏ．２５は、［Ｓｉ］−［Ｎ］＋３×１０^−６［Ｂ］^３−８［Ｂ］^２＋９００［Ｂ］式の値が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成しないため切削工具寿命が本発明例より劣り、また切屑処理性も向上しないことから、被削性が本発明例に比較して劣っている。比較例Ｎｏ．２６は、［Ｓｉ］−［Ｎ］＋３×１０^−６［Ｂ］^３−８［Ｂ］^２＋９００［Ｂ］式の値が本発明の請求範囲の上限値以上のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成しないため切削工具寿命が本発明例より劣り、切屑処理性も向上しないことから、被削性が本発明例に比較して劣っている。

＜クロム鋼（成分組成：ＳＣｒ系）＞
表４に示す、本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明例という）Ｎｏ．２７〜２９、および本発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較例という）Ｎｏ．３０〜３２を溶製し、鋳造断面４００×３１０ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径９０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、実施例１に準じて、被削性試験、引張試験および表面疵試験を行った。

表５に試験結果を示す。本発明範囲は、外側寿命：１０ｍｉｎ以上、切屑評点：２０点以下、面粗さ（Ｒｚ）：８μｍ以下、表面疵個数：５個以下とした。本発明例Ｎｏ．２７〜２９と比較すると、比較例Ｎｏ．３０〜３２は、Ｃｒ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、強度が高く、被削性が劣っている。また、Ｎｏ．３０＜Ｎｏ．３１＜Ｎｏ．３２の順にＣｒ量が多くなっているが、強度上昇の効果は飽和しており、２．０％超えの含有は経済的にも不利である。

＜クロムモリブデン鋼（成分組成：ＳＣＭ系）＞
表６に示す、本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明例）Ｎｏ．３３〜３５、および本発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較例）Ｎｏ．３６〜３８を溶製し、鋳造断面４００×３１０ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径９０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、実施例１に準じて、被削性試験、引張試験および表面疵試験を行った。

表７に試験結果を示す。本発明範囲は、外側寿命：１０ｍｉｎ以上、切屑評点：２０点以下、面粗さ（Ｒｚ）：８μｍ以下、表面疵個数：５個以下とした。本発明例Ｎｏ．３３〜３５と比較すると、比較例Ｎｏ．３６〜３８は、Ｍｏ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、強度が高く、被削性が劣っている。また、Ｎｏ．３６＜Ｎｏ．３７＜Ｎｏ．３８の順にＭｏ量が多くなっているが、強度上昇の効果は飽和しており、２．０％超えの含有は経済的にも不利である。

＜ニッケルクロムモリブデン鋼（成分組成：ＳＮＣＭ系）＞
表８に示す、本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明例）Ｎｏ．３９〜４１、および本発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較例）Ｎｏ．４２〜４４を溶製し、鋳造断面４００×３１０ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径９０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、実施例１に準じて、被削性試験、引張試験および表面疵試験を行った。

表９に試験結果を示す。本発明範囲は、外側寿命：１０ｍｉｎ以上、切屑評点：２０点以下、面粗さ（Ｒｚ）：８μｍ以下、表面疵個数：５個以下とした。本発明例Ｎｏ．３９〜４１と比較すると、比較例Ｎｏ．４２〜４４は、Ｎｉ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、強度が高く、被削性が劣っている。また、Ｎｏ．４２＜Ｎｏ．４３＜Ｎｏ．４４の順にＮｉ量が多くなっているが、強度上昇の効果は飽和しており、２．０％超えの含有は経済的にも不利である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．５０％未満、Ｓｉ：０．３５超え〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．０％、Ｓ：０．０１５超え〜０．２％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、Ｂ：０．００５０〜０．０１５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、下記（１）式を満足することを特徴とする切屑処理性に優れたＢＮ快削鋼。
記
５．１≦［Ｓｉ］−［Ｎ］＋３×１０^−６［Ｂ］^３−８［Ｂ］^２＋９００［Ｂ］≦１３．９・・・・（１）但し、［］内は記載各元素の含有量（質量％）
更に、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下のうちから選んだ１種または２種以上を含有する請求項１記載の切屑処理性に優れたＢＮ快削鋼。