JP2018154903A - 機械構造用鋼およびその切削方法 - Google Patents
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特許文献1では、工具摩耗の抑制に効果を有する保護膜を生成させるために、鋼材がSとAlを所定量含むことを必須としている。しかし、Sは上述のように鋼の機械特性を劣化させる恐れがあるため、高強度鋼への添加は制限される。さらに、Alの添加はAl2O3などの硬質非金属介在物を生成しやすく、疲労強度等の機械的特性を低下させる恐れがある。硬質介在物は工具のアブレシブ摩耗を引き起こすことが知られており、切削条件によっては工具摩耗が促進されてしまう可能性もある。
(1)
質量%で、
C:0.30〜0.72%、
Si:0.73〜1.40%、
Mn:0.40〜1.0%、
Cr:0.065〜0.65%、
P:0.001〜0.045%、
S:0.001〜0.023%、
N:0.0036〜0.0100%、
Al:0.001〜0.040%未満、
を含有し、さらに、
Ti:0〜0.500%、
Nb:0〜0.500%、
V:0〜0.500%
のいずれか1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、0<[Ti%]+[Nb%]+[V%]≦0.500、かつ42.5<66[Si%]−3[Mn%]−5[Cr%]<90.9を満たすことを特徴とする機械構造用鋼。
ここで、[Ti%]、[Nb%]、[V%]、[Si%]、[Mn%]および[Cr%]は、それぞれ、Ti、Nb、V、Si、MnおよびCrの含有質量%を表す。
(2)
前記機械構造用鋼が、さらに、質量%で、
B:0.0003〜0.0050%
を含有することを特徴とする(1)に記載の機械構造用鋼。
(3)
前記機械構造用鋼が、さらに、質量%で、
Mo:0.01〜0.30%、
Ni:0.05〜1.0%、
および、
Cu:0.05〜1.0%
からなる群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)または(2)のいずれかに記載の機械構造用鋼。
(4)
(1)〜(3)のいずれかに記載の機械構造用鋼を断続切削して素形材を得る方法であって、最表面にPVDあるいはCVDにてセラミクスコーティングがなされ、その表面粗さがRa0.80μm以下である工具を用いることを特徴とする機械構造用鋼の切削方法。
Cは、鋼の強度を確保するために添加する元素である。Cの添加量が0.30%未満であると、最終加工品をフェライト・パーライト組織で使用する際や焼入れ、焼き戻しをして使用する際に十分な強度が得られず、一方、0.72%より多いと、切削素材の硬さが上昇して被削性が劣化すると共に、鋼部品の靱性が低下する。このため、C量は、0.30%〜0.72%とする。好ましいC量は、0.40%〜0.60%である。
Siは本発明で最も重要な元素である。Siは、断続切削中に工具面上で大気中の酸素と化学反応を起こし、工具上にSi酸化物を主体とする酸化物を生成させるために必要である。Siの添加量が0.73%未満であると添加効果が十分に得られず、一方、1.40%を超えると、鋼の靭性が低下し、また鋼中に硬質介在物が生成して、被削性が低下する。このため、Si量は、0.73%〜1.40%とする。好ましいSi量は、0.80%〜1.20%である。
Mnは、鋼の固溶強化元素であり、また部品を焼入れ、焼き戻しして使用する場合には、焼入れ性確保するために必要な元素である。さらに、鋼材中のSと結合してMnS系硫化物を生成し、被削性を改善させる効果がある。しかしながら、Mn含有量が0.40%未満であると、鋼材中のSがFeと結合してFeSを生成し、鋼が脆くなる。一方、Mn含有量が1.0%を超えると、素地の硬さが高くなり、加工性が低下する。さらに切削中に工具面上にSiを主体とする酸化物が生成するのを阻害する。よって、Mn含有量は0.40〜1.0%とする。好ましくは0.46〜0.80%である。
Crは、鋼の固溶強化元素であり、また部品を焼入れ、焼き戻しして使用する場合には、焼入れ性を向上すると共に、焼戻し軟化抵抗を付与して焼入れ後の疲労強度を向上させる。Cr含有量が0.065%未満だと、これらの効果が得られない。Cr含有量が0.65%を超えると、Cr炭化物が生成して鋼が脆化する。さらに切削中に工具面上にSiを主体とする酸化物が生成するのを阻害する。よって、Cr量を0.065〜0.65%とする。好ましくは0.10〜0.30%である。
Pは、不可避的不純物である。Pはオーステナイト粒界に偏析して、熱間加工時に粒界割れの原因となるので、P量を0.045%以下にすることが望ましい。Pはできるだけ低減することが望ましいが、P量を0.001%未満に制限するには過剰なコストがかかる。したがって、P量の範囲は0.001〜0.045%とする。
SはMnと結合してMnSを形成する。MnSは、被削性を向上させる効果があるが、その効果を得るためには、Sを0.001%以上添加する必要がある。一方、S含有量が0.023%を超えると、靭性や疲労強度を低下させる。よって、S含有量を0.001〜0.023%とする。好ましくは0.005〜0.016%である。
Nは鋼中でAlやVなどと結合して炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒界をピンニングすることによって粒成長を抑制し、オーステナイトから変態する組織を微細化する働きがあり、この効果を得るには0.0036%以上添加する必要がある。一方、0.0100%を超えて過剰に添加すると1000℃以上の高温域における延性が低下し、連続鋳造、圧延時の歩留まり低下の原因になる。このため、N量を0.0036〜0.0100%とする必要がある。N量の好適な範囲は0.0040〜0.0080%である。
Alは鋼の脱酸に有効な元素であり、その効果を得るには0.001%以上の添加が必要である。しかしながらAl量が0.040%以上の鋼を断続切削すると、Al酸化物を主体とする酸化物が工具面上に形成され、この酸化物が鉄の凝着を促進し、工具の凝着摩耗を促進してしまう。このため、Al量は0.001〜0.040%未満とし、上限は好ましくは0.026%未満とする。
Ti、NbおよびVは、C及び/又はNと微細な炭化物、窒化物、及び/又は、炭窒化物を形成して、オーステナイト温度域加熱時の結晶粒成長および異常粒成長を抑制して、組織の微細均質化に寄与し、衝撃特性を改善する。この効果を得るために、Ti、NbおよびVは、1種または2種以上を、それぞれ0〜0.500%の範囲で添加する。いずれも0.500%を超えると、硬質の炭化物が生成して被削性が低下するので0.500%を上限とする。Ti、NbおよびVの好ましい添加量はそれぞれ0.020〜0.200%、0.010〜0.150%および0.050〜0.300%である。
Ti,NbおよびVによってオーステナイト温度域加熱時の結晶粒成長および異常粒成長を抑制するため、Ti,NbおよびVの1種または2種以上を含有すると共に、その合計含有量として、0<[Ti%]+[Nb%]+[V%]を満たす必要がある。[Ti%]+[Nb%]+[V%]の好ましい範囲は0.003〜0.500、より好ましくは0.010〜0.300である。
表面粗さが比較的小さい工具材を用いて断続切削した場合に、Si酸化物を主体とする酸化物を工具上に形成して工具寿命を飛躍的に向上させるためには、鋼中のSi、Mn及びCrの質量%([Si%]、[Mn%]及び[Cr%])が上記式(1)を満たすことが必要である。
Bは必要に応じて添加可能な任意成分である。オーステナイトに固溶したBは、微量で鋼の焼入性を大きく高める効果がある。そのため、切削加工後に焼入れを行う場合に、Bはマルテンサイト組織を得るために有効である。この効果を得るために、本発明では、0.0003%以上のBを添加してもよい。一方、0.0050%を超えて添加しても効果が飽和する。従ってBを添加する場合、B量を0.0003〜0.0050%以下の範囲にする。B量の好適な範囲は0.0010〜0.0025%である。Bを添加する場合には、固溶Bを安定的に確保するため、Nを固定するTiやAlを同時に適量添加することが好ましい。
Mo、Ni、及びCuは、いずれも、固溶強化元素である。この効果を得るためには、本発明鋼の優れた特性を損なわない範囲で、Moは0.01%以上、Ni及びCuはそれぞれ0.05%以上添加してもよい。Moが0.30%を超えると、焼入れ性が高くなり、ベイナイト又は島状マルテンサイトが生成して、加工性が低下する。このため、Mo含有量は0.30%以下とし、好ましくは0.20%以下とする。NiとCuがいずれも1.0%を超えると、やはり、Moと同様に、焼入れ性が高くなりすぎて、ベイナイト又は島状マルテンサイトが生成して、加工性が低下する。このため、NiとCuの含有量の上限は、いずれも1.0%以下とする。
番号19及び20の鋼は、Al添加量が過剰であるため、発明例の同一硬さレベルの鋼材に対して工具寿命が短い。
番号21及び22は、工具表面粗さが大きいため、酸化物被膜が形成されず発明例の同一硬さレベルの鋼材に対して工具寿命が短い。これらの実施例から工具のRaの影響が明らかである。
番号23は、工具にコーティングがされていないため、酸化物被膜が形成されず発明例の同一硬さレベルの鋼材に対して工具寿命が短い。
番号24は、Ti、Nb及びVのいずれも添加されていないため、シャルピー試験での吸収エネルギーが小さい。
番号25は、Ti添加量が過剰であるため、発明例の同一硬さレベルの鋼材に対して工具寿命が短い。
番号26は、Nb添加量が過剰であるため、発明例の同一硬さレベルの鋼材に対して工具寿命が短い。
番号27は、V添加量が過剰であるため、発明例の同一硬さレベルの鋼材に対して工具寿命が短い。
番号1〜16は、成分組成、式(1)、工具表面粗さが本発明の範囲内となっているため、その工具寿命が長く、また十分な吸収エネルギーを示す。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.30〜0.72%、
Si:0.73〜1.40%、
Mn:0.40〜1.0%、
Cr:0.065〜0.65%、
P:0.001〜0.045%、
S:0.001〜0.023%、
N:0.0036〜0.0100%、
Al:0.001〜0.040%未満
を含有し、さらに、
Ti:0〜0.500%、
Nb:0〜0.500%、
V:0〜0.500%
のいずれか1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、0<[Ti%]+[Nb%]+[V%]≦0.500、かつ42.5<66[Si%]−3[Mn%]−5[Cr%]<90.9を満たすことを特徴とする機械構造用鋼。
ここで、[Ti%]、[Nb%]、[V%]、[Si%]、[Mn%]および[Cr%]は、それぞれ、Ti、Nb、V、Si、MnおよびCrの含有質量%を表す。 - 前記機械構造用鋼が、さらに、質量%で、
B:0.0003〜0.0050%
を含有することを特徴とする請求項1に記載の機械構造用鋼。 - 前記機械構造用鋼が、さらに、質量%で、
Mo:0.01〜0.30%、
Ni:0.05〜1.0%、
および、
Cu:0.05〜1.0%
からなる群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の機械構造用鋼。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の機械構造用鋼を断続切削して素形材を得る方法であって、最表面にPVDあるいはCVDにてセラミクスコーティングがなされ、その表面粗さがRa0.80μm以下である工具を用いることを特徴とする機械構造用鋼の切削方法。
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- 2017-03-21 JP JP2017054586A patent/JP6801542B2/ja active Active
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