JP3247913B2

JP3247913B2 - 被削性に優れた機械構造用鋼

Info

Publication number: JP3247913B2
Application number: JP01173993A
Authority: JP
Inventors: 聡安本; 俊幸星野; 虔一天野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1993-01-27
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 2002-01-21
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JPH06220578A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種産業機械や自動車
部品等の素材として用いられる被削性に優れた機械構造
用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、産業機械および自動車部品等に
用いられる鋼材のうち切削加工によって所望の形状を得
る鋼材については、優れた被削性が要求される。このよ
うな機械構造用鋼材についての被削性の改善は、これま
で、Pb, Te, Bi,P, CaあるいはＳ等の被削性元素と呼ば
れるものを単独または複合添加する方法で対処してき
た。なかでも、Pbはこれを添加しても鋼材の機械的性質
の劣化を招くようなことがなく、しかもTe, Bi等に比較
すると安価なことから、被削性元素としてとくに賞用さ
れてきた元素の１つである。しかし、このPbは人体に極
めて有害であることから、鋼材の製造工程、さらにはそ
れを用いた機械部品の製造工程において、大がかりな排
気設備を必要とするだけでなく、鋼材のリサイクルの上
からも問題があった。このため、従来からPbを添加しな
くとも、Pb添加鋼と同等以上の被削性を有する鋼材の開
発が強く望まれていた。

【０００３】上記の要請に応えるものとして従来、例え
ば、特開昭49-67816号、特開昭49−103817号および特開
昭50-96416号の各公報では、鋼中のＣを黒鉛として存在
させ、この黒鉛の切欠きならびに潤滑効果を利用するこ
とによって、Pbを用いることなしに被削性を改善する方
法について提案している。しかし、これらの従来方法
は、鋼中のＣを黒鉛化する必要上、その前処理として焼
入れが不可欠であるために、必ずしも経済的な方法とは
言えなかった。

【０００４】一方、特開平２−111842号公報には、熱間
圧延ままで焼入れを必要とせず、黒鉛化処理のみによっ
て黒鉛化を可能ならしめる方法を開示している。しか
し、この方法はその対象が薄板であり、しかも熱間圧延
のままでも黒鉛化を行うことが可能であるとはいえ、本
発明者らの検討では、黒鉛化に長時間を要するところに
問題を残していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術が
抱えているこのような問題を有利に解決しようとするも
のであって、いわゆる、熱間熱延（以下、単に「熱延」
という）のままで前処理をしなくとも黒鉛化が容易で、
いわゆるPbを用いなくとも従来のPb添加快削鋼と同等以
上の被削性を有する機械構造用鋼を提案することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、上記
の問題を解決すべく、黒鉛化処理に適した鋼の成分組成
に関し鋭意検討を重ねた結果、Ti, Ｂ, ＶおよびＮを複
合添加すると同時に鋼中酸素を低めに規制することによ
り、熱延後に焼入れを必要とすることなく、それでも黒
鉛化が可能であるという所期の目的に適合する鋼の開発
に成功した。すなわち、この発明の要旨構成は次のとお
りである。

【０００７】(1) Ｃ：0.1 〜1.5 wt％、 Si：0.5 〜
2.0 wt％ Mn：0.1 〜2.0 wt％、 Ti：0.005 〜0.1 wt％、Ｖ：0.
005 〜0.5 wt％、Ｂ：0.0003〜0.015 wt％、Ｏ：≦0.00
30wt％、Ｎ：0.0015〜0.0150wt％、を含有し、残部
がFeおよび不可避的不純物の組成になり、しかも金属組
織が主としてフェライトと黒鉛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（第１発明） (2) 第１発明において、さらにNi：0.1 〜3.0 wt％、
Cu：0.1 〜3.0 wt％、Cr：0.05〜1.0 wt％、 Mo：
0.05〜0.5 wt％、およびNb：0.005 〜0.05wt％のうちか
ら選ばれた１種または２種以上を含有し、残部がFeおよ
び不可避的不純物の組成になり、しかも、金属組織が主
としてフェライトと黒鉛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（第２発明）。

【０００８】

【作用】本発明の上記構成に従うと、黒鉛化処理のみで
効率よく黒鉛化が促進されるメカニズムについては、次
のように考えられる。それは、一般に鋼中のＣは熱間圧
延を施した後はセメンタイトとして存在しており、この
鋼材を黒鉛化処理することによりこれが黒鉛に変化す
る。このセメンタイトの黒鉛化への機構は、本発明者ら
の検討によれば、セメンタイトの分解、フェライト
相中のＣの拡散、黒鉛の結晶化、分解したセメンタ
イトを構成していたFeの拡散、よりなりたっていること
が知られている。

【０００９】ところで、このような黒鉛化機構について
の発明者らの研究によると、黒鉛化は、黒鉛結晶化のた
めのサイトが多ければ多いほど迅速に進行することが判
った。そして、この黒鉛結晶化のサイトとなるのは、本
発明の上記成分の場合、TiＮ, ＢＮおよびＶＮ等の窒化
物が有効であることも判った。このことに加え、これら
の窒化物（TiＮ, ＢＮ, ＶＮ）は、強力なセメンタイト
安定化元素である固溶Ｎを減少させることにより間接的
にセメンタイトを不安定な状態とし、焼なまし時のセメ
ンタイトの分解を速めるように作用することも判った。
本発明においては、これらのことが相乗的に作用して、
焼入れ処理を経る必要のない黒鉛化が実現されるのであ
る。

【００１０】また、Ｖの添加は、鋼の焼入れ性を向上さ
せるとともに、微細なＶの炭・窒化物を析出し、それら
の析出強化によって鋼の焼入れ焼もどしによる強度の上
昇をもたらす。このため、大型の機械部品などの場合で
も、この焼入れ焼もどしにより中心部まで容易に硬化さ
せることができる。

【００１１】さらに、本発明においては、鋼中Ｏ量を低
く規制する。このことにより、被削性に有害なAl₂O₃の
如き硬質な酸化物形非金属介在物が減少し、工具寿命が
向上する。

【００１２】このような理由から本発明機械構造用鋼の
最終的な金属組織は、セメンタイトを含まないフェライ
トと黒鉛からなるものとし、さらに鋼中酸素量を低く規
制することが、所期した被削性を確保する上で必要であ
る。このような金属組織とすることにより、従来のPbあ
るいはPb複合快削鋼と同等以上の被削性を有し、前処理
となる焼入れをせずとも熱間圧延ままで黒鉛化を行うこ
とが可能で、大型部品にも適用可能な機械構造用鋼を提
供することかできる。

【００１３】以下、本発明において、鋼の成分組成を上
記の範囲に限定した理由について説明する。Ｃ：0.1 〜1.5 wt％Ｃは、黒鉛相を形成する上で不可欠な成分というだけで
なく、機械部品の強度を確保する上で必要な成分である
が、 0.1wt％未満ではその効果が小さく、一方1.5wt％
を超えて添加してもその効果が飽和するので、 0.1〜1.
5 wt％の範囲に限定した。

【００１４】Si：0.5 〜2.0 wt％ Siは、鋼の溶製時の脱酸剤として必要な成分であり、ま
た鋼中の鉄炭化物（セメンタイト）を不安定にすること
により黒鉛化促進に有効である。しかも、このSiは、強
度を向上させる成分でもあるので積極的に添加する。0.
5 wt％未満ではその効果に乏しく、一方、このSiを2.0
wt％を超えて添加しても黒鉛化促進の効果が飽和に達す
るだけでなく、液相の発生する温度領域が低下し熱間圧
延時の適正温度領域が狭まるので、0.5 〜2.0 wt％の範
囲に限定した。

【００１５】Mn：0.1 〜2.0 wt％ Mnは、鋼の溶製時の脱酸剤として有効なだけでなく、鋼
材の強度を確保する上でも必要な元素である。しかしな
がら、その含有量が 0.1wt％未満では強度に対する寄与
が少なく、一方 2.0wt％を超えて添加すると靭性の劣化
を招くので、0.1 〜2.0 wt％の範囲に限定した。

【００１６】Ti：0.005 〜0.1 wt％ Tiは、鋼中のＮと結合してTiＮを形造り、セメンタイト
の安定化を防止すると同時に黒鉛の結晶化におけるサイ
トとなって黒鉛化を促進する。また、脱酸剤としても有
効に作用するので積極的に添加する。しかしながら、0.
005 wt％未満の添加ではその効果が小さく、一方 0.1wt
％を超えて添加すると逆に黒鉛化を阻害するため、0.00
5 〜0.1 wt％の範囲に限定した。

【００１７】Ｂ：0.0003〜0.015 wt％Ｂは、鋼中のＮと結合してＢＮを形造り、鉄炭化物の安
定化を防止すると同時に黒鉛の結晶化時のサイトとして
作用することで黒鉛化を促進させるので積極的に添加す
る。0.0003wt％未満の添加ではその効果が小さく、0.01
5 wt％を超えて添加すると逆に黒鉛化を阻害するため、
0.0003〜0.015 wt％の範囲に限定した。

【００１８】Ｐ≦0.030 wt％Ｐは、黒鉛化を阻害する元素であるため、できるだけ少
ない方が望ましいが、0.030 wt％まで許容できる。よっ
て、Ｐの上限を0.030 wt％とした。Ｓ≦0.030 wt％Ｓは、黒鉛化を阻害する元素であるため、できるだけ少
ない方が望ましいが、0.030 wt％まで許容できる。よっ
て、Ｓの上限を0.030 wt％とした。

【００１９】Ｎ：0.0015〜0.0150wt％Ｎは、TiおよびＢを含有する場合、これらの元素と結合
して窒化物を形成し、これらを核として黒鉛の結晶化が
進行することになるので積極的に添加する。0.0015wt％
未満の添加ではその効果が小さく、0.0150wt％を超える
添加はその黒鉛化をかえって阻害することから、0.0015
〜0.0150wt％の範囲に限定した。

【００２０】Ｏ：≦0.0030％Ｏは、酸化物を形成し、切削時に切削工具を損傷するこ
とにより被削性を低下させるので、可能な限り低くする
ことが望ましい。しかし、0.0030wt％までは許容される
ため、0.0030wt％以下に限定した。

【００２１】上記、Ｃ, Si, Mn, Ｂ, Ｖ, ＮおよびＯを
もって本発明の基本的な成分組成とするが、本発明にお
いては、さらに必要に応じてNi, Cu, Cr, MoおよびNbよ
り選ばれた１種または２種以上を添加しても、本発明の
目的を達成することができる。以下に、各添加元素の限
定理由を述べる。

【００２２】Ni：0.1 〜3.0 wt％ Niは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ焼もどしによる鋼の
強度を向上させるのに有効であると同時に、黒鉛化の作
用を助勢してその促進にも有効である。 0.1wt％未満の
添加ではその効果が小さく、一方、 3.0wt％を超える添
加量は効果が飽和するだけでなく、高価な元素であるか
ら経済的でないので、 0.1〜3.0 wt％の範囲に限定し
た。

【００２３】Cu：0.1 〜3.0 wt％ Cuは、セメンタイトを不安定にして黒鉛化の促進に有効
に作用するだけでなく、被削性を改善すると共に、鋼の
焼入れ性を高めて析出強化により鋼の焼入れ焼もどしに
よる強度を上昇させる。0.1 wt％未満の添加ではその効
果が小さく、一方 3.0wt％を超えて添加してもその効果
が飽和するので、0.1 〜3.0 wt％の範囲に限定した。

【００２４】Cr：0.05〜1.0 wt％ Crは、鋼の焼入れ性を高め焼入れ焼もどしによる強度上
昇に有効に作用する。しかし、このCrはまた、黒鉛化を
阻害する元素でもあるので、多量の添加は好ましくな
い。その含有量が0.05wt％未満では焼入れ性向上の効果
が小さく、一方、1.0wt％を超えて添加すると鋼中セメ
ンタイトを著しく安定化して黒鉛化を遅らせることか
ら、0.05〜1.0 wt％の範囲に限定した。

【００２５】Mo：0.05〜0.5 wt％ Moは、鋼の焼入れ性を高め焼入れ焼もどしによる強度上
昇に有効に作用する。しかし、このMoはまた、黒鉛化を
阻害する元素でもあるので、多量の添加は好ましくな
い。その含有量が0.05wt％未満では焼入れ性向上の効果
が小さく、 0.5wt％を超えて添加すると黒鉛化速度を低
下させるので、0.05〜0.5 wt％の範囲に限定した。

【００２６】Nb：0.005 〜0.05wt％ Nbは、鋼の焼入れ性を向上させるとともに、微細なNb炭
・窒化物を析出してその析出強化によって鋼の焼入れ焼
もどしによる強度を上昇させる。また、このNbは、焼入
れ焼もどしに限らずとも鋼の強度を高めるには有効であ
るが、黒鉛化を阻害する元素であるので多量の添加は好
ましくない。0.005 wt％未満ではその添加効果は小さ
く、一方、0.05wt％を超えて添加すると黒鉛化を遅らせ
るので、0.005 〜0.05wt％の範囲に限定した。

【００２７】また、本発明では金属組織が主としてフェ
ライトと黒鉛よりなることが必要である。これは、黒鉛
の潤滑作用により切削時に切削工具の温度上昇を抑制
し、切削工具の寿命を向上させようとする本発明に必須
の条件である。このような金属組織とするために本発明
では、黒鉛化処理が重要であるが、この処理は 600〜75
0 ℃の温度領域において５〜20ｈ保持する黒鉛化焼なま
し処理により達成される。なお、本発明鋼は、連続鋳造
鋳片を加熱後熱間圧延し、黒鉛化の前処理としての焼入
れ処理を行うことなく、直接もしくは放冷後加熱して黒
鉛化焼なまし処理を行うことによって得られる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を実施例にもとづいて説明す
る。表１の化学組成を有する鋼を転炉にて溶製し、連続
鋳造によりブルームとしたのち、ビレット圧延を経て52
mmφの棒鋼とした。次いで、これらの棒鋼を焼入れ処理
することなく、700 ℃×10h 加熱後空冷による黒鉛化焼
なましを施し、黒鉛化率、硬さ、および高速度工具鋼に
よる被削性試験を行った。この被削性試験は、高速度工
具鋼ＳＫＨ４を用いて切込み：２mm、送り：0.25mm／re
v.、および切削速度：70m/min の条件で実施し、切削不
能となるまでの時間を工具寿命として評価した。また、
35mmφ×100 mml の棒状試験片を作成し、 870℃×30mi
n 加熱後焼入れ、次いで 550℃×１ｈ焼もどしを行い、
試験片表層部ならびに中心部の硬さを測定した。以上の
結果を表２に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】供試材No.1〜14は本発明鋼である。また
供試材No.22 は、JIS 規格S53CにPbを添加したPb快削鋼
であり、供試材No.23 は、SAE 規格の12L14 相当鋼であ
る。本発明鋼は、黒鉛化処理後鋼中のほぼ 100％が黒鉛
化しているために、被削性に優れ、供試材No.20 のSAE
規格12L14 と同等以上の工具寿命を有している。一方、
Si, Al, ＯおよびＮが範囲外である供試材No. 15および
供試材No.18 〜21、ならびにＶ本発明所定の量より高い
供試材No.17 は、黒鉛化が十分に進行しておらず、供試
材No.22 あるいは供試材No.23 に比べ被削性が劣ってい
る。また、焼入れ焼もどし後の硬さを見ると、本発明鋼
はＶを添加することによって中心部で高くなっており、
いずれもHv 200を越えている。一方、Ｖが必要量を下回
っている供試材No.16 は、表層部では同一Ｃ量のNo.3鋼
と大差ないものの、中心部ではHv163 と低いことから、
本発明を用いることにより大型の機械部品に対しても必
要な強度が容易に得られることが明白である。さらに、
Ni, Cu, Cr, MoおよびNbの１種あるいは２種以上を添加
した供試材No.6〜14は、同一Ｃ量のNo.3鋼に比較して焼
入れ焼もどし後の硬さが上昇しており、ＱＴ処理後に強
度確保が必要な場合に有効であることを示している。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明鋼は、Pbを用
いなくとも従来のPb複合快削鋼と同等かそれ以上の被削
性を有するものであり、それ故に環境に悪影響を及ぼす
ことなく工業的に優れた機械部品の製造が可能である。
また、本発明鋼は、焼入れ焼もどし処理で容易に部材の
中心部を硬化させることができるので、大型の機械部品
にも適用が可能である。さらには黒鉛化焼鈍前の前処理
が不要で、いわゆる圧延ままで黒鉛化が可能なことから
生産性に優れている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−111842（ＪＰ，Ａ) 特開平３−140411（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−18420（ＪＰ，Ａ) 特開平１−132739（ＪＰ，Ａ) 特開平５−255803（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.1 〜1.5 wt％、 Si：0.5 〜2.0
wt％ Mn：0.1 〜2.0 wt％、 Ti：0.005 〜0.1 wt％、Ｖ：
0.005 〜0.5 wt％、Ｂ：0.0003〜0.015 wt％、Ｏ：≦
0.0030wt％、Ｎ：0.0015〜0.0150wt％、を含有
し、残部がFeおよび不可避的不純物の組成になり、しか
も金属組織が主としてフェライトと黒鉛からなることを
特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
【請求項２】Ｃ：0.1 〜1.5 wt％、 Si：0.5 〜2.0
wt％、Mn：0.1 〜2.0 wt％、 Ti：0.005 〜0.1 wt
％、Ｖ：0.005 〜0.5 wt％、Ｂ：0.0003〜0.015 wt
％、Ｏ：≦0.0030wt％、Ｎ：0.0015〜0.0150wt
％、を含み、かつNi：0.1 〜3.0 wt％、 Cu：0.1 〜
3.0 wt％、Cr：0.05〜1.0 wt％、 Mo：0.05〜0.5 wt
％、およびNb：0.005 〜0.05wt％のうちから選ばれた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
純物の組成になり、しかも、金属組織が主としてフェラ
イトと黒鉛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。