JP3390988B2 - 機械的性質の異方性が小さく、熱間加工性に優れた快削鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、低炭素Ｓ−Ｔ
ｉ、Ｚｒ複合快削鋼、特に、被快削性向上元素である鉛
および硫黄を含有した快削鋼の代替鋼に関するものであ
り、更に詳しくは、鉛を添加しないでも、あるいは、従
来より大幅に減じた鉛添加量でも、低炭素硫黄鉛複合快
削鋼と同等以上の快削性を有し、且つ、機械的性質の異
方性が小さく、熱間加工性に優れた性質を有する快削鋼
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】低炭素硫黄鉛複合快削鋼は、快削元素と
して、ＰｂおよびＳの添加により、その快削化を図って
いる。

【０００３】しかしながら、Ｐｂは、地球環境問題から
使用を抑制される動きが出ている。そこで、これに対応
するのために、特開平９−２５５３９号公報には、Ｐｂ
非添加型の快削非調質鋼が開示されている。以下、これ
を従来技術１という。

【０００４】また、Ｓが多量に添加されていることによ
って、圧延等の熱間加工時にＭｎＳ系介在物は、加工方
向に伸長するために、例えば、圧延方向とその直角方向
の、機械的性質の異方性が不可避的に大きくなる。これ
に対応するために，特開昭５５−１４１５５０号公報に
は、Ｔｅを用いることにより、ＭｎＳ系介在物の伸長を
抑制する技術が開示されている。以下、これを従来技術
２という。

【０００５】加えて、Ｓが多量に添加されていること
は、そのＭｎＳ系介在物を起点ならびに伝播して、割
れ、疵が発生しやすくなり、熱間加工性に劣る。これに
対応するために、特開平９−１５７７９１号公報には、
Ｓｉ、Ａｌ量を制限する等した熱間加工性に優れた快削
鋼が開示されている。以下、これを従来技術３という。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術１は、対象とする鋼種がＣを０．２〜０．６％を
含有した非調質鋼であると共に、特珠な元素であるＮｄ
を用いているために、低コスト化を考えた場合に不安で
ある。

【０００７】また、上記従来技術２において、Ｔｅの添
加は、被削性と低コスト化のバランスを考えた場合に不
安であると共に、ＴｅもＰｂと同様に地球環境問題の観
点から不利である。

【０００８】上記従来技術３においては、成分系が低炭
素硫黄鉛複合快削鋼であり、Ｐｂを０．１０〜０．４０
％含有したＰｂ添加型鋼であり、やはり地球環境問題の
観点から不利である。

【０００９】従って、この発明の目的は、上述した問題
点を解決するためになされたものであり、鉛を添加せず
とも、もしくは、従来より大幅に減じた鉛添加量でも、
低炭素硫黄鉛複合快削鋼と固等以上の被削性を有し、且
つ、機械的性質の異方性が小さく、熱間加工性に優れた
快削鋼を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明等は、上述した課
題を達成するために鋭意研究を重ねた。この結果、以下
の知見を得た。

【００１１】Ｔｉ、ＺｒおよびＳの適量添加により、適
量の硫化物に対して、熱間加工時における伸長を抑制す
ることが可能となり、そのことが切り屑処理性、表面粗
さを含めた被削性に効果があり、且つ、機械的性質の異
方性を小さくすることができると共に、優れた熱間加工
性を得ることができる。

【００１２】この発明は、上述した知見に基ずきなされ
たものであり、下記を特徴とするものである。

【００１３】請求項１記載の発明は、Ｃ：０．０２〜
０．１５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．３〜１．８ｍａｓｓ
％、Ｓ：０．２２５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．１
〜０．６ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．１〜０．６ｍａｓｓ％
を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、
且つ、Ｔｉ＋Ｚｒ：０．３〜０．６ｍａｓｓ％、（Ｔｉ
＋Ｚｒ）／Ｓ比：１．１〜１．５を満足し、機械的性質
の異方性が、 （圧延直角方向の引張強さ）／（圧延方向の引張強さ）：０．９５以上、 （圧延直角方向の絞り）／（圧延方向の絞り）：０．７５以上 である ことに特徴を有するものである。

【００１４】請求項２記載の発明は、Ｃ：０．０２〜
０．１５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．３〜１．８ｍａｓｓ
％、Ｓ：０．２２５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．３
〜０．６ｍａｓｓ％を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避
的不純物からなり、且つ、Ｔｉ／Ｓ比：１．１〜１．５
を満足し、機械的性質の異方性が、 （圧延直角方向の引張強さ）／（圧延方向の引張強さ）：０．９５以上、 （圧延直角方向の絞り）／（圧延方向の絞り）：０．７５以上 である ことに特徴を有するものである。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、Ｓｉ：０．０３ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０１〜０．１２ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．００３
ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ
％を含有することに特徴を有し、請求項４記載の発明
は、請求項１から３の内の何れか１つに記載の発明にお
いて、Ｃａ：０．００１〜０．００８ｍａｓｓ％、Ｐ
ｂ：０．０１〜０．０９ｍａｓｓ％の内の少なくとも１
種を含有することに特徴を有するものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、この発明における化学成分
の限定理由について説明する。

【００１７】Ｃ（炭素）：０．０２〜０．１５ｍａｓｓ
％ Ｃは、鋼の強度および被削性に大きな影響を及ぼすので
重要な元素である。しかしながら、Ｃ含有量が０．０２
ｍａｓｓ％未満では充分な強度が得られない。一方、Ｃ
含有量が０．１５ｍａｓｓ％を超えると強度が高くなり
すぎて、被削性が劣化する。従って、Ｃ含有量は、０．
０２〜０．１５ｍａｓｓ％の範囲内に限定する。

【００１８】Ｓｉ（ケイ素）：０．０３ｍａｓｓ％以下 Ｓｉは、脱酸元素であり、この酸化物は、硫化物の生成
核として作用し、硫化物の生成を促進して硫化物を微細
化し、切削工具寿命を劣化させる。従って、工具寿命を
更に延ばすために、Ｓｉ含有量の上限を０．０３ｍａｓ
ｓ％に限定する。

【００１９】Ｍｎ（マンガン）：０．３〜１．８ｍａｓ
ｓ％ Ｍｎは、被削性に重要な硫化物形成元素であると共に、
鋼の強度に大きな影響を及ぼす元素である。しかしなが
ら、Ｍｎ含有量が０．３ｍａｓｓ％未満では十分な被削
性が得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．８ｍａｓｓ％
を超えると強度が高くなりすぎて、被削性が低下してし
まう。従って、Ｍｎ含有量は、０．３〜１．８ｍａｓｓ
％の範囲内に限定する。

【００２０】Ｐ（燐）：０．０１〜０．１２ｍａｓｓ％ Ｐは、切削加工時に構成刃先の生成を抑制することによ
って、仕上げ面粗さを低減させるのに有効な元素であ
る。しかしながら、Ｐ含有量が０．０１ｍａｓｓ％未満
では、十分な効果が得られない。一方、Ｐ含有量が０．
１２％を超えるとその効果が飽和すると共に、熱間加工
性および延性の低下が著しい。従って、Ｐ含有量は、
０．０１〜０．１２ｍａｓｓ％の範囲内に限定する。

【００２１】Ｓ（硫黄）：０．２２５〜０．５ｍａｓｓ
％ Ｓは、被削性に有効な硫化物形成元素である。しかしな
がら、Ｓ含有量が０．２２５ｍａｓｓ％未満では効果が
小さい。一方、Ｓ含有量が０．５ｍａｓｓ％を超えると
熱間加工性ならびに延性の低下が著しい。従って、Ｓ含
有量は、０．２２５〜０．５ｍａｓｓ％の範囲内に限定
する。

【００２２】Ｔｉ（チタン）：０．１〜０．６ｍａｓｓ
％、Ｚｒ（ジルコニウム）：０．１〜０．６ｍａｓｓ％
のうちの少なくとも１種を含有し、且つ、Ｔｉ＋Ｚｒ＝
０．３〜０．６ｍａｓｓ％ ＴｉおよびＺｒは、何れも、圧延等の熱間加工時におけ
る硫化物の伸長を抑制させるのに有効な元素であり、こ
の作用によって被削性を向上させると共に、熱間加工性
の低下を抑制し、また、機械的性質の異方性も小さくす
ることができる従って、これらの元素は、この発明の根
幹に関わる重要な元素である。しかしながら、Ｔｉおよ
びＺｒの各々の含有量が０．１ｍａｓｓ％未満、０．６
ｍａｓｓ％を超えると、上述した作用が十分に得られな
い。従って、ＴｉおよびＺｒの各々の含有量は、０．１
〜０．６ｍａｓｓ％の範囲内に限定する。

【００２３】また、ＴｉとＺｒとの含有量の和が０．３
ｍａｓｓ％未満では、硫化物の伸長を抑制させる効果が
十分でなく、伸長した硫化物が残存してしまうので、本
来の十分な効果が期待できない。一方、ＴｉとＺｒとの
含有量の和が０．６％を超えると、ＴｉならびにＺｒの
Ｓ単独の介在物が生成し、被削性が低下してしまうと共
に、微細なＴｉならびにＺｒの炭硫化物の生成により強
度が上昇して、被削性を低下させる。従って、ＴｉとＺ
ｒとの含有量の和は、０．３〜０．６ｍａｓｓ％の範囲
内に限定する。

【００２４】Ａｌ（アルミニウム）：０．００３ｍａｓ
ｓ％以下 Ａｌは、Ｓｉと同禄に脱酸元素であり、この酸化物は硫
化物の生成核として作用し、硫化物の生成を促進して、
硫化物を微細化し、切削工具の寿命を劣化させる。従っ
て、工具寿命を更に延ばしたい場合には、Ａｌ含有量
は、０．００３ｍａｓｓ％以下に低減すべきである。

【００２５】○（酸素）：０．００５〜０．０２０ｍａ
ｓｓ％ Ｏは、硫化物の生成形態に作用する。しかしながら、Ｏ
含有量が０．００５ｍａｓｓ％未満では、硫化物が微細
となる。一方、Ｏ含有量が０．０２０ｍａｓｓ％を超え
ると酸化物が増加し、共に切削工具寿命を劣化させる。
従って、切削工具寿命を更に延ばしたい場合には、Ｏ含
有量は、０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ％の範囲内に
限定すべきある。

【００２６】Ｃａ（カルシウム））：０．００１〜０．
００８ｍａｓｓ％、Ｐｂ（鉛）：０．０１〜０．０９ｍ
ａｓｓ％のうちの少なくとも１種 ＣａおよびＰｂは、被削性が重視される場合に添加され
る。しかしながら、Ｃａ添加量が０．００１ｍａｓｓ％
未満、および、Ｐｂ添加量が０．０１ｍａｓｓ％未満で
は十分な効果が得られない。一方、Ｃａ添加量が０．０
０８ｍａｓｓ％超、および、Ｐｂ添加量が０．０９ｍａ
ｓｓ％超であっても、上記効果が飽和してしまい、ま
た、経済的にも不利である。従って、Ｃａ含有量は、
０．００１〜０．００８ｍａｓｓ％、Ｐｂ含有量は、
０．０１〜０．０９ｍａｓｓ％の範囲内に限定する。 （Ｔｉ＋Ｚｒ）／Ｓ比：１．１〜１．５ （Ｔｉ＋Ｚｒ）／Ｓ比は、圧延等の熱間加工時における
硫化物の伸長の度合いを左右する重要なインデックスで
あり、この比を上記範囲内に限定することによって、被
削性を向上させると共に、熱間加工性の低下を抑制し、
また、機械的性質の異方性も小さくすることができる、
所望の伸長度の硫化物を得ることができる。しかしなが
ら、その比が１．１未満であると、Ｍｎ−Ｓ単独系の硫
化物の生成によって、伸長した硫化物が顕著となるため
に、被削性が劣化して、機械的性質の異方性が大きくな
り、また、熱間加工性も劣化する。一方、その比が１．
５を超えると、ＴｉならびにＺｒ単独系の硫化物が生成
する。この硫化物は、熱間加工時にほとんど伸長しない
ことより、圧延材等で小径の粒状介在物として存在する
ことから、被削性が著しく劣化する。また、微細なＴｉ
ならびにＺｒの炭硫化物が生成して、強度が上昇するた
めに、被削性を更に劣化させる。従って、（Ｔｉ＋Ｚ
ｒ）／Ｓ比は、１．１〜１、５の範囲内に限定する。

【００２７】

【実施例】次に、この発明を実施例によって更に詳細に
説明する。

【００２８】表１に示す、この発明範囲内の化学成分組
成を有する鋼（以下、本発明供試鋼という）Ｎｏ.１〜
１４、この発明範囲外の化学成分組成を有する鋼（以
下、比較供試鋼という）Ｎｏ．１５〜２７、および、参
考例として参考供試鋼Ｎｏ．２８を高周波溶解炉にて溶
製し、鋳造断面４００×３００ｍｍの鋼塊に鋳造し、次
いで、８０ｍｍ径の棒鋼に熱間圧延した。そして、この
ようにして調製した各棒鋼に、９２５℃の温度に１時間
加熱し、室温まで空冷する方法によって焼ならし処理を
施して、本発明棒鋼、比較棒鋼および参考棒鋼を製造し
た。

【００２９】

【表１】

【００３０】上述のようにして製造された本発明棒鋼、
比較棒鋼および参考例棒鋼の各々から、ＪＩＳ４号引張
試験片を採取し、各試験片を引張試験に供した。なお、
機械的性質の異方性を調べるに当たっては、圧延方向な
らびに圧延方向と直交する方向（以下、圧延直角方向と
いう）から試験片を採取して引張試験に供した。

【００３１】硫化物系介在物の形態測定は、６０．５ｍ
ｍ²中に存在する圧延方向の長さ（ｌ）が、２．５μｍ
以上のもの全てについて、（ｌ）ならびに（ｄ：厚み、
即ち、圧延直角方向の長さ）を測定し、（ｌ）の大きい
順に１００個の介在物のアスペクト比（ｌ／ｄ）の平均
値ならびに最大値を測定することによって行なった。な
お、アスペクト比の概念図を図１に示す。

【００３２】切削試険は、表２に示す条件で、外周切削
試険は、超硬工具（材質Ｐ２０）とハイス工具（材質Ｓ
ＫＨ４）の２種類で行ない、ドリル穴あけ試験をハイス
ドリル（材質ＳＫＨ９）によって行なった。

【００３３】被削性は、次のようにして評価した。即
ち、超硬工具での外削試験では、横逃げ面摩耗量（Ｖ
Ｂ）が０．２ｍｍになる切削時間で工具寿命を評価する
ことによって行ない、ハイス工具での外削試険では、切
削不能になるまでの時間で工具寿命の評価することによ
って行なった。

【００３４】ドリル切削試験では、穴あけ総深さが１０
００ｍｍで切削不能となる切削速度を求めて、工具寿命
の指標とした。なお、熱間加工性については、圧延終了
後、目視にて、割れならびに疵の有無を調査して評価し
た。この結果を表３に示す。

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】図２に、代表特性値としてのドリル寿命速
度と機械的性質（絞り）の異方性との関係を目標植と共
に示す。試験の実施に際し、代表目標値を設定した。Ｎ
ｏ．２８の参考例にある低炭素硫黄鉛快削鋼をベースに
し、引張強さ４００から４７０ＭＰａ、機械的性質の異
方性として、（圧延直角方向の引張強さ）／（圧延方向
の引張強さ）比で０．９５以上、（圧延直角方向の絞
り）／（圧延方向の絞り）比で０．７５以上、熱間加工
性として、割れなし、被削性として、ドリル切削試験不
能速度４０ｍ／ｍｉｎ以上とした。

【００３８】表３から明らかなように、本発明例Ｎｏ．
１〜１４は、何れも目標値を満足しており、良好な特性
を有している。

【００３９】以下に、比較例Ｎｏ．１５〜２７について
記述する。

【００４０】Ｎｏ．１５、１６は、Ｃ量が本発明範囲を
外れている。即ち、Ｎｏ．１５は、Ｃ量が本発明範囲を
外れて少ないために、引張強さが本発明鋼よりも低くな
っている。Ｎｏ．１６は、Ｃ量が本発明範囲を外れて多
いために、引張強さが本発明鋼よりも高い。従って、引
張強さが本発明鋼より高く、このために被削性が劣ると
共に、絞りが低い。

【００４１】Ｎｏ．１７、１８は、Ｍｎ量が本発明範囲
を外れている。即ち、Ｎｏ．１７は、Ｍｎ量が本発明範
囲を外れて少ないために、硫化物系介在物の総量不足に
より、被削性が劣っている。Ｎｏ．１８は、Ｍｎ量が本
発明範囲を外れて多いために、引張り強さが本発明鋼よ
り高く、このために被削性が劣ると共に、絞りが低い。

【００４２】Ｎｏ．１９は、Ｐ量が本発明範囲を外れて
多いために、絞りが低く、圧延材表面の割れ、疵の発生
が認められて熱間加工性の低下が著しい。また、仕上げ
面粗さを低減する効果も飽和している。

【００４３】Ｎｏ．２０、２１は、Ｓ量が本発明範囲を
外れている。即ち、Ｎｏ．２０は、Ｓ量が本発明範囲を
外れて少ないために、被削性に有効な硫化物系介在物の
総量不足によって、被削性が本発明鋼よりも劣ってい
る。Ｎｏ．２１は、Ｓ量が本発明範囲を外れて多いため
に、絞りが低く、また、圧延材表面の割れ、疵の発生が
認められて熱間加工性の低下が著しい。特に、本発明例
Ｎｏ．１および３に比較して、機械的性貫の異方性の低
下が著しい。

【００４４】Ｎｏ．２２、２３は、（Ｔｉ＋Ｚｒ）量が
本発明載囲を外れている。即ち、Ｎｏ．２２は、（Ｔｉ
＋Ｚｒ）量が本発明載囲を外れて少ないために、圧延時
の硫化物系介在物の伸長を充分に抑制できないことか
ら、硫化物アスペクト比の平均値、最大値の何れも高い
値を示して、機械的異方性が劣っている。また、被削性
もやや不良である。Ｎｏ．２３は、（Ｔｉ＋Ｚｒ）量が
本発明範囲を外れて多い（この場合、Ｔｉの単独添加）
のために、Ｔｉ−Ｓ単独の介在物が生成し、被削性、特
に、ハイス工具の寿命が低下する。また、被削性低下の
原因は、微細なＴｉ炭硫化物の生成によって強度が上昇
することにもある。

【００４５】Ｎｏ．２４、２５は、（Ｔｉ＋Ｚｒ）／Ｓ
比が本発明の請求範囲を外れている。即ち、Ｎｏ．２４
は、（Ｔｉ＋Ｚｒ）／Ｓ比が本発明の請求範囲を外れて
小さいために、Ｍｎ−Ｓ単独の介在物が相当量生成し、
その介在物は、圧延時に伸長しやすいことから、硫化物
アスペクト比の平均値、最大値の何れも高い値を示し
て、機械的異方性が劣る。Ｎｏ．２５は、（Ｔｉ＋Ｚ
ｒ）／Ｓ比が本発明範囲を外れて大きい（この場合、Ｔ
ｉの単独添加）のために、Ｔｉ−Ｓ単独の介在物が生成
して、被削性、特に、ハイス工具の寿命が低下する。ま
た、被削性低下の原因は、微細なＴｉ炭硫化物の生成に
よって強度が上昇することにもある。

【００４６】Ｎｏ．２６は、Ｏ量が本発明範囲を外れて
多いために、酸化物量が増加して、ハイス工具の寿命が
短くなり、被削性が劣化する。Ｎｏ．２７は、Ｃａ量が
本発明範囲を外れて多い場合であるが、被削性向上効果
は飽和しており、過剰なＣａ量の添加は、経済的に不利
である。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、切り屑処理性、表面粗さを含めた被削性に効果があ
ると共に、機械的性質の異方性が小さく、熱間加工性に
も優れた低炭素Ｓ−Ｔｉ、Ｚｒ複合快削鋼を得ることが
可能となり、工業上きわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】アスペクト比の説明である。

【図２】ドリル寿命速度と機械的性質（絞り）の異方性
との関係を目標値と共に示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000004123 日本鋼管株式会社 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 (73)特許権者 399009642 エヌケーケー条鋼株式会社 東京都中央区新川２丁目12番８号 (74)上記４名の代理人 100083839 弁理士 石川 泰男 (72)発明者 石田 清仁 宮城県仙台市青葉区上杉３−５−20 (72)発明者 及川 勝成 宮城県柴田郡柴田町西船迫４−１−34 (72)発明者 白神 哲夫 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 村上 俊之 東京都中央区新川２丁目12番８号 エヌ ケーケー条鋼株式会社内 (72)発明者 野崎 周作 東京都中央区新川２丁目12番８号 エヌ ケーケー条鋼株式会社内 (56)参考文献 特開 平11−323482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−111157（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−186450（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ：０．０２〜０．１５ｍａｓｓ％、 Ｍｎ：０．３〜１．８ｍａｓｓ％、 Ｓ：０．２２５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．１〜０．６ｍａｓｓ％、 Ｚｒ：０．１〜０．６ｍａｓｓ％をを含有し、 残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、且つ、下記
   条件 Ｔｉ＋Ｚｒ：０．３〜０．６ｍａｓｓ％、 （Ｔｉ＋Ｚｒ）／Ｓ比：１．１〜１．５ を満足し、機械的性質の異方性が、 （圧延直角方向の引張強さ）／（圧延方向の引張強さ）：０．９５以上、 （圧延直角方向の絞り）／（圧延方向の絞り）：０．７５以上 である ことを特徴とする低炭素快削鋼。
2. 【請求項２】Ｃ：０．０２〜０．１５ｍａｓｓ％、 Ｍｎ：０．３〜１．８ｍａｓｓ％、 Ｓ：０．２２５〜０．５ｍａｓｓ％、 Ｔｉ：０．３〜０．６ｍａｓｓ％を含有し、 残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、且つ、下記
   条件 Ｔｉ／Ｓ比：１．１〜１．５ を満足し、機械的性質の異方性が、 （圧延直角方向の引張強さ）／（圧延方向の引張強さ）：０．９５以上、 （圧延直角方向の絞り）／（圧延方向の絞り）：０．７５以上 である ことを特徴とする低炭素快削鋼。
3. 【請求項３】Ｓｉ：０．０３ｍａｓｓ％以下、 Ｐ：０．０１〜０．１２ｍａｓｓ％、 Ａｌ：０．００３ｍａｓｓ％以下、 Ｏ：０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ％ を含有することを特徴とする、請求項１または２記載の
   低炭素快削鋼。
4. 【請求項４】 Ｃａ：０．００１〜０．００８ｍａｓｓ
   ％、 Ｐｂ：０．０１〜０．０９ｍａｓｓ％ のうちの少なくとも１種を含有することを特徴とする、
   請求項１から３の内の何れか１つに記載の低炭素快削
   鋼。