JP3419076B2 - 快削性硬化鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業機械、金型等で用
いられる鋳鉄若しくは鋼材であり、機械加工性に優れ、
且つ機械加工後の硬さを必要とする製品を製造するため
に利用する快削性硬化鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、硬さを必要とする部品は、ダイス
鋼、合金工具鋼等を荒加工した後、焼入れまたは焼入れ
・焼戻し熱処理してその後仕上げ加工をして作成してい
た。

【０００３】しかしながら、この方法では、焼入れのた
めの高温加熱による酸化及び歪みなどの問題があった。
ゆえに仕上げ代を残し焼入れを行い、その後仕上げ加工
を行う必要があるが、硬さが高いために仕上げ加工は砥
石による研削か放電加工で行わなければならず、加工工
数が非常に長くかかり、またコストもかかる。また、粗
加工の状態で形状的不連続があれば、焼入れ時に高温か
ら急冷するために割れが発生する危険性があった。

【０００４】そこで、本出願人は、特開平５−３４５９
５８号公報にて開示される如く、基本成分組成が、重量
％において、Ｃ：０．３０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３
０〜６．００％、Ｃｒ：０．３０〜１０．００％、Ｃ
ｏ：０．３０〜１０．００％及びＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ等の適量の脱酸元素と残部がＦｅであり、且つマルテ
ンサイト変態開始温度が１５０〜−５０℃の範囲内であ
る過冷処理で硬化する鋼材を提案している。

【０００５】しかし、前述の公報記載の鋼材は、１２０
０℃以上の温度から急冷しないと、硬さがＨＲＣ４５以
下とならず、このため１２００℃以上の高温の熱処理が
必要でその取り扱いに高温処理特有の問題を内在してい
る。また、高温の熱処理から急冷すると、室温に冷却し
た場合でもマルテンサイト変態開始温度以下になって硬
化が始まるので、必ずしも機械加工性に優れているとは
言えないのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにダイス
鋼、合金工具鋼等の硬い鋼材を用いる従来技術では、加
工工数が多くかかり割れる危険性があるとともに、機械
加工性に劣るため加工機械が限定され、加工工程が煩雑
であった。そして、前述の公報記載の鋼材は、仕上げ加
工後０℃以下の過冷処理によってＨＲＣ５以上硬さが上
昇するので、ダイス鋼、合金工具鋼等の硬い鋼材に代替
し得るものであるが、熱処理温度が高く、それを急冷す
ると、仕上げ加工の前に既に硬化が始まるので、機械加
工性に問題が残っているのである。

【０００７】本発明は上記の点に鑑み、１２００℃以下
でＡ３変態温度以上の温度から急冷するといった比較的
低い温度の熱処理で適度な硬さ、即ちＨＲＣ４０以下に
なって良好な機械加工性を有し、且つ仕上げ加工後に過
冷処理をすることで歪みの発生もなく硬さがＨＲＣ１０
以上上昇する快削性硬化鋼を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題解
決のために、成分組成が、重量％においてＣ：１．５０
〜１．８０％（但し、１．５０％を除く）、Ｍｎ：０．
３０〜６．００％、Ｃｒ：０．３０〜１０．００％、Ｃ
ｏ：０．３０〜１０．００％及びＡｌと、残部がＦｅで
あり、且つ各成分組成範囲が、下式により算出したマル
テンサイト変態開始温度（Ｍｓ）が−５０〜−２５０℃
（但し、−５０℃を除く）の範囲内となる範囲である快
削性硬化鋼を提供するものである。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−２０×
Ｃｒ＋１５×Ｃｏ＋３０×Ａｌ （但し、式中の各成分の値は重量％である）

【０００９】また、前述の成分組成に、更にＶ、Ｎｉ、
Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕから選んだ１種又は２種以上を含むもの
であり、且つ各成分組成範囲が、下式により算出したマ
ルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）が−５０〜−２５０
℃（但し、−５０℃を除く）の範囲内となる範囲である
快削性硬化鋼を提供する。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−３５×
Ｖ−２０×Ｃｒ−１７×Ｎｉ−１０×Ｍｏ−５×Ｗ＋１
５×Ｃｏ＋３０×Ａｌ−１０×Ｃｕ （但し、式中の各成分の値は重量％である）

【００１０】そして、圧延又は鋳造等により製造され、
１２００℃以下でＡ３変態温度以上の温度から急冷した
後の硬さがＨＲＣ４０以下で、且つその後−５０℃以下
の過冷処理で硬さがＨＲＣ１０以上上昇するように各成
分組成を調製するのである。

【００１１】更に、前記成分組成に、Ｓ、Ｐｂ、Ｃｅ、
Ｃａ等の快削性を向上させる元素を適量添加してなるこ
とも好ましい実施例である。

【００１２】尚、マルテンサイト変態終了温度（以下
「Ｍｆ温度」という。）という場合は、下式により計算
した値をいう。 Ｍｆ（℃）＝Ｍｓ−２３０

【００１３】前記の場合に鋼材の基本成分組成中の各成
分の含有量の範囲を限定する理由は以下のとおりであ
る。

【００１４】先ず、Ｃはマルテンサイト変態温度を左右
する最も有効な元素で、１．５０％以下の場合は急冷操
作を行ってもマルテンサイトを生成し硬度が高くＨＲＣ
４０以上となり機械加工性に劣るのである。尚、１．５
０％を除く理由は、前述の公報記載の鋼材との差別化を
図るためである。また、Ｃが１．８０％を超えると急冷
操作時に割れが発生し、またオーステナイトが安定しす
ぎて−５０℃より低い温度の冷却でもマルテンサイト変
態が生じ難く硬度が上昇しない。ゆえに、急冷操作で未
変態のオーステナイトを生じさせるためのＣ量は、１．
５０％を超え１．８０％以下が最も好ましく、更にＣ
ｒ、Ｖ、Ｗ等と炭化物を作り耐摩耗性が向上する。

【００１５】また、Ｍｎは比較的安価な元素で、脱酸効
果と靱性、強度の向上、更には、Ｃと同様にマルテンサ
イト変態温度を下げる調整が可能である。そして、下限
を０．３０％としてのは、Ｍｎ量がこれより少ないと鋼
材の靱性が不足し、上限を６．００％としたのは、脱酸
効果と靱性向上効果を得るために有効性が薄く不経済で
あるからである。

【００１６】ＣｒはＣとの親和力が強く、硬さの高い炭
化物を作り耐摩耗性を向上させる。しかし、このＣｒ量
が０．３０％未満では前記効果がなく、また１０．００
％を超えて添加した場合は、硬さが高くなりすぎて靱
性、加工性が低下する。

【００１７】Ｃｏは炭化物の析出を遅らせ、高温からの
急冷処理の硬さ上昇を抑制する効果があるが、０．３０
％以下ではこの効果がなく、また１０．００％を超える
とマルテンサイト変態開始温度が高くなり所要の性能が
得られないばかりか、Ｃｏは高価なため不経済である。

【００１８】なお、上記以外の元素の含有量としては、
直接の効果はないが脱酸、靱性の改善といった効果を有
するＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ等を、前記の式により計算
したマルテンサイト変態開始温度が−５０〜−２５０℃
（但し、−５０℃を除く）の範囲内になるように添加す
ることもできる。

【００１９】更に、Ｃｒと同様の作用をするＶ、Ｎｉ、
Ｍｏ、Ｗ及びＣｕ等を添加することができる。上記以外
に機械切削性を向上させるために、Ｓ、Ｐｂ、Ｃｅ、Ｃ
ａ等の元素を適量添加することも好ましいのである。

【００２０】

【作用】上記の本発明に係わる快削性硬化鋼を、圧延ま
たは鋳造により製作し、１２００℃以下でＡ３変態温度
以上の温度から急冷すると、Ｍｓ温度が−５０〜−２５
０℃（但し、−５０℃を除く）であり、Ｍｆ温度が極端
に低いので、完全にマルテンサイト変態が終了せず、未
変態のオーステナイトが残るため、硬さがＨＲＣ４０以
下となる。ここで、硬さがＨＲＣ４０以下であれば機械
加工が容易である。そして、機械加工後にドライアイ
ス、液体窒素等で−５０℃より低く、−２５０℃より高
い任意の温度に冷却し保持することで、その温度に相当
する量のオーステナイトがマルテンサイトに変態し、硬
さがＨＲＣ１０以上上昇するのである。

【００２１】このように、本発明に係わる快削性硬化鋼
は、−５０℃より低い温度の過冷処理により硬さを上昇
させるものであるから、従来の焼き入れのように金属が
酸化したり歪みの発生がなく、また割れの発生も生じな
い。また特別な加工機を必要とせず、容易に加工でき、
そして仕上げ加工した後に硬さを大幅に高め製品として
要求される硬さにすることができる。

【００２２】

【実施例】

（実験１）表１は基本成分組成の各元素の量を変化させ
て鋳造により製作した９種類の鋼材の成分組成と、その
成分組成における算出Ｍｓ値を示したものである。ここ
で、鋼材♯１〜♯５及び♯９は比較例であり、鋼材♯６
〜♯８は本発明の実施例である。尚、鋼材♯１〜♯５
は、前述の公報に記載の鋼材である。

【００２３】

【表１】

【００２４】また、表２は前述の鋼材♯１〜♯９のそれ
ぞれを、１１００℃及び１２５０℃から油冷却した時の
硬さ（Ｈ１）と、ドライアイス（−７６℃）で冷却保持
して過冷処理したときの硬さ（Ｈ２）と、過冷処理によ
る硬度上昇量（ΔＨ）と、急冷処理のままの鋼材の機械
加工の難易（ＭＥ）及び割れや機械加工性、耐摩耗性等
を含む評価をまとめた結果である。ここで、機械加工性
は、直径５０ｍｍのエンドミルで、回転数３５０ｒｐ
ｍ、切削速度４００ｍｍ／ｍｉｎの条件で切削し、エン
ドミルに掛かる背分力、送り分力および垂直分力を測定
し、機械加工性の評価はエンドミルにかかる曲げ力とし
て判断した。また、耐摩耗性については、データは示さ
ないが、図１に示すように２枚の試験片により１０Ｋｇ
／ｃｍ² の圧力で超硬板Ｇ２を挟みこみ、試験片を１分
間に２０往復する速度で５万回摺動したときの試験前と
試験後の重量差（摩耗減量）を測定して評価した。そし
て、機械加工性及び耐摩耗性の実験は、ＪＩＳ Ｇ４４
０４のＳＫＳ３の焼き入れ・焼き戻し硬さＨＲＣ５９と
比較した。

【００２５】

【表２】

【００２６】上記結果より、鋳造後に１２００℃以上、
例えば１２５０℃から急冷した場合には、何れの鋼材も
ＨＲＣ４５以下となって加工性が良く、その後過冷処理
すると硬さが上昇するが、Ｃ量が１．５０％以下の比較
例の鋼材♯１〜♯５の場合は、１１００℃から油冷した
場合の硬さが、ではＨＲＣ４５以上となって加工性が悪
い。また、１．８０％を越えた場合（鋼材♯９）には、
割れが発生するので好ましくない。一方、本発明に係る
実施例の鋼材♯６〜♯８は、１２００℃以下、例えば１
１００℃から急冷した場合でも、硬さがＨＲＣ４０以下
となって加工性が良く、その後の過冷処理によって硬度
上昇量がＨＲＣ２０前後となり、ＨＲＣ１０以上の上昇
が期待できるのである。

【００２７】（実験２）図２は、表１の♯３（比較例）
と♯７（本発明の実施例）の成分組成の鋳鋼材で、急冷
処理温度を９５０〜１３００℃に変化させて、急冷処理
のままの硬さと、それを−７６℃で過冷処理した後の硬
さを測定した結果を示している。この結果、鋼材♯３
は、急冷処理温度が１２００℃以下では、硬さがＨＲＣ
６０以上あり、その後の過冷処理によっても硬さが殆ど
変化せず、急冷処理温度が１２００℃を越えて始めて急
冷処理後の硬さが低く抑制されるとともに、その後の過
冷処理によって硬さが上昇するのである。一方、鋼材♯
７は、急冷処理温度が１２００℃を越える場合は勿論、
１２００℃よりも低く１０００℃程度までは、その急冷
処理によって硬さをＨＲＣ４０以下に低く抑制でき、そ
の後の過冷処理によって硬さをＨＲＣ５０程度まで上昇
させることができるのである。

【００２８】（実験３）図３は、表１の♯８（本発明の
実施例）の溶接棒を用いて１１００℃から油冷した後、
０〜−１９６℃の温度範囲内で１５分間冷却して過冷処
理した時の硬さ変化を調べた結果を示す。尚、冷却温度
が２０℃の値は、急冷処理したままの硬さを示してい
る。上記結果より、１１００℃から油冷した後、０〜−
１９６℃の範囲内の温度で冷却保持した時、保持温度で
硬さが調整できることが解り、特に過冷処理温度が−５
０℃以下で硬さがＨＲＣ１０以上上昇するのである。

【００２９】

【発明の効果】以上の結果から明らかなように、本発明
に係わる快削性硬化鋼は、圧延、鋳造等により製造し、
１２００℃以下でＡ３変態温度以上から急冷した後の硬
さがＨＲＣ４０以下と低いため切削加工が容易にでき、
この鋼材を用いて金型、機械部品を製作すれば、切削工
具の欠損がなく、高速切削が可能で、また切削精度も向
上する。また、急冷処理温度を１２００℃以下にするこ
とができるので、大型の鋼材でも熱処理が楽になる。更
に、加工後に硬化させるための高温熱処理が不要であ
り、高温熱処理時の割れ、歪み、酸化などの問題が解決
でき、急冷処理後の−５０℃より低く−２５０℃以上の
温度での過冷処理によって、硬さがＨＲＣ１０以上上昇
するのである。また、特別な加工機械が不要で、加工工
数の削減、コストの低減を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 摩耗減量の測定方法を示す概略図。

【図２】 比較例と実施例の急冷処理温度に対する急冷
処理のままの硬さと過冷処理後の硬さの関係を示すグラ
フ。

【図３】 鋼材を１１００℃から油冷した後、０〜−１
９６℃の範囲内の温度で過冷処理温度を変化させた時の
硬さ変化を示すグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２１Ｄ 8/00 Ｃ２１Ｄ 8/00 Ｄ Ｃ２２Ｃ 38/38 Ｃ２２Ｃ 38/38 38/58 38/58 38/60 38/60

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成分組成が、重量％においてＣ：１．５
   ０〜１．８０％（但し、１．５０％を除く）、Ｍｎ：
   ０．３０〜６．００％、Ｃｒ：０．３０〜１０．００
   ％、Ｃｏ：０．３０〜１０．００％及びＡｌと、残部が
   Ｆｅであり、且つ各成分組成範囲が、下式により算出し
   たマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）が−５０〜−２
   ５０℃（但し、−５０℃を除く）の範囲内となる範囲で
   あることを特徴とする快削性硬化鋼。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−２０×
   Ｃｒ＋１５×Ｃｏ＋３０×Ａｌ （但し、式中の各成分の値は重量％である）
2. 【請求項２】 成分組成が、請求項１記載の快削性硬化
   鋼の成分組成に、更にＶ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕから選
   んだ１種又は２種以上を含むものであり、且つ各成分組
   成範囲が、下式により算出したマルテンサイト変態開始
   温度（Ｍｓ）が−５０〜−２５０℃（但し、−５０℃を
   除く）の範囲内となる範囲である快削性硬化鋼。Ｍｓ（℃）＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−３５×
   Ｖ−２０×Ｃｒ−１７×Ｎｉ−１０×Ｍｏ−５×Ｗ＋１
   ５×Ｃｏ＋３０×Ａｌ−１０×Ｃｕ （但し、式中の各成分の値は重量％である）
3. 【請求項３】 圧延又は鋳造等により製造され、１２０
   ０℃以下でＡ３変態温度以上の温度から急冷した後の硬
   さがＨＲＣ４０以下で、且つその後−５０℃以下の過冷
   処理で硬さがＨＲＣ１０以上上昇する請求項１又は２記
   載の快削性硬化鋼。