JP3449318B2 - 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、快削鋼に関し、
特に切削加工において工具寿命の延長および切り屑処理
性の向上を図ろうとするものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、切削加工時の工具寿命や切り屑処
理性等の被削性に優れた快削鋼としては、ＪＩＳに規定
されている硫黄快削鋼および鉛快削鋼、あるいはその他
としてカルシウム快削鋼、テルル快削鋼、セレン快削
鋼、ビスマス快削鋼等、種々の鋼材が開発されている。

【０００３】中でも、鉛快削鋼は、被削性に優れ、しか
もテルル、ビスマス等に比較して経済的なことから、快
削鋼として多用されている。しかしながら、鉛は人体に
極めて有害であることから、鋼材の製造過程だけでな
く、それを用いた機械部品の製造過程において、大がか
りな排気設備を必要とし、また鋼材のリサイクル面でも
問題があった。このため、従来から、鉛を添加せずに鉛
添加鋼と同等程度の被削性を有する快削鋼の開発が望ま
れていた。

【０００４】上記の要請に応えるものとして、例えば特
開昭50−96416 号公報には、鋼中のＣを黒鉛として存在
させ、この黒鉛の切欠き潤滑作用を利用することによっ
て、鉛を用いることなしに被削性を改善する方法が提案
されている。しかしながら、この方法は、鋼中のＣを黒
鉛化する必要上、その前処理として熱処理が不可欠であ
り、必ずしも経済的な方法とはいえないところに問題を
残していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の現
状に鑑み開発されたもので、鉛を用いることなしに、圧
延ままで被削性に優れ、しかも環境衛生上の問題もな
く、経済的に製造することができる快削鋼を提案するこ
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、鉛を
添加せずとも圧延ままで鉛添加鋼と同等程度の被削性を
有する鋼材の組成について、鋭意検討した結果、以下に
述べる知見を得た。 ａ) 鋼中のセメンタイトを低減することによって、工具
磨耗が低減し、工具寿命が向上する。ここに、工具磨耗
の低減効果は、Ｃ量を0.05wt％未満に低下させることで
特に顕著となる。

【０００７】ｂ) Ｃ量を0.05wt％未満に低下させると、
一方で生成した切り屑が破断しづらくなり切り屑処理性
が低下する。これを解決するためには、(1) Ｂを0.0003
〜0.004 wt％添加するおよび(2) Tiを0.003 〜0.3 wt
％、Ｓを 0.2wt％を超えて添加するという２つの手段を
同時にとることが特に有効である。

【０００８】その理由は、次のとおりである。Tiおよび
Ｓの添加により鋼中にTiＳおよび（Mn，Ti）Ｓが生成
し、これが切削時に生成した切り屑中で応力集中源とし
て作用する。この際、Ｂを適量添加しておくことによ
り、TiＳおよび（Mn，Ti）Ｓの周囲にＢが偏析し、TiＳ
および（Mn，Ti）Ｓの塑性変形を抑制して、応力集中作
用によるクラックの生成を促進する。さらに、Ｂは、組
織中の転位上に偏析し易い性質があり、TiＳおよび（M
n，Ti）Ｓへの応力集中で周りの母地に生成した転位上
へ偏析して母地を脆化させ、生成したクラックの伝播を
容易にする。これらの作用によって、切り屑の破断性が
顕著に向上する結果、Ｃ量が0.05wt％未満という低Ｃ鋼
においても、切り屑長さが５mm以下といった細かな切り
屑が生成するようになり、切り屑処理性が格段に向上す
る。

【０００９】ｃ) ａ) に加えて、工具寿命の向上には、
適量のMn，CrおよびＢの添加が有効である。この理由
は、Mn，Cr，Ｂの添加によって組織中にベイナイト組織
が生成し、このベイナイト組織はフェライトに比べて硬
質であり、またベイナイト組織中の炭化物がランダムな
方位を持つ平板上のセメンタイトが集積した構造を有す
るため、それ自体変形しづらく、このため切削加工時に
応力集中源となり、応力集中が起こった際に、周りのフ
ェライトに対して切り欠き効果を持つために、切り屑生
成が容易となるからである。組織中にベイナイト組織を
混存化させた場合には、上記した作用により、切削時の
切削抵抗が低下し、工具寿命が向上する。

【００１０】ｄ) ａ) およびｃ) に加え、工具寿命の向
上にはCr添加量の規制が必要である。Crは、焼入性を向
上し、ベイナイト組織を生成させることで被削性を向上
させるが、一方でCrは、セメンタイト中に固溶してセメ
ンタイトの硬さを上昇させる性質をもつため、添加量に
よっては切削加工時の工具磨耗が促進されて工具寿命が
低下する。特に, Ｃ量が0.05wt％未満と少ないと、セメ
ンタイト量も少ないため、Cr添加によってセメンタイト
中のCr濃度の上昇が生じ易く、セメンタイトの硬さの顕
著な上昇が起こる。この点、Cr量を 0.5wt％未満とすれ
ば、セメンタイトの硬さ上昇が抑制され、工具磨耗が低
減し、工具寿命が向上する。

【００１１】この発明は、上記の知見に立脚するもので
ある。すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりであ
る。 １．Ｃ：0.05wt％未満、Si：2.5 wt％以下、Mn：0.1 〜
4.0 wt％、Ｓ：0.2 超〜0.5 wt％、Cr：0.5 wt％未満、
Ti：0.003 〜0.3 wt％およびＢ：0.0003〜0.004 wt％を
含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になるこ
とを特徴とする快削鋼。

【００１２】２．上記１において、さらにCu：2.0 wt％
以下、Ni：2.0 wt％以下、Mo：2.0 wt％以下およびNb：
0.10wt％以下のうちから選んだ１種または２種以上を含
有することを特徴とする快削鋼。

【００１３】３．上記１または２において、さらにＷ：
0.1 wt％以下およびＶ：0.5 wt％以下のうちから選んだ
１種または２種を含有することを特徴とする快削鋼。

【００１４】４．上記１，２または３において、さらに
Ｐ：0.2 wt％以下、Te：0.2 wt％以下、Se：0.2 wt％以
下、Ca：0.02wt％以下、REM：0.02wt％以下、Zr：0.2 w
t％以下、Bi：0.3 wt％以下、Sn：0.3 wt％以下、Sb：
0.2 wt％以下およびCo：0.1 wt％以下のうちから選んだ
少なくとも１種を含有することを特徴とする快削鋼。

【００１５】５．上記１, ２, ３または４において、さ
らにAl：1.0 wt％以下、Mg：0.02wt％以下およびHf：0.
1 wt％以下のうちから選んだ１種または２種以上を含有
することを特徴とする快削鋼。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明において、鋼材の
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：0.05wt％未満 Ｃは、強度確保のために添加する、しかしながら、0.05
wt％以上添加すると、切削加工時の工具摩耗が増大し、
被削性が低下するため、Ｃは0.05wt％未満に制限した。
なお、好ましくは0.04wt％以下である。

【００１７】Si：2.5 wt％以下 Siは、脱酸に有効な元素であるが、2.5 wt％を超えて添
加すると被削性が低下するため、2.5 wt％以下で含有さ
せるものとした。

【００１８】Mn：0.1 〜4.0 wt％ Mnは、焼入性を向上して、ベイナイト組織の生成を促進
し、被削性を向上させる働きがある。また、強度確保の
面でも有効である。さらに、Ｓと結合してMnＳを形成
し、これによって被削性を向上させる作用もある。これ
らの効果を得るためには、少なくとも 0.1wt％の含有が
必要であるが、4.0 wt％を超えると強度が上昇し、被削
性が低下するため、Mnは 0.1〜4.0 wt％の範囲に限定し
た。

【００１９】Ｓ：0.2 超〜0.5 wt％ Ｓは、鋼中でMn, Ti等と結合し、MnＳ，（Mn，Ti）Ｓお
よびTiＳとなって、切削加工時の応力集中源となり、切
り屑の分断を容易にして被削性を向上させる有用元素で
ある。しかしながら、含有量が 0.2wt％以下ではその添
加効果に乏しく、一方 0.5wt％を超えると熱間加工性の
低下を招くので、Ｓは 0.2超〜0.5 wt％の範囲に限定し
た。

【００２０】Cr：0.5 wt％未満 Crは、焼入性を向上し、ベイナイト組織の生成を促進し
て被削性を向上させる働きがあるが、一方で、多量に含
有させた場合には、セメンタイト中に固溶し、セメンタ
イトの硬度を上昇させて被削性を低下させる。従って、
Crは 0.5wt％未満に限定した。なお、好ましくは0.4 wt
％以下である。

【００２１】Ti：0.003 〜0.3 wt％ Tiは、鋼中ＮをTiＮとして固定する性質がある。この性
質を利用して、焼入性に有効なＢがＮと結合してＢＮと
なり、焼入性の向上効果が消失するのを抑制する。その
他に、Ti添加の重要な作用として、TiＳおよび（Mn，T
i）Ｓを生成して切り屑中の応力集中源となり、切り屑
処理性を向上させる作用がある。しかしながら、含有量
が 0.003wt％に満たないとその添加効果に乏しく、一方
0.3wt％を超えて添加すると、粗大なTiＮが析出するた
め、切削加工時の工具磨耗が増大し、被削性が低下する
ので、Ti量は 0.003〜0.3 wt％の範囲に限定した。な
お、好ましい範囲は0.01〜0.1 wt％である。

【００２２】Ｂ：0.0003〜0.004 wt％ Ｂは、TiＳおよび（Mn，Ti）Ｓの周りに偏析し、切り屑
生成時のTiＳおよび（Mn，Ti）Ｓの塑性変形を抑制し
て、応力集中によるクラックの生成を促進し、切り屑処
理性を向上させる。また、焼入性を向上させ、ベイナイ
ト組織を生成し、工具寿命を向上させるため、積極的に
添加する。しかしながら、含有量が0.0003wt％に満たな
いとその効果が小さく、一方 0.004wt％を超えて添加す
ると成分コストの上昇を招くため、Ｂは0.0003〜0.004
wt％の範囲に限定した。

【００２３】以上、基本成分について説明したが、この
発明では上記した基本成分の他に、以下の成分を添加す
ることにより、被削性や強度の一層の向上を図ることが
できる。まず、焼入性を向上させ、ベイナイト組織を生
成させて被削性を向上させ、また強度を上昇させるため
に、Cu，Ni，MoおよびNbのうちから選んだ１種または２
種以上を添加することができる。

【００２４】Cu：2.0 wt％以下 Cuは、焼入性を向上させ、ベイナイト組織生成による被
削性の向上および強度を確保するために添加することが
できる。しかしながら、含有量が 2.0wt％を超えると、
強度が上昇して被削性が低下すると共に、コストが上昇
するので、Cuは2.0 wt％以下で含有させるものとした。
特に好ましくは 1.0wt％以下である。

【００２５】Ni：2.0 wt％以下 Niは、焼入性向上によるベイナイト組織生成による被削
性の向上および強度確保のために添加することができ
る。しかしながら、過剰な添加は、高価につくだけでな
く、強度が上昇して被削性の低下を招くので、Niは 2.0
wt％以下で含有させるものとした。特に好適には 1.0wt
％以下である。

【００２６】Mo：2.0 wt％以下 Moは、焼入性向上によるベイナイト組織生成による被削
性の向上および強度確保のために添加することができ
る。しかしながら、過剰な添加は、高価につくだけでな
く、強度が上昇して被削性が低下するので、Moは 2.0wt
％以下で含有させるものとした。特に好適には 1.0wt％
以下である。

【００２７】Nb：0.10wt％以下 Nbは、焼入性を向上させ、ベイナイト組織生成による被
削性の向上および強度を確保するために添加することが
できる。しかしながら、過剰に添加した場合、成分コス
トが上昇するだけでなく、強度が上昇して被削性の低下
を招くので、Nbは0.10wt％以下で含有させるものとし
た。

【００２８】次に、強度向上を図るために、ＷおよびＶ
のうちから選んだ１種または２種を添加することができ
る。 Ｗ：0.1 wt％以下 Ｗは、固溶による強度向上作用を有するが、0.1 wt％を
超えて添加すると被削性が低下するので、Ｗは 0.1wt％
以下で含有させるものとした。

【００２９】Ｖ：0.5 wt％以下 Ｖは、Ｖ（Ｃ，Ｎ）による析出強化により強度を向上さ
せる有用元素であるが、0.5 wt％を超えて添加すると被
削性が低下するため、Ｖは 0.5wt％以下で含有させるも
のとした。

【００３０】さらに、被削性のさらなる向上を図るため
に、Ｐ, Te, Se, Ca, REM, Zr, Pb,Bi, Sn, SbおよびCo
のうちから選んだ少なくとも１種を含有させることがで
きる。 Ｐ：0.2 wt％以下 Ｐは、生成した切り屑中のクラックの伝播を容易にする
ことで、切り屑処理性を顕著に向上させる作用がある
が、0.2 wt％を超えて添加すると熱間加工性を低下させ
るので、Ｐ量は 0.2wt％以下に限定した。

【００３１】Te：0.2 wt％以下, Se：0.2 wt％以下 TeおよびSeはそれぞれ、Mnと結合してMnTeおよびMnSeを
形成し、これがチップブレーカーとして作用することに
より被削性を改善する。しかしながら、0.2 wt％を超え
て添加すると効果が飽和する上に、成分コストの上昇を
招くので、いずれも 0.2wt％以下で含有させるものとし
た。

【００３２】Ca：0.02wt％以下, REM：0.02wt％以下,
Zr：0.2 wt％以下 Ca, REMおよびZrはいずれも、MnＳと共に硫化物を形成
し、これがチップブレーカーとして作用することにより
被削性を改善する。しかしながら、Ca：0.02wt％、 RE
M：0.02wt％およびZr：0.2 wt％を超えて添加しても効
果が飽和する上、成分コストの上昇を招くため、いずれ
も上記の範囲で含有させるものとした。

【００３３】Bi：0.3 wt％以下 Biも、Pbと同様、切削時の溶融、潤滑および脆化作用に
より、被削性を向上させるので、この目的で添加するこ
とができる。しかしながら、0.3 wt％を超えて添加して
も効果が飽和するばかりか、成分コストが上昇するの
で、Biは 0.3wt％以下で含有させるものとした。

【００３４】Sn：0.3 wt％以下, Sb：0.2 wt％以下，C
o：0.1 wt％以下 Sn, SbおよびCoはいずれも、脆化作用により被削性を向
上させる元素である。しかしながら、Sn：0.3 wt％、S
b：0.2 wt％およびCo：0.1 wt％を超えて添加しても、
効果が飽和する上、コストが上昇し、経済的に不利とな
るので、いずれも上記の範囲で含有させるものとした。

【００３５】Al：1.0 wt％以下, Mg：0.02wt％以下, H
f：0.1 wt％以下 Al, MgおよびHfはそれぞれ、脱酸作用を有するだけでな
く、応力集中源となって被削性を改善する効果があるの
で、必要に応じて適宜含有させることができる。しかし
ながら、過剰に添加すると効果が飽和する上、成分コス
トが上昇するので、添加量としてはそれぞれ上記の範囲
に制限した。

【００３６】なお、本発明では、その主旨から、Pbは基
本的に添加しないが、これは技術的に添加することがで
きないという意味ではない。すなわち、単に快削性の面
だけ考慮すれば良いのであれば、その添加を妨げるもの
ではない。しかしながら、この場合であっても、環境衛
生の面から添加量は 0.2wt％以下程度に抑制することが
好ましい。

【００３７】次に、この発明鋼の好適製造条件について
説明する。まず、素材の製造については、従来公知の転
炉または電気炉等で溶製した後、連続鋳造法または造塊
−分塊法によってスラブまたはブルームとする。つい
で、常法に従う熱間圧延により所定の形状とする。しか
るのち、所定の部品形状に成形後、機械部品とする。な
お、窒化または浸炭処理等を施して製品とする場合もあ
る。

【００３８】

【実施例】表ｌ，２に示す成分組成になる鋼材を、転炉
にて溶製し、連続鋳造によりブルームとしたのち、150m
m 角ビレットに熱間圧延し、ついで加熱温度：1200℃、
仕上温度：950 ℃の条件下での棒鋼圧延により、35mmφ
の棒鋼とした。このようにして得られた棒鋼の硬さ、被
削性について調査した結果を表３に示す。ここで、硬さ
は、棒鋼の径の 1/4の深さ位置から採取したサンプルを
用いて、ビッカース硬度計により荷重：10 kgfで測定し
た。また、被削性は、ハイス工具(SKH4)を用い、切削速
度：100m/min、送り：0.25mm/rev、切込み：2.0 mm、無
潤滑の条件で、外周旋削試験により評価した。さらに、
工具寿命判定は、完全損傷までの総切削時間で評価し
た。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】

【表３】

【００４２】表３に示したとおり、No.1〜No.16 のこの
発明に従う鋼はいずれも、工具寿命が19.9〜28.2 min
と、No.29 の従来の鉛添加非調質鋼（JIS SUM 24L)の1
6.5 minに比べると、非常に優れた寿命が得られてい
る。また、切り屑形状に関しても、いずれも長さが５mm
以下と細かな良好な切り屑が得られている。これに対
し、 No.17〜No.28 の比較鋼のうち、No.17 はＣが適正
範囲外であり、発明鋼に比べて、工具寿命が半分以下に
低下している。 No.18はSiが適正範囲外であり、工具寿
命が低下している。No.19 はTiがこの発明の下限に満た
ないため、工具寿命および切り屑形状が劣化している。
No.20 はTiがこの発明の上限を超えているため、工具寿
命が低下している。No.21 はMnがこの発明の上限を超え
ているため、工具寿命が低下している。No.22 は、Mnが
この発明の下限に満たないため、工具寿命が低下し、切
り屑形状が悪くなっている。No.23 はＳがこの発明の下
限に満たないため、工具寿命が低下し、切り屑形状が悪
くなっている。No.24 はＳがこの発明の上限を超えてい
るため、圧延時に熱間割れが生じ、圧延中止を余儀なく
された。No.25 はCrがこの発明の上限を超えているた
め、工具寿命が低下している。No.26 はＢがこの発明の
下限に満たないため、工具寿命が低く、切り屑形状が悪
くなっている。

【００４３】

【発明の効果】かくして、この発明によれば、特に鉛を
添加せずとも、圧延ままの状態で、鉛添加快削鋼と同等
以上の被削性を有する鋼材を安価に得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ：0.05wt％未満、 Si：2.5 wt％以下、 Mn：0.1 〜4.0 wt％、 Ｓ：0.2 超〜0.5 wt％、 Cr：0.5 wt％未満、 Ti：0.003 〜0.3 wt％およびＢ：0.0003〜0.004 wt％を
   含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になるこ
   とを特徴とする快削鋼。
2. 【請求項２】 請求項１において、さらに Cu：2.0 wt％以下、 Ni：2.0 wt％以下、 Mo：2.0 wt％以下およびNb：0.10wt％以下のうちから選
   んだ１種または２種以上を含有することを特徴とする快
   削鋼。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、さらにＷ：
   0.1 wt％以下およびＶ：0.5 wt％以下のうちから選んだ
   １種または２種を含有することを特徴とする快削鋼。
4. 【請求項４】 請求項１，２または３において、さらに Ｐ：0.2 wt％以下、 Te：0.2 wt％以下、 Se：0.2 wt％以下、 Ca：0.02wt％以下、 REM：0.02wt％以下、 Zr：0.2 wt％以下、 Bi：0.3 wt％以下、 Sn：0.3 wt％以下、 Sb：0.2 wt％以下およびCo：0.1 wt％以下のうちから選
   んだ少なくとも１種を含有することを特徴とする快削
   鋼。
5. 【請求項５】 請求項１, ２, ３または４において、さ
   らに Al：1.0 wt％以下、 Mg：0.02wt％以下およびHf：0.1 wt％以下のうちから選
   んだ１種または２種以上を含有することを特徴とする快
   削鋼。