JP3922691B2

JP3922691B2 - Free-cutting steel

Info

Publication number: JP3922691B2
Application number: JP2002025341A
Authority: JP
Inventors: 八洲男山根; 哲夫白神; 俊之村上
Original assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Current assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003226932A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、快削鋼に関し、特に切削するときの工具寿命に優れた快削元素無添加でＡｌＮ添加の快削鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の快削鋼の多くは、鋼中の介在物による被削性向上を図っており、低切削速度域では、ＭｎＳ、Ｐｂ、高切削速度域では、Ｃａ系複合酸化物が主体で実用化されているが、ＭｎＳと同系統では、ＭｎＳｅ、ＭｎＴｅが用いられ、Ｐｂと同系統では、Ｂｉも用いられている。Ｃａ系複合酸化物は、切削工具面上に付着して、工具と被削材との直接接触を防ぎ、工具の摩耗を抑制する。
【０００３】
近年、地球環境問題からＰｂの不使用の動きがあり、また、能率向上のため、高速切削化が検討されるようになり、ＢＮ快削鋼や黒鉛快削鋼などのような新しい成分組成の快削鋼も開発されている。
【０００４】
これらの従来快削鋼は、特開平３−６４４２９号（従来技術１）、特開昭６０−１７４８５４号（従来技術２）、特開昭６１−２９１９５５号（従来技術３）、特開平１−３１９６５１号（従来技術４）、特開平７−３１６７３２号（従来技術５）などに開示されている。また、本発明者等も既に、特開２０００−２６９３５（従来技術６）、特開２００１−３４２５３９（従来技術７）として提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１〜７は、以下のような課題があった。
【０００６】
従来技術１は、工具鋼の切削時に切削速度１５０ｍ／ｍｉｎでの効果を示しているものの、Ａｌの規定がない。
【０００７】
従来技術２は、Ａｌ：０．０５〜０．５０％を含有するものの、Ｚｒの硫化物に対する接種作用を増大させ、硫化物を微細にすることにより被削性を向上させるためにＡｌを利用しているものであり、快削元素であるＺｒを必須とするものである。
【０００８】
従来技術３は、Ａｌを２．０％以下含有するものの、結晶組織の改善、熱処理特性の改善のためにＡｌを利用しているものであり、快削元素であるＳ、Ｔｅを必須とするものである。
【０００９】
従来技術４は、Ａｌ：０．００１〜０．１００％を含有するものの、鋼中の酸素を固定し、ＢＮの析出を促進させるためにＡｌを利用しているものであり、快削元素であるＢＮを必須とするものである。
【００１０】
従来技術５は、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含有するものの、鋼中でＡｌＮとなり、黒鉛の核生成サイトとしてＡｌを利用しているものであり、快削元素である黒鉛を必須とするものである。
【００１１】
従来技術６は、Ａｌ、Ｎが含有されているが、同時にＢも含有しており、鋼中に存在するのはＢＮである。
【００１２】
従来技術７は、Ａｌを含有しているが、酸化物や窒化物でないフリーのＡｌが有効であることを示したものである。
【００１３】
この発明は、これらの課題を解決するためになされたもので、工具寿命に優れた快削元素無添加でＡｌ、Ｎ添加の快削鋼を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を達成するため、鋭意検討を行い、以下のような従来にない新知見を得た。
（１）快削元素の含有されていない場合、鋼中に析出したＡｌＮが潤滑効果を示して工具寿命が向上する。
（２）快削元素（Ｓ、Ｐｂ、Ｃａ等）を含有するとＡｌＮの効果が現れない。
（３）ＡｌとＮ含有量に最適範囲があることと、Ａｌ／Ｎにも最適範囲がある。
【００１５】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであり、下記を特徴とするものである。
【００１６】
請求項１記載の発明は、Ｃ：０．０１〜１．２％、Ｓｉ：０．０３〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．００１〜０．０４０％、Ａｌ：０．０５２〜０．２０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２５０％（以上、ｍａｓｓ％）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Ａｌ／Ｎ：２．０〜１５．０を満足し、快削元素を含まないことに特徴を有するものであり、請求項２記載の発明は、前記快削元素を含まないこととは、Ｓ：０．０４％未満、Ｃａ：０．００１％以下、Ｐｂ：０．０３％以下、黒鉛：０．００２％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｅ：０．０１％以下、Ｓｅ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０３％以下（以上、ｍａｓｓ％）であることに特徴を有するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、この発明における数値の限定理由について説明する。
【００１８】
Ａｌ
Ａｌは、鋼の脱酸に必要であり、且つ鋼中にＡｌＮを析出させ、切削中の潤滑作用を有効にするのに必要な元素である。しかしながら、０．０５２ｍａｓｓ％未満の含有量では効果がなく、一方、０．２０ｍａｓｓ％を超えると添加効果が飽和するため、０．０５２〜０．２０ｍａｓｓ％の範囲内とする。
【００１９】
Ｎ
Ｎは、鋼中Ａｌと結合してＡｌＮとなる。ＡｌＮが多量に生成すると、被削性が向上するが、０．００８０ｍａｓｓ％未満の含有量では効果がなく、０．０２５０ｍａｓｓ％を超えると添加効果が飽和するため、０．００８０〜０．０２５０ｍａｓｓ％の範囲内とする。
【００２０】
Ａｌ／Ｎ
Ａｌ／Ｎは、鋼中に有効に（特に圧延ままでも）ＡｌＮを析出させるのに２．０以上が必要である。しかしながら、１５．０を超えても効果が飽和するため、２．０〜１５．０の範囲内とする。好ましい範囲は、２．５〜１０．０である。
【００２１】
Ｓ
Ｓは、鋼中でＭｎＳとなり、被削性向上に有効である。しかしながら、ＭｎＳが多く存在すると、ＡｌＮの効果が消失してしまう。その含有量については、０．００１ｍａｓｓ％未満では、製造上コスト高になり、０．０４０ｍａｓｓ％を超えるとＡｌＮの効果がなくなるため、０．００１〜０．０４０ｍａｓｓ％の範囲内とする。
【００２２】
快削元素を添加すると、ＡｌＮが有効でなくなるため、この発明においては、快削元素を無添加とする。
【００２３】
この発明において快削元素とは、Ｓ、Ｃａ、Ｐｂ、黒鉛、ＢＮ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｚｒ、Ｔｉ等、従来より、快削鋼に用いられている元素をいい、添加量がＳ：０．０４％未満、Ｃａ：０．００１％以下、Ｐｂ：０．０３％以下、黒鉛：０．００２％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｅ：０．０１％以下、Ｓｅ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０３％（何れもｍａｓｓ％）以下を無添加とする。
【００２４】
なお、この発明は、鋼の成分組成として、上述したＡｌ、Ｎ、Ｓ、Ａｌ／Ｎおよび快削元素に関する規定を満足すればよく、冷間鍛造用鋼材、機械構造用炭素鋼および低合金鋼、工具鋼、軸受鋼、ステンレス鋼等でその効果が得られる。これら鋼には、Ｃ：０．０１〜１．２％、Ｓｉ：０．０３〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％（何れもｍａｓｓ％）が含有されると望ましい効果が得られる。
【００２５】
以下に、これらの成分限定理由について説明する。
【００２６】
Ｃ
Ｃは、強度を確保するため、０．０１％以上添加する。一方、１．２％を超えると靭性が劣化するため、０．０１〜１．２％添加する。
【００２７】
Ｓｉ
Ｓｉは、脱酸剤として０．０３％以上添加する。一方、１．５％を超えるとフェライトが硬化して靭性が劣化するため、０．０３〜１．５％添加する。
【００２８】
Ｍｎ
Ｍｎは、強度を確保するため、０．３％以上添加する。一方、２．０％を超えると靭性が劣化するため、０．３〜２．０％添加する。
【００２９】
【実施例】
次に、この発明を実施例によりさらに説明する。
【００３０】
表１に示す化学成分を有する鋼をそれぞれ真空溶解炉にて１５０ｋｇ溶製した。表１において、Ｎｏ．２〜６は、本発明鋼、Ｎｏ．７〜１２は、比較鋼であり、Ｎｏ．７は、通常のＳ４５Ｃ、Ｎｏ．８は、Ｓ量が本発明範囲より多い鋼、Ｎｏ．９は、Ａｌ量が本発明範囲より少ない鋼、Ｎｏ．１０は、Ｎが本発明範囲より少ない鋼、Ｎｏ．１１、１２は、Ａｌ、Ｎは、本発明範囲内であるが、Ａｌ／Ｎが本発明範囲外である鋼である。
【００３１】
【表１】

【００３２】
次いで、それぞれ１５０ｋｇ鋼塊にした後、熱間鍛造（１２００℃、７０ｍｍ丸：旋削用、１００ｍｍ角：フライス用）、焼ならし（８５０℃、２時間加熱後空冷）し、下記試験に供した。
【００３３】
切削は、旋盤による乾式長手旋削とフライス盤による乾式断続切削を行った。条件は、表２の通りである。すなわち、逃げ面摩耗の測定を行い、Ｖ＝１００ｍ／ｍｉｎでは、摩耗幅（ＶＢ）が０．０５ｍｍとなる時間（分）で、Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎおよびＶ＝３００ｍ／ｍｉｎでは、それぞれ摩耗幅（ＶＢ）が０．１ｍｍとなる時間（分）で評価した。
【００３４】
【表２】

【００３５】
表３に結果を示す。
【００３６】
【表３】

【００３７】
表３から明らかなように、本発明鋼Ｎｏ．２〜６は、比較鋼Ｎｏ．７〜１２に比べて、旋削（連続切削）、フライス加工（断続切削）とも工具寿命に優れていることが分かった。特に、フライス加工による断続高速切削ほど効果が著しいことが分かった。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、切削時の工具寿命に優れた快削鋼が得られ、切削時の能率が向上し、また、快削元素としてのＰｂ無添加であるので、地球環境問題にも配慮しており、産業上きわめて有用である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a free-cutting steel, and more particularly to a free-cutting steel that does not contain a free-cutting element and that is excellent in tool life during cutting and that contains AlN.
[0002]
[Prior art]
Many conventional free-cutting steels have improved machinability due to inclusions in the steel. Practical use is mainly made of MnS and Pb in the low cutting speed range and Ca-based composite oxides in the high cutting speed range. However, MnSe and MnTe are used in the same system as MnS, and Bi is also used in the same system as Pb. The Ca-based composite oxide adheres to the cutting tool surface, prevents direct contact between the tool and the work material, and suppresses wear of the tool.
[0003]
In recent years, there has been a movement of non-use of Pb due to global environmental problems, and high-speed cutting has been studied to improve efficiency, and new component compositions such as BN free cutting steel and graphite free cutting steel have been studied. Free-cutting steel has also been developed.
[0004]
These conventional free-cutting steels are disclosed in JP-A-3-64429 (Prior Art 1), JP-A-60-174854 (Prior Art 2), JP-A 61-291955 (Prior Art 3), and JP-A-1- No. 319651 (Prior Art 4), JP-A-7-316732 (Prior Art 5), and the like. In addition, the present inventors have already proposed as Japanese Patent Laid-Open Nos. 2000-26935 (Prior Art 6) and 2001-342539 (Prior Art 7).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the prior arts 1 to 7 have the following problems.
[0006]
Although the prior art 1 has shown the effect in the cutting speed of 150 m / min at the time of cutting of tool steel, there is no prescription | regulation of Al.
[0007]
Prior art 2 contains Al: 0.05 to 0.50%, but increases the inoculation action of Zr on sulfides and uses Al to improve the machinability by making the sulfides finer Therefore, Zr, which is a free-cutting element, is essential.
[0008]
Prior art 3 contains 2.0% or less of Al, but uses Al for improvement of crystal structure and heat treatment characteristics, and requires free cutting elements S and Te. Is.
[0009]
Prior art 4 contains Al: 0.001 to 0.100%, but uses Al to fix oxygen in the steel and promote precipitation of BN. A certain BN is essential.
[0010]
Prior art 5 contains Al: 0.01 to 0.1%, but becomes AlN in steel and uses Al as a nucleation site for graphite, and graphite, which is a free-cutting element, is essential. It is what.
[0011]
Prior art 6 contains Al and N, but also contains B at the same time, and BN is present in the steel.
[0012]
Prior art 7 shows that Al is contained but free Al that is not an oxide or nitride is effective.
[0013]
The present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a free-cutting steel containing Al and N added with no free-cutting elements and having excellent tool life.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies and obtained the following new knowledge that has not been obtained conventionally.
(1) When no free-cutting element is contained, AlN precipitated in the steel exhibits a lubricating effect and the tool life is improved.
(2) When free-cutting elements (S, Pb, Ca, etc.) are contained, the effect of AlN does not appear.
(3) Al and N contents have optimum ranges, and Al / N also has optimum ranges.
[0015]
The present invention has been made on the basis of the above findings, and is characterized by the following.
[0016]
Invention of Claim 1 is C: 0.01-1.2%, Si: 0.03-1.5%, Mn: 0.3-2.0%, S: 0.001-0.040 %, Al: 0.052 to 0.20%, N: 0.0080 to 0.0250% (above, mass%), the balance being Fe and inevitable impurities, and the following conditions Al / N: 2.0 to 15.0 is satisfied, and it is characterized by not containing a free-cutting element. The invention according to claim 2 does not contain the free-cutting element. S: 0.04 %, Ca: 0.001% or less, Pb: 0.03% or less, Graphite: 0.002% or less, B: 0.005% or less, Te: 0.01% or less, Se: 0.01% or less , Zr: 0.02% or less, Ti: 0.03% or less (above, mass%).
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the reason for limiting the numerical values in the present invention will be described.
[0018]
Al
Al is an element necessary for deoxidizing steel, and for precipitating AlN in the steel and making the lubricating action during cutting effective. However, if the content is less than 0.052 mass%, there is no effect. On the other hand, if it exceeds 0.20 mass%, the effect of addition is saturated, so the content is in the range of 0.052 to 0.20 mass%.
[0019]
N
N combines with Al in the steel to become AlN. When a large amount of AlN is generated, machinability is improved, but if the content is less than 0.0080 mass%, there is no effect, and if it exceeds 0.0250 mass%, the additive effect is saturated, so 0.0080 to 0.0250 mass%. Within the range of
[0020]
Al / N
Al / N needs to be 2.0 or more in order to precipitate AlN effectively (especially as it is rolled) in steel. However, even if it exceeds 15.0, the effect is saturated, so the range is 2.0 to 15.0. A preferred range is 2.5 to 10.0.
[0021]
S
S becomes MnS in steel and is effective for improving machinability. However, if there is a large amount of MnS, the effect of AlN will disappear. About the content, if it is less than 0.001 mass%, it will become expensive on manufacture, and if it exceeds 0.040 mass%, since the effect of AlN will be lose | eliminated, it shall be in the range of 0.001-0.040 mass%.
[0022]
When a free cutting element is added, AlN becomes ineffective, so in this invention, no free cutting element is added.
[0023]
In this invention, the free-cutting element means an element conventionally used in free-cutting steel such as S, Ca, Pb, graphite, BN, Te, Se, Zr, Ti, etc., and the addition amount is S: 0. Less than 04%, Ca: 0.001% or less, Pb: 0.03% or less, Graphite: 0.002% or less, B: 0.005% or less, Te: 0.01% or less, Se: 0.01% Hereinafter, Zr: 0.02% or less, Ti: 0.03% (both mass%) or less are not added.
[0024]
The present invention only needs to satisfy the above-mentioned rules regarding Al, N, S, Al / N and free-cutting elements as the component composition of steel, and steel materials for cold forging, carbon steel for machine structure and low alloy steel. The effect can be obtained with tool steel, bearing steel, stainless steel and the like. When these steels contain C: 0.01 to 1.2%, Si: 0.03 to 1.5%, Mn: 0.3 to 2.0% (both mass%), desirable effects Is obtained.
[0025]
The reasons for limiting these components will be described below.
[0026]
C
C is added in an amount of 0.01% or more to ensure strength. On the other hand, if it exceeds 1.2%, the toughness deteriorates, so 0.01 to 1.2% is added.
[0027]
Si
Si is added in an amount of 0.03% or more as a deoxidizer. On the other hand, if it exceeds 1.5%, the ferrite hardens and the toughness deteriorates, so 0.03 to 1.5% is added.
[0028]
Mn
Mn is added in an amount of 0.3% or more to ensure strength. On the other hand, if it exceeds 2.0%, the toughness deteriorates, so 0.3 to 2.0% is added.
[0029]
【Example】
Next, the present invention will be further described with reference to examples.
[0030]
150 kg of steels having chemical components shown in Table 1 were melted in a vacuum melting furnace. In Table 1, no. 2 to 6 are steels of the present invention, No. Nos. 7 to 12 are comparative steels. 7 is a normal S45C, No. 7; No. 8 is a steel having an amount of S greater than the range of the present invention, No. No. 9 is a steel with an Al content less than the range of the present invention, No. 9; No. 10 is a steel with N less than the scope of the present invention, No. 10; 11 and 12 are steels in which Al and N are within the scope of the present invention, but Al / N is outside the scope of the present invention.
[0031]
[Table 1]

[0032]
Next, after each 150 kg steel ingot, hot forging (1200 ° C., 70 mm round: for turning, 100 mm square: for milling), normalizing (850 ° C., 2 hours heating and air cooling), and subjected to the following test .
[0033]
For the cutting, dry longitudinal turning with a lathe and dry intermittent cutting with a milling machine were performed. The conditions are as shown in Table 2. That is, the flank wear is measured, and when V = 100 m / min, the wear width (VB) is a time (minute) when 0.05 mm, and when V = 200 m / min and V = 300 m / min, the wear width is The time (minutes) at which (VB) was 0.1 mm was evaluated.
[0034]
[Table 2]

[0035]
Table 3 shows the results.
[0036]
[Table 3]

[0037]
As is apparent from Table 3, the present invention steel No. 2-6 are comparative steel No.2 . Compared with 7-12, it turned out that turning (continuous cutting) and milling (intermittent cutting) are excellent in tool life. In particular, it was found that the effect is more remarkable as intermittent high-speed cutting by milling.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, free-cutting steel having excellent tool life at the time of cutting is obtained, the efficiency at the time of cutting is improved, and Pb is not added as a free-cutting element. Considering environmental issues, it is extremely useful in industry.

Claims

C: 0.01-1.2%
Si: 0.03 to 1.5%,
Mn: 0.3 to 2.0%,
S: 0.001 to 0.040%,
Al: 0.052 to 0.20%,
N: 0.0080-0.0250% (above, mass%)
Free-cutting steel characterized by comprising the remainder Fe and unavoidable impurities, satisfying the following conditions Al / N: 2.0 to 15.0, and free-cutting elements.

Not containing the free-cutting element
S: less than 0.04%,
Ca: 0.001% or less,
Pb: 0.03% or less,
Graphite: 0.002% or less,
B: 0.005% or less,
Te: 0.01% or less,
Se: 0.01% or less,
Zr: 0.02% or less,
Ti: 0.03% or less (above, mass%)
The free-cutting steel according to claim 1, wherein