JP3978394B2 - 被削性に優れた硫黄および硫黄複合快削鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被削性向上元素である硫黄および鉛を含有した低炭素量の硫黄および硫黄複合快削鋼に関するものであり、さらには、切屑処理性、表面粗さを含めた被削性に優れた快削鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低炭素快削鋼としては、快削元素として、硫黄（Ｓ）および鉛（Ｐｂ）を添加することにより、快削性を付与する硫黄および硫黄複合快削鋼が知られている。また、被削性については、硫化物が大きいほど、または、紡錘状に近いほど被削性が向上すると言われている。
【０００３】
これまで、被削性に有効な紡錘状の形態に制御するために、一般的には多量の酸素を添加し紡錘状としている。しかしながら、全ての酸素が硫化物に固溶しないため、同時に巨大酸化物の生成が回避できず、地疵の原因となり、加工製品に対して重大な欠陥を発生させている。
【０００４】
また、硬質のアルミナクラスタが生成し、機械的性質が劣化する。これに対して、特開平１−３０９９４６号公報では、巨大酸化物の生成を回避するために酸素量を０．００８ｍａｓｓ％以下に限定した快削鋼が開示されている。以下、この快削鋼を先行技術１という。
【０００５】
また、特公平１−３２３０２号公報には、アルミナクラスタの生成を回避するために酸素量を０．００３０ｍａｓｓ％以下に限定した快削鋼が開示されている。以下、この快削鋼を先行技術２という。
【０００６】
一方、特開２０００−８７１７９号公報には、硫化物を被削性に有効な紡錘状の形態に制御するために酸素ではなく、Ｃａ、あるいは、Ｍｇを添加した快削鋼が開示されている。以下、この快削鋼を先行技術３という。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１−３０９９４６号公報
【特許文献２】
特公平１−３２３０２号公報
【特許文献３】
特開２０００−８７１７９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先行技術１は、酸素量を０．００８％以下に限定しているが、この場合、単に酸素量を低減しているのみなので、硫化物の紡錘状への形態制御が十分でないため、伸長した硫化物が存在するようになることから、被削性の観点からみて不安である。
【０００９】
同様に先行技術２は、酸素量を０．００３０％以下に限定しているが、この場合も単に酸素量を低減しているのみなので、硫化物の紡錘状への形態制御が十分でないため、伸長した硫化物が存在するようになることから、被削性の観点からみて不安である。
【００１０】
先行技術３は、ＣａあるいはＭｇの添加により硫化物を紡錘状にしているが、ＣａあるいはＭｇは、蒸気圧が高いため、製造時添加することが難しく、硫化物の紡錘状への形態制御が十分でないため、伸長した硫化物が存在するようになることから、被削性の観点からみて不安である。
【００１１】
従って、この発明の目的は、上記した問題点を解決することにあり、硫化物を紡錘状化することにより被削性を向上させるのではなく、硫化物を大型化することにより、被削性に優れた硫黄および硫黄複合快削鋼を提供することを目的とする。
【００１２】
硫化物の大型化は、上記した酸素量、Ｃａ量およびＭｇ量に影響されないため、それらの添加の有無、ならびに、添加量によらず被削性の向上が図られるが、硫化物の大型化と同時に、並行して、酸素、Ｃａ、Ｍｇ添加による硫化物を紡錘状に形態制御することによる被削性の向上は可能であるので、更に被削性を向上する目的でそれらを添加することに何ら問題は生じない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は，上記の課題達成のために鋭意研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
【００１４】
（１）硫化物晶出時の硫化物と溶鋼とが共存する固液共存温度域を３０℃以上とすることにより、被削性を向上させるのに十分な大きさの硫化物の確保が可能となった。
【００１５】
（２）Ｃｒ、ＭｎおよびＳの適量添加ならびにＭｎ／Ｃｒ比の適正化を図ることにより、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼が共存する固液共存温度域が３０℃以上とすることが可能となり、その結果、硫化物の大型化が図られ、被削性の向上が可能となった。
【００１６】
（３）上述のごとく、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼が共存する固液共存温度域を３０℃以上とすることにより、被削性を向上させるのに十分な大きさの硫化物の確保が可能となったが、その反面、固相線温度が低下した場合、熱間加工性が低下し、圧延表面疵が生じやすくなることから、固相線温度を１３００℃以上とすることにより、圧延時の表面疵の回避が可能となった。
【００１７】
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。
【００１８】
請求項１記載の発明は、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓ：０．１６〜０．４９％、Ｍｎ：０．０５〜１．８％、Ｃｒ：０．３〜２．３％、Ｓｉ：０．０８％以下、Ｐ ：０．０４〜０．１２％、Ａｌ：０．０１％以下を含有し、更に、Ｃａ：０．０００１〜０．００９０％、Ｐｂ：０．０１〜０．４０％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０％、Ｓｎ：０．００３〜０．０２０％、Ｂ ：０．００４〜０．０１０％、Ｎ ：０．００５〜０．０１５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．００３〜０．０９０％、Ｖ：０．００５〜０．２００％、Ｚｒ：０．００５〜０．０９０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００８０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９０％、Ｏ：０．００３〜０．０３５％の内から選んだ１種または２種以上を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、下記条件
Ｍｎ／Ｃｒ比：０．５〜５
を満足し、更に、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼とが共存する固液共存温度域が３０℃以上で、かつ、固相線温度が１３００℃以上であることに特徴を有するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明における数値の限定理由について説明する。なお、化学成分組成の割合を示す％は、全てｍａｓｓ％である。
【００２３】
Ｃ：０．０２〜０．１５％
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％未満では充分な強度が得られない。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えると強度が高くなりすぎて、被削性が劣化する。好ましくは、０．１０％以下である。従って、Ｃ含有量は、０．０２〜０．１５％の範囲内とする。
【００２４】
Ｓｉ：０．０８％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、この結果、切削工具寿命を劣化させる。従って、工具寿命を更に延ばしたい場合は、０．０８％以下に低減した方がよい。好ましくは０．０３％以下に低減した方がよい。
【００２５】
Ｍｎ：０．０５〜１．８％
Ｍｎは、被削性に重要な硫化物形成元素であるが、Ｍｎ含有量が０．０５％未満では、硫化物量が少ないために十分な被削性が得られない。好ましくは、０．２２％以上とする。一方、Ｍｎ含有量が１．８％を超えると硫化物が細かく晶出してしまうために被削性が低下してしまう。好ましくは、０．６０％未満とする。従って、Ｍｎ含有量は、０．０５〜１．８０％の範囲内とする。
【００２６】
Ｐ：０．０４〜０．１２％
Ｐは、切削加工時に構成刃先の生成を抑制することにより、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含有率が０．０４％未満では、十分な効果が得られない。一方、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、０．０４〜０．１２％の範囲内とする。
【００２７】
Ｓ：０．１６〜０．４９％
Ｓは、被削性に有効な硫化物形成元素であるが、その含有量が０．１６％未満では、硫化物量が少ないために被削性に対する効果が小さい。一方、０．４９％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、０．１６〜０．４９％の範囲内とする。
【００２８】
Ｃｒ：０．３〜２．３％
Ｃｒは、凝固時に硫化物を大きく晶出させるのに有効な元素であり、この作用により、被削性を向上させることができる、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、Ｃｒ含有量が０．３％未満では固相線温度がかなり低温となり、熱間加工性が低下し、圧延時に表面疵が発生する。一方、Ｃｒ含有量が２．３％を超えて添加しても硫化物を大型化する効果が飽和するため、過剰な量の添加は、経済的に不利である。好ましくは、１．５％以下である。従って、Ｃｒ含有量は、０．３〜２．３％の範囲内とする。
【００２９】
Ａｌ：０．０１％以下
Ａｌは、Ｓｉと同様に脱酸元素であり、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、この結果、切削工具寿命を劣化させることから、工具寿命を更に延ばしたい場合は、０．０１％以下に低減した方がよい。好ましくは、０．００３％以下である。
【００３０】
Ｃａ：０．０００１〜０．００９０％、Ｐｂ：０．０１〜０．４０％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０％、Ｓｎ：０．００３〜０．０２０％、Ｂ：０．００４〜０．０１０％、Ｎ：０．００５〜０．０１５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．００３〜０．０９０％、Ｖ：０．００５〜０．２００％、Ｚｒ：０．００５〜０．０９０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００８０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９０％、Ｏ：０．００３〜０．０３５％の内から選んだ１種または２種以上
Ｃａ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｏは、それぞれ被削性が重視される場合に添加される。しかしながら、その添加量がＣａ：０．０００１％、Ｐｂ：０．０１％、Ｓｅ：０．０２％、Ｔｅ：０．０３％、Ｂｉ：０．０２％、Ｓｎ：０．００３％、Ｂ：０．００４％、Ｎ：０．００５％、Ｃｕ：０．０５％、Ｔｉ：０．００３％、Ｖ：０．００５％、Ｚｒ：０．００５％、Ｍｇ：０．０００５％、Ｎｂ：０．００５％、Ｏ：０．００３％未満では、充分な効果が得られない。
【００３１】
一方、Ｃａ：０．００９０％、Ｐｂ：０．４０％、Ｓｅ：０．３０％、Ｔｅ：０．１５％、Ｂｉ：０．２０％、Ｓｎ：０．０２０％、Ｂ：０．０１０％、Ｎ：０．０１５％、Ｃｕ：０．５０％、Ｔｉ：０．０９０％、Ｖ：０．２００％、Ｚｒ：０．０９０％、Ｍｇ：０．００８０％、Ｎｂ：０．０９０％、Ｏ：０．０３５％を超えて添加してもこの効果が飽和してしまい、また、経済的にも不利である。
【００３２】
従って、Ｃａ：０．０００１〜０．００９０％、Ｐｂ：０．０１〜０．４０％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０％、Ｓｎ：０．００３〜０．０２０％、Ｂ：０．００４〜０．０１０％、Ｎ：０．００５〜０．０１５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．００３〜０．０９０％、Ｖ：０．００５〜０．２００％、Ｚｒ：０．００５〜０．０９０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００８０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９０％、Ｏ：０．００３〜０．０３５％の範囲内とする。
【００３３】
Ｍｎ／Ｃｒ比：０．５〜５
Ｍｎ／Ｃｒ比は、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼との固液共存温度域を左右する重要なインデックスで、この比を限定することにより、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼の固液共存温度域が３０℃以上が得られる。しかしながら、その比が０．５未満であると固相線温度がかなり低温となり、熱間加工性が低下し、圧延時に表面疵が発生する。一方、その比が５を超えると硫化物晶出時の硫化物と溶鋼の固液共存温度域が３０℃未満となり、硫化物が大型化しないために、被削性が向上しない。好ましくは、３．５以下とする。従って、Ｍｎ／Ｃｒ比は、０．５〜５の範囲内とする。
【００３４】
固液共存温度域
硫化物晶出時の硫化物と溶鋼との固液共存温度域を３０℃以上とすることにより、硫化物は大型化して被削性向上に寄与するため、この発明の根幹をなす重要な因子である。
【００３５】
固相線温度
固相線温度を１３００℃以上とすることにより、熱間加工性の低下を抑制し、圧延時の表面疵を防止するため、この発明の根幹をなす重要な因子である。
【００３６】
次に、この発明を実施例により、さらに説明する。
【００３７】
表１に示す、この本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明鋼という）Ｎｏ．１、３〜５、および、この発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較鋼という）Ｎｏ．７〜１１、ならびに参考例鋼として、Ｎｏ．１２のＳＵＭ２３Ｌを溶製し、鋳造断面４００ｍｍ×３１０ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径８０ｍｍの棒鋼に熱間圧延した。
【００３８】
【表１】

【００３９】
このようにして製造された本発明鋼、比較鋼および参考例鋼の各々から棒鋼を調製し、これら本発明例、比較例および参考例を、以下のような試験に供した。
【００４０】
硫化物系介在物の大きさ測定は、棒鋼の中間部の縦５．５ｍｍ×横１１ｍｍの領域に存在するもの全てについて、画像解析装置により面積を測定し、円相当径を求めた。
【００４１】
被削性試験は、表２に示す条件で実施し、評価した。
【００４２】
【表２】

【００４３】
表面疵試験は、３００ｍｍ長さに棒鋼を切断し、酸洗後、表面疵の総面積を求めた。表面疵は面状に発生しているため、占有する面積の形で求めた。また、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼の固液共存温度域は、平衡状態図をサーモカルクを用いて作成し、計算により求めた。表３に試験結果を示す。
【００４４】
【表３】

【００４５】
表３から明らかなように、本発明例Ｎｏ．１、３〜５は、何れも参考例Ｎｏ．１２のＳＵＭ２３Ｌに比較して、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼との固液共存温度域が３０℃を超えている。その結果、硫化物の円相当最大径が大きいことから分かるように、硫化物が大型化しているため、切屑処理性、表面粗さを含めた被削性が良好である。
【００４６】
これに対して、比較例Ｎｏ．７は、Ｍｎ量が本発明範囲の上限値を超えているため、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼との固液共存温度域が３０℃未満となり、その結果、硫化物の円相当最大径が小さいことから分かるように、硫化物が細かく晶出しているため、被削性が本発明鋼よりも劣っている。
【００４７】
比較例Ｎｏ．８は、Ｓ量が本発明範囲の下限値未満のため、被削性に有効な硫化物量が少ないことにより、被削性に対する効果が小さく、被削性が本発明鋼よりも劣っている。
【００４８】
比較例Ｎｏ．９は、Ｃｒ量が本発明範囲の上限値を超えているため、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼との固液共存温度域が３０℃未満となり、その結果、硫化物の円相当最大径が小さいことから分かるように、硫化物が細かく晶出しているため、被削性が本発明鋼よりも劣っている。
【００４９】
比較例Ｎｏ．１０は、Ｍｎ／Ｃｒ比が本発明範囲の上限値を超えているため、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼の固液共存温度域が３０℃未満となり、その結果、硫化物の円相当最大径が小さいことから分かるように、硫化物が細かく晶出しているため、被削性が本発明鋼よりも劣っている。
【００５０】
比較例Ｎｏ．１１は、固相線温度が本発明範囲の下限値未満のため，熱間加工性が劣り、圧延時に広範囲にわたり表面疵が生じている。被削性については、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼との固液共存温度域がかなり大きいため、硫化物の円相当最大径が大きいことから分かるように、硫化物は大型化しているが、被削性に対する表面疵の悪影響が大きく、被削性は劣っており、特に外削の工具寿命、ならびに、表面粗さが劣っている。
【００５１】
次に、図１にサーモカルクにより作成した状態図の一例として、ベース成分系を０．０５％Ｃ−０．４％Ｓ−０．５％Ｍｎとして、Ｃｒを０〜５％まで変化させた場合を示す。
【００５２】
図１から明らかなように、Ｃｒ％が上昇するにつれて、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼の固液共存温度域が次第に狭くなっている。
【００５３】
上記本発明例Ｎｏ．３〜５、比較例Ｎｏ．９がおおよそ図１に類似した成分系となるが、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼との固液共存温度域の幅により、硫化物が大型化、ないしは、細かく晶出するようになり、その形態により被削性が左右されることが分かる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、切屑処理性、表面粗さを含めた被削性に優れた硫黄および硫黄複合快削鋼を得ることが可能となり、産業上きわめて有用な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ベース成分系を０．０５％Ｃ−０．４％Ｓ−０．５％Ｍｎとして、Ｃｒを０〜５％まで変化させた場合のサーモカルクにより作成した状態図である。

Claims (1)

1. ｍａｓｓ％で、
   Ｃ ：０．０２〜０．１５％、
   Ｓ ：０．１６〜０．４９％、
   Ｍｎ：０．０５〜１．８％、
   Ｃｒ：０．３〜２．３％、
   Ｓｉ：０．０８％以下、
   Ｐ ：０．０４〜０．１２％、
   Ａｌ：０．０１％以下を含有し、更に、
   Ｃａ：０．０００１〜０．００９０％、
   Ｐｂ：０．０１〜０．４０％、
   Ｓｅ：０．０２〜０．３０％、
   Ｔｅ：０．０３〜０．１５％、
   Ｂｉ：０．０２〜０．２０％、
   Ｓｎ：０．００３〜０．０２０％、
   Ｂ ：０．００４〜０．０１０％、
   Ｎ ：０．００５〜０．０１５％、
   Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
   Ｔｉ：０．００３〜０．０９０％、
   Ｖ ：０．００５〜０．２００％、
   Ｚｒ：０．００５〜０．０９０％、
   Ｍｇ：０．０００５〜０．００８０％、
   Ｎｂ：０．００５〜０．０９０％、
   Ｏ ：０．００３〜０．０３５％
   の内から選んだ１種または２種以上を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、下記条件
   Ｍｎ／Ｃｒ比：０．５〜５
   を満足し、更に、硫化物晶出時の硫化物と溶鋼とが共存する固液共存温度域が３０℃以上で、かつ、固相線温度が１３００℃以上であることを特徴とする、被削性に優れた硫黄および硫黄複合快削鋼。

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