JP4023196B2 - Machine structural steel with excellent machinability - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬工具による切削を行なったときの被削性がすぐれ、かつ、切屑の破砕性がよい機械構造用鋼と、その製造方法に関する。本発明はまた、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示す機械構造用鋼と、その製造方法にも関する。
【0002】
本発明において、「二重構造介在物」の語は、酸化物を主体とする介在物が芯となり、その周囲を、硫化物を主体とする介在物が取囲んでいる構造の介在物をいう。「工具寿命比」および「寿命比」の語は、超硬工具による切削、とくに旋削において、同一のS含有量をもつ在来のイオウ快削鋼の工具寿命と本発明の快削鋼の工具寿命との比を意味する。MnS介在物に関して、「微細に分散した」とは、在来の鋼中におけるMnS介在物よりは微細な粒であり、かつ、凝集あるいは集中することなく、鋼中に平均的に分布している状態を意味する。
【0003】
【従来の技術】
被削性が高い機械構造用鋼に関する研究は長年にわたって行なわれており、出願人もこれまでに多数の提案をしてきた。最近のものとしては、特開平10−287953号「機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼」が、ひとつの代表である。この快削鋼は、CaOを8〜62%含むカルシウムアルミネート酸化物介在物を内部に包み込んだ、長径/短径比が5以下であるような紡錘型の、Caを1%以上含むカルシウム・マンガン硫化物介在物を含有することを特徴とするものである。この発明は、すぐれた被削性を実現したが、実施に当たって、ときにより被削性にバラツキが見られることが経験された。これは、カルシウム・マンガン硫化物介在物の存在形態が種々あり得るためと解される。
【0004】
続いて出願人は、特開2000−34538号「旋削加工性に優れた機械構造用鋼」において、Ca含有硫化物をCa含有量に従って三区分し、観察視野の面積に占める面積率を、Ca含有量が40%を超えるものをA、0.3〜40%のものをB、0.3%未満のものをCとするとき、A/(A+B+C)≦0.3、かつB/(A+B+C)≧0.1の条件を満たすとき、旋削工具寿命が著しく延びることを開示した。
【0005】
さらに研究を進めた出願人は、特開2000−219936号「快削鋼」に至って、介在物の存在すべき個数を明らかにして、被削性のバラツキを軽減することに成功した。この発明の鋼は、0.1〜1%のCaを含有する円相当直径5μm以上の硫化物を3.3mm当たり5個以上含有することを特徴とする。しかし、被削性のバラツキに関して、なお改善の余地があった。
【0006】
そこで出願人は、被削性のバラツキを改善した機械構造用鋼であって、とくに超硬工具切削性が高く、前記した工具寿命比にして5倍以上の被削性を達成した快削鋼を開発して、これも提案した(特願2001−174606「超硬工具旋削性にすぐれた機械構造用の快削鋼」)。この快削鋼は、介在物の存在形態に特徴があって、「CaO含有量が8〜62重量%の酸化物系介在物と接して存在する、1.0重量%以上のCaを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積3.5mm当たり2.0×10-4mm以上」というのが、それである。このような二重構造介在物の形態の代表的な例を、上記特許出願に示した。
【0007】
上記のような二重構造介在物を確実に生成させることができる製造方法は、鋼の溶製に当たり、下記の条件を満たす操業を行なうことであって、これも上記特許出願において開示した。
[S]/[O]:8〜40
[Ca]×[S]:1×10-5〜1×10-3
[Ca]/[S]:0.01〜20 かつ
[Al]:0.001〜0.020%
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した二重構造介在物の形態を利用することにより被削性のバラツキを改善し、工具寿命比にして5倍以上の被削性改善を可能にした機械構造用の快削鋼において、さらなる改良を加え、切削屑の破砕性がよく、機械加工とくに旋削に適した鋼を提供することにある。被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示す機械構造用の快削鋼を提供することも、本発明の目的に含まれる。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する、本発明の被削性にすぐれ、切屑破砕性のよい機械構造用の快削鋼は、基本的な合金組成として、重量%で、C:0.05〜0.8%、Si:0.01〜2.5%、Mn:0.1〜3.5%、S:0.01〜0.2%、Al:0.001〜0.020%、Ca:0.0005〜0.02%、O:0.0005〜0.01%およびN:0.001〜0.04%に加えてTi:0.002〜0.020%およびZr:0.002〜0.040%の1種または2種を含有し、残部が不可避の不純物およびFeからなる合金組成を有し、CaO含有量が0.2〜62重量%の酸化物系介在物と接して存在する、1.0重量%以上のCaを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積3.5mm当たり2.0×10-4mm以上であり、MnS介在物が、その平均粒径1.0μm以上のものの数がS含有量0.01%あたり5個/ mm 以上であるように分散している機械構造用鋼である。
【0010】
上記の被削性にすぐれ、切屑破砕性のよい機械構造用の快削鋼を製造する本発明の方法は、重量%で、C:0.05〜0.8%、Si:0.01〜2.5%、Mn:0.1〜3.5%、S:0.01〜0.2%、Al:0.001〜0.020%、Ca:0.0005〜0.02%、O:0.0005〜0.01%およびN:0.001〜0.04%を含有し、残部が不可避の不純物およびFeからなる組成の合金を溶製し、その際、下記の条件を満たす操業を行なうことにより調整された脱酸を行ない、
[S]/[O]:8〜40
[Ca]×[S]:1×10-5〜1×10-3
[Ca]/[S]:0.01〜20 かつ
[Al]:0.001〜0.020%
CaO含有量が0.2〜62重量%の酸化物系介在物と接して存在する、1.0重量%以上のCaを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積3.5mm当たり2.0×10-4mm以上となるようにしたのち、Ti:0.002〜0.020%およびZr:0.002〜0.040%の1種または2種を添加して、調整された脱酸後の鋼中のOとTiおよび(または)Zrとの反応により微細なTi酸化物および(または)Zr酸化物を形成させ、これらを含有する複合酸化物を核としてMnS介在物を析出させることにより、MnS介在物が、その平均粒径1.0μm以上のものの数がS含有量0.01%あたり5個/ mm 以上であるように分散したものを得ることからなる製造方法である
【0011】
【発明の実施形態】
本発明の機械構造用鋼において、基本的な合金組成の鋼の組成を上記のように限定した理由は、つぎのとおりである。
【0012】
C:0.05〜0.8%
Cは強度を確保するために必要な成分であり、0.05%未満の含有量では、機械構造用鋼としての強度が不足である。一方、CはSの活量を増大させるので、多量になると、上記した[S]/[O]、[Ca]×[S]、[Ca]/[S]および特定の[Al]量のバランスの下で、二重構造介在物を得ることが難しくなる。Cを多量にすると、靱性や被削性も低くなるので、0.8%という上限を設けた。
【0013】
Si:0.01〜2.5%
Siは溶製時の脱酸剤として鋼の成分となり、焼入性を高める働きもある。この効果は、0.01%に達しない少量では期待できない。SiもまたSの活量を増大させるので、多量のSiの存在は、多量のCと同じ問題を生じ、二重構造介在物の生成を妨げるおそれがある。多量のSiはまた、延性を損ない、塑性加工時に割れが発生しやすくなることもあって、2.5%が添加量の上限である。
【0014】
Mn:0.1〜3.5%
Mnは、硫化物を生成する重要な元素である。0.1%未満の量では、介在物の量が足りないが、3.5%を超える過大な含有量になると、鋼を硬くして被削性を低下させる。
【0015】
S:0.01〜0.2%
Sは被削性の向上にとって、有用というより、不可欠な成分であって、0.01%以上を存在させる。本発明の目標である工具寿命比5以上を達成するには、0.01%以上のSを必要とする。S量が0.2%を超えると、靱性と延性を悪くするばかりか、CaとともにCaSを生成する。CaSは融点が高いため、鋳造工程の障害になる。
【0016】
Al:0.001〜0.020%
酸化物系介在物の組成を適切に調整する上で必要であり、少なくとも0.001%を添加する。0.20%を超えると硬質のアルミナクラスターを生成し、これが鋼の被削性を損なう。
【0017】
Ca:0.0005〜0.02%
Caは、本発明の鋼にとってきわめて重要な成分である。硫化物中にCaを含有させるために、0.0005%以上の添加を必須とする。一方、0.02%を上回る過剰のCaの添加は、前記した高融点のCaSの生成を招き、鋳造の障害になる。
【0018】
O:0.0005〜0.01%
Oは酸化物の生成に必要な元素である。過度に脱酸した鋼においては高融点のCaSが多量に生成し、鋳造の支障になるから、少なくとも0.0005%、好ましくは0.0015%を超えるOが必要である。一方、0.01%を超えるOは、多量の硬質な酸化物をもたらし、その結果、被削性が悪くなるとともに、所望のカルシウム硫化物の生成が困難になる。CaおよびAlを使用して複合脱酸を行なうると、CaO・Al系の複合酸化物が生成するが、これは低融点の介在物であって、被削性にとっては好ましい。
【0019】
複合酸化物の生成に加えて、Oは、下に述べるように、Tiおよび(または)Zrと微細な酸化物を形成してこれがMnSの析出核となることで、MnSを微細化する。この作用を期待するには、ある最低量のTi酸化物、Zr酸化物または(Ti+Zr)酸化物を生成させなければならないから、
[O]/[N]:0.06以上
の条件を与える必要がある。
【0020】
N:0.001〜0.04%
Nは結晶粒の粗大化を防止するのに有効な成分であり、また、Tiと結合してTiNを生成する上で、重要である。こうした観点から、0.001%以上のNの存在が必要である。過大なN量は鋳造欠陥などを引き起こすから、0.04%を上限とした。
【0021】
Ti:0.002〜0.020%およびZr:0.002〜0.040%の1種または2種
微量のTiまたはZrは、CaおよびAlで脱酸された鋼中のOと結合して、微細な酸化物を形成する。これがMnSの析出に対し、核としてはたらくので、MnSを微細に分散させるのに役立つ。TiとZrとは、それぞれ単独でも効果はあるが、2種を併用(たとえば、Ti:0.005%+Zr:0.015%)する方が、MnSの微細化効果が高く、有利である。二重構造介在物およびその他の酸化物の生成に影響を与えずに、適量のTi酸化物またはZr酸化物を生成させるためには、TiおよびZrの量を、それぞれ上記した0.002〜0.020%、0.002〜0.040%の範囲に調整する必要がある。本発明の構造用鋼において必須である二重構造介在物を確実に形成させるには、調整脱酸を実施したのちに、Tiおよび(または)Zrの添加を行なうことが肝要である。
【0022】
TiおよびZrはまた、微細なTi(CN)またはZr(CN)を生成した場合、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒度の成長を抑制する作用がある。これを期待するには、上記の下限量である0.002%以上のTiまたは0.002%以上のZrの存在と、
[Ti+Zr]×[N]:5×10- 〜2×10-
の条件とを与える必要がある。本発明の鋼においてこのバランスを達成したものは、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示し、この性質が要求されるクランクシャフトやコンロッドの材料として好適である。
【0023】
不純物として不可避なPについていえば、これは靱性にとっては有害な成分であって、0.2%を超えて存在させることはできないが、一方でPは、被削性とくに仕上面性状を改善する成分でもある。この効果は、0.001%以上の存在で認められる。
【0024】
本発明の機械構造用の快削鋼は、上記した基本的な合金組成に加えて、鋼の用途により必要となるところに従い、つぎのグループに属する元素の1種または2種以上を、下に規定する組成範囲内で、追加的に含有することができる。それらの変更態様において、任意に添加することができる各合金成分の働きと組成範囲の限定理由を、つぎに述べる。
【0025】
Cr:3.5%以下、Mo:2.0%以下
CrおよびMoは、焼入性を高めるので、適量を添加するとよい。しかし、多量に添加すると熱間加工性を損ねて、割れを招く。コスト面の配慮もあって、それぞれの上限を、Crは3.5%、Moは2.0%と定めた。
【0026】
Cu:2.0%以下
Cuは、組織を緻密にし、強度を高める。多量の添加は、熱間加工性にとっても、被削性にとっても好ましくないから、2.0%以下の添加に止める。
【0027】
Ni:4.0%以下
Niも、CrおよびMoと同様に焼入性を高めるが、被削性にはマイナスの存在である。それと、コストを考えて、4.0%を上限とした。
【0028】
B:0.0005〜0.01%
Bは微量の添加で焼入性を高める。この効果を得るには、0.0005%以上の添加を必要とする。0.01%を超える添加は、熱間加工性を損ねて有害である。
【0031】
Pb:0.4%以下、Bi:0.4%以下
どちらも、被削性改善元素である。Pbは、単独で、または硫化物の外周に付着する形で存在し、それ自身が被削性を高める。0.4%という上限は、これ以上のPbを添加しても鋼に溶解せず、凝集・沈殿して鋼の欠陥になることを理由に設けた。Biも同様である。
【0032】
Se:0.4%以下、Te:0.2%以下
これらも、被削性改善元素である。それぞれの上限0.4%、0.2%、0.1%および0.05%は、熱間加工性への悪影響を考慮して定めた。
【0033】
本発明にしたがう機械構造用の快削鋼の内部に存在する介在物は、図1に見るように、二重構造介在物とMnS介在物とである。二重構造介在物は、EPMA分析によれば、芯部がCa,Mg,SiおよびAlの酸化物であり、その周囲を、CaSを含有するMnSが取り囲んでいる。MnS介在物は、微細に分散している。これに対し、単にMnSの被削性改善効果を求めた従来の快削鋼の中におけるMnSは、図2のように大型である(図2のMnSは、圧延により伸張されている)。
【0034】
二重構造介在物の形態は、後に論じる機構を通じて、本発明で目標とした、工具寿命比5という被削性を達成するために必要なものであり、このような介在物の形態を実現するための条件が、これも前記した操業条件である。それらの条件がもつ意義は、先の発明の開示に当たり、データをもってすでに説明したが、本発明にとっても重要であるから、以下にその説明を再掲する。
【0035】
CaO含有量が0.2〜62重量%の酸化物系介在物と接して存在する、1.0重量%以上のCaを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積3.5mm当たり2.0×10-4mm以上
上記の条件を満たす介在物の占有面積と、超硬工具による旋削を行なったときに得られる工具寿命と、同一S含有量のイオウ快削鋼が示す工具寿命に対する比との相関を、図3のグラフに示す。このデータは、本発明に従うS45C系の快削鋼に対して旋削を行なって得たものであって、工具寿命比5以上の結果は、二重構造介在物が2.0×10-4mm以上を占めたときに達成できることを示している。
【0036】
Al:0.001〜0.020%
Al含有量と工具寿命比との相関をプロットして得たのが、図4のグラフである。このグラフは、工具寿命比5以上の目標達成のためには、Al含有量が上記した範囲内にあることの必要性を示している。
【0037】
[S]/[O]:8〜40
種々のS含有量およびO含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比5以上の目標を達成できるか否かを、異なるプロットにより区別したのが、図5のグラフである。目標を達成したもの(●プロット)は、[S]/[O]=8の直線と[S]/[O]=40の直線とに挟まれた三角形の領域内にあり、そうでないもの(×プロット)は領域外にあることがわかる。
【0038】
[Ca]/[S]:0.01〜20
[Ca]×[S]:1×10−5〜1×10−3
上記と同様に、種々のS含有量およびCa含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比5以上の目標を達成できるか否かを示したのが、図5のグラフである。目標を達成したもの(●プロット)は、[Ca]/[S]が0.01である直線と0.20である直線とに挟まれ、かつ、[Ca]×[S]が1×10−5である直線と1×10−3である直線とに挟まれた四辺形の領域に集中していることがわかる。上記の[S]/[O]、[Ca]/[S]および[Ca]×[S]の条件を同時にみたすものは、すべて工具寿命比5以上の目標を達成している。
【0039】
本発明の機械構造用鋼がすぐれた被削性を示す理由として発明者らが考えているのは、二重構造介在物による、工具表面のよりよい保護および潤滑という機構である。これもさきの発明の開示に含めてあるが、再度説明する。
【0040】
二重構造介在物は、芯部がCaO・Al系の複合酸化物であり、その周りを(Ca,Mn)S系の複合硫化物が取り巻いている。この酸化物は、CaO−Al系の中では低融点のものであり、一方、複合硫化物は、単純な硫化物MnSよりも高融点である。この二重構造介在物は、酸化物をCaO−Al系の低融点のものにすることにより、確実に硫化物が酸化物を取り巻く形で析出する。切削にあたって硫化物系介在物が軟化して工具表面を被覆し、保護するという作用はよく知られているが、硫化物だけしか存在しないと、この被膜の生成および維持は安定しない。さきの発明の発明者らが見出したところでは、硫化物系介在物にCaO−Al系の低融点酸化物が共存すると、被膜が安定に生成する上、(Ca,Mn)S系の複合硫化物は、単純なMnSよりも、潤滑性能が高い。
【0041】
(Ca,Mn)S系の複合硫化物が工具表面に被膜を形成する意義は、「熱拡散摩耗」とよばれる超硬工具の摩耗を抑制する効果にある。熱拡散摩耗は、工具が切削対象から生じる切り屑に高温で接すると、工具材料を構成するタングステン・カーバイドWCに代表される炭化物が熱分解して、Cが切り屑金属中に拡散して失われる結果、工具が脆くなって進む摩耗である。潤滑性の高い被膜が工具表面に生成すると、工具の温度上昇が防がれて、Cの拡散が抑制される。
【0042】
本発明の快削鋼の二重構造介在物CaO−Al/(Ca,Mn)Sは、観点を変えてみれば、従来のイオウ快削鋼の介在物であるMnSと、従来のカルシウム快削鋼の介在物であるアノルサイトCaO・Al・2SiOとの、それぞれの利点を併せもつものということができる。MnSは、工具表面において潤滑性を示すが、被膜の安定性がいまひとつであり、熱拡散摩耗に対しては無力である。一方、CaO・Al・2SiOは、安定な被膜を形成して熱拡散摩耗を防ぐが、潤滑性に乏しい。これに対し本発明の二重構造介在物は、安定な被膜を形成して熱拡散摩耗を効果的に防止するとともに、よりよい潤滑性を示す。
【0043】
このような二重構造介在物の生成は、前述のように低融点の複合酸化物を用意することから始まるので、まずAl量が重要であって、少なくとも0.001%の存在が必要である。Alが多量に過ぎると、複合酸化物の融点が高くなってしまうから、0.020%以内にする。つぎに、CaSの生成量を調節するために、[Ca]×[S]および[Ca]/[S]を、前記した値にコントロールするわけである。
【0044】
上述した機構は仮説ではなく、事実に即したものであることが、さきの発明において、その快削鋼を旋削した後の超硬工具表面の状態と、そこに付着した溶融介在物の分析結果とを、在来のイオウ快削鋼を旋削した場合との対比によって明らかになった。
【0045】
本発明の機械構造用の快削鋼を特徴づける切屑破砕性のよさは、前述のようにMnS介在物の微細化によってもたらされる。介在物量が一定であることを前提にすると、微細化は介在物の数の増大を意味する。本発明の鋼におけるMnS介在物の量は、主としてS含有量によって決定される。S量は0.01〜0.2%にわたって変化するから、MnS量もまたそれに伴って変化し、微細化した介在物の個数も増減する。本発明の鋼の中では、MnS介在物は、在来の鋼中のMnS介在物よりは微細であるが、それらの中で、存在が切屑破砕性に影響するものは、やはり平均粒径が1.0μm以上のものである。(ここで、「平均粒径」とは、顕微鏡視野に表われた粒子断面の長径と短径との平均値をいう。)
【0046】
S含有量は異なるが、いずれも切屑破砕性の高い本発明の鋼について、平均粒径1.0μm以上のMnS介在物の単位断面積(mm)あたりの存在個数を、倍率400倍の光学顕微鏡を用いて調査したところ、つぎの介在物数が得られ、S量との関係も、ほぼ一定であることがわかった。
鋼のS含有量 MnS介在物個数 0.01%S当り
0.01% 5.4個/mm 5.4個/mm
0.03% 16.2個/mm 5.4個/mm
0.062% 32.0個/mm 5.2個/mm
0.125% 32.0個/mm 6.2個/mm
このデータから、さまざまなS含有量の範囲にわたって、MnS介在物の個数がS含有量0.01%あたり5個/mm以上であれば、良好な切屑破砕性が確保できることが結論された。
【0047】
【実施例】
下記の実施例および比較例の表において、番号が大文字(A,B,…)で始まるものは実施例であり、小文字(a,b,…)で始まるものは比較例である。組成の表は重量%表示、残部Feであるが、O,N,CaおよびMgはppm表示である。溶製した合金はインゴットに鋳造し、このインゴットから径72mmの丸棒型の試験片を採取して、試験に供した。各試験の方法と評価は、つぎのとおりである。
【0048】
[介在物面積] Alを含有する酸化物に接して存在する、Caを含有する硫化物が、2×10-4mm/3.5mm以上の専有面積を有する場合を良好(○印)、そうでないとき不良(×印)とした。
【0049】
[被削性] 超硬工具を用いた、つぎの条件の旋削を行なって、
速 度:200m/分
送 り:0.2mm/回転
深 さ:2.0mm
S含有量が0.01〜0.2%の範囲にあるイオウ快削鋼の工具寿命を標準として、その5倍の工具寿命が達成できたとき被削性良好(○印)、2倍以上5倍未満のとき被削性可(△印)、2倍未満のとき被削性不良(×印)とした。工具寿命は、横逃げ面平均摩耗幅が0.2mmになるまでの加工時間で評価した。
【0050】
[保護被膜の有無] 切削工具の表面に付着した物質を分析して、Ca,MnおよびSが検出された場合に潤滑性の保護被膜が形成されたと考え(○印)、そうでない場合は形成されなかった(×印)とした。
【0051】
[切屑の破砕性] 下記の条件で切削した場合の切屑を採取し、
速 度:150m/分
送 り:0.025〜0.200mm/回転
深 さ:0.3〜1.0mm
工 具:DNMG150480−MA
その長さによって0〜4点の点数をつけ、30回の切削試験により得られた点数の合計を「切屑破砕性指数」とした。同一イオウ含有量のイオウ快削鋼に比べて切屑破砕性指数が高い場合を良好(○印)、同点または低い場合を不良(×印)とした。
【0052】
[実施例1]
S45C系を対象にして本発明を適用した。合金組成を表1(実施例)および表2(比較例)に示し、各快削鋼の成分比すなわち[S]/[O]、[Ca]・[S]×10−5および[Ca]/[S]の値と、介在物の形態、保護被膜の形成の有無、被削性および切屑破砕性とを、まとめて表3(実施例)および表4(比較例)に示した。
【0053】
表1 S45C系 実施例

Figure 0004023196
【0054】
表2 S45C系 比較例
Figure 0004023196
【0055】
表3 S45C系 実施例
Figure 0004023196
【0056】
表4 S45C系 比較例
Figure 0004023196
【0057】
[実施例2]
S15C系の快削鋼について、実施例1と同様に、合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表5(実施例)および表6(比較例)に、試験結果を表7(実施例)および表8(比較例)に、それぞれ示す。
【0058】
表5 S15C系 実施例
Figure 0004023196
【0059】
表6 S15C系 比較例
Figure 0004023196
【0060】
表7 S15C系 実施例
Figure 0004023196
【0061】
表8 S15C系 比較例
Figure 0004023196
【0062】
[実施例3]
S55C系快削鋼について、実施例1と同様に、合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表9(実施例)および表10(比較例)に、試験結果を表11(実施例)および表12(比較例)に、それぞれ示す。
【0063】
表9 S55C系 実施例
Figure 0004023196
【0064】
表10 S55C系 比較例
Figure 0004023196
【0065】
表11 S55C系 実施例
Figure 0004023196
【0066】
表12 S55C系 比較例
Figure 0004023196
【0067】
[実施例4]
SCr415系快削鋼について、実施例1と同様に合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表13(実施例)および表14(比較例)に、試験結果を表15(実施例)および表16(比較例)に、それぞれ示す。
【0068】
表13 SCr415系 実施例
Figure 0004023196
【0069】
表14 SCr415系 比較例
Figure 0004023196
【0070】
表15 SCr415系 実施例
Figure 0004023196
【0071】
表16 SCr415系 比較例
Figure 0004023196
【0072】
[実施例5]
SCM440系快削鋼について、実施例1と同様に,合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表17(実施例)および表18(比較例)に、試験結果を表19(実施例)および表20(比較例)に、それぞれ示す。
【0073】
表17 SCM440系 実施例
Figure 0004023196
【0074】
表18 SCM440系 比較例
Figure 0004023196
【0075】
表19 SCM440系 実施例
Figure 0004023196
【0076】
表20 SCM440系 比較例
Figure 0004023196
【0077】
【発明の効果】
本発明の機械構造用の快削鋼においても、さきに開示した快削鋼と同じ被削性が実現している。すなわち、高い被削性をもたらす介在物である二重構造介在物が最適の形態で存在するから、切削とくに超硬工具旋削において、在来のイオウ快削鋼に対して工具寿命が5倍以上という目標を容易に達成することができる。
【0078】
さらに本発明の機械構造用の快削鋼では、微量のTiおよび(または)Zrを添加することにより、微細に分散したMnS介在物を有し、それによって切屑破砕性が高い快削鋼となっているから、旋削にとってとりわけ好都合である。鋼中に微細なTi(CN)および(または)Zr(CN)を生成させた製品は、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒の成長を抑制することができるから、被削性および切屑破砕性に加えて、疲労強度や曲げ矯正性が高く、このような性質が要求される用途にとって有用である。
【0079】
本発明の製造方法は、上記のような機械構造用の快削鋼を確実に製造できる方法であって、調整された脱酸を行なうことにより二重構造介在物を有利に形成させ、さらに適切なタイミングで、つまり調整脱酸により二重構造介在物が形成させたのちに、適量のTiおよび(または)Zrを添加することにより、MnS介在物が微細に分散することにより切屑破砕性のよい快削鋼を得ることができる。Ti量および(または)Zr量とともにO量およびN量を適切にえらんでこの製造方法を実施すれば、鋼中に微細なTi(CN)および(または)Zr(CN)が生成し、疲労強度や曲げ矯正性が改善された機械構造用の快削鋼が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にしたがう機械構造用の快削鋼中の、介在物の形状を示す顕微鏡写真。
【図2】 在来のイオウ快削鋼中の、介在物の形状を示す顕微鏡写真。
【図3】 機械構造用の快削鋼中において、「二重構造介在物」が占める面積と工具寿命比との関係を示すグラフ。
【図4】 機械構造用の快削鋼における、Al含有量と工具寿命比との関係をプロットしたグラフ。
【図5】 種々のS含有量およびO含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比5以上の目標が達成できたか否かを示したグラフ。
【図6】 種々のS含有量およびCa含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比5以上の目標が達成できたか否かを示したグラフ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a machine structural steel that has excellent machinability when cutting with a carbide tool and has good chip crushability, and a method for producing the same. The present invention also relates to a mechanical structural steel that exhibits excellent fatigue strength and bending straightness in addition to machinability and chip crushability, and a method for producing the same.
[0002]
In the present invention, the term “double structure inclusion” refers to an inclusion having a structure in which an inclusion mainly composed of an oxide serves as a core and surrounds an inclusion mainly composed of a sulfide. . The terms "tool life ratio" and "life ratio" refer to the tool life of conventional sulfur free-cutting steel having the same S content and the tool of the free-cutting steel according to the present invention in cutting with carbide tools, especially turning. It means the ratio with life. With respect to MnS inclusions, “finely dispersed” means finer grains than MnS inclusions in conventional steel, and is distributed in the steel on average without agglomeration or concentration. Means state.
[0003]
[Prior art]
Research on machine structural steel with high machinability has been conducted for many years, and the applicant has made many proposals so far. As a recent example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-287953 “Mechanical structural steel excellent in mechanical properties and drilling workability” is one representative. This free-cutting steel is a spindle-type calcium alloy containing 1% or more of Ca and containing a calcium aluminate oxide inclusion containing 8 to 62% of CaO and having a major axis / minor axis ratio of 5 or less. It contains manganese sulfide inclusions. Although the present invention has achieved excellent machinability, it has been experienced that, in practice, the machinability sometimes varies. This is understood to be because there are various forms of calcium / manganese sulfide inclusions.
[0004]
Subsequently, the applicant categorized the Ca-containing sulfide into three according to the Ca content in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-34538 “Machining steel with excellent turning workability”, A / (A + B + C) ≦ 0.3, and B / (A + B + C) where A is the content exceeding 40%, B is 0.3-40%, and C is less than 0.3%. ) Disclosed that the turning tool life is significantly extended when the condition of ≧ 0.1 is satisfied.
[0005]
Further, the applicant who has advanced the research has reached JP-A-2000-219936 “Free-cutting steel” and has succeeded in reducing the variation in machinability by clarifying the number of inclusions. The steel of the present invention is characterized by containing 5 or more sulfides having an equivalent circle diameter of 5 μm or more and containing 0.1 to 1% of Ca per 3.3 mm 2 . However, there was still room for improvement in terms of variation in machinability.
[0006]
Therefore, the applicant applied to machine structural steel with improved machinability variation, especially free-cutting steel with high machinability of carbide tools and achieving machinability of 5 times or more in the above-mentioned tool life ratio. This was also proposed (Japanese Patent Application No. 2001-174606 “Free-cutting steel for machine structure with excellent carbide tool turning ability”). This free-cutting steel is characterized by the presence of inclusions, and contains "1.0 wt% or more of Ca present in contact with oxide inclusions having a CaO content of 8 to 62 wt%. That is, the area occupied by the sulfide inclusions is 2.0 × 10 −4 mm 2 or more per 3.5 mm 2 visual field area ”. A representative example of the form of such a double structure inclusion is shown in the above patent application.
[0007]
The production method capable of reliably generating the double structure inclusion as described above is to perform an operation satisfying the following conditions when melting steel, which is also disclosed in the above patent application.
[S] / [O]: 8 to 40
[Ca] × [S]: 1 × 10 −5 to 1 × 10 −3
[Ca] / [S]: 0.01 to 20 and [Al]: 0.001 to 0.020%
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to improve the machinability by utilizing the form of the double structure inclusion described above, and to improve the machinability by 5 times or more in terms of the tool life ratio. In the free-cutting steel, further improvement is to provide a steel suitable for machining, particularly turning, with good chipping property. It is also included in the object of the present invention to provide a free-cutting steel for a machine structure that exhibits excellent fatigue strength and bending straightness in addition to machinability and chip crushability.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The free-cutting steel for machine structures that achieves the above object and has excellent machinability and good chip crushability according to the present invention has a basic alloy composition of C: 0.05 to 0.8 in weight%. %, Si: 0.01 to 2.5%, Mn: 0.1 to 3.5%, S: 0.01 to 0.2%, Al: 0.001 to 0.020%, Ca: 0.0. In addition to 0005-0.02%, O: 0.0005-0.01% and N: 0.001-0.04%, Ti: 0.002-0.020% and Zr: 0.002-0. 040% of one or two kinds, the balance has an alloy composition consisting of inevitable impurities and Fe, and exists in contact with oxide inclusions having a CaO content of 0.2 to 62% by weight, the area occupied by the sulfide inclusions containing 1.0 wt% or more of Ca is, the viewing area 3.5 mm 2 per 2.0 × 10 -4 mm 2 or more There, MnS inclusions, the number average particle diameter 1.0μm or more things a machine structural steel are dispersed such that S contains five weight per 0.01% / mm 2 or more.
[0010]
The method of the present invention for producing a free-cutting steel for machine structures having excellent machinability and good chip crushability is as follows:% by weight, C: 0.05 to 0.8%, Si: 0.01 to 2.5%, Mn: 0.1-3.5%, S: 0.01-0.2%, Al: 0.001-0.020%, Ca: 0.0005-0.02%, O : 0.0005 to 0.01% and N: 0.001 to 0.04%, the remainder is an inevitable impurity and an alloy composed of Fe is melted. To perform deoxidation adjusted by performing
[S] / [O]: 8 to 40
[Ca] × [S]: 1 × 10 −5 to 1 × 10 −3
[Ca] / [S]: 0.01 to 20 and [Al]: 0.001 to 0.020%
The occupied area of sulfide inclusions containing Ca of 1.0 wt% or more present in contact with oxide inclusions having a CaO content of 0.2 to 62 wt% has a viewing area of 3.5 mm 2. After making it become 2.0 × 10 −4 mm 2 or more per one, adding one or two of Ti: 0.002 to 0.020% and Zr: 0.002 to 0.040%, Fine Ti oxides and / or Zr oxides are formed by the reaction of O in the adjusted deoxidized steel with Ti and / or Zr, and MnS intervenes with complex oxides containing these as cores By precipitating the product, the MnS inclusions are dispersed so that the number of those having an average particle size of 1.0 μm or more is 5 / mm 2 or more per S content of 0.01%. It is a manufacturing method .
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the steel for machine structure of the present invention, the reason why the composition of the steel having the basic alloy composition is limited as described above is as follows.
[0012]
C: 0.05 to 0.8%
C is a component necessary for ensuring the strength. If the content is less than 0.05%, the strength as steel for machine structural use is insufficient. On the other hand, since C increases the activity of S, when it becomes large, the amount of [S] / [O], [Ca] × [S], [Ca] / [S], and a specific amount of [Al] is increased. Under balance, it becomes difficult to obtain a double structure inclusion. If C is increased, the toughness and machinability are also lowered, so an upper limit of 0.8% was set.
[0013]
Si: 0.01 to 2.5%
Si becomes a component of steel as a deoxidizer at the time of melting, and also has a function of improving hardenability. This effect cannot be expected with a small amount not reaching 0.01%. Since Si also increases the activity of S, the presence of a large amount of Si causes the same problems as a large amount of C, which may hinder the formation of double structure inclusions. A large amount of Si also impairs ductility, and cracks are likely to occur during plastic working, so 2.5% is the upper limit of the amount added.
[0014]
Mn: 0.1 to 3.5%
Mn is an important element that generates sulfides. If the amount is less than 0.1%, the amount of inclusions is insufficient, but if the amount exceeds 3.5%, the steel is hardened and the machinability is lowered.
[0015]
S: 0.01 to 0.2%
S is an essential component rather than useful for improving machinability, and is present in an amount of 0.01% or more. In order to achieve the tool life ratio of 5 or more which is the target of the present invention, S of 0.01% or more is required. When the amount of S exceeds 0.2%, not only the toughness and ductility are deteriorated, but also CaS is produced together with Ca. Since CaS has a high melting point, it becomes an obstacle to the casting process.
[0016]
Al: 0.001 to 0.020%
Necessary for appropriately adjusting the composition of oxide inclusions, at least 0.001% is added. If it exceeds 0.20%, a hard alumina cluster is formed, which impairs the machinability of the steel.
[0017]
Ca: 0.0005 to 0.02%
Ca is a very important component for the steel of the present invention. In order to contain Ca in the sulfide, the addition of 0.0005% or more is essential. On the other hand, the addition of excess Ca exceeding 0.02% leads to the formation of the high melting point CaS, which becomes an obstacle to casting.
[0018]
O: 0.0005 to 0.01%
O is an element necessary for the formation of oxides. In excessively deoxidized steel, a large amount of high melting point CaS is formed, which hinders casting, so O is required to be at least 0.0005%, preferably more than 0.0015%. On the other hand, O exceeding 0.01% results in a large amount of hard oxide, resulting in poor machinability and difficult formation of the desired calcium sulfide. When composite deoxidation is performed using Ca and Al, a CaO.Al 2 O 3 -based composite oxide is produced, which is an inclusion with a low melting point and is preferable for machinability.
[0019]
In addition to the formation of the composite oxide, as described below, O forms fine oxides with Ti and / or Zr, which become MnS precipitation nuclei, thereby miniaturizing MnS. In order to expect this effect, a certain minimum amount of Ti oxide, Zr oxide or (Ti + Zr) oxide must be produced,
[O] / [N]: It is necessary to give a condition of 0.06 or more.
[0020]
N: 0.001 to 0.04%
N is an effective component for preventing coarsening of crystal grains, and is important for forming TiN by combining with Ti. From this point of view, 0.001% or more of N is required. An excessive amount of N causes casting defects, so 0.04% was made the upper limit.
[0021]
One or two trace amounts of Ti or Zr of Ti: 0.002 to 0.020% and Zr: 0.002 to 0.040% are combined with O in the steel deoxidized with Ca and Al. To form fine oxides. This serves as a nucleus for the precipitation of MnS, which helps to finely disperse MnS. Ti and Zr are effective even when used alone, but the combination of two types (for example, Ti: 0.005% + Zr: 0.015%) is advantageous in that the effect of refining MnS is high. In order to produce an appropriate amount of Ti oxide or Zr oxide without affecting the formation of double structure inclusions and other oxides, the amounts of Ti and Zr are respectively 0.002 to 0 described above. It is necessary to adjust to the range of .020% and 0.002 to 0.040%. In order to reliably form the double structure inclusions essential in the structural steel of the present invention, it is important to add Ti and / or Zr after carrying out the controlled deoxidation.
[0022]
Ti and Zr also have the effect of suppressing the growth of the prior austenite grain size during hot forging when producing fine Ti (CN) or Zr (CN). To expect this, the above lower limit amount of 0.002% or more of Ti or 0.002% or more of Zr,
[Ti + Zr] × [N ]: 5 × 10 - 6 ~2 × 10 - 3
It is necessary to give The steel of the present invention that achieves this balance exhibits excellent fatigue strength and bend straightness in addition to machinability and chip crushability, and is suitable as a material for crankshafts and connecting rods that require this property. is there.
[0023]
Speaking of P, which is inevitable as an impurity, it is a harmful component for toughness and cannot be present in excess of 0.2%, while P improves the machinability, particularly the finish surface properties. It is also an ingredient. This effect is recognized in the presence of 0.001% or more.
[0024]
In addition to the basic alloy composition described above, the free-cutting steel for machine structure according to the present invention includes one or more elements belonging to the following groups, as required by the application of the steel. It can be additionally contained within the specified composition range. In these modified embodiments, the action of each alloy component that can be arbitrarily added and the reason for limiting the composition range will be described below.
[0025]
Cr: 3.5% or less, Mo: 2.0% or less Cr and Mo increase the hardenability, so an appropriate amount is preferably added. However, if added in a large amount, hot workability is impaired and cracking is caused. In consideration of cost, the upper limit of each was set to 3.5% for Cr and 2.0% for Mo.
[0026]
Cu: 2.0% or less Cu makes the structure dense and increases the strength. Addition of a large amount is not preferable for hot workability and machinability, so the addition is limited to 2.0% or less.
[0027]
Ni: 4.0% or less Ni also enhances hardenability like Cr and Mo, but has a negative effect on machinability. And considering the cost, 4.0% was made the upper limit.
[0028]
B: 0.0005 to 0.01%
B enhances hardenability by adding a small amount. To obtain this effect, 0.0005% or more must be added. Addition exceeding 0.01% is detrimental to hot workability.
[0031]
Both Pb: 0.4% or less and Bi: 0.4% or less are machinability improving elements. Pb exists alone or in the form of adhering to the outer periphery of the sulfide, and itself improves machinability. The upper limit of 0.4% was set for the reason that even if Pb more than this is added, it does not dissolve in the steel, but agglomerates and precipitates, resulting in a steel defect. The same applies to Bi.
[0032]
Se: 0.4% or less, Te: 0.2% or less These are also machinability improving elements. The respective upper limits of 0.4%, 0.2%, 0.1% and 0.05% were determined in consideration of adverse effects on hot workability.
[0033]
Inclusions present in the free-cutting steel for machine structure according to the present invention are double structure inclusions and MnS inclusions as seen in FIG. According to EPMA analysis, the double structure inclusions are oxides of Ca, Mg, Si and Al in the core, and MnS containing CaS surrounds the periphery. MnS inclusions are finely dispersed. On the other hand, MnS in the conventional free-cutting steel in which the effect of improving the machinability of MnS is simply obtained is large as shown in FIG. 2 (MnS in FIG. 2 is stretched by rolling).
[0034]
The form of the double structure inclusion is necessary to achieve the machinability of the tool life ratio of 5, which is a target of the present invention, through the mechanism to be discussed later, and realizes such an inclusion form. This is also the operating condition described above. The significance of these conditions has already been explained with the data in the disclosure of the previous invention, but since it is also important for the present invention, the explanation will be repeated below.
[0035]
The occupied area of sulfide inclusions containing Ca of 1.0 wt% or more present in contact with oxide inclusions having a CaO content of 0.2 to 62 wt% has a viewing area of 3.5 mm 2. and the area occupied by the 2.0 × 10 -4 mm 2 or more satisfy the above conditions inclusions per the tool life obtained when performing turning according carbide tool, showing the same S content of sulfur free-cutting steel The correlation with the ratio to tool life is shown in the graph of FIG. This data was obtained by turning the S45C free cutting steel according to the present invention, and the result of the tool life ratio of 5 or more is that the double structure inclusion is 2.0 × 10 −4 mm. It shows what can be achieved when it occupies 2 or more.
[0036]
Al: 0.001 to 0.020%
FIG. 4 is a graph obtained by plotting the correlation between the Al content and the tool life ratio. This graph shows the necessity for the Al content to be within the above-mentioned range in order to achieve the target with a tool life ratio of 5 or more.
[0037]
[S] / [O]: 8 to 40
In the free-cutting steel for machine structures having various S contents and O contents, whether or not the tool life ratio of 5 or more can be achieved is distinguished by different plots in the graph of FIG. Those that achieved the goal (● plot) are within the triangular region between the straight line [S] / [O] = 8 and the straight line [S] / [O] = 40, and those that are not ( It can be seen that the x plot is outside the region.
[0038]
[Ca] / [S]: 0.01-20
[Ca] × [S]: 1 × 10 −5 to 1 × 10 −3
Similarly to the above, in the free-cutting steel for machine structures having various S contents and Ca contents, the graph of FIG. 5 shows whether or not the tool life ratio of 5 or more can be achieved. . The target (● plot) is sandwiched between a straight line with [Ca] / [S] of 0.01 and a straight line with 0.20, and [Ca] × [S] is 1 × 10. it can be seen that are concentrated in quadrilateral region sandwiched between a straight line is a straight line and 1 × 10 -3 -5. All of the above conditions satisfying the conditions [S] / [O], [Ca] / [S] and [Ca] × [S] all achieve the tool life ratio of 5 or more.
[0039]
The inventors believe that the mechanical structural steel of the present invention exhibits excellent machinability is a mechanism of better protection and lubrication of the tool surface by the double structure inclusions. This is also included in the disclosure of the present invention, but will be described again.
[0040]
The double structure inclusion is a CaO.Al 2 O 3 based complex oxide, and a (Ca, Mn) S complex sulfide surrounds the core. This oxide has a low melting point in the CaO—Al 2 O 3 system, while the composite sulfide has a higher melting point than simple sulfide MnS. This double structure inclusion ensures that the sulfide surrounds the oxide by making the oxide have a low melting point of CaO—Al 2 O 3 system. The action of the sulfide inclusions softening to cut and cover and protect the tool surface during cutting is well known, but if only sulfide is present, the formation and maintenance of this coating is not stable. As the inventors of the present invention have found, when a CaO—Al 2 O 3 low melting point oxide coexists with sulfide inclusions, a coating is stably formed, and a (Ca, Mn) S system is formed. This composite sulfide has higher lubricating performance than simple MnS.
[0041]
The significance that the (Ca, Mn) S-based composite sulfide forms a film on the tool surface is to suppress the wear of the carbide tool called “thermal diffusion wear”. In thermal diffusion wear, when a tool comes into contact with chips generated from a cutting object at a high temperature, carbides represented by tungsten carbide WC constituting the tool material are thermally decomposed, and C diffuses into the chip metal and is lost. As a result, the tool becomes brittle and wears. When a highly lubricious coating is formed on the tool surface, the temperature rise of the tool is prevented and C diffusion is suppressed.
[0042]
If the viewpoint is changed, the double structure inclusion CaO-Al 2 O 3 / (Ca, Mn) S of the free-cutting steel of the present invention is the same as the conventional sulfur free-cutting steel MnS, It can be said that it has both advantages with anorcite CaO.Al 2 O 3 .2SiO 2 which is an inclusion of calcium free-cutting steel. Although MnS exhibits lubricity on the tool surface, the stability of the coating is not so good and is ineffective against thermal diffusion wear. On the other hand, CaO.Al 2 O 3 .2SiO 2 forms a stable film to prevent thermal diffusion wear, but has poor lubricity. On the other hand, the double structure inclusion of the present invention forms a stable film to effectively prevent thermal diffusion wear and exhibits better lubricity.
[0043]
Since the formation of such a double structure inclusion starts from preparing a low-melting-point composite oxide as described above, the amount of Al is important first, and the presence of at least 0.001% is necessary. . If the Al content is too large, the melting point of the composite oxide becomes high, so the content is made 0.020% or less. Next, in order to adjust the production amount of CaS, [Ca] × [S] and [Ca] / [S] are controlled to the above-described values.
[0044]
The above-mentioned mechanism is not a hypothesis but is based on the fact. In the previous invention, the state of the carbide tool surface after turning the free-cutting steel and the analysis result of the molten inclusions attached to it Was clarified by comparison with the case of turning conventional free-cutting steel.
[0045]
The good chip crushability that characterizes the free-cutting steel for machine structures of the present invention is brought about by the refinement of MnS inclusions as described above. Assuming that the amount of inclusions is constant, refinement means an increase in the number of inclusions. The amount of MnS inclusions in the steel of the present invention is mainly determined by the S content. Since the amount of S varies from 0.01 to 0.2%, the amount of MnS also varies accordingly, and the number of refined inclusions also increases or decreases. Among the steels of the present invention, the MnS inclusions are finer than the conventional MnS inclusions in the steel, but among them, the influence of the presence on the chip crushability is still the average particle size. 1.0 μm or more. (Here, “average particle diameter” refers to the average value of the major axis and the minor axis of the particle cross section appearing in the microscope field of view.)
[0046]
Although the S content is different, the present number of the MnS inclusions having an average particle size of 1.0 μm or more per unit cross-sectional area (mm 2 ) of the steel of the present invention having high chip crushability is 400 times magnification As a result of investigation using a microscope, the following number of inclusions was obtained, and it was found that the relationship with the amount of S was also almost constant.
S content of steel MnS inclusion number 0.01% per 0.01% S 5.4 / mm 2 5.4 / mm 2
0.03% 16.2 pieces / mm 2 5.4 pieces / mm 2
0.062% 32.0 pieces / mm 2 5.2 pieces / mm 2
0.125% 32.0 pieces / mm 2 6.2 pieces / mm 2
From this data, it was concluded that good chip crushability could be ensured if the number of MnS inclusions was 5 / mm 2 or more per 0.01% S content over various S content ranges.
[0047]
【Example】
In the tables of Examples and Comparative Examples below, those whose numbers begin with an uppercase letter (A, B,...) Are examples, and those that begin with a lowercase letter (a, b,...) Are comparative examples. The composition table is expressed by weight% and the balance is Fe, while O, N, Ca and Mg are expressed in ppm. The melted alloy was cast into an ingot, and a round bar type test piece having a diameter of 72 mm was taken from the ingot and used for the test. The method and evaluation of each test are as follows.
[0048]
[Inclusion Area] When the sulfide containing Ca existing in contact with the oxide containing Al 2 O 3 has a dedicated area of 2 × 10 −4 mm 2 /3.5 mm 2 or more (good) ○ mark), otherwise it was judged as defective (× mark).
[0049]
[Machinability] Turning with the following conditions using a carbide tool,
Speed: 200m / min Feeding: 0.2mm / Rotation depth: 2.0mm
With a tool life of sulfur free-cutting steel with S content in the range of 0.01-0.2% as standard, 5 times longer tool life can be achieved. Good machinability (○ mark), 2 times or more When it was less than 5 times, machinability was acceptable (Δ mark), and when it was less than 2 times, machinability was poor (x mark). The tool life was evaluated by the processing time until the average flank wear width became 0.2 mm.
[0050]
[Presence / absence of protective coating] Analyzing the substance attached to the surface of the cutting tool, it is considered that a lubricating protective coating was formed when Ca, Mn and S were detected (circle mark), otherwise formed. Not marked (x mark).
[0051]
[Crushability of chips] Collect chips when cutting under the following conditions,
Speed: 150m / min Feed: 0.025-0.200mm / Rotation depth: 0.3-1.0mm
Tool: DNMG150480-MA
A score of 0 to 4 points was given according to the length, and the total of the points obtained by 30 cutting tests was defined as a “chip chipping index”. A case where the chip crushability index was higher than that of the sulfur free-cutting steel having the same sulfur content was judged as good (marked with ○), and a case where the chip smashability was low or equal was marked as poor (marked with ×).
[0052]
[Example 1]
The present invention was applied to the S45C system. The alloy compositions are shown in Table 1 (Example) and Table 2 (Comparative Example), and the component ratio of each free-cutting steel, that is, [S] / [O], [Ca] · [S] × 10 −5 and [Ca]. Table 3 (Examples) and Table 4 (Comparative Examples) collectively show the values of / [S], the form of inclusions, the presence or absence of a protective coating, machinability and chip crushability.
[0053]
Table 1 Examples of S45C system
Figure 0004023196
[0054]
Table 2 Comparative example of S45C system
Figure 0004023196
[0055]
Table 3 Examples of S45C system
Figure 0004023196
[0056]
Table 4 Comparative example of S45C system
Figure 0004023196
[0057]
[Example 2]
The S15C-based free-cutting steel was tested for alloy melting and machinability in the same manner as in Example 1. The alloy compositions are shown in Table 5 (Example) and Table 6 (Comparative Example), and the test results are shown in Table 7 (Example) and Table 8 (Comparative Example), respectively.
[0058]
Table 5 Examples of S15C system
Figure 0004023196
[0059]
Table 6 Comparative example of S15C system
Figure 0004023196
[0060]
Table 7 Examples of S15C system
Figure 0004023196
[0061]
Table 8 Comparative example of S15C system
Figure 0004023196
[0062]
[Example 3]
The S55C free cutting steel was subjected to alloy melting and machinability tests in the same manner as in Example 1. The alloy compositions are shown in Table 9 (Example) and Table 10 (Comparative Example), and the test results are shown in Table 11 (Example) and Table 12 (Comparative Example), respectively.
[0063]
Table 9 Example of S55C system
Figure 0004023196
[0064]
Table 10 Comparative example of S55C system
Figure 0004023196
[0065]
Table 11 Examples of S55C system
Figure 0004023196
[0066]
Table 12 Comparative example of S55C system
Figure 0004023196
[0067]
[Example 4]
The SCr415 free cutting steel was subjected to alloy melting and machinability tests in the same manner as in Example 1. The alloy compositions are shown in Table 13 (Example) and Table 14 (Comparative Example), and the test results are shown in Table 15 (Example) and Table 16 (Comparative Example), respectively.
[0068]
Table 13 SCr415 series Examples
Figure 0004023196
[0069]
Table 14 SCr415 series comparative example
Figure 0004023196
[0070]
Table 15 SCr415 series Examples
Figure 0004023196
[0071]
Table 16 SCr415 series comparative example
Figure 0004023196
[0072]
[Example 5]
The SCM440 free cutting steel was subjected to alloy melting and machinability tests in the same manner as in Example 1. The alloy compositions are shown in Table 17 (Example) and Table 18 (Comparative Example), and the test results are shown in Table 19 (Example) and Table 20 (Comparative Example), respectively.
[0073]
Table 17 SCM440 series Examples
Figure 0004023196
[0074]
Table 18 SCM440 system comparative example
Figure 0004023196
[0075]
Table 19 SCM440 series Examples
Figure 0004023196
[0076]
Table 20 Comparative example of SCM440 system
Figure 0004023196
[0077]
【The invention's effect】
In the free-cutting steel for machine structure of the present invention, the same machinability as that of the free-cutting steel disclosed above is realized. In other words, the double-structured inclusions, which are inclusions that provide high machinability, exist in an optimal form, so that the tool life is more than five times that of conventional sulfur free-cutting steel in cutting, especially carbide tool turning. This goal can be easily achieved.
[0078]
Furthermore, in the free-cutting steel for machine structure of the present invention, by adding a small amount of Ti and / or Zr, it has a finely dispersed MnS inclusion, thereby becoming a free-cutting steel with high chip crushability. This is particularly advantageous for turning. Products with fine Ti (CN) and / or Zr (CN) produced in steel can suppress the growth of prior austenite grains during hot forging, so machinability and chip crushability In addition, it has high fatigue strength and bending straightness, and is useful for applications that require such properties.
[0079]
The production method of the present invention is a method capable of reliably producing free-cutting steel for machine structures as described above, and advantageously forms double-structure inclusions by performing controlled deoxidation, and more appropriately. At the right timing, that is, after the double structure inclusions are formed by controlled deoxidation, by adding an appropriate amount of Ti and / or Zr, the MnS inclusions are finely dispersed so that the chip crushability is good. Free-cutting steel can be obtained. If this manufacturing method is carried out by appropriately selecting the amount of O and N together with the amount of Ti and / or Zr, fine Ti (CN) and / or Zr (CN) is generated in the steel, and fatigue strength And free-cutting steel for machine structures with improved bend straightening.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a photomicrograph showing the shape of inclusions in free-cutting steel for machine structures according to the present invention.
FIG. 2 is a photomicrograph showing the shape of inclusions in conventional sulfur free-cutting steel.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the area occupied by “double structure inclusions” and the tool life ratio in free-cutting steel for machine structures.
FIG. 4 is a graph plotting the relationship between the Al content and the tool life ratio in free-cutting steel for machine structures.
FIG. 5 is a graph showing whether or not a tool life ratio of 5 or more has been achieved in free-cutting steel for machine structures having various S contents and O contents.
FIG. 6 is a graph showing whether or not a tool life ratio of 5 or more has been achieved in free-cutting steel for machine structures having various S contents and Ca contents.

Claims (5)

重量%で、C:0.05〜0.8%、Si:0.01〜2.5%、Mn:0.1〜3.5%、S:0.01〜0.2%、Al:0.001〜0.020%、Ca:0.0005〜0.02%、O:0.0005〜0.01%およびN:0.001〜0.04%に加えて、Ti:0.002〜0.020%およびZr:0.002〜0.040%の1種または2種を含有し、残部が不可避の不純物およびFeからなる合金組成を有し、CaO含有量が0.2〜62重量%の酸化物系介在物と接して存在する、1.0重量%以上のCaを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積3.5mm当たり2.0×10-4mm以上であり、MnS介在物が、その平均粒径1.0μm以上のものの数がS含有量0.01%あたり5個/ mm 以上であるように分散していることにより、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼。By weight, C: 0.05-0.8%, Si: 0.01-2.5%, Mn: 0.1-3.5%, S: 0.01-0.2%, Al: In addition to 0.001-0.020%, Ca: 0.0005-0.02%, O: 0.0005-0.01% and N: 0.001-0.04%, Ti: 0.002 -0.020% and Zr: 0.002 to 0.040% of one or two types, the balance is an inevitable impurity and Fe alloy composition, CaO content is 0.2-62 The occupied area of sulfide inclusions containing 1.0% by weight or more of Ca present in contact with the oxide inclusions by weight% is 2.0 × 10 −4 mm per 3.5 mm 2 visual field area. 2 or more, MnS inclusions, the number is a S content of from 5 per 0.01% / mm 2 or more the average particle diameter of 1.0μm or more of By dispersed in earthenware pots, high chip friability with excellent machinability steel for machine structural use. 請求項1に規定した合金成分に加えて、さらに、Cr:3.5%以下、Mo:2.0%以下、Cu:2.0%以下、Ni:4.0%以下およびB:0.0005〜0.01%の1種または2種以上を含有する、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼。  In addition to the alloy components defined in claim 1, Cr: 3.5% or less, Mo: 2.0% or less, Cu: 2.0% or less, Ni: 4.0% or less, and B: 0.00. Machine structural steel containing one or more of 0005 to 0.01%, having excellent machinability and high chip crushability. 請求項1に規定した合金成分に加えて、さらに、Pb:0.4%以下、Bi:0.4%以下、Se:0.4%以下およびTe:0.2%以下の1種または2種以上を含有する、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼。  In addition to the alloy components defined in claim 1, one or two of Pb: 0.4% or less, Bi: 0.4% or less, Se: 0.4% or less, and Te: 0.2% or less Machine structural steel that contains more than seeds and has excellent machinability and high chip crushability. 請求項1ないしのいずれかに記載した機械構造用鋼を製造する方法であって、重量%で、C:0.05〜0.8%、Si:0.01〜2.5%、Mn:0.1〜3.5%、S:0.01〜0.2%、Al:0.001〜0.020%、Ca:0.0005〜0.02%、O:0.0005〜0.01%およびN:0.001〜0.04%を含有し、残部が不可避の不純物およびFeからなる組成の合金を溶製し、その際、下記の条件を満たす操業を行なうことにより調整された脱酸を行ない、
[S]/[O]:8〜40
[Ca]×[S]:1×10-5〜1×10-3
[Ca]/[S]:0.01〜20 かつ
[Al]:0.001〜0.020%
CaO含有量が0.2〜62重量%の酸化物系介在物と接して存在する、1.0重量%以上のCaを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積3.5mm当たり2.0×10-4mm以上となるようにしたのち、Ti:0.002〜0.020%およびZr:0.002〜0.040%の1種または2種を添加して、調整された脱酸後の鋼中のOとTiおよび(または)Zrとの反応により微細なTi酸化物および(または)Zr酸化物を形成させ、これらを含む複合酸化物を核としてMnS介在物を析出させることにより、MnS介在物が、その平均粒径1.0μm以上のものの数がS含有量0.01%あたり5個/ mm 以上であるように分散したものを得ることからなる、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼の製造方法。
A method for producing a steel for machine structural use according to any one of claims 1 to 3 , wherein C: 0.05 to 0.8%, Si: 0.01 to 2.5%, Mn : 0.1-3.5%, S: 0.01-0.2%, Al: 0.001-0.020%, Ca: 0.0005-0.02%, O: 0.0005-0 .01% and N: 0.001 to 0.04%, and the balance is adjusted by performing an operation that satisfies the following conditions by melting an alloy composed of inevitable impurities and Fe. Deoxidation,
[S] / [O]: 8 to 40
[Ca] × [S]: 1 × 10 −5 to 1 × 10 −3
[Ca] / [S]: 0.01 to 20 and [Al]: 0.001 to 0.020%
The occupied area of sulfide inclusions containing Ca of 1.0 wt% or more present in contact with oxide inclusions having a CaO content of 0.2 to 62 wt% has a viewing area of 3.5 mm 2. After making it become 2.0 × 10 −4 mm 2 or more per one, adding one or two of Ti: 0.002 to 0.020% and Zr: 0.002 to 0.040%, A fine Ti oxide and / or Zr oxide is formed by the reaction of O and Ti and / or Zr in the steel after the adjusted deoxidation, and a MnS inclusion is formed using a composite oxide containing these as a nucleus. To obtain MnS inclusions dispersed so that the number of those having an average particle diameter of 1.0 μm or more is 5 / mm 2 or more per S content of 0.01% . Machine structural steel with excellent machinability and high chip crushability Production method.
Tiおよび(または)Zrを添加したとき、下記の条件が満たされるようN量を調節することにより、微細なTi(CN)および(または)Zr(CN)を形成させ、
[Ti+Zr]×[N]:5×10- 〜2×10-
これらを核としてMnS介在物を析出させるとともに、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒度を微細に保つことにより、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度、および曲げ矯正性を示す機械構造用鋼を得る請求項の製造方法。
When Ti and / or Zr are added, fine Ti (CN) and / or Zr (CN) is formed by adjusting the amount of N so that the following conditions are satisfied:
[Ti + Zr] × [N ]: 5 × 10 - 6 ~2 × 10 - 3
In addition to precipitating MnS inclusions with these as nuclei and maintaining the fine grain size of the prior austenite during hot forging, in addition to machinability and chip crushability, it exhibits excellent fatigue strength and bending straightening The manufacturing method of Claim 4 which obtains the steel for machine structures.
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