JP4049969B2

JP4049969B2 - 機械構造用快削鋼

Info

Publication number: JP4049969B2
Application number: JP2000152286A
Authority: JP
Inventors: 典正常陰
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: JP2001335885A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アスペクト比が小さく機械的性質の異方性が小さく広範な被削性に優れた機械構造用快削鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動車用部品をはじめとする機械構造用鋼は、切削コスト削減を目的として種々の快削物質を含有させる場合が多い。代表的な快削鋼としてＰｂ快削鋼、Ｓ快削鋼、Ｃａ脱酸快削鋼、および、これらの複合快削鋼がある。Ｐｂ快削鋼はその基本となる鋼と比較して機械的性質の劣化が小さく被削性改善効果、特に低速切削時の工具寿命や切屑処理性が良好であることから、最も一般的に用いられている。しかし、Ｐｂは人体に有害であるため、近年の環境問題への関心の高まりから世界的に使用量削減の方向にあり、Ｐｂ快削鋼においてもそれに代わる快削鋼の要求が高まっている。その場合、Ｓ快削鋼への移行が考えられるが、Ｓは圧延方向に延伸するＭｎＳ介在物として存在するため、多量のＳを添加させると機械的性質の異方性が増大するという欠点がある。また、Ｃａ脱酸快削鋼は鋼中に低融点のＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂系酸化物を含有しており、この酸化物が工具刃先に保護膜を生成し、切屑と工具の直接接触を妨げることにより被削性を改善するものである。しかし、Ｃａ脱酸快削鋼は超硬工具旋削等の比較的高速切削時にしか効果が認められない。Ｐｂ、Ｓ、Ｃａをすべて複合したＰｂ三元快削鋼も多く使用されているが、快削性は非常に優れているものの上述のＰｂとＳの欠点は改善されたものでなく、新たな快削鋼が要求されている。
【０００３】
Ｓ快削鋼の機械的性質を改善するために、特許第１９８１５６０号、特開平１１−９５００６５号、特開２０００−３４５３８号の発明ではＣａを含有させている。この場合、さらにＡｌ₂Ｏ₃をＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃に変化させたり、硫化物で覆うため無害化されることも報告されている。また、特開平６−１４５８８９号では六方晶ＢＮ、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃａ−Ｍｎ−Ｓを含有させ、被削性改善を図っている。しかしこれらの場合、機械的性質の異方性は硫化物の形態制御により基本鋼からの劣化度合いは改善されるが、被削性については種々の切削条件において必ずしも充分な結果が得られるものではない。
【０００４】
一方、Ｃａによる形態制御とは異なり、新たな被削性改善メカニズムの快削鋼として特開２０００−２６９３５号の発明がある。この場合、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有させ、切削中に工具上に付着したＡｌＮにより被削性を改善しているが、この場合は２００ｍ／ｍｉｎ以上の比較的高速切削でしか、被削性改善効果は期待できない。また、必ずＢを含有させる必要があるため焼入性や結晶粒調整が困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、基本鋼と比較した場合に機械的性質劣化を最小限に留め、良好な被削性を得ることができる機械構造用快削鋼を提供することであり、産業上非常に有益な鋼を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜１．８０％、Ｍｎ：０．３０〜３．５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０２％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００８〜０．０２５％を含有し、かつ、Ｃａ、Ｓ、Ａｌ、Ｎの間では、１．２１≦［１０００（Ａｌ＋Ｎ）×Ｃａ／Ｓ］≦４．５の関係を満足し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％から選択した１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、長径が０．５μｍ以上の硫化物の長径／短径の平均アスペクト比が５以下であり、機械的性質の異方性が小さく、広範な被削性に優れる快削鋼である。
【０００７】
請求項２の発明では、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜１．８０％、Ｍｎ：０．３０〜３．５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０２％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００８〜０．０２５％を含有し、かつ、Ｃａ、Ｓ、Ａｌ、Ｎの間では、１．２１≦［１０００（Ａｌ＋Ｎ）×Ｃａ／Ｓ］≦４．５の関係を満足し、さらにＺｒ：０．０００５〜０．３０％、Ｂｉ：０．０１〜０．３０、Ｂ：０．０００３〜０．０１５％から選択した１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、長径が０．５μｍ以上の硫化物の長径／短径の平均アスペクト比が５以下であり、機械的性質の異方性が小さく、広範な被削性に優れる快削鋼である。
【０００８】
以下に本発明鋼の合金元素成分の成分限定理由を説明する。なお、以下％は質量％を示す。
Ｃは、鋼の強度を確保するために添加する。０．０１％未満では強度の確保が不十分であり、０．７０％を超えると靱性が低下するので、０．０１〜０．７０％とする。
【０００９】
Ｓｉは、製鋼での脱酸のためと強度確保のために添加する。０．０５％未満では脱酸効果が不十分であり、１．８０％を超えると熱間加工性が低下するので、０．０５〜１．８０％とする。
【００１０】
Ｍｎは、焼入性の向上のために添加する。またＳと硫化物を生成して切削性を向上させるために不可欠な元素である。さらにＭｎＳはオーステナイト粒成長を抑制し、組織を微細化する効果もある。０．３％未満ではこの効果が小さく、３．５０％を超えると加工性が低下するので、０．３０〜３．５０％とする。
【００１１】
Ｃａは、本発明で最も重要な元素であり、硫化物形態抑制による異方性改善および工具上に（Ｍｎ、Ｃａ）ＳとＡｌＮの保護膜を付着させるために不可欠な元素である。この効果は０．０００３％以上で得られ、望ましくは０．００１％以上であり、０．０２％を超えて含有させても効果は飽和し、むしろＣａ添加歩留りが悪くなるので、０．０００３〜０．０２％とする。
【００１２】
Ｓは、ＭｎＳや（Ｍｎ、Ｃａ）Ｓなどの硫化物を形成し、さらに、工具上に（Ｍｎ、Ｃａ）ＳとＡｌＮの保護膜を形成して被削性を改善する。また熱間加工のために１０００°Ｃ以上に加熱した場合、オーステナイト粒成長を抑制するため非調質鋼では靱性を高める効果もある。これらの効果を得るには最低０．０２％以上必要であり、望ましくは０．０５％以上必要である。しかし、０．２０％を超えると硫化物の応用集中効果により靱性を悪化させるので、０．０５〜０．２０％とする。
【００１３】
Ａｌは、Ｓｉと同様に製鋼での脱酸のために添加する。また切削工具上にＡｌＮとして付着し、（Ｃａ、Ｍｎ）Ｓと同様に保護膜を形成し、工具寿命を改善するために不可欠な元素である。さらに、鋼中においてはＡｌＮを形成し、オーステナイト粒微細化に寄与する。その効果を得るには０．００３％以上必要であり、０．２０％を超えて添加するとＡｌ酸化物により靱性や被削性が劣化するので、０．００３〜０．１０％とする。
【００１４】
Ｎは、強靱化のために添加する。また切削工具上にＡｌＮとして付着し、（Ｃａ、Ｍｎ）Ｓと同様に保護膜を形成し、工具寿命を改善するために不可欠な元素である。さらに、鋼中においてはＡｌＮを形成し、オーステナイト粒微細化の効果がある。その効果を得るには０．００３％以上、望ましくは０．００８％以上必要であり、０．０２５％を超えて添加してもその効果は飽和するので、０．００８〜０．０２５％とする。
【００１５】
Ｃａ、Ｓ、Ａｌ、Ｎは、上述のように被削性を改善するために不可欠な元素であるが、それぞれの元素のバランスが重要である。１０００（Ａｌ＋Ｎ）×Ｃａ／Ｓが１．２１未満では（Ｃａ、Ｍｎ）ＳとＡｌＮによる工具被覆効果が小さく、４．５を超えて含有させるとその効果は飽和あるいはむしろ低下するので、１０００（Ａｌ＋Ｎ）×Ｃａ／Ｓの値は１．２１〜４．５とする。
【００１６】
以上は必須の元素であるが、次に選択元素について説明する。
Ｃｒは、Ｍｎと同様の働きをし、焼入性を高め強度を向上させる。０．５０％未満ではその効果が小さく、２．５０％を超えるとコスト高とのなるので、０．５０〜２．５０％とする。
【００１７】
Ｍｏは、Ｃｒと同様の働きをし、焼入性を高め強度を向上させる。０．０５％未満ではその効果が小さく、１．５０％を超えるとコスト高となるので０．０５〜１．５０％とする。
【００１８】
Ｎｉは、Ｍｏと同様の働きをし、焼入性を高め強度を向上させる。０．０５％未満ではその効果が小さく、３．５０％を超えるとコスト高となるので、０．０５〜３．５０％とする。
【００１９】
Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉは、鋼中に微細な炭窒化物を生成し、これらの析出物により熱間加工時のオーステナイト粒径を微細化し靱性を向上させる。またこれらの析出物の分散強化による強度向上効果もある。この効果はＶ、Ｎｂ、Ｔｉともに０．０１％未満では効果がなく、多量に添加すると靱性が劣化するので、各元素の上限をＶは０．５０％、Ｎｂは０．１０％、Ｔｉは０．５０％をするので、Ｖは０．０１〜０．５０％、Ｎｂは０．０１〜０．１０％、Ｔｉは０．０１〜０．５０％とする。
【００２０】
さらに、他の選択元素について説明する。
ＺｒはＣａと同様に硫化物として、Ｂｉは単独または他の介在物と共存で、Ｂは窒化物として存在し、本発明鋼の被削性をさらに改善する。またＺｒは硫化物形態制御元素であり、機械的異方性を改善する効果もある。これらの効果は、それぞれＺｒは０．０００５％、Ｂｉは０．０１％、Ｂは０．０００３％未満では効果が小さく、Ｚｒは０．３０％、Ｂｉは０．３０％、Ｂは０．０１５％を超えて含有させても効果は飽和し、コスト高となるので、Ｚｒは０．０００５〜０．３０％、Ｂｉは０．０１〜０．３０％、Ｂは０．０００３〜０．０１５％とする。
【００２１】
さらに、本発明における被削性改善効果について説明する。本発明では、Ｓ量増量による硫化物の切欠効果を増大させ、かつ、Ｃａを含有させることにより、硫化物が（Ｍｎ、Ｃａ）Ｓとなるため、さらに切欠効果を上昇させ、比較的低速切削時でも良好な被削性を得ることが可能となる。また、１５０ｍ／ｍｉｎ以上の切削速度域では工具刃先に（Ｍｎ、Ｃａ）ＳとＡｌＮの保護膜が付着し、拡散摩耗や凝着剥離摩耗を抑制する効果がある。この保護膜生成は、Ｓ、Ｃａ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎのうち、一つでも欠けると生成できない。
【００２２】
また、本発明における機械的性質の異方性改善について説明する。本発明ではＣａ添加で硫化物形態制御を行う。長径が０．５μｍ以上の硫化物の長径／短径の平均アスペクト比を５以下に抑えることにより、機械的性質の異方性を軽減する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を表１により説明する。先ず、１００ｋｇ真空溶解炉で表１に示す合金成分元素を含有する非調質鋼を溶製した。
【００２４】
【実施例】
表１においてＮｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．８は本発明の実施の形態に係る鋼である。これらのうち、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４は請求項１に係る発明の実施の形態で、Ｎｏ．８は請求項２に係る発明の実施の形態である。一方、Ｎｏ．１０〜１５は比較のための鋼である。一方、Ｎｏ．１０〜１５は比較のための鋼である。すなわち、Ｎｏ．１０はＣ量が規定より多く、Ｎｏ．１１はＭｎ量が規定より多い。Ｎｏ．１２はＣａ量及びＡｌ量が規定より少なく、Ｎｏ．１３はＭｏ量が規定より多く、Ｎｏ．１４はＴｉ量が規定より多く、Ｎｏ．１５はＳ量が規定より少ないものである。さらに、Ｃａ、Ｓ、Ａｌ、Ｎのバランスについては、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１３は１０００（Ａｌ＋Ｎ）×Ｃａ／Ｓが規定より少なく、Ｎｏ．１４およびＮｏ．１５は規定よりも多いものである。
【００２５】
以上の化学成分からなる鋼は鋼塊に鋳造され、鋼塊は１２００℃で直径４５ｍｍの棒鋼に鍛伸して放冷した。さらにこれらのうち、Ｎｏ．１１及びＮｏ．１４の鋼塊については、１２００℃に再加熱し、１時間保持後空冷し、それ以外のＮｏの鋼塊は焼入焼戻し処理を行い、全鋼種とも２７〜３３ＨＲＣに調整した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
上記の調整した鋼は下記の各試験に供した。
（１）Ｌ方向、Ｔ方向のシャルピー衝撃試験：圧延方向をＬ方向と表示し、圧延方向に垂直方向をＴ方向とも表示する。シャルピー衝撃性試験は常温で、ＪＩＳ２ｍｍＵノッチ衝撃試験片で行うものとする。
（２）旋削超硬工具摩耗試験：Ｐ２０工具で、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎと３００ｍ／ｍｉｎで、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み０．５ｍｍとして行い、評価方法を乾式で３分間切削後の逃げ面摩耗量、ＶＢとする。
（３）ドリル寿命試験：φ５ｍｍハイスドリルで、切削速度２５ｍ／ｍｉｎ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ１５ｍｍとし、評価方法を乾式でドリル折損までの穿孔穴数とする。
（４）硫化物アスペクト比測定：Ｌ方向と平行な面（Ｌ面）を機械研磨後、×４００の光学顕微鏡写真を２０枚撮影し、画像解析装置にて測定する。そして各鋼種の硫化物アスペクト比の平均値を計算する。
以上の試験結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
本発明の請求項に係る発明の鋼であるＮｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．８の発明鋼中に存在する、長径が０．５μｍ以上の硫化物の平均アスペクト比は５以下であり、常温シャルピー衝撃異方性はＴ／Ｌが０．５以上となっている。しかし、比較鋼のＮｏ．１２、Ｎｏ．１３は平均アスペクト比が５を超えており、衝撃異方性は０．５未満であるため、機械的構造用部品としてＮｏ．１２、Ｎｏ．１３を使用する場合、方向性を考慮する必要があることがわかる。
【００３０】
本発明に係る鋼のドリル寿命は少なくとも７０穴以上であるが、比較鋼のＮｏ．１０〜１２、１４はこれに達しない。旋削による超硬工具摩耗試験では、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎの場合、本発明に係る鋼は０．１２ｍｍ以下の摩耗量であるが、比較材のＮｏ．１０、Ｎｏ．１２〜１５はそれ以上摩耗が進行している。Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１５については、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎの摩耗量は比較的少ないが切削速度３００ｍ／ｍｉｎとなると本発明鋼のように０．２５ｍｍ以下に摩耗量を抑えることは不可能となる。
【００３１】
以上に説明したとおり、本発明の機械構造用快削鋼は機械的異方性の劣化が小さく、Ｐｂのような有害物質を含有すること無く、非常に良好な被削性を得ることが可能であり、従来にない優れた効果を奏するものである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜１．８０％、Ｍｎ：０．３０〜３．５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０２％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００８〜０．０２５％を含有し、かつ、Ｃａ、Ｓ、Ａｌ、Ｎの間では、１．２１≦［１０００（Ａｌ＋Ｎ）×Ｃａ／Ｓ］≦４．５の関係を満足し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％から選択した１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、長径が０．５μｍ以上の硫化物の長径／短径の平均アスペクト比が５以下であり、機械的性質の異方性が小さく、広範な被削性に優れる快削鋼。
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜１．８０％、Ｍｎ：０．３０〜３．５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０２％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００８〜０．０２５％を含有し、かつ、Ｃａ、Ｓ、Ａｌ、Ｎの間では、１．２１≦［１０００（Ａｌ＋Ｎ）×Ｃａ／Ｓ］≦４．５の関係を満足し、さらにＺｒ：０．０００５〜０．３０％、Ｂｉ：０．０１〜０．３０、Ｂ：０．０００３〜０．０１５％から選択した１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、長径が０．５μｍ以上の硫化物の長径／短径の平均アスペクト比が５以下であり、機械的性質の異方性が小さく、広範な被削性に優れる快削鋼。