JP5018237B2

JP5018237B2 - 微量油潤滑深穴加工用鋼材

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Publication number: JP5018237B2
Application number: JP2007138738A
Authority: JP
Inventors: 宏二渡里; 健吉野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-05-25
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Description

本発明は、微量油潤滑深穴加工用鋼材に関する。詳しくは、鋼材の機械加工において微量の潤滑油剤（切削油剤）を供給しながら、ドリル径Ｄが１０ｍｍ以下の細径ドリルを用いて、深さ１０Ｄ以上の穴、すなわち、ドリル径の１０倍以上の深穴を加工する「微量油潤滑深穴加工」用の鋼材に関し、より詳しくは、機械構造部品の素材として好適な、微量油潤滑深穴加工用鋼材に関する。

これまで切削加工用の鋼材は、多量の潤滑油剤を用いる所謂「湿式切削」あるいは潤滑油剤を全く用いない所謂「ドライ切削」を対象として開発されてきた。

しかし近年、新しい切削加工法として、微量の潤滑油剤を供給しながら加工する「微量油潤滑加工」（以下、「微量油潤滑切削」ともいう。）技術の開発が行われ、例えば、非特許文献１〜非特許文献６に微量油潤滑切削（ＭＱＬ切削）技術に関する報告がなされている。また、特許文献１および特許文献２には、微量油潤滑切削に適した加工装置が開示されている。

上記の微量油潤滑切削が適用される代表的な加工は、前述したドリル径Ｄが１０ｍｍ以下の細径ドリルを用い、ドリル径の１０倍以上の深さの穴をあける深穴加工である。

従来、こうした深穴加工は、高速度工具鋼（通称「ハイス」）製のツイストドリル、または刃先を超硬合金でろう付けしたガンドリルを用いて、潤滑油剤を多量に使用して、あるいは、潤滑油剤を高圧で塗布して行われていた。

しかしながら、ハイス製のツイストドリルを用いた場合には、そのドリル材質の特性として切削速度に限界があって、高速切削することが困難であった。また、刃先を超硬合金でろう付けしたガンドリルを用いた場合には、工具の剛性という点から送り量を高くできないので、加工能率に限界があった。加えて、上記の両加工法ともに、多量の潤滑油剤を使用するため、その廃棄処理の費用が嵩むものであった。

これらの問題に対して、超硬合金製のツイストドリルあるいは超硬合金をコーティングしたツイストドリルを用いて微量油潤滑切削すれば、高速切削が可能で送り量も高くすることができるため、高能率の切削加工が可能となり、また、潤滑油剤の廃棄処理の問題を解決することもできる。

しかしながら、微量油潤滑切削に関しては、上述した非特許文献１〜非特許文献６、特許文献１および特許文献２に、工具、油剤、機械および給油システムについての検討がなされているものの、その対象となる被切削材、なかでも鋼材について検討された例はこれまでほとんどない。

湿式切削やドライ切削といった従来の切削方法からの微量油潤滑切削への移行においては、潤滑油剤の状態に差があることから、切削現象も変化することが予測される。

特に、穴加工において塗布される潤滑油剤の量は、従来のハイス製のツイストドリルや刃先を超硬合金でろう付けしたガンドリルを用いた場合が通常約２０リットル／分であるのに対し、微量油潤滑切削の場合には約１〜５０ミリリットル／時間であって、従来の切削方法の場合の約２万分の１以下の量である。

このため、微量油潤滑切削によってドリル径の１０倍以上の深さの深穴を加工する場合には、潤滑性の低下と切削温度の上昇が生じるので、穴が貫通する際に所謂「バリ」が発生してしまう。

なお、上記のバリは、特に製品が機械構造用部品である場合、その精度の点から除去する必要がある。しかしながら、バリ取りを実施すれば、工程が増えることになるため、コストの上昇につながってしまう。しかも、部品によっては、その内部で二本の加工穴が交差する場合があり、この交差部のバリを除去することは極めて困難である。

上述のような問題点から、微量油潤滑切削によって完全にバリを発生させないことは不可能としても、その形成を極力小さくすることは機械構造部品の加工・製造において極めて重要な課題となっている。

しかしながら、従来の湿式切削やドライ切削を対象として開発された切削加工用鋼材である所謂「快削鋼」を用いても、微量油潤滑切削の場合には十分な加工性が確保できない可能性がある。

従来の快削鋼としては、例えば、特許文献３や特許文献４で提案されたものがある。

すなわち、特許文献３に、ＭｎＳおよび鋼中酸化物の組成や形態を調整し、これらの介在物による工具表面の保護および潤滑効果によって超硬工具による被削性を高めた「超硬工具切削性に優れた機械構造用の快削鋼」が開示されている。

また、特許文献４に、ビスマス（Ｂｉ）の存在形態を調整することで切屑処理性を高めた「Ｂｉ快削鋼」が開示されている。この特許文献４で提案された技術の基本思想は、Ｂｉが鉛（Ｐｂ）と同様に低融点介在物であることから、切削加工時の昇温により溶融し、工具面上での潤滑作用を高めることにある。

このように、これまでの快削鋼は、主に鋼中介在物の形態を調整し、加工中における工具面での潤滑作用を活用したものであって、先に述べたバリの形成を抑制することに関して考慮されたものではない。

特許文献５には、鋼材中に黒鉛を生成させることで穴加工のバリ取り性を改善した「冷間加工性、切削加工性及びバリ取り性、並びに高周波焼入れ性に優れた機械構造用鋼材」が開示されている。しかしながら、この特許文献５で提案された技術の場合、その実施例に示されているように、所望の黒鉛を形成させるための焼鈍処理は、７００℃で５時間以上という長時間の処理であるため、鋼材の製造においてコストが嵩むという問題を含んでいる。しかも、その穴あけ加工は、特許文献５の段落〔００３７〕および〔００４１〕に示されているように、ドリル材質としてハイス（ＳＫＨ４）を用い、また、潤滑油として水溶性切削油を用いて、「送り速度：０．１または０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度：１０〜１２０ｍ／ｍｉｎ」という条件で行われたものであって、従来の「湿式穴あけ加工」でしかない。

以上のように、介在物の特性を利用した快削鋼を始めとして、従来から一般的によく用いられている快削鋼においても、微量油潤滑切削する際のバリの抑制に関してこれまでに詳細に検討された例はない。

特開２００２−３５５７３５号公報特開２００２−３５５７３６号公報特開２００３−５５７３５号公報特開２０００−２６５２４３号公報特開２０００−８０４３８号公報「ＭＱＬ切削の技術動向」（稲崎一郎著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５１９〜５２５ページ）「複合ミスト法による旋削加工の動向」（鈴木康夫著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５２６〜５３２ページ）「ＭＱＬ切削用工作機械の動向」（槇山正著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５３３〜５３７ページ）「ＭＱＬ切削油供給システムの動向」（鈴木繁著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５３８〜５４３ページ）「ＭＱＬ切削用工具の動向」（狩野勝吉著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５４４〜５４９ページ）「ＭＱＬ切削用油剤の動向」（須田聡著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５５０〜５５６ページ）

本発明の目的は、微量油潤滑深穴加工、すなわち、ドリル径Ｄが１０ｍｍ以下の超硬合金製あるいは超硬合金をコーティングした細径ドリルを用いて、深さ１０Ｄ以上の深穴を加工する際のバリ形成を抑制することができ、特に、高い寸法精度が要求される機械構造部品の素材として好適な鋼材を提供することである。

本発明者らは、微量油潤滑深穴加工におけるバリの発生に及ぼす材料因子について検討するために、先ず、種々の鋼材を用いて、ドリル加工によって穴が貫通する直前の温度、すなわち穴の抜け際の温度を熱電対で測定した。その結果、下記（ａ）の事項が明らかになった。

（ａ）微量油潤滑加工法によるドリル加工で穴を貫通させる場合、穴が貫通する直前、すなわち穴の抜け際の温度は、約４００℃近傍まで上昇している。

そこで次に、４００℃における引張試験を行って機械的性質とバリの関係を検討し、その結果、下記（ｂ）の知見を得た。

（ｂ）形成されるバリの大きさは鋼材によって異なり、４００℃における引張試験での延性が小さい場合、なかでも、絞りが小さく５５％以下の場合に、バリの大きさは小さくなる。

そこでさらに、４００℃における引張試験での絞りと組織の関係を検討するとともに、４００℃での引張試験によって破断した試験片の破面における組織観察を行った。その結果、下記（ｃ）および（ｄ）の知見を得た。

（ｃ）組織が機械構造用の炭素鋼で主に得られるフェライト・パーライト組織であって、しかも、その組織中のフェライトの量（フェライト率）が特定の領域にある鋼材は、４００℃における引張試験での延性としての絞りが低く、５５％以下である。

（ｄ）４００℃における引張試験での延性としての絞りが低い場合の破断部は、フェライトとパーライトの粒界近傍である。

本発明者らは、さらに、合金元素の影響についても詳細な検討を行った。その結果、下記（ｅ）〜（ｊ）の知見を得た。

（ｅ）フェライト・パーライト組織において、フェライトの量が同等の場合には、鋼中に含まれる窒素（Ｎ）の量、具体的には、フェライト中に固溶状態で存在する窒素の量が多い方が、バリの大きさは小さい。

（ｆ）鋼中に含まれる窒素が、フェライトとパーライトの粒界近傍に偏析している場合のバリの大きさは特に小さい。

（ｇ）鋼に含まれる合金元素のなかで、燐（Ｐ）もフェライトとパーライトの粒界近傍に偏析する傾向が大きいので、４００℃における引張試験での延性としての絞り低下に効果があり、したがって、バリの大きさ低減にも有効である。

（ｈ）チタン（Ｔｉ）やバナジウム（Ｖ）は窒化物として析出するため、フェライト中に固溶状態で存在する窒素の量を低減させてしまう。その結果として、４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなるので、大きなバリが生じる。

（ｉ）従来から知られている快削元素の鉛（Ｐｂ）や介在物のＭｎＳ、さらにはＣａ処理などによる低融点酸化物がバリの大きさに及ぼす効果はほとんど認められない。

（ｊ）クロム（Ｃｒ）は強化作用を有する元素であるが、窒素との親和性が高いことからフェライト中で窒素原子がクロム原子の周辺に引きつけられやすく、窒素のフェライトとパーライトの粒界近傍における偏析を抑制してしまう。その結果として、４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなり、大きなバリが生じるので、適度な量に抑える必要がある。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記に示す微量油潤滑深穴加工用鋼材にある。

「質量％で、Ｃ：０．３３〜０．７０％、Ｓｉ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．３５〜２．０％、Ｐ：０．０１３〜０．２％、Ｓ：０．０４〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．０２５％以下およびＮ：０．０１４〜０．０３０％を含むとともに、下記（１）式で表されるｆｎ１の値が０．０１以上を満たし、かつ、下記（２）式で表されるｆｎ２の値が０．６０〜０．８０を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中に含有されるＶおよびＴｉがそれぞれ、Ｖ：０．０１％未満およびＴｉ：０．００５％以下の化学組成を有し、フェライトの面積率が７〜３０％のフェライト・パーライト組織からなることを特徴とする微量油潤滑深穴加工用鋼材。
ｆｎ１＝（Ｐ／３）＋（Ｎ―０．５２×Ａｌ）・・・（１）
ｆｎ２＝Ｃ＋（Ｍｎ／５）・・・（２）
ただし、（１）式および（２）式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。」
ここで、上記の「フェライト・パーライト組織」とは、全体の９５％を超える部分がフェライトとパーライトの混合組織からなることを指す。

また、「フェライト率」とは、「フェライト・パーライト組織」におけるフェライトの割合をいい、「セメンタイト」と「フェライト」からなる「パーライト」中の「フェライト」は含まない。

なお、上記の「フェライト率」は、例えば、光学顕微鏡による観察のような通常の２次元的な評価方法によって求めたフェライトの割合、つまり面積率を指す。

「微量油潤滑深穴加工」とは、具体的には、１時間当たり２００ミリリットル以下という微量の潤滑油剤（切削油剤）の供給下で、ドリル径Ｄが１０ｍｍ以下の超硬合金製のツイストドリルあるいは超硬合金をコーティングしたツイストドリルを用いた場合の、深さ１０Ｄ以上の穴の加工、すなわち、ドリル径の１０倍以上の深穴の加工を指す。

以下、上記の微量油潤滑深穴加工用鋼材に係る発明を「本発明」いう。

本発明の微量油潤滑深穴加工用鋼材は、ドリル径Ｄが１０ｍｍ以下の超硬合金製あるいは超硬合金をコーティングした細径ドリルを用いて、深さ１０Ｄ以上の穴、すなわち、ドリル径の１０倍以上の深穴を加工する際のバリ形成を抑制することができるため、特に、高い寸法精度が要求される機械構造部品の素材として用いることが可能である。なお、本発明の鋼材を微量油潤滑深穴加工法に適用すれば、高速切削が可能で送り量も高くすることができるため、高能率の切削加工が可能となり、また、潤滑油剤の廃棄処理の問題を解決することもできるという効果も得られる。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

（Ａ）鋼材の化学組成
Ｃ：０．３３〜０．７０％
Ｃは、鋼の強度を高めて機械構造部品に所望の高い強度を付与するのに必須の元素である。加えてＣには、微量油潤滑切削の場合の加工性に重要な役割を果たす後述のフェライト率に影響を及ぼす。Ｃの含有量が０．３３％未満では所望の高い強度の確保が困難であるばかりか、フェライト・パーライト組織におけるフェライトの量（フェライト率）が多くなって４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなるので、大きなバリが生じる。一方、その含有量が０．７０％を超えるとフェライト・パーライト組織におけるフェライトの量が少なくなって、やはり４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなるので、大きなバリが生じる。したがって、Ｃの含有量を０．３３〜０．７０％とした。なお、好ましいＣ含有量の範囲は０．３５〜０．５０％である。

Ｓｉ：０．１〜１．２％
Ｓｉは、強度を高める元素である。しかしながら、その含有量が０．１％未満ではその効果が期待できない。一方、Ｓｉを１．２％を超えて含有させると硬さが上昇し、特に、Ｓｉは軟質なフェライトに固溶しやすいので剪断変形抵抗を高め切削抵抗の上昇をもたらす。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．２％とした。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．７％である。

Ｍｎ：０．３５〜２．０％
Ｍｎは、強度を高める作用を有する。なお、Ｍｎはフェライト・パーライト組織におけるフェライトの量（フェライト率）に影響を及ぼすため、Ｃ含有量とのバランスを考慮することも重要であり、強度を確保するために、Ｍｎは０．３５％以上の含有量とする必要がある。しかしながら、その含有量が２．０％を超えるとフェライト・パーライト組織中のフェライトの量が低下し、その結果４００℃の延性としての絞りが高くなり、大きなバリが生じる場合がある。したがって、Ｍｎの含有量を０．３５〜２．０％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．６５％以上とすることが好ましい。また、Ｍｎ含有量の上限は、１．５％とすることが好ましい。

Ｐ：０．００８〜０．２％
Ｐは、本発明において重要な元素である。その含有量が微量の場合、Ｐは主にフェライトとパーライトの粒界近傍に偏析して４００℃における引張試験での延性としての絞り低下に効果があり、バリの大きさ低減に有効である。しかしながら、その含有量が０．００８％未満では前記の効果が得られない。一方、Ｐの含有量が過剰になるとフェライトとパーライトの粒界近傍に偏析するＰの量が飽和し、特に、０．２％を超えると、前記フェライトとパーライトの粒界近傍に偏析するＰの量が飽和するばかりか、過剰なＰがフェライト粒内に固溶することによって硬さ上昇とともに切削抵抗の上昇をもたらす。したがって、Ｐの含有量を０．００８〜０．２％とした。なお、Ｐの含有量の上限は０．１５％とすることが好ましい。

なお、上記範囲にあるＰの含有量は、後述するように、（１）式、つまり、「ｆｎ１＝（Ｐ／３）＋（Ｎ―０．５２×Ａｌ）」で表されるｆｎ１の値で、０．０１以上も満たす必要がある。

Ｓ：０．０４〜０．２％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成して被削性を改善する作用を有する。その効果は、切り屑剪断域での変形の起点となることで剪断変形抵抗を小さくすることにある。しかしながら、その含有量が０．０４％未満では前記の効果が得難い。一方、Ｓを多量に含有すると、ＭｎＳが粗大化するとともにその量も多くなるので靱性の異方性が顕著になり、さらに、靱性そのものが劣化する。特に、Ｓの含有量が０．２％を超えると、靭性の劣化が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．０４〜０．２％とした。なお、好ましいＳ含有量の範囲は０．０４〜０．１５％である。

Ｃｒ：０．０１〜０．２％
Ｃｒは、鋼材の強度を確保させるために必要な元素でありる。こうした効果を確実に得るためには、Ｃｒの含有量は０．０１％以上とする必要がある。しかしながら、その含有量が０．２％を超えると、Ｎのフェライトとパーライトの粒界近傍における偏析を抑制し、その結果４００℃の延性としての絞りが高くなり、大きなバリが生じる。したがって、Ｃｒの含有量を０．０１〜０．２％とした。なお、好ましいＣｒ含有量の上限は０．１５％である。

Ａｌ：０．０２５％以下
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり添加する。しかしながら、Ａｌは窒化物を形成してフェライト中に固溶状態で存在する窒素の量を低減させ、その結果として４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなり、大きなバリが生じ、さらに、Ａｌの含有量が多くなると硬質な酸化物の量が高くなって工具の損傷をきたす場合がある。特に、Ａｌの含有量が０．０２５％を超えると、大きなバリが生じたり工具の損傷をきたすことが多くなる。したがって、Ａｌの含有量を０．０２５％以下とした。

なお、上記範囲にあるＡｌの含有量は、後述するように、（１）式、つまり、「ｆｎ１＝（Ｐ／３）＋（Ｎ―０．５２×Ａｌ）」で表されるｆｎ１の値で、０．０１以上も満たす必要がある。

Ｎ：０．０１２％を超えて０．０３０％以下
Ｎは、本発明において重要な元素である。Ｎは、鋼中のフェライトおよび、フェライトとパーライトの粒界近傍に固溶し、４００℃における引張試験での延性としての絞りを低下させてバリを抑制する効果がある。しかしながら、その含有量が０．０１２％以下では前記の効果が得難い。一方、Ｎを０．０３０％を超えて含有させてもその効果が飽和し、製造コストが嵩むだけである。したがって、Ｎの含有量を０．０１２％を超えて０．０３０％以下とした。なお、前記したＮの効果を安定して確保するためには、その含有量は０．０１４〜０．０２６％とすることが好ましい。

なお、上記範囲にあるＮの含有量は、次に述べるように、（１）式、つまり、「ｆｎ１＝（Ｐ／３）＋（Ｎ―０．５２×Ａｌ）」で表されるｆｎ１の値で、０．０１以上も満たす必要がある。

ｆｎ１の値：０．０１以上
ｆｎ１＝（Ｐ／３）＋（Ｎ―０．５２×Ａｌ）で表される（１）式によって４００℃における引張試験での延性を整理することができ、ｆｎ１の値が０．０１以上を満たすとき、フェライトとパーライトの粒界近傍が脆化するので４００℃における引張試験での延性としての絞りが低下し、このためバリが抑制される。逆に、上記ｆｎ１の値が０．０１に満たないときは、４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなって大きなバリが生じる。したがって、（１）式で表されるｆｎ１の値が０．０１以上を満たすことと規定した。

上記のｆｎ１の値の上限は、ＰとＮの含有量がそれぞれの上限値である０．２％と０．０３０％でＡｌの含有量が０％に近い場合の０．０９６に近い値であってもよい。

なお、本発明に係る微量油潤滑深穴加工用鋼材においては、以上に述べた元素以外は、本質的に不純物であって、意図的に添加することはない。しかしながら、不純物であっても、ＶおよびＴｉの含有量は、それぞれ、Ｖ：０．０１％未満およびＴｉ：０．００５％以下に制限する必要がある。

以下、このことについて説明する。

Ｖ：０．０１％未満
Ｖは、Ｎとともに窒化物を形成し、フェライト中に固溶状態で存在する窒素の量を低減させ、その結果として４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなる。特に、Ｖの含有量が０．０１％以上の場合には、４００℃における引張試験での延性としての絞りが著しく高くなり、大きなバリが生じる。したがって、不純物中に含有されるＶの含有量は０．０１％未満でなければならない。

Ｔｉ：０．００５％以下
Ｔｉは、Ｎとともに窒化物を形成し、フェライト中に固溶状態で存在する窒素の量を低減させ、その結果として４００℃における引張試験での延性としての絞りが著しく高くなる。加えて、Ｔｉの含有量が多くなると硬質な窒化物の量が増加して工具の損傷をきたす場合がある。特に、Ｔｉの含有量が０．００５％を超えると、大きなバリが生じたり工具の損傷をきたすことが多くなる。したがって、不純物中に含有されるＴｉの含有量は０．００５％以下でなければならない。

上記の理由から、本発明に係る微量油潤滑深穴加工用鋼材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、ＡｌおよびＮを上述した範囲で含むとともに、前記（１）式で表されるｆｎ１が０．０１以上を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中に含有されるＶおよびＴｉがそれぞれ、上述の範囲にある化学組成を有することと規定した。

ただし、不純物除去のための製鋼工程でのいたずらなコストアップを避け、また、過剰な含有による被削性の低下を防止するなどの観点から、不純物中のＣｕおよびＮｉの含有量は、いずれも、０．１５％以下とするのが好ましい。

なお、不純物中のＯ（酸素）については、その含有量は特に規定するものではないが、良好な靱性を確保するために、できればその含有量を０．０１５％以下とすることが好ましい。

上述の化学組成を有する鋼材は、例えば、転炉や電気炉等により溶製した後、鋳型に注入する造塊法や連続鋳造法によって鋳造し、その後さらに、熱間圧延や熱間鍛造を行うことによって製造することができる。

（Ｂ）鋼材の組織
本発明の微量油潤滑深穴加工用鋼材は、その組織を、フェライト率が７〜３０％のフェライト・パーライト組織とする必要がある。

上記の規定は、本発明者らが行った次の調査結果に基づくものであり、以下、詳しく説明する。

本発明者らは、供試材として表１に示すＸ１〜Ｘ１０の鋼材を次に示す工程で製造した。

先ず、５０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製した鋼塊を１２５０℃に加熱してから１０００℃以上で仕上げる熱間加工（熱間鍛造）を行い、直径６０ｍｍの丸棒を作製した。

ここで、供試材Ｘ１および供試材Ｘ２については、熱間鍛造後に大気中で放冷したままとして、非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。

一方、供試材Ｘ３〜Ｘ１０については、組織形態を変化させるために、熱間鍛造後に大気中で放冷してから、さらに、１２５０℃あるいは９５０℃に加熱して１時間保持する熱処理を行い、その後、大気中で放冷した。なお、１２５０℃での熱処理は供試材Ｘ３〜Ｘ６について実施し、また、９５０℃での熱処理は供試材Ｘ７〜Ｘ１０について行った。

なお、供試材Ｘ４と供試材Ｘ８、供試材Ｘ５と供試材Ｘ９、供試材Ｘ６と供試材Ｘ１０は、それぞれ熱間鍛造して作製した同一の丸棒を２つに切断して、上記した各々の温度で熱処理を行ったものである。

このようにして得た各丸棒について、組織および４００℃での引張特性を調査した。

組織は、丸棒の表面から１５ｍｍの位置（丸棒の半径の１／２の位置、以下、「Ｒ／２部位置」という。）を中心にして、丸棒の長手方向に平行に試験片を採取し樹脂に埋め込んで、上記の縦断面を鏡面研磨してナイタルで腐食した後、倍率が１００倍の光学顕微鏡で観察して、フェライト率（面積率）の測定と組織（相）の判定を行った。

４００℃での引張特性は、組織と同様Ｒ／２部位置を中心にして、丸棒の長手方向に平行に平行部直径が６ｍｍで平行部長さが４０ｍｍの丸棒引張試験片を採取して調査した。すなわち、標点距離を３０ｍｍとし、上記の試験片全体を炉内で４００℃に加熱した状態で、歪み０．３％までを歪み制御によって０．０９ｍｍ／分の引張速度で、また、その後試験片が破断するまではクロスヘッド間制御によって３ｍｍ／分の引張速度で引張試験し、破断部の断面減少率として絞りを計測した。

表１に、フェライト率と４００℃の絞りも合わせて示す。なお、観察された組織はいずれもフェライト・パーライト組織であった。

図１に、上記のようにして調査したフェライト・パーライト組織におけるフェライト率と４００℃における引張試験での延性としての「絞り」の関係を示す。

図１から明らかなように、フェライト・パーライト組織におけるフェライト率が７〜３０％の範囲で、４００℃における引張試験での延性としての絞りが低下して５５％以下になる。そして、既に知見（ｂ）として述べたように、この場合のバリの大きさは小さいものである。これに対して、フェライト・パーライト組織におけるフェライト率が７％未満および３０％を超える場合には、４００℃における引張試験での延性としての絞りが高くなって５５％を超えるので大きなバリを生じてしまう。

上述の理由から、本発明の微量油潤滑深穴加工用鋼材の組織を、フェライト率が７〜３０％のフェライト・パーライト組織とした。

本発明の微量油潤滑深穴加工用鋼材の組織は、フェライト率が７〜２０％のフェライト・パーライト組織であることが一層好ましい。

なお、既に述べたように、本発明でいう「フェライト・パーライト組織」とは、全体の９５％を超える部分がフェライトとパーライトの混合組織からなるものを指す。また、「フェライト率」とは、「フェライト・パーライト組織」におけるフェライトの割合を指し、「セメンタイト」と「フェライト」からなる「パーライト」中の「フェライト」は含まない。

さらに、上記の「フェライト率」は、例えば、光学顕微鏡による観察のような通常の２次元的な評価方法によって求めたフェライトの割合、つまり面積率を指すことも既に述べたとおりである。

本発明の微量油潤滑深穴加工用鋼材における「フェライト・パーライト組織」以外の組織としては、例えば、ベイナイトやマルテンサイトなどの第３相を挙げることができるが、第３相が５％以下でありさえすれば、微量油潤滑深穴加工の場合の被削性には実質的な影響がない。

したがって、本発明においては上記のとおり、全体の９５％を超える部分がフェライトとパーライトの混合組織からなる「フェライト・パーライト組織」におけるフェライト率が７〜３０％と規定する。すなわち、前述した「フェライト率」とは、より具体的には、｛「フェライト」／（「フェライト」＋「パーライト」＋「第３相」）｝×１００（％）のことをいう。

上記した所定の組織は非調質処理、つまり最終の熱間加工後に冷却したままでも得られるし、熱間加工後に「焼ならし」、「焼ならし−焼戻し」などの熱処理を行っても得られる。ただし、コスト面からは熱処理を行わずに所定の組織が得られる非調質処理とすることが好ましい。この非調質処理の場合には、熱処理を行う必要がないためコスト面で有利であるし、工程が簡素化できるために納期の面でも有利である。

なお、「（Ａ）鋼材の化学組成」の項で述べた範囲のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、ＡｌおよびＮを含むとともに、前記（１）式で表されるｆｎ１が０．０１以上を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中に含有されるＶおよびＴｉがそれぞれ、前述の範囲にあり、しかも、下記（２）式で表されるｆｎ２の値が０．６０〜０．８０を満たす化学組成を有する鋼材を、非調質処理の場合には、加熱温度を１１００〜１２８０℃として熱間加工し、その後放冷することによって、また、熱間加工後に熱処理が必要な場合には、加熱温度を１１００〜１２８０℃として熱処理し、その後放冷することによって、前記した所定の組織を安定かつ確実に得ることができる。
ｆｎ２＝Ｃ＋（Ｍｎ／５）・・・（２）。
ただし、（２）式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。

なお、既に述べたように、本発明でいう「微量油潤滑深穴加工」とは、１時間当たり２００ミリリットル以下という微量の潤滑油剤（切削油剤）の供給下で、ドリル径Ｄが１０ｍｍ以下の超硬合金製のツイストドリルあるいは超硬合金をコーティングしたツイストドリルを用いた場合の、深さ１０Ｄ以上の穴、すなわち、ドリル径の１０倍以上の深穴の加工を指すが、実際の鋼材のドリル加工においては、潤滑油剤の量を１時間当たり約５０ミリリットル以下として実施することが多い。また、潤滑油剤の塗布方法は潤滑油をミスト状にしてから空気と混合して噴射する方法が一般的である。場合によっては、ミスト状の水も潤滑油剤に混合させる場合があるが、この場合は水を含まない潤滑油剤単独の量が１時間当たり２００ミリリットル以下として実施する。

本発明においては、特に塗布時の潤滑油剤の形態については限定するものではなく、単に潤滑油剤の量が１時間当たり２００ミリリットル以下であればその効果を確保することができる。

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

表２に示す化学組成を有する鋼Ａ１〜Ａ８、鋼Ｂ１〜Ｂ１３、鋼Ｃ１および鋼Ｃ２を５０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製した。表２における鋼Ａ１〜Ａ８、鋼Ｂ１１、鋼Ｂ１２および鋼Ｃ２は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼Ｂ１〜Ｂ１０、鋼Ｂ１３および鋼Ｃ１は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。なお、表１には、前記（２）式、つまり、「ｆｎ２＝Ｃ＋（Ｍｎ／５）」で表されるｆｎ２の値も記載した。

次いで、これらの鋼の鋼塊を１２５０℃に加熱してから１０００℃以上で仕上げる熱間加工（熱間鍛造）を行い、直径６０ｍｍの丸棒を作製した。

なお、鋼Ａ１〜Ａ６および鋼Ｂ１〜Ｂ７については、熱間鍛造後に大気中で放冷したままとして、非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。

一方、鋼Ａ７、鋼Ａ８、鋼Ｂ８〜Ｂ１３、鋼Ｃ１および鋼Ｃ２については、組織形態を変化させるために、熱間鍛造後に大気中で放冷してから、さらに、１２５０℃あるいは９５０℃に加熱して１時間保持する熱処理を行い、その後、大気中で放冷した。なお、１２５０℃での熱処理は鋼Ａ７、鋼Ａ８および鋼Ｂ８〜Ｂ１３について、また、９５０℃での熱処理は鋼Ｃ１および鋼Ｃ２について行った。

このようにして得た各丸棒について、組織および微量油潤滑深穴加工性を調査した。

組織は、丸棒の表面から１５ｍｍの位置（「Ｒ／２部位置」）を中心にして、丸棒の長手方向に平行に試験片を採取し樹脂に埋め込んで、上記の縦断面を鏡面研磨してナイタルで腐食した後、倍率が１００倍の光学顕微鏡で観察して、フェライト率（面積率）の測定と組織（相）の判定を行った。

また、微量油潤滑深穴加工性の評価については、超硬コーティングドリルにおける穴加工貫通時の抜け際に発生するバリの大きさで検討した。

具体的には、ドリル直径（Ｄ）が５ｍｍ、全長が１８０ｍｍ（刃長１３０ｍｍ）で先端角が１４０゜の油穴付き超硬コーティングドリルを使用し、長手方向に対して約２８゜の角度で一端を切り落とした切断面を有する直径６０ｍｍの試験片に対して、その長手方向に穴加工を施し、前記切断面を貫通させた。

なお、加工条件は、貫通直前２ｍｍ手前（穴深さで８３ｍｍ）までは回転数５０９５ｒｐｍおよび送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．とし、それ以降は、回転数はそのままで送りを０．０５ｍｍ／ｒｅｖ．として、ドリルの刃全体が約２８゜で切り落とした切断面を完全に抜けきる位置までドリルを送って貫通させた。

図２に、前記試験片の形状と加工穴の位置を示す。なお、使用した潤滑油剤は生分解性の高い合成エステルで、これを約１．０ミリリットル／時間でドリル油穴からの内部給油で空気と混合し噴霧状にして供給し、試験片に塗布した。

図３に、上記図２の貫通部を拡大して示す。試験片の加工穴を穴加工方向と垂直な方向から観察した場合、加工穴は楕円形状として観察され、楕円形状の最も加工深さの浅い位置にバリが発生する。なお、前記穴加工に際しては、上記バリの発生位置が穴深さで８５ｍｍとなるように穴加工位置を決定した。

図４に、図３において試験片の加工穴を穴加工方向と垂直な方向で、かつ加工穴の投影面積が最大となる方向から観察した図を示す。バリが全く発生しない場合には、形成された加工穴は、短径が穴径の約５ｍｍ、長径が５ｍｍ÷ｔａｎ２８゜＝９．８ｍｍの楕円形状となる。これを理想的な加工穴の楕円形状とした場合、図４に示すように、バリは理想的な加工穴の楕円形状からはみ出た状態で観察することができる。

なお、上記のはみ出ている部分を「バリ」とし、その中心線近傍で理想的な加工穴の楕円形状からずれている最大長さをもって「バリの大きさ」と定義して、各鋼について穴加工を２回実施し、その２回の「バリの大きさ」の算術平均値で各試験番号における微量油潤滑深穴加工性を評価した。

表３に、上記の各試験結果をまとめて示す。

表３に示したように、鋼の化学組成が本発明で規定する範囲内にあり、さらに、組織も本発明の条件、すなわち、フェライト率が７〜３０％のフェライト・パーライト組織からなるという条件を満足する本発明例の試験番号１〜８の場合、バリの大きさは最大でも０．５６ｍｍと小さく、微量油潤滑深穴加工性に優れている。

これに対して、試験番号９〜２３の比較例は、バリの大きさは試験番号２２の最小の場合でも０．６１ｍｍであり、微量油潤滑深穴加工性に劣っている。

フェライト・パーライト組織におけるフェライト率（図では、単に「フェライト率」と表記した。）と４００℃における引張試験での延性としての「絞り」の関係を示す図である。微量油潤滑深穴加工性を評価するために実施例で用いた試験片の形状と加工穴の位置を示す図である。図２の貫通部を拡大して示す図で、バリの発生位置を説明する図である。バリが発生しない場合に形成される理想的な加工穴の楕円形状からはみ出ている部分を「バリ」とし、その中心線近傍で理想的な加工穴の楕円形状からずれている最大長さをもって「バリの大きさ」とすることを説明するための模式図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３３〜０．７０％、Ｓｉ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．３５〜２．０％、Ｐ：０．０１３〜０．２％、Ｓ：０．０４〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．０２５％以下およびＮ：０．０１４〜０．０３０％を含むとともに、下記（１）式で表されるｆｎ１の値が０．０１以上を満たし、かつ、下記（２）式で表されるｆｎ２の値が０．６０〜０．８０を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中に含有されるＶおよびＴｉがそれぞれ、Ｖ：０．０１％未満およびＴｉ：０．００５％以下の化学組成を有し、フェライトの面積率が７〜３０％のフェライト・パーライト組織からなることを特徴とする微量油潤滑深穴加工用鋼材。
ｆｎ１＝（Ｐ／３）＋（Ｎ―０．５２×Ａｌ）・・・（１）
ｆｎ２＝Ｃ＋（Ｍｎ／５）・・・（２）
ただし、（１）式および（２）式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。