JP5037101B2 - 面粗さに優れた表面疵の少ない硫黄快削鋼 - Google Patents

Description

本発明は、地球環境問題からＰｂを含有せずともＰｂ添加快削鋼と同等以上の被削性を有する、被削性向上元素として硫黄を含有した硫黄快削鋼に関し、面粗さに優れ、且つ、表面疵が少なく、優れた仕上げ面精度が要求され、大量に使用される、例えばＯＡ機器用や自動車部品用として好適な快削鋼に関するものである。

硫黄快削鋼は、被削性に有効な硫化物の形態制御、すなわち、紡錘状化を行うために大量の酸素を含有している。しかしながら，全ての酸素が硫化物に固溶しないため、同時に巨大酸化物を生成して内部欠陥を生じたり、地疵を生成し、それが原因となり熱間圧延時の表面疵を発生させていた。

特許文献１は、巨大酸化物系介在物を低減した快削鋼に関し、酸素量を０．００８％以下とし、低酸素化による被削性の低下は硫化物（サルファイド）形態改善元素や被削性向上元素の添加あるいは圧延温度のコントロールによって防止し、硫化物（サルファイド）の形態をより一層改善し、巨大酸化物系介在物による内部欠陥や疵等の発生を防止することが記載されている。

また、特許文献２は、Ｐｂ非添加系で、Ｐｂ添加系快削鋼と同等の切削性を有する廉価な快削鋼に関し、低Ｓｉ−高Ｐ系のＰｂ非添加系で切削性を大きく向上させるため硫化物の総体積を大きくする目的でＳを多量に添加する化学成分が開示されている。熱間加工性の低下を防止するため、Ｍｎ／Ｓを一定値以上とする。

特許文献３は、被削性の他に、耐食性、電気抵抗値の安定性、およびゴムの密着性に優れるＯＡ機器用のシャフト用Ｐｂ添加系快削鋼に関し、６．０〜１１．０％のＣｒで主に耐食性を確保し、耐食性および熱間加工性を低下させるＳの含有量を０．０１％以下、鋼塊の清浄度を低下させるＳｉの含有量を０．１％以下とする化学成分が開示されている。

特開平１−３０９９４６号公報 特開２０００−１６０２８４号公報 特開平９−１７６７９９号公報

ところで、ＯＡ機器や自動車部品などは優れた部品仕上げ面精度が必要で、従来鋼以上の優れた仕上げ面精度が要求されている。

特許文献１〜３記載の快削鋼は、ＯＡ機器のシャフトや自動車部品類を対象とするが、いずれも面粗さＲｚに関しては記載がなく、ＯＡ機器や自動車部品類の性能を向上させる際、部品仕上げ面精度の観点から適合性が懸念される。

すなわち、特許文献１記載の快削鋼は酸素量を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で、硫化物の形態制御が十分でなく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。また、特許文献２記載の快削鋼は、Ｓを大量に添加するが、硫化物の形態制御の観点から不安である。

特許文献３記載の快削鋼は、Ｓｉ量を０．１％以下に限定している。Ｓｉは母相組織の大部分を占有するフェライト組織に固溶して硬さを上昇させ、鋼を脆化させる。その結果、切屑処理性が向上し、面粗さの向上に寄与する効果を有するので、その効果を考えた場合に特許文献３記載の快削鋼は、面粗さの低下が懸念される。

本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、被削性向上元素としてＰｂを含まない、地球環境に有利な成分組成で、面粗さに優れ、且つ、表面疵が少なく、例えばＯＡ機器用や自動車部品用として好適な快削鋼を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題達成のために鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
（１）硫黄快削鋼において、表面疵の原因となる巨大酸化物を減少させるためＯ量を低減した場合、脱酸元素であるＳｉ添加が容易となる。
（２）Ｏ量を低減した硫黄快削鋼において、Ｓｉ量を、Ｓｉ，Ａｌ，Ｏよりなるインデックスが特定範囲内となるように調整した成分組成とすると、切屑処理性が向上し、優れた仕上げ面粗さが得られる。
（３）当該成分組成において、Ｓ量をＭｎ＞Ｓ＞（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００のインデックスで規定すると、被削性が格段に向上する。
（４）更に、Ｃｒを添加し、Ｃｒ／Ｓを適正化すると、Ｓ−Ｃｒ−Ｍｎ複合系からなる、大型で、かつ、紡錘状の硫化物が適量得られ、切屑処理性、表面粗さを含めた被削性をより向上させることが可能である。

本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％未満、Ｓｉ：０．１超え〜０．７％以下、Ｍｎ：０．０５〜１．８％、Ｐ：０．０４〜０．１２％、Ｓ：０．２５〜０．４９％、Ａｌ：０．００５％未満、Ｏ：０．００２０超え〜０．００９０％未満（但し、Ｓ：０．４０〜０．４９％の場合はＯ：０．００２０超え０．００５０％未満とする。）、残部不可避的に混入する元素とＦｅからなり、かつ、下記（１）式、（２）式を満足することを特徴とする、面粗さに優れた表面疵の少ない硫黄快削鋼。
０．１２≦（Ｓｉ＋５×Ａｌ）−１０×Ｏ≦０．７２・・・・・（１）
Ｍｎ＞Ｓ＞（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００・・・・・（２）
各元素は含有量（質量％）とする。
２．更に、Ｃｒ：０．３〜２．３％を含有し、かつ、下記（３）式を満足する１記載の面粗さに優れた表面疵の少ない硫黄快削鋼。
２≦Ｃｒ／Ｓ≦６・・・・・（３）

本発明によれば、Ｐｂ非添加系のため、地球環境に有利で、表面粗さを含めた被削性に優れ、さらには、表面疵が少なく、例えばＯＡ機器用や自動車部品用として好適な、低炭素硫黄快削鋼を得ることが可能で、産業上極めて有用である。

以下に本発明の限定理由について説明する。％は質量％とする。

Ｃ：０．０２〜０．１０％未満
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。その含有量が０．０２％未満では充分な強度が得られない。一方、含有量が０．１０％以上になるとパーライト量が過剰となり、被削性の中でも仕上げ面粗さが劣化する。従って、Ｃ含有量は０．０２〜０．１０％未満にする。

Ｓｉ：０．１超え〜０．７％
Ｓｉは母相組織の大部分を占有するフェライト組織に固溶し、硬さを上昇させると同時にそのことにより脆化するため、切屑処理性を向上させ、そのため、面粗さの向上に寄与する。その含有率が０．１％以下では、充分な効果が得られず、一方、０．７％を超えるとその効果が飽和するとともに、脱酸元素でもあるため、酸化物が大型化し、表面疵が悪化する。従って、Ｓｉ含有量は０．１超え〜０．７％にする。

Ｍｎ：０．０５〜１．８％
Ｍｎは被削性に重要な硫化物形成元素である。その含有量が０．０５％未満では、硫化物量が少ないため、充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、含有量が１．８％を超えると硫化物が長く伸長してしまうため、被削性が低下するようになる。従って、Ｍｎ含有量は０．０５〜１．８％にする。

Ｐ：０．０４〜０．１２％
Ｐは、切削加工時に構成刃先の生成を抑制し、仕上げ面粗さを低減させるのに有効な元素である。その含有率が０．０４％未満では、充分な効果が得られず、一方、０．１２％を超えるとその効果が飽和するととも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％とする。

Ｓ：０．２５〜０．４９％
Ｓは、被削性に有効な硫化物形成元素である。その含有量が０．２５％未満では、硫化物量が少ないため被削性に対する効果が小さく、一方、０．４９％を超えると熱間加工性の低下により圧延時に大量に表面疵が発生するため、０．４９％以下にする。従ってＳ含有量は０．２５〜０．４９％とする。

Ａｌ：０．００５％未満
Ａｌは脱酸元素であり、鋳造時に巨大酸化物を生成させる。巨大酸化物は、それを起点とした圧延時の表面疵を発生させることから、Ａｌ量を限定することは本発明の根幹に関わり、重要である。巨大酸化物を起点とした圧延時の表面疵の発生を抑制するため、０．００５％未満に限定する。

Ｏ：０．００２０超え〜０．００９０％未満（但し、Ｓ：０．４０〜０．４９％の場合はＯ：０．００２０超え〜０．００５０％未満とする。）
Ｏは圧延などの熱間加工時における硫化物の伸長を抑制するのに有効で、この作用により被削性を向上させることができる重要な元素である。その含有量が０．００２％以下では硫化物の伸長を抑制させる効果が充分でなく、伸長した硫化物が残存してしまうため、本来の充分な効果が期待出来ない。

一方で、Ｏは，鋳造時に巨大酸化物を生成させ、それを起点として圧延時に表面疵が発生し、Ｓ起因の表面疵に加算されて表面性状を悪化させる。そのため、Ｏ量の上限は、Ｓ量との関係で規定される。

表面疵発生抑制の観点から、Ｓ量が０．４０〜０．４９％の場合、Ｏ含有量が０．００５０％以上になると鋳造時の巨大酸化物を起点として圧延時に大量に表面疵が発生するため、Ｓ起因の表面疵との合計の観点から、Ｏ含有量の上限を０．００５０％未満とする。

一方で、Ｓ量を０．２５〜０．４０％未満に低く抑えた場合、Ｓ起因の表面疵発生が抑制されるため、前述のＯ起因の表面疵の発生量が緩和されるため、Ｏ含有量の上限は０．００９０％未満まで緩和される。しかしながら、好ましくは、０．００５０％未満である。

０．１２≦（Ｓｉ＋５×Ａｌ）−１０×Ｏ≦０．７２
（Ｓｉ＋５×Ａｌ）−１０×Ｏは、面粗さに優れ、かつ、表面疵が少ないことを達成するためにＳｉ量，Ａｌ量とＯ量のバランスを限定する本発明の根幹に関わる重要なインデックスである。

すなわち、Ｓｉ，Ａｌは脱酸元素であり、酸素と結合することから、Ｏ量とのバランスを考慮することは必須である。本インデックスが０．１２％未満では、充分な効果が得られない。一方、０．７２％を超えるとその効果が飽和するとともに鋳造時に発生する巨大酸化物に起因する圧延時の表面疵発生が抑制できなくなる。従って、（Ｓｉ＋５×Ａｌ）−１０×Ｏは０．１２〜０．７２とする。尚、式において各元素は含有量（質量％）とする。

Ｍｎ＞Ｓ＞（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００
本発明では、優れた被削性を達成するため、Ｍｎ量とＳ量をＭｎ＞Ｓ＞（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００のインデックスで限定する。Ｍｎ≦ＳであるとＭｎＳ以外の硫化物が生成し被削性が劣化する。

一方、Ｓ≦（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００の場合、ＭｎＳ量が確保できず、被削性が劣化する。従って、Ｍｎ＞Ｓ＞（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００とする。尚、式において各元素は含有量（質量％）とする。

以上が本発明の基本成分組成で、面粗さに優れた表面疵の少ない硫黄快削鋼が得られるが、更に、被削性を向上させる場合、Ｓ量との関係において規定される量のＣｒを添加する。

Ｃｒ：０．３〜２．３％
Ｃｒは圧延などの熱間加工時における硫化物の伸長を抑制、すなわち紡錘状化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。その含有量が０．３％未満では硫化物の伸長を抑制させる効果が充分でなく伸長した硫化物が残存してしまうため本来の充分な効果が期待出来ない。

一方、含有量が２．３％を超えて添加しても硫化物の伸長を抑制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。従って含有量は０．３〜２．３％にする。

２≦Ｃｒ／Ｓ≦６
Ｃｒ／Ｓは圧延などの熱間加工時における硫化物の伸長度を左右し、被削性に影響を与える重要なインデックスである。その比が２未満であるとＭｎ−Ｓ単独系の硫化物の生成により伸長した硫化物が顕著となるために被削性が劣化する。

一方、その比が６を超えると硫化物の伸長を抑制する効果が飽和するので２〜６、好ましくは、２〜４とする。

本発明に係る硫黄快削鋼は、常法に従い溶鋼から製造した本発明範囲内の成分組成の鋳片を常法の熱間圧延により所望する寸法の丸鋼、角鋼、形鋼にすることが可能である。

第１表に示す、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．１〜６、および本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．７〜１２、ならびに従来例として、Ｎｏ．１３のＳＵＭ２３Ｌを溶製し、鋳造断面４００×３００ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径８０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、得られた棒鋼の各々について被削性、表面性状を調査した。

被削性は、第２表に示す条件で切削試験（外周旋削、ドリル穴開け）を実施し評価した。表面性状は、３００ｍｍ長さに切断した丸棒を酸洗し、肉眼にて表面疵個数を求めて評価した。

第３表に試験結果を示す。Ｎｏ．１〜６の本発明例はいずれもＮｏ．１３の従来例（ＳＵＭ２３Ｌ）に比較して、表面疵個数が少なく、切屑処理性、面粗さも良好で、ＯＡ機器用や自動車部品用など優れた仕上げ面精度が要求される部品に好適な表面性状、ならびに、被削性を有している。

一方、比較例のＮｏ．７はＳｉ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

Ｎｏ．８はＳ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、硫化物の量が少なく、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

Ｎｏ．９はＯ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、地疵が存在し、そのため表面疵個数が多く、表面性状が本発明鋼よりも劣っている。

Ｎｏ．１０はインデックス：（Ｓｉ＋５×Ａｌ）−１０×Ｏが本発明の請求範囲の下限値以下のため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

Ｎｏ．１１はＳ量が下限値以下のため、インデックス：Ｍｎ＞Ｓ＞（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００を満足せず、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

Ｎｏ．１２はＣｒ／Ｓが本発明の請求範囲の下限値以下のため、硫化物が大型化していないことにより、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％未満、Ｓｉ：０．１超え〜０．７％以下、Ｍｎ：０．０５〜１．８％、Ｐ：０．０４〜０．１２％、Ｓ：０．２５〜０．４９％、Ａｌ：０．００５％未満、Ｏ：０．００２０超え〜０．００９０％未満（但し、Ｓ：０．４０〜０．４９％の場合はＯ：０．００２０超え０．００５０％未満とする）、残部不可避的に混入する元素とＦｅからなり、かつ、下記（１）式、（２）式を満足することを特徴とする、面粗さに優れた表面疵の少ない硫黄快削鋼。
   ０．１２≦（Ｓｉ＋５×Ａｌ）−１０×Ｏ≦０．７２・・・・・（１）
   Ｍｎ＞Ｓ＞（［Ｍｎ］⁵）／３−（［Ｍｎ］²）／１００・・・・・（２）
   各元素は含有量（質量％）とする。
2. 更に、質量％で、Ｃｒ：０．３〜２．３％を含有し、かつ、下記（３）式を満足する請求項１記載の面粗さに優れた表面疵の少ない硫黄快削鋼。
   ２≦Ｃｒ／Ｓ≦６・・・・・（３）