JP5092578B2 - 低炭素硫黄快削鋼 - Google Patents
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Description
2.0<Mn/S<4.0・・・(1)、
0.0005≦10Ca×Si≦0.050・・・(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。
Cは、被削性および強度に大きな影響を及ぼす元素である。超硬工具を用いた仕上げ旋削加工において、仕上げ面粗さを小さくするためには、Cの含有量は0.20%未満でなければならない。これは、Cの含有量が0.20%以上の場合、鋼の硬さが高くなって工具先端の溝状摩耗が進みやすくなるためである。一方、Cの含有量が0.02%を下回ると、製造コストが嵩むことに加えて、硬さが柔らかくなりすぎるため、良好な切り屑処理性が得られない。よって、優れた切り屑処理性を確保するためには、伸線加工のような冷間での加工を何度も繰り返して硬さを上昇させなければならなくなるので好ましくない。したがって、Cの含有量を、0.02%以上0.20%未満とした。なお、好ましいC含有量の範囲は、0.03〜0.18%である。0.05〜0.12%であればさらに好ましい。
本発明におけるSiの役割は重要であり、後述するCaとの質量バランスを十分に配慮したうえで含有させなければならない。但し、Siの含有量が0.10%以下の場合、Oの含有量を十分な量まで下げることができないので、10μmを超えるMnSが多く存在するようになり、工具先端の溝状摩耗が進みやすく、良好な仕上げ面粗さが得られない。一方、Siを1.5%を超えて含有させた場合、Siがフェライト中に固溶して鋼の強度を高めるため、逆に溝状摩耗が進みやすくなり、良好な仕上げ面粗さが得られない。したがって、Siの含有量の範囲を、0.10%を超えて1.5%以下とした。なお、後述するCaとの質量バランスを考慮した場合、Caは歩留まりが悪いため、CaよりもSiによって脱酸効果を得るのが望ましく、その場合Siは0.15%を超えて含有させることが望ましく、0.20%を超えて含有させることが一層望ましい。一方、硬さが上昇すれば、工具先端の溝状摩耗を進みやすくさせ、良好な仕上げ面粗さが得られなくなるので、Si含有量の上限は、1.0%とすることが好ましく、0.5%以下であれば一層望ましい。
Mnは、SとともにMnSを形成して被削性全般、すなわち仕上げ面粗さ、切り屑処理性および切削抵抗のいずれにも大きな影響を及ぼす重要な元素である。その含有量が0.8%未満では、MnSとしての絶対量が不足となり、所望の良好な被削性を得ることができない。また、連続鋳造の際に鋳片内部に割れが発生したり、熱間加工性を劣化させる要因となる。なお、Mnには浸炭特性を高める作用もあるので、良好な浸炭特性を得たい場合にはMnの含有量を高めればよい。しかしながら、2.2%を超える多量のMnを含有する場合には、Mnが固溶して硬さが高くなり、溝状摩耗が進みやすくなり、良好な仕上げ面粗さが得られず、また、冷間加工性の低下をもきたす。したがって、Mnの含有量を0.8〜2.2%とした。Mnの含有量は1.0〜1.8%であることが望ましく、1.2〜1.7%であればさらに望ましい。
Pは、強度を高める作用を有するので、Cの含有量が低い本発明において、部品としての強度を確保させるとともに、良好な仕上げ面粗さや切り屑処理性が得られるように硬さを調整するのに有効な元素である。そのためには、Pは0.005%以上含有させればよい。しかしながら、Pの含有量が過剰になると、硬さが高くなりすぎて溝状摩耗が進みやすくなり、結果として良好な仕上げ面粗さが得られない。特に、0.25%を超えると溝状摩耗が著しくなることに加えて、冷間加工性や熱間加工性も低下する。したがって、Pの含有量の範囲を0.005〜0.25%とした。なお、Pの含有量は0.03〜0.15%とすることが望ましい。
Sは、MnとともにMnSを形成して良好な被削性全般、すなわち仕上げ面粗さ、切り屑処理性および切削抵抗を確保するために必須の元素である。Sの含有量が0.40%以下では、十分な量のMnSを生成することができず、所望の仕上げ面粗さや切り屑処理性を得ることができない。また、Sの含有量が高くなると連続鋳造の際に鋳片内部に割れが発生したり、熱間加工性を劣化させる要因となるが、Mnの含有量とのバランスを適正化することで、内部割れや熱間加工性の劣化を引き起こすことなく、所望の仕上げ面粗さや切り屑処理性を確保することができる。しかしながら、Sを0.8%を超えて含有させた場合には、S含有量に見合うだけのMnを多量に含有させる必要があり、その場合には粗大なMnSが多く形成されるので、溝状摩耗が進みやすくなり、良好な仕上げ面粗さを得ることができない。また、含有量で0.8%を超える過剰なSの添加は歩留まりの悪化によるコスト上昇に繋がる。したがって、Sの含有量を0.40%を超えて0.8%以下とした。
本発明において、O(酸素)は、極めて重要な元素である。Oの含有量が高いと、粗大なMnSが多量に形成されてしまう。粗大なMnSが多量に形成されると、工具先端の溝状摩耗の進行を早めてしまい、その結果仕上げ面粗さが大きくなってしまう。したがって、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持するためには、粗大なMnSを可能な限り低減すること、具体的には、鋼材縦断面1mm2中で観察されるMnSのうち、円相当直径換算で10μmを超えるMnSの総面積を低減することが重要であり、そのためには、Oの含有量をできるだけ低減させることが必要である。Oの含有量が0.010%未満であれば、凝固後の鋳片において、鋼中に粗大なMnSが存在していても、その後の熱間加工で延伸して細かく分断するので、鋼材縦断面1mm2中で観察されるMnSのうち、円相当直径換算で10μmを超えるMnSの総面積が10%以下となり、鋼材中には粗大なMnSはほとんど観察されなくなる。したがって小さな仕上げ面粗さを確保することができる。しかしながら、Oの含有量が増えて0.010%以上になると、MnS中に固溶するO量も多くなって、MnSの変形抵抗は高くなり、MnSは分断しにくく、粗大な状態で残存するので、仕上げ面粗さが大きくなってしまう。したがって、Oの含有量を0.010%未満とした。
Nは、不純物として不可避的に含有される元素である。また、本発明においては、AlやTiを実質的に含有しないので、Nは、硬質のAlやTiの窒化物をほとんど形成せず、フェライト中に固溶した状態で存在する。Nを積極的に含有させた場合、フェライトに固溶したNは、強度を高める作用を有する。さらに、Nには、仕上げ面粗さを小さくする作用もある。しかし、Nを0.025%を超えて含有させても、前記の効果が飽和するばかりでなく、冷間加工性の低下を招き、さらに製造コストの上昇をきたす。したがって、Nの含有量を0.025%以下とした。より効果的に強度を向上させ、仕上げ面粗さを小さくし、良好な冷間加工性を具備させるためには、Nの含有量は0.005〜0.015%とすることが好ましい。
Caは、本発明において重要な元素であり、Siとの質量バランスを十分に配慮したうえで0.0003%以上含有させれば、Oの含有量を十分な量まで下げることが可能になるとともに、硬質な酸化物の形成を抑制することができ、切り屑処理性とともに仕上げ面粗さを飛躍的に小さくすることができる。しかしながら、Caは添加歩留まりが極めて低いので、0.005%を超えて含有させるには製造コストが高くなりすぎるので好ましくない。したがって、Caの含有量を0.0003〜0.005%とした。なお、Caの含有量は0.0005%以上0.0045%未満とすることが好ましく、0.001%以上0.0040%未満とすればさらに好ましい。
Alは、O(酸素)との親和性が強い脱酸元素であり、不純物として0.005%以上含有される場合には、上述のSi含有量、Ca含有量、後述する10Ca(%)×Si(%)の値で、0.0005〜0.050を満たしていても、硬質の酸化物が形成されてしまう。したがって、工具先端の溝状摩耗を抑えることができないので、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。このため、不純物中に含有されるAlの含有量は0.005%未満とする必要がある。
Mgも、O(酸素)との親和性が強い脱酸元素であり、不純物として0.0003%以上含有される場合には、上述のSi含有量、Ca含有量、後述する10Ca(%)×Si(%)の値で、0.0005〜0.050を満たしていても、硬質のMgの酸化物が形成されてしまう。したがって、工具先端の溝状摩耗を抑えることができないので、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。このため、不純物中に含有されるMgの含有量は0.0003%未満とする必要がある。
Tiも、O(酸素)との親和性が強い脱酸元素であり、不純物として0.002%を超える場合には、上述のSi含有量、Ca含有量、後述する10Ca(%)×Si(%)の値で、0.0005〜0.050を満たしていても、硬質のTiの酸化物が形成されてしまう。したがって、工具先端の溝状摩耗を抑えることができないので、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。このため、不純物中に含有されるTiの含有量は0.002%以下とする必要がある。不純物中に含有されるTiの望ましい含有量は0.001%以下であり、0.0005%以下であればさらに好ましい。
Zrも、O(酸素)との親和性が強い脱酸元素であり、不純物として0.002%を超える場合には、上述のSi含有量、Ca含有量、後述する10Ca(%)×Si(%)の値で、0.0005〜0.050を満たしていても、硬質のZrの酸化物が形成されてしまう。したがって、工具先端の溝状摩耗を抑えることができないので、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。このため、不純物中に含有されるZrの含有量は0.002%以下とする必要がある。不純物中に含有されるZrの望ましい含有量は0.001%以下であり、0.0005%以下であればさらに好ましい。
REMも、O(酸素)との親和性が強い脱酸元素であり、不純物として0.0003%以上含有される場合には、上述のSi含有量、Ca含有量、後述する10Ca(%)×Si(%)の値で、0.0005〜0.050を満たしていても、硬質のREMの酸化物が形成されてしまう。したがって、工具先端の溝状摩耗を抑えることができないので、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。このため、不純物中に含有されるREMの含有量は0.0003%未満とする必要がある。
上述した範囲のC、Si、Mn、P、S、O、N、Caを含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中に含有されるAl、Mg、Ti、ZrおよびREMがそれぞれ、Al:0.005%未満、Mg:0.0003%未満、Ti:0.002%以下、Zr:0.002%以下およびREM:0.0003%未満である鋼は、その「Mn/S」の値が2.0を超えて4.0未満であること、つまり、前記(1)式を満たすようにする必要がある。
前記範囲のC、Si、Mn、P、S、O、N、Caを含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中に含有されるAl、Mg、Ti、ZrおよびREMがそれぞれ、Al:0.005%未満、Mg:0.0003%未満、Ti:0.002%以下、Zr:0.002%以下およびREM:0.0003%未満である鋼は、その「10Ca×Si」の値が0.0005以上0.050以下であること、つまり、前記(2)式を満たすようにする必要もある。
第1群:Te:0.05%以下、Bi:0.15%以下およびSn:0.5%以下のうちの1種以上、
第2群:Cr:2.0%以下、Mo:0.5%以下、V:0.3%以下およびNb:0.3%以下のうちの1種以上、
の少なくとも1つの群の元素のうち1種以上を含有するものとすることができる。
Te、BiおよびSnは、いずれも、被削性を改善する作用を有する元素であり、より優れた被削性を得たい場合には以下の範囲で含有してもよい。
Teは、Mn、SとともにMn(S、Te)を生成して工具先端の溝状摩耗を進めにくくし、仕上げ面粗さを改善する作用を有するので、さらに小さな仕上げ面粗さを得たい場合には上記範囲内で含有させてもよい。しかしながら、Teを0.05%を超えて含有させてもその効果が飽和するので経済的でなくなるし、熱間加工性も劣化する。したがって、添加する場合のTeの含有量を0.05%以下とした。
Biは、Pbと同様の低融点金属介在物として脆化作用を有し、鋼のあらゆる被削性、すなわち仕上げ面粗さ、切り屑処理性および切削抵抗を改善する効果を有する。しかしながら、Biを0.15%を超えて含有させてもその効果が飽和してコストが嵩むし、熱間加工性も劣化する。したがって、添加する場合のBiの含有量を0.15%以下とした。
Snは、仕上げ面粗さと切り屑処理性とを改善する作用を有する。これは、Snがマトリックスを脆化するためであると考えられる。しかしながら、Snを0.5%を超えて含有させてもその効果が飽和してコストが嵩むし、熱間加工性も劣化する。したがって、添加する場合のSnの含有量を0.5%以下とした。
Cr、Mo、VおよびNbは、いずれも、強度を高める作用を有する。このため、超硬工具を用いた仕上げ旋削加工によって得られる部品において特に強度を高めたい場合には以下の範囲で含有してもよい。
Crは、強度を高める作用を有する。Crには、焼入れ性を高めて浸炭特性を改善する作用もある。しかしながら、Crの含有量が多くなり、特に、2.0%を超えると、工具先端の溝状摩耗が進みやすくなり、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。しかも、前記の効果が飽和するのでコストも嵩む。したがって、添加する場合のCrの含有量を2.0%以下とした。
Moは、強度を高める作用を有する。Moには、焼入れ性を高める作用もある。しかしながら、Moの含有量が多くなり、特に、0.5%を超えると、工具先端の溝状摩耗が進みやすくなり、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。しかも、前記の効果が飽和するのでコストも嵩む。したがって、添加する場合のMoの含有量を0.5%以下とした。
Vは、析出強化によって強度を高める作用を有し、しかも、含有させてもMnSの形態に大きな影響を与えない。このため、被削性を確保した上で強度を向上させるのに極めて有効な元素である。しかしながら、Vの含有量が多くなり、特に、0.3%を超えると、工具先端の溝状摩耗が進みやすくなり、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。したがって、添加する場合のVの含有量を0.3%以下とした。
Nbは、Vと同じく析出強化によって強度を高める作用を有し、しかも、含有させてもMnSの形態に大きな影響を与えない。このため、被削性を確保した上で強度を向上させるのに極めて有効な元素である。しかしながら、Nbの含有量が多くなり、特に、0.3%を超えると、工具先端の溝状摩耗が進みやすくなり、仕上げ旋削加工において、小さな仕上げ面粗さを同一工具の下で長時間の加工の間維持することができない。したがって、添加する場合のNbの含有量を0.3%以下とした。
・送り量:0.03mm/rev、
・切り込み深さ:1.0mm、
・潤滑:非水溶性切削油を用いた湿式潤滑。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.02%以上0.20%未満、Si:0.10%を超えて1.5%以下、Mn:0.8〜2.2%、P:0.005〜0.25%、S:0.40%を超えて0.8%以下、O:0.010%未満、N:0.025%以下、Ca:0.0003〜0.005%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中に含有されるAl、Mg、Ti、ZrおよびREMがそれぞれ、Al:0.005%未満、Mg:0.0003%未満、Ti:0.002%以下、Zr:0.002%以下およびREM:0.0003%未満であり、下記(1)式および(2)式を満たすことを特徴とする低炭素硫黄快削鋼。
2.0<Mn/S<4.0・・・(1)、
0.0005≦10Ca×Si≦0.050・・・(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。 - Feの一部に代えて、質量%で、Te:0.05%以下、Bi:0.15%以下およびSn:0.5%以下のうちの1種以上を含有する請求項1に記載の低炭素硫黄快削鋼。
- Feの一部に代えて、質量%で、Cr:2.0%以下、Mo:0.5%以下、V:0.3%以下およびNb:0.3%以下のうちの1種以上を含有する請求項1または2に記載の低炭素硫黄快削鋼。
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