JP6927444B1 - 快削鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
従来の添加量から大幅に減じたPbの添加で、低炭素硫黄鉛複合快削鋼と同等以上の被削性を有する快削鋼を提供する。Ｃ：0.15％以下、Mn：0.5％以上2.0％以下、Ｓ：0.200％以上0.650％以下、Ｏ：0.01％超0.05％以下、Cr：0.05％以上2.0％以下、Pb：0.02％以上0.10％未満およびＮ：0.005％以上0.015％以下を含み、かつ次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以上５μm以下の硫化物が500個/mm2以上および円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上である組織を有する。Ａ値＝（Mn＋５Cr）／Ｓ …（１）ここで、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を示す。
Description
本発明は、快削鋼、特に、被削性向上元素である硫黄および微量の鉛を含有する、従来の快削鋼の代替となる快削鋼およびその製造方法に関するものである。
JIS4804 SUM24Lに代表される低炭素の硫黄および鉛を含む硫黄−鉛複合快削鋼は、被削性向上元素として、多量の鉛（Pb）および硫黄（Ｓ）の添加により、優れた被削性を確保している。中でも、鉛は、工業製品にとって極めて重要かつ有用な元素である。すなわち、鉄鋼材料の切削加工における、工具の摩耗の低減や切りくず処理性の改善などの、材料の被削性を大きく改善する元素として、鉛が重用されている。
しかしながら、近年の環境保全意識の高まりに伴い、環境負荷物質の使用を、廃止または制限する動きが世界的に広がっている。鉛（Pb）もその１つとして挙げられ、使用を制限することが要求されている。
例えば、特許文献１には、Pb非添加型の快削非調質鋼が開示されている。同様に、特許文献２にも、Pb非添加型の快削鋼が開示されている。さらに、特許文献３には、MnよりＳと化合物を作り易いCrを添加することにより、Mn-Cr-Ｓ系介在物に変化させて、被削性向上に寄与させた快削鋼が開示されている。
特許文献１に記載の技術は、対象とする鋼種がＣ：0.2％以上を含有した非調質鋼であるために硬質であり、さらに特殊元素であるNdを用いているため、製造コストが高いという、問題がある。また、特許文献２に記載の技術は、Ｓを大量に添加しているために熱間延性が低く、連続鋳造や熱間圧延の際に割れが生じ易く、表面性状の観点から問題がある。一方、特許文献３に記載の技術では、Mn添加量を減じてCrおよびＳを添加する、成分としているが、Crの添加量が3.5％以上と高く、低コスト化が難しい上に、大量のCrSが生成するために、製鋼工程の材料溶製処理が難しいという、製造上の問題を有している。また、いずれの文献の鋼材も実施例の中の比較例にはJIS SUM24Lに代表される重切削用の(かなり切削加工を必要とする)硫黄−鉛複合快削鋼は記載されておらず、被削性の必要性が比較的少ない鋼材だけであり、いずれの発明鋼の被削性も十分ではないのは明らかである。
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、従来の添加量から大幅に減じたPbの添加で、低炭素硫黄鉛複合快削鋼と同等以上の被削性を有する快削鋼を提供することを目的とする。
発明者等は、上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す知見を得るに到った。
（１）Cr、MnおよびＳの適量添加並びに、（Mn＋５Cr）／Ｓの比の適正化により、適量の硫化物の組成がMn−Cr−Ｓの複合系となり、かつこの複合系組成の硫化物は、熱間加工時に微細化されることを見出した。この微細複合硫化物により、切削加工時の潤滑性に優れた快削鋼とすることができる。
（１）Cr、MnおよびＳの適量添加並びに、（Mn＋５Cr）／Ｓの比の適正化により、適量の硫化物の組成がMn−Cr−Ｓの複合系となり、かつこの複合系組成の硫化物は、熱間加工時に微細化されることを見出した。この微細複合硫化物により、切削加工時の潤滑性に優れた快削鋼とすることができる。
（２）上記の硫化物が微細であるほど、潤滑作用が大きくなるため、工具寿命および切削後の表面性状が著しく向上する。
（３）一方、切削時の切り屑に関しては微細な硫化物だけでは切りくずが連続してしまい、処理性が悪化する。しかし、微細硫化物を分散させると同時に、ある範囲の比較的大きな硫化物を存在させることによって、切削時の切り屑処理性も著しく向上することができる。
（４）同時にPbをある範囲の量で添加させると、硫化物と同時に微細に分散させることが可能となり、従来よりも少ないPb量で被削性を従来材よりも向上させることができる。
（４）同時にPbをある範囲の量で添加させると、硫化物と同時に微細に分散させることが可能となり、従来よりも少ないPb量で被削性を従来材よりも向上させることができる。
本発明は、上記知見に基づきなされたものであって、その要旨は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：0.15％以下、
Mn：0.5％以上2.0％以下、
Ｓ：0.200％以上0.650％以下、
Ｏ：0.01％超0.05％以下、
Cr：0.05％以上2.00％以下、
Pb：0.02％以上0.10％未満および
Ｎ：0.005％以上0.015％以下
を含み、かつ次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以上５μm以下の硫化物が500個/mm2以上および円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上である組織を有する快削鋼。
Ａ値＝（Mn＋５Cr）／Ｓ …（１）
ここで、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を示す。
１．質量％で、
Ｃ：0.15％以下、
Mn：0.5％以上2.0％以下、
Ｓ：0.200％以上0.650％以下、
Ｏ：0.01％超0.05％以下、
Cr：0.05％以上2.00％以下、
Pb：0.02％以上0.10％未満および
Ｎ：0.005％以上0.015％以下
を含み、かつ次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以上５μm以下の硫化物が500個/mm2以上および円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上である組織を有する快削鋼。
Ａ値＝（Mn＋５Cr）／Ｓ …（１）
ここで、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を示す。
２．前記成分組成はさらに、質量％で、
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.15％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上を含有する前記１に記載の快削鋼。
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.15％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上を含有する前記１に記載の快削鋼。
３．前記成分組成はさらに、質量％で、
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上を含有する前記１または２に記載の快削鋼。
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上を含有する前記１または２に記載の快削鋼。
４．質量％で、
Ｃ：0.15％以下、
Mn：0.5％以上2.0％以下、
Ｓ：0.200％以上0.650％以下、
Ｏ：0.0100％超0.0500％以下、
Cr：0.05％以上2.00％以下、
Pb：0.02％以上0.10％未満および
Ｎ：0.005％以上0.015％以下
を含み、かつ次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、長手方向と垂直な断面の一辺の長さが200mm以上である矩形の鋳片とし、該鋳片を、減面率60％以上にて熱間圧延してビレットとし、該ビレットを、加熱温度：1050℃以上および減面率65％以上にて熱間加工して棒鋼とする快削鋼の製造方法。
Ｃ：0.15％以下、
Mn：0.5％以上2.0％以下、
Ｓ：0.200％以上0.650％以下、
Ｏ：0.0100％超0.0500％以下、
Cr：0.05％以上2.00％以下、
Pb：0.02％以上0.10％未満および
Ｎ：0.005％以上0.015％以下
を含み、かつ次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、長手方向と垂直な断面の一辺の長さが200mm以上である矩形の鋳片とし、該鋳片を、減面率60％以上にて熱間圧延してビレットとし、該ビレットを、加熱温度：1050℃以上および減面率65％以上にて熱間加工して棒鋼とする快削鋼の製造方法。
５．前記成分組成はさらに、質量％で、
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.15％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上を含有する前記４に記載の快削鋼の製造方法。
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.15％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上を含有する前記４に記載の快削鋼の製造方法。
６．前記成分組成はさらに、質量％で、
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上を含有する前記４または５に記載の快削鋼の製造方法。
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上を含有する前記４または５に記載の快削鋼の製造方法。
本発明によれば、鉛含有量が低くとも、被削性に優れた低炭素快削鋼を得ることが可能となる。
次に、本発明の快削鋼について詳細に説明する。まず、快削鋼の成分組成における各成分含有量の限定理由から順に説明する。なお、成分に関する％表示は、特に断らない限り、質量％を意味する。
Ｃ：0.15％以下
Ｃは、鋼の強度および被削性に大きな影響を及ぼす重要な元素である。しかし、その含有量が0.15％を超えると、硬質化し強度が高くなりすぎて、被削性が劣化する。従って、Ｃ含有量は、0.15％以下、好ましくは、0.10％以下の範囲内とする。なお、強度を確保する観点からは、Ｃ含有量を0.02％以上、さらに0.04％以上とすることが好ましい。
Ｃは、鋼の強度および被削性に大きな影響を及ぼす重要な元素である。しかし、その含有量が0.15％を超えると、硬質化し強度が高くなりすぎて、被削性が劣化する。従って、Ｃ含有量は、0.15％以下、好ましくは、0.10％以下の範囲内とする。なお、強度を確保する観点からは、Ｃ含有量を0.02％以上、さらに0.04％以上とすることが好ましい。
Mn：0.5％以上2.0％以下
Mnは、被削性に重要な硫化物形成元素である。しかし、その含有量が0.5％未満では、硫化物量が少なくなって十分な被削性が得られないため、下限を0.5％とする。一方、その含有量が2.0％を超えると、硫化物が粗大化することに加え、長く伸長して被削性が低下する。また、機械的性質が低下するため、Mn含有量の上限値は2.0％とする。より好ましくは、0.6％以上1.8％未満とする。
Mnは、被削性に重要な硫化物形成元素である。しかし、その含有量が0.5％未満では、硫化物量が少なくなって十分な被削性が得られないため、下限を0.5％とする。一方、その含有量が2.0％を超えると、硫化物が粗大化することに加え、長く伸長して被削性が低下する。また、機械的性質が低下するため、Mn含有量の上限値は2.0％とする。より好ましくは、0.6％以上1.8％未満とする。
Ｓ：0.200％以上0.650％以下
Ｓは、被削性に有効な硫化物の形成に寄与する元素である。Ｓの含有量が0.200％未満では、硫化物量が少ないために被削性の向上効果が小さい。一方、Ｓの含有量が0.650％を超えると、硫化物が粗大化しすぎて、その数が減るため、被削性が低下する。また、熱間加工性ならびに重要な機械的特性である延性が低下する。従って、Ｓ含有量は、0.200％以上0.650％以下の範囲とする。Ｓ含有量は0.250％以上であることが好ましい。また、Ｓ含有量は0.500％以下であることが好ましい。
Ｓは、被削性に有効な硫化物の形成に寄与する元素である。Ｓの含有量が0.200％未満では、硫化物量が少ないために被削性の向上効果が小さい。一方、Ｓの含有量が0.650％を超えると、硫化物が粗大化しすぎて、その数が減るため、被削性が低下する。また、熱間加工性ならびに重要な機械的特性である延性が低下する。従って、Ｓ含有量は、0.200％以上0.650％以下の範囲とする。Ｓ含有量は0.250％以上であることが好ましい。また、Ｓ含有量は0.500％以下であることが好ましい。
Ｏ：0.01％超0.05％以下
Ｏは、酸化物を形成し、硫化物の析出核となることに加え、圧延等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な元素であり、この作用により被削性を向上させることができる。しかし、その含有量が0.01％以下では、硫化物の伸長の抑制効果が十分ではなく、伸長した硫化物が残存して、本来の効果が期待できない。一方、0.05％を超えて添加しても硫化物の伸長抑制効果が飽和することに加え、硬質な酸化物系介在物の量が多くなり、また過剰な量の添加は経済的に不利になる。従って、Ｏは0.01％超0.05％以下とする。Ｏ含有量は0.012％以上であることが好ましい。また、Ｏ含有量は0.030％以下であることが好ましい。
Ｏは、酸化物を形成し、硫化物の析出核となることに加え、圧延等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な元素であり、この作用により被削性を向上させることができる。しかし、その含有量が0.01％以下では、硫化物の伸長の抑制効果が十分ではなく、伸長した硫化物が残存して、本来の効果が期待できない。一方、0.05％を超えて添加しても硫化物の伸長抑制効果が飽和することに加え、硬質な酸化物系介在物の量が多くなり、また過剰な量の添加は経済的に不利になる。従って、Ｏは0.01％超0.05％以下とする。Ｏ含有量は0.012％以上であることが好ましい。また、Ｏ含有量は0.030％以下であることが好ましい。
Cr：0.05％以上2.00％以下
Crは、硫化物を形成し、切削時の潤滑作用により被削性を向上させる作用を有する。また、圧延等の熱間加工時における硫化物の伸長を抑制するため、被削性を向上させることができる。Crの含有量が0.05％未満では、硫化物の生成が充分でなく、伸長した硫化物が残存しやすくなるため、本来の充分な効果が期待できない。一方、2.00％を超えて添加すると、硬質化することに加え、硫化物が粗大になり、かつ硫化物の伸長を抑制する効果が飽和し、かえって被削性が低下する。また、過剰な量の合金成分の添加は経済的に不利である。従って、Cr含有量は、0.05％以上2.00％以下とする。Cr含有量は0.06％以上とすることが好ましい。また、Cr含有量は1.80％以下とすることが好ましい。
Crは、硫化物を形成し、切削時の潤滑作用により被削性を向上させる作用を有する。また、圧延等の熱間加工時における硫化物の伸長を抑制するため、被削性を向上させることができる。Crの含有量が0.05％未満では、硫化物の生成が充分でなく、伸長した硫化物が残存しやすくなるため、本来の充分な効果が期待できない。一方、2.00％を超えて添加すると、硬質化することに加え、硫化物が粗大になり、かつ硫化物の伸長を抑制する効果が飽和し、かえって被削性が低下する。また、過剰な量の合金成分の添加は経済的に不利である。従って、Cr含有量は、0.05％以上2.00％以下とする。Cr含有量は0.06％以上とすることが好ましい。また、Cr含有量は1.80％以下とすることが好ましい。
Pb：0.02％以上0.10％未満
Pbは、微細分散させると切削時の潤滑効果を助長し、被削性向上効果が大きい。ただし0.10％以上添加した場合、Pbが凝集粗大化してその効果がなくなってしまう。また、0.02％未満の場合は微細分散させても分散量が少なすぎてその効果が得られなくなる。
Pbは、微細分散させると切削時の潤滑効果を助長し、被削性向上効果が大きい。ただし0.10％以上添加した場合、Pbが凝集粗大化してその効果がなくなってしまう。また、0.02％未満の場合は微細分散させても分散量が少なすぎてその効果が得られなくなる。
Ｎ：0.005％以上0.015％以下
Ｎは、Cr等と窒化物を形成し、切削加工中の温度上昇により窒化物が分解することで、工具表面にベラーグと呼ばれる酸化物被膜を形成する。ベラーグは工具表面を保護する作用があるため、工具寿命を向上させることから、0.005％以上含有させる。一方、0.015％を超えて添加すると、ベラーグの効果が飽和することに加え、材質が硬質化するため、工具寿命が短くなる。そのため、Ｎの含有量は、0.005％以上0.015％以下とする。Ｎの含有量は、0.006％以上であることが好ましい。また、Ｎの含有量は0.012％以下であることが好ましい。
Ｎは、Cr等と窒化物を形成し、切削加工中の温度上昇により窒化物が分解することで、工具表面にベラーグと呼ばれる酸化物被膜を形成する。ベラーグは工具表面を保護する作用があるため、工具寿命を向上させることから、0.005％以上含有させる。一方、0.015％を超えて添加すると、ベラーグの効果が飽和することに加え、材質が硬質化するため、工具寿命が短くなる。そのため、Ｎの含有量は、0.005％以上0.015％以下とする。Ｎの含有量は、0.006％以上であることが好ましい。また、Ｎの含有量は0.012％以下であることが好ましい。
以上の成分を含み、残部のFeおよび不可避的不純物を含む。あるいはさらに、後述する任意含有成分を含む。ここで、以上の成分、あるいはさらに後述する任意含有成分と、残部のFeおよび不可避的不純物とからなることが好ましい。
以上の成分組成において、次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足することが肝要である。
Ａ値＝（Mn＋５Cr）／Ｓ …（１）
ここで、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を示す。
すなわち、Ａ値は、圧延等の熱間加工時における硫化物の微細化と、硫化物およびPbの微細化を左右する重要な指標であり、この比を限定することにより、被削性を向上させることができる。このＡ値が4.0未満であると、Mn−Ｓ単独の硫化物が生成し、粗大な硫化物が多くなり、被削性が劣化する。また、硫化物はPbの析出核ともなるため、硫化物が粗大になると、Pbも微細分散することが難しくなる。一方、Ａ値が20.0を超えると、硫化物とPbを微細化する効果が飽和することに加え、硫黄に対して硫化物形成元素が多くなりすぎ、硫化物が粗大になる。従って、Ａ値は4.0以上20.0以下の範囲とする。なお、Ａ値は4.5以上であることが好ましい。また、Ａ値は18.0以下であることが好ましい。
以上の成分組成において、次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足することが肝要である。
Ａ値＝（Mn＋５Cr）／Ｓ …（１）
ここで、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を示す。
すなわち、Ａ値は、圧延等の熱間加工時における硫化物の微細化と、硫化物およびPbの微細化を左右する重要な指標であり、この比を限定することにより、被削性を向上させることができる。このＡ値が4.0未満であると、Mn−Ｓ単独の硫化物が生成し、粗大な硫化物が多くなり、被削性が劣化する。また、硫化物はPbの析出核ともなるため、硫化物が粗大になると、Pbも微細分散することが難しくなる。一方、Ａ値が20.0を超えると、硫化物とPbを微細化する効果が飽和することに加え、硫黄に対して硫化物形成元素が多くなりすぎ、硫化物が粗大になる。従って、Ａ値は4.0以上20.0以下の範囲とする。なお、Ａ値は4.5以上であることが好ましい。また、Ａ値は18.0以下であることが好ましい。
次に、任意含有成分について説明する。本発明では、以上の基本成分に加えて、必要に応じて、次の成分を含有することができる。
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.15％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上。
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.15％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上。
Si：0.10％以下
Siは、精錬前の脱酸に使用される元素である。しかし、多く添加しすぎると脱酸後の硬質な酸化物が多く存在し、アブレイシブ摩耗により工具寿命の劣化を招く。そのため、Siの含有量は0.10％以下とする。好ましくは、0.03％以下とする。
Siは、精錬前の脱酸に使用される元素である。しかし、多く添加しすぎると脱酸後の硬質な酸化物が多く存在し、アブレイシブ摩耗により工具寿命の劣化を招く。そのため、Siの含有量は0.10％以下とする。好ましくは、0.03％以下とする。
Ｐ：0.01％以上0.15％以下
Ｐは、切削加工時に構成刃先の生成を抑制することにより、仕上げ面粗さを低減させるのに有効な元素である。そのためには、0.01％以上で含有することが好ましい。一方、その含有率が0.10％を超えると、硬質化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、0.15％以下、好ましくは、0.10％以下の範囲内とする。
Ｐは、切削加工時に構成刃先の生成を抑制することにより、仕上げ面粗さを低減させるのに有効な元素である。そのためには、0.01％以上で含有することが好ましい。一方、その含有率が0.10％を超えると、硬質化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、0.15％以下、好ましくは、0.10％以下の範囲内とする。
Al：0.010％以下
Alは、Siと同様に脱酸元素であり、Al2O3を生成する。この酸化物は硬質であるため、いわゆるアブレイシブ摩耗によって切削工具寿命を劣化させることから、添加量を0.010％ 以下、好ましくは、0.005％以下に低減した方が良い。
Alは、Siと同様に脱酸元素であり、Al2O3を生成する。この酸化物は硬質であるため、いわゆるアブレイシブ摩耗によって切削工具寿命を劣化させることから、添加量を0.010％ 以下、好ましくは、0.005％以下に低減した方が良い。
さらに、必要に応じて、次の成分を含有することができる。
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上。
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上。
すなわち、Ca、Se、Te、Bi、Sn、Sb、Ｂ、Cu、Ni、Ti、Ｖ、ZrおよびMgは、何れも被削性が重視される場合に含有されることが好ましい。これらの中から選ばれる元素を含有する場合には、それぞれの含有量は、被削性を向上させる作用を発現させる観点から、Ca：0.0001％以上、Se：0.02％以上、Te：0.10％以上、Bi：0.02％以上、Sn：0.003％以上、Sb：0.003％以上、Ｂ：0.004％以上、Cu：0.05％以上、Ni：0.05％以上、Ti：0.003％以上、Ｖ：0.005％以上、Zr：0.005％以上およびMg：0.0005％以上とすることが好ましい。
一方、Ca：0.0010％超え、Se：0.30％超え、Te：0.15％超え、Bi：0.20％超え、Sn：0.020％超え、Sb：0.025％超え、Ｂ：0.010％超え、Cu：0.50％超え、Ni：0.50％超え、Ti：0.100％超え、Ｖ：0.20％超え、Zr：0.050％超え、Mg：0.0050％超えの量では、この効果が飽和してしまい、また経済的にも不利である。
従って、各元素の含有量範囲は、Ca：0.0010％以下、Se：0.30％以下、Te：0.15％以下、Bi：0.20％以下、Sn：0.020％以下、Sb：0.025％以下、Ｂ：0.010％以下、Cu：0.50％以下、Ni：0.50％以下、Ti：0.100％以下、Ｖ：0.20％以下、Zr：0.050％以下およびMg：0.0050％以下とする。
従って、各元素の含有量範囲は、Ca：0.0010％以下、Se：0.30％以下、Te：0.15％以下、Bi：0.20％以下、Sn：0.020％以下、Sb：0.025％以下、Ｂ：0.010％以下、Cu：0.50％以下、Ni：0.50％以下、Ti：0.100％以下、Ｖ：0.20％以下、Zr：0.050％以下およびMg：0.0050％以下とする。
（組織）
円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以上５μm以下の硫化物が500個/mm2以上および円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上である組織
快削鋼の組織に関しては、硫化物やPbが微細分散していることが、切削加工時の工具と被削材との間の潤滑作用を促進するのに有利である。微細な硫化物が数多く分散しているほど、この潤滑作用が大きくなり、工具寿命および切削後の表面性状が向上する。また、Pbを上記した範囲で含有する鋼で、微細な硫化物が数多く分散していると、硫化物と同時にPbも微細に分散する。Pbが微細に分散していると、鋼中のPb含有量あたりの被削性向上効果が大きくなる。そのためには、円相当径で１μm未満の硫化物と円相当径で1μm以下のPbが一定量以上に分散している必要がある。具体的には、円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上で鋼中に存在している必要がある。切削時の切り屑に関しては円相当径が１μm未満である硫化物だけでは切りくずが連続してしまい、処理性が悪化する。しかし、円相当径が１μｍ未満の微細硫化物を分散させると同時に、ある範囲の比較的大きな硫化物を存在させる、具体的には、円相当径で１μm以上５μｍ以下の硫化物を500個/mm2以上で存在させることによって、切削時の切り屑処理性も著しく向上することができる。
円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以上５μm以下の硫化物が500個/mm2以上および円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上である組織
快削鋼の組織に関しては、硫化物やPbが微細分散していることが、切削加工時の工具と被削材との間の潤滑作用を促進するのに有利である。微細な硫化物が数多く分散しているほど、この潤滑作用が大きくなり、工具寿命および切削後の表面性状が向上する。また、Pbを上記した範囲で含有する鋼で、微細な硫化物が数多く分散していると、硫化物と同時にPbも微細に分散する。Pbが微細に分散していると、鋼中のPb含有量あたりの被削性向上効果が大きくなる。そのためには、円相当径で１μm未満の硫化物と円相当径で1μm以下のPbが一定量以上に分散している必要がある。具体的には、円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上で鋼中に存在している必要がある。切削時の切り屑に関しては円相当径が１μm未満である硫化物だけでは切りくずが連続してしまい、処理性が悪化する。しかし、円相当径が１μｍ未満の微細硫化物を分散させると同時に、ある範囲の比較的大きな硫化物を存在させる、具体的には、円相当径で１μm以上５μｍ以下の硫化物を500個/mm2以上で存在させることによって、切削時の切り屑処理性も著しく向上することができる。
以下、本発明の快削鋼を製造するための条件について述べる。
すなわち、上記した成分組成を有し、長手方向と垂直な断面の一辺の長さが200mm以上である矩形の鋳片とし、該鋳片を、減面率60％以上にて熱間圧延してビレットとし、該ビレットを、加熱温度：1050℃以上および減面率65％以上にて熱間加工して棒鋼とする。
すなわち、上記した成分組成を有し、長手方向と垂直な断面の一辺の長さが200mm以上である矩形の鋳片とし、該鋳片を、減面率60％以上にて熱間圧延してビレットとし、該ビレットを、加熱温度：1050℃以上および減面率65％以上にて熱間加工して棒鋼とする。
まず、前記成分組成に調整された溶鋼を、鋳造して鋳片とするが、鋳片としては、長手方向と垂直な断面の一辺の長さが200mm以上である矩形の鋳片を用いることが好ましい。
該鋳片は、連続鋳造法や造塊法によって矩形断面の鋳片として製造する。その際、矩形断面の一辺の長さが200mmより小さいと、鋳片凝固時に硫化粒やPbのサイズが大きくなる。そのため、引き続き鋼片圧延でビレットとした後も粗大な硫化物やPbが残存するため、線棒圧延後の微細化に不利となる。そのため、鋳片の断面における一辺の長さは200mm以上とする。さらに好ましくは、250mm以上する。
該鋳片は、連続鋳造法や造塊法によって矩形断面の鋳片として製造する。その際、矩形断面の一辺の長さが200mmより小さいと、鋳片凝固時に硫化粒やPbのサイズが大きくなる。そのため、引き続き鋼片圧延でビレットとした後も粗大な硫化物やPbが残存するため、線棒圧延後の微細化に不利となる。そのため、鋳片の断面における一辺の長さは200mm以上とする。さらに好ましくは、250mm以上する。
鋳片からビレットへの熱間圧延の減面率：60％以上
鋳造凝固時に晶出した硫化物粒やPbのサイズは比較的大きいため、熱間圧延である程度サイズを小さくしておく必要がある。ビレットへの熱間圧延（以下鋼片圧延とも云う）での減面率が小さいと、硫化物とPbが大きいままビレットとなる。そのため、引き続き熱間加工でビレットを棒鋼とする際の加熱時並びに圧延等の加工時に微細化させることが困難になる。そのため、鋼片圧延の減面率を60％以上とする。好ましくは、70％以上である。なお、上限は特に規制する必要はないが、最終製品の表面性状の観点からは90％以下とすることが好ましい。
鋳造凝固時に晶出した硫化物粒やPbのサイズは比較的大きいため、熱間圧延である程度サイズを小さくしておく必要がある。ビレットへの熱間圧延（以下鋼片圧延とも云う）での減面率が小さいと、硫化物とPbが大きいままビレットとなる。そのため、引き続き熱間加工でビレットを棒鋼とする際の加熱時並びに圧延等の加工時に微細化させることが困難になる。そのため、鋼片圧延の減面率を60％以上とする。好ましくは、70％以上である。なお、上限は特に規制する必要はないが、最終製品の表面性状の観点からは90％以下とすることが好ましい。
前記の鋼片圧延によって鋳片をビレットにする。このビレットのサイズについては、最終製品での減面率が確保できれば良く、限定する必要はないが、長手方向と垂直な断面のサイズが（120mm×120mm）以上のビレットに成形することがより好ましい。
すなわち、ビレットの断面積が（120mm×120mm）未満では、引き続く熱間加工で棒鋼とする際に、断面減少率が稼げないため、Pbの微細化に不利となる。そのため、ビレットの断面積は（120mm×120mm）以上とすることが好ましい。より好ましくは（150mm×150mm）以上とする。
すなわち、ビレットの断面積が（120mm×120mm）未満では、引き続く熱間加工で棒鋼とする際に、断面減少率が稼げないため、Pbの微細化に不利となる。そのため、ビレットの断面積は（120mm×120mm）以上とすることが好ましい。より好ましくは（150mm×150mm）以上とする。
ビレットの加熱温度：1050℃以上
ビレットを棒鋼とする際の加熱温度は重要な因子である。加熱温度が1050℃未満では、硫化物とPbが微細分散しないため、切削加工時の潤滑作用が少なくなる。その結果、工具摩耗が大きくなるため、工具寿命が短くなる。従って、ビレットの加熱温度は1050℃以上とする。より好ましくは1080℃以上である。なお、上限は特に規制する必要はないが、スケールロスによる歩留まり低下抑制の観点からは1250℃以下とすることが好ましい。
ビレットを棒鋼とする際の加熱温度は重要な因子である。加熱温度が1050℃未満では、硫化物とPbが微細分散しないため、切削加工時の潤滑作用が少なくなる。その結果、工具摩耗が大きくなるため、工具寿命が短くなる。従って、ビレットの加熱温度は1050℃以上とする。より好ましくは1080℃以上である。なお、上限は特に規制する必要はないが、スケールロスによる歩留まり低下抑制の観点からは1250℃以下とすることが好ましい。
ビレットを棒鋼とする熱間加工での減面率：65％以上
ビレットを棒鋼とする熱間加工の際の減面率も硫化物とPbの微細化のため重要な因子である。この減面率が65％未満では、硫化物とPbの微細化が十分でないため、減面率の下限を65％とする。より好ましくは、70％以上とする。
ビレットを棒鋼とする熱間加工の際の減面率も硫化物とPbの微細化のため重要な因子である。この減面率が65％未満では、硫化物とPbの微細化が十分でないため、減面率の下限を65％とする。より好ましくは、70％以上とする。
次に、本発明を実施例に従って詳細に説明する。
表１に示す化学組成の鋼を、連続鋳造機にて長手方向と垂直な断面が表２に示す寸法の矩形形状の鋳片とした。得られた鋳片を、表２に示す製造条件にて棒鋼に圧延した。すなわち、鋳片を、表２に示す加熱温度、減面率にて熱間圧延を行い、長辺寸法および短辺寸法が表２に示すとおりの角ビレットとした。得られたビレットを表２に示す加熱温度にて加熱し、熱間圧延して表２示す直径の棒鋼とした。得られた棒鋼（本発明鋼および比較鋼）について、以下に示す試験に供した。
表１に示す化学組成の鋼を、連続鋳造機にて長手方向と垂直な断面が表２に示す寸法の矩形形状の鋳片とした。得られた鋳片を、表２に示す製造条件にて棒鋼に圧延した。すなわち、鋳片を、表２に示す加熱温度、減面率にて熱間圧延を行い、長辺寸法および短辺寸法が表２に示すとおりの角ビレットとした。得られたビレットを表２に示す加熱温度にて加熱し、熱間圧延して表２示す直径の棒鋼とした。得られた棒鋼（本発明鋼および比較鋼）について、以下に示す試験に供した。
得られた棒鋼の圧延方向と平行な断面から試験片を採取し、該断面の周面から径方向に径の1/4軸芯側の位置において、走査型電子顕微鏡SEM（Scanning Electron Microscope、SEM）による観察を行って、鋼中の硫化物およびPbの円相当径と数密度とを調査した。また、エネルギー分散型Ｘ線分析（Energy dispersive X-ray spectrometry、EDX）にて硫化物とPbとの組成分析を行った。EDXで硫化物またはPbであることを確認したうえで、得られたSEM像について画像解析により２値化を行い、円相当径と数密度を求めた。
被削性は、外周旋削試験（切削試験）により評価した。すなわち、切削機械としてシチズンマシナリー製BNC-34C5を用いて、旋削チップは日立ツール製の超硬EX35バイトTNGG160404R-Nおよびホルダは京セラ製DTGNR2020をそれぞれ用いた。また、潤滑剤はユシロ化学製のユシローケンFGE283PRの15倍希釈エマルジョン液を用いた。切削条件は、切削速度100m/min、送り速度0.05mm/rev、切込み量2.0mmおよび加工長さ10mにて行った。
被削性の評価は、10ｍ長さにわたる上記切削試験終了後の工具の逃げ面摩耗Vbにより行った。切削試験終了後の逃げ面摩耗Vbが200μm以下の場合を良好として「○」、逃げ面摩耗が200μm超の場合を劣るとして「×」と、表２に表示した。
表２に発明鋼と比較鋼の試験結果を示す。表２から明らかなように、本発明鋼は比較鋼に対して良好な被削性を有している。
Claims (6)
- 質量％で、
Ｃ：0.15％以下、
Mn：0.5％以上2.0％以下、
Ｓ：0.200％以上0.650％以下、
Ｏ：0.01％超0.05％以下、
Cr：0.05％以上2.00％以下、
Pb：0.02％以上0.10％未満および
Ｎ：0.005％以上0.015％以下
を含み、かつ次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm2以上、円相当径で１μm以上５μm以下の硫化物が500個/mm2以上および円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm2以上である組織を有する快削鋼。
Ａ値＝（Mn＋５Cr）／Ｓ …（１）
ここで、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を示す。 - 前記成分組成はさらに、質量％で、
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.10％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上を含有する請求項１に記載の快削鋼。 - 前記成分組成はさらに、質量％で、
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上を含有する請求項１または２に記載の快削鋼。 - 質量％で、
Ｃ：0.15％以下、
Mn：0.5％以上2.0％以下、
Ｓ：0.200％以上0.650％以下、
Ｏ：0.01％超0.05％以下、
Cr：0.05％以上2.00％以下、
Pb：0.02％以上0.10％未満および
Ｎ：0.005％以上0.015％以下
を含み、かつ次式（１）にて定義されるＡ値が4.0以上20.0以下を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、長手方向と垂直な断面の一辺の長さが200mm以上である矩形の鋳片とし、該鋳片を減面率60％以上にて圧延してビレットとし、該ビレットを加熱温度：1050℃以上、熱間加工の減面率65％以上にて棒鋼とする、円相当径で１μm未満の硫化物が1000個/mm ２ 以上、円相当径で１μm以上５μm以下の硫化物が500個/mm ２ 以上および円相当径で１μm以下のPbが1000個/mm ２ 以上である組織を有する快削鋼の製造方法。
Ａ値＝（Mn＋５Cr）／Ｓ …（１）
ここで、式中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を示す。 - 前記成分組成はさらに、質量％で、
Si：0.10％以下、
Ｐ：0.01％以上0.10％以下および
Al：0.010％以下
のいずれか１種以上を含有する請求項４に記載の快削鋼の製造方法。 - 前記成分組成はさらに、質量％で、
Ca：0.0010％以下、
Se：0.30％以下、
Te：0.15％以下、
Bi：0.20％以下、
Sn：0.020％以下、
Sb：0.025％以下、
Ｂ：0.010％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.50％以下、
Ti：0.100％以下、
Ｖ：0.20％以下、
Zr：0.050％以下および
Mg：0.0050％以下
のいずれか１種以上を含有する請求項４または５に記載の快削鋼の製造方法。
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