JPH06116678A - 被削性に優れた機械構造用炭素鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Pbを用いることなしに、従来のPb快削鋼と同
等以上の被削性を有し、しかも黒鉛化処理の容易な被削
性に優れた機械構造用炭素鋼を与える。 【構成】Ｃ：0.1 〜0.4 ％、 Si：0.5 〜2.0 ％、M
n：0.1 〜2.0 ％、 Ｐ：0.030 ％以下、Ｓ：0.03超
〜0.25％、 Ｂ：0.0003〜0.0150％、Ｎ：0.0015〜0.00
70％、Al：0.01〜0.5 ％およびＯ：0.0030％以下を主と
して含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成より
なり、かつ金属組織を主としてフェライトおよび黒鉛の
組織とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、機械構造用炭素鋼に
関し、とくに産業機械および自動車部品等の素材として
用いられる被削性に優れた機械構造用炭素鋼についての
提案である。

【０００２】

【従来の技術】機械構造用炭素鋼の中で、とくに被削性
が要求される鋼材については、従来、Pb, Te, Bi, Ｐお
よびＳ等を添加させて、その被削性の向上が図られてき
た。とくに、Pbはその添加によって鋼材の機械的性質が
劣化しないだけでなく、TeやBi等に比較して経済的なこ
とから、快削性元素として多用されている。しかし、Pb
は人体に極めて有害であることから、鋼材の製造工程、
さらにはそれを用いた機械部品の製造工程において、大
がかりな排気設備を必要とするだけでなく、鋼材のリサ
イクルの上からも問題があった。このため、従来からPb
を添加せずに、Pb添加鋼と同等程度の被削性を有する鋼
材の開発が望まれていた。

【０００３】上記の要請に応えるものとして、例えば、
特開昭49-67816号、特開昭49−103817号および特開昭50
-96416号各公報では、鋼中のＣを黒鉛として存在させ、
この黒鉛の切欠潤滑効果を利用することによって、Pbを
用いることなしに被削性を改善する方法が開示されてい
る。しかし、これらの方法は、鋼中のＣを黒鉛化する必
要上、その前処理として焼入れが不可欠であり、必ずし
も経済的な方法とは言えなかった。

【０００４】一方、特開平２−111842号公報には、圧延
ままで焼入れを必要とせず、黒鉛化処理のみによって黒
鉛化を可能ならしめる方法が開示されている。しかし、
この方法はその対象が薄板であり、しかも、熱間圧延の
ままで黒鉛化を行うことが可能であるとはいえ、本発明
者らの検討では、Alを含有しないために依然として黒鉛
化に長時間を要するところにも問題を残していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の問
題を有利に解決するもので、Pbを用いることなしに従来
のPb添加快削鋼と同等以上の被削性を有し、また、黒鉛
化処理も容易にできる被削性に優れた機械構造用炭素鋼
を提案することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】さて発明者らは、上記の
問題を解決すべく鋭意検討を行った結果、低Ｃ系では、
AlとＢを複合添加することにより、所期した目的が有利
に達成されることの知見を得た。すなわち、AlとＢを複
合添加すれば、熱間圧延後にとくに焼入れ処理を必要と
せず、黒鉛化処理のみで効率良く黒鉛化が進行するこ
と、また従来、黒鉛化を遅らせる成分とされていたＳを
多量に添加しても黒鉛化速度には影響せず、従って効果
的に被削性を高め得ることの知見を得たのである。この
発明は、上記の知見に立脚するものである。

【０００７】すなわち、この発明の要旨構成は次のとお
りである。 (1) Ｃ：0.1 〜0.4 wt％（以下は単に「％」で示す）、
Si：0.5 〜2.0 ％、 Mn：0.1 〜2.0 ％、Ｐ：0.030
％以下、 Ｓ：0.03超〜0.25％、Ｂ：0.0003〜0.0150
％、Ｎ：0.0015〜0.0070％、Al：0.01〜0.5 ％および
Ｏ：0.0030％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不
純物の組成になり、しかも金属組織が主としてフェライ
トおよび黒鉛からなる被削性に優れた機械構造用炭素鋼
（第１発明）。 (2) 第１発明において、さらに Ni：0.1 〜3.0 ％およびCu：0.1 〜3.0 ％のうちから選
んだ１種または２種を含有させた被削性に優れた機械構
造用炭素鋼（第２発明）。 (3) 第１発明において、さらに Ｖ：0.05〜0.5 ％およびNb：0.005 〜0.05％のうちから
選んだ１種または２種を含有させた被削性に優れた機械
構造用炭素鋼（第３発明）。 (4) 第１発明において、さらに Ni：0.1 〜3.0 ％およびCu：0.1 〜3.0 ％のうちから選
んだ１種または２種と、Ｖ：0.05〜0.5 ％およびNb：0.
005 〜0.05％のうちから選んだ１種または２種とを含有
させた被削性に優れた機械構造用炭素鋼（第４発明）。

【０００８】

【作用】この発明に従い、低Ｃ系において、AlとＢを複
合添加することによって、前処理としての焼入れを必要
とせず黒鉛化処理のみで、黒鉛化を迅速に進行させるこ
とができる。この理由については、まだ明確に解明され
たわけではないが、次のとおりと考えられる。すなわ
ち、Alによる脱酸の結果、鋼中には脱酸生成物が形成さ
れる。この脱酸生成物を核としてＢＮが生成し、このＢ
Ｎが黒鉛化処理時に黒鉛の結晶化の核となって著しく黒
鉛化速度を速めることを見い出した。さらに、Al添加に
より、脱酸生成物の他にAlＮが形成され、これも黒鉛の
結晶化の核となり、黒鉛化速度を向上させる。このため
に、Al, ＢＮの複合添加により黒鉛化が著しく速くな
る。また、この効果は、低Ｃ系で特に顕著である。と言
うのは、高Ｃの場合には、鉄−ボロン炭化物が形成され
ることにより、ＢＮの形成量が減少し、一方で鉄−ボロ
ン炭化物は黒鉛の結晶化の核として作用しないために、
黒鉛化の進行を遅らせるためである。このために、黒鉛
化阻害元素と考えられるＳ量を高めることが可能とな
る。

【０００９】また、Ｓ量を高めることによって、黒鉛の
みの場合に比較して被削性の著しい向上を図ることがで
きる。特に、高速度工具鋼（ハイス）による比較的低速
の切削時にこの効果が顕著である。この理由は、黒鉛と
MnＳがチップブレーカーとして作用すると共に、黒鉛お
よびMnＳの潤滑作用により切削時の工具の温度上昇が抑
制されることによるものと推察される。

【００１０】以下、この発明において、鋼材の成分組成
を前記の範囲に限定した理由について説明する。 Ｃ：0.1 〜0.4 ％ Ｃは、黒鉛相を形成する上で不可欠なだけでなく、機械
部品の強度を確保する上で必要な元素であるが、 0.1％
未満ではその効果が小さく、一方 0.4％を超えて添加す
ると鉄−ボロン炭化物が形成され、黒鉛化速度が低下
し、また、冷間加工性が低下するので、 0.1〜0.4 ％の
範囲に限定した。

【００１１】Si：0.5 〜2.0 ％ Siは、脱酸のために必要な元素であり、また鋼中のセメ
ンタイトを不安定にして黒鉛化を促進させる元素として
も有用であるので、積極的に添加するが、含有量が 0.5
％未満ではその効果に乏しく、一方 2.0％を超えて含有
させても黒鉛化促進の効果は飽和に達するだけでなく、
液相の発生する温度領域が低下し、熱間圧延時の適正温
度領域が狭まるので、 0.5〜2.0 ％の範囲とした。

【００１２】Mn：0.1 〜2.0 ％ Mnは、鋼材の強度を確保する上で有効なだけでなく、脱
酸材としても有用な元素である。またＳと結合してMnＳ
を形成し、これが切削時に切欠として作用し、被削性の
向上にも寄与する。しかしながら含有量が 0.1％に満た
ないと、強度に対する寄与が少なく、一方 2.0％を超え
て含有されると靭性の劣化を招くので、0.1 〜2.0 ％の
範囲に限定した。

【００１３】Ｐ：0.030 ％以下 Ｐは、黒鉛化を阻害するだけでなく、焼入れ処理時にγ
粒界に偏析して粒界強度を低下させ、焼割れを発生し易
くするので、極力低減することが望ましいが、0.030 ％
以下であれば許容される。

【００１４】Ｓ：0.03超〜0.25％ Ｓは、切削性を向上させるだけでなく、MnＳを形成して
被削性を向上させるので積極的に添加するが、0.03％以
下ではその添加効果に乏しく、一方0.25％を超えると黒
鉛化が遅れるだけでなく靭性の急激な低下を招くので、
0.03超〜0.25％の範囲で含有させるものとした。

【００１５】Ｂ：0.0003〜0.0150％ Ｂは、ＢＮを形成し、黒鉛の結晶化の核となると同時
に、焼入れ性を高めることから積極的に添加するが、含
有量が0.0003％未満ではその添加効果に乏しく、一方0.
0150％を超えて含有させてもその効果は飽和に達するだ
けでなく、熱間加工性を低下させるので、0.0003〜0.01
50％の範囲に限定した。

【００１６】Ｎ：0.0015〜0.0070％ Ｎは、Al, Ｂと結合してＢＮ, AlＮを形成し、これらが
黒鉛の結晶化の核として作用することにより黒鉛化を促
進するので添加するが、0.0015％未満ではその効果に乏
しく、0.0015％以上の添加とする。他方、0.0070％を超
えて含有させた場合、添加されたＢはすべてＢＮとな
り、Ｂの焼入性向上の効果を十分に発揮させることが困
難となるので、0.0070％を上限とする。

【００１７】Al：0.01〜0.5 ％ Alは、脱酸に寄与するだけでなく、黒鉛化を促進させる
有用元素でもある。また、Alの添加により鋼中に生成さ
れるAl酸化物は、ＢＮの析出核となり、黒鉛の結晶化を
促進させる点でも効果が認められる。また、同時に形成
されるAlＮも同様な作用を有する。そこでこの発明で
は、Alを積極的に添加するが、含有量が0.01％に満たな
いとその添加効果に乏しく、一方 0.5％を超えて含有さ
せると熱間変形能の著しい低下を招くので、0.01〜0.5
％の範囲で含有させるものとした。

【００１８】Ｏ：0.0030％以下 Ｏは、硬質な酸化物系非金属介在物を形成し、これが切
削時に切削工具を損傷させ、被削性を低下させるので、
極力低減することが望ましいが、0.0030％までの含有は
許容される。

【００１９】以上、基本成分について説明したが、この
発明ではさらに、（焼入れ性向上＋黒鉛化促進）元素と
してNiやCuを、また（焼入れ性向上＋強度改善）元素と
してＶやNbをそれぞれ含有させることができる。以下、
上記各元素の適正含有量について説明する。

【００２０】Ni：0.1 〜3.0 ％ Niは、黒鉛化を促進すると同時に鋼の焼入れ性を向上さ
せる元素であるので、焼入れ・焼戻し処理によってより
高い強度を確保する場合に必要に応じて用いられるが、
0.1％未満ではその効果が小さく、また高価な元素でも
あるので 3.0％を超えて添加すると経済的でないので、
0.1〜3.0 ％の範囲に限定した。

【００２１】Cu：0.1 〜3.0 ％ Cuは、黒鉛化促進に有効なだけでなく、被削性を改善す
ると共に焼入れ性を高め、さらには析出強化により強度
を上昇させる有用元素であるので、必要に応じて用いる
が、 0.1％未満ではその添加効果が小さく、一方 3.0％
を超えて含有してもその効果は飽和に達するので、 0.1
〜3.0 ％の範囲に限定した。

【００２２】Ｖ：0.05〜0.5 ％ Ｖは、焼入れ性を向上させると共に、微細なＶ炭窒化物
を析出し、それらの析出強化により鋼の強度を上昇させ
るので、焼入れ・焼き戻しによって強度の上昇を図る場
合は勿論、とくに焼入れ・焼戻し処理によらずに強度を
上昇させる場合にも有用である。しかし、0.05％未満の
添加ではその効果が小さく、一方 0.5％を超えて含有さ
せると黒鉛化を遅れるので、0.05〜0.5 ％の範囲とし
た。

【００２３】Nb：0.005 〜0.05％ Nbは、Ｖ同様、焼入れ性を向上させると共に、微細なNb
炭窒化物を析出し、それらの析出強化により鋼の強度を
上昇させるので、焼入れ・焼戻しにより強度の上昇を図
る場合は勿論、とくに焼入れ・焼戻し処理によらずに強
度を上昇させる場合にも有用である。しかし、 0.005％
未満の添加ではその効果が小さく、一方0.05％を超える
含有は黒鉛化を遅らせるので、0.05〜0.5 ％の範囲とし
た。

【００２４】またこの発明では、成分組成のみならず、
金属組織が重要であり、主にフェライトと黒鉛の組織と
する必要がある。というのは、黒鉛の潤滑作用により切
削時に切削工具の温度上昇を抑制し、それにより切削工
具の寿命を向上させようとするのが、この発明に必須の
要件だからである。ここに、鋼中におけるＣの黒鉛化度
は、90％以上とするのが好ましい。そのためには、黒鉛
化処理として 600〜750 ℃の温度領域において５〜20ｈ
保持する処理が必要である。なおかかる黒鉛化処理にお
いて、前処理としての焼入れは必要ない。

【００２５】

【実施例】表１に示す成分組成になる鋼材を、転炉溶製
し、連続鋳造によりブルームとしたのち、ビレット圧延
を経て52mmφの棒鋼とした。次いで、 700℃，15ｈの均
熱処理後空冷する黒鉛化処理を施し、黒鉛化焼きなまし
後の黒鉛化率、硬さおよび超硬工具による被削性試験を
行った。硬さは、 870℃, 30 minの加熱後、焼入れし、
次いで 550℃, １ｈの焼戻し処理後における硬さであ
る。被削性試験は、超硬工具Ｐ10を用い、切込み：２m
m、送り：0.25mm／rev.、切削速度：200 m/min の条件
で実施し、逃げ面摩耗 VB＝0.2 mmとなるまでの時間を
工具寿命として評価した。得られた試験結果を表２に示
す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】供試材No.1〜14は発明鋼である。また、比
較鋼として示す No.15〜21は、JISS25CおよびS45CにPb
を添加したPb快削鋼である。表２から明らかなように、
発明鋼はいずれも、黒鉛化処理後鋼中Ｃのほぼ 100％が
黒鉛化している。このために、被削性に優れ、Pb快削鋼
とほぼ同じ工具寿命を有している。とくにNo.8〜14は、
Ni, Cuの添加により焼入れ焼もどし（ＱＴ）後の硬さ
が、同じＣ量で比較すると向上しており、焼入れ焼もど
しにより機械部品としての強度を確保する場合に有利で
あることがわかる。一方、Si, Al, ＢおよびＮがこの発
明の範囲外である No.15〜18は、黒鉛化が充分に進行せ
ず、このため被削性が劣っている。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Pb
を用いることなく、従来のPb添加快削鋼と同等の優れた
被削性を得ることができ、従って、環境に悪影響を及ぼ
すことなしに工業的に優れた機械部品の製造が可能とな
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 信行 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 河崎 充実 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ：0.1 〜0.4 wt％、 Si：0.5 〜2.0
   wt％、Mn：0.1 〜2.0 wt％、 Ｐ：0.030 wt％以下、
   Ｓ：0.03超〜0.25wt％、 Ｂ：0.0003〜0.0150wt％、
   Ｎ：0.0015〜0.0070wt％、 Al：0.01〜0.5 wt％および
   Ｏ：0.0030wt％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的
   不純物の組成になり、しかも金属組織が主としてフェラ
   イトおよび黒鉛からなることを特徴とする被削性に優れ
   た機械構造用炭素鋼。
2. 【請求項２】Ｃ：0.1 〜0.4 wt％、 Si：0.5 〜2.0
   wt％、Mn：0.1 〜2.0 wt％、 Ｐ：0.030 wt％以下、
   Ｓ：0.03超〜0.25wt％、 Ｂ：0.0003〜0.0150wt％、
   Ｎ：0.0015〜0.0070wt％、 Al：0.01〜0.5 wt％および
   Ｏ：0.0030wt％以下を含み、かつNi：0.1 〜3.0 wt％お
   よびCu：0.1 〜3.0 wt％のうちから選んだ１種または２
   種を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成にな
   り、しかも金属組織が主としてフェライトおよび黒鉛か
   らなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用炭素
   鋼。
3. 【請求項３】Ｃ：0.1 〜0.4 wt％、 Si：0.5 〜2.0
   wt％、Mn：0.1 〜2.0 wt％、 Ｐ：0.030 wt％以下、
   Ｓ：0.03超〜0.25wt％、 Ｂ：0.0003〜0.0150wt％、
   Ｎ：0.0015〜0.0070wt％、 Al：0.01〜0.5 wt％および
   Ｏ：0.0030wt％以下を含み、かつＶ：0.05〜0.5 wt％お
   よびNb：0.005 〜0.05wt％のうちから選んだ１種または
   ２種を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成に
   なり、しかも金属組織が主としてフェライトおよび黒鉛
   からなることを特徴とする被削性に優れた機械構造用炭
   素鋼。
4. 【請求項４】Ｃ：0.1 〜0.4 wt％、 Si：0.5 〜2.0
   wt％、Mn：0.1 〜2.0 wt％、 Ｐ：0.030 wt％以下、
   Ｓ：0.03超〜0.25wt％、 Ｂ：0.0003〜0.0150wt％、
   Ｎ：0.0015〜0.0070wt％、 Al：0.01〜0.5 wt％および
   Ｏ：0.0030wt％以下を含み、かつNi：0.1 〜3.0 wt％お
   よびCu：0.1 〜3.0 wt％のうちから選んだ１種または２
   種を含有し、さらにＶ：0.05〜0.5 wt％およびNb：0.00
   5 〜0.05wt％のうちから選んだ１種または２種を含有
   し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、しか
   も金属組織が主としてフェライトおよび黒鉛からなるこ
   とを特徴とする被削性に優れた機械構造用炭素鋼。