JPH07188844A - 被削性および冷間鍛造性に優れた機械構造用炭素鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 黒鉛化時間の短縮ならびに黒鉛化後における
黒鉛粒の微細化を可能ならしめ、もって優れた被削性と
冷間鍛造性とを両立させる。 【構成】Ｃ：0.1 〜1.5 mass％、 Si：0.5 mass％未
満、Mn：0.1 〜2.0 mass％、 Ti：0.005 〜0.05mass
％、Ｎ：0.0015〜0.0150mass％、Ｏ：0.0030mass％以下
を含み、かつNi：0.1 〜3.0 mass％、 Cu：0.1 〜3.0
mass％、Co：0.1 〜3.0 mass％のうちから選んだ少なく
とも１種を含有し、残部は実質的にFeの組成からなり、
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、産業機械および自動
車等の機械部品の素材として用いられる機械構造用炭素
鋼に関し、特にその被削性および冷間鍛造性の向上を意
図するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業機械および自動車等の機械部品は、
一般に、機械構造用炭素鋼や合金鋼を素材とし、冷間鍛
造や切削工程を経て所定形状に成形された後、機械部品
としての強度を確保するために焼入れ、焼戻し処理が施
されて製品とされる。従って、この種の鋼材に対して
は、被削性と同時に冷間鍛造性が要求される。

【０００３】鋼材の被削性を改善する方法としては、鋼
材にPb、Ｓ、Bi、TeおよびCa等の快削性元素を添加し、
鋼中に非金属介在物を形成させる方法が公知である。他
方、冷間鍛造性、特に冷間鍛造時における変形能を改善
する手段としては、被削性の場合とは反対に鋼中におけ
る非金属介在物の低減が推奨されている。従って、被削
性と冷間鍛造性は、産業機械や自動車部品等の機械構造
用鋼材に対して常に要求されている特性でありながら、
これらを両立させることは極めて難しく、どちらかの特
性を犠牲にせざるを得ないという問題があった。

【０００４】上記の問題の解決策として、特開昭51-576
21号公報では、鋼中のセメンタイトを黒鉛化することに
より冷間鍛造性と被削性とを同時に向上させた鋼材を提
案している。しかし、本発明者らの研究によれば、以下
に述べるような各種の問題を残していることが判った。
すなわち、上記の方法では、Si含有量が 1.9〜3.0 mass
％と高いので、鋼中のセメンタイトは不安定化し、黒鉛
化は比較的早く完了するものの、Si自身はフェライト相
中に固溶してフェライトの変形能を低下させるために、
冷間鍛造時における変形能が低下し、また、Siの固溶強
化作用により冷間鍛造時の変形抵抗も高くなる。しか
も、この方法では、黒鉛化後の黒鉛粒径が大きくため、
冷間鍛造における変形能および被削性の改善は比較的低
位に留まっている。さらに、黒鉛化速度も十分とはいえ
ず、黒鉛化のために長時間の焼なまし処理を必要とする
ので、熱処理コストも高い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したよ
うな従来法における諸問題を有利に克服するもので、Si
の含有量を低減しても、黒鉛化時間の短縮のみならず、
黒鉛化後における黒鉛粒の微細化を可能ならしめ、もっ
て優れた被削性と冷間鍛造性とを兼備させた機械構造用
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】さて本発明者らは、上記
の課題を解決するために、鋼中セメンタイトの黒鉛化挙
動について検討したところ、以下の知見を得るに至っ
た。 (1) セメンタイトの黒鉛化は、セメンタイトの分解→フ
ェライト中のＣの拡散→黒鉛の結晶化の過程により進行
する。 (2) セメンタイトの分解に対しては、Si、Ni、Cuおよび
Co等、セメンタイトよりもむしろフェライト中に固溶す
る元素の添加が有効である。 (3) また、黒鉛の結晶化に対しては、各種窒化物、硫化
物等の鋼中析出物の存在が有効であり、これらを核とし
て黒鉛が核形成される。 (4) そして、かような黒鉛の結晶化の核となる析出物を
多数形成させておけば、セメンタイトの分解を促進する
Si等の合金元素を低減したとしても、黒鉛化は著しく促
進される。 ここに、これらの析出物が黒鉛の結晶化の核として作用
する理由は、まだ明確には解明されていないけれども、
結晶構造が黒鉛と類似しているためと推定している。

【０００７】また、このような析出物を予め形成させて
おくことによって、黒鉛化が促進されるだけでなく、黒
鉛化後の黒鉛粒径が著しく細粒化されることも併せて見
出された。さらに、黒鉛の粒径と冷間鍛造性および被削
性との関係について検討したところ、黒鉛の粒径が微細
なほど冷間鍛造性および被削性とも向上することの知見
を得た。本発明は、上記の知見に立脚するものである。

【０００８】すなわち、本発明の要旨構成は次のとおり
である。 １．Ｃ：0.1 〜1.5 mass％、 Si：0.5 mass％未満、 Mn：0.1 〜2.0 mass％、 Ti：0.005 〜0.05mass％、
Ｎ：0.0015〜0.0150mass％、Ｏ：0.0030mass％以下を含
み、かつ Ni：0.1 〜3.0 mass％、 Cu：0.1 〜3.0 mass％、 Co：0.1 〜3.0 mass％ のうちから選んだ少なくとも１
種を含有し、残部は実質的にFeの組成からなり、しかも
金属組織が主としてフェライトおよび黒鉛よりなること
を特徴とする被削性および冷間鍛造性に優れた機械構造
用炭素鋼（第１発明）。

【０００９】２．上記第１発明において、さらに Cr：0.05〜1.0 mass％、 Mo：0.05〜0.5 mass％のうち
から選んだ１種または２種を含有させた組成からなる被
削性および冷間鍛造性に優れた機械構造用炭素鋼（第２
発明）。

【００１０】３．上記第１発明において、さらに Ｖ：0.05〜0.5 mass％、 Nb：0.005 〜0.05mass％のう
ちから選んだ１種または２種を含有させた組成からなる
被削性および冷間鍛造性に優れた機械構造用炭素鋼（第
３発明）。

【００１１】４．上記第１発明において、さらに Cr：0.05〜1.0 mass％、 Mo：0.05〜0.5 mass％のうち
から選んだ１種または２種と、 Ｖ：0.05〜0.5 mass％、 Nb：0.005 〜0.05mass％のう
ちから選んだ１種または２種とを含有させた組成からな
る被削性および冷間鍛造性に優れた機械構造用炭素鋼
（第４発明）。

【００１２】５．上記第１，第２，第３または第４発明
において、さらに Pb：0.03〜0.30mass％、 Te：0.002 〜0.50mass％、 Ｐ：0.030 〜0.15mass％、Ca：0.0002〜0.30mass％、 Bi：0.01〜0.30mass％、 Se：0.003 〜0.10mass％、 Ｓ：0.030 〜0.25mass％のうちから選んだ１種または２
種以上を含有させた組成からなる被削性および冷間鍛造
性に優れた機械構造用炭素鋼（第５発明）。

【００１３】

【作用】以下、本発明において、鋼の成分組成を上記の
範囲に限定した理由について説明する。 Ｃ：0.1 〜1.5 mass％ Ｃは、黒鉛相を形成する上で不可欠なだけでなく、機械
部品としての強度を確保する上で必須の成分である。し
かしながら、含有量が 0.1mass％未満では被削性を向上
させるほど十分な黒鉛相が形成されず、一方 1.5mass％
を超えて含有されると冷間鍛造性が低下するので、 0.1
〜1.5 mass％の範囲に限定した。

【００１４】Si：0.5 mass％未満 Siは、セメンタイトの黒鉛化を促進する元素であり、ま
た脱酸剤としても有効ではあるが、その反面、黒鉛化後
のフェライト相の延性を低下させ、冷間鍛造性を低下さ
せる不利があるので、冷間鍛造性の改善の面からはあま
りに多量の添加は好ましくなく、上記の利益、不利益を
勘案して、本発明では 0.5mass％未満の範囲で含有させ
るものとした。

【００１５】Mn：0.1 〜2.0 mass％ Mnは、機械部品としての強度を確保する上で有効な成分
でありが、 0.1mass％未満の添加では満足いくほどの強
度が得られず、一方 2.0mass％を超えると黒鉛化後の変
形抵抗が上昇するので、 0.1〜2.0 mass％の範囲に限定
した。

【００１６】Ti：0.005 〜0.05mass％ Tiは、Ｎと結合してTiＮを形成し、これらが黒鉛化時に
黒鉛結晶化の核として作用することによって黒鉛化を促
進させる働きがある。また、脱酸剤としても有用であ
る。しかしながら、含有量が 0.005mass％に満たないと
その効果が小さく、一方0.05mass％を超えて添加しても
その効果は飽和に達するので、 0.005〜0.05mass％の範
囲に限定した。

【００１７】Ｎ：0.0015〜0.0150mass％ Ｎは、黒鉛の結晶化の核となる窒化物や炭窒化物の形成
元素であるだけでなく、固溶Ｎは、動的歪み時効による
被削性の改善にも有効に寄与する。しかしながら、含有
量が0.0015mass％未満では、黒鉛の結晶化の核となる析
出物の絶対量が不足し、一方0.0150mass％を超えて添加
されると熱間加工性が低下して、鋼材に割れや疵が発生
し易くなるので、0.0015〜0.0150mass％の範囲に限定し
た。

【００１８】Ｏ：0.0030mass％以下 Ｏは、鋼中に硬質な非金属介在物を形成し冷間鍛造性お
よび被削性を劣化させるので、極力低減することが望ま
しいが、0.0030mass％までなら許容される。

【００１９】Ni：0.1 〜3.0 mass％、Cu：0.1 〜3.0 ma
ss％、Co：0.1 〜3.0 mass％ Ni、CuおよびCoは、いずれもセメンタイトの分解を促進
することにより黒鉛化の促進に有利に寄与するだけでな
く、フェライト相中に固溶してもSiのようにフェライト
相の延性を阻害せず、また固溶強化作用もSiよりも弱い
ので冷間鍛造性を害しない利点があるので、積極的に添
加する。しかしながら、いずれも含有量が 0.1mass％に
満たないとその添加効果に乏しく、一方 3.0mass％を超
えて含有させてもその効果は飽和に達するので、それぞ
れ 0.1〜3.0 mass％の範囲で含有させるものとした。

【００２０】以上、基本成分について説明したが、本発
明では、黒鉛化のさらなる促進、あるいは強度の一層の
向上を目的として、以下の元素をさらに添加することも
できる。 Cr：0.05〜1.0 mass％、Mo：0.05〜0.5 mass％ CrおよびMoは、焼入れ性の向上元素として均等であり、
焼入れ・焼戻し処理によって機械部品としての強度を確
保する場合に有用である。しかしながら、これらの元素
は、セメンタイト中に侵入するとセメンタイトを安定化
して黒鉛化を遅延させる作用もある。従って、これらの
元素の添加に際しては、焼入れ性向上に効果がある一
方、黒鉛化を阻害しない範囲で添加する必要があり、か
かる観点からそれぞれCr：0.05〜1.0 mass％、Mo：0.05
〜0.5 mass％の範囲に限定した。

【００２１】 Ｖ：0.05〜0.5 mass％、Nb：0.005 〜0.05mass％ ＶおよびNbはいずれも、熱間圧延の加熱工程において、
γ粒の成長を抑制することにより熱間圧延後の組織を微
細化し、ひいては黒鉛化の促進にも寄与する。また焼入
れ性を向上させると同時に微細な炭窒化物を形成し、そ
の析出強化により強度の向上にも寄与する。そこで、こ
れらの元素は、機械部品として要求される強度を焼入れ
・焼戻し処理または析出処理により確保する場合に利用
する。しかしながら、含有量がそれぞれ、0.05, 0.005
mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.5,
0.05mass％を超えて添加してもその効果は飽和に達する
ので、Ｖ：0.05〜0.5 mass％、Nb：0.005 〜0.05mass％
の範囲で含有させるものとした。

【００２２】さらに、本発明では、上記の成分の他、以
下に掲げる快削性元素を添加すれば、鋼中Ｃの黒鉛化に
よる被削性の向上効果と相まって、より一層被削性を向
上させることができる。 Ｓ：0.030 〜0.25mass％ Ｓは、MnＳを形成し、これが切削時にチップブレーカー
として作用して被削性を向上させると同時に、黒鉛化の
核となることによって黒鉛化を促進し、この点からも被
削性の向上に寄与する。しかしながら、含有量が 0.030
mass％に満たないとその効果に乏しく、一方0.25mass％
を超えてもその効果が飽和するため、0.030 〜0.25mass
％の範囲に限定した。

【００２３】Ｐ：0.030 〜0.15mass％ Ｐは、フェライト層を硬化させることによって被削性を
向上させる一方、黒鉛化を阻害する元素でもある。ここ
に、被削性の改善のためには少なくとも 0.030mass％の
添加が必要であるが、0.15mass％を超えて添加すると黒
鉛化が阻害される結果、逆に被削性が劣化するので、
0.030〜0.15mass％の範囲に限定した。

【００２４】Se：0.003 〜0.10mass％ Seは、Mnと結合し、形成されたMnSeが切削時にチップブ
レーカーとして作用して被削性を向上させると同時に、
黒鉛化の核となることによって黒鉛化を促進し、この点
からも被削性の向上に寄与する。しかしながら、含有量
が 0.003mass％に満たないとその効果に乏しく、一方0.
10mass％を超えて添加してもその効果は飽和に達するの
で、 0.003〜0.10mass％の範囲に限定した。

【００２５】Ca：0.0002〜0.30mass％ Caは、Ca系の酸化物を形成し、これが黒鉛化の核として
作用することによって黒鉛化を促進する。また、MnＳと
結合し、MnＳの形態を紡錘形にすることによって被削性
を向上させる作用もある。しかしながら、含有量が0.00
02mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.30
mass％を超えて添加すると酸化物系非金属介在物が増大
し、機械部品としての疲労強度を低下させるので、0.00
02〜0.30mass％の範囲に限定した。

【００２６】Te：0.002 〜0.50mass％ Teは、Mnと結合し、形成されたMnTeが切削時にチップブ
レーカーとして作用して被削性を向上させる反面、黒鉛
化を阻害する元素でもある。従って、あまりに多量に添
加すると逆に被削性の低下を招く。そこでTeは、被削性
向上への寄与が認められると同時に、黒鉛化への阻害が
顕著に認められない、 0.002〜0.50mass％の範囲で含有
させるものとした。

【００２７】Pb：0.03〜0.30mass％ Pbは、融点が低いため、切削時における鋼材の発熱によ
って溶融し、その液体潤滑効果により被削性を向上させ
る。しかしながら、その一方で黒鉛化を阻害し、逆に被
削性を低下させる作用があるので、両特性に勘案して、
0.03〜0.30mass％の範囲で含有させるものとした。

【００２８】Bi：0.01〜0.30mass％ Biは、Pbと同様、融点が低いため、切削時における鋼材
の発熱によって溶融し、その液体潤滑効果により被削性
を向上させる一方で、黒鉛化を阻害し、逆に被削性を低
下させる元素でもある。そこで、両特性を勘案して、0.
01〜0.30mass％の範囲で含有させるものとした。

【００２９】さらに、本発明では、被削性の一層の改善
のために、Snを含有させることもできる。しかしなが
ら、Snは、極めて強力な黒鉛化阻害元素でもあるので、
添加する場合には 0.5mass％未満に制限する必要があ
る。

【００３０】また本発明では、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
る必要があるが、添加Ｃ量の50％程度までがセメンタイ
トとして存在していても良い。

【００３１】次に、鋼板の熱間圧延条件については、快
削性元素を含有している場合には、熱間加工性が劣化す
るので、加熱温度：1000℃以上、熱延仕上げ温度：850
℃以上とすることが好ましい。かかる熱間圧延工程にお
いて、黒鉛の結晶化の核となる炭窒化物が微細に分散す
るので、黒鉛化処理としてはＡc₁以下の温度域に５〜30
時間程度保持するだけで十分である。なお、快削性元素
として、Te, Ｐ，BiおよびPb等の黒鉛化阻害元素を単独
で含有させた場合には、上記の黒鉛化条件内で処理時間
を長めに設定することが好ましい。

【００３２】

【実施例】表１, 表２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、棒鋼圧
延により35mmφの棒鋼とした。ついで、 700℃，19ｈの
黒鉛化処理を施した。このようにして得られた鋼材の硬
さ、黒鉛化率および黒鉛粒径を測定した。ここに、黒鉛
化率は、測定された黒鉛量と添加したＣがすべて黒鉛化
した場合の黒鉛量との比率で表した。さらに、被削性試
験および冷間鍛造試験を行った。ここに、被削性試験
は、高速度工具鋼SKH4を用い、外周旋削の条件により行
った。切削時の切り込み深さおよび送り量はそれぞれ
2.0mm、0.25mm／rev.であり、切削不能となるまでの時
間を工具寿命と定義した。また冷間鍛造試験は、15mmφ
×22.5mmｌの円柱状の試験片を用い、圧縮試験により行
った。圧縮時の変形荷重から変形抵抗を算出すると共
に、試験後の試験片側面に発生した割れを目視により確
認し、試験片の半数に割れが発生する圧縮率を限界圧縮
率とした。得られた試験結果を表３, 表４に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】

【表４】

【００３７】表中、No.1〜26は本発明鋼である。また、
No.27 〜33は、No.1〜７のSiを、本発明の範囲外に高め
た鋼である。さらに、 No.34〜38は、Si以外の成分が本
発明の適正範囲を逸脱した鋼である。なお、 No.39は J
IS S53C にPbを添加した快削鋼、 No.40は、SAE 規格の
12Ｌ14相当鋼である。表３, 表４から明らかなように、
本発明鋼であるNo.1〜26の被削性はいずれも従来のPb快
削鋼よりも優れている。また、発明鋼の中でも快削性元
素を添加したNo. 18〜26は、No.1〜17と比較しても工具
寿命が一層延長されている。No. 27〜33も被削性は従来
のPb快削鋼よりも優れているが、No.1〜7 と比較する
と、変形抵抗はいずれもNo. 27〜33の方が高く、発明鋼
に比べると冷間鍛造性に劣っている。また、No. 34〜38
は黒鉛化率が低く、そのために発明鋼に比べると変形抵
抗が著しく高いだけでなく、被削性も著しく低下してい
る。被削性はPb快削鋼よりも優れているが、No.1〜７と
No.23〜29を比較すると、変形抵抗はいずれも No.23〜
29の方が高く、発明鋼であるNo.1〜22に比べると冷間鍛
造性に劣っている。また No.30〜34は、黒鉛化率が低
く、そのため変形抵抗が著しく高いだけでなく、被削性
も発明鋼に比べると著しく低下している。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、冷
間鍛造時の変形抵抗が低く、従って冷間鍛造性に優れる
と共に、被削性にも優れた鋼材を容易に得ることがで
き、機械部品製造用材料として極めて有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松崎 明博 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 天野 虔一 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 (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：0.1 〜1.5 mass％、 Si：0.5 mass％未満、 Mn：0.1 〜2.0 mass％、 Ti：0.005 〜0.05mass％、 Ｎ：0.0015〜0.0150mass％、Ｏ：0.0030mass％以下を含
   み、かつ Ni：0.1 〜3.0 mass％、 Cu：0.1 〜3.0 mass％、 Co：0.1 〜3.0 mass％のうちから選んだ少なくとも１種
   を含有し、残部は実質的にFeの組成からなり、しかも金
   属組織が主としてフェライトおよび黒鉛よりなることを
   特徴とする被削性および冷間鍛造性に優れた機械構造用
   炭素鋼。
2. 【請求項２】 Ｃ：0.1 〜1.5 mass％、 Si：0.5 mass％未満、 Mn：0.1 〜2.0 mass％、 Ti：0.005 〜0.05mass％、 Ｎ：0.0015〜0.0150mass％、Ｏ：0.0030mass％以下を含
   み、かつ Ni：0.1 〜3.0 mass％、 Cu：0.1 〜3.0 mass％、 Co：0.1 〜3.0 mass％のうちから選んだ少なくとも１種
   を含有し、さらに Cr：0.05〜1.0 mass％、 Mo：0.05〜0.5 mass％のうち
   から選んだ１種または２種を含有し、残部は実質的にFe
   の組成からなり、しかも金属組織が主としてフェライト
   および黒鉛よりなることを特徴とする被削性および冷間
   鍛造性に優れた機械構造用炭素鋼。
3. 【請求項３】 Ｃ：0.1 〜1.5 mass％、 Si：0.5 mass％未満、 Mn：0.1 〜2.0 mass％、 Ti：0.005 〜0.05mass％、 Ｎ：0.0015〜0.0150mass％、Ｏ：0.0030mass％以下を含
   み、かつ Ni：0.1 〜3.0 mass％、 Cu：0.1 〜3.0 mass％、 Co：0.1 〜3.0 mass％のうちから選んだ少なくとも１種
   を含有し、さらに Ｖ：0.05〜0.5 mass％、 Nb：0.005 〜0.05mass％のう
   ちから選んだ１種または２種を含有し、残部は実質的に
   Feの組成からなり、しかも金属組織が主としてフェライ
   トおよび黒鉛よりなることを特徴とする被削性および冷
   間鍛造性に優れた機械構造用炭素鋼。
4. 【請求項４】 Ｃ：0.1 〜1.5 mass％、 Si：0.5 mass％未満、 Mn：0.1 〜2.0 mass％、 Ti：0.005 〜0.05mass％、 Ｎ：0.0015〜0.0150mass％、Ｏ：0.0030mass％以下を含
   み、かつ Ni：0.1 〜3.0 mass％、 Cu：0.1 〜3.0 mass％、 Co：0.1 〜3.0 mass％のうちから選んだ少なくとも１種
   を含有し、さらに Cr：0.05〜1.0 mass％、 Mo：0.05〜0.5 mass％のうち
   から選んだ１種または２種と、 Ｖ：0.05〜0.5 mass％、 Nb：0.005 〜0.05mass％のう
   ちから選んだ１種または２種とを含有し、残部は実質的
   にFeの組成からなり、しかも金属組織が主としてフェラ
   イトおよび黒鉛よりなることを特徴とする被削性および
   冷間鍛造性に優れた機械構造用炭素鋼。
5. 【請求項５】 請求項１，２，３または４に記載の鋼に
   おいて、さらに Pb：0.03〜0.30mass％、 Te：0.002 〜0.50mass％、 Ｐ：0.030 〜0.15mass％、Ca：0.0002〜0.30mass％、 Bi：0.01〜0.30mass％、 Se：0.003 〜0.10mass％、 Ｓ：0.030 〜0.25mass％のうちから選んだ１種または２
   種以上を含有する組成からなる被削性および冷間鍛造性
   に優れた機械構造用炭素鋼。