JPWO2021132371A1 - 快削鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 - 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:0.0100%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快削鋼の製造方法。 - 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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