TWI510650B

TWI510650B - Lead - free steel

Info

Publication number: TWI510650B
Application number: TW103104265A
Authority: TW
Inventors: Masayuki Hashimura; Koji Watari
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-12-01
Also published as: TW201437390A; KR101685863B1; CN104995324B; JP5954483B2; KR20150092321A; CN104995324A; JPWO2014125770A1; WO2014125770A1

Description

含鉛快削鋼

本發明是關於快削鋼，更詳細地說，是關於含有鉛的含鉛快削鋼。

汽車和電化製品之類的一般機械製品是包含有複數個零件。這些零件的大多數是藉由切削加工來製造的。因此，作為零件素材的鋼是被要求「要很容易切削」，換言之，具有優異的被切削性。

快削鋼的被切削性很優異。具有代表性的快削鋼，係有例如日本工業規格JIS規格所規定的SUM23、SUM24L等。Pb是可以提升鋼的被切削性，因此，快削鋼的大多數是含有Pb。以下，將含有Pb的快削鋼稱為含鉛快削鋼。

近年來基於對於環境的考量，乃有人提出了減少Pb含量的快削鋼、不含Pb的無鉛快削鋼的技術方案。然而，被切削性還是以含鉛快削鋼比較優異。因此，即使是現在，對於含鉛快削鋼的需求還是很高。最近則是對於零件的形狀以及表面粗細度等的表面品質，要求更高的精度。因此，即使針對於含鉛快削鋼，也被要求要更為提升被切削性。

以往已經知道是只要含有Pb的話，被切削性就可提高。然而，針對於在鋼中的Pb的存在形態的報告事例則是幾乎未曾看到。又，上述的低碳含鉛快削鋼SUM24L則是含有Pb、S以及P。然而，即使是SUM24L還是會有被切削性不夠充分的情況，還是會有無法獲得所冀望的表面粗細度的情況。又，如果在於與SUM24L相當的化學組成分中，又含有用來提升被切削性的S和P的話，雖然可以讓被切削性提升，但是在製造工序中會變得很容易裂開。

日本特開平11-222646號公報(專利文獻1) 以及日本特開2004-176175號公報(專利文獻2)所揭示的技術方案是要改善快削鋼的被切削性。具體而言，專利文獻1以及專利文獻2所揭示的，是藉由控制鋼中的MnS夾雜物的形態，來提升鋼的被切削性。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平11-222646號公報

[專利文獻2]日本特開2004-176175號公報

然而，如果是含鉛快削鋼，若只是單純地控制MnS夾雜物的形態的話，有時候是無法獲得充分的被切削性。

本發明之目的是提供：被切削性優異的含鉛快削鋼。

本實施方式的含鉛快削鋼，以質量%計，係含有C：0.005~0.2%、Mn：0.3~2.0%、P：0.005~0.2%、S：0.01~0.7%、Pb：0.03~0.5%、N：0.004~0.02%、以及O：0.003~0.03%，其餘部分是由Fe以及雜質所組成的。此外，鋼中之相當於圓直徑為0.01~0.5μm的Pb夾雜物的數量為10000個/mm² 以上。

本實施方式的含鉛快削鋼是具有優異的被切削性。

更好的是在上述含鉛快削鋼中，鋼中之相當於圓直徑為0.01~0.5μm的Pb夾雜物的數量與相當於圓直徑為0.01~0.5μm的MnS夾雜物的數量的總計是15000個/mm² 。

上述含鉛快削鋼也可以含有：從Cu：0.5%以下、Ni：0.5%以下、以及、Sn：0.5%以下所組成的群組中所選出的1種或2種以上，來取代Fe的一部分。又，上述含鉛快削鋼也可以含有：從Te：0.2%以下、以及、Bi：0.5%以下所組成的群組中所選出的1種以上，來取代Fe的一部分。此外，上述快削鋼也可以含有：從Cr：0.5%以下、以及、Mo：0.5%以下所組成的群組中所選出的1種以上，來取代Fe的一部分。

1‧‧‧鋼材

2‧‧‧車刀刃口積屑緣部

3‧‧‧切削工具

4‧‧‧Pb夾雜物

5‧‧‧MnS夾雜物

6‧‧‧Pb

7‧‧‧Pb-MnS夾雜物

20‧‧‧突切工具

30‧‧‧圓棒材

40‧‧‧微細Pb夾雜物

100‧‧‧底材

G1~G10‧‧‧溝

第1圖A是在進行切削時之車刀刃口積屑緣部很大的情況下之切削面附近的剖面圖。

第1圖B是在進行切削時之車刀刃口積屑緣部很小的情況下之切削面附近的剖面圖。

第2圖是鋼中的Pb夾雜物以及Pb-MnS夾雜物的照片圖像。

第3圖是底材中的微細的Pb夾雜物的照片圖像。

第4圖是用來說明鑄造工序中的冷卻速度的示意圖。

第5圖A是用來說明凸緣切削試驗的示意圖。

第5圖B是用來說明凸緣切削試驗的其他的示意圖。

以下，將佐以圖面，詳細說明本發明的實施方式。在圖中之同一或者相當的部分都標示同一元件符號，並且不重複其說明。以下所說明的元素的含量的「%」是指：質量%。

本發明人等，著眼於含鉛快削鋼中的Pb夾雜物以及MnS夾雜物的形態與被切削性之間的關係，加以調査以及進行檢討。其結果，本發明人等獲得了下列的創見。

(A)只要鋼的被切削性很高的話，被切削加工後的鋼材的表面粗細度可趨於良好，切削工具的壽命也可延長。被切削性是受到進行切削時之附著在切削工具的刃口上的「車刀刃口積屑緣部(built-up edge)」的影響。

所謂的「車刀刃口積屑緣部(built-up edge) 」，是指：既是被切削中的鋼材的一部分，也是附著在切削加工中的切削工具的刃口的積屑。在進行切削中，車刀刃口積屑緣部是一邊不斷重複地從切削工具脫落和附著到切削工具的動作，一邊發揮作為實質的刃口的功能。因此，車刀刃口積屑緣部會影響到被切削性。

第1圖A以及第1圖B是顯示在切削加工的中途將切削工具拆下後之切削面附近的剖面圖。圖中的白色的虛線是代表切削工具3的刃口位置。在第1圖A中，是形成很大的車刀刃口積屑緣部2，車刀刃口積屑緣部2是從切削工具3脫離而附著在鋼材1。另一方面，在第1圖B中的車刀刃口積屑緣部是比第1圖A的車刀刃口積屑緣部2小很多，所以是脫離了切削工具3以及鋼材1。

如上所述，只要車刀刃口積屑緣部大幅成長的話，車刀刃口積屑緣部就很容易附著到鋼材。附著在鋼材的車刀刃口積屑緣部將會再度接觸到切削工具。這種情況下，有時候切削工具會受到損傷。此外，因為受到附著在鋼材上車刀刃口積屑緣部的影響，有時候鋼材的切削表面的表面粗細度會變粗。此外，當車刀刃口積屑緣部從切削工具脫離的情況下，有時候還是有一部分的車刀刃口積屑緣部會殘留在切削工具。這種情況下，殘留的車刀刃口積屑緣部的一部分將成為核心，讓車刀刃口積屑緣部再度地成長。因此，切削工具將會受到損傷，鋼材表面將會變粗。

另一方面，如第1圖B所示的車刀刃口積屑緣部很小的情況下，車刀刃口積屑緣部就很容易從鋼材以及切削工具脫離。這種情況下，車刀刃口積屑緣部不容易影響到切削工具的壽命，鋼材的表面粗細度也容易趨於良好(表面粗細度很小)。

如上所述，車刀刃口積屑緣部愈小愈好，在進行切削時，車刀刃口積屑緣部愈不容易成長愈好。車刀刃口積屑緣部很小的情況下，可以促進隨著車刀刃口積屑緣部的脫落所產生的裂隙。此外，車刀刃口積屑緣部是還在微細的狀態下就頻繁地脫落，所以表面粗細度可趨於良好，工具壽命也延長。亦即，被切削性可提昇。

(B)第2圖是高倍顯微鏡觀察所獲得的含鉛快削鋼的剖面照片。從第2圖可以看到在含鉛快削鋼中是存在著：底材100、Pb夾雜物4、MnS夾雜物、以及Pb-MnS夾雜物7。在本說明書中，所稱的Pb夾雜物4，係指：由Pb以及雜質所組成的夾雜物。所稱的MnS夾雜物，係指：由Mn、S以及雜質所組成的夾雜物。所稱的Pb-MnS夾雜物7，係指：含有MnS夾雜物5以及附著在MnS夾雜物5的表面之Pb6的夾雜物。在本說明書中，是將這三種夾雜物總稱為「快削夾雜物」。

在鋼材的延伸方向(例如輥軋方向)的剖面上，各夾雜物(Pb夾雜物4、MnS夾雜物以及Pb-MnS夾雜物7)之相當於圓直徑，是有大於0.5μm的情況。以下，是將具有大於0.5μm之相當於圓直徑的Pb夾雜物、MnS夾雜物以及Pb-MnS夾雜物予以稱為「粗大快削夾雜物」。粗大快削夾雜物，在切削時將會引起應力集中而促進裂隙發生以及進展。粗大快削夾雜物的長寬比愈小且趨於球狀的話，愈容易引起應力集中，裂隙愈容易發生以及進展。

(C)另一方面，在底材100中，在鋼材的延伸方向的剖面上，係存在著相當於圓直徑為0.5μm以下的Pb夾雜物。以下，是將在鋼材的延伸方向的剖面上的相當於圓直徑為0.01~0.5μm的Pb夾雜物稱為「微細Pb夾雜物」。

第3圖是利用複製抽出法所獲得之本實施方式的含鉛快削鋼的底材100中的微細Pb夾雜物40的照片圖像。從第3圖可以看出在底材100中，分散地存在著長寬比很小的球狀的微細Pb夾雜物40。

微細Pb夾雜物會導致底材的脆化。因此在底材中若有大量的微細Pb夾雜物分散存在的話，車刀刃口積屑緣部就不會粗大地成長，而容易不斷反覆地有微細的車刀刃口積屑緣部的生成以及脫落。其結果，含鉛快削鋼的被切削性就可提昇。具體而言，如果微細Pb夾雜物的數量為10000個/mm² 以上的話，即可獲得優異的被切削性。

(D)如果在底材中，有大量的在鋼材的延伸方向的剖面上之相當於圓直徑為0.01~0.5μm的MnS夾雜物與微細Pb夾雜物一起存在的話，係可獲得更優異的被切削性。以下，是將在鋼材的延伸方向的剖面上的相當於圓直徑為0.01~0.5μm的MnS夾雜物稱為「微細MnS夾雜物」。微細MnS夾雜物的脆化效果雖然不如微細Pb夾雜物，但還是可將底材予以脆化。因此，不僅是微細Pb夾雜物，如果在底材中有多量的微細MnS夾雜物分散存在的話，被切削性可更加提昇。具體而言，如果微細Pb夾雜物的數量以及微細MnS夾雜物的數量的總計為15000個/mm² 以上的話，含鉛快削鋼的被切削性可更加提昇。

基於以上的創見，本發明人等，乃完成了本實施方式的含鉛快削鋼。以下將詳細說明本實施方式的含鉛快削鋼。

〔化學組成分〕

本實施方式的含鉛快削鋼是具有下列的化學組成分。

C：0.005~0.2%

碳(C)係可提昇鋼的強度。C更對於鋼中的氧含量以及被切削性造成影響。C含量太低的話，鋼中會有多量的氧殘留而會發生氣孔。此外，會生成出硬質氧化物而降低被切削性。另一方面，C含量太高的話，鋼強度變得太高，被切削性會降低。因此，C含量是0.005~0.2%。C含量的良好下限為高於0.005%，更好為0.05%，更優為0.07%。C含量的良好上限為未滿0.2%，更好為0.12%，更優為0.09%。

Mn：0.3~2.0%

錳(Mn)是會在熔融鋼中形成軟質的氧化物，可抑制硬質氧化物的生成。因此，鋼的被切削性會提昇。Mn更可與S結合而形成MnS，可減少固溶S量。固溶S量減少的話，可抑制高溫脆化龜裂。Mn含量太低的話，難以獲得上述效果。Mn含量太低的話，S將會以形成FeS來取代形成MnS，鋼會脆化。另一方面，Mn含量太高的話，鋼的硬度將變得太高，被切削性以及冷間加工性會降低。因此，Mn含量是0.3~2.0%。Mn含量的良好下限是高於0.3%，更好的是0.5%，更優的是0.8%。Mn含量的良好的上限是未滿2.0%，更好的是1.8%，更優的是1.6%。

P：0.005~0.2%

燐(P)是可將鋼予以脆化，提高鋼的被切削性。P含量太低的話，無法獲得這種效果。另一方面，P含量太高的話，提昇被切削性的效果將會飽和。P含量太高的話，將更難以穩定地製造出鋼。因此，P含量是0.005~ 0.2%。P含量的良好下限是高於0.005%，更好的是0.03%，更優的是0.05%。P含量的良好的上限是未滿0.2%，更好的是0.15%，更優的是0.1%。

S：0.01~0.7%

硫(S)是可與Mn相結合而形成MnS夾雜物。MnS夾雜物是可提昇鋼的被切削性。此外，Pb是凝集在凝固過程中晶析出來的MnS的周邊，因此MnS是將Pb予以均勻地分散於鋼中。S含量太低的話，無法獲得上述效果。另一方面，S含量太高的話，將會生成以粗大的MnS作為主成分之硫化物，熱間變形特性會降低。因此，S含量是0.01~0.7%。若基於被切削性與輥軋等的製造性之兩者間的均衡性考量的話，S含量的良好下限是高於0.01%，更好的是0.05%，更優的是0.15%。S含量的良好的上限是未滿0.7%，更好的是0.5%，更優的是0.4%。如果是基於：既要維持製造時之鋼的品質安定性，又要較之被切削性以外的機械特性更優先考量到被切削性的情況下，良好的S含量是0.28%以上。

Pb：0.03~0.5%

鉛(Pb)是幾乎無法固溶於底材的Fe，而是形成軟質的Pb夾雜物。Pb又會鄰接在MnS周邊而形成Pb-MnS夾雜物。Pb又會在底材中以微細Pb夾雜物的形態存在，而可提昇鋼的被切削性。Pb含量太低的話，無法獲得上述效果。另一方面，Pb含量太高的話，難以穩定地製造出含鉛快削鋼。因此，Pb含量是0.03~0.5%。Pb含量的良好下限是高於0.03%，更好的是0.1%，更優的是0.15%。Pb含量的良好的上限是未滿0.5%，更好的是0.4%，更優的是0.35%。

N：0.004~0.02%

氮(N)會對於被切削性以及切削後的表面粗細度造成影響。N含量太低的話，切削時之鋼中的轉位容易變動。因此，底材的延性變得太高。這種情況下，變得容易產生切削屑隆突，無法獲得良好的表面粗細度。另一方面，N含量太高的話，轉位就變得不容易變動。這種情況下，鋼會脆化，在進行伸線(抽拉鋼線)和冷間鍛造之類的切削以外的冷間加工時，鋼變得很容易龜裂。因此，N含量是0.004~0.02%。N含量的良好下限是高於0.004%、更好的是0.006%，更優的是0.008%。N含量的良好的上限是未滿0.02%，更好的是0.018%，更優的是0.015%。

O：0.003~0.03%

氧(O)會對於MnS的形狀造成影響。O含量很低的話，MnS中的氧含量也會減少。因此，MnS的延伸性會提昇。以輥軋之類的方式對於鋼進行加工時，MnS會很容易朝某一特定的方向(例如輥軋方向)延伸，很容易在鋼身上產生異方性。這種情況下，在切削時，車刀刃口積屑緣部會趨於大型化，被切削後的鋼部分會產生不規則的脫落。因此，鋼的表面會變粗，工具會劣化。在本實施方式中，尤其是MnS的形狀會對於Pb的分散造成影響。因此，長寬比很高的(換言之，已經延伸過後的)MnS並不好。另一方面，O含量太高的情況下，會在鋼中形成過剩的硬質氧化物，鋼的被切削性會降低。因此，O含量是0.003~0.03%。O含量的良好下限是高於0.003%，更好的是0.005%，更優的是0.008%，更更優的是0.012%。O含量的良好的上限是未滿0.03%，更好的是0.025%，更優的是0.022%。如果是考慮到耐火物的熔損等的情況下，O含量的更更優的上限是0.018%。

本實施方式的含鉛快削鋼的其餘部分是由鐵(Fe)以及雜質所組成的。此處所稱的雜質，是指：從被當成鋼的原料來利用的礦石和回收廢料、或者從製造過程的環境等所混入的元素。

〔關於微細Pb夾雜物〕

本實施方式的快削鋼中，在鋼材的延伸方向的剖面上之相當於圓直徑為0.01~0.5μm的Pb夾雜物(微細Pb夾雜物)的數量N_Pb 為10000個/mm² 以上。如上所述，藉由微細Pb夾雜物在底材中的大量分散，底材會脆化。因此，在切削時，微細的車刀刃口積屑緣部會頻繁地生成以及脫落。其結果，被切削性會提昇。若微細Pb夾雜物的數量N_Pb 未滿10000個/mm² 的話，底材並不會充分地脆化。因此，車刀刃口積屑緣部的生成以及離脫，就變成是起因於粗大快削夾雜物的形狀。若在鋼中存在著長寬比很大的(換言之，已經延伸過後的)粗大快削夾雜物的話，含有粗大夾雜物之鋼部分的材質會趨於不均勻。因此，車刀刃口積屑緣部的附著、生成以及成長，也會很容易在切削刃口的寬幅方向產生不均勻。這種情況下，車刀刃口積屑緣部是有很大的凹凸，而且很容易變粗大。其結果，即將離脫的車刀刃口積屑緣部的脫落片的形狀變得不規則且粗大，而成為造成工具損傷的原因，或者導致表面粗細度的劣化。亦即，被切削性會降低。

微細Pb夾雜物的數量N_Pb 是15000個/mm² 以上為宜，更好的是20000個/mm² 以上。微細Pb夾雜物的數量N_Pb 的上限並未特別限定。微細Pb夾雜物的數量N_Pb 的上限，例如是100萬個/mm² 。

〔關於微細MnS夾雜物〕

更好的是在鋼材的延伸方向的剖面上，上述微細Pb夾雜物的數量、以及相當於圓直徑為0.01~0.5μm的MnS夾雜物(微細MnS夾雜物)的數量的總數(以下，稱為：微細快削夾雜物的總數TN)為15000個/mm² 以上。微細MnS夾雜物，其效果雖然小於微細Pb夾雜物的效果，但是還是可以導致底材的脆化。因此，微細快削夾雜物的總數TN為15000個/mm² 以上的話，底材可更脆化，被切削性可更提昇。

微細快削夾雜物的總數TN是20000個/mm² 以上為宜，更好的是25000個/mm² 以上。微細快削夾雜物的總數TN的上限並未特別限定。微細快削夾雜物的總數TN的上限，例如是100萬個/mm² 。

〔微細Pb夾雜物的數量N_Pb 以及微細快削夾雜物的總數TN的測定方法〕

微細Pb夾雜物的數量N_Pb 以及微細快削夾雜物的總數TN，是依據下列的測定方法所求得的。首先，研磨出一個與含鉛快削鋼材(例如棒鋼、線材等)的延伸方向(例如輥軋方向)保持平行，而且包含該含鉛快削鋼材的中心線的剖面(以下，稱為主面)。在主面上，是從：從含鉛快削鋼材的表面起算，在直徑方向上之相當於1/2半徑的深度位置(所謂的R/2位置)部分，採取試驗片。再從試驗片的主面，根據抽出複製法，製作成樣品。使用透過型電子顯微鏡(TEM)，攝得樣品表面中的任意的10個視野的TEM圖像。TEM的倍率設定為20000倍。各視野的面積設定為50μm² (10μm×5μm；亦即，5×10^-4 mm² )。

在各視野中，鑑別夾雜物。具體而言，是利用EPMA(電子線顯微分析儀)或EDS(能量分散型X線顯微分析儀)來進行夾雜物的鑑別工作。如此一來，可以界定出Pb夾雜物以及MnS夾雜物。

此外，也求出各視野的各夾雜物之相當於圓直徑。所謂的相當於圓直徑，係指將夾雜物的面積換算成相同面積的圓時的圓直徑。相當於圓直徑，是可以使用TEM圖像並且利用周知的粒度分布測定軟體來進行測定。

根據上述的測定，求出在10個視野中的相當於圓直徑為0.01~0.5μm的Pb夾雜物(微細Pb夾雜物)的總數N1(個)以及10個視野中的相當於圓直徑為0.01~0.5μm的MnS夾雜物(微細MnS夾雜物)的總數N2(個)。然後，依據下列數式(1)以及數式(2)，求出微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )以及微細快削夾雜物的總數TN(個/mm² )。

N_Pb =N1/TA (1)

TN=(N1+N2)/TA (2)

此處的TA(mm² )，是10個視野的總面積。在上述條件下，TA=5×10^-4 (mm² )。

〔關於選擇元素〕

本實施方式的含鉛快削鋼，也可以又含有從Cu、Ni以及Sn所組成的群組所選出的1種或2種以上，來取代Fe的一部分。這些選擇元素可提昇耐腐蝕性。

Cu：0.5%以下

銅(Cu)是選擇元素。Cu可提昇鋼的耐腐蝕性。Cu又可以提昇鋼的被切削性。另一方面，Cu含量太高的話，鋼的熱間延性會降低。因此，Cu含量是在0.5%以下。若Cu含量為0.05%以上的話，上述效果可明顯地獲得。Cu含量的更良好的下限是0.07%，更優的是0.15%。Cu含量的良好的上限是未滿0.5%，更好的是0.4%，更優的是0.3%。

Ni：0.5%以下

鎳(Ni)是選擇元素。Ni可提昇鋼的耐腐蝕性。Ni又可提昇鋼的延性。含鉛快削鋼若含有Cu的話，Ni是可抑制含鉛快削鋼的脆化，可提昇鋼的製造安定性。另一方面，Ni含量太高的話，延性變得太高，被切削性會降低。因此，Ni含量是0.5%以下。Ni含量若為0.05%以上的話，上述效果可明顯地獲得。Ni含量的更良好的下限是0.1%。Ni含量的良好的上限是未滿0.5%，更好的是0.4%，更優的是0.3%。

Sn：0.5%以下

錫(Sn)是選擇元素。Sn可提昇鋼的耐腐蝕性。Sn又可提昇鋼的被切削性。另一方面，Sn含量太高的話，鋼的熱間延性會降低。因此，Sn含量是0.5%以下。Sn含量若為0.05%以上的話，上述效果可明顯地獲得。Sn含量的更良好的下限是0.1%，更優的是0.2%。Sn含量的良好的上限是未滿0.5%，更優的是0.4%，更更優的是0.3%。

本實施方式的含鉛快削鋼，亦可又含有從Te 以及Bi所組成的群組所選出的1種以上，來取代Fe的一部分。這些元素是選擇元素，可提高鋼的被切削性。

Te：0.2%以下

碲(Te)是選擇元素。Te可提昇鋼的被切削性。Te對於快削夾雜物的形狀控制，特別有效，具體而言，可以使得MnS夾雜物、Pb-MnS夾雜物的長寬比變小。另一方面，Te含量太高的話，鋼的熱間延性會降低。因此，Te含量是0.2%以下。Te含量若為0.0003%以上的話，上述效果可明顯地獲得。Te含量的更良好的下限是0.0008%，更優的是0.01%。Te含量的良好的上限是未滿0.2%，更好的是0.1%，更優的是0.05%。

Bi：0.5%以下

鉍(Bi)是選擇元素。Bi可提昇鋼的被切削性。另一方面，Bi含量太高的話，鋼的熱間延性會降低。因此，Bi含量是0.5%以下。Bi含量若為0.005%以上的話，上述效果可明顯地獲得。Bi含量的更良好的下限是0.008%，更優的是0.01%。Bi含量的良好的上限是未滿0.5%，更好的是0.1%，更優的是0.05%。

本實施方式的含鉛快削鋼，又可含有從Cr以及Mo所組成的群組所選出的1種以上，來取代Fe的一部分。這些選擇元素可提昇輥軋後的鋼的硬度。

Cr、Mo是可提昇淬火硬化性。因此，即使是在本實施方式的含鉛快削鋼的這種低碳鋼，有時候也可以有效地用來調整輥軋後的素材的強度。本實施方式的含鉛快削鋼，大多是將經過伸線(抽拉鋼線)而受到加工硬化後的材料予以進行切削。一般而言，鋼是愈硬的話，其表面粗細度愈優，但是卻會促進工具的磨損。因此，鋼的硬度會影響到尺寸精度。就精密零件而言，是將經過伸線而受到加工硬化後的鋼的硬度予以控制在150~250HV的程度為宜，此外，係依據想要加工的形狀和切削量的不同，來調整最適當的硬度為宜。

經過伸線而受到加工硬化後的鋼的硬度，是取決於輥軋後的鋼的硬度、加工硬化特性以及加工量。加工量(例如伸線減面率)很小的話，加工後的硬度不易變大。因此，預先將輥軋後的鋼的硬度予以提高的作法是有效的。因此，添加入Cr及/或Mo的這種可提昇淬火硬化性的元素是有效的。

Cr：0.5%以下

鉻(Cr)是選擇元素。Cr可提昇輥軋後的鋼的硬度。Cr含量太高的話，鋼會變得太硬，而難以獲得被當作快削鋼的被切削性。因此，Cr含量是0.5%以下。Cr含量若為0.05%以上的話，上述效果可明顯地獲得。Cr含量的良好的下限是0.08%，更好的是0.1%。Cr含量的良好的上限是未滿0.5%，更好的是0.3%，更優的是0.2 %。

Mo：0.5%以下

鉬(Mo)是選擇元素。Mo可提昇輥軋後的鋼的硬度。Mo含量太高的話，鋼會變得太硬，而難以獲得被當作快削鋼的被切削性。因此，Mo含量是0.5%以下。Mo含量若為0.02%以上的話，上述效果可明顯地獲得。Mo含量的良好的下限是0.03%。Mo含量的良好的上限是未滿0.2%，更好的是0.1%。

〔製造方法〕

其次，說明上述的含鉛快削鋼的製造方法之一例。

首先，將符合上述的化學組成分的熔融鋼利用連續鑄造法，製作成鑄片。或者將熔融鋼利用造塊法，製作成鑄胚(鑄造工序)。然後，將鑄片或鑄胚進行熱間加工而製造出含鉛快削鋼材(熱間加工工序)。以下將詳細說明各個工序。

〔鑄造工序〕

鑄造工序是將熔融鋼進行鑄造而製造出鑄片。鑄片是橫剖面積為例如350mm×560mm、220mm×220mm以及150mm×150mm的三種的其中一種。根據該素材的剖面積以及凝固過程中的冷卻條件，來控制熔融鋼的冷卻速度RC。Pb在熔融鋼中的溶解度近乎零，在熔融鋼中是以液滴的狀態分散著。在凝固時，Pb是會與MnS夾雜物互相凝集而形成粗大快削夾雜物(Pb-MnS夾雜物)，或者Pb粒之間彼此互相凝集而生成粗大的Pb夾雜物。此外，Pb也會生成微細Pb夾雜物。將熔融鋼予以充分的攪拌，並且藉由控制凝固時之冷卻速度RC的話，微細Pb夾雜物就會大量地分散在鋼中。

第4圖是鑄造後的鑄片的橫剖面圖。在厚度為W(mm)的鑄片中，在從表面起算朝向素材中心之W/4的位置地點P1，將該處之從液相線溫度起迄固相線溫度為止的冷卻速度，定義作為在鑄造工序S1中的冷卻速度RC(℃/min)。冷卻速度RC若為15~30℃/min的話，微細Pb夾雜物就會在鋼中大量地分散存在。

若冷卻速度RC未滿15℃/min的話，因為凝固太慢的緣故，Pb將會沉降下去，或者凝集在MnS夾雜物的周邊而生成粗大的Pb-MnS夾雜物。因此，微細Pb夾雜物的數量N_Pb 將未滿10000個/mm² 。

另一方面，冷卻速度RC若超過30℃/min的話，固溶S會過剩地增大。其結果，鋼的熱間延性會降低。因此，利用連續鑄造法來製造素材(鑄片)的情況下，有時候會發生中斷(breakout)的問題。此外，在熱間加工中，有時候素材會龜裂或者發生因為龜裂所導致的瑕疵。

冷卻速度RC亦可根據下列的方法求出來。將凝固後的素材朝橫斷方向予以切斷。素材的橫剖面之中，測定在地點P1處的凝固組織的厚度方向上的2次樹枝狀結晶臂的間隔λ2(μm)。使用測定值λ2，依據下列數式(3)求出冷卻速度RC(℃/min)。

RC=(λ2/770)^-(1/0.41) (3)

2次樹枝狀結晶臂的間隔λ2是取決於冷卻速度。因此，藉由測定2次樹枝狀結晶臂的間隔λ2，即可求出冷卻速度RC。

此外，在連續鑄造時，將熔融鋼予以充分地進行攪拌。具體而言，在連續鑄造時，將鑄模內的熔融鋼加以攪拌，將熔融鋼流速VE設定在10~40cm/s。

若熔融鋼流速VE未滿10cm/s的話，攪拌不夠充分。因此，微細Pb夾雜物不易生成，不易均勻地分散，微細Pb夾雜物的數量N_Pb 不會達到10000個/mm² 。另一方面，若熔融鋼流速VE超過40cm/s的話，熔融鋼湯面的變動變得太大，連續鑄造變得困難。

如上所述，藉由控制熔融鋼流速VE、以及冷卻速度RC，可以將微細Pb夾雜物的數量N_Pb 控制成10000個/mm² 以上。

在上述的鑄造工序中，雖然是說明了利用連續鑄造來進行製造。然而，亦可利用造塊法來製造鑄胚。這種情況下，是使用剖面積為40000mm² 以下(例如200mm×200mm)的鑄模，利用上注法來實施造塊。這種情況下，是以相當於10~40cm/s的熔融鋼流速VE的速度來攪拌熔融鋼，冷卻速度RC也會趨於15~30℃/min。

〔熱間加工工序〕

在熱間加工工序中，首先是將素材進行加熱。然後，將加熱後的素材進行熱間加工而製造成含鉛快削鋼材。含鉛快削鋼材例如是棒鋼、線材、胚錠等。熱間加工例如是有：分塊輥軋、利用V-H機台的連續輥軋、熱間鍛造等。

在熱間加工工序中，是將熱間加工開始時的素材的表面溫度(以下，稱為加工開始溫度)設定在1000℃以上。加工開始溫度低的話，微細Pb夾雜物會過度集中而不會呈現均勻分散，微細Pb夾雜物的數量N_Pb 無法形成達到10000個/mm² 以上。

此外，微細MnS夾雜物在熱間加工時會大量地生成。加工開始溫度若未滿1000℃的話，有時候微細MnS夾雜物無法充分地生成。這種情況下，有時候微細快削夾雜物的總數TN無法達到15000個/mm² 。

在熱間加工工序中，也會有實施複數次熱間加工的情況。例如先將素材加熱之後，實施分塊輥軋(第1次的熱間加工)，接下來，將分塊輥軋後的素材予以再度加熱，進行製品輥軋而製造成棒鋼(第2次的熱間加工)之類的情況。這種情況下，至少將一次的熱間加工時(第1次的熱間加工時)的加工開始溫度設定為1000℃以上的話，微細Pb夾雜物的數量N_Pb 就會形成10000個/mm² 以上。

若Pb含量未滿0.15%的話，較佳的冷卻速度 RC是20℃/min以上，較佳的熔融鋼流速VE是20cm/s以上。Pb含量未滿0.15%的話，微細Pb夾雜物的數量N_Pb 雖然會形成為10000個/mm² 以上，但是大多數是會無法達到15000個/mm² 的情況。這種情況下，為了要使得微細快削夾雜物的總數TN達到15000個/mm² 以上，最好是使得微細MnS夾雜物大量生成為宜。冷卻速度RC是20℃/min以上，並且熔融鋼流速VE是20cm/s以上的話，在熱間加工時，微細MnS夾雜物就會大量生成。因此，微細快削夾雜物的總數TN就會達到15000個/mm² 以上，而可獲得更優異的被切削性。

此外，加工開始溫度若為1000℃以上的話，也可以抑制熱間加工中的粗大快削夾雜物的延伸。

加工開始溫度是可利用例如配置在熱間加工裝置(分塊輥軋機、連續輥軋機、熱間鍛造機等)的入口側的輻射溫度計來測定。

[實施例]

以多種的化學組成分以及製造條件來製造含鉛快削鋼，並且對其被切削性進行了評比。

〔試驗方法〕

首先，製造了具有表1所示的化學組成分之試驗編號1~25的熔融鋼。

使用熔融鋼，利用連續鑄造法製造出素材(鑄片剖面是220×220mm)。各試驗編號的鋼進行鑄造時的冷卻速度RC(℃/min)是如表1所示。各試驗編號的冷卻速度RC，則是先測定了2次樹枝狀結晶臂的間隔之後，依據上述的數式(3)進行計算而求出來的。此外，在連續鑄造時，係對於鑄模內的熔融鋼實施了電磁攪拌。電磁攪拌時之各試驗編號的熔融鋼流速VE(cm/s)是如表1所示。

對於各試驗編號的素材，實施熱間加工以製造出具有50mm的外徑之圓棒材。各熱間加工是實施了分塊輥軋、延伸輥軋以及熱間鍛造的其中的一種。在各試驗編號的最初的熱間加工中，測定了加工開始溫度T(℃)。將各試驗編號之加工開始溫度T標示於表1。

針對於各試驗編號，每當實施了各種熱間加工之後，就進行觀察熱間加工後的素材的表面，進行確認有無龜裂。若有龜裂發生的話，就中止該試驗編號的試驗。

〔快削夾雜物觀察試驗〕

從各試驗編號的圓棒材採取出組織觀察用的試驗片。將試驗片的表面之中，與圓棒材的長軸方向(換言之，輥軋方向或延伸方向)呈平行且包含了圓棒材的中心線的剖面，定義為「檢鏡面」。依據上述的方法，在檢鏡面中，求出微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )以及微細快削夾雜物的總數TN(個/mm² )。在表1中標示出各試驗編號的微細Pb夾雜物的數量N_Pb 以及微細快削夾雜物的總數TN。

〔鑽頭穿孔試驗〕

利用鑽頭穿孔試驗來評判各試驗編號的鋼的被切削性。鑽頭穿孔試驗係針對於各試驗編號的圓棒材，使用鑽頭以任意的切削速度，持續地形成複數個15mm深度的孔穴。然後，求出累計的孔穴深度達到1000mm為止之可進行切削(換言之，可將15mm深度的孔穴進行穿孔的數目達到67個以上)之最高的切削速度VL1000(m/min)。

具體而言，使用NACHI(商標名稱)製的直徑5mm的鑽頭。將鑽頭的突出量設為60mm，進給量設定為0.33mm/rev，穿孔時是使用市售的水溶性切削油。穿孔方向選定在與圓棒材的長軸方向構成垂直的方向(橫斷方向)。不斷反覆實施鑽孔加工，直到鑽頭熔損或折損為止，而求出切削速度VL1000。切削速度VL1000愈大的話，是意味著可以用高速鑽出很多的孔穴，因此可以判定為工具壽命優異，被切削性很高。

〔凸緣切削試驗〕

利用第5圖A以及第5圖B所示的凸緣切削試驗，來評判各試驗編號的鋼的切削後的表面粗細度。凸緣切削試驗，是一邊令圓棒材30沿著軸心進行旋轉，一邊使用突切工具20對於圓棒材30的表面進行切削，如第5圖B所示般地，依序地形成溝G1~G10。具體而言，將突切工具20朝向圓棒材30的半徑方向前進而形成了溝G1。然後，如第5圖B中的箭頭所示般地，將突切工具20朝向圓棒材30的半徑方向後退，然後，沿著圓棒材的軸方向移動了既定的距離。然後，將突切工具20再度朝向半徑方向前進，以形成了溝G2。然後，同樣地，依序形成了溝G3~溝G10。形成了溝G10之後，將突切工具20再度移動到溝G1的位置為止，對於溝G1~溝G10再度反覆地進行溝加工。在實施完畢200個溝加工(溝G1~G10都各做20個溝加工)之後，對於溝G10的底面的表面粗細度進行評判。

突切工具20的素材是相當於日本工業規格 (JIS規格)的SHK57，刀面角是20°，離隙角是6°。溝加工時的突切工具20的切削速度是80m/min，進給量是0.05mm/rev。切削時是使用市售的非水溶性切削油。

表面粗細度是依據下列的方法所測定的。針對於200個溝加工後之溝G10的底面，使用觸針式表面粗細度計，依照日本工業規格(JIS)B0601(1972)來測定了最高高度Rmax(μm)。最高高度Rmax愈小的話，就評判為切削性優異。

〔試驗結果〕

將試驗結果標示於表1。表1中的「加工龜裂」欄的「有」是意味著：被確認到在熱間加工後，有發生龜裂；「無」是意味著：未確認出龜裂。在「N_Pb 」欄中是標示著各試驗編號的微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )。在「TN」欄中是標示著各試驗編號的微細快削夾雜物的總數TN(個/mm² )。在「VL1000」欄中是標示著以鑽頭穿孔試驗所獲得的各試驗編號的切削速度(m/min)。在「Rmax」欄中是標示著以凸緣切削試驗所獲得的各試驗編號的表面的最大高度Rmax(μm)。

從表1可看出：試驗編號1~15，化學組成分係適切的，鑄造工序中的冷卻速度RC(℃/min)、熔融鋼流速VE(cm/s)、熱間加工工序中的加工開始溫度T(℃)也是適切的。因此，鋼中的微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )是10000個/mm² 以上，微細快削夾雜物的總數TN(個/mm² )是15000個/mm² 以上。因此，試驗編號1~15的切削速度VL1000每一個都很高，都是130m/min以上。此外，試驗編號1~15的最大高度Rmax每一個也都很小，都是14.5μm以下。

試驗編號16，化學組成分是適切的，冷卻速度RC是在15~30℃/min的範圍內，熔融鋼流速VE是10~40cm/s，加工開始溫度T係1000℃以上。因此，切削速度VL1000是130m/min以上，最大高度Rmax也是14.5μm以下。然而，Pb含量是未滿0.15%，冷卻速度RC是未滿20℃/min。因此，試驗編號16，鋼中的微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )雖然是10000個/mm² 以上，但微細快削夾雜物的總數TN(個/mm² )卻是未滿15000個/mm² 。因此，無論是切削速度VL1000以及最大高度Rmax的那一種都是比試驗編號1~15的數值更差。

另一方面，試驗編號17，雖然化學組成分是適切的，但是鑄造工序時的冷卻速度RC太快。因此，被確認出在第1次的熱間加工後的素材有龜裂。

試驗編號18，雖然化學組成分是適切的，但是冷卻速度RC太慢。而且熔融鋼流速VE也太慢。此外，加工開始溫度T未滿1000℃。因此，圓棒材中的微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )以及微細快削夾雜物的總數TN(個/mm² )都太少。其結果，切削速度VL1000太小，最大高度Rmax也太高。

試驗編號19，雖然化學組成分是適切的，但是熔融鋼流速VE太慢。因此，微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )太少，最大高度Rmax很高。

試驗編號20是氧含量太低。此外，熔融鋼流速VE太慢。因此，微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )太少，切削速度VL1000很小，最大高度Rmax也很高。

試驗編號21，雖然化學組成分是適切的，但是冷卻速度RC以及熔融鋼流速VE太慢。因此，微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )太少，最大高度Rmax很高。

試驗編號22，N含量太低。因此，最大高度 Rmax很大，被切削性很低。被認為是因為N含量很低，所以底材的延性變得太高。

試驗編號23，雖然化學組成分是適切的，但是冷卻速度RC以及熔融鋼流速VE太慢。因此，微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )太少，切削速度VE很小，最大高度Rmax很高。

試驗編號24，雖然化學組成分、冷卻速度RC 以及熔融鋼流速VE是適切的，但是加工開始溫度T是未滿1000℃。因此，微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )太少，切削速度VE很小，最大高度Rmax很高。

試驗編號25，雖然化學組成分、熔融鋼流速 VE以及加工開始溫度T是適切的，但是冷卻速度RC太慢。因此，微細Pb夾雜物的數量N_Pb (個/mm² )太少，切削速度VE很小，最大高度Rmax很高。

以上，雖然是說明了本發明的實施方式，但上述的實施方式，不過是用來舉例說明實施本發明的例子而已。因此，本發明並不侷限於上述的實施方式，只要是在不脫離其要旨的範圍內，亦可將上述的實施方式做適度的改變之後，才予以實施。

40‧‧‧Pb夾雜物

Claims

一種含鉛快削鋼，以質量%計，係含有C：0.005~0.2%、Mn：0.3~2.0%、P：0.005~0.2%、S：0.01~0.7%、Pb：0.03~0.5%、N：0.004~0.02%、以及、O：0.003~0.03%、其餘部分是由Fe以及雜質所組成的，鋼中之相當於圓直徑為0.01~0.5μm的Pb夾雜物的數量是10000個/mm² 以上。
如申請專利範圍第1項所述的含鉛快削鋼，其中，鋼中之相當於圓直徑為0.01~0.5μm的Pb夾雜物的數量、以及相當於圓直徑為0.01~0.5μm的MnS夾雜物的數量之總計為15000個/mm² 以上。
如申請專利範圍第1項所述的含鉛快削鋼，其中，含有從Cu：0.5%以下、Ni：0.5%以下、以及Sn：0.5%以下，所組成的群組所選出的1種或2種以上來取代前述Fe的一部分。
如申請專利範圍第2項所述的含鉛快削鋼，其中，含有從Cu：0.5%以下、Ni：0.5%以下、以及Sn：0.5%以下，所組成的群組所選出的1種或2種以上來取代前述Fe的一部分。
如申請專利範圍第1項所述的含鉛快削鋼，其中，含有從Te：0.2%以下、以及Bi：0.5%以下，所組成的群組所選出的1種以上來取代前述Fe的一部分。
如申請專利範圍第2項所述的含鉛快削鋼，其中，含有從Te：0.2%以下、以及Bi：0.5%以下，所組成的群組所選出的1種以上來取代前述Fe的一部分。
如申請專利範圍第3項所述的含鉛快削鋼，其中，含有從Te：0.2%以下、以及Bi：0.5%以下，所組成的群組所選出的1種以上來取代前述Fe的一部分。
如申請專利範圍第4項所述的含鉛快削鋼，其中，含有從Te：0.2%以下、以及Bi：0.5%以下，所組成的群組所選出的1種以上來取代前述Fe的一部分。
如申請專利範圍第1項至第8項中之任一項所述的含鉛快削鋼，其中，含有從Cr：0.5%以下、以及Mo：0.5%以下，所組成的群組所選出的1種以上來取代前述Fe的一部分。