WO2003076674A1 - Acier de decolletage contenant du soufre - Google Patents

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WO2003076674A1
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less
free
sulfur
cutting
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Tatsuo Fukuzumi
Motoki Watanabe
Tsuneo Yoshimura
Original Assignee
Mitsubishi Steel Mfg. Co., Ltd.
Yoshimura Technical Office Inc.
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur

Definitions

  • the present invention relates to sulfur-containing free-cutting, which is used as a material for parts that require less strength, using JIS SUM steel and SAE standard 11 series steel and 12 series steel. Related to steel improvement. Background art
  • S-containing free-cutting steels such as JIS SUM steel and SAE standard 11-series steel and 12-series steel are rolled and drawn, and then used as polished bar steel for automatic lathe cutting.
  • sulfur free-cutting steel with S added to steel was used in order to improve machinability with high-speed steel tools.
  • the present invention relates to
  • A1 0.005% or less (including 0)
  • V 0.05 to 0.50%
  • the oxygen level of the molten steel after deoxidation is kept stable at 0.01 to 0.025%.
  • the residue in the molten steel as the precipitation nucleus of the MnS-based sulfide, it was found that the MnS-based sulfide can be finely and uniformly dispersed and precipitated.
  • the residue referred to here includes oxides such as Nb, and it is fully conceivable that these may serve as adhesives in the form of precipitation nuclei of MnS-based inclusions or composite inclusions.
  • the hardness of the precipitated MnS-based sulfides also decreases, prolonging the tool life and reducing the aspect ratio of the MnS-based inclusions (MnS-based inclusions). It was found that the ratio of length to diameter was reduced to improve chip breaking.
  • FIG. 1 is a photograph showing an evaluation standard for the friability of chips produced when a test material made of the steel of the present invention is processed by a lathe.
  • BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The reasons for limiting the content of chemical components in the sulfur-containing free-cutting steel of the present invention will be described below.
  • Si is used as a deoxidizer in cooperation with Mn, but when excessively added, the hardness of the steel increases, and furthermore, the silicon oxide as a deoxidation product is hard, and the tool life is deteriorated.
  • the upper limit is 0.35%.
  • 0.10% or less is added, and co-deoxidation with Mn is performed.To ensure that the 0 content of molten steel before production is maintained at 0.01 to 0.025%, One or two of Nb and V, Ti are used as a deoxidizing aid.
  • Mn is added to precipitate stable MnS. In order to obtain this effect effectively, it is necessary to add in the range of 0.30 to 2.00%.
  • the upper limit of S was conventionally set at 35%. If the co-deoxidation of Si— ⁇ using Nb, V, and Ti according to the present invention as a deoxidizing aid, hot workability is not impaired at all even if the upper limit of S is 0.65%.
  • the amount of oxygen at the end of decarburization refining of molten steel is about 600 to 120 Oppm, but at such an oxygen level, continuous production is impossible due to the rimming function.
  • S i is also preferably added to 0.10% or less.
  • S i— Mn co-deoxidation limit Stable within the range of about 250 ppm to 100 ppm. Deoxidize using Nb or V and a small amount of Ti.
  • N 0.020% or less
  • a feature of the present invention is that, in order to cause Mn sulfide and steel to be substantially uniformly dispersed and precipitated, fine NbN and VNs TiN serving as precipitation nuclei are precipitated in iron and MnS is dispersed in the core. It is assumed that. Therefore, a maximum N content of 0.020% is required.
  • A1 0.005% or less (including 0)
  • the forced deoxidation by A1 is not intentionally performed, but A1 is contained in the FeSi, FeNb, FeV, and FeTi used slightly, and a small amount is added with the addition to the molten steel. A 1 remains in the steel. Therefore, the maximum amount is limited to .00 5%.
  • One of the objects of the present invention is to suppress the precipitation of FeS by the formation of MnS and improve the machinability as well as the workability as described above, but Nb as a deoxidizing aid causes the molten steel to solidify. Deoxidized products, nitrides and carbonitrides are precipitated in iron on the way, and they work effectively as precipitation nuclei for MnS. Disperses to increase workability and machinability. If the amount is less than 0.02% or more than 0.20%, the effect is not sufficient.
  • V 0.05 to 0.50% or Z and Ti: 0.02 to 0.20%
  • these elements play an auxiliary role in the Si-Mn co-deoxidation, stably maintain the oxygen content in the molten steel in the range of 100 to 250 ppm, and reduce the amount of MnS after solidification of the molten steel.
  • a The deposited TiN works effectively. If the amount is less than the lower limit and exceeds the upper limit, the effect is not sufficient.
  • the average size of primary sulfide inclusions in the transverse plane of the steel of the non-metallic inclusions in the steel is at 5 O jm 2 or less, and There are 500 to 1000 pieces per 1 mm 2 . Due to the sulfide-based inclusions thus present, the steel of the present invention has excellent machinability as well as good workability. If the average size of the sulfide-based inclusions per 1 mm 2 is outside the above range, sufficient machinability and workability cannot be obtained. Examples and Comparative Examples Steels having the compositions shown in Table 1 were melted using a high-frequency induction furnace, and formed into 20 kg steel ingots.
  • the ingot was forged into a round bar having a diameter of 4 Omm to prepare a test material, and a turning test was performed using a lathe.
  • the test conditions are shown below.
  • the free-cutting steel of the present invention did not contain any heavy metal harmful to the environment, and was able to invent a free-cutting steel that is no worse than the conventional heavy metal-containing free-cutting steel.
  • the machinability was evaluated based on the chip friability. The evaluation criteria of the friability were evaluated in four stages of ⁇ , ⁇ , ⁇ and X shown in Fig. 1.
  • the properties (average size, number) of sulfides in steel were investigated by the following method. Machinability
  • the specimen is a microscopic sample from the section of the cross section in the transverse direction to the forging direction from the round bar of diameter D: 4 O mm which is an extension of the test sample, that is, from the skin of the cross section to 1-6 (D / 6) in diameter.
  • D the round bar of diameter
  • Were cut out, and the average size and number of sulfide-based inclusions were examined with a 400-fold optical microscope. Observation of inclusions in the cross section makes it easy to grasp the size of inclusions and their distribution.
  • the machinability is not improved by the addition of a heavy metal that has an adverse effect on the environment, and it is no less inferior to the case of the addition of a heavy metal without causing a manufacturing problem.
  • a sulfur-containing free-cutting steel having machinability.

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Description

含硫黄快削鋼 技術分野 本発明は、 J I S規格の S UM鋼、 S A E規格の 1 1系鋼、 1 2系鋼が利用さ れる、 強度を余り必要としない部品の素材となる含硫黄快削鋼の改良に関する。 背景技術
J I S規格の S UM鋼や S A E規格の 1 1系鋼、 1 2系鋼等の S含有快削鋼は、 圧延後引抜加工して、 磨棒鋼として自動盤切削用に供される。 このような従来の 快削鋼は高速度鋼工具による被削性を向上するため鋼中に Sを添加した硫黄快削 鋼が用いられていた。
この硫黄快削鋼中の S含有量は多ければ多いほど被削性は良好になるが、 反面、 圧延、 鍛造等の熱間加工時の赤熱脆性のため割れ等の不良品が多く発生する。 そ の理由は高硫黄のため低融点の F e Sが結晶粒界に析出するためである。 そして 高 S鋼の場合、 圧延方向に対し横方向の延性 ·絞り値が低下し、 引抜時のトラブ ルが生ずるため一般的には S含有量は 0 . 3 5 %を上限とし、 多くても 0 . 4 0 %止まりであった。
更に、 すぐれた被削性を有する快削鋼として Sに加えて P b、 T e、 B i等の 重金属を含有する複合快削鋼が開発されたが、 近年環境問題が重要視され、 環境 に悪影響を与えるこれら重金属を使用しない快削鋼で、 しかも被削性が含重金属 快削鋼に勝るとも劣らない鋼の開発が待たれていた。 発明の開示 本発明は環境に悪影響を与える重金属の添加による被削性の向上を図らず、 し かも製造上特に熱間加工時や、 冷間引抜時に問題をおこすことのない被削性に優 れた含硫黄快削鋼を提供することを目的とする。
本発明は、 質量％で、
C： 0. 03〜0. 20%
S i ： 0. 35 %以下 （ 0を含む）
Mn： 0. 30〜2. 00%
P： 0. 01〜 0. 15 %
S : 0. 35〜0. 65%
0 : 0. 0100〜0. 0250%
N： 0. 020 %以下
A1 ： 0. 005%以下 （0も含む）
Nb： 0. 02〜0. 20%
を含有し、 更に
V： 0. 05〜0. 50%
T i ： 0. 02-0. 20%
の 1種又は 2種を含有し、 残部 F e及び不可避的不純物よりなる化学成分であつ て、 該鋼の横断面における非金属介在物の主たる硫化物系介在物の平均サイズが
50 /m2以下であり、 且つ、 硫化物介在物が lmm2当り 500個乃至 100
0個存在することを特徴とする高硫黄快削鋼である。
即ち、 本発明では、 まず第一に S含有量を従来上限とされていた 0. 35%を 超える多量の Sを含有させる。 その多量に含有させた Sによる熱間脆性等の悪影 響が出ないようにするために、 Mnを多量に含有させて F e Sの析出を止め Mn
S系硫ィ匕物のみにする。
また、 良好な快削性を得るためにはこの M n S系酸化物と切削工具との接触す る頻度が多いほど良いことを発見した。
そのために、 MnS系硫化物の鋼中への析出は溶鋼の凝固時から始まるが、 溶 鋼温度において溶鋼中に析出している T iNや凝固の途中でァ鉄中に析出する N bN、 VNを MnS系硫ィ匕物の析出核として利用し微細化を図り析出個数を増し、 かつ均等な分散を図ることが出来ることを見出した。 その上、 工具寿命を短くする α型 A 1203系介在物の存在を無くすため溶鋼の 脱酸を A1によらず S i—Mnの共同脱酸をベースにし、 しかも S iを 0. 3 5%以下にすることにより、 硬い珪酸系介在物も極力無くし、 脱酸後の溶鋼の酸 素レベルを 0. 01〜0. 025 %に安定して保っため、 脱酸補助剤としての N bに加え V、 T iの一種又は二種を添加する。 それらの溶鋼への残留物も MnS 系硫ィ匕物の析出核として利用することにより、 MnS系硫化物が微細、 均等に分 散析出させることが可能であることを見出した。 ここでいう残留物には当然、 N bなどの酸化物も含まれ、 これらが MnS系介在物の析出核や複合介在物の形で 接着剤としての役割を果たすことは十分に考えられる。
しかも酸素レベルを 0. 01〜0. 0250%に保つことにより析出する Mn S系硫化物の硬度も下がり、 工具寿命の延長と MnS系介在物のァスぺク卜比 (MnS系介在物の長さと径の比） を小さくして切屑破砕性が向上することを見 出した。
以上 3つの発見が本発明の根幹をなすものであって、 Pb、 Bi、 Te等の重 金属を含有しなくてもそれらを含有する鋼の機械加工性と同等ないし同等以上の 含硫黄快削鋼を開発した。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明鋼による供試材の旋盤による加工時にできる切屑の破砕性の評 価基準を示す写真である。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の含硫黄快削鋼において化学成分の含有率を限定する理由につい て説明する。
C： 0. 03〜0. 20%
Cが多い時は、 弓 I抜き割れ性を生じるので Cの上限は 0. 20%とする。 また、 Cが低い時は強度が低くなりすぎるので、 Cの下限は 0. 03%とする。 S i ： 0. 35%以下 （0を含む）
S iは Mnと共同の脱酸剤として用いるが、 過多に添カ卩する時は鋼の硬度が上 がり、 その上脱酸生成物のけい素酸化物は硬く、 工具寿命を劣化させるので、 上 限は 0. 35%とした。 好ましくは 0. 10%以下添カ卩し、 Mnとの共同脱酸を 実行し、 錶造前の溶鋼の 0含有量を 0. 01〜0. 025%に確実に保たせるた め、 後述の Nb並びに V、 T iの 1種又は 2種を脱酸補助剤として用いる。
Mn： Ό . 30〜2. 00%
熱間脆性の原因となる低融点の F e Sの粒界析出を防く、ため、 Mnを添加し安 定な MnSを析出させる。 この効果を有効に得るために 0. 30〜2. 00%の 範囲で添加することが必要である。
P： 0. 01〜0. 15%
鋼の切削仕上げ面を改善するため 0. 01〜0. 15%の範囲で加える。 この 範囲以外では所期の目的を十分に達成することが出来ない。
S： 0. 35〜0. 65%
S含有量が高いほど被削性が良好となること及び S含有量が多くなると熱間加 ェ性が低下することは知られている。 そのため従来 Sの上限はひ. 35%として いた。 本発明による Nb並びに V、 T iを脱酸補助剤とする S i—Μηの共同脱 酸を実施すれば、 Sの上限は 0. 65%としてもなんら熱間加工性を損ねること はない。
0 : 0. 0100〜0. 0250%
溶鋼の脱炭精練末期の酸素量は約 600〜120 Oppmであるが、 このよう な酸素レベルではリミングァクシヨンにより連続錡造が不可能となるので、 普通 A 1による強制脱酸を行なうが、 A 1による脱酸を行なうと硬いひ型 A 1203が 脱酸生成物として生成し、 それが原因で切削時に工具寿命を低下させるので、 本 発明では A 1による脱酸は意図的に行なわない。 さらに S iも好ましくは 0. 1 0%以下の添加にとどめ S i— Mn共同脱酸限である約 250ppmより 100 p p mの範囲に安定的に◦レベルを保つため補助的に M nと同程度の脱酸力をも つ Nbや V及び少量の T iを用いて脱酸する。
N： 0. 020 %以下 本発明の特色は Mn硫化物と鋼中におおよそ均等に分散析出させるため、 析出 核となる微細な NbN、 VNs T iNをァ鉄中に析出させ、 MnSをその核を中 心に分散させようとするものである。 そのため N含有率を最大 0. 020%必要 とする。
A1 ： 0. 005%以下 （0を含む）
前述したように、 A 1による強制脱酸は意図的に行なわないが、 A1は使用す る Fe S i、 FeNb、 FeV、 Fe T i中に若干含有し、 それの溶鋼への添加 に伴い微量 A 1が鋼中に残留してしまう。 したがって、 その最大量をひ.. 00 5%と制限する。
Nb ： 0. 02〜0. 20%
本発明の目的の一つは前述のように MnSの生成によって Fe Sの析出を抑え、 加工性と共に被削性を向上させる点にあるが、 脱酸助剤としての Nbは溶鋼が凝 固する途中でァ鉄中に脱酸生成物、 窒化物並びに炭窒化物を析出し、 これらが M n Sの析出核として有効に働き、 硫化物介在物の微細化と共に析出個数を増し、 かつ均等に分散して加工性と被削性を増大する。 その量が 0. 02%未満及ぴ0. 20%を超えるとその効果が十分でない。
V： 0. 05〜0. 50%又は Z及び T i ： 0. 02〜0. 20%
前述したように、 これらの元素は S i—Mn共同脱酸の補助的役割を担わせ、 溶鋼中の酸素量を 100〜250 ppmの範囲に安定して保持し、 溶鋼の凝固後 の MnSの形状を被削性に好影響を与える球形に近いものにし、 且つ、 上記 Nb と同じく、 MnSの析出を鋼中におおよそ均等に分散させるため、 ァ鉄中 析出 する Vの窒化物及び溶鋼中に析出する T iNが有効に作用する。 その量はそれそ れ下限未満並びに上限を超えると効果が十分でない。
本発明の含硫黄快削鋼は上記の組成を有すると共に、 該鋼における非金属介在 物の主たる硫化物系介在物が該鋼の横断面においてその平均サイズが 5 O j m2 以下であり、 且つ、 1mm2当り 500個乃至 1000個存在する。 このように 存在する硫化物系介在物により、本発明鋼は良好な加工性と共に優れた被削性を 有する。硫化物系介在物の平均サイズ、 1 mm2当りの個数が上記の範囲外である と十分な被削性、 加工性が得られない。 実施例並びに比較例 高周波誘導炉によって表 1に示す組成の鋼を溶製し、 20kgの鋼塊に鎢造し た
【表 1】
(質量％)
Figure imgf000007_0001
前記鋼塊を直径 4 Ommの丸棒に鍛伸し、 供試材を作り、 旋盤を使い旋削試験 を行なった。 試験条件を下記に示す。
供試材熱処理：焼準
工具 ：超硬チヅプ 三菱マテリアル社製 SNGA 120404 切削速度 ： 100 m/分
切込み量 ： 1 mm
送り ： 0. 02、 0. 05、 0. 10、 0. 15、 0. 20
mm/ r ev 切削油 ：なし
評価項目 ：切屑の破砕性
供試材の旋盤による加工時の旋削切屑破砕性の評価と横断面における硫化物系 介在物の平均サイズ及び被検面積 1 mm2当りの個数を表 2に示した ( 【表 2】 表 2
Figure imgf000008_0001
これらの結果から明らかなように、 本発明の快削鋼は環境に有害な重金属を一 切含有せず、 従来の重金属含有快削鋼に勝るとも劣らない快削鋼を発明できた。 被削性の評価は切屑の破砕性によつて行なつた。 その破砕性の優劣の評価基準は 図 1に示す◎、 〇、 △、 Xの 4段階で評価した。
本発明では表 2に示すように、 旋盤の各送り速度の全てにおいて◎ (最良)であ つた。
又、 鋼中の硫化物の性状 （平均サイズ、 個数） を次の方法で調査した。 被削性 試験試料の延長である直径 D ： 4 O mmの丸棒より鍛伸方向に対し横方向の断面 すなわち横断面の表皮から直径の 1ノ6 (D/ 6 ) 迄の箇所から顕微鏡試料を切 り出し、 4 0 0倍の光学顕微鏡により硫化物系介在物の平均サイズ、 個数を調査 した。 横断面での介在物の観察は介在物の大きさやその分布状態を容易に把握で ぎる。 産業上の利用可能性 本発明によれば、 環境に悪影響を与える重金属の添加による被削性の向上を図 ることなく、 しかも製造上の問題を起こすことなく重金属添加の場合に勝るとも 劣らない被削性を有する含硫黄快削鋼を提供する。

Claims

請求の範囲
1. 質量％で、
C： 0. 03〜0. 20%
S i： 0. 35 %以下 （ 0を含む）
Mn： 0. 30〜2. 00%
P： 0. 01〜0. 15%
S： 0. 35〜0. 65%
0 : 0. 0100〜0. 0250%
N： 0. 020 %以下
A1： 0. 005%以下 （0も含む）
Nb： 0. 02〜0. 20%
¾: 有し、 更に
V： 0. 05〜0. 50%
T i： 0. 02〜0. 20%
の 1種又は 2種を含有し、 残部 F e及び不可避的不純物よりなる化学成分であつ て、 該鋼の横断面における非金属介在物の主たる硫化物系介在物の平均サイズが 50 /m2以下であり、 且つ、 硫化物介在物が 1 mm2当り 500個乃至 100 0個存在することを特徴とする高硫黄快削鋼。
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