(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．８５〜２．００％、Ｐ：０．０２０〜０．２０％、Ｓ：０．５０を超えて０．８０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｏ（酸素）：０．００５０〜０．０３５０％、Ｃｕ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．３０％、Ｃｒ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．２％、Ａｌ：０〜０．１０％、Ｂｉ：０〜０．５０％、Ｔｅ：０〜０．１０％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｔｉ：０〜１．００％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｂ：０〜０．００５０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、更に、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が１．７０以上である快削鋼。
ｆｎ１＝Ｍｎ（％）／Ｓ（％）  ・・・・・(1)
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は快削鋼に関し、より詳しくは、ＯＡ機器のシャフト類や自動車のブレーキピストンなど殆ど負荷のかからない機械構造部品の素材鋼として好適なＰｂ非添加型の快削鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
快削鋼は、快削性付与元素（快削元素）によって、Ｓ（硫黄）系、Ｐｂ（鉛）系、Ｓ−Ｐｂ系、Ｃａ系、Ｓ−Ｐｂ−Ｃａ系、Ｔｉ系、黒鉛系などに分類される。近年、種々の理由から廉価でしかもＰｂを添加しなくとも従来のＰｂを添加したＰｂ系快削鋼と同等の切削性を有する快削鋼に対する要望が大きくなっている。
【０００３】
例えば特開昭６３−２４１１１３号公報、特開平１−１８８６２２号公報、特開平２−２４３７１４号公報、特開平５−３４５９５１号公報に、Ｐｂを添加しない快削鋼の化学組成が開示されている。しかし、これらの公報で開示された鋼を用いた場合には、必ずしもＰｂ系快削鋼と同等の切削性が安定して確保できるというわけではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ＯＡ機器のシャフト類や自動車のブレーキピストンなど殆ど負荷のかからない機械構造部品の素材鋼として好適な、Ｐｂ系快削鋼と同等の切削性を有するＰｂ非添加の快削鋼を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記に示す快削鋼にある。
【０００６】
すなわち、「重量％で、Ｃ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．８５〜２．００％、Ｐ：０．０２０〜０．２０％、Ｓ：０．５０を超えて０．８０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｏ（酸素）：０．００５０〜０．０３５０％、Ｃｕ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．３０％、Ｃｒ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．２％、Ａｌ：０〜０．１０％、Ｂｉ：０〜０．５０％、Ｔｅ：０〜０．１０％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｔｉ：０〜１．００％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｂ：０〜０．００５０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、更に、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が１．７０以上である快削鋼。ｆｎ１＝Ｍｎ（％）／Ｓ（％）・・・・・(1)」である。
【０００７】
本発明者らは、Ｐｂを添加しなくとも従来のＰｂを添加したＰｂ系快削鋼と同等の切削性を有する廉価な快削鋼を開発すべく、化学成分について種々検討した。その結果、下記の知見を得た。
【０００８】
（ａ）Ｓｉの含有量を低く抑えるとともにＰの含有量を高めた鋼に、Ｓを重量％で０．５０％を超えて含有させると、従来のＰｂ含有量が０．０５〜０．３０％のＰｂ系快削鋼と同等の切削性を付与させることができる。
【０００９】
（ｂ）高Ｓ鋼においては、Ｍｎ（％）／Ｓ（％）の値が１．７０未満の場合熱間加工性の劣化が著しいが、上記Ｍｎ（％）／Ｓ（％）の値が１．７０以上であれば熱間加工性に問題はない。
【００１０】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００１２】
Ｃ：
Ｃは強度を確保するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．０５％未満では添加効果に乏しい。更に、本発明鋼のような低Ｓｉ、高Ｐ、高Ｓ鋼の場合にＣの含有量を０．０５％未満にすることはコストアップにつながる。一方、Ｃを０．３０％を超えて含有させると切削性の低下が生じ、Ｐｂ系快削鋼と同等の切削性が安定して確保できない。したがって、Ｃの含有量を０．０５〜０．３０％とした。
【００１３】
Ｓｉ：
高Ｓ−高Ｐ系のＰｂ非添加鋼に良好な切削性を付与させるためには、Ｓｉ含有量はできるだけ少なくする必要があり、特に、その含有量が０．１０％を超えると、切削性の低下が著しくなってＰｂ系快削鋼と同等の切削性が安定して確保できなくなる。したがって、Ｓｉ含有量を０．１０％以下とした。
【００１４】
Ｍｎ：
Ｍｎは、脱酸作用や強度を高める作用を有する。更に、切削性を高める作用もある。しかし、その含有量が０．８５％未満ではこうした効果が得難い。一方、Ｍｎを２．００％を超えて含有させても、その効果は飽和し、経済性を損なうばかりである。したがって、Ｍｎの含有量を０．８５〜２．００％とした。
【００１５】
Ｐ：
Ｐは、疲労強度を高める作用に加えて、Ｓｉ含有量が０．１％以下でＳ含有量が０．５％を超える低Ｓｉ−高Ｓ鋼の切削性を著しく向上させる作用を有する。しかし、その含有量が０．０２０％未満では前記の効果が得難い。一方、０．２０％を超えて含有させると熱間加工性の著しい劣化を招く。したがって、Ｐの含有量を０．０２０〜０．２０％とした。
【００１６】
Ｓ：
Ｓは、切削性を向上させる作用を有する。特に、Ｓｉ含有量が０．１％以下、Ｐ含有量が０．０２〜０．２０％の低Ｓｉ−高Ｐ鋼の切削性を大きく高める作用を有する。しかし、Ｐｂ非添加鋼の場合、Ｓの含有量が０．５％以下ではＰｂ系快削鋼と同等の切削性が安定して確保できなくなる。一方、Ｓの含有量が０．８０％を超えると熱間加工性が著しく劣化する。したがって、Ｓ含有量を０．５０％を超えて０．８０％以下とした。
【００１７】
Ｎ：
Ｎは、結晶粒を微細化して靱性を高める作用を有する。この効果を十分発揮させるためには、Ｎの含有量を０．００３０％以上とする必要がある。一方、Ｎを０．０２００％を超えて含有させても、その効果は飽和し経済性を損なうばかりである。したがって、Ｎ含有量を０．００３０〜０．０２００％とした。
【００１８】
Ｏ（酸素）：
Ｏは切削性を改善するのに有効な元素で、この効果を十分発揮させるには、０．００５０％以上の含有量とする必要がある。一方、Ｏを０．０３５０％を超えて含有させてもその効果はする。したがって、Ｏの含有量を０．００５０〜０．０３５０％とした。
【００１９】
Ｃｕ：
Ｃｕは添加しなくても良い。添加すれば、降伏強度を向上させる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕの含有量を０．３０％以下とした。
【００２０】
Ｎｉ：
Ｎｉは添加しなくても良い。添加すれば、靱性を向上させる効果を有する。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３０％を超えると、切削性が著しく低下する。したがって、Ｎｉの含有量を０．３０％以下とした。
【００２１】
Ｃｒ：
Ｃｒは添加しなくても良い。添加すれば強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．０１％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が１．５％を超えると切削性が著しく低下する。したがって、Ｃｒの含有量を１．５％以下とした。
【００２２】
Ｍｏ：
Ｍｏは添加しなくても良い。添加すれば、Ｎｉと同様に靱性を向上させる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．２％を超えると、切削性が著しく低下する。したがって、Ｍｏの含有量を０．２％以下とした。
【００２３】
Ａｌ：
Ａｌは添加しなくても良い。添加すれば、脱酸に有効である。この効果を確実に得るには、Ａｌは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、Ａｌの含有量を０．１０％以下とした。
【００２４】
Ｂｉ：
Ｂｉは添加しなくても良い。添加すれば、切削性を一段と高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｂｉは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｂｉを０．５０％を超えて含有させても前記の効果が飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｂｉの含有量を０．５０％以下とした。
【００２５】
Ｔｅ：
Ｔｅは添加しなくても良い。添加すれば、切削性を一段と高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｔｅは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｔｅを０．１０％を超えて含有させても前記の効果が飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｅの含有量を０．１０％以下とした。
【００２６】
Ｃａ：
Ｃａは添加しなくても良い。添加すれば、切削性を一段と高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｃａを０．０５％を超えて含有させても前記の効果が飽和するので、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｃａの含有量を０．０５％以下とした。
【００２７】
Ｔｉ：
Ｔｉは添加しなくても良い。添加すれば、切削性を一段と高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｔｉは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｔｉを１．００％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｉの含有量を１．００％以下とした。
【００２８】
Ｖ：
Ｖは添加しなくても良い。添加すれば、降伏強度及び耐久比（疲労限度比）を向上させる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｖは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｖを０．５０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｖの含有量を０．５０％以下とした。
【００２９】
Ｂ：
Ｂは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性を高めて強度を向上させる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｂを０．００５０％を超えて含有させても前記の効果は飽和しコストが嵩むばかりである。したがって、Ｂの含有量を０．００５０％以下とした。
【００３０】
ｆｎ１：
前記(1)式で表されるｆｎ１の値が１．７０未満の場合、熱間加工性の劣化が著しい。したがって、ｆｎ１の値を１．７０以上とした。なお、ｆｎ１の値の上限は４．０に近い値であっても問題はない。
【００３１】
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。
【００３２】
【実施例】
表１、表２に示す化学組成の鋼を通常の方法によって試験炉を用いて溶製した。表１における鋼１〜１０は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例、表２における鋼１１〜２０は成分のいずれかが本発明で規定する範囲から外れた比較例である。比較例のうち鋼１８〜２０は従来のＰｂ系快削鋼に相当する鋼である。
【００３３】
【表１】
0003687370.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003687370.tif 000003
【００３５】
次いで、これらの鋼の鋼塊を１２００℃に加熱した後熱間鍛造し、仕上げ温度を１０００℃として、直径８０ｍｍで長さが１０００ｍｍの丸棒及び厚さ５５ｍｍで幅が１６０ｍｍの鋼板に仕上げ、切削性の評価のために下記の旋削試験とドリル穴あけ試験を実施した。
【００３６】
（１）旋削試験
前記した直径が８０ｍｍで長さが１０００ｍｍの丸棒を供試材として、乾式つまり無潤滑で、切り込み量２ｍｍ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度８０ｍ／分の条件で超硬合金Ｐ２０のチップを用いて旋削試験を行った。
【００３７】
旋削性は、チップ寿命、仕上げ面粗さ（Ｒａ）、切削抵抗（主分力、送り分力と背分力の合力）で評価した。なお、チップ寿命はチップの摩耗量が一定の値を超えてそれ以上の旋削が不能と判断した場合の試験時間とした。旋削試験は１００分で打ち切り、１００分を超えて旋削可能と判断した場合のチップ寿命は１００分以上（≧１００）とした。
【００３８】
（２）ドリル穴あけ試験
前記した厚さが５５ｍｍで幅が１６０ｍｍの鋼板を供試材として、高速度工具鋼（ハイス）の直径１２ｍｍのドリルを使用し、水溶性の潤滑剤を用いて、送り０．０４ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度４７ｍ／分の条件で鋼板の厚さ方向に深さ４０ｍｍの穴をあけてドリル穴あけ試験を行った。
【００３９】
ドリル穴あけ性は、ドリル寿命、抵抗トルク、抵抗スラストで評価した。なお、ドリル寿命は、ドリル刃先の摩耗により加工不能になるまでの穴の数とした。ドリル穴あけ試験は１０００個の穴をあけた時点で打ち切り、それ以上穴あけが可能な場合のドリル寿命は１０００以上（≧１０００）とした。
【００４０】
試験結果を表３にまとめて示す。
【００４１】
【表３】
0003687370.tif 000004
【００４２】
表３から、本発明例の鋼１〜１０は、Ｐｂ非添加にも拘わらず、従来のＰｂ系快削鋼である鋼１８〜２０と同等の旋削性、ドリル穴あけ性を有しており、切削性に優れていることが明らかである。
【００４３】
一方、比較例の鋼においては、本発明で規定する値から、Ｃ含有量が高めに外れた鋼１１、Ｓｉ含有量が高めに外れた鋼１２、Ｐ含有量が低めに外れた鋼１３、Ｓ含有量が低めに外れた鋼１４、Ｎｉ含有量が高めに外れた鋼１５、及びＭｏ含有量が高めに外れた鋼１７は、いずれも工具寿命（チップ寿命とドリル寿命）が短く、旋削試験における切削抵抗並びにドリル穴あけ時の抵抗トルク及び抵抗スラストが大きく、従来のＰｂ系快削鋼である鋼１８〜２０と比べて切削性が劣っている。なお、鋼１３、１５、１７は表面粗さも劣っている。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の快削鋼はＰｂ系快削鋼と同等の切削性を有するのでＯＡ機器のシャフト類や自動車のブレーキピストンなど殆ど負荷のかからない機械構造部品の素材鋼として利用することができる。