(57)【要約】【課題】鉛を用いることなしに、圧延ままで、切り屑形状や表面粗度等の被削性に優れ、しかも工具寿命にも優れた快削鋼を得る。【解決手段】Ｃ：0.05質量％未満、Si：0.05質量％以下、Mn：0.1〜4.0質量％、Ｓ：0.15〜0.5質量％、Nb：0.010〜0.060質量％およびＯ：0.0090〜0.0300質量％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成にすると共に、鋼材の表面硬さをビッカース硬さHvで120〜140とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.05質量％未満、
Si：0.05質量％以下、
Mn：0.1〜4.0質量％、
Ｓ：0.15〜0.5質量％、
Nb：0.010〜0.060質量％および
Ｏ：0.0090〜0.0300質量％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、鋼材の表面硬さがビッカース硬さHvで120〜140の範囲を満足することを特徴とする快削鋼。
【請求項２】
Ｃ：0.05質量％未満、
Si：0.05質量％以下、
Mn：0.1〜4.0質量％、
Ｓ：0.15〜0.5質量％、
Nb：0.010〜0.060質量％および
Ｏ：0.0090〜0.0300質量％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる鋳片を、加熱後、熱間圧延を施して快削鋼を製造するに際し、熱間圧延後の冷却速度を0.2〜8.0℃/sの範囲に制御することを特徴とする快削鋼の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、熱間圧延における加熱温度を1100〜1250℃、熱延終了温度を980℃以上とすることを特徴とする快削鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、快削鋼およびその製造方法に関し、特に切削加工時における切り屑処理性や切削後の表面粗度等の被削性および工具寿命の有利な向上を図ろうとするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削加工時における切り屑処理性等の被削性や工具寿命に優れた快削鋼として、JISに規定されている硫黄快削鋼および鉛快削鋼が知られている。また、その他にも、カルシウム快削鋼、テルル快削鋼、セレン快削鋼およびビスマス快削鋼など種々の快削鋼が開発されている。
上記した快削鋼の中でも、特に鉛快削鋼は、被削性に優れ、しかもテルル快削鋼やビスマス快削鋼等に比較して経済的に優れていることから、快削鋼として多用されている。
【０００３】
しかしながら、鉛は人体に有害であることから、鋼材の製造過程やそれを用いた機械部品の製造過程において大がかりな排気設備を必要とし、また鋼材のリサイクル面でも問題があった。
このため、従来から、鉛を添加せずに鉛快削鋼と同等程度の被削性を有する快削鋼の開発が望まれていた。
【０００４】
上記の要請に応えるものとして、例えば特許文献１には、鋼中のＣを黒鉛として存在させ、この黒鉛の切り欠き潤滑作用を利用することによって、鉛を用いることなしに被削性を改善する方法が提案されている。
しかしながら、この方法では、鋼中のＣを黒鉛化するための熱処理が不可欠であることから、必ずしも経済的な方法ではないという問題があった。
【０００５】
また、特許文献２および特許文献３には、Ｃ含有量を0.05質量％未満に低減し、鋼中のセメンタイトを減少させて切削加工時における工具磨耗を低減することにより、工具寿命の向上を図り、さらにＣ含有量の低減に伴う切り屑処理性の低下に対しては、
（ａ）Ｂを0.003〜0.0040質量％未満の範囲で添加する、
（ｂ）Tiを0.003〜0.3質量％、Ｓを0.2質量％を超えて添加する、
の２つの対策を同時に施して、補っている。
この特許文献２および特許文献３に記載された技術では、TiおよびＳの添加により、鋼中にTiＳおよび（Mn，Ti）Ｓが生成し、これらが切削加工時に生成する切り屑中で応力集中源として作用するため、切り屑処理性が向上するとしている。また、同時に0.003〜0.0040質量％未満の範囲でＢを添加すると、TiＳおよび（Mn，Ti）Ｓの塑性変形が抑制され、効果的な応力集中作用によって切り屑中でクラックの発生が促進されるとしている。
【０００６】
しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載された技術では、安定して所望の被削性を確保できないというところに問題を残していた。
【０００７】
さらに、特許文献４には、鋼中に比較的多量の酸素を含有させ、鋼中にMnＯ−MnＳ複合介在物を形成することによって、被削性を向上させる技術が提案されている。
しかしながら、特許文献４に記載されている快削鋼の製造方法では、得られる鋼材の表面硬さにバラツキが大きく、そのためやはり安定して所望の被削性を得ることができないところに問題を残していた。
【０００８】
【特許文献１】特開昭50−96416号公報
【特許文献２】特開2001−152282号公報
【特許文献３】特開2001−152283号公報
【特許文献４】特開2002−249823号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の実状に鑑み開発されたもので、鉛を用いることなしに、圧延ままで、切り屑形状や表面粗度等の被削性に優れ、しかも工具寿命にも優れた快削鋼を、かかる快削鋼を安価に安定して製造できる製造方法と共に提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
さて、発明者らは、鉛を添加することなく、圧延ままで鉛添加鋼と同等の被削性を有する鋼材と開発すべく、被削性に及ばす各種の要因、特に成分組成および製造条件の影響について鋭意検討を行った。
その結果、成分組成としては、Ｃ：0.05質量％未満、Mn：0.1〜4.0質量％、Ｓ：0.15〜0.5質量％とすることによって、適正量のMnＳを形成できることが判明したが、このように鋼組成を調整するだけではMnＳの伸展を十分に抑制することができず、被削性が低下する場合があることが判明した。
【００１１】
そこで、次にこの点について検討したところ、Si：0.05質量％以下、Ｏ：0.0090〜0.0300質量％に調整することにより、MnＳの伸展を効果的に抑制できることが判明した。
さらに、上記の処理に加え、Nbを0.010〜0.060質量％添加すると共に、熱間圧延後の冷却条件を適正化して、鋼材の硬さをビッカース硬さHvで120〜140の範囲に制御することにより、切り屑処理性および表面粗度等の被削性が格段に改善され、さらには工具寿命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。
【００１２】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）Ｃ：0.05質量％未満、
Si：0.05質量％以下、
Mn：0.1〜4.0質量％、
Ｓ：0.15〜0.5質量％、
Nb：0.010〜0.060質量％および
Ｏ：0.0090〜0.0300質量％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、鋼材の表面硬さがビッカース硬さHvで120〜140の範囲を満足することを特徴とする快削鋼。
【００１３】
（２）Ｃ：0.05質量％未満、
Si：0.05質量％以下、
Mn：0.1〜4.0質量％、
Ｓ：0.15〜0.5質量％、
Nb：0.010〜0.060質量％および
Ｏ：0.0090〜0.0300質量％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる鋳片を、加熱後、熱間圧延を施して快削鋼を製造するに際し、熱間圧延後の冷却速度を0.2〜8.0℃/sの範囲に制御することを特徴とする快削鋼の製造方法。
【００１４】
（３）上記（２）において、熱間圧延における加熱温度を1100〜1250℃、熱延終了温度を980℃以上とすることを特徴とする快削鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、鋼材に含有されるSi，Mn，Ｓ，Ｏ量を適正化し、さらには熱間圧延時の温度およびその後の冷却速度を最適化することにより、MnＳの伸展を抑制することで、切削加工時の応力集中源としての効果を向上させ、切り屑の分断を容易にして被削性の向上を図ることができる。
また、本発明では、Ｃ，Mn，Nb量を適正化し、鋼材の硬さをビッカース硬さHvで 120〜140の範囲に制御することにより、組織脆化をもたらし、切り屑の分断を容易になるので、切削後の鋼材の表面粗度を効果的に低減することができ、また工具寿命の延長も併せて図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼材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：0.05質量％未満
Ｃは、強度を確保するために添加する。そのためには、0.01％以上含有させることが望ましいが、0.05質量％以上含有させると、切削時の工具磨耗が増大し、被削性が低下するため、Ｃ量は0.05質量％未満に制限する。
【００１７】
Si：0.05質量％以下
Siは、固溶強化による強度向上に有効な元素であるが、脱酸剤としても作用するため、後述する範囲の酸素含有量を満足させるために、Si量は0.05％以下に制限する。
【００１８】
Mn：0.1〜4.0質量％
Mnは、強度確保の面で有効である。また、Ｓと結合してMnＳを生成し、このMnＳが切削加工時の応力集中源となり、切り屑の分断を容易にして被削性を向上させる効果がある。これらの効果を得るためには、少なくとも0.1質量％以上の含有が必要であるが、4.0質量％を超えて含有させると強度が上昇して工具寿命の低下を招くので、Mn量は0.1〜4.0質量％の範囲に制限する。
【００１９】
Ｓ：0.15〜0.5質量％
Ｓは、Mnと結合しMnＳとなって、切削加工時の応力集中源となり、切り屑の分断を容易にして被削性を向上させる。この効果を得るためには、少なくとも0.15質量％の含有を必要とするが、0.5質量％を超えて含有させると熱間加工性が低下するので、Ｓ量は0.5質量％以下に制限する。
【００２０】
Nb：0.010〜0.060質量％
Nbは、炭窒化物の析出硬化により強度向上に有効に寄与する。また、組織を脆化することにより、切り屑の分断を容易にして被削性を向上させる働きもある。これらの効果を得るためには、少なくとも0.010質量％の含有が必要であるが、0.060質量％を超えて含有させると工具磨耗が増加し工具寿命が低下するので、Nb量は0.010〜0.060質量％の範囲に制限する。
【００２１】
Ｏ：0.0090〜0.0300質量％
Ｏは、MnＳの周囲にMn-Ｓ-Ｏを形成し、MnＳの熱間圧延時における伸延を抑制することにより、切削加工時における応力集中効果の低減を抑制し、被削性を有利に向上させる有用元素である。この効果を得るためには、少なくとも0.0090質量％の含有が必要であるが、0.0300質量％を超えて多量が含有させると鋼材に内部欠陥が発生するようになるので、Ｏ量は0.0090〜0.0300質量％の範囲に制限する。
【００２２】
以上、好適成分組成範囲について説明したが、本発明では、成分組成を上記の範囲に制限するだけでは不充分で、鋼材の表面硬さをビッカース硬さHvで120〜140の範囲に制御することが重要である。
ここに、鋼材の表面硬さがビッカース硬さHvで120未満では、鋼材の延性が高いため、切削時の切り屑が分断し難くなり、ムシレが発生して、切削後の表面粗度が悪化し、一方Hvで140を超えると、工具磨耗が増大し、工具寿命の低下を招く。
より好ましい鋼材の表面硬さはビッカース硬さHvで130〜140の範囲である。
【００２３】
次に、本発明の製造条件について説明する。
本発明では、熱間圧延後には冷却処理が重要である。すなわち、本発明では、熱間圧延後の冷却速度を調整することによって、鋼材の表面硬さをビッカース硬さHvで120〜140の範囲に調整する。
ここに、熱間圧延後の冷却速度が0.2℃/s未満では、硬さが低くなりすぎて切削性を確保できず、また冷却に必要な時間が長くなり生産能率が著しく低下するため、経済的でもない。一方、8.0℃/sを超えると硬度が高くなりすぎて工具寿命が低下すると共に、冷却は水冷等の特殊設備によるものとなり、安定した硬度調整が困難となる。
本発明の成分組成では、熱間圧延後の冷却速度を0.2〜8.0℃/sの範囲とすることで、ビッカース硬さHvを120〜140とすることができる。
【００２４】
また、本発明では、MnＳの伸延を抑制するために、熱間圧延時の加熱温度および熱間圧延の終了温度を制御することが有利である。
すなわち、熱間圧延時における加熱温度が1100℃未満では、MnＳが全く固溶せず、鋳造時の粗大なMnＳのまま圧延されるため、その伸延が著しくなり、切削加工時の応力集中効果が低減し、被削性が劣化する。一方、1250℃を超えると、結晶粒界が部分的に溶解し、熱間変形能が低下するため、熱間圧延が困難になる。従って、加熱温度は1100〜1250℃の範囲とすることが好ましい。
【００２５】
また、熱間圧延終了温度が980℃未満になると、熱間圧延中のMnＳの伸延が顕著となるため、熱間圧延中は全期間にわたって鋼材の温度は980℃以上とすることが望ましい。
【実施例】
【００２６】
表１に示す種々の成分組成になる鋼を、転炉にて溶製し、連続鋳造によりブルーム（鋳片）としたのち、表２に示す条件で熱間圧延を施して直径：14mmの丸棒鋼とし、この丸棒鋼の表面硬さを調査した。
さらに、直径：14mmの丸棒を直径：12mmの丸棒鋼へ冷間で伸線加工し、その丸棒鋼の被削性（切り屑形状、表面粗度）および工具寿命を調査した。
【００２７】
なお、表面硬さは、丸棒鋼の直径の１／４の位置から採取したサンプルを用い、ビッカース硬度計により荷重：98.07Ｎで測定した。
また、被削性については、超硬工具（Ｐ10）を用いて外周旋削試験を行って評価した。
すなわち、切り屑形状は、切削速度：100ｍ/min、送り：0.25mm/rev.、切込み：2.0mm、無潤滑の条件で、長さ：５mm以下の細かい切り屑の場合を◎、細かい切り屑の中に中位（５mm超え、20mm以下）の切り屑が混合する場合を○、中位の切り屑の中に長い（20mm超え）切り屑が混合する場合を△、長い切り屑の場合を×として評価した。
また、表面粗度は、切削速度：75ｍ/min、送り：0.05mm/rev.、切込み：0.5mm、水溶性潤滑使用の条件で、20min切削後にJIS B 0601に準拠して最大高さRyを測定した。なお、被削性の比較対象材としては、一般的な鉛快削鋼であるJIS SUM24と比較することにより行った。
さらに、工具寿命は、切削速度：100ｍ/min、送り：0.25mm/rev.、切込み：2.0mm、無潤滑の条件で、工具の逃げ面磨耗量が0.10mmになるまでの時間により評価した。
得られた結果を表２に示す。
【００２８】
【表１】
2006124790.tif 000002
【００２９】
【表２】
2006124790.tif 000003
【００３０】
表２から明らかなように、本発明の成分組成範囲を満足し、かつ本発明に従う製造条件で製造して得られた発明例はいずれも、切り屑形状および表面粗度等の被削性に優れるだけでなく、工具寿命にも優れていた。