(57)【要約】【課題】    Ｐｂを添加しない非鉛系快削鋼で特に工具寿命に優れるものを提供する。【解決手段】  質量％でＣ：０．０１〜１．２％、Ｓｉ：０．１０超え〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．００５０〜０．０１５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｎ／Ｂ：１〜３、必要に応じてＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｍｇの一種または二種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物で、１ｍｍ2当たりに円相当径で１０μｍ以上のＢＮ介在物を５０個以上と円相当径で３μｍ以下の硫化物を５００個以上を同時に有することを特徴とする快削鋼。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Ｃ：０．０１〜１．２％、
Ｓｉ：０．１０超え〜１．５％、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、
Ｓ：０．０１〜０．２％、
Ｂ：０．００５０〜０．０１５０％、
Ｎ：０．０１００〜０．０２００％、
Ａｌ：０．０１〜０．１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ／Ｂ：１〜３、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物で、
１ｍｍ2当たりに円相当径で１０μm以上のＢＮ介在物を５０個以上と円相当径で３μm以下の硫化物を５００個以上同時に有することを特徴とする快削鋼。
【請求項２】
請求項１記載の成分組成に更に質量％で
Ｎｉ：０．０１〜２．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％
の一種または二種以上を添加したことを特徴とする快削鋼。
【請求項３】
請求項１または２記載の成分組成に更に質量％で
Ｖ：０．００１〜１．０％、
Ｔｉ：０．００１〜１．０％
の一種又は二種を添加したことを特徴とする快削鋼。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一つに記載の成分組成に更に質量％で
Ｃａ：０．０００１〜０．００９０％、
Ｓｅ：０．０２〜０．３０％、
Ｔｅ：０．０３〜０．１５％、
Ｂｉ：０．０２〜０．２０％、
Ｓｎ：０．００３〜０．０２０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、
Ｚｒ：０．００５〜０．０９％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０８０％
の一種または二種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、快削鋼に関し、特に切削する際の工具寿命に優れたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｐｂを含有した快削鋼は被削性が良好なため汎用的に用いられている。しかしながら、Ｐｂは有毒性のためハンダや銃弾などでの使用が制限されるようになり、快削鋼においてもＰｂを含有しない鋼種に対する要望は強く、種々の非Ｐｂ系快削鋼が提案されている。
【０００３】
Ｐｂに替わり特殊な成分を用いたものとして特許文献１にはＮｄを添加したＰｂ非添加型の快削非調質鋼が開示されている。Ｎｄは溶鋼の比較的高温の時期にＭｎＳの生成核となるＮｄ2Ｓ2を微細に分散させるので、それを生成核とするＭｎＳは球状となり、固溶されるＦｅ分も少なくチップブレーカとして有効である。
【０００４】
Ｐｂに替わる快削性介在物にＢＮを用いた鋼として特許文献２には機械構造用鋼、特許文献３には非調質鋼、特許文献４には浸炭用鋼が開示されている。これらの鋼ではＢＮ析出物が硫化物やＰｂ析出物より小さく微細で、高温に対しても安定なため、鋼に要求される快削性以外の特性に及ぼす影響が少ないことを利用している。
【０００５】
特許文献５にはＰｂ非添加系とし、Ｎｂを添加し、その酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物の一種以上をＭｎＳ系介在物の析出核としたＳ系快削鋼の機械構造用鋼が開示されている。快削性を向上させるため、Ｓ／Ｏを特定の範囲とし、更にＳｎ，Ｓｂ、Ｃａ，Ｍｇを添加している。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２５５３９号公報
【特許文献２】特開昭６２−２１１３５０号公報
【特許文献３】特開平１−２１９１４８号公報
【特許文献４】特開平４−１９１３４８号公報
【特許文献５】特開２００４−８３９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のＰｂ非添加型の快削非調質鋼は成分組成に特殊な元素であるＮｄを用いるため、資源環境的に制約が大きく、製造コストが高い。特許文献２、３、４に記載の鋼は快削性元素としてＢＮを用いるが、Ｐｂ系快削鋼と比較して被削性が十分とは言い難い。特許文献５記載の鋼はその用途からＳ添加量が制約を受け、快削鋼としての被削性が十分でなくＰｂ系快削鋼に及ばない。
【０００８】
本発明は、快削性を付与する化合物としてＢＮを用い、Ｐｂ系快削鋼と同等以上の被削性を有し、特に工具寿命に優れた快削鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は快削元素としてＢＮを用いる快削鋼を対象に、工具寿命の観点から被削性について鋭意検討を行い、鋼中に一定の大きさ以上の大型ＢＮ介在物と一定の大きさ以下の微細な硫化物が共存すると工具寿命が著しく改善されることを見出した。
【００１０】
本発明は以上の知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１  質量％でＣ：０．０１〜１．２％、Ｓｉ：０．１０超え〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．００５０〜０．０１５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｎ／Ｂ：１〜３、残部Ｆｅ及び不可避的不純物で、１ｍｍ2当たりに円相当径で１０μm以上のＢＮ介在物を５０個以上と円相当径で３μm以下の硫化物を５００個以上同時に有することを特徴とする快削鋼。
２  １記載の成分組成に更に質量％でＮｉ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜２．０％の一種または二種以上を添加したことを特徴とする快削鋼。
３  １または２記載の成分組成に更に質量％でＶ：０．００１〜１．０％、Ｔｉ：０．００１〜１．０％の一種又は二種を添加したことを特徴とする快削鋼。
４  １乃至３の何れか一つに記載の成分組成に更に質量％でＣａ：０．０００１〜０．００９０％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０％、Ｓｎ：０．００３〜０．０２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．００５〜０．０９％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０８０％の一種または二種以上を含有することを特徴とする快削鋼。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、地球環境上の悪影響を及ぼすことが懸念されるＰｂを添加せずにＰｂ添加系と同等の快削性を有し、工具寿命において優れる快削鋼が得られ、産業上極めて有用である。Ｐｂを添加した場合は更に快削性、工具寿命が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明における成分限定理由、ＢＮ介在物と硫化物の限定理由について説明する。
【００１３】
［成分限定理由］
Ｃ
Ｃは鋼の強度を確保するために必要な元素である。その含有量が０．０１％未満では必要な強度が確保できない。一方、１．２％を超えると靭性が低下するため、０．０１〜１．２％とする。
【００１４】
Ｓｉ
Ｓｉは脱酸に必要な元素で、その含有量が０．１０％以下では十分な脱酸効果が得られない。一方、１．５％を超えるとフェライトが硬化して被削性が低下するため、０．１０超え〜１．５％とする。
【００１５】
Ｍｎ
Ｍｎは強度及び靭性に大きな影響を及ぼす元素であり、その含有量が０．３％未満では十分な強度が得られない。一方、２．０％を超えると靭性が低下するため、０．３〜２．０％とする。
【００１６】
Ｓ
Ｓは被削性に有効な硫化物を形成する元素である。その含有量が０．０１％未満では硫化物量が少なく被削性を向上させる効果が十分でない。一方、０．２％を超えると熱間加工性が低下し、圧延表面疵が生じやすくなるため０．０１〜０．２％とする。
【００１７】
Ｂ
Ｂは被削性、特に工具寿命を向上させるＢＮを生成させるために必要な元素であり、０．００５０％未満では被削性を確保するために十分な量のＢＮを生成することができない。一方、０．０１５０％を超えると靭性が低下してしまうため、０．００５０〜０．０１５０％とする。
【００１８】
Ｎ
Nは被削性を向上させるＢＮを生成するために必要な元素であり、０．０１００％未満では被削性を確保するために必要な量のＢＮを生成することができない。一方、０．０２００％を超えると靭性あるいは疲労特性が低下してしまうため０．０１００〜０．０２００％とする。
【００１９】
Ａｌ
Ａｌは脱酸に必要な元素で、また工具面上にＡｌＮ被膜を生成させ、切削中の工具の拡散磨耗を抑制するために必要である。０．０１％未満ではその効果が得られないため、０．０１％以上、好ましくは０．０２％超えとする。一方、０．１％を越えるとその効果が飽和し硬質のアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性が低下するため、０．０１、好ましくは０．０２超えから０．１％とする。
【００２０】
Ｎｂ
本発明ではＮｂは微細硫化物を形成し、同時にＢＮと共存して被削性を著しく向上させる重要な元素である。このような効果を得るため０．００５％以上とする。一方、含有量が０．０５％を超えると熱間加工性が低下し、圧延表面疵が生じ易くなるため０．００５〜０．０５％とする。
【００２１】
Ｎ／Ｂ
Ｎ／Ｂが１未満ではｆｒｅｅＢ量が増大し、焼入れ性が向上して機械的性質を劣化させる。一方、Ｎ／Ｂが３を超えるとｆｒｅｅＮ量が増大して歪時効が生じやすくなり冷間加工性が劣化するため、１〜３とする。
【００２２】
本発明鋼の基本成分系は以上のとおりであるが、更に所望する特性を向上させる場合、Nｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｍｇの一種または二種以上を選択的に添加することができる。数値は質量％を示す。
【００２３】
強度を向上させる場合、Nｉ、Ｃｒ、Ｍｏの一種または二種以上を含有することができる。Ｎｉを含有する場合は０．０１〜２．０％、Ｃｒを含有する場合は０．０１〜２．０％、Ｍｏを含有する場合は０．０１〜２．０％とする。それぞれの元素の添加量が下限値未満ではその効果が得られず、一方、上限値を超えると経済的に不利となり、強度が過度に上昇し、被削性を劣化させる。
【００２４】
強度、靭性を向上させる場合、Ｖ，Ｔｉの一種または二種を含有することができる。Ｖを含有する場合は０．００１〜１．０％、Ｔｉを含有する場合は０．００１〜１．０％とする。それぞれの元素の添加量が下限値未満では微細な炭化物の析出量が少なく、その効果が得られず、一方、上限値を超えると強度が過度に上昇し、被削性を劣化させる。
【００２５】
被削性を向上させる場合、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｍｇの一種または二種以上を含有することができる。
【００２６】
Ｃａを含有する場合は０．０００１〜０．００９０％、Ｓｅを含有する場合は０．０２〜０．３０％、Ｔｅを含有する場合は０．０３〜０．１５％、Ｂｉを含有する場合は０．０２〜０．２０％、Ｓｎを含有する場合は０．００３〜０．０２０％、Ｃｕを含有する場合は０．０５〜０．５％、Ｚｒを含有する場合は０．００５〜０．０９％、Ｍｇを含有する場合は０．０００５〜０．０８０％とする。それぞれの元素の添加量が下限値未満ではその効果が得られず、一方、上限値を超えるとその効果が飽和し経済的にも不利となる。
【００２７】
尚、上述した成分組成の鋼に更にＰｂを添加して、被削性をより向上させることも可能である。添加する場合はＰｂの添加量を０．０１〜０．４０％とすると機械的特性の劣化が小さく好ましい。
【００２８】
［ＢＮ介在物と硫化物の限定理由］
本発明では、鋼中のＢＮ介在物と硫化物の形態を規定する。ＢＮ介在物の切欠き効果により発生した切屑中の亀裂の伝播、成長を微細な硫化物により助長し、被削性において工具寿命を向上させるため、ＢＮ介在物は円相当直径で１０μm以上とし、１ｍｍ2当たり５０個以上とする。なお、ＢＮ介在物は円相当直径で３００μmを超えると効果が飽和するので、好ましくは円相当直径で１０〜３００μmの範囲とする。
【００２９】
ＢＮ介在物と共に１ｍｍ2当たりに観察される硫化物は円相当直径で３μｍ以下とし、５００個以上とする。なお、硫化物は円相当直径で０．０１μm未満では効果が飽和するので、好ましくは円相当直径で０．０１〜３μmの範囲とする。
【００３０】
本発明に係る快削鋼は、定法に従い溶鋼から製造した本発明範囲内の成分組成の鋼片を定法の棒鋼圧延により所望する寸法の棒鋼にすることが可能である。
【００３１】
本発明を機械構造用鋼（Ｓ４５Ｃ系）、肌焼鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ系）、非調質鋼（Ｓ４５ＣＶ系）に適用した場合について実施例によりその効果を説明する。
【実施例１】
【００３２】
［機械構造用鋼（Ｓ４５Ｃ系）］
表１に示す成分組成の鋼を鋳造断面４００×３１０（ｍｍ）鋼塊に鋳造後、直径８０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、介在物測定、被削性試験および表面疵試験を行った。表１に示す供試鋼はＮｏ．１〜６が本発明範囲内の化学成分を有する鋼で、Ｎｏ．７〜１１は比較鋼、Ｎｏ．１２は参考例でＳ４５Ｃに０．２３％Ｐｂを添加した。
【００３３】
介在物測定は介在物の生成状況を調査するため棒鋼の径方向、軸方向のほぼ中間部で縦１ｍｍ×横１ｍｍの領域について行い、ＢＮ介在物、硫化物毎に画像解析装置により面積を測定し円相当径および円相当径毎の個数を求めた。画像解析装置に入力する画像は倍率×４００の光学顕微鏡による観察像とした。
【００３４】
被削性試験は外周旋削とドリル穴開けについて行い、外周旋削については工具寿命、切屑形状、最大表面粗さで評価し、ドリル穴開けは工具寿命で評価した。表２に被削性試験の内容を示す。
【００３５】
表面疵試験は、３００ｍｍ長さに棒鋼を切断し、酸洗後、表面傷の総面積を求めた。表面疵は鱗上にひび割れた形態となるため占有する面積で評価した。
【００３６】
表３に供試材Ｎｏ．１〜１２のそれぞれについて行った各試験の結果を示す。供試材Ｎｏ．１〜６は本発明範囲内の成分組成とＢＮ介在物、硫化物の生成状態が本発明範囲内となる本発明例で、Ｐｂ添加快削鋼（Ｎｏ．１２）に対して同等以上の被削性を有している。
【００３７】
比較例Ｎｏ．７は、Ｎｂ量が本発明範囲外で少なく、微細硫化物の個数が少ないため、被削性が本発明例に対し劣っている。
【００３８】
比較例Ｎｏ．８は、Ｎｂ量が本発明範囲外で多く、被削性は本発明例と同等であるが、表面疵が本発明例より多く発生している。
【００３９】
比較例Ｎｏ．９は、Ｂ量が本発明範囲外で少なく、本発明で規定する大きさのＢＮ介在物の個数が少ないため被削性が本発明例に対して劣っている。
【００４０】
比較例Nｏ．１０は、Ｓ量が本発明範囲外で少なく、本発明で規定する大きさの硫化物の個数が少なく被削性が本発明例に対し劣っている。
【００４１】
比較例Ｎｏ．１１は、Ｓ量が本発明範囲外で多く、被削性は本発明例と同等であるが、熱間延性が低く、表面疵が本発明例より多く発生している。
【００４２】
【表１】
2006089784.tif 000002
【００４３】
【表２】
2006089784.tif 000003
【００４４】
【表３】
2006089784.tif 000004
【実施例２】
【００４５】
［肌焼鋼（ＳＣＭ４２０H系）］
表４に示す成分組成の鋼を鋳造断面４００×３１０（ｍｍ）鋼塊に鋳造後、直径８０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、介在物測定、被削性試験および表面疵試験を行った。表４に示す供試鋼はＮｏ．１３〜１８が本発明範囲内の化学成分を有する鋼で、Ｎｏ．１９〜２３は比較鋼、Ｎｏ．２４は参考例でＳＣｒ４２０Ｈに０．１８％Ｐｂを添加した。
【００４６】
介在物測定，被削性試験および表面疵試験は、機械構造用鋼Ｓ４５Ｃの試験方法に準じて行った。
【００４７】
表５に供試材Ｎｏ．１３〜２４のそれぞれについて行った各試験の結果を示す。供試材Ｎｏ．１〜６は本発明範囲内の成分組成とＢＮ介在物、硫化物の生成状態が本発明範囲内となる本発明例で、Ｐｂ添加快削鋼（Ｎｏ．２４）に対して同等以上の被削性を有している。
【００４８】
比較例Ｎｏ．１９は、Ｎｂ量が本発明範囲外で少なく、微細硫化物の個数が少ないため、被削性が本発明例に対し劣っている。
【００４９】
比較例Ｎｏ．２０は、Ｎｂ量が本発明範囲外で多く、被削性は本発明例と同等であるが、熱間延性に劣り、表面疵が本発明例より多く発生している。
【００５０】
比較例Ｎｏ．２１は、Ｂ量が本発明範囲外で少なく、本発明で規定する大きさのＢＮ介在物の個数が少ないため被削性が本発明例に対して劣っている。
【００５１】
比較例Nｏ．２２は、Ｓ量が本発明範囲外で少なく、本発明で規定する大きさの硫化物の個数が少なく被削性が本発明例に対し劣っている。
【００５２】
比較例Ｎｏ．２３は、Ｓ量が本発明範囲外で多く、被削性は本発明例と同等であるが、熱間延性が低く、表面疵が本発明例より多く発生している。
【００５３】
【表４】
2006089784.tif 000005
【００５４】
【表５】
2006089784.tif 000006
【実施例３】
【００５５】
［非調質鋼（Ｓ４５ＣＶ系）］
表６に示す成分組成の鋼を鋳造断面４００×３１０（ｍｍ）鋼塊に鋳造後、直径８０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、介在物測定、被削性試験および表面疵試験を行った。供試鋼はＮｏ．２５〜３０が本発明範囲内の化学成分を有する鋼で、Ｎｏ．３１〜３５は比較鋼、Ｎｏ．３６は参考例でＳ４５ＣＶに０．２４％Ｐｂを添加した。
【００５６】
介在物測定，被削性試験および表面疵試験は、機械構造用鋼Ｓ４５Ｃの試験方法に準じて行った。
【００５７】
表７に供試材Ｎｏ．２５〜３６のそれぞれについて行った各試験の結果を示す。供試材Ｎｏ．２５〜３０は本発明範囲内の成分組成とＢＮ介在物、硫化物の生成状態が本発明範囲内となる本発明例で、Ｐｂ添加快削鋼（Ｎｏ．３６）に対して同等以上の被削性を有している。
【００５８】
比較例Ｎｏ．３１は、Ｎｂ量が本発明範囲外で少なく、微細硫化物の個数が少ないため、被削性が本発明例に対し劣っている。
【００５９】
比較例Ｎｏ．３２は、Ｎｂ量が本発明範囲外で多く、被削性は本発明例と同等であるが、熱間延性に劣り、表面疵が本発明例より多く発生している。
【００６０】
比較例Ｎｏ．３３は、Ｂ量が本発明範囲外で少なく、本発明で規定する大きさのＢＮ介在物の個数が少ないため被削性が本発明例に対して劣っている。
【００６１】
比較例Nｏ．３４は、Ｓ量が本発明範囲外で少なく、本発明で規定する大きさの硫化物の個数が少なく被削性が本発明例に対し劣っている。
【００６２】
比較例Ｎｏ．３５は、Ｓ量が本発明範囲外で多く、被削性は本発明例と同等であるが、熱間延性が低く、表面疵が本発明例より多く発生している。
【００６３】
【表６】
2006089784.tif 000007
【００６４】
【表７】
2006089784.tif 000008