(57)【要約】  【課題】本発明は、鉛を添加することなく、鉛硫黄低炭素快削鋼と同程度の被削性およびすぐれた仕上面あらさを確保することができる低炭素硫黄快削鋼を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、重量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：≦０．０１％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：≦０．２％、Ｓ：０．２〜１．０％、Ａｌ：≦０．００５％、およびＯ：２０〜５００ｐｐｍを基本成分として含有する鋼であって、圧延方向に延伸された厚み１μｍ以上のＭｎＳの平均厚みが２．５μｍ以上であるとともに、同ＭｎＳの総面積が測定面積の１．５％以上であり、またＭｎ／Ｓが３〜４.５であり、またＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｎＯおよびＭｇＯの１種および２種以上から成る酸化物のうち、１０μｍ以上の酸化物が３０個／ｇ以下であり、さらに固溶Ｎが重量％で０．００６０〜０．０２００％であることを特徴とする低炭素硫黄快削鋼である。【選択図】 なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：0．０２〜０．１５％、Ｓｉ：≦０．０１％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：≦０．２％、Ｓ：０．２〜１．０％、Ａｌ：≦０．００５％、およびＯ：２０〜５００ｐｐｍを基本成分として含有する鋼であって、圧延方向に延伸された厚み１μｍ以上のＭｎＳの平均厚みが２．５μｍ以上であるとともに、同ＭｎＳの総面積が測定面積の１．５％以上であり、またＭｎ／Ｓが３〜４.５であり、またＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｎＯおよびＭｇＯの１種および２種以上から成る酸化物のうち、１０μｍ以上の酸化物が３０個／ｇ以上であり、さらに固溶Ｎが重量％で０．００６０〜０．０２００％であることを特徴とする低炭素硫黄快削鋼。
【請求項２】
請求項１の低炭素硫黄快削鋼であって、Ａｌ：＜０．００２％であることを特徴とする低炭素硫黄快削鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削仕上げ面あらさのよい、鉛を含有しない低炭素硫黄快削鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
低炭素硫黄鋼は、自動車トランスミッションの油圧部品や、とくに強度を必要としないねじやプリンターシャフトなどの小物部品等を、切削加工により製作するための鋼材として多用されている。そして、切削仕上面あらさをよりよくしたい場合は、鉛硫黄快削鋼が使用される。
【０００３】
しかし、近年、鉛の人体への有害性が指摘され、鋼溶製時の鉛ヒュームや、切削屑処理等の問題が多く、無鉛快削鋼（所謂鉛フリー快削鋼）で品質のよい鋼材の要望がますます高くなっている。
【０００４】
このような要求に対して、鉛硫黄快削鋼と同等の被削性を有する無鉛の快削鋼がいくつか開発されている。代表的な発明（特許文献１〜６）を下記する。
【０００５】
これらは、鉛を排除しようとする点では共通するものの、特許文献１〜３の発明は依然として鉛の含有を許容しており、つまり鋼の被削性を追求するのみで、あるいは特許文献２のように溶製上の改良をも考慮するも、切削時の仕上面あらさについてまで配慮されていない。また、特許文献４〜６は、製造時の環境面をよくするために無鉛とした圧延ままの快削鋼であるが、やはり仕上面あらさの改善は残されている。
【０００６】
このように、鉛を添加しないで、鉛硫黄快削鋼と同等の被削性および仕上面あらさにすぐれた低炭素硫黄快削鋼はまだ提供されるに至っていない。
【特許文献１】特開平７−１７３５７４号公報
【特許文献２】特開平９−３１５２２号公報
【特許文献３】特開２０００−３１９７５３号公報
【特許文献４】特開２００１−１５２２８１号公報
【特許文献５】特開２００１−１５２２８２号公報
【特許文献６】特開２００１−１５２２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、鉛を添加することなく、鉛硫黄低炭素快削鋼と同程度の被削性およびすぐれた仕上面あらさを確保することができる低炭素硫黄快削鋼を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を達成するために、重量％で、Ｃ：0．０２〜０．１５％、Ｓｉ：≦０．０１％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：≦０．２％、Ｓ：０．２〜１．０％、Ａｌ：≦０．００５％（好ましくは＜０．００２％）、およびＯ：２０〜５００ｐｐｍを基本成分として含有する鋼であって、圧延方向に延伸された厚み１μｍ以上のＭｎＳの平均厚みが２．５μｍ以上であるとともに、同ＭｎＳの総面積が測定面積の１．５％以上であり、またＭｎ／Ｓが３〜４.５であり、またＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ２、ＭｎＯおよびＭｇＯの１種および２種以上から成る酸化物のうち、１０μｍ以上の酸化物が３０個／ｇ以上であり、さらに固溶Ｎが重量％で０．００６０〜０．０２００％であることを特徴とする低炭素硫黄快削鋼である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、低炭素硫黄快削鋼として要求される鋼の基本成分を上記のように所定配合とすることに加えて、ＭｎＳの特性およびＭｎ／Ｓ比、ならびにＡｌ２O３等酸化物の個数、さらに固溶Ｎ量の諸元を相互に所定の数値範囲に規定することにより、単に被削性の確保だけではなしに、仕上面あらさを鉛含有快削鋼と同等程度に確保できることを可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、無鉛の低炭素硫黄快削鋼として以下の基本成分からなる(重量％表示)。
【００１１】
C：０．０２〜０．１５％
Cは、鋼の強度確保および仕上面あらさ向上のために０．０２％以上の添加が必要であるが、０．１５％を超えると、工具磨耗が増大して被削性を低下し、また鋳造時にＣＯガスを発生して疵を誘発する。
【００１２】
Ｓｉ：０．０１％以下
Ｓｉは、固溶強化による強度の確保および脱酸元素として必要であるが、脱酸生成物のＳｉＯ２系酸化物は工具寿命を低下させるので、０．０１％以下とする。
【００１３】
Ｍｎ：０．６〜３．０％
Ｍｎは、焼入性を向上してベイナイト組織の生成を促進し、鋼の被削性を向上するとともに、強度を確保するためにも必要である。さらに、ＭｎＳあるいはＭｎＯ−ＭｎＳ複合介在物を形成して被削性を向上する。このために０．６％以上必要であるが、３．０％を超えると強度過剰となって被削性が低下する。
【００１４】
Ｓ：０．２〜１．０％
Ｓは、鋼中でＭｎと結合して生成するＭｎＳが切削加工時に応力集中源となり、切り屑の分断を容易にして被削性を向上させる有効元素として、０．２％以上が必要である。しかし、１．０％以上は、鋼の熱間加工性を低下してよくない。
【００１５】
Ｐ：０．２％以下
Pは、後記するNとともに仕上面あらさを向上し、また切り屑中のクラックの伝播を容易にしてその処理性を著しく向上するが、０．２％以上になると、熱間加工性を低下させる。
【００１６】
Ａｌ：０．００５％以下
Ａｌは、固溶強化による強度の確保および脱酸に有効であるが、脱酸性が強いので、硬質のＡｌ２O３が工具の磨耗を抑制するために、０．００５％以下とし、０．００２％以下が好ましい。
【００１７】
Ｏ：２０〜５００ｐｐｍ
Ｏは、Ｍｎと結合してＭｎＯを生成し、その上にＭｎＳができて、ＭｎＯ−ＭｎＳ複合介在物を形成するが、これらは鋼の圧延時に延伸し難く、比較的球状に近い形状で存在し、切削加工時に応力集中源として作用する。このため、Ｏは積極的に添加するが、２０ｐｐｍ未満の量ではその効果が小さく、また５００ｐｐｍを超える添加は、鋼塊にＣＯガス起因の内部欠陥を生じさせるのでよくない。
【００１８】
固溶Ｎ：０．００６０〜０．０２００％
固溶Ｎは、構成刃先の生成量、したがって仕上面あらさに影響を与える元素で、０．００６０％未満では構成刃先の生成量が多くなって、仕上面あらさが劣化する。また、Ｎは、鋼組織中の転位上に偏析しやすい性質があり、それが母地を脆化して生成したクラックの伝播を促進し、結果として、切り屑の破断性を増進する。そのために、Ｎは０．００６０％以上を必要とするが、０．０２００％を超えると、鋳造時に気泡が発生して鋳塊の内部欠陥および表面疵を誘発しやすくなる。
【００１９】
本発明は、圧延ままで鉛添加快削鋼と同等の被削性を有する無鉛の低炭素硫黄快削鋼の提供を目的として、上述の基本成分をベースにした。さらに、本発明は、その目的を保証するために、つぎの４因子、すなわち鋼中のＭｎＳ形態（サイズ、形状および個数）、さらにＭｎ／Ｓ比、有害酸化物の組成と量、ならびに固溶Nの在り方を明らかにした。
【００２０】
まず、ＭｎＳは、そのサイズが大きく、アスペクト比の小さい球状、すなわち厚みの大きい形態のものが多いほど被削性そして表面仕上あらさに有利である。本発明では、圧延方向に延伸された厚み１μｍ以上のＭｎＳの平均厚みが２.５μｍ以上であると共にＭｎＳの総面積が、測定面積の１．５％以上とすることで、上記の効果を確保する。
【００２１】
また、上記ＭｎＳのサイズは、Ｍｎ／Ｓ比が小さいほど大きくなるが、一方で熱間圧延性を低下させ、割れや疵を発生する。逆に、Ｍｎ／Ｓ比を大きくすると、ＭｎＳが小さくなって大型球状のＭｎＳが得られ難い。これを両立させるには、Ｍｎ／Ｓ比を３〜４.５の範囲、よりよいのは３〜４に制御するとよいことが確認できた。
【００２２】
つぎに、鋼中の酸化物、すなわちＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｎＯ、ＭｇＯの１種および２種が多量に存在すると、工具の磨耗を招きやすく、結果的に仕上表面あらさを悪化させる。そして、その大きさが１０μｍ以上になると、工具の寿命によくない影響を与えることが確認できたので、これを３０個／ｇ以下に制御して工具寿命を保護し、良好な仕上面あらさを得ることができる。
【００２３】
さらに、４番めの因子として、固溶Ｎが存在すると、構成刃先が小型化して表面あらさを改善し、この効果は０．００６０〜０．０２００％の範囲で確保できる。
【００２４】
以上４因子の作用と効果を明らかにしたが、各因子はそれぞれ単独では所定の効果が発揮できず、これらのすべてを同時に充足させることで、鉛添加快削鋼と同等の被削性および仕上表面あらさならびに製造性が確保できる。
【００２５】
なお、本発明の無鉛タイプの低炭素硫黄快削鋼は、つぎのように製造することにより容易に得られる。
【００２６】
まず、ＭｎＳの形態に影響を与えるＯを制御するために、転炉でＣを吹き下げ０．０４％以下としてフリー酸素(溶存酸素)の高い状況を作り出す。そして、この溶鋼を出湯するさいに、通常は取鍋に入らないようにしている過酸化の転炉スラグを積極的に溶鋼に入れるか、あるいは外部からＭｎＯ２やスケールを添加する。また、このときに、必要なＦｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｐ、Ｆｅ−Ｓ等の合金材を添加する。
【００２７】
その後、溶鋼処理工程において、上部に、ＦｅｔＯ、ＭｎＯ、ＭｎＳ濃度の高いスラグを形成させた状態で加熱および成分調整を行い、そして連続鋳造あるいは造塊により鋳片を製造する。このように、上部に過酸化かつＭｎＳ濃度の高いスラグを形成させることにより、ＭｎおよびＳの歩留りが向上し、必要以上にＭｎ、Ｓ源を供給しないため、短時間で成分調製ができることもあいまって、フリー酸素が高く維持できる。なお、フリー酸素が高いとＣＯガスが発生し、また高めたＮからＮ２ガスが発生することも重なって、ブローホールが生成し、凝固界面にとらわれて疵になるおそれがある。このような場合は、連続鋳造鋳型における鋳型内電磁撹拌の強度を上げ、ブローホールが凝固界面にとらわれることなく、上方へ抜け出るような鋳造条件で操業する。この操作により、フリー酸素および窒素の増量ならびにブローホール抑制の両立をはかることができる。
【００２８】
なお、使用する上記合金材は、含有するＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ濃度の低い原料を選択することにより、溶湯中のＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ２、ＭｎＯ、ＭｇＯ等の酸化物の低量化調整をはかることができる。また、これら酸化物の量は、上記したフリー酸素量を高めることにより、その個数を調整することができる。
【００２９】
(実施例)
３ｔ規模の誘導炉および１００ｔの転炉ならびに取鍋からなる溶鋼処理設備を使用し、本発明鋼および比較鋼の２群を、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ等の配合量を変えつつ溶製した。なお、Ｓｉ、Ａｌについては、添加するＭｎ、Ｆｅ−Ｓ合金中のＳｉ、Ａｌ含有量を変えて、鋼中の各含有量を変化させた。
【００３０】
各溶鋼を所定の鋳型に鋳造する直前に、フリー酸素プローブ(ヘレウス社製)を用いてフリー酸素を測定した。溶鋼は、断面が４３０ｍｍ×３００ｍｍのブルーム連続鋳造機、ブルーム連鋳と同等の冷却速度となるように設計された３ｔ規模の誘導炉(同サイズの鋳鉄製鋳型)を用いて鋳造した。
【００３１】
各鋳塊の表面近傍の急冷部からサンプリングし、化学分析した。表１に各鋼の分析結果を示す。なお、表中のＯｔはトータル酸素量を、Ｏｆはフリー酸素量を表している。
【００３２】
つぎに、各鋳片を分塊圧延したのち、φ２５ｍｍまで圧延し、酸洗し、φ２２ｍｍの磨棒とし、切削試験に供した。なお、圧延は１０００℃で実施し、８００℃から、毎秒１．５℃の平均冷却速度で５００℃まで強制空冷した。鋼材温度の測定は放射温度計による。
【００３３】
各試験片の評価方法および条件は以下の通りである。
切削条件(フオーミング加工)
工具：高速度工具鋼ＳＫＨ４Ａ
切削速度：３５ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．５ｍｍ
切削油：塩素系の非水溶性切削油剤
切削長：５００ｍ
仕上面あらさ測定方法
ＪＩＳ  Ｒｚによる評価
ＭｎＳ形態測定方法
画像解析方法により、圧延方向に延伸されたＭｎＳのうち、厚みが１μｍ以上のものについて測定した。
酸化物測定方法
φ２５ｍｍ棒鋼よりサンプルを切り出し、酸溶解法により酸化物系介在物を抽出し、ＥＰＭＡにより組成および個数を調査し、鋼１ｇあたりの個数に換算した。なお、酸溶解の前処理として、炭化物生成防止のため、１０００℃で溶体化処理を行なった。その後、１０ｇのサンプルを切り出し、試薬級塩酸１：純水３の割合で８００ｃｃの溶液を調製し、８０℃で５〜６時間でサンプルを
溶解した。その後、孔径１０μｍのフイルターでろ過し、ＥＰＭＡでサイズおよび組成を分析した。
固溶Ｎ測定方法
固溶Ｎの量は、不活性ガス融解熱伝導法による全Ｎ量と、つぎの方法による化合物型Ｎ量との差により求めた。すなわち、１０％アセチルアセトン＋１％テトラメチルアンモニウムクロライド＋メタノール溶液にて電解抽出、１μｍフイルターで採取→インドフエノール吸光光度法による。
【００３４】
上記のようにして測定した各試験片の測定値ならびに評価の結果を表２に示す。
【００３５】
表２からつぎのことが理解される。すなわち、本発明鋼および比較鋼ともに切削加工による疵は生じていないから、快削性に問題がないことは明らかであるが、その仕上面あらさに両群の間で顕著な差があらわれている。そして、表２が示すように、４因子、すなわちＭｎＳの平均厚みと面積率、Ｍｎ／Ｓ比、有害酸化物の個数そして固溶Ｎ量による差異についてみると、一部の因子が本発明の規定する条件範囲内に制御されていても、仕上面あらさが改善されていないことが明瞭である。これらに比し、本発明鋼のすべては、鉛含有タイプの快削鋼について認められるのと同等程度の仕上面あらさである５〜６μｍを示している。
【００３６】
すなわち、５００ｍ切削後の仕上面あらさＲｚが６μｍ以下の品質を確保するためには、(１)圧延方向に延伸された厚み１μｍ以上のＭｎＳの平均厚みが２．５μｍ以上、(２)同ＭｎＳの総面積が測定面積の１．５％以上、(３)Ｍｎ％／Ｓ％＜２．７、(４)Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｎＯ、ＭｇＯの1種以上の酸化物のうち、１０μｍ以上のものが３０個／ｇ以下、および(５)固溶Ｎが０．００６０〜０．０２００％の全条件を同時に満足する本発明鋼のみが、疵がなく、かつ鉛硫黄快削鋼なみの良好な切削仕上面あらさが確実に得られることがわかる。
【００３７】
【表１】
2006200032.tif 000002
【００３８】
【表２】
2006200032.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月30日(2005.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：≦０．０１％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：≦０．２％、Ｓ：０．２〜１．０％、Ａｌ：≦０．００５％、およびＯ：２０〜５００ｐｐｍを基本成分として含有する鋼であって、圧延方向に延伸された厚み１μｍ以上のＭｎＳの平均厚みが２．５μｍ以上であるとともに、同ＭｎＳの総面積が測定面積の１．５％以上であり、またＭｎ／Ｓが３〜４.５であり、またＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｎＯおよびＭｇＯの１種および２種以上から成る酸化物のうち、１０μｍ以上の酸化物が３０個／ｇ以下であり、さらに固溶Ｎが重量％で０．００６０〜０．０２００％であることを特徴とする低炭素硫黄快削鋼。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明は、上記課題を達成するために、重量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：≦０．０１％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：≦０．２％、Ｓ：０．２〜１．０％、Ａｌ：≦０．００５％（好ましくは＜０．００２％）、およびＯ：２０〜５００ｐｐｍを基本成分として含有する鋼であって、圧延方向に延伸された厚み１μｍ以上のＭｎＳの平均厚みが２．５μｍ以上であるとともに、同ＭｎＳの総面積が測定面積の１．５％以上であり、またＭｎ／Ｓが３〜４.５であり、またＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｎＯおよびＭｇＯの１種および２種以上から成る酸化物のうち、１０μｍ以上の酸化物が３０個／ｇ以下であり、さらに固溶Ｎが重量％で０．００６０〜０．０２００％であることを特徴とする低炭素硫黄快削鋼である。