(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２５超え０．５０％未満、Ｍｎ：０．３０〜１．００％未満、Ｐ：０．０３０％以下（０％は含まず）、Ｓ：０．０１５超え０．２００％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：０．００５０〜０．０１００％、Ｎ：０．００７０〜０．０２００％を含有し、更に、Ｃｒ：０．０１〜１．５０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．１５０超え０．２５０％以下のうちから選んだ１種または２種以上、以下に示すＦ値が（１）式を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする工具寿命に優れた硬度が３００ＨＶ１０以上の高硬度ＢＮ系快削鋼。
Ｆ値＝（Ｂ＋Ｎ／１．７）×Ａｌ−（４００−ＨＶ１０）／１０６
５．０×１０−４＞Ｆ値＞１．５×１０−４        ・・・・・・・・・・・・        （１）
ここで、各合金元素は含有量（ｍａｓｓ％）、ＨＶ１０は、切削時点での被削材のビッカース硬度（荷重１０ｋｇｆ）を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、快削鋼に関するものであり、特に硬度が３００ＨＶ１０以上の高硬度なＢＮ系快削鋼を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
快削鋼は、低融点金属や非金属介在物を鋼中に含有させることにより、被削性を向上させたもので、非金属介在物としてはＭｎ硫化物、Ｔｉ硫化物、Ｃａ酸化物及びＢＮ介在物を用いたもの、低融点金属としてはＰｂやＢｉを用いたものが種々開発されてきた。
【０００３】
これらの快削鋼のうち、Ｐｂ快削鋼は安価で性能に優れるため広範囲に使用されてきたが、地球環境保全の観点からＰｂの適用が制限されるようになり、新たにＢＮ快削鋼への関心が高まっている。
【０００４】
特許文献１は、広範囲の用途に対応可能な、被削性の優れた機械構造用鋼に関し、特定量のＢＮを鋼中に含有させることにより、ギヤ、シャフトなど種々の形状の部品加工に優れるものが記載されている。
【０００５】
特許文献２は、ＢＮを鋼中に含有させた場合に生じる機械的性質や、熱間延性を低下させることなく被削性を向上させたＢＮ快削鋼に関し、エンジン部品や足回り部品などの自動車部品として好適なものが記載されている。
【０００６】
特許文献３は、調質処理を行うことなく切削加工などの仕上加工を施して製品とする非調質型の快削鋼に関し、優れた被削性を強度を低下させることなく得るため、ＢＮを特定量含有したＢＮ快削鋼が記載されている。
【０００７】
特許文献４は、歯車の切削等の機械加工後に実施される浸炭焼入れに代えて高周波焼入れによる表面硬化処理を可能とした快削鋼に関し、微細粒子となって材料組織中に均等に分散したＢＮの潤滑効果により被削性を高めたＢＮ快削鋼が記載されている。
【０００８】
特許文献５は、圧延や鋳造により加工方向に展伸するＢＮと一定の角度の方向の疲労強度や耐衝撃特性を改善するため、硫化物（サルファイド）を微細に分散させ、硫化物を析出核とするＢＮの悪影響を軽減させることが記載されている。
【０００９】
特許文献６は、被削性に優れた機械構造用鋼に関し、Ｐｂを用いることなしに、従来のＰｂ複合添加快削鋼と同等以上の被削性を得るため、成分組成においてＡｌ、Ｂ、Ｎを複合添加し、金属組織をフェライトおよび黒鉛相とすることを特徴とするＢＮ快削鋼が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６２−２１１３５０号公報
【特許文献２】特開平０２−７３９５０号公報
【特許文献３】特開平０１−２１９１４８号公報
【特許文献４】特開平０５−２７１８６８号公報
【特許文献５】特開平０６−１４５８９０号公報
【特許文献６】特開平０６−２１２３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、快削鋼の硬度が被削性に及ぼす影響については以下のことが知られている。１．非ＢＮ快削鋼で高硬度材の場合、切削温度の上昇が顕著となることから、工具側から被削材側への工具の成分組成の拡散が顕著となる結果、工具の拡散摩耗が顕著となり、工具寿命が大幅に短くなる。
２．一方、ＢＮ快削鋼で高硬度材の場合は、切削中にＡｌＮの皮膜が工具面上に生成し、この皮膜が前述の工具の拡散摩耗を抑制するため、工具寿命が飛躍的に向上する。
【００１２】
切削中のＡｌＮ皮膜生成は、温度が高い方が顕著に進行するところ、高硬度材ほど切削温度が高くなることから、被削材が高硬度になるほどＢＮ快削鋼の工具寿命は非ＢＮ快削鋼と比較して優れることが予測されるが、特許文献１〜６に記載のＢＮ快削鋼はＢＮが、微細なため、被削性向上に対する効果が充分とは言い難い。
【００１３】
特に硬度が３００ＨＶ１０（ＨＶ１０：試験荷重１０ｋｇｆのビッカース硬さ）を上回るような高硬度材の場合において、被削性のうち工具寿命が短くなる。
【００１４】
そこで、本発明は、硬度が３００ＨＶ１０（ＨＶ１０：試験荷重１０ｋｇｆのビッカース硬さ）以上の高硬度材であって、切削性が良好で工具寿命に優れたＢＮ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】
【００１５】
本発明者等は、上記課題を解決するため、ＢＮ快削鋼のうち硬度が３００ＨＶ１０以上となる高硬度材について、ＡｌＮ皮膜生成条件の観点から鋭意研究を重ね、ＡｌＮ皮膜生成には、Ｂ、Ｎ、およびＡｌの含有量、およびこれら元素間の含有量のバランスが大きな影響を与えることを見出した。
【００１６】
本発明は得られた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）ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２５超え０．５０％未満、Ｍｎ：０．３０〜１．００％未満、Ｐ：０．０３０％以下（０％は含まず）、Ｓ：０．０１５超え０．２００％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：０．００５０〜０．０１００％、Ｎ：０．００７０〜０．０２００％を含有し、更に、Ｃｒ：０．０１〜１．５０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．１５０超え０．２５０％以下のうちから選んだ１種または２種以上、以下に示すＦ値が（１）式を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする工具寿命に優れた硬度が３００ＨＶ１０以上の高硬度ＢＮ系快削鋼。
Ｆ値＝（Ｂ＋Ｎ／１．７）×Ａｌ−（４００−ＨＶ１０）／１０６
５．０×１０−４＞Ｆ値＞１．５×１０−４        ・・・・・・・・・・・・        （１）
ここで、各合金元素は含有量（ｍａｓｓ％）、ＨＶ１０は、切削時点での被削材のビッカース硬度（荷重１０ｋｇｆ）を示す。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、工具寿命に優れた高硬度なＢＮ快削鋼が得られるので、切削時の能率が向上し、産業上きわめて有用である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に成分組成の限定理由について説明する。説明において％はｍａｓｓ％とする。
Ｃ：０．３０〜０．５０％
Ｃは被削性に大きな影響を及ぼす元素である。その含有量が０．３０％未満では、被削性のうち切屑処理性が充分確保できない。一方、０．５０％を超えると工具寿命が低下する。従って、含有量は０．３０〜０．５０％にする。
【００１９】
Ｓｉ：０．２５超え０．５０％未満
Ｓｉは切屑処理性を向上させるのに有用な元素であり、その含有量が０．２５％以下では、充分な向上効果が得られない。一方、０．５０％以上であるとフェライトの硬化が顕著となり、被削性のうち工具寿命が低下してしまう。従って、含有量は０．２５超え０．５０％未満にする。
【００２０】
Ｍｎ：０．３０〜１．００％未満
Ｍｎは工具寿命の向上に有効なＭｎ硫化物を生成させるために必要な元素である。その含有量が０．３０％未満では、充分な量のＭｎ硫化物を生成することが出来ないため工具寿命の向上効果が認められない。一方、１．００％を超えると焼入性が向上し、硬度上昇が顕著となり、工具寿命が低下する。従って、含有量は０．３０〜１．００％未満にする。
【００２１】
Ｐ：０．０３０％以下（０％は含まず）
Ｐは工具寿命を低下させるため少ない方が良く、含有量は０．０３０％以下（０％は含まず）、好ましくは０．０１５％以下（０％は含まず）とする。
【００２２】
Ｓ：０．０１５超え０．２００％以下
Ｓは工具寿命の向上に有効なＭｎ硫化物を生成させるために必要な元素である。その含有量が０．０１５％以下では、充分な量のＭｎ硫化物を生成することが出来ないため工具寿命の向上効果が認められない。一方、０．２００％を超えると熱間延性が低下する。従って、含有量は０．０１５超え０．２００％以下にする。
【００２３】
Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
Ａｌは脱酸に必要な元素で、また、ＢＮ快削鋼においては工具面上にＡｌＮ皮膜を生成させ、工具側から被削材側への拡散（摩耗）を抑制するために必要な元素である。０．０１０％未満ではその効果が得られないため、０．０１０％以上、好ましくは０．０２０％以上とする。一方、０．０５０％を超えるとその効果が飽和するとともに硬質のアルミナ系酸化物が増加し、工具寿命が低下することから、含有量は０．０１０〜０．０５０％とする。
【００２４】
Ｂ：０．００５０〜０．０１００％
Ｂは工具寿命の向上に有効なＢＮ介在物を生成させるために必要な元素であり、本発明の根幹に関わる重要な元素である。その含有量が０．００５０％未満では、充分な量のＢＮ介在物を生成することが出来ないため工具寿命の向上効果が認められない。一方、０．０１００％を超えると焼入性が向上し、硬度上昇が顕著となるため工具寿命が低下する。従って、含有量は０．００５０〜０．０１００％とする。
【００２５】
Ｎ：０．００７０〜０．０２００％
Ｎは工具寿命の向上に有効なＢＮ介在物を生成させるために必要な元素であり、本発明の根幹に関わる重要な元素である。その含有量が０．００７０％未満では、充分な量のＢＮ介在物を生成することが出来ないため工具寿命の向上効果が認められない。一方、０．０２００％を超えると熱間延性が低下する。従って、含有量は０．００７０〜０．０２００％とする。
【００２６】
Ｃｒ：０．０１〜１．５０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．１５０超え０．２５０％以下のうちから選んだ１種または２種以上
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖは、高硬度化するために必要な元素である。しかしながら、その添加量がＣｒ：０．０１％未満、Ｍｏ：０．０１％未満、Ｖ：０．１５０％以下では充分な効果が得られない。一方、Ｃｒ：１．５０％、Ｍｏ：０．５０％、Ｖ：０．２５０％を超えて含有しても高硬度化の効果が飽和し、また、経済的にも不利であるため、Ｃｒ：０．０１〜１．５０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．１５０超え０．２５０％以下とする。
【００２７】
本発明に係る快削鋼は以上の成分組成を有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物で、更にＢ、Ｎ、および、Ａｌ量および切削時点での被削材のビッカース硬度（荷重１０ｋｇｆ）からなるパラメータ：Ｆ値が特定範囲を満足することを特徴とする。
【００２８】
５．０×１０−４＞Ｆ値＞１．５×１０−４
但し、Ｆ値＝（Ｂ＋Ｎ／１．７）×Ａｌ−（４００−ＨＶ１０）／１０６で、各合金元素は含有量（ｍａｓｓ％）、ＨＶ１０は、切削時点での被削材のビッカース硬度（荷重１０ｋｇｆ）。
【００２９】
切削時点における被削材の硬度が上昇するにつれて、工具寿命は低下するようになるため、切削時点の硬度に応じた、最適なＢ、Ｎ、および、Ａｌ量が存在する。Ｆ値は切削時点での硬度が３００ＨＶ１０以上の場合において、Ｂ、Ｎ、および、Ａｌ量の必要量を表すパラメータで、Ｆ値が１．５×１０−４以下であると工具面上にＡｌＮ皮膜が充分に生成しないため、工具寿命の向上効果が認められない。
【００３０】
一方、Ｆ値が５．０×１０−４以上になるとＡｌＮ皮膜が安定的に生成しないため、工具寿命の向上効果が認められない。そのため、Ｆ値は、１．５×１０−４超え、５．０×１０−４未満とする。なお、切削時点における被削材の硬度とは、切削開始直前の硬度を指す。
【００３１】
本発明に係るＢＮ快削鋼は、常法に従い、所定の成分組成に溶製した溶鋼を、鋳造後、所望の形状に熱間圧延して製造する。その後、切削開始までに、ミクロ組織を調整するために焼入れ焼もどし等の熱処理、あるいは、再加熱後、熱間鍛造を実施して構わないが、ミクロ組織に黒鉛が存在しないようにする必要がある。その理由としては、黒鉛の生成核として、ＢＮが作用・消費されるため、ＡｌＮ皮膜の生成が阻害されること、同時に、３００ＨＶ１０以上の硬度が得られないこと、から黒鉛の生成は避けなければならない。
【００３２】
以下に本発明を実施例を用いて更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００３３】
表１に示すＮｏ．１〜２６の化学成分組成に溶製した溶鋼を、鋳造断面４００×３００ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径２０ｍｍの棒鋼に熱間圧延した。Ｎｏ．１〜１１は本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明鋼という）、Ｎｏ．１２〜２６は本発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較鋼という）である。
【００３４】
得られた棒鋼に対して、切削試験、硬さ試験および熱間延性の評価試験を実施した。切削試験は、最初に外周を１ｍｍ切削して、表面のスケール、脱炭層を除去後、表２に示す条件で実施し、工具寿命、切屑処理性を評価した。硬度は、径断面中間部（軸中心〜外周部）の任意の位置でビッカース硬度を測定荷重１０Ｋｇｆにて４点求め、その平均値とした。熱間延性評価は、圧延棒鋼を３００ｍｍ長さに切断し、ショットブラストにて、表面のスケールを除去した後、目視で表面疵の総長さを測定した。
【００３５】
表３にこれらの試験結果を示す。Ｎｏ．１〜１１の本発明例はいずれもＮｏ．１２〜２６の比較例に比較して、工具寿命と切屑処理性に優れる被削性を有していることが認められた。以下に各比較例について記述する。
【００３６】
比較例Ｎｏ．１２は、Ｃ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、フェライト主体の組織となり、切屑が折れにくくなるため、切屑処理性が本発明例に比較して劣っている。
【００３７】
比較例Ｎｏ．１３は、Ｃ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、パーライト主体の組織となり、硬度上昇が顕著となるため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００３８】
比較例Ｎｏ．１４は、Ｓｉ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、フェライトの脆化が不充分となり、切屑が折れにくいため、切屑処理性が本発明例に比較して劣っている。
【００３９】
比較例Ｎｏ．１５は、Ｓｉ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、フェライトの硬化が顕著となり、そのため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４０】
比較例Ｎｏ．１６は、Ｍｎ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、充分な量のＭｎ硫化物を生成することが出来ない。そのため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４１】
比較例Ｎｏ．１７は、Ｍｎ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、焼入性が向上し、硬度上昇が顕著となる。そのため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４２】
比較例Ｎｏ．１８は、Ｓ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、充分な量のＭｎ硫化物を生成することが出来ない。そのため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４３】
比較例Ｎｏ．１９は、Ａｌ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上にＡｌＮ皮膜が充分に生成しないことにより、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４４】
比較例Ｎｏ．２０は、Ａｌ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、硬質のアルミナ系酸化物が増加することにより、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４５】
比較例Ｎｏ．２１は、Ｂ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、充分な量のＢＮ介在物が生成されないことにより、工具面上にＡｌＮ皮膜が充分に生成しないため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４６】
比較例Ｎｏ．２２は、Ｂ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、焼入性が向上し、硬度上昇が顕著となる。そのため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４７】
比較例Ｎｏ．２３は、Ｎ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、充分な量のＢＮ介在物が生成されないことにより、工具面上にＡｌＮ皮膜が充分に生成しないため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００４８】
比較例Ｎｏ．２４は、Ｎ量が本発明の請求範囲の上限値以上のため、熱間延性が低下し、そのため、圧延材の表面性状が本発明例に比較して劣っている。
【００４９】
比較例Ｎｏ．２５は、Ｆ値が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上にＡｌＮ皮膜が充分に生成しない。このため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００５０】
比較例Ｎｏ．２６は、Ｆ値が本発明の請求範囲の上限値以上のため、ＡｌＮ皮膜が安定的に生成しない。このため、工具寿命が本発明例に比較して劣っている。
【００５１】
【表１】
0005837837.tif 000002
【００５２】
【表２】
0005837837.tif 000003
【００５３】
【表３】
0005837837.tif 000004