(57)【要約】【課題】Ｐｂのような有害物質を含有することなく、非常に良好な切屑処理性を得ることが可能な機械構造用快削鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．２０〜３．５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％、Ｓ：０．０２０〜０．３００％、Ａｌ：０．００２〜０．３００％、Ｎ：０．００３〜０．０３５％、Ｏ：０．００１０〜０．００８０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、熱間圧延あるいは熱間鍛伸を実施した材料において、長径が０．５μｍ以上、かつ、２０μｍ未満のＭｎＳを主体とする硫化物の全硫化物個数に占める割合が３０％以上であり、さらに、硫化物と複合あるいは単独で存在する長径が０．５μｍ以上、かつ、５０μｍ未満の酸化物系介在物の個数が被検面積１ｍｍ２中において１０個以上含有する切屑処理性に優れる快削鋼。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．２０〜３．５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％、Ｓ：０．０２０〜０．３００％、Ａｌ：０．００２〜０．３００％、Ｎ：０．００３〜０．０３５％、Ｏ：０．００１０〜０．００８０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、熱間圧延あるいは熱間鍛伸を実施した材料において、長径が０．５μｍ以上、かつ、２０μｍ未満のＭｎＳを主体とする硫化物の全硫化物個数に占める割合が３０％以上であり、さらに、硫化物と複合あるいは単独で存在する長径が０．５μｍ以上、かつ、５０μｍ未満の酸化物系介在物の個数が被検面積１ｍｍ２中において１０個以上含有することを特徴とする切屑処理性に優れる快削鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の快削鋼において、該鋼成分に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする切屑処理性に優れる快削鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の快削鋼において、該鋼成分加えて、質量％で、Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．３０％、Ｂｉ：０．０１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１５％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする切屑処理性に優れる快削鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
切削加工コスト削減を目的として種々の快削物質を含有させた自動車用部品をはじめとする部品用の機械構造用快削鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動車用部品をはじめとする機械構造用鋼は、切削加工コスト削減を目的として種々の快削物質を含有させる場合が多い。代表的な快削鋼としてＰｂ快削鋼、Ｓ快削鋼、Ｃａ脱酸快削鋼、および、これらの複合快削鋼がある。Ｐｂ快削鋼はその基本となる鋼と比較して機械的性質の劣化が小さく、被削性改善効果、特に低速切削時の工具寿命や切屑処理性が良好であることから、最も一般的に用いられている。しかし、Ｐｂは人体に有害であるため、近年の環境問題への関心の高まりから、世界的に使用量削減の方向にあり、Ｐｂ快削鋼においてもそれに代わる快削鋼の要求が高まっている。その場合、Ｓ快削鋼への移行が考えられるが、Ｓは圧延方向に延伸するＭｎＳ介在物として鋼中に存在するため多量のＳを添加させると機械的性質の異方性が増大するという欠点がある。また、Ｃａ脱酸快削鋼は、鋼中に低融点のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系酸化物を含有しており、この酸化物が工具刃先に保護膜を生成して切屑と工具の直接接触を妨げることにより被削性を改善するものである。しかし、Ｃａ脱酸快削鋼は超硬工具旋削等の比較的高速切削時にしか効果が認められない。さらに、Ｐｂ、Ｓ、Ｃａをすべて複合したＰｂ三元快削鋼も多く使用されているが、被削性は非常に優れているものの上述のＰｂとＳの欠点は改善されたものではなく、新たな快削鋼が要求されている。
【０００３】
上記のＳ快削鋼の機械的性質を改善するために、Ｃａを含有させている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。この場合、さらに硬質のＡｌ２Ｏ３をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３に変化させたり硫化物で覆うため無害化されることも報告されている。
【０００４】
また、六方晶ＢＮ、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３、Ｃａ−Ｍｎ−Ｓを含有させ、被削性改善を図っているものもある（例えば、特許文献４参照）。しかし、これらの場合、機械的性質の異方性は硫化物の形態制御により基本鋼からの劣化度合は改善されるが、被削性については種々の切削条件において必ずしも十分な結果が得られるものではなく、特にＰｂ快削鋼の代替において最も重要な特性である切屑処理性については、必ずしもＰｂ鋼レベルに到達していないのが現状である。
【０００５】
さらに、硫化物の大きさを制御することにより、ドリル寿命を主とした被削性と強度異方性を改善した構造用鋼が発明されている（例えば、特許文献５参照）が、切屑処理性の点ではＰｂ快削鋼代替には十分な特性が得られているとはいえない。
【０００６】
【特許文献１】
特許第１９８１５６０号公報参照
【特許文献２】
特開平１１−３５００６５号公報参照
【特許文献３】
特開２０００−３４５３８号公報参照
【特許文献４】
特開平６−１４５８８９号公報参照
【特許文献５】
特開２００２−１８０１８４号公報参照
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、Ｐｂのような有害物質を含有することなく、非常に良好な切屑処理性を得ることが可能な機械構造用快削鋼を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．２０〜３．５０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％、Ｓ：０．０２０〜０．３００％、Ａｌ：０．００２〜０．３００％、Ｎ：０．００３〜０．０３５％、Ｏ：０．００１０〜０．００８０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、熱間圧延あるいは熱間鍛伸を実施した材料において、長径が０．５μｍ以上、かつ、２０μｍ未満のＭｎＳを主体とする硫化物の全硫化物個数に占める割合が３０％以上であり、さらに硫化物と複合あるいは単独で存在する長径が０．５μｍ以上、かつ、５０μｍ未満の酸化物系介在物の個数が被検面積１ｍｍ２中において１０個以上含有することを特徴とする切屑処理性に優れる快削鋼である。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１の手段の快削鋼において、該鋼成分に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５０％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする切屑処理性に優れる快削鋼である。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１または２の手段の快削鋼において、該鋼成分加えて、質量％で、Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．３０％、Ｂｉ：０．０１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１５％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする切屑処理性に優れる快削鋼である。
【００１１】
上記の本発明の手段の切屑処理性に優れた機械構造用快削鋼の成分限定理由を次に述べる。なお、成分の％は質量％を示す。
【００１２】
（必須元素）
Ｃ：０．０１〜０．７０％
Ｃは、鋼の強度を確保するために添加する元素であるが、０．０１％未満では不十分であり、０．７０％超えると靭性が低下する。そこでＣは０．０１〜０．７０％とする。
【００１３】
Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは、製鋼での脱酸のためおよび強度確保のために添加するが、０．０５％未満では脱酸効果が不十分であり、２．００％超えると熱間加工性が低下する。そこでＳｉは０．０５〜２．００％とする。
【００１４】
Ｍｎ：０．２０〜３．５０％
Ｍｎは、焼入性を向上させるために添加し、また、Ｓと硫化物を生成して被削性を向上させるために不可欠な元素であり、また、ＭｎＳはオーステナイト粒成長を抑制し組織を微細化する効果もある。しかし、０．２０％未満ではこの効果が小さく、３．５０％を超えると加工性が低下する。そこでＭｎは０．２０〜３．５０％とする。
【００１５】
Ｃａ：０．０００３〜０．０１％
Ｃａは、硫化物形態制御による異方性改善の効果、切屑処理性改善の効果および工具上に（Ｍｎ、Ｃａ）ＳとＡＩＮの保護膜を付着させることによる工具寿命の改善効果を有する。さらに、Ｃａ系酸化物を生成し切屑処理性を改善する効果を有する。この効果は０．０００３％以上で得られ、望ましくは０．００１％以上であり、０．０１％を超えて含有させても効果は飽和し、むしろＣａ添加歩留が悪くなる。そこでＣａは０．０００３〜０．０１％とする。
【００１６】
Ｓ：０．０２０〜０．３００％
Ｓは、ＭｎＳや（Ｍｎ、Ｃａ）Ｓなどの硫化物を形成して被削性を改善させる効果を有する。また、熱間加工のために１０００℃以上に加熱した場合、オーステナイト粒成長を抑制するため非調質鋼では靭性を高める効果もある。これらの効果を得るには最低０．０２０％以上必要であり、望ましくは０．０５０％以上必要である。しかし、０．３００％を超えると硫化物の応力集中効果により靭性を劣化させる。そこでＳは０．０２０〜０．３００％とする。
【００１７】
Ａｌ：０．００２〜０．３００％
Ａｌは、Ｓｉと同様に製鋼での脱酸のために添加し、さらに生成した複合酸化物は切屑処理性に有効に作用する。また、ＡｌＮを形成しオーステナイト粒微細化に寄与する。それらの効果を得るには０．００２％以上必要であり、０．３００％を超えて添加するとＡｌ酸化物により靭性や被削性が劣化する。そこでＡｌは０．００２〜０．３００％とする。望ましくは０．００３〜０．０１５％とする。
【００１８】
Ｎ：０．００３〜０．０３５％
Ｎは、強靭化のために添加する。さらにＡｌＮなどの窒化物を生成してオーステナイト粒微細化の効果がある。その効果を得るには０．００３％以上必要であり、０．０３５％を超えて添加してもその効果は飽和する。そこでＮは０．００３〜０．０３５％とする。望ましくは０．００５〜０．０２０％とする。
【００１９】
Ｏ：０．００１０〜０．００８０％
Ｏは、被削性に有効な酸化物を生成し、さらに硫化物の核として微細分散化させるためにも添加する。この効果を得るには０．００１０％以上必要であり、０．００８０％を超えて添加すると機械的性質が低下する。そこでＯは０．００１０〜０．００８０％とする。望ましくは０．００１５〜０．００５０％とする。
【００２０】
（選択元素）
Ｃｒ：０．２０〜２．５０％
Ｃｒは、Ｍｎと同様の働きをし、焼入性を高め強度を向上させる。０．２０％未満ではその効果が小さく、２．５０％を超えるとコスト高となる。そこでＣｒは０．２０〜２．５０％とする。
【００２１】
Ｍｏ：０．０５〜１．５０％
Ｍｏは、Ｃｒと同様の働きをし、焼入性を高め強度を向上させる。０．０５％未満ではその効果が小さく、１．５０％を超えるとコスト高となる。そこでＭｏは０．０５〜１．５０％とする。
【００２２】
Ｎｉ：０．０５〜３．５０％
Ｎｉは、Ｍｏと同様の働きをし、焼入性を高め強度を向上させる。０．０５％未満ではその効果が小さく、３．５０％を超えるとコスト高となる。そこでＮｉは０．０５〜３．５０％とする。
【００２３】
Ｖ：０．０１〜０．５０％
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％
Ｔｉ：０．０１〜０．５０％
Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉは、鋼中に微細な炭窒化物を生成し、これらの析出物により熱間加工時のオーステナイト粒径を微細化し靭性を向上させる。さらにこれらの析出物の分散強化あるいは析出強化による強度向上効果もある。この効果はＶ、Ｎｂ、Ｔｉともに０．０１％以下では効果がない。ただし、多量に添加すると靭性が劣化するため、Ｖは０．５０％、Ｎｂは０．１０％、Ｔｉは０．５０％を上限とする。そこでＶは０．０１〜０．５０％、Ｎｂは０．０１〜０．１０％、Ｔｉは０．０１〜０．５０％とする。
【００２４】
Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％
Ｚｒ：０．０００５〜０．３０％
Ｂｉ：０．０１〜０．３０％
Ｂ：０．０００３〜０．０１５％
Ｍｇ、Ｚｒは、Ｃａと同様に硫化物あるいは酸化物として、Ｂｉは単独または他の介在物と共存で、Ｂは窒化物として存在し、本発明鋼の切屑処理性をさらに改善する。さらに、Ｍｇ、Ｚｒは硫化物形態制御元素であり、機械的異方性を改善する効果もある。これらの効果は、それぞれＭｇ０．０００３％、Ｚｒ０．０００５％、Ｂｉ０．０１％、Ｂ０．０００３％未満では効果が小さく、Ｍｇ０．０１％、Ｚｒ０．３０％、Ｂｉ０．３０％、Ｂ０．０１５％を超えて含有させても効果は飽和し、コスト高となる。そこでＭｇ：０．０００３〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．３０％、Ｂｉ：０．０１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１５％とする。
【００２５】
本発明は、Ｐｂ快削鋼と比較した場合に機械的性質はほぼ同等で、良好な被削性が得られる、特に切屑処理性がＰｂ鋼と同等である機械構造用快削鋼を得るものであり、産業上非常に有益である。
【００２６】
本発明の被削性改善効果について説明する。本発明では、製鋼工程において成分調整の他にＡｌやＳｉ脱酸で溶存酸素量を１５〜９０ｐｐｍの間に調整し、Ｃａを添加することで、その後の熱間圧延あるいは熱間鍛伸を施した材料中において長径が０．５μｍ以上、かつ、２０μｍ未満の硫化物が全硫化物個数に占める割合が３０％以上となり、さらに、硫化物と複合あるいは単独で存在する長径が０．５μｍ以上、かつ、５０μｍ未満の酸化物系介在物の個数が被検面積１ｍｍ２中において１０個以上含有させることが可能となる。この材料を切削加工する際、長径が２０μｍ以上の比較的大型のＭｎＳを主体とする硫化物で亀裂を発生させて、その周辺に存在する長径が０．５μｍ以上、かつ、２０μｍ未満の比較的微細で数の多い硫化物（全硫化物中で３０％以上を占める）で亀裂を伝播させる。この際、硫化物のみでは効果は小さいが、長径が０．５μｍ以上、かつ、５０μｍ未満の酸化物系介在物が被検面積１ｍｍ２中において１０個以上存在する場合に、飛躍的に切屑中の亀裂伝播が促進され、切屑処理性が上昇する。
【００２７】
なお、本発明鋼中の酸化物は、ＣａＯやＡｌ２Ｏ３を含有しており、さらには、酸化物形成能の高い不純物元素あるいは合金元素の存在によって生成するＭｇＯ、ＭｎＯ、ＳｉＯ、ＴｉＯ、ＺｒＯ、ＲＥＭ酸化物等を複合で含有する場合もある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の発明の実施の形態を以下に示す実施例を通じて説明する。
【００２９】
【実施例】
１００ｋｇ真空溶解炉で、表１に示す成分からなる、Ｎｏ．１〜２０の鋼種を溶製した。常法により得られたこれらの鋼塊は、１２００℃で直径４５ｍｍの棒鋼に鍛伸した。
【００３０】
【表１】
2004332078.tif 000002
【００３１】
表１の比較鋼における網掛け部は、本発明の各請求項の範囲からから外れている成分を示す。
【００３２】
その後、上記の鍛伸した棒鋼を焼入焼戻し処理を行い、全鋼種共に硬さを２５±２ＨＲＣに調整し、下記の切屑処理性試験に供した。その結果を硫化物および酸化物の大きさと個数、切屑処理性試験結果として以下の表２に示す。
【００３３】
なお、上記の切屑処理性試験は、旋削超硬工具のＰ２０工具により、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み：０．５ｍｍで、行った。評価方法は切屑１ｇ当たりの個数で切屑処理性指数として示す。
【００３４】
【表２】
2004332078.tif 000003
【００３５】
上記の表２において、小型硫化物とは長径が０．５μｍ以上、かつ、５μｍ未満のＭｎＳを主体とする硫化物で、酸化物とは長径が０．５μｍ以上、かつ、５０μｍ未満の酸化物系介在物をいう。
【００３６】
発明鋼１〜１３は本発明の請求項の範囲にあるものである。本発明鋼中に存在する小型硫化物の割合は３０％以上であり、酸化物個数は１０個／ｍｍ２以上である。
【００３７】
本発明鋼の切屑処理性指数は少なくとも１０以上であるが、比較材のＮｏ．１４、１５、１７、１８、２０はこれに達しない。Ｎｏ．１６、１９の切屑処理性指数は１０以上であるが、これは有害物質であるＰｂを含有しているためである。
以上に示したように、本発明の機械構造用快削鋼は、Ｐｂのような有害物質を含有すること無く非常に良好な切屑処理性を得ることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の機械構造用快削鋼は、Ｐｂのような有害物質を含有すること無く非常に良好な切屑処理性を得ることができる機械構造用快削鋼である。