(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６５％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．３０〜２．５０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．３５％、Ａｌ：０．０２０％未満、Ｏ：２０ｐｐｍ未満を含有し、さらにＣａ：０．０００５〜０．０２０％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０２０％から選択した１種または２種を含有し、さらにＭｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１〜３．５％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％から選択した１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる快削性物質として硫化物系介在物を含有する機械構造用低合金鋼からなり、該機械構造用低合金鋼の長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子は長径と粒子間の距離の比が０．５未満で、かつ、長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の平均面積は９μｍ2以上であることを特徴とする被削性に優れ、強度異方性の小さい鉛無添加の機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の強度特性を大きく劣化させることなく、広範囲の切削方法や切削条件において優れた被削性を有し、特に耐超硬工具摩耗性および切粉処理性に優れた機械構造用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の切削加工の高速化、自動化に伴って、機械構造用部品に使用される鋼材の被削性が重要視され快削鋼の需要が高まっている。しかし、鋼材の必要強度は厳しくなりつつあり、通常は鋼材を高強度化した場合には被削性は劣化する。すなわち鋼材の高強度化と被削性という相反する特性の改善が要求されている。現在、一般的に使用されている快削鋼として、Ｐｂ、Ｓ、Ｃａを含有させた鋼材がある。しかし、これらの快削鋼は切削加工方法によっては全く快削性を示さなかったり、あるいは材質劣化の問題があるため、その用途および快削物質の量は制限されている。
【０００３】
すなわち、Ｐｂ快削鋼は、基本鋼と比較して機械的性質の劣化が小さく一般の旋削加工において切粉処理性の改善を示し、ドリル加工、リーマ加工、中ぐり加工等の工具寿命の延長、および（穴深さ／ドリル直径）≧３を深穴とした場合の深穴あけ加工時に切粉の排出を容易にし、突発的な切粉つまりによる工具の折損を防止するのに非常に有効な元素である。しかし、旋削時の工具寿命については高速度鋼、超硬工具共にＰｂ添加の有効性は小さく、むしろ軽負荷の切削条件領域では通常鋼よりも劣化する傾向が認められる場合もある。さらに、近年の環境問題の高まりから、Ｐｂの有毒性が問題視されており、今後Ｐｂの使用量は削減される方向にある。
【０００４】
Ｓ快削鋼は、比較的広範な切削加工に対して工具寿命を延長させる効果を示すが、Ｐｂ快削鋼に比べて切粉処理性は悪く、特に高速切削領域では改善効果は小さく、また鋼材の強度面では介在物として存在するＭｎＳが熱間圧延あるいは熱間鍛造中に延伸するため、圧延方向から直角方向に近づくにつれて衝撃強度等の機械的性質が低下する（異方性）という問題がある。
【０００５】
Ｃａ脱酸により鋼中の酸化物系介在物を低融点化させた従来のＣａ快削鋼は鋼材の強度特性にほとんど影響を及ぼさず、高速切削領域の超硬工具寿命に著しい延長効果を示す。しかし、Ｃａ脱酸快削鋼は、超硬工具寿命以外の被削性改善効果がほとんど認められないため、オールラウンドの被削性を得るためにＳあるいはＰｂとの複合で使用される場合が一般的である。
【０００６】
従来のＣａ脱酸鋼とは異なり、Ｓ快削鋼の欠点である異方性をＣａ添加によって鋼中の介在物を均一に分散、分布させることから改善し、同時に被削性も向上させた例として、特公平５−１５７７７号公報に記載の発明がある。この場合、Ｃａ脱酸快削鋼のような欠点はないが、十分な被削性を得るには多量のＳを添加する必要があり、その場合に硫化物を形態制御させるために必要十分な量のＣａを鋼材中に含有させることはＣａ歩留りが低いため量産鋼として製造は極めて困難である。
【０００７】
この場合のＣａと同様な効果を狙った例として特公昭５２−７４０５号公報に記載されたＭｇ、Ｂａの第１群元素の１種または２種を０．１％以下とＳ、Ｓｅ、Ｔｅよりなる第２群元素の１種以上を０．０３％〜０．５％含有し、（第１群元素／第２群元素）の原子比が０．０１以上となる快削鋼が提案されている。しかしＳｅとＴｅは毒性が強く、環境負荷が大きい。また特開昭５１−６３３１２号公報に記載の発明があり、工具鋼にＺｒを添加し、Ｏ＋Ｎの量、Ｚｒ化合物の硫化物と共存する量を所定の割合にすることにより、快削工具鋼を得ている。これらはＭｇ、Ｂａ、Ｓｒ等を使用しているがいずれもＣａと同様な問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の問題を解消することであり、環境問題に配慮して非Ｐｂ化鋼として硫化物系介在物を快削性物質とし、最適な硫化物分散形態とすることにより靱性および被削性を向上させ、鋼材の強度特性を大きく劣化させることなく、広範囲の切削方法や切削条件において優れた被削性を有する機械構造用鋼を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の機械構造用鋼は、快削性物質として硫化物系介在物を含有する機械構造用低合金鋼からなり、該機械構造用低合金鋼の硫化物粒子は長径が１．５μｍ以上である長径と粒子間距離の比が０．５未満で、かつ、長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の平均面積が９μｍ2以上であることを特徴とする、被削性に優れ、強度異方性の小さい鉛無添加の構造溶鋼である。
【００１０】
すなわち、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：０．１０〜０．６５％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．３０〜２．５０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．３５％、Ａｌ：０．０２０％未満、Ｏ：２０ｐｐｍ未満を含有し、さらにＣａ：０．０００５〜０．０２０％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０２０％から選ばれた１種または２種を含有し、さらにＭｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１〜３．５％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％から選択した１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる快削性物質として硫化物系介在物を含有する機械構造用低合金鋼であり、該機械構造用低合金鋼の長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子は長径と粒子間の距離の比が０．５未満で、かつ、長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の平均面積は９μｍ2以上であることを特徴とする被削性に優れ、強度異方性の小さい鉛無添加の機械構造用鋼である。
【００１１】
次に本発明における鋼成分の限定理由を説明する。なお、％は質量％で示す。
Ｃ：０．１０〜０．６５％
Ｃは、機械構造用鋼として強度を確保するための必須元素であり、０．１０％以上添加する。しかし、多すぎると硬さが増加するから靱性および被削性の劣化を招くため上限を０．６５％とする。特に、非調質強靱鋼の場合には、好ましくは０．１０〜０．５５％であり、より好ましくは０．３５〜０．５０％がよい。肌焼鋼の場合には、好ましくは０．１０〜０．３０％であり、より好ましくは０．１２〜０．２８％がよい。
【００１２】
Ｓｉ：０．０３〜１．００％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として不可欠であるため下限を０．０３％とする。しかし、過剰に添加すると延性を低下させるほか、鋼中に高硬度の介在物であるＳｉＯ2を生成させて被削性も劣化させるため上限を１．００％とする。Ｓｉは上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．１０〜０．５０％であり、より好ましくは０．１５〜０．３５％がよい。
【００１３】
Ｍｎ：０．３０〜２．５０％
Ｍｎは、一般に鋼の強度、靱性、熱間加工性、焼入性を確保する上で重要な元素であり、かつ本発明において、硫化物系介在物生成に不可欠な元素であるため、０．３０％以上添加する。しかし、多すぎると硬さ増大から被削性が劣化するため上限を２．５０％とする。Ｍｎは上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．４２〜２．００％であり、より好ましくは０．６０〜１．５０％がよい。
【００１４】
Ｓ：０．０３〜０．３５％
Ｓは、被削性を改善させる硫化物系介在物の生成元素であり、被削性改善効果を得るためには少なくとも０．０３％以上添加する必要があり、Ｓの増大に伴い被削性は向上する。しかしながら多すぎると硫化物形態制御が困難となり、衝撃異方性が劣化するため、上限を０．３５％とする。Ｓは上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．０４〜０．３０％であり、より好ましくは０．０８〜０．２０％がよい。
【００１５】
Ａｌ：０．０２０％未満
Ａｌ量が０．０２０％以上の場合には、高硬度のＡｌ2Ｏ3よりなる介在物が生成され、被削性の劣化および疲労強度の低下を招いてしまうので、０．０２０％未満とする。なお、Ａｌについては、上記３種の鋼種における好適範囲の差異はほとんどない。
【００１６】
Ｏ：２０ｐｐｍ未満
Ｏは、被削性に有害な酸化物系の硬質介在物の生成を抑制する点から極力低減させることが望ましい。Ｏが２０ｐｐｍ以上となると、酸化物系の硬質介在物生成量が増えて被削性を損なうと共に、疲労強度が低下するため、Ｏを２０ｐｐｍ未満とする必要がある。
【００１７】
Ｃａ：０．０００５〜０．０２０％
ＣａはＭｎ、Ｍｇとともに硫化物生成元素であると共に、Ａｌ、Ｓｉとの複合酸化物をも生成し、被削性向上効果および硫化物形態制御による機械的性質の異方性改善効果がある。Ｃａは単独で添加しても良いが、望ましくはＭｇと複合添加する方が良い。その効果を得るためには少なくとも、０．０００５％以上必要である。また、製造段階でのＣａの歩留りは非常に悪く、必要以上に含有させてもその効果が飽和するため、Ｃａの上限を０．０２０％とする。Ｃａは上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．０００５〜０．００６０％であり、より好ましくは０．０００５〜０．００４０％がよい。
【００１８】
Ｍｇ：０．０００３〜０．０２０％
Ｍｇは、Ｃａと同様の効果を示し、単独で添加しても効果は得られるが、Ｃａと複合で存在させた場合に大きな被削性改善効果および機械的性質の異方性改善効果が得られる。その効果を得るためには少なくとも０．０００３％以上必要である。一方、必要以上に含有させても、その効果が飽和状態になり、無駄であるためＭｇの上限を０．０２０％とする。Ｍｇは上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．０００３〜０．００６０％であり、より好ましくは０．０００５〜０．００４０％がよい。
【００１９】
また、上記の鉛無添加の機械構造用鋼においてＣｒ：０．１〜２．０％を必須とし、さらにＭｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１〜３．５％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％から選択した１種または２種を含有することが望ましい。
【００２０】
これらの望ましい成分の範囲限定理由を以下に示す。
Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１〜３．５％
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉは、鋼の焼入性および靱性を向上させる元素で必要な場合に添加する。その効果を得るためには、Ｃｒは０．１％以上、Ｍｏは０．０５％以上、Ｎｉは０．１％以上添加することが必要である。多量に添加した場合には被削材の硬さが増加することから、被削性確保のためにはＣｒは２．０％以下、Ｍｏは１．００％以下、Ｎｉは３．５％以下とすることが必要である。Ｃｒは上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．１０〜１．５０％であり、より好ましくは０．１５〜１．２０％がよい。Ｍｏは上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．１０〜０．４０％であり、より好ましくは０．１５〜０．３０％がよい。また、Ｎｉは、上記３種のいずれの鋼種においても、好ましくは０．４０〜３．００％であり、より好ましくは０．４２〜２．００％がよい。
【００２１】
Ｖ：０．０１〜０．５０％
Ｖは、析出強化作用の強い元素であるので、焼入焼戻し処理を省略する場合に添加する。この効果を得るためには０．０１％以上添加することが望ましい。一方で、０．５０％を超えて含有させても効果は飽和するので上限を０．５０％とすることが好ましい。非調質鋼の場合には、より好ましくは０．０５〜０．３５％であり、さらに好ましくは０．０５〜０．３０％がよい。
【００２２】
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％
Ｎｂ、Ｔｉはそれぞれ炭窒化物を生成し、ピン止め効果により結晶粒を微細化させる効果があり、必要に応じて添加する。この効果を得るためには０．０１％以上必要であるが、０．１０％を超えて含有させても効果は飽和するので上限を０．１０％とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１〜０．０８％であり、さらに好ましくは０．０１〜０．０６％がよい。
【００２３】
Ｂ：０．０００５〜０．０１００％
Ｂは少量の含有で焼入性を向上させ、鋼の機械的性質を向上させる効果があり、必要に応じて添加する。この効果を得るためには０．０００５％以上必要であるが、０．０１００％を超えて含有させても効果は飽和するので上限を０．０１００％とすることが望ましい。より好ましくは０．０００５〜０．００６０％であり、さらに好ましくは０．０００５〜０．００４０％がよい。
【００２４】
上記の鉛無添加の機械構造用鋼は、硫化物系の介在物として、ＭｎＳ、（Ｃａ、Ｍｎ）Ｓ、（Ｍｇ、Ｍｎ）Ｓ、（Ｃａ、Ｍｇ）Ｓ、（Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ）Ｓの１種または２種以上を含有することが好ましい。上記ＳとＣａ、Ｍｇ、Ｍｎとの硫化物としては種々あるが、特にＣａ、Ｍｇ、Ｓによる複合的な硫化物（Ｃａ、Ｍｇ）Ｓ、あるいは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎによる複合的な硫化物（Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ）Ｓの少なくとも一方を含有させることにより、被削性と機械的性質を大幅に改善することができる。ただし、これらの硫化物は、大きさや数によって被削性や衝撃特性に及ぼす影響が異なる。長径が１．５μｍ未満の硫化物は、被削性や衝撃特性にほとんど影響を及ぼさないため、１．５μｍ以上の硫化物のみを測定することにした。Ｔ方向衝撃値は、硫化物長径と粒子間距離の比が、０．５より小さい場合に改善され、被削性は硫化物の平均断面積が９μｍ2以上で改善される。硫化物をこれらの状態に制御するためには、Ｃａ、Ｍｇを複合添加し、上述の硫化物組成にする必要がある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
請求項１に係る発明の実施の形態は、快削性物質として硫化物系介在物を含有する機械構造用低合金鋼、例えばＪＩＳ  ＳＣｒとして規定するクロム鋼、に快削成分としてＭｇ、Ｃａ、Ｓを含有し、さらに、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂの１種以上を含有した鋼を溶製し、該鋼からなる鋼材を熱間圧延あるいは熱間鍛造により該鋼材中に介在する長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の長径と粒子間距離の比を０．５より小とし、かつ、長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の平均面積を９μｍ2以上とし、焼入焼戻して鉛無添加の快削鋼の鋼材を得るものである。
【００２６】
すなわち、請求項１の発明の実施の形態は、快削性物質として硫化物系介在物を含有する機械構造用低合金鋼が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６５％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．３０〜２．５０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．３５％、Ａｌ：０．０２０％未満、Ｏ：２０ｐｐｍ未満を含有し、さらにＣａ：０．０００５〜０．０２０％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０２０％から選択した１種または２種を含有し、さらにＭｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１〜３．５％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％から選択した１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を溶製し、該鋼からなる鋼材を圧延比あるいは鍛造比４〜６２５の熱間圧延あるいは熱間鍛造により、該鋼材中に介在する長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の長径と粒子間の距離の比を０．５より小とし、かつ、長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の平均面積を９μｍ2以上とし、焼入焼戻して非鉛快削鋼材を得るものである。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。表１に示す化学成分の鋼種の本発明例の複合添加鋼および比較例のＳ快削成分にさらにＣａあるいはＭｇの単独添加鋼を溶製し、それらの鋼材を圧鍛比３２．７で熱間で鍛伸し、焼入焼戻して硬さ３２ＨＲＣの鋼材を得た。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
得られた鋼材をハイスドリルＳＫＨ５１を用い、表２に示すドリル加工条件でドリル摩耗試験を行った。図１に、ドリル逃げ面コーナー部より０．５ｍｍ位置での摩耗量と硫化物サイズ（平均面積）の関係を示す。この結果ＣａあるいはＭｇ含有鋼では、硫化物サイズが大きいほど摩耗量は減少し、大きな硫化物ほど被削性に対する寄与が大きい。一方、Ｓ２鋼では硫化物サイズは小さいがその数は多く、また硫化物の偏在もある。したがって、多数の硫化物が存在することおよび硫化物の偏在も被削性には有効である。以上から、硫化物サイズが大きいほど被削性改善に効果があることから考えると、切削時の硫化物の役割は、硫化物周辺で応力・歪みを集中させ、変形と破壊を集中させることによって切削に必要なエネルギー（切削抵抗・熱）を低減させることがわかる。そして、長径が１．５μｍ以上である硫化物平均面積が９μｍ2以上であれば、摩耗量をＰｂ：０．１７％の鉛快削鋼と同等レベル以上にできる。
【００３０】
【表２】
0004148311.tif 000003
【００３１】
上記と同様に表１に示す鋼種を溶製し、それらの鋼材を圧鍛比６．３で熱間で鍛伸し、焼入焼戻して硬さ３２ＨＲＣの鋼材を得た。得られた鋼材のシャルピー衝撃試験を行った。図２にこれら鋼種と鍛伸方向のＴ方向シャルピー衝撃値（常温）の関係を示す。この結果全てのＣａ、Ｍｇ含有鋼のＴ方向衝撃値はＳ１レベル（１５Ｊ／ｃｍ2）以上であった。図３にＳ２鋼およびＣａ、Ｍｇ含有鋼の硫化物並びに試験後の破面の顕微鏡写真を示す。これらから判るように、Ｓ２鋼では硫化物は固−液共存状態でデンドライト樹間に数多く晶出し偏在するのに対し、Ｃａ、Ｍｇを添加すると溶鋼中において酸化物を核として硫化物が生成すると考えられ均一に分散する。Ｃａ、Ｍｇの単独添加および複合添加によって、圧延方向あるいは鍛伸方向の硫化物長さ（長径）が短くなり（アスペクト比減少）、硫化物の球状化が生じる。図３に示される一例の複合添加鋼の破面に見られるように、硫化物のアスペクト比の減少と分散によって延性的な破面となっている。なお、ＶＮｂ、ＭｏＣ、ＴｉＶ、ＴｉＢの４鋼種について他の実施例と同様の評価を行いＴ方向靱性および被削性改善効果を認めている。
【００３２】
以上から、硫化物による靱性の劣化は、主に硫化物の長径と硫化物の粒子間隔に支配されていると考えられる。Ｓ２鋼での粒子間距離を硫化物が局部的に偏在している部分で評価し、その他の鋼種では全体の個数から換算すると、図４のＴ方向シャルピー値と硫化物長径／粒子間距離の関係に見られるように、Ｔ方向衝撃値は硫化物の硫化物長径／粒子間距離が小さい方が優れており、硫化物が球状化しているほど、さらに粒子間距離が大きいほどＴ方向衝撃値は上昇することがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明は、環境問題に配慮して鉛無添加鋼とし、さらに硫化物系介在物を快削性物質とし、最適な硫化物の分散形態とし、長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子は長径と粒子間距離の比を０．５より小とし、かつ、長径が１．５μｍ以上である硫化物粒子の平均面積が９μｍ2以上としているので、靱性および被削性が向上し、鋼材の強度特性を大きく劣化させることなく、広範囲の切削方法や切削条件において優れた被削性を有し、特に耐超硬工具摩耗性および切粉処理性に優れた機械構造用鋼である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  摩耗量と硫化物サイズ（平均面積）の関係を示すグラフである。
【図２】  鍛伸方向のＴ方向シャルピー衝撃値（常温）の関係を示すグラフである。
【図３】  Ｓ２鋼およびＣａ、Ｍｇ含有鋼の硫化物並びに試験後の破面の顕微鏡写真である。
【図４】  Ｔ方向シャルピー値と硫化物長径／粒子間距離の関係に示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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