被削性に優れた低炭素鉛フリー快削鋼「スミグリーン CS」の開発
松 井 直 樹1岡山敦2加藤))
長谷川達也 藤 原 順 介

.

は じめに徹3). 開 発 鋼 の 特 徴

AISI 12L14 に代表される低炭素鉛快削鋼はさほど高い強開発鋼では鉛フリー化に伴なう被削性の低下を Mn 系硫度を必要としない自動車用の油圧部品やプリンターシャフト化物( MnS )を活用することで補った．よって 0.5 mass 以などの OA 機器用部品に広く使用されている．これらは主上という従来にない高いレベルの S 量を含有し，独自の製に多軸自動盤や NC 旋盤による切削加工によって製造され，鋼技術によってアスペクト比(L/W)の小さい MnS を均一に素材となる鋼材としては切削加工後の表面が滑らかである分散させたことに特徴がある．図に開発鋼の MnS を観察(表面粗さが小さい)こと，加工中に排出される切りくずが短した光学顕微鏡写真と画像解析によって調べた MnS 粒子のく分断される(切りくず処理性が良い)ことなど優れた被削性アスペクト比の分布を示す． 0.5 masa 以上の大量の S をが要求される．鉛は鋼中で単独の介在物として存在し，融点含有する高 S 鋼を量産するにあたっては，アスペクト比のが低いことから切削温度の上昇とともに溶融して表面粗さや小さな MnS を均一かつ多量に分散させる以外に連続鋳造に切りくず処理性の向上に大きな効果を発揮する(1)ので，鉛をおける内部割れを抑制することが重要な技術課題となった．

含有させて被削性を向上させた鉛快削鋼が広く使用されてきMnS を均一かつ多量に分散させるためには，スラグ精錬段た．しかし，環境への配慮から鉛の使用を控える動きが高まっており(2)，低炭素鉛快削鋼においても鉛フリー化が望まれている．特に低炭素鉛快削鋼においては，鉛を添加しないときの被削性の低下は中炭素鋼に比べて顕著であり，鉛フリー化した快削鋼でいかにして鉛快削鋼と同等以上の被削性を確保するかが開発の課題である．当社グループでは，以前より様々な用途で鉛フリー快削鋼「スミグリーン・シリーズ」を開発してきたが， AISI 12L14 系の低炭素鉛快削鋼においても代替可能な被削性に優れた鉛フリー快削鋼を開発し，商品名「スミグリーン CS」として実用化したので，その概要を

図1

開発鋼の MnS の分散形態(q 22.5 mm 冷間加工材)．

紹介する．

住友金属工業株式会社総合技術研究所
1)主任研究員 2)副主任研究員 3)参事
株式会社住友金属小倉商品開発部 参事
大阪大学准教授工学研究科
Development of ``Smigreen CS'', NonLeaded Low Carbon
Free Cutting Steel with Improved Machining Performance;
Naoki Matsui, Atsushi Okayama, Toru Kato, Tatsuya
Hasegawa, Junsuke Fujiwara(Sumitomo Metal Industries, Ltd., Sumitomo Metals Kokura, Ltd., OsakaUniversity)
2010年10月28日受理

ま て り あ 第50巻 第 2 号(2011)Materia Japan

図2

実部品加工における開発鋼の被削性．

階で溶鋼中の酸素含有率や S 含有率の減少速度を適切に制MnS の分散形態を変化させた高 S 鋼を用いた．また構成刃御すること(3)，連続鋳造での鋳片の内部割れを防止するため先やその周囲の微細組織を観察するため，切削加工の途中でには， Mn および S それぞれのミクロ偏析挙動を解析し， S工具を高速に抜き取ることで切削加工の状態を“凍結”する濃度に応じた適切な Mn 濃度を設定すること，が重要であことができる「切削急速停止装置」を活用した．試験は 15,ることを明らかにして，これらの技術課題を克服した．

30，および 50 m /min の切削速度で二次元切削(超硬バイト開発鋼の被削性を実部品の量産加工で評価した結果の一例)，送り 0.2 mm / rev ，非水溶性切削油使用)を(すくい角 6 °を図に示す．開発鋼は異なった加工条件，すなわち， NC行い，切削加工を“凍結”した試験片を得た．これらの切削旋盤による旋削加工で加工される OA 機器部品でも，ある面の表面粗さを測定した後，樹脂埋めし，鏡面研磨後の断面

いは多軸自動盤による溝入れ加工で加工される自動車部品ででそれぞれの構成刃先を観察した．図に構成刃先の大きさも，従来の低炭素鉛快削鋼( AISI 12L14 )と同等レベルの良(幅)と表面粗さの関係を調べた結果を示す．粗大で紡錘形状好な表面粗さや切りくずが細かく分断される切りくず処理性の MnS を分散させた鋼ではいずれの切削速度においても構を発揮することができる．

成刃先の大きさが小さく，良好な表面粗さが得られた．これに対し，微細で伸長した MnS を分散させた鋼ではいずれの.

開発鋼の被削性改善機構

切削速度においても構成刃先が大きく成長し，表面粗さも大きな値となった．図に切削速度 50 m/min で得られた構成鉛を添加せずとも優れた被削性を有する快削鋼を開発する

刃先近傍の断面組織を示す．粗大・紡錘形状 MnS 鋼では構ために，鉛快削鋼( AISI 12L14 )の切削機構を検討した．そ成刃先は約 40 mm と小さく，これを拡大すると構成刃先のの結果，鉛快削鋼では切削中に工具刃先に形成される「構成周囲では変形した紡錘形状の MnS を起点としてマイクロク刃先( Built up Edge, BUE )」が大きく成長しないことで良ラックが多数発生しており，その一部は構成刃先と切りくず好な表面粗さが得られていた(4)．そこで筆者らは，鉛フリーの境界にまで達していることが観察された．一方，微細・伸快削鋼においても構成刃先を鉛快削鋼での場合と同様になる

長形状 MnS 鋼の構成刃先は幅が 200 mm 以上あり大きく成ようにコントロールする目的で MnS の量や分散形態と被削長していた．構成刃先と切りくずの境界近傍では，マイクロ性の関係について，特に構成刃先の成長挙動に着目して検討クラックが発生して構成刃先と切りくずを分断しているようした．実験には小型真空溶解炉で脱酸調整し，図のようにな様子は観察されず，多くの MnS がそのまま構成刃先の内部に取り込まれていた．すなわち，本観察から MnS の形態によってマイクロクラックの発生挙動が異なり，これが構成刃先の成長に影響を及ぼしていることがわかった．
こ こ で MnS 周 囲 で の マ イ ク ロ ク ラ ッ ク の 発 生 挙 動 を「 SEM 内切削」を用いて詳細に観察した(5)．SEM 内切削は図( a )に示すように微小切削が可能な小型試験機を SEM内に設置し，切削中の切りくず内部の変形を微視的にその場観察できる装置である．図 6(b), (c)に試験材を 1 ステップ

図3図4


試験材の MnS 形態(q 28 mm 冷間加工材)．

切削急速停止実験によって測定された構成刃先の大きさと表面粗さの関係．

(約 4 mm )ずつ送って切削したとき，点線丸印で囲った形態

図5

切削急速停止実験(切削速度 50 m/min)で観察された構成刃先の断面組織．

新技術・新製品図6(a) SEM 内微小切削試験(切削速度 16.2 mm /min ，切り込み 0.10 mm，工具 SKH4(すくい角 6°，逃げ)の概略と切りくずせん断域における (b) 紡錘形状 MnS，(c) 伸長形状 MnS の変形挙動．
角 3°の異なる 2 種類の MnS が切りくずの内部で変形する様子を0.5 mass以上の S を含有し，アスペクト比の小さい紡錘形観察した結果を示す．図 6(b )に示すようにアスペクト比の状の MnS を大量に均一分散させた，被削性に優れた鉛フリ

小さな紡錘形状の MnS では，切りくず内のせん断ひずみにー快削鋼「スミグリーン CS」を実用化した．

よって母材との界面にボイドが生じ，ボイドが大きなマイクロクラックとなって進展していくが，伸長形状の MnS では

.

実 用 化 状 況

紡錘形状の MnS で観察されたようなボイドやき裂は生じず，せん断ひずみによって MnS 自体が分断されていく様子

本開発鋼は 2007 年以降，自動車用油圧部品および OA 機が観察された．このように SEM 内切削においても MnS の器用部品として量産，実用化されている．今後も鉛フリー快形態によってマイクロクラックの発生挙動が異なることを確

削鋼の需要増加に伴って適用の拡大が期待される．

認した．以上のことから，アスペクト比の小さな紡錘形状のMnS はせん断域でマイクロクラックを容易に発生させるた.

特許め，これを鋼中に多数分散させることで構成刃先と切りくずが分断される頻度が高まり，構成刃先の成長が抑制されると考えられる．また，紡錘形状の MnS が多数存在することで特許第 3687370 号，特許第 4325497 号など 5 件の関連特許が国内外に出願，登録されている．

切りくず内部のせん断域でも MnS を起点とするマイクロクラックの発生頻度が高まり，これらが進展，結合して切りく文

献ずが分断されやすくなると考えられる．一方，伸長形状のMnS では紡錘形状の MnS のようなマイクロクラックが発生しにくいため，このような効果が得られにくいと考えられる．鉛フリー快削鋼において構成刃先を鉛快削鋼のように小さくし，同時に切りくず処理性を向上させるには，せん断変形によってマイクロクラックを効果的に発生するアスペクト比の小さな紡錘形状の MnS をより多く，より均一に分散さ( 1 ) 例えば，家口 浩鉄と鋼，77(1991), 683690.
( 2 ) 潮 憲樹金属，74(2004), 12391243.
( 3 ) A. Okayama and T. Nishi: Proc. AISTech. 2008, 1 AIST,(2008).
( 4 ) 松井直樹，長谷川達也，藤原順介精密工学会誌，76(2010),11661170.
( 5 ) 川添 翼，藤原順介，松井直樹精密工学会秋季大会講演論
文集，B34(2009), 107
108.

せることが重要である．高度な製鋼，鋳造プロセスにより，

ま て り あ 第50巻 第 2 号(2011)Materia Japan