JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）p. 57-62

焼結部品の被削性を改善できる
JIP®クリーンミックス® JFM® シリーズ®

®

“JIP Cleanmix JFM Series”
for Sintered Parts with Excellent Machinability
主代晃一

NUSHIRO Kouichi

JFE スチール

スチール研究所

鉄粉・磁性材料研究部

主任研究員（課長）尾野友重

ONO Tomoshige

JFE スチール

スチール研究所

鉄粉・磁性材料研究部

主任研究員（課長）OZAKI Yukiko

JFE スチール

スチール研究所

鉄粉・磁性材料研究部長・理博

尾﨑由紀子

要旨
粉末冶金部品は，しばしば高精度化や多機能化の要求に対応するための切削加工が施され，部品製造コストの低減を実現する上で，被削性の改善が求められている。この要求に対し，JFE スチールは独自の製造プロセスを用い®

®

てお客様のさらなる使いやすさを追及した偏析防止処理鉄粉である JIP クリーンミックス のラインアップにおい®

®

て，鉄系焼結部品の切削コスト低減を実現する快削性クリーンミックス JFM （JFE Free Machining）シリーズを®

商品化してきた。JFM シリーズはお客様より高い評価を得ており，今後もさらなる焼結部品適用範囲の拡大や部品製造コストの低減に貢献できると期待される。

Abstract:
Machining is often applied to powder metallurgical parts to fulfill the requirement of tighter tolerances andmultifunction performances, and the sintered steels are required to improve machinability for the reduction of the®

manufacturing cost. In the lineup of the JIP Cleanmix that is the segregation-free iron mixed powder by the original
manufacturing process with pursuing more convenience for customer, JFE Steel has commercialized the JIP®

®

Cleanmix JFM (JFE Free Machining) series to meet the demand of excellent machinability that achieves the
manufacturing cost reduction of powder metallurgical parts as using the iron based sintered steels. The JIP®

®

Cleanmix JFM series have been widely applied to automotive parts, and are expected to serve further expansion of
the sintering parts application and the reduction of the manufacturing cost in future.

1． はじめに製造コストに占める切削加工費の比率が高く，その被削性の改善が望まれている。

粉末冶金技術の進歩によって，高寸法精度で複雑な形状

従来，焼結鋼の被削性改善に関しては，さまざまな添加の部品を，ニアネット形状に製造することができるように剤が報告されており，中でも MnS 粉はコストパフォーマンなったため，粉末冶金技術を利用した製品が各種分野で利スの観点から，最も普及している材料である 。また近年，用されており，自動車部品の分野でも鉄系焼結体（以下焼新規切削性改善剤に関する報告もなされている

2）

3, 4）

。

結鋼）が広く適用されている。しかしながら，プレス成形でJFE スチールでは，鉄粉を含む混合粉中の副原料粉末のは対応できないアンダーカットなどの複雑形状や，需要家

偏析や発塵の問題に対応するため，1989 年に「JIP クリー

からの高精度化ニーズのために，焼結鋼に機械加工が施さ

ンミックス 」を商品化し 発展させてきた。このラインアッ

れる場合がある。

プにおいて，独自製造プロセスを活用し粉末冶金技術を駆

®

®

5）

ところで，焼結鋼には気孔が存在するため，その切削加使することにより被削性を改善した快削性クリーンミックス

工での工具寿命は，溶鋼から製造した溶製材や鋳造材に比JFM シリーズとして，ドリル加工時の断続衝撃を抑制する

べて短いことが知られている。これは，焼結鋼の熱伝導性「JFM3」 ，高速旋削時の工具磨耗を減らす「JFM4」 ，旋が悪く，被削物と工具が加工時に高温化すること，また断®

6）削性およびドリル切削性に優れた「JFMX」 を開発してきた。

1）

本報では，これら開発材の特長ならびにその切削性能に続的な応力が工具に加わることによると言われている 。このようなことから，機械加工が施される鉄系焼結部品ではついて紹介する。

2015 年 2 月 2 日受付「JIP」，「クリーンミックス」，「JFM」は JFE スチール株式会社の登録商標である。

－ 57 －
Copyright © 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

7）

8）

®

®

®

焼結部品の被削性を改善できる JIP クリーンミックス JFM シリーズ

2． 被削性改善技術
2.1(1) Promotion ofshort chips

鋼材における被削性改善技術(3) Formation ofprotective andlubricativelayer

溶鋼から製造した溶製材や鋳造材を素材とした機械構造用快削鋼として S，Pb，Se，Te，Bi，Ca などの添加鋼が知

Chips

9）

られている 。

Tool

硫黄快削鋼では，生成した硫化物系介在物が，応力集中源となり切屑生成時の亀裂の発生あるいは伝播に役立つことと，工具と切屑の凝着防止あるいは原子拡散防止効果を

Work
Work
material持つと考えられている。なかでも，硫黄快削鋼中の MnS のmaterial

作用機構に関しては詳細な調査がなされており，
（1）減摩
擦作用

10）

，
（2）内部 応力集中源としての脆 化作 用（3）内部潤滑作用

13），（4）工具面保護層の形成作用(2) Reduction of
impact stress11, 12），14）など
図 1 開発した被削性改善剤のコンセプトが提唱されている。また，鉛快削鋼では，Pb が低融点（600 K）

Fig. 1であるために，切削加工によって発生する熱で溶融し，応力集中源として作用すると同時に，工具と切屑あるいは加工
物の間の潤滑に役立っていると言われている

Additive

Concept of the developed additives for machinability
improvement

15）

。一方，カ

ルシウム快削鋼では，鋼中の酸化物を被削性に適したもの（3）添加剤成分が切削加工時に溶融・軟化することによりに変化させており，その酸化物は CaO，SiO2，Al2O3 の複合

工具摺動部に付着し，潤滑保護皮膜を形成し，工具磨化合物となっている。カルシウム快削鋼の切削時には，工耗を低減する。

具にこれらの酸化物とほぼ同一の組成のベラーグと呼ばれる付着物が生成し，このベラーグは高速切削時の工具磨耗3． クリーンミックス®JFM® シリーズの特長の主たる原因である工具と切屑または加工物間の元素の拡

3.1

散（拡散磨耗）を防止し，工具磨耗の進行を抑制する効果
16）

クリーンミックス®JFM®3 の切削特性。このようなことから，切削性

焼結部品のなかでも，ショックアブソーバ部品のように複改善に用いられる添加剤に求められる機能としては，応力数の穴あけ加工が必要な部品では，特にドリル切削性が重集中，切屑の凝着防止，工具と切屑間の潤滑，拡散磨耗の要となる。そこで，当社ではドリル加工時の工具磨耗，トル抑制などが考えられる。

ク変動を抑制する被削性に優れた焼結鋼を実現する切削改があると考えられている

®

2.2

®

善剤を添加したクリーンミックス JFM 3 を開発した。

 リーンミックス®JFM® シリーズのク
被削性改善の考え方

3.1.1

ドリル切削性®

®

クリーンミックス JFM 3 の被削性を評価するために，焼粉体を原料とする粉末冶金法により製造された焼結鋼は，結鋼へ切削改善剤を添加しない材料，切削改善剤として気孔が多く存在するという特長を有し，この気孔が切削性

MnS または JFM3 用添加剤（以下 JFM3）を添加した材料へ悪影響を及ぼすことが知られている。すなわち，気孔ので比較を行なった。原料鉄粉には，水アトマイズ鉄粉（JIP®

存在により熱伝導率が低いため，切削時の発熱により切削

260 A）を使用し，鉄粉に対して 0.7mass％黒鉛粉，潤滑剤

温度が高くなり，工具の高温損傷が起こりやすい，また，気として 0.8mass％のステアリン酸亜鉛を添加し，さらに切削孔の存在により工具は断続的な衝撃を受けるため，磨耗が改善剤を添加する場合はこれを添加し，偏析防止処理を行1）

増大すると言われている 。

ないクリーンミックスとした。切削改善剤の添加量は MnS®

®

そこで，クリーンミックス JFM シリーズでは，焼結鋼

では 0.3～1.5mass％，JFM3 では 0.75mass％とした。得られの特性に対応すべく，下記の観点の機能を有する添加剤を，た混合粉末を，外径 60 mm，厚さ 10 mm のタブレット状にクリーンミックス処理で鉄粉粒子表面に付着させ，焼結鋼

成形密度が 6.6 Mg/m となるように加圧成形し，この成形

3

中に均一に分散させることにより，被削性改善を図った。そ体 を 5vol ％ 水 素 - 95vol ％ 窒 素 ガ ス 雰 囲 気 中 で 1 423 Kのコンセプトを図 1 に示す。

（1 150℃）にて 15 min 保持し焼結し被削材とした。ドリル（1）添加剤が応力集中点となり，切屑中に多数の亀裂（クテストとして，2.4 mmf の超硬ドリルを用いて，乾式で，回ラック）を生成させることにより，切屑が微細化し，工転数 10 000 rpm，送り速度 0.02 mm/rev. の条件で 100 穴の具への接触時間を短くする。

貫通加工した後，ドリル外周磨耗量を測定した。

（2）添加剤が焼結鋼中の気孔を充填することにより，工具の負荷変動を低減し，断続切削での衝撃を緩和する。
JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

ドリル外周磨耗に及ぼす切削改善剤添加量の影響を図 2に示す。切削改善剤として MnS を添加した場合，ドリル外－ 58 －

®

®

®

焼結部品の被削性を改善できる JIP クリーンミックス JFM シリーズ

2.5

0.10
0.08
0.06

0

−2.5

0.04

2.5

0.7mass%
MnS
0.7mass%MnSTorque (Nm)MnS
MnS
JIP®Cleanmix JFM
JFM®®30.12

Torque (Nm)

Flank wear of drill (mm)

0.14

0

7

Displacement (mm)0.02

0.75mass%
JIP®Cleanmix JFM®3

0

−2.5
14
0

7

14

Displacement (mm)

図 4 ドリル加工時のトルク変動

0

0.5

1.5

1.0

Fig. 42.0

Torque fluctuation in drilling

Amount of additive (mass%)

0.75mass％ JFM3 添加材の 100 穴目の加工時にドリルに作

図 2 ドリル外周磨耗に及ぼす切削改善剤量の影響
Fig. 2用する切削抵抗としてのトルクの測定結果を示す。ここで，Effect of the amount of additives to the flank wear ofdrill

ドリルに作用するトルクは切削動力計を用いて測定した。
0.7mass％ MnS 添加材に比べ，0.75mass％ JFM3 添加材
ではトルクの変動が大幅に抑制されており，これは切削時

140に刃先へ掛かる断続的な衝撃が低下したことを示すと考え
Number of holes drilled

120

られる。
以上のことから，
ドリル加工時のトルク変動が大きいほど，100

ドリルが受ける損傷は大きくなり，工具寿命が短くなると考80えられる。そこでトルク変動と工具損傷との関係を調査し，60

本現象の傍証を得ることを試みた。ところで，超硬合金は

40

WC を Co バインダーで結合した組織であるため，切削によりドリルに断続的な外力が作用した場合，Co バインダー相

200が損傷することが考えられる。一般に，Co のような軟磁性
Additive-free

0.5mass% MnS

材料では欠陥の存在により磁壁がピン止めされ保磁力が大0.75mass%
JIP®Cleanmix JFM®3

きくなるので，この測定により工具中の Co の損傷を評価できる可能性がある。そこで，ドリル先端部における Co バイ

図 3 添加剤有無でのドリル寿命比較
Fig. 3ンダー相の損傷を評価する試みとして，この部分の保磁力をMachinability of materials with and without additives indrilling tests

周磨耗は 0.3mass％以上の添加で無添加時の 1/3 程度の磨耗量に低減した。一方，0.75mass％の JFM3 を添加した場
合も MnS 添加時と同等の磨耗量となった。
次に，ドリル寿命の調査結果を図 3 に示す。ドリル加工
での工具寿命は，1.2 mmf の超硬ドリルを用いて，回転数
10 000 rpm，送り速度 0.03 mm/rev. の条件で，ドリルが折損するまでの穴数を調査することにより求めた。JFM3 添加により，切削改善剤無添加材の 6.5 倍，MnS 添加材の 3.5 倍と大幅にドリル折損までの穴数が増加した。以上の結果より，JFM3 は MnS と比較しドリル外周磨耗に対しては同等の改善効果があり，ドリル寿命の大幅な延長に貢献できる

Coercive force of the drill tip, Hc(kA/m)

22.8
MnS
MnS
®
®3
JIP
Cleanmix
JFM®3
JFM
22.6

22.4

22.2

22.0

21.8
0

ことがわかった。
3.1.2

0.1

0.2

0.3

0.4

Amplitude of torque fluctuation (Nm)

ドリル損傷状況の解析

JFM3 はドリル寿命の延長に顕著な効果が認められたので，その特性を解析するため切削状況と工具損傷状況をさらに 詳しく調 査し た。 図 4 に，0.7mass ％ MnS 添 加 材 と－ 59 －

図 5 トルク変動振幅とドリル先端部の保磁力の関係
Fig. 5

Relation between amplitude of the torque fluctuation
with coercive force of the drill tip
JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

®

®

®

焼結部品の被削性を改善できる JIP クリーンミックス JFM シリーズ

試料振動型磁力計（VSM：Vibrating sample magnetometer）

60 mm，内径 20 mm，厚さ 20 mm のリング形状および同外を用いて測定した。トルク変動の振幅とドリル先端部の保径で厚さ 10 mm のタブレット形状に成形密度が 6.9 Mg/m3磁力の関係を図 5 に示す。トルク変動が大きくなるほどドリとなるように加圧成形し，この成形体を吸熱型プロパン変成

ル先端部の保磁力は大きくなる傾向が認められた。すなわ

ガス雰囲気中で 1 403 K（1 130℃）にて 20 min 保持し焼結

ち，トルク変動の原因と考えられる断続的な衝撃により Coした。リング焼結体は 3 枚重ねて長さ 60 mm の円筒状としバインダー相が損傷している可能性を示唆している。工具

旋削テストの供試材とした。旋削テストは，超硬 P10 種工

損傷度に関する評価法は今後更に詳細に検討する必要があ

具 を 用 い， 切 削 速 度 は 仕 上 げ 加 工 な ど で 用 い ら れ る

るが，ドリル加工時のトルク変動の抑制によりドリルの損傷

200 m/min とし，切込み深さ 0.5 mm，送り 0.1 mm/rev. 乾が抑制され，ドリル寿命の延長に寄与すると推定された。

式旋削で実施した。図 6 に，旋削テストでの工具逃げ面摩3.2

耗幅を示す。JFM4 添加材での工具摩耗量は，無添加材の約 リーンミックス®JFM®4 および JFM®X のク
切削特性

1/4，MnS 添加材の約 1/3 以下に大幅に低減した。
3.2.2

焼結部品のなかでも，可変バルブタイミング機構に使用

クリーンミックス®JFM®X の旋削性，
ドリル切削性®

®

されるような内外径や端面などで高寸法精度が要求される

次いで，クリーンミックス JFM X の切削性を示す。被削部品では，焼結後に切削加工が行なわれ，特に旋削性が重材は JFM4 の場合と同様に準備した。JFMX 添加剤（以下要となる。また，これら部品においては，必要に応じて穴あJFMX）の添加量は 0.3mass％とした。旋削テストは，サーメッ

けドリル加工も実施される。そこで，当社では高速旋削時のト工具を用い，切削速度は粗加工などで用いられる 100 m/®

min とし，切込み深さ 0.5 mm，送り 0.1 mm/rev. 湿式旋削

JFM 4，旋削性およびドリル切削性の両方に優れた焼結鋼で実施した。またドリルテストは，2.6 mmf のコーテッドハを実現する切削改善剤を添加したクリーンミックス JFMX

イ スドリ ル を 用 い， 湿 式， 回 転 数 5 000 rpm， 送 り 速 度

被削性に優れた切削改善剤を添加したクリーンミックス®

を開発した。

0.02 mm/rev. の条件で貫通加工を行なった。この際 1，752，

3.2.1

1 503 穴目の加工時にドリルに作用する切削抵抗としてのス

クリーンミックス®JFM®4 の旋削性®

®

クリーンミックス JFM 4 の被削性を評価するために，こラストを切削動力計により測定した。
図 7 に，旋削テストでの工具逃げ面摩耗幅を示す。JFMX

こでも焼結鋼へ切削改善剤を添加しない材料，改善剤として MnS または JFM4 用添加剤（以下 JFM4）を添加した材

添加材での工具磨耗量は，比較材のそれより少ない結果と料で比較を行なった。原料鉄粉には，水アトマイズ鉄粉

なり，100 m/min 程度の比較的低速での切削において JFM4®

（JIP 301 A）を使用した。鉄粉に対して 0.8mass％黒鉛粉，を上回る被削性改善効果が得られた。

0.8mass％潤滑剤を添加し，さらに切削改善剤を添加する場

また，図 8 にドリル加工時の穿孔数の増加に伴うスラス

合はこれを添加し，偏析防止処理を行ないクリーンミックス

トの変化を示す。穿孔数の増加に伴い，スラストは増加すとした。切削改善剤量は MnS 添加では 0.5mass％，JFM4る傾向であり，
スラストは 0.5mass％ MnS 添加材が最も低く，

添 加 では 0.2mass％とした。得られ た 混 合 粉 末を，外 径

次いで 0.3mass％ JFMX 添加材，無添加材の順となった。ド0.25

Turned distanceCutting
distance
550
m
550m

0.4

Flank wear of tool (mm)Flank wear of tool (mm)0.5

11,050m
050 m
0.3

0.2

0.20
0.15
0.10
Additive-free
0.5mass% MnS
0.2mass% JIP®Cleanmix JFM®40.3mass% JIP®Cleanmix JFM®X

0.05

0.1

0
Additive-free

0.5mass% MnS

00.2mass%JIP Cleanmix JFM®4
®

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

Turned distance (m)図 6 旋削テストにおける工具磨耗量に及ぼす切削改善剤の影
響（旋削速度：200 m/min）

図 7 旋削テストにおける添加剤有無での工具磨耗量比較（旋削速度：100 m/min）Fig. 6

Fig. 7

Machinability of materials with and without additives inturning tests (Turning speed: 200 m/min)

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

－ 60 －

Machinability of materials with and without additives inturning tests (Turning speed: 100 m/min)

®

®

®

焼結部品の被削性を改善できる JIP クリーンミックス JFM シリーズ

層の微細組織の観察では，添加剤の有無に係わらず気孔は300

変形方向に伸長し閉塞しており，組織が緻密化している様

Broken at
1 183th hole子が認められた。これらのことから，被削材および切りくずは，工具からのせん断・圧縮応力による塑性変形にともな

250
Thrust (N)い気孔閉塞するが，添加された切削改善材が変形領域でのUnbroken

転位蓄積を緩和したため加工硬化を抑制したことが推定される。
また，JFMX 添加材は旋削において更に良好な被削性を示200したので，その特性を解析するため，切りくずの断面を顕微

Additive-free
0.5mass% MnS
0.3mass% JIP®Cleanmix JFM®X
150

0

500

1 000

1 500

鏡観察した結果を写真 2 に示す。0.3mass％ JFMX 添加材では無添加材および 0.5mass％ MnS 添加材に比べ，せん断変形方向に沿って多くの微細なボイドが観察された。ここでは

2 000

JFMX が切屑のせん断変形においてボイドの生成および亀裂

Number of holes drilledの伸展に寄与していることが推定される。この多数の微細な図 8 添加剤有無でのドリル切削抵抗とドリル寿命
Fig. 8Drilling machinability of materials with and without
additives

表 1 切削加工後の被削材及び切屑の硬さ

リルの寿命に関しては，無添加材の場合 1 183 穴目で破損したが，0.5mass％ MnS 添加材と 0.3mass％ JFMX 添加材の場合には，1 503 穴加工してもドリル破損はなかった。
3.2.3

旋削状況の解析

®

JFM 4 添加材は良好な被削性を示したので，その特性を解析するため，リング焼結体の切削後の切削加工面ならびに切屑断面の微細組織を観察するとともに硬さを測定した。

Table 1

Vickers hardness of the work and chip after turning
Vickers hardness, Hv

MaterialWork
insideWork
Chipturned surface turned surface

Additive-free

210

378

372

0.5mass% MnS

207

283

332

0.2mass%®
®
JIP Cleanmix JFM 4

212

291

302

硬さの測定はマイクロビッカース硬度計を用い，荷重 0.245 Nで行なった。切削加工面の塑性変形が進行した表層と塑性変形していない内部ならびに切屑の工具接触面表層で硬さを 10 点測定し平均値を用いた。写真 1 に被削材加工面表層での硬度測定後の顕微鏡写真を示す。

20
20μm
μm

無 添 加 材，0.5mass ％ MnS 添 加 材 な ら び に 0.2mass ％(c) 0.3%
JIP®Cleanmix JFM®X

び切屑の工具接触面表層の硬さを表 1 に示す。無添加材と

写真 2 旋削テストで発生した切りくず断面の光学顕微鏡写真
Photo 2

硬さが低く，加工硬化が抑制されていた。一方，加工変形(b) 0.5% MnS

20 μ m20μm

JFM4 添加材それぞれの被削材内部，被削材加工面表層およ
比較して，切削改善剤を添加した焼結鋼では加工変形層の(a) Additives-free

20μm
20 μ mCross sectional microstructures of the chips inturning test

Adhesiveadhesive materialmaterial(a) Turning speed 100 m/min
after 4 000 m turning

25 μ mAdhesiveadhesive materialmaterial(b) Turning speed 200 m/min
after 2 000 m turning

写真 1 JFM®4 添加材切削加工表層での硬さ測定状況

写真 3 JFM®X 添加材旋削後の工具すくい面の電子顕微鏡像

Photo 1

Photo 3Hardness measurement situation at the turned®
®
surface of the work with JIP Cleanmix JFM 4－ 61 －

Scanning electron micrograph images of the tools®
®
after machining material with JIP Cleanmix JFM X
JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）

®

®

®

焼結部品の被削性を改善できる JIP クリーンミックス JFM シリーズ

ボイドの生成により切屑が容易に破断し，切屑と工具間のJFE スチールは，今後ともお客様との協力関係を深めつつ接触面積を低減したことが，工具磨耗減少の理由の一つとさらなる技術開発を進め，お客様の使いやすさを徹底的に考えられる。また，ボイドの生成および亀裂の伸展により加追及し，自動車分野での焼結部品適用範囲の拡大や切削加工時の塑性変形が容易になったと考えられため，変形領域工費低減による部品製造コストの削減に貢献していく所存の加工硬化が抑制された結果に繋がると類推される。

である。

次に，0.3mass％ JFMX 添加材を旋削したサーメット工具のすくい面を電子顕微鏡で観察した結果を写真 3 に示す。

参考文献
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で容易に軟化・溶融する成分に起因し，この付着層が工具

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表面の保護・潤滑層として作用し，工具と被削材あるいは切屑間の接触面での摩擦を低減するとともに，表面酸化を抑制し，工具磨耗を抑制したと推定される。

7）Unami, S.; Maetani, T.; Ozaki, Y. Advances in Powder metallurgy &Particulate Materials. 2012, part 6, p. 62-70.

4． おわりに本報では，これまでに開発した鉄系焼結部品の製造コス®

®

ト低減を実現する快削性クリーンミックス JFM シリーズについて，特性発現の基本的な考え方，各商品の切削特性を紹介した。その要点を以下に記す。
（1）クリーンミックス JFM3：ドリル加工性に非常に優れている。気孔の存在による断続的な衝撃を抑制し，切屑の破断を促進する。ドリル穿孔数は無添加材の 6 倍，
MnS 添加剤の 3 倍以上となる。

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16）伊藤哲郎，高橋徹夫，木村篤良，山野清市．電気製鋼．1973, vol. 44, p.
29.

（2）クリーンミックス JFM4：200 m/min 以上の高速旋削性に優れる。添加剤による切屑破断促進に加えて，加工時の摩擦熱で軟化して工具表面に保護層を形成する。
工具磨耗量は無添加材の 4 分の 1 以下，MnS 添加材の3 分の 1 以下となる。
（3）クリーンミックス JFMX：JFM 4 の優れた高速旋削性を保持しながら，低速旋削性を改善し，更にドリル加工性にも優れる。

JFE 技報 No. 36（2015 年 8 月）
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主代－ 62 －

晃一

尾野

友重

尾﨑由紀子