技術論文

Ca-S鋼の耐超硬工具摩耗特性および疲労亀裂伝播特性藤松

威史*1・常陰

典正*2・平岡和彦*3

Resistance to Carbide Tool Wear and Fatigue Crack Propagation Property of Calcium Treated
Resulfurized SteelTakeshi Fujimatsu, Norimasa Tsunekage and Kazuhiko Hiraoka

Synopsis: Recently unleaded free machining steel has been required from the point of view of clean environment. Sulfides
seem to be one of the promising substitute to lead because of its machinability. We developed the calcium treatedresulfurized carburizing steel for the application of automobile gear and shaft parts. Carbide tool machinability andlong fatigue life would be important to use for those parts. In this study, the optimum chemical compositions forsuperior carbide tool turning property and the effect of sulfides in steel on fatigue crack propagation were investigated. It was found that Ca/sol.Al ratio in steel effected on carbide tool wear and a steel of high Ca/sol.Al ratio
reduced flank wear (VB) and crater depth (KT) of carbide tool. It was confirmed that this carburizing steel with Ca
and S (sulfur contents up to 0.06mass%) and leaded steel (lead contents = 0.06mass%) had almost same fatigue
crack propagation property.
Keywords:carbide tool wear, unleaded, free machining steel, carburizing, calcium, aluminum, sulfur, resulfurize , fatigue crack
propagation

1．緒言

2．耐超硬工具摩耗特性に優れる成分バランスの検討

近年の環境負荷物質低減の時流から，鉛（Pb）快削鋼
2・1に代わる非Pb快削鋼が求められており，硫化物を利用し実験方法

た硫黄（S）系快削鋼が主流となりつつある。主にはだ焼耐超硬工具摩耗特性評価のため，Table1に示したA〜G

鋼が多く用いられるギヤ，シャフト等の駆動系部品用途にの化学成分を有する鋼を100kg真空高周波誘導炉にて溶対しても，被削性重視の観点から少なからずハーフPb鋼

製 し た 。 A〜 F鋼 は JIS SCr420 を 基 本 鋼 と し て ，（Pb=0.04〜0.09mass%）が利用されており，これらを0.06mass%程度のSを含有するとともに，後述のCaとターゲットとして，カルシウム（Ca），Sを含有した非Pb

sol.Alの比が0.03〜0.29に調整されている。また，G鋼ははだ焼鋼を開発した。対象とする駆動系部品においては超比較用のPb鋼（Pb=0.06mass%）である。いずれも硬工具やコーティング工具を用いた旋削や歯切加工が多用

1473Kで， φ 65mm（鍛錬比8.1）に鍛伸後，焼ならしされ，ドリル加工性のニーズは比較的少ない。そこで本研（1173K-3.6ks，AC）を実施して超硬工具旋削試験に供

究では，Ca，S含有はだ焼鋼において良好な被削性，特にした。超硬工具はP20種（刃先Rは0.4mm）を使用し，切耐超硬工具摩耗特性に優れる成分バランスの検討を行っ

削速度250m/min，送り0.25mm/rev，切り込み0.5mm

た。そして，超硬工具摩耗特性向上機構について介在物組の切削条件下で試験片長手方向の乾式旋削試験を実施し，成の観点から考察を試みた。また，駆動系部品には静的な

10分間切削後の工具逃げ面摩耗量VB，およびすくい面摩らびに衝撃強度のみならず疲労特性が重視されることか耗量KTを測定した。

ら，浸炭層硬度域におけるCa-S鋼の疲労亀裂伝播特性の2・2確認を行った 。

2・2・1

1）

実験結果及び考察
超硬工具摩耗量に及ぼす成分の影響

A〜F鋼の超硬工具旋削試験後のVBおよびKTをTable2に示す。A〜F鋼とPbを含有するＧ鋼とを比較した場合，VB*1 研究・開発センター 軸受・構造用鋼グループ*2 軸受営業部 軸受CSグループ，工博*3 研究・開発センター 軸受・構造用鋼グループ長

50

Sanyo Technical Report Vol.11 (2004) No.1

Ca-S鋼の耐超硬工具摩耗特性および疲労亀裂伝播特性

Table1.
Steel

C

Si

Mn

S

Cr

sol.Al

Pb

Ca

O

N

Ca/sol.Al

A

0.24

0.25

0.93

0.061

1.23

0.036

−

0.00120.00140.0170

0.03

B

0.23

0.26

0.96

0.061

1.26

0.031

−

0.00140.00130.0128

0.05

C

0.22

0.25

0.96

0.064

1.26

0.016

−

0.00120.00300.0142

0.08

D

0.23

0.25

0.94

0.058

1.25

0.005

−

0.00060.00170.0154

0.12

E

0.23

0.24

0.93

0.056

1.24

0.006

−

0.00110.00180.0164

0.18

F

0.23

0.24

0.93

0.057

1.24

0.008

−

0.00230.00190.0159

0.29

G

0.22

0.24

0.85

0.014

1.31

0.016

0.06

−

0.00210.0116−

Table2.

Turning test results

Work hardness

0.3
Tool：P20（0.4R）
Cutting speed：250m/min
Feed rate：0.25mm/rev
Depth of cut：0.5mm
Dry Cutting for 10minCarbide tool wear

（HRB）

VB※（mm）

KT※（mm）

A

88

0.169

0.094

B

88

0.205

0.079

C

88

0.131

0.066

D

88

0.098

0.059

E

88

0.103

0.055

F

88

0.099

0.041

G

89

0.216

0.064

Flank wear；VB（mm）
Crater depth；KT（mm）

Steel

※

Chemical compositions of steels for turning test（mass%）

KT
VB

0.2

0.1

Carbide tool wear measured after dry cutting for 10min.
Normalization：900℃, AC
0.0

0

100

についてはA〜F鋼のいずれもG鋼と同等もしくは軽減され

200

300

400

sol.Al（ppm）ており，KTについてはA，B鋼を除くC〜F鋼はＧ鋼と同等

Fig.1. Effects of sol.Al content on carbide tool wear
after 10min. cutting.

もしくは良好な特性を示した。なお，A〜F鋼はほぼ同量のSを含有し，かつ硬さも同等であるにも関わらず，KT，
VBには鋼種間の差が認められている。Ca-S系快削鋼において鋼中のCa含有量の増大により工具寿命が向上することが報告されているが 2），本供試材についてはCa量とKT，

40

VBの明瞭な相関は見られなかった。
一方で，鋼中に存在するアルミナ（Al2O3）は極めて硬質かつ高融点であるために，鋼中に多量に存在すると切削
Al2O3 content（ppm）

工具のアブレーシブ摩耗を促進させると言われている。川上ら 3）はAl 2O3を主要な介在物として含有する鋼において鋼中のAl2O3量と乾式旋削試験後のVB，KTに正相関が見られることを報告している。本供試材について，V B，K Tを
sol.Al量で整理するとFig.1に示すように正の相関が認められた。そこで，sol.Al量とAl2O3含有量の相関を確認するた
め，本供試材のAl 2O3量を定量した。その結果，ほぼO含

Steel C

30

A

20
E
10

F

B

D
O：13〜19ppm
O：30ppm

有量が同等のA，B，D〜F鋼においてはsol.Alが高い鋼で若干Al 2O 3量が増加している傾向を認めたものの，C鋼は0sol.Al量がA，B鋼より少ないにも関わらず，最もAl2O3量が多かった（Fig.2）。これはC鋼のO含有量が高いことに

0

100

200

300

400

sol.Al（ppm）

起因すると考えられる。しかしながら，Table2で示した
Fig.2. Volume contents of Al2O3 in each steel.

ようにC鋼に比してAl2O3量が少ないA，B鋼のVBおよびKT

51

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Ca-S鋼の耐超硬工具摩耗特性および疲労亀裂伝播特性

Si

Al

Ca

Mn

S

O

Fe

rake faceclearance
face

Steel F

Steel A

BEI

Fig.3. EPMA analysis of carbide tool rake face after turning test.
COUNT

High

0.10

0.30
12ppmCaしもAl2O3量に依存していないことが分かった。なお，工0.25
Flank wear；VB（mm）

具摩耗量とAl2O3量の相関が認められなかったことに関しては，川上ら 3）の提示したAl 2O3を主要介在物として含有する鋼のtotal.Al量が0.024〜0.060mass%であるのに対して，本供鋼中のsol.Al量が0.005〜0.036mass%とやや低いため，Al2O3量以外の要因も工具摩耗特性に影響を及ぼした可能性があると考えられる。
次にVBおよびKTが大きいA鋼と最も小さいF鋼について
工具すくい面のEPMA観察を実施した。その結果，Fig.3

Normalization：900℃, AC

14
VB of Steel G（0.06%Pb） K of Steel G

0.20

T

12
6

0.15

11

（0.06%Pb）

23

Tool：P20（0.4R）
Cutting speed：250m/min
Feed rate：0.25mm/rev
Depth of cut：0.5mm
Dry Cutting for 10minに示すようにクレーター摩耗部には主に被削材主成分の00および境界摩耗部付近にFe以外のCa，Al，Si，Mn，S，

0.06

0.04

0.10
0.05

Feの付着が観察されるのに対し，刃先近傍（逃げ面側）

0.08

0.1

0.2

0.3

0.02

Crater depth；KT（mm）

ともにC鋼に比べて大きい。したがって工具摩耗量は必ず

Low

0
0.4

Ca/sol.Al

Oの付着が認められた。これらの酸化物あるいは硫化物に類似した組成の付着物が旋削時に工具表面に堆積した結Fig.4. Influence of Ca/sol.Al ratio on tool wear inturning test for carburized steels.

果，工具摩耗の進行が抑制されたものと推測される。一方，
同Fig.3においてVB，KTの大きいA鋼はすくい面上へのCaの付着面積がF鋼に比べ少ないことが確認される。上述のようにCa量と工具摩耗との相関は判然としないが，すくなる指標を提案し，Ca/Al比が大きい組成の鋼は切削性にい面観察の結果からCaが工具被覆保護に有効に作用して優れていることを報告している。それによればCa/Al比がいることは明らかと考えられる。そこで，工具すくい面の大きくなると，①（Ca，Mn）Sの面積に占めるCaO-

付着物成分の中で鋼種毎の含有量に殆ど差が無いSi，Mn，

Al2O3組成からなる酸化物核の大きさが増大すること，②

Sを除外した上で，工具摩耗抑制に有効に作用すると推定

全硫化物に占める（Ca，Mn）Sの割合が増加することをされるCaとFig.1に示したように工具摩耗量増大に作用す

見出し，Ca/Al比を鋼中の酸化物あるいは硫化物の改質とるsol.Alを工具摩耗特性を律する化学成分と仮定した。Ca

関連付けている。また，佐田ら5）は，S45Cベースでの超とsol.Alの重量%比（Ca/sol.Al）によってKT，VBを整理し

硬工具旋削においてKTを減少させるCaとAlのバランスが存た結果，Fig.4のようになった。Ca/sol.Al比の増加に伴い在することを示唆している。

KTは減少する傾向が見られ，本供試材中ではCa/sol.Al＝

そこで，供試材に含まれる介在物に着目して、介在物個0.29のF鋼が最も良好な摩耗特性を示した。一方，VBもKT

数，形態，組成について調査した。A〜F鋼について別途と同様にCa/sol.Al比が高い鋼は摩耗が抑制される傾向が40角（鍛錬比16.8）に鍛伸した素材を使用して，EPMA

あり，Ca/sol.Al≧0.1でほぼ一定となった。

により中周部，L断面の基準面積1mm 2の面分析を実施し

2・2・2

Ca/sol.Al比の増大に伴う工具摩耗抑制機構のた。なお，EPMAの介在物検出下限を長径2 µ m×短径

推察

2 µ m（断面積4 µ m2）に設定した。EPMA分析により検Pytelら4）はSAE8620鋼のハイス工具切削において，B-出した1mm 2中のCa含有介在物の総個数について，A〜F

index｛=f(S，Ca/Al)=18.59+0.05S+117.38(Ca/Al)｝

鋼のCa含有量をS含有量で規格化したCa/S比を用いて

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Ca-S鋼の耐超硬工具摩耗特性および疲労亀裂伝播特性

Fig.5に整理を試みた。その結果，本供試材の成分範囲で物の化学組成を分析し，その平均値をTable3に示した。

はCa/S比の増大に伴って，Caを含有する介在物数は直線

Fig.7は硫化物に含まれるCa量（Table3参照）を的に増大する傾向が見られた。また，Fig.6に示すように

Ca/sol.Al比で整理した結果であり，Ca/sol.Al＝0.18，

Ca含有量の増大に伴い介在物の平均アスペクト比（断面0.29のE，F鋼は硫化物中のCa量が他鋼種に比べてやや増

積4 µ m2を超える全検出介在物の長径/短径比の平均値）

加していることが分かった。また，Table4に示すようにが低減する傾向があり，Ca添加による介在物形態制御効低Ca/sol.Al比であるA，B鋼（Ca/sol.Al＝0.03，0.05）

果が認められた。なお，ここで述べた平均アスペクト比との酸化物はAl2O3主体の組成を有するのに対し，C，D，E，はEPMAによって検出された断面積4 µ m2を超える全介在F鋼（Ca/sol.Al＝0.08〜0.29）においては酸化物組成に

物の長径/短径比の平均値を表す。しかしながら，Table2

占めるAl2O3の比率が減少し，CaOやSiO2の比率が増加しに示したようにCa含有量と工具摩耗量の相関は認められていることが確認された。これらの酸化物はAl2O3に比べておらず，Ca含有量に依存した上記のCa含有介在物個数て低融点の組成となっており，高速切削加工時の工具被覆やその形態は超硬工具摩耗に対して支配的な要因ではない保護に有効に作用している可能性が考えられる。Fig.8にと考えられる。

酸化物の形態および化学組成の一例を示す。
以上のことから，Fig.4に示したCa/sol.Al比の変化に伴次にCa含有介在物の化学組成に着目した。各供試材について，①酸化物核を含まない硫化物，②酸化物核を含む

う超硬工具の摩耗挙動を以下のように推測した。

硫化物に分類し，EDSを用いてそれぞれ任意の個数の硫化・低Ca/sol.Al比の組成を有する鋼では，鋼中にAl2O3主体

5.0
Measured inclusion：
max.length＞2 µ m
F

Av. aspect ratio of inclusions

Number of Ca included inclusions（/mm2）

300

200

E
100

B
A

Measured inclusion：
Area＞4 µ m2
4.0

3.0

Steel D
C
0
0.00

2.0
0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0

10

20

30

Ca（ppm）

Ca/S（mass% ratio）
Fig.5. Number of calcium included inclusions.

Fig.6. Average aspect ratio of non-metallic inclusions.

Table3. Average chemical compositions of sulfides（atm%）
Steel Ca/sol.Al※①Sulfides with oxide as nucleus
n※

Ca

Al

S

Mn

Fe

②Sulfides without oxide
n※

Ca

Al

S

Mn

Av. ① and ②
Fe

n※

Ca

Al

S

Mn

Fe

A

0.03

4

0.23 0.00 46.65 46.49 6.63 15

2.60 1.43 43.85 41.33 10.79 19 2.07 1.11 44.47 42.48 9.88

B

0.05

6

0.59 0.00 48.45 47.65 3.32 10

1.67 0.77 45.95 44.22 7.38 16 1.26 0.49 46.90 45.51 5.85

C

0.08

6

0.15 0.00 47.01 46.79 6.05

61.82 1.32 47.15 45.29 4.41 12 0.97 0.64 47.08 46.06 5.26

D

0.12

10 0.38 0.02 48.40 43.01 8.19 19

1.87 2.68 43.87 36.84 14.74 29 1.33 1.69 45.54 39.12 12.32

E

0.18

9

0.02 0.00 47.11 46.26 6.61 19

5.81 1.28 45.62 40.20 7.09 28 3.92 0.86 46.11 42.18 6.94

F

0.29

6

1.97 0.20 44.77 42.80 10.26 22

4.49 1.13 46.07 41.48 6.83 28 3.93 0.93 45.79 41.77 7.59

n: Total number of analysis

53

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Ca-S鋼の耐超硬工具摩耗特性および疲労亀裂伝播特性の硬質酸化物が生成したことによって超硬工具逃げ面の

くい面上の保護皮膜形成が不十分となり，すくい面摩耗

アブレーシブ摩耗を促進したと推測される。また，介在が進行したと考えられる。

物組成が高融点のAl2O3主体であることから超硬工具す・高Ca/sol.Al比の場合，鋼中の酸化物がAl2O3に比べて低融点のCaO-Al2O3やCaO-Al2O3-SiO2に改質されること
や，硫化物中のCa量が増大したことによって，旋削加

Table4. Average chemical compositions of oxides（mass%）
Steel Ca/sol.Al※

工時の超硬工具の被覆保護効果がもたらされ，切削時の摩擦抵抗が低減されることにより良好な工具摩耗特性が

n※

Al2O3

SiO2

CaO

得られたと解釈される。
これらの知見により，C鋼のようにO含有量が高いこと

A

0.03

14

93.7

−

6.3

B

0.05

17

96.6

−

3.4

C

0.08

20

80.5

0.6

18.9

D

0.12

25

81.0

5.5

13.5

E

0.18

25

71.4

10.2

18.4

F

0.29

21

87.9

2.7

9.3

に 起 因 し て A l 2O 3を 多 く 含 有 す る 場 合 に お い て も ，Ca/sol.Al比を高めることにより工具摩耗を改善できる可能性が示された。

3．浸炭層硬度域における疲労亀裂伝播特性に及ぼす硫化物の影響調査

n: Total number of analysis

3・1

Av. calcium amount（atm%）

10

実験方法

2章の結果からCa，S含有はだ焼鋼の基本組成として高Ca/sol.Al比となる組成が有望と考えられる。また，本章①Sulfide with Oxide as nucleus②Sulfide without oxide
Av.① and ②

8の実験の目的は浸炭層内において硫化物が疲労亀裂伝播特性に及ぼす影響を確認することにあり，浸炭層硬度域で安E6定した疲労亀裂進展曲線を得る必要がある。通常，試験に先んじて試験片に約1mmの長さの予亀裂を導入する必要Fがあることから，浸炭処理を施した試験片（硬化深さは約41mm）では特性評価が困難となる。そこで，SCr420の浸Steel A

炭層の化学成分を模擬するためにC量を0.8mass%に設定

B C

2

D

し，ズブ焼き試験片にて疲労亀裂伝播特性の評価を行うこととした。Table5に示したH〜Jの化学成分を有する鋼を100kg真空高周波誘導炉にて溶製し，鍛伸加工の後，鍛伸

0
0.0

0.1

0.2
Ca/sol.Al

0.3

方向に垂直に亀裂が進展する方向に試験片（試験片形状は

0.4

ASTM E-647に準拠，Fig.9参照）を採取し，焼入焼戻しを施して疲労亀裂伝播試験に供した。なお，H，I鋼はCa/sol.Al

Fig.7. Average calcium amount in sulfides in eachsteel.

Steel A

Steel B

10 µ mOxide

Steel D

10 µ mSulfideOxide

Steel E

SulfideOxide

Steel C
SulfideSulfideOxide

比を0.3程度に調整した。J鋼は比較用のPb鋼である。

10 µ mSteel F
Oxide

SulfideOxide

10 µ m10 µ mSulfide10 µ mSteel A：3.2CaO-96.8Al2O3（mass%）
Steel B：Al2O3
Steel C：46.8CaO-53.2Al2O3（mass%）
Steel D：21.1CaO-66.9Al2O3-12.0SiO2（mass%）
Steel E：29.2CaO-56.4Al2O3-14.5SiO2（mass%）
Steel F：17.8CaO-75.2Al2O3-7.0SiO2（mass%）

Fig.8. Typical shape of oxide in each steel.

54

Sanyo Technical Report Vol.11 (2004) No.1

Ca-S鋼の耐超硬工具摩耗特性および疲労亀裂伝播特性

3・2

4．結言

実験結果及び考察

疲労亀裂伝播試験により得られたH〜J鋼の疲労亀裂進展
曲線をFig.10に示す。図中でda/dNは疲労亀裂進展速度，

1）本研究の成分範囲において超硬工具旋削加工における∆ Kは応力拡大係数幅（応力）を表す。はだ焼鋼を使用し

KT，VBはCa/sol.Al比と相関を有し，VBはCa/sol.Al≧

た駆動系部品は，主として浸炭処理を施すことにより表面

0.1，KTはCa/sol.Al≒0.3で最も良好な特性が得られに深さ1mm程度の硬化層が付加される。一方，部品内部た。

は浸炭後の焼き入れ処理時に部品の化学成分，冷却速度に

2）上記の効果は，溶製時のCaとsol.Alのバランスに起因応じた硬さとなり，通常，その硬度は浸炭層に比べて大きして鋼中介在物の組成が変化したことに影響を受けたく低下する。したがって，実質的な部品の疲労強度は表面ものと推測された。すなわち，Ca/sol.Alが低い領域での浸炭層部が担うものと推定できる。仮に表面の浸炭層深さ

は硬質かつ高融点のAl 2O 3が生成して超硬工具旋削時を1mmと仮定すると，疲労寿命における時間強度域に相当の工具摩耗が増大しやすく，一方，Ca/sol.Alが高い領する10 6 サイクルで破断に至る場合の疲労亀裂伝播速度域ではAl 2 O 3 に比して低融点のCaO-Al 2 O 3 ，CaO-

da/dNは10 m/cycleに相当する。そこで，Fig.10において

Al2O3-SiO2が生成し，かつ硫化物中のCa量が増大する

da/dN＝10 m/cycle付近の応力拡大係数幅 ∆ Kに注目することにより工具を被覆保護することで工具摩耗が抑制−9−9と，Ca-S含有鋼とPb鋼の ∆ Kに顕著な差は認められない。

されると推定した。

さらに10−9m/cycle以上の疲労亀裂進展曲線の傾きについ

3）Ca/sol.Al比を0.3程度に設定し，0.06mass%Sを添加ても，Ca-S鋼とPb鋼ではほぼ同等とみなすことができる。

したCa-S含有鋼において，その疲労亀裂伝播特性はしたがって，Sを0.06%程度まで含有するCa，S含有はだ

Pb鋼（0.06mass%Pb）と同等であった。したがって，焼鋼の疲労亀裂伝播特性に及ぼす硫化物（MnSもしくは浸炭層高硬度域において硫化物が疲労亀裂伝播に及ぼ（Ca，Mn）S）の影響は小さいと推測される。

す影響は小さいと考えられた。

10−3

90°
2- φ 12.7
da/dN（m/cycle）

3 10

30.5
30.5

14
14
15

Steel H（Ca＋0.06S）
Steel I（Ca＋0.03S）
Steel J（0.06Pb）

10−4
10−5

a：fatigue crack length
N：cycles

10−6
10−7
10−8
Test piece hardness≒740HV
Direction of crack propagation：transverse direction

10−9

12.7

50.8

10−10
3

63.5

4

5

6 7 8 9 102030

∆ K（MPa･√m）
Fig.9. Test piece for fatigue crack propagation test.

Fig.10. Fatigue crack propagation test results forleaded and Ca treated resulferized steel.

Table5. Chemical compositions of steels for fatigue crack propagation test（mass%）
Steel

C

Si

Mn

S

Cr

sol.Al

Pb

Ca

O

N

Ca/sol.Al

H

0.79

0.16

1.03

0.060

1.24

0.009

−

0.00320.00080.0116

0.36

I

0.80

0.14

0.98

0.028

1.26

0.010

−

0.00320.00100.0108

0.32

J

0.80

0.30

0.87

0.014

1.27

0.017

0.06

−

0.00150.0108−55

Sanyo Technical Report Vol.11 (2004) No.1

Ca-S鋼の耐超硬工具摩耗特性および疲労亀裂伝播特性4）開発したCa，S含有はだ焼鋼は，被削性や疲労特性の4）S.M.Pytel, C.I.Garcia, and A.J.DeArdo: SAE Tech. Pap. Ser.,

観点から，従来使用されているPb鋼に代わり，駆動系

930964 （1993）.

部品用途に適用できる可能性が高いことが確認され5）佐田登志夫，宮下芳雄，西川勝彦，奈良修録，耳野亨: 鉄と鋼，57

た。

（1971），589.

文

献

■著者

1）藤松威史，常陰典正，平岡和彦: 材料とプロセス，16 （2003），1440.
2）小川兼弘，山中量一，小山伸二，佐々木敏彦: 神戸製鋼技報，41（1991），65.
3）川上平次郎，古沢貞良，竹下秀男，佐々木敏彦: 神戸製鋼技報，31

藤松（1981），42.

56

威史

常陰

典正

平岡

和彦

Sanyo Technical Report Vol.11 (2004) No.1