技術論文

PbフリーMg-Ca-S快削鋼の開発
常陰

典正*1・藤松威史*1・平岡和彦*2Development of unleaded magnesium-calcium-sulfur free cutting steel
Norimasa Tsunekage, Takeshi Fujimatsu and Kazuhiko Hiraoka

Synopsis: Unleaded magnesium(Mg)-calcium(Ca)-sulfur(S) free-cutting steel whose sulfide shape was controlled by both Mg
and Ca addition was developed. This paper shows how Mg-Ca-S free-cutting steel came about and the various
properties compared with leaded(Pb) free-cutting steels. The composition of sulfides in this steel is (Mn, Mg, Ca)S
with MgO-Al2O3 as nucleus. The impact anisotropy of the steel with 0.1 mass% S is better than ordinary S freecutting steel (same content of S, JASO-S2) with MnS. Further, the H. S. S. drill life, carbide tool wear resistance,and chip breakability of Mg-Ca-S free-cutting steel are equal to or even better than those of Pb free-cutting steel(0.17 mass% Pb, JASO-L2). It is found that the H. S. S. drilling property has large improving effect when it is cut atrelatively high cutting velocity. Further, the carbide tool wear is suppressed because the tool surface is covered
with (Mn, Mg, Ca)S.
Therefore, the Mg-Ca-S free-cutting steel has a possibility of a substitute for Pb free-cutting steel.
Keywords:free-cutting steel; magnesium; calcium; sulfur; lead; sulfide; drill life; tool wear; chip breakability; machinability;
impact anisotropy;

1．緒言と，①Pbに代表される低融点物質による溶融脆化型 4-6），②硫化物に代表される応力集中型7-9），③Ca系酸化物に代

近年，世界的な環境問題への関心の高まりに伴って，環表される工具表面保護型10,11），④Pに代表されるマトリッ

境負荷物質であるPb使用量削減の動きが活発化している。

クスおよび結晶粒界脆化型12），の4タイプとなる。中でも鉄鋼業界における主対象は自動車部品等に用いられるPb②応力集中型には様々な快削性物質が報告されており，特快削鋼であるが，現時点では法的規制は無く，EUのELVに硫化物系の欠点を形態制御によって改善するタイプのも（End of Life Vehicles）においても0.35mass%以下のPbのが代表的である。黒鉛に類似した六方晶BN13,14）析出タを含有する鋼材は例外的に規制対象外としている 1）。しか

イプでは，切削時の応力集中作用以外に層間剥離潤滑作用

し，数年毎の見直し時にこの例外措置が解除される可能性

や工具刃先に生成するAlN膜が摩耗を抑制する被削性改善があるため，Pb快削鋼の製造メーカーや需要家は早急に機構も報告されている15,16）。
Pb代替快削性物質の条件としては，Pbの特徴である

Pbフリー化に対応できる新たな快削技術を確立しておく「常温での機械的性質への悪影響が小さくハイスドリル寿必要がある。
このような状況の下，当社でもPbフリー快削鋼化の課

命や切屑処理性に優れること」がポイントとなるが，その題に取り組むこととし，1996年から愛知製鋼株式会社お他に環境負荷性，コスト，原料調達性，安定製造性への考

よび株式会社豊田中央研究所と共同研究を開始した。本報慮も要求される。また，個々の部品毎にPbフリー化を検では，Pbフリー快削鋼開発の経緯，ならびに開発した硫討する場合には，鋼材の基本化学成分を大幅に変更したり，

化物形態制御型Mg-Ca-S快削鋼2,3）の紹介を行う。

新たな熱処理を付与してミクロ組織を適正化することも可能であるが，汎用的なPbフリー快削鋼として利用するた

2．Pb代替快削性物質の検討

めには，Pbから他の快削性物質への置換のみで対応できることが望ましい。もちろん，それぞれの快削性物質によ

従来から報告されている快削性物質の特徴をTable1にり被削性改善機構が異なれば，最適な切削条件（切削速度，まとめる。快削性物質を被削性改善機構で大きく分類する

送り等）が存在するはずで，ある程度の模索が必要であろう。

*1 研究・開発センター*2 研究・開発センター

軸受・構造用鋼グループ
軸受・構造用鋼グループ長

35

Sanyo Technical Report Vol.10 (2003) No.1

PbフリーMg-Ca-S快削鋼の開発

Table1.
Low melting

Examples of free-cutting additives and their characteristics.
Sulfide type

Shape

Graphite typecontrolled

point type

Oxides with low

Brittle matrix

melting point

type

CaO-Al2O3-SiO2

P，Sn

sulfide type
Typical

Pb，Bi

MnS

additives

Ca，Zr，Ti，

Graphite，

Se，Te

h-BN

Mechanisms･Brittleness by・Stress（similar to・Stress

・Protective

・Brittleness ofof improving

melting metal

concentration

sulfide type）

concentration

coating on tool

matrixmachinability

・Lubricant

・Lubricant

・Shape and・Lubrication

surface

Good

Especially，

dispersion
control
Machinability

Especially，Good

Equal to or

excellent H. S.

machinability inbetter thanmachinability in excellent carbide

machinability inS. drill life andvarious cutting

sulfide typevarious cutting

various cutting

chip

conditions

tool life

conditions

Good

conditions

breakability
Improvement of ･Deterioration of

MechanicalEqual to theLargepropertybase steel atmechanicalroom temp.

anisotropy

anisotropy

strength

Equal to base･Deterioration ofsteel

ductility

Ordinary，it isDifficulty to（graphite）･Change of
hardenability（h-BN）

Note

High cost and

Low cost anddifficulty ofeasy tosupply with raw

industrial use

Toxicity and･Necessity ofhigh cost（some heat treatment used with Pb andelements）

to graphitize

recycleS.

（graphite）

material（Bi）･Restriction on
BN content（h-BN）

被削性改善機構の面からPb代替快削性物質を検討する

一方，代表的な硫化物系介在物であるMnSは安価で工業場合，当然Pbと同様の低融点物質系が有望と考えられる。

的にも利用し易いため，従来からPbと同様に快削性物質

そこで，a） 低融点物質であること，b） 明らかな有毒物

として多く利用されている。MnSは低温から高温まで比較

質ではないこと，c） Feへの固溶度がほとんどないことを的安定して鋼中に存在し，どのような温度域でもMnSが応条件に，文献調査によってスクリーニングし，残った元素

力集中源として働くため，広範な切削条件で被削性改善効や化合物について可能な限り鋼中への添加実験を行ったと果を示す。しかしながら，さらなる被削性の向上を図ってころ，鋼中に均一微細分散させることが可能な物質はBiのMnSを大量に含有させた場合，機械的性質への悪影響が増がBi添大する。特に，MnSは熱間圧延や鍛造時に延伸するため，加鋼の機械的性質や被削性を詳細に検討した結果，Pb単

衝撃特性の異方性を増大させることが大きな問題となる。

独の代替には約1/4〜1/5のBi量，S-Ca-Pb複合の場合にしたがって，硫化物系を利用する場合，熱間加工におけるは約1/2のBi量でPbフリー化できることが明らかになっ硫化物の延伸を抑制すること，すなわち硫化物形態制御にた。なお，BiはPbと物理的および化学的性質が類似してい

よって機械的性質の低下を抑制し，S含有量で被削性を調るため，Pb同様に毒性が疑われる。共同研究では，Biの毒整することが開発基本方針となる。硫化物形態制御（分散性に関する調査も行っているが，Biが明らかに有害である制御も含めて）によって機械的性質の改善のみならず，被という事実は掴めず，またBi化合物を薬として服用すると削性をも改善できればS含有量抑制が可能となる。

みであった。そこで，共同研究メンバーの岩間ら

17）もあることから，環境負荷の観点からは使用

そこで，共同研究では硫化物形態制御型快削鋼の開発に可能と考えられる。ただし，BiにはTable1 note欄に示しも着手した。硫化物形態制御の手段としては硫化物の晶出

たように，コストや原料調達の点ではクリアすべき課題が核となる酸化物を利用する方法と，硫化物自体の組成を変ある。

化させる方法が挙げられる。通常，硫化物形成能の高い元

いう事例

18）

36

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PbフリーMg-Ca-S快削鋼の開発

素は酸化物形成能が高い場合が多いため，本報では特に硫り，一部分断も認められるが，MC2鋼の硫化物は均一に化物形成傾向の強い元素に着目して文献調査を行った。こ分散し，且つ分断が起こっていないために比較的断面積がの場合，機械構造用鋼の硫化物基本組成は一般にMnSであ大きく保たれている。そこで，Mg，Ca添加によって硫化るため，Mnよりも硫化物形成傾向の強い元素であること

物の分散や形態が変化する理由を調べるために，MC2鋼を条件とした。その結果，硫化物形態制御型快削鋼として中の硫化物をEPMAで分析した。その結果をFig.2に示す。

19-23），

硫化物の中には高融点のMgO-Al 2O3のスピネル型酸化物

種々の元素が候補として挙げられた。そこで，低融点物質が存在し，これが核となって硫化物が晶出した結果，均一を検討した場合と同様に，鋼中への添加実験を繰り返して分散したものと考えられる。さらに，硫化物自体はMg，スクリーニングを行い，機械的性質や被削性を確認した結

Caを均一に固溶したMnSであり，通常のMnSよりも熱間果，Mg，Caを複合添加した硫化物形態制御鋼がPbフリー

強度が高い（変形能が低い）ために，鍛伸によって延伸し快削鋼としての可能性があることがわかった。

難く，分断も起こらなかったものと推定される。

3．硫化物分散および形態に及ぼすMg, Ca添加の影響

4．機械的性質に及ぼすMg, Ca添加の影響

既に幾つかの検討例が報告されているCaをはじめ

Fig.3にJIS S45Cを基本鋼としたMC2鋼（0.098
Fig.1にJASO S2鋼（約0.1mass％S）と，さらにMg，mass％S＋Mg，Ca）の引張特性（引張強さ，0.2%耐力，

Caを複合添加したMC2鋼（約0.1mass％S＋Mg，Ca）中伸び，絞り）を，S45C（0.020mass％S），Pb快削鋼でに存在する硫化物の光学顕微鏡写真を示す。両鋼ともJIS

あるJASO L2鋼（0.17mass％Pb，0.028mass％S），そSCr440を基本鋼としている。鋳込みままの硫化物を見る

してS2（0.105mass％S）鋼と比較して示す。これらはと，S2鋼では凝固組織の影響を受け，いわゆる2型硫化焼入焼戻しによって硬さを約23HRCに調整している。

24）

として偏在しているのに対して，MC2鋼では3型硫

Fig.3から鋼種間の差は特に認められず，MC2鋼中の硫化化物となり比較的均一に分散している。熱間鍛伸材の物は他の鋼中介在物と同様，これらの引張特性に影響を及物

24）

場合を見ると，S2鋼の硫化物は偏在したまま延伸しておぼしていないことがわかる。

As Forged

MC2

S2

As Cast25 µ m25 µ m

Fig.1. Optical micrographs of sulfides.（SCr440）

Ca

S

5µ m

O

Mn

Mg
Al

Fig.2. EPMA line scanning of the sulfide inclusion in MC2.（SCr440）

37

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PbフリーMg-Ca-S快削鋼の開発

100
TS

RA

80
60
50

600

40
400

Transverse

90
70

800

30
20

200

10
0

Longitudinal

160

0.3

80

0.2

40

0.1
0.0

0

S45C L2 S2 MC 2

S45C

Fig.3. Comparison of tensile properties.
（JIS No.4 test piece, S45C QT）

0.4

120

0
S45C L2 S2 MC 2

0.5

200

Transverse/Longitudinal
Charpy impact value

EL

Charpy impact value（J/cm2）

TS・YS（MPa）

1000

YS

EL・RA（％）

1200

L2

S2

MC2

Fig.5. Comparison of Charpy impact properties.
（JIS 2mm U-notch test piece, Roomtemp.,
S45C QT）

次に，機械構造用部品の多くが疲労強度設計されていることを考慮して，MC2鋼とL2鋼の小野式回転曲げ疲労試

ることがわかる。これは，硫化物の個数，長径，アスペク

験（平滑試験片）を行った。その結果，Fig.4に示すよう

ト比（長径／短径）で説明が可能と考えられる2）。新堂ら25）に両鋼共に同等のS-Nカーブを示しており、MC2鋼とL2もMg-Ca添加によってT方向衝撃値が向上する傾向を認め

鋼の疲労限度は同等であることが確認された。

ており，その結果を硫化物のアスペクト比，体積率，分布均一度なる指標で整理している。Fig.6に，衝撃異方性とS含有量の関係に及ぼすMg-Ca添加の影響を示す。ここで800

は，JASO ASVa45Cフェライト・パーライト型非調質鋼

700

るが，Mg-Ca添加鋼では同一S量でも異方性が改善されるため，被削性に有効なSの増量が可能になることがわかる。

Fatigue limit
L2 : 478（MPa）
MC2 : 508（MPa）

600

0.8
500
Transverse/Ｌongitudinal
Charpy impact value

Stress amplitude（MPa）

を基本鋼としている。S量増加と共に衝撃異方性は劣化す

S45C-L2
S45C-MC2

400

300
104

105

106

107

Cycles to failure
Fig.4. SN diagram of rotating bending fatigue test.
（Unnotch test piece, Parallel part φ 8mm,
S45C QT）

0.6
Mg, Ca added
0.4

0.2
Mg, Ca non-added
0
0.00

一方，前述したように硫化物系快削鋼で最も大きな欠点

0.10

0.20

0.30

S content（mass％）

は衝撃特性の異方性である。Fig.5は，各鋼種のL方向（鍛Fig.6. Influence of S content and Mg, Ca addition on
impact anisotropy.
（JIS 2mm U-notch test piece, Room temp.,
ASVa45C）

伸方向の試験片）およびT方向（鍛伸方向と直角方向の試験片）のシャルピー衝撃値と，衝撃異方性（T方向衝撃
値／L方向衝撃値）を示している。MC2鋼の衝撃値は，
S45C基本鋼やL2鋼と比較すると低下しているが，S2鋼と比較するとT方向衝撃値および衝撃異方性が向上してい38

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5．被削性に及ぼすMg，Ca添加の影響

Ca複合添加による硫化物の物性，分布，形態，個数，大きさ 2）等の変化が影響しているものと考えられる。また，

被削性評価のために，上述のS45Cを基本鋼とした焼入家口ら26）もMg-Ca複合添加によるドリル寿命向上やドリ

焼戻し材を用いてハイスドリル寿命，旋削超硬工具摩耗特

ル切削抵抗の低減を報告しており，この改善機構として，性，および超硬工具切屑処理性に及ぼす各種快削性物質の酸化物の硫化物中への内包による無害化や硫化物の形態制影響を比較した。それぞれの切削試験条件をTable2に示御の可能性を指摘している。

す。この場合の被削性目標はL2鋼である。Fig.7にハイス

Fig.8に旋削超硬工具摩耗試験結果を示す。S45Cと比ドリル寿命に及ぼす切削速度の影響を示す。S45Cと比較

較してL2鋼は逃げ面摩耗の抑制効果が認められるが，さしてS2鋼やL2鋼は大幅にハイスドリル寿命が向上していらにMC2鋼は逃げ面摩耗，すくい面摩耗共に最も少なく，る。一方，MC2鋼はS2鋼と同等のS含有量であるにもかかわらず，さらにドリル寿命が優れており，また高速切削

0.10
Flank wear（mm）

側になるほどその有効性が大きくなることがわかる。

0.06

S45C
S45C-L2
S45C-S2
S45C-MC2

0.04
0.02
0.00

102

10
0.020

S45C
S45C-S2
S45C-CS2

Crater depth（mm）

Drill life（Number of holes）

103

0.08

S45C-MC2S45C-L2

101

100
20

30

40
50
60
70
Cutting speed（m/min）

80

102

0.016
0.012
0.008
0.004
0.000
10

90

103

102
Cutting time（s）

103

Fig.8. Relationship between carbide tool wear andcutting time.（S45C QT）

Fig.7. Influence of cutting speed on drill life.
（S45C QT）

極めて耐工具摩耗性に優れていることがわかる。Fig.9はなお，比較材であるCS2鋼（0.115mass％S＋Ca）の旋削後の工具刃先をEPMA分析した結果である。Fig.9よドリル寿命はS2鋼と同等であり，Ca添加の優位性は見らり，すくい面の摩耗部分には硫化物と同様の組成のMn，れなかった。また，Caの代わりにMgを単独で添加した場

Mg，Ca，Sが多く付着しており，逃げ面でも同様な付着合でも同様な傾向であることを確認している。すなわち，物が観察された。なお，S2鋼でも硫化物と同じ組成の付Ca，Mg単独添加では効果が現れず，Mg-Caを複合添加し着物は確認されたが，MC2鋼ではCaやMgを含有することた場合に，同一S量でハイスドリル寿命を改善できること

で工具耐摩耗抑制効果が向上したものと推定される。さらがわかった。この理由は今後の検討課題であるが，Mg-に，工具摩耗部分にはAlも僅かであるが観察された。このTable2. Cutting conditions for machinability test.
Turning tool wear

Chip breakability

Tool

Drill life
SKH51，φ 5mm

P20（carbide），0.4mmR

P20（carbide），0.4mmR

Cutting speed

30〜80 m/min

150 m/min

150 m/minFeed rate

0.2 mm/rev

0.2 mm/rev

0.15，0.20，0.30 mm/rev

Depth of cut

15mm（Depth of hole）

0.5 mm

0.5 mm

Cutting fluid

None（Dry）

None（Dry）

None（Dry）

39

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BEI

Mn

Mg

Ca

S

Al

N

O

Fig.9. EPMA mapping of the rake face of the carbide tool after turning for 360 sec.（MC2）0.20 mm/rev

0.30 mm/rev

S45C-MC2S45C-S2

S45C-L2

S45C

Feed rate：0.15 mm/rev

10mm
Fig.10. Chips of carbide tool turning.（S45C QT）

Alの化合物組成は酸化物と窒化物が考えられるが，S快削

Fig.10は超硬工具旋削時の切屑写真を示している。前述

鋼へのCa添加によって超硬工具刃先に付着するAlN量が増のようにPb添加の最大の利点は切屑の分断効果であるが，加することを以前に報告しており23），Mg-Ca添加でも同様

本切削条件においてはMC2鋼の切屑形状もL2鋼とほぼ同な現象が起こっているものと考えられる。つまり，硫化物様であり切屑処理性も良好であることがわかる。この理由

のみならず窒化物の付着による工具被覆も耐工具摩耗性をも，ドリル寿命と同じく硫化物の存在状態に起因するもの

改善した理由と推定される。

と考えられる。

40

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PbフリーMg-Ca-S快削鋼の開発

6．結言

9）赤沢正久：第96，97回

西山記念講座，日本鉄鋼協会，（1984），99.

環境負荷物質であるPbに代替できる快削性物質を模索

10）伊藤哲朗：精密機械，49，（1983），124.

するために，切削機構の観点から文献等の資料調査を行い，溶製実験によるスクリーニングを繰り返した結果，Mg-11）大野鐵：第96，97回

西山記念講座，日本鉄鋼協会，（1984），

157.

Ca系硫化物が有望であることがわかった。この硫化物を

12）J. McManus：Metal. Prog.，89，（1966），68.

利用したMg-Ca-S快削鋼（約0.1mass%S）の諸特性を，

13）羽生田智紀，中村貞行：電気製鋼，65，（1993），4.

同一S量のS快削鋼およびPb快削鋼（0.17mass%Pb）と14）片山昌，浅野厳之，橋村雅之：材料とプロセス，5，（1992），847.

比較した結果を以下にまとめる。

15）山根八洲男，田中隆太郎，鳴瀧則彦：精密工学会誌，64，(1998)，

1）Mg-Ca-S快削鋼の引張特性や疲労強度はPb快削鋼と1370.

同等である。

16）山根八洲男，田中隆太郎，関谷克彦，鳴瀧則彦，白神哲夫：精密工学

2）Mg-Ca-S快削鋼の衝撃異方性は，Pb快削鋼に及ばな

会誌，66，（2000），229.

いがS快削鋼よりも改善される。

17）岩間直樹，内山雅夫，大脇進，熊谷憲一，大庫和孝，内藤国雄：材料

3）ドリル寿命，超硬工具耐摩耗性，そして切屑処理性は，とプロセス，12，（1999），1387.

Pb快削鋼と同等あるいはそれ以上である。特に高速切18）和田攻：金属とヒト，朝倉書店，（1992），274.

削時の工具寿命が良好である。

19）N. Tsunekage and H. Tsubakino：ISIJ International，41，（2001），

以上の結果から，Mg-Ca-S快削鋼はS含有量の調整によ

498.

ってPb快削鋼代替に利用できる可能性が高く，さらに，工具寿命に優れる新快削鋼としての利用も有効であると考20）小川兼広，山中量一，小山伸二，佐々木俊彦：R&D 神戸製鋼技報，
41，（1991），65.

えられる。

21）狩野隆，次井慶介，中村貞行：電気製鋼，71，（2000），89.
22）常陰典正：機械技術，48，（2000），41.

文

献23）N. Tsunekage, K. Kobayashi, and H. Tsubakino：Proceedings of
The International Conference on Steel and Society，The Iron and

1）G. Bernsmann, M. Bleymehl, R. Ehl and A. Hassler : Stahl und

Steel Institute of Japan，（2000），299.

Eisen，121，（2001），87．

24）C. E. Sims and F. B. Dahle : Trans. A. F. A.，46，（1938），65.

2）常陰典正，平岡和彦，小林一博，内山雅夫，岩間直樹，森元秀，大庫25）新堂陽介，家口浩，土田武広，染川雅実，鹿礒正人：材料とプロセス，

和孝：材料とプロセス，15，（2001），1233.

14，（2001），706.

3）佐藤公保，加藤英久，岩間直樹，常陰典正，小林一博，森元秀，大庫26）家口浩，新堂陽介，土田武広，坂本浩一，染川雅実，鹿礒正人：材料

和孝：材料とプロセス，15，（2001），1234.

とプロセス，14，（2001），1235.

4）染川雅実，鹿礒正人，松島義武，家口浩：R&D 神戸製鋼技報，51，■著者（2001），13.
5）家口浩：鉄と鋼，77，（1991），683.
6）木村篤良：第96，97回

西山記念講座，日本鉄鋼協会，（1984），

129.
7）成田貴一，山口喜弘，八木直臣，下畑隆司：鉄と鋼，62，（1976），885.
8）木村篤良：特殊鋼，35，（1986）
，16.

常陰

41

典正

藤松

威史

平岡

和彦

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