JP2003049241A

JP2003049241A - 快削鋼

Info

Publication number: JP2003049241A
Application number: JP2002128943A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Hayaishi; 正和速石; Yutaka Kurebayashi; 豊紅林
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2003-02-21
Also published as: US20030072672A1; EP1262573A1; US6773661B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｔｉおよび（または）Ｚｒの炭硫化物を介在
物として含有する快削鋼において、旋削性とドリル被削
性とがともにすぐれているものを提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０５〜０．８０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、
Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ：０．０３〜１．２％およびＳ：
０．０１５〜０．６％を含有し、残部がＦｅおよび不可
避な不純物からなる合金組成を有し、Ｔｉ，Ｚｒおよび
Ｓの含有量が、（Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ）／Ｓ＜２の条件
を満たしている快削鋼。Ｃａ：０．０００５〜０．０２
％および（または）Ｍｇ：０．０００３〜０．０２％を
含有するものは、いっそうすぐれた被削性を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、快削鋼に関する。
詳しくは、旋削性とドリル被削性とが、ともにすぐれて
いる快削鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械構造用鋼の一種として、高い機械加
工性を実現した鋼には、鉛快削鋼、イオウ快削鋼、カル
シウム快削鋼などの種々のものがある。最近では、Ｐｂ
快削鋼は、高い被削性を、鋼の機械的性質を犠牲にする
ことなく達成できる点で、すぐれたものである。しか
し、近年では、Ｐｂの環境への悪影響を考慮して、快削
元素としてＰｂを使用することは敬遠されがちであっ
て、Ｐｂフリーの、またはＰｂ含有量を低減した快削鋼
の開発が続けられている。

【０００３】Ｐｂによる被削性改善に頼らない快削鋼の
ひとつに、マトリクスにＴｉおよび（または）Ｚｒの炭
硫化物系介在物を析出させるように合金設計された鋼が
ある。この種の快削鋼は、たとえばイオウ快削鋼に比べ
ると、その旋削性はすぐれているものの、ドリル被削性
は劣る、という弱点がある。

【０００４】発明者らは、Ｔｉおよび（または）Ｚｒの
炭硫化物（以下の記述においては、これを「Ｔｉの炭硫
化物」で代表させる。主としてＴｉ₄Ｃ₂Ｓ₂で表される
形の化合物である。）が析出している快削鋼に関して、
そのすぐれた旋削性を維持しながら、ドリル被削性を改
善する方策を追求して研究した。発明者らが考察したと
ころは、つぎのとおりである。

【０００５】（１）よく知られているように、鋼を切削
加工するときには、摩擦による発熱で鋼中の快削成分が
溶融ないし軟化し、それが潤滑剤として機能することに
より、バイト刃先と対象鋼の切削部との間の摩擦抵抗が
ある程度低減して、切削加工が進行する。たとえば外周
加工のような旋削の場合には、鋼とバイト刃先との摩擦
発熱が非常に大きいので、快削成分が比較的高融点であ
っても、溶融ないし軟化することができる。ところが、
ドリル被削の場合、回転数が旋削と同じであっても、一
般にドリル径は小さいから、ドリルと鋼との摩擦による
発熱は小さく、そのため快削成分が比較的高融点である
ときは、溶融ないし軟化しない。

【０００６】（２）Ｔｉの炭硫化物が析出している快削
鋼の場合、イオウ快削鋼に比べて旋削性はすぐれている
が、ドリル被削性に劣るという現象は、この鋼の快削成
分であるＴｉの炭硫化物が、イオウ快削鋼の快削成分で
あるＭｎＳに比べて、その融点が高いからであると考え
られる。

【０００７】（３）旋削とドリル切削との、いまひとつ
のちがいとして、工具の硬さの差が挙げられる。旋削に
使用するバイトは通常、超硬工具で製造され、その硬さ
がＨＶ２０００以上あるのに対し、ドリルはハイスで製
造され、その硬さはＨＶ１０００程度である。Ｔｉの炭
硫化物の硬さは、おおむねＨＶ８００〜１０００であっ
て、ハイスと大差ないから、切削時にこれが十分に軟化
していなければ、ドリルを摩耗させることは明らかであ
る。

【０００８】（４）したがって、Ｔｉの炭硫化物のみで
はドリル被削性を高めることができない。適正な量のＭ
ｎＳをＴｉの炭硫化物と共存させ、ＭｎＳでドリル被削
性を高めることにより、上記の問題が解決できるのでは
ないかと考えられる。ＭｎＳは柔らかく（ＨＶ１５０程
度）、軟化していない状態でも、ドリルを摩耗させるこ
とが少ない。

【０００９】このような考察にもとづき、発明者らは、
Ｔｉおよび（または）ＺｒとＳとの量的関係が、旋削性
とドリル被削性に与える影響について調査した。その結
果、質量％の含有量にして、Ｔｉ［％］と０．５２Ｚｒ
［％］とが等価であり、Ｔｉ＋０．５２ＺｒのＳに対す
る割合が２未満であることが、Ｔｉの炭硫化物の生成量
と、ＭｎＳの生成量との好ましいバランスを実現する上
で有用であることを見出した。

【００１０】発明者らはまた、高いドリル被削性をもた
らすＭｎＳの好適な組成に関しても研究した。その結
果、ＣａやＭｇが固溶したＭｎＳ、すなわち(Ｍｎ，Ｃ
ａ，Ｍｇ)Ｓが、被削性を高めるのに有効であるとの知
見を得た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｔｉ
の炭硫化物を介在物として含有し、それによる被削性の
改善を利用する快削鋼における、旋削性は高いがドリル
被削性が劣る、という問題を解決し、旋削性とドリル被
削性とがともにすぐれている快削鋼を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の、旋削性とドリ
ル被削性とがともにすぐれている快削鋼は、基本的合金
組成として、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．８０％、Ｓ
ｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｔ
ｉ＋０．５２Ｚｒ：０．０３〜１．２％，Ｓ：０．０１
５〜０．６％およびを含有し、残部がＦｅおよび不可避
な不純物とからなる合金組成を有し、Ｔｉ，Ｚｒおよび
Ｓの含有量が、（Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ）／Ｓ＜２の条件を満たしていることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施態様】本発明の快削鋼は、上記した基本的
な合金成分に加えて、下記のグループに属する元素の一
つまたは二つ以上を含有することができる。（１）Ｃａ：０．０００５〜０．０２％およびＭｇ：
０．０００３〜０．０２％の１種または２種（２）Ｂ：０．０００３〜０．０１％（３）Ｃｒ：３．５％以下、Ｎｉ：４．０％以下、Ｃ
ｕ：２．０％以下、およびＭｏ：２．０％以下からなる
グループから選んだ１種または２種以上（４）Ｓｅ：０．００５〜０．４％、Ｔｅ：０．００５
〜０．１％、Ｐｂ：０．４％以下およびＢｉ：０．４％
以下からなるグループから選んだ１種または２種以上（５）Ｖ：０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下およびＴ
ａ：０．５％以下からなるグループから選んだ１種また
は２種以上

【００１４】本発明の快削鋼においては、マトリクスの
中にＴｉの炭硫化物とＭｎＳと、二種の介在物が生成
し、分散状態で共存している。Ｃａおよび（または）Ｍ
ｇが存在する場合、ＭｎＳの中にこれらの元素が固溶し
ているから、後者の介在物は（Ｍｎ，Ｃａ，Ｍｇ）Ｓと
表現される。上述の説明から理解されるように、ＭｎＳ
または（Ｍｎ，Ｃａ，Ｍｇ）Ｓは、主として、ドリル被
削性を高めるための快削成分であり、またＴｉの炭硫化
物は、主として、良好な旋削性を確保するための快削成
分である。

【００１５】このような２種の介在物が共存する状態を
得るためには、Ｔｉ，ＺｒおよびＳの間で、（Ｔｉ＋
０．５２Ｚｒ）／Ｓ＜２の関係が成立する必要がある。
この関係が満たされていない場合、すなわち（Ｔｉ＋
０．５２Ｚｒ）に対するＳの量が十分高くない場合、Ｓ
の大部分がＴｉの炭硫化物として固定されてしまうた
め、ＭｎＳまたは（Ｍｎ，Ｃａ，Ｍｇ）Ｓが全く生成し
ないか、したとしても生成量が不足し、ドリル被削性を
高めることができない。

【００１６】Ｚｒに付した「０．５２」という係数は、
Ｔｉの原子量４７．９をＺｒの原子量９１．２で除した
値であり、この係数をＺｒの質量％に乗じるのは、上記
したＳとの量の関係で、０．５２ＺｒがＴｉと等価なた
めである。

【００１７】本発明の基本的合金組成の快削鋼における
各成分の役割と、組成範囲の限定理由について、以下に
説明する。

【００１８】Ｃ：０．０５〜０．８０％Ｃは、一部がＦｅへ固溶して強度を確保し、残部がＴ
ｉ、ＺｒおよびＳと結合して、Ｔｉの炭硫化物を生成さ
せて、旋削性を向上させる。Ｃの含有量が０．０５％未
満では、このような効果が得られない。一方、上限の
０．８０％を超えると、鋼の靭性および旋削性が低下す
る。

【００１９】Ｓｉ：０．０１〜２．５％Ｓｉは、鋼の溶製時に脱酸剤として添加され、また焼入
性を向上させる作用がある。その含有量が０．０１％未
満ではこれらの効果が得られない。２．５％を超えて含
有させると、延性が低下し、また、塑性加工時に割れが
発生しやすくなる。

【００２０】Ｍｎ：０．１〜３．５％Ｍｎは、Ｓと結合し、またはＣａおよび（または）Ｍｇ
が存在すればそれらとも結合して、ＭｎＳまたは（Ｍ
ｎ，Ｃａ）Ｓ、（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ、（Ｍｎ，Ｃａ，Ｍ
ｇ）Ｓを生成し、ドリル被削性を向上させる。このよう
な効果を得るには、その含有量が少なくとも０．１％な
ければならない。多量に存在すると、鋼の硬さが高くな
り旋削性が低下するので、その上限として３．５％を定
めた。

【００２１】Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ：０．０３〜１．２％ＴｉおよびＺｒは、ともにＣおよびＳと結合して炭硫化
物に転化し、旋削性の改善に役立つ。この作用は、Ｔｉ
のみが添加されていても、またＺｒのみが添加されてい
ても得られる。もちろん、両者が添加されていてもよ
い。Ｔｉ＋０．５２Ｚｒが０．０３％未満では、こうし
た効果が得られない。多量になると効果が飽和し、コス
ト面からも不利となるので、上限として１．２％を定め
た。

【００２２】Ｓ：０．０１５〜０．６％Ｓは、一部がＭｎと、またＣａおよび（または）Ｍｇが
存在する場合にはそれらと結合して、ＭｎＳ、または
（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ、（Ｍｎ，Ｍｇ）Ｓ、（Ｍｎ，Ｃａ，
Ｍｇ）Ｓを生成し、ドリル被削性を向上させる。残部
は、Ｔｉおよび（または）Ｚｒ，ならびにＣと結合し
て、炭硫化物を生成して旋削性を向上させるのに役立
つ。Ｓの含有量が０．０１５％未満では、上記した効果
を得ることができず、一方、０．６％を超えると、著し
い熱間加工性の低下を招く。

【００２３】本発明の快削鋼において、上記した基本的
な合金成分に加えて任意に添加することのできる合金成
分の作用と、組成範囲の限定理由は、つぎのとおりであ
る。

【００２４】Ｃａ：０．０００５〜０．０２％ＣａはＭｎＳに固溶し、（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ、または（Ｍ
ｎ，Ｃａ，Ｍｇ）Ｓを生成させてドリル被削性を向上さ
せる。その含有量が０．０００５％に達しないと、この
効果は得られない。０．０２％を超えると高融点の化合
物ＣａＳが生成し、これが鋳造工程でノズルを閉鎖させ
るなどの障害をもたらすことがある。

【００２５】Ｍｇ：０．０００３〜０．０２％Ｍｇもまた、Ｃａと同様、ＭｎＳに固溶し、（Ｍｎ，Ｍ
ｇ）Ｓまたは（Ｍｎ，Ｃａ，Ｍｇ）Ｓを生成させてドリ
ル被削性を向上させる。その含有量が０．０００３％に
達しないと、この効果は得られない。０．０２％を超え
ると、溶解や圧延の製造性が著しく低下する。

【００２６】Ｂ：０．０００３〜０．０１％Ｂは、焼入性を向上させるために有効な成分であり、
０．０００３％程度の少量の添加で、その効果が認めら
れる。多量に添加すると、結晶粒の粗大化を引き起こ
し、かつ熱間加工時に割れが多発するようになるので、
その上限を０．０１％とする。

【００２７】焼入性の向上は、機械構造用鋼においてし
ばしば求められることであり、この目的を達成するた
め、Ｂの添加が行なわれる。Ｂの効果は、Ｂがフリーの
形でマトリクス中に固溶していないと得られないから、
Ｂと結合して化合物をつくりやすいＮおよびＯを、他の
元素で固定する必要がある。本発明においては、Ｔｉが
Ｎを固定する。Ｏは、鋼にＡｌが含まれていればそれが
固定する。

【００２８】Ｃｒ：３．５％以下Ｃｒは、焼入性を向上させるために有効な成分である。
多量に添加することはコスト面で不利であり、また熱間
加工時に割れが多発するようになるので、その含有量を
３．５％以下とする。

【００２９】Ｎｉ：４．０％以下Ｎｉは、Ｃｒと同様に、焼入性を向上させるために有効
な成分である。これも多量の添加はコスト面で不利であ
り、また旋削性の低下を招くので、その含有量を４．０
％以下とする。

【００３０】Ｃｕ：２．０％以下Ｃｕは、組織を繊密にし、強度を向上させる成分であ
る。過大な添加は鋼の熱間加工性および旋削性の低下を
招くので、その含有量を２．０％以下とする。

【００３１】Ｓｅ：０．００５〜０．４％Ｓｅは、旋削性を向上させるための成分である。この効
果は、０．００５％未満では得られない。０．４質量％
を超えると、鋼の熱間加工性が低下して割れが多発す
る。

【００３２】Ｍｏ：２．０％以下Ｍｏは、Ｃｒと同様に、焼入性を向上させるうえで有効
な成分である。多量に添加することはコスト面において
不利であり、旋削性の低下を招くとともに、熱間加エ時
に割れが多発するようになる。したがって、その含有量
の上限として２．０％を設けた。

【００３３】Ｔｅ：０．００５〜０．１％Ｔｅは、旋削性を向上させる成分である。この効果は、
０．００５％未満の添加では得られない。添加量を増す
と鋼の熱間加工性が低下して割れを多発するので、上限
値の０．１％までの添加に止める。

【００３４】Ｐｂ：０．４％以下Ｐｂは、旋削性とドリル被削性の両方を向上させる成分
である。鋼中においては、単独で、または硫化物の外周
に付着するような形態で存在し、融点が低いことから、
それ自身が旋削性とドリル被削性を向上させる効果を有
する。しかし、その大きな比重のために、過剰な分は凝
集、沈殿して鋼中の欠陥となるから、その含有量は０．
４％以下になる。環境への悪影響を懸念する場合には、
添加しない。

【００３５】Ｂｉ：０．４％以下Ｂｉは、Ｐｂと類似した性質を有し、旋削性とドリル被
削性をともに向上させることができる成分である。Ｂｉ
もまた、その大きな比重のために、過剰に添加した分は
凝集、沈殿して鋼中の欠陥となるので、その含有量の上
限を０．４％とする。

【００３６】Ｎｂ：０．２％以下Ｎｂは、高温における結晶粒の粗大化を防止する効果を
もつ成分である。多量に添加してもその効果が飽和する
ので、その含有量を０．２％以下とする。

【００３７】Ｖ：０．２％以下Ｖは、Ｃと結合して炭化物を生成することにより、結晶
粒を微細化し、靭性を向上させる。多量に添加してもそ
の効果が飽和するので、その含有量を０．２％以下とす
る。

【００３８】Ｔａ：０．５％以下Ｔａもまた、結晶粒を微細化し、靭性を向上させるうえ
で有効な成分である。多量に添加してもその効果が飽和
するので、その含有量を０．５％以下とする。

【００３９】本発明の快削鋼には、さまざまな鋼種が包
含されるが、実用上重要なものを挙げれば、Ｓ４５Ｃ
（高炭素鋼）、Ｓ１５Ｃ（低炭素鋼）、ＳＣＲ４２０
（浸炭用鋼）およびＳＣＭ４４０（強靭鋼）などであ
る。

【００４０】

【実施例１〜４】容量１５０kgの高周波誘導炉を用い
て、上記した４鋼種の鋼を溶製し、インゴットに鋳造し
た。鋳造されたインゴットを鍛造して直径９０mmの丸棒
とし、８５０〜９００℃で焼ならしをした後、この丸棒
から、ドリル能率試験用の試験材(３０mm×８０mm角)
と、旋削寿命試験用の試験材(直径９０mm)とを切り出し
た。

【００４１】ドリル能率試験材を対象に、下記の条件で
ドリル能率試験(ＶＬ１０００)を行なった。ドリル寿命
が１０００mmとなる切削速度(m/min)を「ドリル能率」
とよび、これをドリル被削性評価の指標とした。値が大
きいほど、被削性は良好である。工具：ＳＫＨ５１（ハイス）ドリル径：５mm 送り：０．１mm/rev 加工穴深さ：２．０mm（非貫通孔）切削油：なし

【００４２】旋削寿命試験材を対象に、ＮＣ旋盤を用
い、下記の条件で旋削寿命試験（ＶＢ１００）を行なっ
た。工具横逃げ面の平均フランク摩耗幅が１００μmに
なるまでの旋削加工時間を「旋削寿命」とし、これを旋
削性評価の指標とした。値が大きいほど、被削性は良好
である。工具：超硬Ｐ１０切削速度：２００ｍ/分送り：０．２mm/rev 切込み：２．０mm 切削油：なし

【００４３】試験した鋼種はつぎの４種であり、その合
金組成（質量％、残部Ｆｅ）と、旋削寿命およびドリル
能率を、それぞれ下記の表にまとめて示す。各表におい
て、「Ｘ」の欄は、前記した（Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ）／
Ｓの値である。Ｓ４５Ｃ表１Ａ：実施例の合金組成表１Ｂ：実施例の試験結果（Ｘの値を含む）表２Ａ：比較例の合金組成表２Ｂ：比較例の試験結果（Ｘの値を含む）Ｓ１５Ｃ表３：実施例の合金組成および試験結果表４：比較例の合金組成および試験結果ＳＣＲ４２０表５：実施例の合金組成および試験結果表６：比較例の合金組成および試験結果ＳＣＭ４４０表７：実施例の合金組成および試験結果表８：比較例の合金組成および試験結果旋削寿命およびドリル能率に関しては、同一のＳ含有量
であるイオウ快削鋼と比較して、その結果によりつぎの
評価をした。 ○：改善あり △：同等 ×：改善なし

【００４４】

【００４５】表１ＢＳ４５Ｃ実施例

【００４６】

【００４７】表２ＢＳ４５Ｃ比較例

【００４８】

【００４９】

【００５０】

【００５１】

【００５２】

【００５３】

【００５４】鋼種Ｓ４５Ｃを対象とする実施例１につい
てみれば、表1Ａ〜２Ｂから以下のことが明らかであ
る。１）Ｃａ，Ｍｇを含有しない実施例１〜４と、含有する
実施例５〜７との比較をすると、後者において旋削性と
ドリル被削性がともに十分改善されているといえる。実
施例８〜１１は、快削元素を添加してあるので、Ｃａ，
Ｍｇを含有しないにもかかわらず、旋削性とドリル被削
性の両方とも高い。

【００５５】２）（Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ）／Ｓ値が２以
上である比較例１〜６および１１〜１４は、いずれも、
ドリル被削性が劣っている。ＴｉもＺｒも含有しない比
較例９および１０は、当然に被削性とくにドリル被削性
が低い。快削元素を添加した比較例１１〜１４において
も、改善がみられるのは、Ｐｂを添加した場合だけであ
る。

【００５６】同様な傾向は、他の鋼種を対象とする、実
施例２〜４のデータからもうかがえる。これらのデータ
から、（Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ）／Ｓ＜２の条件が重要で
あることと、Ｃａおよび（または）Ｍｇの添加が好まし
いこととが結論される。

【００５７】

【発明の効果】以上の説明したように、本発明の快削鋼
は、合金成分を選択し、かつ、Ｔｉ（Ｚｒ）およびＳの
間で、（Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ）／Ｓ＜２の条件が満たさ
れていることにより、２種の介在物すなわちＴｉの炭硫
化物と、ＭｎＳまたは（Ｍｎ，Ｃａ，Ｍｇ）Ｓとが、マ
トリクス内に生成し、分散して存在することにより、す
ぐれた旋削性とドリル能率とを、ともに発揮する。した
がって、この快削鋼で機械構造部品を製造すれば、工具
コストの低減および加工能率の向上が実現し、各種の部
品を廉価に提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０５〜０．８０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、
Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ：０．０３〜１．２％およびＳ：
０．０１５〜０．６％を含有し、残部がＦｅおよび不可
避な不純物からなる合金組成を有し、Ｔｉ，Ｚｒおよび
Ｓの含有量が、（Ｔｉ＋０．５２Ｚｒ）／Ｓ＜２の条件を満たしていることを特徴とする快削鋼。
【請求項２】合金が、さらにＣａ：０．０００５〜
０．０２％および（または）Ｍｇ：０．０００３〜０．
０２％を含有する請求項１の快削鋼。
【請求項３】合金が、さらにＢ：０．０００３〜０．
０１％を含有する請求項１の快削鋼。
【請求項４】合金が、さらにＣｒ：３．５％以下、Ｎ
ｉ：４．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下およびＭｏ：
２．０％以下からなるグループから選んだ１種または２
種以上を含有する請求項１の快削鋼。
【請求項５】合金が、さらにＳｅ：０．００５〜０．
４％、Ｔｅ：０．００５〜０．１％、Ｐｂ：０．４％以
下およびＢｉ：０．４％以下からなるグループから選ん
だ１種または２種以上を含有する請求項１の快削鋼。
【請求項６】合金が、さらにＶ：０．２％以下、Ｎ
ｂ：０．２％以下およびＴａ：０．５％以下からなるグ
ループから選んだ１種または２種以上を含有する請求項
１の快削鋼。