JP2007239015A - 低炭素硫黄快削鋼材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C<0.05%、Si<0.05%、Mn:0.7〜2.2%、P:0.03〜0.20%、S:0.40%を超えて0.70%未満、Al<0.005%、O:0.0050〜0.0380%、N:0.0020〜0.0250%を含有し、残部はFeと不純物からなり、不純物中のCa、Mg、Ti、Zr及びREMが、Ca<0.001%、Mg<0.001%、Ti<0.002%、Zr<0.002%、REM<0.001%であって、かつ、0.010<O/S<0.080及び2.5<Mn/(S+O)<4.0を満たす低炭素硫黄快削鋼材。Te≦0.05%、Bi≦0.15%及びSe<0.30%のうちの1種以上を含有していてもよい。
【選択図】なし
Description
Ti(質量%)/S(質量%)<1・・・(i)、
Mn/S≧1・・・(ii)。
0.010<O/S<0.080・・・(1)
2.5<Mn/(S+O)<4.0・・・(2)
但し、(1)式及び(2)式中の元素記号は、その元素の質量%での鋼中含有量を表す。
Cは、鋼の強度及び被削性、なかでも仕上げ面粗さに大きな影響を及ぼす元素で、その含有量が0.05%以上の場合には、構成刃先の成長核が大きくなって構成刃先が成長しやすくなり、結果として仕上げ面粗さが大きくなってしまう。したがって、良好な仕上げ表面性状、つまり、小さな仕上げ面粗さを得るために、Cの含有量を0.05%未満とした。良好な仕上げ表面性状を得るという観点からは、Cの含有量は低ければ低いほど好ましいので、0.04%未満にするのがよい。なお、Cの含有量が0.03%以下であれば更に好ましい。しかしながら、Cの含有量があまりにも低くなると、製造コストが嵩むばかりか、優れた切り屑処理性を確保するために、伸線加工等の冷間加工の際に、大きな加工度を加えて硬さを上昇させなければならなくなるので好ましくない。良好な仕上げ表面性状と優れた切り屑処理性の確保という観点からの好ましいC含有量の下限は0.005%である。
Siは、フェライト中に固溶し、鋼の強度を高める作用を有するものの、強い脱酸作用があるので、0.05%以上含有させた場合には、Oの含有量が低くなり、このため、被削性、なかでも、仕上げ表面性状及び切り屑処理性を改善するために必要な前述のMnSの形態や分散状態を得ることができなくなる。したがって、Siの含有量を0.05%未満とした。なお、被削性をより改善するという点からは、Siの含有量は低いほど好ましいので、0.02%未満にするのがよい。なお、Siの含有量が0.01%未満であれば一層好ましい。
Mnは、SとともにMnSを形成して被削性に大きな影響を及ぼす重要な元素である。その含有量が0.7%未満では、熱間加工性を劣化させる。なお、MnはMnS形成元素であると同時に脱酸にも寄与するため、熱間加工性を改善する目的で単純にその含有量を高めただけでは前述のMnS形態や分散状態を得ることができない。このため、SやO(酸素)との質量バランスを十分に配慮したうえでMnを含有させなければならない。しかし、そうした場合であっても、Mnの含有量が2.2%を超えると、前述した所望のMnS形態や分散状態が得られないので、長い距離を切削した場合に、仕上げ面粗さが大きくなって表面性状が低下する。したがって、Mnの含有量を0.7〜2.2%とした。なお、より安定かつ確実に仕上げ面粗さの小さい良好な表面性状を得るためには、Mnの含有量は1.2〜1.8%であることが望ましい。
Pは、鋼の強度を高める作用を有する。このため、良好な仕上げ表面性状、つまり、小さな仕上げ面粗さを確保するためにCの含有量を低く抑える本発明の場合、最終製品としての小物部品の強度を保つためにPの含有量を0.03%以上とする必要がある。しかしながら、Pの含有量が過度になると鋼の強度が大きくなって被削性が低下し、特に、0.20%を超えると強度が高くなりすぎて被削性、なかでも仕上げ面性状の低下が著しくなる。また、Pの含有量が0.20%を超える場合には、熱間加工性も劣化する。したがって、Pの含有量を0.03〜0.20%とした。なお、より良好な被削性を確保するために、Pの含有量は0.05〜0.15%とすることが好ましい。
Sは、Mnとともに前記MnSを形成して良好な被削性を得るために、なかでも、仕上げ面粗さの小さい良好な表面性状及び優れた切り屑処理性を得るために必須の元素である。MnSによる被削性向上効果は、その生成量ばかりではなく形態及び分散状態に応じても変化する。そのために、Sの含有量とMn及びO(酸素)の含有量とのバランスが重要になるが、Sの含有量が0.40%以下では、たとえMn及びO(酸素)の含有量とのバランスを適正化しても、十分な量のMnSが得られず、所望の良好な被削性、つまり、小さな仕上げ面粗さ及び良好な切り屑処理性を得るためのMnS形態と分散状態を得ることができない。なお、通常の場合にはSの含有量が0.35%を超えると熱間加工性が低下するため、鋳片内部における所謂「内部割れ」の要因となるが、Mn及びO(酸素)の含有量とのバランスを適正化することで、Sの含有量が0.35%を超える場合にも内部割れを引き起こすことなく、小さな仕上げ面粗さ及び良好な切り屑処理性を確保することができる。しかし、Sの含有量が0.70%を超える場合には、熱間延性の劣化を生じないようにMnを多量に含有させる必要があるが、Mnが脱酸元素として作用するために十分な酸素量を確保することができず、MnSの形態が損なわれ、実質的に、前述の所望するMnS形態及び分散状態を得ることが困難となる。更に、含有量で0.70%を超える過剰なSの添加は歩留まりの悪化によるコスト上昇に繋がる。したがって、Sの含有量を0.40%を超えて0.70%未満とした。
AlはO(酸素)との親和力が大きい強力な脱酸元素であり、0.005%以上含有される場合には、被削性を改善するのに適した前述のMnSの形態や分散状態更には酸化物組成を得ることができないので、所望の良好な被削性、つまり、小さな仕上げ面粗さを確保することができない。したがって、Alの含有量を0.005%未満とした。なお、AlはMnSの形態や分散状態、更には酸化物組成に大きな影響を及ぼすので、添加しないだけではなく、精錬時になるべく除去する必要がある。より優れた仕上げ面性状を得るために、Alの含有量は0.003%未満とすることが好ましく、0.002%未満とすれば一層好ましい。
O(酸素)は、その含有量を高めることによってMnSの形態を変化させ、被削性、なかでも仕上げ面粗さを改善することが可能である。しかしながら、単に脱酸元素を添加せずにOの含有量を高めただけでは、所望の良好な被削性、つまり、仕上げ面粗さの小さい良好な表面性状及び優れた切り屑処理性を得るために必要な前述したMnSの形態と分散状態を得ることができない。すなわち、Mn及びSの含有量とのバランスを適正化したうえで、Oの含有量を高めることによってMnSの形態と分散状態を変化させ、被削性を改善することができる。しかしながら、Oの含有量が0.0380%以上になると、たとえMn及びSの含有量とのバランスを適正化しても、前記所望のMnS形態や分散状態を得ることができないばかりか、粗大な酸化物が生成し、伸線加工を始めとする冷間加工時に割れを誘発する。一方、Oの含有量が0.0050%未満では、良好な仕上げ表面性状及び優れた切り屑処理性を得るために必要な前述したMnSの形態や分散状態を得ることができない。したがって、Oの含有量を0.0050%以上0.0380%未満とした。なお、Oの含有量は、所望のMnS形態や分散状態を安定して確保するために、0.0080〜0.0280%とすることが望ましい。
本発明においては、AlやTiを実質的に含有しないので、硬質のAlやTiの窒化物がほとんど形成されないため、Nは、フェライト中に固溶した状態で存在する。このフェライトに固溶したNは、MnSの形態にさほど影響を与えることなく鋼の強度を高め、これによって切り屑処理性を高める作用を有する。また、Nには、仕上げ面粗さを小さくする作用もある。しかしながら、Nの含有量が0.0020%未満の場合、十分な切り屑処理性と仕上げ面性状を得ることができない。一方、Nを0.0250%を超えて含有させても前記の効果が飽和するばかりでなく、製造コストの上昇をきたす。したがって、Nの含有量を0.0020〜0.0250%とした。より効果的に被削性、なかでも切り屑処理性と仕上げ面性状を向上させたい場合には、Nは0.0050%以上含有させることが好ましく、0.0095%以上含有させることが一層好ましい。
Ca、Mg、Ti、Zr及びREMは、いずれも、快削鋼材においては、被削性を改善するためにしばしば添加される元素である。しかし、上記のCaからREMまでの元素は、いずれも、Oとの親和力が大きいため、MnSの形態や酸化物組成及びこれらの介在物の分散状態に影響を及ぼし、被削性、なかでも100m/min以下の比較的低速領域での湿式条件下において、HSS工具を用いて切削したときの仕上げ表面性状を低下させてしまう。特に、不純物中に上記のCa、Mg、Ti、Zr及びREMについて、Ca、Mg及びREMのいずれかが0.001%以上、Ti及びZrのいずれかが0.002%以上含有される場合には、前記の切削速度領域でのHSS工具を用いた切削における仕上げ表面性状の低下が著しくなる。したがって、Ca、Mg、Ti、Zr及びREMの不純物中の含有量は、Ca:0.001%未満、Mg:0.001%未満、Ti:0.002%未満、Zr:0.002%未満及びREM:0.001%未満とする必要がある。不純物中の上記Ca、Mg、Ti、Zr及びREMの含有量は、Ca:0.0005%未満、Mg:0.0005%未満、Ti:0.0010%未満、Zr:0.0010%未満及びREM:0.0005%未満であることが好ましい。
上述した範囲のCからNまでの元素を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のCa、Mg、Ti、Zr及びREMが、Ca:0.001%未満、Mg:0.001%未満、Ti:0.002%未満、Zr:0.002%未満及びREM:0.001%未満である鋼材は、その「O/S」の値が0.010を超えて0.080未満の場合に、伸線加工を始めとする冷間での加工性が良好で割れを生じることもなく、しかも、100m/min以下の比較的低速領域でのHSS工具での切削で所望の仕上げ面粗さの小さい優れた表面性状を確保することができる。以下、このことについて説明する。
上述した範囲のCからNまでの元素を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のCa、Mg、Ti、Zr及びREMが、Ca:0.001%未満、Mg:0.001%未満、Ti:0.002%未満、Zr:0.002%未満及びREM:0.001%未満である鋼材は、その「Mn/(S+O)」の値が2.5を超えて4.0未満の場合に、良好な熱間加工性を有するので連続鋳造時に鋳片の内部割れを生じることもなく、しかも、100m/min以下の比較的低速領域でのHSS工具での切削で所望の仕上げ面粗さの小さい優れた表面性状及び良好な切り屑処理性を確保することができる。以下、このことについて説明する。
Te、Sn及びSeは、いずれも、被削性を改善する作用を有する。このため、被削性、なかでも100m/min以下の比較的低速領域での湿式条件下において、HSS工具を用いて切削したときの仕上げ表面性状及び切り屑処理性をより一層改善したい場合には以下の範囲で含有してもよい。
Teは、MnとともにMn(S、Te)を生成し、HSS工具を用いた切削における被削性、特に仕上げ面粗さを改善する効果を有する。つまり、Teを添加しても、幅の大きいMn(S、Te)の割合が増加するだけで酸化物形態には影響がないので、前記の切削速度領域でのHSS工具を用いた切削における被削性、なかでも仕上げ表面性状が向上する。この効果を得るには、その含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。一方、Teを0.05%を超えて含有させてもその効果が飽和してコストが嵩むし、熱間加工性も劣化する。したがって、含有させる場合のTeの含有量を0.05%以下とした。なお、より安定して良好な熱間加工性と良好な被削性を兼備させるために、Teの含有量は0.0005〜0.03%とすることが好ましい。より好ましいTeの含有量は、0.003〜0.03%である。
Biは、Pbと同様の低融点金属介在物として脆化作用を有し、鋼の被削性を改善する効果を有する。この効果を得るには、その含有量を、0.01%以上とすることが好ましい。一方、Biを0.15%を超えて含有させてもその効果が飽和してコストが嵩むし、熱間加工性も劣化する。したがって、含有させる場合のBiの含有量を0.15%以下とした。なお、より安定して良好な熱間加工性と良好な被削性を兼備させるために、Biの含有量は0.01〜0.10%とすることが好ましい。より好ましいBiの含有量は、0.02〜0.10%である。
Seは、MnとともにMn(S、Se)を生成し、HSS工具を用いた切削における被削性、特に仕上げ面粗さを改善する効果を有する。つまり、Seを添加しても、幅4μm以上のMn(S、Se)の割合が増加するだけで酸化物形態には影響がないので、前記の切削速度領域でのHSS工具を用いた切削における被削性、なかでも仕上げ表面性状が向上する。この効果を得るには、その含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。一方、Seを0.30%以上含有させてもその効果が飽和してコストが嵩むし、熱間加工性も劣化する。したがって、含有させる場合のSeの含有量を0.30%未満とした。なお、より安定して良好な熱間加工性と良好な被削性を兼備させるために、Seの含有量は0.0005〜0.15%とすることが好ましい。より好ましいSeの含有量は、0.005〜0.15%である。
100m/min以下の比較的低速領域での湿式条件下で、HSS工具を用いて長い距離を切削加工した場合に、Pbを添加しない本発明の低炭素硫黄快削鋼材に所望の被削性、すなわち、従来のPb非添加の快削鋼材と同等の切り屑処理性及び従来のPb非添加の快削鋼材と比較して仕上げ面粗さの小さい良好な表面性状を具備させるためには、冷間加工を利用して鋼材自体を脆化させる必要がある。
高周波誘導炉を用いて、表1に示す化学組成を有する鋼1〜16を溶製し、直径が約220mmの鋼塊を作製した。
・切削速度:100m/min、
・送り量:0.05mm/rev.、
・切り込み深さ:1.0mm、
・潤滑:水溶性潤滑油を用いた湿式潤滑。
高周波誘導炉を用いて、表3に示す化学組成を有する鋼17及び鋼18を溶製し、直径が約220mmの鋼塊を作製した。
・切削速度:100m/min、
・送り量:0.05mm/rev.、
・切り込み深さ:1.0mm、
・潤滑:水溶性潤滑油を用いた湿式潤滑。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.05%未満、Si:0.05%未満、Mn:0.7〜2.2%、P:0.03〜0.20%、S:0.40%を超えて0.70%未満、Al:0.005%未満、O:0.0050%以上0.0380%未満、N:0.0020〜0.0250%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のCa、Mg、Ti、Zr及びREMが、Ca:0.001%未満、Mg:0.001%未満、Ti:0.002%未満、Zr:0.002%未満及びREM:0.001%未満であって、下記式(1)式及び(2)式を満たし、更に、冷間加工後のビッカース硬さが180〜230であることを特徴とする被削性に優れた低炭素硫黄快削鋼材。
0.010<O/S<0.080・・・(1)
2.5<Mn/(S+O)<4.0・・・(2)
但し、(1)式及び(2)式中の元素記号は、その元素の質量%での鋼中含有量を表す。 - Feの一部に代えて、Te:0.05%以下、Bi:0.15%以下及びSe:0.30%未満のうちの1種以上を含有する請求項1に記載の低炭素硫黄快削鋼材。
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