JP2009174033A - 被削性に優れた機械構造用鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】S含有量を低減して強度等の機械的特性を維持すると共に、ハイス工具での断続切削および超硬工具での連続切削の両方で優れた被削性(特に工具寿命)を発揮することのできる機械構造用鋼を提供する。
【解決手段】本発明の機械構造用鋼は、鋼中に存在する酸化物系介在物が、該酸化物系介在物の平均組成合計を100%(「質量%」の意味、以下同じ)としたときに、CaO:10〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:35%以下(0%を含まない)、MgO:20%以下(0%を含まない)、MnO:5%以下(0%を含まない)を夫々含有すると共に、Li2O,Na2O,K2O,BaO,SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる1種以上の合計含有量が0.5〜20%である。
【選択図】なし
【解決手段】本発明の機械構造用鋼は、鋼中に存在する酸化物系介在物が、該酸化物系介在物の平均組成合計を100%(「質量%」の意味、以下同じ)としたときに、CaO:10〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:35%以下(0%を含まない)、MgO:20%以下(0%を含まない)、MnO:5%以下(0%を含まない)を夫々含有すると共に、Li2O,Na2O,K2O,BaO,SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる1種以上の合計含有量が0.5〜20%である。
【選択図】なし
Description
本発明は、機械部品を製造するために切削加工が施される機械構造用鋼に関し、詳しくは、旋削のような連続切削およびホブ加工のような断続切削の両方で優れた被削性を示すと共に、浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理を施した後であっても強度の低下を招くことのない機械構造用鋼に関するものである。
自動車用変速機や差動装置をはじめとする各種歯車伝達装置へ利用される歯車、シャフト、プーリや等速ジョイント等、更にはクランクシャフト、コンロッド等の機械構造用部品は、鍛造等の加工を施した後、切削加工を施すことによって最終形状に仕上げられるのが一般的である。この切削加工に要するコストは製作費に占める割合が大きいことから、上記機械構造部品を構成する鋼材は被削性が良好であることが要求される。
一方、上記のような機械構造用部品では、最終形状にされた後、浸炭や浸炭窒化処理(大気圧、低圧、真空、プラズマ雰囲気を含む)等の表面硬化処理を施され、必要によって焼入れ−焼き戻しや高周波焼入れ等がされて所定の強度が確保されるのであるが、こうした処理の際に強度低下が生じることがある。特に、鋼材の圧延方向に対して垂直な方向(この方向を一般に「横目」と呼ばれる)の強度低下が生じ易いという問題がある。
機械構造用鋼の強度を低下させることなく、被削性を改善する元素としては、従来から鉛(Pb)が知られており、このPbは被削性改善に極めて有効な元素である。しかしながら、Pbは人体への有害性が指摘され、また溶製時の鉛のヒュームや切削屑等の処理の点で問題も多く、近年ではPbを添加することなく(Pbフリー)、良好な被削性を発揮することが求められている。
Pbを添加することなく良好な被削性を確保する技術として、S含有量を0.06%程度まで増加させる鋼材が知られている。しかしながら、こうした技術においては、機械的特性(靭性、疲労強度)が低下しやすいという問題があり、S含有量を増加させることにも限界がある。これは硫化物(MnS)が、圧延方向に長く展伸するため、横目の靭性が低下するものと考えられる。特に、高強度化が要求される部品においては、S含有量を極力低減する必要がある。こうしたことから、PbやSを積極的に添加させることなく、良好な被削性を向上させるための技術の確立が必要である。
このような背景の下、PbやSを積極的に添加することなく、良好な被削性を発揮させるための各種技術が提案されており、特に鋼中介在物と被削性の関係について検討が進められている(例えば、非特許文献1)。また、介在物の制御に関する技術も様々提案されている。
例えば特許文献1には、一定の酸素およびTi量の下でCaを添加することによって、被削性に有効なCa系硫化物とCa系酸化物とを共存させて、Ti添加高強度鋼の被削性を向上させる技術が開示されている。また特許文献2には、Ca/Al比を調整してCa系硫化物または酸化物を制御することによって、工具寿命のばらつきを抑えて安定した被削性が得られる機械構造用鋼が開示されている。
特許文献3または4には、Caを含有する硫化物系介在物においてCa含有量が0.3〜40%の硫化物の面積率を所定以上に確保することによって、または0.1〜10%のCaを含有する硫化物の個数を所定以上に確保することによって、いずれも被削性のばらつきを抑える技術が開示されている。また特許文献5および6には、芯部がCaを含有する酸化物であり、その周りがCaを含有する硫化物である二次構造介在物を利用して、機械構造用鋼の被削性を向上させる技術が開示されている。
特許文献7には、Caを添加することで酸化物の低融点化を図る一方、製鋼条件を制御してCaの硫化物系介在物(特にMnS)への固溶を抑制して、硫化物系介在物を微細化することによって、被削性(特に切屑処理性および工具寿命)を向上させる技術が開示されている。
「第182・183回西山記念技術講座」、(社)日本鉄鋼協会編、第181〜226頁「介在物制御」、平成16年10月22日東京、11月12日神戸 特開2005−272903号公報
特開2005−273000号公報
特開2000−34538号公報
特開2000−219936号公報
特開2003−55735号公報
特開2004−91886号公報
特開2003−213368号公報
「第182・183回西山記念技術講座」、(社)日本鉄鋼協会編、第181〜226頁「介在物制御」、平成16年10月22日東京、11月12日神戸
例えば機械構造用部品の1つである歯車の製造プロセスでは、機械構造用鋼(素材)を鍛造し、ホブ加工によって粗切し、シェービングにより仕上げた後、浸炭等の熱処理を行い、再度研磨加工(ホーニング加工)するのが一般的である。しかしながら、こうしたプロセスでは、熱処理歪みの発生が大きいので、研磨加工だけでは修正しきれず、部品の寸法精度が悪くなることがある。近年では、歯車使用時の静音対策から良好な寸法精度が求められており、その対策として、上記研磨加工に先立ち、研削加工(ハードフィニッシュ)を施すことが行われることがある。
いずれの製造プロセスを採用するにしても、非常に多くの工程を必要とし、切削や研削に要するコストが高くなるので、プロセス全体のコスト低減へのニーズが大きい。そのため、全ての行程でのコストダウンが求められ、それを可能とする鋼材への期待が大きい。特に、両プロセスに共通のホブ加工においても、その工具費が高いので工具寿命向上の技術への期待が大きい。
上記ホブ加工は断続切削に相当するものであり、このホブ加工に用いられる工具としては、高速度工具鋼にAlTiNなどのコーティングを施したもの(以下、「ハイス工具」と略称することがある)が、現状の主流である。これに対して、超硬合金にAlTiNなどのコーティングを施したもの(以下、「超硬工具」と略称することがある)では、焼きならし材に対して適用するときに「欠け」が発生しやすいという問題があることから、旋削等の「連続切削」に適用されることが多い。
上記断続切削と連続切削とでは切削機構が異なり、夫々の切削に応じた工具が選ばれることになるのであるが、被削材としての機械構造用鋼にもいずれの切削においても良好な被削性を発揮する特性を具備していることが望まれる。しかしながら、ハイス工具を用いたホブ加工(断続切削)による歯切りは、超硬工具を用いた連続切削である旋削加工よりも、低速・低温で工具が酸化・摩耗し易くなるという弊害がある。そのためホブ加工等の断続切削に供される機械構造用鋼は、被削性のうちでも、特に工具寿命を伸ばすことが求められている。
本発明は前記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、S含有量を低減して強度等の機械的特性を維持すると共に、ハイス工具での断続切削(例えばホブ切り加工)および超硬工具での連続切削(例えば旋削)の両方で優れた被削性(特に工具寿命)を発揮することのできる機械構造用鋼を提供することにある。
上記目的を達成することのできた本発明の機械構造用鋼とは、鋼中に存在する酸化物系介在物が、該酸化物系介在物の平均組成合計を100%(「質量%」の意味、以下同じ)としたときに、CaO:10〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:35%以下(0%を含まない)、MgO:20%以下(0%を含まない)、MnO:5%以下(0%を含まない)を夫々含有すると共に、Li2O,Na2O,K2O,BaO,SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる1種以上の合計含有量が0.5〜20%である点に要旨を有するものである。
本発明の機械構造用鋼における前記酸化物系介在物の平均組成としては、CaO:10〜50%、SiO2:20〜70%、Al2O3:7〜35%、MgO:1〜13%、MnO:1〜3%を夫々含有すると共に、Li2O,Na2O,K2O,BaO,SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる1種以上の合計含有量が2〜6%であることが好ましい。
本発明の機械構造用鋼の化学成分組成については、機械構造用鋼であれば特に限定されるものではないが、好ましいものとして、例えばC:0.1〜1.2%、Si:0.03〜2%、Mn:0.3〜1.8%、P:0.03%以下(0%を含まない)、S:0.02%以下(0%を含まない)、Cr:0.3〜2.5%、Al:0.0001〜0.01%、Ca:0.0001〜0.005%、Mg:0.0001〜0.005%、N:0.009%以下(0%を含まない)およびO:0.005%以下(0%を含まない)を夫々含有する他、Li,Na,K,Ba,SrおよびTiよりなる群から選ばれる1種以上の元素:Li,Na,K,BaおよびSrについては合計で0.00001〜0.0050%、Tiについては0.01〜0.5%含有し、残部が鉄および不可避的不純物であるものが挙げられる。
上記好ましい化学成分組成においては、必要によって、更にMo:0.5%以下(0%を含まない)を含有することも有効であり、これによって鋼材の特性が更に改善される。
本発明によれば、S含有量を低減することにより強度を優れたものとすると共に、酸化物系介在物の各成分を適切に調整して介在物の全体が低融点で変形しやすくすることによって、ハイス工具での断続切削および超硬工具での連続切削の両方で優れた被削性(特に、工具寿命)を発揮する機械構造用鋼を得ることができた。
本発明の機械構造用鋼は、化学成分としてS含有量が0.02%以下に抑えられていることを特徴の1つとする。このS含有量の低減によって、鋼における強度等の機械的特性を確保することができる。しかしながら、S含有量を低減させると、被削性向上に有効な硫化物系介在物が減少する。そこで本発明は、S含有量の低減に伴う硫化物系介在物の減少を補うために、酸化物系介在物を利用して鋼の被削性(特に工具寿命)を向上させることが重要なポイントとなる。
本発明の鋼は、MnS等の硫化物系介在物ではなく、主に酸化物系介在物の組成制御によって鋼の被削性(特に工具寿命)を向上させるものである。本発明の鋼中に含まれる酸化物系介在物は低融点化されているので、それらが切削時の熱で溶融し、工具表面に保護生成物(ベラーグ)の膜を形成することによって、工具摩耗を抑制することができる。鋼中に含まれる酸化物系介在物の低融点化は、酸化物系介在物の平均組成を、その平均組成の合計を100%としたときに、CaO:10〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:35%以下(0%を含まない)、MgO:20%以下(0%を含まない)、MnO:5%以下(0%を含まない)を夫々含有する他、Li2O,Na2O,K2O,BaO,SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる少なくとも1種の合計を0.5〜20%に調整することによって達成できる。これらの組成を規定した理由は次の通りである。尚、酸化物系介在物の平均組成は、後記実施例で記載する方法によって測定できる。
[CaO:10〜55%]
CaOは、酸化物系介在物を最適な複合組織にして低融点化させ、切削時の工具表面にベラーグとして付着し、工具摩耗を抑制する効果がある。こうした効果を発揮させるためには、CaO含有量は酸化物系介在物全体に対して(以下、他の成分についても同じ)10%以上とする必要がある。しかしながら、CaO含有量が55%を超えて多くなり過ぎると、CaOの結晶が生成して鋼材が硬くなって、切削時に工具寿命を低下させることになる。尚、CaO含有量の好ましい上限は、50%である。
CaOは、酸化物系介在物を最適な複合組織にして低融点化させ、切削時の工具表面にベラーグとして付着し、工具摩耗を抑制する効果がある。こうした効果を発揮させるためには、CaO含有量は酸化物系介在物全体に対して(以下、他の成分についても同じ)10%以上とする必要がある。しかしながら、CaO含有量が55%を超えて多くなり過ぎると、CaOの結晶が生成して鋼材が硬くなって、切削時に工具寿命を低下させることになる。尚、CaO含有量の好ましい上限は、50%である。
[SiO2:20〜70%]
SiO2は、CaOやAl2O3等と共に低融点で軟質の酸化物系介在物を生成させる上で必須の成分であり、20%未満では、酸化物系介在物がCaOやAl2O3を主体とする大型もしくは硬質の介在物となり、破壊の起点となる。従って20%以上含有させることが必須であり、好ましくは30%以上含有させることが望ましい。但し、SiO2含有量が多過ぎると、酸化物系介在物がSiO2を主体とする高融点で且つ硬質の介在物になり、断線や破壊の起点になる可能性がある。こうした傾向は、SiO2含有量が70%を超えると極めて顕著に表われてくるので、SiO2含有量は70%以下に抑えることが極めて重要となる。好ましくは65%以下、より好ましくは45%未満、更に好ましくは40%以下に抑えるのがよい。
SiO2は、CaOやAl2O3等と共に低融点で軟質の酸化物系介在物を生成させる上で必須の成分であり、20%未満では、酸化物系介在物がCaOやAl2O3を主体とする大型もしくは硬質の介在物となり、破壊の起点となる。従って20%以上含有させることが必須であり、好ましくは30%以上含有させることが望ましい。但し、SiO2含有量が多過ぎると、酸化物系介在物がSiO2を主体とする高融点で且つ硬質の介在物になり、断線や破壊の起点になる可能性がある。こうした傾向は、SiO2含有量が70%を超えると極めて顕著に表われてくるので、SiO2含有量は70%以下に抑えることが極めて重要となる。好ましくは65%以下、より好ましくは45%未満、更に好ましくは40%以下に抑えるのがよい。
[Al2O3:35%以下(0%を含まない)]
Al2O3は、CaOやSiO2、更には本発明でその含有量を必須とするLi2O,Na2O,K2O含有量等を含めて、酸化物系介在物の適正な組成制御によっては、実質的にAl2O3を含まないものであっても構わない。しかし適量のAl2O3を含有させると、酸化物系介在物はより低融点で且つ軟質のものになり易くなるので、好ましくは7%程度以上、より好ましくは10%以上含有させることが望ましい。しかし、酸化物系介在物中のAl2O3が多過ぎると、硬質で微細化し難いアルミナ系介在物となり、やはり熱延工程で微細化し難いものになって破壊や折損の起点となるので、多くとも35%以下に抑えるべきであり、好ましくは30%程度以下に抑えるのがよい。
Al2O3は、CaOやSiO2、更には本発明でその含有量を必須とするLi2O,Na2O,K2O含有量等を含めて、酸化物系介在物の適正な組成制御によっては、実質的にAl2O3を含まないものであっても構わない。しかし適量のAl2O3を含有させると、酸化物系介在物はより低融点で且つ軟質のものになり易くなるので、好ましくは7%程度以上、より好ましくは10%以上含有させることが望ましい。しかし、酸化物系介在物中のAl2O3が多過ぎると、硬質で微細化し難いアルミナ系介在物となり、やはり熱延工程で微細化し難いものになって破壊や折損の起点となるので、多くとも35%以下に抑えるべきであり、好ましくは30%程度以下に抑えるのがよい。
[MgO:20%以下(0%を含まない)]
MgOは、MgO・SiO2系硬質介在物の生成源となって、破壊や折損の原因になり易く、こうした障害はMgO含有量が20%を超えると顕著に表れてくる。よって、こうした障害を生じさせなくさせるには20%以下に抑えることが好ましい。尚、MgO含有量の好ましい下限は1%であり、より好ましい上限は13%である。
MgOは、MgO・SiO2系硬質介在物の生成源となって、破壊や折損の原因になり易く、こうした障害はMgO含有量が20%を超えると顕著に表れてくる。よって、こうした障害を生じさせなくさせるには20%以下に抑えることが好ましい。尚、MgO含有量の好ましい下限は1%であり、より好ましい上限は13%である。
[MnO:5%以下(0%を含まない)]
MnOは、SiO2系酸化物の融点を低下させる効果があるが、CaOの効果を相殺するため5%以下とすることが好ましい。尚、MnO含有量の好ましい下限は1%であり、好ましい上限は3%である。
MnOは、SiO2系酸化物の融点を低下させる効果があるが、CaOの効果を相殺するため5%以下とすることが好ましい。尚、MnO含有量の好ましい下限は1%であり、好ましい上限は3%である。
[Li2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる少なくとも1種:0.5〜20%]
Li2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2は、本発明で最も特異的で重要な成分であり、生成する複合酸化物系介在物の融点と粘性を低下させる上で極めて重要な作用を発揮する。そして、酸化物系介在物の低融点化と低粘性化を進めて介在物の微細化を増進し、本発明で意図するレベルの被削性向上効果を確保するには、Li2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2の1種以上を、合計で少なくとも0.5%以上、より好ましくは1%以上、更に好ましくは2%以上含有させることが望ましい。しかし、Li2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2の1種以上の合計が20%を超えると、酸化物系介在物が低融点化し過ぎ耐火物に対する溶損性が顕著に高まり、使用されている内張り耐火物の溶出に由来する硬質介在物量が増大し、被削性を却って低下させる。従って、酸化物系介在物中のLi2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2の1種以上の合計は、20%以下に抑えねばならず、好ましくは15%以下に抑えるのがよい。
Li2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2は、本発明で最も特異的で重要な成分であり、生成する複合酸化物系介在物の融点と粘性を低下させる上で極めて重要な作用を発揮する。そして、酸化物系介在物の低融点化と低粘性化を進めて介在物の微細化を増進し、本発明で意図するレベルの被削性向上効果を確保するには、Li2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2の1種以上を、合計で少なくとも0.5%以上、より好ましくは1%以上、更に好ましくは2%以上含有させることが望ましい。しかし、Li2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2の1種以上の合計が20%を超えると、酸化物系介在物が低融点化し過ぎ耐火物に対する溶損性が顕著に高まり、使用されている内張り耐火物の溶出に由来する硬質介在物量が増大し、被削性を却って低下させる。従って、酸化物系介在物中のLi2O、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2の1種以上の合計は、20%以下に抑えねばならず、好ましくは15%以下に抑えるのがよい。
上記のように酸化物系介在物の各成分割合を適切に調整した機械構造用鋼を用いて機械構造部品を成形することによって、連続切削および断続切削のいずれにおいても優れた被削性を発揮できるものとなる。
本発明の機械構造用鋼において、酸化物系介在物の組成割合の調整については、特にSi,AlおよびCaについては、Si含有量に応じて、熱力学的に計算される低融点領域となるようにAlとCaの量を決定することが望ましい。
本発明は、機械構造用部品に適用される鋼材を想定してなされたものであり、その鋼種については特に限定されるものではないが、機械的特性は被削性や他の特性を向上させるために、化学成分組成を適正な範囲に調整されていることも好ましい。こうした観点から設定される鋼材の好ましい化学成分組成の範囲限定理由は次の通りである。
[C:0.1〜1.2%]
Cは、機械構造用鋼から製造される部品に必要な芯部硬さを確保するために有効な元素である。しかし、C含有量が過剰になると、硬さが上昇しすぎて、被削性が低下する。そのためC含有量は、0.1%以上(より好ましくは0.13%以上)、1.2%以下(より好ましくは1.1%以下)とするのが良い。
Cは、機械構造用鋼から製造される部品に必要な芯部硬さを確保するために有効な元素である。しかし、C含有量が過剰になると、硬さが上昇しすぎて、被削性が低下する。そのためC含有量は、0.1%以上(より好ましくは0.13%以上)、1.2%以下(より好ましくは1.1%以下)とするのが良い。
[Si:0.03〜2%]
Siは、表面硬化層の軟化抵抗性の向上に寄与する元素である。しかし,Si含有量が過剰になると、機械加工時の被削性や冷間鍛造性を低下させる。そこでSi含有量は、0.03%以上(好ましくは0.1%以上)、2%以下(より好ましくは0.7%以下)とするのが良い。
Siは、表面硬化層の軟化抵抗性の向上に寄与する元素である。しかし,Si含有量が過剰になると、機械加工時の被削性や冷間鍛造性を低下させる。そこでSi含有量は、0.03%以上(好ましくは0.1%以上)、2%以下(より好ましくは0.7%以下)とするのが良い。
[Mn:0.3〜1.8%]
Mnは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部品の内部品質を高めるために有効な元素である。またMnは、焼入性を向上させて、鋼部品の芯部硬さや硬化層深さを増大させ、部品強度を確保するためにも有効な元素である。しかし、Mn含有量が過剰になると、Pの粒界偏析を助長し、疲労強度を低下させる。そこでMn含有量は、0.3%以上(より好ましくは0.5%以上)、1.8%以下(より好ましくは1.5%以下)とするのが良い。
Mnは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部品の内部品質を高めるために有効な元素である。またMnは、焼入性を向上させて、鋼部品の芯部硬さや硬化層深さを増大させ、部品強度を確保するためにも有効な元素である。しかし、Mn含有量が過剰になると、Pの粒界偏析を助長し、疲労強度を低下させる。そこでMn含有量は、0.3%以上(より好ましくは0.5%以上)、1.8%以下(より好ましくは1.5%以下)とするのが良い。
[P:0.03%以下(0%を含まない)]
Pは、鋼材中に不可避的に含まれる元素(不純物)であり、熱間加工時の割れを助長するので、できるだけ低減することが好ましい。そのためP量を、0.03%以下(より好ましくは0.02%以下、更に好ましくは0.01%以下)と定めた。Pは、その量を0%とすることは工業的に困難である。
Pは、鋼材中に不可避的に含まれる元素(不純物)であり、熱間加工時の割れを助長するので、できるだけ低減することが好ましい。そのためP量を、0.03%以下(より好ましくは0.02%以下、更に好ましくは0.01%以下)と定めた。Pは、その量を0%とすることは工業的に困難である。
[S:0.02%以下(0%を含まない)]
Sは、Mnと反応してMnS介在物を形成し、鋼部品の衝撃強度の異方性を増大させるため、なるべく低減することが好ましい。そこでS含有量は、0.02%以下(より好ましくは0.015%以下)と定めた。しかしSは、鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%とすることは工業的に困難である。
Sは、Mnと反応してMnS介在物を形成し、鋼部品の衝撃強度の異方性を増大させるため、なるべく低減することが好ましい。そこでS含有量は、0.02%以下(より好ましくは0.015%以下)と定めた。しかしSは、鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%とすることは工業的に困難である。
[Cr:0.3〜2.5%]
Crは、鋼材の焼入性を高め、安定した硬化層深さや必要な芯部硬さを確保するために重要な元素である。特に鋼を歯車等の構造部材を製造するために用いる場合、その部材の静的強度および疲労強度を確保するために有効な元素である。しかし、Cr含有量が過剰になると、Cr炭化物が旧γ粒界に偏析し、疲労強度が低下する。そこでCr含有量は、0.3%以上(より好ましくは0.8%以上)、2.5%以下(より好ましくは2.0%以下)と定めた。
Crは、鋼材の焼入性を高め、安定した硬化層深さや必要な芯部硬さを確保するために重要な元素である。特に鋼を歯車等の構造部材を製造するために用いる場合、その部材の静的強度および疲労強度を確保するために有効な元素である。しかし、Cr含有量が過剰になると、Cr炭化物が旧γ粒界に偏析し、疲労強度が低下する。そこでCr含有量は、0.3%以上(より好ましくは0.8%以上)、2.5%以下(より好ましくは2.0%以下)と定めた。
[Al:0.0001〜0.01%]
Alは、低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。しかしAl含有量が過剰になると、高融点で硬質であるAl2O3が多量に生成し、切削時の工具摩耗を増大させる。そこでAl含有量は、0.0001%以上(より好ましくは0.002%以上)、0.01%以下(より好ましくは0.005%以下)と定めた。
Alは、低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。しかしAl含有量が過剰になると、高融点で硬質であるAl2O3が多量に生成し、切削時の工具摩耗を増大させる。そこでAl含有量は、0.0001%以上(より好ましくは0.002%以上)、0.01%以下(より好ましくは0.005%以下)と定めた。
[Ca:0.0001〜0.005%]
Caは、前述したような低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。またCaは、鋼中の硫化物の展伸を抑制して、衝撃特性の異方性を抑えることができる。しかしCa含有量が過剰になると、粗大なCa含有複合酸化物が生成し、強度が低下するおそれがある。そこで、Ca含有量は、0.0001%以上(より好ましくは0.0005%以上)、0.005%以下(より好ましくは0.003%以下)と定めた。
Caは、前述したような低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。またCaは、鋼中の硫化物の展伸を抑制して、衝撃特性の異方性を抑えることができる。しかしCa含有量が過剰になると、粗大なCa含有複合酸化物が生成し、強度が低下するおそれがある。そこで、Ca含有量は、0.0001%以上(より好ましくは0.0005%以上)、0.005%以下(より好ましくは0.003%以下)と定めた。
[Mg:0.0001〜0.005%]
Mgは、前述したような低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。またMgは、Caと同様に、鋼中の硫化物の展伸を抑制して衝撃特性の異方性を抑えることができる。しかしMg含有量が過剰になると、高融点で硬質なMgOが多量に形成され、却って工具寿命の低下を引き起こし得る。そこでMg含有量は、0.0001%以上(より好ましくは0.0002%以上)、0.005%以下(より好ましくは0.002%以下)と定めた。
Mgは、前述したような低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。またMgは、Caと同様に、鋼中の硫化物の展伸を抑制して衝撃特性の異方性を抑えることができる。しかしMg含有量が過剰になると、高融点で硬質なMgOが多量に形成され、却って工具寿命の低下を引き起こし得る。そこでMg含有量は、0.0001%以上(より好ましくは0.0002%以上)、0.005%以下(より好ましくは0.002%以下)と定めた。
[N:0.009%以下(0%を含まない)]
Nは、他元素(Ti等)と窒化物を形成し、組織微細化に寄与する。そこでNを、好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.004%以上の量で含有させることが推奨される。しかしN量が過剰になると、熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでN量の上限を、0.009%(より好ましくは0.007%)と定めた。尚、Nは鋼に不可避的に含まれ、その量を0%とすることは工業的に困難である。
Nは、他元素(Ti等)と窒化物を形成し、組織微細化に寄与する。そこでNを、好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.004%以上の量で含有させることが推奨される。しかしN量が過剰になると、熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでN量の上限を、0.009%(より好ましくは0.007%)と定めた。尚、Nは鋼に不可避的に含まれ、その量を0%とすることは工業的に困難である。
[O:0.005%以下(0%を含まない)]
O含有量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物が生成して、鋼の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでO含有量の上限を、0.005%(より好ましくは0.003%)と定めた。しかしOは、ベラーグを形成する低融点複合酸化物を確保するために必要である。そこでOを、好ましくは0.0005%以上、より好ましくは0.0010%以上の量で含有させることが推奨される。
O含有量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物が生成して、鋼の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでO含有量の上限を、0.005%(より好ましくは0.003%)と定めた。しかしOは、ベラーグを形成する低融点複合酸化物を確保するために必要である。そこでOを、好ましくは0.0005%以上、より好ましくは0.0010%以上の量で含有させることが推奨される。
[Li,Na,K,Ba,SrおよびTiよりなる群から選ばれる1種以上の元素:Li,Na,K,Ba,Srについては合計で0.00001〜0.0050%、Tiについては0.01〜0.5%]
これらの元素は、鋼中のOと反応して酸化物となって、CaO−Al2O3−SiO2系酸化物に取り込まれて低融点酸化物(例えば、CaO−Al2O3−SiO2−TiO2)を形成し、切削時の工具表面にベラーグとして付着するため、被削性を改善することができる。特にAlTiNコーティングされたハイス工具を用いる場合、これらの元素を含有する酸化物から形成されるベラーグの付着性が向上し、工具摩耗を一層低減させる。このうち、TiはCやNと反応して、TiN、TiC、Ti(C,N)等を形成し、浸炭時の結晶粒粗大化を防止する効果も発揮する。こうした効果を発揮させるためには、Li,Na,K,Ba,Srについては合計で0.00001%以上(より好ましくは0.0001%以上)、Tiについては0.01%以上含有させることが好ましい。しかしながら、Li,Na,K,Ba,Sr等の元素が過剰になると、溶鋼を保持する耐火物が溶損する場合も出てくるので、合計で0.0050%以下にすることが好ましい。Tiについては、その含有量が過剰になると、硬質の粗大炭化物が生成し、被削性や靭性が劣化するので、0.5%以下とすることが好ましい。
これらの元素は、鋼中のOと反応して酸化物となって、CaO−Al2O3−SiO2系酸化物に取り込まれて低融点酸化物(例えば、CaO−Al2O3−SiO2−TiO2)を形成し、切削時の工具表面にベラーグとして付着するため、被削性を改善することができる。特にAlTiNコーティングされたハイス工具を用いる場合、これらの元素を含有する酸化物から形成されるベラーグの付着性が向上し、工具摩耗を一層低減させる。このうち、TiはCやNと反応して、TiN、TiC、Ti(C,N)等を形成し、浸炭時の結晶粒粗大化を防止する効果も発揮する。こうした効果を発揮させるためには、Li,Na,K,Ba,Srについては合計で0.00001%以上(より好ましくは0.0001%以上)、Tiについては0.01%以上含有させることが好ましい。しかしながら、Li,Na,K,Ba,Sr等の元素が過剰になると、溶鋼を保持する耐火物が溶損する場合も出てくるので、合計で0.0050%以下にすることが好ましい。Tiについては、その含有量が過剰になると、硬質の粗大炭化物が生成し、被削性や靭性が劣化するので、0.5%以下とすることが好ましい。
本発明の機械構造用鋼の基本成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物(例えばAs,Sb,Sn,Te,Ta,Co,希土類元素等)が鋼中に含まれることは許容される。更に、本発明の機械構造用鋼には、必要に応じて、以下の選択元素を含有していても良い。
[Mo:0.5%以下(0%を含まない)および/またはB:0.005%以下(0%を含まない)]
MoおよびBは、共に焼入性向上に有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させてもよい。詳しくは、Moは、母材の焼入性を確保して、不完全焼入組織の生成を抑制するのに有効である。またBは、焼入性を大幅に向上させることに加えて、結晶粒界を強化させて鋼の衝撃強度を高める作用を有する。そこでMoを、好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上の量で、Bを、好ましくは0.0005%以上、より好ましくは0.0008%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。
MoおよびBは、共に焼入性向上に有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させてもよい。詳しくは、Moは、母材の焼入性を確保して、不完全焼入組織の生成を抑制するのに有効である。またBは、焼入性を大幅に向上させることに加えて、結晶粒界を強化させて鋼の衝撃強度を高める作用を有する。そこでMoを、好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上の量で、Bを、好ましくは0.0005%以上、より好ましくは0.0008%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。
しかしMo量が過剰になると、芯部の硬度が必要以上に硬くなって、機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化する。またB量が過剰になると、Nと共に形成するB窒化物の量が増大し、冷間および熱間加工性が低下する。そこでこれらを含有させる場合、Moの上限を0.5%(より好ましくは0.4%)、Bの上限を0.005%(より好ましくは0.003%)と定めた。
[Bi:0.1%以下(0%を含まない)]
Biは、鋼の被削性を向上させる元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。こうした効果を発揮させるためには、Biは0.02%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしBi含有量が過剰になると強度が低下する。そこでBiを鋼に含有させる場合、その上限を0.1%(好ましくは0.08%)と定めた。
Biは、鋼の被削性を向上させる元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。こうした効果を発揮させるためには、Biは0.02%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしBi含有量が過剰になると強度が低下する。そこでBiを鋼に含有させる場合、その上限を0.1%(好ましくは0.08%)と定めた。
[Cu:0.5%以下(0%を含まない)]
Cuは、耐候性向上に有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そのためCuを、好ましくは0.1%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしCu量が過剰になると、鋼の熱間加工性および延性が低下し、割れや疵が発生し易くなる。そこでCuを含有させる場合、その量の上限を0.5%(より好ましくは0.3%)と定めた。
Cuは、耐候性向上に有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そのためCuを、好ましくは0.1%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしCu量が過剰になると、鋼の熱間加工性および延性が低下し、割れや疵が発生し易くなる。そこでCuを含有させる場合、その量の上限を0.5%(より好ましくは0.3%)と定めた。
[Ni:2%以下(0%を含まない)]
Niは、マトリックス中に固溶し、靭性を向上させるために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そこでNiを、好ましくは0.1%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしNi量が過剰になると、ベイナイトまたはマルテンサイト組織が発達しすぎて、靭性の低下を招く。そこでNiを含有させる場合、その上限を2%(より好ましくは1%)と定めた。
Niは、マトリックス中に固溶し、靭性を向上させるために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そこでNiを、好ましくは0.1%以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしNi量が過剰になると、ベイナイトまたはマルテンサイト組織が発達しすぎて、靭性の低下を招く。そこでNiを含有させる場合、その上限を2%(より好ましくは1%)と定めた。
[Zr:0.02%以下(0%を含まない)、V:0.5%以下(0%を含まない)およびW:1.0%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる少なくとも1種]
Zr、VおよびWは、それぞれCおよび/またはNと微細な炭化物、窒化物、炭窒化物を形成して、結晶粒の粗大化を防止するために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そこでZr、VおよびWよりなる群から選ばれる1種以上を、それぞれ上記の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしこれらの含有量が過剰になると、硬質炭化物が生成して被覆性が劣化するので、上記含有量までとする。
Zr、VおよびWは、それぞれCおよび/またはNと微細な炭化物、窒化物、炭窒化物を形成して、結晶粒の粗大化を防止するために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そこでZr、VおよびWよりなる群から選ばれる1種以上を、それぞれ上記の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしこれらの含有量が過剰になると、硬質炭化物が生成して被覆性が劣化するので、上記含有量までとする。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
下記表1に示す化学成分組成の鋼150kgを真空誘導炉で溶解し、φ200mmのインゴットに鋳造し、鍛造(ソーキング:1250℃×3hr程度、鍛造加熱:1000℃×1hr程度)および切断して厚さ30mm×幅100mm×長さ145mmの板形状に加工し、この板形状の鍛造材を焼ならし(900℃×2hr後に空冷)して、板形状のサンプルを製造した。このとき、酸化物系介在物の組成割合の調整は、Si含有量に応じて、熱力学的に計算される低融点領域となるようにAlとCaの量を決定した。
前記のようにして得られたサンプルに含まれる酸化物系介在物について、CaO、MgO、Al2O3、MnO、SiO2、Na2O、K2O、BaO、SrOおよびTiO2等の酸化物含有量を、鋼材の圧延方向断面の25mm2の視野でのX線マイクロ分析(EPMA)によって測定した。得られた結果を下記表2に示す。
但し酸化物系介在物のLi2O濃度はEPMAでは測定できないため、2次イオン質量分析法(SIMS)によって、下記手順で測定した。得られた結果を表2に示す。
(1)1次標準試料
1)Li2Oを除く介在物組成をカバーする合成酸化物と、これにLi2Oを加えた合成酸化物を多数作成し、これらのLi2O濃度を化学分析によって定量分析し、標準試料を作成する。
2)作成した各合成酸化物のSiに対するLiの相対2次イオン強度を測定する。
3)Siに対するLiの相対2次イオン強度と、前記(1)−1)で化学分析したLi2O濃度の検量線を引く。
1)Li2Oを除く介在物組成をカバーする合成酸化物と、これにLi2Oを加えた合成酸化物を多数作成し、これらのLi2O濃度を化学分析によって定量分析し、標準試料を作成する。
2)作成した各合成酸化物のSiに対するLiの相対2次イオン強度を測定する。
3)Siに対するLiの相対2次イオン強度と、前記(1)−1)で化学分析したLi2O濃度の検量線を引く。
(2)2次標準試料(測定環境補正用)
1)測定時の環境補正のために、別途Siウェハー上にLiをイオン注入した標準試料を作成し、Siに対するLiの相対2次イオン強度を測定し、前記(1)−2)を実施する際に補正する。
1)測定時の環境補正のために、別途Siウェハー上にLiをイオン注入した標準試料を作成し、Siに対するLiの相対2次イオン強度を測定し、前記(1)−2)を実施する際に補正する。
(3)実際の測定
1)鋼中介在物のCaOなどの各濃度をEPMAによって測定する。
2)鋼中介在物のSiに対するLiの相対2次イオン強度を測定し、前記(1)−3)で求めた検量線のうち、前記(3)−1)の分析結果に最も近い検量線を選択し、これにより介在物のLi2O含有量を求めた。
1)鋼中介在物のCaOなどの各濃度をEPMAによって測定する。
2)鋼中介在物のSiに対するLiの相対2次イオン強度を測定し、前記(1)−3)で求めた検量線のうち、前記(3)−1)の分析結果に最も近い検量線を選択し、これにより介在物のLi2O含有量を求めた。
得られた各種鋼材について、下記の条件で横目の靭性を測定すると共に、連続切削時および断続切削時の被削性を評価した。
[横目の靭性]
各鋼材から、圧延方向に垂直な方向に沿ってノッチ形状がR10(mm)のシャルピー衝撃試験片(形状:10mm×10mm×55mm)を削り出し、衝撃値(横目のシャルピー衝撃値)を測定した。
各鋼材から、圧延方向に垂直な方向に沿ってノッチ形状がR10(mm)のシャルピー衝撃試験片(形状:10mm×10mm×55mm)を削り出し、衝撃値(横目のシャルピー衝撃値)を測定した。
[連続切削時の被削性評価]
連続切削時の被削性を評価するために、φ80mm×長さ350mmの丸棒(焼きならし材)をスケール除去した後表面を約2mm研削した試料を用いて、外周旋削加工を行なった後、光学顕微鏡により、平均逃げ面摩耗幅(工具摩耗量)Vbを測定した。このときの外周旋削加工条件は、以下の通りである。その結果を、下記表4に示す。
連続切削時の被削性を評価するために、φ80mm×長さ350mmの丸棒(焼きならし材)をスケール除去した後表面を約2mm研削した試料を用いて、外周旋削加工を行なった後、光学顕微鏡により、平均逃げ面摩耗幅(工具摩耗量)Vbを測定した。このときの外周旋削加工条件は、以下の通りである。その結果を、下記表4に示す。
(外周旋削加工条件)
工具:超硬合金P10(JIS B4053)
切削速度:200m/min
切削長:3000m
送り:0.2mm/rev
切り込み:1.5mm
潤滑方式:乾式
工具:超硬合金P10(JIS B4053)
切削速度:200m/min
切削長:3000m
送り:0.2mm/rev
切り込み:1.5mm
潤滑方式:乾式
[断続切削時の被削性評価]
断続切削時の被削性を評価するために、エンドミル加工での工具摩耗を評価した。上記板材(焼きならし材)をスケール除去した後表面を約2mm研削し、エンドミル試験片とした。具体的には、マニシングセンタ主軸にエンドミル工具を取り付け、上記のようにして製造した厚さ30mm×幅100mm×長さ145mmのサンプルをバイスにより固定し、乾式の切削雰囲気下でダウンカット加工を行った。詳細な加工条件を表3に示す。断続切削を200カット行った後、光学顕微鏡により、平均逃げ面摩耗幅Vbを測定した。結果を表4に示す。
断続切削時の被削性を評価するために、エンドミル加工での工具摩耗を評価した。上記板材(焼きならし材)をスケール除去した後表面を約2mm研削し、エンドミル試験片とした。具体的には、マニシングセンタ主軸にエンドミル工具を取り付け、上記のようにして製造した厚さ30mm×幅100mm×長さ145mmのサンプルをバイスにより固定し、乾式の切削雰囲気下でダウンカット加工を行った。詳細な加工条件を表3に示す。断続切削を200カット行った後、光学顕微鏡により、平均逃げ面摩耗幅Vbを測定した。結果を表4に示す。
表1〜4の結果から、本発明の要件を満たすサンプルNo.A1〜A19のものは、連続切削後および断続切削後の両方で、工具の逃げ面摩耗幅が小さく、連続切削および断続切削のどちらにおいても、被削性に優れていることが分かる。
これらに対してサンプルNo.B1〜B3は、いずれもAl含有量が過剰になって、Al2O3が多量に生成しており、切削時の工具摩耗が増大している。
Claims (4)
- 鋼中に存在する酸化物系介在物が、該酸化物系介在物の平均組成合計を100%(「質量%」の意味、以下同じ)としたときに、CaO:10〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:35%以下(0%を含まない)、MgO:20%以下(0%を含まない)、MnO:5%以下(0%を含まない)を夫々含有すると共に、Li2O,Na2O,K2O,BaO,SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる1種以上の合計含有量が0.5〜20%であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
- 前記酸化物系介在物の平均組成が、CaO:10〜50%、SiO2:20〜70%、Al2O3:7〜35%、MgO:1〜13%、MnO:1〜3%を夫々含有すると共に、Li2O,Na2O,K2O,BaO,SrOおよびTiO2よりなる群から選ばれる1種以上の合計含有量が2〜6%である請求項1に記載の機械構造用鋼。
- C:0.1〜1.2%、Si:0.03〜2%、Mn:0.3〜1.8%、P:0.03%以下(0%を含まない)、S:0.02%以下(0%を含まない)、Cr:0.3〜2.5%、Al:0.0001〜0.01%、Ca:0.0001〜0.005%、Mg:0.0001〜0.005%、N:0.009%以下(0%を含まない)およびO:0.005%以下(0%を含まない)を夫々含有する他、Li,Na,K,Ba,SrおよびTiよりなる群から選ばれる1種以上の元素:Li,Na,K,BaおよびSrについては合計で0.00001〜0.0050%、Tiについては0.01〜0.5%含有し、残部が鉄および不可避的不純物である請求項1または2に記載の機械構造用鋼。
- 更に、Mo:0.5%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項3に記載の機械構造用鋼。
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