JP2010516898A - 無鉛快削鋼およびその使用 - Google Patents
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Abstract
Description
炭素は、マルテンサイトの硬さを増し炭化物量を増すことにより鋼の硬さを向上させるであろう。しかし、炭素の含有量があまりに高いと、被削性が低下することがある。したがって、この鋼における炭素の上限は、被削性の低下を避けるため1.2重量%であるべきである。意図された用途で使用される鋼で製造された部材の適切な硬さおよび耐摩耗性を得るために、炭素の下限は0.85重量%であるべきである。
ケイ素は固溶硬化作用を持つ。ケイ素は、焼戻し時に炭素の活量も増加させる。さらに、酸素との親和性が高いので、材料の純度を向上させるために、製造中に鋼を脱酸するためケイ素がしばしば使用される。これらの効果は、0.1重量%未満のケイ素含有量では利用できない。高いケイ素含有量では、熱間成形性が低下する。したがって、ケイ素含有量は0.6重量%ケイ素を超えるべきでなく、好ましくは最大0.4重量%である。好ましい実施形態によると、ケイ素含有量は0.15〜0.3重量%、より好ましくは0.2〜0.3重量%である。
マンガンは、硫化物の形態に影響を及ぼし、マンガン硫化物を形成して鋼の被削性を上昇させる。マンガンは、加工硬化の上昇および焼入れ性上昇の傾向も持つ。しかし、快削鋼中の多量のマンガンは耐食性を低下させることもある。0.4重量%未満のマンガン含有量であると硫化物の量が不十分になり、1.2重量%を超える過剰量のマンガンは加工硬化の傾向を高め、それは被削性の低下につながる。好ましくはMn含有量は0.5〜1.1重量%、より好ましくは0.5〜0.7重量%である。
リンは、脆化の危険性があるため一般的に鋼には有害である。したがって、0.2重量%を超えるリン含有量は不利である。この場合、切削時に発生したスクラップのリサイクルを可能にするために、リンの量は最大で0.05重量%に設定される。好ましくは、鋼は、リン含有量は最大で0.03重量%とすべきである。
硫黄は、硫化物、例えばマンガン硫化物などの硫化物の形成により鋼の被削性を上昇させる。これらの硫化物は、圧延、鍛造または冷間引抜きの際に容易に塑性変形を起こし、切削時の工具の摩耗が劇的に低減する。被削性に改善を得るために必要な硫黄含有量は、0.04重量%以上、好ましくは少なくとも0.05重量%、より好ましくは少なくとも0.08重量%である。しかし、高い硫黄含有量は、熱間加工の際に問題が生ずることがある。腐食特性および表面品質も悪影響を受けることがある。先行する研究の結果は、硫黄の最大含有量は約0.3重量%であると示している。この限度を超える硫黄含有量を持つ鋼の被削性は、硫黄含有量が0.3重量%未満である材料と比べて増加した硫黄含有量の影響をそれほど有益に受けない。したがって、硫黄含有量は最大で0.3重量%、好ましくは最大で0.25重量%、より好ましくは最大で0.15重量%であるべきである。
多量のクロムはステンレス鋼の形成をもたらすであろう。より少量のクロムは腐食特性を向上させるであろう。クロムは焼入れ性を向上させる元素でもあり、マンガン含有量が低すぎる場合硫化クロムを形成するであろう。本発明において、クロム含有量は、材料への悪影響を避けるため最大で2重量%であるべきである。クロム含有量が高くなると、炭化物量が急激に増えマトリックス中の炭素含有量が減るため、マルテンサイトの硬さを低下させる。より高いクロム含有量ではセメンタイト炭化物構造の変化も予期される。好ましくは、クロム含有量は0.1〜0.8重量%、より好ましくは0.1〜0.5重量%であるべきである。
少量加えられるニッケルは、被削性にも、腐食にも、焼入れ性にも実質的な影響を全く持たない。より多量では、ニッケルはオーステナイト相を安定化し、焼入れ後の残留オーステナイトの量を増やし、これは硬さを低下させるが焼入れ性および靭性が向上することもある。ニッケル合金はコストが高いため、ニッケル含有量は1重量%未満、好ましくは最大で0.5重量%、より好ましくは最大で0.4重量%であるべきである。
モリブデンは焼入れ性を上昇させる。しかし、高いモリブデン含有量は鋼の熱間加工性を損なうことがある。したがって、モリブデンの上限はこの場合0.5重量%であるべきである。モリブデンは、使用する原材料による不純物レベルで、すなわち最大およそ0.1重量%で存在することが多い。
銅は、旋削時など、工具寿命に関して被削性に好ましい影響を与えることがある。銅は腐食特性を高めるとも報告されており、特に全面腐食の速度を低下させる。しかし、あまりにも高含有量で添加されると、銅は材料の熱間延性を低下させ、可能な限り小さい切屑をつくる能力を低下させることがある。したがって、銅は2重量%までの量で加えることができる。好ましくは、銅含有量は0.02〜1.8重量%、より好ましくは0.3〜1.7重量%である。一実施形態によると、鋼は0.3〜1.0重量%のCuを含んでよい。
通常アルミニウムは、鋼の純度を上げるため脱酸剤として材料に添加される。しかし、多量のアルミニウムは被削性に悪影響を与え、次に、鋼の中に硬く脆いアルミニウム酸化物が増えるため工具摩耗を増加させる。したがって、本発明において、アルミニウム含有量は、被削性低下を防ぐため、可能な限り低く、0.1重量%未満にするべきである。鋼中のアルミニウム酸化物により起こる工具寿命への悪影響のため、本発明による鋼の製造時に、脱酸剤として好ましくはケイ素を使用すべきである。
ホウ素は鋼の焼入れ性を上昇させ、少量では熱間加工性も向上させる。しかし、ホウ素窒化物の形成は、形成される介在物の硬さが比較的高いため工具摩耗を増加させると考えられることがある。過剰量のホウ素は、一般的に材料の熱間延性を低下させるとも考えられている。したがって、ホウ素含有量は最大で鋼中に0.008重量%、好ましくは最大で0.005重量%にするべきである。一実施形態によると、ホウ素は添加しない。
ビスマスは被削性を向上させる。しかし、ビスマスを合金元素として添加することはかなり費用がかかる。セレンおよびテルルも被削性を向上させる元素である。しかし、主にコストおよび環境面での理由から、セレンおよびテルルの両方の量は可能な限り低くするべきである。ビスマス、セレンおよびテルルは、合計で最大0.005重量%まで加えることができる。好ましい実施形態によると、ビスマス、セレンまたはテルルは添加しない。
チタン含有量は、チタン炭窒化物の介在物の形成を避けるため可能な限り低くするべきである。これらの介在物は非常に硬く、工具摩耗を増加させる。そのため、チタン含有量は可能な限り低くするべきである。
鋼は、使用する原料および/または選択した製造プロセスに起因して通常存在する不純物を含んでよい。しかし、これらの不純物の含有量は、製造される鋼の性質がこれらの不純物の存在により実質的に影響されないように制御すべきである。そのような不純物の一例は、好適には0.08重量%未満に保たれる窒素である。他の例は、先に説明したリンおよびアルミニウムであり、それらの量は注意深く監視すべきである。
C 1
Si 0.2
Mn 0.5
P 最大0.02
S 0.1
Cr 0.2
Ni 最大0.4
Cu 1.5
残部Feおよび通常存在する不純物。
C 1
Si 0.3
Mn 1
P 最大0.02
S 0.1
Cr 0.2
Ni 0.05
Cu 0.03
残部Feおよび通常存在する不純物。
C 1
Si 0.2
Mn 0.5
P 最大0.02
S 0.1
Cr 0.5
Ni 0.4
Cu 0.4
残部Feおよび通常存在する不純物。
C 0.9
Si 0.2
Mn 0.5
P 最大0.02
S 0.1
Cr 1.5
Ni 最大0.1
Cu 0.4
残部Feおよび通常存在する不純物。
本発明による鋼の12の異なる試験ヒートを高周波炉溶解により製造し、続いて270kgのインゴットに鋳造した。亀裂を防ぐため、インゴットを、隔離した環境中で1週間、約1550℃から室温までゆっくりと放冷してから、再加熱および鍛造し直径45mmの丸い棒材にした。全ての試験の前に、材料を、約750℃でおよそ4時間軟化焼鈍し、その後およそ10℃/時の速度で制御冷却した。
外径4.9mm、内径4.1mmおよび長さ12.5mmの中空の試験片の形態である、実施例1のヒート−68から−77、−79および−99の試験片を、25℃/秒の速度で室温から800℃に加熱することにより焼入れた。試験片を800℃で5分保った。その後、試験片にヘリウムを流すことにより、制御された冷却速度で試験片を冷却した。制御された冷却速度を得るためにQuench-dilatometer(急冷膨張計)を利用して各ヒートの焼入れ性を試験した。低い冷却速度は、オーステナイト相からマルテンサイトでなくベイナイトまたはパーライトなどへの望ましくない相変態を起こして、材料の硬さの低下につながることがある。
実施例2の焼入れ性試験に加え、試験片のいくつかを使用して焼入れに次ぐ焼戻しの後材料の硬さを検査した。表3は、およそ800℃で約5分間焼入れし、その後4種の異なる温度、100℃、200℃、300℃および500℃で30分間焼戻した後の材料の硬さ(HV1)を示す。結果は、焼入れおよび焼戻しの後の硬さの違いが小さいことを示す。異なるヒートの際の硬さの最大の違いは、焼戻しの前、すなわち焼入れの後、または300℃未満の温度で焼戻しした後に見られる。
実施例1の全組成について被削性を試験した。試験片は、直径がおよそ40mmであり、表面欠陥の影響を最小化するため事前に表面を旋削した。
滑り摩耗に対する材料の耐性は、多くの材料パラメータおよび用途パラメータに依存している。しかし、供試材料の技術分野における多くの用途では、耐摩耗性に影響する2つの主な材料パラメータは、マトリックスの硬さおよび材料中の硬質粒子の量であるようである。
ヒート−99以外の実施例1のヒートの耐食性を人工気候室中で試験した。鋼が受けるはずの実際の環境条件を模するため周期的なプログラムにより湿度レベルを変動させた。主なサイクルは以下に示すサイクル1の反復に基づく。
サイクル1
ステップ1. 35℃および相対湿度(RH)90%で7時間一定状態
ステップ2. 1.5時間かけて相対湿度(RH)45%に直線的低下
ステップ3. 35℃および相対湿度(RH)45%で2時間一定状態
ステップ4. 1.5時間で相対湿度(RH)90%まで直線的上昇
ステップ5. 35℃および相対湿度(RH)90%で6時間一定状態
A=試験片上に腐食なし
B=表面の20%未満が腐食している
C=表面の20%から70%が腐食している
D=表面の70%超が腐食している
本発明の鋼の3つの異なる試験ヒートを、高周波炉溶解およびその後の10トンのインゴットへの鋳造により製造した。割れを防ぐため、材料を950℃までゆっくりと放冷し、それから約1100℃に再加熱した。その後、材料を、105×105mmの四角いビレットに熱間圧延した。ビレットを全面研磨してから、線材圧延を実施した。その後の軟化焼鈍を伴う線材引抜加工を実施し、直径3mmを超える最終寸法にし、その後直径3.0mmに矯正加工および研磨した。約750℃でおよそ5時間軟化焼鈍を行い、その後650℃におよそ10℃/時の速度で制御された冷却を行った。
Claims (20)
- 重量パーセント(重量%)で、下記組成:
C 0.85〜1.2
Si 0.1〜0.6
Mn 0.4〜1.2
P 最大0.05
S 0.04〜0.3
Cr 最大2
Ni 最大1
Mo 最大0.5
Cu 最大2
Al 最大0.1
B 最大0.008
Bi+Se+Te 最大0.005
Ti+Nb+Zr+V 最大0.2
残部 Feおよび通常存在する不純物
を有する無鉛鋼。 - 0.9〜1.1重量%のCを含む、請求項1に記載の鋼。
- 0.15〜0.3重量%、好ましくは0.2〜0.3重量%のSiを含む、請求項1または2に記載の鋼。
- 0.5〜1.1重量%、好ましくは0.5〜0.7重量%のMnを含む、請求項1〜3のいずれかに記載の鋼。
- 0.05〜0.25重量%のSを含む、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- 0.08〜0.15重量%のSを含む、請求項5に記載の鋼。
- 0.1〜0.8重量%、好ましくは0.1〜0.5重量%のCrを含む、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- 最大0.5重量%、好ましくは最大0.4重量%のNiを含む、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- 0.02〜1.8重量%のCuを含む、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- 0.3〜1.7重量%のCuを含む、請求項9に記載の鋼。
- 0.3〜1.0重量%のCuを含む、請求項10に記載の鋼。
- 最大で0.005重量%のBを含む、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- Bの添加を基本的に含まない、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- Bi、SeおよびTeの添加を含まない、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- Ti、Zr、NbおよびVの添加を含まない、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- 線材の形態である、前記請求項のいずれかに記載の鋼。
- 好ましくは自動車産業における、精密バルブへの請求項1〜16のいずれかに記載の鋼の使用。
- 時計への、請求項1〜16のいずれかに記載の鋼の使用。
- 測定プローブへの、請求項1〜16のいずれかに記載の鋼の使用。
- 精密工具への、請求項1〜16のいずれかに記載の鋼の使用。
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