JP4441360B2 - 仕上面粗さに優れた低炭素複合快削鋼材 - Google Patents
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Description
また、低炭素基本鋼、S: 0. 16〜0. 5wt%、N: 0. 003〜0. 03wt%、酸素: 100ppm以上300ppm以下を含有し、Nを従来の連続鋳造法による快削鋼よりも多く含有させることにより、切削中に工具面に生成する構成刃先量を抑制することができ、被削性を造塊材と同等以上にした例もある(特許文献16参照)。
本発明の低炭素硫黄系快削鋼材は、被削性を向上させるために、前提として、フェライトとパーライトとの複合組織とする。その上で、フォーミング加工における仕上面粗さを向上させるために、本発明では、先ず、この複合金属組織における初析フェライトの硬度をHV133〜150の範囲、好ましくはHV135〜145の範囲、に制御する。
構成刃先を安定的に生成させるためには、以上説明した初析フェライトの硬度を規定したり、また、初析フェライトの硬度を直接測定せずとも、鋼材の圧縮試験による変形抵抗を制御することによっても達成できる。言い換えると、鋼材の圧縮試験による変形抵抗によっても、初析フェライトの硬度と同様に、構成刃先生成の安定性を評価することができる。
本発明の低炭素硫黄系快削鋼材の組成(単位:質量%)について、各元素の限定理由を含めて、以下に説明する。
Cは、鋼の強度を確保し、前記初析フェライトの硬度や圧縮試験による200℃と25℃との変形抵抗の差を確保するために含有する。C含有量が0.02%未満では鋼の強度や前記初析フェライトの硬度が不足する。と同時に、靭性・延性が過剰となり、被削性も低下する。一方、C含有量が0.12%を超えると、強度や前記初析フェライトの硬度が過度に高くなり、被削性が却って低下する。このため、Cの下限を0.02%、好ましくは0.03%とし、その上限を0.12%、好ましくは0.07%とする。
Mnは鋼中のSと結合してMnSの硫化物を形成し、被削性を向上させる。また、FeS生成による赤熱脆性を抑制する。これらの効果を発揮させるために、Mnの下限を1.0%とする。しかし、Mnは脱酸効果があるため、2.0%を超えて含有した場合、鋳造前の溶鋼中のフリー酸素(Of)を脱酸し、MnSの大型球状化に必要なOf量を不足させる。また、強度が過剰に上昇し、却って被削性が低下する。したがって、Mnの上限を2.0%とし、更に、後述するSとの関係で、更に含有量を規定して、上記脱酸効果を発揮させないようにして、専らMnSの硫化物形成に寄与させるようにする。
Pは、固溶強化によって、初析フェライトの硬度をHV133〜150の範囲に制御したり、圧縮試験による200℃と25℃との変形抵抗の差を制御して、被削性を向上させるために重要な元素である。即ち、本発明では、Pの固溶強化と後述するNの固溶強化、あるいは選択的に含有するCu、Niの固溶強化との組み合わせによって、後述する熱間圧延温度、熱間圧延後の冷却速度などを組み合わせて行なうことで、初析フェライトの硬度や圧縮試験による200℃と25℃との変形抵抗の差を上記範囲に制御できる。この効果を発揮させるためには、Pの0.05%以上の含有が必要である。一方、Pを0.20%を超えて含有しても効果は飽和するので、0.20%を上限とする。
SはMnと硫化物を形成して被削性を向上させる元素であり、0.30%未満ではかかる効果が過少である。一方、0.60%を超えて含有すると熱間加工性の低下が懸念される。このため、下限を0.30%、好ましくは0.35%とし、一方その上限を0.60%、好ましくは0.50%とする。
Siは脱酸効果があるため、鋳造前の溶鋼中のフリー酸素(Of)を脱酸し、MnSの大型球状化に必要なOf量を不足させる。この影響は、Siを0.01%を超えて含有すると顕著であり、また、0.01%を超えて含有すると硬質の酸化物が生成し、被削性が極端に低下するようになる。このため、Siは0.01%以下に止める。
Nは、前記Pと同様、固溶強化によって、初析フェライトの硬度をHV133〜150の範囲に制御するために重要な元素である。また、Nは、固溶強化によって、鋼材の動的歪時効を顕著にし、構成刃先生成を安定化させる重要な効果もある。鋼材の動的歪時効は、構成刃先生成を安定化させる効果があり、鋼材の動的歪時効が顕著になれば、構成刃先が安定的に生成し、大きさや形状が均一化する。また、鋼材の動的歪時効が顕著になれば、圧縮試験による200℃と25℃との変形抵抗の差を大きくして、上記規定範囲内に制御できる効果もある。更に、Nは、被削性、特に表面粗さを改善する効果がある。
これらの窒素の効果、特に、鋼材の動的歪時効を大きくするためには、上記Nの総量と共に、鋼材の固溶窒素(固溶N)を70ppm以上とすることが好ましい。上記Nの総量が多くても、固溶窒素が70ppm未満では、鋼材の動的歪時効が大きくならず、圧縮試験による200℃と25℃との変形抵抗の差を大きくできない可能性がある。
本発明では、上記成分を有する鋼を鋳造する際には、鋳造前の溶鋼中のフリー酸素(Of)を30ppm以上、100ppm未満とするとともに、OfとSとの比Of/Sを0.005〜0.030と制御する。本発明で言うMnSには、MnSに代表されるSを主とした化合物のほか、酸素が固溶される、あるいは酸化物と複合化したMnSも含まれる。したがって、MnSに固溶するか複合化する酸素は、MnSのサイズや形態に大きな影響を及ぼす。そして、これらのMnSは鋳造前の溶鋼中で生成する。この点、酸素量は、製品鋼材の段階で規定しても意味はなく、鋳造前の溶鋼中の段階で、かつ、フリー酸素の量で制御する必要がある。即ち、MnSの形態は、鋳造前の溶鋼中のOf量で定まり、鋳造前の溶鋼中のOfを上記範囲とすることで、MnSを大型球状化でき、被削性が向上する。
Cr、Ti、Nb、V、Al、Zrは、被削性に有効な、前記固溶Nを固着して窒化物を生成してしまう。したがって、これらの元素は固溶Nの量を減少させて、被削性を低下させる。Crを0.04%を超えて含有した場合や、Ti、Nb、V、Al、Zrを総量で0.020%を超えて含有した場合に、特にその悪影響は顕著となる。したがって、本発明ではこれらの元素をできるだけ少なくすることが好ましい。このために、Crを好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.02%以下に規制する。また、Ti、Nb、V、Al、Zrを、これらの元素の総量で、好ましくは0.020%以下、より好ましくは0.015%以下、更により好ましくは0.010%以下に規制する。
Cu、Niは、フェライト中に固溶して、フェライトを強化するので、初析フェライトの硬度をHV133〜150の範囲と制御するために有効である。したがって、前記したNとともに用いることができる。この効果を発揮するため、Cu、Niの1種または2種を選択的に含有させる場合には、Cu:0.30%超、1.0%以下、Ni:0.20%超、1.0%以下とする。Cuが0.30%以下、またNiが0.20%以下ではこれらの効果が無く、Cuが1.0%超、またNi:1.0%超では、効果が飽和する。
次に、鋼材中のMnS(硫化物系介在物)の形態について詳細に説明する。MnSの量、分布は、上記した通り、組成、溶解・鋳造条件によってほぼ決まるが、その形態は鋳造後の熱間圧延、熱間鍛造の工程でも変化する。MnSの形態が大型の球形であるほど、圧延、鍛造時に展伸しにくく、加工後においても大きな幅の形態を備える。MnSの幅は、熱間圧延された鋼材あるいはその後に伸線などの冷間加工した鋼材においても被削性に大きな影響を与え、一般的には幅が大きいほど被削性は向上する。もっとも、鋼材の径によって必要とされる平均幅は異なる。例えば、同じ体積、個数、形態(幅)のMnSが鋼材中に存在する場合には、径が小さい方が被削性は良好であり、径が大きいほど被削性は低下する。ここで形態に着目すれば、径が大きくとも、十分な幅のMnSとすることによって、被削性を改善することができる。
本発明鋼材の好ましい製造条件について以下に説明する。
比較例12は、表2の鋼4の、鋳造前の溶鋼中のOfが下限30ppm未満と低めに外れ、Of/Sも下限0.005未満と低めに外れている。このため、MnSの平均幅 (μm )が2.8*log d未満と低めに外れている。
比較例15は、表2の鋼7の、鋳造前の溶鋼中のOfが下限30ppm未満と低めに外れている。このため、MnSの平均幅 (μm )が2.8*log d未満と低めに外れている。
比較例19は、表1の鋼11のMn量が2.2%と上限2.0%を超えて高過ぎる。また、表2の鋼11の、鋳造前の溶鋼中のOfやOf/Sも下限より低めに外れている。
比較例20は、表1の鋼12のS量が0.28%と下限0.3%未満と低めに外れている。このため、MnSの平均幅 (μm )が2.8*log d未満と低めに外れている。
比較例21、22は、表1の鋼13、14のN量が下限0.007%未満に低めに外れている。このため、初析フェライトの硬度がHV133未満と低めに外れている。
比較例28は、表4の鋼20のNが下限0.007%を低めに外れている。
比較例29は、表4の鋼21のN含有量が、上限0.035%を高めに外れるために、切削後の表面品質が低下し、仕上面粗さRaが測定できなかった。
比較例30は、初析フェライトの硬度が上限に外れている。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.02〜0.12%、Si:0.01%以下、Mn:1.0〜2.0%、P:0.05〜0.20%、S:0.30〜0.60%、N:0.007〜0.03%、を含み、かつ、MnとSの含有量が、Mn*S:0.40〜1.2、Mn/S≧3.0の関係を各々を満たし、残部Feおよび不可避的不純物からなり、金属組織がフェライト・パーライト組織からなる鋼材であって、この鋼材の直径をd(mm)とするとき、鋼材中の硫化物系介在物の平均幅 (μm )が2.8*log d以上であり、かつ、前記金属組織における初析フェライトの硬度がHV133〜150であることを特徴とする、仕上面粗さに優れた低炭素複合快削鋼材。
- 質量%で、C:0.02〜0.12%、Si:0.01%以下、Mn:1.0〜2.0%、P:0.05〜0.20%、S:0.30〜0.60%、N:0.007〜0.03%、を含み、かつ、MnとSの含有量が、Mn*S:0.40〜1.2、Mn/S≧3.0の関係を各々を満たし、残部Feおよび不可避的不純物からなり、金属組織がフェライト・パーライト組織からなる鋼材であって、この鋼材の直径をd(mm)とするとき、鋼材中の硫化物系介在物の平均幅 (μm )が2.8*log d以上であり、かつ、変形速度0.3mm/minの圧縮試験により得られた、歪みが0.3の時の変形抵抗の、200℃と25℃との変形抵抗の差が110MPa以上、200MPa以下であることを特徴とする、仕上面粗さに優れた低炭素複合快削鋼材。
- 前記鋼材の固溶窒素が70ppm以上である請求項1または2に記載の仕上面粗さに優れた低炭素複合快削鋼材。
- 前記鋼材が、Cr:0.04%以下、およびTi、Nb、V、Al、Zrを総量で0.020%以下に規制した請求項1乃至3のいずれか1項に記載の仕上面粗さに優れた低炭素複合快削鋼材。
- 前記鋼材が、更に、Cu:0.30%超、1.0%以下、Ni:0.20%超、1.0%以下の1種または2種を含有する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の仕上面粗さに優れた低炭素複合快削鋼材。
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