JP4513206B2 - 被削性に優れた機械構造用鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被削性に優れた機械構造用鋼およびその製造方法に関し、特に機械構造用鋼としての強度の劣化を招くことなしに、被削性の有利な向上を図ろうとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業機械や自動車等の機械部品は、鋼材を素材とし、熱間鍛造をはじめとする熱間加工の後に切削によって所定の形状に加工し、その後、焼入れ焼戻し処理を施して機械部品としての要求特性を確保する、という方法によって製造されるものが多い。
【０００３】
このような用途に用いられる機械構造用鋼の被削性を改善する手段としては、鋼中にPb，Ｓ，BiおよびＰ等の快削性元素を単独または複合して添加する方法が一般的である。特にPbは、被削性を改善する作用が極めて強いために多用されている。
しかしながら、一方でPbは、人体に有害な元素であるため、鋼材の製造工程や機械部品の加工工程において大がかり排気設備を必要とすることの他、鋼材のリサイクルの点からも大きな問題があった。
また、鋼材の熱間鍛造性の改善のためには、Pb，Ｓ，Te，BiおよびＰ等の元素は逆に低減することが望ましい。
【０００４】
このような相矛盾する合金設計を可能にするために、従来、例えば特開昭51−57621 号公報に開示の技術に代表されるように、鋼中炭素を黒鉛化することからなる被削性の改善方法が提案された。
しかしながら、これまでの技術は、黒鉛を析出させるために、熱間加工後、再加熱による黒鉛化処理が不可欠であるため、製造プロセスの煩雑化を招いていた。
【０００５】
また、機械構造用鋼としては、必然的に高強度が必要とされ、所望強度に応じた成分設計がなされているが、かかる機械構造用鋼に上記の黒鉛化技術を適用して被削性の改善を図った場合に、必ずしも所望強度が得られるとは限らないところに問題を残していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記したような従来技術が抱えている諸問題を有利に解決することにある。
すなわち、熱間鍛造をはじめとする熱間加工により成形される機械部品において、黒鉛化技術によってその被削性の向上を図る場合に、熱間加工後、従来不可欠とされた再加熱による黒鉛析出処理の必要なしに鋼中に黒鉛を析出させることができ、またかかる黒鉛化処理によっても強度が劣化することのない被削性に優れた機械構造用鋼を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、熱間加工後に再加熱処理を施すことなく、鋼中に黒鉛を析出させて被削性の向上を図り、しかもかかる黒鉛化処理によっても強度の低下を招くことのない製造技術を開発すべく、鋭意研究を重ねた結果、
(1) ミクロ組織中に体積率で0.03〜0.60％の黒鉛が存在すれば、Pbを添加した構造用鋼と同等以上の被削性が得られる、
(2) しかも、上記した析出黒鉛のうち粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合を全体の60％以上とすれば、鋼材の強度劣化が回避できる、
(3) また、原料中の炭素を効果的に黒鉛として析出させるには、鋼中に不可避に混入するCr量を0.05質量％以下に抑制する必要がある、
(4) さらに、ＣやCrを含め、鋼材の成分組成を適正化した上で、熱間加工後の冷却工程に工夫を加えることによって、鋼材の被削性向上に必要な量でしかも微細な黒鉛粒が、熱間加工後の再加熱を必要とすることなしに得られる
ことの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満、 Si：0.5 〜2.0 ％、
Mn：0.02〜0.5 ％、 Ｂ：0.0003〜0.015 ％、
Al：0.005 〜0.1 ％、 Ｎ：0.0015〜0.015 ％
を含有し、かつ不純物としてのCrおよびＯをそれぞれ
Cr：0.05％以下、 Ｏ：0.0020％以下
に抑制し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、さらに鋼中における黒鉛の析出量が体積率で0.03〜0.60％でかつ、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される析出黒鉛粒子のうち粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合が全体の60％以上であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
【０００９】
２．上記１において、鋼が、質量％で、さらに下記のＩ〜Ｖ群のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
記
Ｉ群 Ni：0.05〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.10〜3.0 ％のうちから選んだ少なくとも１種。
II群 Mo：0.05〜1.0 ％。
III 群 Ｖ：0.05〜0.5 ％および／またはNb：0.005 〜0.05％。
IV群 Ti：0.005 〜0.05％および／またはZr：0.005 〜0.2 ％。
Ｖ群 REM ：0.0005〜0.2 ％。
【００１０】
３．上記１または２において、鋼が、質量％で、さらに
Ｐ：0.10％以下、 Ｓ：0.001 〜0.50％、
Ca：0.0005〜0.010 ％、 Te：0.005 〜0.05％、
Pb：0.30％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
【００１１】
４．質量％で
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満、 Si：0.5 〜2.0 ％、
Mn：0.02〜0.5 ％、 Ｂ：0.0003〜0.015 ％、
Al：0.005 〜0.1 ％、 Ｎ：0.0015〜0.015 ％
を含有し、かつ不純物としてのCrおよびＯをそれぞれ
Cr：0.05％以下、 Ｏ：0.0020％以下
に抑制した組成になる鋼片を、熱間加工し、その後の冷却過程において、 800〜500 ℃の温度域を 1.0℃/s未満の速度で冷却することによって、鋼中に体積率で0.03〜0.60％でかつ、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合が全体の60％以上となる黒鉛を析出させることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
まず、この発明において、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、以下に示す成分組成の％表示は「質量％」である。
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満
Ｃは、黒鉛相の形成および焼入れ焼戻し後の強度を得るために必須の成分であり、含有量が 0.1％未満では被削性を確保する上で必要な黒鉛相を確保することが難しいので、0.1 ％以上添加するものとした。しかしながら、0.8 ％以上添加すると、熱間加工性が低下するだけでなく、後述する適切な製造条件に従った場合でも、所望の粒径分布の黒鉛粒子が得難くなるので、Ｃは 0.1％以上、 0.8％未満の範囲に限定した。より好ましくは 0.3〜0.7 ％の範囲である。
【００１３】
Si：0.5 〜2.0 ％
Siは、セメンタイト中に固溶せず、セメンタイトを不安定化することによって黒鉛析出を促進する元素であるので、積極的に添加するが、含有量が 0.5％に満たないと熱間加工中における冷却時の黒鉛の析出が極めて困難となり、一方 2.0％を超えると、熱間加工時の変形能が低下するだけでなく、加工後の硬さが上昇して被削性を劣化させるので、Siは 0.5〜2.0 ％の範囲に限定した。
【００１４】
Mn：0.02〜0.5 ％
Mnは、鋼の脱酸に有用なだけでなく、焼入性の改善にも有効に寄与するが、一方でセメンタイト中に固溶し、黒鉛の析出を阻害する元素でもある。ここに、含有量が0.02％未満では、脱酸および焼入性の改善効果が乏しく、一方 0.5％を超えると黒鉛析出が阻害され、熱間加工後の冷却中における黒鉛の析出が不可能となるので、Mnは0.02〜0.5 ％の範囲に限定した。
【００１５】
Ｂ：0.0003〜0.015 ％
Ｂは、鋼中のＮと化合してＢＮを形成し、これが黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛の析出を促進すると共に、黒鉛粒を微細化する。また、鋼の焼入性を高め、焼入れ後の強度を確保する上でも有用な元素である。しかしながら、含有量が0.0003％未満では黒鉛析出および焼入性向上への効果が小さく、一方 0.015％を超えるとＢがセメンタイト中に固溶しセメンタイトを安定化させることにより、逆に黒鉛析出が阻害されるので、Ｂは0.0003〜0.015 ％の範囲に限定した。
【００１６】
Al：0.005 〜0.1 ％
Alは、鋼中のＮと反応してAlＮを形成し、これが黒鉛の核形成サイトとして作用することによって黒鉛の析出を促進するので、積極的に添加するが、含有量が0.005 ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.1％を超えると鋳造工程においてAl系酸化物が多数形成され、この酸化物は単独でも疲労破壊の起点となるだけでなく、この酸化物を核として黒鉛粒の著しい粗大化を招く。また、Al系酸化物は硬質なため、切削時に工具を摩耗させることによって被削性を低下させる弊害もある。これらの理由により、Alは 0.005〜0.1 ％の範囲で含有させるものとした。
【００１７】
Ｎ：0.0015〜0.015 ％
Ｎは、ＢやAlと化合してＢＮやAlＮを形成し、これらのＢＮ，AlＮが黒鉛の結晶化の核となることによって黒鉛粒を著しく微細化すると共に、黒鉛析出を促進するので、この発明において必須の元素であるが、含有量が0.0015％に満たないとＢＮやAlＮが十分に形成されず、一方 0.015％を超えると連続鋳造時に鋳片の割れを促進するので、Ｎは0.0015〜0.015 ％の範囲に限定した。
【００１８】
Cr：0.05％以下
Crは、セメンタイト中に固溶し、微量の混入でも黒鉛の析出を著しく阻害する有害元素である。従って、熱間加工後の冷却中における黒鉛析出を意図したこの発明では、その混入を極力抑制する必要があるが、0.05％以下であれば許容される。
【００１９】
Ｏ：0.0020％以下
Ｏは、酸化物系非金属介在物を形成し、熱間加工性、被削性を共に低下させるので極力低減する必要があるが、0.0020％以下であれば許容される。
【００２０】
以上、必須成分および抑制成分について説明したが、この発明では、その他にも、黒鉛析出の促進および焼入れ焼戻し後の強度上昇を目的として、以下の元素を必要に応じて適宜添加することができる。
Ni：0.05〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.10〜3.0 ％
Ni，CuおよびCoはいずれも、黒鉛析出を促進するだけでなく、焼入性を向上させる作用を併せ持つので、黒鉛析出を阻害せずに、焼入性を向上させるのに有用な元素である。しかしながら、含有量はそれぞれ下限に満たないとその添加効果に乏しく、一方いずれも 3.0％を超えるとその効果は飽和に達するので、それぞれ上記の範囲で添加するものとした。
【００２１】
Mo：0.05〜1.0 ％
Moは、焼入性を高めると同時に、Mn，Crといった合金元素に比較してセメンタイトへの分配が小さいという特長がある。このために、黒鉛析出を著しく阻害することなしに鋼材の焼入性を高めることができる。また、Moを添加した鋼材は、焼戻し軟化抵抗が大きいので、同一焼戻し温度では硬さを向上させることが可能となり、その結果、疲労強度を向上させることができる。また、焼入性が高いために、熱間圧延ままの状態においては、微細な黒鉛を形成するベイナイト組織とすることが容易であり、この結果、焼入時の黒鉛の溶解を短時間で完了させることができる。このため、Moは、疲労強度を一層向上させる必要がある場合に用いるが、0.05％未満ではその添加効果が小さく、一方 1.0％を超えるとMoでも黒鉛析出を阻害し、熱間加工後の冷却中における黒鉛の析出を困難とし、被削性を低下させるので、Moは0.05〜1.0 ％の範囲で含有させる必要がある。
【００２２】
Ｖ：0.05〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.05％、
Ｖ，Nbは共に、炭化物形成元素であるが、セメンタイト中にはほとんど固溶しないので、黒鉛析出をさほど阻害しない。また、炭窒化物を形成し、この析出強化作用により強度を上昇させると共に、焼入性を向上させる元素でもあるので疲労強度を向上させる必要のある場合にとりわけ有用である。Ｖの場合、含有量が0.05％未満ではこれらの効果が小さく、一方 0.5％を超えると効果が飽和するので、Ｖは0.05〜0.5 ％の範囲に限定した。また、Nbの場合、含有量が 0.005％未満では上述の効果が小さく、一方 0.005％を超えると効果が飽和するので、Nbは 0.005〜0.05％の範囲に限定した。
【００２３】
Ti：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％
Ti，Zrは共に、炭窒化物を形成し、これらが黒鉛の結晶化の核として作用することにより黒鉛粒を微細化するので、黒鉛粒をより微細化する必要がある場合に用いて有用な元素である。また、炭窒化物を形成することにより焼入れ時にＢを焼入性に有効に作用させることが可能である。このような効果を発揮させるためには、Ti，Zrともに 0.005％以上添加する必要があるが、Ti, Zrがそれぞれ0.05％および 0.2％を超えるとＢＮを形成するためのＮが不足し、その結果、黒鉛粒が粗大化すると共に黒鉛析出時間が極めて長くなるので、それぞれTi：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％の範囲で含有させるものとした。
【００２４】
REM ：0.0005〜0.2 ％
La，Ceなどの REMは、Ｓと結合し、(La, Ce)Ｓを形成する。これは、黒鉛析出の核となり、黒鉛析出を促進すると共に黒鉛粒を微細化するので、黒鉛粒の微細化および黒鉛の析出を促進する上で有用な元素である。しかしながら、含有量が0.0005％未満ではその添加効果に乏しく、一方 0.2％を超えて添加しても効果が飽和するので、 REMは0.0005〜0.2 ％の範囲に限定した。
【００２５】
さらに、この発明では、被削性の一層の向上を目的として以下の元素を適宜含有させることもできる。
Ｐ：0.10％以下
切削性の向上を目的としてＰを添加することも可能である。ただし、過剰な添加は靱性や耐疲労性に悪影響を及ぼすので、添加するにしても0.10％以下の範囲とする必要がある。好ましくは0.07％以下である。
【００２６】
Ｓ：0.001 〜0.50％
Ｓは、切削性の向上効果を発揮させるためには 0.001％以上添加する必要があるが、過剰に添加すると清浄性が劣化し、靱性の低下を招くので、Ｓは 0.001〜0.50％の範囲とする必要がある。
【００２７】
Ca：0.0005〜0.010 ％
Caは、Pbとほぼ同程度の切削性改善効果を持つ元素で、その効果を発揮させるためには0.0005％以上含有させる必要があるが、0.010 ％を超えるとその効果は飽和に達するので、Caは0.0005〜0.010 ％の範囲に限定した。
【００２８】
Te：0.005 〜0.05％
Teも、PbやCaと同じ程度の切削性向上元素であるが、含有量が 0.005％未満ではその効果が小さく、一方0.05％を超えるとその効果は飽和し、むしろ耐疲労性の低下を招くので、Teは 0.005〜0.05％の範囲に限定した。
【００２９】
Pb：0.30％以下
この発明では、その主旨から、Pbは基本的に添加しないが、これは技術的に添加することができないという意味ではない。
すなわち、単に切削性の面だけ考慮すれば良いのであれば、その添加を妨げるものではない。
しかしながら、この場合であっても、環境衛生の面から添加量は0.30％以下に抑制することが好ましい。
【００３０】
以上、この発明における成分組成について説明したが、この発明では鋼材の成分組成を上記のように限定するだけでは不十分で、所望の効果を得るためには、黒鉛の析出量およびその粒径分布が重要である。
すなわち、この発明では、黒鉛の析出量は体積率で0.03〜0.60％の範囲に制限する必要がある。というのは、黒鉛析出量が0.03％に満たないと十分満足いくほどの被削性が得られず、一方0.60％を超えると、析出数はあまり増加しないので個々の黒鉛の粒径が粗大化し、粗粒の割合が多くなりすぎて強度の低下を余儀なくされるからである。
また、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される黒鉛粒のうち粒径が３μm 以下の微細粒の割合を、全析出黒鉛粒子に占める個数の割合で60％以上とする必要がある。というのは３μm 以下の微細粒の割合が全体の60％に満たない、すなわち粗粒の割合が多くなると、それに伴って強度の低下を余儀なくされるからである。
【００３１】
次に、この発明の製造工程について説明する。
まず、素材の製造については、従来公知の転炉または電気炉等で溶製した後、連続鋳造法または造塊−分塊法によってスラブまたはブルームとする。ついで、熱間加工を行うが、この熱間加工後の冷却工程において、少なくとも 800〜500℃の黒鉛の析出温度域については、冷却速度を 1.0℃/s未満の徐冷とする必要がある。
というのは、この発明では、従来のように、熱間加工後に再加熱による黒鉛化処理を行わず、この冷却過程において黒鉛を析出させるわけであるが、この際、冷却速度が 1.0℃/s以上では、冷却中における黒鉛の析出が困難となり、この発明で所望する体積率で0.03〜0.60％の黒鉛の析出が望めなくなるからである。
【００３２】
上記の冷却処理後、通常は切削加工等により所定の形状に成形したのち、焼入れ焼戻し等の処理を施して、製品とされる。
【００３３】
【実施例】
表１に示す成分組成になる鋼材を、 900〜1200℃に加熱し、熱間加工を行ったのち、種々の冷却速度で冷却した。
上記の冷却工程における 800〜500 ℃の温度域における冷却速度および黒鉛粒の微細化処理の有無を表２，３に示す。
また、このようにして得られた鋼材の黒鉛析出量、粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合、硬さ、被削性および焼入れ焼戻し後の機械的特性について調べた結果を表２，３に併記する。
【００３４】
なお、各調査項目の測定方法は次のとおりである。
(1) 黒鉛析出量、黒鉛粒の粒径
鋼材より採取した光学顕微鏡用試片につき、研磨後腐食せず、画像解析装置により断面５箇所、各箇所について 400倍の倍率で10視野にわたって黒鉛の面積率を測定し、その平均値をもって黒鉛析出量とした。また、黒鉛粒の粒径については、30〜500 個の黒鉛粒についてその粒径を測定した。ここに、この発明の黒鉛析出量の範囲では、上記の方法で測定した面積率で得た値と体積率とはほぼ等しい。
【００３５】
(2) 硬さ
上記(1) で用いた光学顕微鏡試片を用いて鋼材のビッカース硬さを測定した。測定加重は 98 Ｎ（10 kgf）とし、10点を測定した値の平均値を硬さとして用いた。
【００３６】
(3) 被削性試験
被削性試験は、高速度工具鋼SKH4を用い、52mmφの試片を切削速度 80m/min、無潤滑の条件により外周旋削を行い、工具が切削不能となるまでの時間を工具寿命として評価した。
【００３７】
(4) 焼入れ焼戻し材の引張試験
焼入れ焼戻し後の特性試験は、素材から15mmφ×100mmlの試片を作成し、900℃、30min 加熱後、水溶性焼入れ液中に焼入れ、ついで 500℃、１ｈ保持後、水冷の焼戻し処理を施した。処理後の試片の硬さを測定すると共に、当該試片より平行部８mmφ×36mml の引張試験片を作成し、引張試験を実施した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
【表３】
【００４１】
表１において、鋼Ａ〜Ｏはいずれも、その成分組成がこの発明の適正範囲を満足する鋼、鋼ＰはMnが、鋼ＱはCrが、鋼ＲはAlが、鋼ＳはSiが、それぞれこの発明の適正範囲外である比較鋼、鋼ＴはJIS 規格のS48Cに相当する鋼にPbを添加したもの、鋼Ｕは JIS規格のSCM435に相当する鋼である。
【００４２】
表２，３に示したとおり、この発明に従う鋼材はいずれも、Pb添加S48Cに相当する鋼Ｔ (No.30)と比較して同等以上の優れた被削性を有している。
これに対し、成分組成がこの発明の範囲外(No.26〜29) あるいは化学組成がこの発明内にあっても熱間加工後の冷却速度がこの発明の条件を満たさない場合 (No.1, ４) にはいずれも、熱間加工後の冷却中に黒鉛の析出が認められなかった。そのため、その被削性もこの発明と比較すると著しく劣っていた。
また、焼入れ焼戻し後の疲労強度も、この発明範囲の鋼はNo.30 よりも優れた値を示した。特に、Mo, Ｖ等の効果も利用した焼入れ焼戻し後の強化を図った鋼(No.12〜15、17〜21）はいずれも、SCM435 (No.31)よりも優れた値を示した。
なお、No.11 は、黒鉛の析出量が多すぎたため、疲労強度に劣っていた。
【００４３】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、熱間加工後に再加熱による黒鉛析出処理の必要なしに適正量の黒鉛を析出させることができ、またかかる黒鉛化処理によっても強度が劣化することのない被削性に優れた機械構造用鋼を安定して得ることができる。
【発明の属する技術分野】
この発明は、被削性に優れた機械構造用鋼およびその製造方法に関し、特に機械構造用鋼としての強度の劣化を招くことなしに、被削性の有利な向上を図ろうとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業機械や自動車等の機械部品は、鋼材を素材とし、熱間鍛造をはじめとする熱間加工の後に切削によって所定の形状に加工し、その後、焼入れ焼戻し処理を施して機械部品としての要求特性を確保する、という方法によって製造されるものが多い。
【０００３】
このような用途に用いられる機械構造用鋼の被削性を改善する手段としては、鋼中にPb，Ｓ，BiおよびＰ等の快削性元素を単独または複合して添加する方法が一般的である。特にPbは、被削性を改善する作用が極めて強いために多用されている。
しかしながら、一方でPbは、人体に有害な元素であるため、鋼材の製造工程や機械部品の加工工程において大がかり排気設備を必要とすることの他、鋼材のリサイクルの点からも大きな問題があった。
また、鋼材の熱間鍛造性の改善のためには、Pb，Ｓ，Te，BiおよびＰ等の元素は逆に低減することが望ましい。
【０００４】
このような相矛盾する合金設計を可能にするために、従来、例えば特開昭51−57621 号公報に開示の技術に代表されるように、鋼中炭素を黒鉛化することからなる被削性の改善方法が提案された。
しかしながら、これまでの技術は、黒鉛を析出させるために、熱間加工後、再加熱による黒鉛化処理が不可欠であるため、製造プロセスの煩雑化を招いていた。
【０００５】
また、機械構造用鋼としては、必然的に高強度が必要とされ、所望強度に応じた成分設計がなされているが、かかる機械構造用鋼に上記の黒鉛化技術を適用して被削性の改善を図った場合に、必ずしも所望強度が得られるとは限らないところに問題を残していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記したような従来技術が抱えている諸問題を有利に解決することにある。
すなわち、熱間鍛造をはじめとする熱間加工により成形される機械部品において、黒鉛化技術によってその被削性の向上を図る場合に、熱間加工後、従来不可欠とされた再加熱による黒鉛析出処理の必要なしに鋼中に黒鉛を析出させることができ、またかかる黒鉛化処理によっても強度が劣化することのない被削性に優れた機械構造用鋼を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、熱間加工後に再加熱処理を施すことなく、鋼中に黒鉛を析出させて被削性の向上を図り、しかもかかる黒鉛化処理によっても強度の低下を招くことのない製造技術を開発すべく、鋭意研究を重ねた結果、
(1) ミクロ組織中に体積率で0.03〜0.60％の黒鉛が存在すれば、Pbを添加した構造用鋼と同等以上の被削性が得られる、
(2) しかも、上記した析出黒鉛のうち粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合を全体の60％以上とすれば、鋼材の強度劣化が回避できる、
(3) また、原料中の炭素を効果的に黒鉛として析出させるには、鋼中に不可避に混入するCr量を0.05質量％以下に抑制する必要がある、
(4) さらに、ＣやCrを含め、鋼材の成分組成を適正化した上で、熱間加工後の冷却工程に工夫を加えることによって、鋼材の被削性向上に必要な量でしかも微細な黒鉛粒が、熱間加工後の再加熱を必要とすることなしに得られる
ことの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満、 Si：0.5 〜2.0 ％、
Mn：0.02〜0.5 ％、 Ｂ：0.0003〜0.015 ％、
Al：0.005 〜0.1 ％、 Ｎ：0.0015〜0.015 ％
を含有し、かつ不純物としてのCrおよびＯをそれぞれ
Cr：0.05％以下、 Ｏ：0.0020％以下
に抑制し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、さらに鋼中における黒鉛の析出量が体積率で0.03〜0.60％でかつ、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される析出黒鉛粒子のうち粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合が全体の60％以上であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
【０００９】
２．上記１において、鋼が、質量％で、さらに下記のＩ〜Ｖ群のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
記
Ｉ群 Ni：0.05〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.10〜3.0 ％のうちから選んだ少なくとも１種。
II群 Mo：0.05〜1.0 ％。
III 群 Ｖ：0.05〜0.5 ％および／またはNb：0.005 〜0.05％。
IV群 Ti：0.005 〜0.05％および／またはZr：0.005 〜0.2 ％。
Ｖ群 REM ：0.0005〜0.2 ％。
【００１０】
３．上記１または２において、鋼が、質量％で、さらに
Ｐ：0.10％以下、 Ｓ：0.001 〜0.50％、
Ca：0.0005〜0.010 ％、 Te：0.005 〜0.05％、
Pb：0.30％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
【００１１】
４．質量％で
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満、 Si：0.5 〜2.0 ％、
Mn：0.02〜0.5 ％、 Ｂ：0.0003〜0.015 ％、
Al：0.005 〜0.1 ％、 Ｎ：0.0015〜0.015 ％
を含有し、かつ不純物としてのCrおよびＯをそれぞれ
Cr：0.05％以下、 Ｏ：0.0020％以下
に抑制した組成になる鋼片を、熱間加工し、その後の冷却過程において、 800〜500 ℃の温度域を 1.0℃/s未満の速度で冷却することによって、鋼中に体積率で0.03〜0.60％でかつ、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合が全体の60％以上となる黒鉛を析出させることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
まず、この発明において、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、以下に示す成分組成の％表示は「質量％」である。
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満
Ｃは、黒鉛相の形成および焼入れ焼戻し後の強度を得るために必須の成分であり、含有量が 0.1％未満では被削性を確保する上で必要な黒鉛相を確保することが難しいので、0.1 ％以上添加するものとした。しかしながら、0.8 ％以上添加すると、熱間加工性が低下するだけでなく、後述する適切な製造条件に従った場合でも、所望の粒径分布の黒鉛粒子が得難くなるので、Ｃは 0.1％以上、 0.8％未満の範囲に限定した。より好ましくは 0.3〜0.7 ％の範囲である。
【００１３】
Si：0.5 〜2.0 ％
Siは、セメンタイト中に固溶せず、セメンタイトを不安定化することによって黒鉛析出を促進する元素であるので、積極的に添加するが、含有量が 0.5％に満たないと熱間加工中における冷却時の黒鉛の析出が極めて困難となり、一方 2.0％を超えると、熱間加工時の変形能が低下するだけでなく、加工後の硬さが上昇して被削性を劣化させるので、Siは 0.5〜2.0 ％の範囲に限定した。
【００１４】
Mn：0.02〜0.5 ％
Mnは、鋼の脱酸に有用なだけでなく、焼入性の改善にも有効に寄与するが、一方でセメンタイト中に固溶し、黒鉛の析出を阻害する元素でもある。ここに、含有量が0.02％未満では、脱酸および焼入性の改善効果が乏しく、一方 0.5％を超えると黒鉛析出が阻害され、熱間加工後の冷却中における黒鉛の析出が不可能となるので、Mnは0.02〜0.5 ％の範囲に限定した。
【００１５】
Ｂ：0.0003〜0.015 ％
Ｂは、鋼中のＮと化合してＢＮを形成し、これが黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛の析出を促進すると共に、黒鉛粒を微細化する。また、鋼の焼入性を高め、焼入れ後の強度を確保する上でも有用な元素である。しかしながら、含有量が0.0003％未満では黒鉛析出および焼入性向上への効果が小さく、一方 0.015％を超えるとＢがセメンタイト中に固溶しセメンタイトを安定化させることにより、逆に黒鉛析出が阻害されるので、Ｂは0.0003〜0.015 ％の範囲に限定した。
【００１６】
Al：0.005 〜0.1 ％
Alは、鋼中のＮと反応してAlＮを形成し、これが黒鉛の核形成サイトとして作用することによって黒鉛の析出を促進するので、積極的に添加するが、含有量が0.005 ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.1％を超えると鋳造工程においてAl系酸化物が多数形成され、この酸化物は単独でも疲労破壊の起点となるだけでなく、この酸化物を核として黒鉛粒の著しい粗大化を招く。また、Al系酸化物は硬質なため、切削時に工具を摩耗させることによって被削性を低下させる弊害もある。これらの理由により、Alは 0.005〜0.1 ％の範囲で含有させるものとした。
【００１７】
Ｎ：0.0015〜0.015 ％
Ｎは、ＢやAlと化合してＢＮやAlＮを形成し、これらのＢＮ，AlＮが黒鉛の結晶化の核となることによって黒鉛粒を著しく微細化すると共に、黒鉛析出を促進するので、この発明において必須の元素であるが、含有量が0.0015％に満たないとＢＮやAlＮが十分に形成されず、一方 0.015％を超えると連続鋳造時に鋳片の割れを促進するので、Ｎは0.0015〜0.015 ％の範囲に限定した。
【００１８】
Cr：0.05％以下
Crは、セメンタイト中に固溶し、微量の混入でも黒鉛の析出を著しく阻害する有害元素である。従って、熱間加工後の冷却中における黒鉛析出を意図したこの発明では、その混入を極力抑制する必要があるが、0.05％以下であれば許容される。
【００１９】
Ｏ：0.0020％以下
Ｏは、酸化物系非金属介在物を形成し、熱間加工性、被削性を共に低下させるので極力低減する必要があるが、0.0020％以下であれば許容される。
【００２０】
以上、必須成分および抑制成分について説明したが、この発明では、その他にも、黒鉛析出の促進および焼入れ焼戻し後の強度上昇を目的として、以下の元素を必要に応じて適宜添加することができる。
Ni：0.05〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.10〜3.0 ％
Ni，CuおよびCoはいずれも、黒鉛析出を促進するだけでなく、焼入性を向上させる作用を併せ持つので、黒鉛析出を阻害せずに、焼入性を向上させるのに有用な元素である。しかしながら、含有量はそれぞれ下限に満たないとその添加効果に乏しく、一方いずれも 3.0％を超えるとその効果は飽和に達するので、それぞれ上記の範囲で添加するものとした。
【００２１】
Mo：0.05〜1.0 ％
Moは、焼入性を高めると同時に、Mn，Crといった合金元素に比較してセメンタイトへの分配が小さいという特長がある。このために、黒鉛析出を著しく阻害することなしに鋼材の焼入性を高めることができる。また、Moを添加した鋼材は、焼戻し軟化抵抗が大きいので、同一焼戻し温度では硬さを向上させることが可能となり、その結果、疲労強度を向上させることができる。また、焼入性が高いために、熱間圧延ままの状態においては、微細な黒鉛を形成するベイナイト組織とすることが容易であり、この結果、焼入時の黒鉛の溶解を短時間で完了させることができる。このため、Moは、疲労強度を一層向上させる必要がある場合に用いるが、0.05％未満ではその添加効果が小さく、一方 1.0％を超えるとMoでも黒鉛析出を阻害し、熱間加工後の冷却中における黒鉛の析出を困難とし、被削性を低下させるので、Moは0.05〜1.0 ％の範囲で含有させる必要がある。
【００２２】
Ｖ：0.05〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.05％、
Ｖ，Nbは共に、炭化物形成元素であるが、セメンタイト中にはほとんど固溶しないので、黒鉛析出をさほど阻害しない。また、炭窒化物を形成し、この析出強化作用により強度を上昇させると共に、焼入性を向上させる元素でもあるので疲労強度を向上させる必要のある場合にとりわけ有用である。Ｖの場合、含有量が0.05％未満ではこれらの効果が小さく、一方 0.5％を超えると効果が飽和するので、Ｖは0.05〜0.5 ％の範囲に限定した。また、Nbの場合、含有量が 0.005％未満では上述の効果が小さく、一方 0.005％を超えると効果が飽和するので、Nbは 0.005〜0.05％の範囲に限定した。
【００２３】
Ti：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％
Ti，Zrは共に、炭窒化物を形成し、これらが黒鉛の結晶化の核として作用することにより黒鉛粒を微細化するので、黒鉛粒をより微細化する必要がある場合に用いて有用な元素である。また、炭窒化物を形成することにより焼入れ時にＢを焼入性に有効に作用させることが可能である。このような効果を発揮させるためには、Ti，Zrともに 0.005％以上添加する必要があるが、Ti, Zrがそれぞれ0.05％および 0.2％を超えるとＢＮを形成するためのＮが不足し、その結果、黒鉛粒が粗大化すると共に黒鉛析出時間が極めて長くなるので、それぞれTi：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％の範囲で含有させるものとした。
【００２４】
REM ：0.0005〜0.2 ％
La，Ceなどの REMは、Ｓと結合し、(La, Ce)Ｓを形成する。これは、黒鉛析出の核となり、黒鉛析出を促進すると共に黒鉛粒を微細化するので、黒鉛粒の微細化および黒鉛の析出を促進する上で有用な元素である。しかしながら、含有量が0.0005％未満ではその添加効果に乏しく、一方 0.2％を超えて添加しても効果が飽和するので、 REMは0.0005〜0.2 ％の範囲に限定した。
【００２５】
さらに、この発明では、被削性の一層の向上を目的として以下の元素を適宜含有させることもできる。
Ｐ：0.10％以下
切削性の向上を目的としてＰを添加することも可能である。ただし、過剰な添加は靱性や耐疲労性に悪影響を及ぼすので、添加するにしても0.10％以下の範囲とする必要がある。好ましくは0.07％以下である。
【００２６】
Ｓ：0.001 〜0.50％
Ｓは、切削性の向上効果を発揮させるためには 0.001％以上添加する必要があるが、過剰に添加すると清浄性が劣化し、靱性の低下を招くので、Ｓは 0.001〜0.50％の範囲とする必要がある。
【００２７】
Ca：0.0005〜0.010 ％
Caは、Pbとほぼ同程度の切削性改善効果を持つ元素で、その効果を発揮させるためには0.0005％以上含有させる必要があるが、0.010 ％を超えるとその効果は飽和に達するので、Caは0.0005〜0.010 ％の範囲に限定した。
【００２８】
Te：0.005 〜0.05％
Teも、PbやCaと同じ程度の切削性向上元素であるが、含有量が 0.005％未満ではその効果が小さく、一方0.05％を超えるとその効果は飽和し、むしろ耐疲労性の低下を招くので、Teは 0.005〜0.05％の範囲に限定した。
【００２９】
Pb：0.30％以下
この発明では、その主旨から、Pbは基本的に添加しないが、これは技術的に添加することができないという意味ではない。
すなわち、単に切削性の面だけ考慮すれば良いのであれば、その添加を妨げるものではない。
しかしながら、この場合であっても、環境衛生の面から添加量は0.30％以下に抑制することが好ましい。
【００３０】
以上、この発明における成分組成について説明したが、この発明では鋼材の成分組成を上記のように限定するだけでは不十分で、所望の効果を得るためには、黒鉛の析出量およびその粒径分布が重要である。
すなわち、この発明では、黒鉛の析出量は体積率で0.03〜0.60％の範囲に制限する必要がある。というのは、黒鉛析出量が0.03％に満たないと十分満足いくほどの被削性が得られず、一方0.60％を超えると、析出数はあまり増加しないので個々の黒鉛の粒径が粗大化し、粗粒の割合が多くなりすぎて強度の低下を余儀なくされるからである。
また、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される黒鉛粒のうち粒径が３μm 以下の微細粒の割合を、全析出黒鉛粒子に占める個数の割合で60％以上とする必要がある。というのは３μm 以下の微細粒の割合が全体の60％に満たない、すなわち粗粒の割合が多くなると、それに伴って強度の低下を余儀なくされるからである。
【００３１】
次に、この発明の製造工程について説明する。
まず、素材の製造については、従来公知の転炉または電気炉等で溶製した後、連続鋳造法または造塊−分塊法によってスラブまたはブルームとする。ついで、熱間加工を行うが、この熱間加工後の冷却工程において、少なくとも 800〜500℃の黒鉛の析出温度域については、冷却速度を 1.0℃/s未満の徐冷とする必要がある。
というのは、この発明では、従来のように、熱間加工後に再加熱による黒鉛化処理を行わず、この冷却過程において黒鉛を析出させるわけであるが、この際、冷却速度が 1.0℃/s以上では、冷却中における黒鉛の析出が困難となり、この発明で所望する体積率で0.03〜0.60％の黒鉛の析出が望めなくなるからである。
【００３２】
上記の冷却処理後、通常は切削加工等により所定の形状に成形したのち、焼入れ焼戻し等の処理を施して、製品とされる。
【００３３】
【実施例】
表１に示す成分組成になる鋼材を、 900〜1200℃に加熱し、熱間加工を行ったのち、種々の冷却速度で冷却した。
上記の冷却工程における 800〜500 ℃の温度域における冷却速度および黒鉛粒の微細化処理の有無を表２，３に示す。
また、このようにして得られた鋼材の黒鉛析出量、粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合、硬さ、被削性および焼入れ焼戻し後の機械的特性について調べた結果を表２，３に併記する。
【００３４】
なお、各調査項目の測定方法は次のとおりである。
(1) 黒鉛析出量、黒鉛粒の粒径
鋼材より採取した光学顕微鏡用試片につき、研磨後腐食せず、画像解析装置により断面５箇所、各箇所について 400倍の倍率で10視野にわたって黒鉛の面積率を測定し、その平均値をもって黒鉛析出量とした。また、黒鉛粒の粒径については、30〜500 個の黒鉛粒についてその粒径を測定した。ここに、この発明の黒鉛析出量の範囲では、上記の方法で測定した面積率で得た値と体積率とはほぼ等しい。
【００３５】
(2) 硬さ
上記(1) で用いた光学顕微鏡試片を用いて鋼材のビッカース硬さを測定した。測定加重は 98 Ｎ（10 kgf）とし、10点を測定した値の平均値を硬さとして用いた。
【００３６】
(3) 被削性試験
被削性試験は、高速度工具鋼SKH4を用い、52mmφの試片を切削速度 80m/min、無潤滑の条件により外周旋削を行い、工具が切削不能となるまでの時間を工具寿命として評価した。
【００３７】
(4) 焼入れ焼戻し材の引張試験
焼入れ焼戻し後の特性試験は、素材から15mmφ×100mmlの試片を作成し、900℃、30min 加熱後、水溶性焼入れ液中に焼入れ、ついで 500℃、１ｈ保持後、水冷の焼戻し処理を施した。処理後の試片の硬さを測定すると共に、当該試片より平行部８mmφ×36mml の引張試験片を作成し、引張試験を実施した。
【００３８】
【表１】
【表２】
【表３】
表１において、鋼Ａ〜Ｏはいずれも、その成分組成がこの発明の適正範囲を満足する鋼、鋼ＰはMnが、鋼ＱはCrが、鋼ＲはAlが、鋼ＳはSiが、それぞれこの発明の適正範囲外である比較鋼、鋼ＴはJIS 規格のS48Cに相当する鋼にPbを添加したもの、鋼Ｕは JIS規格のSCM435に相当する鋼である。
【００４２】
表２，３に示したとおり、この発明に従う鋼材はいずれも、Pb添加S48Cに相当する鋼Ｔ (No.30)と比較して同等以上の優れた被削性を有している。
これに対し、成分組成がこの発明の範囲外(No.26〜29) あるいは化学組成がこの発明内にあっても熱間加工後の冷却速度がこの発明の条件を満たさない場合 (No.1, ４) にはいずれも、熱間加工後の冷却中に黒鉛の析出が認められなかった。そのため、その被削性もこの発明と比較すると著しく劣っていた。
また、焼入れ焼戻し後の疲労強度も、この発明範囲の鋼はNo.30 よりも優れた値を示した。特に、Mo, Ｖ等の効果も利用した焼入れ焼戻し後の強化を図った鋼(No.12〜15、17〜21）はいずれも、SCM435 (No.31)よりも優れた値を示した。
なお、No.11 は、黒鉛の析出量が多すぎたため、疲労強度に劣っていた。
【００４３】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、熱間加工後に再加熱による黒鉛析出処理の必要なしに適正量の黒鉛を析出させることができ、またかかる黒鉛化処理によっても強度が劣化することのない被削性に優れた機械構造用鋼を安定して得ることができる。
Claims (4)
- 質量％で
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満、 Si：0.5 〜2.0 ％、
Mn：0.02〜0.5 ％、 Ｂ：0.0003〜0.015 ％、
Al：0.005 〜0.1 ％、 Ｎ：0.0015〜0.015 ％
を含有し、かつ不純物としてのCrおよびＯをそれぞれ
Cr：0.05％以下、 Ｏ：0.0020％以下
に抑制し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、さらに鋼中における黒鉛の析出量が体積率で0.03〜0.60％でかつ、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される析出黒鉛粒子のうち粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合が全体の60％以上であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。 - 請求項１において、鋼が、質量％で、さらに下記のＩ〜Ｖ群のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
記
Ｉ群 Ni：0.05〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.10〜3.0 ％のうちから選んだ少なくとも１種。
II群 Mo：0.05〜1.0 ％。
III 群 Ｖ：0.05〜0.5 ％および／またはNb：0.005 〜0.05％。
IV群 Ti：0.005 〜0.05％および／またはZr：0.005 〜0.2 ％。
Ｖ群 REM ：0.0005〜0.2 ％。 - 請求項１または２において、鋼が、質量％で、さらに
Ｐ：0.10％以下、 Ｓ：0.001 〜0.50％、
Ca：0.0005〜0.010 ％、 Te：0.005 〜0.05％、
Pb：0.30％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。 - 質量％で
Ｃ：0.1 ％以上、0.8 ％未満、 Si：0.5 〜2.0 ％、
Mn：0.02〜0.5 ％、 Ｂ：0.0003〜0.015 ％、
Al：0.005 〜0.1 ％、 Ｎ：0.0015〜0.015 ％
を含有し、かつ不純物としてのCrおよびＯをそれぞれ
Cr：0.05％以下、 Ｏ：0.0020％以下
に抑制した組成になる鋼片を、熱間加工し、その後の冷却過程において、 800〜500 ℃の温度域を 1.0℃/s未満の速度で冷却することによって、鋼中に体積率で0.03〜0.60％でかつ、400倍の倍率での光学顕微鏡測定で黒鉛と観察される粒径が３μm 以下の微細粒の個数の割合が全体の60％以上となる黒鉛を析出させることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼の製造方法。
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