JP4544442B2

JP4544442B2 - 快削高靭性肌焼鋼

Info

Publication number: JP4544442B2
Application number: JP2000190480A
Authority: JP
Inventors: 俊之村上; 哲夫白神
Original assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Current assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-06-26
Also published as: JP2002003992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、快削高靭性肌焼鋼、特に、Ｐｂを添加せずとも、Ｐｂ添加快削鋼と同等以上の被削性を有し、浸炭部品全体の靭性を左右する非浸炭部である芯部の靭性に優れた肌焼鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｐｂ快削鋼は、使い勝手の良さにより広く使用されている。しかし、昨今の地球環境問題に絡み、Ｐｂの使用を制限しようとする動きがあり、これは、Ｐｂ快削鋼だけに限らず、ハンダや銃の弾といったものも含まれる。このような背景のもとにＰｂを含有しないＰｂ非添加快削鋼の要望が出て来つつある。
【０００３】
そこで、これに対応するため、特開平９−２５５３９号公報には、下記のＰｂ非添加型の快削非調質鋼が開示されている。（以下、この鋼を従来技術１という）
特開平１−２１９１４８号公報には、Ｐｂ以外の快削性介在物としてＢＮを使用した非調質鋼が開示されている。（以下、この鋼を従来技術２という）
特開平１−１９１７６４号公報および特開平３−１００４７号公報には、Ｐｂ以外の快削性介在物としてＢＮを使用した肌焼鋼が開示されている。（以下、これら鋼をまとめて従来技術３という）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術１は、特殊な元素であるＮｄを０.００５〜０．１重量％用いているために、低コスト化を考えた場合に不安であると共に、Ｐｂ添加鋼の最大の特徴である切屑処理性に対する記述がない。
【０００５】
上記従来技術２は、従来技術１と同様に、切屑処理性に対する記述がないと共に、いわゆる非調質鋼であり肌焼鋼とは異なる。
【０００６】
上記従来技術３は、Ｐｂ添加鋼の最大の特徴である切屑処理性に対する記述がないと共に、靭性に対する具体的な記述がない。
【０００７】
この発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、Ｐｂを添加せずとも、ＢおよびＮの適量添加により、Ｐｂ添加肌焼鋼と同等以上の被削性（切屑処理を含む）を有し、浸炭部品全体の靭性を左右する非浸炭部である芯部の靭性に優れた快削高靭性肌焼鋼を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示すような知見を得るに至った。
【０００９】
ＢおよびＮの適量添加により、切屑処理性を含めた被削性に効果がある。更に、Ｂ、Ｎ添加肌焼鋼において、浸炭部品全体の靭性を左右する非浸炭部である芯部の高靭化を検討した拮果、以下のような知見を得た。従来、Ｐｂを添加したＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ８２２、ＳＮＣＭ２２０等の肌焼鋼の代替として考えると、衝撃値（_UＥ₂₀）は、５９Ｊ／ｃｍ²以上必要となる。計算上のフリーＮ＝Ｎ−Ｂ／０．７７を変えたＢ、Ｎ添加鋼を用い、衝撃試験を行なった。この結果、図１に示すように、フリーＮが０．００４ｍａｓｓ％以上で衝撃値（_UＥ₂₀）が５９Ｊ／ｃｍ²以上になることが分かった。
【００１０】
即ち、この発明は、上述した知見をもとになされたもので、下記を特徴とするものである。
【００１１】
Ｃ：０．１０〜０．３０、Ｓｉ：０．１０〜０．３０、Ｍｎ：０．６０〜１．００、Ｐ：０．００５〜０．０３０、Ｓ：０．０１３〜０．０４０、Ｎｉ：０．７０以下、Ｃｒ：０．４０〜１．２５、Ｍｏ：０．４０以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０、Ｎｂ：０．０１０〜０．０５０、Ｂ：０．００５０〜０．０１５０、Ｎ：（０．００４＋Ｂ／０．７７）〜０．０１２３（以上、ｍａｓｓ％）を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物、更に、Ｂ／Ｎ比が０．４以上であることに特徴を有するものである。
【００１２】
なお、この発明において、残部が実質的にＦｅであるとは、不可避的不純物をはじめ、他の微量元素を含有するものが本願発明範囲内に含まれることを意味するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、この発明における化学成分組成の限定理由について説明する。
【００１４】
Ｃ：０．１０〜０．３０ｍａｓｓ％
Ｃは、鋼の強度および被削性に大きな影響を及ぼす重要な元素であるが、その含有量が０．１０ｍａｓｓ％未満では十分な強度が得られない。一方、０．３０ｍａｓｓ％を超えるとパーライト量が多くなりすぎて、被削性および靭性が劣化する。従って、Ｃ含有量は、０．１０〜０．３０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１５】
Ｓｉ：０．１０〜０．３０ｍａｓｓ％
Ｓｉは、硬質の酸化物系介在物を形成すると共に、フェライトを硬化させるため、被削性および靭性が劣化する。但し、Ｓｉ含有量が低すぎると、硬質のアルミナ系介在物が生成してくる傾向があり、被削性を劣化させる。従って、Ｓｉ含有量は、０．１０〜０．３０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１６】
Ｍｎ：０．６０〜１．００ｍａｓｓ％
Ｍｎは、鋼の強度および靭性に影響を及ぼす元素であり、その含有量が０．６０ｍａｓｓ％未満では必要な強度、靭性が得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．００ｍａｓｓ％を超えると十分な靭性が得られず、また、被削性も劣化してしまう。従って、Ｍｎ含有量は、０．６０〜１．００ｍａｓｓの範囲内に限定した。
【００１７】
Ｐ：０．００５〜０．０３０ｍａｓｓ％
Ｐは、鋼中に不可避的に混入して含有される元素であり、その含有量が０．０３０ｍａｓｓ％を超えると十分な靭性が得られない。但し、Ｐ含有量が低すぎると被削性が劣化する。特に、表面粗さが劣化する傾向がある。また、Ｐ含有量を低下させるほど脱Ｐコストがかかる。従って、Ｐ含有量は、０．００５〜０．０３０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１８】
Ｓ：０．０１３〜０．０４０ｍａｓｓ％
Ｓは、ＭｎＳの形で介在物として存在し、被削性を向上させるのに有効な元素であるが、その含有量が０．０１３ｍａｓｓ％未満ではこの効果が十分に得られない。一方、Ｓ含有量が０．０４０ｍａｓｓ％を超えると、ＭｎＳが多くなって、靭性が劣化する。従って、Ｓ含有量は、０．０１３〜０．０４０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１９】
Ｎｉ：０．７０ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、鋼の焼入れ性および焼入れ焼もどし後の靭性を向上させるのに有効な元素である。上述した効果を得るために、好ましくは０．４０ｍａｓｓ％以上含有させるのが良い。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．７０ｍａｓｓ％を超えると、被削性が劣化してしまう。従って、Ｎｉ含有量は、０．７０ｍａｓｓ％以下に限定した。
【００２０】
Ｃｒ：０．４０〜１．２５ｍａｓｓ％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性および焼入れ焼もどし後の強度を向上させるのに有効な元素であるが、その含有量が０．４０ｍａｓｓ％未満ではこの効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．２５ｍａｓｓ％を超えると被削性が劣化してしまう。従って、Ｃｒ含有量は、０．４０〜１．２５ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００２１】
Ｍｏ：０．４０ｍａｓｓ％以下
Ｍｏは、鋼の焼入れ性および焼入れ焼もどし後の強度ならびに靭性を向上させるのに有効な元素である。上述した効果を得るために、好ましくは０．１５ｍａｓｓ％以上含有させるのが良い。しかしながら、Ｍｏ含有量が０．４０ｍａｓｓ％を超えると被削性が劣化してしまう。従って、Ｍｏ含有量は、０．４０ｍａｓｓ％以下に限定した。
【００２２】
Ａｌ：０．０１０〜０．０５０ｍａｓｓ％
Ａｌは、脱酸に必要な元素であるが、０．０１０％未満では効果がなく、一方、０．０５０ｍａｓｓ％を超えるとその効果が飽和してしまう。従って、Ａｌ含有量は、０．０１０〜０．０５０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００２３】
Ｎｂ：０．０１０〜０．０５０ｍａｓｓ％
Ｎｂは、炭化物生成元素であり、例えば、浸炭焼入れ特の結晶粒の粗大化を防止させるのに有効な元素であるが、その含有量が０．０１０ｍａｓｓ％未満ではこの効果が十分に得られない。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０５０ｍａｓｓ％を超えると熱間加工性が劣化してしまう。従って、Ｎｂ含有量は、０．０１０〜０．０５０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００２４】
Ｂ：０．００５０〜０．０１５０ｍａｓｓ％
Ｂは、被削性を向上させるＢＮを生成させるために必要な元素である。被削性の向上に有効な範囲は、Ｎ量とＢ／Ｎ比とに依存するが、Ｂ含有量が０．００５０ｍａｓｓ％未満では十分な量のＢＮを生成することができない。また、０．０１５０ｍａｓｓ％を超えると熱間加工性が低下してしまう。従って、Ｂ含有量は、０．００５０〜０．０１５０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００２５】
Ｎ：（０．００４＋Ｂ／０．７７）〜０．０１２３ｍａｓｓ％
Ｎは、ＢＮを形成し、被剤性を向上させる。また、フリーＮとして存在することによって靭性を向上させる。被削性の向上に有効な範囲は、Ｂ量およびＢ／Ｎ比に依存するが（０．００４＋Ｂ／０．７７）ｍａｓｓ％未満では被削性が劣ると共に、フリーＮが確保できなくなり靭性が劣る。一方、０．０１２３ｍａｓｓ％を超えると鋳造性を劣化させる。従って、Ｎ含有量は、（０．００４＋Ｂ／０．７７）〜０．０１２３ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００２６】
Ｂ／Ｎ比：０．４以上
Ｂ／Ｎ比として、０．４未満では被削性に有効なＢＮ量が確保できないことから、被削性が劣化する。従って、Ｂ／Ｎ比は、０．４以上に限定した。
【００２７】
【実施例】
以下に、この発明を実施例に従って更に詳細に説明する。
【００２８】
表１に示す、本発明範囲内の化学成分粗成を有する鋼（以下、本発明鋼という）Ｎｏ．１、本発明範囲外の化学成分粗成を有する鋼（以下、比較鋼という）Ｎｏ．６〜１４、参考例１として、Ｎｏ．１５の成分系の鋼、および、参考例２〜５として、本発明範囲外の化学成分粗成を有する鋼Ｎｏ．２〜５を溶解炉にてそれぞれ溶製し、鋼塊に鋳造後、各鋼塊から３２および８５ｍｍ径の棒鋼を熱間圧延した。その後、３２ｍｍ径の棒鋼については浸炭焼入れした。
【００２９】
【表１】

【００３０】
引張試験および衝撃試験は、浸炭焼入れした３２ｍｍ径の棒鋼からそれぞれＪＩＳ４号引張試験片およびＪＩＳ３号衝撃試験片を採取して行った。切削試験は、８５ｍｍ径の棒鋼を用い、表２に示す条件にしたがって外周旋削試験を超硬工具（材質Ｐ２０）およびハイス工具（材質ＳＫＨ４）の２種類で行い、ドリル穴あけ試験をハイスドリル（材質ＳＫＨ９）で行なった。
【００３１】
【表２】

【００３２】
切削性の評価については、超硬工具での外削試験では、横逃げ面摩耗量（ＶＢ）が０．２ｍｍになる切削時間で工具寿命を評価し、ハイス工具での外削試験では、切削不能になるまでの時間で工具寿命の評価を行なった。ドリル切削試験では、穴あけ総深さが１０００ｍｍで切削不能となる切削速度を求め、工具寿命の指標とした。表３に試験結果をまとめて示す。
【００３３】
【表３】

【００３４】
表３から明らかなように、Ｎｏ．１の本発明例は、優れた被削性を有していた。即ち、切削工具寿命が長く且つ切削処理性に優れていた。しかも、優れた靭性を有した。以下に、比較例のＮｏ．６〜１４について記述する。なお、参考例２〜５は、優れた被削性を有していたが、Ｎｏ．１の本発明例に比べて、切削工具寿命の点で若干、劣っていた。
【００３５】
Ｎｏ．６は、Ｃ量が本発明範囲を外れて多いので、被削性および靭性が劣っていた。
【００３６】
Ｎｏ．７は、Ｓｉ量が本発明範囲を外れて多いので、被削性および靭性が劣っていた。
【００３７】
Ｎｏ．８は、Ｍｎ量が本発明範囲を外れて多いので、被削性および靭性が劣っていた。
【００３８】
Ｎｏ．９は、Ｐ量が本発明範囲を外れて多いので、靭性が劣っていたが、他の元素は、本発明範囲内であるので、被削性に優れていた。
【００３９】
Ｎｏ．１０は、Ｓ量が本発明範囲を外れて少ないので、被削性が劣っていたが、他の元素は、本発明範囲内であるので、靭性に優れていた。
【００４０】
Ｎｏ．１１は、Ｎｂ量が本発明範囲を外れて少ないので、靭性が劣っていたが、他の元素は、本発明範囲内であるので、被削性に優れていた。
【００４１】
Ｎｏ．１２は、Ｂ量が本発明範囲を外れて少ないので、被削性が劣っていたが、他の元素は、本発明範囲内であるので、靭性に優れていた。
【００４２】
Ｎｏ．１３は、Ｎ量が本発明範囲を外れて少ないので、被削性が劣っていると共に、フリーＮ量が確保できなくなるので靭性に劣っていた。
【００４３】
Ｎｏ．１４は、靭性に影響を及ぼす元素は、本発明範囲内であるので、靭性に優れているが、Ｂ／Ｎ比が本発明範囲を外れて小さいので、被削性に劣っていた。
【００４４】
参考例１であるＮｏ．１５は、Ｐｂ添加鋼であるが、何れの本発明例と比較しても被削性に劣っていた。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、Ｐｂ非添加でＰｂ添加快削鋼と同等以上の切削処理性を含めた被削性に効果があると共に、優れた靭性を兼ね備えた快削高靭性肌焼鋼の製造が可能となるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フリーＮ量と衝撃値との関係を、目標値と共に示したグラフである。

Claims

Ｃ：０．１０〜０．３０、
Ｓｉ：０．１０〜０．３０、
Ｍｎ：０．６０〜１．００、
Ｐ：０．００５〜０．０３０、
Ｓ：０．０１３〜０．０４０、
Ｎｉ：０．７０以下、
Ｃｒ：０．４０〜１．２５、
Ｍｏ：０．４０以下、
Ａｌ：０．０１０〜０．０５０、
Ｎｂ：０．０１０〜０．０５０、
Ｂ：０．００５０〜０．０１５０、
Ｎ：（０．００４＋Ｂ／０．７７）〜０．０１２３（以上、ｍａｓｓ％）を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、更に、Ｂ／Ｎ比が０．４以上であることを特徴とする快削高靭性肌焼鋼。