JP4906245B2

JP4906245B2 - 被削性に優れた機械構造用鋼

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Publication number: JP4906245B2
Application number: JP2004170526A
Authority: JP
Inventors: 威史藤松; 典正常陰; 和彦平岡
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005350702A

Description

例えば、自動車用部品であるギヤ、シャフトなどの駆動系部品などの用途に用いられる鋼で、熱間圧延ままあるいは熱間鍛造した素材に各種切削加工を施して所定の形状に加工した後、その後、浸炭などの表面硬化処理もしくは焼入れ焼戻しなどを施して使用される被削性に優れた機械構造用快削鋼に関する。

主として肌焼鋼が多く用いられる自動車のギヤ、シャフトなどの駆動系部品用途に対して、Ｐｂ快削鋼が被削性重視の観点から少なからず使用されている。しかしながら、近年の環境負荷物質低減の時流から、Ｐｂ快削鋼の使用量削減が求められている。そこでＰｂ快削鋼に代わる非Ｐｂ快削鋼として、鋼に硫黄（Ｓ）を添加して鋼中にマンガン硫化物（ＭｎＳ）を生成させることにより、これを切削時の応力集中源として作用させることで被削性を改善させるＳ系快削鋼が有望視されている。そして、さらにＳ系快削鋼の超硬工具加工性を改善するためＣａを添加する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。一方、本願発明者らは、Ｃａを添加したＳ系快削鋼において、鋼中のＣａ含有量やＳ含有量がほぼ同等であるにも関わらず、工具寿命がばらつき、安定した切削加工性が得られないということを見出している。

特開昭５７−１４０８５３号公報

本発明が解決しようとする課題は、環境負荷物質であるＰｂを含有することなくＣａを含有するＳ系快削鋼において、特に被削性に優れる化学成分および介在物組成を含有する機械構造用鋼を提供することである。

本願発明者らの鋭意研究の結果、Ｃａ含有量がほぼ同等の鋼においても、鋼中のＣａとＡｌを所定の質量％比に制御することで酸化物組成がＡｌ₂Ｏ₃に富む高融点介在物ではなく、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃やＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂といった若干低融点の化学組成に改質されることを見出し、さらに鋼中に含有される介在物の面積および個数比率を所定の範囲に限定することによって安定した良好な被削性を発揮できることが分かった。

すなわち、Ｃａによる被削性改善効果を得るには、質量％比でＣａ／Ａｌを０．１以上とする必要がある。一方、質量％比でＣａ／Ａｌが１．０を超えると超硬工具被覆保護効果が飽和するとともに、硫化物が硬くなりすぎるためにドリル寿命の低下を招くことを見出したものである。

さらに、上記のＣａ／Ａｌ比の範囲に制御された本発明の機械構造用鋼において鋼中に存在する不可避不純物と共に含有される酸化物を内包する硫化物及び酸化物に隣接する硫化物である複合硫化物について、酸化物を内包若しくは酸化物に隣接する複合硫化物の断面積をＳ_Sとし、複合硫化物中の酸化物の断面積をＳ_Oとするとき、この複合硫化物の断面積（Ｓ_S＋Ｓ_O）に占める酸化物の断面積Ｓ_Oの割合である面積率が３〜９０％であり、さらに単位面積中の全硫化物の個数に対する酸化物を内包若しくは隣接する上記複合硫化物の個数割合である個数率が４〜８０％であるものとするとき、安定した良好な被削性を有することを見出したものである。

すなわち、上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段の発明では、質量％で、Ｃ：０．１７〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｓ：０．０３〜０．１６％、Ａｌ：０．００２〜０．０３０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｏ：０．０００５〜０．００２９％、Ｎ：０．００８４〜０．０２％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＣａとＡｌの質量比がＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０で、かつ硫化物を含有する鋼であり、この鋼中に含有の酸化物を内包する硫化物若しくは酸化物に隣接する硫化物である複合硫化物の占める断面積に対する酸化物の占める断面積の割合である面積率が３〜９０％であり、さらに単位面積中の全硫化物の個数に対する該複合硫化物の個数の割合である個数率が４〜８０％であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼である。

なお、この場合、該複合硫化物の断面積に対する酸化物の占める断面積の割合である面積率は鋼材の圧鍛方向に平行な被検面積１ｍｍ²（縦横１ｍｍ）中の任意の複合硫化物２０個について酸化物の面積率（％）を求め、その平均値を用いるものとする。また、単位面積中の全硫化物の個数に対する酸化物を内包または隣接する複合硫化物の個数の割合である個数率は鋼材の圧延方向に平行な被検面積１ｍｍ²（縦横１ｍｍ）中の複合硫化物個数を全硫化物個数で除したものである。

さらに、上記手段に加えて、鋼成分は質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％から選択した１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１の手段の被削性に優れた機械構造用鋼である。

上記の機械構造用鋼とすることで、疲労強度と強度異方性を改善し、安定した被削性を発揮する機械構造用鋼が得られる。特に上記において、Ｃａ／Ａｌ比を０．１〜１．０とするが、これはＣａを被削性に有効な介在物組成制御に作用させるために必要であり、さらに酸化物を内包する若しくは酸化物に隣接する硫化物である複合硫化物において、複合硫化物の占める面積に対する酸化物の占める面積の割合の面積率が３〜９０％であり、さらに単位面積中の全硫化物の個数に対する酸化物を内包若しくは隣接する複合硫化物の個数の割合である個数率が４〜８０％であるものとする。このことにより、安定した被削性を発揮する機械構造用鋼が得られるのである。

本願発明の鋼成分の限定理由を以下に説明する。なお、それぞれの％は質量％を示すものとする。

Ｃ：０．１７〜０．６０％
Ｃは、強度確保に必要な元素で、このためには０．１７％以上が必要である。しかし０．６０％を超えると被削性を低下する。そこでＣは０．１７〜０．６０％とする。

Ｓｉ：０．０５〜２．０％
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素で、このためには０．０５％以上必要である。しかし、２．０％を超えると硬質酸化物増大による被削性の低下を招き、さらに、浸炭用途では、浸炭層表面の粒界酸化層深さが増大し、疲労寿命を低下する。そこでＳｉは０．０５〜２．０％とし、望ましくは０．０５〜０．５％とする。

Ｍｎ：０．３〜２．５％
Ｍｎは、焼入性確保に必要な元素で、またＭｎＳ生成に必要な元素であり、このためには０．３％以上必要である。しかし、２．５％より多過ぎると被削性低下を招き、さらに浸炭用途では過剰Ｍｎが浸炭層表面の浸炭異常層深さを増大し、疲労寿命を低下させる。そこでＭｎは０．３〜２．５％とし、望ましくは０．４〜１．５％とする。

Ｓ：０．０３〜０．１６％
Ｓは、ドリル加工や歯切り加工等の際の被削性確保に必要な元素で、また切り屑処理性確保に必要な元素であり、このためには望ましくは０．０３％以上必要である。しかし、０．１６％より多過ぎると静的強度、疲労強度などの強度特性を低下し、さらに熱間加工性を低下する。そこでＳは０．０３〜０．１６％とする。

Ａｌ：０．００２〜０．０３０％
Ａｌは、窒化物を形成して浸炭時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素で、このためには０．００２％以上必要である。しかし、被削性および疲労寿命に有害なＡｌ₂Ｏ₃を低減する必要があるので、上限を０．０３０％とする。そこでＡｌは０．００２〜０．０３０％とし、望ましくは０．００２〜０．０２５％とする。

Ｃａ：０．０００５〜０．０１％
Ｃａは、超硬旋削加工時の工具保護に有効に作用して切削加工性を改善する元素であり、また、硫化物形態制御による疲労強度や静的強度改善にも有効である。そのためには０．０００５％以上必要である。しかし、０．０１％を超えると疲労寿命や静的強度を低下させる大型介在物が生成し、また製造性の悪化を招くとともに製造コストの増大をもたらす。そこでＣａは０．０００５〜０．０１％とし、望ましくは０．０００５〜０．００５０％とする。

Ｏ：０．０００５〜０．００２９％
Ｏは、工具被覆保護に有効なＣａ系酸化物生成に必要な元素で、このためには０．０００５％以上必要である。しかし、０．００２９％より多過ぎると、酸化物系介在物が多量に生成して疲労強度を低下する。そこでＯは０．０００５〜０．００２９％とする。

Ｎ：０．００８４〜０．０２％
Ｎは、Ａｌと窒化物を形成し、結晶粒粗大化の抑制に効果のある元素である。しかし、０．０２％より多くても結晶粒粗大化の抑制効果が飽和する。そこでＮは０．００８４〜０．０２％とする。

質量％比でＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０
Ｃａ／Ａｌにおいて、下限の０．１はＣａによる酸化物および硫化物の制御に必要であり、上限の１．０を超えると、工具被覆保護効果が飽和し、さらに硫化物が硬くなり過ぎるためにドリル寿命の低下を招く。そこでＣａ／Ａｌは０．１〜１．０とし、望ましくは０．１〜０．８とする。さらに望ましくは０．１〜０．６とする。

｛Ｓ_O／（Ｓ_S＋Ｓ_O）｝×１００＝３〜９０（％）……（１）
（酸化物を内包若しくは隣接する硫化物である複合硫化物の個数／全硫化物の個数）×１００＝４〜８０（％）……（２）
酸化物を内包してまたは酸化物に隣接して有する硫化物の断面積をＳ_Sとし該酸化物の断面積をＳ_Oとするとき、この複合硫化物の断面積（Ｓ_S＋Ｓ_O）に対する酸化物の占める断面積Ｓ_Oの割合である面積率が３〜９０％であり、さらに単位面積すなわち１平方ｍｍ中の全硫化物の個数に対する複合硫化物の個数の割合である個数比率が４〜８０％であるものとするものである。すなわち、式（１）が３％未満では超硬工具摩耗抑制に効果が無く、９０％を超えるとドリル加工時の工具と酸化物の接触頻度が高くなり、工具摩耗量が増大する。さらに全硫化物個数に対する複合硫化物の個数の比率である（２）式が４％未満では超硬工具摩耗抑制効果が不足し、８０％を超えると通常のＭｎＳより硬質の複合硫化物が大多数を占めるため、ドリル加工における工具摩耗量の増大を招く。そこで、上記の（１）式および（２）式とする。

Ｎｉ：０．１〜２．５％
Ｎｉは、焼入性および靱性の確保に必要な元素であり、このためには０．１％以上必要である。しかし、２．５％より多過ぎると切削性を低下させ、また高価な元素であるためコストアップを招く。そこでＮｉは０．１〜２．５％とする。

Ｃｒ：０．１〜２．５％
Ｃｒは、基地の焼入性の確保に必要な元素で、このためには０．１％以上必要である。しかし、２．５％より多過ぎると切削性の低下を招く。そこでＣｒは０．１〜２．５％とし、望ましくは０．６〜１．５％とする。

Ｍｏ：０．０５〜１．５０％
Ｍｏは、基地の焼入性確保に必要な元素で、このためには０．０５％以上必要である。しかし、１．５０％より多過ぎると切削性を低下し、また製造コストを増大させる。そこでＭｏは０．０５〜１．５０％とする。

Ｖ：０．０１〜０．５０％
Ｖは、基地の焼入性の確保に必要な元素で、このためには０．０１％以上必要である。しかし、０．５０％より多過ぎると切削性を低下し、また製造コストを増大させる。そこでＶは０．０１〜０．５０％とする。

Ｎｂ：０．００１〜０．３０％
Ｎｂは、浸炭時の結晶粒粗大化抑制に効果のある元素であり、このためには０．００１％以上必要である。しかし、０．３０％より多過ぎるとコストアップをもたらすとともに、切削性を損なうＮｂＣの生成を抑制することができなくなる。そこでＮｂは０．００１〜０．３０％とする。

Ｂ：０．０００３〜０．００５％。
Ｂは、焼入性確保および粒界強化に必要な元素であり、このためには０．０００３％以上必要である。しかし、０．００５％を超えるとその効果が飽和する。そこでＢは０．０００３〜０．００５％とする。

本発明の機械構造用鋼は、快削性成分として環境負荷元素であるＰｂを含有しないにもかかわらず、工具寿命にばらつきのない安定した優れた切削加工性を得ることができ、かつ、環境負荷物質の削減に貢献するなど、優れた効果を奏するものである。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に表を参照して実施例１により説明する。

表１に示す化学成分の鋼を１００ｋｇ真空誘導炉で溶解し、インゴットに鋳造し、１２００℃に加熱してφ６５ｍｍ材および４０ｍｍ角材に圧鍛し、９００℃で１時間保持して空冷することで焼きならしを行い、下記の試験の供試材とした。

表１に示す１〜３、５〜１６および１８〜２１、および２３〜３１の比較鋼および発明鋼の上記の焼きならしを行ったφ６５ｍｍ材をφ６０ｍｍ材に旋削し、表２に示す評価条件により超硬工具旋削試験に供した。

さらに、表１に示す１〜３、５〜１６および１８〜２１、および２３〜３１の比較鋼および発明鋼の上記の焼きならしを行った４０ｍｍ角材を３５ｍｍ角材にフライス加工して表３に示すドリル寿命試験に供した。Ｃａ／Ａｌ比、複合硫化物に占める酸化物の面積比、並びに全硫化物の個数に対する複合硫化物個数の個数率が上限を超えるものはドリル加工における工具摩耗が増大し、その特性劣化をドリル寿命（ドリル穿孔不能までの穴数）をもって評価する。

これらの１〜３、５〜１６および１８〜２１、および２３〜３１の比較鋼および発明鋼のＣａ／Ａｌ比、複合硫化物に占める酸化物の面積比、並びに全硫化物の個数に対する複合硫化物個数の個数率（ただし、比較鋼のうちＰｂ含有鋼を除く）、さらにこれらの超硬工具旋削試験およびドリル寿命試験の結果である逃げ面摩耗量およびすくい面摩耗量の超硬工具摩耗並びにドリル寿命について表４に示す。さらに図１に比較鋼２、３および発明鋼５、６、７の組織の複合硫化物の形状をＳＥＭ写真で示す。発明鋼５、６、７は被削性に特に優れる。

この表４において、本発明鋼の５〜７、１１〜１３、１８、２３〜２５および２９〜３１は、逃げ面摩耗量およびすくい面摩耗量並びにドリル寿命でいずれも優れているが、比較鋼の１〜３、８〜９、１４〜１５、１９〜２０、２６〜２７は超硬工具摩耗の点で本発明に比し劣り、さらに比較鋼の１０、１６、２１、２８はドリル寿命の点で本発明に比し劣ることが分かる。

比較鋼２、比較鋼３および発明鋼５、発明鋼６、発明鋼７の複合硫化物の形状を示す組織のＳＥＭ写真である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１７〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｓ：０．０３〜０．１６％、Ａｌ：０．００２〜０．０３０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｏ：０．０００５〜０．００２９％、Ｎ：０．００８４〜０．０２％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＣａとＡｌの質量比がＣａ／Ａｌ：０．１〜１．０で、かつ硫化物を含有する鋼であり、この鋼中に含有の酸化物を内包する硫化物若しくは酸化物に隣接する硫化物である複合硫化物の占める断面積に対する酸化物の占める断面積の割合である面積率が３〜９０％であり、さらに単位面積中の全硫化物の個数に対する該複合硫化物の個数の割合である個数率が４〜８０％であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
鋼成分は上記鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％から選択した１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の被削性に優れた機械構造用鋼。