JP5241734B2

JP5241734B2 - Environmentally friendly lead-free free-cutting steel with excellent machinability and hot-rollability

Info

Publication number: JP5241734B2
Application number: JP2009543945A
Authority: JP
Inventors: ヒョンジクリー、; サンチュルシン、
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: US20100092330A1; WO2008082153A1; JP2010514929A

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車精密油圧部品、事務自動化機器部品及び家電部品などの素材として使用される環境親和型無鉛快削鋼用鋼材に関し、特に、環境や人体に有害な鉛を代替することができる被削性向上元素だけでなく、精密脱酸によって鋼材に形成した低融点酸化性介在物を用いて、被削性を著しく向上させた親環境的な快削鋼用鋼材に関する。さらに、本発明は、高温延性が優れて熱間圧延の際にコーナークラックのような表面欠陷が発生しない親環境的な快削鋼用鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
快削鋼は、精密部品などに広く使用される素材であって、優秀な被削性を有することに特徴がある。快削鋼の優秀な被削性は、快削鋼内部に存在する金属性または非金属性介在物に起因する。工具を用いて鋼材を切削する時、工具チップ（Ｔｉｐ）と鋼材とが接触する部位で、ＭｎＳのような非金属性介在物が応力集中原として作用し、介在物と地鉄の界面でボイド（ｖｏｉｄ）の生成と亀裂の成長を容易にし、切削に要求される力を減少させる。
【０００３】
また、鉛のような金属性介在物は、切削加工熱によって比較的低い温度で溶融され、チップ（ｃｈｉｐ）と切削工具との界面において潤滑剤として作用するので、工具の摩耗を抑制し切削に必要な力を減少させる役割をする。
【０００４】
したがって、快削鋼には、鋼材の被削性を高めるために、前記金属性または非金属性介在物を形成することができる元素を添加する。従来において主に用いられた非金属性介在物としてはＭｎＳがあり、特に酸化物と混在した球形状のＭｎＳが最も優秀な被削性を有する。
【０００５】
一方、金属性介在物は一般的に被削性向上元素と呼ばれる。そのような被削性向上元素としては、鉛が最も代表的な元素である。鉛は、鉄に対する溶解度が低いので、快削鋼内部で金属性介在物として存在し易いだけでなく、３２７．５℃の適宜に低い融点を有するので、工具チップから発生する熱によって容易に溶融されることができる。
【０００６】
よって、このような鉛は、被削性向上元素に要求される性質を十分揃えているので、現在まで鉛を含む快削鋼は、最も代表的な快削鋼として分類されており、切削加工に最も適合する鋼材として実用化されている。
【０００７】
しかし、鉛を含む快削鋼は、切削作業リサイクル過程で鉛蒸気を発生させることがあり、鋼材に存在する鉛は人体に有害であるため、以前からこれを代替する必要性が提起されてきた。
【０００８】
かかる鉛を含む快削鋼を代替するよう開発された鋼材としては、ビスマス（Ｂｉ）快削鋼を挙げることができる。前記ビスマスも低融点金属であり鉄に対する溶解度が低いので、被削性向上に非常に有利である。
【０００９】
しかし、ビスマスは、その融点が約２０９℃で、鉛に比べて１２０℃程度低いため、より溶融され易いだけでなく、鉛に比べて低い表面張力により濡れ性（ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ）が高いという特徴を有する。このような特徴によって、鋼材の結晶粒系脆化を引き起こす問題が発生する。
【００１０】
これにより、ビスマス快削鋼には、鉛快削鋼に比べて、結晶粒系脆化による高温延性の低下で、熱間圧延性が著しく低下するという問題がある。さらに、被削特性も鉛快削鋼よりは劣るため、ビスマス快削鋼が鉛快削鋼を代替するにはまだ様々な問題点が存在する。
【００１１】
しかし、鉛快削鋼も多様な問題点を有している。特に、最近ＣＮＣ工作機械の普及拡散が急速に増加して、高速切削加工及び自動化が行われている。このような高速切削工程時、切削工具の特定成分、例えば、超硬工具の場合に最も重要な構成元素であるタングステン（Ｗ）が１０００℃以上の加工熱によりチップ（ｃｈｉｐ）に高い速度で拡散する現象が発生する。このようなタングステンのような成分の拡散によって、切削工具が急激に摩耗されるおそれがある。
【００１２】
特に、鉛快削鋼は、このような熱的拡散による工具の摩耗を効果的に防ぐことができないと知られているので、高速切削の側面からも、被削性の優れた快削鋼の開発が要求されている。
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記のような問題点を解決するためのものであって、その目的は、鉛のような環境または人体に有害な元素を代替することができるビスマスと錫を鋼材に添加して、親環境的な特性を有し、高速切削過程で発生し得る工具の摩耗を抑制することができる低融点複合酸化性介在物の形成により、優秀な被削性を確保するとともに、マンガンと硼素などの元素を最適の比率で添加して、優秀な熱間圧延性を有する環境親和型無鉛快削鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、質量％で、炭素（Ｃ）０．０３〜０．３０％、シリコン（Ｓｉ）０．０１〜０．３０％、マンガン（Ｍｎ）０．２〜２．０％、リン（Ｐ）０．０２〜０．１０％、硫黄（Ｓ）０．０６〜０．４５％、ビスマス（Ｂｉ）０．０４〜０．２０％、錫（Ｓｎ）０．０４〜０．２０％、硼素（Ｂ）０．００１〜０．０１５％、窒素（Ｎ）０．００１〜０．０１０％、全酸素（Ｔ［Ｏ］）０．００２〜０．０２５％及び残部Ｆｅと不可避な不純物からなり、
錫、ビスマス、硫黄、マンガン、硼素及び窒素が下記式（１）乃至（３）からなるグループから選択された一つまたは二つ以上の関係を満たすことを特徴とする被削性及び熱間圧延性の優れた環境親和型無鉛快削鋼を提供する。
【数１】

【数２】

【数３】

【００１５】
さらに本発明は、質量％で、炭素（Ｃ）０．０３〜０．３０％、シリコン（Ｓｉ）０．０１〜０．３０％、マンガン（Ｍｎ）０．２〜２．０％、リン（Ｐ）０．０２〜０．１０％、硫黄（Ｓ）０．０６〜０．４５％、ビスマス（Ｂｉ）０．０４〜０．２０％、錫（Ｓｎ）０．０４〜０．２０％、硼素（Ｂ）０．００１〜０．０１５％、窒素（Ｎ）０．００１〜０．０１０％、全酸素（Ｔ［Ｏ］）０．００２〜０．０２５％及び残部Ｆｅと不可避な不純物からなり、鋼内部にＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系またはＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系またはこれらが混合された低融点複合酸化性介在物を含むことを特徴とする被削性及び熱間圧延性の優れた環境親和型無鉛快削鋼を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来の鉛含有快削鋼に劣らない、または優秀な被削性を有しながらも環境親和的な無鉛快削鋼を提供することができる。さらに、本発明は、高温延性が優れて、熱間圧延の際に表面の欠陥発生を最小化することができるので、熱間圧延生産性の向上に大きな効果がある。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、成分系、成分間の関係、低融点複合酸化性介在物の数を各々またはこれらの組合せを調節することにより、低速切削加工のみならず高速切削加工過程においても優秀な特性を有する無鉛快削鋼を提供する。
【００１８】
以下、本発明の無鉛快削鋼を構成する成分系について詳しく説明する。
【００１９】
炭素（Ｃ）：０．０３〜０．３０質量％
炭素は、表面粗度及び機械的性質を確保するために、０．０３質量％以上、好ましくは、０．０５質量％以上が添加されるべきである。しかし、０．３０質量％を超えると、硬いパーライト組職の増加により被削性の減少をもたらす。
【００２０】
シリコン（Ｓｉ）：０．０１〜０．３０質量％
シリコンは、脱酸剤として作用してＳｉＯ_２を生成し、高速切削の際に熱的拡散による工具の摩耗を最小化できる低融点複合酸化性介在物の形成のために、０．０１質量％以上、好ましくは、０．０５質量％以上添加されるべきである。しかし、０．３０質量％を超えると、高融点介在物またはＳｉＯ_２単独介在物が形成されて、むしろ工具の摩耗速度が著しく増加する。
【００２１】
マンガン（Ｍｎ）：０．２〜２．０質量％
マンガンは、ＭｎＳ介在物を形成して硫黄（Ｓ）による赤熱脆性を防止することができるので、０．２質量％以上を添加することが好ましい。しかし、２．０質量％を超えるとフェライトを固溶強化させて、被削性の減少をもたらす。マンガンは脱酸剤として作用し、ＭｎＯを形成してＭｎＳ介在物の核としても作用する。
【００２２】
リン（Ｐ）：０．０２〜０．１０質量％
リンは、粒界に偏析されて被削性を向上させ、そのために０．０２質量％以上存在することが好ましいが、機械的性質と冷間加工性を確保するために、０．１０質量％を超えてならない。
【００２３】
硫黄（Ｓ）：０．０６〜０．４５質量％
硫黄は、ＭｎＳ介在物を形成して，切削作業の際に構成刃先の生成を抑制して切削工具の摩耗を減らし、被削財の表面粗度を改善する役割をする。そのために、硫黄は０．０６質量％以上添加されるべきである。しかし、硫黄の量が多くなれば、低融点のＦｅＳ生成が容易になって、高温延性を減少させ、熱間圧延性が低下するるため、０．４５質量％を超えてはならない。
【００２４】
ビスマス（Ｂｉ）：０．０４〜０．２０質量％
ビスマスは、鋼材に添加すると金属介在物として単独で存在するかまたはＭｎＳ介在物に付着する。ビスマスは、切削時に加工熱によって容易に溶融されて切削特性を向上させ、チップ（ｃｈｉｐ）と切削工具との間で潤滑被膜として作用して、摩擦力を減少させ、切削工具の摩耗を抑制する。ビスマスの含量が０．０４質量％より少ないと被削効果が減少し、一方、０．２０質量％、好ましくは０．１６質量％超えると鋳造性と圧延性が低下する。よって、ビスマスの含量は、０．０４〜０．２０質量％に限定することが好ましい。
【００２５】
錫（Ｓｎ）：０．０４〜０．２０質量％
錫は、鉛と類似の役割をすることができる元素である。すなわち、錫は、鋼の被削性を向上させるメカニズムの一つの液状金属脆化と同じ役割をすることができる。具体的に、このような現象は、錫がフェライト結晶粒系に移動して偏析され、粒界結合エネルギーを減少させることにより粒界破壊を容易にすることで現われる。よって、錫による被削性向上の効果を得るためには、０．０４質量％以上の錫が添加されることが要求される。しかし、０．２０質量％、好ましくは０．１６質量％を超えると鋳造性及び圧延性にが低下するので、０．０４〜０．２０質量％に限定することが好ましい。
【００２６】
硼素（Ｂ）：０．００１〜０．０１５質量％
オーステナイト粒界に偏析された硼素は、結晶粒系を強化させて、高温延性を向上させる。また、従来から黒鉛を含有する鋼は優秀な被削性を有すると知られているが、鋼内部で硼素が窒素と反応して、黒鉛と類似の結晶構造と物理的特性を有するＢＮ（Ｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）が生成されると、黒鉛を含有する鋼と等しい被削性向上の効果を期待できるようになる。硼素は、０．００１質量％未満ではその添加効果が非常に小さいので、０．００１質量％以上添加する必要がある。一方、０．０１５質量％を超えて添加する場合には、それ以上は効果の上昇を期待することができず、オーステナイト結晶粒界に硼素系窒化物の析出により粒界強度が低下して、熱間加工性が低下するおそれがあるので、０．００１〜０．０１５質量％に限定することが好ましい。
【００２７】
窒素（Ｎ）：０．００１〜０．０１０質量％
窒素は、硼素とともにＢＮを形成するために０．００１質量％以上添加される必要がある。しかし、０．０１０質量％を超えるとオーステナイト結晶粒系に偏析される有効硼素の量を減少させて、粒界強化の効果を減少させる。
【００２８】
全酸素（Ｔ［Ｏ］）：０．００２〜０．０２５質量％
酸素は、熱間圧延時のＭｎＳ介在物延伸による被削性低下を防止するために、０．００２質量％以上添加されることが要求される。しかし、切削加工の際、ＭｎＳ介在物の塑性変形能を確保するためには、０．０２５質量％を超えてはならない。
【００２９】
アルミニウム（Ａｌ）及びカルシウム（Ｃａ）：各々１０ｐｐｍ以下
アルミニウム及びカルシウムは、本発明で鋼中に形成される低融点複合酸化性介在物の形成に必要であるが、意図的に添加する必要はなく、スラグなどに自然に含まれる量で十分である。このようなアルミニウム及びカルシウムは、一般的に１０ｐｐｍ以下で存在することが好ましい。
【００３０】
上述した成分系のうちＢｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｍｎ及びＢは、各々下記の関係式を満たすことで優秀な被削性及び熱間圧延性を提供することができる。以下、前記Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｍｎ及びＢの関係式について詳しく説明する。
【００３１】
錫、ビスマス、硫黄及びマンガンの関係式は、下記式（１）の通りである。
【数４】

（ここで、各元素記号は質量％を表す。以下同様）
【００３２】
前記の成分含量規制の他にも、本発明による優秀な被削性を有する無鉛快削鋼を提供するためには、前記式（１）を満たすことが好ましい。すなわち、錫とビスマスは、ともに金属性介在物として鋼材内部で液状金属脆化により被削性を向上させ、硫黄は、ＭｎＳの生成により被削性を向上させる。
【００３３】
マンガンと硫黄の関係式は、下記式（２）の通りである。
【数５】

【００３４】
前記の成分含量規制の他にも、本発明による優秀な高温延性を有する無鉛快削鋼を提供するためには、マンガンと硫黄との関係が前記式（２）を満たすことが好ましい。前記式（２）は、マンガンが硫黄と結合して硫黄による熱間脆性を抑制できる程度が必要だということを示す。
【００３５】
硼素と窒素の関係式は、下記式（３）の通りである。
【数６】

【００３６】
本発明による優秀な高温延性を有する無鉛快削鋼を提供するために、硼素と窒素は前記式（３）を満たすことが好ましい。すなわち、窒素が存在しても粒界に偏析される硼素によってオーステナイト結晶粒界を強化できる程度の量が必要である。
【００３７】
上述した式（１）乃至式（３）のうちいずれか一つの関係のみを満たしても、それによる効果が現れ、二つ以上の関係を同時に満たす場合には、その効果がさらに著しく現われる。したがって、上述した式（１）乃至式（３）のうち一つ以上を満たせば、本発明の権利範囲に含まれるとすることができる。
【００３８】
一方、本発明の無鉛快削鋼は、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃａ及びＡｌ成分による低融点複合酸化性介在物を含む。以下、前記低融点複合酸化性介在物について詳しく説明する。
【００３９】
本発明の成分系では、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃａ及びＡｌ成分の酸化が生じ、多様な低融点複合酸化性介在物が形成される。前記介在物を形成するために、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃａ及びＡｌ成分が別途に添加されることが好ましいが、Ｃａ及びＡｌ成分は、鋼内部に基本的に存在する量でも十分に介在物を形成することができる。本発明において、このような介在物は、ＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系またはＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系の形態で存在するようになる。
【００４０】
前記ＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物は、２０〜６５質量％のＭｎＯ、２５〜６０質量％のＳｉＯ_２、及び０〜３０質量％のＡｌ_２Ｏ_３からなり、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物は、１０〜５５質量％のＣａＯ、３５〜６５質量％のＳｉＯ_２、及び０〜２５質量％のＡｌ_２Ｏ_３からなることが好ましい。
【００４１】
また、このようなＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系またはＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系低融点複合酸化性介在物は、線材５ｇごとに５個以上存在することが好ましい。もし５個以下で存在する場合には、被削性が低下する問題が発生する。
【００４２】
以下、本発明を実施例を通じてより具体的に説明する。
【００４３】
（実施例）
下記の表１、表２及び表３のような成分組成を有する発明鋼及び比較鋼に対して、被削性と高温延性を調査するために、旋削テストと高温引張テストを各々施した。複合酸化性介在物は、ＥＳＡＡ法（非金属介在物特殊電解抽出分離法）で分析した。
【００４４】
【表１】

【００４５】
前記表１において、発明鋼１乃至４及び比較鋼１は本発明の成分系を満たす一方、比較鋼２及び３はＢ及びＢｉが各々一致せず、比較鋼４は従来の鉛快削鋼を表す。
【００４６】
【表２】

【００４７】
前記表２において、比較鋼１及び２がＢ／Ｎの適宜範囲を逸脱しており、比較鋼３は（Ｂｉ＋Ｓｎ＋Ｓ）／Ｍｎの適宜範囲を逸脱していることが分かる。比較鋼４は鉛快削鋼であるので、言及しないことにする。
【００４８】
【表３】

*ＥＳＡＡ（非金属介在物特殊電解抽出分離法）：Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ＆ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎｉｎｓｔｅｅｌｂｙｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｉｎＡＡｓｏｌｕｔｉｏｎｕｎｄｅｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ
【００４９】
また、前記表３においては、比較鋼２に含まれる介在物の数が基準値以下であることが分かる。同様に、鉛快削鋼である比較鋼４の介在物の数は、比較対象から除外される。
【００５０】
前記発明鋼及び比較鋼に対して、本発明による発明鋼の被削性を評価して、Ｐｂ快削鋼を代替できる可能性を確認するために、次のような被削性評価を施した。試片に対する被削性評価は、ＣＮＣ旋盤を用いて２５ｍｍ直径の棒財に対して切削油を使わない旋削テストで行った。移送速度は０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切削深さは０．５ｍｍ、そして切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎとした。工具の摩耗程度を確認するために、同一時間旋削テストの後、工具のフランク摩耗幅（ＶＢ）を測定して相互比較した。旋削作業による工具摩耗の結果は、表４にまとめている。
【００５１】
【表４】

【００５２】
前記表４から分かるように、切削テストを通じて工具摩耗程度を測定した結果、本発明による環境親和型快削鋼（発明鋼１〜４）は、従来のＰｂ快削鋼（比較鋼４）と比較した時、非常に高い水準の工具耐摩耗特性を示した。比較鋼２は、低融点酸化性介在物が形成されることができなかった場合であって、ビスマスと錫とＭｎＳの量が十分で被削性は優秀であるが、低融点酸化性介在物が形成されず、発明鋼に比べて被削性が低かった。また、比較鋼３は、ビスマスと錫の含量未満によって、工具摩耗が最も早く進行された。
【００５３】
高温延性評価のために、通常再加熱温度である１２５０℃で加熱して１分間維持した後、引張テストを施した。テストの後、破断面にの減少率（ＲＡ）を測定して、表５にまとめた。
【００５４】
【表５】

【００５５】
前記表１及び表２に表すように、本発明の鋼種の場合（発明鋼１〜４）Ｍｎ^３／Ｓ比が４．６以上で、低融点のＦｅＳ形成による赤熱脆性が抑制され、またＢ／Ｎ比が２．０以上になって、オーステナイト結晶粒界強化効果を得ることができる。これにより、９００℃以上の高温引張の際、破断面減少率が７０％以上の優秀な高温延性を確保することができた。したがって、コーナークラックのような表面欠陷が発生する可能性が非常に低い。
【００５６】
一方、比較鋼１のように、Ｍｎ^３／Ｓ比が４．６以上であるがＢ／Ｎ比は２．０未満である場合、鋼内部の硼素が主にＢＮとして析出され、結晶粒界を十分に強化させることができないため、９００℃で６０％未満の破断面減少率が現れた。また、Ｍｎ^３／Ｓ比が４．６未満でＢ／Ｎ比も２．０未満である比較鋼２の場合は、もっと低い高温延性を現せた。
【００５７】
前記実施例のように、本発明による鋼材は、Ｂ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓ及びＮの含量を適切な関係式によって調節するとともに低融点複合酸化性介在物を形成することにより、高速または低速にかかわらず全ての速度の切削過程で現れ得る工具摩耗を抑制することができるので、優秀な被削性を確保するとともに、マンガンと硼素などの元素を最適の比率で添加して、優秀な熱間圧延性を有する環境親和型無鉛快削鋼を提供しようとする。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to an environmentally friendly lead-free free-cutting steel material used as a material for automobile precision hydraulic parts, office automation equipment parts, home appliance parts, and the like, and in particular, it can replace lead that is harmful to the environment and the human body. The present invention relates to an environmentally friendly steel for free-cutting steel in which machinability is remarkably improved by using not only a machinability-enhancing element but also a low-melting-point oxidizing inclusion formed in steel by precision deoxidation. Furthermore, the present invention relates to an environmentally friendly steel material for free-cutting steel that has excellent high-temperature ductility and does not generate surface defects such as corner cracks during hot rolling.
[Background]
[0002]
Free-cutting steel is a material widely used for precision parts and the like, and is characterized by excellent machinability. The excellent machinability of free-cutting steel is due to metallic or non-metallic inclusions present inside the free-cutting steel. When cutting steel with a tool, non-metallic inclusions such as MnS act as stress concentrators at the part where the tool tip (Tip) and steel are in contact with each other. (Void) generation and crack growth are facilitated, and the force required for cutting is reduced.
[0003]
In addition, metallic inclusions such as lead are melted at a relatively low temperature by cutting heat and act as a lubricant at the interface between the chip and the cutting tool, so that the wear of the tool is suppressed and cutting is performed. It plays a role in reducing the necessary power.
[0004]
Therefore, an element capable of forming the metallic or nonmetallic inclusion is added to the free-cutting steel in order to enhance the machinability of the steel material. Conventionally, the nonmetallic inclusion mainly used is MnS. In particular, spherical MnS mixed with an oxide has the best machinability.
[0005]
On the other hand, metallic inclusions are generally called machinability improving elements. As such a machinability improving element, lead is the most typical element. Since lead has a low solubility in iron, it not only tends to exist as metallic inclusions in free-cutting steel, but also has an appropriately low melting point of 327.5 ° C., so it is easily melted by the heat generated from the tool tip. Can be done.
[0006]
Therefore, such lead has sufficient properties required for machinability improving elements, so to date free-cutting steel containing lead has been classified as the most representative free-cutting steel. Has been put to practical use as the most suitable steel material.
[0007]
However, free-cutting steel containing lead may generate lead vapor in the cutting work recycling process, and lead in steel is harmful to the human body, so there has been a need to replace it. .
[0008]
Examples of steel materials developed to replace such free-cutting steel containing lead include bismuth (Bi) free-cutting steel. The bismuth is also a low melting point metal and has low solubility in iron, which is very advantageous for improving machinability.
[0009]
However, since bismuth has a melting point of about 209 ° C. and is about 120 ° C. lower than lead, it is not only easily melted, but also has high wettability due to a lower surface tension than lead. . Such a feature causes a problem that causes grain embrittlement of the steel material.
[0010]
Thereby, bismuth free-cutting steel has a problem that hot-rollability is remarkably lowered due to a decrease in hot ductility due to grain embrittlement, as compared with lead free-cutting steel. Furthermore, since the machinability is also inferior to that of lead free-cutting steel, there are still various problems for bismuth free-cutting steel to replace lead free-cutting steel.
[0011]
However, lead free-cutting steel also has various problems. In particular, the spread of CNC machine tools has been rapidly increasing recently, and high-speed cutting and automation are performed. During such a high-speed cutting process, a specific component of the cutting tool, for example, tungsten (W), which is the most important constituent element in the case of a carbide tool, diffuses into the chip at a high rate due to processing heat of 1000 ° C. or higher. Occurs. Due to the diffusion of such components as tungsten, the cutting tool may be abruptly worn.
[0012]
In particular, lead free-cutting steel is known to be unable to effectively prevent tool wear due to such thermal diffusion. Therefore, from the aspect of high-speed cutting, free-cutting steel with excellent machinability is also used. Development is required.
[Problems to be solved by the invention]
[0013]
The present invention is for solving the above-mentioned problems, and its purpose is to add bismuth and tin, which can substitute elements harmful to the environment or the human body, such as lead, to steel materials. The formation of low melting point complex oxidative inclusions that have environmentally friendly properties and can suppress the wear of tools that can occur during high-speed cutting processes ensure excellent machinability and manganese and boron It is to provide an environment-friendly lead-free free-cutting steel having excellent hot rolling properties by adding elements such as
[Means for Solving the Problems]
[0014]
The present invention, in mass%, carbon (C) 0.03 to 0.30%, silicon (Si) 0.01 to 0.30%, manganese (Mn) 0.2 to 2.0%, phosphorus (P ) 0.02-0.10%, sulfur (S) 0.06-0.45%, bismuth (Bi) 0.04-0.20%, tin (Sn) 0.04-0.20%, boron (B) 0.001 to 0.015%, nitrogen (N) 0.001 to 0.010%, total oxygen (T [O]) 0.002 to 0.025% and the balance Fe and inevitable impurities ,
Machinability and hot rolling characterized in that tin, bismuth, sulfur, manganese, boron and nitrogen satisfy one or two or more relationships selected from the group consisting of the following formulas (1) to (3) Providing environmentally friendly lead-free free-cutting steel with excellent properties.
[Expression 1]

[Expression 2]

[Equation 3]

[0015]
Furthermore, the present invention is by mass %, carbon (C) 0.03 to 0.30%, silicon (Si) 0.01 to 0.30%, manganese (Mn) 0.2 to 2.0%, phosphorus ( P) 0.02 to 0.10%, sulfur (S) 0.06 to 0.45%, bismuth (Bi) 0.04 to 0.20%, tin (Sn) 0.04 to 0.20%, From boron (B) 0.001 to 0.015%, nitrogen (N) 0.001 to 0.010%, total oxygen (T [O]) 0.002 to 0.025% and the balance Fe and inevitable impurities A machinability characterized by containing MnO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ system or CaO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ system or a low melting point composite oxidizing inclusion mixed with these in the steel Provide environment-friendly lead-free free-cutting steel with excellent hot-rollability.
【Effect of the invention】
[0016]
According to the present invention, it is possible to provide an environment-friendly lead-free free-cutting steel that is not inferior to conventional lead-containing free-cutting steel or has excellent machinability. Furthermore, the present invention is excellent in high temperature ductility and can minimize the occurrence of surface defects during hot rolling, so that it has a great effect on improving hot rolling productivity.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0017]
The present invention adjusts the component system, the relationship between the components, the number of low melting point complex oxidizing inclusions, or a combination of these, and thereby has lead-free free properties having excellent characteristics not only in low-speed cutting but also in high-speed cutting. Provide steel cutting.
[0018]
Hereafter, the component system which comprises the lead-free free-cutting steel of this invention is demonstrated in detail.
[0019]
Carbon (C): 0.03 to 0.30 mass %
Carbon should be added in an amount of 0.03% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more in order to ensure surface roughness and mechanical properties. However, if it exceeds 0.30% by mass , machinability is reduced due to an increase in hard pearlite composition.
[0020]
Silicon (Si): 0.01-0.30 mass %
Silicon acts as a deoxidizer to produce SiO ₂ and is 0.01% by weight for the formation of low melting point complex oxidizing inclusions that can minimize tool wear due to thermal diffusion during high speed cutting As mentioned above, Preferably, 0.05 mass % or more should be added. However, if it exceeds 0.30% by mass , high melting point inclusions or SiO ₂ single inclusions are formed, and the wear rate of the tool is remarkably increased.
[0021]
Manganese (Mn): 0.2-2.0 mass %
Manganese can form MnS inclusions and prevent red heat embrittlement due to sulfur (S), so 0.2% by mass or more is preferably added. However, if it exceeds 2.0% by mass , the ferrite is strengthened by solid solution and machinability is reduced. Manganese acts as a deoxidizer, forms MnO, and also acts as a nucleus of MnS inclusions.
[0022]
Phosphorus (P): 0.02 to 0.10% by mass
Phosphorus is segregated at the grain boundaries to improve machinability, and for that purpose, it is preferably present in an amount of 0.02% by mass or more. However, in order to ensure mechanical properties and cold workability, 0.10% by mass is provided . Must not be exceeded.
[0023]
Sulfur (S): 0.06-0.45 mass %
Sulfur forms MnS inclusions, suppresses the generation of constituent cutting edges during cutting operations, reduces wear of the cutting tool, and improves the surface roughness of the work material. Therefore, sulfur should be added by 0.06% by mass or more. However, if the amount of sulfur is increased, the formation of FeS having a low melting point is facilitated, the high temperature ductility is reduced, and the hot rollability is lowered. Therefore, it should not exceed 0.45% by mass .
[0024]
Bismuth (Bi): 0.04 to 0.20% by mass
Bismuth, when added to a steel material, exists alone as metal inclusions or adheres to MnS inclusions. Bismuth is easily melted by processing heat during cutting to improve cutting characteristics, and acts as a lubricating film between the chip and the cutting tool to reduce frictional force and suppress wear of the cutting tool. . If the bismuth content is less than 0.04% by mass, the cutting effect is reduced. On the other hand, if it exceeds 0.20% by mass , preferably 0.16% by mass , the castability and the rollability deteriorate. Therefore, the bismuth content is preferably limited to 0.04 to 0.20% by mass .
[0025]
Tin (Sn): 0.04 to 0.20 mass %
Tin is an element that can play a role similar to lead. That is, tin can play the same role as liquid metal embrittlement, which is one of the mechanisms that improve the machinability of steel. Specifically, such a phenomenon appears when tin moves to the ferrite grain system and segregates, thereby facilitating grain boundary fracture by reducing grain boundary binding energy. Therefore, in order to obtain the effect of improving machinability by tin, it is required that 0.04% by mass or more of tin is added. However, if it exceeds 0.20% by mass , preferably 0.16% by mass , the castability and rollability deteriorate, so it is preferable to limit to 0.04 to 0.20% by mass .
[0026]
Boron (B): 0.001 to 0.015 mass %
Boron segregated at austenite grain boundaries strengthens the grain system and improves high temperature ductility. Conventionally, steel containing graphite is known to have excellent machinability, but boron reacts with nitrogen inside the steel, and BN (Boron) having a crystal structure and physical characteristics similar to graphite. When the nitride) is generated, the same machinability improvement effect as that of the steel containing graphite can be expected. If boron is less than 0.001% by mass , the effect of addition is very small, so 0.001% by mass or more must be added. On the other hand, when adding over 0.015 mass %, an increase in the effect cannot be expected beyond that, and the grain boundary strength decreases due to precipitation of boron-based nitride at the austenite grain boundaries, Since hot workability may be reduced, the content is preferably limited to 0.001 to 0.015% by mass .
[0027]
Nitrogen (N): 0.001 to 0.010 mass %
Nitrogen needs to be added in an amount of 0.001% by mass or more in order to form BN together with boron. However, if it exceeds 0.010% by mass , the amount of effective boron segregated in the austenite grain system is reduced, thereby reducing the effect of grain boundary strengthening.
[0028]
Total oxygen (T [O]): 0.002 to 0.025 mass %
Oxygen is required to be added in an amount of 0.002% by mass or more in order to prevent deterioration of machinability due to MnS inclusion stretching during hot rolling. However, in order to ensure the plastic deformability of the MnS inclusion during the cutting process, it must not exceed 0.025% by mass .
[0029]
Aluminum (Al) and calcium (Ca): each 10 ppm or less Aluminum and calcium are necessary for the formation of the low melting point complex oxidizing inclusions formed in the steel in the present invention, but it is not necessary to intentionally add them. The amount naturally contained in slag, etc. is sufficient. Such aluminum and calcium are generally preferably present at 10 ppm or less.
[0030]
Of the component systems described above, Bi, Sn, S, Mn, and B can provide excellent machinability and hot rollability by satisfying the following relational expressions. Hereinafter, the relational expressions of Bi, Sn, S, Mn, and B will be described in detail.
[0031]
The relational expression of tin, bismuth, sulfur and manganese is as shown in the following formula (1).
[Expression 4]

(Here, each element symbol represents mass %. The same applies hereinafter.)
[0032]
In addition to the above component content regulation, in order to provide a lead-free free-cutting steel having excellent machinability according to the present invention, it is preferable to satisfy the formula (1). That is, both tin and bismuth improve the machinability by liquid metal embrittlement inside the steel as metallic inclusions, and sulfur improves the machinability by generating MnS.
[0033]
The relational expression between manganese and sulfur is as shown in the following formula (2).
[Equation 5]

[0034]
In addition to the above component content regulation, in order to provide a lead-free free-cutting steel having excellent hot ductility according to the present invention, it is preferable that the relationship between manganese and sulfur satisfies the above formula (2). The formula (2) indicates that manganese needs to be bonded to sulfur to suppress hot brittleness due to sulfur.
[0035]
The relational expression between boron and nitrogen is as the following expression (3).
[Formula 6]

[0036]
In order to provide a lead-free free-cutting steel having excellent hot ductility according to the present invention, it is preferable that boron and nitrogen satisfy the above formula (3). That is, an amount that can strengthen the austenite grain boundary by boron segregated at the grain boundary even in the presence of nitrogen is required.
[0037]
Even if only one of the above-described formulas (1) to (3) is satisfied, the effect is exhibited, and when two or more relationships are satisfied at the same time, the effect is further remarkably exhibited. Therefore, if at least one of the above-described formulas (1) to (3) is satisfied, it can be included in the scope of rights of the present invention.
[0038]
On the other hand, the lead-free free-cutting steel of the present invention contains low melting point complex oxidizing inclusions due to Mn, Si, Ca and Al components. Hereinafter, the low melting point composite oxidizing inclusion will be described in detail.
[0039]
In the component system of the present invention, oxidation of Mn, Si, Ca, and Al components occurs, and various low melting point complex oxidizing inclusions are formed. In order to form the inclusions, it is preferable that Mn, Si, Ca and Al components are added separately. However, the Ca and Al components sufficiently form inclusions even in an amount basically present in the steel. can do. In the present invention, such inclusions are present in the form of MnO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ or CaO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ .
[0040]
The MnO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ inclusion is composed of 20 to 65% by mass of MnO, 25 to 60% by mass of SiO ₂ , and 0 to 30% by mass of Al ₂ O ₃ , and includes CaO—SiO _2. -al ₂ O ₃ inclusions is 10 to 55 wt% of CaO, it is preferably made of SiO _2, and 0 to 25% by mass of _Al 2 _{O 3} of 35 to 65 wt%.
[0041]
Moreover, it is preferable that 5 or more of such MnO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ -based or CaO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ -based low melting point complex oxidizing inclusions exist for every 5 g of wire. If the number is 5 or less, there is a problem that machinability deteriorates.
[0042]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically through examples.
[0043]
(Example)
In order to investigate the machinability and the high temperature ductility, the turning test and the high temperature tensile test were applied to the inventive steels and comparative steels having the component compositions shown in Tables 1, 2 and 3 below. The complex oxidizing inclusions were analyzed by ESAA method (non-metallic inclusion special electrolytic extraction separation method).
[0044]
[Table 1]

[0045]
In Table 1, invention steels 1 to 4 and comparative steel 1 satisfy the component system of the present invention, while comparative steels 2 and 3 do not match B and Bi, and comparative steel 4 is a conventional lead free cutting steel. Represent.
[0046]
[Table 2]

[0047]
In Table 2, it can be seen that the comparative steels 1 and 2 deviate from the appropriate range of B / N, and the comparative steel 3 deviated from the appropriate range of (Bi + Sn + S) / Mn. Since comparative steel 4 is a lead free cutting steel, it will not be mentioned.
[0048]
[Table 3]

* ESAA (non-metallic inclusions special electrolysis extraction separation method): Extraction & separation of non-metallic inclusion in steel by electrical analysis in AA solution under ultrasonic wave
[0049]
Moreover, in the said Table 3, it turns out that the number of the inclusions contained in the comparative steel 2 is below a reference value. Similarly, the number of inclusions in the comparative steel 4 which is lead free cutting steel is excluded from the comparison target.
[0050]
In order to evaluate the machinability of the inventive steel and the comparative steel according to the present invention and confirm the possibility of replacing Pb free-cutting steel, the following machinability evaluation was performed. . The machinability evaluation on the specimen was performed by a turning test using a CNC lathe without using cutting oil on a 25 mm diameter bar. The transfer speed was 0.3 mm / rev, the cutting depth was 0.5 mm, and the cutting speed was 150 m / min. In order to confirm the degree of wear of the tool, the flank wear width (VB) of the tool was measured and compared with each other after the same time turning test. The results of tool wear from turning operations are summarized in Table 4.
[0051]
[Table 4]

[0052]
As can be seen from Table 4, as a result of measuring the degree of tool wear through a cutting test, the environment-friendly free-cutting steel (invention steels 1 to 4 ) according to the present invention is compared with the conventional Pb free-cutting steel (comparative steel 4). Showed a very high level of tool wear resistance. Comparative Steel 2 is a case where low melting point oxidizing inclusions could not be formed, and the amount of bismuth, tin and MnS was sufficient and machinability was excellent, but low melting point oxidizing inclusions Was not formed, and the machinability was lower than that of the inventive steel. In comparison steel 3, the tool wear progressed the earliest due to less than the content of bismuth and tin.
[0053]
For high-temperature ductility evaluation, a tensile test was performed after heating at 1250 ° C., which is a normal reheating temperature, and maintaining for 1 minute. After the test, the reduction rate (RA) on the fracture surface was measured and summarized in Table 5.
[0054]
[Table 5]

[0055]
As shown in Table 1 and Table 2, in the case of the steel type of the present invention (invention steels 1 to 4 ), the Mn ³ / S ratio is 4.6 or more, and the red hot brittleness due to the formation of FeS having a low melting point is suppressed, and B The / N ratio becomes 2.0 or more, and an austenite grain boundary strengthening effect can be obtained. As a result, it was possible to ensure excellent high-temperature ductility with a fracture surface reduction rate of 70% or more during high-temperature tension at 900 ° C. or higher. Therefore, the possibility of surface defects such as corner cracks is very low.
[0056]
On the other hand, as in Comparative Steel 1, when the Mn ³ / S ratio is 4.6 or more but the B / N ratio is less than 2.0, boron inside the steel is mainly precipitated as BN, and the grain boundary As a result, the fracture surface reduction rate of less than 60% appeared at 900 ° C. Further, in the case of the comparative steel 2 having an Mn ³ / S ratio of less than 4.6 and a B / N ratio of less than 2.0, a lower hot ductility was exhibited.
[0057]
As in the above embodiment, the steel material according to the present invention can be adjusted to a high speed or a low speed by adjusting the contents of B, Sn, Mn, S and N according to an appropriate relational expression and forming a low melting point composite oxidizing inclusion. Regardless of this, the tool wear that can appear in the cutting process at all speeds can be suppressed, so that excellent machinability is ensured and elements such as manganese and boron are added at an optimum ratio to achieve excellent hot work. An environmentally friendly lead-free free-cutting steel with rolling properties.

Claims

質量％で、炭素（Ｃ）０．０３〜０．３０％、シリコン（Ｓｉ）０．０１〜０．３０％、マンガン（Ｍｎ）０．２〜２．０％、リン（Ｐ）０．０２〜０．１０％、硫黄（Ｓ）０．０６〜０．４５％、ビスマス（Ｂｉ）０．０４〜０．２０％、錫（Ｓｎ）０．０４〜０．２０％、硼素（Ｂ）０．００１〜０．０１５％、窒素（Ｎ）０．００１〜０．０１０％、全酸素（Ｔ［Ｏ］）０．００２〜０．０２５％及び残部Ｆｅと不可避な不純物からなり、
錫、ビスマス、硫黄、マンガン、硼素及び窒素が下記式（１）乃至（３）からなるグループから選択された一つまたは二つ以上の関係を満たすことを特徴とする無鉛快削鋼。

In mass %, carbon (C) 0.03 to 0.30%, silicon (Si) 0.01 to 0.30%, manganese (Mn) 0.2 to 2.0%, phosphorus (P) 0.02 -0.10%, sulfur (S) 0.06-0.45%, bismuth (Bi) 0.04-0.20%, tin (Sn) 0.04-0.20%, boron (B) 0 0.001 to 0.015%, nitrogen (N) 0.001 to 0.010%, total oxygen (T [O]) 0.002 to 0.025% and the balance Fe and inevitable impurities,
A lead-free free-cutting steel characterized in that tin, bismuth, sulfur, manganese, boron, and nitrogen satisfy one or more relationships selected from the group consisting of the following formulas (1) to (3).

質量％で、炭素（Ｃ）０．０３〜０．３０％、シリコン（Ｓｉ）０．０１〜０．３０％、マンガン（Ｍｎ）０．２〜２．０％、リン（Ｐ）０．０２〜０．１０％、硫黄（Ｓ）０．０６〜０．４５％、ビスマス（Ｂｉ）０．０４〜０．２０％、錫（Ｓｎ）０．０４〜０．２０％、硼素（Ｂ）０．００１〜０．０１５％、窒素（Ｎ）０．００１〜０．０１０％、全酸素（Ｔ［Ｏ］）０．００２〜０．０２５％及び残部Ｆｅと不可避な不純物からなり、
鋼内部にＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系またはＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系またはこれらが混合された低融点複合酸化性介在物を含むことを特徴とする無鉛快削鋼。 In mass %, carbon (C) 0.03 to 0.30%, silicon (Si) 0.01 to 0.30%, manganese (Mn) 0.2 to 2.0%, phosphorus (P) 0.02 -0.10%, sulfur (S) 0.06-0.45%, bismuth (Bi) 0.04-0.20%, tin (Sn) 0.04-0.20%, boron (B) 0 0.001 to 0.015%, nitrogen (N) 0.001 to 0.010%, total oxygen (T [O]) 0.002 to 0.025% and the balance Fe and inevitable impurities,
A lead-free free-cutting steel comprising MnO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ series, CaO—SiO ₂ —Al ₂ O ₃ series, or a low-melting-point composite oxidizing inclusion in which these are mixed.

前記ＭｎＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物は、２０〜６５質量％のＭｎＯ、２５〜６０質量％のＳｉＯ_２及び０〜３０質量％のＡｌ_２Ｏ_３からなることを特徴とする請求項２に記載の無鉛快削鋼。 The _MnO-SiO 2 _-Al 2 _{O 3} based inclusions claims, characterized in that it consists of 20 to 65 wt% of MnO, SiO ₂ and 0-30% by mass of _Al 2 _{O 3} of 25 to 60 wt% Item 3. A lead-free free-cutting steel according to item 2.

前記ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系介在物は、１０〜５５質量％のＣａＯ、３５〜６５質量％のＳｉＯ_２及び０〜２５質量％のＡｌ_２Ｏ_３からなることを特徴とする請求項２に記載の無鉛快削鋼。 The _CaO-SiO 2 _-Al 2 _{O 3} based inclusions claims, characterized in that it consists of 10 to 55 wt% of CaO, _Al 2 _{O 3} 35 to 65% by weight of SiO ₂ and 0 to 25 wt% Item 3. A lead-free free-cutting steel according to item 2.

前記低融点複合酸化性介在物は、線材５ｇ毎に５個以上存在することを特徴とする請求項２に記載の無鉛快削鋼。 5. The lead-free free-cutting steel according to claim 2, wherein five or more low melting point composite oxidizing inclusions exist for every 5 g of wire.

前記錫、ビスマス、硫黄、マンガン、硼素及び窒素は、下記式（１）乃至（３）からなるグループから選択された一つまたは二つ以上の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の無鉛快削鋼。

The tin, bismuth, sulfur, manganese, boron and nitrogen satisfy one or two or more relationships selected from the group consisting of the following formulas (1) to (3). Lead-free free-cutting steel.