JP5318638B2 - 被削性に優れた機械構造用鋼 - Google Patents
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C:0.05〜0.8%(質量%の意味、以下同じ)、Si:0.03〜2%、Mn:0.2〜1.8%、P:0.03%以下(0%を含まない)、S:0.006〜0.03%、Al:0.1〜0.5%、N:0.002〜0.015%、O:0.003%以下(0%を含まない)を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、鋼断面に現れる円相当径2μm以上の介在物が1平方ミリメートル(mm2)あたり30個以下(0を含まない)であり、そのうち、酸化物と硫化物の複合介在物であって下記式(1)を満たすものが個数比で50%以上存在するものである。
Cは、機械構造部品として必要な強度を確保するために必須の元素であるため、0.05%以上とする必要がある。しかしながら、C含有量が過剰になると、硬さが上昇しすぎて、被削性や靭性が低下するので、0.8%以下とする必要がある。尚、C含有量の好ましい下限は0.10%(より好ましくは0.15%)であり、好ましい上限は0.6%(より好ましくは0.5%)である。
Siは、脱酸元素として鋼材の内部品質を向上させるのに有効な元素であり、こうした効果を有効に発揮させるためには、Si含有量は0.03%以上とする必要があり、好ましくは0.07%以上(さらに好ましくは0.1%以上)とすることが望ましい。また、Si含有量が過剰になると、浸炭時の異常組織が生成したり、熱間および冷間加工性を損ねるため、2%以下とする必要があり、好ましくは1.7%以下(さらに好ましくは1.5%以下)とするのが良い。
Mnは、焼入れ性を向上させて鋼材の強度向上のために有効な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためには、0.2%以上(好ましくは0.4%以上、さらに好ましくは0.5%以上)含有させる。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、焼入れ性が増大し過ぎて、焼きならし後でも過冷組織が生成して被削性を低下させるので、1.8%以下(好ましくは1.6%以下、さらに好ましくは1.5%以下)とする。
Pは、鋼材中に不可避的に含まれる元素(不純物)であり、熱間加工時の割れを助長するので、できるだけ低減することが好ましい。そのためP量を、0.03%以下(より好ましくは0.02%以下、さらに好ましくは0.01%以下)と定めた。Pは、その量を0%とすることは工業的に困難である。
Sは、MnSを形成し、被削性を向上させる元素である。特に本発明では、機械構造用鋼に必要量のSを添加することにより、Alを含有する酸化物を核としてその周りに硫化物が生成し、複合介在物を形成することができる。この複合介在物の特徴については後述するが、必要な量の硫化物を生成するためには、Sは、例えば0.006%以上(好ましくは0.007%以上、より好ましくは0.008%以上)含有させる。一方、Sを過剰に含有させると鋼材の延性・靭性を低下させる。そのため、S量の上限を0.03%(より好ましくは0.02%、さらに好ましくは0.015%)とした。特に、S含有量が過剰になると、Mnと反応してMnS介在物を形成する量が増大し、この介在物が圧延時に圧延方向に伸展して、圧延直角方向の靭性(横目の靭性)を劣化させる。
Alは、断続切削性を向上させるために従来の肌焼き鋼に比べて多めに必要であり、特に固溶状態で0.05%以上存在することが好ましい。また、Alの一部はNと結合して浸炭処理時の異常粒成長を抑制するほか、脱酸剤としての役割をもつため、トータルAlとして0.1%以上(好ましくは0.15%以上、さらに好ましくは0.2%以上)必要である。一方、Alが多すぎると高温でNと結合してAlNが生成しやすくなって熱間加工性を低下させるため、上限を0.5%(好ましくは0.45%、より好ましくは0.4%)とする。
Nは、Alと結合して粒成長を抑制し、機械構造用鋼の強度向上の効果を発揮する。このような効果を有効に発揮させるためには、N:0.002%以上(好ましくは0.003%以上、さらに好ましくは0.004%以上)含有させる。一方、N量が多すぎると高温でAlNを生成して熱間加工性を低下させるため、0.015%以下(好ましくは0.013%以下、より好ましくは0.011%以下)とした。
O含有量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物が生成して、被削性や延性・靭性、鋼の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでO含有量の上限を、0.003%(好ましくは0.002%、より好ましくは0.0015%)と定めた。
上述のように、鋼中に生成する酸化物と硫化物とを介在物中に複合化することによって酸化物の悪影響(連続切削性の低下)を少なく抑え、連続切削性と断続切削性のバランスを図ることができる。このような効果が現れるのは、対象介在物のうち個数比で50%以上(好ましくは55%以上、より好ましくは60%以上)が、上記式(1)を満たす場合である。なお、上記(1)式の左辺で表される比の値は、例えば以下の手順で計算することができる。すなわち、まず鋼断面において介在物の組成をEPMAで測定し、[S]、[Mn]、[Al]等の値を測定する(但し、本発明において、[X]は、介在物の断面におけるX元素の全質量を意味するものとする)。EPMAでは[O]の値を測定することはできないため、近似計算として、介在物中のS全量がMnと結合してMnSを形成すると仮定し、また介在物中のMn全量からMnSの生成分を差し引いた残りのMn及びその他の合金元素は、すべて酸化物を形成するものと仮定して、酸化物/硫化物の比の値は、([MO]+[MnO])/[MnS]として計算される(「M」は、Mn以外の合金元素を示す)。なお、EPMA測定された各元素の質量は、上記のように介在物の断面における質量であるから、式(1)において酸化物の質量も硫化物の質量も、鋼断面に現われている部分のみが計算対象である。
Crは、鋼材の焼入性を高め、機械構造用鋼の強度を高めるために有効な元素である。またAlとの複合添加によって、鋼材の断続切削性を高めるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Cr含有量は、例えば0.1%以上(より好ましくは0.3%以上、さらに好ましくは0.7%以上)とする。しかし、Cr含有量が過剰になると、粗大炭化物の生成或では過冷組織の発達によって被削性を劣化させるので、3%以下(より好ましくは2%以下、さらに好ましくは1.6%以下)とすることが望ましい。
Moは、母材の焼入れ性を確保して、不完全焼入れ組織の生成を抑制するのに有効な元素であり、必要に応じて機械構造用鋼に含有させてもよい。Moのこうした効果を有効に発揮させるためには、例えば0.05%以上(より好ましくは0.1%以上、さらに好ましくは0.15%以上)含有させる。Moの含有量が増加するにつれてこのような効果は増大するものの、過剰に含有させると、焼きならし後でも過冷組織が生成して機械構造用鋼の被削性を低下させるので、1.0%以下(より好ましくは0.8%以下、さらに好ましくは0.6%以下)とすることが望ましい。
機械構造用鋼のなかで特に肌焼鋼では、通常浸炭処理を行って表面を硬化するが、この処理の際に浸炭温度・時間、加熱速度等によって、結晶粒の異常成長が発生する場合がある。Nbにはこのような現象を抑制する効果がある。Nbのこうした効果を有効に発揮させるためには、例えば0.01%以上(より好ましくは0.03%以上、さらに好ましくは0.05%以上)含有させる。Nb含有量を増加するにつれてNbのこうした効果は、増大するが、過剰に含有させると硬質の炭化物が生成して被削性が低下するので、0.15%以下(より好ましくは0.12%以下、さらに好ましくは0.1%以下)とすることが望ましい。
Zr,HfおよびTaは、上記Nbと同様に、結晶粒の異常成長を抑制する効果があるので、必要に応じて鋼に含有させても良い。こうした効果は、これらの元素の含有量(1種以上の合計量)が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させると硬質の炭化物が生成して機械構造用鋼の被削性が低下するので、夫々上記した量を上限とすることが好ましく、合計で0.02%以下とすることがさらに好ましい。
これらの元素は、鋼材の焼入れ性を向上させて高強度化させるのに有効であり、必要に応じて機械構造用鋼に含有させてもよい。一方、こうした効果は、これらの元素の含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させると過冷組織が生成したり、延性・靭性が低下するので、夫々上記した量を上限とすることが好ましい。
Ca、MgはCaO−Al2O3、MgO−Al2O3を形成することにより酸化物系介在物が軟質化することで断続切削性が改善されるため、必要に応じて添加してもよい。一方、過剰に含有させるとSと結合して高融点の硫化物を形成し、鋳造時にノズル閉塞を起こす可能性があるため、夫々上記した量を上限とすることが好ましい。
Tiを添加した場合はTiNを生成して粒成長抑制に寄与する。より詳しくは、添加したTiの多くがNと結合することでNの固溶量を抑制して鋼材の熱間加工性を改善するほか、一部は酸化物系介在物の中に入ることによって介在物の融点を低下させ、被削性改善に寄与する。
表1に示す化学成分の鋼150kgを真空誘導炉で溶解し、上面での直径が245mm、下面での直径が210mmであり、長さが480mmの略円柱状のインゴットに鋳造した。なお、表1中「―」は、該当元素を添加していないこと(無添加)を意味する。
(a)厚さ30mm、幅155mm、長さ100mmの板材
(b)直径80mm、長さ100mmの丸棒材
断続切削時の被削性を評価するために、エンドミル加工での工具磨耗を評価した。上記鍛造材(a)(焼ならし材、または焼ならし後熱間鍛造したもの)をスケールおよび脱炭層の影響を取り除くため、表面約2mmを切削除去し、エンドミル切削試験片とした。具体的には、マニシングセンタ主軸にエンドミル工具を取り付け、上記のようにして製造され、表面約2mmの切削除去後の厚さ25mm×幅150mm×長さ100mmの試験片をバイスにより固定し、乾式の切削雰囲気下でダウンカット加工を行った。詳細な加工条件を下記表2に示す。断続切削を200カット行った後、光学顕微鏡により、平均逃げ面磨耗幅(工具磨耗量)Vbを測定した。その結果を表3に示す。試験片番号(No.)は、表1の試験片番号(No.)に対応する。断続切削後のVbが70μm以下のものを、断続切削時の被削性に優れると評価した。
連続切削時の被削性を評価するために、直径80mm×長さ350mmの丸棒材(焼きならし材)をスケール除去した後表面を約2mm切削除去した試料を用いて、外周旋削加工を行なった後、光学顕微鏡により、平均逃げ面磨耗幅(工具磨耗量)Vbを測定し、磨耗幅が70μm以下のものを被削性が優れると評価した。このときの外周旋削加工条件は、下記の通りである。その結果も、上記の断続切削時の被削性試験の結果と併せて表3に示す。図2は、連続切削試験時の平均逃げ面磨耗幅をグラフで示したものである。
工具:超硬合金P10(JIS B4053)
切削速度:200m/min
送り:0.25mm/rev
切り込み:1.5mm
潤滑方式:乾式
試験片No.1〜11はいずれも本発明に属するものであり、断続切削時の被削性および連続切削時の被削性に優れていた。一方、試験片No.12〜15は機械構造用鋼における複合介在物の条件から外れるものであり、断続切削時の被削性および連続切削時の被削性の少なくとも一方が劣っていた。具体的には、No.12〜14では、Alを添加する際に溶綱中のSを一旦0.005%以下に減少させていないため、(1)式において規定する複合介在物が所定の個数比(対象介在物の50%以上)に満たず、連続切削時の被削性が劣っていた。No.15では、鋼の化学成分は本発明において規定する範囲を満たすものであったが、対象介在物が30個を超えていたため、断続切削時の被削性および連続切削時の被削性の双方において劣っていた。
Claims (8)
- C :0.05〜0.8%(質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.03〜2%、
Mn:0.2〜1.8%、
P :0.03%以下(0%を含まない)、
S :0.006〜0.03%、
Al:0.1〜0.5%、
N :0.002〜0.015%、
O :0.003%以下(0%を含まない)
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
鋼断面に現れる円相当径2μm以上の介在物が1平方ミリメートル(mm2)あたり30個以下(0を含まない)であり、そのうち、酸化物と硫化物の複合介在物であって下記式(1)を満たすものが個数比で50%以上存在することを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
- さらに、Cr:3%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載の機械構造用鋼。
- さらに、Mo:1.0%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1または2に記載の機械構造用鋼。
- さらに、Nb:0.15%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の機械構造用綱。
- さらに、Zr:0.02%以下(0%を含まない)、Hf:0.02%以下(0%を含まない)、Ta:0.02%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有するものである請求項1〜4のいずれかに記載の機械構造用鋼。
- さらに、V:0.5%以下(0%を含まない)、Cu:3%以下(0%を含まない)、Ni:3%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有するものである請求項1〜5のいずれかに記載の機械構造用鋼。
- さらに、Ca:0.005%以下(0%を含まない)および/またはMg:0.005%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜6のいずれかに記載の機械構造用鋼。
- さらに、Ti:0.05%以下(0%を含まない)および/またはB:0.008%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜7のいずれかに記載の機械構造用鋼。
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