JP7175082B2 - 機械構造用鋼およびその切削方法 - Google Patents
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Description
特許文献1では、工具摩耗の抑制に効果を有する保護膜を生成させるために、被削材である鋼材がSとAlを所定量含むことを必須としている。しかし、Sは鋼の機械特性を劣化させる恐れがあるため、高強度が必要とされる機械構造用鋼への添加は制限されることが望まれる。さらに、Alの添加はAl2O3などの硬質非金属介在物を生成しやすく、疲労強度等の機械的特性を低下させる恐れがある。さらに硬質介在物は工具のアブレシブ摩耗を引き起こすことが知られており、切削条件によっては工具摩耗が促進されてしまう可能性もある。
本発明は、上述の問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、断続切削時の工具摩耗を均一かつ安定的に進行させて、生産性を高めることができる機械構造用鋼とその切削方法を提供することにある。
すなわち、本発明に係る機械構造用鋼およびその切削方法は、つぎのとおりである。
C:0.45~0.80%、
Si:0.01~0.15%未満、
Mn:1.30~2.00%、
Cr:0.050~1.600%、
P:0.001~0.030%、
S:0.002~0.030%、
N:0.0030~0.0120%、
Al:0.001~0.024%未満、
O:0.0030%以下
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、48.0<51[Mn%]-190[Si%]-32[Cr%]-230[Al%]<98.3を満たし、かつ硬さが160~290HVであることを特徴とする機械構造用鋼。
ここで、[Mn%]、[Si%]、[Cr%]および[Al%]は、それぞれ、Mn、Si、CrおよびAlの含有質量%を表す。
(2)さらに、質量%で、
Ca:0.0001~0.0045%、
Mg:0.0001~0.0045%、
Zr:0.0001~0.0200%、
および、
Rem:0.0001~0.0200%
からなる群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)に記載の機械構造用鋼。
(3)さらに、質量%で、
Ti:0.005~0.500%、
Nb:0.005~0.500%、
および、
V:0.005~0.50%
からなる群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)または(2)に記載の機械構造用鋼。
(4)さらに、質量%で、
Mo:0.01~0.50%、
Ni:0.05~2.00%、
Cu:0.05~2.00%
および、
B:0.0003~0.0050%
からなる群から選択された1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)~(3)の何れか一項に記載の機械構造用鋼。
Cは、鋼の強度を確保するために含有させる元素である。Cの含有量が0.40%未満では、硬度が低下し、切削加工後に熱処理されずに使用される場合に強度が不足してしまう。また、最終加工品をフェライト・パーライト組織で使用する際や焼入れ、焼き戻しをして使用する際にも十分な強度が得られないおそれがある。このため、C量は、0.40%以上とし、好ましくは0.45%以上、さらに好ましくは0.50%以上とする。一方、C量が0.80%より多いと、切削素材としての硬さが上昇して被削性が劣化する。このため、C量は、0.80%以下とする。好ましいC量は、0.60%以下である。
Siは、製鋼時の脱酸に寄与するとともに、鋼の強度向上に寄与する元素である。Siの含有量が0.01%未満であるとこの効果が得られない。このため、Si量は、0.01%以上とし、好ましくは0.03%以上とする。一方、Si量が0.15%を超えると、被削材の工具上への凝着を促進してしまう。これは上述のように、Siは、断続切削中に工具面上で大気中の酸素と化学反応を起こし、工具上にSi酸化物を主体とする酸化物被膜を生成することによる。このため、Si量は、0.15%未満とする。好ましいSi量は、0.12%以下であり、さらに好ましくは0.10%以下である。
Mnは本発明で重要な元素である。Mnは断続切削中に工具面上にMn酸化物を主体とする酸化物被膜が形成されるために必要である。上述のようにこのMn酸化物被膜は被削材の凝着を抑制する効果を有する。Mnの含有量が1.00%未満であるとこの効果が十分に得られない。このため、Mn量は、1.00%以上とし、好ましくは1.20%以上とする。一方、Mn量が2.00%を超えると、鋼材の硬さが高くなり、被削性が低下する。このため、Mn量は、2.00%以下とする。好ましいMn量は、1.95%以下、より好ましくは1.90%以下、さらに好ましくは1.80%以下である。
Crは、鋼の固溶強化元素であり、また部品を焼入れ、焼き戻しして使用する場合には、焼入れ性を向上すると共に、焼戻し軟化抵抗を付与して焼入れ後の疲労強度を向上させる。Cr含有量が0.050%未満だと、これらの効果が得られない。よって、Cr量を0.050%以上とし、好ましくは0.100%以上とする。一方、Cr含有量が1.600%を超えると、Cr炭化物が生成して鋼が脆化する。さらに切削中に工具面上にMnを主体とする酸化物被膜が生成するのを阻害する。よって、Cr量を1.600%以下とする。好ましくは0.550%以下である。
Pは、不純物である。Pはオーステナイト粒界に偏析して、熱間加工時に粒界割れの原因となるので、P量を0.030%以下にする。Pはできるだけ低減することが望ましいが、P量を0.001%未満に制限するには過剰なコストがかかる。したがって、P量の範囲は0.001~0.030%とする。
SはMnと結合してMnSを形成する。MnSは、被削性を向上させる効果があるが、その効果を得るためには、Sを0.002%以上含有させる必要がある。よって、S含有量は0.002%以上とし、好ましくは0.005%以上である。一方、S含有量が0.030%を超えると、靭性や疲労強度を低下させる。よって、S含有量を0.030%以下とする。好ましくは0.025%以下である。
Nは鋼中でAlやVなどと結合して炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒界をピンニングすることによって粒成長を抑制し、オーステナイトから変態する組織を微細化する働きがあり、この効果を得るには0.0030%以上含有させる必要がある。このため、N量を0.0030%以上とし、好ましくは、0.0040%以上である。一方、Nを0.0150%を超えて過剰に含有させると1000℃以上の高温域における延性が低下し、連続鋳造、圧延時の歩留まり低下の原因になる。このため、N量を0.0150%以下とする必要がある。N量の好適な範囲は0.0120%以下である。
Alは鋼の脱酸に有効な元素であり、その効果を得るには0.001%以上含有させることが必要である。しかしながらAl量が0.024%以上の鋼を断続切削すると、上述したように、Al酸化物を主体とする酸化物被膜が工具面上に形成され、この酸化物被膜が鉄の凝着を促進し、工具の凝着摩耗を促進してしまう。さらにアルミナ等の硬質介在物を生成し、工具摩耗の進行速度を大きくする場合がある。このため、Al量は0.024%未満とし、好ましくは0.012%未満とする。
Oは酸化物系介在物を形成し、含有量が多い場合は切削時の工具のアブレシブ摩耗の原因となる大きな介在物が増加し、工具摩耗の進行速度の増加の原因となるので、できるだけ低減することが望ましい。このため本発明では、O量を0.0030%以下に制限する必要がある。好ましくは、0.0015%以下である。本発明の課題に関して特にO量の下限は無いが、O量を0.0001%以下に制限するには過剰なコストがかかる。従って、O量の好適な範囲は0.0001%超である。
被削材である鋼を、表面粗さが比較的小さい工具材を用いて断続切削した場合に、Mn酸化物を主体とする酸化物被膜を工具上に形成させて工具材への被削材の凝着を防ぐためには、鋼中のSi、Mn、Cr及びAlの質量%([Si%]、[Mn%]、[Cr%]及び[Al%])が上記式(1)を満たすことが必要である。
本限定は、以下のようにして定めた。
種々の成分を持つ鋼材を断続切削し、その工具摩耗量と工具上に生成した酸化物被膜の組成を走査型電子顕微鏡(SEM)に付属したエネルギー分散型X線分光器(EDS)によって調査した。その結果、工具上への被削材の凝着を抑制するためには、工具上にMn酸化物を主体とする酸化物被膜を生成させることが有効であることがわかった。他の酸化物被膜が生成した場合、被膜厚みが均一ではなく、工具表面に凹凸ができるため、その凹凸に引っかかるようにして被削材の鉄が工具上に凝着する。一方、工具上にMn酸化物を主体とする酸化物被膜が形成される場合、このMn酸化物被膜が切りくずと共に排出されやすいため、被削材の凝着を抑制することができる。
酸化物被膜中のMnの割合は、本発明の成分範囲では51[Mn%]-190[Si%]-32[Cr%]-230[Al%]の式によって予測でき、この式の下限が48.0超である鋼成分であれば、工具上にMn酸化物を主体とする酸化物被膜が生成されて、凝着抑制に寄与することが実験的に明らかになった。ここで、[Si%]、[Mn%]、[Cr%]および[Al%]は、それぞれ、鋼中のSi、Mn、CrおよびAlの含有質量%を表す。式(1)の上限については、上述してきた本発明の鋼成分において、51[Mn%]-190[Si%]-32[Cr%]-230[Al%]の最大値が98.27となるため、小数点第二位を四捨五入して98.3未満とした。
Ca、Mg、Zr、及びRem(希土類元素)は、いずれも脱酸元素であり、鋼中で酸化物を生成して被削性に有害なAl2O3の生成を低減し、被削性改善に寄与する。また、鋼中のMnSの形態を制御して機械特性の向上に寄与する元素である。これらの効果を得るためには、本実施形態の鋼の優れた特性を損なわない範囲で、Ca、Mg、Zr、及び、Remを、いずれも、0.0001%以上含有させてもよい。一方、Ca及びMgが0.0045%を、Zr及びRemが0.0200%を超えて含有させると、酸化物が粗大化し、疲労強度が低下する。従って、Ca及びMgは0.0045%以下とし、好ましくは0.0020%以下とする。Zr及びRemは0.0200以下とし、好ましくは0.0020%以下とする。
なお、Remは希土類金属元素を示し、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuから選択される1種以上である。前記Remの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
Ti、NbおよびVは、C及び/又はNと微細な炭化物、窒化物、及び/又は、炭窒化物を形成して、オーステナイト温度域加熱時の結晶粒成長および異常粒成長を抑制して、組織の微細均質化に寄与し、衝撃特性を改善する。この効果を得るために、Ti、NbおよびVは、1種または2種以上を、それぞれ0.005%以上含有させてもよい。いずれも元素も、好ましくは0.010%以上、より好ましくは0.020%以上、さらに好ましくは0.050%以上である。
一方、TiおよびNbが0.500%を、Vが0.50%を超えて含有されると、硬質の炭化物が生成して被削性が低下する。従って、TiおよびNbは0.500%以下を上限とし、Vは0.50%以下とする。Ti、Nbの好ましい含有量はそれぞれ0.200%以下、より好ましくは0.150%以下、さらに好ましくは0.300%以下である。Vは、好ましくは0.20%以下、より好ましくは0.15%以下、さらに好ましくは0.30%以下である。
00%、及びB:0.0003~0.0050%のうちの1種又は2種)
Mo、Ni、Cu及びBは、いずれも、焼入れ性向上元素である。この効果を得るためには、本実施形態の鋼の優れた特性を損なわない範囲で、Moは0.01%以上、Ni及びCuはそれぞれ0.05%以上、Bは0.0003%以上含有させてもよい。一方、Moが0.50%を超えると、焼入れ性が高くなりすぎて硬さの大幅な増大を招き、切削や鍛造時の加工性が低下する。このため、Mo含有量は0.50%以下とし、好ましくは0.30%以下とする。NiとCuがいずれも2.00%を超えると、やはり、Moと同様に、焼入れ性が高くなりすぎて、ベイナイト又は島状マルテンサイトが生成して、加工性が低下する。このため、NiとCuの含有量の上限は、いずれも2.00%以下とする。Bは0.0050%を超えて含有しても効果が飽和する。従ってBを含有させる場合、B量を0.0003以上、0.0050%以下の範囲にする。B量の好適な範囲は0.0010~0.0025%である。
切削前の鋼の硬さが160HV未満であると、切削後に熱処理せずに使用する場合に必要な強度が不足し、一方290HVを超えると硬すぎて切削が困難になる。好ましい硬さ範囲は200~260HVである。硬さをこの好ましい範囲に調整するために、切削工程の前に鋼に焼鈍、球状化焼鈍等の熱処理を行ってもかまわない。なお、硬さはビッカース硬さあり、鋼断面の中心と鋼表面の中間位置で、JIS Z 2244に準拠して測定するとよい。
但し、本発明の凝着抑制の効果は、組織によって影響されるものではなく、どのような組織でも得られるものであり、例えば組織が焼戻しマルテンサイトであっても本発明の効果は阻害されことなく享受できる。
以下、本実施形態の機械構造用鋼(鋼材)の切削方法について詳述する。
また、同様にして試料を切り出し、ナイタール腐食の後、同じ位置を光学顕微鏡で組織観察した。
硬さ測定の結果を「切削前の硬さ」として表2に示す。なお、表中の「切削前の硬さ」とは、上記中間位置にて硬さ測定を3回行い、その平均値を「切削前の硬さ」として評価した。また、本実施例で用いた切削前の鋼材の組織はフェライト-パーライト組織、パーライト組織あるいは焼戻しマルテンサイト組織であった。なお、フェライト、パーライト、マルテンサイト以外の組織が観察される場合もあったが、その量が極微量であったため、記載を省略している。
具体的には、上記の熱処理後の棒鋼から切り出した50×35×100mmの角型試験片に対し、歯車の歯切り加工(ホブ切り)を想定して、舞いツール(フライツール)で、マシニングセンタを用いて切削試験を行った。なお、実部品製造時のホブ切り工程で用いられるカッターは、複数の切れ刃を持つ。これに対し、本実施例の舞いツールはホブ切れ刃を1枚のみ有するカッターである。複数の切れ刃を持つカッターと舞いツールとの切削結果は良い対応関係にあることが確認されている。このため、舞いツールはホブ切りの代用テストに用いられる。本実施例で採用した舞いツール切削による試験方法は、例えば、「TOYOTA Technical Review Vol.52 No.2 Dec.2002 P78」に詳しく記載されている。表3に、切削試験の各条件を示す。
その後、試験片を0.5m切削する毎に、工具の最大すくい面摩耗深さ(クレータ摩耗の最大深さ)を、触針式粗さ計で測定した。摩耗量が70μm以上になった時点で工具寿命と判断し、それまでの切削距離(m)を工具寿命とし、試験を終了した。
なお。工具寿命は鋼材硬さによって影響され、硬さが大きいほど工具寿命が短くなることは広く知られている。そこで、工具寿命の長短は、同一硬さレベルの鋼材をもって比較評価することにした。図1に、発明例と比較例の切削前の鋼の硬さ(HV)と被削性(工具寿命[m])との関係を示した。
上述した焼ならし処理後の棒鋼を、さらに、950℃で30分間保持後に水焼入れし、その後に550℃で90分間保持する焼戻し処理を実施した。続いて、棒鋼の長さ方向と垂直な円形断面上の、円の中心と鋼表面の中間位置を観察できるように試料を切り出して樹脂に埋め、研磨した後、同位置のビッカース硬さをJIS Z 2244に準拠し、3回測定した。その平均値を、表2中に「焼入れ焼戻し後の硬さ」として示した。この焼入れ焼戻し後硬さが250HV以上の場合を良好であるとして評価した。
Claims (5)
- 質量%で、
C:0.45~0.80%、
Si:0.01~0.15%未満、
Mn:1.30~2.00%、
Cr:0.050~1.600%、
P:0.001~0.030%、
S:0.002~0.030%、
N:0.0030~0.0120%、
Al:0.001~0.024%未満、
O:0.0030%以下
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、48.0<51[Mn%]-190[Si%]-32[Cr%]-230[Al%]<98.3を満たし、かつ硬さが160~290HVであることを特徴とする機械構造用鋼。
ここで、[Mn%]、[Si%]、[Cr%]および[Al%]は、それぞれ、Mn、Si、CrおよびAlの含有質量%を表す。 - さらに、質量%で、
Ca:0.0001~0.0045%、
Mg:0.0001~0.0045%、
Zr:0.0001~0.0200%、
および、
Rem:0.0001~0.0200%
からなる群から選択された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に記載の機械構造用鋼。 - さらに、質量%で、
Ti:0.005~0.500%、
Nb:0.005~0.500%、
および、
V:0.005~0.50%
からなる群から選択された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または2に記載の機械構造用鋼。 - さらに、質量%で、
Mo:0.01~0.50%、
Ni:0.05~2.00%、
Cu:0.05~2.00%
および、
B:0.0003~0.0050%
からなる群から選択された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1~3の何れか一項に記載の機械構造用鋼。 - 請求項1~4のいずれか一項に記載の機械構造用鋼を断続切削して素形材を得る方法であって、
最表面にセラミクスコーティングがなされ、その表面粗さがRa0.80μm以下である工具を用いることを特徴とする機械構造用鋼の切削方法。
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C23 | Notice of termination of proceedings |
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C03 | Trial/appeal decision taken |
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C30A | Notification sent |
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