JP2012197513A

JP2012197513A - 工具寿命に優れたｂｎ快削鋼

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Publication number: JP2012197513A
Application number: JP2012068769A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Murakami; 俊之村上; Tetsuo Shiragami; 哲夫白神
Original assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Current assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: JP5576895B2

Abstract

【課題】工具寿命を飛躍的に向上させることが可能なＢＮ快削鋼を提供する。
【解決手段】Ｂ：０．００５０〜０．０１５０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００７０〜０．０２００ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％が、下記（１）式を満足し、好ましくはＣ：０．０１〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１０超え１．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０１５超え０．２ｍａｓｓ％を含有し、必要に応じてＮｉ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉの１種または２種以上を含有する。１６≧（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂ≧６・・・・（１）
【選択図】なし

Description

本発明は、ＢＮ快削鋼に関し、特に工具寿命を飛躍的に向上させることが可能なものに関する。

快削鋼は、鋼中に介在物を含有し、被削性を向上させたもので、介在物として、硫化物（サルファイド）、鉛などの低融点金属、およびＢＮを用いたものが種々開発されてきた。

これらの快削鋼のうち、鉛快削鋼は安価で性能に優れるため広範囲に使用されてきたが、地球環境保全の観点からＰｂの適用が制限されるようになり、新たにＢＮ快削鋼への関心が高まっている。

特許文献１は、広範囲の用途に対応可能な、被削性の優れた機械構造用鋼に関し、特定量のＢＮを鋼中に含有させることにより、ギヤ、シャフトなど種々の形状の部品加工に優れるものが記載されている。

特許文献２は、ＢＮを鋼中に含有させた場合に生じる機械的性質や、熱間延性を低下させることなく被削性を向上させたＢＮ快削鋼に関し、エンジン部品や足回り部品などの自動車部品として好適なものが記載されている。

特許文献３は、圧延や鋳造により加工方向に展伸するＢＮと一定の角度の方向の疲労強度や耐衝撃特性を改善するため、硫化物（サルファイド）を微細に分散させ、硫化物（サルファイド）を析出核とするＢＮの悪影響を軽減させることが記載されている。

特許文献４は、調質処理を行うことなく切削加工などの仕上加工を施して製品とする非調質型の快削鋼に関し、優れた被削性を強度を低下させることなく得るため、ＢＮを特定量含有したＢＮ快削鋼が記載されている。

特許文献５は、浸炭焼入れ後、従来研削加工で仕上げていた表層の浸炭焼入れ部を切削にて仕上げる場合に優れた被削性を示す浸炭焼入れ用快削鋼に関し、溶鋼中にＢとＮを別々に添加し、鋼中のＮ／Ｂ比を特定範囲として微細組織として強度を確保すると共に、Ｓｉ量を低減することにより工具寿命に有害な粒界酸化層の生成を抑制し、浸炭焼入れ部の切削における工具摩耗を大幅に低減したＢＮ快削鋼が記載されている。

特許文献６は、歯車の切削等の機械加工後に実施される浸炭焼入れに代えて高周波焼入れによる表面硬化処理を可能とした快削鋼に関し、微細粒子となって材料組織中に均等に分散したＢＮの潤滑効果により被削性を高めたＢＮ快削鋼が記載されている。

特開昭６２−２１１３５０号公報特許第２７３３９８９号公報特開平６−１４５８９０号公報特開平１−２１９１４８号公報特許第２８０５８４５号公報特許第３２３９４３２号公報

しかしながら、特許文献１〜６に記載のいずれのＢＮ快削鋼においても快削性元素として用いるＢＮは微細であり、その効果、特に工具寿命を向上させる効果をより安定して得るため、一層の性能向上が求められている。

そこで、本発明は、被削性と、工具寿命に優れたＢＮ快削鋼を得ることを目的とする。

本発明者らは、上記の課題達成のため鋭意研究を重ね、下記の新しい知見を得た。
すなわち、快削鋼の被削性向上のメカニズムは大きく分けて、（１）切欠き効果により切屑生成を容易にする。（２）材料に脆性を与え、せん断領域における切屑生成を容易にする。（３）工具と切屑あるいは被削材の接触面で潤滑性を持たせる。（４）工具と被削材間の拡散反応を防止する。であり、ＢＮ快削鋼の場合、鋼中のＢ量、Ｎ量、Ａｌ量を特定の量とし、且つ特定のバランスとした時に、切削中に安定なＡｌＮの皮膜が工具面上に生成し、この皮膜が工具と被削材間の拡散反応を抑制し、工具寿命が飛躍的に向上することを見出した。

本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．Ｃ：０．０１〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１０超え０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０１５超え０．２ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．００６１〜０．０１５０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１２２〜０．０２００ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、更に、Ｎｉ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、更に、下記（１）式を満足し、切削時にはＡｌＮ皮膜が工具面上に生成することを特徴とする工具寿命に優れたＢＮ快削鋼。
１６≧（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂ≧６・・・・（１）
２．Ｃ：０．０１〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１０超え０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０１５超え０．２ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．００６３〜０．０１５０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１２２〜０．０２００ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、更に、Ｎｉ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％の１種または２種以上を含有し、更に、Ｐｂ：０．０１〜０．４０ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、更に、下記（１）式を満足し、切削時にはＡｌＮ皮膜が工具面上に生成する工具寿命に優れたＢＮ快削鋼。
１６≧（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂ≧６・・・・（１）

本発明によれば、工具寿命に優れた快削鋼が得られ、切削能率が向上し、産業上きわめて有用である。

本発明鋼はＢ、Ｎ、Ａｌ量およびこれらの元素の添加量を特定のパラメータ式で規定したＢＮ快削鋼であり、以下に本発明の成分限定理由について説明する。

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り、本発明の根幹に関わる重要な元素である。その含有量が０．００５０ｍａｓｓ％未満では被削性、特に工具面上に安定なＡｌＮ皮膜を生成させるのに充分な量のＢＮを生成することが出来ない。一方、０．０１５０ｍａｓｓ％
を超えると靭性が低下してしまう。従って、含有量は０．００５０〜０．０１５０ｍａｓｓ％にする。

Ｎ：０．００７０〜０．０２００ｍａｓｓ％
Ｎ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り、本発明の根幹に関わる重要な元素である。その含有量が０．００７０ｍａｓｓ％未満では被削性、特に工具面上に安定なＡｌＮ皮膜を生成させるのに充分な量のＢＮを生成することが出来ない。一方、０．０２００ｍａｓｓ％を超えると靭性、あるいは、疲労特性が低下してしまう。従って、含有量は０．００７０〜０．０２００ｍａｓｓ％にする。

Ａｌ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％
Ａｌは脱酸に必要な元素で、また工具面上にＡｌＮ皮膜を生成させ、切削中の工具の拡散摩耗を抑制するために必要な元素であり、本発明の根幹に関わる重要な元素である。

０．０１ｍａｓｓ％未満ではその効果が得られないため、０．０１ｍａｓｓ％以上、好ましくは０．０２ｍａｓｓ％超えとする。一方、０．１ｍａｓｓ％を越えるとその効果が飽和し硬質のアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性が低下するため、その量は０．０１〜０．１ｍａｓｓ％とする。

１６≧（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂ≧６
本パラメータ式は上記Ａｌ、Ｂ、Ｎが添加されたＢＮ快削鋼に、優れた工具寿命を付与するものである。（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂが６未満では、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜を生成させることができない。一方、この値が１６を超えると疲労特性が低下する。よって、１６≧（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂ≧６とする。

本発明に係るＢＮ快削鋼として望ましい成分組成は以下のようである。

Ｃ：０．０１〜１．２ｍａｓｓ％
Ｃは、強度を確保するために必要な元素である。その含有量が０．０１ｍａｓｓ％未満では、必要な強度が確保できない。一方、１．２ｍａｓｓ％を超えると靭性が低下する。従って、含有量は０．０１〜１．２ｍａｓｓ％にする。

Ｓｉ：０．１０超え１．５ｍａｓｓ％
Ｓｉは、脱酸に必要な元素であり、その含有量が０．１０ｍａｓｓ％以下では、充分な脱酸効果が得られない。一方、１．５ｍａｓｓ％を超えるとフェライトが硬化して、被削性が低下してしまう。従って、含有量は０．１０超え１．５ｍａｓｓ％にする。

Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは、焼入性及び靭性に大きな影響を及ぼす元素であり、その含有量が０．３ｍａｓｓ％未満では充分な焼入性が得られない。一方、２．０ｍａｓｓ％を超えると靭性が低下してしまう。従って、含有量は０．３〜２．０ｍａｓｓ％にする。

Ｓ：０．０１５超え０．２ｍａｓｓ％
Ｓは、被削性に有効な硫化物を形成する元素である。その含有量が０．０１５ｍａｓｓ％以下では、硫化物量が少ないため、被削性に対する効果が小さい。一方、０．２ｍａｓｓ％を超えると熱間加工性が低下し、圧延表面疵が生じやすくなる。従って、含有量は０．０１５超え０．２ｍａｓｓ％にする。

更に、特性を向上させる場合、選択元素としてＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉの１種または２種以上を添加することが可能である。

Ｎｉ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％の１種または２種以上
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、焼入性を向上させ、必要な強度を確保するために添加される。しかしながら、その添加量が、Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１ｍａｓｓ％未満では充分な効果が得られない。

一方、Ｎｉ：２．０％、Ｃｒ：２．０％、Ｍｏ：２．０％を超えて添加しても効果が飽和するため、経済的に不利になるとともに強度の上昇が過度となり、被削性を劣化させる。従って、含有量はＮｉ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％にする。

Ｐｂ：０．０１〜０．４０ｍａｓｓ％、Ｃａ：０．０００１〜０．００９０ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．００３〜０．０２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００５〜０．０９ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００８０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００１〜１．０ｍａｓｓ％の１種または２種以上
Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉは、被削性が重視される場合に添加される。しかしながら、その添加量がＰｂ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｃａ：０．０００１ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｔｅ：０．０３ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．００３ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００５ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００１ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００１ｍａｓｓ％未満では充分な効果が得られない。

一方、Ｐｂ：０．４０ｍａｓｓ％、Ｃａ：０．００９０ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．３０ｍａｓｓ％、Ｔｅ：０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．２０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．０９ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．００８０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ：１．０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：１．０ｍａｓｓ％を超えて添加してもこの効果が飽和してしまい、また、経済的にも不利であるため、Ｐｂ：０．０１〜０．４０ｍａｓｓ％、Ｃａ：０．０００１〜０．００９０ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．００３〜０．０２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００５〜０．０９ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００８０ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００１〜１．０ｍａｓｓ％とする。

本発明に係る快削鋼は、定法に従い溶鋼から製造した本発明範囲内の成分組成の鋳片を定法の熱間圧延により所望する寸法の丸鋼、角鋼、形鋼にすることが可能である。

本実施例ではＳＣ鋼系における本発明の効果を示す。表１に示す、本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明鋼という）No.１〜６、および本発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較鋼という）No.７〜１０を溶製し、鋳造断面４００×３１０ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径９０ｍｍの棒鋼に熱間圧延した。

得られた棒鋼について、被削性試験を、表２に示す条件で実施し、評価した。被削性試験は、最初に外周を１ｍｍ切削して、スケール、脱炭層を除去してから、開始し、丸棒の直径が４４ｍｍになった時点で、そのサンプルの使用を終了し、直径９０ｍｍの丸棒の半径方向で表面下１ｍｍから２３ｍｍの範囲について被削性を評価した。

表３に試験結果を示す。No.１〜６の本発明例はいずれもNo.７〜１０の比較例に比較して、優れた被削性を有している。以下に各比較例について記述する。

比較例No.７は、Ｂ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例No.８は、Ｎ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例No.９は、（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂが本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例No.１０は、Ｓ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、被削性を向上させる硫化物量が少ないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。

本実施例では肌焼鋼系における本発明の効果を示す。表４に示す、本発明の範囲内の化学成分組成を有する鋼（以下、本発明鋼という）No.１１〜１６、および本発明の範囲外の化学成分組成を有する鋼（以下、比較鋼という）No.１７〜２０を溶製し、鋳造断面４００×３１０ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径９０ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、得られた棒鋼について被削性試験を実施した。被削性試験は表２に示す条件で実施した。

表５に試験結果を示す。No.１１〜１６の本発明例はいずれもNo.１７〜２０の比較例に比較して、優れた被削性を有している。以下に各比較例について記述する。

比較例No.１７は、Ｂ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例No.１８は、Ｎ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。

比較例No.１９は、（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂが本発明の請求範囲の下限値以下のため、工具面上に安定なＡｌＮ皮膜が生成されないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。比較例No.２０は、Ｓ量が本発明の請求範囲の下限値以下のため、被削性を向上させる硫化物量が少ないことにより、被削性が本発明例に比較して劣っている。

Claims

Ｃ：０．０１〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１０超え０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０１５超え０．２ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．００６１〜０．０１５０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１２２〜０．０２００ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、更に、Ｎｉ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、更に、下記（１）式を満足し、切削時にはＡｌＮ皮膜が工具面上に生成することを特徴とする工具寿命に優れたＢＮ快削鋼。
１６≧（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂ≧６・・・・（１）
Ｃ：０．０１〜１．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１０超え０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０１５超え０．２ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．００６３〜０．０１５０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１２２〜０．０２００ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、更に、Ｎｉ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．０１〜２．０ｍａｓｓ％の１種または２種以上を含有し、更に、Ｐｂ：０．０１〜０．４０ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０２〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｔｅ：０．０３〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．０２〜０．２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、更に、下記（１）式を満足し、切削時にはＡｌＮ皮膜が工具面上に生成する工具寿命に優れたＢＮ快削鋼。
１６≧（Ａｌ＋３Ｎ）／Ｂ≧６・・・・（１）