JP4263648B2

JP4263648B2 - 被削性に優れるＴｉ添加高強度鋼

Info

Publication number: JP4263648B2
Application number: JP2004085805A
Authority: JP
Inventors: 典正常陰; 辰郎磯本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005272903A

Description

この発明は、例えば自動車のシャフトや歯車等、動力を伝達する高強度部品用鋼で、かつ、切削加工を必要とする高強度部品用鋼に関する。

一般に、自動車の小型軽量化や高出力化に対応するため、シャフトや歯車などの動力を伝達する部品の高強度化が必要となっている。

そこで、材料化学成分からの高強度化手段としてＴｉ添加鋼がある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。これらの先行の技術では、従来鋼と同様な表面処理、例えば、調質、非調質、浸炭、浸炭窒化等の熱処理やショットピーニング処理等を施すことが前提であるが、一般的な機械構造用鋼よりも大量のＴｉを添加しているため、微細析出した大量のＴｉＣによる分散強化、あるいは結晶粒度微細安定化効果によって強度改善が可能となった。

ところが、Ｔｉを大量添加した場合の弊害として、従来鋼と比較して切削条件によっては切削加工時の工具寿命が低下したり、切屑が微細に分断されず、工具に巻き付くトラブルが発生することがある。

そして、従来のＴｉ大量添加鋼において、被削性改善を目的としてＣａを添加した鋼が開発されている（例えば、特許文献５、特許文献６参照。）。ところがＣａを単純に添加してもその効果は必ずしも十分に現れるとは限らない。

特開平１０−２５１８０６号公報特開平１１−３０２７２７号公報特開平１１−７１６３０号公報特開２００２−２６６０５３号公報特開平１０−３２４９５２号公報特開平１０−１５２７５２号公報

本願発明が解決しようとする課題は、自動車のシャフトや歯車等、動力を伝達する高強度部品用鋼、例えばＪＩＳで規定するＳＣ、ＳＭｎ、ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭやこれらにＢ、Ｖ、Ｎｂなど強化元素を添加した鋼あるいはＰｂ、Ｂｉ、Ｍｇなどの快削元素を添加した鋼にＴｉを添加してなる高強度部品用鋼の被削性を向上させることを目的とするものである。

Ｔｉを大量に添加した鋼は被削性が悪いが、その理由は硬質なＴｉ系炭窒化物が増加すること、そして、快削性物質である硫化物が改質されることに原因があると考えられる。一般的な機械構造用鋼、例えばＪＩＳ規格のＳＣ、ＳＭｎ、ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ、および、これらにＢ、Ｖ、Ｎｂ、あるいはＰｂ、Ｂｉ、Ｍｇなどの快削元素を添加した鋼では、介在物としてＭｎＳを含有する。このＭｎＳは切削加工時に応力集中源となって亀裂発生や伝播を促進させて被削性を改善する効果を有する。しかし、強度上昇のためＴｉを大量添加すると、ＭｎＳが生成せずにＴｉ硫化物あるいはＴｉ炭硫化物が生成する。これらＴｉ硫化物やＴｉ炭硫化物はＭｎＳと比較して小さく、かつ硬いために、被削性改善効果が弱いという欠点がある。

ところが発明者らは、同量のＳ量でも、Ｔｉ添加鋼のＯを一定量に調整し、特定の範囲の量のＣａを添加することにより、被削性が大幅に改善されることを見いだした。これはＴｉよりもＣａの方が硫化物生成能力が高いためにＴｉ硫化物組成あるいはＴｉ炭硫化物組成が改質されることと同時に生成するＣａ系酸化物との複合効果によるものである。これは、一定の酸素量およびＴｉ量のもとでＣａを添加すると、被削性に有効なＣａ系硫化物とＣａ系酸化物を共存させることができるため、被削性が上昇するものである。

そこで上記の課題を解決するための本発明の請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．１０〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．２５％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．００３〜０．０７０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．１０〜０．３０％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００………（１）の式を満足する鋼であり、Ｃａ処理により生成のＣａ系硫化物あるいはＣａ系酸化物を含有する機械構造用鋼からなることを特徴とする被削性に優れるＴｉ添加高強度鋼である。

請求項２の手段では、機械構造用鋼は、請求項１の手段の鋼成分に加えて、質量％で、さらにＣｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．１５〜１．５％、Ｎｉ：０．２５〜３．０％、Ｂ：０．０００３〜０．００８０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｖ：０．０３〜０．３０％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００………（１）の式を満足する鋼であり、Ｃａ処理により生成のＣａ系硫化物あるいはＣａ系酸化物を含有する機械構造用鋼からなることを特徴とする被削性に優れるＴｉ添加高強度鋼である。

請求項３の手段では、機械構造用鋼は、請求項１または２の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｂｉ：０．０１〜０．３０％、Ｐｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００………（１）の式を満足する鋼であり、Ｃａ処理により生成のＣａ系硫化物あるいはＣａ系酸化物を含有する機械構造用鋼からなることを特徴とする被削性に優れるＴｉ添加高強度鋼である。

上記のＴｉ添加高強度鋼の成分元素の添加理由について以下に説明する。なお、％は質量％を示す。

Ｃ：０．１０〜１．２０％
Ｃは、強度確保に必要な元素である。しかし、多すぎると被削性を阻害する。そこでＣは０．１０〜１．２０％とし、望ましくは０．１５〜０．６５％とする。

Ｓｉ：０．０５〜１．２５％
Ｓｉは、脱酸材として必要な元素である。しかし、多すぎると被削性を阻害する。そこでＳｉは０．０５〜１．２５％とし、望ましくは０．１０〜１．００％とする。

Ｍｎ：０．３０〜１．５０％
Ｍｎは、焼入性確保に必要な元素である。しかし、多すぎると被削性を阻害する。そこでＭｎは０．３０〜１．５０％とし、望ましくは０．３５〜１．００％とする。

Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは、不純物として含有されるが、多すぎると衝撃強度を低下する。そこでＰは０．０３５％以下とし、望ましくは０．０３０％以下とする。

Ｓ：０．００３〜０．０７０％
Ｓは、硫化物を生成して被削性を改善する元素である。しかし、多すぎると熱間加工性および衝撃強度を低下する。そこでＳは０．００３〜０．０７０％とし、望ましくは０．００５〜０．０４５％、より望ましくは０．０１０〜０．０３０％とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは、脱酸材として必要な元素である。しかし、上限は電気炉による溶製の際の通常の電気炉レベルとする。そこでＡｌは０．００５〜０．０５０％とし、望ましくは０．００５〜０．０３５％とする。

Ｔｉ：０．１０〜０．３０％
Ｔｉは、ＴｉＣによる結晶粒粗大化防止に必要な元素である。しかし、多すぎると製造製が低下する。そこでＴｉは０．１０〜０．３０％とし、望ましくは０．１１〜０．２０％とする。

Ｎ：０．０１５％以下
Ｎは、不純物として含有されるが、多すぎるとＴｉＮを生成し被削性を低下する。そこでＮは０．０１５％以下とし、望ましくは０．０１０％以下とする。

Ｃａ：０．０００５〜０．０１％
Ｃａは、Ｃａ系硫化物とＣａ系酸化物を生成し、被削性を確保する元素である。そこで、製鋼段階において、溶鋼中にＣａを含有する合金を塊状あるいはワイヤーで添加することでＣａ処理を施す。Ｃａ処理によって硫化物と酸化物が改質され被削性改善効果が現れるが、鋼中に０．０００５％以上含有すると効果は明確となる。しかし、多すぎるとコストを高め、かつ、大型ＣａＯ生成により強度特性に悪影響する。そこでＣａは０．０００５〜０．０１％とし、望ましくは０．００１〜０．００５％とする。

Ｏ：０．０００５〜０．０１％
Ｏは、Ｃａと結合してＣａ系酸化物を生成して被削性を改善する。しかし、多すぎると大型酸化物の生成により強度を低下する。そこでＯは０．０００５〜０．０１％とし、望ましくは０．００１〜０．００５％とする。

Ｃｒ：０．１〜３．０％
Ｃｒは、焼入性確保に必要な元素である。しかし、多すぎると被削性を阻害する。そこでＣｒは０．１〜３．０％とし、望ましくは０．６〜２．０％とする。

Ｍｏ：０．１５〜１．５％
Ｍｏは、高温硬さおよび焼入性確保に必要な元素である。しかし、多すぎると被削性を低下し、コスト的に不利となる。そこでＭｏは０．１５〜１．５％とし、望ましくは０．２５〜１．０％とする。

Ｎｉ：０．２５〜３．０％
Ｎｉは、歯車などの歯元曲げ疲労強度の確保に必要な元素である。しかし、多すぎると被削性を低下し、コスト的に不利となる。そこでＮｉは０．２５〜３．０％とし、望ましくは０．３〜１．０％とする。

Ｂ：０．０００３〜０．００８０％
Ｂは、焼入性確保に必要な元素である。しかし、多すぎるとホウ炭化物析出により強度低下をもたらす。そこでＢは０．０００３〜０．００８０％とし、望ましくは０．００１０〜０．００３０％とする。

Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
Ｎｂは、結晶粒微細安定化による曲げ疲労強度を改善する元素である。しかし多すぎるとコスト的に不利となる。そこでＮｂは０．０１〜０．１５％とし、望ましくは０．０２〜０．１０％とする。

Ｖ：０．０３〜０．３０％
Ｖは、高温硬さの確保に必要な元素である。しかし、多すぎるとコスト的に不利となる。そこでＶは０．０３〜０．３０％とし、望ましくは０．１０〜０．２５％とする。

Ｂｉ：０．０１〜０．３０％
Ｂｉは、被削性の改善に必要な元素である。しかし、多すぎると熱間加工性を低下する。そこでＢｉは０．０１〜０．３０％とし、望ましくは０．０３〜０．２５％とする。

Ｐｂ：０．０１〜０．３０％
Ｐｂは、被削性の改善に必要な元素である。しかし、多すぎると熱間加工性を低下する。そこでＰｂは０．０１〜０．３０％とし、望ましくは０．０３〜０．２５％とする。

Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％
Ｍｇは、硫化物、酸化物の制御により被削性を改善する元素である。しかし、多すぎるとコスト的に不利である。そこでＭｇは０．０００５〜０．０１％とし、望ましくは０．００１〜０．００５％とする。

さらに上記成分において、Ｔｉ、Ｏ、Ｃａは、１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００………（１）の式を満足する理由を以下に説明すると、Ｔｉ、Ｏ、Ｃａが上記式を満足するとき被削性改善効果が得られることである。なお、上記（１）式の値は、望ましくは１〜２５である。

本願の発明は、Ｔｉを高強度化手段として含有した自動車用のシャフトや歯車などの動力伝達する高強度部品用鋼に鋼成分としてＣａを添加することによりＣａ系硫化物あるいはＣａ系酸化物を生成した本願の鋼組成とし、さらにその組成中のＴｉ、Ｏ、Ｃａの成分割合の関係を一定範囲に規定することにより、従来困難であったＴｉ添加鋼の被削性を大幅に改善することができ、切削加工の容易な高強度部品用鋼が得られるという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を、以下に記載する被削性試験などを通じて、実施例により説明する。

１００ｋｇ真空溶解炉にて、溶鋼中にＣａ−Ｓｉ合金を添加して製造した表１に示す化学成分の本発明鋼と、比較鋼のそれぞれの鋼を溶製して鋼塊を得た。得られた鋼塊を１２５０℃でφ４０ｍｍの棒鋼に鍛伸した。その後、９２０℃に１時間保持した後、空冷し、被削性試験に供した。

表１においては、式（１）の１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａの値は、小数点第１位を四捨五入した。さらにＣａは０．０００１質量％未満でも０．０００１質量％で計算した。なお、網掛け部は、本発明の請求項の範囲外を示す。

被削性試験として、１）旋削超硬工具寿命試験、２）ドリル寿命試験、３）切屑処理性試験を行い、表２に被削性試験結果を示す。

１）旋削超硬工具寿命試験は、超硬工具としてＰ２０工具を使用し、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み：０．５ｍｍ、評価方法：乾式で逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．２ｍｍに達するまでの時間で評価した。

２）ドリル寿命試験は、φ５ｍｍハイスドリルを使用し、切削速度：２５ｍ／ｍｉｎ、送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ：１５ｍｍ、評価方法：乾式でドリル折損までの穿孔穴数で評価した。

３）切屑処理性試験、上記１）の条件において、送りを０．１、０．１５、０．２０ｍｍ／ｒｅｖに変化させて旋削を行い、その際に得られた切屑を採取し、切屑１あたりの切屑個数で評価した。

表２において、被削性試験結果は以下のように、Ｎｏ．１６〜１８を基準鋼として相対指数で示す。Ｎｏ．１〜５およびＮｏ．１３、Ｎｏ．１４はＮｏ．１７の、Ｎｏ．６〜１０およびＮｏ．１５はＮｏ．１８の、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２はＮｏ．１６のそれぞれ被削性試験結果を１とする。なお、網掛け部は２未満を示す。目標値は２以上である。

被削性試験結果における表２の発明鋼のＮｏ．１〜１２は本発明の請求鋼に係るものである。本発明鋼の被削性は、ドリル寿命、超硬工具寿命、切屑処理性のいずれにおいても２以上の高い指数を示している。これに対して比較鋼のＮｏ．１３〜１８の６例の中で２以上の指数を示したものは、ドリル寿命でＮｏ．１３の１例のみ、超硬工具寿命は１例もなく、切屑処理性でＮｏ．１３とＮｏ．１５の２例のみで、その他はいずれも２に達しておらず、本発明が被削性に極めて優れていることを示している。

Claims

機械構造用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．２５％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．００３〜０．０７０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．１０〜０．３０％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、下記の式（１）を満足する鋼であり、Ｃａ処理により生成のＣａ系硫化物あるいはＣａ系酸化物を含有する機械構造用鋼からなることを特徴とする被削性に優れるＴｉ添加高強度鋼。
１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００………（１）
機械構造用鋼は、請求項１に記載の鋼成分に加えて、質量％で、さらにＣｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．１５〜１．５％、Ｎｉ：０．２５〜３．０％、Ｂ：０．０００３〜０．００８０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｖ：０．０３〜０．３０％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、下記の式（１）を満足する鋼であり、Ｃａ処理により生成のＣａ系硫化物あるいはＣａ系酸化物を含有する機械構造用鋼からなることを特徴とする被削性に優れるＴｉ添加高強度鋼。
１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００………（１）
機械構造用鋼は、請求項１または２に記載の鋼成分に加えて、質量％で、さらにＢｉ：０．０１〜０．３０％、Ｐｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、下記の式（１）を満足する鋼であり、Ｃａ処理により生成のＣａ系硫化物あるいはＣａ系酸化物を含有する機械構造用鋼からなることを特徴とする被削性に優れるＴｉ添加高強度鋼。
１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００………（１）