JP4507865B2

JP4507865B2 - 低炭素快削鋼

Info

Publication number: JP4507865B2
Application number: JP2004352271A
Authority: JP
Inventors: 達也長谷川; 直樹松井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-12-06
Also published as: WO2006062053A1; CN101072891A; TWI282374B; KR20070085739A; JP2006161087A; TW200626732A

Description

本発明は、低炭素快削鋼に関し、より詳しくは、Ｐｂ（鉛）やＢｉ（ビスマス）を含有しないにも拘わらず、従来のＰｂ快削鋼よりも良好な被削性を有し、しかも、熱間加工性が従来のＢｉ快削鋼よりも良好で、生産性の優れた低炭素快削鋼に関する。

従来、強度をあまり必要としない軟質の小物部品の素材として、生産性向上のために被削性を高めた、ＳＵＭ１１、ＳＵＭ１２、ＳＵＭ２２、ＳＵＭ２３、ＳＵＭ２５、ＳＵＭ３１、ＳＵＭ３２、ＳＵＭ２２Ｌ〜２４Ｌ及びＳＵＭ３１Ｌといった、JIS G 4804(1999)に「硫黄及び硫黄複合快削鋼鋼材」として規定された低炭素快削鋼が主として用いられてきた。

しかしながら、産業界からは、上記の低炭素快削鋼よりも更に一層被削性に優れた快削鋼が求められている。

このため、例えば、特許文献１に、Ｓ、Ｔｅ、Ｐｂ及びＢｉを複合添加した「快削鋼」が提案されている。

一方、近年の地球環境問題に対する高まりから、Ｐｂの含有量を低減した快削鋼やＰｂを全く含まない快削鋼に対する要望が極めて大きくなっている。

そこで、特許文献２には、０．０２〜０．４０質量％のＰと０．４を超え１．０質量％以下のＳとを複合添加し、Ｐｂの含有量を０．０１質量％未満に抑えた「低炭素硫黄系快削鋼」が提案されている。

特許文献３には、０．４〜１．０質量％の多量のＳと０．００１５〜０．６０質量％のＳｎとを複合添加した、Ｐｂを含まない「低炭素イオウ快削鋼」が提案されている。

特許文献４には、０．０５〜０．２０質量％のＰと０．１５〜０．５０質量％のＳとを複合添加するとともに、硫化物系介在物の平均幅と線材の降伏比とを制御した「低炭素硫黄系快削鋼線材」が提案されている。なお、この特許文献４には、被削性向上のためにＢｉ、Ｐｂ及びＴｅの１種以上を含有する「低炭素硫黄系快削鋼線材」も提案されている。

特許文献５には、０．０５〜０．２質量％のＰと０．１６〜０．５質量％のＳとを複合添加するとともに、ＭｎＳ介在物の平均サイズを制御し、特定の条件で連続鋳造して製造される「快削鋼」が提案されている。なお、この特許文献５にも、被削性向上のためにＰｂ、Ｂｉ及びＴｅの１種以上を含有する「快削鋼」が提案されている。

また、特許文献６には、質量で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｓ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５〜０．１０％及びＮ：０．００２０〜０．０１５０％を基本成分とする低炭硫黄快削鋼及び前記基本成分にＰｂ、Ｂｉ、Ｔｅのうち少なくとも１種類以上をそれらのトータル質量で０．０１〜０．４０％含有させた低炭素硫黄系複合快削鋼を連続鋳造法によって製造するに当り、転炉で脱炭精錬された溶鋼をＳｉを含有する脱酸材を用いて脱酸してからＣ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎ等の成分調整をするとともに、取鍋スラグの酸化度（ＦｅｔＯ＋ＭｎＯ％）を２５質量％以下に調整し、しかる後、必要に応じてＰｂ、Ｂｉ、Ｔｅを添加し、溶鋼酸素量を０．０１〜０．０１５質量％に、かつ、Ｓｉ含有量を０．００３〜０．０８質量％にして連続鋳造する「低炭硫黄系快削鋼の製造方法」が提案されている。

特開昭５９−２０５４５３号公報特開２０００−３１９７５３号公報特開２００２−２４９８４８号公報特開２００３−２５３３９０号公報特開昭６２−１４９８５４号公報特開平７−３０５１１０号公報

前述の特許文献１で開示された「快削鋼」は、JIS G 4804(1999)に「硫黄及び硫黄複合快削鋼鋼材」として規定されたＳＵＭ１１、ＳＵＭ１２、ＳＵＭ２２、ＳＵＭ２３、ＳＵＭ２５、ＳＵＭ３１、ＳＵＭ３２、ＳＵＭ２２Ｌ〜２４Ｌ及びＳＵＭ３１Ｌに比べて被削性に優れるものの、単にＳ、Ｔｅ、Ｐｂ及びＢｉを複合添加しただけの鋼であるため、必ずしも安定して優れた熱間加工性を得ることができるものではなかった。また、Ｐｂを含む場合には「地球環境に優しい快削鋼」とはいえないものであった。

特許文献２で開示された「低炭素硫黄系快削鋼」は、Ｐｂの含有量を０．０１質量％未満に抑えてはいるものの、依然としてＰｂを含むものであり、単に、０．０２〜０．４０質量％のＰと０．４を超え１．０質量％以下のＳとを複合添加しただけのものであるため、その被削性は従来のＰｂ快削鋼に比べて劣るものであった。

特許文献３で開示された「低炭素イオウ快削鋼」は、単に、０．４〜１．０質量％の多量のＳと０．００１５〜０．６０質量％のＳｎとを複合添加しただけのものであるため、その被削性は従来のＰｂ快削鋼に比べて劣るものであった。更に、多量のＳを含むために、必ずしも安定して優れた熱間加工性を得ることができるというものでもなかった。

特許文献４で開示された「低炭素硫黄系快削鋼線材」のうちで、Ｂｉ、Ｐｂ及びＴｅのいずれをも含まないものの被削性は、従来のＰｂ快削鋼に比べて劣るものであった。一方、上記「低炭素硫黄系快削鋼線材」のうちで、Ｂｉ、Ｐｂ及びＴｅの１種以上を含有するものは被削性に優れてはいるものの、必ずしも安定して優れた熱間加工性を得ることができるものではなかった。

特許文献５で開示された「快削鋼」のうちで、Ｐｂ、Ｂｉ及びＴｅのいずれをも含まないものの被削性は、従来のＰｂ快削鋼に比べて劣るものであった。一方、上記「快削鋼」のうちで、Ｐｂ、Ｂｉ及びＴｅの１種以上を含有するものは被削性に優れてはいるものの、必ずしも安定して優れた熱間加工性を得ることができるものではなかった。

特許文献６で開示された「低炭硫黄系快削鋼」も、その基本成分にＰｂ、Ｂｉ及びＴｅのいずれをも含まないものの被削性は、従来のＰｂ快削鋼に比べて劣るものであった。一方、上記「低炭硫黄系快削鋼」がＰｂ、Ｂｉ及びＴｅの１種以上をそれらのトータル含有量で０．０１〜０．４０％含有するものは被削性に優れてはいるものの、必ずしも安定して優れた熱間加工性を得ることができるものではなかった。

本発明の目的は、ＰｂやＢｉを含有しないにも拘わらず、従来のＰｂ快削鋼よりも良好な被削性を有し、しかも、熱間加工性が従来のＢｉ快削鋼よりも良好で割れやヘゲ疵を生じることがない生産性の優れた低炭素快削鋼、なかでも低炭素硫黄系快削鋼を提供することである。

本発明者らは、先ず、Ｐｂを含まず「地球環境に優しい快削鋼」として用いることができる「快削鋼」を得るために、熱間における加工でＭｎＳが延伸されるのを抑制し、熱間加工後の鋼におけるＭｎＳのアスペクト比（「長さ／幅」）を比較的小さい値に維持して被削性を高めることが可能なＴｅ添加鋼について検討を行うこととした。

すなわち、Ｔｅ及びＰｂを含有するためにその熱間での延性が低く、したがって、熱間加工性は劣るものの、良好な被削性を有していることから、快削鋼として少量ではあるものの従来から用いられている「Ｓ−Ｐｂ−Ｔｅ複合快削鋼」と、この鋼から「Ｐｂ」を除いた「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」とを溶製して、熱間加工性を調査した。

その結果、下記（ａ）及び（ｂ）の知見を得た。

（ａ）「Ｓ−Ｐｂ−Ｔｅ複合快削鋼」から、Ｔｅと同様に熱間加工性を低下させる元素として知られているＰｂを除いた「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」の熱間での延性は、「Ｓ−Ｐｂ−Ｔｅ複合快削鋼」よりも却って低いものであり、割れやヘゲ疵が発生しやすい。

（ｂ）「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」の熱間での延性はＴｅの含有量の増加とともに低下し、割れやヘゲ疵等の熱間加工における不具合が発生しやすくなる。

そこで次に、種々の「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」を溶製して、熱間加工性及び被削性に及ぼす成分元素の影響について詳細に調査した。その結果、下記（ｃ）〜（ｅ）の知見を得た。

（ｃ）「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」において、熱間加工性を高めて、割れやヘゲ疵の発生を抑止するためには、鋼中に含まれるＳの量に対するＭｎの量（つまり、「Ｍｎ／Ｓ」の値）を、少なくとも４．０以上にする必要がある。

（ｄ）熱間加工後の「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」に伸線加工を施すと、図１に模式的に示すように、比較的小さいアスペクト比を有するＭｎＳが更に割れることによって、アスペクト比の一層小さな粒状に近いＭｎＳとなって、極めて被削性が向上する場合がある。一方、Ｔｅを添加しない従来のＰｂ快削鋼の場合には、図２に模式的に示すように、分断されたＭｎＳの形状は粒状にはほど遠いものである。

（ｅ）熱間加工後の「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」に伸線加工を施すことによって、ＭｎＳを破断粒状化して被削性を高めるためには、鋼中のＳ、Ｔｅ及びＭｎの含有量が特定の関係を満たすように化学組成を制御すればよい。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（４）に示す低炭素快削鋼にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１９％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：１．００〜２．５０％、Ｐ：０．０１〜０．１２％、Ｓ：０．２６〜０．６３％、Ａｌ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％、Ｏ（酸素）：０．００５〜０．０３５％及びＴｅ：０．００２〜０．１００％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が４．０以上を満たすことを特徴とする低炭素快削鋼。
ｆｎ１＝Ｍｎ／Ｓ・・・(1)。
なお、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。

（２）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１９％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：１．２０〜２．５０％、Ｐ：０．０１〜０．１２％、Ｓ：０．２６〜０．６３％、Ａｌ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％、Ｏ（酸素）：０．００５〜０．０３５％及びＴｅ：０．０１０％を超えて０．１００％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が４．５以上を満たすことを特徴とする低炭素快削鋼。
ｆｎ１＝Ｍｎ／Ｓ・・・(1)。
なお、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。

（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｒ：０．０４〜１．２５％、Ｎｉ：０．０４〜０．６０％及びＭｏ：０．０４〜０．４０％のうちの１種以上を含有する上記（１）又は（２）に記載の低炭素快削鋼。

（４）更に、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が２．１以上を満たす上記（１）から（３）までのいずれかに記載の低炭素快削鋼。
ｆｎ２＝（Ｓ／１０Ｔｅ）＋Ｍｎ・・・(2)。
なお、(2)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。

以下、上記（１）〜（４）の低炭素快削鋼に係る発明を、それぞれ、「本発明（１）」〜「本発明（４）」という。また、総称して「本発明」ということがある。

本発明の鋼はＰｂを含まない「地球環境に優しい快削鋼」であるにも拘わらず、従来のＰｂ快削鋼よりも良好な被削性を有し、しかも、熱間加工性が従来のＢｉ快削鋼よりも良好で割れやヘゲ疵を生じることがなく生産性に優れているので、強度をあまり必要としない軟質の小物部品の素材として利用することができる。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．０３〜０．１９％
Ｃは、鋼の強度を高める元素として知られているが、強度と被削性には強い相関があり、Ｃの含有量が多くなって強度が高くなると被削性が低下する。特に、Ｃの含有量が０．１９％を超えると、強度上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。一方、Ｃの含有量が少なくなると、強度が低くなって切削時にむしれ等の悪影響が生じるし、部品に要求される強度を確保することができない。特に、Ｃの含有量が０．０３％を下回ると、強度低下に伴うむしれの発生が著しくなる。したがって、Ｃの含有量を０．０３〜０．１９％とした。

なお、Ｃの含有量は０．０４〜０．１５％とすることが好ましく、０．０５〜０．１０％とすれば一層好ましい。

Ｓｉ：０．１０％以下
Ｓｉの量が多くなると、脱酸が過度に進んで硫化物が小型化し、被削性の低下が生じる。特に、Ｓｉの含有量が０．１０％を超えると、硫化物が極めて小型化して被削性の著しい低下をきたす。このため、Ｓｉの含有量を０．１０％以下とした。

なお、硫化物が小型化することを抑止して被削性が低下しないようにするためには、Ｓｉの含有量を０．０２％以下とすることが好ましく、０．０１５％以下とすれば一層好ましい。

Ｍｎ：１．００〜２．５０％（本発明（１））、１．２０〜２．５０％（本発明（２））
Ｍｎは、硫化物を形成して被削性を高めるために必須の元素である。また、ＭｎにはＦｅＳの形成を抑止して、熱間加工性の低下を防止する作用もある。しかし、Ｍｎの含有量が１．００％未満ではこれらの効果が得られない。一方、Ｍｎを過度に含有させると却って熱間加工性の低下を招き、特に、Ｍｎの含有量が２．５０％を超えると熱間加工性の低下が大きくなる。したがって、本発明（１）においては、Ｍｎの含有量を１．００〜２．５０％とした。

なお、Ｍｎの含有量が１．２０％以上になると、前記したＭｎの効果が一層大きくなる。したがって、本発明（２）においては、Ｍｎの含有量を１．２０〜２．５０％とした。

Ｍｎ含有量は、１．４０％を超えて２．５０％以下とすることが更に一層好ましく、１．５０％を超えて２．５０％以下とすれば極めて好ましい。

Ｐ：０．０１〜０．１２％
Ｐは、脆化元素であり被削性を高める作用を有する。前記の効果を得るためには、Ｐの含有量を０．０１％以上とする必要がある。一方、Ｐの含有量が過度になると、熱間加工性の低下をきたし、特に、Ｐの含有量が０．１２％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０１〜０．１２％とした。なお、Ｐ含有量の下限値は０．０４％とすることが好ましい。

Ｓ：０．２６〜０．６３％
Ｓは、Ｍｎとともに硫化物を形成して被削性を高めるために必須の元素であり、０．２６％以上含有させる必要がある。しかし、Ｓの含有量が過度になると、熱間加工性の低下をきたし、特に、Ｓの含有量が０．６３％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．２６〜０．６３％とした。Ｓの含有量は０．２８〜０．３５％とすることが好ましい。

Ａｌ：０．０１０％以下
Ａｌの量が多くなると、脱酸が過度に進んで硫化物が小型化し、被削性の低下が生じる。特に、Ａｌの含有量が０．０１０％を超えると、硫化物が極めて小型化して被削性の著しい低下をきたす。このため、Ａｌの含有量を０．０１０％以下とした。

なお、硫化物が小型化することを抑止して被削性が低下しないようにするためには、Ａｌの含有量を０．００２％以下とすることが好ましく、０．００１５％以下とすれば一層好ましい。

Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％
本発明においては、Ｍｎ含有量の変動に基づく鋼の強度変動を調整するために、０．００３０％以上のＮを含有させる必要がある。しかしながら、Ｎの含有量が０．０２５０％を超えると、強度上昇に伴う被削性低下が著しくなり、かつ、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．００３０〜０．０２５０％とした。なお、Ｎの含有量は０．００３０〜０．０１５０％とすることが好ましい。

Ｏ（酸素）：０．００５〜０．０３５％
ＭｎＳの被削性を高める作用を活用する本発明において、Ｏ（酸素）は極めて重要な元素である。すなわち、Ｏは、ＭｎＳを大型化して本発明に係る低炭素快削鋼の被削性を高める作用を有する。しかしながら、Ｏの含有量が０．００５％未満では前記の効果が得られない。一方、Ｏの含有量が過度になると、熱間加工性の低下を招き、特に、Ｏの含有量が０．０３５％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｏの含有量を０．００５〜０．０３５％とした。なお、Ｏの含有量は０．０１０〜０．０３５％とすることが好ましい。

Ｔｅ：０．００２〜０．１００％（本発明（１））、０．０１０％を超えて０．１００％以下（本発明（２））
Ｔｅは、熱間加工時にＭｎＳが延伸されるのを抑制してＭｎＳのアスペクト比（「長さ／幅」）を比較的小さい値に維持し、被削性を高める作用を有する。前記の効果を得るためには、Ｔｅを０．００２％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｔｅの含有量が過度になると、熱間加工性の低下を招き、特に、Ｔｅの含有量が０．１００％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、本発明（１）においては、Ｔｅの含有量を０．００２〜０．１００％とした。

なお、Ｔｅの含有量が０．０１０％を超えると、前記ＭｎＳのアスペクト比を小さい値に維持して被削性を高める作用が一層大きくなる。したがって、本発明（２）においては、Ｔｅの含有量を０．０１０％を超えて０．１００％以下とした。

ｆｎ１：４．０以上（本発明（１））、４．５以上（本発明（２））
Ｔｅを含む本発明に係る低炭素快削鋼において、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が４．０以上の場合に、良好な熱間加工性が得られ、熱間圧延を始めとする熱間加工の際に割れやヘゲ疵の発生を抑止することができる。したがって、本発明（１）においては、前記(1)式で表されるｆｎ１の値を４．０以上とした。

なお、ｆｎ１の値が４．５以上の場合には、一層良好な熱間加工性が得られるので、熱間圧延を始めとする熱間加工の際に発生する割れやヘゲ疵を安定かつ確実に抑止することができる。したがって、本発明（２）においては、前記(1)式で表されるｆｎ１の値を４．５以上とした。

ｆｎ１の値は４．６以上とすることが更に一層好ましく、５．０以上とすれば極めて好ましい。

なお、前記(1)式で表されるｆｎ１の値の上限は特に規定されるものではなく、既に述べたＭｎ含有量の上限値の２．５０％とＳ含有量の下限値の０．２６％とから算出される９．６１５であってもよい。

上述のことから、本発明（１）に係る低炭素快削鋼を、上述した範囲のＣからＴｅまでの元素を含むとともに、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が４．０以上を満たし、残部はＦｅ及び不純物からなるものと規定した。

また、本発明（２）に係る低炭素快削鋼を、上述した範囲のＣからＴｅまでの元素を含むとともに、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が４．５以上を満たし、残部はＦｅ及び不純物からなるものと規定した。

なお、本発明に係る低炭素快削鋼には、上記の成分元素に加え、必要に応じて、Ｃｒ：０．０４〜１．２５％、Ｎｉ：０．０４〜０．６０％及びＭｏ：０．０４〜０．４０％のうちの１種以上を任意添加元素として添加し、含有させてもよい。

以下、上記の任意添加元素に関して説明する。

本発明の鋼は、強度をあまり必要としない軟質の小物部品の素材として利用することができる。通常、切削加工によって製作される小物部品は、搬送する時に部品同士がケース内でぶつかったり、組立時に他部品とこすれたりする。その際、軟質であるがゆえに打痕等の疵が非常につきやすい。このため、場合によっては、小物部品に製作された後の打痕疵防止策が必要になる。

なお、打痕疵防止のためには、浸炭という表面硬化処理を施すことが有効であり、浸炭処理を施す場合には、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏが含有された鋼を用いると高い効果が得られる。これは、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏは、いずれも鋼の焼入れ性を高める元素であり、これらの元素を含有させることによって、浸炭後の焼入れ深さが深くなるためである。この効果を確実に得るには、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの含有量は、いずれも０．０４％以上とするのがよい。一方、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏを過度に含有させると、強度上昇に伴う被削性の低下が著しくなり、また、製造コストも高くなる。特に、Ｃｒを１．２５％を超えて、Ｎｉを０．６０％を超えて、Ｍｏを０．４０％を超えて含有させると、強度上昇に伴う被削性の低下と製造コストの上昇が著しくなる。

したがって、添加する場合のＣｒ、Ｎｉ及びＭｏの含有量は、それぞれ、０．０４〜１．２５％、０．０４〜０．６０％、０．０４〜０．４０％とするのがよい。

なお、添加する場合の一層好ましいＣｒ、Ｎｉ及びＭｏの含有量は、それぞれ、０．０４〜０．５０％、０．０４〜０．２０％、０．０４〜０．３０％である。

上記のＣｒ、Ｎｉ及びＭｏは、いずれか１種のみ、或いは２種以上の複合で添加することができる。

上述の理由から、本発明（３）に係る低炭素快削鋼を、本発明（１）又は本発明（２）に係る低炭素快削鋼のＦｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｒ：０．０４〜１．２５％、Ｎｉ：０．０４〜０．６０％及びＭｏ：０．０４〜０．４０％のうちの１種以上を含有するものと規定した。

ｆｎ２：２．１以上
Ｔｅを含む本発明に係る低炭素快削鋼において、前記(2)式で表されるｆｎ２の値が２．１以上の場合には、通常の伸線加工、例えば、断面減少率で１０〜３０％の伸線加工を施すことによって、アスペクト比の一層小さな粒状に近いＭｎＳが得られ、被削性が更に良好になる。したがって、本発明（４）に係る低炭素快削鋼は、前記(2)式で表されるｆｎ２の値が２．１以上を満たすものと規定した。

ｆｎ２の値は２．５以上とすることが更に一層好ましく、３．０以上とすれば極めて好ましい。

なお、前記(2)式で表されるｆｎ２の値の上限は特に規定されるものではなく、既に述べたＳ含有量の上限値の０．６３％、Ｔｅ含有量の下限値の０．００２％及びＭｎ含有量の上限値の２．５０％から算出される３４であってもよい。

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

表１に示す化学組成を有する鋼１〜２１を１８０ｋｇ真空溶解炉によって溶製し、インゴットに鋳造した。表１中の鋼１〜３及び鋼６〜１４は、化学組成が本発明（１）〜（３）で規定する範囲内にある本発明例の鋼である。一方、表１中の鋼４、鋼５及び鋼１５〜２１は本発明（１）で規定する条件から外れた比較例の鋼である。なお、比較例の鋼のうち鋼２０は従来のＰｂ快削鋼に相当する鋼であり、また、鋼２１は従来のＢｉ快削鋼に相当する鋼である。なお、表１においてＴｅを含有していない鋼については、「ｆｎ２」の値が「無限大」になってしまう。したがって、こうした鋼については、「ｆｎ２」欄を「∞」で示した。

上記各鋼のインゴットの表層部から２０ｍｍ内部に入った部位から、直径が１０ｍｍで平行部の長さが１１０ｍｍの棒状試験片を採取し、熱間加工再現試験装置を用いて、大気中で１２５０℃に高周波加熱して５分間保持した後、１００℃／分の速度で９００℃まで冷却し、歪速度を１０秒^-1として９００℃で高温引張試験を行い、熱間加工性を調査した。なお、上記棒状試験片の加熱領域は、長さ方向の中央部約２０ｍｍとし、高温引張試験後は直ちに急冷した。上記において、高温引張試験の温度として９００℃を選定したのは、一般に低炭素快削鋼の場合には、９００℃で高温引張の絞り値が極小点になるからである。

熱間加工性は上記の高温引張試験における絞り（％）で評価した。なお、熱間での延性が低く圧延不具合を生じやすい低炭素快削鋼として知られているＢｉ快削鋼に相当する鋼２１を用いた高温引張試験の絞り値である４０％を熱間加工性の評価基準とした。

また、次に述べる方法で各鋼の被削性を調査し、更に、被削性に影響を及ぼすＭｎＳのアスペクト比も測定した。

すなわち、各鋼のインゴットの残部を１３００℃に加熱し、熱間鍛造を行って、直径４０ｍｍの丸棒を作製した。次いで、上記の各丸棒を９００℃に加熱した後、１時間保持して焼ならし処理を施した。

このようにして得た直径４０ｍｍの丸棒を、表面の凹凸や焼ならしによる脱炭層を除去するためにピーリングして、直径３１ｍｍの丸棒に仕上げた。

また、鋼２、鋼７、鋼８及び鋼１１については、上記直径３１ｍｍの丸棒の一部を用い、直径が２８ｍｍの丸棒に引抜き加工した。なお、この引抜き加工における断面減少率は１８．４％である。

上記のようにして得た直径が３１ｍｍと２８ｍｍの丸棒を供試材として、「コーティングを施していない高速度工具鋼ＳＫＨ４（JIS G 4403(2000)）の旋削用チップ」を用いて、周速度：１００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み深さ：０．５ｍｍ、湿式の条件で旋削を行い、切削開始から３０分後のチップ逃げ面の平均摩耗量を測定して工具摩耗量とした。また、上記の３０分旋削した後の被削材の表面のＲmax（最大高さ）を測定した。

更に、上記直径が３１ｍｍと２８ｍｍの丸棒の各々について、Ｒ／２（但し、「Ｒ」は丸棒の半径である。）の部位での丸棒の長さ方向に平行な断面における倍率が４００の光学顕微鏡写真を８枚撮影し、各ＭｎＳのアスペクト比を測定して、その平均値を各丸棒のＭｎＳのアスペクト比とした。

なお、従来のＰｂ快削鋼に相当する鋼２０の直径３１ｍｍの丸棒を旋削した場合の工具摩耗量（２６５μｍ）とＲmax（１０．０μｍ）を、それぞれ、被削性における工具摩耗量とＲmaxの評価基準とした。

表２に、上記の各試験結果をまとめて示す。

表２において、「Ｌ／Ｗ」はＭｎＳのアスペクト比を示す。また、鋼２、鋼７、鋼８及び鋼１１については、引抜き加工によってＭｎＳのアスペクト比が小さくなったことを示すために、直径３１ｍｍの丸棒におけるＭｎＳのアスペクト比と直径２８ｍｍの引抜き加工した丸棒におけるＭｎＳのアスペクト比の差である「△Ｌ／Ｗ」の欄を設けた。

表２の「熱間絞り」欄の数値の横に示した「○」と「×」は、評価基準である絞り値４０％との比較を定性的に示すもので、「○」は熱間加工性が「従来のＢｉ快削鋼と同等以上」であることを、「×」は熱間加工性が「従来のＢｉ快削鋼より劣る」ことを、それぞれ意味する。そして、数値の横の「＃」は評価基準であることを意味する。

また、「工具摩耗量」欄の数値の横に示した「◎」、「○」及び「×」は、評価基準である２６５μｍとの比較を定性的に示すもので、「◎」は被削性の評価としての工具摩耗量が「従来のＰｂ快削鋼の半分未満と極めて少ない」ことを、「○」は工具摩耗量が「従来のＰｂ快削鋼よりも少ない」ことを、「×」は工具摩耗量が「従来のＰｂ快削鋼よりも多い」ことを、それぞれ意味する。そして、数値の横の「＃」は評価基準であることを意味する。

更に、「Ｒmax」欄の数値の横に示した「◎」、「○」及び「×」は、評価基準である１０．０μｍとの比較を定性的に示すもので、「◎」は被削性の評価としてのＲmaxが「従来のＰｂ快削鋼の半分未満で表面が滑らか」なことを、「○」はＲmaxが「従来のＰｂ快削鋼よりも小さい」ことを、「×」はＲmaxが「従来のＰｂ快削鋼よりも大きく表面が粗い」ことを、それぞれ意味する。そして、数値の横の「＃」は評価基準であることを意味する。

表２から、鋼の化学組成が本発明（１）で規定する条件から外れた鋼４（試験番号５）、鋼１６（試験番号２０）及び鋼１７（試験番号２１）の場合、「熱間絞り」は評価基準の４０％を下回っており、熱間加工性に劣ることが明らかである。

同様に、鋼の化学組成が本発明（１）で規定する条件から外れた鋼５（試験番号６）、鋼１５（試験番号１９）、鋼１８（試験番号２２）及び鋼１９（試験番号２３）の場合、「工具摩耗量」が評価基準の２６５μｍを上回るとともに「Ｒmax」も評価基準の１０．０μｍを上回って、被削性に劣ることが明らかである。

これに対して、鋼の化学組成が本発明（１）〜（３）で規定する条件を満たす表１中の鋼１〜３及び鋼６〜１４の場合には、熱間加工性及び被削性の双方において優れていることが明らかである。なお、上記の鋼１〜３及び鋼６〜１４のうちでも、本発明（４）で規定する条件も満たす鋼２、鋼７及び鋼８を断面減少率を１８．４％として引抜き加工を行った試験番号３、試験番号９及び試験番号１１の場合には、ＭｎＳのアスペクト比が小さくなったため、工具摩耗量及びＲmaxの定性的な評価は「◎」で、被削性が極めて優れていることが明らかである。

表３に示す化学組成を有する鋼２２〜２５を３ｔ（トン）大気溶解炉によって溶製してインゴットに鋳造した。表３中の鋼２２〜２４は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼である。一方、表３中の鋼２５は、化学組成が本発明の規定から外れた従来のＢｉ快削鋼に相当する鋼である。なお、なお、表３においてＴｅを含有していない鋼２５については、「ｆｎ２」の値が「無限大」になってしまう。したがって、この鋼２５については、「ｆｎ２」欄を「∞」で示した。

次いで、上記の各インゴットを１３００〜１３５０℃に加熱した後、分塊圧延して１４０ｍｍ角の鋼片とし、更に、均熱温度：１２５０℃±２０℃、均熱時間：３０〜４０分、圧延仕上げ温度：１０００℃±３０℃の条件で実機での操業を想定した圧延実験を行い、直径５．５ｍｍの線材に仕上げた。

このようにして得た直径５．５ｍｍの線材の表面状態を目視観察して、ヘゲ疵及び割れの有無を調査した。その結果、鋼２２〜２４の場合、直径５．５ｍｍのいずれの線材にもヘゲ疵及び割れはなく、鋼２２〜２４が実機での操業を想定した圧延実験においても良好な熱間加工性を有していることが確認できた。

一方、従来のＢｉ快削鋼に相当する鋼２５の場合、直径５．５ｍｍの線材には微小なヘゲ疵が点在していた。

本発明の鋼はＰｂを含まない「地球環境に優しい快削鋼」であるにも拘わらず、従来のＰｂ快削鋼よりも良好な被削性を有し、しかも、熱間加工性が従来のＢｉ快削鋼よりも良好で割れやヘゲ疵を生じることがなく生産性に優れているので、強度をあまり必要としない軟質の小物部品の素材として用いることができる。

「Ｓ−Ｔｅ複合快削鋼」に伸線加工を施すと、ＭｎＳが割れることによって、アスペクト比の一層小さい粒状に近いＭｎＳが得られることを説明する模式図である。Ｔｅを添加しない従来のＰｂ快削鋼に伸線加工を施すことで分断されたＭｎＳの形状を模式的に説明する図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１９％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：１．００〜２．５０％、Ｐ：０．０１〜０．１２％、Ｓ：０．２６〜０．６３％、Ａｌ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％、Ｏ（酸素）：０．００５〜０．０３５％及びＴｅ：０．００２〜０．１００％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が４．０以上を満たすことを特徴とする低炭素快削鋼。
ｆｎ１＝Ｍｎ／Ｓ・・・(1)
なお、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１９％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：１．２０〜２．５０％、Ｐ：０．０１〜０．１２％、Ｓ：０．２６〜０．６３％、Ａｌ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％、Ｏ（酸素）：０．００５〜０．０３５％及びＴｅ：０．０１０％を超えて０．１００％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が４．５以上を満たすことを特徴とする低炭素快削鋼。
ｆｎ１＝Ｍｎ／Ｓ・・・(1)
なお、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｒ：０．０４〜１．２５％、Ｎｉ：０．０４〜０．６０％及びＭｏ：０．０４〜０．４０％のうちの１種以上を含有する請求項１又は２に記載の低炭素快削鋼。
更に、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が２．１以上を満たす請求項１から３までのいずれかに記載の低炭素快削鋼。
ｆｎ２＝（Ｓ／１０Ｔｅ）＋Ｍｎ・・・(2)
なお、(2)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。