JP5329937B2 - 面粗さに優れた表面疵の少ない低炭素硫黄快削鋼 - Google Patents

Description

本発明は、被削性向上元素である硫黄を含有した硫黄快削鋼に関し、面粗さに優れ、なおかつ、表面疵の少ないものに関する。

硫黄快削鋼は、被削性に有効な硫化物の形態制御、すなわち、紡錘状化を行うために大量の酸素を含有している。しかしながら，全ての酸素が硫化物に固溶しないため、同時に巨大酸化物を生成することを回避できず、地疵を生成し、それが原因となり熱間圧延時の表面疵を発生させていた。

このような現象を解決するため、酸素量を低減したり、脱酸剤であるＳｉ量を少なくすることで酸化物量を低減したり（特許文献１，２，３）、硫化物量を多くして固溶する酸素を多くすること（特許文献４）が提案されている。

特許文献１は、巨大酸化物系介在物を低減した快削鋼に関し、酸素量を０．００８％以下とし、低酸素化による被削性の低下は硫化物（サルファイド）形態改善元素や被削性向上元素の添加あるいは圧延温度のコントロールによって防止し、硫化物（サルファイド）の形態をより一層改善し、巨大酸化物系介在物による内部欠陥や疵等の発生を防止することが記載されている。

特許文献２は、ＯＡ機器のシャフト用Ｐｂ添加系快削鋼に関し、鋼塊の清浄度を低下させるＳｉの含有量を０．１％以下として酸化物量を低減する成分組成が開示されている。
１１．０％のＣｒで主に耐食性を確保し、耐食性および熱間加工性を低下させるＳの含有量を０．０１％以下としている。

特許文献３は、被削性の優れた低炭硫黄系快削鋼に関し、Ｓｉが０．１ｍａｓｓ％を超えると被削性に有害な硬質な酸化物であるＳｉＯ_２が顕著に増加するため、含有量を０．１ｍａｓｓ％以下とする化学成分が開示されている。

特許文献４は、Ｐｂ非添加系の廉価な快削鋼に関し、低Ｓｉ−高Ｐ系のＰｂ非添加系で切削性を大きく向上させるため硫化物の総体積を大きくする目的でＳを多量に添加する化学成分が開示されている。熱間加工性の低下を防止するため、Ｍｎ／Ｓを一定値以上とする。
特開平１−３０９９４６号公報 特開平９−１７６７９９号公報 特開平７−１７３５７４号公報 特開２０００−１６０２８４号公報

しかしながら、特許文献１記載の快削鋼は、酸素量を０．００８ｍａｓｓ％以下に限定しているが、酸素量を単に低減するにとどまり、硫化物の形態制御が十分でなく伸長した硫化物が存在する。

特許文献２、３記載の快削鋼は、Ｓｉ量を０．１ｍａｓｓ％以下に限定しているが、脱酸剤としての利用であり、被削性向上に特段の配慮がなされた成分組成ではない。

また、特許文献４記載の快削鋼は、Ｓを大量に添加するものの、硫化物の形態制御がなされておらず、特許文献１〜４記載の快削鋼は更に被削性を向上させることが可能である。

そこで、本発明は低酸素化することにより圧延時の表面疵発生を抑制し、低酸素化により劣化した被削性、特に、面粗さをＳｉ添加により、低酸素化以前と同等、もしくは、同等以上の面粗さとする、面粗さに優れた表面疵の少ない快削鋼を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題達成のため鋭意研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
（１）成分組成において酸素量を減じると、Ｓｉは巨大酸化物の生成に消費されず母相組織の大部分を占有するフェライト組織に固溶し、硬さを上昇させ、そのことによる脆化で、仕上面粗さ並びに切屑処理性を向上させる。

仕上面粗さの要求水準がきびしい場合、この効果はかなり大きく、酸素量の減量により硫化物（サルファイド）が伸長して低下する被削性を同等以上に補填する。
（２）被削性と、酸化物による表面疵発生の関係から、Ｓｉ量は、Ｓｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）のインデックスで適量が限定される。なお、Ｓｉと同様に脱酸剤として利用されるＡｌ量も同時に限定される。また、被削性と表面疵発生の関係から、歪時効、ならびに、ＡｌＮ析出物生成に関与するＮ量も同時に限定される。更にまた、被削性に対してＳｉと類似の作用を及ぼすＰ量も同時に限定される。
（３）成分組成におけるＳ量を（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２ のインデックスで限定すると、硫化物による被削性向上効果が格段と向上する。

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、本発明は以下のとおりである。
１．質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０越え０．７０％以下、Ｍｎ：０．８５〜１．５０％、Ｐ：０．０４０〜０．１２０％、Ｓ：０．２５０〜０．４００％未満、Ａｌ：０．００５％未満、ならびに、Ｏ：０．００２０越え０．０１２０％以下、Ｎ：０．００７０越え０．０１５０％以下、残部不可避的不純物とＦｅからなり、下記（１）式と下記（２）式を満足することを特徴とする面粗さに優れた表面疵の少ない低炭素硫黄快削鋼。

０．１５≦Ｓｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）≦０．７５・・（１）
（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２・・・・・（２）

本発明によれば、表面粗さを含めた被削性に優れ、表面疵の少ない低炭素硫黄快削鋼を得ることが可能となり、産業上きわめて有用である。

以下に本発明鋼の成分限定理由について説明する。説明において％は質量％とする。

Ｃ： ０．０４〜０．１５％
Ｃは鋼の強度および被削性に大きな影響を及ぼすので重要な元素である。その含有量が０．０４％未満では充分な強度が得られないとともに延性が高いため被削性の中でも仕上げ面粗さが劣化する。

また、含有量が０．１５％を超えるとパーライト量が多くなりすぎて、仕上げ面粗さが劣化するため、Ｃ含有量は０．０４〜０．１５％にする。

なお、０．１５％前後では鋳造凝固時にオーステナイト粒が粗大化し、鋳片表面の熱間加工性が低下するため、鋳片表面疵が発生し、以後の圧延工程終了後も残存し表面疵を悪化させる。そのため、好ましくは、０．１０％未満とする。

Ｓｉ：０．１０越え〜０．７０％
Ｓｉは母相組織の大部分を占有するフェライト組織に固溶し、硬さを上昇させると同時にそのことにより脆化するため、仕上げ面粗さ、ならびに、切屑処理性の向上に寄与する。

その含有率が０．１０％以下では、充分な効果が得られず、また、０．７０％を超えるとその効果が飽和するとともに鋳造時に巨大Ｓｉ酸化物を生成させるようになるため０．１０％越え〜０．７０％以下、好ましくは０．５０％未満とする。巨大Ｓｉ酸化物は、以後の圧延工程でそれを起点とした表面疵を発生させる。

Ｍｎ：０．８５〜１．５０％
Ｍｎは被削性に重要な硫化物形成元素である。その含有量が０．８５％未満では、硫化物量が少ないため、充分な被削性が得られない。また、含有量が１．５０％を超えると硫化物が長く伸長してしまうため、被削性が低下してしまう。従って、Ｍｎ含有量は０．８５〜１．５０％とする。

Ｐ：０．０４０〜０．１２０％
Ｐは、切削加工時に構成刃先の生成を抑制することにより、また、フェライト組織を脆化することにより、仕上げ面粗さを低減させるのに有効な元素である。その含有率が０．０４０％未満では、充分な効果が得られない。

また、０．１２０％を超えるとその効果が飽和するとともに熱間加工性の低下が著しいため表面疵を悪化させるため、０．０４０〜０．１２０％、好ましくは、０．１００％以下とする。

Ｓ： ０．２５０〜０．４００％未満
Ｓは、被削性に有効な硫化物形成元素である。その含有量が０．２５０％未満では、硫化物量が少ないため被削性に対する効果が小さく、また、０．４００％以上とすると熱間加工性の低下により圧延時に大量に表面疵が発生するため、０．２５０〜０．４００％未満とする。

Ａｌ ：０．００５％未満
Ａｌは脱酸剤として利用されるように、酸化しやすい元素のため鋳造時に巨大Ａｌ酸化物を生成させる。巨大Ａｌ酸化物は、以後の圧延工程でそれを起点とした表面疵を発生させる。また、Ｎと結合し、ＡｌＮとなり、オーステナイト粒界に析出し、熱間加工性を低下させ、圧延時に表面疵を発生させる。巨大Ａｌ酸化物、あるいは、ＡｌＮ析出物に起因した圧延時の表面疵の発生を抑制するため、０．００５％未満とする。

Ｏ：０．００２０越え〜０．０１２０％未満
Ｏは圧延などの熱間加工時における硫化物の伸長を抑制させるのに有効で、この作用により被削性を向上させることができる重要な元素である。０．００２０％以下では硫化物の伸長を抑制させる効果が充分でなく、伸長した硫化物が残存してしまうため、硫化物による被削性向上の充分な効果が期待出来ない。

一方で、Ｏは 鋳造時に巨大酸化物を生成させ、以後の圧延工程でそれを起点とした表面疵を発生させるため、含有量が多すぎると有害である。Ｏ含有量が０．０１２０％以上になると前述した鋳造時の巨大酸化物に起因した圧延時の表面疵が発生するため、Ｏ含有量は、Ｏ：０．００２０越え〜０．０１２０％未満、好ましくは、０．００９０％未満、更に好ましくは０．００５０ ｍａｓｓ％未満である。

Ｎ：０．００７０越え〜０．０１５０％以下
Ｎは切削加工時において鋼材を歪時効させるのに有効な元素であり、この作用により被削性の中で、特に仕上げ面粗さと切屑処理性を向上させることができる重要な元素である。その含有量が０．００７０％以下では鋼材を歪時効させる作用が充分でないため、被削性向上について充分な効果が期待出来ない。

一方で、Ｎは ＡｌＮ析出物として、オーステナイト粒界に析出し、熱間延性を低下させ、圧延時に表面疵を発生させるため、０．０１５０ ％を超えて含有量が多すぎると有害である。したがって、Ｎ含有量は、０．００７０越え〜０．０１５０％以下とする。

Ｓｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）：０．１５〜０．７５％
Ｓｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）のインデックスは、本発明の目的である被削性、特に面粗さに優れ、かつ、表面疵が少ないことを達成するために成分組成においてＳｉ量，Ｐ量，Ａｌ量，Ｏ量とＮ量のバランスを限定する本発明の根幹に関わる重要なインデックスである。

すなわち、本インデックスの技術的意義は１．被削性という観点からのＳｉ量，Ｐ量，Ｏ量，Ｎ量と、２．酸化物、ＡｌＮ析出物を生成し、表面疵に悪影響を与えるという面からのＳｉ量、Ａｌ量、Ｏ量とＮ量のバランスを考慮し、適正化を図ることにある。

本インデックスが０．１５％未満では、充分な効果が得られない。一方、０．７５％を超えるとその効果が飽和するとともに鋳造時に発生する巨大酸化物に起因する圧延時の表面疵発生が抑制できなくなる。したがって、Ｓｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）は０．１５〜０．７５％とする。尚、各元素は含有量とする。

（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２
本発明では、更に、Ｍｎ量とＳ量のバランスを（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２のインデックスで限定することにより、表面疵の発生を抑制し、被削性を向上させる。Ｓ％≧（［Ｍｎ％］^５）／２であるとＭｎＳ以外の硫化物、例えばＦｅＳが生成して表面疵が劣化する。一方、Ｓ％≦（［Ｍｎ％］^５）／１５であるとＭｎＳを形成した残りのＭｎにより鋼材の硬さが徒に上昇するために特に工具寿命が劣化する。したがって、（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２とする。Ｓ％の上限値は、好ましくは、Ｓ％＜ （［Ｍｎ％］^５）／３．５である。尚、各元素は含有量とする。

本発明に係る低炭素硫黄快削鋼は、常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常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。以下に本発明を実施例に従って詳細に説明する。

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.１〜２１、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.２２〜４０、ならびに参考例として、No.４１のＳＵＭ２３Ｌを溶製し、鋳造断面４００×３００ｍｍ鋼塊に鋳造後、それぞれ直径８５ｍｍの棒鋼と直径１１．５ｍｍの線材に熱間圧延した。上記のようにして製造された本発明鋼および比較鋼ならびに参考例の鋼からなる棒鋼ならびに線材の各々を用いて以下のような試験を実施した。

＜その１＞棒鋼を用いた試験
被削性試験は表２に示す条件で実施し評価した。
表面疵試験は３００mm長さに切断した丸棒を酸洗し、目視にて表面疵個数を測定した。
表３に試験結果を示す。No.１〜２１の本発明例はいずれもNo.４１の参考例にあるＳＵＭ２３Ｌに比較して、表面疵個数が少なく表面疵が良好であり、切屑処理性、仕上げ面粗さを含めた被削性が良好である。

No.２２〜４０は比較例でNo.２２はＣ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｃ量が下限値未満のため充分な強度が得られず、延性が高いことにより被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.２３はＣ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｃ量が上限値超えのためパーライト量が多く、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.２４はＳｉ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓｉ量が下限値未満のためフェライト組織の延性が高く、そのため、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.２５はＳｉ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓｉ量が上限値超えのため巨大Ｓｉ酸化物が地疵を形成し、そのため表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.２６はＭｎ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｍｎ量が下限値未満のため硫化物の量が少なく、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.２７はＭｎ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｍｎ量が上限値超えのため硫化物が長く伸長しており、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.２８はＰ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｐ量が下限値未満のため構成刃先の生成を抑制できなかったこととフェライト組織の脆化できなかったことにより被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.２９はＰ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｐ量が上限値超えのため熱間加工性の低下が著しく、そのため表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.３０はＳ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量が下限値未満のため硫化物の量が少なく、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.３１はＳ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量が上限値超えのため熱間加工性の低下が著しく、そのため表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.３２はＡｌ量が本発明の請求範囲を外れており、Ａｌ量が上限値超えのため巨大Ａｌ酸化物が地疵を形成するとともにＡｌＮがオーステナイト粒界に析出するため熱間加工性が低下することにより、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.３３はＯ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｏ量が下限値未満のため硫化物が著しく伸長してしまい、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.３４はＯ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｏ量が上限値超えのため巨大酸化物が地疵を形成し、そのため、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.３５はＮ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｎ量が下限値未満のため歪時効を起こさないために被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.３６はＮ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｎ量が上限値超えのためＡｌＮがオーステナイト粒界に多量に析出するため、熱間加工性が低下することにより、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.３７はインデックスＳｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）が本発明の請求範囲を外れており、下限値未満のため、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.３８はインデックスＳｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）が本発明の請求範囲を外れており、上限値超えのため、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.３９はインデックス（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量がインデックスの下限値未満のため、徒に硬さが上昇したことにより被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.４０はインデックス（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量がインデックスの上限値超えのため、ＦｅＳが生成してしまい熱間加工性が低下することにより、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

＜その２＞線材を用いた試験
直径１１．５ｍｍの線材を直径１０ｍｍに引抜き後に被削性試験、表面疵試験を実施した。
被削性試験は表４に示す条件で実施し評価した。
表面疵試験は３００mm長さに切断した引抜き材１０本について目視にて表面疵総個数を測定した。表５に試験結果を示す。

No.４２〜６２の本発明例はいずれもNo.８２の参考例にあるＳＵＭ２３Ｌに比較して、表面疵個数が少なく表面疵が良好であり、切屑処理性、仕上げ面粗さを含めた被削性が良好である。

No.６３〜８１は比較例でNo.６３はＣ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｃ量が下限値未満のため充分な強度が得られず、延性が高いことにより被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.６４はＣ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｃ量が上限値超えのためパーライト量が多く、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.６５はＳｉ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓｉ量が下限値未満のためフェライト組織の延性が高く、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.６６はＳｉ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓｉ量が上限値超えのため巨大Ｓｉ酸化物が地疵を形成し、そのため表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.６７はＭｎ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｍｎ量が下限値未満のため硫化物の量が少なく、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.６８はＭｎ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｍｎ量が上限値超えのため硫化物が長く伸長しており、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.６９はＰ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｐ量が下限値未満のため構成刃先の生成を抑制できなかったこととフェライト組織の脆化できなかったことにより被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.７０はＰ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｐ量が上限値超えのため熱間加工性の低下が著しく、そのため表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.７１はＳ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量が下限値未満のため硫化物の量が少なく、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.７２はＳ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量が上限値超えのため熱間加工性の低下が著しく、そのため表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.７３はＡｌ量が本発明の請求範囲を外れており、Ａｌ量が上限値超えのため巨大Ａｌ酸化物が地疵を形成するとともにＡｌＮがオーステナイト粒界に析出するため熱間加工性が低下することにより、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.７４はＯ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｏ量が下限値未満のため硫化物が著しく伸長してしまい、そのため被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.７５はＯ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｏ量が上限値超えのため巨大酸化物が地疵を形成し、そのため、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.７６はＮ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｎ量が下限値未満のため歪時効を起こさないために被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.７７はＮ量が本発明の請求範囲を外れており、Ｎ量が上限値超えのためＡｌＮがオーステナイト粒界に多量に析出するため、熱間加工性が低下することにより、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.７８はインデックスＳｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）が本発明の請求範囲を外れており、下限値未満のため、被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.７９はインデックスＳｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）が本発明の請求範囲を外れており、上限値超えのため、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

No.８０はインデックス（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量がインデックスの下限値未満のため、徒に硬さが上昇したことにより被削性が本発明鋼よりも劣っている。

No.８１はインデックス（［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２が本発明の請求範囲を外れており、Ｓ量がインデックスの上限値超えのため、ＦｅＳが生成してしまい熱間加工性が低下することにより、表面疵個数が多く、表面疵が本発明鋼よりも劣っている。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０越え０．７０％以下、Ｍｎ：０．８５〜１．５０％、Ｐ：０．０４０〜０．１２０％、Ｓ：０．２５０〜０．４００％未満、Ａｌ：０．００５％未満、ならびに、Ｏ：０．００２０越え０．０１２０％以下、Ｎ：０．００７０越え０．０１５０％以下、残部不可避的不純物とＦｅからなり、下記（１）式と下記（２）式を満足することを特徴とする面粗さに優れた表面疵の少ない低炭素硫黄快削鋼。
   ０．１５≦Ｓｉ％＋２×Ｐ％−（５×Ａｌ％＋１０×Ｏ％＋３×Ｎ％）≦０．７５・・（１）
   （［Ｍｎ％］^５）／１５＜Ｓ％＜（［Ｍｎ％］^５）／２・・・・・（２）