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【発明の名称】 |
機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼 |
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【氏名】次井 慶介
【氏名】中村 貞行 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｓ：０．０１〜０．０７％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｏ：０．０００５〜０．００３％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつＣａＯを８〜６２％含むカルシウムアルミネート酸化物介在物を内部に包み込んだ、長径／短径比が５以下であるような紡錘型のＣａを１％以上含むカルシウムマンガン硫化物介在物を含有することを特徴とする機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼。
【請求項２】 請求項１に記載の合金成分に加えて更に重量％で、Ｐｂ：０．０４〜０．４％、Ｂｉ：０．０２〜０．３％、Ｓｅ：０．１〜０．５％、Ｔｅ：０．００３〜０．１％のうちの１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつＣａＯを８〜６２％含むカルシウムアルミネート酸化物介在物を内部に包み込んだ、長径／短径比が５以下であるような紡錘型のＣａを１％以上含むカルシウムマンガン硫化物介在物を含有することを特徴とする機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、高い機械的性質を必要とする機械構造部品などは、鍛造、圧延などの塑性加工で粗加工した後、切削加工によって所望の最終形状に仕上げるのが一般的であった。
【０００３】塑性加工後の切削加工を容易にする目的から、被削性に優れた快削鋼に対する要求が近年ますます増加してきている。
【０００４】その様な状況のもと、低速切削加工性に優れた硫黄快削鋼や高速切削加工性に優れたカルシウム快削鋼、ドリル穴あけ加工性に優れた硫黄、鉛快削鋼など各種快削鋼が研究開発されており、切削加工条件に合わせた快削鋼が適宜使用されている。
【０００５】しかしながら、一つの部品に適用される切削加工は必ずしも一通りの加工ではなく、例えばドリル穴あけ加工と高速切削加工の両方の加工が必要となる場合は多い。この場合、両方の切削加工性を満足させることは非常に困難であった。
【０００６】高速切削加工性に優れることで知られるＣａを添加した快削鋼は、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系の介在物によって被削性を向上させているため多量の酸素を必要とし、鋼中に多量の酸化物が存在して、清浄度に劣る場合が多く、機械的性質の制約から自ずと適用範囲が限られていた。更にこうしたカルシウム快削鋼では、ドリル穴あけ加工性を向上させるような効果はなかった。
【０００７】清浄度向上のために酸素を低減させることにより酸化物を減少、微細化させる場合もあるが、この場合はアルミナ主体の硬質酸化物が生成して工具に悪影響を与え、被削性を低下させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従来の問題点に着目し、機械的性質に優れかつドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者は、種々の研究を重ねた結果、低酸素硫黄快削鋼をベースにＣａを添加する事によって、マンガン硫化物介在物の形状と組成、アルミナ酸化物の組成、更にはそれらの析出形態をコントロールする事により下記（ａ）〜（ｃ）の知見を得るに至った。
【００１０】（ａ）Ａｌ：０．００２〜０．０５％かつＯ：０．０００５〜０．００３％の低酸素機械構造用鋼に、Ｃａを添加する事によりマンガン硫化物介在物及び従来のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系介在物を有するカルシウム快削鋼とは異なるアルミナ酸化物の双方に一部Ｃａが含まれるようになる。
【００１１】（ｂ）Ｃａを含有したマンガン硫化物介在物（以下カルシウムマンガン硫化物という）はＣａを含有しないマンガン硫化物介在物に比較して塑性変形能が劣化するが故に鋳造後の圧延、鍛造時には比較的丸い紡錘形状を維持する。
【００１２】（ｃ）Ｃａを含有したアルミナ酸化物介在物（以下カルシウムアルミネート酸化物という）は、アルミナ主体の硬質酸化物に比較して軟化するとともに、Ｃａを仲立ちとしてカルシウムマンガン硫化物との親和性を増加させるため、硫化物よりも融点の高いカルシウムアルミネート酸化物が先に析出した後、これを核としてカルシウムアルミネート酸化物を包み込むような形でカルシウムマンガン硫化物が析出する。
【００１３】上記知見に基づく本発明は、清浄度を確保した低酸素鋼において、球状化した硫化物により機械的性質の異方性を最小限に止めつつ、軟化した酸化物を更に軟らかい硫化物で包み込む事により硬質酸化物と工具の直接接触の回避して工具摩耗を低減してドリル穴あけ加工性を向上させ、更にカルシウムアルミネート酸化物による工具被覆効果で高速切削加工性をも向上させる機械構造用鋼であり、下記（１）〜（２）の成分と介在物形態を要旨とするものである。
【００１４】（１）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｓ：０．０１〜０．０７％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｏ：０．０００５〜０．００３％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつＣａＯを８〜６２％含むカルシウムアルミネート酸化物介在物を内部に包み込んだ、長径／短径比が５以下であるような紡錘型のＣａを１％以上含むカルシウムマンガン硫化物介在物を含有することを特徴とする機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼。
【００１５】（２）上記（１）に記載の合金成分に加えて更に重量％で、Ｐｂ：０．０４〜０．４％、Ｂｉ：０．０２〜０．３％、Ｓｅ：０．１〜０．５％、Ｔｅ：０．００３〜０．１％のうちの１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつＣａＯを８〜６２％含むカルシウムアルミネート酸化物介在物を内部に包み込んだ、長径／短径比が５以下であるような紡錘型のＣａを１％以上含むマンガン硫化物介在物を含有することを特徴とする機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼。
【００１６】
【作用】以下に、本発明における鋼の化学組成及び介在物形態を限定する理由について説明する。
【００１７】Ｃ：Ｃは強度を確保するために必要な元素であり、０．１０％未満では添加効果に乏しく、一方０．６０％を越えると靭性が劣化するため、その含有量を０．１０〜−０．６０％に限定する。
【００１８】Ｓｉ：Ｓｉは溶製時の脱酸剤として含有され、焼入れ性を向上させる元素である。しかし、０．５０％を越えて多量に添加されると熱間加工時に割れを発生しやすくなるため、０．５０％以下に限定する。
【００１９】Ｍｎ：Ｍｎは硫化物形成元素であり、０．３０％未満では所望の効果が得られず、１．５０％を超えると鋼の硬さを増大させて被削性を低下させるので、その含有量を０．３０〜１．５０％に限定する。
【００２０】Ｓ：Ｓは被削性の向上に有効な元素である。従って０．０１％未満では所望の効果が得られず、０．０７％を超えると靭性と延性を悪化させるばかりか、更にはＣａと高融点のＣａＳを形成して鋳造工程に多大なる障害をもたらすため、その含有量を０．０１〜０．０７％に限定する。尚好ましい範囲は０．０３％〜０．０７％である。
【００２１】Ａｌ：Ａｌは脱酸に必要な元素であり、０．００２％以上必要とする。しかし、０．０５％を超えると酸化物中のＡｌ量が過多となってのカルシウムアルミネート酸化物を形成する事が不可能となるため、その含有量を０．００２〜０．０５％に限定する。
【００２２】Ｃａ：Ｃａは本発明においてきわめて重要な意味を持つ元素である。即ち、マンガン硫化物介在物の変形能を小さくして塑性加工後の硫化物形状を紡錘型に維持するとともに、アルミナ酸化物を軟化させて工具に与える衝撃を緩和し、更には酸化物を硫化物が包み込むように仲立ちをする。以上の効果を達成するために０．０００５％以上含有する事が必要である。しかし、０．００５％を超えると高融点のＣａＳを形成して鋳造工程に多大なる障害をもたらすため、その含有量を０．０００５〜０．００５％に限定する。
【００２３】Ｏ：鋼中のＯは酸化物系介在物の形で存在し、鋼の機械的性質に有害であり、極力低減させるのが望ましい。Ａｌ０．００２〜０．０５％、Ｃａ０．０００５〜０．００５％とした時低減可能なＯ量は０．０００５％である。従来のＣａを含んだ快削鋼は主として、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系の酸化物系介在物を鋼中に生成させることにより、酸化物系の工具保護膜を形成して被削性を向上させてきた。こうしたＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系の酸化物介在物を生成させるには０．００７好ましくは０．０１％以上のＯを必要としていたため、鋼の清浄度と強度において劣る場合が多かった。何故なら、Ｏは酸化物の生成エネルギーの観点から、ＣａついでＡｌと結合する。従って、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系の酸化物を生成させるためには、Ｃａ及びＡｌと酸化物を形成する以上に多量のＯが必要であった。これに対して本発明では、カルシウムアルミネート酸化物を形成する程度のＯ量で十分である。これに伴って鋼の清浄度や強度が向上する。過剰なＯはかえって鋼の強度を低下させるため、Ｏ量は０．００３％以下としなければならない。以上の理由により、Ｏの含有量を０．０００５％〜０．００３％に限定する。
【００２４】本発明の機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼には、上記成分に加えて更にＰｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの１種以上を含んでいてもよい。これらの合金元素の効果と含有量を限定する理由について説明する。
【００２５】Ｐｂ、Ｂｉ：Ｐｂ、Ｂｉは単独で或いは硫化物外周に付着する様な形で存在し、それ自身が被削性を向上させる効果を有する。こうした効果を得るためには、Ｐｂで０．０４％、Ｂｉで０．０２％以上が必要である。過剰な場合にはＰｂ、Ｂｉの鋼への溶解度を超え、かつその大きな比重のためにＰｂ，Ｂｉは単独で凝集、沈殿して鋼中の欠陥となるため、含有量をＰｂで０．０４％〜０．４％、Ｂｉで０．０２％〜０．３％に限定する。
【００２６】Ｓｅ、Ｔｅ：Ｓｅ、Ｔｅも良く知られた被削性を向上させる元素である。こうした効果を得るためには、Ｓｅで０．１％、Ｔｅで０．００３％以上が必要である。過剰な添加は熱間加工時に割れを発生しやすくなるため、含有量をＳｅで０．１％〜０．５％、Ｔｅで０．００３％〜０．１％に限定する。
【００２７】介在物の形態：アルミナ主体の酸化物は非常に硬質であり、工具と直接接触した場合には工具の摩耗を促進する事が知られている。この酸化物にＣａＯを含ませる事により酸化物自身を軟化させる事が可能である。このためには少なくともアルミナ主体の酸化物をＣａＯ−６Ａｌ２Ｏ３以上のＣａＯを含有した低融点酸化物とする事が必要であり、ＣａＯの比率を８％以上にしなければならない。逆に過剰なＣａＯも酸化物の硬質化を引き起こすので３ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３以下のＣａＯ含有量とする必要があり、ＣａＯの比率を６２％以下にしなければならない。一方、通常のマンガン硫化物は鍛造、圧延などの塑性加工に際して非常に良く展伸し、鋼の機械的性質の異方性を助長する。展伸性を制限するためマンガン硫化物にＣａを１％以上含ませる事によりマンガン硫化物の展伸性を減じる。また、正確に異方性を評価する時、長径／短径比が５以下である様な紡錘形状のマンガン硫化物を有する場合に鋼の機械的性質の異方性は軽減される。更には相対的に硬質な酸化物を相対的に軟質の硫化物が包み込む事により工具の摩耗は低減される。
【００２８】
【実施例】本発明鋼の特徴を実施例を用いて説明する。表１及び表２に示す化学組成を有する鋼を５ｔｏｎアーク炉にて溶製した。表１中のＡ１からＡ９とａ１からａ９はＪＩＳ規格のＳ４５Ｃに相当または類似した鋼である。表１中のＢ１からＢ４とｂ１からｂ４はＪＩＳ規格のＳ５５Ｃに相当または類似した鋼である。表１中のＣ１からＣ３とｃ１からｃ４はＪＩＳ規格のＳＣＭ４１５に相当した鋼である。表１中のＤ１からＤ７とｄ１からｄ２はＪＩＳ規格のＳＣＭ４４０に相当または類似した鋼である。表２中のＡ６とＥ１からＥ５とｅ１からｅ４はＪＩＳ規格のＳ４５Ｃに表中記載の各元素を添加した鋼である。
【００２９】圧延と鍛造により、断面が１１０ｍｍ×５０ｍｍの角材を作製した。圧延と直角方向の機械的性質を調査するために、引張試験と衝撃試験を実施した。引張試験用として圧延と直角方向からＪＩＳ４号試験片を作成し、試験はＪＩＳ Ｚ２２４１に従って実施した。衝撃試験用として圧延と直角方向からＪＩＳ３号試験片を作成し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に従って実施した。
【００３０】試験前処理として、各試験片に表３に示す熱処理を実施した。
【００３１】圧延材の縦断面の検鏡試料を作成し、各試料毎に最大長さ５μｍ以上の介在物２０個を任意に選び出し、画像解析により介在物の最大径Ｌと最小径Ｗを測定した。これより算出されるＬ／Ｗを表１、２中のＬ／Ｗとした。
【００３２】前述の各試料毎２０個の介在物で、光学顕微鏡を用いて観察した場合に黒色に見える内部の酸化物相当部と薄灰色に見える周辺の硫化物相当部それぞれについて、それらの組成をＥＰＭＡにて測定した。酸化物の測定値の中で最大のＣａＯ比率（百分率）を示した値を表１、２中のＣａＯ−Ｏとし、硫化物の測定値の中で最大のＣａ比率（百分率）を示した値を表１、２中のＣａ−Ｓとした。
【００３３】ドリル穴あけ加工性を評価するために、ハイスドリルを用いた寿命試験を実施した。切削条件を表４に示す。ドリルの破損に至るまでの加工終了穴数をもってドリル寿命とした。
【００３４】製造性として、鋳造性と圧延性を評価した。５ｔｏｎの溶鋼全量が２．５ｔｏｎインゴット２本に鋳造完了しなかった場合を製造性劣とした。更に鋳造完了した中でも、直径１００ｍｍの丸棒に圧延していく工程において、１０％以上の外観疵による不良が発生した場合を製造性やや劣とし、２０％以上の外観疵による不良が発生した場合を製造性劣とした。
【００３５】表２中の鋼については、圧延後の丸棒にて発汗試験を実施し、異常の認められたものについては、表６中に内部欠陥有りとした。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
【表３】
【００３９】
【表４】
【００４０】
【表５】
【００４１】
【表６】
【００４２】表１、表５よりＡの本発明鋼は少なくともドリル寿命が１４以上である。これに対して、ａ１はＣ成分が規定範囲を超えるため硬さ増加、靭性劣化によりドリル寿命は短い。ａ２はＭｎ成分が規定範囲より少ないため十分な量の硫化物が生成せずドリル寿命は短い。ａ３はＭｎ成分が規定範囲を超えるため硬さ増加によりドリル寿命は短い。ａ４，ａ５の場合ドリル寿命は開発鋼並みであるが、ａ４では過剰なＳにより機械的性質が大きく劣化するとともに鋳造時にはＣａＳの析出により長時間鋳造を続けるのが困難である。ａ５では鋳造時にはＡｌ２Ｏ３の析出により長時間鋳造を続けるのが困難である。ａ６からａ９についてはＡｌ、Ｃａ成分が規定範囲を外れるため、介在物中のＣａＯ、Ｃａ比率が小さくなってドリル寿命は短い。
【００４３】表１中のＢ、Ｃ、Ｄの発明鋼についてもＡ発明鋼とほぼ同様な結果であった。
【００４４】表６から明らかな様にＰｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅの各快削元素を添加する事によりドリル寿命は大幅に長くなる。しかし、ｅ１からｅ４の様に、規格範囲を超える過剰な添加は鋼の製造性を著しく悪化させる。
【００４５】
【発明の効果】以上の説明で明らかな様に本発明鋼は、機械的性質及び製造性の劣化を招くことなくドリル穴あけ加工性を大幅に向上させる事ができるものである。これにより、従来は機械的性質上の問題から被削性を犠牲にしてきた機械構造部品への適用が可能となり、産業上の利点が極めて大きい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３７１３
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）４月１６日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１０−２８７９５３ |
| 【公開日】 |
平成１０年（１９９８）１０月２７日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１３１５４３ |
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