技術 含硫黄快削鋼

0001

本発明は、ＪＩＳ規格のＳＵＭ鋼、ＳＡＥ規格の１１系鋼、１２系鋼が利用される、強度を余り必要としない部品の素材となる含硫黄快削鋼の改良に関する。

0002

ＳＵＭ鋼や１１系鋼等のＳ含有快削鋼は、圧延後引抜加工して、磨棒鋼として自動盤切削用に供される。このような従来の快削鋼は高速度鋼工具による被削性を向上するため鋼中にＳを添加した硫黄快削鋼が用いられていた。

0003

この硫黄快削鋼中のＳ含有量は多ければ多いほど被削性は良好になるが、反面、圧延、鍛造等の熱間加工時の赤熱脆性のため割れ等の不良品が多く発生する。その理由は高硫黄のため低融点のＦｅＳが結晶粒界に析出するためである。。そして高Ｓ鋼の場合、圧延方向に対し横方向の延性・絞り値が低下し、引抜時のトラブルが生ずるため一般的にはＳ含有量は０．３５％を上限とし、多くても０．４０％止まりであった。

0004

更に、すぐれた被削性を有する快削鋼としてＳに加えてＰｂ、Ｔｅ、Ｂｉ等の重金属を含有する複合快削鋼が開発されたが、近年環境問題が重要視され、環境に悪影響を与えるこれら重金属を使用しない快削鋼で、しかも被削性が含重金属快削鋼に勝るとも劣らない鋼の開発が待たれていた。

0005

本発明は環境に悪影響を与える重金属の添加による被削性の向上を図らず、しかも製造上特に熱間加工時や、冷間引抜時に問題をおこすことのない被削性に優れた含硫黄快削鋼を提供することを目的とする。

0006

本発明は、質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２０％
Ｓｉ：０．３５％以下（０を含む）
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｐ：０．０１〜０．１５％
Ｓ：０．３５〜０．６５％
Ｏ：０．０１００〜０．０２５０％
Ｎ：０．０２０％以下
Ａｌ：０．００５％以下（０も含む）
Ｎｂ：０．０２〜０．２０％
を含有し、更に
Ｖ：０．０５〜０．５０％
Ｔｉ：０．０２〜０．２０％
の１種又は２種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなる化学成分の鋼中の非金属介在物の主たる硫化物系介在物の平均サイズが５０μｍ2以下であり、且つ、硫化物介在物が１ｍｍ2当り５００個乃至１０００個存在することを特徴とする高硫黄快削鋼である。

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即ち、本発明では、まず第一にＳ含有量を従来上限とされていた０．３５％を超える多量のＳを含有させる。その多量に含有させたＳによる熱間脆性等の悪影響が出ないようにするために、Ｍｎを多量に含有させてＦｅＳの析出を止めＭｎＳ系酸化物のみにする。

0008

また、良好な快削性を得るためにはこのＭｎＳ系酸化物と切削工具との接触する頻度が多いほど良いことを発見した。そのために、ＭｎＳ系硫化物の鋼中への析出は溶鋼の凝固時から始まるが、溶鋼温度において溶鋼中に析出しているＴｉＮや凝固の途中でγ鉄中に析出するＮｂＮ、ＶＮをＭｎＳ系硫化物の析出核として利用し微細化を図り析出個数を増し、かつ均等な分散を図ることが出来ることを見出した。

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その上、工具寿命を短くするα型Ａｌ2Ｏ3系介在物の存在を無くすため溶鋼の脱酸をＡｌによらずＳｉ−Ｍｎの共同脱酸をベースにし、しかもＳｉを０．３５％以下にすることにより、硬い珪酸系介在物も極力無くし、脱酸後の溶鋼の酸素レベルを０．０１〜０．０２５％に安定して保つため、脱酸補助剤としてのＮｂに加えＶ、Ｔｉの一種又は二種を添加する。それらの溶鋼への残留物もＭｎＳ系硫化物の析出核として利用することにより、ＭｎＳ系硫化物が微細、均等に分散析出させることが可能であることを見出した。ここでいう残留物には当然、Ｎｂなどの酸化物も含まれ、これらがＭｎＳ系介在物の析出核や複合介在物の形で接着剤としての役割を果たすことは十分に考えられる。

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しかも酸素レベルを０．０１〜０．０２５０％に保つことにより析出するＭｎＳ系硫化物の硬度も下がり、工具寿命の延長とアスペクト比（介在物の長さと径の比）を小さくして切屑破砕性が向上することを見出した。

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以上３つの発見が本発明の根幹をなすものであって、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅ等の重金属を含有しなくてもそれらを含有する鋼の機械加工性と同等ないし同等以上の含硫黄快削鋼を開発した。

0012

以下、本発明の含硫黄快削鋼において化学成分の含有率を限定する理由について説明する。

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Ｃ：０．０３〜０．２０％
Ｃが多い時は、引抜き割れ性を生じるのでＣの上限は０．２０％とする。また、Ｃが低い時は強度が低くなりすぎるので、Ｃの下限は０．０３％とする。

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Ｓｉ：０．３５％以下（０を含む）
ＳｉはＭｎと共同の脱酸剤として用いるが、過多に添加する時は鋼の硬度が上がり、その上脱酸生成物のけい素酸化物は硬く、工具寿命を劣化させるので、上限は０．３５％とした。好ましくは０．１０％添加し、Ｍｎとの共同脱酸を実行し、鋳造前の溶鋼のＯ含有量を０．０１〜０．０２５％に確実に保たせるため、後述のＮｂ並びにＶ、Ｔｉの１種又は２種を脱酸補助剤として用いる。

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Ｍｎ：０．３０〜２．００％
熱間脆性の原因となる低融点のＦｅＳの粒界析出を防ぐため、Ｍｎを添加し安定なＭｎＳを析出させる。この効果を有効に得るために０．３０〜２．０％の範囲で添加することが必要である。

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Ｐ：０．０１〜０．１５％
鋼の切削仕上げ面を改善するため０．０１〜０．１５％の範囲で加える。この範囲以外では所期の目的を十分に達成することが出来ない。

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Ｓ：０．３５〜０．６５％
Ｓ含有量が高いほど被削性が良好となること及びＳ含有量が多くなると熱間加工性が低下することは知られている。そのため従来Ｓの上限は０．３５％としていた。本発明によるＮｂ並びにＶ、Ｔｉを脱酸補助剤とするＳｉ−Ｍｎの共同脱酸を実施すれば、Ｓの上限は０．６５％としてもなんら熱間加工性を損ねることはない。

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Ｏ：０．０１００〜０．０２５０％
溶鋼の脱炭精練末期の酸素量は約６００〜１２００ｐｐｍであるが、このような酸素レベルではリミングアクションにより連続鋳造が不可能となるので、普通Ａｌによる強制脱酸を行なうが、本発明ではＡｌによる脱酸を行なうと硬いα型Ａｌ2Ｏ3が脱酸生成物として生成し、それが原因で切削時に工具寿命を低下させるので、本発明ではＡｌによる脱酸は意図的に行なわない。さらにＳｉも好ましくは０．１０％添加にとどめＳｉ−Ｍｎ共同脱酸限である約２５０ｐｐｍより１００ｐｐｍの範囲に安定的にＯレベルを保つため補助的にＭｎと同程度の脱酸力をもつＮｂやＶ及び少量のＴｉを用いて脱酸する。

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Ｎ：０．０２０％以下
本発明の特色はＭｎ硫化物と鋼中におおよそ均等に分散析出させるため、析出核となる微細なＮｂＮ、ＶＮ、ＴｉＮをγ鉄中に析出させ、ＭｎＳをその各を中心に分散させようとするものである。そのためＮ含有率を最大０．０２０％必要とする。

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Ａｌ：０．００５％以下（０を含む）
前述したように、Ａｌによる強制脱酸は意図的に行なわないが、Ａｌは使用するＦｅＳｉ、ＦｅＮｂ、ＦｅＶ、ＦｅＴｉ中に若干含有し、それの溶鋼への添加に伴い微量Ａｌが鋼中に残留してしまう。したがって、その最大量を０．００５％と制限する。

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Ｎｂ：０．０２〜０．２０％
本発明の目的の一つは前述のようにＭｎＳの生成によってＦｅＳの析出を抑え、加工性と共に被削性を向上させる点にあるが、脱酸助剤としてのＮｂは溶鋼が凝固する途中でγ鉄中に脱酸生成物、窒化物並びに炭窒化物を析出し、これらがＭｎＳの析出核として有効に働き、硫化物介在物の微細化と共に析出個数を増し、かつ均等に分散して囲う性とひ削性を増大する。その量が０．０２％未満及び０．２０％を超えるとその効果が十分でない。

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Ｖ：０．０５〜０．５０％又は／及びＴｉ：０．０２〜０．２０％
前述したように、これらの元素はＳｉ−Ｍｎ共同脱酸の補助的役割を担わせ、溶鋼中の酸素量を１００〜２５０ｐｐｍの範囲に安定して保持し、溶鋼の凝固後のＭｎＳの形状を被削性に好影響を与える球形に近いものにし、且つ、上記Ｎｂと同じく、ＭｎＳの析出を鋼中におおよそ均等に分散させるため、γ鉄中に析出するＶの窒化物及び溶鋼中に析出するＴｉＮが有効に作用する。その量はそれぞれ下限未満並びに上限を超えると効果が十分でない。

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実施例並びに比較例
高周波誘導炉によって表１に示す組成の鋼を溶製し、２０ｋｇの鋼塊に鋳造した。

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前記鋼塊を直径４０ｍｍの丸棒に鍛伸し、供試材を作り、旋盤を使い旋削試験を行なった。試験条件を下記に示す。
供試材熱処理：焼準
工具：超硬チップＳＮＧＡ１２０４０４
切削速度 ：１００ｍ／分
切込み量：１ｍｍ
送り：０．０２、０．０５、０．１０、 ０．１５、 ０．２０ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：なし
評価項目：切屑の破砕性

0025

供試材の旋盤による加工時の旋削切屑破砕性の評価と横断面における硫化物系介在物の平均サイズ及び被検面積１ｍｍ2当りの個数を表２に示した。

0026

これらの結果から明らかなように、本発明の快削鋼は環境に有害な重金属を一切含有せず、従来の重金属含有快削鋼に勝るとも劣らない快削鋼を発明できた。被削性の評価は切屑の破砕性によって行なった。その破砕性の優劣の評価基準は図１に示す◎、○、△、×の４段階で評価した。本発明では表２に示すように、旋盤の各送り速度の全てにおいて◎であった。

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又、鋼中の硫化物の性状（平均サイズ、個数）を次の方法で調査した。被削性試験試料の延長である直径Ｄ：４０ｍｍの丸棒より鍛伸方向に対し横方向の断面すなわち横断面の表皮から直径の１／６（Ｄ／６）迄の箇所から顕微鏡試料を切り出し、４００倍の光学顕微鏡により硫化物系介在物の平均サイズ、個数を調査した。横断面での介在物の観察は介在物の大きさやその分布状態を容易に把握できる。

0028

本発明によれば、環境に悪影響を与える重金属の添加による被削性の向上を図ることなく、しかも製造上の問題を起こすことなく重金属添加の場合に勝るとも劣らない被削性を有する含硫黄快削鋼を提供する。

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図１本発明鋼による供試材の旋盤による加工時にできる切屑の破砕性の評価基準を示す写真である。