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JP3385145B2 - 仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼及びその製造方法 - Google Patents
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JP3385145B2 - 仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼及びその製造方法 - Google Patents

仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は切削加工され各種の
自動車部品及び産業機械部品として使用される鋼材に関
し、特に仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼に係るもの
である。
【0002】
【従来の技術】鋼の被削性を向上させる方法には大別す
ると快削元素の添加と熱処理する方法とがある。快削元
素に関しては、硫黄、鉛、テルル及びカルシュウムなど
の元素を単独または複合添加した快削鋼が各種の自動車
部品及び産業機械部品に大量に使用されている。
【0003】特に、低炭素快削鋼について言えば、AI
SI12L14鋼、SUM22L,SUM23L,SU
M24L等がAISI及びJISに規格化されている。
これらにはマンガン硫化物及び鉛粒子が複合添加されて
いるために工具寿命、切り屑処理性に優れているところ
から汎用されている。しかし、マンガン硫化物が機械的
性質、耐油漏れ性にとって有害であり、またプランジ切
削時の仕上げ面粗さにも問題を残しており、これらの欠
点は快削元素である硫黄を使用するかぎり避けることが
できない。
【0004】次に、熱処理法に関しては、球状化焼鈍に
よりパーライトを球状セメンタイト+フェライト組織に
変えて硬さを低減する方法がある。炭素含有量が0.5
%を越える高炭素鋼の場合に球状化焼鈍が被削性改善に
とって有効であり工具鋼などに利用されている。しか
し、低炭素鋼の場合には、例えば、「鋼の熱処理」(日
本鉄鋼協会編、1988,P46、丸善(株)発行)に
紹介されているように球状化処理すると軟らかくなりす
ぎること、セメンタイトが不均一分散することの2点か
ら、かえって仕上げ面粗さを損なうために利用されてい
ない。この点を改善し、硫黄を使用しない低炭素快削鋼
の開発が期待される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、硫黄を使用
しないで熱処理法により、仕上げ面粗さの優れた低炭素
快削鋼を開発することを目的とする。そのために解決す
べき課題は微細球状セメンタイトをフェライト素地に均
一分散させるための鋼の化学成分と新しい熱処理法に関
する知見と手法を開発することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は課題を解決する
ためになされ、その要旨は次のとおりである。 (1)質量%で、C:0.05〜0.40%,Si:
0.15〜1.5%,Mn:0.3〜0.8%,P:
0.03〜0.08%,S≦0.025%,Al:0.
01〜0.04%,Pb:0.01〜0.05% を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、その
ミクロ組織は微細球状セメンタイトを均一分散したフェ
ライト素地からなることを特徴とする仕上げ面粗さの優
れた低炭素快削鋼。 (2)質量%で、C:0.05〜0.40%,Si:
0.15〜1.5%,Mn:0.3〜0.8%,P:
0.03〜0.08%,S≦0.025%,Al:0.
01〜0.04%,Pb:0.01〜0.05% を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼材
を、その熱間圧延ラインの後面に設置した水冷却装置に
より、冷却開始温度をAr3点以上、冷却終了温度をMs
点以下、平均冷却速度を30〜100℃/sとして冷却
後、さらに自然冷却し、次いで加熱温度670℃〜72
0℃で焼鈍することにより、微細球状セメンタイトを均
一分散したフェライト素地からなるミクロ組織とする
とを特徴とする仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼の製
造方法。
【0007】即ち、本発明者等は種々検討を重ねて、現
在提案されている球状化焼鈍した炭素鋼の仕上げ面粗さ
が不良となる原因をまず究明した。仕上げ面粗さを向上
させるためには1相組織またはそれに準じた組織が最良
で、フェライト+パーライトの2相組織になるとそれぞ
れの相の変形度の相違から界面で破断するため構成刃先
が生成して仕上げ面粗さが不良となることを見出した。
炭化物を微細均一分散させれば1相組織に準じた組織に
近ずき、フェライトと微細セメンタイト間では破断が生
じ難く従って構成刃先が生成し難くなるはずである。
【0008】ところが、現状の低炭素鋼の球状化焼鈍組
織はパーライト部のセメンタイトが溶解し球状化して、
フェライト+群落状微細セメンタイトになっている。切
削応力場では、微細セメンタイトの群落はパーライト組
織と同様の挙動をして、フェライトと群落との界面で破
断して構成刃先を生成する。そのために仕上げ面粗さが
劣化する。
【0009】セメンタイトを微細化、均一分散させるた
めには製造方法に関する新しい知見が必要である。本発
明者らは、熱間圧延直後の鋼材を、その熱間圧延ライン
の後面に設置した水冷却装置により、冷却開始温度をA
r3点以上、冷却終了温度をM S 点以下、平均冷却速度を
30〜100℃/sとして冷却後、さらに自然冷却し、
次いで加熱温度650℃〜720℃で球状化焼鈍するこ
とによりセメンタイトが微細均一分散することを見出し
た。これはマルテンサイト変態歪に加えて熱間圧延後の
急冷によりマルテンサイトに残留する圧延歪が付加され
るために、マルテンサイトが内包する歪の総量が増え、
その結果、セメンタイト発生箇所が増加したためと考え
られる。
【0010】この球状化焼鈍の際、セメンタイトが黒鉛
化すると黒鉛が構成刃先生成の原因となる。これを防止
するための方法としてPbが有効であることを新しく見
出した。この知見を応用することにより本発明をなし、
仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼を開発することに成
功した。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明項の限定理由を以下に説明
する。(1)項については、Cは強度を確保するために
下限値を0.05%とした。硬さが大きくなりすぎると
工具寿命が低下するので上限値を0.40%とした。
【0012】Siは鋼中の炭素原子との結合力が小さ
く、パーライトの板状セメンタイトの分解を促進する有
力な元素の1つであるために必須の元素である。パーラ
イトの板状セメンタイトの分解を促進するためにその下
限値は0.15%でなければならない。1.5%超にな
るとフェライト相に固溶するSi含有量の増加により硬
さが大きくなるために工具寿命が劣化するので、上限値
を1.5%に限定した。
【0013】Mnは、鋼中硫黄をMnSとして固定・分
散させるために必要な量及びマトリックスに固溶させて
強度を確保するために必要な量を加算した量が必要であ
り、その下限値は0.3%である。Mn量が大きくなる
とパーライトの板状セメンタイトの分解を著しく阻害す
るので上限値は0.8%とした。Pは、鋼中において粒
界に析出した燐化合物、フェライトに固溶したPとして
存在する。鋼の剪断強度を低下させて仕上げ面粗さを改
善する効果があるので、その下限値は0.03%、素地
の硬さが大きくなりすぎると工具寿命が低下するので、
その上限は0.08%である。
【0014】Sは、Mnと結合してMnS介在物として
存在する。鋼中MnS介在物の量が増えると工具とMn
S介在物とが接触する機会が増加し、MnS介在物が工
具すくい面上で塑性変形して被膜を形成する。その結
果、フェライトと工具との接触する機会が減少するため
に凝着は抑制され切削仕上げ面の性状は向上する。被削
性の観点からは多量添加したほうが良いが機械的性質、
耐油漏れ性を損なうので上限値は0.025%とした。
【0015】Alは、鋼中酸素を酸化物系介在物として
除去する。また、結晶粒度を調整するために、0.01
%以上の添加が必要である。脱酸の効果は0.040%
で飽和するので上限値を0.040%とした。Pbは、
メカニズムは明らかでないが、微量の添加で、黒鉛化を
抑制する作用がある。黒鉛の析出防止のために0.01
%以上必要である。0.05%を超えるとパーライトの
板状セメンタイトの分解が遅滞するので、上限値を0.
05%とした。
【0016】(2)項の発明の化学成分及び製造条件の
限定理由について述べる。C,Si,Mn,P,S,A
l,Pbについては(1)項と全く同じである。次に製
造条件について説明する。熱間仕上圧延した直後の鋼材
を、その熱延ラインの延長線上に設置した水冷却装置に
より強制冷却するのは、熱間圧延によって発生する圧延
歪をマルテンサイト変態歪に重畳させるためである。こ
れにより、セメンタイトの生成サイト数を多くし、セメ
ンタイトを微細化させる。マルテンサイト組織を得るた
めに鋼材表面で測定した冷却開始温度はAr3点以上、冷
却終了温度はMs 点以下でなければならない。平均冷却
速度の下限値を30℃/sとしたのは、マルテンサイト
変態組織を得るためと加工歪を残留させてセメンタイト
化を容易にするためであり、上限値を100℃/sとし
たのは、これ以上に急冷却してもマルテンサイト変態量
は増加しないためである。焼鈍温度の下限値を670℃
としたのは、セメンタイト化時間を短縮するためであ
る。上限値を720℃に限定したのはセメンタイトの成
長を防止するためである。
【0017】圧延直後に水冷する方法を採用することに
より、熱延後の赤熱状態の鋼材の熱エネルギーを焼入れ
に利用でき再加熱を必要としないので、結果として熱処
理コストの低減出来る利点がある。次に実施例により本
発明の効果をさらに具体的に示す。
【0018】
【実施例】本発明の棒鋼の実施例として、表1に化学成
分と製造条件を示す。本試験に使用した棒鋼の直径は2
5mmである。棒鋼は熱延ラインの延長線上に設置した冷
却装置により棒鋼表面の全面に単位面積当たり0.5ト
ン/m2 の冷却水を均一に散水することにより冷却し
た。冷却装置は長さ20mで、円周上に多数の冷却水を
供給するための孔を有するパイプで、棒鋼はパイプの中
心線上を通過する際に冷却される。温度は鋼材の表面を
光温度計により測定した。冷却平均速度は、冷却開始温
度と冷却終了温度との差を冷却時間で除すことにより求
めた。その後、自然冷却させ、さらにオフラインの焼鈍
炉で球状セメンタイトを微細析出させた。
【0019】
【表1】
【0020】切削試験方法は次の通りである。切削方
法:プランジ切削、切削条件:V=80m/min,f=
0.03mm/rev 、工具形状:突切タイプ、工具材種:
TiCNを被覆した超硬合金工具、潤滑油:71/min
である。仕上げ面粗さは触針式粗さ計により測定した。
工具寿命は、前逃げ面の摩耗幅が200μmになるまで
の切削時間と定義した。工具寿命指数は比較鋼の工具
寿命との比でもって表示した。
【0021】表2に群落状セメンタイトの有り、無し、
仕上げ面粗さおよび工具寿命測定結果を示す。群落状セ
メンタイトがない本発明の仕上げ面粗さが著しく優れて
いることが立証された。
【0022】
【表2】
【0023】
【発明の効果】以上の実施例からも明かなように本発明
によれば、仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼を提供す
ることが可能であり、産業上の効果は極めて顕著なもの
がある。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−264648(JP,A) 特開 平4−116125(JP,A) 特開 平6−279849(JP,A) 特開 平6−299240(JP,A) 特開 平6−212351(JP,A) 特開 平5−279793(JP,A) 特開 昭61−253343(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 6/00 C21D 8/00 - 8/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 質量%で、 C:0.05〜0.40%, Si:0.15〜1.5%, Mn:0.3〜0.8%, P:0.03〜0.08%, S≦0.025%, Al:0.01〜0.04%, Pb:0.01〜0.05%、 を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、その
    ミクロ組織は微細球状セメンタイトを均一分散したフェ
    ライト素地からなることを特徴とする仕上げ面粗さの優
    れた低炭素快削鋼。
  2. 【請求項2】 質量%で、 C:0.05〜0.40%, Si:0.15〜1.5%, Mn:0.3〜0.8%, P:0.03〜0.08%, S≦0.025%, Al:0.01〜0.04%, Pb:0.01〜0.05% を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼材
    を、その熱間圧延ラインの後面に設置した水冷却装置に
    より、冷却開始温度をAr3点以上、冷却終了温度をMs
    点以下、平均冷却速度を30〜100℃/sとして冷却
    後、さらに自然冷却し、次いで加熱温度670℃〜72
    0℃で焼鈍することにより、微細球状セメンタイトを均
    一分散したフェライト素地からなるミクロ組織とする
    とを特徴とする仕上げ面粗さの優れた低炭素快削鋼の製
    造方法。
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