JP3581882B2

JP3581882B2 - 鉛フリー高強度快削鋼

Info

Publication number: JP3581882B2
Application number: JP2001189797A
Authority: JP
Inventors: 重男山本; 晋高森; 嘉昭大澤; 隆木村; 彰佐藤
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: JP2003003235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、快削鋼に関し、鉛快削鋼の代替材として、鉛を含まなくとも効率的に快削でき、機械構造用炭素鋼、低合金鋼、工具鋼、軸受鋼等に適用できる鉛フリー高強度快削鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術とその解決課題】
従来から、鉛快削鋼はその優れた被削性によって、自動車部品を始め機械部品として多用されてきた。しかし、鉛を含むことから、製造の際における環境汚染の問題や、リサイクル性の困難な点から製造中止の動きもある。一方、鉛快削鋼の快削能は高速度鋼工具との関連で発揮されてきた。このために現在の主流工具である超硬工具では十分な快削能が発揮し難くなっている。加えて、切削部の冷却および潤滑に用いる切削剤の廃液による環境汚染も深刻化しており、このようなことから、ドライ切削の研究が進められている。さらに、自動車部品に代表されるように、機械部品の軽量・小型化に対する要請が強く、このために高強度快削鋼の開発が進められている。
【０００３】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉛快削鋼の代替材として、工具摩耗、切屑処理性及び切削抵抗の観点から優れた快削鋼を得ることであり、また、リサイクルの容易さ、ドライ切削の可能な点から環境への配慮をもした、新しい鉛フリー高強度快削材を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記課題を解決するために、第１には、機械構造用鋼（Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５８Ｃ）、構造用合金鋼（低合金鋼ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ）、軸受鋼（ＳＵＪ）、炭素工具鋼（ＳＫ）、合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ、ＳＫＨ）のいずれかの溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整し、チタンを含む酸化物を鋼中に分散させた鋼で、重量比でチタン量0.005 から0.01%、マンガン量が0.3から1.0%、可溶性アルミニウム量、窒素量および酸素量を各々0.01%以下含有し、硬さがHV300〜450であることを特徴とする鉛フリー高強度快削鋼を提供する。
【０００５】
また、この出願の発明は、第２には、その使用法から、切削速度１０〜１２０ｍ／ｍｉｎで切削され、超硬工具の磨耗が抑制される特性を有している前記の鉛フリー高強度快削鋼も提供する。
【０００６】
さらにまた、この出願の発明は、第３には、溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整し、次いで焼入れ・焼戻し処理することを特徴とする前記の鉛フリー高強度快削鋼の製造方法をも提供する。
【０００７】
以下、この出願の発明について、さらに詳細に説明する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明による鉛フリー高強度快削鋼は、前記のとおりにチタン脱酸した鋼であって、溶鋼に対してチタンまたはチタン合金を添加することで脱酸調整されたものである。そして、この出願の発明の鉛フリー高強度快削鋼は、高強度鋼（ＨＶ３００〜４５０）であって、しかも優れた被削性を有している。チタン脱酸がこのような優れた特性の実現を可能としている。なお、この出願の発明におけるＨＶ３００〜４５０の高強度鋼は、引張り強さとしては、１０００〜１５００ＭＰａである。
【０００９】
チタン脱酸調整によって得られるこの発明の鉛フリー高強度快削鋼では、溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整することで、被削性を向上させるために必要なチタンを含む酸化物を鋼中に分散させた鋼である。このようなチタン脱酸調整の対象となる鋼については、被削性の向上が課題とされている高強度性の各種の鋼が考慮される。
【００１０】
たとえば、機械構造用鋼（Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５８Ｃ）、構造用合金鋼（低合金鋼ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ）、軸受鋼（ＳＵＪ）、炭素工具鋼（ＳＫ）、合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ、ＳＫＨ）等の鋼種である。
【００１１】
これらの鋼種を対象としてチタン脱酸調整されたこの発明の鉛フリー高強度快削鋼においては、その組成（組織）の特徴は、チタンを含有する酸化物が生成していることであり、そしてこの酸化物の融点が重要となることである。酸素、マンガン量の変化によってチタン系酸化物の組成が変化し、融点も異なることから、これらの組成範囲をチタン量が重量比で０．００５から０．０１％、マンガン量が０．３から１．０％とし、酸素量を０．０１％以下とする必要がある。これによって、たとえば、ＭｎＯ・ＴｉＯ_２・ＳｉＯ_２系の複合酸化物が主に生成する。一方、可溶性アルミニウムおよび窒素については、これが多すぎると、高融点の、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（融点１８５０℃）のような、Ａｌ_２Ｏ_３複合体や、さらに高融点のＴｉＮが生成し易くなり、アブレシブな作用で工具摩耗を増大させることから、チタンを酸化物中に保持するために、各個別に０．０１％以下に制限する必要がある。
【００１２】
また、酸素量も多すぎると複合酸化物が増大し、機械的な性質に悪影響を与えかねない。特に、熱間圧延方向に延伸し易い複合酸化物は鋼の異方性を増すことになる。このため、酸素量については前記のとおりとする。
【００１３】
チタン脱酸した鋼中には、チタンを含む低融点の酸化物が生成される。この酸化物は切削中に超硬工具に付着し堆積する。堆積物は切屑の擦過から工具を保護する作用もある。
【００１４】
一方、切削中に工具に加わる切削抵抗は、被削材の硬さがＨＶ３００〜４５０の範囲において極小値を示す。したがって、チタン脱酸した鋼の強度を切削抵抗が最小値を示す範囲とすることで、切削工具の摩耗および切削抵抗の観点から優れた被削性が得られる。さらに、チタン脱酸鋼は、切屑の処理性も良好である。一般に切削仕上げ面の粗さは工具形状を転写する。この発明の快削鋼では、工具摩耗の抑制が著しいことを特徴としており、仕上げ面粗さも良好である。
【００１５】
この発明の鉛フリー高強度快削鋼では、その製造、圧延、熱処理、切削加工の各工程において、鉛快削鋼の場合のように、環境汚染を生じることはない。また、リサイクルに際しても、チタン脱酸鋼中の酸化物はスラグと反応し易く、除去は容易である。鋼の機械的性質にしても、鉛の融点付近で認められたような鋼の脆化は生じない。
【００１６】
現在の切削加工工程において、加工可能な限界強度は引張強さ１０００Ｍｐａとされている。この発明の快削鋼はその強度が１０００から１５００Ｍｐａであり、限界を超えた強度であるにも拘わらず、工具に加わる切削抵抗は硬さＨＶ２００の球状化材の切削抵抗を若干下回る程度である。このために、現在の切削加工工程において使用可能な快削鋼である。しかも、切削剤を必要としないため、廃液による環境汚染が生じることもない。
【００１７】
以上のとおりのこの出願の発明の鉛フリー高強度快削鋼は、従来の鉛快削鋼の代替材として、機械構造用炭素鋼、低合金鋼、工具鋼、軸受鋼、さらには、自動車材料及び機械部品等の各種用途使用にも供することができ、機械部品の小型軽量化、イコール鋼の高強度化、快削鋼製造および使用時の汚染の減少、快削鋼のリサイクル性の促進を図ることもできる。
【００１８】
そして、この出願の発明の鉛フリー高強度快削鋼については、溶鋼中にチタンまたはチタン合金を投入して脱酸調整することにより製造される。対象とする鋼種により、適宜に必要に応じて焼入れ・焼戻し、さらには、必要であればその後の熱処理を行うことで所要の強度とすることができる。もちろん、これらの手段に限定はない。
【００１９】
そこで、以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【００２０】
【実施例】
実施例としての鉛フリー高強度快削鋼は、高周波炉で１００Ｋｇ溶製し、５０Ｋｇ鋼塊に分注の際にトリベ中でＴｉ脱酸することによって得た。この際、残りの溶鋼５０Ｋｇは比較材として用いるためにＡｌ脱酸した。なお、上記鋼の基本組成は、軸受鋼（ＳＵＪ２）であり、以下の説明においては、Ｔｉ脱酸鋼をＪＴの記号で表し、比較材として用いたＡｌ脱酸鋼の記号をＪＡとする。ＪＴおよびＪＡの化学組成（重量％）を表１に示した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
また、このＪＴおよびＪＡについて、表２の条件によって焼入れ・焼戻し、さらには球状化を行った。
【００２３】
【表２】

【００２４】
焼入・焼戻し材（ＱｕｅｎｃｈａｎｄＴｅｍｐｅｒｅｄ）をＪＡ−ｑおよびＪＴ−ｑとし、球状化材（Ｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚｅｄ）はＪＡ−ｓおよびＪＴ−ｓと記号化して区別する。焼入・焼戻し材：ＪＴ−ｑの硬さはＨＶ４１０であり、引張強さ１３００Ｍｐａ、伸び１２％、絞り４０％であった。
【００２５】
鉛フリー高強度快削鋼の被削性試験は旋盤を用いて行った。
図１には、切削部の幾何学的な２次元的模式図を示した。この模式図は、図１の右上の切削状態で示した鎖線部分を矢印⇒の方向から観察した拡大図である。被削材（１）は工具（２）によって切削されている状態を示す。工具（２）は、すくい面（２ａ）、逃げ面（２ｂ）を備える。切削条件のファクターとしては、切込深さ（Ｄｃ）、切削速度（Ｖ）、工具送り量（ｆ（ｔ_１））がある。そして切削部の、切屑剪断角（φ）、工具・切屑接触長さ（Ｌ）、すくい面摩耗深さ（Ｋ_Ｔ）、切屑厚さ（ｔ_２）及びフランク摩耗幅（Ｖ_Ｂ）を与えてある。切削後、被削材（１）に仕上げ面（１ａ）が形成される。
【００２６】
被削性試験として、工具逃げ面（２ｂ）に生ずるフランク摩耗幅（Ｖ_Ｂ）に及ぼす影響を中心として、切削抵抗（主分力（Ｆｃ）、送り分力（Ｆｓ）、背分力（Ｆｔ）およびこれらの合力（Ｒ））の測定、切屑形状の観察についても行った。
【００２７】
鉛フリー高強度快削鋼中には前記したようにＴｉ脱酸の際に生成した酸化物が分散している。代表的な酸化物はＭｎＯ・ＴｉＯ_２系、ＭｎＯ・ＴｉＯ_２・ＳｉＯ_２系であるが、さらに、ＴｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３・ＭｎＯ系などからなる複合酸化物であり、いずれも熱間圧延方向に延伸されている。
【００２８】
図２は、５００ｍ距離切削後のチタン脱酸鋼（ＪＴ−ｑ）とアルミニウム脱酸鋼（ＪＡ−ｑ）のそれぞれについて、工具すくい面の摩耗状態（上段）と逃げ面の摩耗状態（下段）を示している。図２（ａ）〜（ｄ）は、焼入・焼戻し材を、切込深さ（Ｄ_Ｃ）１．０ｍｍ、工具送り量（ｔ_１）０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で切削後の代表的な工具摩耗状態を示しているが、図２（ａ）及び（ｂ）は、Ａｌ脱酸鋼を切削速度４０および９０ｍ／ｍｉｎでそれぞれ５００ｍ距離切削後の工具すくい面（２ａ）と逃げ面（２ｂ）の状態を、図２（ｃ）および（ｄ）は、Ｔｉ脱酸鋼の状態を示している。Ｔｉ脱酸鋼のフランク摩擦幅（Ｖ_Ｂ）はＡｌ脱酸鋼のそれに比較して１／３〜１／５に抑制されていた。一方、工具―切屑接触長さ（Ｌ）はＪＴ−ｑ試料の場合、ＪＡ−ｑ試料より２５％〜３０％短縮されていた。特にＪＴ−ｑ試料を切削中には鋼中の複合酸化物が工具面に付着して堆積物（Ｂｅｌａｇ）を形成する。このような堆積物に原因してか、切削速度９０ｍ／ｍｉｎにおけるすくい面（２ａ）の摩耗深さ（Ｋ_Ｔ）は、ＪＡ−ｑ試料で最大１１８μｍ、ＪＴ−ｑ試料で最大３３μｍとなっている。すなわち、堆積物には切屑の擦過から工具面を保護する作用が認められた。しかし、切削速度が１０ｍ／ｍｉｎ以下あるいは１２０ｍ／ｍｉｎ以上では堆積物の形状は減少する。このために、この切削速度では工具摩耗の抑制効果も減少する。
【００２９】
図３は、切込深さ（Ｄ_Ｃ）１．０ｍｍ、工具送り量（ｔ_１）０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で切削したときの、工具逃げ面（２ｂ）のフランク摩擦幅（Ｖ_Ｂ）を切削速度（Ｖ）との関係で示した図である。全体的に見るとフランク摩擦幅Ｖ_Ｂは、切削速度および硬さの大きい焼入・焼戻し材の方が増している。焼入・焼戻したＪＴ−ｑ試料は、球状化材であるＪＡ−ｓ試料と比較した場合、高速切削域を除けば、近似した摩耗量を示している。
【００３０】
工具摩耗に及ぼすミクロ組織の影響としては、球状化材が最も優れているが、Ｔｉ脱酸鋼中の複合酸化物は、焼入・焼戻しした硬さＨＶ４００程度の被削材の工具摩耗を、球状化材の工具摩耗の水準にまで抑制していることが分かる。さらに、球状化材であるＪＴ−ｓ試料の工具摩耗はＪＡ−ｓ試料より高速切削で著しく抑制されている。
【００３１】
ＪＴ−ｑ試料を切削時の工具すくい面の堆積物（Ｂｅｌａｇ）の組成は、ＳｉＯ_２・ＭｎＯ・ＴｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系であり、鋼中の複合酸化物は工具面で混合されながら堆積物を形成した機構が考えられる。
【００３２】
次に、切削抵抗（Ｒ）および切屑剪断角（φ）について図４（ａ）（ｂ）に示した。
図４（ａ）の切削抵抗合力（Ｒ）は、球状化材（点線）に比較して、焼入・焼戻し材（実線）で減少傾向が認められる。その原因は生成する切屑厚さによる。図２（ｂ）に切屑剪断領域における剪断角（φ）について示した。球状化材は焼入・焼戻し材に比較して、剪断角（φ）が減少（切屑厚さは増大）している。球状化材は切屑剪断領域における単位面積当たりの変形応力は低下しているにも関わらず、剪断領域が拡張されているために切削工具に加わる抵抗値を増大させている。
【００３３】
図４に示すように、球状化材のような硬さが低い鋼の場合は、切削時に切屑が工具にへばり付き易く、切屑厚さを増すために切削抵抗が増大する。逆に大幅に硬さが高い鋼の切削の場合には、切屑が生成する領域での変形応力が大きく、このときも切削抵抗は一層増大するものであった。その結果、好ましい切削抵抗を得る観点から、鋼の硬さについて、硬さＨＶ３００〜４５０範囲の鋼が最適であり、この硬さ範囲の鋼において、優れた被削性を示すものであった。
【００３４】
切屑処理性は切削加工の無人化・自動化の観点から重要である。図５（ａ）（ｂ）に各切削速度域で生じた切屑形状を示した。処理性の良好な切屑は一巻以下で折断したものであるが、これに対してリボン状に連続して生成する切屑は、切削中に工具や被削材に巻き付き易く、処理性は最も劣る。Ｔｉ脱酸鋼は処理性の優れた切屑が生成しているが、Ａｌ脱酸鋼は連続したリボン状であり、人為的に切断して示した。Ｔｉ脱酸鋼の切屑中には複合酸化物が延伸された形で分布している部分があり、切屑が折断する際に、クラックの伝播に対してミシン目の役割を示すことが予想される。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この出願の発明によれば、鉛快削鋼の代替材として工具摩耗、切削処理性および切削抵抗の観点から優れた快削鋼を提供することができる。これによって、自動車を始め機械部品への実用化が見込まれる。
【００３６】
現有の切削加工工程における切削可能な被削材の強度域を大幅に拡張した快削鋼として提供することができ、この分野の技術水準の向上に寄与できる。これによって、高強度材の切削に、従来ならば必要とされる高剛性を備えた工作機械の導入を待たなくても加工が可能であり、高強度快削鋼として機械部品の軽量小型化の促進を図ることができる。
【００３７】
また、この出願の発明によれば、切削工程の一部を省略することも可能である。これまでの加工では、切削し易いミクロ組織に熱処理後、荒加工をした上で、最終熱処理後仕上げ加工を行う必要があるが、この出願の発明による快削鋼を用いる場合には、最終熱処理後に、切削仕上げ加工も可能となる。
【００３８】
さらにまた、この出願の発明によれば、鉛快削鋼に比較して、製造時および製品化の過程での汚染がなく、リサイクル性にも優れ、切削剤の廃液処理の問題も生じないため、実用化が容易である。この点、リサイクルの容易さ、ドライ切削が可能なことから、社会的な要請を反映した技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】旋盤切削の際の、切削部の幾何学的な２次元模式図である。
【図２】５００ｍ距離切削後のチタン脱酸鋼（ＪＴ−ｑ）とアルミニウム脱酸鋼（ＪＡ−ｑ）の工具すくい面と逃げ面の摩耗状態を示す図である。
【図３】工具逃げ面のフランク摩耗幅（Ｖ_Ｂ）に及ぼす切削速度およびミクロ組織の影響を示す図である。
【図４】切削抵抗（Ｒ）および切屑剪断角（φ）に及ぼす切削速度およびミクロ組織の影響を示す図である。
【図５】チタン脱酸鋼（ＪＴ）とアルミニウム脱酸鋼（ＪＡ）の切削処理性に及ぼすミクロ組織と切削速度の影響を示す図である。
【符号の説明】
１被削材
１ａ仕上げ面
１ｂ切削裏面
２工具
２ａ工具すくい面
２ｂ工具逃げ面
ＪＡ−ｑアルミニウム脱酸鋼の焼入・焼戻し材
ＪＴ−ｑチタン脱酸鋼の焼入・焼戻し材
ＪＡ−ｓアルミニウム脱酸鋼の球状化材
ＪＴ−ｓチタン脱酸鋼の球状化材

Claims

機械構造用鋼（Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５８Ｃ）、構造用合金鋼（低合金鋼ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ）、軸受鋼（ＳＵＪ）、炭素工具鋼（ＳＫ）、合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ、ＳＫＨ）のいずれかの溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整して、チタンを含む酸化物を鋼中に分散させた鋼であって、重量比でチタン量を0.005から0.01%、マンガン量を0.3から1.0%、可溶性アルミニウム量、窒素量および酸素量を各々0.01%以下含有し、硬さがHV300〜450であることを特徴とする鉛フリー高強度快削鋼。
切削速度10〜120m/minにおいて切削され、超硬工具の磨耗が抑制される特性を有していることを特徴とする請求項１の鉛フリー高強度快削鋼。
請求項１または２の鉛フリー高強度快削鋼の製造方法であって、溶鋼をチタンまたはチタン合金で脱酸調整し、次いで焼入れ・焼戻し処理することを特徴とする鉛フリー高強度快削鋼の製造方法。