JP4841105B2

JP4841105B2 - Free-cutting alloy material

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Publication number: JP4841105B2
Application number: JP2003072849A
Authority: JP
Inventors: 清仁石田; 勝成及川; 哲也清水; 道生岡部; 貴司江幡
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Tohoku Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Tohoku Steel Co Ltd
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: JP2004002972A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた快削性が必要とされる機器ないし部品の素材として利用するのに適する快削合金材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｉを含有する合金には、たとえば、オーステナイト含有ステンレス鋼や、パーマロイ、パーミンバー等に代表される（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁材料、及び（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱合金などがあげられ、その多肢にわたる特性から様々な機器ないし部品の素材として広く利用されているものが多い。したがって、これらの合金は通常切削加工を必要とする場合があるが、これらの合金においては、一般に被削性が悪いといった問題があった。そこで、生産性を向上するために、Ｓ、Ｐｂ、ＳｅあるいはＢｉなどの被削性向上元素を含有させ、被削性を向上させた合金が使用されている。また、精密な仕上加工が施される等、より良好な被削性が求められる場合には、上記被削性向上元素の含有量を増やすことが行われるとともに、上記の元素を単独ではなくて複合添加させて用いることも多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の快削合金材料は、その範囲に、（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁合金、及び（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱合金、あるいは、室温で熱膨張係数や弾性定数の温度変化が小さく精密機器部品等に使用されるインバー合金ないしエリンバー合金等を包含している。Ｎｉ系電磁合金には、Ｎｉを２０〜８０質量％含有したものが一般的に広く使用されており、例えば、パーマロイあるいはパーミンバーと呼ばれている合金がある。また、Ｎｉ系耐熱合金は、Ｎｉを４０〜８０質量％含有したものが広く使用されている。これらのＮｉ系合金は幅広い分野で使用可能であるが、これらの合金は難削性のものが多く、被削性の向上が望まれていた。
ここで、例えば被削性向上元素の一つである硫黄（Ｓ）は、ＭｎＳとして使用されることが多いが、多量に添加しすぎると、（Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ）Ｓ等の過剰な形成により熱間加工性あるいは冷間加工性が損なわれたり、合金としての優れた特性を阻害されたりする場合もあり、その用途は限定されることとなる。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、合金の特性を従来のものと遜色のないものにしつつ、被削性に優れた快削合金材料を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の快削合金材料は、
２０〜８２質量％のＮｉを含有し、
０．００２〜０．４質量％のＣを含有し、
０．０２５〜１．５質量％のＳを含有し、
１２質量％以下のＣｒを含有し、
１８質量％以下のＣｏを含有し、
さらに、ＴｉとＺｒとの少なくともいずれかを金属元素成分として含有し、その金属成分との結合成分として、必須成分としてのＣ及びＳと、さらにＳｅあるいはＴｅから選ばれる１種又は２種以上を少なくとも含有する（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物が組織中に形成されており、
Ｃの含有量をＷC（質量％）、Ｔｉの含有量をＷTi（質量％）、Ｚｒの含有量をＷZr（質量％）、Ｓの含有量をＷS（質量％）、Ｓｅの含有量をＷSe（質量％）、及びＴｅの含有量をＷTeとし、
Ｘ（質量％）＝ＷTi＋０．５２ＷZr
Ｙ（質量％）＝ＷS＋０．４１ＷSe＋０．２５ＷTeとして、
０．０３≦Ｘ≦１．５８８を満たすＴｉ及びＺｒのうち少なくともいずれかを含有し、
０．０２５≦Ｙ≦０．５Ｘを満たすＳとＳｅ及びＴｅから選ばれる１種又は２種以上を含有し、
０．２Ｙ≦ＷC≦０．３を満足するＣを含有し、
さらに、１質量％以下のＳｉ、１質量％以下のＭｎ、１質量％以下のＡｌから選ばれる１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【０００６】
本発明者等は、電磁材料及び／又は耐熱材料（例えば固溶強化型のＮｉ基あるいはＦｅ基耐熱合金）として用いられる（Ｆｅ、Ｎｉ）系合金において、（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物（例えば、（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２で表される化合物）を合金組織中に形成させることにより、その合金の被削性が向上することを見出した。さらに、この（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物の必須構成元素には、過剰な添加により、電磁材料及び／又は耐熱材料としての特性を劣化させる等の弊害を生じさせるものもあるが、（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物の必須構成元素の含有量に、ある一定の条件を付与させることにより、このような弊害も解消され、電磁材料及び／又は耐熱材料としての優れた特性を維持しつつ、被削性を向上させることができることを見出した。つまり、
Ｔｉの含有量をＷTi（質量％）、Ｚｒの含有量をＷZr（質量％）、Ｃの含有量をＷC（質量％）、Ｓの含有量をＷS（質量％）、Ｓｅの含有量をＷSe（質量％）、及びＴｅの含有量をＷTeとし、
Ｘ（質量％）＝ＷTi＋０．５２ＷZr（以下、式（１）とする）
Ｙ（質量％）＝ＷS＋０．４１ＷSe＋０．２５ＷTe（以下、式（２）とする）として、
０．０３≦Ｘ≦１．５８８（以下、条件式（１）という）を満たすＴｉ及びＺｒのうち少なくともいずれかを含有し、
０．０２５≦Ｙ≦０．５Ｘ（以下、条件式（２）という）を満たすＳとＳｅ及びＴｅから選ばれる１種又は２種以上を含有し、
０．２Ｙ≦ＷC≦０．３（以下、条件式（３）という）を満足するＣを含有する本発明の快削合金材料は、電磁材料及び／又は耐熱材料としての優れた特性を劣化させることなく、被削性及び熱間加工性に優れている。
【０００７】
上記のような組成範囲のＣ、Ｔｉ及び／又はＺｒ、またＳ、Ｓｅ及びＴｅから選ばれる１種又は２種以上を含有させることにより、合金組織中に（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物を形成することが可能であり、このような化合物の形成により合金の被削性を向上させることができる。また、このような化合物の形成は、ＭｎＳあるいは（Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ）Ｓ等の耐食性や熱間加工性の劣化を招き易い化合物の形成を防止または抑制することができ、ひいては、耐食性及び熱間加工性あるいは冷間加工性を良好なものに維持することができる。また、これら（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物が形成されても、（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁材料、及び（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱合金等としての他の特性も従来のものと遜色がなく、これらの特性にほとんど影響を与えることなく被削性を向上させることが可能となる。
【０００８】
ここで、上記パラメータＸは先にも述べた通り、ＺｒとＴｉの合計原子数を反映した組成パラメータであり、パラメータＹは、式（１）のパラメータＸと同様にＳ、Ｓｅ、及びＴｅの合計原子数を反映した組成パラメータである。つまり上記被削性向上効果は、含有させる成分の合計質量ではなく合計原子数（あるいはｍｏｌ数）に応じて定まる。ＳとＳｅとＴｅとの、単位重量当りの原子数の比は略１：０．４１：０．２５であるから、原子番号の小さい順に（つまり、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの順番）に、同一の含有量（質量％）が与える被削性向上の効果も大きくなる。
【０００９】
さらに本発明の快削合金材料において形成される（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物は、合金組織中に分散形成することができる。特に、該化合物を合金組織中に微細に分散させることにより、合金の被削性をさらに高めることができる。該効果を高めるためには、合金材料の研磨断面組織において観察される（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物の寸法（観察される化合物粒子の外形線に位置を変えながら外接平行線を引いたときの、その外接平行線の最大間隔にて表す）の平均値は例えば、０．１〜１０μｍ程度であるのがよく、また、その組織中の面積率は０．１〜３％程度であるのがよい。
【００１０】
上記（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物は、組成式（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２にて表される化合物（以下、炭硫／セレン／テルル化物ともいう）をすくなくとも含有するものとすることができる。この化合物において、Ｔｉ及びＺｒは、いずれか一方のものが含有されていても、双方とも含有されていてもいずれでもよい。また、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅについても、いずれか一種のみが含有されていても、２種以上含有されていてもいずれでもよい。
【００１１】
なお、合金中の（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物の同定は、Ｘ線回折（例えば、ディフラクトメータ法）や電子線プローブ微少分析（ＥＰＭＡ）法により行うことができる。例えば、（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２の化合物にて存在しているか否かは、Ｘ線ディフラクトメータ法による測定プロファイルに、対応する化合物のピークが現れるか否かにより確認することができる。また、組織中における該化合物の形成領域は、合金材料の断面組織に対してＥＰＭＡによる面分析を行い、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅあるいはＣの特性Ｘ線強度の二次元マッピング結果を比較することにより特定できる。
【００１２】
以下、各パラメータの条件範囲、及び各成分の含有条件について説明する。
（１）Ｎｉ：２０〜８２質量％：
本発明の快削合金材料は、（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁合金、（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱合金等を包含している。したがって、Ｎｉは本発明の快削合金材料において必須の成分である。また、（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁合金及び（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱合金は、Ｎｉの含有量が２０〜８２質量％の範囲のものが広く使用されており、この成分範囲の合金が特に、被削性の向上を要求されているため、この範囲に制限した。
また、Ｎｉの含有量が８２質量％を超える合金は、被削性に元来優れており、被削性向上効果を付与する必要性がなく、本発明の課題の範囲外となるため除外した。なお、本明細書において、「主に」（「主成分」あるいは「主体」も同義）とは、対象となる組織中において、その成分の含有量（質量％）が最も多いことを意味する。
【００１３】
（２）Ｃ：０．００２〜０．４質量％：
Ｃは被削性を向上させるためには必須の元素である。Ｃが含有されることによって、例えば（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２で表される炭硫化物、炭セレン化物あるいは炭テルル化物等が形成され、そのために被削性が向上すると考えられる。ただし、含有量が０．００２質量％未満では被削性向上に有効な上記（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物が十分に形成されず、十分な被削性付与効果が得られない。また、０．４質量％を超えると、被削性向上に対し効果的でない単体の炭化物が多量に生成することにより、逆に被削性が劣化することになる。なお、（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物など、被削性を向上させる化合物の構成元素の量に応じて、Ｃの添加量は被削性向上の効果が最良の状態で得られるように適宜調節するのがよい。また、上記（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物に構成元素として含有されなかった残余のＣは合金組織中に固溶し、合金の硬さを向上させる効果を付与する場合もある。
【００１４】
（３）Ｔｉの含有量をＷTi（質量％）、Ｚｒの含有量をＷZr（質量％）として、ＷTi＋０．５２ＷZrは０．０３〜３．５質量％とすることが考えられる。
ＴｉとＺｒとは、本発明の快削合金材料において被削性向上効果の中心的な役割を果たす（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物を形成するのに必須の構成元素である。上記ＷTi＋０．５２ＷZrが０．０３質量％未満では（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物の形成量が不充分となり、十分な被削性向上効果が見込めなくなる。他方、ＷTi＋０．５２ＷZrが過剰となる場合も、逆に被削性が低下することになる。そのため、ＷTi＋０．５２ＷZrは３．５質量％以下に抑える必要がある。Ｔｉ及びＺｒを合金中に含有させたときの上記効果は、おおむねＴｉ及びＺｒの種別に関係なく、含有させた合計の原子数（あるいはｍｏｌ数）に応じて定まる。ＺｒとＴｉの原子量の比は略１：０．５２であるから、原子量の小さいチタンのほうが少ない質量にてより大きな効果を発揮できる。ＷTi＋０．５２ＷZrはＺｒとＴｉの合計原子数を反映した組成パラメータであるといえる。
【００１５】
（４）０．０２５〜１．５質量％のＳに加えて、さらに０．０１〜４．５質量％のＳｅと、０.００５〜６質量％のＴｅとから選ばれる１種又は２種以上：
Ｓ、Ｓｅ及びＴｅは被削性を向上させるのに有効な元素である。Ｓ、Ｓｅ及びＴｅを含有させることで、被削性向上に効果のある化合物（例えば、組成式（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２で表される（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物等）が合金組織中に形成される。したがって、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの含有量はそれぞれ、Ｓ及びＳｅにおいてはその効果が明瞭となる０．０１質量％を下限とし、一方、Ｔｅについては、０．００５％を下限値とする。また、過剰に添加されすぎると、一般的に、熱間加工性を劣化させるという問題が発生する場合もあるため、その上限値を規定する必要がある。そこで、Ｓは１．５質量％、Ｓｅは４．５質量％、及びＴｅは６質量％を上限値として設定するのがよい。また、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅはいずれも被削性を向上させる例えば上述の（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物を構成するのに必要十分な量を添加するのが望ましく、この観点においてＳ、Ｓｅ及びＴｅの合計含有量（質量％）をＣの含有量（質量％）の２倍以上に設定するのが望ましい。
【００１６】
（５）０．０３≦Ｘ≦１．５８８（質量％）（以下、条件式（１）という）を満たすＴｉ及びＺｒのうち少なくともいずれかを含有する；
Ｔｉ及びＺｒは、ＣとＳ、Ｓｅ及びＴｅとともに上記範囲で添加することにより、（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物、例えば、主に（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２及び／又は更に少量の（Ｔｉ、Ｚｒ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）を形成するので被削性の向上に有効である。さらに、（Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ）Ｓ、特にＮｉＳの形成を抑制するので、熱間加工時の割れ発生防止にも有効であり、熱膨張特性、弾性定数、磁気特性、あるいは高温強度等の（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁合金ないし（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱合金としての優れた特性を維持することができる。被削性を向上させる効果を得るためには、Ｘの組成パラメータで０．０３質量％以上含有させる必要があるが、Ｘが３質量％を超える場合は特殊な精錬方法が必要となり生産性が悪化するため好ましくない。そのため、パラメータＸの範囲は０．０３〜１．５８８質量％に設定するのがよい。またＴｉ及びＺｒは、条件式（１）を満たす範囲であれば、どちらか一方のみ含有していても、両方の元素が含有していてもどちらでもよい。
【００１７】
（６）０．０２５≦Ｙ≦０．５Ｘ（以下、条件式（２）という）を満たすＳとＳｅ及びＴｅから選ばれる１種又は２種以上を含有する；
Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅは前述の（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物の形成には必須の構成元素である。したがって被削性を向上させるためには必須の成分であり、パラメータＹにて０．０１質量％以上含有していることが必要となる。しかしながら、これらの元素は過剰に添加されると、被削性に効果的でない化合物を形成したり、合金の特性を劣化させたりする。そこで、パラメータＹとＸの関係が上記条件式（２）の内容を満たすとき、つまり、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの合計原子数に対応したパラメータであるＹが、Ｔｉ及びＺｒの合計原子数に対応するパラメータＸの半分以下であるとき、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅの１種及び２種以上の元素の添加量が過剰とならず適量範囲内のものとなるので、被削性に効果的でない化合物の形成、及び合金の特性劣化を防止あるいは抑制することが可能となる。なお、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅは条件式（２）を満足する範囲であれば１種のみ含有されていても、また２種以上含有されていてもどちらでもよい。
【００１８】
（７）０．２Ｙ≦ＷC≦０．３（以下、条件式（３）という）を満足するＣを含有する：
Ｃは、Ｔｉ及びＺｒと、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅと共存することにより、（Ｔｉ、Ｚｒ）系化合物を形成し、被削性向上のためには必須の元素である。また、熱間加工時の割れ発生防止にも有効に作用する。特にＣは、（Ｔｉ、Ｚｒ）（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）よりもより安定な（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２の形成を促進するため、より被削性を向上させるのに有効である。これらの効果を得るには条件式（３）を満たすだけのＣを含有する必要がある。つまり、パラメータＹ（Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅの合計原子数を反映したパラメータ）の０．２倍以上は最低でも含有させる必要がある。Ｃの含有量ＷCがＷC＜Ｙ／５であるときは、Ｃの含有量がすくなすぎるため、被削性向上効果が得られない。一方、Ｃの過剰な添加は、Ｎｉ系電磁合金及びＮｉ系耐熱合金の特性の劣化を招くため好ましくない。そのためＣの含有量ＷCの上限値は０．３質量％以下に制限するのがよい。０．３質量％を超えるとＮｉ系合金の特性の劣化が著しくなる。なお、Ｃの含有量は望ましくはＹ／４〜０．２質量％の範囲で設定するのがよく、より望ましくは、Ｙ／４〜Ｙ／２質量％の範囲で設定するのがよい。
【００１９】
本発明の快削合金材料は、その性質をより良好なものにするために、Ｓｉ：１質量％以下、Ｍｎ：１質量％以下、及びＡｌ：１質量％以下のうち１種又は２種以上を含有するとすることができる。以下、これらの成分の限定理由について説明する。
（８）Ｓｉ：１質量％以下
Ｓｉは脱酸材として効果的な元素であり、さらに硬度及び電気比抵抗の調整にも有効であるため、必要に応じて添加される。しかしながら、添加量が過剰となると固溶化熱処理後の硬さが高くなりすぎ、冷間加工性に不利になる。また、熱膨張特性、弾性定数、磁気特性、耐熱性（高温強度）等の特性を阻害する場合もある。したがって、上限を１質量％と制限する。冷間加工性を重視する場合は含有量を０．５質量％以下と設定するのがよい。
【００２０】
（９）Ｍｎ：１質量％以下
Ｍｎは脱酸材として効果的な元素であり、またＳやＳｅとの共存により被削性に優れた化合物を形成するため、被削性が特に重視される場合は必要に応じて添加される。より顕著な効果を得るためには、含有量を０．１質量％以上とすることが望ましい。一方、過剰に添加すると耐食性及び冷間加工性を劣化させたり、熱膨張特性、弾性定数、磁気特性、耐熱性（高温強度）等の特性を阻害したりする場合もある。したがって、含有量は１質量％以下に制限するのがよく、より望ましくは０．５質量％以下に制限するのがよい。
【００２１】
（１０）Ａｌ：１質量％以下
Ａｌは脱酸材として効果的な元素であり、さらに硬度、及び被抵抗の調整に有効であるため必要に応じて添加される。しかしながら、過剰に添加すると、熱膨張特性、弾性定数、磁気特性、あるいは耐熱性（高温強度）等の特性を阻害する場合もある。したがって、含有量を１質量％以下に制限する。
【００２２】
また、上記（Ｆｅ、Ｎｉ）系合金をベースとした快削合金材料は、７質量％以下のＭｏと７質量％以下のＣｕとの少なくともいずれかを含有させることができる。以下にこれらの元素の、含有範囲の限定理由を示す。
（１１）Ｍｏ：７質量％以下
Ｍｏは耐食性及び強度を向上させるのに効果的な元素である。これらの効果をより顕著に得たい場合は、０．２質量％以上含有させるのがよい。一方過剰に添加させると、熱間加工性を劣化させるだけではなく、コストの上昇にもつながり、さらに熱膨張特性、弾性定数、磁気特性、耐熱性（高温強度）等の特性を阻害する場合もある。したがって、Ｍｏの含有量を１質量％以下に制限するのがよく、より望ましくは、０．７質量％以下に制限するのがよい。
（１２）Ｃｕ：７質量％以下
Ｃｕは耐食性とくに還元性酸環境中での耐食性を向上させるのに有効であるほか、加工硬化能を低下させ成形性を向上させる。また、抗菌性についても熱処理等を施すことにより向上させることができることから必要に応じて添加してもよい。しかしながら、過剰に添加させると、熱間加工性が低下するため、７質量％以下の範囲で設定するのがよい。熱間加工性を特に重視する場合は４質量％以下に抑えるのがより望ましい。
【００２３】
また、本発明の快削合金材料は、１２質量％以下のＣｒを含有させることができ、また、１８質量％以下のＣｏを含有させることができる。例えば、３０〜４０Ｎｉ−Ｆｅ系合金は、自発磁化の減少に伴って体積が減るように磁気歪みが作用し、通常の熱膨張を打ち消すようになる。特に３６ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金は、一般にインバー合金といわれており、常温付近で熱膨張係数が非常に小さいため、実用上重要な応用を持っている。このような特性を利用して、上記合金は例えば、計器のバネ等の精密機械用材料に用いられることが多い。そして、このような合金に、さらにＣｒ、あるいはＣｏを添加することにより、熱膨張係数及び弾性定数を効果的に制御することが可能となり、用途にあった望みの特性を得ることができる。Ｃｒはどちらかといえば弾性定数の制御により効果的であり、Ｃｏは熱膨張係数の制御により効果的であるといえるが、これに限られるものではない。なお、Ｃｒ及びＣｏを上記範囲を超えて過剰に添加すると、（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２Ｃ_２の形成に関与するＴｉ、Ｚｒ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＣの組成条件の変化が大きくなるため好ましくない。したがって、Ｃｒの上限値を１２質量％以下、Ｃｏの上限値を１８質量％以下に制限するのがよい。
【００２４】
高透磁率材料として一般的に使用されているパーマロイ、あるいは恒透磁率材料として使用されるパーミンバー、あるいはインバーに代表されるインバー特性に優れた合金などの機能材料、さらに固溶強化型耐熱材料において、本発明の適用可能な具体的な材質を以下に例示する（いずれも商品名）。なお、合金組成については、ステンレス鋼の場合と同様、主成分をなすＦｅあるいはＮｉの一部を、本発明で規定した組成範囲の被削性向上に効果のある元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓ、Ｓｅ、Ｃ等）にて置換含有させた材質を意味するものとする。従って、商品名を援用してはいるが、いずれも、商品規格に規定された組成の合金をベースとした本発明特有の合金を意味するものである（なお、本来の各商品の合金組成は、文献（改訂３版金属データブック（丸善）；ｐ２２３）に記載されているので、詳細な説明は行わない）。
1)高透磁率材料：78-Permalloy、45-Permalloy、Hipernik、Monimax、Sinimax、Radiometal、1040 Alloy、Mumetal、Cr-Permalloy、Mo-Permalloy、Supermalloy、Hardperm、36-Permalloy、Deltamax。
2)恒透磁率合金：25-45 Perminvar、7-70 Perminvar、7-25-45 Perminvar、Isoperm、Senperm。
3)インバー型合金：インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー、ノビナイト合金、ＬＥＸ合金。
4)エリンバー型合金：Elinvar、EL-1、EL-3、Iso-elastic、Metelinvar、Elinvar Extra、Ni-Span C-902、Y Nic、Vibralloy、Nivarox CT、Durinval I、Co-Elinvar、Elcoloy IV。
5)Ｆｅ基超耐熱合金： Haynes 556、Incoloy 802、S-590、16-25-6、20-CB3。
6)Ｎｉ基超耐熱合金：Hastelloy -C22、Hastelloy -C276、Hastelloy-G30、Hastelloy X、Inconel 600、KSN。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
（実施例１）
（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁材料、及び（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱材料として用いられるＮｉ系合金にて構成される本発明の快削合金材料を以下の通り作製し、各試験に供した。まず、表１、表２、及び表３に示す種々の成分組成になる供試合金を、Ａｒ気流中で７ｋｇ誘導溶解し、直径８０ｍｍのインゴットを作製した。次に各インゴットを９５０〜１１００℃で熱間鍛造して直径２４ｍｍの丸棒としたのち、直径２３ｍｍまで切削後、直径２２ｍｍまで冷間圧延し供試合金とした。本実施例においては、（Ｆｅ、Ｎｉ）系電磁材料、及び（Ｆｅ、Ｎｉ）系耐熱材料として用いられるＮｉ系合金であって、前述の式（１）、及び式（２）において規定されたパラメータＸ、及びＹが条件式（１）、（２）、及び（３）を満足する発明合金を特に選択発明合金とする。
【００２６】
また、各介在物の同定方法は、以下のようにして行っている。すなわち、各丸棒から適量の試験片を取り出して、これをテトラメチルアンモニウムクロライドと１０％のアセチルアセトンを含むメタノール溶液を電解質として用いることにより、金属マトリックス部分を電解する。そして、溶解後の電解液をろ過することにより、鋼中に含有されていた不溶の化合物を抽出して乾燥後、これをＥＤＸにて分析し、その回折プロファイルの出現ピークから化合物の特定を行う。なお、鋼組織中の化合物粒子の組成は別途ＥＤＸにより分析を行っており、その二次元マッピングから、ＥＤＸ分析にて観察された化合物に対応する組成の化合物が形成されていることを確認している。
【００２７】
本発明鋼の主な介在物は（Ｔｉ、Ｚｒ）_４（Ｓ、Ｓｅ）_２Ｃ_２であったが、（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｓ、及び（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｓ_３等の介在物も一部認められた。また、Ｍｎ含有量が高いＮｏ．２、１４、１９、２９、３６、３９、４９、５５などには、（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｓが僅かではあるが認められた。また、発明合金Ｎｏ．３０の光学顕微鏡観察画像を図１にそれぞれ示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
【表３】
【００３１】
かくして得られたＮｉ系合金の熱間加工性及び被削性の評価を行うとともに、磁気特性、熱膨張係数、弾性定数のうちそれぞれのＮｉ合金に求められている特性について評価した。それぞれの評価方法は次の通りである。
１．熱間加工性試験：熱間加工性の評価は、熱間鍛造時に、割れなどの欠陥が発生したか否かを目視観察によって評価した。「○」は熱間鍛造加工によって実質的に欠陥が発生しなかったことを、「×」は熱間鍛造加工によって大きな割れが確認されたこと、「△」は、熱間鍛造加工によってグラインダーで削れるほどの軽微な傷が存在していることをそれぞれ示している。ここで、前述にて定義したパラメータＸ及びＹの範囲と、熱間加工性の評価結果の関係を図２に示す。
【００３２】
２．被削性評価：被削性評価は、直径５ｍｍのＳＫＨ５１ドリルを用い、回転数９１５ｒｐｍでドリル刃先に４１５Ｎを負荷し、鋼種に穿孔加工を施したとき、深さ１０ｍｍを穿孔するのに要する時間（秒）で評価した。パラメータＹ（質量％）と穿孔時間の関係を図３に示す。
【００３３】
３．磁気特性：磁気特性は、外径１０ｍｍ、内径４．５ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング試料を作製し、１０００℃で焼鈍後、Ｂ−Ｈループトレーサーで、１Ｏｅの磁場中での磁束密度Ｂ１（Ｔ）、５Ｏｅの磁場中での磁束密度Ｂ５（Ｔ）、１０Ｏｅの磁場中での磁束密度Ｂ10（Ｔ）、最大透磁率μｍ、及び直流保磁力Ｈｃ（Ａ／ｃｍ）等の直流磁気特性をそれぞれ測定した。
【００３４】
４．熱膨張係数、ヤング率の温度係数評価：熱膨張係数の評価は、直系５ｍｍ、高さ５０ｍｍの柱状試料を作製し、８３０℃で焼鈍後０〜８０℃の温度範囲にて測定した。また、ヤング率の温度係数の測定は、直系５ｍｍ、高さ５０ｍｍの柱状試料を作製し、１０００℃で溶体化後急冷処理し、その後、５８０〜５９０℃で時効熱処理することによって合金試料を作製した。その合金試料を用いて、自由共振弾性率測定器により２０〜１００℃でのヤング率を測定し、その温度係数を求めた。以上の結果を表４、及び表５に示す。
【００３５】
【表４】
【００３６】
【表５】
【００３７】
図２では、熱間加工性評価は、○、△、及び×プロットでそれぞれ示している。直線１は条件式（２）の境界線（Ｙ＝０．５Ｘ）であり、直線２は条件式（３）の境界線（０．２Ｙ＝ＷC）である。従来Ｎｉの含有量が多い場合、合金に快削元素としてＳを添加すると熱間加工性が極めて悪くなると見られてきた。しかしながら、表１、表２、及び表３に記載された成分値の選択発明合金Ｎｏ．１〜２０、及び発明合金のＮｏ．７１〜７５と比較例Ｎｏ．６６〜７０から、選択発明合金と比較合金、及び発明合金とを比較すれば、各１％以下の添加元素Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｏの含有量の大小に関わらず、条件式（１）、（２）、及び（３）を満足する選択発明合金は、比較合金、及び本発明合金に比べて熱間加工性が良好であることが判る。この条件では、硫化物系の介在物のうち、特に安定な炭硫化物系（Ｔｉ、Ｚｒ）_４Ｃ_２（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）_２の介在物の割合が多くなることにより、熱間加工割れの原因となる（Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ）Ｓの形成が制御されるためと考えられる。この事は、実際に介在物の成分分析により確認されている。つまり、本発明合金において被削性の向上がみられ、さらに選択発明合金においては、被削性とともに熱間加工性も向上していることがわかる。
【００３８】
表４、及び表５を見れば、パーマロイＢをベース組成とする選択発明合金Ｎｏ．９〜１２の磁気特性は、比較合金Ｎｏ．６０に示したパーマロイＢ合金の特性値と比較して殆ど劣化していないが、被削性は大幅に向上していることがわかる。インバー合金類似の比較合金Ｎｏ．５９の低膨張材をベース組成とする選択発明合金Ｎｏ．５〜８の熱膨張係数もほとんど劣化していないが、被削性は大幅に向上している。すなわち、条件式（１）〜（３）を満たすようにＴｉ、Ｚｒ、及びＳ、Ｓｅ、Ｔｅを添加した本発明の選択発明合金は熱間加工性を低下させることなく、しかもベースの合金の機能特性も殆ど劣化することがない。
【００３９】
選択発明合金Ｎｏ．１７〜２６では、１２質量％を上限としてＣｒを添加しても、被削性向上効果を得ることが出来ることが判る。例えば、室温付近で弾性特性がほぼ一定な恒弾性合金である比較合金Ｎｏ．６１を、ベース組成とする選択発明合金Ｎｏ．２０〜２３は、熱間加工性が良好であるとともに被削性が大幅に向上しているが、ヤング率の温度係数も殆ど影響を受けておらず、恒弾性合金とし好適に使用することができる。
【００４０】
選択発明合金２７〜３６では、１８％を上限として、Ｃｏを添加した場合も、良好な熱間加工性、及び被削性向上効果が得られることがわかる。比較合金６２のガラス封着剤をベース組成とする選択発明合金Ｎｏ．３０〜３３の熱膨張係数も殆ど影響を受けずに、被削性が大幅に向上している。このようにＣｏを１８％以下の範囲で添加しても、本発明の効果は変わらず、被削性の優れたインバー合金として好適に使用することができる。また、Ｃｒ、及びＣｏを含有させる効果は、これらの元素を同時に含有させても得ることができる。
【００４１】
また、図３は、実施例１における合金のドリル穿孔時間をＹ（質量％）に対してプロットしたものである。同図に見られるようにＹが０．０１質量％未満になると、穿孔時間の増加が大きくなる傾向が認められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における選択発明鋼Ｎｏ．３０の光学顕微鏡観察画像を示す図。
【図２】実施例１におけるパラメータＸ及びＹの範囲と、熱間加工性の評価結果の関係を示すグラフ。
【図３】実施例１における合金のドリル穿孔時間をＹ（質量％）に対してプロットしたグラフ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a free-cutting alloy material suitable for use as a material of equipment or parts that require excellent free-cutting properties.
[0002]
[Prior art]
  Examples of the alloy containing Ni include austenite-containing stainless steel, (Fe, Ni) -based electromagnetic materials represented by permalloy, permin bar, and the like, and (Fe, Ni) -based heat-resistant alloys. Many of them are widely used as materials for various devices and parts due to their wide range of characteristics. Therefore, these alloys usually require cutting, but these alloys generally have a problem of poor machinability. Therefore, in order to improve the productivity, an alloy which contains a machinability improving element such as S, Pb, Se or Bi and has improved machinability is used. In addition, when better machinability is required, such as when precise finishing is performed, the content of the machinability improving element is increased and the above element is not used alone. Often used in combination.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
  The free-cutting alloy material of the present invention includes (Fe, Ni) -based electromagnetic alloy and (Fe, Ni) -based heat-resistant alloy, or precision instrument parts with a small change in thermal expansion coefficient and elastic constant at room temperature. Invar alloy or Elinvar alloy used in the industry. Ni-based electromagnetic alloys containing 20 to 80% by mass of Ni are generally widely used. For example, there are alloys called permalloy or permin bar. Ni-based heat-resistant alloys are widely used that contain 40 to 80% by mass of Ni. These Ni-based alloys can be used in a wide range of fields, but these alloys are often difficult to cut, and improvement of machinability has been desired.
  here,For exampleSulfur (S), which is one of the machinability improving elements, is often used as MnS, but if added too much, hot working due to excessive formation of (Mn, Cr, Ni) S, etc. Or the cold workability may be impaired, or the excellent properties as an alloy may be hindered, and its use is limited.
[0004]
  Therefore,An object of the present invention is to provide a free-cutting alloy material excellent in machinability while making the characteristics of the alloy inferior to those of conventional ones.
[0005]
[Means for solving the problems and actions / effects]
  In order to solve the above problems, the free-cutting alloy material of the present invention is
  20 to 82% by mass of Ni,
  0.002 to 0.4% by mass of C,
  Containing 0.025 to 1.5 mass% S,
  Containing 12 mass% or less of Cr,
  Containing 18% by mass or less of Co,
  Further, it contains at least one of Ti and Zr as a metal element component, and as a binding component with the metal component, C and S as essential components, and one or more selected from Se or Te The (Ti, Zr) -based compound at least contained is formed in the structure,
  The content of C is WC (mass%), the content of Ti is WTi (mass%), the content of Zr is WZr (mass%), the content of S is WS (mass%), and the content of Se is WSe (Mass%) and Te content is WTe,
  X (mass%) = WTi + 0.52WZr
  Y (mass%) = WS + 0.41WSe + 0.25WTe
  Containing at least one of Ti and Zr satisfying 0.03 ≦ X ≦ 1.588,
  Containing one or more selected from S, Se and Te satisfying 0.025 ≦ Y ≦ 0.5X,
  Containing C satisfying 0.2Y ≦ WC ≦ 0.3,
  Further, it is characterized in that it contains one or two or more selected from Si of 1% by mass or less, Mn of 1% by mass or less, and Al of 1% by mass or less, with the balance being Fe and inevitable impurities.
[0006]
  In the (Fe, Ni) -based alloy used as an electromagnetic material and / or a heat-resistant material (for example, a solid solution strengthened Ni-based or Fe-based heat-resistant alloy), the present inventors have (Ti, Zr) -based compounds (for example, (Ti, Zr)₄(S, Se, Te)₂C₂It was found that the machinability of the alloy is improved by forming a compound represented by Furthermore, some of the essential constituent elements of this (Ti, Zr) -based compound may cause adverse effects such as deterioration of characteristics as an electromagnetic material and / or heat-resistant material due to excessive addition, but (Ti, Zr) ) By giving a certain condition to the content of the essential constituent elements of the system compound, such adverse effects are eliminated, and machinability is maintained while maintaining excellent characteristics as an electromagnetic material and / or heat-resistant material. It was found that can be improved. That means
  The Ti content is WTi (mass%), the Zr content is WZr (mass%), the C content is WC (mass%), the S content is WS (mass%), and the Se content is WSe. (Mass%) and Te content is WTe,
  X (mass%) = WTi + 0.52WZr (hereinafter referred to as formula (1))
  Y (mass%) = WS + 0.41WSe + 0.25WTe (hereinafter referred to as formula (2))
  0.03≦ X ≦1.588Containing at least one of Ti and Zr satisfying (hereinafter referred to as conditional expression (1)),
  0.025Contains one or more selected from S, Se and Te satisfying ≦ Y ≦ 0.5X (hereinafter referred to as conditional expression (2)),
  The free-cutting alloy material of the present invention containing C that satisfies 0.2Y ≦ WC ≦ 0.3 (hereinafter referred to as conditional expression (3)) deteriorates the excellent characteristics as an electromagnetic material and / or a heat-resistant material. And excellent in machinability and hot workability.
[0007]
  By containing one or more selected from C, Ti and / or Zr in the composition range as described above, and S, Se and Te, a (Ti, Zr) -based compound is formed in the alloy structure. It is possible to improve the machinability of the alloy by forming such a compound. Further, the formation of such a compound can prevent or suppress the formation of a compound that tends to deteriorate the corrosion resistance and hot workability such as MnS or (Mn, Cr, Ni) S. Hot workability or cold workability can be maintained at a good level. Even if these (Ti, Zr) -based compounds are formed,, (Fe, Ni) -based electromagnetic materials, and other properties as (Fe, Ni) -based heat-resistant alloys are not inferior to conventional ones, and can improve machinability with almost no influence on these properties. It becomes possible.
[0008]
  Here, as described above, the parameter X is a composition parameter that reflects the total number of atoms of Zr and Ti, and the parameter Y is the same as the parameter X in the equation (1) of S, Se, and Te. The composition parameter reflects the total number of atoms. That is, the machinability improving effect is determined according to the total number of atoms (or the number of moles) rather than the total mass of the components to be contained. Since the ratio of the number of atoms per unit weight of S, Se, and Te is approximately 1: 0.41: 0.25, it is the same in ascending order of atomic numbers (that is, the order of S, Se, Te). The effect of improving the machinability given by the content (mass%) of is also increased.
[0009]
  Furthermore, the (Ti, Zr) -based compound formed in the free-cutting alloy material of the present invention can be dispersedly formed in the alloy structure. In particular, the machinability of the alloy can be further improved by finely dispersing the compound in the alloy structure. In order to enhance the effect, the size of the (Ti, Zr) -based compound observed in the polished cross-sectional structure of the alloy material (when a circumscribed parallel line is drawn while changing the position to the outer shape line of the observed compound particle, The average value of the maximum value of the circumscribed parallel lines is, for example, preferably about 0.1 to 10 μm, and the area ratio in the tissue is preferably about 0.1 to 3%. .
[0010]
  The (Ti, Zr) -based compound has a composition formula (Ti, Zr).₄(S, Se, Te)₂C₂The compound represented by the formula (hereinafter also referred to as carbonized / selenium / telluride) may be contained. In this compound, Ti and Zr may contain either one or both of them. Moreover, about S, Se, and Te, any one may be contained, or two or more may be contained.
[0011]
  The (Ti, Zr) -based compound in the alloy can be identified by X-ray diffraction (for example, diffractometer method) or electron probe microanalysis (EPMA) method. For example, (Ti, Zr)₄(S, Se, Te)₂C₂The presence or absence of the compound can be confirmed by whether or not the peak of the corresponding compound appears in the measurement profile by the X-ray diffractometer method. In addition, the compound formation region in the structure is subjected to surface analysis by EPMA on the cross-sectional structure of the alloy material, and the two-dimensional mapping results of the characteristic X-ray intensity of Ti, Zr, S, Se, Te or C are compared. Can be identified.
[0012]
  Hereinafter, the condition range of each parameter and the content condition of each component will be described.
(1)Ni: 20 to 82% by mass:
  The free-cutting alloy material of the present invention includes (Fe, Ni) based electromagnetic alloys, (Fe, Ni) based heat resistant alloys and the like. Therefore, Ni is an essential component in the free-cutting alloy material of the present invention. In addition, (Fe, Ni) -based electromagnetic alloys and (Fe, Ni) -based heat-resistant alloys are widely used in which the Ni content is in the range of 20 to 82% by mass. Since improvement of machinability is required, it was limited to this range.
Further, an alloy having a Ni content exceeding 82% by mass is excluded because it is originally excellent in machinability and does not require a machinability improving effect and falls outside the scope of the present invention. . In the present specification, “mainly” (“main component” or “subject” is also synonymous) means that the content (mass%) of the component is the largest in the target tissue.
[0013]
(2) C: 0.002 to 0.4 mass%:
  C is an essential element for improving machinability. By containing C, for example, (Ti, Zr)₄(S, Se, Te)₂C₂It is considered that a carbon sulfide, a carbon selenide, a carbon telluride or the like represented by the formula is formed, and therefore machinability is improved. However, if the content is less than 0.002% by mass, the (Ti, Zr) -based compound effective for improving the machinability is not sufficiently formed, and a sufficient machinability imparting effect cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 0.4 mass%, a large amount of a single carbide which is not effective for improving the machinability is produced, and the machinability is deteriorated. In addition, according to the amount of the constituent element of the compound that improves the machinability, such as a (Ti, Zr) -based compound, the addition amount of C is appropriately adjusted so that the machinability improvement effect is obtained in the best state. It is good. In addition, the residual C that is not contained as a constituent element in the (Ti, Zr) -based compound may be dissolved in the alloy structure to give an effect of improving the hardness of the alloy.
[0014]
(3) WTi + 0.52WZr where Ti content is WTi (mass%) and Zr content is WZr (mass%).Is0.03 to 3.5% by massIt can be considered.
  Ti and Zr are essential constituent elements for forming a (Ti, Zr) -based compound that plays a central role in the machinability improving effect in the free-cutting alloy material of the present invention. If the WTi + 0.52WZr is less than 0.03% by mass, the amount of (Ti, Zr) -based compound formed becomes insufficient, and a sufficient machinability improving effect cannot be expected. On the other hand, when WTi + 0.52WZr becomes excessive, the machinability is conversely lowered. Therefore, WTi + 0.52WZr needs to be suppressed to 3.5% by mass or less. The above-described effects when Ti and Zr are contained in the alloy are generally determined according to the total number of atoms (or the number of moles), regardless of the types of Ti and Zr. Since the ratio of the atomic weight of Zr and Ti is approximately 1: 0.52, a larger effect can be achieved with a smaller mass of titanium having a smaller atomic weight. WTi + 0.52WZr can be said to be a composition parameter reflecting the total number of atoms of Zr and Ti.
[0015]
(4)0.025~ 1.5 mass% SIn addition to0.01 to 4.5% by mass of Se and 0.005 to 6% by mass of TeWhenOne or more selected from:
  S, Se and Te are elements effective for improving machinability. Compounds containing S, Se, and Te that are effective in improving machinability (for example, composition formula (Ti, Zr)₄(S, Se, Te)₂C₂(Ti, Zr) -based compounds, etc.) are formed in the alloy structure. Therefore, the content of S, Se and Te is 0.01% by mass where the effect becomes clear in S and Se, respectively, while the lower limit for Te is 0.005%. Moreover, since it may generally cause a problem of deteriorating hot workability if it is added excessively, it is necessary to define an upper limit value. Therefore, it is preferable to set S as 1.5% by mass, Se as 4.5% by mass, and Te as 6% by mass as upper limit values. In addition, it is desirable that S, Se, and Te are added in an amount sufficient to constitute the above-described (Ti, Zr) -based compound that improves machinability. In this respect, S, Se, and Te are preferable. It is desirable to set the total content (mass%) of at least twice as much as the C content (mass%).
[0016]
(5)0.03≦ X ≦1.588Contains at least one of Ti and Zr satisfying (mass%) (hereinafter referred to as conditional expression (1));
  Ti and Zr are added in the above range together with C and S, Se and Te, so that (Ti, Zr) -based compounds, for example, mainly (Ti, Zr)₄(S, Se, Te)₂C₂In addition, since a smaller amount of (Ti, Zr) (S, Se, Te) is formed, it is effective in improving machinability. Furthermore, since the formation of (Mn, Cr, Ni) S, especially NiS is suppressed, it is also effective in preventing cracking during hot working, such as thermal expansion characteristics, elastic constants, magnetic characteristics, or high-temperature strength ( It is possible to maintain excellent characteristics as a Fe, Ni) -based electromagnetic alloy or a (Fe, Ni) -based heat-resistant alloy. In order to obtain the effect of improving machinability, the composition parameter of X is used.0.03Although it is necessary to contain it by mass% or more, when X exceeds 3 mass%, a special refining method is required and productivity is deteriorated, which is not preferable. Therefore, the range of parameter X is0.03 to 1.588Set to mass%No. Further, Ti and Zr may be contained either one or both elements as long as they satisfy the conditional expression (1).
[0017]
(6)0.025Contains one or more selected from S, Se and Te satisfying ≦ Y ≦ 0.5X (hereinafter referred to as conditional expression (2));
  S, Se, and Te are constituent elements essential for the formation of the above-described (Ti, Zr) -based compound. Therefore, it is an essential component for improving the machinability, and it is necessary to contain 0.01% by mass or more in the parameter Y. However, if these elements are added excessively, they form a compound that is not effective for machinability or deteriorate the properties of the alloy. Therefore, when the relationship between the parameters Y and X satisfies the condition (2), that is, the parameter Y corresponding to the total number of atoms of S, Se and Te corresponds to the total number of atoms of Ti and Zr. When the amount is less than half of the parameter X to be added, the addition amount of one or more elements of S, Se, and Te does not become excessive and falls within an appropriate amount range, so that the compound is not effective for machinability And the deterioration of the properties of the alloy can be prevented or suppressed. In addition, S, Se, and Te may be contained only one kind or two or more kinds as long as the conditional expression (2) is satisfied.
[0018]
(7)C that satisfies 0.2Y ≦ WC ≦ 0.3 (hereinafter referred to as conditional expression (3)) is contained:
  C coexists with Ti and Zr and S, Se and Te to form a (Ti, Zr) -based compound and is an essential element for improving machinability. It also works effectively to prevent cracking during hot working. In particular, C is more stable (Ti, Zr) than (Ti, Zr) (S, Se, Te).₄(S, Se, Te)₂C₂This is effective for improving the machinability. In order to obtain these effects, it is necessary to contain C that satisfies the conditional expression (3). That is, at least 0.2 times the parameter Y (a parameter reflecting the total number of atoms of S, Se, and Te) needs to be contained. When the C content WC is WC <Y / 5, since the C content is too short, the machinability improving effect cannot be obtained. On the other hand, excessive addition of C is not preferable because it deteriorates the characteristics of the Ni-based electromagnetic alloy and the Ni-based heat-resistant alloy. Therefore, the upper limit value of the C content WC is preferably limited to 0.3% by mass or less. If it exceeds 0.3% by mass, the characteristics of the Ni-based alloy will deteriorate significantly. The C content is desirably set in the range of Y / 4 to 0.2% by mass, and more desirably in the range of Y / 4 to Y / 2% by mass.
[0019]
  In order to make the properties of the free-cutting alloy material of the present invention better, one or more of Si: 1 mass% or less, Mn: 1 mass% or less, and Al: 1 mass% or less are used. Can be included. Hereinafter, the reasons for limiting these components will be described.
(8)Si: 1% by mass or less
  Si is an effective element as a deoxidizing material, and is also effective for adjusting the hardness and electrical resistivity, so is added as necessary. However, when the addition amount is excessive, the hardness after the solution heat treatment becomes too high, which is disadvantageous for cold workability. In addition, the thermal expansion characteristics, elastic constants, magnetic characteristics, heat resistance (high temperature strength), and other characteristics may be hindered. Therefore, the upper limit is limited to 1% by mass. When emphasizing cold workability, the content is preferably set to 0.5% by mass or less.
[0020]
(9)Mn: 1% by mass or less
  Mn is an element effective as a deoxidizing material, and forms a compound with excellent machinability by coexistence with S and Se. Therefore, when machinability is particularly important, it is added as necessary. . In order to obtain a more remarkable effect, the content is preferably 0.1% by mass or more. On the other hand, if added excessively, corrosion resistance and cold workability may be deteriorated, and characteristics such as thermal expansion characteristics, elastic constants, magnetic characteristics, heat resistance (high temperature strength) may be impaired. Therefore, the content is preferably limited to 1% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less.
[0021]
(10)Al: 1% by mass or less
  Al is an element effective as a deoxidizing material, and is further added as necessary because it is effective in adjusting hardness and resistance. However, excessive addition may impair properties such as thermal expansion properties, elastic constants, magnetic properties, or heat resistance (high temperature strength). Therefore, the content is limited to 1% by mass or less.
[0022]
  In addition, the free-cutting alloy material based on the (Fe, Ni) -based alloy can contain at least one of 7% by mass or less of Mo and 7% by mass or less of Cu. The reasons for limiting the content ranges of these elements are shown below.
(11)Mo: 7% by mass or less
  Mo is an element effective for improving corrosion resistance and strength. In order to obtain these effects more remarkably, it is preferable to contain 0.2% by mass or more. On the other hand, excessive addition not only degrades hot workability, but also increases costs, and may also hinder properties such as thermal expansion properties, elastic constants, magnetic properties, and heat resistance (high temperature strength). is there. Therefore, the Mo content is preferably limited to 1% by mass or less, and more preferably to 0.7% by mass or less.
(12)Cu: 7% by mass or less
  Cu is effective for improving corrosion resistance, particularly corrosion resistance in a reducing acid environment, and lowers work hardening ability and improves formability. In addition, antibacterial properties can be improved by performing heat treatment or the like, so that they may be added as necessary. However, since hot workability will fall when it adds excessively, it is good to set in the range of 7 mass% or less. In the case where the hot workability is particularly important, it is more preferable to suppress it to 4% by mass or less.
[0023]
  Moreover, the free-cutting alloy material of the present invention can contain 12 mass% or less of Cr, and can contain 18 mass% or less of Co. For example, in a 30-40 Ni—Fe-based alloy, magnetostriction acts so that the volume decreases as the spontaneous magnetization decreases, and normal thermal expansion is canceled. In particular, the 36 at% Ni—Fe alloy is generally called an Invar alloy, and has a very small coefficient of thermal expansion near room temperature, and thus has an important practical application. Taking advantage of such characteristics, the alloys are often used in precision machine materials such as instrument springs. Further, by adding Cr or Co to such an alloy, the thermal expansion coefficient and the elastic constant can be effectively controlled, and desired characteristics suitable for the application can be obtained. Cr can be said to be more effective by controlling the elastic constant, and Co can be said to be more effective by controlling the thermal expansion coefficient, but is not limited thereto. If Cr and Co are added excessively beyond the above range, (Ti, Zr)₄(S, Se, Te)₂C₂This is not preferable because the change in the composition conditions of Ti, Zr, S, Se, Te, and C involved in the formation of C is increased. Therefore, it is preferable to limit the upper limit of Cr to 12% by mass or less and the upper limit of Co to 18% by mass or less.
[0024]
  In functional materials such as permalloy generally used as a high permeability material, permin bar used as a constant permeability material, or an alloy having excellent invar characteristics typified by invar, and a solid solution strengthened heat resistant material Specific materials to which the present invention can be applied are exemplified below (all are trade names). As for the alloy composition, as in the case of stainless steel, a part of Fe or Ni constituting the main component is converted into an element (Ti, Zr, S, S) that is effective in improving the machinability within the composition range defined in the present invention. Se, C, etc.) means a material substituted and contained. Therefore, although the trade name is used, all mean alloys unique to the present invention based on the alloy having the composition defined in the product standard (note that the original alloy composition of each product is (Refer to 3rd edition metal data book (Maruzen); p223), detailed description will not be given).
1)High permeability materials: 78-Permalloy, 45-Permalloy, Hipernik, Monimax, Sinimax, Radiometal, 1040 Alloy, Mumetal, Cr-Permalloy, Mo-Permalloy, Supermalloy, Hardperm, 36-Permalloy, Deltamax.
2)Constant permeability alloys: 25-45 Perminvar, 7-70 Perminvar, 7-25-45 Perminvar, Isoperm, Senperm.
3)Invar type alloys: Invar, Super Invar, Stainless Invar, Novinite alloy, LEX alloy.
Four)Elinvar type alloys: Elinvar, EL-1, EL-3, Iso-elastic, Metelinvar, Elinvar Extra, Ni-Span C-902, Y Nic, Vibralloy, Nivarox CT, Durinval I, Co-Elinvar, Elcoloy IV.
Five)Fe-based superalloys: Haynes 556, Incoloy 802, S-590, 16-25-6, 20-CB3.
6)Ni-based superalloys: Hastelloy-C22, Hastelloy-C276, Hastelloy-G30, Hastelloy X, Inconel 600, KSN.
[0025]
【Example】
Hereinafter, in order to confirm the effect of the present invention, the following experiment was performed.
(Example 1)
  A free-cutting alloy material of the present invention composed of a (Fe, Ni) -based electromagnetic material and a Ni-based alloy used as a (Fe, Ni) -based heat-resistant material was prepared as follows and subjected to each test. First,Table 1, Table 2, and Table 3Matching gold having various component compositions shown in (7) was induced and dissolved in 7 kg in an Ar stream to produce an ingot having a diameter of 80 mm. Next, each ingot was hot forged at 950 to 1100 ° C. to form a round bar having a diameter of 24 mm, then cut to a diameter of 23 mm, and then cold-rolled to a diameter of 22 mm to obtain a match gold. In this embodiment, the Ni-based alloy used as the (Fe, Ni) -based electromagnetic material and the (Fe, Ni) -based heat-resistant material, which is defined in the above formulas (1) and (2). Inventive alloys whose parameters X and Y satisfy the conditional expressions (1), (2), and (3) are particularly selected selective alloys.
[0026]
Moreover, the identification method of each inclusion is performed as follows. That is, an appropriate amount of a test piece is taken out from each round bar, and a metal matrix portion is electrolyzed by using a methanol solution containing tetramethylammonium chloride and 10% acetylacetone as an electrolyte. Then, the insoluble compound contained in the steel is extracted by filtering the dissolved electrolyte solution, dried, and then analyzed by EDX, and the compound is identified from the appearance peak of the diffraction profile. . The composition of the compound particles in the steel structure was separately analyzed by EDX, and it was confirmed from the two-dimensional mapping that a compound having a composition corresponding to the compound observed by EDX analysis was formed. Yes.
[0027]
BookThe main inclusions of the invention steel are (Ti, Zr)₄(S, Se)₂C₂(Ti, Zr) S and (Ti, Zr) S₃Some inclusions were also found. Moreover, No. with high Mn content. 2,14,19,29,36,39,49,55, etc., (Mn, Cr) S was observed although it was slight. In addition, invention alloy No. 30 optical microscope imagesFIG.Respectively.
[0028]
[Table 1]
[0029]
[Table 2]
[0030]
[Table 3]
[0031]
  The Ni-based alloy thus obtained was evaluated for hot workability and machinability, and the characteristics required for each Ni alloy among magnetic characteristics, thermal expansion coefficient, and elastic constant were evaluated. Each evaluation method is as follows.
1. Hot workability test: The evaluation of hot workability was performed by visual observation to determine whether or not defects such as cracks occurred during hot forging. “○” indicates that no defects were substantially generated by hot forging, “×” indicates that a large crack was confirmed by hot forging, and “△” indicates that a grinder was obtained by hot forging. This indicates that there are minor scratches that can be removed. Here, the relationship between the ranges of the parameters X and Y defined above and the evaluation results of hot workabilityFIG.Shown in
[0032]
2. Machinability evaluation: The machinability evaluation was performed using a SKH51 drill with a diameter of 5 mm, a load of 415 N applied to the cutting edge at a rotation speed of 915 rpm, and a time required to drill a depth of 10 mm when drilling a steel type. (Seconds). Relationship between parameter Y (mass%) and drilling timeFIG.Shown in
[0033]
3. Magnetic characteristics: For the magnetic characteristics, a ring sample having an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 4.5 mm, and a thickness of 5 mm was prepared, and after annealing at 1000 ° C., a magnetic flux density B1 (T DC magnetic characteristics such as magnetic flux density B5 (T) in a magnetic field of 5 Oe, magnetic flux density B10 (T) in a magnetic field of 10 Oe, maximum magnetic permeability μm, and DC coercive force Hc (A / cm), respectively. It was measured.
[0034]
4). Evaluation of thermal expansion coefficient and temperature coefficient of Young's modulus: Evaluation of thermal expansion coefficient was carried out by preparing a columnar sample having a direct line of 5 mm and a height of 50 mm and annealing at 830 ° C. in a temperature range of 0 to 80 ° C. The temperature coefficient of Young's modulus is measured by preparing a columnar sample having a straight line of 5 mm and a height of 50 mm, solution-cooling at 1000 ° C., followed by quenching treatment, and then aging heat treatment at 580-590 ° C. did. Using the alloy sample, Young's modulus at 20 to 100 ° C. was measured by a free resonance elastic modulus measuring device, and the temperature coefficient was obtained. The above resultsTable 4,as well asTable 5Shown in
[0035]
[Table 4]
[0036]
[Table 5]
[0037]
  FIG.Then, hot workability evaluation is shown by (circle), (triangle | delta), and x plot, respectively. The straight line 1 is the boundary line (Y = 0.5X) of the conditional expression (2), and the straight line 2 is the boundary line (0.2Y = WC) of the conditional expression (3). Conventionally, when the content of Ni is large, it has been considered that hot workability is extremely deteriorated when S is added as a free-cutting element to an alloy. However,Table 1,Table 2,as well asTable 3Selection of the component values described in the invention No. 1-20 and invention alloys no. 71-75 and Comparative Example No. From 66 to 70, if the selected invention alloy is compared with the comparative alloy and the invention alloy, regardless of the amount of each of the additive elements Si, Mn, Al, and Mo of 1% or less, the conditional expression (1), It can be seen that the selected invention alloy satisfying (2) and (3) has better hot workability than the comparative alloy and the alloy of the present invention. Under these conditions, among the sulfide-based inclusions, a particularly stable carbon sulfide-based (Ti, Zr)₄C₂(S, Se, Te)₂This is probably because the formation of (Mn, Cr, Ni) S that causes hot working cracks is controlled by increasing the ratio of inclusions. This is actually confirmed by component analysis of inclusions. That is, it is understood that the machinability is improved in the alloy of the present invention, and the hot workability is improved in addition to the machinability in the alloy of the selective invention.
[0038]
  Table 4,as well asTable 5The selected invention alloy No. 1 with permalloy B as the base composition. The magnetic properties of Nos. 9-12 are comparative alloy Nos. Although it is hardly deteriorated as compared with the characteristic value of Permalloy B alloy shown in No. 60, it can be seen that the machinability is greatly improved. Comparative alloy No. similar to Invar alloy No. 59, a selected invention alloy based on 59 low expansion material. Although the thermal expansion coefficient of 5 to 8 is hardly deteriorated, the machinability is greatly improved. That is, the selected invention alloy of the present invention to which Ti, Zr, and S, Se, Te are added so as to satisfy the conditional expressions (1) to (3) does not deteriorate the hot workability, and further, Functional characteristics are hardly deteriorated.
[0039]
  Selected invention alloy no. From 17 to 26, it can be seen that even if Cr is added with the upper limit being 12% by mass, the machinability improving effect can be obtained. For example, Comparative Alloy No. 1 which is a constant elastic alloy having substantially constant elastic properties near room temperature. No. 61 is a selected invention alloy No. 61 having a base composition. Nos. 20 to 23 have good hot workability and greatly improved machinability, but the temperature coefficient of Young's modulus is hardly affected and can be suitably used as a constant elastic alloy. it can.
[0040]
  It can be seen that in the selected invention alloys 27 to 36, even when Co is added with the upper limit being 18%, good hot workability and machinability improvement effect can be obtained. Selected invention alloy No. 1 based on glass sealant of comparative alloy 62 The machinability is greatly improved without substantially affecting the thermal expansion coefficient of 30 to 33. Thus, even if Co is added in the range of 18% or less, the effect of the present invention is not changed, and it can be suitably used as an invar alloy having excellent machinability. Moreover, the effect of containing Cr and Co can be obtained even when these elements are contained simultaneously.
[0041]
  Also,FIG.IsExample 1Is a plot of drilling time of the alloy at Y against mass%. As seen in the figure, when Y is less than 0.01% by mass, the increase in drilling time tends to increase.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]In Example 1Selected invention steel No. The figure which shows the 30 optical microscope observation image.
[Figure 2]In Example 1The graph which shows the relationship between the range of parameter X and Y, and the evaluation result of hot workability.
[Fig. 3]In Example 1The graph which plotted the drilling time of the alloy with respect to Y (mass%).

Claims

20 to 82% by mass of Ni,
0.002 to 0.4% by mass of C,
Containing 0.025 to 1.5 mass% S,
Containing 12 mass% or less of Cr,
Containing 18% by mass or less of Co,
Further, it contains at least one of Ti and Zr as a metal element component, and as a binding component with the metal component, C and S as essential components, and one or more selected from Se or Te The (Ti, Zr) -based compound at least contained is formed in the structure,
The content of C is WC (mass%), the content of Ti is WTi (mass%), the content of Zr is WZr (mass%), the content of S is WS (mass%), and the content of Se is WSe (Mass%) and Te content is WTe,
X (mass%) = WTi + 0.52WZr
Y (mass%) = WS + 0.41WSe + 0.25WTe
Containing at least one of Ti and Zr satisfying 0.03 ≦ X ≦ 1.588,
Containing one or more selected from S, Se and Te satisfying 0.025 ≦ Y ≦ 0.5X,
Containing C satisfying 0.2Y ≦ WC ≦ 0.3,
Furthermore, it contains one or more selected from 1% by mass or less of Si, 1% by mass or less of Mn, and 1% by mass or less of Al, with the balance being Fe and inevitable impurities. Cutting alloy material.

The free-cutting alloy material according to claim 1, wherein the (Ti, Zr) -based compound contains at least a compound represented by a composition formula (Ti, Zr) ₄ (S, Se, Te) ₂ C ₂ .

The free-cutting alloy material according to claim 1 or 2 , comprising at least one of 7% by mass or less of Mo and 7% by mass or less of Cu.