JP2000256785A - 被削性に優れる鋼とその製造方法 - Google Patents
被削性に優れる鋼とその製造方法Info
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- JP2000256785A JP2000256785A JP11061408A JP6140899A JP2000256785A JP 2000256785 A JP2000256785 A JP 2000256785A JP 11061408 A JP11061408 A JP 11061408A JP 6140899 A JP6140899 A JP 6140899A JP 2000256785 A JP2000256785 A JP 2000256785A
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Abstract
Si:0.01〜2.5%、Mn:0.05〜2.0
%、P :0.003〜0.2%、S :0.003〜
0.5%を含有するとともにAl:0.01%以下、t
otal−O:0.02%以下、total−N:0.
02%以下に制限し、残部がFeおよび不可避的不純物
よりなり、オーステナイト粒径の粒度番号が7番以下で
あることを特徴とする鋼およびそのような鋼にするため
に1000℃以上に加熱し、3min以上保持する製造
方法。
Description
どに用いられる鋼に関するものであり、特に高強度かつ
被削性に優れた鋼とその製造方法に関するものである。
低下するため、切削能率の低下させないいわゆる快削鋼
に対するニーズが高まっている。これまで被削性を向上
させるためにS、Pbなどの被削性向上元素を添加する
のが有効であることが知られているが、それらの方法は
近年問題を生じている。たとえばSはMnSのような切
削環境下で軟質となる介在物を形成して被削性を向上さ
せるが、製造途中で介在物自身が変形し方向性を有する
ので製造された鋼材や部品に材料の異方性を生じる場合
がある。特に鍛造や圧延によりMnSは伸延すると異方
性を生じ、特定の方向に極端に弱くなる。また設計上も
その様な異方性を考慮する必要が生じる。したがってこ
のような快削元素の異方性を最低限にする技術が必要に
なる。またPbの様に比較的異方性の少ない快削性元素
を添加することも考えられるが、Pb、Biは被削性を
向上させることができても、圧延や熱間鍛造時に割れを
生じ易くなるため、極力少ない方が望ましいとされてい
る。Pに関しても被削性を向上させることが知られてい
るが、鋳造時に割れを生じ易いために多く添加すること
ができず、被削性向上効果にも限界がある。
が提案されているが(特開昭55−−141550号公
報)、Teは鋳造時や圧延または熱間鍛造時に疵や割れ
発生の原因となりやすく、その使用量にも限界がある。
抑制するために、既存の介在物による被削性向上手法に
依存することなくマトリックスの性能により被削性を向
上させることが重要となる。
応するため、異方性を抑制し、被削性の良好な高強度鋼
を実現するとともにその製造方法を提供することを目的
とするものである。
破壊現象であり、それを促進させることが一つのポイン
トとなる。ただしやみくもに破壊を促進させるための手
段を鋼に講じると肝心の部品強度が不足し、構造材には
使用できなくなる。
がその際の塑性流動により、機械的性質に異方性を生じ
る。部品に加工した場合にはその異方性の弱い方向への
強度が最弱となる。したがって部品として使用するには
異方性を最低限に抑制し、最弱部の強度(または破壊特
性)低下を抑制することが、被削性と強度を両立させる
手法である。
のであって、その要旨は以下に示す通りである。
5%、Si:0.01〜2.5%、Mn:0.05〜
2.0%、P :0.003〜0.2%、S :0.0
03〜0.5%を含有するとともにAl:0.01%以
下、total−O:0.02%以下、total−
N:0.02%以下に制限し、残部がFeおよび不可避
的不純物よりなり、オーステナイト粒径の粒度番号が7
番以下であることを特徴とする鋼。
5%、Si:0.01〜2.5%、Mn:0.05〜
2.0%、P :0.003〜0.2%、S :0.0
03〜0.5%を含有するとともにAl:0.01%以
下、total−O:0.02%以下、total−
N:0.02%以下に制限し、さらに、Cr:0.01
〜2.0%、Ni:0.05〜2.0%、Mo:0.0
5〜1.0%、B:0.0005〜0.005%の1種
または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避的不純
物よりなり、オーステナイト粒径の粒度番号が7番以下
であることを特徴とする鋼。
5〜1.0%、Nb:0.005〜0.2%、Ti:
0.005〜0.1%の1種または2種以上を含むこと
を特徴とする、上記(1)または上記(2)に記載の
鋼。
002〜0.005%、Zr:0.0005〜0.1
%、Mg:0.0003〜0.005%、Te:0.0
003〜0.05%の1種または2種以上を含むことを
特徴とする、上記(1)乃至上記(3)のいずれかに記
載の鋼。
5〜0.5%、Pb:0.01〜0.5%の1種または
2種を含むことを特徴とする、上記(1)乃至上記
(4)のいずれかに記載の鋼。
れかに記載の化学成分を有する鋼を900℃以上で3m
in以上保持することで、オーステナイト粒径の粒度番
号を7番以下とすることを特徴とする鋼の製造方法。
ナイト」の意味を説明しておく。本発明鋼の室温でのミ
クロ組織はフェライト、セメンタイトまたはマルテンサ
イトからなり、室温での残留オーステナイトは極めて少
ない。本発明での「オーステナイト」は室温で残留する
残留オーステナイトのことではなく、高温時に生成した
オーステナイト粒を指し、室温における本発明でのオー
ステナイト粒の記述はJIS G 0551のオーステ
ナイト粒測定法で測定される粒を指しており、ここでは
それを「オーステナイト」と記している。
を及ぼす元素であり、十分な強度を得るために0.1〜
0.85%とした。0.1%未満では十分な強度を得ら
れず、他の合金元素をさらに多量に投入せざるを得ず、
0.85%を超えると過共析に近くなり、硬質の炭化物
を多く析出するので被削性を著しく低下させる。
ライトの強化や焼戻し軟化抵抗を付与するために添加す
る。0.01%未満ではその効果は認められず、2.5
%を超えると脆化し、高温での変形抵抗も増加するので
これを上限とした。
させるために必要であるとともに、マトリックスに固溶
させて焼入れ性の向上や焼入れ後の強度を確保するため
に必要である。その下限値は0.05%で、それ未満で
あるとSがFeSとなり脆くなる。Mn量が大きくなる
と素地の硬さが大きくなり冷間加工性が低下するととも
に、強度や焼入れ性に及ぼす影響も飽和するので、2.
0%を上限とした。
り、冷間加工性だけでなく、熱間加工性や鋳造特性が低
下するので、その上限を0.2%にしなければならな
い。一方、被削性に効果がある元素で下限値を0.00
3%とした。
在する。MnSは被削性を向上させるが、伸延したMn
Sは鍛造時の異方性を生じる原因の一つである。異方性
の程度と要求される被削性によって調整されるべきであ
るが、冷間加工性の点からその上限値を0.5%とし
た。下限は現状の工業生産レベルでコストが大幅に上昇
しない限界である0.003%とした。
Nを形成する。Al2O3は硬質なので切削時に工具損傷
の原因となり、摩耗を促進させる。またAlNはピン止
め効果によりオーステナイト粒成長を抑制する。本発明
では硬質Al2O3の抑制とオーステナイト粒を成長させ
ることが必要なため、0.01%以下に制限した。
気泡となり、ピンホールの原因となる。またAlと結合
すると硬質酸化物を生成するため、制限が必要である。
本鋼ではその弊害が顕著となる0.02%を上限として
制限した。
切削においては動的ひずみ時効によって刃先近傍で硬化
し、工具の寿命を低下させる。またTi、Al、Vなど
の窒化物として存在する場合もオーステナイト粒の成長
を抑制するので制限が必要である。特に高温域ではTi
Nを生成する。また窒化物を生成しない場合でも鋳造途
中に気泡を生成し、疵などの原因となる。本発明ではそ
の弊害が顕著になる0.02%を上限とした。
元素である。そのため高強度化が必要な鋼には添加され
る。その場合、0.01%以上の添加を必要とする。し
かし多量に添加するとCr炭化物を生成し脆化させるた
め、2.0%を上限とした。
上させるとともに焼入れ性向上、耐食性向上にも有効で
ある。0.05%未満ではその効果は認められず、2.
0%を超えて添加しても、機械的性質の点では効果が飽
和するので、これを上限とした。
に、焼入れ性を向上させる元素である。0.05%未満
ではその効果が認められず、1.0%を超えて添加して
もその効果が飽和しているので、0.05〜1.0%を
添加範囲とした。
性に効果があり、析出する場合にはBNとして析出する
ので被削性に効果がある。これらの効果は0.0005
%未満では顕著でなく、0.005%を超えて添加して
もその効果が飽和し、BNが多く析出しすぎるとかえっ
て鋼の機械的性質を損なう。そこで0.0005〜0.
005%を範囲とした。
り鋼を強化することができる。0.05%以下では高強
度化に効果はなく、1.0%を超えて添加すると多くの
炭窒化物を析出し、かえって機械的性質を損なうので、
これを上限とした。
より鋼を強化することができる。0.005%以下では
高強度化に効果はなく、0.2%を超えて添加すると多
くの炭窒化物を析出し、かえって機械的性質を損なうの
で、これを上限とした。
また脱酸元素でもあり、軟質酸化物を形成させることで
被削性を向上させることが可能である。0.005%以
下ではその効果が認められず、0.1%を超えて添加し
てもその効果が飽和する。またTiは高温でも窒化物と
なりオーステナイト粒の成長を抑制する。そこで上限を
0.1%とした。
し、被削性を向上させるだけでなく、MnSに固溶して
その変形能を低下させ、圧延や熱間鍛造してもMnS形
状の伸延を抑制する働きがある。したがって異方性の低
減に有効な元素である。0.0002%未満ではその効
果は顕著ではなく、0.005%以上添加しても歩留ま
りが極端に悪くなるばかりでなく、硬質のCaOを大量
に生成し、かえって被削性を低下させる。したがって成
分範囲を0.0002〜0.005%と規定した。
る。酸化物はMnSの析出核になりMnSの微細均一分
散に効果がある。またMnSに固溶してその変形能を低
下させ、圧延や熱間鍛造してもMnS形状の伸延を抑制
する働きがある。したがって異方性の低減に有効な元素
である。0.0005%未満ではその効果は顕著ではな
く、0.1%以上添加しても歩留まりが極端に悪くなる
ばかりでなく、硬質のZrO2やZrSなどを大量に生
成し、かえって被削性を低下させる。したがって成分範
囲を0.0005〜0.1%と規定した。
る。酸化物はMnSの析出核になりMnSの微細均一分
散に効果がある。したがって異方性の低減に有効な元素
である。0.0003%未満ではその効果は顕著ではな
く、0.005%以上添加しても歩留まりが極端に悪く
なるばかりで効果は飽和する。したがって成分範囲を
0.0003〜0.005%と規定した。
eを生成したり、MnSと共存することでMnSの変形
能を低下させてMnS形状の伸延を抑制する働きがあ
る。したがって異方性の低減に有効な元素である。この
効果は0.0003%未満では認められず、0.05%
を超えると効果が飽和する。
元素である。その効果は0.05%以下では認められ
ず、0.5%を超えて添加しても被削性向上効果が飽和
するだけでなく、熱間鍛造特性が低下して疵の原因とな
りやすい。
以下とする理由を述べる。
それを促進させることが一つのポイントとであるが、極
力異方性を抑制して最弱方向の強度低下を最低限に抑制
する手法で破壊を促進すれば、最終的な部品強度の低下
を最低限に抑制して被削性を向上させることができる。
被削性向上のための軟質介在物に頼る被削性向上手法は
異方性を助長し、最強方向の強度はそれほど低下させな
いものの、最弱方向の強度は極端に低下するという欠点
がある。それを避けるために軟質介在物に頼ること無
く、オーステナイト粒を粗大化させてマトリックスの破
壊特性を平均的にわずかに低下させることで異方性を助
長せずに被削性を付与する。この効果はオーステナイト
粒の再結晶により粒径が変化しない限り、最終的なミク
ロ組織の影響をうけない。すなわち同一ミクロ組織で、
同一硬さであればオーステナイト粒径が大きな方が被削
性に優れる。その理由は焼戻しマルテンサイトやフェラ
イト−パーライトのいずれであってもその組織の局部的
な変形/破壊挙動は結局オーステナイト粒径に支配され
るためである。たとえフェライト−パーライト組織であ
っても軟質なフェライトはオーステナイト粒界に多く、
結局変形挙動はオーステナイト粒界に支配されている。
めにはJIS G 0551のオーステナイト粒測定法
の粒度番号において7以下の粗大な粒度に調整する必要
がある。
被削材1の切削では、変形前のオーステナイト粒2は刃
先で分離直前に大きく変形して点X3において分離され
切り屑4となる。そのため変形破断挙動には工具5周辺
の変形領域、すなわち、二次せん断域6および主せん断
域7とオーステナイト粒径が大きく影響する。工具周辺
の変形領域は切削条件によってコントロールできるが、
通常切削で用いられる切込み量8(被削材表面からの切
削線9までの距離)は0.05〜0.3mm程度である
から、粒度番号8以上では切込み量に比べてオーステナ
イト粒径が微細なので、ほとんど均質体としての挙動を
示すため、破壊に対する粒の影響は小さくなり、被削性
向上効果が認められなくなる。一方、オーステナイト粒
度が7番以下の粗粒の場合、オーステナイト粒径の粒界
や結晶方位のずれにより、均一な変形をせず、容易に刃
先で分離できる。
を限定した理由を述べる。
とするには、それだけオーステナイト粒を成長させる操
作が必要である。そのためには変態点以上の温度で保持
する必要がある。すなわち、Ti、V、Nbなどのオー
ステナイト粒微細化元素が添加されていない場合には9
00℃以上まで昇温し3min以上保持すればオーステ
ナイト粒度番号を7番以下にできる。また、Ti、V、
Nbなどが添加されている場合には、Ti、V、Nbな
どのオーステナイト粒微細化元素は通常炭窒化物を生成
し、それがピン止め効果によってオーステナイト粒の成
長を抑制しているが、これらの炭窒化物は1000℃以
上の温度で3min以上保定すれば固溶するため、ピン
止め効果が失われる。したがって、これらの成分が添加
されている場合には、1000℃以上の温度で3min
以上保持することが好ましい。なお、加熱温度および保
持時間の上限は特に限定されるものでないが、熱効率や
操業上の条件により決められる。したがって部品製造ま
でにこのような変態点以上の温度域で熱間圧延、熱間鍛
造または熱処理を施す必要がある。
炉で溶製後、ビレットに分解圧延、さらにφ60mmに
圧延した。さらに硬さ、オーステナイト粒径、ミクロ組
織を調整するために熱処理した。熱処理条件を表1中に
併記して示す。
価はドリル穿孔試験で行った。
0mmまで切削可能な最高の切削速度(いわゆるVL1
000)で被削性を評価した。またそれぞれの圧延方向
と断面方向に対する衝撃値の比率を示した。すなわち
(衝撃値の比)=(断面方向の衝撃値)/(圧延方向の
衝撃値)で、この値が大きいほど異方性が少ないことを
示す。
よって被削性は異なるが、硬さとミクロ組織を同一に調
整した鋼では加熱温度が1000℃より低く、オーステ
ナイト粒径が小さな場合には被削性が悪く、オーステナ
イト粒度番号が7以下(すなわち粗粒)の場合には被削
性が良好である。なお図中の番号はそれぞれの実施例番
号である。
例の方が低い傾向にあった。この衝撃値と本発明の意義
を明確にするため、Sとの関係を用いて説明する。
出した場合の衝撃値の比較を示す。使用した鋼材は表1
中の実施例19、21、25、27、34である。Sが
添加されるとMnSが生成され、断面方向の衝撃値が低
下する。ここで注目すべきは実施例19(発明例)と実
施例27(比較例)では実施例19(発明例)の方がわ
ずかに優れた被削性を有していることである。実施例1
9はオーステナイト粒径が大きなため、長手方向の衝撃
値は低下するものの、同一の被削性を得るためにSを添
加した鋼実施例27((比較例)よりは断面方向の衝撃値
は良好である。さらにこの同様の被削性を有する実施例
19(発明例)と実施例27(比較例)の小野式回転曲
げ疲労特性を評価した。断面方向は試験片つかみ部を摩
擦圧接することで試験片形状として試験を実施した。
疲労特性はほぼ同様にもかかわらず、断面方向の疲労特
性はS量の少ない実施例19の方が優れていた。すなわ
ち本発明によれば同様の被削性であれば、断面方向の機
械的性質の低下を最低限に抑制できる。また逆に被削性
のためにSを添加する必要が無いので、断面方向の機械
的性質の低下を最低限に抑制しつつ、被削性を向上させ
ることができる。
も、Alの含有量によって被削性は影響を受ける。
削性を評価を行った。その結果を図5に示す。同一硬
さ、同一ミクロ組織で比較するとAl>0.01%の範
囲では被削性が悪い。
ト粒度番号と加熱温度の影響について述べる。表4の化
学成分は両者とも本発明の範囲内であるが、実施例45
はTi、V、Nbなどのオーステナイト粒径をピン止め
効果によって微細化する元素を多く含んでいる。
鋼を加熱した場合のオーステナイト粒度番号を示す。い
ずれの場合も1000℃以上に加熱すれば本発明で必要
とするオーステナイト粒度7以下を達成できる。オース
テナイト微細化元素を添加していない実施例44ではさ
らに低温でもオーステナイト粒度7以下を達成してい
る。保持時間はサンプル全体に変態/粒成長が行き渡れ
ばよいが、オーステナイト粒の成長速度から考えて実用
上は最低3minは必要である。
5にさまざまな化学成分に対する被削性を示す。表5の
供試材は50kg真空溶解炉で溶製し、190mm角の
インゴットを減面率90%まで熱間圧延し、それからφ
20×30mmの円柱サンプルを採取した。中心線は圧
延長手方向である。さらに採取したサンプルを熱間鍛造
を行い、その際、圧延温度を変化させてオーステナイト
粒径を変化させた。実施例63、64を除く実施例46
〜67はすべて1200℃にて円盤状に鍛造した。実施
例63、64の鍛造温度は950℃である。圧下比は5
0%で表面機械加工後、ドリルによる被削性を評価し
た。ドリルの評価方法は表2に示す通りである。硬さは
成分によりばらつきがあるものの、HV220〜260
であり、比較例である実施例63、64はオーステナイ
ト粒度番号は8番以上であり、実施例65〜67はそれ
ぞれO、N、Alの含有量が本発明と異なる。それら比
較例のVL1000は発明例に比べて低いことがわか
る。
圧延や鍛造で生じた最弱方向の機械的性質低下を最低限
に抑制できるので、部品の機械的性質と加工性を両立さ
せることが可能となる。特に熱間鍛造や切削を多用して
製造される部品に有用である。また鍛造フローなどの異
方性の原因となる複雑な部品内部の不均一を考慮する必
要がなくなるので、部品設計、工程設計などに要する仕
事を大幅に簡略化できる。
るための図である。
図である。
る。
である。
Claims (6)
- 【請求項1】 重量%で、C :0.1〜0.85%、
Si:0.01〜2.5%、Mn:0.05〜2.0
%、P :0.003〜0.2%、S :0.003〜
0.5%を含有するとともにAl:0.01%以下、t
otal−O:0.02%以下、total−N:0.
02%以下に制限し、残部がFeおよび不可避的不純物
よりなり、オーステナイト粒径の粒度番号が7番以下で
あることを特徴とする鋼。 - 【請求項2】 重量%で、C :0.1〜0.85%、
Si:0.01〜2.5%、Mn:0.05〜2.0
%、P :0.003〜0.2%、S :0.003〜
0.5%を含有するとともにAl:0.01%以下、t
otal−O:0.02%以下、total−N:0.
02%以下に制限し、さらに、Cr:0.01〜2.0
%、Ni:0.05〜2.0%、Mo:0.05〜1.
0%、B:0.0005〜0.005%の1種または2
種以上を含み、残部がFeおよび不可避的不純物よりな
り、オーステナイト粒径の粒度番号が7番以下であるこ
とを特徴とする鋼。 - 【請求項3】 さらに、重量%で、V :0.05〜
1.0%、Nb:0.005〜0.2%、Ti:0.0
05〜0.1%の1種または2種以上を含むことを特徴
とする、請求項1または請求項2に記載の鋼。 - 【請求項4】 さらに、重量%で、Ca:0.0002
〜0.005%、Zr:0.0005〜0.1%、M
g:0.0003〜0.005%、Te:0.0003
〜0.05%の1種または2種以上を含むことを特徴と
する、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の鋼。 - 【請求項5】 さらに、重量%で、Bi:0.05〜
0.5%、Pb:0.01〜0.5%の1種または2種
を含むことを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいず
れかに記載の鋼。 - 【請求項6】 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載
の化学成分を有する鋼を900℃以上で3min以上保
持することで、オーステナイト粒径の粒度番号を7番以
下とすることを特徴とする鋼の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06140899A JP3739958B2 (ja) | 1999-03-09 | 1999-03-09 | 被削性に優れる鋼とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06140899A JP3739958B2 (ja) | 1999-03-09 | 1999-03-09 | 被削性に優れる鋼とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000256785A true JP2000256785A (ja) | 2000-09-19 |
| JP3739958B2 JP3739958B2 (ja) | 2006-01-25 |
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ID=13170289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06140899A Expired - Fee Related JP3739958B2 (ja) | 1999-03-09 | 1999-03-09 | 被削性に優れる鋼とその製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3739958B2 (ja) |
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