JP3256184B2 - 超快削鋼棒線材及び部品の製造方法並びにそれらによる超快削鋼棒線材及び部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超快削鋼材の製
造技術に関するものであって、鋼材の熱間圧延後の焼な
らし処理により黒鉛を析出させると共に、組織を軟質な
フェライト又はフェライト＋パーライトにして、被削性
の優れた超快削鋼棒線材及び超快削鋼部品を製造する技
術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の被削性に優れた超快削鋼として
は、硫黄及び鉛を複合添加したＪＩＳＧ ４８０４のＳ
ＵＭ２３ＬやＳＵＭ２４Ｌが代表的なものである。これ
ら快削鋼は強度、靱性よりも被削性が重視されるもので
あるが、これらに求められる被削性としては切削工具の
寿命と切り屑の処理性が特に重要である。

【０００３】最近の鋼材の機械加工は、生産性を高める
ために従来より極めて高速で行なわれるため、鋼材特性
として工具の摩耗が小さいもの、即ち工具寿命の長い快
削鋼が求められている。

【０００４】また最近は自動盤により無人で機械加工さ
れることが多く、切り屑が長くつながって絡まってしま
うと、機械の停止や切り屑を取り除くための余計な作業
を行なう必要が生じ、生産性を低下させることになる。
このため切り屑が適当な大きさに細かく分断するよう
な、切り屑処理性に優れた快削鋼が求められている。

【０００５】これら工具寿命及び切り屑処理性の改善の
ために、従来はＳＵＭ２３Ｌ、ＳＵＭ２４Ｌにみられる
ように、硫黄、燐複合快削鋼に更に、快削元素である鉛
を０．１０〜０．３５％添加して被削性を一層向上させ
てきた。

【０００６】Ｐｂの融点は３２７℃と低いので、切削中
にＰｂが溶融して鋼が脆化し、切り屑処理性を向上させ
る。またＰｂの潤滑作用も加わり、工具の寿命が伸び
る。しかしながら、快削鋼におけるＰｂの使用は、Ｐｂ
ヒュームが発生する等の環境衛生上の問題から、今日無
鉛の超快削鋼が求められている。

【０００７】鋼材の被削性を向上させる元素としては、
Ｐｂの他にＳ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｓｅ及びＴｅ等の元素が知
られているが、これら元素は単独では、被削性改善効
果が小さい、高価である、環境衛生上問題がある、
といった欠点を少なくとも１つは有しているために、鉛
代替の元素として使用することには制限を受ける。

【０００８】例えば、Ｓは被削性の改善に効果はある
が、Ｓを多量に添加すると熱間加工方向に長く伸びたＭ
ｎＳが多量に形成されて、機械的性質に異方性を生じさ
せたり、靱性を低下させたりする等の問題がある。この
ため従来のＳＵＭ２３Ｌ、ＳＵＭ２４Ｌにおいては、熱
間圧延に際して先端割れを起こし易く、圧延トラブルの
原因となっていた。このトラブルを回避するため圧延前
鋼片の先端を鉛筆の先端形状のように細く削る等の煩雑
な作業をする必要があった。またＳＵＭ２３Ｌ、ＳＵＭ
２４Ｌは低炭素鋼であるため、機械加工した部品に耐摩
耗性を付与する場合は、９００℃前後で数時間という長
時間の浸炭焼入れを施す必要があった。

【０００９】一方、黒鉛は鋳鉄にみられるように、被削
性を極めて向上させる元素である。しかしながら、鋼に
炭素を添加するとセメンタイトを析出するので、黒鉛を
得るのは容易ではない。従来の発明における炭素濃度
０．１０〜１．５％を有する鋼の場合には、例えば特開
平２−１０７７４２号公報（以下、先行技術１という）
や、特開平３−１４０４１１号公報（以下、先行技術２
という）には、６００〜８００℃の温度で数時間〜２０
０時間という長時間の焼鈍を行なって黒鉛を析出させる
鋼材、又はそのような鋼材の製造方法が開示されてい
る。

【００１０】しかしながら、このように長時間の黒鉛化
熱処理はコストの増大を招くのみならず、熱処理中に鋼
材に脱炭を起こし、最終部品の性能に悪影響を及ぼすと
いった弊害が生ずる。そこで、簡便な熱処理で所望とす
る黒鉛ならびに組織を得て、被削性の優れた無鉛の超快
削鋼が望まれている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した先行技術１、
２には下記問題点のいずれかが未解決となっている。 問題点１：使用されている快削元素には毒性があり、環
境対策上問題がある。

【００１２】問題点２：多量のＳ、Ｐを複合して含有し
ているため、熱間加工性が劣り、圧延前鋼片に先端割れ
防止のための特殊な機械加工を必要とする。 問題点３：耐摩耗性を向上させるため、長時間の浸炭焼
入れを行う必要がある。

【００１３】問題点４：毒性のない快削元素として炭素
を利用し、黒鉛として析出させることにより、被削性を
向上させることができるが、長時間の黒鉛化焼鈍を施さ
ねばならず、コストが嵩む。

【００１４】この発明では上記問題点を解決して、自動
車や産業機械の部品類の素材として用いられる鋼棒線
材、及び、その鋼棒線材を機械加工して製品とし、簡便
な熱処理により耐摩耗性の優れた上記部品類を製造する
ために、短時間の焼ならしにより、被削性が良好であ
り、高周波焼入れで表面を硬化させることができ、
安価で且つ環境衛生上問題のない方法を開発することを
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述した
観点から、鉛を添加することなく、従来の硫黄鉛複合快
削鋼と同等あるいはそれを上回る被削性を有する超快削
鋼を開発すべく鋭意研究を重ねた。その結果、次の知見
を得た。

【００１６】即ち、焼ならしのような簡便な熱処理で黒
鉛を析出させるには、鋼の成分組成に関しＣを１．００
％超添加して過共析鋼とし、黒鉛化促進のためＳｉを
１．００％以上と高めとする。また鋼の延性を確保する
ため適量のＭｎを添加し、且つＰ及びＳといった不純物
元素を低位に抑えた鋼を調製する。次いで上記化学成分
を有する鋳片又は鋼片を造塊法ないし連続鋳造法で調製
し、これを熱間圧延して鋼棒線材を製造し、これを６０
０〜１０００℃の間、望ましくは６５０〜９５０℃の間
の温度に３ｈｒ以下加熱した後、空冷する。

【００１７】以上の処理により、適度な大きさ及び量の
黒鉛と、軟質なフェライト又はフェライト＋パーライト
組織との鋼棒線材を製造する。これによって、鉛を添加
することなく、被削性が従来硫黄鉛複合快削鋼に較べて
同等以上の超快削鋼棒線の製造が可能であることを見い
だした。

【００１８】 この発明は、上記知見に基づきなされた
ものであって、下記に特徴を有するものである。請求項
１記載の発明は、重量％で、Ｃ：１．００超〜１．５０
％、Ｓｉ：１．００〜２．８０％、Ｍｎ：０．０１〜
２．００％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．１０％以
下、Ｏ：０．００５０％以下、及び、Ｎ：０．０２０％
以下を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物から
なる化学成分組成を有し、下記（１）式で求められる黒
鉛化指数ＣＥが１．３０以上である鋳片又は鋼片を、８
５０〜１１５０℃の範囲内の温度に加熱し、熱間圧延
し、そして室温まで冷却し、こうして得られた熱間圧延
鋼材を、６００〜１０００℃の範囲内の温度で３ｈｒ以
下の時間加熱した後、空冷し、前記鋼材中に平均粒径
１．０μｍ以上の黒鉛を１００個／ｍｍ²以上析出さ
せ、且つ金属組織を７０％以上のフェライトと残部パー
ライトとからなるか、又はフェライトのみからなるもの
にし、しかもブリネル硬さを２００以下にすることに特
徴を有するものである。

【００１９】請求項２記載の超快削鋼棒線材の製造方法
は、請求項１記載の発明において、上記鋳片又は鋼片と
して、更に下記元素の成分組成からなる群から選ばれた
１種以上を付加して含有し、且つ、前記黒鉛化指数ＣＥ
の算出式として下記（２）式を用いた場合にその算出値
が１．３０以上である化学成分組成を有するものを用い
ることに特徴を有するものである。ここで、上記元素の
成分組成からなる群とは、重量％で、Ｃｕ：０．０１〜
２．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ｃｏ：０．０１
〜０．５０％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、Ｍｏ：
０．０１〜０．５０％、及び、Ｂ：０．０００５〜０．
０１０％である。そして、（２）式とは、 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２＋Ｃｕ／９＋Ｎｉ／９＋Ｃｏ／９ −Ｃｒ／９−Ｍｏ／９＋Ｂ -----------------------------（２） 但し、上式中の元素記号は各元素の重量％を表わす、を
指す。

【００２０】請求項３記載の超快削鋼棒線材の製造方法
は、請求項１又は２記載の発明において、上記鋳片又は
鋼片として、更に下記元素の成分組成からなる群から選
ばれた、１種以上を付加して含有し、且つ、前記黒鉛化
指数ＣＥの算出式として下記（３）式を用いた場合にそ
の算出値が１．３０以上である化学成分組成を有するも
のを用いることに特徴を有するものである。ここで、上
記元素の成分組成からなる群とは、重量％で、Ａｌ：
０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５
０％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％、Ｖ：０．０１
〜０．２０％、及び、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％であ
る。そして、（３）式とは、 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２＋Ｃｕ／９＋Ｎｉ／９＋Ｃｏ／９−Ｃｒ／９ −Ｍｏ／９＋Ｂ＋Ａｌ／６＋Ｔｉ／３＋Ｚｒ／３−Ｖ／３−Ｎｂ／３ -----------------------------（３） 但し、上式中の元素記号は各元素の重量％を表わす、を
指す。

【００２１】請求項４記載の超快削鋼棒線材の製造方法
は、請求項１、２又は３記載の発明において、上記鋳片
又は鋼片として、更に下記元素の成分組成からなる群か
ら選ばれた、１種以上を付加して含有し、且つ、前記黒
鉛化指数ＣＥの算出式として下記（４）式を用いた場合
にその算出値が１．３０以上である化学成分組成を有す
るものを用いることに特徴を有するものである。ここ
で、上記元素の成分組成からなる群とは、重量％で、Ｃ
ａ：０．００１０〜０．０１００％、Ｍｇ：０．００１
０〜０．１０％、及び、ＲＥＭ：０．００１０〜０．１
０％である。そして、（４）式とは、 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２＋Ｃｕ／９＋Ｎｉ／９＋Ｃｏ／９−Ｃｒ／９ −Ｍｏ／９＋Ｂ＋Ａｌ／６＋Ｔｉ／３＋Ｚｒ／３−Ｖ／３−Ｎｂ／３ ＋０．０７ -----------------------------（４） 但し、上式中の元素記号は各元素の重量％を表わす、を
指す。

【００２２】請求項５記載の超快削鋼部品の製造方法
は、請求項１〜４記載の発明の内いずれかの方法によっ
て超快削鋼棒線材を製造し、こうして製造された超快削
鋼棒線材に、直接又は冷間加工後、機械加工を施して部
品形状に仕上げることに特徴を有するものである。ここ
で、直接機械加工を施す場合とは、例えば、伸直矯正後
直接機械加工する方法が該当し、また、冷間加工後、機
械加工を施す場合とは、例えば、六角引き抜きに代表さ
れる冷間加工後に機械加工する方法が該当する。

【００２３】請求項６記載の超快削鋼棒線材は、請求項
１〜４記載の発明の内いずれかの方法によって製造され
たものであることに特徴を有するものである。請求項７
記載の超快削鋼棒線材は、請求項５記載の発明の内いず
れかの方法によって製造されたものであることに特徴を
有するものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】この発明は、高Ｓｉの過共析炭素
鋼、及びその低合金鋼を素材として熱間圧延した棒線材
を、所定の温度に３ｈｒ以下再加熱後、空冷することに
より、黒鉛を析出させ、且つ所望の金属組織、硬さを有
する鋼棒線材を製造するというものである。即ち、適切
な鋼の成分組成を見いだし、このように簡単な工程によ
り、無鉛の被削性に優れた超快削鋼部品を製造するもの
である。

【００２５】次に、本発明の構成要件の限定理由につい
て説明する。 （１）炭素（Ｃ） Ｃは黒鉛を析出させ、強度を確保するために重要な元素
である。熱間圧延により製造された鋼材の再加熱後に、
炉冷等の徐冷を行なわずに、空冷により黒鉛を析出させ
るためには、１．００％超のＣ含有率を必要とする。し
かしながら、Ｃ含有率が１．５０％を超えると、熱間延
性の低下が大きく、棒圧延に際して表面疵の発生が増大
する。また空冷後に析出する黒鉛粒が粗大になり、靱性
を低下させる。従って、Ｃ含有率は１．００超〜１．５
０％の範囲内に限定する。

【００２６】（２）珪素（Ｓｉ） Ｓｉは本発明において重要な役目を果たす元素である。
即ち、Ｓｉはセメンタイトの黒鉛化を促進する元素であ
る。しかし、１．００％未満ではその効果は小さい。一
方、Ｓｉが２．８０％を超えると非金属介在物が増大し
て靱性の低下を招くのみならず、熱間圧延又は黒鉛化の
ための再加熱において脱炭を大きくする。従って、Ｓｉ
含有量は１．００〜２．８０％の範囲内に限定する。

【００２７】（３）マンガン（Ｍｎ） Ｍｎは鋼中のＳをＭｎＳとして無害化して、鋼の熱間延
性を向上させる。またＭｎは焼入れ性を向上させ、パー
ライトを微細化して、鋼の延性を向上させる。この目的
で用いるので、Ｍｎは０．０１％以上の添加を必要とす
る。しかし、Ｍｎは黒鉛の析出を阻害するので、上限は
２．００％とする。なお、Ｍｎ含有率を低めにすれば黒
鉛化のために必要なＳｉの量を低減させることができ
る。Ｍｎ含有率が高めの場合には部品に高い強度及び靱
性を付与することができる。そこで、Ｍｎ含有率は０．
０１〜２．００％の範囲内に限定する。

【００２８】（４）燐（Ｐ） Ｐは黒鉛化を促進する元素である。しかし、Ｐは粒界に
偏析して熱間延性を低下させ、表面疵の発生を助長す
る。このような悪影響を防ぐために、Ｐ含有率は０．０
５０以下に限定する。一層望ましくは０．０３０％以下
にする。

【００２９】（５）硫黄（Ｓ） Ｓは黒鉛化を大きく阻害する元素であり、その含有率が
０．１００％を超えると、Ｓｉ等の黒鉛化促進元素を多
量に添加する必要があり、また熱間延性の低下を招く。
従って、Ｓ含有率は０．１００％以下に限定する。一層
望ましくは０．０５０％以下にするのがよい。

【００３０】（６）酸素（Ｏ） Ｏは鋼の清浄性を低下させると共に、黒鉛化を阻害する
元素であるので出来るかぎり低く抑えるべきである。し
かしＯ含有率は０．００５０％までは許容される。そこ
で、Ｏ含有率は上限を０．００５０％とする。一層望ま
しくは０．００３０％以下にする方がよい。

【００３１】（７）窒素（Ｎ） Ｎは単独で鋼中に存在すると、黒鉛化を阻害する。Ｎ含
有率が０．０２０％を超えると、黒鉛の析出が困難にな
る他、鋼の凝固中に窒素ガスの発生によりブローホ─ル
が多数形成されて、圧延後の表面疵の原因になる。従っ
て、Ｎ含有率は０．０２０％以下にする。一層望ましく
は０．０１０％以下にする。

【００３２】（８）銅（Ｃｕ） Ｃｕは黒鉛の析出を促進し、且つフェライトに固溶して
強度を高める。また、溶湯の流動性を増し、鋳造性を向
上させる。これらの目的でＣｕを利用するするので、
０．０１％以上の添加を必要とする。しかし、Ｃｕ含有
率が２．０％を超えると、鋼中への固溶限を超えるので
未固溶Ｃｕが残存し、熱間延性を低下させ、表面疵の発
生を助長する。従って、Ｃｕ含有率は０．０１〜２．０
％の範囲内にするのが望ましい。

【００３３】（９）ニッケル（Ｎｉ） ＮｉもＣｕと同様に、黒鉛の析出を促進させると共に、
フェライトに固溶して強度を高める。これらの目的で添
加するので、Ｎｉは０．０１％以上の添加を必要とす
る。しかし２．０％を超えて添加すると効果は飽和す
る。また、Ｎｉは高価な元素である。従って、Ｎｉ含有
率は０．０１〜２．０％の範囲内にするのが望ましい。

【００３４】（１０）コバルト（Ｃｏ） ＣｏもＣｕやＮｉと同じく、黒鉛の析出を促進させると
共に、フェライトを強化する。これらの目的で添加する
ので、Ｃｏは０．０１％以上の添加を必要とする。しか
しＣｏはＮｉよりも高価な元素である。従って、Ｃｏ含
有率は０．０１〜０．５０％の範囲内にするのが望まし
い。

【００３５】（１１）クロム（Ｃｒ） Ｃｒも少量添加の場合はフェライトに固溶して、鋼を強
化する。この目的で用いるので、０．０１％以上の添加
を必要とする。しかしＣｒは、Ｍｎよりも黒鉛化を阻害
する作用が大きい。よって、Ｃｒが０．５０％を超える
と，黒鉛化促進元素を多量に必要とし、コスト高にな
る。従って、Ｃｒ含有率は０．０１〜０．５０％の範囲
内にするのが望ましい。

【００３６】（１２）モリブデン（Ｍｏ） Ｍｏは少量添加の場合はフェライトを強化する。この目
的で用いるので、０．０１％以上の添加を必要とする。
しかし、Ｍｏも黒鉛化を阻害する元素であり、０．５０
％を超えると、黒鉛化促進元素を多量に必要とする。従
って、Ｍｏ含有率０．０１〜０．５０％の範囲内にする
のが望ましい。

【００３７】（１３）ボロン（Ｂ） Ｂは鋼中のＮをＢＮとして固定し、Ｎの黒鉛化阻害作用
を軽減すると共に、ＢＮが黒鉛析出核として作用し、黒
鉛の析出を促進する。この目的で用いるので、０．００
０５％以上の添加を必要とする。しかし、Ｂは０．０１
０％を超えて添加しても、効果が飽和するのみならず、
多量のＢＮや炭ほう化物を析出し、熱間延性を低下させ
る。従って、Ｂ含有率は０．０００５〜０．０１０％の
範囲内にするのが望ましい。

【００３８】（１４）アルミニウム（Ａｌ） Ａｌは脱酸剤として重要な元素であると共に、ＡｌＮを
析出し結晶粒を微細にする元素である。またＳｉと同様
に黒鉛化を促進する元素である。これらの目的のために
はＡｌは少なくとも０．００１％以上添加する必要があ
る。しかし、Ａｌを０．１０％を超えて添加すると、酸
化物系介在物の量が多くなって、鋼の清浄性を低下さ
せ、熱間加工時の割れの原因となる。また連続鋳造にお
いてＡｌ₂Ｏ₃ がノズルに堆積して、ノズル詰まりを引
き起こすので、Ａｌ含有率は、０．００１〜０．１０％
の範囲内にするのが望ましい。

【００３９】（１５）チタン（Ｔｉ） ＴｉはＴｉＮ及びＴｉＣを析出させ、結晶粒を微細化す
る。またＴｉＮ及びＴｉＣは黒鉛析出の核として作用
し、黒鉛の析出を促進する。Ｔｉ添加量が０．００５％
未満ではその効果は小さく、一方、Ｔｉを０．１０％を
超えて添加すると、硬いＴｉＮやＴｉＣが多量に生成し
て、工具の摩耗を促進する。従って、Ｔｉ含有率は、
０．００５〜０．０５０％の範囲内にするのが望まし
い。

【００４０】（１５）ジルコニウム（Ｚｒ） ＺｒもＴｉと同様に窒化物及び炭化物を析出させ、結晶
粒を微細化すると共に、黒鉛の析出を促進させる。Ｚｒ
添加量が０．００５％未満ではその効果は小さい。一
方、Ｚｒを０．０５０％を超えて添加すると、工具の摩
耗を促進する。従って、Ｚｒ含有率は０．００５〜０．
０５０％の範囲内にするのが望ましい。

【００４１】（１６）バナジウム（Ｖ） Ｖも窒化物及び炭化物を析出させ、結晶粒を微細化す
る。また析出物が微細であるので鋼の降伏応力を高め、
疲労限応力を向上させる。Ｖ添加量が０．０１％未満で
はその効果は小さい。一方、Ｖは黒鉛の析出を阻害する
元素であり、０．２０％を超えて添加すると、黒鉛化促
進元素を多量に必要とする。従って、Ｖ含有率は０．０
１〜０．２０％の範囲内にするのが望ましい。

【００４２】（１７）ニオブ（Ｎｂ） Ｎｂも窒化物及び炭化物を析出させ、結晶粒を微細化す
ると共に、降伏応力を高める。Ｎｂの炭窒化物は１１５
０℃の高温でも鋼中に溶解せず、オーステナイト粒の粗
大化を阻止し、鍛造後の結晶粒を微細にして、靱性を向
上させる。Ｎｂ添加量が０．０１％未満ではその効果は
小さく、一方、０．２０％を超えて添加しても、黒鉛の
析出が阻害されて、黒鉛化促進元素を多量に必要とす
る。従って、Ｎｂ含有率は０．０１〜０．２０％の範囲
内にするのが望ましい。

【００４３】（１８）カルシウム（Ｃａ） Ｃａは鋳鉄においては、接種材として使用され黒鉛化を
促進させる。これは溶鋼の温度水準でのＣａの蒸気圧が
高く、鋳造中にＣａの蒸気が凝固鋼内に微小な空洞を形
成し、これが黒鉛析出の核となって、球状黒鉛を析出さ
せると考えられる。鋼においてもＣａは鋳鉄と同様な挙
動をして、熱間加工後の黒鉛析出を容易にする。また、
Ｃａは酸化物系介在物として存在すると、超硬工具切削
においてベラーグを形成し、工具寿命を延長する効果が
大きいので、快削鋼への添加が望ましい元素である。こ
うした目的のためにはＣａは、０．００１０％以上添加
する必要がある。しかし、０．０１０％を超えて添加し
ても効果は飽和する。従って、Ｃａ含有率は０．００１
０〜０．０１０％の範囲内にするのが望ましい。

【００４４】（１９）マグネシウム（Ｍｇ） ＭｇもＣａと同じく、鋳鉄において接種材として使用さ
れ、黒鉛化を促進させ、また、鋼においても加工後の黒
鉛析出を容易にする。その添加量が０．００１０％未満
では効果は小さい。一方、Ｍｇを０．１０％を超えて添
加しても効果は飽和する。従って、Ｍｇ含有率は０．０
０１０〜０．１０％の範囲内にするのが望ましい。

【００４５】（２０）ＲＥＭ（希土類元素） Ｃｅ、Ｌａ等のＲＥＭも鍛造後の黒鉛析出を促進する。
その添加量が０．００１０％未満では効果は小さい。一
方、ＲＥＭを０．１０％を超えて添加しても効果は飽和
する。従って、ＲＥＭ含有率は０．００１０〜０．１０
％の範囲内にするのが望ましい。

【００４６】以上の他に、鋼にはＳｎ、Ａｓ等の不可避
的に混入する元素を含む。また環境への問題が小さい場
合には，補足的にＢｉ、Ｓｅ、Ｔｅ等の快削性向上元素
を少量添加することも可能である。

【００４７】（２１）黒鉛化指数 鋼材中の黒鉛はその快削性向上に効果的である。鋼材中
に黒鉛の析出を促進させるためには、黒鉛化指数ＣＥを
大きくすることが重要である。このＣＥは主要元素につ
いては以下の式で表わされる。即ち、 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２＋Ｃｕ／９＋Ｎｉ／９
＋Ｃｏ／９−Ｃｒ／９−Ｍｏ／９＋Ｂ＋Ａｌ／６＋Ｔｉ
／３＋Ｚｒ／３−Ｖ／３−Ｎｂ／３ 但し、上式中の元素記号はその元素の含有重量％を表わ
す。またＣａ、Ｍｇ及びＲＥＭの内の少なくとも１種を
０．００１０％以上含有する場合には、上記式の右辺に
０．０７を加算する。

【００４８】一方、黒鉛の析出は加熱温度、冷却速度に
よっても左右され、ＣＥによって一義的に決定されるも
のではない。しかしながら、ＣＥが１．３０以上でない
場合は、対象高温鋼材を炉冷等により長時間の黒鉛化処
理を行なわなければならず、短時間の熱処理で黒鉛を析
出させることが困難になる。従って、黒鉛化指数ＣＥは
１．３０以上に限定する。

【００４９】（２２）熱間圧延時の加熱温度 熱間圧延前の鋳片又は鋼片の加熱温度が８５０℃未満で
は、鋼の変形能が不足して、棒線材に表面疵が発生し易
い。一方、加熱温度が１１５０℃を超えると鋼の固相線
温度に近くなってやはり熱間延性が不足して棒線材に割
れを発生する。このため熱間圧延時の加熱温度は８５０
〜１１５０℃の間とする。

【００５０】（２３）黒鉛化加熱温度 鋼材の再加熱により黒鉛の析出を促進させるためには、
黒鉛化焼ならしを行なう。黒鉛化焼ならしにおける加熱
温度は黒鉛析出に対する重要因子である。加熱温度が６
００℃未満の加熱では、炭素の拡散速度が小さい。しか
し、１０００℃より高い温度に加熱すると、昇温中に一
旦析出した黒鉛は高温加熱中に再溶解して、空冷後に得
られる黒鉛の大きさが小さくなる。従って、黒鉛化焼な
らしのための加熱温度は６００〜１０００℃の範囲内に
限定する。一層望ましくは６５０〜９５０℃の範囲内が
よく、この温度範囲内でより短時間の加熱で、所望の大
きさ及び数の黒鉛を得ることができる。

【００５１】（２４）黒鉛化加熱時間 黒鉛化加熱時間は短いほど生産性が向上して望ましい。
３ｈｒ以下の加熱で十分、所望とする黒鉛の大きさ及び
数、金属組織及び、硬さが得られる。従って、加熱時間
は３ｈｒ以下に限定する。

【００５２】加熱後は、鋼材を炉から取り出して空冷す
れば徐冷等をしなくても十分である。コイル材の場合に
は１〜３トンの巻き取られたコイル状態で冷却される。
直棒の場合には数本〜１００本程度の結束した状態で冷
却されることが大半である。従って、本発明にかかる鋼
材の場合には、このような状態での空冷による冷却速度
は、黒鉛を析出させ、且つ成長させるのに十分に小さ
く、満足すべきものである。

【００５３】（２５）黒鉛の粒径 本発明における黒鉛の析出形状は、一般的に塊状と表現
されるものであるが、これが球状、粒状あるいは楕円体
状であってもよく、平均的な長さ／厚み比が５以下なら
ば特に差し支えはない。このように、塊状に析出した黒
鉛の平均粒径が１．０μｍ未満では、切削時に切り屑を
小さく破砕する効果が小さく、切削性向上への寄与は小
さい。従って、黒鉛の平均粒径は１．０μｍ以上になる
ようにする。一方、その平均粒径の上限は特に限定しな
いが、３０μｍを超える黒鉛が多数析出すると靱性低下
の原因となる。従って、黒鉛の平均粒径は３０μｍ以下
にするのが望ましい。

【００５４】（２６）黒鉛の数 単位断面積当たりの黒鉛の数は、切り屑を小さく分断さ
せるのに重要である。その数が１００個／ｍｍ² 未満で
は切り屑処理性の改善効果が小さいので、黒鉛の数は１
００個／ｍｍ² 以上にする。黒鉛の数は、黒鉛の大きさ
に左右され、粒径が大きくなれば少なくなり、小さくな
れば多くなる。本発明では粒径が１０〜２５μｍの黒鉛
が析出するとき、その数はおおよそ１００〜１０００個
／ｍｍ²の間であるが、１．０〜５μｍの黒鉛が析出す
る場合にはおおよそ３０００〜５００００個／ｍｍ² に
達する。

【００５５】 （２７）金属組織工具寿命を延ばすため
には、鋼材の硬さを低くする必要がある。このような低
硬さの鋼材を得るには、黒鉛化焼ならし鋼の金属組織を
フェライト＋パーライト又はフェライトのみにすること
が必要であり、フェライトの量を７０％以上にすること
が必要である。金属組織をこのように制御するために、
黒鉛化加熱後の冷却速度を小さくして、黒鉛を大きく成
長させ、パーライトの量を減少させる。そして十分小さ
い冷却速度で冷却することによって、金属組織はパーラ
イトを含まない軟質なフェライト単相になる。この発明
の他の構成要件による条件下において、上記金属組織を
得るためには、前記（２４）項で述べたように、黒鉛化
加熱後、空冷すればよい。

【００５６】（２８）硬さ 黒鉛化焼ならし後のブリネル硬さ（ＨＢ）が２００を超
えると、切削工具の摩耗が大きくなって、工具寿命が短
くなる。従って、ブリネル硬さは２００以下であること
が必要である。金属組織がフェライト単相になった場合
にはブリネル硬さは１３０程度まで低下する。

【００５７】

【実施例】 次に、この発明を、実施例によって更に詳
細に説明する。表１及び２に、試験に用いた供試鋼の化
学成分組成及び黒鉛化指数ＣＥを示す。表１の鋼Ｎｏ．
１〜１１および２１〜２３は全て、化学成分組成が本発
明の範囲内の鋼である。表２の鋼Ｎｏ．２４〜４６は全
て、化学成分組成が本発明の範囲外の鋼であり、Ｎo.２
４〜４５は比較成分鋼、そしてＮｏ．４６は従来成分鋼
のＳＵＭ２４Ｌである。

【００５８】

【表１】

【００５９】

【表２】

【００６０】上記各成分の供試鋼（鋼Ｎo.１〜４６）は
１３０トン電気炉により溶製後、連続鋳造又は造塊によ
り鋳片に鋳造したものである。鋳片を１６０ｍｍ角の鋼
片に分塊圧延後、鋼片加熱炉にて加熱後、直径２４ｍｍ
又は３２ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、これを長さ５．５ｍ
の棒鋼に切断した後、棒鋼の表面疵有無を検査した。次
いでそれらの棒鋼を１トン単位で結束し、熱処理炉に装
入して黒鉛化焼ならし処理を行なった。

【００６１】 表３及び４に、棒鋼製造試験に用いた供
試鋼の鋼Ｎｏ．、鋼片の加熱温度、圧延棒鋼の表面疵の
有無、並びに棒鋼の黒鉛化加熱温度及び黒鉛化加熱時間
を示す。即ち、表３及び４の試験は、本発明の範囲内の
試験である実施例１−１〜実施例１−１１、及び本発明
の範囲外の試験である比較例１−２１〜比較例１−４６
からなる。

【００６２】

【表３】

【００６３】

【表４】

【００６４】上記試験で得られた黒鉛化焼ならしの施さ
れた棒鋼について、下記試験をした。 黒鉛析出状態及び金属組織を、光学顕微鏡にて観察し
た。黒鉛析出状態としては、黒鉛の平均粒径及び黒鉛粒
の数を測定した。金属組織としてはフェライト＋パーラ
イト組織中のフェライト％（面積％）を測定した。 ブリネル硬さを、硬さ計にて試験した。

【００６５】その後、棒鋼を自動盤にて切削加工し、自
動車の油圧部品であるピストンピンに機械加工した。こ
れを用いて、 被削性試験を行なった。被削性は、切り屑の処理性と
工具寿命で判定した。即ち、切り屑処理性は、切り屑が
２巻以下で分断しているものを「良好」としてランク
１、切り屑が３〜６巻で分断しているものを「普通」と
してランク２、そして切り屑が７巻以上に長くつながっ
ているものを「劣る」としてランク３と位置づけた。工
具寿命の試験は、ハイス工具で切削速度１５０ｍ／ｍｉ
ｎ、送り０・２０ｍｍ／ｒｅｖにて切削油をかけた状態
で切削し、刃先が溶損して切削不能になるまでの時間を
測定し、工具寿命とした。

【００６６】 上記試験結果を、表３及び４に併記し
た。以上の表１〜４より、下記事項がわかる。 （１）本発明の鋼の成分組成、並びに熱間圧延条件及び
黒鉛化焼ならし条件を全て満足している、実施例１−１
〜１−１１は、棒鋼の表面疵発生はなく、黒鉛の平均粒
径及び黒鉛粒の数は目標値を満たし、金属組織について
も目標が満たされ、そして、硬さもＨＢ２００以下と軟
質な棒鋼となっている。このため、切り屑処理性はすべ
て評価ランク１の小さく分断した切り屑であって、工具
寿命も３０分以上と優れた長寿命を有していた。

【００６７】（２）これに対して、本発明の範囲外の条
件が一つでも入っている試験である、比較例１−２１〜
１−４６では、本発明の目標が達成されなかった。詳細
は次の通りである。

【００６８】・比較例１−２１は、化学成分は本発明の
範囲内であるが、熱間圧延時の加熱温度が本発明の範囲
より高かったために、熱間延性が不足して棒鋼に大きな
疵が発生した。また比較例１−２２は同様に、化学成分
は本発明の範囲内であるが、熱間圧延時の加熱温度が逆
に本発明の範囲より低かったために、熱間延性が不足し
て棒鋼に大きな疵が発生した。

【００６９】・比較例１−２３は、化学成分及び熱間圧
延時の加熱温度共に、本発明の範囲内であるが、黒鉛化
のための加熱温度が本発明の範囲より高い。このため昇
温中に一旦析出した黒鉛が高温条件下で再溶解したため
に、黒鉛粒が１．０μｍより小さくなってしまい、切り
屑処理性は評価ランク２の普通の状態のものしか得るこ
とができなかった。

【００７０】・比較例１−２４は、Ｃ含有率が本発明の
範囲を外れて低く、このため黒鉛は１．０μｍ以下の小
さいものしか得られず、金属組織中のフェライト量も少
なく、硬さもＨＢ２００を超えて高く、切り屑処理性、
工具寿命とも劣るものであった。特に切り屑は長くつな
がって被削材に絡まってしまったために、機械を停止し
て切り屑を除去する必要があった。Ｃ含有率が逆に、本
発明を外れて高い比較例１−２５では、熱間延性が不足
して、棒鋼に割れが発生した。なお、以後の比較例にお
いては、表面疵の発生した棒鋼の切削試験は省略した。

【００７１】・比較例１−２６は、Ｓｉ含有率が本発明
の範囲を外れて低く、このため黒鉛粒が小さく、被削性
の劣るものであった。比較例１−２７は、Ｓｉが本発明
を外れて高く、このため熱間延性が不足して、棒鋼に疵
が発生した。

【００７２】・比較例１−２８は、Ｍｎ含有率が２．０
％を超えて高く、やはり熱間延性が不足して、棒鋼に疵
が発生した。 ・比較例１−２９は、Ｐ含有率が本発明の範囲より高
く、熱間延性不足で、棒鋼に疵が発生した。

【００７３】・比較例１−３０は、Ｓ含有率が本発明の
範囲より高く、熱間延性不足で、棒鋼に疵が発生した。 ・比較例１−３１は、Ｃｕ含有率が本発明の範囲より高
く、熱間延性不足で、棒鋼に疵が発生した。

【００７４】・比較例１−３２は、Ｃｒ含有率が本発明
の範囲より高く、このため黒鉛化指数ＣＥが１．３０を
下回って低かったために小さい黒鉛しか得ることができ
ず、硬くて、被削性に劣るものであった。

【００７５】・比較例１─３３は、Ｎｉ及びＭｏ含有率
が本発明の範囲より高く、このため熱間延性が不足し
て、棒鋼に疵を生じた。 ・比較例１−３４は、Ｃｏ及びＯ含有率が本発明より高
く、やはり棒鋼に疵が発生した。

【００７６】・比較例１−３５は、Ｂ含有率が本発明の
範囲より高く、多量の炭ほう化物が析出して、延性不足
により疵が発生した。 ・比較例１−３６は、Ｎ含有率が本発明の範囲より高
く、このため鋳片に発生したブローホールが原因して、
棒鋼の表面に多数の線状疵が発生した。

【００７７】・比較例１─３７は、Ｚｒ含有率が本発明
の範囲より高く、棒鋼に疵が発生した。 ・比較例１─３８は、Ｖ含有率が本発明の範囲より高
く、黒鉛化指数ＣＥが１．３０より小さく不足して、
１．０μｍ以下の小さい黒鉛しか得ることができなかっ
た。そのため、被削性に劣るものであった。

【００７８】・比較例１─３９は、Ａｌ含有率が本発明
の範囲より高く、棒鋼に疵が発生した。 ・比較例１─４０は、Ｎｂ含有率が本発明の範囲より高
く、黒鉛化指数ＣＥが１．３０より小さく不足して、
１．０μｍ以下の小さい黒鉛しか得ることができなかっ
た。そのため、被削性に劣るものであった。

【００７９】・比較例１─４１はＣａ含有率が、比較例
１−４２はＭｇ含有率が、比較例１−４３はＲＥＭ含有
率が、それぞれ本発明の範囲より高く、このため酸化物
系介在物が鋼中に多量に巻き込まれ、これが棒鋼に圧延
疵として残存した。

【００８０】・比較例１−４４、及び比較例１−４５
は、個々の化学成分組成は本発明の範囲内にあるが、黒
鉛化指数ＣＥが本発明の範囲より低いため、析出した黒
鉛は小さいものであった。そのため、被削性に劣るもの
であった。

【００８１】・比較例１−４５は、従来成分鋼のＳＵＭ
２４Ｌであり、被削性は良好なものであった。しかし、
本鋼は炭素含有率が低いので、耐摩耗性を向上させるた
めに９２０℃×５ｈｒの浸炭焼入れ後、１７０℃×１．
５ｈｒの焼戻しを行う必要があった。また、棒鋼に熱間
圧延するに際しては、圧延中に先端が裂けて割れたりし
て、ミスロールになるのを防ぐため、鋼片の先端を鉛筆
の先端のように細くして、圧延機に噛み込ませる必要が
あった。

【００８２】 以上のＳＵＭ２４Ｌに対し、実施例１−
１〜１−１１に示した実施例においては、簡便な高周波
焼入れ−焼戻しを施すことにより耐摩耗性を向上させる
ことができた。また、いずれの実施例においても、熱間
圧延に当たって、特殊な先端加工を必要とせず、シャー
で切断ままの鋼片を用いても何ら支障なく圧延可能であ
った。

【００８３】次に、黒鉛化焼ならしにおける加熱温度と
加熱時間の影響について詳細に試験した。供試材とし
て、鋼Ｎｏ．１の化学成分組成の２トン鋼片を１０００
℃に加熱し、熱間圧延後コイル状に巻き取った直径１８
ｍｍφの線材を用いた。焼ならしは、加熱温度を５５０
〜１０５０℃の間で５０℃間隔の１１水準の温度を設定
し、加熱時間を０．５ｈｒ、１ｈｒ及び３ｈｒの３水準
で加熱し、その後空冷した。得られた試験材について、
ブリネル硬さ、黒鉛の析出状態及び金属組織の測定・試
験をした。

【００８４】図１に、焼ならし温度とブリネル硬さとの
関係を、加熱時間で層別して示す。これよりわかるよう
に、０．５ｈｒ加熱では７００〜１０００℃の間でブリ
ネル硬さＨＢ２００以下のものが得られた。１ｈｒ加熱
では６５０〜９５０℃の間で、また３ｈｒ加熱では６０
０〜９００℃の間で、それぞれブリネル硬さＨＢ２００
以下のものが得られた。

【００８５】 また、ＨＢ２００以下の硬さが得られた
線材においては、黒鉛の平均粒径は２〜１０μｍの間で
あって、金属組織は７０％以上のフェライトを有するフ
ェライト＋パーライト組織であった。図２に、化学成分
組成が鋼Ｎo.１であって、焼ならし温度８５０℃、加熱
時間１ｈｒの黒鉛化焼ならしを行なった後、空冷した線
材試験材のミクロ組織を示す。

【００８６】図２にミクロ組織を示した線材を供試材と
し、１６ｍｍφに引き抜き後、ドアロックノブピンと呼
ばれるねじ部品に機械加工した。切り屑処理性及び工具
寿命共に良好な試験結果が得られた。従来、上記ねじ部
品の製造に当たり、従来成分鋼のＳＵＭ２４Ｌを用いた
場合には、線材を引き抜き後、ドアロックノブピンに機
械加工し、そして浸炭焼入れ、焼戻しを施していたが、
本発明による線材を用いれば、当該ねじ部品において簡
便な高周波焼入れ、焼戻しで部品の耐摩耗性を向上させ
ることができた。

【００８７】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
鉛を添加することなく、従来の硫黄鉛複合快削鋼と同等
以上の被削性に優れた超快削鋼部品の製造が可能であ
り、また、当該部品の機械加工後は浸炭焼入れを行なわ
なくても、簡便な高周波焼入れにより、耐摩耗性を向上
させることが可能である。このような超快削鋼棒線材及
び部品の製造技術を提供することができ、工業上有用な
効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】線材の黒鉛化焼ならし温度とブリネル硬さとの
関係を、加熱時間で層別して示すグラフである。

【図２】本発明による超快削鋼部品のミクロ組織例を示
す図である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−67817（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−279849（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−293387（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−293388（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−293389（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−350066（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−350067（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−350068（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−146618（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−127845（ＪＰ，Ａ) 社団法人日本金属学会編，球状黒鉛鋳 鉄の理論と実際，日本，丸善株式会社発 行，1966年６月30日，ｐ．438 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 6/00 C21D 8/06 - 8/08 C22C 38/00 - 38/60

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ：１．００超〜１．５０％、 Ｓｉ：１．００〜２．８０％、 Ｍｎ：０．０１〜２．００％、 Ｐ：０．０５０％以下、 Ｓ：０．１０％以下、 Ｏ：０．００５０％以下、及び、 Ｎ：０．０２０％以下 を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる
   化学成分組成を有し、下記（１）式で求められる黒鉛化
   指数ＣＥが１．３０以上である鋳片又は鋼片を、８５０
   〜１１５０℃の範囲内の温度に加熱し、熱間圧延し、そ
   して室温まで冷却し、こうして得られた熱間圧延鋼材
   を、６００〜１０００℃の範囲内の温度で３ｈｒ以下の
   時間加熱した後、空冷し、前記鋼材中に平均粒径１．０
   μｍ以上の黒鉛を１００個／ｍｍ²以上析出させ、且つ
   金属組織を７０％以上のフェライトと残部パーライトと
   からなるか、又はフェライトのみからなるものにし、し
   かもブリネル硬さを２００以下にすることを特徴とす
   る、超快削鋼棒線材の製造方法。 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２ ---（１） 但し、上式中の元素記号は各元素の重量％を表わす。
2. 【請求項２】 前記鋳片又は鋼片として、更に下記元素
   の成分組成からなる群から選ばれた１種以上を付加して
   含有し、且つ、前記黒鉛化指数ＣＥの算出式として下記
   （２）式を用いた場合にその算出値が１．３０以上であ
   る化学成分組成を有するものを用いることを特徴とす
   る、請求項１記載の超快削鋼棒線材の製造方法。重量％
   で、 Ｃｕ：０．０１〜２．０％、 Ｎｉ：０．０１〜１．０％、 Ｃｏ：０．０１〜０．５０％、 Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、 Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、及び、 Ｂ：０．０００５〜０．０１０％。 なおＣＥは次の式による。 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２＋Ｃｕ／９＋Ｎｉ／９＋Ｃｏ／９ −Ｃｒ／９−Ｍｏ／９＋Ｂ -----------------------------（２） 但し、上式中の元素記号は各元素の重量％を表わす。
3. 【請求項３】 前記鋳片又は鋼片として、更に下記元素
   の成分組成からなる群から選ばれた、１種以上を付加し
   て含有し、且つ、前記黒鉛化指数ＣＥの算出式として下
   記（３）式を用いた場合にその算出値が１．３０以上で
   ある化学成分組成を有するものを用いることを特徴とす
   る、請求項１又は２記載の超快削鋼棒線材の製造方法。
   重量％で、 Ａｌ：０．００１〜０．１０％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、 Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％、 Ｖ：０．０１〜０．２０％、及び、 Ｎｂ：０．０１〜０．２０％ なおＣＥは次の式による。 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２＋Ｃｕ／９＋Ｎｉ／９＋Ｃｏ／９−Ｃｒ／９ −Ｍｏ／９＋Ｂ＋Ａｌ／６＋Ｔｉ／３＋Ｚｒ／３−Ｖ／３−Ｎｂ／３ -----------------------------（３） 但し、上式中の元素記号は各元素の重量％を表わす。
4. 【請求項４】 前記鋳片又は鋼片として、更に下記元素
   の成分組成からなる群から選ばれた、１種以上を付加し
   て含有し、且つ、前記黒鉛化指数ＣＥの算出式として下
   記（４）式を用いた場合にその算出値が１．３０以上で
   ある化学成分組成を有するものを用いることを特徴とす
   る、請求項１、２又は３記載の超快削鋼棒線材の製造方
   法。重量％で、 Ｃａ：０．００１０〜０．０１００％、 Ｍｇ：０．００１０〜０．１０％、及び、 ＲＥＭ：０．００１０〜０．１０％。 なおＣＥは次の式による。 ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３−Ｍｎ／１２＋Ｃｕ／９＋Ｎｉ／９＋Ｃｏ／９−Ｃｒ／９ −Ｍｏ／９＋Ｂ＋Ａｌ／６＋Ｔｉ／３＋Ｚｒ／３−Ｖ／３−Ｎｂ／３ ＋０．０７ -----------------------------（４） 但し、上式中の元素記号は各元素の重量％を表わす。
5. 【請求項５】 請求項１〜４記載の発明の内いずれかの
   方法によって超快削鋼棒線材を製造し、こうして製造さ
   れた超快削鋼棒線材に、直接又は冷間加工後、機械加工
   を施すことを特徴とする、超快削鋼部品の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜４記載の発明の内いずれかの
   方法によって製造されたものであることを特徴とする超
   快削鋼棒線材。
7. 【請求項７】 請求項５記載の発明の内いずれかの方法
   によって製造されたものであることを特徴とする超快削
   鋼部品。