JP3874557B2 - 靱性に優れた快削非調質鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いられる非調質鋼に関するものであって、Ｐｂを添加しなくてもＰｂ添加非調質鋼と同等以上の被削性及び一定レベルの靱性を有する快削非調質鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非調質鋼は焼入れ焼戻しの熱処理を省略することが可能であることから、近年、その需要が高まり、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いられている。現状では、その快削化を図る場合、快削元素としてＰｂを添加した非調質鋼が最も多く生産され使用されている。しかしながら、Ｐｂは地球環境問題からその使用を抑制しようとする動きが出ている。そこで、これに対応するため、特開平９−２５５３９号公報には、Ｐｂ非添加型の快削非調質鋼が開示されている（先行技術１という）。しかしながら、先行技術１では、特殊な元素であるＮｄを用いているため、低コスト化を考えた場合に不利であると共に、Ｐｂ添加鋼の最大の特徴である切り屑処理性に対する記述が見当たらない。また、特開平１−２１９１４８号公報には、Ｐｂ以外の快削性介在物としてＢＮを使用した非調質鋼が開示されている（先行技術２という）。しかしながら、先行技術１と同様、Ｐｂ添加鋼の最大の特徴である切り屑処理性に対する記述が見当たらないと共に、当該鋼材として一定レベルまで必要不可欠な靱性に対する記述も見当たらない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した先行技術はいずれもＰｂを添加しない成分系の快削鋼である点において環境対策上有益なものであるが、上述した通り、快削鋼の被削性評価で極めて重要な項目である切り屑処理性についての評価に問題がある。また、先行技術１では製造コストが高くなること、そして先行技術２では靱性確保に問題がある。
【０００４】
そこで、この発明は上記問題点を解決するために、Ｐｂを添加しない快削鋼の製造を前提とし、当該快削鋼の化学成分には特殊で高価な添加元素を使用せず、従来快削鋼としては汎用的に用いられている成分元素の範囲内において、切り屑処理性を含む切削性に優れ、且つ、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材に供される快削鋼として備えるべき鋼材特性の内、特に靱性を所定レベルに維持した、高品質の快削非調質鋼を開発することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した観点から鋭意研究を重ねた結果、鋼の化学成分組成を適切に定めることにより、切削性の確保をＢＮ析出物の生成とその分布の制御で行ない、そして靱性の確保をＣｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率の制限で、あるいは更にこの制限にＴｉＮ析出物の生成とその分布の制御の付加で行なえば、上記目的を達成し得る高品質の快削非調質鋼を製造することができる。更に、Ｃａ＋Ｓ系介在物の生成とその適切な分布により、切削性が一層向上した高品質の快削非調質鋼を製造することができることを見い出した。
【０００６】
即ち、快削非調質鋼として所定の機械的性質を満たす基本的成分組成の鋼において、
（イ）Ｔｉ無添加鋼において、Ｂ及びＮ含有率のそれぞれ、並びに、Ｂ／Ｎの含有率比を適切な範囲内に制限し、且つ、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率に上限を設けた成分組成を設計する、及び、
（ロ）Ｔｉ添加鋼において、Ｂ、Ｔｉ及びＮ含有率のそれぞれ、並びに、Ｂ／（ＢＮの析出物生成に対してＴｉＮ生成に消費されるＮを差し引いた有効なＮ）の含有率比とを適切な範囲内に制限し、且つ、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率に上記（イ）よりも制限を緩和した上限を設けた成分組成を設計することにより、所期目標通り、靱性を確保し、切り屑処理性を含む切削性に優れた快削非調質鋼を得ることができるとの知見を得た。そして、適切なＣａ＋Ｓ系介在物分布により切削性は一層向上する。
【０００７】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は次の通りである。請求項１記載の靭性に優れた快削非調質鋼は、
Ｃ ：０．３０〜０．５５mass％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％、
Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％、
Ｐ ：０．００５〜０．０５０mass％、
Ｓ ：０．０４０mass％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％、
Ｖ ：０．０４ 〜０．１５mass％、
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．４５mass％以下、
Ｂ ：０．００５０〜０．０１５０mass％、及び、
Ｎ ：０．００８〜０．０１８mass％、
を含有し、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、それぞれ不可避不純物であり、残部がＦｅ及びＣｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ以外の不可避不純物からなり、且つ、Ｂ／Ｎ：０．５〜１．５の範囲内にあることに特徴を有するものである。
【０００８】
請求項２記載の靭性に優れた快削非調質鋼は、
Ｃ ：０．３０〜０．５５mass％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％、
Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％、
Ｐ ：０．００５〜０．０５０mass％、
Ｓ ：０．０４０mass％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％、
Ｖ ：０．０４ 〜０．１５mass％、
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．６０mass％以下、
Ｂ ：０．００５０〜０．０１５０mass％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２０mass％、及び、
Ｎ ：０．０１０〜０．０２０mass％、
を含有し、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、それぞれ不可避不純物であり、残部がＦｅ及びＣｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ以外の不可避的不純物からなり、且つ、Ｂ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）：０．５〜１．５の範囲内にあることに特徴を有するものである。
【０００９】
請求項２記載の靱性に優れた快削非調質鋼は、請求項１又は請求項２記載の発明において、
Ｓ ：０．０４０〜０．０８mass％、及び、
Ｃａ ：０．００１〜０．００３mass％
を含有することに特徴を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明は、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いるのに適した快削非調質鋼であり、その機械的性質として、引張強さ：８００ＭＰa 以上、絞り：３０％以上、そしてシャルピー衝撃試験値：３０Ｊ／ｃｍ2 以上を有し、疲労特性及び切削性に優れたものである。この発明の快削非調質鋼の化学成分組成を上述した通り限定する理由を説明する。
【００１１】
（１）Ｃ：０．３０〜０．５５mass％
Ｃは、鋼の強度及び被削性に大きな影響を及ぼす重要な元素であり、Ｃ含有率が０．３０mass％未満では十分な強度が得られない。一方、Ｃ含有率が０．５５mass％を超えると、パーライト量が多くなり過ぎて、被削性が劣化する。従って、Ｃ含有率は、０．３０〜０．５５mass％の範囲内に限定する。
【００１２】
（２）Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％
Ｓｉは、鋼の脱酸に必要な元素であり、Ｓｉ含有率が０．１５mass％未満では十分な脱酸効果が得られない。一方、Ｓｉ含有率が０．４０mass％を超えると、フェライトが硬化して、被削性が劣化する。従って、Ｓｉ含有率は、０．１５〜０．４０mass％の範囲内に限定する。
【００１３】
（３）Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％
Ｍｎは、鋼の強度及び靱性に大きな影響を及ぼす元素であり、Ｍｎ含有率が０．８０mass％未満では、十分な強度が得られない。一方、Ｍｎ含有率が１．６０mass％を超えると、十分な靱性が得られず、また切削性も低下する。従って、Ｍｎ含有率は、０．８０〜１．６０mass％の範囲内に限定する。
【００１４】
（４）Ｐ：０．００５〜０．０５０mass％
Ｐは、鋼中に不可避的に混入して含有される元素であり、Ｐ含有率が０．０５０mass％を超えると、十分な靱性が得られない。但し、Ｐ含有率は低すぎると切削性が劣化する傾向がある。また、Ｐ含有率を低下させるほど脱Ｐコストがかかる。従って、Ｐ含有率は０．００５〜０．０５０mass％の範囲内に限定する。
【００１５】
（５）Ｓ：０．０４０mass％以下、又は、
Ｓ：０．０４〜０．０８mass％、且つＣａ：０．００１〜０．００３mass％
Ｓは、鋼中に不可避的に混入して含有される元素であり、その含有率が０．０４０mass％を超えると、十分な靱性が得られない。従って、Ｓ含有率は０．０４０mass％以下に制限する。
【００１６】
他方、Ｓは、Ｃａと複合添加するとＣａ＋Ｓ系介在物が生成し、適切量の分布により鋼の切削性向上効果を発揮する。なお、このＣａ＋Ｓ系介在物の靱性低下作用はあまり大きくない。このＣａ＋Ｓ系介在物生成による切削性の向上のためには、Ｓが０．０４mass％未満でＣａが０．００１mass％未満では十分な効果が発揮されない。一方、Ｓが０．０８mass％超えでＣａが０．００３mass％超えでは、この切削性向上効果が飽和し、また製造コストの上昇により不利となる。従って、切削性を一層向上させるときには、Ｓを０．０４〜０．０８mass％の範囲内で、且つＣａを０．００１〜０．００３mass％の範囲内となるよう複合添加するのが望ましい。
【００１７】
（６）Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％
Ａｌは鋼の脱酸に必要な元素であり、Ａｌの脱酸作用としてはその含有率が０．００５mass％未満では効果が不十分であり、一方０．０３５mass％を超えてもその効果は飽和する。従って、Ａｌ含有率は０．００５〜０．０３５mass％の範囲内に限定する。
【００１８】
（７）Ｖ：０．０４ 〜０．１５mass％
Ｖは、析出強化元素であるが、Ｖ含有率が０．０４mass％未満では十分な析出硬化が得られない。一方、その含有率が０．１５mass％を超えると、Ｖの析出物が粗大化するために靱性が低下する。従って、Ｖ含有率は０．０４〜０．１５mass％の範囲内に限定する。
【００１９】
（８）Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．４５mass％以下（Ｔｉ無添加鋼の場合）
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．６０mass％以下（Ｔｉ添加鋼の場合）
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏは、鋼の溶製過程で原料のスクラップから不可避的に混入する元素であり、特に、製鋼用電気炉において装入主原料に占めるスクラップ比率が高いので、これらトランプエレメントの混入量を制限するために、スクラップ品位の制限を要する。このように、製造コスト低減の観点からも、上記トランプエレメントの合計含有率の許容上限値の決定は重要となる。一方、本発明者等の試験によれば、これらトランプエレメントの合計含有率が０．４５mass％を超えると、靱性を著しく劣化させる。また、切削性も劣化させる傾向にある。従って、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの含有率は、０．４５mass％以下に限定する。
【００２０】
但し、後述するＴｉを所定量添加した鋼においては、ＴｉＮ析出物により靱性の向上効果が発揮されるので、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの含有率を、０．６０mass％以下に制限を緩和することができる。また、上記制限を緩和しないときは、靱性に一層優れた快削非調質鋼が得られる。
【００２１】
（９）Ｂ：０．００５０ 〜０．０１５０mass％
Ｂは、この発明において切削性向上のために重要な役割を果たす元素である。即ち、Ｂは切削性を向上させるＢＮ析出物を生成させるために、Ｎの存在と共に必要な元素である。しかし、Ｂ含有率が０．００５０mass％未満では、十分な量のＢＮを生成させることができない。一方、Ｂ含有率が０．０１５０mass％を超えると、靱性が低下する。従って、Ｂ含有率は０．００５０〜０．０１５０mass％の範囲内にあることが必要である。
【００２２】
ここで、上記含有率のＢが切削性向上効果を発揮するのに十分な量のＢＮとして析出するためには、Ｂ含有率に応じて当該Ｂと結合し得る所定量のＮ含有率が存在することが必要である。これに必要なＮ含有率については、Ｎ含有率限定理由の項、及びＢ／Ｎ比の限定理由の項で説明する。
【００２３】
（１０）Ｔｉ：０．００５〜０．０２０mass％
Ｔｉは、この発明において、上述したＣｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率を、０．４５mass％以下に限定することにより靱性の向上を図り、更に一層、靱性を向上させようとする場合に、重要な役割を果たす元素である。即ち、Ｔｉは靱性を向上させるＴｉＮ析出物を生成させるために、Ｎの存在と共に必要な元素である。しかし、Ｔｉ含有率が０．００５mass％未満では、十分な量のＴｉＮを生成させることができないので靱性向上が不十分である。一方、Ｔｉ含有率が０．０２０mass％を超えると、粗大なＴｉＮが多くなり、これが疲労破壊の起点となるために、疲労寿命が低下し、更に、切削性も劣化する傾向にある。従って、Ｔｉ含有率は、０．００５〜０．０２０mass％の範囲内にあることが必要である。
【００２４】
ここで、この含有率のＴｉが靱性向上効果を発揮するのに十分な量のＴｉＮとして析出するためには、Ｔｉ含有率に応じて当該Ｔｉと結合し得る所定量のＮ含有率が存在することが必要である。これに必要なＮ含有率については、Ｎ含有率限定理由の項、及びＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）比の限定理由の項で説明する。
【００２５】
（１１）Ｎ：０．００８〜０．０１８mass％以下（Ｔｉ無添加鋼の場合）
Ｎ：０．０１０〜０．０２０mass％以下（Ｔｉ添加鋼の場合）
Ｎは、Ｂと結合してＢＮ析出物を生成し、切削性を向上させると共に、Ｔｉ添加鋼にあっては、ＴｉＮ析出物を生成し、靱性を向上させる重要な元素である。
【００２６】
しかしながら、（イ）Ｔｉ無添加鋼においては、Ｎ含有率が０．００８mass％未満では上記各析出物の生成量が十分でないので、各効果が十分に発揮されない。一方、Ｎ含有率が０．０１８mass％を超えると、靱性及び疲労特性を劣化させる。従って、Ｎ含有率は０．００８〜０．０１８mass％の範囲内に限定する。
【００２７】
これに対して、（ロ）Ｔｉ添加鋼においては、Ｎ含有率が０．０１０mass％未満では上記各析出物の生成量が十分でないので、各効果が十分に発揮されない。一方、Ｎ含有率が０．０２０mass％を超えると、靱性及び疲労特性を劣化させる。従って、Ｎ含有率は０．０１０〜０．０２０mass％の範囲内に限定する。
【００２８】
（１２）Ｂ／Ｎ：０．５〜１．５（Ｔｉ無添加鋼の場合）
Ｂ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）：０．５〜１．５（Ｔｉ添加鋼の場合）
Ｔｉ無添加鋼の場合には、Ｂ含有率とＮ含有率との比であるＢ／Ｎは、切削性向上に効果的なＢＮ析出物の生成量を決定する主要な因子である。これに対して、Ｔｉ添加鋼の場合には、鋼中Ｎは、Ｎとの親和力の大きいＴｉとの結合に消費される。よって、ＢＮの生成に有効な含有率は、全Ｎ含有率からＴｉＮ生成に消費されるＮ含有率の化学量論値を差し引いた実効Ｎ含有率、Ｎ−Ｔｉ／｛（Ｔｉの原子量）／（Ｎの原子量）｝、即ち、Ｎ−Ｔｉ／３．４２で表わされる。従って、Ｔｉ添加鋼の場合には、Ｂ含有率と実効Ｎ含有率との比であるＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）が、切削性向上に効果的なＢＮ析出物の生成量を決定する主要な因子となる。上記Ｂ／Ｎ又はＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）が、０．５未満ではＢＮ生成量が十分に確保されないので切削性向上が十分でなく、一方、それらがが、１．５超えでは熱間加工性が劣化する。従って、Ｂ、Ｎ及びＴｉの含有率は、上述した各含有率の範囲内にあって、しかも、Ｂ／Ｎ又はＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）が、０．５〜１．５の範囲内に入るように限定する。
【００２９】
【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に示す本発明の範囲内の化学成分組成を有する本発明例Ｎo.１〜１３、並びに、本発明の範囲外の化学成分組成を有する比較例Ｎo.１４〜２７及び参考例Ｎo.２８〜２９を、真空溶解炉で溶製し、鋼塊に鋳造した後、それぞれを径８０ｍｍφの棒鋼に熱間圧延した。更に、本発明例Ｎo.１〜１３、比較例Ｎo.１４〜２７及び参考例Ｎo.２８については、１２００℃に加熱した後、径７０ｍｍφまで熱間鍛造し、室温まで空冷した。参考例Ｎo.２９のＪＩＳ Ｓ５０Ｃ相当鋼については、上記と同一条件で熱間鍛造した後、焼入れ・焼戻しを行なった。
【００３０】
【表１】
【００３１】
上記のようにして本発明例、比較例及び参考例から製造された各棒鋼について、下記試験を行なった。
引張試験：ＪＩＳ４号試験片を採取し、引張試験を行なった。
【００３２】
疲労試験：小野式回転曲げ試験を行なった。
切削試験：
・表２に示す条件で、外周旋削試験は、超硬工具（材質Ｐ２０）とハイス工具（材質ＳＫＨ４）の２種類を用いて行ない、ドリル穴開け試験をハイスドリル（材質ＳＫＨ４）で行なった。
【００３３】
・切削性の評価については、超硬工具による外周試験では、横逃げ面磨耗量ＶＢが０．２ｍｍになる切削時間で工具寿命を評価し、ハイス工具による外削試験においては、切削不能になるまでの時間で工具寿命を評価した。
【００３４】
・ドリル試験では、穴あけ総深さが１０００ｍｍで切削不能となる切削速度を求め、工具寿命（ドリル寿命速度）の指標とした。
【００３５】
【表２】
【００３６】
【表３】
【００３７】
表３に、上記試験結果を示す。各特性値の目標値として、参考例Ｎo.２８であるＰｂ系非調質快削鋼をベースにし、引張強さ８００ＭＰａ以上、疲労限４００ＭＰａ以上、シャルピー衝撃値３０Ｊ／ｃｍ2 以上、ドリル寿命速度５５ｍ／ｍｉｎ以上とした。
【００３８】
本発明例Ｎo.１〜１３ではいずれも試験値は、上記目標値を満たしており、良好な特性を有する。これに対して、比較例Ｎo.１４〜２７及び参考例２８〜２９ではいずれも、少なくともいずれか一つの試験値が上記目標値を満たしていない。
【００３９】
比較例Ｎo.１４では、Ｃ含有率が本発明の下限値以下のため、引張強さが本発明例より低くなっている。また比較例Ｎo.１５では、Ｃ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性も劣る。
【００４０】
比較例Ｎo.１６では、Ｓｉ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性も劣る。
比較例Ｎo.１７では、Ｍｎ含有率が本発明の下限値以下のため、引張強さが本発明例よりも低くなっている。比較例Ｎo.１８では、Ｍｎ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性も劣る。
【００４１】
比較例Ｎo.１９では、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低く、切削性も劣る。特に、本発明例Ｎo.１や本発明例Ｎo.３に比較して、衝撃値の低下が著しい。
【００４２】
比較例Ｎo.２０では、Ｖ含有率が本発明の下限値以下のため、引張強さ及び衝撃値が本発明例よりも低くなっている。比較例Ｎo.２１では、Ｖ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性が不良である。
【００４３】
比較例Ｎo.２２では、Ｂ含有率が本発明の下限値以下のため、切削性が不良である。比較例Ｎo.２３では、Ｂ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低下している。
【００４４】
比較例Ｎo.２４では、Ｔｉ含有率が本発明の上限値以上のため、疲労特性が劣化し、切削性も劣る。
比較例Ｎo.２５では、Ｓ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低下している。
【００４５】
比較例Ｎo.２６では、Ｎ含有率が本発明の下限値以下のため、切削性が不良である。
比較例Ｎo.２７では、Ｎ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低下しており、疲労特性も不良である。
【００４６】
なお、上記試験で得られたデータに基づき、ドリル寿命速度とシャルピー衝撃値との関係を、図１にプロットした。本発明例は全て、ドリル寿命速度及びシャルピー衝撃値共に目標値を満たしている。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いられる非調質鋼を、Ｐｂを添加しなくてもＰｂ添加非調質鋼と同等以上の被削性及び一定レベルの靱性を有する快削非調質鋼を得ることができるので、地球環境維持に寄与する。また、高価で特別な元素を添加特殊で高価な添加元素を使用せずに、従来快削鋼として汎用的に用いられている成分元素で、切り屑処理性を含む切削性に優れており、靱性も望ましい所定レベルに維持された、高品質の快削非調質鋼が得られる。このような靱性に優れた快削非調質鋼を提供することがで、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】本発明例及び比較例の試験データより得られたドリル寿命速度とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いられる非調質鋼に関するものであって、Ｐｂを添加しなくてもＰｂ添加非調質鋼と同等以上の被削性及び一定レベルの靱性を有する快削非調質鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非調質鋼は焼入れ焼戻しの熱処理を省略することが可能であることから、近年、その需要が高まり、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いられている。現状では、その快削化を図る場合、快削元素としてＰｂを添加した非調質鋼が最も多く生産され使用されている。しかしながら、Ｐｂは地球環境問題からその使用を抑制しようとする動きが出ている。そこで、これに対応するため、特開平９−２５５３９号公報には、Ｐｂ非添加型の快削非調質鋼が開示されている（先行技術１という）。しかしながら、先行技術１では、特殊な元素であるＮｄを用いているため、低コスト化を考えた場合に不利であると共に、Ｐｂ添加鋼の最大の特徴である切り屑処理性に対する記述が見当たらない。また、特開平１−２１９１４８号公報には、Ｐｂ以外の快削性介在物としてＢＮを使用した非調質鋼が開示されている（先行技術２という）。しかしながら、先行技術１と同様、Ｐｂ添加鋼の最大の特徴である切り屑処理性に対する記述が見当たらないと共に、当該鋼材として一定レベルまで必要不可欠な靱性に対する記述も見当たらない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した先行技術はいずれもＰｂを添加しない成分系の快削鋼である点において環境対策上有益なものであるが、上述した通り、快削鋼の被削性評価で極めて重要な項目である切り屑処理性についての評価に問題がある。また、先行技術１では製造コストが高くなること、そして先行技術２では靱性確保に問題がある。
【０００４】
そこで、この発明は上記問題点を解決するために、Ｐｂを添加しない快削鋼の製造を前提とし、当該快削鋼の化学成分には特殊で高価な添加元素を使用せず、従来快削鋼としては汎用的に用いられている成分元素の範囲内において、切り屑処理性を含む切削性に優れ、且つ、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材に供される快削鋼として備えるべき鋼材特性の内、特に靱性を所定レベルに維持した、高品質の快削非調質鋼を開発することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した観点から鋭意研究を重ねた結果、鋼の化学成分組成を適切に定めることにより、切削性の確保をＢＮ析出物の生成とその分布の制御で行ない、そして靱性の確保をＣｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率の制限で、あるいは更にこの制限にＴｉＮ析出物の生成とその分布の制御の付加で行なえば、上記目的を達成し得る高品質の快削非調質鋼を製造することができる。更に、Ｃａ＋Ｓ系介在物の生成とその適切な分布により、切削性が一層向上した高品質の快削非調質鋼を製造することができることを見い出した。
【０００６】
即ち、快削非調質鋼として所定の機械的性質を満たす基本的成分組成の鋼において、
（イ）Ｔｉ無添加鋼において、Ｂ及びＮ含有率のそれぞれ、並びに、Ｂ／Ｎの含有率比を適切な範囲内に制限し、且つ、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率に上限を設けた成分組成を設計する、及び、
（ロ）Ｔｉ添加鋼において、Ｂ、Ｔｉ及びＮ含有率のそれぞれ、並びに、Ｂ／（ＢＮの析出物生成に対してＴｉＮ生成に消費されるＮを差し引いた有効なＮ）の含有率比とを適切な範囲内に制限し、且つ、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率に上記（イ）よりも制限を緩和した上限を設けた成分組成を設計することにより、所期目標通り、靱性を確保し、切り屑処理性を含む切削性に優れた快削非調質鋼を得ることができるとの知見を得た。そして、適切なＣａ＋Ｓ系介在物分布により切削性は一層向上する。
【０００７】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は次の通りである。請求項１記載の靭性に優れた快削非調質鋼は、
Ｃ ：０．３０〜０．５５mass％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％、
Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％、
Ｐ ：０．００５〜０．０５０mass％、
Ｓ ：０．０４０mass％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％、
Ｖ ：０．０４ 〜０．１５mass％、
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．４５mass％以下、
Ｂ ：０．００５０〜０．０１５０mass％、及び、
Ｎ ：０．００８〜０．０１８mass％、
を含有し、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、それぞれ不可避不純物であり、残部がＦｅ及びＣｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ以外の不可避不純物からなり、且つ、Ｂ／Ｎ：０．５〜１．５の範囲内にあることに特徴を有するものである。
【０００８】
請求項２記載の靭性に優れた快削非調質鋼は、
Ｃ ：０．３０〜０．５５mass％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％、
Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％、
Ｐ ：０．００５〜０．０５０mass％、
Ｓ ：０．０４０mass％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％、
Ｖ ：０．０４ 〜０．１５mass％、
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．６０mass％以下、
Ｂ ：０．００５０〜０．０１５０mass％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２０mass％、及び、
Ｎ ：０．０１０〜０．０２０mass％、
を含有し、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、それぞれ不可避不純物であり、残部がＦｅ及びＣｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ以外の不可避的不純物からなり、且つ、Ｂ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）：０．５〜１．５の範囲内にあることに特徴を有するものである。
【０００９】
請求項２記載の靱性に優れた快削非調質鋼は、請求項１又は請求項２記載の発明において、
Ｓ ：０．０４０〜０．０８mass％、及び、
Ｃａ ：０．００１〜０．００３mass％
を含有することに特徴を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明は、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いるのに適した快削非調質鋼であり、その機械的性質として、引張強さ：８００ＭＰa 以上、絞り：３０％以上、そしてシャルピー衝撃試験値：３０Ｊ／ｃｍ2 以上を有し、疲労特性及び切削性に優れたものである。この発明の快削非調質鋼の化学成分組成を上述した通り限定する理由を説明する。
【００１１】
（１）Ｃ：０．３０〜０．５５mass％
Ｃは、鋼の強度及び被削性に大きな影響を及ぼす重要な元素であり、Ｃ含有率が０．３０mass％未満では十分な強度が得られない。一方、Ｃ含有率が０．５５mass％を超えると、パーライト量が多くなり過ぎて、被削性が劣化する。従って、Ｃ含有率は、０．３０〜０．５５mass％の範囲内に限定する。
【００１２】
（２）Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％
Ｓｉは、鋼の脱酸に必要な元素であり、Ｓｉ含有率が０．１５mass％未満では十分な脱酸効果が得られない。一方、Ｓｉ含有率が０．４０mass％を超えると、フェライトが硬化して、被削性が劣化する。従って、Ｓｉ含有率は、０．１５〜０．４０mass％の範囲内に限定する。
【００１３】
（３）Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％
Ｍｎは、鋼の強度及び靱性に大きな影響を及ぼす元素であり、Ｍｎ含有率が０．８０mass％未満では、十分な強度が得られない。一方、Ｍｎ含有率が１．６０mass％を超えると、十分な靱性が得られず、また切削性も低下する。従って、Ｍｎ含有率は、０．８０〜１．６０mass％の範囲内に限定する。
【００１４】
（４）Ｐ：０．００５〜０．０５０mass％
Ｐは、鋼中に不可避的に混入して含有される元素であり、Ｐ含有率が０．０５０mass％を超えると、十分な靱性が得られない。但し、Ｐ含有率は低すぎると切削性が劣化する傾向がある。また、Ｐ含有率を低下させるほど脱Ｐコストがかかる。従って、Ｐ含有率は０．００５〜０．０５０mass％の範囲内に限定する。
【００１５】
（５）Ｓ：０．０４０mass％以下、又は、
Ｓ：０．０４〜０．０８mass％、且つＣａ：０．００１〜０．００３mass％
Ｓは、鋼中に不可避的に混入して含有される元素であり、その含有率が０．０４０mass％を超えると、十分な靱性が得られない。従って、Ｓ含有率は０．０４０mass％以下に制限する。
【００１６】
他方、Ｓは、Ｃａと複合添加するとＣａ＋Ｓ系介在物が生成し、適切量の分布により鋼の切削性向上効果を発揮する。なお、このＣａ＋Ｓ系介在物の靱性低下作用はあまり大きくない。このＣａ＋Ｓ系介在物生成による切削性の向上のためには、Ｓが０．０４mass％未満でＣａが０．００１mass％未満では十分な効果が発揮されない。一方、Ｓが０．０８mass％超えでＣａが０．００３mass％超えでは、この切削性向上効果が飽和し、また製造コストの上昇により不利となる。従って、切削性を一層向上させるときには、Ｓを０．０４〜０．０８mass％の範囲内で、且つＣａを０．００１〜０．００３mass％の範囲内となるよう複合添加するのが望ましい。
【００１７】
（６）Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％
Ａｌは鋼の脱酸に必要な元素であり、Ａｌの脱酸作用としてはその含有率が０．００５mass％未満では効果が不十分であり、一方０．０３５mass％を超えてもその効果は飽和する。従って、Ａｌ含有率は０．００５〜０．０３５mass％の範囲内に限定する。
【００１８】
（７）Ｖ：０．０４ 〜０．１５mass％
Ｖは、析出強化元素であるが、Ｖ含有率が０．０４mass％未満では十分な析出硬化が得られない。一方、その含有率が０．１５mass％を超えると、Ｖの析出物が粗大化するために靱性が低下する。従って、Ｖ含有率は０．０４〜０．１５mass％の範囲内に限定する。
【００１９】
（８）Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．４５mass％以下（Ｔｉ無添加鋼の場合）
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．６０mass％以下（Ｔｉ添加鋼の場合）
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏは、鋼の溶製過程で原料のスクラップから不可避的に混入する元素であり、特に、製鋼用電気炉において装入主原料に占めるスクラップ比率が高いので、これらトランプエレメントの混入量を制限するために、スクラップ品位の制限を要する。このように、製造コスト低減の観点からも、上記トランプエレメントの合計含有率の許容上限値の決定は重要となる。一方、本発明者等の試験によれば、これらトランプエレメントの合計含有率が０．４５mass％を超えると、靱性を著しく劣化させる。また、切削性も劣化させる傾向にある。従って、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの含有率は、０．４５mass％以下に限定する。
【００２０】
但し、後述するＴｉを所定量添加した鋼においては、ＴｉＮ析出物により靱性の向上効果が発揮されるので、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの含有率を、０．６０mass％以下に制限を緩和することができる。また、上記制限を緩和しないときは、靱性に一層優れた快削非調質鋼が得られる。
【００２１】
（９）Ｂ：０．００５０ 〜０．０１５０mass％
Ｂは、この発明において切削性向上のために重要な役割を果たす元素である。即ち、Ｂは切削性を向上させるＢＮ析出物を生成させるために、Ｎの存在と共に必要な元素である。しかし、Ｂ含有率が０．００５０mass％未満では、十分な量のＢＮを生成させることができない。一方、Ｂ含有率が０．０１５０mass％を超えると、靱性が低下する。従って、Ｂ含有率は０．００５０〜０．０１５０mass％の範囲内にあることが必要である。
【００２２】
ここで、上記含有率のＢが切削性向上効果を発揮するのに十分な量のＢＮとして析出するためには、Ｂ含有率に応じて当該Ｂと結合し得る所定量のＮ含有率が存在することが必要である。これに必要なＮ含有率については、Ｎ含有率限定理由の項、及びＢ／Ｎ比の限定理由の項で説明する。
【００２３】
（１０）Ｔｉ：０．００５〜０．０２０mass％
Ｔｉは、この発明において、上述したＣｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏの合計含有率を、０．４５mass％以下に限定することにより靱性の向上を図り、更に一層、靱性を向上させようとする場合に、重要な役割を果たす元素である。即ち、Ｔｉは靱性を向上させるＴｉＮ析出物を生成させるために、Ｎの存在と共に必要な元素である。しかし、Ｔｉ含有率が０．００５mass％未満では、十分な量のＴｉＮを生成させることができないので靱性向上が不十分である。一方、Ｔｉ含有率が０．０２０mass％を超えると、粗大なＴｉＮが多くなり、これが疲労破壊の起点となるために、疲労寿命が低下し、更に、切削性も劣化する傾向にある。従って、Ｔｉ含有率は、０．００５〜０．０２０mass％の範囲内にあることが必要である。
【００２４】
ここで、この含有率のＴｉが靱性向上効果を発揮するのに十分な量のＴｉＮとして析出するためには、Ｔｉ含有率に応じて当該Ｔｉと結合し得る所定量のＮ含有率が存在することが必要である。これに必要なＮ含有率については、Ｎ含有率限定理由の項、及びＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）比の限定理由の項で説明する。
【００２５】
（１１）Ｎ：０．００８〜０．０１８mass％以下（Ｔｉ無添加鋼の場合）
Ｎ：０．０１０〜０．０２０mass％以下（Ｔｉ添加鋼の場合）
Ｎは、Ｂと結合してＢＮ析出物を生成し、切削性を向上させると共に、Ｔｉ添加鋼にあっては、ＴｉＮ析出物を生成し、靱性を向上させる重要な元素である。
【００２６】
しかしながら、（イ）Ｔｉ無添加鋼においては、Ｎ含有率が０．００８mass％未満では上記各析出物の生成量が十分でないので、各効果が十分に発揮されない。一方、Ｎ含有率が０．０１８mass％を超えると、靱性及び疲労特性を劣化させる。従って、Ｎ含有率は０．００８〜０．０１８mass％の範囲内に限定する。
【００２７】
これに対して、（ロ）Ｔｉ添加鋼においては、Ｎ含有率が０．０１０mass％未満では上記各析出物の生成量が十分でないので、各効果が十分に発揮されない。一方、Ｎ含有率が０．０２０mass％を超えると、靱性及び疲労特性を劣化させる。従って、Ｎ含有率は０．０１０〜０．０２０mass％の範囲内に限定する。
【００２８】
（１２）Ｂ／Ｎ：０．５〜１．５（Ｔｉ無添加鋼の場合）
Ｂ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）：０．５〜１．５（Ｔｉ添加鋼の場合）
Ｔｉ無添加鋼の場合には、Ｂ含有率とＮ含有率との比であるＢ／Ｎは、切削性向上に効果的なＢＮ析出物の生成量を決定する主要な因子である。これに対して、Ｔｉ添加鋼の場合には、鋼中Ｎは、Ｎとの親和力の大きいＴｉとの結合に消費される。よって、ＢＮの生成に有効な含有率は、全Ｎ含有率からＴｉＮ生成に消費されるＮ含有率の化学量論値を差し引いた実効Ｎ含有率、Ｎ−Ｔｉ／｛（Ｔｉの原子量）／（Ｎの原子量）｝、即ち、Ｎ−Ｔｉ／３．４２で表わされる。従って、Ｔｉ添加鋼の場合には、Ｂ含有率と実効Ｎ含有率との比であるＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）が、切削性向上に効果的なＢＮ析出物の生成量を決定する主要な因子となる。上記Ｂ／Ｎ又はＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）が、０．５未満ではＢＮ生成量が十分に確保されないので切削性向上が十分でなく、一方、それらがが、１．５超えでは熱間加工性が劣化する。従って、Ｂ、Ｎ及びＴｉの含有率は、上述した各含有率の範囲内にあって、しかも、Ｂ／Ｎ又はＢ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）が、０．５〜１．５の範囲内に入るように限定する。
【００２９】
【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に示す本発明の範囲内の化学成分組成を有する本発明例Ｎo.１〜１３、並びに、本発明の範囲外の化学成分組成を有する比較例Ｎo.１４〜２７及び参考例Ｎo.２８〜２９を、真空溶解炉で溶製し、鋼塊に鋳造した後、それぞれを径８０ｍｍφの棒鋼に熱間圧延した。更に、本発明例Ｎo.１〜１３、比較例Ｎo.１４〜２７及び参考例Ｎo.２８については、１２００℃に加熱した後、径７０ｍｍφまで熱間鍛造し、室温まで空冷した。参考例Ｎo.２９のＪＩＳ Ｓ５０Ｃ相当鋼については、上記と同一条件で熱間鍛造した後、焼入れ・焼戻しを行なった。
【００３０】
【表１】
上記のようにして本発明例、比較例及び参考例から製造された各棒鋼について、下記試験を行なった。
引張試験：ＪＩＳ４号試験片を採取し、引張試験を行なった。
【００３２】
疲労試験：小野式回転曲げ試験を行なった。
切削試験：
・表２に示す条件で、外周旋削試験は、超硬工具（材質Ｐ２０）とハイス工具（材質ＳＫＨ４）の２種類を用いて行ない、ドリル穴開け試験をハイスドリル（材質ＳＫＨ４）で行なった。
【００３３】
・切削性の評価については、超硬工具による外周試験では、横逃げ面磨耗量ＶＢが０．２ｍｍになる切削時間で工具寿命を評価し、ハイス工具による外削試験においては、切削不能になるまでの時間で工具寿命を評価した。
【００３４】
・ドリル試験では、穴あけ総深さが１０００ｍｍで切削不能となる切削速度を求め、工具寿命（ドリル寿命速度）の指標とした。
【００３５】
【表２】
【表３】
表３に、上記試験結果を示す。各特性値の目標値として、参考例Ｎo.２８であるＰｂ系非調質快削鋼をベースにし、引張強さ８００ＭＰａ以上、疲労限４００ＭＰａ以上、シャルピー衝撃値３０Ｊ／ｃｍ2 以上、ドリル寿命速度５５ｍ／ｍｉｎ以上とした。
【００３８】
本発明例Ｎo.１〜１３ではいずれも試験値は、上記目標値を満たしており、良好な特性を有する。これに対して、比較例Ｎo.１４〜２７及び参考例２８〜２９ではいずれも、少なくともいずれか一つの試験値が上記目標値を満たしていない。
【００３９】
比較例Ｎo.１４では、Ｃ含有率が本発明の下限値以下のため、引張強さが本発明例より低くなっている。また比較例Ｎo.１５では、Ｃ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性も劣る。
【００４０】
比較例Ｎo.１６では、Ｓｉ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性も劣る。
比較例Ｎo.１７では、Ｍｎ含有率が本発明の下限値以下のため、引張強さが本発明例よりも低くなっている。比較例Ｎo.１８では、Ｍｎ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性も劣る。
【００４１】
比較例Ｎo.１９では、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低く、切削性も劣る。特に、本発明例Ｎo.１や本発明例Ｎo.３に比較して、衝撃値の低下が著しい。
【００４２】
比較例Ｎo.２０では、Ｖ含有率が本発明の下限値以下のため、引張強さ及び衝撃値が本発明例よりも低くなっている。比較例Ｎo.２１では、Ｖ含有率が本発明の上限値以上のため、絞り及び衝撃値が低く、切削性が不良である。
【００４３】
比較例Ｎo.２２では、Ｂ含有率が本発明の下限値以下のため、切削性が不良である。比較例Ｎo.２３では、Ｂ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低下している。
【００４４】
比較例Ｎo.２４では、Ｔｉ含有率が本発明の上限値以上のため、疲労特性が劣化し、切削性も劣る。
比較例Ｎo.２５では、Ｓ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低下している。
【００４５】
比較例Ｎo.２６では、Ｎ含有率が本発明の下限値以下のため、切削性が不良である。
比較例Ｎo.２７では、Ｎ含有率が本発明の上限値以上のため、衝撃値が低下しており、疲労特性も不良である。
【００４６】
なお、上記試験で得られたデータに基づき、ドリル寿命速度とシャルピー衝撃値との関係を、図１にプロットした。本発明例は全て、ドリル寿命速度及びシャルピー衝撃値共に目標値を満たしている。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、自動車部品のクランクシャフトや各種足回り部品等の素材として用いられる非調質鋼を、Ｐｂを添加しなくてもＰｂ添加非調質鋼と同等以上の被削性及び一定レベルの靱性を有する快削非調質鋼を得ることができるので、地球環境維持に寄与する。また、高価で特別な元素を添加特殊で高価な添加元素を使用せずに、従来快削鋼として汎用的に用いられている成分元素で、切り屑処理性を含む切削性に優れており、靱性も望ましい所定レベルに維持された、高品質の快削非調質鋼が得られる。このような靱性に優れた快削非調質鋼を提供することがで、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】本発明例及び比較例の試験データより得られたドリル寿命速度とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
Claims (3)
- Ｃ ：０．３０〜０．５５mass％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％、
Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％、
Ｐ ：０．００５〜０．０５０mass％、
Ｓ ：０．０４０mass％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％、
Ｖ ：０．０４ 〜０．１５mass％、
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．４５mass％以下、
Ｂ ：０．００５０〜０．０１５０mass％、及び、
Ｎ ：０．００８〜０．０１８mass％、
を含有し、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、それぞれ不可避不純物であり、残部がＦｅ及びＣｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ以外の不可避不純物からなり、且つ、Ｂ／Ｎ：０．５〜１．５の範囲内にあることを特徴とする快削非調質鋼。 - Ｃ ：０．３０〜０．５５mass％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０mass％、
Ｍｎ：０．８０〜１．６０mass％、
Ｐ ：０．００５〜０．０５０mass％、
Ｓ ：０．０４０mass％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０３５mass％、
Ｖ ：０．０４ 〜０．１５mass％、
Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ：０．６０mass％以下、
Ｂ ：０．００５０〜０．０１５０mass％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２０mass％、及び、
Ｎ ：０．０１０〜０．０２０mass％、
を含有し、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、それぞれ不可避不純物であり、残部がＦｅ及びＣｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ以外の不可避的不純物からなり、且つ、Ｂ／（Ｎ−Ｔｉ／３．４２）：０．５〜１．５の範囲内にあることを特徴とする快削非調質鋼。 - 請求項１又は請求項２記載の発明において、
Ｓ ：０．０４〜０．０８mass％、及び、
Ｃａ：０．００１〜０．００３mass％
を含有することを特徴とする快削非調質鋼。
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