JP7185574B2

JP7185574B2 - 鋼材

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Publication number: JP7185574B2
Application number: JP2019056896A
Authority: JP
Inventors: 亮廣松ヶ迫
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2022-12-07
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: JP2020158801A

Description

本発明は、鋼材に関し、例えば、工具及び機械部品等の用途に使用可能な工具用鋼及び機械構造用鋼等の鋼材に関する。

工具及び機械部品等は、例えば、工具用鋼及び機械構造用鋼等の鋼材に対して鍛造等の加工を施した後に、切削加工を施して最終形状に仕上げることにより製造される。このように切削加工を施す鋼材には、加工精度及び製造効率等の観点から、優れた被削性を有することが求められている。

鋼材の成分としてＰｂを含有させることにより被削性を向上させたＰｂ快削鋼が知られている。しかし、Ｐｂは人体及び環境に有害であることから、近年では、Ｐｂ含有量が極めて少ないか、あるいはＰｂを含有しない鋼材について、良好な被削性を発揮することが求められている。

例えば、特許文献１には、ＢｉとＳｅとＴｅとの合計の含有量、及びＴｉとＮｂとＺｒとＶとの合計の含有量とが所定の範囲である無鉛鋼が開示されており、当該無鉛鋼は、良好な焼入れ性、被削性および耐摩耗性を有すると述べられている。

特許文献２には、Ｐｂ含有量が０．５質量％以下であり、Ａｌ含有量及びＮ含有量が所定の式を満足し、切削工具の表面にＡｌ_２Ｏ_３被膜を形成する機械構造用鋼が開示されており、当該機械構造用鋼により、優れた潤滑性及び工具寿命が得られると述べられている。

特許文献３には、Ｐｂ含有量が０．３０質量％以下であり、Ａｌ含有量及びＮ含有量が所定の式を満足する非調質鋼が開示されている。

特許文献４には、Ｐｂを含有しない鋼を用いて、所定の条件で熱間圧延を行い、所定の温度で保持した後に放冷する球状化焼鈍用高炭素鋼材の製造方法が開示されている。

特許文献５には、Ａｌ含有量及びＮ含有量が所定の式を満足する機械構造用鋼に対して、溶存酸素量が４～１６体積％である不水溶性切削油剤を用いて切削加工を行う機械構造用鋼の切削方法が開示されており、当該切削方法は、工具寿命を高め、切削加工効率に優れていると述べられている。

特許文献６には、複数の鋼片を積層し、熱間加工により当該鋼片を圧着して成形した工具用鋼材が開示されており、Ｐｂを含有しない工具用鋼の被削性が検討されている。

特許文献７には、Ｐｂ含有量が０．３０質量％以下である線材をストランド状態で軸方向に搬送し、所定の条件で圧延した後、所定の条件で冷却する鋼線の製造方法が開示されている。

特許文献８には、Ｐｂ含有量が０．３０質量％以下であり、Ｃ含有量が０．８質量％超である鋼から熱間圧延された線材を、所定の条件で加熱、圧延による延伸加工及び冷却を行う鋼線の製造方法が開示されている。

特表２０１０－５１６８９８号公報国際公開第２０１０／１３４５８３号特開平１１－２８６７５０号公報特開平３－５３０２１号公報国際公開第２０１２／０６０３８３号特開２００３－１７０２７８号公報特開平１０－１２８４０２号公報特開平９－２７９２４０号公報

しかし、上述の技術を始めとした広範な検討がなされているにも関わらず、Ｐｂ含有量が極めて少ないか、あるいはＰｂを含有しない鋼材について、被削性の向上が不十分であるのが現状である。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｐｂ含有量が極めて少ないか、あるいはＰｂを含有しなくても、十分な被削性を有する鋼材を提供することである。

本発明の態様１は、
Ｃ：０．９０～１．００質量％、
Ｓｉ：０．１０～０．３５質量％、
Ｍｎ：０．８０～１．２０質量％、
Ｐ：０．０２０質量％以下、
Ｓ：０．１０～０．２０質量％、
Ｃｒ：０．１０～０．３０質量％、及び
Ｃｕ：０．１０～０．２５質量％
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる鋼材である。

本発明の態様２は、
Ｎｉ：０質量％超０．３０質量％以下、
Ｍｏ：０質量％超０．５０質量％以下、
Ｂ：０質量％超０．０１質量％以下、
Ｔｉ：０質量％超０．５０質量％以下、
Ｎｂ：０質量％超０．５０質量％以下、及び
Ｖ：０質量％超０．５０質量％以下
からなる群から選択される１種以上を更に含有する態様１に記載の鋼材である。

本発明の実施形態により、Ｐｂ含有量が極めて少ないか、あるいはＰｂを含有しなくても、十分な被削性を有する鋼材を提供することができる。

クレータ摩耗量と加工距離との関係を示すグラフである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、本発明者は、とりわけ、Ｍｎ及びＳの含有量を従来鋼とは全く異なる範囲に制御することに加えて、Ｃｕ含有量も制御することにより、Ｐｂ含有量が極めて少ないか、あるいはＰｂを含有しなくても、十分な被削性を有する鋼材を得ることができることを見出した。以下、具体的に説明する。

本明細書において、Ｐｂ含有量が極めて少ないか、あるいはＰｂを含有しないことを「Ｐｂを実質的に含有しない」と言うことがある。
また、本明細書において、「Ｐｂを実質的に含有しない」とは、Ｐｂ含有量が０．０４質量％程度未満であることを意味し、後述するように、本発明の実施形態に係る鋼材は、０．０４質量％程度未満のＰｂを不可避的不純物として含み得る。

従来鋼として、例えば、ＪＩＳＧ４４０１：２００９に記載のＳＫ９５が挙げられ、ＳＫ９５は、０．１０～０．５０質量％のＭｎ、及び０．０３０質量％以下のＳを含有している。これに対して、本発明者は、鋼材中のＭｎ及びＳの含有量を多くして多量のＭｎＳを形成させ、ＭｎＳにより被削性を高めることを試みた。しかし、Ｍｎ及びＳの含有量を単に高めるだけでは、被削性の改善が十分でないことが分かった。そこで、ＭｎＳによる被削性の確保に加えて、他の手段により更に被削性を高めることを試みた。その結果、発明者は、鋼材にＣｕを含有させることにより、被削性を高めることができることを知見した。

以上の知見に基づき、本発明者は更に検討を行い、Ｍｎ、Ｓ及びＣｕの含有量がそれぞれ所定の範囲となるように鋼材の化学成分組成を制御することにより、Ｐｂを実質的に含有しなくても、製造効率の低下を抑制しつつ、ＭｎＳ及びＣｕにより鋼材の被削性を高めることができることができることを見出し、本発明を完成した。

本発明の実施形態に係る鋼材は、
Ｃ：０．９０～１．００質量％、
Ｓｉ：０．１０～０．３５質量％、
Ｍｎ：０．８０～１．２０質量％、
Ｐ：０．０２０質量％以下、
Ｓ：０．１０～０．２０質量％、
Ｃｒ：０．１０～０．３０質量％、及び
Ｃｕ：０．１０～０．２５質量％
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる。
以下、各元素について詳述する。

（１）Ｃ：０．９０～１．００質量％
Ｃは、鋼材の強度を確保するために有用である。この作用を有効に発揮させるため、Ｃ含有量は０．９０質量％以上とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．９１質量％以上、より好ましくは０．９２質量％以上である。一方、Ｃ含有量が過剰であると、鋼材が硬くなり過ぎて、被削性が低下する。そのため、Ｃ含有量は１．００質量％以下とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．９９質量％以下、より好ましくは０．９８質量％以下である。

（２）Ｓｉ：０．１０～０．３５質量％以下
Ｓｉは、脱酸元素であり、また固溶強化により鋼材の強度を高めるために有用である。この作用を有効に発揮させるためには、Ｓｉ含有量は０．１０質量％以上とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．１２質量％以上、より好ましくは０．１５質量％以上である。一方、Ｓｉ含有量が過剰であると、鋼材が硬くなり過ぎて、被削性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は０．３５質量％以下とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．３２質量％以下、より好ましくは０．３０質量％以下である。

（３）Ｍｎ：０．８０～１．２０質量％
Ｍｎは、上述のように、Ｓと結合してＭｎＳを形成することにより被削性を向上させ、また鋼材の焼入れ性を向上させて鋼材の強度を高めるのに有用である。Ｍｎ含有量が０．８０質量％未満であると、ＭｎＳの形成が不十分であるため被削性を十分に向上させることができず、またＦｅＳが多く形成し、ＦｅＳにより熱間加工性が低下して製造効率が低下する。そのため、Ｍｎ含有量は０．８０質量％以上とする。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．８５質量％以上、より好ましくは０．９０質量％以上である。一方、Ｍｎ含有量が過剰であると、鋼材が硬くなり過ぎて、被削性が低下する。そのため、Ｍｎ含有量は１．２０質量％以下とする。Ｍｎ含有量は、好ましくは１．１５質量％以下、より好ましくは１．１０質量％以下である。

（４）Ｐ：０．０２０質量％以下
Ｐは、不純物元素として鋼材中に不可避的に存在する。Ｐ含有量が０．０２０質量％を超えると、Ｐが粒界に偏析して、加工性及び疲労特性が低下する。そのため、Ｐ含有量は０．０２０質量％以下とする。Ｐ含有量は、好ましくは０．０１８質量％以下、より好ましくは０．０１５質量％以下である。Ｐ含有量は少ない程好ましく、０質量％であることが最も好ましいが、製鋼コスト及びその他の製造上の制約等により、通常は０質量％超残存する。

（５）Ｓ：０．１０～０．２０質量％
Ｓは、上述のように、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成することにより被削性を向上させる。Ｓ含有量が０．１０質量％未満であると、ＭｎＳの形成が不十分であるため被削性を十分に向上させることができない。そのため、Ｓ含有量は０．１０質量％以上とする。Ｓ含有量は、好ましくは０．１１質量％以上、より好ましくは０．１２質量％以上である。一方、Ｓ含有量が過剰であると、ＦｅＳが多く形成し、ＦｅＳにより熱間加工性が低下して製造効率が低下する。そのため、Ｓ含有量は０．２０質量％以下とする。Ｓ含有量は、好ましくは０．１９質量％以下、より好ましくは０．１８質量％以下である。

（６）Ｃｒ：０．１０～０．３０質量％
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を向上させて鋼材の強度を高めるのに有用である。この作用を有効に発揮させるため、Ｃｒ含有量は０．１０質量％以上とする。Ｃｒ含有量は、好ましくは０．１１質量％以上、より好ましくは０．１２質量％以上である。一方、Ｃｒ含有量が過剰であると、鋼材が硬くなり過ぎて、被削性が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は０．３０質量％以下とする。Ｃｒ含有量は、好ましくは０．２９質量％以下、より好ましくは０．２８質量％以下である。

（７）Ｃｕ：０．１０～０．２５質量％
Ｃｕは、上述のように、被削性を向上させるために重要である。Ｃｕを鋼材に含有させることにより被削性が向上することについて、そのメカニズムの詳細は調査中であるが、Ｃｕを鋼材に含有させることにより焼鈍後の鋼材が脆化し、鋼材を切削した際に生じる切り屑の分断が容易となるため、切削抵抗が低減し、すくい面の摩耗が低減するからであると考えられる。Ｃｕ含有量が０．１０質量％未満であると、被削性を十分に向上させることができない。そのため、Ｃｕ含有量は０．１０質量％以上とする。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．１１質量％以上、より好ましくは０．１２質量％以上である。一方、Ｃｕ含有量が過剰であると、熱間加工性が低下して製造効率が低下する。そのため、Ｃｕ含有量は０．２５質量％以下とする。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．２４質量％以下、より好ましくは０．２３質量％以下である。

（８）残部
基本成分は上記のとおりであり、残部は鉄及び不可避的不純物（例えば、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ等）である。不可避的不純物は、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素である。
また、上述のように、本発明の実施形態に係る鋼材は、０．０４質量％程度未満、例えば０．０４質量％未満のＰｂを不可避的不純物として含み得る。
なお、例えば、Ｐのように、通常、含有量が少ないほど好ましく、従って不可避的不純物であるが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、残部を構成する「不可避的不純物」という場合は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた概念である。

更に、本発明の実施形態に係る鋼材は、以下の任意元素を含有していてよい。

（９）Ｎｉ：０質量％超０．３０質量％以下、Ｍｏ：０質量％超０．５０質量％以下、Ｂ：０質量％超０．０１質量％以下、Ｔｉ：０質量％超０．５０質量％以下、Ｎｂ：０質量％超０．５０質量％以下、及びＶ：０質量％超０．５０質量％以下からなる群から選択される１種以上
Ｎｉは、熱間加工性の向上に有用である。この作用を有効に発揮させるため、Ｎｉを選択的に鋼材に含有させる場合、Ｎｉ含有量は、好ましくは０質量％超、より好ましくは０．０５質量％以上である。一方、Ｎｉの含有量が過剰であると、鋼材が硬くなり過ぎて、被削性が低下する。そのため、Ｎｉを選択的に鋼材に含有させる場合、Ｎｉ含有量は、好ましくは０．３０質量％以下、より好ましくは０．２５質量％以下、更に好ましくは０．２０質量％以下である。

Ｍｏ及びＢは、鋼材の焼入れ性を向上させて鋼材の強度を高めるのに有用である。この作用を有効に発揮させるため、Ｍｏ及びＢを選択的に鋼材に含有させる場合、Ｍｏ含有量は、好ましくは０質量％超、より好ましくは０．０５質量％以上であり、Ｂ含有量は、好ましくは０質量％超、より好ましくは０．０００２質量％以上である。一方、Ｍｏ及びＢの含有量が過剰であると、鋼材が硬くなり過ぎて、被削性が低下する。そのため、Ｍｏ及びＢを選択的に鋼材に含有させる場合、Ｍｏ含有量は、好ましくは０．５０質量％以下、より好ましくは０．４５質量％以下、更に好ましくは０．４０質量％以下であり、Ｂ含有量は、好ましくは０．０１質量％以下、より好ましくは０．００５質量％以下、更に好ましくは０．００３質量％以下である。

Ｔｉ、Ｎｂ及びＶは、鋼材中で炭化物又は炭窒化物を形成して鋼材の強度を高めるのに有用である。この作用を有効に発揮させるため、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶを選択的に鋼材に含有させる場合、Ｔｉ含有量は、好ましくは０質量％超、より好ましくは０．０３質量％以上であり、Ｎｂ含有量は、好ましくは０質量％超、より好ましくは０．０３質量％以上であり、Ｖ含有量は、好ましくは０質量％超、より好ましくは０．０３質量％以上である。一方、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶの含有量が過剰であると、鋼材が硬くなり過ぎて、被削性が低下する。そのため、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶを選択的に鋼材に含有させる場合、Ｔｉ含有量は、好ましくは０．５０質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下、更に好ましくは０．３０質量％以下であり、Ｎｂ含有量は、好ましくは０．５０質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下、更に好ましくは０．３０質量％以下であり、Ｖ含有量は、好ましくは０．５０質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下、更に好ましくは０．３０質量％以下である。

３．製造方法
本発明の実施形態に係る鋼材の製造方法は特に限定されず、上述の化学成分組成を有する鋼を通常の製鋼法に従って溶製し、例えばビレット又はスラブ等の鋼片を鋳造し、得られた鋼片を用いて、常法に従って熱間圧延又は熱間鍛造を行った後、鋼片を冷却することにより、また必要に応じて更に焼鈍を施すことにより、本発明の実施形態に係る鋼材を製造してよい。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述及び後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

１．サンプル作製
表１に記載のＮｏ．１の化学成分組成を有する鋼片を真空誘導加熱炉（２ｔ）で溶解鋳造し、得られた鋼片に熱間鍛造を施し、直径８０ｍｍの鍛造材を得た。当該鍛造材を７３０℃で６０分間焼鈍した後、放却し、Ｎｏ．１の試験材とした。Ｎｏ．１の試験材は、Ｐｂを実質的に含有しない実施例である。
また、表１に記載のＮｏ．２の化学成分組成を有する鋼片を転炉で溶解鋳造し、得られた鋼片に熱間圧延を施し、直径６０ｍｍの圧延材を得た。当該鍛造材を７３０℃で６０分間焼鈍した後、放却し、Ｎｏ．２の試験材とした。Ｎｏ．２の試験材は、Ｐｂを実質的に含有しない比較例である。
また、表１に記載のＮｏ．３の化学成分組成を有する鋼片を真空誘導加熱炉（１５０ｋｇ）で溶解鋳造し、得られた鋼片に熱間鍛造を施し、直径８０ｍｍの鍛造材を得た。当該鍛造材を７３０℃で６０分間焼鈍した後、放却し、Ｎｏ．３の試験材とした。Ｎｏ．３の試験材は、Ｐｂを含む従来鋼である。
なお、表１において、下線を付した数値は、本発明の実施形態の範囲から外れていることを示している。

Ｎｏ．１～３の試験材を用いて、表２に示す条件で、以下の要領で切削加工試験を行った。

光学式三次元測定顕微鏡（Ａｌｉｃｏｎａ社製「ＩＮＦＩＮＩＴＥＦＯＣＵＳＳＬ」）を用いて、切削加工を行う前の工具の形状（以下、「初期形状」と呼ぶことがある）を測定した。
工具を用いて切削加工を開始し、加工距離が１０００ｍとなった時点で切削加工を止め、上記光学式三次元測定顕微鏡を用いて、加工距離が１０００ｍである工具の形状を測定した。
加工距離が１０００ｍである工具の形状と初期形状とを重ね合わせ、すくい面の摩耗深さ（すなわち、すくい面に垂直な方向の摩耗量）を測定し、当該摩耗深さの最大値を加工距離が１０００ｍのときのクレータ磨耗量とした。
加工距離が１０００ｍである工具を用いて切削加工を行い、加工距離が２０００ｍ（すなわち、初期からの合計の加工距離が２０００ｍ）となった時点で切削加工を中断し、上記と同様にして、加工距離が２０００ｍのときのクレータ磨耗量を測定した。
上記と同様にして、加工距離が３０００ｍ、５０００ｍ及び６０００ｍのときのクレータ摩耗量を順次測定した。
同一の加工距離において、クレータ摩耗量が小さい程、被削性に優れていると判定した。クレータ摩耗量の結果を表３及び図１に示す。

表３及び図１に示すように、本発明の実施形態に規定する全ての要件を満足する実施例であるＮｏ．１は、１０００ｍ以上の加工距離において、比較例であるＮｏ．２、及びＰｂを含む及びＮｏ．３よりもクレータ摩耗量が小さく、被削性に優れていた。

Ｎｏ．２は、Ｃｕ含有量が少ないため、被削性を十分に向上させることができず、Ｎｏ．１と比較して被削性が劣っていた。

Ｎｏ．３は、Ｐｂを含有しているにも関わらず、実施例１と比較して被削性が著しく劣っていた。更に、Ｎｏ．３は、Ｍｎ含有量及びＳ含有量が少ないため、Ｐｂを含有しない比較例であるＮｏ．２と比較しても被削性が劣っていた。

Claims

Ｃ：０．９０～１．００質量％、
Ｓｉ：０．１０～０．３５質量％、
Ｍｎ：０．８０～１．２０質量％、
Ｐ：０．０２０質量％以下、
Ｓ：０．１０～０．２０質量％、
Ｃｒ：０．１０～０．３０質量％、及び
Ｃｕ：０．１０～０．２５質量％
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる鋼材。
Ｎｉ：０質量％超０．３０質量％以下、
Ｍｏ：０質量％超０．５０質量％以下、
Ｂ：０質量％超０．０１質量％以下、
Ｔｉ：０質量％超０．５０質量％以下、
Ｎｂ：０質量％超０．５０質量％以下、及び
Ｖ：０質量％超０．５０質量％以下
からなる群から選択される１種以上を更に含有する請求項１に記載の鋼材。