專利名稱：切削性優異的鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于汽車或一般機械等的部件中的鋼，特別是涉及切削時的工具壽命、切削表面光潔度和切屑處理性等的切削性優異的鋼。
背景技術：
一般機械或汽車是組合多種部件而制造的，但是從要求精度和制造效率出發，這些部件在多數場合下要經過切削工序而制造。這時就要求降低成本和提高生產率，對于鋼也就要求提高切削性。
C的添加量低于0.2％的被稱為低碳易切削鋼的SUM23和SUM24L重視切削性而被開發。至今眾所周知，為了提高切削性，添加S、Pb等的提高切削性的元素是有效的。但是，近年的趨勢是Pb成為環境的負擔而要避免使用，降低其使用量成為方向。
至今為止，在不添加Pb的場合，一直使用在如S那樣的MnS那樣的切削環境下形成成為軟質的夾雜物而提高切削性的方法。而且，在所謂低碳鉛易切削鋼SUM24L中添加與低碳含硫易切削鋼SUM23同量的S。因此，為了提高切削性必須添加與以往等量或更多量的S。但是，在多量添加S時，只是單純地使MnS變得粗大，不僅對于對提高切削性有效的MnS分布沒有貢獻，而且在軋制、鍛造等中成為破壞起點，引起很多軋制缺陷等的制造上的問題。進而，在以SUM23作為基礎的含硫易切削鋼中，容易粘著積屑瘤，伴隨積屑瘤的脫落和切屑分離的現象，在切削表面上產生凹凸，表面光潔度劣化。因此，從切削性的觀點出發，也就存在由表面光潔度劣化造成的精度降低的問題。在切屑處理性方面，由于只是添加S會使基體的延展性增大，所以不能夠充分地截斷，對于使切屑短容易截斷這方面更加良好，也就沒有大的改善。
除S以外，Te、Bi、P等作為提高切削性的元素也是已知的，但是，由于雖然能夠某種程度的提高切削性，但在軋制和熱鍛時卻容易產生裂紋，所以是希望盡量少用。
另外，在含有0.2％或0.2％以上的C的鋼中，大量含有C、Cr、Mo等的合金元素具有比較高的強度。這樣的結構用鋼，由于生成積屑瘤和由其產生的切削表面的凹凸(粗糙度)的問題小，且本來就是硬的材料，所以表面光潔度比較良好。但是，因基本強度高而多量添加切削性提高元素S時，生成的MnS在軋制或鍛造中發生延伸，機械性能產生各向異性，所以在部件的適用上受到很大的制約。另外，對于高強度鋼，大部分的情況是不添加用于提高切削性的S而犧牲切削性。
發明的公開鑒于上述情況，本發明涉及避免軋制或鍛造以及制品性能上的不合適且C含有量低于0.15％的所謂低碳素鋼，目的在于提供工具壽命和表面光潔度兩者都改善了的具有優異的切削性的鋼。另外，其目的還在于，在含有C為0.15％或其以上的結構用鋼、高強度鋼的場合下，提供兼具機械性能(包括各向異性)和切削性的鋼。
切削是分離切屑的破壞現象，促進其成為一個關注點。但是，如前所述，只是單純地使S增量是有限度的。
因此，本發明人反復深入研究的結果發現，通過不僅使S增量、而且作為基本成分含有Zn，由此可以使基體脆化、容易破壞而延長工具壽命，同時可以抑制切削表面的凹凸。
基于以上的見解，完成了本發明，其要旨如下所述。
(1)一種切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，含有C0.001～1.5％、Si3％或3％以下、Mn0.01～3％、
P0.001～0.2％、S0.0001～1.2％、Zn0.001～0.5％、N0.0001～0.02％、O0.0005～0.05％。
(2)上述(1)所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Sn0.002～0.5％。
(3)上述(1)或(2)所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有B0.0005～0.05％。
(4)上述(1)～(3)中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Cr0.01～7％、Mo0.01～3％、V0.01～3％、Nb0.001～0.2％、Ti0.001～0.5％、W0.01～3％中的1種或者2種或其以上。
(5)上述(1)～(4)中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Ni0.05～7％、Cu0.02～3％中的1種或者2種，同時在含有0.3％或其以上的Cu的場合，滿足Ni％≥Cu％。
(6)上述(1)～(5)中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Al0.001～2％、Ca0.0002～0.01％、Zr0.0003～0.5％、Mg0.0002～0.02％中的1種或者2種或其以上。
(7)上述(1)～(6)中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Te0.001～0.5％、Pb0.01～0.7％、Bi0.01～0.7％中的1種或者2種或其以上。
附圖的簡單說明

圖1是表示切入式切削試驗的概要的圖，(a)是表示切入式切削試驗方法的圖，(b)是表示工具的移動的圖。
圖2是表示帶缺口的小野式旋轉彎曲試驗片的圖。
圖3是表示滲碳條件的模式圖，(a)是表示滲碳淬火的模式圖，(b)是表示正火的條件的模式圖。
實施發明的最佳方式本發明的基本思想在于，通過除S以外還含有Zn作為鋼的必須成分，可以不損害機械性能而提高切削性。
即，Zn是本發明特別重要的元素。Zn有使鋼脆化的效果，具有提高切削性的效果，特別是有改善切削表面光潔度的效果。另外，由于不形成歷來公知的MnS那樣粗大的夾雜物的形態存在于基體中，所以機械性能的劣化可以抑制為最低限度。特別是作為各向異性，可以顯著地看到該效果。相反，即使具有相同程度的機械性能，在添加Zn的場合下，也可以得到良好的切削性。這可以認為是由于因切削熱而使溫度上升時Zn的脆化效果顯著。另外，可以認為，切削中在工具/被切削材料的界面上產生了潤滑效果。Zn低于0.001％時，其效果小。另一方面，由于Zn在熔煉時非常容易氣化，為了使Zn殘留在鋼液中，即使在凝固后也能維持超過0.5％的Zn量，就必須投入多量的Zn，但由于從成本這點出發在工業上不能成立，所以將0.5％取為上限。因此，將本發明鋼的Zn成分的范圍限定在0.001～0.5％。
除Zn以外，還可以含有Sn、B、Te等的切削性提高元素，但是單獨加Sn不能提高切削性，通過與Zn相互作用可以提高切削性。
以下說明限定Zn以外的鋼成分的理由。
C0.001～1.5％由于C與鋼材的基本強度和鋼中的氧含量有關，所以對切削性給予很大的影響。C添加多時，提高強度而降低切削性，因而將其上限取為1.5％。另一方面，為了防止降低切削性的硬質氧化物生成、同時抑制在凝固過程中微細氣孔等在高溫下固溶氧的弊害，必須適量地控制氧含量。單純用吹煉，不僅會過分降低C量和增大成本，而且鋼中氧含量會大量殘留，引起微細氣孔等不適宜。因此，將能夠容易地防止微細氣孔等的不適宜的C量0.001％取為下限。
Si3％或其以下Si的過度添加會降低熱軋性，軋制等變得困難，但是適度的添加可以賦予機械性能或者使氧化物軟質化，提高切削性。其上限是3％，在其以上時，熱軋性降低，軋制等變得困難，難以工業生產。另外，會發生生成硬質氧化物、降低切削性等的弊害。
Mn0.01～3.0％Mn是作為脫氧元素，是用于使鋼中的硫作為MnS被固定·分散的必要元素。另外是用于使鋼中氧化物軟質化、氧化物無害化的必要元素。其效果也依存于添加的S量，但在低于0.01％時，添加的S不能作為MnS被充分地固定，S形成FeS而變脆。Mn含量大時，質地的硬度增大，切削性和冷加工性降低，因而將3.0％作為上限。
P0.001～0.2％P在鋼中使質地的硬度增大，不僅冷加工性而且熱加工性和鑄造特性也降低，所以必須將其上限取為0.2％。另一方面，因脆化使切削容易，是對切削性提高有效的元素，因而將其下限值取為0.001％。
S0.0001～1.2％S與Mn結合作為MnS夾雜物而存在。MnS可以提高切削性，但是延伸的MnS是鍛造時發生各向異性的原因之一。應該避免大的MnS出現，但是從提高切削性的觀點出發優選多量添加。因此，優選使MnS微細分散。為了提高切削性，添加0.0001％或0.0001％以上是必要的，優選0.001％或0.001％以上的添加。另一方面，超過1.2％時，不僅不能避免粗大的MnS的生成，而且因由FeS等造成的鑄造特性、熱變形特性的劣化在制造中會產生裂紋，所以將1.2％取為上限。
N0.0001～0.02％N在固溶N的場合下使鋼硬化。特別是在切削時因動應變時效在刃尖附近硬化，使工具的壽命降低，但是有改善切削表面光潔度的效果。另外，與B結合時生成BN，可以提高切削性。N含量低于0.0001％時，看不到由固溶氮產生的表面光潔度提高的效果或由BN產生的切削性改善的效果，因而將0.0001％取為下限。另外，N含量超過0.02％時，因固溶氮多量存在，反而使工具壽命降低。另外，在鑄造途中生成氣泡，成為缺陷等的原因。因此，在本發明中，將其的弊害變得顯著的0.02％取為上限。
O0.0005～0.05％O以自由狀態存在的場合在冷卻時形成氣泡，成為微細氣孔的原因。另外，為了使氧化物軟質化、抑制對切削性有害的硬質氧化物也必須進行控制。另外，在MnS微細分散時作為析出核可以利用氧化物。O含量低于0.0005％時，不能使MnS充分地微細分散，生成粗大的MnS，給予機械性能以差的影響。因此，將0.0005％取為下限。另外，O含量超過0.05％時，在鑄造中形成氣泡而成為微細氣孔，所以設定為0.05％或0.05％以下。
Sn0.002～0.5％Sn是軟質金屬，在鋼中分布于晶界等中使鋼脆化，由此可以提高切削性。在0.002％或0.002％以下時，看不到其效果，而超過0.5％時，因使鋼脆化，鑄造和軋制困難。因此將其范圍取為0.002～0.5％。
B0.0005～0.05％B有提高切削性的效果。該效果在不足0.0005％時不顯著，而即使超過0.05％添加，其效果也飽和，因熱滯后BN過度多析出時，反而因鑄造特性、熱變形特性劣化在制造中產生裂紋。因此，以0.0005～0.05％作為其范圍。
Cr0.01～7％Cr是提高淬透性、賦予抗回火軟化性的元素。另外，多量添加時，可以得到耐腐蝕性。因此對于必須高強度化的鋼要添加。該場合，必須添加0.01％或0.01％以上。但是多量添加時，生成Cr碳化物而脆化，所以以7％作為其上限。
Mo0.01～3％Mo是賦予抗回火軟化性同時提高淬透性的元素。低于0.01％時，看不到其效果，由于即使超過3％添加，其效果也飽和，所以將0.01～3％作為其添加范圍。
V0.01～3.0％V形成碳氮化物，可以通過二次析出硬化使鋼強化。低于0.01％時，對高強度化沒有效果，超過3％添加時，析出大量碳氮化物，反而損害機械性能，因而將3％作為上限。
Nb0.001～0.2％Nb也形成碳氮化物，可以通過二次析出硬化使鋼強化。低于0.001％時，對高強度化沒有效果，超過0.2％添加時，析出大量碳氮化物，反而損害機械性能，因而將0.2％作為上限。
Ti0.001～0.5％Ti也形成碳氮化物，使鋼強化。另外，也是脫氧元素，因而可通過形成軟質氧化物，提高切削性。低于0.001％時，看不到其效果，即使超過0.5％添加，其效果也飽和。另外，Ti在高溫下形成氮化物，可以抑制奧氏體晶粒的長大。因此將其上限取為0.5％。
W0.01～3％W形成碳氮化物，可以通過二次析出硬化使鋼強化。低于0.01％時，對高強度化沒有效果，超過3％添加時，析出粗大的碳氮化物，反而損害機械性能，因而將3％作為上限。
Ni0.05～7％Ni可以強化鐵素體，提高延展性，同時對提高淬透性、提高耐腐蝕性也是有效的。低于0.05％時，看不到其效果，超過7％添加時，由于在機械性能方面效果飽和，所以將7％作為上限。
Cu0.02～3％Cu可以強化鐵素體，提高延展性，同時對提高淬透性、提高耐腐蝕性也是有效的。低于0.02％時，看不到其效果，超過3％添加時，由于在機械性能方面效果飽和，所以將其作為上限。另外，單獨添加Cu時，會極端地降低熱延性。成為裂紋等的鑄造、軋制中故障的原因。其添加量超過0.3％的場合，為了使其避免制造上的故障，優選使Ni的添加量按照成為Ni％≥Cu％那樣添加。
Al0.001～2％Al是脫氧元素，在鋼中形成Al2O3或AlN。藉此，可以防止淬火時奧氏體晶粒的粗大化，對進一步提高韌性是有效的。但是低于0.001％時，看不到其效果，超過2％時，生成粗大的夾雜物，反而使機械性能降低。另外，由于Al2O3是硬質的，所以成為切削時工具損傷的原因，有時促進磨損。因此，將奧氏體晶粒粗大化效果飽和、Al2O3的弊害成為顯著的2％作為上限。特別是在優先考慮切削性的場合下，優選取為不大量生成Al2O3的0.015％或0.015％以下，另外，在優先考慮氧化物軟質化的場合下，優選在0.005％或0.005％以下。
Ca0.0002～0.01％Ca是脫氧元素，生成軟質氧化物，不僅可以提高切削性，而且可以固溶于MnS中，降低它的變形能，在軋制和熱鍛中有抑制MnS形狀延伸的作用。因此，是對降低各向異性有效的元素。低于0.0002％時，其效果不顯著，超過0.01％添加時，不僅合格率極端地變差，而且大量地生成硬質的CaO、CaS等，反而使切削性降低。因此，將其成分范圍規定為0.0002～0.01％。
Zr0.0003～0.5％Zr是脫氧元素，生成氧化物。氧化物可以成為MnS的析出核，對MnS的微細均勻分散有效果。另外，可以固溶于MnS中，降低它的變形能，在軋制和熱鍛中有抑制MnS形狀延伸的作用。因此，是對降低各向異性有效的元素。低于0.0003％時，效果不顯著，超過0.5％添加時，不僅合格率極端地變差，而且大量地生成硬質的ZrO2和ZrS等，反而使切削性降低。因此，將其成分范圍規定為0.0003～0.5％。
Mg0.0002～0.02％Mg是脫氧元素，生成氧化物。氧化物可以成為MnS的析出核，對MnS的微細均勻分散有效果。因此，是對降低各向異性有效的元素。低于0.0002％時，效果不顯著，超過0.02％添加時，不僅合格率極端地變差，而且效果飽和。因此，將其成分范圍規定為0.0002～0.02％。
Te0.001～0.5％Te是提高切削性的元素。另外，生成MnTe或者與MnS共存，可以降低MnS的變形能，有抑制MnS形狀延伸的作用。因此，是對降低各向異性有效的元素。該效果在低于0.001％時看不出來，超過0.5％時，效果飽和。
Pb、Bi0.01～0.7％Pb和Bi是對提高切削性有效的元素。該效果在低于0.01％時看不出來，超過0.7％添加時，不僅提高切削性的效果飽和，而且熱鍛特性降低，容易成為缺陷的原因。因此，分別將其含有量取為0.01～0.7％。
(實施例)下面通過實施例說明本發明的效果。具有表1所示的化學成分的供試驗材料的一部分用270t轉爐熔煉后，初軋成方坯，再軋制成φ50mm的棒鋼。其它部分用2t的真空熔煉爐熔煉、軋制。表2的實施例1～40所示的材料的切削性評價用鉆頭穿孔試驗，表3中示出切削條件。以可切削至累積孔深1000mm的最高切削速度(所謂VL1000)來評價切削性。
另外，用切斷工具復制工具形狀，通過所謂切入式切削評價表面光潔度。圖1顯示了該試驗方法的概要。即，如圖1(a)所示，用工具3切削以切削方向1旋轉的試驗材料2，如圖1(b)所示，移動工具3形成表面光潔度測定面4。另外，表4顯示了切削條件。在試驗中，測定加工200個溝的場合的表面光潔度(10點表面光潔度Rzμm)。這里，關于表2所示的切屑處理性，將切屑呈卷曲形狀，但卷曲在5卷或5卷以下時切屑斷開，生成短的切屑的場合標記為“○”，將超過5卷還不斷開的生成長的切屑的場合表記為“×”。
表1

表2

表3

表4

發明例相對于任一個比較例其鉆頭工具壽命都優良，同時在切入式切削中的表面光潔度良好。盡管它們的C、S等的添加量不同，但其等級沒有改變，添加Zn、Sn、B等的元素的場合，與相同C、S等的比較鋼相比，工具壽命和表面光潔度優良。S量多者有切削性良好的傾向，但即使是S量比較少的場合，也可以看到對切屑處理性的改善。
另一方面，即使在按照實施例中的比較例6和26那樣添加Sn的場合，只要不添加Zn，切削性就不能提高。
另外，即使是含有歷來周知的Te、Pb、Bi等的切削性提高元素的場合，添加Zn的一方顯示出更優良的切削性。
同樣，將評價以結構用碳素鋼作為基礎的鋼的切削性、機械性能的試樣的化學成分示于表5，評價結果示于表6。分別的供試驗材料的一部分用270t轉爐熔煉后，初軋成方坯，再軋制成φ65mm的棒鋼。其它部分用2t的真空熔煉爐熔煉、軋制。
沖擊值(J/cm2)根據JIS制成深度2mm的U型缺口試驗片進行評價。
關于含有0.1％左右的C的實施例41～43的切削性評價用鉆頭穿孔試驗，表3示出切削條件。以可切削至累積孔深1000mm的最高切削速度(所謂VL1000)來評價切削性。
另外，用切斷工具復制工具形狀，通過所謂切入式切削評價表面光潔度。在試驗中，測定加工200個溝的場合的表面光潔度。由表4表示的切入式切削評價表面光潔度。
由于涉及含有約0.3％的C的實施例44～46和超過它們的C量的實施例47～77重視機械性能，所以顯示了沖擊值和其各向異性。這里，在顯示從鋼棒的橫斷面方向切出的試樣的沖擊值(“C方向”欄)的同時，作為各向異性顯示了(橫斷面方向試樣的沖擊值)/(長度方向試樣的沖擊值)(“各向異性”欄)。該值越大，表示各向異性越小。
另外，實施例47～77的切削性評價用鉆頭穿孔特性VL1000進行，用表7示出的切削條件進行評價。該場合不評價切削表面光潔度。
表5

表6

表7

在實施例41～43的比較中，發明例在VL1000和表面光潔度方面更勝過比較例。另外，關于實施例44～77，可以明顯看出，盡管發明例相對于含有大體同等的C和其它合金元素的比較例、其硬度HV、橫斷面方向試樣的沖擊值和(橫斷面方向試樣的沖擊值)/(長度方向試樣的沖擊值)是大體同等的，但發明例的一方其VL1000卻良好，切削性優異。
另外，在如比較例53那樣使S增量提高切削性的場合，由于沖擊值的各向異性降低，可以認為，作為結構用鋼，其性能比發明例47、48差。
表8中示出以多量添加合金元素、提高淬透性的鋼作為基礎的實施例。供試驗材料的一部分用270t轉爐熔煉后，初軋成方坯，再軋制成φ50mm。其它部分用2t的真空熔煉爐熔煉、軋制。
實施例78～82涉及以SCr420作為基礎的鋼，實施回火(920℃×1hr→空冷)后，供于切削試驗。切削性評價用鉆頭穿孔試驗，切削條件與表5相同，評價項目是可切削至累積孔深1000mm的最高切削速度(所謂VL1000)。該VL1000的單位是m/min，越大越良好，工具壽命越優良。另外，測定硬度，同時制成如圖2所示的在φ9mm的試樣上形成R1.16mm的缺口的帶缺口的小野式旋轉彎曲試驗片，在圖3(a)及(b)所示的條件下滲碳后評價疲勞特性。
其結果，盡管圖3(b)所示的回火后的硬度幾乎是相同的，而VL1000仍然是開發鋼一方優良。可以明顯看出，滲碳后的疲勞特性幾乎是相同的，盡管本發明技術提高了切削性，但是其后的齒輪性能卻沒有降低。
表8

表9中示出以多量添加合金元素、提高淬透性的鋼作為基礎的實施例。供試驗材料的一部分用270t轉爐熔煉后，初軋成方坯，再軋制成φ50mm。其它部分用2t的真空熔煉爐熔煉、軋制。切削性評價用鉆頭穿孔試驗，切削條件與表7相同，評價項目是可切削至累積孔深1000mm的最高切削速度(所謂VL1000)。
實施例83～88以SCM440作為基礎鋼，通過淬火、回火處理使其硬度與HV310左右相符，切削性評價以VL1000進行。另外，作為機械性能以沖擊值進行了評價。從棒鋼的長度方向切出試樣，由JIS3號試驗片(2mmU型缺口試驗片)測定沖擊值。其結果，盡管發明例相對于比較例具有大體相同的硬度、沖擊值(J/cm2)，可是切削性VL1000卻比比較例更大、更優良。
另外，實施例89～94以軸承鋼作為基礎，通過球化退火處理700℃×20hr保溫而軟質化，測定切削性VL1000。其結果，盡管發明例與比較例相比具有大體同等的硬度，可是其切削性VL1000卻大，比比較例優良。
表9

產業上的可利用性根據本發明，可以促進鋼中基體的斷裂，對于低于0.15％C含量的所謂低碳易切削鋼，可以改善其工具壽命和切削表面光潔度，即使在不含有Pb的場合，也能夠得到良好的工具壽命和切削表面光潔度，另外，即使對于含有0.15％或0.15％以上C的結構用鋼，也可以提高其切削性，同時可將機械性能的劣化、特別是各向異性抑制為最低限度。或者說，與具有相同程度機械性能的鋼相比，本發明鋼可以得到更良好的切削性。
權利要求
1.一種切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，含有C0.001～1.5％、Si3％或其以下、Mn0.01～3％、P0.001～0.2％、S0.0001～1.2％、Zn0.001～0.5％、N0.0001～0.02％、O0.0005～0.05％。
2.根據權利要求1所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Sn0.002～0.5％。
3.根據權利要求1或2所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有B0.0005～0.05％。
4.根據權利要求1～3中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Cr0.01～7％、Mo0.01～3％、V0.01～3％、Nb0.001～0.2％、Ti0.001～0.5％、W0.01～3％中的1種或者2種或其以上。
5.根據權利要求1～4中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Ni0.05～7％、Cu0.02～3％中的1種或者2種，同時在含有0.3％或0.3％以上Cu的場合，滿足Ni％≥Cu％。
6.根據權利要求1～5中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Al0.001～2％、Ca0.0002～0.01％、Zr0.0003～0.5％、Mg0.0002～0.02％中的1種或者2種或2種以上。
7.根據權利要求1～6中的任一項所述的切削性優異的鋼，其特征在于，以質量％計，還含有Te0.001～0.5％、Pb0.01～0.7％、Bi0.01～0.7％中的1種或者2種或2種以上。
全文摘要
本發明提供一種切削性優良的鋼，該切削性優良的鋼的特征在于，以質量％計，含有C0.001～1.5％、Si3％或3％以下、Mn0.01～3％、P0.001～0.2％、S0.0001～1.2％、Zn0.001～0.5％、N0.0001～0.02％、O0.0005～0.05％。根據需要，還可以含有作為切削性元素的Sn0.002～0.5％和/或B0.0005～0.05％。
文檔編號C22C38/04GK1659297SQ0381344
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月12日 優先權日2002年6月14日
發明者橋村雅之, 水野淳, 平田浩, 內藤賢一郎, 荻原博 申請人:新日本制鐵株式會社