机械结构用钢的切削方法

专利名称：机械结构用钢的切削方法
技术领域：
本发明涉及机械结构用钢的切削方法。本申请基于2010年3月30日在日本申请的特愿2010-78231号主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术：
由于近年来的地球环境问题，在制造工业产品时，节省能量、节省资源、降低环境负荷物质等环境考虑变得必不可缺。由机械结构用钢制造的汽车的主要部件例如齿轮、 CVT(无级变速器，Continuously Variable Transmission)、曲轴、连杆、CVJ(等速万向节， Constant Velocity Joint)等部件大部分是通过对机械结构用钢进行切削加工而制造的。 因此，即使在机械结构用钢的切削加工领域，从切削技术及被切削的作为被切削材料的机械结构用钢的观点出发，也需要研究考虑到了环境的技术。在机械结构用钢的切削技术中，特别需要减少使用切削油剂。切削油剂承担以下作用在工具与被切削材料之间进行润滑、在切削加工时进行冷却、排除切屑等，为了飞跃性地提高切削加工效率，至今为止比较大量地使用切削油剂进行切削。但是，以改善生产环境及使废弃物最小化为目标，要求即使极力降低切削油剂也可以得到高效率的切削技术。另一方面，对于机械结构用钢，为了提高切削加工效率，需要提高钢材的被切削性即钢材的易切削性。以往，为了提高机械结构用钢的被切削性，向钢中添加S或此。但是， 如果S的添加量增大，则存在使机械性质劣化这样的问题。另一方面，1 由于在几乎不使机械性质降低的情况下使被切削性提高，所以特别适用于机械结构用钢的被切削性的提高。 然而，存在1 是环境负荷物质这样的问题。因此，要求在不使用S及1 的情况下提高被切削性的技术。在这样的背景下，在机械结构用钢的切削技术中，例如在非专利文献1中研究了极力减少了使用切削油剂的MQL(Minimal Quantity Lubricants)切削这样的技术。MQL切削是通过大量的载气将极微量的切削油剂制成雾状而边对工具的刀尖和被切削材料的表面喷涂该雾状的切削油剂边进行切削的方法。通过该技术，能够大幅削减切削油剂的使用量。此外，在机械结构用钢中，研究了具有新成分组成或组织的钢材。例如，在专利文献1中公开了对Al及其它氮化物生成元素的添加量和N的添加量进行调整并且进行了适当的热处理的机械结构用钢。在该机械结构用钢中，将对被切削性有害的固溶N抑制得很低，并且确保通过高温脆化来提高被切削性的固溶Al、以及通过高温脆化和劈开性的晶体结构来提高被切削性的AlN为适当的量。因此，该机械结构用钢相对于从低速至高速的宽范围的切削速度区域具有优良的被切削性，并兼具高冲击值和屈服比。进而，在专利文献2 中公开了使用了微量的润滑油的切削用的钢材即MQL切削用的钢材。在该钢材中，为了降低与MQL切削时的切削阻力相关的200 400°C附近的强度，通过规定N、Ti、V、Mo等元素的添加量并规定铁素体-珠光体组织的铁素体率，达成了工具寿命的提高。
这样，作为切削加工中的环境应对技术，MQL切削和钢材成分的研究正在进行中， 今后在研究进一步考虑到了环境的技术时，需要研究MQL切削的方法与钢材成分这两方面。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2008-13788号公报专利文献2 日本特开2006-8；3448号公报非专利文献非专利文献1 “ Journal of Japanese Society of Tribologists” 第 53 卷第 1 号(2008),P4 9 “The Role of Tribology in EnvironmentalIy Friendly Machining，，

发明内容
发明所要解决的问题然而，在上述的现有技术中存在以下所示的问题。在非专利文献1中记载了 MQL切削的方法及油剂的作用机制，但所使用的钢材 (被切削材料)仅为JISS45C钢，并未进行与被切削材料有关的详细研究。特别是MQL并非在全部切削条件(切削油剂、工具、被切削材料、机床、加工法)下都能够适用。此外，在专利文献1中未记载MQL切削，机械结构用钢通过钻削加工或旋削加工等以往的切削方法来切削。进而，虽然在专利文献2中公开了 MQL用的钢材，但关于MQL切削时的条件未详细公开。因此，不一定能够在宽范围的切削条件下使用专利文献2中所公开的技术。为了在宽范围的切削条件下使用MQL切削，需要研究MQL切削的方法和钢材成分这两方面，开发即使在微量润滑(Minimal Quantity Lubrication)下也可以得到优良的被切削性的方法，但现状是可以认为还未提出这样的方法。本发明是鉴于上述问题而创造的，其目的在于，提供在进行MQL切削时工具寿命优良的机械结构用钢的切削方法，所述MQL切削是通过载气将极微量的切削油剂制成雾状而边对工具的刀尖和被切削材料的表面喷涂该雾状的切削油剂边进行切削的方法。用于解决问题的方法本发明者们为了解决上述问题而进行了深入研究。特别是着眼于被认为对工具寿命造成的影响很大的工具与被切削材料的界面的润滑机制，进行了文献调查以及实验。在非专利文献1中记载了在MQL切削时的工具与被切削材料的界面引起如下现象。(A)在JISS45C钢的MQL切削中，载气中的氧浓度越高，切削阻力越低。其理由是， 喷雾中的氧吸附于通过切削而产生的金属新生面并发生反应而形成氧化铁被膜，该氧化铁由于剪切强度低，所以作为摩擦中的固体润滑剂起作用。(B)另一方面，在铝合金的MQL切削中，JISS45C钢显示相反的行为，载气中的氧浓度越高，则切削阻力越高。其理由是，喷雾中的氧吸附于通过切削而产生的金属新生面并发生反应而形成高硬度的氧化铝，该氧化铝由于剪切强度高，所以使摩擦特性恶化。这样，为了提高被切削性，一直认为优选在工具与被切削材料的界面生成氧化铁，而生成氧化铝由于使摩擦特性恶化，所以不优选。发明者们着眼于这样在工具与被切削材料的界面生成氧化物，重复进行各种实验，从而得到了以下的见解。(a)发明者们在提高了载气中的氧浓度的条件下对存在大量的固溶Al的钢材进行了 MQL切削时，通过使用SEM-EDS、AES或TEM-EDS，发现了在钢材的新生面及工具上生成以氧化铝为主体的氧化物。由于Al与!^e相比是与氧的结合力更大的元素，所以在使用氧浓度高的载气对包含大量固溶Al的钢材进行MQL切削时，固溶Al与喷雾中的氧引起化学反应，即使在钢材时，也生成以氧化铝而并非氧化铁为主体的氧化物。(b)用SEM等对切削后的钢材表面进行了详细观察，结果未发现激烈的粘合痕迹等，所以可知在钢材的新生面上生成的以氧化铝为主体的氧化物不会使摩擦特性恶化。 关于其理由，认为如下所述。例如在“Works of Adhesion between Liquid Metals and Metallic Oxides，巾里予曰召EgP，##iEj^， Journal of the Japan Institute of Metals, 第34卷，1970年，P562 567”中所记载的那样，金属元素的氧化物的生成自由能越小，氧化铝与金属元素的结合能越大。由于！^与Al相比是氧化物的生成自由能更大的元素，所以氧化铝生成在钢材的新生面时的结合能比氧化铝生成在铝合金的新生面时的结合能小。 因而，即使在钢材的新生面生成氧化铝，也容易从钢材与氧化铝的界面产生剪切，从而氧化铝不作为摩擦阻力起作用。(c)由于氧化铝为硬质，所以在工具上生成的以氧化铝为主体的氧化物作为工具保护膜发挥作用，对工具赋予耐磨耗性而提高工具寿命。(d)为了在工具上稳定地生成氧化铝而提高工具寿命，需要将切削油剂的量、载气的流量与切削油剂的量之比、喷雾喷出截面积与载气的供给压力之比、每1秒的喷雾喷出次数、载气的温度最优化。这样，可知通过将钢材成分和MQL切削的条件优化，能够在切削钢材时使金属新生面及工具上生成以氧化铝为主体的氧化物，从而能够通过由该氧化物形成工具保护膜而提高工具寿命。本发明是基于上述见解而完成的。S卩，本发明所涉及的机械结构用钢的切削方法如下所述。(1)在本发明的一个方式所涉及的机械结构用钢的切削方法中，将以0.01 200ml/小时的供给速度供给的切削油剂与以体积％计包含21%以上且50%以下的氧的氧化性气体混合而生成喷雾，边对工具的刀尖表面及机械结构用钢的表面喷涂该喷雾边对所述机械结构用钢进行切削，所述机械结构用钢以质量％计含有C :0. 01 1.2%、Si 0. 005 3. 0 %、Mn :0. 05 3. 0 %、P :0. 001 0. 2 %、S :0. 001 0. 35 %、N :0. 002 0. 035%, Al 0. 05 1. 0%，剩余部分包含！^及不可避免的杂质，限制为0 :0. 003%以下， 并且 Al 含量[Al% ]与 N 含量]满足[Al% ]_ (27/14) X [N% ] ^ 0.05。(2)在上述(1)所述的机械结构用钢的切削方法中，所述机械结构用钢可以以质量 ％ 计进一步含有 Ca 0. 0001 0. 02%、Ti :0. 0005 0. 5%、Nb :0. 0005 0. 5%、 W 0. 0005 1. 0 %、V :0. 0005 1. 0 %、Ta :0. 0001 0. 2 %、Hf :0. 0001 0. 2 %、Mg 0. 0001 0. 02%, Zr :0. 0001 0. 02%, Rem :0. 0001 0. 02%, Sb :0. 0001 0. 015%, Sn 0. 0005 2. 0%,Zn :0. 0005 0. 5%,B :0. 0001 0. 015%,Te :0. 0003 0. 2%、Se
0.0003 0. 2%,Bi 0. 001 0. 5%,Pb 0. 001 0. 5%,Cr 0. 001 3· 0%,Mo :0. 001
1.0 %、Ni :0. 001 5. 0 %、Cu :0. 001 5. 0 %、Li :0. 00001 0. 005 %、Na :0. 00001 0. 005%,K :0. 00001 0. 005%,Ba :0. 00001 0. 005%,Sr :0. 00001 0. 005%中的 1 种以上。(3)在上述⑴或⑵所述的机械结构用钢的切削方法中，在将所述氧化性气体的流量定义为Q (1/分钟)、将所述切削油剂的供给速度定义为q(ml/小时)时，q/Q的比可以满足0. 001 1。(4)在上述(1)或(2)所述的机械结构用钢的切削方法中，在将喷出所述喷雾的出口的截面积定义为S(mm2)、将所述氧化性气体的供给压力定义为P(MPa)时，S/P的比可以满足0. 2 40。(5)在上述(1)或(2)所述的机械结构用钢的切削方法中，供给所述切削油剂的喷出泵的每1秒的喷出次数可以为0. 05 16次。(6)在上述⑴或⑵所述的机械结构用钢的切削方法中，所述氧化性气体的温度可以为-80°C以上且40°C以下。(7)在上述⑴或⑵所述的机械结构用钢的切削方法中，所述氧化性气体的氧浓度可以为25%以上且50%以下。发明的效果根据本发明，能够提供在进行MQL切削时对工具寿命优良的机械结构用钢的切削方法，所述MQL切削是通过大量的载气将极微量的切削油剂制成雾状，边对工具的刀尖或被切削材料的表面喷涂该雾状的切削油剂边进行切削的方法。


图IA是说明工具寿命评价试验的概要的立体图。图IB是用于工具寿命评价试验的钻头的立体图。
具体实施例方式以下，对用于实施本发明的机械结构用钢的切削方法的最佳方式进行说明。首先，对本发明的一个实施方式所涉及的MQL切削进行说明。在本实施方式的MQL切削中，特征在于使用氧化性气体作为载气。本实施方式中的氧化性气体是气体中的氧浓度为21%以上的气体，空气也包括在氧化性气体内。通过使用氧化性气体作为载气对包含大量固溶Al的钢材进行MQL切削，能够使工具上生成以氧化铝为主体的氧化物，从而能够通过该氧化物形成工具保护膜而提高工具寿命。气体中的氧浓度可以通过氧浓度计来测定。氧浓度高于21%的气体可以通过在空气中混合氧、或者使用氧浓缩器来得到。在促进在工具上生成以氧化铝为主体的氧化物而进一步提高工具寿命时，氧浓度优选为25%以上，更优选为30 %以上。但是，从安全面的问题出发，氧浓度优选为50%以下。另外，该载气中的氧浓度为体积％。如果喷雾中的切削油剂的量超过200ml/小时，则附着于工具上的喷雾阻碍向工具上生成以氧化铝为主体的氧化物，所以难以得到工具寿命的提高。另一方面，如果切削油剂的量小于0.01ml/小时，则难以得到由切削油剂带来的润滑作用。因而，切削油剂的量 (供给速度)需要为0.01 200ml/小时。从工具寿命及切削效率的观点出发，该切削油剂的量优选为0. 1 150ml/小时，更优选为1 IOOml/小时。
切削油剂的量期望根据载气的流量来改变。如果载气中的切削油剂的量(比例) 过多，则附着于工具上的喷雾阻碍向工具上生成以氧化铝为主体的氧化物，所以难以得到工具寿命的提高。另一方面，如果载气中的切削油剂的量(比例)过少，则难以得到由切削油剂带来的润滑作用。因此，如果将载气的流量定义为Q (1/分钟)、将切削油剂的量定义为 q(ml/小时)，则q除以Q而得到的q/Q优选为0. 001 1，更优选为0. 005 0. 5，进一步优选为0. 01 0. 2。此外，如果向工具刀尖供给的喷雾的粒径过大，则切削油剂过度附着在工具上而阻碍向工具上生成以氧化铝为主体的氧化物。另一方面，如果喷雾的粒径过小，则工具上几乎未附着喷雾，难以得到由切削油剂带来的润滑效果。因而，期望将喷雾的粒径最优化。喷雾的粒径根据最终喷出喷雾的出口(油孔的开口端)的截面积和载气的流速而变化，截面积越小、流速越大，喷雾的粒径越容易变大。气体的供给压力越大，载气(氧化性气体)的流速变得越快。因而，截面积S(mm2)除以供给压力P(MPa)而得到的值S/P(mm2/MPa)越小， 喷雾的粒径变得越大。在S/P为0. 2 40时，能够将喷雾的粒径控制在合适的范围，从而进一步提高工具寿命。因此，如果将喷出喷雾的出口的截面积定义为S (mm2)、将氧化性气体的供给压力定义为P (MPa)，则S除以P而得到的S/P优选为0. 2 40，更优选为0. 25 25， 进一步优选为0. 3 10。在由钻头等工具的油孔进行轴心供油时，喷出喷雾的出口的截面积是油孔的截面积，在由喷嘴供油时，喷出喷雾的出口的截面积是喷嘴孔的截面积。在有多个油孔或喷嘴孔时，该截面积是这些孔的截面积的总计值。切削油剂由喷出泵供给。如果由喷出泵产生的泵喷射频率(每1秒的喷出次数) 过大，则附着于工具上的喷雾阻碍向工具上生成以氧化铝为主体的氧化物，所以难以得到工具寿命的提高。另一方面，如果泵喷射频率过小，则难以得到由切削油剂带来的润滑作用。因此，该泵喷射频率N优选为0.05 16Hz (次)，更优选为0. 1 8Hz，进一步优选为 0. 5 4Hz。在MQL切削中，由于通常由切削油剂带来的冷却效果小，所以发热大，产生热裂而容易产生工具磨损。因此，通过提高冷却效果来防止热裂，能够进一步提高工具寿命。因此， 期望通过低温的载气来提高冷却效果。在载气的温度为40°C以下时，可以进一步得到工具寿命的提高。因此，载气(氧化性气体)的温度优选为40°C以下，更优选为20°C以下，进一步优选为0°C以下。如果考虑冷却气体的处理及制造成本，则优选温度不过于低，所以载气的温度可以为-80°C以上。冷却气体可以通过空气冷却装置而得到。喷雾通过将切削油剂和氧化性气体供给到喷雾生成装置而生成。在由细径的工具对喷雾进行油孔轴心供油时，由于在工具内部压力损失变大，所以有时也提高氧化性气体的供给压力。在MQL切削中，切削油剂的成分没有特别限定。另外，在进一步考虑到环境时，切削油剂优选为生物降解性润滑油。例如可以使用生物降解性高的合成酯油或植物油作为切削油剂。在MQL切削中，在想要进一步提高冷却的效果时，除了氧化性气体和切削油剂以夕卜，还可以以雾状供给水等冷却液。在喷雾的供给方法中，有由设置在外部的喷嘴向切削部喷射喷雾的方式、使机床的工具支架具有MQL喷雾的供给功能的方式、通过设置在旋转主轴的中心部的管路由工具刀尖的油孔供给喷雾的方式等多种方式。在这些中的任一种方式中，均能够提高工具寿命。本实施方式的MQL切削可以用于钻削加工、旋削加工、丝锥加工等连续切削、铣刀加工、立铣刀加工、滚刀加工等断续切削中的任一种。接着，对本实施方式的MQL切削中的机械结构用钢(被切削材料)的各成分的含量进行说明。在此，该机械结构用钢(被切削材料)具有以下的化学成分以下说明的各成分的剩余部分包含狗及不可避免的杂质。另外，在以下的说明中，将化学组成中的质量％ 仅记为％。C :0.01 1.2%C是给钢材的基本强度造成很大影响的元素。然而，在C含量低于0.01%时，得不到充分的强度。另一方面，如果C含量超过1.2%，则析出很多硬质的碳化物，因此被切削性显著降低。因而，为了得到充分的强度和被切削性，被切削材料中的C含量为0. 01 1. 2%，优选为0. 05 0. 8%，更优选为0. 10 0. 70%。Si :0· 005 3. 0%Si通常作为脱氧元素而添加到钢中，赋予铁素体的强化及回火软化抗力。然而，在 Si含量低于0. 005%时，不能得到充分的脱氧效果。另一方面，如果Si含量超过3. 0%,m 韧性及延展性变低，并且被切削材料的硬度变大，所以被切削性也劣化。因而，被切削材料中的Si含量为0. 005 3. 0%，优选为0. 01 2. 5%，更优选为0. 05 2. 0%。Mn :0· 05% 3. 0%Mn是为了固溶在基体中而提高淬透性并且确保淬火后的强度所必须的元素。进而，Mn具有与钢材中的S结合生成MnS系硫化物从而改善被切削性的效果。然而，如果Mn 含量低于0. 05 %，则钢材中的S与!^e结合生成i^eS，从而钢变脆。另一方面，如果Mn含量增加，具体而言，如果Mn含量超过3. 0%，则被切削材料的硬度变大，从而加工性及被切削性降低。因而，被切削材料中的Mn含量为0. 05 3. 0%，优选为0. 2 2. 5%，更优选为 0. 35 2. 0%。P :0.001 0.2%P具有使被切削性良好的效果。然而，在P含量低于0.001%时，得不到该效果。此夕卜，如果P含量增加，具体而言，如果P含量超过0.2%，则韧性大为劣化，在钢中被切削材料的硬度变大，不仅冷加工性降低，而且热加工性及铸造特性也降低。因而，被切削材料中的 P含量为0. 001 0.2%，优选为0. 005 0. 1%，更优选为0.01 0. 05%。S :0. 001 0. 35%S通过与Mn结合而作为MnS系硫化物存在于钢中。对于MnS，具有使被切削性提高的效果。为了显著地得到该效果，S含量需要为0.001%以上。另一方面，如果S含量超过0. 35%，则显著促进韧性及疲劳强度的降低。因而，被切削材料中的S含量为0. 001 0. ；35%，优选为 0. 005 0. 15%，更优选为 0. 01 0. 07%。N :0· 002 0. 035%N具有与Al、Ti、V或Nb等结合而生成氮化物或碳氮化物从而抑制晶粒粗大化的效果。但是，如果N含量低于0.002%，则该效果不充分。此外，如果N含量超过0.035%， 则该效果饱和，并且使热延展性显著劣化，轧制钢材的制造变得极为困难。因而，被切削材料中的N含量为0. 002 0. 0；35%，优选为0. 003 0. 02%，更优选为0. 0035 0. 016%。
0:超过 0%且 0.003% 以下0是不可避免包含的杂质。如果0含量过量，则粗大的氧化物系夹杂物在钢材中大量生成，由于磨料磨损，导致切削时的工具磨损增大。此外，此时有时后述的固溶Al量降低。所以，期望尽量降低0含量。因此，需要将0含量限制为0.003%以下，优选限制为 0. 0015% 以下。Al :0.05 1.0%固溶 Al :0· 05 1. 0%Al是本发明中最重要的元素。Al作为脱氧元素使钢材的内部品质提高。此外，Al 是为了在边对工具的刀尖及被切削材料的表面喷涂包含氧化性气体和切削油剂的喷雾边对被切削材料进行切削时使工具寿命提高而不可或缺的元素。即，如果钢材中的固溶Al与喷雾中的氧发生化学反应，则在工具上形成以氧化铝为主体的氧化物的保护膜，从而提高工具寿命。为了充分地生成对工具寿命的提高有效的该固溶Al，需要0.05%以上的Al含量。然而，如果Al含量超过1.0%，则高熔点且硬质的氧化物在钢材中大量生成，作为硬质夹杂物引起磨料磨损，所以使切削时的工具磨损增大。因而，Al含量为0. 05 1. 0%，优选为0. 08 0.5%，更优选为超过0. 且0.以下。从上述理由出发，固溶Al的量需要为0.05%以上。如果钢中存在N，则生成A1N，所以即使在包含Al时，固溶Al也会减少。即，如果考虑N的原子量为14、A1的原子量为27， 则例如在钢中添加0.01%的N时，N含量的约2倍07/14倍)即0.02%的固溶Al减少， 所以有时不能够充分提高工具寿命。固溶Al的量需要为0. 05%以上，所以如果存在规定量 (例如为0.002%以上)的N，则需要考虑该N量而向钢中添加Al。所以，Al含量[Al % ] 和N含量]以质量％计需要满足下述(1)式，优选满足下述( 式。[Al% ]-(27/14) X [N% ] ^ 0. 05 (1)[Al% ]-(27/14) X [N% ] > 0. 1 (2)另外，固溶Al的量的上限为1.0%。此外，该机械结构用钢除了上述各成分以外，为了提高被切削性，可以含有Ca。Ca :0· 0001 0. 02%Ca是脱氧元素，通过使Al2O3等硬质氧化物的熔点降低而将硬质氧化物软质化，使被削物的被切削性提高，从而抑制工具磨损。然而，在Ca含量低于0.0001%时，得不到该被切削性的提高效果。此外，如果Ca含量超过0. 02%，则在钢中生成CaS，被切削性反而降低。因而，在钢中添加Ca时，Ca含量为0. 0001 0. 02%，优选为0. 0003 0. 005%，更优选为 0. 0004 0. 0020%。进而，在需要形成碳氮化物来提高强度时，该机械结构用钢除了上述各成分以外， 也可以含有选自于由 Ti 0. 0005 0. 5%,Nb :0. 0005 0. 5%,W :0. 0005 1. 0%、及、V 0. 0005 1. 0%组成的组中的1种以上的元素。Ti :0· 0005 0. 5%Ti是形成碳氮化物、有助于抑制奥氏体晶粒生长及强化钢的强化的元素。因此，Ti 在需要高强度的钢及要求低应变的钢中，作为防止粗大粒而对组织的晶粒进行整粒的元素使用。此外，Ti还是脱氧元素，也具有通过形成软质氧化物来提高被切削性的效果。然而， 在Ti含量低于0. 0005%时，不能够确认其效果。此外，如果Ti含量超过0. 5%，则成为热裂纹的原因的未固溶的粗大的碳氮化物析出，反而损害机械性质。因而，在钢中添加Ti时， Ti含量为0. 0005 0. 5%，优选为0. 01 0. 3%。Nb :0· 0005 0. 5%Nb也是形成碳氮化物、有助于通过二次析出硬化进行钢的强化及抑制奥氏体粒生长的元素。因此，在需要高强度的钢及要求低应变的钢中，作为防止粗大粒而对组织的晶粒进行整粒的元素使用。然而，在Nb含量低于0.0005%时，得不到提高强度的效果。此外， 如果在钢中添加Nb而Nb含量超过0. 5%，则成为热裂纹的原因的未固溶的粗大的碳氮化物析出，反而损害机械性质。因而，在钢中添加Nb时，Nb含量为0. 0005 0. 5%，优选为 0. 005 0. 2%。W :0· 0005 1. 0%W也是能够形成碳氮化物、通过二次析出硬化来强化钢的元素。然而，在W含量低于0. 0005%时，得不到提高强度的效果。此外，如果在钢中添加W而W含量超过1. 0%，则成为热裂纹的原因的未固溶的粗大的碳氮化物析出，反而损害机械性质。因而，在钢中添加 W时，W含量为0. 0005 1. 0%，优选为0. 01 0. 8%。V :0· 0005 1. 0%V也是能够形成碳氮化物、通过二次析出硬化来强化钢的元素，在需要高强度的钢中适当添加。然而，在V含量低于0.0005%时，得不到提高强度的效果。此外，如果在钢中添加V而V含量超过1. 0%，则成为热裂纹的原因的未固溶的粗大的碳氮化物析出，反而损害机械性质。因而，在钢中添加V时，V含量为0. 0005 1. 0%，优选为0. 01 0. 8%。进而，在需要进一步高强度时，该机械结构用钢除了上述各成分以外，也可以含有选自于由Ta 0. 0001 0. 2%,Hf :0. 0001 0. 2%组成的组中的1种以上的元素。Ta :0· 0001 0. 2%Ta也是与Nb同样地有助于通过二次析出硬化进行钢的强化及抑制奥氏体粒生长的元素。因此，Ta在需要高强度的钢及要求低应变的钢中，作为防止粗大粒而对组织的晶粒进行整粒的元素使用。然而，在Ta含量低于0.0001%时，得不到提高强度的效果。此夕卜，如果在钢中添加Ta而Ta含量超过0.2%，则由于成为热裂纹的原因的未固溶的粗大的析出物，反而损害机械性质。因而，在钢中添加Ta时，Ta含量为0.0001 0.2%，优选为 0. 001 0. 1%。Hf :0· 0001 0. 2%Hf也是与Ti同样地有助于抑制奥氏体粒生长及钢的强化的元素。因此，Hf在需要高强度的钢及要求低应变的钢中，作为防止粗大粒而对组织的晶粒进行整粒的元素使用。 然而，在Hf含量低于0. 0001 %时，得不到提高强度的效果。此外，如果在钢中添加Hf而Hf 含量超过0.2%，则由于成为热裂纹的原因的未固溶的粗大的析出物，反而损害机械性质。 因而，在钢中添加Hf时，Hf含量为0. 0001 0. 2%，优选为0. 001 0. 1%。进而此外，在通过脱氧调整来进行硫化物的形态控制时，该机械结构用钢除了上述各成分以外，也可以含有选自于由Mg :0. 0001 0.02%、Zr 0. 0001 0. 02%及Rem: 0. 0001 0. 02%组成的组中的1种以上的元素。Mg :0· 0001 0. 02%Mg是脱氧元素，在钢中生成氧化物。在由Al进行的脱氧为前提时，将对被切削性有害的Al2O3改质成比较软质且微细分散的MgO或Al203-Mg0。此外，该氧化物也容易成为 MnS的核，具有使MnS微细分散的效果。然而，在Mg含量低于0. 0001 %时，不能够确认这些效果。此外，Mg通过生成与MnS的复合硫化物而使MnS球状化，但如果在钢中过量地添加Mg而Mg含量超过0. 02%，则促进单独的MgS生成，从而使被切削性劣化。因而，在钢中添加Mg时，Mg含量为0. 0001 0. 02%，优选为0. 0003 0. 0040%，更优选为0. 0005 0. 0030%。Zr :0. 0001 0. 02%^ 是脱氧元素，在钢中生成氧化物。虽然认为其氧化物为，但由于该氧化物成为MnS的析出核而发挥作用，所以具有增加MnS的析出位点、使MnS均勻地分散的效果。 此外，Zr还具有固溶于MnS中而生成复合硫化物从而使MnS的变形能力降低、在轧制及热锻造时抑制MnS形状延伸的作用。这样，^ 是对降低各向异性有效的元素。然而，在^ 含量低于0. 0001 %时，关于这些得不到显著的效果。另一方面，如果在钢中添加ττ而ττ含量超过0. 02%，则不仅成品率变得极端差，而且大量生成^O2及ZrS等硬质化合物，反而使被切削性、冲击值及疲劳特性等机械性质降低。因而，在钢中添加ττ时，&含量为0. 0001 0. 02%，优选为 0. 0003 0. 01%，更优选为 0. 0005 0. 005%。Rem :0. 0001 0. 02%Rem(稀土类元素)是脱氧元素，生成低熔点氧化物，抑制铸造时的喷嘴堵塞。进而，Rem还具有与MnS固溶或结合而使MnS的变形能力降低、在轧制及热锻造时抑制MnS形状延伸的作用。这样，Rem是对降低各向异性有效的元素。然而，在Rem含量以总量计低于 0. 0001 %时，其效果不显著。此外，如果在钢中添加Rem而Rem含量超过0. 02 %，则大量生成 Rem的硫化物，从而被切削性恶化。因而，在钢中添加Rem时，Rem含量为0. 0001 0. 02%， 优选为0. 0003 0. 015%，更优选为0. 0005 0. 01%。进而此外，在进一步提高被切削性时，该机械结构用钢除了上述各成分以外，也可以含有选自于由釙0. 0001 0. 015%, Sn :0. 0005 2. 0%、Zn :0. 0005 0. 5%、B 0. 0001 0. 015%, Te 0. 0003 0. 2%、k 0. 0003 0. 2%、Bi 0. 001 0. 5%及 Pb 0. 001 0. 5%组成的组中的1种以上的元素。Sb :0. 0001 0. 015%Sb使铁素体适度地脆化，从而提高被切削性。在Sb含量低于0.0001%时，不能够确认其效果。此外，如果Sb含量增加，具体而言，如果Sb含量超过0. 015%，则产生过量的Sb的宏观偏析，从而冲击值大为降低。因而，在钢中添加Sb时，Sb含量为0. 0001 0. 015%，优选为 0. 0005 0. 012%，更优选为 0. 001 0. 01%。Sn :0· 0005 2. 0%Sn具有使铁素体脆化而延长工具寿命并且改善表面粗糙度的效果。然而，在Sn含量低于0. 0005%时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加Sn而Sn含量超过2. 0%，则其效果饱和。因而，在钢中添加Sn时，Sn含量为0.0005 2.0%，优选为0.001 1.0%， 更优选为0.01 0.2%。Zn :0. 0005 0. 5%Zn具有使铁素体脆化而延长工具寿命并且改善表面粗糙度的效果。然而，在Si含量低于0. 0005 %时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加Si而Si含量超过0.5%，则其效果饱和。因而，在钢中添加Si时，Si含量为0. 0005 0. 5%，优选为0. 001 0. 3%， 更优选为0.01 0. 1%。B :0. 0001 0. 015%B在固溶于钢中时对晶界强化及淬透性具有效果，在作为BN析出时对提高被切削性具有效果。在B含量低于0.0001%时，这些效果不显著。另一方面，如果在钢中添加 B而B含量超过0. 015%，则其效果饱和，并且由于BN过度析出，所以反而损害钢的机械性质。因而，在钢中添加B时，B含量为0. 0001 0. 015%，优选为0. 0005 0. 01%，更优选为 0. 001 0. 003%。Te :0· 0003 0. 2%Te是提高被切削性的元素。此外，Te具有生成MnTe、或通过与MnS共存使MnS的变形能力降低而抑制MnS形状延伸的作用。这样，Te是对降低各向异性有效的元素。然而，在 Te含量低于0. 0003%时，不能够确认这些效果。此外，如果Te含量超过0. 2%，则不仅其效果饱和，而且热延展性降低而容易产生缺陷。因而，在钢中添加Te时，Te含量为0.0003 0. 2%，优选为0. 0005 0. 1%，更优选为0. 001 0. 01%。Se :0· 0003 0. 2%Se是提高被切削性的元素。此外，Se具有生成Mr^e、或者通过与MnS共存使MnS 的变形能力降低而抑制MnS形状延伸的作用。这样，％是对降低各向异性有效的元素。然而，在％含量低于0. 0003%时，不能够确认这些效果。此外，如果％含量超过0. 2%，则其效果饱和。因而，在钢中添加％时，k含量为0.0003 0.2%，优选为0.0005 0. 1%, 更优选为0. 001 0. 01%。Bi :0. 001 0. 5%Bi是提高被切削性的元素。然而，在Bi含量低于0.001%时，得不到其效果。此夕卜，如果在钢中添加Bi而Bi含量超过0. 5 %，则不仅提高被切削性的效果饱和，而且热延展性降低而容易产生缺陷。因而，在钢中添加Bi时，Bi含量为0. 001 0.5%，优选为0.01 0. 3%，更优选为0. 04 0. 25%。Pb :0. 001 0. 5%1 是提高被切削性的元素。然而，在1 含量低于0.001%时，不能够确认其效果。 此外，如果在钢中添加1 而1 含量超过0.5%，则不仅提高被切削性的效果饱和，而且热延展性降低而容易产生缺陷。因而，在钢中添加1 时，1 含量为0.001 0.5%，优选为 0. 01 0. 3%，更优选为 0. 04 0. 25%。进而此外，在提高淬透性及回火软化抗力来赋予钢材以强度时，该机械结构用钢除了上述成分以外，也可以含有选自于由Cr 0. 001 3. 0%、Mo :0. 001 1. 0%组成的组中的1种以上的元素。Cr :0. 001 3. 0%Cr是提高淬透性，并且赋予钢以回火软化抗力的元素，在需要高强度的钢中添加。 然而，在Cr含量低于0.001%时，得不到这些效果。此外，如果在钢中大量添加Cr，具体而言，如果Cr含量超过3. 0%，则生成Cr的碳化物，从而使钢脆化。因而，在钢中添加Cr时， Cr含量为0. 001 3. 0%，优选为0. 01 2. 3%，更优选为0. 1 1. 8%。Mo :0. 001 1. 0%
Mo是赋予钢以回火软化抗力，并且提高淬透性的元素，在需要高强度的钢中添加。 然而，在Mo含量低于0. 001 %时，得不到这些效果。此外，如果在钢中添加Mo而Mo含量超过 1. 0%，则其效果饱和。因而，在钢中添加Mo时，Mo含量为0. 001 1. 0%，优选为0. 01 0. 8%，更优选为0. 05 0. 5%。进而此外，在强化铁素体时，该机械结构用钢除了上述各成分以外，也可以含有选自于由Ni 0. 001 5. 0%,Cu :0. 001 5. 0%组成的组中的1种以上的元素。Ni :0. 001 5. 0%Ni是强化铁素体、提高延展性并且提高淬透性及耐腐蚀性的元素。然而，在Ni含量低于0. 001 %时，不能够确认其效果。此外，在钢中添加Ni而Ni含量超过5.0%，则在机械性质的方面的效果饱和，从而被切削性降低。因而，在钢中添加Ni时，Ni含量为0. 001 5.0%，优选为0. 1 4.0%，更优选为0.3 3.0%。Cu :0. 001 5. 0%Cu是强化铁素体并且提高淬透性及耐腐蚀性的元素。然而，在Cu含量低于 0. 001 %时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加Cu而Cu含量超过5. 0%，则在机械性质的方面的效果饱和。因而，在钢中添加Cu时，Cu含量为0. 001 5. 0%，优选为0. 01 4.0%，更优选为0.1 3.0%。另外，Cu特别容易使热延展性降低而成为轧制时的缺陷的原因，所以此时优选一并添加Ni。进而此外，为了进一步提高被切削性，该机械结构用钢除了上述各成分以外，也可以含有选自于由 Li 0. 00001 0. 005%,Na :0. 00001 0. 005%,K :0. 00001 0. 005%, Ba 0. 00001 0. 005%及Sr :0. 00001 0. 005%组成的组中的1种以上的元素。Li :0. 00001 0. 005%Li通过在钢中形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。然而，在Li含量低于 0. 00001%时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加Li而Li含量超过0. 005%，则不仅其效果饱和，而且有时引起耐火物的熔损。因而，在钢中添加Li时，Li含量为0. 00001 0. 005%，优选为 0. 0001 0. 0045%。Na :0. 00001 0. 005%Na也与Li同样地通过在钢中形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。然而，在Na 含量低于0. 00001 %时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加Na而Na含量超过 0.005%，则不仅其效果饱和，而且有时引起耐火物的熔损。因而，在钢中添加Na时，Na含量为 0. 00001 0. 005%，优选为 0. 0001 0. 0045%。K :0. 00001 0. 005%K也与Li同样地通过在钢中形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。然而，在K含量低于0. 00001 %时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加K而K含量超过0. 005%，则不仅其效果饱和，而且有时引起耐火物的熔损。因而，在钢中添加K时，K含量为0.00001 0. 005%，优选为 0. 0001 0. 0045%。Ba :0. 00001 0. 005%Ba也与Li同样地通过在钢中形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。然而，在Ba 含量低于0. 00001 %时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加Ba而Ba含量超过 0.005%，则不仅其效果饱和，而且有时引起耐火物的熔损。因而，在钢中添加Ba时，Ba含量为 0. 00001 0. 005%，优选为 0. 0001 0. 0045%。Sr :0. 00001 0. 005%Sr也与Li同样地通过在钢中形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。然而，在Sr含量低于0. 00001 %时，不能够确认其效果。此外，如果在钢中添加Sr而超过0. 005%，则不仅其效果饱和，而且有时引起耐火物的熔损。因而，在钢中添加Sr时，Sr含量为0. 00001 0. 005%，优选为 0. 0001 0. 0045%。如以上说明的那样，根据本发明所涉及的机械结构用钢的切削方法，由于通过进行MQL切削使钢材中的固溶Al与喷雾中的氧发生化学反应而在工具上形成以氧化铝为主体的氧化物的保护膜，所以能够得到优良的工具寿命，所述MQL切削是通过大量的载气将极微量的切削油剂制成雾状，边对工具的刀尖和被切削材料的表面喷涂该雾状的切削油剂边进行切削的方法。实施例下面，列举实施例，对本发明的效果进行具体说明。在本实施例中，用真空熔化炉熔炼150kg具有表1 表5中所示组成的钢，然后在1250°C的温度条件下将所得到的钢通过热锻造锻伸成直径为50mm的圆柱状，进行在 1300°C下加热2小时后空冷的均质化处理，然后进行在1200°C下加热1小时后空冷的热处理。然后，由所得到的钢材切出直径为48mm、长度为105mm的工具寿命评价用试验片，将该试验片供于试验(试验No. Al E12)。表 权利要求
1.一种机械结构用钢的切削方法，其特征在于，将以0. 01 200ml/小时的供给速度供给的切削油剂与以体积％计包含21%以上且50%以下的氧的氧化性气体混合而生成喷雾，边对工具的刀尖表面及机械结构用钢的表面喷涂该喷雾边对所述机械结构用钢进行切削，所述机械结构用钢以质量％计含有C 0. 01 1. 2%,Si 0. 005 3. 0%,Mn 0. 05 3. 0%、P 0. 001 0. 2%,S 0. 001 0. 35%,N 0. 002 0. 035%,Al 0. 05 1. 0%,剩余部分包含Fe及不可避免的杂质，限制为0:0. 003%以下，并且Al含量即与N含量即满足-(27/14)0. 05。
2.根据权利要求1所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述机械结构用钢以质量％计进一步含有Ca 0. 0001 0. 02%, Ti 0. 0005 0. 5%, Nb 0. 0005 0. 5%、 W 0. 0005 1. 0%、 V 0. 0005 1. 0%、 Ta 0. 0001 0. 2%、 Hf 0. 0001 0. 2%、 Mg 0. 0001 0. 02%, Zr 0. 0001 0. 02%, Rem :0. 0001 0. 02%, Sb 0. 0001 0. 015%, Sn 0. 0005 2. 0%、 Zn 0. 0005 0. 5%、 B 0. 0001 0. 015%, Te 0. 0003 0. 2%、 Se 0. 0003 0. 2%、 Bi 0. 001 0. 5%、 Pb 0. 001 0. 5%、 Cr 0. 001 3. 0%、 Mo 0. 001 1. 0%、 Ni 0. 001 5. 0%、 Cu 0. 001 5. 0%、Li :0. 00001 0. 005%,Na 0. 00001 0. 005%,K 0. 00001 0. 005%,Ba 0. 00001 0. 005%,Sr 0. 00001 0. 005%中的1种以上。
3.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，将所述氧化性气体的流量定义为Q、将所述切削油剂的供给速度定义为q时，q/Q的比满足0. 001 1，其中，Q的单位为1/分钟，q的单位为ml/小时。
4.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，将喷出所述喷雾的出口的截面积定义为S、将所述氧化性气体的供给压力定义为P时，S/P的比满足0. 2 40，其中S的单位为mm2，P的单位为MPa。
5.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，供给所述切削油剂的喷出泵的每1秒的喷出次数为0. 05 16次。
6.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述氧化性气体的温度为_80°C以上且40°C以下。
7.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述氧化性气体的氧浓度为25%以上且50%以下。
全文摘要
本发明的机械结构用钢的切削方法将以0.01～200ml/小时的供给速度供给的切削油剂与以体积％计包含21％以上且50％以下的氧的氧化性气体混合而生成喷雾边对工具的刀尖表面及机械结构用钢的表面喷涂该喷雾边对所述机械结构用钢进行切削，所述机械结构用钢以质量％计含有C0.01～1.2％、Si0.005～3.0％、Mn0.05～3.0％、P0.001～0.2％、S0.001～0.35％、N0.002～0.035％、Al0.05～1.0％，剩余部分包含Fe及不可避免的杂质，限制为O0.003％以下，且Al含量[Al％]与N含量[N％]满足[Al％]-(27/14)×[N％]≥0.05％。
文档编号C22C38/00GK102470502SQ201180002781
公开日2012年5月23日 申请日期2011年3月3日 优先权日2010年3月30日
发明者吉田卓, 宫西庆, 间曾利治 申请人:新日本制铁株式会社