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特表2024-536913切削性能に優れた黒鉛鋼線材、鋼線、黒鉛鋼およびその製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-08
(54)【発明の名称】切削性能に優れた黒鉛鋼線材、鋼線、黒鉛鋼およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20241001BHJP
C22C 38/14 20060101ALI20241001BHJP
C21D 8/06 20060101ALI20241001BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301Y
C22C38/14
C21D8/06 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024522128
(86)(22)【出願日】2022-10-11
(85)【翻訳文提出日】2024-04-11
(86)【国際出願番号】 KR2022015274
(87)【国際公開番号】W WO2023063678
(87)【国際公開日】2023-04-20
(31)【優先権主張番号】10-2021-0135091
(32)【優先日】2021-10-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522492576
【氏名又は名称】ポスコ カンパニー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000051
【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】チェ，サンウ
【テーマコード（参考）】
4K032
【Ｆターム（参考）】
4K032AA01
4K032AA02
4K032AA06
4K032AA16
4K032AA21
4K032AA27
4K032AA29
4K032AA32
4K032AA35
4K032BA02
4K032CA01
4K032CA02
4K032CC04
4K032CD01
4K032CD02
(57)【要約】
【課題】切削性能に優れた黒鉛鋼線材、鋼線、黒鉛鋼およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の黒鉛鋼線材は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】本発明の黒鉛鋼線材は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする切削性能に優れた黒鉛鋼線材。
【請求項2】
パーライトの面積分率が９５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の切削性能に優れた黒鉛鋼線材。
【請求項3】
重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなるビレットを製造する段階、前記ビレットを加熱する段階、
前記加熱したビレットを熱間圧延し、線材を製造する段階、および
前記線材を冷却する段階を含むことを特徴とする切削性能に優れた黒鉛鋼線材の製造方法。
【請求項4】
前記加熱する段階は、１０５０±１００℃の範囲で６０分以上維持して熱処理することを特徴とする請求項３に記載の切削性能に優れた黒鉛鋼線材の製造方法。
【請求項5】
前記熱間圧延して線材をＰ製造する段階は、９００～１１５０℃の温度範囲で熱間圧延することを特徴とする請求項３に記載の切削性能に優れた黒鉛鋼線材の製造方法。
【請求項6】
前記冷却する段階は、０．１～１０．０℃／ｓの冷却速度で５００℃まで冷却することを特徴とする請求項３に記載の切削性能に優れた黒鉛鋼線材の製造方法。
【請求項7】
前記冷却する段階後に、空冷する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の切削性能に優れた黒鉛鋼線材の製造方法。
【請求項8】
重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする切削性能に優れた黒鉛鋼鋼線。
【請求項9】
重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、微細組織として、フェライト基地に黒鉛粒が分布して、黒鉛化度が９５％以上であり、合計５％以下のＭｎＳ介在物とパーライトを含むことを特徴とする切削性能に優れた黒鉛鋼。
【請求項10】
重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる線材を製造する段階、および前記製造された線材を黒鉛化熱処理する段階を含むことを特徴とする切削性能に優れた黒鉛鋼の製造方法。
【請求項11】
前記黒鉛化熱処理する段階は、７００～８００℃の温度範囲で５時間以上熱処理することを特徴とする請求項１０に記載の切削性能に優れた黒鉛鋼の製造方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、切削性能に優れた黒鉛鋼線材、鋼線、黒鉛鋼およびその製造方法に係り、より詳しくは、一般快削鋼より切削性能に優れた、硫黄が添加された黒鉛鋼線材、鋼線、黒鉛鋼およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に被削性が要求される機械部品などの素材としては、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓなどの被削性付与元素を添加した快削鋼が用いられる。鋼材の被削性を向上させるために、鋼中にＰｂ、Ｂｉなど低融点被削性付与元素を添加して液体金属脆化現象を用いたり、多量のＭｎＳを鋼中に形成させている。このような快削鋼は、切削加工時の表面粗さ、チップ処理性、工具寿命など鋼の被削性に非常に優れている。
【0003】
しかしながら、切削性に最も優れたＰｂ添加快削鋼の場合には、切削作業時に有毒性フューム（ｆｕｍｅ）などの有害物質を排出するので、人体に有害であり、鋼材のリサイクルにも不利な問題がある。したがって、これを代替するために、Ｓ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｎなどの添加が提案されたが、鋼材の製造時に亀裂が起こり易く、生産が非常に難しい問題があり、または熱間圧延時に亀裂を引き起こすという問題が多いことが知られてきた。
前述のような問題を解決するために開発された快削鋼として黒鉛鋼が挙げられる。黒鉛鋼は、フェライト基地あるいはフェライトおよびパーライト基地の内部に微細黒鉛粒を含む鋼であり、内部の微細黒鉛粒が切削時にクラック供給源として作用し、チップブレーカーの役割をすることによって、被削性も良好な性質を有している鋼である。
前述のような問題を解決するために開発された快削鋼として黒鉛鋼が挙げられる。黒鉛鋼は、フェライト基地あるいはフェライトおよびパーライト基地の内部に微細黒鉛粒を含む鋼であり、内部の微細黒鉛粒が切削時にクラック供給源として作用し、チップブレーカーの役割をすることによって、被削性も良好な性質を有している鋼である。
【0004】
ところが、このような黒鉛鋼の長所があるにもかかわらず、現在黒鉛鋼が商用化されていない。これは、鋼に炭素を添加すると、黒鉛が安定相であるにも関わらず、準安定相のセメンタイトが析出され、別途の１０時間以上の長時間熱処理なく黒鉛を析出させることが困難であり、この長時間の熱処理過程で脱炭が起こり、最終製品の性能に悪影響を及ぼす弊害が発生するためである。
【0005】
それだけでなく、黒鉛化熱処理を通じて黒鉛粒を析出させたとしても、不規則な形状で不均一に分布している場合、切削時に物性分布が不均一で、チップ処理性や表面粗さが悪くなり、工具寿命も短縮され、黒鉛鋼の長所を得ることが難しい。したがって、黒鉛粒を用いて、ＭｎＳ系介在物を活用して、切削性能に優れた黒鉛快削鋼の製造方法が提供される必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的とするところは、切削性に優れた黒鉛鋼線材、鋼線、黒鉛鋼およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の黒鉛鋼線材は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除く）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【0008】
本発明の黒鉛鋼線材の製造方法は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなるビレットを製造する段階、前記ビレットを加熱する段階、前記加熱したビレットを熱間圧延し、線材を製造する段階、および前記線材を冷却する段階を含むことを特徴とする。
【0009】
本発明の黒鉛鋼鋼線は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【0010】
本発明の黒鉛鋼は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、微細組織として、フェライト基地に黒鉛粒が分布して、黒鉛化度が９５％以上であり、合計５％以下のＭｎＳ介在物とパーライトを含むことを特徴とする。
【0011】
本発明の黒鉛鋼の製造方法は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる線材を製造する段階；および前記製造された線材を黒鉛化熱処理する段階を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によると、本発明の黒鉛鋼は、切削性能に優れ、従来の快削鋼素材の代替が可能であり、Ｐｂなどの有害元素を排除した環境に優しい快削鋼として使用できる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明の一実施形態による黒鉛鋼線材は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除く）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。
【0014】
以下、本発明の切削性能に優れた黒鉛鋼線材、鋼線、黒鉛鋼およびその製造方法について詳細に説明する。
［黒鉛鋼線材］
本発明の一実施形態による黒鉛鋼線材は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。
以下、特段の定めがない限り、単位は、重量％である。また、任意の部分が或る構成要素を「含む」というとき、これは、特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。
［成分の範囲］
［黒鉛鋼線材］
本発明の一実施形態による黒鉛鋼線材は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。
以下、特段の定めがない限り、単位は、重量％である。また、任意の部分が或る構成要素を「含む」というとき、これは、特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。
［成分の範囲］
【0015】
炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０重量％
炭素は、黒鉛粒を形成するために必須の元素である。前記炭素の含有量が０．６０重量％未満の場合には、被削性向上効果が不十分であり、黒鉛化完了時にも黒鉛粒の分布が不均一となり、当該含有量が０．９０重量％以上で過剰な場合、黒鉛粒が粗大に生成され、縦横比が大きくなり、切削性、特に表面粗さが低下する恐れがある。したがって、前記炭素含有量の上限は、０．９０重量％であることが好ましい。
炭素は、黒鉛粒を形成するために必須の元素である。前記炭素の含有量が０．６０重量％未満の場合には、被削性向上効果が不十分であり、黒鉛化完了時にも黒鉛粒の分布が不均一となり、当該含有量が０．９０重量％以上で過剰な場合、黒鉛粒が粗大に生成され、縦横比が大きくなり、切削性、特に表面粗さが低下する恐れがある。したがって、前記炭素含有量の上限は、０．９０重量％であることが好ましい。
【0016】
シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５重量％
シリコンは、溶鋼の製造時に脱酸剤として必要な成分であり、鋼中セメンタイトを不安定にして炭素を黒鉛として析出させる黒鉛化促進元素であるから、積極的に添加する。本発明においてこのような効果を示すためには、シリコンの含有量は、２．０重量％以上であることが好ましい。他方で、当該含有量が過剰な場合、その効果が飽和するだけでなく、固溶強化効果によって硬度が増加し、切削時に工具摩耗が加速化され、非金属介在物の増加による脆性を誘発し、熱間圧延時に過度な脱炭を誘発する恐れがある。したがって、前記シリコン含有量の上限は、２．５重量％であることが好ましい。
シリコンは、溶鋼の製造時に脱酸剤として必要な成分であり、鋼中セメンタイトを不安定にして炭素を黒鉛として析出させる黒鉛化促進元素であるから、積極的に添加する。本発明においてこのような効果を示すためには、シリコンの含有量は、２．０重量％以上であることが好ましい。他方で、当該含有量が過剰な場合、その効果が飽和するだけでなく、固溶強化効果によって硬度が増加し、切削時に工具摩耗が加速化され、非金属介在物の増加による脆性を誘発し、熱間圧延時に過度な脱炭を誘発する恐れがある。したがって、前記シリコン含有量の上限は、２．５重量％であることが好ましい。
【0017】
マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６重量％
マンガンは、鋼材の強度および衝撃特性を向上させ、鋼中硫黄と結合してＭｎＳ介在物を形成し、切削性の向上に寄与する。本発明においてこのような効果を示すためには、マンガンは、０．１重量％以上含まれることが好ましい。他方で、当該含有量が過剰な場合、黒鉛化を阻害し、黒鉛化完了時間が遅れる恐れがあり、強度および硬度を上昇させて切削性を低下させる。したがって、前記マンガン含有量の上限は、０．６重量％であることが好ましい。
マンガンは、鋼材の強度および衝撃特性を向上させ、鋼中硫黄と結合してＭｎＳ介在物を形成し、切削性の向上に寄与する。本発明においてこのような効果を示すためには、マンガンは、０．１重量％以上含まれることが好ましい。他方で、当該含有量が過剰な場合、黒鉛化を阻害し、黒鉛化完了時間が遅れる恐れがあり、強度および硬度を上昇させて切削性を低下させる。したがって、前記マンガン含有量の上限は、０．６重量％であることが好ましい。
【0018】
リン（Ｐ）：０．０１５重量％以下（０を除外）
リンは、不可避に含有される不純物である。たとえ、リンは、鋼の粒界を脆弱にして切削性を助けるとしても、相当な固溶強化効果によってフェライトの硬度を増加させ、鋼材の靭性および遅延破壊抵抗性を減少させ、表面欠陥の発生を助長するので、当該含有量をできるだけ低く管理することが好ましい。理論上、リンの含有量は、０重量％に制御することが有利であるが、製造工程上、必然的に含有される。したがって、その上限を管理することが重要であり、本発明では、その上限を０．０１５重量％に管理する。
リンは、不可避に含有される不純物である。たとえ、リンは、鋼の粒界を脆弱にして切削性を助けるとしても、相当な固溶強化効果によってフェライトの硬度を増加させ、鋼材の靭性および遅延破壊抵抗性を減少させ、表面欠陥の発生を助長するので、当該含有量をできるだけ低く管理することが好ましい。理論上、リンの含有量は、０重量％に制御することが有利であるが、製造工程上、必然的に含有される。したがって、その上限を管理することが重要であり、本発明では、その上限を０．０１５重量％に管理する。
【0019】
硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３重量％
硫黄は、ＭｎＳ生成で切削性向上効果があるが、一方、過多に含まれる場合には、圧延によって延伸されたＭｎＳによって機械的な異方性が現れる。本発明では、機械的な異方性を起こさない範囲内で、切削性を向上させるのに寄与できる範囲の硫黄を添加し、ＭｎＳの生成を誘導した。具体的には、硫黄が０．０３１～０．３重量％の範囲で含まれる場合、ＭｎＳが生成されて切削性が向上し、鉛快削鋼と比べて１００％の切削性能が現れる。しかしながら、硫黄の含有量を０．０３１重量％未満に制御する場合、切削性能を向上させるほどのＭｎＳ介在物を作ることができない。また、０．３重量％超える場合、素材の異方性が増加し、切削加工中に破損される現象が発生し、作業員に危険を招く。
硫黄は、ＭｎＳ生成で切削性向上効果があるが、一方、過多に含まれる場合には、圧延によって延伸されたＭｎＳによって機械的な異方性が現れる。本発明では、機械的な異方性を起こさない範囲内で、切削性を向上させるのに寄与できる範囲の硫黄を添加し、ＭｎＳの生成を誘導した。具体的には、硫黄が０．０３１～０．３重量％の範囲で含まれる場合、ＭｎＳが生成されて切削性が向上し、鉛快削鋼と比べて１００％の切削性能が現れる。しかしながら、硫黄の含有量を０．０３１重量％未満に制御する場合、切削性能を向上させるほどのＭｎＳ介在物を作ることができない。また、０．３重量％超える場合、素材の異方性が増加し、切削加工中に破損される現象が発生し、作業員に危険を招く。
【0020】
アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５重量％
アルミニウムは、シリコンの次に黒鉛化を促進させる元素である。これは、アルミニウムが固溶Ａｌとして存在すると、セメンタイトを不安定にするためである。したがって、固溶Ａｌで存在することが必要である。本発明においてこのような効果を示すためには、０．０１重量％以上含まれることが好ましい。他方で、当該含有量が過剰な場合、その効果が飽和するだけでなく、連鋳時にノズルの目詰まりを誘発させる虞があり、オーステナイト粒界にＡｌＮが生成され、これを核とする黒鉛が粒界に不均一に分布する。したがって、前記アルミニウム含有量の上限は、０．０５重量％であることがよい。
アルミニウムは、シリコンの次に黒鉛化を促進させる元素である。これは、アルミニウムが固溶Ａｌとして存在すると、セメンタイトを不安定にするためである。したがって、固溶Ａｌで存在することが必要である。本発明においてこのような効果を示すためには、０．０１重量％以上含まれることが好ましい。他方で、当該含有量が過剰な場合、その効果が飽和するだけでなく、連鋳時にノズルの目詰まりを誘発させる虞があり、オーステナイト粒界にＡｌＮが生成され、これを核とする黒鉛が粒界に不均一に分布する。したがって、前記アルミニウム含有量の上限は、０．０５重量％であることがよい。
【0021】
チタン（Ｔｉ）：０．００５１～０．０２重量％
チタンは、ボロン、アルミニウムなどのように窒素と結合してＴｉＮ，ＢＮ，ＡｌＮなどの窒化物を生成するが、このような窒化物は、恒温熱処理時に黒鉛生成の核として作用する。しかしながら、ＢＮ、ＡｌＮなどは、生成温度が低いため、オーステナイトが形成された後、粒界に不均一に析出される。これに対し、ＴｉＮは、生成温度がＡｌＮやＢＮより高いため、オーステナイト生成が完了する前に晶出するので、オーステナイト粒界および粒内に均一に分布する。したがって、ＴｉＮを核生成処として生成された黒鉛粒も、微細かつ均一に分布する。このような効果を示すためには、０．００５１重量％以上含まれることが好ましい。一方、当該含有量が０．０２％を超えて添加された場合、粗大な炭窒化物になり、黒鉛の形成に必要な炭素を消耗することによって、黒鉛化を阻害することになる。したがって、前記チタン含有量の上限は、０．０２重量％であることが好ましい。
チタンは、ボロン、アルミニウムなどのように窒素と結合してＴｉＮ，ＢＮ，ＡｌＮなどの窒化物を生成するが、このような窒化物は、恒温熱処理時に黒鉛生成の核として作用する。しかしながら、ＢＮ、ＡｌＮなどは、生成温度が低いため、オーステナイトが形成された後、粒界に不均一に析出される。これに対し、ＴｉＮは、生成温度がＡｌＮやＢＮより高いため、オーステナイト生成が完了する前に晶出するので、オーステナイト粒界および粒内に均一に分布する。したがって、ＴｉＮを核生成処として生成された黒鉛粒も、微細かつ均一に分布する。このような効果を示すためには、０．００５１重量％以上含まれることが好ましい。一方、当該含有量が０．０２％を超えて添加された場合、粗大な炭窒化物になり、黒鉛の形成に必要な炭素を消耗することによって、黒鉛化を阻害することになる。したがって、前記チタン含有量の上限は、０．０２重量％であることが好ましい。
【0022】
窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０重量％
窒素は、チタン、ボロン、アルミニウムと結合してＴｉＮ，ＢＮ，ＡｌＮなどを生成するが、特にＢＮ，ＡｌＮなどの窒化物は、主にオーステナイト粒界に形成される。黒鉛化熱処理時にこのような窒化物を核として黒鉛が形成され、黒鉛の不均一な分布を惹起させることがあるので、適正量の添加が必要である。もし窒素添加量が多すぎて、窒化物形成元素と結合せず、固溶窒素として鋼中に存在する場合、強度を高め、セメンタイトを安定化させて、黒鉛化を遅延させる不利な作用をする。したがって、黒鉛核生成処として作用する窒化物を形成させるのに消耗され、固溶窒素としては残さないために、本発明では、窒素の含有量を０．００３０重量％を下限に、０．０１５０重量％を上限に制限した。
窒素は、チタン、ボロン、アルミニウムと結合してＴｉＮ，ＢＮ，ＡｌＮなどを生成するが、特にＢＮ，ＡｌＮなどの窒化物は、主にオーステナイト粒界に形成される。黒鉛化熱処理時にこのような窒化物を核として黒鉛が形成され、黒鉛の不均一な分布を惹起させることがあるので、適正量の添加が必要である。もし窒素添加量が多すぎて、窒化物形成元素と結合せず、固溶窒素として鋼中に存在する場合、強度を高め、セメンタイトを安定化させて、黒鉛化を遅延させる不利な作用をする。したがって、黒鉛核生成処として作用する窒化物を形成させるのに消耗され、固溶窒素としては残さないために、本発明では、窒素の含有量を０．００３０重量％を下限に、０．０１５０重量％を上限に制限した。
【0023】
ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％
Ｎと結合してＢＮを形成し、黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛化を促進するので、積極的に添加するが、０．０００５重量％未満では、その効果が小さく、また、０．００２０重量％を超えて添加する場合、ＢＮがオーステナイト粒界に過剰で形成され、黒鉛化熱処理後に黒鉛粒の不均一な分布を引き起こすだけでなく、粒界を脆弱にして、熱間圧延性を顕著に低下させる問題を発生させるので、０．０００５～０．００２０重量％の範囲で含有させることが好ましい。
Ｎと結合してＢＮを形成し、黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛化を促進するので、積極的に添加するが、０．０００５重量％未満では、その効果が小さく、また、０．００２０重量％を超えて添加する場合、ＢＮがオーステナイト粒界に過剰で形成され、黒鉛化熱処理後に黒鉛粒の不均一な分布を引き起こすだけでなく、粒界を脆弱にして、熱間圧延性を顕著に低下させる問題を発生させるので、０．０００５～０．００２０重量％の範囲で含有させることが好ましい。
【0024】
本発明の残部の成分は、鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である。ただし、通常の鉄鋼製造過程では、原料または周囲環境から意図しない不純物が不可避に混入することがあるので、これを排除することはできない。これらの不純物は、通常の鉄鋼製造過程の技術者なら誰でも知ることができるので、そのすべての内容を特に本明細書で言及しない。
【0025】
また、本発明の一実施形態によれば、黒鉛化熱処理用線材は、パーライトの面積分率が９５％以上であることができる。本発明において、黒鉛粒は、パーライトが分解されて発生するので、パーライトの面積分率が低ければ、黒鉛粒の分率も低くなり、不均一な分布を示すため好ましくない。パーライトの面積分率が高いことが、均一かつ微細な黒鉛粒を確保するのに有利であるから、その上限を特に限定しない。
［線材の製造方法］
［線材の製造方法］
【0026】
本発明の一実施形態による黒鉛鋼線材の製造方法は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなるビレットを製造する段階、
前記ビレットを加熱する段階、
前記加熱したビレットを熱間圧延し、線材に製造する段階、および
前記線材を冷却する段階を含む。
線材加熱工程
前記ビレットを加熱する段階、
前記加熱したビレットを熱間圧延し、線材に製造する段階、および
前記線材を冷却する段階を含む。
線材加熱工程
【0027】
また、本発明の一実施形態によれば、前記加熱する段階は、１０５０±１００℃の範囲で６０分以上維持して熱処理することを含むことがよい。
ビレットを線材圧延する前に１０５０±１００℃の範囲で６０分以上維持する。ビレットの加熱温度が９５０℃未満では、圧延中に負荷が増加し、圧延生産性が低下することがあるので、低い加熱温度で不利な面がある。加熱温度が１１５０℃を超える場合には、コストが上昇するだけでなく、脱炭が加速化し、脱炭層が厚くなって、最終製品にまで残るので、好ましくない。加熱維持時間を６０分以上にしたことは、６０分未満では、線材圧延のためのビレットの内外部の均一な温度分布を確保しにくいためである。
線材圧延工程
ビレットを線材圧延する前に１０５０±１００℃の範囲で６０分以上維持する。ビレットの加熱温度が９５０℃未満では、圧延中に負荷が増加し、圧延生産性が低下することがあるので、低い加熱温度で不利な面がある。加熱温度が１１５０℃を超える場合には、コストが上昇するだけでなく、脱炭が加速化し、脱炭層が厚くなって、最終製品にまで残るので、好ましくない。加熱維持時間を６０分以上にしたことは、６０分未満では、線材圧延のためのビレットの内外部の均一な温度分布を確保しにくいためである。
線材圧延工程
【0028】
また、本発明の一実施形態によれば、前記熱間圧延して線材に製造する段階は、９００～１１５０℃の温度範囲で熱間圧延することがよい。
線材圧延温度を９００～１１５０℃の範囲とすることは、９００℃未満では、熱間圧延時に表面欠陥の発生が容易に起きるか、または圧延負荷量が増加し、圧延が困難であり、一方、１１５０℃超過の場合には、ＡＧＳ（Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｚｅ）が粗大化し、線材圧延後に黒鉛化熱処理時間が長くなることがあるためである。
冷却工程
線材圧延温度を９００～１１５０℃の範囲とすることは、９００℃未満では、熱間圧延時に表面欠陥の発生が容易に起きるか、または圧延負荷量が増加し、圧延が困難であり、一方、１１５０℃超過の場合には、ＡＧＳ（Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｚｅ）が粗大化し、線材圧延後に黒鉛化熱処理時間が長くなることがあるためである。
冷却工程
【0029】
また、本発明の一実施形態によれば、前記冷却する段階は、０．１～１０．０℃／ｓの冷却速度で５００℃まで冷却することがよい。
また、本発明の一実施形態によれば、前記冷却する段階後に空冷する段階を含むことがよい。
冷却速度が１０．０℃超過の場合には、マルテンサイトのような硬質相が発生し、線材圧延の次の工程である冷間伸線中に断線が発生することがあるので、好ましくない。０．１℃未満の冷却速度では、初析相が過度に生成され、パーライトの分率が減少したり、結晶粒径が粗大化され、黒鉛化熱処理後に生成された黒鉛粒が不均一な分布を有することになるので、好ましくない。
［黒鉛鋼鋼線］
また、本発明の一実施形態によれば、前記冷却する段階後に空冷する段階を含むことがよい。
冷却速度が１０．０℃超過の場合には、マルテンサイトのような硬質相が発生し、線材圧延の次の工程である冷間伸線中に断線が発生することがあるので、好ましくない。０．１℃未満の冷却速度では、初析相が過度に生成され、パーライトの分率が減少したり、結晶粒径が粗大化され、黒鉛化熱処理後に生成された黒鉛粒が不均一な分布を有することになるので、好ましくない。
［黒鉛鋼鋼線］
【0030】
本発明の一実施形態による黒鉛鋼鋼線は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。
［黒鉛鋼］
［黒鉛鋼］
【0031】
本発明の一実施形態による黒鉛鋼は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、微細組織として、フェライト基地に黒鉛粒が分布して、黒鉛化度が９５％以上であり、合計５％以下のＭｎＳ介在物とパーライトを含む。
【0032】
なお、黒鉛化度とは、鋼に添加された炭素含有量に対して黒鉛状態で存在する炭素含有量の比を意味し、下記［関係式１］によって定義し、９５％以上黒鉛化されたというのは、添加された炭素が大部分黒鉛を生成するのに消費したという意味であり（フェライト内固溶炭素および微細炭化物に固溶された炭素量はきわめて少ないので考慮しない）、未分解パーライトが存在しない、すなわちフェライト基地に黒鉛粒が分布する微細組織を有することを意味する。
［関係式１］
黒鉛化度（％）＝（１－未分解パーライト内炭素含有量／鋼中炭素含有量）×１００
（未分解パーライトがない場合、黒鉛化度は１００％となる）
［黒鉛鋼の製造方法］
［関係式１］
黒鉛化度（％）＝（１－未分解パーライト内炭素含有量／鋼中炭素含有量）×１００
（未分解パーライトがない場合、黒鉛化度は１００％となる）
［黒鉛鋼の製造方法］
【0033】
本発明の一実施形態による黒鉛鋼の製造方法は、重量％で炭素（Ｃ）：０．６０～０．９０％、シリコン（Ｓｉ）：２．０～２．５％、マンガン（Ｍｎ）：０．１～０．６％、リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０を除外）、硫黄（Ｓ）：０．０３１～０．３％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１～０．０５％、チタン（Ｔｉ）：０．００５～０．０２％、ボロン（Ｂ）：０．０００５～０．００２０％、窒素（Ｎ）：０．００３０～０．０１５０％、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる線材を製造する段階、および前記製造された線材を黒鉛化熱処理する段階を含む。
【0034】
また、本発明の一実施形態によれば、前記黒鉛化熱処理する段階は、７００～８００℃の温度範囲で５時間以上熱処理することができる。
７００～８００℃の範囲で５時間以上熱処理を維持すると、黒鉛化度９５％以上に到達することができる。しかしながら、７００℃未満では、黒鉛化熱処理時間が長くなり、１０時間以上を超える。８００℃超過では、黒鉛化時間が長くなるだけでなく、パーライトの逆変態によってオーステナイトが生成され、冷却中にさらにパーライトが生じることがあるので、好ましくない。
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明する。
下記実施例は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明の思想を十分に伝達するために提示するものであり、本発明は、ここで提示した実施例にのみ限定されず、他の形態で具現化されることもできる。
（実施例）
７００～８００℃の範囲で５時間以上熱処理を維持すると、黒鉛化度９５％以上に到達することができる。しかしながら、７００℃未満では、黒鉛化熱処理時間が長くなり、１０時間以上を超える。８００℃超過では、黒鉛化時間が長くなるだけでなく、パーライトの逆変態によってオーステナイトが生成され、冷却中にさらにパーライトが生じることがあるので、好ましくない。
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明する。
下記実施例は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明の思想を十分に伝達するために提示するものであり、本発明は、ここで提示した実施例にのみ限定されず、他の形態で具現化されることもできる。
（実施例）
【0035】
下記表１の成分を含むビレットを加熱温度条件で９０分間維持し、高速線材圧延して、１９ｍｍの直径を有する線材に製造した。この際の線材冷却速度、線材パーライトの面積分率および黒鉛化熱処理時間、黒鉛化度を下記表１に示した。
表１および表２で、実施例１～１１は、本発明の合金組成の範囲および製造条件を満たす黒鉛鋼線材に該当し、比較例１～７は、本発明の合金組成の範囲および／または製造条件を満たさない線材に該当する。
表１および表２で、実施例１～１１は、本発明の合金組成の範囲および製造条件を満たす黒鉛鋼線材に該当し、比較例１～７は、本発明の合金組成の範囲および／または製造条件を満たさない線材に該当する。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】
以下、表１および表２を参照して実施例および比較例を評価する。
実施例１～１１は、本発明の合金組成の範囲および製造条件を満たすことによって、黒鉛鋼線材のパーライトの面積分率が９５％以上であり、黒鉛化度が９８．５％以上であり、鉛快削鋼に比べて切削性能が１００％であることを確認することができた。
実施例１～１１は、本発明の合金組成の範囲および製造条件を満たすことによって、黒鉛鋼線材のパーライトの面積分率が９５％以上であり、黒鉛化度が９８．５％以上であり、鉛快削鋼に比べて切削性能が１００％であることを確認することができた。
【0039】
他方で、硫黄の含有量が０．００５重量％に過ぎず、ボロンを実質的に含まない比較例１の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて８８％と低く、比較例１の線材の製造方法は、０．０５℃／ｓの冷却速度で冷却され、９３％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理が１．５時間維持されたため、黒鉛化度が７５％と低かった。
また、硫黄の含有量が０．００３重量％に過ぎず、ボロンの含有量が０．０００２重量％に過ぎない比較例２の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて９５％と低く、比較例２の線材の製造方法は、１２．０℃／ｓの冷却速度で冷却される。９３．５％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理で２．５時間維持されたため、黒鉛化度が８５％と低かった。
また、硫黄の含有量が０．００６重量％に過ぎず、ボロンの含有量が０．０００４重量％に過ぎない比較例３の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて８９％と低く、比較例３の線材の製造方法は、１１．５℃／ｓの冷却速度で冷却され、９４．２％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理が３．０時間維持されたため黒鉛化度が８６％と低かった。
また、硫黄の含有量が０．００３重量％に過ぎず、ボロンの含有量が０．０００２重量％に過ぎない比較例２の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて９５％と低く、比較例２の線材の製造方法は、１２．０℃／ｓの冷却速度で冷却される。９３．５％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理で２．５時間維持されたため、黒鉛化度が８５％と低かった。
また、硫黄の含有量が０．００６重量％に過ぎず、ボロンの含有量が０．０００４重量％に過ぎない比較例３の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて８９％と低く、比較例３の線材の製造方法は、１１．５℃／ｓの冷却速度で冷却され、９４．２％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理が３．０時間維持されたため黒鉛化度が８６％と低かった。
【0040】
また、炭素の含有量が０．９５重量％であり、硫黄の含有量が０．００７重量％であり、ボロンの含有量が０．００２５重量％である比較例４の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて９２％と低く、比較例４の線材の製造方法では、０．０７℃／ｓの冷却速度で冷却され、９３．２％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理が２．５時間維持されたため、黒鉛化度が８５％と低かった。
【0041】
また、炭素の含有量が０．５５重量％、シリコンの含有量が２．６重量％、硫黄の含有量が０．４重量％、チタンの含有量が０．０２５重量％、ボロンの含有量が０．００２５重量％である比較例５の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて９１％と低く、比較例５の線材製造方法は、１５．５℃／ｓの冷却速度で冷却され、９３．５％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理で３．４時間維持されたため、黒鉛化度が８６％と低かった。
また、シリコンの含有量が２．７５重量％、マンガンの含有量が０．９重量％、硫黄の含有量が０．４５重量％、チタンの含有量が０．０３重量％、ボロンの含有量が０．００２４重量％である比較例６の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて９３％と低く、比較例６の線材の製造方法は、１４．０℃／ｓの冷却速度で冷却され、９４．１％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理で４．２時間維持されたため、黒鉛化度が８４％と低かった。
また、シリコンの含有量が２．７５重量％、マンガンの含有量が０．９重量％、硫黄の含有量が０．４５重量％、チタンの含有量が０．０３重量％、ボロンの含有量が０．００２４重量％である比較例６の黒鉛鋼の切削性能は、鉛快削鋼に比べて９３％と低く、比較例６の線材の製造方法は、１４．０℃／ｓの冷却速度で冷却され、９４．１％のパーライトの面積分率を含む線材が製造され、熱処理で４．２時間維持されたため、黒鉛化度が８４％と低かった。
【0042】
また、シリコンの含有量が２．８重量％、マンガンの含有量が０．８重量％、硫黄の含有量が０．３５重量％、チタンの含有量が０．００２重量％、ボロンの含有量が０．００３重量％である比較例７の黒鉛鋼は、切削性能が鉛快削鋼に比べて９０％と低かった。
前述した各実施例と比較例の評価から、本発明の合金組成の範囲および製造条件を満たす場合、本発明の黒鉛鋼線材および黒鉛鋼の特性をすべて満足できることが分かる。
前述した各実施例と比較例の評価から、本発明の合金組成の範囲および製造条件を満たす場合、本発明の黒鉛鋼線材および黒鉛鋼の特性をすべて満足できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明による黒鉛鋼は、切削性能に優れ、従来の快削鋼素材を代替可能であり、Ｐｂなどの有害元素を代替した環境に優しい快削鋼として使用できるので、産業上の利用可能性が認められる。
【国際調査報告】