切削工具寿命优良的机械结构用钢及其切削方法

专利名称：切削工具寿命优良的机械结构用钢及其切削方法
技术领域：
本发明涉及切削工具寿命优良的机械结构用钢及其切削方法。
背景技术：
近年来，钢的高强度化在发展，但其另一方面，出现切削性降低的问题。因此，对在保持强度的同时不降低切削效率的钢的需求高涨。以往，为了提高钢的被切削性，有添加1 或S作为成分的方法，但1 在环境负荷上存在问题，S有如果增大添加量则使机械特性劣化的问题。此外，根据需要也应用所谓的Belag，即通过添加Ca，使钢中氧化物软质化，在切削中使其附着在工具表面上来保护工具。可是Belag的应用对切削条件和成分的限制多， 一般不使用。在这样的背景中，公开了新的成分组成的快削钢及切削方法。专利文献1中公开了一种机械结构用钢，其通过将机械结构用钢的成分规定在规定范围内，在宽范围的切削速度区域具有良好的被切削性，且一并具有高的冲击特性和高的屈服比。专利文献2中公开了一种断续切削中的工具寿命优异的机械结构用钢的切削方法，其通过在规定的工具与机械结构用钢的接触时间及非接触时间，以50m/分钟以上的切削速度对具有规定的成分组成的机械结构用钢进行切削，在工具表面上生成以氧化物为主体的保护膜。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2008-36769号公报

发明内容
发明所要解决的问题但是，在以往的技术中，存在以下所示的问题。在专利文献1所述的发明中，通过调整Al及其它氮化物生成元素和N的添加量， 同时进行适当的热处理，将对被切削性有害的固溶N抑制在低水平。此外，适量确保通过高温脆化提高被切削性的固溶Al及通过高温脆化效果和脆性的结晶结构提高被切削性的 AlN0其结果是，对于从低速到高速的宽范围的切削速度区域得到了优良的被切削性。可是，只规定了钢材成分，没有公开具体的切削方法及切削条件。在专利文献2所述的发明中，要生成对抑制工具磨损有效果的保护膜，需要使来自大气的氧向工具与被切削材料的接触面扩散。因此，在机械结构用钢及切屑连续地与工具接触，来自大气的氧难以向工具与被切削材料的接触面扩散的连续切削的方式中，不能得到提高工具寿命的效果。
此外，如果切削速度低于50m/分钟则效果低。另外，切削油等润滑油的使用也限制在最小限度。所以，在机械结构用部件的制造中多采用的钻孔加工或旋切等来自大气的氧难以向工具与被切削材料的接触面扩散的连续切削中，不能延长工具寿命。在机械结构用钢中，进行钻孔加工、旋切或丝锥加工等连续加工及立铣刀加工或滚切加工等断续切削等各种切削加工，切削速度也随之为较宽的范围。而且，切削环境也为使用切削油、干式、半干式及富氧化等多种。可是，在所有的切削条件中都没有提及延长工具寿命的方法。本发明是鉴于上述问题点而提出的，其目的在于，提供一种在无论连续切削或断续切削等方式的宽范围的切削速度区域中，而且在使用切削油、干式、半干式及富氧化等各种切削环境下，工具寿命均优良的机械结构用钢及其切削方法。用于解决问题的手段本发明人等为了解决上述问题进行了锐意研究，结果发现以下的新见识。(a)如果增加钢材成分的Al量，采用被1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物被覆的工具进行切削，则钢中的固溶Al和工具表面的金属氧化物发生化学反应，在工具表面上形成Al2O3被膜，通过该Al2O3被膜可得到优良的润滑性和工具寿命。(b)即使采用被1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物被覆的工具进行切削，如果固溶Al量小，也不能得到对工具赋予耐磨性而言是足够的厚度的Al2O3被膜，工具寿命没有提高。具体而言，如果固溶Al在0. 05质量％以上，则可得到足够厚度的Al2O3被膜。(c)即使在钢材中的固溶Al在0.05质量％以上时，在采用被1300°C时的标准生成自由能为Al2O3的标准生成自由能以下的金属氧化物被覆的工具进行切削时，或用工具表层不含氧化物的工具进行切削时，不发生形成Al2O3的化学反应，工具寿命没有提高。本发明是基于上述见识，进行更详细的研究而得到结果的，其要旨如下。
(1) 一种机械结构用钢，其特征在于，以质量％计含有
C 0. 01 1. 2%,
Si 0.005 3. 0%,
Mn 0. 05 --3. 0%,
P 0. 0001 0. 2%,
S 0. 0001 0. 35%,
Al 0. 05 --1. 0%,
N 0. 0005 0. 035%,
且满足[Al 427/14) X [N% ] ^ 0. 05%，剩余部分包含！^及不可避免的杂质；
通过用下述切削工具切削所述钢，在该切削工具的表面形成Al2O3被膜，所述切削
工具的与被切削材料接触的表面被覆有1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物。 (2)根据上述(1)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有 Ca 0. 0001 0. 02%。
(3)根据上述⑴或(2)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%、Cr :0. 001 3. 0%、Mo :0. 001 1. 0%、Ni :0. 001 5. 0%、Cu :0. 001 5. 0%。(4)根据上述⑴或(2)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg :0· 0001 0. 02%、Zr :0· 0001 0. 02%、Rem :0· 0001 0. 02%。(5)根据上述(3)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg :0· 0001 0. 02%、Zr :0· 0001 0. 02%、Rem :0· 0001 0. 02%。(6)根据上述⑴或(2)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上

Sb 0.0001 -Sn 0.0005 -Zn 0.0005 -B 0. 0001 Te 0.0003 -Se 0.0003 -Bi 0. 001 Pb 0. 001 Li 0.00001 Na 0.00001 K 0. 00001 -Ba 0. 00001 Sr 0.00001
-0. 015%, -2. 0%, -0. 5%, 0. 015%, -0. 2%, -0. 2%, 0. 5%, 0. 5%, 0. 005%, 0. 005%, -0. 005%, 0. 005%, 0. 005% ο
(7)根据上述(3)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含
有下述元素中的1种或2种以上有下述元素中的1种或2种以上
0072]Sb00001 --0. 015%,0073]Sn00005 --2. 0%,0074]Zn00005 --0. 5%,0075]B 0. 0001 0. 015%,0076]Te00003 --0. 2%,0077]Se00003 --0. 2%,0078]Bi0001 0. 5%,0079]Pb0001 0. 5%,0080]Li000001 0. 005%,0081]Na000001 0. 005%,0082]K 0. 00001 --0. 005%,0083]Ba000001 0. 005%,0084]Sr000001 0. 005%。0085](8)根据上述(4)所述的机械
0086]Sb00001 --0. 015%,0087]Sn00005 --2. 0%,0088]Zn00005 --0. 5%,0089]B 0. 0001 0. 015%,0090]Te00003 --0. 2%,0091]Se00003 --0. 2%,0092]Bi0001 0. 5%,0093]Pb0001 0. 5%,0094]Li000001 0. 005%,0095]Na000001 0. 005%,0096]K 0. 00001 --0. 005%,0097]Ba000001 0. 005%,0098]Sr000001 0. 005%。0099](9)根据上述( 所述的机械
有下述元素中的1种或2种以上
0100]Sb0.0001 --0. 015%,0101]Sn0.0005 --2. 0%,0102]Zn0.0005 --0. 5%,0103]B 0. 0001 0. 015%,0104]Te0.0003 --0. 2%,0105]Se0.0003 --0. 2%,0106]Bi0.001 0. 5%,0107]Pb0.001 0. 5%,0108]Li0.00001 0. 005%
Na :0. 00001 0. 005%、K :0. 00001 0. 005%、Ba :0. 00001 0. 005%、Sr :0. 00001 0. 005%。(10)根据上述⑴或(2)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述1300°C时的标准生成自由能的值大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物是Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、 Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn的氧化物，或者是含有这些元素中的2种以上金属元素的氧化物。(11)根据上述⑴或⑵所述的机械结构用钢，其特征在于，与被切削材料接触的表面被覆有所述金属氧化物的切削工具通过PVD处理或CVD处理中的任一种处理来制作。(12)根据上述(1)或(2)所述的机械结构用钢，其特征在于，被覆在所述切削工具上的金属氧化物被膜的厚度为50nm以上且低于1 μ m。(13)根据上述⑴或(2)所述的机械结构用钢，其特征在于，在所述切削中，使用切削油等润滑油。(14)根据上述(13)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述切削油等润滑油是非水溶性切削油剂。(15)根据上述⑴或(2)所述的机械结构用钢，其特征在于，所述切削为连续切削。(16) 一种机械结构用钢的切削方法，其特征在于，用在与被切削材料接触的表面被覆有1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物的切削工具切削下述机械结构用钢，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. 0001 0. 2%、S :0. 0001 0. 35%、Al :0· 05 1. 0%、N :0. 0005 0. 035%，且满足[Al% ] — (27/14) X [N% ] ^ 0. 05%，剩余部分包含！^及不可避免的杂质。(17)根据上述(16)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%。(18)根据上述(16)或(17)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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%、Cr :0. 001 3. 0%、Mo :0. 001 1. 0%、Ni :0. 001 5. 0%、Cu :0. 001 5. 0%。(19)根据上述(16)或(17)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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg :0. 0001 0. 02%、Zr :0. 0001 0. 02%、Rem :0· 0001 0. 02%。(20)根据上述(18)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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg :0. 0001 0. 02%、Zr :0. 0001 0. 02%、Rem :0· 0001 0. 02%。(21)根据上述(16)或(17)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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上
0151]Sb00001 --0. 015%,0152]Sn00005 --2. 0%,0153]Zn00005 --0. 5%,0154]B 0. 0001 0. 015%,0155]Te00003 --0. 2%,0156]Se00003 --0. 2%,0157]Bi0001 0. 5%,0158]Pb0001 0. 5%,0159]Li000001 0. 005%0160]Na000001 0. 005%0161]K 0. 00001 --0. 005%,0162]Ba000001 0. 005%0163]Sr000001 0. 005%(22)根据上述(18)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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%、k :0. 0003 0. 2%、
Bi :0. OOl 0. 5%、Pb :0. OOl 0. 5%、Li :0. OOOOl 0. 005%、Na :0. OOOOl ~ 0. 005%>K :0. OOOOl 0. 005%、Ba :0. OOOOl ~ 0. 005%>Sr :0. OOOOl 0. 005%。(23)根据上述(19)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在干，所述机械结构 用钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Sb :0. OOOl 0. 015%、Sn :0. 0005 2. 0%、Zn :0. 0005 0. 5%、B :0. OOOl 0. 015%、Te :0. 0003 0. 2%、0003 0. 2%、Bi :0. OOl 0. 5%、Pb :0. OOl 0. 5%、Li :0. OOOOl 0. 005%、Na :0. OOOOl 0. 005%、K :0. OOOOl 0. 005%、Ba :0. OOOOl 0. 005%、Sr :0. OOOOl 0. 005%。(24)根据上述OO)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在干，所述机械结构 用钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Sb :0. OOOl 0. 015%、Sn :0. 0005 2. 0%、Zn :0. 0005 0. 5%、B :0. OOOl 0. 015%、I^e 0003 0. 2%、Se :0. 0003 0. 2%、Bi :0. OOl 0. 5%、Pb :0. OOl 0. 5%、Li :0. OOOOl 0. 005%、Na :0. OOOOl 0. 005%、K :0. OOOOl 0. 005%、Ba :0. OOOOl 0. 005%、Sr :0. OOOOl 0. 005%。(25)根据上述(16)或(17)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在干，所述 130(rC时的标准生成自由能大于AI2O3的标准生成自由能的金属氧化物是Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn的氧化物，或者是含有这些元素中的2种以上金属元素的氧化物。(26)根据上述(16)或(17)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述与被切削材料接触的表面被覆有金属氧化物的切削工具通过PVD处理或CVD处理中的任一种处理来制作。(27)根据上述(16)或(17)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述被覆在切削工具上的金属氧化物被膜的厚度为50nm以上且低于1 μ m。(28)根据上述(16)或(17)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，在所述切削中，使用切削油等润滑油。(29)根据上述08)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述切削油等润滑油是非水溶性切削油剂。(30)根据上述(16)或(17)所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述切削为连续切削。发明的效果根据本发明，能够提供一种在无论连续切削或断续切削等方式的宽范围的切削速度区域中，而且在使用切削油、干式、半干式及富氧化等各种切削环境下，通过在工具表面上利用化学反应形成Al2O3被膜，可得到优良的润滑性和工具寿命的机械结构用钢及其切削方法。


图1是采用通过高压蒸气处理对表层施加了 ！^e3O4被膜的高速钢制钻头来切削固溶Al量不同的钢材后的工具刀尖附近的SEM-EDS图像。图2是表示采用通过高压蒸气处理对表层施加了 !^e3O4被膜的高速钢制钻头来切削固溶Al量不同的钢材后的工具刀尖的断面的图。图3是表示采用对TiAlN涂层的表层施加了 TW2被膜的工具来切削固溶Al量不同的钢材后的工具刀尖的断面的图。
具体实施例方式以下，对本发明的实施方式进行详细说明。本发明是机械结构用钢及其切削方法，其特征在于，在具有规定的成分组成的机械结构用钢的切削中，采用具有由规定的金属氧化物构成的表层被膜的切削工具，在切削工具的表面形成Al2O3被膜。首先，对机械结构用钢的成分组成及工具的表层被膜的详细情况进行说明。在钢铁材料的切削加工中，因被切削材料在工具尖端受到大的塑性变形，因而切屑从被切削材料生成分离。该塑性变形中使用的能量的95%左右以热量的形式散发。切削速度通常为几十米/分钟以上，因此塑性变形为应变速度在1000/秒以上的高应变速度变形，其结果是，热扩散的时间不足。在切削中，由于高速度下的大应变变形局部集中地进行，所以变形区的温度上升， 工具与钢材的接触面的温度从几百度达到一千度以上。另外，工具与钢材的接触面为高压状态。在高温、高压下的接触面，接触面间的化学反应被促进，因而工具表面磨损。该反应根据反应的种类不同被称为扩散磨损或化学磨损。例如，如果用以WC和Co为主成分的超硬合金工具来切削碳钢，则超硬合金中的WC 分解，C向碳钢侧扩散，或Co在界面流出。从碳钢侧向超硬合金侧扩散，在工具与被切削材料的界面附近生成复杂的反应生成物。这样的反应生成物通常比母材弱，此外，其周围的结合相的强度降低，因此容易与切屑一同被带去，而磨损工具。这样，以往，在工具与钢材的接触面发生的化学反应是引起工具磨损的化学反应。 本发明人等发现了有效地利用通常引起工具磨损的化学反应，防止工具磨损的方法。为了提高切削工具的耐磨性，多采用对将母材规定为超硬合金或高速钢等的工具施加硬质的陶瓷涂层的方法。其中，一般通过CVD处理涂敷的Al2O3为硬质且耐氧化性优良，因此使工具寿命大大提高。因而，本发明人等对通过在切削中利用化学反应而在工具表面形成Al2O3被膜来抑制工具磨损的方法进行了锐意研究。通常，在钢中，Al作为脱氧元素和/或以防止AlN造成的晶粒粗大化为目的而添加。如果添加上述目的所需量以上的Al，则Al在钢中成为固溶Al。本发明人等通过利用SEM-EDS或俄歇电子分光法对切削后的工具表面进行分析， 确认了 如果采用被与氧的亲和力的大小比Al更小的金属元素构成的氧化物、即标准生成自由能比Al2O3的该值更大的金属氧化物被覆的工具，对含有较多固溶Al的钢材进行切削， 则在工具与钢材的接触面发生化学反应，因而在工具表层形成Al2O3被膜。作为例子，图1中示出通过SEM-EDS，对采用通过称为高压蒸气处理的水蒸气处理对工具表层施加了厚度为5μπι的!^e3O4被膜的高速钢制钻头，将含有较多固溶Al的钢材 (0. 12质量％ Α1-0. 0050质量％ N)和含有不太多固溶Al的钢材(0. 03质量％ Α1-0. 0050 质量％ N)切削后的工具刀尖附近的工具表面上进行分析的结果。图1中颜色越明亮，表示图中所示的元素浓度越高。图1 (a)为未使用的工具。工具表层通过高压蒸气处理而存在标准生成自由能比 Al2O3的标准生成自由能大的!^304，可观察到!^e和0。图1(b)为对含有较多固溶Al的钢材进行了切削的工具，在工具表面上可观察到 Al。利用俄歇电子分光法对观察到Al的区域进行了详细分析，结果Al和0存在于相同位置，其组成接近ai2O3。从该结果得知在工具表面上生成有AI2O3。图1 (c)是对含有不太多固溶Al的钢材进行了切削的工具。在刀尖附近没有观察到0，可观察到!^e浓度高的区域。这表明因工具磨损，表层的!^e3O4消失，母材种的高速钢露出，或为切屑粘附的状态。图2中示意性地示出切削后的工具刀尖附近的断面结构。图2(a)表示未使用的工具。图2(b)表示切削了含有较多固溶Al的钢材的工具。图2(c)表示切削了含有不多固溶Al的钢材的工具。纸面上侧为工具表面侧，纸面下侧为工具母材侧。图2 (b)表示通过固溶Al与狗30422发生化学反应，在Fii3O4被膜22上形成Al2O3被膜23，覆盖工具表面的状态。形成的Al2O3被膜23抑制工具磨损。另一方面，图2 (c)表示通过磨损!^e3O4被膜22消失，母材种的高速钢21在表面露出，或切屑M部分粘附的状态。作为另一例子，图3中示意性地示出利用对施加了 TiAlN涂层32的超硬合金工具 31的表层施加厚度为200nm的TiO2被膜33的工具，将含有较多固溶Al的钢材(0. 12质量％々1-0. 0050质量％ N)和含有不太多固溶Al的钢材(0. 03质量％Α1-0. 0050质量％ N) 切削后的工具刀尖附近的断面结构。图3(a)表示未使用的工具。图3(b)表示切削了含有较多固溶Al的钢材的工具。 图3(c)表示切削了含有不太多固溶Al的钢材的工具。 图3 (b)表示通过固溶Al与TW2发生化学反应，在TW2被膜33上形成Al2O3被膜 23而覆盖工具表面的状态。形成的Al2O3被膜23抑制工具磨损。图3 (c)表示通过磨损TW2被膜33和TiAlN涂层32消失，母材种的超硬合金31 在表面露出，或切屑M部分粘附的状态。从以上的例子得出如果采用被覆了标准生成自由能比Al2O3的标准生成自由能大的金属氧化物的工具对含有较多固溶Al的钢材进行切削，则在工具表面形成Al2O3被膜。 其结果是，工具的耐磨损性提高，可抑制工具磨损，因而工具寿命提高。上述是以往没有的本发明人等提出的新见识。在得到本见识以前，例如，如图3所示在工具表面被膜为TW2等比I^e3O4稳定的氧化物时，即为标准生成自由能比!^e3O4的标准生成自由能小的氧化物时，被设想为难以发生与固溶Al的化学反应，不能在工具表面形成Al2O3被膜。另外，通过高压蒸气处理生成的!^e3O4被膜厚度比较厚，为约5 μ m。因此，在氧化物被膜如图3时为薄的被膜时，被设想为形成在工具表面的Al2O3被膜薄，不能抑制工具磨损。即使在工具被通过高压蒸气处理而形成的除!^e3O4以外的氧化物覆盖，且被膜的厚度薄到200nm时，通过使钢材的成分组成最适化，且用适当的表层被膜被覆工具，通过形成Al2O3被膜能够抑制工具磨损，这是本发明人等发现的特别新的见识。这样，通过用被覆了规定的表层被膜的工具对具有规定的成分组成的钢材进行切削，机械结构用钢的切削中的工具寿命提高。接着，对机械结构用钢的切削中使用的工具的表层被膜的规定理由进行说明。本发明的机械结构用钢及其切削方法的特征在于采用在与被切削材料接触的表面上被覆了 1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物的金属氧化物的切削工具，以及在于在利用该工具切削时在切削工具的表面形成Al2O3被膜。在切削中，工具与钢材的接触面为高温、高压的环境，在工具与钢材之间发生化学反应。如果用与被切削材料接触的表面被覆了 1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物的工具，对本发明的机械结构用钢进行切削，则钢材中的固溶Al和工具表层的金属氧化物发生化学反应，在工具表面形成Al2O3被膜。由于Al2O3被膜硬质，因此具有作为保护膜发挥作用、抑制工具磨损、提高工具寿命的效果。
另外，Al2O3被膜与钢中的MnS系夹杂物的亲和性高，显示出使MnS系夹杂物选择性地附着在工具表面上的效果，因而赋予润滑性。切削中的工具与钢材的接触面的温度从几百度达到一千度以上。在本发明的范围中进行切削时，观察到生成的切屑，结果没有见到熔融的痕迹。由此认为接触面的温度没有达到熔点。因而，规定金属氧化物的标准生成自由能采用1300°C的值。标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物是与Al2O3相比容易被还原成金属的氧化物。作为1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物，例如，可列举出Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn等的氧化物、及含有上述元素中的2种以上金属元素的氧化物。所谓金属氧化物的“1300°C时的标准生成自由能”，可通过记载于“第3版鉄鋼便覧第I卷基础，昭和56年6月20日发行，编者社团法人日本铁钢协会，发行丸善株式会社，14 15页”中的表1 · 1的算式来求出。作为例子，以下求出Al203、Ni0的1300°C时的标准生成自由能AG。(a) Al2O3的1300°C时的标准生成自由能AG = -1121. 94+0. 21630X (1300+273)= -782 (kj)(b)NiO的1300°C时的标准生成自由能AG = -465. 74+0. 16646X (1300+273)= -204 (kj)上述表1 · 1中没有示出金属氧化物包含2种以上的金属元素时的标准生成自由能。在这种情况下，规定采用各金属元素的氧化物中的标准生成自由能小的氧化物的值。例如，在含有Ni和Cr的金属氧化物NiCrO的情况下，由于Cr2O3的标准生成自由能比NiO的标准生成自由能小，因此采用Cr2O3的标准生成自由能。这样的金属氧化物能够在以工具钢、高速钢、超硬合金、金属陶瓷或陶瓷等为母材的工具的表层生成。此外，还能够在以上述材料为母材的工具上、在涂敷了含有TiN、TiC、 TiCN、TiAlN、Al203等中的1种或它们的组合的硬质物质的工具的表层上生成。作为在工具表层生成!^e3O4膜的方法，有通过水蒸气处理生成!^e3O4膜的方法的高压蒸气处理。该方法被限定于在工具钢或高速钢等钢铁材料的工具中应用，对于在机械结构用钢的切削中多采用的超硬合金、金属陶瓷、陶瓷及工具上涂敷了超硬物质的，则不能应用。因而，优选将本发明的金属氧化物规定为通过高压蒸气处理生成的除!^e3O4膜以外的金属氧化物。在为施加金属氧化物而使用PVD处理或CVD处理等的情况下，不仅在以工具钢、高速钢、超硬合金、金属陶瓷或陶瓷等为母材的工具的表层，而且如图3的例子所示也能在多层涂层上进一步形成Al2O3被膜。因此，相对于采用高压蒸气处理时，能够极大地提高耐磨性。因此，优选金属氧化物通过CVD处理或离子镀敷等PVD处理来成膜。另外，在使用PVD处理时，由于向涂敷膜导入压缩残余应力，因此强度提高，进而耐磨性提高。因而，更优选通过PVD处理进行成膜。为了得到在切削中通过与固溶Al反应对工具赋予耐磨性而言足够的厚度的Al2O3 被膜，优选将被覆在工具上的金属氧化物的厚度规定为IOnm以上。更优选为50nm以上。如果被覆在工具上的金属氧化物的厚度小于lOnm，则不能得到对工具赋予耐磨性而言足够的厚度的Al2O3被膜，不能提高工具寿命。如果厚度为ΙΟμπι以上，则容易发生被膜的剥离、或在工具上发生碎片或碎屑，因此优选低于 ο μ m。更优选的厚度为低于5 μ m,进一步优选的厚度为低于3 μ m,更进一步优选的厚度为低于1 μ m。关于金属氧化物的厚度，在低于500nm时可用俄歇电子分光法进行测定，在500nm 以上时可用FE-SEM进行测定。形成Al2O3被膜的化学反应发生在工具表层的金属氧化物与钢材之间，因此不需要大气中的氧。所以，不仅对于干式切削、喷雾润滑等半干式切削及富氧化气氛下的切削具有效果，而且即使在通过切削油等润滑油、或用于冷却的Ar及N2等不活泼气体容易与大气阻断的状态下也具有效果，能够在宽范围的环境下应用。特别是，如果使用切削油等润滑油，则润滑性进一步提高，工具寿命进一步提高。关于切削油，按大致分类有非水溶性切削油剂和水溶性切削油剂，但如果使用润滑效果高的非水溶性切削油剂，则润滑性进一步提高，工具寿命进一步提高。形成Al2O3被膜的化学反应由于不需要大气中的氧，因此机械结构用钢及切屑与工具连续地接触，对于来自大气的氧难以向工具与被切削材料的接触面扩散的钻孔加工、 旋切或丝锥加工等连续切削是特别有效的。即使在铣刀加工或滚切加工等断续切削中也能够同样地提高工具寿命。接着，对限定机械结构用钢的成分组成的理由进行说明。以下，“％”表示“质
量％”。C对钢材的基本强度影响较大。如果C含量低于0. 01 %，则不能得到足够的强度。 如果C含量超过1.2%，则较多地析出硬质的碳化物，因此使被切削性显著降低。因而，为了得到足够的强度和被切削性，将C含量规定为0. 01 1. 2%，优选为0. 05 0. 8%。Si 一般作为脱氧元素添加，但还具有赋予铁素体的强化及抗回火软化的效果。如果Si含量低于0. 005%，则不能得到足够的脱氧效果。如果Si含量超过3. 0%，则韧性、延展性降低，被切削性劣化。因而，将Si含量规定为0. 005 3. 0%，优选为0. 01 2. 2%。Mn通过在基体中固溶可确保淬火性的提高及淬火后的强度，同时与钢材中的S结合，生成MnS系硫化物，具有改善被切削性的效果。如果Mn含量低于0. 05%，则钢材中的S 与狗结合形成！^必，钢变脆。如果Mn含量超过3.0%，则坯料的硬度增大，加工性降低。因而，将Mn含量规定为0. 05 3. 0%，优选为0. 2 2. 2%。P可使被切削性良好。如果P含量低于0.0001%则得不到其效果。如果P含量超过0. 2%则使韧性大大劣化，同时在钢中坯料的硬度增大，不仅冷加工性降低，而且热加工性及铸造特性也降低。因而，将P含量规定为00001 0. 2%，优选为0. 001 0. 1%。S通过与Mn结合而作为MnS系硫化物存在。MnS使被切削性提高。如果S含量低于0.0001%则得不到其效果。如果S含量超过0.35%则韧性及疲劳强度显著降低。因而， 将S含量规定为0. 0001 0. ；35%，优选为0. 001 0.2%。
N与Al、Ti、V或Nb等结合，生成氮化物或碳氮化物，抑制晶粒的粗大化。如果N 含量低于0. 0005%，则抑制晶粒粗大化的效果不充分。如果含量N超过0. 035%，则抑制晶粒粗大化的效果饱和，同时使热延展性显著降低，轧制钢材的制造变得非常困难。因而，将 N 规定为 0. 0005 0. 035 %，优选为 0. 002 0. 02 %。Al在本发明中是最重要的元素。Al作为脱氧元素可提高钢材的内部品质。同时，固溶Al在切削中在工具表面上发生与工具表层的金属氧化物的化学反应，形成Al2O3被膜，因而润滑性和工具寿命提高。如果Al含量低于0.05%，则不能充分生成对提高工具寿命有效的固溶Al。如果 Al含量超过1.0%，则大量生成高熔点、硬质的氧化物，使切削时的工具磨损增大。因而，将 Al含量规定为0. 05 1.0%，优选为超过0. 且小于等于0.5%。如果在钢中存在N则生成A1N。N的原子量为14，A1的原子量为27，因此，例如如果添加0. 01%的N，则减少27/14倍即N的大约2倍的为0. 02%的固溶Al。其结果是，本发明的主要目标即提高工具寿命的效果降低。固溶Al需要在0. 05 %以上，因此如果N不是0 %，则需要考虑到N量来添加Al量。即，Al量和N量需要满足[Al% ]-(27/14) X [N% ] ^ 0. 05%优选满足[Al% 1-(27/14) X [N% ] > 0. 1%本发明的机械结构用钢除了上述的各成分以外，为了提高被切削性，也可以添加 C 3. οCa是脱氧元素，通过使Al2O3等硬质氧化物低熔点化而软质化，从而抑制工具磨损。如果Ca含量低于0. 0001%,则得不到提高被切削性的效果。如果Ca含量超过0. 02%， 则钢中生成CaS，被切削性降低。因而，在添加Ca时，将其含量规定为0. 0001 0. 02%，优选为 0. 0004 0. 005% ο在本发明的机械结构用钢中，在形成碳氮化物，要求高强度化的情况下，除了上述各成分以外，也可以添加 Ti 0. 0005 0. 5%, Nb :0. 0005 0. 5%, W :0. 0005 1.0% V 0. 0005 1.0%中的1种或2种以上的元素。Ti是形成碳氮化物、有助于奥氏体晶粒的生长抑制或强化的元素。Ti在需要高强度化的钢及要求低应变的钢中，作为防止粗大粒的整粒化元素使用。Ti也是脱氧元素，通过形成软质氧化物来提高被切削性。如果Ti含量低于0.0005%，则得不到其效果。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，损害机械性质。因而，在添加Ti的情况下，将其含量规定为0. 0005 0. 5%，优选为0. 01 0. 3%。Nb形成碳氮化物，有助于利用二次析出硬化的钢的强化、奥氏体晶粒的生长抑制及强化。Nb对于需要高强度化的钢及要求低应变的钢，作为防止粗大粒的整粒化元素使用。如果Nb含量低于0.0005%，则得不到高强度化的效果。如果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，损害机械性质。因而，在添加Nb的情况下，将其含量规定为0. 0005 0. 5%，优选为0. 005 0. 2%。W形成碳氮化物，能够通过二次析出硬化来强化钢。如果W含量低于0.0005%，则得不到高强度化的效果。如果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，损害机械性质。因而，在添加W的情况下，将其含量规定为0. 0005 1. 0%，优选为0. 01 0. 8%。V形成碳氮化物，能够通过二次析出硬化来强化钢。V对于需要高强度化的钢可适宜添加。如果V含量低于0.0005%，则得不到高强度化的效果。如果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，损害机械性质。因而，在添加V的情况下，将其含量规定为0. 0005 1.0%，优选为0.01 0.8%。在本发明的机械结构用钢中，在进一步要求高强度化的情况下，除了上述的各成分以外，也可以添加Ta 0. 0001 0. 2%禾口 /或Hf :0. 0001 0. 2%。Ta有助于利用二次析出硬化的钢的强化、奥氏体晶粒的生长抑制及强化。Ta对于需要高强度化的钢及要求低应变的钢，作为防止粗大粒的整粒化元素使用。如果Ta含量低于0.0001%，则得不到高强度化的效果。如果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，损害机械性质。因而，在添加Ta的情况下，将其含量规定为0. 0001 0. 2%，优选为0. 001 0. 1 %。Hf有助于奥氏体晶粒的生长抑制或强化。Hf对于需要高强度化的钢及要求低应变的钢，作为防止粗大粒的整粒化元素使用。如果Hf含量低于0. 0001%,则得不到高强度化的效果。如果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，损害机械性质。因而，在添加Hf的情况下，将其含量规定为0. 0001 0. 2%，优选为0. 001 0.1%。在本发明的机械结构用钢中，在通过脱氧调整进行硫化物形态控制的情况下， 除了上述的各成分以外，也可以添加Mg 0. 0001 0. 02%, Zr :0. 0001 0. 02%, Rem 0. 0001 0. 02%中的1种或2种以上的元素。Mg是脱氧元素，在钢中生成氧化物。在进行Al脱氧的情况下，使对被切削性有害的Al2O3以比较软质的状态微细地分散，改质成MgO或Al2O3 · MgO0此外，该氧化物具有容易成为MnS的核，使MnS微细分散的效果。如果Mg含量低于0. 0001%,则得不到这些效果。Mg通过生成与MnS的复合硫化物而使MnS球状化。如果Mg含量超过0. 02%，则促进单独的MgS生成，被切削性劣化。因而，在添加Mg的情况下，将其含量规定为0. 0001 0. 02%,优选为 0. 0003 0. 0040%。^ 是脱氧元素，在钢中生成氧化物。认为其氧化物为&02。该氧化物成为MnS的析出核，因此具有增加MnS的析出位点，使MnS均勻地分散的效果。此外，^ 还具有通过固溶于MnS中而生成复合硫化物，使其变形能降低，在轧制及热锻造时抑制MnS形状的延伸的作用。这样，^ 是对降低各向异性有效的元素。如果^ 含量低于0.0001%，则得不到这些效果。如果^ 含量超过0.02%，则成品率严重恶化，此外大量生成^o2及ZrS等硬质化合物，使被切削性、冲击值及疲劳特性等机械性质降低。因而，在添加ττ的情况下，将其含量规定为0. 0001 0. 02%，优选为 0. 0003 0. 01%。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。Rem 与MnS固溶或结合，使其变形能降低，从而在轧制及热锻造时抑制MnS形状的延伸。这样，Rem是对降低各向异性有效的元素。如果Rem含量以总量计低于0.0001%，则得不到这些效果。如果Rem含量超过 0. 02%,则大量生成Rem的硫化物，使被切削性恶化。因而，在添加Rem的情况下，将其含量规定为 0. 0001 0. 02%，优选为 0. 0003 0. 015%。在本发明的机械结构用钢中，在提高被切削性的情况下，除了上述的各成分以外， 也可以添力口 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%及Pb 0. 001 0. 5%
中的1种或2种以上的元素。Sb使铁素体适度地脆化，从而提高被切削性。如果Sb含量为0. 0001%，则得不到其效果。如果Sb含量超过0.015%，则Sb的微细偏析过多，使冲击值大大降低。因而，在添加Sb的情况下，将其含量规定为0. 0001 0. 015%，优选为0. 0005 0. 012%。Sn通过使铁素体脆化而延长工具寿命，同时提高表面粗糙度。在Sn含量低于 0.0005%时，得不到其效果。如果Sn含量超过2.0%，则其效果饱和。因而，在添加Sn的情况下，将其含量规定为0. 0005 2. 0%，优选为0. 002 1. 0%。Si通过使铁素体脆化而延长工具寿命，同时提高表面粗糙度。在Si含量低于 0.0005%时，得不到其效果。即使超过0.5%地添加Si，其效果也饱和。因而，在添加Si的情况下，将其含量规定为0. 0005 0. 5%，优选为0. 002 0. 3%。B在固溶时对晶界强化及淬火性具有效果，在析出时作为BN析出，被切削性提高。 如果B含量低于0. 0001%,则得不到这些效果。如果B含量超过0.015%，则其效果饱和，BN 过多地析出，因而损害钢的机械性质。因而，在添加B的情况下，将其含量规定为0. 0001 0. 015%，优选为 0. 0005 0. 01%。Te提高被切削性。此外，通过生成MnTe、或与MnS共存，具有使MnS的变形能降低， 抑制MnS形状的延伸的作用。这样，Te是对降低各向异性有效的元素。如果Te含量低于0.0003%，则得不到这些效果。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，容易成为缺陷的原因。因而，在添加Te的情况下，将其含量规定为0. 0003 0. 2%，优选为0. 001 0. 1%。%是提高被切削性的元素。此外，通过生成MMe、或与MnS共存，具有使MnS的变形能降低，抑制MnS形状的延伸的作用。这样，Se是对降低各向异性有效的元素。如果义含量低于0.0003%，则得不到这些效果。如果义含量超过0.2%，则其效果饱和。因而，在添加Se的情况下，将其含量规定为0. 0003 0. 2%，优选为0. 001 0.1%。Bi提高被切削性。如果Bi含量低于0.001%，则得不到其效果。如果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，容易成为缺陷的原因。因而，在添加Bi的情况下，将其含量规定为0. 001 0. 5%，优选为0. 005 0. 3%。1 提高被切削性。在1 含量低于0.001%时，得不到其效果。即使超过0.5%地添加1 ，不仅提高被切削性的效果饱和，而且热延展性降低，容易成为缺陷的原因。因而，在添加Pb的情况下，将其含量规定为0. 001 0. 5%，优选为0. 005 0. 3%。在本发明的机械结构用钢中，在提高淬火性及提高抗回火软化、对钢材赋予强度的情况下，除了上述成分以夕卜，也可以添加Cr 0. 001 3. 0%和/或Mo :0. 001 1.0%。
Cr提高淬火性，同时赋予抗回火软化性。Cr被添加在要求高强度化的钢中。如果 Cr含量低于0. 001 %，则得不到这些效果。如果Cr含量超过3. 0%，则生成Cr碳化物，使钢脆化。因而，在添加Cr的情况下，将其含量规定为0. 001 3. 0%，优选为0. 01 2. 0%。Mo赋予抗回火软化性，同时提高淬火性。Mo被添加在要求高强度化的钢中。如果 Mo含量低于0.001%，则得不到这些效果。如果Mo含量超过1.0%，则其效果饱和。因而， 在添加Mo的情况下，将其含量规定为0. 001 1.0%，优选为0.01 0.8%。在本发明的机械结构用钢中，在使铁素体强化的情况下，除了上述的各成分以外， 也可以添加Ni 0. 001 5. 0%和/或Cu 0. 001 5. 0%。Ni强化铁素体，提高延展性。Ni对于提高淬火性及耐腐蚀性也是有效的。如果Ni 含量低于0. 001 %，则得不到其效果。如果Ni含量超过5.0%，则在机械性质上其效果饱和， 被切削性降低。因而，在添加Ni的情况下，将其含量规定为0. 001 5. 0%，优选为0. 05 2. 0%。Cu强化铁素体，提高淬火性和耐腐蚀性。如果Cu含量低于0. 001%，则得不到其效果。如果Cu含量超过5. 0%，则在机械性质上其效果饱和。因而，在添加Cu的情况下，将其含量规定为0. 001 5. 0%，优选为0. 01 2. 0%。Cu特别是使热延展性降低，容易成为轧制时的缺陷的原因，因此优选与M同时添加。在本发明的机械结构用钢中，为了提高被切削性，除上述各成分以外，也可以添加 Li 0. 00001 0. 005%, Na :0. 00001 0. 005%、K :0. 00001 0. 005%, Ba :0. 00001 0. 005%和Sr 0. 00001 0.005%中的1种或2种以上的元素。Li在钢中成为氧化物，通过形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。如果Li含量低于 0. 00001%，则得不到其效果。如果Li含量超过0. 005%,则其效果饱和，此外引起耐火物的熔损等。因而，在添加Li的情况下，将其含量规定为0. 00001 0. 005%,优选为0. 0001 0. 0045%。Na在钢中成为氧化物，通过形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。如果Na含量低于 0. 00001%，则得不到其效果。如果Na含量超过0. 005%,则其效果饱和，此外引起耐火物的熔损等。因而，在添加Na的情况下，将其含量规定为0. 00001 0. 005%,优选为0. 0001 0. 0045%。K在钢中成为氧化物，通过形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。如果K含量低于 0. 00001%，则得不到其效果。如果K含量超过0. 005%,则其效果饱和，此外引起耐火物的熔损等。因而，在添加K的情况下，将其含量规定为0. 00001 0. 005%，优选为0. 0001 0. 0045%。Ba在钢中成为氧化物，通过形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。如果Ba含量低于 0. 00001%，则得不到其效果。如果Ba含量超过0. 005%,则其效果饱和，此外引起耐火物的熔损等。因而，在添加Ba的情况下，将其含量规定为0. 00001 0. 005%,优选为0. 0001 0. 0045%。Sr在钢中成为氧化物，通过形成低熔点氧化物来抑制工具磨损。如果Sr含量低于 0. 00001%，则得不到其效果。如果Sr含量超过0. 005%,则其效果饱和，此外引起耐火物的熔损等。因而，在添加Sr的情况下，将其含量规定为0. 00001 0. 005%,优选为0. 0001 0. 0045%。如以上说明的那样，根据本发明的机械结构用钢及其切削方法，在无论连续切削或断续切削等方式的宽范围的切削速度区域中，通过在切削中在工具表面上通过化学反应形成Al2O3被膜，能够得到优良的润滑性和工具寿命。实施例以下采用实施例对本发明的效果进行具体的说明。用150kg真空熔炼炉熔炼表1 8中所示组成的钢，然后在1250°C的温度条件下通过热锻造锻伸成直径为65mm的圆柱状。接着在1300°C下加热2小时后空冷，然后在进行了正火(在900°C加热1小时后空冷)后，切下工具寿命评价用试验片，供于试验。作为切削工具，采用TiAlN涂层超硬合金、高速钢、超硬合金、TiCN涂层高速钢及 TiAlN涂层高速钢这5种。对这些工具的表层施加表1 8中所示的金属氧化物被膜。金属氧化物被膜为通过PVD制作的金属氧化物和通过高压蒸气处理生成的狗304。 在金属氧化物被膜的厚度低于500nm时用俄歇电子分光法进行了测定，在金属氧化物被膜的厚度为500nm以上时用FE-SEM进行了测定。表1 8中示出施加在工具表层的金属氧化物的1300°C时的氧化物生成自由能。表1 8中的下划线表示没有满足本发明的特征的情况。
权利要求
1.一种机械结构用钢，其特征在于，以质量％计含有 C 0. 01 1. 2%,Si 0. 005 3. 0%、 Mn 0. 05 3. 0%、 P 0. 0001 0. 2%、 S 0. 0001 0. 35%, Al 0. 05 1. 0%、 N 0. 0005 0. 035%,且满足[Al% ]_ (27/14) X [N% ] ^ 0.05%，剩余部分包含！^及不可避免的杂质； 通过用下述切削工具切削所述钢，在该切削工具的表面形成Al2O3被膜，所述切削工具的与被切削材料接触的表面被覆有1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有 Ca 0. 0001 0. 02%。
3.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Ti0. 0005 ‘ 0. 5%,Nb0. 0005 ‘ 0. 5%、W 0. 0005 ^ 1. 0%,V 0. 0005 ^ 1. 0%,Ta0. 0001 ‘ 0. 2%、Hf0. 0001 ‘ 0. 2%、Cr0. 001 ^ 3. 0%,Mo0. 001 ^ 1. 0%,Ni0. 001 ^ 5. 0%,Cu0. 001 ‘5. 0%。
4.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg 0. 0001 0. 02%, Zr 0. 0001 0. 02%, Rem :0. 0001 0. 02%。
5.根据权利要求3所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg 0. 0001 0. 02%, Zr 0. 0001 0. 02%, Rem :0. 0001 0. 02%。
6.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%、 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%。
7.根据权利要求3所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%, 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%。
8.根据权利要求4所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Sb0.0001 --0 015%,Sn0.0005 --2.0%,Zn0.0005 --0.5%,B 0. 0001 0.015%,Te0.0003 --0.2 % ΛSe0.0003 --0.2 % ΛBi0.001 0.5%,Pb0.001 0.5%,Li0.00001 0. 005%Na0.00001 0. 005%K 0. 00001 0. 005%, Ba 0. 00001 0. 005%, Sr 0. 00001 0. 005%。
9.根据权利要求5所述的机械结构用钢，其特征在于，所述钢以质量％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Sb0.0001 --0 015%,Sn0.0005 --2.0%,Zn0.0005 --0.5%,B 0. 0001 0.015%,Te0.0003 --0.2 % ΛSe0.0003 --0.2 % ΛBi0.001 0.5%,Pb0.001 0.5%,Li0.00001 0. 005%Na0.00001 0. 005%K 0. 00001 --0 005%,Ba0.00001 0. 005%Sr0.00001 0. 005%
10.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，所述1300°C时的标准生成自由能的值大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物是Ti、V、Cr、Mn、Fe, Co, Ni、Cu、Nb、 Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn的氧化物，或者是含有这些元素中的2种以上金属元素的氧化物。
11.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，与被切削材料接触的表面被覆有所述金属氧化物的切削工具通过PVD处理或CVD处理中的任一种处理来制作。
12.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，被覆在所述切削工具上的金属氧化物被膜的厚度为50nm以上且低于1 μ m。
13.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，在所述切削中，使用切削油等润滑油。
14.根据权利要求13所述的机械结构用钢，其特征在于，所述切削油等润滑油是非水溶性切削油剂。
15.根据权利要求1或2所述的机械结构用钢，其特征在于，所述切削为连续切削。
16.一种机械结构用钢的切削方法，其特征在于，用在与被切削材料接触的表面被覆有1300°C时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物的切削工具切削下述机械结构用钢，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. 0001 0. 2%,S 0. 0001 0. 35%,Al 0. 05 1. 0%、 N 0. 0005 0. 035%,且满足[Al% ]-(27/14) X ] > 0.05%，剩余部分包含！^及不可避免的杂质。
17.根据权利要求16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%。
18.根据权利要求16或17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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%, Cr 0. 001 3. 0%, Mo 0. 001 1. 0%, Ni 0. 001 5. 0%, Cu 0. 001 5. 0%。
19.根据权利要求16或17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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg 0. 0001 0. 02%, Zr 0. 0001 0. 02%, Rem :0. 0001 0. 02%。
20.根据权利要求18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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Mg 0. 0001 0. 02%, Zr 0. 0001 0. 02%, Rem :0. 0001 0. 02%。
21.根据权利要求16或17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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Sb0.0001 --0. 015%,Sn0.0005 --2. 0%,Zn0.0005 --0. 5%,B 0. 0001 0. 015%,Te0.0003 --0. 2%,Se0.0003 --0. 2%,Bi0.001 0. 5%,Pb0.001 0. 5%,Li0.00001 0. 005%Na0.00001 0. 005%K 0. 00001 0. 005%, Ba 0. 00001 0. 005%, Sr 0. 00001 0. 005%。
22.根据权利要求18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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%, 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%。
23.根据权利要求19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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上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%、 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%。
24.根据权利要求20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％计进一步含有下述元素中的1种或2种以上Sb 0. 0001 0. 015%, Sn 0. 0005 2. 0%、 Zn 0. 0005 0. 5%、 B 0. 0001 0. 015%,6Te 0. 0003 0. 2%、 Se 0. 0003 0. 2%、 Bi 0. 001 0. 5%、 Pb 0. 001 0. 5%、 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%。
25.根据权利要求16或17所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述1300°C 时的标准生成自由能大于Al2O3的标准生成自由能的金属氧化物是Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0、Ni、 Cu、Nb、Mo、Ta、W、Si、Zn、Sn的氧化物，或者是含有这些元素中的2种以上金属元素的氧化物。
26.根据权利要求16或17所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述与被切削材料接触的表面被覆有金属氧化物的切削工具通过PVD处理或CVD处理中的任一种处理来制作。
27.根据权利要求16或17所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述被覆在切削工具上的金属氧化物被膜的厚度为50nm以上且低于1 μ m。
28.根据权利要求16或17所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，在所述切削中，使用切削油等润滑油。
29.根据权利要求观所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述切削油等润滑油是非水溶性切削油剂。
30.根据权利要求16或17所述的机械结构用钢的切削方法，其特征在于，所述切削为连续切削。
全文摘要
本发明提供一种在无论连续切削或断续切削等方式的宽范围的切削速度区域中，而且在使用切削油、干式、半干式及富氧化等各种切削环境下，工具寿命均优良的机械结构用钢及其切削方法。所述钢的化学成分以质量％计含有C0.01～1.2％、Si0.005～3.0％、Mn0.05～3.0％、P0.0001～0.2％、S0.0001～0.35％、N0.0005～0.035％、Al0.05～1.0％，且满足[Al％]一(27/14)×[N％]≥0.05％，剩余部分包含Fe及不可避免的杂质；其特征在于，通过用下述切削工具切削所述钢，在该切削工具的表面形成Al2O3被膜，所述切削工具的与被切削材料接触的表面被覆有1300℃时的标准生成自由能的值为Al2O3的该值以上的金属氧化物。
文档编号C22C38/60GK102209798SQ201080003176
公开日2011年10月5日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月22日
发明者斋藤肇, 水野淳, 间曾利治 申请人:新日本制铁株式会社