BN 添加鋼の穴加工
田中隆太郎*1，山根八洲男*2，上田隆司*1，細川 晃*1，白神哲夫*3
Drilling of BN added free-machining steel
Ryutaro TANAKA, Yasuo YAMANE, Takashi UEDA, Akira HOSOKAWA and Tetsuo SHIRAGA
本報告は，BN が添加された鋼のドリル加工における被削性について述べている．穴加工は旋削加工，フライス 加工とともに，切削加工の中でも大きなウェイトを占める重要な加工である．そこで，比較的新しく開発された快削鋼 であるBN添加鋼についてハイスドリルを用いた穴加工を行い，標準鋼であるJIS S45Cと比較し，被削材中の化学 成分が工具寿命に与える影響を調査し被削性を評価した．切削実験を行った結果，BN 添加鋼は標準材と比べ長 い工具寿命が得られることが明らかとなった．このことからハイスドリルによる比較的低速のドリル加工においてもBN 添加鋼が優れた被削性を示すことがわかった．また，BN の添加による切削温度への影響を調べるために工具-被 削材熱電対法で切削温度の測定を行った．切削温度はほぼ同程度であり，切削抵抗はわずかではあるが低い値 を示すことがわかった．
Key words: drilling, free-machining steel, h-BN, high speed steel, tool wear, cutting force, cutting temperature
１．緒 言
これまで自動車部品をはじめとする機械部品の多くに，そ のすぐれた被削性からさまざまな快削鋼が用いられてきた．主 なものとして鉛快削鋼とその複合快削鋼が広く用いられてきた が，環境へ及ぼす影響やさらなる高能率切削が求められるよ うになり，新しい高速対応型の快削鋼が求められるようになっ た．そのような中でカルシウム脱酸調整鋼について介在物の 組成や形態を制御する方法や，鉛と同属元素であるセレン，
ビスマスなどを添加した快削鋼，また材料中にh-BNを析出さ せたBN添加鋼 1)～4)などが開発されており，その一部は実用 化に近づきつつある．
著者らはこれまでにP種超硬工具を用いたBN添加鋼の切 削加工を行い，高速旋削時において AlN を含有する保護膜 が工具摩耗面に生成されることにより，標準鋼切削時と比べ 工具摩耗が抑制されることを報告した5)～6)．また，断続切削に おいてもその特性を評価し高能率に加工できる切削条件を見 出した7)．そこで本報告では，旋削加工やフライス加工とともに 代表的な加工法とされるドリル加工について，ハイスドリルを 用いたBN添加鋼の穴加工を行い，工具寿命，切削抵抗およ び切削温度の測定をし，ドリル加工における被削性の調査を 行った．
２． 実験方法
２．１ 化学成分および硬さ
表1に実験に使用した被削材の化学成分および硬さを示す．
S45C，BN1およびBN2は精密工学会切削加工専門委員会の 共同実験試料として溶解されたS45C相当の鋼である．その他 の被削材については新たに作成した被削材である．
S45C は中炭素鋼であり標準鋼として用いた．BN1，BN2， BN3，BN4，BN5およびBN6はBN添加鋼である．BN1，BN3， BN4，および BN6 は，ほぼ同程度の B，N（B；約 80ppm，N；
160ppm）が添加してあり，酸可溶性 Al 含有量がそれぞれ
0.020，0.009，0.066，0.111%と異なる．また BN2は Bが約50 ppm，Nが130ppm とBN1 と比べやや少なくなっている．また BN5 はBが86ppm，Nが67ppm，Alが0.076%となっており BN4と比較するとAl，Bはほぼ同じであるがNがおおよそ半分 である．S45C-ANはAlが0.063%，Nが155ppmである．また S45Lは鉛快削鋼でありBN添加鋼との比較のために用いた．
これらはいずれも150kg真空溶解炉で溶解され，BおよびN添 加の後，熱間鍛造（1200℃），焼きならし（850℃，2時間加熱後 空冷）処理されている．硬さはHB162～168でほぼ等しい．
２．２ 被削材の組織および介在物
図 1 に被削材の組織写真を示す．サンプルは鋼材から切り 出し，研磨を行いナイタルで腐食を行った後，光学顕微鏡で観 察を行った．白い部分はフェライトであり黒い部分がパーライト である．S45C，BN1，BN2，BN3などAl 含有量が比較的少な い被削材はパーライトとフェライトの境界がはっきりしているが，
Al 含有量が大きくなると組織が微細化され，フェライトとパーラ イトとの境界が不明瞭となっている．また，添加されたBとNは 被削材中でh-BNとしてほぼ均一な分布で析出している8)．
*1 金沢大学大学院自然科学研究科：〒920-1192 石川県金沢市 角間町
Kanazawa University
*2 広島大学大学院工学研究科：〒739-8527 広島県東広島市 1-4-1
Hiroshima University
*3 JFE条鋼：〒983-0001 宮城県仙台市宮城野区港1-6-1 JFE BERS&SHAPES CO., LTD
〈学会受付日：2007年7月9日〉
論 文
２．２ 被削材の組織および介在物
図1に被削材の組織写真を示す．サンプルは鋼材から切り 出し，研磨を行いナイタルで腐食を行った後，光学顕微鏡で 観察を行った．白い部分はフェライトであり黒い部分がパーラ イトである．S45C，BN1，BN2，BN3 などAl 含有量が比較的 少ない被削材はパーライトとフェライトの境界がはっきりしてい るが，Al 含有量が大きくなると組織が微細化され，フェライトと パーライトとの境界が不明瞭となっている．また，添加された B とNは被削材中でh-BNとしてほぼ均一な分布で析出してい る8)．
２．３ ドリル切削試験装置および方法
工 具 摩 耗 試 験 は 吉 田 鉄 工 所 製 直 立 ボ ー ル 盤 （YD3- 94CTN）を使用して，乾式で止まり穴加工を行った．表2に切 削条件を示す．用いたドリルはツイストドリルで，材種はハイス，
先端角は 118°である．ドリルの寿命は摩耗進行線図および折 損の2つの方法により評価した．またドリルの摩耗量は所定の 穴数ごとにドリルを観察し，工具顕微鏡でマージン部の摩耗 S45C BN1 BN2
BN3 BN4 BN5
BN6 S45C-AN S45L 図1 被削材の組織写真
表2 切削条件 工具 Co-HSS (dir=6mm)
Point angle 118°
切削速度 33.92m/min
送り速度 0.15mm/rev (0.075mm/tooth) 切り込み 15mm (blind)
切削雰囲気 乾式
表1 被削材の化学成分および硬さ 化学成分 質量%
C Si Mn S Sol.Al N B
ブルネル硬さ
S45C 0.43 0.25 0.73 0.018 0.020 0.0030 - 162 BN1 0.42 0.24 0.74 0.015 0.019 0.0150 0.0080 163 BN2 0.43 0.25 0.74 0.019 0.023 0.0130 0.0050 168 BN3 0.45 0.25 0.76 0.019 0.009 0.0163 0.0079 161 BN4 0.42 0.26 0.78 0.024 0.066 0.0167 0.0080 158 BN5 0.41 0.26 0.77 0.023 0.076 0.0067 0.0086 145 BN6 0.41 0.25 0.76 0.021 0.111 0.0175 0.0077 155 S45C-AN 0.42 0.25 0.73 0.023 0.063 0.0155 0.0001 152 S45L 0.43 0.25 0.71 0.014 0.028 0.023 - Pb:0.06 168
W1 W2
図2 工具摩耗の測定方法
0.05mm
量を測定した．その測定方法は 図2に示すように，初期の切 れ刃までの距離W1から切れ刃までの未摩耗部分の幅W2を 引いた値（W1－W2）を摩耗幅とし，それをドリルの両刃先に ついて測定して平均した値を摩耗幅とした．ただし折損などに より切削不能となった場合には，そのときの加工穴数をドリル 寿命とした．
２．４ 切削抵抗測定装置および方法
切削抵抗の測定は，YD ボール盤のテーブル上に， AST 式回転工具動力計（AST-BM 佐藤工機製）を取り付け，動ひ
ずみ測定器を介して切削中に生じたひずみをデジタルストレ ージスコープへ記録し，この値と較正式からドリル加工時にお ける切削抵抗のトルク成分W1，スラスト成分W2を求めた．
２．５ 切削温度測定方法
図 3 に実験装置の概略を示す．切削温度の測定は，旋盤 主軸に2枚刃のハイスドリル直径6mmを取り付け，ドリル加工 において工具-被削材熱電対法を行った．ドリルおよび被削 材は絶縁体により工作機械に対し電気的に絶縁してある．主 軸の後端に取り付けたロータリコネタを介し閉回路を形成し熱 起電力の測定を行った．熱起電力を切削温度に校正するた めに校正曲線が必要となるが，クロメル-アルメル熱電対と工 具 ま た は 被 削 材 の 接 点 に ， 窒 素 ガ ス を 噴 射 し た 状 態 で
Nd:YAG レーザの照射により加熱し，クロメルを基準とした
S45C およびハイスドリルの熱起電力をそれぞれ求め，これら の差から切削温度を求めた．
３．実験結果
S45CおよびAl含有量が異なるBN添加鋼をドリル加工し たときのハイスドリルの逃げ面摩耗幅VBを図4 に，コーナー 摩耗幅Vnを図5に示す．逃げ面摩耗についてはS45C切削 時の初期摩耗が大きくその後の摩耗の進行も早い．BN 添加 鋼切削時はAl含有量が0.009から0.066%の範囲にあるBN1 から BN4 は S45C より摩耗の進行が遅くなっており，
ロータリコネクタ
デ ジ タ ル オ シロ 絶縁体
ドリル チャック
Oリング
図3 切削温度の測定方法
HSS drill, v=33.92m/min, f=0.15mm/rev, dry 図4 S45CおよびAl含有量が異なるBN添加鋼をドリ
ル加工したときのハイスドリルの逃げ面摩耗幅
0 50 100 150 200
0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
S45C
BN6(Al:0.111%) BN1(Al:0.019%)
BN3(Al:0.009%) BN4 (Al:0.066%) BN2(Al:0.023%, BN-Low )
逃げ面摩耗幅 VB mm
加 工 穴 数 個
HSS drill, v=33.92m/min, f=0.15mm/rev, dry
図5 S45CおよびAl含有量が異なるBN添加鋼をドリル 加工したときのハイスドリルのコーナー部摩耗幅
0 50 100 150 200
0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
BN1 BN2
BN3
加 工 穴 数 個
コーナー部摩耗幅 Vn mm
BN4
BN6 S45C
Al含有量が0.1%と最も多いBN6の摩耗がかなり小さいことが わかる．またコーナー部摩耗については BN3，BN4，BN6 の 摩耗が他と比べ小さくなっている．被削材中のAl含有量の違 いで摩耗の進行にかなりのばらつきが見られるものの，工具 寿命を比べた場合標準鋼よりBN添加鋼のほうが長い工具寿 命が得られている．
Al含有量がほぼ同じでB, N含有量が異なる被削材をドリ ル加工したときのハイスドリルの逃げ面摩耗幅VBを図6に，
コーナー摩耗幅Vnを図7に示す．逃げ面摩耗は被削材中の N含有量がBN4の約半分であるBN5およびBを全く含まな
いS45C-ANの摩耗の進行がかなり緩やかであることがわかる．
コ ー ナ ー 部 摩 耗 に つ い て は 明 確 な 差 は 見 ら れ な い が S45C-AN切削時の摩耗が最も小さくなっている．
図8にドリル加工時のトルク，スラスト方向の切削抵抗を示す．
図に示した値は穴深さ15mmにおける値である．トルク，スラス トとも標準鋼である S45C より小さくなる傾向を示し鉛快削鋼 S45Lが最も小さい値を示した．
HSS drill, v=33.92m/min, f=0.15mm/rev, dry 図8 ハイスドリルによるドリル加工時の切削抵抗
S45C BN1 BN2 BN3 BN4 BN5 BN6 S45C- AN S45L
トルク N・m スラスト N
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 1 2 3 4 5
HSS drill, v=33.92m/min, f=0.15mm/rev, dry 図7 S45CおよびB，N含有量が異なるBN添加鋼をド
リル加工したときのハイスドリルの逃げ面摩耗幅
0 50 100 150 200
0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
S45C
加 工 穴 数 個
コーナー部摩耗幅 Vn mm
BN4 BN5
S45C-AN HSS drill, v=33.92m/min, f=0.15mm/rev, dry 図6 S45CおよびB，N含有量が異なるBN添加鋼を
ドリル加工したときのハイスドリルの逃げ面摩耗幅
0 50 100 150 200
0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
加 工 穴 数 個
逃げ面摩耗幅 VB mm
S45C
BN4(BN-Al)
BN5(BN-Al,N-Low )
S45C-AN(Al-N)
図 9 に工具-被削材熱電対法によって得られたドリル加工 時の切削温度を示す．φ6mm の結果のほかに，φ4mm と φ6mm（φ4mm 下穴あり）の結果も合わせて表示した．標準 鋼切削時とBN鋼添加鋼切削時の切削温度を比べるとほぼ同 じ温度を示し，φ6mm の場合，その切削温度はおおよそ 350℃であった．工具-被削材熱電対法による測定結果である ので最高温度より低い温度となるが，赤外線輻射温度計によ る計測結果 9)と比較するとやや低い温度を示すが，このことを 考慮に入れても一般的にハイス焼きが戻るとされている600℃
より低い切削温度であることがわかる．
４．考 察
BN 添加による工具摩耗への影響を見ると，標準鋼より明ら かに長い工具寿命が得られており，切削抵抗についてみると，
S45Cと比べBNだけが追加されたBN1，BN2の抵抗が減少 している．h-BN は黒鉛とよく似た結晶構造を持ち固体潤滑剤 として用いられており，切削中においても鋼中の h-BN による 潤滑作用が認められたと考えられる．また，切削温度の測定 によって切削中の刃先温度がHSSの焼きが戻り切削不能とな
る600℃以下であったことから温度上昇による組織の変化や，
ハイスドリルと被削材の間で工具摩耗を促進するような反応が 起こったとは考えにくく，高速旋削加工時のような Al，N を含 有する保護膜による摩耗抑制メカニズムは考えにくい．したが って，析出したh-BNの潤滑作用により被削性が改善されたと 考えられる．
また，Al 含有量が異なるBN添加鋼を見ると，工具摩耗の 進行にいくらかのばらつきが見られるものの，標準鋼と工具寿 命を比較すると， BN 添加鋼の工具寿命が明らかに長いこと が分かる．逃げ面の摩耗進行速度はAl含有量がもっとも高い BN6 が明らかに小さい進行速度を示し，他のものはほぼ同じ ような摩耗の進行を示す．いずれもVBが0.2mm以上におい て急速に寿命に至っておりVBが0.2mmを超えると切りくずの 噛みこみなどによる突発的な損傷が誘発されやすいこと考え られる．この原因として鋼中へ固溶するAl 含有量が増加する
と結晶粒の成長を抑制し組織が微細化される10)．組織が微細 化されるとフェライト相も小さく分断されることで凝着が低減 11) されるとされており，凝着を抑制することで工具摩耗の進行が 抑えられることが考えられる．また，フェライトにNが固溶すると 脆性が付与され 10)，低速切削では工具摩耗に正の影響を与 える場合もある．しかし，切削速度が速くなると負の影響を与 えるとされている12)．
切削加工において被削材の工具への凝着はある温度範囲 で起こり，切削速度を増加させ切削温度を上昇させることで，
この温度域をはずせば顕著な凝着を防止することができる．ま た，今回の実験のように同じ切削速度における凝着の程度は 被削材中の添加物や組織の違いによって影響を受けるため，
h-BNの潤滑効果およびAlによる組織の微細化の影響，Nの フェライト中への固溶による影響などが凝着現象へ影響を与 えたことが考えられる．
また，BNを含有しないS45C-ANはAlとNが標準鋼より工 具寿命が長い．したがって h-BN を含有しなくても，フェライト 中に固溶したNによる脆性付与と高いAl含有量により微細化 された組織による凝着の低減効果によると考えられる．
切削抵抗は，標準鋼にh-BNを析出させると減少している．
B，Nを両方含有する被削材の中ではBN5の抵抗が最も小さ い．BN4と BN5の化学成分を比較した場合Al，B含有量が 同程度であるがN含有量がBN5の方が少ない．BN4はBが 単独で残留するのを避けるために BN として析出するのに必 要な量であるB/Nの化学量論比である0.77より過剰にNが添 加してある．NはPと同様に鋼中ではフェライトに固溶し，構成 刃先を小さく抑え切削仕上げ面を向上させるとされるが，含有 量が過大になると切削抵抗の増加が見られる12)とされている．
BN5 よりBN4 の抵抗が高い値を示したのはこの影響によると 考えられる．
以上の結果から考えられる比較的低速で行われるドリル加 工におけるBN添加鋼の摩耗抑制機構として，被削材中に析 出しているh-BNの潤滑効果と被削材中に含まれるAl含有量 増加に伴う組織の微細化による凝着低減効果の影響が考え られる．また，フェライトに Nが固溶することによる脆性付与に より，低速切削では工具摩耗に正の影響を与える場合もある．
今回の実験は低速による切削であり，このような影響から BN を含有しない被削材であってもAlとNの含有量が高いと標準 鋼と比較し被削性に改善が見られたと考えられる．
５．結 言
ハイスドリルを用いて標準鋼S45CおよびBN添加鋼のドリ ル加工を行い工具摩耗，切削抵抗および切削温度の測定を 行った結果，次のことが明らかになった．
(1) 工具の摩耗進行速度は標準鋼より BN 添加鋼のほう が遅く，被削材中のAl含有量の違いで摩耗の進行に かなりのばらつきがあるが，標準鋼よりBN添加鋼のほ うが長い工具寿命が得られた．
(2) 切削抵抗は，トルク，スラストとも BN 添加鋼切削時の ほうがやや低い値を示した．
(3) 標準鋼と標準鋼にh-BNを析出させた鋼の切削温度 S45C BN1
切削温度℃
HSS drill, v=33.92m/min, f=0.15mm/rev, dry 図9 工具-被削材熱電対法により測定された切削温度
φ4mm φ6mm(下穴径4mm) φ6mm 0
50 100 150 200 250 300 350 400
(4) はほぼ同じであり，直径6mm，1800rpmの場合の切削 温度はおおよそ350℃であった．
謝 辞
本研究を遂行するにあたりまた多大なご支援いただきまし たJFE条鋼に記して感謝の意を表します．
６．参考文献
1) Tomoki HANYUDA, Sadayuki NAKAMURA;Effect of boron nitride on machinability of medium carbon steel, Current Advances in Materials and Processes,Vol.2(1989)1854 (in Japanese).
2) Tomoki HANYUDA, Sadayuki NAKAMURA; Effect of Boron Nitride on Machinability and Fatigue Strength of Case-hardened steel, Current Advances in Materials and Processes, Vol.3 (1990) 864 (in Japanese).
3) Sakae KATAYAMA, Toshiyuki ASANO, Masayuki HASHIMURA;
4) Effect of Boron-nitride Inclusions on Cutting Force of Steel，Current Advances in Materials and Processes, VOL.5 (1992) 847 (in Japanese).
5) Hiroshi YAGUCHI: The Effects of Mn and S on the Precipitation Characteristics of BN and Machinability of BN bearing Free-machining Carburizing Steels, Current Advances in Materials and Processes, Vol.7 (1994) 770 (in Japanese).
6) Yasuo yamane，RyutaroTANAKA，NorihikoNarutaki：Machinability of BN added steel，Journal of the Japan Society of Precision Engineering , 64, 9 (1998) 1370 (in Japanese).
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8) Yasuo YAMANE，RyutaroTANAKA，Katsuhiko SEKIYA, Norihiko Face Milling-, Journal of the Japan Society of Precision Engineering 68, 5 (2002) 705 (in Japanese).
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10) 野崎隆太郎，上田隆司，細川 晃，山田啓司，田中隆太郎：ドリル加工に おける工具切れ刃温度に関する研究，日本機械学会北陸信越支部第41 期講演会講演論文集(2004) 225.
11) 例えば，矢島悦次郎ほか：第2版若い技術者のための機械・金属材料，丸 善 (2002) 181.
12) 平野冨士夫，山本雄二：ころがり-すべり接触における炭素鋼の表面の変 化について(第2 報，酸化膜の形成とその変化について)，日本機械学会 誌，39，319 (1973) 997.
13) 赤澤正久：硫黄快削鋼の製造と製品特性，日本鉄鋼協会第96回，97回西 山記念技術講座資料(1984) 116.
