(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０５〜０．８％（以下、特記しない限り質量％を意味する）、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｐ：０．００１〜０．２％、Ｓ：０．００５〜０．１５１％、Ａｌ：０．００４〜０．１％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％、Ｎ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の合金成分に加えて更に、Ｃｒ：≦３．５％、Ｍｏ：≦２．０％、Ｃｕ：≦２．０％、Ｎｉ：≦４．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【請求項３】
請求項１に記載の合金成分に加えて更に、Ｃｒ：≦３．５％、Ｍｏ：≦２．０％、Ｃｕ：≦２．０％、Ｎｉ：≦４．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちの１種または２種以上を含有し、またＮｂ：≦０．２％、Ｔｉ：≦０．２％、Ｖ：≦０．５％、Ｔａ：≦０．５％、Ｚｒ：≦０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の合金成分に加えて更に、Ｐｂ：≦０．４％、Ｂｉ：≦０．４％、Ｓｅ：≦０．５％、Ｔｅ：≦０．１％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋削加工性に優れた機械構造用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車産業等で使用される鋼製の機械構造部品などは、鍛造などの塑性加工で粗加工した後、切削加工によって所望の最終形状に仕上げるのが一般的である。切削加工のコストを低減する目的から、被削性に優れた快削鋼に対する要求が常に大きい。
【０００３】
中でも旋削加工工程はほとんどの部品に適用される加工工程であり、これまでにもＣａ系の酸化物介在物を用いたカルシウム快削鋼が開発されており（例えば特開昭４９−５８１５）、実用上使用されている。本発明者はまたＣａ快削鋼に関連し、特願平９−１６３１８０を提案した。これは切削性の改善を目指したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記２件の従来技術によっても切削性に大きなばらつきが有ることが判明した。また近年ますます増加してきている旋削加工性に対する要求に答えられず、これまでの材料よりも更に旋削加工性に優れ、且つばらつきの少ない機械構造用鋼が望まれていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、種々の研究を重ねた結果、Ｃａの形態を硫化物中でコントロールする事により旋削加工性に優れ、且つばらつきの少ない快削鋼を開発した。
【０００６】
即ち機械構造用鋼において、鋼中の硫化物系介在物中のＣａ量を調整する事により旋削用工具の表面に硫化物系の工具保護膜を形成し、工具寿命の大幅な向上を図るものであり、その要旨とするところは下記（１）〜（３）の通りである。
【０００７】
（１）Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｐ：０．００１〜０．２％、Ｓ：０．００５〜０．１５１％、Ａｌ：０．００４〜０．１％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％、Ｎ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【０００８】
（２）上記（１）に記載の合金成分に加えて更に、Ｃｒ：≦３．５％、Ｍｏ：≦２．０％、Ｃｕ：≦２．０％、Ｎｉ：≦４．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【０００９】
（３）上記（１）に記載の合金成分に加えて更に、Ｃｒ：≦３．５％、Ｍｏ：≦２．０％、Ｃｕ：≦２．０％、Ｎｉ：≦４．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちの１種または２種以上を含有し、またＮｂ：≦０．２％、Ｔｉ：≦０．２％、Ｖ：≦０．５％、Ｔａ：≦０．５％、Ｚｒ：≦０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【００１０】
（４）上記（１）または（２）記載の合金成分に加えて更に、Ｐｂ：≦０．４％、Ｂｉ：≦０．４％、Ｓｅ：≦０．５％、Ｔｅ：≦０．１％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、且つＣａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１であることを特徴とする旋削加工性に優れた機械構造用鋼。
【００１１】
本発明鋼は、上記組成と介在物形態に特徴を有し、精練工程やＣａ添加方法を問わず、インゴット造塊法及び連続鋳造法の両方の鋳造法について有効である。
【００１２】
【作用】
以下に、本発明における鋼の化学組成及び介在物形態を限定する理由について説明する。
【００１３】
Ｃ：０．０５〜０．８％。
Ｃは強度を確保するために必要な元素であり、０．０５％未満では強度が確保されず、一方、０．８％を超えると靭性や被削性が劣化する。
【００１４】
Ｓｉ：０．０１〜２．５％。
Ｓｉは溶製時の脱酸剤として含有され、また焼入れ性を向上させる元素である。０．０１％未満では所望の効果が得られず、２．５％を超えて多量に添加されると延性が低下し、塑性加工時に割れを発生しやすくなる。
【００１５】
Ｍｎ：０．１〜３．５％。
Ｍｎは硫化物形成元素であり、０．１％未満では所望の効果が得られず、３．５％を超えると鋼の硬さを大きくして被削性を低下させる。
【００１６】
Ｐ：０．００１〜０．２％。
Ｐは被削性、特に仕上面性状の改善のために添加する。０．００１％未満ではその効果は得られず、０．２％を超えると靭性の劣化が著しい。
【００１７】
Ｓ：０．００５〜０．１５１％
Ｓは被削性の向上に有効な元素である。０．００５％未満では所望の効果が得られず、０．１５１％を超えると靱性と延性を悪化させるばかりか、更にはＣａと高融点のＣａＳを形成して鋳造工程に多大な障害をもたらす。
【００１８】
Ａｌ：０．００４〜０．１％
Ａｌは脱酸に必要な元素であり、その効果を得るためには０．００４％以上必要とする。一方、０．１％を超えると硬質のアルミナクラスターが生成し、鋼の被削性を劣化させる。
【００１９】
Ｃａ：０．０００５〜０．０２％。
Ｃａは本発明においてきわめて重要な意味を持つ元素である。硫化物中にＣａを含有させるために、Ｃａを０．０００５％以上含有する事が必要である。一方、０．０２％を超えると過剰なＣａは高融点のＣａＳを形成して鋳造工程に多大な障害をもたらす。
【００２０】
Ｏ：０．０００５〜０．０１％。
Ｏは酸化物を生成させるのに必要な元素である。過度に少ないＯは、高融点のＣａ硫化物を多量に生成させ、鋳造性を劣化させるため、０．０００５％以上のＯが、望ましくは０．００１５％を超えるＯが必要である。一方、０．０１％を超えて含有すると多量の硬質酸化物により被削性を劣化させるとともに、Ｃａ硫化物の生成が困難になる。
【００２１】
Ｎ：０．００１〜０．０４％。
Ｎは結晶粒の粗大化防止に有効な元素であり、０．００１％以上必要である。一方、０．０４％を超えて含有すると、鋳造工程に多大な障害をもたらす。
【００２２】
本発明の被削性に優れた機械構造用鋼には、上記成分に加えて更にＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのうちの１種または２種以上を含んでいてもよい。更にはこれらに加えてＰｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうちの１種または２種以上を含んでいてもよい。これらの合金元素の効果と含有量を限定する理由について説明する。
【００２３】
Ｃｒ：≦３．５％。
Ｃｒは焼入れ性向上に有効な元素であるが、３．５％を超えるとコスト面において不利であり、更には熱間加工時に鋼に割れを多発する。
【００２４】
Ｍｏ：≦２．０％。
ＭｏはＣｒと同様に焼入れ性向上に有効な元素であるが、２．０％を超えるとコスト面において不利であり、更には被削性を劣化させるとともに熱間加工時に鋼に割れを多発する。
【００２５】
Ｃｕ：≦２．０％。
Ｃｕは組織を緻密にし、強度を向上させる。一方、２．０％を超えると熱間加工性を悪化させるとともに被削性も低下させる。
【００２６】
Ｎｉ：≦４．０％。
ＮｉはＣｒと同様に焼入れ性向上に有効な元素であるが、４．０％を超えるとコスト面において不利であり、更には被削性を低下させる。
【００２７】
Ｂ：０．０００３〜０．０１％。
Ｂは微量の添加により焼入れ性を向上させる元素であり、０．０００３％未満ではその効果が得られず、０．０１％を超えると結晶粒を粗大化するとともに、熱間加工時に鋼に割れを多発する。
【００２８】
Ｎｂ：≦０．２％。
Ｎｂは高温における結晶粒の粗大化を防ぐのに有効な元素であるが、０．２％を超えて含有させても効果が飽和するため、必要に応じて０．２％まで添加しても良い。
【００２９】
Ｔｉ：≦０．２％。
ＴｉはＮと結合してＴｉＮを形成し、Ｂの焼入れ性向上効果を発揮させる元素であるが、０．２％を超えて含有するとＴｉＮが過多となり、熱間加工時に鋼に割れを多発する。
【００３０】
Ｖ：≦０．５％。
ＶはＣやＮと結合して炭窒化物を生成し、結晶粒を微細化する効果を有する。０．５％を超えて含有させても効果が飽和するため、必要に応じて０．５％まで添加しても良い。
【００３１】
Ｔａ：≦０．５％。
Ｔａは結晶粒を微細化し靭性を向上させるのに有効な元素である。０．５％を超えて含有させても効果が飽和するため、必要に応じて０．５％まで添加しても良い。
【００３２】
Ｚｒ：≦０．５％。
ＺｒはＴａと類似した性質を有し、結晶粒を微細化し靭性を向上させるのに有効な元素である。０．５％を超えて含有させても効果が飽和するため、必要に応じて０．５％まで添加しても良い。
【００３３】
Ｐｂ：≦０．４％。
Ｐｂは良く知られた被削性を向上させる元素である。Ｐｂは単独で或いは硫化物外周に付着する様な形態で存在し、それ自身が被削性を向上させる効果を有する。０．４％以上の場合にはＰｂの鋼への溶解度を超え、且つその大きな比重のために過剰なＰｂは単独で凝集、沈殿して鋼中の欠陥となるため、上限を０．４％とする。
【００３４】
Ｂｉ：≦０．４％。
ＢｉはＰｂと類似した性質を有する被削性を向上させる元素である。０．４％以上の場合にはＢｉの鋼への溶解度を超え、且つその大きな比重のために過剰なＢｉは単独で凝集、沈殿して鋼中の欠陥となるため、上限を０．４％とする。
【００３５】
Ｓｅ：≦０．５％。
Ｓｅは良く知られた被削性を向上させる元素である。０．５％を超える場合には熱間加工性を悪化させて割れを発生しやすくなるため、上限を０．５％とする。
【００３６】
Ｔｅ：≦０．１％。
Ｔｅは良く知られた被削性を向上させる元素である。０．１％を超える過剰な場合には熱間加工性を悪化させて割れを発生しやすくなるため、上限を０．１％とする。
【００３７】
介在物の形態：ＥＰＭＡにより、視野０．０５平方ミリメートル以上の面積中の硫化物を分析した結果、Ｃａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとする時、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１。
上記化学組成からなる鋼においては、一般に硫化物はその主成分がＭｎＳであり、Ｍｎの一部がＣａに置換されるが、Ｃａへの置換の程度により硫化物の性質が異なる。面積率Ａが硫化物全体の３０％を超える時は硫化物は高融点のＣａＳが過剰となって、製造性を悪化させるとともに、旋削工具寿命の改善効果も少なく、ばらつきも大きい。一方、面積率Ｂが硫化物全体の１０％を下回るとＭｎからＣａへの置換の程度が小さく所望の工具寿命改善効果が得られない。
【００３８】
【実施例】
本発明鋼の特徴を実施例を用いて説明する。表１から表４に示す化学組成を有する鋼を５ｔｏｎアーク炉、或いは１５０ｋｇ高周波真空誘導炉にて溶製した。得られた鋼塊は、表１及び表３の鋼種については直径９０ｍｍの丸棒に圧延、或いは鍛造し、表２及び表４の鋼種については直径５０ｍｍの丸棒に圧延、或いは鍛造し、それぞれ熱処理後に調査に供した。基本鋼種としては、請求項１に該当する表１においてはＳ１５Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５５Ｃを、請求項２に該当する表２においてはＳＣｒ４１５、ＳＮＣＭ４２０、ＳＣＭ４４０を、請求項３に該当する表３においてはＳ４５Ｃを、請求項４に該当する表４においてはＳＣＭ４４０を採用した。
【００３９】
製造性を評価するために、鋳造時には高融点物質の析出により鋳造ノズルが閉塞し、鋳造量全体の１０％以上残して鋳造続行が不可能となった場合を鋳造性劣とした。更に、圧延或いは鍛造加工後に表面疵起因により不良となった量が圧延或いは鍛造量全体の５％を超えた場合を熱間加工性劣とした。
【００４０】
被削性を評価するために、表１から表４の鋼種についてはそれぞれ表５に示す熱処理を施した後、表１の条件にて旋削加工した。得られた工具寿命時間について各基本鋼種毎に比較鋼ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１、ｅ１、ｆ１の工具寿命時間を１とした場合、それぞれの工具寿命時間比率を算出し、それぞれの工具寿命比とした。
【００４１】
硫化物を評価するために、各旋削試験材について検鏡試料を作成し、ＥＰＭＡにより、視野０．０５平方ミリメートル以上の面積中の硫化物を分析した。Ｃａ含有量が４０％を超える硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＡ、Ｃａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＢ、Ｃａ含有量が０．３％より少ない硫化物の調査観察視野全体の面積に対する面積率をＣとして、Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの硫化物全体に対する面積比率を求めた。
【００４２】
靭性を評価とするために衝撃試験を実施した。表１の一部鋼種から１３ｍｍ角を切り出し、焼入れ焼戻し処理後にＪＩＳ３号試験片を作成し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に従って実施した。
【００４３】
表２中の鋼について焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒度を測定した。
【００４４】
表３及び表４中の鋼については、圧延或いは鍛造後の直径５０ｍｍの丸棒にて発汗試験を実施し、異常の認められたものについては、内部欠陥有りとした。
【００４５】
【表１】
0003587348.tif 000002
【００４６】
【表２】
0003587348.tif 000003
【００４７】
【表３】
0003587348.tif 000004
【００４８】
【表４】
0003587348.tif 000005
【００４９】
【表５】
0003587348.tif 000006
【００５０】
表１〜表４の本発明鋼は少なくとも旋削工具寿命が、比較基準鋼の６倍以上であり、かつ製造性や衝撃値、内部品質が良好である。これに対してそれぞれの比較鋼は、工具寿命が短いか、或いは製造性に問題があるか、靭性が低いか、多量の内部欠陥を有する。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかな様に本発明鋼は、製造性、製品品質の劣化を招くことなく旋削工具寿命を大幅に向上させる事ができるものであり、産業上の利点が極めて大きい。