(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｐｂ快削鋼と同等以上の切屑分断性を有する硫化物系介在物の形態制御にＭｇを使用しないＰｂフリーの機械構造用鋼の提供。【解決手段】ＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物が存在する機械構造用鋼を素材とする鋼材の縦断面中での前記硫化物系介在物を等価円直径に換算し、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化して得られる寸法と個数の関係を近似して得られる「ｙ＝Ａｅｘｐ（−Ｂｘ）」の式で表される指数関数の係数Ｂが０．２５以上である機械構造用鋼。なお、上記の式におけるｙは個数を、また、ｘは寸法（μｍ）を表し、Ａ及びＢは係数である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物が存在する機械構造用鋼であって、それを素材とする鋼材の縦断面中での前記硫化物系介在物を等価円直径に換算し、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化して得られる寸法と個数の関係を近似して得られる下記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが０．２５以上であることを特徴とする機械構造用鋼。
ｙ＝Ａｅｘｐ（−Ｂｘ）・・・(1)
なお、(1)式におけるｙは個数を、また、ｘは寸法（μｍ）を表し、Ａ及びＢは係数である。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％〜０．１２％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｃａ：０．０００３〜０．００５％、Ａｌ：０〜０．０５％、Ｏ：０．００５％以下、Ｎ：０．００４〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有することを特徴とする請求項１に記載の機械構造用鋼。
【請求項３】
Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０３〜０．３％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５％のうちの１種以上を含有する化学組成を有することを特徴とする請求項２に記載の機械構造用鋼。
【請求項４】
Ｆｅの一部に代えて、Ｂｉ：０．０１〜０．１％、Ｔｅ：０．００１〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％のうちの１種以上を含有する化学組成を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼に関し、詳しくは、被削性向上元素であるＰｂを含まなくてもＰｂ快削鋼と同等以上の被削性を有する機械構造用鋼に関する。より詳しくは、Ｐｂ快削鋼と同等以上の切屑分断性を有するＰｂフリーの機械構造用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や建設機械等に用いられる機械構造用部品の多くは、熱間鍛造などの熱間加工の後、切削加工によって所望の部品形状に仕上げ加工されている。しかし、上記切削加工時に、切屑が切削工具や所望形状に仕上げた製品に巻きつくという問題がある。このため、特に、自動化された切削加工ラインに用いられる機械構造用鋼には、優れた切屑分断性が求められることとなり、従来は、一般に、少量の添加で機械的性質を損ねることなく切屑分断性を著しく改善することができるＰｂ快削鋼が用いられてきた。
【０００３】
しかし、近年の地球環境問題に対する高まりから、Ｐｂフリーで切削性を改善する要求がなされるようになり、このため、特許文献１〜３にＰｂ快削鋼に替わる快削鋼に関する技術が提案されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１には、硫化物系介在物が存在する機械構造用鋼で、硫化物系介在物粒子の分散指数を定義し、その指数を特定の範囲に制限した切屑分断性と機械的特性に優れたＭｇ添加の「機械構造用快削鋼」が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、硫化物系介在物のうち、長径が５μｍ以上の硫化物系介在物のアスペクト比の平均値が５．２以下であり、且つ長径が２０μｍ以上の個数ａと長径が５μｍ以上の個数ｂとの比ａ／ｂが０．２５以下を満足することを特徴とする「切屑処理性及び機械的性質に優れた機械構造用」が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、機械的性質と切屑分断性の両性質を有する快削鋼を得るために、Ｍｇ合金を添加する工程を含むことを特徴とする、「硫化物系介在物の形態制御方法」が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−６９５６９号公報
【特許文献２】特開２００２−１４６４７３号公報
【特許文献３】特開２００２−１５５３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の特許文献１〜３で提案された技術は、いずれも、硫化物系介在物を所定の形状及び分散状態に制御するためにＭｇが添加されている。しかしながら、Ｍｇは沸点が低く蒸発しやすいうえ、強い脱酸元素であるため酸化物として溶鋼から分離しやすく、このため歩留りが低くコストアップが避けられないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、Ｍｇを添加することなく硫化物系介在物の形態を制御することで、Ｐｂ快削鋼と同等以上の切屑分断性を有するＰｂフリーの機械構造用鋼を提供することである。
【００１０】
本発明者らは、ＣａとＳを含有したＣａ−Ｓ複合快削鋼をＰｂフリーの機械構造用鋼として選定し、その被削性について詳細な検討を行った。その結果、下記の知見（ａ）を得た。
【００１１】
（ａ）化学組成や強度がほぼ同等の機械構造用鋼であっても、鋼中に分散しているＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物（以下、単に「硫化物系介在物」ともいう。）の分布状態および形態によって切屑分断性が大幅に異なる。
【００１２】
そこで、詳細な検討を行ったところ、下記（ｂ）及び（ｃ）の知見を得た。
【００１３】
（ｂ）硫化物系介在物が不均一に存在する場合には、均一に存在する場合に比べて、近接した硫化物系介在物間のき裂の伝播が容易となるので、切屑の分断が促進される。このため、切屑分断性を高めるためには、鋼中に存在する硫化物系介在物の分散状態を不均一にするのがよい。
【００１４】
（ｃ）硫化物系介在物が微細な場合には、粗大な場合に比べて、硫化物系介在物の存在確率の高い領域が多くなって切欠き効果が増大するので、切屑の分断が促進される。このため、切屑分断性を高めるためには、鋼中に存在する硫化物系介在物を微細にするのがよい。
【００１５】
そこで次に、本発明者らは、硫化物系介在物を不均一かつ微細に分散させる手法について種々検討を行った。その結果、硫化物系介在物の形態は、溶鋼の脱酸方法及び凝固時の冷却速度によって大きく変化することが明らかになった。
【００１６】
そこで、更に詳細な検討を行ったところ、下記（ｄ）〜（ｈ）の知見を得た。
【００１７】
（ｄ）溶鋼中のＯ（酸素）の含有量が多すぎる状態で脱酸元素であるＳｉ、Ｍｎ、ＣａやＡｌ等を添加すると、多量の脱酸生成物が形成されて溶鋼中の至る所に酸化物系介在物が存在するようになる。そして、この酸化物系介在物を核として硫化物系介在物が生成するので、硫化物系介在物は粗大で比較的均一に存在するようになる。
【００１８】
（ｅ）溶鋼中のＯ（酸素）の含有量が少なすぎる状態でＣａを添加すると、ＣａとＳの親和力が強いために溶鋼の段階でＣａＳを生成し、これが後で晶出するＭｎＳの生成核となる。このため、硫化物系介在物は粗大で比較的均一に存在するようになる。
【００１９】
（ｆ）溶鋼中に脱酸生成物である酸化物系介在物やＣａＳが多量に存在しない状態でも、凝固時の冷却速度が遅い場合には、晶出するＭｎＳが粗大になる傾向がある。
【００２０】
（ｇ）溶鋼中のＯ（酸素）及びＣａの含有量を適切に制御するとともに凝固時の冷却速度を適切に管理することにより、鋼中の硫化物系介在物が微細かつ不均一に存在するようになるので、切屑分断性が向上する。
【００２１】
（ｈ）上記（ｇ）の場合には、硫化物系介在物の分布形態に特徴があり、鋼材の縦断面中での硫化物系介在物を等価円直径に換算し、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化して得られる寸法と個数の関係を近似して得られる指数関数の係数Ｂが一定以上の値を有する。
【００２２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（４）に示す機械構造用鋼にある。
【００２３】
（１）ＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物が存在する機械構造用鋼であって、それを素材とする鋼材の縦断面中での前記硫化物系介在物を等価円直径に換算し、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化して得られる寸法と個数の関係を近似して得られる下記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが０．２５以上であることを特徴とする機械構造用鋼。
ｙ＝Ａｅｘｐ（−Ｂｘ）・・・(1)。
なお、(1)式におけるｙは個数を、また、ｘは寸法（μｍ）を表し、Ａ及びＢは係数である。
【００２４】
（２）質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％〜０．１２％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｃａ：０．０００３〜０．００５％、Ａｌ：０〜０．０５％、Ｏ：０．００５％以下、Ｎ：０．００４〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有することを特徴とする上記（１）に記載の機械構造用鋼。
【００２５】
（３）Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０３〜０．３％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５％のうちの１種以上を含有する化学組成を有することを特徴とする上記（２）に記載の機械構造用鋼。
【００２６】
（４）Ｆｅの一部に代えて、Ｂｉ：０．０１〜０．１％、Ｔｅ：０．００１〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％のうちの１種以上を含有する化学組成を有することを特徴とする上記（２）又は（３）に記載の機械構造用鋼。
【００２７】
以下、上記 （１）〜（４）の機械構造用鋼に係る発明を、それぞれ、「本発明（１）」〜「本発明（４）」という。また、総称して「本発明」ということがある。
【００２８】
なお、本発明でいう「ＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物」とは、介在物の組成のうち、Ｍｎの質量割合が５０％以上、Ｓの質量割合が２５％以上である、ＭｎとＳの化合物が主成分である介在物を指す。また、また、「ＲＥＭ」は、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計含有量を指す。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の機械構造用鋼は、Ｐｂフリーの「地球環境に優しい機械構造用鋼」であるにも拘わらず、Ｐｂ快削鋼と同等以上の切屑分断性を有するので、自動化された切削加工ラインに用いることができる。この鋼は硫化物系介在物の形態制御にＭｇを使用しないため安価に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明において、硫化物系介在物の形態及び化学組成を前記の如くに限定した理由を説明する。なお、各元素の含有量の「％」の表示は、「質量％」を意味する。
【００３１】
（Ａ）硫化物系介在物の形態
鋼材中に存在する硫化物系介在物が微細化するほど、下記(1)式で表される指数関数の係数Ｂ、つまり、ｙを個数、ｘを寸法（μｍ）、また、Ａ及びＢを係数として、鋼材縦断面中での硫化物系介在物を等価円直径に換算し、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化して得られる寸法と個数の関係を近似して得られる指数関数における係数Ｂの値が大きくなる。
ｙ＝Ａｅｘｐ（−Ｂｘ）・・・(1)。
【００３２】
そして、係数Ｂの値が０．２５以上であれば、単位体積あたりの硫化物系介在物の個数が多くなって微細になるため、切屑分断性が向上する。
【００３３】
以下、上記の事項について、本発明者らが行った下記の実験に基づいて詳しく説明する。
【００３４】
本発明者らは、機械構造用炭素鋼鋼材であるＪＩＳのＳ４８Ｃに相当する化学成分に被削性を高める元素としてＳ、或いはＳとＰｂを添加した表１に示す鋼Ａ１〜Ａ７を溶解し、３ｔ鋼塊を製造した。なお、表１における鋼Ａ１〜Ａ６は、自動車規格JASO M 106-92（制定：社団法人自動車技術会、制定期日：１９７７年５月２８日、改正期日：１９９２年３月３０日）に記載のＳ１クラスのＳ含有量である０．０４０〜０．０７０％のＳを含む被削性改善鋼である。また、鋼Ａ７は、上記Ｓ１クラスのＳ含有量とともにＬ２クラスのＰｂ含有量である０．１０〜０．３０％のＰｂを含む被削性改善鋼である。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
次いで、これらの鋼塊を１５２３Ｋに加熱した後、仕上げ温度が１２７３Ｋ以上となるように熱間圧延を行い、直径８０ｍｍの丸棒を作成し、更に、１１５３Ｋに加熱して２時間保持した後空冷する焼ならし処理を施した。
【００３７】
このようにして得た直径８０ｍｍの丸棒を用いて、硫化物系介在物の観察と切屑分断性の評価を行った。
【００３８】
硫化物系介在物の観察は、丸棒の圧延方向と平行な面、つまり、縦断面について、Ｄ／４（但し、「Ｄ」は丸棒の直径である。）の部位を切り出して鏡面研磨を行い、光学顕微鏡により２００倍で５０視野観察した。このときの一視野あたりの観察面積は０．３ｍｍ2である。
【００３９】
次いで、上記５０視野で観察された硫化物系介在物を等価円直径に換算した後、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化し、寸法と個数の関係を近似して得られる前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂを計算した。
【００４０】
図１及び図２に、鋼Ａ１及び鋼Ａ４について、硫化物系介在物の寸法としての等価円直径及び個数としての頻度とをヒストグラム化し、指数関数に近似した例を示す。なお、図１及び図２の横軸「硫化物系介在物の寸法」における「２〜４」から「１８〜２０」との記載は、それぞれ、硫化物系介在物の寸法が「２μｍ以上４μｍ未満」のものから「１８μｍ以上２０μｍ未満」のものについて度数分布化したことを示す。
【００４１】
これらの図から、微細な硫化物系介在物が少ない鋼Ａ４の場合の係数Ｂは０．２３で小さく、一方、硫化物系介在物が鋼４より微細化されている鋼Ａ１の場合の係数Ｂは０．３０で大きいことが明らかである。そして、同様の計算結果から、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが０．２５以上の場合に、硫化物系介在物の個数が多くなって微細になることが判明した。なお、表２に、鋼Ａ１〜Ａ６の各鋼について求めた前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂを示す。鋼Ａ７については、切屑分断性を向上させる効果を有するＰｂを含有しているため、硫化物系介在物の分散状態に依らず切り屑質量は小さい。
【００４２】
切屑分断性は、旋削試験により評価した。すなわち、超硬工具Ｐ２０のチップを用いて、下記の条件で旋削し、代表的な切屑１０個あたりの質量を測定して切屑分断性の指標とした。この質量が小さい値であるほど切屑分断性は良好であると判断できる。
・切り込み深さ：２．０ｍｍ、
・送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
・切削速度１６０ｍ／ｍｉｎ、
・潤滑：乾式。
【００４３】
切屑分断性の評価指数としての切屑質量を、表２に併せて示す。また、図３に、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂ（図では、「指数関数の係数Ｂ」と表記した。）と切屑分断性の評価指数である切屑質量との関係を示す。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
図３から、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが０．２５以上になって硫化物系介在物の個数が多くなって微細になれば、切屑質量が小さくなって切屑分断性が向上し、Ｐｂを含有した鋼Ａ７と同等以上の切屑分断性が得られることが明らかである。
【００４６】
上述の理由から、本発明（１）に係る機械構造用鋼においては、縦断面中での硫化物系介在物を等価円直径に換算し、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化して得られる寸法と個数の関係を近似して得られる前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが０．２５以上であることと規定した。より一層安定して良好な切屑分断性を得るためには、係数Ｂを０．２８以上とすることが好ましい。
【００４７】
なお、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂを０．２５以上とするためには、例えば、溶鋼中の酸素の含有量を適切に管理した状態でＦｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金及びＡｌを添加して脱酸処理し、更に、主要成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓその他の元素を所定量に調整した後Ｃａを添加し、水冷鋳型を用いて鋳造すればよい。
【００４８】
（Ｂ）化学組成
Ｐｂ快削鋼と同等以上の切屑分断性を有し、自動化された切削加工ラインに用いることができる本発明に係る機械構造用鋼は、その具体的な化学成分や製造方法は特に限定する必要はない。しかし、製品に求められる機械的性質を確保する観点から、本発明に係る機械構造用鋼の化学成分を下記のとおり規定してもよい。
【００４９】
Ｃ：０．２〜０．６％
Ｃは、鋼の引張強度を確保するのに有効な元素である。しかしながら、その含有量が０．２％未満の場合には添加効果に乏しい。一方、Ｃの含有量が０．６％を超えると被削性が低下する。したがって、Ｃの含有量を０．２〜０．６％とした。
【００５０】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、溶鋼の脱酸を促進するほかに、鋼の引張強度を高める作用を有している。しかしながら、その含有量が０．１％未満の場合には添加効果に乏しい。一方、Ｓｉの含有量が１．０％を超えると被削性が低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０％とした。
【００５１】
Ｍｎ：０．４〜２．０％
Ｍｎは、鋼の引張強度を高める作用を有するとともに、Ｓと結合してＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を高める作用を有する。しかしながら、Ｍｎの含有量が０．４％を下回る場合には、ＦｅＳが増加して靱性が劣化する場合がある。一方、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると被削性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を０．４〜２．０％とした。
【００５２】
Ｐ：０．０４％以下
Ｐは、鋼の結晶粒界に偏析して熱間加工などにおける加工性を低下させ、特に、その含有量が０．０４％を超えると加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０４％以下とした。なお、Ｐの含有量は、０．０２％以下とすることが一層好ましい。
【００５３】
Ｓ：０．０２％〜０．１２％
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を高める効果を有している。しかしながら、その含有量が０．０２％未満の場合には添加効果に乏しい。一方、Ｓを過剰に含有すると熱間加工などにおける加工性が低下し、特に、その含有量が０．１２％を超えると加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．０２〜０．１２％とした。
【００５４】
Ｃｒ：０〜２．０％
Ｃｒは、鋼の引張強度を高める作用を有する。したがって、引張強度を高めたい場合、Ｃｒを添加してもよい。しかしながら、Ｃｒの含有量が２．０％を超えると被削性が低下する。したがって、Ｃｒの含有量を０〜２．０％とした。なお、添加する場合のＣｒ含有量の下限は、０．０２％とすることが好ましい。
【００５５】
Ｃａ：０．０００３〜０．００５％
Ｃａは、低融点の酸化物を形成して工具に付着し、工具寿命を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．０００３％未満の場合には添加効果に乏しい。一方、Ｃａを過剰に含有させると前記の効果が飽和するばかりか、ＣａＳを生成してＭｎＳを主成分とする硫化物系介在物の微細分散化を妨げることとなる。したがって、Ｃａの含有量を０．０００３〜０．００５％とした。
【００５６】
Ａｌ：０〜０．０５％
Ａｌは、溶鋼の脱酸を促進する作用を有する。したがって、脱酸効果を高めたい場合、Ａｌを添加してもよい。しかしながら、Ａｌを過剰に含有すると、硬質の酸化物を生成して工具寿命の低下を招き、特に、その含有量が０．０５％を超えると工具寿命の低下が著しくなる。したがって、Ａｌの含有量を０〜０．０５％とした。
【００５７】
Ｏ（酸素）：０．００５％以下
Ｏ（酸素）はＳｉ、Ｍｎ、ＣａやＡｌ等の脱酸作用を有する元素と結びついて、酸化物系介在物を形成する。特に、Ｏの含有量が０．００５％を超えると酸化物系介在物が多く形成され、それが硫化物系介在物の核となって硫化物系介在物の微細分散化を妨げる場合がある。したがって、Ｏの含有量を０．００５％以下とした。
【００５８】
Ｎ：０．００４〜０．０２０％
Ｎは、窒化物を形成して結晶粒を微細化し、鋼の引張強度及び靱性を向上させる作用を有している。しかしながら、その含有量が０．００４％未満の場合には添加効果に乏しい。一方、Ｎの含有量が０．０２０％を超えると、窒化物が粗大になって靱性が劣化したり被削性が低下することがある。したがって、Ｎの含有量を０．００４〜０．０２０％とした。
【００５９】
上記の理由から、本発明（２）に係る機械構造用鋼の化学組成は、上述した範囲のＣからＮまでの元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなることと規定した。
【００６０】
本発明に係る機械構造用鋼には、必要に応じて更に、Ｆｅの一部に代えて、後述する第１群から選択される１種以上の元素及び第２群から選択される１種以上の元素のうち一方又は両方を含有させてもよい。
【００６１】
以下、上記第１群及び第２群の元素に関して説明する。
【００６２】
第１群：Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０３〜０．３％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％及びＺｒ：０．００５〜０．０５％
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒは、いずれも、引張強度を高める作用を有する。このため、より一層優れた引張強度を得たい場合に、以下の範囲で含有してもよい。
【００６３】
Ｃｕ：０．２〜１．０％
Ｃｕは、鋼の引張強度を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．２％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｃｕの含有量が１．０％を超えると熱間加工などにおける加工性の低下を招く。したがって、添加する場合のＣｕの含有量を０．２〜１．０％とした。
【００６４】
Ｎｉ：０．２〜１．０％
Ｎｉは、鋼の引張強度を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．２％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｎｉの含有量が１．０％を超えると前記の効果が飽和してコストが嵩むばかりか、被削性や靱性の低下を招く。したがって、添加する場合のＮｉの含有量を０．２〜１．０％とした。
【００６５】
Ｍｏ：０．０５〜０．５％
Ｍｏは、鋼の引張強度を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．０５％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｍｏの含有量が０．５％を超えると前記の効果が飽和してコストが嵩むばかりか、被削性や靱性の低下を招く。したがって、添加する場合のＭｏの含有量を０．０５〜０．５％とした。
【００６６】
Ｖ：０．０３〜０．３％
Ｖは、炭化物及び窒化物を形成して結晶粒を微細化し、鋼の引張強度を高める作用を有する。Ｖには前記結晶粒の微細化による靱性向上作用もある。しかしながら、その含有量が０．０３％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｖの含有量が０．３％を超えると前記の効果が飽和してコストが嵩むばかりか、被削性が低下する。したがって、添加する場合のＶの含有量を０．０３〜０．３％とした。
【００６７】
Ｔｉ：０．００５〜０．１％
Ｔｉは、炭化物及び窒化物を形成して結晶粒を微細化し、鋼の引張強度を高める作用を有する。Ｔｉには前記結晶粒の微細化による靱性向上作用もある。しかしながら、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｔｉの含有量が０．１％を超えると被削性が低下する。したがって、添加する場合のＴｉの含有量を０．００５〜０．１％とした。
【００６８】
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％
Ｎｂは、炭化物及び窒化物を形成して結晶粒を微細化し、鋼の引張強度を高める作用を有する。Ｎｂには前記結晶粒の微細化による靱性向上作用もある。しかしながら、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｎｂの含有量が０．０５％を超えると被削性が低下する場合がある。したがって、添加する場合のＮｂの含有量を０．００５〜０．０５％とした。
【００６９】
Ｚｒ：０．００５〜０．０５％
Ｚｒは、炭化物及び窒化物を形成して結晶粒を微細化し、鋼の引張強度を高める作用を有する。Ｚｒには前記結晶粒の微細化による靱性向上作用もある。しかしながら、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｚｒの含有量が０．０５％を超えると被削性が低下する場合がある。したがって、添加する場合のＺｒの含有量を０．００５〜０．０５％とした。
【００７０】
上記のＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒは、いずれか１種のみ、或いは２種以上の複合で添加することができる。
【００７１】
第２群：Ｂｉ：０．０１〜０．１％、Ｔｅ：０．００１〜０．０１％及びＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％
Ｂｉ、Ｔｅ及びＲＥＭは、いずれも、被削性高める作用を有する。このため、より一層優れた被削性を得たい場合に、以下の範囲で含有してもよい。
【００７２】
Ｂｉ：０．０１〜０．１％
Ｂｉは、鋼の被削性を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．０１％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｂｉの含有量が０．１％を超えると前記の効果が飽和してコストが嵩むばかりか、熱間加工などにおける加工性の低下を招く場合がある。したがって、添加する場合のＢｉの含有量を０．０１〜０．１％とした。
【００７３】
Ｔｅ：０．００１〜０．０１％
Ｔｅは、鋼の被削性を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．００１％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０１％を超えてＴｅを含有させても前記の効果が飽和してコストが嵩むばかりである。したがって、添加する場合のＴｅの含有量を０．００１〜０．０１％とした。
【００７４】
ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％
ＲＥＭは、鋼の被削性を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．０００１％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０１％を超えてＲＥＭを含有させても前記の効果が飽和してコストが嵩むばかりである。したがって、添加する場合のＲＥＭの含有量を０．０００１〜０．０１％とした。なお、既に述べたように「ＲＥＭ」は、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計含有量を指す。
【００７５】
上記のＢｉ、Ｔｅ及びＲＥＭは、いずれか１種のみ、或いは２種以上の複合で添加することができる。
【００７６】
上述の理由から、本発明（３）に係る機械構造用鋼の化学組成を、本発明（２）に係る機械構造用鋼のＦｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０３〜０．３％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５％のうちの１種以上を含有するものと規定した。
【００７７】
また、本発明（４）に係る機械構造用鋼の化学組成を、本発明（２）又は本発明（３）に係る機械構造用鋼のＦｅの一部に代えて、質量％で、Ｂｉ：０．０１〜０．１％、Ｔｅ：０．００１〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％のうちの１種以上を含有するものと規定した。
【００７８】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【実施例】
【００７９】
雰囲気調整が可能な高周波誘導炉を用いて、表３〜５に示す化学組成を有する鋼Ｂ１〜Ｂ１４、鋼Ｃ１〜Ｃ１０及び鋼Ｄ１〜Ｄ１２を溶製し、３ｔ鋼塊を作製した。
【００８０】
なお、上記各鋼のうち、鋼Ｂ８〜Ｂ１０、鋼Ｃ６、鋼Ｃ７、鋼Ｄ７及び鋼Ｄ８については、溶鋼中の酸素の含有量が多い状態でＦｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ａｌのいずれかを添加して脱酸処理し、更に、主要成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓその他の元素を所定量に調整した後Ｃａを添加し、水冷鋳型を用いて鋳造した。上記のような製造方法では、生成した多量の酸化物系介在物が硫化物系介在物の生成核となって、硫化物系介在物の微細化及び不均一分散化を妨げるので、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが本発明で規定する条件から外れるようになる。
【００８１】
鋼Ｂ１１〜Ｂ１３、鋼Ｃ８、鋼Ｃ９、鋼Ｄ９及び鋼Ｄ１０については、溶鋼中の酸素の含有量が少ない状態でＦｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ａｌのいずれかを添加して脱酸処理し、更に、主要成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓその他の元素を所定量に調整した後Ｃａを添加し、水冷鋳型を用いて鋳造した。このような製造方法では、脱酸反応に寄与しない過剰なＣａがＣａＳとなってＭｎＳ晶出の核として作用し、硫化物系介在物の微細化及び不均一分散化を妨げるので、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが本発明で規定する条件から外れるようになる。
【００８２】
鋼Ｂ１４、鋼Ｃ１０、鋼Ｄ１１及び鋼Ｄ１２については、溶鋼中の酸素を適切に管理した状態でＦｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ａｌのいずれかを添加して脱酸処理し、更に、主要成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓその他の元素を所定量に調整した後、鋳造する直前にＣａを添加した。但し、鋳型の冷却水の流量を通常の２／３として、冷却速度を低下させた。上記のような製造方法では、凝固時の冷却速度が遅いために晶出するＭｎＳが粗大となり、硫化物系介在物の微細化を妨げるので、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが本発明で規定する条件から外れるようになる。
【００８３】
鋼Ｂ１〜Ｂ７、鋼Ｃ１〜Ｃ５及び鋼Ｄ１〜Ｄ６については、溶鋼中の酸素を適切に管理した状態でＦｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ａｌのいずれかを添加して脱酸処理し、更に、主要成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓその他の元素を所定量に調整した後Ｃａを添加し、水冷鋳型を用いて鋳造した。このような製造方法によって、鋼中の硫化物系介在物は微細で不均一に存在するようになり、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂが本発明で規定する条件を満たすようになる。
【００８４】
【表３】
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【００８５】
【表４】
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【００８６】
【表５】
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【００８７】
次いで、これらの鋼塊を１５２３Ｋに加熱した後、仕上げ温度が１２７３Ｋ以上となるように熱間圧延を行い、直径５７ｍｍの丸棒を作成した。なお、熱間圧延後の冷却は大気中放冷とした。
【００８８】
このようにして得た直径５７ｍｍの丸棒を用いて、硫化物系介在物の観察と切屑分断性の評価を行った。
【００８９】
硫化物系介在物の観察は、丸棒の圧延方向と平行な面、つまり、縦断面について、Ｄ／４（但し、「Ｄ」は丸棒の直径である。）の部位を切り出して鏡面研磨を行い、光学顕微鏡により２００倍で５０視野観察した。このときの一視野あたりの観察面積は０．３ｍｍ2である。
【００９０】
次いで、上記５０視野で観察された硫化物系介在物を等価円直径に換算した後、前記等価円直径が２μｍから２０μｍまでを２μｍピッチで度数分布化し、寸法と個数の関係を近似して得られる前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂを計算した。
【００９１】
切屑分断性は、旋削試験により評価した。すなわち、超硬工具Ｐ２０のチップを用いて、下記の条件で旋削し、代表的な切屑１０個あたりの質量を測定して切屑分断性の指標とした。この質量が小さい値であるほど切屑分断性は良好であると判断できる。
・切り込み深さ：２．０ｍｍ、
・送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
・切削速度１６０ｍ／ｍｉｎ、
・潤滑：乾式。
【００９２】
表６〜８に、各鋼について求めた前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂ及び切屑分断性の評価指数としての切屑質量を示す。また、図４〜６に、それぞれ、鋼Ｂ１〜Ｂ１４、鋼Ｃ１〜Ｃ１０及び鋼Ｄ１〜Ｄ１２について、前記(1)式で表される指数関数の係数Ｂ（図では、「指数関数の係数Ｂ」と表記した。）と切屑分断性の評価指数である切屑質量との関係を示す。
【００９３】
【表６】
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【００９４】
【表７】
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【００９５】
【表８】
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【００９６】
図４〜６から本発明に係る機械構造用鋼である鋼Ｂ１〜Ｂ７、鋼Ｃ１〜Ｃ５及び鋼Ｄ１〜Ｄ６は、Ｐｂフリーであるにも拘わらず、Ｐｂ快削鋼である前述の鋼Ａ７と同等以上の切屑分断性を有することが明らかである。
【００９７】
これに対して、本発明で規定する条件から外れた鋼は、切屑処理性に劣っている。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の機械構造用鋼は、Ｐｂフリーの「地球環境に優しい機械構造用鋼」であるにも拘わらず、Ｐｂ快削鋼と同等以上の切屑分断性を有するので、自動化された切削加工ラインに用いることができる。この鋼は硫化物系介在物の形態制御にＭｇを使用しないため安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】鋼Ａ１について、硫化物系介在物の寸法としての等価円直径及び個数としての頻度とをヒストグラム化し、指数関数に近似したとを示す図である。
【図２】鋼Ａ４について、硫化物系介在物の寸法としての等価円直径及び個数としての頻度とをヒストグラム化し、指数関数に近似したとを示す図である。
【図３】(1)式で表される指数関数の係数Ｂと切屑分断性の評価指数である切屑質量との関係を示す図である。
【図４】鋼Ｂ１〜Ｂ１４についていて、(1)式で表される指数関数の係数Ｂと切屑分断性の評価指数である切屑質量との関係を示す図である。
【図５】鋼Ｃ１〜Ｃ１０についていて、(1)式で表される指数関数の係数Ｂと切屑分断性の評価指数である切屑質量との関係を示す図である。
【図６】鋼Ｄ１〜Ｄ１２について、(1)式で表される指数関数の係数Ｂと切屑分断性の評価指数である切屑質量との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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