(57)【要約】【課題】Ｓを無添加もしくはＳの添加量を少なく抑えて硫化物系介在物による疲労強度の低下を防止しつつ、切削性を高めた機械構造用鋼を提供する。【解決手段】機械構造用鋼を、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％，Ｓｉ：０．０５〜２．００％，Ｍｎ：０．２０〜３．５０％，Ｃｒ：０．０１〜２．００％，ｓ−Ａｌ：０．００５〜０．１００％，Ｎ：０．０５０％以下，０：０．０１００％以下、を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成り、且つ下記式（１）を満足する組成を有するものとする。０．０３０≦Ｆ１・・式(１)  但しＦ１＝0.15[Si]＋[s-Al]＋0.17[V]-0.05[Ti]-0.8[O]【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Ｃ：０．０１〜０．７０％
Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｍｎ：０．２０〜３．５０％
Ｃｒ：０．０１〜２．００％
ｓ−Ａｌ：０．００５〜０．１００％
Ｎ：０．０５０％以下
Ｏ：０．０１００％以下
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成り、且つ下記式（１）を満足する組成を有することを特徴とする機械構造用鋼。
０．０３０≦Ｆ１・・式(１)
但しＦ１＝0.15[Si]＋[s-Al]＋0.17[V]-0.05[Ti]-0.8[O]
（Ｆ１の式中[  ]は、[  ]内元素の含有質量％を表す）
【請求項２】
請求項１において、質量％で、
Ｓ：０．０１０〜０．１２０％
を更に含有し、且つ下記式（２）を満足する組成を有することを特徴とする機械構造用鋼。
４．５≦Ｆ２・・式(２)
但しＦ２＝12([Ti]＋[s-Al])／[S]
（Ｆ２の式中[  ]は、[  ]内元素の含有質量％を表す）
【請求項３】
請求項１，２の何れかにおいて、質量％で
Ｖ：０．０１〜１．００％
Ｔｉ：０．００５〜０．１００％
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で
Ｃｕ：０．０５〜３．００％
Ｎｉ：０．０５〜３．００％
Ｍｏ：０．０１〜１．００％
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で
Ｎｂ：０．０５〜０．５０％
Ｗ：０．２０〜２．００％
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、質量％で
Ｃａ：０．０００３〜０．００７０％
Ｐｂ：０．０３〜０．３０％
Ｂｉ：０．０３〜０．３０％
Ｓｎ：０．００２〜０．０２０％
Ｓｂ：０．００２〜０．０２０％
Ｍｇ：０．０００１〜０．０２００％
Ｚｒ：０．０１〜０．５０％
Ｔｅ：０．００１〜０．１５％
ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％
Ｓｅ：０．００１〜０．３０％
Ｂ：０．０００５〜０．０２００％
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、優れた被削性とともに疲労強度が必要とされる機器ないし部品の素材として利用するのに適した機械構造用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や各種機械に用いられる鋼部品（具体的には歯車、クランクシャフト、コンロッド等の機械構造部品）は、鍛造等の加工の後に切削加工を施すことによって最終形状に仕上げられるのが一般的である。切削加工に要するコストは、部品製作費全体に占める割合が高いことから、切削加工前の鋼には優れた被削性が要求されている。
一般に、Ｐｂのような有害物質を含有することなく被削性を向上させる場合、Ｓを添加することが行われている。添加したＳは鋼中にＭｎＳ等の介在物を形成し、切削時において介在物への応力集中効果等によって被削性が高められる（例えば下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３３２０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、燃費向上のために部品等の軽量化、すなわち高強度化が志向されている。しかしながら、Ｓが添加された硫黄快削鋼にあっては、鋼中に生成されたＭｎＳ等の介在物が疲労破壊の起点となり疲労強度等の機械特性を低下させてしまう問題があり、被削性と疲労強度の両立を図ることが困難であった。
本発明は以上のような事情を背景とし、Ｓを無添加として、若しくはＳの添加量を少なく抑えて硫化物系介在物による疲労強度の低下を防止しつつ、切削性を高めた機械構造用鋼を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
而して請求項１は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．７０％，Ｓｉ：０．０５〜２．００％，Ｍｎ：０．２０〜３．５０％，Ｃｒ：０．０１〜２．００％，ｓ−Ａｌ：０．００５〜０．１００％，Ｎ：０．０５０％以下，０：０．０１００％以下、を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成り、且つ下記式（１）を満足する組成を有することを特徴とする。
０．０３０≦Ｆ１・・式(１)  但しＦ１＝0.15[Si]＋[s-Al]＋0.17[V]-0.05[Ti]-0.8[O]（Ｆ１の式中[  ]は、[  ]内元素の含有質量％を表す）
【０００６】
尚、通常、機械構造用鋼において、下記に示す成分が下記範囲で不可避的不純物として含まれ得る。
Ｐ＜０．０４％，Ｓ＜０．０１０％，Ｖ＜０．０１％，Ｔｉ＜０．００５％，Ｃｕ＜０．０５％，Ｎｉ＜０．０５％，Ｍｏ＜０．０１％などである。
【０００７】
請求項２のものは、請求項１において、質量％で、Ｓ：０．０１０〜０．１２０％、を更に含有し、且つ下記式（２）を満足する組成を有することを特徴とする。
４．５≦Ｆ２・・式(２)  但しＦ２＝12([Ti]＋[s-Al])／[S]（Ｆ２の式中[  ]は、[  ]内元素の含有質量％を表す）
【０００８】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％で、Ｖ：０．０１〜１．００％，Ｔｉ：０．００５〜０．１００％、の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【０００９】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で、Ｃｕ：０．０５〜３．００％，Ｎｉ：０．０５〜３．００％，Ｍｏ：０．０１〜１．００％、の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００１０】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で、Ｎｂ：０．０５〜０．５０％，Ｗ：０．２０〜２．００％、の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００１１】
請求項６のものは、請求項１〜５の何れかにおいて、質量％で、Ｃａ：０．０００３〜０．００７０％，Ｐｂ：０．０３〜０．３０％，Ｂｉ：０．０３〜０．３０％，Ｓｎ：０．００２〜０．０２０％，Ｓｂ：０．００２〜０．０２０％，Ｍｇ：０．０００１〜０．０２００％，Ｚｒ：０．０１〜０．５０％，Ｔｅ：０．００１〜０．１５％，ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％，Ｓｅ：０．００１〜０．３０％，Ｂ：０．０００５〜０．０２００％、の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００１２】
以上のような本発明は、鋼中のｓ−Ａｌが、切削加工の際、切削工具の表面に、工具磨耗抑制効果が大きい酸化膜を生成することに着目し、Ｓを無添加もしくはＳの添加量を少なく抑えて、硫化物系介在物に起因する疲労強度の低下を防止しつつ、被削性の向上を図ったものである。工具磨耗抑制効果を有する酸化膜は、ｓ−Ａｌのほか、ＳｉおよびＶにより生成される。本発明では、工具磨耗に対する合金成分の影響を定式化した指数Ｆ１を設け、指数Ｆ１の値が上記式（１）を満たすように各合金元素の含有量を規定することで硫化物系介在物によらず被削性の向上を図ることができる。
【００１３】
なお、本発明ではＳを少量添加することも可能である。ただしこの場合は、疲労特性を表す指数Ｆ２が上記式（２）を満たすように、Ｔｉ，ｓ−Ａｌ、Ｓの各元素の含有量をバランスさせる。Ｓを添加した場合、鋼中の酸化物を核としてＭｎＳ等の硫化物系介在物が成長する。本発明の場合、核となる酸化物は、鋼溶製時に生成されるＴｉもしくはＡｌの酸化物であり、Ｔｉおよびｓ−Ａｌの総量とＳ量との比率は、鋼中に生成する硫化物系介在物の分散性及び大きさに影響する。本発明では、指数Ｆ２が式（２）を満たすようにＴｉ，ｓ−Ａｌ、Ｓの含有量をバランスさせることで、硫化物系介在物の形態を制御して、疲労強度の低下を抑制しつつ被削性を効果的に高めることができる。
【００１４】
次に本発明における各化学成分等の限定理由を以下に説明する。尚、以降の説明では、特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味するものとする。
「請求項１の化学成分について」
Ｃ：０．０１〜０．７０％
Ｃは、強度を確保する上で必要な元素であり、所定の強度を確保するため０．０１％以上、好ましくは０．０５％以上含有させる。但し、含有量が多くなり過ぎるとパーライトが多く発生し被削性が低下するため、その上限を０．７０％とする。好ましくは０．６０％以下、より好ましくは０．５０％以下である。
【００１５】
Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは、鋼溶製時の脱酸剤として使用される元素であるが、疲労強度を高める効果がある。また工具の表面に酸化膜を生成して工具磨耗を抑制し被削性を向上させる。このような効果を得るため、本発明ではＳｉを０．０５％以上、好ましくは０．１０％以上含有させる。但し、含有量が多くなり過ぎるとフェライトが硬化して被削性が低下するため、その上限を２．００％とする。好ましくは１．９０％以下、より好ましくは１．８０％以下である。
【００１６】
Ｍｎ：０．２０〜３．５０％
Ｍｎは、焼入性を高め強度向上に寄与する元素である。この効果を得るため０．２０％以上、好ましくは０．３０％以上添加する。但し、含有量が多くなり過ぎるとパーライトが多く発生し被削性が低下するため、その上限を３．５０％とする。好ましくは３．００％以下、より好ましくは２．５０％以下である。
【００１７】
Ｃｒ：０．０１〜２．００％
Ｃｒは、焼入性を高め強度向上に寄与する元素である。この効果を得るため０．０１％以上、好ましくは０．０５％以上添加する。但し、Ｃｒはコストが高く、また含有量が多くなり過ぎると過冷組織が生成され被削性が低下するため、その上限を２．００％とする。好ましくは１．８０％以下、より好ましくは１．６０％以下である。
【００１８】
ｓ−Ａｌ：０．００５〜０．１００％
ｓ−Ａｌは、本発明において被削性確保のため不可欠な元素である。ｓ−Ａｌは、切削加工で発生する熱によって、大気中などの酸素と反応して、切削工具の表面に酸化膜を形成する。このようにして形成された酸化膜は工具磨耗を抑制する効果が高く、被削性を向上させる。また窒化物を形成し熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制して、フェライトパーライト組織を微細化し、靭性および強度を高める効果がある。このため本発明では、ｓ−Ａｌを少なくとも０．００５％以上、好ましくは０．０１０％以上含有させる。
但し、ｓ−Ａｌ量が過度に高い場合には鋼中に別途粗大な酸化物が生じ、これが起点となり疲労強度が低下する。また粗大な炭窒化物が生じて工具磨耗が増加し、被削性が低下する。このためその上限を０．１００％とする。好ましくは０．０９０％以下、より好ましくは０．０８０％以下である。
なお、ｓ−Ａｌは、酸可溶性アルミニウムを表し、ＪＩＳ  Ｇ  １２５７（１９９４）の付属書１５に記載された方法により定量される。尚、ＪＩＳ  Ｇ  １２５７（１９９４）の内容はここに参照として取り込まれる。
【００１９】
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは、製造に際して必然的に混入する元素であり、鋼中に炭窒化物を形成する。特にＮ量が多い場合には粗大な炭窒化物が生成し易くなり、これが疲労破壊の起点となり疲労強度が低下する。また鋼中の粗大な炭窒化物により工具磨耗が増加し被削性が低下するため、その上限を０．０５０％とする。好ましくは０．０４０％以下、より好ましくは０．０３０％以下である。
但し、適量であれば、疲労強度を高めたり、またＴｉと窒化物を形成し、微細に析出して熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制して、フェライトパーライト組織を微細化し、強度を高める効果がある。このため０．００５％以上の添加が好ましい。より好ましくは０．０１０％以上である。
【００２０】
Ｏ：０．０１００％以下
Ｏは、酸化物系介在物を生成する。特にＯ量が多い場合には粗大な酸化物が生成し易くなり、これが疲労破壊の起点となり疲労強度が低下する。また鋼中の粗大な酸化物により工具磨耗が増加し被削性の低下を招くため、その上限を０．０１００％とする。好ましくは０．００７０％以下、より好ましくは０．００４０％以下である。
【００２１】
０．０３０≦Ｆ１・・式(１)、但しＦ１＝0.15[Si]＋[s-Al]＋0.17[V]-0.05[Ti]-0.8[O]
Ｆ１は、被削性を表す指数である。Ｓｉ，ｓ−Ａｌ，Ｖは、切削加工時に工具表面に酸化膜を生成し、工具磨耗を抑制する元素である。一方、ＴｉおよびＯは鋼中に硬質の炭窒化物もしくは酸化物を生成し、工具磨耗を増加（悪化）させる元素である。
Ｓｉ，ｓ−Ａｌ，Ｖ，Ｔｉ，Ｏの係数は、それぞれ被削性（耐工具磨耗性）に対する寄与度を表している。指数Ｆ１の値が大きいほど被削性を向上させることができる。
本発明では、従来の硫黄快削鋼に準じる、鋼部品の量産工程において問題とならない被削性を得るため、指数Ｆ１の下限値を０．０３０と規定している。
【００２２】
「請求項２の化学成分について」
Ｓ：０．０１０〜０．１２０％
Ｓは、熱間加工のため１０００℃以上に加熱した場合、粒成長を抑制し靭性や強度を高める効果がある。またＭｎＳや（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓなどの硫化物系介在物として、連続切削時やドリル加工時の工具磨耗を抑制したり、切屑処理性を改善し、被削性を高める効果がある。このような効果を得るために０．０１０％以上添加する。
但し、過度な添加は疲労強度を低下させるため、０．１２０％以下の添加とする。好ましくは０．１００％以下、より好ましくは０．０８０％以下である。
【００２３】
４．５≦Ｆ２・・式(２)、但しＦ２＝12([Ti]＋[s-Al])／[S]
Ｆ２は、疲労特性を表す指数である。Ｆ２の値が４．５以上あれば、硫化物系介在物の核となり得るＴｉやＡｌの酸化物（もしくは窒化物）が一定量存在するため、ＭｎＳ等の硫化物系介在物の微細分散が図られ、Ｓを添加したことによる疲労強度の低下を抑制することができる。
一方、Ｆ２の値が４．５未満の場合、相対的に核となる酸化物が少なくなるため、硫化物系介在物が粗大化して疲労強度が低下する。
【００２４】
「請求項３の化学成分について」
Ｖ：０．０１〜１．００％
Ｔｉ：０．００５〜０．１００％
Ｖは、炭窒化物を形成し、熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制して、フェライトパーライト組織を微細化し、靭性および強度を高める元素である。加えてＶは、工具表面に酸化膜を生成して工具磨耗を抑制し被削性を向上させる効果もある。このような効果を発揮させるためにはＶを０．０１％以上添加すれば良い。より好ましくは０．０２％以上である。但し、過剰な添加はコスト高となる上、粗大な炭窒化物が生じ易くなり、疲労強度が低下したり、また工具磨耗が増加し被削性が低下するためＶ量は１．００％以下とする。好ましくは０．９０％以下、より好ましくは０．８０％以下である。
Ｔｉは、Ｖと同様に、炭窒化物を形成し、熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制して、フェライトパーライト組織を微細化し、靭性および強度を高める元素である。このような効果を発揮させるためにはＴｉを０．００５％以上添加すれば良い。より好ましくは０．０１０％以上である。但し、過剰な添加はコスト高となる上、粗大な炭窒化物が生じ易くなり、疲労強度が低下したり、また工具磨耗が増加し被削性が低下するためＴｉ量は０．１００％以下とする。好ましくは０．０８０％以下、より好ましくは０．０６０％以下である。
【００２５】
「請求項４の化学成分について」
Ｃｕ：０．０５〜３．００％
Ｎｉ：０．０５〜３．００％
Ｍｏ：０．０１〜１．００％
これらＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏは焼入性を高めて強度向上に寄与する元素で、少なくとも１種（１元素）を含有させれば良い。このような効果を発揮させるため、Ｃｕについては０．０５％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．１０％以上である。またＮｉについては０．０５％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．１０％以上である。またＭｏについては０．０１％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．０２％以上である。
但しこれらの元素を過剰に添加すると、過冷組織が生成され被削性が低下したり、延性や靭性が低下する。従って、Ｃｕについては３．００％以下が好ましく、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下である。またＮｉについては３．００％以下が好ましく、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下である。またＭｏについては１．００％以下が好ましく、より好ましくは０．９０％以下、更に好ましくは０．８０％以下である。
【００２６】
「請求項５の化学成分について」
Ｎｂ：０．０５〜０．５０％
Ｗ：０．２０〜２．００％
Ｎｂ，Ｗは、Ｃと結合して炭化物を形成したり、Ｎと結合して窒化物を形成し、鋼材の強度向上に寄与する元素であり、少なくとも１種（１元素）を含有させれば良い。このような効果を発揮させるため、Ｎｂについては０．０５％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．０８％以上、更に好ましくは０．１０％以上である。またＷについては０．２０％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．５０％以上、更に好ましくは０．７０％以上である。
但しこれらの元素を過剰に添加すると、形成される炭化物や窒化物が鋼材の変形抵抗を上昇させ、加工性を低下させる場合がある。特に硬質の炭化物が生成されれば被削性が低下する。従って、Ｎｂについては０．５０％以下が好ましく、より好ましくは０．４０％以下、更に好ましくは０．３０％以下である。またＷについては２．００％以下が好ましく、より好ましくは１．５０％以下、更に好ましくは１．００％以下である。
【００２７】
「請求項６の化学成分について」
Ｃａ：０．０００３〜０．００７０％
Ｐｂ：０．０３〜０．３０％
Ｂｉ：０．０３〜０．３０％
Ｓｎ：０．００２〜０．０２０％
Ｓｂ：０．００２〜０．０２０％
Ｍｇ：０．０００１〜０．０２００％
Ｚｒ：０．０１〜０．５０％
Ｔｅ：０．００１〜０．１５％
ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％
Ｓｅ：０．００１〜０．３０％
Ｂ：０．０００５〜０．０２００％
これらＣａ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｎ，Ｓｂ、Ｍｇ，Ｚｒ，Ｔｅ，ＲＥＭ，Ｓｅ，Ｂは、いずれも被削性の改善に寄与する元素であり、少なくとも１種（１元素）を含有させれば良い。このような効果を発揮させるため、Ｃａについては０．０００３％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．０００５％以上、更に好ましくは０．００１０％以上である。またＰｂについては０．０３％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．１０％以上、更に好ましくは０．１５％以上である。またＢｉについては０．０３％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．０８％以上、更に好ましくは０．１０％以上である。またＳｎについては０．００２％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．００５％以上、更に好ましくは０．０１０％以上である。またＳｂについては０．００２％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．００４％以上、更に好ましくは０．００６％以上である。またＭｇについては０．０００１％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．０００３％以上、更に好ましくは０．０００４％以上である。またＺｒについては０．０１％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．０３％以上、更に好ましくは０．０４％以上である。またＴｅについては０．００１％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．００２％以上である。またＲＥＭについては０．００１％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００３％以上である。またＳｅについては０．００１％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．００２％以上である。またＢについては０．０００５％以上の添加が好ましく、より好ましくは０．００１０％以上である。
【００２８】
但しこれらの元素を過剰に添加すると、強度が低下したり、過剰に添加しても被削性改善の効果が飽和しコスト高となる場合がある。従って、Ｃａについては０．００７０％以下が好ましく、より好ましくは０．００６０％以下、更に好ましくは０．００５０％以下である。またＰｂについては０．３０％以下が好ましく、より好ましくは０．２８％以下、更に好ましくは０．２５％以下である。またＢｉについては０．３０％以下が好ましく、より好ましくは０．２５％以下、更に好ましくは０．２０％以下である。またＳｎについては０．０２０％以下が好ましく、より好ましくは０．０１８％以下、更に好ましくは０．０１５％以下である。またＳｂについては０．０２０％以下が好ましく、より好ましくは０．０１５％以下、更に好ましくは０．０１０％以下である。またＭｇについては０．０２００％以下が好ましく、より好ましくは０．０１００％以下、更に好ましくは０．００９０％以下である。またＺｒについては０．５０％以下が好ましく、より好ましくは０．４５％以下、更に好ましくは０．４０％以下である。またＴｅについては０．１５％以下が好ましく、より好ましくは０．１０％以下である。またＲＥＭについては０．０５０％以下が好ましく、より好ましくは０．０４０％以下である。またＳｅについては０．３０％以下が好ましく、より好ましくは０．２５％以下、更に好ましくは０．２０％以下である。またＢについては０．０２００％以下が好ましく、より好ましくは０．０１８０％以下、更に好ましくは０．０１５０％以下である。なお上記ＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｕまでの１５元素）およびＳｃ（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味であり、これらのなかでも、Ｌａ、ＣｅおよびＹよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有することが好ましく、より好ましくはＬａおよびＣｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有するのがよい。
【発明の効果】
【００２９】
以上のような本発明によれば、Ｓを無添加として、若しくはＳの添加量を少なく抑えて硫化物系介在物による疲労強度の低下を防止しつつ、切削性を高めた機械構造用鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（Ａ）は疲労強度評価の試験片の正面図、（Ｂ）は工具磨耗量評価の試験片の斜視図である。
【実施例】
【００３１】
次に本発明の実施例を以下に詳しく説明する。
下記表１に示す化学組成（質量％）の鋼１５０ｋｇを高周波誘導炉を用いて溶製した後、通常の方法で鋳造してインゴットを得た。次いで、各インゴットを加熱し、熱間鍛造を行って、Φ７４ｍｍの鍛造素材とした。そして、１２００℃で２時間加熱保持した後、１０５０℃以上の仕上げ温度で４５ｍｍ角に熱間鍛造し、室温まで放冷処理を行った。得られた４５ｍｍ角の素材を用いて以下の評価を行なった。なお、表１においてＳ量がカッコ書きで示されている実施例１，８，９，１３，１６，１７，２０は、Ｓ量が不可避的不純物レベル（Ｓ＜０．０１０％）であることを示している。
【００３２】
【表１】
2019035126.tif 000002
【００３３】
＜介在物調査＞
上記で得られた４５ｍｍ角の鍛造素材の、外面から素材中心までの距離の１／２部から調査用の試料を切り出し、その断面を鏡面研磨して、倍率４５０倍で１００ｍｍ2以上の視野に対して、走査電子顕微鏡にて写真撮影を行い介在物の径の把握を行なった。また、ＥＤＸ分析を実施し介在物の組成の調査し、１ｍｍ2当りに存在する、Ａｌ含有量が６割以上で相当面積が５μｍ2以下の酸化物の個数を求めた。
また、同様の試料から１ｍｍ2当たりに存在する、アスペクト比が４以下で、且つ円相当径が１０μｍ以下の硫化物の個数を求め、これよりＳ含有量０．０１％当たりの個数を算出した。これらの結果が下記表２に示してある。
【００３４】
＜曲げ疲労強度評価＞
上記で得られた４５ｍｍ角の鍛造素材の、外面から素材中心までの距離の１／２部から断面直径１８ｍｍの丸棒（長さ２１０ｍｍ）を切り出した。そして図１（Ａ）に示すように平行部径がΦ１８ｍｍで、中央にΦ８ｍｍ（長さ１７ｍｍ程度）の試験部１４を備えた試験片１０を作製し、ＪＩＳ  Ｚ２２７４に準拠した小野式回転曲げ疲労試験を実施した。
試験条件は回転数３６００ｒｐｍ、試験温度は室温とし、１０7サイクルで破断しない最大応力を疲労強度σｗ（ＭＰａ）とした。
【００３５】
図１（Ａ）に示すように試験部１４に切欠きが存在しない試験片１０を用いて疲労強度σｗを求めた場合、粗大な介在物が生じていない従来の機械構造用鋼（例えばＪＩＳ  Ｓ４０Ｃ）において、疲労強度σｗと硬さ（Ｈｖ）との間にσｗ＝１．６×硬さ（Ｈｖ）の関係が認められる。このため回転曲げ疲労試験に供した試験片１０と同じ素材から硬さ測定用の試験片を作製して硬さ（Ｈｖ）を求め、疲労強度σｗと硬さ（Ｈｖ）との比からなる強度硬さ比を算出した。
曲げ疲労強度の評価においては、この強度硬さ比が１．６よりも４％以上低い場合（即ち強度硬さ比が１．５４以下である場合）、基準となる従来鋼（Ｓ４０Ｃ）よりも疲労強度が低下しているものとして「×」とした。
一方、強度硬さ比が１．６よりも高い場合、もしくは１．６よりも低いもののその乖離が４％未満である場合には、基準となる従来鋼（Ｓ４０Ｃ）と同等の疲労強度が維持できているとして「○」とした。これらの結果が表２に示してある。
【００３６】
なお、硬さ測定ではビッカース硬さ試験機を用い、ＪＩＳ  Ｚ２２４４に規定された試験方法により、表面下０．０５ｍｍの位置の硬さの５点平均を表層硬さとして測定した。この時の試験荷重は３００ｇとした。
【００３７】
＜工具磨耗量評価＞
上記で得られた４５ｍｍ角の鍛造素材から、図１（Ｂ）に示すように外径Φ４０ｍｍで、且つ対向する平行な２面１６ａ，１６ｂが形成された棒状の試験片１５を作製し、断続切削試験を行なった。尚、図１（Ｂ）に示す試験片１５において、２面１６ａ，１６ｂ間の距離は２０ｍｍである。また同図において、１８は、長手方向の端部に設けられた小径のチャック部である。
断続切削試験は、切削工具に市販のＰ２０種、超硬コーティングチップを用い、切込ｄ＝０．５ｍｍ、送りｆ＝０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度ｖ＝１２０ｍ／ｍｉｎ、ｄｒｙの条件で行なった。そして５２分間切削後のチップの横逃げ面の磨耗幅を測定し、これを工具磨耗量ＶＢとした。そして以下の基準に従い被削性を評価した。
○：工具磨耗量ＶＢが１８０μｍ以下
×：工具磨耗量ＶＢが１８０μｍ超
なお、工具磨耗量ＶＢが１８０μｍ以下であれば、鋼部品の量産工程において問題とならない被削性を得ることができる。これらの結果が表２に示してある。
【００３８】
＜切屑破砕性評価＞
上記で得られた４５ｍｍ角の鍛造素材から外径Φ４０ｍｍ丸棒を作製し、連続切削試験を行なった。連続切削試験は、切削工具に市販のＰ２０種、超硬コーティングチップを用い、切込ｄ＝０．５ｍｍ、送りｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、切削速度ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ、ｄｒｙの条件で行ない１ｇ当りの切屑の個数を評価した。これらの結果が表２に示してある。
【００３９】
尚、下記表２においては、工程の欄にてＮ（熱間鍛造品）とＨＴ（焼入れ焼戻し品）との区分がなされている。工程の欄にＮと記載された実施例（もしくは比較例）の評価方法は、上記の通りであるが、工程の欄にてＨＴと記載された実施例７および実施例１４は、更に焼入れ焼戻しを実施した素材から曲げ疲労強度評価用の試験片１０を作製し、試験を行なっている。尚、実施例７ついては、８７５℃×１Ｈｒ→ＷＱ（水冷）で焼入れ後、１８０℃×１Ｈｒ→ＡＣ（空冷）で焼戻しを行なった。実施例１４ついては、８５０℃×１Ｈｒ→ＷＱで焼入れ後、５５０℃×１Ｈｒ→ＡＣで焼戻しを行なった。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２により、以下のことが分かる。
比較例１は、被削性を表す指数Ｆ１の値が本発明の規定を満たしており、被削性の評価は「○」であったが、疲労強度を表す指数Ｆ２の値が本発明の下限値を下回っており疲労強度の評価が「×」であった。この比較例１は、Ｓを０．０９５％含有するがＦ２の値が本発明の下限値を下回っているため、Ｓ量に対し硫化物系介在物の核となる酸化物が相対的に少なく、結果、硫化物系介在物が粗大化して疲労強度が低下したものと推測される。
【００４２】
比較例２は、被削性を表す指数Ｆ１の値が本発明の下限値を下回っており、切削加工時に工具表面に生成される酸化膜による磨耗抑制効果が十分に得られておらず、工具磨耗量ＶＢが１８０μｍ超で被削性の評価が「×」であった。
【００４３】
比較例３は、ｓ−Ａｌ量が本発明の下限値を下回っており、疲労強度の評価が「×」であった。このｓ−Ａｌ量が過度に少ない比較例３は、介在物調査において、相当面積５μｍ2以下の酸化物の個数が８個と他の例に比べて少なく、核となる酸化物の不足により硫化物系介在物が粗大となり疲労強度が低下したものと推測される。
【００４４】
比較例４は、ｓ−Ａｌ量が本発明の上限値を上回っており、被削性および疲労強度の評価が共に「×」であった。ｓ−Ａｌ量が過度に多い比較例４では、鋼中に相当面積５μｍ2以下の酸化物のほか、相当面積５μｍ2以上の粗大な酸化物も多数形成されており、その結果、工具磨耗量が増大し被削性が低下するとともにこれが疲労破壊の起点となって疲労強度も低下したものと推測される。
【００４５】
比較例５は、従来の硫黄快削鋼（ＪＩＳ  ＳＵＭ４２）に相当するもので、Ｓ量が本発明の上限値を上回っている。比較例５は、介在物調査において、硫化物の個数が他の例に比べて極端に多く、被削性向上に十分な硫化物系介在物が生成されており、被削性の評価は「○」であった。しかしながら、疲労強度を表す指数Ｆ２の値が本発明の下限値を下回っているため、硫化物系介在物の微細分散が図られておらず疲労強度が低下し、疲労強度の評価が「×」であった。
【００４６】
これに対し、本発明の条件を満たす実施例１〜２２は、被削性評価および疲労強度評価が共に「○」であった。実施例の組成に基づけば、従来の硫黄快削鋼（ＪＩＳ  ＳＵＭ４２）に準じ、鋼部品の量産工程において問題とならない被削性が得られるとともに、従来の機械構造用鋼（ＪＩＳ  Ｓ４０Ｃ）と同等の疲労強度を得ることができる。介在物調査の結果によれば、これら実施例において、５μｍ2以下の酸化物の個数は１０〜３０個／ｍｍ2であり、Ｓを少量添加した場合であっても酸化物をかかる範囲内で制御すれば、ＭｎＳ等の硫化物系介在物の微細分散が図られ、疲労強度低下の防止が図られるものと推測される。
また、今回得られた硫化物数と切屑個数との結果によれば、硫化物の数が多くなる程、切屑破砕性が向上しており、切屑破砕性がより重視される用途で使用する場合、例えば、Ｓ量０．００１％当りの硫化物の個数を１０以上に限定した機械構造用鋼が好適である。
【００４７】
以上本発明の機械構造用鋼について詳しく説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【図１】
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