(57)【要約】  【課題】切りくず処理性と工具寿命に優れたＰｂを含まない機械構造用鋼材の提供。  【解決手段】C：0.15〜0.6％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.5〜2.0％、P≦0.1％、S：0.015〜0.12％、Ca：0.0005〜0.003％、N≦0.02％を含み残部はFeと不純物からなり、不純物におけるAl≦0.005％、Ti≦0.005％、O≦0.005％でAl/Ca≦1.0を満たし、加工方向に平行な断面に存在する等価円直径≧4μmのMnS系介在物が、平均値としてのアスペクト比＜3で（n1＋n2）/n≦0.2を満たす機械構造用鋼材。但し、n、n1、n2はそれぞれ面積1mm2当たりの、MnS系介在物の個数、MnS系介在物のうちでCaが質量％で0.5％以上固溶しているものの個数、MnS系介在物のうちで異種介在物を含むものの個数、を表す。但し、異種介在物を含むものが、質量％で0.5％以上のCaを固溶している場合は、n1としてカウントする。この機械構造用鋼材はCr≦2.5％とV≦0.5％のうちの1種又は2種を含有してもよい。  【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．０１５〜０．１２％、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％およびＮ：０．０２％以下を含み、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成で、不純物におけるＡｌ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．００５％以下およびＯ：０．００５％以下で、ＡｌとＣａは下記の（１）式を満たし、かつ、加工方向に平行な断面に存在する等価円直径が４μｍ以上であるＭｎＳ系介在物が下記の（２）式および（３）式を満足することを特徴とする機械構造用鋼材。
Ａｌ／Ｃａ≦１．０・・・・・（１）
アスペクト比（Ｌ／Ｗ）＜３・・・・・（２）
（ｎ１＋ｎ２）／ｎ≦０．２・・・・・（３）
ここで、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
また、（２）式におけるＬおよびＷは、それぞれ、対象となるＭｎＳ系介在物の長径および短径を表し、アスペクト比は平均値としてのアスペクト比をいう。
更に、（３）式におけるｎ、ｎ１およびｎ２は、それぞれ、下記のＭｎＳ系介在物の個数を表す。
ｎ：ＭｎＳ系介在物の面積１ｍｍ2当たりの個数
ｎ１：ＭｎＳ系介在物のうちで、Ｃａが質量％で０．５％以上固溶しているものの面積１ｍｍ2当たりの個数
ｎ２：ＭｎＳ系介在物のうちで、異種介在物を含むものの面積１ｍｍ2当たりの個数
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、Ｃｒ：２．５％以下およびＶ：０．５％以下のうちの１種又は２種を含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材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼材に関し、詳しくは、産業機械や自動車などの部品の素材として好適な、切削加工が施される機械構造用鋼材に関する。更に詳しくは、切削加工の際の切りくず処理性に優れた機械構造用鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機械や自動車などの部品に用いられる機械構造用鋼材には、ＪＩＳ規格で規定されるJIS G 4051(1979)の機械構造用炭素鋼鋼材、合金鋼材としてのJIS G 4053(2003)のニッケルクロム鋼鋼材、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材、クロム鋼鋼材、マンガン鋼鋼材およびマンガンクロム鋼鋼材などがある。また、これらの鋼材の規定諸成分量を多少変更したり、Ｂ（ホウ素）などをさらに含有させて焼入れ性を向上させたり、Ｔｉ、ＮｂやＶなども含有させて組織を改善した鋼材も使用されている。
【０００３】
これらの鋼材は、多くの場合、圧延加工して製造されたものをそのまま、あるいはさらに鍛造加工などを行った後、切削加工して所定の形状にし、必要とされる特性に応じた熱処理を施して最終部品とする。
【０００４】
上記切削工程における生産能率向上のため、鋼材は被削性に優れていることが強く望まれる。被削性が優れているということは、
・切削時に使用する工具の摩耗による交換までの期間が長いこと、すなわち工具寿命が長いこと、
・切削時に排出される切りくずが細かく分断されること、
・切削抵抗が低いこと、
あるいは、
・切削面や研削面の仕上がりが良好であること、
などを意味する。
【０００５】
上記のうちで、切削作業の無人化や自動化が進むと、工具寿命に加えて、特に切りくずが細かく分断する性質、すなわち「切りくず処理性」がきわめて重要になってくる。
【０００６】
工具寿命については、鋼材の特性ばかりでなく、工具の性能にも影響されるので、工具の選定により改善が可能である。
【０００７】
これに対し、優れた切りくず処理性というのは、切削時に発生した切りくずが細かく分断されて、工具に絡みつかないことであり、これは鋼材そのものの特性に大きく支配される。したがって、切りくず処理性を改善することは、鋼材の被削性の向上にとって特に重要である。
【０００８】
鋼材の被削性は、Ｐｂを含有させることによって向上させることができる。しかし、Ｐｂの含有は、鋼材価格の上昇を伴うばかりでなく、環境汚染を招く懸念がある。
【０００９】
そこで、Ｐｂを含有させずに鋼の被削性を改善する技術の研究が進められてきた。その代表的なものは、硫化物系介在物であるＭｎＳの活用による被削性改善技術であり、例えば、特許文献１〜４に提案されているように、多くの検討がなされ、実用化も行われている。
【００１０】
具体的には、特許文献１に、酸化物系介在物を実質的に含まず、Ｃａを３〜５５重量％含有するＭｎ−Ｃａ−Ｓ系介在物が鋼中に均一に分散されており、かつ該Ｍｎ−Ｃａ−Ｓ系介在物のサイズが長径（Ｌ）が２０μｍ以下で長径（Ｌ）と短径（Ｗ）の比（Ｌ／Ｗ）が３以下である「機械構造用Ｃａ快削鋼」が開示されている。
【００１１】
特許文献２には、Ｍｎ硫化物系介在物中の平均酸素含有量が１０質量％以下で、その主要組成は質量％で、Ｃ：０．０５〜０．７％、Ｓｉ：２．５％以下（０％を含む）、Ｍｎ：０．１〜３％、Ａｌ：０．１％以下（０％を含む）、Ｓ：０．００３〜０．２％、Ｎ：０．００２〜０．０２５％、Ｏ：０．００３％以下（０％を含む）と残部がＦｅで、さらに、希土類元素、ＣａおよびＭｇよりなる群から選択される１種以上を合計で０．０１％以下を含有する「切り屑処理性に優れた機械構造用鋼」が開示されている。
【００１２】
特許文献３には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、ＣａおよびＮを含有し、さらに必要に応じてＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＳｅおよびＴｅのうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ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「旋削加工性に優れた機械構造用鋼」が開示されている。
【００１３】
特許文献４には、重量％で、Ｃ  ：０．１〜０．８５％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ｐ  ：０．００３〜０．２％、Ｓ  ：０．００３〜０．５％を含有し、さらに、Ｚｒ：０．０００３〜０．０１％、Ｔｅ：０．００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％のうちの１種または２種以上を含有するとともに、Ａｌ≦０．０１％、ｔｏｔａｌ−Ｏ≦０．０２％、ｔｏｔａｌ−Ｎ≦０．０２％に制限し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる「鍛造性と被削性に優れる鋼」が開示されている。
【００１４】
【特許文献１】特開昭６２−１０３３４０号公報
【特許文献２】特開２００１−１３１６８４号公報
【特許文献３】特開２０００−３４５３８号公報
【特許文献４】特開２０００−２８２１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述の特許文献１〜４で開示された鋼は、いずれもＣａを含み得るものであり、主として被削性を改善した鋼である。しかしながら、その製鋼過程におけるＣａの添加量や添加タイミングについて十分考慮されていなかった。そのため、必ずしも切りくず処理性と工具寿命の両方を改善できるものではなかった。
【００１６】
具体的には、特許文献１で開示された技術の場合、個々の硫化物が粗大化し、同一Ｓ濃度では硫化物個数は減少する。そのため、切りくず処理性の改善が必ずしも十分なものではない。また、Ａｌキルド鋼を前提とするため、Ｃａ処理しても酸化物系介在物はＡｌ2Ｏ3リッチなＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系の硬質な介在物となるため、工具寿命等の被削性改善効果も十分には得られない。さらに、高Ｓ濃度において、高濃度のＣａＳを含む硫化物を多数分散させようとすれば、多量のＣａ添加を必要とするのでコストが嵩むという問題もある。
【００１７】
特許文献２で開示された技術の場合、その実施例に示されているとおり、切りくず処理性の改善に有効な硫化物形態を得ることを目的として、硫化物中の平均酸素濃度を１０％以下とするために、脱酸元素として用いられるＡｌを０．０１８％以上含有している。このような場合、鋼中に存在する酸化物は硬質なＡｌ2Ｏ3系酸化物が主体のものとなり、工具寿命の改善が十分でなくなる。すなわち、この特許文献２で提案された技術では、必ずしも切りくず処理性の改善と同時に工具寿命を改善することがなされない。
【００１８】
特許文献３で開示された技術の場合、Ｃａを０．３〜４０重量％含む硫化物の存在割合を大きくすることを特徴としているが、Ｃａを多く含む硫化物の存在割合を大きくすると、個々の硫化物が粗大化して硫化物の個数が減少するため良好な切りくず処理性を得ることが困難になる。
【００１９】
特許文献４で開示された鋼は、硫化物を球状化することによって鍛造加工性に優れ、かつ良好な被削性を有する鋼であり、Ｃａの含有を前提とした場合には、ＣａがＭｎＳに固溶してその変形能を低下させ、球状化することをねらった鋼である。しかしながら、Ｃａを含有させる場合には、個々の硫化物が粗大化して、良好な切りくず処理性を得るための硫化物形態が得られない。すなわち、切りくず処理性の十分な改善がなされない。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、Ｐｂを含有しなくても被削性を改善できる機械構造用鋼材、なかでも、切りくず処理性と工具寿命の両方を改善できる機械構造用鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
鋼材の被削性に、硫化物や酸化物の介在物の状態が大きく影響することはよく知られている。
【００２２】
そこで、本発明者らは、Ｐｂを含まない機械構造用鋼材において、前記した課題を解決するために、鋼中の介在物の形態や分布状態と被削性との関係を詳細に調査した。なかでも、切りくず内に存在するＭｎＳ系介在物（以下、単に「ＭｎＳ」ともいう。）に着目して、切削加工前後の形態の差を調査した。その結果、先ず、下記（ａ）〜（ｅ）の事実が明らかになった。
【００２３】
（ａ）切りくず処理性が改善した鋼材の切りくず内のＭｎＳは、切りくずの剪断変形方向に沿って長く延伸しているものが多い。
【００２４】
（ｂ）加えて、切りくず処理性の改善には、切削加工前のＭｎＳ形態として、その長径が小さく短径が大きい、いわゆる「アスペクト比」が小さいものが有効である。また、その個々のＭｎＳの大きさが小さすぎると切りくず処理性改善の効果が薄れる。
【００２５】
（ｃ）よって、切りくず処理性が良好であるためには、その鋼中に含まれるＭｎＳが切削加工中の切りくず生成時に大きく変形させ延伸させることが重要である。
【００２６】
（ｄ）剪断変形中のＭｎＳの変形量が大きくなるためには、ＭｎＳ中に他の元素すなわちＣａの固溶量が少ないこと、あるいは、ＭｎＳ中に酸化物や炭窒化物のような硬質の介在物を含んでいないことが重要である。
【００２７】
（ｅ）このＭｎＳの大きな変形能は、切削中の剪断変形においてマトリックスに対してＭｎＳに変形を集中させる。このことで剪断変形抵抗を低減し、一次剪断域の剪断角を大きくして切りくずを薄くし、かつ切りくずのカール径を小さくする。その結果、切りくずの分断性が高まり切りくず処理性が改善するものと考えられる。
【００２８】
そこで次に、ＭｎＳを上述のような形態にしたときに、切りくず処理性が向上することに関し、Ｃ、ＳｉおよびＭｎなどの他、機械構造用鋼材の強度向上、焼入れ性改善および組織改善などの目的で添加されるＣｒおよびＶの含有による影響を調べた。その結果、下記の知見（ｆ）が得られた。
【００２９】
（ｆ）ＣｒやＶを含有させると、ＣｒやＶを含有させない場合に比べて、鋼の硬さや強度、焼入れ性などの機械的特性を高めることができ、しかも、ＣｒやＶを含有させない場合と同様の良好な切りくず処理性が得られる。
【００３０】
そこで、本発明者らは、さらに化学組成や介在物の状態の限界を確認し、本発明を完成させた。
【００３１】
本発明の要旨は、下記（１）および（２）に示す機械構造用鋼材にある。
【００３２】
（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．０１５〜０．１２％、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％およびＮ：０．０２％以下を含み、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成で、不純物におけるＡｌ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．００５％以下およびＯ：０．００５％以下で、ＡｌとＣａは下記の（１）式を満たし、かつ、加工方向に平行な断面に存在する等価円直径が４μｍ以上であるＭｎＳ系介在物が下記の（２）式および（３）式を満足することを特徴とする機械構造用鋼材。
Ａｌ／Ｃａ≦１．０・・・・・（１）、
アスペクト比（Ｌ／Ｗ）＜３・・・・・（２）、
（ｎ１＋ｎ２）／ｎ≦０．２・・・・・（３）、
ここで、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
また、（２）式におけるＬおよびＷは、それぞれ、対象となるＭｎＳ系介在物の長径および短径を表し、アスペクト比は平均値としてのアスペクト比をいう。
更に、（３）式におけるｎ、ｎ１およびｎ２は、それぞれ、下記のＭｎＳ系介在物の個数を表す。
ｎ：ＭｎＳ系介在物の面積１ｍｍ2当たりの個数、
ｎ１：ＭｎＳ系介在物のうちで、Ｃａが質量％で０．５％以上固溶しているものの面積１ｍｍ2当たりの個数、
ｎ２：ＭｎＳ系介在物のうちで、異種介在物を含むものの面積１ｍｍ2当たりの個数。
【００３３】
（２）Ｆｅの一部に代えて、Ｃｒ：２．５％以下およびＶ：０．５％以下のうちの１種又は２種を含有することを特徴とする上記（１）に記載の機械構造用鋼材。
【００３４】
なお、「加工方向に平行」とは、例えば、加工が圧延の場合には圧延方向に平行であることを、加工が鍛造の場合には鍛錬軸に平行であることを指す。
【００３５】
ＭｎＳ系介在物に含まれる「異種介在物」とは、Ａｌ2Ｏ3のような酸化物やＴｉＮのような窒化物など、硫化物以外の介在物を指す。
【００３６】
ここで、一つのＭｎＳ系介在物が、上記ｎ１に係る「Ｃａが質量％で０．５％以上固溶している」およびｎ２に係る「異種介在物を含む」を同時に満たす場合には、ダブルカウントを防ぐということから、「Ｃａが質量％で０．５％以上固溶している」ｎ１に係るものとしてカウントすることと規定する。さらに、「異種介在物を含む」ものについては、完全にＭｎＳの内側に異種の介在物が内包されていなくてもよく、単に隣同士で接触している場合においてもこの定義に則って一つとしてカウントすることと規定する。これは、単に接している場合でもこの場所のＭｎＳの変形を抑制するからである。
【００３７】
以下、上記（１）および（２）の機械構造用鋼材に係る発明を、それぞれ、「本発明（１）」および「本発明（２）」という。また、総称して「本発明」ということがある。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の機械構造用鋼材は、Ｐｂを含まないにもかかわらず、被削性、なかでも、切りくず処理性と工具寿命に優れている。したがって、切削加工を必要とする部品の素材としてこの機械構造用鋼材を使用することにより、部品の製造コストを大幅に低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「質量％」を意味する。
【００４０】
（Ａ）化学組成
Ｃ：０．１５〜０．６％
Ｃは、鋼の強度にかかわる性質を支配する重要な元素であり、その含有量は、通常、機械的性質を考慮して決定される。Ｃの含有量が０．１５％を下回るとクランクシャフトやその他の自動車用機械部品として必要な機械的性質が得られない。一方、０．６％を超えると工具寿命の低下が著しくなり、また、所望の被削性が得られない。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．６％とした。
【００４１】
なお、クランクシャフトやその他の自動車用機械部品としての硬さ、靱性、疲労強度などの機械的性質および被削性を安定して得るためには、Ｃの含有量は０．３０〜０．５５％であることが望ましい。
【００４２】
Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは、強度を高める元素であり、溶鋼の脱酸効果もある。しかし、その含有量が０．１％未満では前記の効果が期待できない。一方、Ｓｉを２．０％を超えて含有させると硬さが上昇し、また、特に軟質なフェライトに固溶しやすく剪断変形抵抗を高めるので被削性を低下させる。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜２．０％とした。Ｓｉの好ましい含有量は０．１５〜１．０％である。
【００４３】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、被削性向上に大きな効果をもたらすＭｎＳ系介在物を形成させるために重要な元素であり、溶鋼の脱酸効果もある。さらに、被削性の向上を目的としてＳを含有させる際に、鋼材の熱間加工性劣化を抑止する作用を有する。これらの効果を得るためにはＭｎの含有量を０．５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると切削抵抗が増大するので被削性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を０．５〜２．０％とした。
【００４４】
なお、Ｍｎの含有量としてより好ましい範囲は０．８〜１．７％である。また、熱処理して用いる鋼材の場合、Ｍｎは焼入れ性に大きく寄与するので、この目的のための含有量は上記範囲内で適宜選定すればよい。
【００４５】
Ｐ：０．１％以下
Ｐは、鋼中に不純物として混入する元素である。但し、固溶強化効果があり、焼入れ性を向上させる効果もあり、このような効果を狙う場合には、鋼の靱性を劣化させない範囲の０．１％以下まで含有させることができる。Ｐ含有量として望ましいのは０．０５％以下である。
【００４６】
Ｓ：０．０１５〜０．１２％
Ｓは、被削性を向上させるために必要な元素で、Ｍｎなどと結合させ、ＭｎＳ系介在物の形で存在させる。ＭｎＳ系介在物は、鋼の凝固過程においてＣａの添加によってその形態が変化しやすいので、本発明ではこのＭｎＳ系介在物の形態を同時に規定する。Ｓの含有量が０．０１５％未満では被削性向上の効果が得られない。一方、Ｓの含有量が多すぎると、熱間加工性の悪化や鋼の靱性の劣化をきたし、特に、０．１２％を超えると、熱間加工性の低下や靱性の劣化が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．０１５％〜０．１２％とした。
【００４７】
なお、被削性と機械構造用鋼材としての機械的性質を両立させるためには、Ｓの含有量は０．０２〜０．１０％とすることが好ましい。この範囲であれば良好な被削性と機械的性質が得られるが、熱処理などを施し、さらに機械構造用鋼材として適切な機械的特性と被削性を両立させるためには、Ｓの含有量は０．０３〜０．０８％であることが望ましい。
【００４８】
Ｃａ：０．０００５〜０．００３％
Ｃａは、Ｏ（酸素）およびＳとの反応性が高く、溶鋼中で酸化物および硫化物を形成する傾向を有する元素である。本発明においてはＣａは、ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3（−ＴｉＯ2）複合酸化物を形成させることで酸化物の融点を下げることができる。このため、切削時の工具表面でこの複合介在物が軟質化し工具摩耗の進行を抑えることができる。上記の効果を得るためには、Ｃａは０．０００５％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃａの含有量が多すぎるとＭｎＳの形態に影響を及ぼす。すなわち、上記の複合介在物がＭｎＳに取り込まれる割合が増えたり、また溶鋼中で酸化物の他にＣａ硫化物が形成され、このＣａ硫化物がその後のＭｎＳ形成の核になるためＣａを固溶するＭｎＳが増加する。この結果、切りくず剪断域でのＭｎＳの変形能が低下して切りくず処理性を低下させるので、Ｃａを固溶するＭｎＳが多くならないように、Ｃａの含有量は多くても０．００３％までとする必要がある。したがって、Ｃａの含有量を０．０００５〜０．００３％とした。
【００４９】
なお、より安定して本発明で規定するＭｎＳ系介在物形態とするためには、Ｃａの含有量は０．００２％以下とすることが好ましい。
【００５０】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、鋼中に不純物として混入する元素である。但し、含有させるとフェライトを強化する作用を有する元素である。しかし、Ｔｉとともに窒化物を形成してＭｎＳの形態に影響を及ぼす。すなわち、ＴｉＮを核にしてＭｎＳが形成される場合があり、結果としてＭｎＳにＴｉＮが取り込まれる。この場合には、ＭｎＳの変形能が低下し、切りくず処理性を低下させる。このため、ＴｉＮを核に形成されるＭｎＳが多くならないように、Ｎの含有量は多くても０．０２％までとする必要がある。
【００５１】
なお、より安定して本発明で規定するＭｎＳ系介在物形態とするためには、Ｎの含有量は０．０１２％以下とすることが好ましい。
【００５２】
本発明（１）に係る機械構造用鋼材の化学組成は、上述した範囲のＣからＮまでの元素を含み、残部はＦｅ及び不純物からなるが、不純物におけるＡｌ、ＴｉおよびＯはさらに制限しなければならない。
【００５３】
以下、不純物におけるＡｌ、ＴｉおよびＯに関して説明する。
【００５４】
Ａｌ：０．００５％以下
Ａｌは、溶鋼の脱酸作用が強く、結果として生じるＡｌ2Ｏ3は硬く工具寿命を低下させるとともに、ＭｎＳ中に取り込まれると、ＭｎＳの変形能が低下するので切りくず処理性が低下してしまう。よって、本発明においては酸化物系介在物がＡｌ2Ｏ3リッチにならないようにＡｌの含有量は極めて少なくする必要がある。したがって、不純物におけるＡｌの含有量を０．００５％以下とした。
【００５５】
Ｔｉ：０．００５％以下
Ｔｉは、Ｏ（酸素）やＮ（窒素）との反応性が高く、溶鋼中で酸化物や窒化物を形成する。Ｔｉの含有量が多いとこれらの生成物を核にＭｎＳが形成される場合があり、結果としてＭｎＳに硬質の酸化物や窒化物が取り込まれてＭｎＳの変形能が低下し、切りくず処理性の低下を招く。したがって、酸化物や窒化物を核に形成されるＭｎＳが多くならないように、不純物におけるＴｉの含有量は極めて少なくする必要があり、多くても０．００５％までとする。
【００５６】
なお、より安定して本発明で規定するＭｎＳ系介在物形態とするためには、Ｔｉの含有量は０．００３％以下とすることが好ましい。
【００５７】
Ｏ（酸素）：０．００５％以下
Ｏ（酸素）は、酸化物の形成に影響を及ぼし、０．００５％を超える含有では酸化物量が多くなり、これがＭｎＳに取り込まれる確率が高くなる。このため、ＭｎＳの変形能が低下し、切りくず処理性の低下を招くので、酸化物を取り込んだＭｎＳが多くならないように、不純物におけるＯの含有量は多くても０．００５％までとする必要がある。
【００５８】
なお、より安定かつ確実に本発明で規定するＭｎＳ系介在物形態とするためには、Ｏの含有量は０．００３％以下とすることが望ましい。
【００５９】
Ａｌ／Ｃａの値：１．０以下
ＡｌとＣａの含有量は、既に述べた範囲に規定した上で、さらにその含有量の比（Ａｌ／Ｃａ）が１．０以下、すなわち、前記の（１）式を満たすようにする必要がある。これは鋼中に含まれる酸化物系介在物をより安定に硬質なＡｌ2Ｏ3リッチな組成からＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3（−ＴｉＯ2）系の低融点酸化物に制御するために必要な条件で、Ａｌ／Ｃａの値が１．０を超える場合には、酸化物系介在物がＡｌ2Ｏ3リッチな組成の硬質の酸化物となるため工具寿命が低下する。したがって、ＡｌとＣａの含有量の比（Ａｌ／Ｃａ）は１．０以下、つまり（１）式を満たすこととした。
【００６０】
なお、より安定かつ確実に鋼中に含まれる酸化物系介在物をＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3（−ＴｉＯ2）系の低融点酸化物にするために、Ａｌ／Ｃａの値は０．７５以下とすることが好ましい。
【００６１】
上記の理由から、本発明（１）に係る機械構造用鋼材の化学組成を、上述した範囲のＣからＮまでの元素を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物におけるＡｌ、ＴｉおよびＯは上述の範囲を満たし、ＡｌとＣａは前記の（１）式を満たすことと規定した。
【００６２】
なお、本発明に係る機械構造用鋼材の化学組成は、必要に応じて、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｒ：２．５％以下及びＶ：０．５％以下のうちの１種又は２種を含有させることができる。すなわち、前記ＣｒとＶのうちの１種又は２種を、Ｆｅの一部に代えて、任意元素として含有させてもよい。
【００６３】
以下、上記の任意元素に関して説明する。
【００６４】
Ｃｒ：  ２．５％以下
Ｃｒは、鋼の強度を向上させる効果があり、機械構造用鋼材の高強度化には好んで添加される元素である。しかしながら、Ｃｒの含有量が多くなり、特に２．５％を超えると、強度向上効果が飽和するばかりでなく被削性を劣化させる。したがって、Ｃｒを含有させる場合の含有量を２．５％以下とした。
【００６５】
なお、前記したＣｒの効果を確実に得るためには、その含有量を０．０２％以上とすることが好ましく、０．０５％以上とすれば一層好ましい。したがって、強度向上のためにより望ましいＣｒの含有量は０．０２〜２．５％で、さらに一層望ましいＣｒの含有量は０．０５〜２．５％である。
【００６６】
良好な被削性が安定して要求される場合には、Ｃｒの含有量の上限を１．５％、より望ましくは０．５％とすることが好ましい。
【００６７】
Ｖ：０．５％以下
Ｖは、微細な窒化物や炭窒化物として析出し、鋼の強度を向上させる作用を有する。しかしながら、Ｖの含有量が多くなり、特に０．５％を超えると、上記の効果が飽和するばかりでなく、窒化物や炭化物が多く生成しすぎて鋼の被削性の劣化をきたし、靱性も低下する。したがって、Ｖを含有させる場合の含有量を０．５％以下とした。
【００６８】
なお、前記したＶの効果を確実に得るためには、その含有量を０．０５％以上とすることが好ましく、０．０７％以上とすれば一層好ましい。したがって、強度向上のためにより望ましいＶの含有量は０．０５〜０．５％で、さらに一層望ましいＶの含有量は０．０７〜０．５％である。
【００６９】
良好な被削性が安定して要求される場合には、Ｖの含有量の上限を０．３％とすることが好ましい。
【００７０】
上記のＣｒ及びＶは、そのうちのいずれか１種のみ、又は２種の複合で含有することができる。
【００７１】
上記の理由から、本発明（２）に係る機械構造用鋼材の化学組成を、本発明（１）における機械構造用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｃｒ：２．５％以下及びＶ：０．５％以下のうちの１種又は２種を含有することと規定した。
【００７２】
なお、本発明において、Ｎｉ、ＣｕおよびＭｏは、いずれも、０．０５％程度までなら、不純物として許容できる。
【００７３】
（Ｂ）加工方向に平行な断面に存在するＭｎＳ系介在物
加工方向に平行な断面に存在するＭｎＳ系介在物は、加工方向に伸ばされたものや不特定形状のものが多い。なお、既に述べたように、「加工方向に平行」とは、例えば、加工が圧延の場合には圧延方向に平行であることを、加工が鍛造の場合には鍛錬軸に平行であることを指す。
【００７４】
ＭｎＳ系介在物の形状調査に際しては、前記断面を鏡面研磨して１００倍程度の光学顕微鏡観察によって写真撮影を行い、画像解析の手法でその面積を求め、その面積を円に換算したときの直径、つまり、等価円直径が４μｍ以上のものを対象にする。これは、等価円直径が４μｍ未満のＭｎＳ系介在物は、切りくず処理性にほとんど影響を及ぼさないからである。
【００７５】
なお、等価円直径を求めるに際しては、同じ組成のＭｎＳ系介在物で、明らかに連続した介在物でありながら鏡面研磨の際に分離されてしまったと判断できるものは、１個のＭｎＳ系介在物として取り扱う。ここで、ＭｎＳ系介在物の組成は、例えば、ＥＰＭＡまたはこれと同等の微小部分の分析が可能な装置にて分析する。
【００７６】
加工方向に平行な断面に存在する等価円直径が４μｍ以上であるＭｎＳ系介在物は、前記の（２）式および（３）式を満たさなければならない。以下、このことについて説明する。
【００７７】
アスペクト比（Ｌ／Ｗ）：３未満
個々のＭｎＳ系介在物の長径および短径をそれぞれＬおよびＷとして、まず個々のＬ／Ｗの値を求める。そして、観察したＭｎＳ系介在物についてそのアスペクト比の平均値を求める。そして、このアスペクト比の平均値が３未満、つまり、前記の（２）式を満たす必要がある。
【００７８】
これは、切りくず処理性を改善するためには、切りくず生成時の剪断域における変形中のＭｎＳの変形量が大きいことが必要であるが、平均値としてのアスペクト比（Ｌ／Ｗ）が３未満であれば、切りくず生成時の剪断変形に対しその変形をＭｎＳに集中させる効果が生じるからである。
【００７９】
なお、平均値としてのアスペクト比が３を超えるような延伸したＭｎＳの場合には、剪断変形中の変形量が小さくなり、剪断変形への寄与が小さく切りくず処理性の改善効果が乏しいと考えられる。
【００８０】
（ｎ１＋ｎ２）／ｎの値：０．２以下
ｎを面積１ｍｍ2当たりのＭｎＳ系介在物の個数、ｎ１を上記面積１ｍｍ2当たりのＭｎＳ系介在物のうちで、Ｃａが質量％で０．５％以上固溶しているものの個数、さらに、ｎ２を面積１ｍｍ2当たりのＭｎＳ系介在物のうちで、異種介在物を含むものの個数として、（ｎ１＋ｎ２）／ｎの値は０．０２以下、つまり、前記の（３）式を満たす必要がある。
【００８１】
これは、Ｃａが質量％で０．５％以上固溶しているＭｎＳと異種介在物を含むＭｎＳの合計の割合が０．２を超える場合には、切りくず生成時のせん断変形に対し変形能の大きいＭｎＳによる切りくず処理性の改善効果が阻害されて、切りくず処理性が低下するからである。これに対して、前記（３）式が満たされる場合には、良好な切りくず処理性が得られる。
【００８２】
なお、さらに安定して良好な切りくず処理性を得るためには、（ｎ１＋ｎ２）／ｎの値は０．１以下であることが望ましい。（ｎ１＋ｎ２）／ｎの値は小さければ小さいほどよく、０であってもよい。
【００８３】
上記の理由から、本発明に係る機械構造用鋼材は、加工方向に平行な断面に存在する等価円直径が４μｍ以上であるＭｎＳ系介在物が前記の（２）式および（３）式を満足することと規定した。
【００８４】
なお、ＭｎＳ系介在物に含まれる「異種介在物」とは、Ａｌ2Ｏ3のような酸化物やＴｉＮのような窒化物など、硫化物以外の介在物を指す。
【００８５】
さらに、一つのＭｎＳ系介在物が、上記ｎ１に係る「Ｃａが質量％で０．５％以上固溶している」およびｎ２に係る「異種介在物を含む」を同時に満たす場合には、ダブルカウントを防ぐということから、「Ｃａが質量％で０．５％以上固溶している」ｎ１に係るものとしてカウントし、また、「異種介在物を含む」ものについては、完全にＭｎＳの内側に異種の介在物が内包されていなくてもよく、単に隣同士で接触している場合においてもこの定義に則って一つとしてカウントすることも既に述べたとおりである。
【００８６】
なお、前記のｎ、ｎ１およびｎ２は、具体的には、加工方向に平行に採取した試験片の断面（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を鏡面研磨し、光学顕微鏡観察して１００倍の倍率で一試料６４視野の写真撮影を行い、画像解析してＭｎＳ系介在物の面積を求め、その面積を円に換算したときの直径、つまり、等価円直径が４μｍ以上のＭｎＳ系介在物の数を計数することで求めるものとする。なお、上記６４視野における観察面積は総計で１．１８ｍｍ2である。
【００８７】
以下、本発明において規定するＭｎＳ系介在物の組成や形態を得るための溶製手順を例示して説明する。なお、本発明の機械構造用鋼材の製造方法は以下の手順による製造方法に限定されるものではない。
【００８８】
〈１〉先ず、炭素を少量含んだ溶鋼を真空処理すること等により、過剰な酸素の調整を行う。
【００８９】
〈２〉その後、主要のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓおよびその他の元素を目標含有量となるように成分調整し、次いで溶存酸素量を予備調整する。このとき、原料や耐火物から混入するＡｌおよびＴｉの含有量は、前記のように０．００５％以下となるように管理する。
【００９０】
〈３〉最後にＣａで処理して、鋳塊または鋳片に鋳造する。
【００９１】
上記の手順の製造方法が望ましい理由は、下記のとおりである。
【００９２】
〈１〉で溶鋼の過剰な酸素を取り除き〈２〉の成分調整時にＡｌおよびＴｉを管理した上で、〈２〉の成分調整時のＭｎとＳｉによる脱酸によって、生じる酸化物の組成を、Ａｌ2Ｏ3が過剰にならないようにする。
【００９３】
その上で、〈３〉の鋳造直前にＣａを添加することにより、〈２〉の段階で生成した酸化物をＣａを含有する低融点の酸化物、すなわち、ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3（−ＴｉＯ2）系の酸化物とし、添加したＣａがＭｎＳに固溶しないことを目的としている。
【００９４】
なお、Ａｌ2Ｏ3リッチな酸化物の存在は工具寿命と切りくず処理性を低下させるので、〈２〉の段階で含有されるＡｌは０．００５％以下であることが必要であり、こうすることでＡｌ2Ｏ3リッチの酸化物はほとんど生成しない。
【００９５】
また、ＴｉはＯ（酸素）やＮ（窒素）との反応性が高いので〈２〉の段階で含有されるＴｉも０．００５％以下であることが必要である。
【００９６】
その後の〈３〉のＣａの処理は、カルシウムシリコンなどの合金または合金鉄の形で添加されるが、Ｃａは溶鋼にほとんど溶解せず、溶鋼中の酸素および分散している酸化物と反応して、ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3（−ＴｉＯ2）系酸化物が形成される。
【００９７】
この様な脱酸調整過程でＣａの固溶量が調整されたＭｎＳ系硫化物について、アスペクト比を小さくするためには、鋳造時の冷却速度を遅くするほうがよい。例えば、鋳型の材質として断熱性の高いセラミックや砂型などを用いることが好ましく、具体的な冷却速度としては、凝固時の鋼塊または鋳片中心部において、８℃／分以下にするのがよい。
【００９８】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【実施例】
【００９９】
表１に示す化学組成を有する鋼Ａ１〜Ａ６および鋼Ｂ１〜Ｂ９を１５０ｋｇ真空溶解炉を用いて溶解し、直径２００ｍｍの鋳塊を作成した。
【０１００】
なお、表１における鋼Ａ１〜Ａ６および鋼Ｂ１〜Ｂ６は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼Ｂ７はＡｌ／Ｃａの値が、鋼Ｂ８はＣｒの含有量が、また、鋼Ｂ９はＶの含有量が、それぞれ、本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。
【０１０１】
上記の鋼のうち、鋼Ａ１〜Ａ６および鋼Ｂ７〜Ｂ９は、合金成分調整を行ってから最後にＣａ処理をし、セラミック製の鋳型に鋳造した。
【０１０２】
これに対して、鋼Ｂ１は、Ｃａ処理を他の成分の調整前に行い、鉄製の鋳型に鋳造した。
【０１０３】
また、鋼Ｂ６は、Ｃａ処理を他の成分の調整前に行い、セラミック製の鋳型に鋳造した。
【０１０４】
鋼Ｂ２〜Ｂ５は、合金成分調整を行ってから最後にＣａ処理をし、鉄製の鋳型に鋳造した。
【０１０５】
なお、凝固時の鋼塊中心部における冷却速度は、セラミック製の鋳型を用いた場合がいずれも２℃／分で、また、鉄製の鋳型を用いた場合がいずれも１０℃／分であった。
【０１０６】
【表１】
2008057021.tif 000002
【０１０７】
次いで、これらの鋼の鋼塊を１２５０℃に加熱してから１０００℃以上で仕上げる熱間加工（熱間鍛造）を行い、直径６５ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は大気中で放冷した。
【０１０８】
このようにして得られた丸棒の表面から１６．２５ｍｍの位置（丸棒の半径の１／２の位置、以下、「Ｒ／２部位置」という。）を中心にして、鍛練軸に平行に採取した試験片の断面（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を鏡面研磨し、光学顕微鏡観察して１００倍の倍率で一試料６４視野の写真撮影を行い、画像解析してＭｎＳ系介在物の面積を求め、その面積を円に換算したときの直径、つまり、等価円直径が４μｍ以上のＭｎＳ系介在物の数を計数した。なお、上記６４視野の観察面積は総計１．１８ｍｍ2である。
【０１０９】
次いで各視野において、任意に選び出した２０個の上記ＭｎＳ系介在物をＥＰＭＡを用いて定量分析し、その組成を求めてｎ１およびｎ２を計数した。
【０１１０】
また、上記のようにして作製した直径６５ｍｍの丸棒を６０ｍｍにピーリングし、さらに長さ４００ｍｍに切断して円柱状試片を作製し、これを用いて下記の条件で旋削加工を行って、切りくず処理性を調査した。
【０１１１】
すなわち、Ｐ２０種の超硬工具を使用し、無潤滑の状態で切削速度を１５０ｍ／ｍｉｎの一定条件として、送りを０．０５〜０．２５ｍｍ／ｒｅｖの範囲で０．０５ｍｍ／ｒｅｖ毎に５条件変化させ、切り込み量を１．０ｍｍ、１．５ｍｍおよび２．０ｍｍの３条件に変化させた計１５条件で旋削加工を行い、各切削条件における切りくずの外観で切りくず処理性を総合的に評価した。その評価方法は次のとおりである。
【０１１２】
図１に示すように、切りくず形状をその外観で「０〜２．０ポイント」の５段階に分類し、前記１５条件での旋削加工の合計ポイント、すなわち０ポイント（０ポイント×１５条件）〜３０ポイント（２．０ポイント×１５条件）の範囲でその合計ポイントが高い場合ほど、切りくず処理性が良好と判定した。
【０１１３】
上記の６０ｍｍにピーリングした長さ４００ｍｍの円柱状試片を下記の条件で旋削加工し、工具摩耗を調査することも行った。
【０１１４】
すなわち、Ｐ２０種の超硬工具を使用し、無潤滑の状態で切削速度を１５０ｍ／ｍｉｎ、送りを０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量を１．５ｍｍとして旋削加工し、５分加工後の逃げ面摩耗量を測定して、工具寿命を評価した。
【０１１５】
表２に、上記の各調査結果をまとめて示す。
【０１１６】
【表２】
2008057021.tif 000003
【０１１７】
表２から、化学組成および加工方向に平行な断面、すなわち、鍛錬軸に平行な断面に存在するＭｎＳ系介在物が本発明で規定する条件を満たす本発明例（試験番号１〜６）の場合、切りくず処理性と工具寿命に優れていることが明らかである。
【０１１８】
すなわち、試験番号１〜６の場合、切りくず処理性を示すポイントは１８ポイント以上で良好な切りくず処理性を有しており、また、工具摩耗量は０．１２〜０．１７ｍｍと少なく工具寿命が長い。
【０１１９】
これに対して、本発明で規定する条件から外れた比較例（試験番号７〜１５）の場合、少なくとも切りくず処理性と工具寿命のうちのいずれかの特性が劣っている。
【０１２０】
すなわち、化学組成は本発明で規定する条件を満たすが、加工方向に平行な断面に存在するＭｎＳ系介在物が本発明で規定する条件から外れた試験番号７〜１２の場合、工具摩耗量は０．１１〜０．１６ｍｍと少なく工具寿命が長いものの、切りくず処理性を示すポイントは１４．０〜１６．５ポイントで切りくず処理性が劣っている。
【０１２１】
加工方向に平行な断面に存在するＭｎＳ系介在物は本発明で規定する条件を満たすが、化学組成におけるＡｌ／Ｃａの値が本発明で規定する条件から外れた試験番号１３の場合、切りくず処理性を示すポイントは１７．５ポイントで良好な切りくず処理性を有しているものの、工具摩耗量は０．３５ｍｍと大きく工具寿命が短い。
【０１２２】
また、加工方向に平行な断面に存在するＭｎＳ系介在物は本発明で規定する条件を満たすが、化学組成におけるＣｒの含有量が本発明で規定する条件から外れた試験番号１４の場合、切りくず処理性を示すポイントは１５．０ポイントで切りくず処理性に劣り、さらに工具摩耗量は０．４１ｍｍと大きく工具寿命も短い。
【０１２３】
同様に、加工方向に平行な断面に存在するＭｎＳ系介在物は本発明で規定する条件を満たすが、化学組成におけるＶの含有量が本発明で規定する条件から外れた試験番号１５の場合、切りくず処理性を示すポイントは１５．５ポイントで切りくず処理性に劣り、さらに工具摩耗量は０．３８ｍｍと大きく工具寿命も短い。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明の機械構造用鋼材は、Ｐｂを含まないにもかかわらず、被削性、なかでも、切りくず処理性と工具寿命に優れている。したがって、切削加工を必要とする部品の素材としてこの機械構造用鋼材を使用することにより、部品の製造コストを大幅に低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】切りくず処理性評価のために、切りくず形状をその外観で「０〜２．０ポイント」の５段階に分類して示す図である。
【図１】
2008057021.tif 000004