(57)【要約】【課題】機械構造用鋼において、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高く、両者がバランスよく得られる快削鋼と、その製造方法を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％、およびＮ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる組成の鋼を溶製し、その際、特定の条件を満たす操業を行なうことにより調整された脱酸を行ない、特定の組成を有する「二重構造介在物」が所定量以上存在するとともに、Ｔｉおよび（または）Ｚｒを添加して、それらの酸化物を核として微細に分散したＭｎＳ介在物を析出させ、この微細に分散したＭｎＳ介在物が全硫化物系介在物のうち所定範囲を占めるようにする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％に加えて、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の１種または２種を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる合金組成を有し、ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％であって融点が１５００〜１７５０℃である酸化物系介在物と接して存在する、１〜４５重量％のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上であり、上記の硫化物系介在物以外の硫化物系介在物がＭｎＳとして微細に分散していることにより、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼。
【請求項２】
微細に分散した、平均粒径が１．０μｍ以上のＭｎＳ介在物の数が、Ｓ含有量０．０１％あたり５個／ｍｍ２以上である、請求項１の機械構造用鋼。
【請求項３】
硫化物系介在物の占有面積のうち、微細に分散した、平均粒径が１．０μｍ以上のＭｎＳ介在物の占有面積の割合が６０〜８５％に相当し、ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％であって融点が１５００〜１７５０℃である酸化物系介在物と接して存在する、１〜４５重量％のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積の割合が４０〜１５％に相当する請求項２の機械構造用鋼。
【請求項４】
合金組成中の［Ｏ］／［Ｎ］が０．０６以上である、請求項１の機械構造用鋼。
【請求項５】
請求項１に規定した合金成分に加えて、さらに、Ｃｒ：３．５％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０１％およびＭｇ：０．２％以下の１種または２種以上を含有する請求項１の機械構造用鋼。
【請求項６】
請求項１に規定した合金成分に加えて、さらに、Ｎｂ：０．２％以下およびＶ：０．５％以下の１種または２種を含有する請求項１の機械構造用鋼。
【請求項７】
請求項１に規定した合金成分に加えて、さらに、Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．４％以下、Ｓｅ：０．４％以下およびＴｅ：０．２％以下の１種または２種以上を含有する請求項１の機械構造用鋼。
【請求項８】
請求項１に記載した機械構造用鋼を製造する方法であって、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる組成の鋼を溶製し、その際、下記の条件を満たす操業を行なうことにより調整された脱酸を行ない、
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜８０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０−５〜１×１０−３　かつ
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０
ＣａＯ含有量が０．２〜６２％で、融点が１５００〜１７５０℃である酸化物系介在物と接して存在する、１〜４５％のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上としたのち、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の１種または２種を添加して、調整された脱酸後の鋼中のＯとＴｉおよび（または）Ｚｒとの反応により微細なＴｉ酸化物および（または）Ｚｒ酸化物を形成させ、これを含む複合酸化物を核としてＭｎＳ介在物を析出させることにより、微細に分散したＭｎＳ介在物を得ることからなる、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼の製造方法。
【請求項９】
Ｔｉを添加したとき、下記の条件が満たされるようＴｉ量、Ｎ量およびＯ量を調節することにより、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）およびＴｉＯの平均粒径分布を調整し、
［Ｔｉ］×［Ｎ］：５×１０−６〜２×１０−４
［Ｏ］／［Ｎ］：０．０６以上
ＴｉＯを核として微細に分散析出させるＭｎＳの量を確保するとともに、熱間加工時の旧オーステナイト結晶粒度を微細に保つことにより、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示す機械構造用鋼を得る請求項８の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬工具による切削を行なったときの被削性がすぐれ、しかも切屑の破砕性が高い機械構造用鋼と、その製造方法に関する。本発明はまた、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示す機械構造用鋼と、その製造方法にも関する。
【０００２】
本発明において、「二重構造介在物」の語は、酸化物を主体とする介在物が芯となり、その周囲を、硫化物を主体とする介在物が取囲んでいる構造の介在物をいう。「工具寿命比」および「寿命比」の語は、超硬工具による切削、とくに旋削において、同一のＳ含有量をもつ在来のイオウ快削鋼の工具寿命と本発明の快削鋼の工具寿命との比を意味する。ＭｎＳ介在物に関して、「微細に分散した」とは、在来の鋼中におけるＭｎＳ介在物よりは微細な粒であり、かつ、凝集あるいは集中することなく、鋼中に平均的に分布している状態を意味する。
【０００３】
【従来の技術】
被削性が高い機械構造用鋼に関する研究は長年にわたって行なわれており、出願人もこれまでに多数の提案をしてきた。最近のものとしては、特開平１０−２８７９５３号「機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼」が、ひとつの代表である。この快削鋼は、ＣａＯを８〜６２％含むカルシウムアルミネート酸化物介在物を内部に包み込んだ、長径／短径比が５以下であるような紡錘型の、Ｃａを１％以上含むカルシウム・マンガン硫化物介在物を含有することを特徴とするものである。この発明は、すぐれた被削性を実現したが、実施に当たって、ときにより被削性にバラツキが見られることが経験された。これは、カルシウム・マンガン硫化物介在物の存在形態が種々あり得るためと解される。
【０００４】
続いて出願人は、特開２０００−３４５３８号「旋削加工性に優れた機械構造用鋼」において、Ｃａ含有硫化物をＣａ含有量に従って三区分し、観察視野の面積に占める面積率を、Ｃａ含有量が４０％を超えるものをＡ、０．３〜４０％のものをＢ、０．３％未満のものをＣとするとき、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１の条件を満たすとき、旋削工具寿命が著しく延びることを開示した。
【０００５】
さらに研究を進めた出願人は、特開２０００−２１９９３６号「快削鋼」に至って、介在物の存在すべき個数を明らかにして、被削性のバラツキを軽減することに成功した。この発明の鋼は、０．１〜１％のＣａを含有する円相当直径５μｍ以上の硫化物を３．３ｍｍ２当たり５個以上含有することを特徴とする。しかし、被削性のバラツキに関して、なお改善の余地があった。
【０００６】
そこで出願人は、被削性のバラツキを改善した機械構造用鋼であって、とくに超硬工具切削性が高く、前記した工具寿命比にして５倍以上の被削性を達成した快削鋼を開発して、これも提案した（特願２００１−１７４６０６「超硬工具旋削性にすぐれた機械構造用の快削鋼」）。この快削鋼は、介在物の存在形態に特徴があって、はじめに言及した「二重構造介在物」すなわち、「ＣａＯ含有量が８〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物」が一定量以上、具体的には、「その占有面積が、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上」となるように存在することが特徴である。
【０００７】
上記のような二重構造介在物を確実に生成させることができる快削鋼の製造方法は、鋼の溶製に当たって下記の条件を満たす操業を行なうことであると、上記特許出願において開示した。
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜４０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０−５〜１×１０−３
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０　かつ
［Ａｌ］：０．００１〜０．０２０％
【０００８】
最近の研究成果に基づき、出願人は、単に工具寿命が長いだけでなく、切屑の破砕性が高く、したがって自動化された機械加工により加工するのに適した快削鋼を開発して、これもすでに提案した（特願２００１−３６２７３３）。その快削鋼は、基本的な合金組成として、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％に加えて、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の１種または２種を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる合金組成を有し、ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上であり、ＭｎＳ介在物が微細に分散している機械構造用鋼である。
【０００９】
この発明が前の発明にくらべて新しいところは、ひとつは二重構造介在物を形成する酸化物系介在物のＣａＯ含有量の下限が拡大されたことであるが、いまひとつの、そしてより重要な差異は、「ＭｎＳ介在物が微細に分散している」ことであって、これが高い切屑破砕性をもたらし、結果として工具寿命と切屑破砕性との適切なバランスを実現するものである。ＭｎＳ介在物の微細な分散は、Ｔｉおよび（または）Ｚｒを所定量添加して、微細なＴｉ酸化物、Ｚｒ酸化物または（Ｔｉ＋Ｚｒ）酸化物を形成させ、それを核としてＭｎＳを析出させることによってもたらされる。
【００１０】
この快削鋼は、機械構造用鋼に分類される多くの鋼種をカバーしているが、その適用範囲において具体的な合金組成を確立する過程において、比較的高Ｓ領域においても有用であることがわかった。すなわち前記操業条件のうちの、［Ｓ］／［Ｏ］：８〜４０の上限が８０程度まで高められることが明らかになった。一方、広い範囲の実験を重ねた結果、工具寿命と切屑破砕性とのバランスにおいて、ときにバラツキが、なお認められることを経験した。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した二重構造介在物の形態を利用することにより被削性のバラツキを改善し、工具寿命比にして５倍以上の被削性改善を可能にし、かつ切屑の破砕性を高めた機械構造用の快削鋼において、さらなる改良を加え、高い切屑破砕性が確実に得られるようにした、機械加工とくに旋削に適した鋼を提供することにある。被削性および切屑破砕性のバランスと切屑破砕性の確保とに加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示す機械構造用の快削鋼を提供することも、本発明の目的に含まれる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する、本発明の被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用の快削鋼は、基本的な合金成分として、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％に加えて、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の１種または２種を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる合金組成を有し、ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％であって融点が１５００〜１７５０℃である酸化物系介在物と接して存在する、１〜４５重量％のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上であり、上記の硫化物系介在物以外の硫化物系介在物がＭｎＳとして微細に分散していることにより、上記の特性を発揮した機械構造用の快削鋼である。
【００１３】
上記の、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性の高い機械構造用の快削鋼を製造する本発明の方法は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる組成の鋼を溶製し、その際、下記の条件を満たす操業を行なうことにより調整された脱酸を行ない、
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜８０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０−５〜１×１０−３　かつ
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０
ＣａＯ含有量が０．２〜６２％で、融点が１５００〜１７５０℃である酸化物系介在物と接して存在する、１〜４５％のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上としたのち、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の１種または２種を添加して、調整された脱酸後の鋼中のＯとＴｉおよび（または）Ｚｒとの反応により微細なＴｉ酸化物および（または）Ｚｒ酸化物を形成させ、これを含む複合酸化物を核としてＭｎＳ介在物を析出させることにより、微細に分散したＭｎＳ介在物を得ることからなる。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明の機械構造用鋼において、基本的な合金組成の鋼の組成を上記のように限定した理由は、つぎのとおりである。
【００１５】
Ｃ：０．０５〜０．８％
Ｃは強度を確保するために必要な成分であり、０．０５％未満の含有量では、機械構造用鋼としての強度が不足である。一方、ＣはＳの活量を増大させるので、多量になると、上記した［Ｓ］／［Ｏ］、［Ｃａ］×［Ｓ］、［Ｃａ］／［Ｓ］および特定の［Ａｌ］量のバランスの下で、二重構造介在物を得ることが難しくなる。Ｃを多量にすると、靱性や被削性も低くなるので、０．８％という上限を設けた。
【００１６】
Ｓｉ：０．０１〜２．０％
Ｓｉは溶製時の脱酸剤として鋼の成分となり、焼入性を高める働きもある。この効果は、０．０１％に達しない少量では期待できない。ＳｉもまたＳの活量を増大させるので、多量のＳｉの存在は、多量のＣと同じ問題を生じ、二重構造介在物の生成を妨げるおそれがある。多量のＳｉはまた、延性を損ない、塑性加工時に割れが発生しやすくなることもあって、２．０％が添加量の上限である。
【００１７】
Ｍｎ：０．１〜３．５％
Ｍｎは、硫化物を生成する重要な元素である。０．１％未満の量では、介在物の量が足りないが、３．５％を超える過大な含有量になると、鋼を硬くして被削性を低下させる。
【００１８】
Ｓ：０．０１〜０．２％
Ｓは被削性の向上にとって、有用というより、不可欠な成分であって、０．０１％以上を存在させる。本発明の目標である工具寿命比５以上を達成するには、０．０１％以上のＳを必要とする。Ｓ量が０．２％を超えると、靱性と延性を悪くするばかりか、ＣａとともにＣａＳを生成する。ＣａＳは融点が高いため、鋳造工程の障害になる。
【００１９】
Ａｌ：０．００１〜０．０２０％
酸化物系介在物の組成を適切に調整する上で必要であり、少なくとも０．００１％を添加する。０．２０％を超えると硬質のアルミナクラスターを生成し、これが鋼の被削性を損なう。Ａｌ量の調整は、本発明の快削鋼の製造過程で、ＣａやＴｉおよび（または）Ｚｒの添加に先だって行なわなければならない。この点については後述する。
【００２０】
Ｃａ：０．０００５〜０．０２％
Ｃａは、本発明の鋼にとってきわめて重要な成分である。硫化物中にＣａを含有させるために、０．０００５％以上の添加を必須とする。一方、０．０２％を上回る過剰のＣａの添加は、前記した高融点のＣａＳの生成を招き、鋳造の障害になる。
【００２１】
Ｏ：０．０００５〜０．０１％
Ｏは酸化物の生成に必要な元素である。過度に脱酸した鋼においては高融点のＣａＳが多量に生成し、鋳造の支障になるから、少なくとも０．０００５％、好ましくは０．００１５％を超えるＯが必要である。一方、０．０１％を超えるＯは、多量の硬質な酸化物をもたらし、その結果、被削性が損われるとともに、所望のカルシウム硫化物の生成が困難になる。ＣａおよびＡｌを使用して複合脱酸を行なうと、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の複合酸化物が生成し、これは低融点の介在物であって被削性にとっては好ましいが、切屑破砕性に関しては効果がない。それゆえ、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の複合酸化物の生成は最小限に抑える方がよく、このために、まずＡｌ量を前記した範囲に調節することにより脱酸の程度を適切にし、その後にＣａなどを添加するという手順を踏むべきである。
【００２２】
複合酸化物の生成に加えて、Ｏは、下に述べるように、Ｔｉおよび（または）Ｚｒと微細な酸化物を形成してこれがＭｎＳの析出核となることで、ＭｎＳを微細化する。この作用を期待するには、ある最低量のＴｉ酸化物、Ｚｒ酸化物または（Ｔｉ＋Ｚｒ）酸化物を生成させなければならないから、
［Ｏ］／［Ｎ］：０．０６以上
の条件を与える必要がある。よく知られているように、ＮはＴｉやＺｒと結合しやすく、これらの窒化物が生成すると、酸化物の生成量が不足する。
【００２３】
Ｎ：０．００１〜０．０４％
Ｎは結晶粒の粗大化を防止するのに有効な成分であり、また、Ｔｉと結合してＴｉＮを生成する上で、重要である。こうした観点から、０．００１％以上のＮの存在が必要である。過大なＮ量は鋳造欠陥などを引き起こすから、０．０４％を上限とした。
【００２４】
Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の１種または２種
微量のＴｉまたはＺｒは、ＣａおよびＡｌで脱酸された鋼中のＯと結合して、微細な酸化物を形成する。これがＭｎＳの析出に対し、核としてはたらくので、ＭｎＳを微細に分散させるのに役立つ。ＴｉとＺｒとは、２種併用（たとえば、Ｔｉ：０．００５％＋Ｚｒ：０．０１５％）することが、ＭｎＳの微細化効果が高く、有利である。二重構造介在物およびその他の酸化物の生成に影響を与えずに、適量のＴｉ酸化物またはＺｒ酸化物を生成させるためには、ＴｉおよびＺｒの量を、上記した０．００２〜０．０１０％および０．００２〜０．０２５％の範囲に調整する必要がある。本発明の構造用鋼において必須である二重構造介在物を確実に生成させるには、上述のように、調整された脱酸を実施したのちに、Ｔｉおよび（または）Ｚｒの添加を行なうことが肝要である。
【００２５】
Ｔｉはまた、微細なＴｉ（ＣＮ）を生成した場合、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒度の成長を抑制する作用がある。これを期待するには、上記の下限量である０．００２％以上のＴｉの存在と、
［Ｔｉ］×［Ｎ］：５×１０−６〜２×１０−４
の条件とを与える必要がある。本発明の鋼においてこのバランスを達成したものは、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示し、この性質が要求されるクランクシャフトやコンロッドの材料として好適である。
【００２６】
不純物として不可避なＰについていえば、これは靱性にとっては有害な成分であって、０．２％を超えて存在させることはできないが、一方でＰは、被削性とくに仕上面性状を改善する成分でもある。この効果は、０．００１％以上の存在で認められる。
【００２７】
本発明の機械構造用の快削鋼は、上記した基本的な合金組成に加えて、鋼の用途により必要となるところに従い、つぎのグループに属する元素の１種または２種以上を、下に規定する組成範囲内で、追加的に含有することができる。それらの変更態様において、任意に添加することができる各合金成分の働きと組成範囲の限定理由を、つぎに述べる。
【００２８】
Ｃｒ：３．５％以下、Ｍｏ：２．０％以下
ＣｒおよびＭｏは、焼入性を高めるので、適量を添加するとよい。しかし、多量に添加すると熱間加工性を損ねて、割れを招く。コスト面の配慮もあって、それぞれの上限を、Ｃｒは３．５％、Ｍｏは２．０％と定めた。
【００２９】
Ｃｕ：２．０％以下
Ｃｕは、組織を緻密にし、強度を高める。多量の添加は、熱間加工性にとっても、被削性にとっても好ましくないから、２．０％以下の添加に止める。
【００３０】
Ｎｉ：４．０％以下
Ｎｉも、ＣｒおよびＭｏと同様に焼入性を高めるが、被削性にはマイナスの存在である。それと、コストを考えて、４．０％を上限とした。
【００３１】
Ｂ：０．０００５〜０．０１％
Ｂは微量の添加で焼入性を高める。この効果を得るには、０．０００５％以上の添加を必要とする。０．０１％を超える添加は、熱間加工性を損ねて有害である。
【００３２】
Ｍｇ：０．２％以下
Ｍｇは、二重構造介在物の核となる酸化物系介在物をつくる作用がある。過剰のＭｇの添加はＭｇＳの生成を招く。ＭｇＳはＣａＯと反応してＣａＳを生成させ、これが鋳造の障害となる。そこで、添加量は０．２％を限界とする。
【００３３】
Ｎｂ：０．２％以下
Ｎｂは、高温における結晶粒の粗大化を防ぐ上で有用である。その効果は量の増大につれて飽和するので、０．２％以下の範囲で添加するのが得策である。
【００３４】
Ｖ：０．５％以下
ＶはＣやＮと結合して炭窒化物をつくり、結晶粒を微細化する。この効果は、０．５％を超えると飽和する。
【００３５】
Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．４％以下
どちらも、被削性改善元素である。Ｐｂは、単独で、または硫化物の外周に付着する形で存在し、それ自身が被削性を高める。０．４％という上限は、これ以上のＰｂを添加しても鋼に溶解せず、凝集・沈殿して鋼の欠陥になることを理由に設けた。Ｂｉも同様である。
【００３６】
Ｓｅ：０．４％以下、Ｔｅ：０．２％以下
これらも、被削性改善元素である。それぞれの上限０．４％、０．２％、０．１％および０．０５％は、熱間加工性への悪影響を考慮して定めた。
【００３７】
本発明にしたがう機械構造用の快削鋼の内部に存在する介在物は、図１に見るように、二重構造介在物とＭｎＳ介在物とである。二重構造介在物は、ＥＰＭＡ分析によれば、芯部がＣａ，Ｍｇ，ＳｉおよびＡｌの酸化物であり、その周囲を、ＣａＳを含有するＭｎＳが取囲んでいる。ＭｎＳ介在物は、微細に分散している。これに対し、単にＭｎＳの被削性改善効果を求めた従来の快削鋼の中におけるＭｎＳ介在物は、図２に見るように大型であって、鋼が圧延されたときは、圧延により伸張されている。
【００３８】
二重構造介在物の形態およびその存在量は、後に論じる機構を通じて、本発明で目標とした、工具寿命比５という被削性を達成するとともに、高い切屑破砕性を実現し、両者を好適にバランスさせるために必要なものである。その意義については、さきの発明の開示に当たって一部は述べたところであるが、新しい知見も加わったことでもあり、以下に説明する。
【００３９】
ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物、すなわち特定の組成をもった二重構造介在物の占有面積が、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上であること：
上記の条件を満たす介在物の占有面積と、超硬工具による旋削を行なったときに得られる工具寿命と、同一Ｓ含有量のイオウ快削鋼が示す工具寿命に対する比との相関を、図３のグラフに示す。このデータは、本発明に従うＳ４５Ｃ系の快削鋼に対して旋削を行なって得たものであって、工具寿命比５以上の結果は、二重構造介在物が２．０×１０−４ｍｍ２以上を占めたときに達成できることを示している。
【００４０】
硫化物系介在物の占有面積のうち、微細に分散した、平均粒径が１．０μｍ以上のＭｎＳ介在物の占有面積の割合が６０〜８５％に相当し、ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％であって融点が１５００〜１７５０℃である酸化物系介在物と接して存在する、１〜４５重量％のＣａを含有する硫化物系介在物、すなわち二重構造介在物の占有面積の割合が４０〜１５％に相当すること：
工具寿命にとっては、全硫化物系介在物のうち、二重構造をもつものが多いほど有利である。本発明で目標とした工具寿命比５を達成するには、二重構造の硫化物系介在物が全硫化物系介在物の少なくとも１５％を占める必要がある。この関係を図４のグラフに示す。一方、切屑破砕性を高くするという観点からは、二重構造でない単なる硫化物系介在物の割合が、ある限度を下回ってはならないことがわかった。それが、二重構造の硫化物系介在物が全硫化物系介在物の４０％を超えない、という条件である。この裏付けは、図５のグラフに求めることができる。
【００４１】
図５のグラフは、回転曲げ疲労限に関しても、二重構造介在物の面積率が４０％以下であることの意義を示している。すなわち、クランクシャフトやコンロッドのように、繰り返し曲げ応力を受ける部品には、回転曲げ疲労限（それ以下の応力であれば、繰り返し加わっても疲労破壊を起こさないという限界の応力値）が高いことが要求される。二重構造介在物が優勢となって、その面積率が４０％を超えるレベルになると、巨大な二重構造介在物が生成し、それを起点としてクラックが生じ破壊に至る、という機構によって回転曲げ疲労限が低下する。そこで、二重構造介在物の面積率は４０％以下であることが望ましいわけである。
【００４２】
上述したような介在物の形態を実現するための条件が、これも前記した操業条件である。それらの条件がもつ意義についても、さきに開示した発明に関してすでに説明したところであるが、本発明にとっても重要であるから、以下にその説明を再掲する。
【００４３】
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜８０
種々のＳ含有量およびＯ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比５以上の目標を達成できるか否かを、異なるプロットにより区別したのが、図７のグラフである。目標を達成したもの（●プロット）は、［Ｓ］／［Ｏ］＝８の直線と［Ｓ］／［Ｏ］＝８０の直線とに挟まれた三角形の領域内にあり、そうでないもの（×プロット）は領域外にあることがわかる。
【００４４】
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０−５〜１×１０−３
上記と同様に、種々のＳ含有量およびＣａ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比５以上の目標を達成できるか否かを示したのが、図８のグラフである。目標を達成したもの（●プロット）は、［Ｃａ］／［Ｓ］が０．０１である直線と０．２０である直線とに挟まれ、かつ、［Ｃａ］×［Ｓ］が１×１０−５である直線と１×１０−３である直線とに挟まれた四辺形の領域に集中していることがわかる。上記の［Ｓ］／［Ｏ］、［Ｃａ］／［Ｓ］および［Ｃａ］×［Ｓ］の条件を同時にみたすものは、すべて工具寿命比５以上の目標を達成している。
【００４５】
本発明の機械構造用鋼がすぐれた被削性を示す理由として発明者らが考えているのは、二重構造介在物による、工具表面のよりよい保護および潤滑という機構である。これもさきの発明の開示に含めてあるが、再度説明する。
【００４６】
二重構造介在物は、芯部がＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の複合酸化物であり、その周りを（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ系の複合硫化物が取り巻いている。この酸化物は、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の中では低融点のものであり、一方、複合硫化物は、単純な硫化物ＭｎＳよりも高融点である。この二重構造介在物は、酸化物をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の低融点のものにすることにより、確実に硫化物が酸化物を取り巻く形で析出する。切削にあたって硫化物系介在物が軟化して工具表面を被覆し、保護するという作用はよく知られているが、硫化物だけしか存在しないと、この被膜の生成および維持は安定しない。さきの発明の発明者らが見出したところでは、硫化物系介在物にＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の低融点酸化物が共存すると、被膜が安定に生成する上、（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ系の複合硫化物は、単純なＭｎＳよりも、潤滑性能が高い。
【００４７】
（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ系の複合硫化物が工具表面に被膜を形成する意義は、「熱拡散摩耗」とよばれる超硬工具の摩耗を抑制する効果にある。熱拡散摩耗は、工具が切削対象から生じる切り屑に高温で接すると、工具材料を構成するタングステン・カーバイドＷＣに代表される炭化物が熱分解して、Ｃが切り屑金属中に拡散して失われる結果、工具が脆くなって進む摩耗である。潤滑性の高い被膜が工具表面に生成すると、工具の温度上昇が防がれて、Ｃの拡散が抑制される。
【００４８】
本発明の快削鋼の二重構造介在物ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３／（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓは、観点を変えてみれば、従来のイオウ快削鋼の介在物であるＭｎＳと、従来のカルシウム快削鋼の介在物であるアノルサイトＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２との、それぞれの利点を併せもつものということができる。ＭｎＳは、工具表面において潤滑性を示すが、被膜の安定性がいまひとつであり、熱拡散摩耗に対しては無力である。一方、ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２は、安定な被膜を形成して熱拡散摩耗を防ぐが、潤滑性に乏しい。これに対し本発明の二重構造介在物は、安定な被膜を形成して熱拡散摩耗を効果的に防止するとともに、よりよい潤滑性を示す。
【００４９】
このような二重構造介在物の生成は、前述のように低融点の複合酸化物を用意することから始まるので、まず［Ａｌ］量が重要であって、少なくとも０．００１％の存在が必要である。［Ａｌ］が多量に過ぎると、複合酸化物の融点が高くなってしまうから、０．０２０％以内にする。つぎに、ＣａＳの生成量を調節するために、［Ｃａ］×［Ｓ］および［Ｃａ］／［Ｓ］を、前記した値にコントロールするわけである。
【００５０】
上述した機構は仮説ではなく、事実に即したものであることが、さきの発明において、その快削鋼を旋削した後の超硬工具表面の状態と、そこに付着した溶融介在物の分析結果とを、在来のイオウ快削鋼を旋削した場合との対比によって明らかになった。
【００５１】
本発明の機械構造用の快削鋼を特徴づける切屑破砕性のよさは、前述のようにＭｎＳ介在物の微細化によってもたらされる。介在物量が一定であることを前提にすると、微細化は介在物の数の増大を意味する。本発明の鋼におけるＭｎＳ介在物の量は、主としてＳ含有量によって決定される。Ｓ量は０．０１〜０．２％にわたって変化するから、ＭｎＳ量もまたそれに伴って変化し、微細化した介在物の個数も増減する。本発明の鋼の中では、ＭｎＳ介在物は、在来の鋼中のＭｎＳ介在物よりは微細であるが、それらの中で、存在が切屑破砕性に影響するものは、やはり平均粒径が１．０μｍ以上のものである。（ここで、「平均粒径」とは、顕微鏡視野に表われた粒子断面の長径と短径との平均値をいう。）
【００５２】
Ｓ含有量は異なるが、いずれも切屑破砕性の高い本発明の鋼について、平均粒径１．０μｍ以上のＭｎＳ介在物の単位断面積（ｍｍ２）あたりの存在個数を、倍率４００倍の光学顕微鏡を用いて調査したところ、下記の表１に示す介在物数が得られ、Ｓ量との関係も、ほぼ一定であることがわかった。
【００５３】
表１
2004091886.tif 000003
【００５４】
このデータから、さまざまなＳ含有量の範囲にわたって、ＭｎＳ介在物の個数がＳ含有量０．０１％あたり５個／ｍｍ２以上であれば、良好な切屑破砕性が確保できることが結論された。この事実を明確に示すのが、図９のグラフである。このグラフは、ＭｎＳ介在物のうちで、上記した、平均粒径は１．０μｍ以上であるが在来の鋼中のＭｎＳ介在物よりは微細であるものが、全体の何％を占めるかと、切屑破砕性との関係をプロットしたグラフであって、微細なＭｎＳ介在物の割合が高くなると、切屑破砕性指数が高くなることを示している。
【００５５】
【実施例】
下記の実施例および比較例の表において、番号が大文字（Ａ，Ｂ，…）で始まるものは実施例であり、小文字（ａ，ｂ，…）で始まるものは比較例である。溶製した合金はインゴットに鋳造し、このインゴットから径７２ｍｍの丸棒型の試験片を採取して、試験に供した。各試験の方法と評価は、つぎのとおりである。
【００５６】
［硫化物系介在物の占有面積］
ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％であって融点が１５００〜１７５０℃である酸化物系介在物と接して存在する、１〜４５重量％のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積を調べ、視野面積３．５ｍｍ２当たり２．０×１０−４ｍｍ２以上の占有面積を有する場合を良好（○印）、そうでない場合を不良（×印）とした。
【００５７】
［二重構造介在物の面積率］
顕微鏡写真（倍率２００倍）を撮り、全硫化物系介在物を単純な硫化物と二重構造介在物とに分け、全硫化物系介在物の面積の中で二重構造介在物が占める割合（％）を算出した。
【００５８】
［被削性］
超硬工具を用いた、つぎの条件の旋削を行なって、
速度：２００ｍ／分
送り：０．２ｍｍ／回転
深さ：２．０ｍｍ
Ｓ含有量が０．０１〜０．２％の範囲にあるイオウ快削鋼の工具寿命を標準として、つぎのようにランク付けをした。工具寿命は、横逃げ面平均摩耗幅が０．２ｍｍになるまでの加工時間で評価した。
その５倍の工具寿命が達成できたとき被削性良好（○印）
２倍以上５倍未満のとき被削性可（△印）
２倍未満のとき被削性不良（×印）
【００５９】
［保護被膜］
切削時に工具の表面に保護被膜が形成されるか否かを観察し、つぎのように評価した。
被膜形成が十分であるとき：○印
被膜形成は認められるが不十分なとき：△
被膜形成がほとんど認められないとき：×
【００６０】
［切屑の破砕性］
下記の条件で切削した場合の切屑を採取し、
速度：１５０ｍ／分
送り：０．０２５〜０．２００ｍｍ／回転
深さ：０．３〜１．０ｍｍ
工具：ＤＮＭＧ１５０４８０−ＭＡ
その長さによって０〜４点の点数をつけ、３０切削条件の合計点数を「切屑破砕性指数」とした。同一イオウ含有量のイオウ快削鋼の切屑破砕性指数と比較した結果に従って、つぎのように評価した。
より高い場合を良好（○印）
同点または低い場合を不良（×印）
【００６１】
［実施例１］
Ｓ４５Ｃ系の鋼に対して本発明を適用した。鋼の合金組成を表２（実施例）および表３（比較例）に示した。各快削鋼の製造条件、特定成分の比率、ならびに工具寿命および切屑破砕性など、成績に関するデータを、まとめて表４（実施例）および表５（比較例）に示した。
【００６２】
［実施例２］
Ｓ１５Ｃ系の快削鋼について、実施例１と同様に、合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表６（実施例および比較例）に、成績のデータを表７（実施例および比較例）に、それぞれ示す。
【００６３】
［実施例３］
Ｓ５５Ｃ系快削鋼について、実施例１と同様に、合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表８（実施例および比較例）に、成績のデータを表９（実施例および比較例）に、それぞれ示す。
【００６４】
［実施例４］
ＳＣＲ４１５系快削鋼について、実施例１と同様に合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表１０（実施例および比較例）に、成績のデータを表１１（実施例および比較例）に、それぞれ示す。
【００６５】
［実施例５］
ＳＣＭ４４０系快削鋼について、実施例１と同様に合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表１２（実施例および比較例）に、試験結果を表１３（実施例および比較例）に、それぞれ示す。
【００６６】
2004091886.tif 000004
【００６７】
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【００６８】
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【００６９】
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【００７０】
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【００７１】
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【００７２】
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【００７３】
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【００７４】
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【００７５】
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【００７６】
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【００７７】
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【００７８】
【発明の効果】
本発明の機械構造用の快削鋼においても、さきに開示した快削鋼と同じ被削性が実現している。すなわち、高い被削性をもたらす介在物である二重構造介在物が最適の形態で存在するから、切削とくに超硬工具旋削において、在来のイオウ快削鋼に対して工具寿命が５倍以上という目標を容易に達成することができる。
【００７９】
さきに開示した快削鋼において可能になった高い切屑破砕性は、微量のＴｉ（またはＺｒ）を添加して、微細に分散したＭｎＳ介在物を形成させたことによりもたらされたものであり、この効果もまた、本発明の機械構造用の快削鋼において実現している。切屑破砕性が高いことは、いうまでもなく、旋削にとってとりわけ好都合である。鋼中に微細なＴｉ（ＣＮ）を生成させた製品は、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒の成長を抑制することができるから、被削性および切屑破砕性に加えて、疲労強度や曲げ矯正性が高く、このような性質が要求される用途にとって有用である。
【００８０】
本発明の製造方法は、上記のような機械構造用の快削鋼を確実に製造できる方法であって、Ｃａなどの添加に先立ってＡｌ量を調整することにより、調整された脱酸を行なって二重構造介在物を有利に形成させ、さらに適切なタイミングで、つまり調整脱酸により二重構造介在物が形成させたのちに適量のＴｉを添加することにより、ＭｎＳ介在物が微細に分散している上に、二重構造介在物が全硫化物系介在物の一定量を占めることにより、工具寿命と切屑破砕性とのバランスが好ましい快削鋼を得ることができる。Ｔｉ量とともにＯ量およびＮ量を適切にえらんでこの製造方法を実施すれば、鋼中に微細なＴｉ（ＣＮ）が生成し、疲労強度や曲げ矯正性が改善された機械構造用の快削鋼が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがう機械構造用の快削鋼中の、介在物の形状を示す顕微鏡写真。
【図２】在来のイオウ快削鋼中の、介在物の形状を示す顕微鏡写真。
【図３】機械構造用の快削鋼中において、「二重構造介在物」が占める面積と工具寿命比との関係を示すグラフ。
【図４】機械構造用の快削鋼中において、「二重構造介在物」が全硫化物系介在物の面積に占める率と工具寿命比との関係を示すグラフ。
【図５】機械構造用の快削鋼中において、「二重構造介在物」が全硫化物系介在物の面積に占める率と、ドリル加工能率および回転曲げ疲労限との関係を示すグラフ。
【図６】機械構造用の快削鋼における、Ａｌ含有量と工具寿命比との関係をプロットしたグラフ。
【図７】種々のＳ含有量およびＯ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、「二重構造介在物」が得られたか否かを示したグラフ。
【図８】種々のＳ含有量およびＣａ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比５以上の目標が達成できたか否かを示したグラフ。
【図９】機械構造用の快削鋼中において、ＭｎＳ介在物中の微細ＭｎＳが占める割合と切屑破砕性指数との関係を示したグラフ。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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