(57)【要約】【課題】機械構造用鋼において、切屑破砕性にすぐれた快削鋼を提供すること。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％とともに、ＣａまたはＣａ＋Ｍｇ：０．０００５〜０．０２％、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％および（または）Ｚｒ：０．００２〜０．０２５％、Ｏ：０．０００５〜０．０１０％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する鋼であって、平均粒径が１．０μｍ以上であるＭｎＳ介在物が、Ｓ含有量０．０１％あたり５個／ｍｍ２以上存在しており、顕微鏡視野において、（面積［μｍ２］／アスペクト比）≧１０の条件を満たすとともに１．０重量％以上のＣａを含有するＣａ含有硫化物系介在物の占める面積が、全硫化物系介在物が占める面積のうちで１５〜４０％の範囲にある鋼。【選択図】　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械構造用鋼として必要な合金成分を含有する鋼であって、平均粒径が１．０μｍ以上であるＭｎＳ介在物が、Ｓ含有量０．０１％あたり５個／ｍｍ２以上存在しており、顕微鏡視野において、（面積［μｍ２］／アスペクト比）≧１０の条件を満たすとともに１．０重量％以上のＣａを含有するＣａ含有硫化物系介在物の占める面積が、全硫化物系介在物が占める面積のうちで１５〜４０％の範囲にあり、かつ、旋削に当り工具表面に硫化物系被膜が形成されて切屑のカール半径を小さくすることを特徴とする、ＰｂもＢｉも含有しない切屑破砕性にすぐれた機械構造用鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％とともに、Ｃａ単独またはＣａおよびＭｇの両方（併用の場合は合計量で）：０．０００５〜０．０２％、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の一方または両方、ならびにＯ：０．０００５〜０．０１０％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することを特徴とする請求項１の切屑破砕性にすぐれた機械構造用鋼。
【請求項３】
請求項２に規定した合金成分に加えて、さらに、Ｓｅ：０．４％以下、Ｔｅ：０．２％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下の１種または２種以上を含有する切屑破砕性にすぐれた機械構造用鋼。
【請求項４】
請求項２または３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％以下およびＢ：０．０００５〜０．０１％の１種または２種以上を含有する切屑破砕性にすぐれた機械構造用鋼。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか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種を含有する切屑破砕性にすぐれた機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬工具による切削を行なったときの切屑破砕性にすぐれた機械構造用鋼に関する。本発明の機械構造用鋼は、その中の硫化物系介在物の形態に特徴を有する。
【０００２】
本発明において、「Ｃａ含有硫化物系介在物」の語は、ＣａＯ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。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子であり、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。「アスペクト比」とは、試料を圧延方向に平行に切断して観察したときに見える介在物粒子の、長径を短径で割った値である。
【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、さまざまな被削性改善元素を添加した鋼が開発されている。イオウ快削鋼、テルル快削鋼、カルシウム快削鋼、鉛快削鋼、イオウ−カルシウム快削鋼などである。
これらの中で、鉛快削鋼は、鋼の機械的特性をほとんどそこなうことなく被削性を改善できるという点ですぐれたものであるか、近年は、とくに環境問題が重視され、Ｐｂフリーの快削鋼が要求されることが多い。
【０００４】
ところが、Ｐｂフリーの快削鋼に共通する問題は、切屑の破砕性にある。よく知られているとおり、自動化された機械加工においては、工具寿命もさることながら、切屑の破砕性がよくないと、工具やワークに切屑がからんだり、チップコンベアによる搬送不良が起こったりして、自動化に支障が生じやすい。鉛快削鋼のすぐれた切屑破砕性の享受をあきらめるとすると、Ｐｂフリー快削鋼の主流をなすイオウ快削鋼やイオウ−カルシウム快削鋼において、切屑破砕性を改善しなければならない。
【０００５】
切屑破砕性の改善を、被削性を担う硫化物系介在物の形態を制御することによって実現する努力がなされているが、現状では十分な切屑破砕性が得られたとはいえないし、バラツキが大きくて、常にある程度の切屑破砕性を確保するには至っていない。
【０００６】
出願人らも、この分野において、これまでに研究開発を重ねてきた。はじめに述べたＣａ含有硫化物系介在物、すなわちＣａＯを主体とする介在物が芯となり、その周囲を硫化物主体の介在物が取囲んでいる構造の介在物の存在が有用であることの発見は、その一部である。
【０００７】
硫化物系介在物の形態制御による、工具寿命の延長に加えた切屑破砕性の向上と、その一定レベルの確保という問題に関して最近得られた知見は、まず、良好な切屑破砕性の実現には、多数の微細な硫化物系介在物が存在する必要があるということである。具体的には、平均粒径が１．０μｍ以上であるＭｎＳ介在物が、Ｓ含有量０．０１％あたり５個／ｍｍ２以上存在しているという条件である。
【０００８】
しかし、微細な硫化物系介在物が存在するだけでは十分でなく、切削に当たって、工具表面に、切屑との摩擦係数が小さい被膜を形成するような硫化物系介在物が存在する必要のあることもわかった。工具表面に切屑との摩擦係数が小さい硫化物系被膜が形成されると、その被膜が、切屑が発生したときにくるくると巻く「カール半径」を小さくする効果があり、その結果、切屑が破砕されやすくなる、というのがその機構である。このような硫化物系被膜は、特定の形状を有するＣａ含有硫化物系介在物が全硫化物系介在物のうちで、特定の量的な範囲を占めるときに限って実現することが明らかになったのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した新しい知見に基づいて、機械構造用の快削鋼における介在物、とくに硫化物系介在物の形態を制御して、良好な工具寿命を享受するとともに、切屑の破砕性を高めて機械加工の自動化を容易にした機械構造用の快削鋼を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する、本発明の切屑破砕性にすぐれた機械構造用鋼は、機械構造用鋼として必要な合金成分を含有する鋼であって、平均粒径が１．０μｍ以上であるＭｎＳ介在物が、Ｓ含有量０．０１％あたり５個／ｍｍ２以上存在しており、顕微鏡視野において、（面積［μｍ２］／アスペクト比）≧１０の条件を満たすとともに１．０重量％以上のＣａを含有するＣａ含有硫化物系介在物の占める面積が、全硫化物系介在物が占める面積のうちで１５〜４０％の範囲にあり、かつ、旋削に当り工具表面に硫化物系被膜が形成されて切屑のカール半径を小さくすることを特徴とする、ＰｂもＢｉも含有しない機械構造用鋼である。
【００１１】
機械構造用鋼として必要な合金成分を含有する鋼の代表は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％とともに、Ｃａ単独またはＣａおよびＭｇの両方（併用の場合は合計量で）：０．０００５〜０．０２％、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の一方または両方、ならびにＯ：０．０００５〜０．０１０％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するものである。
【００１２】
【発明の実施形態】
本発明の機械構造用鋼において、代表的な合金組成をもつ鋼の成分とその組成範囲を上記のように限定した理由は、つぎのとおりである。
【００１３】
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、Ｃａ含有硫化物系介在物を得ることが難しくなる。それとともに、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。
【００１４】
Ｓｉ：０．０１〜２．５％
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が存在する場合と同じ問題を生じ、Ｃａ含有硫化物系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、２．５％が添加量の上限である。
【００１５】
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。
【００１６】
Ｓ：０．０１〜０．２％
Ｓは硫化物を形成するために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。
【００１７】
Ｃａ単独またはＣａとＭｇの両方（併用の場合は合計で）：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。Ｃａの一部をＭｇで置き換えることができるが、その場合も、Ｃａの量は上記の下限値０．０００５％を下廻らないことが望ましい。
【００１８】
Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％およびＺｒ：０．００２〜０．０２５％の一方または両方
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種併用することが、ＭｎＳの微細化効果が高く、有利である。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％、０．００２〜０．０２５％の範囲に調整する必要がある。
【００１９】
Ｏ：０．０００５〜０．０１０％
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。
【００２０】
不純部として不可避な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。
【００２１】
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。
【００２２】
Ｓｅ：０．４％以下、Ｔｅ：０．２％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下の１種または２種以上
これらは、被削性改善元素である。それぞれの上限０．４％、０．２％および０．０５％は、熱間加工性に悪影響があることと、過剰の添加が微細な硫化物系介在物の生成を妨げることを考慮して定めた。
【００２３】
Ｃｒ：３．５％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下およびＢ：０．０００５〜０．０１％の１種または２種以上
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。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。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。Ｂは微量の添加で焼入性を高める。この効果を得るためには、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。
【００２４】
Ｎｂ：０．２％以下およびＶ：０．５％以下の１種または２種
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。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。
【００２５】
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、Ｃａ含有硫化物系介在物とＭｎＳ介在物とである。Ｃａ含有硫化物系介在物は、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が取囲んだ二重構造を有している。本発明の鋼中で、ＭｎＳ介在物は、微細に分散している。これに対し、単にＭｎＳがもたらす被削性改善効果を求めた従来の快削鋼の中では、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、圧延により伸展されている。
【００２６】
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、前述のように一面では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、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。
【００２７】
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。）
【００２８】
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。そしてこのデータから、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。
【００２９】
表１　ＭｎＳ介在物の存在個数
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【００３０】
１．０重量％以上のＣａを含有するＣａ含有硫化物系介在物であって（面積［μｍ２］／アスペクト比）≧１０の条件を満たすものが、占める面積が、全硫化物系介在物の占める面積の１５〜４０％に相当すること：
介在物が前述した二重構造をとるためには、Ｃａ含有硫化物系介在物が１．０重量％以上のＣａを含有することが必要である。逆の観点からいえば、Ｃａ含有量が１．０重量％以上（つまり、酸化物系介在物の代表であるＣａＯがこれに対応する量以上）ある介在物が、本発明で制御の対象として有意義な介在物であるということになる。（面積［μｍ２］／アスペクト比）≧１０の条件を満たす介在物とは、一口でいえば、比較的大型であって、あまり伸展されていないもののことである。
【００３１】
そのような、比較的大型であってあまり伸展されていないＣａ含有硫化物系介在物の存在意義は、図３のグラフに見ることができる。このグラフは、介在物のアスペクト比と面積との関係をプロットしたものであって、斜めに引いた実線の直線が（面積［μｍ２］／アスペクト比）＝１０である。
【００３２】
上記のＣａ含有硫化物系介在物が全硫化物系介在物のうち、面積率にして１５〜４０％の範囲にあることが、切屑破砕性にとって有意義であることは、図４のグラフに見ることができる。このグラフは、Ｃａ含有硫化物系介在物の面積率と、実施例に関して後述する切屑破砕指数との関係をプロットしたものであって、Ｓ含有量０．０４５〜０．０５５％のＳ４５Ｃを対象に得たデータである。同じＳ量の在来イオウ快削鋼と対比してあり、従来品を上回る切屑破砕性は、面積率１５〜４０％の範囲において得られることを示している。
【００３３】
これを別の観点から解釈すると、まずＣａ含有硫化物系介在物の面積率が１５％に達しないときは、工具表面に付着して工具を被覆する介在物の成分中で、ＭｎＳが多くなることが指摘される。ＭｎＳは融点が低いが、その潤滑被膜の安定性が低くて被膜が持続しにくいため、切屑破砕性はよくならない。一方、Ｃａ含有硫化物系介在物の面積率が４０％を超える多量になると、全硫化物系介在物中のＭｎＳの量が相対的に低くなり、前記した、平均粒径が１．０μｍ以上であるＭｎＳ介在物がＳ含有量０．０１％あたり５個／ｍｍ２以上存在する、という前提条件の確保が困難になるということが考えられる。
【００３４】
本発明の機械構造用鋼がすぐれた切屑破砕性を示す理由は、旋削に当り硫化物系介在物が工具表面に溶融被膜を形成して、発生する切屑のカール半径を小さくするという機構にある。この硫化物系介在物の溶融被膜は、高い潤滑性を示すため、カール半径を小さくするのに役立っていると考えられる。
【００３５】
【実施例】
下記の実施例および比較例において行なった試験の方法について説明すれば、ＭｎＳ介在物の在個数の測定法は前記したとおりであり、その他の試験は、それぞれつぎのとおりである。
【００３６】
［Ｃａ含有硫化物系介在物の面積率］
顕微鏡写真（倍率２００倍）を撮影し、全硫化物系介在物を、ＥＰＭＡ分析により、単純な硫化物と二重構造をもったＣａ含有硫化物系介在物とに分け、全硫化物系介在物の占める面積の中で、二重構造介在物が占める面積の割合を算出した。
【００３７】
［潤滑被膜］
超硬工具を使用して旋削を行ない、工具に溶融した介在物の皮膜が形成されるか、形成された被膜は安定に存在するかを観察し、また、ＥＰＭＡ分析により、被膜の成分が何であるかを分析した。
【００３８】
［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、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。
速度：１５０ｍ／分
送り：０．０２５〜０．２００ｍｍ／回転
深さ：０．３〜１．０ｍｍ
工具：ＤＮＭＧ１５０４８０−ＭＡ
同一イオウ含有量のイオウ快削鋼に比べて切屑破砕性指数が高い場合を良好（○印）、同点または低い場合を不良（×印）とした。
【００３９】
［実施例１］
Ｓ４５Ｃ系の鋼に対して本発明を適用した。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。
鋼の合金組成と試験結果を、表２（実施例）および表３（比較例）に示した。
【００４０】
［実施例２］
Ｓ１５Ｃ系の快削鋼について、実施例１と同様に、合金の溶製および切削試験を行なった。合金組成および試験結果を表４（実施例）および表５（比較例）に示す。
【００４１】
［実施例３］
Ｓ５５Ｃ系快削鋼について、実施例１と同様に、合金の溶製および切削試験を行なった。合金組成および試験結果を表６（実施例）および表７（比較例）に示す。
【００４２】
［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切削試験を行なった。合金組成および試験結果を表８（実施例）および表９（比較例）に示す。
【００４３】
［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切削試験を行なった。合金組成および試験結果を表１０（実施例）および表１１（比較例）に示す。
【００４４】
以下の各表において、下記の語はそれぞれつぎの意味を有する。
硫化物面積率：顕微鏡視野において、全硫化物系介在物の面積のうちで１重量％
以上のＣａを含有する硫化物系介在物の面積が占める割合（％）
ＭｎＳ個数：平均粒径が１．０μｍ以上であるＭｎＳ介在物の、Ｓ含有量０．０
１％あたりの個数（単位個／ｍｍ２）
工具被膜：旋削時に、溶融した硫化物系介在物の被膜が工具表面に形成されるか
否かの観察結果
○印は硫化物系被膜が形成
×印は酸化物系被膜が形成
−は被膜の形成なし
切屑破砕性：前記した切屑破砕性指数を、同じＳ含有量のイオウ快削鋼のそれと比較した結果
○印はより高いとき
×印は同等または劣るとき
【００４５】
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【００４６】
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【００４７】
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【００４８】
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【００４９】
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【００５０】
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【００５１】
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【００５２】
【発明の効果】
本発明の切屑破砕性にすぐれた機械構造用においては、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、二重構造をもったＣａ含有硫化物系介在物が在するから、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比（本発明の快削鋼の工具寿命と、同一のイオウ含有量をもつ在来の快削鋼の工具寿命に対する比）を５以上にするという目標が、容易に達成されている。
【００５３】
その上で本発明は、特定の形状をもったＣａ含有硫化物系介在物が全硫化物系介在物のうち１５〜４０％の範囲にあるという要件を選択することにより、切屑破砕性が顕著に改善され、旋削の切屑が工具やワークに巻き付くおそれを、実質上なくし、チップコンベア上の搬送に支障のないようにした。本発明により、機械加工を自動化する上でネックになっていた問題が解決したといえる。各種機械部品、なかんづく自動車部品の製造コスト低減に寄与するところ大である。
【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存在するＣａ含有硫化物系介在物とＭｎＳ介在物との、アスペクト比と面積との関係をプロットしたグラフ。
【図４】機械構造用の快削鋼中における、Ｃａ含有硫化物系介在物が全硫化物系介在物に占める面積率と切屑破砕性指数との関係を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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