(57)【要約】【課題】切削工具寿命の延長を可能とする機械構造用鋼、及びそのような機械構造用鋼を製造する方法を提供する【解決手段】構成成分として固溶Ｖ等および固溶Ｎの含有量を適切に規定した機械構造用鋼、並びにその様な機械構造用鋼を製造できる方法を開示する。これら固溶Ｖ等を適切に含有する本発明鋼は、切削時においてＶＮ等を確実に生成し、これを工具に付着させることによって切削工具表面を保護し、工具寿命を改善することができる。また、本発明の製造方法は、そのような機械構造用鋼を製造することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具寿命に優れた機械構造用鋼であって、固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上を合計で０．００５質量％以上（以下、特に断らない限り「質量％」を「％」として示す）、固溶Ｎを０．００１％以上含有することを特徴とする機械構造用鋼。
【請求項２】
固溶Ｖおよび／または固溶Ｎｂを合計で０．００５％以上含む請求項１に記載の機械構造用鋼。
【請求項３】
固溶Ｖおよび／または固溶Ｎｂを合計で０．０１％以上である請求項１または２に記載の機械構造用鋼。
【請求項４】
Ｔｉ，ＺｒおよびＡｌの含有量の合計が０．０２％以下である請求項２または３に記載の機械構造用鋼。
【請求項５】
Ｖおよび／またはＮｂの含有量の合計量が０．１５％未満である請求項２〜４のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項６】
固溶Ａｌの含有量が０．００５５％以上であり、且つ含有酸素量が０．００３５％以下である請求項１に記載の機械構造用鋼。
【請求項７】
固溶Ａｌの含有量が０．０２％以上である請求項１または６に記載の機械構造用鋼。
【請求項８】
含有酸素量が０．００２％以下である請求項１，６，７のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項９】
Ａｌの含有量の合計量が０．１％以下である請求項６〜８のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項１０】
固溶Ｎの含有量が０．００２５％以上である請求項１〜９のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項１１】
Ｃを０．１〜１．２％、Ｓｉを０．００５〜０．５％含有する請求項１〜１０のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項１２】
Ｍｎを２％以下、Ｓを０．２％以下含有する請求項１〜１１のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項１３】
０．０１％以下のＣａ、０．０１％以下のＭｇ、０．０１％以下のＲＥＭよりなる群から選択される１種以上を含有する請求項１〜１２のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項１４】
Ｂｉを０．２５％以下含有する請求項１〜１３のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項１５】
実質的にＢを含有しない請求項１〜１４のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【請求項１６】
固溶Ｖを０．００５％以上含有する機械構造用鋼の製造方法であって、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化する加熱処理のうち最終加熱処理時の温度を９５０℃以上とし、その後の冷却過程において８００℃から５００℃までの平均冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることを特徴とする切削工具寿命に優れた鋼の製造方法。
【請求項１７】
固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上を合計で０．００５％以上含有する機械構造用鋼の製造方法であって、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化する加熱処理のうち最終加熱処理時の温度を１０５０℃以上とし、その後の冷却過程において８００℃から５００℃までの平均冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることを特徴とする切削工具寿命に優れた鋼の製造方法。
【請求項１８】
上記最終加熱処理が熱間圧延または熱間鍛造である請求項１６または１７に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具寿命が顕著に改善された機械構造用鋼およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削工具寿命の延長を図るべく、機械構造用鋼にＰｂ，ＭｎＳ，Ｃａ等を含有させて被削性を向上させることが広く行なわれてきた。
【０００３】
しかし、Ｐｂは環境や人体に悪影響を与えることから近年ではその使用が控えられており、ＭｎＳには、鋼中多量に含有させると機械的性質の異方性が増大するという欠点がある。
【０００４】
また、鋼にＣａを添加して酸化物系介在物の組成制御を行ない、アノルサイトやゲーレナイト等の低融点酸化物を生成させることによって被削性を改善する方法も知られており、この種の鋼では、ＣａＯ系酸化物自体も切削工具の保護膜となり得る。特に、Ｐ種の超硬工具を用いた高速切削領域での工具寿命の改善には、Ｃａの添加が有効であるとされている。
【０００５】
ところが、Ｃａを過剰に添加すると、大型酸化物系介在物が生成する可能性が高くなり、疲労強度の低下が懸念される。
【０００６】
これらの問題を改良した鋼として、特許文献１には、Ａｌ，Ｂ，Ｎを含有する高速切削用快削鋼が開示されている。当該特許文献の記載によれば、鋼中に当初から存在しているＡｌＮは工具保護に寄与しないが、鋼にＡｌとＢＮを複合添加しておくと切削中にＡｌＮが生成し、これが工具面上に付着することにより工具を保護すると考えられている。しかし、当該鋼はＢを必須元素として含んでいることから、焼入性の過度な向上により鋼が硬質化することに加えて、鋼の結晶粒制御が困難であるという欠点がある。そして何よりも、添加元素量が規定されているのみで具体的なＡｌＮの生成・付着条件までは明確にされていないため、必ずしも充分な工具寿命は得られていない。
【０００７】
また、特許文献２にも、ＡｌＮ保護膜の生成を意図した快削鋼が記載されている。しかし、この鋼はＣａ添加を必須としているために大型酸化物系介在物の生成による疲労強度の低下が懸念される。その上、この特許文献にも具体的なＡｌＮの生成・付着条件は示されていない。
【０００８】
一方、特許文献３には、断続高速切削用鋼として、Ａｌを増量添加し酸素量を制限したものが記載されている。当該鋼では、酸化物となっていない鋼中のＡｌが断続切削中に酸化されてＡｌ酸化物となり、これが工具面上に付着することで被削性を向上させるとされている。しかし、当該技術も添加元素量を規定しているのみであり、しかも被削性に重要な影響を及ぼすＮの含有量までは規定していないことから、充分な工具寿命が得られるとは限らない。
【０００９】
ＡｌＮによる工具の保護効果を意図した上記切削鋼以外にも、Ｖを積極的に添加してその炭窒化物を組織中に生成させることにより、被削性と疲労強度を向上させた鋼が知られている。例えば特許文献４には、Ａｌの他にＶやＮを含む鋼を使用し、１０００〜１３００℃に加熱して熱間鍛造した後に空冷若しくはファン冷却して非調質鍛造品を製造する方法が記載されている。
【００１０】
しかし、この特許文献に記載の実施例に拠れば、空冷したものとファン冷却したものとでは工具寿命が殆ど同一である。このことは、ファン冷却と雖もその条件は甘いものであり冷却速度が充分でないことから、鋼切削時におけるＡｌ，Ｖ，Ｎの特性を発揮できていないことを示す。実際、特許文献４に記載されている鋼は「ミクロ組織がフェライトとパーライトから成る」ことを特徴の一つとしている。ここで「パーライト」はオーステナイト状態の鋼を徐冷することによって得られる組織であるため、特許文献４に記載の製造方法で採用されている冷却速度は低いものであることが想定される。
【００１１】
また、特許文献４に記載されているＡｌの添加目的は脱酸のみであり、過剰に添加するとＡｌＮを形成してＮをトラップすると記載されている。Ｎについては所謂ひずみ時効によって疲労強度を改善する効果しか開示されていない。更に、Ｖについては組織中に炭窒化物を形成して疲労強度を向上させる効果しか記載されておらず、このＶ炭窒化物は、鋼組織中で微細に析出させる必要があるとされている。即ち、特許文献４にはＡｌＮやＶ炭窒化物の記載はあるものの、固溶状態のＡｌ，Ｎ，Ｖや切削時におけるＡｌＮやＶＮの生成に関しては一切認識されていない。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−２６９３５号公報（請求項１等）
【特許文献２】
特開２００１−３３５８８５号公報（請求項１等）
【特許文献３】
特開２００１−３４２５３９号公報（請求項１等）
【特許文献４】
特開２０００−２３９７８２号公報（請求項１等）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した状況の下、本発明が解決すべき課題は、切削時にＶＮ，ＮｂＮ，またはＡｌＮを確実に生成することにより切削工具を保護し、その寿命の延長を可能とする機械構造用鋼と、そのような機械構造用鋼を製造する方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、切削工具の寿命を延ばすべく、鋼組織中にはＶＮ等として存在し難く、鋼の切削時に初めて工具保護膜成分としてのＶＮ，ＮｂＮ，ＡｌＮが生成し得る様な条件につき鋭意研究を進めた。その結果、鋼の構成成分として単にＶ，Ｎｂ或いはＡｌとＮを含有せしめさえすればよいのではなく、固溶状態で存在するＶ等とＮの存在量が重要であり、これらを適切に制御すれば切削時の熱によりＶＮ等が確実に生成し、ひいては工具寿命の延長につながることを見出して本発明を完成した。
【００１５】
即ち、本発明の機械構造用鋼は、切削工具寿命に優れた機械構造用鋼であって、固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上を合計で０．００５％以上、固溶Ｎを０．００１％以上含有することを特徴とする。鋼中に固溶状態で存在する固溶Ｖ等および固溶Ｎが当該規定範囲内である鋼は、切削時において確実にＶＮ等を生成して切削工具を保護するため、その寿命を延ばすことができる。
【００１６】
本発明鋼は、固溶Ｖ，固溶Ｎｂおよび固溶Ａｌの全てを含まないものであっても、これらの何れかを規定範囲内で含有すればよい。例えば、固溶Ｖおよび／または固溶Ｎｂを合計で０．００５％以上含むものであってもよい。
【００１７】
この場合、固溶Ｖおよび／または固溶Ｎｂの合計含有量としては、０．０１％以上が好ましい。切削時の工具保護作用を、更に高めることができるからである。また、当該鋼中に含まれるＴｉ，ＺｒおよびＡｌの合計含有量は、０．０２％以下であることが好ましい。これらの元素はＶやＮｂよりもＮとの結合能が高く、これらがＮと優先的に結合し、工具保護効果を発揮するＶＮやＮｂＮの生成が阻害されるため、これら元素の含有量を抑制することが望ましいからである。更に、Ｖおよび／またはＮｂの総含有量は、合計で０．１５％未満とすることが好ましい。０．１５％以上添加すると、固溶状態のＶやＮｂ以外に鋼中でのＶＮやＮｂＮの生成量が増加し、その結果、必要な固溶Ｎが不足することがあるからである。
【００１８】
また、本発明鋼は、固溶Ａｌの含有量が０．００５５％以上であり、且つ含有酸素量が０．００３５％以下であるものであってもよい。ここで含有酸素量を規定したのは、Ａｌ２Ｏ３の生成により消費されるＡｌ量を抑制することによって固溶Ａｌを確保し、ＡｌＮによる工具保護特性を充分に発揮させるためである。
【００１９】
この場合における固溶Ａｌの含有量は、０．０２％以上であることが好ましい。ＡｌＮ生成による切削時の工具保護作用を、より確実に発揮させることができるからである。また、含有酸素量は０．００２％以下が好ましい。Ａｌ２Ｏ３の生成を更に抑制できるからである。更に、Ａｌの総含有量は、合計で０．１％以下とすることが好ましい。ＶやＮｂの場合と同様に、Ａｌ総含有量が０．１％を超えると必要な固溶Ｎの確保が困難となる場合があるからである。
【００２０】
上記の本発明鋼では、固溶Ｎの含有量が０．００２５％以上であるものが好適である。切削時において十分量のＶＮ等を生成させ、工具保護作用をより確実に発揮できるからである。
【００２１】
本発明に係る鋼は、鋼の一般的な含有成分として、Ｃを０．１〜１．２％およびＳｉを０．００５〜０．５％含有するものが好ましく、また、Ｍｎを２％以下およびＳを０．２％以下、０．０１％以下のＣａ、０．０１％以下のＭｇ、０．０１％以下のＲＥＭよりなる群から選択される１種以上、或いはＢｉを０．２５％以下含有するものであってもよい。これらは、それぞれの元素が鋼成分として個々に有する特性を発揮するからである。
【００２２】
また、本発明鋼は、実質的にＢを含有しないものが好ましい。Ｂは焼き入れ性を高めて鋼を硬質化し、被削性を低下させることがあるからである。
【００２３】
本発明に係る鋼の製造方法の一つは、固溶Ｖを０．００５％以上含有する機械構造用鋼の製造方法であって、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化する加熱処理のうち最終加熱処理時の温度を９５０℃以上とし、その後の冷却過程において８００℃から５００℃までの平均冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることを特徴とする。当該方法によれば、固溶Ｖの含有量が規定範囲内となり、切削工具寿命に優れた鋼を製造することができる。
【００２４】
また、本発明に係る他の製造方法は、固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上を合計で０．００５％以上含有する機械構造用鋼の製造方法であって、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化する加熱処理のうち最終加熱処理時の温度を１０５０℃以上とし、その後の冷却過程において８００℃から５００℃までの平均冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることを特徴とする。当該方法によれば、上記方法と同様に、固溶Ｖ，固溶Ｎｂまたは固溶Ａｌの含有量が規定範囲に収まる鋼を容易に製造することができる。
【００２５】
これら本発明に係る鋼の製造方法では、上記最終加熱処理を熱間圧延または熱間鍛造によって行なうことが好ましい。本発明鋼の製造に必須である加熱処理と共に圧延または鍛造を行なえば、機械構造用鋼の製造工程全体の短縮に繋がり、生産性が向上するからである。
【００２６】
尚、上記製造方法では、それぞれ「固溶Ｖを０．００５％以上含有する機械構造用鋼の製造方法」或いは「固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上を合計で０．００５％以上含有する機械構造用鋼の製造方法」と規定してあるが、勿論、前述した本発明鋼全ての製造に応用できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の機械構造用鋼が享有する最大の特徴は、固溶Ｖ等と固溶Ｎとを一定量以上含有することにより、切削中の温度上昇によりＶＮ等が確実に生成し工具面上に付着することで工具摩耗を抑制でき、その寿命を延長せしめ得ることにある。即ち、従来、鋼中のＶ等やＮが工具寿命の延長に寄与し得ることは知られていたものの、これらを含有させても必ずしも工具寿命が延長されるとは限らなかった。しかし、本発明者らは、切削中にＶＮ等を生成させるには、鋼中に適量の固溶Ｖ等と固溶Ｎを存在させることが不可欠であることを見出し、これらの工具保護作用を実験により証明したものである。
【００２８】
以下に、斯かる特徴を発揮する本発明の実施形態、及びその効果について説明する。
【００２９】
本発明の機械構造用鋼は、固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上を合計で０．００５％以上、固溶Ｎを０．００１％以上含有することが必須である。これらの条件を満たすことで、切削中の温度上昇により確実にＶＮ，ＮｂＮ，或いはＡｌＮを生成させることができ、他の特別な元素を添加しなくとも、工具（特に、超硬Ｐ種のもの）寿命の延長を達成することができる。また、これら条件により、旧オーステナイト結晶粒の微細化も進み、疲労強度低下の懸念もなくなる。
【００３０】
これらの規定値については、切削時に生成させる窒化物の主な有効固溶金属元素が、固溶Ｖおよび／または固溶Ｎｂである場合には、これらの合計含有量を０．０１％以上にすることが好ましく、主な有効固溶金属元素が固溶Ａｌである場合には、０．００５５％以上（特に好適には０．０２％以上）が好ましい。また、固溶Ｎの含有量は０．００２５％以上がより好ましい。より一層の効果向上が期待できるからである。一方、固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上の合計が０．００５％未満、或いは固溶Ｎが０．００１％未満では、切削時に充分量のＶＮ等が生成せず、工具保護効果が有意に発揮されなくなる。
【００３１】
尚、学術的には「酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）」との語があるが、本発明の固溶Ａｌとは異なる。即ち、「酸可溶Ａｌ」とは、化学分析において酸に溶解しない酸化物以外のＡｌをいい、固溶Ａｌ以外にも、ＡｌＮの様に酸素以外の元素と結合した状態のものも含まれる。一方、本発明の「固溶Ａｌ」は、鉄マトリックス中に固溶された状態の純粋なＡｌのみをいう。鋼中に元々混入しているＡｌＮ等は切削工具の保護に寄与せず、固溶状態にあるＡｌが固溶Ｎと切削熱により反応して生成するＡｌＮだけが、工具寿命改善効果を発揮するからである。この点に関しては、ＶおよびＮｂについても同様である。
【００３２】
主な有効固溶金属元素が、固溶Ｖおよび／または固溶Ｎｂである場合には、鋼中に含ませるＴｉ，ＺｒおよびＡｌの合計含有量を０．０２％以下に抑えることが好ましい。特にＴｉとＺｒはＮとの結合能が高いので、鋼中のＮがこれらと結合して固溶状態では存在し得なくなり、切削時に固溶Ｖや固溶Ｎｂと結合すべき固溶Ｎが不足して、十分な工具保護効果が発揮されなくなることがあるからである。また、前述した様に、固溶状態にあるＡｌは切削時に固溶Ｎと結合して工具を保護するが、固溶Ｖや固溶Ｎｂに比べて固溶Ｎとの結合能が高く、且つ酸化物（Ａｌ２Ｏ３）を生成し易い。従って、鋼中でＡｌを固溶状態に置くことはＶやＮｂの場合より相対的に難しいので、固溶制御が比較的容易なＶとＮｂの特性を有効に活用するには、Ａｌ量を低減する方が、鋼製造時の制御等においても技術的に楽だからである。
【００３３】
一方、鋼中のＶおよび／またはＮｂの総含有量が合計で０．１５％以上になると、鋼中でのＶＮまたはＮｂＮの生成量が増加し、その結果、固溶Ｎの確保が困難となることがあるため、Ｖおよび／またはＮｂの含有量は０．１５％未満とすることが望ましい。より好ましくは、０．１２％以下にする。
【００３４】
主な有効固溶金属元素が固溶Ａｌである場合には、含有酸素量を０．００３５％以下とすることが好ましい。当該規定範囲内であれば、Ａｌ酸化物の生成が抑制され、たとえ固溶Ｖや固溶Ｎｂを含まない鋼であっても、固溶Ａｌ量の確保がより容易になるからである。斯かる効果を更に有効に発揮させるには、当該酸素量を、０．００２％以下に抑えることが好ましく、更に０．００１５％以下であることが好ましい。
【００３５】
一方、ＶやＮｂの場合と同様に、Ａｌの総含有量が０．１％を超えると鋼中でのＡｌＮ生成量が増え、固溶Ｎの確保が困難になる場合があるため、Ａｌの総含有量は０．１％以下とすることが望ましい。より好ましくは、０．０５％以下にする。
【００３６】
酸素量を規定値内に制御する方法としては、後述するようにＣａ等を適量添加する方法の他に、公知の真空脱酸処理などが考えられる。但し、強力な脱酸元素であってもＴｉやＺｒなどの様に窒化物を生成し易い元素は、添加元素として適当でない。他の重要な成分である固溶Ｎを確保できなくなるからである。
【００３７】
本発明の機械構造用鋼は、基本元素としてＣを０．１〜１．２％およびＳｉを０．００５〜０．５％含有するものであってもよい。これらは機械構造用鋼の成分として一般的なものであり、それぞれの成分につき定められた含有量規定値内であれば、本発明が発揮すべき効果を阻害するものではないからである。
【００３８】
また、Ｍｎを２％以下およびＳを０．２％以下含有してもよい（ＭｎとＳの双方が０である場合を除くものとする）。これらは、鋼中でＭｎＳとなり切削性の向上に寄与する一方で、当該規定値範囲内であれば異方性の増大という欠点は生じないからである。但し、斯かる効果を有効に発揮させるには、Ｍｎ量は０．２％以上、Ｓ量は０．０１％以上とすることが好ましい。
【００３９】
更に、本発明の機械構造用鋼は、０．０１％以下のＣａ、０．０１％以下のＭｇ、０．０１％以下のＲＥＭよりなる群から選択される１種以上を含有するものであってもよい（Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭの何れもが０である場合を除くものとする）。Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭは、酸素との反応性が強くＣａＯ等を生成し易い一方で、窒化物を生成し難いことから他の元素の酸化物を抑制できるため、固溶Ａｌおよび固溶Ｎの確保に有効だからである。また、これら強力な脱酸元素は酸化物の生成条件をより高温側にシフトさせるので、結果的に鋼中に占める酸素の総含有量を低減させるという効果もある。更に、ＣａＯ等は、それ自体が酸化物系介在物の組成制御作用を発揮して被削性の向上に寄与する。但し、過剰のＣａ等は大型酸化物を生成して被削性を劣化させるので、それぞれの含有量は規定値内に抑えることが必要である。一方、これら元素の特長を発揮させるには、含有量は夫々０．０００５％以上とすることが好ましい。
【００４０】
本発明では、上述したＣａ等の特長を有効に発揮させつつ、その欠点を生じない範囲内で、Ｃａ等を添加することも可能となる。即ち、本発明は、固溶Ｖ等および固溶Ｎの含有量を制御することにより工具寿命を改善するものであるが、Ｃａ等の添加による酸化物系介在物の組成制御による被削性改善効果と組み合わせることも可能であり、この場合には両方の効果が重畳されるので、大型酸化物生成が懸念されない範囲でＣａ等の添加量を調整すればよい。
【００４１】
上記成分の他に、Ｂｉを０．２５％以下含有することも有効である。当該範囲内のＢｉ添加により、強度特性を維持しつつＰｂ快削鋼とほぼ同等の被削性が得られるからである。斯かる効果を発揮させるための好ましいＢｉ含有量は、０．０１％以上である。また、０．３５％以下のＰｂを添加することもできる。この程度であれば、環境および人体への影響も少ないと考えられるからである。その一方で、Ｐｂの特長を発揮するためには０．０１％以上含有することが好ましい。
【００４２】
その他に、Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｂ等を、焼入れ性の確保やオーステナイト結晶粒の微細化などを目的として適量添加してもよい。但し、これら元素のうち特にＢは、焼入れ性を高めて鋼材を硬質化し被削性を著しく劣化させるので、実質的に含有させないことが好ましい。また、その他の不可避化合物を含んでいる鋼も、本発明の範囲に含まれる。
【００４３】
以上で説明した構成を有する鋼を製造するには、添加成分を適量含ませ、サンプルをチェックしつつその含有量を調節する。また、必要なＮ量を得るために、窒化鉄を添加する場合もある。
【００４４】
上述した鋼の内、固溶Ｖを０．００５％以上含有する鋼を得るには、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化する加熱処理のうち最終加熱処理時の温度を９５０℃以上とし、その後の冷却過程において８００℃から５００℃までの平均冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることが必須となる。
【００４５】
また、固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ａｌから選択される１種以上を合計で０．００５％以上含有する鋼を製造するには、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化する加熱処理のうち最終加熱処理時の温度を１０５０℃以上とし、その後の冷却過程において８００℃から５００℃までの平均冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることが必要である。
【００４６】
切削工具寿命の改善に重要となる固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，或いは固溶Ａｌの量および固溶Ｎ量を確保するには、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化する加熱処理のうち最終加熱処理時の温度を、上記規定範囲内にしなければならない。
【００４７】
固溶Ｖ量が０．００５％以上である鋼を得るには、上記の最終加熱処理時の温度を９５０℃以上にしなければならない。オーステナイト化しない加熱処理、例えばフェライト温度域だけで加熱する焼戻し等の熱処理や、加熱処理温度が９５０℃未満である場合には、ＶおよびＮの固溶化が起こらないからである。従って、オーステナイト化加熱処理（例えば、熱間圧延、熱間鍛造、焼きならし、焼なまし、焼き入れ処理、浸炭焼き入れ処理、高周波焼き入れ処理など）が複数回行われる場合でも、最後の処理時の温度を９５０℃以上に維持すれば必要な固溶Ｖと固溶Ｎは確保されるので、その前後にオーステナイト化しない加熱処理が行われてもよく、更には他の加工工程が組み合わされてもよい。しかし、高温である程固溶状態は安定であるので、当該温度範囲は９６０℃以上が好ましく、更に９７０℃以上が好ましい。
【００４８】
一方、必要最低限の有効固溶金属元素としてＶ以外のＮｂやＡｌも利用する場合には、ＮｂとＡｌはＶに比べて安定な固溶状態となり難いため、より高い温度である１０５０℃以上（好ましくは１１００℃以上、特に好ましくは１１５０℃以上）にすることが必要である。
【００４９】
また、オーステナイト化加熱処理終了後の冷却過程では、８００℃から５００℃までの平均冷却速度を１．０℃／ｓ以上とすることが必要である。８００℃から５００℃の温度範囲では、冷却中ＶＮ等の析出が最も活発に起こるので、斯かる温度範囲内での冷却速度が１．０℃／ｓ未満の場合、例えば、冷却を強制的に行なうことなく単に放冷した様な場合には、Ｖ等やＮが固溶状態のまま存在し得なくなってＶＮ等として析出し、結果的に工具寿命の充分な改善が達成できなくなるからである。ＶＮ等の析出をより確実に防止するための好ましい冷却速度は１．１℃／ｓ以上、更に１．２℃／ｓ以上，１．３℃／ｓ以上，１．４℃／ｓ以上が好ましく、特に１．５℃／ｓ以上が好ましい。
【００５０】
この冷却温度は、鋼の直径等，測定温度範囲や温度測定部位により変化するが、一般的文献（「鋼の熱処理　改定５版」日本鉄鋼協会編，丸善株式会社，第２１頁の図１・３２および第２２頁の図１・３３（ｃ））によれば、８００℃から５００℃の温度範囲における直径５０ｍｍ鋼表面の空冷による冷却速度は、約０．４〜０．６℃／ｓである。この様な冷却速度では、鋼中でＶ等やＮの固溶状態を維持できないため、強制冷却をする必要がある。
【００５１】
この「強制冷却」とは、自然冷却（放冷）よりも早い冷却速度を得ることをいい、例えば、風による衝風冷却，ミスト冷却，水冷などがある。
【００５２】
上記「最終加熱処理」は、鋼製造工程の効率化の観点から熱間圧延または熱間鍛造が好ましい。これらの熱処理は、当業者にとり公知のものを採用することができる。
【００５３】
本発明は以上の様に構成されており、本発明に係る機械構造用鋼は、切削工具寿命を延長できるという特長を有することから、快削肌焼用鋼や快削熱間鍛造用鋼等として有効に活用することができる。
【００５４】
【実施例】
以下に、実施例を示すことにより本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【００５５】
（実施例１）
実施例１は、機械構造用鋼における構成成分の影響を検討するための実験である。
【００５６】
先ず、下表１の成分組成のものを１５０ｋｇのラボＶＩＦで溶製し、これを加熱温度１２００℃にて直径５０ｍｍの丸棒に鍛造し、９００〜１０００℃で終了した。その後、８００℃から５００℃までの平均冷却速度が約１．５℃／ｓとなる様に強制空冷し、機械構造用鋼を製造した。この際、強制空冷の方法は衝風冷却により、鋼材温度の測定は放射温度計（ミノルタ社製のＴＡ−０５１０ＦとＴＲ−６３０）により行なった。
【００５７】
次に、鋼全体に占めるトータルＡｌとトータルＮの含有量、および化合物型として存在し固溶状態にないＡｌ２Ｏ３，ＡｌＮと化合物型Ｎの含有量を下記に示す方法により測定し、固溶Ａｌおよび固溶Ｎの含有量を算出した。
【００５８】
トータルＡｌ　：　ＩＣＰ発光分光分析法
Ａｌ２Ｏ３　：　ハロゲン・メタノール抽出（臭素メタノール１０％溶液使用，フィルターサイズ：０．１μｍ）　→　ＩＣＰ発光分光分析法
ＡｌＮ　：　ブロムエステル法（ガラスフィルター使用，フィルターサイズ：０．７μｍ）
トータルＮ　：　不活性ガス融解熱伝導度法
化合物型Ｎ　：　電解抽出（１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロリド−メタノール溶液使用，フィルターサイズ：０．１μｍ）　→インドフェノール吸光光度法
固溶Ａｌ含有量　＝　（トータルＡｌ）−（Ａｌ２Ｏ３として存在するＡｌ）−（ＡｌＮとして存在するＡｌ）
固溶Ｎ含有量　＝　（トータルＮ）−（化合物型Ｎ）。
【００５９】
これら鋼を、超硬工具Ｐ１０を使用して、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切込み１．５ｍｍ、乾式という条件で切削した。当該切削開始から４０分後に、プロファイル計によりクレータ摩耗深さ（ＫＴ摩耗量，μｍ）を測定し、最大深さを評価基準とした。
【００６０】
以上の結果を表１に示す。
【００６１】
【表１】
2004107787.tif 000002
【００６２】
表中の値は「質量％」を示し、「Ｏ」は、鋼全体に占める酸素量を示す。
【００６３】
当該結果によれば、本発明の範囲外であるＮｏ．７，８の鋼は、ＡｌおよびＮを構成成分としてそれなりに含有するものの、固溶Ａｌおよび固溶Ｎの含有量が本発明の規定値範囲外であるためにＫＴ摩耗量が高く、従って切削工具寿命は短いことが想定される。
【００６４】
一方、固溶Ａｌおよび固溶Ｎが本発明の規定範囲内であるＮｏ．１〜６の鋼では、ＫＴ摩耗量が顕著に低下しており、切削工具寿命は改善されていることが明らかにされた。
【００６５】
（実施例２）
実施例１と同様の方法によって、下表２に示す鋼を製造して切削を行ない、クレータ摩耗深さ（ＫＴ摩耗量，μｍ）を測定した。
【００６６】
尚、トータルＶの含有量等は、下記に示す方法により測定した。
【００６７】
トータルＶ，Ｎｂ　：　ＩＣＰ発光分光分析法
化合物型Ｖ，Ｎｂ　：　電解抽出（１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロリド−メタノール溶液使用，フィルターサイズ：０．１μｍ）　→　ＩＣＰ発光分析法
固溶Ｖ含有量　＝　（トータルＶ）−（化合物型Ｖ）
固溶Ｎｂ含有量　＝　（トータルＮｂ）−（化合物型Ｎｂ）。
【００６８】
以上の結果を表２に示す。
【００６９】
【表２】
2004107787.tif 000003
【００７０】
当該結果によれば、本発明の範囲外であるＮｏ．１９の鋼は、固溶Ｎｂを０．０１５％含んでいるものの固溶Ｎが少ないため、ＫＴ摩耗量が高くなっている。これは、窒化物を作り易いＴｉ，Ｚｒ，Ａｌを多く含むため、鋼中でＮが固溶状態で存在できなかったことによると考えられる。
【００７１】
また、固溶Ｖ，固溶Ｎｂ，固溶Ｎのいずれか或いはこれらのうち複数の含有量が、本発明の規定範囲外であるＮｏ．２０〜２２の鋼もＫＴ摩耗量が高く、従って切削工具寿命は短いことが想定される。
【００７２】
一方、固溶Ｖまたは固溶Ｎｂと固溶Ｎの含有量全てが本発明の規定範囲内であるＮｏ．９〜１８の鋼では、ＫＴ摩耗量が顕著に低下しており、切削工具寿命は改善されていることが実証されている。
【００７３】
（実施例３）
実施例３は、工具寿命の改善に必要な固溶Ａｌおよび固溶Ｎを確保するための鋼の製造条件、特に加熱処理条件を検討するための実験である。
【００７４】
下表３に示す組成成分鋼（ＳＣＭ４１５）を実炉で溶製し、鋼材の少なくとも一部がオーステナイト化するように下表４に示す条件１で直径５０ｍｍに熱間圧延した。即ち、加熱温度を１１５０℃とし、約９５０℃での最終圧延後は、衝風冷却による強制空冷によって、８００℃から５００℃までの平均冷却速度を表中記載の通り１．５℃／ｓに制御した。冷却中の鋼材温度は、放射温度計により測定した。また、Ａｌ２Ｏ３等の含有量の測定は、実施例２と同様の方法により行なった。
【００７５】
比較例として、条件１の処理後、本発明の範囲外である条件２で更に加熱処理（焼きならし）した。
【００７６】
これら条件１の処理を行なった鋼材、および条件１に次いで条件２の処理を行なった鋼材につき、実施例１と同様にＫＴ摩耗量を測定した。結果を表４に示す。
【００７７】
【表３】
2004107787.tif 000004
【００７８】
【表４】
2004107787.tif 000005
【００７９】
表４に示す結果の通り、本発明に係る製法により製造された鋼は、充分量の固溶Ａｌおよび固溶Ｎを有し、優れた工具寿命の改善作用を示している。これに対し、オーステナイト化する最終加熱処理工程を本発明の規定外の条件にて処理を行なった鋼は、充分量の固溶Ａｌおよび固溶Ｎを有さず、工具寿命の改善は観察されなかった。
【００８０】
（実施例４）
実施例４は、工具寿命の改善に必要な固溶Ｖおよび固溶Ｎを確保するための鋼の製造条件、特に加熱処理条件を検討するための実験である。
【００８１】
下表５に示す組成成分鋼を用い、加熱温度を９７０℃とする以外は実施例３と同様の方法によって鋼を製造した（下表６中の条件３）。また、化合物型Ｖ等の含有量の測定は、実施例２と同様の方法により行なった。
【００８２】
更に、比較例として、条件３の処理後、本発明の範囲外である条件４で更に加熱処理（焼きならし）した。
【００８３】
これら条件３の処理を行なった鋼材、および条件３に次いで条件４の処理を行なった鋼材につき、実施例１と同様にＫＴ摩耗量を測定した。結果を表６に示す。
【００８４】
【表５】
2004107787.tif 000006
【００８５】
【表６】
2004107787.tif 000007
【００８６】
表４に示す結果の通り、本発明に係る製法により製造された鋼は、充分量の固溶Ｖおよび固溶Ｎを有し、優れた工具寿命の改善作用を示した。これに対し、オーステナイト化する最終加熱処理工程を本発明の規定外の条件にて処理を行なった鋼は、充分量の固溶Ｖおよび固溶Ｎを有さず、工具寿命の改善は観察されなかった。
【００８７】
上記実施例３と４の結果より、同一の成分組成を有する鋼であっても、本発明の製法によれば、優れた工具寿命改善作用を示す鋼を製造できることが明確にされた。
【００８８】
【発明の効果】
本発明の機械構造用鋼は、切削時に生じる熱によって確実にＶＮ，ＮｂＮ或いはＡｌＮを生成することにより切削工具表面を保護し、その寿命を延長することができる。そのため、近年における高速且つ大量生産条件においても、非常に優れた生産性を示す。
【００８９】
また、本発明に係る鋼の製造方法は、その様な鋼を生産できるものである。
【００９０】
従って、本発明は、機械構造として用いられる鋼を提供するものとして極めて有用である。