(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．３３〜０．４５％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｎ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％及びＰ：０．０３％を超えて０．０８％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物の化学組成を有し、フェライト率が１５〜５５％のフェライト・パーライト組織からなることを特徴とする微量油潤滑加工用鋼材。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．３３〜０．４５％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｎ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｐ：０．０８％以下及びＳｎ：０．２５％以下を含有し、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３〜０．０８を満たし、残部はＦｅ及び不純物の化学組成を有し、フェライト率が１５〜５５％のフェライト・パーライト組織からなることを特徴とする微量油潤滑加工用鋼材。
ｆｎ１＝Ｐ＋（Ｓｎ／３．８）・・・(1)
なお、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【請求項３】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．３％以下を含有する請求項１又は２に記載の微量油潤滑加工用鋼材。
【請求項４】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．００５％以下及びＴｉ：０．０３％以下を含有する請求項１から３までのいずれかに記載の微量油潤滑加工用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量油潤滑加工用鋼材に関する。詳しくは、鋼材の機械加工において微量の潤滑油剤（切削油剤）を供給しながら加工する「微量油潤滑加工」用の鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで切削加工用の鋼材は、多量の潤滑油剤を用いる所謂「湿式切削」あるいは潤滑油剤を全く用いない所謂「ドライ切削」を対象として開発されてきた。
【０００３】
しかし近年、エネルギー消費が少ないばかりか環境に優しく、しかも、切削加工効率を高めることができるとともに加工精度も維持することができる新しい切削加工法として、微量の潤滑油剤を供給しながら加工する「微量油潤滑加工」（以下、「微量潤滑油切削」ともいう。）技術の検討が活発になっており、例えば、非特許文献１〜非特許文献６に微量油潤滑切削（ＭＱＬ切削）技術に関する報告がなされている。また、特許文献１及び特許文献２には、微量油潤滑切削に適した加工装置が開示されている。
【０００４】
これらを含む微量油潤滑切削が適用される代表的な加工には、直径１０ｍｍ以下の細径ドリルを用い、ドリル直径の１０倍以上の深さの穴をあける深穴加工がある。従来、こうした深穴加工は、高速度工具鋼（通称「ハイス」）製のツイストドリルあるいは刃先を超硬合金でろう付けしたガンドリルを用いて、潤滑油剤を多量に使用して行っていた。時には多量の潤滑油剤を高圧で塗布して加工することも行われていた。しかしながら、ハイス製のツイストドリルを用いた場合には切削速度を速くすることができず、また、刃先を超硬合金でろう付けしたガンドリルを用いた場合には工具の剛性面から送り量を高くできないなど、いずれの場合も加工能率に限界があった。また、上記の両加工法とも、多量の潤滑油剤を使用するため、その廃棄処理の費用が嵩むものであった。
【０００５】
これに対して、超硬合金製のツイストドリルを用いて微量油潤滑切削すれば、高速切削が可能で送り量も高くすることができる。このため、高能率の切削加工が可能となり、また、潤滑油剤の廃棄処理の問題を解決することもできる。しかしながら、微量油潤滑切削に関しては、従来、工具、油剤、機械及び給油システムについての検討がなされてきたものの、その対象となる被切削材、なかでも鋼材について検討された例はこれまでほとんどない。
【０００６】
湿式切削、ドライ切削及び微量油潤滑切削においては潤滑油剤の状態に差があることから、切削現象も変化することが予測される。したがって、従来の湿式切削やドライ切削を対象として開発された切削加工用鋼材である所謂「快削鋼」を用いても、微量油潤滑切削の場合には十分な加工性が確保されない可能性がある。
【０００７】
例えば、特許文献３には、ＭｎＳ及び鋼中酸化物の組成や形態を調整し、これらの介在物による工具表面の保護及び潤滑効果によって超硬工具による被削性を高めた「超硬工具切削性に優れた機械構造用の快削鋼」が開示されている。しかしながら、この特許文献３で提案された快削鋼の切削は、「速度：２００ｍ／分、送り：０．２ｍｍ／回転、深さ：２ｍｍ」という条件で行われた従来の「旋削」加工でしかない。
【０００８】
また、特許文献４には、ビスマス（Ｂｉ）の存在形態を調整することで切屑処理性を高めた「Ｂｉ快削鋼」が開示されている。この特許文献４で提案された技術の基本思想は、ＢｉがＰｂと同様に低融点介在物であることから、切削加工時の昇温により溶融し、工具面上での潤滑作用を高めることにある。そして、この特許文献４で提案された快削鋼の切削も、「切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．０５、０．１、０．２、０．３ｍｍ／ｒｅｖの４水準、切込み：０．５、１．０、２．０ｍｍの３水準」という条件で行われた従来の「旋削」加工でしかない。
【０００９】
【非特許文献１】「ＭＱＬ切削の技術動向」（稲崎一郎著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５１９〜５２５ページ）
【非特許文献２】「複合ミスト法による旋削加工の動向」（鈴木康夫著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５２６〜５３２ページ）
【非特許文献３】「ＭＱＬ切削用工作機械の動向」（槇山正著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５３３〜５３７ページ）
【非特許文献４】「ＭＱＬ切削油供給システムの動向」（鈴木繁著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５３８〜５４３ページ）
【非特許文献５】「ＭＱＬ切削工具の動向」（狩野勝吉著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５４４〜５４９ページ）
【非特許文献６】「ＭＱＬ切削用油剤の動向」（須田聡著、トライボロジスト、第４７巻第７号（２００２年）、５５０〜５５６ページ）
【特許文献１】特開２００２−３５５７３５号公報
【特許文献２】特開２００２−３５５７３６号公報
【特許文献３】特開２００３−５５７３５号公報
【特許文献４】特開２０００−２６５２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、微量の潤滑油剤を供給しながら加工する微量油潤滑切削用の鋼材を提供することである。
【００１１】
具体的には、１時間当たり２００ｃｍ3以下の潤滑油剤を使用する微量油潤滑切削条件の下で用いられる切りくず処理性にも優れた鋼材を提供することである。
【００１２】
前述の特許文献３及び特許文献４で提案された快削鋼だけではなく、従来の湿式切削やドライ切削を対象として開発された快削鋼は、主に鋼中介在物の形態を調整し、加工中における工具面上での潤滑作用を活用したものである。
【００１３】
しかし、微量油潤滑切削は、その名のとおり工具面上での潤滑効果は既にその給油システムや工具等で確保されている。このため、微量油潤滑切削現象は、従来の湿式切削やドライ切削とは全く異なり、介在物に基づく潤滑効果での切削性の向上は期待できない。
【００１４】
加えて、微量油潤滑切削用の鋼材は、未だ開発されておらず、更に、湿式切削やドライ切削が対象であるＰｂ快削鋼、Ｓ快削鋼、その複合快削鋼、並びに、前述の特許文献３及び特許文献４で提案された快削鋼など従来からの種々の快削鋼を用いて、これまでに微量油潤滑切削性について詳細な検討がなされたことはない。
【００１５】
そこで、本発明者らは、先ず、従来、機械構造用快削鋼として知られている表１に示す化学組成を有する快削鋼を実験室溶解して、微量油潤滑切削、湿式切削及びドライ切削の各場合における工具寿命の比較を行った。
【００１６】
【表１】
0004788320.tif 000002
【００１７】
すなわち、表１に示す各鋼の鋼塊を１２５０℃に加熱し、熱間鍛造を行って１０００℃以上で仕上げ、直径６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、仕上げ後は空冷して非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。
【００１８】
このようにして得た各丸棒の横断面におけるＲ／２部（Ｒ：丸棒の半径）位置の８箇所についてビッカース硬さ（以下、「Ｈｖ硬さ」という。）を測定した。なお、試験力は９８．０７Ｎで行った。なお、表１には、各丸棒について８箇所測定したＨｖ硬さの平均値を併記した。
【００１９】
表１から明らかなように、いずれの丸棒もＨｖ硬さで２４０程度の同等の硬さを有するものである。
【００２０】
そこで次に、上記の各丸棒を１００ｍｍずつの長さに切断したものを試験片とし、直径（Ｄ）が６．０ｍｍ、全長が１８０ｍｍ、刃長が１３０ｍｍで先端角が１４０゜の油穴付き超硬コーティングドリルを用いて、下記の条件で、従来の湿式切削及びドライ切削、並びに新しい切削法である微量油潤滑切削を施して工具寿命を比較した。
【００２１】
・回転数：５３００ｒｐｍ、
・送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
・試験片長手方向の加工穴深さ：９５ｍｍ（約１６Ｄ）。
なお、各切削法における潤滑条件は下記のとおりである。
【００２２】
・湿式切削：油量を１０Ｌ／分とし、２０倍に希釈した水溶性エマルジョンによる外部給油、
・ドライ切削：無潤滑、
・微量油潤滑切削：生分解性の高い合成エステルを約１ｃｍ3／時でドリル油穴から内部給油。
【００２３】
なお、上記の条件で３００穴穿孔するまでのドリル外周コーナー摩耗量を工具寿命とした。但し、従来の湿式切削及びドライ切削の場合には、３００穴穿孔するまでにドリルが折損して穿孔不能となったため、穿孔不能となるまでの穿孔個数を工具寿命とした。また、全ての加工試験においては、事前に直径が６．０５ｍｍ、深さが１２ｍｍの穴をガイド穴として加工した。したがって、先に述べた加工穴深さとしての９５ｍｍには、このガイド穴が含まれている。
【００２４】
表２に、上記のようにして測定した工具寿命を示す。
【００２５】
【表２】
0004788320.tif 000003
【００２６】
表２から、従来法である湿式切削及びドライ切削に比べて、微量油潤滑切削が穿孔数において格段に優れていることがわかる。そして、微量油潤滑切削の場合には、従来の切削法、特に、水溶性エマルジョンを用いた湿式切削において有効な快削元素であるＰｂやＳの効果が発揮されていないことから、潤滑油剤の量が少ない微量油潤滑切削が単に従来の切削法の延長線上には無く、全く新しい現象によって切削されていることが示唆される。
【００２７】
また、微量油潤滑切削の場合には、被切削材の硬さが同等でも工具寿命に差が生じているので、微量油潤滑加工性は、従来の切削法のように単に室温での硬さや強度で整理できるものではない。
【００２８】
そこで詳細な検討を行った結果、細径の超硬コーティングドリルを用いた深穴加工の場合には、切削抵抗の上昇によるドリルの折損に加えて、切りくずが大きくなって加工中に切りくずを排出し難くなるという所謂「切りくず処理性」の低下が生じ、上記の切削抵抗と切りくず処理性という２つの特性が工具寿命を決定することが明らかになった。
【００２９】
上述のことから明らかなように、微量油潤滑切削は従来の切削法とは全く新しい現象に基づくものであり、したがって、微量油潤滑切削用の快削鋼を探索することは極めて重要なことである。
【００３０】
そこで次に、本発明者らは、微量油潤滑切削現象に関して更に詳細な研究を重ねた。その結果、微量油潤滑切削性、特に切削抵抗及び切りくず処理性の支配因子について、下記（ａ）及び（ｂ）の新たな知見を得た。
【００３１】
（ａ）微量油潤滑切削法において、細径ドリルを用いた場合の切削抵抗は概ね硬さと相関があり、硬さの上昇とともに上昇する。しかしながら、強度との関係は、硬さとよい相関関係を示す通常の引張強さではなく、２００〜４００℃近傍の強度、なかでも引張特性における０．２％耐力との相関が大きい。
【００３２】
（ｂ）一方、切りくず処理性は、切りくず形状としての厚さが薄く、また切りくず一片当たりの質量の小さい場合が良好でなる。そして、硬さの上昇とともに切りくずが小さくなって、切りくず処理性が良好となる。
【００３３】
上述の様に微量油潤滑切削の場合には、鋼材の硬さが切削抵抗と切りくず処理性という２つの特性に相反する作用を及ぼす。このため、従来提案された快削鋼を用いても、微量油潤滑切削法には適用し難いこととなる。
【００３４】
そこで、本発明者らは、微量油潤滑切削用の鋼材を得るために、更に、微量油潤滑切削性に及ぼす鋼材の材料因子について種々研究を重ねた。その結果、下記（ｃ）〜（ｊ）の知見を得た。
【００３５】
（ｃ）鋼に添加される合金元素のなかで、燐（Ｐ）及び錫（Ｓｎ）は切りくず処理性の向上及び切削抵抗の低減に有効である。すなわち、含有量が少ない範囲において、Ｐ及びＳｎは鋼材組織の粒界に偏析するため、他の固溶強化元素や析出強化元素に比べて切りくず生成時の剪断変形域における変形抵抗を軽減する作用を有する。更に、Ｐ及びＳｎの粒界偏析による脆化作用によって切りくずが分断しやすくなるので、切削抵抗の変化に関係なく切りくずが小さくなる。しかしながら、Ｐ及びＳｎの含有量が過剰になると、これらの元素が粒界だけでなく粒内にも存在することになるので、結果として硬さの上昇をきたし、そのために切削抵抗が上昇してしまう。したがって、切りくず処理性の向上と切削抵抗の低減を両立させるためには、Ｐ及びＳｎの含有量を適正化する必要がある。
【００３６】
（ｄ）チタン（Ｔｉ）は、炭化物として析出した場合には強化に寄与し、２００℃近傍での強度低下を抑制するので微量油潤滑切削の場合の切削抵抗を高めてしまう。但し、Ｔｉは窒素（Ｎ）との親和力が大きく、Ｔｉ窒化物はＴｉ炭化物よりも先に形成されるので、固溶Ｎが低減できる量まではＴｉを添加してもよい。
【００３７】
（ｅ）バナジウム（Ｖ）もＴｉと同様に炭化物として析出し、２００℃近傍での強度低下を抑制するので微量油潤滑切削の場合の切削抵抗を高めてしまう。このため、微量油潤滑切削性用の鋼材とするためには、Ｖは添加しないことが望ましい。しかしながら、Ｖは非調質鋼材の強度確保には欠かせない元素である。このため、微量油潤滑切削用の鋼材として非調質鋼材を用いる場合には、Ｖを添加してもよい。
【００３８】
（ｆ）モリブデン（Ｍｏ）は、２００℃近傍での強度低下を抑制するので微量油潤滑切削の場合の切削抵抗を高めてしまう。このため、微量油潤滑切削性用の鋼材とするためには、Ｍｏは添加しないことが望ましい。
【００３９】
（ｇ）銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）も２００℃近傍での強度低下を抑制して微量油潤滑切削の場合の切削抵抗を高めてしまう。このため、微量油潤滑切削用の鋼材とするためには、Ｃｕ及びＮｉの添加を行わず、溶製時に不純物として混入するレベルに抑えることが望ましい。
【００４０】
（ｈ）微量油潤滑切削用の場合には、従来から快削元素として知られている鉛（Ｐｂ）やビスマス（Ｂｉ）は添加しても切削性改善効果はほとんど認められない。同様に、Ｃａ処理などによって形成させた低融点酸化物も微量油潤滑切削の場合には切削性改善効果をほとんど有しない。また、硫化物の量は切削性改善効果に寄与するものの、硫化物の形態が微量油潤滑切削性の改善効果に及ぼす影響は小さい。これは微量油潤滑切削法の場合には、微量の潤滑油剤がすでに存在するためである。
【００４１】
（ｉ）同じ化学組成の鋼材であっても、室温での組織形態が異なれば切りくず生成時の剪断変形挙動も異なってくる。特に、組織がフェライト・パーライト組織の場合には、フェライト量の割合を最適化することで切削抵抗が低減するとともに切りくず処理性が向上するので、微量油潤滑切削性を改善することができる。
【００４２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す微量油潤滑加工用鋼材にある。
【００４４】
（１）質量％で、Ｃ：０．３３〜０．４５％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｎ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％及びＰ：０．０３％を超えて０．０８％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物の化学組成を有し、フェライト率が１５〜５５％のフェライト・パーライト組織からなることを特徴とする微量油潤滑加工用鋼材。
【００４５】
（２）質量％で、Ｃ：０．３３〜０．４５％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｎ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０３％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｐ：０．０８％以下及びＳｎ：０．２５％以下を含有し、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３〜０．０８を満たし、残部はＦｅ及び不純物の化学組成を有し、フェライト率が１５〜５５％のフェライト・パーライト組織からなることを特徴とする微量油潤滑加工用鋼材。
ｆｎ１＝Ｐ＋（Ｓｎ／３．８）・・・(1)。
なお、(1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００４６】
（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．３％以下を含有する上記（１）又は（２）に記載の微量油潤滑加工用鋼材。
【００４７】
（４）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．００５％以下及びＴｉ：０．０３％以下を含有する上記（１）から（３）までのいずれかに記載の微量油潤滑加工用鋼材。
【００４８】
ここで、上記の「フェライト・パーライト組織」とは、全体の９５％を超える部分がフェライトとパーライトの混合組織からなることを指す。そして、「フェライト率」とは、「フェライト・パーライト組織」におけるフェライトの割合をいい、「セメンタイト」と「フェライト」からなる「パーライト」中の「フェライト」は含まない。
【００４９】
なお、上記の「フェライト率」は、例えば、光学顕微鏡による観察のような通常の２次元的な評価方法によって求めたフェライトの割合、つまり面積率を指す。
【００５０】
「微量油潤滑」とは、具体的には、用いる潤滑油剤（切削油剤）の量が１時間当たり２００ｃｍ3以下であることを指す。
【００５１】
以下、上記（１）〜（４）の微量油潤滑加工用鋼材に係る発明を、それぞれ「本発明（１）」〜「本発明（４）」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】
【００５２】
本発明の微量油潤滑加工用鋼材は、微量油潤滑切削用として利用することができる。なお、微量油潤滑切削法は、エネルギー消費が少ないばかりか環境に優しく、しかも、切削加工効率を高めることができるとともに加工精度も維持することができる技術である。このため、本発明の微量油潤滑加工用鋼材を用いることで、地球環境の保護やコスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００５４】
（Ａ）鋼材の化学組成
Ｃ：０．３３〜０．４５％
Ｃは、鋼の硬さ（強度）を高めて機械構造部品に所望の高い硬さを付与するのに必須の元素である。Ｃには、微量油潤滑切削の場合の加工性に影響する後述のフェライト率を適正化する作用もある。しかしながら、その含有量が０．３３％未満では前記の効果が得難い。一方、Ｃの含有量が０．４５％を超えると切削抵抗の上昇を招き工具摩耗量の増大をきたす。したがって、Ｃの含有量を０．３３〜０．４５％とした。なお、Ｃ含有量は０．３５〜０．４２％とすることが好ましい。
【００５５】
Ｓｉ：０．１〜１．２％
Ｓｉは、強度を高める元素である。しかしながら、その含有量が０．１％未満ではその効果が期待できない。一方、Ｓｉの含有量が１．２％を超えると硬さが上昇し、特に軟質なフェライトに固溶して剪断変形抵抗を高めるので切削抵抗の上昇をもたらす。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．２％とした。なお、Ｓｉ含有量の上限は０．７％とすることが好ましい。
【００５６】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｎは０．５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が２．０％を超えると組織中のフェライトの割合が低下し、硬さが上昇するので切削抵抗が高くなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．５〜２．０％とした。なお、Ｍｎ含有量の下限は０．６５％とすることが好ましく、また、上限は、１．６％とすることが好ましい。
【００５７】
Ｓ：０．０１〜０．１２％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成して被削性を改善する作用を有する。その効果は工具との潤滑よりむしろ、切りくず剪断域での変形の起点となることで剪断変形抵抗を小さくすることにある。しかし、その含有量が０．０１％未満では前記の効果が得難い。一方、Ｓを多量に含有すると、ＭｎＳが粗大化するとともにその量が多くなるので靭性の異方性が顕著になり、更に、靭性そのものが劣化する。特に、Ｓの含有量が０．１２％を超えると靭性の劣化が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．０１〜０．１２％とした。なお、Ｓの含有量は０．０３〜０．１０％とすることが好ましい。
【００５８】
Ｎ：０．０１０％以下
Ｎは、フェライトに固溶しているが２００℃近傍では時効析出により強度を高めてしまう。このため、微量油潤滑切削の場合、室温の硬さに関係なく切削抵抗を高めてしまうので、Ｎの含有量は極力少ない方が好ましい。したがって、Ｎの含有量を０．０１０％以下とした。なお、微量油潤滑切削用の鋼材としての一層好ましいＮの含有量は０．００８％以下である。
【００５９】
Ａｌ：０．００２〜０．０３％
Ａｌは、鋼の脱酸作用を有する元素である。また、窒化物を形成して固溶Ｎを低減させることで切削抵抗を抑制する効果がある。しかし、その含有量が０．００２％未満では添加効果に乏しい。一方、Ａｌを多く含有させると硬質な酸化物の量が多くなって工具損傷をきたす場合があり、特に、Ａｌの含有量が０．０３％を超えると工具損傷が著しくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．００２〜０．０３％以下とした。
【００６０】
Ｃｒ：０．０１〜０．５％
Ｃｒは、鋼材の強度を高める作用を有する。この効果はＣｒの含有量が０．０１％以上で得られる。鋼材の強度確保のためには、Ｃｒの含有量は０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒの含有量が０．５％を超えると、組織中のフェライトの割合が大きく低下するので、加工性が低下するとともに靭性も大きく劣化する。したがって、Ｃｒの含有量を０．０１〜０．５％とした。なお、Ｃｒ含有量の上限は０．３％とすることが好ましい。
【００６１】
本発明においては、上記のＣからＣｒまでの元素に加えて、
（１）Ｐ：０．０３％を超えて０．０８％以下（本発明（１）の場合）、
を含むか、或いは、
（２）Ｐ：０．０８％以下及びＳｎ：０．２５％以下で、しかも、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３〜０．０８を満たすＰ及びＳｎ（本発明（２）の場合）、
を含む必要がある。以下、このことについて説明する。
【００６２】
Ｐは、本発明において重要な元素である。すなわち、Ｐは、粒界に偏析し、切りくず生成時の剪断変形域における変形抵抗を軽減する作用を有する。更に、Ｐの粒界偏析による脆化作用によって切りくずが分断しやすくなるので、Ｐには、切りくず処理性を高める作用もある。
【００６３】
特に、Ｐを０．０３％を超えて含有させると、上記作用効果が顕著となる。しかしながら、０．０８％を超えてＰを含有させても、粒界に偏析するＰの量は飽和し、フェライト等の結晶粒内に固溶するＰの量が増加するので硬さが上昇し、これとともに切削抵抗も上昇する。したがって、切りくず処理性の向上と切削抵抗の低減とを両立させるために、本発明（１）においては、Ｐの含有量を０．０３％を超えて０．０８％以下とした。なお、本発明（１）において、上述したＰの作用を安定して確保するためには、その含有量は０．０３５〜０．０６５％とすることが好ましい。
【００６４】
本発明（１）における含有量で０．０３％を超えて０．０８％以下という上記Ｐの作用は、Ｐ：０．０８％以下及びＳｎ：０．２５％以下で、しかも、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３〜０．０８を満たすＰ及びＳｎを複合して含有させることによっても達成できる。
【００６５】
Ｓｎは、本発明において重要な元素である。すなわち、Ｓｎは、Ｐと同様粒界に偏析し、切りくず生成時の剪断変形域における変形抵抗を軽減する作用を有する。更に、Ｓｎの粒界偏析による脆化作用によって切りくずが分断しやすくなるので、Ｓｎには、切りくず処理性を高める作用もある。
【００６６】
ＰとＳｎを複合して含有する本発明（２）の場合、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３以上であれば、上記作用効果が顕著となる。しかしながら、ｆｎ１の値で０．０８を超えるＰとＳｎを複合して含有させても粒界に偏析するＰとＳｎの量は飽和し、フェライト等の結晶粒内に固溶するＰとＳｎの量が増加するので硬さが上昇し、これとともに切削抵抗も上昇する。但し、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３〜０．０８であっても、Ｐの含有量が０．０８％を超える場合には、フェライト等の結晶粒内に固溶するＰの量が増加して硬さが上昇し、これとともに切削抵抗の上昇を招く。また、Ｓｎの含有量が０．２５％を超える場合にも、フェライト等の結晶粒内に固溶するＳｎの量が増加して硬さが上昇し、これとともに切削抵抗の上昇をきたす。したがって、切りくず処理性の向上と切削抵抗の低減とを両立させるために、本発明（２）においては、Ｐ：０．０８％以下及びＳｎ：０．２５％以下を含有し、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３〜０．０８を満たすこととした。なお、本発明（２）において、上述したＰとＳｎの複合作用を安定して確保するためには、Ｐ：０．０６５％以下及びＳｎ：０．２％以下で、前記(1)式で表されるｆｎ１の値を０．０４〜０．０７５とすることが好ましい。
【００６７】
上述のことから、本発明（１）に係る微量油潤滑加工用鋼材の化学組成を、上述した範囲のＣからＣｒまでの元素を含むとともに、Ｐ：０．０３％を超えて０．０８％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなることと規定した。
【００６８】
また、本発明（２）に係る微量油潤滑加工用鋼材の化学組成を、上述した範囲のＣからＣｒまでの元素を含むとともに、Ｐ：０．０８％以下及びＳｎ：０．２５％以下を含有し、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．０３〜０．０８を満たし、残部はＦｅ及び不純物からなることと規定した。
【００６９】
なお、本発明に係る微量油潤滑加工用鋼材には、必要に応じて、Ｆｅの一部に代えて、
第１群：Ｖ：０．３％以下、
第２群：Ｂ：０．００５％以下及びＴｉ：０．０３％以下、
の少なくとも１つの群の元素を含有させることができる。すなわち、前記第１群と第２群の少なくとも１つの群の元素を、Ｆｅの一部に代えて、任意添加元素として含有させてもよい。
【００７０】
以下、上記の任意添加元素に関して説明する。
【００７１】
第１群：Ｖ：０．３％以下
Ｖは、鋼材の強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｖは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかしながら、その含有量が０．３％を超えると、強度が過度に高くなるとともに高温強度に対する軟化抵抗が上昇するので切削抵抗も上昇し、微量油潤滑切削の場合の被削性が低下する。したがって、Ｖを含有させる場合にはその含有量の上限を０．３％とした。なお、含有させる場合のＶの含有量は、０．０１〜０．３％とすることが好ましい。
【００７２】
第２群：Ｂ：０．００５％以下及びＴｉ：０．０３％以下
Ｂは、粒界を強化し、本発明でいう「フェライト・パーライト組織」を有する鋼材に切削加工等の機械加工を施した後で焼入れ処理を施す場合の、焼入れ後に生じる粒界割れに伴う遅れ破壊を抑制する作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかしながら、Ｂを０．００５％を超えて含有させても前記の効果が飽和するうえにＰの粒界偏析を抑制するので前述したＰの効果を低減させてしまう。したがって、Ｂを含有させる場合にはその含有量の上限を０．００５％とした。なお、含有させる場合のＢの含有量は、０．０００５〜０．００５％とすることが好ましい。
【００７３】
上記のＢを含有させる場合には、Ｔｉも同時に含有させる必要がある。すなわち、Ｔｉは、窒化物を形成して固溶Ｎを低減させる効果があり、ボロン鋼においてＢ窒化物（ＢＮ）の形成を抑制するので、上記したＢの効果を十分発揮させることができる。こうした効果を確実に得るには、Ｔｉは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかしながら、Ｔｉを多く含有させると硬質な窒化物の量が増加し工具損傷をきたす場合があり、また、過剰なＴｉ含有は炭化物を形成するので、これが強度を増加させて切削抵抗を高めることで微量油潤滑切削の場合の被削性が低下する。したがって、Ｔｉを含有させる場合にはその含有量の上限を０．０３％とした。なお、含有させる場合のＴｉの含有量は、０．００５〜０．０３％とすることが好ましい。
【００７４】
上記の理由から、本発明（３）に係る微量油潤滑加工用鋼材の化学組成を、本発明（１）又は本発明（２）の微量油潤滑加工用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｖ：０．３％以下を含有することと規定した。
【００７５】
また、本発明（４）に係る微量油潤滑加工用鋼材の化学組成を、本発明（１）から本発明（３）までのいずれかの微量油潤滑加工用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｂ：０．００５％以下及びＴｉ：０．０３％以下を含有することと規定した。
【００７６】
なお、本発明に係る微量油潤滑加工用鋼材には、Ｍｏを積極的には添加しない。これは先の知見（ｆ）で述べたように、Ｍｏが２００℃近傍での強度低下を抑制して切削抵抗を上昇させ、微量油潤滑切削の場合の被削性の低下を招くからである。
【００７７】
同様に、本発明に係る微量油潤滑加工用鋼材には、Ｃｕ及びＮｉも積極的には添加しない。これも先の知見（ｇ）で述べたように、ＣｕやＮｉが２００℃近傍での強度低下を抑制して微量油潤滑切削の場合の切削抵抗を上昇させ、微量油潤滑切削の場合の被削性の低下を招くからである。なお、Ｃｕ及びＮｉは、溶製時に不純物元素として混入する場合があり、その範囲においては微量油潤滑切削の場合にも十分許容できる。具体的には、Ｃｕ及びＮｉはいずれも、それぞれ０．１５％までは含有していても微量油潤滑切削の場合の加工性には大きく影響しない。
【００７８】
また、知見（ｈ）で述べたたように、従来から快削元素として良く知られているＰｂ及びＢｉのほか、ＭｎＳの形態をコントロールできるＣａ、ＴｅやＳｅ等は、微量油潤滑切削の場合には切削抵抗を低減することによる切削性改善効果が見られないので、微量油潤滑切削を対象とする本発明に係る微量油潤滑加工用鋼材においては、これらの元素も積極的には添加しない。Ｐｂは０．２５％を超えて、Ｂｉは０．１０％を超えて、Ｃａは０．０５％を超えて、Ｔｅは０．０５％を超えて、Ｓｅは０．５％を超えて含有すると熱間加工性を悪化させるが、いずれの元素も、上記の値以下なら切削性に影響を与えないので、不純物量であれば許容できる。
【００７９】
なお、鋼中に混入する不純物としてのＯ（酸素）については、その含有量は特に規定するものではないが、良好な靱性を確保するために、できればその含有量を０．０１５％以下とすることが好ましい。
【００８０】
上述の化学組成を有する鋼は、例えば、転炉や電気炉等により溶製することができる。鋼塊の製造は、鋳型に注入する「造塊法」又は「連続鋳造法」のいずれの手段を用いても構わない。
【００８１】
（Ｂ）鋼材の組織
本発明の微量油潤滑加工用鋼材は、その組織を、フェライト率が１５〜５５％のフェライト・パーライト組織とする必要がある。
【００８２】
フェライトは軟質相である。このため、微量油潤滑切削の際に優先的に変形して切削加工中の変形抵抗を小さくするので、切削抵抗の低減に寄与する。しかし、フェライト率が１５％未満では、上記の効果を十分に得ることができない。一方、フェライト率が５５％を超えると、鋼材としての強度が確保し難くなるし、軟質の組織が過剰となって却って鋼材としての延性が増加して微量油潤滑切削の場合の切削抵抗が高くなり、更に、切りくず処理性も低下してしまう場合がある。
【００８３】
上述の理由から、本発明の微量油潤滑加工用鋼材は、その組織を、フェライト率が１５〜５５％のフェライト・パーライト組織からなるものとした。
【００８４】
本発明の微量油潤滑加工用鋼材の組織は、フェライト率が２０〜５０％のフェライト・パーライト組織からなるものであることが一層好ましい。
【００８５】
なお、既に述べたように、本発明でいう「フェライト・パーライト組織」とは、全体の９５％を超える部分がフェライトとパーライトの混合組織からなるものを指す。また、「フェライト率」とは、「フェライト・パーライト組織」におけるフェライトの割合を指し、「セメンタイト」と「フェライト」からなる「パーライト」中の「フェライト」は含まない。
【００８６】
また、上記の「フェライト率」は、例えば、光学顕微鏡による観察のような通常の２次元的な評価方法によって求めたフェライトの割合、つまり面積率を指すことも既に述べたとおりである。
【００８７】
なお、本発明の微量油潤滑加工用鋼材における「フェライト・パーライト組織」以外の組織としては、例えば、ベイナイトやマルテンサイトなどの第３相を挙げることができるが、第３相が５％以下でありさえすれば、微量油潤滑切削の場合の被削性には実質的な影響がない。したがって、本発明においては上記のとおり、全体の９５％を超える部分がフェライトとパーライトの混合組織からなる「フェライト・パーライト組織」におけるフェライト率を規定する。すなわち、前述した「フェライト率」とは、より具体的には、｛「フェライト」／（「フェライト」＋「パーライト」＋「第３相」）｝×１００（％）のことをいう。
【００８８】
なお、前記の所定の組織は非調質処理、つまり最終の熱間加工後に冷却したままでも得られるし、熱間加工後に「焼ならし」、「焼ならし−焼戻し」などの熱処理を行っても得られる。なお、コスト面からは熱処理を行わずに所定の組織が得られる非調質処理とすることが好ましい。この非調質処理の場合には、熱処理を行う必要がないためコスト面で有利であるし、工程が簡素化できるために納期の面でも有利である。
【００８９】
なお、本発明でいう「微量油潤滑」とは、用いる潤滑油剤（切削油剤）の量が１時間当たり２００ｃｍ3以下であることを指すが、実際の鋼材の加工においては潤滑油剤の量を１時間当たり約５０ｃｍ3以下として実施することも多い。潤滑油剤の塗布方法は潤滑油をミスト状にしてから空気と混合して噴射する方法が一般的である。場合によってはミスト状の水も混合させる場合がある。本発明においては、特に塗布時の潤滑油剤の形態については限定するものではなく、単に潤滑油剤の単独の量が１時間当たり２００ｃｍ3以下であればその効果は確保できる。特に、ドリル油穴からの内部給油等、内部給油の微量油潤滑加工に、本発明の鋼材は適している。
【００９０】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【実施例】
【００９１】
［実施例１］
表３に示す化学組成を有する鋼Ａ１〜Ａ１２、鋼Ｂ１〜Ｂ６及び鋼Ｃ１〜Ｃ３を１５０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製した。表３における鋼Ａ１〜Ａ１２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Ｂ１〜Ｂ６及び鋼Ｃ１〜Ｃ３は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。なお、ＰとＳｎを複合して含有する鋼については、表３中に前記(1)式で表されるｆｎ１の値を併記した。
【００９２】
【表３】
0004788320.tif 000004
【００９３】
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６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は空冷して非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。
【００９４】
このようにして得た各丸棒について、組織及び微量油潤滑切削性を調査した。
【００９５】
組織は、丸棒の表面から１５ｍｍ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、鍛錬軸に平行に切断して試験片を採取し、その切断面（丸棒の縦断面）を鏡面研磨してナイタルで腐食した後、倍率が４００倍の光学顕微鏡で観察して、Ｒ／２部位置におけるフェライト率（面積率）の測定と組織（相）の特定を行った。
【００９６】
また、微量油潤滑切削性は、上記の各丸棒を１００ｍｍずつの長さに切断したものを試験片とし、直径（Ｄ）が５．５７ｍｍ、全長が１８０ｍｍ、刃長が１３０ｍｍで先端角が１４０゜の油穴付き超硬コーティングドリルを用いて下記の条件で深さ９０ｍｍの切削を実施し、切削抵抗（スラスト力）の測定値と切りくず処理性によって微量油潤滑切削性を評価した。なお、切りくず処理性は、切削抵抗測定時に発生した多数の切りくずを採取し、切りくずの厚さをマイクロメーターで１０片について測定し、その平均値が小さいもの程切りくず処理性が良好であると判定した。なお、全ての加工試験においては、事前に直径が５．６０ｍｍ、深さが１０ｍｍの穴をガイド穴として加工した。したがって、先に述べた加工穴深さとしての９０ｍｍには、このガイド穴が含まれている。
【００９７】
・回転数：５７１８ｒｐｍ、
・送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
・試験片長手方向の加工穴深さ：９０ｍｍ（約１６Ｄ）、
・潤滑条件：生分解性の高い合成エステルを約１．０ｃｍ3／時の割合でドリル油穴から内部給油で空気と混合し噴霧状にして塗布。
【００９８】
表４に、上記の各種調査結果をまとめて示す。また、切削抵抗と切りくず処理性の関係を図１に示す。なお、図１中における「●」、「○」及び「△」は、それぞれ、鋼Ａ１〜Ａ１２を用いた試験番号１〜１２の本発明例に係る調査結果、鋼Ｂ１〜Ｂ６を用いた試験番号１３〜１８の比較例に係る調査結果及び鋼Ｃ１〜Ｃ３を用いた試験番号１９〜２１の比較例に係る調査結果である。
【００９９】
【表４】
0004788320.tif 000005
【０１００】
表４及び図１から明らかなように、鋼の化学組成が本発明で規定する範囲内にあり、更に、組織も本発明の規定を満足する本発明例の試験番号１〜１２の場合、切削抵抗（スラスト力）及び切りくず処理性の基準である切りくず厚さが小さく、切削抵抗と切りくず処理性とのバランスが良好で、微量油潤滑切削性に優れている。
【０１０１】
これに対して、試験番号１３〜２１の比較例は、いずれも、切削抵抗と切りくず処理性とのバランスが低位になっている。
【０１０２】
なお、比較例のうちでも図１中「△」で表記した鋼Ｃ１〜Ｃ３を用いた試験番号１９〜２１の場合の切削抵抗と切りくず処理性とのバランスが一層低位になっている。これは、Ｖの含有量（鋼Ｃ１を用いた試験番号１９）、Ｃ及びＰの含有量（鋼Ｃ２を用いた試験番号２０）やＣ、Ｐ及びＴｉの含有量並びにフェライト・パーライト組織におけるフェライト率（鋼Ｃ３を用いた試験番号２１）が本発明の規定から外れているためである。
【０１０３】
［実施例２］
本発明に係る微量油潤滑加工用鋼材が、微量油潤滑切削条件の下で用いられる場合に効果を有することを、従来の切削加工法の一例として旋盤による旋削加工を取り上げて検証した。
【０１０４】
すなわち、［実施例１］で作製した鋼Ａ２及び鋼Ｂ２〜Ｂ４の直径６０ｍｍの丸棒を供試材として、Ｐ種の超硬工具を使用いて下記の条件で旋削加工し、切削抵抗（主分力）を測定するとともに、［実施例１］と同様の方法で多数の切りくずを採取し、切りくずの厚さをマイクロメーターで１０片について測定してその平均値から切りくずの厚さを求め、Ｐの含有量が切削抵抗及び切りくず処理性に及ぼす影響を調査した。
【０１０５】
・切削速度：１００ｍｍ／分、
・送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
・切り込み量：１．５ｍｍ、
・潤滑条件：無潤滑。
【０１０６】
なお、［実施例１］における微量油潤滑切削の場合の０．２５ｍｍ／ｒｅｖという送りに対して、この旋削加工では、送りをその約１／２である０．１０ｍｍ／ｒｅｖにした理由は、ドリル加工では切れ刃が２枚であるため、実質一刃当たりの送りが半分となるためである。
【０１０７】
表５、表６、図２及び図３に、上記の調査結果を［実施例１］における微量油潤滑切削の場合の調査結果とともに示す。なお、表５、表６、図２及び図３における「変化率」は、いずれも、Ｐの含有量が０．０１２％の鋼Ｂ２の値に対する比で表したものである。また、図２及び図３中における「●」及び「○」は、それぞれ、微量油潤滑切削の場合の結果及び無潤滑の旋削加工の場合の結果を表す。
【０１０８】
【表５】
0004788320.tif 000006
【０１０９】
【表６】
0004788320.tif 000007
【０１１０】
表５及び図２から、切削抵抗の変化の割合に対して、無潤滑の旋削加工の場合にはＰの含有量の影響はほとんど認められないが、微量油潤滑切削の場合には、Ｐを含有することによって明らかに切削抵抗が低くなる傾向が認められる。
【０１１１】
また、表６及び図３から、切りくずの厚さに対しても、無潤滑の旋削加工の場合に比べて微量油潤滑切削の場合には、Ｐを含有することによって効果的に切りくずが薄くなっていることが明らかである。
【０１１２】
以上のことから、本発明に係る微量油潤滑加工用鋼材が、微量油潤滑切削条件の下で用いられる場合に効果を有することが明確になった。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明の微量油潤滑加工用鋼材は、微量油潤滑切削用として利用することができる。なお、微量油潤滑切削法は、エネルギー消費が少ないばかりか環境に優しく、しかも、切削加工効率を高めることができるとともに加工精度も維持することができる技術である。このため、本発明の微量油潤滑加工用鋼材を用いることで、地球環境の保護やコスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】［実施例１］で調査した微量油潤滑切削の場合の切削抵抗と切りくず処理性の関係を示す図である。
【図２】［実施例１］で調査した微量油潤滑切削の場合と［実施例２］で調査した従来の切削加工法の一例としての無潤滑旋削加工の場合とにおける切削抵抗の変化率に及ぼすＰ含有量の影響を比較して示す図である。
【図３】［実施例１］で調査した微量油潤滑切削の場合と［実施例２］で調査した従来の切削加工法の一例としての無潤滑の旋削加工の場合における切りくず厚さの変化率に及ぼすＰ含有量の影響を比較して示す図である。
【図１】
0004788320.tif 000008
【図２】
0004788320.tif 000009
【図３】
0004788320.tif 000010