(57)【要約】【課題】被削性（特に切屑処理性）を高めた高Ｓ快削鋼において、表面疵の発生防止と仕上げ面粗さの改善とを両立することのできる技術を確立する。【解決手段】Ｃ：０．０１〜０．２５％（質量％の意。以下、同じ）、Ｓｉ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：１．３〜３．５％、Ｐ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．３８〜０．８％、Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．００７％以上、Ｏ：０．００８％以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎ／Ｓ比（質量比）が３．５以上である高Ｓ快削鋼の製造方法において、鋳造直前の溶鋼のフリー酸素濃度を０．００４％以上にして鋼中のＭｎＳの平均面積を１０μｍ２以上にする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．０１〜０．２５％（質量％の意。以下、同じ）、
Ｓｉ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：１．３〜３．５％、
Ｐ  ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ｓ  ：０．３８〜０．８％、
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｎ  ：０．００７％以上、
Ｏ  ：０．００８％以上を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
Ｍｎ／Ｓ比（質量比）が３．５以上である高Ｓ快削鋼の製造方法において、
鋳造直前の溶鋼のフリー酸素濃度を０．００４％以上にすることを特徴とする被削性に優れた高Ｓ快削鋼の製造方法。
【請求項２】
脱酸剤としてのＳｉ及びＡｌを添加しない請求項１に記載の高Ｓ快削鋼の製造方法。
【請求項３】
連続鋳造法又は造塊法によって製造する請求項１又は２のいずれかに記載の高Ｓ快削鋼の製造方法。
【請求項４】
Ｃ  ：０．０１〜０．２５％（質量％の意。以下、同じ）、
Ｓｉ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：１．３〜３．５％、
Ｐ  ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ｓ  ：０．３８〜０．８％、
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｎ  ：０．００７％以上、
Ｏ  ：０．００８％以上を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
Ｍｎ／Ｓ比（質量比）が３．５以上であり、
ＭｎＳの平均面積が１０μｍ２以上であることを特徴とする被削性に優れた高Ｓ快削鋼。
【請求項５】
請求項４に記載の高Ｓ快削鋼を切削することによって得られる鋼部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人体に有害でリサイクルを困難にするＰｂを使用しない快削鋼（Ｐｂフリー快削鋼）の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
快削鋼に含まれるＰｂは、被削性改善に極めて有効な元素である。しかし、埋め立てられた廃棄スクラップから溶け出すおそれがあることや溶解すると人体に有害なＰｂガスが発生するので、リサイクルの障害となっていた。このため、鋼へのＰｂ使用廃止が求められている。Ｐｂを除いた場合、被削性が劣化するため、代わりの快削性元素を添加する必要がある。
【０００３】
被削性（特に切屑処理性）を改善するためにはＳの増量（高Ｓ快削鋼）が提案されており、例えば特許文献１ではＳを０．４％超とすることを提案している。しかしこの特許文献１が指摘しているようにＳ含有率が高まると熱間加工性が低下するため、例えば圧延材の表面疵が増大する。そこでこの特許文献１ではＭｎ含有率を増大することによってＭｎ／Ｓ比を最大５．０まで高めることを推奨している。さらには鋼中の酸素含有率が低いとＭｎＳが小型化して被削性が低減することに着目し、鋼中の酸素濃度を０．００５〜０．０４０％程度に高めることも提案している。ところが後述の特許文献２の従来技術欄に記載されているように、この特許文献１の方法（Ｍｎ／Ｓ比の向上、鋼中酸素濃度の向上）によったとしても、なお仕上げ面粗さが不十分となっている。
【０００４】
仕上げ面粗さを改善できた鋼として特許文献２がある。この特許文献２の発明は、Ｓを０．４％以上と高めた高Ｓ快削鋼であり、またＭｎ／Ｓ比を最大５．０まで高めており、かつ鋼中酸素濃度を０．００５〜０．０４０％まで高めている点で上記特許文献１と共通するが、悪い仕上げ面粗さを改善するためにＳｎを０．００１５〜０．６０％添加している点で改善されている。Ｓｎを用いれば、切削時に形成される構成刃先を脆くでき、切削面に付着する構成刃先のかけらが小さくなるためであるとしている。しかしＳｎは熱間加工性を劣化させるため、Ｍｎ／Ｓ比向上による熱間加工性向上効果（表面疵低減効果）を打ち消してしまう。従って特許文献２の方法によっても表面疵の低減と仕上げ面粗さの両立が困難となっている。
【０００５】
Ｓｎを使用することなく仕上げ面粗さを改善した例として特許文献３がある。この特許文献３はＳを０．５％程度まで高めている点、及び鋼中のＯ２を１００〜３００ｐｐｍと高くしている点で上記特許文献１〜２と共通しており、鋼中のＯ２が高くなってＭｎＳサイズが大きくなる程、仕上げ面粗さが良好となることを特定の式を用いて示している。しかし、この特許文献３はＭｎ／Ｓ比についての配慮がなされておらず、実施例の欄を参照すると、Ｍｎ／Ｓ比は最大でも３．３である。そのため表面疵の改善効果が不十分となっており、特許文献３の方法によっても表面疵の低減と仕上げ面粗さの両立が困難となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３１９７５３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４９８４８号公報
【特許文献３】
特開平５−３４５９５１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、被削性（特に切屑処理性）を高めた高Ｓ快削鋼において、表面疵の発生防止と仕上げ面粗さの改善とを両立することのできる技術を確立することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
表面疵の発生防止と仕上げ面粗さの改善とを両立するには、特許文献３においてＭｎ／Ｓ比を向上することが想定された。しかしＭｎ／Ｓ比を増大するとＭｎＳサイズが小さくなってしまい、仕上げ面粗さの改善効果を十分に得ることができなかった。しかもＭｎＳサイズの低下は、特許文献１〜３が教示するように、鋼中の酸素濃度を０．００５〜０．０４０％に制御したとしても同様であった。
【０００９】
そこで本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、鋼中の酸素濃度はＭｎＳサイズと直接的な関係がないことを発見し、さらに鋭意研究を重ねた結果、鋳造直前のフリー酸素濃度がＭｎＳサイズに大きく影響しており、該フリー酸素濃度を低減するとＭｎ／Ｓ比を増大しながらも大きなサイズのＭｎＳを生成させることができ、表面疵の発生防止と仕上げ面粗さの改善とを両立できることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明に係る被削性に優れた高Ｓ快削鋼の製造方法は、Ｃ：０．０１〜０．２５％（質量％の意。以下、同じ）、Ｓｉ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：１．３〜３．５％、Ｐ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．３８〜０．８％、Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．００７％以上、Ｏ：０．００８％以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎ／Ｓ比（質量比）が３．５以上である高Ｓ快削鋼の製造方法において、鋳造直前の溶鋼のフリー酸素濃度を０．００４％以上にする点に要旨を有するものである。溶鋼のフリー酸素濃度を０．００４％以上とするためには、脱酸剤としてのＳｉ及びＡｌを添加しないのが有効である。このようにして得られる高Ｓ快削鋼では、ＭｎＳの平均面積が１０μｍ２以上となっており仕上げ面粗さが改善されている。本発明の高Ｓ快削鋼は、連続鋳造法又は造塊法によって製造されるが、造塊法によればＭｎＳサイズを大きくするのに有利である。この高Ｓ快削鋼を切削することによって鋼部品を製造できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、後述する脱酸操作以外は常法に従って溶鋼の成分調整を行い、次いで必要により分塊圧延した後、熱間圧延することによってＣ：０．０１〜０．２％（質量％の意。以下、同じ）、Ｓｉ：０．０１％以下、Ｍｎ：１．３〜３％、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．３８〜０．８％、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００７％以上、Ｏ：０．００８％以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎ／Ｓ比（質量比）が３．５以上である高Ｓ快削鋼を製造している。各成分の限定理由は以下の通りである。
【００１２】
Ｃ：０．０１〜０．２５％
Ｃは鋼の基本強度を決定する為に不可欠な元素であり、また所定量以上添加することによって仕上げ面粗さを改善する作用も有する。しかし過剰に添加すると工具寿命が低下する。Ｃ量は、鋼の他の構成要件（他の成分、後述するＭｎＳサイズなど）に応じて適切な範囲に設定されるが、本発明では０．０１％以上（好ましくは０．０３％以上、さらに好ましくは０．０５％超）、０．２５％以下（好ましくは０．２０％以下、さらに好ましくは０．１７％以下）とする。
【００１３】
Ｓｉ：０．０１％以下（０％を含まない）
後述するように、本発明では基本的には脱酸剤としてのＳｉを添加しない。しかしＳｉは原料（鉄鉱石、スクラップなど）に含まれており脱Ｓｉ処理をしてもＳｉＯ２として混入してくる。また他の鋼を製造する場合には脱酸剤として頻繁に使用されているため、製造設備からもＳｉＯ２として混入してくる。ＳｉＯ２としての混入であれば脱酸剤としての機能を喪失しており、特にＳｉ量は制限されないが、通常、Ｓｉは０．０１％以下（例えば０．００９％以下、特に０．００７％以下）程度である（なお実際上、０％となることはない）。
【００１４】
Ｍｎ：１．３〜３．５％
ＭｎはＭｎＳを形成して被削性を高めるため、本発明では不可欠な元素である。またＦｅＳの生成による圧延中の液相の発生を抑制するため、表面疵を低減する点でも効果がある。しかしＭｎが過剰となると工具寿命が低下する。Ｍｎ量は、１．３％以上（好ましくは１．５％以上、さらに好ましくは２．０％以上）、３．５％以下（好ましくは３．２％以下、さらに好ましくは３．０％以下）程度である。
【００１５】
Ｐ：０．２％以下（０％を含まない）
Ｐは過剰となると工具寿命を低下させるため低減することが推奨される。従ってＰは０．２％以下、好ましくは０．１５％以下、さらに好ましくは０．１０％以下とする。なお実際上、Ｐを０％とすることは困難であり、またＰは被削性の改善にも有効である。従ってＰは好ましくは０．０１％以上、さらに好ましくは０．０５％以上とする。
【００１６】
Ｓ：０．３８〜０．８％
ＳはＭｎＳを形成して被削性を高めるため、本発明では不可欠な元素である。またＰｂ快削鋼と同等の被削性を得るためにはＳ量を十分に高める必要がある。従って本発明では、Ｓ量を０．３８％以上、好ましくは０．４０％以上、さらに好ましくは０．４５％以上とする。しかしＳが過剰になると表面疵の発生が認められるようになる。従ってＳ量は０．８％以下、好ましくは０．７％以下、さらに好ましくは０．６５％以下程度とする。
【００１７】
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）
後述するように、本発明では基本的に脱酸剤としてのＡｌを添加しない。しかしＡｌは他の鋼を製造する場合には脱酸剤として頻繁に使用されているため、製造設備からＡｌ２Ｏ３が混入してくる。Ａｌ２Ｏ３としての混入であれば脱酸剤としての機能を喪失しており、特にＡｌ量は制限されないが、通常、Ａｌは０．０１％以下（例えば０．００９％以下、特に０．００６％以下）程度である（なお実際上、０％となることはない）。
【００１８】
Ｎ：０．００７％以上
Ｎが多くなるほど仕上げ面粗さが改善される。Ｎは０．００７％以上、好ましくは０．００８％以上、さらに好ましくはＮは０．００９％以上である。表面疵及び仕上げ面粗さの観点からはＮの上限は限定されないが、Ｎが多くなるとブローホールが発生するため上限を設定するのが望ましい。好ましくはＮは０．０２％以下、さらに好ましくは０．０１５％以下、特に０．０１３％以下である。
【００１９】
Ｏ：０．００８％以上
後述するように本発明では鋳造直前の溶鋼中のフリー酸素濃度を高くすることが重要であり、鋼中の酸素濃度は特に設定されないが、通常、０．００８％以上、好ましくは０．０１０％以上、さらに好ましくは０．０１３％以上程度である。なお表面疵及び仕上げ面粗さと鋼中の酸素濃度との直接の関係はないが、鋼中の酸素濃度が多い程、原料や製造設備由来の酸化物（ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３など）が多くなっている傾向があり、工具寿命が低下する傾向がある。従って鋼中の酸素は、好ましくは０．０３％以下、さらに好ましくは０．０２％以下、特に０．０１８％以下程度とするのが推奨される。
【００２０】
また本発明では、ＭｎとＳの比（Ｍｎ／Ｓ；質量基準）が３．５以上に設定されている。ＭｎがＳに比べて少なすぎると、表面疵の発生を防止できない。好ましいＭｎ／Ｓ比（質量比）は、３．８以上、さらに好ましくは４．０以上である。
【００２１】
上記のようにして鋼を製造するに際して、鋳造直前の脱酸操作（例えば取鍋精錬時のスラグ調整による脱酸操作）を工夫している点に本発明の特徴がある。取鍋精錬では、通常、ＳｉやＡｌなどの脱酸剤を添加して脱酸を行っている。しかし本発明のようにＭｎ／Ｓ比を高くすると、Ｍｎが脱酸剤として働くため、溶鋼中のフリー酸素濃度が既に低減されている。ここで常法に従ってＳｉやＡｌなどを添加してしまうと、溶鋼中のフリー酸素濃度が著しく少なくなってしまい、鋳造時に析出するＭｎＳが微細化してしまい、仕上げ面粗さが劣化していたのである。また従来の方法では鋼中の酸素を所定量以上確保することを考慮していたが、かかる思想はＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を鋼中に持ち込ませることなく十分に浮上させて酸化物を少なくした後で鋳造することを意味するに過ぎず、溶鋼中のフリー酸素は何ら制御されていなかったのであり、むしろＳｉやＡｌを脱酸剤として使用してしまっている以上、溶鋼中のフリー酸素は極めて少なくなっていたのである。これに対して、本発明ではフリー酸素濃度を低減し過ぎないようにしており、基本的には脱酸剤としてのＳｉやＡｌを添加しないこととしてＭｎＳの微細化を防止している。ＭｎＳの微細化を防止することによって、仕上げ面粗さの劣化を防止できる。
【００２２】
鋳造直前の溶鋼中のフリー酸素濃度は、０．００４％以上、好ましくは０．００４３％以上、さらに好ましくは０．００４５％以上とする。なおかかるフリー酸素濃度を確保可能である限り、必要によってＳｉやＡｌを添加してもよい。またフリー酸素を過剰としなければ、ＭｎＳサイズが大きくなり過ぎるのを防止でき、表面疵の発生をさらに抑制できる。従ってフリー酸素濃度は、好ましくは０．０１％以下、さらに好ましくは０．００８％以下、特に０．００６％以下程度とする。
【００２３】
上記のようにして溶鋼中のフリー酸素濃度を制御すると、Ｍｎ／Ｓ比が高められているにも拘わらずＭｎＳの微細化を防止できる。そのため表面疵の発生を防止できると共に、仕上げ面粗さをも改善できる。上記のようにして得られる本発明の鋼中のＭｎＳ介在物の平均面積は、１０μｍ２以上、好ましくは２０μｍ２以上、さらに好ましくは５０μｍ２以上である。なおＭｎＳ介在物の平均面積は、好ましくは３００μｍ２以下、さらに好ましくは２００μｍ２以下、特に１５０μｍ２以下とすることが推奨される。
【００２４】
鋳造方法は特に限定されず、連続鋳造法であってもよく造塊法であってもよい。連続鋳造法によれば生産性を高めることができる。また造塊法によれば、鋳造時の冷却速度を遅くでき、ＭｎＳサイズを大きくし易くなるため、仕上げ面粗さの改善にさらに有効である。造塊法による場合、１つの鋳片の大きさは、例えば５トン以上とすることが推奨される。
【００２５】
上記のようにして得られる本発明の鋼は、高Ｓ快削鋼であるため被削性（特に切屑処理性）が高められており、Ｍｎ／Ｓ比が高められているために表面疵が抑制されており、さらには脱酸工程を工夫することによってＭｎＳ介在物が大きくなっているために仕上げ面粗さも改善されている。そのため快削鋼として極めて有用であり、種々の鋼部品［例えば、油圧用部品（例えば、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）などの油圧制御部品など）など］を簡便にかつ精度よく製造できる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００２７】
実験例１
高炉から出鋼した鋼を溶銑予備処理及び転炉精錬してＣ量、Ｓｉ量、Ｐ量を調製した後、取鍋で合金元素（Ｍｎ）を添加して精錬することによって下記表１に示す化学成分の鋼を製造し、直ちに連続鋳造（鋳片サイズ：３００ｍｍ×４３０ｍｍ）又は造塊（サイズ：８トン）によって鋳造した。次いで分塊圧延によって１５５ｍｍ×１５５ｍｍ×１０ｍとした後、熱間圧延によって直径９．５ｍｍの線材を得た。なお取鍋では、Ｎｏ．３〜５の例でのみＳｉ又はＡｌを添加しており、それ以外の例ではＳｉ及びＡｌの添加は行わなかった。線材は引き抜き加工して、直径８ｍｍ×長さ３ｍの磨棒材とした。
【００２８】
得られた磨棒材の特性は、以下のようにして調べた。
［表面疵］
溶製１チャージ分から得られる全ての磨棒材について、表面の疵の有無を調べた。深さ０．２ｍｍ以上の疵があるものを不良品とし、下記基準で評価した。
○：不良品発生率５％以下
×：不良品発生率５％超
［ＭｎＳサイズ］
磨棒材を圧延方向に切断し、断面の光学顕微鏡画像（倍率３０倍）を固体素子カメラに受像した。画像解析によってそれぞれのＭｎＳの面積を測定し、幅が１μｍを超えるものについてその平均値を算出し、下記基準に従って評価した。
○：ＭｎＳの面積（平均）が１０μｍ２以上である
×：ＭｎＳの面積（平均）が１０μｍ２未満である
［被削性］
線材を輪切りして３０００個の試験材を作製し、この試験材を軸回りに回転させながらフォーミングバイト（ハイス  ＳＫＨ４Ａ）を試験材の半径方向に送ることによって溝を形成する切削（切削速度９０ｍ／分、送り量０．０３ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量：１．０ｍｍ）を行い、溝底部の仕上げ面粗さ（平均）と切屑処理性（平均）を調べた。
【００２９】
試験材の仕上げ面粗さ及び切屑処理性は、同様の切削試験を株式会社神戸製鋼所製のＰｂ複合快削鋼「１２Ｌ１４Ａ」（成分規格：Ｃ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．８５〜１．１５、Ｐ：００４〜０．０９、Ｓ：０．２８〜０．３５、Ｐｂ：０．２０〜０．３５）に対して行い、このＰｂ複合快削鋼「１２Ｌ１４Ａ」の仕上げ面粗さ（十点平均粗さＲｚは１０〜１５μｍ２であった）及び切屑処理性の結果と比較することによって評価した。
○：「１２Ｌ１４Ａ」と同等以上である
×：「１２Ｌ１４Ａ」よりも劣る
結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2005023342.tif 000002
【００３１】
表１から明らかなように、Ｓが少なすぎる場合、Ｐｂ複合快削鋼に匹敵するような切屑処理性が得られない（Ｎｏ．１）。またＳを多くしても、Ｍｎ／Ｓ比が小さいと表面疵が発生する（Ｎｏ．２）。さらにＳを多くしてＭｎ／Ｓ比も大きくしても、取鍋でのフリー酸素が少なくなっていると、ＭｎＳサイズが小さくなるため、Ｐｂ複合快削鋼に匹敵するような仕上げ面粗さが得られない（Ｎｏ．３〜５）。なおＮｏ．２は鋼中のＳｉ量が少なくなっているが、これは脱酸剤として添加したＳｉがスラグ（ＳｉＯ２）として十分に除去されているためである。さらにＮが少なすぎる場合にもＰｂ複合快削鋼に匹敵するような仕上げ面粗さが得られない（Ｎｏ．６）。
【００３２】
これらに対して化学成分を適切とし、かつ取鍋でのフリー酸素を十分に確保した場合には、ＭｎＳサイズを大きくできるため、表面疵を発生させることなくＰｂ複合快削鋼に匹敵するような被削性（切屑処理性、仕上げ面粗さ）を達成できる（Ｎｏ．７〜１７）。特に造塊法によって製造すると、連続鋳造法による場合よりも仕上げ面粗さを高めることができる（Ｎｏ．１８）。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば被削性（特に切屑処理性）を高めた高Ｓ快削鋼において、Ｍｎ／Ｓ比が高められているために表面疵が抑制されている。さらにはＭｎ／Ｓ比を高めると溶鋼中のフリー酸素濃度が下がって仕上げ面粗さが悪化し易くなるにも拘わらず、本発明では脱酸工程を工夫することによって溶鋼中のフリー酸素濃度の低減を抑制してＭｎＳ介在物を大きくしているため、仕上げ面粗さも改善できる。そのため表面疵の発生防止、仕上げ面粗さ（及び切屑処理性）の点でＰｂ快削鋼に匹敵するＰｂフリー快削鋼を得ることができる。