(57)【要約】【課題】４００〜６００℃の高温度で使用される場合において高い強度（高温強度）を有し、また焼入れ焼戻し後のプレハードン状態で切削加工を行った場合においても良好な被削性を有する高温強度及び被削性に優れた機械部品用鋼を提供する。【解決手段】機械部品用鋼を、質量％でC：0.3〜0.4％，Si：0.5〜1.5％，Mn：0.3〜1.5％，Cr：3〜6％，Mo＋1/2W：0.5〜3％，V：0.3〜1.5％，Al：0.001〜0.02％，N：0.005〜0.025％，P：≦0.05％であり、残部Fe及び不可避的不純物から成る組成とする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
C ：0.3〜0.4％
Si：0.5〜1.5％
Mn：0.3〜1.5％
Cr：3〜6％
Mo＋1/2W：0.5〜3％
V ：0.3〜1.5％
Al：0.001〜0.02％
N ：0.005〜0.025％
P ：≦0.05％
であり、残部Fe及び不可避的不純物から成る高温強度及び被削性に優れた機械部品用鋼。
【請求項２】
質量％で
Ni：≦2％
Co：≦5％
Cu：≦1％
の何れか１種又は２種以上を更に含有していることを特徴とする請求項１に記載の高温強度及び被削性に優れた機械部品用鋼。
【請求項３】
質量％で
S ：0.01〜0.06％
Ca：0.0005〜0.005％
Mg：0.0005〜0.005％
O ：0.001〜0.01％
の何れか１種又は２種以上を更に含有することを特徴とする請求項１，２の何れかに記載の高温強度及び被削性に優れた機械部品用鋼。
【請求項４】
焼入れ焼戻し後のプレハードン状態で所要の部品形状に切削加工されるものである請求項１〜３の何れかに記載の高温強度及び被削性に優れた機械部品用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は４００〜６００℃の高温環境で使用され、高い疲労強度と耐摩耗性が要求される旋削，穴あけ，ミーリング工具に用いられるスローアウェイチップの保持具，自動車用エンジン等に使用される高温用ボルト類，ばね類等機械部品に適用される高温強度及び被削性に優れた機械部品用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、４００〜６００℃の高温環境で長時間使用される機械部品で高い強度が要求される場合にはマルテンサイト系の耐熱鋼が用いられて来た。
これらの鋼は非常に長時間高温で使用されることを前提に、耐酸化性を向上させるため大量のCrやSiを含有させている。
このため通常のＳＣＭやＳＮＣＭ等のＪＩＳ構造用鋼に比べてコストが非常に高い問題がある。
【０００３】
更にCrやSiは、その含有量の増加とともに焼戻し軟化抵抗を低下させ、高温での強度を却って低下させることが知られている。
例えば旋削，穴あけ，ミーリング工具に用いられるスローアウェイチップの保持具等、機械部品によっては一時的に高温環境に晒されるために高温の強度は必要であるが、常時或いは長時間連続して高温環境に晒されるわけでなく、一時的に高温強度に晒されるだけであって耐酸化性は耐熱鋼のレベルまでは必要無いという部品が種々あり、これらの部品に対しては上記マルテンサイト系の耐熱鋼は過剰品質である。
【０００４】
一方、上記のような用途に耐熱鋼を使用せず、ＳＣＭやＳＮＣＭ等の機械構造用鋼を使用した場合、一時的にでも４００〜６００℃の高温度で使用されると硬さが低下し、そして使用回数の増加とともに硬さ低下が積算され、疲労強度や耐摩耗性が次第に低くなるといった問題がある。
【０００５】
ところでこれらの部品は軟らかい焼鈍し状態で所定の形状に加工後、焼入れ焼戻しして目的の硬さに調質して使用するのが一般的である。
しかしながらこのような工程を経た場合、焼入時に歪を生じるため焼入れ焼戻し後に精加工を行って形状を補正する必要があり、部品製造のための所要期間が長くなる問題がある。
【０００６】
これに対し焼入れ焼戻しにより目的の硬さに調質した後に部品形状に加工するようにすれば、熱処理による歪が生じず、部品製造のための所用期間を短くすることができる。
しかしながら焼入れ焼戻し後に部品形状に加工する場合、硬さが高い状態での加工となるため、著しく加工性が悪くなるといった問題がある。
本発明はこのような課題を解決することを目的としてなされたものである。
【０００７】
尚、本願発明の鋼に近似した組成を有するものとして下記特許文献１に開示されたものがある。
しかしながらこの特許文献１に開示のものでは、Cの含有量が多いために焼入れ焼戻し後の鋼、即ちプレハードン鋼を加工しようとすると硬さが高く、機械加工性（被削性）が悪く、また靭性が低いといった問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１１９８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこのような事情を背景とし、４００〜６００℃の高温度で使用される場合において高い高温強度を有し、また焼入れ焼戻し後のプレハードン状態で切削加工を行った場合においても良好な被削性を有する、高温強度及び被削性に優れた機械部品用鋼を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
而して請求項１のものは、質量％で、C：0.3〜0.4％，Si：0.5〜1.5％，Mn：0.3〜1.5％，Cr：3〜6％，Mo＋1/2W：0.5〜3％，V：0.3〜1.5％，Al：0.001〜0.02％，N：0.005〜0.025％，P：≦0.05％であり、残部Fe及び不可避的不純物から成ることを特徴とする。
【００１１】
請求項２のものは、請求項１において、質量％で、Ni：≦2％，Co：≦5％，Cu：≦1％の何れか１種又は２種以上を更に含有していることを特徴とする。
【００１２】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％で、S：0.01〜0.06％，Ca：0.0005〜0.005％，Mg：0.0005〜0.005％，O：0.001〜0.01％の何れか１種又は２種以上を更に含有することを特徴とする。
【００１３】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、焼入れ焼戻し後のプレハードン状態（硬さは例えばＨＲＣ４０〜５２）で所要の部品形状に切削加工されるものであることを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００１４】
本発明は、耐酸化性を得るために従来耐熱鋼に多量に添加されているCrの含有量を低減し、またMo，V，Wを適量添加することによって高温強度を改善したものである。
Crは耐酸化性を得る上で有用であるが、一方で多量に添加すると焼鈍し軟化抵抗を低めて高温強度を低くする。
そこで本発明ではCr含有量を従来の耐熱鋼に比べて低減し、高温強度を改善したものである。
【００１５】
従来の耐熱鋼にあってはまた、Siが多量に含有されており、かかるSiは耐酸化性を向上させるものの多量に含有させると却って高温強度を低下させる。
そこで本発明ではSi含有量をより低減して適正化し、高温強度を高め得たものである。
但しSiは焼入れ焼戻し状態の高硬さでも被削性を高める働きがあり、そこで本発明ではSiを一定量以上含有させることで高温強度と焼入れ焼戻し状態での被削性をバランスさせた。
【００１６】
即ち本発明はSi含有量を適正化することで、高温強度と焼入れ焼戻し状態での被削性をバランスできることを見出し、その知見に基づいて創出されたものである。
本発明の鋼は、上記のように焼入れ焼戻し状態の高硬さの下でも優れた被削性を有するものであり、従って焼入れ焼戻し後に部品形状に切削加工するための材料として特に好適なものである。
【００１７】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。
C：0.3〜0.4％
Cは強度，耐摩耗性を確保するために必要な元素である。
十分な硬さ，耐摩耗性を確保するためには0.3％以上の添加が必要である。
但し過度に添加した場合は溶製時に粗大な共晶炭化物が生成することや、焼入時に固溶しない炭化物が増加することにより疲労強度の低下を招くため、上限を0.4％とする。
【００１８】
Si：0.5〜1.5％
Siは製鋼時に脱酸元素として必要な元素である。またその含有量を高めることにより被削性が向上する。
但し添加量が多い場合は焼入温度でMo，W，V等の炭化物の固溶を阻害し、焼戻し軟化抵抗を低下させるため、その添加範囲を0．5〜1.5％とする。
【００１９】
Mn：0.3〜1.5％
Mnは焼入性及び硬さの確保のために必要な成分であり、その添加量を0.3％以上とする。
但し過剰に添加すると焼入性が高くなり過ぎて、焼入時に残留γが多量に生成して衝撃値が低下したり、焼鈍ししても硬さが低下しなくなることがあるため、その上限を1.5％とする。
【００２０】
Cr：3〜6％
Crは炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性を向上させるため、また焼入性確保のために必要である。
また通常の耐熱鋼では耐酸化性を向上させるため8％以上添加されるのが一般的である。
一方CrはMo，W，Vと複合添加される場合、その含有量が増加すると焼戻し軟化抵抗を低下させることが知られている。
従って連続的に高温で使用される部品に適用しない場合には、耐酸化性よりも焼戻し軟化抵抗を重視した合金設計の方が好ましく、そこで本発明ではCrの含有量を3〜6％とした。
【００２１】
Mo＋1/2W：0.5〜3％
これら元素は炭化物を形成して基地の強化や耐摩耗性を向上させるため、また焼入性確保のために必要である。
但しこのような効果を得るためには0.5％以上の添加が必要である。
一方過剰に添加してもその効果は飽和し、経済的に不利となるため添加の上限を3％とする。
尚、MoとWは同等の効果をもたらし、WはMoの約２倍の原子量であることから、ここではMo当量で規定している。添加方法は単独添加でも複合添加でも良い。
【００２２】
V：0.3〜1.5％
Vは焼戻し時に炭化物を形成して析出することにより基地の強化や耐摩耗性を向上させる元素である。
また焼入加熱時には微細な炭化物の形成により結晶粒の粗大化を抑制し、疲労強度の低下を抑制する効果を有する。
このような効果を得るためには0.3％以上の添加が必要である。
一方過剰に添加すると凝固時に炭窒化物として粗大な晶出物を生成し、疲労強度を低下させるため上限を1.5％とした。
【００２３】
Al：0.001〜0.02％
Alは製鋼時脱酸元素として作用するほか、鋼中のNと結び付き窒化物として微細分散し、焼入加熱時の結晶粒粗大化を抑制する元素である。
このような効果を得るために0.001％以上の添加が必要である。
しかしながら多量に添加してもその効果が飽和するため上限を0.02％とした。
【００２４】
N：0.005〜0.025％
鋼中のAlやVと結合して窒化物を形成し、微細に分散することにより焼入加熱時の結晶粒粗大化を抑制し、靭性低下を防止するのに有効な元素である。
このような効果を得るためには0.005％以上の添加が必要である。
しかしながら多量に添加してもその効果が飽和するのでその上限を0.025％とした。
【００２５】
P：≦0.05％
Pは靭性や疲労強度を低下させるため低減することが好ましい不純物元素であり、不可避的に含有する場合0.05％以下にその含有量を規制する。
より望ましくは0.015％以下である。
【００２６】
Ni：≦2％
Cu：≦1％
これら元素は焼入性を高めるとともに基地の強靭化に有効であり、必要に応じて添加することができる。
但し過度に添加してもその効果が飽和するとともに経済的に不利となるため、それぞれ上限を2％，1％とする。
【００２７】
Co：≦5％
固溶強化により強度を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。
しかしながら過度に添加してもその効果が飽和し、経済的に不利になるため、その上限を5％とした。
【００２８】
S：0.01〜0.06％
Sは被削性改善には有効な元素であり、過度に添加しなければ疲労強度や靭性を劣化させることなく被削性を改善できる。
このような適切なSの添加範囲は0.01〜0.06％である。
【００２９】
Ca：0.0005〜0.005％
Mg：0.0005〜0.005％
Ca，MgはS，Oと被削性を改善する介在物を形成するために必要な元素であり、適正量添加することにより切削加工中に工具表面にベラーグと呼ばれる保護被膜を形成して、工具摩耗を抑制する効果を有する。
このような効果を得るためには0.0005％以上の添加が必要である。
一方過剰に添加してもその効果が飽和するため上限を0.005％とした。
【００３０】
O：0.001〜0.01％
通常Oは酸化物として介在物を形成し、靭性や耐ヒートチェック性を低下させるため低減することが好ましい。
しかしながら本発明ではCa，Sと複合添加することにより、切削加工時に切削工具表面にベラーグと呼ばれる保護被覆膜を形成する快削性の酸化物を形成するために適量添加する。
このような効果を得るためには0.001％以上の添加が必要である。
一方多量に添加してもその効果が飽和するとともに、過剰なOが疲労強度や靭性を低下させる介在物を生成するため、その上限を0.01％とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に本発明の実施形態を以下に詳述する。
表１に示す組成の鋼を真空高周波誘導炉で溶解した後、１５０ｋｇの鋼塊に鋳造した。
鋼塊は１２３０℃で１０ｈのソーキングを実施した後、１２００℃で６０×６０の角材に鍛造した。
鍛造後８７０℃で３ｈ保持した後に徐冷する焼鈍しを施した。
【００３２】
このようにして得られた角材から被削性試験片，高温硬さ試験片，高温疲労試験片の各種試験片を粗加工した。
粗加工後に各鋼材を１０３０℃×３０ｍｉｎで油冷の焼入れし、その後（６００〜６５０℃×１ｈの空冷）を２回繰り返す焼戻し処理を行って４５ＨＲＣ±１の硬さに調質した。
【００３３】
調質後、試験片の精加工を行い、各種試験に供した。
また比較としてＪＩＳ-ＳＵＨ３，ＳＣＭ４４０を４５ＨＲＣ±１に調質したものも同様に試験に供した。
結果が表２に示してある。
尚、各種試験条件は以下の通りである。
【００３４】
＜室温硬さ＞
室温硬さはロックウェルＣスケール硬さを測定した。
【００３５】
＜室温衝撃値＞
素材Ｌ方向から２ｍｍＵノッチ試験片を採取し、室温でシャルピー衝撃試験を行った。
【００３６】
＜高温疲労試験＞
素材の長手方向から平行部φ８ｍｍの小野式回転曲げ疲労試験片を切り出し、６００℃の高温で回転曲げ疲労試験を行って１０７回が疲れ限度となるときの負荷応力の大小で評価した。
【００３７】
＜高温硬さ試験＞
直径１０ｍｍ，厚さ５．５ｍｍの高温硬さ試験片を切り出し、荷重５ｋｇで６００℃のビッカース硬さを測定した。
【００３８】
＜被削性試験＞
以下の条件でエンドミル切削試験を実施し、逃げ面摩耗が０．２ｍｍになったときの切削距離を工具寿命として被削性を評価した。
表２にはＪＩＳ-ＳＣＭ４４０を４５ＨＲＣに調質したものの工具寿命を基準の１００とし、それに対する相対値で被削性を表している。
【００３９】
工具：φ１０ｍｍ超硬エンドミル（TiAlNコーティング，４枚刃）
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１ｍｍ／刃
軸方向切込み：１０ｍｍ
径方向切込み：０．５ｍｍ
クーラント：なし，エアブロー
【００４０】
【表１】
2005344205.tif 000002
【００４１】
【表２】
2005344205.tif 000003
【００４２】
表２において比較例ａの場合、C含有量が0.28％と本発明の下限値である0.3％よりも低いために焼入れ焼戻し後の室温硬さが低くなっている。
【００４３】
比較例ｂの場合、逆にC含有量が0.43％と本発明の上限値である0.4％よりも高く、そのため衝撃値が低いものとなっている。
【００４４】
比較例ｃの場合、Si含有量が0.25％と本発明の下限値である0.5％よりも低く、そのため被削性の悪いものとなっている。
【００４５】
逆に比較例ｄの場合、Si含有量が1.8％と本発明の上限値である1.5％よりも高く、そのため高温強度の低いものとなっている。
【００４６】
比較例ｅは、Mn含有量が1.8％と本発明の上限値である1.5％よりも高く、そのため衝撃値の低いものとなっている。
【００４７】
比較例ｆは、P含有量が0.062％で本発明の上限値である0.05％よりも高く、そのため衝撃値が低いものとなっている。
【００４８】
比較例ｇは、S含有量が0.065％と本発明の上限値である0.06％よりも高く、そのため衝撃値が低いものとなっている。
【００４９】
比較例ｈは、Cr含有量が6.5％と本発明の上限値である6％よりも高く、そのため高温強度の低いものとなっている。
【００５０】
比較例ｉは、Mo含有量（Mo＋1/2W含有量）が0.4％と本発明の下限値である0.5％よりも低く、そのため高温強度の低いものとなっている。
【００５１】
比較例ｊは、V含有量が0.25％と本発明の下限値である0.3％よりも低く、そのため焼入時結晶粒が粗大化し、衝撃値が低いものとなっている。
【００５２】
比較例ｋは、逆にV含有量が1.85％と本発明の上限値である1.5％よりも高く、そのため晶出VCが多数存在して衝撃値，高温疲労強度の低いものとなっている。
【００５３】
比較例ｌは、Al無添加のため焼入時に結晶粒が粗大化し、衝撃値が低いものとなっている。
【００５４】
比較例ｍは、N含有量が0.003％と本発明の下限値である0.005％よりも低く、そのため焼入加熱時結晶粒が粗大化して衝撃値が低いものとなっている。
【００５５】
尚、従来例のＳＵＨ３の場合Si含有量が高く、またV無添加であって高温強度，衝撃値が低い。
一方ＳＣＭ４４０では室温硬さは得られるものの、高温強度が著しく低い。
これらに対して本発明例のものは室温硬さ，衝撃値，高温強度，被削性（焼入れ焼戻し後における被削性）の各特性が何れも優れている。
【００５６】
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示であって、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。