(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃度が２１〜４０％の雰囲気で切削加工される酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼であって、
Ｃ：０．０５〜１．２質量％、Ｓｉ：０．０３〜２．０質量％、Ｍｎ：０．２〜１．８質量％、Ｃｒ：０．１〜３．０質量％、Ａｌ：０．０６〜０．５質量％、Ｎ：０．００２〜０．０２質量％、Ｏ：０．００３質量％以下を含有し、さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．０１質量％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５質量％のうち１種以上を含有し、ＰおよびＳを各０．０３質量％以下に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
前記Ｃｒ，Ａｌ，Ｏの各含有量（質量％）を、［Ｃｒ］、［Ａｌ］、［Ｏ］として表したとき、（０．１×［Ｃｒ］＋［Ａｌ］）／［Ｏ］≧１５０を満足することを特徴とする酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼。
【請求項２】
さらに、Ｍｏ：１．０質量％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼。
【請求項３】
さらに、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｎｂ：０．２質量％以下、およびＶ：０．５質量％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼。
【請求項４】
さらに、Ｂ：０．００５質量％以下を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼。
【請求項５】
さらに、Ｃｕ：５．０質量％以下、およびＮｉ：５．０質量％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼材に関するものであり、特に、断続切削加工と連続切削加工の両方が施される冷間加工用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用変速機や差動装置等の各種歯車伝達装置に利用される歯車、シャフト、プーリ、等速ジョイント、クランクシャフト、コンロッド等の機械構造用部品は、一般に、鋼材に鍛造等の加工を施した後、切削加工を施すことによって最終形状に仕上げられる。そして、最終形状に仕上げられた機械構造用部品は、浸炭や浸炭窒化処理（大気圧、低圧、真空、プラズマ雰囲気を含む）等の表面硬化処理を施され、さらに、必要に応じて焼入れ−焼戻しや高周波焼入れ等が施されて所定の強度が確保される。このような機械構造用部品の製造において、切削加工に要するコストは占める割合が大きいことから、機械構造部品を構成する鋼材（機械構造用鋼）は被削性が良好であることが要求される。
【０００３】
機械構造用部品の一つである歯車の切削加工では、部品数削減の観点から、機械構造用鋼に、断続切削であるホブ加工による歯切りと、連続切削による軸加工とが施されることが多い。工具が被削材に連続的に接触している切削様式を連続切削、工具が被削材に連続的には接触していない切削様式を断続切削という。いずれの切削加工においても被削性が劣ると、切削工具は摩耗が促進されてその寿命が短くなって、コスト増となる。したがって、機械構造用鋼の切削加工では、断続切削と連続切削のいずれの切削においても良好な被削性が求められる。特に、ホブ加工に用いられる工具は高価であるため、ホブ加工等の断続切削に供される機械構造用鋼には、被削性、特に工具寿命を向上させることが求められている。
【０００４】
被削性の劣化要因の一つとして、例えば、被削材中の硬質の介在物によるアブレシブ摩耗があり、特に連続切削において顕著である。アブレシブ摩耗の対策としては、被削材に含まれる硬質の介在物の低減が挙げられる。一方、断続切削においては、前記の通り、工具の空転時すなわち工具に被削材が接触していない瞬間があり、このとき工具に付着した鋼材の新生面が空気に曝され、さらに切削で発熱しているので急速に酸化する。その結果、断続切削に用いられる工具は酸化摩耗し易い。このように、断続切削と連続切削とでは、切削機構の違いにより被削性の低下の要因が異なるため、それぞれの切削様式に対応した被削性向上対策が求められる。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１は、Ａｌ，Ｎの各含有量と両者の比を制御することでＡｌＮを析出させ、ＡｌＮの潤滑効果により断続切削と連続切削の両方における被削性を向上させた鋼材を開示している。一方、特許文献２は、切削における加工雰囲気の酸素濃度を大気の酸素濃度を超える濃度（酸素富化雰囲気）に制御することにより、被削材の新生面を積極的に酸化させて保護膜としての酸化膜を形成させ、工具への凝着を抑制することにより工具摩耗を低減する切削方法を開示している。
【特許文献１】特許第３９２２６９１号公報（段落００１８〜００２３）
【特許文献２】特開２００５−６６７８６号公報（段落００１９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された鋼材の被削性が有効に作用するのは、工具がコーティングされたものである場合であり、長時間の切削によりコーティングが剥がれた後の切削や、ノンコートの工具による切削においては、硬質なＡｌＮによるアブレシブ摩耗や凝着の促進、さらに硬質なＡｌ酸化物（アルミナ）によるアブレシブ摩耗により、工具摩耗が生じることになる。一方、特許文献２に開示された切削方法は、非活性な酸化膜を安定して形成する被削材を対象とするもので、鋼材の成分によっては、逆に酸化摩耗が促進される。
【０００７】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、靭性等の機械的特性を劣化させることなく、断続切削と連続切削の両方における被削性を両立させるため、断続切削における酸化摩耗を抑制しつつ、酸素富化雰囲気の連続切削において工具の保護膜を形成する機械構造用鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、Ｆｅより酸化傾向の大きい、すなわちＦｅと比較してＯ（酸素）が結合し易いＡｌを機械構造用鋼に添加して固溶させることにより、断続切削における機械構造用鋼の新生面の急速な酸化を防止して、工具の酸化摩耗を抑制することにした。そして、連続切削においては、酸素富化雰囲気にすることによる雰囲気温度の上昇で、工具の表面にＡｌ，Ｎ，Ｃａ，Ｓを主とする保護膜を形成させることを促進できた。一方、Ａｌの添加により形成されるアルミナが硬質介在物としてアブレシブ摩耗を生じさせることを防止するため、Ｏ含有量をＡｌ含有量に対応させて規制することによりアルミナの粗大化を防止し、Ｃａ，Ｍｇを機械構造用鋼に添加することによりアルミナを軟質化させて、工具の摩耗を抑制できることを見出した。
【０００９】
すなわち、請求項１に係る酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼は、酸素濃度が２１〜４０％の雰囲気で切削加工される酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼であって、Ｃ：０．０５〜１．２質量％、Ｓｉ：０．０３〜２．０質量％、Ｍｎ：０．２〜１．８質量％、Ｃｒ：０．１〜３．０質量％、Ａｌ：０．０６〜０．５質量％、Ｎ：０．００２〜０．０２質量％、Ｏ：０．００３質量％以下を含有し、さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．０１質量％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５質量％のうち１種以上を含有し、ＰおよびＳを各０．０３質量％以下に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記Ｃｒ，Ａｌ，Ｏの各含有量（質量％）を、［Ｃｒ］、［Ａｌ］、［Ｏ］として表したとき、（０．１×［Ｃｒ］＋［Ａｌ］）／［Ｏ］≧１５０を満足することを特徴とする。
【００１０】
このように、Ｆｅより酸化傾向の大きいＡｌを添加することにより、断続切削において、機械構造用鋼の新生面が急速に酸化することを防止できる。そして、連続切削においては、酸素富化雰囲気として、それによる雰囲気温度の上昇で、工具の表面に保護膜を積極的に形成して工具摩耗を抑制できる。さらに、Ｃａ，Ｍｇの少なくとも１種を添加することで、Ａｌ酸化物が硬質介在物としてアブレシブ摩耗を生じさせることを防止できる。また、Ｃｒ，Ａｌに対するＯ（酸素）の含有量を一定以下に制限することで、粗大な酸化物系介在物の生成を抑制することができる。
【００１１】
また、請求項２に係る酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼は、請求項１に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼が、さらに、Ｍｏ：１．０質量％以下を含有することを特徴とする。Ｍｏを添加することにより、機械構造用鋼の焼入れ性を向上させて、焼入れ後の硬さを向上させることができる。
【００１２】
請求項３に係る酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼は、請求項１または請求項２に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼が、さらに、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｎｂ：０．２質量％以下、およびＶ：０．５質量％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする。また、請求項４に係る酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼が、さらに、Ｂ：０．００５質量％以下を含有することを特徴とする。
【００１３】
これらの元素を添加することにより、機械構造用鋼の浸炭処理における異常粒成長の発生をより効果的に防止することができる。
【００１４】
また、請求項５に係る酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼が、さらに、Ｃｕ：５．０質量％以下、およびＮｉ：５．０質量％以下のうち１種以上を含有することを特徴とする。
【００１５】
これらの元素を添加することにより、機械構造用鋼の焼入れ性をいっそう向上させて、焼入れ後の硬さをさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼は、靭性等の機械的特性を十分有し、さらに、断続切削と連続切削の両方における被削性を向上させたものであり、特に、酸素富化雰囲気での切削における被削性を向上させたものである。これにより、断続切削と連続切削のいずれの切削様式においても、工具の摩耗を抑制して工具寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る酸素富化雰囲気切削加工用の機械構造用鋼（以下、機械構造用鋼という）を実施するための最良の形態について説明する。
本発明に係る機械構造用鋼は、Ｃ：０．０５〜１．２質量％、Ｓｉ：０．０３〜２．０質量％、Ｍｎ：０．２〜１．８質量％、Ｃｒ：０．１〜３．０質量％、Ａｌ：０．０６〜０．５質量％、Ｎ：０．００２〜０．０２質量％、Ｏ：０．００３質量％以下を含有し、さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．０１質量％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５質量％のうち１種以上を含有し、ＰおよびＳを各０．０３質量％以下に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で構成されるものである。
【００１８】
そして、本発明に係る機械構造用鋼は、前記各成分のうち、酸化物系介在物を形成し易いＣｒ，Ａｌの各含有量の、Ｏ含有量に対する比を所定値以上に限定するものである。すなわち、Ｃｒ，Ａｌ，Ｏの含有量（質量％）それぞれを、［Ｃｒ］、［Ａｌ］、［Ｏ］で表したとき、下式を満足するように、これらの成分の含有量が調整されるものである。
（０．１×［Ｃｒ］＋［Ａｌ］）／［Ｏ］≧１５０
以下に、本発明に係る機械構造用鋼を構成する各成分の含有量の数値範囲およびその数値範囲の限定理由について説明する。
【００１９】
（Ｃ：０．０５〜１．２質量％）
Ｃは、機械構造用鋼の強度を向上させる効果を有し、機械構造用部品に必要な芯部の硬さを確保するために有効な元素である。機械構造用鋼の硬さを十分なものとするため、Ｃ含有量は０．０５質量％以上とされ、０．１０質量％以上が好ましく、０．１５質量％以上がさらに好ましい。一方、Ｃが過剰に添加されると、硬さが過剰となって被削性や靭性が低下する。したがって、Ｃ含有量は１．２質量％以下とされ、１．０質量％以下が好ましく、０．８質量％以下がさらに好ましい。
【００２０】
（Ｓｉ：０．０３〜２．０質量％）
Ｓｉは、脱酸効果を有し、機械構造用鋼の酸化物系介在物を低減させて内部品質を向上させる。この効果を十分なものとするため、Ｓｉ含有量は０．０３質量％以上とされ、０．０４質量％以上が好ましく、０．０５質量％以上がさらに好ましい。また、ＦｅよりもＳｉにＯが結合し易いため、Ｓｉは断続切削時の工具の酸化摩耗を抑制する効果を有する。一方、Ｓｉが過剰に添加されると、浸炭時に異常組織が生成したり、熱処理（焼入れ）後の残留オーステナイト（残留γ相）の量が増大して浸炭相に十分な硬さが得られない。したがって、Ｓｉ含有量は２．０質量％以下とされ、１．８質量％以下が好ましく、１．５質量％以下がさらに好ましい。
【００２１】
（Ｍｎ：０．２〜１．８質量％）
Ｍｎは、焼入れ性を向上させる効果を有し、焼入れ後の機械構造用鋼の硬さを向上させる。この効果を十分なものとするため、Ｍｎ含有量は０．２質量％以上とされ、０．４質量％以上が好ましく、０．６質量％以上がさらに好ましい。また、ＦｅよりもＭｎにＯが結合し易いため、Ｍｎは断続切削時の工具の酸化摩耗を抑制する効果を有する。一方、Ｍｎが過剰に添加されると、焼入れ性が過剰となって、焼ならし後でも過冷組織が生成して被削性を低下させる。したがって、Ｍｎ含有量は１．８質量％以下とされ、１．６質量％以下が好ましく、１．４質量％以下がさらに好ましい。
【００２２】
（Ｃｒ：０．１〜３．０質量％）
Ｃｒは、焼入れ性を向上させる効果を有し、焼入れ後の機械構造用鋼の硬さを向上させる。この効果を十分なものとするため、Ｃｒ含有量は０．１質量％以上とされ、０．３質量％以上が好ましく、０．５質量％以上がさらに好ましい。また、ＦｅよりもＣｒにＯが結合し易いため、Ｃｒは断続切削時の工具の酸化摩耗を抑制する効果を有する。一方、Ｃｒが過剰に添加されると、焼入れ性が過剰となって過冷組織が発達するとともに、粒界に粗大な炭化物が生成して被削性が劣化し、また、焼入れ後の硬さが過剰となって靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は３．０質量％以下とされ、２．５質量％以下が好ましく、２．０質量％以下がさらに好ましい。
【００２３】
（Ａｌ：０．０６〜０．５質量％）
Ａｌは、強い脱酸効果を有し、機械構造用鋼の内部品質を向上させる。また、ＡｌはＮと結合してＡｌＮを形成し、このＡｌＮが浸炭処理において結晶粒の異常成長を抑制する効果を有する。また、ＦｅよりもＡｌにＯが結合し易いため、Ａｌは断続切削時の工具の酸化摩耗を抑制する効果を有する。そして、連続切削においては、酸素富化雰囲気とすることで、Ａｌを含む保護膜を工具の表面に形成して工具摩耗を抑制できる。これらの効果を十分なものとするため、Ａｌ含有量は０．０６質量％以上とされ、０．０８質量％以上が好ましく、０．１質量％以上がさらに好ましい。一方、Ａｌが過剰に添加されると、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が過剰に形成されて硬質介在物となる割合が増加して被削性が低下したり、浸炭における熱処理（焼入れ）後の残留オーステナイト（残留γ相）の量が増大して浸炭相に十分な硬さが得られない。したがって、Ａｌ含有量は０．５質量％以下とされ、０．４５質量％以下が好ましく、０．４質量％以下がさらに好ましい。
【００２４】
（Ｎ：０．００２〜０．０２質量％）
Ｎ（窒素）は鋼の溶融工程で不可避的に混入する元素である。Ｎは、断続切削における機械構造用鋼の新生面の酸化反応を抑制する効果を有し、断続切削における工具の寿命を延ばす。また、ＮはＡｌに結合してＡｌＮを形成し、このＡｌＮが浸炭処理において結晶粒の異常成長を抑制する効果を有する。これらの効果を十分なものとするため、Ｎ含有量は０．００２質量％以上とされ、０．００３質量％以上が好ましく、０．００４質量％以上がさらに好ましい。一方、Ｎが過剰に添加されると、時効硬化によって延性および靭性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０２質量％以下とされ、０．０１５質量％以下が好ましい。
【００２５】
（Ｃａ：０．０００５〜０．０１質量％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５質量％のうち１種以上）
Ｃａ，Ｍｇは、それぞれがアルミナ等の硬質介在物を軟質化させる作用があるので、硬質介在物による工具摩耗を抑制する。また、Ｃａ，Ｍｇは、それぞれがＭｎＳ介在物を球状化する作用があるので、このＭｎＳ介在物による靭性の劣化を抑制する。これらの効果を十分なものとするため、Ｃａ含有量は０．０００５質量％以上とされ、０．０００７質量％以上が好ましく、０．００１質量％以上がさらに好ましい。同様に、Ｍｇ含有量は０．０００１質量％以上とされ、０．０００２質量％以上が好ましい。Ｃａ，Ｍｇは、いずれか１種のみ前記それぞれの量を含有していれば前記工具摩耗を抑制する効果を得られ、また、２種共に含有していてもよい。さらに、Ｃａ，Ｍｇは、どちらもＯと結合し易いため、断続切削時の酸化摩耗を抑制する効果を有する。一方、Ｃａ，Ｍｇは、どちらも過剰に添加されると、ＣａＯ，ＭｇＯ等の介在物が増大して、これらの介在物により延性および靭性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．０１質量％以下とされ、０．００９質量％以下が好ましく、０．００８質量％以下がさらに好ましい。同様に、Ｍｇ含有量は０．００５質量％以下とされ、０．００４質量％以下が好ましく、０．００３質量％以下がさらに好ましい。
【００２６】
（Ｐ：０．０３質量％以下）
Ｐは鋼に不可避的に含まれる元素（不純物）である。Ｐは、熱間加工時の割れを助長するので可能な限り低減されることが好ましい。したがって、Ｐ含有量は０．０３質量％以下とされ、０．０２５質量％以下が好ましく、０．０２質量％以下がさらに好ましい。
【００２７】
（Ｓ：０．０３質量％以下）
Ｓは鋼に不可避的に含まれる元素（不純物）である。Ｓは、被削性を向上させる効果を有するが、一方で、延性および靭性を低下させる。さらに、ＳはＭｎと反応してＭｎＳ介在物を形成する。この介在物が圧延時に圧延方向に伸展することにより、靭性が劣化する。したがって、Ｓ含有量は０．０３質量％以下とされ、０．０２５質量％以下が好ましく、０．０２質量％以下がさらに好ましい。
【００２８】
（Ｏ：０．００３質量％以下）
Ｏ（酸素）は鋼の溶融工程で不可避的に混入する元素である。Ｏ含有量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物が生成して、この酸化物系介在物により被削性や延性、靭性、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｏ含有量は０．００３質量％以下とされ、０．００２質量％以下がさらに好ましい。
【００２９】
前記の本発明に係る機械構造用鋼の各成分のうち、Ｃｒ，Ａｌは、Ｆｅより酸化傾向が大きい、すなわちＦｅと比較してＯに結合し易いため、断続切削時の工具の酸化摩耗を抑制する効果を有するが、一方で、硬質な酸化物系介在物Ｃｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３等を形成する。Ｃｒ含有量の１／１０と、ＣｒよりさらにＯが結合し易いＡｌ含有量との和が、Ｏ含有量の１５０倍未満では、前記の酸化摩耗の抑制効果が十分に得られず、断続切削時の被削性が劣化すると共に、硬質な酸化物系介在物を過剰に形成して、アブレシブ摩耗が顕著になって連続切削時の被削性も劣化する。したがって、Ｃｒ，Ａｌ，Ｏの含有量（質量％）それぞれを、［Ｃｒ］、［Ａｌ］、［Ｏ］で表したとき、下式を満足するように、これらの成分の含有量は調整される。
（０．１×［Ｃｒ］＋［Ａｌ］）／［Ｏ］≧１５０
【００３０】
本発明に係る機械構造用鋼は、さらに、以下の（ａ）〜（ｄ）の元素または元素群の１つ以上を含有してもよい。すなわち、（ａ）Ｍｏ：１．０質量％以下、（ｂ）Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｎｂ：０．２質量％以下、Ｖ：０．５質量％以下のうち１種以上、（ｃ）Ｂ：０．００５質量％以下、（ｄ）Ｃｕ：５．０質量％以下、Ｎｉ：５．０質量％以下のうち１種以上、である。
【００３１】
（Ｍｏ：１．０質量％以下）
Ｍｏは、鋼に固溶して焼入れ性を確保し、不完全焼入れ組織の生成を抑制する効果を有し、Ｍｏ含有量増加に伴いこの効果が大きくなる。この効果を得るために、Ｍｏ含有量は０．００５質量％以上が好ましく、０．００８質量％以上がより好ましく、０．０１質量％以上がさらに好ましい。一方、Ｍｏが過剰に添加されると、焼入れ性が過剰となって、焼ならし後でも過冷組織が生成して被削性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は１．０質量％以下とされ、０．９質量％以下が好ましく、０．８質量％以下がさらに好ましい。
【００３２】
（Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｎｂ：０．２質量％以下、Ｖ：０．５質量％以下）
機械構造用鋼の中でも特に肌焼鋼は、通常、表面硬化のために浸炭処理が施される。この浸炭処理時に、処理温度および処理時間、加熱速度等によっては異常粒成長が発生する場合がある。Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖは、この異常粒成長を防止する効果を有するので、これらの元素を添加することが有効である。この効果を得るために、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖの各含有量は０．００１質量％以上が好ましく、０．００２質量％以上がさらに好ましい。一方、これらの元素が過剰に添加されると、硬質炭化物が生成して被削性が劣化する。したがって、Ｔｉ，Ｎｂの各含有量は０．２質量％以下とされ、０．１５質量％以下が好ましく、０．１質量％以下がさらに好ましい。同様に、Ｖ含有量は０．５質量％以下とされ、０．４質量％以下が好ましく、０．３質量％以下がさらに好ましい。
【００３３】
（Ｂ：０．００５質量％以下）
Ｂは、前記Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖと同様に、浸炭処理時の異常粒成長を防止する効果を有する。この効果を得るために、Ｂ含有量は０．０００１質量％以上が好ましく、０．０００３質量％以上がより好ましく、０．０００５質量％以上がさらに好ましい。一方、Ｂが過剰に添加されると、硬質炭化物が生成して被削性が劣化する。したがって、Ｂ含有量は０．００５質量％以下とされ、０．００３質量％以下が好ましく、０．００１質量％以下がさらに好ましい。
【００３４】
（Ｃｕ：５．０質量％以下、Ｎｉ：５．０質量％以下）
ＣｕおよびＮｉは、焼入れ性を向上させる効果を有し、焼入れ後の機械構造用鋼の硬さを向上させる。さらに、ＣｕおよびＮｉの含有量増加に伴いこの効果が大きくなる。この効果を得るために、Ｃｕ，Ｎｉの各含有量は０．１質量％以上が好ましく、０．３質量％以上がさらに好ましい。一方、これらの元素が過剰に添加されると、焼入れ性が増大して過冷組織が生成し、延性および靭性が低下する。したがって、Ｃｕ，Ｎｉの各含有量は５．０質量％以下とされ、４．０質量％以下が好ましく、３．０質量％以下がさらに好ましい。
【００３５】
（切削雰囲気：酸素濃度２１〜４０％）
本発明に係る機械構造用鋼は、酸素濃度２１％以上の雰囲気、すなわち、大気またはそれを超える酸素濃度の雰囲気（酸素富化雰囲気）で切削されるものとする。切削雰囲気中の酸素が高濃度にされることで、機械構造用鋼中のＡｌ，Ｎ，Ｃａ，Ｓが工具の表面に付着、結合して工具の保護膜となり、工具を構成する材料である主要合金中の元素が切屑中に拡散することによる工具の磨耗が抑制される。また、前記酸化反応により切削温度が上昇するので、機械構造用鋼の表面が工具に凝着し難くなって、工具の凝着磨耗が抑制される効果も付与される。切削雰囲気の酸素濃度は、その増加に伴って前記の効果が顕著になるため、２３％以上が好ましく、２５％以上がさらに好ましい。一方、切削雰囲気中の酸素が過剰に高濃度であることは安全面の問題を生じるため、切削雰囲気の酸素濃度は４０％以下とされ、３８％以下が好ましく、３６％以下がさらに好ましい。
【実施例】
【００３６】
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例によって制限を受けるものではなく、請求項に示した範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３７】
〔供試材作製〕
表１に示される化学成分組成の鋼１５０ｋｇが、真空誘導炉で溶解され、上面：φ２４５ｍｍ、下面：φ２１０ｍｍ×高さ４８０ｍｍのインゴットに鋳造された。このインゴットは、１２００℃×３ｈｒ程度でソーキングされた後、１１００℃×１ｈｒ程度で、１５０ｍｍ角×長さ６８０ｍｍの四角材に鍛造されて、長さ１００ｍｍ程度に切断された。この切断された四角材は、１１００℃×１ｈｒ程度で、厚さ３０ｍｍ×幅１５５ｍｍの板材およびφ８０ｍｍの丸棒材に、それぞれ熱間鍛造された。そして、板材は長さ１００ｍｍに、丸棒材は長さ３００ｍｍに、それぞれ切断された。これらの板材および丸棒材は、焼ならし（９００℃×２ｈｒの熱処理後、放冷）されて、供試材（実施例１〜１７、比較例１８〜３５）に作製された。作製された供試材で、以下の測定および評価が行われた。Ｃｒ含有量の１／１０とＡｌ含有量との和の、Ｏ含有量に対する比［Ａ］＝（０．１×［Ｃｒ］＋［Ａｌ］）／［Ｏ］は、前記化学成分組成から算出されて表１に併記されている。
【００３８】
〔測定、評価〕
（被削性：断続切削）
断続切削時の被削性を評価するために、エンドミル工具を用いた断続切削試験が行われた後、工具摩耗量が測定された。供試材（板材）は、スケールを除去されて、その表面を厚さ方向に２ｍｍ研削されて、厚さ２５ｍｍ×幅１５０ｍｍ×長さ１００ｍｍの切削試験片に作製された。マニシングセンタ主軸にエンドミル工具（三菱マテリアル製ハイスエンドミル、型番Ｋ−２ＳＬ、外径φ１０ｍｍ、ＴｉＡｌＮコーティング厚さ２．６μｍ）が取り付けられ、バイスにより固定された切削試験片に対して、大気（酸素濃度２１％）中で、乾式の切削雰囲気下で断続切削が行われた。断続切削条件は下記に示される。２００カット（切削距離：約３０００ｍ）の断続切削の後、使用されたエンドミル工具が光学顕微鏡にて観察され、平均逃げ面摩耗幅（工具摩耗量）が測定された。断続切削時の被削性の合格基準は、工具摩耗量が７０μｍ以下とされた。なお、同じ切削試験片の表面のビッカース硬さが測定された。工具摩耗量およびビッカース硬さは表１に示される。
【００３９】
（断続切削条件）
軸方向切り込み量：１．０ｍｍ
径方向切り込み量：１．０ｍｍ
送り量          ：０．１１７ｍｍ／ｒｅｖ
送り速度        ：５５８．９ｍｍ／ｍｉｎ
切削速度        ：１５０ｍ／ｍｉｎ
回転速度        ：４７７７ｒｐｍ
【００４０】
（被削性：連続切削）
連続切削時の被削性、さらに切削雰囲気の酸素富化による効果を評価するために、超硬工具（Ｐ１０）を用いた長手方向旋削による切削試験が行われた後、工具摩耗量が測定された。供試材（丸棒材）に対して、大気（酸素濃度２１％）中と表１に示す酸素濃度の酸素富化雰囲気（酸素付与）中とで、乾式の切削雰囲気下で連続切削が行われた。連続切削条件は下記に示される。１５分間の切削（切削距離：約３０００ｍ）の後、使用された超硬工具が光学顕微鏡にて観察され、平均逃げ面摩耗幅（工具摩耗量）が測定された。連続切削時の被削性の合格基準は、大気中での切削による工具摩耗量より、酸素富化雰囲気中での切削による工具摩耗量の方が少ないこととされた。それぞれの切削雰囲気での工具摩耗量は表１に示される。
【００４１】
（連続切削条件）
切り込み量：１．５ｍｍ
送り量    ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削速度  ：２００ｍ／ｍｉｎ
【００４２】
（横目の靭性）
機械的特性として、浸炭処理後の供試材の横目の靭性が評価された。供試材（丸棒材）は、圧延（鍛伸）方向に垂直な方向（横目）に沿ったノッチ（Ｒ：１０ｍｍ、深さ：２ｍｍ）を形成され、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍのサイズに削り出されて、シャルピー衝撃試験片に作製された。この試験片は、下記の条件で浸炭処理され、次に６０℃のコールド油を用いて油焼入れされた後、焼戻しされた（１７０℃×１２０ｍｉｎの熱処理後、空冷）。以上の処理後の試験片でシャルピー衝撃値（シャルピー吸収エネルギー）が測定された。測定したシャルピー吸収エネルギーは表１に示される。横目の靭性の合格基準は、シャルピー吸収エネルギーが１０．０Ｊ以上とされた。
【００４３】
（浸炭処理条件）
９００℃×９０ｍｉｎ（ＣＯ２濃度：０．１１％、カーボンポテンシャル（以下、ＣＰ）：１．０％狙い）→９００℃×９０ｍｉｎ（ＣＯ２濃度：０．１７％、ＣＰ：０．８％狙い）→８４０℃×６０ｍｉｎ（ＣＯ２濃度：０．３９％、ＣＰ：０．８％狙い）
【００４４】
【表１】
0005166959.tif 000002
【００４５】
（評価）
表１に示すように、実施例１〜１７は、その各成分の含有量、およびＣｒ，Ａｌの各含有量とＯ含有量との比が本発明の範囲であるので、断続切削試験後の工具摩耗量が小さくて断続切削時の被削性に優れており、連続断続切削試験においては酸素富化により被削性が向上し、さらに横目の靭性も良好であった。
【００４６】
これに対して、比較例１８はＣ含有量が過剰なため、断続切削時の被削性および横目の靱性が低下した。また、比較例１９はＳｉ含有量が過剰なため、横目の靱性が低下した。比較例２０はＭｎ含有量が不足しているため、焼入れ性が不十分で横目の靱性が低下し、また、ビッカース硬さが低下した。一方、比較例２１は、Ｍｎ含有量が過剰なため断続切削時の被削性が低下し、さらにＰ含有量が過剰なため横目の靱性が低下した。
【００４７】
比較例２２はＣｒ含有量が不足しているため、断続切削時の被削性が低下した。一方、比較例２３はＣｒ含有量が過剰なため、断続切削時の被削性および横目の靱性が低下した。比較例２４はＡｌ含有量が不足しているため、断続切削時の被削性および酸素富化雰囲気での連続切削の被削性が低下した。一方、比較例２５はＡｌ含有量が過剰なため、断続切削時の被削性は向上したが横目の靱性が低下した。
【００４８】
比較例２６はＳ含有量が過剰なため、断続切削時の被削性は向上したが横目の靱性は低下した。比較例２７はＣａ，Ｍｇの各含有量がいずれも不足している（無添加である）ため、比較例２８は、Ｃａ，Ｍｇの各含有量がいずれも不足している上、Ｏ含有量に対してＣｒ，Ａｌの各含有量が不足しているため、それぞれ、硬質な酸化物系介在物により断続切削時の被削性および酸素富化雰囲気での連続切削の被削性が低下し、ＭｎＳ介在物により横目の靱性が低下した。
【００４９】
比較例２９はＮ含有量が不足しているため、断続切削時の被削性が低下した。一方、比較例３０はＮ含有量が過剰なため、横目の靱性が低下した。
【００５０】
比較例３１はＭｏ含有量が過剰なため、比較例３２はＶ含有量が過剰なため、それぞれの断続切削時の被削性が低下した。
【００５１】
比較例３３はＯ含有量が過剰なため、比較例３４はＯ含有量が過剰な上、Ｏ含有量に対してＣｒ，Ａｌの各含有量が不足しているため、それぞれ、断続切削時の被削性、酸素富化雰囲気での連続切削の被削性、および横目の靱性が低下した。比較例３５は、各成分の含有量は本発明の範囲であるが、Ｏ含有量に対してＣｒ，Ａｌの各含有量が不足しているため、断続切削時の被削性および酸素富化雰囲気での連続切削の被削性が低下した。