(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１５〜０．５％（質量％の意味、鋼の化学成分について以下同じ）、
Ｓｉ：０．０１〜２％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｃｒ：０．０１〜２％、
Ｐ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．０１〜０．３％、
Ａｌ：０．００１〜０．０１％、
Ｏ：０．００１〜０．０２％、
Ｎ：０．００１〜０．０２５％
を含有し、さらに
Ｚｒ：０．０１〜０．２％を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、
鋼中の酸化物系介在物の合計１００質量％に対して、ＭｇＯ量が０．１〜１０質量％であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
【請求項２】
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％をさらに含有する請求項１に記載の機械構造用鋼。
【請求項３】
Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）、および
Ｎｉ：２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種をさらに含有する請求項１または２に記載の機械構造用鋼。
【請求項４】
Ｓｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｔｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）、
希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）、および
Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種をさらに含有する請求項１〜３のいずれかに記載の機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、産業機械、電気製品等の部品を製造するために有用な機械構造用鋼に関するものであり、殊にＰｂを実質的に含まずに（いわゆるＰｂフリーで）、被削性に優れた機械構造用鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車、産業機械、電気製品等の部品は、一般に、機械構造用鋼を切削する工程を経て製造される。そのため機械構造用鋼は、被削性が良好であることが要求される。被削性を改善するには、鋼にＰｂを含有させることが有効である。しかし現在、Ｐｂによる環境汚染の問題がクローズアップされている。そのため、いわゆるＰｂフリーで被削性に優れた機械構造用鋼について、様々な技術が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１は、黒鉛を利用することによってＰｂフリー鋼の被削性を向上させる技術を開示している。また特許文献１では、酸化物系介在物、特に硬質なＡｌ系酸化物は、被削性を低下させることが記載されている。
【０００４】
特許文献２は、鋼中の初析フェライト面積率を所定範囲内に制御することによって、および化学成分量のパラメーターを所定範囲内に制御することによって、被削性（特にドリル寿命と切屑破砕性）を向上させる技術を開示している。また特許文献２では、鋼中にＣａを含有した酸化物系介在物を形成させることによって、旋削工具寿命を向上させ得ることが記載されている。
【０００５】
特許文献３は、Ｐｂフリー鋼にＭｇを添加することによって、被削性（特にドリルによる穴加工性）を向上させる技術を開示している。また特許文献３では、硬度が高いＡｌ2Ｏ3等の酸化物系介在物は被削性に悪影響を及ぼすことが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１０５３５９号公報
【特許文献２】特開２００５−１７９７５３号公報
【特許文献３】特開２００３−１１９５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のようにＰｂフリー鋼の被削性を向上させる様々な技術がこれまで提案されている。しかし該分野では、被削性のさらなる改善が絶えず求められている。そこで本発明の目的は、Ｐｂフリーで、従来のものよりも優れた被削性を有する機械構造用鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成し得た本発明の被削性に優れた機械構造用鋼は、
Ｃ：０．１５〜０．５％（質量％の意味、鋼の化学成分について以下同じ）、
Ｓｉ：０．０１〜２％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｃｒ：０．０１〜２％、
Ｐ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．０１〜０．３％、
Ａｌ：０．００１〜０．０１％、
Ｏ：０．００１〜０．０２％、
Ｎ：０．００１〜０．０２５％
を含有し、さらに
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％およびＺｒ：０．０１〜０．２％の少なくとも１種を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、
鋼中の酸化物系介在物の合計１００質量％に対して、ＭｇＯ量が０．１〜１０質量％である点に要旨を有する。
【０００８】
本発明の機械構造用鋼には、上記化学成分の他、必要に応じてさらに、（１）Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）、およびＮｉ：２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種、（２）Ｓｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｔｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）、希土類元素（以下「ＲＥＭ」と略称する）：０．０１％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種等を含有させることも有効であり、含有させる成分の種類に応じて、鋼の特性がさらに改善される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、鋼中のＭｇＯ量が制限される結果、ＭｎＳの微細化を抑制でき、優れた被削性（特に工具寿命）を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者らが鋭意検討した結果、鋼中に含まれるＭｇＯの量を抑制すれば、Ｐｂフリー鋼の被削性を充分に向上させ得ることを見出した。詳しくは、機械用構造鋼を従来の量産炉で製造する方法では、炉の耐火物またはスラグからＭｇが溶出するために、鋼中に必ずＭｇＯが含まれてしまう。そして本発明者らは、このＭｇＯが、Ｐｂフリー鋼で被削性を改善するために用いられるＭｎＳに悪影響を及ぼし、被削性（特に工具寿命）を低減させることを見出した。
【００１１】
上述の特許文献１〜３に記載されているように、酸化物について、硬質のＡｌ系酸化物が被削性に悪影響を及ぼすこと、Ｃａ含有酸化物が工具寿命を向上させることは該分野で知られている。しかしＭｇＯが被削性に悪影響を及ぼすことは、これまで知られていなかった。それどころか特許文献３では、Ｍｇを積極的に添加することによって被削性を向上させることが記載されている。
【００１２】
ＭｇＯを低減することによって機械用構造鋼の被削性が向上する推定メカニズムとしては、次のようなことが考えられる：鋼中のＭｎＳは、丸くて、大きいほど、被削性（特に工具寿命）を向上させると考えられる。しかし鋼中に微細なＭｇＯが多量に存在すると、ＭｎＳは、このＭｇＯを核として微細に析出してしまうため、被削性向上作用が低下する。そのためＭｇＯ量を低減すれば、ＭｎＳの微細化を防止でき、その結果、良好な被削性を達成することができる。
【００１３】
通常の機械構造用鋼では、鋼中の酸化物系介在物の合計１００質量％に対して、通常１５質量％程度のＭｇＯが含まれる。このＭｇＯ量を１５質量％から１０質量％まで低減させると、ドリル寿命（ドリルが焼き付いて穴が開けられなくなるまでのドリル穴の長さ）を５０％増加させることができる（図１）。よって被削性（特にドリル寿命）を向上させるために、鋼中の酸化物系介在物の合計１００質量％に対するＭｇＯ量は、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは７質量％以下、さらに好ましくは３質量％以下である。殊にＭｇＯ量を１５質量％から３質量％まで低減させると、ドリル寿命を倍増させることができる（図１）。一方、本発明の機械構造用鋼中のＭｇＯ量の下限は、通常、０．１質量％程度である。
【００１４】
機械構造用鋼中のＭｇＯ量は、下記実施例で示すように、Ｘ線マイクロアナリシス（ＥＰＭＡ）のエネルギー分散方式（ＥＤＳ）で測定することができる。
【００１５】
鋼中のＭｇＯ量を低減させるためには、造滓剤の成分を調整して、溶鋼処理時のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）を下げれば良いことも、本発明者らは見出した（図２）。このメカニズムとしては、スラグ塩基度が低いほど、スラグや耐火物から金属Ｍｇが生成されにくく、鋼中へのＭｇの混入が抑制されることが考えられる。鋼中に混入したＭｇはＭｇＯとなるので、混入を抑制することによってＭｇＯ量を低減させることができる。なお鋼中のＭｇＯ量は、後述するように、鋼中のＡｌ量にも影響される。
【００１６】
図２の近似曲線は、ｙ＝２．０１ｘ1.37、ｙ：ＭｇＯ量（質量％）、ｘ：スラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）、寄与率Ｒ2＝０．９９７として計算した。この近似曲線から、目標とするＭｇＯ量を達成するためには、どの程度スラグ塩基度を低減させれば良いか予想することができる。具体的には、スラグ塩基度が３．２程度であれば、鋼中のＭｇＯ量は１０質量％程度であり、スラグ塩基度が２．５程度であれば、ＭｇＯ量は７質量％程度であり、スラグ塩基度が１．３程度であれば、ＭｇＯ量は３質量％程度である。
【００１７】
次に本発明の機械構造用鋼の化学成分について説明する。
【００１８】
＜Ｃ：０．１５〜０．５％＞
Ｃは、最終製品（部品）の強度を確保するために重要な元素である。しかしＣ量が過剰であると、鋼の靱性が低下すると共に、硬くなりすぎて被削性（特に工具寿命）が低下する。そこでＣ量を、０．１５％以上（好ましくは０．２０％以上）、０．５％以下（好ましくは０．４５％以下）とした。
【００１９】
＜Ｓｉ：０．０１〜２％＞
Ｓｉは、脱酸元素として有効である上に、固溶強化によって部品強度を向上させる作用を有する。しかしＳｉ量が過剰であると、被削性に悪影響を及ぼす。そこでＳｉ量を、０．０１％以上（特に固溶強化の観点から、好ましくは０．２％以上）、２％以下（好ましくは１．５％以下）とした。
【００２０】
＜Ｍｎ：０．１〜２％＞
Ｍｎは、鋼の焼入性を向上させて強度増大に寄与する上に、硫化物系介在物を形成して被削性を向上させる重要な元素である。しかしＭｎ量が過剰であると、かえって被削性が低下する。そこでＭｎ量を、０．１％以上（好ましくは０．６％以上）、２％以下（好ましくは１．５％以下）とした。
【００２１】
＜Ｃｒ：０．０１〜２％＞
Ｃｒは、鋼の焼入性を向上させて強度増大に寄与する元素である。しかしＣｒ量が過剰であると、被削性が低下する。そこでＣｒ量を、０．０１％以上（好ましくは０．１％以上）、２％以下（好ましくは１％以下）とした。
【００２２】
＜Ｐ：０．１％以下（０％を含まない）＞
Ｐは、粒界偏析を起こして耐衝撃性を劣化させる元素であるため、その量は、できる限り低いことが好ましい。そこでＰ量を、０．１％以下（好ましくは０．０５％以下）と定めた。但しＰは、鋼に不可避的に混入するため、工業生産上、その量を０％にすることは困難である。
【００２３】
＜Ｓ：０．０１〜０．３％＞
Ｓは、ＭｎＳ等の硫化物系介在物を形成し、被削性を向上させるのに有効な元素である。しかしＳ量が過剰になると、熱間または冷間鍛造時の割れの起点となって、変形能が低下する。そこでＳ量を、０．０１％以上（好ましくは０．０４％以上）、０．３％以下（好ましくは０．１５％以下）とした。
【００２４】
＜Ａｌ：０．００１〜０．０１％＞
溶鋼中のＡｌは、炉の耐火物からＭｇの溶出を促進して、鋼中のＭｇＯ量を増加させるため、鋼の被削性に悪影響を及ぼす。またＡｌ量が増加すると、鋼中のＯ量が減少するためＭｎＳが低温で生成する。その結果、ＭｎＳが微細化され、被削性に悪影響を及ぼす。さらにＡｌは、硬質なＡｌ系酸化物を形成することによっても、被削性に悪影響を及ぼす。そこで本発明においてＡｌ量は、できる限り低いことが好ましい。そこでＡｌ量を、０．０１％以下（好ましくは０．００５％以下）とした。しかし工業生産上、Ａｌ量を０％にすることは困難である。そこで生産コスト等の観点からＡｌ量の下限を、０．００１％と定めた。なお機械構造用鋼は、通常Ａｌキルド鋼であり、そのＡｌ量は、通常０．０２％程度以上である。そのため従来の機械構造用鋼はＭｇＯ量が多く、Ｐｂフリーでは、充分な被削性を確保することができなかった。
【００２５】
＜Ｏ：０．００１〜０．０２％＞
Ｏ量が過剰であると、被削性（特に工具寿命）が劣化する。そこでＯ量を、０．０２％以下（好ましくは０．００５％以下）とした。なお本発明では、鋼中のＭｇＯ量を低減させるために、スラグ塩基度を下げているので、鋼のＯ量は０．００１％以上に増加する。
【００２６】
＜Ｎ：０．００１〜０．０２５％＞
Ｎは、ＡｌやＴｉ等と窒化物を形成して、オーステナイト結晶粒を微細化し、その結果、靱性や疲労強度を向上させる作用を有する。しかしＮ量が過剰であると、かえって靱性が低下する。そこでＮ量を、０．００１％以上（好ましくは０．００２％以上、より好ましくは０．００３％以上）、０．０２５％以下（好ましくは０．０２％以下）とした。
【００２７】
＜Ｃａ：０．０００１〜０．０１％およびＺｒ：０．０１〜０．２％の少なくとも１種＞
ＣａおよびＺｒは、ＭｎＳ中に固溶して、ＭｎＳの球状化を促進させる作用を有し、その結果、被削性（特に工具寿命）を向上させるために重要な元素である。逆に言えば、ＣａおよびＺｒの双方が無い場合、ＭｎＳが細長く伸びて、ＭｎＳの被削性向上効果が低下する。そこで本発明では、ＣａおよびＺｒの少なくとも１種を必須元素とした。しかし溶鋼中でＣａおよびＺｒ量が過剰であると、炉の耐火物中のＭｇが還元・溶出し、鋼中のＭｇＯ量が増大する。そこでＣａ量を、０．０００１％以上（好ましくは０．０００５％以上）、０．０１％以下（好ましくは０．００５％以下）と、Ｚｒ量を、０．０１％以上（好ましくは０．０２％以上）、０．２％以下（好ましくは０．１５％以下）とした。
【００２８】
本発明の機械構造用鋼の基本成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物が鋼中に含まれることは、当然に許容される。さらに本発明の鋼は、必要に応じて、以下の選択元素を含有していても良い。
【００２９】
＜Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）、およびＮｉ：２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種＞
Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、ＣｕおよびＮｉは、強度を向上させるために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。強度の観点から、Ｔｉ量は、好ましくは０．０１％以上（より好ましくは０．０２％以上）であり、Ｖ量は、好ましくは０．０３％以上（より好ましくは０．０６％以上）であり、Ｍｏ量は、好ましくは０．０５％以上（より好ましくは０．１０％以上）であり、Ｎｂ量は、好ましくは０．０１０％以上（より好ましくは０．０２５％以上）であり、Ｃｕ量は、好ましくは０．０２％以上（より好ましくは０．１％以上）であり、Ｎｉ量は、好ましくは０．０２％以上（より好ましくは０．１％以上）である。
【００３０】
しかしこれらの元素量が過剰であると、被削性に悪影響を及ぼす。そこでこれらの元素を含有させる場合、Ｔｉ量を０．２％以下（好ましくは０．１％以下）、Ｖ量を０．５％以下（好ましくは０．３％以下）、Ｍｏ量を１％以下（好ましくは０．５％以下）、Ｎｂ量を０．１％以下（好ましくは０．０５％以下）、Ｃｕ量を１％以下（好ましくは０．５％以下）、およびＮｉ量を２％以下（好ましくは１％以下）とした。
【００３１】
＜Ｓｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｔｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）、希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種＞
Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、ＲＥＭおよびＢは、被削性を向上させるために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。なお希土類元素（ＲＥＭ）は、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの１５元素を含む。工業的にはＲＥＭとして、ミッシュメタルを用いる。被削性の観点から、Ｓｅは、好ましくは０．００１％以上（より好ましくは０．００５％以上）であり、Ｔｅ量は、好ましくは０．００１％以上（より好ましくは０．００５％以上）であり、Ｂｉは、好ましくは０．００５％以上（より好ましくは０．０１０％以上）であり、ＲＥＭ量は、好ましくは０．０００１％以上（より好ましくは０．００１％以上）であり、Ｂ量は、好ましくは０．０００５％以上（より好ましくは０．００２％以上）である。
【００３２】
しかしこれらの量が過剰であると、熱間変形能が低下し、部品製造が困難になる。そこでこれらの元素を含有させる場合、Ｓｅ量を０．０１％以下、Ｔｅ量を０．０１％以下、Ｂｉ量を０．１％以下（好ましくは０．０５％以下）、ＲＥＭ量を０．０１％以下（好ましくは０．００５％以下）、Ｂ量を０．００５％以下（好ましくは０．００３５％以下）とした。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、上記・下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。
【００３４】
実施例１
表１および２に示す化学成分組成の鋼を溶製した。そして塩基度の低い組成の造滓剤、或いは、塩基度の高い組成の造滓剤を適宜用いて、溶鋼処理時のスラグ塩基度を変化させた。各鋼のスラグから、直接分析したスラグ塩基度の値を、表３および表４に示す。次いで溶鋼を鋳造し、８０ｍｍφの棒鋼に圧延して、供試材を作製した。各供試材で、ＭｇＯ量（質量％）、ＭｎＳの平均サイズ（μｍ2）、ＭｎＳのアスペクト比を測定した。また下記のような切削試験（ドリル試験および超硬旋削試験）を行った。これらの結果も併せて表３および表４に示す。
【００３５】
＜ＭｇＯ量の測定＞
ＭｇＯ量の測定は、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を用いて行った。詳細には、鋼材中から無作為に１０個の酸化物系介在物を抽出した。通常は、研磨面において１０ｍｍ×１０ｍｍの領域を観察すれば、１０〜３０個程度の酸化物系介在物を見出すことができる。研磨面（観察領域）は任意の断面をとることができるが、圧延方向に対して平行であることが好ましい。酸化物と硫化物との位置関係が分かりやすいからである。次いで、上記のように抽出した１０個の酸化物系介在物を、ＥＤＳで定量分析して、各介在物に含まれる金属元素の割合を求めた。これらの割合から、ＭｇはＭｇＯに、ＡｌはＡｌ2Ｏ3に、ＣａはＣａＯに、ＭｎはＭｎＯに、ＳｉはＳｉＯ2に、ＺｒはＺｒＯ2になると想定して、これら想定酸化物の合計１００質量％に対するＭｇＯ量を、各酸化物系介在物について求めた。なおＭｎ等は硫化物となる場合もあるが、酸化物系介在物を観察しているため、全て酸化物となると想定した。また酸化物は黒色に、硫化物は灰色に見えるため、酸化物と硫化物とは明確に区別できる。このようにして求めた各介在物のＭｇＯ量から計算した平均値を、その鋼の「ＭｇＯ量」とした。
【００３６】
＜ＭｎＳの平均サイズおよびアスペクト比の測定（計算）方法＞
Ｄ／４部（Ｄ：板厚）の縦断面にて、倍率１０００倍で１ｍｍ2の視野を光学顕微鏡で観察し、１μｍ以上の各硫化物系介在物の面積を観察した。各面積の平均値を、鋼の「ＭｎＳの平均サイズ」とした。さらに各硫化物系介在物の長径および長径方向に直交する方向の幅を測定し、これから各アスペクト比（長径／幅）を求めた。各アスペクト比の平均値を、鋼の「ＭｎＳのアスペクト比」とした。
【００３７】
＜ドリル試験＞
１０ｍｍφのストレートドリル（ＳＫＨ５１、表面コーティング無し）を、切削速度：２０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、被削鋼材の厚さ：４０ｍｍ、乾式（切削油無し）の条件で用いて、ドリル試験を行った。ドリル試験は、被削鋼材に深さ３０ｍｍの穴（未貫通）を次々と開けてゆき、そして工具寿命として、ドリルが焼き付いて、穴が開けられなくなるまでのドリル穴の総長さを測定した。
【００３８】
＜超硬旋削試験＞
超硬工具Ｐ１０（ＪＩＳ  Ｂ４０５３）のチップを、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切込み量：１．５ｍｍ、送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、乾式（切削油無し）の条件で用いて、超硬旋削試験を行った。そして工具寿命として、工具側面の摩耗長さが０．２ｍｍになるまでの切削時間を測定した。
【００３９】
【表１】
0005234904.tif 000002
【００４０】
【表２】
0005234904.tif 000003
【００４１】
【表３】
0005234904.tif 000004
【００４２】
【表４】
0005234904.tif 000005
【００４３】
表３および４の結果から、本発明のＭｇＯ量および化学成分量の要件を満たす鋼Ｎｏ．３〜２３および２６〜５８は、良好な工具寿命（ドリル穴の長さおよび切削時間）を示すことが分かる。これに対してスラグ塩基度が高い鋼Ｎｏ．１および２では、ＭｇＯ量が１０質量％を超えており、いずれも工具寿命が不充分である。また鋼Ｎｏ．２４および２５は、Ａｌ量が過剰であるためにＭｇＯ量が過剰であり、鋼Ｎｏ．１および２と同様に工具寿命が不充分である。
【００４４】
ＭｇＯ量と工具寿命（ドリル穴の長さ）との関係、およびスラグ塩基度とＭｇＯ量との関係を、理解し易くするために、化学成分組成が類似する鋼Ｎｏ．１〜７のデータを用いたグラフを、図１および２に示す。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例１の鋼Ｎｏ．１〜７におけるＭｇＯ量とドリル穴の長さ（工具寿命）との関係を示すグラフである。
【図２】実施例１の鋼Ｎｏ．１〜７におけるスラグ塩基度とＭｇＯ量との関係を示すグラフである。
【図１】
0005234904.tif 000006
【図２】
0005234904.tif 000007