(57)【要約】【課題】  被削性に悪影響の大径ＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮ介在物の生成を抑制したＴｉ添加はだ焼鋼の鋳鋼片の提供。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００１〜０．０３０％、Ｎ：０．０１００％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｏ：０．００３０％以下と、さらにＣｒ：０．１５〜２．００％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．０３〜０．３０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％、Ｖ：０．０１〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種以上を含有し、残部Ｆｅと不可避不純物のはだ焼鋼の径２３ｃｍ以下の鋳鋼片で極値統計法で予測の被検面積３０，０００ｍｍ2で晶出のＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）が５０μｍ以下のＴｉ添加はだ焼鋼の鋳鋼片。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
はだ焼鋼の製造において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１００％以下の成分を含有する鋼を、直径２３ｃｍ以下の丸鋳鋼片または丸鋼塊に製造することを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊の製造方法。
【請求項２】
はだ焼鋼の製造において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１００％以下の成分を含有する鋼を、短辺２３ｃｍ以下の角鋳鋼片または角鋼塊に製造することを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊の製造方法。
【請求項３】
はだ焼鋼において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１００％以下の成分を含有し、直径または短辺が２３ｃｍ以下の鋳鋼片または鋼塊からなり、該鋳鋼片または鋼塊は極値統計法により予測した被検面積３０，０００ｍｍ2における鋼中に晶出のＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさ：（ａｒｅａ  ｍａｘ）1/2（以下、「√（ａｒｅａ  ｍａｘ）」という。）が５０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００１〜０．０３０％、Ｎ：０．０１００％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、さらにＣｒ：０．１５〜２．００％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．０３〜０．３０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％、Ｖ：０．０１〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼からなり、直径または短辺が２３ｃｍ以下の鋳鋼片または鋼塊からなり、該鋳鋼片または鋼塊は極値統計法により予測した被検面積３０，０００ｍｍ2における鋼中に晶出のＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさ：√（ａｒｅａ  ｍａｘ）が５０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋳鋼片または鋼塊を熱間圧延または熱間鍛造して得ることを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用部品やその他の種々の産業用機械や装置の部品に使用される機械構造用鋼においてＴｉを添加したはだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊の製造方法およびその鋳鋼片または鋼塊並びにはだ焼鋼からなる鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、はだ焼鋼は一般に熱間加工や冷間加工、切削加工などにより所定の製品形状とした後、９００℃以上の浸炭焼入れ焼戻し処理が行われる。しかし、浸炭前組織や浸炭条件などの組み合わせにより、浸炭時に結晶粒の粗大化が発生して、鋼材の疲労強度や静的強度などの低下をもたらすことがある。それを防ぐために、はだ焼鋼においてはＡｌＮやＮｂＣＮといった析出物をピン止め粒子として活用する。このため、鋼材にＡｌ、Ｎｂ、Ｎなどの成分調整を行うことがある。Ｔｉ添加はだ焼鋼も結晶粒の粗大化防止を目的にＴｉを添加した鋼材である。しかしながら、このようなＴｉ添加はだ焼鋼では、硬質のＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮが多量に存在するため、その後の切削加工が困難となる問題がある。特に、量産炉にて溶解したＴｉ添加はだ焼鋼においてはその傾向が顕著に認められている。
【０００３】
出願人は、機械構造用Ｔｉ添加鋼の疲労特性に悪影響を及ぼすＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮの生成を抑制したＴｉ添加鋼において、極値統計法により予測した被検面積３０，０００ｍｍ2における鋼中に晶出のＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの（ａｒｅａ  ｍａｘ）1/2（以下、「√（ａｒｅａ  ｍａｘ）」という。）が８０μｍ以下であるとしたＴｉ添加高強度鋼の発明を提案している（例えば、特許文献１参照。）。しかし、このＴｉ添加高強度鋼では、上記のように疲労強度を良好とするものであるが、この被削性は必ずしも優れていなかった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４３５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、Ｔｉ含有の機械構造用鋼の鋼材から切削加工して製品形状とする際に、従来のＴｉ添加鋼においては十分に解決することができなかった被削性に悪影響を及ぼす大径のＴｉＮまたはＮリッチなＴｉＣＮの介在物の生成を抑制しうるＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊の製造方法およびその方法からなる鋳鋼片または鋼塊並びにその鋳鋼片または鋼塊からなるはだ焼鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、はだ焼鋼の製造において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１００％以下の成分を含有する鋼を、直径２３ｃｍ以下の丸鋳鋼片または丸鋼塊に製造することを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊の製造方法である。
【０００７】
請求項２の発明では、はだ焼鋼の製造において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１００％以下の成分を含有する鋼を、短辺２３ｃｍ以下の角鋳鋼片または角鋼塊に製造することを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊の製造方法である。
【０００８】
請求項３の発明では、はだ焼鋼において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎ：０．０１００％以下の成分を含有し、直径または短辺が２３ｃｍ以下の鋳鋼片または鋼塊からなり、該鋳鋼片または鋼塊は極値統計法により予測した被検面積３０，０００ｍｍ2における鋼中に晶出のＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさ：√（ａｒｅａ  ｍａｘ）が５０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊である。
【０００９】
請求項４の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００１〜０．０３０％、Ｎ：０．０１００％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、さらにＣｒ：０．１５〜２．００％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．０３〜０．３０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％、Ｖ：０．０１〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼からなり、直径または短辺が２３ｃｍ以下の鋳鋼片または鋼塊からなり、該鋳鋼片または鋼塊は極値統計法により予測した被検面積３０，０００ｍｍ2における鋼中に晶出のＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさ：√（ａｒｅａ  ｍａｘ）が５０μｍ以下であることを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊である。
【００１０】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１項の手段の鋳鋼片または鋼塊を熱間圧延または熱間鍛造して得ることを特徴とするＴｉ添加はだ焼鋼鋼材である。
【００１１】
上記の発明の構成における限定理由を説明する。
先ず、成分限定理由について、なお、％は質量％を示す。
【００１２】
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、素材の芯部の焼入性、鍛造性、機械加工性に影響する元素であり、Ｃが０．１０％未満では十分な芯部の硬さが得られず、強度が低下するため、０．１０％以上を含有する必要がある。しかし、０．３０％を超えると、素材の硬さが増加して被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。そこでＣは０．１０〜０．３０％とする。
【００１３】
Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、好ましくは０．０５〜０．１５％
Ｔｉは浸炭時の結晶粒を微細化させるのに有効な元素であり、Ｔｉが０．０５％未満では浸炭時の結晶粒の微細化の効果は発揮されないので０．０５％以上を含有する必要がある。しかし、０．２０％を超えるとＴｉＮやＴｉＣＮを生成して被削性を阻害する。そこでＴｉは０．０５〜０．２０％、好ましくは０．０５〜０．１５％とする。
【００１４】
Ｎ：０．０１００％以下、好ましくは０．００８０％以下
Ｎは上記のとおり、０．２０％を超えるＴｉと反応してＴｉＮやＴｉＣＮを生成してり被削性を阻害する。そこでＮは０．０１００％以下、好ましくは０．００８０％以下とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．０３〜１．００％、好ましくは０．０５〜０．４０％
Ｓｉは脱酸に必要な元素であり、Ｓｉが０．０３％未満ではその効果は十分でなく、１．００％を超えると、素材の硬さが増加し被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。そこでＳｉは０．０３〜１．００％、好ましくは０．０５〜０．４０％とする。
【００１６】
Ｍｎ：０．２０〜１．００％、好ましくは０．２５〜０．７０％
Ｍｎは焼入れ性の確保に必要な元素であり、Ｍｎが０．２０％未満ではその効果は十分でなく、１．００％を超えると、素材の硬さが増加し被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。そこでＭｎは０．２０〜１．００％、好ましくは０．２５〜０．７０％とする。
【００１７】
Ｓ：０．００１〜０．０３０％、好ましくは０．００３〜０．０２０％
Ｓは被削性の確保には有効な元素であり、Ｓが０．００１％未満ではその効果は十分でなく、好ましくは０．００３％以上を必要とし、０．０３０％を超えると、冷間加工性が阻害され、疲労強度が劣化する。そこでＳは０．００１〜０．０３０％、好ましくは０．００３〜０．０２０％とする。
【００１８】
Ａｌ：０．００３〜０．０５０％
Ａｌは製鋼時の脱酸に必要な元素であり、０．００３％以下では脱酸が不充分であり、０．０５０％を超えると、非金属介在物が生成して疲労強度が低下する。そこでＡｌは０．００３〜０．０５０％とする。
【００１９】
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは不純成分で浸炭部品の結晶粒界を脆化させるので、Ｐは０．０２５％以下とする。
【００２０】
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは各種の非金属介在物を生成して浸炭部品の結晶粒界を脆化させるので、Ｏは０．００３０％以下とする。
【００２１】
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ：選択的に１種または２種以上とする。
【００２２】
Ｃｒ：０．１５〜２．００％
Ｃｒは焼入れ性の確保および靱性の向上に必要な元素であり、Ｃｒが０．１５％未満ではその効果は十分でなく、２．００％を超えると、素材の硬さが増加し被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。そこでＣｒは０．１５〜２．００％とする。
【００２３】
Ｎｉ：０．１０〜２．００％
Ｎｉは靭性の向上に有効な元素である。しかし、Ｎｉは０．１０％未満ではその効果はなく、２．００％を超えると、素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害し、コストアップとなる。そこでＮｉは０．１０〜２．００％とする。
【００２４】
Ｍｏ：０．０３〜０．３０％
Ｍｏは靭性の向上に有効な元素であるが、０．０３％未満ではその効果はない。一方、Ｍｏは０．３０％を超えると、素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害し、コストアップとなる。そこでＭｏは０．０３〜０．３０％とする。
【００２５】
Ｂ：０．０００１〜０．００２０％
Ｂは焼入れ性の向上に有効な元素であるが、０．０００１％未満ではその効果はなく、０．００２０％を超えると、その効果は飽和する。そこでＢは０．０００１〜０．００２０％とする。
【００２６】
Ｖ：０．０１〜０．２０％
Ｖは結晶粒微細化し靱性向上に有効な元素であるが、０．０１％未満ではその効果はなく、０．２０％を超えると、結晶粒微細化の効果は飽和し、コストアップとなる。そこでＶは０．０１〜０．２０％とする。
【００２７】
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
Ｎｂは結晶粒微細化し靱性向上に有効な元素であるが、０．０１％未満ではその効果はなく、０．１５％を超えると、結晶粒微細化の効果は飽和し、コストアップとなる。そこでＮｂは０．０１〜０．１５％とする。
【００２８】
丸鋳片および丸鋼塊の直径２３ｃｍ以下、もしくは角鋳鋼片または角鋼塊の短辺２３ｃｍ以下
丸鋳片および丸鋼塊の直径もしくは角鋳鋼片または角鋼塊の短辺が２３ｃｍを超えると、ＴｉＮやＴｉＣＮの介在物のサイズが大きくなり、被削性に悪影響を及ぼすこととなる。そこで直径あるいは短辺が２３ｃｍ以下のサイズの鋳鋼片あるいは鋼塊に鋳造することで介在物のＴｉＮ、ＴｉＣＮのサイズが小さくでき、被削性への悪影響を低減することができる。そこで丸鋳片および丸鋼塊の直径２３ｃｍ以下、もしくは角鋳鋼片または角鋼塊の短辺２３ｃｍ以下とする。
【００２９】
√（ａｒｅａ  ｍａｘ）が５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下
極値統計法により予測した被検面積３０，０００ｍｍ2における鋼中に晶出する介在物のＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）が５０μｍより大きいと被削性を阻害する。そこで介在物のＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）を５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明による方法により製造のＴｉ添加のはだ焼鋼からなる鋳鋼片または鋼塊並びにこれらからなるＴｉ添加はだ焼鋼鋼材は、鋼材製造時の鋳片あるいは鋼塊の鋳造サイズの大きさを、丸形状のものではその直径を、角形状のものではその短辺を、それぞれ２３ｃｍ以下に規定することで、被削性に悪影響を及ぼすＴｉＮまたはＴｉＣＮからなる介在物の最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）を５０μｍ以下とでき、その結果、本発明は被削性に優れたＴｉ添加はだ焼鋼からなる鋳鋼片もしくは鋼塊または鋼材を得ることができるなど、本発明の手段からなる製造方法およびその製造方法よりなる鋳鋼片または鋼塊並びにその鋳鋼片または鋼塊から熱間圧延または熱間鍛造して得たＴｉ添加はだ焼鋼鋼材は従来にない優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を実施するための最良の形態を以下に説明する。
表１および表２に示す成分からなる鋼を９０ｔ電気炉で溶製し、あるいは１ｔ真空溶解炉（１ｔＶＩＭ炉）で溶解生成し、種々のサイズの大きさに鋳造を行い、鋳鋼片および鋼塊とした。これらの鋳鋼片および鋼塊のサイズは、電気炉材では、短辺３８ｃｍ×長辺４９ｃｍの鋳鋼片とし、真空溶解炉材では、短辺１６ｃｍ×長辺１８ｃｍの鋼塊、または直径３０ｃｍの丸鋼塊、直径１９ｃｍの丸鋼塊をそれぞれ得た。これらの鋳鋼片および鋼塊を１２３０℃以上に加熱して、φ６０ｍｍおよびφ３２ｍｍの棒鋼に熱間鍛造した。得られた棒鋼について、９００℃で１時間の焼準処理を行った後に各試験片を作製した。なお、表１のＮｏ．１〜２０に区分でＴｉ添加鋼（請求成分）として本発明の請求項で規定する成分のＴｉ添加はだ焼鋼についての化学成分と適用の溶解炉を示す。なお、表１において網掛け部で示すＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏは不可避的に含有される不純物である。さらに表２のＮｏ．２１〜２８に区分でＴｉ無添加鋼として、本発明で規定するＴｉ含有量未満の鋼を比較鋼として示し、Ｎｏ．２９〜３６に区分でＴｉ添加鋼（請求外成分）として、Ｔｉが本発明の請求項で規定する範囲から外れているか、本発明の請求項の範囲を満たしていても他の化学成分が本発明の請求項を満足しない成分からなる鋼について、それらを網掛け部で示し、それらの化学成分と溶解炉の種類を電気炉または１ｔＶＩＭとして示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
2007289979.tif 000004
【００３４】
φ６０ｍｍの棒鋼からＴｉＮまたはＴｉＮＣの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）を極値統計法により、棒鋼の中部および周部について被検面積：３０，０００ｍｍ2において予測した。さらに、φ６０ｍｍの棒鋼から超硬旋削試験片とドリル寿命試験片を作製して被削性の評価を行った。なお、表３に超硬旋削試験の条件を示し、表４にドリル寿命試験の条件を示す。一方、φ３２ｍｍの棒鋼からシャルピー衝撃試験片（角１０ｍｍ×５５ｍｍ−２ｍｍ１０ＲＣノッチ）および３点曲げ試験片（角１０ｍｍ×７０ｍｍ−２ｍｍＶノッチ）を作製し、試験に供した。なお、シャルピー試験片と３点曲げ試験片は、φ３２ｍｍの焼準処理材をφ３０ｍｍに旋削後、減面率５０％で引き抜き加工した棒鋼から試験片を割出し、９５０℃にて浸炭焼入れした後に、１８０℃の焼き戻しを実施してそれぞれ評価した。
【００３５】
【表３】
2007289979.tif 000005
【００３６】
【表４】
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【００３７】
上記の各種の鋳片サイズおよび鋼塊サイズにおける試験結果を表５に示す。これらの表５において、鋳片サイズおよび鋼塊サイズとして、丸鋳片および丸鋼塊の場合は直径で、角状の鋳片および鋼塊の場合はその短辺でその大きさを示している。
【００３８】
【表５】
2007289979.tif 000007
【００３９】
表５において奇数番のＮｏ．のものは、鋳片および鋼塊サイズが丸型のものではその直径が、角型のものではその短辺が２３ｃｍを超えるものである。これに対し、偶数番のＮｏ．のものは、鋳片および鋼塊サイズが丸型のものではその直径が、角型のものではその短辺が２３ｃｍ以内のものである。表５および図１に見られるように、本発明の請求項に規定する化学成分を有するＴｉ添加はだ焼鋼のＮｏ．１〜２０の２０種中の偶数番の１０種のものは、鋳片および鋼塊サイズの直径または短径の値が２３ｃｍ以下の小さなものであり、この場合、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）は３９μｍ以下で、奇数番の１０種のものよりも小さいことがわかる。
【００４０】
さらに表５および図１から、同一の鋳片サイズおよび鋼塊サイズで比較すると、表５のＮｏ．１〜２０の本発明の請求成分のＴｉ添加はだ焼鋼のＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）は、表５のＮｏ．２９〜３６の本発明の請求外成分のＴｉ添加鋼よりも、小さいことがわかる。
【００４１】
さらに表５および図２から、表５のＮｏ．１〜２０の本発明の請求項に規定する成分のＴｉ添加鋼の中で、本発明である１０種の偶数番の鋳片および鋼塊サイズの直径または短径の値が２３ｃｍ以下の小さなものでは、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）が小さいほど、超硬旋削試験によるチップの磨耗量が少なく、かつ、鋳片および鋼塊サイズの直径または短径の値が２３ｃｍより大きな奇数番のものに比して小さいことがわかる。
【００４２】
さらに表５および図３から、表５のＮｏ．１〜２０の本発明のＴｉ添加鋼のものは、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）の小さい鋳片および鋼塊サイズの直径または短径の値が２３ｃｍ以下の偶数番の本発明のものは、ドリル穿孔数が奇数番のものよりも、多くなっていることがわかる。
【００４３】
表５のＮｏ．１〜２０の本発明の成分範囲のＴｉ添加鋼のものは、結晶粒の粗大化は認められず、従って、その衝撃強度および３点曲げ試験による亀裂発生荷重は、表５のＮｏ．２１〜２８の比較鋼である非Ｔｉ添加鋼のものよりも高く、本発明のＴｉ添加鋼は優れていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】鋳片および鋼塊サイズとＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）の関係を示すグラフである。
【図２】ＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）と超硬旋削試験によるチップの磨耗量の関係を示すグラフである。
【図３】ＴｉＮまたはＴｉＣＮの最大大きさの√（ａｒｅａ  ｍａｘ）とドリル穿孔数の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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