(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％に加えて、Ｔｉ：０．００２〜０．０２０％およびＺｒ：０．００２〜０．０４０％の１種または２種を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる合金組成を有し、ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５mm２当たり２．０×１０-4mm２以上であり、ＭｎＳ介在物が、その平均粒径１．０μｍ以上のものの数がＳ含有量０．０１％あたり５個／mm２以上であるように分散していることにより、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼。
【請求項２】
請求項１に規定した合金成分に加えて、さらに、Ｃｒ：３．５％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下およびＢ：０．０００５〜０．０１％の１種または２種以上を含有する、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼。
【請求項３】
請求項１に規定した合金成分に加えて、さらに、Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．４％以下、Ｓｅ：０．４％以下およびＴｅ：０．２％以下の１種または２種以上を含有する、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載した機械構造用鋼を製造する方法であって、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる組成の合金を溶製し、その際、下記の条件を満たす操業を行なうことにより調整された脱酸を行ない、
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜４０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０-5〜１×１０-3
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０  かつ
［Ａｌ］：０．００１〜０．０２０％
ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５mm２当たり２．０×１０-4mm２以上となるようにしたのち、Ｔｉ：０．００２〜０．０２０％およびＺｒ：０．００２〜０．０４０％の１種または２種を添加して、調整された脱酸後の鋼中のＯとＴｉおよび（または）Ｚｒとの反応により微細なＴｉ酸化物および（または）Ｚｒ酸化物を形成させ、これらを含む複合酸化物を核としてＭｎＳ介在物を析出させることにより、ＭｎＳ介在物が、その平均粒径１．０μｍ以上のものの数がＳ含有量０．０１％あたり５個／mm２以上であるように分散したものを得ることからなる、被削性にすぐれるとともに切屑破砕性が高い機械構造用鋼の製造方法。
【請求項５】
Ｔｉおよび（または）Ｚｒを添加したとき、下記の条件が満たされるようＮ量を調節することにより、微細なＴｉ（ＣＮ）および（または）Ｚｒ（ＣＮ）を形成させ、
［Ｔｉ＋Ｚｒ］×［Ｎ］：５×１０-６〜２×１０-３
これらを核としてＭｎＳ介在物を析出させるとともに、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒度を微細に保つことにより、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度、および曲げ矯正性を示す機械構造用鋼を得る請求項４の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬工具による切削を行なったときの被削性がすぐれ、かつ、切屑の破砕性がよい機械構造用鋼と、その製造方法に関する。本発明はまた、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示す機械構造用鋼と、その製造方法にも関する。
【０００２】
本発明において、「二重構造介在物」の語は、酸化物を主体とする介在物が芯となり、その周囲を、硫化物を主体とする介在物が取囲んでいる構造の介在物をいう。「工具寿命比」および「寿命比」の語は、超硬工具による切削、とくに旋削において、同一のＳ含有量をもつ在来のイオウ快削鋼の工具寿命と本発明の快削鋼の工具寿命との比を意味する。ＭｎＳ介在物に関して、「微細に分散した」とは、在来の鋼中におけるＭｎＳ介在物よりは微細な粒であり、かつ、凝集あるいは集中することなく、鋼中に平均的に分布している状態を意味する。
【０００３】
【従来の技術】
被削性が高い機械構造用鋼に関する研究は長年にわたって行なわれており、出願人もこれまでに多数の提案をしてきた。最近のものとしては、特開平１０−２８７９５３号「機械的性質とドリル穴あけ加工性に優れた機械構造用鋼」が、ひとつの代表である。この快削鋼は、ＣａＯを８〜６２％含むカルシウムアルミネート酸化物介在物を内部に包み込んだ、長径／短径比が５以下であるような紡錘型の、Ｃａを１％以上含むカルシウム・マンガン硫化物介在物を含有することを特徴とするものである。この発明は、すぐれた被削性を実現したが、実施に当たって、ときにより被削性にバラツキが見られることが経験された。これは、カルシウム・マンガン硫化物介在物の存在形態が種々あり得るためと解される。
【０００４】
続いて出願人は、特開２０００−３４５３８号「旋削加工性に優れた機械構造用鋼」において、Ｃａ含有硫化物をＣａ含有量に従って三区分し、観察視野の面積に占める面積率を、Ｃａ含有量が４０％を超えるものをＡ、０．３〜４０％のものをＢ、０．３％未満のものをＣとするとき、Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≦０．３、かつＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）≧０．１の条件を満たすとき、旋削工具寿命が著しく延びることを開示した。
【０００５】
さらに研究を進めた出願人は、特開２０００−２１９９３６号「快削鋼」に至って、介在物の存在すべき個数を明らかにして、被削性のバラツキを軽減することに成功した。この発明の鋼は、０．１〜１％のＣａを含有する円相当直径５μｍ以上の硫化物を３．３mm２当たり５個以上含有することを特徴とする。しかし、被削性のバラツキに関して、なお改善の余地があった。
【０００６】
そこで出願人は、被削性のバラツキを改善した機械構造用鋼であって、とくに超硬工具切削性が高く、前記した工具寿命比にして５倍以上の被削性を達成した快削鋼を開発して、これも提案した（特願２００１−１７４６０６「超硬工具旋削性にすぐれた機械構造用の快削鋼」）。この快削鋼は、介在物の存在形態に特徴があって、「ＣａＯ含有量が８〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５mm２当たり２．０×１０-4mm２以上」というのが、それである。このような二重構造介在物の形態の代表的な例を、上記特許出願に示した。
【０００７】
上記のような二重構造介在物を確実に生成させることができる製造方法は、鋼の溶製に当たり、下記の条件を満たす操業を行なうことであって、これも上記特許出願において開示した。
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜４０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０-5〜１×１０-3
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０  かつ
［Ａｌ］：０．００１〜０．０２０％
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した二重構造介在物の形態を利用することにより被削性のバラツキを改善し、工具寿命比にして５倍以上の被削性改善を可能にした機械構造用の快削鋼において、さらなる改良を加え、切削屑の破砕性がよく、機械加工とくに旋削に適した鋼を提供することにある。被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示す機械構造用の快削鋼を提供することも、本発明の目的に含まれる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する、本発明の被削性にすぐれ、切屑破砕性のよい機械構造用の快削鋼は、基本的な合金組成として、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％に加えてＴｉ：０．００２〜０．０２０％およびＺｒ：０．００２〜０．０４０％の１種または２種を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる合金組成を有し、ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５mm２当たり２．０×１０-4mm２以上であり、ＭｎＳ介在物が、その平均粒径１．０μｍ以上のものの数がＳ含有量０．０１％あたり５個／mm２以上であるように分散している機械構造用鋼である。
【００１０】
上記の被削性にすぐれ、切屑破砕性のよい機械構造用の快削鋼を製造する本発明の方法は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｏ：０．０００５〜０．０１％およびＮ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる組成の合金を溶製し、その際、下記の条件を満たす操業を行なうことにより調整された脱酸を行ない、
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜４０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０-5〜１×１０-3
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０  かつ
［Ａｌ］：０．００１〜０．０２０％
ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５mm２当たり２．０×１０-4mm２以上となるようにしたのち、Ｔｉ：０．００２〜０．０２０％およびＺｒ：０．００２〜０．０４０％の１種または２種を添加して、調整された脱酸後の鋼中のＯとＴｉおよび（または）Ｚｒとの反応により微細なＴｉ酸化物および（または）Ｚｒ酸化物を形成させ、これらを含有する複合酸化物を核としてＭｎＳ介在物を析出させることにより、ＭｎＳ介在物が、その平均粒径１．０μｍ以上のものの数がＳ含有量０．０１％あたり５個／mm２以上であるように分散したものを得ることからなる製造方法である。
【００１１】
【発明の実施形態】
本発明の機械構造用鋼において、基本的な合金組成の鋼の組成を上記のように限定した理由は、つぎのとおりである。
【００１２】
Ｃ：０．０５〜０．８％
Ｃは強度を確保するために必要な成分であり、０．０５％未満の含有量では、機械構造用鋼としての強度が不足である。一方、ＣはＳの活量を増大させるので、多量になると、上記した[Ｓ]／[Ｏ]、[Ｃａ]×[Ｓ]、[Ｃａ]／[Ｓ]および特定の[Ａｌ]量のバランスの下で、二重構造介在物を得ることが難しくなる。Ｃを多量にすると、靱性や被削性も低くなるので、０．８％という上限を設けた。
【００１３】
Ｓｉ：０．０１〜２．５％
Ｓｉは溶製時の脱酸剤として鋼の成分となり、焼入性を高める働きもある。この効果は、０．０１％に達しない少量では期待できない。ＳｉもまたＳの活量を増大させるので、多量のＳｉの存在は、多量のＣと同じ問題を生じ、二重構造介在物の生成を妨げるおそれがある。多量のＳｉはまた、延性を損ない、塑性加工時に割れが発生しやすくなることもあって、２．５％が添加量の上限である。
【００１４】
Ｍｎ：０．１〜３．５％
Ｍｎは、硫化物を生成する重要な元素である。０．１％未満の量では、介在物の量が足りないが、３．５％を超える過大な含有量になると、鋼を硬くして被削性を低下させる。
【００１５】
Ｓ：０．０１〜０．２％
Ｓは被削性の向上にとって、有用というより、不可欠な成分であって、０．０１％以上を存在させる。本発明の目標である工具寿命比５以上を達成するには、０．０１％以上のＳを必要とする。Ｓ量が０．２％を超えると、靱性と延性を悪くするばかりか、ＣａとともにＣａＳを生成する。ＣａＳは融点が高いため、鋳造工程の障害になる。
【００１６】
Ａｌ：０．００１〜０．０２０％
酸化物系介在物の組成を適切に調整する上で必要であり、少なくとも０．００１％を添加する。０．２０％を超えると硬質のアルミナクラスターを生成し、これが鋼の被削性を損なう。
【００１７】
Ｃａ：０．０００５〜０．０２％
Ｃａは、本発明の鋼にとってきわめて重要な成分である。硫化物中にＣａを含有させるために、０．０００５％以上の添加を必須とする。一方、０．０２％を上回る過剰のＣａの添加は、前記した高融点のＣａＳの生成を招き、鋳造の障害になる。
【００１８】
Ｏ：０．０００５〜０．０１％
Ｏは酸化物の生成に必要な元素である。過度に脱酸した鋼においては高融点のＣａＳが多量に生成し、鋳造の支障になるから、少なくとも０．０００５％、好ましくは０．００１５％を超えるＯが必要である。一方、０．０１％を超えるＯは、多量の硬質な酸化物をもたらし、その結果、被削性が悪くなるとともに、所望のカルシウム硫化物の生成が困難になる。ＣａおよびＡｌを使用して複合脱酸を行なうると、ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３系の複合酸化物が生成するが、これは低融点の介在物であって、被削性にとっては好ましい。
【００１９】
複合酸化物の生成に加えて、Ｏは、下に述べるように、Ｔｉおよび（または）Ｚｒと微細な酸化物を形成してこれがＭｎＳの析出核となることで、ＭｎＳを微細化する。この作用を期待するには、ある最低量のＴｉ酸化物、Ｚｒ酸化物または（Ｔｉ＋Ｚｒ）酸化物を生成させなければならないから、
［Ｏ］／［Ｎ］：０．０６以上
の条件を与える必要がある。
【００２０】
Ｎ：０．００１〜０．０４％
Ｎは結晶粒の粗大化を防止するのに有効な成分であり、また、Ｔｉと結合してＴｉＮを生成する上で、重要である。こうした観点から、０．００１％以上のＮの存在が必要である。過大なＮ量は鋳造欠陥などを引き起こすから、０．０４％を上限とした。
【００２１】
Ｔｉ：０．００２〜０．０２０％およびＺｒ：０．００２〜０．０４０％の１種または２種
微量のＴｉまたはＺｒは、ＣａおよびＡｌで脱酸された鋼中のＯと結合して、微細な酸化物を形成する。これがＭｎＳの析出に対し、核としてはたらくので、ＭｎＳを微細に分散させるのに役立つ。ＴｉとＺｒとは、それぞれ単独でも効果はあるが、２種を併用（たとえば、Ｔｉ：０．００５％＋Ｚｒ：０．０１５％）する方が、ＭｎＳの微細化効果が高く、有利である。二重構造介在物およびその他の酸化物の生成に影響を与えずに、適量のＴｉ酸化物またはＺｒ酸化物を生成させるためには、ＴｉおよびＺｒの量を、それぞれ上記した０．００２〜０．０２０％、０．００２〜０．０４０％の範囲に調整する必要がある。本発明の構造用鋼において必須である二重構造介在物を確実に形成させるには、調整脱酸を実施したのちに、Ｔｉおよび（または）Ｚｒの添加を行なうことが肝要である。
【００２２】
ＴｉおよびＺｒはまた、微細なＴｉ(ＣＮ)またはＺｒ(ＣＮ)を生成した場合、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒度の成長を抑制する作用がある。これを期待するには、上記の下限量である０．００２％以上のＴｉまたは０．００２％以上のＺｒの存在と、
［Ｔｉ＋Ｚｒ］×［Ｎ］：５×１０-６〜２×１０-３
の条件とを与える必要がある。本発明の鋼においてこのバランスを達成したものは、被削性および切屑破砕性に加えて、すぐれた疲労強度および曲げ矯正性を示し、この性質が要求されるクランクシャフトやコンロッドの材料として好適である。
【００２３】
不純物として不可避なＰについていえば、これは靱性にとっては有害な成分であって、０．２％を超えて存在させることはできないが、一方でＰは、被削性とくに仕上面性状を改善する成分でもある。この効果は、０．００１％以上の存在で認められる。
【００２４】
本発明の機械構造用の快削鋼は、上記した基本的な合金組成に加えて、鋼の用途により必要となるところに従い、つぎのグループに属する元素の１種または２種以上を、下に規定する組成範囲内で、追加的に含有することができる。それらの変更態様において、任意に添加することができる各合金成分の働きと組成範囲の限定理由を、つぎに述べる。
【００２５】
Ｃｒ：３．５％以下、Ｍｏ：２．０％以下
ＣｒおよびＭｏは、焼入性を高めるので、適量を添加するとよい。しかし、多量に添加すると熱間加工性を損ねて、割れを招く。コスト面の配慮もあって、それぞれの上限を、Ｃｒは３．５％、Ｍｏは２．０％と定めた。
【００２６】
Ｃｕ：２．０％以下
Ｃｕは、組織を緻密にし、強度を高める。多量の添加は、熱間加工性にとっても、被削性にとっても好ましくないから、２．０％以下の添加に止める。
【００２７】
Ｎｉ：４．０％以下
Ｎｉも、ＣｒおよびＭｏと同様に焼入性を高めるが、被削性にはマイナスの存在である。それと、コストを考えて、４．０％を上限とした。
【００２８】
Ｂ：０．０００５〜０．０１％
Ｂは微量の添加で焼入性を高める。この効果を得るには、０．０００５％以上の添加を必要とする。０．０１％を超える添加は、熱間加工性を損ねて有害である。
【００３１】
Ｐｂ：０．４％以下、Ｂｉ：０．４％以下
どちらも、被削性改善元素である。Ｐｂは、単独で、または硫化物の外周に付着する形で存在し、それ自身が被削性を高める。０．４％という上限は、これ以上のＰｂを添加しても鋼に溶解せず、凝集・沈殿して鋼の欠陥になることを理由に設けた。Ｂｉも同様である。
【００３２】
Ｓｅ：０．４％以下、Ｔｅ：０．２％以下
これらも、被削性改善元素である。それぞれの上限０．４％、０．２％、０．１％および０．０５％は、熱間加工性への悪影響を考慮して定めた。
【００３３】
本発明にしたがう機械構造用の快削鋼の内部に存在する介在物は、図１に見るように、二重構造介在物とＭｎＳ介在物とである。二重構造介在物は、ＥＰＭＡ分析によれば、芯部がＣａ，Ｍｇ，ＳｉおよびＡｌの酸化物であり、その周囲を、ＣａＳを含有するＭｎＳが取り囲んでいる。ＭｎＳ介在物は、微細に分散している。これに対し、単にＭｎＳの被削性改善効果を求めた従来の快削鋼の中におけるＭｎＳは、図２のように大型である（図２のＭｎＳは、圧延により伸張されている）。
【００３４】
二重構造介在物の形態は、後に論じる機構を通じて、本発明で目標とした、工具寿命比５という被削性を達成するために必要なものであり、このような介在物の形態を実現するための条件が、これも前記した操業条件である。それらの条件がもつ意義は、先の発明の開示に当たり、データをもってすでに説明したが、本発明にとっても重要であるから、以下にその説明を再掲する。
【００３５】
ＣａＯ含有量が０．２〜６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５mm２当たり２．０×１０-4mm２以上
上記の条件を満たす介在物の占有面積と、超硬工具による旋削を行なったときに得られる工具寿命と、同一Ｓ含有量のイオウ快削鋼が示す工具寿命に対する比との相関を、図３のグラフに示す。このデータは、本発明に従うＳ４５Ｃ系の快削鋼に対して旋削を行なって得たものであって、工具寿命比５以上の結果は、二重構造介在物が２．０×１０-4mm２以上を占めたときに達成できることを示している。
【００３６】
Ａｌ：０．００１〜０．０２０％
Ａｌ含有量と工具寿命比との相関をプロットして得たのが、図４のグラフである。このグラフは、工具寿命比５以上の目標達成のためには、Ａｌ含有量が上記した範囲内にあることの必要性を示している。
【００３７】
［Ｓ］／［Ｏ］：８〜４０
種々のＳ含有量およびＯ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比５以上の目標を達成できるか否かを、異なるプロットにより区別したのが、図５のグラフである。目標を達成したもの（●プロット）は、［Ｓ］／［Ｏ］＝８の直線と［Ｓ］／［Ｏ］＝４０の直線とに挟まれた三角形の領域内にあり、そうでないもの（×プロット）は領域外にあることがわかる。
【００３８】
［Ｃａ］／［Ｓ］：０．０１〜２０
［Ｃａ］×［Ｓ］：１×１０−５〜１×１０−３
上記と同様に、種々のＳ含有量およびＣａ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比５以上の目標を達成できるか否かを示したのが、図５のグラフである。目標を達成したもの（●プロット）は、［Ｃａ］／［Ｓ］が０．０１である直線と０．２０である直線とに挟まれ、かつ、［Ｃａ］×［Ｓ］が１×１０−５である直線と１×１０−３である直線とに挟まれた四辺形の領域に集中していることがわかる。上記の［Ｓ］／［Ｏ］、［Ｃａ］／［Ｓ］および［Ｃａ］×［Ｓ］の条件を同時にみたすものは、すべて工具寿命比５以上の目標を達成している。
【００３９】
本発明の機械構造用鋼がすぐれた被削性を示す理由として発明者らが考えているのは、二重構造介在物による、工具表面のよりよい保護および潤滑という機構である。これもさきの発明の開示に含めてあるが、再度説明する。
【００４０】
二重構造介在物は、芯部がＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３系の複合酸化物であり、その周りを（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ系の複合硫化物が取り巻いている。この酸化物は、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の中では低融点のものであり、一方、複合硫化物は、単純な硫化物ＭｎＳよりも高融点である。この二重構造介在物は、酸化物をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の低融点のものにすることにより、確実に硫化物が酸化物を取り巻く形で析出する。切削にあたって硫化物系介在物が軟化して工具表面を被覆し、保護するという作用はよく知られているが、硫化物だけしか存在しないと、この被膜の生成および維持は安定しない。さきの発明の発明者らが見出したところでは、硫化物系介在物にＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の低融点酸化物が共存すると、被膜が安定に生成する上、（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ系の複合硫化物は、単純なＭｎＳよりも、潤滑性能が高い。
【００４１】
（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ系の複合硫化物が工具表面に被膜を形成する意義は、「熱拡散摩耗」とよばれる超硬工具の摩耗を抑制する効果にある。熱拡散摩耗は、工具が切削対象から生じる切り屑に高温で接すると、工具材料を構成するタングステン・カーバイドＷＣに代表される炭化物が熱分解して、Ｃが切り屑金属中に拡散して失われる結果、工具が脆くなって進む摩耗である。潤滑性の高い被膜が工具表面に生成すると、工具の温度上昇が防がれて、Ｃの拡散が抑制される。
【００４２】
本発明の快削鋼の二重構造介在物ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３／（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓは、観点を変えてみれば、従来のイオウ快削鋼の介在物であるＭｎＳと、従来のカルシウム快削鋼の介在物であるアノルサイトＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２との、それぞれの利点を併せもつものということができる。ＭｎＳは、工具表面において潤滑性を示すが、被膜の安定性がいまひとつであり、熱拡散摩耗に対しては無力である。一方、ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２は、安定な被膜を形成して熱拡散摩耗を防ぐが、潤滑性に乏しい。これに対し本発明の二重構造介在物は、安定な被膜を形成して熱拡散摩耗を効果的に防止するとともに、よりよい潤滑性を示す。
【００４３】
このような二重構造介在物の生成は、前述のように低融点の複合酸化物を用意することから始まるので、まずＡｌ量が重要であって、少なくとも０．００１％の存在が必要である。Ａｌが多量に過ぎると、複合酸化物の融点が高くなってしまうから、０．０２０％以内にする。つぎに、ＣａＳの生成量を調節するために、［Ｃａ］×［Ｓ］および［Ｃａ］／［Ｓ］を、前記した値にコントロールするわけである。
【００４４】
上述した機構は仮説ではなく、事実に即したものであることが、さきの発明において、その快削鋼を旋削した後の超硬工具表面の状態と、そこに付着した溶融介在物の分析結果とを、在来のイオウ快削鋼を旋削した場合との対比によって明らかになった。
【００４５】
本発明の機械構造用の快削鋼を特徴づける切屑破砕性のよさは、前述のようにＭｎＳ介在物の微細化によってもたらされる。介在物量が一定であることを前提にすると、微細化は介在物の数の増大を意味する。本発明の鋼におけるＭｎＳ介在物の量は、主としてＳ含有量によって決定される。Ｓ量は０．０１〜０．２％にわたって変化するから、ＭｎＳ量もまたそれに伴って変化し、微細化した介在物の個数も増減する。本発明の鋼の中では、ＭｎＳ介在物は、在来の鋼中のＭｎＳ介在物よりは微細であるが、それらの中で、存在が切屑破砕性に影響するものは、やはり平均粒径が１．０μｍ以上のものである。（ここで、「平均粒径」とは、顕微鏡視野に表われた粒子断面の長径と短径との平均値をいう。）
【００４６】
Ｓ含有量は異なるが、いずれも切屑破砕性の高い本発明の鋼について、平均粒径１．０μｍ以上のＭｎＳ介在物の単位断面積（mm２）あたりの存在個数を、倍率４００倍の光学顕微鏡を用いて調査したところ、つぎの介在物数が得られ、Ｓ量との関係も、ほぼ一定であることがわかった。
鋼のＳ含有量    ＭｎＳ介在物個数  ０．０１％Ｓ当り
０．０１％        ５．４個／mm２    ５．４個／mm２
０．０３％      １６．２個／mm２    ５．４個／mm２
０．０６２％    ３２．０個／mm２    ５．２個／mm２
０．１２５％    ３２．０個／mm２    ６．２個／mm２
このデータから、さまざまなＳ含有量の範囲にわたって、ＭｎＳ介在物の個数がＳ含有量０．０１％あたり５個／mm２以上であれば、良好な切屑破砕性が確保できることが結論された。
【００４７】
【実施例】
下記の実施例および比較例の表において、番号が大文字（Ａ，Ｂ，…）で始まるものは実施例であり、小文字（ａ，ｂ，…）で始まるものは比較例である。組成の表は重量％表示、残部Ｆｅであるが、Ｏ，Ｎ，ＣａおよびＭｇはｐｐｍ表示である。溶製した合金はインゴットに鋳造し、このインゴットから径７２mmの丸棒型の試験片を採取して、試験に供した。各試験の方法と評価は、つぎのとおりである。
【００４８】
［介在物面積］  Ａｌ２Ｏ３を含有する酸化物に接して存在する、Ｃａを含有する硫化物が、２×１０-4mm２／３．５mm２以上の専有面積を有する場合を良好（○印）、そうでないとき不良（×印）とした。
【００４９】
［被削性］  超硬工具を用いた、つぎの条件の旋削を行なって、
速  度：２００ｍ／分
送  り：０．２mm／回転
深  さ：２．０mm
Ｓ含有量が０．０１〜０．２％の範囲にあるイオウ快削鋼の工具寿命を標準として、その５倍の工具寿命が達成できたとき被削性良好（○印）、２倍以上５倍未満のとき被削性可（△印）、２倍未満のとき被削性不良（×印）とした。工具寿命は、横逃げ面平均摩耗幅が０．２mmになるまでの加工時間で評価した。
【００５０】
［保護被膜の有無］  切削工具の表面に付着した物質を分析して、Ｃａ，ＭｎおよびＳが検出された場合に潤滑性の保護被膜が形成されたと考え（○印）、そうでない場合は形成されなかった（×印）とした。
【００５１】
［切屑の破砕性］  下記の条件で切削した場合の切屑を採取し、
速  度：１５０ｍ／分
送  り：０．０２５〜０．２００mm／回転
深  さ：０．３〜１．０mm
工  具：ＤＮＭＧ１５０４８０−ＭＡ
その長さによって０〜４点の点数をつけ、３０回の切削試験により得られた点数の合計を「切屑破砕性指数」とした。同一イオウ含有量のイオウ快削鋼に比べて切屑破砕性指数が高い場合を良好（○印）、同点または低い場合を不良（×印）とした。
【００５２】
［実施例１］
Ｓ４５Ｃ系を対象にして本発明を適用した。合金組成を表１（実施例）および表２（比較例）に示し、各快削鋼の成分比すなわち［Ｓ］／［Ｏ］、［Ｃａ］・［Ｓ］×１０−５および［Ｃａ］／［Ｓ］の値と、介在物の形態、保護被膜の形成の有無、被削性および切屑破砕性とを、まとめて表３（実施例）および表４（比較例）に示した。
【００５３】
表１  Ｓ４５Ｃ系  実施例
0004023196.tif 000002
【００５４】
表２  Ｓ４５Ｃ系  比較例
0004023196.tif 000003
【００５５】
表３  Ｓ４５Ｃ系  実施例
0004023196.tif 000004
【００５６】
表４  Ｓ４５Ｃ系  比較例
0004023196.tif 000005
【００５７】
［実施例２］
Ｓ１５Ｃ系の快削鋼について、実施例１と同様に、合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表５（実施例）および表６（比較例）に、試験結果を表７（実施例）および表８（比較例）に、それぞれ示す。
【００５８】
表５  Ｓ１５Ｃ系  実施例
0004023196.tif 000006
【００５９】
表６  Ｓ１５Ｃ系  比較例
0004023196.tif 000007
【００６０】
表７  Ｓ１５Ｃ系  実施例
0004023196.tif 000008
【００６１】
表８  Ｓ１５Ｃ系  比較例
0004023196.tif 000009
【００６２】
［実施例３］
Ｓ５５Ｃ系快削鋼について、実施例１と同様に、合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表９（実施例）および表１０（比較例）に、試験結果を表１１（実施例）および表１２（比較例）に、それぞれ示す。
【００６３】
表９  Ｓ５５Ｃ系  実施例
0004023196.tif 000010
【００６４】
表１０  Ｓ５５Ｃ系  比較例
0004023196.tif 000011
【００６５】
表１１  Ｓ５５Ｃ系  実施例
0004023196.tif 000012
【００６６】
表１２  Ｓ５５Ｃ系  比較例
0004023196.tif 000013
【００６７】
［実施例４］
ＳＣｒ４１５系快削鋼について、実施例１と同様に合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表１３（実施例）および表１４（比較例）に、試験結果を表１５（実施例）および表１６（比較例）に、それぞれ示す。
【００６８】
表１３  ＳＣｒ４１５系  実施例
0004023196.tif 000014
【００６９】
表１４  ＳＣｒ４１５系  比較例
0004023196.tif 000015
【００７０】
表１５  ＳＣｒ４１５系  実施例
0004023196.tif 000016
【００７１】
表１６  ＳＣｒ４１５系  比較例
0004023196.tif 000017
【００７２】
［実施例５］
ＳＣＭ４４０系快削鋼について、実施例１と同様に，合金の溶製および被削性の試験を行なった。合金組成を表１７（実施例）および表１８（比較例）に、試験結果を表１９（実施例）および表２０（比較例）に、それぞれ示す。
【００７３】
表１７  ＳＣＭ４４０系  実施例
0004023196.tif 000018
【００７４】
表１８  ＳＣＭ４４０系  比較例
0004023196.tif 000019
【００７５】
表１９  ＳＣＭ４４０系  実施例
0004023196.tif 000020
【００７６】
表２０  ＳＣＭ４４０系  比較例
0004023196.tif 000021
【００７７】
【発明の効果】
本発明の機械構造用の快削鋼においても、さきに開示した快削鋼と同じ被削性が実現している。すなわち、高い被削性をもたらす介在物である二重構造介在物が最適の形態で存在するから、切削とくに超硬工具旋削において、在来のイオウ快削鋼に対して工具寿命が５倍以上という目標を容易に達成することができる。
【００７８】
さらに本発明の機械構造用の快削鋼では、微量のＴｉおよび（または）Ｚｒを添加することにより、微細に分散したＭｎＳ介在物を有し、それによって切屑破砕性が高い快削鋼となっているから、旋削にとってとりわけ好都合である。鋼中に微細なＴｉ(ＣＮ)および（または）Ｚｒ(ＣＮ)を生成させた製品は、熱間鍛造時の旧オーステナイト結晶粒の成長を抑制することができるから、被削性および切屑破砕性に加えて、疲労強度や曲げ矯正性が高く、このような性質が要求される用途にとって有用である。
【００７９】
本発明の製造方法は、上記のような機械構造用の快削鋼を確実に製造できる方法であって、調整された脱酸を行なうことにより二重構造介在物を有利に形成させ、さらに適切なタイミングで、つまり調整脱酸により二重構造介在物が形成させたのちに、適量のＴｉおよび（または）Ｚｒを添加することにより、ＭｎＳ介在物が微細に分散することにより切屑破砕性のよい快削鋼を得ることができる。Ｔｉ量および（または）Ｚｒ量とともにＯ量およびＮ量を適切にえらんでこの製造方法を実施すれば、鋼中に微細なＴｉ(ＣＮ)および（または）Ｚｒ(ＣＮ)が生成し、疲労強度や曲げ矯正性が改善された機械構造用の快削鋼が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にしたがう機械構造用の快削鋼中の、介在物の形状を示す顕微鏡写真。
【図２】  在来のイオウ快削鋼中の、介在物の形状を示す顕微鏡写真。
【図３】  機械構造用の快削鋼中において、「二重構造介在物」が占める面積と工具寿命比との関係を示すグラフ。
【図４】  機械構造用の快削鋼における、Ａｌ含有量と工具寿命比との関係をプロットしたグラフ。
【図５】  種々のＳ含有量およびＯ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比５以上の目標が達成できたか否かを示したグラフ。
【図６】  種々のＳ含有量およびＣａ含有量をもつ機械構造用の快削鋼において、工具寿命比５以上の目標が達成できたか否かを示したグラフ。
【図１】
0004023196.tif 000022
【図２】
0004023196.tif 000023
【図３】
0004023196.tif 000024
【図４】
0004023196.tif 000025
【図５】
0004023196.tif 000026
【図６】
0004023196.tif 000027