JP2002146473A - 切屑処理性および機械的特性に優れた機械構造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｐｂフリーでも優れた切屑処理性と機械的特
性を安定して確実に発揮し得る機械構造用鋼を提供す
る。 【解決手段】 鋼中に観察される硫化物系介在物のう
ち、長径が５μｍ以上の硫化物系介在物のアスペクト比
の平均値が５.２以下であり、且つ長径が２０μｍ以上
の硫化物系介在物の個数をａ、長径が５μｍ以上の硫化
物系介在物の個数をｂとするとき、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足することを特徴とする切屑処理性および機械的特
性に優れた機械構造用鋼である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業機械や自動
車、電気製品等の部品のように、切削加工を施すことに
よって製造される部品の素材として有用な機械構造用鋼
に関し、特に被削性改善成分としてのＰｂを実質的に含
まない所謂Ｐｂフリーで、切削加工時の切屑処理性およ
び機械的特性に優れた機械構造用鋼に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】産業機械や自動車、電気製品等の部品
は、切削加工して製造されるものであるため、被削性が
良好であることが要求される。こうした部品の素材とな
る機械構造用鋼の被削性を改善する方法としては、従来
から鋼中に被削性改善成分としてＰｂやＳ等を含有させ
る方法が採用されており、特にＰｂは少量の添加で優れ
た被削性を発揮することが知られている。

【０００３】こうした技術として、例えば特開昭５９−
２０５４５３号には、ＳにＴｅ，ＰｂおよびＢｉを複合
添加すると共に、長径と短径が夫々ある値以上であり、
（長径／短径）比が５以下であるようなＭｎＳ系介在物
が全ＭｎＳ介在物の５０％以上を占め、且つ酸化物系介
在物中のＡｌ₂Ｏ₃の含有量が１５％以下である快削鋼に
ついて提案されている。

【０００４】また、特開昭６２−２３９７０号には、連
続鋳造法による低炭素硫黄−鉛快削鋼で、Ｃ，Ｍｎ，
Ｐ，Ｓ，Ｐｂ，Ｏ，Ｓｉ，Ａｌ等の成分範囲を規定する
と共に、ＭｎＳ系介在物の平均サイズや酸化物と結合し
ていない硫化物系介在物の割合を規定することによっ
て、被削性を改善する技術が提案されている。

【０００５】これらの技術は、いずれもＰｂとＳを複合
添加した快削鋼であるが、Ｐｂによる環境汚染の問題が
クローズアップされるに及び、鉄鋼材料においてもＰｂ
の使用を回避しようという傾向にあり、所謂Ｐｂフリー
で被削性を改善する技術の研究が積極的に進められてい
る。

【０００６】特開２０００−８７１７９号には、機械構
造用炭素鋼や機械構造用合金鋼を対象とし、Ｃａ，Ｍ
ｇ，ＲＥＭ（希土類元素）を複合添加することで超硬工
具としての耐摩耗性や切屑処理性に優れた機械構造用鋼
が提案されている。しかし、硫化物系介在物の組成だけ
しか記載されておらず、機械的性質や被削性に重要な影
響を与える硫化物系介在物のサイズや形態については詳
細に考慮されていない。

【０００７】特開平７−１８８８５３号には、Ｃ，Ｓ
ｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｐ，Ｓ，Ｔ．Ｏ（トータルＯ）を基本
成分とし、さらにＴ．Ｍｇ（トータルＭｇ）として０．
００１５〜０．０３５０％含有する歯車用浸炭用鋼が提
案されている。この発明では、鋼材中にＭｇを含有させ
ることによってＡｌ₂Ｏ₃がＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＭ
ｇＯに改質され、酸化物系介在物（主にアルミナ）のサ
イズが微細化されると共にＭｎＳの延伸性が抑制され、
面疲労強度の向上および歯曲げ疲労度の向上が期待でき
るとされている。しかし、横方向衝撃性や被削性を改善
することについては何ら言及されていない。

【０００８】特開平７−２３８３４２号には、上記特開
平７−１８８８５３号に記載の歯車用浸炭用鋼をさらに
改善する目的で、鋼材中に含有される酸化物および硫化
物が、個数比として次式 （ＭｇＯ＋ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）個数／全酸化物個数 ≧ ０．８０ ０．２０ ≦（Ｍｎ・Ｍｇ）Ｓの個数／全硫化物個数 ≦ ０．７０ を満たす高強度歯車用浸炭用鋼が提案されている。この
鋼では、酸化物と硫化物の個数比を上式およびで規
定することにより、面疲労強度の飛躍的な向上および歯
曲げ疲労強度の向上が期待できるとされているが、横方
向衝撃性や被削性を改善することについては何ら言及さ
れていない。

【０００９】ところで、快削鋼とは異なる分野ではある
が、鋼材中の酸化物系介在物、特にアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）系介在物は、タイヤコード等線材の断線原因、軸
受鋼などの棒鋼では転動疲労特性の悪化原因、さらにＤ
Ｉ缶などの薄鋼板では製缶時割れの原因になることが知
られており、この悪影響を軽減するためにアルミナ系介
在物の低減技術が種々検討されてきた。例えば、特許第
２１４０２８２号には、Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｃを含有す
る溶鋼にＭｇ合金を添加し、鋼材中に存在するＡｌ ₂Ｏ₃
の凝集による粗大化を防止・改質する方法が提案されて
いる。この技術は、溶鋼中のＡｌ₂Ｏ₃に対してＭｇを添
加することで、Ａｌ₂Ｏ₃をＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃に改質して
アルミナ系介在物を微細化し、酸化物の鋼材への悪影響
を解消しようとしている。

【００１０】また、特開平８−２２５８２２号には、Ａ
ｌ，Ｓを含有する溶鋼に、まずＣａを添加し、続いてＭ
ｇを添加することで、改質後の酸化物組成をＣａＯ−Ａ
ｌ₂Ｏ₃二元系またはＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ三元系と
することができ、溶鋼中のアルミナ系介在物を一層低融
点酸化物に改質する方法が提案されている。特に、ノズ
ル詰まりの原因となる溶鋼中のＡｌ₂Ｏ₃やＣａＳの介在
物をＣａ，Ｍｇの添加で１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃よりも
さらに低融点の複合酸化物にし、同時にＣａＳをほとん
ど生成させず、ノズル詰まりを防止している。

【００１１】しかし、これらの技術は、Ａｌキルド鋼に
おけるＡｌ₂Ｏ₃の凝集・粗大化の防止であるが、Ｍｇを
添加する前の溶鋼にはＡｌが含有されているものであ
る。

【００１２】さらに、特許第２６８４３０７号には、Ｓ
ｉ，Ｍｎ，Ｃを含有する溶鋼にＭｇ-Ａｌ合金を添加す
る溶鋼中Ａｌ₂Ｏ₃の高効率凝集防止方法が提案されてい
る。この発明では、ＭｇとＡｌを同時に添加すること
で、改質反応を迅速かつ効率的に進めることができ、そ
の結果Ｍｇ添加歩留まりが向上する。しかしながら、Ｍ
ｇは気化し易く、ＭｇとＡｌを同時に添加しても、Ｍｇ
はＡｌと同量ほどには溶鋼中に歩留まらない。よって、
圧倒的にＡｌ₂Ｏ₃が生成し易く、Ａｌが先に添加された
状態と極めて近い状態となり、微細分散効果は小さい。

【００１３】このように、硫黄快削鋼におけるＭｎＳ等
の硫化物系介在物の大きさや形状等の形態制御によって
被削性を改善する技術が主流をなしているが、Ｐｂ快削
鋼に匹敵する被削性を発揮する快削鋼は実現されていな
い。また、硫化物系介在物の形態制御によって被削性を
改善する技術では、鋼材を圧延したり鍛造する際に母材
の塑性変形に伴ってＭｎＳが長く変形し、これが原因と
なって機械的特性に異方性を生じ、ある方向における衝
撃値が低下するという問題も指摘されている。

【００１４】ところで被削性は、（１）切削抵抗、
（２）工具寿命、（３）仕上げ面粗さ、（４）切屑分断
性（切屑処理性）、等の項目によって評価されるもので
あり、従来ではこれらの項目のうち工具寿命と仕上げ面
粗さが重要視されていたが、近年機械加工の自動化や無
人化が進められる中では、作業効率や安全性の観点から
切屑分断性がかなり重要な課題となっている。すなわ
ち、切屑分断性は切削時に切屑が短尺に分断された状態
となる特性であるが、この特性が悪くなると切屑が螺旋
状に長く伸びて切削工具に絡まる等の障害が生じること
になる。こうした切屑分断性の点からしても、従来のＰ
ｂ添加鋼では比較良好な被削性が発揮されていたのであ
るが、Ｐｂフリーの鋼材においてはこの特性が良好であ
るものは実現されていないのが実状である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、こうした状
況の下でなされたものであって、その目的は、Ｐｂフリ
ーでも優れた切屑処理性と機械的特性を安定して確実に
発揮し得る機械構造用鋼を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の切屑処理性および機械的特性に優れた機械構造用
鋼とは、鋼中に観察される硫化物系介在物の長径の長さ
が特定の範囲にあるものの平均アスペクト比を制御する
と共に、粗大な硫化物系介在物の個数を制御することに
より切屑処理性および機械的特性を向上させたことを特
徴とする機械構造用鋼である。具体的には、鋼中に観察
される硫化物系介在物のうち、長径が５μｍ以上の硫化
物系介在物のアスペクト比の平均値が５.２以下であ
り、且つ長径が２０μｍ以上の硫化物系介在物の個数を
ａ、長径が５μｍ以上の硫化物系介在物の個数をｂとす
るとき、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足するものであるところに要旨を有するものであ
る。

【００１７】ここで、本発明におけるアスペクト比は、
硫化物系介在物の長径をｃ、短径をｄとするとき、ｃ／
ｄで表される。また、硫化物径介在物の長径とは最大外
接円直径を、短径とは該最大外接円直径における最も離
れた２つの内接点を結ぶ線分に直交する方向における最
大径を意味する。

【００１８】また、機械構造用鋼が、 ［Ｍｇ］／［Ｓ］≧７．７×１０^-3 《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味す
る。》を満たす鋼からなり、鋼中に観察される硫化物系
介在物のうち、長径が５０μｍ以上の硫化物系介在物の
アスペクト比の平均値が１０．８以下であり、且つ前記
ａおよびｂが、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足するものである場合も本発明の態様の一つであ
る。

【００１９】この他、機械構造用鋼が、 （［Ｍｇ］＋［Ｃａ］）／［Ｓ］≧７．７×１０^-3 《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味す
る。》を満たす鋼からなり、鋼中に観察される硫化物系
介在物のうち、長径が５０μｍ以上の硫化物系介在物の
アスペクト比の平均値が１０．８以下であり、且つ前記
ａおよびｂが、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足するものである場合も本発明の態様の一つであ
る。

【００２０】なお、上記の各鋼がＣ：０．０１〜０．７
％（質量％の意味、以下同じ），Ｓｉ：０．０１〜２．
５％，Ｍｎ：０．１〜３％，Ｓ：０．０１〜０．１６
％，Ｐ：０．０５％以下（０％を含む），Ａｌ：０．１
％以下（０％を含む），Ｍｇ：０．０２％以下（０％を
含まない）を含有するものである場合や、さらには、Ｃ
ａ：０．０２％以下（０％を含まない）やＢｉ：０．３
％以下（０％を含まない）を含有するものである場合も
本発明の好ましい態様である。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明者らは、切屑処理性と、靭
性（より具体的には機械的特性のうち鍛造や圧延などで
伸ばされた方向に垂直な方向の衝撃値、すなわち横目靭
性）のバランスの優れた機械構造用鋼（以下、単に
「鋼」という）の開発を目的として鋭意検討を重ねた結
果、鋼中のＭｎＳなどの硫化物系介在物の形態（形状・
サイズ）を制御することで該両特性を兼ね備えた鋼を製
造し得ることを既に確認している。すなわち、鋼の切屑
処理性を高めるには、硫化物系介在物が粗大であること
が好ましく、他方、鋼の横目靭性を高めるには、硫化物
系介在物が微細な球状をしていることが好ましい。よっ
て、鋼中の硫化物系介在物がある大きさ範囲内で且つ略
球状である場合に、鋼はこれらの両特性を満たし得るの
である。

【００２２】さらに、上記両特性を満足する鋼につい
て、特に略球状の硫化物系介在物について調査した結
果、該硫化物系介在物の内部にはＭｇやＣａの酸化物が
存在することを突き止めた。他方、鋼の横目靭性の低下
の一因となる粗大で展伸した形状の硫化物系介在物の内
部にはＭｇやＣａの酸化物は存在しない。すなわち、硫
化物系介在物がＭｇやＣａの酸化物を核として成長し、
さらに該酸化物が硫化物系介在物中に固溶している場合
には、上記両特性を満足する鋼にとって、好ましい形態
を取り得るのである。

【００２３】従って、鋼の製造にあたり、ＭｇやＣａの
酸化物を積極的に生成させることにより、硫化物系介在
物の形状およびサイズを鋼の切屑処理性と横目靭性のバ
ランスが良好となるように制御することが可能となり、
本発明を完成するに至った。

【００２４】本発明においては、鋼の溶製段階でＭｇや
Ｃａを添加するタイミングを計ることによって、硫化物
系介在物の核となるＭｇやＣａの酸化物を積極的に生成
させることとしている。

【００２５】以下、本発明の内容を詳細に説明する。

【００２６】本発明鋼の第１の態様は、長径が５μｍ以
上の硫化物系介在物のアスペクト比の平均値が５.２以
下であり、且つ長径が２０μｍ以上の硫化物系介在物の
個数をａ、長径が５μｍ以上の硫化物系介在物の個数を
ｂとするとき、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足するものである。

【００２７】上記鋼において、長径が５μｍ以上の硫化
物系介在物の平均アスペクト比は５．２以下、好ましく
は５．０以下、さらに好ましくは４．５以下である。平
均アスペクト比が上記範囲を超えると、硫化物系介在物
が略球状ではなく展伸した形状となるため、鋼の横目靭
性が低下する。なお、上記平均アスペクト比の下限につ
いては特に制限はなく、１すなわち球状であってもよ
い。

【００２８】また、上記鋼において、上記ａ／ｂは０．
２５以下、好ましくは０．２０以下である。ａ／ｂの値
が上記範囲を超えると、鋼中に粗大な硫化物系介在物が
多く存在することとなり、鋼の横目靭性が低下する。な
お、上記ａ／ｂの下限については特に制限はなく、０で
あってもよい。

【００２９】なお、本発明において長径が５μｍを下回
る硫化物系介在物を除外しているのは、このような微細
な介在物は鋼の切屑処理性や横目靭性にあまり大きな影
響を与えないと考えられるからである。

【００３０】本発明鋼の第２の態様は、 ［Ｍｇ］／［Ｓ］≧７．７×１０^-3 《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味す
る。》を満たす鋼からなり、鋼中に観察される硫化物系
介在物のうち、長径が５０μｍ以上の硫化物系介在物の
アスペクト比の平均値が１０．８以下であり、且つ上記
ａおよびｂが、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足するものである。

【００３１】上記本発明の第２の態様において、長径が
５０μｍ以上の硫化物系介在物の平均アスペクト比は１
０．８以下、好ましくは１０．５以下である。平均アス
ペクト比が上記範囲を超えると、硫化物系介在物は略球
状ではなく、粗大な展伸した形状となるため、鋼の横目
靭性が低下する。なお、上記平均アスペクト比の下限に
ついては特に制限はなく、１すなわち球状であってもよ
い。

【００３２】また、上記第２の態様において、［Ｍｇ］
／［Ｓ］の値は７．７×１０^-3以上、好ましくは１．５
×１０^-2以上である。［Ｍｇ］／［Ｓ］の値が上記範囲
を下回ると、硫化物系介在物の形状・サイズを制御し得
るＭｇ酸化物の量が不十分となり、粗大な硫化物系介在
物が増加し、鋼の横目靭性が低下する。なお、［Ｍｇ］
／［Ｓ］の値の上限については特に限定されないが、Ｍ
ｇ量の上限とＳ量の下限とから定まる。

【００３３】本発明鋼の第３の態様は、 （［Ｍｇ］＋［Ｃａ］）／［Ｓ］≧７．７×１０^-3 《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味す
る。》を満たす鋼からなり、鋼中に観察される硫化物系
介在物のうち、長径が５０μｍ以上の硫化物系介在物の
アスペクト比の平均値が１０．８以下であり、且つ上記
ａおよびｂが、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足するものである。

【００３４】上記本発明の第３の態様において、（［Ｍ
ｇ］＋［Ｃａ］）／［Ｓ］の値は、７．７×１０^-3以
上、好ましくは１．５×１０^-2以上である。（［Ｍｇ］
＋［Ｃａ］）／［Ｓ］の値が上記範囲を下回ると、硫化
物系介在物の形状・サイズを制御し得るＭｇ酸化物およ
びＣａ酸化物の量が不十分となり、粗大な硫化物系介在
物が増加し、鋼の横目靭性が低下する。なお、（［Ｍ
ｇ］＋［Ｃａ］）／［Ｓ］の値の上限については、特に
限定されないが、Ｍｇ量およびＣａ量の上限とＳ量の下
限とから定まる。

【００３５】なお、上記の各鋼において、硫化物系介在
物の形状やサイズを測定する際には、成分偏析や酸化物
および硫化物系介在物の凝集などが生じている部分を避
ける必要がある。

【００３６】次に、本発明鋼の化学成分について説明す
る。

【００３７】Ｃ：０．０１〜０．７％ Ｃは、最終製品の強度を確保するのに最も重要な元素で
あり、かかる観点から、Ｃの含有量の下限は０．０１
％、好ましくは０．１０％以上が推奨される。但し、Ｃ
の含有量が過剰になると、靭性が低下すると共に工具寿
命などの被削性にも悪影響を与えるため、その上限は
０．７％、好ましくは０．５５％以下が推奨される。

【００３８】Ｓｉ：０．０１〜２．５％ Ｓｉは、脱酸元素として有効である他、固溶強化によっ
て機械的部品の高強度化に寄与する元素である。かかる
効果を有効に発揮させる観点から、Ｓｉの含有量の下限
は０．０１％、好ましくは０．０３％以上が推奨され
る。但し、Ｓｉの含有量が過剰になると被削性に悪影響
が現れてくるので、その上限は２．５％、好ましくは
１．５％以下が推奨される。

【００３９】Ｍｎ：０．１〜３％ Ｍｎは、鋼材の焼入れ性を高めて強度増大に寄与するだ
けでなく、硫化物系介在物を形成して切屑処理性の向上
にも寄与する元素である。かかる効果を有効に発揮させ
る観点から、Ｍｎの含有量の下限は０．１％、好ましく
は０．３％以上が推奨される。但し、Ｍｎの含有量が過
剰になると被削性を却って低下させるので、その上限は
３％、好ましくは２％以下が推奨される。

【００４０】Ｓ：０．０１〜０．１６％ Ｓは硫化物系介在物を形成して、切屑処理性を向上させ
るのに有効な元素である。かかる効果を有効に発揮させ
る観点から、Ｓの含有量の下限は０．０１％、好ましく
は０．０３％以上が推奨される。但し、Ｓの含有量が過
剰になるとＭｎＳなどの硫化物を起点として割れが生じ
易くなることから、その上限は０．１６％、好ましくは
０．１４％以下が推奨される。

【００４１】Ｐ：０．０５％以下（０％を含む） Ｐは、粒界偏析を起こして耐衝撃特性を劣化させる傾向
があるので、その含有量は０．０５％以下、好ましくは
０．０２％以下に抑えることが推奨される。

【００４２】Ａｌ：０．１％以下（０％を含む） Ａｌは、鋼材を溶製する際の脱酸元素として重要である
他、窒化物を形成してオーステナイト結晶粒の微細化に
も有効であるが、過剰になると逆に結晶粒が粗大化して
靭性に悪影響を及ぼすので、その含有量は０．１％以
下、好ましくは０．０５％以下に抑えることが推奨され
る。なお、後に詳述するが、本発明において、Ａｌは後
記Ｍｇ，Ｃａと共に溶鋼中への添加時期を適切にコント
ロールしなければならない重要な元素である。

【００４３】Ｍｇ：０．０２％以下（０％を含まない） Ｍｇは脱酸作用を有しており、微細な酸化物を形成し、
硫化物系介在物の核となってこれを均一分散させると共
に、該酸化物が硫化物系介在物中に固溶して、該硫化物
系介在物の展伸を抑制する点で重要な元素である。但
し、Ｍｇの過剰な添加は製造コストを上昇させる点か
ら、Ｍｇの含有量の上限は０．０２％、好ましくは０．
０１％以下が推奨される。また、Ｍｇの含有量の下限は
特に限定されないが、上記効果を有効に発揮させるには
［Ｍｇ］／［Ｓ］の値を７．７×１０ ^-3以上、好ましく
は１．５×１０^-2以上とすることが推奨される。

【００４４】Ｃａ：０．０２％以下（０％を含む） Ｃａは、Ｍｇに比べると硫化物系介在物を均一に分散さ
せる効果は低いものの、粗大な硫化物系介在物の展伸を
抑制する効果が高く、Ｍｇと複合添加されることでＭｇ
の有する硫化物系介在物の展伸抑制効果を増大させ得る
と考えられる元素である。但し、ＣａもＭｇと同様に、
過剰に添加すると製造コストを上昇させるため、その含
有量の上限を０．０２％、好ましくは０．０１％とする
ことが推奨される。また、Ｃａの含有量の下限は特に限
定されないが、上記効果を有効に発揮させるには（［Ｍ
ｇ］＋［Ｃａ］）／［Ｓ］の値を７．７×１０^-3以上、
好ましくは１．５×１０^-2以上とすることが推奨され
る。

【００４５】Ｂｉ：０．３％以下（０％を含む） Ｂｉは被削性を向上させるのに有効な元素である。但
し、過剰に含有してもその効果が飽和するばかりでな
く、熱間鍛造性を劣化させて機械的特性を低下させるこ
とになるので、その量を０．３％以下、好ましくは０．
１％以下とすることが推奨される。また、Ｂｉの含有量
の下限は特に限定されないが、上記効果を有効に発揮さ
せるには０．０１％以上とするのが好ましい。

【００４６】次に、本発明の鋼の製造方法について説明
する。

【００４７】Ａｌキルド鋼では、硫化物系介在物の晶出
核となる酸化物はＡｌ₂Ｏ₃であるが、Ａｌ₂Ｏ₃は溶鋼中
で凝集し、クラスター状になり粗大化することが知られ
ている。つまり、硫化物系介在物の晶出核となる酸化物
が粗大化していると、硫化物系介在物の形態自体も粗大
化する。

【００４８】そこで、本発明の鋼を製造するに当たって
は、実質的にＡｌを含有しない溶鋼に、実質的にＡｌを
含有しないＭｇ合金を添加すれば、酸化物系介在物とし
てＭｇＯが生成し、このＭｇＯが硫化物系介在物の晶出
核となる。ＭｇＯはＡｌ₂Ｏ₃よりも凝集・クラスター化
しにくいため、酸化物系介在物は微細に分散し、よって
硫化物系介在物は粗大化しない。

【００４９】また、ＭｇＯが多数分散している溶鋼を冷
却すると、（１）ＭｇＯを核としてＭｇＳが晶出し、さ
らに冷却すると、これを核にＭｎＳなどの硫化物系介在
物が晶出する。あるいは（２）ＭｇＯを核としてＭｇＳ
とＭｎＳなどが同時に晶出する。つまり、硫化物系介在
物中にはＭｇを多く含有することになり、該介在物は変
形しにくくなるので、圧延時においても展伸しにくくな
り、切屑処理性および機械的性質（特に横目靭性）の両
性質を有する鋼を得ることができる。

【００５０】なお、Ａｌ₂Ｏ₃は溶鋼中で凝集し、クラス
ター状となり、粗大化することは上述した通りである。
これは溶鋼とＡｌ₂Ｏ₃の濡れ性が非常に悪いことに起因
する。これに対して、溶鋼とＭｇＯの濡れ性は良好であ
るため、Ａｌ₂Ｏ₃の場合と異なり、ＭｇＯはクラスター
化することはない。このことは、ＭｇＯの方がＡｌ₂Ｏ₃
よりも、溶鋼との界面エネルギーが小さいことによる。
例えば、特許第２６８４３０７号には、Ｍｇを添加し
て、溶鋼中のＡｌ₂Ｏ₃をＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃に改質する方
法が提案されており、さらに、該ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃はＭ
ｇＯにまで変化することもある。ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃やＭ
ｇＯは溶鋼との界面エネルギーが小さいので、そのサイ
ズは微細であり、クラスター化もしづらい。しかしなが
ら、溶鋼にＭｇを添加し、Ａｌ₂Ｏ₃をＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃
に改質する前にＡｌ₂Ｏ₃同士が既に凝集し粗大化してい
ると、硫化物系介在物も粗大化してしまう。一方、上記
のように、実質的にＡｌを含有しない溶鋼に、実質的に
Ａｌを含有しないＭｇ合金を添加すると、まずＭｇＯが
生成・分散する。このＭｇＯはＡｌ₂Ｏ₃よりも界面エネ
ルギーが小さく、そのサイズは微細で、クラスター化も
しづらいので、上記Ｍｇ合金を添加した後にＡｌを添加
しても、ＭｇＯが生成・分散している状態にＡｌが添加
されるので、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃やＡｌ₂Ｏ₃は生成され難
い。つまり、Ａｌは脱酸元素として働くのではなく、加
工・熱処理工程での結晶粒微細化元素として働く。たと
えＭｇＯがＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃やＡｌ₂Ｏ₃リッチなＭｇＯ
とＡｌ ₂Ｏ₃の複合酸化物に変化したとしても、その速度
は非常に遅いので、Ａｌによる効果（加工・熱処理工程
での結晶粒微細化）を保持しつつ、本発明鋼を製造する
ことはできる。

【００５１】本発明の鋼は、実質的にＡｌを含有しない
溶鋼に、実質的にＡｌを含有しないＭｇ合金を添加し、
前記Ｍｇ合金を添加した後に、実質的にＡｌを含有しな
いＣａ合金を添加することでも製造できる。Ｍｇ添加後
の溶鋼中にＣａを添加するとＣａＯやＣａＳを生成する
が、このＣａＯは酸化物系介在物の一部となり、ＭｇＯ
と同様に硫化物系介在物の晶出核となる。また、上記Ｃ
ａＳを含有する硫化物系介在物は、Ｍｇを含有しない硫
化物系介在物と比較すると、Ｍｇを含有する硫化物系介
在物と同様に展伸しにくくなり、鋼の機械的性質（特に
横目靭性）が向上する。つまり、溶鋼中に生成した多数
の（１）ＭｇＯなどの酸化物系介在物を核としてＭｇＳ
と共にＣａＳが晶出し、さらに冷却すると、これを核に
ＭｎＳなどの他の硫化物系介在物が晶出する。あるい
は、（２）ＭｇＯなどの酸化物系介在物が晶出核となり
ＭｇＳとＣａＳとＭｎＳなどが同時に晶出する。よっ
て、硫化物系介在物はＭｇとＣａを多く含有することに
なり、該介在物は変形しにくくなるので、圧延時におい
ても展伸しにくくなり、切屑処理性および機械的性質
（特に横目靭性）の両性質を有する鋼を得ることができ
る。また、上記Ｃａを添加した後にＡｌを添加すること
も有効である。

【００５２】さらに、実質的にＡｌを含有しない溶鋼
に、実質的にＡｌを含有しないＭｇ合金と実質的にＡｌ
を含有しないＣａ合金を同時、もしくは最初のＭｇ合金
の添加を最初のＣａ合金の添加より早い時期で任意回
数、任意順序で両者に添加しても本発明の鋼は製造でき
る。つまり、Ｍｇ合金とＣａ合金を同時に添加すると、
ＭｇＯや、ＣａＯを含んだ酸化物を生成し、これらが晶
出核となり硫化物系介在物が晶出する。これらの晶出核
は凝集・クラスター化しないので、硫化物系介在物も粗
大化しない。また、最初のＭｇ合金の添加を最初のＣａ
合金の添加より早い時期で任意回数、任意順序（例えば
Ｍｇ合金を添加後、Ｃａ合金を添加し、さらにＭｇ合金
を添加する。）で添加すると、添加歩留まりを上げるこ
とができ、切屑処理性と機械的特性に優れた鋼を得るこ
とができる。また、上記Ｍｇ合金とＣａ合金を添加した
後に、Ａｌを添加することも好ましい。

【００５３】一方、Ｃａ合金を先に添加すると、Ｃａは
溶鋼に存在する微量のＡｌ₂Ｏ₃と反応し、ＣａＯ・Ａｌ
₂Ｏ₃を生成する。このＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃は硫化物系介在
物の晶出核と成り得るが、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃自体が大き
な介在物となりやすいので、硫化物系介在物も粗大化し
本発明の鋼を製造することはできない。

【００５４】本発明の鋼の製造に用いる溶鋼は、実質的
にＡｌを含有しないものが好ましく、具体的には溶鋼に
含有するＡｌの上限は０．００５質量％であることが望
ましい。Ａｌが０．００５質量％を超えると、Ｍｇ添加
前にＡｌ₂Ｏ₃が生成し、本発明の鋼を得ることが困難と
なる。

【００５５】また、本発明の鋼の製造に用いるＭｇ合金
とＣａ合金は、実質的にＡｌを含有しないものが好まし
く、具体的にはＭｇ合金、Ｃａ合金共、Ａｌの含有上限
が１質量％であることが推奨され、少なければ少ないほ
ど望ましい。１質量％超えてＡｌを含有する合金を溶鋼
に添加すると、合金中のＡｌが溶鋼中のＯと結合してＡ
ｌ₂Ｏ₃ を生成し、凝集・クラスターを形成し、Ａｌを
先に添加した状態と近くなり、本発明の鋼の製造が困難
となる。なお、Ｍｇ合金とＣａ合金を併用して添加する
場合は、両合金中に含有されるＡｌの合計含有量の上限
は１．２質量％以下であることが望ましい。

【００５６】ＭｇやＣａの添加方法は特に限定されるも
のではないが、ＭｇおよびＣａは高蒸気圧元素であり蒸
発ロスし易く、また酸化されやすいので、極力蒸発ロス
や酸化ロスが少ない方法で添加することが好ましい。例
えば、Ｍｇ合金やＣａ合金の粒状物を鉄製ワイヤ中に充
填し、鉄製ワイヤごと溶鋼中へ添加する方法や、粒状物
を不活性ガスと共に溶鋼内へ吹込む方式などが挙げられ
る。また、ＭｇやＣａは溶鋼中の歩留まりが悪いため、
製鋼工程の作業性も考慮すると取鍋、タンディッシュ、
モールドなどに存在する溶鋼に数回添加することが好ま
しく、歩留まりを向上させることができる。

【００５７】また、ＭｇとＣａは酸化されやすい元素で
あり、大気による酸化ロスを防止するには、上記溶鋼を
スラグで覆っておくことが好ましい。しかし、スラグ中
にＭｇＯやＣａＯが存在しないと、ＭｇやＣａを添加し
て生成するＭｇＯやＣａＯはスラグに吸収されてしまう
ので、晶出核やその基になるＭｇＯやＣａＯが減少す
る。そこで、スラグ中にＭｇＯを１５質量％以上含有さ
せるのが好ましく、２０質量％以上含有させるのがより
好ましい。また、溶鋼にＣａを添加する場合も同様に、
スラグ中に１５質量％以上のＣａＯを含有させるのが好
ましく、２０質量％以上含有させるのがより好ましい。

【００５８】本発明に係る鋼の製造方法における溶解、
鋳造後の工程としては特に制限されるものではなく、従
来公知の方法が採用される。なお、例えば棒鋼の場合は
通常、実機で鋳片から製品にしたときの断面積の減面率
は９２〜９７％程度であり、鋼中の硫化物系介在物の形
状はこのような鍛造、圧延などの加工の影響を受ける。
しかし、本発明鋼では、このような加工後であっても、
硫化物系介在物の形状・サイズが上記範囲内にあれば、
良好な切屑処理性と横目靭性を有する。

【００５９】なお、本発明で対象とする硫化物系介在物
は特に限定されず、Ｍｎ，Ｃａ，Ｍｇ，ＺｒおよびＲＥ
Ｍの硫化物、あるいはその他の元素（Ｎｉ，Ｃｒ、Ｃ
ｕ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｐｂ，Ｂｉなど）の
硫化物、さらにこれらの複合硫化物、炭硫化物、酸硫化
物などであってもよい。

【００６０】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べ
る。但し、下記実施例は本発明を制限するものではな
く、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施するこ
とは全て本発明の技術的範囲に包含される。

【００６１】表１に示す成分組成の鋼を以下の手順によ
り溶製した。Ｎｏ．１〜７の鋼については、転炉で溶鋼
を溶製し、取鍋に出鋼する際にＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒを添加
した。続いて、取鍋内溶鋼に真空処理を施し、脱ガス、
脱酸を実施し、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｓを添加し（Ｎｏ．
５の鋼についてはさらにＢｉも添加して）、実質的にＡ
ｌを含有しない溶鋼を得た。その後、Ｎｉ−Ｍｇ合金、
またはＮｉ−ＭｇとＮｉ−Ｃａ合金を取鍋に存在する溶
鋼に添加した。添加方法は、ＭｇまたはＣａの合金粒状
物を鉄製ワイヤ中に充填し、鉄製ワイヤごと溶鋼中へ添
加する方法を用いた。その後Ａｌを添加して、その含有
量が０．０２％となるように調整した。

【００６２】Ｎｏ．８，９，１３の鋼については、転炉
で溶鋼を溶製し、取鍋に出鋼する際に、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃ
ｒ，Ａｌを添加した。続いて取鍋内溶鋼に真空処理を施
し、脱ガス、脱酸を実施し、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ａｌ，
Ｓを添加して、Ａｌを０．０２％含有する溶鋼を得た。
その後、Ｎｉ−Ｍｇ合金、またはＮｉ−Ｍｇ合金とＮｉ
−Ｃａ合金を取鍋に存在する溶鋼に添加した。添加方法
は、ＭｇまたはＣａの合金粒状物を鉄製ワイヤ中に充填
し、鉄製ワイヤごと溶鋼中へ添加する方法を用いた。

【００６３】なお、Ｎｏ．１，３，５，６，８，１３の
各鋼については、溶鋼の表面をＭｇＯを２５％含有する
スラグで覆い、Ｎｏ．２、４，７，９の鋼については、
溶鋼の表面をＭｇＯを２５％、ＣａＯを２５％含有する
スラグで覆った。

【００６４】Ｎｏ．１０，１２の鋼については、転炉で
溶鋼を溶製し、取鍋に出鋼する際に、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃ
ｒ，Ａｌ，Ｎｉを添加した。続いて、取鍋内溶鋼に真空
処理を施し、脱ガス、脱酸を実施して、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃ
ｒ．Ａｌ，Ｓ，Ｎｉを添加して溶鋼を得た。

【００６５】Ｎｏ．１１の鋼については、転炉で溶鋼を
溶製し、取鍋に出鋼する際に、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒを添加
した。続いて、取鍋内溶鋼に真空処理を施し、脱ガス、
脱酸を実施して、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｓを添加して、実
質的にＡｌを含有しない溶鋼を得た。その後Ｎｉ−Ｃａ
合金を取鍋に存在する溶鋼に添加した。添加方法は、Ｃ
ａの合金粒状物を鉄製ワイヤ中に充填し、鉄製ワイヤご
と溶鋼中へ添加する方法を用いた。その後Ａｌを添加
し、その含有量が０．０２％となるように調整した。

【００６６】その後、上記の各溶鋼を１５８０℃で鋳造
して上面２４５ｍｍφ、底面２１０ｍｍφ、高さ３５０
ｍｍ、質量約１５０ｋｇのインゴットを得た。これを１
２００℃で鍛造し５２ｍｍφの丸棒を作成した。このと
きの断面積の減面率は９６％である。これを３０ｍｍの
長さに切り出して評価用鋼とし、以下に示す各種特性評
価に用いた。

【００６７】［硫化物系介在物の形状・サイズ］上記の
評価用鋼を硫化物系介在物が展伸された方向と平行な断
面に切断し、該断面を画像解析装置（株式会社ニレコ製
ＬＵＺＥＸ Ｆ）を用い、５．５ｍｍ×５．５ｍｍの視
野を１００倍で観察して該視野中の硫化物系介在物の長
径および短径を測定した。なお、測定は観察した画像を
二値化処理して行った。二値化のレベルはＲＧＢで取り
込み、Ｒ：１２５／１８０，Ｇ：１１０／１８０，Ｂ：
１２０／１８０に調整し、グレーレベルは明るさによっ
て硫化物系介在物がマトリックスに対して十分区別でき
るように、その都度調整した。測定した各粒子の長径お
よび短径からアスペクト比を求め、その平均値を評価用
鋼中の硫化物系介在物のアスペクト比とした。

【００６８】［切屑処理性］ハイス製（直径１０ｍｍ）
のストレートドリルを用い、速度２０ｍ／ｍｉｎ、送り
速度０．２ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ１０ｍｍの条件で乾式
切削を行った。切屑処理性は、１ｇ当たりの切粉個数に
よって評価した。切粉は３穴分のものを用い、切粉の総
個数と総重量から算出した。

【００６９】［横目靭性値］上記評価用鋼からＪＩＳ
Ｇ０３０３に従って評価用試験片を採取した。試験片は
ＪＩＳ Ｚ２２０２に規定する３号試験片とした。切欠
きは、横目の衝撃値が測定できるように鍛造方向に対し
て垂直に付けた。試験は、シャルピー衝撃試験機（東京
衡機製造所製、シャルピー式縦型）を用い、ＪＩＳ Ｚ
２２４２に従って常温で行った。

【００７０】これらの結果を表２および表３に示す。

【００７１】

【表１】

【００７２】

【表２】

【００７３】

【表３】

【００７４】表１および表２のＮｏ．１〜Ｎｏ．７の鋼
は本発明の要件を満足する実施例であり、表３に示す通
り、横目靭性値と切屑処理性のバランスが良好であっ
た。

【００７５】これに対し、表１および表２のＮｏ．８〜
Ｎｏ．１３の鋼は本発明の要件を満足しない比較例であ
るが、表３に示す不具合を有している。

【００７６】Ｎｏ．８，９の鋼は、Ａｌを含有する溶鋼
にＭｇあるいはＭｇとＣａを添加したため、粗大な硫化
物系介在物が多く、その結果、ａ／ｂ値が本発明の上限
を超えており、横目靭性値が低下した。

【００７７】Ｎｏ．１３の鋼も、Ｎｏ．８，９の鋼と同
様にａ／ｂ値が本発明の上限を超える例であるが、Ｎ
ｏ．８，９の鋼に比べると、Ｓ量が低いために横目靭性
値が高くなっている。しかしながら、同じ理由から切屑
処理性が低下しており、結果として、横目靭性値と切屑
処理性のバランスが悪い。

【００７８】Ｎｏ．１０〜１２の鋼は、硫化物系介在物
のアスペクト比が、長径が５μｍ以上のもの、および５
０μｍ以上のもののいずれにおいても本発明の上限値を
超える例であり、横目靭性値が低下した。これらの鋼で
はＭｇを含有しておらず、硫化物系介在物の形状を制御
し得る酸化物が存在しないかまたは不足したために、該
硫化物系介在物が展伸した形状となり、横目靭性値が低
下したものと考えられる。

【００７９】図１は上記結果に基づき横目靭性値と切粉
個数との関係をグラフ化したものであるが、本発明の要
件を満たす実施例の鋼では、これらのバランスが良好で
あることが分かる。

【００８０】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されており、
Ｐｂフリーでも優れた切屑処理性と機械的特性を安定し
て確実に発揮し得る機械構造用鋼を提供することができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】横目靭性値と切粉個数との関係を表したグラフ
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土田 武広 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 坂本 浩一 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 鹿礒 正人 神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 染川 雅実 神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 星川 郁生 兵庫県加古川市金沢町１番地 株式会社神 戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者 木村 世意 兵庫県加古川市金沢町１番地 株式会社神 戸製鋼所加古川製鉄所内 Ｆターム(参考） 4K013 AA06 BA14 CB01 CE03 CF13 EA18 EA19 EA20 EA25

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼中に観察される硫化物系介在物のう
   ち、 長径が５μｍ以上の硫化物系介在物のアスペクト比の平
   均値が５.２以下であり、且つ長径が２０μｍ以上の硫
   化物系介在物の個数をａ、長径が５μｍ以上の硫化物系
   介在物の個数をｂとするとき、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足することを特徴とする切屑処理性および機械的特
   性に優れた機械構造用鋼。
2. 【請求項２】［Ｍｇ］／［Ｓ］≧７．７×１０^-3 《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味す
   る。》を満たす鋼からなり、鋼中に観察される硫化物系
   介在物のうち、 長径が５０μｍ以上の硫化物系介在物のアスペクト比の
   平均値が１０．８以下であり、且つ長径が２０μｍ以上
   の硫化物系介在物の個数をａ、長径が５μｍ以上の硫化
   物系介在物の個数をｂとするとき、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足することを特徴とする切屑処理性および機械的特
   性に優れた機械構造用鋼。
3. 【請求項３】 （［Ｍｇ］＋［Ｃａ］）／［Ｓ］≧７．７×１０^-3 《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味す
   る。》を満たす鋼からなり、鋼中に観察される硫化物系
   介在物のうち、 長径が５０μｍ以上の硫化物系介在物のアスペクト比の
   平均値が１０．８以下であり、且つ長径が２０μｍ以上
   の硫化物系介在物の個数をａ、長径が５μｍ以上の硫化
   物系介在物の個数をｂとするとき、 ａ／ｂ≦０．２５ を満足することを特徴とする切屑処理性および機械的特
   性に優れた機械構造用鋼。
4. 【請求項４】Ｃ ：０．０１〜０．７％（質量％の意
   味、以下同じ），Ｓｉ：０．０１〜２．５％，Ｍｎ：
   ０．１〜３％，Ｓ ：０．０１〜０．１６％，Ｐ ：
   ０．０５％以下（０％を含む），Ａｌ：０．１％以下
   （０％を含む），Ｍｇ：０．０２％以下（０％を含まな
   い），を含有するものである請求項１〜３のいずれかに
   記載の機械構造用鋼。
5. 【請求項５】 Ｃａ：０．０２％以下（０％を含まな
   い）を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記
   載の機械構造用鋼。
6. 【請求項６】 Ｂｉ：０．３％以下（０％を含まない）
   を含有するものである請求項１〜５のいずれかに記載の
   機械構造用鋼。