JP2009242910A - 被削性と強度異方性に優れた機械構造用鋼および機械構造用部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｐｂフリーで且つＪＩＳ規格の機械構造用合金鋼と同等のＳ量レベルであって、硬質のＡｌ2Ｏ3を含む介在物を富化させずに、良好な被削性を発揮するような機械構造用鋼、およびこうした機械構造用鋼から得られる機械構造用部品を提供する。
【解決手段】本発明の機械構造用鋼は、化学成分組成を適切に調整し、且つ、圧延方向の断面を観察したときに、酸化物系介在物のうち、ＣａＯとＴｉＯ2の含有量比率が下記（１）式の関係を満足するＴｉＯ2系複合酸化物の個数割合が３０％以上であると共に、硫化物系介在物のうち、前記ＴｉＯ2系複合酸化物に隣接または包含される介在物が、個数割合で４０％以上存在するものである。
０≦［ＣａＯ］／［ＴｉＯ2］≦２／３ …（１）
但し、［ＣａＯ］および［ＴｉＯ2］は、夫々ＣａＯおよびＴｉＯ2のＴｉＯ2系複合酸化物中の含有量（質量％）を示す。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の機械構造用鋼は、化学成分組成を適切に調整し、且つ、圧延方向の断面を観察したときに、酸化物系介在物のうち、ＣａＯとＴｉＯ2の含有量比率が下記（１）式の関係を満足するＴｉＯ2系複合酸化物の個数割合が３０％以上であると共に、硫化物系介在物のうち、前記ＴｉＯ2系複合酸化物に隣接または包含される介在物が、個数割合で４０％以上存在するものである。
０≦［ＣａＯ］／［ＴｉＯ2］≦２／３ …（１）
但し、［ＣａＯ］および［ＴｉＯ2］は、夫々ＣａＯおよびＴｉＯ2のＴｉＯ2系複合酸化物中の含有量（質量％）を示す。
【選択図】図１
Description
本発明は、人体に有害であるＰｂを使用することなく、ＪＩＳ規格の機械構造用合金鋼と同等のＳ量レベルで硬質なＡｌ2Ｏ3を含む介在物を富化させずに、良好な被削性を発揮すると共に、浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理を施した後においても強度の異方性が発生しないような機械構造用鋼、およびこうした機械構造用鋼から得られる機械構造用部品に関するものである。
自動車用変速機や差動装置をはじめとする各種歯車伝達装置へ利用される歯車、シャフト、プーリや等速ジョイント等の機械構造用部品は、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、浸炭や浸炭窒化処理（大気中、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るのが一般的である。このうち切削加工に要するコストは製作費に占める割合が大きいことから、上記機械構造用部品を構成する鋼材は被削性が良好であることが要求される。
被削性を改善する元素としては、従来から鉛（Ｐｂ）が知られており、このＰｂは被削性改善に極めて有効な元素である。しかしながら、Ｐｂは人体への有害性が指摘され、また溶製時の鉛のヒュームや切削屑等の処理の点で問題も多く、近年ではＰｂを添加することなく（Ｐｂフリー）、良好な被削性を発揮することが求められている。
Ｐｂを添加することなく良好な被削性を確保する技術として、Ｓ含有量を０．０６％程度まで増加させる鋼材が知られている（硫黄添加肌焼快削鋼）。しかしながら、こうした快削鋼においては、部品形状にした際、特に歯車の歯元曲げ強度に低下が生じることがある。これは、特に鋼材の圧延方向に対して展伸した多くの硫化物が存在するため、圧延方向に対して垂直な方向（以下、「横目方向」と呼ぶことがある）での強度低下が生じ易いことに起因している。こうした問題を解消するために、ＳｅやＴｅ等を含有させて硫化物の紡錘状化による強度改善を図ることも行われているが、十分な被削性を得ることは困難である。
Ｐｂフリーで被削性を改善するために、これまでにも様々な技術が提案されており、その主流は鋼材中の介在物の制御を図ることによって、被削性を改善する技術が大半を占めている。こうした技術として例えば特許文献１では、Ｃａ含有硫化物をＣａ含有量によって区分し、夫々の面積率を規定することによって旋削加工性（工具寿命）を改善した技術が提案されている。しかしながら、多量のＣａを含む硫化物の割合が多くなると、個々の硫化物が粗大化し、強度異方性が顕著化する上、硫化物減少による被削性劣化が生じることになる。
また特許文献２には、切り屑分断性のばらつきを抑制するために、Ｃａ含有硫化物の個数を規定する技術が提案されている。しかしながら、この技術では実施例に示されるように、有効な硫化物形態を得るための脱酸元素として用いられるＡｌを０．０１８％以上含有させる必要があり、鋼材中に存在する酸化物が主に硬質なＡｌ2Ｏ3系酸化物となるので工具寿命が劣化するという問題がある。
一方、工具寿命を改善するための技術として、（１）酸化物を含む二重構造硫化物中のＣａＯ量と硫化物中のＣａを規定する技術（特許文献３）、（２）Ｔｉを多量添加しつつＣａ硫化物とＣａ系酸化物を共存させる技術（特許文献４）、（３）Ｃａ／Ａｌ比を増大させてＡｌ2Ｏ3系の酸化物介在物と硫化物を（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ系に改質する技術（特許文献５）、（４）ＣａとＡｌを所定の比率に制御することによって、酸化物組成をＡｌ2Ｏ3に富む酸化物ではなくＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物に改質した二重構造硫化物における酸化物と硫化物の面積比、および全硫化物の二重構造硫化物の個数比率を規定した技術（特許文献６）、等も提案されている。
上記（１）〜（４）の技術は、いずれもＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系やＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物にて工具寿命を改善しようとするものであったが、いずれもＡｌ2Ｏ3を含有しており、介在物の形態制御ばらつきによって硬質なＡｌ2Ｏ3系介在物が生じやすく、工具寿命が改善しない鋼材ロットや、横目強度低下を十分に改善できない鋼材ロットを発生させる可能性を多いに含んでいた。
特開２０００−３４５３８号公報
特開２０００−２１９９３６号公報
特開２００３−５５７３５号公報
特開２００５−２７２９０３号公報
特開２００５−２７３００号公報
特開２００５−３５０７０２号公報
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、Ｐｂフリーで且つＪＩＳ規格の機械構造用合金鋼と同等のＳ量レベルであって、硬質のＡｌ2Ｏ3を含む介在物を富化させずに、良好な被削性を発揮すると共に、機械構造用鋼として不可欠な強度、具体的には強度異方性、特に横目の強度の低下を抑制した機械構造用鋼、およびこうした機械構造用鋼から得られる機械構造用部品を提供することにある。
上記目的を達成することのできた本発明の機械構造用鋼とは、Ｃ：０．１０〜０．３０％（質量％の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．０３〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．３〜２．５％、Ａｌ：０．００１〜０．００９％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０３〜０．１０％、Ｎ：０．００９％以下（０％を含まない）およびＯ：０．００５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、且つ、圧延方向の断面を観察したときに、酸化物系介在物のうち、ＣａＯとＴｉＯ2の含有量比率が下記（１）式の関係を満足するＴｉＯ2系複合酸化物の個数割合が３０％以上であると共に、硫化物系介在物のうち、前記ＴｉＯ2系複合酸化物を隣接または包含する介在物が、個数割合で４０％以上存在する点に要旨を有するものである。
０≦［ＣａＯ］／［ＴｉＯ2］≦２／３ …（１）
但し、［ＣａＯ］および［ＴｉＯ2］は、夫々ＣａＯおよびＴｉＯ2のＴｉＯ2系複合酸化物中の含有量（質量％）を示す。
０≦［ＣａＯ］／［ＴｉＯ2］≦２／３ …（１）
但し、［ＣａＯ］および［ＴｉＯ2］は、夫々ＣａＯおよびＴｉＯ2のＴｉＯ2系複合酸化物中の含有量（質量％）を示す。
尚、「ＴｉＯ2系複合酸化物を隣接または包含する」とは、上記（１）式を満足するＴｉＯ2系複合酸化物が硫化物系介在物の端部に存在したり、内部に存在している状態を意味する（後記図２、３参照）。
本発明の機械構造用鋼には、必要によって、更に（ａ）Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＢ：０．００５％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｅ）Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）、（ｆ）Ｓｅ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、等を含有させることも有効であり、含有される元素の種類に応じて機械構造用鋼の特性が更に改善される。
また上記本発明の機械構造用鋼は、ＪＩＳ機械構造用合金鋼と同レベルのＳ量であるため、機械構造用部品とすることによっても従来のＪＩＳ鋼と遜色のない機械的特性を発揮する部品が得られる。
本発明によれば、Ｓ、Ａｌを低減しつつこれらの元素およびＴｉ、Ｃａの含有比率を制御して化学成分組成を規定すると共に、鋼中酸化物中のＣａＯとＴｉＯ2の含有比率およびこれらＴｉＯ2系複合酸化物の個数を規定すると共に、このＴｉＯ2系複合酸化物に隣接または包含される硫化物系介在物の個数を規定することによって、良好な被削性（特に旋削工具の逃げ面摩耗）を発揮すると共に、Ｓ増量の副作用であった強度の異方性、特に横目の強度低下をも低減することのできる機械構造用鋼が実現できた。
本発明者らは、上記のような状況の下で、切削時の工具寿命向上と強度の異方性改善を発揮させるべく、様々な角度から検討した。そして、次のような知見が得られた。
（Ａ）工具寿命が低下するのは、主に工具の摩耗に起因するためであり、その主原因は多量のＡｌ2Ｏ3酸化物、更にはＡｌ2Ｏ3を多量に含む複合酸化物が硬質なためである。
（Ｂ）Ｓ増量をはじめ、硫化物、酸化物、窒化物等の介在物の増加は強度低下を引き起こし、特に強度の異方性、圧延方向に垂直な方向、いわゆる横目の強度低下が生じるのは、Ｓ含有量増加による多量の硫化物の存在自体が根本的な原因である。
上記知見に基づいて、上記目的を達成させるための具体的手段について、更に検討した。そのために、まず硫化物を低減することを前提にＳの含有量をＪＩＳ機械構造用合金鋼の規格である０．０３％以下とし、その上で主としてフェロチタンによるＴｉキルド処理によってＡｌキルド処理を最小限に抑え、Ｓｉ脱酸を抑制しつつＣａとＴｉの微量添加（Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０３〜０．１０％）に制御することで、酸化物系介在物を、ＣａＯを含有するＴｉＯ2系複合酸化物を主体として生成させることが有効であると判明した。
本発明で対象とするＴｉＯ2系複合酸化物は、この複合酸化物中に含まれるＣａＯおよびＴｉＯ2の含有量比率が、上記（１）式の関係を満足する必要がある。こうした要件を満足させることによって、酸化物を低融点化させ、軟質化させることで旋削工具の逃げ面摩耗を抑制し、工具寿命を改善することができる。またＡｌ添加量抑制による硬質なＡｌ2Ｏ3系酸化物（例えば、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系等を含む）を低減しているため、更に工具寿命を改善することができる。
こうした観点から、ＣａＯおよびＴｉＯ2の含有量比率は、上記（１）式の関係を満足するように制御する必要があり、（１）式の関係を満足しないときには、硬質の酸化物の含有量が増加して工具摩耗を増加させて工具寿命が劣化する。
一方、溶鋼から凝固の段階に生成する硫化物は粗大になる傾向があるため、Ｔｉ系複合酸化物を、この凝固の段階で硫化物に隣接または包含する核とすることで、小さな硫化物を生成させると共に、圧延時の展伸抑制に大きく寄与することができる。この比率を、硫化物を含む介在物個数中（個数割合）の４０％以上にすることによって、圧延方向に対して垂直な方向である横目の強度を大幅に改善できることが判明したのである。また軟質な硫化物によって、ＴｉＯ2系複合酸化物を包含することは、酸化物が切削工具への直接接触する頻度の低減が図れるため、工具摩耗を抑制する効果も発揮する。
本発明の機械構造用鋼では、その化学成分組成も適切に規定する必要があるが、上記したＳ，Ａｌ，ＴｉおよびＣａを含め、その基本成分であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃａ，ＮおよびＯにおける範囲限定理由は以下の通りである。
［Ｃ：０．１０〜０．３０％］
Ｃは、機械構造用部品としての必要な芯部硬さを確保する上で重要な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．１０％以上含有させる必要がある。しかしＣを過剰に含有させると鋼材の硬さが過度に高くなり過ぎて、被削性（特に、切削加工時の工具寿命）や冷間鍛造性が低下することになる。こうした観点から、Ｃ含有量は０．３０％以下とする必要がある。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は、０．１３％であり、好ましい上限は０．２５％である。
Ｃは、機械構造用部品としての必要な芯部硬さを確保する上で重要な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．１０％以上含有させる必要がある。しかしＣを過剰に含有させると鋼材の硬さが過度に高くなり過ぎて、被削性（特に、切削加工時の工具寿命）や冷間鍛造性が低下することになる。こうした観点から、Ｃ含有量は０．３０％以下とする必要がある。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は、０．１３％であり、好ましい上限は０．２５％である。
［Ｓｉ：０．０３〜１．５％］
Ｓｉは、表面硬化層の軟化抵抗性の向上に大きく寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．０３％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になって１．５％を超えると、機械加工時の被削性や冷間鍛造性が著しく劣化することになる。尚、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１％であり、好ましい上限は１．０％である。
Ｓｉは、表面硬化層の軟化抵抗性の向上に大きく寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．０３％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になって１．５％を超えると、機械加工時の被削性や冷間鍛造性が著しく劣化することになる。尚、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１％であり、好ましい上限は１．０％である。
［Ｍｎ：０．３〜１．８％］
Ｍｎは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部材の内部品質を高めると共に、焼入れ性を向上させて鋼部品の芯部硬さや硬化層深さを高め、部品の強度を確保するのに有効な元素である。こうした作用を発揮させるためには、Ｍｎ含有量は０．３％以上とする必要があるが、１．８％を超えて過剰になると、Ｐの粒界への偏析を助長して粒界強度が低下し、疲労強度を低下させることになる。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．４％であり、好ましい上限は１．５％である。
Ｍｎは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部材の内部品質を高めると共に、焼入れ性を向上させて鋼部品の芯部硬さや硬化層深さを高め、部品の強度を確保するのに有効な元素である。こうした作用を発揮させるためには、Ｍｎ含有量は０．３％以上とする必要があるが、１．８％を超えて過剰になると、Ｐの粒界への偏析を助長して粒界強度が低下し、疲労強度を低下させることになる。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．４％であり、好ましい上限は１．５％である。
［Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であり、熱間加工後の割れを助長するので、できるだけ低減する必要がある。こうした観点から、Ｐ含有量の上限は０．０３％とした。尚、Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２％であり、より好ましくは０．０１％以下とするのがよい。
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であり、熱間加工後の割れを助長するので、できるだけ低減する必要がある。こうした観点から、Ｐ含有量の上限は０．０３％とした。尚、Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２％であり、より好ましくは０．０１％以下とするのがよい。
［Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｓは、鋼中でＭｎと反応してＭｎＳ系介在物を形成し、鋼部品の衝撃強度の異方性を誘発するので、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｓ含有量は０．０３％以下（０％を含まない）とする必要がある。尚、Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２％である。
Ｓは、鋼中でＭｎと反応してＭｎＳ系介在物を形成し、鋼部品の衝撃強度の異方性を誘発するので、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｓ含有量は０．０３％以下（０％を含まない）とする必要がある。尚、Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２％である。
［Ｃｒ：０．３〜２．５％］
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を高め、安定した硬化層深さや必要な芯部硬さを与えることによって、歯車などの構造部品としての静的強度および疲労強度を確保する上で重要な元素である。こうした作用を発揮させるためには、Ｃｒは０．３％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になって２．５％を超えると、旧オーステナイト（γ）粒界に炭化物として偏析するため、疲労強度低下の原因となる。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．８％であり、好ましい上限は２．０％である。
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を高め、安定した硬化層深さや必要な芯部硬さを与えることによって、歯車などの構造部品としての静的強度および疲労強度を確保する上で重要な元素である。こうした作用を発揮させるためには、Ｃｒは０．３％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になって２．５％を超えると、旧オーステナイト（γ）粒界に炭化物として偏析するため、疲労強度低下の原因となる。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．８％であり、好ましい上限は２．０％である。
［Ａｌ：０．００１〜０．００９％］
Ａｌは溶製時に脱酸剤として有用に作用し、そのためには０．００１％以上含有させる必要がある。Ａｌ含有量が増加するにつれて、酸化物（Ａｌ2Ｏ3）等の非金属介在物が生成し、切削時の工具摩耗を増大させてしまうので、その上限を０．００９％とする必要がある。尚、好ましい上限は０．００７％であり、より好ましくは０．００５％以下とするのが良い。
Ａｌは溶製時に脱酸剤として有用に作用し、そのためには０．００１％以上含有させる必要がある。Ａｌ含有量が増加するにつれて、酸化物（Ａｌ2Ｏ3）等の非金属介在物が生成し、切削時の工具摩耗を増大させてしまうので、その上限を０．００９％とする必要がある。尚、好ましい上限は０．００７％であり、より好ましくは０．００５％以下とするのが良い。
［Ｃａ：０．０００５〜０．００５％］
Ｃａは、Ｔｉと低融点複合酸化物を形成し、切削工具の摩耗を抑制すると共に、鋼材中の硫化物生成時の核となり得るため、硫化物の巨大化抑制や展伸抑制に寄与し、横目の強度を改善する硬化を発揮する。こうした効果を有効に発揮させるためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とする必要があるが、０．００５％を超えると、粗大なＣａ酸化物が生成し、Ｃａ含有硫化物も硬くなって、工具寿命を低下させることになる。そのため、Ｃａ含有量は０．００５％以下とする必要があり、好ましくは０．００３％以下とするのが良い。
Ｃａは、Ｔｉと低融点複合酸化物を形成し、切削工具の摩耗を抑制すると共に、鋼材中の硫化物生成時の核となり得るため、硫化物の巨大化抑制や展伸抑制に寄与し、横目の強度を改善する硬化を発揮する。こうした効果を有効に発揮させるためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とする必要があるが、０．００５％を超えると、粗大なＣａ酸化物が生成し、Ｃａ含有硫化物も硬くなって、工具寿命を低下させることになる。そのため、Ｃａ含有量は０．００５％以下とする必要があり、好ましくは０．００３％以下とするのが良い。
［Ｔｉ：０．０３〜０．１０％］
Ｔｉは、新たな低融点酸化物（ＣａＯ−ＴｉＯ2系酸化物）を生成するのに不可欠な合金元素である。Ｔｉ含有量が０．０３％未満であると、殆どのＴｉがＮと反応して酸化物を構成するＴｉが消失してしまうことになる。またＴｉの含有量が過剰になると、鋼材素地への固溶Ｔｉが増大して鋼材硬さが増すため、工具寿命を低下させてしまうことになる。こうした観点から、Ｔｉの含有量は０．ｌ０％以下とする必要があり、好ましくは０．０６％以下とするのが良い。
Ｔｉは、新たな低融点酸化物（ＣａＯ−ＴｉＯ2系酸化物）を生成するのに不可欠な合金元素である。Ｔｉ含有量が０．０３％未満であると、殆どのＴｉがＮと反応して酸化物を構成するＴｉが消失してしまうことになる。またＴｉの含有量が過剰になると、鋼材素地への固溶Ｔｉが増大して鋼材硬さが増すため、工具寿命を低下させてしまうことになる。こうした観点から、Ｔｉの含有量は０．ｌ０％以下とする必要があり、好ましくは０．０６％以下とするのが良い。
［Ｎ：０．００９％以下（０％を含まない）］
Ｎは他の元素と窒化物を形成し、組織微細化に寄与するが、硬質窒化物を生成するため、工具寿命を劣化させることになる。更に、熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、０．００９％以下に抑える必要があり、好ましくは０．００７％以下に抑えるのが良い。
Ｎは他の元素と窒化物を形成し、組織微細化に寄与するが、硬質窒化物を生成するため、工具寿命を劣化させることになる。更に、熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、０．００９％以下に抑える必要があり、好ましくは０．００７％以下に抑えるのが良い。
［Ｏ：０．００５％以下（０％を含まない）］
Ｏは、鋼材に不可避的に含まれる元素であり、他元素と反応して粗大な酸化物系介在物を生成して鋼材の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、できるだけ少なくすることが好ましい。こうした観点から、Ｏ含有量は０．００５％以下に抑制する必要がある。好ましくは、０．００３％以下にするのが良い。
Ｏは、鋼材に不可避的に含まれる元素であり、他元素と反応して粗大な酸化物系介在物を生成して鋼材の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、できるだけ少なくすることが好ましい。こうした観点から、Ｏ含有量は０．００５％以下に抑制する必要がある。好ましくは、０．００３％以下にするのが良い。
本発明の機械構造用鋼においては、上記成分の他（残部）は鉄および不可避的不純物からなるものであるが、これら以外にも被削性や強度を阻害しない程度の微量成分を含み得るものであり、こうした成分を含むものも本発明の技術的範囲に含まれる。こうした成分としては、例えば、Ｍｇ，Ｂａ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｗおよび希土類元素等が挙げられる。
また本発明の機械構造用鋼には、必要によって、更に（ａ）Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＢ：０．００５％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｅ）Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）、（ｆ）Ｓｅ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｅ：０．０１％以下（０％を含まない）、等を含有させることも有効であるが、これらの範囲限定理由は下記の通りである。
［Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）］
Ｃｕは、耐候性向上に有効な元素であり、こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させると鋼材の熱間加工性および延性を低下させて割れや疵が発生しやすくなるので、０．５％以下とすることが好ましい。尚、Ｃｕを含有させることによる効果をより有効に発揮させるためには、その含有量は０．１％以上とすることが好ましい。またＣｕを含有させるときには、熱間加工性の低下（熱間加工脆性）の劣化を発生させないという観点から、後述するＮｉとの同時添加が好ましい。
Ｃｕは、耐候性向上に有効な元素であり、こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させると鋼材の熱間加工性および延性を低下させて割れや疵が発生しやすくなるので、０．５％以下とすることが好ましい。尚、Ｃｕを含有させることによる効果をより有効に発揮させるためには、その含有量は０．１％以上とすることが好ましい。またＣｕを含有させるときには、熱間加工性の低下（熱間加工脆性）の劣化を発生させないという観点から、後述するＮｉとの同時添加が好ましい。
［Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）］
Ｎｉはマトリックス中に固溶し、靭性を増大させる上で有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させるとベイナイトやマルテンサイト組織が発達し、靭性の劣化を招くのでその上限は２．０％とすることが好ましい。尚、Ｎｉを含有させることによる効果をより有効に発揮させるためには、その含有量は０．１％以上とすることが好ましい。
Ｎｉはマトリックス中に固溶し、靭性を増大させる上で有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させるとベイナイトやマルテンサイト組織が発達し、靭性の劣化を招くのでその上限は２．０％とすることが好ましい。尚、Ｎｉを含有させることによる効果をより有効に発揮させるためには、その含有量は０．１％以上とすることが好ましい。
［Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＢ：０．００５％以下（０％を含まない）］
ＭｏおよびＢは、鋼材の焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。このうち、Ｍｏは鋼材の焼入れ性を確保して不完全焼入れ組織の生成を抑制するのに有効に作用する。しかしながら、その含有量が過剰になると、芯部の硬度が必要以上に硬くなって機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化するので、１．０％以下（より好ましくは０．５％以下）とすることが好ましい。
ＭｏおよびＢは、鋼材の焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。このうち、Ｍｏは鋼材の焼入れ性を確保して不完全焼入れ組織の生成を抑制するのに有効に作用する。しかしながら、その含有量が過剰になると、芯部の硬度が必要以上に硬くなって機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化するので、１．０％以下（より好ましくは０．５％以下）とすることが好ましい。
一方、Ｂは微量で鋼材の焼入れ性を向上させることに加えて、結晶粒界強化によって衝撃強度を高める作用を発揮する。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になるとＢ窒化物が生成しやすくなり、冷間および熱間加工性を劣化させるので、０．００５％以下（より好ましくは０．００３％以下）とすることが好ましい。
尚、ＭｏやＢによる上記効果を有効に発揮させるためには、Ｍｏで０．１％以上、Ｂで０．０００５％以上（より好ましくは０．０００８％以上）含有させることが好ましい。
［Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｚｒ，ＶおよびＮｂは、いずれも炭素や窒素と活発に反応し、微細な析出物を形成することによって、結晶粒粗大化防止特性を向上できるが、その含有量が過剰になると、硬質な窒化物や炭化物が多量に生成して工具寿命を低下させるので、いずれも０．１％以下（より好ましくは０．０５％以下）とすることが好ましい。
Ｚｒ，ＶおよびＮｂは、いずれも炭素や窒素と活発に反応し、微細な析出物を形成することによって、結晶粒粗大化防止特性を向上できるが、その含有量が過剰になると、硬質な窒化物や炭化物が多量に生成して工具寿命を低下させるので、いずれも０．１％以下（より好ましくは０．０５％以下）とすることが好ましい。
［Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）］
Ｂｉは、鋼材の被削性を向上させる元素であり、必要によって含有させることも有効である。しかしながら、過剰に含有させると、強度が低下するので、その上限を０．１％とすることが好ましい。尚、その効果を有効に発揮させるための好ましい下限は０．０２％であり、より好ましい上限は０．０８％である。
Ｂｉは、鋼材の被削性を向上させる元素であり、必要によって含有させることも有効である。しかしながら、過剰に含有させると、強度が低下するので、その上限を０．１％とすることが好ましい。尚、その効果を有効に発揮させるための好ましい下限は０．０２％であり、より好ましい上限は０．０８％である。
［Ｓｅ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｅ：０．０１％以下（０％を含まない）］
ＳｅおよびＴｅは、Ｍｎ（Ｓ，Ｓｅ）、Ｍｎ（Ｓ，Ｔｅ）等の化合物を形成し、硫化物の展伸抑制に働くことによって圧延方向に直角な方向（Ｃ方向）の強度低下を抑えるのに有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させてもその効果が飽和するだけであるので、いずれも０．０１％以下（より好ましくは０．００４％以下）とすることが好ましい。
ＳｅおよびＴｅは、Ｍｎ（Ｓ，Ｓｅ）、Ｍｎ（Ｓ，Ｔｅ）等の化合物を形成し、硫化物の展伸抑制に働くことによって圧延方向に直角な方向（Ｃ方向）の強度低下を抑えるのに有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させてもその効果が飽和するだけであるので、いずれも０．０１％以下（より好ましくは０．００４％以下）とすることが好ましい。
従来では、不純物のＡｌ含有量が１％程度のフェロシリコンやＡｌ含有物を用いて鋼中の脱酸をしていたので、Ａｌ2Ｏ3系酸化物が生成していたが、こうした方法では、本発明で規定する介在物の形態を得ることはできない。上記のようにＴｉＯ2系複合酸化物の形態を制御して本発明の機械構造用鋼を製造するには、次のようなプロセスで行えば良い。即ち、本発明では、Ｔｉによるキルド（脱酸処理）を積極的に進めるため、主に不純物Ａｌが０．０１％以下であるフェロチタン添加によって、溶鋼中のＡｌ濃度が高くならないように制御しながら脱酸処理を行い、Ａｌ2Ｏ3系酸化物の生成を抑制しつつ処理を行う。次工程の溶鋼処理時に真空脱ガスを行いながら、Ｃａ添加と場合によって更にＴｉ添加することでフリー酸素（溶存酸素）を制御し、本発明の前記（１）式の関係を満足するようなＴｉＯ2系複合酸化物に制御すればよい。
更に、Ａｌ2Ｏ3系酸化物やＡｌ2Ｏ3−ＣａＯ系酸化物に比べて、低融点であるＴｉＯ2−ＣａＯ系複合酸化物は溶鋼中でより低温で晶出するため、溶鋼から凝固段階時で微細に分散させることが可能である。よって、凝固時に生成する一般的に粗大化しやすい硫化物に対して、ＴｉＯ2−ＣａＯ系複合酸化物を硫化物の核とすることによって、ＴｉＯ2系複合酸化物を隣接または包含した介在物を生成させれば良い。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で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。
小型溶製炉（１５０ｋｇ規模）を用いて不純物Ａｌ量が０．０１％以下のフェロチタンを添加して真空脱ガス処理を行い、下記表１に示す各種化学成分組成の鋼材（鋼種Ａ〜Ｒ）を溶製した。このとき、通常のフェロシリコン（Ａｌ含有量が１％程度）を添加して真空脱ガス処理を行った鋼材についても溶製した（表１の鋼種Ｓ〜Ｙ）。
得られた鋳片から、１２００℃での熱間鍛造によって直径：８０ｍｍの鍛伸材を作製した後、１２５０℃で溶体化処理、および焼きならしを行い、直径：７５ｍｍまで皮削り加工を行った。
得られた展伸材について、鋼中の酸化物系介在物の形態およびその個数を下記の方法で測定すると共に、被削性および強度について下記の基準で評価した。
［鋼中の酸化物系介在物の形態およびその個数の測定］
酸化物系介在物中のＣａＯとＴｉＯ2の含有量比率の測定は、エネルギー分散型電子プルーブマイクロアナライザー（「ＪＸＡ８１００」ＪＥＯＬ社製）にて、鋼材長手方向断面の半径方向Ｄ／４（Ｄ：直径）の位置２５ｍｍ2の視野において、反射電子像を用いて２μｍ以上の介在物とサイズを測定し、同介在物の自動定性分析を実施後、ＣａＯ，ＴｉＯ2，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＺｒＯ2，ＭｎＯについて、ＺＡＦによる定量補正法（但し、原子番号効果、吸収効果、蛍光励起効果による補正）を用いてＸ線スペクトル強度から定量分析を行い、酸化物を含む介在物（酸化物系介在物）の個数と、ＴｉＯ2系複合酸化物［上記（１）式を満足する酸化物］の個数を測定した。この酸化物、複合酸化物の定義は、定量補正誤差も勘案して含有量５質量％以下の酸化物を除外したものである。
酸化物系介在物中のＣａＯとＴｉＯ2の含有量比率の測定は、エネルギー分散型電子プルーブマイクロアナライザー（「ＪＸＡ８１００」ＪＥＯＬ社製）にて、鋼材長手方向断面の半径方向Ｄ／４（Ｄ：直径）の位置２５ｍｍ2の視野において、反射電子像を用いて２μｍ以上の介在物とサイズを測定し、同介在物の自動定性分析を実施後、ＣａＯ，ＴｉＯ2，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＺｒＯ2，ＭｎＯについて、ＺＡＦによる定量補正法（但し、原子番号効果、吸収効果、蛍光励起効果による補正）を用いてＸ線スペクトル強度から定量分析を行い、酸化物を含む介在物（酸化物系介在物）の個数と、ＴｉＯ2系複合酸化物［上記（１）式を満足する酸化物］の個数を測定した。この酸化物、複合酸化物の定義は、定量補正誤差も勘案して含有量５質量％以下の酸化物を除外したものである。
加えて、Ｓについても同Ｘ線スペクトル強度からＺＡＦを用いた定量補正法（但し、原子番号効果、吸収効果、蛍光励起効果による補正）による定量分析を行い、Ｓ含有介在物（硫化物系介在物）の個数と、そのうちＴｉＯ2系複合酸化物を隣接または包含する介在物（この介在物を、「ＴｉＯ2系複合酸化物含有硫化物」と呼ぶ）の比率（個数割合）を算出した。尚、ＴｉＯ2系複合酸化物含有硫化物とは、ＭｎＳ換算で１００％のものは硫化物系介在物として区別し、更に酸化物含有介在物でも上記（１）式を満足しないＣａＯ，ＴｉＯ2が存在した場合や、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＺｒＯ2系酸化物であった場合は、他の酸化物系含有硫化物として区別した。
［被削性評価］
被削性評価は、切削速度：２００ｍ／分、送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み：１．５ｍｍの乾式条件で超硬旋削加工を行い、逃げ面摩耗量が０．０５ｍｍになるまでの時間（分）によって工具寿命を測定した。
被削性評価は、切削速度：２００ｍ／分、送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み：１．５ｍｍの乾式条件で超硬旋削加工を行い、逃げ面摩耗量が０．０５ｍｍになるまでの時間（分）によって工具寿命を測定した。
［強度の評価］
直径：７５ｍｍの展伸材から、展伸方向（縦目）、径方向（横目）に沿ってノッチ形状がＲ１０（ｍｍ）のシャルピー衝撃試験片を削り出し、９３０℃浸炭−油焼入れした後、１７０℃で焼戻し処理を行い、室温（２５℃）での夫々の方向のシャルピー衝撃値（吸収エネルギー）を測定した（３回の平均値）。
直径：７５ｍｍの展伸材から、展伸方向（縦目）、径方向（横目）に沿ってノッチ形状がＲ１０（ｍｍ）のシャルピー衝撃試験片を削り出し、９３０℃浸炭−油焼入れした後、１７０℃で焼戻し処理を行い、室温（２５℃）での夫々の方向のシャルピー衝撃値（吸収エネルギー）を測定した（３回の平均値）。
これらの結果［酸化物系介在物のうち前記（１）式の要件を満足するＴｉＯ2系複合酸化物の個数比率（％）、硫化物系介在物のうちＴｉＯ2系複合酸化物に隣接または包含する硫化物の個数比率（％）、被削性評価（工具寿命）、およびシャルピー衝撃値］を下記表２に示す。この結果に基づいてＴｉＯ2系複合酸化物の個数比率と被削性（工具寿命）の関係を図１に示す。また、ＴｉＯ2系複合酸化物が硫化物内部に存在する形態（試験Ｎｏ．１のもの）を図２（図面代用電子顕微鏡写真）に、ＴｉＯ2系複合酸化物が硫化物の端部に存在する形態（試験Ｎｏ．６のもの）を図３（図面代用電子顕微鏡写真）に夫々示す。更に、ＴｉＯ2系複合酸化物に隣接または包含する硫化物比率と強度異方性（横目シャルピー衝撃値／縦目シャルピー衝撃値＝「横目衝撃値／縦目衝撃値」と記す）の関係を図４に示す。
これらの結果から、明らかなように、本発明で規定する要件を満足するもの（実験Ｎｏ．１〜１８）では、旋削工具寿命がいずれも１３分以上となっており、Ｓ量が少ないにも拘わらず、被削性が飛躍的に向上していることが分かる。また横目、縦目のシャルピー衝撃値比の０．４以上が得られており、強度異方性が抑制されていることがわかる。
これに対して、本発明で規定する要件のいずれかを欠くもの（試験Ｎｏ．１９〜２５では、いずれかの特性が劣化していることが分かる。このうち試験Ｎｏ．１９〜２３のものでは、Ｓ含有量が本発明で規定する範囲内であるが、ＴｉＯ2系複合酸化物が生成していないので、工具寿命が短くなっている。強度の異方性も高く、低位のままである（試験Ｎｏ．２５は、Ｓ含有量が過剰で、且つＴｉＯ2系複合酸化物が生成していないもの）。また試験Ｎｏ．２４では、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０鋼にＳ量を増加した従来のＳ添加快削鋼であり、試験Ｎｏ．２１のＪＩＳ ＳＣＭ４２０鋼よりも工具寿命が延びているものの、酸化物をＴｉＯ2系複合酸化物に形態制御した試験Ｎｏ．６よりも工具寿命が劣っていることが分かる。
Claims (8)
- Ｃ：０．１０〜０．３０％（質量％の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．０３〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．３〜２．５％、Ａｌ：０．００１〜０．００９％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０３〜０．１０％、Ｎ：０．００９％以下（０％を含まない）およびＯ：０．００５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、且つ、圧延方向の断面を観察したときに、酸化物系介在物のうち、ＣａＯとＴｉＯ2の含有量比率が下記（１）式の関係を満足するＴｉＯ2系複合酸化物の個数割合が３０％以上であると共に、硫化物系介在物のうち、前記ＴｉＯ2系複合酸化物を隣接または包含する介在物が、個数割合で４０％以上存在することを特徴とする被削性と強度異方性に優れた機械構造用鋼。
０≦［ＣａＯ］／［ＴｉＯ2］≦２／３ …（１）
但し、［ＣａＯ］および［ＴｉＯ2］は、夫々ＣａＯおよびＴｉＯ2のＴｉＯ2系複合酸化物中の含有量（質量％）を示す。 - 更に、Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１に記載の機械構造用鋼。
- 更に、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の機械構造用鋼。
- 更に、Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＢ：０．００５％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。
- 更に、Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上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。
- 更に、Ｂｉ：０．１％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。
- 更に、Ｓｅ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｅ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜６のいずれかに記載の機械構造用鋼。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の機械構造用鋼からなる機械構造用部品。
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|---|---|---|---|---|
| WO2014034714A1 (ja) | 2012-08-28 | 2014-03-06 | 新日鐵住金株式会社 | 鋼板 |
| CN109518089A (zh) * | 2018-06-28 | 2019-03-26 | 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司 | 一种低碳钢盘条及其制造方法 |
| WO2020145325A1 (ja) * | 2019-01-11 | 2020-07-16 | 日本製鉄株式会社 | 鋼材 |
-
2008
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