JP3489376B2 - 高強度高靱性快削非調質鋼材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は高強度高靱性快削非
調質鋼材に関する。更に詳しくは、熱間加工後に焼入れ
焼戻しの調質処理を施さずとも優れた強度−靱性バラン
スを有するとともに被削性にも優れた機械構造部品など
の素材として好適な非調質鋼材に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、高い引張強度と靱性を必要とする
機械構造部品などは、熱間加工で所定の形状に粗加工
し、次いで、切削加工によって所望形状に仕上げた後、
焼入れ焼戻しの調質処理を施すのが一般的であった。し
かしこの調質処理には多くのエネルギーとコストを費や
す。そこで近年、省エネルギーの社会的要請に応え、且
つ、一方では低コスト化を図るために、熱間加工のまま
で使用できる非調質鋼の開発が盛んに行われている。 【０００３】又、熱間加工後の切削加工を容易にする目
的から、被削性に優れた快削鋼に対する要求もますます
大きくなっている。 【０００４】一般に鋼の被削性は金属組織に大きく依存
し、フェライト・パーライト組織を有する鋼の場合には
被削性が良好であり、フェライト・ベイナイト組織やベ
イナイトあるいはマルテンサイトの単相組織の鋼にあっ
ては被削性が悪いことが知られている。又、Ｐｂ、Ｔ
ｅ、Ｂｉ、Ｃａ及びＳなどの快削元素を単独あるいは複
合添加すれば被削性が向上することも周知の事実であ
る。したがって、従来は非調質鋼に前記の快削元素を添
加して熱間加工後の切削加工性を改善する方法が採られ
てきた。しかし、非調質鋼に単に快削元素を添加しただ
けの場合には、所望の機械的特性、なかでも靱性を確保
できないことが多い。 【０００５】特開平６−１４５８９０号公報には「高強
度高靱性快削鋼」が開示されている。しかし、この公報
で提案された鋼に所望の高強度と高靱性を付与させるた
めには、その実施例における記載からも明らかなよう
に、浸炭焼入れ、高周波焼入れや焼入れ低温焼戻しとい
った処理が必須であるため熱処理コストが嵩む。しか
も、鋼を焼入れしてマルテンサイト変態させた場合には
大きな変態歪が生ずるので曲がりが大きくなるという問
題も生ずる。更に、特にＣ含有量が高い鋼を焼入れする
場合には焼割れに対する配慮も行う必要がある。 【０００６】特開平７−１６６２３５号公報には、熱間
鍛造後に冷却した組織の８０％以上がフェライト−ベイ
ナイトからなる特定の化学組成を有する鋼材を２００〜
７００℃で時効処理する「強靱性、耐久比、降伏比およ
び被削性に優れる亜熱間鍛造用鋼の製造方法」が開示さ
れている。しかし、この公報で提案された鋼はＶを重量
％で０．３０〜０．７０％も含むものである。このた
め、その実施例における記載からも明らかなように、例
えば引張強度が１１００ＭＰａ（１１２．２Ｋｇｆ／ｍ
ｍ² ）レベルでの衝撃値は４０Ｊ／ｃｍ²（４．１ｋｇ
ｆ・ｍ／ｃｍ²）程度しかなく靱性が低い。したがっ
て、高い強度と良好な靱性が要求される場合には必ずし
も適用できないものである。更に、８００〜１０５０℃
の低い温度域で熱間鍛造を施す必要があるため、鍛造時
に鋼材に割れが生ずる場合もある。 【０００７】つまり、上記の各公報で提案された技術は
いずれも「非調質化」と「高強度高靱性鋼の被削性の向
上」を両立させたいとする産業界の要請には応えきれな
いものであった。 【０００８】特開平７−５４１００号公報には、特定の
化学組成を有する「被削性の優れたフェライト＋ベイナ
イト型高強度熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。
しかし、この公報で提案された鋼はＳｉを重量％で３．
０〜５．０も含むものであるため、高強度化は達成でき
ても靱性が低く、高い強度と良好な靱性が要求される場
合には必ずしも適用できないものである。 【０００９】特開平７−２６８５３８号公報には、熱間
鍛造後に自然放冷したままでベイナイト＋フェライトの
２相組織又はベイナイト組織で、引張強さが８８３ＭＰ
ａ以上、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が５９Ｊ／ｃ
ｍ² 以上である「被削性に優れた高靱性非調質鋼」が開
示されている。しかし、この公報で提案された鋼はＮ含
有量が０．０１〜０．０３％と高いため、強度−靱性バ
ランスの点で必ずしも満足できるものではない。つま
り、前記公報で提案された鋼の場合にはその実施例に記
載の引張強さと衝撃値との関係からも明らかなように、
特に引張強さが１１００ＭＰａ以上の場合の衝撃値は６
０Ｊ／ｃｍ² 程度であり、高い靱性が要求される場合に
は必ずしも適用できないものである。 【００１０】鉄と鋼（ｖｏｌ．５７（１９７１年）Ｓ４
８４）には、脱酸調整快削鋼にＴｉを添加すれば被削性
が高まる場合のあることが報告されている。しかし、Ｔ
ｉの多量の添加はＴｉＮが多量に生成されることもあっ
て工具摩耗を増大させ、被削性の点からは好ましくない
ことも述べられている。例えば、Ｃ：０．４５％、Ｓ
ｉ：０．２９％、Ｍｎ：０．７８％、Ｐ：０．０１７
％、Ｓ：０．０４１％、Ａｌ：０．００６％、Ｎ：０．
００８７％、Ｔｉ：０．２２８％、Ｏ：０．００４％及
びＣａ：０．００１％を含有する鋼では却ってドリル寿
命が低下して被削性が劣っている。このように、鋼に単
にＴｉを添加するだけでは被削性は向上するものではな
い。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、通常の熱間加工と冷却の条件で、
それも非調質のままで高い強度と優れた靱性を有し、し
かも各々の強度レベルで被削性が良好な機械構造部品な
どの素材用として好適な鋼材を低コストで提供すること
を目的とする。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記に
示す高強度高靱性快削非調質鋼材にある。 【００１３】 すなわち、「重量％で、Ｃ：０．０５〜
０．３％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜
３．５％、Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｔｉ：０．０６
〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．
００８％以下、Ｃｒ：０〜３．０％、Ｎｉ：０〜２．０
％、Ｖ：０〜０．３０％、Ｎｂ：０〜０．１％、Ｍｏ：
０〜０．５０％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｂ：０〜０．０
２％、Ｎｄ：０〜０．１％、Ｐｂ：０〜０．５０％、Ｃ
ａ：０〜０．０１％、Ｓｅ：０〜０．５％、Ｔｅ：０〜
０．０５％、Ｂｉ：０〜０．４％、式中の元素記号をそ
の元素の重量％での含有量として、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及
びＮｉに関する下記(1) 式で表されるｆｎ１が２．５％
≦ｆｎ１≦４．５％、Ｔｉ及びＳに関する下記(2) 式で
表されるｆｎ２がｆｎ２≧２、残部はＦｅ及び不可避不
純物からなる組成であって、組織の９０％以上がベイナ
イト又はフェライト・ベイナイトで、且つ、旧オーステ
ナイト粒がＪＩＳ粒度番号５以上であることを特徴とす
る高強度高靱性快削非調質鋼材。 【００１４】 ｆｎ１＝０．５Ｓｉ＋Ｍｎ＋１．１３Ｃ
ｒ＋１．９８Ｎｉ・・・・(1)、ｆｎ２＝Ｔｉ／Ｓ・・
・・(2)」である。 【００１５】ここで、組織の割合は顕微鏡観察した時の
組織割合のことをいう。なお、「ベイナイトが９０％以
上」とは組織中にフェライトが含まれない場合において
組織の９０％以上をベイナイトが占めている状態をい
い、「フェライト・ベイナイトが９０％以上」とはベイ
ナイトとフェライトが混在する場合の組織においてフェ
ライトとベイナイトの占める割合の和が９０％以上であ
ることをいう。 【００１６】又、「旧オーステナイト粒」とは、加熱と
熱間加工を受けベイナイトやフェライトなどが変態生成
する直前のオーステナイト粒のことをいう。 【００１７】なお、本明細書でいう「非調質鋼材」とは
所謂「調質処理」としての「焼入れ・焼戻し」を省略し
た鋼材のことをいい、「熱間加工のままで使用できる鋼
材」の他に「熱間加工後に焼戻しに相当する時効処理を
行った鋼材」を含むものである。 【００１８】 【発明の実施の形態】本発明者らは、非調質鋼材の化学
組成と組織が強度、靱性及び被削性に及ぼす影響につい
て検討するため実験を繰り返した。その結果、先ず、Ｔ
ｉを添加した鋼を熱間加工した後、適正な冷却速度で冷
却すれば、鋼材の被削性が飛躍的に向上することを見い
だした。そこで更に研究を続けた結果、下記の（ａ）〜
（ｈ）の事項を知見した。 【００１９】 （ａ）特定の化学組成を有する鋼の組織
及び靱性は前記の(1) 式と相関を有し、この値が特定の
範囲にある場合に、非調質鋼の主たる組織がベイナイト
又はフェライト・ベイナイトになって良好な強度−靱性
バランスが得られる。 【００２０】（ｂ）Ｓとのバランスを考慮して鋼にＴｉ
を積極的に添加すると、鋼中にＴｉの炭硫化物が形成さ
れる。 【００２１】（ｃ）鋼中に上記したＴｉの炭硫化物が生
成すると、ＭｎＳの生成量が減少する。 【００２２】（ｄ）鋼中のＳ含有量が同じ場合には、Ｔ
ｉの炭硫化物はＭｎＳよりも大きな被削性改善効果を有
する。これは、Ｔｉの炭硫化物の融点がＭｎＳのそれよ
りも低いため、切削加工時に工具のすくい面での潤滑作
用が大きくなることに基づく。 【００２３】（ｅ）製鋼時に生成したＴｉの炭硫化物
は、通常の熱間加工のための加熱温度では基地に固溶し
ないのでオーステナイト領域おいて所謂「ピンニング効
果」を発揮し、オーステナイト粒の粗大化防止に有効で
ある。 【００２４】 （ｆ）Ｔｉ炭硫化物の被削性向上効果と
ピンニング効果を同時に得るためには前記(2) 式の値を
２以上にする必要がある。なお、非調質鋼材の場合、そ
の主たる組織が特定の、ベイナイト又はフェライト・ベ
イナイトからなり、前記(2) 式の値が２以上であれば良
好な強度−靱性バランスを確保することができる。 【００２５】（ｇ）Ｔｉの炭硫化物の効果を充分発揮さ
せるためには、Ｎ含有量を低く制限することが重要であ
る。これは、Ｎ含有量が多いとＴｉＮとしてＴｉが固定
されてしまい、Ｔｉの炭硫化物の生成が抑制されてしま
うためである。 【００２６】 （ｈ）Ｎ量を規制した鋼に適正量のＴｉ
を含有させて熱間加工の条件を適正化すれば、靱性を飛
躍的に向上させることができる。これは、熱間加工にお
ける加熱時に未固溶で存在するＴｉ炭硫化物によってオ
ーステナイト粒の成長が抑制されるために熱間加工後に
微細な組織が得られ、この組織の微細化によって強靭化
することに基づくものである。なお、前記(2) 式の値が
２．５以上の場合にはＭｎＳがほぼ消失するとともにＴ
ｉ量にともなってＴｉＣの生成量が増加し、このＴｉＣ
もオーステナイト領域でのピンニング効果を有するので
熱間加工後の組織は一層微細化する。このため、非調質
鋼材の場合、その主たる組織が特定の、ベイナイト又は
フェライト・ベイナイトからなり、前記(2) 式の値が
２．５以上であれば一層良好な強度−靱性バランスを確
保することができる。 【００２７】本発明は上記の知見に基づいて完成された
ものである。 【００２８】以下、本発明の各要件について詳しく説明
する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味す
る。 【００２９】（Ａ）鋼材の化学組成 Ｃ：０．０５〜０．３％ Ｃは、強度を確保するのに有効な元素である。その効果
を確保するためには０．０５％以上の含有量を必要とす
る。しかし、０．３％を超えて含有するとパーライト組
織が生成され靱性が低下するようになる。したがって、
Ｃの含有量を０．０５〜０．３％とした。なお、Ｃ含有
量は０．１０〜０．２４％とすることが好ましい。 【００３０】Ｓｉ：０．０５〜１．５％ Ｓｉは、鋼の脱酸促進作用と焼入れ性を高める作用を有
する。更に、Ｓｉ含有量の増加に伴い切削時の切り屑表
面の潤滑作用が高まって工具寿命が延びるので、被削性
を改善する作用も有する。しかし、その含有量が０．０
５％未満では添加効果に乏しく、一方、１．５％を超え
ると前記効果が飽和するばかりか却って靱性が劣化する
ようになるので、その含有量を０．０５〜１．５％とし
た。なお、Ｓｉの好ましい含有量は０．５〜１．３％で
ある。 【００３１】Ｓ：０．００２〜０．２％ Ｓは、ＣとともにＴｉと結合してＴｉの炭硫化物を形成
し、被削性を高める作用を有する。しかし、その含有量
が０．００２％未満では所望の効果が得られず、０．２
％を超えるとＭｎＳが過剰に生成するのでＴｉ炭硫化物
による被削性向上効果が低下してしまう。したがって、
Ｓの含有量を０．００２〜０．２％とした。なお、Ｓ含
有量は被削性向上の点から０．００５％以上とし、又、
靱性の劣化を防止する点から０．１７％以下とすること
が好ましい。 【００３２】Ｔｉ：０．０６〜１．０％ Ｔｉは本発明において重要な元素であって、Ｃ及びＳと
結合してＴｉの炭硫化物を形成し、被削性を高める作用
を有する。しかし、その含有量が０．０６％未満では所
望の効果が得られない。一方、１．０％を超えて含有さ
せてもＴｉ炭硫化物による被削性向上効果が飽和してコ
ストが嵩むばかりか、炭硫化物が粗大化して却って靱性
の低下を招く。したがって、Ｔｉの含有量を０．０６〜
１．０とした。なお、良好な被削性と靱性を安定して得
るためには、Ｔｉの含有量を０．０６〜０．８％とする
ことが好ましい。 【００３３】Ａｌ：０．００５〜０．０５％ Ａｌは、強力な脱酸作用を持つ元素である。その効果を
確保するためには０．００５％以上の含有量を必要とす
る。しかし、０．０５％を超えて含有させてもその効果
が飽和しコストが嵩むばかりである。したがって、Ａｌ
の含有量を０．００５〜０．０５％とした。なお、Ａｌ
含有量は０．００５〜０．０４％とすることが好まし
い。 【００３４】 Ｎ：０．００８％以下 本発明においてはＮの含有量を低く制御することが極め
て重要である。すなわち、ＮはＴｉとの親和力が大きい
ために容易にＴｉと結合してＴｉＮを生成し、Ｔｉを固
定してしまうので、Ｎを多量に含有する場合には前記し
たＴｉの炭硫化物の被削性向上効果が充分に発揮できな
いこととなる。更に、粗大なＴｉＮは靱性を低下させ
る。Ｎ含有量が０．００８％以下で、且つ前述の(2) 式
で表されるｆｎ２が２以上の場合に前記したＴｉ炭硫化
物の効果（被削性向上効果及びピンニング効果）が確保
される。なお、Ｔｉ炭硫化物の効果を高めるために、Ｎ
含有量の上限は０．００６％とすることが好ましい。 【００３５】Ｖ：０〜０．３０％ Ｖは添加しなくても良い。添加すれば、微細な窒化物や
炭窒化物として析出し、鋼の強度を高めるとともに、切
削時に切り屑の潤滑性を高めて被削性を向上させる作用
を有する。こうした効果を確実に得るには、Ｖは０．０
５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その
含有量が０．３０％を超えると析出物が粗大化するので
前記の効果が飽和したり、靱性が低下したりする。更
に、原料コストも嵩むばかりである。したがって、Ｖの
含有量を０〜０．３０％とした。 【００３６】Ｎｂ：０〜０．１％ Ｎｂは添加しなくても良い。添加すれば、微細な炭窒化
物として析出し、オ−ステナイト粒の粗大化を防止する
とともに、鋼の強度、靱性を向上させる効果を有する。
この効果を確実に得るには、Ｎｂは０．００５％以上の
含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が
０．１％を超えると前記の効果が飽和するばかりか、粗
大な硬質の炭窒化物が生じて工具を損傷し、被削性の低
下を招く。したがって、Ｎｂの含有量を０〜０．１％と
した。 【００３７】Ｍｏ：０〜０．５０％ Ｍｏは添加しなくても良い。添加すれば、ベイナイトの
生成を容易にし、且つ、組織を微細化して鋼の強度、靱
性を向上させる効果を有する。この効果を確実に得るに
は、Ｍｏの含有量は０．０５％以上とすることが好まし
い。しかし、その含有量が０．５０％を超えると熱間加
工後の組織が却って異常粗大化し、靱性が低下してしま
う。このため、Ｍｏの含有量を０〜０．５０％とした。 【００３８】Ｃｕ：０〜１．０％ Ｃｕは添加しなくても良い。添加すれば、靱性を低下さ
せることなく鋼の強度を高め、更に被削性を高める効果
を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．２％
以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有
量が１．０％を超えると熱間加工性が劣化することに加
えて、析出物が粗大化して前記の効果が飽和したり靱性
が低下したりする。更に、コストも嵩むばかりである。
したがって、Ｃｕの含有量を０〜１．０％とした。 【００３９】Ｂ：０〜０．０２％ Ｂは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性が向上
して鋼の強度、靱性を向上させる効果を有する。この効
果を確実に得るには、Ｂの含有量は０．０００３％以上
とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０２
％を超えると前記の効果が飽和したり、却って靱性が低
下したりする。このため、Ｂの含有量を０〜０．０２％
とした。 【００４０】Ｎｄ：０〜０．１％ Ｎｄは添加しなくても良い。添加すれば、Ｎｄ₂Ｓ₃とし
てチップブレーカーの作用を有し被削性を向上させる効
果を有する。更に、Ｎｄ₂Ｓ₃が溶鋼の比較的高温域で微
細に分散して生成することにともなって、ＭｎＳが微細
に分散析出し、この微細に分散析出したＭｎＳのピンニ
ング効果により後工程での熱間加工のための加熱時にお
けるオーステナイト粒の成長が抑制されて組織が微細化
し、これによって鋼が高強度・高靱性化する効果もあ
る。前記の効果を確実に得るには、Ｎｄは０．００５％
以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有
量が０．１％を超えるとＮｄ₂Ｓ₃自体が粗大化して却っ
て靱性の低下をきたす。したがって、Ｎｄの含有量を０
〜０．１％とした。なお、Ｎｄ含有量の好ましい上限値
は０．０８％である。 【００４１】Ｐｂ：０〜０．５０％ Ｐｂは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性、
なかでも切り屑処理性を一段と高める作用がある。この
効果を確実に得るには、Ｐｂは０．０５％以上の含有量
とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５０
％を超えると前記の効果が飽和するばかりか、却って粗
大介在物を生成して靱性の低下をきたす。更に、Ｐｂの
多量の添加は熱間加工性の劣化を招き、特に含有量が
０．５０％を超えると鋼材の表面に疵が生じてしまう。
したがって、Ｐｂの含有量を０〜０．５０％とした。 【００４２】Ｃａ：０〜０．０１％ Ｃａは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
大きく高める作用がある。この効果を確実に得るには、
Ｃａは０．００１％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、その含有量が０．０１％を超えると前記の
効果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成して
靱性の低下をきたす。したがって、Ｃａの含有量を０〜
０．０１％とした。 【００４３】Ｓｅ：０〜０．５％ Ｓｅは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
一段と向上させる効果を有する。この効果を確実に得る
には、Ｓｅは０．１％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、その含有量が０．５％を超えると前記の効
果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成して靱
性の低下をきたす。したがって、Ｓｅの含有量を０〜
０．５％とした。 【００４４】Ｔｅ：０〜０．０５％ Ｔｅも添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
一段と高める効果を有する。この効果を確実に得るに
は、Ｔｅは０．００５％以上の含有量とすることが好ま
しい。しかし、その含有量が０．０５％を超えると前記
の効果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成し
て靱性の低下をもたらす。更に、Ｔｅの多量の添加は熱
間加工性の著しい劣化を招き、特に含有量が０．０５％
を超えると鋼材の表面に疵が生じてしまう。したがっ
て、Ｔｅの含有量を０〜０．０５％とした。 【００４５】Ｂｉ：０〜０．４％、 Ｂｉは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の被削性を
大きく向上させる効果を有する。この効果を確実に得る
には、Ｂｉは０．０５％以上の含有量とすることが好ま
しい。しかし、その含有量が０．４％を超えると前記の
効果が飽和するばかりか、却って粗大介在物を生成して
靱性の低下をきたす。更に、熱間加工性が劣化するので
鋼材の表面に疵が生じてしまう。したがって、Ｂｉの含
有量を０〜０．４％とした。 【００４６】 ｆｎ１：２．５〜４．５％ 前述の(1) 式で表されるｆｎ１は鋼の組織及び靱性と相
関を有し、この値が２．５〜４．５％の場合に非調質鋼
の主たる組織がベイナイト又はフェライト・ベイナイト
になって良好な強度−靱性バランスが得られる。 【００４７】 ｆｎ１に関するＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＮ
ｉは鋼の焼入れ性を高める効果を有するが、このｆｎ１
の値が２．５％未満では所望の焼入れ性向上効果が得ら
れないのでパーライトの生成量が増加して靱性が低下す
る。一方、ｆｎ１の値が４．５％を超えると焼入れ性が
高くなりすぎて島状マルテンサイト組織の生成を促進
し、却って靱性が低下するようになる。したがって、本
発明では(1) 式で表されるｆｎ１に関して２．５％≦ｆ
ｎ１≦４．５％と規定した。Ｍｎは０．４〜３．５％、
Ｃｒは０〜３．０％、Ｎｉは０〜２．０％の含有量と
し、これらの範囲内で、上記ｆｎ１が２．５〜４．５％
を満足するように調整すれば良い。 【００４８】 ｆｎ２：≧２ Ｎ含有量が０．００８％以下で、前述の(2) 式で表され
るｆｎ２が２以上の場合にＴｉ炭硫化物の被削性向上効
果とピンニング効果を同時に確保することができる。更
に、(2) 式の値が２以上であれば、非調質鋼材において
は、その主たる組織が後述する特定の、ベイナイト又は
フェライト・ベイナイトの場合に良好な強度−靱性バラ
ンスを確保することもできる。 【００４９】ｆｎ２＜２の場合は、Ｓ量が過剰となるた
めＭｎＳが過剰生成してＴｉ炭硫化物による被削性向上
効果が低下するとともに、熱間加工のための加熱時にい
ずれも未固溶で存在するＴｉＣと、ＭｎＳよりも微細に
分散生成するＴｉ炭硫化物とが減少してしまうい、オー
ステナイト粒ピンニング効果が充分に得られず組織が粗
大化して靱性が低下してしまうのである。 【００５０】 なお、既に述べたように前記(2) 式の値
が２．５以上の場合にはＭｎＳがほぼ消失するとともに
Ｔｉ量にともなってＴｉＣの生成量が増加し、このＴｉ
Ｃもオーステナイト領域でのピンニング効果を有するの
で熱間加工後の組織は一層微細化する。このため、非調
質鋼材の場合には、その主たる組織が後述する特定の、
ベイナイト又はフェライト・ベイナイトからなり、前記
(2) 式の値が２．５以上であれば一層良好な強度−靱性
バランスを確保することができるので、ｆｎ２≧２．５
とすることが好ましい。このｆｎ２の値の上限は特に規
定されるものではなく、Ｔｉが１．０％でＳが０．００
２％の場合の値の５００であっても良い。 【００５１】なお、Ｐは粒界偏析を起こして靱性を著し
く劣化させるので、本発明鋼中の不純物元素としてのＰ
は、鋼の靱性確保の点から０．０５％以下とすることが
好ましい。 【００５２】（Ｂ）鋼材の組織 上記の化学組成を有する鋼の被削性をＴｉ炭硫化物によ
って高めるとともに良好な強度−靱性バランスをも確保
するためには、鋼の組織の９０％以上をベイナイト又は
フェライト・ベイナイトとし、且つ、旧オーステナイト
粒がＪＩＳ粒度番号５以上の組織とする必要がある。そ
のための製造方法としては例えば、鋼片を１０５０を超
えて１３００℃以下の温度に加熱してから、例えば熱間
鍛造などの熱間加工を行い、９００℃以上の温度で仕上
げた後６０℃／分以下の冷却速度で、少なくとも３００
℃まで空冷又は放冷する処理がある。なお、前記（Ａ）
の化学組成は熱間加工後に鋼材を上記の条件で冷却すれ
ば所望の組識（９０％以上がベイナイト又はフェライト
・ベイナイトで、且つ、旧オーステナイト粒がＪＩＳ粒
度番号５以上である組織）が生成するように配慮された
ものである。 【００５３】既に述べたように「旧オーステナイト粒」
とは、加熱と熱間加工を受けベイナイトやフェライトな
どが変態生成する直前のオーステナイト粒のことをい
う。本発明で規定する９０％以上がベイナイト又はフェ
ライト・ベイナイト組織を有する非調質鋼材の場合に
は、ナイタル腐食して光学顕微鏡で観察することによっ
てこの旧オーステナイト粒を容易に判定できる。 【００５４】なお、非調質鋼材が前記の組織を有すると
ともに、Ｔｉ炭硫化物に関して、その最大直径が１０μ
ｍ以下で、且つ、その量が清浄度で０．０５％以上であ
る場合には、特に優れた強度−靱性バランスと良好な被
削性が得られる。 【００５５】上記の熱間加工と冷却を行った後に２００
〜７００℃の温度で２０〜１５０分程度加熱する時効処
理を行えば特に強度−靱性バランスが優れたものとな
る。 【００５６】 【実施例】 （実施例１）表１〜４に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇ
真空溶解炉を用いて溶製した。なお、Ｔｉ酸化物の生成
を防いでＴｉ炭硫化物のサイズと清浄度を調整するため
に、Ｓｉ及びＡｌで充分脱酸し種々の元素を添加した最
後にＴｉを添加した。 【００５７】表１、表２における鋼１〜２４は本発明例
の鋼、表３、表４における鋼２５〜４８は成分のいずれ
かが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の
鋼である。 【００５８】 【表１】 【００５９】 【表２】【００６０】 【表３】 【００６１】 【表４】【００６２】次いで、これらの鋼を１２５０℃に加熱し
てから１０００℃で仕上げる熱間鍛造を行って直径２０
ｍｍの丸棒及び板厚１２ｍｍの鋼板を作製した。これ
は、直径２０ｍｍの丸棒と板厚１２ｍｍの鋼板が同様の
組織を呈するためである。なお、熱間鍛造後の冷却条件
を冷却速度が５〜３５℃／分となるように空冷又は放冷
して３００℃まで冷却し、丸棒及び鋼板の組織を調整し
た。 【００６３】上記のようにして得られた丸棒の中心部か
ら、ＪＩＳ１４Ａ号の引張試験片及びＪＩＳ３号の２ｍ
ｍＵノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、室温での引
張強度とシャルピー吸収エネルギーを調査した。 【００６４】又、鍛造軸に平行に中心線を通って切断し
て縦断試験片を採取し、鏡面研磨した３００ｍｍ² の被
検面をナイタルで腐食して倍率１００倍で光学顕微鏡に
よる組識観察を行い組織（相）とその割合を調査した。
又、倍率４００倍で光学顕微鏡観察して旧オーステナイ
ト粒度を測定した。 【００６５】ドリル穿孔試験による被削性の評価も行っ
た。すなわち、前記の厚さ１２ｍｍに仕上げた鋼板を平
面研削して１０ｍｍ厚さまで減厚し、これを試験片とし
てその厚さ方向に貫通孔をあけ、刃先摩損により穿孔不
能となった時の貫通孔の個数を数え、被削性の評価を行
った。穿孔条件はＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１のφ５
ｍｍテーパードリルを使用し、水溶性の潤滑剤を用い
て、送り０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、回転数９８０ｒｐｍで
行った。 【００６６】表５、表６に上記の各種試験の結果を示
す。なお、表の組織欄における組織の割合（％）は、光
学顕微鏡観察した時の組織中にフェライトが含まれない
場合のベイナイトの占める割合、又はベイナイトとフェ
ライトが混在する組織におけるフェライトとベイナイト
の占める割合の和を意味する。 【００６７】 【表５】【００６８】 【表６】【００６９】図１に本発明例の鋼である鋼１〜２４並び
に、比較例の鋼である鋼２５、鋼３１〜３３及び鋼３５
〜４８の引張強度と衝撃値の関係を示す。又、図２に本
発明例の鋼である鋼１〜２４並びに、比較例の鋼である
鋼２６〜３０、鋼３２及び鋼３４の引張強度と被削性の
関係を示す。 【００７０】表５、表６及び図１、図２から、本発明例
の鋼１〜２４は各々の強度レベルでの靱性（衝撃値）及
び被削性（貫通孔の数）が良好であることが明らかであ
る。 【００７１】これに対して比較例の鋼の場合には、各々
の強度レベルでの靱性と被削性の少なくともいずれかが
劣っている。すなわち、鋼２５、鋼３１、鋼３３及び鋼
３５〜４８は靱性が、鋼２６〜３０及び鋼３４は被削性
が、鋼３２は靱性と被削性の両特性が劣っている。 【００７２】（実施例２）上記の実施例１で得た本発明
例の鋼１〜５及び鋼１１〜１７の直径２０ｍｍの丸棒及
び板厚１２ｍｍの鋼板をそれぞれ表７に示す温度で時効
処理した。 【００７３】このようにして得られた丸棒の中心部か
ら、実施例１の場合と同様にＪＩＳ１４Ａ号の引張試験
片及びＪＩＳ３号の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験
片を採取し、室温での引張強度とシャルピー吸収エネル
ギーを調査した。又、前記の厚さ１２ｍｍの鋼板を平面
研削して１０ｍｍ厚さまで減厚し、実施例１の場合と同
様にドリル穿孔試験による被削性の評価を行った。 【００７４】表７に各種の試験結果を併せて示す。 【００７５】 【表７】【００７６】表７から本発明例の鋼に関してはこれに２
００〜７００℃で時効処理を行えば特に強度−靱性バラ
ンスが優れたものとなることが明らかである。 【００７７】 【発明の効果】本発明の高強度高靱性快削非調質鋼材は
優れた靱性と被削性を兼ね備えているので、機械構造部
品などの素材として利用することができる。この高強度
高靱性快削非調質鋼材は比較的容易に低コストで製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】実施例で用いた本発明例の鋼である鋼１〜２４
並びに、比較例の鋼である鋼２５、鋼３１〜３３及び鋼
３５〜４８の引張強度と衝撃値の関係を示した図であ
る。 【図２】実施例で用いた本発明例の鋼である鋼１〜２４
並びに、比較例の鋼である鋼２６〜３０、鋼３２及び鋼
３４の引張強度と被削性の関係を示した図である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−20917（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−302116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−52020（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−212349（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−27685（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭34−2405（ＪＰ，Ｂ１) 「材料とプロセス」ｖｏｌ．７ （1994）Ｎｏ．６、日本鉄鋼協会，Ｐ. 1839 「材料とプロセス」ｖｏｌ．７ （1994）Ｎｏ．３、日本鉄鋼協会、Ｐ. 819 「材料とプロセス」ｖｏｌ．９ （1996）Ｎｏ．３、日本鉄鋼協会、Ｐ. 378〜381

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．３％、Ｓ
   ｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜３．５％、
   Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｔｉ：０．０６〜１．０
   ％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００８％
   以下、Ｃｒ：０〜３．０％、Ｎｉ：０〜２．０％、Ｖ：
   ０〜０．３０％、Ｎｂ：０〜０．１％、Ｍｏ：０〜０．
   ５０％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｂ：０〜０．０２％、Ｎ
   ｄ：０〜０．１％、Ｐｂ：０〜０．５０％、Ｃａ：０〜
   ０．０１％、Ｓｅ：０〜０．５％、Ｔｅ：０〜０．０５
   ％、Ｂｉ：０〜０．４％、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＮｉに
   関する下記(1) 式で表されるｆｎ１が２．５％≦ｆｎ１
   ≦４．５％、Ｔｉ及びＳに関する下記(2) 式で表される
   ｆｎ２がｆｎ２≧２、残部はＦｅ及び不可避不純物から
   なる組成であって、組織の９０％以上がベイナイト又は
   フェライト・ベイナイトで、且つ、旧オーステナイト粒
   がＪＩＳ粒度番号５以上であることを特徴とする高強度
   高靱性快削非調質鋼材。ｆｎ１＝０．５Ｓｉ＋Ｍｎ＋
   １．１３Ｃｒ＋１．９８Ｎｉ・・・・・(1) ｆｎ２＝Ｔｉ／Ｓ・・・・・(2) 但し、各式中の元素記号はその元素の重量％での含有量
   を表す。