JP3489434B2 - 高強度快削非調質鋼材 - 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−被削性バランスを
有する、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、高い引張強度と疲労強度（以下、
引張強度と疲労強度を単に「強度」という場合もある）
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】一般に鋼材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材の場合
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材
にあっては被削性が悪いことが知られている。又、Ｐ
ｂ、Ｔｅ、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、所望の強度、なかでも疲労強度を確
保できないことが多い。 【０００５】こうした状況の下、例えば、特開平２−１
１１８４２号公報と特開平６−２７９８４９号公報に
は、鋼中のＣを黒鉛として存在させ、この黒鉛の切欠き
並びに潤滑効果を利用することによって被削性を向上さ
せた「被削性、焼入性に優れた熱間圧延鋼材」と「被削
性に優れた機械構造用鋼の製造方法」がそれぞれ提案さ
れている。 【０００６】しかし、特開平２−１１１８４２号公報に
提案された鋼材は、Ｂを添加しＢ窒化物（ＢＮ）を黒鉛
化の核として黒鉛化を促進させるものであって、Ｂの添
加が必須であるため凝固時に割れを生じ易いという問題
を含んでいる。一方、特開平６−２７９８４９号公報に
記載の方法は、Ａｌ添加とともに鋼中Ｏ（酸素）を低く
規制することで熱間圧延ままで黒鉛化を促進させるもの
であるが、熱間圧延後に黒鉛化焼なまし処理を施す必要
があるため、必ずしも経済的とはいえないものである。
更に、前記した２つの公報における提案はいずれも黒鉛
化を活用したものであるため、所定の形状に加工した機
械構造部品などに所望の機械的特性を付与するために
は、必ず焼入れ焼戻しの調質処理を施さねばならず、
「非調質化」と「高強度鋼の被削性の向上」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。 【０００７】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。 【０００８】又、硫黄快削鋼の硫化物形態制御の目的で
Ｚｒが添加されることがあるが、例えば、鉄と鋼（ｖｏ
ｌ．６２（１９７６年）ｐ．８８５）に記されているよ
うに、Ｚｒは被削性に対してはほとんど影響を及ぼさな
い。つまり、鋼に単にＺｒを添加するだけでは被削性は
向上するものではない。 【０００９】 【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、
それも焼戻しを含めて熱処理を行うことなく非調質のま
まで高い強度を有し、しかもその強度レベルで被削性が
良好な、つまり強度−被削性バランスに優れた機械構造
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。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記に
示す高強度快削非調質鋼材にある。 【００１１】 すなわち、「重量％で、Ｃ：０．２〜
０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜
２．０％、Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｔｉ：０〜１．
０％、Ｚｒ：０〜１．０％で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ
（％）：０．０４〜１．０％、Ｎｉ：０．０２〜０．５
％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００８％
以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｖ：０〜０．３％、Ｎｂ：
０〜０．０５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．８
％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｎｄ：０〜０．１％、Ｐｂ：
０〜０．５０％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｓｅ：０〜
０．５％、Ｔｅ：０〜０．０５％及びＢｉ：０〜０．４
％を含み、下記 (1) 式で表されるｆｎ１が０％を超え、
残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、更に鋼中の
Ｔｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の最大直径が１０μｍ以
下で、且つ、その量の和が清浄度で０．０５％以上で、
組織の９０％以上がフェライト・パーライト組織である
高強度快削非調質鋼材。 【００１２】 ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．
２Ｓ（％）・・・・・(1)」である。 【００１３】なお、本発明でいう「Ｔｉ炭硫化物」には
単なるＴｉ硫化物を、又、「Ｚｒ炭硫化物」には単なる
Ｚｒ硫化物をそれぞれ含むものとする。又、「（Ｔｉ及
びＺｒの炭硫化物の）最大直径」とは「個々のＴｉ及び
Ｚｒの炭硫化物における最も長い径」のことを指す。Ｔ
ｉ炭硫化物の清浄度やＺｒ炭硫化物の清浄度は、光学顕
微鏡の倍率を４００倍として、JIS G 0555に規定された
「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」によって６０視
野測定した値をいう。 【００１４】フェライト・パーライト組織とは、フェラ
イトとパーライトとが混合した組織をいう。 【００１５】本発明者らは、非調質鋼材の化学組成及び
組織について研究を重ねた結果、ＴｉとＺｒの少なくと
もいずれかを添加した鋼を熱間加工した後、適正な冷却
速度で冷却して、その組織を主としてフェライト・パー
ライト組織からなるものにすれば、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、下記の事項を知見した。 【００１６】（ａ）Ｓとのバランスを考慮して鋼にＴｉ
とＺｒのいずれかを積極的に添加すると、鋼中にＴｉ炭
硫化物あるいはＺｒ炭硫化物が形成され、Ｔｉ及びＺｒ
を添加すると、鋼中にはＴｉ炭硫化物とＺｒ炭硫化物と
が形成される。 【００１７】（ｂ）鋼中に上記したＴｉ炭硫化物やＺｒ
炭硫化物が生成すると、ＭｎＳの生成量が減少する。 【００１８】（ｃ）鋼中のＳ含有量が同じ場合には、Ｔ
ｉ炭硫化物やＺｒ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炭硫化物やＺｒ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。 【００１９】（ｄ）Ｔｉ炭硫化物やＺｒ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やＺ
ｒＮとしてＴｉやＺｒが固定されてしまい、Ｔｉ炭硫化
物やＺｒ炭硫化物の生成が抑制されてしまうためであ
る。 【００２０】（ｅ）Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物によっ
て被削性を高めるとともに大きな強度、特に、大きな疲
労強度を確保するためには、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化
物のサイズと、その清浄度で表される量（以下、単に
「清浄度」という）を適正化しておくことが重要であ
る。 【００２１】（ｆ）製鋼時に生成したＴｉ炭硫化物やＺ
ｒ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。 【００２２】（ｇ）Ｎ量を規制した鋼に適正量のＴｉや
Ｚｒを含有させて熱間加工の条件を適正化すれば、主と
してフェライト・パーライトからなる組織のＴＳをそれ
ほど上げることなく、疲労強度を飛躍的に向上させるこ
とができる。これは、（イ）冷却中に微細なＴｉＣやＺ
ｒＣが析出してフェライトが強化することと、（ロ）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、Ｚｒ炭硫化物、ＴｉＣやＺｒＣによってオーステナ
イト粒の成長が抑制されることで微細な組織が得られ、
この組織の微細化によって強化することに基づくもので
ある。 【００２３】本発明は上記の知見に基づいて完成された
ものである。 【００２４】 【発明の実施の形態】以下、本発明の各要件について詳
しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「重
量％」を意味する。 【００２５】（Ａ）鋼材の化学組成 Ｃ：Ｃは、ＳとともにＴｉやＺｒと結合してＴｉ炭硫化
物やＺｒ炭硫化物を形成し、被削性を高める作用を有す
る。Ｃは、鋼の強度を確保するのにも有効な元素であ
る。フェライト・パーライト組織の場合に、前記の効果
を確保するためにはＣは０．２％以上の含有量を必要と
する。しかし、０．６％を超えて含有するとフェライト
・パーライト組織におけるフェライト相の体積率が低下
し、それに伴ってフェライト強化の効果が薄れて疲労強
度が低下するとともに硬いパーライト相により被削性も
劣化するようになる。したがって、Ｃの含有量を０．２
〜０．６％とした。なお、Ｃ含有量は０．２５〜０．５
％とすることが好ましい。 【００２６】Ｓｉ：Ｓｉは、鋼の脱酸及びフェライト相
を強化する作用がある。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０．０５％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
って被削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。 【００２７】Ｍｎ：Ｍｎは、固溶強化によって疲労強度
を向上させる効果がある。しかし、その含有量が０．４
％未満では所望の効果が得られず、２．０％を超えると
この効果が飽和するだけでなく、むしろ焼入れ性が高く
なりすぎてベイナイト組織あるいは島状マルテンサイト
組織の生成を促進し、降伏比（降伏強度／引張強度）が
低下するようになる。したがって、Ｍｎの含有量を０．
４〜２．０％とした。なお、Ｍｎ含有量は０．５〜１．
７％とすることが好ましい。 【００２８】Ｓ：Ｓは、ＣとともにＴｉやＺｒと結合し
てＴｉ炭硫化物やＺｒ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ない。一方、０．２％を超え
るとＭｎＳが過剰且つ粗大に生成するのでＴｉ炭硫化物
やＺｒ炭硫化物による被削性向上効果は飽和し、更に、
疲労強度が低下してしまう。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０．０
２〜０．１７％とすることが好ましい。 【００２９】Ｔｉ、Ｚｒ：Ｔｉ、Ｚｒは本発明において
重要な元素であって、それぞれＣ及びＳと結合してＴｉ
炭硫化物やＺｒ炭硫化物を形成し、被削性を高める作用
を有する。 【００３０】 上記の効果は、ＴｉとＺｒの含有量に関
し、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値が０．０４％以上の場
合に確実に得られる。しかし、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）
の値で１．０％を超えるＴｉとＺｒを含有させても被削
性向上効果は飽和するのでコストが嵩んでしまう。な
お、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値が０．０４〜１．０％
でありさえすれば良いので、必ずしもＴｉとＺｒを複合
して含有させる必要はない。即ち、ＴｉおよびＺｒは、
それぞれ０〜１．０％の範囲で、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ
（％）の値が０．０４〜１．０％となるように含有され
れば良い。Ｚｒを添加しない、つまりＴｉを単独で添加
する場合に、Ｔｉを１．０％を超えて含有させると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
ばかりとなる。更に、Ｔｉ炭硫化物が粗大化して疲労強
度の低下が生ずる。逆に、Ｔｉを添加しない、つまりＺ
ｒを単独で添加する場合に、Ｚｒを１．０％を超えて含
有させるとＺｒ炭硫化物による被削性向上効果が飽和し
てコストが嵩んでしまうし、Ｚｒ炭硫化物が粗大化して
疲労強度の低下を招くことにもなる。したがって、本発
明にあっては、ＴｉとＺｒの含有量をいずれも０〜１．
０％で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値を０．０４
〜１．０％とした。なお、安定して被削性を向上させる
ためには、ＴｉとＺｒの含有量の上限はそれぞれ０．８
％とすることが好ましい。 【００３１】Ｎｉ：Ｎｉは、鋼の靭性を高める作用を有
する。しかし、その含有量が０．０２％未満では添加効
果に乏しい。一方、０．５％を超えて含有させても前記
の効果は飽和して経済性を損なう。したがって、Ｎｉの
含有量を０．０２〜０．５％とした。Ａｌ：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。 【００３２】 Ｎ： 本発明において、Ｎの含有量はできるだけ低い方が良
い。すなわち、ＮはＴｉやＺｒとの親和力が大きいため
に容易にＴｉやＺｒと結合してＴｉＮやＺｒＮを生成
し、ＴｉやＺｒ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炭硫化物やＺｒ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。特に、
ＴｉやＺｒの含有量が低めの場合には、Ｎ含有量の影響
が顕著となる。更に、粗大なＴｉＮやＺｒＮは靱性を低
下させる。Ｎ含有量が０．００８％以下で、且つ前述の
(1) 式で表されるｆｎ１が正の値の場合に前記したＴｉ
炭硫化物とＺｒ炭硫化物の効果が確保される。したがっ
て、Ｎの含有量を０．００８％以下とした。なお、Ｔｉ
炭硫化物とＺｒ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。 【００３３】Ｃｒ：Ｃｒは添加しなくても良い。添加す
れば、固溶強化によって疲労強度を向上させる効果があ
る。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．０３％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
２．０％を超えると前記の効果が飽和するだけでなく、
むしろ焼入れ性が高くなりすぎてベイナイト組織あるい
は島状マルテンサイト組織の生成を促進し、降伏比が低
下するようになる。したがって、Ｃｒの含有量を０〜
２．０％とした。なお、Ｃｒを添加する場合にはその含
有量を０．０５〜１．５％とすることがより好ましい。 【００３４】Ｖ：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、
特に疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を確
実に得るには、Ｖ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０．３％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、却っ
て低下したりする。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０〜０．３％とした。 【００３５】Ｎｂ：Ｎｂ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、オ−ステ
ナイト粒の粗大化を防止するとともに、鋼の強度、特に
疲労強度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０．０５％を超える
と前記の効果が飽和するばかりか、粗大な窒化物が生じ
て工具を損傷し、被削性の低下を招く。したがって、Ｎ
ｂの含有量を０〜０．０５％とした。 【００３６】Ｍｏ：０〜０．５％Ｍｏは添加しなくても
良い。添加すれば、フェライト・パーライト組織を微細
化して鋼の強度、特に疲労強度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０．０
５％以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が
０．５％を超えると熱間加工後の組織が却って異常粗大
化し、疲労強度が低下してしまう。このため、Ｍｏの含
有量を０〜０．５％とした。 【００３７】Ｗ：Ｗは添加しなくても良い。添加すれ
ば、フェライト・パーライト組織を微細化して鋼の強
度、特に疲労強度を向上させる効果を有する。この効果
を確実に得るには、Ｗ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０．８％を超え
ると熱間加工後の組織が却って異常粗大化し、疲労強度
が低下してしまう。このため、Ｗの含有量を０〜０．８
％とした。 【００３８】Ｃｕ：０〜１．０％Ｃｕは添加しなくても
良い。添加すれば、析出強化により鋼の強度、特に疲労
強度を向上させる効果を有する。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
効果が飽和したり却って低下したりする。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】Ｎｄ：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を微細に分散析出させてフェライト生成核
密度を高め、フェライト量を増加させるとともにフェラ
イト粒を微細化して、微細なフェライト・パーライト組
織として鋼を高強度・高靭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疲労強度
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。 【００４０】Ｐｂ：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疲労強度の低下
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％を超えると熱間加工し
た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。 【００４１】Ｃａ：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
介在物を生成して疲労強度の低下をきたす。したがっ
て、Ｃａの含有量を０〜０．０１％とした。 【００４２】Ｓｅ：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
介在物を生成して疲労強度の低下をきたす。したがっ
て、Ｓｅの含有量を０〜０．５％とした。 【００４３】Ｔｅ：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疲労強度の低下をもたらす。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％を超えると熱間加工した鋼材の表
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。 【００４４】Ｂｉ：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疲労強度の低下をきたす。更に、熱
間加工性が劣化するので、熱間加工した鋼材の表面に疵
が生じてしまう。したがって、Ｂｉの含有量を０〜０．
４％とした。 【００４５】 ｆｎ１： Ｎ含有量が０．００８％以下で、前述の(1) 式で表され
るｆｎ１が０％を超える値（ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ
（％）−１．２Ｓ（％）＞０％）の場合に前記したＴｉ
炭硫化物とＺｒ炭硫化物の被削性向上効果が確保でき
る。ｆｎ１が０％以下の値（ｆｎ１≦０％）の場合に
は、Ｓ量が過剰となるため、その分ＭｎＳが過剰生成し
てＴｉ炭硫化物とＺｒ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、本発明では(1) 式で表さ
れるｆｎ１に関して０％を超える値（ｆｎ１＞０％）と
規定した。このｆｎ１の値の上限は特に規定されるもの
ではなく、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値が１．０％でＳ
が０．００２％の場合の値であっても良い。 【００４６】なお、Ｐは粒界偏析を起こして靭性を著し
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、鋼の靭性確保の点から０．０５％以下とすることが
好ましい。 【００４７】（Ｂ）Ｔｉ炭硫化物、Ｚｒ炭硫化物のサイ
ズと量 上記の化学組成を有する非調質鋼材の被削性をＴｉ炭硫
化物やＺｒ炭硫化物によって高めるとともに大きな強度
をも確保するためには、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物の
サイズと清浄度（ＴｉとＺｒを複合添加する場合にはＴ
ｉ炭硫化物とＺｒ炭硫化物の清浄度の和）で表される量
を適正化しておくことが重要である。 【００４８】鋼中のＴｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の最
大直径が１０μｍを超えると靭性が低下してしまう。な
お、Ｔｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の最大直径はいずれ
も７μｍ以下とすることが好ましい。Ｔｉ炭硫化物とＺ
ｒ炭硫化物は、それらの最大直径が小さすぎると被削性
向上効果が小さくなってしまう。したがって、Ｔｉ炭硫
化物とＺｒ炭硫化物の最大直径の下限値は０．５μｍ程
度とすることが好ましい。 【００４９】最大直径が１０μｍ以下のＴｉ炭硫化物及
びＺｒ炭硫化物の量の和が清浄度で０．０５％未満の場
合には、Ｔｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物による被削性向
上効果が発揮できない。したがって、Ｔｉ炭硫化物及び
Ｚｒ炭硫化物の最大直径が１０μｍ以下で、且つその量
の和を清浄度で０．０５％以上とした。なお、前記の清
浄度の和は０．０８％以上とすることが好ましい。上記
のＴｉ炭硫化物とＺｒ炭硫化物の清浄度の和の値が大き
すぎると靭性が低下してしまうので、上記の清浄度の和
の上限値は２．０％程度とすることが好ましい。 【００５０】上記したようなＴｉ炭硫化物とＺｒ炭硫化
物の形態は基本的にはＴｉ、Ｚｒ、Ｓ及びＮの含有量で
決定される。しかし、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物のサ
イズと清浄度（清浄度の和）を上述の値とするために
は、ＴｉやＺｒの酸化物が過剰に生成することを防ぐこ
とが重要である。このためには、鋼が前記（Ａ）項で述
べた化学組成を有しているだけでは充分でない場合があ
るので、例えば、Ｓｉ及びＡｌで充分脱酸し、最後にＴ
ｉやＺｒを添加する製鋼法を採れば良い。 【００５１】なお、Ｔｉ炭硫化物とＺｒ炭硫化物は、鋼
材から採取した試験片を鏡面研磨し、その研磨面を被検
面として倍率４００倍以上で光学顕微鏡観察すれば、色
と形状から容易に他の介在物と識別できる。すなわち、
前記の条件で光学顕微鏡観察すれば、Ｔｉ炭硫化物及び
Ｚｒ炭硫化物の「色」は極めて薄い灰色で、「形状」は
ＪＩＳのＢ系介在物やＣ系介在物に相当する粒状（球
状）として認められる。Ｔｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物
の詳細判定は、前記の被検面をＥＤＸ（エネルギー分散
型Ｘ線分析装置）などの分析機能を備えた電子顕微鏡で
観察することによって行うこともできる。 【００５２】前記のＴｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物の清浄
度は、既に述べたように、光学顕微鏡の倍率を４００倍
として、JIS G 0555に規定された「鋼の非金属介在物の
顕微鏡試験方法」によって６０視野測定した値をいう。
なお、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物の最大直径も、倍率
が４００倍の光学顕微鏡で６０視野観察して調査すれば
良い。 【００５３】又、既に述べたように、製鋼時に生成した
Ｔｉ炭硫化物やＺｒ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。したがって、オース
テナイト領域において所謂「ピン止め作用」が発揮され
るので、オーステナイト粒の粗大化防止にも有効であ
る。 【００５４】（Ｃ）鋼材の組織 前記（Ａ）項に記した化学組成、並びに、（Ｂ）項に記
したサイズ及び量（清浄度）のＴｉ炭硫化物やＺｒ炭硫
化物を有する非調質鋼材であっても、熱間加工後に常温
（室温）まで冷却した時、その組織がベイナイトやマル
テンサイトといった所謂「低温変態生成物」からなるも
のでは、被削性が劣化する場合がある。更に、熱間加工
後の冷却過程で、変態歪による曲がりが生じるため曲が
り取りの矯正工程が必要となりコストアップにつなが
る。したがって、良好な被削性を得るとともに変態歪を
小さくするためには鋼材の主な組織を、フェライト・パ
ーライト組織としなければならない。なお、組織中に占
める上記の「低温変態生成物」の割合が１０％未満であ
れば、前記した被削性の劣化や変態歪による曲がりや残
留応力の発生は大きな問題にはならない。したがって、
本発明においては、組織の９０％以上をフェライト・パ
ーライトからなるように規定した。そのための製造方法
としては例えば、鋼片を１０５０〜１３００℃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５００℃まで空冷あるいは放冷する処理
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、組織中に１０％を超える
「低温変態生成物」が生成しないように配慮されたもの
である。 【００５５】ところで、フェライト・パーライト組織に
おけるフェライトの体積分率が２０〜７０％で、且つフ
ェライトの結晶粒度がＪＩＳ粒度番号５以上の場合、特
に強度が優れたものとなる。 【００５６】 【実施例】表１〜３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酸化物及びＺｒ
酸化物の生成を防ぐために、Ｓｉ及びＡｌで充分脱酸し
種々の元素を添加した最後にＴｉとＺｒを添加して、Ｔ
ｉ炭硫化物とＺｒ炭硫化物のサイズと清浄度（清浄度の
和）を調整するようにした。 【００５７】表１〜３における鋼１〜５、鋼１５〜２
０、鋼２７〜３１及び鋼３７〜４６は化学組成が本発明
で規定する範囲内にある本発明例の鋼であり、鋼６〜１
４、鋼２１〜２６及び鋼３２〜３６はその成分のいずれ
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】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６０
ｍｍの丸棒を作製した。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４００℃まで冷却し、その後はミスト冷却した。 【００６２】こうして得られた丸棒の表面から１５ｍｍ
の位置（Ｒ／２部位置、Ｒは丸棒の半径）から、ＪＩＳ
１４Ａ号の引張試験片、小野式回転曲げ試験片（平行部
の直径が８ｍｍでその長さが１８．４ｍｍ）を採取し、
室温での引張強度と疲労強度（疲労限度）を調査した。
又、JIS G 0555の図３に則って試験片を採取し、鏡面研
磨した幅が１５ｍｍで高さが２０ｍｍの被検面を、倍率
が４００倍の光学顕微鏡で６０視野観察して、Ｔｉ炭硫
化物及びＺｒ炭硫化物を他の介在物と区分しながらその
清浄度（清浄度の和）も測定した。Ｔｉ炭硫化物及びＺ
ｒ炭硫化物の最大直径も、倍率が４００倍の光学顕微鏡
で６０視野観察して調査した。 【００６３】ドリル穿孔試験による被削性の評価も行っ
た。すなわち、直径６０ｍｍの丸棒を２５ｍｍの長さの
輪切りにしたものを用いてその長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φ５ｍｍ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／ｒｅ
ｖ、回転数９８０ｒｐｍで行った。 【００６４】表４、表５に、上記の各種試験の結果を示
す。なお、表の組織欄の「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」とした
部分において、ＴｉとＺｒとを複合添加した場合には
「最大直径」はいずれか大きい方の炭硫化物の値であ
り、清浄度は清浄度の和を意味する。 【００６５】 【表４】 【００６６】 【表５】 【００６７】表４、表５から、本発明例の鋼は高い強度
（引張強度と疲労強度）を有し、しかもその強度レベル
での被削性が良好である、つまり強度−被削性バランス
に優れていることが明らかである。 【００６８】これに対して比較例の鋼の場合には、疲労
強度、被削性（貫通孔の数）のうちのいずれか、あるい
は双方の特性が劣っている。 【００６９】 【発明の効果】本発明の快削非調質鋼材は優れた強度−
被削性バランスを有するので、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−157824（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−143045（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−228713（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−20917（ＪＰ，Ａ) 特公 昭34−2405（ＪＰ，Ｂ１) 「材料とプロセス」 ｖｏｌ．７ （1994）Ｎｏ．３ 日本鉄鋼協会、Ｐ. 819

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：
   ０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｓ：
   ０．００２〜０．２％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｚｒ：０
   〜１．０％で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０
   ４〜１．０％、Ｎｉ：０．０２〜０．５％、Ａｌ：０．
   ００５〜０．０５％、Ｎ：０．００８％以下、Ｃｒ：０
   〜２．０％、Ｖ：０〜０．３％、Ｎｂ：０〜０．０５
   ％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．８％、Ｃｕ：０
   〜１．０％、Ｎｄ：０〜０．１％、Ｐｂ：０〜０．５０
   ％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｓｅ：０〜０．５％、Ｔ
   ｅ：０〜０．０５％及びＢｉ：０〜０．４％を含み、下
   記 (1) 式で表されるｆｎ１が０％を超え、残部はＦｅ及
   び不可避不純物の化学組成で、更に鋼中のＴｉ炭硫化物
   及びＺｒ炭硫化物の最大直径が１０μｍ以下で、且つ、
   その量の和が清浄度で０．０５％以上で、組織の９０％
   以上がフェライト・パーライト組織である高強度快削非
   調質鋼材。 ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・・(1)