JP3644275B2 - 被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材及びその製造方法 - Google Patents
被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主たる組織がマルテンサイトとベイナイトの混合組織からなる被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材およびその製造法に関する。更に詳しくは、熱間での加工後に焼入れ焼戻しの所謂「調質処理」を施さなくとも、機械構造部品の素材として好適な、高い強度、大きな降伏比及び優れた靭性を有するマルテンサイト・ベイナイト型の被削性に優れた非調質鋼材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造部品、なかでも自動車、産業機械、土木建設機械などのエンジン部品としてのクランクシャフトやコンロッド、あるいはフォ−フリクトの爪などは、従来、機械構造用の炭素鋼（Ｓ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃなど）や合金鋼（ＳＣＭ４４０など）を用いて、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の形状に仕上げた後、焼入れ焼戻しの調質処理を施して所望の形状と性能を確保していた。
【０００３】
しかし、前記の調質処理を行うには多大の熱エネルギーを要するので製造コストが嵩む。そのため、省エネルギー及びコスト低減の観点から熱間加工のままで、熱間加工後に調質処理を施した場合と同等程度の特性を確保できる非調質鋼の開発が行われ、この非調質鋼を母材として各種の機械構造部品が製造されてきた。
【０００４】
特開平４−１７６８４２号公報には、ベイナイトあるいはベイナイト・フェライトの組織を有するベイナイト型の「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非調質鋼を母材とする熱間鍛造部品の場合、その実施例の記載からも明らかなように、高々８７ｋｇｆ／ｍｍ2 （８５３ＭＰａ）の引張強度と高々６５ｋｇｆ／ｍｍ2 （６３７ＭＰａ）の降伏強度しか得られない。したがって、更に高い強度が要求される部品に対しては適用し難いものである。
【０００５】
特開平４−２１０４４９号公報には、組織が主としてフェライト及びベイナイトで一部パーライトが共存する「高靭性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非調質鋼を母材とする熱間鍛造部品の場合も、その実施例の図１から明らかなように、高々７５ｋｇｆ／ｍｍ2 （７３５ＭＰａ）の引張強度と高々５５ｋｇｆ／ｍｍ2 （５３９ＭＰａ）の降伏強度しか得られない。したがって、更に高い強度が要求される部品に対しては適用し難いものである。
【０００６】
このため、調質処理を行わずとも各種の機械構造部品に高い強度、例えば７００ＭＰａ以上の降伏強度と１０００ＭＰａ以上の引張強度を確保でき、しかも良好な靭性と大きな降伏比を確保させる技術の開発が熱望されている。
【０００７】
又、近年、機械構造部品の高強度化に伴って、熱間加工後に所望の形状に成形するための切削加工のコストが嵩むという問題が生じている。このため、切削加工を容易にし、低コスト化を図るために被削性に優れた非調質鋼に対する要求がますます大きくなっている。
【０００８】
従来、被削性を高めるために、鋼にＰｂ、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ることが行われてきた。しかし、ＪＩＳ規格鋼である機械構造用鋼や、前記した特開平４−１７６８４２号公報や特開平４−２１０４４９号公報に記載されているような鋼に、単に上記の快削元素を添加しただけの場合には、所望の機械的性質、なかでも耐疲労特性を確保できないことが多い。
【０００９】
鉄と鋼（ｖｏｌ．５７（１９７１年）Ｓ４８４）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、Ｔｉの多量の添加はＴｉＮが多量に生成す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％、Ｓｉ：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。
【００１０】
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（ｖｏｌ．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。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、各種機械構造部品の素材として好適な、降伏強度が７００ＭＰａ以上、引張強度が１０００ＭＰａ以上で、０．６５以上の降伏比（降伏強度／引張強度）と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を確保することができ、しかも被削性に優れた非調質鋼材を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）に示すマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材及び（２）に示すその製造方法にある。
【００１３】
（１）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：０．１０％以下（０を含まない）、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下（０を含む）、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下（０を含む）、Ｖ：０．５０％以下（０を含む）、Ｎｂ：０．０５％以下（０を含む）、Ｔｉ：１．０％以下（０を含む）、Ｚｒ：１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下（０を含まない）、Ａｌ：０．１０％以下（０を含む）、Ｐｂ：０．３０％以下（０を含む）、Ｔｅ：０．１０％以下（０を含む）、Ｃａ：０．０１０％以下（０を含む）を含み、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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、且つ、全組織中に占めるマルテンサイトの割合が面積率で２０〜９５％で、マルテンサイト以外の組織中に占めるベイナイトの割合が面積率で７０％以上であることを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材。
【００１４】
ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋０．５Ｚｒ（％）−３．４Ｎ（％）・・・・(1) 、
ｆｎ２＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・(2) 。
【００１５】
（２）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：０．１０％以下（０を含まない）、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下（０を含む）、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下（０を含む）、Ｖ：０．５０％以下（０を含む）、Ｎｂ：０．０５％以下（０を含む）、Ｔｉ：１．０％以下（０を含む）、Ｚｒ：１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下（０を含まない）、Ａｌ：０．１０％以下（０を含む）、Ｐｂ：０．３０％以下（０を含む）、Ｔｅ：０．１０％以下（０を含む）、Ｃａ：０．０１０％以下（０を含む）を含み、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上、前記(2)式で表されるｆｎ２が０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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％以上である鋼を、１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工し、熱間加工を９００℃以上の温度で終了した後３０〜３００℃／分の冷却速度で冷却する被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材の製造方法。
【００１６】
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。Ｔｉ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。
【００１７】
「組織」は鋼材の中心部における組織を指す。
【００１８】
鋼の加熱温度は鋼表面における温度をいい、熱間加工の終了温度も熱間加工した鋼材の表面における温度をいう。冷却速度とは、鋼材の表面における９００〜４００℃の平均冷却速度を指す。
【００１９】
マルテンサイト以外の組織部分において、ベイナイト以外の組織はフェライト、パーライトやオーステナイトが変態せずに残った所謂「残留オーステナイト」などである。
【００２０】
本発明者らは、調質処理を行うことなく各種の機械構造部品に、高い強度、良好な靭性と大きな降伏比を確保させるために、熱間加工した後のミクロ組織及びその母材鋼となる鋼の化学組成について種々検討した。その結果、下記の知見を得た。
【００２１】
（ａ）面積率で一定以上のマルテンサイトを含む組織であれば、熱間鍛造を初めとする熱間加工のままでも高い強度が得られる。
【００２２】
（ｂ）上記（ａ）のマルテンサイトを含む組織において、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であれば、高い強度と良好な靭性とを兼備できる。
【００２３】
（ｃ）適正量のＭｎとＣｕとを複合添加した鋼を非調質の機械構造部品の母材鋼に用いれば、高い降伏強度が得られ、降伏比も大きくなる。更に、靭性も良好になる。
【００２４】
（ｄ）鋼に適正量のＴｉやＺｒを添加し、鋼中の介在物制御として硫化物をＴｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物に変え、更にＴｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物を鋼材に微細に分散させれば、鋼材の被削性が飛躍的に向上する。
【００２５】
そこで、更に検討を続けた結果、下記の事項を見いだした。
【００２６】
（ｅ）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。
【００２７】
（ｆ）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。
【００２８】
（ｇ）鋼中のＳ含有量が同じ場合には、Ｔｉ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。
【００２９】
（ｈ）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ＺｒＮ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。
【００３０】
（ｉ）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、凝集もしない。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有効である。
【００３１】
（ｊ）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。
【００３２】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３３】
【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。
【００３４】
（Ａ）鋼の化学組成
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、強度を確保するのにも有効な元素である。しかし、その含有量が０．１５％未満では所望の１０００ＭＰａ以上の引張強度が得られない。一方、０．３５％を超えて含有すると、靭性が低下して６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られ難くなるし、被削性が劣化するようになって切削コストが嵩んでしまう。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．３５％とした。
【００３５】
Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸を促進するとともに、静的強度と疲労強度を高める作用がある。前記の効果を充分発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．１％以上とすることが必要である。一方、Ｓｉを１．０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０％とした。なお、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物のサイズと清浄度を所定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必要であるので、Ｓｉの含有量は０．２０％以上とすることが好ましく、特に、Ａｌを添加しない場合のＳｉ含有量は０．４０％以上とすることが好ましい。
【００３６】
Ｍｎ：
Ｍｎは、脱酸作用や強度を高める作用がある。更に、Ｃｕと複合添加すると降伏強度、降伏比及び靭性を高める作用も有する。こうした効果を充分発揮させるためには、１．５％以上の含有量を必要とする。しかし、Ｍｎを３．０％を超えて含有させるとその効果は飽和してコストが嵩むだけでなく、むしろ焼入れ性が高くなりすぎてマルテンサイトの単相組織となり易く、降伏比が低下してしまう。更に、被削性が低下するので切削コストが嵩んでしまう。したがって、Ｍｎの含有量を１．５〜３．０％とした。
【００３７】
Ｐ：
Ｐは、鋼中に不純物として含有されるものであり、必須成分として添加しなくても良い。添加すれば降伏強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｐ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０．１０％を超えると靭性の著しい低下を招く。したがって、Ｐの含有量を０．１０％以下（０を含まない）とした。
【００３８】
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。
【００３９】
従来、快削鋼にＳを添加する目的は、ＭｎＳを形成させて被削性を改善させることにあった。しかし、本発明者らの検討によると、上記のＭｎＳの被削性向上作用は、切削時の切り屑と工具表面との潤滑性を高める機能に基づくことが判明した。しかもＭｎＳは巨大化し、鋼材本体の地疵を大きくし、欠陥となる場合がある。本発明におけるＳの被削性改善作用は、適正量のＣとＴｉ、Ｚｒとの複合添加によってＴｉやＺｒの炭硫化物を形成させることで初めて得られる。このためには、上記したように０．００２％以上のＳの含有量が必要である。一方、Ｓを０．１０％を超えて含有させても被削性に与える効果に変化はないが、鋼中に粗大なＭｎＳが再び生じるようになって、地疵等の問題が生じる場合がある。更に、熱間での加工性が劣化して熱間加工が困難になることもある。したがって、Ｓの含有量を０．００２〜０．１０％とした。
【００４０】
Ｃｕ：
Ｃｕは、Ｍｎと複合添加すると降伏強度、降伏比及び靭性を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．０１％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｍｎと複合添加した場合にはＣｕを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が損なわれるだけでなく、靭性の著しい低下をもたらす。したがって、Ｃｕの含有量を０．０１〜０．５％とした。
【００４１】
Ｎｉ：
Ｎｉは添加しなくても良い。添加すれば靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｎｉを０．２％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、被削性が低下する。したがって、Ｎｉの含有量を０．２％以下（０を含む）とした。
【００４２】
Ｃｒ：
Ｃｒは、強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．５％以上の含有量とする必要がある。しかし、１．５％を超えて含有させても前記の効果は飽和しコストが嵩むばかりである。したがって、Ｃｒの含有量を０．５〜１．５％とした。
【００４３】
Ｍｏ：
Ｍｏは添加しなくても良い。添加すればＮｉと同様に靭性を向上させる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．２％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｏの含有量を０．２％以下（０を含む）とした。
【００４４】
Ｖ：
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば強度を高める作用がある。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、０．５０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、経済性を損なうばかりである。したがって、Ｖの含有量を０．５０％以下（０を含む）とした。
【００４５】
Ｎｂ：
Ｎｂは添加しなくてもよい。添加すれば強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｂは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．０５％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｎｂの含有量を０．０５％以下（０を含む）とした。
【００４６】
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。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。Ｚｒを添加しない、つまり、Ｔｉを単独添加する場合に、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か、Ｔｉ炭硫化物が粗大化して却って靭性の低下を招いてしまう。逆に、Ｔｉを添加しない、つまりＺｒ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むばかりか、Ｚｒ炭硫化物が粗大化して却って靭性の低下を招いてしまう。したがって、ＴｉとＺｒの含有量をいずれも１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値を０．０４〜１．０％とした。なお、良好な被削性と靭性を安定して得るためには、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。
【００４７】
Ｂ：
Ｂは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、靭性を向上させる作用がある。しかし、その含有量が０．０００５％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０１０％を超えて含有させてもその効果は飽和するばかりか、熱間加工性の低下を招くようになる。したがって、Ｂの含有量を０．０００５〜０．０１０％とした。
【００４８】
Ｎ：
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は靭性を低下させてしまう。したがって、Ｎ含有量を０．００８％以下（０を含まない）とした。なお、Ｔｉ炭硫化物や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。
【００４９】
Ａｌ：
Ａｌは添加しなくてもよい。添加すれば鋼を脱酸する作用を有する。更に、結晶粒を微細化し、強度及び靭性を高める作用を有する。こうした効果を確実に得るには、Ａｌは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．１０％を超えて含有させると被削性や熱間加工性の低下を招く。したがって、Ａｌの含有量を０．１０％以下（０を含む）とした。ここで、Ａｌ含有量とは所謂「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶性Ａｌ）量」のことをいう。なお、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物のサイズと清浄度を所定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必要であるので、０．０１％以上のＡｌを含有させることとするのが良い。
【００５０】
Ｐｂ：
Ｐｂは添加しなくても良い。添加すれば被削性を大きく高める作用を有する。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０．３０％を超えると疲労強度が著しく低下して耐疲労特性の劣化を招く。したがって、Ｐｂの含有量を０．３０％以下（０を含む）とした。
【００５１】
Ｔｅ：
Ｔｅは添加しなくてもよい。添加すれば被削性を一層高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｔｅは０．０１％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０．１０％を超えると熱間加工性が著しく低下し、生産性を損なう。したがって、Ｔｅの含有量を０．１０％以下（０を含む）とした。
【００５２】
Ｃａ：
Ｃａも添加しなくてもよい。添加すればＰｂやＴｅと同様に被削性を一層高める作用を有する。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０．０１０％を超えると熱間加工性が低下して生産性を損なうようになる。したがって、Ｃａの含有量を０．０１０％以下（０を含む）とした。
【００５３】
ｆｎ１：
前述の(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上の場合に前記したＢの焼入れ性向上効果が確保でき、所望の高強度と良好な靭性が得られる。したがって、本発明では(1)式で表されるｆｎ１の値を０％以上と規定する。このｆｎ１の値の上限は特に規定されるものではなく、１．０であっても良い。
【００５４】
ｆｎ２：
Ｎの含有量が０．００８％以下（０を含まない）で、前述の(2)式で表されるｆｎ２の値が０％を超える場合に前記した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。ｆｎ２の値が０％以下の場合には、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、(2)式で表されるｆｎ２に関して０％を超える値と規定した。このｆｎ２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。
【００５５】
（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、所望の強度と靭性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清浄度（ＴｉとＺｒを複合添加する場合にはＴｉ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。
【００５６】
鋼中のＴｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の最大直径が１０μｍを超えると疲労強度や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Ｚｒ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。
【００５７】
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疲労強度が低下する場合があるので、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。
【００５８】
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ＴｉやＺｒを添加する製鋼法を採れば良い。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
（Ｃ）組織
非調質鋼材である熱間加工したままの鋼材の全組織中に占めるマルテンサイトの割合が面積率で２０％未満の場合には、所望の１０００ＭＰａ以上の引張強度が安定して得られない。一方、マルテンサイトの面積率が９５％を超えると靭性の著しい低下を招く。
【００６２】
全組織中のマルテンサイトの面積率が２０〜９５％の場合であっても、マルテンサイト以外の組織中に占めるベイナイトの割合が面積率で７０％未満の場合には、１０００ＭＰａ以上の引張強度と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値とを安定して同時に確保することが困難となる。したがって、非調質鋼材の組織を、全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であるものと規定した。
【００６３】
なお、全組織中にマルテンサイトが占める割合は、面積率で４０〜６０％であることが好ましい。
【００６４】
又、全組織中のマルテンサイトの面積率が２０〜９５％の場合であれば、マルテンサイト以外の組織においてベイナイトの占める割合が面積率で１００％、つまり、組織がマルテンサイトとベイナイトとの完全な混合組織であっても良い。
【００６５】
（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼は、（Ｂ）項に記載したＴｉ炭硫化物、Ｚｒ炭硫化物のサイズと量を確保するために、例えば、Ｓｉ及びＡｌで充分脱酸し、最後にＴｉやＺｒを添加して溶製され、その後、熱間での加工（圧延や鍛造）を受け、（Ｃ）項に記載した組織に調整され、更に、切削加工されて所定形状の機械構造部品に仕上げられる。
【００６６】
（Ｄ）鋼の加熱温度
熱間加工のための鋼の加熱温度が１１００℃未満では、炭化物などがオーステナイト中に充分固溶せずに焼入れ性が低下したり、変形抵抗が大きくなって熱間での加工が困難になる場合がある。したがって、鋼の加熱温度を１１００℃以上とした。なお、この加熱温度の上限は１３００℃程度とすることが好ましい。
【００６７】
（Ｅ）熱間加工終了温度
熱間加工終了温度が９００℃未満では、変形抵抗が大きくなるばかりか、炭化物や窒化物が凝集粗大化し、その結果、結晶粒が著しく粗大化して靭性の低下を招く場合がある。したがって、熱間加工終了温度を９００℃以上とした。なお、この熱間加工の終了温度は１０５０℃程度を上限とすることが好ましい。
【００６８】
（Ｆ）冷却速度
熱間加工後の冷却速度が３０℃／分未満の場合には、所望の組織、つまり全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上である組織を、安定して鋼材に付与することが困難となる。一方、３００℃／分を超える場合には後述の実施例で示すように全組織中のマルテンサイトの面積率が９５％を超えてしまい靭性の著しい低下を招く。したがって、熱間加工後の冷却速度を３０〜３００℃／分とした。
【００６９】
【実施例】
（実施例１）
表１、表２に示す化学組成の鋼を通常の方法によって試験炉を用いて１５０ｋｇ真空溶製した。なお、Ｔｉ酸化物及びＺｒ酸化物の生成を防ぐために、Ｓｉや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、Ｔｉ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。
【００７０】
表１における鋼１〜１５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、表２における鋼１６〜２５及び鋼２７〜３０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。
【００７１】
【表１】
【００７２】
【表２】
【００７３】
次いで、通常の方法によって前記鋼番号の鋼塊を１２００℃に加熱した後、１０００℃の仕上げ温度で厚さ３５ｍｍ×幅９０ｍｍ幅×長さ１０００ｍｍの鋼板に熱間鍛造し、その後鋼組成に応じて３０〜４５℃／分の冷却速度で冷却した。
【００７４】
こうして得られた鋼板の中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片（２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片）を切り出し、常温で試験を行った。鋼板の中心部からは組織観察用の試験片も切り出し、光学顕微鏡による中心部の組織観察を行った。なお、全組織中のマルテンサイトの面積率及びマルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合（面積率）は、いずれも通常の方法で画像処理して判定した。
【００７５】
上記の熱間鍛造した鋼板から、JIS G 0555の図６に準じて試験片を採取し、鏡面研磨した３００ｍｍ2 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視野観察して調査した。
【００７６】
被削性評価のためのドリル穿孔試験も実施した。すなわち、前記した熱間鍛造した厚さ３５ｍｍで幅が９０ｍｍの鋼板を用いて、その厚さ方向に貫通孔を開け、刃先摩損により穿孔不能となったときの貫通孔の個数を数え、被削性の評価を行った。貫通孔の個数が５００個に達したものはその時点で穿孔試験を中止した。穿孔条件は、ＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１のφ８ｍｍストレ−トシャンクドリルを使用し、水溶性の潤滑剤を用いて、穴の中心間隔１０ｍｍ、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、回転数７４５ｒｐｍの条件で行った。
【００７７】
表３に各種試験の結果を示す。なお、「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」とした欄において、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。
【００７８】
【表３】
【００７９】
表３から、化学組成及び最大直径が１０μｍ以下のＴｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の清浄度（清浄度の和）が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼１〜１５を素材とするものについては、組織はいずれも全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であり、所望の７００ＭＰａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られている。
【００８０】
これに対して、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は、以下に述べるように、降伏強度、引張強度、降伏比、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値の少なくとも１つが所望の値に達していないか、被削性が低い。
【００８１】
鋼１６〜２５、鋼２７及び鋼３０は、組織はいずれも全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であるが、降伏強度、引張強度、降伏比と２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値のうち少なくとも１つが所望の値に達していない。
【００８２】
すなわち、Ｃの含有量が低めに外れた鋼１６、Ｓｉの含有量が低めに外れた鋼１８及びＣｒの含有量が低めに外れた鋼２４は引張強度又は、降伏強度と引張強度の双方が目標値に未達である。
【００８３】
Ｃの含有量が高めに外れた鋼１７、Ｐの含有量が高めに外れた鋼２０、Ｓの含有量が高めに外れた鋼２１、Ｃｕの含有量が高めに外れた鋼２３及びＴｉの含有量が高めに外れた鋼３０は２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。
【００８４】
Ｍｎの含有量が低めに外れた鋼１９及びＣｕの含有量が低めに外れた鋼２２は降伏比が目標値に達していない。鋼１９はｆｎ２が負の値であり、「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」欄における清浄度が規定の値を下回るため被削性も低い。
【００８５】
Ａｌの含有量が高めに外れた鋼２５は被削性が低い。
【００８６】
ｆｎ２が負の値で、「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」欄における清浄度が規定の値を下回る鋼２７は被削性が低い。
【００８７】
鋼２８及び鋼２９は本発明で規定する組織が得られておらず、強度（降伏強度と引張強度）及び２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。すなわち、Ｍｎ、Ｃｒ及びＢの含有量が低めに外れるために、組織がマルテンサイトを含まないものとなった鋼２８、及びｆｎ１の値が低めに外れるとともにＭｎ及びＣｒの含有量が低めに外れるために、やはり組織がマルテンサイトを含まないものとなった鋼２９は、降伏強度と引張強度及び２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。鋼２９はｆｎ２も負の値であるため被削性も低い。
【００８８】
（実施例２）
表４に示す鋼３１及び鋼３２を通常の方法によって試験炉を用いて１５０ｋｇ真空溶製した。鋼３１、鋼３２はいずれも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る。なお、Ｔｉ酸化物及びＺｒ酸化物の生成を防ぐために、Ｓｉや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、Ｔｉ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。
【００８９】
【表４】
【００９０】
次いで、通常の方法によって前記鋼番号の鋼塊を１２００℃に加熱した後、１０００℃の仕上げ温度で厚さ３５ｍｍ×幅９０ｍｍ幅×長さ１０００ｍｍの鋼板に熱間鍛造した。鍛造後は鋼３１を母材鋼とする鋼板は４０℃／分及び５００℃／分の冷却速度で、又、鋼３２を母材鋼とする鋼板は４０℃／分及び１０℃／分の冷却速度で冷却した。
【００９１】
こうして得られた鋼板の中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片（２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片）を切り出し、常温で試験を行った。鋼板の中心部からは組織観察用の試験片も切り出し、光学顕微鏡による中心部の組織観察を行った。なお、全組織中のマルテンサイトの面積率及びマルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合（面積率）は、いずれも通常の方法で画像処理して判定した。
【００９２】
又、上記の熱間鍛造した鋼板から、JIS G 0555の図６に準じて試験片を採取し、鏡面研磨した３００ｍｍ2 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視野観察して調査した。
【００９３】
表５に各試験結果を示す。なお、表で「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」とした欄における「最大直径」はＴｉとＺｒの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。
【００９４】
【表５】
【００９５】
鋼３１及び鋼３２を熱間鍛造後、本発明で規定する範囲内の冷却速度の４０℃／分で冷却した場合（試験番号１及び３）には、その組織はいずれも全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であり、所望の７００ＭＰａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られている。
【００９６】
これに対して、本発明鋼であっても熱間鍛造後の冷却速度が本発明で規定する上限を外れた５００℃／分の場合（試験番号２）には、全組織中のマルテンサイトの面積率が９５％を超えるので靭性が著しく低下し、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。
【００９７】
又、本発明鋼であっても熱間鍛造後の冷却速度が本発明で規定する下限を外れた１０℃／分の場合（試験番号４）には、全組織中のマルテンサイトの面積率が２０％を下回るので引張強度と降伏強度とが目標値に達していない。
【００９８】
【発明の効果】
本発明による被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材を用いれば、７００ＭＰａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を有する機械構造部品を低コストで製造することができる。このマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材は、本発明の方法によって比較的容易に得られる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主たる組織がマルテンサイトとベイナイトの混合組織からなる被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材およびその製造法に関する。更に詳しくは、熱間での加工後に焼入れ焼戻しの所謂「調質処理」を施さなくとも、機械構造部品の素材として好適な、高い強度、大きな降伏比及び優れた靭性を有するマルテンサイト・ベイナイト型の被削性に優れた非調質鋼材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造部品、なかでも自動車、産業機械、土木建設機械などのエンジン部品としてのクランクシャフトやコンロッド、あるいはフォ−フリクトの爪などは、従来、機械構造用の炭素鋼（Ｓ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃなど）や合金鋼（ＳＣＭ４４０など）を用いて、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の形状に仕上げた後、焼入れ焼戻しの調質処理を施して所望の形状と性能を確保していた。
【０００３】
しかし、前記の調質処理を行うには多大の熱エネルギーを要するので製造コストが嵩む。そのため、省エネルギー及びコスト低減の観点から熱間加工のままで、熱間加工後に調質処理を施した場合と同等程度の特性を確保できる非調質鋼の開発が行われ、この非調質鋼を母材として各種の機械構造部品が製造されてきた。
【０００４】
特開平４−１７６８４２号公報には、ベイナイトあるいはベイナイト・フェライトの組織を有するベイナイト型の「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非調質鋼を母材とする熱間鍛造部品の場合、その実施例の記載からも明らかなように、高々８７ｋｇｆ／ｍｍ2 （８５３ＭＰａ）の引張強度と高々６５ｋｇｆ／ｍｍ2 （６３７ＭＰａ）の降伏強度しか得られない。したがって、更に高い強度が要求される部品に対しては適用し難いものである。
【０００５】
特開平４−２１０４４９号公報には、組織が主としてフェライト及びベイナイトで一部パーライトが共存する「高靭性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非調質鋼を母材とする熱間鍛造部品の場合も、その実施例の図１から明らかなように、高々７５ｋｇｆ／ｍｍ2 （７３５ＭＰａ）の引張強度と高々５５ｋｇｆ／ｍｍ2 （５３９ＭＰａ）の降伏強度しか得られない。したがって、更に高い強度が要求される部品に対しては適用し難いものである。
【０００６】
このため、調質処理を行わずとも各種の機械構造部品に高い強度、例えば７００ＭＰａ以上の降伏強度と１０００ＭＰａ以上の引張強度を確保でき、しかも良好な靭性と大きな降伏比を確保させる技術の開発が熱望されている。
【０００７】
又、近年、機械構造部品の高強度化に伴って、熱間加工後に所望の形状に成形するための切削加工のコストが嵩むという問題が生じている。このため、切削加工を容易にし、低コスト化を図るために被削性に優れた非調質鋼に対する要求がますます大きくなっている。
【０００８】
従来、被削性を高めるために、鋼にＰｂ、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ることが行われてきた。しかし、ＪＩＳ規格鋼である機械構造用鋼や、前記した特開平４−１７６８４２号公報や特開平４−２１０４４９号公報に記載されているような鋼に、単に上記の快削元素を添加しただけの場合には、所望の機械的性質、なかでも耐疲労特性を確保できないことが多い。
【０００９】
鉄と鋼（ｖｏｌ．５７（１９７１年）Ｓ４８４）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、Ｔｉの多量の添加はＴｉＮが多量に生成す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％、Ｓｉ：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。
【００１０】
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（ｖｏｌ．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。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、各種機械構造部品の素材として好適な、降伏強度が７００ＭＰａ以上、引張強度が１０００ＭＰａ以上で、０．６５以上の降伏比（降伏強度／引張強度）と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を確保することができ、しかも被削性に優れた非調質鋼材を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）に示すマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材及び（２）に示すその製造方法にある。
【００１３】
（１）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：０．１０％以下（０を含まない）、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下（０を含む）、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下（０を含む）、Ｖ：０．５０％以下（０を含む）、Ｎｂ：０．０５％以下（０を含む）、Ｔｉ：１．０％以下（０を含む）、Ｚｒ：１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下（０を含まない）、Ａｌ：０．１０％以下（０を含む）、Ｐｂ：０．３０％以下（０を含む）、Ｔｅ：０．１０％以下（０を含む）、Ｃａ：０．０１０％以下（０を含む）を含み、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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、且つ、全組織中に占めるマルテンサイトの割合が面積率で２０〜９５％で、マルテンサイト以外の組織中に占めるベイナイトの割合が面積率で７０％以上であることを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材。
【００１４】
ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋０．５Ｚｒ（％）−３．４Ｎ（％）・・・・(1) 、
ｆｎ２＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・(2) 。
【００１５】
（２）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：０．１０％以下（０を含まない）、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下（０を含む）、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下（０を含む）、Ｖ：０．５０％以下（０を含む）、Ｎｂ：０．０５％以下（０を含む）、Ｔｉ：１．０％以下（０を含む）、Ｚｒ：１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下（０を含まない）、Ａｌ：０．１０％以下（０を含む）、Ｐｂ：０．３０％以下（０を含む）、Ｔｅ：０．１０％以下（０を含む）、Ｃａ：０．０１０％以下（０を含む）を含み、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上、前記(2)式で表されるｆｎ２が０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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％以上である鋼を、１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工し、熱間加工を９００℃以上の温度で終了した後３０〜３００℃／分の冷却速度で冷却する被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材の製造方法。
【００１６】
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。Ｔｉ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。
【００１７】
「組織」は鋼材の中心部における組織を指す。
【００１８】
鋼の加熱温度は鋼表面における温度をいい、熱間加工の終了温度も熱間加工した鋼材の表面における温度をいう。冷却速度とは、鋼材の表面における９００〜４００℃の平均冷却速度を指す。
【００１９】
マルテンサイト以外の組織部分において、ベイナイト以外の組織はフェライト、パーライトやオーステナイトが変態せずに残った所謂「残留オーステナイト」などである。
【００２０】
本発明者らは、調質処理を行うことなく各種の機械構造部品に、高い強度、良好な靭性と大きな降伏比を確保させるために、熱間加工した後のミクロ組織及びその母材鋼となる鋼の化学組成について種々検討した。その結果、下記の知見を得た。
【００２１】
（ａ）面積率で一定以上のマルテンサイトを含む組織であれば、熱間鍛造を初めとする熱間加工のままでも高い強度が得られる。
【００２２】
（ｂ）上記（ａ）のマルテンサイトを含む組織において、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であれば、高い強度と良好な靭性とを兼備できる。
【００２３】
（ｃ）適正量のＭｎとＣｕとを複合添加した鋼を非調質の機械構造部品の母材鋼に用いれば、高い降伏強度が得られ、降伏比も大きくなる。更に、靭性も良好になる。
【００２４】
（ｄ）鋼に適正量のＴｉやＺｒを添加し、鋼中の介在物制御として硫化物をＴｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物に変え、更にＴｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物を鋼材に微細に分散させれば、鋼材の被削性が飛躍的に向上する。
【００２５】
そこで、更に検討を続けた結果、下記の事項を見いだした。
【００２６】
（ｅ）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。
【００２７】
（ｆ）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。
【００２８】
（ｇ）鋼中のＳ含有量が同じ場合には、Ｔｉ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。
【００２９】
（ｈ）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ＺｒＮ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。
【００３０】
（ｉ）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、凝集もしない。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有効である。
【００３１】
（ｊ）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。
【００３２】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３３】
【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。
【００３４】
（Ａ）鋼の化学組成
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、強度を確保するのにも有効な元素である。しかし、その含有量が０．１５％未満では所望の１０００ＭＰａ以上の引張強度が得られない。一方、０．３５％を超えて含有すると、靭性が低下して６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られ難くなるし、被削性が劣化するようになって切削コストが嵩んでしまう。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．３５％とした。
【００３５】
Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸を促進するとともに、静的強度と疲労強度を高める作用がある。前記の効果を充分発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．１％以上とすることが必要である。一方、Ｓｉを１．０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０％とした。なお、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物のサイズと清浄度を所定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必要であるので、Ｓｉの含有量は０．２０％以上とすることが好ましく、特に、Ａｌを添加しない場合のＳｉ含有量は０．４０％以上とすることが好ましい。
【００３６】
Ｍｎ：
Ｍｎは、脱酸作用や強度を高める作用がある。更に、Ｃｕと複合添加すると降伏強度、降伏比及び靭性を高める作用も有する。こうした効果を充分発揮させるためには、１．５％以上の含有量を必要とする。しかし、Ｍｎを３．０％を超えて含有させるとその効果は飽和してコストが嵩むだけでなく、むしろ焼入れ性が高くなりすぎてマルテンサイトの単相組織となり易く、降伏比が低下してしまう。更に、被削性が低下するので切削コストが嵩んでしまう。したがって、Ｍｎの含有量を１．５〜３．０％とした。
【００３７】
Ｐ：
Ｐは、鋼中に不純物として含有されるものであり、必須成分として添加しなくても良い。添加すれば降伏強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｐ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０．１０％を超えると靭性の著しい低下を招く。したがって、Ｐの含有量を０．１０％以下（０を含まない）とした。
【００３８】
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。
【００３９】
従来、快削鋼にＳを添加する目的は、ＭｎＳを形成させて被削性を改善させることにあった。しかし、本発明者らの検討によると、上記のＭｎＳの被削性向上作用は、切削時の切り屑と工具表面との潤滑性を高める機能に基づくことが判明した。しかもＭｎＳは巨大化し、鋼材本体の地疵を大きくし、欠陥となる場合がある。本発明におけるＳの被削性改善作用は、適正量のＣとＴｉ、Ｚｒとの複合添加によってＴｉやＺｒの炭硫化物を形成させることで初めて得られる。このためには、上記したように０．００２％以上のＳの含有量が必要である。一方、Ｓを０．１０％を超えて含有させても被削性に与える効果に変化はないが、鋼中に粗大なＭｎＳが再び生じるようになって、地疵等の問題が生じる場合がある。更に、熱間での加工性が劣化して熱間加工が困難になることもある。したがって、Ｓの含有量を０．００２〜０．１０％とした。
【００４０】
Ｃｕ：
Ｃｕは、Ｍｎと複合添加すると降伏強度、降伏比及び靭性を高める作用を有する。しかしながら、その含有量が０．０１％未満では添加効果に乏しい。一方、Ｍｎと複合添加した場合にはＣｕを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が損なわれるだけでなく、靭性の著しい低下をもたらす。したがって、Ｃｕの含有量を０．０１〜０．５％とした。
【００４１】
Ｎｉ：
Ｎｉは添加しなくても良い。添加すれば靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｎｉを０．２％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、被削性が低下する。したがって、Ｎｉの含有量を０．２％以下（０を含む）とした。
【００４２】
Ｃｒ：
Ｃｒは、強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．５％以上の含有量とする必要がある。しかし、１．５％を超えて含有させても前記の効果は飽和しコストが嵩むばかりである。したがって、Ｃｒの含有量を０．５〜１．５％とした。
【００４３】
Ｍｏ：
Ｍｏは添加しなくても良い。添加すればＮｉと同様に靭性を向上させる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．２％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｏの含有量を０．２％以下（０を含む）とした。
【００４４】
Ｖ：
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば強度を高める作用がある。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、０．５０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、経済性を損なうばかりである。したがって、Ｖの含有量を０．５０％以下（０を含む）とした。
【００４５】
Ｎｂ：
Ｎｂは添加しなくてもよい。添加すれば強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｂは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．０５％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｎｂの含有量を０．０５％以下（０を含む）とした。
【００４６】
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。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。Ｚｒを添加しない、つまり、Ｔｉを単独添加する場合に、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か、Ｔｉ炭硫化物が粗大化して却って靭性の低下を招いてしまう。逆に、Ｔｉを添加しない、つまりＺｒ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むばかりか、Ｚｒ炭硫化物が粗大化して却って靭性の低下を招いてしまう。したがって、ＴｉとＺｒの含有量をいずれも１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値を０．０４〜１．０％とした。なお、良好な被削性と靭性を安定して得るためには、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。
【００４７】
Ｂ：
Ｂは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、靭性を向上させる作用がある。しかし、その含有量が０．０００５％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０１０％を超えて含有させてもその効果は飽和するばかりか、熱間加工性の低下を招くようになる。したがって、Ｂの含有量を０．０００５〜０．０１０％とした。
【００４８】
Ｎ：
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は靭性を低下させてしまう。したがって、Ｎ含有量を０．００８％以下（０を含まない）とした。なお、Ｔｉ炭硫化物や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。
【００４９】
Ａｌ：
Ａｌは添加しなくてもよい。添加すれば鋼を脱酸する作用を有する。更に、結晶粒を微細化し、強度及び靭性を高める作用を有する。こうした効果を確実に得るには、Ａｌは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．１０％を超えて含有させると被削性や熱間加工性の低下を招く。したがって、Ａｌの含有量を０．１０％以下（０を含む）とした。ここで、Ａｌ含有量とは所謂「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶性Ａｌ）量」のことをいう。なお、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物のサイズと清浄度を所定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必要であるので、０．０１％以上のＡｌを含有させることとするのが良い。
【００５０】
Ｐｂ：
Ｐｂは添加しなくても良い。添加すれば被削性を大きく高める作用を有する。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０．３０％を超えると疲労強度が著しく低下して耐疲労特性の劣化を招く。したがって、Ｐｂの含有量を０．３０％以下（０を含む）とした。
【００５１】
Ｔｅ：
Ｔｅは添加しなくてもよい。添加すれば被削性を一層高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｔｅは０．０１％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０．１０％を超えると熱間加工性が著しく低下し、生産性を損なう。したがって、Ｔｅの含有量を０．１０％以下（０を含む）とした。
【００５２】
Ｃａ：
Ｃａも添加しなくてもよい。添加すればＰｂやＴｅと同様に被削性を一層高める作用を有する。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０．０１０％を超えると熱間加工性が低下して生産性を損なうようになる。したがって、Ｃａの含有量を０．０１０％以下（０を含む）とした。
【００５３】
ｆｎ１：
前述の(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上の場合に前記したＢの焼入れ性向上効果が確保でき、所望の高強度と良好な靭性が得られる。したがって、本発明では(1)式で表されるｆｎ１の値を０％以上と規定する。このｆｎ１の値の上限は特に規定されるものではなく、１．０であっても良い。
【００５４】
ｆｎ２：
Ｎの含有量が０．００８％以下（０を含まない）で、前述の(2)式で表されるｆｎ２の値が０％を超える場合に前記した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。ｆｎ２の値が０％以下の場合には、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、(2)式で表されるｆｎ２に関して０％を超える値と規定した。このｆｎ２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。
【００５５】
（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、所望の強度と靭性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清浄度（ＴｉとＺｒを複合添加する場合にはＴｉ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。
【００５６】
鋼中のＴｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の最大直径が１０μｍを超えると疲労強度や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Ｚｒ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。
【００５７】
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疲労強度が低下する場合があるので、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。
【００５８】
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ＴｉやＺｒを添加する製鋼法を採れば良い。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
（Ｃ）組織
非調質鋼材である熱間加工したままの鋼材の全組織中に占めるマルテンサイトの割合が面積率で２０％未満の場合には、所望の１０００ＭＰａ以上の引張強度が安定して得られない。一方、マルテンサイトの面積率が９５％を超えると靭性の著しい低下を招く。
【００６２】
全組織中のマルテンサイトの面積率が２０〜９５％の場合であっても、マルテンサイト以外の組織中に占めるベイナイトの割合が面積率で７０％未満の場合には、１０００ＭＰａ以上の引張強度と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値とを安定して同時に確保することが困難となる。したがって、非調質鋼材の組織を、全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であるものと規定した。
【００６３】
なお、全組織中にマルテンサイトが占める割合は、面積率で４０〜６０％であることが好ましい。
【００６４】
又、全組織中のマルテンサイトの面積率が２０〜９５％の場合であれば、マルテンサイト以外の組織においてベイナイトの占める割合が面積率で１００％、つまり、組織がマルテンサイトとベイナイトとの完全な混合組織であっても良い。
【００６５】
（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼は、（Ｂ）項に記載したＴｉ炭硫化物、Ｚｒ炭硫化物のサイズと量を確保するために、例えば、Ｓｉ及びＡｌで充分脱酸し、最後にＴｉやＺｒを添加して溶製され、その後、熱間での加工（圧延や鍛造）を受け、（Ｃ）項に記載した組織に調整され、更に、切削加工されて所定形状の機械構造部品に仕上げられる。
【００６６】
（Ｄ）鋼の加熱温度
熱間加工のための鋼の加熱温度が１１００℃未満では、炭化物などがオーステナイト中に充分固溶せずに焼入れ性が低下したり、変形抵抗が大きくなって熱間での加工が困難になる場合がある。したがって、鋼の加熱温度を１１００℃以上とした。なお、この加熱温度の上限は１３００℃程度とすることが好ましい。
【００６７】
（Ｅ）熱間加工終了温度
熱間加工終了温度が９００℃未満では、変形抵抗が大きくなるばかりか、炭化物や窒化物が凝集粗大化し、その結果、結晶粒が著しく粗大化して靭性の低下を招く場合がある。したがって、熱間加工終了温度を９００℃以上とした。なお、この熱間加工の終了温度は１０５０℃程度を上限とすることが好ましい。
【００６８】
（Ｆ）冷却速度
熱間加工後の冷却速度が３０℃／分未満の場合には、所望の組織、つまり全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上である組織を、安定して鋼材に付与することが困難となる。一方、３００℃／分を超える場合には後述の実施例で示すように全組織中のマルテンサイトの面積率が９５％を超えてしまい靭性の著しい低下を招く。したがって、熱間加工後の冷却速度を３０〜３００℃／分とした。
【００６９】
【実施例】
（実施例１）
表１、表２に示す化学組成の鋼を通常の方法によって試験炉を用いて１５０ｋｇ真空溶製した。なお、Ｔｉ酸化物及びＺｒ酸化物の生成を防ぐために、Ｓｉや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、Ｔｉ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。
【００７０】
表１における鋼１〜１５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、表２における鋼１６〜２５及び鋼２７〜３０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。
【００７１】
【表１】
【表２】
次いで、通常の方法によって前記鋼番号の鋼塊を１２００℃に加熱した後、１０００℃の仕上げ温度で厚さ３５ｍｍ×幅９０ｍｍ幅×長さ１０００ｍｍの鋼板に熱間鍛造し、その後鋼組成に応じて３０〜４５℃／分の冷却速度で冷却した。
【００７４】
こうして得られた鋼板の中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片（２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片）を切り出し、常温で試験を行った。鋼板の中心部からは組織観察用の試験片も切り出し、光学顕微鏡による中心部の組織観察を行った。なお、全組織中のマルテンサイトの面積率及びマルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合（面積率）は、いずれも通常の方法で画像処理して判定した。
【００７５】
上記の熱間鍛造した鋼板から、JIS G 0555の図６に準じて試験片を採取し、鏡面研磨した３００ｍｍ2 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視野観察して調査した。
【００７６】
被削性評価のためのドリル穿孔試験も実施した。すなわち、前記した熱間鍛造した厚さ３５ｍｍで幅が９０ｍｍの鋼板を用いて、その厚さ方向に貫通孔を開け、刃先摩損により穿孔不能となったときの貫通孔の個数を数え、被削性の評価を行った。貫通孔の個数が５００個に達したものはその時点で穿孔試験を中止した。穿孔条件は、ＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１のφ８ｍｍストレ−トシャンクドリルを使用し、水溶性の潤滑剤を用いて、穴の中心間隔１０ｍｍ、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、回転数７４５ｒｐｍの条件で行った。
【００７７】
表３に各種試験の結果を示す。なお、「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」とした欄において、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。
【００７８】
【表３】
表３から、化学組成及び最大直径が１０μｍ以下のＴｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の清浄度（清浄度の和）が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼１〜１５を素材とするものについては、組織はいずれも全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であり、所望の７００ＭＰａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られている。
【００８０】
これに対して、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は、以下に述べるように、降伏強度、引張強度、降伏比、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値の少なくとも１つが所望の値に達していないか、被削性が低い。
【００８１】
鋼１６〜２５、鋼２７及び鋼３０は、組織はいずれも全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であるが、降伏強度、引張強度、降伏比と２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値のうち少なくとも１つが所望の値に達していない。
【００８２】
すなわち、Ｃの含有量が低めに外れた鋼１６、Ｓｉの含有量が低めに外れた鋼１８及びＣｒの含有量が低めに外れた鋼２４は引張強度又は、降伏強度と引張強度の双方が目標値に未達である。
【００８３】
Ｃの含有量が高めに外れた鋼１７、Ｐの含有量が高めに外れた鋼２０、Ｓの含有量が高めに外れた鋼２１、Ｃｕの含有量が高めに外れた鋼２３及びＴｉの含有量が高めに外れた鋼３０は２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。
【００８４】
Ｍｎの含有量が低めに外れた鋼１９及びＣｕの含有量が低めに外れた鋼２２は降伏比が目標値に達していない。鋼１９はｆｎ２が負の値であり、「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」欄における清浄度が規定の値を下回るため被削性も低い。
【００８５】
Ａｌの含有量が高めに外れた鋼２５は被削性が低い。
【００８６】
ｆｎ２が負の値で、「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」欄における清浄度が規定の値を下回る鋼２７は被削性が低い。
【００８７】
鋼２８及び鋼２９は本発明で規定する組織が得られておらず、強度（降伏強度と引張強度）及び２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。すなわち、Ｍｎ、Ｃｒ及びＢの含有量が低めに外れるために、組織がマルテンサイトを含まないものとなった鋼２８、及びｆｎ１の値が低めに外れるとともにＭｎ及びＣｒの含有量が低めに外れるために、やはり組織がマルテンサイトを含まないものとなった鋼２９は、降伏強度と引張強度及び２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。鋼２９はｆｎ２も負の値であるため被削性も低い。
【００８８】
（実施例２）
表４に示す鋼３１及び鋼３２を通常の方法によって試験炉を用いて１５０ｋｇ真空溶製した。鋼３１、鋼３２はいずれも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る。なお、Ｔｉ酸化物及びＺｒ酸化物の生成を防ぐために、Ｓｉや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、Ｔｉ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。
【００８９】
【表４】
次いで、通常の方法によって前記鋼番号の鋼塊を１２００℃に加熱した後、１０００℃の仕上げ温度で厚さ３５ｍｍ×幅９０ｍｍ幅×長さ１０００ｍｍの鋼板に熱間鍛造した。鍛造後は鋼３１を母材鋼とする鋼板は４０℃／分及び５００℃／分の冷却速度で、又、鋼３２を母材鋼とする鋼板は４０℃／分及び１０℃／分の冷却速度で冷却した。
【００９１】
こうして得られた鋼板の中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片（２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片）を切り出し、常温で試験を行った。鋼板の中心部からは組織観察用の試験片も切り出し、光学顕微鏡による中心部の組織観察を行った。なお、全組織中のマルテンサイトの面積率及びマルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合（面積率）は、いずれも通常の方法で画像処理して判定した。
【００９２】
又、上記の熱間鍛造した鋼板から、JIS G 0555の図６に準じて試験片を採取し、鏡面研磨した３００ｍｍ2 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視野観察して調査した。
【００９３】
表５に各試験結果を示す。なお、表で「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化物」とした欄における「最大直径」はＴｉとＺｒの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。
【００９４】
【表５】
鋼３１及び鋼３２を熱間鍛造後、本発明で規定する範囲内の冷却速度の４０℃／分で冷却した場合（試験番号１及び３）には、その組織はいずれも全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上であり、所望の７００ＭＰａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られている。
【００９６】
これに対して、本発明鋼であっても熱間鍛造後の冷却速度が本発明で規定する上限を外れた５００℃／分の場合（試験番号２）には、全組織中のマルテンサイトの面積率が９５％を超えるので靭性が著しく低下し、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していない。
【００９７】
又、本発明鋼であっても熱間鍛造後の冷却速度が本発明で規定する下限を外れた１０℃／分の場合（試験番号４）には、全組織中のマルテンサイトの面積率が２０％を下回るので引張強度と降伏強度とが目標値に達していない。
【００９８】
【発明の効果】
本発明による被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材を用いれば、７００ＭＰａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ2 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を有する機械構造部品を低コストで製造することができる。このマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材は、本発明の方法によって比較的容易に得られる。
Claims (2)
- 重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：０．１０％以下（０を含まない）、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下（０を含む）、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下（０を含む）、Ｖ：０．５０％以下（０を含む）、Ｎｂ：０．０５％以下（０を含む）、Ｔｉ：１．０％以下（０を含む）、Ｚｒ：１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下（０を含まない）、Ａｌ：０．１０％以下（０を含む）、Ｐｂ：０．３０％以下（０を含む）、Ｔｅ：０．１０％以下（０を含む）、Ｃａ：０．０１０％以下（０を含む）を含み、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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、且つ、全組織中に占めるマルテンサイトの割合が面積率で２０〜９５％で、マルテンサイト以外の組織中に占めるベイナイトの割合が面積率で７０％以上であることを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材。
ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋０．５Ｚｒ（％）−３．４Ｎ（％）・・・・(1)
ｆｎ２＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・(2) - 重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：０．１０％以下（０を含まない）、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下（０を含む）、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下（０を含む）、Ｖ：０．５０％以下（０を含む）、Ｎｂ：０．０５％以下（０を含む）、Ｔｉ：１．０％以下（０を含む）、Ｚｒ：１．０％以下（０を含む）で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下（０を含まない）、Ａｌ：０．１０％以下（０を含む）、Ｐｂ：０．３０％以下（０を含む）、Ｔｅ：０．１０％以下（０を含む）、Ｃａ：０．０１０％以下（０を含む）を含み、前記(1)式で表されるｆｎ１の値が０％以上、前記(2)式で表されるｆｎ２が０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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％以上である鋼を、１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工し、熱間加工を９００℃以上の温度で終了した後３０〜３００℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材の製造方法。
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