JP3680708B2 - 被削性に優れた機械構造用鋼材及び機械構造部品 - Google Patents
被削性に優れた機械構造用鋼材及び機械構造部品 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、被削性に優れた機械構造用鋼材及び機械構造部品に関する。より詳しくは、靱性はそれほど必要とはされないものの、被削性、なかでもドリル穿孔時の「ドリル寿命」と「切り屑処理性」に極めて優れたＨｖ硬さが１６０〜３５０の機械構造用鋼材及び機械構造部品に関する。
【従来の技術】
【０００２】
各種の機械構造部品は、熱間鍛造などの熱間加工で所定の形状に粗加工され、次いで、切削加工によって所望形状に仕上げられてそのままで、つまり非調質のままで使用されたり、切削加工の後に更に熱処理（例えば、焼ならし、焼ならし−焼戻し、焼入れ−焼戻し）されて使用されるか、熱間加工の後に熱処理を施され、次いで、切削加工によって所望形状に仕上げられて使用される。なお、一部の部品のように、最終処理としての表面硬化処理（浸炭焼入れ、窒化、高周波焼入れなど）を施されてから使用される場合もある。
【０００３】
被削性に優れた鋼、すなわち快削鋼は快削性付与元素（快削元素）によって、Ｓ（硫黄）系、Ｐｂ（鉛）系、Ｓ−Ｐｂ系、Ｃａ系、Ｓ−Ｐｂ−Ｃａ系、Ｔｉ系、黒鉛系などに分類される。これらの快削鋼のうち、最終製品に硬さが要求される機械構造用の快削鋼としては、Ｓ快削鋼やＰｂ快削鋼及びそれらの複合快削鋼が用いられることが多い。これは、硬さが上がると被削性が劣化するので、Ｐｂ、Ｓ、Ｃａなどの快削性付与元素を多量に添加して被削性を改善するためである。しかし、上記のＰｂ、Ｓ、Ｃａなどの多量添加は、最終製品である各種の機械構造部品に欠陥を生じる場合がある。例えば、Ｐｂ、Ｓ、Ｃａを多量添加した場合には介在物が粗大化するため高周波焼入れや浸炭焼入れなどの表面硬化処理によって焼割れが生じ、これが最終製品に残存する場合がある。
【０００４】
このため、上記のような粗大介在物による最終製品の不良発生に対して、例えば、ＷＯ９８／２３７８４号の国際公開公報に、Ｔｉを０．０４〜１．０質量％含んでＴｉ炭硫化物を微細に分散させた被削性に優れる機械構造用の快削鋼材が開示されている。しかし、産業界における被削性向上に対する要望はますます大きなものとなっており、最近では自動化された生産ラインで更なる切削時間短縮のために切削速度を一層上昇させることも試みられている。このため、前記公報で提案された鋼材の被削性を凌ぐ機械構造用鋼材が求められている。
【０００５】
被削性を向上させる新しい技術として、Ｓｉ含有量を高めた「プラスチック成形金型用鋼」が特開平９−４９０６７号公報に開示されている。しかし、この公報で提案された「プラスチック成形金型用鋼」をそのまま機械構造部品の素材鋼として用いても、例えばコンロッドや歯車といった自動車用部品のように自動化された生産ラインで大量生産される部品の切削時に要求される安定した切り屑処理性が得られるわけではない。これは、金型の切削加工が１品毎に解放された状態で行われるため、前記公報で提案された「プラスチック成形金型用鋼」の場合には、被削性としての切り屑処理性は問題にならず、したがって、切り屑処理性に対する配慮がなされていないためである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、靱性はそれほど必要とはされないものの、被削性、なかでも通常のＣｏを含有する高速度鋼製のドリル（所謂「ハイスドリル」）を用いて（穴深さ）／（穴直径）が５以上の所謂「深穴」をあけた場合の「ドリル寿命」と「切り屑処理性」に極めて優れたＨｖ硬さが１６０〜３５０の機械構造用鋼材及び機械構造部品を提供することである。ここで、本発明の目標とする「ドリル寿命」としての穿孔個数は３００以上である。なお、上記のような特性が要求される機械構造部品としては具体的にはクランク軸、コンロッド、プリンターシャフトなどが挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨は、下記（１）に示す被削性に優れた機械構造用鋼材及び（２）に示す機械構造部品にある。
【０００８】
（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５５％、０．８８〜２．５％、Ｍｎ：０．１５〜２．００％、Ｓ：０．０８０を超えて０．２％以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｖ：０〜０．５０％、Ｎ：０．０１００％以下、Ａｌ：０．０４％以下、Ｍｏ：０〜１．５％、Ｂｉ：０〜０．１０％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｐｂ：０〜０．１２％、Ｚｒ：０〜０．０４％未満、Ｔｅ：０〜０．０５％、Ｎｂ：０〜０．１％、Ｃｕ：０〜１．５％、Ｓｅ：０〜０．５％を含有し、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が７．５以上、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が３．０以上を満たし、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有するとともに、面積割合で１０〜８０％がフェライト相であり、残部がパーライト相又はパーライト・ベイナイト相である組織を有する、Ｈｖ硬さが１６０〜３５０の機械構造用鋼材。
ｆｎ１＝−２３Ｃ＋Ｓｉ（５−２Ｓｉ）−４Ｍｎ＋１０４Ｓ−３Ｃｒ−９Ｖ＋１０・・・(1)
ｆｎ２＝３．２Ｃ＋０．８Ｍｎ＋５．２Ｓ＋０．５Ｃｒ−１２０Ｎ＋２．６Ｐｂ＋４．１Ｂｉ−０．００１α２＋０．１３α・・・(2)
ここで、各式における元素記号はその元素の質量％での含有量を示し、αは組織におけるフェライト相の％での面積割合を示す。
【０００９】
（２）上記（１）に記載の機械構造用鋼材を素材とし、切削による加工を受けたことを特徴とする機械構造部品。
【００１０】
ドリル穿孔条件は前記のとおり、通常のＣｏを含有するハイスドリルを用いて（穴深さ）／（穴直径）が５以上の所謂「深穴」をあけるものである。なお前記の「穴」はドリル加工方向に貫通しない所謂「盲穴」であってもよいし、貫通した「孔」であってもよい。
【００１１】
なお、穴を１つドリル穿孔した際、穿孔開始直後にドリル先端から排出される切り屑を除いた他の切り屑の切断状況は種々の形態をとる。前記 (2)式で表されるｆｎ２は「切り屑処理性」としての「切り屑切断指数」を示すもので、その値と前記の切り屑の切断状況の間の関係は図１に示すとおりである。なお、このｆｎ２の値が０以下になる場合にはすべて「０」と定義する。
【００１２】
組織の割合は顕微鏡観察したときの組織割合、つまり面積率のことを指す。
【００１３】
本発明者らは、鋼材の化学組成と組織が被削性に及ぼす影響について調査・研究を重ねた。その結果、下記の知見を得た。
【００１４】
（ａ）鋼材の組織中に占めるフェライト相の面積割合（以下、「フェライト相」を単に「フェライト」ということがある。又、「面積割合」は単に「割合」ということもある。）を制御すれば、被削性としてのドリル加工性、なかでも切り屑処理性を大きく高めることができる。
【００１５】
（ｂ）前記 (1)式で表されるｆｎ１の値を７．５以上にすれば、通常のＣｏを含有するハイスドリルを用いてＨｖ硬さで１６０〜３５０の高硬度機械構造部品に（穴深さ）／（穴直径）が５以上の所謂「深穴」をあける場合、「ドリル寿命」としての穿孔個数を３００以上にすることができる。したがって、靱性はそれほど必要とはされないものの、深穴加工時のドリル寿命が極めて重要視されるクランク軸のような機械構造部品に対しては、Ｓの含有量を高めるのがよい。
【００１６】
（ｃ）被削性としての「切り屑処理性」を高めることは、特にドリル穿孔の場合にドリルの寿命安定化や高寿命化が図れるとともに、切り屑の後処理を不要にして作業工程を自動化するために重要不可欠である。
【００１７】
（ｄ）組織中に占めるフェライトの割合を適正に制御することに加えて、前記 (2)式で表されるｆｎ２（「切り屑切断指数」）の値を３．０以上にすれば、上記の高硬度機械構造部品に対して、前記ドリル加工（ドリル穿孔）を行う場合の切り屑処理性が改善されて切り屑の排出が容易となる。このため、ドリル寿命を安定して高めることができるし、切り屑の後処理が不要になるので作業工程を自動化することができる。
【００１８】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【発明の実施の形態】
【００１９】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２０】
（Ａ）鋼材の化学組成
Ｃ：０．０５〜０．５５％
Ｃは、鋼の硬さを高めて機械構造部品に所望の高い硬さを付与するのに必須の元素である。加えてＣには、被削性としての「切り屑処理性」を高める作用がある。しかし、その含有量が０．０５％未満では前記効果が得難い。一方、Ｃの含有量が高すぎると「切り屑処理性」は飽和あるいは却って低下し、旋削時の工具摩耗量の増大（つまり、旋削工具寿命の低下）をきたす。特に、その含有量が０．５５％を超えると、被削性は前記の旋削摩耗性を含めてすべて低下する。したがって、Ｃの含有量を０．０５〜０．５５％とした。
【００２１】
Ｓｉ：０．８８〜２．５％
Ｓｉは、被削性改善に有効な元素である。前記の作用はＳｉを０．８８％以上含有させる必要がある。一方、Ｓｉ含有量が２．０％程度で被削性改善効果は飽和し、２．５％を超えると切り屑の変形様式が断続的な剪断変形へと移行して切り屑厚さが大きく変動し、却って工具寿命が損なわれる。したがって、Ｓｉの含有量を０．８８〜２．５％とした。
【００２２】
Ｍｎ：０．１５〜２．００％
Ｍｎは、鋼中のＳを固定して熱間加工性を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．１５％未満では前記の効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が２．００％程度で前記の効果は飽和する。したがって、Ｍｎの含有量を０．１５〜２．００％とした。なお、次に述べる量のＳを含有する鋼において、鋼中のＳを固定するためには、Ｍｎ含有量の下限値は０．３０％とすることが好ましい。
【００２３】
Ｓ：０．０８０％を超えて０．２％以下
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成して被削性を改善する作用を有する。しかし、その含有量が０．０８０％以下では、深穴加工時の「ドリル寿命」としての穿孔個数を安定してしかも確実に３００以上にすることが困難となる。一方、Ｓの含有量が０．２％を超えると、表面硬化処理としての浸炭焼入れや高周波焼入れなどの焼入れ時に割れが発生し製品に不良が多発する場合がある。したがって、Ｓの含有量を０．０８０％を超えて０．２％以下とした。
【００２４】
Ｃｒ：０〜２．０％
Ｃｒは添加しなくてもよい。添加すれば、硬さを高める作用がある。更に、被削性としての「切り屑処理性」を高める作用や微細な介在物（ＣｒＳ）を鋼材中にもたらす作用も有する。こうした効果を確実に得るにはＣｒは０．２％以上の含有量とすることが好ましい。Ｃｒの含有量は０．５％以上とすることが一層好ましい。しかし、その含有量が２．０％を超えると組織中のフェライトの割合が大きく低下するので、「切り屑処理性」は逆に著しく低下する。したがって、Ｃｒの含有量を０〜２．０％とした。なお、Ｃｒ含有量の上限は、Ｃ含有量が０．２５％程度以下の場合には１．５％とすることが好ましい。０．５５％を上限とする前記範囲のＣ含有量に対して、Ｃｒ含有量の上限は１．０％とすることが一層好ましい。
【００２５】
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは熱間加工性を低下させてしまう。特にその含有量が０．０３５％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０３５％以下とした。
【００２６】
Ｖ：０〜０．５０％
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば、ドリル寿命を大きく低下させることなく硬さを大きく高める作用を有し、更に、旋削時にも工具摩耗を抑制する効果がある。こうした効果を確実に得るにはＶ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０．５０％を超えると、未固溶のＶ炭窒化物が生成して硬さの向上に寄与しないばかりか、被削性の低下を招く。したがって、Ｖの含有量を０〜０．５０％とした。
【００２７】
Ｎ：０．０１００％以下
Ｎはその含有量を制限することが極めて重要である。すなわち、Ｎは「切り屑処理性」を劣化させてしまい、特に、その含有量が０．０１００％を超えると、「切り屑処理性」の低下が極めて著しくなる。このため、他の「切り屑処理性」改善元素を添加しても「切り屑処理性」が改善できない。したがって、Ｎの含有量を０．０１００％以下とした。なお、従来Ｎは非調質鋼の硬さ上昇のために添加されていたが、既に述べたＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＶなどの含有量を適正に制御することで、Ｎを意図的に添加しなくても所望の硬さが得られるため、Ｎ含有量はできるだけ低く抑えることが望ましく、０．０１００％以下にする必要がある。硬さがＨｖ２８０以下になって、切り屑処理性が劣化し易い場合には、特にＮの含有量を０．００６０％以下にすることが好ましい。
【００２８】
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは鋼の脱酸に有効な元素であるが、本発明においては既に述べた量のＳｉを含有させるので、Ｓｉで脱酸することができる。したがって、Ａｌで脱酸処理することは特に必要でないため、Ａｌは添加しなくてもよい。なお、Ａｌの含有量が０．０４％を超えると工具と切り屑との凝着が著しくなるので、ドリル加工や旋削で工具寿命の低下が生じる。したがって、Ａｌの含有量を０．０４％以下とした。
【００２９】
Ｍｏ：０〜１．５％
Ｍｏも添加しなくてもよい。添加すれば、硬さ、更に焼入れ処理を実施する鋼材においては焼入れ性を高める作用がある。この効果を確実に得るにはＭｏ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１．５％を超えると前記の効果が飽和しコストが嵩んで経済性に欠ける。したがって、Ｍｏの含有量を０〜１．５％とした。
【００３０】
Ｂｉ：０〜０．１０％
Ｂｉは添加しなくてもよい。添加すれば、被削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Ｂｉ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の低下をきたす。したがって、Ｂｉの含有量を０〜０．１０％とした。
【００３１】
Ｃａ：０〜０．０５％
Ｃａは添加しなくてもよい。添加すれば、主にＭｎＳを球状化するので、例えば熱間鍛造による成形後の機械構造部品が非破壊検査で不良品とされることを防止できるし、最終処理として表面硬化処理が施される場合の割れを防止することもできる。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０．０５％を超えると熱間加工性の著しい低下をきたす。更に、表面硬化処理としての浸炭焼入れや高周波焼入れなどの焼入れ時に割れが発生し製品に不良が多発する。したがって、Ｃａの含有量を０〜０．０５％とした。
【００３２】
Ｐｂ：０〜０．１２％
Ｐｂも添加しなくてもよい。添加すれば、被削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０．０２％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０．１２％を超えると熱間加工性の低下をきたす。更に、表面硬化処理としての浸炭焼入れや高周波焼入れなどの焼入れ時に割れが発生し製品に不良が多発する。したがって、Ｐｂの含有量を０〜０．１２％とした。
【００３３】
Ｚｒ：０〜０．０４％未満
Ｚｒは添加しなくてもよい。添加すれば、Ｚｒの硫化物を形成してＭｎＳの生成を抑制するので、介在物の微細分散化が行える。更に、Ｚｒの炭化物が析出するので硬さを高めることもできる。こうした効果を確実に得るにはＺｒは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｚｒを多く含有させると成分系によっては延性（伸び、絞り）が低下する場合があり、特に、その含有量が０．０４％以上になると延性が著しく低下する場合がある。したがって、Ｚｒの含有量を０〜０．０４％未満とした。
【００３４】
Ｔｅ：０〜０．０５％
Ｔｅも添加しなくてもよい。添加すれば、主にＭｎＳを球状化するので、例えば熱間鍛造による成形後の機械構造部品が非破壊検査で不良品とされることを防止できるし、最終処理として表面硬化処理が施される場合の割れを防止することもできる。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％を超えると熱間加工性の著しい低下をきたす。したがって、Ｔｅの含有量を０〜０．０５％とした。
【００３５】
Ｎｂ：０〜０．１％
Ｎｂは添加しなくてもよい。添加すれば、結晶粒を微細にして強度、特に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％を超えると粗大で硬質のＮｂ炭窒化物が未固溶で残留し、被削性が低下する。したがって、Ｎｂの含有量を０〜０．１％とした。
【００３６】
Ｃｕ：０〜１．５％
Ｃｕは添加しなくてもよい。添加すれば、硬さの向上に効果がある。更に、鋼中で低融点の硫化物を形成して被削性を改善する作用も有する。こうした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１．５％を超えると熱間加工性の著しい低下を招く。したがって、Ｃｕの含有量を０〜１．５％とした。
【００３７】
Ｓｅ：０〜０．５％
Ｓｅは添加しなくてもよい。添加すれば、被削性を一段と高める作用を有する。この効果を確実に得るにはＳｅ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０．５％を超えると熱間加工性の著しい低下を招く。したがって、Ｓｅの含有量を０〜０．５％とした。
【００３８】
本発明においては、Ｏ（酸素）の含有量は特に規定しなくてもよい。しかし、
その含有量が多いと鋼中の酸化物が粗大化し、超音波検査などにおける不良要因となって歩留りが低下するので、歩留りを高めるためには、その含有量を０．０１５０％以下とすることが好ましい。
【００３９】
なお、従来の快削鋼には所謂「脱酸調整鋼」として実用化されているものがある。この「脱酸調整鋼」はＳｉやＡｌの含有量を規制して十分な脱酸を実施せず、Ｃａなどの元素を添加してＳｉ、Ａｌ、Ｃａなどの複合酸化物を形成させ、且つ、これらの複合酸化物の組成比を適正に制御することで酸化物の融点を低下させ、被削性を改善するものである。
【００４０】
これに対して、本発明に係る機械構造用鋼材及び機械構造部品においては、被削性改善のために上記の低融点酸化物を利用する必要はない。前記各元素の含有量及び次に詳しく述べる前記(1)式と(2)式で表されるｆｎ１とｆｎ２の値を適正な範囲に制御し、更に、次項（Ｂ）で述べる組織中に占めるフェライトの割合を適正な範囲に制御することで、Ｈｖ硬さ１６０〜３５０という高硬度であっても、十分な被削性が確保できるのである。したがって、たとえ本発明に係る機械構造用鋼材及び機械構造部品における酸化物が、前記した「脱酸調整鋼」の場合の組成比にあったとしても、被削性の改善はその酸化物に基づくものではない。
【００４１】
ｆｎ１：７．５以上
機械構造用鋼材の場合には、被削性のなかでも特にドリル加工性（ドリル穿孔性）を高めることが重要である。すなわち、機械構造部品にはドリル加工によって油穴で代表されるように、最大直径に対して深さが大きい所謂「深穴」があけられる。この「深穴」を加工する場合のドリル材質としては、耐摩耗性に優れた超硬合金を使用することが困難なため、Ｃｏを含有し靱性と耐摩耗性に優れた高速度鋼（ハイス）が専ら使用されている。このため、ドリル加工性としてのドリル寿命については、ドリル材質の改良による向上は大きくは望めず、被加工材である機械構造用鋼材に依存するところが大きい。
【００４２】
機械構造用鋼材のドリル加工性としては、「ドリル寿命」としての穿孔個数と「切り屑処理性」の２つを高める必要があり、このうち「ドリル寿命」は被加工鋼材の硬さと化学組成に依存する。すなわち、被加工鋼材の硬さが高くなると「ドリル寿命」は低下するものの、それは被加工鋼材の化学組成に大きく依存し、前記 (1)式で表されるｆｎ１の値が７．５以上の場合、機械構造部品に通常のＣｏを含有するハイスドリルを用いて所謂「深穴」（（穴深さ）／（穴直径）が５以上の穴）を加工すると、「ドリル寿命」として３００以上の大きな穿孔個数が得られる。したがって、ｆｎ１の値を７．５以上とした。このｆｎ１の上限の値は、本発明の鋼材が前記の硬さ範囲（Ｈｖ：１６０〜３５０）で、下記の被削性に関するｆｎ２の規定も満たす必要があることから決定される。
【００４３】
ｆｎ２：３．０以上
次項（Ｂ）で述べる組織中に占めるフェライトの面積割合を適正に制御することに加えて、前記 (2)式で表されるｆｎ２（「切り屑切断指数」）の値を３．０以上にした場合に初めて切り屑処理性が改善され、深穴加工において、切り屑の排出が容易となる（図１参照）。このため、ドリル寿命を安定して高めることができるし、切り屑の後処理が不要になるので作業工程を自動化することができる。なお、「切り屑切断指数」であるｆｎ２の値が３．０未満の場合には切り屑切断性が著しく低下するので、図１に示すように長く伸びた切り屑が発生する。このため、切り屑の後処理が必要となって、作業工程の自動化は困難である。更に、ドリル寿命も低下してしまう。したがって、ｆｎ２の値を３，０以上とした。
【００４４】
合金元素の含有量とフェライトの面積割合で規定される「切り屑切断指数」ｆｎ２は、硬さやドリル寿命と関連を有する。つまり、硬さが高くなると切り屑切断性は良好になるが、ドリル寿命は低下する。一方、硬さが低すぎると、ドリル寿命は高くなるもののフェライトの割合が多くなり延性が向上し切り屑処理性が劣化する。したがって、このｆｎ２の上限の値は、本発明の鋼材が前記の硬さ範囲（Ｈｖ：１６０〜３５０）で、被削性に関するｆｎ１及びフェライトの割合の各規定も満たす必要があることから決定される。なお、実質的には８．０程度が上限の値となる。
【００４５】
（Ｂ）鋼材の組織
上記の化学組成を有する機械構造用鋼材の被削性、なかでもドリル穿孔時の「切り屑処理性」を高めるためには、面積割合で組織の１０〜８０％をフェライトとする必要がある。フェライトは軟質相であるため、ドリル加工（ドリル穿孔）の際に優先的に変形し、切り屑切断の起点となって「切り屑処理性」が高まるのである。しかし、フェライトの割合が１０％未満では、上記の効果が十分ではなく、切り屑処理性が低下する。更に、「切り屑処理性」としての「切り屑切断指数」ｆｎ２の値が３．０を下回ってしまう場合もある。一方、フェライトの割合が８０％を超えると、次項（Ｃ）で述べるＨｖ硬さで１６０以上の高硬度が確保し難くなるし、軟質の組織が過剰となって却って「切り屑処理性」が低下してしまう。したがって、組織に占めるフェライトの割合を１０〜８０％とした。
【００４６】
ここで、既に述べたように組織の割合は顕微鏡観察したときの組織割合、つまり面積率のことを指す。
【００４７】
組織におけるフェライト相以外の残りの部分は、パーライト相、又はパーライトとベイナイトの相である。なお、所定の組織は非調質処理、つまり最終の熱間加工後に冷却したままでも得られるし、熱間加工後に焼ならし、焼ならし−焼戻し、焼入れ−焼戻しなどの熱処理を行っても得られる。なお、組織にベイナイト相が含まれる場合には、焼戻し処理することが好ましい。一方、コスト面からは熱処理を行わずに所定の組織が得られる非調質処理とすることが好ましい。この「非調質処理」の場合には、熱処理を行う必要がないためコスト面で有利であるし、工程が簡素化できるために納期の面でも有利である。
【００４８】
（Ｃ）Ｈｖ硬さ
硬さがＨｖ硬さで１６０未満の機械構造部品は、使用時に変形したり、大きな摩耗を生じたり、疲労破壊を起こしたりするので、たとえ被削性に優れていても利用し難い。一方、硬さがＨｖ硬さで３５０を超えると、所望の良好な被削性を確保することが困難となる。特に、「非調質処理」の場合には、組織に占めるフェライトの割合を１０〜８０％として被削性を確保することが極めて困難になる。したがって、Ｈｖ硬さを１６０〜３５０とした。
【００４９】
介在物形態を制御して被削性を改善する従来型の快削鋼は所謂「脱酸調整鋼」として実用化されている。この「脱酸調整鋼」の場合には、セミキルド型の鋼を基本の組成として、ＳｉＯ２、ＭｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＴｉＯ２など酸化物の組成比を適正に制御することで初めて被削性を高めることが可能となる。これに対して、本発明に係る機械構造用鋼材の場合には、酸化物を初めとする介在物の組成範囲には関係なく、つまり、介在物の組成範囲がいかなるものであろうと、既に述べた（Ａ）項の化学組成規定と（Ｂ）項の組織規定を満たせば、（Ｃ）項の硬さ範囲（Ｈｖ：１６０〜３５０）で、良好な被削性が得られるものである。
【００５０】
本発明に係る機械構造部品は、既に述べた本発明に係る機械構造用鋼材を熱間鍛造などの熱間加工で所定の形状に粗加工し、次いで、所望形状に切削加工して製造される。あるいは、上記の切削加工の後、例えば、焼ならし、焼ならし−焼戻し、焼入れ−焼戻しなどの熱処理を施して製造される。又、前記熱間加工の後に熱処理を施され、次いで、所望形状に切削加工して製造されることもある。なお、一部の部品には表面硬化処理として、浸炭焼入れ、窒化及び高周波焼入れなどの熱処理やショットピーニングなどの塑性加が施されることもある。
【００５１】
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
表１〜４に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇの真空溶解炉又は７０トン転炉を用いて溶製した。７０トン転炉を用いて溶製したのは鋼Ａ４と鋼Ｂ８で、転炉で溶製後連続鋳造した。他の鋼はすべて１５０ｋｇ真空溶解炉で溶製したものである。なお、表１〜４には、それぞれ (1)式で表されるｆｎ１の値も併せて示した。なお、Ｏ（酸素）の含有量は、鋼Ｂ１１が０．０１８７％と０．０１５０％を上回っていたが、他の鋼はすべて０．０１５０％以下であった。
【００５３】
表１〜３における鋼Ａ１〜Ａ７、Ａ１０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ６〜Ｂ８、Ｂ１０〜Ｂ１２、Ｂ１４〜Ｂ１６及びＢ２１は化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。
【００５４】
一方、表３〜４における鋼Ｃ１〜Ｄ４のうち、Ｃ１〜Ｃ１４、Ｄ１及びＤ４は各元素のいずれかの含有量が本発明で規定する範囲から外れた鋼である。このうち、Ｃ２〜Ｃ１０、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｄ１及びＤ４は、更に、ｆｎ１も本発明で規定する条件から外れた鋼である。そして、Ｄ２及びＤ３は各元素の含有量は本発明で規定する範囲内にあるものの、ｆｎ１が本発明で規定する条件から外れた鋼である。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
【表３】
【００５８】
【表４】
【００５９】
次いで、これらの鋼の鋼塊を１２５０℃に加熱してから１０００℃以上で仕上げる熱間加工（熱間鍛造）を行い、直径６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は空冷して非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。なお、鋼Ａ３、Ａ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ１２、Ｄ２及びＤ３は熱間加工後の空冷を行った後、鋼組成に応じて８５０〜１０００℃に加熱して焼ならし又は焼入れを行い、鋼Ｄ２を除いて、その後更に焼戻しも行った。
【００６０】
こうして得られた丸棒の表面から１５ｍｍの位置（丸棒の半径の１／２の位置、以下、Ｒ／２部位置という）から、熱間鍛造方向に平行にJIS Z 2201に規定の１４Ａ号引張試験片（平行部の直径：８ｍｍ）を採取し、室温での引張特性を調査した。
【００６１】
直径６０ｍｍの丸棒から２０ｍｍ長さの硬さ試験片を切り出し、断面にてＲ／２部位置のＨｖ硬さ測定も行った。なお、６ヶ所測定した平均の値をＨｖ硬さとした。
【００６２】
更に、丸棒のＲ／２部位置を中心にして、熱間鍛造方向に平行に採取した試験片の断面（Ｌ断面）を鏡面研磨し、被検面をナイタルで腐食して倍率が４００倍の光学顕微鏡で観察してＲ／２部位置の組織観察を行い、フェライトの割合（面積率）測定と組織の判定を行った。
【００６３】
ドリル穿孔試験及び旋削試験による被削性の調査も行った。
ドリル穿孔試験は、直径６０ｍｍの丸棒の直径方向に深さ５０ｍｍの穴をあけ、刃先磨損により穿孔不能となった時の直前の穴の数をドリル寿命とした。穿孔は、ドリル直径が６．０ｍｍ、全長が２２５ｍｍで先端角が１１８度のＣｏを６％含有するハイスドリルを使用し、エマルジョン（水溶性潤滑剤）で潤滑しながら、回転速度９８０ｒｐｍ、送り量０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．の条件で行った。
【００６４】
旋削試験は、超硬合金のチップにチップブレーカーを施したものをベースに、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）−アルミナ−ＴｉＮのコーテイングを施したものを用いて、無潤滑、切削速度１６０ｍ／分、送り量０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み３ｍｍの条件で行った。なお、３０分切削した後のチップの逃げ面の摩耗量で被削性を評価した。
【００６５】
なお、鋼Ｃ１０及び鋼Ｃ１１は熱間鍛造で割れを生じたので、これらの鋼に対しては上記のＲ／２部位置の組織観察を行い、フェライトの割合（面積率）測定と組織の判定だけを行った。
【００６６】
表５〜８に、上記の各種試験結果を示す。この表５〜８の熱処理欄における「Ｎ」は焼ならし、「Ｔ」は焼戻し、「Ｑ」は焼入れを示し、「−」は非調質処理であることを示す。又、組織欄における「Ｆ」はフェライト、「Ｐ」はパーライト、「Ｂ」はベイナイト、「Ｍ」はマルテンサイトを示す。「α」が組織におけるフェライトの面積割合を指すことは既に述べたとおりである。上記の表には焼戻し温度（℃）も括弧内に併せて示した。
【００６７】
なお、鋼Ｃ１０及び鋼Ｃ１１の各々の組織は、相が「Ｂ＋Ｍ」と「Ｆ＋Ｍ」であり、フェライト割合（α）が０％と２１％であった。したがって、前記条件で直径６０ｍｍの丸棒を作製した際のｆｎ２の値は、鋼Ｃ１０の場合が３．６、鋼Ｃ１１の場合が５．４であった。
【００６８】
【表５】
【００６９】
【表６】
【００７０】
【表７】
【００７１】
【表８】
【００７２】
表５〜８に示したように、鋼の化学組成が本発明で規定する範囲内にあり、更に、ｆｎ２の値及びフェライトの割合も本発明の条件を満足する試験番号１〜７、１０〜１２、１６〜１８、２０〜２２、２４〜２６及び３１の場合、Ｈｖ硬さが１８４〜３２２の高硬度であるにも拘わらず、ドリル寿命に優れ、「切り屑処理性」も良好であった。上記の各試験番号の場合には、旋削摩耗量も２００μｍ未満と旋削での被削性も優れていた。
【００７３】
試験番号３３〜４８の場合は、供試鋼における各元素のいずれかの含有量、ｆｎ１の値、ｆｎ２の値、組織に占めるフェライトの割合の少なくとも１つが本発明の条件から外れるため、Ｈｖ硬さで１３５と硬さが低かったり、ドリル穿孔数が３００未満とドリル寿命が短かったり、「切り屑処理性」や旋削摩耗性に劣っていた。
【００７４】
なお、鋼Ｃ１０及び鋼Ｃ１１が熱間鍛造で割れを生じたため、組織観察によるフェライトの割合測定と組織の判定だけを行い、他の試験は実施しなかったことは既に述べたとおりである。
【００７５】
（実施例２）
０．４３％Ｃ−０．６％Ｍｎ−０．１０％Ｓ−０．５％Ｃｒ−０．０１％Ａｌ−０．００５％Ｎ−０．０２％Ｐを基本の化学組成とし、Ｓｉ含有量を変化させた各種の鋼を１５０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製した。
【００７６】
次いで、これらの鋼の鋼塊を１２５０℃に加熱してから１０００℃以上で仕上げる熱間鍛造を行い、直径６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は空冷して非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。
【００７７】
こうして得られた直径６０ｍｍの丸棒を前記実施例１と同じ穿孔条件で、その直径方向に深さ５０ｍｍの穴をあけるドリル穿孔試験を行った。更に、前記実施例１と同じ条件で旋削試験も行った。
【００７８】
図２及び図３に、それぞれドリル寿命としての穿孔個数及び旋削摩耗量に及ぼすＳｉ含有量の影響を整理して示す。
図２、図３から、Ｓｉ含有量が０．５０％以上になるとドリル穿孔個数は安定してしかも確実に３００を大きく超え、旋削摩耗量も２００μｍ以下となるが、Ｓｉの含有量が２．５％を超えるとこれらの特性は急速に劣化してしまうことが明らかである。
【発明の効果】
【００７９】
本発明の機械構造用鋼材は被削性と硬さに優れているので、靱性がそれほど必要とはされないクランク軸、コンロッド、プリンターシャフトのような機械構造部品の素材として利用することができる。この被削性に優れた機械構造用鋼材は比較的容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】「切り屑処理性」としての「切り屑切断指数」ｆｎ２の値と切り屑の切断状況の間の関係を示す図である。
【図２】実施例２で用いた成分系の鋼におけるＳｉ含有量とドリル穿孔個数（ドリル寿命）との関係を示す図である。
【図３】実施例２で用いた成分系の鋼におけるＳｉ含有量と旋削摩耗量との関係を示す図である。
【０００１】
本発明は、被削性に優れた機械構造用鋼材及び機械構造部品に関する。より詳しくは、靱性はそれほど必要とはされないものの、被削性、なかでもドリル穿孔時の「ドリル寿命」と「切り屑処理性」に極めて優れたＨｖ硬さが１６０〜３５０の機械構造用鋼材及び機械構造部品に関する。
【従来の技術】
【０００２】
各種の機械構造部品は、熱間鍛造などの熱間加工で所定の形状に粗加工され、次いで、切削加工によって所望形状に仕上げられてそのままで、つまり非調質のままで使用されたり、切削加工の後に更に熱処理（例えば、焼ならし、焼ならし−焼戻し、焼入れ−焼戻し）されて使用されるか、熱間加工の後に熱処理を施され、次いで、切削加工によって所望形状に仕上げられて使用される。なお、一部の部品のように、最終処理としての表面硬化処理（浸炭焼入れ、窒化、高周波焼入れなど）を施されてから使用される場合もある。
【０００３】
被削性に優れた鋼、すなわち快削鋼は快削性付与元素（快削元素）によって、Ｓ（硫黄）系、Ｐｂ（鉛）系、Ｓ−Ｐｂ系、Ｃａ系、Ｓ−Ｐｂ−Ｃａ系、Ｔｉ系、黒鉛系などに分類される。これらの快削鋼のうち、最終製品に硬さが要求される機械構造用の快削鋼としては、Ｓ快削鋼やＰｂ快削鋼及びそれらの複合快削鋼が用いられることが多い。これは、硬さが上がると被削性が劣化するので、Ｐｂ、Ｓ、Ｃａなどの快削性付与元素を多量に添加して被削性を改善するためである。しかし、上記のＰｂ、Ｓ、Ｃａなどの多量添加は、最終製品である各種の機械構造部品に欠陥を生じる場合がある。例えば、Ｐｂ、Ｓ、Ｃａを多量添加した場合には介在物が粗大化するため高周波焼入れや浸炭焼入れなどの表面硬化処理によって焼割れが生じ、これが最終製品に残存する場合がある。
【０００４】
このため、上記のような粗大介在物による最終製品の不良発生に対して、例えば、ＷＯ９８／２３７８４号の国際公開公報に、Ｔｉを０．０４〜１．０質量％含んでＴｉ炭硫化物を微細に分散させた被削性に優れる機械構造用の快削鋼材が開示されている。しかし、産業界における被削性向上に対する要望はますます大きなものとなっており、最近では自動化された生産ラインで更なる切削時間短縮のために切削速度を一層上昇させることも試みられている。このため、前記公報で提案された鋼材の被削性を凌ぐ機械構造用鋼材が求められている。
【０００５】
被削性を向上させる新しい技術として、Ｓｉ含有量を高めた「プラスチック成形金型用鋼」が特開平９−４９０６７号公報に開示されている。しかし、この公報で提案された「プラスチック成形金型用鋼」をそのまま機械構造部品の素材鋼として用いても、例えばコンロッドや歯車といった自動車用部品のように自動化された生産ラインで大量生産される部品の切削時に要求される安定した切り屑処理性が得られるわけではない。これは、金型の切削加工が１品毎に解放された状態で行われるため、前記公報で提案された「プラスチック成形金型用鋼」の場合には、被削性としての切り屑処理性は問題にならず、したがって、切り屑処理性に対する配慮がなされていないためである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、靱性はそれほど必要とはされないものの、被削性、なかでも通常のＣｏを含有する高速度鋼製のドリル（所謂「ハイスドリル」）を用いて（穴深さ）／（穴直径）が５以上の所謂「深穴」をあけた場合の「ドリル寿命」と「切り屑処理性」に極めて優れたＨｖ硬さが１６０〜３５０の機械構造用鋼材及び機械構造部品を提供することである。ここで、本発明の目標とする「ドリル寿命」としての穿孔個数は３００以上である。なお、上記のような特性が要求される機械構造部品としては具体的にはクランク軸、コンロッド、プリンターシャフトなどが挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨は、下記（１）に示す被削性に優れた機械構造用鋼材及び（２）に示す機械構造部品にある。
【０００８】
（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５５％、０．８８〜２．５％、Ｍｎ：０．１５〜２．００％、Ｓ：０．０８０を超えて０．２％以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｖ：０〜０．５０％、Ｎ：０．０１００％以下、Ａｌ：０．０４％以下、Ｍｏ：０〜１．５％、Ｂｉ：０〜０．１０％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｐｂ：０〜０．１２％、Ｚｒ：０〜０．０４％未満、Ｔｅ：０〜０．０５％、Ｎｂ：０〜０．１％、Ｃｕ：０〜１．５％、Ｓｅ：０〜０．５％を含有し、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が７．５以上、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が３．０以上を満たし、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有するとともに、面積割合で１０〜８０％がフェライト相であり、残部がパーライト相又はパーライト・ベイナイト相である組織を有する、Ｈｖ硬さが１６０〜３５０の機械構造用鋼材。
ｆｎ１＝−２３Ｃ＋Ｓｉ（５−２Ｓｉ）−４Ｍｎ＋１０４Ｓ−３Ｃｒ−９Ｖ＋１０・・・(1)
ｆｎ２＝３．２Ｃ＋０．８Ｍｎ＋５．２Ｓ＋０．５Ｃｒ−１２０Ｎ＋２．６Ｐｂ＋４．１Ｂｉ−０．００１α２＋０．１３α・・・(2)
ここで、各式における元素記号はその元素の質量％での含有量を示し、αは組織におけるフェライト相の％での面積割合を示す。
【０００９】
（２）上記（１）に記載の機械構造用鋼材を素材とし、切削による加工を受けたことを特徴とする機械構造部品。
【００１０】
ドリル穿孔条件は前記のとおり、通常のＣｏを含有するハイスドリルを用いて（穴深さ）／（穴直径）が５以上の所謂「深穴」をあけるものである。なお前記の「穴」はドリル加工方向に貫通しない所謂「盲穴」であってもよいし、貫通した「孔」であってもよい。
【００１１】
なお、穴を１つドリル穿孔した際、穿孔開始直後にドリル先端から排出される切り屑を除いた他の切り屑の切断状況は種々の形態をとる。前記 (2)式で表されるｆｎ２は「切り屑処理性」としての「切り屑切断指数」を示すもので、その値と前記の切り屑の切断状況の間の関係は図１に示すとおりである。なお、このｆｎ２の値が０以下になる場合にはすべて「０」と定義する。
【００１２】
組織の割合は顕微鏡観察したときの組織割合、つまり面積率のことを指す。
【００１３】
本発明者らは、鋼材の化学組成と組織が被削性に及ぼす影響について調査・研究を重ねた。その結果、下記の知見を得た。
【００１４】
（ａ）鋼材の組織中に占めるフェライト相の面積割合（以下、「フェライト相」を単に「フェライト」ということがある。又、「面積割合」は単に「割合」ということもある。）を制御すれば、被削性としてのドリル加工性、なかでも切り屑処理性を大きく高めることができる。
【００１５】
（ｂ）前記 (1)式で表されるｆｎ１の値を７．５以上にすれば、通常のＣｏを含有するハイスドリルを用いてＨｖ硬さで１６０〜３５０の高硬度機械構造部品に（穴深さ）／（穴直径）が５以上の所謂「深穴」をあける場合、「ドリル寿命」としての穿孔個数を３００以上にすることができる。したがって、靱性はそれほど必要とはされないものの、深穴加工時のドリル寿命が極めて重要視されるクランク軸のような機械構造部品に対しては、Ｓの含有量を高めるのがよい。
【００１６】
（ｃ）被削性としての「切り屑処理性」を高めることは、特にドリル穿孔の場合にドリルの寿命安定化や高寿命化が図れるとともに、切り屑の後処理を不要にして作業工程を自動化するために重要不可欠である。
【００１７】
（ｄ）組織中に占めるフェライトの割合を適正に制御することに加えて、前記 (2)式で表されるｆｎ２（「切り屑切断指数」）の値を３．０以上にすれば、上記の高硬度機械構造部品に対して、前記ドリル加工（ドリル穿孔）を行う場合の切り屑処理性が改善されて切り屑の排出が容易となる。このため、ドリル寿命を安定して高めることができるし、切り屑の後処理が不要になるので作業工程を自動化することができる。
【００１８】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【発明の実施の形態】
【００１９】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２０】
（Ａ）鋼材の化学組成
Ｃ：０．０５〜０．５５％
Ｃは、鋼の硬さを高めて機械構造部品に所望の高い硬さを付与するのに必須の元素である。加えてＣには、被削性としての「切り屑処理性」を高める作用がある。しかし、その含有量が０．０５％未満では前記効果が得難い。一方、Ｃの含有量が高すぎると「切り屑処理性」は飽和あるいは却って低下し、旋削時の工具摩耗量の増大（つまり、旋削工具寿命の低下）をきたす。特に、その含有量が０．５５％を超えると、被削性は前記の旋削摩耗性を含めてすべて低下する。したがって、Ｃの含有量を０．０５〜０．５５％とした。
【００２１】
Ｓｉ：０．８８〜２．５％
Ｓｉは、被削性改善に有効な元素である。前記の作用はＳｉを０．８８％以上含有させる必要がある。一方、Ｓｉ含有量が２．０％程度で被削性改善効果は飽和し、２．５％を超えると切り屑の変形様式が断続的な剪断変形へと移行して切り屑厚さが大きく変動し、却って工具寿命が損なわれる。したがって、Ｓｉの含有量を０．８８〜２．５％とした。
【００２２】
Ｍｎ：０．１５〜２．００％
Ｍｎは、鋼中のＳを固定して熱間加工性を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．１５％未満では前記の効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が２．００％程度で前記の効果は飽和する。したがって、Ｍｎの含有量を０．１５〜２．００％とした。なお、次に述べる量のＳを含有する鋼において、鋼中のＳを固定するためには、Ｍｎ含有量の下限値は０．３０％とすることが好ましい。
【００２３】
Ｓ：０．０８０％を超えて０．２％以下
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成して被削性を改善する作用を有する。しかし、その含有量が０．０８０％以下では、深穴加工時の「ドリル寿命」としての穿孔個数を安定してしかも確実に３００以上にすることが困難となる。一方、Ｓの含有量が０．２％を超えると、表面硬化処理としての浸炭焼入れや高周波焼入れなどの焼入れ時に割れが発生し製品に不良が多発する場合がある。したがって、Ｓの含有量を０．０８０％を超えて０．２％以下とした。
【００２４】
Ｃｒ：０〜２．０％
Ｃｒは添加しなくてもよい。添加すれば、硬さを高める作用がある。更に、被削性としての「切り屑処理性」を高める作用や微細な介在物（ＣｒＳ）を鋼材中にもたらす作用も有する。こうした効果を確実に得るにはＣｒは０．２％以上の含有量とすることが好ましい。Ｃｒの含有量は０．５％以上とすることが一層好ましい。しかし、その含有量が２．０％を超えると組織中のフェライトの割合が大きく低下するので、「切り屑処理性」は逆に著しく低下する。したがって、Ｃｒの含有量を０〜２．０％とした。なお、Ｃｒ含有量の上限は、Ｃ含有量が０．２５％程度以下の場合には１．５％とすることが好ましい。０．５５％を上限とする前記範囲のＣ含有量に対して、Ｃｒ含有量の上限は１．０％とすることが一層好ましい。
【００２５】
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは熱間加工性を低下させてしまう。特にその含有量が０．０３５％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０３５％以下とした。
【００２６】
Ｖ：０〜０．５０％
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば、ドリル寿命を大きく低下させることなく硬さを大きく高める作用を有し、更に、旋削時にも工具摩耗を抑制する効果がある。こうした効果を確実に得るにはＶ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０．５０％を超えると、未固溶のＶ炭窒化物が生成して硬さの向上に寄与しないばかりか、被削性の低下を招く。したがって、Ｖの含有量を０〜０．５０％とした。
【００２７】
Ｎ：０．０１００％以下
Ｎはその含有量を制限することが極めて重要である。すなわち、Ｎは「切り屑処理性」を劣化させてしまい、特に、その含有量が０．０１００％を超えると、「切り屑処理性」の低下が極めて著しくなる。このため、他の「切り屑処理性」改善元素を添加しても「切り屑処理性」が改善できない。したがって、Ｎの含有量を０．０１００％以下とした。なお、従来Ｎは非調質鋼の硬さ上昇のために添加されていたが、既に述べたＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＶなどの含有量を適正に制御することで、Ｎを意図的に添加しなくても所望の硬さが得られるため、Ｎ含有量はできるだけ低く抑えることが望ましく、０．０１００％以下にする必要がある。硬さがＨｖ２８０以下になって、切り屑処理性が劣化し易い場合には、特にＮの含有量を０．００６０％以下にすることが好ましい。
【００２８】
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは鋼の脱酸に有効な元素であるが、本発明においては既に述べた量のＳｉを含有させるので、Ｓｉで脱酸することができる。したがって、Ａｌで脱酸処理することは特に必要でないため、Ａｌは添加しなくてもよい。なお、Ａｌの含有量が０．０４％を超えると工具と切り屑との凝着が著しくなるので、ドリル加工や旋削で工具寿命の低下が生じる。したがって、Ａｌの含有量を０．０４％以下とした。
【００２９】
Ｍｏ：０〜１．５％
Ｍｏも添加しなくてもよい。添加すれば、硬さ、更に焼入れ処理を実施する鋼材においては焼入れ性を高める作用がある。この効果を確実に得るにはＭｏ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１．５％を超えると前記の効果が飽和しコストが嵩んで経済性に欠ける。したがって、Ｍｏの含有量を０〜１．５％とした。
【００３０】
Ｂｉ：０〜０．１０％
Ｂｉは添加しなくてもよい。添加すれば、被削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Ｂｉ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の低下をきたす。したがって、Ｂｉの含有量を０〜０．１０％とした。
【００３１】
Ｃａ：０〜０．０５％
Ｃａは添加しなくてもよい。添加すれば、主にＭｎＳを球状化するので、例えば熱間鍛造による成形後の機械構造部品が非破壊検査で不良品とされることを防止できるし、最終処理として表面硬化処理が施される場合の割れを防止することもできる。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０．０５％を超えると熱間加工性の著しい低下をきたす。更に、表面硬化処理としての浸炭焼入れや高周波焼入れなどの焼入れ時に割れが発生し製品に不良が多発する。したがって、Ｃａの含有量を０〜０．０５％とした。
【００３２】
Ｐｂ：０〜０．１２％
Ｐｂも添加しなくてもよい。添加すれば、被削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０．０２％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０．１２％を超えると熱間加工性の低下をきたす。更に、表面硬化処理としての浸炭焼入れや高周波焼入れなどの焼入れ時に割れが発生し製品に不良が多発する。したがって、Ｐｂの含有量を０〜０．１２％とした。
【００３３】
Ｚｒ：０〜０．０４％未満
Ｚｒは添加しなくてもよい。添加すれば、Ｚｒの硫化物を形成してＭｎＳの生成を抑制するので、介在物の微細分散化が行える。更に、Ｚｒの炭化物が析出するので硬さを高めることもできる。こうした効果を確実に得るにはＺｒは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｚｒを多く含有させると成分系によっては延性（伸び、絞り）が低下する場合があり、特に、その含有量が０．０４％以上になると延性が著しく低下する場合がある。したがって、Ｚｒの含有量を０〜０．０４％未満とした。
【００３４】
Ｔｅ：０〜０．０５％
Ｔｅも添加しなくてもよい。添加すれば、主にＭｎＳを球状化するので、例えば熱間鍛造による成形後の機械構造部品が非破壊検査で不良品とされることを防止できるし、最終処理として表面硬化処理が施される場合の割れを防止することもできる。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％を超えると熱間加工性の著しい低下をきたす。したがって、Ｔｅの含有量を０〜０．０５％とした。
【００３５】
Ｎｂ：０〜０．１％
Ｎｂは添加しなくてもよい。添加すれば、結晶粒を微細にして強度、特に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％を超えると粗大で硬質のＮｂ炭窒化物が未固溶で残留し、被削性が低下する。したがって、Ｎｂの含有量を０〜０．１％とした。
【００３６】
Ｃｕ：０〜１．５％
Ｃｕは添加しなくてもよい。添加すれば、硬さの向上に効果がある。更に、鋼中で低融点の硫化物を形成して被削性を改善する作用も有する。こうした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１．５％を超えると熱間加工性の著しい低下を招く。したがって、Ｃｕの含有量を０〜１．５％とした。
【００３７】
Ｓｅ：０〜０．５％
Ｓｅは添加しなくてもよい。添加すれば、被削性を一段と高める作用を有する。この効果を確実に得るにはＳｅ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０．５％を超えると熱間加工性の著しい低下を招く。したがって、Ｓｅの含有量を０〜０．５％とした。
【００３８】
本発明においては、Ｏ（酸素）の含有量は特に規定しなくてもよい。しかし、
その含有量が多いと鋼中の酸化物が粗大化し、超音波検査などにおける不良要因となって歩留りが低下するので、歩留りを高めるためには、その含有量を０．０１５０％以下とすることが好ましい。
【００３９】
なお、従来の快削鋼には所謂「脱酸調整鋼」として実用化されているものがある。この「脱酸調整鋼」はＳｉやＡｌの含有量を規制して十分な脱酸を実施せず、Ｃａなどの元素を添加してＳｉ、Ａｌ、Ｃａなどの複合酸化物を形成させ、且つ、これらの複合酸化物の組成比を適正に制御することで酸化物の融点を低下させ、被削性を改善するものである。
【００４０】
これに対して、本発明に係る機械構造用鋼材及び機械構造部品においては、被削性改善のために上記の低融点酸化物を利用する必要はない。前記各元素の含有量及び次に詳しく述べる前記(1)式と(2)式で表されるｆｎ１とｆｎ２の値を適正な範囲に制御し、更に、次項（Ｂ）で述べる組織中に占めるフェライトの割合を適正な範囲に制御することで、Ｈｖ硬さ１６０〜３５０という高硬度であっても、十分な被削性が確保できるのである。したがって、たとえ本発明に係る機械構造用鋼材及び機械構造部品における酸化物が、前記した「脱酸調整鋼」の場合の組成比にあったとしても、被削性の改善はその酸化物に基づくものではない。
【００４１】
ｆｎ１：７．５以上
機械構造用鋼材の場合には、被削性のなかでも特にドリル加工性（ドリル穿孔性）を高めることが重要である。すなわち、機械構造部品にはドリル加工によって油穴で代表されるように、最大直径に対して深さが大きい所謂「深穴」があけられる。この「深穴」を加工する場合のドリル材質としては、耐摩耗性に優れた超硬合金を使用することが困難なため、Ｃｏを含有し靱性と耐摩耗性に優れた高速度鋼（ハイス）が専ら使用されている。このため、ドリル加工性としてのドリル寿命については、ドリル材質の改良による向上は大きくは望めず、被加工材である機械構造用鋼材に依存するところが大きい。
【００４２】
機械構造用鋼材のドリル加工性としては、「ドリル寿命」としての穿孔個数と「切り屑処理性」の２つを高める必要があり、このうち「ドリル寿命」は被加工鋼材の硬さと化学組成に依存する。すなわち、被加工鋼材の硬さが高くなると「ドリル寿命」は低下するものの、それは被加工鋼材の化学組成に大きく依存し、前記 (1)式で表されるｆｎ１の値が７．５以上の場合、機械構造部品に通常のＣｏを含有するハイスドリルを用いて所謂「深穴」（（穴深さ）／（穴直径）が５以上の穴）を加工すると、「ドリル寿命」として３００以上の大きな穿孔個数が得られる。したがって、ｆｎ１の値を７．５以上とした。このｆｎ１の上限の値は、本発明の鋼材が前記の硬さ範囲（Ｈｖ：１６０〜３５０）で、下記の被削性に関するｆｎ２の規定も満たす必要があることから決定される。
【００４３】
ｆｎ２：３．０以上
次項（Ｂ）で述べる組織中に占めるフェライトの面積割合を適正に制御することに加えて、前記 (2)式で表されるｆｎ２（「切り屑切断指数」）の値を３．０以上にした場合に初めて切り屑処理性が改善され、深穴加工において、切り屑の排出が容易となる（図１参照）。このため、ドリル寿命を安定して高めることができるし、切り屑の後処理が不要になるので作業工程を自動化することができる。なお、「切り屑切断指数」であるｆｎ２の値が３．０未満の場合には切り屑切断性が著しく低下するので、図１に示すように長く伸びた切り屑が発生する。このため、切り屑の後処理が必要となって、作業工程の自動化は困難である。更に、ドリル寿命も低下してしまう。したがって、ｆｎ２の値を３，０以上とした。
【００４４】
合金元素の含有量とフェライトの面積割合で規定される「切り屑切断指数」ｆｎ２は、硬さやドリル寿命と関連を有する。つまり、硬さが高くなると切り屑切断性は良好になるが、ドリル寿命は低下する。一方、硬さが低すぎると、ドリル寿命は高くなるもののフェライトの割合が多くなり延性が向上し切り屑処理性が劣化する。したがって、このｆｎ２の上限の値は、本発明の鋼材が前記の硬さ範囲（Ｈｖ：１６０〜３５０）で、被削性に関するｆｎ１及びフェライトの割合の各規定も満たす必要があることから決定される。なお、実質的には８．０程度が上限の値となる。
【００４５】
（Ｂ）鋼材の組織
上記の化学組成を有する機械構造用鋼材の被削性、なかでもドリル穿孔時の「切り屑処理性」を高めるためには、面積割合で組織の１０〜８０％をフェライトとする必要がある。フェライトは軟質相であるため、ドリル加工（ドリル穿孔）の際に優先的に変形し、切り屑切断の起点となって「切り屑処理性」が高まるのである。しかし、フェライトの割合が１０％未満では、上記の効果が十分ではなく、切り屑処理性が低下する。更に、「切り屑処理性」としての「切り屑切断指数」ｆｎ２の値が３．０を下回ってしまう場合もある。一方、フェライトの割合が８０％を超えると、次項（Ｃ）で述べるＨｖ硬さで１６０以上の高硬度が確保し難くなるし、軟質の組織が過剰となって却って「切り屑処理性」が低下してしまう。したがって、組織に占めるフェライトの割合を１０〜８０％とした。
【００４６】
ここで、既に述べたように組織の割合は顕微鏡観察したときの組織割合、つまり面積率のことを指す。
【００４７】
組織におけるフェライト相以外の残りの部分は、パーライト相、又はパーライトとベイナイトの相である。なお、所定の組織は非調質処理、つまり最終の熱間加工後に冷却したままでも得られるし、熱間加工後に焼ならし、焼ならし−焼戻し、焼入れ−焼戻しなどの熱処理を行っても得られる。なお、組織にベイナイト相が含まれる場合には、焼戻し処理することが好ましい。一方、コスト面からは熱処理を行わずに所定の組織が得られる非調質処理とすることが好ましい。この「非調質処理」の場合には、熱処理を行う必要がないためコスト面で有利であるし、工程が簡素化できるために納期の面でも有利である。
【００４８】
（Ｃ）Ｈｖ硬さ
硬さがＨｖ硬さで１６０未満の機械構造部品は、使用時に変形したり、大きな摩耗を生じたり、疲労破壊を起こしたりするので、たとえ被削性に優れていても利用し難い。一方、硬さがＨｖ硬さで３５０を超えると、所望の良好な被削性を確保することが困難となる。特に、「非調質処理」の場合には、組織に占めるフェライトの割合を１０〜８０％として被削性を確保することが極めて困難になる。したがって、Ｈｖ硬さを１６０〜３５０とした。
【００４９】
介在物形態を制御して被削性を改善する従来型の快削鋼は所謂「脱酸調整鋼」として実用化されている。この「脱酸調整鋼」の場合には、セミキルド型の鋼を基本の組成として、ＳｉＯ２、ＭｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＴｉＯ２など酸化物の組成比を適正に制御することで初めて被削性を高めることが可能となる。これに対して、本発明に係る機械構造用鋼材の場合には、酸化物を初めとする介在物の組成範囲には関係なく、つまり、介在物の組成範囲がいかなるものであろうと、既に述べた（Ａ）項の化学組成規定と（Ｂ）項の組織規定を満たせば、（Ｃ）項の硬さ範囲（Ｈｖ：１６０〜３５０）で、良好な被削性が得られるものである。
【００５０】
本発明に係る機械構造部品は、既に述べた本発明に係る機械構造用鋼材を熱間鍛造などの熱間加工で所定の形状に粗加工し、次いで、所望形状に切削加工して製造される。あるいは、上記の切削加工の後、例えば、焼ならし、焼ならし−焼戻し、焼入れ−焼戻しなどの熱処理を施して製造される。又、前記熱間加工の後に熱処理を施され、次いで、所望形状に切削加工して製造されることもある。なお、一部の部品には表面硬化処理として、浸炭焼入れ、窒化及び高周波焼入れなどの熱処理やショットピーニングなどの塑性加が施されることもある。
【００５１】
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
表１〜４に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇの真空溶解炉又は７０トン転炉を用いて溶製した。７０トン転炉を用いて溶製したのは鋼Ａ４と鋼Ｂ８で、転炉で溶製後連続鋳造した。他の鋼はすべて１５０ｋｇ真空溶解炉で溶製したものである。なお、表１〜４には、それぞれ (1)式で表されるｆｎ１の値も併せて示した。なお、Ｏ（酸素）の含有量は、鋼Ｂ１１が０．０１８７％と０．０１５０％を上回っていたが、他の鋼はすべて０．０１５０％以下であった。
【００５３】
表１〜３における鋼Ａ１〜Ａ７、Ａ１０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ６〜Ｂ８、Ｂ１０〜Ｂ１２、Ｂ１４〜Ｂ１６及びＢ２１は化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。
【００５４】
一方、表３〜４における鋼Ｃ１〜Ｄ４のうち、Ｃ１〜Ｃ１４、Ｄ１及びＤ４は各元素のいずれかの含有量が本発明で規定する範囲から外れた鋼である。このうち、Ｃ２〜Ｃ１０、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｄ１及びＤ４は、更に、ｆｎ１も本発明で規定する条件から外れた鋼である。そして、Ｄ２及びＤ３は各元素の含有量は本発明で規定する範囲内にあるものの、ｆｎ１が本発明で規定する条件から外れた鋼である。
【００５５】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
次いで、これらの鋼の鋼塊を１２５０℃に加熱してから１０００℃以上で仕上げる熱間加工（熱間鍛造）を行い、直径６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は空冷して非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。なお、鋼Ａ３、Ａ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ１２、Ｄ２及びＤ３は熱間加工後の空冷を行った後、鋼組成に応じて８５０〜１０００℃に加熱して焼ならし又は焼入れを行い、鋼Ｄ２を除いて、その後更に焼戻しも行った。
【００６０】
こうして得られた丸棒の表面から１５ｍｍの位置（丸棒の半径の１／２の位置、以下、Ｒ／２部位置という）から、熱間鍛造方向に平行にJIS Z 2201に規定の１４Ａ号引張試験片（平行部の直径：８ｍｍ）を採取し、室温での引張特性を調査した。
【００６１】
直径６０ｍｍの丸棒から２０ｍｍ長さの硬さ試験片を切り出し、断面にてＲ／２部位置のＨｖ硬さ測定も行った。なお、６ヶ所測定した平均の値をＨｖ硬さとした。
【００６２】
更に、丸棒のＲ／２部位置を中心にして、熱間鍛造方向に平行に採取した試験片の断面（Ｌ断面）を鏡面研磨し、被検面をナイタルで腐食して倍率が４００倍の光学顕微鏡で観察してＲ／２部位置の組織観察を行い、フェライトの割合（面積率）測定と組織の判定を行った。
【００６３】
ドリル穿孔試験及び旋削試験による被削性の調査も行った。
ドリル穿孔試験は、直径６０ｍｍの丸棒の直径方向に深さ５０ｍｍの穴をあけ、刃先磨損により穿孔不能となった時の直前の穴の数をドリル寿命とした。穿孔は、ドリル直径が６．０ｍｍ、全長が２２５ｍｍで先端角が１１８度のＣｏを６％含有するハイスドリルを使用し、エマルジョン（水溶性潤滑剤）で潤滑しながら、回転速度９８０ｒｐｍ、送り量０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．の条件で行った。
【００６４】
旋削試験は、超硬合金のチップにチップブレーカーを施したものをベースに、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）−アルミナ−ＴｉＮのコーテイングを施したものを用いて、無潤滑、切削速度１６０ｍ／分、送り量０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み３ｍｍの条件で行った。なお、３０分切削した後のチップの逃げ面の摩耗量で被削性を評価した。
【００６５】
なお、鋼Ｃ１０及び鋼Ｃ１１は熱間鍛造で割れを生じたので、これらの鋼に対しては上記のＲ／２部位置の組織観察を行い、フェライトの割合（面積率）測定と組織の判定だけを行った。
【００６６】
表５〜８に、上記の各種試験結果を示す。この表５〜８の熱処理欄における「Ｎ」は焼ならし、「Ｔ」は焼戻し、「Ｑ」は焼入れを示し、「−」は非調質処理であることを示す。又、組織欄における「Ｆ」はフェライト、「Ｐ」はパーライト、「Ｂ」はベイナイト、「Ｍ」はマルテンサイトを示す。「α」が組織におけるフェライトの面積割合を指すことは既に述べたとおりである。上記の表には焼戻し温度（℃）も括弧内に併せて示した。
【００６７】
なお、鋼Ｃ１０及び鋼Ｃ１１の各々の組織は、相が「Ｂ＋Ｍ」と「Ｆ＋Ｍ」であり、フェライト割合（α）が０％と２１％であった。したがって、前記条件で直径６０ｍｍの丸棒を作製した際のｆｎ２の値は、鋼Ｃ１０の場合が３．６、鋼Ｃ１１の場合が５．４であった。
【００６８】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
表５〜８に示したように、鋼の化学組成が本発明で規定する範囲内にあり、更に、ｆｎ２の値及びフェライトの割合も本発明の条件を満足する試験番号１〜７、１０〜１２、１６〜１８、２０〜２２、２４〜２６及び３１の場合、Ｈｖ硬さが１８４〜３２２の高硬度であるにも拘わらず、ドリル寿命に優れ、「切り屑処理性」も良好であった。上記の各試験番号の場合には、旋削摩耗量も２００μｍ未満と旋削での被削性も優れていた。
【００７３】
試験番号３３〜４８の場合は、供試鋼における各元素のいずれかの含有量、ｆｎ１の値、ｆｎ２の値、組織に占めるフェライトの割合の少なくとも１つが本発明の条件から外れるため、Ｈｖ硬さで１３５と硬さが低かったり、ドリル穿孔数が３００未満とドリル寿命が短かったり、「切り屑処理性」や旋削摩耗性に劣っていた。
【００７４】
なお、鋼Ｃ１０及び鋼Ｃ１１が熱間鍛造で割れを生じたため、組織観察によるフェライトの割合測定と組織の判定だけを行い、他の試験は実施しなかったことは既に述べたとおりである。
【００７５】
（実施例２）
０．４３％Ｃ−０．６％Ｍｎ−０．１０％Ｓ−０．５％Ｃｒ−０．０１％Ａｌ−０．００５％Ｎ−０．０２％Ｐを基本の化学組成とし、Ｓｉ含有量を変化させた各種の鋼を１５０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製した。
【００７６】
次いで、これらの鋼の鋼塊を１２５０℃に加熱してから１０００℃以上で仕上げる熱間鍛造を行い、直径６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は空冷して非調質鋼材の製造プロセスを模擬した。
【００７７】
こうして得られた直径６０ｍｍの丸棒を前記実施例１と同じ穿孔条件で、その直径方向に深さ５０ｍｍの穴をあけるドリル穿孔試験を行った。更に、前記実施例１と同じ条件で旋削試験も行った。
【００７８】
図２及び図３に、それぞれドリル寿命としての穿孔個数及び旋削摩耗量に及ぼすＳｉ含有量の影響を整理して示す。
図２、図３から、Ｓｉ含有量が０．５０％以上になるとドリル穿孔個数は安定してしかも確実に３００を大きく超え、旋削摩耗量も２００μｍ以下となるが、Ｓｉの含有量が２．５％を超えるとこれらの特性は急速に劣化してしまうことが明らかである。
【発明の効果】
【００７９】
本発明の機械構造用鋼材は被削性と硬さに優れているので、靱性がそれほど必要とはされないクランク軸、コンロッド、プリンターシャフトのような機械構造部品の素材として利用することができる。この被削性に優れた機械構造用鋼材は比較的容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】「切り屑処理性」としての「切り屑切断指数」ｆｎ２の値と切り屑の切断状況の間の関係を示す図である。
【図２】実施例２で用いた成分系の鋼におけるＳｉ含有量とドリル穿孔個数（ドリル寿命）との関係を示す図である。
【図３】実施例２で用いた成分系の鋼におけるＳｉ含有量と旋削摩耗量との関係を示す図である。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５５％、Ｓｉ：０．８８〜２．５％、Ｍｎ：０．１５〜２．００％、Ｓ：０．０８０を超えて０．２％以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｖ：０〜０．５０％、Ｎ：０．０１００％以下、Ａｌ：０．０４％以下、Ｍｏ：０〜１．５％、Ｂｉ：０〜０．１０％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｐｂ：０〜０．１２％、Ｚｒ：０〜０．０４％未満、Ｔｅ：０〜０．０５％、Ｎｂ：０〜０．１％、Ｃｕ：０〜１．５％、Ｓｅ：０〜０．５％を含有し、下記(1)式で表されるｆｎ１の値が７．５以上、下記(2)式で表されるｆｎ２の値が３．０以上を満たし、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有するとともに、面積割合で１０〜８０％がフェライト相であり、残部がパーライト相又はパーライト・ベイナイト相である組織を有する、Ｈｖ硬さが１６０〜３５０の機械構造用鋼材。
ｆｎ１＝−２３Ｃ＋Ｓｉ（５−２Ｓｉ）−４Ｍｎ＋１０４Ｓ−３Ｃｒ−９Ｖ＋１０・・・(1)
ｆｎ２＝３．２Ｃ＋０．８Ｍｎ＋５．２Ｓ＋０．５Ｃｒ−１２０Ｎ＋２．６Ｐｂ＋４．１Ｂｉ−０．００１α２＋０．１３α・・・(2)
ここで、各式における元素記号はその元素の質量％での含有量を示し、αは組織におけるフェライト相の％での面積割合を示す。 - 請求項１に記載の機械構造用鋼材を素材とし、切削による加工を受けたことを特徴とする機械構造部品。
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