JP3890724B2

JP3890724B2 - 被削性に優れたフェライト・パーライト型非調質鋼材

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Publication number: JP3890724B2
Application number: JP03740798A
Authority: JP
Inventors: 光男宇野; 芳彦鎌田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JPH11229082A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、機械構造部材の素材として好適な被削性に優れたフェライト・パーライト型非調質鋼材に関する。より詳しくは、自動車、産業機械、土木建設機械などのエンジン部品や足廻り部品の素材、なかでもコンロッドやクランクシャフトなどの素材として好適な、例えば降伏強度（０．２％耐力）が４８０ＭＰａ以上、引張強度が８００ＭＰａ以上、降伏比（降伏強度／引張強度）が０．６以上、疲労強度が３６０ＭＰａ以上で、且つ２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が１０Ｊ／ｃｍ² 以上であるフェライト・パーライト型のＶを含有しない被削性に優れた非調質鋼材に関する。
【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調質鋼と同等程度の特性を持つ非調質鋼の開発が行われてきた。
【０００４】
非調質鋼としては、ベイナイト型、マルテンサイト型及びフェライト・パーライト型の非調質鋼が知られている。このうち、ベイナイト型とマルテンサイト型の非調質鋼では高い強度が得られるものの被削性が低い。このため切削加工による仕上げ成形に難があり、加えて大きな変態歪が生ずるため「曲がり」が大きくなるという問題があって、曲がり取りの矯正工程が必要なためにコストアップにつながる。例えば、特開平４−１７６８４２号公報で提案されているベイナイト型の「熱間鍛造用非調質鋼」においてもなお上記の被削性や曲がり発生の面で問題が残るものであった。
【０００５】
特開平４−２１０４４９号公報には、その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混在した「高靭性熱間鍛造用非調質鋼」が提案されている。この公報で提案された技術は、組織にフェライトとパーライトを含むため、ベイナイト単相の場合に比べて変態歪による「曲がり」は幾分解消されるものである。しかし、組織中にベイナイトが占める割合が高い場合には変態歪の発生による「曲がり」を矯正する工程が必要でコストアップが避けられないものであった。
【０００６】
更に、上記の特開平４−１７６８４２号公報及び特開平４−２１０４４９号公報に記載の鋼は、高価な元素であるＶを必須成分として添加したものであるため、鋼の組成の面からのコストアップも避けられないものであった。
【０００７】
一方、従来のフェライト・パーライト型の非調質鋼は、例えば特開昭６２−１６７８５５号公報に開示されている様に、中炭素鋼にＶを添加した化学組成を有し、Ｖの炭窒化物を析出させてフェライト基地を強化し、これによって高強度化及び高疲労強度化を達成しようとするものである。しかし、既に述べたようにＶは高強度化には有効であっても高価な元素であるためコストの増加が避けられないという問題を含んでいた。
【０００８】
又、近年、機械構造部品の高強度化に伴って、熱間鍛造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。
【０００９】
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、特開平４−２１０４４９号公報や特開昭６２−１６７８５５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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記したクランクシャフトやコンロッドなどには、充分な耐疲労特性が要求される。しかし、靭性に関してはそれほど高い性能が要求されない場合もある。つまり、クランクシャフトやコンロッドなどの素材として、耐疲労特性はＶを添加した非調質鋼材と同等であるが、靭性としては、例えば、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値で１０Ｊ／ｃｍ² もあれば充分とされる場合もある。
【００１３】
本発明の目的は、自動車、産業機械、土木建設機械などのエンジン部品や足廻り部品の素材、なかでもコンロッドやクランクシャフトなどの素材として好適な、Ｖを添加した非調質鋼材と同等の例えば３６０ＭＰａ以上の疲労強度を有するとともに、降伏強度（０．２％耐力）が４８０ＭＰａ以上、引張強度が８００ＭＰａ以上、降伏比（降伏強度／引張強度）が０．６以上、且つ２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が１０Ｊ／ｃｍ² 以上であるフェライト・パーライト型のＶを含有しない低コストで、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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記に示すフェライト・パーライト型非調質鋼材にある。
【００１５】
すなわち、「重量％で、Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０〜０．２％、Ｃｒ：０〜０．５％、Ｍｏ：０〜０．２％、Ｗ：０〜０．３５％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｚｒ：０〜１．０％で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｎｂ：０〜０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００８％以下、Ｐｂ：０〜０．３０％、下記(1) 式で表されるｆｎ１の値が０．７５〜１．０％、下記(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％以上である被削性に優れたフェライト・パーライト型非調質鋼材。
【００１６】
ｆｎ１＝Ｃ（％）＋０．１Ｓｉ（％）＋０．２Ｍｎ（％）＋０．５Ｃｕ（％）＋０．２Ｃｒ（％）−０．７Ｓ（％）・・・・・(1)、ｆｎ２＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・・(2)」である。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明者らは、Ｖを添加しないフェライト・パーライト型の非調質鋼材の化学組成と組織に関して種々検討を重ねた結果、下記の知見を得た。
【００１９】
（ａ）鋼にＣｕを１重量％程度含有させれば、Ｃｕが微細析出して析出強化するが、Ｃｕの含有量が１重量％未満では殆どその効果は認められない。しかし、鋼にＣｕとともに含有量で０．５重量％以上のＳｉを複合添加した場合には、Ｃｕの含有量が１重量％未満であっても、Ｃｕの析出強化の効果が発揮され、しかも降伏比と衝撃値が著しく向上する。
【００２０】
（ｂ）重量％で、０．３％以上のＣ、０．５％以上のＳｉ、１．０％以上のＭｎ及び０．０１％以上のＣｕを含有する鋼の組織がフェライト・パーライト組織である時、鋼の引張強度は前記(1) 式で表されるｆｎ１で整理できる。そして、ｆｎ１の値が０．７５％以上であれば、８００ＭＰａ以上の引張強度が得られて３６０ＭＰａ以上の疲労強度が安定して確保できるとともに、４８０ＭＰａ以上の降伏強度、０．６以上の降伏比が得られる。但し、ｆｎ１の値が１．０％を超えると靭性が大きく低下するため、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が１０Ｊ／ｃｍ²を下回ってしまう。
【００２１】
（ｃ）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。
【００２２】
そこで、更に研究を続けた結果、下記の事項を見いだした。
【００２３】
（ｄ）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。
【００２４】
（ｅ）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。
【００２５】
（ｆ）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。
【００２６】
（ｇ）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。
【００２７】
（ｈ）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。
【００２８】
（ｉ）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。
【００２９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３０】
【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。
【００３１】
（Ａ）素材鋼の化学組成
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、鋼の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０．３％未満ではフェライト・パーライト型の非調質鋼の場合には所望の強度が得られない。一方、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、靭性も低下してしまう。したがって、Ｃの含有量を０．３〜０．６％とした。
【００３２】
Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸を促進するとともに、フェライト中に固溶してフェライトを強化し、静的強度と疲労強度を高める作用がある。更に、Ｓｉは後述のＣｕと複合添加すると、Ｃｕの析出強化作用を促進させる作用や、降伏比や衝撃値を高める作用も有する。前記の効果を充分発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．５％以上とすることが必要である。一方、Ｓｉを２．０％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０．５〜２．０％とした。
【００３３】
Ｍｎ：
Ｍｎは、脱酸作用や強度を高める作用がある。その効果を確保するためには、１．０％以上の含有量を必要とする。しかし、Ｍｎを２．０％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、降伏比及び被削性が低下するようになる。したがって、Ｍｎの含有量を１．０〜２．０％とした。
【００３４】
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０．０５％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０．０５％以下とした。
【００３５】
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。
【００３６】
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０．２％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り、地疵等の問題が生じる。更に、熱間での加工性が著しく劣化し熱間加工が困難になる。したがって、Ｓの含有量を０．００２〜０．２％とした。なお、Ｓの好ましい含有量は０．０２〜０．１％である。
【００３７】
Ｃｕ：
Ｃｕは、既に述べたように、Ｓｉと複合添加すると微量でも析出強化作用を有する。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、Ｓｉと複合添加した場合にはＣｕを０．５０％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含有量を０．０１〜０．５％とした。なお、Ｃｕ含有量は０．０５％以上とすることが好ましく、より好ましいＣｕ含有量の下限値は０．１０％である。
【００３８】
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０〜０．２％とした。
【００３９】
Ｃｒ：
Ｃｒは添加しなくても良い。添加すれば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０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．５％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含有量を０〜０．５％とした。
【００４０】
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、Ｍｏを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含有量を０〜０．２％とした。
【００４１】
Ｗ：
Ｗは添加しなくても良い。添加すればＮｉやＭｏ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、Ｗは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｗを０．３５％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、Ｗの含有量を０〜０．３５％とした。
【００４２】
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０〜１．０％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。
【００４３】
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、０．０３％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０〜０．０３％とした。
【００４４】
Ａｌ：
Ａｌは、鋼の脱酸の安定化及び均質化を図るとともに、結晶粒を微細化し、強度を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．０１％未満では添加効果に乏しい。一方、０．１０％を超えると被削性や熱間加工性の低下を招く。したがって、Ａｌ含有量を０．０１〜０．１０％とした。なお、Ａｌ含有量とは所謂「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶性Ａｌ）量」のことをいう。
【００４５】
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。
【００４６】
Ｐｂ：
Ｐｂは添加しなくても良い。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、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。従って、Ｐｂの含有量を０〜０．３０％とした。
【００４７】
ｆｎ１：
重量％で、０．３％以上のＣ、０．５％以上のＳｉ、１．０％以上のＭｎ及び０．０１％以上のＣｕを含有する鋼の組織がフェライト・パーライト組織である場合において、熱間加工ままの状態での引張強度は前記した(1) 式で表されるｆｎ１で整理できる。そして、このｆｎ１の値が０．７５％以上の場合に、８００ＭＰａ以上の引張強度が得られて３６０ＭＰａ以上の疲労強度が安定して確保できるとともに、４８０ＭＰａ以上の降伏強度、０．６以上の降伏比が得られる。一方、ｆｎ１の値が１．０％を超えると靭性が大きく低下するため、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が所望の１０Ｊ／ｃｍ²を下回ってしまう。したがって、ｆｎ１を０．７５〜１．０％とした。
【００４８】
ｆｎ２：
Ｎ含有量が０．００８％以下で、前述の(2) 式で表されるｆｎ２が０％を超える値（ｆｎ２＝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。ｆｎ２が０％以下の値（ｆｎ２≦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、(2) 式で表されるｆｎ２に関して０％を超える値（ｆｎ２＞０％）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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（Ａ）に記載の化学組成を有する鋼は、例えば、上記したような方法で溶製された後、例えば通常の方法による熱間での圧延や鍛造を受け、更に切削加工されてコンロッドやクランクシャフトなど所定形状の部品に仕上げられる。なお、通常の方法による熱間での圧延や鍛造を行った後の冷却は、フェライト・パーライト組織となるような冷却速度での冷却、例えば空冷や放冷とすれば良い。
【００５６】
【実施例】
表１〜４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、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。
【００５７】
表１、表２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３、表４における鋼１６〜１９及び鋼２１〜３１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。比較例の鋼のうち鋼３１は、従来タイプのＶを含有させたフェライト・パーライト型の非調質鋼である。
【００５８】
【表１】

【００５９】
【表２】

【００６０】
【表３】

【００６１】
【表４】

【００６２】
次いで、これらの本発明例の鋼及び比較例の鋼を通常の方法によって鋼片とした後、１１５０〜１２００℃に加熱してから、１０００℃の仕上げ温度で直径２０ｍｍの丸棒及び厚さ１２ｍｍで幅が６０ｍｍの鋼板に熱間鍛造し、その後常温まで空冷した。
【００６３】
こうして得られた丸棒の中心部から平行部径が６ｍｍの小野式回転曲げ疲労試験片を切り出して常温（室温）、大気中、３０００ｒｐｍの条件で疲労試験を行なった。又、丸棒の中心部からＪＩＳ４号引張試験片及びＪＩＳ３号シャルピー試験片（２ｍｍＵノッチシャルピー試験片）を切り出し、常温で引張試験を行った。直径２０ｍｍで厚さが２０ｍｍの試験片を切り出して、光学顕微鏡による中心部の組織観察も行った。
【００６４】
上記の熱間鍛造ままの丸棒からは、JIS G 0555の図５に則って試験片を採取し、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。
【００６５】
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１２ｍｍで幅が６０ｍｍ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１０００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。
【００６６】
表５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。
【００６７】
【表５】

【００６８】
表５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あっては、いずれも良好な被削性とともに、従来のＶを含有させたフェライト・パーライト型の非調質鋼である鋼３１と同等の耐疲労特性、すなわち３６０ＭＰａ以上の疲労強度（疲労限度）を有しており、しかも所望の４８０ＭＰａ以上の降伏強度（０．２％耐力）、８００ＭＰａ以上の引張強度、０．６以上の降伏比と、１０Ｊ／ｃｍ² 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られている。
【００６９】
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、疲労強度、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。
【００７０】
Ｃ量が低めに外れた鋼１６は、引張強度及び疲労強度が所望の値に達していない。
【００７１】
Ｓｉ量が低めに外れた鋼１７は、降伏強度、引張強度、降伏比、及び疲労強度がいずれも所望の値に達していない。
【００７２】
Ｍｎ量が低めに外れた鋼１８は、引張強度及び疲労強度が所望の値に達していない。
【００７３】
Ｃｕ量が低めに外れた鋼２２は、降伏強度、引張強度、降伏比、及び疲労強度がいずれも所望の値に達していない。
【００７４】
Ｎ量が高めに外れた鋼２３は、被削性が劣っている。
【００７５】
Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値が低めに外れた鋼２４は、被削性が劣っている。
【００７６】
ｆｎ１の値が低めに外れた鋼２５及び鋼３０は、引張強度及び疲労強度が所望の値に達していない。
【００７７】
Ｃ量及びＭｎ量が低めに外れた鋼２７は、降伏強度、引張強度及び疲労強度がいずれも所望の値に達していない。
【００７８】
Ｓｉ量、Ｍｎ量、Ｃｕ量及びｆｎ１が低めに外れた鋼２８は、降伏強度、引張強度、降伏比、及び疲労強度がいずれも所望の値に達していない。
【００７９】
Ｐ量が高めに外れた鋼１９及びＣ量が高めに外れた鋼２６は、いずれも２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が所望の値に達していない。
【００８０】
Ｍｎ量が高めに外れた鋼２９は、降伏比が所望の値に達していないし、組織がフェライト・パーライト・ベイナイトの混合組織であるため、被削性が低い。更に、曲がり発生の面でも問題があった。
【００８１】
Ｃｕ量が高めに外れるとともにＴｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値が低めに外れた鋼２１は、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が所望の値に達しておらず、しかも被削性も劣っている。
【００８２】
なお、従来タイプのＶを含有させたフェライト・パーライト型の非調質鋼である鋼３１は、ｆｎ１の値が本発明の規定値を下回るが、Ｖの析出強化により所望の耐疲労特性と引張特性、つまり、３６０ＭＰａ以上の疲労強度、４８０ＭＰａ以上の降伏強度、８００ＭＰａ以上の引張強度、０．６以上の降伏比を有している。更に、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値についても、所望の１０Ｊ／ｃｍ² 以上の値を有している。しかし、被削性は本発明例の鋼に比べて劣っている。
【００８３】
【発明の効果】
本発明による被削性に優れたフェライト・パーライト型非調質鋼を用いれば、３６０ＭＰａ以上の疲労強度、４８０ＭＰａ以上の降伏強度、８００ＭＰａ以上の引張強度、０．６以上の降伏比及び１０Ｊ／ｃｍ² 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を有する自動車、産業機械、土木建設機械などのエンジン部品や足廻り部品、なかでもコンロッドやクランクシャフトなどを低コストで製造することが可能で、産業上の効果は大きい。

Claims

重量％で、Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０〜０．２％、Ｃｒ：０〜０．５％、Ｍｏ：０〜０．２％、Ｗ：０〜０．３５％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｚｒ：０〜１．０％で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｎｂ：０〜０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００８％以下、Ｐｂ：０〜０．３０％、下記(1) 式で表されるｆｎ１の値が０．７５〜１．０％、下記(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％以上である被削性に優れたフェライト・パーライト型非調質鋼材。
ｆｎ１＝Ｃ（％）＋０．１Ｓｉ（％）＋０．２Ｍｎ（％）＋０．５Ｃｕ（％）＋０．２Ｃｒ（％）−０．７Ｓ（％）・・・・・(1)
ｆｎ２＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・・(2)