JP3912308B2 - 機械構造用鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械構造用鋼に係り、特に、Ｐｂを含まないにもかかわらず被削性に優れる機械構造用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用機械、建設用機械、自動車をはじめとする輸送用機械などに用いられる各種の機械構造部品は、素材である機械構造用鋼を熱間鍛造などの熱間加工で所定の形状に粗加工した後、切削加工によって所望の形状に仕上げられることが多い。このため、機械構造用鋼には、良好な機械的性質（例えば、熱処理によって付与される高い硬度、大きな疲労限度（疲労強度）や優れた靱性）とともに、高い被削性が要求される。
【０００３】
従来、機械構造用鋼の被削性を高める元素として、Ｐｂ（鉛）、Ｓ（イオウ）、Ｔｅ（テルル）やＣａ（カルシウム）が知られている。
【０００４】
すなわち、Ｐｂは、鋼中ではそれ自体単独で或いはＭｎＳ系介在物の周囲に析出し、これが切り欠きの起点となるし、Ｐｂ自体が低融点、且つ軟質であるために切削面で潤滑効果を有する。このため、切削性及び切り屑処理性が向上するとともに、仕上げ面粗さが低位に安定し、生産性の向上に大いに寄与してきた。更に、Ｐｂを添加すればＰｂがＭｎＳの周囲に析出して、圧延や鍛造の際のＭｎＳの伸展を抑制するので、機械的性質の異方性も著しく改善される。
【０００５】
しかし、近年の環境問題の高まりに伴い、Ｐｂを添加しなくても切削性に優れるとともに機械的性質の異方性が小さい低廉な機械構造用鋼が望まれている。
【０００６】
上記のＰｂ以外で鋼の被削性を向上させる最も重要な元素としてＳがある。Ｓは、鋼の主要合金元素であるＭｎと親和力が大きく、鋼中でＭｎＳ粒子として分散することにより、被削性を著しく改善する作用を有する。
【０００７】
また、Ｔｅは、周期律表でＳと同じIVＡ族に属し、Ｍｎとの親和力が大きく鋼中でＭｎＴｅ粒子として分散する。このため、Ｔｅを添加することによって、被削性を改善することができる。また、ＭｎＳ系介在物の周囲にＭｎＴｅが析出することにより、圧延や鍛造の際にＭｎＳ系介在物の伸展を抑制することができるといわれている。
【０００８】
他の元素としては、ＣａはＳとの親和力が大きくＣａＳを含むＭｎＳを形成することにより、ＭｎＳ系介在物の形態調整と、ＣａＳによる切削工具の保護効果により被削性を改善する作用を有する。Ｃａには、圧延や鍛造の際のＭｎＳの伸展を抑制する作用もある。また、ＣａはＯ（酸素）との親和力も大きいので、Ａｌ2Ｏ3等の硬質の酸化物系介在物を、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3或いはＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2 等の形の軟質な介在物にし、これによって工具摩耗を軽減して被削性を改善する作用を有する。
【０００９】
上記のＳ、Ｔｅ及びＣａを添加する機械構造用快削鋼については既に多数の報告がなされている。
【００１０】
例えば、特許文献１には、特定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｏ、Ｎｉ及びＣｒに加えて、質量％で、Ｓを０．００５〜０．０３％含み、更に、Ｃａを５〜３０ｐｐｍ含有するか、Ｃａ及びＴｅをそれぞれ５〜３０ｐｐｍずつ含有する熱間鍛造用棒鋼の製造方法が開示されている。上記特許文献で提案された技術は、前記特定の化学組成を有する鋼のうち、ＣからＳまでの元素に加えてＣａだけを含有する鋼については、鋳片から棒鋼までの圧延比を９．５以下に、また、ＣからＳまでの元素に加えてＣａとＴｅの双方を含有する鋼については、鋳片から棒鋼までの圧延比を６３以下にすることによりＭｎＳの形状変形を最小限に抑制するものである。しかし、この技術は、鋳片から棒鋼までの圧延比を限定する必要があるし、鋼にＴｅとＣａを複合添加する場合には、Ｔｅ（％）／Ｓ（％）で０．０５〜０．１もの量のＴｅを含有させる必要があり、Ｐｂ非添加の切削性に優れる機械構造用鋼を低コストで得たいという産業界の要望には必ずしも応えられてはいない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２９６３９６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、実質的にＰｂを含まない鋼であって、切削性に優れるとともに機械的性質の異方性が小さい低廉な機械構造用鋼を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す機械構造用鋼にある。
【００１４】
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１５】
（２）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１６】
（３）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１７】
（４）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上、並びに、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１８】
以下、上記の（１）〜（４）の機械構造用鋼に係る発明をそれぞれ（１）〜（４）の発明という。
【００１９】
上記（１）〜（４）の発明でいう「ＭｎＳ系介在物」とは、主要構成元素がＭｎとＳとからなる介在物、特に、介在物中のＭｎとＳの占める割合が合計で９０原子％以上である介在物を指す。
【００２０】
その形状は、圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面である「長手方向縦断面」（以下「Ｌ断面」ともいう）で観察したものである。そして、「長さＬ」とは、Ｌ断面中で観察される最も長い部分を、また、その「幅Ｗ」とは長さＬに対して直交する方向で最も長い部分を意味する。例えば、加工を圧延で行った場合、圧延比が断面積比で２以上であれば、圧延の長手方向とＭｎＳ系介在物の長さを表す直線はほぼ平行になる。
【００２１】
ＭｎＳ系介在物中に含まれる原子％でのＴｅの含有量は、無作為に抽出した１０〜２０程度の前記ＭｎＳ系介在物中の含有量の平均値をいう。
【００２２】
また、（３）及び（４）の発明における「ＲＥＭ（希土類元素）」は、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計含有量を指す。
【００２３】
本発明者らは、被削性を改善する元素として良く知られているＳ、Ｔｅ及びＣａを複合して含有させたＰｂ非添加鋼を用いて、被削性と機械的性質について検討を行った。
【００２４】
その結果、Ｐｂ非添加鋼にＳ、Ｔｅ及びＣａを複合添加することによってＰｂ添加鋼と同等の優れた被削性、なかでも超硬工具を用いた場合に工具摩耗量が少なく大きな工具寿命が確保できる良好な被削性及び異方性の小さい機械的性質を付与させるには、Ｓ、Ｔｅ及びＣａを単に複合添加するだけではなく、これらの元素が形成する硫化物形態を調整する必要があることが判明した。
【００２５】
すなわち、酸化物系介在物を軟質化したうえで、少量のＣａがＭｎＳ系介在物に固溶した硫化物を工具の摩耗が生じる面に付着させれば超硬工具の摩耗量が低減し、また、硫化物を伸展が少ない形状に維持すれば機械的性質に異方性が生じることを低減できることが判明した。
【００２６】
そこで、ＭｎＳ系介在物に対するＣａとＴｅの作用及び上記ＭｎＳ系介在物におけるＣａ及びＴｅの存在形態について、詳細な検討を行った。その結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見が得られた。
【００２７】
（ａ）偏晶反応で生成したＭｎＳは球状であり、偏晶反応によってＭｎＳ系介在物を生成させるには、下記(1)式を満たせばよい。
【００２８】
Ｃａ／Ｏ≧０．８・・・(1)。ここで、 (1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００２９】
（ｂ）ＭｎＳ系介在物が液相で存在する偏晶の状態において、ＴｅはＭｎＳ系介在物に十分均一に溶解する。
【００３０】
（ｃ）ＭｎＳの周囲にＭｎＴｅが析出する状態のＭｎＳ系介在物が存在する場合にはＭｎＴｅによる熱間加工性の低下のために熱間での加工割れが発生しやすい。
【００３１】
（ｄ）ＭｎＳ系介在物が偏晶反応で生成しうる状態で適正量のＴｅを添加すれば、ＭｎＳ系介在物にＴｅを固溶させ、且つ、ＭｎＳ系介在物の周囲にＭｎＴｅが析出しないようにすることができる。
【００３２】
そこで次に、偏晶反応で生成させたＭｎＳ系介在物の伸展特性について調査した。その結果、下記（ｅ）及び（ｆ）の事項が判明した。
【００３３】
（ｅ）偏晶反応で生成させた特定量のＴｅを含むＭｎＳ系介在物は伸展し難い。
【００３４】
（ｆ）硫化物を上記（ｅ）の偏晶反応で生成させた０．１〜０．６原子％のＴｅを含むＭｎＳ系介在物とすれば、鋼中のＳ含有量が同じであっても、機械的性質の異方性を小さくすることができる。なお、硫化物を偏晶反応で生成させた０．１〜０．６原子％のＴｅを含むＭｎＳ系介在物とするためには、下記(2)式を満たせばよい。
【００３５】
０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５・・・(2)。ここで、 (2)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００３６】
前記の（１）〜（４）の発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３７】
【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。
（Ａ）鋼の化学組成
先ず、本発明の機械構造用鋼における化学組成とその限定理由について述べる。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００３８】
Ｃ：０．１〜０．６％
Ｃは、鋼の強度や靱性を得るのに必要な元素である。機械構造用鋼として特に重要な引張り強度及び疲労強度を得るには、その含有量を０．１％以上とする必要がある。一方、その含有量が０．６％を超えると、快削鋼の前提となる素地の加工性が損なわれる。したがって、Ｃの含有量を０．１〜０．６％とした。
【００３９】
Ｓｉ：０．０３〜２．０％
Ｓｉは、鋼の脱酸及び固溶強化作用を有する元素である。これらの効果のうち後述のＣａ添加による偏晶のＭｎＳ系介在物を形成させるのに十分な脱酸作用を確保するためには、Ｓｉの含有量を０．０３％以上とする必要がある。しかし、その含有量が２．０％を超えると、固溶強化が過剰となる。したがって、Ｓｉ含有量を０．０３〜２．０％とした。なお、Ｓｉの更に好ましい含有量は０．１〜１．０％である。
【００４０】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させて鋼の引張り強度を高めるのに有用な元素である。更に、ＭｎはＭｎＳ系介在物を形成することにより被削性を高めるとともに脆化の原因となるＦｅＳの生成を抑制する作用を有する。しかし、Ｍｎの含有量が０．２％未満では添加効果に乏しい。一方、その含有量が２．０％を超えると、焼入れ性が高くなり過ぎるため、被削性が損なわれる。したがって、Ｍｎの含有量を０．２〜２．０％とした。なお、Ｍｎ含有量の更に好ましい範囲は０．４〜２．０％である。
【００４１】
Ｓ：０．０３〜０．２０％
Ｓは、ＭｎＳ系介在物を形成して、被削性を高めるのに必須の元素である。通常の機械構造用鋼と比較して被削性向上効果を得るためには、Ｓの含有量を０．０３％以上とする必要がある。一方、その含有量が０．２０％を超えると、鍛造時に割れが発生したり、機械的性質の劣化が著しくなって機械構造用鋼としての必要機能が十分確保できない。したがって、Ｓの含有量を０．０３〜０．２０％とした。なお、十分な被削性を得るために、Ｓの含有量は０．０４５〜０．２０％とすることが更に好ましい。
【００４２】
Ｐ：０．１％以下
Ｐは、靱性の劣化や延性の低下をもたらす。特に、その含有量が０．１％を超えると靱性の劣化や延性の低下が大きくなる。したがって、Ｐの含有量を０．１％以下とした。なお、Ｐの含有量が０．１％以下であれば、大きな靱性の劣化や延性の低下を生じることなく固溶強化作用が得られるので、材料としての必要強度を考慮してその含有量を選択できる。前記の固溶強化作用を確実に得るにはＰの含有量を０．００３％以上とするのがよい。なお、Ｐは鉄鉱石やスクラップから混入する場合が多いが、脱Ｐ処理や加Ｐ処理は製造コストの増加を招くので、強度面とコスト面とを総合してその含有量を決定すればよい。
【００４３】
Ｎ：０．００１〜０．０２％
Ｎは、鋼中で窒化物を形成して結晶粒を微細化し、靱性及び疲労特性といった機械構造用鋼に必要な性質を高める作用を有する。前記の作用を確実なものとするためには、Ｎの含有量は０．００１％以上とする必要がある。一方、Ｎの含有量が０．０２％を超えると、一部の窒化物が粗大化して靱性の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．００１〜０．０２％とした。
【００４４】
Ａｌ：０．０００３〜０．００５％
Ａｌは、鋼中でＯ（酸素）と強い親和力を有しＡｌ2Ｏ3を形成する。酸化物系介在物中に適当な濃度のＡｌ2Ｏ3を含ませることにより、酸化物は高速切削の温度域で軟質化し被削性の向上に寄与する。この酸化物の軟質化のためには、Ａｌの含有量は０．０００３％以上とする必要がある。一方、Ａｌの含有量が０．００５％を超えると、酸化物系介在物の主体がＡｌ2Ｏ3になるため、却って工具摩耗量が大きくなる。したがって、Ａｌ含有量を０．０００３〜０．００５％とした。
【００４５】
Ｃａ：０．０００１〜０．０１０％
鋼中のＣａは、Ｏ（酸素）及びＳと強い親和力を有し、酸化物系介在物中にＣａＯを形成し、また、ＭｎＳ系介在物中に固溶する。酸化物系介在物中に適当な濃度のＣａＯを含ませることにより、酸化物は高速切削の温度域で軟質化して被削性の向上に寄与する。更に、前記 (2)式を満たす条件下で硫化物系介在物中にＣａＳを含ませることにより、硫化物は偏晶反応で生成し、効率よく硫化物にＴｅを含有させることができる。ＣａＯ形成及びＭｎＳ系介在物にＣａを固溶させるために、Ｃａの含有量は少なくとも０．０００１％が必要である。しかし、０．０１０％を超えてＣａを含有させても、ＣａＳ形成による偏晶反応での硫化物の生成は飽和し、Ｃａ処理コストが嵩むばかりである。したがって、Ｃａの含有量を０．０００１〜０．０１０％とした。
【００４６】
Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％
鋼中のＯは、鋼中の酸化物系介在物に由来するものと鋼中に溶存するものとからなる。酸化物系介在物の量は鋼の被削性や機械的性質に影響し、一方、溶存酸素量は硫化物の形態と酸化物系介在物の組成に影響を及ぼす。溶存酸素と酸化物系介在物に含有されるＯを分離して検出することは困難なため、本発明におけるＯ含有量は、一般的な分析方法で得られる全Ｏ含有量とする。酸化物系介在物量の観点からはＯ含有量が増加すると、被削性及び機械的性質の低下をきたす。また、溶存酸素量の観点からは、Ｏの含有量が増加することはＣａと結合するＯ量の増加を意味するので、ＣａＳが形成し難くなる。すなわち、Ｏ含有量が０．００５％を超えると、被削性及び機械的性質の低下が大きくなるし、ＣａＳの形成が極めて難しくなる。一方、前述したＡｌ含有量の上限が０．００５％の下では、スラグ精錬を長時間実施してもＯの含有量を０．０００５％未満とすることは困難であるし、コストも嵩むばかりである。したがって、Ｏの含有量を０．０００５〜０．００５％とした。
【００４７】
Ｔｅ：０．０００１〜０．０１％
本発明においてＴｅは重要な元素である。すなわち、ＭｎＳ系介在物中にＴｅを固溶させることにより、機械的性質の異方性の低減と被削性確保の両立を図る。前記の効果を得るにはＴｅの含有量は０．０００１％以上が必要である。一方、その含有量が０．０１％を超えるとＭｎＳ系介在物の周囲にＭｎＴｅが析出する。したがって、Ｔｅの含有量を０．０００１〜０．０１％とした。
【００４８】
本発明においては、不純物中のＭｇを下記のとおり規定する。
【００４９】
Ｍｇ：０．００１％以下
本発明を実施するのに有害な元素としてはＭｇがあげられる。本発明は、球状のＭｎＳ系介在物を生成させることにより、ＭｎＳ系介在物へのＴｅの固溶を確実なものにするものであるが、ＭｇはＳ及びＯとの親和力が強くＭｇＯ及びＭｇＳを生成する。このうちＭｇＯは硬質の酸化物で被削性の低下をもたらす。また、ＭｇＯ及びＭｇＳのいずれもＭｎＳ系介在物の晶出起点となり、偏晶反応によると考えられる球状のＭｎＳ系介在物の生成を阻害する。特に、Ｍｇの含有量が０．００１％を超えると本発明の効果を奏することができない。したがって、溶鋼へのＭｇの添加は避ける必要がある。そして、不純物として入るＭｇはその含有量を０．００１％以下とする必要がある。なお、不純物中のＭｇは０．０００５％以下とすることがより好ましい。
【００５０】
前記（１）の発明に係る機械構造用鋼は、上記のＣからＴｅまでの元素を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、残部としてのＦｅと不純物からなり、不純物中のＭｇが上記の規定を満たす化学組成を有する鋼である。
【００５１】
前記（２）の発明に係る機械構造用鋼は、引張強度、靱性などの機械的性質を向上させることを目的として、上記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００５２】
一般に、鋼の引張強度を高めると被削性が低下することが知られているが、上記のＴｉからＮｉまでのいずれの元素も、それぞれ適正な範囲の含有量であれば、既に述べたＭｎＳ系介在物形成に大きな影響を与えないので、機械的性質の異方性の低減と被削性の確保とを妨げることなく、鋼の引張強度を高める作用を有する。これらのＴｉからＮｉまでの元素は以下に述べる範囲内でそれぞれを単独で含有させてもよいし、２種以上を複合して含有させてもよい。
【００５３】
Ｔｉ：０．１％以下
Ｔｉは、鋼中で炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して結晶粒を微細化するので、鋼の引張強度が向上するとともに靱性も改善される。これらの効果を確実に得るには、Ｔｉ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、硬質のＴｉＮの粗大化が生じるため被削性の低下をきたす。したがって、Ｔｉを添加する場合には、その含有量を０．１％以下とするのがよい。
【００５４】
Ｃｒ：２．５％以下
Ｃｒは、鋼の引張強度を高めるのに有用な元素である。この効果を確実に得るためには、Ｃｒは０．０３％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が２．５％を超えると、硬度上昇による被削性の低下が顕在化する。したがって、Ｃｒを添加する場合には、その含有量を２．５％以下とするのがよい。
【００５５】
Ｖ：０．５％以下
Ｖは、Ｔｉと同様に、鋼中で炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して結晶粒を微細化するので、鋼の引張強度が高まるとともに靱性も良好になる。これら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０．５％を超えると、前記の効果が飽和するばかりか、被削性の低下をきたす。したがって、Ｖを添加する場合には、その含有量を０．５％以下とするのがよい。
【００５６】
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、鋼の引張強度を高めるのに有用な元素である。この効果を確実に得るためには、Ｍｏは０．０５％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が１．０％を超えると、熱間加工後の組織が異常に粗大化して靱性の低下をきたす。したがって、Ｍｏを添加する場合には、その含有量を１．０％以下とするのがよい。
【００５７】
Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは、鋼中で炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して結晶粒を微細化するので、鋼の引張強度が高まるとともに靱性も改善される。これら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、被削性の著しい低下をきたす。したがって、Ｎｂを添加する場合には、その含有量を０．１％以下とするのがよい。
【００５８】
Ｃｕ：２．０％以下
Ｃｕは、析出強化によって鋼の引張強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るためには、Ｃｕは０．２％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が２．０％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効果が飽和したり、却って低下することがある。したがって、Ｃｕを添加する場合には、その含有量を２．０％以下とするのがよい。
【００５９】
Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは、固溶強化によって鋼の引張強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るためには、Ｎｉは０．２％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、Ｎｉを２．０％を超えて含有させても、前記効果は飽和しコストが嵩むばかりとなる。したがって、Ｎｉを添加する場合には、その含有量は２．０％以下とするのがよい。
【００６０】
前記（３）の発明に係る機械構造用鋼は、被削性を更に向上させることを目的として、前述の（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００６１】
上記のＢｉとＲＥＭはいずれも、それぞれ適正な範囲の含有量であれば、先に述べたＭｎＳ系介在物形態制御による機械的性質の異方性の低減を妨げることなく、被削性を更に高める作用を有する。上記のＢｉとＲＥＭは以下に述べる範囲内でそれぞれを単独で含有させてもよいし、２種を複合して含有させてもよい。
【００６２】
Ｂｉ：０．１％以下
Ｂｉは、ＭｎＳ系介在物の周囲にＢｉとして析出しＭｎＳ系介在物の塑性変形を抑制して機械的性質の異方性を小さくするとともに、切削時に鋼と工具間で潤滑作用を示して被削性を改善する。こうした効果を明確に得るには、Ｂｉは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｂｉを０．１％を超えて含有させても被削性改善効果は飽和し、添加コストが嵩むばかりである。したがって、Ｂｉを添加する場合には、その含有量を０．１％以下とするのがよい。
【００６３】
ＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下
ＲＥＭは、前述のとおりＳｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素を指す。いずれも鋼中のＳやＯと強い親和力を有するので、鋼中では化学的にほぼ等価とみなし、上記元素の合計含有量をＲＥＭの含有量とする。特に、工業的にミッシュメタルで扱う場合には、簡便にはＬａ、Ｃｅ及びＮｄ含有量の和と見なしてもよい。
【００６４】
ＲＥＭは、鋼中のＳ及びＯと反応して、ＲＥＭ硫化物及びＲＥＭ酸硫化物を溶鋼段階から形成し、これらが適度に分散して被削性を高める作用を有する。なお、ＲＥＭは凝固のミクロ偏析過程でのＭｎＳ系介在物へのＴｅの溶解には影響を及ぼさない。
【００６５】
前記した効果を確実に得るには、ＲＥＭは０．００１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、ＲＥＭの含有量が０．０１％を超えると、硬質のＲＥＭ酸化物の生成量が増大し、却って被削性の低下を招く。したがって、ＲＥＭを添加する場合には、その含有量を０．０１％以下とするのがよい。
【００６６】
前記（４）の発明に係る機械構造用鋼は、引張強度、靱性などの機械的性質を向上させること、及び被削性を更に向上させることを目的として、前述の（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上、並びに、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００６７】
なお、溶鋼中でＳｅはＴｅとほぼ同様の化学的作用を有するため、工業的にはＴｅと等価な元素としてＴｅの含有量に置換してＳｅを用いることが可能である。しかし、近年の環境問題の高まりに伴い、Ｓｅ非添加の要望もあるため、本発明においてはＳｅを添加しないこととした。
（Ｂ）ＭｎＳ系介在物
次に、鋼の化学組成を前記（Ａ）項のようにした場合の、ＭｎＳ系介在物について述べる。
【００６８】
前記（１）〜（４）の発明の重要な要素技術にＭｎＳ系介在物中へのＴｅの固溶があげられる。この要素技術の根幹は、ＭｎＳ系介在物の晶出形態を調整することにより可及的少量のＴｅを有効に作用させるものである。その結果として、長手方向縦断面（Ｌ断面）において、幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下であるＭｎＳ系介在物中にＴｅを０．１〜０．６原子％含有させることが可能となり、これによって機械構造用の圧延鋼材の機械特性の異方性を大幅に改善することが可能となる。
【００６９】
先ず、前記（１）〜（４）の発明において、Ｌ断面におけるＭｎＳ系介在物を対象とするのは、これが機械的性質の異方性の主要因になるためである。また、偏晶反応によって生成するＭｎＳ系介在物を主体とする場合には、Ｌ断面において幅Ｗが２μｍ未満であれば機械的性質の異方性にほとんど影響を及ぼさないためである。
【００７０】
次に、ＭｎＳ系介在物中にＴｅを固溶させて熱間及び冷間での加工時のＭｎＳ系介在物の塑性変形を抑制して機械的性質の異方性を小さくするが、少量が生成することを避けられないＴｅやＣａを固溶しない硫化物の前記Ｌ／Ｗの値は５を超えるものであり、これらを含めてしまうと、特性向上の主体となるＭｎＳ系介在物の組成を測定する場合の誤差要因となってしまう。
【００７１】
最後に、対象とするＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量について説明する。
【００７２】
前記ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量が０．１原子％未満では、一見したところでは形態調整がなされたように見えても、実際には鋼中で伸展した形状のある部分の断面を観察しているに過ぎず、機械的性質の異方性改善効果が望めない。一方、前記ＭｎＳ系介在物中のＴｅ含有量が０．６原子％を超えても、機械的性質の異方性改善効果は飽和してコストが嵩むことがあるし、そのような状態のＭｎＳ系介在物の周囲を観察するとＭｎＴｅが認められる場合が多く、このＭｎＴｅは低融点のため熱間加工性の低下原因ともなる。
【００７３】
したがって、前記（１）〜（４）の発明においては、幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状で、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含むＭｎＳ系介在物をＬ断面に含有することとした。なお、前記ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量は０．２〜０．６原子％とすることが一層好ましい。
【００７４】
ここで、ＭｎＳ系介在物の長さＬは、Ｌ断面中で観察される最も長い部分を、また、その幅Ｗは長さＬに対して直交する方向で最も長い部分を意味し、例えば、加工を圧延で行った場合、圧延比が断面積比で２以上であれば、圧延の長手方向とＭｎＳ系介在物の長さを表す直線はほぼ平行になることは既に述べたとおりである。
【００７５】
また、ＭｎＳ系介在物中に含まれる原子％でのＴｅの含有量は、無作為に抽出した１０〜２０程度の前記硫化物中の含有量の平均値を指すことも既に述べたとおりである。
【００７６】
なお、ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量の測定については、その一つを例示すれば、エネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて、Ｌ断面において上記の対象とする形態のＭｎＳ系介在物を無作為に１０〜２０程度抽出し、それらの含有量の平均値を採用すればよい。上記のエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いる場合、ＣａとＴｅの特性Ｘ線が近いので、極力分解能を高めた設定を採用するのがよい。ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量の測定は常法の微小領域が可能な機器分析を用いればよく、その方法は特に前述の方法に限定しなくてよい。
【００７７】
なお、前記（１）〜（４）の発明で規定する微量Ｔｅの含有で機械的性質の異方性が小さくなるのは、ＭｎＳ系介在物に少量のＣａを含有する圧延や鍛造など加工によって伸展し難い硫化物組成になることに加えて、その硫化物がミクロ偏析の比較的初期段階において液相で生成することにあると考えられる。つまり、液相のＭｎＳ系介在物で生成した場合、微量のＴｅを含むことにより、ＭｎＳ系介在物中にＴｅが少量であるが固溶することになる。実際、化学組成を前記（Ａ）項のように調整した鋼の中で、熱間加工時に伸展が進行していないＭｎＳ系介在物中のＴｅについて、前記のエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて分析したところ、０．１〜０．６原子％のＴｅが検出された。このようなミクロ偏析初期に生成する硫化物は比較的大きいものが多く、これらにＴｅが固溶するので、機械的性質の異方性をより効果的に改善するものと考えられる。
【００７８】
なお、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｏ、Ｔｅ及びＭｇの含有量が（Ａ）項で述べた範囲にあり、しかも、前記(1)式を満たすとともに、前記(2)式を満たす化学組成とすることによって、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有させることができる。
【００７９】
すなわち、鋼中のＣａとＯの比は、ＭｎＳ系介在物の形成に影響を及ぼし、その値が０．８以上でＭｎＳ系介在物が初晶が液相と推定される球状に生成する。これは鋼の凝固におけるミクロ偏析過程でＭｎＳ系介在物が偏晶反応によって生成するためと理解される。
【００８０】
本発明で重要な点は、添加したＴｅが部分的にＭｎＴｅとして晶出することなく、ＭｎＳ系介在物に極力均一に固溶していることである。ＭｎＳ系介在物中に均一にＴｅを固溶させるには、ミクロ偏析の初期の段階の方が固相率が低く、液相でのＴｅの拡散速度が十分に速いことが有利と考えられるため、本発明者らは、多数のＭｎＳ系介在物の中からＴｅを固溶しているＭｎＳ系介在物を観察して分類した。その結果、このミクロ偏析初期の過程で偏晶反応で生成した球状硫化物にＴｅが均一に固溶していることが判明した。これは、液相側でのＴｅの拡散が十分に行われるとともに、溶鋼中のＴｅが液相のＭｎＳ系介在物には溶解しやすいためと思われる。
【００８１】
なお、鋼中のＴｅとＳの比である「Ｔｅ／Ｓ」の値を０．００７以上とすることによって、安定且つ確実にＭｎＳ系介在物中にＴｅを固溶させて熱間及び冷間での加工時のＭｎＳ系介在物の塑性変形を抑制することができるが、「Ｔｅ／Ｓ」の値が０．０５以上になると、ＭｎＳ系介在物中に含まれる原子％でのＴｅの含有量が０．６原子％を超えるようになるので、ＭｎＴｅの部分的な晶出が生じてしまう。
【００８２】
以下、本発明者らが、０．３８〜０．４２％のＣ、０．１８〜０．２２％のＳｉ、１．１〜１．３％のＭｎ、０．０１５〜０．０２５％のＰ、０．００１〜０．００２％のＡｌ、０．００６〜０．０１０％のＮ、０．２２〜０．２８％のＣｒ、０．０８〜０．１２％のＶ及び０．０００５％未満のＭｇを基本の組成とし、Ｓ含有量を０．０８〜０．１２％及び０．１６〜０．１９％の２水準としてＴｅ、Ｃａ及びＯ（酸素）の含有量を種々変えた鋼を用いて検討した例によって、上記の内容を更に詳しく説明する。
【００８３】
すなわち、雰囲気調整が可能な通常の誘導加熱炉を用いて、上記の鋼についてそれぞれ１５０ｋｇ鋼塊を作製した。なお、Ｔｅの含有量は添加量の調整によって、Ｏの含有量は初期の脱酸状態の調整及び必要に応じて酸化鉄を添加することによって、また、Ｃａの含有量は鋳型に鋳造する数分前にＣａＳｉ合金鉄を添加することに調整した。
【００８４】
次いで、これらの鋼塊を１４７３Ｋに加熱し、１２７３〜１３７３Ｋで仕上げる熱間鍛造を行って、直径が５５〜６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後の冷却条件は大気中放冷とした。
【００８５】
このようにして得た各丸棒の鍛造軸に平行な方向（以下Ｌ方向という）及び鍛造軸に垂直な方向（以下Ｃ方向という）から、それぞれ直径が９．９ｍｍで標点距離が３５ｍｍの引張試験片を採取し、常温（室温）での引張試験を行って、ＭｎＳ系介在物形態の影響を最も受けやすい伸びと絞りを測定し、それぞれＣ方向の値とＬ方向の値の比を求めて、機械的性質の異方性を評価した。
【００８６】
図１及び図２に、Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％の場合について、Ｃａ／Ｏの値が伸びのＣ方向の値とＬ方向の値の比（以下、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」という）及び絞りのＣ方向の値とＬ方向の値の比（以下、「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」という）に及ぼす影響を示す。また、図３及び図４に、Ｓの含有量が０．１６〜０．１９％の場合について、Ｃａ／Ｏの値が「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」に及ぼす影響を示す。なお、上記の各図においてＴｅ添加と記載したものは、Ｔｅ／Ｓの値が０．０２〜０．０４の範囲になるようＴｅを含有させたものである。
【００８７】
図１〜４から、Ｃａ／Ｏの値が０．８以上の場合に、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」は大きくなり、材料の異方性が改善されることが明らかである。更に、Ｃａ／Ｏの値が０．８以上で、且つ、ＴｅをＴｅ／Ｓの値で０．０２〜０．０４の範囲で含有させると、異方性の改善効果が顕著なことがわかる。
【００８８】
図５及び図６に、Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％で、Ｃａ／Ｏの値が１．０〜２．０の場合について、Ｔｅ／Ｓの値が「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」に及ぼす影響を示す。
【００８９】
図５に示されるように、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」はＴｅ／Ｓの値が０．００７で７５％以上の値となり、Ｔｅ／Ｓの値が０．０５未満までは７５％以上となる。しかし、Ｔｅ／Ｓの値が０．０５以上になっても伸びの異方性改善効果は認められない。これはＭｎＳ系介在物の伸展が抑制されることによる伸びの異方性改善効果が、Ｔｅを過剰に含有させたことによるＭｎＴｅの形成によって相殺されたためと思われる。
【００９０】
一方、図６から、「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」はＴｅ／Ｓの値が０．００７で５０％以上となり、Ｔｅ／Ｓの値が０．０５でその効果が飽和することが認められる。
【００９１】
Ｔｅ添加にはコストを要すること、更には、融点が１４２４Ｋと低いＭｎＴｅが形成されることにより熱間加工性が低下することを考慮すると、Ｔｅの含有量は必要な材料特性を満たす可及的少量が望ましい。
【００９２】
次に、０．３８〜０．４２％のＣ、０．１８〜０．２２％のＳｉ、１．１〜１．３％のＭｎ、０．０１５〜０．０２５％のＰ、０．００１〜０．００２％のＡｌ、０．００６〜０．０１０％のＮ、０．２２〜０．２８％のＣｒ、０．０８〜０．１２％のＶ及び０．０００５％未満のＭｇを基本の組成とし、Ｓの含有量を０．０８〜０．１２％、Ｃａ／Ｏの値を１．０〜２．０として、Ｔｅ／Ｓの値を種々変えた鋼を用いて検討した例によって、前記のＭｎＳ系介在物中のＴｅ含有量の規定に関して、更に詳しく説明する。
【００９３】
すなわち、雰囲気調整が可能な通常の誘導加熱炉を用いて、上記の鋼についてもそれぞれ１５０ｋｇ鋼塊を作製した。この場合も、Ｔｅの含有量は添加量の調整によって、Ｏの含有量は初期の脱酸状態の調整及び必要に応じて酸化鉄を添加することによって、また、Ｃａの含有量は鋳型に鋳造する数分前にＣａＳｉ合金鉄を添加することに調整した。
【００９４】
これらの鋼塊についても先の場合と同様に、１４７３Ｋに加熱し、１２７３〜１３７３Ｋで仕上げる熱間鍛造を行って、直径が５５〜６０ｍｍの丸棒にした。なお、熱間鍛造後の冷却条件は大気中放冷とした。
【００９５】
このようにして得た各丸棒のＬ方向及びＣ方向から、それぞれ直径が９．９ｍｍで標点距離が３５ｍｍの引張試験片を採取し、常温（室温）での引張試験を行って伸びと絞りを測定し、それぞれＣ方向の値とＬ方向の値の比を求めて、機械的性質の異方性を評価した。また、Ｌ断面におけるＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量は、対象とする形態のＭｎＳ系介在物（つまり、幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下であるＭｎＳ系介在物）を無作為に１０抽出してエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて分析し、それらの含有量の平均値から算出した。
【００９６】
図７及び図８に、ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量が「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」に及ぼす影響を示す。
【００９７】
図７から、ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量が０．１原子％以上の場合に、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」は７５％を超えて異方性が改善されるものの、前記Ｔｅの含有量が０．６原子％を超えてもその効果は飽和することがわかる。同様に、図８から、ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量が０．１原子％以上の場合に、「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」は５０％を超えて異方性が改善されるものの、前記Ｔｅの含有量が０．６原子％を超えてもその効果は飽和することが明らかである。
【００９８】
なお、本発明においては、Ｔｅを添加することによってＭｎＴｅを形成させて被削性を改善するわけではないので、Ｔｅは機械的性質の異方性を改善するに足る可及的少量を含有させればよく、その費用対効果は極めて優れたものとなる。
【００９９】
加えて本発明の有用な点は、被削性そのものはＳ及びＣａの添加、並びに、酸化物組成制御という従来のＣａ−Ｓ快削鋼の長所を引き継ぎながら、微量のＴｅを限定された条件で含有させることにより発揮できることにある。つまり、本発明によれば、種々の硬さを有する鋼を基本に様々な加工比又は複雑形状に加工される機械構造用鋼の機械的性質の異方性を相対的に改善できる。したがって、機械的性質の異方性の観点から犠牲にせざるを得なかった被削性を、Ｓ含有量を適度に上げることにより改善することも可能になり、Ｐｂ非添加の快削鋼としての適用範囲は広いものと考えられる。
【０１００】
【実施例】
次に実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
雰囲気調整が可能な誘導加熱炉を用いて、表１〜４に示す化学組成の鋼の１５０ｋｇ鋼塊を作製した。すなわち、不活性ガス雰囲気下において１８２３〜１８７３Ｋの温度で溶解・保持してＳを含む各合金成分を添加調整し、その後、Ｏ（酸素）含有量及びＴｅ含有量を調整するために酸化鉄又は酸化Ｍｎと金属Ｔｅを添加し、更にその後、Ｃａの含有量を調整するためにＣａＳｉ合金鉄を添加して所定時間攪拌した後、直径が約２３０ｍｍで高さが３６０ｍｍの丸鋳型に鋳込んで凝固させた。なお、表２及び表４にはＣａ／Ｏの値とＴｅ／Ｓの値も併記した。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】
【表２】
【０１０３】
【表３】
【０１０４】
【表４】
【０１０５】
次いで、上記の各鋼塊を１４７３Ｋに加熱し、鋳型の高さ方向をＬ方向として通常の方法で熱間鍛造し、１２７３〜１３７３Ｋで直径が５５〜６０ｍｍの丸棒に仕上げた。なお、熱間鍛造後の冷却条件は大気中放冷とした。
【０１０６】
このようにして得た各丸棒のＬ方向及びＣ方向から、それぞれ直径が９．９ｍｍで標点距離が３５ｍｍの引張試験片を採取し、常温（室温）での引張試験を行って伸びと絞りを測定し、それぞれＣ方向の値とＬ方向の値の比を求めて、機械的性質の異方性を評価した。
【０１０７】
また、Ｌ断面における幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下であるＭｎＳ系介在物を無作為に１０抽出してエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて分析し、それらの含有量の平均値からＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量を求めた。
【０１０８】
被削性については、旋削試験を行って評価した。すなわち、潤滑は乾式として超硬工具Ｐ２０のチップを使用し、２ｍｍの切り込み量、０．２ｍｍ／ｒｅｖの送り量、１３２ｍ／分の切削速度の条件で旋削し、旋削開始１５分後のチップのクレーター摩耗量（μｍ）を測定した。
【０１０９】
表５に、上記の各試験結果を示す。なお、表５においては、ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量を「ＭｎＳ中Ｔｅ量」と記載し、以下の説明でもこの「ＭｎＳ中Ｔｅ量」という用語を用いることにする。また、被削性の欄における「◎」、「○」及び「×」はそれぞれの比較基準とした鋼を旋削した場合のチップのクレーター摩耗量を基準値として、摩耗量が８５％未満、８５％以上で１１５％未満、１１５％以上であることを示す。
【０１１０】
【表５】
【０１１１】
本発明例の場合、試験番号１〜４に示すように、種々のＳ含有量の鋼TA0〜TA3は、Ｓ含有量が同じレベルにある比較例の試験番号２１の鋼C0及び試験番号２５〜２７の鋼C4〜C6と比較して、被削性は同等であるものの「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」が高くなり、異方性が改善されている。
【０１１２】
本発明例である試験番号５〜１０及び１２〜２０の鋼TA4〜 TA9 及び鋼 TA11〜TA19 の場合は、成分によって材料強度は変化するが、それぞれ成分が同等の鋼C5や鋼C10、鋼 C12〜C20を用いた比較例である試験番号２６や試験番号３１、３３〜４１と比較して、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」が高くなり、異方性が改善されていることが明らかである。
【０１１３】
比較例の試験番号２１の場合、鋼C0はＣａ及びＴｅを含まないためＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する範囲から外れ、機械的性質の異方性が大きい。
【０１１４】
また、比較例の試験番号２２における鋼C1はＳ含有量が本発明で規定する条件から外れており、被削性に劣っている。
【０１１５】
比較例の試験番号３０は、鋼C9のＭｇ含有量が０．００１１％と高く、Ｓ含有量が同じレベルにある鋼C5を用いた試験番号２６と比べて被削性が低下している。
【０１１６】
試験番号２３〜２７及び試験番号３１〜４１の場合、ＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する範囲から低く外れるため、機械的性質の異方性が大きい。
【０１１７】
なお、比較例の試験番号２８及び２９は、鋼C7と鋼C8のＳの含有量がそれぞれ０．１％、０．１７％のレベルで、ＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明の規定から高く外れた場合であるが、本発明例の試験番号３及び４の鋼TA2及び鋼TA3と同等程度にしか機械的性質の異方性が改善されていない。
（実施例２）
雰囲気調整が可能な誘導加熱炉を用いて、表６及び表７に示す化学組成のＢｉ又はＲＥＭを含有する鋼の１５０ｋｇ鋼塊を作製した。すなわち、不活性ガス雰囲気下において１８２３〜１８７３Ｋの温度で溶解・保持してＳを含む各合金成分を添加調整し、その後、Ｏ（酸素）含有量及びＴｅ含有量を調整するために酸化鉄又は酸化Ｍｎと金属Ｔｅを添加し、更にその後、Ｃａの含有量を調整するためにＣａＳｉ合金鉄を添加して所定時間攪拌した後、直径が約２３０ｍｍで高さが３６０ｍｍの丸鋳型に鋳込んで凝固させた。なお、Ｂｉ又はＲＥＭはＣａ添加直前に金属Ｂｉ又はミッシュメタルの形で添加して含有量を調整した。なお、表７にはＣａ／Ｏの値とＴｅ／Ｓの値も併記した。
【０１１８】
【表６】
【０１１９】
【表７】
【０１２０】
【表８】
【０１２１】
このようにして得た各丸棒を用いて、前記実施例１と同様の方法で機械的性質の異方性、「ＭｎＳ中Ｔｅ量」及び被削性を調査した。
【０１２２】
表８に、上記の各試験結果を示す。なお、表８には実施例１の鋼C5を用いた試験番号２６の結果を併記した。
【０１２３】
【表８】
【０１２４】
試験番号４２〜４４に示すように、種々のＢｉ含有量の鋼TB1〜TB3は、Ｂｉを除いた他の成分の含有量は同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号２６の鋼C5及び、成分の含有量はそれぞれ同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号４８〜５０の鋼B1〜B3と比較して、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」で示される機械的性質の異方性だけではなく、被削性も改善されていることがわかる。
【０１２５】
同様に試験番号４５〜４７に示すように、種々のＲＥＭ含有量の鋼TR1〜TR3は、ＲＥＭを除いた他の成分の含有量は同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号２６の鋼C5及び、成分の含有量はそれぞれ同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号５１〜５３の鋼R1〜R3と比較して、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」で示される機械的性質の異方性だけではなく、被削性も改善されていることが明らかである。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明の機械構造用鋼は切削性に優れるとともに機械的性質の異方性が小さく、しかも低廉であるので、産業用機械、建設用機械、自動車をはじめとする輸送用機械など各種機械構造部品の素材として利用することができる。更に、本発明の機械構造用鋼は実質的にＰｂを含まないので、地球環境に優しい鋼として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図２】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が絞りの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図３】Ｓの含有量が０．１６〜０．１９％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図４】Ｓの含有量が０．１６〜０．１９％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が絞りの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図５】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％、Ｃａ／Ｏの値が１．０〜２．０の場合について、Ｔｅ／Ｓの値が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図６】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％、Ｃａ／Ｏの値が１．０〜２．０の場合について、Ｔｅ／Ｓの値が絞りの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図７】ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図８】ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量が絞り異方性に及ぼす影響を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械構造用鋼に係り、特に、Ｐｂを含まないにもかかわらず被削性に優れる機械構造用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用機械、建設用機械、自動車をはじめとする輸送用機械などに用いられる各種の機械構造部品は、素材である機械構造用鋼を熱間鍛造などの熱間加工で所定の形状に粗加工した後、切削加工によって所望の形状に仕上げられることが多い。このため、機械構造用鋼には、良好な機械的性質（例えば、熱処理によって付与される高い硬度、大きな疲労限度（疲労強度）や優れた靱性）とともに、高い被削性が要求される。
【０００３】
従来、機械構造用鋼の被削性を高める元素として、Ｐｂ（鉛）、Ｓ（イオウ）、Ｔｅ（テルル）やＣａ（カルシウム）が知られている。
【０００４】
すなわち、Ｐｂは、鋼中ではそれ自体単独で或いはＭｎＳ系介在物の周囲に析出し、これが切り欠きの起点となるし、Ｐｂ自体が低融点、且つ軟質であるために切削面で潤滑効果を有する。このため、切削性及び切り屑処理性が向上するとともに、仕上げ面粗さが低位に安定し、生産性の向上に大いに寄与してきた。更に、Ｐｂを添加すればＰｂがＭｎＳの周囲に析出して、圧延や鍛造の際のＭｎＳの伸展を抑制するので、機械的性質の異方性も著しく改善される。
【０００５】
しかし、近年の環境問題の高まりに伴い、Ｐｂを添加しなくても切削性に優れるとともに機械的性質の異方性が小さい低廉な機械構造用鋼が望まれている。
【０００６】
上記のＰｂ以外で鋼の被削性を向上させる最も重要な元素としてＳがある。Ｓは、鋼の主要合金元素であるＭｎと親和力が大きく、鋼中でＭｎＳ粒子として分散することにより、被削性を著しく改善する作用を有する。
【０００７】
また、Ｔｅは、周期律表でＳと同じIVＡ族に属し、Ｍｎとの親和力が大きく鋼中でＭｎＴｅ粒子として分散する。このため、Ｔｅを添加することによって、被削性を改善することができる。また、ＭｎＳ系介在物の周囲にＭｎＴｅが析出することにより、圧延や鍛造の際にＭｎＳ系介在物の伸展を抑制することができるといわれている。
【０００８】
他の元素としては、ＣａはＳとの親和力が大きくＣａＳを含むＭｎＳを形成することにより、ＭｎＳ系介在物の形態調整と、ＣａＳによる切削工具の保護効果により被削性を改善する作用を有する。Ｃａには、圧延や鍛造の際のＭｎＳの伸展を抑制する作用もある。また、ＣａはＯ（酸素）との親和力も大きいので、Ａｌ2Ｏ3等の硬質の酸化物系介在物を、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3或いはＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2 等の形の軟質な介在物にし、これによって工具摩耗を軽減して被削性を改善する作用を有する。
【０００９】
上記のＳ、Ｔｅ及びＣａを添加する機械構造用快削鋼については既に多数の報告がなされている。
【００１０】
例えば、特許文献１には、特定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｏ、Ｎｉ及びＣｒに加えて、質量％で、Ｓを０．００５〜０．０３％含み、更に、Ｃａを５〜３０ｐｐｍ含有するか、Ｃａ及びＴｅをそれぞれ５〜３０ｐｐｍずつ含有する熱間鍛造用棒鋼の製造方法が開示されている。上記特許文献で提案された技術は、前記特定の化学組成を有する鋼のうち、ＣからＳまでの元素に加えてＣａだけを含有する鋼については、鋳片から棒鋼までの圧延比を９．５以下に、また、ＣからＳまでの元素に加えてＣａとＴｅの双方を含有する鋼については、鋳片から棒鋼までの圧延比を６３以下にすることによりＭｎＳの形状変形を最小限に抑制するものである。しかし、この技術は、鋳片から棒鋼までの圧延比を限定する必要があるし、鋼にＴｅとＣａを複合添加する場合には、Ｔｅ（％）／Ｓ（％）で０．０５〜０．１もの量のＴｅを含有させる必要があり、Ｐｂ非添加の切削性に優れる機械構造用鋼を低コストで得たいという産業界の要望には必ずしも応えられてはいない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２９６３９６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、実質的にＰｂを含まない鋼であって、切削性に優れるとともに機械的性質の異方性が小さい低廉な機械構造用鋼を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す機械構造用鋼にある。
【００１４】
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１５】
（２）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１６】
（３）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１７】
（４）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上、並びに、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１８】
以下、上記の（１）〜（４）の機械構造用鋼に係る発明をそれぞれ（１）〜（４）の発明という。
【００１９】
上記（１）〜（４）の発明でいう「ＭｎＳ系介在物」とは、主要構成元素がＭｎとＳとからなる介在物、特に、介在物中のＭｎとＳの占める割合が合計で９０原子％以上である介在物を指す。
【００２０】
その形状は、圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面である「長手方向縦断面」（以下「Ｌ断面」ともいう）で観察したものである。そして、「長さＬ」とは、Ｌ断面中で観察される最も長い部分を、また、その「幅Ｗ」とは長さＬに対して直交する方向で最も長い部分を意味する。例えば、加工を圧延で行った場合、圧延比が断面積比で２以上であれば、圧延の長手方向とＭｎＳ系介在物の長さを表す直線はほぼ平行になる。
【００２１】
ＭｎＳ系介在物中に含まれる原子％でのＴｅの含有量は、無作為に抽出した１０〜２０程度の前記ＭｎＳ系介在物中の含有量の平均値をいう。
【００２２】
また、（３）及び（４）の発明における「ＲＥＭ（希土類元素）」は、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計含有量を指す。
【００２３】
本発明者らは、被削性を改善する元素として良く知られているＳ、Ｔｅ及びＣａを複合して含有させたＰｂ非添加鋼を用いて、被削性と機械的性質について検討を行った。
【００２４】
その結果、Ｐｂ非添加鋼にＳ、Ｔｅ及びＣａを複合添加することによってＰｂ添加鋼と同等の優れた被削性、なかでも超硬工具を用いた場合に工具摩耗量が少なく大きな工具寿命が確保できる良好な被削性及び異方性の小さい機械的性質を付与させるには、Ｓ、Ｔｅ及びＣａを単に複合添加するだけではなく、これらの元素が形成する硫化物形態を調整する必要があることが判明した。
【００２５】
すなわち、酸化物系介在物を軟質化したうえで、少量のＣａがＭｎＳ系介在物に固溶した硫化物を工具の摩耗が生じる面に付着させれば超硬工具の摩耗量が低減し、また、硫化物を伸展が少ない形状に維持すれば機械的性質に異方性が生じることを低減できることが判明した。
【００２６】
そこで、ＭｎＳ系介在物に対するＣａとＴｅの作用及び上記ＭｎＳ系介在物におけるＣａ及びＴｅの存在形態について、詳細な検討を行った。その結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見が得られた。
【００２７】
（ａ）偏晶反応で生成したＭｎＳは球状であり、偏晶反応によってＭｎＳ系介在物を生成させるには、下記(1)式を満たせばよい。
【００２８】
Ｃａ／Ｏ≧０．８・・・(1)。ここで、 (1)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００２９】
（ｂ）ＭｎＳ系介在物が液相で存在する偏晶の状態において、ＴｅはＭｎＳ系介在物に十分均一に溶解する。
【００３０】
（ｃ）ＭｎＳの周囲にＭｎＴｅが析出する状態のＭｎＳ系介在物が存在する場合にはＭｎＴｅによる熱間加工性の低下のために熱間での加工割れが発生しやすい。
【００３１】
（ｄ）ＭｎＳ系介在物が偏晶反応で生成しうる状態で適正量のＴｅを添加すれば、ＭｎＳ系介在物にＴｅを固溶させ、且つ、ＭｎＳ系介在物の周囲にＭｎＴｅが析出しないようにすることができる。
【００３２】
そこで次に、偏晶反応で生成させたＭｎＳ系介在物の伸展特性について調査した。その結果、下記（ｅ）及び（ｆ）の事項が判明した。
【００３３】
（ｅ）偏晶反応で生成させた特定量のＴｅを含むＭｎＳ系介在物は伸展し難い。
【００３４】
（ｆ）硫化物を上記（ｅ）の偏晶反応で生成させた０．１〜０．６原子％のＴｅを含むＭｎＳ系介在物とすれば、鋼中のＳ含有量が同じであっても、機械的性質の異方性を小さくすることができる。なお、硫化物を偏晶反応で生成させた０．１〜０．６原子％のＴｅを含むＭｎＳ系介在物とするためには、下記(2)式を満たせばよい。
【００３５】
０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５・・・(2)。ここで、 (2)式中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００３６】
前記の（１）〜（４）の発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３７】
【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。
（Ａ）鋼の化学組成
先ず、本発明の機械構造用鋼における化学組成とその限定理由について述べる。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００３８】
Ｃ：０．１〜０．６％
Ｃは、鋼の強度や靱性を得るのに必要な元素である。機械構造用鋼として特に重要な引張り強度及び疲労強度を得るには、その含有量を０．１％以上とする必要がある。一方、その含有量が０．６％を超えると、快削鋼の前提となる素地の加工性が損なわれる。したがって、Ｃの含有量を０．１〜０．６％とした。
【００３９】
Ｓｉ：０．０３〜２．０％
Ｓｉは、鋼の脱酸及び固溶強化作用を有する元素である。これらの効果のうち後述のＣａ添加による偏晶のＭｎＳ系介在物を形成させるのに十分な脱酸作用を確保するためには、Ｓｉの含有量を０．０３％以上とする必要がある。しかし、その含有量が２．０％を超えると、固溶強化が過剰となる。したがって、Ｓｉ含有量を０．０３〜２．０％とした。なお、Ｓｉの更に好ましい含有量は０．１〜１．０％である。
【００４０】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させて鋼の引張り強度を高めるのに有用な元素である。更に、ＭｎはＭｎＳ系介在物を形成することにより被削性を高めるとともに脆化の原因となるＦｅＳの生成を抑制する作用を有する。しかし、Ｍｎの含有量が０．２％未満では添加効果に乏しい。一方、その含有量が２．０％を超えると、焼入れ性が高くなり過ぎるため、被削性が損なわれる。したがって、Ｍｎの含有量を０．２〜２．０％とした。なお、Ｍｎ含有量の更に好ましい範囲は０．４〜２．０％である。
【００４１】
Ｓ：０．０３〜０．２０％
Ｓは、ＭｎＳ系介在物を形成して、被削性を高めるのに必須の元素である。通常の機械構造用鋼と比較して被削性向上効果を得るためには、Ｓの含有量を０．０３％以上とする必要がある。一方、その含有量が０．２０％を超えると、鍛造時に割れが発生したり、機械的性質の劣化が著しくなって機械構造用鋼としての必要機能が十分確保できない。したがって、Ｓの含有量を０．０３〜０．２０％とした。なお、十分な被削性を得るために、Ｓの含有量は０．０４５〜０．２０％とすることが更に好ましい。
【００４２】
Ｐ：０．１％以下
Ｐは、靱性の劣化や延性の低下をもたらす。特に、その含有量が０．１％を超えると靱性の劣化や延性の低下が大きくなる。したがって、Ｐの含有量を０．１％以下とした。なお、Ｐの含有量が０．１％以下であれば、大きな靱性の劣化や延性の低下を生じることなく固溶強化作用が得られるので、材料としての必要強度を考慮してその含有量を選択できる。前記の固溶強化作用を確実に得るにはＰの含有量を０．００３％以上とするのがよい。なお、Ｐは鉄鉱石やスクラップから混入する場合が多いが、脱Ｐ処理や加Ｐ処理は製造コストの増加を招くので、強度面とコスト面とを総合してその含有量を決定すればよい。
【００４３】
Ｎ：０．００１〜０．０２％
Ｎは、鋼中で窒化物を形成して結晶粒を微細化し、靱性及び疲労特性といった機械構造用鋼に必要な性質を高める作用を有する。前記の作用を確実なものとするためには、Ｎの含有量は０．００１％以上とする必要がある。一方、Ｎの含有量が０．０２％を超えると、一部の窒化物が粗大化して靱性の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．００１〜０．０２％とした。
【００４４】
Ａｌ：０．０００３〜０．００５％
Ａｌは、鋼中でＯ（酸素）と強い親和力を有しＡｌ2Ｏ3を形成する。酸化物系介在物中に適当な濃度のＡｌ2Ｏ3を含ませることにより、酸化物は高速切削の温度域で軟質化し被削性の向上に寄与する。この酸化物の軟質化のためには、Ａｌの含有量は０．０００３％以上とする必要がある。一方、Ａｌの含有量が０．００５％を超えると、酸化物系介在物の主体がＡｌ2Ｏ3になるため、却って工具摩耗量が大きくなる。したがって、Ａｌ含有量を０．０００３〜０．００５％とした。
【００４５】
Ｃａ：０．０００１〜０．０１０％
鋼中のＣａは、Ｏ（酸素）及びＳと強い親和力を有し、酸化物系介在物中にＣａＯを形成し、また、ＭｎＳ系介在物中に固溶する。酸化物系介在物中に適当な濃度のＣａＯを含ませることにより、酸化物は高速切削の温度域で軟質化して被削性の向上に寄与する。更に、前記 (2)式を満たす条件下で硫化物系介在物中にＣａＳを含ませることにより、硫化物は偏晶反応で生成し、効率よく硫化物にＴｅを含有させることができる。ＣａＯ形成及びＭｎＳ系介在物にＣａを固溶させるために、Ｃａの含有量は少なくとも０．０００１％が必要である。しかし、０．０１０％を超えてＣａを含有させても、ＣａＳ形成による偏晶反応での硫化物の生成は飽和し、Ｃａ処理コストが嵩むばかりである。したがって、Ｃａの含有量を０．０００１〜０．０１０％とした。
【００４６】
Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％
鋼中のＯは、鋼中の酸化物系介在物に由来するものと鋼中に溶存するものとからなる。酸化物系介在物の量は鋼の被削性や機械的性質に影響し、一方、溶存酸素量は硫化物の形態と酸化物系介在物の組成に影響を及ぼす。溶存酸素と酸化物系介在物に含有されるＯを分離して検出することは困難なため、本発明におけるＯ含有量は、一般的な分析方法で得られる全Ｏ含有量とする。酸化物系介在物量の観点からはＯ含有量が増加すると、被削性及び機械的性質の低下をきたす。また、溶存酸素量の観点からは、Ｏの含有量が増加することはＣａと結合するＯ量の増加を意味するので、ＣａＳが形成し難くなる。すなわち、Ｏ含有量が０．００５％を超えると、被削性及び機械的性質の低下が大きくなるし、ＣａＳの形成が極めて難しくなる。一方、前述したＡｌ含有量の上限が０．００５％の下では、スラグ精錬を長時間実施してもＯの含有量を０．０００５％未満とすることは困難であるし、コストも嵩むばかりである。したがって、Ｏの含有量を０．０００５〜０．００５％とした。
【００４７】
Ｔｅ：０．０００１〜０．０１％
本発明においてＴｅは重要な元素である。すなわち、ＭｎＳ系介在物中にＴｅを固溶させることにより、機械的性質の異方性の低減と被削性確保の両立を図る。前記の効果を得るにはＴｅの含有量は０．０００１％以上が必要である。一方、その含有量が０．０１％を超えるとＭｎＳ系介在物の周囲にＭｎＴｅが析出する。したがって、Ｔｅの含有量を０．０００１〜０．０１％とした。
【００４８】
本発明においては、不純物中のＭｇを下記のとおり規定する。
【００４９】
Ｍｇ：０．００１％以下
本発明を実施するのに有害な元素としてはＭｇがあげられる。本発明は、球状のＭｎＳ系介在物を生成させることにより、ＭｎＳ系介在物へのＴｅの固溶を確実なものにするものであるが、ＭｇはＳ及びＯとの親和力が強くＭｇＯ及びＭｇＳを生成する。このうちＭｇＯは硬質の酸化物で被削性の低下をもたらす。また、ＭｇＯ及びＭｇＳのいずれもＭｎＳ系介在物の晶出起点となり、偏晶反応によると考えられる球状のＭｎＳ系介在物の生成を阻害する。特に、Ｍｇの含有量が０．００１％を超えると本発明の効果を奏することができない。したがって、溶鋼へのＭｇの添加は避ける必要がある。そして、不純物として入るＭｇはその含有量を０．００１％以下とする必要がある。なお、不純物中のＭｇは０．０００５％以下とすることがより好ましい。
【００５０】
前記（１）の発明に係る機械構造用鋼は、上記のＣからＴｅまでの元素を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、残部としてのＦｅと不純物からなり、不純物中のＭｇが上記の規定を満たす化学組成を有する鋼である。
【００５１】
前記（２）の発明に係る機械構造用鋼は、引張強度、靱性などの機械的性質を向上させることを目的として、上記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００５２】
一般に、鋼の引張強度を高めると被削性が低下することが知られているが、上記のＴｉからＮｉまでのいずれの元素も、それぞれ適正な範囲の含有量であれば、既に述べたＭｎＳ系介在物形成に大きな影響を与えないので、機械的性質の異方性の低減と被削性の確保とを妨げることなく、鋼の引張強度を高める作用を有する。これらのＴｉからＮｉまでの元素は以下に述べる範囲内でそれぞれを単独で含有させてもよいし、２種以上を複合して含有させてもよい。
【００５３】
Ｔｉ：０．１％以下
Ｔｉは、鋼中で炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して結晶粒を微細化するので、鋼の引張強度が向上するとともに靱性も改善される。これらの効果を確実に得るには、Ｔｉ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、硬質のＴｉＮの粗大化が生じるため被削性の低下をきたす。したがって、Ｔｉを添加する場合には、その含有量を０．１％以下とするのがよい。
【００５４】
Ｃｒ：２．５％以下
Ｃｒは、鋼の引張強度を高めるのに有用な元素である。この効果を確実に得るためには、Ｃｒは０．０３％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が２．５％を超えると、硬度上昇による被削性の低下が顕在化する。したがって、Ｃｒを添加する場合には、その含有量を２．５％以下とするのがよい。
【００５５】
Ｖ：０．５％以下
Ｖは、Ｔｉと同様に、鋼中で炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して結晶粒を微細化するので、鋼の引張強度が高まるとともに靱性も良好になる。これら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０．５％を超えると、前記の効果が飽和するばかりか、被削性の低下をきたす。したがって、Ｖを添加する場合には、その含有量を０．５％以下とするのがよい。
【００５６】
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、鋼の引張強度を高めるのに有用な元素である。この効果を確実に得るためには、Ｍｏは０．０５％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が１．０％を超えると、熱間加工後の組織が異常に粗大化して靱性の低下をきたす。したがって、Ｍｏを添加する場合には、その含有量を１．０％以下とするのがよい。
【００５７】
Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは、鋼中で炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して結晶粒を微細化するので、鋼の引張強度が高まるとともに靱性も改善される。これら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、被削性の著しい低下をきたす。したがって、Ｎｂを添加する場合には、その含有量を０．１％以下とするのがよい。
【００５８】
Ｃｕ：２．０％以下
Ｃｕは、析出強化によって鋼の引張強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るためには、Ｃｕは０．２％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が２．０％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効果が飽和したり、却って低下することがある。したがって、Ｃｕを添加する場合には、その含有量を２．０％以下とするのがよい。
【００５９】
Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは、固溶強化によって鋼の引張強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るためには、Ｎｉは０．２％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、Ｎｉを２．０％を超えて含有させても、前記効果は飽和しコストが嵩むばかりとなる。したがって、Ｎｉを添加する場合には、その含有量は２．０％以下とするのがよい。
【００６０】
前記（３）の発明に係る機械構造用鋼は、被削性を更に向上させることを目的として、前述の（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００６１】
上記のＢｉとＲＥＭはいずれも、それぞれ適正な範囲の含有量であれば、先に述べたＭｎＳ系介在物形態制御による機械的性質の異方性の低減を妨げることなく、被削性を更に高める作用を有する。上記のＢｉとＲＥＭは以下に述べる範囲内でそれぞれを単独で含有させてもよいし、２種を複合して含有させてもよい。
【００６２】
Ｂｉ：０．１％以下
Ｂｉは、ＭｎＳ系介在物の周囲にＢｉとして析出しＭｎＳ系介在物の塑性変形を抑制して機械的性質の異方性を小さくするとともに、切削時に鋼と工具間で潤滑作用を示して被削性を改善する。こうした効果を明確に得るには、Ｂｉは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｂｉを０．１％を超えて含有させても被削性改善効果は飽和し、添加コストが嵩むばかりである。したがって、Ｂｉを添加する場合には、その含有量を０．１％以下とするのがよい。
【００６３】
ＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下
ＲＥＭは、前述のとおりＳｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素を指す。いずれも鋼中のＳやＯと強い親和力を有するので、鋼中では化学的にほぼ等価とみなし、上記元素の合計含有量をＲＥＭの含有量とする。特に、工業的にミッシュメタルで扱う場合には、簡便にはＬａ、Ｃｅ及びＮｄ含有量の和と見なしてもよい。
【００６４】
ＲＥＭは、鋼中のＳ及びＯと反応して、ＲＥＭ硫化物及びＲＥＭ酸硫化物を溶鋼段階から形成し、これらが適度に分散して被削性を高める作用を有する。なお、ＲＥＭは凝固のミクロ偏析過程でのＭｎＳ系介在物へのＴｅの溶解には影響を及ぼさない。
【００６５】
前記した効果を確実に得るには、ＲＥＭは０．００１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、ＲＥＭの含有量が０．０１％を超えると、硬質のＲＥＭ酸化物の生成量が増大し、却って被削性の低下を招く。したがって、ＲＥＭを添加する場合には、その含有量を０．０１％以下とするのがよい。
【００６６】
前記（４）の発明に係る機械構造用鋼は、引張強度、靱性などの機械的性質を向上させること、及び被削性を更に向上させることを目的として、前述の（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上、並びに、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００６７】
なお、溶鋼中でＳｅはＴｅとほぼ同様の化学的作用を有するため、工業的にはＴｅと等価な元素としてＴｅの含有量に置換してＳｅを用いることが可能である。しかし、近年の環境問題の高まりに伴い、Ｓｅ非添加の要望もあるため、本発明においてはＳｅを添加しないこととした。
（Ｂ）ＭｎＳ系介在物
次に、鋼の化学組成を前記（Ａ）項のようにした場合の、ＭｎＳ系介在物について述べる。
【００６８】
前記（１）〜（４）の発明の重要な要素技術にＭｎＳ系介在物中へのＴｅの固溶があげられる。この要素技術の根幹は、ＭｎＳ系介在物の晶出形態を調整することにより可及的少量のＴｅを有効に作用させるものである。その結果として、長手方向縦断面（Ｌ断面）において、幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下であるＭｎＳ系介在物中にＴｅを０．１〜０．６原子％含有させることが可能となり、これによって機械構造用の圧延鋼材の機械特性の異方性を大幅に改善することが可能となる。
【００６９】
先ず、前記（１）〜（４）の発明において、Ｌ断面におけるＭｎＳ系介在物を対象とするのは、これが機械的性質の異方性の主要因になるためである。また、偏晶反応によって生成するＭｎＳ系介在物を主体とする場合には、Ｌ断面において幅Ｗが２μｍ未満であれば機械的性質の異方性にほとんど影響を及ぼさないためである。
【００７０】
次に、ＭｎＳ系介在物中にＴｅを固溶させて熱間及び冷間での加工時のＭｎＳ系介在物の塑性変形を抑制して機械的性質の異方性を小さくするが、少量が生成することを避けられないＴｅやＣａを固溶しない硫化物の前記Ｌ／Ｗの値は５を超えるものであり、これらを含めてしまうと、特性向上の主体となるＭｎＳ系介在物の組成を測定する場合の誤差要因となってしまう。
【００７１】
最後に、対象とするＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量について説明する。
【００７２】
前記ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量が０．１原子％未満では、一見したところでは形態調整がなされたように見えても、実際には鋼中で伸展した形状のある部分の断面を観察しているに過ぎず、機械的性質の異方性改善効果が望めない。一方、前記ＭｎＳ系介在物中のＴｅ含有量が０．６原子％を超えても、機械的性質の異方性改善効果は飽和してコストが嵩むことがあるし、そのような状態のＭｎＳ系介在物の周囲を観察するとＭｎＴｅが認められる場合が多く、このＭｎＴｅは低融点のため熱間加工性の低下原因ともなる。
【００７３】
したがって、前記（１）〜（４）の発明においては、幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状で、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含むＭｎＳ系介在物をＬ断面に含有することとした。なお、前記ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量は０．２〜０．６原子％とすることが一層好ましい。
【００７４】
ここで、ＭｎＳ系介在物の長さＬは、Ｌ断面中で観察される最も長い部分を、また、その幅Ｗは長さＬに対して直交する方向で最も長い部分を意味し、例えば、加工を圧延で行った場合、圧延比が断面積比で２以上であれば、圧延の長手方向とＭｎＳ系介在物の長さを表す直線はほぼ平行になることは既に述べたとおりである。
【００７５】
また、ＭｎＳ系介在物中に含まれる原子％でのＴｅの含有量は、無作為に抽出した１０〜２０程度の前記硫化物中の含有量の平均値を指すことも既に述べたとおりである。
【００７６】
なお、ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量の測定については、その一つを例示すれば、エネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて、Ｌ断面において上記の対象とする形態のＭｎＳ系介在物を無作為に１０〜２０程度抽出し、それらの含有量の平均値を採用すればよい。上記のエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いる場合、ＣａとＴｅの特性Ｘ線が近いので、極力分解能を高めた設定を採用するのがよい。ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量の測定は常法の微小領域が可能な機器分析を用いればよく、その方法は特に前述の方法に限定しなくてよい。
【００７７】
なお、前記（１）〜（４）の発明で規定する微量Ｔｅの含有で機械的性質の異方性が小さくなるのは、ＭｎＳ系介在物に少量のＣａを含有する圧延や鍛造など加工によって伸展し難い硫化物組成になることに加えて、その硫化物がミクロ偏析の比較的初期段階において液相で生成することにあると考えられる。つまり、液相のＭｎＳ系介在物で生成した場合、微量のＴｅを含むことにより、ＭｎＳ系介在物中にＴｅが少量であるが固溶することになる。実際、化学組成を前記（Ａ）項のように調整した鋼の中で、熱間加工時に伸展が進行していないＭｎＳ系介在物中のＴｅについて、前記のエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて分析したところ、０．１〜０．６原子％のＴｅが検出された。このようなミクロ偏析初期に生成する硫化物は比較的大きいものが多く、これらにＴｅが固溶するので、機械的性質の異方性をより効果的に改善するものと考えられる。
【００７８】
なお、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｏ、Ｔｅ及びＭｇの含有量が（Ａ）項で述べた範囲にあり、しかも、前記(1)式を満たすとともに、前記(2)式を満たす化学組成とすることによって、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有させることができる。
【００７９】
すなわち、鋼中のＣａとＯの比は、ＭｎＳ系介在物の形成に影響を及ぼし、その値が０．８以上でＭｎＳ系介在物が初晶が液相と推定される球状に生成する。これは鋼の凝固におけるミクロ偏析過程でＭｎＳ系介在物が偏晶反応によって生成するためと理解される。
【００８０】
本発明で重要な点は、添加したＴｅが部分的にＭｎＴｅとして晶出することなく、ＭｎＳ系介在物に極力均一に固溶していることである。ＭｎＳ系介在物中に均一にＴｅを固溶させるには、ミクロ偏析の初期の段階の方が固相率が低く、液相でのＴｅの拡散速度が十分に速いことが有利と考えられるため、本発明者らは、多数のＭｎＳ系介在物の中からＴｅを固溶しているＭｎＳ系介在物を観察して分類した。その結果、このミクロ偏析初期の過程で偏晶反応で生成した球状硫化物にＴｅが均一に固溶していることが判明した。これは、液相側でのＴｅの拡散が十分に行われるとともに、溶鋼中のＴｅが液相のＭｎＳ系介在物には溶解しやすいためと思われる。
【００８１】
なお、鋼中のＴｅとＳの比である「Ｔｅ／Ｓ」の値を０．００７以上とすることによって、安定且つ確実にＭｎＳ系介在物中にＴｅを固溶させて熱間及び冷間での加工時のＭｎＳ系介在物の塑性変形を抑制することができるが、「Ｔｅ／Ｓ」の値が０．０５以上になると、ＭｎＳ系介在物中に含まれる原子％でのＴｅの含有量が０．６原子％を超えるようになるので、ＭｎＴｅの部分的な晶出が生じてしまう。
【００８２】
以下、本発明者らが、０．３８〜０．４２％のＣ、０．１８〜０．２２％のＳｉ、１．１〜１．３％のＭｎ、０．０１５〜０．０２５％のＰ、０．００１〜０．００２％のＡｌ、０．００６〜０．０１０％のＮ、０．２２〜０．２８％のＣｒ、０．０８〜０．１２％のＶ及び０．０００５％未満のＭｇを基本の組成とし、Ｓ含有量を０．０８〜０．１２％及び０．１６〜０．１９％の２水準としてＴｅ、Ｃａ及びＯ（酸素）の含有量を種々変えた鋼を用いて検討した例によって、上記の内容を更に詳しく説明する。
【００８３】
すなわち、雰囲気調整が可能な通常の誘導加熱炉を用いて、上記の鋼についてそれぞれ１５０ｋｇ鋼塊を作製した。なお、Ｔｅの含有量は添加量の調整によって、Ｏの含有量は初期の脱酸状態の調整及び必要に応じて酸化鉄を添加することによって、また、Ｃａの含有量は鋳型に鋳造する数分前にＣａＳｉ合金鉄を添加することに調整した。
【００８４】
次いで、これらの鋼塊を１４７３Ｋに加熱し、１２７３〜１３７３Ｋで仕上げる熱間鍛造を行って、直径が５５〜６０ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後の冷却条件は大気中放冷とした。
【００８５】
このようにして得た各丸棒の鍛造軸に平行な方向（以下Ｌ方向という）及び鍛造軸に垂直な方向（以下Ｃ方向という）から、それぞれ直径が９．９ｍｍで標点距離が３５ｍｍの引張試験片を採取し、常温（室温）での引張試験を行って、ＭｎＳ系介在物形態の影響を最も受けやすい伸びと絞りを測定し、それぞれＣ方向の値とＬ方向の値の比を求めて、機械的性質の異方性を評価した。
【００８６】
図１及び図２に、Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％の場合について、Ｃａ／Ｏの値が伸びのＣ方向の値とＬ方向の値の比（以下、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」という）及び絞りのＣ方向の値とＬ方向の値の比（以下、「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」という）に及ぼす影響を示す。また、図３及び図４に、Ｓの含有量が０．１６〜０．１９％の場合について、Ｃａ／Ｏの値が「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」に及ぼす影響を示す。なお、上記の各図においてＴｅ添加と記載したものは、Ｔｅ／Ｓの値が０．０２〜０．０４の範囲になるようＴｅを含有させたものである。
【００８７】
図１〜４から、Ｃａ／Ｏの値が０．８以上の場合に、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」は大きくなり、材料の異方性が改善されることが明らかである。更に、Ｃａ／Ｏの値が０．８以上で、且つ、ＴｅをＴｅ／Ｓの値で０．０２〜０．０４の範囲で含有させると、異方性の改善効果が顕著なことがわかる。
【００８８】
図５及び図６に、Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％で、Ｃａ／Ｏの値が１．０〜２．０の場合について、Ｔｅ／Ｓの値が「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」に及ぼす影響を示す。
【００８９】
図５に示されるように、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」はＴｅ／Ｓの値が０．００７で７５％以上の値となり、Ｔｅ／Ｓの値が０．０５未満までは７５％以上となる。しかし、Ｔｅ／Ｓの値が０．０５以上になっても伸びの異方性改善効果は認められない。これはＭｎＳ系介在物の伸展が抑制されることによる伸びの異方性改善効果が、Ｔｅを過剰に含有させたことによるＭｎＴｅの形成によって相殺されたためと思われる。
【００９０】
一方、図６から、「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」はＴｅ／Ｓの値が０．００７で５０％以上となり、Ｔｅ／Ｓの値が０．０５でその効果が飽和することが認められる。
【００９１】
Ｔｅ添加にはコストを要すること、更には、融点が１４２４Ｋと低いＭｎＴｅが形成されることにより熱間加工性が低下することを考慮すると、Ｔｅの含有量は必要な材料特性を満たす可及的少量が望ましい。
【００９２】
次に、０．３８〜０．４２％のＣ、０．１８〜０．２２％のＳｉ、１．１〜１．３％のＭｎ、０．０１５〜０．０２５％のＰ、０．００１〜０．００２％のＡｌ、０．００６〜０．０１０％のＮ、０．２２〜０．２８％のＣｒ、０．０８〜０．１２％のＶ及び０．０００５％未満のＭｇを基本の組成とし、Ｓの含有量を０．０８〜０．１２％、Ｃａ／Ｏの値を１．０〜２．０として、Ｔｅ／Ｓの値を種々変えた鋼を用いて検討した例によって、前記のＭｎＳ系介在物中のＴｅ含有量の規定に関して、更に詳しく説明する。
【００９３】
すなわち、雰囲気調整が可能な通常の誘導加熱炉を用いて、上記の鋼についてもそれぞれ１５０ｋｇ鋼塊を作製した。この場合も、Ｔｅの含有量は添加量の調整によって、Ｏの含有量は初期の脱酸状態の調整及び必要に応じて酸化鉄を添加することによって、また、Ｃａの含有量は鋳型に鋳造する数分前にＣａＳｉ合金鉄を添加することに調整した。
【００９４】
これらの鋼塊についても先の場合と同様に、１４７３Ｋに加熱し、１２７３〜１３７３Ｋで仕上げる熱間鍛造を行って、直径が５５〜６０ｍｍの丸棒にした。なお、熱間鍛造後の冷却条件は大気中放冷とした。
【００９５】
このようにして得た各丸棒のＬ方向及びＣ方向から、それぞれ直径が９．９ｍｍで標点距離が３５ｍｍの引張試験片を採取し、常温（室温）での引張試験を行って伸びと絞りを測定し、それぞれＣ方向の値とＬ方向の値の比を求めて、機械的性質の異方性を評価した。また、Ｌ断面におけるＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量は、対象とする形態のＭｎＳ系介在物（つまり、幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下であるＭｎＳ系介在物）を無作為に１０抽出してエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて分析し、それらの含有量の平均値から算出した。
【００９６】
図７及び図８に、ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量が「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」に及ぼす影響を示す。
【００９７】
図７から、ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量が０．１原子％以上の場合に、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」は７５％を超えて異方性が改善されるものの、前記Ｔｅの含有量が０．６原子％を超えてもその効果は飽和することがわかる。同様に、図８から、ＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量が０．１原子％以上の場合に、「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」は５０％を超えて異方性が改善されるものの、前記Ｔｅの含有量が０．６原子％を超えてもその効果は飽和することが明らかである。
【００９８】
なお、本発明においては、Ｔｅを添加することによってＭｎＴｅを形成させて被削性を改善するわけではないので、Ｔｅは機械的性質の異方性を改善するに足る可及的少量を含有させればよく、その費用対効果は極めて優れたものとなる。
【００９９】
加えて本発明の有用な点は、被削性そのものはＳ及びＣａの添加、並びに、酸化物組成制御という従来のＣａ−Ｓ快削鋼の長所を引き継ぎながら、微量のＴｅを限定された条件で含有させることにより発揮できることにある。つまり、本発明によれば、種々の硬さを有する鋼を基本に様々な加工比又は複雑形状に加工される機械構造用鋼の機械的性質の異方性を相対的に改善できる。したがって、機械的性質の異方性の観点から犠牲にせざるを得なかった被削性を、Ｓ含有量を適度に上げることにより改善することも可能になり、Ｐｂ非添加の快削鋼としての適用範囲は広いものと考えられる。
【０１００】
【実施例】
次に実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
雰囲気調整が可能な誘導加熱炉を用いて、表１〜４に示す化学組成の鋼の１５０ｋｇ鋼塊を作製した。すなわち、不活性ガス雰囲気下において１８２３〜１８７３Ｋの温度で溶解・保持してＳを含む各合金成分を添加調整し、その後、Ｏ（酸素）含有量及びＴｅ含有量を調整するために酸化鉄又は酸化Ｍｎと金属Ｔｅを添加し、更にその後、Ｃａの含有量を調整するためにＣａＳｉ合金鉄を添加して所定時間攪拌した後、直径が約２３０ｍｍで高さが３６０ｍｍの丸鋳型に鋳込んで凝固させた。なお、表２及び表４にはＣａ／Ｏの値とＴｅ／Ｓの値も併記した。
【０１０１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
次いで、上記の各鋼塊を１４７３Ｋに加熱し、鋳型の高さ方向をＬ方向として通常の方法で熱間鍛造し、１２７３〜１３７３Ｋで直径が５５〜６０ｍｍの丸棒に仕上げた。なお、熱間鍛造後の冷却条件は大気中放冷とした。
【０１０６】
このようにして得た各丸棒のＬ方向及びＣ方向から、それぞれ直径が９．９ｍｍで標点距離が３５ｍｍの引張試験片を採取し、常温（室温）での引張試験を行って伸びと絞りを測定し、それぞれＣ方向の値とＬ方向の値の比を求めて、機械的性質の異方性を評価した。
【０１０７】
また、Ｌ断面における幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下であるＭｎＳ系介在物を無作為に１０抽出してエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて分析し、それらの含有量の平均値からＭｎＳ系介在物中のＴｅの含有量を求めた。
【０１０８】
被削性については、旋削試験を行って評価した。すなわち、潤滑は乾式として超硬工具Ｐ２０のチップを使用し、２ｍｍの切り込み量、０．２ｍｍ／ｒｅｖの送り量、１３２ｍ／分の切削速度の条件で旋削し、旋削開始１５分後のチップのクレーター摩耗量（μｍ）を測定した。
【０１０９】
表５に、上記の各試験結果を示す。なお、表５においては、ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量を「ＭｎＳ中Ｔｅ量」と記載し、以下の説明でもこの「ＭｎＳ中Ｔｅ量」という用語を用いることにする。また、被削性の欄における「◎」、「○」及び「×」はそれぞれの比較基準とした鋼を旋削した場合のチップのクレーター摩耗量を基準値として、摩耗量が８５％未満、８５％以上で１１５％未満、１１５％以上であることを示す。
【０１１０】
【表５】
本発明例の場合、試験番号１〜４に示すように、種々のＳ含有量の鋼TA0〜TA3は、Ｓ含有量が同じレベルにある比較例の試験番号２１の鋼C0及び試験番号２５〜２７の鋼C4〜C6と比較して、被削性は同等であるものの「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」が高くなり、異方性が改善されている。
【０１１２】
本発明例である試験番号５〜１０及び１２〜２０の鋼TA4〜 TA9 及び鋼 TA11〜TA19 の場合は、成分によって材料強度は変化するが、それぞれ成分が同等の鋼C5や鋼C10、鋼 C12〜C20を用いた比較例である試験番号２６や試験番号３１、３３〜４１と比較して、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」が高くなり、異方性が改善されていることが明らかである。
【０１１３】
比較例の試験番号２１の場合、鋼C0はＣａ及びＴｅを含まないためＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する範囲から外れ、機械的性質の異方性が大きい。
【０１１４】
また、比較例の試験番号２２における鋼C1はＳ含有量が本発明で規定する条件から外れており、被削性に劣っている。
【０１１５】
比較例の試験番号３０は、鋼C9のＭｇ含有量が０．００１１％と高く、Ｓ含有量が同じレベルにある鋼C5を用いた試験番号２６と比べて被削性が低下している。
【０１１６】
試験番号２３〜２７及び試験番号３１〜４１の場合、ＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する範囲から低く外れるため、機械的性質の異方性が大きい。
【０１１７】
なお、比較例の試験番号２８及び２９は、鋼C7と鋼C8のＳの含有量がそれぞれ０．１％、０．１７％のレベルで、ＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明の規定から高く外れた場合であるが、本発明例の試験番号３及び４の鋼TA2及び鋼TA3と同等程度にしか機械的性質の異方性が改善されていない。
（実施例２）
雰囲気調整が可能な誘導加熱炉を用いて、表６及び表７に示す化学組成のＢｉ又はＲＥＭを含有する鋼の１５０ｋｇ鋼塊を作製した。すなわち、不活性ガス雰囲気下において１８２３〜１８７３Ｋの温度で溶解・保持してＳを含む各合金成分を添加調整し、その後、Ｏ（酸素）含有量及びＴｅ含有量を調整するために酸化鉄又は酸化Ｍｎと金属Ｔｅを添加し、更にその後、Ｃａの含有量を調整するためにＣａＳｉ合金鉄を添加して所定時間攪拌した後、直径が約２３０ｍｍで高さが３６０ｍｍの丸鋳型に鋳込んで凝固させた。なお、Ｂｉ又はＲＥＭはＣａ添加直前に金属Ｂｉ又はミッシュメタルの形で添加して含有量を調整した。なお、表７にはＣａ／Ｏの値とＴｅ／Ｓの値も併記した。
【０１１８】
【表６】
【表７】
【表８】
このようにして得た各丸棒を用いて、前記実施例１と同様の方法で機械的性質の異方性、「ＭｎＳ中Ｔｅ量」及び被削性を調査した。
【０１２２】
表８に、上記の各試験結果を示す。なお、表８には実施例１の鋼C5を用いた試験番号２６の結果を併記した。
【０１２３】
【表８】
試験番号４２〜４４に示すように、種々のＢｉ含有量の鋼TB1〜TB3は、Ｂｉを除いた他の成分の含有量は同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号２６の鋼C5及び、成分の含有量はそれぞれ同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号４８〜５０の鋼B1〜B3と比較して、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」で示される機械的性質の異方性だけではなく、被削性も改善されていることがわかる。
【０１２５】
同様に試験番号４５〜４７に示すように、種々のＲＥＭ含有量の鋼TR1〜TR3は、ＲＥＭを除いた他の成分の含有量は同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号２６の鋼C5及び、成分の含有量はそれぞれ同じレベルにあるがＭｎＳ中Ｔｅ量が本発明で規定する条件から外れた試験番号５１〜５３の鋼R1〜R3と比較して、「伸び比（Ｃ方向／Ｌ方向）」及び「絞り比（Ｃ方向／Ｌ方向）」で示される機械的性質の異方性だけではなく、被削性も改善されていることが明らかである。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明の機械構造用鋼は切削性に優れるとともに機械的性質の異方性が小さく、しかも低廉であるので、産業用機械、建設用機械、自動車をはじめとする輸送用機械など各種機械構造部品の素材として利用することができる。更に、本発明の機械構造用鋼は実質的にＰｂを含まないので、地球環境に優しい鋼として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図２】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が絞りの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図３】Ｓの含有量が０．１６〜０．１９％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図４】Ｓの含有量が０．１６〜０．１９％の場合について、Ｃａ／Ｏの値及びＴｅ添加の有無が絞りの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図５】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％、Ｃａ／Ｏの値が１．０〜２．０の場合について、Ｔｅ／Ｓの値が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図６】Ｓの含有量が０．０８〜０．１２％、Ｃａ／Ｏの値が１．０〜２．０の場合について、Ｔｅ／Ｓの値が絞りの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図７】ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量が伸びの異方性に及ぼす影響を示す図である。
【図８】ＭｎＳ系介在物中の原子％でのＴｅの含有量が絞り異方性に及ぼす影響を示す図である。
Claims (4)
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。 - 質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。 - 質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。 - 質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｓ：０．０３〜０．２０％、Ｐ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｏ（酸素）：０．０００５〜０．００５％及びＴｅ：０．０００１〜０．０１％を含み、Ｃａ／Ｏ≧０．８、且つ、０．００７≦Ｔｅ／Ｓ＜０．０５であって、更に、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下及びＮｉ：２．０％以下から選択される１種以上、並びに、Ｂｉ：０．１％以下及びＲＥＭ（希土類元素）：０．０１％以下から選択される１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物で、不純物中のＭｇは０．００１％以下の化学組成からなり、更に、Ｔｅを０．１〜０．６原子％含む幅Ｗが２μｍ以上、且つ、長さＬと幅Ｗの比Ｌ／Ｗが５以下の形状を有するＭｎＳ系介在物を長手方向縦断面に含有することを特徴とする機械構造用鋼。
但し、「Ｃａ／Ｏ」及び「Ｔｅ／Ｓ」中の元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
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