JP4196485B2 - 被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業機械や自動車等の機械部品に用いられて好適な機械構造用鋼材に関し、特に被削性、冷間鍛造性および焼入れ性を兼ねた備えた機械構造用鋼材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業機械や自動車等の機械部品に用いられる機械部品は、鋼材を切削または冷間鍛造、あるいはそれらの併用により所定の形状に加工され、その後、焼入れ焼戻し処理によって、機械部品としての要求特性を確保するとういう方法により製造されている。
【０００３】
このような機械部品に用いられる鋼材は、まず、被削性および冷間鍛造性がすぐれていることが要求される。機械構造用鋼の被削性を改善する手段としては、鋼中にPb、Ｓ、Bi、Ｐ等の快削性元素を単独または複合添加する方法が一般的である。特にPbは被削性を改善する作用が極めて強いために多用されている。しかし、一方では、Pbは人体に有害な元素でもあり、鋼材の製造工程や機械部品の加工工程で大がかりな排気設備を必要とし、また鋼材のリサイクルの点からも多大な問題がある。また、Pb、Ｓ、Te、Bi、Ｐ等は延性、靱性を劣化させる元素であり、鋼材の冷間鍛造性の改善のためには、これらの元素は逆に減少することが望ましい。
【０００４】
このようなことから、機械構造用鋼の被削性と冷間鍛造性を同時に向上させるために、鋼の組織をフェライト＋黒鉛の２相とすることが考えられている。例えば、特開昭51−57621 号公報には、Siを1.9 〜 3.0％と高め、微細黒鉛を0.20〜 0.44 ％含有させた冷間鍛造性に優れた快削鋼が提示されている。また、特開平３−140411号公報には、調質後の冷間加工性を向上させる方法が開示されている。この方法は、0.32〜 0.54 ％Ｃで、Mn、Si、Al含有量を調整した熱延または冷延した鋼材に、最終冷間加工、焼入れ焼戻しを行う前に620 〜680 ℃で15hr以上の焼鈍を施し、ほぼ完全に黒鉛化するというものである。
【０００５】
しかしながら、フェライト＋黒鉛の２相の組織からなる鋼は、極めて軟質の２相の組み合わせであるため、冷間鍛造時の変形抵抗が低いなどの優れた特性を持つ反面、切削時には軟質であるが故に表面にむしれ等を生じやすく、切削後の表面状態は必ずしも優れているとは言えなかった。
また、黒鉛はセメンタイトよりも極めて安定な析出物であり、黒鉛となったＣの鋼中への固溶は、オーステナイト域まで加熱されても、セメンタイトよりも困難となる。そのため、焼入れに際し、組織がフェライト＋黒鉛組織の場合には、フェライト＋パーライトあるいはフェライト＋球状化セメンタイト組織の場合にくらべ、十分な強度が得られない場合があった。フェライト＋黒鉛組織では、特に急熱、短時間保持となる高周波焼入れの場合に、焼入れ後の強度不足がより顕著であった。
【０００６】
このような問題に対し、例えば、特開平10−72639 号公報には、完全に黒鉛化せずに、黒鉛化率を10〜80％とした、被削性、冷間鍛造性および焼入れ性を兼ね備えた機械構造用鋼材が提案されている。しかしながら、焼入れ焼戻し後の特性を重視する用途、例えば高周波焼入れにより硬化層を厚く形成する必要のある場合においては、焼入れ性を向上させるために、黒鉛化率はできるだけ低く抑える必要があり、特開平10−72639 号公報に記載された技術では、黒鉛化率を安定して低い値とすることが難しく、焼入れ性がばらつき、良好な特性を安定して得ることができにくいという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、従来のPb添加快削鋼と同等以上の被削性を有し、しかも冷間鍛造性に優れ、さらに良好な焼入れ性が安定して得られる、焼入れ性に優れた機械構造用鋼材を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、種々の検討を行った。
優れた被削性と冷間鍛造性を有する鋼材の焼入れ性を向上させるためには、組織をフェライトとし、被削性を向上させる黒鉛量をできるだけ低減し、組織中にセメンタイトを残留させるのがよい。同−Ｃ量で比較した場合、セメンタイトを鋼中に残留させることにより、鋼中の黒鉛粒径は微細となり、その結果黒鉛粒自体のマトリックス中への固溶も容易となり、この点からも焼入れ性は向上する。しかし、黒鉛化反応の初期は、その終期に比較して反応が極めて速いため、焼入れ性に好適な低い黒鉛量（黒鉛化率）を安定して確保することは難しい。
【０００９】
このような問題に対し、本発明者らは、黒鉛化を促進する元素量、なかでもSiをできるだけ低減することにより初期の黒鉛化反応速度が低下し、低い黒鉛量（黒鉛化率）を安定して確保することが可能となり、セメンタイトを残留させやすくなるという知見を得た。
さらに、鋼中に残留するセメンタイトを球状化することにより、残留セメンタイトによる硬さ上昇にともなう冷間鍛造時の変形抵抗上昇および変形能低下、さらには切削加工時の工具寿命の低下を抑制することが可能となる。これにより、被削性、冷間鍛造性と焼入れ性とを兼ね備えた機械構造用鋼材とすることができるのである。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明は、mass％で、Ｃ：0.1 〜1.5 ％、Si：0.15％超〜0.50％未満、Mn：0.05〜0.3 ％、Al：0.005 〜0.07％、Ｂ：0.0003〜0.0150％、Ｎ：0.0015〜0.0150％、Ｐ：0.020 ％以下、Ｓ：0.035 ％以下、Ｏ：0.0030％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、さらに含有するＣが主として黒鉛とセメンタイトとなり、かつ次（１）式
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛
量）｝×100 ……（１）
に定義される黒鉛化率が５〜60％であり、さらに次（２）式
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）
×（全セメンタイト粒子数）｝× 100 …（２）
に定義されるセメンタイト球状化率を、 30 ％以上であることを特徴とする被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材である。なお、ここで、セメンタイト粒子のアスペクト粒子のアスペクト比とは、各セメンタイト粒子の長径と短径との比を表すものである。
【００１１】
また、本発明は、 mass ％で、Ｃ： 0.1 〜 1.5 ％、 Si ： 0.15 ％超〜 0.50 ％未満、 Mn ： 0.05 〜 0.3 ％、 Al ： 0.005 〜 0.07 ％、Ｂ： 0.0003 〜 0.0150 ％、Ｎ： 0.0015 〜 0.0150 ％、Ｐ： 0.020 ％以下、Ｓ： 0.035 ％以下、Ｏ： 0.0030 ％以下を含み、残部が Fe および不可避的不純物からなる組成を有し、さらに含有するＣが主として黒鉛とセメンタイトとなり、かつ次（１）式
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛
量）｝× 100 ……（１）
に定義される黒鉛化率が５〜 60 ％（但し 20 ％以上である場合を除く）であり、さらに次（２）式
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）
／（全セメンタイト粒子数）｝× 100 …（２）
に定義されるセメンタイト球状化率を、 30 ％以上であることを特徴とする被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材である。
また、本発明では、前記組成に加えさらに、mass％で、Ni：0.1 〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.1 〜3.0 ％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有するのが好ましい。
また、本発明では、前記各組成に加えさらに、mass％で、Ｖ：0.05〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.05％のうちから選ばれた１種または２種を含有するのが好ましい。
【００１２】
また、本発明では、前記各組成に加えさらに、mass％で、Mo：0.1 〜1.0 ％を含有するのが好ましい。
また、本発明では、前記各組成に加えさらに、mass％で、Ti：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％、REM ：0.0005〜0.2 ％うちから選ばれた１種または２種以上を含有するのが好ましい。
【００１３】
【作用】
以下、本発明における、鋼の成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：0.1 〜1.5 mass％（以下、単に％と記す）
Ｃは、黒鉛相、セメンタイト相を形成するために必須の成分である。0.1 ％未満では、焼入れ後の所望の硬さを確保することが困難であり、さらに、被削性を確保する上で必要な黒鉛相を確保することが困難となる。また、1.5 ％を超えて添加すると熱間圧延時の変形抵抗が上昇するとともに、変形能が低下し、熱間圧延材の割れ、きずの発生が増大する。このため、Ｃは0.1 〜1.5 ％の範囲とした。
【００１４】
Si：0.15％超〜0.50％未満
Siは、フェライト中に固溶し強度を増加させる元素であり、また、セメンタイト中に固溶せず、セメンタイトを不安定化することにより黒鉛化を促進する元素である。Siが0.15％以下では、強度の増加も少なく、さらに黒鉛の析出に長時間の熱処理が必要となる。一方、Siの多量添加は固溶強化を促進し、冷間鍛造時の変形抵抗を増加させるうえ、黒鉛化反応を促進する。とくに、Siが0.50％以上では、初期の黒鉛化反応速度が速く黒鉛化率をばらつきなく低く値に調整することが困難となる。このため、Siは0.15％超〜0.50％未満の範囲とした。
【００１５】
Mn：0.05〜0.3 ％
Mnは、鋼の脱酸剤として有効に作用するばかりでなく、焼入れ性向上にも有用な元素であり、また、Mnは、セメンタイト中に固溶し、黒鉛化を阻害する。0.05％未満の添加では脱酸に効果がなく、また、0.3 ％を超えて添加すると、黒鉛化を著しく阻害し、Si含有量を0.5 ％未満とする本発明では、黒鉛の析出そのものが困難となる。このため、Mnは0.05〜0.3 ％の範囲とした。なお、好ましい範囲は、黒鉛化率制御の観点から0.1 〜0.3 ％である。
【００１６】
Al：0.005 〜0.07％
Alは：鋼中のＮと反応してAIN を形成し、これが黒鉛の核形成サイトとして作用することにより、黒鉛化を促進する。0.005 ％未満の含有ではその作用が小さく、また、0.07％を超えて含有すると、鋳造工程において、Al系酸化物が多数形成される。Al系酸化物は、単独でも疲労破壊の起点となるばかりでなく、硬質なため、切削時に工具を摩耗させることにより被削性を低下させる。このようなことから、Alは0.005 〜0.07％とした。なお、好ましくは0.01％以上である。
【００１７】
Ｂ：0.0003〜0.0150％、
Ｂは、鋼中のＮと化合してBNを形成し、これが黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を微細化する。また、Ｂは鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の強度を確保する上でも有用な元素である。しかし、0.0003％未満の含有では、黒鉛化および焼入れ性向上への効果が小さい。一方、0.0150％を超えて含有すると、Ｂがセメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化することにより、逆に黒鉛化を阻害することになる。このため、Ｂは0.0003〜0.0150％の範囲に限定した。なお、黒鉛化と焼入れ性の観点からＢの好適範囲は0.0005〜0.0100である。
【００１８】
Ｎ：0.0015〜0.0150％
Ｎは、Al、Ｂと化合してAIN 、BNを形成し、黒鉛の結晶化の核となる。AIN 、BNの微細分散により黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を微細化する。しかし、0.0015％未満の含有では、AIN 、BNが十分に形成されない。一方、0.0150％を超えて含有すると連続鋳造時に鋳片の割れを促進するので、Ｎは0.0015〜0.0150％の範囲に限定した。なお、黒鉛の微細化の観点からは0.0015〜0.0100％が好ましい。
【００１９】
Ｐ：0.020 ％以下
Ｐは、黒鉛化を阻害するとともに、フェライト相を脆化させ、冷間鍛造性を劣化させる元素である。また、焼入れ焼戻し時に粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、疲労亀裂の伝播に対する抵抗を低下させ、疲労強度を低下させる。したがって、極力低減すべきであるが、0.020 ％まで許容される。
【００２０】
Ｓ：0.035 ％以下
Ｓは、鋼中でMnS を形成し、これが冷間鍛造性および疲労試験時の割れ発生の起点となり冷間鍛造性および疲労特性を劣化させる。また、MnS は黒鉛の結晶化の核としても作用するが、多すぎると粗大化し、粗大な黒鉛を形成する。このようなことから、Ｓは極力低減すべきであるが、0.035 ％までは許容される。なお、好ましくは0.001 〜0.025 ％である。
【００２１】
Ｏ：0.0030％以下
Ｏは、酸化物系非金属介在物を形成し、冷間鍛造性、被削性および疲労強度をともに低下させるので極力低減すべきであるが、0.0030％まで許容される。
以上本発明における必須の成分系について説明したが、本発明においては以下の各元素を必要に応じて用いることができる。以下にそれらの限定理由を述べる。
【００２２】
Ni：0.1 〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.1 〜3.0 ％のうちから選ばれた１種以上
Ni、Cu、 Co はいずれも黒鉛化を促進する元素であり、また、焼入れ性を向上させる作用もあわせ持つので、黒鉛化を促進しかつ、焼入れ性を向上させることが可能である。添加量としては、0.1 ％未満では、その効果は小さく、3.0 ％を超えて添加してもその効果は飽和するので、Ni、Cu、 Co はいずれも0.1 〜3.0 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２３】
Mo：0.1 〜1.0 ％
Moは、焼入れ性を高めると同時に、Mn、Crといった合金元素に比較してセメンタイトへの分配が小さい。このために、黒鉛化を著しく阻害せずに鋼材の焼入れ性を高めることができる。また、Moを添加した鋼材は焼戻し軟化抵抗が大きいために、同一焼戻し温度では硬さを向上させることが可能であり、その結果、疲労強度を向上させることができる。Moは、疲労強度を一層向上させる必要がある場合に含有させるのが好ましい。
【００２４】
また、焼入れ性が高いために熱間圧延ままの状態でベイナイト組織とすることが容易である。ベイナイト組織は微細な黒鉛の生成に有利であり、この結果、焼入れ加熱時に黒鉛を短時間で溶解させることができる。しかし、0.1 ％未満の含有では、その効果が小さく、一方、1.0 ％を超えて含有すると黒鉛化を阻害し、冷間鍛造性および被削性を低下させる。このようなことから、Moは0.1 〜1.0 ％の範囲とするのが好ましい。また、冷間鍛造性、被削性の観点からは0.1 〜0.8 ％とするのが好ましい。
【００２５】
Ｖ：0.05〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.05％のうちから選ばれた１種または２種
Ｖ、Nbは、ともに炭窒化物形成元素で炭窒化物を形成し強度を上昇させる。しかも、セメンタイト中にはほとんど固溶しないので、黒鉛化をさほど阻害しない。また、Ｖ、Nbは、ともに焼入れ性を向上させる元素であるので、疲労強度を向上させる必要のある場合に含有するのが好ましい。Ｖは、0.05％未満の含有ではこれらの効果は小さく、一方、0.5 ％を超えて含有しても効果が飽和するので、Ｖは0.05〜0.5 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２６】
一方、Nbは、0.005 ％未満の含有では、上述の効果が小さく、また0.05％を超えて含有しても効果が飽和する。このためNbは、0.005 〜0.05％の範囲とするのが好ましい。
Ti：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％、REM ：0.0005〜0.2 ％うちから選ばれた１種または２種以上
Ti、Zr、REM はともに黒鉛化を促進する。
【００２７】
Ti、Zrは、炭窒化物を形成して黒鉛化の核となり黒鉛化を促進する。これらの炭窒化物を微細分散することで黒鉛粒を微細化するので、黒鉛粒をさらに微細化する必要のある場合に用いてもよい。また、Ti、Zrは炭窒化物を形成することにより焼入れ時の有効Ｂを増加させ焼入れ性を向上させる。このような効果を発揮させるためには、Ti、Zrともに0.005 ％以上の添加が必要である。他方、Tiを0.05％およびZrを0.2 ％を超えて添加するとともにBNを形成するためのＮが不足し、その結果、黒鉛粒が粗大化するとともに黒鉛化時間が極めて長くなるので、それぞれ0.005 〜0.05％およびZr：0.005 〜0.2 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２８】
La、Ce等のREM （希土類金属）はＳと結合し、( REM ) Ｓを形成する。これが黒鉛化の核となり、黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を微細化するので黒鉛粒の微細化および黒鉛化の促進が必要な場合に用いてもよい。しかし、0.0005％未満ではその効果に乏しく、0.2 ％を超えて含有しても効果が飽和するので0.0005〜0.2 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２９】
黒鉛化率：５〜60％
黒鉛化率は、次（１）式
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛量）｝×100 ……（１）
で定義される。
【００３０】
黒鉛化率が、５％未満の場合には、冷間鍛造性の変形抵抗が上昇し、また切削時の工具寿命も著しく低下する。一方、黒鉛化率が60％を超える場合には、黒鉛粒子が粗大化し、冷間鍛造時の変形能および切削時の表面粗さが劣化するとともに、焼入れ性が劣化する。
本発明では、含有するＣすべてが黒鉛化する必要がなく、一部をセメンタイトとして、あるいはさらに母相への固溶状態のままで存在させる。黒鉛化率を適正範囲の低い値にし、セメンタイトを残留させることにより、析出する黒鉛粒が微細化し、さらに高周波焼入れ時等の焼入れ性が向上する。
【００３１】
セメンタイト球状化率：30％以上
次（２）式
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）
×（全セメンタイト粒子数）｝×100 …（２）
で定義される残留するセメンタイトの球状化率を、 30％以上とする。これにより、焼鈍後の鋼中に残留したセメンタイトの、冷間鍛造性の変形抵抗への悪影響を大幅に低減することが可能となる。残留するセメンタイトの球状化率が30％未満では、同一の黒鉛化率で比較しても冷間鍛造性、被削性が低下する。
【００３２】
本発明鋼の製造は通常公知の方法がすべて適用でき、特に限定されない。通常、転炉、電気炉で溶製され、必要に応じてRH脱ガス等の脱ガスや炉外製錬を行ってもよい。溶鋼は、連続鋳造あるいは造塊により凝固され、鋼素材とされる。鋼素材は、ついで熱間圧延、または分塊圧延および熱間圧延により所定の寸法の棒鋼、綿材、鋼板等に圧延される。
【００３３】
圧延後、黒鉛化処理を施され、製品とされる。黒鉛化処理条件は、600 ℃〜Ａc3変態点の温度範囲で、弱還元性雰囲気中で行うのが好適である。なお、残留セメンタイトの球状化を促進するためには、黒鉛化処理時の保持温度をＡc1変態点〜Ａc3変態点の温度範囲とし、その後Ａc1変態点以下の温度まで冷却する。冷却に際しては冷却速度を１℃/s以下とすることが望ましい。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例に即して本発明を説明する。
表１に示す化学組成の鋼を、転炉で溶製し、連続鋳造によりブルームとしたのち、棒鋼圧延により52mmφ棒鋼とした。
【００３５】
【表１】
【００３６】
鋼Ａ〜Ｒは、化学組成が本発明の範囲内の鋼であり、鋼ＳはＢ、鋼ＴはMn、鋼ＵはAl、鋼Ｖ、鋼ＷはSiが本発明範囲外の比較例である。また、鋼Ｘは冷間鍛造用鋼として用いられているJIS 規格のS30C相当鋼、鋼ＹはS45C相当鋼に快削性向上元素であるＳ、CaおよびPbを添加した、高い被削性の要求される用途に用いられる快削鋼の従来例である。
【００３７】
これらの棒鋼に、表１に示す条件の軟化焼鈍を施し、製品とした、製品について以下の試験を実施し、性能を確認した。また、軟化焼鈍後の硬さをビッカース硬さ（荷重10kg）で測定した。
（１）黒鉛量、黒鉛粒径の測定
直棒の1/4d部から採取した光学顕微鏡用試片につき、研磨後腐食せず、画像解析装置により、断面５箇所、各箇所につき400 倍の倍率で10視野（合計50視野）にわたって黒鉛面積率を測定し、各視野における黒鉛量とした。一方、同一Ｃ含有量の鋼をセメンタイトが完全に消失するまで黒鉛化を進行させ、そのときの黒鉛面積率を、含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛量とした。これらの値から（１）式を用いて各視野の黒鉛化率を求めた。これらの50視野の黒鉛化率の平均値を求め、各棒鋼の黒鉛化率とした。また50視野の黒鉛化率の中における最小値と最大値との差をばらつきとした。また、黒鉛粒径は1000〜2000個の黒鉛粒子について直径を測定し、その平均値を用いた。
【００３８】
（２）セメンタイト球状化率の測定
直棒の1/4d部から採取した顕微鏡用試片につき、研磨後、ピクラール液にて腐食し、走査型電子顕微鏡を用いて、断面５箇所、各箇所につき5000倍の倍率で10視野（合計50視野）にわたって撮像した。これら像に基づいて、画像解析装置を用いて、各セメンタイト粒子の最大長と、その垂直方向における最大幅の比をアスペクト比とし、50視野の全粒子のアスペクト比を測定した。（２）式を用い、アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数を全測定粒子数との比を計算し各棒鋼のセメンタイト球状化率とした。
【００３９】
（３）被削性試験
被削性試験は、高速度工具鋼SKH4を用い、52mmφの試片を切削速度80m/min 、無潤滑の条件により外周旋削を行い切削不能となるまでの時間を工具寿命として評価した。
（４）冷間鍛造性試験
冷間鍛造性は、焼鈍後の素材より15mmφ×22.5mml の円柱状試験片を作製し、300tプレスを用いて圧縮試験を行い、試験時の荷重より変形抵抗を算出した。ここでは、高さ減少率（圧縮率）：60％時の変形抵抗を示した。また、繰り返し数10個とし、試験片側面の割れ発生の有無を確認し、試験後の試験片の半数に割れの発生する圧縮率を限界圧縮率として変形能の指標とした。
【００４０】
（５）焼入れ焼戻し材の引張試験
焼入れ焼戻し後の引張試験は、素材より15mmφ×100mmlの試片を作製し、900 ℃×30min 加熱後、水溶性焼入れ液中に焼入れ、その後500 ℃×１hr保持後水冷の焼戻し処理をした。処理後の試片より平行部８mmφ×36mml の引張試験片を作製し、引張試験を実施し、引張強さＴＳ、伸びＥｌを求めた。
【００４１】
（６）高周波焼入れ性試験
高周波焼き入れ性試験は、素材より30mmφ×100mmlの試片を作製し、周波数15kHz 、出力114kW 、試験片移動速度10mm/sの移動焼入れの条件で高周波焼入れの後、150 ℃×１h の焼戻しを行って、表面硬さ（HRC）および有効硬化深さを測定した。
【００４２】
これらの結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
なお、従来鋼は黒鉛化することができなかったため、一般の加工工程に即して実施し、鋼Ｘ（S30C相当鋼）については、745 ℃×15h 保持後徐冷の球状焼なまし処理を実施後に、各項目の試験を上記と同様の方法で実施した。また、鋼Ｙ（快削鋼）については、被削性のみ圧延ままで評価し、その他の試験は745 ℃×15h 保持後徐冷の球状化焼なまし処理を実施した後に行った。黒鉛化後硬さは、棒鋼No.34 （鋼Ｘ）については球状化焼なまし後の硬さを、棒鋼No.35 （鋼Ｙ）については圧延ままの硬さをそれぞれ示した。
【００４６】
本発明例は、冷間鍛造時の変形抵抗および限界圧縮率については、従来の冷間鍛造用鋼である棒鋼No.34 （鋼Ｘ）よりも優れており、また、被削性についても従来鋼である棒鋼No.35 （鋼Ｙ）よりも優れている。また、本発明例のなかでも、残留セメンタイトの球状化率が10％と低い棒鋼No.5は、変形抵抗、被削性が若干低下している。
【００４７】
黒鉛化率が本発明の範囲よりも低い棒鋼No.1、No.4は、本発明例に比べ、冷間鍛造時の変形抵抗が高く、切削時の工具寿命が短い。
黒鉛化率が本発明の範囲よりも高い棒鋼No.11 、No.13 は、焼入れ焼戻し後の引張特性および高周波焼入れ性が、本発明例よりも劣化している。しかし、冷間鍛造時の変形抵抗および切削時の工具寿命はむしろ本発明例よりも優れており、焼入れ焼戻し後の特性等が必要とされない用途においては、黒鉛化率の高い鋼の使用も可能である。
【００４８】
Ｂ、Mn、Al、およびSiがそれぞれ本発明の範囲を外れる棒鋼No.28 、No.29 、No.30 、No.31 は、いずれも700 ℃に30hr保持しても、黒鉛の生成は認められなかった。
また、Si量が本発明範囲を高く外れる棒鋼No.32 （比較例）は、短時間の保持（2hr ）で平均の黒鉛化率は本発明例と同等の値を示すが、黒鉛化率のばらつきが20％と大きく、またセメンタイト球状化率が14％と低く冷間鍛造性、被削性が劣化している。焼鈍時間を長時間（５hr保持）とすると（棒鋼No.29 ）、黒鉛化率のばらつきは低減するが黒鉛化率が70％と高くなり、高周波焼入れ性が劣化している。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、Pbを用いるまでもなく従来のPb快削鋼と同程度あるいはそれ以上の切削時の工具寿命を有し、かつ冷間鍛造性および焼入れ後の特性の両方に優れた鋼材を提供することができ、産業上格段の効果を奏する。
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業機械や自動車等の機械部品に用いられて好適な機械構造用鋼材に関し、特に被削性、冷間鍛造性および焼入れ性を兼ねた備えた機械構造用鋼材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業機械や自動車等の機械部品に用いられる機械部品は、鋼材を切削または冷間鍛造、あるいはそれらの併用により所定の形状に加工され、その後、焼入れ焼戻し処理によって、機械部品としての要求特性を確保するとういう方法により製造されている。
【０００３】
このような機械部品に用いられる鋼材は、まず、被削性および冷間鍛造性がすぐれていることが要求される。機械構造用鋼の被削性を改善する手段としては、鋼中にPb、Ｓ、Bi、Ｐ等の快削性元素を単独または複合添加する方法が一般的である。特にPbは被削性を改善する作用が極めて強いために多用されている。しかし、一方では、Pbは人体に有害な元素でもあり、鋼材の製造工程や機械部品の加工工程で大がかりな排気設備を必要とし、また鋼材のリサイクルの点からも多大な問題がある。また、Pb、Ｓ、Te、Bi、Ｐ等は延性、靱性を劣化させる元素であり、鋼材の冷間鍛造性の改善のためには、これらの元素は逆に減少することが望ましい。
【０００４】
このようなことから、機械構造用鋼の被削性と冷間鍛造性を同時に向上させるために、鋼の組織をフェライト＋黒鉛の２相とすることが考えられている。例えば、特開昭51−57621 号公報には、Siを1.9 〜 3.0％と高め、微細黒鉛を0.20〜 0.44 ％含有させた冷間鍛造性に優れた快削鋼が提示されている。また、特開平３−140411号公報には、調質後の冷間加工性を向上させる方法が開示されている。この方法は、0.32〜 0.54 ％Ｃで、Mn、Si、Al含有量を調整した熱延または冷延した鋼材に、最終冷間加工、焼入れ焼戻しを行う前に620 〜680 ℃で15hr以上の焼鈍を施し、ほぼ完全に黒鉛化するというものである。
【０００５】
しかしながら、フェライト＋黒鉛の２相の組織からなる鋼は、極めて軟質の２相の組み合わせであるため、冷間鍛造時の変形抵抗が低いなどの優れた特性を持つ反面、切削時には軟質であるが故に表面にむしれ等を生じやすく、切削後の表面状態は必ずしも優れているとは言えなかった。
また、黒鉛はセメンタイトよりも極めて安定な析出物であり、黒鉛となったＣの鋼中への固溶は、オーステナイト域まで加熱されても、セメンタイトよりも困難となる。そのため、焼入れに際し、組織がフェライト＋黒鉛組織の場合には、フェライト＋パーライトあるいはフェライト＋球状化セメンタイト組織の場合にくらべ、十分な強度が得られない場合があった。フェライト＋黒鉛組織では、特に急熱、短時間保持となる高周波焼入れの場合に、焼入れ後の強度不足がより顕著であった。
【０００６】
このような問題に対し、例えば、特開平10−72639 号公報には、完全に黒鉛化せずに、黒鉛化率を10〜80％とした、被削性、冷間鍛造性および焼入れ性を兼ね備えた機械構造用鋼材が提案されている。しかしながら、焼入れ焼戻し後の特性を重視する用途、例えば高周波焼入れにより硬化層を厚く形成する必要のある場合においては、焼入れ性を向上させるために、黒鉛化率はできるだけ低く抑える必要があり、特開平10−72639 号公報に記載された技術では、黒鉛化率を安定して低い値とすることが難しく、焼入れ性がばらつき、良好な特性を安定して得ることができにくいという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、従来のPb添加快削鋼と同等以上の被削性を有し、しかも冷間鍛造性に優れ、さらに良好な焼入れ性が安定して得られる、焼入れ性に優れた機械構造用鋼材を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、種々の検討を行った。
優れた被削性と冷間鍛造性を有する鋼材の焼入れ性を向上させるためには、組織をフェライトとし、被削性を向上させる黒鉛量をできるだけ低減し、組織中にセメンタイトを残留させるのがよい。同−Ｃ量で比較した場合、セメンタイトを鋼中に残留させることにより、鋼中の黒鉛粒径は微細となり、その結果黒鉛粒自体のマトリックス中への固溶も容易となり、この点からも焼入れ性は向上する。しかし、黒鉛化反応の初期は、その終期に比較して反応が極めて速いため、焼入れ性に好適な低い黒鉛量（黒鉛化率）を安定して確保することは難しい。
【０００９】
このような問題に対し、本発明者らは、黒鉛化を促進する元素量、なかでもSiをできるだけ低減することにより初期の黒鉛化反応速度が低下し、低い黒鉛量（黒鉛化率）を安定して確保することが可能となり、セメンタイトを残留させやすくなるという知見を得た。
さらに、鋼中に残留するセメンタイトを球状化することにより、残留セメンタイトによる硬さ上昇にともなう冷間鍛造時の変形抵抗上昇および変形能低下、さらには切削加工時の工具寿命の低下を抑制することが可能となる。これにより、被削性、冷間鍛造性と焼入れ性とを兼ね備えた機械構造用鋼材とすることができるのである。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明は、mass％で、Ｃ：0.1 〜1.5 ％、Si：0.15％超〜0.50％未満、Mn：0.05〜0.3 ％、Al：0.005 〜0.07％、Ｂ：0.0003〜0.0150％、Ｎ：0.0015〜0.0150％、Ｐ：0.020 ％以下、Ｓ：0.035 ％以下、Ｏ：0.0030％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、さらに含有するＣが主として黒鉛とセメンタイトとなり、かつ次（１）式
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛
量）｝×100 ……（１）
に定義される黒鉛化率が５〜60％であり、さらに次（２）式
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）
×（全セメンタイト粒子数）｝× 100 …（２）
に定義されるセメンタイト球状化率を、 30 ％以上であることを特徴とする被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材である。なお、ここで、セメンタイト粒子のアスペクト粒子のアスペクト比とは、各セメンタイト粒子の長径と短径との比を表すものである。
【００１１】
また、本発明は、 mass ％で、Ｃ： 0.1 〜 1.5 ％、 Si ： 0.15 ％超〜 0.50 ％未満、 Mn ： 0.05 〜 0.3 ％、 Al ： 0.005 〜 0.07 ％、Ｂ： 0.0003 〜 0.0150 ％、Ｎ： 0.0015 〜 0.0150 ％、Ｐ： 0.020 ％以下、Ｓ： 0.035 ％以下、Ｏ： 0.0030 ％以下を含み、残部が Fe および不可避的不純物からなる組成を有し、さらに含有するＣが主として黒鉛とセメンタイトとなり、かつ次（１）式
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛
量）｝× 100 ……（１）
に定義される黒鉛化率が５〜 60 ％（但し 20 ％以上である場合を除く）であり、さらに次（２）式
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）
／（全セメンタイト粒子数）｝× 100 …（２）
に定義されるセメンタイト球状化率を、 30 ％以上であることを特徴とする被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材である。
また、本発明では、前記組成に加えさらに、mass％で、Ni：0.1 〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.1 〜3.0 ％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有するのが好ましい。
また、本発明では、前記各組成に加えさらに、mass％で、Ｖ：0.05〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.05％のうちから選ばれた１種または２種を含有するのが好ましい。
【００１２】
また、本発明では、前記各組成に加えさらに、mass％で、Mo：0.1 〜1.0 ％を含有するのが好ましい。
また、本発明では、前記各組成に加えさらに、mass％で、Ti：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％、REM ：0.0005〜0.2 ％うちから選ばれた１種または２種以上を含有するのが好ましい。
【００１３】
【作用】
以下、本発明における、鋼の成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：0.1 〜1.5 mass％（以下、単に％と記す）
Ｃは、黒鉛相、セメンタイト相を形成するために必須の成分である。0.1 ％未満では、焼入れ後の所望の硬さを確保することが困難であり、さらに、被削性を確保する上で必要な黒鉛相を確保することが困難となる。また、1.5 ％を超えて添加すると熱間圧延時の変形抵抗が上昇するとともに、変形能が低下し、熱間圧延材の割れ、きずの発生が増大する。このため、Ｃは0.1 〜1.5 ％の範囲とした。
【００１４】
Si：0.15％超〜0.50％未満
Siは、フェライト中に固溶し強度を増加させる元素であり、また、セメンタイト中に固溶せず、セメンタイトを不安定化することにより黒鉛化を促進する元素である。Siが0.15％以下では、強度の増加も少なく、さらに黒鉛の析出に長時間の熱処理が必要となる。一方、Siの多量添加は固溶強化を促進し、冷間鍛造時の変形抵抗を増加させるうえ、黒鉛化反応を促進する。とくに、Siが0.50％以上では、初期の黒鉛化反応速度が速く黒鉛化率をばらつきなく低く値に調整することが困難となる。このため、Siは0.15％超〜0.50％未満の範囲とした。
【００１５】
Mn：0.05〜0.3 ％
Mnは、鋼の脱酸剤として有効に作用するばかりでなく、焼入れ性向上にも有用な元素であり、また、Mnは、セメンタイト中に固溶し、黒鉛化を阻害する。0.05％未満の添加では脱酸に効果がなく、また、0.3 ％を超えて添加すると、黒鉛化を著しく阻害し、Si含有量を0.5 ％未満とする本発明では、黒鉛の析出そのものが困難となる。このため、Mnは0.05〜0.3 ％の範囲とした。なお、好ましい範囲は、黒鉛化率制御の観点から0.1 〜0.3 ％である。
【００１６】
Al：0.005 〜0.07％
Alは：鋼中のＮと反応してAIN を形成し、これが黒鉛の核形成サイトとして作用することにより、黒鉛化を促進する。0.005 ％未満の含有ではその作用が小さく、また、0.07％を超えて含有すると、鋳造工程において、Al系酸化物が多数形成される。Al系酸化物は、単独でも疲労破壊の起点となるばかりでなく、硬質なため、切削時に工具を摩耗させることにより被削性を低下させる。このようなことから、Alは0.005 〜0.07％とした。なお、好ましくは0.01％以上である。
【００１７】
Ｂ：0.0003〜0.0150％、
Ｂは、鋼中のＮと化合してBNを形成し、これが黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を微細化する。また、Ｂは鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の強度を確保する上でも有用な元素である。しかし、0.0003％未満の含有では、黒鉛化および焼入れ性向上への効果が小さい。一方、0.0150％を超えて含有すると、Ｂがセメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化することにより、逆に黒鉛化を阻害することになる。このため、Ｂは0.0003〜0.0150％の範囲に限定した。なお、黒鉛化と焼入れ性の観点からＢの好適範囲は0.0005〜0.0100である。
【００１８】
Ｎ：0.0015〜0.0150％
Ｎは、Al、Ｂと化合してAIN 、BNを形成し、黒鉛の結晶化の核となる。AIN 、BNの微細分散により黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を微細化する。しかし、0.0015％未満の含有では、AIN 、BNが十分に形成されない。一方、0.0150％を超えて含有すると連続鋳造時に鋳片の割れを促進するので、Ｎは0.0015〜0.0150％の範囲に限定した。なお、黒鉛の微細化の観点からは0.0015〜0.0100％が好ましい。
【００１９】
Ｐ：0.020 ％以下
Ｐは、黒鉛化を阻害するとともに、フェライト相を脆化させ、冷間鍛造性を劣化させる元素である。また、焼入れ焼戻し時に粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、疲労亀裂の伝播に対する抵抗を低下させ、疲労強度を低下させる。したがって、極力低減すべきであるが、0.020 ％まで許容される。
【００２０】
Ｓ：0.035 ％以下
Ｓは、鋼中でMnS を形成し、これが冷間鍛造性および疲労試験時の割れ発生の起点となり冷間鍛造性および疲労特性を劣化させる。また、MnS は黒鉛の結晶化の核としても作用するが、多すぎると粗大化し、粗大な黒鉛を形成する。このようなことから、Ｓは極力低減すべきであるが、0.035 ％までは許容される。なお、好ましくは0.001 〜0.025 ％である。
【００２１】
Ｏ：0.0030％以下
Ｏは、酸化物系非金属介在物を形成し、冷間鍛造性、被削性および疲労強度をともに低下させるので極力低減すべきであるが、0.0030％まで許容される。
以上本発明における必須の成分系について説明したが、本発明においては以下の各元素を必要に応じて用いることができる。以下にそれらの限定理由を述べる。
【００２２】
Ni：0.1 〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.1 〜3.0 ％のうちから選ばれた１種以上
Ni、Cu、 Co はいずれも黒鉛化を促進する元素であり、また、焼入れ性を向上させる作用もあわせ持つので、黒鉛化を促進しかつ、焼入れ性を向上させることが可能である。添加量としては、0.1 ％未満では、その効果は小さく、3.0 ％を超えて添加してもその効果は飽和するので、Ni、Cu、 Co はいずれも0.1 〜3.0 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２３】
Mo：0.1 〜1.0 ％
Moは、焼入れ性を高めると同時に、Mn、Crといった合金元素に比較してセメンタイトへの分配が小さい。このために、黒鉛化を著しく阻害せずに鋼材の焼入れ性を高めることができる。また、Moを添加した鋼材は焼戻し軟化抵抗が大きいために、同一焼戻し温度では硬さを向上させることが可能であり、その結果、疲労強度を向上させることができる。Moは、疲労強度を一層向上させる必要がある場合に含有させるのが好ましい。
【００２４】
また、焼入れ性が高いために熱間圧延ままの状態でベイナイト組織とすることが容易である。ベイナイト組織は微細な黒鉛の生成に有利であり、この結果、焼入れ加熱時に黒鉛を短時間で溶解させることができる。しかし、0.1 ％未満の含有では、その効果が小さく、一方、1.0 ％を超えて含有すると黒鉛化を阻害し、冷間鍛造性および被削性を低下させる。このようなことから、Moは0.1 〜1.0 ％の範囲とするのが好ましい。また、冷間鍛造性、被削性の観点からは0.1 〜0.8 ％とするのが好ましい。
【００２５】
Ｖ：0.05〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.05％のうちから選ばれた１種または２種
Ｖ、Nbは、ともに炭窒化物形成元素で炭窒化物を形成し強度を上昇させる。しかも、セメンタイト中にはほとんど固溶しないので、黒鉛化をさほど阻害しない。また、Ｖ、Nbは、ともに焼入れ性を向上させる元素であるので、疲労強度を向上させる必要のある場合に含有するのが好ましい。Ｖは、0.05％未満の含有ではこれらの効果は小さく、一方、0.5 ％を超えて含有しても効果が飽和するので、Ｖは0.05〜0.5 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２６】
一方、Nbは、0.005 ％未満の含有では、上述の効果が小さく、また0.05％を超えて含有しても効果が飽和する。このためNbは、0.005 〜0.05％の範囲とするのが好ましい。
Ti：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％、REM ：0.0005〜0.2 ％うちから選ばれた１種または２種以上
Ti、Zr、REM はともに黒鉛化を促進する。
【００２７】
Ti、Zrは、炭窒化物を形成して黒鉛化の核となり黒鉛化を促進する。これらの炭窒化物を微細分散することで黒鉛粒を微細化するので、黒鉛粒をさらに微細化する必要のある場合に用いてもよい。また、Ti、Zrは炭窒化物を形成することにより焼入れ時の有効Ｂを増加させ焼入れ性を向上させる。このような効果を発揮させるためには、Ti、Zrともに0.005 ％以上の添加が必要である。他方、Tiを0.05％およびZrを0.2 ％を超えて添加するとともにBNを形成するためのＮが不足し、その結果、黒鉛粒が粗大化するとともに黒鉛化時間が極めて長くなるので、それぞれ0.005 〜0.05％およびZr：0.005 〜0.2 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２８】
La、Ce等のREM （希土類金属）はＳと結合し、( REM ) Ｓを形成する。これが黒鉛化の核となり、黒鉛化を促進するとともに黒鉛粒を微細化するので黒鉛粒の微細化および黒鉛化の促進が必要な場合に用いてもよい。しかし、0.0005％未満ではその効果に乏しく、0.2 ％を超えて含有しても効果が飽和するので0.0005〜0.2 ％の範囲とするのが好ましい。
【００２９】
黒鉛化率：５〜60％
黒鉛化率は、次（１）式
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛量）｝×100 ……（１）
で定義される。
【００３０】
黒鉛化率が、５％未満の場合には、冷間鍛造性の変形抵抗が上昇し、また切削時の工具寿命も著しく低下する。一方、黒鉛化率が60％を超える場合には、黒鉛粒子が粗大化し、冷間鍛造時の変形能および切削時の表面粗さが劣化するとともに、焼入れ性が劣化する。
本発明では、含有するＣすべてが黒鉛化する必要がなく、一部をセメンタイトとして、あるいはさらに母相への固溶状態のままで存在させる。黒鉛化率を適正範囲の低い値にし、セメンタイトを残留させることにより、析出する黒鉛粒が微細化し、さらに高周波焼入れ時等の焼入れ性が向上する。
【００３１】
セメンタイト球状化率：30％以上
次（２）式
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）
×（全セメンタイト粒子数）｝×100 …（２）
で定義される残留するセメンタイトの球状化率を、 30％以上とする。これにより、焼鈍後の鋼中に残留したセメンタイトの、冷間鍛造性の変形抵抗への悪影響を大幅に低減することが可能となる。残留するセメンタイトの球状化率が30％未満では、同一の黒鉛化率で比較しても冷間鍛造性、被削性が低下する。
【００３２】
本発明鋼の製造は通常公知の方法がすべて適用でき、特に限定されない。通常、転炉、電気炉で溶製され、必要に応じてRH脱ガス等の脱ガスや炉外製錬を行ってもよい。溶鋼は、連続鋳造あるいは造塊により凝固され、鋼素材とされる。鋼素材は、ついで熱間圧延、または分塊圧延および熱間圧延により所定の寸法の棒鋼、綿材、鋼板等に圧延される。
【００３３】
圧延後、黒鉛化処理を施され、製品とされる。黒鉛化処理条件は、600 ℃〜Ａc3変態点の温度範囲で、弱還元性雰囲気中で行うのが好適である。なお、残留セメンタイトの球状化を促進するためには、黒鉛化処理時の保持温度をＡc1変態点〜Ａc3変態点の温度範囲とし、その後Ａc1変態点以下の温度まで冷却する。冷却に際しては冷却速度を１℃/s以下とすることが望ましい。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例に即して本発明を説明する。
表１に示す化学組成の鋼を、転炉で溶製し、連続鋳造によりブルームとしたのち、棒鋼圧延により52mmφ棒鋼とした。
【００３５】
【表１】
鋼Ａ〜Ｒは、化学組成が本発明の範囲内の鋼であり、鋼ＳはＢ、鋼ＴはMn、鋼ＵはAl、鋼Ｖ、鋼ＷはSiが本発明範囲外の比較例である。また、鋼Ｘは冷間鍛造用鋼として用いられているJIS 規格のS30C相当鋼、鋼ＹはS45C相当鋼に快削性向上元素であるＳ、CaおよびPbを添加した、高い被削性の要求される用途に用いられる快削鋼の従来例である。
【００３７】
これらの棒鋼に、表１に示す条件の軟化焼鈍を施し、製品とした、製品について以下の試験を実施し、性能を確認した。また、軟化焼鈍後の硬さをビッカース硬さ（荷重10kg）で測定した。
（１）黒鉛量、黒鉛粒径の測定
直棒の1/4d部から採取した光学顕微鏡用試片につき、研磨後腐食せず、画像解析装置により、断面５箇所、各箇所につき400 倍の倍率で10視野（合計50視野）にわたって黒鉛面積率を測定し、各視野における黒鉛量とした。一方、同一Ｃ含有量の鋼をセメンタイトが完全に消失するまで黒鉛化を進行させ、そのときの黒鉛面積率を、含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛量とした。これらの値から（１）式を用いて各視野の黒鉛化率を求めた。これらの50視野の黒鉛化率の平均値を求め、各棒鋼の黒鉛化率とした。また50視野の黒鉛化率の中における最小値と最大値との差をばらつきとした。また、黒鉛粒径は1000〜2000個の黒鉛粒子について直径を測定し、その平均値を用いた。
【００３８】
（２）セメンタイト球状化率の測定
直棒の1/4d部から採取した顕微鏡用試片につき、研磨後、ピクラール液にて腐食し、走査型電子顕微鏡を用いて、断面５箇所、各箇所につき5000倍の倍率で10視野（合計50視野）にわたって撮像した。これら像に基づいて、画像解析装置を用いて、各セメンタイト粒子の最大長と、その垂直方向における最大幅の比をアスペクト比とし、50視野の全粒子のアスペクト比を測定した。（２）式を用い、アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数を全測定粒子数との比を計算し各棒鋼のセメンタイト球状化率とした。
【００３９】
（３）被削性試験
被削性試験は、高速度工具鋼SKH4を用い、52mmφの試片を切削速度80m/min 、無潤滑の条件により外周旋削を行い切削不能となるまでの時間を工具寿命として評価した。
（４）冷間鍛造性試験
冷間鍛造性は、焼鈍後の素材より15mmφ×22.5mml の円柱状試験片を作製し、300tプレスを用いて圧縮試験を行い、試験時の荷重より変形抵抗を算出した。ここでは、高さ減少率（圧縮率）：60％時の変形抵抗を示した。また、繰り返し数10個とし、試験片側面の割れ発生の有無を確認し、試験後の試験片の半数に割れの発生する圧縮率を限界圧縮率として変形能の指標とした。
【００４０】
（５）焼入れ焼戻し材の引張試験
焼入れ焼戻し後の引張試験は、素材より15mmφ×100mmlの試片を作製し、900 ℃×30min 加熱後、水溶性焼入れ液中に焼入れ、その後500 ℃×１hr保持後水冷の焼戻し処理をした。処理後の試片より平行部８mmφ×36mml の引張試験片を作製し、引張試験を実施し、引張強さＴＳ、伸びＥｌを求めた。
【００４１】
（６）高周波焼入れ性試験
高周波焼き入れ性試験は、素材より30mmφ×100mmlの試片を作製し、周波数15kHz 、出力114kW 、試験片移動速度10mm/sの移動焼入れの条件で高周波焼入れの後、150 ℃×１h の焼戻しを行って、表面硬さ（HRC）および有効硬化深さを測定した。
【００４２】
これらの結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
【表３】
なお、従来鋼は黒鉛化することができなかったため、一般の加工工程に即して実施し、鋼Ｘ（S30C相当鋼）については、745 ℃×15h 保持後徐冷の球状焼なまし処理を実施後に、各項目の試験を上記と同様の方法で実施した。また、鋼Ｙ（快削鋼）については、被削性のみ圧延ままで評価し、その他の試験は745 ℃×15h 保持後徐冷の球状化焼なまし処理を実施した後に行った。黒鉛化後硬さは、棒鋼No.34 （鋼Ｘ）については球状化焼なまし後の硬さを、棒鋼No.35 （鋼Ｙ）については圧延ままの硬さをそれぞれ示した。
【００４６】
本発明例は、冷間鍛造時の変形抵抗および限界圧縮率については、従来の冷間鍛造用鋼である棒鋼No.34 （鋼Ｘ）よりも優れており、また、被削性についても従来鋼である棒鋼No.35 （鋼Ｙ）よりも優れている。また、本発明例のなかでも、残留セメンタイトの球状化率が10％と低い棒鋼No.5は、変形抵抗、被削性が若干低下している。
【００４７】
黒鉛化率が本発明の範囲よりも低い棒鋼No.1、No.4は、本発明例に比べ、冷間鍛造時の変形抵抗が高く、切削時の工具寿命が短い。
黒鉛化率が本発明の範囲よりも高い棒鋼No.11 、No.13 は、焼入れ焼戻し後の引張特性および高周波焼入れ性が、本発明例よりも劣化している。しかし、冷間鍛造時の変形抵抗および切削時の工具寿命はむしろ本発明例よりも優れており、焼入れ焼戻し後の特性等が必要とされない用途においては、黒鉛化率の高い鋼の使用も可能である。
【００４８】
Ｂ、Mn、Al、およびSiがそれぞれ本発明の範囲を外れる棒鋼No.28 、No.29 、No.30 、No.31 は、いずれも700 ℃に30hr保持しても、黒鉛の生成は認められなかった。
また、Si量が本発明範囲を高く外れる棒鋼No.32 （比較例）は、短時間の保持（2hr ）で平均の黒鉛化率は本発明例と同等の値を示すが、黒鉛化率のばらつきが20％と大きく、またセメンタイト球状化率が14％と低く冷間鍛造性、被削性が劣化している。焼鈍時間を長時間（５hr保持）とすると（棒鋼No.29 ）、黒鉛化率のばらつきは低減するが黒鉛化率が70％と高くなり、高周波焼入れ性が劣化している。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、Pbを用いるまでもなく従来のPb快削鋼と同程度あるいはそれ以上の切削時の工具寿命を有し、かつ冷間鍛造性および焼入れ後の特性の両方に優れた鋼材を提供することができ、産業上格段の効果を奏する。
Claims (6)
- mass％で、
Ｃ：0.1 〜1.5 ％、 Si：0.15％超0.50％未満、
Mn：0.05〜0.3 ％、 Al：0.005 〜0.07％、
Ｂ：0.0003〜0.0150％、 Ｎ：0.0015〜0.0150％、
Ｐ：0.020 ％以下、 Ｓ：0.035 ％以下、
Ｏ：0.0030％以下
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、さらに含有するＣが主として黒鉛とセメンタイトとなり、かつ下記（１）式に定義される黒鉛化率が５〜60％であり、さらに下記（２）式に定義されるセメンタイト球状化率が、 30 ％以上であることを特徴とする被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材。
記
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛
量）｝×100 ……（１）
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）／（全
セメンタイト粒子数）｝× 100 …（２） - mass ％で、
Ｃ： 0.1 〜 1.5 ％、 Si ： 0.15 ％超 0.50 ％未満、
Mn ： 0.05 〜 0.3 ％、 Al ： 0.005 〜 0.07 ％、
Ｂ： 0.0003 〜 0.0150 ％、 Ｎ： 0.0015 〜 0.0150 ％、
Ｐ： 0.020 ％以下、 Ｓ： 0.035 ％以下、
Ｏ： 0.0030 ％以下
を含み、残部が Fe および不可避的不純物からなる組成を有し、さらに含有するＣが主として黒鉛とセメンタイトとなり、かつ下記（１）式に定義される黒鉛化率が５〜 60 ％（但し 20 ％以上である場合を除く）であり、さらに下記（２）式に定義されるセメンタイト球状化率が、 30 ％以上であることを特徴とする被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材。
記
黒鉛化率（％）＝｛（黒鉛量）／（含有するＣがすべて黒鉛化したときの黒鉛
量）｝× 100 ……（１）
セメンタイト球状化率（％）＝｛（アスペクト比２未満のセメンタイト粒子数）
／（全セメンタイト粒子数）｝× 100 …（２） - 前記組成に加えて、さらに、mass％で、Ni：0.1 〜3.0 ％、Cu：0.1 〜3.0 ％、Co：0.1 〜3.0 ％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材。
- 前記組成に加えて、さらに、mass％で、Ｖ：0.05〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.05％のうちから選ばれた１種または２種を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材。
- 前記組成に加えて、さらに、mass％で、Mo：0.1 〜1.0 ％を含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材。
- 前記組成に加えて、さらに、mass％で、Ti：0.005 〜0.05％、Zr：0.005 〜0.2 ％、REM ：0.0005〜0.2 ％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の被削性、冷間鍛造性および焼入れ性に優れた機械構造用鋼材。
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