JP5768757B2

JP5768757B2 - 機械構造用鋼

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Publication number: JP5768757B2
Application number: JP2012095247A
Authority: JP
Inventors: 宏二渡里; 江頭　誠; 誠江頭; 隆之西
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: JP2013221205A

Description

本発明は、機械構造用鋼に関し、詳しくは、各種機械加工の際の被削性に優れた機械構造用鋼に関する。より詳しくは、本発明は、産業機械や自動車などの部品の素材として用いるのに好適な被削性、特に旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に優れた機械構造用鋼に関する。

産業機械や自動車などの部品に用いられる機械構造用鋼には、ＪＩＳ規格で規定されるＪＩＳＧ４０５１（２００９）の機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳＧ４０５３（２００８）の機械構造用合金鋼鋼材がある。また、これらの鋼の規定諸成分量を多少変更したり、Ｂ（ホウ素）などをさらに含有させて焼入れ性を向上させたり、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなども含有させて組織を改善した鋼も使用されている。

これらの鋼は、多くの場合、圧延加工して造られたものをそのまま、あるいはさらに鍛造加工などを行った後、切削加工して所定の形状にし、必要とされる特性に応じた熱処理を施して最終部品に仕上げられる。

この切削工程における生産能率向上のため、鋼は被削性に優れていることが強く望まれる。

「被削性が優れている」ということは、
・切削時に使用する工具の摩耗による交換までの期間が長いこと、すなわち工具寿命が長いこと、
・切削時に排出される切りくずが細かく分断されること、
・切削抵抗が低いこと、
・切削面や研削面の仕上がりが良好であること、
などを意味する。

切削作業の無人化や自動化が進むと、上記のうちでも工具寿命が長いこと、すなわち「耐工具摩耗性」が高いことが極めて重要になってくる。また、一つの部品を機械加工で生産する場合、旋削から穴加工まで様々な加工工程が存在する場合がある。そのため、様々な工程での耐工具摩耗性を改善することは、鋼の被削性の向上において極めて重要である。

鋼の被削性は、Ｐｂを含有させることにより向上させることができる。しかし、Ｐｂの含有は、鋼の価格上昇を伴うばかりでなく、環境に影響を及ぼす懸念がある。

そこで、Ｐｂを含有させずに鋼の被削性を改善する技術の研究が進められてきた。その代表的なものは、鋼中の酸化物系介在物や硫化物系介在物を制御した被削性改善技術であり、その技術に関しては多くの検討がなされ、実用化も行われている。

例えば、特許文献１に、肌焼鋼を対象にＣａＯとＴｉＯ₂を含有する複合酸化物を含有し、そのうちＴｉＯ₂を６０質量％以上含有している複合介在物が個数分率で７５％以上とすることで、被削性を確保する技術が開示されている。

特許文献２には、鋼中にＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とした酸化物系介在物を含有させることで疲労強度とともに被削性を確保する技術が開示されている。具体的には、酸化物系介在物の組成比を、ＣａＯ：５〜５０％、Ａｌ₂Ｏ₃：５〜５０％、ＳｉＯ₂：２５〜７５％の範囲でアノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）に制御することで所望の特性を確保するものである。

特許文献３には、鋼中にＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＭｎＯを主成分とする酸化物系介在物を有する、横目方向の疲労強度、すなわち鋼材の長手方向に垂直な方向の疲労強度、および被削性に優れた機械構造用鋼が開示されている。

特開２００９−２１５６３７号公報特開２００６−２９９２９６号公報特開２０１０−１４４２２５号公報

特許文献１で開示されている鋼は、ＴｉＯ₂を複合させることで酸化物系介在物を軟化させ、切削時に使用する工具表面上に保護膜、すなわちいわゆる「ベラーグ」を形成し工具の耐摩耗性の向上に有効であるものの、鋼中にＴｉを０．０４〜０．２％と過剰に含有させなければならない。そのために、硬質な炭化物（ＴｉＣ）や窒化物（ＴｉＮ）の形成が避けられないので、これらの硬質な析出物によって上記ベラーグの形成が抑制される可能性が大きく、被削性改善効果も十分には得られない。

特許文献２に開示されている鋼の場合、確かにアノーサイトは、従来のＡｌによる脱酸鋼、つまりいわゆる「アルミキルド鋼」中に含有される酸化物系介在物のアルミナに対し、ＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃の３元系状態図の範疇では低融点化および軟質化されるものである。このため、被削性、特に切削工具の耐摩耗性に対する無害化という点では有効である。しかし、後述するようにアノーサイトは、ベラーグの形成という点では必ずしも適した酸化物系介在物組成ではないので、被削性の改善効果は不十分である。すなわち、酸化物系介在物の組成制御が十分ではないし、さらに、切削工具のすくい面の耐摩耗性の改善についても十分には考慮されていないため、必ずしも十分な耐工具摩耗性を得られるというものではない。

特許文献３に開示されている鋼は、酸性酸化物であるＳｉＯ₂系酸化物に対し、塩基性酸化物のＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯを複合させることで軟質化させ、疲労強度と被削性の両立を狙ったものであり、硬質介在物による切削工具のアブレシブ摩耗を無効にするという点では極めて有効である。しかしながら、鋼中の酸素含有量が０．００２％以下であるため、酸化物系介在物の量は必ずしも十分とはいえないことがある。また、Ｃａの含有量が０．０００５％以下であることから、ベラーグの形成という点で、必ずしも適した酸化物系介在物組成に制御できないこともある。このため、より一層の被削性改善の要求に対しては、必ずしも十分でない場合もある。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、Ｐｂを含有せずに、被削性、特に旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に優れた機械構造用鋼を提供することを目的とする。

鋼の被削性に、硫化物系介在物や酸化物系介在物の状態が大きく影響することはよく知られている。

そこで、本発明者らは、Ｐｂを含まない機械構造用鋼の被削性を改善するために、鋼中の酸化物系介在物の量および形態と被削性との関係について、なかでも、鋼中の酸化物系介在物の量および形態が、旋削加工での工具のすくい面の摩耗に対して及ぼす影響について明確にするために、詳細な調査を実施した。

その結果、下記（ａ）〜（ｇ）の知見を得た。

（ａ）旋削加工での工具のすくい面にベラーグを形成させるためには、鋼中の酸化物系介在物の組成をメリライトが主成分となるように制御する必要がある。メリライトは、その一例として、図１のＭｇＯが５％のＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系の擬４元系状態図で表すことができる、結晶構造が正方晶の酸化物系介在物である。

（ｂ）工具のすくい面上に形成されるベラーグの組成は、鋼中の酸化物系介在物の平均組成と同様である。このため、ベラーグは鋼中の酸化物系介在物の堆積で形成されると判断できる。

（ｃ）切削加工中の昇温を踏まえ、５００℃以上の高温域で酸化物系介在物の組成による硬さの違いを、その介在物組成に相当する合成酸化物を作成することによって確認したところ、工具のすくい面上に鋼中の酸化物系介在物を堆積させるには、鋼中の酸化物系介在物の硬さは適度に軟質化することが必要であり、また酸化物そのものが鋼中において非晶質であるか結晶質であるかということでも変化する。

（ｄ）メリライトは１１００℃以上の加熱で結晶化が進みやすい。一方、メリライトが生成する組成範囲と隣接するアノーサイトは、メリライトと融点がほぼ同等であるが、非晶質の状態が安定である。このことは、鋳片の段階では、両酸化物ともに非晶質であるものが、その後の熱間での圧延や鍛造工程において、メリライトは結晶化が進むのに対して、アノーサイトは非晶質のままであることを示す。なお、アノーサイトもより高温で長時間の熱処理を施せば結晶化が進むが、その結晶構造は三斜晶である。

（ｅ）結晶質のメリライトと非晶質のアノーサイトでは、５００℃以上の高温硬さがメリライトの方が低い。このため、アノーサイトよりもメリライトの方が切削工具のすくい面上に堆積しやすくなる、すなわちベラーグの形成能が高いと考えられる。

（ｆ）ベラーグの形成には、鋼中の酸化物系介在物がメリライトの組成であるだけでなく、その量も同時に満たされることが重要である。その量は鋼中の全酸素含有量で表現することができ、特に酸化物系介在物中のＣａＯ濃度と鋼中のＯ含有量の積が大きいほどベラーグ形成が顕著となり、工具摩耗抑制効果がより発揮される。

（ｇ）酸化物系介在物を上述の形態にしたときに、耐工具摩耗性が向上することに対し、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎなどの含有量に加えて、機械構造用鋼の強度向上、組織改善などの作用を有するＣｒ、Ｖ、Ｍｏやその他の元素による影響を調べた。その結果、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏなどの元素によって、鋼の硬さや強度などの機械的特性が向上する場合であっても、同じメリライトの組成であれば、被削性に対しては影響がなく、同様の被削性向上効果が得られることが判明した。

そこで、本発明者らは、上記の知見を踏まえてさらに調査・検討を加えた。その結果、被削性、特に旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に及ぼす化学組成や酸化物系介在物の状態の限界が明確になった。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（４）に示す機械構造用鋼にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３０％を超えて０．１５％以下、Ｃｒ：０．０２〜２．０％、Ａｌ：０．００５％以下、Ｃａ：０．０００５％を超えて０．００４０％以下、Ｍｇ：０．０００１〜０．００１０％、Ｎ：０．０３０％以下およびＯ：０．００２０％を超えて０．００６０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、酸化物系介在物の平均組成が、質量％で、ＣａＯ：１０．０〜５０．０％、ＳｉＯ₂：２０．０〜５０．０％、Ａｌ₂Ｏ₃：２０．０〜４５．０％、ＭｇＯ：１．０〜１０．０％、ＭｎＯ：０〜２．０％の範囲であって、さらに、ＣａＯ×Ｏ×１０⁴≧５５０であることを特徴とする機械構造用鋼。
ただし、上記の不等式におけるＣａＯは、酸化物系介在物の平均組成における質量％でのＣａＯ濃度を意味し、また、Ｏは、質量％でのＯの鋼中含有量を意味する。

（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．３０％以下を含有することを特徴とする上記（１）に記載の機械構造用鋼。

（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｔｉ：０．０４０％未満およびＮｂ：０．０５０％以下の１種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の機械構造用鋼。

（４）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．５０％以下を含有することを特徴とする上記（１）から（３）までのいずれかに記載の機械構造用鋼。

「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。

本発明の機械構造用鋼は、Ｐｂを含まないにもかかわらず被削性、特に旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に優れている。このため、切削加工を必要とする部品の素材としてこの鋼を使用することにより、その部品の製造コストを大幅に低下させることができる。

メリライトの形成範囲の一例を、ＭｇＯが５％のＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系の擬４元系状態図を用いて説明する図である。

本発明の鋼において、鋼の化学組成と酸化物系介在物の平均組成を限定した理由について、以下に説明する。なお、以下の説明において、各元素の含有量および酸化物系介在物の平均組成に関する「％」は、「質量％」を意味する。

（Ａ）鋼の化学組成：
Ｃ：０．１５〜０．６５％
Ｃは、鋼の強度にかかわる性質を支配する重要な元素であり、その含有量は、通常、機械的性質を考慮して決定される。Ｃの含有量が０．１５％を下回ると機械構造部品としての機械的性質が得られず、一方、０．６５％を超えると強度が上昇し工具寿命の低下が著しくなり、所望の被削性が得られない。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．６５％とした。機械構造部品としての機械的性質や硬さ等の強度特性に加え、被削性を安定して得るためには、Ｃの含有量は０．２０％以上であることが好ましく、また、０．５０％以下であることが好ましい。

Ｓｉ：０．１０〜１．５０％
Ｓｉは、強度を高める元素であり、溶鋼中での脱酸効果もある。しかし、その含有量が０．１０％未満ではその効果が期待できない。一方、Ｓｉを１．５０％を超えて含有させると硬さが上昇し、特に軟質なフェライトに固溶しやすく剪断変形抵抗を高め被削性を低下させる。したがって、Ｓｉの含有量を０．１０〜１．５０％とした。良好な被削性を安定して得るためには、Ｓｉの含有量は０．１５％以上とすることが好ましく、また、１．００％以下とすることが好ましい。

Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、被削性向上に大きな効果をもたらす硫化物系介在物を形成させるために重要な元素であり、溶鋼の脱酸効果もある。その上、被削性の向上を目的としてＳを含有させる際に、鋼の熱間加工性の劣化を抑止する作用があるが、そのためには０．５％以上のＭｎを含有させる必要がある。しかし、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると切削抵抗が増す。したがって、Ｍｎの含有量を０．５〜２．０％とした。なお、熱処理して用いる鋼の場合、Ｍｎは焼入れ性に大きく寄与する元素であり、この目的のための含有量は上記範囲内で適宜選定すればよい。その際、Ｍｎの含有量は０．７％以上であることがより好ましく、また、１．５％以下であることがより好ましい。

Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、不純物として含有される元素である。また、Ｐは、固溶強化効果があり、焼入れ性を向上させる効果もある、しかしながら、Ｐの含有量が高くなると鋼の靱性を劣化させる。このため、Ｐの含有量は悪影響が顕著でない範囲として０．０５％以下とした。上記の効果を発揮させる場合、Ｐの含有量は０．００５％以上であることが好ましく、また、０．０２％以下であることが好ましい。

Ｓ：０．０３０％を超えて０．１５％以下
Ｓは、被削性を向上させるために必要な元素で、Ｍｎなどと結合して、硫化物系介在物の形で存在させる。Ｓの含有量が０．０３０％以下では被削性向上の効果は得られず、逆に含有量が多すぎると、粗大なＭｎＳにより熱間加工性の低下、鋼の疲労強度や靱性の劣化をきたす。したがって、上限を設け、Ｓの含有量は０．０３０％を超えて０．１５％以下とした。この範囲であれば良好な被削性と機械的性質が得られるが、さらに被削性と機械構造用鋼としての機械的性質を安定に確保するためには、Ｓの含有量は０．０３５％以上とすることが好ましく、また、０．１０％以下とすることが好ましい。熱処理などを施し、さらに機械構造用鋼として適切な機械的特性と被削性を両立させるためには、Ｓの含有量は０．０４％以上であることが好ましく、また、０．０８％以下であることが好ましい。

Ｃｒ：０．０２〜２．０％
Ｃｒは、鋼の強度を向上させる効果があり、機械構造用鋼の高強度化には有効である。高強度化のためには、０．０２％以上のＣｒを含有させる必要があるが、２．０％を超えると上記の効果が飽和するばかりでなく逆に被削性を劣化させる。したがって、Ｃｒの含有量は０．０２〜２．０％とした。強度を高めより被削性を安定させるためには、Ｃｒの含有量は０．０５％以上とすることが好ましく、また、１．５％以下とすることが好ましい。

Ａｌ：０．００５％以下
本発明では、Ａｌ添加による積極的な脱酸は行わない。しかし、微量のＡｌでも鋼中にＡｌ₂Ｏ₃を生成し、鋼中に生じるＡｌ₂Ｏ₃は硬いため、耐工具摩耗性を低下させる。よって、Ａｌ₂Ｏ₃が多くならないようにＡｌ含有量は０．００５％以下とした。Ａｌの含有量は少なければ少ないほど好ましい。

Ｃａ：０．０００５％を超えて０．００４０％以下
Ｃａは、Ｏ（酸素）およびＳとの反応性が高く、溶鋼中で酸化物系介在物および硫化物系介在物を形成する。Ｃａは、Ａｌ₂Ｏ₃と複合の酸化物系介在物を形成することで酸化物系介在物の融点を下げることができるので、切削時の工具表面で軟質化して、工具摩耗の進行を抑える効果を有する。上記の効果を得るには、０．０００５％を超えるＣａ含有量が必要である。しかし、Ｃａの含有量が０．００４０％を超えると、粗大な酸化物系介在物の割合が増加し、この粗大な酸化物系介在物を起点として疲労特性が劣化する。したがって、Ｃａの含有量は０．０００５％を超えて０．００４０％以下とした。疲労特性を劣化させることなくより被削性を安定させるためには、Ｃａの含有量は０．００１０％以上とすることが好ましく、また、０．００３０％以下とすることが好ましい。

Ｍｇ：０．０００１〜０．００１０％
Ｍｇは、Ｏ（酸素）およびＳとの反応性が高く、溶鋼中で酸化物系介在物および硫化物系介在物を形成する。Ｍｇは、上記のＣａと同様の作用効果に加え、Ａｌ₂Ｏ₃と複合の酸化物系介在物を形成し、その組成をメリライトとすることで、酸化物系介在物の融点をさらに下げることができる。このため、切削時の工具表面で軟質化して、工具摩耗の進行を抑える効果を有する。上記の効果を得るには、０．０００１％以上のＭｇ含有量が必要である。しかし、Ｍｇの含有量が０．００１０％を超えると、メリライトである酸化物系介在物内に第二相が形成されて硬質化するため、却って被削性が低下する。したがって、Ｍｇの含有量は０．０００１〜０．００１０％とした。なお、より軟質な酸化物系介在物を確保し被削性を安定させるためには、Ｍｇ含有量の上限は０．０００６％とすることが好ましい。

Ｎ：０．０３０％以下
Ｎ（窒素）は、鋼がＴｉ、Ｎｂを含有しない場合には、鋼中に固溶状態で存在し、この場合は固溶Ｎによる動的歪み時効の発現により、切削加工中の変形抵抗が増加して、切削抵抗が増大する。このため、Ｎ含有量が過剰になると、特にドリル加工の際に工具寿命が低下する。一方、鋼にＴｉやＮｂが含有される場合には、これらの元素とＮおよびＣが結合して、鋼中に炭窒化物を形成し、固溶Ｎが低減するとともに、この炭窒化物によって鋼のミクロ組織が微細化し機械的特性を安定化させる効果が得られるが、Ｎ含有量が過剰になると、硬質な窒化物を多量に形成し、耐工具摩耗性を低下させる。したがって、鋼がＴｉ、Ｎｂを含有するしないに拘わらず、Ｎの含有量を０．０３０％以下とした。

鋼がＴｉ、Ｎｂを含有しない場合には、Ｎの含有量は少なければ少ないほど好ましい。一方、鋼にＴｉやＮｂが含有される場合には、Ｎの含有量は、炭窒化物形成による上記の効果を安定して得るために０．００３％以上とすることが好ましく、また、耐工具摩耗性の低下を抑制するために０．０２３％以下とすることが好ましい。

Ｏ：０．００２０％を超えて０．００６０％以下
Ｏ（酸素）は、鋼中の酸化物系介在物の量に影響し、延いてはベラーグの形成に影響を及ぼす。ベラーグ形成に有効な酸化物系介在物の量を得るためには、０．００２０％を超えるＯ含有量が必要である。しかし、Ｏの含有量が０．００６０％を超えると、酸化物系介在物の量が多くなりすぎてベラーグ形成による被削性改善効果が飽和するし、鋼の清浄性も低下する。したがって、Ｏの含有量は０．００２０％を超えて０．００６０％以下とした。

本発明の機械構造用鋼の一つは、上述のＣからＯまでの元素を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、かつ酸化物系介在物の平均組成が後述する範囲であり、さらに「ＣａＯ×Ｏ×１０⁴≧５５０」であるものである。なお、既に述べたように、「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。

本発明の機械構造用鋼の他の一つは、上記Ｆｅの一部に代えて、Ｖ、Ｔｉ、ＮｂおよびＭｏのうちから選択される１種以上の元素を含有するものである。

以下、任意元素である上記Ｖ、Ｔｉ、ＮｂおよびＭｏの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。

Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、微細な窒化物や炭窒化物として析出し、鋼の強度を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Ｖの含有量が０．３０％を超えると、上記の効果が飽和するばかりでなく、窒化物や炭化物が多く生成しすぎて鋼の被削性、特に耐工具摩耗性の劣化をきたす。したがって、含有させる場合のＶの含有量は０．３０％以下とした。

一方、上記したＶの効果を安定して得るためには、含有させる場合のＶの含有量は、０．０５％以上であることが好ましい。

Ｔｉ：０．０４０％未満
Ｔｉは、鋼中に炭窒化物を形成し、鋼のミクロ組織の微細化による機械的特性の安定化に効果がある元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Ｔｉの含有量が０．０４０％以上では、硬質な窒化物（ＴｉＮ）が増量または粗大化するため、耐工具摩耗性を低下させる。したがって、含有させる場合のＴｉの含有量は０．０４０％未満とした。

一方、上記したＴｉの効果を安定して得るためには、含有させる場合のＴｉの含有量は、０．００５％を超えることが好ましい。

Ｎｂ：０．０５０％以下
Ｎｂは、鋼中に炭窒化物を形成し、鋼のミクロ組織の微細化による機械的特性の安定化効果がある元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Ｎｂの含有量が０．０５０％を超えると、硬質な窒化物（ＮｂＮ）が増量または粗大化するため、耐工具摩耗性を低下させる。したがって、含有させる場合のＮｂの含有量は０．０５０％以下とした。

一方、上記したＮｂの効果を安定して得るためには、含有させる場合のＮｂの含有量は、０．００５％以上であることが好ましい。

上記のＴｉおよびＮｂは、上述の範囲で、いずれか１種のみ、または、２種の複合、で含有させることができる。なお、これらの元素の合計含有量は、０．０７０％以下とすることが好ましい。

Ｍｏ：０．５０％以下
Ｍｏは、焼入れや表面硬化処理などの熱処理を行う場合に焼入れ性を向上させ、靱性を向上させる効果がある元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、０．５０％を超えるＭｏを含有させても上記の効果が飽和するし、コストも上昇する。したがって、含有させる場合のＭｏの含有量は０．５０％以下とした。

一方、上記したＭｏの効果を安定して得るためには、含有させる場合のＭｏの含有量は、０．０２％以上であることが好ましい。

（Ｂ）酸化物系介在物の平均組成：
本発明の機械構造用鋼において、酸化物系介在物の平均組成は、ＣａＯ：１０．０〜５０．０％、ＳｉＯ₂：２０．０〜５０．０％、Ａｌ₂Ｏ₃：２０．０〜４５．０％、ＭｇＯ：１．０〜１０．０％、ＭｎＯ：０〜２．０％の範囲でなければならない。

上記の範囲に鋼中の酸化物系介在物の平均組成を制御することで低融点化し、切削加工中の温度上昇により軟化し易くなって、工具摩耗を抑制することができる。この効果は、ＣａＯが１０．０％以上、ＳｉＯ₂が２０．０％以上、Ａｌ₂Ｏ₃が２０．０％以上、ＭｇＯが１．０％以上で発揮される。これに対し、各酸化物系介在物の平均組成が上記の下限値に達しない場合には、ベラーグ形成能を有するメリライトの組成を大きく逸脱するため工具摩耗を抑制することができない。例えば、アノーサイトやスピネルが形成されると、ベラーグの形成能が低下するためである。

しかし、ＣａＯについては、５０．０％を超えると、酸化物が溶鋼中で凝集し易くなるため粗大な酸化物系介在物の生成頻度が高くなり、機械構造部品として重要な疲労特性を低下させる。

ＳｉＯ₂については、５０．０％を超えると、メリライトの組成から外れてアノーサイトの組成になり、鋼中で非晶質の状態が安定となる。そのため、酸化物系介在物が硬質になりベラーグ生成能が低下するので、切削工具のすくい面の摩耗量が増大する。

Ａｌ₂Ｏ₃については、４５．０％を超えると、メリライトの組成から外れてスピネルの組成になり、結晶化しているにもかかわらず硬質の酸化物系介在物となる。そのため、ベラーグ生成能が低下することで、切削工具のすくい面の摩耗量が増大する。

ＭｇＯについては、１０．０％を超えると、メリライトの安定組成域が狭くなり、メリライトと第二相の複合形態となる。そのため、酸化物系介在物が結晶化していても第二相の存在により硬さが上昇し、酸化物系介在物のベラーグ生成能が低下することで、切削工具のすくい面の摩耗量が増大する。

ＭｎＯについては、２．０％を超えると、メリライトの安定組成域が狭くなり、メリライトと第二相の複合形態となったり、メリライトが形成しない場合がある。そのため、酸化物系介在物のベラーグ生成能が低下することで、切削工具のすくい面の摩耗量が増大する。

以上のことから酸化物系介在物の平均組成は、ＣａＯ：１０．０〜５０．０％、ＳｉＯ₂：２０．０〜５０．０％、Ａｌ₂Ｏ₃：２０．０〜４５．０％、ＭｇＯ：１．０〜１０．０％、ＭｎＯ：０〜２．０％の範囲とした。特にＣａＯに関しては、平均組成が１７．０％以上でより安定してベラーグ形成能が確保でき、さらには２３．０％以上であることが好ましい。なお、酸化物系介在物の平均組成は、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ−ＭｎＯ系として質量％で記すものとした。

上記（Ａ）項で述べた化学組成を有する鋼の場合に、上述した酸化物系介在物の平均組成、つまり、ＣａＯ：１０．０〜５０．０％、ＳｉＯ₂：２０．０〜５０．０％、Ａｌ₂Ｏ₃：２０．０〜４５．０％、ＭｇＯ：１．０〜１０．０％、ＭｎＯ：０〜２．０％の範囲を得るためには、例えば、真空溶解してインゴットを作製する場合には、次の〈１〉〜〈４〉に述べる方法を採用し、その後、鋳型法によってインゴットを作製することが推奨される。なお、本発明の機械構造用鋼の製造方法は、これに限るものではないことはもちろんである。

〈１〉真空溶解炉で溶製する鋼の原料となる電解鉄と炭素を混在させて、１３．３ＫＰａ（１００Ｔｏｒｒ）の雰囲気で、両原料が完全に溶け落ちるまで加熱する。その後、炉内をＡｒガスで置換し、５３．３ＫＰａ（４００Ｔｏｒｒ）の雰囲気にする。こうすることで溶鋼中の溶存酸素量が高まる。なお、従来は、Ａｒガスでの置換の前に「脱ガス処理」として１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）程度までさらに減圧し、この雰囲気を一定時間保持することで、溶鋼中の溶存酸素を炭素との反応によって発生した炭酸ガスを排気し、溶存酸素量を低く抑えていたが、本発明ではこの工程を省略する。

〈２〉Ｃａを除く合金成分を調整した後に、酸化物系介在物の組成を調整するためにＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯで構成された混合フラックスの添加を行う。その組成は、それぞれＣａＯが４５〜５５％、ＳｉＯ₂が３５〜４５％で、Ａｌ₂Ｏ₃が１〜５％、ＭｇＯが１〜５％となるように調整する。

〈３〉その後、Ｃａを目標とする含有量になるように秤量し、添加する。

〈４〉Ｃａ添加後は、酸化物系介在物を生成する反応を進行させないように、１分以内に出鋼する。

（Ｃ）ＣａＯ×Ｏ×１０⁴：
本発明の機械構造用鋼は、ＣａＯ×Ｏ×１０⁴≧５５０でなければならない。ただし、上記の不等式におけるＣａＯは、酸化物系介在物の平均組成における質量％でのＣａＯ濃度を意味し、また、Ｏは、質量％でのＯの鋼中含有量を意味する。

既に述べたように、ベラーグの形成には、鋼中の酸化物系介在物の組成とその量が重要な要素である。そのなかでもＣａＯの組成がメリライトの形成に重要な要素であり、その量の指標となる鋼中酸素量の両因子が満たされることで、ベラーグの形成による切削工具の耐摩耗性が向上する。そして、酸化物系介在物の平均組成におけるＣａＯ濃度とＯの鋼中含有量の積が工具摩耗量と相関を有し、「ＣａＯ×Ｏ×１０⁴」の値が５５０以上であれば工具摩耗量が低減される。上記の値は大きいほど、工具摩耗量の低減に有効である。これに対して、「ＣａＯ×Ｏ×１０⁴」の値が５５０未満であれば工具摩耗量が増大し、工具の耐摩耗性としての被削性が低下する。

以下、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。

表１に示す化学組成の鋼Ａ１〜Ａ１１および鋼Ｂ１〜Ｂ１６を１５０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製し、鋳型法によってインゴットを作製した。

鋼Ａ１〜Ａ１１、鋼Ｂ２〜Ｂ１４および鋼Ｂ１６については、
〈１〉真空溶解炉で１３．３ＫＰａ（１００Ｔｏｒｒ）の雰囲気で電解鉄と炭素を完全に溶かした後、脱ガス処理を実施せず、炉内をＡｒガスで置換して、５３．３ＫＰａ（４００Ｔｏｒｒ）の雰囲気にした。

〈２〉Ｃａを除く合金成分を調整した後に、酸化物系介在物の組成を調整するためにＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯで構成された混合フラックスの添加を行った。

〈３〉その後、Ｃａを目標とする含有量になるように秤量して添加した。

〈４〉Ｃａ添加後、１分以内に出鋼して、鋳型法によってインゴットを作製した。

鋼Ｂ１については、
〈１’〉真空溶解炉で１３．３ＫＰａ（１００Ｔｏｒｒ）の雰囲気で電解鉄と炭素を完全に溶かした後、脱ガス処理として、さらに１３３Ｐａまで減圧し、その状態を１５分保持した。その後、炉内をＡｒガスで置換して５３．３ＫＰａ（４００Ｔｏｒｒ）の雰囲気にした。

鋼Ｂ１５については、
〈１’〉真空溶解炉で１３．３ＫＰａ（１００Ｔｏｒｒ）の雰囲気で電解鉄と炭素を完全に溶かした後、脱ガス処理として、さらに１３３Ｐａまで減圧し、その状態を１５分保持した。その後、炉内をＡｒガスで置換して５３．３ＫＰａ（４００Ｔｏｒｒ）の雰囲気にした。

〈２’〉合金成分を調整した後、フラックスおよびＣａの添加を行わずに出鋼して、鋳型法によってインゴットを作製した。

表２に、溶製時の脱ガス処理の有無および成分調整後に添加したフラックスの組成を示す。

表１および表２における鋼Ａ１〜Ａ１１および鋼Ｂ１６は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼Ｂ１〜Ｂ１５は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼である。

次いで、これらの鋼のインゴットを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７０ｍｍ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。

このようにして得られた丸棒の表面から１７．５ｍｍの位置（丸棒の半径の１／２の位置であるため、以下、「Ｒ／２部位置」という。）を中心にして、丸棒長手方向に平行に採取した厚さが１０ｍｍ、幅が１０ｍｍ、長さが１５ｍｍのサイズの試験片の断面を鏡面研磨し、エネルギー分散型Ｘ線分光器（以下、「ＥＤＸ」という。）を兼ね備えた走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」という。）を用いて、酸化物系介在物の組成を調査した。

具体的には、酸化物系介在物は、先ず、ＳＥＭで組成像（反射電子像）を撮影し、得られた画像について、母材および硫化物系介在物とのコントラストの差を多値化処理することで判別した。観察面積は、２ｍｍ×２ｍｍとし、これを縦横１６×１２視野に分割し、視野ごとで判別された全ての酸化物系介在物をＥＤＸにより組成分析した。これらをあわせて算術平均したものをその鋼における酸化物系介在物の平均組成とした。なお、酸化物系介在物の大きさが円相当直径で１μｍ未満のものは、画像のノイズと判断して全て削除した。

さらに、以下に示す方法で旋削およびドリル加工の際の被削性を調査した。

旋削加工の際の被削性は、上述のようにして作製した直径７０ｍｍの丸棒を、直径６８ｍｍに機械加工し、長さを４００ｍｍに切断した円柱状試験片を用い、旋削加工による被削性試験を行って耐工具摩耗性を評価した。

具体的には、Ｐ２０種の超硬工具を使用し、無潤滑の状態で、切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎの一定条件で、送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量：１．５ｍｍとして、試験片の長さ方向に旋削加工を実施した。工具摩耗については、上記の条件にて切削距離１５００ｍ時点の工具のすくい面の摩耗深さ量（ＫＴ）を測定して評価した。

ドリル加工の際の被削性は、先の直径７０ｍｍの丸棒を１００ｍｍ長さに切断した試験片に対し、超硬ドリルを用いて丸棒長手方向に深さ９０ｍｍの穴をあける穴加工における耐工具摩耗性で評価した。

具体的には、ドリル径：６．０ｍｍ、全長：１８０ｍｍ（刃長１３０ｍｍ）、先端角：１４０°の油穴付き超硬コーティングロングドリルを使用し、回転数：３８５０ｒｐｍ、送り０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．の穿孔条件で、ドリル加工を行った。工具摩耗については、上記の条件にて４００穴加工した後の外周コーナー摩耗量を測定して評価した。なお、切削油は、生分解性の高い合成エステルを用い、極微量潤滑法により噴霧状にして塗布した。その油量は圧縮空気と混合した状態で、約１．０ｃｃ／時間であり、給油法は、ドリル油穴からの給油、すなわちいわゆる「内部給油」とした。なお、上記深穴加工の直進性を維持するために、ロングドリルのガイドとなる深さ１５ｍｍの下穴加工をプラス公差の直径６．１ｍｍの丸ドリルで加工した。９０ｍｍの深穴はこの下穴１５ｍｍも含んだものである。

表３に、上記の各調査結果をまとめて示す。なお、表３には、ＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値をｆｎの値として併記した。

表３から、本発明で規定する条件を満たす試験番号１〜１１の本発明例の場合、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に優れていることが明らかである。

これに対して、本発明で規定する条件から外れた比較例の試験番号１２〜２７の場合、耐工具摩耗性が劣っている。

試験番号１２は、鋼Ｂ１のＯ含有量が本発明で規定する範囲を下回ることに加えて、酸化物介在物の平均組成におけるＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯの濃度、ならびにＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値が本発明で規定する範囲から外れているため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号１３は、鋼Ｂ２のＯ含有量が本発明で規定する範囲を下回ることに加えて、ＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値が本発明で規定する範囲から外れているため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号１４は、鋼Ｂ３のＯ含有量が本発明で規定する範囲を下回ることに加えて、酸化物介在物の平均組成におけるＡｌ₂Ｏ₃の濃度、およびＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値が本発明で規定する範囲から外れているため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号１５および試験番号１６は、鋼Ｂ４および鋼Ｂ５のＯ含有量が本発明で規定する範囲を下回ることに加えて、いずれも、酸化物介在物の平均組成におけるＡｌ₂Ｏ₃およびＭｎＯの濃度、ならびにＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値が本発明で規定する範囲から外れているため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号１７は、鋼Ｂ６のＳ含有量が本発明で規定する範囲を下回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号１８は、鋼Ｂ７のＣとＭｇの含有量がいずれも本発明で規定する範囲を上回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号１９は、鋼Ｂ８のＳｉとＭｇの含有量がいずれも本発明で規定する範囲を上回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２０は、鋼Ｂ９のＴｉ含有量が本発明で規定する範囲を上回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２１は、鋼Ｂ１０のＡｌの含有量が本発明で規定する範囲を上回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２２は、鋼Ｂ１１のＣａ含有量が本発明で規定する範囲を下回ることに加えて、酸化物介在物の平均組成におけるＣａＯおよびＳｉＯ₂の濃度、ならびにＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値が本発明で規定する範囲から外れているため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２３は、鋼Ｂ１２のＶ含有量が本発明で規定する範囲を上回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２４は、鋼Ｂ１３のＭｏ含有量が本発明で規定する範囲を上回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２５は、鋼Ｂ１４のＮｂ含有量が本発明で規定する範囲を上回るため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２６は、鋼Ｂ１５のＡｌ含有量が本発明で規定する範囲を上回り、またＣａおよびＯの含有量が発明で規定する範囲を下回ることに加えて、酸化物介在物の平均組成におけるＣａＯ、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃の濃度、ならびにＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値が本発明で規定する範囲から外れているため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

試験番号２７は、鋼Ｂ１６は化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であるが、酸化物介在物の平均組成におけるＡｌ₂Ｏ₃の濃度、およびＣａＯ×Ｏ×１０⁴の値が本発明で規定する範囲から外れているため、旋削およびドリル加工の際の耐工具摩耗性に劣っている。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３０％を超えて０．１５％以下、Ｃｒ：０．０２〜２．０％、Ａｌ：０．００５％以下、Ｃａ：０．０００５％を超えて０．００４０％以下、Ｍｇ：０．０００１〜０．００１０％、Ｎ：０．０３０％以下およびＯ：０．００２０％を超えて０．００６０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、酸化物系介在物の平均組成が、質量％で、ＣａＯ：１０．０〜５０．０％、ＳｉＯ₂：２０．０〜５０．０％、Ａｌ₂Ｏ₃：２０．０〜４５．０％、ＭｇＯ：１．０〜１０．０％、ＭｎＯ：０〜２．０％の範囲であって、さらに、ＣａＯ×Ｏ×１０⁴≧５５０であることを特徴とする機械構造用鋼。
ただし、上記の不等式におけるＣａＯは、酸化物系介在物の平均組成における質量％でのＣａＯ濃度を意味し、また、Ｏは、質量％でのＯの鋼中含有量を意味する。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．３０％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の機械構造用鋼。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｔｉ：０．０４０％未満およびＮｂ：０．０５０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の機械構造用鋼。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．５０％以下を含有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の機械構造用鋼。