JP5138991B2

JP5138991B2 - 被削性に優れた機械構造用鋼

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Publication number: JP5138991B2
Application number: JP2007170937A
Authority: JP
Inventors: 浩一坂本; 元宏堀口; 昌吾村上; 浩家口; 真輔益田; 浩一赤澤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: TW200916590A; JP2009007643A; WO2009001644A1

Description

本発明は、機械部品を製造するために切削加工が施される機械構造用鋼に関し、詳しくは、旋削のような連続切削およびホブ加工のような断続切削の両方で優れた被削性を示すと共に、浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理を施した後であっても強度の低下を招くことのない機械構造用鋼に関するものである。

自動車用変速機や差動装置をはじめとする各種歯車伝達装置へ利用される歯車、シャフト、プーリや等速ジョイント等、更にはクランクシャフト、コンロッド等の機械構造用部品は、鍛造等の加工を施した後、切削加工を施すことによって最終形状に仕上げられるのが一般的である。この切削加工に要するコストは製作費に占める割合が大きいことから、上記機械構造部品を構成する鋼材は被削性が良好であることが要求される。

一方、上記のような機械構造用部品では、最終形状にされた後、浸炭や浸炭窒化処理(大気圧、低圧、真空、プラズマ雰囲気を含む)等の表面硬化処理を施され、必要によって焼入れ−焼き戻しや高周波焼入れ等がされて所定の強度が確保されるのであるが、こうした処理の際に強度低下が生じることがある。特に、鋼材の圧延方向に対して垂直な方向（この方向を一般に「横目」と呼ばれる）の強度低下が生じ易いという問題がある。

機械構造用鋼の強度を低下させることなく、被削性を改善する元素としては、従来から鉛（Ｐｂ）が知られており、このＰｂは被削性改善に極めて有効な元素である。しかしながら、Ｐｂは人体への有害性が指摘され、また溶製時の鉛のヒュームや切削屑等の処理の点で問題も多く、近年ではＰｂを添加することなく（Ｐｂフリー）、良好な被削性を発揮することが求められている。

Ｐｂを添加することなく良好な被削性を確保する技術として、Ｓ含有量を０．０６％程度まで増加させる鋼材が知られている。しかしながら、こうした技術においては、機械的特性（靭性、疲労強度）が低下しやすいという問題があり、Ｓ含有量を増加させることにも限界がある。これは硫化物（ＭｎＳ）が、圧延方向に長く展伸するため、横目の靭性が低下するものと考えられる。特に、高強度化が要求される部品においては、Ｓ含有量を極力低減する必要がある。こうしたことから、ＰｂやＳを積極的に添加させることなく、良好な被削性を向上させるための技術の確立が必要である。

このような背景の下、ＰｂやＳを積極的に添加することなく、良好な被削性を発揮させるための各種技術が提案されており、特に鋼中介在物と被削性の関係について検討が進められている（例えば、非特許文献１）。また、介在物の制御に関する技術も様々提案されている。

例えば特許文献１には、一定の酸素およびＴｉ量の下でＣａを添加することによって、被削性に有効なＣａ系硫化物とＣａ系酸化物とを共存させて、Ｔｉ添加高強度鋼の被削性を向上させる技術が開示されている。また特許文献２には、Ｃａ／Ａｌ比を調整してＣａ系硫化物または酸化物を制御することによって、工具寿命のばらつきを抑えて安定した被削性が得られる機械構造用鋼が開示されている。

特許文献３または４には、Ｃａを含有する硫化物系介在物においてＣａ含有量が０．３〜４０％の硫化物の面積率を所定以上に確保することによって、または０．１〜１０％のＣａを含有する硫化物の個数を所定以上に確保することによって、いずれも被削性のばらつきを抑える技術が開示されている。また特許文献５および６には、芯部がＣａを含有する酸化物であり、その周りがＣａを含有する硫化物である二次構造介在物を利用して、機械構造用鋼の被削性を向上させる技術が開示されている。

特許文献７には、Ｃａを添加することで酸化物の低融点化を図る一方、製鋼条件を制御してＣａの硫化物系介在物（特にＭｎＳ）への固溶を抑制して、硫化物系介在物を微細化することによって、被削性（特に切屑処理性および工具寿命）を向上させる技術が開示されている。
「第１８２・１８３回西山記念技術講座」、（社）日本鉄鋼協会編、第１８１〜２２６頁「介在物制御」、平成１６年１０月２２日東京、１１月１２日神戸特開２００５−２７２９０３号公報特開２００５−２７３０００号公報特開２０００−３４５３８号公報特開２０００−２１９９３６号公報特開２００３−５５７３５号公報特開２００４−９１８８６号公報特開２００３−２１３３６８号公報

例えば機械構造用部品の１つである歯車の製造プロセスでは、機械構造用鋼（素材）を鍛造し、ホブ加工によって粗切し、シェービングにより仕上げた後、浸炭等の熱処理を行い、再度研磨加工（ホーニング加工）するのが一般的である。しかしながら、こうしたプロセスでは、熱処理歪みの発生が大きいので、研磨加工だけでは修正しきれず、部品の寸法精度が悪くなることがある。近年では、歯車使用時の静音対策から良好な寸法精度が求められており、その対策として、上記研磨加工に先立ち、研削加工（ハードフィニッシュ）を施すことが行われることがある。

いずれの製造プロセスを採用するにしても、非常に多くの工程を必要とし、切削や研削に要するコストが高くなるので、プロセス全体のコスト低減へのニーズが大きい。そのため、全ての行程でのコストダウンが求められ、それを可能とする鋼材への期待が大きい。特に、両プロセスに共通のホブ加工においても、その工具費が高いので工具寿命向上の技術への期待が大きい。

上記ホブ加工は断続切削に相当するものであり、このホブ加工に用いられる工具としては、高速度工具鋼にＡｌＴｉＮなどのコーティングを施したもの（以下、「ハイス工具」と略称することがある）が、現状の主流である。これに対して、超硬合金にＡｌＴｉＮなどのコーティングを施したもの（以下、「超硬工具」と略称することがある）では、焼きならし材に対して適用するときに「欠け」が発生しやすいという問題があることから、旋削等の「連続切削」に適用されることが多い。

上記断続切削と連続切削とでは切削機構が異なり、夫々の切削に応じた工具が選ばれることになるのであるが、被削材としての機械構造用鋼にもいずれの切削においても良好な被削性を発揮する特性を具備していることが望まれる。しかしながら、ハイス工具を用いたホブ加工（断続切削）による歯切りは、超硬工具を用いた連続切削である旋削加工よりも、低速・低温で工具が酸化・摩耗し易くなるという弊害がある。そのためホブ加工等の断続切削に供される機械構造用鋼は、被削性のうちでも、特に工具寿命を伸ばすことが求められている。

本発明は前記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、Ｓ含有量を低減して強度等の機械的特性を維持すると共に、ハイス工具での断続切削（例えばホブ加工）および超硬工具での連続切削（例えば旋削）の両方で優れた被削性（特に工具寿命）を発揮することのできる機械構造用鋼を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明の機械構造用鋼とは、鋼中に存在する酸化物系介在物が、該酸化物系介在物の平均組成合計を１００％（「質量％」の意味、以下同じ）としたときに、ＣａＯ：１５〜６０％、ＳｉＯ₂：２０％以下（０％を含まない）、Ａｌ₂Ｏ₃：２０〜８０％、ＭｇＯ：４０％以下（０％を含まない）を夫々含有すると共に、Ｌｉ₂Ｏ,Ｎａ₂Ｏ,Ｋ₂Ｏ,ＢａＯ,ＳｒＯおよびＴｉ酸化物よりなる群から選ばれる１種以上の合計含有量が０．５〜２０％である点に要旨を有するものである。尚、本発明において、「Ｔｉ酸化物」とは、Ｔｉ₃Ｏ₅，Ｔｉ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂を含む趣旨である。

本発明の機械構造用鋼における前記酸化物系介在物の平均組成としては、ＣａＯ：３０〜６０％、ＳｉＯ₂：１５％以下（０％を含まない）、Ａｌ₂Ｏ₃：３５〜６０％、ＭｇＯ：１５％以下（０％を含まない）を夫々含有すると共に、Ｌｉ₂Ｏ,Ｎａ₂Ｏ,Ｋ₂Ｏ,ＢａＯ,ＳｒＯおよびＴｉ酸化物よりなる群から選ばれる１種以上の合計含有量が１〜６％であることが好ましい。

本発明の機械構造用鋼の化学成分組成については、機械構造用鋼であれば特に限定されるものではないが、好ましいものとして、例えばＣ：０．１〜１．２％、Ｓｉ：０．０３〜２％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．３〜３％、Ａｌ：０．０１〜１％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．００９％以下（０％を含まない）およびＯ：０．００５％以下（０％を含まない）を夫々含有する他、Ｌｉ,Ｎａ,Ｋ,Ｂａ,Ｓｒ，ＴｉおよびＮｂよりなる群から選ばれる１種以上の元素：Ｌｉ,Ｎａ,Ｋ,Ｂａ,Ｓｒについては合計で０．００００１〜０．００５０％、Ｔｉ，Ｎｂについては合計で０．０１〜０．５％含有するものが挙げられる。

上記好ましい化学成分組成においては、必要によって、更に（ａ）Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ｎｉ：４％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）および／またはＢ：０．００５％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｚｒ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）およびＷ：１．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種、等を含有することも有効であり、含有される元素の種類に応じて鋼材の特性が更に改善される。また、上記成分の他（残部）は、鉄および不可避的不純物である。

本発明によれば、Ｓ含有量を低減により強度を優れたものとすると共に、酸化物系介在物の各成分を適切に調整して介在物の全体が低融点で変形しやすくすることによって、ハイス工具での断続切削および超硬工具での連続切削の両方で優れた被削性（特に、工具寿命）を発揮する機械構造用鋼を得ることができた。

本発明の機械構造用鋼は、Ｓ含有量が０．０３５％以下に抑えられていることを特徴の１つとする。このＳ含有量の低減によって、鋼における強度等の機械的特性を確保することができる。しかしながら、Ｓ含有量を低減させると、被削性向上に有効な硫化物系介在物が減少する。そこで本発明は、Ｓ含有量の低減に伴う硫化物系介在物の減少を補うために、酸化物系介在物を利用して鋼の被削性（特に工具寿命）を向上させることが重要なポイントとなる。

本発明の鋼は、ＭｎＳ等の硫化物系介在物ではなく、主に酸化物系介在物の組成制御によって鋼の被削性（特に工具寿命）を向上させるものである。本発明の鋼中に含まれる酸化物系介在物は低融点化されているので、それらが切削時の熱で溶融し、工具表面に保護生成物（ベラーグ）の膜を形成することによって、工具摩耗を抑制することができる。鋼中に含まれる酸化物系介在物の低融点化は、酸化物系介在物の平均組成を、その平均組成の合計を１００％としたときに、ＣａＯ：１５〜６０％、ＳｉＯ₂：２０％以下（０％を含まない）、Ａｌ₂Ｏ₃：２０〜８０％、ＭｇＯ：４０％以下（０％を含まない）、を夫々含有すると共に、Ｌｉ₂Ｏ,Ｎａ₂Ｏ,Ｋ₂Ｏ,ＢａＯ,ＳｒＯおよびＴｉ酸化物よりなる群から選ばれる１種以上の合計含有量を０．５〜２０％に調整することによって達成できる。これらの組成を規定した理由は次の通りである。尚、酸化物系介在物の平均組成は、後記実施例で記載する方法によって測定できる。

[ＣａＯ：１５〜６０％]
ＣａＯは、酸化物系介在物を最適な複合組織にして低融点化させ、切削時の工具表面にベラーグとして付着し、工具摩耗を抑制する効果がある。こうした効果を発揮させるためには、ＣａＯ含有量は酸化物系介在物全体に対して（以下、他の成分についても同じ）１５％以上とする必要がある。しかしながら、ＣａＯ含有量が６０％を超えて多くなり過ぎると、ＣａＯの結晶が生成して鋼材が硬くなって、切削時に工具寿命を低下させることになる。尚、ＣａＯ含有量の好ましい下限は、３０％である。

［ＳｉＯ₂：２０％以下（０％を含まない）］
ＳｉＯ₂含有量が高くなり過ぎると、硬質のＳｉＯ₂結晶相が生成し、鋼材が硬くなって、切削時に工具寿命を低下させることになる。こうしたことから、その含有量は２０％以下とする必要がある。尚ＳｉＯ₂含有量の好ましい上限は１５％である。

［Ａｌ₂Ｏ₃：２０〜８０％］
Ａｌ₂Ｏ₃は、ＣａＯと同様に酸化物系介在物を最適な複合組織にして、低融点化するために必須の成分である。また、介在物中のＣａＯ等の濃度が高くなったときに結晶化を抑制する効果もある。これらの効果は、その含有量が２０％以上で有効に発揮されるが、８０％を超えて過剰になると、介在物中にＡｌ₂Ｏ₃結晶が生成し、連続切削の際の被削性（工具寿命）が低下する。尚、Ａｌ₂Ｏ₃含有量の好ましい下限は３５％であり、好ましい上限は６０％である。

［ＭｇＯ：４０％以下（０％を含まない）］
ＭｇＯは、酸化物系介在物を最適な複合組織にして低融点化させ、切削時の工具表面にベラーグとして付着し、工具摩耗を抑制する効果がある。しかしながら、ＭｇＯ含有量が４０％を超えて過剰になると、硬質のＭｇＯ系の結晶が生成し、工具摩耗抑制効果が低下することになる。尚、ＭｇＯ含有量の好ましい上限は１５％である。

［Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯおよびＴｉ酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも１種の合計：０．５〜２０％］
これらの酸化物は、切削時の工具表面にベラーグとして付着し、工具摩耗を抑制する効果がある。こうした効果を発揮させるためには、これら酸化物（１種以上）の含有量は０．５％以上とする必要がある。しかしながら、これらの酸化物の含有量が多くなっても、その効果が飽和するので２０％までとする。尚、これらの酸化物含有量（合計含有量）の好ましい下限は１％であり、好ましい上限は６％である。

上記のように酸化物系介在物の各成分割合を適切に調整した機械構造用鋼を用いて機械構造部品を成形することによって、連続切削および断続切削のいずれにおいても優れた被削性を発揮できるものとなる。

本発明の機械構造用鋼において、酸化物系介在物の組成割合を制御するには、Ａｌ濃度に応じたＣａ，Ｓの添加順が重要である。例えば、Ａｌ含有量が０．０３％、Ｓ含有量が０．０３％の溶鋼にＣａを添加した場合、ＣａはＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系酸化物に使用されるのではなく、ＣａＳの生成に使われる。この場合、介在物は、酸化物がＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、硫化物がＣａＳとなり、本発明のＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系に制御することができない。また、これはＡｌ濃度が高くなるほど顕著となる。Ａｌ濃度が高い場合においても、本発明のＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系に制御するためには、Ｃａを添加する溶鋼のＳ濃度を低減しておくことが重要であることに着目し、製造するＡｌ濃度毎に、Ｃａ添加前のＳ濃度を必要濃度に調整し、その後Ｃａを添加し、またその後にＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｂａ，Ｓｒ等を含む合金を添加し、鋳造直前にＳを添加すれば良い。

本発明は、機械構造用部品に適用される鋼材を想定してなされたものであり、その鋼種については特に限定されるものではないが、機械的特性は被削性や他の特性を向上させるために、化学成分組成を適正な範囲に調整されていることも好ましい。こうした観点から設定される鋼材の好ましい化学成分組成の範囲限定理由は次の通りである。

［Ｃ：０．１〜１．２％］
Ｃは、機械構造用鋼から製造される部品に必要な芯部硬さを確保するために有効な元素である。しかし、Ｃ含有量が過剰になると、硬さが上昇しすぎて、被削性が低下する。そのためＣ含有量は、０．１％以上（より好ましくは０．１３％以上）、１．２％以下（より好ましくは１．１％以下）とするのが良い。

［Ｓｉ：０．０３〜２％］
Ｓｉは、表面硬化層の軟化抵抗性の向上に寄与する元素である。しかし，Ｓｉ含有量が過剰になると、機械加工時の被削性や冷間鍛造性を低下させる。そこでＳｉ含有量は、０．０３％以上（好ましくは０．１％以上）、２％以下（より好ましくは０．７％以下）とするのが良い。

［Ｍｎ：０．３〜１．８％］
Ｍｎは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部品の内部品質を高めるために有効な元素である。またＭｎは、焼入性を向上させて、鋼部品の芯部硬さや硬化層深さを増大させ、部品強度を確保するためにも有効な元素である。しかし、Ｍｎ含有量が過剰になると、Ｐの粒界偏析を助長し、疲労強度を低下させる。そこでＭｎ含有量は、０．３％以上（より好ましくは０．５％以上）、１．８％以下（より好ましくは１．５％以下）とするのが良い。

［Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であり、熱間加工時の割れを助長するので、できるだけ低減することが好ましい。そのためＰ量を、０．０３％以下（より好ましくは０．０２％以下、更に好ましくは０．０１％以下）と定めた。Ｐは、その量を０％とすることは工業的に困難である。

［Ｓ：０．０３５％以下（０％を含まない）］
Ｓは、Ｍｎと反応してＭｎＳ介在物を形成し、鋼部品の衝撃強度の異方性を増大させるため、なるべく低減することが好ましい。そこでＳ含有量は、０．０３５％以下（より好ましくは０．０２０％以下）と定めた。しかしＳは、鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業的に困難である。

［Ｃｒ：０．３〜３％］
Ｃｒは、鋼材の焼入性を高め、安定した硬化層深さや必要な芯部硬さを確保するために重要な元素である。特に鋼を歯車等の構造部材を製造するために用いる場合、その部材の静的強度および疲労強度を確保するために有効な元素である。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になると、Ｃｒ炭化物が旧γ粒界に偏析し、疲労強度が低下する。そこでＣｒ含有量は、０．３％以上（より好ましくは０．８％以上）、３％以下（より好ましくは２．０％以下）と定めた。

［Ａｌ：０．０１〜１％］
Ａｌは、断続切削時に凝集した鉄分が酸化して保護層を形成させるために、一定以上必要である。こうした観点から、Ａｌ含有量は０．０１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０４％以上（更に好ましくは０．０５％以上）である。しかしＡｌ含有量が過剰になると、高融点で硬質であるＡｌ₂Ｏ₃が多量に生成し、切削時の工具摩耗を増大させるので、１％以下（より好ましくは０．５％以下、更に好ましくは０．３％以下）と定めた。

［Ｃａ：０．０００５〜０．００５％］
Ｃａは、前述したような低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。またＣａは、鋼中の硫化物の展伸を抑制して、衝撃特性の異方性を抑えることができる。しかしＣａ含有量が過剰になると、粗大なＣａ含有複合酸化物が生成し、強度が低下するおそれがある。そこで、Ｃａ含有量は、０．０００５％以上、０．００５％以下（より好ましくは０．００３％以下）と定めた。

［Ｍｇ：０．０００１〜０．００５％］
Ｍｇは、前述したような低融点の複合酸化物を形成させるために有効な元素である。またＭｇは、Ｃａと同様に、鋼中の硫化物の展伸を抑制して衝撃特性の異方性を抑えることができる。しかしＭｇ含有量が過剰になると、高融点で硬質なＭｇＯが多量に形成され、却って工具寿命の低下を引き起こし得る。そこでＭｇ含有量は、０．０００１％以上（より好ましくは０．０００２％以上）、０．００５％以下（より好ましくは０．００２％以下）と定めた。

［Ｎ：０．００９％以下（０％を含まない）］
Ｎは、他元素（Ｔｉ等）と窒化物を形成し、組織微細化に寄与する。そこでＮを、好ましくは０．００２％以上、より好ましくは０．００４％以上の量で含有させることが推奨される。しかしＮ含有量が過剰になると、熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでＮ含有量の上限を、０．００９％（より好ましくは０．００７％）と定めた。尚、Ｎは鋼に不可避的に含まれ、その量を０％とすることは工業的に困難である。

［Ｏ：０．００５％以下（０％を含まない）］
Ｏ含有量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物が生成して、疲労破壊の原因となる。また、被削性も劣化する他、鋼の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでＯ含有量の上限を、０．００５％（より好ましくは０．００３％）と定めた。しかしＯは、ベラーグを形成する低融点複合酸化物を確保するために必要である。そこでＯを、好ましくは０．０００５％以上、より好ましくは０．００１０％以上の量で含有させることが推奨される。

［Ｌｉ,Ｎａ,Ｋ,Ｂａ,Ｓｒ，ＴｉおよびＮｂよりなる群から選ばれる１種以上の元素：Ｌｉ,Ｎａ,Ｋ,Ｂａ,Ｓｒについては合計で０．００００１〜０．００５０％、Ｔｉ，Ｎｂについては合計で０．０１〜０．５％］
これらの元素は、鋼中のＯと反応して酸化物となって、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系酸化物に取り込まれて低融点酸化物（例えば、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂）を形成し、切削時の工具表面にベラーグとして付着するため、被削性を改善することができる。特にＡｌＴｉＮコーティングされたハイス工具を用いる場合、これらの元素を含有する酸化物から形成されるベラーグの付着性が向上し、工具摩耗を一層低減させる。このうち、ＴｉはＣやＮと反応して、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）等を形成し、浸炭時の結晶粒粗大化を防止する効果も発揮する。こうした効果を発揮させるためには、Ｌｉ,Ｎａ,Ｋ,Ｂａ,Ｓｒについては合計で０．００００１％以上（より好ましくは０．０００１％以上）、Ｔｉ，Ｎｂについては合計で０．０１％以上（より好ましくは０．０５％以上）含有させることが好ましい。しかしながら、Ｌｉ,Ｎａ,Ｋ,Ｂａ,Ｓｒ等の元素が過剰になると、溶鋼を保持する耐火物が溶損する場合も出てくるので、合計で０．００５０％以下にすることが好ましい。Ｔｉ，Ｎｂについては、その含有量が過剰になると、硬質の粗大炭化物が生成し、被削性や靭性が劣化するので、合計で０．５％以下とすることが好ましい。

本発明の機械構造用鋼の基本成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物（例えばＡｓ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｔｅ，Ｔａ，Ｃｏ，希土類元素等）が鋼中に含まれることは許容される。更に、本発明の機械構造用鋼には、必要に応じて、以下の選択元素を含有していても良い。

［Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）］
Ｂｉは、鋼の被削性を向上させる元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。こうした効果を発揮させるためには、Ｂｉは０．０２％以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしＢｉ含有量が過剰になると強度が低下する。そこでＢｉを鋼に含有させる場合、その上限を０．１％（好ましくは０．０８％）と定めた。

［Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）］
Ｃｕは、耐候性向上に有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そのためＣｕを、好ましくは０．１％以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしＣｕ量が過剰になると、鋼の熱間加工性および延性が低下し、割れや疵が発生し易くなる。そこでＣｕを含有させる場合、その量の上限を０．５％（より好ましくは０．３％）と定めた。

［Ｎｉ：４％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、マトリックス中に固溶し、靱性を向上させるために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そこでＮｉを、好ましくは０．１％以上の量で鋼に含有させることが推奨される。しかしＮｉ量が過剰になると、ベイナイトまたはマルテンサイト組織が発達しすぎて、靱性の低下を招く。そこでＮｉを含有させる場合、その上限を４％（より好ましくは２％）と定めた。

［Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）および／またはＢ：０．００５％以下（０％を含まない）］
ＭｏおよびＢは、共に焼入性向上に有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させてもよい。詳しくは、Ｍｏは、母材の焼入性を確保して、不完全焼入組織の生成を抑制するのに有効である。またＢは、焼入性を大幅に向上させることに加えて、結晶粒界を強化させて鋼の衝撃強度を高める作用を有する。そこでＭｏを、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．１０％以上の量で、Ｂを、好ましくは０．０００５％以上、より好ましくは０．０００８％以上の量で鋼に含有させることが推奨される。

しかしＭｏ含有量が過剰になると、芯部の硬度が必要以上に硬くなって、機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化する。またＢ含有量が過剰になると、Ｎと共に形成するＢ窒化物の量が増大し、冷間および熱間加工性が低下する。そこでこれらを含有させる場合、Ｍｏの上限を１％（より好ましくは０．５％）、Ｂの上限を０．００５％（より好ましくは０．００３％）と定めた。

［Ｚｒ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）およびＷ：１．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種］
Ｚｒ、ＶおよびＷは、それぞれＣおよび／またはＮと微細な炭化物、窒化物、炭窒化物を形成して、結晶粒の粗大化を防止するために有効な元素であり、必要に応じて鋼に含有させても良い。そこでＺｒ、ＶおよびＷよりなる群から選ばれる少なくとも１種を、それぞれ上記の量以上で鋼に含有させることが推奨される。しかしこれらの含有量が過剰になると、硬質炭化物が生成して被削性が劣化するので、上記の含有量までとする。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記表１に示す化学成分組成の鋼１５０ｋｇを真空誘導炉で溶解し、約φ２００ｍｍのインゴットに鋳造し、鍛造（ソーキング：１２５０℃×３ｈｒ程度、鍛造加熱：１１００℃×１ｈｒ程度）および切断して厚さ３０ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ１４５ｍｍの板形状またはφ８０ｍｍ×長さ３５０ｍｍの丸棒形状に加工し、この板形状または丸棒形状の鍛造材を焼ならし（９００℃×２ｈｒ後に空冷）して、板材および丸棒材のサンプルを製造した。その後、スケール除去後表面を約２ｍｍ研削して、切削試験片とした。

このときの介在物組成は、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系への制御を目的としたものは、Ｃａを添加する溶鋼のＳ濃度を下げておき、具体的には、製造するＡｌ濃度毎に、Ｃａ添加前のＳ濃度を必要濃度以下に調整し、その後Ｃａを添加し、また必要に応じて、その後にＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｂａ，Ｓｒ等を含む合金を添加し、鋳造直前にＳを添加した。ＴｉはＡｌ添加前に添加した。

前記のようにして得られたサンプルに含まれる酸化物系介在物について、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｎＯ、ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、ＢａＯ、ＳｒＯおよびＴｉ酸化物等の酸化物含有量を、鋼材の圧延方向断面の２５ｍｍ²の視野でのＸ線マイクロ分析（ＥＰＭＡ）によって測定した。得られた結果を下記表２に示す。尚、表２に示した「ＴｉＯ₂」は、Ｔｉ酸化物を代表したものであり、これにはＴｉ₃Ｏ₅やＴｉ₂Ｏ₃等をも含む趣旨である。

但し、酸化物系介在物のＬｉ₂Ｏ濃度はＥＰＭＡでは測定できないため、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって、下記手順で測定した。得られた結果を表２に示す。

（１）１次標準試料
１）Ｌｉ₂Ｏを除く介在物組成をカバーする合成酸化物と、これにＬｉ₂Ｏを加えた合成酸化物を多数作成し、これらのＬｉ₂Ｏ濃度を化学分析によって定量分析し、標準試料を作成する。
２）作成した各合成酸化物のＳｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定する。
３）Ｓｉに対するＬｉの相対２次イオン強度と、前記（１）−１）で化学分析したＬｉ₂Ｏ濃度の検量線を引く。

（２）２次標準試料（測定環境補正用）
１）測定時の環境補正のために、別途Ｓｉウェハー上にＬｉをイオン注入した標準試料を作成し、Ｓｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定し、前記（１）−２）を実施する際に補正する。

（３）実際の測定
１）鋼中介在物のＣａＯなどの各濃度をＥＰＭＡによって測定する。
２）鋼中介在物のＳｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定し、前記（１）−３）で求めた検量線のうち、前記（３）−１）の分析結果に最も近い検量線を選択し、これにより介在物のＬｉ₂Ｏ含有量を求めた。

得られた各種鋼材について、下記の条件で横目の靭性を測定すると共に、連続切削時および断続切削時の被削性を評価した。

［横目の靭性］
丸棒材から、圧延方向（鍛伸方向）に垂直な方向に沿ってノッチ形状がＲ１０（ｍｍ）のシャルピー衝撃試験片（形状：１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ）を削り出し、衝撃値（横目のシャルピー衝撃値）を測定した。その結果を、下記表４に示す。

［連続切削時の被削性評価］
連続切削時の被削性を評価するために、φ８０ｍｍ×長さ３５０ｍｍの丸棒材（焼きならし材）をスケール除去した後表面を約２ｍｍ研削した試料を用いて、外周旋削加工を行なった後、光学顕微鏡により、平均逃げ面摩耗幅（工具摩耗量）Ｖｂを測定した。このときの外周旋削加工条件は、下記の通りである。その結果を、下記表４に示す。

（外周旋削加工条件）
工具：超硬合金Ｐ１０（ＪＩＳＢ４０５３）
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
潤滑方式：乾式

［断続切削時の被削性評価］
断続切削時の被削性を評価するために、エンドミル加工での工具摩耗を評価した。上記板材（焼きならし材）をスケール除去した後表面を約２ｍｍ研削し、エンドミル試験片とした。具体的には、マニシングセンタ主軸にエンドミル工具を取り付け、上記のようにして製造した厚さ３０ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ１４５ｍｍのサンプルをバイスにより固定し、乾式の切削雰囲気下でダウンカット加工を行った。詳細な加工条件を表３に示す。断続切削を２００カット行った後、光学顕微鏡により、平均逃げ面摩耗幅（工具摩耗量）Ｖｂを測定した。結果を表４に示す。

表１〜４の結果から、本発明の要件を満たすサンプルＮｏ．Ａ１〜Ａ２７のものは、連続切削後および断続切削後の両方で、工具の逃げ面摩耗幅が小さく、連続切削および断続切削のどちらにおいても、被削性に優れていることが分かる。

これに対してサンプルＮｏ．Ｂ１は、硬質酸化物のＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃の存在のため、連続切削後の逃げ面摩耗幅が大きい。サンプルＮｏ．Ｂ２は、硬質酸化物のＡｌ₂Ｏ₃の存在のため、連続切削後の逃げ面摩耗幅が大きい。サンプルＮｏ．Ｂ３は、Ａｌが少ないため、断続切削時の酸化抑制効果がなく、断続切削後の逃げ面摩耗幅が大きくなっている。

Claims

Ｃ：０．１〜１．２％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．０３〜２％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．３〜３％、Ａｌ：０．０１〜１％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．００９％以下（０％を含まない）およびＯ：０．００５％以下（０％を含まない）を夫々含有する他、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｂａ，Ｓｒ，ＴｉおよびＮｂよりなる群から選ばれる１種以上の元素：Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｂａ，Ｓｒについては合計で０．００００１〜０．００５０％、Ｔｉ，Ｎｂについては合計で０．０１〜０．５％含有し、残部が鉄および不可避的不純物であり、
且つ鋼中に存在する酸化物系介在物が、該酸化物系介在物の平均組成合計を１００％としたときに、ＣａＯ：１５〜６０％、ＳｉＯ₂：２０％以下（０％を含まない）、Ａｌ₂Ｏ₃：２０〜８０％、ＭｇＯ：４０％以下（０％を含まない）、を夫々含有すると共に、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＢａＯ，ＳｒＯおよびＴｉ酸化物よりなる群から選ばれる１種以上の合計含有量が０．５〜２０％であることを特徴とする被削性に優れた機械構造用鋼。
前記酸化物系介在物の平均組成が、ＣａＯ：３０〜６０％、ＳｉＯ₂：１５％以下（０％を含まない）、Ａｌ₂Ｏ₃：３５〜６０％、ＭｇＯ：１５％以下（０％を含まない）を夫々含有すると共に、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＢａＯ，ＳｒＯおよびＴｉ酸化物よりなる群から選ばれる１種以上の合計含有量が１〜６％である請求項１に記載の機械構造用鋼。
更に、Ｂｉ：０．１％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の機械構造用鋼。
更に、Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の機械構造用鋼。
更に、Ｎｉ：４％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の機械構造用鋼。
更に、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）および／またはＢ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜５のいずれかに記載の機械構造用鋼。
更に、Ｚｒ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）およびＷ：１．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する請求項１〜６のいずれかに記載の機械構造用鋼。