JP3270035B2 - 被削性に優れ，強度異方性の小さい鉛無添加の機械構造用鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，機械的性質の異方性が小さく，
広範な切削方法や切削条件における被削性に優れ，か
つ，鉛を含有しない鉛無添加の機械構造用鋼に関する。

【０００２】

【従来技術】近年の切削加工の高速化，自動化の発展に
伴って，機械構造用部品に使用される鋼材の被削性が重
要視されるようになり，被削性を改善した鋼いわゆる快
削鋼の需要が高まっている。しかも，鋼材の必要強度は
厳しくなりつつある。鋼材を高強度化した場合には被削
性は劣化する。すなわち近年の機械構造用鋼には，高強
度化と被削性という相反する特性の改善が要求されてい
る。

【０００３】現在，一般的に使用されている快削鋼とし
ては，Ｐｂ，Ｓ，Ｃａを含有させた鋼材がある。この中
でも，Ｐｂを含有するＰｂ快削鋼は，基本鋼と比較して
機械的性質の劣化が小さく，一般の旋削加工において切
粉処理性の改善を示し，ドリル加工，タップ加工，リー
マ加工，中ぐり加工等の工具寿命の延長を図ることがで
きるという優れた特徴を有している。また，Ｐｂ快削鋼
は，（穴深さ／ドリル直径）≧３となる深穴のあけ加工
時に切屑の排出を容易にし，突発的な切屑つまりによる
工具の折損防止にも優れている。また，Ｐｂに加えて他
のＳ，Ｃａ等を加えてこれらの優れた特性を付加したＰ
ｂ複合快削鋼も種々開発されている。

【０００４】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来のＰ
ｂ含有快削鋼においては，次の問題がある。即ち，Ｐｂ
は，上記のごとく被削性向上には非常に有効であるが，
環境面では有害性を有する物質である。そのため，近年
の環境問題への関心の高まりから，Ｐｂを含有すること
なく，Ｐｂ含有快削鋼に匹敵する鋼材の開発が望まれて
いる。

【０００５】一方，従来よりＰｂを含有しない他の快削
鋼もあるが，これらは，次のような欠点を有し，Ｐｂ含
有快削鋼の代替として使用できない場合が多い。例え
ば，Ｓを添加したＳ快削鋼は，比較的広範な切削加工に
対して工具寿命を延長させる改善効果を示すが，Ｐｂ快
削鋼にくらべて切粉処理性が悪い。また，Ｓを含有する
場合には，介在物として存在するＭｎＳが熱間圧延ある
いは熱間鍛造中に延伸するため，圧延方向から直角方向
に近づくにつれて衝撃強度等の機械的性質が低下する，
強度異方性という問題がある。したがって，衝撃強度が
重要とされる部品を対象とした鋼材はＳ含有量をできる
だけ抑える必要があり，その結果十分な被削性が得られ
ない場合がある。

【０００６】また，Ｃａ脱酸により鋼中の酸化物系介在
物を低融点化させたＣａ脱酸快削鋼は，鋼材の強度特性
にほとんど影響を及ぼさず，高速切削領域の超硬工具寿
命に著しい延長効果を示す。しかし，Ｃａ脱酸快削鋼は
超硬工具寿命以外の被削性改善効果がほとんど認められ
ないため，オールラウンドの被削性を得るためにＳある
いはＰｂとの複合で使用される場合が一般的である。

【０００７】従来のＣａ脱酸快削鋼とは異なり，Ｓ快削
鋼の欠点である強度異方性をＣａ添加によって鋼中の介
在物を均一に分散・分布させることから改善し，同時に
被削性も向上させた例として特公平５−１５７７７号に
記載された鋼材がある。この場合，Ｃａ脱酸快削鋼のよ
うな欠点はないが，十分な被削性を得るには多量のＳを
添加する必要がある。その場合に硫化物を形態制御させ
るために必要十分な量のＣａを鋼材中に含有させること
はＣａ歩留りが低いため量産鋼としての製造は極めて困
難である。

【０００８】また上記のＣａと同様な効果を狙った例と
して特公昭５２−７４０５号公報に記載された鋼材があ
る。これらは，Ｍｇ，Ｂａの第１群元素の１種または２
種とＳ，Ｓｅ，Ｔｅよりなる第２群元素の１種以上を含
有した快削鋼である。この鋼材は，Ｏを０．００４〜
０．０１２％の範囲で積極的に添加していので，疲労強
度に劣るおそれがある。さらにＯの積極添加により鋼中
の酸化物が増加し，ドリル加工性等の切削性の低下も予
想される。

【０００９】また特公昭５１−４９３４号公報の快削鋼
においては，Ｍｇ，Ｂａの第１群元素の１種または２種
とＳ，Ｓｅ，Ｔｅよりなる第２群元素の１種以上を含有
した快削鋼と，さらにＣａを選択的に含有した快削鋼が
開示されている。しかし，この鋼は，Ｏを０．００２〜
０．０１％の範囲で積極的に添加している。そのため，
疲労強度に劣るおそれがある。さらにＯの積極添加によ
り鋼中の酸化物が増加し，ドリル加工性等の切削性の低
下も予想される。

【００１０】また特開昭５１−６３３１２号公報には，
ＳとＭｇとＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，ＳｅおよびＴｅの元素の
１種以上を含有する快削鋼が開示されている。しかし，
当該公報には，鋼の具体的な成分系が示されておらず，
技術の開示が不十分である。また，この鋼は，Ａｌ脱酸
を前提としており，Ａｌ含有量が０．０２％を超え，Ｏ
量の限定もなく，疲労強度に劣るおそれがある。さらに
Ｏの積極添加により鋼中の酸化物が増加し，ドリル加工
性等の切削性の低下も予想される。

【００１１】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，Ｐｂを含有せず，かつ，従来のＰｂ含有
快削鋼と同等以上の特性を有する，被削性に優れ，強度
異方性の小さい鉛無添加の機械構造用鋼を提供しようと
するものである。

【００１２】

【課題の解決手段】請求項１の発明は，重量％におい
て，Ｃ：０．１０〜０．６５％，Ｓｉ：０．０３〜１．
００％，Ｍｎ：０．３０〜２．５０％，Ｓ：０．０３〜
０．３５％，Ｃｒ：０．１〜２．０％，Ａｌ：０．００
５％未満，Ｃａ：０．０００５〜０．０２０％，Ｍｇ：
０．０００３〜０．０２０％を含有し，Ｏ：２０ｐｐｍ
未満であり，残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり，か
つ，連続鋳造により作製したことを特徴とする，被削性
に優れ，強度異方性の小さい鉛無添加の機械構造用鋼に
ある。

【００１３】本発明において最も注目すべきことは，Ａ
ｌ及びＯの含有量を上記特定の範囲に低減し，かつ，Ｓ
含有量を一般レベルよりも高め，さらにＭｇ及びＣａを
複合添加し，Ｐｂの添加を完全に無くした点にある。

【００１４】なお，機械構造用鋼は，調質強靱鋼，非調
質鋼，肌焼鋼という３種類の鋼種に大きく分類され，用
途等によって使い分けられる。そのため，本発明の鉛無
添加の機械構造用鋼においても，これらの３種類の鋼種
ごとに若干成分範囲の好ましい範囲が異なる場合があ
る。以下に，上記構成成分の限定理由について，上記３
種類の鋼種における好ましい範囲をまじえて説明する。

【００１５】Ｃ：０．１０〜０．６５％，Ｃは，機械構
造用鋼としての強度を確保するための必須元素であり，
０．１０％以上添加する。しかし，多すぎると硬さ増加
から靱性および被削性の劣化を招くため上限を０．６５
％とする。特に，調質強靱鋼の場合には，好ましくは
０．２８〜０．５５％であり，より好ましくは０．３２
〜０．４８％がよい。非調質鋼の場合には，好ましくは
０．１０〜０．５５％であり，より好ましくは０．３５
〜０．５０％がよい。肌焼鋼の場合には，好ましくは
０．１０〜０．３０％であり，より好ましくは０．１２
〜０．２８％がよい。

【００１６】Ｓｉ：０．０３〜１．００％，Ｓｉは，製
鋼時の脱酸剤として不可欠であるため下限を０．０３％
とする。しかし，過剰に添加すると延性を低下させるほ
か，鋼中に高硬度の介在物であるＳｉＯ₂を生成させて
被削性も劣化させるため上限を１．００％とする。Ｓｉ
は上記３種類のいずれの鋼種においても，好ましくは
０．１０〜０．５０％であり，より好ましくは０．１５
〜０．３５％がよい。

【００１７】Ｍｎ：０．３０〜２．５０％，Ｍｎは，一
般に鋼の強度，靱性，熱間延性，焼入性を確保する上で
重要な元素であり，かつ，本発明において，硫化物系介
在物生成に不可欠な元素であるため０．３０％以上添加
する。しかし，多すぎると硬さ増加から被削性が劣化す
るため上限を２．５０％とする。Ｍｎは上記３種類のい
ずれの鋼種においても，好ましくは０．４０〜２．００
％であり，より好ましくは０．６０〜１．５０％がよ
い。

【００１８】Ｓ：０．０３〜０．３５％，Ｓは，被削性
を改善させる硫化物系介在物の生成元素であり，被削性
改善効果を得るためには少なくとも０．０３％以上添加
する必要があり，Ｓの増量に伴い被削性は向上する。し
かし，多すぎるとＣａおよびＭｇによる硫化物形態制御
が困難となり，衝撃異方性が劣化するため，上限を０．
３５％とする。Ｓは上記３種類のいずれの鋼種において
も，好ましくは０．０４〜０．３０％であり，より好ま
しくは０．０８〜０．２０％がよい。

【００１９】Ｃｒ：０．１〜２．０％，Ｃｒは，鋼の焼
入性および靭性を向上させるために添加する。その効果
を得るためＣｒは０．１％以上必要である。一方，多量
に添加した場合には被削材の硬さが増加することから，
被削性確保のためにはＣｒは２．０％以下とする必要が
ある。Ｃｒは上記３種類のいずれの鋼種においても，好
ましくは０．１０〜１．５０％であり，より好ましくは
０．１５〜１．２０％がよい。

【００２０】Ａｌ：０．００５％未満，この鉛無添加の機械構造用鋼においては，Ａｌを０．０
０５％未満とすることにより，実際の製造上問題となる
連続鋳造性を大幅に改善することができる。即ち，上記
Ａｌの含有量が０．００５％以上となった場合には，溶
鋼中に多量のＣａＳ生成を促し，ＣａＳが連続鋳造用の
ノズルに堆積し，これを閉塞しやすくなるという問題が
ある。この問題を上記Ａｌ含有量の０．００５％未満と
いう制限により，確実に解消することができる。

【００２１】Ｃａ：０．０００５〜０．０２０％，Ｃａ
は，Ｍｎ，Ｍｇと共に硫化物生成元素であるとともに，
Ａｌ，Ｓｉとの複合酸化物をも生成し，被削性向上効果
および硫化物形態制御による機械的性質の異方性改善効
果がある。その効果を得るためには少なくとも０．００
０５％以上必要である。また製鋼段階でのＣａ歩留りは
非常に悪く，必要以上に含有させてもその効果が飽和す
るため，Ｃａの上限を０．０２０％とする。Ｃａは上記
３種類のいずれの鋼種においても，好ましくは０．００
０５〜０．００６０％であり，より好ましくは０．００
０５〜０．００４０％がよい。

【００２２】Ｍｇ：０．０００３〜０．０２０％，Ｍｇ
は，Ｃａと同様の効果を示し，Ｃａと複合で存在させた
場合に大きな被削性改善効果および機械的性質の異方性
改善効果が得られる。その効果を得るためには少なくと
も０．０００３％以上必要である。一方，必要以上に含
有させてもその効果が飽和状態となり，無駄であるため
Ｍｇの上限を０．０２０％とする。Ｍｇは上記３種類の
いずれの鋼種においても，好ましくは０．０００３〜
０．００６０％であり，より好ましくは０．０００５〜
０．００４０％がよい。

【００２３】Ｏ：２０ｐｐｍ未満 Ｏは，被削性に有害な酸化物系の硬質介在物の生成を抑
制する点から極力低減させることが望ましい。Ｏが２０
ｐｐｍ以上となると，酸化物系の硬質介在物の生成量が
増えて被削性を損なうと共に，疲労強度が低下するた
め，Ｏを２０ｐｐｍ未満とする必要がある。なお，Ｏに
ついては，上記３種類の鋼種における好適な範囲の差異
はほとんどない。

【００２４】このように，本発明では，ＡｌおよびＯの
含有量を上記のごとく制限することにより酸化物形態を
制限し，かつ，Ｓ含有量を一般レベルよりも高め，Ｃａ
およびＭｇを同時に鋼中に含有させることにより，衝撃
特性の劣化，特に衝撃異方性（強度異方性）を最小限に
抑えることができ，かつＰｂ含有の快削鋼並に被削性を
向上させることができる。この強度異方性及び被削性向
上効果は，ＣａとＭｇ一方のみを鋼材中に存在させる場
合よりも大きな改善効果となる。さらに，本発明ではＡ
ｌおよびＯの含有量を上記のごとく制限することによ
り，被削性向上効果に加えて疲労強度の改善等の効果を
も得ることができる。

【００２５】

【００２６】本発明において最も注目すべきことは，上
記のごとく，Ａｌ含有量を低減し，０．００５％未満と
することである。そして，この鉛無添加の機械構造用鋼
においては，Ａｌを０．００５％未満とすることによ
り，実際の製造上問題となる連続鋳造性を大幅に改善す
ることができる。

【００２７】即ち，上記Ａｌの含有量が０．００５％以
上となった場合には，溶鋼中に多量のＣａＳ生成を促
し，ＣａＳが連続鋳造用のノズルに堆積し，これを閉塞
しやすくなるという問題がある。この問題を上記Ａｌ含
有量の０．００５％未満という制限により，確実に解消
することができる。

【００２８】また，請求項２の発明のように，上記鉛無
添加の機械構造用鋼は，さらにＭｏ：０．０５〜１．０
０％，Ｎｉ：０．１〜３．５％，Ｖ：０．０１〜０．５
０％，Ｎｂ：０．０１〜０．１０％，Ｔｉ：０．０１〜
０．１０％，Ｂ：０．０００５〜０．０１００％から選
択した１種または２種以上を含有することが好ましい。
これらの好ましい成分の成分範囲の限定理由を以下に示
す。

【００２９】Ｍｏ：０．０５〜１．００％，Ｎｉ：０．
１〜３．５％，Ｍｏ，Ｎｉは，鋼の焼入性および靭性を
向上させる元素で必要な場合に添加する。その効果を得
るため，Ｍｏは０．０５％以上，Ｎｉは０．１％以上添
加することが好ましい。多量に添加した場合には被削材
の硬さが増加することから，被削性確保のためには，Ｍ
ｏは１．００％以下，Ｎｉは３．５％以下とすることが
好ましい。Ｍｏは上記３種類のいずれの鋼種において
も，好ましくは０．１０〜０．４０％であり，より好ま
しくは０．１５〜０．３０％がよい。またＮｉは上記３
種類のいずれの鋼種においても，好ましくは０．４０〜
３．００％であり，より好ましくは０．４０〜２．００
％がよい。

【００３０】Ｖ：０．０１〜０．５０％，Ｖは析出強化
作用の強い元素であるので，焼入焼戻し処理を省略する
場合に添加する。この効果を得るには０．０１％以上添
加することが好ましい。一方，０．５０％を超えて含有
させても効果は飽和するので上限を０．５０％とするこ
とが好ましい。非調質鋼の場合には，より好ましくは
０．０５〜０．３５％であり，さらに好ましくは０．０
５〜０．３０％がよい。

【００３１】Ｎｂ：０．０１〜０．１０％，Ｔｉ：０．
０１〜０．１０％，Ｎｂ，Ｔｉはそれぞれ炭窒化物を生
成し，ピン止め効果により結晶粒を微細化させる効果が
あり，必要に応じて添加する。この効果を得るには０．
０１％以上必要であるが，０．１０％を超えて含有させ
ても効果は飽和するので上限を０．１０％とすることが
好ましい。より好ましくは０．０１〜０．０８％であ
り，さらも好ましくは０．０１〜０．０６％がよい。

【００３２】Ｂ：０．０００５〜０．０１００％，Ｂに
は少量の含有で焼入性を向上させ，鋼の機械的性質を向
上させる効果があり，必要に応じて添加する。この効果
を得るには０．０００５％以上必要であるが，０．０１
００％を超えて含有させても効果は飽和するので上限を
０．０１００％とすることが好ましい。より好ましくは
０．０００５〜０．００６０％であり，さらに好ましく
は０．０００５〜０．００４０％がよい。

【００３３】また，請求項３の発明のように，上記鉛無
添加の機械構造用鋼は，さらに，Ｂｉ：０．０１〜０．
３０％，ＲＥＭ：０．００１〜０．１０％から選択した
１種または２種を含有することが好ましい。これらの好
ましい成分の成分範囲の限定理由を以下に示す。

【００３４】Ｂｉ：０．０１〜０．３０％，Ｂｉは機械
的性質の異方性をほとんど劣化させることなく，切屑処
理性および穿孔性を改善するのに有効であるため，その
ような特性が特に必要な場合に添加する。この効果を得
るには０．０１％以上必要であるが，０．３０％を超え
て含有させても効果は飽和し，またコスト高となるた
め，上限を０．３０％とすることが好ましい。より好ま
しくは０．０１〜０．１０％であり，さらに好ましくは
０．０１〜０．０８％がよい。

【００３５】ＲＥＭ：０．００１〜０．１０％，ＲＥＭ
（希土類元素）は硫化物の形態制御効果が大きいため，
Ｍｇ，Ｃａの効果を助長させる場合に用いる。なお，Ｒ
ＥＭは主にＣｅ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｓｍの混成合金か
ら成るものである。この効果を得るには０．００１％以
上のＲＥＭが必要であるが，０．１０％を超えて含有さ
せても効果は飽和し，またコスト高となるため，上限を
０．１０％とすることが好ましい。より好ましくは０．
００１〜０．００６％であり，さらに好ましくは０．０
０１〜０．００４％がよい。

【００３６】また，請求項４の発明のように，上記鉛無
添加の機械構造用鋼は，硫化物系の介在物として（Ｃ
ａ，Ｍｇ）Ｓ，（Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｎ）Ｓの１種または２
種を含有することが好ましい。上記ＳとＣａ，Ｍｇ，Ｍ
ｎとの硫化物としては種々あるが，この中でも，特にＣ
ａ，Ｍｇ，Ｓによる複合的な硫化物（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓ，
或いは，Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｓによる複合的な硫化物
（Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｎ）Ｓの少なくとも一方を含有させる
ことにより，超硬工具摩耗性を大幅に改善することがで
きる。

【００３７】

【発明の実施の形態】本発明の鉛無添加の機械構造用鋼
の優れた特性を評価すべく，調質強靱鋼，非調質鋼，肌
焼鋼の３種類の鋼種ごとに種々の試験を行った。これら
の試験結果を実施形態例として以下に示す。

【００３８】実施形態例１ 本例では，表１，表３に示すごとく，調質強靱鋼におけ
る発明鋼Ａと従来鋼Ｂ，Ｃとを準備し，これらの比較を
行った。従来鋼Ｂは，Ｐｂを０．１％含有するＰｂ快削
鋼である。また，この従来鋼Ｂは，Ｓ含有量及びＯ含有
量が本発明範囲から外れている。また，従来鋼Ｃは，Ｃ
ａ，Ｍｇを添加していないものである。

【００３９】各鋼材は，１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製
し，１２００℃にてφ６０ｍｍへ鍛伸し，一部はさらに
４０×７０ｍｍ角材に鍛伸した。その後，いずれも８８
０℃にて焼入れ後，５８０℃にて焼戻しの熱処理を実施
した。そして，φ６０ｍｍ材を用いて被削性試験，引張
試験，鍛伸方向（以下，Ｌ方向と示す）の衝撃試験を実
施した。また，４０×７０ｍｍ角材を用いて鍛伸方向と
直角の方向（以下，Ｔ方向と示す）の衝撃試験を実施し
た。

【００４０】被削性試験方法と切削条件を表２に示す。
なお，引張試験片はＪＩＳ４号試験片を，衝撃試験片は
ＪＩＳ３号試験片を用いた。被削性試験評価項目は本発
明の目的がＰｂ快削鋼に代替する鋼の開発にあることに
鑑み，Ｐｂ快削鋼の長所である切屑処理性，ドリル切削
性を中心に評価した。

【００４１】また，被削性試験の一つであるドリル深穴
性試験は，図１に示すように，穿孔開始から切削抵抗
（トルク）を測定し，そのトルクＴ₂が安定穿孔トルク
Ｔ₁の２倍になるまでの穿孔時間ｔを「安定穿孔時間」
とし，「安定穿孔時間（ｓｅｃ）」×「送り量（ｍｍ/
ｓｅｃ）」で定義した「安定穿孔深さ（ｍｍ）」を算出
して評価した。

【００４２】試験結果等を表３に示す。表３より知られ
るごとく，調質強靱鋼における本発明鋼Ａは，全ての評
価項目において，従来鋼Ｂ，Ｃよりも優れた特性を示し
た。特に，ドリル寿命については，従来のＰｂ快削鋼よ
りも格段に優れた性能を示した。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】

【表３】

【００４６】実施形態例２ 本例では，上述した表１，表３に示すごとく，非調質鋼
における発明鋼Ｄと従来鋼Ｅ〜Ｇとを準備し，これらの
比較を行った。従来鋼Ｅは，Ｐｂを０．１７％含有する
Ｐｂ快削鋼である。また，従来鋼Ｆは，Ｐｂを０．１８
％含有するとともＣａを２２ｐｐｍ含有するＰｂとＣａ
を複合添加した快削鋼である。また，従来鋼Ｇは，Ｃ
ａ，Ｍｇを含有していないものである。また従来鋼Ｅ〜
Ｇは，いずれもＡｌが０．０１０％を超えている。

【００４７】各鋼材は，３０ｋｇ真空溶解炉にて溶製
し，１２００℃にてφ４０ｍｍへ鍛伸し，一部はさらに
４０×７０ｍｍ角材に鍛伸した。その後，いずれも１２
００℃の温度に３０分間保持した後，空冷の熱処理を実
施した。そして，φ４０ｍｍ材を用いて被削性試験，引
張試験，Ｌ方向の衝撃試験を実施した。また，４０×７
０ｍｍ角材を用いてＴ方向の衝撃試験を実施した。試験
方法，切削条件，引張試験片および衝撃試験片は実施形
態例１と同様である。

【００４８】試験結果等を上記表３に示す。表３より知
られるごとく，非調質鋼における本発明鋼Ｄは，全ての
評価項目において，従来鋼Ｅ〜Ｇよりも優れた特性を示
した。特に，超硬工具摩耗量，ドリル寿命については，
従来のＰｂ快削鋼よりも格段に優れた性能を示した。快
削性に優れる鉛複合快削鋼である従来鋼Ｆに比べ，Ｐｂ
快削鋼の長所であるドリル寿命が格段に向上したのは，
まさに，従来鋼に比べＡｌとＯを同時に低減して酸化物
量およびその形態を制御した上で，Ｓ含有レベルを高め
ると共にＭｇ，Ｃａを複合添加したことによるものであ
って，これにより初めてなしえたものである。

【００４９】実施形態例３ 本例では，上述した表１，表３に示すごとく，肌焼鋼に
おける発明鋼Ｈ，Ｉと従来鋼Ｊ，Ｋとを準備し，これら
の比較を行った。発明鋼ＨとＩは，発明鋼ＨにＢｉを添
加したことが最も大きく異なる点である。従来鋼Ｊは，
多量のＳとＰｂとを添加した快削鋼である。また，従来
鋼Ｊ，Ｋは，いずれもＡｌ含有量が０．０１０％を超え
ている。

【００５０】各鋼材は，１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製
し，１２００℃にてφ６０ｍｍへ鍛伸し，一部はさらに
４０×７０ｍｍ角材に鍛伸した。その後，いずれも９０
０℃の温度にて６０分間の焼ならし熱処理を実施した。
そして，φ６０ｍｍ材を用いて被削性試験を実施した。
また，φ６０ｍｍ材より，引張試験，Ｌ方向の衝撃試験
片を，４０×７０ｍｍ角材よりＴ方向の衝撃試験を粗加
工した後，８８０℃にて焼入れ，１８０℃にて焼戻しを
施してから仕上げ加工し，その後機械試験を実施した。
試験方法等は実施形態例１と同様である。

【００５１】試験結果等を上記表３に示す。表３より知
られるごとく，肌焼鋼における本発明鋼Ｈ，Ｉは，少な
くとも被削性では，従来鋼Ｊ，Ｋよりも優れた特性を示
した。また，機械的性質に関しては，従来鋼とほとんど
差がない優れた特性が維持されていた。特にＢｉを添加
した本発明鋼Ｈは，ドリル寿命が飛躍的に向上してい
る。これは，Ｂｉによる低融点挙動により介在物の変形
を増長させること，および複合硫化物による工具摩耗の
進行阻止効果によるものである。

【００５２】実施形態例４ 本例では，表４に示すごとく，非調質鋼ベースでの，本
発明鋼Ｌ，従来鋼Ｍ，Ｎ，比較鋼Ｏを準備し，疲労特性
の比較を行った。従来鋼ＭはＰｂを含有する快削鋼であ
り，従来鋼ＮはＰｂの他にＣａを加えた鉛複合快削鋼で
ある。比較鋼Ｏは，本発明鋼に対して，Ｏを増加させて
２０ｐｐｍを超えるようにしたものである。

【００５３】各鋼材は，３０ｋｇ真空溶解炉にて溶製
し，１２００℃にてφ６０ｍｍへ鍛伸した。そして１２
００℃の温度に３０分間保持した後，空冷の熱処理を実
施した。そして，φ６０ｍｍ材より試験片を削り出し，
引張試験，小野式回転曲げ疲労試験を実施した。

【００５４】試験結果を表５に示す。表５より知られる
ごとく，本発明鋼Ｌは，従来鋼Ｍ（鉛快削鋼），従来鋼
Ｎ（鉛複合快削鋼）と比べて，引張強さではほとんど差
がなく，疲労限および耐久比では同等以上の優れた特性
を発揮した。また，本発明鋼Ｌに対して酸素量が高い比
較鋼Ｏは，疲労特性が劣る。これは，酸化物介在物の量
および大きさが増したためであると考えられる。

【００５５】

【表４】

【００５６】

【表５】

【００５７】実施形態例５ 本例では，調質強靱鋼と非調質鋼において，連続鋳造性
の評価を行った。この評価には，表６に示すごとく，本
発明鋼Ｐ〜Ｓと比較鋼Ｔ〜Ｗとを準備した。比較鋼Ｔ〜
Ｗは，発明鋼Ｐ〜Ｓに対してＡｌ含有量を０．０５％以
上に増加させたものである。

【００５８】連続鋳造テストは，１３０ｔｏｎ電気炉−
ＬＦ（取鍋精錬炉）−ＲＨ（真空脱ガス装置）により溶
製した後，型格３７０ｍｍ×５３０のブルーム連続鋳造
機を用いて行った。そして，１３０ｔｏｎの溶湯が上記
連続鋳造機により鋳造できるか否かをテストした。

【００５９】テスト結果を表７に示す。表７より知られ
るごとく，Ａｌを０．００５％未満に低く抑えた本発明
鋼Ｐ〜Ｓは，すべて，鋳造機のノズルを閉塞することな
く１３０ｔｏｎすべての連続鋳造を行うことができた。
これに対し，Ａｌ量が０．００５％以上の比較鋼Ｔ〜Ｗ
は，いずれもノズル閉塞が発生して，１３０ｔｏｎすべ
てを連続鋳造することができなかった。

【００６０】

【表６】

【００６１】

【表７】

【００６２】実施形態例６ 本例では，表８に示す非調質鋼ベースの本発明鋼Ｘを準
備し，該発明鋼中における介在物を観察した。本発明鋼
Ｘは，３０ｋｇ真空溶解炉にて溶製し，１２００℃にて
φ４０ｍｍへ鍛伸した。その後，１２００℃の温度に３
０分間保持した後，空冷の熱処理を実施した。

【００６３】介在物観察結果を図２に示す。同図は，Ｓ
ＥＭ像と，同位置におけるＭｎ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｓ，Ａ
ｌ，Ｆｅ，Ｏ，Ｐ，Ｃａ元素のそれぞれの像を示す図面
代用写真である。同図より知られるごとく，Ｍｎ，Ｍ
ｇ，ＳおよびＣａが同一介在物内で検出されており，Ｍ
ｎＳ，（Ｍｇ，Ｃａ）Ｓおよび（Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃａ）Ｓ
の存在が確認された。また介在物の形状は，一般的にＭ
ｎＳで代表される硫化物は鍛伸後に棒状になるが，今回
の発明鋼では球状である。このことにより，機械的性質
の試験時に介在物による切欠き効果を減少させて機械的
性質の衝撃異方性が改善されると考えられる。

【００６４】

【表８】

【００６５】実施形態例７ 本例では，表８に示すごとく，本発明鋼Ｘの他に従来鋼
Ｙ，Ｚを準備し，これらに超硬工具摩耗量，切屑処理性
指数，ドリル深穴性，ドリル寿命を求める試験を行っ
た。試験条件等は実施形態例１と同様である。そして，
工具のすくい面摩耗部（クレータ摩耗部）での合金元素
の分布を観察した。

【００６６】従来鋼Ｙは，ＰｂおよびＣａを含有する鉛
複合快削鋼である。また，従来鋼Ｚは，Ｐｂは含有して
いないが，Ａｌ量を増大させ，かつ，Ｃａ，Ｍｇの両方
の添加をやめたものである。これらの製造方法は本発明
鋼Ｘと同様とした。試験結果を表９に示す。

【００６７】

【表９】

【００６８】表９より知られるごとく，本発明鋼Ｘは，
従来鋼Ｙ，Ｚに比べてすべての評価項目において優れて
いた。次に，合金元素分布の観察結果を図３〜図５に示
す。これらの図は，摩耗試験後の工具すくい面摩耗部表
面のＳＥＭ像と，同位置におけるＣａ，Ｓ，Ｍｎ，Ｍ
ｇ，Ｗ，Ｆｅ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｏ元素の像をそれぞれ示す
図面代用写真である。

【００６９】図３より知られるごとく，本発明鋼Ｘにお
いては，工具のすくい面摩耗部には，Ｍｎ，Ｓ，Ｃａ，
Ｍｇが付着していた。このことから，ＭｎＳと（Ｃａ，
Ｍｇ）Ｓの複合効果による潤滑作用が発揮され，工具摩
耗の進行が抑制されたものと思われる。

【００７０】一方，図４より知られるごとく，従来鋼Ｙ
においては，上記摩耗部には，Ｃａ，Ｓが，摩耗端部に
はＰｂが付着している。この結果からＣａＳの潤滑作用
から摩耗の進行が抑制されたものと推定できるが，本発
明鋼Ｘには及ばない。また，図５より知られるごとく，
従来鋼Ｚにおいては，Ｓがわずかに工具摩耗部に分布し
ているが，ＦｅとＯが多量に付着している。Ｆｅの酸化
物は工具内のＣｏと置換現象を起こして工具の摩耗を促
進させる作用があり，これにより摩耗が激しかったと考
えられる，

【００７１】実施形態例８ 本例では，さらに多数の本発明鋼および比較鋼を準備
し，実施形態例１と同様に被削性その他の評価を行っ
た。まず，本発明鋼としては，表１０〜表１２に示すご
とく，本発明の成分範囲内において成分を種々変化させ
たａ１〜ａ７８の７８種類の鋼を準備した。

【００７２】また，比較鋼としては，表１３に示すごと
く，本発明の成分範囲から外れるｂ１〜ｂ８の８種類の
鋼を準備した。比較鋼ｂ１はＳ量が下限をきるもの，比
較鋼ｂ２はＳ量が上限を超えるものである。比較鋼ｂ３
はＡｌ量が上限を超えるものである。比較鋼ｂ４はＣａ
量が下限をきるもの，比較鋼ｂ５はＣａ量が上限を超え
るものである。比較鋼ｂ６はＭｇ量が下限をきるもの，
比較鋼ｂ７はＭｇ量が上限を超えるものである。比較鋼
ｂ８はＯ量が上限を超えるものである。

【００７３】各鋼の作製は，調質鋼についは実施形態例
１と同様に，非調質鋼については実施形態例２と同様に
して行った。なお，後述する表１４〜表１７において，
焼入れ焼戻し処理の項目にデータがあるものが調質鋼で
あり，空冷処理（１２００℃加熱後）の項目にデータが
あるものが非調質鋼である。そして，機械試験について
は，調質鋼については焼入れ焼戻し処理後に，非調質鋼
については１２００℃加熱後空冷後に行った。その他は
実施形態例１〜３と同様である。

【００７４】評価結果を表１４〜表１７に示す。結果を
わかりやすくするために，非常に良好なものは◎，良好
なものは○，悪いものは×により示した。各評価項目の
◎，○，×の判断基準は表１８に示す。

【００７５】表１４〜表１６より知られるごとく，すべ
ての本発明鋼は，すべての評価項目において優れた結果
が得られた。これに対し，表１７より知られるごとく，
比較鋼においては，評価項目すべてを満足するものはな
かった。

【００７６】具体的には，Ｓ量が下限値を切った比較鋼
ｂ１は，超硬工具摩耗，切屑処理指数，ドリル深穴性，
ドリル寿命において十分な特性が得られなかった。Ｓ量
が上限を上回る比較鋼ｂ２は，衝撃異方性と耐久比とが
優れなかった。Ａｌ量が上限を上回る比較鋼ｂ３は，超
硬工具摩耗と耐久比とが優れなかった。また，比較鋼ｂ
３は，非調質鋼よりなるので本発明鋼ａ１〜ａ７８中の
非調質鋼（空冷処理鋼）と比較すると，上記本発明鋼は
ほぼすべてＰｂ快削鋼の特徴であるドリル深穴性および
ドリル寿命が非常に優れているのに対し，上記比較鋼ｂ
３は非常に優れたレベルには達せず，良好なレベルにと
どまっている。

【００７７】Ｃａ量が下限値を切った比較鋼ｂ４は，超
硬工具摩耗，ドリル寿命，衝撃異方性が優れなかった。
Ｃａ量が上限を上回る比較鋼ｂ５は，耐久比が優れなか
った。Ｍｇ量が下限値を切った比較鋼ｂ６は，超硬工具
摩耗，ドリル寿命，衝撃異方性が優れなかった。Ｍｇ量
が上限を上回る比較鋼ｂ７は，耐久比が優れなかった。
Ｏ量が上限を上回る比較鋼ｂ８は，超硬工具摩耗，ドリ
ル寿命，耐久比が優れなかった。

【００７８】

【表１０】

【００７９】

【表１１】

【００８０】

【表１２】

【００８１】

【表１３】

【００８２】

【表１４】

【００８３】

【表１５】

【００８４】

【表１６】

【００８５】

【表１７】

【００８６】

【表１８】

【００８７】

【発明の効果】上述のごとく，本発明によれば，Ｐｂを
含有せず，かつ，従来のＰｂ含有快削鋼と同等以上の特
性を有する，被削性に優れ，強度異方性の小さい鉛無添
加の機械構造用鋼を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，ドリル深穴性の評価方
法を示す説明図。

【図２】実施形態例６における，本発明鋼Ｘ中の各元素
の像を示す図面代用写真。

【図３】実施形態例７における，本発明鋼Ｘを切削した
工具に付着した各元素の像を示す図面代用写真。

【図４】実施形態例７における，従来鋼Ｙを切削した工
具に付着した各元素の像を示す図面代用写真。

【図５】実施形態例７における，従来鋼Ｚを切削した工
具に付着した各元素の像を示す図面代用写真。

【符号の説明】

Ｔ₁，Ｔ₂．．．切削抵抗， ｔ．．．穿孔時間，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000003207 トヨタ自動車株式会社 愛知県豊田市トヨタ町１番地 (72)発明者 岩間 直樹 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知 製鋼株式会社内 (72)発明者 大脇 進 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知 製鋼株式会社内 (72)発明者 内山 雅夫 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知 製鋼株式会社内 (72)発明者 藤井 伊佐夫 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知 製鋼株式会社内 (72)発明者 西門 勝司 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知 製鋼株式会社内 (72)発明者 常陰 典正 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番 地 山陽特殊製鋼株式会社内 (72)発明者 小林 一博 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番 地 山陽特殊製鋼株式会社内 (72)発明者 大庫 和孝 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 内藤 国雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 森 元秀 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開2000−282169（ＪＰ，Ａ) 特開2000−87179（ＪＰ，Ａ) 特開2001−152280（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−59052（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−4934（ＪＰ，Ｂ１) 杉山信明，特殊製錬技術の最近の進 歩，第72，73回西山記念技術講座，日 本，社団法人日本鉄鋼協会，1981年２月 10日，３．電気炉製鋼と真空脱ガス法, Ｐ．67−78 小川兼広，最近の高純度鋼溶製技術の 進歩，第143，144回西山記念技術講座, 日本，社団法人日本鉄鋼協会，1992年４ 月30日，６．高純度鋼溶製のためのスラ グ製錬技術，Ｐ．137−171 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％において，Ｃ：０．１０〜０．６
   ５％，Ｓｉ：０．０３〜１．００％，Ｍｎ：０．３０〜
   ２．５０％，Ｓ：０．０３〜０．３５％，Ｃｒ：０．１
   〜２．０％，Ａｌ：０．００５％未満，Ｃａ：０．００
   ０５〜０．０２０％，Ｍｇ：０．０００３〜０．０２０
   ％を含有し，Ｏ：２０ｐｐｍ未満であり，残部Ｆｅおよ
   び不可避不純物からなり，かつ，連続鋳造により作製し
   たことを特徴とする，被削性に優れ，強度異方性の小さ
   い鉛無添加の機械構造用鋼。
2. 【請求項２】 請求項１において，さらにＭｏ：０．０
   ５〜１．００％，Ｎｉ：０．１〜３．５％，Ｖ：０．０
   １〜０．５０％，Ｎｂ：０．０１〜０．１０％，Ｔｉ：
   ０．０１〜０．１０％，Ｂ：０．０００５〜０．０１０
   ０％から選択した１種または２種以上を含有することを
   特徴とする，被削性に優れ，強度異方性の小さい鉛無添
   加の機械構造用鋼。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において，さらに，Ｂ
   ｉ：０．０１〜０．３０％，ＲＥＭ：０．００１〜０．
   １０％から選択した１種または２種を含有することを特
   徴とする，被削性に優れ，強度異方性の小さい鉛無添加
   の機械構造用鋼。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項において，
   硫化物系の介在物として（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓ，（Ｃａ，Ｍ
   ｇ，Ｍｎ）Ｓの１種または２種を含有することを特徴と
   する，被削性に優れ，強度異方性の小さい鉛無添加の機
   械構造用鋼。