JP3489434B2 - 高強度快削非調質鋼材 - Google Patents
高強度快削非調質鋼材Info
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Description
材に関する。更に詳しくは、熱間加工後に焼入れ焼戻し
の調質処理を施さずとも優れた強度−被削性バランスを
有する、機械構造部品などの素材として好適な非調質鋼
材に関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来、高い引張強度と疲労強度(以下、
引張強度と疲労強度を単に「強度」という場合もある)
を必要とする機械構造部品などは、熱間加工で所定の形
状に粗加工し、次いで、切削加工によって所望形状に仕
上げた後、焼入れ焼戻しの調質処理を施すのが一般的で
あった。しかしこの調質処理には多くのエネルギーとコ
ストを費やす。そこで近年、省エネルギーの社会的要請
に応え、且つ、一方では低コスト化を図るために、熱間
加工のままで使用できる非調質鋼の開発が盛んに行われ
ている。 【0003】又、熱間加工後の切削加工を容易にする目
的から、被削性に優れた快削鋼に対する要求もますます
大きくなっている。 【0004】一般に鋼材の被削性は金属組織に大きく依
存し、フェライト・パーライト組織を有する鋼材の場合
には被削性が良好であり、フェライト・ベイナイト組織
やベイナイトあるいはマルテンサイトの単相組織の鋼材
にあっては被削性が悪いことが知られている。又、P
b、Te、Bi、Ca及びSなどの快削元素を単独ある
いは複合添加すれば被削性が向上することも周知の事実
である。したがって、従来は非調質鋼に前記の快削元素
を添加して熱間加工後の切削加工性を改善する方法が採
られてきた。しかし、非調質鋼に単に快削元素を添加し
ただけの場合には、所望の強度、なかでも疲労強度を確
保できないことが多い。 【0005】こうした状況の下、例えば、特開平2−1
11842号公報と特開平6−279849号公報に
は、鋼中のCを黒鉛として存在させ、この黒鉛の切欠き
並びに潤滑効果を利用することによって被削性を向上さ
せた「被削性、焼入性に優れた熱間圧延鋼材」と「被削
性に優れた機械構造用鋼の製造方法」がそれぞれ提案さ
れている。 【0006】しかし、特開平2−111842号公報に
提案された鋼材は、Bを添加しB窒化物(BN)を黒鉛
化の核として黒鉛化を促進させるものであって、Bの添
加が必須であるため凝固時に割れを生じ易いという問題
を含んでいる。一方、特開平6−279849号公報に
記載の方法は、Al添加とともに鋼中O(酸素)を低く
規制することで熱間圧延ままで黒鉛化を促進させるもの
であるが、熱間圧延後に黒鉛化焼なまし処理を施す必要
があるため、必ずしも経済的とはいえないものである。
更に、前記した2つの公報における提案はいずれも黒鉛
化を活用したものであるため、所定の形状に加工した機
械構造部品などに所望の機械的特性を付与するために
は、必ず焼入れ焼戻しの調質処理を施さねばならず、
「非調質化」と「高強度鋼の被削性の向上」を両立させ
たいとする産業界の要請には応えきれないものであっ
た。 【0007】鉄と鋼(vol.57(1971年)S4
84)には、脱酸調整快削鋼にTiを添加すれば被削性
が高まる場合のあることが報告されている。しかし、T
iの多量の添加はTiNが多量に生成されることもあっ
て工具摩耗を増大させ、被削性の点からは好ましくない
ことも述べられている。例えば、C:0.45%、S
i:0.29%、Mn:0.78%、P:0.017
%、S:0.041%、Al:0.006%、N:0.
0087%、Ti:0.228%、O:0.004%及
びCa:0.001%を含有する鋼では却ってドリル寿
命が低下して被削性が劣っている。このように、鋼に単
にTiを添加するだけでは被削性は向上するものではな
い。 【0008】又、硫黄快削鋼の硫化物形態制御の目的で
Zrが添加されることがあるが、例えば、鉄と鋼(vo
l.62(1976年)p.885)に記されているよ
うに、Zrは被削性に対してはほとんど影響を及ぼさな
い。つまり、鋼に単にZrを添加するだけでは被削性は
向上するものではない。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、通常の熱間加工と冷却の条件で、
それも焼戻しを含めて熱処理を行うことなく非調質のま
まで高い強度を有し、しかもその強度レベルで被削性が
良好な、つまり強度−被削性バランスに優れた機械構造
部品などの素材用として好適な鋼材を低コストで提供す
ることを目的とする。 【0010】 【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記に
示す高強度快削非調質鋼材にある。 【0011】 すなわち、「重量%で、C:0.2〜
0.6%、Si:0.05〜1.5%、Mn:0.4〜
2.0%、S:0.002〜0.2%、Ti:0〜1.
0%、Zr:0〜1.0%で、且つ、Ti(%)+Zr
(%):0.04〜1.0%、Ni:0.02〜0.5
%、Al:0.005〜0.05%、N:0.008%
以下、Cr:0〜2.0%、V:0〜0.3%、Nb:
0〜0.05%、Mo:0〜0.5%、W:0〜0.8
%、Cu:0〜1.0%、Nd:0〜0.1%、Pb:
0〜0.50%、Ca:0〜0.01%、Se:0〜
0.5%、Te:0〜0.05%及びBi:0〜0.4
%を含み、下記 (1) 式で表されるfn1が0%を超え、
残部はFe及び不可避不純物の化学組成で、更に鋼中の
Ti炭硫化物及びZr炭硫化物の最大直径が10μm以
下で、且つ、その量の和が清浄度で0.05%以上で、
組織の90%以上がフェライト・パーライト組織である
高強度快削非調質鋼材。 【0012】 fn1=Ti(%)+Zr(%)−1.
2S(%)・・・・・(1)」である。 【0013】なお、本発明でいう「Ti炭硫化物」には
単なるTi硫化物を、又、「Zr炭硫化物」には単なる
Zr硫化物をそれぞれ含むものとする。又、「(Ti及
びZrの炭硫化物の)最大直径」とは「個々のTi及び
Zrの炭硫化物における最も長い径」のことを指す。T
i炭硫化物の清浄度やZr炭硫化物の清浄度は、光学顕
微鏡の倍率を400倍として、JIS G 0555に規定された
「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」によって60視
野測定した値をいう。 【0014】フェライト・パーライト組織とは、フェラ
イトとパーライトとが混合した組織をいう。 【0015】本発明者らは、非調質鋼材の化学組成及び
組織について研究を重ねた結果、TiとZrの少なくと
もいずれかを添加した鋼を熱間加工した後、適正な冷却
速度で冷却して、その組織を主としてフェライト・パー
ライト組織からなるものにすれば、鋼材の被削性が飛躍
的に向上することを見いだした。そこで更に研究を続け
た結果、下記の事項を知見した。 【0016】(a)Sとのバランスを考慮して鋼にTi
とZrのいずれかを積極的に添加すると、鋼中にTi炭
硫化物あるいはZr炭硫化物が形成され、Ti及びZr
を添加すると、鋼中にはTi炭硫化物とZr炭硫化物と
が形成される。 【0017】(b)鋼中に上記したTi炭硫化物やZr
炭硫化物が生成すると、MnSの生成量が減少する。 【0018】(c)鋼中のS含有量が同じ場合には、T
i炭硫化物やZr炭硫化物はMnSよりも大きな被削性
改善効果を有する。これは、Ti炭硫化物やZr炭硫化
物の融点がMnSのそれよりも低いため、切削加工時に
工具のすくい面での潤滑作用が大きくなることに基づ
く。 【0019】(d)Ti炭硫化物やZr炭硫化物の効果
を充分発揮させるためには、N含有量を低く制限するこ
とが重要である。これは、N含有量が多いとTiNやZ
rNとしてTiやZrが固定されてしまい、Ti炭硫化
物やZr炭硫化物の生成が抑制されてしまうためであ
る。 【0020】(e)Ti炭硫化物やZr炭硫化物によっ
て被削性を高めるとともに大きな強度、特に、大きな疲
労強度を確保するためには、Ti炭硫化物やZr炭硫化
物のサイズと、その清浄度で表される量(以下、単に
「清浄度」という)を適正化しておくことが重要であ
る。 【0021】(f)製鋼時に生成したTi炭硫化物やZ
r炭硫化物は、通常の熱間加工のための加熱温度では基
地に固溶しない。 【0022】(g)N量を規制した鋼に適正量のTiや
Zrを含有させて熱間加工の条件を適正化すれば、主と
してフェライト・パーライトからなる組織のTSをそれ
ほど上げることなく、疲労強度を飛躍的に向上させるこ
とができる。これは、(イ)冷却中に微細なTiCやZ
rCが析出してフェライトが強化することと、(ロ)熱
間加工における加熱時に未固溶で存在するTi炭硫化
物、Zr炭硫化物、TiCやZrCによってオーステナ
イト粒の成長が抑制されることで微細な組織が得られ、
この組織の微細化によって強化することに基づくもので
ある。 【0023】本発明は上記の知見に基づいて完成された
ものである。 【0024】 【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。なお、化学成分の含有量の「%」は「重
量%」を意味する。 【0025】(A)鋼材の化学組成 C:Cは、SとともにTiやZrと結合してTi炭硫化
物やZr炭硫化物を形成し、被削性を高める作用を有す
る。Cは、鋼の強度を確保するのにも有効な元素であ
る。フェライト・パーライト組織の場合に、前記の効果
を確保するためにはCは0.2%以上の含有量を必要と
する。しかし、0.6%を超えて含有するとフェライト
・パーライト組織におけるフェライト相の体積率が低下
し、それに伴ってフェライト強化の効果が薄れて疲労強
度が低下するとともに硬いパーライト相により被削性も
劣化するようになる。したがって、Cの含有量を0.2
〜0.6%とした。なお、C含有量は0.25〜0.5
%とすることが好ましい。 【0026】Si:Siは、鋼の脱酸及びフェライト相
を強化する作用がある。更に、Si含有量の増加に伴い
切削時の切り屑表面の潤滑作用が高まって工具寿命が延
びるので、被削性を改善する作用も有する。しかし、そ
の含有量が0.05%未満では添加効果に乏しく、一
方、1.5%を超えると前記効果が飽和するばかりか却
って被削性が劣化するようになるので、その含有量を
0.05〜1.5%とした。なお、Siの好ましい含有
量は0.5〜1.3%である。 【0027】Mn:Mnは、固溶強化によって疲労強度
を向上させる効果がある。しかし、その含有量が0.4
%未満では所望の効果が得られず、2.0%を超えると
この効果が飽和するだけでなく、むしろ焼入れ性が高く
なりすぎてベイナイト組織あるいは島状マルテンサイト
組織の生成を促進し、降伏比(降伏強度/引張強度)が
低下するようになる。したがって、Mnの含有量を0.
4〜2.0%とした。なお、Mn含有量は0.5〜1.
7%とすることが好ましい。 【0028】S:Sは、CとともにTiやZrと結合し
てTi炭硫化物やZr炭硫化物を形成し、被削性を高め
る作用を有する。しかし、その含有量が0.002%未
満では所望の効果が得られない。一方、0.2%を超え
るとMnSが過剰且つ粗大に生成するのでTi炭硫化物
やZr炭硫化物による被削性向上効果は飽和し、更に、
疲労強度が低下してしまう。したがって、Sの含有量を
0.002〜0.2%とした。なお、S含有量は0.0
2〜0.17%とすることが好ましい。 【0029】Ti、Zr:Ti、Zrは本発明において
重要な元素であって、それぞれC及びSと結合してTi
炭硫化物やZr炭硫化物を形成し、被削性を高める作用
を有する。 【0030】 上記の効果は、TiとZrの含有量に関
し、Ti(%)+Zr(%)の値が0.04%以上の場
合に確実に得られる。しかし、Ti(%)+Zr(%)
の値で1.0%を超えるTiとZrを含有させても被削
性向上効果は飽和するのでコストが嵩んでしまう。な
お、Ti(%)+Zr(%)の値が0.04〜1.0%
でありさえすれば良いので、必ずしもTiとZrを複合
して含有させる必要はない。即ち、TiおよびZrは、
それぞれ0〜1.0%の範囲で、Ti(%)+Zr
(%)の値が0.04〜1.0%となるように含有され
れば良い。Zrを添加しない、つまりTiを単独で添加
する場合に、Tiを1.0%を超えて含有させるとTi
炭硫化物による被削性向上効果が飽和してコストが嵩む
ばかりとなる。更に、Ti炭硫化物が粗大化して疲労強
度の低下が生ずる。逆に、Tiを添加しない、つまりZ
rを単独で添加する場合に、Zrを1.0%を超えて含
有させるとZr炭硫化物による被削性向上効果が飽和し
てコストが嵩んでしまうし、Zr炭硫化物が粗大化して
疲労強度の低下を招くことにもなる。したがって、本発
明にあっては、TiとZrの含有量をいずれも0〜1.
0%で、且つ、Ti(%)+Zr(%)の値を0.04
〜1.0%とした。なお、安定して被削性を向上させる
ためには、TiとZrの含有量の上限はそれぞれ0.8
%とすることが好ましい。 【0031】Ni:Niは、鋼の靭性を高める作用を有
する。しかし、その含有量が0.02%未満では添加効
果に乏しい。一方、0.5%を超えて含有させても前記
の効果は飽和して経済性を損なう。したがって、Niの
含有量を0.02〜0.5%とした。Al:Alは、強
力な脱酸作用を持つ元素である。その効果を確保するた
めには0.005%以上の含有量を必要とする。しか
し、0.05%を超えて含有させてもその効果が飽和し
コストが嵩むばかりである。したがって、Alの含有量
を0.005〜0.05%とした。なお、Al含有量は
0.005〜0.04%とすることが好ましい。 【0032】 N: 本発明において、Nの含有量はできるだけ低い方が良
い。すなわち、NはTiやZrとの親和力が大きいため
に容易にTiやZrと結合してTiNやZrNを生成
し、TiやZrを固定してしまうので、Nを多量に含有
する場合には前記したTi炭硫化物やZr炭硫化物の被
削性向上効果が充分に発揮できないこととなる。特に、
TiやZrの含有量が低めの場合には、N含有量の影響
が顕著となる。更に、粗大なTiNやZrNは靱性を低
下させる。N含有量が0.008%以下で、且つ前述の
(1) 式で表されるfn1が正の値の場合に前記したTi
炭硫化物とZr炭硫化物の効果が確保される。したがっ
て、Nの含有量を0.008%以下とした。なお、Ti
炭硫化物とZr炭硫化物の効果を高めるために、N含有
量の上限は0.006%とすることが好ましい。 【0033】Cr:Crは添加しなくても良い。添加す
れば、固溶強化によって疲労強度を向上させる効果があ
る。この効果を確実に得るには、Crは0.03%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
2.0%を超えると前記の効果が飽和するだけでなく、
むしろ焼入れ性が高くなりすぎてベイナイト組織あるい
は島状マルテンサイト組織の生成を促進し、降伏比が低
下するようになる。したがって、Crの含有量を0〜
2.0%とした。なお、Crを添加する場合にはその含
有量を0.05〜1.5%とすることがより好ましい。 【0034】V:Vは添加しなくても良い。添加すれ
ば、微細な窒化物や炭窒化物として析出し、鋼の強度、
特に疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を確
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0.3%を超えると
析出物が粗大化するので前記の効果が飽和したり、却っ
て低下したりする。更に、原料コストも嵩むばかりであ
る。したがって、Vの含有量を0〜0.3%とした。 【0035】Nb:Nbは添加しなくても良い。添加す
れば、微細な窒化物や炭窒化物として析出し、オ−ステ
ナイト粒の粗大化を防止するとともに、鋼の強度、特に
疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を確実に
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0.05%を超える
と前記の効果が飽和するばかりか、粗大な窒化物が生じ
て工具を損傷し、被削性の低下を招く。したがって、N
bの含有量を0〜0.05%とした。 【0036】Mo:0〜0.5%Moは添加しなくても
良い。添加すれば、フェライト・パーライト組織を微細
化して鋼の強度、特に疲労強度を向上させる効果を有す
る。この効果を確実に得るには、Moの含有量は0.0
5%以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が
0.5%を超えると熱間加工後の組織が却って異常粗大
化し、疲労強度が低下してしまう。このため、Moの含
有量を0〜0.5%とした。 【0037】W:Wは添加しなくても良い。添加すれ
ば、フェライト・パーライト組織を微細化して鋼の強
度、特に疲労強度を向上させる効果を有する。この効果
を確実に得るには、Wの含有量は0.05%以上とする
ことが好ましい。しかし、その含有量が0.8%を超え
ると熱間加工後の組織が却って異常粗大化し、疲労強度
が低下してしまう。このため、Wの含有量を0〜0.8
%とした。 【0038】Cu:0〜1.0%Cuは添加しなくても
良い。添加すれば、析出強化により鋼の強度、特に疲労
強度を向上させる効果を有する。この効果を確実に得る
には、Cuは0.2%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1.0%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の
効果が飽和したり却って低下したりする。更に、コスト
も嵩むばかりである。したがって、Cuの含有量を0〜
1.0%とした。 【0039】Nd:Ndは添加しなくても良い。添加す
れば、Nd2S3としてチップブレーカーの作用を有し被
削性を向上させる効果を有する。更に、Nd2S3が溶鋼
の比較的高温域で微細に分散して生成することにともな
って、MnSを微細に分散析出させてフェライト生成核
密度を高め、フェライト量を増加させるとともにフェラ
イト粒を微細化して、微細なフェライト・パーライト組
織として鋼を高強度・高靭性化する効果もある。前記の
効果を確実に得るには、Nd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Nd2S3自体が粗大化して却って疲労強度
の低下をきたす。したがって、Ndの含有量を0〜0.
1%とした。なお、Nd含有量の好ましい上限値は0.
08%である。 【0040】Pb:Pbは添加しなくても良い。添加す
れば、鋼の被削性、なかでも切り屑処理性を一段と高め
る作用がある。この効果を確実に得るには、Pb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0.50%を超えると前記の効果が飽和する
ばかりか、却って粗大介在物を生成して疲労強度の低下
をきたす。更に、Pbの多量の添加は熱間加工性の劣化
を招き、特に含有量が0.50%を超えると熱間加工し
た鋼材の表面に疵が生じてしまう。したがって、Pbの
含有量を0〜0.50%とした。 【0041】Ca:Caは添加しなくても良い。添加す
れば、鋼の被削性を大きく高める作用がある。この効果
を確実に得るには、Caは0.001%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0.01%
を超えると前記の効果が飽和するばかりか、却って粗大
介在物を生成して疲労強度の低下をきたす。したがっ
て、Caの含有量を0〜0.01%とした。 【0042】Se:Seは添加しなくても良い。添加す
れば、鋼の被削性を一段と向上させる効果を有する。こ
の効果を確実に得るには、Seは0.1%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、却って粗大
介在物を生成して疲労強度の低下をきたす。したがっ
て、Seの含有量を0〜0.5%とした。 【0043】Te:Teも添加しなくても良い。添加す
れば、鋼の被削性を一段と高める効果を有する。この効
果を確実に得るには、Te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0.05
%を超えると前記の効果が飽和するばかりか、却って粗
大介在物を生成して疲労強度の低下をもたらす。更に、
Teの多量の添加は熱間加工性の著しい劣化を招き、特
に含有量が0.05%を超えると熱間加工した鋼材の表
面に疵が生じてしまう。したがって、Teの含有量を0
〜0.05%とした。 【0044】Bi:Biは添加しなくても良い。添加す
れば、鋼の被削性を大きく向上させる効果を有する。こ
の効果を確実に得るには、Bi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0.4
%を超えると前記の効果が飽和するばかりか、却って粗
大介在物を生成して疲労強度の低下をきたす。更に、熱
間加工性が劣化するので、熱間加工した鋼材の表面に疵
が生じてしまう。したがって、Biの含有量を0〜0.
4%とした。 【0045】 fn1: N含有量が0.008%以下で、前述の(1) 式で表され
るfn1が0%を超える値(fn1=Ti(%)+Zr
(%)−1.2S(%)>0%)の場合に前記したTi
炭硫化物とZr炭硫化物の被削性向上効果が確保でき
る。fn1が0%以下の値(fn1≦0%)の場合に
は、S量が過剰となるため、その分MnSが過剰生成し
てTi炭硫化物とZr炭硫化物による被削性向上効果が
低下してしまう。したがって、本発明では(1) 式で表さ
れるfn1に関して0%を超える値(fn1>0%)と
規定した。このfn1の値の上限は特に規定されるもの
ではなく、Ti(%)+Zr(%)の値が1.0%でS
が0.002%の場合の値であっても良い。 【0046】なお、Pは粒界偏析を起こして靭性を著し
く劣化させるので、本発明鋼中の不純物元素としてのP
は、鋼の靭性確保の点から0.05%以下とすることが
好ましい。 【0047】(B)Ti炭硫化物、Zr炭硫化物のサイ
ズと量 上記の化学組成を有する非調質鋼材の被削性をTi炭硫
化物やZr炭硫化物によって高めるとともに大きな強度
をも確保するためには、Ti炭硫化物やZr炭硫化物の
サイズと清浄度(TiとZrを複合添加する場合にはT
i炭硫化物とZr炭硫化物の清浄度の和)で表される量
を適正化しておくことが重要である。 【0048】鋼中のTi炭硫化物及びZr炭硫化物の最
大直径が10μmを超えると靭性が低下してしまう。な
お、Ti炭硫化物及びZr炭硫化物の最大直径はいずれ
も7μm以下とすることが好ましい。Ti炭硫化物とZ
r炭硫化物は、それらの最大直径が小さすぎると被削性
向上効果が小さくなってしまう。したがって、Ti炭硫
化物とZr炭硫化物の最大直径の下限値は0.5μm程
度とすることが好ましい。 【0049】最大直径が10μm以下のTi炭硫化物及
びZr炭硫化物の量の和が清浄度で0.05%未満の場
合には、Ti炭硫化物及びZr炭硫化物による被削性向
上効果が発揮できない。したがって、Ti炭硫化物及び
Zr炭硫化物の最大直径が10μm以下で、且つその量
の和を清浄度で0.05%以上とした。なお、前記の清
浄度の和は0.08%以上とすることが好ましい。上記
のTi炭硫化物とZr炭硫化物の清浄度の和の値が大き
すぎると靭性が低下してしまうので、上記の清浄度の和
の上限値は2.0%程度とすることが好ましい。 【0050】上記したようなTi炭硫化物とZr炭硫化
物の形態は基本的にはTi、Zr、S及びNの含有量で
決定される。しかし、Ti炭硫化物やZr炭硫化物のサ
イズと清浄度(清浄度の和)を上述の値とするために
は、TiやZrの酸化物が過剰に生成することを防ぐこ
とが重要である。このためには、鋼が前記(A)項で述
べた化学組成を有しているだけでは充分でない場合があ
るので、例えば、Si及びAlで充分脱酸し、最後にT
iやZrを添加する製鋼法を採れば良い。 【0051】なお、Ti炭硫化物とZr炭硫化物は、鋼
材から採取した試験片を鏡面研磨し、その研磨面を被検
面として倍率400倍以上で光学顕微鏡観察すれば、色
と形状から容易に他の介在物と識別できる。すなわち、
前記の条件で光学顕微鏡観察すれば、Ti炭硫化物及び
Zr炭硫化物の「色」は極めて薄い灰色で、「形状」は
JISのB系介在物やC系介在物に相当する粒状(球
状)として認められる。Ti炭硫化物及びZr炭硫化物
の詳細判定は、前記の被検面をEDX(エネルギー分散
型X線分析装置)などの分析機能を備えた電子顕微鏡で
観察することによって行うこともできる。 【0052】前記のTi炭硫化物やZr炭硫化物の清浄
度は、既に述べたように、光学顕微鏡の倍率を400倍
として、JIS G 0555に規定された「鋼の非金属介在物の
顕微鏡試験方法」によって60視野測定した値をいう。
なお、Ti炭硫化物やZr炭硫化物の最大直径も、倍率
が400倍の光学顕微鏡で60視野観察して調査すれば
良い。 【0053】又、既に述べたように、製鋼時に生成した
Ti炭硫化物やZr炭硫化物は、通常の熱間加工のため
の加熱温度では基地に固溶しない。したがって、オース
テナイト領域において所謂「ピン止め作用」が発揮され
るので、オーステナイト粒の粗大化防止にも有効であ
る。 【0054】(C)鋼材の組織 前記(A)項に記した化学組成、並びに、(B)項に記
したサイズ及び量(清浄度)のTi炭硫化物やZr炭硫
化物を有する非調質鋼材であっても、熱間加工後に常温
(室温)まで冷却した時、その組織がベイナイトやマル
テンサイトといった所謂「低温変態生成物」からなるも
のでは、被削性が劣化する場合がある。更に、熱間加工
後の冷却過程で、変態歪による曲がりが生じるため曲が
り取りの矯正工程が必要となりコストアップにつなが
る。したがって、良好な被削性を得るとともに変態歪を
小さくするためには鋼材の主な組織を、フェライト・パ
ーライト組織としなければならない。なお、組織中に占
める上記の「低温変態生成物」の割合が10%未満であ
れば、前記した被削性の劣化や変態歪による曲がりや残
留応力の発生は大きな問題にはならない。したがって、
本発明においては、組織の90%以上をフェライト・パ
ーライトからなるように規定した。そのための製造方法
としては例えば、鋼片を1050〜1300℃に加熱し
てから、例えば熱間鍛造などの熱間加工を行い、900
℃以上の温度で仕上げた後60℃/分以下の冷却速度
で、少なくとも500℃まで空冷あるいは放冷する処理
がある。なお、前記(A)の化学組成は熱間加工後に鋼
材を上記の条件で冷却すれば、組織中に10%を超える
「低温変態生成物」が生成しないように配慮されたもの
である。 【0055】ところで、フェライト・パーライト組織に
おけるフェライトの体積分率が20〜70%で、且つフ
ェライトの結晶粒度がJIS粒度番号5以上の場合、特
に強度が優れたものとなる。 【0056】 【実施例】表1〜3に示す化学組成の鋼を150kg真
空溶解炉を用いて溶製した。なお、Ti酸化物及びZr
酸化物の生成を防ぐために、Si及びAlで充分脱酸し
種々の元素を添加した最後にTiとZrを添加して、T
i炭硫化物とZr炭硫化物のサイズと清浄度(清浄度の
和)を調整するようにした。 【0057】表1〜3における鋼1〜5、鋼15〜2
0、鋼27〜31及び鋼37〜46は化学組成が本発明
で規定する範囲内にある本発明例の鋼であり、鋼6〜1
4、鋼21〜26及び鋼32〜36はその成分のいずれ
かが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の
鋼である。 【0058】 【表1】【0059】 【表2】【0060】 【表3】【0061】次いで、これらの鋼を1250℃に加熱し
てから1000℃で仕上げる熱間鍛造を行って直径60
mmの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後の冷却条件を
冷却速度が5〜35℃/分となるように空冷又は放冷し
て400℃まで冷却し、その後はミスト冷却した。 【0062】こうして得られた丸棒の表面から15mm
の位置(R/2部位置、Rは丸棒の半径)から、JIS
14A号の引張試験片、小野式回転曲げ試験片(平行部
の直径が8mmでその長さが18.4mm)を採取し、
室温での引張強度と疲労強度(疲労限度)を調査した。
又、JIS G 0555の図3に則って試験片を採取し、鏡面研
磨した幅が15mmで高さが20mmの被検面を、倍率
が400倍の光学顕微鏡で60視野観察して、Ti炭硫
化物及びZr炭硫化物を他の介在物と区分しながらその
清浄度(清浄度の和)も測定した。Ti炭硫化物及びZ
r炭硫化物の最大直径も、倍率が400倍の光学顕微鏡
で60視野観察して調査した。 【0063】ドリル穿孔試験による被削性の評価も行っ
た。すなわち、直径60mmの丸棒を25mmの長さの
輪切りにしたものを用いてその長さ方向に貫通孔をあ
け、刃先摩損により穿孔不能となった時の貫通孔の個数
を数え、被削性の評価を行った。穿孔条件はJIS高速
度工具鋼SKH51のφ5mmテーパードリルを使用
し、水溶性の潤滑剤を用いて、送り0.20mm/re
v、回転数980rpmで行った。 【0064】表4、表5に、上記の各種試験の結果を示
す。なお、表の組織欄の「Ti、Zr炭硫化物」とした
部分において、TiとZrとを複合添加した場合には
「最大直径」はいずれか大きい方の炭硫化物の値であ
り、清浄度は清浄度の和を意味する。 【0065】 【表4】 【0066】 【表5】 【0067】表4、表5から、本発明例の鋼は高い強度
(引張強度と疲労強度)を有し、しかもその強度レベル
での被削性が良好である、つまり強度−被削性バランス
に優れていることが明らかである。 【0068】これに対して比較例の鋼の場合には、疲労
強度、被削性(貫通孔の数)のうちのいずれか、あるい
は双方の特性が劣っている。 【0069】 【発明の効果】本発明の快削非調質鋼材は優れた強度−
被削性バランスを有するので、機械構造部品などの素材
として利用することができる。この高強度快削非調質鋼
材は比較的容易に低コストで製造することができる。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】重量%で、C:0.2〜0.6%、Si:
0.05〜1.5%、Mn:0.4〜2.0%、S:
0.002〜0.2%、Ti:0〜1.0%、Zr:0
〜1.0%で、且つ、Ti(%)+Zr(%):0.0
4〜1.0%、Ni:0.02〜0.5%、Al:0.
005〜0.05%、N:0.008%以下、Cr:0
〜2.0%、V:0〜0.3%、Nb:0〜0.05
%、Mo:0〜0.5%、W:0〜0.8%、Cu:0
〜1.0%、Nd:0〜0.1%、Pb:0〜0.50
%、Ca:0〜0.01%、Se:0〜0.5%、T
e:0〜0.05%及びBi:0〜0.4%を含み、下
記 (1) 式で表されるfn1が0%を超え、残部はFe及
び不可避不純物の化学組成で、更に鋼中のTi炭硫化物
及びZr炭硫化物の最大直径が10μm以下で、且つ、
その量の和が清浄度で0.05%以上で、組織の90%
以上がフェライト・パーライト組織である高強度快削非
調質鋼材。 fn1=Ti(%)+Zr(%)−1.2S(%)・・・・・(1)
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