本発明者らは、機械構造用鋼の低速での� ��続切削における被削性を向上させるべく、� ��々な角度から検討した。その結果、本発明� ��らは、CrおよびAlの含有量およびこれらの含 有量の比(前(1)式の関係)を適切に制御しつつ� ��学成分組成を適切に調整した機械構造用鋼� ��は、鋼の被削性(特に工具寿命)を向上でき� �ことを見出し、本発明を完成した。本発明� �規定される化学成分組成の範囲限定理由は� �の通りである。

 [C:0.05~1.2%]
 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。こうした効果を発揮させるためには、 C含有量は0.05%以上とする必要がある。しかし ながら、C含有量が過剰になると、硬さが上� �しすぎて、被削性や靭性が低下するので、1. 2%以下とする必要がある。尚、C含有量の好ま しい下限は0.15%であり、好ましい上限は0.5%で ある。

 [Si:0.03~2%]
 Siは、脱酸元素として鋼材の内部品質を向� �させるのに有効な元素であり、こうした効� �を有効に発揮させるためには、Si含有量は0.0 3%以上とする必要があり、好ましくは0.1%以上 とする。また1%以上のSiを多量に含有させた� �合には、工具保護膜生成に有効に作用する� �、Si含有量が過剰になると、浸炭時の異常組 織が生成したり、熱処理後(焼入れ後)の残留� ��ーステナイト(残留γ)量が増大して高硬度が 得られないので2%以下とする必要があり、好� ��しくは1.5%以下とする。

 [Mn:0.2~1.8%]
 Mnは、焼入れ性を向上させて鋼材の強度向� �のために有効な元素である。こうした効果� �有効に発揮させるためには、0.2%以上(好まし くは0.5%以上)含有させる必要がある。しかし� ��がら、Mn含有量が過剰になると、焼入れ性� �増大し過ぎて、焼きならし後でも過冷組織� �生成して被削性を低下させるので、1.8%以下( 好ましくは1.5%以下)とする必要がある。

 [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� �物)であり、熱間加工時の割れを助長するの� ��、できるだけ低減することが好ましい。そ� ��ためP量を、0.03%以下(より好ましくは0.02%以� ��、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:0.03%以下(0%を含まない)]
 Sは、被削性を向上させる元素であるが、過 剰に含有させると鋼材の延性・靭性を低下さ せるのでその上限を0.03%とする必要がある。� ��に、S含有量が過剰になると、Mnと反応してM nS介在物を形成し、この介在物が圧延時に圧� ��方向に伸展して、圧延直角方向の靭性(横目 の靭性)を劣化させる。但し、Sは、鋼に不可� ��的に含まれる不純物であり、その量を0%と� �ることは工業的に困難である。

 [Al:0.06~0.5%]
 Alは、強い脱酸元素であり、鋼材内部品質� �向上させるのに有効な元素である。またAlは 断続切削においても重要な元素であり、Alを� ��保することによって被削性を顕著に向上さ� ��ることになる。こうした効果を発揮させる� ��めには、Al含有量は0.06%以上とする必要があ る。好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.2%� ��上、更に好ましくは0.3%以上である。しかし ながら、Al含有量が過剰になると、鋼材中の� ��在物量が増大すると共に、熱処理後(焼入れ 後)の残留オーステナイト(残留γ)量が増大し� ��高硬度が得られなくなるので、0.5%以下とす る必要がある。

 [Cr:0.1~3%]
 Crは、鋼材の焼入性を高め、鋼材強度を高� �るために有効な元素である。またAlとの複合 添加によって、鋼材の断続切削性を高めるの に有効な元素である。こうした効果を発揮さ せるためには、Cr含有量は0.1%以上とする必要 がある。しかしながら、Cr含有量が過剰にな� ��と、粗大炭化物の生成或は過冷組織の発達� ��よって被削性を劣化させるので、3%以下と� �る必要がある。尚、Cr含有量の好ましい下限 は0.3%であり、より好ましくは0.7%以上である� ��また、Cr含有量の好ましい上限は2.0%であり� ��より好ましくは1.6%以下である。

 [N:0.004~0.025%]
 断続切削においては、工具に付着した鋼材� ��生面が急速に酸化するために工具の酸化摩� ��が進行するが、Nはこの反応を抑制して断続 切削による工具寿命を改善する効果を発揮す る。また、NはAlとAlNを形成して浸炭時におけ る結晶粒の異常成長の抑制、および熱処理時 の結晶粒の微細化にも効果を発揮する。これ らの効果を発揮させるためには、Nは0.004%以� �含有させる必要があり、好ましくは0.006%以� �含有させることが推奨される。しかしなが� �、N含有量が過剰になると、時効硬化によっ� ��、鋼材の延性・靭性を劣化させることにな� ��。こうしたことから、N含有量は、0.025%以下 とする必要があり、好ましくは0.020%以下(よ� �好ましくは0.015%以下)と定めた。

 [O:0.003%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、被削性や延性・靭性、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、0.003%(好ましくは0.002%) と定めた。

 [Ca:0.0005~0.02%および/またはMg:0.0001~0.005%]
 CaとMgは、アルミナ等の硬質介在物を軟質化 して工具摩耗を抑制する作用を発揮する。ま たCaは、MnSを球状化する作用によって、圧延� ��角方向の靭性向上に寄与する。こうした効� ��を発揮させるためには、Caを0.0005%以上、Mg� �0.0001%以上含有させる必要があるが、過剰に� ��有させると介在物量が増大することによっ� ��、延性・靭性が低下することになるので、C aを0.02%以下、Mgを0.005%以下とする必要がある� ��

 [固溶N:0.002%以上]
 本発明の機械構造用鋼においては、固溶状� ��のN(固溶N)を所定量確保することも重要な要 件である。従来では、鋼の被削性の観点から は、NをAlN等で固定してできるだけ少なく抑� �る方が良いとされてきた。しかしながら、� �発明者らが検討したところによれば、Nを一� ��固溶させることによって、被削性が更に改� ��されることが明らかになったのである。こ� ��した効果が発揮されるのは、Nがフェライト 中に固溶し、強度が上昇することによって、 フェライト相とその他の硬質相との硬度差が 低減され、切削時の切削抵抗の変動が抑えら れるためであると推定される。

 固溶Nによる上記の効果を発揮させるため には、その量は少なくとも0.002%以上確保する 必要があり、好ましくは0.0045%以上(より好ま� ��くは0.005%以上)である。固溶N量の上限につ� �ては、上記全N量によって自ずと決まってく� ��が、固溶N量が多くなると鋼材の強度が上昇 すると共に、靭性・延性が低下しはじめる。 こうしたことから、固溶N量は、0.02%以下とす ることが好ましく、より好ましくは0.015%以下 とする。

 尚、本発明における固溶Nの含有量は、JIS  G 1228に準拠して、線材中の全N量から全窒� �化合物中のN量を差し引いて求められる値で� ��る。この固溶Nの含有量の実用的な測定法を 以下に例示する。

 (a)不活性ガス融解法-熱伝導度法(全N量測定)
 供試材から切り出したサンプルをルツボに� ��れ、不活性ガス気流中で融解してNを抽出し 、抽出物を熱伝導度セルに搬送して熱伝導度 の変化を測定して全N量を求める。
 (b)アンモニア蒸留分離インドフェノール青� ��光光度法(全N化合物量の測定)
 供試材から切り出したサンプルを、10%AA系� �解液に溶解し、定電流電解を行って、鋼中� �全N化合物量を測定する。用いる10%AA系電解� �は、10%アセトン、10%塩化テトラメチルアン� �ニウム、残部メタノールからなる非水溶媒� �の電解液であり、鋼表面に不動態皮膜を生� �させない溶液である。

 供試材のサンプル約0.5gを、この10%AA系電解� ��に溶解させ、生成する不溶解残渣(窒化化合 物)を穴サイズが0.1μmのポリカーボネート製� �フィルタでろ過する。得られた不溶解残渣� �、硫酸、硫酸カリウムおよび純銅製チップ� �で加熱して分解し、分解物をろ液に合わせ� �。この溶液を、水酸化ナトリウムでアルカ� �性にした後、水蒸気蒸留を行い、留出した� �ンモニアを希硫酸に吸収させる。更に、フ� �ノール、次亜塩素酸ナトリウムおよびペン� �シアノニトロシル鉄(III)酸ナトリウムを加え て青色錯体を生成させ、吸光光度計を用いて 吸光度を測定して全化合物量を求める。
 (a)の方法によって求められた全N量から、(b) の方法によって求められた全N化合物量を差� �引いて固溶N量を求めることができる。

 [不可避的不純物]
 本発明の機械構造用鋼の基本成分組成は上� ��の通りであり、残部は実質的に鉄である。� ��し原料、資材、製造設備等の状況によって� ��ち込まれる不可避的不純物(例えば、Sn,As,H� �)が鋼中に含まれることは許容される。

 また、本発明の機械構造用鋼においては、C r,AlおよびOが下記(1)式の関係を満足している� ��要がある。下記(1)式を規定した理由につい� ��説明する。
 (0.1×[Cr]+[Al])/[O]≧150   …(1)
 但し、[Cr],[Al]および[O]は、それぞれCr,Alお� �びOの含有量(質量%)を示す。

 鋼中における硬質の酸化物は、切削中に� ��具/鋼材界面でのアブレシブ摩耗を引き起こ すと同時に、疲労強度の低下を招くことにな る。特に、本発明で課題としている低温域(� �ち、低速域)における断続切削においては、� ��具摩耗を支配する要因として、このアブレ� ��ブ摩耗の影響が大きい。また、断続切削に� ��いては、工具に付着した鋼材新生面が急速� ��酸化するために工具の酸化摩耗が促進され� ��ことになるが、鋼中の固溶Cr,Alが複合的に� �用することにより、アブレシブ摩耗による� �響を低減できる。

 高速での断続切削では、工具面上にAlを� �む酸化物主体のベラーグが生成することに� �って、工具摩耗が抑制されるが、低速にお� �る低温域での断続切削においては、こうし� �工具摩耗を引き起こす酸化を抑制すること� �必要となる。こうした知見の下で、本発明� �らが検討したところによれば、上記(1)式の� �係を満足したとき、低温での断続切削性が� �躍的に向上することが判明した。

 また、機械構造用鋼のなかで、特に肌焼� ��は通常浸炭処理を行うことにより表面を硬� ��するが、この処理の際に浸炭温度・時間、� ��熱速度等によって結晶粒の異常成長が発生� ��ることがある。Al含有量を通常よりも高く� �ることによって、こうした現象をも抑制す� �効果が発揮される。こうした効果は、Al含有 量を増加することによって、AlN析出物の粒子 間距離が小さくなることにより発揮されるも のと考えられる。こうした効果は浸炭以外の 熱処理(例えば、焼入れ・焼戻し)を施す場合� ��も有効であり、その結果として靭性向上に� ��与することになる。

 本発明の機械構造用鋼は、上記のように� ��学成分組成を適切に制御することによって� ��低速での断続切削性を向上し得たものであ� ��。本発明の機械構造用鋼は、必要に応じて� ��以下の選択元素を含有していても良い。含� ��される元素の種類に応じて、鋼材の特性が� ��に改善される。

 [Mo:1.0%以下(0%を含まない)]
 Moは、母材の焼入れ性を確保して、不完全� �入れ組織の生成を抑制するのに有効な元素� �あり、必要に応じて鋼に含有させてもよい� �こうした効果は、その含有量が増加するに� �れて増大するが、過剰に含有させると、焼� �ならし後でも過冷組織が生成して被削性を� �下させるので、1.0%以下とすることが好まし� ��。

 [Nb:0.15%以下(0%を含まない)]
 機械構造用鋼のなかで、特に肌焼鋼は通常� ��炭処理を行うことにより表面を硬化するが� ��この処理の際に浸炭温度・時間、加熱速度� ��によって、結晶粒の異常成長が発生する場� ��がある。Nbには、こうした現象を抑制する� �果がある。こうした効果は、Nb含有量を増加 するにつれて増大するが、過剰に含有させる と硬質の炭化物が生成して被削性が低下する ので、0.15%以下とすることが好ましい。

 [Ti,Zr,HfおよびTaよりなる群から選ばれる1種� ��上:合計で0.02%以下(0%を含まない)]
 Ti,Zr,HfおよびTaは、上記Nbと同様に、結晶粒� ��異常成長を抑制する効果があるので、必要� ��応じて鋼に含有させても良い。こうした効� ��は、これらの元素の含有量(1種または2種以� ��の合計量)が増加するにつれて増大するが、 過剰に含有させると硬質の炭化物が生成して 被削性が低下するので、合計で0.02%以下とす� ��ことが好ましい。

 [V:0.5%以下(0%を含まない),Cu:3%以下(0%を含ま� �い),Ni:3%以下(0%を含まない)およびB:0.005%以下( 0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以� �]
 これらの元素は、鋼材の焼入れ性を向上さ� ��て高強度化させるのに有効な元素であり、� ��要に応じて鋼に含有させても良い。こうし� ��効果は、これらの元素の含有量(1種または2� ��以上の合計量)が増加するにつれて増大する が、過剰に含有させると過冷組織が生成した り、延性・靭性が低下するので、それぞれ上 記した量まで含有させることが好ましい。

 本発明の鋼材は、固溶Nの含有量を所定量 確保することも重要な要件であるが、固溶N� �を確保するための条件について説明する。� �常の製造方法で鋼材を作製した場合には、Al 含有量が普通鋼と比較して高いために、高温 からAlNが析出し始めることになる。このとき 、NはAlによって固着されることになるので、 通常の製造方法では、固溶Nとして殆ど存在� �せることができない。また、AlNは、冷却に� �いそのサイズが増大するために、粗大AlNに� �る工具摩耗量(アブレシブ摩耗量)も増加する ことが考えられる。そこで、次に示すような 熱処理を施すことによって、所定量の固溶N� �確保することができる。またこうした熱処� �を施すことによりAlNも小さくなるので、ア� �レシブ摩耗の進行も抑制されるものと推定� �れる。

 本発明では、Nの固溶化処理として、鋼材 を1150℃以上に加熱した後、900~500℃の温度範� ��を0.8~4℃/秒の冷却速度で冷却するのが良い� ��鋼材の加熱温度は、上記の観点から少なく� ��も1150℃以上とする必要がある。しかしなが ら、この温度があまり高くなり過ぎると結晶 粒が粗大化しやすくなることによって、冷却 中に過冷組織が生成しやすくなり、被削性が 低下するので、1300℃程度以下とすることが� �ましい。尚、この加熱温度の好ましい下限� �1200℃以上であり、より好ましくは1250℃以上 である。

 上記の加熱の後は、900~500℃の温度範囲を 0.8~4℃/秒の冷却速度で冷却する必要がある。 上記温度範囲はAlNが形成する温度領域を意味 し、この温度範囲を0.8~4℃/秒の冷却速度で冷 却することによって、生成したAlNの粗大化を 防止することができる。但し、この冷却速度 があまり速くなり過ぎると、ベイナイトやマ ルテンサイト等の硬質相の生成割合が増加す ることによって鋼材の強度が上昇し、被削性 が低下するので、4℃/秒以下とする必要があ� ��。このときの冷却速度の好ましい下限は、0 .9℃/秒であり、より好ましくは1.0℃/秒以上� �ある。また、冷却速度の好ましい上限は3℃/ 秒であり、より好ましくは2.5℃/秒以下であ� �。

 尚、上記のような熱処理には、焼きなら� ��、熱間鍛造後の焼きならし等が想定される� ��、これらの工程を、上記で規定した加熱温� ��、冷却速度の条件を満足するように実施す� ��ば良い。