JP5370073B2

JP5370073B2 - 機械構造用合金鋼鋼材

Info

Publication number: JP5370073B2
Application number: JP2009245499A
Authority: JP
Inventors: 宏二渡里; 秀樹今高
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP2011089189A

Description

本発明は、機械構造用合金鋼鋼材に関し、詳しくは、疲労強度に優れるとともに、切削加工時の工具のチッピングが発生しにくい機械構造用合金鋼鋼材に関する。より詳しくは、本発明は、疲労強度に優れるとともに、例えば、産業機械、自動車などに用いるギヤ、シャフトなどの部品製造の際の切削加工用工具、なかでも、超硬工具に対して、優れた被削性、特に工具のチッピングが発生しにくいフェライト・パーライト組織を有する機械構造用合金鋼鋼材に関する。以下、切削加工用工具のチッピングが発生しにくいことを、耐チッピング性に優れるという。

産業機械、自動車などの部品のなかで、例えばギヤなどの素材鋼としては、ＪＩＳに規定されたクロム鋼であるＳＣｒ４２０鋼、クロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４２０鋼などに代表される機械構造用合金鋼が広く用いられている。

これらの鋼は、多くの場合、圧延によって棒鋼に加工され、ついで、焼準、焼鈍などの熱処理を施されて硬さや組織などが調整され、さらに鍛造などによって製品形状に近い状態にまで塑性加工された後、切削工程により所定の形状に加工される。その後、必要とされる特性に応じて浸炭などの表面処理を施され、さらに、仕上げのための研削加工などを受けて最終部品となる。

上記工程のなかでも特に切削工程の生産能率向上のために、鋼には優れた被削性を有していることが強く望まれる。

一般に「被削性に優れる」ということは、
・切削時に使用する工具の寿命が長いこと、
・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。

切削工程において無人化や自動化が進むと、上記のうちでも特に工具寿命が長く、かつその長寿命が安定して得られることが重要となってくる。

例えば、耐工具摩耗性が確保されていても、「チッピング」と称される、何らかの要因で突発的に工具の刃先が欠ける現象が生じると、製品の切削面や研削面の仕上げ精度が低下することに加えて歩留まりが低下するなど極めて重要な問題となる。

被削性の向上に対しては、主に切削方法（切削条件、工具材質、工具形状など）の適正化で対応されることが多い。しかしながら、被削性は鋼材そのものの特性に支配される場合もあり、特に、長い工具寿命を安定して確保できることは、鋼材の被削性の向上という点からも重要な課題となっている。

一般に、鋼材の被削性はＰｂの添加により向上することがよく知られている。しかしながら、Ｐｂの添加は、鋼材価格の上昇を伴うばかりでなく、環境汚染を招く懸念がある。そこで、Ｐｂを添加せずに鋼材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、硫化物系介在物であるＭｎＳの活用による被削性改善技術であり、多くの検討がなされ、実用化されているものもある。

しかし、機械構造用合金鋼鋼材に関しては、その生産上の特徴から冷間鍛造を実施する場合があり、その際、ＭｎＳが割れの起点になることもある。また、ギヤなどはピッチング強度などに代表される疲労特性に優れることが必要であり、介在物は疲労破壊の起点となる場合がある。そのため、Ｓを多量に添加することを避ける場合が多い。

このように機械構造用合金鋼鋼材においては、介在物を積極的に活用せずに被削性を改善させることが強く望まれている。

なお、ＭｎＳの活用も含め機械構造用合金鋼鋼材の被削性を改善する技術が、例えば、特許文献１〜３に提案されている。

具体的には、特許文献１に、Ｃ：０．０３〜０．２５％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．５５〜３．００％、Ｃｒ：０．３０〜１．５０％、Ｓ：０．０３５％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０１５〜０．０６％およびＮ：０．００４％超え０．０３％以下を含有し、さらに必要に応じて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃａ、ＺｒおよびＴｅのうちの１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（１／２０）Ｓｉ＋（１／２０）Ｍｎ＋（１／２０）Ｃｒ＋（１／２５）Ｍｏ＋（３３／１００）Ｖ（％）で表わされるＣｅｑが０．５０％以下で、かつ〔表面硬化処理後の表面Ｃ（％）〕×Ｃｒ（％）≦１．２であることを特徴とする「肌焼鋼」が提案されている。

特許文献２には、化学成分組成が、質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０６％以下およびＮ：０．０３％以下に加えて、Ｃｒ：３％以下、Ｍｏ：１．５％以下およびＶ：１．５％以下のうちの１種以上を含有し、さらに必要に応じて、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｚｒ、ＰｂおよびＢのうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、（フェライト＋パーライト）の面積率が７５％以上であり、かつフェライトの平均粒径が４０μｍ以下およびパーライトの平均粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする「冷間鍛造用肌焼鋼」が提案されている。

特許文献３には、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．３５％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｓ：０．００３〜０．３０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５％およびＮ：０．０１０〜０．０２５％を含有し、さらに必要に応じて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、ＣａおよびＳｅのうちの１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる鋼において、８４０〜９３０℃に加熱し、７３０〜６５０℃の温度区間を徐冷温度域として１５〜５０℃／ｈの冷却速度で冷却することを特徴とするフェライトおよびパーライトの２相組織からなり「冷間加工性および結晶粒度特性に優れた肌焼鋼の製造方法」が提案されている。

特開平７−１７９９９０号公報特開平１１−１２６８４号公報特開平２００２−１４６４３８号公報

前述の特許文献１で開示された鋼は、ハイス工具によるホブ加工時の工具摩耗量という意味では被削性に優れているかもしれないが、Ｃ、Ｓｉ、ＳおよびＣｒ含有量が適切でなく、超硬工具を用いた場合の耐チッピング性ということでは、優れた工具寿命を有しているとはいえるものではなく、また、優れた被削性と良好な疲労強度を両立できるという点でも十分とはいえなかった。

特許文献２に開示されている鋼は、冷間鍛造後に浸炭処理を行うことを前提としたものであり、球状化焼鈍処理の迅速化が達成できて冷間鍛造性に優れるものの、切削加工した場合に長い工具寿命を維持できるという点では、満足できるものでなかった。

特許文献３に開示された方法で製造された鋼は、冷間加工後に浸炭処理を行うことを前提としているものであり、浸炭時の混粒発生はしにくいものの、切削加工中の工具のチッピングを必ずしも抑制できるものではなく、安定した被削性を有するといえるものではなかった。
上述のように、従来提案されている機械構造用合金鋼鋼材はいずれも、良好な疲労強度と優れた被削性、特に耐チッピング性とを両立できるものではなかった。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、高い疲労強度を有するとともに、被削性、なかでも、耐チッピング性に優れ安定した工具寿命を確保させることができる機械構造用合金鋼鋼材を提供することを目的とする。

機械構造用合金鋼鋼材の被削性のうちで、特に、工具寿命については、熱処理による硬さの調整で工具摩耗を抑制できることはよく知られている。しかしながら、突発的に発生する工具刃先の欠け（チッピング）の抑制に関する検討はあまりなされていない。

そこで本発明者らは、機械構造用合金鋼鋼材の耐チッピング性を改善するため、鋼材の機械的特性、合金成分およびミクロ組織と被削性との関係を詳細に調査した。その結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。

（ａ）硬さが同等の鋼材におけるチッピングの発生は、切削加工中の切削抵抗の主分力の変動幅と相関を有する。すなわち、図１および図２に示すように、主分力の変動幅が小さい場合（図１）にはチッピングは発生せず、主分力の変動幅が大きい場合（図２）にチッピングが発生する。このことから、切削抵抗の主分力の変動幅が大きくなることによって刃先への繰り返しの負荷が増大されてチッピングに至ることが判明した。なお、上記の切削抵抗の主分力の変動幅はデータのバラツキとして標準偏差σで表現することができる。

（ｂ）切削加工中の切削抵抗の主分力の変動幅を小さくするためには、鋼材の主たる組織がフェライトとパーライトで形成されるいわゆる「フェライト・パーライト組織」であるのがよく、しかも、引張特性における降伏比（０．２％耐力／引張強さ）が小さい方がよい。これはフェライトの硬さが低いことが有効であることを意味し、切りくず形成時に連続して起こるせん断歪みがフェライトに集中することで切削抵抗が安定化するものと考えられる。

（ｃ）Ｓｉは、従来からフェライト強化元素として知られているが、Ｓｉの含有量を増やしても適正な熱処理条件を選択することで降伏比が低下することが判明した。

（ｄ）一方、組織に占めるフェライトの割合が多すぎると、鋼材の延性が大きくなりすぎ、切削加工中に工具への鋼材の凝着が進みやすくなる。そして、切削加工中の凝着物の生成脱落の繰り返しによって、耐チッピング性が損なわれることになる。したがって、組織に占めるフェライトの割合は、高ければよいわけではなく、制限する必要がある。

そこでさらに、本発明者らは、合金成分、鋼材の組織を種々変更し、切削抵抗の変動と降伏比の関係を調査した。その結果、図３に一例を示すように、降伏比が０．６３以下の場合には切削加工中の切削抵抗の主分力の変動幅（標準偏差σ）が抑えられていることが判明した。

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）に示す機械構造用合金鋼鋼材にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１５以上で０．５０％未満、Ｍｎ：０．７０〜１．３０％、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：１．２５％を超えて１．８０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％およびＮ：０．０１０〜０．０２５％を含み、かつ下記の（１）式で表されるｆｎ１の範囲が１．５０〜１．８５であり、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＰおよびＯ（酸素）がそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下およびＯ：０．００２０％以下であり、さらに組織の９５％以上がフェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が４０〜６０％であることを特徴とする機械構造用合金鋼鋼材。
ｆｎ１＝Ｓｉ＋Ｃｒ・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。

（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．５０％以下およびＮｉ：０．２０％以下のうちの１種以上を含有するとともに、下記の（２）式で表されるｆｎ２の範囲が１．３０以下であることを特徴とする上記（１）に記載の機械構造用合金鋼鋼材。
ｆｎ２＝Ｍｎ＋Ｍｏ＋Ｎｉ・・・（２）
ただし、（２）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。

（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．０５０％以下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合金鋼鋼材。

（４）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．００５０％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合金鋼鋼材。

なお、残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石やスクラップあるいは環境などから混入するものを指す。

「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の混合組織を指す。

「組織に占めるフェライトの割合」における「フェライト」にはパーライトを構成するフェライトは含まない。

組織に占める「フェライト・パーライト組織」および「フェライト」の割合は、面積率を指す。

本発明の機械構造用合金鋼鋼材は、ＭｎＳなどの介在物を積極的に活用しないにもかかわらず被削性に優れており、さらに、疲労強度にも優れている。特に、機械構造用合金鋼鋼材の対象部品に代表されるギヤなどの切削加工を必要とする部品の素材としてこの鋼材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。

切削加工中の切削抵抗測定結果を示す図で、切削加工中の主分力の変動幅が小さくチッピングを生じなかった場合について説明する図である。切削加工中の切削抵抗測定結果を示す図で、切削加工中の主分力の変動幅が大きくチッピングを生じた場合について説明する図である。切削加工中の主分力の変動幅に及ぼす降伏比の影響を示す図である。実施例で用いた切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片の熱処理材から切り出したままの形状を示す図である。実施例における「浸炭焼入−焼戻し」のヒートパターンを示す図である。実施例の小野式回転曲げ疲労試験で用いた切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片の形状を示す図である。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

（Ａ）鋼材の化学組成について：
Ｃ：０．１５〜０．２５％
Ｃは、ギヤなど機械構造部品の芯部（生地）の強度確保のために必須の元素であり、０．１５％以上の含有量が必要である。また、Ｃの含有量が、０．１５％を下回ると、鋼材の組織に占めるフェライト面積率が過剰になることにより、耐チッピング性が低下する。しかしながら、Ｃの含有量が多すぎると硬さが大きくなって摩耗による工具寿命の低下を招き、特に、その含有量が０．２５％を超えると、硬さ上昇に伴う工具寿命の低下が著しくなる。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．２５％とした。なお、Ｃの含有量は０．１７％以上、０．２３％以下であることが好ましい。

Ｓｉ：０．１５％以上で０．５０％未満
Ｓｉは、本発明において重要な元素の一つであり、耐チッピング性を向上させる作用を有する。すなわち、Ｓｉは、含有量の増加とともに引張強さが上昇することで切削抵抗の平均値は高くなるが、一方で降伏比の上昇を防ぐ作用があり、この結果切削抵抗の変動幅を大きく抑制する効果がある。切削抵抗の平均値の上昇効果に比べて、切削抵抗の変動幅の抑制効果が大きいため、耐チッピング性を大幅に向上させる。この効果を得るには、０．１５％以上のＳｉを含有する必要がある。しかしながら、Ｓｉの含有量が０．５０％以上になると硬さが高くなり、切削抵抗そのものが高くなりすぎることで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。加えて、浸炭部品の場合には、浸炭による粒界酸化層の生成が促進されて疲労強度も低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．１５％以上で０．５０％未満とした。

より良好な被削性が要求される場合には、Ｓｉの含有量は０．２５％以上であることが好ましく、０．３０％を超えれば一層好ましい。

なお、Ｓｉの含有量は上記の範囲において、前記の（１）式で表されるｆｎ１が１．５０≦ｆｎ１≦１．８５も満たす必要がある。

Ｍｎ：０．７０〜１．３０％
Ｍｎは、ギヤなど機械構造部品の強度を確保するために必要である。Ｍｎには、浸炭時の焼入性を向上させる作用もある。これらの効果を得るには、０．７０％以上のＭｎ含有量が必要である。しかしながら、Ｍｎの含有量が１．３０％を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、Ｍｎの含有量を０．７０〜１．３０％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．７５％以上、１．２５％以下であることが好ましい。

なお、Ｍｏ：０．５０％以下およびＮｉ：０．２０％以下のうちの１種以上も含む場合には、Ｍｎの含有量は上記の範囲において、前記の（２）式で表されるｆｎ２が１．３０以下を満たせばよい。

Ｓ：０．０１５％以下
Ｓは、鋼に含有される不純物である。また、Ｓは含有させると、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性を向上させる作用がある。しかしながら、Ｓの含有量が０．０１５％を超えると粗大なＭｎＳを形成して、生産性の面で熱間加工性および冷間鍛造性が低下し、さらに、機械構造部品として要求される耐疲労特性（曲げ疲労強度、ピッチング強度など）が低下する。したがって、Ｓの含有量を０．０１５％以下とした。

Ｃｒ：１．２５％を超えて１．８０％以下
Ｃｒは、Ｓｉと同様に本発明において重要な元素の一つであり、浸炭時の焼入性を向上させる効果がある。Ｃｒには、耐チッピング性を向上させる作用もある。すなわち、Ｃｒは、含有量の増加とともに引張強さが上昇することで切削抵抗の平均値は高くなるが、一方で降伏比の上昇を防ぐ作用があり、この結果切削抵抗の変動幅を大きく抑制する効果がある。切削抵抗の平均値の上昇効果に比べて、切削抵抗の変動幅の抑制効果が大きいため、耐チッピング性を大幅に向上させる。この効果を得るには、Ｃｒを１．２５％を超えて含有する必要がある。しかしながら、Ｃｒの含有量が１．８０％を超えると硬さが高くなり、切削抵抗そのものが高くなりすぎることで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、Ｃｒの含有量を１．２５％を超えて１．８０％以下とした。

より一層良好な被削性が要求される場合には、Ｃｒの含有量は１．４０％以上であることが好ましく、１．６５％以下であることが好ましい。

なお、Ｃｒの含有量は上記の範囲において、前記の（１）式で表されるｆｎ１が１．５０≦ｆｎ１≦１．８５も満たす必要がある。

Ａｌ：０．００５〜０．０３５％
Ａｌは、脱酸作用を有する。また、Ａｌには、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、結晶粒を微細化して鋼を強化する作用もある。しかしながら、Ａｌの含有量が０．００５％未満では、前記の効果を得難い。一方、Ａｌの含有量が０．０３５％を超えると、硬質で粗大なＡｌ₂Ｏ₃を形成し、工具摩耗が増大し工具寿命の低下を招く。したがって、Ａｌの含有量を０．００５〜０．０３５％とした。なお、Ａｌ含有量は０．０１５％以上であることが好ましく、また、０．０２５％以下であることが好ましい。

Ｎ：０．０１０〜０．０２５％
Ｎは、窒化物を形成することにより結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を得るには、Ｎを０．０１０％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎの含有量が過剰になると、粗大な窒化物を形成して靱性の低下を招き、特に、その含有量が０．０２５％を超えると、靱性の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．０１０〜０．０２５％とした。なお、Ｎの含有量は０．０１５％を超えることが好ましく、また、０．０２０％以下であることが好ましい。

ｆｎ１：１．５０〜１．８５
ＳｉとＣｒは、本発明において重要な元素であり、耐チッピング性を向上させる作用を有する。すなわち、前述のとおり、ＳｉおよびＣｒは、含有量の増加とともに引張強さが上昇することで切削抵抗の平均値を高くするが、一方で降伏比の上昇を防ぐ作用があり、この結果切削抵抗の変動幅を大きく抑制する効果がある。切削抵抗の平均値の上昇効果に比べて、切削抵抗の変動幅の抑制効果が大きいため、耐チッピング性を大幅に向上させる。この効果を得るには、ＳｉおよびＣｒの含有量をそれぞれ、上述した範囲に調整したうえで、前記の（１）式で表されるｆｎ１、つまり、〔Ｓｉ＋Ｃｒ〕を１．５０以上にする必要がある。一方、ｆｎ１が１．８５を超えると硬さが大きくなりすぎて、切削抵抗そのものが上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、ｆｎ１が１．５０〜１．８５の範囲にあることが必要である。

本発明の機械構造用合金鋼鋼材の一つは、上記元素のほか、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有するものである。

なお、本発明においては、不純物中のＰおよびＯ（酸素）は、その含有量をそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下およびＯ：０．００２０％以下に制限する必要がある。

以下、上記不純物中のＰおよびＯについて説明する。

Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、鋼に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる。特に、その含有量が０．０２０％を超えると、脆化の程度が著しくなる。したがって、本発明においては、不純物中のＰの含有量を０．０２０％以下とした。なお、不純物中のＰの含有量は０．０１０％以下とすることが好ましい。

Ｏ（酸素）：０．００２０％以下
Ｏ（酸素）は、鋼中のＳｉやＡｌと結合して、酸化物を生成する。酸化物のうちでも、特に、Ａｌ₂Ｏ₃は硬質であるため、被削性を低下させる。したがって、本発明においては、不純物中のＯの含有量を０．００２０％以下とした。

本発明の機械構造用合金鋼鋼材の他の一つは、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ、Ｎｉ、ＮｂおよびＣａのうちの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Ｍｏ、Ｎｉ、ＮｂおよびＣａの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。

ＭｏおよびＮｉは、いずれも、浸炭時の焼入性を高める作用を有する。このため、浸炭時により大きな焼入性を得たい場合には、これらの元素を含有させてもよい。以下、上記のＭｏおよびＮｉについて説明する。

Ｍｏ：０．５０％以下
Ｍｏは、浸炭時の焼入性を向上させる作用があるため必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏの含有量が０．５０％を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、含有させる場合のＭｏの含有量を０．５０％以下とした。なお、Ｍｏの含有量は０．３０％以下であることが好ましい。

一方、前記したＭｏの浸炭時の焼入性向上効果を確実に得るためには、Ｍｏの含有量は０．０３％以上であることが好ましい。

なお、Ｍｏの含有量は上記の範囲において、前記の（２）式で表されるｆｎ２が１．３０以下も満たす必要がある。

Ｎｉ：０．２０％以下
Ｎｉは、浸炭時の焼入性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉの含有量が０．２０％を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、含有させる場合のＮｉの含有量を０．２０％以下とした。なお、Ｎｉの含有量は０．１０％以下であることが好ましい。

一方、前記したＮｉの浸炭時の焼入性向上効果を確実に得るためには、Ｎｉの含有量は０．０３％以上であることが好ましい。

なお、Ｎｉの含有量は上記の範囲において、前記の（２）式で表されるｆｎ２が１．３０以下も満たす必要がある。

上記のＭｏおよびＮｉは、そのうちのいずれか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０．７０％以下であってもよいが、０．５０％以下とすることが好ましい。

ｆｎ２：１．３０以下
Ｍｎ、ＭｏおよびＮｉはいずれも、浸炭時の焼入性を向上させる作用を有するが、適正な組織形態を確保するためにそれぞれの含有量を制限する必要がある。このためには、前記の（２）式で表されるｆｎ２、つまり、〔Ｍｎ＋Ｍｏ＋Ｎｉ〕を１．３０以下にする必要がある。ｆｎ２が１．３０を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、浸炭時の焼入性を高めるためにＭｏおよびＮｉのうちの１種以上を含有させる場合には、ｆｎ２は１．３０以下の範囲にあることが必要である。なお、ｆｎ２は、１．２０以下とすることが好ましい。

また、浸炭時の焼入性向上効果を確実に得るためには、ｆｎ２は０．７３以上であることが好ましい。ｆｎ２はより好ましくは０．７６以上、さらに好ましくは０．８０以上である。

Ｎｂ：０．０５０％以下
Ｎｂは、ＣおよびＮと結合して微細な炭化物、窒化物、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、機械構造部品としての疲労特性、特に曲げ疲労強度を向上させる効果を有するので、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると熱間延性の低下を招き、特に、その含有量が０．０５０％を超えると、熱間延性の低下が著しくなって、熱間圧延や熱間鍛造時に表面キズが発生しやすくなる。また、Ｎｂの含有量が高くなりすぎると、結晶粒の微細化が著しく、降伏比が上昇し、その結果、耐チッピング性が低下する。したがって、含有させる場合のＮｂの含有量を０．０５０％以下とした。なお、Ｎｂの含有量は０．０４０％以下であることが好ましい。

一方、前記したＮｂの特性向上効果を確実に得るためには、Ｎｂの含有量は０．００５％以上であることが好ましく、０．０２０％以上であれば一層好ましい。

Ｃａ：０．００５０％以下
Ｃａは、被削性を改善する作用を有する。このため、被削性向上のためにＣａを含有してもよい。しかしながら、Ｃａの過度の添加はコストの上昇につながり、特に、Ｃａの含有量が０．００５０％を超えると、被削性向上効果が飽和するのでコストが嵩んで経済性が損なわれる。しかも、Ｃａの含有量が０．００５０％を超える場合には、粗大な酸化物を形成して曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下も招く。したがって、含有させる場合のＣａの含有量を０．００５０％以下とした。なお、Ｃａの含有量は０．００３０％以下であることが好ましい。

一方、前記したＣａの被削性改善効果を確実に得るためには、Ｃａの含有量は０．０００５％以上であることが好ましい。

（Ｂ）鋼材の組織について：
本発明の機械構造用合金鋼鋼材は、組織の９５％以上が、フェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が４０〜６０％であることが必要である。

先ず、フェライト・パーライト組織の形成は良好な疲労強度を確保するとともに降伏比を下げることで被削性を安定して確保するうえで重要な因子である。すなわち、上記（Ａ）項で述べた化学組成を有する鋼材において、組織に占めるフェライト・パーライト組織の割合が９５％より少ない場合は、その残部はベイナイトに置き換わることになる。この場合には、硬さが増して切削抵抗が上がりすぎので、工具摩耗が増加することによる工具寿命の低下を招く。したがって、組織の９５％以上がフェライト・パーライト組織で構成されることとした。なお、組織の１００％がフェライト・パーライト組織であってもよい。

次に、組織に占めるフェライトの割合は良好な疲労強度を確保するとともに被削性を安定して確保するうえで重要な因子である。すなわち、上記の、９５％以上がフェライト・パーライト組織で構成される組織に占めるフェライトの割合が４０％より少ない場合には、残部のパーライト量が増加するか、場合によっては一部ベイナイトなどに置き換わることになって、硬さが増して切削抵抗が上がりすぎので、工具摩耗が増加することによる工具寿命の低下を招く。一方、上記の組織に占めるフェライトの割合が６０％を超えると、硬さが低下し鋼材としては延性が増加するため、切削中に工具への凝着が進みやすくなる。そして、硬さの低下による工具摩耗は抑制されても切削加工中の凝着物の生成脱落の繰り返しによって、かえって耐チッピング性が損なわれることになる。以上のことから、組織に占めるフェライトの割合が４０〜６０％であることとした。

既に述べたように、「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の混合組織を指し、「組織に占めるフェライトの割合」における「フェライト」にはパーライトを構成するフェライトは含まない。また、組織に占める「フェライト・パーライト組織」および「フェライト」の割合は、面積率を指す。

なお、（Ａ）項で述べた化学組成を有する鋼材の組織を、組織の９５％以上が、フェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が４０〜６０％であるものとするためには、例えば、鋼材を８７０〜９５０℃の範囲に３０分以上加熱した後、鋼材の表面温度で８００℃から５００℃の冷却時間を６分以上として連続冷却する熱処理が推奨される。上記の熱処理において、８７０〜９５０℃の範囲への加熱時間の上限は特に規定されるものではないが、生産性の観点から推奨される加熱時間は２時間以内である。また、安定して所定の組織を得るために、鋼材の表面温度で８００℃から５００℃の冷却時間は８分以上とすることがより推奨されるが、生産性の観点から３０分以内にすることが好ましい。なお、鋼材の表面温度が５００℃に達した後の冷却速度については特段の調整をするに及ばない。生産性、設備面などの観点から適宜の冷却方法で冷却すればよい。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

表１に示す化学組成の鋼Ａ１〜Ａ１１および鋼Ｂ１〜Ｂ１５を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、インゴット鋳造により製造した。なお、鋼Ａ１〜Ａ１１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、一方、鋼Ｂ１〜Ｂ１５は、本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。

各鋼の鋼塊を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６５ｍｍの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は大気中で放冷した。

このようにして得た各鋼の丸棒に、組織および硬さを調整するための熱処理として、９００℃に加熱して１時間保持し、次いで、８００℃から５００℃の冷却時間が１０分となる冷却を実施した。なお、鋼Ａ２の丸棒については、上記の熱処理のほかに、８００〜１０００℃に加熱して１時間保持し、次いで、８００℃から５００℃の冷却時間が１０分となる冷却と、９００℃に加熱して１時間保持し、次いで、８００℃から５００℃の冷却時間が５分となる冷却も行った。なお、いずれの熱処理についても５００℃に達した後の冷却は大気中での放冷とした。

上記の熱処理を施した各丸棒の表面から１６ｍｍの位置（以下、「Ｒ／２部」という。）を中心にして、鍛練軸方向に平行に採取、つまり、長手方向に平行に採取した試験片の１０ｍｍ×１０ｍｍの断面を鏡面研磨し、ナイタールで腐食して、１００倍の倍率で各試料について６視野の光学顕微鏡観察を行い組織を調査するとともに、組織に占めるパーライトおよびフェライトの割合（面積率）を計測し、フェライト・パーライト組織およびフェライトが組織に占める割合を求めた。なお、具体的な計測は次のようにして行った。

組織の１００％がフェライトとパーライトで形成されている場合には、フェライトとそれ以外の組織形態を画像解析により２値化処理し、フェライトに色分けられた領域の面積を、全面積で除した値を組織に占めるフェライトの割合とした。

また、フェライトとパーライト以外の相（ベイナイト）を含んでいる場合には、先ず、ベイナイトとそれ以外の組織形態を画像解析により２値化処理し、全面積からベイナイトに色分けられた領域の面積を引いた値をフェライト・パーライトの割合とした。また、フェライトとそれ以外の組織形態を画像解析により２値化処理し、フェライトに色分けられた領域の面積を、全面積で除した値を組織に占めるフェライトの割合とした。

また、上記の組織を観察した試験片を、再度鏡面研磨し、ＪＩＳＺ２２４４（２００９）に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、Ｒ／２部でのビッカース硬さ（以下、「ＨＶ硬さ」という。）を、試験力を９８０Ｎとして測定し、その値を算術平均して熱処理材のＨＶ硬さを評価した。

さらに、上述のようにして作製した直径６５ｍｍの熱処理材のＲ／２部から、丸棒の長手方向に平行にＪＩＳＺ２２０１（１９９８）に記載のＪＩＳ１４Ａ号試験片（平行部の直径が４．５ｍｍ）を採取して、室温で引張試験を行い、０．２％耐力および引張強さを測定して降伏比を求めた。

被削性は、上述のようにして作製した直径６５ｍｍの熱処理材をそれぞれ、直径６２ｍｍにまでピーリングして長さ４００ｍｍに切断した円柱状試験片を用いて、旋削加工による被削性試験を行って評価した。

なお、切削は、Ｐ２０種の超硬工具を使用し、２０倍に希釈した水溶性エマルジョンによる湿式加工（供給量：２０リットル／ｍｉｎ）によって、切削速度を１５０ｍ／ｍｉｎの一定とし、送りが０．３５ｍｍ／ｒｅｖで、切り込み量が１．５ｍｍとなる条件で４００ｍｍの試験片の長手方向に実施した。

切削抵抗の評価について、工具は未使用の状態から切削を開始し、加工時間５〜６秒までの間をサンプリングタイムを１／１００秒として計測した。そして、先の図１および図２に示すような切削加工中の主分力の測定結果を得た後に、加工開始後０．５秒後以降の加工時間内４秒間（データ数：４００）において、主分力の平均値とその変動を標準偏差σとして算出した。なお、切削加工中の「主分力」とは、工具と被削材が接する点に働く被削材の回転方向に平行な接線方向の力を指す。

工具摩耗については、上記の条件にて切削距離３０００ｍまで加工を実施し、刃先の損傷状況を切削距離３００ｍ毎に観察した。工具寿命の判定は、損傷状況を観察時に逃げ面摩耗量（以下、「ＶＢ」という。）が０．２ｍｍを超えた時点、または、チッピングが確認できた時点の切削距離とした。

浸炭後の疲労強度は次に述べる小野式回転曲げ疲労試験を実施し、１０⁷回転で破断しなかった応力を疲労限として評価した。

先ず、上述のようにして作製した直径６５ｍｍの熱処理材のＲ／２部から、丸棒の長手方向に平行に図４に示す粗形状の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を切り出した。

なお、図４中に示した試験片における寸法の単位は全て「ｍｍ」であり、図中の仕上記号「▽」、「▽▽」および「▽▽▽」は、ＪＩＳＢ０６０１（１９８２）の解説表１の表面粗さを示す「三角記号」である。

上記粗形状の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片の全てに対して、図５に示すヒートパターンによる「浸炭焼入−焼戻し」を施した。図５中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを表す。また、「１００℃油焼入」は油温１００℃の油中に焼入したことを、さらに「ＡＣ」は大気中で放冷したことを表す。油焼入については、均一に焼入処理されるように、攪拌している焼入油中に試験片を投入して行った。

なお、上記の「浸炭焼入−焼戻し」は、各試験片の吊り下げ用に加工した孔に針金を通し、吊下げた状態で実施した。

上記の「浸炭焼入−焼戻し」を施した試験片を仕上げ加工して、図６に示す切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。

なお、図６に示した試験片における寸法の単位も全て「ｍｍ」であり、図における仕上記号「▽」および「▽▽▽」は先の図４におけると同様、それぞれ、ＪＩＳＢ０６０１（１９８２）の解説表１の表面粗さを示す「三角記号」である。また、「▽▽▽」に付した「Ｇ」はＪＩＳＢ０１２２（１９７８）に規定の「研削」を示す加工方法の略号であることを意味する。さらに、「〜」は「波形記号」であり、生地であること、すなわち、「浸炭焼入−焼戻し」した表面のままであることを意味する。

上記の仕上加工した小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、下記の試験条件によって小野式回転曲げ疲労試験を実施し、前述のとおり、繰返し数１０⁷回転で破断しなかった応力を疲労限として評価した。

・温度：室温、
・雰囲気：大気中、
・回転数：３４００ｒｐｍ。

表２に、上記の各調査結果をまとめて示す。なお、表２には前記直径６５ｍｍの丸棒に施した熱処理を併せて示した。

表２から、本発明で規定する条件を満たす試験番号１〜１１の場合、切削距離３０００ｍ時点でも工具寿命に至っておらず、被削性が良好で、さらに、疲労限も５００ＭＰａ以上であって、疲労強度にも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１２〜３０の場合、被削性と疲労強度の片方もしくは双方ともが劣っている。

すなわち、試験番号１２、試験番号１３、試験番号１５および試験番号１７の場合には鋼材の化学組成が本発明で規定する条件から外れているため、切削加工中の主分力の変動幅が大きく、チッピングによって工具寿命に至っており、被削性が劣る。

試験番号１４、試験番号１６、試験番号１８〜２３および試験番号２５の場合には鋼材の化学組成および組織が本発明で規定する条件から外れているため、切削加工中の主分力の変動幅が大きく、ＶＢの増加あるいはチッピングによって工具寿命に至っており、被削性が劣る。上記のうちでも試験番号１４はＳｉ含有量が本発明で規定する上限から外れているため疲労限が５００ＭＰａに達しておらず、疲労強度にも劣っている。

試験番号２４および試験番号２６の場合には鋼材の化学組成が本発明で規定する条件から外れているため、すなわち、試験番号２４はＳの含有量が、試験番号２６はＣａの含有量が、それぞれ本発明で規定する上限から外れているため疲労限が５００ＭＰａに達しておらず、疲労強度に劣っている。

試験番号２７〜３０場合には鋼材の化学組成は本発明で規定する条件を満たすものの組織が本発明で規定する条件から外れているため、切削加工中の主分力の変動幅が大きく、ＶＢの増加あるいはチッピングによって工具寿命に至っており、被削性が劣る。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１５以上で０．５０％未満、Ｍｎ：０．７０〜１．３０％、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：１．２５％を超えて１．８０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％およびＮ：０．０１０〜０．０２５％を含み、かつ下記の（１）式で表されるｆｎ１の範囲が１．５０〜１．８５であり、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＰおよびＯ（酸素）がそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下およびＯ：０．００２０％以下であり、さらに組織の９５％以上がフェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が４０〜６０％であることを特徴とする機械構造用合金鋼鋼材。
ｆｎ１＝Ｓｉ＋Ｃｒ・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．５０％以下およびＮｉ：０．２０％以下のうちの１種以上を含有するとともに、下記の（２）式で表されるｆｎ２の範囲が１．３０以下であることを特徴とする請求項１に記載の機械構造用合金鋼鋼材。
ｆｎ２＝Ｍｎ＋Ｍｏ＋Ｎｉ・・・（２）
ただし、（２）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．０５０％以下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合金鋼鋼材。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．００５０％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合金鋼鋼材。