JP2000129393A - 被削性に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】降伏強度が700MPa以上、引張強度が1000MPa以
上、降伏比が0.65以上、2mmUノッチシャルピー衝撃値が
60J／cm²以上の被削性に優れた非調質鋼材とその製造
方法を提供する。 【解決手段】C：0.15〜0.35％、Si：0.1〜1.0％、Mn：
1.5〜3.0％、S：0.002〜0.10％、Cu：0.01〜0.5％、C
r：0.5〜1.5％、Ti≦1.0％、Zr≦1.0％でTi＋Zr：0.04
〜1.0％、B：0.0005〜0.010％、N≦0.008％、Al≦0.10
％、Ti＋0.5Zr−3.4N≧0％、Ti＋Zr−1.2S ＞0％、残部
Feと不純物で、 Ti炭硫化物とZr炭硫化物の最大直径が1
0μｍ以下でその量の和が清浄度で0.05％以上、全組織
中のマルテンサイトが面積率で20〜95％、マルテンサイ
ト以外の組織中のベイナイトの割合が面積率で70％以上
の非調質鋼材。P、Ni、Mo、V、Nb、Pb、Te、Caを含んで
いても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主たる組織がマル
テンサイトとベイナイトの混合組織からなる被削性に優
れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材およびそ
の製造法に関する。更に詳しくは、熱間での加工後に焼
入れ焼戻しの所謂「調質処理」を施さなくとも、機械構
造部品の素材として好適な、高い強度、大きな降伏比及
び優れた靭性を有するマルテンサイト・ベイナイト型の
被削性に優れた非調質鋼材とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械構造部品、なかでも自動車、産業機
械、土木建設機械などのエンジン部品としてのクランク
シャフトやコンロッド、あるいはフォ−フリクトの爪な
どは、従来、機械構造用の炭素鋼（Ｓ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ
など）や合金鋼（ＳＣＭ４４０など）を用いて、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
所望の形状に仕上げた後、焼入れ焼戻しの調質処理を施
して所望の形状と性能を確保していた。

【０００３】しかし、前記の調質処理を行うには多大の
熱エネルギーを要するので製造コストが嵩む。そのた
め、省エネルギー及びコスト低減の観点から熱間加工の
ままで、熱間加工後に調質処理を施した場合と同等程度
の特性を確保できる非調質鋼の開発が行われ、この非調
質鋼を母材として各種の機械構造部品が製造されてき
た。

【０００４】特開平４−１７６８４２号公報には、ベイ
ナイトあるいはベイナイト・フェライトの組織を有する
ベイナイト型の「熱間鍛造用非調質鋼」が開示されてい
る。しかし、この公報で提案された非調質鋼を母材とす
る熱間鍛造部品の場合、その実施例の記載からも明らか
なように、高々８７ｋｇｆ／ｍｍ² （８５３ＭＰａ）の
引張強度と高々６５ｋｇｆ／ｍｍ² （６３７ＭＰａ）の
降伏強度しか得られない。したがって、更に高い強度が
要求される部品に対しては適用し難いものである。

【０００５】特開平４−２１０４４９号公報には、組織
が主としてフェライト及びベイナイトで一部パーライト
が共存する「高靭性熱間鍛造用非調質鋼」が開示されて
いる。しかし、この公報で提案された非調質鋼を母材と
する熱間鍛造部品の場合も、その実施例の図１から明ら
かなように、高々７５ｋｇｆ／ｍｍ² （７３５ＭＰａ）
の引張強度と高々５５ｋｇｆ／ｍｍ² （５３９ＭＰａ）
の降伏強度しか得られない。したがって、更に高い強度
が要求される部品に対しては適用し難いものである。

【０００６】このため、調質処理を行わずとも各種の機
械構造部品に高い強度、例えば７００ＭＰａ以上の降伏
強度と１０００ＭＰａ以上の引張強度を確保でき、しか
も良好な靭性と大きな降伏比を確保させる技術の開発が
熱望されている。

【０００７】又、近年、機械構造部品の高強度化に伴っ
て、熱間加工後に所望の形状に成形するための切削加工
のコストが嵩むという問題が生じている。このため、切
削加工を容易にし、低コスト化を図るために被削性に優
れた非調質鋼に対する要求がますます大きくなってい
る。

【０００８】従来、被削性を高めるために、鋼にＰｂ、
Ｔｅ、Ｂｉ、Ｃａ及びＳなどの快削元素を単独あるいは
複合添加することが行われてきた。しかし、ＪＩＳ規格
鋼である機械構造用鋼や、前記した特開平４−１７６８
４２号公報や特開平４−２１０４４９号公報に記載され
ているような鋼に、単に上記の快削元素を添加しただけ
の場合には、所望の機械的性質、なかでも耐疲労特性を
確保できないことが多い。

【０００９】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が多量に生成することもあって
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％、Ｓｉ：
０．２９％、Ｍｎ：０．７８％、Ｐ：０．０１７％、
Ｓ：０．０４１％、Ａｌ：０．００６％、Ｎ：０．００
８７％、Ｔｉ：０．２２８％、Ｏ：０．００４％及びＣ
ａ：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Ｔ
ｉを添加するだけでは被削性は向上するものではない。

【００１０】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。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、各種
機械構造部品の素材として好適な、降伏強度が７００Ｍ
Ｐａ以上、引張強度が１０００ＭＰａ以上で、０．６５
以上の降伏比（降伏強度／引張強度）と６０Ｊ／ｃｍ²
以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値を確保すること
ができ、しかも被削性に優れた非調質鋼材を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）に示すマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材
及び（２）に示すその製造方法にある。

【００１３】（１）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５
％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０
％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．００２〜０．１０
％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下、
Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｖ：
０．５０％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｔｉ：１．０
％以下、Ｚｒ：１．０％以下で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚ
ｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜
０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下、Ａｌ：０．１０
％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．１０％以
下、Ｃａ：０．０１０％以下を含み、下記式で表され
るｆｎ１の値が０％以上、下記式で表されるｆｎ２の
値が０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組
成で、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０．０
５％以上で、且つ、全組織中に占めるマルテンサイトの
割合が面積率で２０〜９５％で、マルテンサイト以外の
組織中に占めるベイナイトの割合が面積率で７０％以上
であることを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト
・ベイナイト型非調質鋼材。

【００１４】 ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋０．５Ｚｒ（％）−３．４Ｎ（％）・・・・ ｆｎ２＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・」である。

【００１５】（２）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５
％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０
％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．００２〜０．１０
％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下、
Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｖ：
０．５０％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｔｉ：１．０
％以下、Ｚｒ：１．０％以下で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚ
ｒ（％）：０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜
０．０１０％、Ｎ：０．００８％以下、Ａｌ：０．１０
％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．１０％以
下、Ｃａ：０．０１０％以下を含み、前記式で表され
るｆｎ１の値が０％以上、前記式で表されるｆｎ２が
０％を超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成
で、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
％以上である鋼を、１１００℃以上の温度に加熱して熱
間加工し、熱間加工を９００℃以上の温度で終了した後
３０〜３００℃／分の冷却速度で冷却する被削性に優れ
たマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材の製造方
法。

【００１６】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。

【００１７】「組織」は鋼材の中心部における組織を指
す。

【００１８】鋼の加熱温度は鋼表面における温度をい
い、熱間加工の終了温度も熱間加工した鋼材の表面にお
ける温度をいう。冷却速度とは、鋼材の表面における９
００〜４００℃の平均冷却速度を指す。

【００１９】マルテンサイト以外の組織部分において、
ベイナイト以外の組織はフェライト、パーライトやオー
ステナイトが変態せずに残った所謂「残留オーステナイ
ト」などである。

【００２０】本発明者らは、調質処理を行うことなく各
種の機械構造部品に、高い強度、良好な靭性と大きな降
伏比を確保させるために、熱間加工した後のミクロ組織
及びその母材鋼となる鋼の化学組成について種々検討し
た。その結果、下記の知見を得た。

【００２１】（ａ）面積率で一定以上のマルテンサイト
を含む組織であれば、熱間鍛造を初めとする熱間加工の
ままでも高い強度が得られる。

【００２２】（ｂ）上記（ａ）のマルテンサイトを含む
組織において、マルテンサイト以外の組織中にベイナイ
トの占める割合が面積率で７０％以上であれば、高い強
度と良好な靭性とを兼備できる。

【００２３】（ｃ）適正量のＭｎとＣｕとを複合添加し
た鋼を非調質の機械構造部品の母材鋼に用いれば、高い
降伏強度が得られ、降伏比も大きくなる。更に、靭性も
良好になる。

【００２４】（ｄ）鋼に適正量のＴｉやＺｒを添加し、
鋼中の介在物制御として硫化物をＴｉ炭硫化物やＺｒ炭
硫化物に変え、更にＴｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物を鋼材
に微細に分散させれば、鋼材の被削性が飛躍的に向上す
る。

【００２５】そこで、更に検討を続けた結果、下記の事
項を見いだした。

【００２６】（ｅ）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。

【００２７】（ｆ）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。

【００２８】（ｇ）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。

【００２９】（ｈ）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。

【００３０】（ｉ）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
地に固溶しないし、凝集もしない。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有効である。

【００３１】（ｊ）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。

【００３２】本発明は上記の知見に基づいて完成された
ものである。

【００３３】

【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。

【００３４】（Ａ）鋼の化学組成 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、強度を確保するのにも有効な元素である。し
かし、その含有量が０．１５％未満では所望の１０００
ＭＰａ以上の引張強度が得られない。一方、０．３５％
を超えて含有すると、靭性が低下して６０Ｊ／ｃｍ² 以
上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が得られ難くなる
し、被削性が劣化するようになって切削コストが嵩んで
しまう。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．３５
％とした。

【００３５】Ｓｉ：Ｓｉは、脱酸を促進するとともに、
静的強度と疲労強度を高める作用がある。前記の効果を
充分発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．１％以上
とすることが必要である。一方、Ｓｉを１．０％を超え
て含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばか
りである。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０
％とした。なお、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物のサイズ
と清浄度を所定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必要であるので、
Ｓｉの含有量は０．２０％以上とすることが好ましく、
特に、Ａｌを添加しない場合のＳｉ含有量は０．４０％
以上とすることが好ましい。

【００３６】Ｍｎ：Ｍｎは、脱酸作用や強度を高める作
用がある。更に、Ｃｕと複合添加すると降伏強度、降伏
比及び靭性を高める作用も有する。こうした効果を充分
発揮させるためには、１．５％以上の含有量を必要とす
る。しかし、Ｍｎを３．０％を超えて含有させるとその
効果は飽和してコストが嵩むだけでなく、むしろ焼入れ
性が高くなりすぎてマルテンサイトの単相組織となり易
く、降伏比が低下してしまう。更に、被削性が低下する
ので切削コストが嵩んでしまう。したがって、Ｍｎの含
有量を１．５〜３．０％とした。

【００３７】Ｐ：Ｐは、鋼中に不純物として含有される
ものであり、必須成分として添加しなくても良い。添加
すれば降伏強度を高める作用がある。この効果を確実に
得るには、Ｐ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０．１０％を超えると
靭性の著しい低下を招く。したがって、Ｐの含有量を
０．１０％以下とした。

【００３８】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。

【００３９】従来、快削鋼にＳを添加する目的は、Ｍｎ
Ｓを形成させて被削性を改善させることにあった。しか
し、本発明者らの検討によると、上記のＭｎＳの被削性
向上作用は、切削時の切り屑と工具表面との潤滑性を高
める機能に基づくことが判明した。しかもＭｎＳは巨大
化し、鋼材本体の地疵を大きくし、欠陥となる場合があ
る。本発明におけるＳの被削性改善作用は、適正量のＣ
とＴｉ、Ｚｒとの複合添加によってＴｉやＺｒの炭硫化
物を形成させることで初めて得られる。このためには、
上記したように０．００２％以上のＳの含有量が必要で
ある。一方、Ｓを０．１０％を超えて含有させても被削
性に与える効果に変化はないが、鋼中に粗大なＭｎＳが
再び生じるようになって、地疵等の問題が生じる場合が
ある。更に、熱間での加工性が劣化して熱間加工が困難
になることもある。したがって、Ｓの含有量を０．００
２〜０．１０％とした。

【００４０】Ｃｕ：Ｃｕは、Ｍｎと複合添加すると降伏
強度、降伏比及び靭性を高める作用を有する。しかしな
がら、その含有量が０．０１％未満では添加効果に乏し
い。一方、Ｍｎと複合添加した場合にはＣｕを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が損
なわれるだけでなく、靭性の著しい低下をもたらす。し
たがって、Ｃｕの含有量を０．０１〜０．５％とした。

【００４１】Ｎｉ：Ｎｉは添加しなくても良い。添加す
れば靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るに
は、Ｎｉは０．０５％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、Ｎｉを０．２％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、被削性が低下す
る。したがって、Ｎｉの含有量を０．２％以下とした。

【００４２】Ｃｒ：Ｃｒは、強度を高める作用を有す
る。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．５％以上の
含有量とする必要がある。しかし、１．５％を超えて含
有させても前記の効果は飽和しコストが嵩むばかりであ
る。したがって、Ｃｒの含有量を０．５〜１．５％とし
た。

【００４３】Ｍｏ：Ｍｏは添加しなくても良い。添加す
ればＮｉと同様に靭性を向上させる作用がある。この効
果を確実に得るには、Ｍｏは０．０５％以上の含有量と
することが好ましい。しかし、０．２％を超えて含有さ
せても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりであ
る。したがって、Ｍｏの含有量を０．２％以下とした。

【００４４】Ｖ：Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば
強度を高める作用がある。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、０．５０％を超えて含有させても前記の効果は飽
和し、経済性を損なうばかりである。したがって、Ｖの
含有量を０．５０％以下とした。

【００４５】Ｎｂ：Ｎｂは添加しなくてもよい。添加す
れば強度を高める作用がある。この効果を確実に得るに
は、Ｎｂは０．０１％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、０．０５％を超えて含有させても前記の効
果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、
Ｎｂの含有量を０．０５％以下とした。

【００４６】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。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、Ｔ
ｉ（％）＋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。Ｚｒを添加しない、つまり、Ｔｉ
を単独添加する場合に、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
ストが嵩むばかりか、Ｔｉ炭硫化物が粗大化して却って
靭性の低下を招いてしまう。逆に、Ｔｉを添加しない、
つまりＺｒ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むばかりか、Ｚｒ炭硫化物が粗大
化して却って靭性の低下を招いてしまう。したがって、
ＴｉとＺｒの含有量をいずれも１．０％以下で、且つ、
Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）の値を０．０４〜１．０％とし
た。なお、良好な被削性と靭性を安定して得るために
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。

【００４７】Ｂ：Ｂは、鋼の焼入れ性を高めるととも
に、靭性を向上させる作用がある。しかし、その含有量
が０．０００５％未満では添加効果に乏しい。一方、
０．０１０％を超えて含有させてもその効果は飽和する
ばかりか、熱間加工性の低下を招くようになる。したが
って、Ｂの含有量を０．０００５〜０．０１０％とし
た。

【００４８】Ｎ：本発明においてはＮの含有量を低く制
御することが極めて重要である。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は靭性を低下させてしまう。したがっ
て、Ｎ含有量を０．００８％以下とした。なお、Ｔｉ炭
硫化物や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。

【００４９】Ａｌ：Ａｌは添加しなくてもよい。添加す
れば鋼を脱酸する作用を有する。更に、結晶粒を微細化
し、強度及び靭性を高める作用を有する。こうした効果
を確実に得るには、Ａｌは０．０１％以上の含有量とす
ることが好ましい。しかし、０．１０％を超えて含有さ
せると被削性や熱間加工性の低下を招く。したがって、
Ａｌの含有量を０．１０％以下とした。ここで、Ａｌ含
有量とは所謂「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶性Ａｌ）量」のこ
とをいう。なお、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫化物のサイズ
と清浄度を所定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必要であるので、
０．０１％以上のＡｌを含有させることとするのが良
い。

【００５０】Ｐｂ：Ｐｂは添加しなくても良い。添加す
れば被削性を大きく高める作用を有する。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０．３０％を超え
ると疲労強度が著しく低下して耐疲労特性の劣化を招
く。したがって、Ｐｂの含有量を０．３０％以下とし
た。

【００５１】Ｔｅ：Ｔｅは添加しなくてもよい。添加す
れば被削性を一層高める作用を有する。この効果を確実
に得るには、Ｔｅは０．０１％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０．１０％を超える
と熱間加工性が著しく低下し、生産性を損なう。したが
って、Ｔｅの含有量を０．１０％以下とした。

【００５２】Ｃａ：Ｃａも添加しなくてもよい。添加す
ればＰｂやＴｅと同様に被削性を一層高める作用を有す
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０．０１０％を超えると熱間加工性が低下して生産性
を損なうようになる。したがって、Ｃａの含有量を０．
０１０％以下とした。

【００５３】ｆｎ１：前述の式で表されるｆｎ１の値
が０％以上の場合に前記したＢの焼入れ性向上効果が確
保でき、所望の高強度と良好な靭性が得られる。したが
って、本発明では式で表されるｆｎ１の値を０％以上
と規定する。このｆｎ１の値の上限は特に規定されるも
のではなく、１．０であっても良い。

【００５４】ｆｎ２：Ｎの含有量が０．００８％以下
で、前述の式で表されるｆｎ２の値が０％を超える場
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。ｆｎ２の値が０％以下の場合には、
Ｓ量が過剰となるため、その分ＭｎＳが過剰生成してＴ
ｉ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、式で表されるｆｎ２に関し
て０％を超える値と規定した。このｆｎ２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。

【００５５】（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、所望の強
度と靭性を確保するためには、Ｔｉ炭硫化物やＺｒ炭硫
化物のサイズと清浄度（ＴｉとＺｒを複合添加する場合
にはＴｉ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。

【００５６】鋼中のＴｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の最
大直径が１０μｍを超えると疲労強度や靭性が低下して
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Ｚｒ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。

【００５７】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
すぎると疲労強度が低下する場合があるので、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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】（Ｃ）組織 非調質鋼材である熱間加工したままの鋼材の全組織中に
占めるマルテンサイトの割合が面積率で２０％未満の場
合には、所望の１０００ＭＰａ以上の引張強度が安定し
て得られない。一方、マルテンサイトの面積率が９５％
を超えると靭性の著しい低下を招く。

【００６２】全組織中のマルテンサイトの面積率が２０
〜９５％の場合であっても、マルテンサイト以外の組織
中に占めるベイナイトの割合が面積率で７０％未満の場
合には、１０００ＭＰａ以上の引張強度と６０Ｊ／ｃｍ
² 以上の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値とを安定して
同時に確保することが困難となる。したがって、非調質
鋼材の組織を、全組織中のマルテンサイトが面積率で２
０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベ
イナイトの占める割合が面積率で７０％以上であるもの
と規定した。

【００６３】なお、全組織中にマルテンサイトが占める
割合は、面積率で４０〜６０％であることが好ましい。

【００６４】又、全組織中のマルテンサイトの面積率が
２０〜９５％の場合であれば、マルテンサイト以外の組
織においてベイナイトの占める割合が面積率で１００
％、つまり、組織がマルテンサイトとベイナイトとの完
全な混合組織であっても良い。

【００６５】（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼は、
（Ｂ）項に記載したＴｉ炭硫化物、Ｚｒ炭硫化物のサイ
ズと量を確保するために、例えば、Ｓｉ及びＡｌで充分
脱酸し、最後にＴｉやＺｒを添加して溶製され、その
後、熱間での加工（圧延や鍛造）を受け、（Ｃ）項に記
載した組織に調整され、更に、切削加工されて所定形状
の機械構造部品に仕上げられる。

【００６６】（Ｄ）鋼の加熱温度 熱間加工のための鋼の加熱温度が１１００℃未満では、
炭化物などがオーステナイト中に充分固溶せずに焼入れ
性が低下したり、変形抵抗が大きくなって熱間での加工
が困難になる場合がある。したがって、鋼の加熱温度を
１１００℃以上とした。なお、この加熱温度の上限は１
３００℃程度とすることが好ましい。

【００６７】（Ｅ）熱間加工終了温度 熱間加工終了温度が９００℃未満では、変形抵抗が大き
くなるばかりか、炭化物や窒化物が凝集粗大化し、その
結果、結晶粒が著しく粗大化して靭性の低下を招く場合
がある。したがって、熱間加工終了温度を９００℃以上
とした。なお、この熱間加工の終了温度は１０５０℃程
度を上限とすることが好ましい。

【００６８】（Ｆ）冷却速度 熱間加工後の冷却速度が３０℃／分未満の場合には、所
望の組織、つまり全組織中のマルテンサイトが面積率で
２０〜９５％で、更に、マルテンサイト以外の組織中に
ベイナイトの占める割合が面積率で７０％以上である組
織を、安定して鋼材に付与することが困難となる。一
方、３００℃／分を超える場合には後述の実施例で示す
ように全組織中のマルテンサイトの面積率が９５％を超
えてしまい靭性の著しい低下を招く。したがって、熱間
加工後の冷却速度を３０〜３００℃／分とした。

【００６９】

【実施例】（実施例１）表１、表２に示す化学組成の鋼
を通常の方法によって試験炉を用いて１５０ｋｇ真空溶
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や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、Ｔｉ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。

【００７０】表１における鋼１〜１５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、表２に
おける鋼１６〜３０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。

【００７１】

【表１】

【００７２】

【表２】

【００７３】次いで、通常の方法によって前記鋼番号の
鋼塊を１２００℃に加熱した後、１０００℃の仕上げ温
度で厚さ３５ｍｍ×幅９０ｍｍ幅×長さ１０００ｍｍの
鋼板に熱間鍛造し、その後鋼組成に応じて３０〜４５℃
／分の冷却速度で冷却した。

【００７４】こうして得られた鋼板の中心部から、ＪＩ
Ｓ４号引張試験片とＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片
（２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片）を切り出し、
常温で試験を行った。鋼板の中心部からは組織観察用の
試験片も切り出し、光学顕微鏡による中心部の組織観察
を行った。なお、全組織中のマルテンサイトの面積率及
びマルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割
合（面積率）は、いずれも通常の方法で画像処理して判
定した。

【００７５】上記の熱間鍛造した鋼板から、JIS G 0555
の図６に準じて試験片を採取し、鏡面研磨した３００ｍ
ｍ² 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視野観察して調査した。

【００７６】被削性評価のためのドリル穿孔試験も実施
した。すなわち、前記した熱間鍛造した厚さ３５ｍｍで
幅が９０ｍｍの鋼板を用いて、その厚さ方向に貫通孔を
開け、刃先摩損により穿孔不能となったときの貫通孔の
個数を数え、被削性の評価を行った。貫通孔の個数が５
００個に達したものはその時点で穿孔試験を中止した。
穿孔条件は、ＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１のφ８ｍｍ
ストレ−トシャンクドリルを使用し、水溶性の潤滑剤を
用いて、穴の中心間隔１０ｍｍ、送り０．１５ｍｍ／ｒ
ｅｖ、回転数７４５ｒｐｍの条件で行った。

【００７７】表３に各種試験の結果を示す。なお、「Ｔ
ｉ、Ｚｒ炭硫化物」とした欄において、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。

【００７８】

【表３】

【００７９】表３から、化学組成及び最大直径が１０μ
ｍ以下のＴｉ炭硫化物及びＺｒ炭硫化物の清浄度（清浄
度の和）が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼
１〜１５を素材とするものについては、組織はいずれも
全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、
更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占め
る割合が面積率で７０％以上であり、所望の７００ＭＰ
ａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、
０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ² 以上の２ｍｍＵ
ノッチシャルピー衝撃値が得られている。

【００８０】これに対して、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は、以下に
述べるように、疲労強度、降伏強度、引張強度、降伏
比、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値の少なくとも１つ
が所望の値に達していないか、被削性が低い。

【００８１】鋼１６〜２７及び鋼３０は、組織はいずれ
も全組織中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％
で、更に、マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの
占める割合が面積率で７０％以上であるが、降伏強度、
引張強度、降伏比と２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値の
うち少なくとも１つが所望の値に達していない。

【００８２】すなわち、Ｃの含有量が低めに外れた鋼１
６、Ｓｉの含有量が低めに外れた鋼１８、Ｃｒの含有量
が低めに外れた鋼２４及びＮの含有量が高めに外れると
ともにｆｎ１の値が低めに外れた鋼２６は引張強度又
は、降伏強度と引張強度の双方が目標値に未達である。

【００８３】Ｃの含有量が高めに外れた鋼１７、Ｐの含
有量が高めに外れた鋼２０、Ｓの含有量が高めに外れた
鋼２１、Ｃｕの含有量が高めに外れた鋼２３及びＴｉの
含有量が高めに外れた鋼３０は２ｍｍＵノッチシャルピ
ー衝撃値が目標値に達していない。

【００８４】Ｍｎの含有量が低めに外れた鋼１９及びＣ
ｕの含有量が低めに外れた鋼２２は降伏比が目標値に達
していない。鋼１９はｆｎ２が負の値であり、「Ｔｉ、
Ｚｒ炭硫化物」欄における清浄度が規定の値を下回るた
め被削性も低い。

【００８５】Ａｌの含有量が高めに外れた鋼２５は被削
性が低い。

【００８６】ｆｎ２が負の値で、「Ｔｉ、Ｚｒ炭硫化
物」欄における清浄度が規定の値を下回る鋼２７は被削
性が低い。

【００８７】鋼２８及び鋼２９は本発明で規定する組織
が得られておらず、強度（降伏強度と引張強度）及び２
ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達していな
い。すなわち、Ｍｎ、Ｃｒ及びＢの含有量が低めに外れ
るために、組織がマルテンサイトを含まないものとなっ
た鋼２８、及びｆｎ１の値が低めに外れるとともにＭｎ
及びＣｒの含有量が低めに外れるために、やはり組織が
マルテンサイトを含まないものとなった鋼２９は、降伏
強度と引張強度及び２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が
目標値に達していない。鋼２９はｆｎ２も負の値である
ため被削性も低い。

【００８８】（実施例２）表４に示す鋼３１及び鋼３２
を通常の方法によって試験炉を用いて１５０ｋｇ真空溶
製した。鋼３１、鋼３２はいずれも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る。なお、Ｔｉ
酸化物及びＺｒ酸化物の生成を防ぐために、Ｓｉや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、Ｔｉ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。

【００８９】

【表４】

【００９０】次いで、通常の方法によって前記鋼番号の
鋼塊を１２００℃に加熱した後、１０００℃の仕上げ温
度で厚さ３５ｍｍ×幅９０ｍｍ幅×長さ１０００ｍｍの
鋼板に熱間鍛造した。鍛造後は鋼３１を母材鋼とする鋼
板は４０℃／分及び５００℃／分の冷却速度で、又、鋼
３２を母材鋼とする鋼板は４０℃／分及び１０℃／分の
冷却速度で冷却した。

【００９１】こうして得られた鋼板の中心部から、ＪＩ
Ｓ４号引張試験片とＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片
（２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片）を切り出し、
常温で試験を行った。鋼板の中心部からは組織観察用の
試験片も切り出し、光学顕微鏡による中心部の組織観察
を行った。なお、全組織中のマルテンサイトの面積率及
びマルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割
合（面積率）は、いずれも通常の方法で画像処理して判
定した。

【００９２】又、上記の熱間鍛造した鋼板から、JIS G
0555の図６に準じて試験片を採取し、鏡面研磨した３０
０ｍｍ² の被検面を、倍率が４００倍の光学顕微鏡で６
０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視野観察して調査し
た。

【００９３】表５に各試験結果を示す。なお、表で「Ｔ
ｉ、Ｚｒ炭硫化物」とした欄における「最大直径」はＴ
ｉとＺｒの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。

【００９４】

【表５】

【００９５】鋼３１及び鋼３２を熱間鍛造後、本発明で
規定する範囲内の冷却速度の４０℃／分で冷却した場合
（試験番号１及び３）には、その組織はいずれも全組織
中のマルテンサイトが面積率で２０〜９５％で、更に、
マルテンサイト以外の組織中にベイナイトの占める割合
が面積率で７０％以上であり、所望の７００ＭＰａ以上
の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、０．６５
以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ² 以上の２ｍｍＵノッチシ
ャルピー衝撃値が得られている。

【００９６】これに対して、本発明鋼であっても熱間鍛
造後の冷却速度が本発明で規定する上限を外れた５００
℃／分の場合（試験番号２）には、全組織中のマルテン
サイトの面積率が９５％を超えるので靭性が著しく低下
し、２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が目標値に達して
いない。

【００９７】又、本発明鋼であっても熱間鍛造後の冷却
速度が本発明で規定する下限を外れた１０℃／分の場合
（試験番号４）には、全組織中のマルテンサイトの面積
率が２０％を下回るので引張強度と降伏強度とが目標値
に達していない。

【００９８】

【発明の効果】本発明による被削性に優れたマルテンサ
イト・ベイナイト型非調質鋼材を用いれば、７００ＭＰ
ａ以上の降伏強度、１０００ＭＰａ以上の引張強度、
０．６５以上の降伏比と６０Ｊ／ｃｍ² 以上の２ｍｍＵ
ノッチシャルピー衝撃値を有する機械構造部品を低コス
トで製造することができる。このマルテンサイト・ベイ
ナイト型非調質鋼材は、本発明の方法によって比較的容
易に得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 彰二 福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地住友 金属工業株式会社小倉製鉄所内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA02 AA05 AA08 AA11 AA12 AA14 AA16 AA17 AA19 AA21 AA22 AA23 AA27 AA28 AA29 AA31 AA34 AA35 AA36 AA39 BA01 BA02 CA02 CA03 CC04 CD01 CD02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓ
   ｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：
   ０．１０％以下、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：
   ０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下、Ｃｒ：０．
   ５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｖ：０．５０％以
   下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｚ
   ｒ：１．０％以下で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：
   ０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０
   ％、Ｎ：０．００８％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ
   ｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．１０％以下、Ｃａ：
   ０．０１０％以下を含み、下記式で表されるｆｎ１の
   値が０％以上、下記式で表されるｆｎ２の値が０％を
   超え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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、且つ、全組織中に占めるマルテンサイトの割合が面
   積率で２０〜９５％で、マルテンサイト以外の組織中に
   占めるベイナイトの割合が面積率で７０％以上であるこ
   とを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト・ベイナ
   イト型非調質鋼材。 ｆｎ１＝Ｔｉ（％）＋０．５Ｚｒ（％）−３．４Ｎ（％）・・・・ ｆｎ２＝Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）−１．２Ｓ（％）・・・・
2. 【請求項２】重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓ
   ｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｐ：
   ０．１０％以下、Ｓ：０．００２〜０．１０％、Ｃｕ：
   ０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．２％以下、Ｃｒ：０．
   ５〜１．５％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｖ：０．５０％以
   下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｚ
   ｒ：１．０％以下で、且つ、Ｔｉ（％）＋Ｚｒ（％）：
   ０．０４〜１．０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０
   ％、Ｎ：０．００８％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ
   ｂ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．１０％以下、Ｃａ：
   ０．０１０％以下を含み、前記式で表されるｆｎ１の
   値が０％以上、前記式で表されるｆｎ２が０％を超
   え、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組成で、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％以上であ
   る鋼を、１１００℃以上の温度に加熱して熱間鍛造し、
   熱間鍛造を９００℃以上の温度で終了した後３０〜３０
   ０℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする被削性
   に優れたマルテンサイト・ベイナイト型非調質鋼材の製
   造方法。