JPH10324952A - 被削性に優れた高強度高靱性調質鋼材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】極めて良好な強度−靱性バランスを有し、しか
も焼入れ焼戻し後の各々の強度レベルで被削性が良好
な、機械構造部品などの素材用として好適な鋼材を提供
する。 【解決手段】C：0.1〜0.6％、Si：0.05〜1.5％、Mn：0.
4〜2.0％、S：0.002〜0.2％、Ti：0.04〜1.0％、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％、Cu：0〜1.0％、
Ni：0〜2.0％、B：0〜0.02％、Nd：0〜0.1％、Pb：0〜
0.50％、Ca：0〜0.01％、Se：0〜0.5％、Te：0〜0.05
％、Bi：0〜0.4％、Ti/S≧2、残部はFe及び不純物の組
成で、組識の50％以上がマルテンサイトで、且つ、旧オ
ーステナイト粒がＪＩＳ粒度番号５以上である高強度高
靱性調質鋼材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被削性に優れた高強
度高靱性調質鋼材に関する。更に詳しくは、焼入れ焼戻
し後に極めて優れた強度−靱性バランスを有するととも
に被削性にも優れた機械構造部品などの素材として好適
な調質鋼材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、極めて良好な強度−靱性バランス
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か、熱間
加工及び焼入れ焼戻し処理を施した後、切削加工によっ
て所望形状に仕上げるのが一般的であった。しかし、機
械構造部品などが高強度化するに伴って、切削加工のコ
ストが嵩んできた。そこで、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快削鋼に対する要求
がますます大きくなっている。

【０００３】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れば被削性が向上す
ることは周知の事実である。このため、従来は機械構造
用鋼を初めとする鋼に前記の快削元素を添加して切削加
工性を改善する方法が採られてきた。しかし、機械構造
用鋼などに単に快削元素を添加しただけの場合には、所
望の機械的特性、なかでも靱性を確保できないことが多
い。

【０００４】こうした状況の下、上記の熱間加工後に
切削加工してから焼入れ焼戻し処理を施す技術として、
例えば、特開平２−１１１８４２号公報と特開平６−２
７９８４９号公報に、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。

【０００５】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５時間以上の黒鉛化焼なまし処
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。

【０００６】一方、上記の熱間加工及び焼入れ焼戻し
処理を施した後、切削加工する技術として、例えば、特
開平６−２１２３４７号公報に特定の化学組成を有する
鋼を熱間鍛造後直ちに焼入れし、その後焼戻し処理を行
ってＴｉＣを析出させる「高疲労強度を有する熱間鍛造
品及びその製造方法」が開示されている。しかしこの公
報に記載の熱間鍛造品は、鋼の組成としてのＮ量をＴｉ
量との比率であるＮ／Ｔｉで０．１未満と規定している
だけであるため、必ずしも良好な靱性と被削性が確保で
きない場合がある。つまり、重量％で、０．０１〜０．
２０％のＴｉを含む鋼のＮ含有量をＮ／Ｔｉで０．１未
満と規定しただけでは、硬質のＴｉＮが多量に形成され
て靱性の劣化と被削性の劣化を生ずる場合がある。

【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】

【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、通常の熱間加工と焼入れ焼戻しの
熱処理を施すことで極めて良好な強度−靱性バランスを
有し、しかも焼入れ焼戻しの各々の強度レベルで被削性
が良好な、機械構造部品などの素材用として好適な鋼材
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記に
示す高強度高靱性調質鋼材にある。

【００１０】すなわち、「重量％で、Ｃ：０．１〜０．
６％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．
０％、Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｔｉ：０．０４〜
１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０
０８％以下、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｖ：０〜０．３％、
Ｎｂ：０〜０．０５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｃｕ：０
〜１．０％、Ｎｉ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．０２
％、Ｎｄ：０〜０．１％、Ｐｂ：０〜０．５０％、Ｃ
ａ：０〜０．０１％、Ｓｅ：０〜０．５％、Ｔｅ：０〜
０．０５％、Ｂｉ：０〜０．４％、下記式で表される
ｆｎ１が２以上（ｆｎ１≧２）、残部はＦｅ及び不可避
不純物の組成であって、組識の５０％以上がマルテンサ
イトで、且つ、旧オーステナイト粒がＪＩＳ粒度番号５
以上であることを特徴とする被削性に優れた高強度高靱
性調質鋼材。

【００１１】ｆｎ１＝Ｔｉ（％）／Ｓ（％）・・・・・
」である。

【００１２】ここで、組織の割合は顕微鏡観察したとき
の組織割合、つまり面積率のことをいい、「旧オーステ
ナイト粒」とは、焼入れ直前のオーステナイト粒のこと
をいう。更に、「調質鋼材」とは焼入れ焼戻しを施され
た鋼材のことをいう。したがって、上記のマルテンサイ
トは焼戻しを受けたマルテンサイト、つまり「焼戻しマ
ルテンサイト」を指すが、以下において「焼戻しマルテ
ンサイト」を単に「マルテンサイト」という。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明者らは、調質鋼材の化学組
成と組織が強度、靱性及び被削性に及ぼす影響について
検討するため実験を繰り返した。その結果、先ず、Ｔｉ
を添加した鋼を熱間加工した後、適正な冷却速度で冷却
すれば、その後焼入れ焼戻しした場合でも鋼材の被削性
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（ａ）〜（ｇ）の事項を知見し
た。

【００１４】（ａ）Ｓとのバランスを考慮して鋼にＴｉ
を積極的に添加すると、鋼中にＴｉの炭硫化物が形成さ
れる。

【００１５】（ｂ）鋼中に上記したＴｉの炭硫化物が生
成すると、ＭｎＳの生成量が減少する。

【００１６】（ｃ）鋼中のＳ含有量が同じ場合には、Ｔ
ｉの炭硫化物はＭｎＳよりも大きな被削性改善効果を有
する。これは、Ｔｉの炭硫化物の融点が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。

【００１７】（ｄ）製鋼時に生成したＴｉの炭硫化物
は、通常の熱間加工のための加熱温度及び調質処理にお
ける通常の焼入れのための加熱温度では基地に固溶しな
いのでオーステナイト領域において所謂「ピンニング効
果」を発揮し、オーステナイト粒の粗大化防止に有効で
ある。

【００１８】（ｅ）Ｔｉ炭硫化物の被削性向上効果とピ
ンニング効果を同時に得るためには前記式の値を２以
上にする必要がある。なお、組織の５０％以上がマルテ
ンサイトである調質鋼材の場合、前記式の値が２以上
であれば良好な強度−靱性バランスと被削性とを確保す
ることができる。

【００１９】（ｆ）Ｔｉの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としてＴｉが固定
されてしまい、Ｔｉの炭硫化物の生成が抑制されてしま
うためである。

【００２０】（ｇ）Ｎ量を規制した鋼に適正量のＴｉを
含有させて熱間加工の条件を適正化すれば、組織の５０
％以上がマルテンサイトである調質鋼材の靱性を飛躍的
に向上させることができる。これは、熱間加工における
加熱時に未固溶で存在するＴｉ炭硫化物によってオース
テナイト粒の成長が抑制されるために熱間加工後に微細
な組織が得られ、熱間加工組織が微細であれば、焼入れ
のための加熱で生ずるオーステナイト粒も微細になるの
で、この組織の微細化によって強靭化することに基づく
ものである。なお、前記式の値が２．５以上の場合に
はＭｎＳがほぼ消失するとともにＴｉ量にともなってＴ
ｉＣの生成量が増加し、このＴｉＣもオーステナイト領
域でのピンニング効果を有するので熱間加工後の組織は
一層微細化する。このため、焼入れのための加熱で生ず
るオーステナイト粒も一層微細になるので、上記の調質
鋼材においては、前記式の値が２．５以上であれば極
めて良好な強度−靱性バランスと被削性とを確保するこ
とができる。

【００２１】本発明は上記の知見に基づいて完成された
ものである。

【００２２】以下、本発明の各要件について詳しく説明
する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味す
る。

【００２３】（Ａ）鋼材の化学組成 Ｃ：０．１〜０．６％ Ｃは、強度を確保するのに有効な元素である。更に、Ｔ
ｉと結合してＴｉＣとして析出し、析出強化によって疲
労強度をも向上させる作用がある。前記の効果を確保す
るためにＣは０．１％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靱性の低下を招く。し
たがって、Ｃの含有量を０．１〜０．６％とした。

【００２４】Ｓｉ：０．０５〜１．５％ Ｓｉは、鋼の脱酸及び鋼の焼入れ性を高める作用を有す
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。

【００２５】Ｍｎ：０．４〜２．０％ Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるとともに固溶強化によっ
て疲労強度を向上させる効果を有する。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、むしろ硬
くなりすぎて靱性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。

【００２６】Ｓ：０．００２〜０．２％ Ｓは、ＣとともにＴｉと結合してＴｉの炭硫化物を形成
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が過剰に生成するのでＴ
ｉ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、Ｓの含有量を０．００２〜０．２％とした。

【００２７】Ｔｉ：０．０４〜１．０％ Ｔｉは本発明において重要な元素であって、Ｃ及びＳと
結合してＴｉの炭硫化物を形成し、被削性を高める作用
を有する。加えて、既述のようにＴｉＣはオーステナイ
ト領域でピンニング効果を有し、オーステナイト粒の粗
大化が防止できる。しかし、その含有量が０．０４％未
満では所望の効果が得られない。一方、１．０％を超え
て含有させても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、炭硫化物が粗大化して却
って靱性の低下を招く。したがって、Ｔｉの含有量を
０．０４〜１．０％とした。なお、良好な被削性と靱性
を安定して得るためには、Ｔｉの含有量を０．０６〜
０．８％とすることが好ましい。 Ａｌ：０．００５〜０．０５％ 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。

【００２８】Ｎ：０．００８％以下 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との親和力が大きい
ために容易にＴｉと結合してＴｉＮを生成し、Ｔｉ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の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。更に、粗大なＴｉＮは靱性を低下させ
る。Ｎ含有量が０．００８％以下で、且つ前述の式で
表されるｆｎ１が２以上の場合に前記したＴｉ炭硫化物
の効果が確保される。なお、Ｔｉ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。

【００２９】Ｃｒ：０〜２．０％ Ｃｒは添加しなくてもよい。添加すれば、鋼の焼入れ性
を高めるとともに固溶強化によって疲労強度を向上させ
る効果がある。こうした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、むしろ硬くなりすぎて靱性が低下する
ようになる。このため、Ｃｒの含有量を０〜２．０％と
した。

【００３０】Ｖ：０〜０．３％ 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。

【００３１】Ｎｂ：０〜０．０５％ 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、特に疲労強度と靱性とを
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、粗大な炭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、Ｎｂの含
有量を０〜０．０５％とした。

【００３２】Ｍｏ：０〜０．５％ Ｍｏは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の焼入れ性
を高める効果を有する。この効果を確実に得るには、Ｍ
ｏ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０．５％を超えるとこの効果が飽和
するだけでなく、むしろ硬くなりすぎて靱性が低下する
ようになるし、コストも嵩んでしまう。このため、Ｍｏ
の含有量を０〜０．５％とした。

【００３３】Ｃｕ：０〜１．０％ Ｃｕは添加しなくても良い。添加すれば、靱性を低下さ
せることなく鋼の強度を高め、更に被削性を高める効果
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。

【００３４】Ｎｉ：０〜２．０％ Ｎｉは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の焼入れ性
を向上させる効果を有する。この効果を確実に得るに
は、Ｎｉの含有量は０．０２％以上とすることが好まし
い。しかし、その含有量が２．０％を超えるとこの効果
が飽和するのでコストが嵩む。このため、Ｎｉの含有量
を０〜２．０％とした。

【００３５】Ｂ：０〜０．０２％ Ｂは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性が向上
して鋼の強度、靱性を向上させる効果を有する。この効
果を確実に得るには、Ｂの含有量は０．０００３％以上
とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０２
％を超えると前記の効果が飽和したり、却って靱性が低
下したりする。このため、Ｂの含有量を０〜０．０２％
とした。

【００３６】Ｎｄ：０〜０．１％ 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が微細
に分散析出し、この微細に分散析出したＭｎＳのピンニ
ング効果により後工程での熱間加工や焼入れのための加
熱時におけるオーステナイト粒の成長が抑制されて組織
が微細化し、鋼が高強度・高靱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靱
性の低下をきたす。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。

【００３７】Ｐｂ：０〜０．５０％ Ｐｂは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。この疵を除
去しなければ焼入れ時に焼割れの起点となるため、疵手
入れという面からもコストが嵩んでしまう。したがっ
て、Ｐｂの含有量を０〜０．５０％とした。

【００３８】Ｃａ：０〜０．０１％ 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。

【００３９】Ｓｅ：０〜０．５％ 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。

【００４０】Ｔｅ：０〜０．０５％ 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の多量添加は
熱間加工性の劣化を招き、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。こ
の疵を除去しなければ焼入れ時に焼割れの起点となるた
め、疵手入れという面からもコストが嵩んでしまう。し
たがって、Ｔｅの含有量を０〜０．０５％とした。

【００４１】Ｂｉ：０〜０．４％ 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。こ
の疵を除去しなければ焼入れ時に焼割れの起点となるた
め、疵手入れという面からのコストアップにつながる。
したがって、Ｂｉの含有量を０〜０．４％とした。

【００４２】ｆｎ１：２以上 Ｎ含有量が０．００８％以下で、前述の式で表される
ｆｎ１が２以上（ｆｎ１≧２）の場合にＴｉ炭硫化物の
被削性向上効果とピンニング効果を同時に確保すること
ができる。更に、式の値が２以上であれば、組織の５
０％以上がマルテンサイトである調質鋼材において、極
めて良好な強度−靱性バランスと被削性とを確保するこ
ともできる。

【００４３】ｆｎ１が２未満（ｆｎ１＜２）の場合は、
Ｓ量が過剰となるためＭｎＳが過剰生成してＴｉ炭硫化
物による被削性向上効果が低下するとともに、熱間加工
のための加熱時にいずれも未固溶で存在するＴｉＣと、
ＭｎＳよりも微細に分散生成するＴｉ炭硫化物とが減少
してしまい、オーステナイト粒ピンニング効果が充分に
得られず組織が粗大化してしまう。このため、焼入れ焼
戻し後の強度と靱性が低下してしまう。

【００４４】なお、既に述べたように前記式の値が
２．５以上の場合にはＭｎＳがほぼ消失するとともにＴ
ｉ量にともなってＴｉＣの生成量が増加し、このＴｉＣ
もオーステナイト領域でのピンニング効果を有するので
熱間加工組織、ひいては焼入れ組織が一層微細化する。
このため、組織の５０％以上がマルテンサイトである調
質鋼材においは、前記式の値が２．５以上であれば極
めて良好な強度−靱性バランスを確保することができる
ので、ｆｎ１≧２．５とすることが好ましい。このｆｎ
１の値の上限は特に規定されるものではなく、Ｔｉが
１．０％でＳが０．００２％の場合の値の５００であっ
ても良い。

【００４５】なお、Ｐは粒界偏析を起こして靱性を著し
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、鋼の靱性確保の点から０．０５％以下とすることが
好ましい。

【００４６】（Ｂ）鋼材の組織 上記の化学組成を有する鋼の被削性をＴｉ炭硫化物によ
って高めるとともに極めて良好な強度−靱性バランスを
も確保するためには、焼入れ焼戻し後の鋼材を５０％以
上がマルテンサイトで、且つ、旧オーステナイト粒がＪ
ＩＳ粒度番号５以上の組織である「調質鋼材」とする必
要がある。

【００４７】上記「調質鋼材」の具体的な製造方法とし
ては例えば、鋼片を１０５０〜１３００℃に加熱してか
ら１．５以上の成形比で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３００℃まで空冷あるいは放冷
し、次いで、８００℃〜９５０℃の温度域に加熱して２
０〜１５０分保持した後で水や油などの冷却媒体を用い
て焼入れし、更に、４００〜７００℃の温度域に加熱し
て２０〜１５０分保持してから２℃／分以上の冷却速度
で空冷、放冷、場合によっては水冷、油冷して焼戻しす
るような処理がある。更に、上記の焼入れ処理として、
熱間加工後にオーステナイト領域又はオーステナイトと
フェライトの２相領域からそのまま焼入れする、所謂
「直接焼入れ」を用いる製造方法もある。

【００４８】なお、上記の「成形比」とはＡ₀ を加工前
の断面積、Ａを加工後の断面積とした場合の（Ａ₀／
Ａ） のことを指す。更に、「冷却速度」とは鋼材表面
の冷却速度を指す。

【００４９】前記（Ａ）の化学組成は上記の条件で鋼材
を熱間加工、焼入れすれば所望の組織（５０％以上がマ
ルテンサイトで、且つ、旧オーステナイト粒がＪＩＳ粒
度番号５以上である組織）が得られるように配慮された
ものである。

【００５０】なお、既に述べたように「旧オーステナイ
ト粒」とは、焼入れ直前のオーステナイト粒のことをい
う。本発明で規定する調質鋼材の場合には、例えば、鋼
材を焼入れした後、又は鋼材を焼入れ焼戻しした後に試
料を切り出し、界面活性剤を添加したピクリン酸系の水
溶液で腐食して光学顕微鏡で観察することによって、前
記の旧オーステナイト粒を容易に判定することができ
る。

【００５１】高い被削性と良好な強度−靱性バランスを
より安定して確保するためには組織の８０％以上がマル
テンサイトで、旧オーステナイト粒はＪＩＳ粒度番号６
以上であることが好ましい。なお、組織におけるマルテ
ンサイト以外の残りの部分は、焼入れ処理でオーステナ
イトから変態したフェライト、パーライト及びベイナイ
トが焼戻しを受けた組織、オーステナイトとフェライト
の２相領域から焼入れた場合のフェライトが焼戻しを受
けた組織や、焼入れ処理しても変態せずに残ったオース
テナイト（所謂「残留オーステナイト）が焼戻しを受け
た組織である。実質的に組織の１００％がマルテンサイ
トであっても良い。

【００５２】本発明に係る調質鋼材が前記の組織を有す
るとともに、Ｔｉ炭硫化物に関して、その最大直径（個
々のＴｉ炭硫化物における最も長い径）が１０μｍ以下
で、且つ、その量が清浄度で０．０５％以上である場合
には、一層の優れた強度−靱性バランスと良好な被削性
とが得られる。

【００５３】

【実施例】

（実施例１）表１〜４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を添加して、Ｔｉ炭硫化物のサイズ
と清浄度を調整するようにした。

【００５４】表１、表２における鋼１〜２４は本発明例
の鋼、表３、表４における鋼２５〜４８は成分のいずれ
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。

【００５５】

【表１】

【００５６】

【表２】

【００５７】

【表３】

【００５８】

【表４】

【００５９】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２０
ｍｍの丸棒を作製した。なお、鋼１１、鋼１４、鋼１
６、鋼１８、鋼２０、鋼２２、鋼２７及び鋼３５につい
ては、鋼塊を分割して上記の条件で熱間鍛造して直径２
０ｍｍ及び直径６０ｍｍの丸棒を作製した。

【００６０】熱間鍛造後の冷却条件を冷却速度が５〜３
５℃／分となるように空冷又は放冷して３００℃まで冷
却した。その後各鋼について表５、表６に示すような焼
入れ焼戻し処理を行った。なお、表５、６に記載の加熱
温度からの焼入れはオーステナイト領域からの焼入れで
ある。

【００６１】

【表５】

【００６２】

【表６】

【００６３】上記のようにして得た直径２０ｍｍの丸棒
の中心部からＪＩＳ１４Ａ号の引張試験片、小野式回転
曲げ疲労試験片（平行部の直径が８ｍｍでその長さが１
８．４ｍｍ）、ＪＩＳ３号の２ｍｍＵノッチシャルピー
衝撃試験片を採取し、室温での引張強度（ＴＳ）、疲労
強度（疲労限度、σｗ）、シャルピー吸収エネルギー（
_UＥ₂₀ ）を調査した。

【００６４】焼入れ後の直径２０ｍｍの丸棒の一部を鍛
造軸に平行に中心線を通って切断して縦断試験片を採取
し、鏡面研磨した被検面を塩化第２鉄・アルキルベンゼ
ンスルホン酸ナトリウムを添加したピクリン酸飽和水溶
液で腐食して倍率１００倍で光学顕微鏡による観察を行
い旧オーステナイト粒度を測定した。

【００６５】又、焼入れ焼戻し後の直径２０ｍｍの丸棒
を鍛造軸に平行に中心線を通って切断して縦断試験片を
採取し、鏡面研磨した被検面をナイタルで腐食して倍率
１００倍で光学顕微鏡観察して中心部の組織観察を行
い、マルテンサイトの割合（面積率）を調査した。

【００６６】被削性は鋼１１、鋼１４、鋼１６、鋼１
８、鋼２０、鋼２２、鋼２７及び鋼３５の直径６０ｍｍ
の丸棒について、ドリル穿孔試験を行って評価した。す
なわち、焼入れ焼戻しした直径６０ｍｍの丸棒を２５ｍ
ｍの長さの輪切りにしたものを用いて、Ｒ／２部（Ｒは
丸棒の半径）につ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ストレートシャンクドリルを
使用し、水溶性の潤滑剤を用いて、送り０．１５ｍｍ／
ｒｅｖ、回転数９８０ｒｐｍで行った。

【００６７】なお、焼入れ後の直径６０ｍｍの丸棒の一
部を鍛造軸に平行に中心線を通って切断して縦断試験片
を採取し、鏡面研磨した幅が１５ｍｍで高さが２０ｍｍ
の被検面を前記のピクリン酸飽和水溶液で腐食して倍率
１００倍で光学顕微鏡による観察を行い旧オーステナイ
ト粒度を測定した。

【００６８】更に、焼入れ焼戻し後の直径６０ｍｍの丸
棒を鍛造軸に平行に中心線を通って切断して縦断試験片
を採取し、鏡面研磨した幅が１５ｍｍで高さが２０ｍｍ
の被検面をナイタルで腐食して倍率１００倍で光学顕微
鏡観察してＲ／２部の組織観察を行い、マルテンサイト
の割合（面積率）を調査した。

【００６９】表７、表８に直径２０ｍｍの丸棒に関する
各種試験結果を、表９に直径６０ｍｍの丸棒に関する各
種試験結果を示す。又、図１に各鋼の引張強度とシャル
ピー吸収エネルギーとの関係を示す。

【００７０】

【表７】

【００７１】

【表８】

【００７２】

【表９】

【００７３】表７〜９及び図１から、本発明例の鋼１〜
２４は高い強度（引張強度と疲労強度）と大きなシャル
ピー吸収エネルギーを有すること、つまり強度−靱性バ
ランスが極めて良好であることが明らかである。しかも
その強度レベルにおける被削性も良好である。

【００７４】これに対して比較例の鋼の場合には、強度
−靱性バランスや被削性に劣っている。

【００７５】（実施例２）前記の表１〜４に示した鋼の
うち鋼３、鋼１０、鋼１５、鋼１７〜１９、鋼２３、鋼
２４、鋼３３、鋼３６、鋼３８、鋼４１及び鋼４２につ
いて、上記の実施例１で熱間鍛造して得た直径２０ｍｍ
の丸棒を、表１０に示す条件で焼入れ焼戻し処理した。
なお、表１０に記載の加熱温度からの焼入れはオーステ
ナイトとフェライトの２相領域からの焼入れである。

【００７６】

【表１０】

【００７７】上記の焼入れ焼戻しした直径２０ｍｍの丸
棒の中心部からＪＩＳ１４Ａ号の引張試験片、小野式回
転曲げ疲労試験片（平行部の直径が８ｍｍでその長さが
１８．４ｍｍ）、ＪＩＳ３号の２ｍｍＵノッチシャルピ
ー衝撃試験片を採取し、室温での引張強度（ＴＳ）、疲
労強度（疲労限度、σｗ）、シャルピー吸収エネルギー
（_UＥ₂₀ ）を調査した。

【００７８】焼入れ後の直径２０ｍｍの丸棒の一部を鍛
造軸に平行に中心線を通って切断して縦断試験片を採取
し、鏡面研磨した被検面を塩化第２鉄・アルキルベンゼ
ンスルホン酸ナトリウムを添加したピクリン酸飽和水溶
液で腐食して倍率１００倍で光学顕微鏡による観察を行
い旧オーステナイト粒度を測定した。

【００７９】又、焼入れ焼戻し後の直径２０ｍｍの丸棒
を鍛造軸に平行に中心線を通って切断して縦断試験片を
採取し、鏡面研磨した被検面をナイタルで腐食して倍率
１００倍で光学顕微鏡観察して中心部の組織観察を行
い、マルテンサイトの割合（面積率）を調査した。

【００８０】表１１に上記の各種試験結果を示す。

【００８１】

【表１１】

【００８２】表１１から、本発明例の鋼３、鋼１０、鋼
１５、鋼１７〜１９、鋼２３及び鋼２４は２相領域から
焼入れしても高い強度（引張強度と疲労強度）と大きな
シャルピー吸収エネルギーを有すること、つまり強度−
靱性バランスが極めて良好であることが明らかである。

【００８３】これに対して比較例の鋼３３、鋼３６、鋼
３８、鋼４１及び鋼４２の場合には、強度−靱性バラン
スが劣っている。

【００８４】

【発明の効果】本発明の被削性に優れた高強度高靱性調
質鋼材は極めて優れた強度−靱性バランスを有するとと
もに被削性にも優れているので、機械構造部品などの素
材として利用することができる。この高強度高靱性調質
鋼材は比較的容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で用いた鋼１〜４８の引張強度とシャ
ルピー吸収エネルギーの関係を示した図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：
   ０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｓ：
   ０．００２〜０．２％、Ｔｉ：０．０４〜１．０％、Ａ
   ｌ：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％、Ｃｕ：０〜１．０
   ％、Ｎｉ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．０２％、Ｎｄ：
   ０〜０．１％、Ｐｂ：０〜０．５０％、Ｃａ：０〜０．
   ０１％、Ｓｅ：０〜０．５％、Ｔｅ：０〜０．０５％、
   Ｂｉ：０〜０．４％、下記式で表されるｆｎ１が２以
   上、残部はＦｅ及び不可避不純物の組成であって、組識
   の５０％以上がマルテンサイトで、且つ、旧オーステナ
   イト粒がＪＩＳ粒度番号５以上であることを特徴とする
   被削性に優れた高強度高靱性調質鋼材。 ｆｎ１＝Ｔｉ（％）／Ｓ（％）・・・・・