专利名称：机械结构用钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种切削性优良的机械结构用钢及其制造方法，特别是涉及一种即使不含Pb自动加工线所要求的切屑截断性极好并且在使用硬质合金工具的切削加工中，工具寿命很长的机械结构用钢及其制造方法。
近年来，随着切削加工工序的自动化和高速化的发展，为了安全和稳步实现高生产率，对具有优良切削性能的机械制造用钢，特别是切屑截断性优良，同时在用硬质钢合金工具进行切削加工时能够确保工具寿命长的机械结构用钢的要求越来越多了起来。
以往，为了提高机械结构用钢的切屑截断性，一直是采取加入Pb的方法，但是，近年来，随着环境污染的严重，期望出现没有添加Pb而又具有优良切屑截断性的机械结构用钢。
作为用于使用硬质钢合金工具的切削加工且没有添加Pb而具有易切削性的机械结构用钢，大家熟知的是Ca易切削钢。因为Ca易切削钢形成低熔点氧化物，由此可保护硬质钢合金工具，从而提高工具寿命。
但是，如在“电炉炼钢”第44卷第1号81～88页中记载，Ca易切削钢的切屑截断性比Pb易切削钢的切屑截断性差。因此，必须与S等提高切屑截断性的元素组合使用，所以通常使用的一直是Ca-S易切削钢。但是，因为对Ca-S易切削钢，实施氧化物的形态控制，所以实际的氧含量变高，有时生成粗大的硫化物，从而不能确实可靠地得到良好的切屑截断性。因此，稳定地提高不加Pb钢的切屑截断性是困难的。
在特开平11-222646号公报中提出，以下特征的切屑截断性优良的机械结构用钢，即实质上不含Pb，在轧制方向1mm2截面上有30个以上长度大于20μm的单个硫化物，或者是多个连接成近似串连状的长度为20μm以上的硫化物群。但是，上述钢的制造过程受到控制硫化物形态时，必须改变制钢条件和轧制条件等很大限制。
特开2000-219936号公报中提出的易切钢，在每3.3mm2具有5个以上的具有一定化学组成且Ca含量为1～10％的设定其形状为球状时其直径大于5μm的硫化物。但是，上述公报中提出的发明是，通过在MnS中分散含有10％以下CaS的硫化物的方法，改善材料的各向异性或工具寿命，而完全没有考虑对切屑截断性的改善。
特开2000-282171号公报中，提出实际不含Pb，且硫化物粒子分布指数小于0.5的切屑截断性优良的机械制结构用钢。但是，本发明者等用改善切削性的汽车用钢标准JASO M 106-92(制定社团法人汽车技术会、制定日期1977年5月28日，改正日期1992年3月30日)中记载的S1以及S2，作为一般的钢，求出上述公报中提出的硫化物粒子分布指数，结果，其值小于0.5时，无法得到能够确保机械特性和切削性的钢。
特开昭57-140853号公报中提出了“一种Ca-S易切削钢，以重量％计，控制sol.Al含量在0.002～0.005％，同时O(氧)含量控制在0.0040％以下，在(Ca％-0.7×O％)/S％≥0.10的范围内，含有低于0.0150％的Ca。”该Ca-S易切削钢确实起到了防止硫化物伸长作用和确保低熔点氧化物的作用，因此，有效改善了工具寿命。但是，如果Ca的含量大于0.01，则有时生成粗大的硫化物，因而，未必能同时得到良好的切屑截断性。
特公平5-15777号公报中，为了调整脱氧和晶粒，提出“以重量％计，控制Al含量在0.015～0.06％，同时O(氧)含量控制在20ppm以下的Ca-S易切削钢”，该公报中提出的Ca-S易切削钢确实具有比S易切削钢或Ca脱氧调整钢优良的切屑截断性，但是其切屑截断性比Pb易切削钢差。
在本发明中，本发明的机械结构用钢的切削性所要达到的目标是，上述的汽车用钢标准JASO M 106-92中所记载的L1以及L2的切削性能改善钢，即能够确保以质量％计，与含有0.04～0.3％左右Pb的易切削钢相同的切削性。
具体地讲，例如，切削时的“切屑截断性”的目标是，作为干式润滑，使用硬质钢合金工具P20刀尖，在2.0mm的进刀量、0.25mm/rev的走刀量、132～160m/分的切削速度进行切削，能够使每10个典型切屑的质量小于20g。
另外，钻孔加工的“切屑截断性”的目标是，在后述的钻孔加工条件下，即润滑剂使用了JIS K 2241中规定的W1种水溶性切削油剂(乳胶型)，并使用5mm直径的普通高速钢(高碳钢)制钻头，在0.15mm/rev的走刀量、18.5m/分的切削速度加工50mm深的孔时，每100个典型切屑的质量小于1.3g。
“工具寿命”的目标是，例如在上述条件下切削时，后面磨损达到0.2mm的时间大于15分钟。
本发明的要点在于，(I)一种机械结构用钢，以质量％计，含有C0.1～0.6％、Si0.01～2.0％、Mn0.2～2.0％、S0.005～0.20％、P0.1％以下、Ca0.0001～0.01％、N0.001～0.02％以及Al0.1％以下，其余为Fe和杂质，且用下式(1)表示的有效Ca浓度指数小于5质量ppm。
〔Ca〕e＝T.〔Ca〕-(T.〔O〕/〔O)OX)×(Ca)OX(1)式(1)中的符号代表下述含义。
〔Ca〕e有效Ca浓度指数(质量ppm)、T.〔Ca〕以质量ppm单位计的Ca含量、T.〔O〕以质量ppm单位计的O(氧)含量、(O)OX氧化物系夹杂物中含有的O(氧)的比例、(Ca)OX氧化物系夹杂物中含有的Ca的比例。
(II)一种机械结构用钢，以质量百分比(％)，含有C0.1～0.6％、Si0.01～2.0％、Mn0.2～2.0％、S0.005～0.20％、P0.1％以下、Ca0.0001～0.01％、N0.001～0.02％以及Al0.1％以下，其余为Fe和杂质，氧化物夹杂物中含有的MnO比例小于0.05且满足下式(2)。
Ca/O≤0.8 (2)上述(2)式中的元素符号，表示以质量％计的钢中的元素含量。
(III)上述(I)中所述的机械用构造用钢的制造方法，除了Ca，化学组成为上述(I)记载的钢水中，用下述(3)式表示的搅拌功率ε小于60W/t条件下，边搅拌钢水，边在下式(4)中所表示的A值小于20的条件下加入Ca，然后进行连续铸造。ε＝{(371×Q×TL)/WL}×ln{1+(9.8×ρ×H)/P}+{1-(TG/TL)}(3)A＝α/ε (4)式(3)及式(4)中的符号代表下述含义。
ε每吨钢水所需要的搅拌功率(W/t)、Q吹入的气体量(m3(Normal)/s)、TL钢水温度(K)、WL钢水量(t)、ρ钢水的密度(7×103kg/m3)、H气体吹入深度(m)、P气体介质压力(N/m2)TG吹入气体温度(K)α每吨钢水中加入的Ca量(g/t)另外，上述(I)和(II)中的“氧化物系夹杂物中含有的O(氧)的比例”、“氧化物系夹杂物中含有的Ca比例”以及“氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例”分别指假定“氧化物系夹杂物质量为1”时“O(氧)的比例”、“Ca的比例”以及“MnO的比例”。
为了提高上述(I)和(II)中记载的机械结构用钢的拉伸强度、韧性等机械特性，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下中的元素。
为了进一步提高上述(I)和(II)中记载的机械结构用钢的切削性，替代一部分Fe，含有一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下中的元素。另外，“REM(稀土类元素)”是Sc、Y以及镧石等共17种元素的总称，REM的含量指上述元素的总含量。
图2为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕和切屑截断性之间关系的图。
图3为表示共晶状MnS硫化物的面积率和切屑截断性之间关系的图。
图4为表示氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例和Ca/O值对共晶状MnS硫化物面积率的影响的图。
图5为表示氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例和Ca/O值对切屑截断性影响的图。
图6为搅拌每吨钢水所需的搅拌功率ε和钢水中总O(氧)含量之间的关系图。
图7为在式(3)中表示的搅拌功率ε小于60W/t的条件下，加入CaSi铁合金时，式(4)中的A值和式(1)中的有效Ca浓度指数〔Ca〕e之间的关系图。
图8为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切削加工中切屑截断性之间关系的图。
图9为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和钻孔加工中切屑截断性之间关系的图。
图10为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切削加工中切屑截断性之间关系的另一个图。
图11为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和钻孔加工中切屑截断性之间关系的另一个图。
图12为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切削加工中切屑截断性之间关系的图。
图13为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和钻孔加工中切屑截断性之间关系的图。
图14为表示氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例和Ca/O值对切屑截断性影响的图。
其结果表明，有时，即使化学组成相近且硬度和强度在同一水平，但随硫化物的形态的不同，切削性、尤其是切屑截断性明显不同。
由此，进一步进行的研究表明，控制切屑截断性的因素是，以分散于Ca-S易切钢中的MnS作为主要组成化合物的硫化物(下面，标记成MnS硫化物)的分布形态，并得到了下述(a)～(g)的结论。
(a)MnS系硫化物有以粒子状态均匀分散的情况和以群体状态分散的情况，与以粒子状态均匀分散的情况的相比，以群体状态均匀分散的情况下的切屑截断性更好。这是因为粒子状态的每个MnS系硫化物是例如随用截面积比表示的压延比伸展、被截断，而群体状MnS系硫化物是只随金属的流动而变化。
(b)群体状MnS系硫化物的生成及分散可与，在凝固过程中的高固相率期间，MnS系硫化物和δ-铁素体相或者是MnS系硫化物和奥氏体相几乎同时结晶出来时的，所谓的“共晶状MnS系硫化物”的生成及其分散有关。
另外，通过改变钢水的化学组成或将凝固速度变为极端速度的方法，生成共晶状MnS系硫化物是大家皆知的方法。但是还没有确立在机械结构用Ca-S易切钢的实用化学组成的范围内，且在以连续铸造作为前提的实用凝固速度的范围内，生成、分散晶状MnS系硫化物的技术。
(c)MnS系硫化物的形态，不仅受形成它的Mn及S含量的影响，也受影响界面能的O(氧)含量及对S及O的活度影响很大的Ca含量的影响。
(d)通常，用化学分析得到的O含量及Ca含量分别是钢水中的总O(氧)含量及总Ca含量。即，上述含量并非是，真正地影响MnS系硫化物的形态控制的溶O(氧)量及溶Ca量。但是，在凝固过程中测定枝间钢水中溶氧量及溶Ca量是极其困难的。因此，本发明者等采用根据能够实测的O含量及Ca含量，确定溶O氧量及溶Ca量的有效Ca浓度指数〔Ca〕e。通过将上述有效Ca浓度指数〔Ca〕e调整在规定的范围内，使得用通常的连续铸造速度方法制造实用化学组成范围的Ca-S易切削钢时，也能够在后述的40％以上面积率上稳定且可靠地生成、分散共晶状的MnS系硫化物，从而使钢具备高切屑截断性。
另外，与上述相同，表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e的(1)式中，T.〔O〕和T.〔Ca〕分别表示以质量ppm单位计的O含量和Ca含量，(O)ox和(Ca)ox分别表示假定“氧化物系夹杂物质量为1”时的“O(氧)的比例]和[Ca的比例”。
(e)另一方面，从上述(a)和(b)可知，切屑截断性是随共晶状MnS系硫化物生成量的增加而提高。是因为用Mn浓度小于钢平均组成的层覆盖微细的MnS系硫化物集合体周围形成共晶状的MnS系硫化物，所以比起析出粗大单个MnS系硫化物的情况，能够更好地发挥冲孔效应。
(f)共晶状MnS系硫化物的生成量与Ca的含量和O(氧)含量之比(即“Ca/O值”)以及在氧化物系夹杂物中的MnO含量有关。另外，通过将上述值控制在一定范围之内，能够用实用的制造工序，稳定且确保在大于后述的40％面积上生成的具有一定化学组成的Ca-S切削钢的共晶状MnS系硫化物量，并使Ca-S切削钢具有高切屑截断性。
(g)如果Ca在0.0001～0.0048％，并且杂质中的O(氧)在0.002～0.006％，则因为能够更加可靠地控制共晶状MnS系硫化物的形态，所以能够使属于实用化学组成范围内的Ca-S切削钢具有进一步稳定且可靠的高切屑截断性。
上述(I)和(II)的“机械结构用钢”的发明是基于上述的见解而完成的。
另一方面，本发明者等讨论了将上述的有效Ca浓度指数〔Ca〕e调整在所希望值范围的制钢方法。小型实验装置中，因为在低O含量下含量能够稳定，且能够预测Ca处理的成品率，所以通过调整合金组分的加入量或加入顺序，可得到期望的有效Ca浓度指数〔Ca〕e，但使用大型设备时，通过上述的调整，很难得到所期望的值。
因此，本发明者等利用转炉或电炉，通过由溶解—二次精练—连续铸造各工序组成的制钢方法，讨论有效Ca浓度指数〔Ca〕e和分散于铸片中的共晶状MnS系硫化物。
其结果表明，如果控制钢水化学组成的同时，控制二次精练中钢水的搅拌条件和Ca加入量，则能够较容易地获得上述(I)中的机械结构用钢。
上述(III)的“机械结构用钢的制造方法”发明，是基于上述见解而完成的发明，是用大型设备制造上述(I)中的机械结构用钢的1个理想的形态。
下面，对本发明的各要点进行详细的说明。
首先，说明本发明的机械结构用钢的化学组成和其限定理由。另外，在以下说明中，表示各元素含量的“％”代表“质量％”。“ppm”表示“质量ppm”。
C0.1～0.6％C是用于确保钢拉伸强度的必要元素，并且，为了能够具备作为机械结构用钢所必备的韧性，所以使C含量大于0.1％。但是，C含量如果大于0.6％，则损伤作为切削性前提的坯料的加工性能。因此，使C含量0.1％～0.6％。
Si0.01～2.0％Si是具有脱氧及强化固熔作用的元素。为了获得上述效果，必须使其含量在0.01％以上。但是，如果其含量大于2.0％，则固熔强化过度。因此，Si含量在0.01～2.0％。另外，更为理想的Si含量在0.1～1.0％。
Mn0.2～2.0％Mn是形成共晶状MnS系硫化物使切屑截断性提高，同时提高可淬性，使钢的拉伸强度提高的有效元素。另外，Mn同时具有脱氧作用。如果Mn的含量少，则FeS增加，导致脆化，所以其含量必须是0.2％以上。但是如果Mn含量超过2.0％，则因为可淬性过高的缘故，损伤切削性。从而使Mn含量在0.2～2.0％。另外，更为理想的Mn含量是0.4～2.0％。
S0.005～0.20％S是在形成共晶状MnS系硫化物，从而提高切屑截断性，特别是在提高切屑截断性方面有效的元素。为了获得上述效果，S含量必须大于0.005％，特别是S含量大于0.01％时上述效果更加显著。另一方面，如果其含量超过0.20％，则铸造时产生裂纹或材料各异向性等机械特性的恶化显著，不适用于一般的用途。所以使含量在0.005～0.20％。另外，更为理想的S含量是0.01～0.18％。
P0.1％以下P降低韧性的老化或沿展性。特别是，如果其含量超过0.1％，则大大降低韧性的老化或沿展性。另一方面，P也具有通过固熔化作用，提高拉伸强度和疲劳强度的作用，该效果在P含量大于0.04％时确实可靠。因此，想提高拉伸强度和疲劳强度时，可以加入P使之含量大于0.04％。但是如果P的含量超过0.1％，则上述的降低韧性老化或沿展性的幅度过大。所以使P含量低于0.1％。另外，更为理想的P含量是0.05％以下。
Ca0.0001～0.01％Ca是在提高切削性和控制硫化物形态所必须的元素。即Ca的作用是，它在钢中被氧化物系夹杂物含有的状态存在时，提高切削性、特别在高速切削时抑制硬质合金工具的磨损损耗。另外，Ca和O(氧)以及S有很强的亲和力，所以是控制MnS系硫化物形态的关键元素。即使非常微小的Ca含量，也能够发挥控制MnS系硫化物形态的效果，但如果小于0.0001％，则对切削性的改善贡献微乎其微。相反，如果超过0.01％，上述效果达到饱和，只会增加成本。所以使Ca含量在0.0001～0.01％。另外，更为理想的Ca含量是0.0001～0.0048％。
N0.001～0.02％N的作用在于，形成氮化物使结晶粒微细，提高韧性和疲劳特性。为了确实可靠地发挥上述氮化物的作用，N的含量必须大于0.001％。但是，如果其含量超过0.02％，则氮化物变粗大，反而导致韧性的恶化。因此，使Ca含量在0.001～0.02％。另外，更为理想的N含量是0.002～0.02％。
Al0.1％以下Al是钢脱氧的有效元素。本发明中因为已含有所述量的Si及Mn，所以可利用Si及Mn脱氧。因此，Al并非是脱氧处理用的必要元素，从而也可以不加入Al。另一方面，如果积极地加入Al，则提高脱氧效果的同时，形成氮化物，微细奥氏体粒，从而韧性得到改善，当Al的含量大于上述效果0.01％时，能够确实地得到上述效果。因此，如果想要获得脱氧效果和改善韧性效果，可以加入加入后含量大于0.01％的Al。但是，如果Al的含量大于0.1％，则不仅脱氧效果成饱和状态，并且因为氮化物变粗，反而降低韧性。因此，使Al的含量小于0.1％。
另外，不管是否作为脱氧剂加入Al，只要Al含量在0.0003～0.005％，则氧化物系夹杂物被软质化，特别能够在高速切削条件下延长工具寿命。因此，预想延长高速切削条件下的工具寿命，Al含量可在0、0003～0.005％。对如上述微量的Al含量控制是，通过下述方法实现，例如，考虑FeSi合金铁或CaSi合金铁中含有的Al量的基础上控制Al加入量，考虑钢水和渣或耐火材料中含有的Al2O3之间的反应基础上，调整渣中的Al2O3含量或控制耐火物中的Al2O3含量。
上述(I)和(II)中所述的机械结构用钢是含有上述化学成分，其余为Fe以及杂质的钢。
另外，为了提高上述(I)和(II)中所述的机械结构用钢的拉伸强度、韧性等机械性质，替代一部分Fe，可以象如上所述含有选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下中的一种以上。
通常，提高钢的拉伸强度会降低切削性，但如果适量含有从Ti到Ni为止的任意元素，则不防碍由控制后述的MnS系硫化物形态产生的切削性提高效果且又能提高钢的拉伸强度。所述的从Ti到Ni为止的任意元素是在下述范围之内，单独含有或者是组合2种以上元素含有也可以。
Ti0.1％以下Ti是因为形成碳化物和碳氮化物而微细化结晶粒，所以提高钢的拉伸强度的同时韧性也变强。为了确实可靠地获得上述效果，Ti含量大于0.005％以上是理想的。但是，如果其含量超过0.1％，则不仅上述效果已达到饱和，且硬质的TiN等分散量增加，所以导致切削性的降低。因此，加入Ti后其含量应小于0.1％以下。
Cr2.5％以下Cr的有效作用是提高钢的拉伸强度。为了确实可靠地得到上述效果，Cr含量应大于0.03％，但是，如果其含量超过2.5％，则切削性非常显著地降低。因此，加入Cr后其含量应小于2.5％以下。
V0.5％以下V与Ti同样，因为形成碳化物和碳氮化物而微细化结晶粒，所以提高钢的拉伸强度的同时韧性也变强。为了确实可靠地获得上述效果，V含量大于0.05％以上是理想的。但是，如果其含量超过0.5％，则不仅上述效果已达到饱和，而且导致切削性的显著降低。因此，加入V后其含量应小于0.5％以下。
Mo1.0％以下Mo的有效作用是提高钢的拉伸强度。为了确实可靠地得到上述效果，Mo含量应大于0.05％，但是，如果其含量超过1.0％，则热加工后的组织变得异常粗大，导致韧性降低。因此，加入Mo后其含量应小于1.0％以下。
Nb0.1％以下因为Nb形成碳化物和碳氮化物而微细化结晶粒，所以提高钢的拉伸强度的同时韧性也变强。为了确实可靠地获得上述效果，Nb含量大于0.005％以上是理想的。但是，如果其含量超过0.1％，则不仅上述效果已达到饱和，导致切削性显著降低。因此，加入Nb后其含量应小于0.1％以下。
Cu1.0％以下Cu的作用是通过析出强化，提高钢的拉伸强度。为了确实可靠地获得上述效果，Cu含量大于0.2％以上是理想的。但是，如果其含量超过1.0％，则不仅热加工性能变差，且析出物粗大而使上述效果饱和，有时反而降低。另外，只会增加成本。因此，加入Cu后其含量应小于1.0％以下。
Ni2.0％以下Ni的作用是通过固熔强化，提高钢的拉伸强度。为了确实可靠地获得上述效果，Ni含量大于0.2％以上是理想的。但是，如果其含量超过2.0％，则使上述效果饱和。因此，加入Ni后其含量应小于2.0％以下。
综上所述，为了进一步提高上述(I)和(II)中所述的机械结构用钢的切削性，替代一部分Fe，可以含有选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类金属)0.01％以下中选择的一种以上。
如果适量含有从Se到REM为止的任意元素，则不防碍由控制后述的MnS系硫化物形态而产生的切削性提高效果又能提高钢的切削性。所述的从Se到REM为止的任意元素是在下述范围之内单独含有或者是组合2种以上元素含有也可以。
Se0.01％以下在元素周期表上，Se是与S同族元素，形成(S、Se)Mn。在本发明中Se是用来控制MnS硫化物形态的同时，通过添加微量的Se，控制热扎中MnS硫化物的伸展，但又不防碍控制MnS硫化物形态，所以，具有在相同的S含量水平上，进一步提高钢切削性的效果。为了确实可靠地得到Se对切削性的提高效果，理想的是其含量大于0.001％。但是，即使Se含量超过0.01％，上述效果已达到饱和，只会增加成本。因此，加入Se后其含量应小于0.01％以下。
Te0.01％以下在元素周期表上，Te是与S同族元素，形成(S、Te)Mn。在本发明中Te是用来控制MnS硫化物形态的同时，通过添加微量的Se，控制热扎中MnS硫化物的伸展，但又不防碍控制MnS硫化物形态，所以，具有在相同的S含量水平上，进一步提高钢切削性的效果。为了确实可靠地得到Se对切削性的提高效果，理想的是其含量大于0.001％。但是，即使Te的含量超过0.01％，上述效果已达到饱和，只会增加成本。因此，加入Se后其含量应小于0.01％以下。Bi0.1％以下Bi是进一步提高钢的切削性的有效元素。Bi复合在MnS系硫化物的周围而析出，起防止热轧时MnS系硫化物伸展的作用。因为防止上述MnS系硫化物伸展的效果是与MnS系硫化物的形态控制协同进行，所以在相同的S含量水平下，钢的切削性得到进一步提高。为了确实可靠地得到Bi对切削性的提高效果，理想的是其含量大于0.01％。但是，即使Bi的含量超过0.1％，上述效果已达到饱和，只会增加成本。因此，加入Bi后其含量应小于0.1％以下。
Mg0.01％以下Mg的作用是进一步提高钢的切削性。即，因为Mg是强脱氧的元素，所以在钢水阶段形成MgO或MgO-Al2O3系夹杂物，但不会对MnS系硫化物的形态控制产生不好的影响，同时将上述氧化物夹杂物作为晶核，生成MnS系硫化物，所以通过微细分散MnS系硫化物，提高切削性。上述氧化物系夹杂物是硬质材料，但如上所述，因为同时存在MnS系硫化物，所以能够得到没有降低工具寿命而稳定地提高切屑截断性的效果。为了确实可靠地得到上述效果，理想的是Mg含量大于0.0005％。但是，因为Mg的沸点较低，易蒸发，所以其含量超过0.01％时从成本角度考虑是不理想的。因此，加入Mg后其含量应小于0.01％以下。
REM(稀土类元素)0.01％以下REM是指上述的Sc、Y以及镧石共17个元素，在工业上镧石是以混合稀土的形式添加，另外，如上所述，本发明中的REM含量是指上述元素的总量。
REM的作用是进一步提高钢的切削性。为了得到上述效果，理想的是REM含量大于0.0001％。但是，如果REM含量大于0.001％，则将得到更加确实可靠的效果。即，因为REM和O(氧)以及S有很强的亲和力，所以，只要其含量大于0.0001％，将影响O以及S的活度，含量大于0.001％，则形成含有REM氧硫化物或REM硫化物的夹杂物。很多情况下是以上述的REM氧硫化物或REM硫化物为晶核形成共晶状的MnS系硫化物，但如果REM的含量超过0.01％，将增加含有REM氧硫化物或REM硫化物的硫化物比例，减少共晶状的MnS系硫化物，所以反而降低切削性。从而，加入REM后其含量应小于0.01％.
另外，为了提高上述(I)和(II)中所述的机械结构用钢的拉伸强度、韧性等机械性质，同时进一步提高切削性，替代一部分Fe，可以象如上所述含有选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下中的一种以上元素，并含有一种以上的选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)01％以下中的元素。
另外，本发明的机械结构用钢，只要满足下述(A)或(B)条件就可以，对于杂质元素O(氧)的含量可以不做特别的限定。但是，O是具有抑制切削性特别是高速切削时抑制工具磨损的效果，对于机械结构用钢，其含量过高，有可能使韧性变差，所以理想的O含量是0.0125％以下。如果小于0.010％，将更理想。而如果小于0.006％将最理想。对O含量的下限没有特别的限定，但为了更加确实可靠地控制共晶状的MnS系硫化物的形态，O含量大于0.0005％是理想的，而大于0.002％将更理想。
本发明的机械制造用钢，必须具有如上所述的化学组成的同时，满足下式的(A)或(B)条件。
(A)在上式(1)中表示的有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm。
(B)氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例小于0.05％，且满足上式(2)式。即氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例小于0.05％，且〔Ca/O〕值小于0.8。
即，上述(I)中记载的机械制造用钢，具有上述化学组成的同时，为了在大于后述面积率的40％范围，稳定且可靠地生成、分散共晶状的MnS系硫化物，必须满足上述(A)的条件。并由此，上(I)中记载的机械制造用钢具有高切屑截断性。
另一方面，上述(II)中记载的机械制造用钢，为了具有上述化学组成的同时，在大于后述面积率的40％范围，稳定且可靠地生成、分散共晶状的MnS系硫化物，必须满足上述(B)的条件。并由此，上述(II)中记载的机械制造用钢具有高切屑截断性。
另外，上述(I)中记载的机械制造用钢中，如果使Ca的含量和杂质中O(氧)的含量分别为0.0001～0.0048％、0.002～0.006％，则能够更加稳定、确实地确保高切屑截断性。
同样，上述(II)中记载的机械制造用钢中，如果使杂质中O(氧)的含量为0.002～0.006％，则能够更加稳定、确实地确保高切屑截断性。另外，这时，同时由(2)式限定Ca的含量。
下面首先对上述条件(A)进行说明。
上述(1)式中的T.[Ca]和T.[O]表示用通常方法分析得到的以ppm单位表示的Ca含量和O(氧)含量，(O)OX和(Ca)OX分别表示利用EDX(能量分散型X线微量分析仪)等分析装置求得的“氧化物系夹杂物中含有的O(氧)的比例”以及“氧化物系夹杂物中含有的Ca的比例”。并且，如上所述，(O)OX和(Ca)OX分别表示“氧化物系夹杂物的质量设定为1”时的“O(氧)的比例”以及“Ca的比例”。
根据下述的要点能够求出上述的(O)OX和(Ca)OX。
即，用电子射线照射，利用上述的EDX观察到的氧化物夹杂物中的点或覆盖其夹杂物约1/4的面积的面，测定构成上述夹杂物的氧化物元素浓度。将其浓度换算成为假定化学计量组成的氧化物组成，并将其作为氧化物夹杂物中含有的O的比例以及Ca的比例。
上述的氧化物夹杂物的组成或多或少有离散现象，采用随机取样的10至30个左右的氧化物夹杂物的平均组成，并由此计算O的比例以及Ca的比例就可以。另外，脱氧元素含量固定的钢或通过预定的制钢法制造的钢的(O)OX和(Ca)OX分别取经验值即0.3～0.5左右的值以及0.01～0.4左右的值。
下面，详细说明使有效Ca浓度指数〔Ca〕e应小于5ppm的理由。
本发明者等利用可调整气体介质的高频率感应电炉，制备了属于本发明规定范围之内，并具有以下C0.39～0.41％、Si0.17～0.23％、Mn0.6～0.7％、S0.045～0.055％、P0.015～0.025％、Ca0.0005～0.006％、N0.002～0.005％以及Al0.001～0.003％组成的各种钢的150Kg钢块。即用通常方法调整气体介质溶解，在向铸型注入之前的1至2分钟之前，加入CaSi铁合金，进行Ca处理。这时，改变CaSi铁合金的加入量，以便于得到有效Ca浓度指数〔Ca〕e。之后按照通常的方法，注入到铸型中，进行凝固。
接着，将上述钢加热至1473K，并进行断面减少率约93％，终锻温度为1273～1373K的，制备了直径为55～60mm的圆棒。并且，热锻造后放置大气中进行冷却。
利用按照上述方法制得的各钢的圆棒，分析有效Ca浓度指数〔Ca〕e、共晶状的MnS系硫化物的面积率以及切屑截断性。
即，由上述的直径为55～60mm的圆棒制备将平行于锻造轴切断的端面(以下，平行于轧制方向或铸造轴而切断的断面称为L断面)作为检测面的试验片，进行镜面研磨之后，通过上述的使用EDX的普通方法，求出(O)OX和(Ca)OX。接着由该值和用通常方法分析得到的ppm作为单位的Ca含量和O(氧)含量，求出有效Ca浓度指数〔Ca〕e。
另外，将上述的镜面研磨的L断面作为检测面，用200倍率的光学显微镜12视场观察，求出共晶状MnS硫化物的面积率。以下，将用200倍率的光学显微镜12视场观察得到的共晶状MnS硫化物的面积率平均值仅称为“共晶状MnS硫化物的面积率”。这里的共晶状MnS硫化物的面积率是指将共晶状MnS硫化物的面积用整个硫化物的面积除之后得到的值，通常是通过图象处理，较容易的得出。这里，在上述观察中延伸观察面积为2.0mm2。
另外，共晶状MnS硫化物是指群体状的MnS系硫化物，因为数个～数十个MnS系硫化物聚集成数10～300μm左右的群体状，所以从其分散状况较容易判断。
通过切削实验评价切屑截断性。即，作为干式润滑使用硬质钢合金工具P20刀尖，在2.0mm的进刀量、0.25mm/rev的走刀量、132m/分的切削速度进行切削，测定10个典型切屑质量，评价切屑截断性。
在图1和图2中表示出上述各实验结果。
图1为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和共晶状MnS硫化物的面积率关系的图。图2为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕和切屑截断性之间关系的图。另外，图2的纵轴表示每10个切屑相当的质量“g/10p”。
从图1中清楚地看到，有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm时，共晶状MnS硫化物的比例增加，能够稳定且可靠地使共晶状MnS硫化物的面积率大于40％。并且，从图2中清楚地看到，有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm时，能够稳定且可靠地提高切屑截断性从而降低切屑质量。由此，在上式(1)中表示的有效Ca浓度指数〔Ca〕e应小于5ppm。
另外，有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于1ppm时，分别从图1和图2中清楚地看出，共晶状MnS硫化物的面积率稳定且可靠地超过80％和进一步降低切屑质量，提高切屑截断性。因此，有效Ca浓度指数〔Ca〕e应小于1ppm。
下面，说明上述条件(B)。
上述(2)式中的Ca和O是用通常方法分析得到的Ca含量和O(氧)含量。并且，氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例为利用EDX等分析装置求得的“氧化物系夹杂物的质量作为1”时的“MnO比例”。
上述“氧化物系夹杂物中的MnO比例”是，与上述(1)式中的(O)OX和(Ca)OX相同，用下述的要点求出。
即，用电子射线照射，利用上述的EDX观察到的氧化物夹杂物中的点或覆盖其夹杂物约1/4的面积的面，测定构成上述夹杂物的氧化物的元素浓度。将其浓度换算成为假定化学计量组成的氧化物组成，求出氧化物系夹杂物中含有的MnO比例。上述的氧化物夹杂物的组成或多或少有离散现象，采用随机取样的10至30个左右的氧化物夹杂物的平均组成，并由此计算MnO比例就可以。
另外，详细说明限制氧化物夹杂物中含有的MnO比例，使其小于0.05以下的同时，限定Ca/O值小于0.8的理由。
本发明者等用3吨熔解炉，熔炼表1所示化学组成的钢。即熔解JIS G4051记载的S48C基本组成中添加S之后的钢，制备了3t钢块。
表1中所示的钢中，钢MC1～MC3通常是Pb易切钢。另外，对于钢MA1～MB10，通过调整Al、Si以及Mn的含量，调整O(氧)含量，并且即将向铸型注入之前添加CaSi铁合金，并改变其加入量的方法调整Ca含量。
表1
接着，将上述钢加热至1523K之后，在1273K以上的温度下进行热轧制得直径为80mm的圆棒。并且，上述热轧中断面减少率为97％。
接着，将上述圆棒在1153K加热后保持2小时，完成正火处理。
利用经过上述处理后的圆棒，分析共晶状MnS硫化物的面积率、氧化物系夹杂物的MnO比例、切屑截断性以及工具寿命。另外，钢MC1～MC3通常是Pb易切钢，没有添加Ca。因此，对于钢MC1～MC3没有分析共晶状MnS硫化物的面积率、氧化物系夹杂物的MnO比例、切屑截断性。
由上述的直径为80mm的圆棒制备将L断面作为检测面的试验片，进行镜面研磨之后，通过上述的使用EDX的普通方法，求出氧化物系夹杂物中含有的MnO比例。
另外，将上述的镜面研磨的L断面作为检测面，用200倍率的光学显微镜12视场观察，求出共晶状MnS硫化物的面积率。如上述这里的共晶状MnS硫化物的面积率是指将共晶状MnS硫化物的面积用整个硫化物的面积除之后得到的值，通常是通过图象处理，较容易地得出。
另外，通过切削实验评价切屑截断性。即作为干式润滑，使用硬质钢合金工具P20刀尖，在2.0mm的进刀量、0.25mm/rev的走刀量、160m/分的切削速度进行切削，测定10个典型的切屑的质量，评价切屑截断性。另外，调查了在上述切削条件下的工具寿命。这里，将后面磨损达到0.2mm为止的时间规定为工具寿命。
在表2中表示出上述各实验结果。
表2
图3为整理表1中的钢MA1～MA10以及钢MB1～MB10的共晶状MnS硫化物的面积率和切屑截断性之间关系的图。为了进行比较，在图3中表示了钢MC1～MC3切屑质量线。另外，图3的纵轴代表每10个切屑的质量“g/10p”。如上所述，横轴的共晶状MnS硫化物的面积率是用200倍率的光学显微镜12视场观察后得到的共晶状MnS硫化物的面积率的平均值。
由图3可知，共晶状MnS硫化物的面积率增加的同时，切屑截断性上升。并且，从图3和表2中可知，共晶状MnS硫化物的面积率增加到40％以上时，可得到与含0.05％Pb的易切钢(钢MCI)相同的切屑截断性，而当共晶状MnS硫化物的面积率增加到80％以上时，可得到与含0.14～0.25％Pb的易切钢(钢MC2以及钢MC3)切屑截断性相同的切屑截断性。
图4为除MA1～MA3的Pb易切钢之外的钢中，氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例和Ca/O值对共晶状MnS硫化物的面积率的影响的图。另外，图4的纵轴表示“氧化物系夹杂物的MnO比例”，并且，共晶状MnS硫化物的面积率大于40％的用“○”表示，40％以下的用“●”表示。
从图4中可知，Ca/O值小于0.8，且氧化物系夹杂物中含有的MnO比例小于0.05时，稳定且可靠地使共晶状MnS硫化物的面积率大于40％。
如果Ca/O值大于0.8，则硫化物中的Ca开始固熔，其结果，容易形成固熔Ca的CaS等硫化物。上述固熔Ca的硫化物的析出温度高于共晶状MnS硫化物，成为以无关于铸片的凝固组织的点状存在的孤立状硫化物，所以导致共晶状MnS硫化物的面积率的降低。
如果氧化物系夹杂物中含有的MnO比例超过0.05，则形成含有大量MnO的硫化物，该硫化物也和固熔上述的Ca的硫化物相同，析出温度高于共晶状MnS硫化物，成为以无关于铸片的凝固组织的点状存在的孤立状硫化物，所以导致共晶状MnS硫化物的面积率的降低。
图5对图3和图4中的除MC1～MC3的Pb的易切钢之外的钢整理的结果，是表示氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例和Ca/O值对切屑截断性影响的图。另外在图5中，每10个切屑质量小于20g时用“○”符号表示，而每10个切屑质量大于20g时用“●”符号表示上述图5中表示，当Ca/O值小于0.8且氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例小于0.05条件时，稳定且可靠地使共晶状MnS硫化物的面积率大于40％，其结果，能够得到目标切屑截断性，即，在规定的条件下切削时，满足10个典型切屑的质量小于20g的条件。
由此，本发明中，使Ca/O值小于0.8，且使氧化物系夹杂物中含有的MnO比例小于0.05。
另外，从表2清楚地看到，具有表1化学组成的钢MA1～MA10，其工具寿命均大于15分钟，满足要求。
如上所述，上述(I)中记载的机械制造用钢，通过具有上述化学组成的同时，满足上述(A)，使得能够在大于40％的面积上稳定且可靠地生成、分散共晶状的MnS系硫化物，并由此具有高切屑截断性。
另一方面，上述(II)中记载的机械制造用钢，通过具有上述化学组成，并满足上述(B)的条件，在大于40％的面积范围内稳定且可靠地生成、分散共晶状的MnS系硫化物，并由此具有高切屑截断性。
下面说明上述(III)的“机械结构用钢的制造方法”。
上述机械结构用钢的制造方法是，除了Ca，化学组成满足上述(I)的钢水中，用上述(3)式表示的搅拌功率ε小于60W/t条件下，边搅拌钢水，边在上式(4)中所表示的A值小于20的条件下加入Ca，然后进行连续铸造的方法。
上述钢(III)的制造方法是基于，本发明者等为了弄清上述钢水每吨需要的搅拌功率ε和O(氧)含量之间的关系，上述(4)中表示的A值和式(1)中表示的有效Ca浓度指数〔Ca〕e之间的相互关系而进行的下述实验结果得到的方法，是使用大型设备时，也能够较容易地制造出上述(I)的机械结构用钢的理想方法之一。
即，本发明者等用C0.35～0.55％、Si0.15～0.20％、Mn0.6～0.8％、S0.04～0.06％、P0.015～0.02％、N0.012～0.020％、Al0.001～0.005％的70至72吨钢水，通过设置在浇包底部的透气塞，用Ar气体边搅拌钢水，边加入用纯Ca计算80～400g/吨钢水的CaSi铁合金。
另外，在上述实验中，钢水温度范围为1823～1923K，Ar气体搅拌时间范围为1200～3600秒，并在搅拌结束之前的约600秒内加入CaSi铁合金。
图6为上述的搅拌功率ε和O(氧)含量之间的关系图。
从图6中可知，如果式(3)中表示的搅拌功率ε超过60W/t，则O(氧)含量超过0.0125％，有可能不满足机械结构用钢必需的清洁度。因此式(3)中表示的搅拌功率ε应小于60W/t，另外，如果式(3)中表示的搅拌功率ε小于55W/t，则能够使氧含量稳定可靠地控制在0.006％以下。
图7为在上述搅拌功率ε小于60W/t的条件下加入CaSi铁合金时，式(4)中的A值和式(1)中的有效Ca浓度指数〔Ca〕e之间的关系图。另外，在该实验中，用所谓的“铁氧气瓶”，分析浇盘内钢水的化学组成，同时，用上述的EDX观察、分析上述铁氧气瓶中的氧化物系夹杂物，求出氧化物系夹杂物中含有的O(氧)和Ca的比例即(O)OX和(Ca)OX，并由上述(1)式算出有效Ca浓度指数〔Ca〕e。
从图7中可知，当式(4)中表示的A值小于20时，能够稳定可靠地控制有效Ca浓度指数〔Ca〕e在5ppm以下。因此，式(4)中表示的A值应小于20。
利用上述(III)的机械结构用钢的制备方法，用大型设备也能够较容易地制造出上述(I)的机械结构用钢。
另外，如下所示，在从制钢炉出钢之后的浇包精练阶段，通过在满足下述2个条件下进行所谓的“渣金属反应”控制脱氧，能够制造上述(II)的机械结构用钢。
第1个条件是，在浇包精练末期加入CaSi铁合金等进行Ca处理的前阶段的脱氧控制。即，加入脱氧元素Si和Mn，根据情况还可以加入Al，且精练至浇包渣中的Fe和MnO的总量在5％以下，钢中的O(氧)含量在0.0125％以下，理想的是0.010％以下，更为理想的是0.006％以下的状态，加入上述CaSi铁合金，将Ca含量控制在规定的范围内，从而能够稳定Ca/O值且使其小于0.8。
第2个条件是，使用于大型制钢炉时特别要留意的，从制钢炉出钢时的脱氧控制。即从制钢炉出钢时，调整Si、Mn、Al等脱氧剂的加入量，使得在浇包精练初期阶段，钢水中的O(氧)含量在0.0125％以下，理想是0.010％以下，更理想是0.006％以下，则从浇包精练的初期就能够降低氧化物夹杂物中的MnO比例，并由此，能够稳定氧化物夹杂物中的MnO比例，使其小于0.05。
综上所述，用下述(1)至(11)例示本发明的机械结构用钢及其制造方法。
(1)一种机械结构用钢，以质量百分比(％)计，含有C0.1～0.6％、Si0.01～2.0％、Mn0.2～2.0％、S0.005～0.20％、P0.1％以下、Ca0.0001～0.01％、N0.001～0.02％以及Al0.1％以下，其余为Fe和杂质，且用上式(1)表示的有效Ca浓度指数小于5ppm。
(2)上述(1)中所述的机械结构用钢，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下的元素。
(3)上述(1)中所述的机械结构用钢，替代一部分Fe，含有一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下的元素。
(4)上述(1)中所述的机械结构用钢，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下的元素，并含有一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下的元素。
(5)一种机械构造用钢，以质量百分比(％)计，含有C0.1～0.6％、Si0.01～2.0％、Mn0.2～2.0％、S0.005～0.20％、P0.1％以下、Ca0.0001～0.01％、N0.001～0.02％以及Al0.1％以下，其余为Fe和杂质，氧化物夹杂物中含有的MnO比例小于0.05且满足上式(2)。
(6)上述(5)中所述的机械结构用钢，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下、Ni2.0％以下中的元素。
(7)上述(5)中所述的机械结构用钢，替代一部分Fe，含有一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下中的元素。
(8)上述(5)中所述的机械结构用钢，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下中的元素，并含有一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下中的元素。
(9)上述(1)至(4)中任意一项中所述的机械结构用钢，Ca为0.0001～0.0048％，且杂质中的O(氧)为0.002～0.006％。
(10)上述(5)至(8)中任意一项所述的机械结构用钢，杂质中的O(氧)为0.002～0.006％。
(11)一种制造上述(1)至(4)中任意一项中所述机械结构用钢的方法，是在除了Ca，化学组成为上述(1)至(4)中的任意一项所述的钢水中，用上述(3)式表示的搅拌功率ε小于60W/t条件下，边搅拌钢水，边在上式(4)中所表示的A值小于20的条件下加入Ca，然后进行连续铸造。
实施例下面，通过实施例，更详细地说明本发明，但本发明并不限于下述的
(实施例1)利用能够调整气体介质的高频率感应电炉，制备钢的化学组成为表3所示的钢块150kg。即，惰性气体环境下，在1823～1873K的温度下进行熔解，调整合金组分后，添加氧化铁和CaSi铁合金的金属线，同时用Ar气体搅拌，调整O(氧)含量和Ca含量，然后注入到铸型内凝固，得到直径为220mm的球形钢块。
然后，加热上述钢块到1473K，在1273K以上温度进行精热轧，制备得到直径为57mm的圆棒。热轧后在大气中放置冷却。
表3
调查按照上述法制得的各圆钢棒的有效Ca浓度指数〔Ca〕e以及切屑截断性。
即由上述的直径为57mm的圆棒，制备以L截面作为检测面的实验片，进行镜面研磨之后，通过使用上述EDX的普通方法，求出(O)OX和(Ca)OX。然后，由上述值和用ppm单位表示的Ca含量和O(氧)含量，求出有效Ca浓度指数〔Ca〕e。
通过切削以及钻孔加工评价切屑截断性。
切削实验是，作为干式润滑，使用硬质钢合金工具P20刀尖，在2.0mm的进刀量、0.25mm/rev的走刀量、132m/分的切削速度进行切削，测定10个典型切屑的质量，评价切屑截断性。
钻孔加工实验是，润滑剂使用了JIS K 2241中规定的W1种水溶性切削油剂(乳胶型)，并使用直径为5mm的普通高速钢(高碳钢)制的的钻孔，在0.15mm/rev的走刀量、18.5m/分的切削速度加工50mm深的孔，测定100个典型切屑的质量，评价切屑截断性。
在表4、图8和图9中表示出上述各实验结果。
表4
图8为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切削加工中切屑截断性之间关系图。图8的纵轴表示每10个切屑相当的质量“g/10p”。
从图8中清楚地看到切削加工各种S含量钢时，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地使典型10个切屑质量小于20g。另外，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于1ppm，10个切屑质量下降至10g，显示出更加良好的切屑截断性。
图9为表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和钻孔加工中切屑截断性之间关系图。图9的纵轴表示每100个切屑相当的质量“g/100p”。
从图9中清楚地看到通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地使典型100个切屑质量小于1.3g，钻孔加工中也能够得到良好的切屑截断性。另外，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于1ppm，100个切屑质量下降至1.0g，显示出更加良好的切屑截断性。
另外，有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm时，确认能够确保充分的工具寿命。
实施例2利用能够调整气体介质的高频率感应电炉，制备钢的化学组成为表5所示的150kg钢块，得到直径为57mm的圆棒。并且，其制备方法如上述实施例1。
表5
用上述实施例1中所记载的方法，调查上述制得的各圆钢棒的有效Ca浓度指数〔Ca〕e以及切屑截断性。
表6中表示出利用通常的上述EDX法求得的(O)OX和(Ca)OX值和有效Ca浓度指数〔Ca〕e。在表6中也表示出通过切削和钻孔加工评价的切屑截断性即，在上述条件下切削时10个典型切屑的质量和钻孔加工时100个典型切屑的质量。
表6
图10和图11中表示了有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切屑截断性之间关系。图10的纵轴表示每10个切屑相当的质量“g/10p”。图11的纵轴表示每100个切屑相当的质量“g/100p”。
从上图中清楚地看到，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地确保良好的切屑截断性。
即，从表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切屑截断性之间关系的图10中清楚地看到，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地使10个典型切屑的质量小于20g。从而能够得到良好的切屑截断性，特别是，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于1ppm，10个切屑质量下降至10g，显示出更加良好的切屑截断性。
另外，从表示钻孔加工中有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切屑截断性之间关系的图11中清楚地看到，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地使100个典型切屑的质量小于1.3g，从而能够得到良好的切屑截断性，特别是，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于1ppm，100个切屑质量下降至10g，显示出更加良好的切屑截断性。
另外，与实施例1相同，确认了在有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm时，能够确保充分的工具寿命。
实施例3利用能够调整气体介质的高频率感应电炉，制备钢的化学组成为表7所示的150kg钢块，得到直径为57mm的圆棒。并且，其制备方法如上述实施例1和2。
表7
用上述实施例1和2中所记载的方法，调查上述制得的各圆钢棒的有效Ca浓度指数〔Ca〕e以及切屑截断性。
表8中表示出通过使用上述EDX的普通方法的求得的(O)Ox和(Ca)OX值和有效Ca浓度指数〔Ca〕e。在表8中也表示出在上述条件下切削时10个典型切屑的质量和钻孔加工时100个典型切屑的质量。
表8
图12和图13中表示了有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切屑截断性之间关系。图12的纵轴表示每10个切屑相当的质量“g/10p”。图13的纵轴表示每100个切屑相当的质量“g/100p”。
从上图中清楚地看到，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地确保良好的切屑截断性。
即，从表示有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切屑截断性之间关系的图12中清楚地看到，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地使10个典型切屑的质量小于20g。从而能够得到良好的切屑截断性，特别是，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于1ppm，10个切屑质量下降至10g，显示出更加良好的切屑截断性。
另外，表示钻孔加工中有效Ca浓度指数〔Ca〕e和切屑截断性之间关系的图13中清楚地看到，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm，能够稳定可靠地使100个典型切屑的质量小于1.3g，从而能够得到良好的切屑截断性，特别是，通过使有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于1ppm，100个切屑质量下降至10g，显示出更加良好的切屑截断性。
另外，与实施例1和实施例2相同，确认了在有效Ca浓度指数〔Ca〕e小于5ppm时，能够确保充分的工具寿命。
实施例470t钢水经过转炉—二次精练—连续铸造各工序的处理，制备成为C、Si、Mn、S、P、N、Al及Cr含量分别为0.53％、0.22％、0.75％、0.05％、0.02％、0.017％、0.002％及0.1％的机械结构用钢。
另外，从转炉向浇包出钢时，调整C、Si、Mn、S、P、N、及Cr成分，并进行除渣和加入造渣剂，然后将浇包输送到具有电弧加热设备的能够进行多孔气体搅拌的二次精练工序，适当进行由电弧的加热和由Ar气体的气体搅拌，进一步地调整组分。接着，为了达到规定Ca含量，加入CaSi铁合金金属丝，搅拌2分钟，结束2次精练。在表9中表示出此时钢水的气体搅拌条件以及Ca添加条件。
表9
(注吹入气体栏中的单位[m3/s]是指[m3(Normal)/s])。
用通常的方法，连续铸造二次精练后的钢水，得到420×320mm的铸片。然后，用通常的方法进行初轧和热轧，制成直径为80mm的圆棒。另外，热轧时的加热温度为1473K，精热轧温度为1273K以上。热轧后在大气中放置冷却。
调查按上述制得的直径为80mm圆棒的有效Ca浓度指数〔Ca〕e。
即由上述圆棒制备以L截面作为检测面的实验片，进行镜面研磨之后，通过使用上述EDX的通常方法，求出(O)OX和(Ca)OX。然后，由上述值和用ppm单位表示的Ca含量和O(氧)含量，求出有效Ca浓度指数〔Ca〕e。
在表10中表示出上述有效Ca浓度指数〔Ca〕e的调查结果。另外，在表10中表示了用ppm单位表示的Ca含量和O(氧)含量，即T.[O]和T.[Ca]。
表10
如表9所示，本发明和比较例中，钢水的搅拌功率ε值分别为32W/t和17W/t，是在上述(III)规定的范围之内。另一方面，本发明例中，上式(4)中表示的A值是7.8属于上述(III)规定的范围之内，而比较例中，上式(4)中表示的A值高，是23.5不属于上述(III)规定的范围之内。
由此，从表10中清楚地看到，本发明例中，有效Ca浓度指数〔Ca〕e为-3ppm。而比较例中有效Ca浓度指数〔Ca〕e为5.1ppm。
实施例5在3吨大气溶解炉中熔炼表11和表12所示化学组成的钢，通过调整Al、Si、Mn的加入量来调整O(氧)含量，并且刚要向铸型注入之前加入CaSi铁合金，并通过改变其加入量，调整Ca含量。
表11
表12
接着，接着把上述钢加热到1523K后，在1273K进行热轧，制备直径为80mm的圆棒。然后，进行加热至1153K后保持2小时的正火处理。
利用按上述得到的各圆钢棒，分析共晶状MnS硫化物的面积率、氧化物系夹杂物中含有的MnO比例、切屑截断性以及工具寿命。
另外，将上述镜面研磨的L截面作为检测面，用200倍率的光学显微镜12视场观察，求出共晶状MnS硫化物的面积率。
另外，通过切削实验评价切屑截断性。即作为干式润滑，使用硬质钢合金工具P20刀尖，在2.0mm的进刀量、0.25mm/rev的走刀量、160m/分的切削速度进行切削，测定10个典型切屑的质量，评价切屑截断性。另外，调查了在上述切削条件下的工具寿命。这里，将后面磨损达到0.2mm为止的时间规定为工具寿命。
在表13中表示了上述各种实验的实验结果。图14为氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例和Ca/O值对切屑截断性影响的图。在图14的纵轴中，将氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例表示成“氧化物中的MnO比例”。另外，每10个切屑质量小于20g时用“○”符号表示，而每10个切屑质量大于20g时用“●”符号表示。
表13
从表13和表示氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例和Ca/O值对切屑截断性影响的图14，清楚地看到Ca/O值小于0.8且氧化物系夹杂物中含有的MnO的比例小于0.05时，每10个切屑质量小于20g，具有良好的切屑截断性。另外确认，此时工具寿命大于15分钟。
本发明的机械结构用钢具有优良的切削性，特别是，具有自动加工线所要求的优良切屑截断性，同时使用硬质钢合金工具进行切削加工时工具寿命优良，所以能够作为产业用机械、土木建筑用机械、汽车为代表的输送用机械等各种机械结构零件的坯料而利用。另外，本发明的机械结构用钢实际上不含Pb，所以是一种环保型钢。
权利要求
1.一种机械结构用钢，其特征在于，以质量％计，含有C0.1～0.6％、Si0.01～2.0％、Mn0.2～2.0％、S0.005～0.20％、P0.1％以下、Ca0.0001～0.01％、N0.001～0.02％以及Al0.1％以下，其余为Fe和杂质，且用下式(1)表示的有效Ca浓度指数小于5ppm，〔Ca〕e＝T.〔Ca〕-(T.〔O〕/〔O)OX)×(Ca)OX(1)式(1)中的符号代表下述含义〔Ca〕e有效Ca浓度指数(质量ppm)、T.〔Ca〕以质量ppm单位计的Ca含量、T.〔O〕以质量ppm单位计的O(氧)含量、(O)OX氧化物系夹杂物中含有的O(氧)的比例、(Ca)OX氧化物系夹杂物中含有的Ca的比例。
2.根据权利要求1所述的机械结构用钢，其特征在于，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下中的元素。
3.根据权利要求1所述的机械结构用钢，其特征在于，替代一部分Fe，含有一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下中的元素。
4.根据权利要求1所述的机械结构用钢，其特征在于，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下、Ni2.0％以下元素，并含有至少一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素).0.01％以下中的元素。
5.一种机械结构用钢，其特征在于，以质量百分比(％)计，含有C0.1～0.6％、Si0.01～2.0％、Mn0.2～2.0％、S0.005～0.20％、P0.1％以下、Ca0.0001～0.01％、N0.001～0.02％以及Al0.1％以下，其余为Fe和杂质，氧化物夹杂物中含有的MnO比例小于0.05且满足上式(2)，Ca/O≤0.8(2)上述(2)式中的元素记号，表示以质量％计的钢中的元素含量。
6.根据权利要求5所述的机械结构用钢，其特征在于，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下中的元素。
7.根据权利要求5所述的机械结构用钢，其特征在于，替代一部分Fe，含有一种以上Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下中的元素。
8.根据权利要求5所述的机械结构用钢，其特征在于，替代一部分Fe，含有一种以上选自Ti0.1％以下、Cr2.5％以下、V0.5％以下、Mo1.0％以下、Nb0.1％以下、Cu1.0％以下以及Ni2.0％以下中的元素，并含有一种以上选自Se0.01％以下、Te0.01％以下、Bi0.1％以下、Mg0.01％以下以及REM(稀土类元素)0.01％以下中的元素。
9.根据权利要求1至4任意一项所述的机械结构用钢，其特征在于，Ca为0.0001～0.0048％，且杂质中的O(氧)为0.002～0.006％。
10.根据权利要求5至8任意一项所述的机械结构用钢，其特征在于，杂质中的O(氧)为0.002～0.006％。
11.一种权利要求1至4任意一项所述的机械用构造用钢的制造方法，，其特征在于，用下述(3)式表示的搅拌功率ε小于60W/t条件下，边搅拌钢水，边在下式(4)中所表示的A值小于20的条件下加入Ca，然后进行连续铸造，ε＝{(371×Q×TL)/WL}×ln{1+(9.8×ρ×H)/P}+{1-(TG/TL)}(3)A＝α/ε(4)式(3)及式(4)中的符号代表下述含义ε每吨钢水所需要的搅拌功率(W/t)、Q吹入的气体量(m3(Normal)/s)、TL钢水温度(K)、WL钢水量(t)、ρ钢水的密度(7×103kg/m3)、H气体吹入深度(m)、P气体介质压力(N/m2)、TG吹入气体温度(K)、α每吨钢水中加入的Ca加入量(g/t)。
全文摘要
一种机械结构用钢以质量％计，含有C0.1～0.6、Si0.01～2.0、Mn0.2～2.0、S0.005～0.20、P0.1以下、Ca0.0001～0.01、N0.001～0.02以及Al0.1以下，其余为Fe和杂质，且用〔Ca〕
文档编号C22C38/60GK1410581SQ02144079
公开日2003年4月16日 申请日期2002年9月30日 优先权日2001年10月1日
发明者西隆之, 松本齐, 加藤徹, 渡里宏二, 松井直树, 多比良裕章 申请人:住友金属工业株式会社