CN104520459A - 高频淬火用钢材 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在高频淬火后显示优异的转动疲劳寿命的高频淬火用钢材。本实施方式的高频淬火用钢材具有如下的化学组成：按质量％计含有C：0.4～0.6％、Si：0.03～1.0％、Mn：0.2～2.0％、P：0.05％以下、S：低于0.010％、Cr：0.05～0.50％、Al：0.01～0.10％、Ca：0.0003～0.0030％、O：0.0030％以下、N：0.003～0.030％、Cu：0～1.0％、Ni：0～3.0％、Mo：0～0.15％、V：0～0.30％、Nb：0～0.10％、B：0～0.0030％、和Ti：0～0.10％，余量由Fe和杂质构成，满足式(1)和式(2)。0.7≤Ca/O≤2.0···(1)Ca/O≥1250S-5.8···(2)其中，式(1)和式(2)中的元素符号代入对应的元素的含量(质量％)。

Description

高频淬火用钢材
技术领域
本发明涉及钢材，更具体地涉及高频淬火用钢材。
背景技术
在汽车用部件中，在等速接头、轮毂单元等部件上，高表面压力反复作用。因此，这些部件要求具有优异的转动疲劳特性。这些部件的原材料主要使用JIS G 4051(2009)中记载的“机械结构用碳钢钢材”。这些部件当中，要求转动疲劳特性的部位通过高频淬火处理来硬化。
高频淬火可以仅仅将必要的部位硬化。另外，在制造线上配置高频淬火装置时，能够实施所谓的在线高频淬火。因此，与利用间歇式的表面处理的场合比较，利用高频淬火时制造工序的自由度增高。
转动疲劳特性已知由于钢中的非金属夹杂物(以下也简称为“夹杂物”)、尤其是氧化物和硫化物而降低。因此，以往通过制钢工艺减少钢中的O(氧)和S(硫)的含量来提高转动疲劳寿命。
近年来，例如，由于发动机的高输出化、部件的轻量化的要求，上述部件的使用环境越来越高表面压力化、高温化。因此，作为部件的原材料的高频淬火用钢材要求进一步提高转动疲劳寿命。
然而，只是减低钢中的氧(O)和硫(S)的含量，难以获得良好的转动疲劳寿命。因此，日本特开平11-1749号公报(专利文献1)提出了目的是通过减小钢中的氧化物和硫化物的尺寸来改善转动疲劳寿命的高频淬火用钢。
专利文献1中公开的高频淬火用钢是线状或棒状的轧制钢材。而且，在通过轧制钢材的轴心的纵截面中，以包含与轴心平行且距离轴心为(1/4)×D(“D”表示轧制钢材的直径)的假想线作为中心线的被检测面积100mm2中存在的、由氧化物系与硫化物系构成的平均粒径10μm以上的复合夹杂物的个数为20个以下。专利文献1的高频淬火钢的化学组成按质量％计含有C：超过0.3％且0.7％以下、Mn：0.3～2.5％、Si：2％以下(包括0％)、P：0.03％以下(包括0％)、S：0.1％以下(包括0％)、Al：0.015～0.05％和O：0.002％以下(包括0％)，根据需要而进一步含有选自以下4个元素组中的至少一个元素组中的元素：(a)选自特定量的Cu、Ni、Cr和Mo所组成的组中的至少一种，(b)选自特定量的V、Nb和Ti所组成的组中的至少一种，(c)选自特定量的Ca、Pb、Te、Bi和Zr所组成的组中的至少一种，(d)特定量的B和N，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
专利文献1中，记载了以下的事项。如果将平均粒径为10μm以上的氧化物系和硫化物系的粗大复合夹杂物减低至极少，则弯曲疲劳特性和转动疲劳特性提高。而且，为了减低粗大复合夹杂物，将Al、S和O的含量控制在适当范围，进一步控制铸坯的冷却速度、轧制时的加热条件和轧制条件。
另外，国际公开第2010/110490号(专利文献2)公开了虽然不是高频淬火用钢、但目的是通过控制Ca系夹杂物的形态而改善疲劳特性的电焊钢管。
专利文献2中公开的电焊钢管按质量％计含有C：0.15～0.55％、Si：0.01～0.30％、Mn：0.5～1.5％、Ca：0.0010～0.0030％、S：0.0005～0.0050％、O：0.0005～0.0050％。此外，钢中的Ca、O和S的含量满足0.10≤[Ca](1-124[O])/1.25[S]≤2.50。此外，母材和电焊焊接部中存在的Ca系夹杂物的平均粒径为1.0～10μm，Ca系夹杂物的密度为3～300个/mm2。此外，电焊焊接部的最高硬度与母材部的平均硬度之差ΔHv为100～500。
专利文献2中记载了通过满足上式，钙系的氧化物(CaO)和硫化物(CaS)的平均粒径和分布密度达到适当范围，疲劳特性增高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-1749号公报
专利文献2：国际公开第2010/110490号
然而，专利文献1中完全没有考虑氧化物和硫化物的组成控制。因此，即使在Al、O的含量较少的情况下，有时也出现粗大的氧化物，无法获得优异的转动疲劳寿命。
专利文献2本来涉及电焊钢管，并不考虑转动疲劳寿命。另外，电焊钢管不以实施热锻和高频淬火为前提。此外，专利文献2中没有考虑氧化物和硫化物的组成控制。
发明内容
本发明的目的是提供在高频淬火后显示优异的转动疲劳寿命的高频淬火用钢材。
本实施方式的高频淬火用钢材具有如下的化学组成：按质量％计含有C：0.4～0.6％、Si：0.03～1.0％、Mn：0.2～2.0％、P：0.05％以下、S：低于0.010％、Cr：0.05～0.50％、Al：0.01～0.10％、Ca：0.0003～0.0030％、O：0.0030％以下、N：0.003～0.030％、Cu：0～1.0％、Ni：0～3.0％、Mo：0～0.15％、V：0～0.30％、Nb：0～0.10％、B：0～0.0030％、和Ti：0～0.10％，余量由Fe和杂质构成，满足式(1)和式(2)。
0.7≤Ca/O≤2.0···(1)
Ca/O≥1250S-5.8···(2)
其中，式(1)和式(2)中的元素符号代入对应的元素的含量(质量％)。
本实施方式的高频淬火用钢材具有优异的转动疲劳寿命。
附图说明
图1是用于说明钢中的Ca/O和S量对粗大的氧化物和点列状的氧化物的形成的影响的图。
图2A为实施例中使用的推力型(thrust)转动疲劳试验片的平面图。
图2B为用于说明针对图2A所示的试验片进行的高频淬火处理的示意图。
具体实施方式
一般，转动疲劳的机制理解如下。对钢材中存在的夹杂物反复施加负载，由于应力集中而在钢材中发生了龟裂。此后，龟裂因反复负载而慢慢加剧，钢材的一部分最终剥离。
本发明人等着眼于钢中的夹杂物的组成和形态，进行研究。其结果，本发明人等获得了(A)～(D)的认识。
(A)能够控制硫化物的组成。具体而言，例如，在钢水中添加Ca，生成(Mn、Ca)S和CaS。由于(Mn、Ca)S和CaS的生成，硫化物的直径变小，且分散。因此，构成转动疲劳的应力集中源的粗大硫化物减少。
(B)即使在减低钢中的氧(O)的含量的情况下，在氧化物以Al2O3为主体的化学组成的情况下，Al2O3主体氧化物聚集并结合，有时以粗大的夹杂物形式存在。如果形成粗大的Al2O3主体氧化物，有可能无法获得良好的转动疲劳寿命。
(C)如果在铝镇静钢(以下称为“Al镇静钢”)的钢水中添加Ca，作为脱氧产物的Al2O3与Ca发生反应，变化为低熔点组成氧化物的(Al、Ca)O。通过该变化，钢水中的氧化物球状化。因此，氧化物的聚集和粗大化被抑制。
(D)上述(C)项中的钢水中的Ca与钢水中的S以及Al镇静钢的脱氧产物Al2O3反应。该两个反应发生竞争。因此，可与Al2O3反应的Ca的量根据钢水中的S含量而变化。因此，为了使钢水中的氧化物的组成适当变化而抑制氧化物的粗大化，有必要将钢中的Ca、O和S的含量控制为适当的关系。
本发明人等调查了Ca含量对钢中的氧化物和硫化物的组成和形态的影响。其结果，本发明人进一步获得了(E)和(F)的认识。
(E)钢中的氧化物的组成(钢中可生成的氧化物的种类)取决于钢中的Ca含量与O含量之比(Ca/O)。Ca/O满足式(1)时，钢中大量生成(Al、Ca)O，粗大的氧化物(以Al2O3和/或CaO为主体的氧化物)的形成被抑制。
0.7≤Ca/O≤2.0···(1)
(F)如果钢中的S含量过高，则Ca不仅与O反应，而且也与S反应。因此，如果钢中的S含量较高，即使钢中的Ca含量和O含量满足式(1)，也有可能生成粗大的氧化物。若钢中的Ca含量、O含量和S含量满足式(1)和下式(2)，则粗大的氧化物和/或点列状的氧化物的生成被抑制。
Ca/O≥1250S-5.8···(2)
根据以上的认识完成的本实施方式的高频淬火用钢材如下所述。
本实施方式的高频淬火用钢材具有如下的化学组成：按质量％计含有C：0.4～0.6％、Si：0.03～1.0％、Mn：0.2～2.0％、P：0.05％以下、S：低于0.010％、Cr：0.05～0.50％、Al：0.01～0.10％、Ca：0.0003～0.0030％、O：0.0030％以下、N：0.003～0.030％、Cu：0～1.0％、Ni：0～3.0％、Mo：0～0.15％、V：0～0.30％、Nb：0～0.10％、B：0～0.0030％、和Ti：0～0.10％，余量由Fe和杂质构成，满足式(1)和式(2)。
0.7≤Ca/O≤2.0···(1)
Ca/O≥1250S-5.8···(2)
其中，式(1)和式(2)中的元素符号代入对应的元素的含量(质量％)。
上述高频淬火用钢材的化学组成可以含有C：0.48～0.6％。上述高频淬火用钢材的化学组成可以含有C：0.50～0.6％。
上述高频淬火用钢材的化学组成可以含有N：超过0.0050％～0.030％。
上述高频淬火用钢材的化学组成可以含有选自Cu：0.05～1.0％、Ni：0.05～3.0％、和Mo：0.02～0.15％所组成的组中的一种或两种以上。
上述高频淬火用钢材的化学组成可以含有选自V：0.01～0.30％和Nb：0.01～0.10％所组成的组中的一种或两种。
上述高频淬火用钢材的化学组成可以含有B：0.0005～0.0030％和Ti：0.01～0.10％。
本实施方式的高频淬火用钢材即使在近年来的转动部件的严酷使用环境下对于因转动疲劳产生的破损也具有良好的耐久性。因此，高频淬火后的转动疲劳寿命优异。本实施方式的高频淬火用钢材能够适宜地作为用作汽车部件的“等速接头”、“轮毂单元”等要实施高频淬火的部件的原材料使用。
以下详细说明上述高频淬火用钢材。各元素的含量的“％”是指“质量％”。
本实施方式的高频淬火用钢材的化学组成含有以下的元素。
C：0.4～0.6％
碳(C)提高高频淬火后的部件的转动部的硬度。如果C含量过低，则无法获得上述效果。另一方面，如果C含量过高，则钢材的硬度变得过高，钢材的锻造性降低。此外，切削钢材的工具的寿命降低。如果C含量过高，此外有可能的是，高频淬火部的韧性降低，转动疲劳寿命降低。因此，C含量为0.4～0.6％。C含量的优选下限为0.42％，更优选为0.48％，进一步优选为0.50％。C含量的优选上限为0.58％。
Si：0.03～1.0％
硅(Si)提高钢材的淬透性，高频淬火后在转动部形成硬化层。如果Si含量过低，则无法形成充分深度的硬化层。另一方面，如果Si含量过高，则钢材的硬度变得过高，钢材的锻造性降低。此外，切削钢材的工具的寿命降低。因此，Si含量为0.03～1.0％。Si含量的优选下限为0.1％，进一步优选为0.12％。Si含量的优选上限为0.8％。
Mn：0.2～2.0％
锰(Mn)提高钢材的淬透性，提高高频淬火后的转动部的硬度。如果Mn含量过低，则无法获得上述效果。另一方面，如果Mn含量过高，则钢材的硬度变得过高，钢材的锻造性降低。此外，切削钢材的工具的寿命降低。因此，Mn含量为0.2～2.0％。Mn含量的优选下限为0.3％，更优选为0.5％。Mn含量的优选上限为1.5％，更优选为1.0％。
P：0.05％以下
磷(P)是杂质。P在晶界偏析，降低钢材的转动疲劳寿命。因此，P含量优选尽可能低。因此，P含量为0.05％以下。优选的P含量为0.03％以下，更优选为0.02％以下。
S：低于0.010％
硫(S)是杂质。S形成粗大的硫化物，降低钢材的转动疲劳寿命。因此，S含量优选尽可能较低。因此，S的含量低于0.010％。优选的S含量为0.006％以下，更优选为0.002％以下。S含量进一步满足式(2)。
Cr：0.05～0.50％
铬(Cr)提高钢材的淬透性，高频淬火后在转动部形成硬化层。如果Cr含量过低，则无法形成充分深度的硬化层。另一方面，如果Cr含量过高，则在高频热处理的情况下，钢材的淬透性降低。此外，切削钢材的工具的寿命也降低。因此，Cr含量为0.05～0.50％。Cr含量的优选下限为0.10％。Cr含量的优选上限为0.40％，更优选为0.30％。
Al：0.01～0.10％
铝(Al)将钢脱氧。Al进一步与N键合而形成AlN，抑制钢材的淬火部分的晶粒的粗大化。如果Al含量过低，则无法获得该效果。另一方面，如果Al含量过高，则钢材的高频淬透性降低。因此，Al含量为0.01～0.10％。Al含量的优选下限为0.015％。Al含量的优选上限为0.08％，更优选为0.050％。
在本实施方式中，Al含量是指全部Al的含量。
Ca：0.0003～0.0030％
钙(Ca)以氧化物形式形成适量的(Al、Ca)O。如果形成(Al、Ca)O，则基质与夹杂物之间的界面能降低，氧化物的内聚力降低。因此，钢中的氧化物的粗大化被抑制，转动疲劳寿命提高。Ca进一步在硫化物中固溶，形成(Mn、Ca)S和CaS。(Mn、Ca)S和CaS不容易延伸，不容易粗大化。(Mn、Ca)S和CaS此外由于是与MnS不同的结晶形态，因此这些硫化物系夹杂物比MnS更均一分散在钢中。因此，转动疲劳寿命提高。如果Ca含量过低，则无法获得上述效果。另一方面，如果Ca含量过高，则氧化物粗大化，转动疲劳寿命降低。因此，Ca含量为0.0003～0.0030％。Ca含量的优选下限为0.0005％。Ca含量的优选上限为0.0025％。Ca含量进一步满足式(1)和式(2)。
O：0.0030％以下
氧(O)是杂质。O在钢中形成粗大的氧化物，降低钢材的转动疲劳寿命。因此，O含量优选尽可能低。O含量为0.0030％以下。优选的O含量为0.0025％以下，更优选为0.0020％以下。O含量进一步满足式(1)和式(2)。
N：0.003～0.030％
氮(N)与钢中的Al键合而形成AlN，抑制钢材的淬火部分的晶粒粗大化。如果N含量过低，则无法获得上述效果。另一方面，如果N含量过高，则生成粗大的氮化物，钢材的转动疲劳寿命降低。因此，N的含量为0.003～0.030％。N含量的优选下限为0.0040％，进一步优选超过0.0050％。
为了进一步抑制淬火部的晶粒的粗大化而含有属于任选元素的V和/或Nb时，N含量的优选下限为0.005％。
为了进一步提高高频淬火时的淬透性而含有B和Ti时，能够抑制B与N键合，因此是优选的。因此，含有B和Ti时，N含量的优选上限低于0.030％，更优选低于0.010％，进一步优选为0.008％。
[关于式(1)]
对于本实施方式的高频淬火用钢材的化学组成，Ca含量与O含量之比(Ca/O)进一步满足式(1)。
0.7≤Ca/O≤2.0···(1)
其中，式(1)中的元素符号代入对应的元素的含量(质量％)。
Ca/O是添加Ca后的钢中的氧化物组成的指标。Ca/O小于0.7时，Al2O3没有完全地变化为(Al、Ca)O而形成特定Al氧化物(以Al2O3为主体的粗大尖晶石状和/或点列状的Al2O3的氧化物群)。特定Al氧化物降低转动疲劳寿命。
另一方面，Ca/O高于2.0时，形成特定Ca氧化物(以CaO为主体的高熔点的粗大氧化物和/或点列状的CaO的氧化物)。特定Ca氧化物降低转动疲劳寿命。
Ca/O满足式(1)且满足式(2)时，在钢中生成适量(Al、Ca)O，减低了特定Al氧化物和特定Ca氧化物的生成。
[关于式(2)]
对于本实施方式的高频淬火用钢材的化学组成，CaO进一步满足式(2)。
Ca/O≥1250S-5.8···(2)
其中，式(2)中的元素符号代入对应的元素的含量(质量％)。
Ca不仅与钢中的O反应，也与钢中的S反应。因此，即使Ca/O满足式(1)，有时也不能抑制特定Al氧化物的生成。
更具体地说，Ca/O小于1250S-5.8时，与S键合的Ca量增多，用于(Al、Ca)O的Ca量不足。因此，生成特定Al氧化物，转动疲劳寿命降低。
如果Ca/O满足式(1)且为1250S-5.8以上，则与S键合的Ca量被抑制，能够将适当量的Ca用于生成(Al、Ca)O。因此，抑制特定Al氧化物和特定Ca氧化物的生成，转动疲劳寿命提高。
图1所示为上述Ca/O和S含量与满足式(1)和式(2)的范围的关系的示意图。图中的纵轴是Ca含量与O含量之比(Ca/O)。横轴是钢材中的S含量(质量％)。直线L100表示Ca/O＝2.0。直线L200表示Ca/O＝0.7。L300表示一次函数Ca/O＝1250S-5.8。
图1中的阴影线区域A1被直线L100、L200和L300包围。Ca/O和S含量在区域A1内时，生成(Al、Ca)O，特定Al氧化物和特定Ca氧化物的生成被抑制。因此，钢材的转动疲劳寿命提高。
本实施方式的高频淬火用钢材的余量由Fe和杂质构成。此处，杂质是指在工业上制造钢材时从作为原材料的矿石、废料或者从制造环境等中混入的且是不给本实施方式的高频淬火用钢材带来不良影响的范围内所允许的物质。
[关于任选元素]
本实施方式的高频淬火用钢材可以含有选自Cu、Ni和Mo所组成的组中的一种或两种以上。Cu、Ni和Mo均进一步提高高频淬火后的部件的转动部的硬度。
Cu：0～1.0％
铜(Cu)是任选元素，可以不含有。在含有的情况下，Cu与C和Mn同样地提高高频淬火后的部件的转动部的硬度。然而，如果Cu含量过高，则钢材的疲劳强度降低，热加工性也降低。因此，Cu含量为0～1.0％。用于更稳定地获得上述效果的Cu含量的优选下限为0.05％，更优选为0.07％。Cu含量的优选上限为0.5％。
Ni：0～3.0％
镍(Ni)是任选元素，可以不含有。在含有的情况下，Ni与C、Mn同样地提高高频淬火后的部件的转动部的硬度。然而，如果Ni含量过高，则钢材的疲劳强度降低。因此，Ni含量为0～3.0％。用于更稳定地获得上述效果的Ni含量的优选下限为0.05％，更优选为0.07％。Ni含量的优选上限为2.0％。
Mo：0～0.15％
钼(Mo)是任选元素，可以不含有。在含有的情况下，Mo与C、Mn同样地提高高频淬火后的部件的转动部的硬度。然而，如果Mo含量过高，则该效果饱和，制造成本增高。因此，Mo含量为0～0.15％。用于更稳定地获得上述效果的Mo含量的优选下限为0.02％，更优选为0.03％。Mo含量的优选上限为0.12％。
如上所述，本实施方式的高频淬火用钢材可以含有选自Cu、Ni和Mo所组成的组中的一种或两种以上。这些元素组合含有时，其合计量的上限为4.15％。
本实施方式的高频淬火用钢材可以进一步含有选自V和Nb所组成的组中的一种或两种。V和Nb是任选元素。在高频加热处理中，钢材即使在短时间内也可加热至高温。V和Nb均抑制钢材的淬火部分的晶粒的粗大化。
V：0～0.30％
钒(V)是任选元素，可以不含有。在含有的情况下，V与N键合而形成氮化物。所形成的氮化物抑制钢材的淬火部分的晶粒的粗大化。V进一步与C键合而提高钢材的强度。然而，如果V含量过高，则抑制淬火部分的晶粒的粗大化的效果饱和。此外，钢材的强度过高而切削性下降。因此，V含量为0～0.30％。用于更稳定地获得上述效果的V含量的优选下限为0.01％，进一步优选为0.015％。V含量的优选上限为0.20％。
Nb：0～0.10％
铌(Nb)是任选元素，可以不含有。在含有的情况下，Nb与N键合而形成氮化物。所形成的氮化物抑制钢材的淬火部分的晶粒的粗大化。Nb进一步与C键合而提高钢材的强度。然而，如果Nb含量过高，则抑制淬火部分的晶粒的粗大化的效果饱和。此外，钢材的强度变得过高而切削性降低。因此，Nb含量为0～0.10％。用于更稳定地获得上述效果的Nb含量的优选下限为0.01％，更优选为0.012％。Nb含量的优选上限为0.08％。
如上所述，本实施方式的高频淬火用钢材可以含有选自V和Nb所组成的组中的一种或两种。这些元素组合含有时的合计量的上限为0.40％。
本实施方式的高频淬火用钢材可以进一步含有B和Ti。B和Ti是任选元素。
B：0～0.0030％
硼(B)是任选元素，可以不含有。在含有的情况下，B提高钢的淬透性。因此，可以进一步增大高频淬火后的部件的转动部的硬化层的深度。然而，如果B含量过高，则其效果饱和。因此，B含量为0～0.0030％。用于更稳定地获得上述效果的B含量的优选下限为0.0005％，更优选为0.0007％。B含量的优选上限为0.0020％。
Ti：0～0.10％
钛(Ti)是任选元素，可以不含有。固溶的B提高钢材的淬透性。然而，B与N键合而形成的BN不会提高钢材的淬透性。因此，在含有B的情况下，还含有与N的亲和力大于B而容易形成氮化物的Ti。然而，如果Ti含量过高，则生成许多粗大的TiN，钢材的转动疲劳寿命降低。因此，Ti含量为0～0.10％。用于更稳定地获得上述效果的Ti含量的优选下限为0.01％，更优选为0.015％。Ti含量的优选上限为0.05％。
[制造方法]
说明上述的高频淬火用钢材的制造方法。在本实施方式中，作为一个例子，说明高频淬火用钢材即棒钢的制造方法以及使用高频淬火用钢材(棒钢)的热锻品的制造工序。热锻品例如是用于汽车和工业机械等的部件，更具体地例如是等速接头、轮毂单元等部件。
制造上述的化学组成且满足式(1)和式(2)的钢水。制造钢水时，对钢水用Al实施脱氧处理。此后，使钢水中含有Ca-Si合金，调整钢材的Ca含量。
使用所制造的钢水，通过铸造法形成铸坯。可以通过铸锭法将钢水形成铸锭(钢锭)。将铸坯或铸锭热加工，制造坯料(钢坯)。将坯料热加工，制造棒钢。热加工可以是热轧，也可以是热锻。通过以上的制造工序，制造高频淬火用钢材。
将所制造的高频淬火用钢材热锻。对于经过热锻的高频淬火用钢材，根据需要实施正火处理。进而根据需要对经过热锻的高频淬火用钢材实施机械加工，形成规定的形状。可以对经过机械加工的高频淬火用钢材实施调质处理。
对于经过以上工序的高频淬火用钢材，实施高频淬火。本实施方式的高频淬火用钢材实施高频淬火之后，具有优异的转动疲劳寿命。
实施例
使用真空熔化炉，制造具有表1所示的化学组成的钢1～30的钢水。制造钢水时，用Al对钢水实施脱氧处理。此后，使钢水中含有Ca-Si合金，调整钢材的Ca含量。使用所制造的钢水，制造150kg的钢锭。
[表1]
表1中的“Ca/O”栏记载了各钢1～30的Ca含量与O含量之比。“1250S-5.8”栏表示式(2)的右边。
表1中的钢1～18的化学组成在本实施方式的高频淬火用钢材的化学组成的范围内。钢19～钢30的化学组成偏离本实施方式的高频淬火用钢材的化学组成的范围。
将各钢锭先冷却到室温之后，根据化学组成将各钢锭加热至1200～1300℃的温度范围的温度。然后，对加热了的钢锭实施热锻，制造直径80mm的圆棒。热锻时的最终温度均为1000℃以上。热锻后的圆棒在大气中放冷至常温。
对于所制造的各圆棒，实施正火处理。具体而言，将各圆棒在850℃下加热30分钟，此后，在大气中放冷至常温。
[转动疲劳试验]
使用由以上的工序获得的钢1～30的圆棒，实施如下所示的转动疲劳试验。
图2A是用于转动疲劳试验的试验片的原材料(试验原材料)1的平面图。如图2A所示，由各圆棒的中心部制作直径D1为60mm、厚度10mm的圆盘状的试验原材料1。试验原材料1的中心轴与圆棒的中心轴一致。试验原材料1的表面中，环状区域10的内径D2为35mm、外径D3为45mm。
对于试验原材料1的距离表面中心的半径为17.5～22.5mm的环状区域10，实施高频淬火。如图2B所示，将按照环状区域10的形状形成的圆环状的线圈2配置在环状区域10的正上方。使试验原材料1沿图2B的箭头方向旋转的同时，实施高频加热。高频加热时的频率为30kHz，输出为100kW，加热时间为1.7秒。将加热后的试验原材料1进行水淬火。对淬火后的试验原材料1实施回火。具体而言，将试验原材料1在150℃下加热1小时，此后在大气中放冷。
进一步，对于回火后的试验原材料1，将与实施了高频淬火的表面相反一侧的表面进行研削。进一步，将实施了高频淬火的表面进行镜面加工，制作了厚度5.0mm的转动疲劳试验片。
将转动疲劳试验片的表面中的经过镜面加工的表面作为试验面，实施转动疲劳试验。
转动疲劳试验使用森式推力型转动疲劳试验机。在最大接触面压力5230MPa、往复速度1800cpm(周期/分钟)的条件下实施试验。试验部为距离试验面中心的半径为19.25mm的环状区域。作为钢球(对象球)，使用JIS G4805(2008)中规定的SUJ2调质材料。在转动疲劳试验中，测定直到剥离为止的应力往复数。表2中示出了转动疲劳试验的详细条件。
[表2]
表2
将转动疲劳试验结果标绘在韦伯分布概率纸上，表示10％破损概率的L10寿命作为“转动疲劳寿命”评价，L10寿命满足5.0×106以上时，评价为转动疲劳寿命优异。
[试验结果]
表3中示出了上述试验获得的L10寿命。
[表3]
表3
表3中的“L10寿命”栏的数值记载了各试验编号的L10寿命(×106)。参照表1和表3，试验编号1～18的钢1～18的化学组成是适当的，Ca/O满足式(1)和式(2)。因此，L10寿命为5.34×106以上，获得了优异的转动疲劳寿命。
另一方面，试验编号19中，钢19的Ca/O高达2.25，超过式(1)的上限。因此，容易形成粗大的氧化物或点列状的氧化物，L10寿命低于5.0×106(2.93×106)。
试验编号20中，钢20的Ca/O低至0.52，低于式(1)的下限。因此，容易生成特定Al氧化物，L10寿命低于5.0×106(1.20×106)。
试验编号21中，钢21的Ca/O为0.73，1250S-5.8为0.83，因此，Ca/O小于1250S-5.8，不满足式(2)。因此，钢中的氧化物容易粗大化，L10寿命低于5.0×106(3.36×106)。
试验编号22中，钢22的Ca含量过高，达到0.0038％。因此，容易形成粗大的氧化物和/或点列状的氧化物，L10寿命低于5.0×106(1.46×106)。
试验编号23中，钢23的Ca含量过低，为0.0001％。因此，氧化物成为高熔点的容易聚集的物质，结果粗大化，L10寿命低于5.0×106(1.31×106)。
试验编号24中，钢24的O含量过高，达到0.0041％。因此，容易生成许多粗大的氧化物，L10寿命低于5.0×106(0.920×106)。
试验编号25中，钢25的S含量过高，达到0.0220％。因此，容易生成许多粗大的硫化物，另外，许多的Ca和S容易形成CaS，因此，与Al2O3反应的Ca容易变少。因此，L10寿命低于5.0×106(0.765×106)。
试验编号26中，钢26的Cr含量过高，达到1.03％。因此，高频淬火部没有均一硬化，L10寿命低于5.0×106(3.25×106)。
试验编号27中，钢27的C含量过高，达到0.71％。因此，高频淬火部的韧性降低，L10寿命低于5.0×106(2.02×106)。
试验编号28中，钢28的C含量过低，为0.27％。因此，高频淬火部无法获得充分的硬度，L10寿命低于5.0×106(1.14×106)。
试验编号29中，为了提高高频淬火后的转动部的硬度而使钢29含有Cu和Ni，但Ca/O高达2.71，超过式(1)的上限。因此，容易形成粗大的氧化物或点列状的氧化物，L10寿命低于5.0×106(2.21×106)。
试验编号30中，为了抑制淬火部的晶粒的粗大化而使钢30含有Nb，但Ca/O低至0.46，低于式(1)的下限。因此，氧化物容易粗大化，L10寿命低于5.0×106(1.36×106)。
以上说明了本发明的实施方式。上述实施方式不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明不限于上述实施方式，在不偏离其主旨的范围内可以对上述实施方式进行适当改变来实施。
产业上的可利用性
本实施方式的高频淬火用钢材即使在近年来的转动部件的严酷使用环境下对于因转动疲劳产生的破损也具有良好的耐久性，具有优异的转动疲劳寿命。因此，本实施方式的高频淬火用钢材可广泛应用于要求优异的转动疲劳寿命的用途，尤其可以适宜地作为用作汽车部件的“等速接头”、“轮毂单元”等要实施高频淬火的转动部件的原材料使用。

Claims (7)

1.一种高频淬火用钢材，其具有如下的化学组成：
按质量％计含有C：0.4～0.6％、Si：0.03～1.0％、Mn：0.2～2.0％、P：0.05％以下、S：低于0.010％、Cr：0.05～0.50％、Al：0.01～0.10％、Ca：0.0003～0.0030％、O：0.0030％以下、N：0.003～0.030％、Cu：0～1.0％、Ni：0～3.0％、Mo：0～0.15％、V：0～0.30％、Nb：0～0.10％、B：0～0.0030％、和Ti：0～0.10％，
余量由Fe和杂质构成，
满足式(1)和式(2)，
0.7≤Ca/O≤2.0…(1)
Ca/O≥1250S-5.8…(2)
其中，式(1)和式(2)中的元素符号代入对应的元素的含量(质量％)。
2.根据权利要求1所述的高频淬火用钢材，其中，所述化学组成含有C：0.48～0.6％。
3.根据权利要求2所述的高频淬火用钢材，其中，所述化学组成含有C：0.50～0.6％。
4.根据权利要求1～权利要求3中任一项所述的高频淬火用钢材，其中，所述化学组成含有N：超过0.0050％～0.030％。
5.根据权利要求1～权利要求4中任一项所述的高频淬火用钢材，其中，所述化学组成含有选自Cu：0.05～1.0％、Ni：0.05～3.0％、和Mo：0.02～0.15％所组成的组中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1～权利要求5中任一项所述的高频淬火用钢材，其中，所述化学组成含有选自V：0.01～0.30％和Nb：0.01～0.10％所组成的组中的一种或两种。
7.根据权利要求1～权利要求6中任一项所述的高频淬火用钢材，其中，所述化学组成含有B：0.0005～0.0030％和Ti：0.01～0.10％。
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