CN104540974A

CN104540974A - 冷锻用圆钢材

Info

Publication number: CN104540974A
Application number: CN201380042892.5A
Authority: CN
Inventors: 江头诚; 东田真志; 松本齐; 根石丰
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2033-08-19
Also published as: JP5811282B2; KR20160111014A; JPWO2014030327A1; KR101939435B1; WO2014030327A1; CN104540974B; KR20150029757A

Abstract

本发明提供球状化退火后的冷锻性优异的冷锻用圆钢材。对于本实施方式的冷锻用圆钢材，显微组织包含铁素体、珠光体和球状渗碳体，铁素体的平均晶粒直径为10μm，片层间距为200nm以下的珠光体在显微组织中所占的面积比率不足20％，进而，冷锻用圆钢材中由表面直至半径×0.15深度为止的区域的显微组织中，铁素体的平均晶粒直径为5μm以下，片层间距为200nm的珠光体在上述区域的显微组织中所占的面积比率不足10％，球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上。

Description

冷锻用圆钢材

技术领域

本发明涉及圆钢材，更具体而言，涉及冷锻用圆钢材。

背景技术

结构用钢钢材为汽车用部件、工业机械用部件和建设机械用部件等机械结构用部件的原材料。结构用钢钢材使用机械结构用碳钢钢材和机械结构用合金钢钢材。

为了由这些钢材制造部件，以往主要实施热锻工序和切削工序。但是，近年，为了提高生产率，对替代这些工序、利用冷锻工序来制造部件进行了研究。

但是，冷锻的加工度一般大。因此，抑制冷锻时的钢材的裂纹的产生、也就是说提高钢材的冷锻性成为问题。

将机械结构用碳钢钢材和机械结构用合金钢钢材进行冷锻的情况下，通常对经过了热轧的钢材实施软化退火(以下称为球状化退火)来提高碳化物的球状化率。由此，钢材的硬度降低，能够得到高的冷锻性。但是，即使是实施了球状化退火的钢材，在冷锻时也有可能产生裂纹。

球状化退火后的冷锻性提高了的冷锻用钢材提出于日本特开2001-240940号公报(专利文献1)、日本特开2001-11575号公报(专利文献2)和日本特开2011-214130号公报(专利文献3)。

专利文献1中公开的冷锻用棒线材的化学组成，按质量％计含有C：0.1～0.6％、Si：0.01～0.5％、Mn：0.2～1.7％、S：0.01～0.15％、Al：0.015～0.05％、N：0.003～0.025％，根据需要含有Ni：3.5％以下、Cr：2％以下、Mo：1％以下、Nb：0.005～0.1％、V：0.03～0.3％、Te：0.02％以下、Ca：0.02％以下、Zr：0.01％以下、Mg：0.035％以下、Y：0.1％以下和稀土元素：0.15％以下中的一种以上，限制于P：0.035％以下、O：0.003％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质组成。上述棒线材中，由表面直至棒线材半径×0.15的深度为止的区域的铁素体的组织面积率为10％以下，剩余部分实质上包含马氏体、贝氏体、珠光体中的一种或两种以上。进而，深度为由棒线材半径×0.15直至中心为止的区域的平均硬度与表层(由表面直至棒线材半径×0.15的深度为止的区域)的平均硬度相比，软20HV以上。

对于专利文献2中公开的机械结构用棒钢和钢丝的化学组成，按质量％计含有C：0.1～0.5％、Si：0.01～0.15％、Mn：0.2～1.7％、Al：0.0005～0.05％、Ti：0.005～0.07％、B：0.0003～0.007％、N：0.002～0.02％，根据需要含有0.003～0.15％的S、和/或0.8％以下且与Mn的总量为0.3～1.3％的Cr，P：0.02％以下、O：0.003％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质组成。上述棒钢和钢丝的显微组织包含铁素体和球状碳化物，铁素体的晶粒度为8号以上，单位面积1mm²的球状碳化物的个数根据C量为1.5×10⁶个×C％以下。

对于专利文献3中公开的高频淬火用轧制钢材的化学组成，按质量％计含有C：0.38～0.55％、Si：1.0％以下、Mn：0.20～2.0％、P：0.020％以下、S：0.10％以下、Cr：0.10～2.0％、Al：0.10％以下和N：0.004～0.03％，根据需要含有Cu：1.0％以下、Ni：3.0％以下、Mo：0.50％以下、Ti：0.10％以下、Nb：0.10％以下和V：0.30％以下中的一种以上，剩余部分由Fe和杂质组成，fn1＝C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V-(5/7)S(其中，式中的C、Si、Mn、Cr、V、S表示各元素的按质量％计的含量。)的值为1.20以下。上述轧制钢材的显微组织包含铁素体、层状珠光体和球状渗碳体，铁素体的平均晶粒直径为10μm以下，层状珠光体中的片层间距为200nm以下的层状珠光体在显微组织中所占的面积比率为20～50％，球状渗碳体的个数为4×10⁵个/mm²以上。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-240940号公报

专利文献2：日本特开2001-11575号公报

专利文献3：日本特开2011-214130号公报

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1中，为了提高球状化退火后的延展性，使得热轧后的钢材的表层形成以回火马氏体作为主体的组织或以贝氏体作为主体的组织等均匀微细的组织。更具体而言，实施骤冷至Ms点大幅降低的温度区域，将钢材的表层区域回火，形成以马氏体作为主体的组织，或者重复冷却和复热多次，使得表层区域形成以贝氏体作为主体的组织。此时，对于钢材而言，由于产生因相变所导致的体积变化，而要求严格的尺寸精度、直线性的情况下，在球状化退火之前有可能必须进行拉拔加工。

专利文献2中，对A_r3点～A_r3点+150℃的表面温度的钢材进行轧制。专利文献2中，对低于A_r3点的表面温度的钢材进行轧制的情况下，实施所谓双相区域中的轧制的情况下，得不到微细的铁素体和珠光体，记载为不优选。但是，在A_r3点～A_r3点+150℃的温度区域实施轧制的情况下，有可能得不到微细的铁素体，钢中的珠光体的比率也有可能增大。因此，球状化退火后的钢材的冷锻性有可能低。

对于专利文献3中公开的轧制钢材，进行了高频淬火后，适于作为要求弯曲强度和冲击特性的齿条(Rack Bar)等部件的原材料使用。但是，对于该轧制钢材而言，层状珠光体中片层间距为200nm以下的层状珠光体在全部显微组织中所占的比率大、为20～50％。因此，即使将轧制钢材进行球状化退火，也未必充分软化，有可能得不到冷锻用钢材所要求的优异的冷锻性。

用于解决问题的方案

本发明的目的在于，提供球状化退火后的冷锻性优异的冷锻用圆钢材。

本实施方式的冷锻用圆钢材具有下述化学组成：按质量％计含有C：0.15～0.60％、Si：0.01～0.5％、Mn：0.1～2.0％、P：0.035％以下、S：0.050％以下、Al：0.050％以下、Cr：0.02～0.5％、N：0.003～0.030％、Cu：0～0.5％、Ni：0～0.3％、Mo：0～0.3％、V：0～0.3％、B：0～0.0035％、Nb：0～0.050％和Ti：0～0.2％，剩余部分由Fe和杂质组成。上述冷锻用圆钢材的显微组织包含铁素体、珠光体和球状渗碳体，铁素体的平均晶粒直径为10μm以下，片层间距为200nm以下的珠光体在显微组织内所占的面积比率不足20％，进而，冷锻用圆钢材中由表面直至半径×0.15深度为止的区域的显微组织中，铁素体的平均晶粒直径为5μm以下，片层间距为200nm以下的珠光体在上述区域的显微组织中所占的面积比率不足10％，球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上。

本实施方式的冷锻用圆钢材的球状化退火后的冷锻性优异。

附图说明

图1为珠光体聚集组织的示意图。

图2A为实施例的冷锻性试验中使用的试验片的俯视图。

图2B为图2A所示的试验片的主视图。

具体实施方式

以下对本实施方式的冷锻用圆钢材进行详细说明。以下说明中的各元素的含量“％”表示指的是“质量％”。

本发明人等为了解决上述问题而实施了各种研究。其结果，本发明人等发现了以下的(A)～(C)的事项。

(A)通过提高球状化退火后的钢材的球状化率，冷锻性提高。球状化退火前的组织为铁素体、珠光体和球状渗碳体的混合组织，若显微组织中的铁素体的平均晶粒直径为10μm以下则球状化退火时的钢中的C的扩散距离变短。因此，在球状化退火时，珠光体中的渗碳体容易球状化，球状化率(球状渗碳体的个数与钢中的渗碳体个数的比率)提高。

(B)上述显微组织中，若片层间距为200nm以下的珠光体(以下称为微细珠光体)的比率增大，则球状化退火后的软化有可能不充分。若微细珠光体在显微组织中所占的面积比率不足20％，则球状化退火后的钢材充分软化，钢材的冷锻性提高。

(C)冷锻时的裂纹由钢材的表层产生。圆钢材的情况下，若至少由表面直至半径×0.15深度为止的区域(以下称为表层区域)的球状化率提高，则表层不易产生冷锻裂纹。若表层区域的显微组织中，铁素体的平均晶粒直径为5μm以下，微细珠光体在表层区域的显微组织中所占的面积比率不足10％，球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上，则表层区域的球状化率提高，冷锻性进一步提高。

基于上述(A)～(C)的发现完成的本实施方式的冷锻用圆钢材具有下述化学组成：按质量％计含有C：0.15～0.60％、Si：0.01～0.5％、Mn：0.1～2.0％、P：0.035％以下、S：0.050％以下、Al：0.050％以下、Cr：0.02～0.5％、N：0.003～0.030％、Cu：0～0.5％、Ni：0～0.3％、Mo：0～0.3％、V：0～0.3％、B：0～0.0035％、Nb：0～0.050％和Ti：0～0.2％，剩余部分由Fe和杂质组成。上述冷锻用圆钢材的显微组织包含铁素体、珠光体和球状渗碳体，铁素体的平均晶粒直径为10μm以下，片层间距为200nm以下的珠光体在显微组织内所占的面积比率不足20％，进而，上述冷锻用圆钢材中由表面直至半径×0.15深度为止的区域的显微组织中，铁素体的平均晶粒直径为5μm以下，片层间距为200nm以下的珠光体在上述区域的显微组织中所占的面积比率不足10％，球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上。

上述冷锻用圆钢材可以含有选自由Cu：0.05～0.5％、Ni：0.05～0.3％、Mo：0.05～0.3％、V：0.05～0.3％和B：0.0005～0.0035％组成的组中的一种或两种以上。

上述冷锻用圆钢材可以含有选自由Nb：0.005～0.050％和Ti：0.005～0.2％组成的组中的一种或两种。

以下对本实施方式的冷锻用圆钢材进行详细说明。

[化学组成]

本实施方式的冷锻用圆钢材的化学组成含有以下的元素。

C：0.15～0.60％

碳(C)提高钢材的强度。若C含量过低则得不到该效果。另一方面，若C含量过高，则微细珠光体在显微组织中所占的面积比率升高，球状化退火后的冷锻性降低。因此，C含量为0.15～0.60％。C含量的优选下限为0.20％，更优选为0.30％，进一步优选为0.35％。C含量的优选上限为0.58％，更优选为0.55％，进一步优选为0.53％。

Si：0.01～0.5％

硅(Si)将熔炼时的钢脱氧。若Si含量过低则得不到该效果。另一方面，Si将铁素体固溶强化。因此，若Si含量过高，则球状化退火后的钢材的硬度过高，冷锻性降低。因此，Si含量为0.01～0.5％。Si含量的优选下限为0.05％，更优选为0.08％，进一步优选为0.10％。Si含量的优选上限为0.45％，进一步优选为0.40％。

Mn：0.1～2.0％

锰(Mn)提高由冷锻用圆钢材制造的最终产品(机械结构用部件)的强度。若Mn含量过低则最终产品的强度不充分。另一方面，若Mn含量过高则球状化退火后的钢材的硬度不会充分降低。因此，Mn含量为0.1～2.0％。Mn含量的优选下限为0.2％，进一步优选为0.3％。Mn含量的优选上限为1.8％，更优选为1.6％，进一步优选为1.4％。

P：0.035％以下

磷(P)为杂质。P在钢中容易偏析，成为局部性的延展性降低的原因。因此，P含量优选低。P含量为0.035％以下。优选的P含量为0.030％以下，进一步优选为0.025％以下。

S：0.050％以下

硫(S)不可避免地含有在钢中。若含有S则具有提高切削性的效果。但是，若S含量过高则在钢中生成粗大的硫化物。粗大的硫化物成为冷锻时的裂纹产生的原因。因此，S含量为0.050％以下。优选的S含量为0.045％以下。提高切削性的情况下，优选的S含量为0.015％以上。

Al：0.050％以下

铝(Al)不可避免地含有在钢中。Al将钢脱氧。但是，若Al含量过高，则在钢中生成粗大的夹杂物，容易产生冷锻时的裂纹。因此，Al含量为0.050％以下。优选的Al的含量为0.045％以下。提高脱氧效果的情况下，优选的Al含量为0.015％以上。本说明书中，Al含量指的是酸可溶Al(sol.Al)的含量。

Cr：0.02～0.5％

铬(Cr)使得球状渗碳体稳定化。若Cr含量过低则得不到该效果。另一方面，若Cr含量过高则球状化退火后的钢材的硬度不会充分降低。因此，Cr含量为0.02～0.5％。Cr含量的优选下限为0.03％，更优选为0.05％，进一步优选为0.07％。Cr含量的优选上限为0.45％，更优选为0.40％，进一步优选为0.35％。

N：0.003～0.030％

氮(N)生成氮化物而将晶粒微细化。若N含量过低则得不到该效果。另一方面，若N含量过高则上述效果饱和，进而制造成本也升高。因此，N含量为0.003～0.030％。N含量的优选下限为0.004％，进一步优选为0.005％。N含量的优选上限为0.022％，更优选为0.020％，进一步优选为0.018％。

本实施方式的冷锻用圆钢材含有后述的B的情况下，若B与N结合则B不能发挥提高钢材的淬火性的效果。此时，需要含有大量的Ti。因此，含有B的情况下，N含量优选低。此时的N含量的优选上限为0.010％，进一步优选为0.008％。

本实施方式的冷锻用圆钢材的化学组成的剩余部分由Fe和杂质组成。本说明书中，杂质指的是在工业上制造钢铁材料时，由作为原料的矿石、废料、或制造环境等混入的成分。

本实施方式的冷锻用圆钢材可以还含有选自由Cu、Ni、Mo、V和B组成的组中的一种或两种以上来替代Fe的一部分。这些元素都提高由冷锻用圆钢材制造的机械结构用部件的强度。

Cu：0～0.5％

铜(Cu)为任意元素，也可以不含有。Cu通过固溶强化来提高机械结构用部件的强度。但是，若Cu含量过高则热加工性降低。因此，Cu含量为0～0.5％。用于更有效地得到上述效果的Cu含量的优选下限为0.05％，进一步优选为0.10％。Cu含量的优选上限为0.4％，进一步优选为0.3％。

Ni：0～0.3％

镍(Ni)为任意元素，也可以不含有。Ni通过固溶强化来提高机械结构用部件的强度。但是，若Ni含量过高则损害经济性。因此，Ni含量为0～0.3％。用于更有效地得到上述效果的Ni含量的优选下限为0.05％，进一步优选为0.10％。Ni含量的优选上限为0.25％，进一步优选为0.2％。

Mo：0～0.3％

钼(Mo)为任意元素，也可以不含有。Mo通过固溶强化来提高机械结构用部件的强度。但是，若Mo含量过高则该效果饱和，损害经济性。因此，Mo含量为0～0.3％。用于更有效地得到上述效果的Mo含量的优选下限为0.05％，进一步优选为0.1％。Mo含量的优选上限为0.25％，进一步优选为0.20％。

V：0～0.3％

钒(V)为任意元素，也可以不含有。V通过析出强化来提高机械结构用部件的强度。但是，若V含量过高则钢材的硬度过高而冷锻性降低。因此，V含量为0～0.3％。用于更有效地得到上述效果的V含量的优选下限为0.05％，进一步优选为0.1％。V含量的优选上限为0.25％，进一步优选为0.20％。

B：0～0.0035％

硼(B)为任意元素，也可以不含有。B提高钢材的淬火性，提高由钢材制造的最终产品(机械结构用部件)的强度。但是，若B含量过高则该效果饱和，进而制造成本也升高。因此，B含量为0～0.0035％。用于进一步提高上述效果的B含量的优选下限为0.0005％，进一步优选为0.0010％。B含量的优选上限为0.0030％。

如上所述，本实施方式的冷锻用圆钢材可以含有选自由Cu、Ni、Mo、V和B组成的组中的一种或两种以上。这些元素的含量的总计优选为1.40％以下，进一步优选为0.80％以下。

本实施方式的冷锻用圆钢材可以还含有选自由Nb和Ti组成的组中的一种或两种来替代Fe的一部分。这些元素都形成碳氮化物而将晶粒微细化。

Nb：0～0.050％

铌(Nb)为任意元素，也可以不含有。Nb形成碳氮化物，将晶粒微细化。通过晶粒的微细化，钢材的冷锻性提高。但是，若Nb含量过高则碳氮化物变得粗大。粗大的碳氮化物在冷锻时成为裂纹的起点。因此，Nb含量为0～0.050％。用于进一步提高上述效果的Nb含量的优选下限为0.005％，进一步优选为0.010％。Nb含量的优选上限为0.035％，进一步优选为0.030％。

Ti：0～0.2％

钛(Ti)为任意元素，也可以不含有。Ti形成碳氮化物而将晶粒微细化。本实施方式的冷锻用圆钢材含有B的情况下，Ti与N结合而形成氮化物，抑制B与N结合。因此，B固溶于钢而可以如上所述提高钢材的淬火性。但是，若Ti含量过高，则碳氮化物粗大化，钢材的韧性降低。因此，Ti含量为0～0.2％。用于进一步提高上述效果的Ti含量的优选下限为0.005％，进一步优选为0.010％。Ti含量的优选上限为0.18％，进一步优选为0.15％。

如上所述，Ti抑制B与N结合。因此，含有B的情况下，优选也含有Ti。

[显微组织]

具有上述化学组成的本实施方式的冷锻用圆钢材的显微组织包含铁素体、珠光体和球状渗碳体。该显微组织中，铁素体的平均晶粒直径为10μm以下，珠光体中片层间距为200nm以下的珠光体(微细珠光体)在显微组织中所占的面积比率不足20％。

进而，上述圆钢材中由表面直至半径×0.15深度为止的区域(表层区域)中的显微组织中，铁素体的平均晶粒直径为5μm以下，微细珠光体在表层区域的显微组织中所占的面积比率不足10％。进而，表层区域的显微组织中的球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上。

本实施方式的冷锻用圆钢材具有上述显微组织。因此，球状化退火后实施的冷锻中，钢材的表层中的裂纹产生得到抑制，冷锻性提高。以下对(1)全部钢材中的显微组织和(2)钢材的表层区域中的显微组织分别进行详细说明。

[关于全部钢材中的显微组织]

如上所述，钢材的显微组织为包含铁素体、珠光体和球状渗碳体(Spheroidal cementites)的混合组织。因此，显微组织的硬度比马氏体、贝氏体低。

[全部钢材的显微组织中的铁素体平均晶粒直径]

即使是上述混合组织，若铁素体的平均晶粒直径超过10μm则球状化退火时的C的扩散距离也会延长。此时，在球状化退火时珠光体中的渗碳体难以球状化。

本实施方式中，上述显微组织中的铁素体的平均晶粒直径为10μm以下。因此，C的扩散距离短，在球状化退火时渗碳体容易球状化。

[微细珠光体在显微组织中所占的面积比率]

即使是上述混合组织、铁素体晶粒微细，珠光体中片层间距为200nm以下的珠光体(微细珠光体)在显微组织中所占的面积比率多的情况下，即使实施球状化退火，钢材也不易软化。本实施方式中，微细珠光体在显微组织中所占的面积比率不足20％。因此，球状化退火后的钢材的冷锻性提高。

片层间距通过下述方法求得。珠光体中片层取向(渗碳体的延伸方向)相同的区域定义为珠光体聚集组织。图1表示珠光体聚集组织的一例。珠光体聚集组织1含有多个渗碳体2和多个铁素体3。渗碳体2和铁素体3以片状(层状)交替排列。珠光体聚集组织内，多个渗碳体2实质上平行地排列。

珠光体聚集组织中，在任意的三个部位求出片层间距。例如，参照图1，在测定部位P1中，在与渗碳体2的延伸方向垂直的方向划线段L1。此时，线段L1的两端点P_L1、P_L1分别配置于测定部位P1中、与珠光体聚集组织1的边界10最接近的一对渗碳体2的各宽度中央。求出线段L1的长度、和与线段L1交叉的渗碳体的个数N，通过下式求出测定部位P1中的片层间距(nm)。

测定部位P1中的片层间距＝L1/(N-1)

总之，片层间距指的是邻接的渗碳体之间的距离。测定部位P1中，与线段L1交叉的渗碳体的个数N为“4”。

同样地，在测定部位P2中，划线段L2。此时，线段L2的两端点分别配置于测定部位P2中、与珠光体聚集组织1的边界10最接近的一对渗碳体2的各宽度中央。此时的渗碳体个数N为“5”。基于上式，求出测定部位P2中的片层间距。同样地，也求出测定部位P3中的片层间距。

测定部位P1～P3中求出的片层间距的平均定义为珠光体聚集组织1的“片层间距”(nm)。而片层间距不足200nm的珠光体聚集组织定义为“微细珠光体”。

[关于表层区域中的显微组织]

冷锻时的裂纹由钢材的表层产生。本实施方式中，为了进一步提高球状化退火后的表层区域中的球状化率，表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径、微细珠光体的面积比率、球状渗碳体个数如下所述规定。

[表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径]

若表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径超过5μm，则表层区域中的冷锻性降低，在冷锻时有可能产生裂纹。因此，表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径为5μm以下。

[微细珠光体在表层区域中的显微组织中所占的面积比率]

微细珠光体在表层区域中的显微组织中所占的面积比率为10％以上的情况下，表层区域中的冷锻性降低，有可能产生冷锻裂纹。因此，微细珠光体在表层区域中的显微组织中所占的面积比率不足10％。

[表层区域的显微组织中的球状渗碳体个数]

表层区域的显微组织中的球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上。此时，球状化退火时，表层区域内的球状渗碳体形成核，球状渗碳体容易生成以及生长。因此，球状化退火后的表层区域的球状化率进一步提高。

显微组织的相的识别、铁素体的平均晶粒直径、微细珠光体的面积比率、和球状渗碳体的个数通过以下的方法求出。

[关于显微组织的相的识别]

对圆钢材的横断面(圆钢材的垂直于轴向的断面)进行镜面研磨，形成观察面。将经过镜面研磨的观察面用3％硝酸醇(硝酸乙醇腐蚀液)腐蚀，使得显微组织出现。对所出现的显微组织用扫描电子显微镜(SEM)进行观察。

将圆钢材的观察面的半径定义为R。观察面中，特定由表面起向着中心为半径R×0.067深度的位置(以下称为位置Q1)、由表面起为半径R×0.15深度的位置(以下称为位置Q2)、由表面起为半径R×0.25深度的位置(称为位置Q3)、由表面起为半径R×0.5的位置(称为位置Q4)、中心(称为位置Q5)。在所特定的各位置Q1～Q5，各3个视野、总计15个视野观察显微组织，识别相。各视野的面积为25μm×20μm。生成各视野的拍摄图像，基于拍摄图像识别相。

关于球状渗碳体，对上述圆钢材的观察面进行镜面研磨。研磨后，观察面用苦味酸醇(苦味醇乙醇腐蚀液)腐蚀。使用5000倍的SEM，与上述相的识别同样地，对于15个视野生成显微组织的拍摄图像。使用各视野的拍摄图像，通过图像处理，测定各视野内的各渗碳体的长径L和短径W。所观察的多个渗碳体中、L/W为2.0以下的渗碳体定义为球状渗碳体。

[铁素体的平均晶粒直径]

对上述圆钢材的观察面进行镜面研磨。研磨后，观察面用3％硝酸醇(硝酸乙醇腐蚀液)腐蚀，使得显微组织出现。使用5000倍的SEM，与上述相的识别同样地，对于15个视野生成显微组织的拍摄图像。使用拍摄图像进行图像处理，上述15个视野中的铁素体的平均晶粒直径基于利用JIS G0551(2005)附录2中记载的铁素体晶粒的切断法的评价方法求得。所求得的各视野的平均晶粒直径的平均定义为全部显微组织中的铁素体的平均晶粒直径(μm)。

进而，求出位置Q1和位置Q2中的总计6个视野中的铁素体的晶粒直径的平均，定义为表层区域中的铁素体的平均晶粒直径(μm)。

[微细珠光体的面积比率]

微细珠光体的面积比率通过以下的方法测定。在上述15个视野(25μm×20μm)分别特定(划分)珠光体聚集组织。珠光体聚集组织的特定例如通过图像处理实施。各珠光体聚集组织中，用上述方法求出片层间距(nm)。并且将片层间距为200nm以下的珠光体聚集组织特定为“微细珠光体”。求出所特定的微细珠光体的面积Af(μm²)，基于式(1)求出各视野中的微细珠光体面积率。

微细珠光体面积率(％)＝Af/视野面积×100(1)

在此，视野面积为25×20＝500(μm²)。面积Af例如可以通过标记图1中的珠光体聚集组织1的边界10和其内部，使用周知的图像处理来求得。

基于式(1)求出的各视野的微细珠光体面积率的平均定义为微细珠光体在显微组织中所占的面积比率(％)。

进而，基于式(1)求出的位置Q1和Q2中的微细珠光体面积率(总计6个视野)的平均，定义为微细珠光体在表层区域中的显微组织中所占的面积比率(％)。

[球状渗碳体个数]

对位置Q1和Q2(总计6个视野)中的球状渗碳体(L/W为2.0以下的渗碳体)的个数进行计数。基于6个视野中的球状渗碳体的总个数，算出每1mm²面积的球状渗碳体的个数(个/mm²)。所得到的个数定义为表层区域中的显微组织中的球状渗碳体个数(个/mm²)。

本实施方式的全部圆钢材的显微组织中的铁素体的优选平均晶粒直径为8μm以下。表层区域的显微组织中的铁素体的优选平均晶粒直径为4μm以下。全部圆钢材和表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径都越小越优选。但是，为了形成亚微米级的晶粒，需要特殊的加工条件或设备，难以在工业上实现。因此，对于全部圆钢材的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径和表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径而言，工业上能够实现的下限为1μm。

全部圆钢材的显微组织中的微细珠光体在显微组织中所占的优选面积比率不足15％。表层区域的显微组织中的微细珠光体在表层区域的显微组织中所占的优选面积比率为8％以下。为了提高冷锻性，这些面积比率都越小越优选，可以为0％。

表层区域的显微组织中的球状渗碳体的优选个数为2.0×10⁵个/mm²以上。上述球状渗碳体的个数越多越优选。但是，实质上1.0×10⁷个/mm²为上限。

显微组织为混合组织(铁素体、珠光体和球状渗碳体)的圆钢材中，若表层区域的显微组织中的球状渗碳体的个数满足上述规定则在球状化退火后能够得到优异的冷锻性。因此，对表层区域以外的部分的显微组织中的球状渗碳体的个数可以不特别规定。

[制造方法]

对本实施方式的冷锻用圆钢材的制造方法的一例进行说明。

用加热炉对具有上述化学组成的原材料(例如钢坯)进行加热。将所加热的原材料由加热炉抽出，使用连续轧机进行热轧，制造冷锻用圆钢材。连续轧机具备经过排列的多个轧机(stand)。冷锻用圆钢材基于全连续式轧制方法制造。全连续式轧制方法指的是，直至由加热炉抽出的原材料从连续轧机的最终轧机出来而形成冷锻用圆钢材为止期间，中途不停止、连续地进行轧制的方法。以下对全连续式轧制方法的制造条件进行说明。

[原材料的加热温度]

对原材料进行加热，使得热轧之前的原材料的加热温度(即原材料的表面温度)为810℃以下。此时，实施双相区域的轧制。通过实施双相区域的轧制，可以使得轧制后的圆钢材中的铁素体晶粒微细。另一方面，若加热温度过低则连续轧机的负荷过大。因此，热轧之前的优选原材料的加热温度的下限为670℃。

[全连续式轧制方法的总断面收缩率]

全连续式轧制方法的总断面收缩率高于30％，总断面收缩率(％)由式(2)定义。

总断面收缩率＝(原材料的横断面积-圆钢材的横断面积)/原材料的横断面积×100(2)

在此，原材料的横断面积(mm²)指的是原材料的垂直于中心轴的断面的面积。圆钢材的横断面积(mm²)指的是通过全连续式轧制方法制造的圆钢材的垂直于中心轴的断面的面积。

通过使得总断面收缩率高于30％，促进加工中的由奥氏体的铁素体的加工诱发析出。进而，对加工中的铁素体导入加工应变，通过动态再结晶，将铁素体微细化。进而通过导入许多加工应变，后述的冷却时铁素体微细化。

[最终轧机的出口侧的圆钢材的表面温度]

使得刚结束双相区域的轧制之后的圆钢材的温度、即最终轧机出口侧的圆钢材的表面温度为A_c3点以上。此时，使得经过加工的组织暂时逆相变。热轧时，通过加工放热而原材料的表面温度升高。通过调整热轧中的冷却条件，使得最终轧机出口侧的圆钢材的表面温度为A_c3点以上。此时，圆钢材的组织暂时形成奥氏体单相。通过动态再结晶而微细化了的铁素体，通过逆相变而形成微细的奥氏体。

[刚轧制之后的冷却条件]

轧制结束之后5秒以内，将圆钢材冷却到A_r3点以下且不低于600℃的温度。5秒以内，使得圆钢材的表面温度为A_r3点以下，因此圆钢材的组织再次相变，生成微细的铁素体。进而，通过使得冷却停止温度为A_r3点以下且600℃以上，可以抑制贝氏体、马氏体之类硬质的组织生成，并且也可以抑制微细珠光体的生成。

本实施方式中，例如通过配置于最终轧机的出口侧的水冷装置，在5秒以内，使得圆钢材的表面温度为A_r3点～600℃。若轧制结束之后经过5秒以上则通过逆相变生成的奥氏体粗化。若奥氏体粗化，则即使此后使得圆钢材的表面温度为A_r3点以下，也得不到微细的铁素体。若为5秒以内则对冷却时间没有特别限定。例如可以用3秒使得圆钢材的表面温度为A_r3点～600℃。使得圆钢材的表面温度为A_r3点～600℃之后，停止利用水冷装置进行的冷却。

如上所述，利用全连续式轧制方法的轧制结束之后5秒以内，将钢材的表面温度冷却到A_r3点以下且不低于600℃的温度之后，停止利用水冷装置进行的水冷。进而将圆钢材冷却至室温时，实施并非如生成马氏体、贝氏体那样的大的冷却速度的方法例如自然冷却等即可。

通过以上的制造工序，能够制造具有上述显微组织的冷锻用圆钢材。对于所制造的冷锻用圆钢材，在球状化退火之后，进行冷锻，形成最终产品(结构用机械部件等)。本实施方式的冷锻用圆钢材，由于具备上述化学组成和显微组织，球状化退火后的冷锻性优异。

实施例

准备由具有表1所示化学组成的钢A～H形成的方坯(横断面为140mm×140mm、长度为10m)。

参照表1可知，钢A～E、G和H的化学组成处于本实施方式的冷锻用圆钢材的化学组成的范围内。另一方面，钢F的化学组成中C含量处于本实施方式中规定的C含量的范围之外。表1汇总示出各钢的Ar₃点和Ac₃点。

在表2所示的制造条件下对方坯进行加热，通过全连续式轧制方法进行热轧，制造直径30mm的冷锻用圆钢材。

表2中的“加热温度”栏中记载了由加热炉抽出的(连续轧制之前)的方坯(原材料)的表面温度(℃)。“轧制后温度”栏中记载了连续轧机中最终轧机(stand)的出口侧的圆钢材的表面温度(℃)。“轧制后温度”通过配置于最终轧机的出口侧的辐射温度计测定来得到。“冷却后温度”栏记载了从最终轧机出来5秒后的圆钢材的表面温度(℃)。“冷却后温度”通过在经过5秒的时点利用辐射温度计测定圆钢材的表面温度来得到。

对于任意一试验编号而言，通过式(2)算出的由方坯(原材料)的“总断面收缩率”为96％。

对于试验编号1～8，调整连续轧机内的各轧机(stand)之间的水冷条件，将最终轧机的出口侧的圆钢材的表面温度调整到A_c3点以上。进而，利用最终轧机进行的轧制结束之后，使用水冷装置通过水量控制冷却速度，在5秒以内将钢材的表面温度冷却到A_r3点以下且不低于600℃的温度，然后，停止利用水冷装置进行的冷却。停止利用水冷装置进行的冷却之后，在大气中将圆钢材自然冷却。

对于试验编号9和试验编号10，对于连续轧制结束之后的圆钢材，不利用水冷装置进行水冷而直接在大气中自然冷却。

对于试验编号11和12，调整轧机之间的水冷条件，轧制后也实施水冷。但是，试验编号10的轧制后温度低于A_c3点。试验编号11的水冷后温度低于600℃。

对于所制造的各试验编号的圆钢材(棒钢)，实施以下的试验。

[显微组织观察试验]

由直径30mm的各圆钢材切出长度20mm的试验片。使得这些试验片的横断面(圆钢材的垂直于中心轴的断面)为观察面来埋入树脂，并进行镜面研磨。研磨后，用3％硝酸醇(硝酸乙醇腐蚀液)腐蚀，使得显微组织出现。使用SEM进行观察。具体而言，对于由表面起为1mm深度(半径×0.067深度)的位置Q1、由表面起为2.25mm深度(半径×0.15深度)的位置Q2、由表面起为3.75mm深度(半径×0.25深度)的位置Q3、由表面起为7.5mm深度(半径×0.5深度)的位置Q4、中央部(中心附近)的位置Q5的总计5个部位的组织，每1个部位各3个视野、总计15个视野进行观察，用上述方法进行构成显微组织的相的识别。各视野的面积如上所述，为25μm×20μm。

[铁素体的平均晶粒直径的测定]

通过上述方法，测定各试验编号的全部圆钢材的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径、和表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径。

[微细珠光体面积率和球状渗碳体个数的测定]

通过上述方法，对于各试验编号，求出微细珠光体在全部圆钢材的显微组织以及表层区域的显微组织中所占的面积比率。进而，通过上述方法，求出表层区域的显微组织中的球状渗碳体的个数(个/mm²)。

[球状化退火后的球状化率的测定]

对于各试验编号的圆钢材实施球状化退火。具体而言，在735℃下将各圆钢材保持10小时。然后，以10℃/h(小时)的冷却速度冷却至常温。

由球状化退火后的各圆钢材切出长度20mm的试验片。使得试验片的表面中、相当于圆钢材的纵断面的表面为观察面来埋入树脂，并进行镜面研磨。

研磨后，用苦味酸醇(苦味醇乙醇腐蚀液)腐蚀，使用5000倍的SEM，与上述相的识别同样地，对于15个视野生成显微组织的拍摄图像。与上述显微组织观察试验的情况同样地，使用该拍摄图像，分别测定各渗碳体的长径L和短径W。然后，求出L/W为2.0以下的渗碳体(即球状渗碳体)的个数与拍摄图像(后述的各视野)中的渗碳体的个数的比率，作为球状化率(％)。

具体而言，观察的位置，为由表面起为1mm深度(半径×0.067深度)的位置Q1、由表面起为2.25mm深度(半径×0.15深度)的位置Q2、由表面起为3.75mm深度(半径×0.25深度)的位置Q3、由表面起为7.5mm深度(半径×0.5深度)的位置Q4、中央部(中心附近)的位置Q5的总计5个部位，每1个部位各3个视野、总计15个视野进行观察。各视野的面积为25μm×20μm。

各视野中求出的球状化率中、位置Q1和Q2的6个视野中的球状化率的平均值定义为球状化退火后的表层球状化率(％)。位置Q3～Q5的9个视野中的球状化率的平均值定义为球状化退火后的内部球状化率(％)。

[冷锻性试验]

由球状化退火处理后的各圆钢材制作图2A和图2B所示的试验片。图2A为试验片的俯视图，图2B为试验片的主视图。参照图2A和图2B可知，试验片的直径D1为29mm，长度L4为44mm。在试验片的外周面形成了在轴向延伸的切口部。切口部的切口角度A1为30°，切口部的倒圆角部分的圆角半径R1为0.15mm。切口部的深度D2为0.8mm。

使用试验片和加压机，在冷却(常温)下实施压缩试验。压缩试验中，首先将试验片在轴向压缩至15％。然后，每当对试验片提供1.5～2.5％的对轴向的压缩，卸去载荷，观察试验片的裂纹。重复压缩、卸去载荷和观察直至产生裂纹为止。肉眼、或使用简单的放大镜首次观察到微细的裂纹(长度0.5～1.0mm)时，认定产生了裂纹。对于各试验编号制作5根试验片，对于5根试验片实施上述压缩试验。产生了裂纹时的5根试验片的压缩率的平均值作为“临界压缩率”。临界压缩率超过50％时，评价冷锻性优异。

[试验结果]

表2示出试验结果。表2中的“全体中的显微组织”栏的“相”栏中的“F”表示铁素体、“LP”表示层状珠光体、“SC”表示球状渗碳体。“晶粒直径”栏中记载了各试验编号中的全部圆钢材的显微组织中的铁素体平均晶粒直径(μm)。“微细LP率”栏中记载了微细珠光体在全部显微组织中所占的面积比率(％)。

表2中的“表层区域中的显微组织”栏的“晶粒直径”栏中记载了各试验编号中的表层区域中的铁素体平均晶粒直径(μm)。“微细LP率”栏中记载了微细珠光体在表层区域的显微组织中所占的面积比率(％)。“SC个数”栏中记载了表层区域的显微组织中的球状渗碳体的个数(个/mm²)。

表2中的“球状化退火后”栏中记载了各试验编号的表层球状化率(％)、内部球状化率(％)和临界压缩率(％)。

表2中的“评价”栏中的“A”指的是评价为冷锻性优异，“NA”指的是评价为冷锻性低。试验编号9和试验编号10的球状渗碳体的个数栏的“-”表示相为“F+LP”并且不存在球状渗碳体。

参照表2可知，试验编号1～7的钢材的化学组成是合适的，制造条件(总断面收缩率、加热温度、轧制后温度、冷却后温度)也是合适的。因此，试验编号1～7的圆钢材的显微组织包含铁素体、珠光体和球状渗碳体，全部圆钢材的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径为10μm以下，微细LP率也不足20％。进而，试验编号1～7的表层区域的显微组织中的铁素体的平均晶粒直径为5μm以下，微细LP率不足10％，球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上。因此，球状化退火后的表层球状化率高、为80％以上，内部球状化率高、为70％以上。其结果，试验编号1～7的圆钢材的临界压缩率超过50％，表现出优异的冷锻性。

另一方面，试验编号8中，钢材的C含量过高。因此，表层区域的显微组织中的微细LP率为10％以上。其结果，临界压缩率为50％以下。

试验编号9中，虽然钢材的化学组成合适，但是加热温度过高，冷却后温度也过高。因此，圆钢材的显微组织中不存在球状渗碳体。进而，全部圆钢材和表层区域的显微组织中的铁素体不会进行晶粒细化，铁素体的平均晶粒直径过大。因此，球状化退火后的表层球状化率和内部球状化率低、临界压缩率为50％以下。

试验编号10中，虽然钢材的化学组成合适，但是冷却后温度过高。因此，圆钢材的显微组织中不存在球状渗碳体，铁素体也粗大。因此，临界压缩率为50％以下。

试验编号11中，虽然钢材的化学组成合适，但是轧制后温度过低。因此，全部圆钢材以及表层区域的显微组织中的微细LP率过高。因此，球状化退火后的表层球状化率和内部球状化率低、临界压缩率为50％以下。

试验编号12中，虽然钢材的化学组成合适，但是冷却后温度过低。因此，全部圆钢材以及表层区域的显微组织中的微细LP率过高。因此，球状化退火后的表层球状化率和内部球状化率低、临界压缩率为50％以下。

工业上的可利用性

本实施方式的冷锻用圆钢材具有高的球状化率，球状化退火后的冷锻性优异。因此，能够广泛适用于要求优异的冷锻性的用途。本实施方式的冷锻用圆钢材特别是可以用作迄今通过热锻工序和切削工序制造的汽车用部件、工业机械用部件、建设机械用部件等机械结构用部件的原材料。用于这种用途的情况下特别是本实施方式的冷锻用圆钢材可以对部件的近终形化作出贡献。

Claims

1.一种冷锻用圆钢材，其具有下述化学组成：按质量％计含有C：0.15～0.60％、Si：0.01～0.5％、Mn：0.1～2.0％、P：0.035％以下、S：0.050％以下、Al：0.050％以下、Cr：0.02～0.5％、N：0.003～0.030％、Cu：0～0.5％、Ni：0～0.3％、Mo：0～0.3％、V：0～0.3％、B：0～0.0035％、Nb：0～0.050％和Ti：0～0.2％，

剩余部分由Fe和杂质组成，

所述冷锻用圆钢材的显微组织包含铁素体、珠光体和球状渗碳体，所述铁素体的平均晶粒直径为10μm以下，所述珠光体中片层间距为200nm以下的所述珠光体在所述显微组织中所占的面积比率不足20％，

所述冷锻用圆钢材的由表面直至半径×0.15深度为止的区域中的显微组织中，所述区域中的铁素体的平均晶粒直径为5μm以下，所述区域中的片层间距为200nm以下的珠光体在所述区域的显微组织中所占的面积比率不足10％，所述区域中的球状渗碳体的个数为1.0×10⁵个/mm²以上。

2.根据权利要求1所述的冷锻用圆钢材，其含有选自由Cu：0.05～0.5％、Ni：0.05～0.3％、Mo：0.05～0.3％、V：0.05～0.3％和B：0.0005～0.0035％组成的组中的一种或两种以上。

3.根据权利要求1或2所述的冷锻用圆钢材，其含有选自由Nb：0.005～0.050％和Ti：0.005～0.2％组成的组中的一种或两种。