CN106661684B - 冷锻用钢材 - Google Patents

Abstract

一种钢材，作为化学成分含有C、Si、Mn、Al，作为金属组织包含珠光体，该珠光体中的渗碳体中所含有的以原子％计的Mn含量除以珠光体中的铁素体中所含有的以原子％计的Mn含量而得到的值大于0且为5.0以下。

Description

冷锻用钢材

技术领域

本发明涉及具有珠光体组织(铁素体与渗碳体的层状组织)的钢材， 尤其涉及能够缩短为使冷加工性提高而进行的渗碳体球化处理的处理时间 的钢材。

背景技术

冷锻与热锻相比，形成螺栓等机械部件时的尺寸精度优异，而且生产 率也优异。因此，作为机械部件的制造方法，从热锻向冷锻的转换不断发 展。但是，在室温下进行加工的冷锻，钢材的变形抗力高，对金属模的负 荷大。因此，供冷锻的钢材被要求冷加工性(冷锻性)优异。在此，冷加 工性优异意味着钢材的变形抗力小且钢材的变形能力高。一般而言，为了 使冷加工性提高，供冷锻的钢材在冷锻前实施使钢材软质化的渗碳体球化 处理。

渗碳体的球化处理(退火处理)例如使用薄钢板、轨钢等各种钢种来 进行。如上所述，即使是面向螺栓、螺母等机械部件加工的冷锻用钢材(钢 线材)，为了冷加工性提高也进行球化处理。

对于渗碳体的球化处理，有(a)在Fe-C二元状态图中的A1点即727 ℃的正下方保持钢材的方法、(b)将钢材加热到A1点以上后进行缓冷的 方法等。上述(a)在Fe-C二元状态图中的A1点正下方保持钢材的方法、 也就是在铁素体+渗碳体的双相区中保持钢材的方法，从作为初始组织的珠 光体或者珠光体+初析铁素体直接使构成珠光体的渗碳体进行球化。对于中 碳钢等的冷锻用钢材，该方法一般广泛地进行。

另一方面，螺栓和螺母等机械部件要求高强度。因此，以淬硬性的提 高为目的而使冷锻用钢材含有Mn、Cr这样的合金元素。

不过，冷锻用钢材中所含有的Mn、Cr等合金元素会使用于渗碳体球 化的处理时间延迟，这是一直以来众所周知的。在钢材中含有Mn和/或 Cr的情况下，由于它们的延迟作用，为了在A1点正下方保持钢材而使渗 碳体球化，需要约18小时的处理时间。如果能够缩短球化处理的处理时间， 则能够提高机械部件的生产率，且能够降低球化处理时的能源成本。

为了缩短球化处理时间，以往采用各种方法进行了研究。例如，对球 化处理前的钢材实施减面率20～30％的粗拉丝加工。该方法由于通过球化 处理前的拉丝加工来使渗碳体断裂，因此在球化处理时促进渗碳体的球化。 不过，该方法虽然可缩短球化处理时间，但是由球化处理带来的钢材的软 质化不够充分，因此机械部件的制造成本上升。另外，由于需要在球化处 理前进行粗拉丝加工，因此制造工序变得烦杂。

或者，为了缩短球化处理时间，可进行钢材的金属组织控制。例如， 专利文献1公开了将金属组织控制为贝氏体、使渗碳体微细地分散的方法。 在钢材的金属组织为珠光体的情况下，由于渗碳体以板状的形态存在，因 此为了该渗碳体的球化，需要渗碳体的溶解以及析出的过程。另外，在钢 材的金属组织为马氏体的情况下，由于渗碳体完全固溶于马氏体中，因此 为了渗碳体的球化，需要渗碳体的核生成的过程。即，在钢材的金属组织 为珠光体或马氏体的情况下，为了渗碳体的球化，需要长时间的球化处理 时间。因此，在专利文献1中，在钢材制造时，将钢材从热轧结束温度急 冷到马氏体生成温度以上且珠光体生成温度以下的规定的温度范围，在该 温度下使钢材等温相变。该方法由于将钢材的金属组织控制为珠光体和马 氏体的中间组织即贝氏体，而且渗碳体在金属组织中微细地分散，因此在 球化处理时能促进渗碳体的球化。

专利文献2公开了将钢材的金属组织控制为微细地分散了的初析铁素 体、微细的珠光体、与贝氏体或马氏体混合存在的组织的方法。在专利文 献2中，在钢材制造时，将钢材从第一精轧结束温度急冷到500℃以上且 850℃以下的温度范围，使用第二精轧机对钢材施予20％以上且80％以下 的塑性应变，以0.15～10℃/秒的冷却速度从第二精轧结束温度冷却到500 ℃，500℃以下是以10℃/秒以上急冷。该方法由于将钢材的金属组织控制 为上述的混合组织，晶界的分率增加，因此在球化处理时碳的扩散速度提 高，促进渗碳体的球化。

如上所述，采用专利文献1、专利文献2所公开的技术，可缩短渗碳 体的球化处理时间。但是，专利文献1、专利文献2所公开的钢材，其金 属组织的大部分为贝氏体或马氏体。因此，具有钢材的变形抗力高这样的 问题。

专利文献3公开了以缩短球化处理时间、且降低钢材的变形抗力为目 的而将金属组织控制为伪珠光体、与贝氏体或铁素体的钢材。伪珠光体是 指具有形状为粒状或者间断的板状的渗碳体的珠光体。因此，专利文献3 所公开的钢材在球化处理时能促进渗碳体的球化。同时，由于金属组织也 含有铁素体，因此变形抗力降低。

专利文献4公开了以缩短球化处理时间、且降低钢材的变形抗力为目 的而将金属组织控制为抑制了体积率的初析铁素体、如贝氏体和纵横尺寸 比小的珠光体组织那样的渗碳体(碳化物)分断了的组织、和使块尺寸以 及层间距微细的珠光体的混合组织的钢材。专利文献4所公开的钢材由于 渗碳体被微细化，因此在球化处理时能促进渗碳体的球化。同时，控制了 各构成相的分率、形态，因此变形抗力被降低。

如专利文献1～4所公开那样，以往，作为将渗碳体控制为容易球化的 形态的方法，研究了使钢材的金属组织从珠光体变化为贝氏体等的技术。 但是，如上所述，专利文献1、专利文献2所记载的方法，由于钢材的金 属组织主要含有贝氏体或马氏体，因此虽然在球化处理时能促进渗碳体的 球化，但是没有充分地降低钢材的变形抗力。另外，专利文献3所记载的 方法，由于作为金属组织，需要10％以上的伪珠光体，因此其合金组成有 限制。另外，专利文献4所记载的方法，虽然能缩短球化处理时间，但是 处理时间仍然需要十几个小时，要求进一步的球化处理时间的缩短。

如以上那样，现有技术不能说同时且充分地实现了渗碳体球化处理时 间的缩短和冷加工性的提高。另外，在现有技术中没有以同时实现渗碳体 球化处理时间的缩短和冷加工性的提高为目的而着眼于在珠光体中的渗碳 体和铁素体中分别所包含的Mn和Cr等合金元素的含量来研究渗碳体和 铁素体中的合金元素的分配比的报告。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:日本国特开昭60-9832号公报

专利文献2:日本国特公平2-6809号公报

专利文献3:日本国特开2006-225701号公报

专利文献4:日本国特开2009-275252号公报

发明内容

本发明的目的是提供一种钢材，其中，着眼于对渗碳体的球化速度带 来很大影响的Mn、Cr等合金元素，通过控制球化处理前的珠光体中的渗 碳体和铁素体中的合金元素的分配比，能够同时实现冷锻前的球化处理时 间的缩短和冷加工性的提高。

(1)本发明的一种技术方案涉及的钢材，化学成分以质量％计含有C： 0.005～0.60％，Si：0.01～0.50％，Mn：0.20～1.80％，Al：0.01～0.06％， P：0.04％以下，S：0.05％以下，N：0.01％以下，Cr：0～1.50％，Mo：0～ 0.50％，Ni：0～1.00％，V：0～0.50％，B：0～0.0050％，Ti：0～0.05％， 余量包含Fe和杂质，金属组织包含珠光体，所述珠光体中的渗碳体中所含 有的以原子％计的Mn含量除以所述珠光体中的铁素体中所含有的以原子 ％计的Mn含量而得到的值大于0且为5.0以下。

(2)在上述(1)所述的钢材中，也可以所述化学成分以质量％计含 有Cr：0.02～1.50％，所述珠光体中的所述渗碳体中所含有的以原子％计 的Cr含量除以所述珠光体中的所述铁素体中所含有的以原子％计的Cr含 量而得到的值可以大于0且为3.0以下。

(3)在上述(1)或(2)所述的钢材中，也可以所述金属组织还包含 初析铁素体或贝氏体，在将所述化学成分中的以质量％表示的碳含量设为 C时，在钢材的与其长度方向垂直的截面中，所述珠光体的面积分率为130 ×C％以上且小于100％，所述初析铁素体和所述贝氏体的合计的面积分率 大于0％且为(100-130×C)％以下。

(4)在上述(1)或(2)所述的钢材中，所述金属组织也可以由所述 珠光体构成。

根据本发明的上述技术方案，除了控制钢材的合金组成和金属组织， 还理想地控制了珠光体中的渗碳体和铁素体中的合金元素的分配比。因此， 能够同时实现冷锻前的球化处理时间的缩短和冷加工性的提高。

具体而言，通过理想地控制珠光体中的渗碳体和铁素体中的合金元素 的分配比，能缩短冷锻前的球化处理时间。例如，一般的钢材，冷锻前的 球化处理时间为约18小时，相对于此，上述技术方案涉及的钢材，冷锻前 的球化处理时间变为9小时以下。也就是说，关于球化处理，能够将处理 时间缩短到50％以下，能够实现能源成本的削减以及生产率的提高等。而 且，上述技术方案涉及的钢材，由于同时地控制合金组成和金属组织，因 此冷加工性提高。

如上所述，在现有技术中，为了同时实现渗碳体球化处理时间的缩短 和冷加工性的提高，例如尝试了在球化处理前对钢材实施加工来使渗碳体 物理地断裂，或者，尝试了控制钢材的金属组织来使渗碳体微细分散。但 是，根据本发明的上述技术方案，通过理想地控制珠光体中的渗碳体和铁 素体中的合金元素的分配比，能够在本质上改善渗碳体的物性。其结果是， 能够提供在本质上改善了球化处理时间和冷加工性的钢材。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式涉及的钢材所含有的珠光体的放大示 意图，是示出进行珠光体中的渗碳体和铁素体中的元素的分析的测定点的 示意图。

图2是表示球化处理时间和渗碳体的平均纵横尺寸比的关系的图。

具体实施方式

以下，对本发明的优选的实施方式详细地说明。不过，本发明并不仅 限于本实施方式所公开的构成，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行 各种变更。另外，对于下述的数值限定范围，下限值以及上限值包含在该 范围内。不过，对于下限值，在表示为“超过”的数值限定范围中不包含 下限值，对于上限值，在表示为“小于”的数值限定范围中不包含上限值。

通常，珠光体钢如以下那样来制造。将钢加热到1000℃以上的温度， 将该钢热轧来制成热轧材料，在750℃到1000℃左右的温度下卷取该热轧 材料，将卷取后的热轧材料从卷取温度冷却到使珠光体生成的热处理温度 (大概650～550℃左右)，在该热处理温度下保持热轧材料，由此使其进 行珠光体相变而制成珠光体钢，将该珠光体钢冷却到室温。或者，将钢热 轧而制成热轧材料，在750℃到1000℃左右的温度下卷取该热轧材料，将 卷取后的热轧材料从卷取温度连续冷却到室温，由此使其进行珠光体相变 而制成珠光体钢。并不是在热轧后将热轧材料冷却到室温后再次加热到珠 光体相变温度，而是在热轧后将热轧材料冷却到珠光体相变温度，来直接 使其进行珠光体相变，这是由于能够削减用于再加热的制造成本的缘故。

另一方面，本实施方式涉及的钢材，作为一例，可如以下那样制造。 将满足后述的化学成分的钢加热到1000℃以上的温度，将该钢热轧来制成 热轧材料，在750℃～1000℃的温度范围内卷取将该热轧材料，在平均冷 却速度为70℃/秒～300℃/秒的条件下将所卷取的热轧材料从卷取结束温 度一次冷却(急速冷却)到700℃，在平均冷却速度为20℃/秒～35℃/秒的 条件下将一次冷却后的热轧材料从700℃二次冷却(缓冷)到550℃～450 ℃的温度范围内，为了使二次冷却后的热轧材料进行珠光体相变，在550 ℃～450℃的温度范围内以保持时间为20秒～200秒的条件进行保持来制 成钢材，在平均冷却速度为25℃/秒～50℃/秒的条件下将保持后的钢材从 保持结束温度三次冷却到室温。

本实施方式涉及的钢材，通过采用作为一例而示出的上述制造条件来 制造，可理想地控制在珠光体中的渗碳体和铁素体中分别所包含的合金元 素的分配比。具体而言，关于本实施方式涉及的钢材中所含有的Mn(锰)， 珠光体中的渗碳体中所含有的以原子％计的Mn含量除以珠光体中的铁素 体中所含有的以原子％计的Mn含量而得到的值(以后，称为Mn分配比) 被控制为大于0且在5.0以下。另外，在本实施方式涉及钢材中含有Cr(铬) 的情况下，珠光体中的渗碳体中所含有的以原子％计的Cr含量除以珠光体 中的铁素体中所含有的以原子％计的Cr含量而得到的值(以后，称为Cr 分配比)被理想地控制为大于0且在3.0以下。

再者，本实施方式涉及的钢材如以下那样进行渗碳体球化处理即可。 将钢材从室温以升温速度180℃/小时左右加热，将加热后的钢材在Fe-C 二元状态图中的A1点正下方的680℃～720℃的温度范围内等温保持即可。 该球化处理温度(等温保持温度)在上述温度范围内越接近Fe-C二元状 态图中的A1点即727℃，越缩短直到渗碳体的球化完成为止的处理时间。 该球化处理温度在上述温度范围内越下降，直到渗碳体的球化完成为止的 处理时间越延长。当考虑生产率时，希望在680℃以上的温度下对钢材进 行球化处理。

以下，对直至获得本实施方式涉及的钢材的经过进行阐述。

迄今为止，关于渗碳体的奥斯特瓦尔德熟化，众所周知，随着热处理 温度下的Mn、Cr等合金元素的平衡分配系数上升，其生长速度减少。同 样地，关于渗碳体的球化，被解释为：与该奥斯特瓦尔德熟化相关联，依 赖于球化处理温度下的珠光体中的渗碳体以及铁素体所对应的Mn、Cr等 合金元素的平衡分配系数而决定其球化速度。即，基于球化处理温度下的 Mn分配比、Cr分配比等接近于平衡状态这一设想而研究了其球化速度。 另一方面，对于非平衡的情况，迄今为止尚未研究球化处理温度下的Mn 分配比、Cr分配比等。

作为合金元素的Mn、Cr等，在球化处理温度且为平衡状态的情况下， 与珠光体中的铁素体相比，在珠光体中的渗碳体中变为高含量。即，在球 化处理温度且为平衡状态的情况下，Mn分配比、Cr分配比等变为较大的 值。但是，本发明人经实验确认出根据制造条件而存在以下情况：珠光体 中的渗碳体中所含有的Mn、Cr等变为与平衡组成相比为低含量的非平衡 的分配比，即，Mn分配比、Cr分配比等变为比平衡状态小的值。并且， 发现：在球化处理温度下Mn分配比、Cr分配比等变为比平衡状态小的值 的情况下，存在能够缩短渗碳体的球化处理时间的可能性。

本发明人使用模拟器对球化处理温度下的Mn分配比、Cr分配比与渗 碳体球化速度的关系进行了研究。其结果发现，Mn分配比、Cr分配比越 变为比平衡状态小的值，渗碳体球化的时间越显著地变短。

另外，当实际地进行实验来确认时，可知模拟结果和实验结果示出同 样的倾向。在Mn分配比、Cr分配比变为比平衡状态小的值的情况下，与 Mn分配比、Cr分配比为平衡状态的情况相比，有用于渗碳体球化的处理 时间缩短到一半以下的倾向。基于这些结果，发现了通过将钢材的金属组 织中所包含的珠光体控制为Mn分配比、Cr分配比等变为比平衡状态小的 值的珠光体，就能够得到能缩短渗碳体的球化处理时间的钢材。

以下，对于通过将Mn分配比(珠光体中的渗碳体中所含有的Mn原 子％÷珠光体中的铁素体中所含有的Mn原子％)、Cr分配比(珠光体中 的渗碳体中所含有的Cr原子％÷珠光体中的铁素体中所含有的Cr原子 ％)等控制为比平衡状态小的值可缩短球化处理时间的机理进行推定。

在渗碳体球化的过程中，在珠光体中从渗碳体的端部溶出C(碳)。 也就是说，通过C从渗碳体向铁素体扩散，渗碳体的形状不断接近球状。 但是，当在渗碳体中包含Mn、Cr等时，为了渗碳体的球化，需要Mn、 Cr等也从渗碳体向铁素体扩散。对于球化处理前的Mn分配比、Cr分配 比等接近于平衡状态的钢材，与珠光体中的铁素体相比，在珠光体中的渗 碳体中Mn、Cr等的含量为较高的值。这样的钢材在球化的过程中需要用 于Mn、Cr等从渗碳体向铁素体扩散的时间，其结果是球化处理时间变长。 另一方面，球化处理前的Mn分配比、Cr分配比等为比平衡状态小的值的 钢材在球化的过程中，Mn、Cr等从渗碳体向铁素体扩散的频率被降低， 其结果推定为球化速度变快，球化处理时间变短。

接着，说明在本实施方式涉及的钢材中控制Mn分配比、Cr分配比等 的条件。

在本实施方式涉及的钢材中控制Mn分配比、Cr分配比等的方法并不 特别地限定。如果Mn分配比、Cr分配比等被控制为比平衡状态小的值， 就可以采用任何制造方法来制造钢材。例如，根据上述的制造条件来制造 钢材，控制Mn分配比、Cr分配比等即可。以下，更详细地说明上述的制 造条件。

作为加热工序，可以将满足后述的化学成分的钢加热到1000℃以上的 温度。优选的是，将钢加热到1000℃～1200℃的温度范围内。在该加热工 序中，以使合金元素均匀地分布为目的，优选将钢加热到上述温度。

作为热轧工序，为了得到热轧材料，可以热轧加热工序后的钢。热轧 的条件并不特别地限定。只要热轧加热工序后的钢以使得成为目标形状即 可。

作为卷取工序，可以将热轧工序后的热轧材料在750℃～1000℃的温 度范围内卷取。在该卷取工序中，当卷取温度小于750℃时，很难将钢材 卷取成卷状，当卷取温度超过1000℃时，氧化皮增大，由此成品率恶化。 因此，优选将热轧材料在上述温度范围内进行卷取。

作为一次冷却工序，可以在平均冷却速度为70℃/秒～300℃/秒的条件 下将卷取工序后的热轧材料从卷取结束温度一次冷却(急速冷却)到700 ℃。在从卷取结束温度到700℃的温度范围，有在冷却中生成珠光体的可 能性，而且Mn、Cr等的合金元素的扩散速度快。因此，通过将该温度范 围中的平均冷却速度设为70℃/秒以上，能够理想地抑制Mn、Cr等向珠 光体中的渗碳体扩散。另一方面，当该温度范围中的平均冷却速度为300 ℃/秒以上时，上述效果饱和。

作为二次冷却工序，可以在平均冷却速为20℃～35℃/秒的条件下将一 次冷却工序后的热轧材料从700℃二次冷却(缓冷)到550℃～450℃的温 度范围内。在从700℃到550℃～450℃的温度范围，有在冷却中的冷却速 度快的情况下会生成贝氏体的可能性。因此，通过将该温度范围中的平均 冷却速度设为35℃/秒以下，能够理想地抑制在冷却中生成贝氏体。另一方 面，通过将该温度范围中的平均冷却速度设为20℃/秒以上，能够理想地抑制Mn、Cr等向珠光体中的渗碳体扩散。

作为保持(珠光体相变)工序，为了得到珠光体钢材，可以在550℃～ 450℃的温度范围内在保持时间为20秒～200秒的条件下保持二次冷却工 序后的热轧材料。在550℃～450℃的温度范围内，在保持中很难生成贝氏 体，但在保持中进行珠光体相变。另外，在550℃～450℃的温度范围内， Mn、Cr等的合金元素的扩散速度慢。因此，在该温度范围内保持了热轧 材料的情况下，能够一边使热轧材料的金属组织相变为珠光体，一边理想 地抑制贝氏体的生成，且能够理想地抑制Mn、Cr等向珠光体中的渗碳体 过量地扩散。

保持工序中的保持优选为恒温保持。再者，要在保持工序中将热轧材 料恒温保持的话，将热轧材料浸渍在熔盐槽中即可，或者，也可以将热轧 材料保持在恒温炉内。当保持工序中的保持温度小于450℃时，除了珠光 体外，还生成贝氏体，其体积率超过20％，担心冷加工性恶化。另一方面， 当保持工序中的保持温度超过550℃时，担心Mn、Cr等向珠光体中的渗 碳体过量地扩散。保持温度的上限优选为小于520℃，进一步优选为500 ℃以下。

另外，为了减少Mn、Cr等扩散的时间，保持工序中的保持优选为短 时间。但是，当珠光体相变没有充分地完成时，在保持工序后的三次冷却 时，会从尚未珠光体相变而残余的奥氏体生成马氏体，担心冷加工性恶化。 因此，优选将保持工序中的保持设为20秒以上。另一方面，为了抑制Mn、 Cr等向珠光体中的渗碳体过量地扩散、且提高钢材的生产率，保持工序中 的保持优选为200秒以下。

作为三次冷却工序，可以在平均冷却速度为25℃/秒～50℃/秒的条件 下将保持工序后的钢材从保持结束时的温度三次冷却到室温。通过将该温 度范围中的平均冷却速度设为25℃/秒以上，能够良好地防止Mn、Cr向 珠光体中的渗碳体的扩散。通过将该温度范围中的平均冷却速度设为50℃ /秒以下，能够理想地抑制马氏体的形成。

接着，对本实施方式涉及的钢材的Mn分配比(珠光体中的渗碳体中 所含有的Mn原子％÷珠光体中的铁素体中所含有的Mn原子％)进行说 明。

机械部件要求高强度。因此，冷锻用钢材在成形为机械部件后进行淬 火来将金属组织控制为马氏体。一般而言，在冷锻用钢材中，作为使淬硬 性提高的合金元素，含有Mn。但是，该Mn在珠光体中存在向渗碳体偏 析的倾向。例如，在600℃下，在平衡状态下Mn分配比变为11左右，另 外，在珠光体相变温度550℃下，在平衡状态下Mn分配比变为25左右。 在渗碳体球化的过程中，需要该Mn从渗碳体向铁素体等扩散。因此，在 钢材中含有Mn的情况下，用于渗碳体球化的处理时间变长。

本实施方式涉及的钢材，珠光体中的渗碳体中所含有的以原子％计的 Mn含量除以珠光体中的铁素体中所含有的以原子％计的Mn含量而得到 的值(Mn分配比)被控制为大于0且在5.0以下。其结果，能够缩短冷锻 前的渗碳体球化处理时间。再者，该Mn分配比为室温下的测定值。如果 在室温下测定出的Mn分配比为上述范围内，则渗碳体的球化处理温度下 的Mn分配比也变为能够缩短球化处理时间的理想的值。

本实施方式涉及的钢材中所含有的渗碳体的纵横尺寸比平均超过5。 并且，本实施方式涉及的钢材，在通过球化处理，渗碳体的纵横尺寸比平 均变为5以下时，视为渗碳体已被球化。一般而言，即使是现有的冷锻用 钢材，在通过球化处理，渗碳体的纵横尺寸比平均变为5以下时，也视为 得到了充分的软质化。通常，为了渗碳体的球化，现有的冷锻用钢材需要 约18小时的处理时间。

本实施方式涉及的钢材，将Mn分配比的有效数字取为小数点后1位。 在采用TEM-EDS(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)进行的Mn分配比的测定中，测定的有效位数为小数 点后2位。但是，将处理温度设为700℃来进行渗碳体的球化处理，调查 了球化处理时间的结果是，在钢材的Mn分配比为5.00的情况和其为5.01 的情况下，球化处理时间看不出有意义的差异。在该情况下，无论哪个， 球化处理时间都为约9小时。因此，将Mn分配比的有效数字设为小数点 后1位。再者，根据同样的理由，后述的Cr分配比也将其有效数字设为 小数点后1位。

为了确认球化处理前的Mn分配比和用于渗碳体球化的处理时间的关 系，将处理温度设为700℃来进行渗碳体的球化处理，调查了球化处理时 间。其结果是，在Mn分配比为1.0的情况下，球化处理时间变为约5小 时，在Mn分配比为5.0的情况下，球化处理时间变为约9小时。这样， 随着Mn分配比的值变大，球化处理时间变长。另外，在Mn分配比为5.1 的情况下，球化处理时间为约9.5小时。在本实施方式中，在680℃～720 ℃的温度范围内进行了球化处理时的处理时间为9小时以下的情况下，判 断为与以往相比，球化处理时间缩短到50％以下。因此，本实施方式涉及 的钢材，将Mn分配比的上限设为5.0。

为了缩短渗碳体的球化处理时间，最希望的是在渗碳体中完全不包含 Mn的状态。即，理想的情况是Mn分配比为0。但是，Mn在包含于渗碳 体中的情况下从能量方面来看变得稳定。即，在工业上很难使Mn分配比 成为0。因此，本实施方式涉及的钢材，使Mn分配比的下限大于0。再者， Mn分配比的下限优选为1.0。另外，Mn分配比的上限进一步优选为小于 2、或小于1.5。

再者，根据模拟结果，在Mn分配比小于1的情况下，渗碳体中所含 有的Mn变为低含量，与不含有Mn的渗碳体同样地，球化急剧地进行。 在该情况下，推定为球化处理时间变为3小时左右。

接着，对本实施方式涉及的钢材的Cr分配比(珠光体中的渗碳体中 所含有的Cr原子％÷珠光体中的铁素体中所含有的Cr原子％)进行说明。

为了进一步提高淬硬性，冷锻用钢材有时除了含有上述的Mn外，还 含有Cr。该Cr在珠光体中也有向渗碳体偏析的倾向。例如，在600℃下， 在平衡状态下Cr分配比变为25左右，另外，在珠光体相变温度550℃下， 在平衡状态下Cr分配比变为60左右。在渗碳体球化的过程中，需要该 Cr从渗碳体向铁素体等扩散。因此，在钢材中含有Cr的情况下，用于渗碳体球化的处理时间变长。另外，该Cr是与上述的Mn相比更抑制渗碳 体的球化的合金元素。例如，在将Fe-0.8wt％C-0.3at％Mn钢和 Fe-0.8wt％C-0.3at％Cr的钢进行比较的情况下，包含Cr的钢的渗碳体的 球化处理时间为包含Mn的钢的1.5倍以上。

本实施方式涉及的钢材，在钢材中含有Cr时，珠光体中的渗碳体中 所含有的以原子％计的Cr含量除以珠光体中的铁素体中所含有的以原子 ％计的Cr含量而得到的值(Cr分配比)被理想地控制为大于0且在3.0 以下。其结果是，能够理想地缩短冷锻前的渗碳体球化处理时间。再者， 该Cr分配比为室温下的测定值。如果在室温下测定出的Cr分配比为上述 范围内，则渗碳体的球化处理温度下的Cr分配比也变为能够缩短球化处 理时间的理想的值。

本实施方式涉及的钢材，如上述那样，Mn分配比被控制为大于0且 在5.0以下。在这样地控制Mn分配比时，Mn以外的容易向渗碳体偏析的 合金元素的分配比也同样地控制。Cr也是容易向珠光体中的渗碳体偏析的 合金元素，因此在控制Mn分配比时，Cr分配比也同样地控制。Cr与Mn 相比，使球化处理时间延长的作用显著，因此在钢材中含有Cr时，Cr分配比优选被控制为大于0且在3.0以下。

为了确认球化处理前的Cr分配比和用于渗碳体球化的处理时间的关 系，将处理温度设为700℃来进行渗碳体的球化处理，调查了球化处理时 间。其结果是，在Cr分配比为3.0的情况下，球化处理时间变为约9小时， 在Cr分配比为3.1的情况下，球化处理时间变为超过9小时。因此，本实 施方式涉及的钢材，Cr分配比的上限优选为3.0以下。

为了缩短渗碳体的球化处理时间，最希望的是在渗碳体中完全不包含 Cr的状态。即，理想的情况是Cr分配比为0。但是，与Mn同样地，Cr 也在包含于渗碳体中的情况下从能量方面来看变得稳定。即，在工业上很 难使Cr分配比为0。因此，本实施方式涉及的钢材，Cr分配比的下限优 选为大于0。再者，Cr分配比的下限进一步优选为1.0。另外，Cr分配比 的上限进一步优选为小于3、或小于1.5。

接着，对Mn、Cr以外的钢材中所含有的合金元素对渗碳体球化给予 的影响进行叙述。

作为合金元素，钢材中所含有的Mo、V等也使用于渗碳体球化的处 理时间延长。不过，Mo、V等与Mn、Cr相比，使球化处理时间延长的作 用小。另外，在本实施方式涉及的钢材中，Mo、V的含量为微量。因此， Mo、V与Mn、Cr相比，对渗碳体的球化处理时间给予的影响小。不过， Mo分配比(珠光体中的渗碳体中所含有的Mo原子％÷珠光体中的铁素 体中所含有的Mo原子％)、V分配比(珠光体中的渗碳体中所含有的V 原子％÷珠光体中的铁素体中所含有的V原子％)优选为较小的值。具体 而言，Mo分配比优选为大于0且在3以下，V分配比优选为大于0且在 15以下。

接着，对实施方式涉及的钢材的化学成分进行说明。

在本实施方式涉及的钢材中，化学成分以质量％计含有C：0.005～ 0.60％、Si：0.01～0.50％、Mn：0.20～1.80％、Al：0.01～0.06％、P：0.04％ 以下、S：0.05％以下、N：0.01％以下、Cr：0～1.50％、Mo：0～0.50％、 Ni：0～1.00％、V：0～0.50％、B：0～0.0050％、Ti：0～0.05％，余量包 含Fe和杂质。

本实施方式涉及的钢材的上述化学成分之中，C、Si、Mn、Al为基本 元素。

C：0.005～0.60％

C(碳)是使钢的强度提高的元素。在C含量小于0.005％的情况下， 不能确保作为机械部件所需要的强度。当C含量超过0.6％时，冷加工性、 韧性下降。再者，也可以将C含量的下限设为0.1％、0.2％、0.3％。也可 以将C含量的上限设为0.5％。

Si：0.01～0.50％

Si(硅)是制钢时的脱氧元素，是提高钢的强度和淬硬性的元素。在 Si含量小于0.01％的情况下，上述效果不充分。当Si含量超过0.50％时， 强度过度地变高，韧性、延展性、冷加工性下降。再者，也可以将Si含量 的下限设为0.03％。也可以将Si含量的上限设为0.4％。

Mn：0.20～1.80％

Mn(锰)是提高钢的强度和淬硬性的元素。在Mn含量小于0.20％的 情况下，上述效果不充分。当Mn含量超过1.80％时，强度过度地变高， 韧性、冷加工性下降。另外，由于使相变时间长时间化，从而损害生产率。 再者，也可以将Mn含量的下限设为0.3％。也可以将Mn含量的上限设为 1.0％。

Al：0.01～0.06％

Al(铝)是与钢中的N结合而形成化合物的元素。另外，其是抑制冷 锻中的动态应变时效、降低变形抗力的元素。在Al含量小于0.01％的情况 下，上述效果不充分。当Al含量超过0.06％时，韧性下降。再者，也可以 将Al含量的下限设为超过0.01％、0.02％。也可以将Al含量的上限设为 0.04％。

本实施方式涉及的钢材，作为化学成分，含有杂质。再者，“杂质” 是指在工业上制造钢时从作为原料的矿石、废料、或从制造环境等混入的 物质。为了充分地发挥上述的效果，在这些杂质之中，P、S、N优选如以 下那样限制。另外，由于优选杂质的含量少，因此无需限制下限值，杂质 的下限值也可以是0％。

P：0.04％以下

P(磷)为杂质。当P含量超过0.04％时，P向晶界偏析，韧性下降。 因此，也可以将P含量限制为0.04％以下。再者，当考虑现行的一般的精 炼(包括二次精炼)时，P含量的下限也可以是0.002％。

S：0.05％以下

S(硫)为杂质。当S含量超过0.05％时，冷加工性下降。因此，也可 以将S含量限制为0.05％以下。再者，当考虑现行的一般的精炼(包括二 次精炼)时，S含量的下限也可以是0.001％。

N：0.01％以下

N(氮)为杂质。当N含量超过0.01％时，加工性下降。因此，也可 以将N含量限制为0.01％以下。优选将N含量限制为0.005％以下。再者， 当考虑现行的一般的精炼(包括二次精炼)时，N含量的下限也可以是 0.002％。

如上所述，本实施方式涉及的钢材，作为化学成分，含有基本元素， 作为余量，含有Fe和杂质。但是，本实施方式涉及的钢材，也可以替代余 量中的Fe的一部分，而作为选择元素含有Cr、Mo、Ni、V、B、Ti。这 些选择元素根据其目的来含有即可。因此，无需限制这些选择元素的下限 值，下限值也可以是0％。另外，即使这些选择元素作为杂质而含有，也 不会损害上述效果。

Cr：0～1.50％

Mo：0～0.50％

Ni：0～1.00％

Cr(铬)、Mo(钼)、Ni(镍)是提高钢的淬硬性的元素。因此，也 可以根据需要，将Cr含量设为0～1.50％，将Mo含量设为0～0.50％， 将Ni含量设为0～1.00％。优选的Cr含量的下限为0.03％，优选的Mo 含量的下限为0.01％，优选的Ni含量的下限为0.01％。但是，当各元素的 含量变得与上述的上限相比过量时，延展性下降。再者，也可以将Cr含 量的上限设为1.00％，也可以将Mo含量的上限设为0.3％，也可以将Ni 含量的上限设为0.9％。

再者，在Cr为0.02～1.50％时，Cr分配比优选控制为大于0且在3.0 以下。

V：0～0.50％

V(钒)是通过析出硬化来提高钢的强度的元素。因此，也可以根据 需要，将V含量设为0～0.50％。优选的V含量的下限为0.002％。但是， 当V含量变得与上述的上限相比过量时，延展性下降。再者，也可以将V 含量的上限设为0.30％。

B：0～0.0050％

B(硼)是提高钢的淬硬性的元素。因此，也可以根据需要，将B含 量设为0～0.0050％。优选的B含量的下限为0.0001％。但是，当B含量 超过0.005％时，上述的效果饱和。再者，也可以将B含量的上限设为 0.004％。

Ti：0～0.05％

Ti(钛)是与钢中的N结合而形成化合物的元素。另外，其是抑制冷 锻中的动态应变时效的元素。因此，也可以根据需要，将Ti含量设为0～ 0.05％。优选的Ti含量的下限为0.002％。但是，当Ti含量变得与上述的 上限相比过量时，会析出粗大的TiN，容易发生以TiN为起点的裂纹。再 者，也可以将Ti含量的上限设为0.04％。

接着，对本实施方式涉及的钢材的金属组织进行说明。

在本实施方式涉及的钢材中，金属组织主要包含珠光体。另外，优选 该金属组织由珠光体构成。不过，为了将钢材控制为由珠光体构成的金属 组织，钢材的合金组成受到限制。因此，该金属组织除了珠光体外也可以 还包含初析铁素体或贝氏体。具体而言，在将钢材的化学成分中的以质量 ％表示的碳含量设为C时，在钢材的与其长度方向垂直的截面中，珠光体 的面积分率可以为130×C％以上且小于100％，初析铁素体和贝氏体的合 计的面积分率可以为大于0％且在(100-130×C)％以下。在满足该条件 时，能够同时良好地实现冷锻前的球化处理时间的缩短和冷加工性的提高。 再者，为了冷加工性的提高，贝氏体的面积分率优选为比初析铁素体的面 积分率低的分率。同样地，马氏体和/或残余奥氏体的面积分率也优选为低 分率。如果金属组织中的贝氏体、马氏体、残余奥氏体的面积分率为低分 率，则本实施方式涉及的上述的效果受损害的可能性小。具体而言，贝氏 体、马氏体、以及残余奥氏体的合计的面积分率优选限制为20％以下。

本实施方式涉及的钢材，将缩短球化处理时间作为主要目的之一。在 该球化处理中，将渗碳体的纵横尺寸比控制为平均5以下。即，本实施方 式涉及的钢材中所含有的渗碳体在球化处理前其纵横尺寸比平均超过5。 特别是在渗碳体的纵横尺寸比为8～30的情况下，球化处理时间的缩短的 效果变得显著。因此，本实施方式涉及的钢材，球化处理前的渗碳体的纵 横尺寸比也可以是8～30。

以下，对本实施方式涉及的钢材的各特性值的测定方法进行说明。

钢材的化学成分采用钢的一般的分析方法来测定即可。例如，钢材的 化学成分使用ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry)来测定即可。不过，C和S使用燃烧-红外线吸收法来测定 即可，N使用惰性气体熔化-导热度法来测定即可。

钢材的Mn分配比、Cr分配比等使用TEM-EDS来测定即可。例如， 以与长度方向垂直的截面(C截面，与拉丝方向垂直的截面)成为观察面 的方式，采用FIB(Focused Ion Beam)法，将钢材(钢线材)作成至少 10个包含珠光体中的渗碳体和铁素体这两者的观察用试样。使用TEM观 察这些观察用试样，采用EDS测定Mn、Cr的含量(原子％)。并且， 通过渗碳体中所含有的Mn、Cr的含量除以铁素体中所含有的Mn、Cr的 含量来求出Mn分配比、Cr分配比。

图1是表示本实施方式涉及的钢材中所含有的珠光体1的放大示意图， 是示出进行珠光体1中的铁素体2和渗碳体3中的元素的分析的测定点4 的示意图。如在该图1中例示的那样，珠光体1中的铁素体2以及渗碳体 3所含有的Mn、Cr的含量(原子％)用横宽4nm左右、纵长5nm左右 的间隔的正方点阵上的各测定点4来测定即可。在各测定点4的测定的累计时间设为50秒。另外，在数据解析时，在纵轴上累计光谱。每观察1 个视场，在渗碳体3和铁素体2这两者中，用至少50个测定点4进行测定， 计算平均值，求出Mn分配比、Cr分配比。并且，使用10个观察用试样， 进行同样的测定，求出Mn分配比、Cr分配比的平均值。具体而言，Mn 分配比、Cr分配比能够使用日立制作所制HF2000场致发射型搭载电子枪 透射电子显微镜等来测量。再者，Mn分配比、Cr分配比也可以使用 SEM-EDS(Scanning ElectronMicroscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)来测定。

钢材的金属组织使用SEM来观察即可。例如，以与长度方向垂直的 截面(C截面，与拉丝方向垂直的截面)成为观察面的方式切断钢材(钢 线材)，进行该观察面的研磨以及腐蚀。并且，在将从该观察面的轮廓线 上的一点朝向重心的线段的距离设为D时，将该观察面上的D部(钢材的 中心附近部)、0.5D部(钢材的中心与表层的中间部)、以及轮廓线附近 部(钢材的表层附近部)作为金属组织的观察区域。将各观察区域中的观 察视场设为125μm×95μm，将观察倍率设为1000倍，拍摄金属组织照 片。金属组织照片从不同的观察视场的至少5个视场来拍摄。使用这些金 属组织照片，来鉴定珠光体、初析铁素体、贝氏体、马氏体、残余奥氏体 等的各构成相即可。另外，根据需要，使用这些金属组织照片进行图像解 析，求出各构成相的面积分率的平均值即可。再者，检镜面的面积率可视 为与金属组织的体积率相等。

钢材中所含有的渗碳体的纵横尺寸比也使用SEM来测定即可。与上 述的金属组织的观察同样地，将观察面上的D部、0.5D部、以及轮廓线附 近部作为渗碳体的纵横尺寸比的测定区域。将各观察区域中的观察视场设 为25μm×20μm，将观察倍率设为5000倍，拍摄金属组织照片。金属组 织照片从不同的观察视场的至少5个视场来拍摄。使用这些金属组织照片 进行图像解析，求出渗碳体的纵横尺寸比的平均值即可。再者，渗碳体的 纵横尺寸比是渗碳体的长径除以短径而得到的值。

以下，对本实施方式涉及的钢材与现有技术的差异进行说明。

在日本国特开2010-159476号公报所公开的技术中，通过将钢材控制 为珠光体为主体的金属组织，将珠光体的平均块尺寸控制为20μm以下， 来进行了球化处理时间的缩短。在该技术中，通过将珠光体块尺寸微细化， 减小渗碳体大小来促进渗碳体的球化。实际上利用该技术来促进渗碳体的 球化。另一方面，本实施方式涉及的钢材，着眼于珠光体中的渗碳体和铁 素体中分别包含的Mn、Cr的合金元素的含量来控制Mn分配比、Cr分配 比。通过该控制，在本质上改善渗碳体的物性。其结果是，根本性消除用 于渗碳体的球化的阻碍因素，能够实现球化处理时间的大幅度的缩短。

在日本国特开2009-275250号公报所公开的技术中，将球化处理后的 钢材的金属组织控制为由平均粒径为15μm以下的铁素体、和平均纵横尺 寸比为3以下且平均粒径为0.6μm以下的球状渗碳体构成，并且该球状渗 碳体的个数是每1mm²为1.0×106×C含量(％)个以上。采用该技术， 能够得到冷加工性优异的钢材。但是，在该日本国特开2009-275250号公 报所公开的技术中，需要在球化处理前进行减面率40％以下的拉丝加工。 另一方面，本实施方式涉及的钢材如上所述，不进行球化处理前的拉丝加 工等，就能够同时实现冷锻前的球化处理时间的缩短和冷加工性的提高。

如上所述，本实施方式涉及的钢材，通过理想地控制Mn分配比、Cr 分配比，能够实现球化处理时间的缩短。而且，本实施方式涉及的钢材， 通过理想地控制合金组成和金属组织，冷加工性提高。即，本实施方式涉 及的钢材，通过在本质上改善渗碳体的物性，能够同时实现球化处理时间 的缩短和冷加工性的提高。

在图2中示出使用本实施方式涉及的钢材以及现有的钢材来调查出的 球化处理时间和渗碳体的平均纵横尺寸比的关系。如该图2所示那样，本 实施方式涉及的钢材与现有的钢材相比，容易进行球化，大幅度缩短了球 化处理时间。

实施例1

利用实施例，更具体地说明本发明的一种技术方案的效果，但实施例 中的条件是为了确认本发明的可实施性以及效果而采用的一条件例，本发 明并不限定于该一条件例。本发明能够在不超出本发明的要旨、实现本发 明的目的的范围内采用各种条件。

采用包含加热工序、热轧工序、卷取工序、一次冷却工序、二次冷却 工序、保持工序、三次冷却工序的制造方法来制造出表1～9所示的钢材 No.1～No.56。在表1～3中示出详细的制造条件。再者，在加热工序中， 将钢加热到1000℃以上的温度。在热轧工序中，将钢轧制为线径5.5～ 15.0mm的钢材(钢线材)。在一次冷却工序以及二次冷却工序中，通过浸渍于控制了浴温度的熔盐槽中，来冷却了钢材。一次冷却工序以及二次 冷却工序中的冷却速度，通过变更钢材的冷却开始温度或熔盐槽的浴温度 来进行了控制。在保持工序中，通过浸渍于控制了浴温度的熔盐槽中，来 保持钢材而使其进行珠光体相变。在三次冷却工序中，通过水冷，来冷却 了钢材。

采用上述方法测定了所制造出的钢材的化学成分、金属组织、Mn分 配比、Cr分配比、以及渗碳体的纵横尺寸比。将这些钢材的制造结果示出 在表4～9中。再者，在表中，带下线的数值表示在本发明范围外，空栏表 示没有有意地添加合金元素，“-”表示未实施。

另外，虽然在表中没有示出，但钢材No.2、6、24，在将以质量％表 示的钢材的碳含量设为C时，在钢材的与其长度方向垂直的截面中，珠光 体的面积分率为130×C％以上且小于100％，初析铁素体和贝氏体的合计 的面积分率为大于0％且在(100-130×C)％以下。再者，金属组织的构 成相的面积分率采用上述的方法进行了评价。

另外，对所制造出的这些钢材实施了渗碳体球化处理。将球化处理的 处理条件示出在表7～9中。并且，调查了球化处理后的钢材(球化处理材 料)的渗碳体的纵横尺寸比变为5以下的处理时间。再者，球化处理材料 的纵横尺寸比采用上述的方法进行了评价。将用于使渗碳体的纵横尺寸比 成为5以下的球化处理时间为9小时以下的钢材判断为缩短了球化处理时 间。

另外，为了评价冷加工性，使用球化处理材料进行了拉伸试验。再者， 球化处理材料的拉伸试验依照JIS Z2241：2011(或ISO 6892-1：2009) 来进行。在拉伸试验中，使用9A号试样实施至少3次试验，求出了抗拉 强度以及断面收缩率值的平均值。在将以质量％表示的钢材的碳含量设为 C时，抗拉强度以单位MPa计为530×C+300以下、且断面收缩率值以单 位％计为-35×C+89以上的钢材判断为冷加工性优异。

在表7～9中示出球化处理材料的评价结果即用于使渗碳体的纵横尺 寸比成为5以下的球化处理时间以及抗拉特性。

如表1～9所示那样，作为本发明例的No.2、4、6、12、14、16、20、 24、26、27、29、31、43、46、51以及56，化学成分、金属组织、以及 Mn分配比都满足了本发明的范围。其结果是，能够同时实现了球化处理 时间的缩短和冷加工性的提高。

另一方面，作为比较例的No.1、3、5、7～11、13、15、17～19、21～ 23、25、28、30、32～42、44、45、47～50、52～55，化学成分、金属组 织、以及Mn分配比中的某个不满足本发明的范围。其结果是，不能同时 实现球化处理时间的缩短和冷加工性的提高。

产业上的可利用性

根据本发明的上述技术方案，除控制钢材的合金组成和金属组织外， 还理想地控制钢材的珠光体中的渗碳体和铁素体中的合金元素的分配比。 因此，可提供同时实现冷锻前的球化处理时间的缩短和冷加工性的提高的 钢材。因此，产业上的可利用性很高。

附图标记说明

1：珠光体

2：铁素体

3:渗碳体

4:测定点

Claims (7)

1.一种钢材，其特征在于，

化学成分以质量％计含有

C：0.005～0.60％、

Si：0.01～0.50％、

Mn：0.20～1.80％、

Al：0.01～0.06％、

P：0.04％以下、

S：0.05％以下、

N：0.01％以下、

Cr：0～1.50％、

Mo：0～0.50％、

Ni：0～1.00％、

V：0～0.50％、

B：0～0.0050％、

Ti：0～0.05％，

余量包含Fe和杂质，

金属组织包含珠光体，

所述珠光体中的渗碳体中所含有的以原子％计的Mn含量除以所述珠光体中的铁素体中所含有的以原子％计的Mn含量而得到的值大于0且为5.0以下，

在将所述化学成分中的以质量％表示的碳含量设为C时，进行所述渗碳体的纵横尺寸比变为5以下的球化热处理后的抗拉强度为(530×C+300)MPa以下，并且，断面收缩率值为(-35×C+89)％以上。

2.根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，

所述化学成分以质量％计含有

Cr：0.02～1.50％，

所述珠光体中的所述渗碳体中所含有的以原子％计的Cr含量除以所述珠光体中的所述铁素体中所含有的以原子％计的Cr含量而得到的值大于0且为3.0以下。

3.根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，

所述金属组织还包含初析铁素体或贝氏体，

在将所述化学成分中的以质量％表示的碳含量设为C时，在钢材的与其长度方向垂直的截面中，所述珠光体的面积分率为130×C％以上且小于100％，所述初析铁素体和所述贝氏体的合计的面积分率大于0％且为(100-130×C)％以下。

4.根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，

所述金属组织由所述珠光体构成。

5.根据权利要求2所述的钢材，其特征在于，

所述金属组织还包含初析铁素体或贝氏体，

在将所述化学成分中的以质量％表示的碳含量设为C时，在钢材的与其长度方向垂直的截面中，所述珠光体的面积分率为130×C％以上且小于100％，所述初析铁素体和所述贝氏体的合计的面积分率大于0％且为(100-130×C)％以下。

6.根据权利要求2所述的钢材，其特征在于，

所述金属组织由所述珠光体构成。

7.根据权利要求1～6的任一项所述的钢材，是钢线材。