CN109477187A - 机械结构用钢 - Google Patents

Abstract

本发明提供能得到切削性、生锈特性优异、滚动疲劳特性优异的机械部件的机械结构用钢。本实施方式的机械结构用钢具有以下化学组成：以质量％计含有C：0.30～0.50％、Si：0.01～0.80％、Mn：0.20～2.00％、P：0.030％以下、S：0.010～0.100％、Pb：0.010～0.100％、Al：0.010～0.050％、N：0.015％以下、O：0.0005～0.0030％、和Cr：大于0.70％且为2.00％以下，余量为Fe和杂质，且满足式(1)。钢中所含的特定夹杂物的总个数为40个/mm²以上，所述特定夹杂物为MnS夹杂物、Pb夹杂物和含有MnS和Pb的复合夹杂物中的任意者，且圆当量直径为5μm以上。Mn/S≥8.0(1)此处，在式(1)中的各元素处代入相应元素的含量(质量％)。

Description

机械结构用钢

技术领域

本发明涉及钢，更详细而言涉及机械结构用钢。

背景技术

对于用于一般机械、汽车的部件等结构用途和动力传输用途的机械部件有时要求优异的滚动疲劳特性。这种机械部件的制造方法的一例如下。将机械结构用钢热加工(热锻等)，制造中间制品。将中间制品机械加工(切削加工、磨削加工)来制造机械部件。根据需要，有时也会对机械部件实施热处理(正火等)、表面硬化热处理(高频淬火等)或淬火回火。对用于制造这种机械部件的机械结构用钢，要求优异的切削性。

切削性优异的机械结构用钢也被称为易切削钢，其被规定在JIS G 4804(2008)(非专利文献1)中。易切削钢通过含有Pb而提高切削性。

含有Pb的机械结构用钢例如被日本特开2000-282172号公报(专利文献1)公开。专利文献1所记载的机械结构用钢材具有以下的化学组成：以质量％计含有C：0.05～0.55％、Si：0.50～2.5％、Mn：0.01～2.00％、S：0.005～0.080％、Cr：0～2.0％、P：0.035％以下、V：0～0.50％、N：0.0150％以下、Al：0.04％以下、Ni：0～2.0％、Mo：0～1.5％、B：0～0.01％、Bi：0～0.10％、Ca：0～0.05％、Pb：0～0.12％、Ti：0以上且小于0.04％、Zr：0以上且小于0.04％、并且Ti(％)+Zr(％)：0以上且小于0.04％、Te：0～0.05％、Nd：0～0.05％、Nb：0～0.1％、Cu：0～1.5％、Se：0～0.5％，满足下式所示的fn1的值为100以下、下式所示的fn2的值为0以上、下式所示的fn3的值为3.0以上，余量为Fe和杂质。进而，以面积比例计，铁素体相在组织中所占的比例为10～80％，Hv硬度为160～350。其中，fn1＝100C+11Si+18Mn+32Cr+45Mo+6V、fn2＝-23C+Si(5-2Si)-4Mn+104S-3Cr-9V+10、fn3＝3.2C+0.8Mn+5.2S+0.5Cr-120N+2.6Pb+4.1Bi-0.001α²+0.13α。各式中的元素符号表示以质量％计的该元素的含量，α表示组织中的铁素体相的面积比例(％)。专利文献1中记载了该机械结构用钢材的切削性和韧性优异。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-282172号公报

非专利文献

非专利文献1：日本工业标准调查会、标准编号：JIS G 4804(2008)、标准名称：硫和硫复合处理易切削钢钢材

发明内容

发明要解决的问题

但是，切削加工等机械加工有时会利用自动化的制造设备来实施。利用自动化的制造设备在1天中对几百个以上等大量的中间制品进行切削加工来制造机械部件时，要求优异的切屑处理性。优选将伴随切削排出的切屑分割成小块排出。在切屑较长地延续的情况下，切屑会缠绕在中间制品上，容易在切削后的机械部件的表面产生瑕疵。在切屑缠在机械部件上的情况下，为了去除缠绕的切屑，还需要暂时停止生产线。在这种情况下，难以在无人状态下制造，需要配备用于监视的人员。这样，切屑处理性会影响机械部件的品质和制造成本这两方面。进而，在自动化的制造设备中，如果工具磨损多，生产率会降低。因此，对于机械结构用钢，要求诸如能够抑制工具磨损、切屑处理性优异的高切削性。

使用自动化的制造设备的切削加工还存在机械部件生锈的情况。在自动化的制造设备中，从无人操作的角度出发，使用水溶性切削油。因此，机器部件有时会生锈。锈不仅是产生形状误差的原因，而且在对机械部件实施镀覆处理时还会成为品质不良的原因。进而，切削后的机械部件在从切削后到下一工序为止的期间有时会在料桶内等长时间待机。例如，在国内进行切削加工，下一工序是在其他国家的另一个工厂中处理的情况下，从切削后到实施下一工序为止有时会经过几天～几个月的时间。因此，对机械结构用钢不仅要求切削性，而且要求抑制生锈的特性(以下称为“生锈特性”)。

本发明的目的在于，提供：能得到切削性和生锈特性优异、滚动疲劳特性优异的机械部件的机械结构用钢。

用于解决问题的方案

本发明的机械结构用钢具有以下化学组成：以质量％计含有C：0.30～0.50％、Si：0.01～0.80％、Mn：0.20～2.00％、P：0.030％以下、S：0.010～0.100％、Pb：0.010～0.100％、Al：0.010～0.050％、N：0.015％以下、O：0.0005～0.0030％、Cr：大于0.70％且为2.00％以下、Ni：0～3.50％、B：0～0.0050％、V：0～0.70％、Mo：0～0.70％、W：0～0.70％、Nb：0以上且小于0.050％、Cu：0～0.50％、Ti：0～0.100％、和Ca：0～0.0030％，余量为Fe和杂质，且满足式(1)。在钢中，特定夹杂物的总个数为40个/mm²以上，所述特定夹杂物为MnS夹杂物、Pb夹杂物和含有MnS和Pb的复合夹杂物中的任意者，且圆当量直径为5μm以上。

Mn/S≥8.0(1)

此处，在式(1)中的各元素处代入相应的元素的含量(质量％)。

发明的效果

本发明的机械结构用钢能得到切削性和生锈特性优异、滚动疲劳特性优异的机械部件。

附图说明

图1A为示出由EPMA分析得到的观察面中的S分布的示意图。

图1B为示出由EPMA分析得到的、与图1A相同的观察面中的Pb分布的示意图。

图1C为将图1A和图1B合成后的图像的示意图。

图2为用于对是否将相邻的夹杂物视为1个夹杂物的判断标准进行说明的示意图。

图3为所铸造的坯料的横截面图。

图4为用于说明切削试验的切削试验机的示意图。

图5A为切屑的立体图。

图5B为切屑的俯视照片图。

图6为滚动疲劳试验中使用的滚动疲劳试验片的主视图和侧视图。

图7为用于说明滚动疲劳试验的推力型滚动疲劳试验机的示意图。

具体实施方式

本发明人等对机械结构用钢的切削性和生锈特性实施了调查和研究。其结果认为，若为具有以下化学组成的机械结构用钢，则有获得优异的切削性、淬火回火后获得优异的滚动疲劳特性的可能：以质量％计含有C：0.30～0.50％、Si：0.01～0.80％、Mn：0.20～2.00％、P：0.030％以下、S：0.010～0.100％、Pb：0.010～0.100％、Al：0.010～0.050％、N：0.015％以下、O：0.0005～0.0030％、Cr：大于0.70％且为2.00％以下、Ni：0～3.50％、B：0～0.0050％、V：0～0.70％、Mo：0～0.70％、W：0～0.70％、Nb：0以上且小于0.050％、Cu：0～0.50％、Ti：0～0.100％和Ca：0～0.0030％，余量为Fe和杂质。

钢中的Mn与S结合生成MnS。MnS根据其生成过程分为MnS夹杂物和MnS析出物。MnS夹杂物在凝固前的钢水中析晶。而MnS析出物则于凝固后在钢中析出。MnS夹杂物在钢水中生成。因此，MnS夹杂物的尺寸与凝固后生成的MnS析出物相比容易变大。

另一方面，钢中的Pb基本不固溶在钢中，以Pb夹杂物(Pb颗粒)的形式存在。MnS夹杂物和Pb夹杂物均会提高钢的切削性。

进而，钢中存在Mn和Pb的情况下，Mn和Pb除了上述MnS夹杂物、Pb夹杂物外，会形成含有MnS和Pb的复合夹杂物(以下也简称为“复合夹杂物”)。复合夹杂物是指含有MnS和Pb且余量为杂质的夹杂物。更具体而言，复合夹杂物有时由MnS和Pb相互邻接而构成，还有时Pb在MnS中固溶而形成复合夹杂物。在本说明书中，“MnS夹杂物”、“Pb夹杂物”、“复合夹杂物”通过后述的“个数TN和RA测定方法”的项目所记载的方法来确定。在本说明书中，MnS夹杂物是含有Mn和S且不含Pb的夹杂物。Pb夹杂物是由Pb和杂质形成且不含Mn的夹杂物。复合夹杂物是含有Mn、S和Pb的夹杂物。

已知MnS夹杂物是提高切削性的夹杂物。另一方面，Pb夹杂物的熔点小于MnS夹杂物的熔点。因此，Pb夹杂物在切削时发挥润滑作用，结果提高钢的切削性。

进而，认为复合夹杂物与MnS夹杂物和Pb夹杂物单体相比会提高钢的切削性。在复合夹杂物周围发生龟裂时，液态化的Pb会侵入到开口的裂纹中。由此，裂纹的发展被促进，切削性提高。因此，如果不仅生成MnS夹杂物和Pb夹杂物、还生成复合夹杂物，则切削性会进一步提高。

认为生成复合夹杂物的机理如下。对于Pb而言，液相比固相更容易移动。因此，复合夹杂物几乎不可能由钢凝固后生成的MnS析出物生成，而是通过使Pb附着在凝固前的钢水中生成的MnS夹杂物上来生成。因此，为了生成大量的复合夹杂物，相较于在凝固后生成MnS析出物，理想的是在钢水中生成大量的MnS夹杂物。

如上所述，为了提高钢的切削性，只要大量生成MnS夹杂物、Pb夹杂物和复合夹杂物即可。如上所述，MnS夹杂物通过析晶而在钢水中生成。进而，如上所述，MnS夹杂物越多，生成的复合夹杂物越多。因此，认为若使大量的MnS夹杂物在钢水中析晶，则钢的切削性会提高。

另一方面，含有MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的机械结构用钢容易生锈。然而，到目前为止，机械结构用钢的生锈机理尚未被详细研究。因此，本发明人等对生锈的机理实施了调查和研究。结果，本发明人等获得了以下见解。

MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物本身会成为锈的起点。在此，对于生锈的难易程度，与MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的大小相比，其更取决于MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数。具体而言，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数越增加，钢越容易生锈。基于以上见解，本发明人等想到为了在获得优异的切削性的同时抑制生锈，减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数是有效的。因此，本发明人等研究了减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数的方法。

如上所述，通过在钢水中析晶而生成的MnS夹杂物在钢水中容易生长(粗大化)。因此，MnS夹杂物的尺寸大于在凝固后的钢中析出生成的MnS析出物。也就是说，MnS析出物比MnS夹杂物更微细地析出。因此，在Mn含量和S含量恒定的钢中假设使MnS夹杂物析晶的情况和使MnS析出物析出的情况时，通过析出而生成的MnS析出物的个数会明显多于通过析晶而生成的MnS夹杂物的个数。因此，为了提高钢的生锈特性，可以通过使MnS夹杂物在钢水中析晶并生长(粗大化)来抑制MnS析出物的析出。

为了通过在钢水中使MnS夹杂物析晶并生长来抑制MnS析出物的析出，从而在结果上减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数，只要与S含量相比充分提高Mn含量即可。若与S含量相比Mn含量足够高，则在钢水中容易生成粗大的MnS夹杂物。在这种情况下，由于粗大MnS夹杂物的析晶会消耗S，因此凝固后的钢中的固溶S量减少。因此，可以抑制MnS析出物的析出，可以减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数。结果，能够获得优异的生锈特性。

具体而言，Mn含量和S含量满足下述式(1)。

Mn/S≥8.0(1)

其中，在式(1)中的各元素符号处代入相应元素的含量(质量％)。

定义为F1＝Mn/S。F1小于8.0时，MnS夹杂物难以在钢水中充分析晶。因此，凝固后的钢中的固溶S量不能充分减少，凝固后会大量生成微细的MnS析出物。在这种情况下，由于不能减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数，因此钢的生锈特性降低。另一方面，F1为8.0以上时，Mn含量与S含量相比足够高。在这种情况下，通过使用适当的制造方法，MnS夹杂物会在钢水中充分析晶并生长。其结果，凝固后的钢中的固溶S量充分减少，能够抑制凝固后的钢中的MnS析出物的析出。因此，可以充分减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数，钢的生锈特性提高。

这里，将属于MnS夹杂物、Pb夹杂物和复合夹杂物中的任意者且圆当量直径为5μm以上的夹杂物定义为“特定夹杂物”。在本说明书中，圆当量直径是指：在显微组织观察中，将被观察的夹杂物或析出物的面积换算成具有相同面积的圆时的圆的直径。在这种情况下，在本实施方式中，在具有上述化学组成且满足式(1)的机械结构用钢中，特定夹杂物的总个数还为40个/mm²以上。

如果钢中的特定夹杂物为40个/mm²以上，则粗大的MnS夹杂物会充分析晶，能够抑制MnS析出物的生成。其结果，可以充分减少成为生锈的起点的MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数。因此，能够兼顾优异的切削性和优异的生锈特性。另一方面，若钢中的特定夹杂物少于40个/mm²，则MnS夹杂物不能充分析晶，MnS析出物大量生成。其结果，能够抑制MnS析出物的生成。其结果，不能充分减少成为生锈的起点的MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数。其结果，虽然可以获得优异的切削性，但是不能获得充分的生锈特性。

基于以上见解完成的本实施方式的机械结构用钢具有以下化学组成：以质量％计含有C：0.30～0.50％、Si：0.01～0.80％、Mn：0.20～2.00％、P：0.030％以下、S：0.010～0.100％、Pb：0.010～0.100％、Al：0.010～0.050％、N：0.015％以下、O：0.0005～0.0030％、Cr：大于0.70％且为2.00％以下、Ni：0～3.50％、B：0～0.0050％、V：0～0.70％、Mo：0～0.70％、W：0～0.70％、Nb：0以上且小于0.050％、Cu：0～0.50％、Ti：0～0.100％以及Ca：0～0.0030％，余量为Fe和杂质，且满足式(1)。在钢中，特定夹杂物的总个数为40个/mm²以上，所述特定夹杂物为MnS夹杂物、Pb夹杂物以及含有MnS和Pb的复合夹杂物中的任意者，且圆当量直径为5μm以上。

Mn/S≥8.0(1)

此处，在式(1)中的各元素处代入相应元素的含量(质量％)。

上述机械结构用钢的化学组成可以含有选自由Ni：0.02～3.50％、B：0.0005～0.0050％、V：0.05～0.70％、Mo：0.05～0.70％、W：0.05～0.70％、Nb：0.001％以上且小于0.050％、Cu：0.05～0.50％以及Ti：0.003～0.100％组成的组中的1种或2种以上。

上述机械结构用钢的化学组成可以含有Ca：0.0001～0.0030％。

在上述机械结构用钢中，相对于特定夹杂物，复合夹杂物的个数比率可以为40％以上。

以下对本实施方式的机械结构用钢进行详细说明。除非另有说明，否则化学组成中的“％”表示质量％。

[化学组成]

本实施方式的机械结构用钢的化学组成含有以下元素。

C：0.30～0.50％

碳(C)提高钢的强度。使用机械结构用钢制造部件的情况下，将机械结构用钢锻造后，根据需要实施热处理(正火等)、表面硬化热处理(高频淬火等)或者淬火回火。在这种情况下，C提高钢的强度。若C含量小于0.30％，则不能获得充分的强度。在软质的钢中，有时切削中切屑延续，缠绕于工具、材料而使它们破损。C含量如果小于0.30％，则切削阻力还会提高。另一方面，C含量如果超过0.50％，则淬火回火前的强度高，钢的切削性降低。C含量如果超过0.50％，则在大量包含除C以外的合金元素的情况下，还会产生马氏体等过冷组织。在这种情况下，品质变得不均匀，冷加工时变得容易产生不良。因此，C含量为0.30～0.50％。C含量的优选下限为0.35％、进一步优选0.40％。C含量的优选上限为0.45％、进一步优选0.42％。

Si：0.01～0.80％

硅(Si)使钢脱氧。在脱氧处理中，通过在添加Mn之后添加Si，Si会对氧化物进行改性。具体而言，添加到钢水中的Si会将以Mn为主体的氧化物改性为以Si为主体的氧化物。在添加Si之后，通过添加Al，会在钢中生成含有Si和Al的复合氧化物。复合氧化物会成为MnS夹杂物析晶的核。因此，复合氧化物会提高钢的生锈特性。Si进一步提高回火软化阻力，提高强度。若Si含量小于0.01％，则不能获得上述效果。

另一方面，Si是铁素体生成元素。若Si含量超过0.80％，则钢的表层可能会脱碳。若Si含量超过0.80％，还有铁素体比率变高、强度降低的情况。因此，Si含量为0.01～0.80％。用于提高回火软化阻力的Si含量的优选下限为0.10％，更优选为0.20％。用于抑制铁素体比率的Si含量的优选上限为0.70％，更优选为0.50％。

Mn：0.20～2.00％

锰(Mn)生成MnS夹杂物以及含有MnS和Pb的复合夹杂物，提高钢的切削性。

Mn还会使钢脱氧。Mn的脱氧能力比Si、Al弱。因此，可以大量含有Mn。在钢水中不存在其他强脱氧元素的情况下，会在钢水中生成以Mn为主体的氧化物。之后，向钢水中添加其他强脱氧元素(Si、Al)时，氧化物中的Mn被排出到钢水中，氧化物被改性。以下，将被改性的氧化物称为复合氧化物。从氧化物排出到钢水中的Mn与S结合形成MnS夹杂物。需要说明的是，通过氧化物的改性而生成的复合氧化物容易成为MnS夹杂物析晶的核。因此，在生成复合氧化物的情况下，MnS夹杂物的析晶得到促进。通过析晶生成的MnS夹杂物还容易生成复合夹杂物。

Mn含量小于0.20％时，MnS夹杂物难以充分析晶。因此，在凝固后的钢中大量生成MnS析出物。在这种情况下，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数增加。因此，钢的生锈特性降低。另一方面，若Mn含量超过2.00％，则钢的淬火性变得过高，其结果，钢的硬度变得过高。在这种情况下，钢的切削性降低。因此，Mn含量为0.20～2.00％。Mn含量的优选下限为0.50％。Mn含量的优选上限为1.50％，更优选为1.20％。

P：0.030％以下

磷(P)不可避免地含有。P使钢脆化，提高切削性。另一方面，若P含量超过0.030％，则热延性降低。在这种情况下，会产生轧痕等，生产率降低。因此，P含量为0.030％以下。用于提高切削性的P含量的优选下限为0.005％。在这种情况下，切削性、尤其是切屑处理性提高。P含量的优选上限为0.015％。

S：0.010～0.100％

硫(S)在钢中生成MnS，提高切削性。MnS尤其会抑制工具磨损。若S含量小于0.010％，则MnS不会充分析晶，难以生成含有MnS和Pb的复合夹杂物。其结果，生锈特性降低。另一方面，若S含量超过0.100％，则S在晶界处偏析，钢脆化，钢的热加工性降低。因此，S含量为0.010～0.100％。在切削性和机械特性中优先机械特性时的S含量的优选下限为0.015％，优选上限为0.030％。优先切削性时的S含量的优选下限为0.030％，优选上限为0.050％。

Pb：0.010～0.100％

铅(Pb)单独生成Pb夹杂物(Pb颗粒)，提高钢的切削性。Pb还会与MnS夹杂物结合生成复合夹杂物，提高钢的切削性，尤其是提高切屑处理性。若Pb含量小于0.010％，则得不到上述效果。另一方面，若Pb含量超过0.100％，则Pb夹杂物过量地增加，由此，钢的生锈特性降低。Pb含量如果超过0.100％，则还会出现虽然切削性提高但是钢脆化的情况。其结果，钢的热加工性降低。因此，Pb含量为0.010～0.100％。用于促进复合夹杂物生成、提高切削性的Pb含量的优选下限为0.020％，更优选为0.025％。用于提高生锈特性的Pb含量的优选上限为0.050％。

Al：0.010～0.050％

铝(Al)使钢脱氧。本发明的机械结构用钢中，为了抑制凝固时生成孔隙和表面瑕疵，实施利用Al镇静的脱氧。如后面所述，若在钢水中继Mn、Si之后添加Al进行脱氧，则钢中的氧化物被改性，生成含有Si和Al的复合氧化物。复合氧化物容易成为MnS夹杂物的析晶核。因此，MnS夹杂物会分散、析晶并容易生长、粗大化，并且，容易生成含有MnS和Pb的复合夹杂物。在这种情况下，钢的切削性提高。MnS夹杂物分散、析晶时还会抑制微细的MnS析出物的析出。在这种情况下，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数增加。因此，钢的生锈特性提高。Al还会与N结合形成AlN，抑制各种热处理中的奥氏体颗粒的粗大化。若Al含量小于0.010％，则不能获得上述效果。

另一方面，若Al含量超过0.050％，则容易生成粗大的复合氧化物。在钢中生成粗大的复合氧化物时，容易在钢上产生表面瑕疵。进而，在钢中生成粗大的复合氧化物时，钢的疲劳强度还会降低。若Al含量超过0.050％，则脱氧还会过度进行，钢水中的氧量下降。在这种情况下，难以形成MnS夹杂物，钢的切削性(尤其是抑制工具磨损)下降。在这种情况下，还难以生成在MnS夹杂物上结合有Pb的复合夹杂物，Pb夹杂物单独地在钢中大量残留。其结果，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数增加，生锈特性下降。因此，Al含量为0.010～0.050％。为了进一步获得由AlN的生成带来的抑制晶粒粗大化的效果，Al含量的优选下限为0.015％，更优选为0.020％。Al含量的优选上限为0.035％。本说明书中提到的Al含量是指酸溶Al(sol.Al)的含量。

N：0.015％以下

氮(N)不可避免地含有。N与Al结合形成AlN，抑制热处理时的奥氏体颗粒的粗大化，提高钢的强度。另一方面，N含量超过0.015％时，钢的切削阻力提高，切削性下降。若N含量超过0.015％，则热加工性还会下降。因此，N含量为0.015％以下。N含量的优选下限为0.002％，更优选为0.004％。N含量的优选上限为0.012％，更优选为0.008％。本说明书中提到的N含量是指总N(t-N)的含量。

O：0.0005～0.0030％

氧(O)不仅包含在氧化物中，还包含在MnS夹杂物中。O会生成成为MnS夹杂物的析晶核的复合氧化物。若O含量小于0.0005％，则复合氧化物的生成量不足，MnS夹杂物难以在钢水中析晶。在这种情况下，钢的切削性下降。在这种情况下，还会在凝固后大量生成微细的MnS析出物。其结果，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数增加，生锈特性下降。另一方面，若O含量超过0.0030％，则有时会生成成为断裂起点的粗大的氧化物。在这种情况下，钢的滚动疲劳特性降低。O含量如果超过0.0030％，则还会生成粗大的氧化铝系氧化物，加速切削工具的磨损，因此钢的切削性降低。因此，O含量为0.0005～0.0030％。为了进一步提高钢的切削性和钢的生锈特性，O含量的优选下限为0.0007％，更优选为0.0010％。O含量的优选上限为0.0025％，更优选为0.0020％。本说明书提到的O含量是指总氧(t-O)的含量。

Cr：大于0.70％且为2.00％以下

铬(Cr)固溶于钢中，提高钢的淬火性和回火软化阻力，提高钢的强度。其结果，钢的滚动疲劳特性提高。Cr还会在热锻后实施淬火回火的情况下加深硬化层深度。Cr含量如果为0.70％以下，则无法得到上述效果。另一方面，Cr含量如果超过2.00％，则淬火性变得过高，冷却时生成过冷组织(马氏体)，钢变得过硬。在这种情况下，钢的切削性降低。Cr含量如果超过2.00％，则还存在奥氏体在低温下也稳定化、钢发生脆化的情况。Cr含量如果超过2.00％，则在实施高频淬火时，还有渗碳体不固溶、淬火性降低的情况。因此，Cr含量大于0.70％且为2.00％以下。Cr含量的优选下限为0.90％、更优选1.00％。Cr含量的优选上限为1.80％、更优选1.60％。

本实施方式的机械结构用钢的化学组成的余量为Fe和杂质。在此，杂质是指：工业制造机械结构用钢时从作为原料的矿石、废料或制造环境等混入、且在不为本实施方式的机械结构用钢带来不良影响的范围内允许存在的物质。

[关于任意元素]

本实施方式的机械结构用钢的化学组成可以进一步含有选自由Ni、B、V、Mo、W、Nb、Cu和Ti组成的组中的1种或2种以上。

Ni：0～3.50％

镍(Ni)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，Ni固溶于钢从而提高钢的淬火性，提高钢的强度。Ni还提高基质的延性。Ni还会提高钢的韧性。Ni还会提高钢的耐腐蚀性。只要含有少量的Ni，则可以在一定程度上获得上述效果。另一方面，若Ni含量超过3.50％，则残留奥氏体大量残留。在这种情况下，由于应力诱导相变，一部分残留奥氏体相变为马氏体，钢的延性降低。因此，Ni含量为0～3.50％。

为了稳定获得上述效果，Ni含量的优选下限为0.02％，更优选为0.05％。为了进一步抑制残留奥氏体，Ni含量的优选上限为2.50％，更优选为2.00％。优先韧性时，Ni含量的优选下限为0.20％。需要说明的是，Ni使Cu无害化并提高韧性。钢含有Cu的情况下，Ni含量的优选下限为Cu含量以上。

B：0～0.0050％

硼(B)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，B提高钢的淬火性，提高钢的强度。B还抑制使韧性降低的P、S向晶界偏析，提高断裂特性。只要含有少量的B，可以在一定程度上获得上述效果。另一方面，若B含量超过0.0050％，则BN大量生成从而钢脆化。因此，B含量为0～0.0050％。在含有氮化物生成元素即Ti或Nb的情况下，B含量的优选下限为0.0005％。B含量的优选上限为0.0020％。

V：0～0.70％

钒(V)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，V在回火时和氮化处理时以V碳化物、V氮化物、或V碳氮化物的形式析出，提高钢的强度。V析出物(V碳化物、V氮化物和V碳氮化物)还会抑制奥氏体颗粒的粗大化，提高钢的韧性。V还会固溶于钢中提高钢的回火软化阻力。只要含有少量的V，就可以在一定程度上获得上述效果。

另一方面，若V含量超过0.70％，则在A₃点以上也会生成V析出物。在A₃点以上生成的V析出物难以固溶于钢，而作为未溶解析出物残留在钢中。未溶解析出物残留的情况下，固溶V量减少。因此，钢的回火软化阻力下降。进而，未溶解析出物残留的情况下，还难以通过之后的热处理析出微细的V析出物。在这种情况下，钢的强度下降。因此，V含量为0～0.70％。为了稳定获得上述效果，V含量的优选下限为0.05％，更优选为0.10％。V含量的优选上限为0.50％，更优选为0.30％。

Mo：0～0.70％

钼(Mo)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，Mo在回火、氮化处理等在A₁点以下的低温下的热处理中以Mo碳化物的形式析出。因此，钢的强度和回火软化阻力提高。Mo还固溶于钢，从而提高钢的淬火性。只要含有少量的Mo，就可以在一定程度上获得上述效果。另一方面，若Mo含量超过0.70％，则钢的淬火性变得过高。在这种情况下，在轧制、拉丝前的软化热处理等中容易生成过冷组织。因此，Mo含量为0～0.70％。

为了稳定获得上述效果，Mo含量的优选下限为0.05％，更优选为0.10％，进一步优选为0.15％。为了在钢的显微组织中稳定地得到铁素体、珠光体和贝氏体，Mo含量的优选上限为0.40％，更优选为0.30％。

W：0～0.70％

钨(W)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，W在钢中以W碳化物的形式析出，提高钢的强度和回火软化阻力。W碳化物在A₃点以下的低温下生成。因此，W不同于V或者Nb、Ti等，不容易生成未溶解析出物。其结果，W碳化物通过析出强化提高钢的强度和回火软化阻力。W还会固溶于钢从而提高钢的淬火性，提高钢的强度。只要含有少量的W，就可以在一定程度上获得上述效果。

另一方面，若W含量超过0.70％，则容易生成过冷组织，钢的热加工性下降。因此，W含量为0～0.70％。为了稳定提高钢的回火软化阻力，W含量的优选下限为0.05％，更优选为0.10％。为了在钢的显微组织中稳定地得到铁素体、珠光体和贝氏体，W含量的优选上限为0.40％，更优选为0.30％。

W和Mo不容易生成氮化物。因此，这些元素可以不受N含量的影响地提高钢的回火软化阻力。为了获得高回火软化阻力，W和Mo的优选总含量为0.10～0.30％。

Nb：0以上且小于0.050％

铌(Nb)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，Nb生成Nb氮化物、Nb碳化物或Nb碳氮化物，在淬火时、正火时抑制奥氏体颗粒的粗大化。Nb还通过析出强化提高钢的强度。只要含有少量的Nb，就可以在一定程度上获得上述效果。另一方面，若Nb含量超过0.050％，则会生成未固溶析出物，钢的韧性降低。若Nb含量超过0.050％，则还容易生成过冷组织，钢的热加工性降低。因此，Nb含量为0以上且小于0.050％。为了稳定获得上述效果，Nb含量的优选下限为0.001％，更优选为0.005％。Nb含量的优选上限为0.030％，更优选为0.015％。

Cu：0～0.50％

铜(Cu)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，Cu防止脱碳。Cu还与Ni一样提高耐腐蚀性。只要含有少量的Cu，就可以在一定程度上获得上述效果。另一方面，若Cu含量超过0.50％，则钢脆化，容易产生轧痕。因此，Cu含量为0～0.50％。为了稳定获得上述效果，Cu含量的优选下限为0.05％，更优选为0.10％。含有0.30％以上的Cu时，若Ni含量高于Cu含量，则可以维持热延性。

Ti：0～0.100％

钛(Ti)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，Ti生成氮化物、碳化物或碳氮化物，在淬火时、正火时抑制奥氏体颗粒的粗大化。Ti还通过析出强化提高钢的强度。Ti还会使钢脱氧。在含有B的情况下，Ti还会与固溶N结合从而维持固溶B量。在这种情况下，淬火性提高。只要含有少量的Ti，就可以在一定程度上获得上述效果。

另一方面，Ti生成上述氮化物和硫化物，因此影响MnS夹杂物和复合夹杂物。具体而言，若Ti含量超过0.100％，则MnS夹杂物的析晶量减少，复合夹杂物的生成也减少。在这种情况下，钢的生锈特性降低。若Ti含量过高，则还会生成氮化物和硫化物，疲劳强度降低。因此，Ti含量为0～0.100％。为了有效获得上述效果，Ti含量的优选下限为0.003％。尤其是在含有B时，为了减少固溶N，Ti含量的优选下限为0.005％。为了提高耐腐蚀性，Ti含量的优选上限为0.090％，更优选为0.080％。

本实施方式的机械结构用钢还可以含有Ca。

Ca：0～0.0030％

钙(Ca)为任意元素，可以不含有。在含有的情况下，Ca生成CaS或(Mn，Ca)S，从而MnS夹杂物球状化，减少工具磨损量。其结果，钢的切削性提高。只要含有少量的Ca，就可以在一定程度上获得上述效果。另一方面，若Ca含量超过0.0030％，则氧化物系夹杂物粗大化，钢的疲劳强度降低。因此，Ca含量为0～0.0030％。为了进一步提高切削性，Ca含量的优选下限为0.0001％。与切削性相比更优先疲劳强度的情况下，Ca含量的优选上限为0.0015％，更优选为0.0003％。

[关于式(1)]

本实施方式的机械结构用钢的化学组成还满足式(1)。

Mn/S≥8.0(1)

此处，在式(1)中的各元素处代入相应元素的含量(质量％)。

定义F1＝Mn/S。F1表示相对于S含量的Mn含量。若F1小于8.0，则MnS夹杂物难以充分析晶。因此，凝固后的钢中的固溶S量不能充分降低，凝固后会大量生成微细的MnS析出物。在这种情况下，由于无法减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数，因此钢的生锈特性降低。凝固后的钢中的固溶S量不能充分降低的情况下，凝固后的固溶S还会残留在晶界处。其结果，有时钢的热加工性会降低。

另一方面，若F1为8.0以上，则与S含量相比Mn含量足够高。在这种情况下，MnS夹杂物在钢水中充分析晶并生长。其结果，凝固后的钢中的固溶S量充分减少，可以抑制凝固后的钢中的MnS析出物的析出。因此，可以充分减少钢中的MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数，提高钢的生锈特性。为了提高钢的生锈特性，F1的优选下限为10.0，更优选为20.0。

[关于钢的显微组织]

本发明的机械结构用钢的显微组织主要由铁素体、珠光体和贝氏体构成。具体而言，上述化学组成的机械结构用钢的显微组织中的铁素体、珠光体和贝氏体的总面积率为99％以上。

显微组织中的铁素体、珠光体和贝氏体的总面积率可以通过以下方法测定。从机械结构用钢采集样本。例如，在机械结构用钢为棒钢或线材时，从横截面(与轴向垂直的面)中连结表面与中心轴的半径R的中央部(以下称为R/2部)采集样本。R/2部的样本的横截面(表面)中，以垂直于机械结构用钢的中心轴的表面为观察面。研磨观察面后，用3％硝酸乙醇(硝酸乙醇腐蚀液)对其进行蚀刻。用200倍的光学显微镜观察蚀刻后的观察面，生成任意的5个视场的照片图像。

在各视场中，对于铁素体、珠光体、贝氏体等各相，每个相的对比度不同。因此，基于对比度来确定各相。在确定了的相中，求出各视场中的铁素体、珠光体和贝氏体的总面积(μm²)。在所有视场(5个视场)中加和各视场的总面积，求出相对于所有视场的总面积的比。将求出的比定义为铁素体、珠光体和贝氏体的总面积率(％)。

[特定夹杂物的个数TN]

对于本发明的机械结构用钢，在钢中，为MnS夹杂物、Pb夹杂物以及含有MnS和Pb的复合夹杂物中的任意者且圆当量直径为5μm以上的夹杂物(即，特定夹杂物)的总个数TN为40个/mm²以上。

若特定夹杂物的个数TN为40个/mm²以上，则圆当量直径为5μm以上的粗大MnS夹杂物充分结晶，其结果，实现了充分减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数。因此，能够兼顾优异的切削性和优异的生锈特性。另一方面，若钢中的特定夹杂物的个数TN小于40个/mm²，则圆当量直径为5μm以上的粗大MnS夹杂物不会充分析晶，其结果，不能充分减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数。因此，不能获得充分的生锈特性。特定夹杂物的个数TN的优选下限为80个/mm²，更优选为150个/mm²。特定夹杂物的个数TN的优选上限为300个/mm²。需要说明的是，对于特定夹杂物的圆当量直径的上限并不特别限定，例如为200μm。

[特定夹杂物中，复合夹杂物的个数之比(复合比率)RA]

优选的是，圆当量直径为5μm以上的复合夹杂物的总个数(个/mm²)相对于特定夹杂物的个数(个/mm²)之比(以下也称为“复合比率”)RA为40％以上。

如上所述，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数越增加，钢越容易生锈。这里，MnS夹杂物与Pb夹杂物生成的复合夹杂物越多，越能减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数。特别是能够减少钢中的Pb夹杂物的总个数。Pb夹杂物尤其容易降低生锈特性。若复合比率为40％以上，则能够减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数，并且，也能够减少单独存在的Pb夹杂物的个数。其结果，钢的生锈特性进一步提高。因此，优选复合比率RA为40％以上。在这种情况下，能够进一步提高钢的生锈特性。复合比率RA的更优选下限为60％，进一步优选为75％。

[特定夹杂物的个数TN和复合比率RA的测定方法]

特定夹杂物的个数TN和复合比率RA可以通过以下方法测定。利用上述方法从机械结构用钢采集样本。针对R/2部的样本的横截面(表面)，使用扫描电子显微镜(SEM)以1000倍的倍率随机观察20个视场。在各视场(称为观察面)中确定特定夹杂物(为MnS夹杂物、Pb夹杂物和复合夹杂物中的任意者，且圆当量直径为5μm以上)。通过对比度可以区分特定夹杂物与其他夹杂物。进而，分别通过以下方法来确定特定夹杂物中的MnS夹杂物、Pb夹杂物和复合夹杂物。

在各观察面中，通过波长色散型X射线分析装置(EPMA)获得观察面中的S分布和Pb分布的图像。图1A是示出通过EPMA分析获得的观察面中的S分布的示意图，图1B是示出通过EPMA分析获得的与图1A相同观察面中的Pb分布的示意图。

图1A中的附图标记10是S存在的区域。由于S基本以MnS的形式存在，因此可以视为MnS存在于图1A的附图标记10中。图1B中的附图标记20是Pb存在的区域。

如图1B所示，Pb如附图标记20A所示那样有时会由于轧制等被分开、沿轧制方向排列。S也是如此。如图2所示，在通过EPMA分析获得的图像中，相邻夹杂物IN均具有5μm以上的圆当量直径时，若相邻夹杂物IN的间隔D为10μm以内，则将这些夹杂物IN视为一个夹杂物。需要说明的是，如上所述，圆当量直径是指将各夹杂物或各析出物的面积换算为具有相同面积的圆时的圆的直径。即使是被定义为1个夹杂物的夹杂物群，圆当量直径也是与夹杂物群的总面积相同的圆的直径。

图1C是将图1B与图1A合成的图像。参照图1C，Pb夹杂物20与MnS夹杂物10重叠时，将该夹杂物认定为复合夹杂物30。另一方面，参照图1C，MnS夹杂物10与Pb夹杂物20不重叠时(图1C中的区域A1、区域A2等)，将这些夹杂物确定为MnS夹杂物10、Pb夹杂物20。

根据上述方法，使用扫描显微镜和EPMA来确定MnS夹杂物、Pb夹杂物和复合夹杂物。求出被确定的各夹杂物的面积，求出相同面积的圆的直径作为各夹杂物的圆当量直径(μm)。

各夹杂物中，确定圆当量直径为5μm以上的特定夹杂物。求出所确定的特定夹杂物的总个数(20个视场中的个数)，并换算为每1mm²的个数TN(个/mm²)。通过上述方法，求出特定夹杂物的个数TN。进而，求出所确定的特定夹杂物中圆当量直径为5μm以上的复合夹杂物的个数MN(个/mm²)，基于下面的式(2)求出复合比率RA(％)。

RA＝MN/TN×100 (2)

[制造方法]

对本发明的机械结构用钢的制造方法的一例进行说明。本实施方式中，作为机械结构用钢的一例，对棒钢或线材的制造方法进行说明。但是，本发明的机械结构用钢不限于棒钢或线材。

制造方法的一例包括如下工序：对钢水进行精炼、铸造从而制造坯料(铸坯或铸锭)的制钢工序；和对坯料进行热加工从而制造机械结构用钢的热加工工序。以下对各个工序进行说明。

[制钢工序]

制钢工序包括精炼工序和铸造工序。

[精炼工序]

在精炼工序中，首先在转炉中对通过公知的方法制造的铁水实施精炼(一次精炼)。对从转炉出钢的钢水实施二次精炼。在二次精炼中，添加合金实施成分调整，从而制造具有上述化学组成的钢水。

具体而言，对从转炉出钢的钢水添加Mn。其结果，在钢水中生成以Mn为主体的氧化物。在完成Mn的添加之后，添加比Mn脱氧能力强的Si。其结果，以Mn为主体的氧化物被改性为以Si为主体的氧化物。在完成Si的添加之后，添加比Si脱氧能力更强的Al。其结果，以Si为主体的氧化物被改性为含有Si和Al的复合氧化物(以下也简称为“复合氧化物”)。

通过上述精炼工序生成的复合氧化物成为MnS夹杂物的析晶核。因此，通过生成复合氧化物，MnS夹杂物充分析晶并粗大地生长。即，若生成复合氧化物，则容易生成圆当量直径为5μm以上的夹杂物即特定夹杂物，特定夹杂物的个数TN为40个/mm²以上。其结果，凝固后的钢中的固溶S量充分减少，可以抑制凝固后的钢中的MnS析出物的析出。因此，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数能够充分减少，钢的生锈特性提高。

在实施脱氧处理后，进行公知的除渣处理。除渣处理后，实施二次精炼。二次精炼例如实施复合精炼。例如，首先，使用LF(钢包精炼炉，Ladle Furnace)或VAD(真空电弧脱气，Vacuum Arc Degassing)进行精炼处理。进而，可以实施RH(Ruhrstahl-Hausen)真空脱气处理。在二次精炼中，根据需要添加Mn、Si和其他元素来实施钢水的成分调整。钢水成分调整后，实施铸造工序。

[铸造工序]

使用由上述精炼工序制造的钢水来制造坯料(铸坯或铸锭)。具体而言，使用钢水通过连铸法制造铸坯。或者，可以使用钢水通过铸锭法来制造铸锭。以下，将铸坯和铸锭统称为坯料。这里所说的坯料的横截面积例如为200～350mm×200～600mm。

铸造时的凝固冷却速度RC为100℃/分钟以下。若凝固冷却速度RC为100℃/分钟以下，则MnS夹杂物在钢水中充分析晶并生长。因此，容易生成特定夹杂物，其个数TN为40个/mm²以上。其结果，凝固后的钢中的固溶S量充分减少，能够抑制凝固后的钢中的MnS析出物的析出。因此，MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数能够充分减少，钢的生锈特性提高。

另一方面，若凝固冷却速度RC超过100℃/分钟，则MnS夹杂物不会充分析晶，进而，MnS夹杂物不会充分生长。因此，难以生成特定夹杂物，特定夹杂物的个数TN变得小于40个/mm²。在这种情况下，不能充分减少凝固后的钢中的固溶S量，凝固后会大量生成微细的MnS析出物。其结果，不能减少MnS夹杂物、MnS析出物、Pb夹杂物和复合夹杂物的总个数，钢的生锈特性降低。因此，凝固冷却速度RC为100℃/分钟以下。

优选的凝固冷却速度RC为8℃/分钟以上且小于50℃/分钟。在这种情况下，MnS夹杂物更容易析晶和成长。进而，若凝固冷却速度RC为8℃/分钟以上且小于50℃/分钟，则到凝固为止的时间长，因此可以确保足够的时间使Pb在钢水中移动从而附着于MnS夹杂物。因此，容易生成含有MnS和Pb的复合夹杂物，复合比率RA变为40％以上。凝固冷却速度RC的更优选上限为30℃/分钟。凝固冷却速度RC的更优选下限为10℃/分钟，进一步优选为15℃/分钟。

可以基于所铸造的坯料求出凝固冷却速度RC。图3是所铸造的坯料的横截面图。将厚度W(mm)的坯料中从表面朝向坯料中心的W/4位置的点P1处的、从液相线温度到固相线温度为止的冷却速度定义为铸造工序中的凝固冷却速度RC(℃/分钟)。可以通过以下方法求出凝固冷却速度RC。将凝固后的坯料沿横向切割。在坯料的横截面中，测定点P1处的凝固组织的厚度方向的二次枝晶臂间距λ2(μm)。使用测定值λ2基于下述式(3)求出凝固冷却速率RC(℃/分钟)。

RC＝(λ2/770)^-(1/0.41) (3)

二次枝晶臂间距λ2取决于凝固冷却速度RC。因此，可以通过测定二次枝晶臂间距λ2求出凝固冷却速度RC。

[热加工工序]

热加工工序中通常实施一次或多次热加工。在实施各热加工之前加热坯料。之后，对坯料实施热加工。热加工例如为热锻、热轧。在实施多次热加工的情况下，最初的热加工例如为初轧或热锻，随后的热加工为使用连轧机的精轧。在热轧机中，具有一对水平辊的水平机架和具有一对垂直辊的垂直机架交替排列成一列。热加工后的坯料通过空气冷却等公知的冷却方法来冷却。

通过以上工序制造本实施方式的机械结构用钢。机械结构用钢例如为棒钢或线材。

用以上方法制造的机械结构用钢切削性和生锈特性优异。从机械结构用钢到机械部件的制造例如通过下述方法实施。

对机械结构用钢实施热锻，从而制造基本形状的中间制品。根据需要对中间制品实施正火处理。进而，对中间制品实施机械加工。机械加工例如为切削加工。也可以对实施了机械加工的中间制品实施调质处理(淬火回火)。进行调质处理的情况下，可以对调质处理后的中间制品实施切削加工等机械加工。通过以上工序制造机械部件。也可以通过冷锻代替热锻来制造机械部件。

实施例

制造具有表1所示化学组成的钢水。

[表1]

表1

各试验编号的钢水通过以下方法制造。对通过公知的方法制造的铁水按照相同的条件在转炉中进行一次精炼来制造。

对于除试验编号48和49以外的试验编号的钢水，从转炉出钢后，依次添加Mn、Si、Al，实施脱氧处理。对于试验编号48的钢水，从转炉出钢后，依次添加Si、Al、Mn，实施脱氧处理。对于试验编号49的钢水，从转炉出钢后，依次添加Mn、Al、Si，实施脱氧处理。

脱氧处理后实施除渣处理。除渣处理后，实施使用VAD的精炼处理，然后实施RH真空脱气处理。RH真空脱气处理后，实施合金元素的最终调整。通过以上工序制造表1所示化学组成的钢水。

对钢水进行铸造从而制造长方体状的实验用铸锭。铸锭的横向形状为矩形，为190mm×190mm。各试验编号的凝固冷却速度RC(℃/分钟)如表2所示。测量铸锭的二次枝晶臂间距并利用上述式(3)求出凝固冷却速度RC。

[表2]

表2

对制造的实验用铸锭实施2次热加工从而制造棒钢。在热加工中，实施初轧之后，实施精轧(棒钢轧制)。对制造的实验用铸锭实施热锻从而制造直径为50mm的棒钢。或者，对实验用铸锭实施初轧，然后实施精轧从而制造直径为50mm的棒钢。对制造的棒钢实施800～950℃的正火处理。正火处理中的冷却方法为放置冷却。通过以上制造工序，制造直径为50mm的棒钢(机械结构用钢)。

[评价试验]

[显微组织观察]

从各试验编号的棒钢的R/2部采集组织观察用试验片。试验片的表面中，将与棒钢的长度方向(即，轧制方向或拉伸方向)平行的截面定义为观察面。基于上述方法，求出铁素体、珠光体和贝氏体的总面积率(％)。各试验编号的棒钢的显微组织的总面积率均为99％以上。对于总面积率为99％以上的显微组织，以“F+P+B”的形式示于表2。

[特定夹杂物的个数TN和复合比率RA]

从各试验编号的棒钢的R/2部采集组织观察用试验片。试验片的表面中，将与棒钢的长度方向(即，轧制方向或拉伸方向)平行的截面定义为观察面。对于各试验编号的组织观察用试验片的观察面，基于上述方法求出特定夹杂物个数TN(个/mm²)和复合比率RA(％)。将结果示于表2。

[切削性]

对于切削性，评价利用常规钻头的工具寿命特性和切屑处理性。

[工具寿命特性CL1000]

将直径50mm的棒钢以20mm的长度切断，作为穿孔试验片。对穿孔试验片实施穿孔。将穿孔的条件示于表3。

[表3]

表3

具体而言，改变钻头外周速度，测定直至钻头折损为止的累积孔深度。钻头使用高速钢直钻头。钻头的冠顶R为3mm、钻锥角为118°。以切削速度：10～70m/分钟、进给量：0.25mm/rev、孔深度9mm实施穿孔。在累积孔深度(孔深度×穿孔数)达到1000mm的情况下，利用一个钻头的穿孔结束。在这种情况下，交换钻头，使钻头外周的速度为更高速，重复试验直至断裂。将能穿孔累积孔深度1000mm的最大钻头外周速度定义为CL1000(m/分钟)，作为切削性的指标。将结果示于表2的“CL1000”栏。CL1000为40m/分钟以上的情况下，判断为工具寿命特性优异。另一方面，CL1000小于40m/分钟的情况下，判断为工具寿命特性不优异。

[切屑处理性评价]

以规定的长度切断直径50mm的棒钢，作为切削试验片。对于切削试验片，实施图4所示的外圆车削。将外圆车削的条件示于表4。

[表4]

表4

具体而言，工具50使用P20牌号超硬合金工具。工具50的冠顶R为0.4，前角为5°。以切削速度V1：250m/分钟、进给速度V2：0.2mm/rev、进刀量D1：2mm、长度方向切削长度L1：200mm进行外圆车削。切削外周后，再次以成为仅D1：2mm的小直径的方式重复切入车削，对试验片5实施4分钟上述条件的车削试验。

在第1000个试验片的车削中，获得图5A和图5B所示的切屑。于是，对切屑的长度L20、直径D20进行了测定。基于测定结果进行以下评价。将切屑直径D20为30mm以下的线圈形状的情况、或者即使不是线圈形状、但切屑长度L20小于50mm的情况判断为切屑处理性优异(表2中的“○”)。另一方面，将不属于切屑的直径D20为30mm以下的线圈形状且切屑长度L20也为50mm以上的情况判断为切屑处理性不优异(表2中的“×”)。

[生锈特性(耐腐蚀性)评价试验]

制作将直径50mm的棒钢切割为规定的长度的生锈试验片。在与上述切削试验相同的条件下对生锈试验片进行车削加工。然后，一边在切削面上喷洒自来水，一边将试验片在湿度70％、20℃的气氛中保管1小时。保管后，观察试验片的切削面，测定锈点的个数。将测定结果示于表2的“生锈确定”栏中。将锈点小于10个的情况(表2中的)以及锈点为10个以上且小于20个的情况(表2中的“○”)判断为生锈特性优异。另一方面，将锈点为20个以上(表2中的“×”)的情况判断为生锈特性不优异。

[滚动疲劳试验]

滚动疲劳寿命的评价利用森式推力型滚动疲劳试验来进行。从各试验编号的棒钢的R/2部各采集10张图6所示的、直径60mm、厚度5mm的圆盘状的滚动疲劳试验片100。对于滚动疲劳试验片100，实施淬火回火，使表面硬化。有效硬化层深度设为0.8mm以上。

淬火回火处理的条件如以下所述。进行880℃×1小时油淬、清洗、170℃×2小时的低温回火。对于实施了淬火和回火的试验片，磨削表面，使有效硬化层深度为0.5mm。有效硬化层深度设为成为HV550的位置距离表面的深度。利用磨削的去除设为0.1mm左右。调节Cp和磨削去除量，调整各试验片中的硬度分布和有效硬化层深度。

如图7所示那样，使滚动疲劳试验片100浸渍于油70％和水30％的润滑油102，润滑油中的水分由于放热而蒸发，因此，1天1次追加30ml水。试验面压力设为4kN且恒定。硬球使用Si₃N₄陶瓷硬球。与滚动疲劳试验片100接触的硬球设为3个球，转速设为1200rpm。作为滚动疲劳寿命的尺度，使用“直至产生在威布尔概率纸上标绘试验结果而得到的累积断裂概率10％下的点蚀的时间(小时)”作为耐久寿命。将结果示于表2的“滚动疲劳寿命”栏。滚动疲劳寿命为3.1小时以上的情况判断为滚动疲劳特性优异。另一方面，滚动疲劳寿命小于3.1小时的情况判断为滚动疲劳特性不优异。

[试验结果]

试验编号1～27中，化学组成适当，F1为8.0以上，脱氧顺序适当，凝固冷却速度RC为100℃/分钟以下。因此，特定夹杂物的个数TN为40个/mm²以上。其结果，CL1000为40m/分钟以上，且得到了优异的切屑处理性。即，得到了优异的切削性。进而，生锈特性评价试验中，锈点均小于20点，得到了优异的生锈特性。进而，滚动疲劳试验中，滚动疲劳寿命均为3.1小时以上，得到了优异的滚动疲劳特性。

试验编号1～6、20和24中，凝固冷却速度RC还为8℃/分钟以上且小于50℃/分钟。因此，不仅特定夹杂物的个数TN为40个/mm²以上，而且复合比率RA为40％以上。其结果，锈点均小于10点，与试验编号7～19、21～23和25～27相比，得到了更优异的生锈特性。

另一方面，试验编号28～36中，化学组成适当，F1为8.0以上，脱氧顺序适当，但凝固冷却速度RC超过100℃/分钟。因此，特定夹杂物的个数TN小于40个/mm²。其结果，无法得到优异的生锈特性。

试验编号37和38中，化学组成适当，脱氧顺序适当，凝固冷却速度RC为100℃/分钟以下，但F1小于8.0。因此，特定夹杂物的个数TN小于40个/mm²。其结果，无法得到优异的生锈特性。

试验编号39中，化学组成适当，脱氧顺序适当，但凝固冷却速度RC超过100℃/分钟，进而F1小于8.0。因此，特定夹杂物的个数TN小于40个/mm²。其结果，无法得到优异的生锈特性。

试验编号40中，Mn含量过高。其结果，CL1000小于40m/分钟，无法得到优异的切削性。

试验编号41中，Mn含量过低。因此，特定夹杂物的个数TN小于40个/mm²。其结果，无法得到优异的生锈特性。

试验编号42中，S含量过低。其结果，无法得到优异的生锈特性。

试验编号43中，Pb含量过高。进而，凝固冷却速度RC超过100℃/分钟。其结果，无法得到优异的生锈特性。

试验编号44中，Pb含量过低。其结果，CL1000小于40m/分钟，进而，无法得到优异的切屑处理性。即，无法得到优异的切削性。

试验编号45中，Al含量过低。因此，特定夹杂物的个数TN小于40个/mm²。其结果，无法得到优异的生锈特性。

试验编号46中，Cr含量过高。其结果，CL1000小于40m/分钟，无法得到优异的切削性。

试验编号47中，Cr含量过低。其结果，滚动疲劳寿命小于3.1小时，无法得到优异的滚动疲劳特性。

试验编号48和49中，化学组成适当，F1为8.0以上，凝固冷却速度RC为100℃/分钟以下，但脱氧顺序不适当，因此，特定夹杂物的个数TN小于40个/mm²。其结果，无法得到优异的生锈特性。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，上述实施方式只是用于实施本发明的示例。因此，本发明不限于上述实施方式，可以在不偏离其主旨的范围内适当地改变上述实施方式来实施。

附图标记说明

10 MnS夹杂物

20 Pb夹杂物

30 复合夹杂物

Claims (4)

1.一种机械结构用钢，其具有以下化学组成：

以质量％计含有

C：0.30～0.50％、

Si：0.01～0.80％、

Mn：0.20～2.00％、

P：0.030％以下、

S：0.010～0.100％、

Pb：0.010～0.100％、

Al：0.010～0.050％、

N：0.015％以下、

O：0.0005～0.0030％、

Cr：大于0.70％且为2.00％以下、

Ni：0～3.50％、

B：0～0.0050％、

V：0～0.70％、

Mo：0～0.70％、

W：0～0.70％、

Nb：0以上且小于0.050％、

Cu：0～0.50％、

Ti：0～0.100％、和

Ca：0～0.0030％，余量为Fe和杂质，且满足式(1)，

在钢中，特定夹杂物的总个数为40个/mm²以上，所述特定夹杂物为MnS夹杂物、Pb夹杂物和含有MnS和Pb的复合夹杂物中的任意者，且圆当量直径为5μm以上，

Mn/S≥8.0 (1)

此处，在式(1)中的各元素处代入相应元素的质量％含量。

2.根据权利要求1所述的机械结构用钢，其中，

所述化学组成含有选自由

Ni：0.02～3.50％、

B：0.0005～0.0050％、

V：0.05～0.70％、

Mo：0.05～0.70％、

W：0.05～0.70％、

Nb：0.001％以上且小于0.050％、

Cu：0.05～0.50％、和

Ti：0.003～0.100％组成的组中的1种或2种以上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的机械结构用钢，其中，

所述化学组成含有

Ca：0.0001～0.0030％。

4.根据权利要求1～权利要求3中任一项所述的机械结构用钢，其中，

所述复合夹杂物相对于所述特定夹杂物的个数比率为40％以上。