CN117751207A - 钢材 - Google Patents
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Abstract
本发明提供切削性优异，能够抑制热加工时的裂纹和高频淬火时的熔融裂纹，并在将其用作机械构造用部件的情况下具有优异的疲劳强度的钢材。钢材以质量％计含有C：0.20～0.50％、Si：0.01～0.80％、Mn：0.50～2.00％、P：0.030％以下、S：0.010～0.095％、Cr：0.01～1.30％、V：大于0.200％且小于等于0.300％、Bi：0.0051～0.1500％、N：0.0030～0.0200％，且满足如下的式(1)。在钢材中，微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2，粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下。0.80≤C+(Si/10)+(Mn/5)‑(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V≤1.50(1)。
Description
技术领域
本发明涉及钢材，进一步详细而言，涉及成为机械构造用部件的坯料的钢材。
背景技术
对于在汽车和建筑车辆的行走部件、车轴等使用的机械构造用部件，要求较高的疲劳强度。
并且，在机械构造用部件的制造工序中，有时针对成为机械构造用部件的坯料的钢材实施切削加工。因此，在成为机械构造用部件的坯料的钢材中，要求较高的切削性。
成为机械构造用部件的坯料的钢材例如被日本特开昭57-19366号公报(专利文献1)、日本特开2004-18879号公报(专利文献2)和日本特开2008-169411号公报(专利文献3)公开。
在专利文献1中记载有如下内容：在专利文献1所公开的钢材中，含有0.001～0.05％的Ca，以单独或复合的方式含有0.02～0.15％的Pb和Bi，将S限制在0.005％以下，将夹杂物设为CaS-CaO、Pb、Bi系夹杂物，且将Al2O3夹杂物抑制为小于0.001％。在该文献中，向钢水中大量连续地添加Ca，使溶解的S变化为CaS。另外，通过基于Ca的还原反应，来消除Al2O3或使Al2O3变得极少。因此，夹杂物成为CaS-CaO系的夹杂物。之后，向钢水中少量添加Pb、Bi中的一种或两种，生成Pb或Bi的单独夹杂物。由此，提高了钢材的切削性。
在专利文献2中记载有如下内容：专利文献2所公开的钢材以质量％计含有B：0.001～0.010％、N：0.002～0.010％和Bi：0.005～0.10％。在该冷锻用钢中，在横截面的每0.5mm×0.5mm的视场面积中，总计存在15个以上的直径为0.7μm以上的BN和含有B的Bi析出物。在该钢材中，通过将N作为BN固定下来，从而降低固溶N量，降低加工硬化。并且，生成含有B的Bi析出物，提高切屑处理性。
在专利文献3中记载有如下内容：专利文献3所公开的钢材以质量％计含有C：0.15～0.55％、Si：0.01～2.0％、Mn：0.01～2.5％、Cu：0.01～2.0％、Ni：0.01～2.0％、Cr：0.01～2.5％、Mo：0.01～3.0％以及选自由V和W组成的组中的至少一种元素的总量：0.01～1.0％，余量由Fe和不可避免的杂质组成。以1010℃～1050℃对该钢材进行均热，之后，以200℃/分钟以上的冷却速度将其冷却至500℃～550℃，之后，以100℃/分钟以上的冷却速度将其冷却至150℃以下，之后，以550℃～700℃的温度区进行加热。被实施了这些热处理和冷却处理后的钢材的、赋予室温下的HRC硬度的最大值的LMP为17.66以上。在该钢材中，LMX为17.66以上，因此，抗软化性升高，热疲劳强度变高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭57-19366号公报
专利文献2：日本特开2004-18879号公报
专利文献3：日本特开2008-169411号公报
发明内容
发明要解决的问题
另外，以钢材为坯料的机械构造用部件的制造工序的一个例子如下。对成为坯料的钢材进行热加工而制作具有机械构造用部件的粗略形状的中间品。热加工例如为热锻。对制造出的中间品实施机械加工(切削加工)，使中间品成为规定形状。对于切削加工后的中间品实施淬火回火。通过以上的制造工序，从而制作出机械构造用部件。
在上述制造工序中的淬火中，存在为了提高机械构造用部件的局部部位的强度而对中间品(钢材)实施高频淬火的情况。在该情况下，对中间品(钢材)中的欲提高强度的部位实施高频感应加热，之后进行骤冷(淬火)。
然而，在高频感应加热时，存在因中间品(钢材)的形状而使钢材被局部地过度加热的情况。并且，存在钢材的表层和内部的局部发生熔融而产生裂纹的情况。在本说明书中，也将这样的裂纹称作“熔融裂纹”。在机械构造用部件的制造工序中实施高频淬火的情况下，要求在钢材中抑制熔融裂纹。
并且，在钢材的制造工序时和使用该钢材的机械构造用部件的制造工序时，实施热加工(例如热轧、热锻等)。因而，对于成为机械构造用部件的坯料的钢材，不仅要求抑制熔融裂纹，还要求抑制热加工时的裂纹。在此，在本说明书中，也将热加工时的裂纹称作“热加工裂纹”。因而，对于成为机械构造用部件的坯料的钢材，不仅要求优异的切削性，要求在将该钢材用作机械构造用部件的情况下能够得到较高的疲劳强度，还要求抑制热加工裂纹并抑制熔融裂纹。
在上述专利文献1～专利文献专利文献3中，至少没有对热加工裂纹的抑制和熔融裂纹的抑制进行研究。
本发明的目的在于，提供切削性优异，能够抑制热加工时的裂纹，能够抑制高频淬火时的熔融裂纹，并在将其用作机械构造用部件的情况下能够得到优异的疲劳强度的钢材。
用于解决问题的方案
本发明提供一种钢材，其中，
其化学组成以质量％计含有
C：0.20～0.50％、
Si：0.01～0.80％、
Mn：0.50～2.00％、
P：0.030％以下、
S：0.010～0.095％、
Cr：0.01～1.30％、
V：大于0.200％且小于等于0.300％、
Bi：0.0051～0.1500％、
N：0.0030～0.0200％，
余量由Fe和杂质组成，
所述化学组成满足式(1)，
在所述钢材中，圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2，圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下，
0.80≤C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V≤1.50(1)
其中，对于式中的各元素符号，以质量％为单位而代入对应的元素的含量。
发明的效果
本发明的钢材的切削性优异，能够抑制热加工时的裂纹，能够抑制高频淬火时的熔融裂纹，在用作机械构造用部件的情况下能够得到优异的疲劳强度。
附图说明
图1是以100℃/秒的升温速度将本发明的范围外的钢材加热至1370℃并在该温度下保持15秒钟、之后进行水冷后的显微组织的示意图。
图2是以100℃/秒的升温速度将本发明的范围内的钢材加热至1370℃并在该温度下保持15秒钟、之后进行水冷后的显微组织的示意图。
图3是在实施例中使用的旋转弯曲疲劳试验片的侧视图。
具体实施方式
本发明人等首先对切削性优异、在将其用作机械构造用部件的情况下能够得到优异的疲劳强度的钢材的化学组成进行了研究。其结果是，本发明人等认为若为如下那样的钢材，则存在切削性优异，在将其用作机械构造用部件的情况下能够得到优异的疲劳强度的可能性，该钢材的化学组成以质量％计为C：0.20～0.50％、Si：0.01～0.80％、Mn：0.50～2.00％、P：0.030％以下、S：0.010～0.095％、Cr：0.01～1.30％、V：大于0.200％且小于等于0.300％、N：0.0030～0.0200％、Al：0～0.060％、Mg：0～0.0100％、Ti：0～0.0200％、Nb：0～0.0200％、W：0～0.4000％、Zr：0～0.2000％、Ca：0～0.0030％、Te：0～0.0100％、B：0～0.0050％、Sn：0～0.0100％、稀土元素：0～0.0070％、Co：0～0.0100％、Se：0～0.0100％、Sb：0～0.0100％、In：0～0.0100％、Mo：0～0.20％、Cu：0～0.20％、Ni：0～0.20％、以及余量由Fe和杂质组成。
然而，仅将钢材设为上述化学组成，不一定能得到优异的切削性、且不一定在将其用作机械构造用部件的情况下能得到优异的疲劳强度。即使化学组成中的各元素含量在上述范围内，若钢材的硬度较高，则钢材的切削性也会降低。另一方面，即使化学组成中的各元素含量在上述范围内，若钢材的硬度较低，则以该钢材为坯料制造成的机械构造用部件的疲劳强也会降低。因而，为了兼顾机械构造用部件的疲劳强度和钢材的切削性，将作为机械构造用部件的坯料的钢材的硬度设为适当的范围的做法是有效的。
因此，本发明人等对化学组成中的各元素含量在上述范围内的钢材的硬度产生影响的元素的含量进行了研究。上述化学组成中的元素之中的C、Si、Mn、Cr和V尤其提高以钢材为坯料制造成的机械构造用部件的内部硬度，其结果是，提高了机械构造用部件的疲劳强度。另一方面，S使内部硬度降低。因而，本发明人等认为，通过将这些元素的含量设为适当的范围，能够兼顾钢材的切削性的提高和以钢材为坯料制造成的机械构造用部件的疲劳强度的提高。进一步研究的结果是，本发明人等发现，在化学组成中的各元素含量为上述范围内的钢材中，若满足式(1)，则在钢材中能够得到优异的切削性，并且，在用作机械构造用部件时能够得到优异的疲劳强度。
0.80≤C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V≤1.50 (1)
其中，对于式中的各元素符号，以质量％为单位而代入对应的元素的含量。
接下来，本发明人等对在化学组成中的各元素含量为上述范围内且满足式(1)的钢材中能够抑制高频淬火时的熔融裂纹的方法进行了研究。首先，本发明人等为了确定在高频淬火时在钢材产生熔融裂纹的原因，观察了产生熔融裂纹的部位的显微组织。其结果是，在产生熔融裂纹的部位没有产生脱碳。另一方面，在脱炭的部位，未产生熔融裂纹。
根据该结果，本发明人等认为，C含量对在高频淬火时的钢材产生的熔融裂纹造成影响。具体而言，容易因在晶界偏析的C而产生熔融裂纹。因此，本发明人等研究了抑制C在晶界偏析的方法。
研究的结果是，本发明人等发现，通过在上述化学组成中进一步含有0.0051～0.1500％的Bi，能够抑制高频淬火时的钢材的熔融裂纹。认为其原因如下。若适量含有Bi，则Bi会在钢材中作为夹杂物存在。以下，将包括Bi的夹杂物称作Bi颗粒。Bi颗粒通过钉扎效应来抑制高频淬火时的钢材中的奥氏体晶粒的粗大化。若Bi颗粒微细，则钉扎效应增强。在高频淬火时，若奥氏体晶粒维持微细，则奥氏体晶粒的晶界面积增大。若晶界面积增大，则每单位面积在奥氏体晶界偏析的C的浓度减少。其结果是，能够抑制熔融裂纹的产生。
如上所述，通过适量含有Bi，能够抑制高频淬火时的熔融裂纹的产生。然而，发现了在对钢材实施热加工工序的情况下，有时会产生裂纹。在此所说的热加工例如是在钢材的制造工序中实施的热轧、或者在机械构造用部件的制造工序中实施的热锻等。因此，调查了热加工时的裂纹的原因。其结果是，本发明人等得到了如下的新见解。
在为了抑制熔融裂纹而在钢材中含有Bi的情况下，在钢材中，有时会生成圆当量直径为1.0μm以下的微细的Bi颗粒(Bi夹杂物)和圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒。粗大Bi颗粒容易成为热加工时的裂纹的起点。因此，若粗大Bi颗粒的数密度过高，则在热加工时容易产生裂纹(热加工裂纹)。
如上所述，在含有Bi的钢材中，虽然容易抑制高频淬火时的熔融裂纹，但容易产生由粗大Bi颗粒引起的热加工裂纹。若钢材中的Bi颗粒微细，则能够抑制高频淬火时的熔融裂纹。另一方面，若钢材中的Bi颗粒粗大，则容易产生热加工裂纹。
基于以上的研究结果，本发明人等认为，通过在以某种程度确保钢材中的微细Bi颗粒的数密度的同时尽量抑制钢材中的粗大Bi颗粒的数密度，能够抑制高频淬火时的熔融裂纹且还能够抑制热加工裂纹。因此，对于充分地发挥这些效果的微细Bi颗粒的数密度和粗大Bi颗粒的数密度进一步进行了调査和研究。其结果是，本发明人等发现，在上述化学组成的钢材中，以满足上述式(1)为前提，若圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2且圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下，则能够抑制高频淬火时的熔融裂纹，且还能够抑制热加工裂纹。
基于以上的见解完成的本实施方式的钢材具有如下的构成。
[1]一种钢材，其中，
其化学组成以质量％计含有
C：0.20～0.50％、
Si：0.01～0.80％、
Mn：0.50～2.00％、
P：0.030％以下、
S：0.010～0.095％、
Cr：0.01～1.30％、
V：大于0.200％且小于等于0.300％、
Bi：0.0051～0.1500％、
N：0.0030～0.0200％，
余量由Fe和杂质组成，
所述化学组成满足式(1)，
在所述钢材中，圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2，
圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下，
0.80≤C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V≤1.50(1)
其中，对于式中的各元素符号，以质量％为单位而代入对应的元素的含量。
[2]根据[1]所述的钢材，其中，
所述化学组成进一步含有选自由以下元素组成的组中的一种以上的元素来替代Fe的一部分，
Al：0.060％以下、
Mg：0.0100％以下、
Ti：0.0200％以下、
Nb：0.0200％以下、
W：0.4000％以下、
Zr：0.2000％以下、
Ca：0.0030％以下、
Te：0.0100％以下、
B：0.0050％以下、
Sn：0.0100％以下、
稀土元素：0.0070％以下、
Co：0.0100％以下、
Se：0.0100％以下、
Sb：0.0100％以下、
In：0.0100％以下、
Mo：0.20％以下、
Cu：0.20％以下，以及
Ni：0.20％以下。
以下，对本实施方式的钢材进行详细说明。只要没有特别说明，关于元素的“％”指的是质量％。
[本实施方式的钢材的技术特征]
本实施方式的钢材满足如下的技术特征1～技术特征4。
(技术特征1)
化学组成以质量％计含有C：0.20～0.50％、Si：0.01～0.80％、Mn：0.50～2.00％、P：0.030％以下、S：0.010～0.095％、Cr：0.01～1.30％、V：大于0.200且小于等于0.300％、Bi：0.0051～0.1500％、N：0.0030～0.0200％，余量由Fe和杂质组成。
(技术特征2)
以各元素含量在技术特征1的范围内为前提，满足式(1)。
0.80≤C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V≤1.50(1)
(技术特征3)
在钢材中，圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2。
(技术特征4)
在钢材中，圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下。
以下，说明各技术特征1～技术特征4。
[(技术特征1)关于化学组成]
本实施方式的钢材的化学组成含有如下的元素。
C：0.20～0.50％
碳(C)提高以钢材为坯料制造成的机械构造用部件的硬度，并提高机械构造用部件的疲劳强度。若C含量小于0.20％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，若C含量大于0.50％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，C也会在晶界偏析。在该情况下，晶界处的C浓度变高。若C浓度变高，则熔点降低。因此，在高频淬火时容易产生熔融裂纹。
因而，C含量为0.20～0.50％。
C含量的优选下限为0.21％，进一步优选为0.22％，进一步优选为0.23％。
C含量的优选上限为0.49％，进一步优选为0.48％，进一步优选为0.47％。
Si：0.01～0.80％
硅(Si)在制钢工序中使钢脱氧。Si还提高机械构造用部件的硬度，并提高机械构造用部件的疲劳强度。若Si含量小于0.01％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，Si与C的亲和力较弱。因此，若Si含量大于0.80％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，在加热时，相比于留在固溶有Si的晶粒内，C容易在晶界偏析。其结果是，容易在高频淬火时产生熔融裂纹。
因而，Si含量为0.01～0.80％。Si含量的优选下限为0.02％，进一步优选为0.05％，进一步优选为0.08％。
Si含量的优选上限为0.75％，进一步优选为0.70％，进一步优选为0.65％，进一步优选为0.60％。
Mn：0.50～2.00％
锰(Mn)在制钢工序中使钢脱氧。并且，Mn与C的亲和力较强。因此，在加热时，C留在固溶有Mn的晶粒内。因此，C向晶界的偏析被抑制，能够抑制高频淬火时的熔融裂纹的产生。若Mn含量小于0.50％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，若Mn含量大于2.00％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，钢材的硬度也会过度地变高。其结果是，钢材的切削性降低。
因而，Mn含量为0.50～2.00％。
Mn含量的优选下限为0.52％，进一步优选为0.55％，进一步优选为0.57％，进一步优选为0.60％。
Mn含量的优选上限为1.98％，进一步优选为1.95％，进一步优选为1.93％，进一步优选为1.90％。
P：0.030％以下
磷(P)为杂质。P在晶界偏析。因此，P使钢材的熔点降低。因此，容易在高频淬火时产生熔融裂纹。
因而，P含量为0.030％以下。
优选的是，P含量尽量较低。然而，P含量的过度降低会提高制造成本。因而，若考虑通常的工业生产，则P含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.001％，进一步优选为0.002％。
P含量的优选上限为0.028％，进一步优选为0.026％，进一步优选为0.023％，进一步优选为0.020％。
S：0.010～0.095％
硫(S)形成硫化物系夹杂物，提高钢材的切削性。若S含量小于0.010％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，S使钢材的熔点降低。因此，若S含量大于0.095％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在高频淬火时产生熔融裂纹。
因而，S含量为0.010～0.095％。
S含量的优选下限为0.012％，进一步优选为0.015％，进一步优选为0.018％，进一步优选为0.020％。S含量的优选上限为0.080％，进一步优选为0.075％，进一步优选为0.070％。
Cr：0.01～1.30％
铬(Cr)提高钢材的淬火性。因此，机械构造用部件的内部硬度变高。其结果是，机械构造用部件的疲劳强度变高。并且，Cr与C的亲和力较强。因此，加热时，C留在固溶有Cr的晶粒内。因此，C向晶界的偏析被抑制，能够抑制高频淬火时的熔融裂纹的产生。Cr进一步与S结合而形成Cr硫化物。在该情况下，粗大的FeS的形成被抑制。其结果是，热加工时的钢材的延性提高，热加工裂纹被抑制。若Cr含量小于0.01％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，若Cr含量大于1.30％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，钢材的硬度也会过度地变高。其结果是，钢材的切削性降低。
因而，Cr含量为0.01～1.30％。
Cr含量的优选下限为0.02％，进一步优选为0.04％，进一步优选为0.06％，进一步优选为0.08％。
Cr含量的优选上限为1.28％，进一步优选为1.26％，进一步优选为1.24％。
V：大于0.200且小于等于0.300％
钒(V)在机械构造用部件的制造工序中的热加工后的冷却过程中作为V析出物在钢材中的铁素体中析出。通过V析出物，从而机械构造用部件的内部硬度变高。其结果是，机械构造用部件的疲劳强度变高。并且，V与C键合而将C固定在γ晶粒内。因此，V在高频淬火时抑制熔融裂纹的产生。若V含量为0.200％以下，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，若V含量大于0.300％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，钢材的硬度也会过度地变高。其结果是，钢材的切削性降低。并且，若V含量大于0.300％，则上述效果饱和，制造成本变高。
因而，V含量大于0.200且小于等于0.300％。
V含量的优选下限为0.205％，进一步优选为0.210％，进一步优选为0.215％，进一步优选为0.220％，进一步优选为0.225％，进一步优选为0.230％。
V含量的优选上限为0.295％，进一步优选为0.290％，进一步优选为0.285％。
Bi：0.0051～0.1500％
铋(Bi)在钢材中形成夹杂物(Bi颗粒)。因此，高频淬火时的熔融裂纹被抑制。Bi进一步提高钢材的切削性。若Bi含量小于0.0051％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，若Bi含量大于0.1500％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也会生成粗大的Bi颗粒。粗大的Bi颗粒容易在钢材的制造工序中的热加工时或者以钢材为坯料制造成的机械构造用部件的制造工序中的热加工时成为裂纹的起点。因此，容易产生热加工裂纹。
因而，Bi含量为0.0051～0.1500％。
Bi含量的优选下限为0.0080％，进一步优选为0.0100％，进一步优选为0.0120％，进一步优选为0.0140％，进一步优选为0.0160％。
Bi含量的优选上限为0.1400％，进一步优选为0.1350％，进一步优选为0.1300％。
N：0.0030～0.0200％
氮(N)在机械构造用部件的制造工序中的热加工后的冷却过程中形成氮化物和/或碳氮化物而对钢材进行析出强化。其结果是，机械构造用部件的疲劳强度变高。若N含量小于0.0030％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也无法充分地得到上述效果。
另一方面，若N含量大于0.0200％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，钢材的热加工性也会降低。
因而，N含量为0.0030～0.0200％。
N含量的优选下限为0.0032％，进一步优选为0.0034％，进一步优选为0.0036％。
N含量的优选上限为0.0190％，进一步优选为0.0170％，进一步优选为0.0150％，进一步优选为0.0130％，进一步优选为0.0100％。
本实施方式的钢材的化学组成的余量由Fe和杂质组成。在此，化学组成中的杂质是指：在工业制造钢材时，从作为原料的矿石、废料或制造环境等中混入的物质，其在不对实施方式的钢材造成不良影响的范围内是允许的。
作为杂质，可举出上述杂质(P、S)以外的所有元素。杂质可以仅是一种，也可以为两种以上。上述杂质以外的其他杂质例如为如下。O：0.0050％以下、Ta和Zn：合计0～0.01％、Pb：0.09％以下。
[任意元素(Optional Elements)]
本实施方式的钢材的化学组成可以进一步含有选自由以下的第1组～第5组组成的组中的一种以上的元素。这些元素均为任意元素。
[第1组]
Al：0.060％以下
Mg：0.0100％以下
[第2组]
Ti：0.0200％以下
Nb：0.0200％以下
W：0.4000％以下
Zr：0.2000％以下
[第3组]
Ca：0.0030％以下
Te：0.0100％以下
B：0.0050％以下
Sn：0.0100％以下
稀土元素：0.0070％以下
[第4组]
Co：0.0100％以下
Se：0.0100％以下
Sb：0.0100％以下
In：0.0100％以下
[第5组]
Mo：0.20％以下
Cu：0.20％以下
Ni：0.20％以下
以下，说明这些任意元素。
[第1组：Al和Mg]
本实施方式的钢材还可以含有选自由Al和Mg组成的组中的一种以上的元素来替代Fe的一部分。这些元素为任意元素，均使钢脱氧。
Al：0.060％以下
铝(Al)为任意元素，也可以不含有铝(Al)。也就是说，Al含量可以为0％。
在含有Al的情况下，Al使钢脱氧。只要含有少量Al就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Al含量大于0.060％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，Al也会形成粗大氧化物。粗大氧化物会降低机械构造用部件的疲劳强度。
因而，Al含量为0～0.060％，在含有Al的情况下，Al含量为0.060％以下。
Al含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.001％，进一步优选为0.002％，进一步优选为0.003％，进一步优选为0.005％，进一步优选为0.010％。
Al含量的优选上限为0.055％，进一步优选为0.050％，进一步优选为0.045％。
Mg：0.0100％以下
镁(Mg)为任意元素，也可以不含有镁(Mg)。也就是说，Mg含量可以为0％。
在含有Mg的情况下，Mg使钢脱氧。只要含有少量Mg就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Mg含量大于0.0100％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，Mg也会形成粗大氧化物。粗大氧化物会降低机械构造用部件的疲劳强度。
因而，Mg含量为0～0.0100％，在含有Mg的情况下，Mg含量为0.0100％以下。
Mg含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0003％，进一步优选为0.0005％。
Mg含量的优选上限为0.0050％，进一步优选为0.0045％，进一步优选为0.0040％。
[第2组：Ti、Nb、W和Zr]
本实施方式的钢材的化学组成也可以进一步含有选自由Ti、Nb、W和Zr组成的组中的一种以上的元素来替代Fe的一部分。这些元素为任意元素，均形成析出物，提高机械构造用部件的韧性。
Ti：0.0200％以下
钛(Ti)为任意元素，也可以不含有钛(Ti)。也就是说，Ti含量可以为0％。
在含有Ti的情况下，Ti在机械构造用部件的制造工序中的热加工工序的冷却过程中形成碳化物和/或碳氮化物而使晶粒微细化。由此，机械构造用部件的韧性变高。只要含有少量Ti就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Ti含量大于0.0200％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，上述效果也会饱和。并且，制造成本变高。
因而，Ti含量为0～0.0200％，在含有Ti的情况下，Ti含量为0.0200％以下。
Ti含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0010％，进一步优选为0.0050％，进一步优选为0.0080％。
Ti含量的优选上限为0.0180％，进一步优选为0.0170％，进一步优选为0.0150％。
Nb：0.0200％以下
铌(Nb)为任意元素，也可以不含有铌(Nb)。也就是说，Nb含量可以为0％。
在含有Nb的情况下，Nb在机械构造用部件的制造工序中的热加工工序的冷却过程中形成碳化物和/或碳氮化物而使晶粒微细化。由此，机械构造用部件的韧性变高。只要含有少量Nb就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Nb含量大于0.0200％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，上述效果也会饱和。并且，制造成本变高。
因而，Nb含量为0～0.0200％，在含有Nb的情况下，Nb含量为0.0200％以下。
Nb含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0010％，进一步优选为0.0050％，进一步优选为0.0080％。
Nb含量的优选上限为0.0180％，进一步优选为0.0170％，进一步优选为0.0150％。
W：0.4000％以下
钨(W)为任意元素，也可以不含有钨(W)。也就是说，W含量可以为0％。
在含有W的情况下，W在机械构造用部件的制造工序中的热加工工序的冷却过程中形成碳化物和/或碳氮化物而使晶粒微细化。由此，机械构造用部件的韧性变高。只要含有少量W就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若W含量大于0.4000％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，上述效果也会饱和。并且，制造成本变高。
因而，W含量为0～0.4000％，在含有W的情况下，W含量为0.4000％以下。
W含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0050％，进一步优选为0.0500％。
W含量的优选上限为0.3500％，进一步优选为0.3000％，进一步优选为0.2000％。
Zr：0.2000％以下
锆(Zr)为任意元素，也可以不含有锆(Zr)。也就是说，Zr含量可以为0％。
在含有Zr的情况下，Zr在机械构造用部件的制造工序中的热加工工序的冷却过程中形成碳化物和/或碳氮化物而使晶粒微细化。由此，机械构造用部件的韧性变高。只要含有少量Zr就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Zr含量大于0.2000％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，上述效果也会饱和。并且，制造成本变高。
因而，Zr含量为0～0.2000％，在含有Zr的情况下，Zr含量为0.2000％以下。
Zr含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0010％，进一步优选为0.0020％，进一步优选为0.0050％。
Zr含量的优选上限为0.1500％，进一步优选为0.1000％，进一步优选为0.0500％，进一步优选为0.0100％。
[第3组：Ca、Te、B、Sn和稀土元素]
本实施方式的钢材的化学组成也可以进一步含有选自由Ca、Te、B、Sn和稀土元素(REM)组成的组中的一种以上的元素来替代Fe的一部分。这些元素为任意元素，均提高钢材的切削性。
Ca：0.0030％以下
钙(Ca)为任意元素，也可以不含有钙(Ca)。也就是说，Ca含量可以为0％。
在含有Ca的情况下，Ca提高钢材的切削性。只要含有少量Ca就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Ca含量大于0.0030％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也会形成粗大氧化物。在该情况下，机械构造用部件的疲劳强度降低。
因而，Ca含量为0～0.0030％，在含有Ca的情况下，Ca含量为0.0030％以下。
Ca含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0010％，进一步优选为0.0015％。
Ca含量的优选上限为0.0025％，进一步优选为0.0023％，进一步优选为0.0020％。
Te：0.0100％以下
碲(Te)为任意元素，也可以不含有碲(Te)。也就是说，Te含量可以为0％。
在含有Te的情况下，Te提高钢材的切削性。只要含有少量Te就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Te含量大于0.0100％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，Te含量为0～0.0100％，在含有Te的情况下，Te含量为0.0100％以下。
Te含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0003％，进一步优选为0.0010％。
Te含量的优选上限为0.0090％，进一步优选为0.0085％，进一步优选为0.0080％。
B：0.0050％以下
硼(B)为任意元素，也可以不含有硼(B)。也就是说，B含量可以为0％。
在含有B的情况下，B提高钢材的切削性。只要含有少量B就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若B含量大于0.0050％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，B含量为0～0.0050％，在含有B的情况下，B含量为0.0050％以下。
B含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
B含量的优选上限为0.0040％，进一步优选为0.0035％，进一步优选为0.0030％。
Sn：0.0100％以下
锡(Sn)为任意元素，也可以不含有锡(Sn)。也就是说，Sn含量可以为0％。
在含有Sn的情况下，Sn提高钢材的切削性。只要含有少量Sn就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Sn含量大于0.0100％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，Sn含量为0～0.0100％，在含有Sn的情况下，Sn含量为0.0100％以下。
Sn含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
Sn含量的优选上限为0.0095％，进一步优选为0.0090％，进一步优选为0.0085％，进一步优选为0.0080％。
稀土元素：0.0070％以下
稀土元素(REM)为任意元素，也可以不含有稀土元素(REM)。也就是说，REM含量可以为0％。
在含有REM的情况下，REM提高钢材的切削性。只要含有少量REM就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若REM含量大于0.0070％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，REM含量为0～0.0070％，在含有REM的情况下，REM含量为0.0070％以下。
REM含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
REM含量的优选上限为0.0065％，进一步优选为0.0060％，进一步优选为0.0055％。
本说明书中的REM是指选自由原子序数21的钪(Sc)、原子序数39的钇(Y)和镧系元素的原子序数57的镧(La)～原子序数71的镥(Lu)组成的组中的一种或两种以上的元素。另外，本说明书中的REM含量为这些元素的总含量。
[第4组：Co、Se、Sb和In]
本实施方式的钢材的化学组成也可以进一步含有选自由Co、Se、Sb和In组成的组中的一种以上的元素来替代Fe的一部分。这些元素为任意元素，均抑制钢材的脱炭。
Co：0.0100％以下
钴(Co)为任意元素，也可以不含有钴(Co)。也就是说，Co含量可以为0％。
在含有Co的情况下，Co在热加工时抑制钢材的脱炭。只要含有少量Co就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Co含量大于0.0100％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，Co含量为0～0.0100％，在含有Co的情况下，Co含量为0.0100％以下。
Co含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
Co含量的优选上限为0.0090％，进一步优选为0.0080％，进一步优选为0.0070％。
Se：0.0100％以下
硒(Se)为任意元素，也可以不含有硒(Se)。也就是说，Se含量可以为0％。
在含有Se的情况下，Se在热加工时抑制钢材的脱炭。只要含有少量Se就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Se含量大于0.0100％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，Se含量为0～0.0100％，在含有Se的情况下，Se含量为0.0100％以下。
Se含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
Se含量的优选上限为0.0090％，进一步优选为0.0080％，进一步优选为0.0070％。
Sb：0.0100％以下
锑(Sb)为任意元素，也可以不含有锑(Sb)。也就是说，Sb含量可以为0％。
在含有Sb的情况下，也就是说，在Sb含量大于0％的情况下，Sb在热加工时抑制钢材的脱炭。只要含有少量Sb就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Sb含量大于0.0100％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，Sb含量为0～0.0100％，在含有Sb的情况下，Sb含量为0.0100％以下。
Sb含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
Sb含量的优选上限为0.0090％，进一步优选为0.0080％，进一步优选为0.0070％。
In：0.0100％以下
铟(In)为任意元素，也可以不含有铟(In)。也就是说，In含量可以为0％。
在含有In的情况下，In在热加工时抑制钢材的脱炭。只要含有少量In就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若In含量大于0.0100％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在钢材产生热加工裂纹。
因而，In含量为0～0.0100％，在含有In的情况下，In含量为0.0100％以下。
In含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.0001％，进一步优选为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
In含量的优选上限为0.0090％，进一步优选为0.0080％，进一步优选为0.0070％。
[第5组：Mo、Cu和Ni]
本实施方式的钢材的化学组成也可以进一步包含选自由Mo、Cu和Ni组成的组中的一种以上的元素来替代Fe的一部分。这些元素为任意元素，均提高机械构造用部件的疲劳强度。
Mo：0.20％以下
钼(Mo)为任意元素，也可以不含有钼(Mo)。也就是说，Mo含量可以为0％。
在含有Mo的情况下，Mo提高机械构造用部件的疲劳强度。只要含有少量Mo就能在一定程度上得到上述效果。
然而，若Mo含量大于0.20％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，钢材的硬度也会过度地变高。其结果是，热加工性降低。
因而，Mo含量为0～0.20％，在含有Mo的情况下，Mo含量为0.20％以下。
Mo含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.01％，进一步优选为0.05％，进一步优选为0.10％。
Mo含量的优选上限为0.19％，进一步优选为0.17％，进一步优选为0.15％。
Cu：0.20％以下
铜(Cu)为任意元素，也可以不含有铜(Cu)。也就是说，Cu含量可以为0％。
在含有Cu的情况下，Cu提高机械构造用部件的疲劳强度。只要含有少量Cu就能在一定程度上得到上述效果。
然而，与Si同样地，Cu促进高频淬火时的熔融裂纹的产生。因此，若Cu含量大于0.20％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在高频淬火时产生熔融裂纹。
因而，Cu含量为0～0.20％，在含有Cu的情况下，Cu含量为0.20％以下。
Cu含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.01％，进一步优选为0.02％，进一步优选为0.03％。
Cu含量的优选上限为0.15％，进一步优选为0.13％，进一步优选为0.10％。
Ni：0.20％以下
镍(Ni)为任意元素，也可以不含有镍(Ni)。也就是说，Ni含量可以为0％。
在含有Ni的情况下，Ni提高机械构造用部件的疲劳强度。只要含有少量Ni就能在一定程度上得到上述效果。
然而，与Si和Cu同样地，Ni促进高频淬火时的熔融裂纹的产生。因此，若Ni含量大于0.20％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也容易在高频淬火时产生熔融裂纹。
因而，Ni含量为0～0.20％，在含有Ni的情况下，Ni含量为0.20％以下。
Ni含量的优选下限大于0％，进一步优选为0.01％，进一步优选为0.02％，进一步优选为0.03％。
Ni含量的优选上限为0.15％，进一步优选为0.13％，进一步优选为0.10％。
[(技术特征2)关于式(1)]
本实施方式的钢材进一步以各元素含量在上述范围内为前提，也就是说以满足技术特征1为前提满足式(1)。
0.80≤C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V≤1.50 (1)
其中，对于式中的各元素符号，以质量％为单位而代入对应的元素的含量。
定义为fn1＝C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V。fn1是钢材的硬度指标。C、Si、Mn、Cr和V提高以钢材为坯料制造成的机械构造用部件的内部硬度。另一方面，S降低机械构造用部件的内部硬度。
即使钢材中的各元素含量在本实施方式的范围内，若fn1小于0.80，则机械构造用部件的内部硬度也会过度地降低。其结果是，机械构造用部件的疲劳强度降低。另一方面，即使钢材中的各元素含量在本实施方式的范围内，若fn1大于1.50，则钢材的硬度也会过度地变高。其结果是，钢材的切削性降低。
因而，fn1为0.80～1.50。
fn1的优选下限为0.81，进一步优选为0.82，进一步优选为0.85。
fn1的优选上限为1.48，进一步优选为1.45，进一步优选为1.43。
[(技术特征3)关于微细Bi颗粒]
在本实施方式的钢材中，以各元素含量在上述范围内且满足式(1)为前提，圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒(以下，也简称作微细Bi颗粒)的数密度是80～8000个/mm2。若微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2，则能够抑制高频淬火时的熔融裂纹的产生。
Bi在钢材中以Bi单体的颗粒或以高浓度含有Bi的颗粒的形态存在。在本说明书中，将Bi单体的颗粒或以高浓度含有Bi的颗粒统称地定义为Bi颗粒。在本说明书中，微细Bi颗粒是指圆当量直径为0.1～1.0μm的Bi颗粒。Bi为重元素，因此，在反射电子像中，可观察到Bi颗粒呈现出比周围的亮度高的高亮度。微细Bi颗粒也可以在不与其他颗粒(析出物或夹杂物)接触的情况下单独地存在于钢材中。另外，微细Bi颗粒也可以以附着或接触于其他颗粒的方式存在于钢材中。
如上所述，在高频感应加热时，Bi颗粒对奥氏体晶界进行钉扎。若Bi颗粒的圆当量直径为0.1～1.0μm，则奥氏体晶界的钉扎效应增强。在高频淬火时，若奥氏体晶粒维持微细，则奥氏体晶粒的晶界面积增大。若晶界面积增大，则在晶界偏析的C的浓度减少。其结果是，能够抑制熔融裂纹的产生。即使在钢材的化学组成中的各元素含量在本实施方式的范围内，并且满足式(1)，并且圆当量直径10.0μm以上的粗大Bi颗粒是10个/mm2以下的情况下，若微细Bi颗粒小于80个/mm2，则也无法充分地得到上述效果。
另一方面，即使在钢材的化学组成中的各元素含量在本实施方式的范围内，并且满足式(1)，并且圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒是10个/mm2以下的情况下，若微细Bi颗粒的数密度大于8000个/mm2，则上述效果也会饱和，并且，制造成本变高。
因而，在本实施方式的钢材中，圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2。
微细Bi颗粒的数密度的优选下限为90个/mm2，进一步优选的下限为95个/mm2，进一步优选的下限为100个/mm2。
微细Bi颗粒的数密度的优选上限为7900个/mm2，进一步优选为6000个/mm2，进一步优选为3000个/mm2，进一步优选为1000个/mm2，进一步优选为900个/mm2，进一步优选为800个/mm2。
[(技术特征4)关于粗大Bi颗粒]
在本实施方式的钢材中，圆当量直径为10.0μm以上的Bi颗粒的粗大Bi颗粒(以下，也简称作粗大Bi颗粒)的数密度为10个/mm2以下。若粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下，则能够抑制钢材的制造工序中的热加工时或者以钢材为坯料的机械构造用部件的制造工序中的热加工时的裂纹(热加工裂纹)。热加工例如为热轧、热锻等。
在本说明书中，粗大Bi颗粒是指圆当量直径为10.0μm以上的Bi颗粒。在后述的粗大Bi颗粒的数密度测量方法中，若颗粒的圆当量直径为10.0μm以上且观察到其呈现出比周围的亮度高的高亮度，则将该颗粒判断为粗大Bi颗粒。粗大Bi颗粒也可以在不与其他颗粒(析出物或夹杂物)接触的情况下单独地存在于钢材中。另外，粗大Bi颗粒也可以以附着或接触于其他颗粒的方式存在于钢材中。粗大Bi颗粒的圆当量直径的上限并没有特别限定，但本实施方式的化学组成的情况下，粗大Bi颗粒的圆当量直径的上限为50.0μm。
如上所述，通过钢材中的微细Bi颗粒，高频淬火时的熔融裂纹被抑制。然而，钢材中的Bi有时不形成微细Bi颗粒，而是形成粗大Bi颗粒。粗大Bi颗粒可能成为钢材的热加工裂纹的起点。
即使在钢材的化学组成中的各元素含量在本实施方式的范围内，并且满足式(1)，并且微细Bi颗粒为80～8000个/mm2的情况下，若粗大Bi颗粒大于10个/mm2，则有时会在钢材产生热加工裂纹。
因而，在本实施方式的钢材中，圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒的数密度为10个/mm2以下。
粗大Bi颗粒的数密度的优选上限为8个/mm2，进一步优选为7个/mm2，进一步优选为6个/mm2，进一步优选为5个/mm2。
优选的是，粗大Bi颗粒的数密度尽量较低。即，粗大Bi颗粒的数密度优选为0个/mm2。然而，粗大Bi颗粒的数密度的过度降低会抬高制造成本。因而，若考虑通常的工业生产率，则粗大Bi颗粒的数密度的优选下限为1个/mm2，进一步优选为两个/mm2。
此外，在本实施方式的钢材中，有时不仅存在上述微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒，还存在大于1.0μm且小于10.0μm的中间Bi颗粒(以下，也简称作中间Bi颗粒)。然而，中间Bi颗粒难以对热加工裂纹和高频淬火时的熔融裂纹造成影响。因而，在热加工裂纹的抑制和熔融裂纹的抑制中，可以不考虑中间Bi颗粒。
[微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度的测量方法]
微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度能够通过如下的方法测量。
采集包含钢材(棒钢)的相对于轴线方向(轧制方向)垂直的截面中的R/2部的试验片。在此，R/2部是指与钢材的轴线方向垂直的截面中的、半径R的中央部。将采集到的试验片的表面中的、与相对于上述钢材的轴线方向垂直的截面相当的表面作为观察面。
对观察面进行镜面研磨。使用扫描型电子显微镜(Scanning ElectronMicroscope：SEM)，以1000倍的倍率，对镜面研磨后的观察面的R/2部进行20个视场的观察。将各视场的面积设为100μm×120μm。
根据通过SEM观察而得到的各视场的反射电子像，使用公知的图像分析的颗粒分析方法调查粗大Bi颗粒和微细Bi颗粒的数密度。具体而言，根据钢材的母相与颗粒之间的界面来确定钢材中的颗粒。在此所说的颗粒为夹杂物或析出物。进行图像分析，求出所确定的颗粒的圆当量直径。具体而言，求出所确定的各颗粒的面积。将与求出的面积相同的面积的圆的直径设为该颗粒的圆当量直径(μm)。
如上所述，Bi为重元素，因此，在反射电子像中，可观察到其呈现出高亮度。因此，将通过上述SEM观察而得到的反射电子像中观察到的颗粒中的、圆当量直径为0.1～1.0μm的颗粒且观察到其呈现出比周围的亮度高的高亮度的颗粒确定为微细Bi颗粒。另外，将通过SEM观察而得到的反射电子像中观察到的颗粒中的、圆当量直径为10.0μm以上的颗粒且观察到其呈现出比周围的亮度高的高亮度的颗粒确定为粗大Bi颗粒。
此外，在后述的实施例中，使用SEM所具备的能量色散型X射线分析装置(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)分析了通过上述方法确定的微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的化学组成，其结果是，确认了其均为Bi颗粒。此外，进行确认时的EDX的光束直径为0.1～1.0μm。
通过上述方法来确定微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒。根据在各视场中确定到的微细Bi颗粒的总个数和20个视场的总面积(0.24mm2)，求出微细Bi颗粒的每单位面积的个数(个/mm2)。另外，根据在各视场中确定的粗大Bi颗粒的总个数和20个视场的总面积(0.24mm2)，求出粗大Bi颗粒的每单位面积的个数(个/mm2)。
[本实施方式的钢材的效果]
如上所述，本实施方式的钢材满足技术特征1～技术特征4。因此，在本实施方式的钢材中，切削性优异，能够抑制热加工时的裂纹和高频淬火时的熔融裂纹，在将其用作机械构造用部件的情况下具有优异的疲劳强度。以下，说明这些效果。
[本实施方式的钢材的优选的用途]
本实施方式的钢材例如能够作为机械构造用部件的坯料而被广泛应用。本实施方式的钢材特别适合在机械构造用部件的制造工序中实施高频淬火的情况。但是，即使在未实施高频淬火的情况下，本实施方式的钢材也能够作为机械构造用部件的坯料来应用。
[制造方法]
本实施方式的钢材的制造方法的一个例子如下。本实施方式的钢材的制造方法具备精炼工序、铸造工序和热加工工序。热加工工序为任意的工序，也可以不实施。以下，说明各工序。
本实施方式的钢材的制造方法的一个例子包含如下工序。此外，工序3为任意的工序，也可以不实施。
(工序1)精炼工序
(工序2)铸造工序
(工序3)热加工工序
以下，说明各工序。
[(工序1)精炼工序]
在精炼工序中，制造具有满足上述技术特征1和技术特征2的化学组成的钢水。精炼工序包含一次精炼工序和二次精炼工序。
在一次精炼工序中，针对通过公知的方法制造成的铁水，实施基于转炉的精炼。在二次精炼工序中，向钢水添加合金元素，以使钢水的化学组成满足技术特征1和技术特征2。具体而言，在二次精炼工序中，一边通过公知的精炼方法来搅拌钢水，一边实施除Bi以外的钢水的成分的调整。之后，一边搅拌钢水，一边通过金属丝向钢水添加Bi，进行Bi的成分调整。
在二次精炼工序中，满足如下的条件。
(条件)
将在向钢水添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间T设为大于15分钟且小于60分钟。
在二次精炼工序中，在添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间大于15分钟且小于60分钟。
在添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间为15分钟以下的情况下，Bi未在钢水中充分地扩散。在该情况下，会在钢材中过多地生成粗大Bi颗粒。
在添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间为60分钟以上的情况下，微细Bi颗粒彼此容易聚集。因此，微细Bi颗粒的数密度减少。
在二次精炼工序中，若在添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间大于15分钟，则Bi在钢水中充分地扩散。因此，在钢材中充分地生成微细Bi颗粒。并且，在二次精炼工序中，若在添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间小于60分钟，则能够充分地抑制微细Bi颗粒彼此的聚集。因此，微细Bi颗粒的数密度为80个/mm2以上，粗大Bi颗粒的数密度为10个/mm2以下。
在向钢水添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间的优选上限为50分钟，进一步优选为40分钟。添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间的优选下限为20分钟，进一步优选为30分钟。
此外，在添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的钢水的温度为1510～1560℃。
[(工序2)铸造工序]
在铸造工序中，使用钢水，通过公知的铸造方法来制造铸坯(板坯或大方坯)或钢锭(铸锭)。铸造方法例如为连铸法、铸锭法。
[(工序3)热加工工序]
热加工工序为任意的工序。也就是说，可以实施热加工工序，也可以不实施热加工工序。
在实施热加工工序的情况下，在热加工工序中，针对经上述铸造工序制造成的铸坯或钢锭实施热加工来制造本实施方式的钢材。本实施方式的钢材例如为棒钢。热加工工序例如可以为热轧，也可为热锻。
在热加工工序中实施热轧的情况下，例如，可以仅是粗轧工序，也可以实施粗轧工序和精轧工序。粗轧工序例如为初轧。精轧工序例如是使用有连轧机的精轧。在连轧机中，例如，具有一对水平辊的水平轧机与具有一对垂直辊的垂直轧机交替地排列成一列。粗轧工序和精轧工序中的加热温度例如为1000～1300℃。
通过以上的制造工序，从而制造出本实施方式的钢材。如上所述，本制造方法也可以省略热加工工序。也就是说，本实施方式的钢材可以是铸造品(铸坯或铸锭)。另外，也可以实施热加工工序来制造本实施方式的钢材。
[机械构造用部件的制造方法]
如上所述，本实施方式的钢材成为机械构造用部件的坯料。机械构造用部件例如为汽车用途的部件。机械构造用部件例如为行走部件、车轴、曲轴等。
将本实施方式的钢材作为坯料使用的机械构造用部件例如通过如下的公知的制造方法来制造。
首先，对本实施方式的钢材进行热加工而制作机械构造用部件的粗略形状的中间品。热加工例如为热锻。通过机械加工将制造出的中间品切削为规定形状。针对切削后的中间品实施高频淬火和回火。通过以上的工序，从而制造成机械构造用部件。
在本实施方式的钢材中，化学组成中的各元素含量在本实施方式的范围内，并且满足式(1)。并且，圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2，圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下。也就是说，本实施方式的钢材满足技术特征1～技术特征4。因此，在本实施方式的钢材中，能够得到优异的切削性。并且，在以本实施方式的钢材为坯料制造成的机械构造用部件中，能够得到优异的疲劳强度。并且，能够抑制钢材的制造工序中或机械构造用部件的制造工序中的热加工裂纹。并且，在制造以本实施方式的钢材为坯料的机械构造用部件的情况下，即使实施高频淬火，也能够抑制熔融裂纹。
实施例
通过实施例进一步具体地说明本实施方式的钢材的效果。以下的实施例中的条件是为了确认本实施方式的钢材的可实施性和效果而采用的一个条件例。因而，本实施方式的钢材未限定于该一个条件例。
利用以下的制造工序制造了具有表1～表4的化学组成的钢材。此外，在任何试验编号中，O(氧)含量以质量％计均为0.0050％以下。另外，Ta和Zn的总含量以质量％计均为0～0.01％。另外，Pb含量以质量％计均为0.09％以下。
[表1]
表格
[表2]
表2
[表3]
表格
[表4]
表格
表1～表4中的“-”部分是指，对应的元素含量在实施方式中规定的有效数字(直至最小位的数值)中为0％。换言之是指，在对应的元素含量中，在对上述实施方式中的规定的有效数字中(直至最小位的数值)的尾数进行四舍五入的情况下为0％。
例如，在本实施方式中规定的Mo含量被规定为到小数点后第二位的数值。因而，在表2中的试验编号1中是指，测量出的Mo含量在小数点后第三位进行四舍五入的情况下为0％。
另外，在本实施方式中规定的Mg含量被规定为到小数点后第四位的数值。因而，在表1中的试验编号1中是指，测量出的Mg含量在小数点后第五位进行四舍五入的情况下为0％。
此外，四舍五入是指，若所规定的最小位的下一位(尾数)小于5则舍去，若为5以上则进位。
使用钢水，并使用70吨转炉来实施精炼工序(一次精炼工序和二次精炼工序)。在一次精炼工序中，针对利用公知的方法制造成的铁水实施基于转炉的精炼。在二次精炼工序中，添加合金元素，制造了钢水的化学组成具有本实施方式的钢材的化学组成的钢水。具体而言，利用公知的方法实施二次精炼，一边搅拌钢水，一边实施除Bi以外的钢水的成分的调整。之后，一边搅拌钢水，一边利用金属丝添加Bi，进行了Bi的成分调整。在二次精炼工序中添加Bi之后到二次精炼工序中的搅拌结束为止的时间T(分钟)如表5和表6所示。此外，添加Bi之后到搅拌结束为止的钢水温度为1510～1560℃。通过连铸法制造了具有300mm×400mm的横截面的铸坯(大方坯)。
在对制造成的铸坯进行加热之后，对铸坯进行初轧，制造成横截面为180mm×180mm的小方坯。在将小方坯加热至1250℃之后，进行热锻，制造成具有表1的化学组成的直径为80mm的钢材(棒钢)。
【表5】表5
【表6】
表6
[模拟机械构造用部件的中间品的制造]
实施了对以钢材为坯料的机械构造用部件的制造工序中的热锻进行模拟的热处理。具体而言，将钢材加热至1100℃并在该温度下保持30分钟。之后，使钢材在大气中自然冷却，制造了模拟机械构造用部件的中间品。各试验编号的模拟机械构造用部件的中间品为直径为80mm的钢材(棒钢)。
[评价试验]
针对各试验编号的钢材和各试验编号的模拟机械构造用部件的中间品，实施了如下的评价试验。
(试验1)热加工裂纹评价试验
(试验2)微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度测量
(试验3)熔融裂纹评价试验
(试验4)切削性试验(钻头寿命试验)
(试验5)疲劳强度评价试验(旋转弯曲疲劳试验)
以下，说明试验1～试验5。
[(试验1)热加工裂纹评价试验]
目视观察了制造成的钢材的表面。在目视观察的结果是，在钢材的表面，在钢材的轴线方向(轧制方向)上每1m内未观察到3处以上的明确裂纹的情况下，判断为充分地抑制了热加工裂纹(在表5和表6中的“热加工裂纹”栏中标记为“E”(Excellent：极好))。
另一方面，在目视观察的结果是，在钢材的表面，在钢材的轴线方向(轧制方向)上每1m内观察到3处以上的明确裂纹的情况下，判断为未能充分地抑制热加工裂纹(在表5和表6中的“热加工裂纹”栏中标记为“NA”(Not Accepted：不接受))。
此外，在热加工裂纹评价试验中未能充分地抑制热加工裂纹的情况下，不实施试验3～试验5(在表5和表6的“熔融裂纹”栏、“切削性”栏和“疲劳强度”栏中标记为“-”)。
[(试验2)微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度测量]
基于上述[微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度的测量方法]记载的方法，求出了各试验编号的钢材的微细Bi颗粒的数密度(个/mm2)和粗大Bi颗粒的数密度(个/mm2)。此外，从在实施模拟热锻的热处理之前的钢材(棒钢)采集了试验片。将得到的微细Bi颗粒的数密度的结果示于表5和表6的“微细Bi颗粒数密度(个/mm2)”栏中。将得到的粗大Bi颗粒的数密度的结果示于表5和表6的“粗大Bi颗粒数密度(个/mm2)”栏中。
此外，关于模拟机械构造用部件的中间品，对直径为80mm的钢材实施模拟热锻的热处理。在仅实施模拟热锻的1100℃的热处理时，不会对钢材中的微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度造成影响。因此，模拟机械构造用部件的中间品的微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度与直径为80mm的钢材的微细Bi颗粒和粗大Bi颗粒的数密度实质上相同。实际基于上述[粗大Bi颗粒和微细Bi颗粒的数密度的测量方法]记载的方法，求出了各试验编号的模拟机械构造用部件的中间品的微细Bi颗粒的数密度(个/mm2)和粗大Bi颗粒的数密度(个/mm2)。其结果是，各试验编号的模拟机械构造用部件的中间品的微细Bi颗粒的数密度(个/mm2)和粗大Bi颗粒的数密度(个/mm2)与对应的试验编号的钢材的微细Bi颗粒的数密度(个/mm2)和粗大Bi颗粒的数密度(个/mm2)大致相同。
[(试验3)熔融裂纹评价试验]
采集包含各试验编号的模拟机械构造用部件的中间品的相对于轴线方向(轧制方向)垂直的截面的R/2部的、宽度为10mm、厚度为3mm、长度为10mm的试验片。试验片的长度方向与模拟机械构造用部件的中间品的轴线方向(轧制方向)平行。另外，与试验片的长度方向平行的中心轴线同R/2部一致。
使用富士电波工机株式会社制造的热循环试验装置，对试验片实施了高频淬火的模拟试验。具体而言，使用高频线圈以100℃/秒的升温速度将试验片加热至1370℃。然后，将试验片以1370℃保持了15秒钟。之后，对试验片进行了水冷。
对水冷后的试验片的相对于长度方向垂直的截面(观察面)进行了机械研磨。利用苦味酸-醇试剂腐蚀了机械研磨后的观察面。以400倍的光学显微镜观察了腐蚀后的观察面中的、相当于R/2部的视场。在所观察的视场中，目视确认了有无熔融裂纹。视场的面积为250μm×400μm。
即使在观察到一处在所观察的视场中的组织的晶界处以5μm以上的宽度发生腐蚀的区域(腐蚀区域)的情况下，也判断为未充分地抑制熔融裂纹(在表5和表6中的“熔融裂纹”栏中标记为“E”)。在晶界处5μm以上的宽度的腐蚀区域例如如图1所示那样，是指视场中的晶界GB处的腐蚀区域10那样的、最大的宽度为5μm以上的区域。另一方面，如图2那样，在未在晶界GB处观察到腐蚀区域的情况下，判断为充分地抑制了熔融裂纹(在表5和表6中的“熔融裂纹”栏中标记为“NA”)。
[(试验4)切削性评价试验(钻头寿命试验)]
从各试验编号的模拟机械构造用部件的中间品采集了切削性评价用试验片。具体而言，针对直径为80mm的模拟机械构造用部件的中间品的相对于长度方向垂直的截面中的、距钢材的外表面为21mm的深度位置处的部位实施了钻头穿孔。使用株式会社不二越制造的型号SD3.0的钻头，将每转一圈的进给量设为0.25mm/rev。另外，将1个孔的穿孔深度设为9mm。在穿孔中，对于穿孔部位，持续供给水溶性的切削油作为润滑剂。
以上述条件进行钻头穿孔，评价了钢材的切削性。作为评价指标，使用了最大切削速度VL1000(m/分钟)。最大切削速度VL1000是指，能够进行1000mm长的钻孔的钻头的最快的切削速度。
在最大切削速度VL1000为15m/分钟以上的情况下，判断得到了优异的切削性(在表5和表6中的“切削性”栏中标记为“E”)。另一方面，在最大切削速度VL1000小于15m/分钟的情况下，判断为未得到优异的切削性(在表5和表6中的“切削性”栏中标记为“NA”)。
[(试验5)疲劳强度评价试验(旋转弯曲疲劳试验)]
从制造成的模拟机械构造用部件的中间品采集了旋转弯曲疲劳试验片。图3是从各模拟机械构造用部件的中间品采集到的旋转弯曲疲劳试验片的侧视图。图3中的“φ”的数值是指该部位处的直径(mm)。
旋转弯曲疲劳试验片的平行部的直径为8mm，夹持部的直径为12mm。具体而言，通过车床加工，从而切削至距模拟机械构造用部件的中间品的表面为3.5mm的深度，制作了平行部。因而，平行部的表面至少相当于距棒钢的表面的深度为5mm的范围内。此外，旋转弯曲疲劳试验片的平行部的长度方向与模拟机械构造用部件的长度方向平行。对于上述旋转弯曲疲劳试验片，设想为在使用钢材的机械构造用部件的制造工序中对热加工后的中间品实施了切削加工后得到的中间品。对采集到的旋转弯曲疲劳试验片的平行部实施精研磨，调整了表面粗糙度。具体而言，将表面的中心线平均粗糙度(Ra)设为3.0μm以内，将最大高度(Rmax)设为9.0μm以内。
此外，若根据使用从高频淬火前的模拟机械构造用部件的中间品采集到的旋转弯曲疲劳试验片的试验，疲劳强度足够高，则即使在实施了高频淬火后的机械构造用部件中，也能够得到优异的疲劳强度，这对本领域的技术人员而言也是公知的技术常识。因此，使用上述旋转弯曲疲劳试验片，在室温(23℃)的大气气氛下，以转速3600rpm的交变的条件进行了小野式旋转弯曲疲劳试验。改变对多个试验片施加的应力而实施疲劳试验，将在107次循环后未断裂的最高的应力作为疲劳强度(MPa)。
在得到的疲劳强度为550MPa以上的情况下，判断为得到了优异的疲劳强度(在表5和表6中的“疲劳强度”栏中标记为“E”)。在疲劳强度小于550MPa的情况下，判断为未得到优异的疲劳强度(在表5和表6中的“疲劳强度”栏中标记为“NA”)。
[评价结果]
参照表1～表6，试验编号1～43的钢材满足技术特征1～技术特征4。因此，充分地抑制了热加工裂纹，充分地抑制了熔融裂纹。并且，在切削性评价试验中，最大切削速度VL1000为15m/分钟以上，得到了优异的切削性。并且，在疲劳强度评价试验中，疲劳强度为550MPa以上，得到了优异的疲劳强度。
另一方面，试验编号44中，C含量过高。因此，产生了熔融裂纹。
试验编号45中，C含量过低。因此，疲劳强度较低。
试验编号46中，Si含量过高。因此，产生了熔融裂纹。
试验编号47中，Mn含量过高。因此，钢材的切削性较低。
试验编号48中，Mn含量过低。因此，产生了熔融裂纹。
试验编号49中，P含量过高。因此，产生了熔融裂纹。
试验编号50中，S含量过高。因此，产生了熔融裂纹。
试验编号51中，S含量过低。因此，钢材的切削性较低。
试验编号52中，Cr含量过高。因此，钢材的切削性较低。
试验编号53中，V含量过高。因此，钢材的切削性较低。
试验编号54中，Bi含量过高。因此，粗大Bi颗粒的数密度大于10个/mm2。因此，产生了热加工裂纹。
试验编号55中，Bi含量过低。因此，钢材的切削性较低。并且，微细Bi颗粒的数密度小于80个/mm2。其结果是，产生了熔融裂纹。
试验编号56中，N含量过高。因此，产生了热加工裂纹。
试验编号57中，N含量过低。因此，疲劳强度较低。
试验编号58和59中，fn1的值过高。也就是说，fn1不满足式(1)。因此，钢材的切削性较低。
试验编号60和61中，fn1的值过低。也就是说，fn1不满足式(1)。因此，疲劳强度较低。
试验编号62～64中，在精炼工序中，添加Bi后到搅拌结束为止的时间T(分钟)过短。因此，粗大Bi颗粒的数密度大于10个/mm2。因此，产生了热加工裂纹。
试验编号65和66中，在精炼工序中，添加Bi后到搅拌结束为止的时间T(分钟)过长。因此，微细Bi颗粒的数密度小于80个/mm2，产生了熔融裂纹。
以上，说明了本发明的实施方式。然而，上述实施方式只不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离其宗旨的范围内可对上述实施方式进行适当变形来实施。
Claims (2)
1.一种钢材，其中，
其化学组成以质量％计含有
C：0.20～0.50％、
Si：0.01～0.80％、
Mn：0.50～2.00％、
P：0.030％以下、
S：0.010～0.095％、
Cr：0.01～1.30％、
V：大于0.200％且小于等于0.300％、
Bi：0.0051～0.1500％、
N：0.0030～0.0200％，
余量由Fe和杂质组成，
所述化学组成满足式(1)，
在所述钢材中，圆当量直径为0.1～1.0μm的微细Bi颗粒的数密度是80～8000个/mm2，圆当量直径为10.0μm以上的粗大Bi颗粒的数密度是10个/mm2以下，
0.80≤C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V≤1.50(1)
其中，对于式中的各元素符号，以质量％为单位而代入对应的元素的含量。
2.根据权利要求1所述的钢材，其中，
所述化学组成进一步含有选自由以下元素组成的组中的一种以上的元素来替代Fe的一部分，
Al：0.060％以下、
Mg：0.0100％以下、
Ti：0.0200％以下、
Nb：0.0200％以下、
W：0.4000％以下、
Zr：0.2000％以下、Ca：0.0030％以下、Te：0.0100％以下、B：0.0050％以下、Sn：0.0100％以下、稀土元素：0.0070％以下、Co：0.0100％以下、Se：0.0100％以下、Sb：0.0100％以下、In：0.0100％以下、Mo：0.20％以下、Cu：0.20％以下，以及Ni：0.20％以下。
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