JP7428889B2 - 鋼材 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材に関し、さらに詳しくは、冷間鍛造品の素材となる鋼材に関する。

自動車や建築物の締結に用いられるボルトは、歩留りが高く、製造コストを抑えることが可能な冷間鍛造により形成される。最近、さらなる製造コストの低減のために、冷間鍛造品の製造工程において、冷間鍛造後の中間品に対する仕上げ切削加工が省略される場合がある。仕上げ切削加工が省略される冷間鍛造品では、冷間鍛造ままで、平滑な仕上げ面となることを要求される。冷間鍛造品では特に、冷間加工度が高い部分で表面の粗さが高まることが課題となっている。このような冷間鍛造品の表面のうち、過度に粗さが高い部分が生じることを、表面に肌荒れが発生する、ともいう。

具体的には、冷間鍛造品であるボルトは例えば、仕上げ切削加工を省略した次の製造工程で製造される。熱間圧延により製造した線材を準備する。線材を酸洗して脱スケール処理を実施する。スケールが除去された線材に対して、潤滑被膜処理を実施して、線材の表面に潤滑被膜を形成する。潤滑被膜が形成された線材に対して伸線加工（冷間引抜加工）を実施して、鋼線を製造する。鋼線を冷間鍛造してボルト形状の中間品を製造する。中間品に対して焼入れ及び焼戻しを実施して、冷間鍛造品であるボルトを製造する。

上記製造工程では、潤滑被膜が形成された線材に対して伸線加工を実施して、鋼線を製造する。この鋼線の表面には潤滑被膜が残っている。潤滑被膜が形成された鋼線に対して冷間鍛造を実施して、ボルト形状の中間品を製造する。しかしながら、冷間鍛造工程において、鋼線の表面上の潤滑被膜が欠乏していたり、剥離している場合、冷間鍛造時において、鋼線と冷間鍛造用の金型とが潤滑被膜を介さずに直接接触する。この場合、鋼線と金型との間の摩擦が過度に増大して焼付きが生じる。焼付きの発生は、冷間鍛造品の肌荒れの原因となる。ボルトの製造の場合は特に、冷間鍛造時において、ボルトフランジ部の座面の冷間加工度が高く、焼付きが生じやすくなる。したがって、潤滑被膜が形成された後に冷間鍛造を実施する鋼材において、冷間鍛造での耐焼付き性の向上が求められている。

さらに最近では、自動車や建築物の軽量化を目的として、さらなる高軸力下で使用可能な高降伏比（＝降伏強度／引張強度）のボルトも求められている。ボルトの降伏比を高めるために、素材となる鋼材の合金元素の含有量を高める方法が考えられる。しかしながら、高降伏比のボルトを水素が発生する環境（以下、水素発生環境という）で使用する場合、水素脆化に起因する遅れ破壊が生じる場合がある。したがって、ボルトに代表される冷間鍛造品の素材となる鋼材には、冷間鍛造品として製造された場合に高い降伏比を有し、優れた耐遅れ破壊性を有することが求められる。

国際公開第２０１７／００２７７０号（特許文献１）及び、特開２０１５－１０５４２８号公報（特許文献２）は、高強度を有し、優れた耐遅れ破壊性を有する冷間鍛造品が開示されている。

特許文献１に開示されたボルトは、質量％で、Ｃ：０．３２～０．３９％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．４０～０．６５％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．８５～１．２５％、Ａｌ：０．００５～０．０６０％、Ｔｉ：０．０１０～０．０５０％、Ｂ：０．００１０～０．００３０％、Ｎ：０．００１５～０．００８０％、Ｍｏ：０～０．０５％、Ｖ：０～０．０５％、Ｃｕ：０～０．５０％、Ｎｉ：０～０．３０％、及び、Ｎｂ：０～０．０５％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、４．９≦１０Ｃ＋Ｓｉ＋２Ｍｎ＋Ｃｒ＋４Ｍｏ＋５Ｖ≦６．１、及び、Ｍｎ／Ｃｒ≦０．５５を満たす化学組成を有し、１０００～１３００ＭＰａの引張強度を有し、［固溶Ｃｒ］／Ｃｒ≧０．７０を満たす。

特許文献１に開示されたボルトは、Ｍｎ／Ｃｒを下げ、伸線前及び冷間鍛造前に軟化を目的とした熱処理を実施しない、又は、熱処理を実施する場合であっても、鋼材に対して７００℃以上の保持時間を４０分未満とすることによって、Ｃｒ炭窒化物の生成を抑制して、固溶Ｃｒを高める。これにより、ボルトのミクロ組織である焼戻しマルテンサイトの水素脆化に対する強度を高めることができる、と特許文献１には記載されている。

特許文献２に開示されている鋼材は、重量％でＣ：０．２０～０．３５％、Ｓｉ：０．０１％以上、Ｍｎ：０．３～１．５％、Ｐ：０．０２０％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２０％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．１０～１．５％、Ａｌ：０．０１～０．１０％、Ｂ：０．０００５～０．００５％、及び、Ｎ：０．００１％以上を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０２～０．１０％及びＮｂ：０．０２～０．１０％の少なくとも１種を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる。さらに、鋼材表面のＢ含有量を、鋼材のＤ０／４部（Ｄ０は鋼材の直径を表す）のＢ含有量を１００％として求めたとき、その割合が平均で７５％以下であり、且つこの割合の最大値と最小値の差が２５％以下であり、鋼材表面から１００μｍ深さまでの領域での旧オーステナイト結晶粒度番号がＮｏ．８以上である。この鋼材は、表面を脱ボロンさせることにより、遅れ破壊の起点となるボロン化合物を低減させ、旧オーステナイト粒径を微細化する。その結果、冷間鍛造品において、優れた耐遅れ破壊性が得られる、と特許文献２には記載されている。

国際公開第２０１７／００２７７０号 特開２０１５－１０５４２８号公報

しかしながら、特許文献１及び２では、冷間鍛造品の素材である鋼材を用いた冷間鍛造品の製造工程において、鋼材表面に潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における鋼材の耐焼付き性に関して検討されていない。

本開示の目的は、製造工程において、鋼材表面に潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における耐焼付き性に優れ、冷間鍛造品にした場合に、高い降伏比及び優れた耐遅れ破壊性を有する鋼材を提供することである。

本開示の鋼材は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．４０％、
Ｓｉ：０．４０％以下、
Ｍｎ：０．３０～０．７５％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０４０％以下、
Ｃｒ：０．０５～１．２０％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．０１５％、
Ｔｉ：０．００５～０．１００％、
Ｂ：０．０００３～０．０１００％、
Ｎｂ：０．００３～０．１００％、及び、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
前記鋼材の長手方向に３１．２５ｍｍの範囲の表面領域において、前記表面領域の端から０．２３ｍｍの位置を第１測定点とし、前記第１測定点から長手方向に１．５６ｍｍピッチで第２測定点～第２０測定点を特定し、さらに、前記第１測定点から長手方向に３１．０２ｍｍの位置を第２１測定点と特定し、前記第１測定点～第２１測定点での表面から５μｍ深さ位置での固溶Ｃｒ濃度を測定したとき、測定された前記固溶Ｃｒ濃度は少なくとも５種類以上あり、前記固溶Ｃｒ濃度のうち、最大の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］（質量％）と定義し、最小の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］（質量％）と定義し、前記鋼材の前記化学組成中のＣｒ濃度を［Ｃｒ_ｂａｓｅ］（質量％）と定義したとき、式（１）を満たす。
０．２０≦（［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］－［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］）／［Ｃｒ_ｂａｓｅ］≦０．６０ （１）

本開示の鋼材は、製造工程において、鋼材表面に潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における耐焼付き性に優れる。さらに、本開示の鋼材を用いて冷間鍛造品を製造した場合に、高い降伏比及び優れた耐遅れ破壊性を有する冷間鍛造品が得られる。

図１は、本実施形態の鋼材の長手方向の平面図である。

本発明者らは、冷間鍛造品の製造工程において、鋼材表面に潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における耐焼付き性に優れ、冷間鍛造品にした場合に、高い降伏比及び優れた耐遅れ破壊性を有する鋼材について検討を行った。

本発明者らは、初めに、鋼材を冷間鍛造及び熱処理して冷間鍛造品とした場合に、高い降伏比及び優れた耐遅れ破壊性を得るための手段について検討した。その結果、本発明者らは次の知見を得た。

降伏比とは降伏強度ＹＳを引張強度ＴＳで除した値である。本発明者らは、化学成分が降伏比に及ぼす影響について調査及び検討を行った。その結果、冷間鍛造品の降伏比の低下は、（１）焼入れ時に鋼材中の固溶Ｃが不足する場合、（２）鋼材の焼入れ性が低く、焼入れ後に十分な量のマルテンサイト組織が得られない場合、（３）焼き戻し時の合金炭化物の析出が少ない場合、に生じることが判明した。したがって、降伏比は焼入れ時に鋼材中の固溶Ｃを高め、鋼材の焼入れ性を高めるＭｎ、Ｂを含有し、焼き戻し時に炭化物を析出させるＣｒを含有することが有効である。

冷間鍛造品のミクロ組織は、焼き戻しマルテンサイト組織である。この組織での遅れ破壊は、次のメカニズムで発生する。水素発生環境中の鋼材表面で発生した水素が、鋼材内部に侵入する。侵入した水素は、鋼材中の応力集中部の旧オーステナイト粒界に集積する。集積した水素に起因して、粒界割れが発生し、この粒界割れが遅れ破壊に相当する。本発明者らは、化学成分が遅れ破壊に及ぼす影響について調査及び検討を行った。その結果、（４）旧オーステナイト粒界の粗大化を抑制し、（５）粒界に偏析する不純物元素を低減する、ことが有効であることが判明した。そこで、本実施形態では、Ａｌによる窒化物、Ｔｉ及びＮｂによる炭化物を生成して、ピンニング効果により旧オーステナイト粒の粗大化を抑制する。さらに、不純物元素であるＰ及びＳの含有量を低減する。さらに、Ｐの偏析を促進するＭｎの過剰な含有を抑制する。

以上の化学組成の観点からの検討に基づいて、本発明者らは、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．３０～０．７５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０４０％以下、Ｃｒ：０．０５～１．２０％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．００１～０．０１５％、Ｔｉ：０．００５～０．１００％、Ｂ：０．０００３～０．０１００％、Ｎｂ：０．００３～０．１００％、Ｃｕ：０～０．４０％、Ｎｉ：０～０．４０％、Ｍｏ：０～０．２０％、及び、残部はＦｅ及び不純物からなる鋼材であれば、冷間鍛造及び熱処理（焼入れ及び焼戻し）後の冷間鍛造品の降伏比を高め、優れた耐遅れ破壊性が得られると考えた。

しかしながら、上述の化学組成の鋼材の場合、冷間鍛造品の製造工程において、鋼材表面に潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における耐焼付き性が低い場合があった。そこで、本発明者らは、潤滑被膜形成後の冷間鍛造時の鋼材の耐焼付き性について検討を行った。その結果、次の知見を得た。

焼付き現象は潤滑被膜の欠乏や剥離によって鋼材表面と冷間鍛造用の金型とが直に接触して摩耗することで生じる。一方、鋼材表面と金型の間に潤滑被膜が安定的に保持されている間は焼付きが生じない。鋼材の長手方向における鋼材表面から５μｍ深さ位置での固溶Ｃｒ濃度のばらつきが大きければ、鋼材表面に潤滑被膜と親和性の高い表面性状が得られる。その結果、鋼材表面での潤滑被膜の密着性を高めることができ、冷間鍛造時の耐焼付き性を抑制できる。一方、鋼材の長手方向における上記固溶Ｃｒ濃度のばらつきが大きすぎれば、鋼材表面での潤滑被膜の密着性が過剰に高くなる。この場合、冷間鍛造時の鋼材の変形に、潤滑被膜が追従できずに潤滑被膜が部分的に破断する。その結果、冷間鍛造中に潤滑被膜が欠乏する部分が生じて、焼付きが発生し得る。

以上の知見に基づいて、本発明者らは、鋼材表面の長手方向での固溶Ｃｒ濃度のばらつきを適切な範囲に調整できれば、鋼材表面での潤滑被膜の密着性が適切な範囲となり、冷間鍛造時において耐焼付き性が顕著に高まると考えた。以上の検討に基づいて、上述の化学組成を有する鋼材表面の長手方向における固溶Ｃｒ濃度の分布について、検討を行った。その結果、鋼材の長手方向に３１．２５ｍｍの範囲の表面領域において、表面領域の端から０．２３ｍｍの位置を第１測定点とし、第１測定点から長手方向に１．５６ｍｍピッチで第２測定点～第２０測定点を特定し、さらに、第１測定点から長手方向に３１．０２ｍｍの位置を第２１測定点と特定し、第１測定点～第２１測定点での表面から５μｍ深さ位置での固溶Ｃｒ濃度を測定したとき、次の条件１及び条件２を満たせば、潤滑被膜形成後の冷間鍛造時の鋼材の耐焼付き性が顕著に高まることを見出した。
［条件１］
表面領域で測定された固溶Ｃｒ濃度が少なくとも５種類以上存在する。つまり、値が異なる固溶Ｃｒ濃度が５つ以上存在する。
［条件２］
測定された固溶Ｃｒ濃度（２１個の固溶Ｃｒ濃度）のうち、最大の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］（質量％）と定義する。また、最小の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］（質量％）と定義する。さらに、鋼材の化学組成中のＣｒ濃度を［Ｃｒ_ｂａｓｅ］（質量％）と定義する。この場合、本実施形態の鋼材は、式（１）を満たす。
０．２０≦（［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］－［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］）／［Ｃｒ_ｂａｓｅ］≦０．６０ （１）

本実施形態の鋼材は、以上の技術思想に基づいて完成したものであり、次の構成を有する。

［１］
鋼材であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．４０％、
Ｓｉ：０．４０％以下、
Ｍｎ：０．３０～０．７５％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０４０％以下、
Ｃｒ：０．０５～１．２０％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ：０．００１～０．０１５％、
Ｔｉ：０．００５～０．１００％、
Ｂ：０．０００３～０．０１００％、
Ｎｂ：０．００３～０．１００％、及び、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
前記鋼材の長手方向に３１．２５ｍｍの範囲の表面領域において、前記表面領域の端から０．２３ｍｍの位置を第１測定点とし、前記第１測定点から長手方向に１．５６ｍｍピッチで第２測定点～第２０測定点を特定し、さらに、前記第１測定点から長手方向に３１．０２ｍｍの位置を第２１測定点と特定し、前記第１測定点～第２１測定点での表面から５μｍ深さ位置での固溶Ｃｒ濃度を測定したとき、測定された前記固溶Ｃｒ濃度は少なくとも５種類以上あり、前記固溶Ｃｒ濃度のうち、最大の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］（質量％）と定義し、最小の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］（質量％）と定義し、前記鋼材の前記化学組成中のＣｒ濃度を［Ｃｒ_ｂａｓｅ］（質量％）と定義したとき、式（１）を満たす。
０．２０≦（［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］－［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］）／［Ｃｒ_ｂａｓｅ］≦０．６０ （１）

［２］
［１］に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、Ｆｅの一部に代えてさらに、
Ｃｕ：０．４０％以下、
Ｎｉ：０．４０％以下、及び、
Ｍｏ：０．２０％以下、
からなる群から選択される１種以上を含有する、
鋼材。

以下、本実施形態の鋼材の詳細を説明する。本明細書において、元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

［本実施形態の鋼材の形態について］
本実施形態の鋼材は、棒鋼であってもよいし、線材であってもよい。本実施形態の鋼材はさらに、鋼線であってもよい。本実施形態の鋼材は、冷間鍛造品の素材として好適である。つまり、本実施形態の鋼材は、冷間鍛造品用途に適する。

本実施形態の鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。

Ｃ：０．１０～０．４０％
炭素（Ｃ）は、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の降伏比を高める。Ｃ含有量が０．１０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。そのため、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１０～０．４０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１１％であり、さらに好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．３９％であり、さらに好ましくは０．３８％であり、さらに好ましくは０．３５％である。

Ｓｉ：０．４０％以下
シリコン（Ｓｉ）は不可避に含有される。つまり、Ｓｉ含有量は０％超である。Ｓｉ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。そのため、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．４０％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

Ｍｎ：０．３０～０．７５％
マンガン（Ｍｎ）は鋼を脱酸する。Ｍｎはさらに、鋼の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。そのため、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の降伏比が高まる。Ｍｎ含有量が０．３０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が０．７５％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下して、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．３０～０．７５％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．３１％であり、さらに好ましくは０．３２％であり、さらに好ましくは０．３５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．７０％であり、さらに好ましくは０．６５％であり、さらに好ましくは０．６０％である。

Ｐ：０．０３０％以下
リン（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐ含有量が０．０３０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｐが旧オーステナイト粒界に過剰に偏析して粒界強度を低下させる。その結果、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の耐遅れ破壊性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は、生産性を低下し、製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。

Ｓ：０．０４０％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓ含有量が０．０４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｓが旧オーステナイト粒界に過剰に偏析して粒界強度を低下させる。その結果、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の耐遅れ破壊性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０４０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０３５％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、生産性を低下し、製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。

Ｃｒ：０．０５～１．２０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼材表面と潤滑剤（潤滑被膜）との密着性を高める。その結果、本実施形態の鋼材を用いた冷間鍛造品の製造工程において、冷間鍛造時の耐焼付き性が高まる。Ｃｒはさらに、鋼材の焼入れ性を高め、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の降伏比を高める。Ｃｒ含有量が０．０５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下し、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．０５～１．２０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、さらに好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．２５％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．１５％であり、さらに好ましくは１．１０％であり、さらに好ましくは１．００％である。

Ａｌ：０．００５～０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌはさらに、Ｎと結合してＡｌ窒化物を形成する。Ａｌ窒化物は、ピンニング効果を発揮して、オーステナイト粒の粗大化を抑制する。その結果、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の耐遅れ破壊性が高まる。Ａｌ含有量が０．００５％未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なＡｌ窒化物が生成する。粗大なＡｌ窒化物は破壊の起点となるため、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５～０．１００％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００６％であり、さらに好ましくは０．００７％であり、さらに好ましくは０．００８％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。本実施形態の鋼材の化学組成において、Ａｌ含有量は、全Ａｌ（Ｔｏｔａｌ－Ａｌ）含有量を意味する。

Ｎ：０．００１～０．０１５％
窒素（Ｎ）は、Ａｌ及びＴｉと結合して窒化物を形成する。これらの窒化物は、ピンニング効果を発揮して、オーステナイト粒の粗大化を抑制する。その結果、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の耐遅れ破壊性を高める。Ｎ含有量が０．００１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が０．０１５％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が生成する。粗大な窒化物は破壊の起点となるため、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１～０．０１５％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００４％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１４％であり、さらに好ましくは０．０１３％であり、さらに好ましくは０．０１２％である。

Ｔｉ：０．００５～０．１００％
チタン（Ｔｉ）はＮと結合して窒化物を形成して、固溶Ｂが窒化物になるのを抑制する。これにより、鋼材の焼入れ性が高まる。Ｔｉはさらに、炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して、ピンニング効果を発揮して、オーステナイト粒の粗大化を抑制する。その結果、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の耐遅れ破壊性を高める。Ｔｉ含有量が０．００５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が生成する。粗大な窒化物は破壊の起点となるため、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．００５～０．１００％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．００６％であり、さらに好ましくは０．００７％であり、さらに好ましくは０．００８％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。

Ｂ：０．０００３～０．０１００％
ボロン（Ｂ）は焼入れ時にオーステナイト粒界に偏析し、鋼材の焼入れ性を高める。その結果、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の耐遅れ破壊性を高める。Ｂ含有量が０．００３％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｂ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が生成する。粗大な窒化物は破壊の起点となるため、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０．０００３～０．０１００％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００４％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００６％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００７０％である。

Ｎｂ：０．００３～０．１００％
ニオブ（Ｎｂ）はＣと結合して炭化物を形成し、ピンニング効果を発揮して、オーステナイト粒の粗大化を抑制する。その結果、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の耐遅れ破壊性を高める。Ｎｂ含有量が０．００３％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｂ含有量が０．１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な炭化物が生成する。粗大な炭化物は、破壊の起点となるため、鋼材の耐冷間鍛造割れ性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．００３～０．１００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００４％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．００６％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。

本実施形態の鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境等から混入されるものであって、本実施形態の鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

［任意元素（ｏｐｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）について］
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｎｉ及びＭｏからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、これらの元素はいずれも、鋼材の焼入れ性を高め、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の降伏比を高める。

Ｃｕ：０．４０％以下
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、つまり、Ｃｕ含有量が０％超である場合、Ｃｕは鋼の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。そのため、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の降伏比が高まる。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、熱間圧延後の鋼材において、高硬度のマルテンサイトが生成する場合がある。この場合、伸線加工時において、鋼材が破断する場合がある。したがって、Ｃｕ含有量は０．４０％以下である。つまり、Ｃｕ含有量は０～０．４０％であり、Ｃｕが含有される場合、０超～０．４０％である。つまり、含有される場合、Ｃｕ含有量は０．４０％以下である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

Ｎｉ：０．４０％以下
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、つまり、Ｎｉ含有量が０％超である場合、Ｎｉは鋼の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。そのため、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の降伏比が高まる。Ｎｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、熱間圧延後の鋼材において、高硬度のマルテンサイトが生成する場合がある。この場合、伸線加工時において、鋼材が破断する場合がある。したがって、Ｎｉ含有量は０．４０％以下である。つまり、Ｎｉ含有量は０～０．４０％であり、Ｎｉが含有される場合、０超～０．４０％である。つまり、含有される場合、Ｎｉ含有量は０．４０％以下である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

Ｍｏ：０．２０％以下
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。含有される場合、つまり、Ｍｏ含有量が０％超である場合、Ｍｏは鋼の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。Ｍｏはさらに炭化物を生成して、析出強化により、鋼材の強度を高める。そのため、本実施形態の鋼材を用いて製造される冷間鍛造品の降伏比が高まる。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、熱間圧延後の鋼材において、高硬度のマルテンサイトが生成する場合がある。この場合、伸線加工時において、鋼材が破断する場合がある。したがって、Ｍｏ含有量は０．２０％以下である。つまり、Ｍｏ含有量は０～０．２０％であり、Ｍｏが含有される場合、０超～０．２０％である。つまり、含有される場合、Ｍｏ含有量は０．２０％以下である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１６％であり、さらに好ましくは０．１４％である。

［鋼材の化学組成の測定方法］
本実施形態の鋼材の化学組成は、周知の成分分析法で測定できる。具体的には、ドリルを用いて、鋼材のＲ／２位置（鋼材の長手方向に垂直な断面での半径Ｒの中央位置）から切粉を生成し、その切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を実施して、化学組成の元素分析を実施する。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法（燃焼－赤外線吸収法）により求める。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求める。なお、上記測定方法で得られたＣｒ濃度（質量％）を、［Ｃｒ_ｂａｓｅ］と定義する。

［鋼材表面の固溶Ｃｒ濃度分布について］
本実施形態の鋼材の長手方向に３１．２５ｍｍの範囲を、「表面領域」と定義する。鋼材の長手方向に３１．２５ｍｍの範囲であれば、任意の領域を、「表面領域」に選択してよい。表面領域において、Ｃｒ濃度分布は、ある程度のばらつきを有する。表面領域のＣｒ濃度分布は次のとおり定義する。

図１は、本実施形態の鋼材の長手方向の平面図である。図１を参照して、鋼材の表面のうち、長手方向に３１．２５ｍｍの任意の範囲を、表面領域ＡＲと定義する。表面領域ＡＲの端Ｐ０から鋼材の長手方向に０．２３ｍｍ位置を第１測定点Ｐ１と定義する。そして、第１測定点から長手方向（端Ｐ０と反対側の長手方向）に１．５６ｍｍピッチで第２測定点Ｐ２～第２０測定点Ｐ２０を特定する。さらに、第１測定点から長手方向に３１．０２ｍｍの位置を、第２１測定点Ｐ２１と定義する。第２１測定点Ｐ２１は、表面領域のうち、端Ｐ０と反対側の端に相当する。

第１測定点Ｐ１～第２１測定点Ｐ２１において、表面から５μｍ深さ位置での固溶Ｃｒ濃度を測定する。なお、測定するＣｒ濃度（質量％）は小数第三位を四捨五入した値である。このとき、測定された固溶Ｃｒ濃度は、次の条件１及び条件２を満たす。
［条件１］
本実施形態の鋼材では、表面領域ＡＲで測定された固溶Ｃｒ濃度が少なくとも５種類以上存在する。つまり、値が異なる固溶Ｃｒ濃度が５つ以上存在する。
［条件２］
測定された固溶Ｃｒ濃度（２１個の固溶Ｃｒ濃度）のうち、最大の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］（質量％）と定義する。また、最小の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］（質量％）と定義する。さらに、鋼材の化学組成中のＣｒ濃度を［Ｃｒ_ｂａｓｅ］（質量％）と定義する。この場合、本実施形態の鋼材は、式（１）を満たす。
０．２０≦（［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］－［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］）／［Ｃｒ_ｂａｓｅ］≦０．６０ （１）
以下、条件１及び条件２について説明する。

［条件１について］
表面領域で測定された２１個の固溶Ｃｒ濃度において、値の異なる固溶Ｃｒ濃度が５個未満である場合、つまり、値の異なる固溶Ｃｒ濃度が４個以下である場合、鋼材の表面でのＣｒ濃度のばらつきが少ない。この場合、潤滑被膜形成工程において、潤滑剤（潤滑被膜）の密着性が低下する。そのため、潤滑被膜形成工程を含む伸線加工工程後の鋼材において、潤滑被膜が剥離しやすく、冷間鍛造工程時に焼付きが発生しやすくなる。つまり、鋼材の耐焼付き性が低下する。

表面領域で測定された２１個の固溶Ｃｒ濃度において、値の異なる固溶Ｃｒ濃度が５個以上であれば、鋼材の化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、条件２を満たすことを前提として、潤滑被膜形成工程において、潤滑剤（潤滑被膜）の密着性を高めることができる。その結果、潤滑被膜形成工程を含む伸線加工工程後の鋼材において、潤滑被膜の剥離を抑制でき、冷間鍛造工程での鋼材の耐焼付き性が高まる。

固溶Ｃｒ濃度の種類の好ましい下限は６であり、さらに好ましくは７であり、さらに好ましくは８である。表面領域ＡＲにおける固溶Ｃｒ濃度の種類はなるべく多い方が好ましい。つまり、表面領域ＡＲにおいて、値が異なる固溶Ｃｒ濃度の数は多い方が好ましく、表面領域ＡＲにおけるＣｒ濃度ばらつきはなるべく多い方が好ましい。しかしながら、表面領域ＡＲにおける固溶Ｃｒ濃度の種類を過剰に多くすれば、生産性が顕著に低下し、製造コストが高くなる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、固溶Ｃｒ濃度の種類（つまり、値の異なる固溶Ｃｒ濃度の個数）の好ましい上限は２０であり、さらに好ましくは１９であり、さらに好ましくは１７である。

［条件２について］
Ｆ１＝（［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］－［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］）／［Ｃｒ_ｂａｓｅ］と定義する。Ｆ１は、鋼材の芯部でのＣｒ濃度に対する、鋼材表面での固溶Ｃｒ濃度のばらつきを示す指標である。Ｆ１が０．２０未満であれば、鋼材の芯部でのＣｒ濃度に対して、鋼材表面での固溶Ｃｒ濃度のばらつきが小さすぎる。この場合、潤滑被膜形成工程において、潤滑剤（潤滑被膜）の密着性が低下する。そのため、伸線加工工程後の鋼材において、潤滑被膜が剥離しやすく、冷間鍛造工程時に焼付きが発生しやすくなる。つまり、鋼材の耐焼付き性が低下する。

一方、Ｆ１が０．６０を超えれば、鋼材の芯部でのＣｒ濃度に対して、鋼材表面での固溶Ｃｒ濃度のばらつきが大きすぎる。この場合、潤滑被膜形成工程において、潤滑剤（潤滑被膜）の密着性が過度に高くなる。その結果、冷間鍛造工程時において、鋼材の変形に対して潤滑被膜が追従できずに潤滑被膜の一部が破断する。この場合、塑性加工中の鋼材表面において、潤滑被膜が欠乏している領域が発生し、焼付きが発生する。つまり、潤滑被膜を形成した鋼材において、冷間鍛造工程での耐焼付き性が低下する。

Ｆ１が０．２０～０．６０であれば、鋼材の化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、条件１を満たすことを前提として、伸線加工工程内の潤滑被膜形成工程において、潤滑剤（潤滑被膜）の密着性を高めることができる。その結果、伸線加工工程後の鋼材において、潤滑被膜の剥離を抑制でき、冷間鍛造工程での鋼材の耐焼付き性が高まる。

Ｆ１の好ましい下限は０．２２であり、さらに好ましくは０．２４であり、さらに好ましくは０．３０である。Ｆ１の好ましい上限は０．５８であり、さらに好ましくは０．５４であり、さらに好ましくは０．５０である。

［表面領域ＡＲでの各測定点Ｐ１～Ｐ２１での固溶Ｃｒ濃度の測定方法］
表面領域ＡＲでの各測定点Ｐ１～Ｐ２１での固溶Ｃｒ濃度は次の方法で測定できる。測定には、Ｘ線光電子分光法を用いる。鋼材の表面領域ＡＲを含むサンプルを採取する。採取したサンプルに対して、加速電圧４ｋＶのアルゴンイオン銃で、表面領域ＡＲを５μｍ深さまでスパッタする。スパッタ後の表面領域ＡＲの各測定点Ｐ１～Ｐ２１（つまり、表面から５μｍ深さ位置での各測定点Ｐ１～Ｐ２１）に対して、線径５０μｍのＸ線を照射する。各測定点Ｐ１～Ｐ２１から得られる光電子の運動エネルギー及び強度に基づいて、固溶Ｃｒ濃度の定量を行う。各測定点Ｐ１～Ｐ２１において、得られたＣｒ濃度の小数第三位を四捨五入した値を、当該測定点でのＣｒ濃度（質量％）とする。つまり、Ｃｒ濃度の値は小数第二位である。

測定された２１個の固溶Ｃｒ濃度において、値が異なる固溶Ｃｒ濃度の数（つまり、固溶Ｃｒ濃度の種類）を求める。また、測定された固溶Ｃｒ濃度のうち、最大の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］（質量％）と定義する。最小の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］（質量％）と定義する。

［鋼材のミクロ組織について］
本実施形態の鋼材のミクロ組織は特に限定されない。鋼材のミクロ組織はたとえば、フェライト及びパーライトの総面積率が５０．０％以上であり、残部がベイナイトからなる組織を意味する。本実施形態の鋼材のミクロ組織は、フェライト及びパーライトの総面積率が６０．０％以上であってもよいし、７０．０％以上であってもよいし、８０．０％以上であってもよい。なお、鋼材のミクロ組織において、ベイナイト、フェライト及びパーライト以外の領域はたとえば、残留オーステナイト、析出物（セメンタイトを含む）及び、介在物である。残留オーステナイト、析出物及び介在物の面積率は無視できるほど小さい。

［フェライト及びパーライト面積率の測定方法］
本実施形態の鋼材のミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率（％）、及び、ベイナイトの面積率（％）は、次の方法で測定される。鋼材の長手方向（軸方向）に垂直な断面（以下、横断面という）のうち、表面と中心軸とを結ぶ半径Ｒの中央位置（Ｒ／２位置）からサンプルを採取する。採取したサンプルの表面のうち、上記横断面に相当する表面を観察面とする。観察面を鏡面研磨した後、２％硝酸アルコール（ナイタール腐食液）を用いて観察面をエッチングする。エッチングされた観察面を、５００倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の２０視野の写真画像を生成する。各視野のサイズは、１００μｍ×１００μｍとする。

各視野において、フェライト、パーライト、ベイナイト等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、各相を特定する。特定された相のうち、各視野でのフェライトの総面積（μｍ^２）、及び、パーライトの総面積（μｍ^２）を求める。全ての視野の総面積に対する、全ての視野におけるフェライトの総面積とパーライトの総面積との合計面積の割合を、フェライト及びパーライトの総面積率（％）と定義する。フェライト及びパーライトの総面積率を用いて、ベイナイトの面積率（％）を次の方法で求める。
ベイナイト面積率＝１００．０－フェライト及びパーライトの総面積率
フェライト及びパーライトの総面積率（％）は、小数第２位を四捨五入して得られた値である。

本実施形態の鋼材は、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、表面領域において、条件１及び条件２を満たす。そのため、本実施形態の鋼材は、冷間鍛造品の製造工程において、潤滑被膜の密着性を適切な範囲に保つことにより、優れた耐焼付き性を有する。さらに、本実施形態の鋼材を冷間鍛造した後に焼入れ及び焼戻しを実施して冷間鍛造品を製造した場合に、冷間鍛造品が、高い降伏比及び優れた耐遅れ破壊性を有する。

［鋼材の製造方法］
本実施形態の鋼材の製造方法の一例を説明する。なお、本実施形態の鋼材は、上記構成を有すれば、製造方法は以下の製造方法に限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態の鋼材を製造する好適な一例である。

本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の製造方法の一例は、素材準備工程と、熱間加工工程と、酸洗工程と、伸線加工工程とを含む。以下、各工程について説明する。

［素材準備工程］
素材準備工程では、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である素材を準備する。素材はたとえば、次の方法により製造される。化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である溶鋼を製造する。上記溶鋼を用いて、鋳造法により素材（鋳片又はインゴット）を製造する。たとえば、上記溶鋼を用いて周知の連続鋳造法により鋳片（ブルーム）を製造する。又は、上記溶鋼を用いて周知の造塊法によりインゴットを製造する。

［熱間加工工程］
熱間加工工程では、素材準備工程にて準備された素材（ブルーム又はインゴット）に対して、熱間加工を実施して、中間鋼材を製造する。中間鋼材の形状は特に限定されない。中間鋼材はたとえば、棒鋼、又は、線材である。

熱間加工工程は、粗圧延工程と、仕上げ圧延工程とを含む。粗圧延工程では、素材を熱間圧延してビレットを製造する。粗圧延工程はたとえば、分塊圧延機を用いる。分塊圧延機により素材に対して分塊圧延を実施して、ビレットを製造する。分塊圧延機の下流に連続圧延機が設置されている場合、分塊圧延後のビレットに対してさらに、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、さらにサイズの小さいビレットを製造してもよい。連続圧延機では、一対の水平ロールを有する水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する垂直スタンドとが交互に一列に配列される。以上の工程により、粗圧延工程では、素材をビレットに製造する。粗圧延工程での加熱炉での加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１１００～１３００℃である。

仕上げ圧延工程では、初めに加熱炉を用いてビレットを加熱する。加熱後のビレットに対して、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、中間鋼材（棒鋼又は線材）を製造する。仕上げ圧延工程での加熱炉での加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１０００～１３００℃である。

仕上げ圧延工程後の鋼材に対して、冷却（放冷）を行い、本実施形態の中間鋼材を製造する。

［酸洗工程］
酸洗工程では、熱間加工工程により製造された中間鋼材に対して、酸洗処理を実施する。酸洗処理では、中間鋼材（線材又は棒鋼）を酸浸漬して脱スケールを実施する。酸浸漬の条件は周知の条件でよい。酸洗浴の温度は１０～５０℃であり、酸洗浴の酸濃度は２～３０％である。酸洗浴への浸漬時間（合計の浸漬時間）は、１０～３００分である。なお、酸洗浴はたとえば、塩酸であり、硫酸を用いてもよい。

酸洗処理により、鋼材の表面領域のＣｒ濃度分布が条件１及び条件２を満たすように調整する。ＣｒはＦｅよりも酸に溶けにくい。そのため、酸浸漬により中間鋼材（母材）のＦｅが溶解すると、鋼材表面において、固溶Ｃｒが部分的に濃化し、表面領域ＡＲで固溶Ｃｒ濃度にばらつきが生じる。酸洗処理において、固溶Ｃｒ濃度のばらつきを調整して、伸線加工工程後の鋼材が、条件１及び条件２を満たすように調整する。

酸洗処理における鋼材表面の固溶Ｃｒ濃度のばらつきの調整方法の一例は、たとえば、次のとおりである。酸洗処理前の中間鋼材に、次のとおりマスキングテープを貼り付ける。
（１）１．０～４．９ｍｍ幅のマスキングテープを準備する。
（２）中間鋼材の長手方向に垂直な方向の周長さ（横断面の円周長さ）と同じ長さのマスキングテープを１周分貼り付ける。
（３）貼り付けたマスキングテープの隣に、隙間や重なりを生じることなく、同じ長さ及び同じ幅のマスキングテープを１周分貼り付ける。
（４）上記（３）の動作を繰り返し、隙間及び重なりを生じることなく連続してマスキングテープを、中間鋼材の長手方向に貼り付ける。そして、鋼材の長手方向におけるマスキングテープの累積長さが２０ｍｍとなったとき、２０ｍｍを超えた部分のマスキングテープを除去する。
（５）（２）～（４）を２０ｍｍ単位で繰り返し実施して、中間鋼材の全長にわたってマスキングテープを貼り付ける。
（６）中間鋼材試験片の長手方向に２０ｍｍ単位の範囲（以下、単位表面という）で、マスキングテープを１枚剥がして、酸洗処理を実施する。剥がすマスキングテープは各単位表面で同じ位置とする。
（７）（６）の処理を繰り返して、マスキングテープが全て無くなるまで繰り返し酸洗処理を実施する。
なお、（６）及び（７）での各酸洗処理の浸漬時間は、１～５分とする。

［伸線加工工程］
伸線加工工程では、上記酸洗工程後の中間鋼材に対して、冷間で伸線加工（冷間引抜加工）を実施して、本実施形態の鋼材を製造する。伸線加工工程は、潤滑被膜形成工程と、冷間引抜加工工程とを含む。

［潤滑被膜形成工程］
潤滑被膜形成工程では、酸洗工程後の中間鋼材の表面に対して、周知の潤滑剤を付着させて潤滑被膜を形成する。潤滑剤（潤滑被膜）の種類や潤滑条件は特に限定されない。潤滑剤はたとえば、りん酸亜鉛、石灰石鹸、金属石鹸、りん非添加の無機塩と滑剤とを含有した潤滑剤等である。潤滑被膜形成工程では、潤滑剤が貯留した潤滑浴に中間鋼材を浸漬して、中間鋼材の表面に潤滑被膜を形成する。潤滑浴への浸漬時間は特に限定されないが、たとえば、１分～３０分である。

［冷間引抜加工工程］
冷間引抜加工工程では、潤滑被膜が形成された中間鋼材に対して、周知の冷間引抜加工を実施する。冷間引抜加工工程でのダイスの形状や減面率は特に限定されない。ダイスの入側の開き角度は例えば１０～２５°である。冷間引抜加工での減面率は例えば１～５０％である。

以上の製造工程により、上述の構成を有する本実施形態の鋼材を製造できる。なお、上述の製造方法は一例である。したがって、上記構成を有する鋼材が製造可能であれば、製造方法は上記方法に限定されない。しかしながら、上記製造方法は、本実施形態の鋼材の好適な製造方法である。

なお、本実施形態の鋼材の製造方法は、伸線加工工程を含まなくてもよい。つまり、本実施形態の鋼材は、素材準備工程と、熱間加工工程と、酸洗工程とを実施して製造されてもよい。したがって、本実施形態の鋼材は、棒鋼又は線材であってもよいし、鋼線であってもよい。伸線加工工程を実施せずに鋼材を製造した場合、後述の冷間鍛造品を製造する前に、鋼材に対して伸線加工工程を実施した後、後述の冷間鍛造品の製造方法を実施して、冷間鍛造品を製造する。

［冷間鍛造品の製造方法］
本実施形態の鋼材を用いた冷間鍛造品の製造方法の一例として、ボルトの製造方法の一例を説明する。冷間鍛造品の製造方法は、冷間鍛造工程と、熱処理工程とを含む。なお、本実施形態の鋼材が、酸洗工程を実施された後、伸線加工工程を実施されずに製造された場合、冷間鍛造工程前に、鋼材に対して、上述の伸線加工工程を実施する。以下、冷間鍛造工程及び熱処理工程について説明する。

［冷間鍛造工程］
ボルトの冷間鍛造工程では、プレス鍛造機を用いて、鋼材に対して冷間加工（冷間鍛造）を実施して、中間品を製造する。冷間鍛造工程では、伸線加工工程で鋼材に形成された潤滑被膜をそのまま用いる。冷間鍛造工程は例えば、据え込み加工による頭部成形工程と、前方押出し加工による軸部成形工程と、転造によるねじ部成形工程とを含む。これらの工程はいずれも周知の工程である。これらの工程のうち、頭部成形工程では特に、フランジ部の座面等で、潤滑被膜の欠乏による焼付きが発生しやすい。しかしながら、本実施形態の鋼材では、表面のＣｒ濃度分布が適切であるため、潤滑被膜の密着度が適切な状態である。そのため、頭部成形工程において、焼付きが生じにくく、優れた耐焼付き性が得られる。冷間鍛造品がボルトである場合の冷間鍛造工程における、フランジ部の拡径率（鍛造前の鋼材の直径を鍛造後の中間品の直径で除した値）は、例えば、１．１～２．５である。冷間鍛造工程での鍛造速度は例えば、１０～５００ｍｍ／秒である。

［熱処理工程］
熱処理工程では、冷間鍛造工程後の中間品に対して、周知の焼入れ処理及び焼戻し処理を実施する。焼入れ処理では、例えば、焼入れ温度を８００～９５０℃とし、焼入れ温度での保持時間を１０～６０分とする。保持時間経過後の中間品を５０～１００℃の油で急冷（油冷）する。具体的には、上記温度の油浴に、中間品の温度が２００℃以下になるまで中間品を浸漬する。焼戻し処理では、焼戻し温度を４００～６００℃として、焼戻し温度での保持時間を３０～１２０分とする。保持時間経過後の中間品を１０～３０℃の水浴に浸漬して、中間品の温度を５０℃以下にする。

以上の製造工程により、冷間鍛造品（ボルト）が製造される。製造された冷間鍛造品は、高い降伏比を有し、優れた耐遅れ破壊性を有する。

上述の説明では、冷間鍛造品の一例としてボルトを説明した。しかしながら、本実施形態の鋼材を用いた冷間鍛造品はボルトに限定されない。本実施形態の鋼材は、ボルト以外の冷間鍛造品にも広く適用可能である。

実施例により本発明の一態様の効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態の鋼材の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本発明はこの一条件例に限定されない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限り、種々の条件を採用し得る。

表１に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。

表１中の「－」部分は、対応する元素の含有量が検出限界未満であったことを意味する。つまり、対応する元素含有量が０％であったことを意味する。具体的には、表１における試験番号１において、Ｃｕ含有量が小数第三位を四捨五入した場合に０％であったことを意味し、Ｎｉ含有量が小数第三位を四捨五入した場合に０％であったことを意味し、Ｍｏ含有量が小数第三位を四捨五入した場合に０％であったことを意味する。

［素材準備工程及び熱間加工工程］
上記溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片（ブルーム）を製造した。鋳片を加熱した後、粗圧延工程である分塊圧延及びその後の連続圧延機による圧延を実施して、長手方向に垂直な断面が１６０ｍｍ×１６０ｍｍのビレットを製造した。分塊圧延での加熱温度は１２００℃であった。

製造されたビレットを用いて、仕上げ圧延工程を実施して、直径１５ｍｍの中間鋼材（線材）を製造した。仕上げ圧延工程における各試験番号の加熱炉での加熱温度は、１２００℃であった。仕上げ圧延後の中間鋼材を放冷した。

［酸洗工程］
各試験番号の中間鋼材を長さ１０００ｍｍで切断して、中間鋼材試験片とした。各試験番号の中間鋼材試験片に対して、次の酸洗処理を実施した。
（１）表２の「マスキング幅（ｍｍ）」欄に記載の幅（ｍｍ）のマスキングテープを準備する。
（２）対応する試験番号の中間鋼材の円周方向にマスキングテープを１周分貼り付ける。
（３）貼り付けたマスキングテープの隣に、隙間や重なりを生じることなく、同じ長さ及び同じ幅のマスキングテープを１周分貼り付ける。
（４）上記（３）の動作を繰り返し、隙間及び重なりを生じることなく連続してマスキングテープを、中間鋼材の長手方向に貼り付ける。そして、鋼材の長手方向におけるマスキングテープの累積長さが２０ｍｍとなったとき、２０ｍｍを超えた部分のマスキングテープを除去する。
（５）（２）～（４）を２０ｍｍ単位で５０回繰り返し実施して、中間鋼材試験片の全長１０００ｍｍにわたってマスキングテープを貼り付ける。
（６）中間鋼材試験片の長手方向に２０ｍｍ単位の範囲（以下、単位表面という）で、マスキングテープを１枚剥がして、酸洗処理を実施する。剥がすマスキングテープは各単位表面で同じ位置とする。酸洗処理では、２５℃に保持された１０％塩酸水溶液（酸洗浴）に中間鋼材試験片の全長を浸漬する。浸漬時間は１分以上とする。
（７）（６）を繰り返して、中間鋼材試験片のマスキングテープを全て剥がすまで酸洗を繰り返す。最後の酸洗の浸漬時間は５分として、全ての酸洗処理の合計時間を総酸洗時間（分）とする（表２の「総酸洗時間（分）」欄に表記）。

［伸線加工工程］
酸洗工程後の中間鋼材試験片を石灰石鹸溶液に１５分浸漬して、中間鋼材試験片の表面に石灰石鹸被膜（潤滑被膜）を形成した。潤滑被膜を形成した後、冷間引抜を実施した。冷間引抜に用いたダイスの入側の開き角度は１５°であった。直径１５ｍｍの中間鋼材試験片に対して冷間引抜を実施して、直径１２ｍｍの鋼材（鋼線）を製造した。冷間引抜での減面率は３６％であった。なお、マスキングテープの単位表面（２０ｍｍ）は、冷間引抜加工後に３１．２５ｍｍとなった。

以上の製造工程により、各試験番号の鋼材試験片を製造した。各鋼材試験片に対して、上述の方法により、ミクロ組織を観察して、フェライト及びパーライトの面積率、及び、ベイナイトの面積率を測定した。その結果、いずれの試験番号においても、フェライト及びパーライトの総面積率は８０．０％以上であり、残部はベイナイトであった。

［冷間鍛造品の製造］
各試験番号の鋼材試験片を用いて、次の冷間鍛造工程及び熱処理工程を実施して、冷間鍛造品を製造した。

［冷間鍛造工程］
鋼材試験片を１００ｍｍに切断した。鍛造速度３００ｍｍ／秒のプレス鍛造機を用いて、ボルト頭部を据え込み成形し、フランジ部の径が１８ｍｍ（拡径率１．５）のボルト形状の中間品を製造した。

［熱処理工程］
中間品に対して、焼入れ及び焼戻しを実施した。焼入れ温度は８６０℃であり、保持時間は３０分とした。保持時間経過後の中間品を５０～１００℃の油で油冷した。焼戻し温度は４７０℃であり、保持時間は６０分とした。保持時間経過後の中間品を１０～３０℃の水浴に浸漬して、中間品の温度を５０℃以下にした。

以上の製造工程により、各試験番号の冷間鍛造品（ボルト）を製造した。

［評価試験］
［鋼材の化学組成分析試験］
各試験番号の鋼材試験片の化学組成を次の方法で求めた。鋼材のＲ／２位置（鋼材の長手方向に垂直な断面での半径Ｒの中央位置）から切粉を生成し、その切粉を採取した。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得た。溶液に対して、ＩＣＰ－ＡＥＳを実施して、化学組成の元素分析を実施した。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法（燃焼－赤外線吸収法）により求めた。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求めた。測定の結果、いずれの試験番号の鋼材試験片も表１の化学組成のとおりであった。なお、上記測定方法で得られたＣｒ濃度（質量％）を、［Ｃｒ_ｂａｓｅ］と定義した。

［各測定点Ｐ１～Ｐ２１での固溶Ｃｒ濃度測定試験］
各試験番号の鋼材試験片において、図１に示すとおり、鋼材の表面のうち、長手方向に３１．２５ｍｍの任意の範囲を表面領域ＡＲと定義した。表面領域ＡＲの端Ｐ０から長手方向に０．２３ｍｍ位置を第１測定点Ｐ１と定義した。第１測定点から長手方向（端Ｐ０と反対側の長手方向）に１．５６ｍｍピッチで第２測定点Ｐ２～第２０測定点Ｐ２０を特定した。さらに、第１測定点から長手方向に３１．０２ｍｍの位置を、第２１測定点Ｐ２１と定義した。第２１測定点Ｐ２１は、表面領域のうち、端Ｐ０と反対側の端に相当した。

表面領域ＡＲでの各測定点Ｐ１～Ｐ２１の固溶Ｃｒ濃度は次の方法で測定した。測定には、Ｘ線光電子分光法を用いた。鋼材の表面領域ＡＲを含むサンプルを採取した。採取したサンプルに対して、加速電圧４ｋＶのアルゴンイオン銃で、表面領域ＡＲを５μｍ深さまでスパッタした。スパッタ後の表面領域ＡＲの各測定点Ｐ１～Ｐ２１（つまり、表面から５μｍ深さ位置での各測定点Ｐ１～Ｐ２１）に対して、線径５０μｍのＸ線を照射した。各測定点Ｐ１～Ｐ２１から得られる光電子の運動エネルギー及び強度に基づいて、固溶Ｃｒ濃度の定量を行った。以上の方法により、各試験番号の鋼材試験片において、表面領域ＡＲの測定点Ｐ１～Ｐ２１での固溶Ｃｒ濃度（質量％）を測定した。測定点Ｐ１～Ｐ２１において、得られたＣｒ濃度の小数第三位を四捨五入した値を、当該測定点でのＣｒ濃度（質量％）とした。

測定された２１個の固溶Ｃｒ濃度において、値が異なる固溶Ｃｒ濃度の数（つまり、固溶Ｃｒ濃度の種類）ＤＮを求めた。数ＤＮを表２に示す。さらに、測定された固溶Ｃｒ濃度のうち、最大の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］（質量％）と定義した。また、最小の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］（質量％）と定義した。得られた［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］、及び、［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］を表２に示す。

各試験番号の鋼材試験片及び冷間鍛造品（ボルト）に対して、さらに、次の評価試験を実施した。

［耐焼き付き性評価試験］
各試験番号の冷間鍛造品（ボルト）を１００本製造した。冷間鍛造後の中間品（１００本）のうち、任意の２０本の中間品のフランジ部座面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を粗さ計を用いて半径方向に２０°ピッチで３カ所測定した。３カ所×２０本の算術平均粗さＲａの算術平均値を、その試験番号での算術平均粗さＲａ（μｍ）と定義した。なお、算術平均粗さＲａはＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に準拠して測定し、カットオフ値の標準値は０．８ｍｍとし、評価長さは３．０ｍｍとした。得られた算術平均粗さＲａに基づいて、耐焼付き性を次のとおり評価した。
評価Ａ：算術平均粗さＲａが１．００μｍ以下
評価Ｂ：算術平均粗さＲａが１．００超～１．２５μｍ
評価Ｃ：算術平均粗さＲａが１．２５超～１．５０μｍ未満
評価Ｘ：算術平均粗さＲａが１．５０μｍ超
評価Ａ～評価Ｃの場合、鋼材は耐焼付き性に優れると判断した。評価Ｘの場合、鋼材の耐焼付き性が低いと判断した。評価結果を表２に示す。

［冷間鍛造品の降伏比評価試験］
各試験番号の冷間鍛造品のうち、２本の冷間鍛造品を選択した。選択された冷間鍛造品に対して、ＪＩＳ Ｂ １０５１（２０１４）に準拠した引張試験を大気中の常温（２５℃）で実施し、降伏強度ＹＳ（ＭＰａ）及び引張強度ＴＳ（ＭＰａ）を求めた。降伏強度ＹＳは０．２％オフセット耐力とした。得られた降伏強度ＹＳ及び引張強度ＴＳを用いて、次式により降伏比を求めた。２本の降伏比の算術平均値を、その試験番号の冷間鍛造品の降伏比と定義した。
降伏比＝降伏強度ＹＳ／引張強度ＴＳ

得られた降伏比を次のとおり評価した。
評価Ｓ：降伏比が０．９７以上
評価Ａ：降伏比が０．９６～０．９４
評価Ｂ：降伏比が０．９３～０．９２
評価Ｃ：降伏比が０．９１～０．９０
評価Ｘ：降伏比が０．８９以下
評価Ｓ～Ｃの場合、冷間鍛造品の降伏比は高いと評価した。評価Ｘの場合、冷間鍛造品の降伏比は低いと判断した。評価結果を表２に示す。

［耐遅れ破壊性］
各試験番号の冷間鍛造品（ボルト）を２０本選択した。選択された冷間鍛造品（ボルト）を軸力が降伏強度ＹＳの８０％となるように、締結用ブロックに締結した。締結後の２０本の冷間鍛造品（ボルト）をＪＩＳ Ｋ ５６００－７－９（２００６）サイクルＤに準拠した乾湿サイクル環境に配置して、３０日間曝露後の破断発生頻度を測定した。破断発生頻度（＝破断が確認された本数／２０本）に基づいて、耐遅れ破壊性を次のとおり評価した。
評価Ａ：破断発生頻度が０／２０～１／２０
評価Ｂ：破断発生頻度が２／２０～４／２０
評価Ｃ：破断発生頻度が５／２０～７／２０
評価Ｘ：破断発生頻度が８／２０以上
評価Ａ～評価Ｃの場合、冷間鍛造品は耐遅れ破壊性に優れると判断した。評価Ｘの場合、冷間鍛造品の耐遅れ破壊は低いと判断した。

［評価結果］
表２を参照して、試験番号１～１２、１４～３０、３３～４０の鋼材の化学組成中の各元素含有量は適切であった。さらに、製造条件も適切であった。そのため、鋼材表面の固溶Ｃｒ濃度の種類（値が異なる固溶Ｃｒ濃度の数）が５以上であった。さらに、Ｆ１が式（１）を満たした。その結果、これらの試験番号の鋼材では、潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における耐焼付き性に優れた。さらに、これらの鋼材試験片を用いて製造された冷間鍛造品において、高い降伏比が得られ、かつ、優れた耐遅れ破壊性が得られた。

一方、試験番号１３では、鋼材の化学組成中のＣｒ含有量が低かった。そのため、潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における鋼材の耐焼付き性が低かった。さらに、冷間鍛造品の降伏比が低かった。

試験番号３１では、鋼材の化学組成は適切であったものの、酸洗工程で用いたマスキングテープの幅が不適切であった。そのため、表面領域ＡＲでの固溶Ｃｒ濃度の種類が５未満となった。その結果、潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における鋼材の耐焼付き性が低かった。

試験番号３２では、鋼材の化学組成は適切であったものの、酸洗工程での総酸洗時間が長すぎた。そのため、Ｆ１が式（１）の上限を超えた。その結果、潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における鋼材の耐焼付き性が低かった。

試験番号４１では、鋼材の化学組成は適切であったものの、酸洗工程での総酸洗時間が短すぎた。そのため、Ｆ１が式（１）の下限未満であった。その結果、潤滑被膜を形成後の冷間鍛造時における鋼材の耐焼付き性が低かった。

試験番号４２では、Ａｌ含有量が低すぎた。試験番号４３では、Ｔｉ含有量が低すぎた。試験番号４４では、Ｎｂ含有量が低すぎた。その結果、これらの試験番号では、耐遅れ破壊性が低かった。

以上、本開示の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (2)

1. 鋼材であって、
   化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．１０～０．４０％、
   Ｓｉ：０．４０％以下、
   Ｍｎ：０．３０～０．７５％、
   Ｐ：０．０３０％以下、
   Ｓ：０．０４０％以下、
   Ｃｒ：０．０５～１．２０％、
   Ａｌ：０．００５～０．１００％、
   Ｎ：０．００１～０．０１５％、
   Ｔｉ：０．００５～０．１００％、
   Ｂ：０．０００３～０．０１００％、
   Ｎｂ：０．００３～０．１００％、及び、
   残部はＦｅ及び不純物からなり、
   前記鋼材の長手方向に３１．２５ｍｍの範囲の表面領域において、前記表面領域の端から０．２３ｍｍの位置を第１測定点とし、前記第１測定点から長手方向に１．５６ｍｍピッチで第２測定点～第２０測定点を特定し、さらに、前記第１測定点から長手方向に３１．０２ｍｍの位置を第２１測定点と特定し、前記第１測定点～第２１測定点での表面から５μｍ深さ位置での固溶Ｃｒ濃度を測定したとき、測定された前記固溶Ｃｒ濃度は少なくとも５種類以上あり、前記固溶Ｃｒ濃度のうち、最大の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］（質量％）と定義し、最小の固溶Ｃｒ濃度を［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］（質量％）と定義し、前記鋼材の前記化学組成中のＣｒ濃度を［Ｃｒ_ｂａｓｅ］（質量％）と定義したとき、式（１）を満たす、
   鋼材。
   ０．２０≦（［固溶Ｃｒ_ｍａｘ］－［固溶Ｃｒ_ｍｉｎ］）／［Ｃｒ_ｂａｓｅ］≦０．６０ （１）
2. 請求項１に記載の鋼材であって、
   前記化学組成は、Ｆｅの一部に代えてさらに、
   Ｃｕ：０．４０％以下、
   Ｎｉ：０．４０％以下、及び、
   Ｍｏ：０．２０％以下、
   からなる群から選択される１種以上を含有する、
   鋼材。
   

Images