JPWO2015189978A1 - 冷間鍛造用鋼材 - Google Patents

Abstract

この鋼材は、化学成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを含有し、金属組織として、パーライトを含み、このパーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＭｎ含有量を、パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＭｎ含有量で割った値が、０超５．０以下である。

Description

本発明は、パーライト組織（フェライトとセメンタイトとの層状組織）を有する鋼材に関し、冷間加工性を向上させるために行われるセメンタイト球状化処理の処理時間を短縮することが可能な鋼材に関する。

冷間鍛造は、熱間鍛造に比べて、ボルトなどの機械部品を形成する時の寸法精度に優れ、また生産性にも優れる。そのため、機械部品の製造方法として、熱間鍛造から冷間鍛造への切り替えが進んでいる。しかし、室温で加工を行う冷間鍛造では、鋼材の変形抵抗が高く、金型への負荷が大きい。そのため、冷間鍛造に供される鋼材は、冷間加工性（冷間鍛造性）に優れることが要求される。ここで、冷間加工性に優れるとは、鋼材の変形抵抗が小さく、かつ鋼材の変形能が高いことを意味する。一般に、冷間鍛造に供される鋼材は、冷間加工性を向上させるため、冷間鍛造前に、鋼材を軟質化させるセメンタイト球状化処理が施される。

セメンタイトの球状化処理（焼鈍処理）は、例えば、薄鋼板やレール鋼などの様々な鋼種で行われている。上述のように、ボルトやナットなどの機械部品へ加工される冷間鍛造用鋼材（鋼線材）でも、冷間加工性向上のために球状化処理が行われる。

セメンタイトの球状化処理には、（ａ）Ｆｅ−Ｃ二元状態図におけるＡ１点である７２７℃直下で鋼材を保持する方法や、（ｂ）Ａ１点以上に鋼材を加熱後に徐冷する方法などが存在する。上記（ａ）のＦｅ−Ｃ二元状態図におけるＡ１点直下で鋼材を保持する方法、つまりフェライト＋セメンタイトの二相域で鋼材を保持する方法では、初期組織であるパーライト、もしくは、パーライト＋初析フェライトから、直接、パーライトを構成するセメンタイトを球状化させる。この方法は、中炭素鋼などの冷間鍛造用鋼材で、一般に広く行われる。

一方、ボルトやナットなどの機械部品は、高強度であることが要求される。そのため、焼き入れ性の向上を目的として、冷間鍛造用鋼材にＭｎやＣｒといった合金元素を含有させる。

ただ、冷間鍛造用鋼材に含有されるＭｎやＣｒ等の合金元素は、セメンタイト球状化のための処理時間を遅延させることが、従来から広く知られている。鋼材にＭｎやＣｒが含有される場合、これらの遅延作用により、Ａ１点直下で鋼材を保持してセメンタイトを球状化させるには、約１８時間もの処理時間が必要となる。球状化処理の処理時間を短縮することができれば、機械部品の生産性を向上することができ、かつ球状化処理時のエネルギーコストを低減することができる。

球状化処理時間を短縮するため、従来、様々な方法による取り組みがなされている。例えば、球状化処理前の鋼材に、減面率２０〜３０％の粗引き伸線加工を施す。この方法では、球状化処理前の伸線加工によってセメンタイトが破断されるので、球状化処理時にセメンタイトの球状化が促進される。ただ、この方法では、球状化処理時間が短縮されるものの、球状化処理による鋼材の軟質化が十分でないため、機械部品の製造コストが上昇する。また、球状化処理前に粗引き伸線加工を行うことが必要となるので、製造工程が煩雑となる。

あるいは、球状化処理時間を短縮するため、鋼材の金属組織制御が行われる。例えば、特許文献１は、金属組織をベイナイトに制御し、セメンタイトを微細に分散させる方法を開示している。鋼材の金属組織がパーライトである場合、セメンタイトが板状の形態で存在するので、このセメンタイトの球状化のためには、セメンタイトの溶解および析出の過程が必要となる。また、鋼材の金属組織がマルテンサイトである場合、セメンタイトがマルテンサイト中に完全に固溶しているので、セメンタイトの球状化のためには、セメンタイトの核生成の過程が必要となる。すなわち、鋼材の金属組織がパーライトまたはマルテンサイトである場合、セメンタイトの球状化のためには、長時間の球状化処理時間が必要となる。そのため、特許文献１では、鋼材の製造時に、熱間圧延終了温度からマルテンサイト生成温度以上かつパーライト生成温度以下の所定の温度範囲まで鋼材を急冷し、その温度で鋼材を等温変態させる。この方法では、鋼材の金属組織がパーライトとマルテンサイトとの中間組織であるベイナイトに制御され、またセメンタイトが金属組織中に微細に分散するので、球状化処理時にセメンタイトの球状化が促進される。

特許文献２は、鋼材の金属組織を、微細に分散した初析フェライトと、微細なパーライトと、ベイナイトまたはマルテンサイトとが混在する組織に制御する方法を開示している。特許文献２では、鋼材の製造時に、第一仕上げ圧延終了温度から５００℃以上８５０℃以下の温度範囲まで鋼材を急冷し、第二仕上げ圧延機で２０％以上８０％以下の塑性ひずみを鋼材に与え、第二仕上げ圧延終了温度から５００℃までを０．１５〜１０℃／秒の冷却速度で冷却し、５００℃以下を１０℃／秒以上で急冷する。この方法では、鋼材の金属組織が上記の混在組織に制御され、結晶粒界の分率が増加するので、球状化処理時に、炭素の拡散速度が高まり、セメンタイトの球状化が促進される。

上述のように、特許文献１や特許文献２に開示の技術によって、セメンタイトの球状化処理時間が短縮される。しかし、特許文献１や特許文献２に開示の鋼材では、その金属組織の大部分がベイナイトやマルテンサイトである。そのため、鋼材の変形抵抗が高いという課題を有する。

特許文献３は、球状化処理時間を短縮し、かつ鋼材の変形抵抗を低減することを目的として、金属組織を、擬似パーライトと、ベイナイトまたはフェライトとに制御した鋼材を開示している。擬似パーライトとは、形状が粒状もしくは途切れた板状のセメンタイトを有するパーライトのことである。そのため、特許文献３に開示の鋼材では、球状化処理時にセメンタイトの球状化が促進される。同時に、金属組織がフェライトも含有するので、変形抵抗が低減される。

特許文献４は、球状化処理時間を短縮し、かつ鋼材の変形抵抗を低減することを目的として、金属組織を、体積率が抑制された初析フェライトと、ベイナイトやアスペクト比が小さいパーライト組織のようなセメンタイト（炭化物）が分断した組織と、ブロックサイズおよびラメラ間隔を微細にしたパーライトとの混合組織に制御した鋼材を開示している。特許文献４に開示の鋼材では、セメンタイトが微細化されているので、球状化処理時にセメンタイトの球状化が促進される。同時に、各構成相の分率や形態が制御されているので、変形抵抗が低減される。

特許文献１〜４に開示されるように、従来、セメンタイトを球状化しやすい形態に制御する方法として、鋼材の金属組織をパーライトからベイナイトなどに変化させる技術が検討されてきた。しかし、上述のように、特許文献１や特許文献２に記載の方法では、鋼材の金属組織がベイナイトやマルテンサイトを主に含有するため、球状化処理時にセメンタイトの球状化は促進されるものの、鋼材の変形抵抗が十分に低減されない。また、特許文献３に記載の方法では、金属組織として１０％以上の擬似パーライトを必要とするため、その合金組成に制限がある。また、特許文献４に記載の方法では、球状化処理時間が短縮されるが、依然として、処理時間に十数時間が必要であり、いっそうの球状化処理時間の短縮が要求される。

以上のように、従来技術では、セメンタイト球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが、同時にかつ十分に達成できているとは言えない。また、従来技術には、セメンタイト球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とを同時に達成することを目的として、パーライト中のセメンタイトとフェライトとにそれぞれ含まれるＭｎやＣｒなどの合金元素の含有量に着目し、セメンタイトとフェライトとにおける合金元素の分配比を検討した報告がない。

日本国特開昭６０−９８３２号公報 日本国特公平２−６８０９号公報 日本国特開２００６−２２５７０１号公報 日本国特開２００９−２７５２５２号公報

本発明は、セメンタイトの球状化速度に大きな影響を及ぼすＭｎやＣｒなどの合金元素に着目し、球状化処理前のパーライト中のセメンタイトとフェライトとにおける合金元素の分配比を制御することによって、冷間鍛造前の球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが同時に達成できる鋼材を提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様にかかる鋼材は、化学成分が、質量％で、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％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、金属組織が、パーライトを含み、前記パーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＭｎ含有量を、前記パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＭｎ含有量で割った値が、０超５．０以下である。
（２）上記（１）に記載の鋼材では、前記化学成分が、質量％で、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、を含有し、前記パーライト中の前記セメンタイトに含まれる原子％でのＣｒ含有量を、前記パーライト中の前記フェライトに含まれる原子％でのＣｒ含有量で割った値が、０超３．０以下であってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載の鋼材では、前記金属組織が、さらに初析フェライトまたはベイナイトを含み、前記化学成分中の質量％で示した炭素含有量をＣとしたとき、鋼材の長手方向に垂直な断面にて、前記パーライトの面積分率が、１３０×Ｃ％以上１００％未満であり、前記初析フェライトと前記ベイナイトとの合計の面積分率が、０％超１００−１３０×Ｃ％以下であってもよい。
（４）上記（１）または（２）に記載の鋼材では、前記金属組織が、前記パーライトからなってもよい。

本発明の上記態様によれば、鋼材の合金組成や金属組織を制御することに加えて、パーライト中のセメンタイトとフェライトとにおける合金元素の分配比が好ましく制御される。そのため、冷間鍛造前の球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが同時に可能となる。

具体的には、パーライト中のセメンタイトとフェライトとにおける合金元素の分配比を好ましく制御することによって、冷間鍛造前の球状化処理時間が短縮される。例えば、一般的な鋼材では、冷間鍛造前の球状化処理時間が約１８時間であるのに対して、上記態様に係る鋼材では、冷間鍛造前の球状化処理時間が９時間以下となる。つまり、球状化処理に関して、処理時間を５０％以下へ短縮することが可能となり、エネルギーコストの削減及び生産性の向上などが可能となる。加えて、上記態様に係る鋼材では、合金組成や金属組織が同時に制御されるので、冷間加工性が向上する。

上述のように、従来技術では、セメンタイト球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とを同時に達成するために、例えば、球状化処理前に鋼材に加工を施してセメンタイトを物理的に破断することを試み、または鋼材の金属組織を制御してセメンタイトを微細分散させることを試みている。しかし、本発明の上記態様によれば、パーライト中のセメンタイトとフェライトとにおける合金元素の分配比を好ましく制御することによって、セメンタイトの物性を本質的に改善することが可能となる。その結果、球状化処理時間と冷間加工性とが本質的に改善された鋼材を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る鋼材に含まれるパーライトを示す拡大模式図であって、パーライト中のセメンタイトとフェライトとにおける元素分析を行う測定点を示す模式図である。 球状化処理時間と、セメンタイトの平均アスペクト比との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただ、本発明は本実施形態に開示の構成のみに限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。また、下記する数値限定範囲には、下限値及び上限値がその範囲に含まれる。ただ、下限値に「超」と示す数値限定範囲には下限値が含まれず、上限値に「未満」と示す数値限定範囲には上限値が含まれない。

通常、パーライト鋼は、次のように製造される。鋼を１０００℃以上の温度に加熱し、この鋼を熱間圧延して熱延材とし、この熱延材を７５０℃から１０００℃程度で巻き取り、巻き取った熱延材を巻き取り温度からパーライトを生成させる熱処理温度（およそ６５０〜５５０℃程度）まで冷却し、この熱処理温度で熱延材を保持することでパーライト変態させてパーライト鋼とし、このパーライト鋼を室温まで冷却する。または、鋼を熱間圧延して熱延材とし、この熱延材を７５０℃から１０００℃程度で巻き取り、巻き取った熱延材を巻き取り温度から室温まで連続冷却を行うことでパーライト変態させてパーライト鋼とする。熱間圧延後に熱延材を室温まで冷却してから、再び、パーライト変態温度まで加熱するのでなく、熱間圧延後に熱延材をパーライト変態温度まで冷却して、直接、パーライト変態させるのは、再加熱のための製造コストを削減できるからである。

一方、本実施形態に係る鋼材は、一例として、次のように製造される。後述する化学成分を満足する鋼を１０００℃以上の温度に加熱し、この鋼を熱間圧延して熱延材とし、この熱延材を７５０℃〜１０００℃の温度範囲内で巻き取り、巻き取った熱延材を巻き取り終了温度から７００℃までを平均冷却速度が７０℃／秒〜３００℃／秒となる条件で一次冷却（急速冷却）し、一次冷却後の熱延材を７００℃から５５０℃〜４５０℃の温度範囲内までを平均冷却速度が２０℃／秒〜３５℃／秒となる条件で二次冷却（徐冷却）し、二次冷却後の熱延材をパーライト変態させるために５５０℃〜４５０℃の温度範囲内で保持時間が２０秒〜２００秒となる条件で保持して鋼材とし、保持後の鋼材を保持終了温度から室温までを平均冷却速度が２５℃／秒〜５０℃／秒となる条件で三次冷却する。

本実施形態に係る鋼材では、一例として示した上記製造条件によって製造されることにより、パーライト中のセメンタイトとフェライトとにそれぞれ含まれる合金元素の分配比が好ましく制御される。具体的には、本実施形態に係る鋼材に含有されるＭｎ（マンガン）に関して、パーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＭｎ含有量を、パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＭｎ含有量で割った値（以降、Ｍｎ分配比と呼ぶ）が、０超５．０以下に制御される。また、本実施形態に係る鋼材にＣｒ（クロミウム）が含有される場合には、パーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＣｒ含有量を、パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＣｒ含有量で割った値（以降、Ｃｒ分配比と呼ぶ）が、０超３．０以下に好ましく制御される。

なお、本実施形態に係る鋼材は、次のようにセメンタイト球状化処理を行えばよい。鋼材を室温から昇温速度１８０℃／時程度で加熱し、加熱後の鋼材をＦｅ−Ｃ二元状態図におけるＡ１点直下である６８０℃〜７２０℃の温度範囲内で等温保持すればよい。この球状化処理温度（等温保持温度）が、上記温度範囲内でＦｅ−Ｃ二元状態図におけるＡ１点である７２７℃に近いほど、セメンタイトの球状化が終了するまでの処理時間が短縮される。この球状化処理温度が、上記温度範囲内で低下するほど、セメンタイトの球状化が終了するまでの処理時間が延長する。生産性を考えると、鋼材を６８０℃以上の温度で球状化処理することが望ましい。

以下、本実施形態に係る鋼材を得るに至った経緯について述べる。

これまで、セメンタイトのオストワルド成長に関し、熱処理温度におけるＭｎやＣｒなどの合金元素の平衡分配係数が上昇するのに従って、その成長速度が減少することが知られている。同様に、セメンタイトの球状化に関しては、このオストワルド成長と関係づけて、球状化処理温度におけるパーライト中のセメンタイトおよびフェライトに対するＭｎやＣｒなどの合金元素の平衡分配係数に依存して、その球状化速度が決まると解釈されてきた。すなわち、球状化処理温度におけるＭｎ分配比やＣｒ分配比などが、平衡状態に近いとの想定に基づいて、その球状化速度が検討されてきた。一方、球状化処理温度におけるＭｎ分配比やＣｒ分配比などが、非平衡である場合については、これまで検討されていない。

合金元素であるＭｎやＣｒなどは、球状化処理温度にて平衡状態である場合、パーライト中のフェライトと比較して、パーライト中のセメンタイトで高含有量となる。すなわち、球状化処理温度にて平衡状態である場合、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比などが大きな値となる。しかし、本発明者らは、製造条件によっては、パーライト中のセメンタイトに含まれるＭｎやＣｒなどが平衡組成よりも低含有量である非平衡な分配比となる場合があること、すなわち、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比などが平衡状態よりも小さな値となる場合があることを実験的に確認した。そして、球状化処理温度にてＭｎ分配比やＣｒ分配比などが平衡状態よりも小さな値となる場合、セメンタイトの球状化処理時間を短縮できる可能性があることを見出した。

本発明者らは、シミュレーションを用いて、球状化処理温度におけるＭｎ分配比やＣｒ分配比と、セメンタイト球状化速度との関係について検討した。その結果、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比が平衡状態よりも小さな値となるほど、セメンタイトが球状化する時間が著しく短くなることを見出した。

また、実際に、実験を行って確認すると、シミュレーション結果と実験結果とが同様の傾向を示すことがわかった。Ｍｎ分配比やＣｒ分配比が平衡状態よりも小さな値となる場合、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比が平衡状態である場合と比較して、セメンタイト球状化のための処理時間が半分以下へ短縮される傾向であった。これらの結果に基づいて、鋼材の金属組織に含まれるパーライトを、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比などが平衡状態よりも小さな値となるパーライトに制御することで、セメンタイトの球状化処理時間を短縮できる鋼材を得ることが可能であることを見出した。

以下に、Ｍｎ分配比（パーライト中のセメンタイトに含まれるＭｎ原子％÷パーライト中のフェライトに含まれるＭｎ原子％）やＣｒ分配比（パーライト中のセメンタイトに含まれるＣｒ原子％÷パーライト中のフェライトに含まれるＣｒ原子％）などを平衡状態よりも小さな値に制御することで、球状化処理時間が短縮されるメカニズムについて推定する。

セメンタイトが球状化する過程では、パーライト中でセメンタイトの端部からＣ（炭素）が溶けだす。つまり、Ｃがセメンタイトからフェライトへ拡散することによって、セメンタイトの形状が球状へと近づいていく。しかし、ＭｎやＣｒなどがセメンタイトに含まれていると、セメンタイトの球状化のために、ＭｎやＣｒなどもセメンタイトからフェライトへ拡散することが必要になる。球状化処理前のＭｎ分配比やＣｒ分配比などが平衡状態に近い鋼材では、パーライト中のフェライトと比較して、パーライト中のセメンタイトでＭｎやＣｒなどの含有量が高い値となる。このような鋼材では、球状化の過程で、ＭｎやＣｒなどがセメンタイトからフェライトへ拡散するための時間が必要となり、その結果、球状化処理時間が長くなる。一方、球状化処理前のＭｎ分配比やＣｒ分配比などが平衡状態に比べて小さい値となる鋼材では、球状化の過程で、ＭｎやＣｒなどがセメンタイトからフェライトへ拡散する頻度が低減され、その結果、球状化速度が速くなり、球状化処理時間が短くなると推定される。

次に、本実施形態に係る鋼材にてＭｎ分配比やＣｒ分配比などを制御する条件を説明する。

本実施形態に係る鋼材にてＭｎ分配比やＣｒ分配比などを制御する方法は、特に限定されない。Ｍｎ分配比やＣｒ分配比などが平衡状態に比べて小さい値に制御されるならば、いかなる製造方法によって鋼材を製造してもよい。例えば、上述した製造条件によって鋼材を製造して、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比などを制御すればよい。以下に、上述した製造条件をさらに詳しく説明する。

加熱工程として、後述する化学成分を満足する鋼を１０００℃以上の温度に加熱してもよい。好ましくは、鋼を１０００℃〜１２００℃の温度範囲内に加熱する。この加熱工程では、合金元素を均一に分布させることを目的として、鋼を上記温度に加熱することが好ましい。

熱間圧延工程として、熱延材を得るために、加熱工程後の鋼を熱間圧延してもよい。熱間圧延の条件は、特に限定されない。加熱工程後の鋼を、目的形状となるように熱間圧延すればよい。

巻き取り工程として、熱間圧延工程後の熱延材を７５０℃〜１０００℃の温度範囲内で巻き取ってもよい。この巻き取り工程では、巻き取り温度が７５０℃未満であると、鋼材をリング状に巻き取ることが困難であり、巻き取り温度が１０００℃を超えると、酸化スケールが増大することで歩留まりが悪化する。そのために、熱延材を上記温度範囲内で巻き取ることが好ましい。

一次冷却工程として、巻き取り工程後の熱延材を、巻き取り終了温度から７００℃までを平均冷却速度が７０℃／秒〜３００℃／秒となる条件で一次冷却（急速冷却）してもよい。巻き取り終了温度から７００℃までの温度範囲では、冷却中にパーライトが生成する可能性があることに加えて、ＭｎやＣｒなどの合金元素の拡散速度が速い。そのため、この温度範囲での平均冷却速度を７０℃／秒以上とすることにより、ＭｎやＣｒなどがパーライト中のセメンタイトへ拡散することを好ましく抑制することができる。一方、この温度範囲での平均冷却速度が３００℃／秒以上では、上記効果が飽和する。

二次冷却工程として、一次冷却工程後の熱延材を、７００℃から５５０℃〜４５０℃の温度範囲内までを平均冷却速度が２０℃／秒〜３５℃／秒となる条件で二次冷却（徐冷却）してもよい。７００℃から５５０℃〜４５０℃に至る温度範囲では、冷却中の冷却速度が速い場合にベイナイトが生成する可能性がある。そのため、この温度範囲での平均冷却速度を３５℃／秒以下とすることにより、冷却中にベイナイトが生成することを好ましく抑制することができる。一方、この温度範囲での平均冷却速度を２０℃／秒以上とすることにより、ＭｎやＣｒなどがパーライト中のセメンタイトへ拡散することを好ましく抑制することができる。

保持（パーライト変態）工程として、パーライト鋼材を得るために、二次冷却工程後の熱延材を、５５０℃〜４５０℃の温度範囲内で保持時間が２０秒〜２００秒となる条件で保持してもよい。５５０℃〜４５０℃の温度範囲内では、保持中にベイナイトが生成されにくいが、保持中にパーライト変態は進行する。また、５５０℃〜４５０℃の温度範囲内では、ＭｎやＣｒなどの合金元素の拡散速度が遅い。そのため、熱延材をこの温度範囲内で保持した場合、熱延材の金属組織をパーライトに変態させながら、ベイナイトの生成を好ましく抑制し、かつ、ＭｎやＣｒなどがパーライト中のセメンタイトへ過剰に拡散することを好ましく抑制することができる。

保持工程での保持は、恒温保持であることが好ましい。なお、保持工程で熱延材を恒温保持させるには、熱延材を溶融塩槽に浸漬すればよく、または熱延材を恒温炉内に保持してもよい。保持工程での保持温度が４５０℃未満であると、パーライトに加えてベイナイトが生成され、その体積率が２０％を超え、冷間加工性が悪化する恐れがある。一方、保持工程での保持温度が５５０℃超であると、ＭｎやＣｒなどがパーライト中のセメンタイトへ過剰に拡散する恐れがある。保持温度の上限は、５２０℃未満であることが好ましく、５００℃以下であることがさらに好ましい。

また、保持工程での保持は、ＭｎやＣｒなどが拡散する時間を少なくするため、短時間であることが好ましい。しかし、パーライト変態が十分に完了しないと、保持工程後の三次冷却時に、パーライト変態せずに残存したオーステナイトからマルテンサイトが生成して、冷間加工性が悪化する恐れがある。従って、保持工程での保持を２０秒以上とすることが好ましい。一方、ＭｎやＣｒなどがパーライト中のセメンタイトへ過剰に拡散することを抑制し、かつ鋼材の生産性を高めるためには、保持工程での保持が２００秒以下であることが好ましい。

三次冷却工程として、保持工程後の鋼材を、保持終了時の温度から室温までを平均冷却速度が２５℃／秒〜５０℃／秒となる条件で三次冷却してもよい。この温度範囲での平均冷却速度を２５℃／秒以上とすることにより、好ましくパーライト中のセメンタイトへのＭｎやＣｒの拡散を防ぐことができる。この温度範囲での平均冷却速度を５０℃／秒以下とすることにより、好ましくマルテンサイトの形成を抑えることができる。

次に、本実施形態に係る鋼材のＭｎ分配比（パーライト中のセメンタイトに含まれるＭｎ原子％÷パーライト中のフェライトに含まれるＭｎ原子％）について説明する。

機械部品は、高強度であることが要求される。そのため、冷間鍛造用鋼材では、機械部品に成形された後に、焼き入れを行って金属組織をマルテンサイトへ制御する。一般に、冷間鍛造用鋼材には、焼き入れ性を向上させる合金元素として、Ｍｎが含有される。しかし、このＭｎは、パーライト中でセメンタイトに偏析する傾向にある。例えば、６００℃では、平衡状態で、Ｍｎ分配比が１１程度となり、また、パーライト変態温度である５５０℃では、平衡状態で、Ｍｎ分配比が２５程度となる。セメンタイト球状化の過程では、このＭｎがセメンタイトからフェライトなどへ拡散する必要がある。そのため、鋼材にＭｎが含有される場合、セメンタイト球状化のための処理時間が長くなる。

本実施形態に係る鋼材では、パーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＭｎ含有量を、パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＭｎ含有量で割った値（Ｍｎ分配比）が、０超５．０以下に制御される。その結果、冷間鍛造前のセメンタイト球状化処理時間が短縮可能となる。なお、このＭｎ分配比は、室温での測定値である。室温で測定したＭｎ分配比が上記範囲内であれば、セメンタイトの球状化処理温度におけるＭｎ分配比も球状化処理時間が短縮可能な好ましい値となる。

本実施形態に係る鋼材に含まれるセメンタイトのアスペクト比は、平均で５超である。そして、本実施形態に係る鋼材では、球状化処理によってセメンタイトのアスペクト比が平均で５以下となるときに、セメンタイトが球状化されたとみなす。一般に、従来の冷間鍛造用鋼材でも、球状化処理によってセメンタイトのアスペクト比が平均で５以下となるときに、十分な軟質化が得られたとみなされる。通常、従来の冷間鍛造用鋼材では、セメンタイトの球状化のために、約１８時間の処理時間が必要となる。

本実施形態に係る鋼材では、Ｍｎ分配比の有効数字を、小数点以下１桁とする。ＴＥＭ−ＥＤＳ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によるＭｎ分配比の測定では、測定の有効な桁数が小数点以下２桁である。しかし、処理温度を７００℃としてセメンタイトの球状化処理を行って球状化処理時間を調査したところ、鋼材のＭｎ分配比が５．００である場合と５．０１である場合とでは、球状化処理時間に有意差が認められなかった。この場合、どちらも球状化処理時間が約９時間であった。従って、Ｍｎ分配比の有効数字を、小数点以下１桁とする。なお、同様の理由から、後述するＣｒ分配比も、その有効数字を、小数点以下１桁とする。

球状化処理前のＭｎ分配比と、セメンタイト球状化のための処理時間との関係を確認するため、処理温度を７００℃としてセメンタイトの球状化処理を行って球状化処理時間を調査した。その結果、Ｍｎ分配比が１．０である場合、球状化処理時間が約５時間となり、Ｍｎ分配比が５．０である場合、球状化処理時間が約９時間となった。このように、Ｍｎ分配比の値が大きくなるに伴い、球状化処理時間が長くなった。また、Ｍｎ分配比が５．１である場合、球状化処理時間が約９．５時間であった。本実施形態では、６８０℃〜７２０℃の温度範囲で球状化処理を行った時の処理時間が９時間以下である場合に、従来と比較して球状化処理時間が５０％以下に短縮されたと判断する。従って、本実施形態に係る鋼材では、Ｍｎ分配比の上限を、５．０とする。

セメンタイトの球状化処理時間を短縮するために最も望ましいのは、Ｍｎがセメンタイト中に一切含まれない状態である。すなわち、Ｍｎ分配比が０であることが理想である。しかし、Ｍｎは、セメンタイトに含有される場合にエネルギー的に安定となる。すなわち、Ｍｎ分配比を０にすることは工業的に困難である。従って、本実施形態に係る鋼材では、Ｍｎ分配比の下限を、０超とする。なお、Ｍｎ分配比の下限が、１．０であることが好ましい。また、Ｍｎ分配比の上限は２未満、または１．５未満であることがさらに好ましい。

なお、シミュレーション結果によれば、Ｍｎ分配比が１未満である場合、セメンタイトに含まれるＭｎが低含有量となり、Ｍｎを含有しないセメンタイトと同様に球状化が急激に進行する。この場合、球状化処理時間は３時間程度になると推定される。

次に、本実施形態に係る鋼材のＣｒ分配比（パーライト中のセメンタイトに含まれるＣｒ原子％÷パーライト中のフェライトに含まれるＣｒ原子％）について説明する。

冷間鍛造用鋼材では、焼き入れ性をさらに向上させるために、上記のＭｎに加えて、Ｃｒが含有される場合がある。このＣｒも、パーライト中でセメンタイトに偏析する傾向にある。例えば、６００℃では、平衡状態で、Ｃｒ分配比が２５程度となり、また、パーライト変態温度である５５０℃では、平衡状態で、Ｃｒ分配比が６０程度となる。セメンタイト球状化の過程では、このＣｒがセメンタイトからフェライトなどへ拡散する必要がある。そのため、鋼材にＣｒが含有される場合、セメンタイト球状化のための処理時間が長くなる。また、このＣｒは、上記のＭｎよりも、セメンタイトの球状化をさらに抑制する合金元素である。例えば、Ｆｅ−０．８ｗｔ％Ｃ−０．３ａｔ％Ｍｎである鋼と、Ｆｅ−０．８ｗｔ％Ｃ−０．３ａｔ％Ｃｒである鋼とを比較した場合、Ｃｒを含む鋼では、セメンタイトの球状化処理時間が、Ｍｎを含む鋼の１．５倍以上となる。

本実施形態に係る鋼材では、鋼材にＣｒが含有されるとき、パーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＣｒ含有量を、パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＣｒ含有量で割った値（Ｃｒ分配比）が、０超３．０以下に好ましく制御される。その結果、冷間鍛造前のセメンタイト球状化処理時間が好ましく短縮可能となる。なお、このＣｒ分配比は、室温での測定値である。室温で測定したＣｒ分配比が上記範囲内であれば、セメンタイトの球状化処理温度におけるＣｒ分配比も球状化処理時間が短縮可能な好ましい値となる。

本実施形態に係る鋼材では、上述のように、Ｍｎ分配比が０超５．０以下に制御される。このようにＭｎ分配比が制御されるとき、Ｍｎ以外のセメンタイトに偏析しやすい合金元素の分配比も同様に制御される。Ｃｒもパーライト中のセメンタイトに偏析しやすい合金元素であるので、Ｍｎ分配比が制御されるとき、Ｃｒ分配比も同様に制御される。Ｃｒは、Ｍｎよりも、球状化処理時間を長くする作用が顕著であるので、鋼材にＣｒが含有されるときには、Ｃｒ分配比が０超３．０以下に制御されることが好ましい。

球状化処理前のＣｒ分配比と、セメンタイト球状化のための処理時間との関係を確認するため、処理温度を７００℃としてセメンタイトの球状化処理を行って球状化処理時間を調査した。その結果、Ｃｒ分配比が３．０である場合、球状化処理時間が約９時間となり、Ｃｒ分配比が３．１である場合、球状化処理時間が９時間超となった。従って、本実施形態に係る鋼材では、Ｃｒ分配比の上限が、３．０以下であることが好ましい。

セメンタイトの球状化処理時間を短縮するために最も望ましいのは、Ｃｒがセメンタイト中に一切含まれない状態である。すなわち、Ｃｒ分配比が０であることが理想である。しかし、Ｍｎと同じく、Ｃｒもまた、セメンタイトに含有される場合にエネルギー的に安定となる。すなわち、Ｃｒ分配比を０にすることは工業的に困難である。従って、本実施形態に係る鋼材では、Ｃｒ分配比の下限が、０超であることが好ましい。なお、Ｃｒ分配比の下限が、１．０であることがさらに好ましい。また、Ｃｒ分配比の上限は、３未満、または１．５未満であることがさらに好ましい。

次に、ＭｎやＣｒ以外の鋼材に含有される合金元素のセメンタイト球状化に与える影響について述べる。

合金元素として鋼材に含有されるＭｏ、Ｖなども、セメンタイト球状化のための処理時間を長くする。ただ、Ｍｏ、Ｖなどは、ＭｎやＣｒと比較して、球状化処理時間を長くする作用が小さい。また、本実施形態に係る鋼材では、Ｍｏ、Ｖの含有量が微量である。従って、Ｍｏ、Ｖは、ＭｎやＣｒに比べて、セメンタイトの球状化処理時間に与える影響が小さい。ただ、Ｍｏ分配比（パーライト中のセメンタイトに含まれるＭｏ原子％÷パーライト中のフェライトに含まれるＭｏ原子％）、Ｖ分配比（パーライト中のセメンタイトに含まれるＶ原子％÷パーライト中のフェライトに含まれるＶ原子％）は、小さい値であることが好ましい。具体的には、Ｍｏ分配比が０超３以下であることが好ましく、Ｖ分配比が０超１５以下であることが好ましい。

次に、本実施形態に係る鋼材の化学成分について説明する。

本実施形態に係る鋼材では、化学成分が、質量％で、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％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる。

本実施形態に係る鋼材の上記化学成分のうち、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌが基本元素である。

Ｃ：０．００５〜０．６０％
Ｃ（炭素）は、鋼の強度を向上させる元素である。Ｃ含有量が０．００５％未満では、機械部品として必要な強度を確保できない。Ｃ含有量が０．６％超となると、冷間加工性や靭性が低下する。なお、Ｃ含有量の下限を０．１％、０．２％、０．３％としてもよい。Ｃ含有量の上限を０．５％としてもよい。

Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉ（シリコン）は、製鋼時の脱酸元素であり、鋼の強度や焼き入れ性を高める元素である。Ｓｉ含有量が０．０１％未満では、上記効果が不十分である。Ｓｉ含有量が０．５０％超となると、強度が過剰に高くなり、靭性、延性、冷間加工性が低下する。なお、Ｓｉ含有量の下限を０．０３％としてもよい。Ｓｉ含有量の上限を０．４％としてもよい。

Ｍｎ：０．２０〜１．８０％
Ｍｎ（マンガン）は、鋼の強度や焼き入れ性を高める元素である。Ｍｎ含有量が０．２０％未満では、上記効果が不十分である。Ｍｎ含有量が１．８０％超となると、強度が過剰に高くなり、靭性や冷間加工性が低下する。また、変態時間が長時間化することにより、生産性が阻害される。なお、Ｍｎ含有量の下限を０．３％としてもよい。Ｍｎ含有量の上限を１．０％としてもよい。

Ａｌ：０．０１〜０．０６％
Ａｌ（アルミニウム）は、鋼中のＮと結合して化合物を形成する元素である。また、冷間鍛造中の動的歪み時効を抑制し、変形抵抗を低減する元素である。Ａｌ含有量が０．０１％未満では、上記効果が不十分である。Ａｌ含有量が０．０６％超となると、靭性が低下する。なお、Ａｌ含有量の下限を、０．０１％超、０．０２％としてもよい。Ａｌ含有量の上限を０．０４％としてもよい。

本実施形態に係る鋼材は、化学成分として、不純物を含有する。なお、「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境等から混入するものを指す。これら不純物のなかで、Ｐ、Ｓ、Ｎは、上述の効果を十分に発揮させるために、以下のように制限することが好ましい。また、不純物の含有量は少ないことが好ましいので、下限値を制限する必要がなく、不純物の下限値が０％でもよい。

Ｐ：０．０４％以下
Ｐ（燐）は、不純物である。Ｐ含有量が０．０４％超となると、Ｐが粒界に偏析して、靭性が低下する。したがって、Ｐ含有量を０．０４％以下に制限してもよい。なお、現行の一般的な精錬（二次精錬を含む）を考慮すると、Ｐ含有量の下限は０．００２％であってもよい。

Ｓ：０．０５％以下
Ｓ（硫黄）は、不純物である。Ｓ含有量が０．０５％超となると、冷間加工性が低下する。したがって、Ｓ含有量を０．０５％以下に制限してもよい。なお、現行の一般的な精錬（二次精錬を含む）を考慮すると、Ｓ含有量の下限は０．００１％であってもよい。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎ（窒素）は、不純物である。Ｎ含有量が０．０１％超となると、加工性が低下する。したがって、Ｎ含有量を０．０１％以下に制限してもよい。好ましくは、Ｎ含有量を０．００５％以下に制限してもよい。なお、現行の一般的な精錬（二次精錬を含む）を考慮すると、Ｎ含有量の下限は０．００２％であってもよい。

上述のように、本実施形態に係る鋼材は、化学成分として、基本元素と、残部としてＦｅ及び不純物を含有する。しかし、本実施形態に係る鋼材は、残部であるＦｅの一部に代えて、選択元素として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｂ、Ｔｉを含有してもよい。これらの選択元素は、その目的に応じて含有させればよい。よって、これらの選択元素の下限値を制限する必要がなく、下限値が０％でもよい。また、これらの選択元素が不純物として含有されても、上記効果は損なわれない。

Ｃｒ：０〜１．５０％
Ｍｏ：０〜０．５０％
Ｎｉ：０〜１．００％
Ｃｒ（クロミウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）は、鋼の焼き入れ性を高める元素である。したがって、必要に応じて、Ｃｒ含有量を０〜１．５０％、Ｍｏ含有量を０〜０．５０％、Ｎｉ含有量を０〜１．００％としてもよい。好ましいＣｒ含有量の下限は０．０３％であり、好ましいＭｏ含有量の下限は０．０１％であり、好ましいＮｉ含有量の下限は０．０１％である。しかし、各元素の含有量が上記の上限より過剰となると、延性が低下する。なお、Ｃｒ含有量の上限を１．００％としてもよく、Ｍｏ含有量の上限を０．３％としてもよく、Ｎｉ含有量の上限を０．９％としてもよい。

なお、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％であるとき、Ｃｒ分配比が０超３．０以下に制御されることが好ましい。

Ｖ：０〜０．５０％
Ｖ（バナジウム）は、析出硬化によって鋼の強度を高める元素である。したがって、必要に応じて、Ｖ含有量を０〜０．５０％としてもよい。好ましいＶ含有量の下限は０．００２％である。しかし、Ｖ含有量が上記の上限より過剰となると、延性が低下する。なお、Ｖ含有量の上限を０．３０％としてもよい。

Ｂ：０〜０．００５０％
Ｂ（ホウ素）は、鋼の焼き入れ性を高める元素である。したがって、必要に応じて、Ｂ含有量を０〜０．００５０％としてもよい。好ましいＢ含有量の下限は０．０００１％である。しかし、Ｂ含有量が０．００５％超となっても、上記の効果が飽和する。なお、Ｂ含有量の上限を０．００４％としてもよい。

Ｔｉ：０〜０．０５％
Ｔｉ（チタニウム）は、鋼中のＮと結合して化合物を形成する元素である。また、冷間鍛造中の動的歪み時効を抑制する元素である。したがって、必要に応じて、Ｔｉ含有量を０〜０．０５％としてもよい。好ましいＴｉ含有量の下限は０．００２％である。しかし、Ｔｉ含有量が上記の上限より過剰となると、粗大なＴｉＮが析出し、ＴｉＮを起点とする割れが生じやすくなる。なお、Ｔｉ含有量の上限を０．０４％としてもよい。

次に、本実施形態に係る鋼材の金属組織について説明する。

本実施形態に係る鋼材では、金属組織が、主としてパーライトを含む。また、この金属組織が、パーライトからなることが好ましい。ただ、鋼材をパーライトからなる金属組織に制御するには、鋼材の合金組成が制限される。よって、この金属組織は、パーライトに加えて、初析フェライトまたはベイナイトをさらに含んでもよい。具体的には、鋼材の化学成分中の質量％で示した炭素含有量をＣとしたとき、鋼材の長手方向に垂直な断面にて、パーライトの面積分率が、１３０×Ｃ％以上１００％未満であり、初析フェライトとベイナイトとの合計の面積分率が、０％超１００−１３０×Ｃ％以下であってもよい。この条件を満足するとき、冷間鍛造前の球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とを同時に好ましく達成できる。なお、冷間加工性の向上のためには、ベイナイトの面積分率は、初析フェライトの面積分率よりも、低分率であることが好ましい。同様に、マルテンサイトや残留オーステナイトの面積分率も、低分率であることが好ましい。金属組織中のベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトの面積分率が低分率であるならば、本実施形態に係る上記の効果が損なわれる可能性が小さい。具体的には、ベイナイト、マルテンサイト、および残留オーステナイトの合計の面積分率が、２０％以下に制限されることが好ましい。

本実施形態に係る鋼材では、球状化処理時間を短縮することを主目的の一つとしている。この球状化処理では、セメンタイトのアスペクト比を平均で５以下に制御する。すなわち、本実施形態に係る鋼材に含まれるセメンタイトは、球状化処理前、そのアスペクト比が平均で５超である。特に、セメンタイトのアスペクト比が８〜３０である場合に、球状化処理時間の短縮の効果が顕著となる。従って、本実施形態に係る鋼材は、球状化処理前のセメンタイトのアスペクト比が８〜３０であってもよい。

以下に、本実施形態に係る鋼材の各特性値の測定方法について説明する。

鋼材の化学成分は、鋼の一般的な分析方法によって測定すればよい。例えば、鋼材の化学成分は、ＩＣＰ−ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定すればよい。ただ、ＣおよびＳは燃焼−赤外線吸収法を用い、Ｎは不活性ガス融解−熱伝導度法を用いて測定すればよい。

鋼材のＭｎ分配比やＣｒ分配比などは、ＴＥＭ−ＥＤＳを用いて測定すればよい。例えば、鋼材（鋼線材）を、長手方向に垂直な断面（Ｃ断面、伸線方向に垂直な断面）が観察面となるように、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）法によって、パーライト中のセメンタイトおよびフェライトを両方含む観察用試料を少なくとも１０個作成する。これらの観察用試料をＴＥＭによって観察して、ＭｎやＣｒの含有量（原子％）をＥＤＳによって測定する。そして、セメンタイトに含まれるＭｎやＣｒの含有量を、フェライトに含まれるＭｎやＣｒの含有量で割ることで、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比を求める。

図１は、本実施形態に係る鋼材に含まれるパーライト１を示す拡大模式図であって、パーライト１中のフェライト２とセメンタイト３とにおける元素分析を行う測定点４を示す模式図である。この図１に例示するように、パーライト１中のフェライト２およびセメンタイト３に含まれるＭｎやＣｒの含有量（原子％）は、横４ｎｍ程度および縦５ｎｍ程度の間隔である正方格子上の各測定点４にて測定すればよい。各測定点４での測定の積算時間は、５０秒とする。また、データ解析時は、縦にスペクトルを積算する。観察１視野あたり、セメンタイト３およびフェライト２の両方にて、少なくとも５０個の測定点４で測定を行い、平均値の計算し、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比を求める。そして、１０個の観察用試料で、同様の測定を行って、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比の平均値を求める。Ｍｎ分配比やＣｒ分配比は、具体的には、日立製作所製ＨＦ２０００電界放出型電子銃搭載透過電子顕微鏡等を使用して計測することができる。なお、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比は、ＳＥＭ−ＥＤＳ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて測定してもよい。

鋼材の金属組織は、ＳＥＭを用いて観察すればよい。例えば、鋼材（鋼線材）を、長手方向に垂直な断面（Ｃ断面、伸線方向に垂直な断面）が観察面となるように切断し、この観察面の研磨および腐食を行う。そして、この観察面の輪郭線上の一点から重心に向かう線分の距離をＤとしたとき、この観察面上のＤ部（鋼材の中心近傍部）、０．５Ｄ部（鋼材の中心と表層との中間部）、および輪郭線近傍部（鋼材の表層近傍部）を、金属組織の観察領域とする。各観察領域での観察視野を１２５μｍ×９５μｍとし、観察倍率を１０００倍として金属組織写真を撮影する。金属組織写真は、異なる観察視野である少なくとも５視野から撮影する。これらの金属組織写真を用いて、パーライト、初析フェライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトなどの各構成相を同定すればよい。また、必要に応じて、これらの金属組織写真を用いて画像解析を行って、各構成相の面積分率の平均値を求めればよい。なお、検鏡面の面積率は、金属組織の体積率と等しいとみなせる。

鋼材に含まれるセメンタイトのアスペクト比も、ＳＥＭを用いて測定すればよい。上記した金属組織の観察と同様に、観察面上のＤ部、０．５Ｄ部、および輪郭線近傍部を、セメンタイトのアスペクト比の測定領域とする。各観察領域での観察視野を２５μｍ×２０μｍとし、観察倍率を５０００倍として金属組織写真を撮影する。金属組織写真は、異なる観察視野である少なくとも５視野から撮影する。これらの金属組織写真を用いて画像解析を行って、セメンタイトのアスペクト比の平均値を求める。なお、セメンタイトのアスペクト比とは、セメンタイトの長径を短径で除した値である。

以下に、本実施形態に係る鋼材と、先行技術との違いについて説明する。

日本国特開２０１０−１５９４７６号公報で開示される技術では、鋼材をパーライトが主体となる金属組織に制御し、パーライトの平均ブロックサイズを２０μｍ以下に制御することで球状化処理時間の短縮を行っている。この技術では、パーライトブロックサイズを微細化することにより、セメンタイトサイズを小さくして、セメンタイトの球状化を促進させている。実際、この技術によって、セメンタイトの球状化が促進される。一方、本実施形態に係る鋼材では、パーライト中のセメンタイトとフェライトとにそれぞれ含まれるＭｎやＣｒなどの合金元素の含有量に着目し、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比を制御する。この制御によって、セメンタイトの物性が本質的に改善される。その結果、セメンタイトの球状化のための阻害要因が根本的に解消され、球状化処理時間の大幅な短縮が実現できる。

日本国特開２００９−２７５２５０号公報で開示される技術では、球状化処理後の鋼材の金属組織を、平均粒径が１５μｍ以下のフェライトと、平均アスペクト比が３以下でありかつ平均粒径が０．６μｍ以下の球状セメンタイトとからなり、そして、この球状セメンタイトの個数が１ｍｍ^２当たり１．０×１０^６×Ｃ含有量（％）個以上に制御する。この技術によって、冷間加工性が優れた鋼材を得ることができる。しかし、この日本国特開２００９−２７５２５０号公報で開示される技術では、球状化処理前に、減面率４０％以下の伸線加工を行うことが必要である。一方、本実施形態に係る鋼材では、上述のように、球状化処理前の伸線加工などを行うことなしに、冷間鍛造前の球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが同時に可能となる。

上述のように、本実施形態に係る鋼材では、Ｍｎ分配比やＣｒ分配比を好ましく制御することによって、球状化処理時間の短縮が可能となる。加えて、本実施形態に係る鋼材では、合金組成や金属組織を好ましく制御することによって、冷間加工性が向上する。すなわち、本実施形態に係る鋼材では、セメンタイトの物性を本質的に改善することによって、球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが同時に可能となる。

図２に、本実施形態に係る鋼材および従来の鋼材を用いて調査した、球状化処理時間と、セメンタイトの平均アスペクト比との関係を示す。この図２に示すように、本実施形態に係る鋼材では、従来の鋼材と比較して、球状化が容易に進行し、球状化処理時間が大幅に短縮されている。

実施例により本発明の一態様の効果を更に具体的に説明するが、実施例での条件は、本発明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り、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１〜９に示す鋼材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５６を、加熱工程、熱間圧延工程、巻き取り工程、一次冷却工程、二次冷却工程、保持工程、三次冷却工程を含む製造方法によって製造した。表１〜３に、詳しい製造条件を示す。なお、加熱工程では、鋼を１０００℃以上の温度に加熱した。熱間圧延工程では、鋼を線径５．５〜１５．０ｍｍの鋼材（鋼線材）に圧延した。一次冷却工程および二次冷却工程では、浴温度を制御した溶融塩槽に浸漬することで、鋼材を冷却した。一次冷却工程および二次冷却工程での冷却速度は、鋼材の冷却開始温度または溶融塩槽の浴温度を変更することで制御した。保持工程では、浴温度を制御した溶融塩槽に浸漬することで、鋼材を保持してパーライト変態させた。三次冷却工程では、水冷することで、鋼材を冷却した。

製造した鋼材の化学成分、金属組織、Ｍｎ分配比、Ｃｒ分配比、およびセメンタイトのアスペクト比を、上述した方法によって測定した。これらの鋼材の製造結果を表４〜９に示す。なお、表中で、下線付き数値は本発明の範囲外であることを示し、空欄は合金元素を意図的に添加していないことを示し、「−」は未実施であることを示す。

また、表中には示さないが、鋼材Ｎｏ．２、６、２４は、質量％で示した鋼材の炭素含有量をＣとしたとき、鋼材の長手方向に垂直な断面にて、パーライトの面積分率が、１３０×Ｃ％以上１００％未満であり、初析フェライトとベイナイトとの合計の面積分率が、０％超１００−１３０×Ｃ％以下であった。なお、金属組織の構成相の面積分率は、上述した方法によって評価した。

また、製造したこれらの鋼材に、セメンタイト球状化処理を施した。球状化処理の処理条件を表７〜９に示す。そして、球状化処理後の鋼材（球状化処理材）のセメンタイトのアスペクト比が、５以下となる処理時間を調査した。なお、球状化処理材のアスペクト比は、上述した方法によって評価した。セメンタイトのアスペクト比を５以下にするための球状化処理時間が９時間以下である鋼材を、球状化処理時間が短縮されていると判断した。

また、冷間加工性を評価するために、球状化処理材を用いて引張試験を行った。なお、球状化処理材の引張試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１（またはＩＳＯ ６８９２−１：２００９）に準拠して行った。引張試験では、９Ａ号試験片を用いて少なくとも３回の試験を実施し、引張強さおよび絞り値の平均値を求めた。質量％で示した鋼材の炭素含有量をＣとしたとき、引張強さが単位ＭＰａで５３０×Ｃ＋３００以下であり、かつ絞り値が単位％で−３５×Ｃ＋８９以上である鋼材を、冷間加工性に優れると判断した。

球状化処理材の評価結果であるセメンタイトのアスペクト比を５以下にするための球状化処理時間および引張特性を、表７〜９に示す。

表１〜９に示すように、本発明例であるＮｏ．２、４、６、１２、１４、１６、２０、２４、２６、２７、２９、３１、４３、４６、および５６は、化学成分、金属組織、およびＭｎ分配比の何れもが本発明の範囲を満足していた。その結果、球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが同時に達成できた。

一方、比較例であるＮｏ．１、３、５、７〜１１、１３、１５、１７〜１９、２１〜２３、２５、２８、３０、３２〜４２、４４、４５、４７〜５５は、化学成分、金属組織、およびＭｎ分配比の何れかが本発明の範囲を満足しなかった。その結果、球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが同時に達成できなかった。

本発明の上記態様によれば、鋼材の合金組成や金属組織を制御することに加えて、鋼材のパーライト中のセメンタイトとフェライトとにおける合金元素の分配比が好ましく制御される。そのため、冷間鍛造前の球状化処理時間の短縮と、冷間加工性の向上とが同時に達成される鋼材の提供が可能となる。従って、産業上の利用可能性が高い。

１ パーライト
２ フェライト
３ セメンタイト
４ 測定点

（１）本発明の一態様にかかる鋼材は、化学成分が、質量％で、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％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、金属組織が、パーライトを含み、前記パーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＭｎ含有量を、前記パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＭｎ含有量で割った値が、０超５．０以下である。
（２）上記（１）に記載の鋼材では、前記化学成分が、質量％で、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、を含有し、前記パーライト中の前記セメンタイトに含まれる原子％でのＣｒ含有量を、前記パーライト中の前記フェライトに含まれる原子％でのＣｒ含有量で割った値が、０超３．０以下であってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載の鋼材では、前記金属組織が、さらに初析フェライトまたはベイナイトを含み、前記化学成分中の質量％で示した炭素含有量をＣとしたとき、鋼材の長手方向に垂直な断面にて、前記パーライトの面積分率が、１３０×Ｃ％以上１００％未満であり、前記初析フェライトと前記ベイナイトとの合計の面積分率が、０％超１００−１３０×Ｃ％以下であってもよい。
（４）上記（１）または（２）に記載の鋼材では、前記金属組織が、前記パーライトからなってもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の鋼材では、前記化学成分中の質量％で示した炭素含有量をＣとしたとき、前記セメンタイトのアスペクト比が５以下となる球状化熱処理をした後の引張強さが単位ＭＰａで５３０×Ｃ＋３００以下であり、かつ絞り値が単位％で−３５×Ｃ＋８９以上であってもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の鋼材は、鋼線材であってもよい。

Claims (4)

1. 化学成分が、質量％で、
   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％
   を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、
   金属組織が、パーライトを含み、
   前記パーライト中のセメンタイトに含まれる原子％でのＭｎ含有量を、前記パーライト中のフェライトに含まれる原子％でのＭｎ含有量で割った値が、０超５．０以下である
   こと特徴とする鋼材。
2. 前記化学成分が、質量％で、
   Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、
   を含有し、
   前記パーライト中の前記セメンタイトに含まれる原子％でのＣｒ含有量を、前記パーライト中の前記フェライトに含まれる原子％でのＣｒ含有量で割った値が、０超３．０以下である
   こと特徴とする請求項１に記載の鋼材。
3. 前記金属組織が、さらに初析フェライトまたはベイナイトを含み、
   前記化学成分中の質量％で示した炭素含有量をＣとしたとき、鋼材の長手方向に垂直な断面にて、前記パーライトの面積分率が、１３０×Ｃ％以上１００％未満であり、前記初析フェライトと前記ベイナイトとの合計の面積分率が、０％超１００−１３０×Ｃ％以下である
   こと特徴とする請求項１または２に記載の鋼材。
4. 前記金属組織が、前記パーライトからなる
   こと特徴とする請求項１または２に記載の鋼材。

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