CN104204233A - 钢铁材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

将钢铁材料的母材加热到出现奥氏体的温度的AC1点以上，使母材1a、1b中出现奥氏体(S101)。向母材导入推定为使母材的组织全部成为马氏体的温度的Mf点降低至低于室温的量的应变(S102)。防止在室温在在钢铁材料冷却时钢铁材料的组织全部成为马氏体。根据在CCT图上的生成马氏体的区域与外延母材的冷却曲线得到的线相交的冷却速度，将母材冷却到室温(S103)。在所制造的钢铁材料的组织中在室温有奥氏体残留。

Description

钢铁材料的制造方法
技术领域
本发明的一个实施方式涉及钢铁材料的制造方法，涉及通过对钢铁材料的母材实施处理来制造提高了强度和延展性的钢铁材料的钢铁材料的制造方法。
背景技术
摩擦搅拌接合(FSW：Friction Stir Welding)具有以接缝特性为主的各种各样的优异的特性，相对于铝合金而言，开发后很快在各种工业区域中得到应用。另一方面，关于占结构材料的大部分的钢铁材料的摩擦搅拌接合，近年进行了大量的研究。在研究阶段，在下述非专利文献1～3中报告有通过摩擦搅拌接合进行碳素钢的接合。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：W.M.Thomas、另外2名、《科学·技术·焊接·接合4》(Sci.Technol.Weld.Join.4)、1999年、p.365–372
非专利文献2：T.J.Lienert、另外3名、《接合期刊82》(Weld.J.82)、2003年、1s－9s
非专利文献3：A.P.Reynolds、另外3名、《科学·技术·焊接·接合8》(Sci.Technol.Weld.Join.8)、2003年、p.455–460
发明内容
发明所要解决的课题
这里，钢铁材料通过组成和组织等实现机械特性的提高，但是，要兼具高强度和高延展性是极其困难的。在钢铁材料的摩擦搅拌接缝中强度和延展性的提高在实用性方面是极其重要的因素，以机动车为主的各种工业领域也殷切期望这种提高。另外，在除了摩擦搅拌接合以外的轧制和锻造等处理中，使钢铁材料兼具强度提高和延展性提高也是重要的课题。
本发明的一个实施方式是鉴于上述课题而作出的，其目的在于，提供一种钢铁材料的制造方法，其能够制造具有高强度且具有高延展性的钢铁材料。
用于解决课题的技术方案
本发明的一个实施方式，提供一种钢铁材料的制造方法，其包括：加热工序，将钢铁材料的母材加热到奥氏体出现的温度的AC1点以上；应变导入工序，向母材导入推定为使母材的组织全部成为马氏体的温度的Mf点降低至低于使用钢铁材料的温度的量的应变；冷却工序，根据推定为在连续冷却转变曲线图(CCT线图)上的母材中生成马氏体的区域与外延冷却曲线得到的线相交的冷却速度，将实施了加热工序和应变导入工序的母材冷却到高于Mf点的温度。
根据该构成，在加热工序中，将钢铁材料的母材加热到奥氏体出现的温度的AC1点以上。由此，在母材中能够出现奥氏体。在应变导入工序中，向母材导入推定为使母材的组织全部成为马氏体的温度的Mf点降低至低于使用钢铁材料的温度的量的应变。因此，能够防止在室温等使用钢铁材料的温度中，在钢铁材料冷却时钢铁材料的组织全部成为马氏体。在向母材导入应变时，生成铁素体或珠光体的区域也扩大。但是，在冷却工序中，根据推定为在时间和温度的座标平面上表示的钢铁材料的母材连续冷却时的相转变的连续冷却转变曲线图(CCT线图：Continuous Cooling Transformation diagram)的生成马氏体的区域与外延表示相对于母材的温度相对于时间的函数的线即冷却曲线得到的线相交的冷却速度，将实施了加热工序和应变导入工序的母材冷却到高于Mf点的温度。因此，在所制造的钢铁材料的组织中在使用的温度中有奥氏体残留。在对残留有奥氏体的钢铁材料施加外部应力的情况下，受到应变的奥氏体转变为硬质的马氏体，受到应变的部分的强度提高。其结果，能够抑制该部分的变形，产生在相对的低强度的未转变的奥氏体部分传递转变的TRIP效果。因此，能够制造具有高强度且具有高延展性的钢铁材料。
该情况下，还包括检査实施了冷却工序的母材的组织的检査工序，在检査工序中，在判明了母材的组织中未残留奥氏体而生成马氏体时，在接着制造钢铁材料时，进行应变导入工序中的向母材导入的应变的量的增加和奥氏体稳定化元素向母材的添加量的增加中的至少一种，在检査工序中，在判明了母材组织中未残留奥氏体而生成铁素体和珠光体中的任一种时，在接着制造钢铁材料时，进行冷却工序中的冷却速度的增加和抑制扩散转变的元素向母材的添加量的增加中的至少一种。
根据该构成，还包括检査实施了冷却工序的母材的组织的检査工序。在检査工序中，在判明了母材的组织中未残留奥氏体而生成马氏体时，推定Mf点相对于钢铁材料使用的温度未充分降低。于是，在接着制造钢铁材料时，进行应变导入工序中的向母材导入的应变的量的增加和C、Mn、Ni、Cr及Mo等奥氏体稳定化元素向母材的添加量的增加中的至少一种。由此，使Mf点相对于钢铁材料使用的温度充分降低，能够使奥氏体残留。另外，在检査工序中，在判明了母材组织中未残留奥氏体而生成铁素体和珠光体中的任一种时，推定为了回避CTT线图的生成铁素体或珠光体的区域，冷却速度过低，或生成铁素体或珠光体的区域扩大得过大。于是，在接着制造的钢铁材料时，进行冷却工序中的冷却速度的增加和Mo、W、V及Ta等原子半径比Fe大的元素等阻碍扩散转变的元素向母材的添加量的增加中的至少一种。由此，能够回避CCT线图上的生成铁素体或珠光体的区域，且能够使奥氏体残留。
另外，在加热工序和应变导入工序中，一边使棒状的旋转工具的前端部与母材抵接，一边使旋转工具旋转，由此，进行母材的加热和应变向母材的导入，在冷却工序中，通过在一边使旋转工具的前端部与母材抵接一边使旋转工具旋转的状态下使旋转工具的前端部移动、和使旋转工具的前端部从母材离开中的至少任一步骤，能够进行母材的冷却。
根据该构成，在加热工序和应变导入工序中，一边使棒状的旋转工具的前端部与母材抵接，一边使旋转工具旋转，由此，进行母材的加热和应变向母材的导入，在冷却工序中，通过在一边使旋转工具的前端部与母材抵接一边使旋转工具旋转的状态下使旋转工具的前端部移动、和使旋转工具的前端部从母材离开中的至少任一步骤，进行母材的冷却。通过利用这样的摩擦搅拌接合的技术，能够以一个处理进行加热工序、应变导入工序和冷却工序。另外，通过利用摩擦搅拌接合的技术，局部地加热母材和向母材局部地导入应变变得容易。另外，根据该构成，通过调节旋转工具的前端部的移动速度、旋转工具的转数，控制冷却速度变得容易。
发明效果
根据本发明的一个实施方式的钢铁材料的制造方法，能够制造具有高强度且具有高延展性的钢铁材料。
附图说明
图1是表示实施方式的钢铁材料的制造方法中摩擦搅拌接合的形态的立体图。
图2是图1的旋转工具的立体图。
图3是表示实施方式的钢铁材料的工序的流程图。
图4是钢铁材料1的状态图。
图5是钢铁材料2的CCT图。
图6是表示通过在钢铁材料中导入应变，在CCT图中生成珠光体的区域和生成马氏体的区域变动的作用的图。
图7是表示齐纳-霍洛蒙(Zener-Hollomon)因子与Ms点的关系的图表。
图8是表示通过添加Mo而生成珠光体的区域变动的作用的图。
图9是表示实施方式的钢铁材料的制造方法中摩擦搅拌接合的其它形态的立体图。
图10是表示实验例1的钢铁材料1的化学组成的表。
图11(a)～(d)是表示实验例1的钢铁材料1的搅拌部的相图，是表示在各种旋转速度100rpm、200rpm、300rpm和400rpm时的搅拌部的相图。
图12是表示实验例1的母材和各种旋转速度的平行部的宽度为5mm的试样的抗拉强度的图表。
图13是表示实验例1的母材和各种旋转速度的平行部的宽度为5mm的试样的伸长的图表。
图14是表示实验例1的母材、在旋转速度100rpm时的试样和在旋转速度300rpm时的试样的公称应力－公称塑性应变曲线的图表。
图15是表示实验例2的钢铁材料2和钢铁材料3的化学组成的表。
图16是表示实验例2的钢铁材料2的母材的EBSD相分布图的图。
图17是表示实验例2的钢铁材料2在旋转速度400rpm－接合速度100mm/min时的搅拌部的EBSD相分布图的图。
图18是表示实验例2的钢铁材料2在旋转速度400rpm－接合速度400mm/min时的搅拌部的EBSD相分布图的图。
图19是表示实验例2的钢铁材料2的母材和在旋转速度400rpm－接合速度400mm/min时的公称应力‐公称应变曲线的图表。
图20是表示实验例2的钢铁材料3的母材的fcc方位图的图。
图21是表示实验例2的钢铁材料3在旋转速度200rpm－接合速度400mm/min时的母材的fcc方位图的图。
图22是表示实验例2的钢铁材料3在旋转速度300rpm－接合速度400mm/min时的母材的fcc方位图的图。
图23是表示实验例2的钢铁材料3在旋转速度400rpm－接合速度400mm/min时的母材的fcc方位图的图。
图24是表示实验例3的钢铁材料4的化学组成的表。
图25是表示实验例3的不同的旋转速度时的搅拌部的XRD图形的图表。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式的钢铁材料的制造方法的实施方式进行详细地说明。在本实施方式中，利用摩擦搅拌接合的技术制造提高了强度和延展性的钢铁材料。首先，简单地对摩擦搅拌接合进行说明。
如图1所示，在摩擦搅拌接合中，使板状的钢铁材料的母材1a、1b的端部彼此对接形成搅拌部20，接合母材1a、1b。在母材1a、1b的搅拌部20上，使旋转工具100的前端的探针102抵接，且根据后述的规定的条件使之旋转，再使旋转工具100沿搅拌部20的长度方向根据后述的规定的条件移动，由此，在搅拌部20制造提高了强度和延展性的钢铁材料。此时，也可以使旋转工具100沿搅拌部20的长度方向通过2次以上。
母材1a、1b能够使用例如铁素体钢、Cr-Mo钢和高碳素钢。在母材1a、1b的搅拌部20上，根据状况，能够填充添加材料10。作为添加材料10能够使用制成粉状或粒状的C、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V及Ta等。另外，作为添加材料10，也能够将制成板状或薄片状的C、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V及Ta等配置于搅拌部20上或除了搅拌部20上以外的母材1a、1b的表面。或者，添加材料10不仅限于搅拌部20，也可以在母材1a、1b的整体的组成中添加。
如后所述，在本实施方式中，搅拌部20的冷却速度成为重要因素，在搅拌部20的上面或下面，也可以配置通过使冷却的制冷剂循环从外部强制地冷却搅拌部20的冷却装置。作为此时的冷却装置，例如，能够为向搅拌部20供给液体CO2、液体氮和水等的装置。
在本实施方式中，准备图2所示的旋转工具100。旋转工具100形成为大致圆筒状，具备比前端的肩部101小径的大致圆柱状的探针102。旋转工具100的材质可以是由例如，日本工业标准中规定的SKD61钢等工具钢、以碳化钨(WC)为主成分的超硬合金、或Si3N4等陶瓷构成的。
下面，对利用了上述的摩擦搅拌接合的技术的钢铁材料的制造方法进行说明。如图3所示，在母材1a、1b的搅拌部20上使旋转工具100的前端的探针102一边抵接一边旋转，由此，母材1a、1b的搅拌部20被加热到奥氏体出现的温度的AC1点以上(S101)。如图4的钢铁材料1的状态图所示，钢铁材料1等钢铁材料在加热到AC1点以上的温度时，在图中γ所示的区域出现奥氏体。例如，在钢铁材料1中，AC1点为840℃。由于在钢铁材料的组织中残留有奥氏体，因此，能够制成如后所述的具有高强度且具有高延展性的钢铁材料。此外，钢铁材料的每种组成的AC1点能够通过下式(1)求出。另外，摩擦搅拌处理时的加入搅拌部20的热量Q能够通过下式(2)求出。
AC1[℃]＝723-10.7Mn[mass％]-16.9Ni[mass％]+29.1Si[mass％]+16.9Cr[mass％]+290As[mass％]+6.38W[mass％]...(1)
Q＝4/3π2μPNR3·1/t·1/v...(2)
其中：
μ：摩擦系数，P：搅拌部的压力
N：旋转工具的旋转速度，
R：肩部的直径，t：搅拌部的板厚
γ：旋转工具的移动速度
但是，如图5的在时间和温度的座标平面上表示钢铁材料2的连续冷却时的相变的CCT图(Continuous Cooling Transformation diagram：连续冷却转变曲线图)所示，钢铁材料在从超过AC1点的温度冷却到室温附近时，产生从奥氏体向马氏体、从奥氏体向铁素体或珠光体的转变。如图5所示，根据快的冷却速度的冷却曲线Cr1～Cr3冷却到马氏体出现的温度的低于Ms点的钢铁材料中，如图中的M区域所示，产生由奥氏体向延展性差的马氏体的转变。另外，通过慢的冷却速度的冷却曲线Cr4～Cr8冷却到比铁素体出现的温度的Fs点、珠光体出现的温度的Ps点低的温度的钢铁材料中，如图中的F和P区域所示，产生从奥氏体向铁素体、珠光体的转变。因此，一般而言，在加热处理后冷却到室温的钢铁材料的组织中没有奥氏体残留。此外，每种钢铁材料的组成的Ms点通过下式(3)求出。
MS[℃]＝539-423C[mass％]-30.4Mn[mass％]-17.7Ni[mass％]-12.1Cr[mass％]-7.5Mo[mass％]...(3)
于是，在本实施方式中，如图3所示，通过向母材1a、1b的搅拌部20导入推定为使母材1a、1b的组织全部成为马氏体的温度的Mf点降低到低于使用钢铁材料的温度的量的应变，在母材1a、1b的搅拌部20的组织中残留有奥氏体(S102)。如图6所示，在向母材1a、1b的搅拌部20导入应变时，马氏体出现的温度的Ms点降低。随着Ms点的降低，低于Ms点的温度且母材1a、1b的组织全部成为马氏体的温度的未图示的Mf点也降低。在应变量足够大的情况下，Mf点和Ms点这两点也均降低到低于室温(20℃)的温度。由此，即使使用钢铁材料的温度为室温，在母材1a、1b的组织中也可能残留奥氏体。此外，在本实施方式中，通过将Mf点降低到低于使用钢铁材料的温度，能够在使用钢铁材料的温度中残留有奥氏体，但是，为了在钢铁材料的组织整体残留有奥氏体，能够使Ms点降低到低于使用钢铁材料的温度。
在本实施方式中，向母材1a、1b的搅拌部20的应变的导入，与通过边在母材1a、1b的搅拌部20上使旋转工具100的前端的探针102抵接边使其旋转，加热到AC1点以上能够通过一个处理同时进行。利用这样的摩擦搅拌接合的技术导入的应变量能够通过下式(4)求出。此外，在下式(4)中，ε为应变(在下式中，ε为以时间微分得到的每单位时间的应变的导入量，即应变速度)，Rm为旋转工具100的旋转速度的1/2的值，re为搅拌部20的有效(平均)半径，Le为搅拌部20的有效(平均)深度。这些值能够通过调整旋转工具100的旋转速度、肩部101的直径、探针102的直径和探针102的长度进行控制。
ϵ · = R m · 2 πr e L e . . . ( 4 )
但是，由于应变的导入引起的使Mf点和Ms点降低的效果在母材1a、1b的温度越高时越降低。因此，如下式(5)所示进行温度的补偿的Zener-Hollomon因子Z用于算出应变的导入引起的使Mf点和Ms点降低的效果。如图7所示，判明随着Zener-Hollomon因子Z的自然对数的减少，Ms点降低。此外，在下式(5)中，R为1mol的气体常数，TC为铁的居里温度。
Z = ϵ · exp ( Q RT ) . . . ( 5 )
Q：２４1kj·mol-1(T＞TC)，254kj·mol-1(T＜TC)
回到图3，母材1a、1b的搅拌部20冷却到使用钢铁材料的温度(S103)。这里，如图6所示，向母材1a、1b的搅拌部20导入应变，Mf点和Ms点降低时，同时生成珠光体的区域也扩大。在如图6所示的CCT图上的母材1a、1b的搅拌部20，在生成珠光体的区域内结束母材1a、1b的搅拌部20的冷却时，母材1a、1b的搅拌部20的组织成为珠光体，可能不残留奥氏体。
因此，在本实施方式中，如图6所示，根据推定为在CCT线图上的母材1a、1b的搅拌部20的生成马氏体的区域与外延母材1a、1b的搅拌部20的冷却曲线得到的线相交的冷却速度，将母材1a、1b的搅拌部20冷却到至少高于Mf点，例如高于Ms点的温度(S103)。由此，在冷却后的母材1a、1b的搅拌部20残留有奥氏体。
此外，在母材1a、1b的搅拌部20冷却时，即使表示母材1a、1b的搅拌部20的温度相对于时间的函数的线与生成珠光体的区域相交，最终如果在生成珠光体的区域外结束冷却，则残留有奥氏体。但是，为了在钢铁材料的组织整体残留有奥氏体，在母材1a、1b的搅拌部20冷却时，表示母材1a、1b的搅拌部20的温度相对于时间的函数的线能够不与生成珠光体的区域相交。
在本实施方式中，就母材1a、1b的搅拌部20的冷却而言，与在一边使旋转工具100的前端的探针102与母材1a、1b的搅拌部20上抵接一边旋转的状态下，使旋转工具100的前端沿搅拌部20移动，由此，向搅拌部20的加热和应变的导入能够以一个处理同时进行。能够通过使旋转工具100的旋转速度或移动速度(接合速度)增加而使冷却速度增加，通过使旋转工具100的旋转速度或移动速度(接合速度)降低而使冷却速度降低。
接着，收集母材1a、1b的搅拌部20的标本，进行标本的组织检査(S104)。标本的检査，例如，能够通过EBSD(Electron Back-ScatterDiffraction：电子背散射衍射)、XRD(X-ray Diffraction：X射线衍射)进行。在所检査的标本的组织中残留有奥氏体的情况下(S105)，在制造接下来的钢铁材料时，可以维持在S102导入的应变量和S103的冷却速度的条件即旋转工具100的肩部101的直径、探针102的直径、探针102的长度、旋转速度和移动速度(S106)。
在所检査的标本的组织中未残留奥氏体而生成马氏体的情况下(S105)，推定在S102中Ms点和Mf点未能充分降低。此时，在制造接下来的钢铁材料时，在S102中，进行应变量的增加和添加材料10中的C、Mn、Ni、Cr及Mo等奥氏体稳定化元素向母材1a、1b的添加量的增加中的至少一种(S107)。应变量的增加能够通过上式(4)(5)的应变ε或Zener-Hollomon因子Z的增大实现。具体而言，通过旋转工具100的转数的增加、肩部101的直径的增加和探针102的直径的增加，能够使应变量增大。另外，通过使摩擦搅拌处理的搅拌部20的温度降低，也能够使应变量增大。
另外，如上式(3)所示，Ms点尤其是在C的添加量越多时越降低，因此，通过添加材料10中的C量的增加，能够使Ms点进一步降低。关于Mf点也同样。此外，使Ms点和Mf点降低的效果，C的添加量的影响最大，因此，通过控制添加材料10中的C量，能够控制Ms点和Mf点的降低程度。但是，通过使添加材料10中的Mn、Ni、Cr及Mo中的任一种的量增大，也能够使Ms点和Mf点的降低程度增大。
在所检査的标本的组织中未残留有奥氏体而生成铁素体或珠光体的情况下(S105)，推定为在S103中冷却速度过低，或生成铁素体或珠光体的区域扩大得过大，因此，在图6所示的生成铁素体或珠光体的区域结束冷却。此时，在制造接下来的钢铁材料时，在S103中，进行冷却速度的增加和添加材料10中向母材1a、1b添加的Mo、W、V及Ta等原子半径比Fe大的元素等抑制扩散转变的元素的量的增加中的至少一种(S108)。冷却速度的增加通过使旋转工具100的旋转速度或移动速度(接合速度)增加来实现。或者，通过使设置于母材1a、1b的搅拌部20的上部或下部的冷却装置的冷却量增大来实现。作为该冷却装置，通过液体CO2的使用量的增加等，能够使来自外部的强制的冷却量增大。
另外，如图8所示，生成珠光体或铁素体的区域在向母材1a、1b的添加材料10中的Mo、W、V及Ta等的原子半径比Fe大的元素等抑制扩散转变的元素的量越多时越减少。这可以认为是如图6所示，在向搅拌部20导入应变时，生成珠光体或铁素体的区域随之增大，在添加了Mo、W、V及Ta那样的比Fe大的原子后，抑制扩散转变，抑制生成珠光体或铁素体的区域增大的作用。因此，通过增加添加材料10中的Mo、W、V及Ta等抑制扩散转变的原子半径比Fe大的元素的量，即使是同一冷却速度，能够不在生成铁素体或珠光体的区域、而在奥氏体残留的区域使冷却结束。
通过如上所述控制的条件，制造接下来的钢铁材料(S109)。此外，在S105中，即使在残留有奥氏体的情况下，在生成马氏体的情况下进行S107工序，在生成铁素体或珠光体的情况下进行S108工序，由此，在接下来的钢铁材料的制造中，能够制造残留有更多的奥氏体的钢铁材料。
在本实施方式中，钢铁材料的母材1a、1b加热为奥氏体出现的温度的AC1点以上(S101)。由此，能够在母材1a、1b使奥氏体出现。向母材导入推定为使母材1a、1b的组织全部成为马氏体的温度的Mf点降低至低于室温的量的应变(S102)。因此，能够防止在钢铁材料冷却到室温时钢铁材料的组织全部成为马氏体。
向母材1a、1b导入应变时，生成铁素体或珠光体的区域也扩大。但是，根据推定为在时间和温度的座标平面上表示将钢铁材料的母材连续地冷却时的相变的连续冷却转变曲线图(CCT线图：ContinuousCooling Transformation diagram)上的生成马氏体的区域与外延母材1a、1b的温度相对于时间的函数即冷却曲线得到的线相交的冷却速度，母材1a、1b冷却到室温(S103)。因此，在所制造的钢铁材料的组织中在室温中残留奥氏体。
在对残留有奥氏体的钢铁材料施加外部应力的情况下，受到应变的奥氏体转变为硬质的马氏体，受到应变的部分的强度提高。其结果，该部分的变形被抑制，产生向相对低强度的未转变的奥氏体部分传递转变的TRIP效果。因此，能够制造具有高强度且具有高延展性的钢铁材料。
在本实施方式中，不是通过钢铁材料的整体的化学组成制成具有高强度和高延展性的钢铁材料，而是通过对钢铁材料的母材的整体的或局部施加处理，能够制造具有高强度和高延展性的钢铁材料。例如，在汽车的构造部件的特定部位，对于碰撞时的冲击，有必要通过高强度来维持车体的形状，并且通过高延展性来吸收冲击，保护乘员。但是，根据本实施方式，能够对钢铁材料的母材的特定部位施加局部的处理，仅在特定部位能够具备高强度和高延展性。在汽车的构造部件中应用这样的本实施方式的钢铁材料的情况下，在碰撞时的变形中强度换换地上升，因此，在碰撞时能够降低对于乘员的冲击。因此，实施了本实施方式的处理的汽车的构造部件能够期待显示优异的碰撞安全性。因此，本实施方式在工业上的利用性极高。
另外，在本实施方式中，还包括检査母材1a、1b的组织的工序(S104)。在判明了母材的组织中未残留奥氏体而生成马氏体时(S105)，推定Mf点没有相对于室温充分降低。因此，在接着制造钢铁材料时，进行S102中向母材1a、1b导入的应变的量的增加和C、Mn、Ni、Cr及Mo等奥氏体稳定化元素向母材1a、1b的添加量的增加中的至少一种(S107)。由此，能够使Mf点相对于室温降低到充分低，使奥氏体残留。
另外，在判明了在母材1a、1b的组织中未残留奥氏体而生成铁素体和珠光体中的任一种时(S105)，推定为了回避CCT线图上的生成铁素体或珠光体的区域，冷却速度低过，或生成铁素体或珠光体的区域扩大得过大。因此，在接着制造钢铁材料时，进行S103的冷却速度的增加和Mo、W、V及Ta等原子半径比Fe大的元素等抑制扩散转变的元素向母材1a、1b的添加量的增加中的至少一种(S108)。由此，能够回避CCT线图上的生成铁素体或珠光体的区域，使奥氏体残留。
另外，在本实施方式中，通过一边使棒状的旋转工具100的前端部与母材1a、1b抵接，一边使旋转工具100旋转，由此，进行母材1a、1b的加热和应变向母材1a、1b的导入，通过在一边使旋转工具100的前端部与母材1a、1b抵接一边使旋转工具100旋转的状态下使旋转工具100的前端部移动，进行母材100的冷却。通过利用这种摩擦搅拌接合的技术，能够以一个处理进行加热、应变的导入和冷却。另外，通过利用摩擦搅拌接合的技术，局部地加热母材1a、1b和向母材1a、1b局部地导入应变变得容易。另外，在本实施方式中，通过调节旋转工具100的前端部的移动速度、旋转工具100的转数，控制冷却速度变得容易。
此外，本发明不仅限于上述实施方式，能够进行各种各样的变形方式。例如，在上述实施方式中，主要说明了通过在一边使旋转工具100的前端部与母材1a、1b抵接一边使旋转工具100旋转的状态下使旋转工具100的前端部移动，将母材1a、1b彼此接合，在接合的搅拌部20产生钢铁材料的方式。但是，在本发明的其它的实施方式中，也可以通过在一边使旋转工具100的前端部与母材1a、1b抵接一边使旋转工具100旋转的状态下使旋转工具100的前端部在单个或多个部位停止的点状型的摩擦搅拌接合的技术，在搅拌部20产生钢铁材料。此时，母材1a、1b的冷却能够通过使旋转工具100的前端部从母材1a、1b分离来进行。冷却速度的控制能够通过调节旋转工具100的拔出速度和旋转速度等进行。
或者，如图9所示，也可以使板状的母材1a、1b重合，在其间填充粉状或粒状的添加材料10，或配置板状或片状的添加材料10制成搅拌部20，通过使旋转工具100与母材1a抵接且使其旋转，在母材1a上移动，由此，以与将搅拌部20搅拌重合接合类似的方式进行摩擦搅拌处理。此时，也能够为不伴随旋转工具100的移动的点状型的摩擦搅拌处理。
或者，也可以不伴随母材彼此的接合，在向单一的母材1a的表面供给了粉状、粒状、板状或片状的添加材料10后，使旋转工具100一边与母材1a抵接一边旋转，使之在母材1a上移动，由此，通过搅拌搅拌部20，对搅拌部20的组织进行改质，在搅拌部20产生钢铁材料。此时，也能够为不伴随旋转工具100的移动的点状型的摩擦搅拌处理。此外，在上述的各种各样的摩擦搅拌接合及摩擦搅拌处理中，在不必要的情况下能够省略添加材料10的配置。
另外，在上述实施方式中，说明了通过利用摩擦搅拌处理制造具有高强度和高延展性的钢铁材料的方式。但是，本发明的实施方式不仅限于此，只要以与本发明的实施方式中规定的条件相一致的方式进行对钢铁材料的母材的加热、应变的导入和冷却，除了摩擦搅拌处理以外也能够制造具有高强度和高延展性的钢铁材料。例如，钢铁材料的母材的加热也能够通过规定的热源等进行。另外，应变向钢铁材料的母材的导入也能够通过轧制和锻造等处理进行。另外，钢铁材料的母材的冷却能够通过规定的冷却装置进行。
(实验例1)
以下，对本实施方式的实验例进行说明。对于具有图10所示的化学组成的钢铁材料1，利用摩擦搅拌接合的技术在接合部生成了钢铁材料。作为旋转工具，使用了WC超硬合金工具。使用了以没有螺栓的圆柱状的探针和具有10°的凹部倾斜的肩部为特征的单纯形状的工具。使长度200mm×宽度50mm×厚度1.5mm的钢铁材料1的平板的端部彼此对接，通过摩擦搅拌接合进行了接合。接合条件设为：肩部的直径＝12mm、探针的直径＝4mm、探针的长度＝1.3mm、旋转工具的倾斜＝3°。旋转速度设为100～400rpm，接合速度设为一定，为100mm/min。钢铁材料1在750℃以上时容易急剧地软化，因此，尽可能减少荷重进行接合。接合时作为用于防止旋转工具和搅拌部氧化的保护气体使用了30l/min的流量的氩气。为了进行旋转工具和接合装置的冷却安装了水冷的冷却台。
进行了搅拌部的检査。如图11(a)～(d)的相图所示，能够确认：钢铁材料1的母材组织为铁素体和回火马氏体，但是随着旋转速度的增加，图中黑、灰、白三色中以灰色表示的残留奥氏体的量增加。
对于母材及通过各旋转速度获得的接合接缝，以试验片的平行部的宽度为5mm进行了抗拉试验。如图12所示，判定为：残留奥氏体的量多的旋转速度300rpm及400rpm的接合接缝与母材(BM)及由其它的旋转速度获得的接合接缝相比，抗拉强度增大。另外，如图13所示，判定：残留奥氏体量多的旋转速度300rpm及400rpm的接合接缝的抗拉强度提高，尽管如此，与母材(BM)及由其它的旋转速度获得的接合接缝相比，伸长也增大。即，如图14所示，判明：残留奥氏体量多的旋转速度300rpm的接合接缝与母材及旋转速度100rpm的接合接缝相比，强度和延展性两方面均得到提高。
(实验例2)
对具有图15所示的化学组成的钢铁材料2及钢铁材料3，利用摩擦搅拌接合的技术在接合部生成了钢铁材料。接合条件设为：肩部的直径＝12mm、探针的直径＝4mm、探针的长度＝1.4mm。作为接合条件，设为：旋转工具的旋转速度＝200～400rpm、接合速度＝100、400mm/min、从旋转工具向母材的接合荷重＝1500～3300kg、钢铁材料2及钢铁材料3的板厚＝1.6mm。对于钢铁材料2，将旋转速度设为一定，为400rpm，将接合速度变化为100及400mm/min。对于钢铁材料3，将接合速度设为一定，为400mm/min，将旋转速度变化为200、300及400rpm。
利用EBSD检査了接合部。在图16所示的钢铁材料2的母材、和图17所示的钢铁材料2的旋转速度400rpm－接合速度100mm/min的条件下的接合部，判明图中以灰色表示的残留奥氏体少。另一方面，在图18所示的钢铁材料2的旋转速度400rpm－接合速度400mm/min的条件下的接合部，判明图中以灰色表示的残留奥氏体多。对母材及通过各接合速度获得的接合接缝，进行了抗拉试验。如图19所示，判明为残留奥氏体的量多的接合速度400mm/min的接合接缝与母材相比，在强度和延展性方面均提高。
另外，在图21所示的钢铁材料3的旋转速度400rpm－接合速度100mm/min的条件下的接合部，判明为与图20、图22～23所示的钢铁材料3的母材及以其它的旋转速度的接合部相比，图中以明亮的颜色表示的残留奥氏体多。
(实验例3)
对于具有图24所示的化学组成的钢铁材料4，利用摩擦搅拌接合的技术在接合部生成了钢铁材料。设为板厚＝2mm、旋转工具的旋转速度＝100～400rpm，旋转工具的移动速度设为一定，为100mm/min。旋转工具为超硬合金制，设为肩部的直径＝12mm、探针的直径＝4mm、探针的长度＝1.8mm。利用XRD检査了所得到的接合部。如图25所示，判明在旋转速度增加时残留奥氏体(γ)的峰值变大。
工业上的可利用性
根据本发明的一个实施方式的制造方法，能够制造具有高强度且具有高延展性的钢铁材料。
符号说明
1a、1b 母材
10     添加材料
20     搅拌部
100    旋转工具
101    肩部
102    探针

Claims (3)

1.一种钢铁材料的制造方法，其特征在于，包括：
加热工序，将钢铁材料的母材加热到奥氏体出现的温度的AC1点以上；
应变导入工序，向所述母材导入推定为使所述母材的组织全部成为马氏体的温度的Mf点降低至低于使用所述钢铁材料的温度的量的应变；
冷却工序，根据推定为在连续冷却转变曲线图(CCT线图)上的所述母材中生成马氏体的区域与外延冷却曲线得到的线相交的冷却速度，将实施了所述加热工序和所述应变导入工序的所述母材冷却到高于所述Mf点的温度。
2.如权利要求1所述的钢铁材料的制造方法，其特征在于：
还包括检査实施了所述冷却工序的所述母材的组织的检査工序，
在所述检査工序中，在判明了所述母材的组织中未残留奥氏体而生成马氏体时，在接着制造所述钢铁材料时，进行所述应变导入工序中的向所述母材导入的应变的量的增加和奥氏体稳定化元素向所述母材的添加量的增加中的至少一种，
在所述检査工序中，在判明了所述母材组织中未残留奥氏体而生成铁素体和珠光体中的任一种时，在接着制造所述钢铁材料时，进行所述冷却工序中的所述冷却速度的增加和抑制扩散转变的元素向所述母材的添加量的增加中的至少一种。
3.如权利要求1或2所述的钢铁材料的制造方法，其特征在于：
在所述加热工序和所述应变导入工序中，一边使棒状的旋转工具的前端部与所述母材抵接，一边使所述旋转工具旋转，由此，进行所述母材的加热和应变向所述母材的导入，
在所述冷却工序中，通过进行在一边使所述旋转工具的所述前端部与所述母材抵接一边使所述旋转工具旋转的状态下使所述旋转工具的所述前端部移动、和使所述旋转工具的所述前端部从所述母材离开中的至少任一步骤，进行所述母材的冷却。
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