JP2000096137A - 微細結晶粒組織鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶粒が３μｍ以下に微細化されており、靭
性を良好に保ちつつ高強度を達成することのできる新規
な微細結晶粒組織鋼の製造方法を提供する。 【解決手段】 Ｃ：０．０１〜０．３％（質量％の意
味、以下同じ），Ｓｉ：０．０１〜２％，Ｍｎ：０．１
〜２％を含有する鋼を熱間加工して鋼材を製造する方法
において、一連の熱間加工の終段において、フェライト
相の占有率が面積率で５〜７０％であるフェライト・オ
ーステナイト２相状態の鋼を、歪み速度：０．０５〜２
０／秒、総歪み量：０．８〜３．０の条件で１パス加工
するか；若しくは、２パス以上加工する場合は、各パス
における歪み速度：０．０５〜２０／秒、総歪み量：
１．０〜３．０、パス間時間：５秒以内の条件で加工し
た後、少なくとも５５０℃までの温度範囲を５℃／秒以
上の冷却速度で冷却する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、合金元素をあまり
含まない高強度鋼の製造方法に関し、詳細には、微細結
晶粒組織を有する鋼を効率よく製造する方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鋼構造物の大型化や鋼製品の軽量
化に対するニーズが急増するに伴い、従来よりも強度の
高められた高強度鋼の提供が切望されており、同時に、
省資源、省エネルギーの観点から材料のリサイクル性も
望まれている。

【０００３】この様な要求特性に対し、リサイクル性は
考慮されていないが従来より知られている鋼材の強化方
法として、固溶強化法、マルテンサイトやベイナイトの
様な硬い組織による強化法、析出強化法、加工硬化等に
よる転位強化法、結晶粒の微細化による強化法などが挙
げられる。上記方法の中でも結晶粒の微細化による強化
法は、強度のみならず靭性を高め、強度−延性のバラン
スを良好ならしめる方法として最適であると考えられ
る。また、結晶粒の微細化は加工熱処理を適正にするこ
とにより行われ、合金元素等の添加を抑えることができ
る点で、鋼材のリサイクル性にも優れた強化方法と言う
ことができ、前述の要求特性に応え得る方法である。

【０００４】従来より鋼材の結晶粒微細化法は種々提案
されているが、いずれの方法も微細化が充分行われてい
るとは言い難い。例えば微細化方法としては下記（１）
〜（３）の方法が挙げられる。

【０００５】（１）変態前のオーステナイト相の結晶粒
微細化 オーステナイト−フェライト変態では変態時の核生成が
主にオーステナイトの粒界上で起こる為、オーステナイ
トの粒径を小さくし、粒界面積を大きくすることにより
変態の核生成頻度を高める方法は、変態後のフェライト
粒を微細化するのに有効である。ここで、オーステナイ
ト粒を微細化するには、オーステナイトの加工による再
結晶法やフェライト−オーステナイトの逆変態を利用す
る方法等が効果的である。

【０００６】（２）変態前のオーステナイトへの歪の蓄
積 オーステナイトを未再結晶温度域で加工すると、加工歪
の一部が蓄積される結果、これがフェライト変態時の核
生成場所となって変態の核生成頻度が増加するので変態
後のフェライト粒を微細化するのに有効である。

【０００７】（３）変態時の過冷度を高くする。

【０００８】オーステナイト−フェライト変態時の冷却
速度を速くし、過冷度を高くすることにより変態核の生
成数が多くなるので、変態後のフェライト粒を微細化す
るのに有効である。

【０００９】しかしながら、上記（１）〜（３）の微細
化法には限界があり、実操業レベルにおいて３μｍ以下
のフェライト粒を得るのは極めて困難である。

【００１０】まず（１）、（２）の方法によれば、比較
的高温でフェライト粒が微細化する為、その後の結晶粒
成長により微細化の程度には限界がある。また、（３）
の方法は比較的低温で変態させる為、フェライト粒の成
長は或る程度抑制できるものの、あまり過冷し過ぎると
マルテンサイト等の過冷組織が生成するため、やはり微
細化の程度には限界がある。

【００１１】上記方法の他、鋼を熱間圧延するに際し、
オーステナイトとフェライトの２相混合状態で圧下する
方法がある（特公昭６２−５２１２号、特公昭６２−７
２４７号）。これは、所定の鋼を熱間圧延するに際し、
該熱間圧延の終段において、極めて短時間に所定の加工
を行った後、該熱間加工終了後短時間内に冷却するとい
う方法であり、オーステナイト領域は未再結晶温度域に
あり、これに加工が加わるので前述の（２）の方法に相
当し、フェライト領域は加工により再結晶を起こし、微
細化するというものである。ところが、一般にフェライ
ト相は再結晶を起こし難く、上記方法により所望の微細
化組織を得る為には際めて短時間内に強加工することを
余儀なくされ、更に結晶粒の成長を抑制する為に、加工
直後に急冷する工程が不可欠であった。具体的には、熱
間加工の終段において１〜２秒以内に５０〜９０％の圧
下加工を行うと同時に、その後２０℃／ｓ以上の速度で
冷却する工程が必要となり、実操業レベル上、極めて難
しい製造条件となっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
着目してなされたものであり、その目的は、従来よりも
簡便な製造条件によって結晶粒径を３μｍ以下に微細化
することができ、靭性を良好に保ちつつ高強度を達成す
ることのできる新規な微細結晶粒組織鋼の製造方法を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し得た本
発明の製造方法とは、Ｃ：０．０１〜０．３％（質量％
の意味、以下同じ），Ｓｉ：０．０１〜２％，Ｍｎ：
０．１〜２％を含有する鋼を熱間加工して鋼材を製造す
る方法において、一連の熱間加工の終段において、フェ
ライト相の占有率が面積率で５〜７０％であるフェライ
ト・オーステナイト２相状態の鋼を、歪み速度：０．０
５〜２０／秒、総歪み量：０．８〜３．０の条件で１パ
ス加工するか；若しくは、２パス以上加工する場合は、
各パスにおける歪み速度：０．０５〜２０／秒、総歪み
量：１．０〜３．０、パス間時間：５秒以内の条件で加
工した後、少なくとも５５０℃までの温度範囲を５℃／
秒以上の冷却速度で冷却するところに要旨を有するもの
である。

【００１４】ここで、上記鋼が、更にＮｂ：０．０５％
以下（０％を含まない），Ｔｉ：０．１％以下（０％を
含まない），およびＶ：０．１％以下（０％を含まな
い）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有す
るものは本発明の好ましい態様である。

【００１５】

【発明の実施の形態】前述した様に、鋼の結晶粒を微細
化すれば靱性を良好に保ちながら強加工を向上させるこ
とは知られているが、従来提案されている結晶粒微細化
法では、結晶粒径を３μｍ以下に微細化することは困難
であり、たとえ所望の粒径に微細化し得たとしても、そ
の為に加工条件や冷却条件を厳密に制御しなければなら
ず、実用性に欠けるものであった。

【００１６】そこで本発明者らは、３μｍ以下の結晶粒
からなる微細結晶粒組織鋼を従来よりも簡便且つ容易な
方法で効率よく得ることのできる新規な製造方法を提供
すべく鋭意検討した結果、上記構成要件を採用すること
により所望の目的が達成されることを見出し、本発明を
完成したのである。

【００１７】本発明法は、基本的にはフェライト相とオ
ーステナイト相の２相状態で強加工することにより結晶
粒を微細化する方法を採用するものである。前述の特公
昭６２−５２１２号や特公昭６２−７２４７号に記載の
方法も、この方法を採用したものであるが、極めて短時
間内に強加工と急冷を行わなければならず、実操業上の
製造管理が極めて困難であるという不具合を抱えてい
た。これに対し、本発明法はフェライト・オーステナイ
ト２相状態におけるオーステナイト相の未再結晶温度域
加工における微細化およびフェライト相の再結晶による
微細化を両立せしめ、且つフェライト−オーステナイト
相界面の粒界移動抑制効果により粒成長が抑制される最
適なフェライト相の占有率を突き止めたところに最重要
ポイントを有するものであり、この様なフェライト占有
率からなるフェライト−オーステナイト２相状態の鋼を
用いれば、従来よりも緩やかで且つ簡便な加工・冷却条
件を施したとしても、３μｍ以下の結晶粒径からなる微
細結晶粒組織鋼が容易に得られるところに技術的意義が
存在するものである。

【００１８】以下、本発明法を構成する鋼組成、加工・
冷却条件、加工時における組織の限定理由について説明
する。まず、本発明法に用いられる鋼の成分組成につい
て説明する。

【００１９】Ｃ：０．０１〜０．３％ 本発明は強度向上を主たる目的とするものであり、Ｃ濃
度が低すぎると強度が低くなる為、Ｃの下限値を０．０
１％とする。一方、Ｃが０．３％を超えると変形抵抗が
増大し、強加工が困難になる為、その上限値を０．３％
とした。

【００２０】Ｓｉ：０．０１〜２％ Ｓｉは脱酸元素としてのみならず、鋼の強化元素として
有効であるが、０．０１％未満ではその効果が得られな
い。また、ＳｉはＡ₃ 点を高くし、フェライトの再結晶
が起こり易い高温域まで２相域を広げることができるの
で有用であるが、２％を超えると靭性や延性が劣化して
しまう。従って、Ｓｉの上限値を２％以下とする。

【００２１】Ｍｎ：０．１〜２％ Ｍｎは鋼の強化元素として有効であるが、０．１％未満
ではその作用を発揮させることができない。一方、２％
を超えると靭性や延性が劣化してしまうので、その上限
を２％とする。

【００２２】本発明では、上記元素を必須的に含有する
鋼を使用するものであり、残部：鉄および不可避的不純
物からなるものであるが、より優れた作用を発揮させる
ことを目的として、下記元素を１種または２種以上積極
的に添加しても構わない。

【００２３】Ｎｂ：０．０５％以下，Ｔｉ：０．１％以
下，およびＶ：０．１％以下（いずれも０％を含まな
い）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有 上記元素は、いずれも結晶粒成長の抑制による結晶粒微
細化作用および析出強化作用を有するが、０．００５％
未満では所望の作用が充分得られない。一方、過剰に添
加すると靭性が劣化するので、上限値をＮｂ：０．０５
％，Ｔｉ：０．１％，Ｖ：０．１％とする。

【００２４】次に、上記鋼を熱間加工する。ここで、加
工に至るまでの温度履歴については特に限定されず、例
えばＡ₃ 点以上のオーステナイト単相温度域から冷却す
る途中で加工しても良いし、或いは、最初から２相温度
域に加熱しから加工を開始しても構わない。本発明法で
は、オーステナイト相の再結晶や逆変態による微細化作
用等は期待しておらず、本発明法で特定する構成要件の
みによって所望の微細効果が充分得られるからである。

【００２５】本発明法では、一連の熱間加工の終段での
加工条件、そのときの組織分率、及びその後の冷却条件
を以下の様に特定したところに最重要ポイントがある。

【００２６】まず、熱間加工終段の加工は、フェライト
とオーステナイトの２相域で行うことが必要であり、該
２相域におけるフェライト相の占有率は面積率で５〜７
０％でなければならない。このときのフェライト量が上
記範囲を外れると相界面面積が小さくなり、粒成長抑制
効果を充分発揮させることができない。また、フェライ
ト量が多すぎると、加工後にフェライトが再結晶するの
に充分な歪を付与できないという不具合もある。これら
の理由に基づき、熱間加工終段の加工時のフェライト占
有率を５％以上、７０％以下に制御した。

【００２７】また、加工時の総歪み量（真歪）は１パス
加工の場合は０．８〜３．０，２パス以上加工する場合
は１．０〜３．０に制御しなければならない。総歪み量
が小さ過ぎると、オーステナイト相に核発生場所を充分
供給できず、フェライト相の再結晶も起こらないので、
１パス加工の場合は、真歪で０．８以上とした。好まし
くは０．９以上である。尚、２パス以上の加工で歪を与
える場合は、パス間の時間で加えた歪の一部が解放され
るので、総歪量の下限値を真歪で１とした。好ましくは
１．５以上である。但し、パス間時間が長すぎると、加
えた歪が全て開放されてしまい、歪が蓄積されないの
で、パス間時間を５秒以内とした。好ましくは４秒以内
である。一方、真歪３以上で加工することは、実用レベ
ルでは極めて困難であるので、実用性の観点から上限値
を３とした。

【００２８】更に歪速度は、０．０５〜２０／秒の範囲
に制御する必要がある。歪速度が遅すぎると、加工中に
歪が開放される為、歪が蓄積されないが、逆に速すぎる
と加工による発熱が大きくなり、加工が歪として有効に
鋼中に投入・蓄積されない。これらの理由より、歪み速
度を０．０５／秒以上、２０／秒以下とした。好ましく
は０．１／秒以上、１０／秒以下である。

【００２９】また、冷却速度については、少なくとも５
５０℃までの温度範囲を５℃／秒以上で冷却することが
必要である。冷却速度は、結晶粒成長に及ぼす影響が極
めて大きく、比較的高温域での冷却が遅すぎると冷却中
に結晶粒成長が生じる為、冷却速度５℃／秒以上で、少
なくとも５５０℃まで冷却することにした。好ましくは
１０℃／秒以上である。尚、５５０℃以下の温度域にお
ける冷却速度は特に限定されない。

【００３０】本発明法は以上の様に構成されており、鋼
中の炭素量を鋼強化に必要な最低限の範囲に制御しつ
つ、焼入れにより、マルテンサイト主体としベイナイト
を一部含有する金属組織となる様に合金元素量および製
造条件を制御したものであり、従来では、焼入れ後に実
施していた焼戻し処理を省略したとしても、強度および
靱性に優れた微細結晶粒組織鋼を簡便に効率良く製造で
きる点で極めて有用である。

【００３１】以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述
べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものでは
なく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施する
ことは全て本発明の技術的範囲に包含される。

【００３２】

【実施例】表１に示す成分組成の鋼（１５０ｋｇ）を真
空溶解にて溶製し、鋳塊を鍛造した後、機械加工によ
り、８０ｍｍ厚−６０ｍｍ幅−１６０ｍｍ長さの加工熱
処理用試験片を得た。次に、この試験片を１０３０〜８
００℃に加熱した後、８５０〜７５０℃の温度範囲を真
歪０．７〜２．３、歪み速度０．０１〜１０／秒で加工
し、その後、３〜１２℃／秒の冷却速度で冷却した。加
工後の試験片を光学顕微鏡で観察し、結晶粒径を測定す
ると共に、引張試験により強度及び伸びを測定した。
尚、加工時のフェライト占有率については別途、加工直
前の状態で急冷した試料におけるフェライトとマルテン
サイトの分率を測定することにより算出した。

【００３３】表２に、使用した鋼種、加工条件、および
加工時のフェライト分率を示すと共に、上記の様にして
得られた結晶粒径、強度及び伸びを併記する。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】表より以下の様に考察することができる。
表中、Ｎo.１〜１５は本発明の要件を満足する本発明例
であり、本発明の鋼組成を満たす鋼番号Ａ〜Ｊを用い、
本発明で特定する製造条件に基づき、加工、熱処理、冷
却を行ったものである。この様にして得られた本発明例
の平均結晶粒径は、いずれも３μｍ以下で強度も高く、
延性も確保されていることが分かる。

【００３７】これに対して、Ｎo.１６〜２０は、本発明
の成分範囲を満足する鋼番号Ａを用いているが、本発明
で特定する範囲外の条件で加工、熱処理、冷却を行った
ものであり、Ｎo.１６，１７はフェライト占有率が本発
明で特定する範囲を外れる為；Ｎo.１８は加工真歪が小
さ過ぎる為、Ｎo.１９は冷却速度が遅過ぎる為、Ｎo.２
０はパス間時間が長過ぎる為、いずれも結晶粒径が大き
くなり、本発明例に比べて強度が著しく低くなってい
る。また、Ｎo.２１〜２４は本発明で特定する成分範囲
を満足しない鋼番号Ｈ〜Ｌを用いて試験したものである
が、Ｎo.２１は、Ｃ量の多い鋼Ｈを使用している為、過
冷組織が出てしまう；Ｎo.２２及び２３は、Ｓｉ量が多
い鋼Ｉ及びＭｎ量が多い鋼Ｋを夫々使用している為、結
晶粒径は小さく強度も高いものの、伸びが劣化する；Ｎ
o.２４はＣ量の少ない鋼Ｌを使用している為、結晶粒径
が大きく、強度が低下する、といった不具合を夫々抱え
ている。

【００３８】この様に、鋼の成分組成；加工時の組織、
加工、冷却の条件を本発明の範囲内に制御することによ
って始めて、平均結晶粒径が３μｍ以下の微細結晶粒組
織鋼が得られ、高強度が達成されると共に延性も確保で
きることが分かる。このうち、平均結晶粒径が２μｍ以
下のＮo.９は、強度が７００ＭＰａを超えており、強度
の著しく高められた高強度鋼である。

【００３９】

【発明の効果】本発明法は以上の様に構成されており、
鋼の成分組成、加工時の組織、加工条件、及び冷却条件
を制御することにより、合金添加量が少ないにもかかわ
らず、高強度で延性も確保された微細結晶粒組織鋼を効
率よく製造することが可能になり、産業上極めて有用で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000002118 住友金属工業株式会社 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 (72)発明者 枩倉 功和 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 難波 茂信 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 藤岡 政昭 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 會社鉄鋼研究所内 (72)発明者 横田 智之 東京都千代田区丸の内１丁目１番２号 日 本鋼管株式会社技術開発本部内 (72)発明者 足立 吉隆 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA04 AA05 AA16 AA21 AA22 AA27 AA29 AA31 AA32 AA35 AA36 BA01 CA02 CC03 CD02 CD03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．０１〜０．３％（質量％の意
   味、以下同じ），Ｓｉ：０．０１〜２％，Ｍｎ：０．１
   〜２％を含有する鋼を熱間加工して鋼材を製造する方法
   において、 一連の熱間加工の終段において、フェライト相の占有率
   が面積率で５〜７０％であるフェライト・オーステナイ
   ト２相状態の鋼を、歪み速度：０．０５〜２０／秒、総
   歪み量：０．８〜３．０の条件で１パス加工した後、少
   なくとも５５０℃までの温度範囲を５℃／秒以上の冷却
   速度で冷却することを特徴とする微細結晶粒組織鋼の製
   造方法。
2. 【請求項２】 Ｃ：０．０１〜０．３％，Ｓｉ：０．０
   １〜２％，Ｍｎ：０．１〜２％を含有する鋼を熱間加工
   して鋼材を製造する方法において、 一連の熱間加工の終段において、フェライト相の占有率
   が面積率で５〜７０％であるフェライト・オーステナイ
   ト２相状態の鋼を、各パスにおける歪み速度：０．０５
   〜２０／秒、総歪み量：１．０〜３．０、パス間時間：
   ５秒以内の条件で２パス以上加工した後、少なくとも５
   ５０℃までの温度範囲を５℃／秒以上の冷却速度で冷却
   することを特徴とする微細結晶粒組織鋼の製造方法。
3. 【請求項３】 前記鋼が、更に Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない），Ｔｉ：０．
   １％以下（０％を含まない），およびＶ：０．１％以下
   （０％を含まない）よりなる群から選択される少なくと
   も１種を含有するものである請求項１または２に記載の
   微細結晶粒組織鋼の製造方法。