JP2001073035A - 超微細組織鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より工業的に実際化しやすく、平易なプロセ
スとして実現可能であって、しかも従来よりもはるかに
微細組織化することが可能な、新しい超微細組織鋼の製
造方法を提供する。 【解決手段】 平均粒径が１０μｍ以下のフェライトと
オーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテン
サイトの少なくとも１種以上からなる組織を有する鋼を
加工温度４００℃からＡｅ１点＋５０℃の温度範囲でひ
ずみ０．７以上の加工を行うことで、平均粒径１．５μ
ｍ以下の微細組織を有し、引張り強度６５０ＭＰａ以上
の鋼とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、超微細組
織鋼の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、
この出願の発明は、高価な合金元素を必要とせず、平均
粒径が１．５μｍ以下の超微細組織鋼の製造を可能とす
る新しい製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】フェライト粒の微細化は高価
な合金元素の添加を必要とせず、また、延性脆性遷移温
度も低下させることができるため、従来より、理想的な
高強度か手法であると考えられてきている。しかしなが
ら、実際には、最も広く用いられている制御圧延・制御
冷却法では５μｍがフェライト粒微細化の限界であっ
た。

【０００３】一方、近年、フェライトの割合が５０％以
上の２相域で５０％以上の圧下を行うことにより、２−
３μｍのフェライト粒組織を得る方法が提案されている
（特開平８−６０２３９）。しかし、この方法では、
０．１−０．１５％ＣのＳｉ−Ｍｎ鋼の引張強度は、フ
ェライト粒径が２．６μｍの場合で５２０ＭＰａ程度
で、微細化による高強度化が期待されたほどではない。

【０００４】さらに、粒子径が０．１−１μｍの酸化物
粒子を０．０２−０．５個／μｍ²の密度で分散させた
鋼をオーステナイト域で累積圧下率１０−７０％の圧延
を行い冷却後、フェライトの割合が５０−９０％の状態
から累積圧下率３０−９０％の圧延を行うことによって
フェライト粒径が１．４−２．２μｍの微細組織を得る
方法が提案されている（特開平９−２０２９１９）。し
かし、この方法では、０．０２−０．５個／μｍ² とい
う多くの酸化物を分散させる必要がある。さらに、０．
１３Ｃ−０．２８Ｓｉ−１．３６Ｍｎ鋼（Ａｌ酸化物分
散数０．０６個／μｍ² ）で、平均フェライト粒径を
１．９μｍとなった場合でも、引張強度は４４８ＭＰａ
であった。

【０００５】この出願の発明者らも、Ａｒ３点以上の温
度で５０％以上の圧縮加工を加えることにより、平均粒
径が３μｍ以下で方位差角１５°以上の大角粒界に囲ま
れた超微細組織鋼の製造方法を発明した（特開平１１−
９２８６１）。だが、この方法の場合には、１パス加工
が検討されているため、より工業的に広く展開してゆく
には、多パス化してゆく方法が求められてきた。

【０００６】また、この出願の発明者らは、マルテンサ
イト組織鋼をフェライト域に再加熱し、温間加工再結晶
させて、フェライト平均粒径２．５μｍ以下の超微細フ
ェライト主体鋼を発明した（特開平１１−９２８６
０）。しかし、この方法は出発組織をマルテンサイトと
することや、再加熱工程が必要であることから、より平
易な製造方法が求められている。

【０００７】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
の経緯を踏まえ、より工業的に実際化しやすく、平易な
プロセスとして実現可能であって、しかも従来よりもは
るかに微細組織化することが可能な、新しい超微細組織
鋼の製造方法を提供することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、平均粒径が１
０μｍ以下のフェライトとオーステナイト、パーライ
ト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種以
上からなる組織を有する鋼を加工温度４００℃からＡｅ
１点＋５０℃の温度範囲でひずみ０．７以上の加工を行
うことを特徴とする超微細組織鋼の製造方法を提供る。

【０００９】また、この出願の発明は、第２には、鋼を
Ａｃ３点以上に加熱してオーステナイト化した後、加工
熱処理により平均粒径で１０μｍ以下のフェライト粒と
残部がオーステナイト、パーライト、セメンタイト、マ
ルテンサイトの少なくとも１種以上からなる状態を形成
し、連続して加工温度４００℃からＡｅ１点＋５０℃の
温度範囲でひずみ０．７以上の加工を行うことを特徴と
する超微細組織鋼の製造方法を提供する。

【００１０】そして、この出願の発明は、第３には、前
記第１の発明の方法において、鋼をＡｃ３点以上に加熱
してオーステナイト化した後、Ａｅ３点以下の準安定オ
ーステナイト域で加工を与え、平均粒径で１０μｍ以下
のフェライト粒と残部がオーステナイト、パーライトお
よびセメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種か
らなる状態を形成せしめることを特徴とする超微細組織
鋼の製造方法を、第４には、平均粒径で１０μｍ以下の
フェライト粒の体積率が７０％以上で残部がオーステナ
イト、パーライトおよびセメンタイト、マルテンサイト
の少なくとも１種からなる状態を形成せしめることを特
徴とする超微細組織鋼の製造方法を提供し、第５には、
化学組成が重量％でＣ：０．０１−０．２％，Ｓｉ：
０．０２−１．０％，Ｍｎ：０．２−２．０％、Ａｌ：
０．００１−０．１％，Ｎ：０．００１−０．０１％，
Ｐ＜０．２％，Ｓ＜０．０１％を含むことを特徴とする
前記第１ないし４のいずれかの発明の超微細組織鋼の製
造方法を提供する。

【００１１】さらにこの出願の発明は、第６には、前記
第１ないし第５のいずれかの発明の製造方法により得ら
れた超微細組織鋼であって、フェライトの平均粒径が
１．５μｍ以下で、第２相としてセメンタイト、パーラ
イト、マルテンサイト、オーステナイトの少なくとも１
種以上を含むことを特徴とするフェライト粒主体鋼を提
供する。

【００１２】以上のとおりのこの出願の発明は、発明者
らによる次のような検討と知見に基づいている。すなわ
ちまず、発明者らは、添付の図１に示すように、強度と
フェライト粒径の関係を見出している(CAMP-ISIJ, Vol.
12(1999) 365) 。ＳＭ４９０鋼の場合、フェライト粒径
３．０μｍではビッカース硬さで１９０であり、２．０
μｍでは１９５であった。フェライト粒径１．５μｍで
は２１０であるが、１．５μｍ以下になると硬さは大き
く上昇し、フェライト粒径１．０μｍでは、２３０とな
る。したがって、微細化によって効果的に高強度（ビッ
カース硬さで２１０以上、６５０ＭＰａの引張強度に相
当）を得るには、フェライト粒径は１．５μｍ以下とす
べきことがわかった。

【００１３】なお、引張強度（ＭＰａ）はビッカース硬
さの３．０−３．３倍である。発明者らの先の提案（特
開平１１−９２８６１）は相変態により、微細フェライ
トを形成せしめる方法であり、また、別の提案（特開平
１１−９２８６０）は再結晶により微細フェライトを形
成せしめる方法であることを特徴としている。これら提
案のさらなる検討で、発明者らは、相変態においても、
再結晶においても、生成するフェライト粒径は、加工前
の粒径に大きく影響され、単純には式で表することが
できることを明らかにした。

【００１４】

【数１】

【００１５】ここで、Ｄ₀ （μｍ）は加工前のオーステ
ナイト粒径またはフェライト粒径で、Ｄは加工後の相変
態または再結晶して得られるフェライトの粒径で、εは
ひずみであり、符号は正である。加工前の粒径をできる
限り微細にすることが、最終的に微細なフェライト粒組
織を得るためには重要であり、また、加工量の軽減につ
ながるのである。

【００１６】そこで、この出願の発明者は、加工前のフ
ェライト粒径を微細にする方法として、オーステナイト
の加工＋変態を用い、微細なフェライト粒をさらに微細
化する方法として、フェライトの加工＋再結晶を利用
し、両者を組み合わせるという方法を特徴としたこの出
願の上記のとおりの発明を完成した。

【００１７】

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につ
いて説明する。

【００１８】この出願の発明方法を具体的に説明する
と、代表的には、「オーステナイト→（加工＋変態）→
微細フェライト粒＜１０μｍ＋オーステナイトｏｒパー
ライト→（加工＋再結晶）→微細フェライト粒＜１．５
μｍ＋パーライトｏｒセメンタイト」のプロセスとな
る。ここで、重要な点は変態生成するフェライト粒の大
きさで、１０μｍ以下、望ましくは５μｍ以下とするこ
とである。１０μｍ以下のフェライト粒径を変態生成さ
せるためには、２０μｍ程度の小さなオーステナイト粒
を加速冷却することによっても得られるが、先の発明者
らの提案（特開平１１−９２８６１でも示したように、
準安定（過冷）オーステナイトを強加工することがより
微細なフェライト粒径を得るために優れた方法であり、
５μｍ以下のフェライト粒径を得ることができる。残部
はオーステナイトでも、パーライト、セメンタイト、マ
ルテンサイトのいずれか１種または２種以上でもよい。
このような微細フェライト粒を再結晶温度域で加工する
ことによって微細なフェライトが得られる。ここで再結
晶温度域とは、４００℃からＡｅ１点＋５０℃の間をさ
す。加工温度が４００℃以下となると、すべてのフェラ
イト粒が再結晶せず、伸長粒が見られるようになる。さ
らに、Ａｅ１点＋５０℃以上では、微細なフェライト粒
は得られず、望ましくはＡｅ１点以下がよい。加工量と
しては、フェライトを再結晶により微細化するために
は、加工温度に依存するが、ひずみεが０．７以上は必
要である。また、加工は多パスで与えてもよい。

【００１９】Ａｅ１点とはthermocalc等で計算されるセ
メンタイトの存在する上限温度のことである。この出願
の発明の製造方法では、対象とする鋼の化学組成は特に
限定されるものではないが、化学組成成分としては、重
量％でＣ：０．０１−０．２％，Ｓｉ：０．０２−１．
０％，Ｍｎ：０．２−２．０％、Ａｌ：０．００１−
０．１％，Ｎ：０．００１−０．０１％，Ｐ＜０．２
％，Ｓ＜０．０１％を含む鋼のフェライト粒微細化にこ
の発明の方法は有効であり、さらに、重量％でＣｒ：
０．０１−０．５％，Ｎｉ：０．０１−３．０％，Ｍ
ｏ：０．０１−０．５％，Ｃｕ：０．０１−１．５％，
Ｔｉ：０．００３−０．１％，Ｎｂ：０．００３−０．
０５％，Ｖ：０．００５−０．２％を含まれている鋼に
も有効である。

【００２０】この出願の発明によって、平均粒径１．５
μｍ以下の微細組織鋼が製造可能であり、たとえば、引
張り強度で６５０ＭＰａ以上の鋼が得られることにな
る。

【００２１】

【実施例】そこで以下に、この発明の実施例を示し、さ
らに詳しく実施の形態について説明する。

【００２２】なお、全実施例においてフェライト粒径は
直線切断法によって測定した。ビカース硬さの測定加重
は４．９Ｎであった。 実施例１ 表１の鋼種１の成分を有する（板厚１２ｍｍ）を９００
℃に６０ｓ加熱を行い完全にオーステナイト化した。オ
ーステナイト粒径は１７μｍであった。６５０℃まで１
０Ｋ／ｓで冷却し平均粒径８μｍのフェライト＋オース
テナイト＋パーライト組織にした。フェライトの体積率
は７０％であった。直ちに、試験片中心部に圧縮ひずみ
ε＝２．３、ひずみ速度１０／ｓの加工を与え、直ちに
１０Ｋ／ｓで冷却を行った。得られた組織はフェライト
＋セメンタイト組織であり、試験片中心部の平均フェラ
イト粒径は０．８μｍであった（図２）。ビッカース硬
さは２４１であった。 実施例２ 表１の鋼種１の成分を有する（板厚１２ｍｍ）を９００
℃に６０ｓ加熱を行い完全にオーステナイト化した。オ
ーステナイト粒径は１７μｍであった。６００℃まで１
０Ｋ／ｓで冷却し平均粒径８μｍのフェライト＋パーラ
イト組織にした。フェライトの体積率は７５％であっ
た。直ちに、試験片中心部に圧縮ひずみε＝２．３の加
工を与え、直ちに１０Ｋ／ｓで冷却を行った。得られた
組織はフェライト＋セメンタイト組織であり、試験片中
心部の平均フェライト粒径は０．５μｍであった（図
３）。ビッカース硬さは２８７であった。 実施例３ 表１の鋼種１の成分を有する棒鋼（φ１１５×Ｌ６００
ｍｍ）を９００℃で完全にオーステナイト化した。オー
ステナイト粒径は３０μｍであった。この棒鋼を７５０
℃まで冷却し、穴型圧延によりφ７９ｍｍ（減面率５３
％）まで加工を与えた。この過程でオーステナイトの一
部はフェライトに変態し、得られた平均フェライト粒径
は１０μｍであり、残部はオーステナイトであった。こ
の鋼を６００℃まで冷却し組織をフェライト＋パーライ
ト＋オーステナイトとした。フェライトの体積率は７５
％であった。直ちに、穴型圧延により２４ｍｍ角（減面
率９１％，圧縮ひずみε＝２．４）まで多パス加工を行
った。直ちに水冷した。仕上がり温度は６００℃であっ
た。得られた組織はフェライト＋セメンタイト組織であ
り、平均フェライト粒径は１．０μｍであった（図
４）。ビッカース硬さは２３２であった。 実施例４ 表１の鋼種１の成分を有する板（Ｔ６０×Ｌ６０×Ｗ３
０ｍｍ）を９００℃で完全にオーステナイト化した。オ
ーステナイト粒径は２５μｍであった。この板を７５０
℃まで冷却し、鍛造によりＴ６０→３０ｍｍとなるよう
に圧縮加工を加えた。この結果、幅Ｗ＝約６０ｍｍとな
ったが、幅方向を圧縮加工としてふたたび、３０ｍｍと
なるように圧縮加工した。この過程でオーステナイトの
一部はフェライトに変態し、このときの平均フェライト
粒径は３．５μｍであり、残部はオーステナイト（体積
率５０％）であった。この鋼を７００℃まで冷却し、直
ちに、Ｔ１０ｍｍ（減面率６５％，圧縮ひずみε＝１．
１）までロール圧延を行った。このときの仕上がり温度
は６００℃であった。得られた組織はフェライト＋パー
ライト組織であり、平均フェライト粒径は１．３μｍで
あった（図５）であった。ビッカース硬さは２２０、引
張強さは、６８０ＭＰａであった。 実施例５ 表１の鋼種２の成分を有する板（Ｔ５０×Ｌ３００×Ｗ
６０ｍｍ）を９００℃に加熱し行い完全にオーステナイ
ト化した。オーステナイト粒径は１７μｍであった。こ
の板をＡｒ３点（７４５℃）直上の７５０℃まで冷却
し、１パスで３５ｍｍまで圧延した。このときの平均フ
ェライト粒径は５μｍであり、残部はオーステナイトで
あった。連続して７００℃まで冷却後、板厚１０ｍｍま
で３パスで圧延を行った（圧縮ひずみ＝１．３）。この
際の１パス圧下率は３０−４５％であり、圧延終了時の
温度は６５０℃であった。圧延後、直ちに水冷した。得
られた鋼の平均フェライト粒径は１．２μｍであり、残
部はパーライトとマルテンサイトであった（図６）。本
鋼のビッカース硬さは２５６、引張強さは、８２５ＭＰ
ａであった。 比較例１ 表１の成分を有する板を１０５０℃で完全にオーステナ
イト化した。この板を８３０℃で圧延終了するように減
面率５０％の粗圧延をおこなった。その後ただちに、
０．４Ｋ／ｓで冷却し、フェライト平均粒径２０μｍの
フェライト＋オーステナイト組織とした。板を引き続き
７３０から７００℃で７３％の仕上げ圧延を行った。得
られたフェライト粒径は２．７μｍであった。ビッカー
ス硬さは１５６、引張強度は５１４ＭＰａであった。 比較例２ 表１の成分を有する板を１０５０℃で完全にオーステナ
イト化した。この板を８３０℃で圧延終了するように減
面率７３％の粗圧延をおこなった。その後ただちに、
０．７Ｋ／ｓで冷却し、フェライト平均粒径１８μｍの
フェライト＋オーステナイト組織とした。板を引き続き
７１０から６８５℃で５０％の仕上げ圧延を行った。得
られたフェライト粒径は２．６μｍであった。ビッカー
ス硬さは１６０、引張強度は５３０ＭＰａであった。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、より工業的に実際化しやすく、平易なプ
ロセスとして実現可能であって、しかも従来よりはるか
に微細組織化することが可能な、新しい超微細組織鋼の
製造方法が提供される。

【００２５】平均粒径１．５μｍ以下の微細組織鋼が製
造可能であり、たとえば、引張り強度で６５０ＭＰａ以
下の鋼が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト粒径とビッカース硬さの関係を示し
た図である。

【図２】実施例１の組織のＳＥＭ写真図である。

【図３】実施例２の組織のＳＥＭ写真図である。

【図４】実施例３の組織のＳＥＭ写真図である。

【図５】実施例４の組織のＳＥＭ写真図である。

【図６】実施例５の組織のＳＥＭ写真図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 396020800 科学技術振興事業団 埼玉県川口市本町４丁目１番８号 (71)出願人 000006655 新日本製鐵株式会社 東京都千代田区大手町２丁目６番３号 (72)発明者 鳥塚 史郎 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 林 透 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 中嶋 宏 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 花村 年裕 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 長井 寿 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA02 AA04 AA05 AA14 AA16 AA21 AA22 AA23 AA27 AA29 AA31 AA35 BA01 CA01 CC02 CD03

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均粒径が１０μｍ以下のフェライトと
   オーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテン
   サイトの少なくとも１種以上からなる組織を有する鋼を
   加工温度４００℃からＡｅ１点＋５０℃の温度範囲でひ
   ずみ０．７以上の加工を行うことを特徴とする超微細組
   織鋼の製造方法。
2. 【請求項２】 鋼をＡｃ３点以上に加熱してオーステナ
   イト化した後、加工熱処理により平均粒径で１０μｍ以
   下のフェライト粒と残部がオーステナイト、パーライ
   ト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種以
   上からなる状態を形成し、連続して加工温度４００℃か
   らＡｅ１点＋５０℃の温度範囲でひずみ０．７以上の加
   工を行うことを特徴とする超微細組織鋼の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１の方法において、鋼をＡｃ３点
   以上に加熱してオーステナイト化した後、Ａｅ３点以下
   の準安定オーステナイト域で加工を与え、平均粒径で１
   ０μｍ以下のフェライト粒と残部がオーステナイト、パ
   ーライトおよびセメンタイト、マルテンサイトの少なく
   とも１種からなる状態を形成せしめる超微細組織鋼の製
   造方法。
4. 【請求項４】 請求項１の方法において、平均粒径で１
   ０μｍ以下のフェライト粒の体積率が７０％以上で残部
   がオーステナイト、パーライトおよびセメンタイト、マ
   ルテンサイトの少なくとも１種からなる状態を形成せし
   めることを特徴とする超微細組織鋼の製造方法。
5. 【請求項５】 化学組成が重量％でＣ：０．０１−０．
   ２％，Ｓｉ：０．０２−１．０％，Ｍｎ：０．２−２．
   ０％、Ａｌ：０．００１−０．１％，Ｎ：０．００１−
   ０．１％，Ｐ＜０．２％，Ｓ＜０．００１％を含むこと
   を特徴とする請求項１ないし４のいずれかの超微細組織
   鋼の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかの製造方法
   により得られた超微細組織鋼でフェライトの平均粒径が
   １．５μｍ以下で、第２相としてセメンタイト、パーラ
   イト、マルテンサイト、オーステナイトの少なくとも１
   種以上を含むことを特徴とするフェライト粒主体鋼。