JP2006009098A - Cu-CONTAINING STEEL AND ITS PRODUCTION METHOD - Google Patents

Cu-CONTAINING STEEL AND ITS PRODUCTION METHOD Download PDF

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Masamichi Kono
正道 河野
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Daido Steel Co Ltd
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  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide Cu-containing steel having fine recrystallized grains, and to provide a method for producing the same utilizing the drag effect of Cu. <P>SOLUTION: The Cu-containing steel comprises, by mass, 0.5 to 5% Cu and also has an austenitic structure of recrystallized grains with a mean grain size of 0.5 to 5 μm. It is produced by subjecting steel comprising 0.5 to 5 μm Cu to high speed cumulative deformation working at a cumulative strain of ≥2 and at a strain rate of ≥1/s in the temperature range of an Ar<SB>3</SB>transformation point to 980°C. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は含Cu鋼とその製造方法に関し、さらに詳しくは、微細な再結晶粒のオーステナイト組織から成り、各種の鋼製品の出発素材として有用な含Cu鋼と、それを、後述するCuのドラッグ(Drag)効果を有効に発揮させることにより製造する方法に関する。   The present invention relates to a Cu-containing steel and a method for producing the same, and more specifically, a Cu-containing steel having austenite structure of fine recrystallized grains and useful as a starting material for various steel products, and a Cu drag described later. (Drag) The present invention relates to a method of manufacturing by effectively exhibiting the (Drag) effect.

高靱性、高強度の鋼材の製造にとっては、その組織における結晶粒を微細化することの有効性が知られており、主として、単純な成分系の鋼種に関しての検討が進められている。
一方、スクラップを用いる精錬操業において、スクラップ中のCuはFeに比べて酸化しにくいので、精錬時に除去されることがない。そのため、スクラップを用いた精錬操業の回数が多くなるにつれて、得られた鋼においてCuは濃化していき、将来的には、不純物レベルの濃度から可成りの濃度になり、鋼の特性に影響を与えることが予測されている。
For the production of high-toughness and high-strength steel materials, the effectiveness of refining the crystal grains in the structure is known, and studies are being made mainly on simple component steel types.
On the other hand, in the refining operation using scrap, Cu in the scrap is not easily oxidized as compared with Fe, and thus is not removed during refining. Therefore, as the number of refining operations using scrap increases, Cu concentrates in the obtained steel, and in the future, it becomes a considerable concentration from the impurity level concentration, affecting the properties of the steel. It is expected to give.

しかしながら、Cuは鋼組織において後述するような挙動を示すことが知られており、最近では、Cuのこの挙動を利用することにより、鋼組織を制御してその再結晶粒の微細化を実現し、高靱性で高強度の鋼を開発することが検討されている。
例えば、Cu濃度が1.0〜3.0質量%である含Cu鋼をオーステナイト域で加熱したのち、オーステナイト組織(γ相)とフェライト組織(α相)の自由エネルギーが等しくなる温度(T0)を含む温度域で加工率30%以上の熱間加工を行い、ついで得られた素材を冷却することによって、再結晶の平均粒径が10μm以下であるα相を主体とする組織の鋼を得る方法が提案されている(特許文献1を参照)。
However, Cu is known to exhibit the behavior described later in the steel structure, and recently, by utilizing this behavior of Cu, the steel structure is controlled and the recrystallized grains are made finer. Development of high-toughness and high-strength steel is under consideration.
For example, after heating a Cu-containing steel having a Cu concentration of 1.0 to 3.0% by mass in the austenite region, the temperature at which the free energy of the austenite structure (γ phase) and the ferrite structure (α phase) become equal (T 0). ) In a temperature range containing 30) or more, and by cooling the obtained material, a steel having a structure mainly composed of an α phase having an average grain size of recrystallization of 10 μm or less is obtained. An obtaining method has been proposed (see Patent Document 1).

ここで、従来から知られている含Cu鋼の特徴について説明する。
第1の特徴は、含Cu鋼をオーステナイト域で加熱すると、オーステナイト組織中のCuの拡散係数が小さいので、Cuはγ相(オーステナイト組織)の粒界に濃化し、γ相→α相への変態点Ar3を低下させることである。例えば、Fe−0.1%C−2%Cu鋼の場合、70〜140℃程度Ar3点は低下する。
Here, the characteristics of conventionally known Cu-containing steel will be described.
The first feature is that when Cu-containing steel is heated in an austenite region, the diffusion coefficient of Cu in the austenite structure is small, so Cu concentrates at the grain boundary of the γ phase (austenite structure), and changes from γ phase to α phase. The transformation point Ar 3 is lowered. For example, in the case of Fe-0.1% C-2% Cu steel, the Ar 3 point decreases by about 70 to 140 ° C.

粒界に濃化したCuは、Fe原子の拡散を妨害するというドラッグ(Drag)効果を発揮して、γ相の粒成長を抑制する。
したがって、含Cu鋼のCuは、当該鋼が加熱されている温度において、γ相の粒成長を抑制し、同時にα相(フェライト組織)を過冷状態にしている。
第2の特徴は、したがって、上記した状態にある含Cu鋼に、熱間加工を行うと、γ相は再結晶粒の組織となり、またその粒界には過冷状態にあった軟質なα相が動的に析出して相変態の核形成サイトになることである。
Cu concentrated at the grain boundary exhibits a drag effect that hinders diffusion of Fe atoms, and suppresses grain growth of the γ phase.
Therefore, Cu of the Cu-containing steel suppresses the grain growth of the γ phase at the temperature at which the steel is heated, and at the same time, the α phase (ferrite structure) is supercooled.
Accordingly, the second feature is that when hot-working is performed on the Cu-containing steel in the above-described state, the γ phase becomes a recrystallized grain structure, and the grain boundary has a soft α which is in a supercooled state. The phase is dynamically precipitated and becomes a nucleation site for phase transformation.

そのため、熱間加工時の変形抵抗は低下する。例えば、Fe−0.1%C−2%Cu鋼の場合、加工温度がAe3点直下からAr3点直上までの40℃低下していても、変形抵抗は、370MPa→200MPa程度にまで低下する。
したがって、この含Cu鋼は加工しやすくなり、低温域においても大きな変形加工が可能となり、その結果、γ相の再結晶粒を方位差が大きい微細粒組織にすることができる。
Therefore, the deformation resistance during hot working is reduced. For example, in the case of Fe-0.1% C-2% Cu steel, even if the processing temperature decreases by 40 ° C. from just below the Ae 3 point to just above the Ar 3 point, the deformation resistance decreases to about 370 MPa → 200 MPa. To do.
Therefore, this Cu-containing steel can be easily processed and can be deformed greatly even in a low temperature range. As a result, the recrystallized grains of the γ phase can be made into a fine grain structure having a large orientation difference.

第3の特徴は、上記した変形加工を行ったのちの鋼に時効処理を行うと、鋼組織にはCuが析出して当該鋼の時効硬化が可能となることである。
例えば、Fe−4%Cu鋼の場合、水冷した鋼の硬度(Hv)は240程度の値であるため充分に冷間加工が可能である。そして、冷間加工後に、その加工部材に、例えば温度530℃で1時間の時効処理を施すと、硬度(Hv)は330程度にまで上昇する。
The third feature is that when an aging treatment is performed on the steel after the deformation processing described above, Cu precipitates in the steel structure and the steel can be age hardened.
For example, in the case of Fe-4% Cu steel, the water-cooled steel has a hardness (Hv) of about 240, so that it can be sufficiently cold worked. Then, after cold working, if the workpiece is subjected to an aging treatment for 1 hour at a temperature of 530 ° C., for example, the hardness (Hv) rises to about 330.

このことは、所望形状の加工時には軟質であり、加工後の部材をそのまま時効処理して高強度化できるという点で工業的には好ましい挙動であるといえる。
特開2000−226638号公報
This can be said to be an industrially desirable behavior in that it is soft when processing a desired shape and can be subjected to aging treatment as it is to increase the strength.
JP 2000-226638 A

特許文献1の鋼はCuの粒界偏析によるAr3点の低下を利用して製造されているが、再結晶粒の粒径は10μm以下と呼号しているとはいえ、特許文献1の実施例を見る限り概ね7〜9μm程度である。そして組織はα相主体である。
しかしながら、最近の動向では、更に微細な再結晶粒の鋼が求められているが、その要求を考えると、特許文献1の鋼の粒径では不満足である。
Although the steel of Patent Document 1 is manufactured using the decrease in Ar 3 point due to segregation of Cu grain boundaries, the grain size of recrystallized grains is 10 μm or less. As far as the example is concerned, it is about 7 to 9 μm. And the organization is mainly α phase.
However, in recent trends, finer recrystallized steel is required, but considering the requirement, the particle size of the steel of Patent Document 1 is unsatisfactory.

本発明は、上記した点を踏まえて開発された鋼とその製造方法であって、より微細な再結晶粒を有する含Cu鋼とその製造方法の提供を目的とする。   The present invention is a steel developed based on the above points and a method for producing the same, and an object thereof is to provide a Cu-containing steel having finer recrystallized grains and a method for producing the same.

上記した目的を達成するために、本発明においては、Cuを0.5〜5質量%含み、かつ、平均粒径が0.5〜5μmである再結晶粒のオーステナイト組織から成ることを特徴とする含Cu鋼が提供される。
また、本発明においては、上記したオーステナイト組織から変態したフェライト・パーライト組織、ベイナイト組織、もしくはマルテンサイト組織のいずれかの単相組織、またはそれら2種以上を有する単相組織の混合組織から成り、更には、未変態で残存したオーステナイト組織と混合状態にある組織から成る含Cu鋼が提供される。
In order to achieve the above object, the present invention is characterized by comprising an austenite structure of recrystallized grains containing 0.5 to 5% by mass of Cu and having an average grain size of 0.5 to 5 μm. A Cu-containing steel is provided.
In the present invention, the ferrite pearlite structure transformed from the austenite structure described above, a bainite structure, or a single phase structure of a martensite structure, or a mixed structure of single phase structures having two or more of them, Furthermore, a Cu-containing steel comprising an austenite structure remaining untransformed and a structure in a mixed state is provided.

また、本発明においては、Cuを0.5〜5質量%含む鋼に対し、Ar3変態点以上980℃以下の温度域において、累積ひずみ2以上でかつひずみ速度1/sec以上の高速累積変形加工を行うことを特徴とする含Cu鋼の製造方法が提供される。 Moreover, in this invention, with respect to steel containing 0.5 to 5% by mass of Cu, high-speed cumulative deformation with a cumulative strain of 2 or more and a strain rate of 1 / sec or more in a temperature range of Ar 3 transformation point to 980 ° C. There is provided a method for producing a Cu-containing steel characterized by performing processing.

本発明者らは、微細化した結晶粒を有する含Cu鋼の開発研究において、結晶粒の目標粒径を0.5〜5μm、とくに約1μmに設定した。そして同時に、現実に稼働している熱間加工プロセスを前提にし、そのプロセスで製造可能である条件の探索を行った。
熱間加工プロセスでは、一般に、1段または多段に設置された例えば圧延装置に所定温度に加熱した鋼材を導入して当該鋼材を順次変形加工する。したがって、この過程で、鋼材は前段の装置で変形加工されたのち、ある時間間隔を置いて次段の装置に導入され、更なる変形加工を受ける。
In the development and research of Cu-containing steel having refined crystal grains, the inventors set the target grain size of the crystal grains to 0.5 to 5 μm, particularly about 1 μm. At the same time, on the premise of a hot working process that is actually operating, a search was made for conditions that can be produced by that process.
In the hot working process, in general, a steel material heated to a predetermined temperature is introduced into, for example, a rolling device installed in one or more stages, and the steel material is sequentially deformed. Therefore, in this process, the steel material is deformed and processed by the preceding apparatus, and then introduced into the succeeding apparatus at a certain time interval and subjected to further deforming process.

すなわち、この熱間加工プロセスにおいて、加工対象の鋼材は、実際に受ける変形加工の外に、ある時間、変形加工を受けることのない状態に置かれることになる。
本発明者らは、上記したことを踏まえて、再結晶粒の微細化に関する次のような考察を行った。
1.まず、微細化した再結晶粒を得るためには、次の2つの技術的事項を同時に実現することが必要である。
In other words, in this hot working process, the steel material to be machined is placed in a state where it will not undergo any deformation process for a certain period of time in addition to the deformation process that is actually received.
Based on the above, the present inventors have made the following considerations regarding the refinement of recrystallized grains.
1. First, in order to obtain refined recrystallized grains, it is necessary to simultaneously realize the following two technical matters.

第1の事項は、熱間加工の直後において、そもそもが微細化した再結晶粒の組織にするということである。
第2の事項は、仮に加工直後に再結晶粒が微細であったとしても、時間の経過とともに粒成長が進行して再結晶粒が粗大化することを防止するということである。
本発明者らは、この時間帯を素材のサイズや製造条件から100秒と設定し、100秒間粒成長が進行しない条件の検討を進めることにした。
The first matter is that the structure of recrystallized grains is refined in the first place immediately after hot working.
The second matter is that even if the recrystallized grains are fine immediately after processing, the growth of the grains with the passage of time prevents the recrystallized grains from becoming coarse.
The present inventors set this time zone as 100 seconds based on the size of the material and manufacturing conditions, and decided to proceed with the examination of the conditions under which grain growth does not proceed for 100 seconds.

上記した第1の事項に関して、本発明者らは、含Cu鋼はAr3点が低くなり、γ粒界に濃化しているCuの働きで熱間加工時にα相の動的析出に基づいて変形抵抗が低下するという特性を利用することにより、低温域で大きな変形加工を行って加工直後の再結晶粒を微細化するという設計方針を採用することにした。
そして、上記した変形加工の態様に関して検討を加えたところ、加工発熱を誘発する後述の条件での変形加工が有効であることを見出した。
Regarding the first matter described above, the inventors of the present invention based on the dynamic precipitation of α phase during hot working by the action of Cu concentrated in the γ grain boundary, with the Cu-containing steel having a low Ar 3 point. By utilizing the characteristic that the deformation resistance is reduced, we decided to adopt a design policy of refining the recrystallized grains immediately after processing by performing large deformation processing in a low temperature range.
And when examination was made regarding the above-described deformation processing mode, it was found that deformation processing under conditions described later that induce processing heat generation is effective.

2.第2の事項に関しては次のような考察を行った。
まず、粒成長は単位体積あたりの界面エネルギ(ΔG)を低下させるための変化であり、その駆動力となるΔGは次式で示される。
ΔG=2・Vgb・V/R ・・・(1)
式中、Vgbは結晶粒界の単位面積あたりの界面エネルギ、Vはモル容積、Rは再結晶粒の平均半径を示す。
2. The following considerations were made on the second matter.
First, grain growth is a change for lowering the interfacial energy (ΔG) per unit volume, and ΔG as the driving force is represented by the following equation.
ΔG = 2 ・ Vgb ・ V / R (1)
In the formula, Vgb represents the interfacial energy per unit area of the grain boundary, V represents the molar volume, and R represents the average radius of the recrystallized grains.

式(1)から明らかなように、ΔGとRは反比例の関係にあり、再結晶粒が微細であればあるほど、ΔGは増加し、ΔGが増加すればするほど、短時間で急速な粒成長が進行する。換言すれば、再結晶粒が微細化すればするほど、その粒成長を抑制することが困難になる。
ところで粒成長は、ある結晶粒(1)と別の結晶粒(2)が原子3個分の粒界を挟んで隣接し、かつ結晶粒(1)の成長が進行している状況下では、原子が結晶粒(2)から結晶粒(1)に向かって移動している現象である。その場合、結晶粒(2)の原子が粒界に飛び込み、その反動で粒界内における結晶粒(1)側の1原子が結晶粒(1)内にはじき出されるという挙動が連続的に生起することにより、粒界が結晶粒(2)の内部に移動していく。その結果、結晶粒(1)の成長と結晶粒(2)の侵食が起こり、粒成長が進行する。
As is apparent from the equation (1), ΔG and R are in an inversely proportional relationship. As the recrystallized grains are finer, ΔG increases, and as ΔG increases, the faster grains Growth progresses. In other words, the smaller the recrystallized grains, the more difficult it is to suppress the grain growth.
By the way, in the situation where one crystal grain (1) and another crystal grain (2) are adjacent to each other across the grain boundary of three atoms and the growth of the crystal grain (1) is progressing, This is a phenomenon in which atoms move from crystal grains (2) toward crystal grains (1). In that case, the behavior that the atom of the crystal grain (2) jumps into the grain boundary and the reaction causes one atom on the side of the crystal grain (1) to be ejected into the crystal grain (1) continuously occurs. As a result, the grain boundaries move into the crystal grains (2). As a result, the growth of the crystal grains (1) and the erosion of the crystal grains (2) occur, and the grain growth proceeds.

したがって、結晶粒の成長速度は、上記したΔGと粒界の易動度Mの積として表現され、それは次式で示される。
dR/dt=ΔG・M ・・・・(2)
なお、式(2)において、組織が単相であれば、粒界の易動度Mは再結晶粒の半径Rに依存しない。
Therefore, the growth rate of crystal grains is expressed as the product of the above-mentioned ΔG and the mobility M of the grain boundary, which is expressed by the following equation.
dR / dt = ΔG · M (2)
In the formula (2), if the structure is a single phase, the mobility M of the grain boundary does not depend on the radius R of the recrystallized grains.

式(2)から明らかなように、ΔGが一定である(それはVgb,Vの変化を無視すればRの関数である)とすれば、再結晶粒の成長速度は粒界の易動度Mの大小で決まる。
そして、結晶粒(1)と結晶粒(2)の粒界においてFe原子の移動が起こりにくい状態を形成することができれば、再結晶粒の成長速度を減速させることができる。
このようなことから、含Cu鋼の場合、γ粒の粒界に濃化するCuがFe原子に対するドラッグ効果を発揮するので、γ粒の成長速度は減速するものと考えられる。
As is clear from equation (2), if ΔG is constant (it is a function of R if the changes in Vgb and V are ignored), the growth rate of recrystallized grains is determined by the mobility M of the grain boundaries. Determined by the size of.
If it is possible to form a state in which the movement of Fe atoms hardly occurs at the grain boundaries between the crystal grains (1) and the crystal grains (2), the growth rate of the recrystallized grains can be reduced.
For this reason, in the case of Cu-containing steel, it is considered that the growth rate of γ grains slows down because Cu concentrated at the grain boundaries of γ grains exhibits a drag effect on Fe atoms.

ところで、今対象としている鋼組織は、γ相の単相組織である。そしてその場合のΔGを駆動力として進行する再結晶粒の粒成長に関しては、式(2)を積分することにより次式が導かれる。
2−R0 2=k2・t ・・・・(3)
式中、R0は粒成長が始まる時点における再結晶粒の平均半径(初期半径)、tは鋼の保持時間であり、そしてk2は成長速度定数であり、k2=4・Vgb・V/Mで示される。
By the way, the steel structure of interest is a single-phase structure of γ phase. Then, regarding the grain growth of the recrystallized grains that proceeds with ΔG as the driving force in that case, the following formula is derived by integrating the formula (2).
R 2 −R 0 2 = k 2 · t (3)
Where R 0 is the average radius (initial radius) of recrystallized grains at the start of grain growth, t is the holding time of steel, and k 2 is the growth rate constant, k 2 = 4 · Vgb · V Indicated by / M.

式(3)から明らかなように、時間の経過とともに再結晶粒の粒成長は進行する。その場合、再結晶粒の成長速度はk2値の大小で規制される。
例えば、k2値が非常に小さい鋼の場合、ある温度で長時間保持されていても、再結晶粒の粒成長は極めて緩徐にしか進まないが、逆にk2値が大きい鋼の場合は短時間で著しい粒成長が進行する。
As is clear from Equation (3), the grain growth of recrystallized grains proceeds with time. In that case, the growth rate of the recrystallized grains is regulated by the magnitude of the k 2 value.
For example, in the case of a steel with a very small k 2 value, even if it is held at a certain temperature for a long time, the growth of recrystallized grains proceeds very slowly, but on the contrary, in the case of a steel with a large k 2 value Significant grain growth proceeds in a short time.

今、目標粒径を約1μmと設定し、この再結晶粒の粒成長に関して検討しているのであるから、式(3)においてR0=0.5(=1.0/2)を代入し、そして、各R値におけるk2値とt値の相関を求めると、図1が得られる。
図1から明らかなように、初期粒径が1μmという微細な再結晶粒であっても、その再結晶粒が100秒間ほとんど粒成長しないためには、含Cu鋼のk2値は1×10-10mm2/sec以下であればよいことになる。
At present, the target grain size is set to about 1 μm, and the grain growth of this recrystallized grain is being examined. Therefore, R 0 = 0.5 (= 1.0 / 2) is substituted in equation (3). Then, when the correlation between the k 2 value and the t value at each R value is obtained, FIG. 1 is obtained.
As is apparent from FIG. 1, even if the recrystallized grains have an initial grain size of 1 μm, in order for the recrystallized grains to hardly grow for 100 seconds, the k 2 value of the Cu-containing steel is 1 × 10 It should be -10 mm 2 / sec or less.

逆に言えば、k2値が1×10-10mm2/sec以下である含Cu鋼であれば、熱間加工により粒径1μmの再結晶粒の組織を形成したとき、その組織は100秒間維持されることになる。
ちなみに、鉄と鋼、70(1984)、1984頁に掲載されている図2によれば、通常の熱間圧延における各鋼種のk2値と圧延温度(850℃以上)において、鋼のk2値は1×10-7mm2/sec以上になっている。その場合、図1に戻れば、初期粒径1μmの再結晶粒がその粒径を維持する時間は0.1秒程度である。
Conversely, in the case of Cu-containing steel having a k 2 value of 1 × 10 −10 mm 2 / sec or less, when a recrystallized grain structure having a grain size of 1 μm is formed by hot working, the structure is 100. Will be maintained for seconds.
Incidentally, iron and steel, 70 (1984), according to FIG. 2, which is published in 1984, pp, in rolling and k 2 values for each steel type in a normal hot rolling temperature (850 ° C. or higher), the steel k 2 The value is 1 × 10 −7 mm 2 / sec or more. In that case, if it returns to FIG. 1, the time which the recrystallized grain with an initial particle diameter of 1 micrometer will maintain the particle size is about 0.1 second.

すなわち、図2で示した各鋼種の場合、それを熱間圧延すると、極めて短時間の内に粒成長が進んでしまう。
勿論、図2において各鋼種に関する直線を外挿すれば、k2値を1×10-10mm2/sec以下にすることができる。しかしながら、その場合の圧延温度は約500℃程度と低温であり、この温度では実際問題としては圧延加工はできない。
That is, in the case of each steel type shown in FIG. 2, when it is hot-rolled, grain growth proceeds in a very short time.
Of course, the k 2 value can be reduced to 1 × 10 −10 mm 2 / sec or less by extrapolating the straight line relating to each steel type in FIG. However, the rolling temperature in that case is as low as about 500 ° C., and at this temperature, as a practical matter, rolling cannot be performed.

したがって、開発すべき含Cu鋼の設計目標は、熱間加工が可能であり、しかもその熱間加工時の温度においてk2値は1×10-10mm2/sec以下の値になっていて、熱間加工時に形成した微細な再結晶粒の組織が100秒間維持される鋼ということになる。
以上の考察を踏まえて、本発明者らは、Fe−1%Cu鋼である鋼Aにつき、k2値と圧延温度との関係を調べた。その結果を図2の●印で示す。
Therefore, the design target of the Cu-containing steel to be developed is that hot working is possible, and the k 2 value is 1 × 10 −10 mm 2 / sec or less at the temperature during the hot working. This means that the fine recrystallized grain structure formed during hot working is maintained for 100 seconds.
Based on the above consideration, the present inventors investigated the relationship between the k 2 value and the rolling temperature for steel A, which is Fe-1% Cu steel. The results are indicated by the ● marks in FIG.

図2から明らかなように、Fe−1%Cu鋼は、他の鋼種に比べてk2値が非常に小さく、圧延温度が780℃以下であれば、k2値は1×10-10mm2/sec以下の値になることが判明した。
すなわち、この鋼の場合、平均粒径が1μmである再結晶粒の組織を100秒間維持することができる。これは、CuがFe原子に対するドラッグ効果を有効に発揮して、粒成長の進行を抑制しているからであると考えてよい。
As apparent from FIG. 2, the Fe-1% Cu steel has a very low k 2 value compared to other steel types, and the k 2 value is 1 × 10 −10 mm if the rolling temperature is 780 ° C. or less. It was found that the value was 2 / sec or less.
That is, in the case of this steel, the structure of recrystallized grains having an average grain size of 1 μm can be maintained for 100 seconds. This may be because Cu effectively exerts a drag effect on Fe atoms and suppresses the progress of grain growth.

本発明の鋼は次のようにして製造される。
まず、Cu含有量が0.5〜5質量%であり、かつ、熱間加工時にγ相の単相組織になる鋼を用意する。
ここでCu含有量が0.5質量%より少ない鋼の場合には、Cuの量が少なすぎて、Fe原子に対するドラッグ効果が有効に発揮されず、そのため、仮に平均粒径1μm程度の再結晶粒の組織を形成しても、粒成長が短時間の内に進行して、上記組織を100秒間維持することができない。
The steel of the present invention is manufactured as follows.
First, a steel having a Cu content of 0.5 to 5% by mass and having a single-phase structure of γ phase during hot working is prepared.
Here, in the case of a steel having a Cu content of less than 0.5% by mass, the amount of Cu is too small and the drag effect on Fe atoms is not effectively exhibited, so that recrystallization with an average particle size of about 1 μm is assumed. Even if a grain structure is formed, grain growth proceeds within a short time, and the structure cannot be maintained for 100 seconds.

一方、Cu含有量が4質量%程度になると、CuのFe原子に対するドラッグ効果は飽和に達する。
そして、Cu含有量を5質量%より多くすると、再結晶粒の粒成長は進行しないとはいえ、例えば鋼の分塊圧延時に割れなどが発生するようになる。このようなことから、Cu含有量の上限は5質量%に設定することが必要になる。
On the other hand, when the Cu content is about 4% by mass, the drag effect of Cu on Fe atoms reaches saturation.
When the Cu content is more than 5% by mass, for example, cracks and the like are generated during the batch rolling of steel, although the grain growth of recrystallized grains does not proceed. For this reason, the upper limit of the Cu content needs to be set to 5% by mass.

なお、図2の一点破線で示したドラッグ効果の限界は、Feのγ粒界が全て異種原子で満たされるときの条件であり、このとき、粒成長の速度が最も小さくなる。また、この線より下の領域をドラッグ効果で達成することは不可能である。
本発明において、上記した鋼に対して次のような条件の例えば熱間圧延のような熱間加工が行われる。
The limit of the drag effect indicated by the one-dot broken line in FIG. 2 is a condition when all the γ grain boundaries of Fe are filled with different atoms, and at this time, the rate of grain growth is the smallest. Also, it is impossible to achieve the area below this line with the drag effect.
In the present invention, the above-described steel is subjected to hot working such as hot rolling under the following conditions.

まず、加工温度はAr3点(726℃)以上980℃以下に設定される。すなわち、熱間加工時に鋼の組織をγ相の単相組織にするために、加工温度はAr3点以上に設定される。
また、図2で示したように、粒径1μmの結晶粒を100秒間粒成長させないk2値は1×10-10mm2/secであるが、この値がドラッグ効果の限界と一致するときの温度は980℃であるので、加工温度の上限は980℃に設定する。
First, the processing temperature is set to Ar 3 point (726 ° C.) or higher and 980 ° C. or lower. That is, in order to change the steel structure to a single-phase structure of γ phase during hot working, the working temperature is set to Ar 3 or higher.
In addition, as shown in FIG. 2, the k 2 value at which a crystal grain having a grain size of 1 μm is not grown for 100 seconds is 1 × 10 −10 mm 2 / sec, but this value agrees with the limit of the drag effect. Since the temperature of 980 ° C is 980 ° C, the upper limit of the processing temperature is set to 980 ° C.

粒成長を抑制しつつ熱間加工を円滑に進めることができ、また再結晶を促進させることを考えると、通常は、加工温度を700〜850℃に設定することが好適である。
そして、本発明における熱間加工は加工発熱を利用して行われる。すなわち、高速累積変形加工を行うことにより、γ粒の動的再結晶を実現する。
その場合、印加する累積ひずみが大きくてもひずみ速度が小さかったり、また逆にひずみ速度は大きいが累積ひずみは小さかったりすると、加工発熱は充分ではなくなり、微細なγ粒の動的再結晶化を実現することができなくなる。
Considering that hot working can proceed smoothly while suppressing grain growth and recrystallization is promoted, it is usually preferable to set the working temperature to 700 to 850 ° C.
And the hot processing in this invention is performed using process heat_generation | fever. That is, dynamic recrystallization of γ grains is realized by performing high-speed cumulative deformation processing.
In that case, if the applied strain is large, the strain rate is low, or conversely, if the strain rate is large but the cumulative strain is small, the heat generated by the processing will not be sufficient, and dynamic recrystallization of fine γ grains will not be possible. It cannot be realized.

例えば、大きなひずみ速度で熱間加工しても、そのときの累積ひずみが小さいと、周囲への熱の散逸が顕著となって温度上昇量が小さくなる結果、再結晶の促進された組織を得ることが困難となる。
本発明における再結晶粒の目標粒径が0.5〜5μmであることを考えると、この目標粒径を実現するためには、累積ひずみが2以上で、かつひずみ速度が1/sec以上である加工条件を採用することが必要である。
For example, even when hot working at a high strain rate, if the accumulated strain at that time is small, the dissipation of heat to the surroundings becomes remarkable and the temperature rise is reduced, resulting in a structure that promotes recrystallization. It becomes difficult.
Considering that the target grain size of the recrystallized grains in the present invention is 0.5 to 5 μm, in order to realize this target grain size, the cumulative strain is 2 or more and the strain rate is 1 / sec or more. It is necessary to adopt certain processing conditions.

そして、累積ひずみとひずみ速度を、それぞれ、適宜に選択してそれを組み合わせた熱間加工を行うことにより、再結晶粒の平均粒径を0.5〜5μmの範囲内の所望する値にすることができる。
なお、図2で明らかなように、Cuのドラッグ効果は最も大きいが、Cu、Ni、Mo、Siなどの元素によってもドラッグ効果は発現する。
Then, the average strain diameter of the recrystallized grains is set to a desired value within the range of 0.5 to 5 μm by performing hot working in which the cumulative strain and strain rate are appropriately selected and combined. be able to.
As is clear from FIG. 2, the drag effect of Cu is the largest, but the drag effect is also exhibited by elements such as Cu, Ni, Mo, and Si.

このようにして製造された本発明の含Cu鋼は、熱間加工の工程においては、その組織がγ相の単相組織になっているが、その鋼に所望する制御冷却を行うことにより、当該オーステナイト組織を変態させて、フェライト・パーライトの単相組織、ベイナイト単相組織またはマルテンサイト単相組織にしたり、これら単相組織の混合組織にすることができる。また、未変態で残存するオーステナイト組織が上記組織と混合した状態の組織にすることもできる。   The Cu-containing steel of the present invention thus produced has a single-phase structure of γ phase in the hot working process, but by performing the desired controlled cooling on the steel, The austenite structure can be transformed into a ferrite / pearlite single phase structure, a bainite single phase structure or a martensite single phase structure, or a mixed structure of these single phase structures. Further, the austenite structure remaining untransformed can be made into a structure mixed with the above structure.

例えば、結晶粒径が3μm以下のα相(フェライト)が面積率で10%以上含まれている組織の鋼や、例えばブロック長が5μm以下であるマルテンサイト相またはベイナイト相が面積率で10%以上含まれている組織の鋼などにすることができる。   For example, a steel having a structure in which an α phase (ferrite) having a crystal grain size of 3 μm or less is contained in an area ratio of 10% or more, for example, a martensite phase or a bainite phase having a block length of 5 μm or less in an area ratio of 10%. It can be made of steel having the structure contained above.

(1)鋼の用意
C:0.11質量%、Si:0.27質量%、Mn:0.47質量%、Cu:0.99質量%、Ni:3.27質量%、Mo:0.28質量%、Al:0.94質量%、N:0.0074質量%、残部はFeと不可避的不純物から成る実施例鋼(1)を用意した。
この鋼(1)は、図2で示したように、温度780℃以下においてk2値は1×10-10mm2/sec以下の値を示す含Cu鋼の鋼Aである。
(1) Preparation of steel C: 0.11% by mass, Si: 0.27% by mass, Mn: 0.47% by mass, Cu: 0.99% by mass, Ni: 3.27% by mass, Mo: 0.3% Example steel (1) comprising 28% by mass, Al: 0.94% by mass, N: 0.0074% by mass and the balance consisting of Fe and inevitable impurities was prepared.
As shown in FIG. 2, this steel (1) is a Cu-containing steel A having a k 2 value of 1 × 10 −10 mm 2 / sec or less at a temperature of 780 ° C. or less.

一方、C:0.4質量%、Si:0.25質量%、Mn:0.80質量%、Cu:0.18質量%、Ni:0.10質量%、Cr:1.01質量%、Mo:0.16質量%、Al:0.017質量%、N:0.013質量%、残部はFeと不可避的不純物から成る比較例鋼(2)を用意した。
この鋼(2)は、JIS SCM440相当鋼であり、Cuが不純物レベル含まれている鋼である。
On the other hand, C: 0.4 mass%, Si: 0.25 mass%, Mn: 0.80 mass%, Cu: 0.18 mass%, Ni: 0.10 mass%, Cr: 1.01 mass%, Comparative Example Steel (2) comprising Mo: 0.16% by mass, Al: 0.017% by mass, N: 0.013% by mass, the balance being Fe and inevitable impurities was prepared.
This steel (2) is a steel corresponding to JIS SCM440 and is a steel containing an impurity level of Cu.

(2)高速累積変形加工の効果
鋼(1)を温度750℃において、累積ひずみ1.5、ひずみ速度0.72/secの条件で熱間圧延した。加工後の鋼の組織の顕微鏡写真を図3に示した。
図3から明らかなように、微細な再結晶粒が散在しているが、全体として、この鋼は、押しつぶされた大きなγ相の集合組織になっている。
(2) Effect of high-speed cumulative deformation processing Steel (1) was hot-rolled at a temperature of 750 ° C. under conditions of a cumulative strain of 1.5 and a strain rate of 0.72 / sec. A micrograph of the steel structure after processing is shown in FIG.
As is clear from FIG. 3, fine recrystallized grains are scattered, but as a whole, this steel has a large crushed gamma phase texture.

一方、鋼(1)を温度750℃において、累積ひずみ2.9、ひずみ速度12.1/secの条件で熱間圧延した。加工後の組織の顕微鏡写真を図4に示した。
図4から明らかなように、この鋼は、粒径が平均して約1.3μmの微細な再結晶粒のオーステナイト組織になっている。
(3)Cu−ドラッグ効果の検証
鋼(1)と鋼(2)につき、温度750℃において、累積ひずみ2.9、ひずみ速度12.1/secの条件で熱間圧延した。ついで、加工後の鋼を温度750℃で60秒間保持した。鋼(1)の組織変化を図5,鋼(2)の組織変化を図6にそれぞれ示した。
On the other hand, steel (1) was hot-rolled at a temperature of 750 ° C. under the conditions of a cumulative strain of 2.9 and a strain rate of 12.1 / sec. A micrograph of the processed structure is shown in FIG.
As apparent from FIG. 4, this steel has a fine recrystallized austenite structure with an average grain size of about 1.3 μm.
(3) Verification of Cu-drug effect Steel (1) and steel (2) were hot-rolled at a temperature of 750 ° C. under conditions of a cumulative strain of 2.9 and a strain rate of 12.1 / sec. Next, the processed steel was held at a temperature of 750 ° C. for 60 seconds. The structural change of steel (1) is shown in FIG. 5, and the structural change of steel (2) is shown in FIG.

図5と図6を対比して明らかなように、鋼(1)と鋼(2)はいずれも熱間圧延後の組織は微細な再結晶粒で構成されているが、鋼(2)の場合は、60秒経過後に粒成長が進行している。
しかし、鋼(1)の場合は、粒成長の進行は認められない。これは、鋼(1)においては、Cuのドラッグ効果が有効に発揮されているからである。
As is clear from the comparison between FIG. 5 and FIG. 6, both the steel (1) and the steel (2) are composed of fine recrystallized grains after hot rolling. In this case, grain growth has progressed after 60 seconds.
However, in the case of steel (1), no progress of grain growth is observed. This is because the drag effect of Cu is effectively exhibited in the steel (1).

本発明の含Cu鋼は加工発熱を伴う高速累積変形加工で製造されるので、再結晶粒は0.5〜5μmと非常に微細化されている。そして、CuのFe原子に対するドラッグ効果が有効に利用されているので、熱間加工後、100秒間は粒成長がほとんど進行しない。
そのため、この鋼は高強度で高靱性であり、また熱間加工後の制御冷却により各種組織の鋼に調質することができ、所望する特性の鋼を製造するための出発素材としてその工業的価値は大である。
Since the Cu-containing steel of the present invention is manufactured by high-speed cumulative deformation processing with processing heat generation, the recrystallized grains are extremely refined to 0.5 to 5 μm. And since the drag effect with respect to the Fe atom of Cu is utilized effectively, grain growth hardly progresses for 100 seconds after hot processing.
Therefore, this steel has high strength and high toughness, and can be tempered into steel of various structures by controlled cooling after hot working, and its industrial use as a starting material for producing steel with desired characteristics. The value is great.

初期粒径が1μmである再結晶粒の粒成長における成長速度定数と保持時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the growth rate constant in the grain growth of the recrystallized grain whose initial grain diameter is 1 micrometer, and holding time. 各鋼種における成長速度定数と加工温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the growth rate constant and processing temperature in each steel type. 本発明方法の条件から外れた条件で熱間圧延したときの実施例鋼(1)の組織を示す顕微鏡写真である。2 is a photomicrograph showing the structure of Example Steel (1) when hot rolled under conditions deviating from the conditions of the method of the present invention. 本発明の条件下で熱間圧延したときの実施例鋼(1)の組織を示す顕微鏡写真である。2 is a photomicrograph showing the structure of Example Steel (1) when hot rolled under the conditions of the present invention. 本発明の条件下で熱間圧延した実施例鋼(1)の組織と、それを、温度750℃で60秒間保持したときの組織を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the structure | tissue when the structure of Example steel (1) hot-rolled on the conditions of this invention and it hold | maintained for 60 second at the temperature of 750 degreeC. 本発明の条件下で熱間圧延した比較例鋼(2)の組織と、それを、温度750℃で60秒間保持したときの組織を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the structure | tissue when the structure of the comparative example steel (2) hot-rolled on the conditions of this invention and it hold | maintained for 60 second at the temperature of 750 degreeC.

Claims (3)

Cuを0.5〜5質量%含み、かつ、平均粒径が0.5〜5μmである再結晶粒のオーステナイト組織から成ることを特徴とする含Cu鋼。   A Cu-containing steel comprising an austenite structure of recrystallized grains containing 0.5 to 5% by mass of Cu and having an average grain size of 0.5 to 5 μm. 前記オーステナイト組織から変態したフェライト・パーライト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の群から選ばれる少なくとも1種の組織、さらには、未変態で残存するオーステナイト組織と混合状態にある組織から成る請求項1の含Cu鋼。   The structure according to claim 1, further comprising at least one structure selected from the group consisting of a ferrite pearlite structure transformed from the austenite structure, a bainite structure, and a martensite structure, and a structure in a mixed state with the austenite structure remaining untransformed. Cu-containing steel. Cuを0.5〜5質量%含む鋼に対し、Ar3変態点以上980℃以下の温度域において、累積ひずみ2以上でかつひずみ速度1/sec以上の高速累積変形加工を行うことを特徴とする含Cu鋼の製造方法。

It is characterized by performing high-speed cumulative deformation processing with a cumulative strain of 2 or more and a strain rate of 1 / sec or more on a steel containing 0.5 to 5% by mass of Cu in a temperature range of Ar 3 transformation point to 980 ° C. A method for producing Cu-containing steel.

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