JP2020012177A - 鋼材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度および延性のバランスに優れ、かつ高降伏比の鋼材を提供する。【解決手段】化学組成が、質量％で、Ｃ：1.00％以下、Si：3.00％以下、Mn：0.2〜7.0％、Ｐ：0.10％以下、Ｓ：0.030％以下、Al：3.00％以下、Ｎ：0.010％以下、Ni：0〜10.0％、Cu：0〜3.0％、Cr：0〜10.0％、Ti：0〜1.0％、Nb：0〜1.0％、Ｖ：0〜1.0％、Mo：0〜2.0％、Ｗ：0〜1.0％、Ｂ：0〜0.01％、Co：0〜1.0％、Ca：0〜0.01％、Mg：0〜0.01％、REM：0〜0.01％、残部：Feおよび不純物であり、Ceqが0.10〜1.00であり、金属組織が、体積％で、マルテンサイト：55.0〜85.0％、を含み、かつ、マルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計体積率が95.0％以上であり、マルテンサイトの平均結晶粒径が4.0μｍ以下である、鋼材。【選択図】 なし

Description

本発明は、鋼材およびその製造方法に関する。

鋼の組織が微細になるほど、強度、延性および靱性のいずれもが向上することが知られている。例えば、軟質な素地組織中に硬質なマルテンサイトが分散した複層組織鋼において、マルテンサイトを微細に多数分散させた鋼は、同じマルテンサイト体積率でマルテンサイトが粗大化・連結した鋼と比較して、優れた延性および靭性を有する。

また、組織中に残留オーステナイトを含有させると、歪導入時にオーステナイトが歪誘起によるマルテンサイト変態を起こす。そのため、組織中に残留オーステナイトを含む鋼では、延性に優れるとともに高い強度が得られ、強度−延性バランスに優れる結果となる。

強度−延性バランスに優れた材料として、ＤＰ鋼または残留オーステナイト鋼が知られている。例えば、特許文献１には、引張強度が５９０ＭＰａ以上、降伏比が０．６５以上で、かつヤング率が２２５ＧＰａ以上である剛性に優れた高強度薄鋼板が開示されている。

また、特許文献２には、自動車用、家電用及び機械構造用等に用いられる冷延鋼板について、プレス加工による歪の導入がなくても、低歪域での吸収エネルギーが大きく、耐衝突特性に優れる高強度冷延鋼板が開示されている。さらに、特許文献３には、伸びと伸びフランジ性に優れ、高降伏比を有する高強度冷延鋼板が開示されている。

特開２００７−９２１３１号公報 特開２００８−２３１４８０号公報 特開２０１５−３４３２６号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の鋼においては、組織制御のため組成を厳しく制限する必要が生じるという問題がある。そのため、化学組成の自由度が低く、製造コストが上昇する懸念がある。

また、特許文献１〜３に記載の鋼は、延性確保の観点から軟質なフェライトを含む。そのため、上記の鋼は成形性には優れるものの、低歪み域での変形抵抗が小さく、例えば、自動車の衝撃吸収部材として用いた場合には、衝突（変形）初期のエネルギー吸収能が劣るという問題がある。また、軟質なフェライト層と硬質なマルテンサイト層との界面にボイドが発生し易く、局部変形能の面でも問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、強度および延性のバランスに優れる鋼材を提供することを目的とする。

本発明は、下記の鋼材およびその製造方法を要旨とする。

（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：１．００％以下、
Ｓｉ：３．００％以下、
Ｍｎ：０．２〜７．０％、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：３．００％以下、
Ｎ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：０〜１０．０％、
Ｃｕ：０〜３．０％、
Ｃｒ：０〜１０．０％、
Ｔｉ：０〜１．０％、
Ｎｂ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜１．０％、
Ｍｏ：０〜２．０％、
Ｗ：０〜１．０％、
Ｂ：０〜０．０１％、
Ｃｏ：０〜１．０％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で定義されるＣｅｑが０．１０〜１．００であり、
金属組織が、体積％で、
マルテンサイト：５５．０〜８５．０％、を含み、かつ、
マルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計体積率が９５．０％以上であり、
マルテンサイトの平均結晶粒径が４．０μｍ以下である、
鋼材。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋１／２４Ｓｉ＋１／６Ｍｎ＋１／４０Ｎｉ＋１／５Ｃｒ＋１／４Ｍｏ＋１／１４Ｖ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。

（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｎｉ：０．１〜１０．０％、
Ｃｕ：０．３〜３．０％、および
Ｃｒ：０．１〜１０．０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）に記載の鋼材。

（３）前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１〜１．０％、
Ｎｂ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜２．０％、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｂ：０．０００３〜０．０１％、および
Ｃｏ：０．０５〜１．０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。

（４）前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の鋼材。

（５）前記金属組織中の焼戻しベイナイトに含まれるセメンタイトの個数密度が７．５個／μｍ^２以上であり、かつ該セメンタイトの平均粒径が５００ｎｍ以下である、
上記（１）から（４）までのいずれかに記載の鋼材。

（６）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の化学組成を有し、
ベイナイトまたは冷間加工されたベイナイトを主体とする金属組織を有する鋼素材を、
５００℃／ｓ以上の平均昇温速度で（Ａｃ_１点＋Ａｃ_３点）／２以上、かつ、Ａｃ_３点未満の範囲の温度域まで加熱した後、５ｓ以内に冷却を開始し、前記温度域から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する、
鋼材の製造方法。

本発明によれば、強度および延性のバランスに優れる鋼材を得ることが可能になる。

本発明者らは、高い強度と優れた延性とを有する鋼材を得るための方法について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。

（ａ）高い強度と優れた延性とを両立するためには、焼戻しベイナイトと超微細なマルテンサイトとの混合組織を主体とする金属組織とするのがよく、鋼材の強度を優先する場合には、特にマルテンサイトを一定量以上確保する必要がある。

（ｂ）鋼素材を超急速加熱し、一気にフェライト／オーステナイト２相域の高温側まで加熱することで、高温において金属組織の一部に超微細なオーステナイト粒が生成される。そして、その状態から直ちに急冷することで超微細なマルテンサイトが得られる。

（ｃ）超急速加熱を行う前の鋼素材の組織の違いによって、加熱後の微細度合が大きく変わる。鋼素材には金属組織中にオーステナイトの核生成サイトが多数存在するものを用いるのが望ましい。そのため、ベイナイトまたは冷間加工されたベイナイトを主体とする金属組織を有する鋼素材を用いることが望ましい。

（ｄ）超急速加熱後の未変態の領域、すなわち、ベイナイトまたは冷間加工されたベイナイトが残存した領域は、高温で短時間の焼戻しを受け、極めて微細な炭化物が分散した焼戻しベイナイトとなる。

（ｅ）極めて速い昇温速度で加熱を行った場合、オーステナイトへの変態完了温度（Ａｃ_３点）が上昇するため、高温域で短時間のうちに初期のベイナイトを焼戻すことができる。

（ｆ）生成した超微細オーステナイト粒は、高温状態では粒界の移動により粗大な粒に成長しやすい。そのため、超急速加熱後は直ちに急冷することによって、超微細組織を維持したまま室温まで冷却する。

（ｇ）超微細オーステナイト粒の成長粗大化を防止するため、変態温度を低くすることも有効である。粒界の移動は原子の拡散によるものであるため、温度を下げて拡散速度を小さくすれば、微細な粒のまま維持することが可能になる。

（ｈ）Ｍｎ等の含有量を調整することによって、鋼素材の変態温度を低下させることが可能になる。

本発明は上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。

（Ａ）化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。

Ｃ：１．００％以下
Ｃは鋼材の強度を向上させる元素である。Ｃ含有量は鋼材に要求される特性に応じて選定されるが、１．００％を超えるとＭｆ点が低下しすぎて、加熱中に生じたオーステナイトの一部または全部が冷却中に変態せずに、必要量のマルテンサイトが得られず、十分な強度が得られなくなる。そのため、Ｃ含有量は１．００％以下とする。Ｃ含有量は０．５０％以下であるのが好ましく、０．３５％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得るためには、Ｃ含有量は０．０３％以上であるのが好ましい。

Ｓｉ：３．００％以下
Ｓｉはフェライト相へ分配される元素であって、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するには、脱酸のために通常含有される量より多く含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が３．００％を超えると、熱間加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。そのため、Ｓｉ含有量は３．００％以下とする。Ｓｉ含有量は２．５０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｓｉ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。

Ｍｎ：０．２〜７．０％
ＭｎはＡ_１変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Ｍｎはオーステナイト相へ分配される元素である。さらに、残留オーステナイトを活用したい場合には有効な元素となる。超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するためには、０．２％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｎ含有量が７．０％を超えると、Ｍｆ点が低下しすぎて、加熱中に生じたオーステナイトの一部または全部が冷却中に変態せずに、必要量のマルテンサイトが得られず、十分な強度が得られなくなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．２〜７．０％とする。Ｍｎ含有量は５．０％以下であるのが好ましく、３．０％以下であるのがより好ましい。

Ｐ：０．１０％以下
Ｐは、一般に不純物として含有される元素であるが、固溶強化により強度を高める効果を有する元素でもある。したがって、Ｐを積極的に含有させてもよい。しかし、Ｐは偏析し易い元素であり、その含有量が０．１０％を超えると、粒界偏析に起因する成形性および靭性の低下が顕著となる。したがって、Ｐ含有量は０．１０％以下とする。Ｐ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。Ｐ含有量の下限は特に規定する必要はないが、上記の効果を得たい場合には、０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不純物として含有される元素であり、鋼中に硫化物系介在物を形成して鋼板の成形性を低下させる。Ｓ含有量が０．０３０％を超えると、成形性の低下が著しくなる。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする。Ｓ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましく、０．００５％以下であるのがより好ましく、０．００１％以下であるのがさらに好ましい。Ｓ含有量の下限は特に規定する必要はないが、精錬コストの上昇を抑制する観点からは０．０００１％以上とすることが好ましい。

Ａｌ：３．００％以下
Ａｌはフェライト相へ分配される元素であって、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するには、脱酸のために通常含有される量より多く含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が３．００％を超えると、熱間加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。そのため、Ａｌ含有量は３．００％以下とする。Ａｌ含有量は２．５０％以下であるのが好ましく、２．００％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得るためには、Ａｌ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。

Ｎ：０．０１０％以下
Ｎは、不純物として含有される元素であり、鋼板の成形性を低下させる作用を有する。Ｎ含有量が０．０１０％を超えると、成形性の低下が著しくなる。したがって、Ｎ含有量は０．０１０％以下とする。Ｎ含有量は０．００８０％以下であるのが好ましく、０．００７０％以下であるのがより好ましい。Ｎ含有量の下限は特に規定する必要はないが、後述するようにＴｉ、ＮｂおよびＶの１種以上を含有させて鋼組織の微細化を図る場合を考慮すると、炭窒化物の析出を促進させるためにＮ含有量は、０．００１０％以上とすることが好ましく、０．００２０％以上とすることがより好ましい。

本発明に係る鋼材には、上記の元素に加えてさらに、下記に示す量のＮｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ｃｏ、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭから選択される１種以上の元素を含有させてもよい。

Ｎｉ：０〜１０．０％
ＮｉはＡ_１変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Ｎｉはオーステナイト相へ分配される元素である。そのため必要に応じてＮｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉ含有量が１０．０％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｎｉ含有量は１０．０％以下とする。Ｎｉ含有量は５．０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｎｉ含有量は０．１％以上とするのが好ましい。

Ｃｕ：０〜３．０％
ＣｕはＡ_１変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Ｃｕはオーステナイト相へ分配される元素である。そのため必要に応じてＣｕを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕ含有量が３．０％を超えると、加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。したがって、Ｃｕ含有量は３．０％以下とする。Ｃｕ含有量は２．５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｃｕ含有量は０．３％以上とするのが好ましい。

Ｃｒ：０〜１０．０％
Ｃｒはオーステナイト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＣｒを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が１０．０％を超えると、強度と延性または強度と靱性とのアンバランスが生じる。したがって、Ｃｒ含有量は１０．０％以下とする。Ｃｒ含有量は８．０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｃｒ含有量は０．１％以上とするのが好ましい。

Ｔｉ：０〜１．０％
Ｔｉはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＴｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が１．０％を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Ｔｉ含有量は１．０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０．０１％以上とするのが好ましい。

Ｎｂ：０〜１．０％
Ｎｂはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＮｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂ含有量が１．０％を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Ｎｂ含有量は１．０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｎｂ含有量は０．０１％以上とするのが好ましい。

Ｖ：０〜１．０％
Ｖはフェライト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＶを含有させてもよい。しかしながら、Ｖ含有量が１．０％を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Ｖ含有量は１．０％以下とする。Ｖ含有量は０．５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｖ含有量は０．０１％以上とするのが好ましい。

Ｍｏ：０〜２．０％
Ｍｏはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＭｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏ含有量が２．０％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｍｏ含有量は２．０％以下とする。Ｍｏ含有量は１．０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｍｏ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。

Ｗ：０〜１．０％
Ｗはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＷを含有させてもよい。しかしながら、Ｗ含有量が１．０％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｗ含有量は１．０％以下とする。Ｗ含有量は０．５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｗ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。

Ｂ：０〜０．０１％
Ｂは焼入れ性が向上する元素で、マルテンサイトを含む組織を得るには有効な元素である。そのため必要に応じてＢを含有させてもよい。しかしながら、Ｂ含有量が０．０１％を超えると、靱性が悪化する。したがって、Ｂ含有量は０．０１％以下とする。Ｂ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００３％以上とするのが好ましい。

Ｃｏ：０〜１．０％
Ｃｏはフェライト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＣｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏ含有量が１．０％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｃｏ含有量は１．０％以下とする。Ｃｏ含有量は０．５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｃｏ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。

Ｃａ：０〜０．０１％
Ｍｇ：０〜０．０１％
ＲＥＭ：０〜０．０１％
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、オーステナイト粒成長を抑制するピン留め効果を有し、オーステナイト粒を微細化する効果を有する。そのため必要に応じてこれらの元素から選択される１種以上を含有させてもよい。しかしながら、これらの元素の含有量がそれぞれ０．０１％を超えると、脆化して加工性が劣化する。したがって、各元素ともその含有量を０．０１％以下とする。また、２種以上を複合的に含有させる場合、その合計含有量は０．０３％であってもよい。上記の効果を得るためには、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭから選択される１種以上を０．０００１％以上含有させるのが好ましい。

ここで、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。

本発明に係る鋼材の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。なお「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

Ｃｅｑ：０．１０〜１．００
Ｃｅｑは炭素当量を意味し、下記（ｉ）式で定義される。Ｃｅｑが０．１０未満では、焼き入れを施してもマルテンサイト組織が得られない。一方、Ｃｅｑが１．００を超えると、靭性および延性が悪化するだけでなく、溶接を行う場合には溶接性および溶接部特性が劣化する。したがって、Ｃｅｑは０．１０〜１．００とする。Ｃｅｑは０．２０以上であるのが好ましく、０．３０以上であるのがより好ましい。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋１／２４Ｓｉ＋１／６Ｍｎ＋１／４０Ｎｉ＋１／５Ｃｒ＋１／４Ｍｏ＋１／１４Ｖ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。

（Ｂ）鋼材の金属組織
本発明に係る鋼材の金属組織は、マルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの複相組織が主体となる。具体的には、マルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計体積率が９５．０％以上である金属組織を有する。鋼材中には、残留オーステナイト、ベイナイト、フェライト、パーライト等の組織が混在する場合もあるが、これらの組織は合計体積率で５．０％未満であれば許容される。

本発明においては、フェライト／オーステナイト２相域の高温側での加熱を行うため、金属組織中に占めるマルテンサイトの体積率を増加させることが可能となる。具体的には、マルテンサイトの体積率を５５．０〜８５．０％とすることによって、高い強度を確保することができる。加えて、比較的軟質な焼戻しベイナイトを含むため、良好な延性を同時に備えることが可能となる。

また、マルテンサイトの平均結晶粒径は、４．０μｍ以下である。鋼材の機械的性質は結晶粒径の微細化とともに向上し、特に、マルテンサイトの平均結晶粒径を４．０μｍ以下にすることにより、その向上効果が極めて顕著になる。なお、ここでいうマルテンサイトの結晶粒径とは、マルテンサイトの旧オーステナイト粒径またはパケット粒径のいずれか特定できるものを指す。

本発明において、各組織の体積率および平均結晶粒径は、以下の方法により測定するものとする。

まず、鋼材の圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、試料を採取する。そして、当該観察面を鏡面研磨し、ナイタール腐食液で腐食した後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて組織観察を行う。

上記観察面の板厚１／４深さ位置において、１０００倍で３００μｍ×３００μｍの範囲を撮影する。得られたミクロ組織写真を白黒の二値化処理を施してから画像解析を行い、マルテンサイトおよび残留オーステナイトならびに焼戻ベイナイトを特定し、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）規格に定める、「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法」に基づく方法を用いて、マルテンサイトおよび残留オーステナイトの合計面積率ならびに焼戻ベイナイトの面積率を求める。なお、マルテンサイトおよび残留オーステナイトと焼戻しベイナイトとは、炭化物粒子の析出の有無で判別する。

続いて、同じ試料のＳＥＭ観察を行った視野と同じ視野において、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ）による結晶方位の測定および解析を行う。測定は３０μｍ×３０μｍ以上の領域を対象とし、０．０５μｍ以下のステップで行うものとする。そして、解析結果からＦＣＣ相を特定し、上記と同様にＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に基づき、その面積率を求め、残留オーステナイトの面積率とする。

さらに、以上の方法によって求めた各組織の面積率から体積率への換算は、線分法により行う。当該線分法は、例えば、Robert T. DeHoff、Frederik N. Rhines共編（Quantitative Microscopy、１９６８年）に記載される手法に基づく。

そして、上述のマルテンサイトおよび残留オーステナイトの合計体積率から残留オーステナイトの体積率を差し引くことにより、マルテンサイトの体積率を求める。さらに、マルテンサイトの体積率と焼戻しベイナイトの体積率を足し合わせることにより、マルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計体積率を求める。

さらに、上述のＳＥＭを用いて撮影した写真から、同じ視野におけるＥＢＳＤ測定で残留オーステナイトと特定された部分を排除して画像処理することによって、マルテンサイトを特定する。そして、特定されたマルテンサイトを画像解析により球状化近似して、その直径を求める。そして、視野内の全結晶粒の直径を平均することにより、マルテンサイトの平均結晶粒径を算出する。

また、金属組織中の焼戻しベイナイトに含まれるセメンタイトの個数密度は、７．５個／μｍ^２以上であることが好ましい。セメンタイトの個数密度を増加させることにより、析出強化によって鋼材の引張強さが向上させることができる。一方、セメンタイトが粗大であると、靱性が劣化するおそれがある。そのため、金属組織中の焼戻しベイナイトに含まれるセメンタイトの平均粒径は５００ｎｍ以下であるのが好ましい。セメンタイトの平均粒径は４００ｎｍ以下であるのがより好ましく、３００ｎｍ以下であるのがさらに好ましく、２００ｎｍ以下であるがより一層好ましい。

なお、セメンタイトの個数密度および平均粒径は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定する。まず、鋼材の圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、試料を採取する。当該試料の板厚１／４深さ位置において、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、電解研磨等を行い、厚さ約１００ｎｍ程度の薄膜試料を作製する。その後、ＴＥＭを用いて４００００倍で１μｍ×１μｍの範囲において、観察および撮影を行う。

ＴＥＭにより撮影した複数の写真を用いて、視野内のセメンタイトの個数を測定し、視野面積で除することで個数密度を求める。また、セメンタイトを画像解析により球状化近似して、その直径を求める。そして、視野内の全てのセメンタイトの直径を平均することにより、セメンタイトの平均粒径を算出する。なお、上記の測定においては、円相当直径が１０ｎｍ以上のセメンタイトのみを対象とする。

（Ｃ）製造方法
本発明に係る鋼材は、上述の化学組成を有し、所定の金属組織を有する鋼素材に対して、加熱した後、直ちに冷却を開始する熱処理を施すことによって製造することが可能である。各条件について、以下に詳しく説明する。

＜鋼素材＞
熱処理を施す前の鋼素材としては、ベイナイトまたは冷間加工されたベイナイトを主体とする金属組織を有するものを用いる。その理由は以下のとおりである。

加熱時に微細なオーステナイトの結晶粒を多数分散させるためには、金属組織中に予め多数のオーステナイトの核生成サイトを得ておく必要がある。核生成サイトとなり得るのは、初期組織の結晶粒界、炭化物等の析出物と素地の結晶粒との界面などである。ベイナイト組織は、旧オーステナイト粒の中にパケット、ブロック、ラス等の下部組織を有し、それらの境界も核生成サイトとなり得る。したがって、ベイナイト組織は、フェライト／パーライト組織等と比較して、オーステナイトの核生成サイトが多く、加熱時に微細な組織が得られる。

また、ベイナイト組織に冷間加工を施すと、結晶粒がより微細になるため、さらに核生成サイトが増加し、金属組織中に細かく分散した状態となる。そのため、冷間加工されたベイナイトを鋼素材として用いればより微細な組織が得られる。

加えて、ベイナイトには、微細な炭化物が析出しており、炭化物もオーステナイトと同じく金属組織内の結晶界面等に優先的に析出する。前述のように析出した炭化物と素地組織との界面も有効な核生成サイトであることから、冷間加工されたベイナイト組織を出発組織とし、加熱過程で微細な炭化物が多数形成する過程を経てからオーステナイト変態が開始するように加熱することで、より多くの核生成サイトを得ることができる。

ここで、「ベイナイトまたは冷間加工されたベイナイトを主体」とするとは、ベイナイトおよび冷間加工されたベイナイトの合計体積率が９５．０％以上である金属組織を意味する。鋼素材中には、フェライト、パーライト、残留オーステナイト、マルテンサイト等の組織が混在する場合もあるが、これらの組織は合計体積率で５．０％未満であれば許容される。

なお、鋼素材の製造方法については、金属組織がベイナイトまたは冷間加工されたベイナイトを主体とするものである限り特に制限はなく、一般的な方法を用いればよい。例えば、上記の化学組成を有する鋼をＡｃ_３点以上の温度まで加熱した後、４００℃以下の温度域まで１０〜４０℃／ｓの平均冷却速度で冷却することによって、ベイナイトを主体とする鋼素材が得られる。また、ベイナイト主体の鋼素材に冷間加工を施す方法についても特に制限はなく、例えば、冷間圧延を行う場合、冷間加工度が２０％以上となる条件とすることが望ましい。

＜昇温工程＞
前述の化学組成および金属組織を有する鋼素材を、まず５００℃／ｓ以上の平均昇温速度で（Ａｃ_１点＋Ａｃ_３点）／２以上、かつ、Ａｃ_３点未満の範囲の温度域まで加熱する。上記の温度域まで加熱することで、金属組織の一部に微細なオーステナイトを生成させることができる。また、残存した初期のベイナイトは高温で短時間の焼戻しを受け、極めて微細な炭化物が分散した焼戻しベイナイトとなる。

また、本発明の好適態様によれば、フェライトからオーステナイトに変態する際に生成するオーステナイト粒が成長粗大化してしまわないように、超急速加熱することが重要である。そのため、上記の温度域までの平均昇温速度は、５００℃／ｓ以上とする。平均昇温速度は１０００℃／ｓ以上であるのが望ましい。平均昇温速度の上限については特に制限はないが、実用的な範囲として２００００℃／ｓ以下であることが望ましい。

なお、本発明において、Ａｃ_３点は以下の方法により求める。同一の化学組成および金属組織を有する複数の試験片を用意し、所定の加熱速度で、種々の温度まで加熱後、保持時間を１ｓ以内として、前記加熱温度から７０℃まで１０００℃／ｓの平均冷却速度で冷却する。そして、その後の試験片の硬度が、最高焼き入れ硬さとなる試験片に適用した加熱温度をＡｃ_３点とする。また、Ａｃ_３点は加熱時の熱膨張測定から求めても同様の結果が得られる。

＜保持工程＞
上記の条件で加熱した後、５ｓ以内に冷却を開始する。上記の温度域での保持時間が５ｓを超えると、冷却途中で再結晶が始まり、超微細なマルテンサイトが得られないだけでなく、オーステナイト粒の一部がマルテンサイト以外の組織となってしまう。また、焼戻しベイナイト中の炭化物も粗大化されてしまう。上記保持時間は３ｓ以下であるのが望ましく、１ｓ以下であるのがより望ましい。

＜冷却工程＞
冷却工程では、上述の加熱温度から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する。冷却速度が１００℃／ｓ未満では再結晶が始まり、オーステナイト粒の一部がマルテンサイト以外の組織となってしまうため、１００℃／ｓ以上とする。

なお、冷却途中での再結晶を極力抑制するためには、上記昇温工程から上記冷却工程の間において、鋼素材が５００℃以上の温度域に保持される時間を７ｓ以内にすることが望ましい。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有する１８０ｋｇの鋼塊を高周波真空溶解炉にて溶製し、熱間鍛造により３０ｍｍ厚さの鋼片にした。得られたスラブについて、熱間圧延試験機によって、表２に示す条件のうちのいずれかで熱間圧延を施し、厚さ２ｍｍの熱延鋼板とした。それにより、主体となる金属組織が表３に示す組織とした。表３に示す試験番号４、８、１７、２３および２４については、上記の加熱処理後の熱延鋼板を鋼素材とした。また、それ以外の熱間鋼板については、さらに冷間圧延試験機にて冷間圧延を施し、厚さ１ｍｍの冷延鋼板とし、鋼素材とした。

得られた鋼素材から、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、および厚さ１ｍｍの試験片を採取した。採取した各試験片に対して、表２に示す条件に従って熱処理を実施した。加熱は通電加熱により行い、通電加熱の電源遮断後、直ちに冷却水を噴射して室温まで冷却した。なお、表３には、各素材のＡｃ_１点およびＡｃ_３点を併せて示す。

熱処理前後の試験片の金属組織は、以下の方法により測定した。

まず、熱処理前後の試験片から、圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、観察用試料を採取した。そして、当該観察面を鏡面研磨し、ナイタール腐食液で腐食した後、ＳＥＭを用いて組織観察を行った。

上記観察面の板厚１／４深さ位置において、１０００倍で３００μｍ×３００μｍの範囲を撮影した。得られたミクロ組織写真を白黒の二値化処理を施してから画像解析を行い、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に基づきマルテンサイトおよび残留オーステナイトの合計面積率ならびに焼戻ベイナイトの面積率を求め、線分法によりそれぞれの体積率に換算した。

続いて、同じ試料のＳＥＭ観察を行った視野と同じ視野において、ＥＢＳＤによる結晶方位の測定および解析を行った。測定は３０μｍ×３０μｍ以上の領域を対象とし、０．０５μｍ以下のステップで行った。そして、解析結果からＦＣＣ相を特定し、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に基づきその面積率を求め、線分法により残留オーステナイトの体積率に換算した。

そして、上述のマルテンサイトおよび残留オーステナイトの合計体積率から残留オーステナイトの体積率を差し引くことにより、マルテンサイトの体積率を求めた。さらに、マルテンサイトの体積率と焼戻しベイナイトの体積率を足し合わせることにより、マルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計体積率を求めた。

さらに、上述のＳＥＭを用いて撮影した写真から、同じ視野におけるＥＢＳＤ測定で残留オーステナイトと特定された部分を排除して画像処理することによって、マルテンサイトを特定した。そして、特定されたマルテンサイトを画像解析により球状化近似して、その直径を求め、視野内の全結晶粒の直径を平均することにより、マルテンサイトの平均結晶粒径を算出した。

また、セメンタイトの個数密度および平均粒径は、ＴＥＭを用いて測定した。まず、鋼材の圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、試料を採取し、試料の板厚１／４深さ位置において、ＦＩＢおよび電解研磨を行い、厚さ約１００ｎｍ程度の薄膜試料を作製した。その後、ＴＥＭを用いて４００００倍で１μｍ×１μｍの範囲において、観察および撮影を行った。

ＴＥＭにより撮影した複数の写真を用いて、視野内のセメンタイトの個数を測定し、視野面積で除することで個数密度を求めた。また、セメンタイトを画像解析により球状化近似して、その直径を求め、視野内の全てのセメンタイトの直径を平均することにより、セメンタイトの平均粒径を算出した。

これらの結果を表４に示す。

さらに、これらの試験片について、引張試験に供し、機械的特性の測定を行った。

引張試験は、ＡＳＴＭ規格Ｅ８の規定に準拠して、インストロン社製引張試験機で実施した。上記試験片から、試験方向が圧延方向に平行になるように、ＡＳＴＭ規格Ｅ８のハーフサイズ板状試験片（平行部長さ：３２ｍｍ、平行部板幅：６．２５ｍｍ）を採取した。なお、本実施例で用いた通電加熱装置冷却装置では、長さ２００ｍｍ程度のサンプルから得られる均熱部位は限られるため、ＡＳＴＭ規格Ｅ８のハーフサイズ板状試験片を採用することとした。

その結果を表５に示す。本発明においては、引張強さが６５０ＭＰａ以上、かつ伸びが１４．５％以上である場合に、強度および延性のバランスに優れると判断することとした。

表５に示すように、本発明の規定を満足する試験番号１〜１５では、強度および延性のバランスに優れるとともに、降伏比も０．６８以上と高降伏比であった。一方、本発明の規定を満足しない比較例の試験番号１６〜２５では、引張強さおよび伸びの少なくともいずれかが劣る結果となった。

本発明によれば、強度および延性のバランスに優れ、かつ高降伏比の鋼材を得ることが可能になる。

Claims (6)

1. 化学組成が、質量％で、
   Ｃ：１．００％以下、
   Ｓｉ：３．００％以下、
   Ｍｎ：０．２〜７．０％、
   Ｐ：０．１０％以下、
   Ｓ：０．０３０％以下、
   Ａｌ：３．００％以下、
   Ｎ：０．０１０％以下、
   Ｎｉ：０〜１０．０％、
   Ｃｕ：０〜３．０％、
   Ｃｒ：０〜１０．０％、
   Ｔｉ：０〜１．０％、
   Ｎｂ：０〜１．０％、
   Ｖ：０〜１．０％、
   Ｍｏ：０〜２．０％、
   Ｗ：０〜１．０％、
   Ｂ：０〜０．０１％、
   Ｃｏ：０〜１．０％、
   Ｃａ：０〜０．０１％、
   Ｍｇ：０〜０．０１％、
   ＲＥＭ：０〜０．０１％、
   残部：Ｆｅおよび不純物であり、
   下記（ｉ）式で定義されるＣｅｑが０．１０〜１．００であり、
   金属組織が、体積％で、
   マルテンサイト：５５．０〜８５．０％、を含み、かつ、
   マルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計体積率が９５．０％以上であり、
   マルテンサイトの平均結晶粒径が４．０μｍ以下である、
   鋼材。
   Ｃｅｑ＝Ｃ＋１／２４Ｓｉ＋１／６Ｍｎ＋１／４０Ｎｉ＋１／５Ｃｒ＋１／４Ｍｏ＋１／１４Ｖ ・・・（ｉ）
   但し、式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
2. 前記化学組成が、質量％で、
   Ｎｉ：０．１〜１０．０％、
   Ｃｕ：０．３〜３．０％、および
   Ｃｒ：０．１〜１０．０％、
   から選択される１種以上を含有する、
   請求項１に記載の鋼材。
3. 前記化学組成が、質量％で、
   Ｔｉ：０．０１〜１．０％、
   Ｎｂ：０．０１〜１．０％、
   Ｖ：０．０１〜１．０％、
   Ｍｏ：０．０５〜２．０％、
   Ｗ：０．０５〜１．０％、
   Ｂ：０．０００３〜０．０１％、および
   Ｃｏ：０．０５〜１．０％、
   から選択される１種以上を含有する、
   請求項１または請求項２に記載の鋼材。
4. 前記化学組成が、質量％で、
   Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
   Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、および
   ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％、
   から選択される１種以上を含有する、
   請求項１から請求項３までのいずれかに記載の鋼材。
5. 前記金属組織中の焼戻しベイナイトに含まれるセメンタイトの個数密度が７．５個／μｍ^２以上であり、かつ該セメンタイトの平均粒径が５００ｎｍ以下である、
   請求項１から請求項４までのいずれかに記載の鋼材。
6. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の化学組成を有し、
   ベイナイトまたは冷間加工されたベイナイトを主体とする金属組織を有する鋼素材を、
   ５００℃／ｓ以上の平均昇温速度で（Ａｃ_１点＋Ａｃ_３点）／２以上、かつ、Ａｃ_３点未満の範囲の温度域まで加熱した後、５ｓ以内に冷却を開始し、前記温度域から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する、
   鋼材の製造方法。