JP3873111B2

JP3873111B2 - 超微細フェライト組織鋼

Info

Publication number: JP3873111B2
Application number: JP25648397A
Authority: JP
Inventors: 透林; 史郎鳥塚; 兼彰津崎; 寿長井
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1997-09-22
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2017-09-22
Also published as: JPH1192860A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、構造用鋼等として、棒鋼、形鋼、薄板および厚板の各種形態で用いられるフェライト主体鋼であって、平均フェライト粒径が１．２μｍ以下の高強度で疲労寿命の長い、フェライト相が体積率として５０％以上である超微細フェライト組織鋼の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、鋼材の強化方法としては、固溶強化や、マルテンサイト等との複合化による第２相による強化、析出強化、結晶粒の微細化が知られている。なかでも、強度と靱性をともに高くし、強度−延性バランスを良好にする方法としては、結晶粒の微細化が最も優れた方法である。この方法では焼き入れ性を高めるＮｉ，Ｃｒ等の高価な元素の添加を必要としないため、低コストで高強度鋼材の製造が可能とされている。この結晶粒の微細化の観点からは、構造用鋼において、フェライトの結晶粒径が２．５μｍ以下まで微細化されると、強度は急激に大きくなることが期待されている。しかしながら、一般の加工熱処理技術で現在までに得られている５μｍ程度の粒径では、高強度化されるものの、大きな強度上昇量は得られていないのが実情である。
【０００３】
従来、制御圧延−加速冷却技術は低合金鋼において、微細なフェライトを得るための有効な方法であった。すなわち、オーステナイト未再結晶域における累積圧下率とその後の冷却速度を制御することによって、微細な組織が得られている。しかし、得られるフェライト粒径はせいぜいＳｉ−Ｍｎ鋼で１０μｍ、Ｎｂ鋼で５μｍが限界であった。一方、特開昭５８−１２３８２３、特開昭５９−２０５４４７、特公昭６２−３９２２８、特公昭６２−５２１２、特公昭６２−７２４７に述べられているように、２相域も含めたＡｒ _１〜Ａｒ _３＋１００℃の温度域で合計減面率が７５％以上の圧下を加え、その後２０Ｋ／ｓ以上で冷却する場合には、３〜４μｍ程度のフェライト粒が得られることが報告されている。しかしながら、２０Ｋ／ｓ以上の急冷は、板厚が薄い場合にのみ成り立ち得る手段であり、広く一般溶接構造用鋼の製造方法としては成立しがたい非実際的なものにすぎない。また、強加工そのものについても、ロール圧延では、オーステナイト低温域での１パスで５０％を超える大圧下を行うことは、その変形抵抗の大きさやロールのかみこみ制限から、一般的にむずかしい。また、未再結晶域での累積圧下には一般的には７０％以上必要であり、鋼板の温度低下によりそれも難しい。
【０００４】
また、一方、「鉄鋼の結晶粒超微細化、日本鉄鋼協会編（１９９１）、ｐ．４１」では視点を変えてベイナイト組織を再結晶させることで微細フェライト組織を得ている。しかし、成分を最適化しても、再結晶温度を低下させることができないためフェライト粒成長が速く、５μｍ未満のフェライト結晶粒径は得られていない。
【０００５】
そこで、この出願の発明では、以上のとおりの従来技術の限界を克服し、その強度をより大きく増大させるため、これまで知られていない１．２μｍ以下という超微細なフェライト組織を持つ鋼を提供し、しかも、疲労寿命も飛躍的に長くする等の優れた特性を持つ新しい鋼を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願は、上記の課題を解決するものとして、平均フェライト粒径が１．２μｍ以下でフェライト相が体積率５０％以上である超微細フェライト主体組織鋼を製造する方法であって、マルテンサイト組織鋼を５００℃〜Ａｃ _１の温度への加熱後に、多方向から鍛造加工することにより加工誘起再結晶させることを特徴とする超微細フェライト主体組織鋼の製造方法（請求項１）を提供する。
【０００７】
また、この出願の発明は、上記の超微細フェライト主体組織鋼の製造方法において、前記マルテンサイト組織鋼は、鋼材をＡｃ _３〜１３５０℃の温度範囲へ加熱し、オーステナイト域で加工後または無加工のままで急冷したものである超微細フェライト主体組織鋼の製造方法（請求項２）や、鍛造加工における圧下率が５０％以上である上記の超微細フェライト主体組織鋼の製造方法（請求項３）、
マルテンサイト組織鋼は、化学組成として
Ｃ：０．００１〜０．８０ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．８〜３．０ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下、
を含有し残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材より得られたものである超微細フェライト主体組織鋼の製造方法（請求項４）の態様をも提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、以上のとおりの特徴を持つものであるが、このものは、低温で多数のフェライト再結晶核を生成、再結晶させることで、平均フェライト結晶粒径２．５μｍ以下の鋼材を製造できることを見いだしたことに基づいている。すなわち、低温で再結晶させるために加工前の組織を析出物を含むマルテンサイトとし、再結晶温度に再加熱保持後、加工し、等温保持して加工誘起再結晶させるのである。技術的には次のことが重要である。
【０００９】
１）加工前組織のマルテンサイト化
マルテンサイトは内部が微細なパケットあるいはブロックに分割されている。これらパケットあるいはブロックの境界が再結晶サイトになるため、微細フェライト組織形成が可能である。また、マルテンサイトはフェライト−パーライトあるいはベイナイトに対して高い歪みエネルギーを有しているため、再結晶しやすく、再結晶温度を低温にすることが可能である。
【００１０】
２）加工前の析出
加工前に析出物を析出させることで、加工により析出物近傍に不均一な歪みを導入することが可能となる。再結晶は不均一な歪み分布の存在により起こるため、加工前の析出は必須である。
３）加工
加工は５０％以上であれば再結晶温度あるいはそれ以下の温度で加えることが望ましい。材料に再結晶させるためのさらなるエネルギーを与える手段である。５０％以下の加工では再結晶は起こりにくい。ここで、多軸加工を加えると再結晶粒方位がランダム化し、より効果的である。
【００１１】
４）加工後、再結晶温度で保持
加工後、再結晶温度で保持することで再結晶させる。保持時間は鋼組成、加工量等に依存するが、８０％以上再結晶する時間以上保持する必要がある。ただし、再結晶完了後の長時間保持は組織の粗大化を招くため好ましくない。
以上の知見を踏まえて、この出願の発明は、前記のとおりの構成を要件としているが、より具体的な製造プロセスとしては、次のように説明することができる。
【００１２】
すなわち、まず鋼材をＡｃ _３〜１３５０℃の温度範囲に加熱し、オーステナイト域で加工後または無加工のまま冷却後の組織がマルテンサイトとなるように急冷する。この鋼を５００℃〜Ａｃ _１の温度に再加熱後、１〜１０００ｓ保持し、ただちに５０％以上の加工を行い１０ｓ以上当該温度で保持して冷却する。このようにして、平均フェライト粒径２．５μｍ以下の超微細フェライト組織鋼を得る。
【００１３】
加熱温度をＡｃ _３から１３５０℃とするのが適当である理由は、組織を一時、オーステナイトとするためである。オーステナイト域での加工により、オーステナイト粒が微細化し、これにともない必然的にパケットおよびブロックが微細化し再結晶サイトが増加する。ここで加工は必ずしも必要ではないが加工を行う方が好ましい。冷却は鋼成分によっても異なるが、加工前組織をマルテンサイトとするためにおおむね１０℃／ｓ以上の冷却速度で急冷するのが適当である。加工前組織をマルテンサイトとすることで、続く再結晶温度を、前組織がマルテンサイト以外の場合よりも低くすることが可能である。
【００１４】
次に５００℃〜Ａｃ _１の温度範囲に再加熱後、１〜３６００ｓ保持し、５０％以上の加工を行い１０ｓ以上当該温度で保持することが適当である。再結晶を起こさせるためには５００℃以上である必要があるが、Ａｃ _１を越えるとオーステナイト化するため再加熱温度は５００℃〜Ａｃ _１とするのが好ましい。加工前の保持時間は析出物を析出させるため１ｓ以上が望ましいが、３６００ｓを超えて保持するとマルテンサイト組織中の転位の回復により低温での再結晶が起こりにくくなるため１〜３６００ｓとするのが適当である。加工量は５０％以上でなければ再結晶を起こすことができないため、５０％以上とする。加工後の保持時間は１０ｓ以上でなければ再結晶を完了することができないため１０ｓ以上とするのが望ましい。再結晶完了後はできるだけ速やかに冷却することが、結晶粒の成長を抑制するため好ましい。
【００１５】
鋼材の化学組成については厳密な限定はないが、たとえば前記のとおりの組成とすることと、その組成範囲について以下のことが考慮される。
Ｃ：０．００１〜０．８０ｍａｓｓ％
Ｃは強度の確保、Ｆｅ₃Ｃ等の炭化物の析出およびマルテンサイトの生成のためには０．００１ｍａｓｓ％以上とするのが望ましい。しかし、０．８０ｍａｓｓ％を超えて添加すると靱性を著しく害するためＣの添加範囲は０．００１〜０．８０ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００１６】
Ｍｎ：０．８〜３．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは組織を一時マルテンサイトとするためには０．８ｍａｓｓ％以上が望ましい。しかし、３．０ｍａｓｓ％より多く添加すると溶接性を著しく劣化するためＭｎの添加範囲は０．８〜３．０ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００１７】
Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下
Ａｌは０．１０ｍａｓｓ％を超えて添加した場合には鋼の清浄度が劣化するためＡｌの添加範囲は０．１０ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
Ｃｕ：０．０５〜２．５ｍａｓｓ％
Ｃｕは０．０５ｍａｓｓ％以上添加すれば析出強化および固溶強化により強度を上昇させるのに有効であるが、２．５ｍａｓｓ％を超えて添加すると溶接性が劣化するため、好ましくは、添加範囲は０．０５〜２．５ｍａｓｓ％とする。
【００１８】
Ｎｉ：０．０５〜３ｍａｓｓ％
Ｎｉは０．０５ｍａｓｓ％以上添加すると強度上昇および一時マルテンサイト組織とするために有効であるが、３ｍａｓｓ％を超えて添加しても強度上昇の効果が小さいため、好ましくは、Ｎｉの添加範囲は０．０５〜３ｍａｓｓ％とする。
【００１９】
Ｔｉ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％
Ｔｉは０．００５ｍａｓｓ％以上の添加でＴｉ（Ｃ，Ｎ）の析出により加工誘起再結晶の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加してもその効果が飽和するため、好ましくは、Ｔｉの添加範囲は０．００５〜０．１ｍａｓｓ％とする。
【００２０】
Ｎｂ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％
Ｎｂは０．００５ｍａｓｓ％以上の添加でＮｂ（Ｃ，Ｎ）の析出により加工誘起再結晶の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加してもその効果が飽和するためＮｂの添加範囲は０．００５〜０．１ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２１】
Ｖ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％
Ｖは０．００５ｍａｓｓ％以上の添加でＶ（Ｃ，Ｎ）の析出により加工誘起再結晶の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加してもその効果が飽和するためＶの添加範囲は０．００５〜０．１ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２２】
Ｃｒ：０．０１〜３ｍａｓｓ％
Ｃｒは０．０１ｍａｓｓ％以上添加することで炭化物を形成し加工誘起再結晶の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、３ｍａｓｓ％を超えて添加してもその効果が飽和するためＣｒの添加範囲は０．０１〜３ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２３】
Ｍｏ：０．０１〜１ｍａｓｓ％
Ｍｏは０．０１ｍａｓｓ％以上添加することで炭化物を形成し加工誘起再結晶の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、１ｍａｓｓ％を超えて添加してもその効果が飽和するためＭｏの添加範囲は０．０１〜１ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２４】
Ｗ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％
Ｗは０．０１ｍａｓｓ％以上の添加で強度の上昇に効果があるが、０．５ｍａｓｓ％を超えて添加すると靱性が劣化するために、好ましくは、Ｗの添加範囲は０．０１〜０．５ｍａｓｓ％とする。
Ｃａ：０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％
Ｃａは０．００１ｍａｓｓ％以上の添加により硫化物系介在物の形態制御の効果があるが、０．０１ｍａｓｓ％を超えて添加すると鋼中介在物を形成し鋼の性質を悪化させるためＣａの添加量は０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％以下とするのが適当である。
【００２５】
ＲＥＭ：０．００１〜０．０２ｍａｓｓ％
ＲＥＭは０．００１ｍａｓｓ％以上の添加でオーステナイト粒の粒成長を抑制しオーステナイト粒微細化の効果があるが、０．０２ｍａｓｓ％を超えて添加すると鋼の清浄度を損なうためＲＥＭの添加量は０．００１〜０．０２ｍａｓｓ％以下とするのが適当である。
【００２６】
Ｂ：０．０００１〜０．００６ｍａｓｓ％
Ｂは０．０００１ｍａｓｓ％以上の添加によって、鋼の焼き入れ性を著しく高め、一時マルテンサイトを形成するのに有効であるが、０．００６ｍａｓｓ％を超えて添加するとＢ化合物を形成して、靱性を劣化させるのでＢの添加量は０．０００１〜０．００６ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２７】
なお、この発明においてはフェライト主体組織鋼と規定しているが、ここでの「主体」は、フェライト単相、あるいはフェライト相が主たるものから限りなく単相に近い組織までのものを包含して規定している。たとえば体積率として５０％以上、さらには７０％以上、そして９０％以上がフェライト相であるものが示されることになる。体積率１００％のフェライト単相のものも当然に示される。
【００２８】
そこで以下、実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろんこの発明は、以下の例によって限定されることはない。
【００２９】
【実施例】
実施例
重量％で、Ｃ／０．０５、Ｍｎ／２．０、Ａｌ／０．０３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成を有する試験片に、表１に示す加工熱処理を施しフェライト結晶粒径を測定した。加工手段としては、アソビル圧縮型試験機によるもの、および全方向からの鍛造加工が行えるスウェージャを用いた。表２には、得られた結果としての再結晶率と平均フェライト粒径（μｍ）を示した。また、この発明の実施例のミクロ組織を図１に示した。
【００３０】
この発明の実施例の鋼は、平均粒径２．５μｍ以下の微細フェライト組織を示している。実施例並びに比較例との対比からも明らかなように、加工前組織をマルテンサイトとすることで再結晶し易くなることおよび完全に再結晶完了する処理を行った場合には、加工前組織がマルテンサイトであった方が再結晶フェライト粒径が小さいことがわかる。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
【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、これまでに全く実現されてきていない平均フェライト粒径２．５μｍ以下という超微細フェライト組織の鋼が提供される。
これにより、フェライト鋼の強度、疲労寿命は飛躍的に向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２についての観察組織を示した図面に代わる電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

Claims

平均フェライト粒径が１．２μｍ以下でフェライト相が体積率５０％以上である超微細フェライト主体組織鋼を製造する方法であって、マルテンサイト組織鋼を５００℃〜Ａｃ _１の温度への加熱後に、多方向から鍛造加工することにより加工誘起再結晶させることを特徴とする超微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
請求項１に記載の超微細フェライト主体組織鋼の製造方法において、前記マルテンサイト組織鋼は、鋼材をＡｃ _３〜１３５０℃の温度範囲へ加熱し、オーステナイト域で加工後または無加工のままで急冷したものであることを特徴とする超微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
請求項１又は２に記載の超微細フェライト主体組織鋼の製造方法において、その鍛造加工における圧下率が５０％以上であることを特徴とする超微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
請求項１又は２に記載の超微細フェライト主体組織鋼の製造方法において、前記マルテンサイト組織鋼は、
化学組成として
Ｃ：０．００１〜０．８０ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．８〜３．０ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下、
を含有し残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材より得られたものである請求項１ないし３のいずれかの超微細フェライト主体組織鋼の製造方法。