JP3904351B2

JP3904351B2 - 高強度・高靱性棒材とその製造方法

Info

Publication number: JP3904351B2
Application number: JP24561999A
Authority: JP
Inventors: 透林; 史郎鳥塚; 兼彰津崎; 寿長井
Original assignee: JFE Steel Corp; National Institute for Materials Science
Current assignee: JFE Steel Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2000309850A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、高強度・高靱性棒材とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、棒あるいはパイプ等の鋼製品として有用な、溶接性に優れた、高強度・高靱性棒材とそ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】
従来より、フェライト結晶粒径の微細化は、鋼の靱性を向上させる有力な高強度化手段として知られている。
【０００３】
そこで、微細化に関する研究が様々な工夫として行われてきており、大気圧下・急冷による方法（CAMP-ISIJ Vol.11(1998),p.1017)や、逆変態を利用する方法（特開昭５８−５８２２４）、繰り返し重ね接合圧延による方法（CAMP-ISIJ Vol.11(1998),p.1035)、あるいは、この発明の発明者らによる温間加工・再結晶による方法（CAMP-ISIJ Vol.11(1998),p.1031)等の様々な方法が提案されている。
【０００４】
これら従来の手法により、微細なフェライト粒主体組織が生成可能になったが、従来の方法で得られた微細組織鋼は薄肉材であり、断面全体が公称粒径２μｍ以下のフェライト主体組織からなり、たとえば直径または短辺の長さが５ｍｍ以上の棒材を製造することができない等の問題があった。
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの問題を解消し、直径または短辺の長さが５ｍｍ以上の棒材において、鋼全体の組織が均一であり、フェライト平均粒径が２μｍ以下である高強度・高靱性棒材を提供することを課題としている。
【０００６】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、圧延開始から圧延終了までの全ての温度を４００℃以上Ａｃ３以下の温度域において、被圧延材と非相似形状の孔型を有する圧延ロールを用いて、被圧延材を順次小径の孔型で圧延することで、被圧延材形状が相似変形以外の変形を伴うように多パス穴型圧延することを特徴とする高強度・高靱性棒材の製造方法を提供する。
【０００７】
また、この出願の発明は、第２には、前記第１の製造方法によって製造される高強度・高靱性棒材であって、直径または短辺の長さが５ｍｍ以上で、Ｔ断面全体において、Ｆｅ及びＦｅ以外の金属の炭化物が分散しており、平均粒径２μｍ以下のフェライト粒組織を有し、Ｔ断面全体の組織が等軸化されており、鋼材の化学組成として、セメンタイトを含めた炭化物の体積率が２０％以下となる炭素（Ｃ）量、Ｓｉ：０．８０ mass ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３．０ mass ％、を有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高強度・高靱性棒材を、第３には、鋼材の化学組成として、さらに、Ａｌ：０．１０ mass ％以下、Ｃｕ：０．０５〜２．５mass％、Ｎｉ：０．０５〜３．０mass％、Ｎｂ：０．００５〜０．１mass％、Ｖ：０．００５〜０．１mass％、Ｍｏ：０．０１〜１．０mass％、のうち１種または２種以上を包含する前記第２の高強度・高靱性棒材を提供する。
【０００９】
なお、この発明における「Ｔ断面」とは、棒の長手方向に対して垂直に切断した断面であり、「Ｌ断面」とは水平に切断した断面を意味している。以下の説明においても同様である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明における高強度・高靱性棒材は、鋼材として、Ｔ断面全体において、炭化物とともに平均粒径２μｍ以下のフェライト粒組織を有することを特徴としているが、より好ましくは、微細等軸フェライト粒組織を有し、また、直径もしくは短辺の長さが５ｍｍ以上の棒材である。
【００１１】
この発明の以上のとおりの特徴のある棒材は、高強度であるとともに、靱性にも優れ、溶接性の良好なものである。
そして、以上のとおりの棒材は、４００℃以上Ａｃ３以下の温度域において、鋼材を多パス穴型圧延することにより製造することができる。ここで、多パス穴型圧延についてその概要を説明すると、例えば、図１に示したように、同じ形状で異なる孔径のパスを有する圧延ロールを用いて、鋼材を順次細径パスへ挿入し減面伸長させる圧延である。パスの形状については図１の四角形でなくてもよく、円形、楕円形、三角形等の各種であってよい。
【００１２】
特に、四角形、楕円形等の穴形状が異なるパスを順次通すか、あるいは、穴形状は相似形であっても試料を回転させて圧延機に挿入することで、圧縮中の試料断面形状が相似変形以外の変形を伴うように圧延することにより、Ｔ断面だけでなく、Ｌ断面の組織も等軸化することが可能である。穴形状は相似形であっても、試料を回転させて圧延機に挿入することで、圧縮中の試料断面形状が相似変形以外の変形を伴うというのは、例えば、正方形の穴に正方形の断面を持つ試料を通すとき、穴と試料の角を合わせる場合は試料は相似変形するが、この場合とは異なり、穴の辺の中央と試料の角を合わせ通すと、試料の断面は圧延中に一旦、八角形となり最終的に正方形となる加工形態をいう。このように、試料に捏ねるような変形を加えることがＬ断面のフェライト粒の等軸化に有効である。また菱形状のパスを用い、試料をこれらのパスに順次通す場合において、試料を９０°ずつ回転しながら、長軸と短軸部分が交互に繰り返し揉まれるように挿入することもできる。この場合もＬ断面組織を等軸化することができる。このように、いずれの方向から見ても等軸である微細フェライト粒組織からなる棒材は、機械的性質の異方性も極めて小さい。
【００１３】
鋼材をフェライト域あるいはフェライト−オーステナイト２相域（４００℃〜Ａｃ３）で温間穴型圧延することによって、２μｍ以下のフェライト粒を得るためには、２μｍ以下の間隔で局所的に結晶粒子を回転させ、それぞれの領域を別々の結晶方位を有するフェライト粒とすることが必要であり、そのためには多軸加工が有効である。この発明の前記の多パス穴型圧延はこの必要性に対応しているものである。
【００１４】
穴型圧延により棒材を製造する理由は、穴型が径の異なる多段の谷状ロールからなっており、１回のパスのおいて多軸加工されること、連続パスにおいて材料を９０°回転させて挿入すると多軸加工の効果が一層発揮できることから、局所的格子回転が起こりやすくなり組織微細化に有利でかつ工程が簡単であるためである。
【００１５】
また、穴型圧延の温度を４００℃以上Ａｃ３以下の温度域に設定する理由は、４００℃未満では加工中もしくはパス間での転位の再配列が困難であるため、単に加工フェライト組織となり等軸化しない。また、Ａｃ３以上では結晶粒の成長が速くなり、組織が粗大化してしまうためである。
【００１６】
なお、この加工熱処理後の冷却の方法については特に限定されることはない。なお、この発明においては、棒材に含まれる成分は以下の範囲であることが好ましい。
【００１７】
Ｃ量は、セメンタイトを含む炭化物の体積率で規定する。炭化物量２０ｖｏｌ％を越えると靱性が著しく劣化するため、炭化物量２０ｖｏｌ％以下が適当である。
【００１８】
Ｓｉは０．８０ｍａｓｓ％を越えて添加すると溶接性を害するためにＳｉの添加範囲は０．８０ｍａｓｓ％以下とするのが適当である。
Ｍｎは強度確保のため、０．０５ｍａｓｓ％以上が望ましい。しかし、より多く添加すると溶接性を著しく劣化するためＭｎの添加量の範囲は０．０５〜３．０ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００１９】
Ａｌは０．１０ｍａｓｓ％を越えて添加した場合には鋼の清浄度が劣化するため、好ましくは、Ａｌの添加量の範囲は０．１０ｍａｓｓ％以下とするのが適当である。
【００２０】
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向上させるのに有効となるが、２．５ｍａｓｓ％を越えて添加すると溶接性が劣化するため、好ましくは、Ｃｕの添加量は０．０５〜２．５ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２１】
Ｎｉは０．０５ｍａｓｓ％以上添加すると、強度向上および靱性向上のために有効であるが、３．０ｍａｓｓ％を越えて添加しても強度向上の効果が小さいため、好ましくは、Ｎｉの添加量の範囲は０．０５〜３．０ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２２】
Ｔｉは０．００５ｍａｓｓ％以上の添加によるＴｉ（Ｃ，Ｎ）の析出により局所的格子回転の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、０．１ｍａｓｓ％を越えて添加してもその効果が飽和するため、好ましくは、Ｔｉの添加量の範囲は０．００５〜０．１ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２３】
Ｎｂは０．００５ｍａｓｓ％以上の添加によるＮｂ（Ｃ，Ｎ）の析出により局所的格子回転の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、０．１ｍａｓｓ％を越えて添加してもその効果が飽和するため、好ましくは、Ｎｂの添加量の範囲は０．００５〜０．１ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２４】
Ｖは０．００５ｍａｓｓ％以上の添加での析出により局所的格子回転の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、０．１ｍａｓｓ％を越えて添加してもその効果が飽和するため、Ｖの添加量の範囲は０．００５〜０．１ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２５】
Ｃｒは０．０１ｍａｓｓ％以上添加することによって炭化物を形成し、局所的格子回転の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、３．０ｍａｓｓ％を越えて添加してもその効果が飽和するため、Ｃｒの添加量の範囲は０．０１〜３．０ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２６】
Ｍｏは０．０１ｍａｓｓ％以上添加することによって炭化物を形成し、局所的格子回転の促進、再結晶粒の成長抑制の効果があるが、１．０ｍａｓｓ％を越えて添加してもその効果が飽和するため、好ましくは、Ｍｏの添加量の範囲は０．０１〜１．０ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２７】
Ｗは０．０１〜０．５ｍａｓｓ％の範囲内であることが好ましい。
Ｗは０．０１ｍａｓｓ％以上の添加で強度の上昇に効果があるが、０．５ｍａｓｓ％を越えて添加すると靱性が劣化するために、好ましくは、Ｗの添加量の範囲は０．０１〜０．５ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２８】
Ｃａは０．００１ｍａｓｓ％以上の添加によって硫化物系介在物の形態制御の効果があるが、０．０１ｍａｓｓ％を越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の添加量の範囲は０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００２９】
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％を越えて添加すると鋼の清浄度を損なうため、ＲＥＭの添加量の範囲は０．００１〜０．０２ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００３０】
Ｂは０．０００１〜０．００６ｍａｓｓ％の範囲内であることが好ましい。Ｂは０．０００１ｍａｓｓ％以上の添加によって、鋼の焼入性を著しく高め、強度向上に有効であるが、０．００６ｍａｓｓ％を越えて添加すると、Ｂ化合物を形成して、靱性を劣化させるので、好ましくはＢの添加量の範囲は，０．０００１〜０．００６ｍａｓｓ％とするのが適当である。
【００３１】
この発明は、上記の通りの構成によって鋼材全体の組織が均一であり、フェライト平均粒径が２μｍ以下である鋼材の実現を可能にする高強度棒材とその製造方法を提供するものであるが、その構成および作用効果の特徴についてさらに詳しく以下の実施例に沿って説明する。もちろんこの発明は以下の例によって限定されるものではない。
【００３２】
【実施例】
実施例１
それぞれの化学組成が、
Ａ鋼；Ｃ／０．０４８，Ｓｉ／０．００６，Ｍｎ／１．９５，Ｐ／０．０１９，Ｓ／０．００１，Ａｌ／０．０３２（ｍａｓｓ％）
Ｂ鋼；Ｃ／０．１６，Ｓｉ／０．３９，Ｍｎ／１．４３，Ｐ／０．００６，Ｓ／０．００２０，Ａｌ／０．０３０（ｍａｓｓ％）
Ｃ鋼；Ｃ／０．４２，Ｓｉ／０．１８，Ｍｎ／０．６８，Ｐ／０．０１３，Ｓ／０．００６（ｍａｓｓ％）
である３種類の鋼材（３０×３０×１２０ｍｍ）を表１に示した条件によって加工熱処理した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
なお、加工は６４０℃に再加熱し、３００ｓ保持後、１パス減面率約１０％の溝ロール圧延と６４０℃の炉で３００ｓの保持を繰り返して全減面率が８５％あるいは９０％になるようにした。その後水冷した。最終断面形状は８５％減面材が１１．８ｍｍ角、９０％減面材が９．６ｍｍ角であった。
【００３５】
添付した図２〜４は、代表例として、Ｂ鋼で減面率が８５％の溝ロール圧延を行った試料のミクロ組織を示したものである。
Ｔ断面は、表面近傍（図２）、１／４Ｄ（図３）、中心（図４）の各々で０．７９〜０．９３μｍの微細なフェライト粒および炭化物組織であった。そして断面全面の組織は、図２〜４に見られるように均一であった。
【００３６】
この発明の実施例によって製造された棒材は、５００ＭＰａ以上のＴＳ、５％以上の均一のび、かつ−９０℃以下の脆性遷移温度の優れた性質を示した。
表１中には、比較としてＢ鋼を板圧延して得た試料の機械的性質を示しているが、Ｂ鋼で減面率８５％の溝ロール圧延を行った試料は、これに対してＴＳが１．３倍、ＹＳが１．８倍に上昇、ｖＴｒｓは１４０℃近く向上している。
実施例２
Ｃ/0.15,Ｓｉ/0.39,Ｍｎ/1.44,Ｐ/0.015, Ｓ/0.004, Ｃｕ/0.23,Ｎｉ/0.18,Ｍｏ/0.05,Ｖ/0.042, Ｎｂ/0.028（mass％）の化学組成を持つ鋼材（φ115 ×300mm を640 ℃の温度に1 時間保持し、その後、各パス減面率約20％の多パス四角穴温間溝ロール圧延にて全減面率98.3％の圧延を行なった。なおこの圧延を行なうに当たり、最終パスの１パスおよび３パス前に楕円穴を通した場合Ａおよび通さなかった場合Ｂの２通りを実施した。場合Ａ、Ｂにおける各々のＬ断面ミクロ組織写真を図５および図６に示す。Ａの場合、楕円穴を通したときのＬ断面組織（図５）は等軸微細フェライト粒主体の組織となっている。これに対しＢの場合、楕円穴を通さず全て四角形穴にて相似変形させたときのＬ断面組織（図６）は伸長粒組織となっている。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この出願の発明によって、５ｍｍφ以上の棒状鋼材で、５００ＭＰａ以上の強度を有し、かつ、延性、脆性遷移温度が−９０℃の非常に優れた強度と靱性のバランスを有する高強度棒材が提供される。
【００３８】
さらに、圧縮中の試料断面形状が相似変形以外の変形を伴うように圧延することにより、Ｔ断面だけでなく、Ｌ断面の組織も等軸化することが可能である。
また、この発明によって、稀少元素の使用量の節約、ならびに、強度向上により鋼材の使用量も軽減できる。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】多パス穴型圧延について示した概要図である。
【図２】Ｂ鋼で減面率が８５％の溝ロール圧延を行った試料のミクロ組織をＴ断面の表面近傍について示した顕微鏡写真である。
【図３】図２に対応してＴ断面の１／４Ｄの部位について示した顕微鏡写真である。
【図４】図２に対応してＴ断面の中心（１／２Ｄ）の部位について示した顕微鏡写真である。
【図５】四角穴溝ロール圧延パス途中に２回楕円パスを入れた場合の棒材Ｌ断面ミクロ組織である。
【図６】四角穴溝ロール圧延パス途中に１回も楕円パスを入れなかった場合の棒材Ｌ断面ミクロ組織である。

Claims

圧延開始から圧延終了までの全ての温度を４００℃以上Ａｃ３以下の温度域において、被圧延材と非相似形状の孔型を有する圧延ロールを用いて、被圧延材を順次小径の孔型で圧延することで、被圧延材形状が相似変形以外の変形を伴うように多パス穴型圧延することを特徴とする高強度・高靱性棒材の製造方法。
請求項１に記載された製造方法によって製造される高強度・高靱性棒材であって、直径または短辺の長さが５ｍｍ以上で、Ｔ断面全体において、Ｆｅ及びＦｅ以外の金属の炭化物が分散しており、平均粒径２μｍ以下のフェライト粒組織を有し、Ｔ断面全体の組織が等軸化されており、鋼材の化学組成として、セメンタイトを含めた炭化物の体積率が２０％以下となる炭素（Ｃ）量、Ｓｉ：０．８０ mass ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３．０ mass ％、を有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高強度・高靱性棒材。
鋼材の化学組成として、さらに、Ａｌ：０．１０ mass ％以下、Ｃｕ：０．０５〜２．５mass％、Ｎｉ：０．０５〜３．０mass％、Ｎｂ：０．００５〜０．１mass％、Ｖ：０．００５〜０．１mass％、Ｍｏ：０．０１〜１．０mass％、のうち１種または２種以上を包含する請求項２に記載の高強度・高靱性棒材。
性棒材。