JP3924631B2

JP3924631B2 - 微細フェライト主体組織鋼の製造方法

Info

Publication number: JP3924631B2
Application number: JP05200499A
Authority: JP
Inventors: 透林; 修梅澤; 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: 1998-03-04
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JPH11315342A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微細フェライト主体組織鋼の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、高強度で疲労寿命の長い、微細なフェライト主体組織を有する鋼を製造するための微細フェライト主体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】
フェライト鋼については、強度向上のために組織の微細化が進められている。
しかしながら、これまでに得られているフェライト粒径はせいぜい５μｍ程度であり、この程度の微細化では強度の大きな向上は望めない。
また、たとえ５μｍ以下の微細フェライト組織が得られたとしても、フェライト粒界が大角でなければ十分に高強度化することはできない。
【０００３】
この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来のフェライト鋼の高強度化についての欠点を解消し、高強度で疲労寿命の長い、微細なフェライト主体組織を有する微細フェライト主体組織鋼を製造するための微細フェライト主体組織鋼の製造方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、加工前組織がマルテンサイト又は焼き戻しマルテンサイトである鋼材をＡｃ 1 以下の温度範囲で加工し、回復・再結晶させ、フェライト粒界の６０％以上が１５°以上の大角粒界であり、平均粒径が５μｍ以下の微細なフェライト組織を有する微細フェライト主体組織鋼を製造することを特徴とする微細フェライト主体組織鋼の製造方法を提供する。
またこの発明は、上記の微細フェライト主体組織鋼の製造方法において、全加工量で５０％以上に加工する微細フェライト主体組織鋼の製造方法、加工は２パス以上で行い、そのうちの少なくとも任意の２パスは、互いの圧下方向又は圧延方向が異なる微細フェライト主体組織鋼の製造方法、圧下方向又は圧延方向が異なる少なくとも任意の２パスにおいて、その変形方向は、２０°より大きく異なる微細フェライト主体組織鋼の製造方法、圧下方向又は圧延方向が異なる少なくとも任意の２パスにおいて、それぞれの全圧下率又は全圧延率が２９％以上である微細フェライト主体組織鋼の製造方法、Ａｃ 1 以下の温度範囲での加工に先立って鋼材をＡｃ 3 〜 1350 ℃の温度範囲に加熱し、オーステナイト域で加工後、急冷し、組織をマルテンサイトにする微細フェライト主体組織鋼の製造方法をそれぞれ提供する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
この発明の微細フェライト主体組織鋼の製造方法により製造される微細フェライト主体組織鋼は、フェライト粒界の６０％以上が１５°以上の大角粒界であり、平均粒径が５μｍ以下の微細なフェライト組織を有している。平均フェライト粒径は５μｍ以下と微細であり、このため、鋼は高強度化されており、疲労寿命も長くなっている。その上、フェライト粒界の６０％以上が１５°以上の大角粒界であるために、鋼の強度及び疲労寿命はさらに向上する。
【０００６】
ここで、「微細フェライト主体」とは、文字通り、平均粒径が５μｍ以下の微細なフェライト相が主となる組織からフェライト単相乃至限りなく単相に近い組織までを包含する。より具体的には、微細フェライト相の体積率が５０％以上の組織を意味する。
この微細フェライト主体組織鋼は、加工によりフェライト相が生成可能な鋼材をＡｃ1 以下の温度範囲で加工し、回復・再結晶させることにより得られる。一般には、加工・焼鈍による。Ａｃ1 は、オーステナイト状態が開始する温度である。
【０００７】
鋼材については、加工前の組織をマルテンサイト又は焼き戻しマルテンサイトとしておく。焼き戻しマルテンサイトは、マルテンサイトをたとえば 450〜 600℃に焼き戻しした組織で、マルテンサイト中に過飽和に固溶した炭素が炭化物として析出した組織である。この焼き戻しマルテンサイトは、マルテンサイトに比べ強度がやや低下するものの、靱性は向上している。
【０００８】
これらマルテンサイト及び焼き戻しマルテンサイトは、内部が微細なパケット又はブロックに分割されている。これらパケット又はブロックの境界が再結晶サイトになり、微細フェライト組織の形成を可能にする。また、マルテンサイトは、フェライト−パーライト又はベイナイトに対して高い歪みエネルギーを有しており、組織が回復・再結晶してフェライト化しやすく、しかも再結晶温度を従来の焼鈍温度より低温にすることができる。
【０００９】
鋼材は、加工によりフェライト相が生成可能である限り、その化学組成は特に制限されない。
たとえば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＡｌを、それぞれ、
Ｃ：0.001 〜0.80質量％、Ｓｉ：0.80質量％以下、
Ｍｎ：0.8 〜3.0 質量％、Ａｌ：0.10質量％以下
含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材が例示される。
【００１０】
この化学組成において、Ｃは、強度の確保、Ｆｅ₃Ｃ等の炭化物の析出、及びマルテンサイトの生成のためには0.001 質量％以上必要であるが、0.80質量％を超えると靱性を害するおそれがある。Ｓｉは、0.80質量％を超えて添加すると溶接性を害するおそれがある。Ｍｎは、組織を一時マルテンサイトにするためには0.8 質量％以上必要であるが、3.0 質量％を超えると溶接性が劣化しやすくなる。Ａｌは、0.10質量％を超えると、鋼の清浄度が劣化するおそれがある。
【００１１】
この他、鋼材には、各種成分を所定割合で添加配合することもできる。たとえば、
Ｃｕ：0.05〜2.5 質量％、Ｎｉ：0.05〜３質量％、
Ｔｉ：0.005 〜0.1 質量％、Ｎｂ：0.005 〜0.1 質量％、
Ｖ：0.005 〜0.1 質量％、Ｃｒ：0.01〜３質量％、
Ｍｏ：0.01〜１質量％、Ｗ：0.01〜0.5 質量％、
Ｃａ：0.001 〜0.01質量％、
ＲＥＭ（希土類元素）：0.001 〜0.02質量％、
Ｂ：0.0001〜0.006 質量％
のうちの１種又は２種以上が例示される。
【００１２】
この化学組成において、Ｃｕは、0.05質量％以上添加すると、析出強化及び固溶強化により強度の向上に有効となるが、2.5 質量％を超えると溶接性が劣化するおそれがある。Ｎｉは、0.05質量％以上添加すると、強度向上及び一時マルテンサイト組織にするのに有効となるが、３質量％を超えて添加しても強度はそれ以下の場合とさして変わりがない。Ｔｉは、0.005 質量％以上の添加でＴｉ（Ｃ，Ｎ）が析出し、再結晶の核生成サイトとして働くとともに、フェライト粒の成長を抑制する。この効果は、0.1 質量％で飽和する。Ｎｂ及びＶは、各々、Ｔｉと同様であり、0.005 質量％以上の添加でＮｂ（Ｃ，Ｎ）、Ｖ（Ｃ，Ｎ）が析出し、再結晶の核生成サイトとして働くとともに、フェライト粒の成長を抑制する。この効果は、0.1 質量％で飽和する。
【００１３】
Ｃｒは、0.01質量％以上の添加で炭化物を形成し、再結晶の核生成サイトとして働くとともに、フェライト粒の成長を抑制する。この効果は、３質量％で飽和する。ＭｏもＣｒと同様であり、0.01質量％以上の添加で炭化物を形成し、再結晶の核生成サイトとして働くとともに、フェライト粒の成長を抑制するが、この効果は、１質量％で飽和する。Ｗは、0.01質量％以上の添加で強度の向上に効果的であるが、添加量が0.5 質量％を超えると靱性を劣化させるおそれがある。Ｃａは、0.001 質量％以上添加すると硫化物系介在物の形態を制御するが、0.01質量％を超えると、鋼中介在物を形成し、鋼の性質を悪化させるおそれがある。
【００１４】
ＲＥＭ（希土類元素）は、0.001 質量％以上の添加でオーステナイト粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒を微細化するが、0.02質量％を超えると、鋼の清浄度が損なわれるおそれがある。Ｂは、0.0001質量％以上の添加によって鋼の焼入性を高め、一時マルテンサイト組織にするのに有効である。0.006 質量％を超えて添加すると、Ｂ化合物を形成し、靱性が劣化しやすくなる。
【００１５】
加工は、鋼材を回復・再結晶させるためにエネルギーを与える手段であり、鋼材の圧縮変形をともなうものである。この加工は、圧延又は鍛造等とすることができるが、いずれの方式においてもＡｃ1 以下の温度範囲で行う。Ａｃ1 を超えると、結晶粒の成長が速くなり、組織が粗大化してしまう。一方、加工時の温度の下限は特に限定的ではない。ただ、 400℃以上の場合には、組織の等軸化が起こりやすくなり、好ましい。 400℃未満の場合には、加工フェライト組織が得られるものの、組織の等軸化は起こりにくくなる。全加工量は５０％以上とするのが好ましい。全加工量が５０％未満であると、フェライト転位密度を１×１０⁹cm^-2以下にしにくく、フェライト化が起こりにくい。
【００１６】
また、加工は、２パス以上の多パスとし、そのうちの少なくとも任意の２パスは、互いの圧下方向又は圧延方向が異なるようにすると、回復・再結晶により最終的に得られるフェライト粒が互いに異なる結晶方位に向きやすくなる。６０％以上のフェライト粒界において１５°以上の大角粒界が効果的に形成される。
圧下方向又は圧延方向が異なる少なくとも任意の２パスにおいて、その変形方向を２０°より大きく異なるようにすると、フェライト粒界の６０％以上が１５°以上の大角粒界を確実に得ることができる。変形方向の相違が２０°以下の場合には、組織の等軸微細化が起こりにくく、伸長フェライト組織が形成されやすい。伸長フェライト組織は、一般に、結晶粒界の７０％以上が１５°未満の小角粒界であり、強度及び靱性の向上への寄与が小さい。また、変形方向の相違は２０°より大きければよいため、たとえば３０°程度とすることもでき、圧下方向又は圧延方向を容易に変えられ、実用的となる。
【００１７】
さらにこの圧下方向又は圧延方向が異なる少なくとも任意の２パスにおいては、それぞれの全圧下率又は全圧延率を２９％以上とするのが好ましくもある。
加工後には、一般に、加工組織の焼鈍を行い、再結晶化することができる。なお、鋼材の成分、加工量及び加工温度によっては、加工のみで回復・再結晶が起こり、フェライト転位密度が１×１０⁹cm^-2以下のフェライト組織が形成される場合があり、このような場合には、焼鈍は必ずしも必要ない。一方、冷間加工を行った時には焼き戻しは必須となる。
【００１８】
焼鈍温度は、500 ℃〜Ａｃ1 の温度範囲が好ましい。焼鈍温度がＡｃ1 を超えると、オーステナイト化する。一方、500 ℃以上でないと、フェライト転位密度を１×１０⁹cm^-2以下にすることが難しくなる。保持時間は、鋼組成、加工量等に依存するが、フェライトの転位温度が１×１０⁹cm^-2以下となる時間以上とするのが好ましい。しかしながら、再結晶完了後の長時間の保持は、組織の粗大化を招くため好ましくない。
【００１９】
この発明の微細フェライト主体組織鋼の製造方法のより具体的な製造プロセスを以下に示す。
まず鋼材をたとえばＡｃ3 （オーステナイト変態が終了する温度）〜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、組織がマルテンサイトとなるように急冷する。オーステナイト域で加工を行うと、オーステナイト粒が微細化し、これにともなってパケット及びブロックも微細化して再結晶サイトが増加する。急冷は、鋼成分によっても異なるが、概ね１０℃／秒以上の冷却速度とするのが好ましい。また、加工前組織をマルテンサイトとすることで、再結晶温度を、加工前組織がマルテンサイト以外の場合の焼鈍温度よりも低い温度とすることができる。
【００２０】
この鋼材を次いで 400℃〜Ａｃ1 の温度範囲に再加熱後、１〜3600秒（好ましくは１〜1000秒）保持し、直ちに５０％以上の加工を行い、直後に冷却するか、又はその温度範囲に１０秒以上保持して再結晶させ、冷却する。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。
こうして、フェライト粒界の６０％以上が１５°以上の大角粒界で、平均フェライト粒径が５μｍ以下の微細フェライト主体組織鋼が得られる。
【００２１】
以下に、この発明の微細フェライト主体組織鋼の製造方法の実施例を示す。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
Ｆｅ−0.05Ｃ−2.0 Ｍｎ（質量％）鋼を1100℃で６０秒間保持した後に、水冷してマルテンサイト組織にした。次いで、640 ℃に再加熱し、温間２パス加工後冷却した。また、同様の温間２パス加工後に200 秒間の焼鈍を行い、冷却した。加工は、640 ℃で300 秒間保持後、５０％ロール圧延を第１パス、640 ℃での５０％平面歪み圧縮を第２パスとした。この２パス間では、圧延（ＲＤ）方向を変化させもした。
【００２３】
この鋼のミクロ組織及び硬さ（Ｈｖ）は図１の走査型電子顕微鏡写真に示した通りである。ＲＤを変化させないものが非回転材（図１ａ及びｂ）、ＲＤを９０°回転させたものがＲＤ回転材（図１ｃ及びｄ）である。ＲＤ回転材では、いずれも、フェライト粒界の６０％以上が１５°以上の大角粒界で、平均フェライト粒径が 2.5μｍ以下の微細等軸粒となり、微細フェライト主体組織が形成した。非回転材に比べ、さらに硬度（強度）が向上した。
（実施例２）
化学組成が、Ｆｅ− 0.051Ｃ− 0.012Ｓｉ−2.03Ｍｎ− 0.034Ａｌ（質量％）である、厚さ８mmの鋼を1100℃×６０ｓγ処理した後に、水冷してマルテンサイト組織を得た。次いで、第１パスとして、１０℃/sで 640℃まで加熱し、この温度に 300ｓ保持した後に、５０％のロール圧延・水冷を行った。また、第２パスとして、 640℃に再加熱後、８０％の平面歪み圧縮を行った。
【００２４】
この加工において、第１パス、第２パスの間で圧延方向（ＲＤ方向）を、全く変化させない０°から１０°刻みで９０°まで変化させた。
得られた試料のミクロ組織を示したのが図２の走査型電子顕微鏡写真である。各写真の左肩に位置する数字がＲＤ方向の変化度を示している。
この図２から明らかなように、ＲＤ変化度が０°及び１０°の時には、フェライト粒は、ＲＤ方向に伸長しており、等軸粒組織はほとんど認められない。ＲＤ変化度が２０°では、等軸フェライト組織が一部観察される。ＲＤ変化度が３０°以上になると、ほとんどが等軸フェライト組織となっている。以上の結果から、２パス間の変形方向を２０°よりも大きく相違させると、等軸微細な組織が得られることが確認される。
【００２５】
もちろんこの発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。化学組成、加工及び焼鈍条件等の細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、高強度で疲労寿命の長いフェライト鋼が提供される。構造用鋼として、棒鋼、形鋼、薄板及び厚板に有用となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａ、ｂ、ｃ及びｄは、各々、Ｆｅ−0.05Ｃ−2.0 Ｍｎ鋼を加工・焼鈍した後のフェライト組織と硬さを示した図面に代わる走査型顕微鏡写真である。
【図２】Ｆｅ− 0.051Ｃ− 0.012Ｓｉ−2.03Ｍｎ− 0.034Ａｌ鋼の加工において、変形方向を、変化させない０°から１０°刻みで９０°まで変化させて得られるミクロ組織を示した図面に代わる走査型顕微鏡写真である。

Claims

加工前組織がマルテンサイト又は焼き戻しマルテンサイトである鋼材をＡｃ 1 以下の温度範囲で加工し、回復・再結晶させ、フェライト粒界の６０％以上が１５°以上の大角粒界であり、平均粒径が５μｍ以下の微細なフェライト組織を有する微細フェライト主体組織鋼を製造することを特徴とする微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
全加工量で５０％以上に加工する請求項１記載の微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
加工は２パス以上で行い、そのうちの少なくとも任意の２パスは、互いの圧下方向又は圧延方向が異なる請求項１又は２記載の微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
圧下方向又は圧延方向が異なる少なくとも任意の２パスにおいて、その変形方向は、２０°より大きく異なる請求項３記載の微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
圧下方向又は圧延方向が異なる少なくとも任意の２パスにおいて、それぞれの全圧下率又は全圧延率が２９％以上である請求項３又は４記載の微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
Ａｃ 1 以下の温度範囲での加工に先立って鋼材をＡｃ 3 〜 1350 ℃の温度範囲に加熱し、オーステナイト域で加工後、急冷し、組織をマルテンサイトにする請求項１乃至５いずれか一項記載の微細フェライト主体組織鋼の製造方法。