JP4032120B2

JP4032120B2 - Ｓ含有高強度微細粒鋼とその製造方法

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Publication number: JP4032120B2
Application number: JP2003435978A
Authority: JP
Inventors: 年裕花村; 佳之古谷; 三郎松岡; 史郎鳥塚; 寿長井
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005194549A

Description

この出願の発明は高強度・高靱性を必要とする建築用鋼材、自動車用鋼材等に好適な超微細粒鋼とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、高強度化を目的として普通鋼のフェライト微細粒化することに伴う靱性や切削性の低下を抑制したＳ含有高強度微細粒鋼とその製造方法に関するものである。

普通鋼であるＦｅ−Ｃ−Ｍｎ−Ｓｉ系フェライト・パーライト鋼のフェライトを微細粒化することによって、Ｓ４５ＣＱＴ材料のような高強度合金鋼に匹敵する特性をもった鋼材を製造する方法が知られている（特許文献１）。このようなフェライト微細粒化法は、Ｃ（炭素）濃度を調整することによって、さらに自動車用部品にも適用できる高強度特性を有する鋼材とすることが期待されることから、高価な微量元素を使用しなくてもよく、しかも現在使用されている溶接・接合技術がそのまま使用できる等の利点を有し、リサイクル性にも優れた高強度鋼材として期待されている。
特開２０００−３０９８５０号公報

しかしながら、このようなフェライト微細粒化における高強度化では、２つの点で問題がある。ひとつの問題は靱性の低下であり、特にシャルピー衝撃試験における上部棚エネルギーの低下が著しくなることであり、もうひとつの問題は高強度化に伴う切削性が低下することである。上部棚エネルギーの低下と切削性の低下の問題は部品加工にとっては実用上大きな問題となる。上部棚エネルギーの低下に対処する方法としては、ラメラ構造を発達させる方法が考えられる。このラメラ構造を発達させる方法とは、切欠に垂直方向に発達した層構造が存在する場合にはクラックの伝播が層構造により分断されるためクラック分断過程でクラック伝播のエネルギーが吸収されて上部棚エネルギーが増加するという認識に基づいている。

また、もうひとつの問題である切削性の低下については、材料中に切削屑を細かく分断することができる硬質で破断容易な物性を有するＰｂ（鉛）の粒子を鋼材中に分散させることが有効であると考えられている。ところが、Ｐｂは人体に対して有毒であり、このような有害物質を使用することは制限されている。

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑み、フェライト微細粒化により高強度化を図るときの問題である靱性の低下と切削性の低下を抑制することのできる高強度超微細粒鋼とその製造方法を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、平均粒径が１０μｍ以下のフェライトとオーステナイト、パーライト、セメンタイト、およびマルテンサイトの少なくとも１種以上からなる組織を有し、Ｃ（炭素）が０．３〜０．５ｍａｓｓ％とＳ（イオウ）が０．１〜０．３ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を加工温度５５０℃からＡｅ１点＋５０℃の温度範囲で、ひずみ加工を行うことを特徴とする平均粒径３μｍ以下の微細粒組織を有する高強度・高靱性のＳ含有高強度微細粒鋼の製造方法を提供する。
第２は、第１において、ひずみ加工を０．７以上にすることを特徴とする。また、第３は第１又は第２において、鋼材は、Ｃ（炭素）が０．４５〜０．５ｍａｓｓ％の範囲で含有されているものであることを特徴とする、製造法をそれぞれ提供するものである。

この出願の上記第１の発明によれば、靱性および切削性に優れ、建築材料および自動車用部品にも適用できる高強度特性を有する鋼材を得られる。

上記第２の発明によれば、上記と同様な効果が得られ、さらに靱性および切削性を向上させることができる。

上記第３の発明によれば、上記と同様な効果が得られ、さらに靱性および切削性を向上させることができる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

上記のように、この出願の発明は、フェライト微細粒化法を利用した高強度超微細粒鋼について、靱性と切削性の低下を抑制したものであるが、靱性と切削性の低下を抑制するにはＳ（イオウ）の添加が有効であるとの知見に基づいている。

ただ、フェライト微細粒化法で超微細粒鋼を作製するには鋼材の成分に対応したα相領域の温度域において、塑性相当歪みを２．０程度加えることが要求されるが、Ｓ（イオウ）濃度が高い鋼材に、この方法を適用することは極めて厳しく、製造工程中にＭｎＳ（硫化マンガン）が発達した層に沿って生成するため破壊が起こるという問題が生じる。

そこで、この出願の発明では、フェライト微細粒化法において、Ｓ（イオウ）を添加する際に問題となる製造工程中の材料破壊を回避するとともに、靱性と切削性が優れた高強度超微細粒粒鋼を作製するために、Ｓ（イオウ）の添加量とフェライト微細粒鋼の平均粒径を熱処理条件を最適範囲に特定するものである。すなわち、Ｓ（イオウ）が０．０１〜０．３ｍａｓｓ％の範囲で添加されるとともに、加工温度５５０℃からＡｅ１＋５０℃の温度範囲でひずみ加工を行う。

この場合のひずみ加工においてはひずみ０．７以上とすることが好適である。

なお、化学組成においては、Ｃ（炭素）含有量０．１ｍａｓｓ％以上で０．７５ｍａｓｓ％以下の範囲とすることはこの出願の発明においては好ましい。より好ましくは０．３％〜０．５％の範囲である。

Ｓ（イオウ）とＣ（炭素）以外の元素組成としては普通鋼の組成をベースとすることが
できる。たとえば、重量％として、
Ｓｉ：０．８％以下
Ｍｎ：０．０５〜３．０％
Ａｌ：０．１％以下
Ｃｕ：２．５％以下
Ｎｉ：３．０％以下
Ｔｉ：０．１％以下
Ｃｒ：３．０％以下
Ｍｏ：１．０％以下
Ｗ：０．５％以下
Ｎｂ：０．１％以下
Ｖ：０．１％以下
等を考慮することができる。

ひずみ０．７以上の加工についての手段も様々に考慮されてよい。たとえば溝ロール加工、圧延、鍛造等が考慮される。

以下実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。

表１は実施例に使用した供試材の化学成分を示したものである。Ｐ１およびＳ１はＣ（炭素）がそれぞれ０．１５ｍａｓｓ％および０．４５ｍａｓｓ％含有されているが、Ｓ（イオウ）が含有されていない。また、Ｆ２、Ｈ５、Ｈ６、Ｈ７、Ｈ８、Ｓ２、Ｓ２ＸはＣ（炭素）が０．１５ｍａｓｓ％または０．４５ｍａｓｓ％含有されているとともにＳ（イオウ）が０．０１〜０．１ｍａｓｓ％の範囲で含有されているＳ（イオウ）添加超微細粒鋼を示している。

加工熱処理条件は基本的に２通りとした。第１の条件（Ａ条件）はＰ１、Ｓ１、Ｓ２に用いられている方法であり、前処理として１１００℃で１時間保持後に鍛造を加えて室温まで空冷し、更に１１００℃に加熱して３０分保持した後にＷＱを行なう。次に、６５０℃で１時間保持後に減面率８５％の溝ロール圧延をして水冷し、超微細粒鋼を作製するものである。第２の条件（Ｂ条件）はＦ２、Ｈ５、Ｈ６、Ｈ７、Ｈ８に用いられている方法であり、前処理として、１１００℃で１時間保持後に鍛造を加えて室温まで空冷する。次
に９００℃で１時間保持後に空冷し、５５０℃になった時点で減面率９３％の溝ロール圧延し、水冷して超微細粒鋼を作製するものである。なお、溝ロール圧延の途中にＦ２、Ｈ６、Ｈ８は割れが発生して製品ができなかった。図１は破断なく加工されたＨ７と、溝ロール加工中４０ｍｍ口で縦割れ破断したＨ８の加工後の形状を示したものである。また、Ｈ８の製造条件である５５０℃溝ロール加工で加工中の割れが起こらない条件を見極めるため、表２の条件で、供試材ＳＸ２−１、ＳＸ２−２、ＳＸ２−３を製造した。

ＳＸ２−１については成功したが、ＳＸ２−２とＳＸ２−３については加工中に縦割れ
が生じた。そのＳＸ２−２の加工後の形状を図２に、またＳＸ２−３の加工後の形状を図３にそれぞれ示す。両者とも棒の中心部から縦割れが起こり、完全に試料を２つに引き裂いているのが認められる。

図４はＳ１（比較材）、そして図５はＳ２（本発明材）の加工後の微視組織を示したものである。Ｓ１とＳ２はＣ（炭素）濃度が０．４５％と同一であるが、Ｓ２はＳ（イオウ）が０．１％含有されていることにより微細なＦｅ３Ｃ粒子がよく多く、１μｍ以下のフェライト粒径が均一に分散していることが観察される。

図６はＳ１（比較材）、図７はＳ２（本発明材）、図８はＨ５（参考材）、図９はＨ７（参考材）のそれぞれを用いて引っ張り試験で得られた応力−ひずみ曲線を示したものである。また、表３は鋼材の機械的特性を示したものである。

Ｐ１およびＳ１はＳ（イオウ）無含有で、Ｃ（炭素）が０．１５ｍａｓｓ％および０．４５ｍａｓｓ％含有された比較材であるが、Ａ条件で行なったＳ２（本発明材）はＳ（イオウ）が０．１ｍａｓｓ％含有されているにもかかわらず、ＹＳ（降伏応力）、ＴＳ（引っ張り強度）、Ｔ．ＥＩ．（全伸び），Ｕ．ＥＩ．（均一伸び）の物性はＣ（炭素）量が同じ０．４５％Ｓ（イオウ）無含有のもの（Ｓ１）と同レベルに維持されている。Ｂ条件で行なったＨ５、Ｈ７（参考材）はＰ１、Ｓ１に比較してＵＹＳが５７２ＭＰａから８８６ＭＰａ、また７４０ＭＰａから９８６ＭＰａと上昇している。延性は若干の低下が見られるが、これは加工温度が６５０℃から５５０℃に低下したことによるものと考えられる。

図１０はＡ条件で作製したシャルピー衝撃試験曲線であるが、比較材（Ｓ１）はＣ（炭素）の含有濃度が０．４５％と高いため上部棚エネルギーが低い傾向が認められる。

しかしながら、Ｓ２（本発明材）はＳ（イオウ）含有以外は同一の組成、同一の製造条件にもかかわらず、上部棚エネルギーが１００Ｊレベルから２００Ｊに飛躍的に増加しているのが認められる。図１１はＢ条件で作製したシャルピー衝撃試験曲線であるが、比較材（Ｐ１、Ｓ１）は上部棚エネルギーが低い傾向が認められる。これに対して、本発明材は（Ｈ５、Ｈ７）は、Ｓ（イオウ）含有以外は同一の組成、同一の製造条件の場合、上部棚エネルギーが飛躍的に増加しているのが認められる。

以上、詳しく説明したように、Ｓ（イオウ）を含有するこの出願の発明の高強度超微細粒鋼においては、細流化で強度を発言させ、Ｓ４５Ｃ等のＱＴ処理を必要とする合金鋼に匹敵する強度特性を有し、高い上部棚エネルギーを有する鋼材を実現する。さらに、この超微細粒鋼は、強度特性に加え、靱性と疲労特性も優れており、構造材料に必要な３大基
本特性を備えているという特徴も有する。このように、この出願の発明は、フェライト細粒化により高強度化を図る時の問題点である靱性の低下と切削性の低下を解決するため、超微細粒鋼にＳを含有した鋼材を提供するものであり、その際、問題となる製造工程中の材料破断を回避する方法を提供するものである。

もちろん、この出願の発明は以上の例に限定されるものではなく、詳細については様々な態様が可能である。

Ｈ７鋼とＨ８鋼の加工後の形状を比較したものである。Ｓ２Ｘ−２の加工前後の形状を比較したものである。Ｓ２Ｘ−３の加工前後の形状を比較したものである。Ｓ１の微視組織を示したものである。Ｓ２の微視組織を示したものである。Ｓ１の応力−ひずみ曲線である。Ｓ２の応力−ひずみ曲線である。Ｈ５の応力−ひずみ曲線である。Ｈ７の応力−ひずみ曲線である。Ｈ条件で作製したシャルピー衝撃試験曲線である。Ｌ条件で作製したシャルピー衝撃試験曲線である。

Claims

平均粒径が１０μｍ以下のフェライトとオーステナイト、パーライト、セメンタイト、およびマルテンサイトの少なくとも１種以上からなる組織を有し、Ｃ（炭素）が０．３〜０．５ｍａｓｓ％とＳ（イオウ）が０．１〜０．３ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を加工温度５５０℃からＡｅ１点＋５０℃の温度範囲で、ひずみ加工を行うことを特徴とする平均粒径３μｍ以下の微細粒組織を有する高強度・高靱性のＳ含有高強度微細粒鋼の製造方法。
ひずみ加工を０．７以上にすることを特徴とする請求項１に記載された高強度・高靱性のＳ含有高強度微細粒鋼の製造方法。
鋼材は、Ｃ（炭素）が０．４５〜０．５ｍａｓｓ％の範囲で含有されているものであることを特徴とする請求項１または２に記載された高強度・高靱性のＳ含有高強度微細粒鋼の製造方法。