JP6591290B2

JP6591290B2 - ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼およびその作製方法

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Publication number: JP6591290B2
Application number: JP2015561926A
Authority: JP
Inventors: リウ、チェイン−ツァン; ジャオ、ズンバオ
Original assignee: City University of Hong Kong CityU
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Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2019-10-16
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Description

本発明は、超高強度フェライト鋼およびその製造方法に関し、より詳細には、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼およびその製造方法に関する。

国家防衛の近年の急速な発達と共に、超高強度鋼は、航空宇宙、国家防衛、発電所、およびその他のハイテク分野といった分野の用途において、ますます重要になっている。特に、引張強度が１４００から２０００ＭＰａである鋼鉄は、ロケットモーターケース、航空機着陸装置、および防弾鋼板など、特別な性能が要求される特定の分野において、広範囲の用途を有する超高強度鋼の重要なクラスを成している。その用途は、建築、機械、車両、およびその他の軍事用および民生用の装置にまで広がりつつある。

低温焼戻しマルテンサイトもしくはベイナイト強化、低合金鋼、高温焼戻し合金炭化物析出物（high temperature tempered alloy carbide precipitates）、二次硬化超高強度鋼、または金属間析出物強化鋼、およびマルエージング鋼などの従来の超高強度鋼は、ある程度まで超高強度鋼のレベルに近付いている。しかし、高炭素および高合金含有量、ならびに熱処理変態に必要とされる高冷却速度の結果として、低溶接性、低延性および靭性、高コスト、ならびに材料製造サイズの制限といった問題がもたらされる。

ナノテクノロジーの開発に伴い、ナノ析出強化機構が、新しい超高強度鋼を開発するための重要な方法となってきた。ナノ析出物は、マトリックス中のスリップ転位（slip dislocations）と相互作用を起こし、強い析出強化効果を発生させる。加えて、結晶粒サイズを制御することで、間接的に結晶粒微細化強化が得られ、鋼鉄の強度が効果的に増加され得る。現時点にて、より良好な確立されたナノ析出強化高強度鋼は、ナノ炭化物ＭＣ型合金（nano-carbides MC form alloys）からであり、それによって、析出強化および結晶粒微細化強化が得られ、鋼鉄の強度が増加される。例えば、特許文献１には、ナノ炭化物析出強化超高強度耐食構造用鋼が開示されており、特許文献２には、フェライトおよびナノ炭化物の高強度高延性超微粒子化低炭素鋼を作製するための方法が開示され、ナノ炭化物強化に関する研究は、非特許文献１に開示されている。しかし、現代の産業では、溶接性および延性など超高強度鋼の全体的性能がますます強調されている。炭素含有量が高まると、溶接性が悪化し、破壊靭性も低くなることから、炭素含有量は充分に制御される必要がある。超高強度鋼を強化するために、新たなナノ析出相が、炭化物強化相の代わりに採用されている。良好な全体的性能を悪化させることなく、微量の炭化物が、活性強化効果（active strengthening effect）を効果的に及ぼし得る。加えて、フェライト鋼の良好な靭性により、マルテンサイト鋼の速い冷却速度によって制限される製造サイズの制限が克服される。特に、これらの鋼鉄は、連続鋳造および圧延プロセスに適している。エネルギーを節約することができ、プロセスが簡略化される。従って、従来の超高強度鋼に採用されるマルテンサイトマトリックスと比較して、新たな超高強度鋼の開発のために採用される新たなナノ析出強化機構は、フェライト構造に基づいて、技術面およびコスト面での大きな利点を有する。

中国特許第１５１４８８７号特許第１０１６７１７７１Ｂ号

"nano-carbides in Ti-microalloyed high strength steel produces by CSP process", Xiang-Dong HUO et. al., Journal of University of Science and technology Beijing No. 8, 2011

本発明の超高強度鋼は、マトリックスとしてフェライトを採用している。適切な量の金属間化合物を添加することで、元素が形成される。適切な熱処理製造プロセスの下で、大量の金属間化合物がフェライトマトリックスに析出する。この析出強化効果を機能させることで、鋼鉄の強度が大きく増加される。さらに、本発明では、ナノクラスター形成元素、炭化物形成元素、および微量炭素元素も添加されて、特定量のナノクラスターおよび少量のナノ炭化物が形成され、それによって、ナノ金属間化合物強化が、ナノクラスターおよびナノ炭化物による強化と組み合わせて一緒に機能し、合わせた強化が形成される。３種類のナノ析出物が一緒に機能して最大強化効果を発生させ、非常に優れた包括的性能を有するナノ金属間化合物強化低炭素超高強度フェライト鋼が作製される。

本発明の目的は、均一な分布を有する微細サイズのナノ金属間化合物が支配的であるナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼を提供することである。一方、ナノクラスターおよびナノ炭化物が組み合わされて合わせた強化が達成され、高強度および靭性、非常に優れた溶接性能、ならびに耐食性の特性を有する新規な超高強度フェライト鋼が作製される。

本発明の他の目的は、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼を作製するための方法を提供することである。

１つの態様では、本発明は、重量パーセントでの以下の化学組成：０〜０．２％Ｃ、２〜１５％Ｎｉ、０〜１０％Ｍｎ、０．５〜６％Ａｌ、０〜４％Ｃｕ、０〜１２％Ｃｒ、０〜３％Ｍｏ、０〜３％Ｗ、０〜０．５％Ｖ、０〜０．５％Ｔｉ、０〜０．５％Ｎｂ、０〜１％Ｓｉ、０．０００５〜０．０５％Ｂ、０．０４％以下Ｐ、０．０４％以下Ｓ、０．０４％以下Ｎ、０．０５％以下Ｏ、ならびに残りの組成Ｆｅおよび不可避不純物、を含んでなるナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼を提供する。

本発明の１つの実施形態では、ナノ金属間化合物は、ＮｉＡｌである。

本発明の別の実施形態では、ナノ金属間化合物の平均サイズは、３ｎｍであり、平均粒子間距離は、２から２０ｎｍであり、ナノ金属間化合物の数は、１立方ミクロンあたり１００００個以上である。

本発明の別の実施形態では、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼は、さらにナノクラスターを含んでなる。ナノクラスターの主構成元素は、Ｃｕである。

本発明の別の実施形態では、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼は、さらにナノ炭化物（Ｍｏ，Ｗ）_２Ｃを含んでなる。

本発明の別の実施形態では、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼のマトリックス構造は、フェライトである。フェライトの平均結晶粒サイズは、１から２０μｍである。

本発明の別の実施形態では、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の降伏強度は、１２００から１８００ＭＰａであり、引張強度は、１４００から２０００ＭＰａであり、減面率は、３０から６０％であり、延伸率は、５から２０％である。

別の態様では、本発明はさらに、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の作製のための方法を提供し、その方法は：
（１）ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の化学組成によって構成される原材料を、順に、溶融、鋳造、およびロール鍛造する工程；
（２）固溶化処理を行い、次に室温まで冷却する工程；
（３）エージング処理を行い、次に室温まで冷却する工程
を含んでなる。

本発明の方法の１つの実施形態では、固溶化処理は、８００から１３００℃の範囲内で行われる。

本発明の方法の別の実施形態では、固溶化処理は、９００℃で行われる。

本発明の方法の別の実施形態では、固溶化処理は、０．１から３時間行われる。

本発明の方法の別の実施形態では、固溶化処理は、０．５時間行われる。

本発明の方法の別の実施形態では、エージング処理は、４００から６００℃の範囲内で行われる。

本発明の方法の別の実施形態では、エージング処理は、５５０℃で行われる。

本発明の方法の別の実施形態では、エージング処理は、０．１から２０時間行われる。

本発明の方法の別の実施形態では、エージング処理は、２時間行われる。

本発明では、合金元素および熱処理プロセスを合理的に制御することで、均一に分布した大量の微細サイズナノ金属間化合物が得られ、ナノ金属間化合物析出強化が効果的に機能する。合わせた強化は、ナノ金属間化合物、ナノクラスター、およびナノ炭化物を含む３種類のナノ析出物によって達成され、その結果、非常に優れた靭性が得られる。降伏強度は、１２００〜１８００ＭＰａであり、引張強度は、１４００〜２０００ＭＰａであり、減面率は、３０から６０％であり、延伸率は、５から２０％である。ナノ金属間化合物は、支配的な強化相であり、主たる強化効果を提供する。鋼鉄の炭素含有量は、非常に優れた溶接性、高い延性、および靭性を持つために低減される。加えて、ＣｒおよびＡｌの適切な添加により、酸化クロムおよびアルミナの安定な保護膜を形成することができる。Ｃｕは、大気中および海水中での鋼鉄の耐食性を高めることができ、それによって、鋼鉄の耐酸化性および耐食性を改善することができる。加えて、既存の超高強度マルテンサイト鋼と比較して、本発明の超高強度フェライト鋼は、熱処理後の水による急冷などの急冷プロセスを必要としない。製造サイズは大きく、この鋼鉄は、連続鋳造および圧延製造に適しており、その場合、製造コストが低い。

本発明のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼では、均一に分布して微細サイズのナノ金属間化合物が、特定量のナノクラスターおよび微量のナノ炭化物との合わせた強化効果を機能させる際に、主要な役割を担っている。従って、この鋼鉄は、超高強度と良好な延性との良好な組み合わせを有している。溶接性能および耐食性も良好である。本発明の鋼鉄は、自動車、船舶、橋梁、パイプライン、エネルギー、発電所、海洋工学、建築、圧力容器、土木機械、および容器に適用可能であり、特に、ロケットエンジン、航空機着陸装置、防弾装甲車両、およびその他の超高強度を要する防御設備などの用途における重要な構成部品に適用可能である。

本発明のその他の目的、利点、および新規な特徴は、添付の図面を合わせて考察すると、以下の詳細記述からより明らかとなる。

図１は、本発明の実施形態１に従って作製された超高強度フェライト鋼ＮＩＳ１０３のマトリックス中のナノ金属間化合物の暗視野ＴＥＭ画像である。図２は、本発明の実施形態１に従って作製された超高強度フェライト鋼ＮＩＳ１０３のマトリックス中のナノ炭化物のＴＥＭ写真である。図３は、本発明の実施形態１に従って作製された超高強度フェライト鋼ＮＩＳ１０２の微細構造形態走査型電子顕微鏡写真（microstructure morphology scanning electron micrograph）である。図４は、本発明の実施形態１に従って作製された超高強度フェライト鋼ＮＩＳ１０３およびＮＩＳ１０７、ならびにレファレンス鋼ＣＳ１の引張応力‐歪曲線である。

本発明の技術的ソリューションについて、本発明の実施形態に従って以下でさらに詳細に記載する。本発明の範囲は、以下の例に限定されない。これらの例は、単に説明の目的で詳細に記載するものであり、いかなる形であっても、本発明を限定するものではない。

本発明は、重量パーセントでの以下の化学組成：０〜０．２％Ｃ、２〜１５％Ｎｉ、０〜１０％Ｍｎ、０．５〜６％Ａｌ、０〜４％Ｃｕ、０〜１２％Ｃｒ、０〜３％Ｍｏ、０〜３％Ｗ、０〜０．５％Ｖ、０〜０．５％Ｔｉ、０〜０．５％Ｎｂ、０〜１％Ｓｉ、０．０００５〜０．０５％Ｂ、０．０４％以下Ｐ、０．０４％以下Ｓ、０．０４％以下Ｎ、０．０５％以下Ｏ、ならびに残りの組成Ｆｅおよび不可避不純物、を含んでなるナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼を提供する。

ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼中の各化学組成に対する含有量範囲の理由を以下に提供する。

Ｃ：ＭｏおよびＷと共に安定なナノ炭化物を形成する。このナノ炭化物は、析出強化効果を提供するだけでなく、フェライト結晶粒を微細化して、鋼鉄の強度をさらに増加させるための結晶粒微細化強化効果を発生させる。本発明では、鋼鉄の非常に優れた溶接性能および靭性を確保するために、低炭素含有量が採用される。従って、Ｃの含有量は、本発明において、０〜０．２％に制限される。

ＮｉおよびＡｌ：金属間化合物形成元素。ＮｉおよびＡｌは、金属間化合物ＮｉＡｌを形成して、析出強化効果を発生させ、これは、本発明における主たる強化相である。ＮｉおよびＡｌの含有量が、フェライトマトリックス中におけるＮｉＡｌの溶解度限界に達すると、金属間化合物ＮｉＡｌがマトリックスから析出する。高い強度および硬度を有する金属間化合物ＮｉＡｌは、転位移動を効果的に固定することができ、それによって、鋼鉄の強度を大きく増加させる。さらに、Ｎｉは、鋼鉄の靭性改善の手助けにもなり得る。しかし、Ｎｉは、オーステナイト形成元素である。Ｎｉ含有量が高い場合、鋼鉄は、残留オーステナイトを有することになり、それは、構造の不均一な分布に繋がり、製造コストを増加させ得る。Ａｌもナノ金属間化合物の構成元素であり、ナノ金属間化合物の析出強化効果と共に析出する。Ａｌはまた、製鋼プロセスにおいて溶鋼を精製するための脱酸素剤でもある。しかし、Ａｌの含有量が高い場合、精錬鋳造が困難である。従って、本発明において、Ｎｉの含有量は、２〜１５％に制限され、Ａｌの含有量は、０．５〜６％に制限される。

Ｃｕ：ナノクラスターの主たる構成元素。低コストのＣｕを用いてナノクラスター析出相を形成し、ナノ金属間化合物の析出相が析出強化効果を作り出す手助けとすることで、フェライト鋼がさらに強化される。さらに、Ｃｕは、大気中および海水中での鋼鉄の耐食性を改善する。しかし、Ｃｕの含有量が高い場合、高温脆性が発生し、これは、加工において不利である。従って、Ｃｕの含有量は、本発明において、０〜４％に制限される。

Ｍｎ：置換原子の形態でナノ金属間化合物へ入り込み、ナノ金属間化合物の析出強化効果に関与する。Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、これは、オーステナイトからフェライトへの変態を遅延させる機能を有する。このことにより、強度および靭性を高めるためのフェライト結晶粒の微細化を促進することができる。しかし、Ｍｎの含有量が高い場合、鋼鉄は、残留オーステナイトを有することになり、そのことは、構造の不均一な分布に繋がる。さらに、Ｍｎの高含有量の結果、ビレット偏析（billet segregation）、靭性劣化、および溶接性低下がもたらされる。従って、Ｍｎの含有量は、本発明において、０〜１０％に制限される。

Ｃｒ：抗酸化および耐食性元素。Ｃｒは、鋼鉄の耐酸化性および耐食性を高めることができる。一方、Ｃｒはまた、フェライト形成元素でもあり、そのことは、鋼鉄のフェライト構造を増加し、安定化することができる。しかし、高含有量のＣｒは、鋼鉄の靭性を低下させ、製造コストを増加させる。従って、Ｃｒの含有量は、本発明において、０〜１２％に制限される。

ＭｏおよびＷ：ナノ炭化物形成元素。Ｍｏ、Ｗ、およびＣは、一緒になって面心立方体構造を持つ炭化物を形成し、この炭化物は、小サイズおよび高熱安定性の特徴を有する。この炭化物は、結晶粒成長を効果的に阻害し、結晶粒微細化強化効果および析出強化効果を機能させることができる。加えて、それは、鋼鉄のフェライト構造を安定化させ、固溶体強化効果を持つことができる。しかし、本発明では、鋼鉄の非常に優れた溶接性および靭性を確保するために、低Ｃ含有量が採用される。少量のＭｏおよびＷを添加することで、飽和までの炭素除去（carbon sequestration）が可能となる。さらに、過剰のＭｏおよびＷは、Ｆｅ_２ＭｏおよびＦｅ_２Ｗの脆弱相の形成に繋がることになる。従って、鋼鉄の靭性が低下される。従って、ＭｏおよびＷの含有量は、本発明において、０〜３％に制限される。

Ｖ、Ｔｉ、およびＮｂ：炭化物形成元素。Ｖ、Ｔｉ、およびＮｂは、一緒になって面心立方体構造を持つ炭化物を形成し、これは、結晶粒成長を効果的に阻害し、結晶粒微細化強化効果および析出強化効果を作用させる。鋼鉄の非常に優れた溶接性および靭性を確保するために、低炭素含有量が採用される。従って、Ｖ、Ｔｉ、およびＮｂの含有量は、本発明において、０〜０．５％に制限される。

Ｓｉ：炭素分配（carbon allocation）を増加させ、セメンタイトの形成を防止するために採用される。Ｓｉは、さらに、鋼鉄のフェライト構造を安定化させ、固溶体強化効果を持つことができる。しかし、過剰のＳｉは、鋼鉄の靭性の低下をもたらす結果となる。従って、Ｓｉの含有量は、本発明において、０〜１％に制限される。

Ｂ：結晶粒界を大幅に精製し、ならびに鋼鉄の強度および靭性を改善することができる。しかし、過剰のＢは、結晶粒界における塊（bodies）の過剰な析出に繋がり得る。それによって、鋼鉄の靭性が低下する。従って、Ｂの含有量は、本発明において、０．０００５〜０．０５％に制限される。

ＰおよびＳ：鋼鉄における不可避不純物元素。含有量が高い場合、ＰおよびＳは、Ｃｕと一緒になって、脆弱な化合物を形成し、鋼鉄の靭性および溶接性を劣化させる。従って、ＰおよびＳの含有量は、０．０４％未満に制御される。

ＮおよびＯ：鋼鉄における不可避不純物元素であり、鋼鉄の靭性および溶接性を劣化させる。従って、ＮおよびＯの含有量は、それぞれ、０．０４％未満および０．０５％未満に制御される。

残りの組成は、Ｆｅおよびその他の不可避不純物である。本発明の範囲を限定することなく、上記成分以外の組成が除外されるものではない。

本発明はさらに、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の作製のための方法を提供し、その方法は：
（１）ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の化学組成によって構成される原材料を、順に、溶融、鋳造、およびロール鍛造する工程；
（２）固溶化処理を行い、次に室温まで冷却する工程；
（３）エージング処理を行い、次に室温まで冷却する工程
を含んでなる。

本発明の方法は、精錬のための電気炉、転炉、および誘導炉で用いられてよい。次に、連続鋳造プロセスが採用されて、スラブが作製されるか、またはモールド鋳造プロセスが採用されて、インゴットが作製される。得られたスラブまたはインゴットは、非常に優れた冷間および熱間加工性を有する。次に、冷間もしくは温間圧延、または８００〜１３００℃の範囲内での熱間圧延もしくは鍛造が行われる。その後、鋼板は、８００〜１３００℃の範囲内での固溶化処理へと進められる。処理時間は０．１から３時間である。次に、鋼板は冷却される。冷却は、空冷、風冷、油冷、または水冷によって行われてよい。室温まで直接冷却されてよく、またはエージング処理のためにエージング温度まで冷却されてもよい。エージング処理は、４００〜６００℃の範囲内で行われる。処理時間は、０．１から２０時間である。次に、鋼板は再度冷却される。同様に、冷却手法は、空冷、風冷、油冷、または水冷であってよい。最後に、本発明のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼が得られる。

本発明において、結晶粒は、ロール鍛造プロセスなどの熱間または冷間変形プロセスを介して微細化される。さらに、転位および空孔などの大量の欠陥が導入されて、濃縮ナノ金属間化合物、特定量のナノクラスター、およびナノ炭化物のための核生成部位に対する良好な条件が提供され；されに、転位強化も実現される。本発明では、次に、熱処理が行われ、すなわち、固溶化処理およびエージング処理が、特定の時間にわたって特定の温度で行われる。そして、フェライト過飽和固溶体（ferrite supersaturated solid solution）が得られる。エージング温度およびエージング時間を合理的に制御することにより、主強化相であるナノ金属間化合物ならびに補助相であるナノクラスターおよびナノ炭化物の析出ならびに成長を良好に制御することができる。固溶化処理において、ナノ金属間化合物形成元素、ＮｉおよびＡｉは、面心立方体構造オーステナイト中において、高い溶解度を有する。本発明における８００〜１３００℃での固溶化処理により、添加されたナノ金属間化合物形成元素を、確実に、マトリックス中に完全に溶解することができる。固溶化温度が高過ぎると、極度に粗大な結晶粒となり、鋼鉄の強度および靭性が低下する。エージング処理において、ナノ金属間化合物のフェライト中での溶解度は低い。さらに、温度の低下と共に溶解度も低下する。エージング温度が高過ぎると、ナノ金属間化合物は、粗大となる。エージング温度が低すぎる場合、ナノ金属間化合物の析出が不充分である。本発明における４００〜６００℃での上記固溶化処理およびエージング処理の後、ＴＥＭにより、大量の微細サイズのナノ金属間化合物がフェライトマトリックス中に均一に分布されていることが確認される。ナノ析出強化機構によると、転位が析出物と相互作用を起こし、それによって、析出物相が効果的に転位移動を妨害し、強化が達成される。最大強化は、小サイズであり均一に分布された析出物が大量に存在する条件下で得ることができる。本発明において、高濃度、均一分布、および微細サイズであるナノ金属間化合物が、合金元素および熱処理プロセスの合理的な制御によって得られる。ナノ金属間化合物の強化効果が、最大化される。加えて、ナノ金属間化合物の主強化相を補助して合わせた強化効果を得るための特定量のナノクラスターおよび少量のナノ炭化物も、適切な量のナノクラスターおよびナノ炭化物形成元素を添加することによってフェライトマトリックス中に形成されていることが、ＴＥＭにより確認される。

特に断りのない限り、本発明の専門用語の一般的意味は、関連分野の当業者によって一般的に理解される。

以下では、添付の図面と合わせて、本発明を、実施形態の形でさらに詳細に記載する。

実施形態１
ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の組成範囲に従って、本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０１〜１０８を精錬し、レファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２も、比較のために精錬した。表１の本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０１〜１０８ならびにレファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２の合金組成に従って、これらの材料を、アーク溶融炉で溶融し、鋳造した。作製されたインゴットを、１回ごとに５から１０％の圧下率で圧延し、約７０％の合計変形率を有する鋼板を得た。圧延鋼板を、９００℃にて０．５時間固溶化させた。次に、鋼板を、アルゴン冷却によって室温まで冷却した。次に、鋼板を、５５０℃にて２時間エージングし、続いて、鋼板をＡｒ冷却によって室温まで冷却した。そして、本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０１〜１０８ならびにレファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２を得た。

実施形態２
表１のＮＩＳ１０３の合金組成に従って、精錬および鋳造をアーク溶融炉で行った。作製されたインゴットを、１回ごとに５から１０％の圧下率で圧延し、約７０％の合計変形率を有する鋼板を得た。次に、圧延鋼板を、１２００℃にて０．２時間固溶化させ、続いて水冷した。次に、それを５５０℃にて２時間エージングし、続いて、鋼板を風冷によって室温まで冷却した。そして、本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０３’を得た。

実験１
熱処理後に作製した上記のレファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２、ならびに本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０１〜１０８を、ＴＥＭで特性決定した。表１から、ナノ金属間化合物形成元素Ａｌは、レファレンス鋼ＣＳ１には存在しない。レファレンス鋼ＣＳ２では、ナノ金属間化合物形成元素ＮｉおよびＡｌの含有量は非常に少ない。ＴＥＭの結果から、レファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２では、金属間化合物が形成されていないことが示される。本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０１〜１０８では、均一に分散した微細サイズのナノ金属間化合物が大量に検出される。図１は、本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０３のマトリックス中のナノ金属間化合物のＴＥＭ写真を示しており、ここで、ナノ金属間化合物の平均サイズは、３ｎｍで、均一に分布しており、平均粒子間距離は、２〜２０ｎｍであり、ナノ金属間化合物の量は、１立法ミクロンあたり１００００個以上である。ＥＤＳにより、ナノ金属間化合物が、主としてＮｉおよびＡｌを含んでなることが確認される。従って、高濃度および均一分布である微細サイズナノ金属間化合物が、本発明のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼中に形成されていることが確認される。ナノ析出強化機構に従って、均一に分布した微細サイズナノ金属間化合物は、効果的に転位の移動を妨害することができ、それによってフェライト鋼の強度が大きく増加される。

また、ＴＥＭにより、本発明のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼中に、少量のナノ炭化物も観察される。図２は、本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０３のマトリックス中のナノ炭化物のＴＥＭ写真を示す。ＥＤＳから、ナノ炭化物は、平均サイズが２０ｎｍの（Ｍｏ，Ｗ）_２Ｃであることが確認される。ナノ粒子としてのこれらのナノ炭化物は、析出強化効果を提供する。加えて、そのサイズが小さく、熱安定性が高いことから、それは、結晶粒成長を効果的に阻害することができ、その結果、結晶粒強化効果が得られる。図３は、本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０３の形態走査型電子顕微鏡写真を示す。図に示されるように、マトリックス構造は、均一で微細な結晶粒サイズである微細結晶粒フェライトである。結晶粒の平均サイズは、２μｍである。マトリックスから析出されたナノ析出物は、結晶粒を微細化する効果を有することが分かる。ホール・ペッチの関係から、材料の強度は、結晶粒サイズを微細化することによって増加させることができ、同時に、結晶粒サイズを下げると、より良好な延性およびより高い靭性指数が得られる。

実験２
レファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２、ならびに本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０１〜１０８の引張サンプルを、放電加工によって切り出した。室温引張試験を、ＭＴＳ試験機で実施した。降伏強度、引張強度、減面率、および延伸率を表２に挙げる。図４は、本発明で作製された鋼鉄ＮＩＳ１０３およびＮＩＳ１０７、ならびにレファレンス鋼ＣＳ１の引張応力‐歪曲線を示す。表２および図４から、同じ精錬および熱処理プロセス後、レファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２の降伏強度は、それぞれ、５３４ＭＰａおよび４６６ＭＰａであり、引張強度は、それぞれ、６５１ＭＰａおよび６６３ＭＰａであることが分かる。この結果は、公開されている文献と一致する。本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０１〜１０８の場合、降伏強度は、１２００〜１８００ＭＰａであり、引張強度は、１４００〜２０００ＭＰａである。レファレンス鋼ＣＳ１およびＣＳ２と比較して、降伏強度および引張強度が大きく増加している。減面率は、３０〜６０％に維持され、および延伸率は、５〜２０％に維持されて、高強度と高延性の良好な組み合わせが達成される。本発明は、ナノ金属間化合物、ナノクラスター、およびナノ炭化物の強化元素を調節すること、ならびに適切な熱処理プロセスにより、鋼鉄の強度を大きく増加させるものであることが分かる。

実験３
本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０３’の引張サンプルを、放電加工によって作製する。室温引張試験を、ＭＴＳ試験機で実施する。測定した降伏強度は、１４０３ＭＰａであり、引張強度は、１７２２ＭＰａであり、減面率は、４２％であり、延伸率は、９．１％である。

実施形態２に記載したように、本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０３’およびＮＩＳ１０３に対する合金組成および熱処理プロセスは、固溶化処理を除いて同じである。本発明の鋼鉄ＮＩＳ１０３’は、１２００℃で固溶化した。合金元素を充分に溶解するために固溶化処理の温度を高めることにより、フェライトマトリックス中の冷却された合金元素は、より高い過飽和状態を持つことになり、それによって、ナノ析出物の核生成率が増加する。従って、より多いナノ強化相を、エージング処理の過程で発生させることができる。従って、室温引張試験から得られた測定機械特性から、固溶化処理下、述べた温度で作製されたナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼が、超高強度および良好な延性を保持することが分かる。

まとめると、本発明は、熱力学の観点から、合金組成を最適化して、ナノ金属間化合物形成元素、ナノクラスター形成元素、ナノ炭化物形成元素、およびＣ元素の間の比率を合理的に調節するものである。ナノ析出物の体積分率は、最大限まで増加される。一方、析出温度および析出時間は、数多くの核生成部位が作り出されるように制御され、それによって、溶解合金元素が均一に最大限まで析出し、ｉｎｓｉｔｕ析出の過程でナノ析出物成長が制御され、高濃度および均一分布の微細サイズナノ金属間化合物が得られる。このことが、この新規な超高強度鋼の超高強度を得る鍵である。加えて、特定量のナノクラスター析出物相および少量のナノ炭化物析出物相を組み合わせて、析出強化および結晶粒サイズ微細化強化を一緒に機能させることにより、合わせた強化が達成される。従って、本発明のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼は、ナノ金属間化合物強化が支配的な強化であり、それと一緒に、ナノクラスターおよびナノ炭化物の合わせた強化も有する超高強度鋼である。本発明のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼は、超高強度、良好な溶接性、良好な延性および靭性、ならびに良好な耐食性を保持する。その全体としての性能は、非常に優れている。本発明の鋼鉄は、自動車、船舶、橋梁、パイプライン、エネルギー、発電所、海洋工学、建築、圧力容器、土木機械、または容器に適用可能であり、特に、ロケットエンジン、航空機着陸装置、防弾装甲車両、およびその他の超高強度を要する防御設備などの用途における重要な構成部品に適用可能である。

当業者であれば、記載された本発明の実施形態が、単なる例示であり、本発明の範囲内でその他の置き換え、変更、および改良が行われても良いことには留意されたい。従って、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項によってのみ定められるものである。

Claims

ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼であって、重量パーセントでの以下の化学組成：０〜０．２％のＣ、２〜１５％のＮｉ、０〜１０％のＭｎ、０．５〜６％のＡｌ、０〜４％のＣｕ、０〜１２％のＣｒ、０〜３％のＭｏ、０〜３％のＷ、０〜０．５％のＶ、０〜０．５％のＴｉ、０〜０．５％のＮｂ、０〜１％のＳｉ、０．０００５〜０．０５％のＢ、０．０４％以下のＰ、０．０４％以下のＳ、０．０４％以下のＮ、０．０５％以下のＯ、ならびに残りの組成のＦｅおよび不可避不純物からなり、
前記ナノ金属間化合物が、ＮｉＡｌであり、かつ、マトリックス構造が、フェライトであり、および前記フェライトの平均結晶粒サイズが、１から２０μｍであり、前記ナノ金属間化合物の平均サイズが、３ｎｍであり、平均粒子間距離が、２から２０ｎｍであり、前記ナノ金属間化合物の数が、１立方ミクロンあたり１００００個以上であり、
前記鋼は、ナノクラスターおよびナノ炭化物を含んでなり、降伏強度が、１２００から１８００ＭＰａであり、引張強度が、１４００から２０００ＭＰａであり、減面率が、３０から６０％であり、かつ、延伸率が、５から２０％であることを特徴とする、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼。
前記ナノクラスターの主構成元素は、Ｃｕである、請求項１に記載のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼。
前記ナノ炭化物が、（Ｍｏ，Ｗ）_２Ｃである、請求項１に記載のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の製造方法であって、
以下の工程：
（１）前記ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼の化学組成によって構成される原材料を、順に、溶融、鋳造、およびロール鍛造する工程、
（２）８００から１３００℃の範囲内で固溶化処理を行い、次に室温まで冷却する工程、および
（３）４００から６００℃の範囲内でエージング処理を行い、次に室温まで冷却する工程
を含んでなることを特徴とする、ナノ金属間化合物強化超高強度フェライト鋼を製造するための方法。
前記固溶化処理が、９００℃で行われる、請求項４に記載の方法。
前記固溶化処理が、０．１から３時間行われる、請求項４または５に記載の方法。
前記固溶化処理が、０．５時間行われる、請求項６に記載の方法。
前記エージング処理が、５５０℃で行われる、請求項４に記載の方法。
前記エージング処理が、０．１から２０時間行われる、請求項４または８に記載の方法。
前記エージング処理が、２時間行われる、請求項９に記載の方法。