JPH11315342A

JPH11315342A - 微細フェライト主体組織鋼とその製造方法

Info

Publication number: JPH11315342A
Application number: JP5200499A
Authority: JP
Inventors: Toru Hayashi; 透林; Osamu Umezawa; 修梅澤; Shiro Toritsuka; 史郎鳥塚; Kaneaki Tsuzaki; 兼彰津崎; Hisashi Nagai; 寿長井
Original assignee: National Research Institute for Metals; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; National Research Institute for Metals
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 1999-11-16
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP3924631B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度で疲労寿命の長いフェライト鋼を提供
する。【解決手段】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
ェライト組織が主体を占める。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、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とこれを製造するため
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
とこれを製造するため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、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ことを特徴とする微細フ
ェライト主体組織鋼を提供する（請求項１）。またこの
発明は、加工によりフェライト相が生成可能な鋼材をＡ
ｃ1 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も
のでもある（請求項２）。

【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６
０％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、加工前の組織が特定され
ることはないが、マルテンサイト又は焼き戻しマルテン
サイトとしておくと有利である。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】また、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
織鋼とそ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６
０％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− 0.0
34Ａｌ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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者梅澤修茨城県つくば市千現１丁目２番１号科学技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者鳥塚史郎茨城県つくば市千現１丁目２番１号科学技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者津崎兼彰茨城県つくば市千現１丁目２番１号科学技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者長井寿茨城県つくば市千現１丁目２番１号科学技術庁金属材料技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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ことを特徴とする微細フェライト
主体組織鋼。
【請求項２】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、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。
【請求項３】全加工量で５０％以上に加工する請求項
２記載の微細フェライト主体組織鋼の製造方法。
【請求項４】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２又は３記載の微細フェライト主体組織
鋼の製造方法。
【請求項５】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４記載の微細フェライト主体組織鋼
の製造方法。
【請求項６】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４又は５記載の微細フェ
ライト主体組織鋼の製造方法。
【請求項７】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請求項２乃至６いずれかに記載
の微細フェライト主体組織鋼の製造方法。