(57)【要約】【課題】粗大な結晶粒を有するフェライト鋼を提供する。【解決手段】フェライトの結晶粒を含有してなるフェライト鋼であり、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、Ｎ：０．００１５％以下、Ｓ：０．００１５％以下、Ｏ：０．００５０％以下を含み、さらにＳｉ：７．０％以下、Ａｌ：１２％以下、Ｃｒ：３０％以下の１種または２種以上含み、下記（１）式及び（２）式を満足し、残部が鉄及び不純物であり、フェライト鋼の直交して接する任意の２つの断面１、２において、２つの断面１、２の接線４をまたがって存在する結晶粒のうちの少なくとも１つの結晶粒３の大きさをＬ１、Ｌ２、Ｌ３で表すとき、Ｌ１〜Ｌ３のうちの最小長さＬminが１５ｍｍ以上であり、Ｌ１〜Ｌ３の合計長さが７０ｍｍ以上であるフェライト鋼を採用する。  Ｃ＋Ｎ＋Ｓ≦０．００３０質量％  …  （１）  ８Ｓｉ＋８Ａｌ＋Ｃｒ≧１４質量％  …  （２）【選択図】図２
2020015943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライトの結晶粒を含有してなるフェライト鋼であり、
化学成分が質量％で、
Ｃ：０．００１５％以下、
Ｎ：０．００１５％以下、
Ｓ：０．００１５％以下、
Ｏ：０．００５０％以下を含み、
さらに
Ｓｉ：７．０％以下、
Ａｌ：１２％以下、
Ｃｒ：３０％以下の１種または２種以上含み、
下記（１）式及び（２）式を満足し、
残部が鉄及び不純物であり、
前記フェライト鋼の直交して接する任意の２つの断面において、前記２つの断面の接線をまたがって存在する前記結晶粒のうちの少なくとも１つの結晶粒の大きさをＬ１、Ｌ２、Ｌ３で表すとき、
Ｌ１〜Ｌ３のうちの最小長さＬminが１５ｍｍ以上であり、Ｌ１〜Ｌ３の合計長さが７０ｍｍ以上であることを特徴とするフェライト鋼。
Ｃ＋Ｎ＋Ｓ≦０．００３０質量％  …  （１）
８Ｓｉ＋８Ａｌ＋Ｃｒ≧１４質量％  …  （２）
ただし、前記Ｌ１は、前記２つの断面の前記接線上の前記結晶粒の長さであり、
前記Ｌ２は、前記２つの断面のうちの一方の面における前記結晶粒の長さであって、前記接線と直交する方向の最大長さであり、
前記Ｌ３は、前記２つの断面のうちの他方の面における前記結晶粒の長さであって、前記接線と直交する方向の最大長さであり、
（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の含有率（質量％）であることを示す。
【請求項２】
化学成分が質量％で、
Ｃ：０．００１５％以下、
Ｎ：０．００１５％以下、
Ｓ：０．００１５％以下、
Ｏ：０．００５０％以下を含み、
さらに
Ｓｉ：７．０％以下、
Ａｌ：１２％以下、
Ｃｒ：３０％以下の１種または２種以上含み、
下記（１）式及び（２）式を満足し、
残部が鉄及び不純物である鋼材を加熱炉内に設置し、１ｔｏｒｒ以下に減圧した後に１５０〜２５０ｔｏｒｒの不活性ガスを導入した雰囲気中で、前記鋼材を１３９０℃以上融点未満の温度で３時間以上保持をした後に、冷却することを特徴とする、請求項１に記載のフェライト鋼の製造方法。
Ｃ＋Ｎ＋Ｓ≦０．００３０質量％  …  （１）
８Ｓｉ＋８Ａｌ＋Ｃｒ≧１４質量％  …  （２）
ただし、（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の含有率（質量％）であることを示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粗大な結晶粒を有するフェライト鋼及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
古くから金属材料の製造、研究が行われてきている。特に鉄鋼材料は、その生産量が極めて多く、研究開発が最も進んでいる金属材料の一つである。鉄鋼材料の金属組織は多くの結晶粒からなり、内部には介在物や析出物が存在し、また複数の相からなる場合もある。このような金属組織がその特性（加工性、靭性、耐熱性等）に反映することが知られている。鉄鋼材料の基礎的な研究を行うには、一つの結晶粒を用いてその特性を評価することが重要であり、その結晶粒は大きければ大きいほど研究素材としては望ましい。結晶方位を考慮した単結晶試験片（引張、靭性評価用）を採取するためには、約３０ｍｍ以上の粒径を有するフェライト粒が必要となる。
【０００３】
鉄鋼材料においてある程度の粗大な結晶粒を効率的に製造するのは非常に難しい。一般に、粗大単結晶粒を製造する方法として一方向凝固法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法）が知られている。これは種結晶を核にこれを凝固して成長させる手法であるが、生産性が低いことが難点である。また、一方向凝固法によって、３０ｍｍ以上の厚みを有するフェライト粒の作製は極めて困難である。
【０００４】
一方、金属材料は高温に保持することで結晶粒成長することが知られている。板厚０．５ｍｍ以下の薄鋼板においては結晶粒成長（異常粒成長）を活用した鋼板（例えば電磁鋼板など）が存在する。しかし、単結晶の基礎研究においては種々の結晶方位の粗大結晶粒を用いる必要があるが、電磁鋼板のような薄鋼板では、結晶粒の結晶方位が限られてしまう。このように従来の手法では、厚みが３０ｍｍ以上もある粗大な結晶粒を効率的に得る技術は確立していないのが現状である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、鉄鋼材料の基礎特性を研究するための、粗大粒を有するフェライト鋼の効率的に製造することが困難である。効率的な製造が可能となれば鉄鋼材料の基礎特性に関する研究促進に役立つことが考えられる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑み、粗大な結晶粒を有するフェライト鋼及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下の内容を要旨とする。
［１］  フェライトの結晶粒を含有してなるフェライト鋼であり、
化学成分が質量％で、
Ｃ：０．００１５％以下、
Ｎ：０．００１５％以下、
Ｓ：０．００１５％以下、
Ｏ：０．００５０％以下を含み、
さらに
Ｓｉ：７．０％以下、
Ａｌ：１２％以下、
Ｃｒ：３０％以下の１種または２種以上含み、
下記（１）式及び（２）式を満足し、
残部が鉄及び不純物であり、
前記フェライト鋼の直交して接する任意の２つの断面において、前記２つの断面の接線をまたがって存在する前記結晶粒のうちの少なくとも１つの結晶粒の大きさをＬ１、Ｌ２、Ｌ３で表すとき、
Ｌ１〜Ｌ３のうちの最小長さＬminが１５ｍｍ以上であり、Ｌ１〜Ｌ３の合計長さが７０ｍｍ以上であることを特徴とするフェライト鋼。
Ｃ＋Ｎ＋Ｓ≦０．００３０質量％  …  （１）
８Ｓｉ＋８Ａｌ＋Ｃｒ≧１４質量％  …  （２）
ただし、前記Ｌ１は、前記２つの断面の前記接線上の前記結晶粒の長さであり、
前記Ｌ２は、前記２つの断面のうちの一方の面における前記結晶粒の長さであって、前記接線と直交する方向の最大長さであり、
前記Ｌ３は、前記２つの断面のうちの他方の面における前記結晶粒の長さであって、前記接線と直交する方向の最大長さであり、
（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の含有率（質量％）であることを示す。
［２］  化学成分が質量％で、
Ｃ：０．００１５％以下、
Ｎ：０．００１５％以下、
Ｓ：０．００１５％以下、
Ｏ：０．００５０％以下を含み、
さらに
Ｓｉ：７．０％以下、
Ａｌ：１２％以下、
Ｃｒ：３０％以下の１種または２種以上含み、
下記（１）式及び（２）式を満足し、
残部が鉄及び不純物である鋼材を加熱炉内に設置し、１ｔｏｒｒ以下に減圧した後に１５０〜２５０ｔｏｒｒの不活性ガスを導入した雰囲気中で、前記鋼材を１３９０℃以上融点未満の温度で３時間以上保持をした後に、冷却することを特徴とする、［１］に記載のフェライト鋼の製造方法。
Ｃ＋Ｎ＋Ｓ≦０．００３０質量％  …  （１）
８Ｓｉ＋８Ａｌ＋Ｃｒ≧１４質量％  …  （２）
ただし、（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の含有率（質量％）であることを示す。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、粗大な結晶粒を有するフェライト鋼及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態であるフェライト鋼において、２つの直交する断面と結晶粒との関係を示す模式図。
【図２】本発明の実施形態であるフェライト鋼において、２つの直交する断面、断面の接線、結晶粒及び結晶粒の長さＬ１〜Ｌ３の関係を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一般に、多結晶組織を有する金属材料を所定の温度で保持することで、結晶粒が粗大化することが知られている。そこで、例えば、フェライトを主体とする組織を備えた鉄鋼材料を所定の温度で保持し、単結晶として切り出せる程度の大きさにまでフェライトの結晶粒を粗大化させることで、単結晶での引張試験や曲げ試験等を実現し、鉄鋼材料の基礎的な研究のための研究素材とすることが期待されている。しかし、実際には、引張試験や曲げ試験に供することが可能な大きさの、フェライトの単結晶を得ることは、極めて難しい。
【００１１】
例えば、方向性電磁鋼板は、数十ｍｍ程度のフェライトの結晶粒を有している。しかし、方向性電磁鋼板に含まれる結晶粒は、鋼板表面の面内におけるサイズは比較的大きいものの、板厚方向のサイズは板厚によって制約され、板厚を超えるサイズを持つことは不可能であり、扁平形状の結晶粒が得られるに過ぎない。
【００１２】
また、塊状の鋼材を長時間加熱してフェライトの結晶粒の粗大化を図ることも考えられる。しかし、実際に結晶粒を成長させるためには、非常に膨大な加熱時間を要するものとなり、生産性が非常に低くなり、現実的ではない。また、結晶粒の粒成長を促進するために加熱温度を高めると、加熱中に鋼材が軟化しやすくなり、自重による変形によって結晶粒の粒成長が阻害されるおそれがある。また、鋼材の加熱温度を極限まで高めるために鋼の融点付近で鋼材を加熱した場合には、鋼材が溶解するおそれもある。
【００１３】
そこで、本発明者らが検討したところ、鋼材を加熱する際の雰囲気を制御することで、粗大なフェライト結晶を有する鋼材を短時間で生産できる方法を見出した。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
本実施形態のフェライト鋼は、フェライトの結晶粒を含有してなり、直交して相互に接する任意の２つの断面において、２つの断面の接線をまたがって存在する結晶粒のうちの少なくとも１つの結晶粒の大きさをＬ１、Ｌ２、Ｌ３で表すとき、Ｌ１〜Ｌ３のうちの最小長さＬminが１５ｍｍ以上であり、Ｌ１〜Ｌ３の合計長さが７０ｍｍ以上になるフェライト鋼である。
ただし、Ｌ１は、２つの断面の接線上の結晶粒の長さであり、Ｌ２は、２つの断面のうちの一方の面における結晶粒の長さであって、接線と直交する方向の最大長さであり、Ｌ３は、２つの断面のうちの他方の面における結晶粒の長さであって、接線と直交する方向の最大長さである。
また、本実施形態のフェライト鋼は、質量％にて、Ｃ：０．００１５％以下、Ｎ：０．００１５％以下、Ｓ：０．００１５％以下、Ｏ：０．００５０％以下を含み、さらにＳｉ：７．０％以下、Ａｌ：１２％以下、Ｃｒ：３０％以下の１種または２種以上含み、下記（１）式及び（２）式を満足するものである。
Ｃ＋Ｎ＋Ｓ≦０．００３０質量％  …  （１）
８Ｓｉ＋８Ａｌ＋Ｃｒ≧１４質量％  …  （２）
ただし、（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の含有率（質量％）であることを示す。
また、本実施形態のフェライト鋼の製造方法としては、加熱炉内に鋼材を設置し、１ｔｏｒｒ以下に減圧した後に１５０〜２５０ｔｏｒｒの不活性ガスを導入した雰囲気中で、鋼材を１３９０℃以上融点未満の温度で３時間以上保持をした後に、冷却する製造方法を採用できる。
【００１５】
以下、本実施形態のフェライト鋼及びその製造方法の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００１６】
本実施形態のフェライト鋼は、直交しかつ相互に接する２つの断面を任意に設け、その２つの断面に露出し、かつ、２つの断面の接線にまたがって存在する少なくとも１つの結晶粒に着目した場合に、その結晶粒の長さ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）のうち、最も小さい値Ｌminが１５ｍｍ以上であり、かつＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３≧７０ｍｍである結晶粒を有する。
【００１７】
「任意の直交する２つの断面にまたがって存在する１つの結晶粒」について説明する。結晶粒は素材の中で３次元的な形状を有しているため、１断面で観察しただけではその大きさを把握することは困難であり、直交しかつ相互に接する２つの断面を設け、これらの断面に露出する結晶粒を観察することが必要となる。図１に、直交する２つの断面１、２にまたがる結晶粒３の一例を示す。図１に示す結晶粒３は、断面１及び断面２から露出しており、かつ、断面１と断面２との接線４をまたがるように存在している。本実施形態においては約３０ｍｍ以上の結晶粒３の大きさが必要となるため、直交する２つの断面での観察により結晶粒のサイズを測定することとしている。本実施形態のフェライト鋼の結晶粒のサイズを測定する場合は、塊状のフェライト鋼から、図１に示すような相互に直交しかつ接する２つの断面１、２を１組または複数組切り出して、測定に供するとよい。
【００１８】
図２には、断面１、２、接線４、結晶粒３及び結晶粒の長さＬ１〜Ｌ３の関係を示す。  結晶粒の大きさを規定する際には、図２に示すように、直交する２つの断面１、２の接線４にまたがって存在する１つの結晶粒３において、２つの断面１、２の接線方向の長さをＬ１とし、一方の断面１における結晶粒３の接線３からの最大長さをＬ２とし、断面１と直交する断面２における結晶粒３の接線４からの最大長さをＬ３と定義する。Ｌ２は、断面１における結晶粒３の長さであって、接線４と直交する方向の最大長さである。また、Ｌ３は、断面１と直交する断面２における結晶粒３の長さであって、接線４と直交する方向の最大長さである。
【００１９】
結晶粒３の大きさについては、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のうち、最も小さい値Ｌｍｉｎが１５ｍｍ以上であり、かつＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３≧７０ｍｍであることとする。単結晶試験片は約３０ｍｍ以上の結晶粒サイズを持つことが必要である。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のいずれも３０ｍｍ以上であれば理想であるが、大きな結晶粒のどの部分を切断するかは切断前に判断できないため、ある方向の長さが小さくなる場合がある。その際には、直交する３方向のうち最も短い長さＬｍｉｎが１５ｍｍ以上であることが必要である。また種々の結晶方位を得るためにはＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３≧７０ｍｍが必要である。上記のうちいずれかを満足しない場合には単結晶試験片の作成が困難となる。
【００２０】
結晶粒の長さＬ１〜Ｌ３を測定する際には、塊状のフェライト鋼から、図１に示すような相互に直交しかつ接する２つの断面１、２を１組または複数組切り出し、２つの断面にまたがる結晶粒を任意に特定する。特定する結晶粒の数は、１個以上であればよく、５個以上でもよく、１０個以上でもよい。特定した結晶粒についてＬ１〜Ｌ３を測定する。そして、特定した結晶粒のうち、１つでも本発明の条件を満足する結晶粒があればよい。なお任意の断面において組織調査をするにあたり、例えば５０ｍｍ×１００ｍｍの断面を３か所以上、すなわち総面積にして１５，０００ｍｍ２以上測定すれば粗大な結晶粒の有無は判断できる。
【００２１】
また本実施形態のフェライト鋼は、結晶構造がＢＣＣ構造（体心立方構造）であるフェライトの結晶粒を主体として含むものとする。鉄鋼材料の金属組織を構成する相または組織としては、フェライト以外に、パーライト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織、残留オーステナイト、金属化合物相等が知られているが、本実施形態のフェライト鋼では、これらのフェライト以外の相または組織は、面積％で０．５％以下であり、残部がフェライトからなる結晶粒であることが好ましい。
【００２２】
次に、本実施形態のフェライト鋼の化学成分について説明する。
【００２３】
Ｃ、Ｎ，Ｓは、いずれも鋼の結晶粒成長性に影響する元素である。これらの含有量が適度に抑制されることで、鋼材の端部における結晶粒成長が阻害されず、粗大な結晶粒が得られやすくなる。このため、Ｃ、Ｎ、Ｓはそれぞれ０．００１５％以下を上限とすることが好ましい。Ｃ、Ｎ、Ｓは、含有量が低いほど結晶粒成長しやすくなるため、下限は特に規定するものではないが、極端に低減するには高価な原料の使用や、精錬時間の増加等のコスト増加につながるため、それぞれ下限はＣ：０．０００２％以上、Ｎ：０．０００４％以上、Ｓ：０．０００１％以上とすることが望ましい。
【００２４】
またＣ、Ｓ、Ｎの結晶粒の成長性に及ぼす影響は同等であることから、Ｃ、Ｎ、Ｓの合計量を０．００３０％以下にすることが好ましい。すなわち、下記（１）式を満足することが好ましい。
【００２５】
Ｃ＋Ｎ＋Ｓ≦０．００３０％・・・（１）
【００２６】
Ｏは、酸化物を形成して鋼中の固溶酸素を低減して粒成長性を促進する。しかし酸化物は多量に存在すると粒成長を阻害する場合があるので、上限を０．００５０％以下とすることが好ましい。Ｏ量は低い方が好ましく、０．００３０％以下である方が粒成長性の観点では望ましい。
【００２７】
さらに、本実施形態のフェライト鋼は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒの１種または２種以上を含むこととする。これらの元素はいずれもフェライト生成元素であるため一定量の含有が好ましい。ただし、これらの元素の含有量が多いと、結晶粒の成長性を阻害する場合があるので、上限をそれぞれ、Ｓｉ：７．０％以下、Ａｌ：１２％以下、Ｃｒ：３０％以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒの含有量は、下記（２）式を満足することで、高温の温度域においてもフェライト相を維持させることができ、結晶粒の粒成長を早めることができる。
【００２９】
８Ｓｉ＋８Ａｌ＋Ｃｒ≧１４％・・・（２）
【００３０】
Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒの含有量の下限は各元素について規定する必要はなく、（２）式を満足する範囲とすればよい。Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒのいずれかを含有させない場合の下限は、０％とする。
【００３１】
上記化学成分以外の残部は、鉄及び不純物である。不純物とは、例えば、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不純物元素である。たとえば、Ｍｎは０．０１％未満であり、Ｐは０．００２％未満である。
【００３２】
次に、本実施形態のフェライト鋼の製造方法について説明する。
フェライト鋼の製造に用いる加熱炉は、真空溶解炉とする。原料となる鋼材を真空溶解炉内に設置する。原料となる鋼材は、上述の化学成分を有する鋼材を用いるとよい。鋼材のサイズは特に限定する必要はないが、粗大な結晶粒を成長させるためには、ある程度の体積を有する塊状の鋼材がよく、例えば、辺の最小長さが５０ｍｍ以上の直方体形状の鋼材や、高さ７０ｍｍ以上、直径１００ｍｍ以上の円柱状の鋼材などを例示できる。
【００３３】
次に、真空溶解炉に鋼材を設置後に、炉内を１ｔｏｒｒ以下に減圧する。減圧時の到達真空度が１ｔｏｒｒ超であると、その後の熱処理時に表面に酸化スケールが生成し、採取出来る試料の大きさが減少してしまうので好ましくない。
【００３４】
１ｔｏｒｒ以下に減圧後、不活性ガスを導入し、真空度を１５０〜２５０ｔｏｒｒとする。これは不活性ガスを導入することで鋼材の酸化を抑制するとともに、フェライト鋼の熱処理時の軟化若しくは溶解を抑制する効果がある。不活性ガスの導入をしない場合には、導入した場合に比べて熱処理温度が約３０℃低くても鋼材の軟化または溶解が生じた。不活性ガスの導入により鋼材の軟化若しくは溶解が高温まで抑制される機構については鋭意検討中であるが、雰囲気制御により鋼材内部の高温強度が高まり、高温熱処理中に鋼材が変形せずに耐えることができたためと推測している。
【００３５】
不活性ガスは、アルゴンやヘリウム、キセノン等いずれも効果がある。また、不活性ガス導入後の圧力が１５０ｔｏｒｒ未満では高温での熱処理中に鋼材が変形若しくは溶解する場合がある。また、不活性ガス導入後の圧力が２５０ｔｏｒｒ超であると、熱処理時に炉内圧が上昇して炉蓋が開いてしまい、操業安全性に問題が生じる場合がある。
【００３６】
上述のように雰囲気を調整した後に昇温し、鋼材を１３９０℃以上融点未満の均熱温度で３時間以上の保持をする。均熱温度が１３９０℃未満であると結晶粒成長が不十分になる。また、均熱温度が融点以上であると、熱処理時に鋼材が溶融するおそれがある。
なお、融点とは、鋼材の加熱時に液相が生じ始める温度すなわち固相線温度を示している。固相線温度は実測で求めるか、もしくは一般的に知られる成分回帰式（下記（３）式、非特許文献１）で求めるとよい。
【００３７】
固相線温度Ｔｓ（℃）＝１５３６−｛４１５．５〔Ｃ〕＋１２．３〔Ｓｉ〕＋６．８〔Ｍｎ〕＋１２４．５〔Ｐ〕＋１８３．９〔Ｓ〕＋４．３〔Ｎｉ〕＋１．４〔Ｃｒ〕＋４．１〔Ａｌ〕｝
ただし、〔Ｃ〕、〔Ｓｉ〕、〔Ｍｎ〕、〔Ｐ〕、〔Ｓ〕、〔Ｎｉ〕、〔Ｃｒ〕および〔Ａｌ〕は、それぞれ、鋼材のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、ＣｒおよびＡｌの含有量（質量％）を示す。
【００３８】
非特許文献１：第３版鉄鋼便覧  第Ｉ巻  基礎、日本鉄鋼協会編、丸善、ｐ２０５、昭和５６年６月２０日発行
【００３９】
加熱時の保持時間は３時間以上とする。保持時間が３時間未満であると、フェライトの粒成長が不十分になり、結晶粒径３０ｍｍ未満の結晶粒しか得られない。保持時間が長時間になるほどフェライトの粒成長は進むため、粒成長性の観点からは時間に上限を設けるものではないが、６時間を超えて保持すると結晶粒成長の速度が緩やかになることに加えて、生産性の観点から上限を６時間以下とすることが好ましい。
【００４０】
熱処理後の冷却については、結晶粒の大きさを変化させることはないため、特に規定する必要はないが、冷却速度が遅すぎる場合には、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉを含む金属間化合物が析出し、材料が硬質化する可能性がある。従って、材料の硬質化が望ましくない場合には炉冷以上の冷却速度とすることが好ましく、空冷でもよく、水冷でもよい。なお、本実施形態では、直方体状または円筒状の鋼材を熱処理するため、鋼材の平均的な冷却速度を規定することは難しく、また、表面温度の冷却速度は、鋼材の表面積や容積の影響を受けるため、規定が難しい。よて、本実施形態の冷却は、炉内で冷却する炉冷とし、より好ましくは風冷とし、更に好ましくは水冷とする。
【００４１】
本実施形態において粗大な結晶粒を有するフェライト鋼が得られる機構について詳細に述べる。鋼の結晶粒成長を考えた場合、結晶構造は体心立方（ＢＣＣ）が望ましい。これは、ＢＣＣが面心立方（ＦＣＣ）に比べて原子の拡散速度が速いためである。粒成長性は、固溶元素や析出物の影響を受ける。これらが少ないほど粒成長しやすい。このために、本実施形態では、鋼材の化学成分の好ましい範囲を例示している。加えて本実施形態においては、通常、鋼材を溶製（いったん溶かして固める）することに用いられる真空溶解炉を熱処理炉として活用している。真空溶解炉の場合、中にるつぼが存在するため、この中に鋼材を入れて熱処理すると、万が一鋼材が溶解したとしてもるつぼ内に収まり、溶鋼による災害・被害は生じない。また真空度とアルゴン導入量を適正に調整することで、鋼材の融点を制御し、かつ高温熱処理時に表面スケールをほとんど生成させない。
【実施例】
【００４２】
次に本発明の実施例について説明する。
表１に示す化学成分を有する鋼を溶製し、縦６０ｍｍ、横１２５ｍｍ、高さ２００ｍｍの直方体状の鋼塊を切り出し、真空溶解炉内で熱処理を行った。到達真空度が０．４ｔｏｒｒになるまで減圧した後、ＡｒもしくはＨｅを導入し、表２に示す条件で熱処理を実施した。熱処理後の冷却は炉冷とした。このようにして、Ｎｏ．１〜１４の鋼材を製造した。表1には、計算固溶線温度（℃）を併せて示す。
【００４３】
Ｎｏ．１〜１４の鋼材について、結晶粒の長さＬ１〜Ｌ３の計測を行った。具体的には、６０ｍｍ×１２５ｍｍの断面を少なくとも３か所観察できるように鋼材を切断し、各断面における（二次元的に）大きな結晶粒を選び、次いで、相互に直交し、かつ相互に接する２つの断面が得られるように、前記結晶粒の一部を切り出した。次いで、２つの断面をまたがる結晶粒を特定してＬ１〜Ｌ３を測定した。結果を表２に示す。
【００４４】
熱処理後のＮｏ．１〜１４の鋼材は、フェライトからなる結晶粒以外の組織または相の面積分率は０．１面積％以下であり、フェライトからなる結晶粒を主体とするものであった。
【００４５】
表２に示すように、Ｎｏ．１、３〜６、８〜１２の本発明例の鋼材は、製造条件が適切であるため、結晶粒の長さＬ１〜Ｌ３が本発明の範囲を満足する結晶粒が得られている。なお、これらの鋼材については、１回目の断面観察において粗大な結晶粒が確認された。
【００４６】
一方、Ｎｏ．２の鋼材は、熱処理時の均熱温度が１３９０℃未満であったため、結晶粒が十分に成長せず、観察された結晶粒のうち最大の結晶粒でもＬminが１３ｍｍ、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３が５３ｍｍとなり、本発明の範囲を満たす結晶粒が得られなかった。
【００４７】
Ｎｏ．７の鋼材は、熱処理時の雰囲気の真空度が５０ｔｏｒｒであり、１５０ｔｏｒｒ未満であったため、加熱中の鋼材が軟化しやすい状況であった。そのため、結晶粒の成長が阻害され、観察された結晶粒のうち最大の結晶粒でもＬminが１２ｍｍ、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３が５７ｍｍとなり、本発明の範囲を満たす結晶粒が得られなかった。
【００４８】
Ｎｏ．１３の鋼材は、Ｃｒの含有量が３０％を超えたため、結晶粒の成長が阻害された。そのため、観察された結晶粒のうち最大の結晶粒でもＬminが８ｍｍ、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３が２８ｍｍとなり、本発明の範囲を満たす結晶粒が得られなかった。
【００４９】
Ｎｏ．１４の鋼材は、（２）式の値が１４％未満であったため、高温域でフェライト相を維持させることができず、結晶粒の粒成長の速度が遅くなり、結晶粒の成長が阻害された。そのため、観察された結晶粒のうち最大の結晶粒でもＬminが２ｍｍ、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３が１３ｍｍとなり、本発明の範囲を満たす結晶粒が得られなかった。
【００５０】
なお、Ｎｏ．２、７、１３、１４の鋼材については、総面積にして１５，０００ｍｍ２以上の断面を観察したが、本発明の範囲を満足する結晶粒は発見できなかった。
【００５１】
以上のように、本発明によれば、粗大な結晶粒を有するフェライト鋼を得ることが出来る。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
【表２】
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【図１】
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【図２】
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