(57)【要約】【課題】超微細組織を有する鋼材を製造するための新たな方法を提供する。【解決手段】C：0.001〜0.9％、Si：0.01〜2.5％、Mn：0.01〜6.0％、P≦0.10％、S≦0.030％、Al：0.001〜2.5％、N≦0.010％、Ni：0〜10.0％、Cu：0〜1.5％、Cr：0〜5.0％、Ti：0〜0.5％、Nb：0〜0.5％、V：0〜0.5％、Mo：0〜1.5％、W：0〜0.8％、B：0〜0.005％、Co：0〜0.5％、Ca：0〜0.01％、Mg：0〜0.01％、REM：0〜0.01％、残部：Feおよび不純物であり、Ceqが0.10〜1.00である化学組成を有し、マルテンサイト／ベイナイトまたは冷間加工されたマルテンサイト／ベイナイトを主体とする金属組織を有する鋼素材を、500℃/s以上の平均昇温速度でAc3点以上の温度域まで加熱した後、2s以内に冷却を開始し、600℃未満の温度域まで20℃/s以上の平均冷却速度で冷却し、該温度域で2〜1000s保持した後、該温度域から300℃までの平均冷却速度が100℃/s以上となるように冷却する、鋼材の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．９％、
Ｓｉ：０．０１〜２．５％、
Ｍｎ：０．０１〜６．０％、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：０．００１〜２．５％、
Ｎ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：０〜１０．０％、
Ｃｕ：０〜１．５％、
Ｃｒ：０〜５．０％、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｎｂ：０〜０．５％、
Ｖ：０〜０．５％、
Ｍｏ：０〜１．５％、
Ｗ：０〜０．８％、
Ｂ：０〜０．００５％、
Ｃｏ：０〜０．５％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で定義されるＣｅｑが０．１０〜１．００である化学組成を有し、
マルテンサイト組織、ベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織、または冷間加工されたマルテンサイト組織、ベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織を含み、かつそれらの合計体積率が９５．０％以上である金属組織を有する鋼素材に対して、
５００℃／ｓ以上の平均昇温速度でＡｃ３点以上の温度域まで加熱した後、２ｓ以内に冷却を開始し、６００℃未満の温度域まで２０℃／ｓ以上の平均冷却速度で冷却し、該温度域で２〜１０００ｓ保持した後、該温度域から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する、組織制御工程を１回以上行う、
鋼材の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋１／２４Ｓｉ＋１／６Ｍｎ＋１／４０Ｎｉ＋１／５Ｃｒ＋１／４Ｍｏ＋１／１４Ｖ      ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、鋼素材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
前記組織制御工程の前に、
５００℃／ｓ以上の平均昇温速度でＡｃ３点以上の温度域まで加熱した後、２ｓ以内に冷却を開始し、前記温度域から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する、細粒化工程を１回以上行う、
請求項１に記載の鋼材の製造方法。
【請求項３】
前記化学組成が、質量％で、
Ｎｉ：０．０１〜１０．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、および、
Ｃｒ：０．０１〜５．０％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１または請求項２に記載の鋼材の製造方法。
【請求項４】
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．００３〜０．５％、
Ｎｂ：０．００３〜０．５％、
Ｖ：０．００５〜０．５％、
Ｍｏ：０．０１〜１．５％、
Ｗ：０．００５〜０．８％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５％、および、
Ｃｏ：０．０１〜０．５％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【請求項５】
前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の製造方法に係り、特に、超微細組織を有する鋼材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼の組織が微細になるほど、強度、延性および靱性のいずれもが向上することが知られている。そのため、これまでに、超微細組織を有する鋼を得るための研究が数多くなされてきた。その中で、鋼に対して塑性加工を加えつつ昇温し、低温相であるフェライトから高温相であるオーステナイトへと変態させることによって、超微細組織の鋼を得る技術が提案されている。例えば、特許文献１〜４には、従来の製造方法では生産できなかった、平均結晶粒径２〜３μｍという超微細組織の鋼が、上記のような製造方法により得られることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−３０１５１５号公報
【特許文献２】特開平２−３０１５４０号公報
【特許文献３】特開平３−７５３０９号公報
【特許文献４】特開平８−２４６０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本発明者らのその後の研究開発の結果、これらの従来技術には次のような欠点があることが判明した。
【０００５】
特許文献１および２に記載の方法によれば、通常の炉を用いた加熱に加えて、大圧下高速圧延での加工発熱で鋼材を昇温してフェライトからオーステナイトへと変態させ、圧延後直ちに急冷する。このため、非常に微細な組織を得ることができるが、以下のような欠点がある。
【０００６】
上記の方法では、オーステナイト化が完全に終了しないままに急冷されるため、組織が不均一でかつ圧延集合組織が残りやすくなる。また、大きな炭化物が分解固溶せずに残存する場合があるため、局部的に機械的性質が劣るおそれがある。さらに、変態に必要な熱エネルギーを圧延加工で得ようとするため、圧延速度、圧下量および圧延寸法に大きな制約があり、一般的な圧延機で自由に生産するのが困難であるという問題がある。
【０００７】
また、特許文献３に記載の方法によれば、塑性加工を加えつつフェライトからオーステナイトへと変態させるための加熱を行った後、Ａｅ１点以上の温度に一定時間保持することにより、特許文献１および２における欠点の解消を図っている。しかしながら、この保持の間に超微細オーステナイト組織は成長粗大化してしまうため、平均結晶粒径２μｍ以下の超微細組織の実現は困難になっている。
【０００８】
さらに、特許文献４に記載の方法によれば、加熱中に圧延を同時に行い、フェライトからオーステナイトへと変態させることによって微細なオーステナイト粒を得ている。しかしながら、この方法では、加熱と圧延とを同時に行う必要があるため、温度の制御が困難となる問題がある。温度が低すぎるとオーステナイトへの変態が十分でなくフェライトが残って不均一な組織となり、一方で、温度が高すぎると生成したオーステナイト粒の粒成長速度が大きくなってしまい、結果的に微細なオーステナイト粒が得られない。
【０００９】
以上のとおり、従来の技術においては、超微細組織を有する鋼を得る上で、改良の余地が残されている。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、超微細組織を有する鋼材を製造するための新たな方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の鋼材の製造方法を要旨とする。
【００１２】
（１）質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．９％、
Ｓｉ：０．０１〜２．５％、
Ｍｎ：０．０１〜６．０％、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：０．００１〜２．５％、
Ｎ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：０〜１０．０％、
Ｃｕ：０〜１．５％、
Ｃｒ：０〜５．０％、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｎｂ：０〜０．５％、
Ｖ：０〜０．５％、
Ｍｏ：０〜１．５％、
Ｗ：０〜０．８％、
Ｂ：０〜０．００５％、
Ｃｏ：０〜０．５％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
ＲＥＭ：０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で定義されるＣｅｑが０．１０〜１．００である化学組成を有し、
マルテンサイト組織、ベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織、または冷間加工されたマルテンサイト組織、ベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織を含み、かつそれらの合計体積率が９５．０％以上である金属組織を有する鋼素材に対して、
５００℃／ｓ以上の平均昇温速度でＡｃ３点以上の温度域まで加熱した後、２ｓ以内に冷却を開始し、６００℃未満の温度域まで２０℃／ｓ以上の平均冷却速度で冷却し、該温度域で２〜１０００ｓ保持した後、該温度域から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する、組織制御工程を１回以上行う、
鋼材の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋１／２４Ｓｉ＋１／６Ｍｎ＋１／４０Ｎｉ＋１／５Ｃｒ＋１／４Ｍｏ＋１／１４Ｖ      ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、鋼素材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００１３】
（２）前記組織制御工程の前に、
５００℃／ｓ以上の平均昇温速度でＡｃ３点以上の温度域まで加熱した後、２ｓ以内に冷却を開始し、前記温度域から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する、細粒化工程を１回以上行う、
上記（１）に記載の鋼材の製造方法。
【００１４】
（３）前記化学組成が、質量％で、
Ｎｉ：０．０１〜１０．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、および、
Ｃｒ：０．０１〜５．０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）または（２）に記載の鋼材の製造方法。
【００１５】
（４）前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．００３〜０．５％、
Ｎｂ：０．００３〜０．５％、
Ｖ：０．００５〜０．５％、
Ｍｏ：０．０１〜１．５％、
Ｗ：０．００５〜０．８％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５％、および、
Ｃｏ：０．０１〜０．５％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【００１６】
（５）前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．０１％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）から（４）までのいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、フェライトからオーステナイトへの変態によって生成する超微細オーステナイト粒の成長粗大化を防止することができるため、ベイナイトおよびマルテンサイトを主体とし、平均結晶粒径が５．０μｍ以下である超微細組織を有する鋼材を安定して生産供給することが可能になる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明者らは、超微細組織を有する鋼材を製造するための方法について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。
【００１９】
（ａ）鋼素材を超急速加熱し、一気にオーステナイト単相域まで加熱することで超微細なオーステナイト粒が得られる。
【００２０】
（ｂ）超急速加熱を行う前の鋼素材の組織の違いによって、加熱後の微細度合が大きく変わる。鋼素材には金属組織中にオーステナイトの核生成サイトが多数存在するものを用いる必要がある。
【００２１】
（ｃ）生成した超微細オーステナイト粒は、高温状態では粒界の移動により粗大な粒に成長しやすいため、超急速加熱後は直ちに急冷を開始する。そして、冷却途中で所定の温度域で冷却を一時停止し、当該温度域で保持することにより、最終的な鋼組織を制御することが可能となる。
【００２２】
（ｄ）超微細オーステナイト粒の成長粗大化を防止するため、変態温度を低くすることも有効である。粒界の移動は原子の拡散によるものであるため、温度を下げて拡散速度を低くすれば、微細な粒のまま維持することが可能になる。
【００２３】
（ｅ）Ｍｎ等の含有量を調整することによって、鋼素材の変態温度を低下させることが可能になる。
【００２４】
本発明は、上記の知見を基礎としてなされたものである。すなわち、本発明に係る鋼材の製造方法は、所定の化学組成および金属組織を有する鋼素材に対して、超急速加熱した後、直ちに冷却を開始する熱処理を施すものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
【００２５】
（Ａ）化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
【００２６】
Ｃ：０．００１〜０．９％
Ｃは鋼材の強度を向上させる元素である。Ｃ含有量は鋼材の要求される特性に応じて選定され、０．００１％以上とする必要がある。一方、Ｃ含有量が０．９％を超えると、強度と延性または強度と靭性とのアンバランスが生じる。そのため、Ｃ含有量は０．００１〜０．９％とする。Ｃ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。また、Ｃ含有量は０．３％未満であるのが好ましく、０．２％以下であるのがより好ましい。
【００２７】
Ｓｉ：０．０１〜２．５％
Ｓｉはフェライト相へ分配される元素であって、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するには脱酸のために含有させる必要がある。一方、Ｓｉ含有量が２．５％を超えると、熱間加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。そのため、Ｓｉ含有量は０．０１〜２．５％とする。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は、２．０％以下であるのが好ましく、１．５％以下であるのがより好ましく、１．０％以下であるのがさらに好ましい。
【００２８】
Ｍｎ：０．０１〜６．０％
ＭｎはＡ１変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くしてオーステナイト相の成長粗大化速度を低くするのに有効であり、かつＭｎはオーステナイト相へ分配される元素である。また、残留オーステナイトを活用したい場合には有効な元素となる。超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するには、Ｍｎを０．０１％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｎ含有量が６．０％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。そのため、Ｍｎ含有量は０．０１〜６．０％とする。Ｍｎ含有量は０．１０％以上であるのが好ましく、０．５０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は３．０％以下であるのが好ましく、２．０％以下であるのがより好ましい。
【００２９】
Ｐ：０．１０％以下
Ｐは、一般に不純物として含有される元素であるが、固溶強化により強度を高める効果を有する元素でもある。したがって、Ｐを積極的に含有させてもよい。しかし、Ｐは偏析し易い元素であり、その含有量が０．１０％を超えると、粒界偏析に起因する成形性および靭性の低下が顕著となる。したがって、Ｐ含有量は０．１０％以下とする。Ｐ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。Ｐ含有量の下限は特に規定する必要はないが、上記の効果を得たい場合には、０．００１％以上とすることが好ましい。
【００３０】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不純物として含有される元素であり、鋼中に硫化物系介在物を形成して鋼板の成形性を低下させる。Ｓ含有量が０．０３０％を超えると、成形性の低下が著しくなる。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする。Ｓ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましく、０．００５％以下であるのがより好ましく、０．００１％以下であるのがさらに好ましい。Ｓ含有量の下限は特に規定する必要はないが、精錬コストの上昇を抑制する観点からは０．０００１％以上とすることが好ましい。
【００３１】
Ａｌ：０．００１〜２．５％
Ａｌはフェライト相へ分配される元素であって、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するには脱酸のために含有させる必要がある。一方、Ａｌ含有量が２．５％を超えると、熱間加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。そのため、Ａｌ含有量は０．００１〜２．５％とする。Ａｌ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。また、Ａｌ含有量は０．５０％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましく、０．０５％以下であるのがさらに好ましい。
【００３２】
Ｎ：０．０１０％以下
Ｎは、不純物として含有される元素であり、鋼板の成形性を低下させる作用を有する。Ｎ含有量が０．０１０％を超えると、成形性の低下が著しくなる。したがって、Ｎ含有量は０．０１０％以下とする。Ｎ含有量は０．００８０％以下であるのが好ましく、０．００７０％以下であるのがより好ましい。Ｎ含有量の下限は特に規定する必要はないが、後述するようにＴｉ、ＮｂおよびＶの１種以上を含有させて鋼組織の微細化を図る場合を考慮すると、炭窒化物の析出を促進させるためにＮ含有量は、０．００１０％以上とすることが好ましく、０．００２０％以上とすることがより好ましい。
【００３３】
本発明の製造方法に供される鋼には、上記の元素に加えてさらに、下記に示す量のＮｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ｃｏ、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭから選択される１種以上の元素を含有させてもよい。
【００３４】
Ｎｉ：０〜１０．０％
ＮｉはＡ１変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Ｎｉはオーステナイト相へ分配される元素である。そのため必要に応じてＮｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉ含有量が１０．０％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｎｉ含有量は１０．０％以下とする。Ｎｉ含有量は５．０％以下であるのが好ましく、２．０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得るためには、Ｎｉ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。
【００３５】
Ｃｕ：０〜１．５％
ＣｕはＡ１変態点を低下させてオーステナイト生成温度域を低くすることによって、オーステナイト相の成長粗大化速度を低下させるのに有効な元素である。また、Ｃｕはオーステナイト相へ分配される元素である。そのため必要に応じてＣｕを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕ含有量が１．５％を超えると、加工性が劣化して圧延時に割れやすくなる。したがって、Ｃｕ含有量は１．５％以下とする。Ｃｕ含有量は０．５％未満であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｃｕ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。
【００３６】
Ｃｒ：０〜５．０％
Ｃｒはオーステナイト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＣｒを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が５．０％を超えると、強度と延性または強度と靱性とのアンバランスが生じる。したがって、Ｃｒ含有量は５．０％以下とする。Ｃｒ含有量は３．０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｃｒ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。
【００３７】
Ｔｉ：０〜０．５％
Ｔｉはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＴｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．５％を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Ｔｉ含有量は０．５％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０．００３％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
【００３８】
Ｎｂ：０〜０．５％
Ｎｂはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＮｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．５％を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Ｎｂ含有量は０．５％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｎｂ含有量は０．００３％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
【００３９】
Ｖ：０〜０．５％
Ｖはフェライト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＶを含有させてもよい。しかしながら、Ｖ含有量が０．５％を超えると、鋼が脆化してくる。したがって、Ｖ含有量は０．５％以下とする。Ｖ含有量は０．１％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｖ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１％以上であるのがより好ましい。
【００４０】
Ｍｏ：０〜１．５％
Ｍｏはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＭｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏ含有量が１．５％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｍｏ含有量は１．５％以下とする。Ｍｏ含有量は１．０％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｍｏ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。
【００４１】
Ｗ：０〜０．８％
Ｗはフェライト相へ分配され、かつ、拡散の遅い元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＷを含有させてもよい。しかしながら、Ｗ含有量が０．８％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｗ含有量は０．８％以下とする。Ｗ含有量は０．５％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｗ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１％以上であるのがより好ましい。
【００４２】
Ｂ：０〜０．００５％
Ｂは焼入れ性が向上する元素で、マルテンサイトを含む組織を得るには有効な元素である。そのため必要に応じてＢを含有させてもよい。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５％を超えると、靱性が悪化する。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。Ｂ含有量は０．００３％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましい。
【００４３】
Ｃｏ：０〜０．５％
Ｃｏはフェライト相へ分配される元素であり、超微細オーステナイト組織の成長粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため必要に応じてＣｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏ含有量が０．５％を超えると、粒成長の抑制効果が飽和してくる。したがって、Ｃｏ含有量は０．５％以下とする。Ｃｏ含有量は０．３％以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Ｃｏ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。
【００４４】
Ｃａ：０〜０．０１％
Ｍｇ：０〜０．０１％
ＲＥＭ：０〜０．０１％
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、オーステナイト粒成長を抑制するピン留め効果を有し、オーステナイト粒を微細化する効果を有する。そのため必要に応じてこれらの元素から選択される１種以上を含有させてもよい。しかしながら、これらの元素の含有量がそれぞれ０．０１％を超えると、脆化して加工性が劣化する。したがって、各元素ともその含有量を０．０１％以下とする。また、２種以上を複合的に含有させる場合、その合計含有量は０．０３％であってもよい。上記の効果を得るためには、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭから選択される１種以上を０．０００１％以上含有させるのが好ましい。
【００４５】
ここで、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
【００４６】
本発明の製造方法に供される鋼の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。
【００４７】
なお「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００４８】
Ｃｅｑ：０．１０〜１．００
Ｃｅｑは炭素当量を意味し、下記（ｉ）式で定義される。Ｃｅｑが０．１０未満では、焼き入れを施してもマルテンサイト組織が十分に得られない。一方、Ｃｅｑが１．００を超えると、靭性および延性が悪化するだけでなく、溶接を行う場合には溶接性および溶接部特性が劣化する。したがって、Ｃｅｑは０．１０〜１．００とする。Ｃｅｑは０．２０以上であるのが好ましく、０．３０以上であるのがより好ましい。また、Ｃｅｑは０．９０以下であるのが好ましく、０．８０以下であるのがより好ましく、０．７０以下であるのがさらに好ましい。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋１／２４Ｓｉ＋１／６Ｍｎ＋１／４０Ｎｉ＋１／５Ｃｒ＋１／４Ｍｏ＋１／１４Ｖ      ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、鋼素材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００４９】
（Ｂ）鋼素材の金属組織
熱処理を施す前の鋼素材としては、マルテンサイト組織、ベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織、または冷間加工されたマルテンサイト組織、冷間加工されたベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織を主体とする金属組織を有するものを用いる。その理由は以下のとおりである。
【００５０】
加熱時に微細なオーステナイトの結晶粒を多数分散させるためには、金属組織中に予め多数のオーステナイトの核生成サイトを得ておく必要がある。核生成サイトとなり得るのは、初期組織の結晶粒界、炭化物等の析出物と素地の結晶粒との界面などである。マルテンサイト組織およびベイナイト組織は、旧オーステナイト粒の中にパケット、ブロック、ラス等の下部組織を有し、それらの境界も核生成サイトとなり得る。したがって、マルテンサイト組織およびベイナイト組織は、フェライト／パーライト組織等と比較して、オーステナイトの核生成サイトが多く、加熱時に微細な組織が得られる。
【００５１】
また、マルテンサイト組織およびベイナイト組織に冷間加工を施すと、結晶粒がより微細になるため、さらに核生成サイトが増加し、金属組織中に細かく分散した状態となる。そのため、冷間加工されたマルテンサイトおよび冷間加工されたベイナイトを鋼素材として用いればより微細な組織が得られる。
【００５２】
マルテンサイトおよびベイナイトを加熱する場合には、フェライトがオーステナイトに変態するのに先立ち、マルテンサイトに固溶していたＣが炭化物として析出する。炭化物もオーステナイトと同じく金属組織内の結晶界面等に優先的に析出する。一方、ベイナイトには元々、微細な炭化物が析出している。炭化物と素地組織との界面も有効な核生成サイトであることから、冷間加工されたマルテンサイト組織およびベイナイトを出発組織とし、加熱過程で微細な炭化物が多数形成する過程を経てからオーステナイト変態が開始するように加熱することで、より多くの核生成サイトを得ることができる。
【００５３】
ここで、上記の「マルテンサイト組織、ベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織、または冷間加工されたマルテンサイト組織、ベイナイト組織、もしくはそれらの混合組織を主体とする金属組織」は、マルテンサイト、オースフォームドマルテンサイト、ベイナイト、冷間加工されたマルテンサイトおよび冷間加工されたベイナイトの合計体積率が９５％以上である金属組織を意味する。鋼素材中には、フェライト、パーライト、残留オーステナイト等の組織が混在する場合もあるが、これらの組織は合計体積率で５％未満であれば許容される。
【００５４】
なお、鋼素材の製造方法については、金属組織が上記の規定を満足するものである限り特に制限はなく、一般的な方法を用いればよい。また、マルテンサイト組織および／またはベイナイト組織が主体の鋼素材に冷間加工を施す方法についても特に制限はなく、例えば、冷間圧延を行う場合、冷間加工度が２０％以上となる条件とすることが望ましい。
【００５５】
（Ｃ）熱処理条件
＜昇温工程＞
前述の化学組成および金属組織を有する鋼素材を、まず５００℃／ｓ以上の平均昇温速度でＡｃ３点以上の温度域まで加熱する。Ａｃ３点以上のオーステナイト単相域まで加熱することで、均一な組織を得ることができる。加熱温度の上限については特に制限はないが、Ａｃ３点を大きく超えて加熱すると粒成長の速度が大きくなり粗大なオーステナイト粒に成長してしまう。したがって、加熱温度はＡｃ３点＋５０℃以下とすることが望ましい。
【００５６】
また、本発明の好適態様によれば、フェライトからオーステナイトに変態する際に生成するオーステナイト粒が成長粗大化してしまわないように、超急速加熱することが重要である。そのため、Ａｃ３点以上の温度域までの平均昇温速度は、５００℃／ｓ以上とする。平均昇温速度は１０００℃／ｓ以上であるのが望ましい。平均昇温速度の上限については特に制限はないが、実用的な範囲として２００００℃／ｓ以下であることが望ましい。
【００５７】
なお、本発明において、Ａｃ３点は以下の方法により求める。同一の化学組成および金属組織を有する複数の試験片を用意し、所定の加熱速度で、種々の温度まで加熱後、保持時間を１ｓ以内として、前記加熱温度から７０℃まで１０００℃／ｓの平均冷却速度で冷却する。そして、その後の試験片の硬度が、最高焼き入れ硬さとなる試験片に適用した加熱温度をＡｃ３点とする。また、Ａｃ３点は加熱時の熱膨張測定から求めても同様の結果が得られる。
【００５８】
＜保持工程＞
上記の条件で加熱した後、２ｓ以内に冷却を開始する。Ａｃ３点以上の温度域での保持時間が２ｓを超えると、保持中にオーステナイトの粒成長が起こり、微細な粒が得られなくなるためである。上記保持時間は１ｓ以下であるのが望ましい。
【００５９】
＜第１冷却工程＞
第１冷却工程では、Ａｃ３点以上の温度域から６００℃未満の温度域までの平均冷却速度を２０℃／ｓ以上とする。冷却速度が２０℃／ｓ未満では、冷却中にオーステナイトの粒成長が起こり微細な粒が得られないだけでなくフェライトが過剰に生成する。
【００６０】
＜冷却停止工程＞
６００℃未満の温度域まで冷却した後、冷却を一時停止し、当該温度域において、２〜１０００ｓ保持する。冷却停止温度が６００℃以上であると、フェライトが過剰に生成する。また、保持時間が２ｓ未満では、ベイナイトが生成せず強度と延性とのバランスが低下する。一方、１０００ｓを超えると、ベイナイトが過剰になり粗大な粒となる。
【００６１】
＜第２冷却工程＞
その後、３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する。冷却速度が１００℃／ｓ未満では、マルテンサイトの体積率が低下し強度の低下を招く。
【００６２】
上記の昇温工程から第２冷却工程までの一連の工程（組織制御工程）は、１回のみの実施であってもよいし、複数回実施してもよい。また、上記の組織制御工程の前に、下記の昇温工程、保持工程および冷却工程を含む工程（細粒化工程）を行ってもよい。細粒化工程を実施することによって、より細粒な組織を得ることが可能となる。さらに、細粒化工程は１回のみの実施であってもよいし、複数回実施してもよい。
【００６３】
＜昇温工程＞
前述の化学組成および金属組織を有する鋼素材を、まず５００℃／ｓ以上の平均昇温速度でＡｃ３点以上の温度域まで加熱する。Ａｃ３点以上のオーステナイト単相域まで加熱することで、均一な組織を得ることができる。加熱温度の上限については特に制限はないが、Ａｃ３点を大きく超えて加熱すると粒成長の速度が大きくなり粗大なオーステナイト粒に成長してしまう。したがって、加熱温度はＡｃ３点＋５０℃以下とすることが望ましい。
【００６４】
また、本発明の好適態様によれば、フェライトからオーステナイトに変態する際に生成するオーステナイト粒が成長粗大化してしまわないように、超急速加熱することが重要である。そのため、Ａｃ３点以上の温度域までの平均昇温速度は、５００℃／ｓ以上とする。平均昇温速度は１０００℃／ｓ以上であるのが望ましい。平均昇温速度の上限については特に制限はないが、実用的な範囲として２００００℃／ｓ以下であることが望ましい。
【００６５】
＜保持工程＞
上記の条件で加熱した後、２ｓ以内に冷却を開始する。Ａｃ３点以上の温度域での保持時間が２ｓを超えると、保持中にオーステナイトの粒成長が起こり、微細な粒が得られなくなるためである。上記保持時間は１ｓ以下であるのが望ましい。
【００６６】
＜冷却工程＞
冷却工程では、Ａｃ３点以上の温度域から３００℃までの平均冷却速度が１００℃／ｓ以上となるように、３００℃以下の温度まで冷却する。冷却速度が１００℃／ｓ未満では、再結晶が始まり、最粒界の効果が得られにくくなるため、１００℃／ｓ以上とする。
【００６７】
なお、冷却途中での再結晶を極力抑制するためには、上記昇温工程から上記冷却工程の間において、鋼素材が５００℃以上の温度域に保持される時間を５ｓ以内にすることが望ましい。
【００６８】
（Ｄ）鋼材の金属組織
本発明の方法によって製造される鋼材の金属組織は、ベイナイトおよびマルテンサイトが主体となる。「ベイナイトおよびマルテンサイトが主体」とは、ベイナイトおよびマルテンサイトを含み、それらの合計体積率が９５％以上であり、マルテンサイトの体積率が５〜５５％である金属組織を意味する。鋼材中には、フェライト、パーライト、残留オーステナイト等の組織が混在する場合もあるが、これらの組織は合計体積率で５％未満であれば許容される。
【００６９】
本発明の方法によって製造される鋼材中に含まれる組織の平均結晶粒径は、５．０μｍ以下となる。鋼材の機械的性質は結晶粒径の微細化とともに向上し、特に、平均結晶粒径が５．０μｍ以下になるとその向上効果は極めて顕著になる。平均結晶粒径は４．０μｍ以下であるのが望ましく、３．０μｍ以下であるのがより望ましい。なお、ここでいう結晶粒径とは、ベイナイトおよびマルテンサイトを含む全ての組織の粒径の平均値のことである。また、マルテンサイトおよびベイナイトの粒径は、旧オーステナイト粒径またはパケット粒径のいずれか特定できるものを指す。
【００７０】
なお、各組織の体積率および平均結晶粒径は、例えば、以下の方法により測定することができる。
【００７１】
まず、鋼材の圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、試料を採取する。そして、当該観察面を鏡面研磨し、ナイタール腐食液で腐食した後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて組織観察を行う。
【００７２】
上記観察面の板厚１／４深さ位置において、１０００倍で３００μｍ×３００μｍの範囲を撮影する。得られたミクロ組織写真を白黒の二値化処理を施してから画像解析を行い、パーライト、ベイナイトおよびフェライトを特定し、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１（２０１３）規格に定める、「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法」に基づく方法を用いて、それらの面積率の合計量を求める。
【００７３】
さらに、上記の組織の面積率から体積率への換算は、線分法により行う。当該線分法は、例えば、Robert T. DeHoff、Frederik N. Rhines共編（Quantitative Microscopy、１９６８年）に記載される手法に基づく。
【００７４】
残留オーステナイトは、ＳＥＭではマルテンサイトとの区別が困難であるが、Ｘ線回折法によって残留オーステナイトの体積率の測定を行うことができる。そして、上記の方法によって得られたパーライト、ベイナイト、フェライトおよび残留オーステナイトの合計体積率を、１００％から差し引くことによって、マルテンサイトの体積率を求める。
【００７５】
また、平均結晶粒径については、ピクリン酸またはナイタールで腐食処理した後、鋼板表面から板厚の１／４深さ位置においてＳＥＭを用いて、画像処理して求め、それを平均粒径とする。
【００７６】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７７】
表１に示す化学組成を有する１８０ｋｇの鋼塊を高周波真空溶解炉にて溶製し、熱間鍛造により３０ｍｍ厚さの鋼片にした。得られたスラブについて、熱間圧延試験機によって熱間圧延を施し、厚さ２ｍｍの熱延鋼板とした。その後、主体となる金属組織が表２に示す組織になるように、種々の加熱処理を施した。表２に示す試験番号４、１５、２４および２５については、上記の加熱処理後の熱延鋼板を鋼素材とした。また、それ以外の熱間鋼板については、さらに冷間圧延試験機にて冷間圧延を施し、厚さ１ｍｍの冷延鋼板とし、鋼素材とした。
【００７８】
【表１】
2020012175.tif 000002
【００７９】
【表２】
2020012175.tif 000003
【００８０】
得られた鋼素材から、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、および厚さ１ｍｍの試験片を採取した。採取した各試験片に対して、表２に示す条件に従って熱処理を実施した。加熱は通電加熱により行い、通電加熱の電源遮断後、直ちに冷却水を噴射して室温まで冷却した。なお、表２には、各素材のＡｃ３点を併せて示す。熱処理前後の各試験片について組織観察に供した。
【００８１】
熱処理前後の試験片の金属組織は、以下の方法により測定した。
【００８２】
まず、熱処理前後の試験片から、圧延方向および板厚方向に平行な断面が観察面となるように、観察用試料を採取した。そして、当該観察面を鏡面研磨し、ナイタール腐食液で腐食した後、ＳＥＭを用いて組織観察を行った。
【００８３】
上記観察面の板厚１／４深さ位置において、１０００倍で１３０μｍ×１３０μｍの範囲を撮影した。得られたミクロ組織写真を白黒の二値化処理を施してから画像解析を行い、パーライト、ベイナイトおよびフェライトを特定し、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１（２０１３）に基づきそれぞれの面積率を求め、線分法によりそれぞれの体積率に換算した。
【００８４】
また、残留オーステナイトの体積率は、Ｘ線回折法によって測定した。そして、上記の方法によって得られたパーライト、ベイナイト、フェライトおよび残留オーステナイトの合計体積率を、１００％から差し引くことによって、マルテンサイトの体積率を求めた。
【００８５】
また、平均結晶粒径については、ピクリン酸またはナイタールで腐食処理した後、鋼板表面から板厚の１／４深さ位置においてＳＥＭを用いて、画像処理して求め、それを平均粒径とした。これらの結果を表３に示す。
【００８６】
【表３】
2020012175.tif 000004
【００８７】
表１〜３を参照して、本発明で規定される条件を全て満足する方法で製造された試験番号１〜１３は、ベイナイト、マルテンサイトを主体とするとともに超微細組織を有し粒径が５．０μｍ以下となった。
【００８８】
一方、試験番号１４〜１６は、組織制御熱処理での加熱温度がＡｃ３点未満であったため、ベイナイトおよびマルテンサイトの合計体積率が９５％に達しなかった。試験番号１７は、組織制御熱処理での昇温温度が低く、試験番号１８は、組織制御熱処理での保持時間が長かったため、粗大な粒となってしまった。
【００８９】
試験番号１９は、組織制御熱処理後の冷却速度が低く、試験番号２０は、組織制御熱処理後の冷却停止温度が高かったためマルテンサイトの体積率が低くなった。試験番号２１は、組織制御熱処理での保持時間が短かったため、ベイナイトの体積率が低く、マルテンサイトが過剰となった。試験番号２２は、組織制御熱処理での途中停止温度が高かったため、また、試験番号２３は、組織制御熱処理での途中停止温度までの冷却速度が遅かったため、フェライトの体積率が高く、ベイナイト、マルテンサイトの体積率が低くなった。
【００９０】
試験番号２４および試験番号２５は、Ｍｎ量またはＣ量が高く冷却後も残留オーステナイトが残るため、ベイナイト、マルテンサイトの合計体積率が低くなった。試験番号２６はＣｅｑの値が低く焼入性が低いため、フェライトが過剰でベイナイト、マルテンサイト合計体積率が少なくなった。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明によれば、フェライトからオーステナイトへの変態によって生成する超微細オーステナイト粒の成長粗大化を防止することができるため、ベイナイトおよびマルテンサイトを主体とし、平均結晶粒径が５．０μｍ以下である超微細組織を有する鋼材を安定して生産供給することが可能になる。