(57)【要約】【課題】強度、延性および靱性に優れた超微細組織を有する鋼材を提供する。【解決手段】化学組成が、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、Ｃｅｑが０．１０〜１．００であり、金属組織が、体積％で、９５．０％以上のマルテンサイトを含み、旧オーステナイト粒径が５．０μｍ以下であり、かつ、旧オーステナイト粒内のパケットの数が３．０以下である、鋼材。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、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であり、
金属組織が、体積％で、９５．０％以上のマルテンサイトを含み、
旧オーステナイト粒径が５．０μｍ以下であり、かつ、
旧オーステナイト粒内のパケットの数が３．０以下である、
鋼材。
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、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
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に記載の鋼材。
【請求項３】
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または請求項２に記載の鋼材。
【請求項４】
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３までのいずれかに記載の鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材に係り、特に、超微細組織を有する鋼材に関する。
【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。
【０００３】
例えば、特許文献１には、旧オーステナイト粒の平均粒径が１２μｍ以下かつ最大粒径が平均粒径の４倍以下である機械構造用部品が開示されている。また、特許文献２には、マルテンサイトのパケットの平均径またはマルテンサイトを生成する前の旧オーステナイト粒の平均径が５μｍ以下であるマルテンサイトを主体とした組織からなる、加工性に富んだ微細粒マルテンサイト鋼材が開示されている。さらに、特許文献３には、Ｃｕを０．５〜５質量％含み、かつ、平均粒径が０．５〜５μｍである再結晶粒のオーステナイト組織から成る含Ｃｕ鋼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５２４５９号公報
【特許文献２】特開平２−３１０３３８号公報
【特許文献３】特開２００６−９０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、微細なベイナイト組織および／または微細なマルテンサイト組織を含有する鋼材を素材として、昇温速度４００℃／ｓ以上かつ到達温度１０００℃以下の高周波加熱を施すこととしている。
【０００６】
また、特許文献２では、低温相組織に塑性加工を加えながら温度を上げて変態点を超えさせる処理を施すこととしている。さらに、特許文献３では、Ｃｕを０．５〜５質量％含む鋼に対し、Ａｒ３変態点以上９８０℃以下の温度域において、累積ひずみ２以上でかつひずみ速度１／ｓｅｃ以上の高速累積変形加工を行うこととしている。
【０００７】
しかしながら、本発明者らのその後の研究開発の結果、これらの従来技術では、超微細な組織が得られたとしても、強度、延性および靱性等の特性が優れない場合があることを見出した。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。
【０００８】
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、強度、延性および靱性に優れた超微細組織を有する鋼材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】
【０００９】
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、下記の鋼材を要旨とする。
【００１０】
（１）化学組成が、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であり、
金属組織が、体積％で、９５．０％以上のマルテンサイトを含み、
旧オーステナイト粒径が５．０μｍ以下であり、かつ、
旧オーステナイト粒内のパケットの数が３．０以下である、
鋼材。
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、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００１１】
（２）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）に記載の鋼材。
【００１２】
（３）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）または（２）に記載の鋼材。
【００１３】
（４）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（３）までのいずれかに記載の鋼材。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、平均結晶粒径が５．０μｍ以下の超微細組織を有し、強度、延性および靱性に優れる鋼材を得ることが可能になる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、超微細組織を有し、かつ、強度、延性および靱性に優れ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。
【００１６】
（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。
【００１７】
（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鋼を用いる必要がある。具体的には、加工されたマルテンサイト（冷間圧延されたマルテンサイト）からなる鋼を素材として用いる。
【００１８】
（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。そのため、超急速加熱後は直ちに急冷することによって、超微細組織を維持したまま室温まで冷却する。
【００１９】
（ｄ）鋼素材に加工されたマルテンサイトを用いることによって、旧オーステナイト粒内のパケット数を低減することが可能になる。旧オーステナイト粒径を微細化すると、降伏応力が上がり、引張強さとの比である降伏比が大きくなり伸びが減少する傾向にあるが、パケットの数を減らすことによって、降伏応力を下げ、伸びを改善することができる。
【００２０】
（ｅ）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小さくすれば、微細な粒のまま維持することが可能になる。
【００２１】
（ｆ）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。
【００２２】
本発明は、上記の知見を基礎としてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
【００２３】
（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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遅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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
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、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００４７】
（Ｂ）鋼材の金属組織
本発明に係る鋼材の金属組織は、マルテンサイトが主体である。具体的には、マルテンサイトの体積率が９５．０％以上である金属組織を有する。鋼材中には、ベイナイト、フェライト、パーライト、残留オーステナイト、焼戻しマルテンサ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５．０％以下であれば許容される。
【００４８】
マルテンサイトの体積率が９５．０％未満であると、強度が不十分となる。特にフェライト組織が混在する場合には、微細なフェライトが生成し、オーステナイト粒界が消滅し、微細なオーステナイト粒が得られない。
【００４９】
また、鋼材中に含まれるマルテンサイト組織の旧オーステナイト粒径は、５．０μｍ以下とする。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、旧オーステナイト粒径が５．０μｍ以下になると、強度、延性、靭性のバランスが良好になる。なお、ここでいう「旧オーステナイト粒径」は、旧オーステナイト粒の平均粒径を意味する。
【００５０】
上述のように、組織を超微細化すると、降伏応力が上昇する傾向にあるが、降伏比の極端な上昇は好ましくない。しかしながら、旧オーステナイト粒内のパケット数を低減することによって、降伏応力を低減することが可能になる。そのため、旧オーステナイト粒内のパケットの数は３．０以下とする。
【００５１】
なお、マルテンサイトの体積率、旧オーステナイト粒径ならびに旧オーステナイト粒内のパケット数およびパケット径は以下の方法により測定する。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
そして、さらに腐食後の上記試験片を用いて、ＥＢＳＤによる結晶方位の測定および解析を行う。これにより、旧オーステナイト粒径ならびに旧オーステナイト粒内のパケット数およびパケット径を測定する。ここで、パケットとは、マルテンサイト組織のうち特定の配列をしたラスの集団であり、パケット内は平行なラスの集団からなる。
【００５７】
（Ｃ）製造方法
本発明に係る鋼材は、上述の化学組成を有し、所定の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ことによって製造することが可能である。各条件について、以下に詳しく説明する。
【００５８】
＜鋼素材＞
熱処理を施す前の鋼素材としては、冷間加工されたマルテンサイト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。
【００５９】
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い。
【００６０】
また、マルテンサ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を鋼素材として用いれば微細な組織が得られる。
【００６１】
マルテンサ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。前述のように析出した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。
【００６２】
ここで、「冷間加工されたマルテンサイトを主体」とする組織とは、オースフォームドマルテンサイトもしくは冷間加工されたマルテンサイト、またはそれらの合計の体積率が９５．０％以上である金属組織を意味する。鋼素材中には、ベイナイト、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５．０％以下であれば許容される。
【００６３】
なお、鋼素材の製造方法については、金属組織が冷間加工されたマルテンサイトを主体と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。
【００６４】
＜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＋１５０℃以下とすることが望ましい。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
＜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。
【００６８】
＜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、冷却後の鋼材の組織にマルテンサイト以外の組織が多く形成され、マルテンサイト主体の組織とならないため、１００℃／ｓ以上とする。
【００６９】
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。
【００７０】
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】
【００７１】
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の熱延鋼とした。その後、表２に示す試験番号１〜１２および１４〜２３については、１℃／ｓの加熱速度で１０００℃まで加熱し１ｈ保持したのち、室温まで急冷し、マルテンサイト組織とした。さらに、試験番号１〜１８、２１、２３および２４については、上記熱延鋼に対して冷間圧延試験機にて冷間圧延を施し、厚さ１ｍｍの冷延鋼とした。これにより、表２に示す金属組織を有する冷延鋼または熱延鋼を作製し、鋼素材（試験番号１〜２４）とした。
【００７２】
【表１】
2020012173.tif 000002
【００７３】
【表２】
2020012173.tif 000003
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
また、さらに腐食後の上記試験片を用いて、ＥＢＳＤによる結晶方位の測定および解析を行った。これにより、旧オーステナイト粒径、ならびに旧オーステナイト粒内のパケット数およびパケット径を測定した。これらの結果を表３に示す。
【００８０】
【表３】
2020012173.tif 000004
【００８１】
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１〜１２は、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かつパケット数が３．０以下となった。
【００８２】
一方、試験番号１３は、熱処理前の鋼素材の金属組織がフェライト／パーライトを主体とするものであったため、平均結晶粒径が５．０μｍを超え、超微細組織を得ることができず、さらにパケット数も３．０を超えた。また、試験番号１４は、加熱温度がＡｃ３点を下回ったため、マルテンサイトを主体とする金属組織を得ることができなかった。そして、試験番号１５は、昇温速度が低いため、平均結晶粒径が粗大になった。
【００８３】
試験番号１６は、保持時間が長すぎたため、平均結晶粒径が粗大になった。また、試験番号１７は、冷却速度が低いため、マルテンサイトを主体とする金属組織を得ることができなかった。さらに、試験番号１８は、冷却停止温度が高すぎたため、マルテンサイトを主体とする金属組織を得ることができなかった。そして、試験番号１９は、鋼素材が熱延鋼であったため、平均結晶粒径５．０μｍ以下になったものの、３．０パケット数が３．０を超える結果となった。
【００８４】
試験番号２０〜２３は、ＭｎまたはＣの含有量が過剰であり、Ｃｅｑの値が高い例である。その結果、試験番号２０〜２２では、最終組織の残留オーステナイトが多くなり、マルテンサイト主体の組織とならなかった。また、試験番号２３では、Ｃ含有量が高すぎるため、冷間圧延の際に割れが生じて素材を製造することができなかった。さらに、試験番号２４はＣｅｑの値が低く焼き入れ性が低いため、フェライトおよびパーライト主体の組織となった。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、平均結晶粒径が５．０μｍ以下の超微細組織を有し、強度、延性および靱性に優れる鋼材を得ることが可能になる。