(57)【要約】【課題】微細な炭素含有析出物に原子レベルで見られた事実を基準として、析出強化型高強度鋼の強化を評価することができる、析出強化型高強度鋼の強化評価方法を提供すること。【解決手段】鋼中の炭素含有析出物に含まれる元素の種類および量を３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により測定する測定ステップ（ＳＴＥＰ５）と、析出物を構成する酸素・炭素を原子比で（Ｃ１−ｐ，Ｏｐ）とした場合の酸素の割合を示すｐをｐ値としたときに、測定ステップでの測定結果に基づいてｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合を算出する算出ステップ（ＳＴＥＰ６）と、算出ステップにおけるその割合に基づき、鋼について析出強化を評価する評価ステップ（ＳＴＥＰ７）とを具備し、評価ステップでは、上記割合が適正範囲内の時に、所定の強化がなされていると判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼中の炭素含有析出物に含まれる元素の種類および量を３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により測定する測定ステップと、
前記析出物を構成する酸素・炭素を原子比で（Ｃ１−ｐ，Ｏｐ）とした場合の酸素の割合を示すｐをｐ値としたときに、前記測定ステップでの測定結果に基づいてｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合を算出する算出ステップと、
前記算出ステップにおける前記割合に基づき、前記鋼について析出強化を評価する評価ステップと
を具備し、
前記評価ステップでは、ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が適正範囲内の時に、所定の強化がなされていると判定することを特徴とする析出強化型高強度鋼の強化評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、析出強化型高強度鋼の強化評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高強度鋼の開発を行うために、鋼中に微細炭化物等の炭素含有析出物を分散させて鋼を高強度化することが行われている。例えば、特許文献１では、ＴｉＣを微細に析出させて高強度化を図っている。
【０００３】
ＴｉＣ等の炭素含有析出物による析出強化は、高強度鋼を開発する上で広く利用されているが、析出物の粗大化が起こった場合には予想したほどの析出強化が図れないなど、開発の方向性によっては析出物の析出制御の困難性を生じる場合もある。
【０００４】
したがって、析出強化型高強度鋼を開発する際には、析出物の形態や析出物の構成元素の種類や量などを調査し、強化された鋼の状態を十分に把握することが重要である。適正な評価方法の確立によって、目的の析出強化を実現し、また、高強度鋼のさらなる高性能化や高強度鋼の製造プロセス改良等を行うことが可能である。強化された鋼の状態把握を行うためには、従来、電子顕微鏡による組織観察や抽出残渣による析出量評価といった物理的・化学的解析手法が用いられている。
【０００５】
しかしながら、これらの方法では、析出物のサイズが１０ｎｍ以上の場合は全体的な析出量の評価・解析は可能であるものの、強化に寄与する個々の析出物が１〜５ｎｍと小さくなった場合、その組成や大きさ、複合形態といったところまで十分に解析を行うことができない。また、Ｃ，Ｎ，Ｏなどの軽元素を定量的に評価することは容易ではない。
【０００６】
今までに開発された析出強化型高強度鋼の中には、析出物を微細な状態に保ち、良好な析出強化を達成できたものもある。各強化鋼について析出強化達成の一応の理由付けを行うことができるが十分な解析ができているわけではなく、析出強化を達成できていることを示す原子レベルの事実（一種の基準）が得られれば新規な析出強化型高強度鋼の開発をより促進することができるものと考えられる。
【特許文献１】特開平８−７３９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、微細な炭素含有析出物に原子レベルで見られた事実を基準として、析出強化型高強度鋼の強化を評価することができる、析出強化型高強度鋼の強化評価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】
【０００８】
原子レベルでの材料評価が可能な手段としては、３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡があり、これを用いることによりナノサイズの析出物の大きさおよび構成元素を測定することが可能であり、析出強化に有効な析出物の形態評価を行って強化量を適正に評価することができることが判明した。
【０００９】
そして、本発明者らが実際に析出強化が達成された鋼を３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により観察したところ、析出した炭素含有析出物に酸素が含まれているという新事実が見出された。
【００１０】
従来の知見では、酸素は溶鋼段階でＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等の酸化物を形成しており、固体段階で鋼中に固溶している酸素はほとんどないとされていた。このため、固体状態で形成される炭化物等の炭素含有析出物中に酸素が存在するということは今まで考えられていなかった。また、分析手法の観点からも、従来から用いられている透過電子顕微鏡ではナノサイズの析出物の認識は可能ではあるが、サンプル作製の問題から、表面に付着した酸化膜等のコンタミネーションと、析出物中の酸素とを区別して測定することは困難であった。
【００１１】
これに対して、３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡の場合には、原子レベルで構成元素の分析が可能であるため、このように炭化物等の炭素含有析出物に酸素が固溶していることを明らかにすることができた。また、本発明者によって実際にナノサイズ炭素・酸素化合物が形成されていることが見出された鋼は、析出強化により非常に強化されていたため、鋼の強化にナノサイズ炭素・酸素化合物が効果的であることが把握された。微細析出物中への酸素の混入機構は不明であるが、酸素によるピンニング効果によって析出物の成長が抑制され、非常に優れた析出強化機構が発現することが見出された。
【００１２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、鋼中の炭素含有析出物に含まれる元素の種類および量を３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により測定する測定ステップと、
前記析出物を構成する酸素・炭素を原子比で（Ｃ１−ｐ，Ｏｐ）とした場合の酸素の割合を示すｐをｐ値としたときに、前記測定ステップでの測定結果に基づいてｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合を算出する算出ステップと、
前記算出ステップにおける前記割合に基づき、前記鋼について析出強化を評価する評価ステップと
を具備し、
前記評価ステップでは、ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が適正範囲内の時に、十分な強化がなされていると判定することを特徴とする析出強化型高強度鋼の強化評価方法を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鋼中に分散した炭化物等の炭素含有析出物中の酸素量を評価することで、析出強化に対する評価を与えることができる。したがって、析出強化型高強度鋼の開発にあたり、その方向性に対して指針を与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明は、炭素含有析出物を析出させた鋼について、析出した炭素含有析出物に含まれる元素の種類および量を３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡により測定する測定ステップと、析出物を構成する酸素・炭素を原子比で（Ｃ１−ｐ，Ｏｐ）とした場合の酸素の割合を示すｐをｐ値としたときに、測定ステップでの測定結果に基づいてｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合を算出する算出ステップと、算出ステップにおける前記割合に基づき、鋼について析出強化を評価する評価ステップとを有する。
【００１５】
まず、測定ステップについて説明する。
測定ステップは、３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡を用いて行われる。アトムプローブ電界イオン顕微鏡は、電界イオン顕微鏡に飛行時間型質量分析器を取り付けたもので、電界イオン顕微鏡で金属表面の個々の原子を観察し、飛行時間質量分析によりこれらの原子を同定することのできる局所分析装置であり、３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡は、アトムプローブに位置敏感型検出器を導入して個々のイオンの質量とともに検出された位置を同時に決定できるようにしたものである。
【００１６】
このように３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡（以下、３ＤＡＰと略記する）は、試料から放出される原子の種類と位置とを同時に分析可能であるため、析出物の構造解析上、非常に有効な手段である。
【００１７】
実際に３ＤＡＰを用いて鋼中の炭化物系の微細析出物の解析を行った結果、Ｔｉ，Ｍｏ，ＣおよびＯにより構成される析出物が存在する場合に、材料の高強度化が実現することが確認された。特に、析出物が微細に分散するためには析出物中にＯが存在することが重要である。Ｏによって析出物が微細に分散する機構については明瞭ではないが、酸素により析出物がピンニングされ、析出物の成長を抑制しているものと推測される。
【００１８】
このような３ＤＡＰによる検討結果により、微細炭素・酸素化物として所定の析出形態が実現できれば所望の析出強化型高強度鋼の実現が可能であることがわかった。
【００１９】
３ＤＡＰで微細析出物の分析を行う場合には、電解研磨を施した針状サンプルを用いる。分析は、測定領域を、約１０×１０ｎｍの範囲で深さ１００ｎｍ程度として行う。この場合特に微細析出物を構成する元素、例えばＴｉ，Ｍｏと、ＯおよびＣの分布形態に着目して分析を行い、各析出物について各元素の構成比を求める。後述する算出ステップでは、このようにして求めた各析出物中の元素の数の比からｐ値を求める。
【００２０】
次に、算出ステップについて説明する。
析出物を構成する酸素・炭素を原子比で（Ｃ１−ｐ，Ｏｐ）とした場合の酸素の割合であるｐを示すｐ値が低いと、析出物は炭化物的な傾向が強くなり、高いと酸化物的傾向が強くなる。このため、ｐ値が０．２未満であると炭化物的傾向が強くなりすぎ析出物が速く成長するため強度低下が生じ、ｐ値が０．５を超えると酸化物的傾向が強くなりすぎ高温で析出するために製造上安定に析出物を利用することが困難となる。したがって、析出物のｐ値が０．２〜０．５の範囲内であることが重要であり、このため算出ステップでは、測定ステップでの測定結果に基づいてｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合を算出する。この際に、３ＤＡＰにより５個以上の析出物の構成元素分析を行って上記割合を求める。
【００２１】
次に、評価ステップについて説明する。
評価ステップでは、算出ステップで算出したｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合に基づき、鋼についての析出強化を評価する。具体的には、ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が適正範囲内の時に、所定の強化がなされていると判定する。この割合は、目的とする強化の度合いに従って適宜決定されるが、測定した析出物の全てについてｐ値が０．２〜０．５の範囲となっていることが好ましい。ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が適正範囲から外れている場合には、鋼の設計条件を修正して鋼を製造し、再度測定ステップ、算出ステップ、評価ステップを行う。
【００２２】
このような評価の前提として、微細な析出物が形成されていることを確認する必要がある。析出物の形成の確認は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で行う。ＴＥＭ観察では電解研磨を用いた薄膜試料を用いて、defocus法、マッピング法、ＥＤＸ分析等によって析出物の存在を確認する。また、この際の析出物の形態についてもＴＥＭで解析する。このとき、１００ｎｍ以下の析出物のうち１０ｎｍ以下のものの個数が８０％以上であることが望ましい。析出量については２×１０２３個／ｍ３以上であることが望ましい。なお、各析出物の大きさは３ＤＡＰによっても把握することができる。また、数密度はＴＥＭおよび３ＤＡＰによる測定を用いて行う。
【００２３】
所望の微細析出物を析出させるためには、鋼の組成や製造条件を調整する。析出強化型高強度鋼の製造にあたっては、所定組成の鋼を溶解し、その後、鋳造してスラブとする。溶解、鋳造の方法は問わない。
【００２４】
さらに、そのスラブを加熱、熱間圧延して所定の厚さに加工し、冷却・保持する。熱間圧延は、スラブを１１００℃以上に加熱後、オーステナイト領域で行う。圧延後の冷却過程で所望の析出物を形成させるためには成分組成に応じた冷却条件および巻取条件を設定する。さらに、冷延鋼板とする場合には、熱間圧延後に冷間圧延、焼鈍を施す。
【００２５】
次に、本発明の強化評価方法を適用して実際に析出強化型高強度鋼を開発する手順について図１のフローチャートを参照して説明する。
まず、開発鋼の目標設定を行う（ＳＴＥＰ１）。次に、目標に対応して、例えば上記成分組成の範囲内および製造条件の範囲内で複数の鋼を設計し（ＳＴＥＰ２）、試作を行う（ＳＴＥＰ３）。
【００２６】
試作を行った鋼について、ＴＥＭ観察、強度測定等の各種測定を行う（ＳＴＥＰ４）。次いで、３ＤＡＰにより鋼中の炭素含有析出物に含まれる元素の種類および量を測定する（ＳＴＥＰ５）。このステップは、上記測定ステップに相当する。引き続き、ＳＴＥＰ５での測定結果に基づいてｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合を算出する（ＳＴＥＰ６）。このステップは、上記算出ステップに相当する。この算出結果に基づき、鋼について析出強化を評価する（ＳＴＥＰ７）。具体的には、ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が適正範囲内か否かを判定し、その割合が適正範囲内であり、かつ強度が目標値を実現している場合は所定の強化が実現されているとする。このステップは、上記評価ステップに相当する。
【００２７】
ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が適正範囲外、すなわち適正範囲よりも低い場合には、この割合が上昇する方向で試作鋼の設計条件を修正する（ＳＴＥＰ８）。所望の強度を達成していてもｐ値が前記適正範囲内である析出形態が実現していない場合には、前記の析出強化機構による場合に比べ延性が劣る傾向にある。よって、より適切に強化された高強度鋼を得るには、ｐ値が０．２〜０．５の範囲に収まる割合が適切な範囲となるよう、製造条件および／または成分組成の変更を行う。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施例について説明する。
強度−伸びバランスに優れた鋼を開発するために、ここでは引張強度が７４０ＭＰａ以上で伸びが２０％以上の鋼を目標とし、この目標特性から析出強化による材料設計を行い、表１に示す鋼種ＩおよびIIを用いて鋼を製造した。
【００２９】
これら鋼種ＩおよびIIについて、表２に示すＡ〜Ｄの熱処理を行って、表３に示すサンプル１〜４を得た。熱処理については熱間圧延温度はＡ〜Ｄのいずれも９００℃とし、巻取温度はＡ：６７５℃、Ｂ：５７５℃、Ｃ：６００℃、Ｄ：６５０℃とした。サンプル１は鋼種Ｉについて熱処理Ａを行ったもの、サンプル２は鋼種Ｉについて熱処理Ｂを行ったもの、サンプル３は鋼種IIについて熱処理Ｃを行ったもの、サンプル４は鋼種Ｉについて熱処理Ｄを行ったものである。表３には引張強度、伸び、ＴＥＭによる析出物の有無について併記する。また、表４には、析出物が観察されたサンプル１，３，４についての３ＤＡＰ測定結果の詳細を示す。３ＤＡＰ測定は、各サンプルについて５つの析出物の構成元素および各元素の構成比を求め、これらについてｐ値を算出した。ここでは、ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が１００％を適正範囲とした。
【００３０】
鋼種Ｉで巻取温度がそれぞれ６７５℃、６５０℃であるサンプル１，４は、表４に示すように、析出物の元素がＴｉ−Ｍｏ−Ｃ−Ｏでｐ値が０．２〜０．５の範囲の析出物の割合が１００％であり、析出物により所定の析出強化がなされていると判定した。実際の強度は７４０ＭＰａ以上、伸びは２０％以上であり、実際に強度−伸びバランスに優れていることが確認された。
【００３１】
鋼種Ｉで巻取温度が５７５℃であるサンプル２は、巻取温度が低すぎたため、表３に示すように析出物がほとんど存在せず、実際の強度は７７３ＭＰａであったものの、伸びが１８％と目標値よりも低い値であった。また、鋼種IIのサンプル３は、ＭｏおよびＯの量が少ないため、析出物のｐ値が低く、ｐ値が０．２〜０．５の範囲の析出物の割合が０％であり、析出物により所定の析出強化がなされていないと判定した。実際の測定結果では伸びが２１％と目標値を超えていたが、強度が７００ＭＰａと目標値を下回っていた。
【００３２】
以上のことから、ｐ値が０．２〜０．５の範囲となる析出物の割合が適正範囲内であると評価された場合に、所定の析出強化がなされていることが確認された。
【００３３】
図２はサンプル２のＴＥＭ像および３ＤＡＰ像であり、図３はサンプル４のＴＥＭ像および３ＤＡＰ像であって、いずれも（ａ）がＴＥＭ像であり、（ｂ）が３ＤＡＰ像である。これらから、ＴＥＭ像で析出物が認められないサンプル２では３ＤＡＰ像においてＭｏ、Ｔｉ、Ｃ、Ｏの原子がほぼ均一に分散しており、ＴＥＭ像で析出物の存在が認められたサンプル４では３ＤＡＰ像においてＭｏ、Ｔｉ、Ｃ、Ｏの原子が析出物に対応して集合していることが確認された。
【００３４】
【表１】
2006029786.tif 000003
【００３５】
【表２】
2006029786.tif 000004
【００３６】
【表３】
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【００３７】
【表４】
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【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、例示したＭｏ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ系析出物が析出する場合に限らず、炭素含有析出物が析出される析出強化型高強度鋼全般に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の強化評価方法を適用して実際に析出強化型高強度鋼を開発する手順を示すフローチャート。
【図２】サンプル２のＴＥＭ像および３ＤＡＰ像。
【図３】サンプル４のＴＥＭ像および３ＤＡＰ像。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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