(57)【要約】【課題】加工ままの状態で、または加工終了後にＡｅ１点未満の温度域へ加熱した後の状態において、強靭であるだけでなく、高い伸びを有する鋼と、その製造方法を提供すること。【解決手段】加工中の鋼材の温度をＡｅ１点より低い温度に保ち、減面率または圧縮率として表される加工度が１０％以上である加工を施すことにより、加工ままの状態で、または加工終了後にＡｅ１点未満の温度域へ加熱した後の状態で、断面を観察したとき、少なくとも表層部の組織が、再結晶率２０％以下であるという条件が満たされた鋼を得る。再結晶率ＲＲは、フェライトバンドにおいて、ＲＲ＝１００×（等軸晶の面積）／（球状晶の面積＋伸長晶の面積）（％）として定義される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工ままの状態で、または加工終了後にＡｅ１点未満の温度域へ加熱した後の状態で、断面を観察したとき、少なくとも表層部の組織が、再結晶率２０％以下であることを特徴とする強靱な鋼。［ここで、再結晶率ＲＲはつぎのように定義される：フェライトバンドにおいて、ＲＲ＝１００×（等軸晶の面積）／（球状晶の面積＋伸長晶の面積）（％）］
【請求項２】
引張試験における降伏比が０．８５以上、０．０２％耐力が６００ＭＰａ以上、伸びが１０％以上、絞りが４０％以上であって、かつ、シャルピー衝撃試験における衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ２以上である請求項１の強靱な鋼。［ここで、降伏比ＹＲは、引っ張り強さをσＴ、０．０２％耐力をσＹとするとき、ＹＲ＝σＹ／σＴとして定義される。］
【請求項３】
鋼に対して塑性加工を加えるに当り、加工中の被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保ち、下記の定義に従う減面率または圧縮率として表される加工度が１０％以上である加工を施すことにより、請求項１に記載した組織を実現することからなる強靱な鋼の製造方法。
減面率＝１００×（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断面積
圧縮率＝１００×（加工前の高さ−加工後の高さ）／加工前の高さ
（形状が複雑な場合の圧縮率は、高さとして、最高部と最低部の平均値を用い手算出する。）
【請求項４】
鋼に対して塑性加工を加えるに当り、加工中の被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保って加工度が１０％以上である加工を施すに先立って、Ａｅ１点以上の温度における加工を行なう請求項３の製造方法。
【請求項５】
鋼に対して塑性加工を加えるに当り、加工中の被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保って加工度が１０％以上である加工を施すに先立って、Ａｅ１点より低い温度における加工と、それに続くＡｅ１点以上の温度における加工を行なう請求項３の製造方法。
【請求項６】
被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保って加工度が１０％以上である加工を施して冷却したのち、被加工材を、Ａｅ１点より低い温度に加熱する工程を追加した請求項３ないし５のいずれかの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塑性加工を利用した金属材料の組織制御の技術であって、具体的には、強靱な鋼とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、航空機、あるいは発電機などに用いる鋼製の部品を軽量化することによって、燃料消費率や発電効率を向上させることができる。この目的を達成するためには、部品となる圧延材や鍛造材をより強靭なものとすることが、必須の課題である。強靭化は、部品の長寿命化にもつながり、鋼の製造および部品の製造における、溶解、精錬、圧延ないし鍛造などの操業が与える、環境への負荷を軽減することができる。このようなわけで、鋼の圧延材や鍛造材の強靭化が、今日の重要な課題となっている。
【０００３】
これまで、鋼製の部品の強靭化は、合金成分と熱処理条件とを最適化することにより達成されてきた。しかし、合金元素の積極的な添加は、省合金によるコスト低減という開発動向と逆行するだけでなく、溶解や精錬の長時間化による環境負荷の増大を招いている。さらに、焼入れや浸炭などの高温における熱処理も、環境に対する大きな負荷となっている。それゆえ、合金元素を積極的に添加することなく、既存の鋼を対象として、また、高温の熱処理を経ることなく、強靭な部品を製造する方策が求められている。そこで、圧延や鍛造などの製造工程を改善することによる鋼の強靭化技術が、注目を集めている。
【０００４】
製造工程の改善による鋼の強靭化を追求する努力の代表例が、「スーパーメタル」や「超鉄鋼」といった、国の研究プロジェクトである。この開発の成果として、加工ままの状態において、サブミクロンないし数ミクロンのきわめて微細な結晶粒を得ることにより、またはその状態の材料をＡｅ１点未満の低温域に加熱することにより、実験室的な、または小規模生産においては、著しい強靭化を達成している。国家プロジェクトであることからわかるように、金属材料の強靭化は、国際競争力を高める重要な技術として位置付けられている。
【０００５】
一般に、圧延や鍛造は８００℃を超える温度域において実施されており、その結果として得られる結晶粒径は、大きさが１０μｍ以上ある。これに対し、「超微細組織鋼」（特開２００１−７３０３５）と呼ばれる鋼は、平均粒径１．５μｍ以下の微細組織を有し、引張り強度６５０ＭＰａ以上を実現するとのことである。
【０００６】
上記の国家プロジェクトの進展によって、結晶粒径をミクロンのオーダーにするには、８００℃以下の低温域において、きわめて過酷な変形を与える加工工程を採用しなければならないことが明らかになった。しかし、このような加工工程の実施は、加工に必要な力を著しく増大させるだけでなく、製品の表面品質や寸法精度を低下させることになる。加工力の増大は、当然に、加工装置の寿命を短くする。低下した表面品質や寸法精度を補うためには、煩雑な後工程が必要である。これらは、いずれもコストや環境への負荷を軽減するという要請に逆行するものである。してみれば、低温域における過酷な変形をともなう極細粒品製造技術を工業化することは、容易ではない。
【０００７】
極細粒組織にはまた、伸びが著しく低いという問題がある。結晶粒径が数ミクロン以下である圧延材や鍛造材を製造しても、その利用の範囲が制限されることが懸念されている。
【０００８】
強靱な鋼に関する以上の記述を背景に、鋼の部品に対する要求を総括すれば、以下のようになる。すなわち、加工ままの状態で、または加工終了後にＡｅ１点未満の温度域へ加熱した後の状態において、強靭であるだけでなく、高い伸びを有すること、である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の要求に応えて、加工ままの状態で、または加工終了後にＡｅ１点未満の温度域へ加熱した後の状態において、強靭であるだけでなく、高い伸びを有する鋼と、その製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の強靱な鋼は、加工ままの状態で、または加工終了後にＡｅ１点未満の温度域へ加熱した後の状態で、断面を観察したとき、少なくとも表層部の組織が、再結晶率２０％以下であるという条件が満たされていることを特徴とする。［ここで、再結晶率ＲＲは、つぎのように定義される：フェライトバンドにおいて、ＲＲ＝１００×（等軸晶の面積）／（球状晶の面積＋伸長晶の面積）（％）］
【００１１】
この強靱な鋼の性能は、つぎのとおりである。
引張試験において、
１）降伏比が０．８５以上
［ここで、降伏比ＹＲは、引っ張り強さをσＴ、０．０２％降伏応力をσＹとするとき、ＹＲ＝σＹ／σＴとして定義される。］
２）０．０２％降伏応力が６００ＭＰａ以上
３）伸びが１０％以上、かつ、
４）絞りが４０％以上
シャルピー衝撃試験において、衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ２以上。
【００１２】
【発明の実施形態】
上記の強靱な鋼を製造する本発明の方法は、発明者の考えた、１パスあたりの変形量を小さくすることによって、加工力の増大を抑制すると同時に、製品の表面品質と寸法精度の低下を防ぐべきである、という方針に基づいている。この製造方法は、上述の国家プロジェクトで検討された極細粒組織を実現するという技術思想とは異なり、加工硬化組織を利用するものである。したがって、たとえば圧延材であれば、縦断面における結晶粒は軸方向に伸長しており、再結晶や相変態によって得られる等軸粒はほとんど観察されない。さらに、マトリクスの硬さは、焼鈍された状態や相変態によって得られた状態よりも高くなっている。極細粒組織を作り出す工程との差異は、高品位化に必要な加工度が、最低で１０％、通常は１５％程度と、低い点である。このような加工度であれば、表面品質や寸法精度への悪影響もない。
【００１３】
本発明の強靱な鋼の製造方法は、基本的には、鋼に対して塑性加工を加えるに当り、加工中の被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保ち、下記の定義にしたがう減面率または圧縮率として表される加工度が１０％以上である加工を施すことにより、
減面率＝１００×（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断面積
圧縮率＝１００×（加工前の高さ−加工後の高さ）／加工前の高さ
（形状が複雑な場合の圧縮率は、高さとして、最高部と最低部の平均値を用い手算出する。）
前記した、「断面を観察したとき、少なくとも表層部の組織が、再結晶率２０％以下であるという条件」を満たした組織を実現することからなる。
【００１４】
在来の塑性加工は、一般に変形抵抗の低い高温で、通常はＡｅ１点より高い温度において行なわれており、その過程で再結晶化が進む。棒材ないし線材の圧延に例をとれば、圧延後の再結晶化した組織は、炭化物が層状に析出したパーライトとフェライトバンドとが積み重なったものであり、組織としては伸長しているが、フェライトバンドをミクロに観察すると、再結晶により生成した、球形にみえる等軸晶が集まったものである。
【００１５】
これに対し、本発明の製造方法によれば、Ａｅ１点より低い温度において圧延が行なわれる結果、フェライトは伸長したまま再結晶化せずにおり、加工硬化した状態にある。パーライトは分断された後、炭化物が球状化する。球状化の度合いは、加工率と温度によって決定される。
【００１６】
本発明において問題とする「再結晶率」は、大傾角粒界と呼ばれる伸長した結晶の粒界で囲まれた、等軸の結晶粒の占有面積率である。再結晶率を２０％以下とした理由は、再結晶率と衝撃値との関係は図１に示すとおりであって、再結晶率が高まるにつれて衝撃値が低下し、２０％を超えると許容できない水準になることことにある。図１は炭素鋼Ｓ４５Ｃについてのデータであるが、この傾向は他の鋼種に関しても、共通にみられる。
【００１７】
一般に、鋼のＡｅ１点（ほぼ７２７℃）からみて、圧延などの加工を８００℃以上の温度（被加工材の表面温度）で行なえば、熱間加工であって本発明で行なう加工にはならないから、７００℃以下の温度を選択する。より低温の６００℃で加工すると、材料のほぼ全断面において、再結晶率が２０％以下であるという条件が満たされるであろう。
【００１８】
一方、温度によっては、たとえば６５０℃で加工を開始したとすると、材料の中心部は加工熱により温度が上昇して、オーステナイト再結晶化が進むことがあり、再結晶率が２０％を超えることもある。しかし、材料の強靱さを決定するのはほとんど表層部であるから、表層部の組織を問題にすべきである。これが、「少なくとも表層部の組織が」とした理由である。
【００１９】
ここで「表層」とは、円形断面の材料を代表として考えたとき、表面からＲ／４の深さまでの領域をいう。多くの部品において、この領域の物性が支配的となるからである。部品によっては、それより深い領域、たとえばＲ／４より深くＲ／２より浅い領域までの物性が重要であることもあり得る。そのような場合、それぞれの部品に所望される機械的特性に基づいて、表面から、物性を問題にすべき深さまでの領域を、その部品についての「表層」として扱えばよい。
【００２０】
上記の製造方法には、加工の全工程と温度、とくにＡｅ１点との関連において種々の態様が可能である。それらを列挙すれば、つぎのとおりである。
１）上記した、加工中の被加工材の温度を常にＡｅ１点より低い温度に保って、加工の全工程を終了するもの。
２）加工中の被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保って加工度が１０％以上である加工を施すに先立って、Ａｅ１点より高い温度における加工を行なうもの。
３）加工中の被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保って加工度が１０％以上である加工を施すに先立って、Ａｅ１点より低い温度における加工と、それに続くＡｅ１点より高い温度における加工を行なうもの。
【００２１】
上記１）〜３）のいずれの加工工程にしたがった場合でも、被加工材の温度をＡｅ１点より低い温度に保って加工度が１０％以上である加工を施したのち、被加工材を、加工終了時の温度よりは高いがＡｅ１点よりは低い温度に加熱する工程を追加した態様が可能である。
【００２２】
本発明は、上述の原理を利用したものであるから、後記する実施例に挙げた、機械構造用炭素鋼、ばね鋼、肌焼鋼、ステンレス鋼のほか、工具鋼、軸受鋼など広範囲な鋼種に適用することができる。所望であれば、これらの鋼に、被削性向上成分である、Ｐｂ，Ｔｅ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｓ，Ｃａなどの１種または２種以上を添加したものを対象にしてもよいし、粒成長防止成分である、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗなどの１種または２種以上を添加したものを対象にすることもできる。
【００２３】
【実施例１】
下記の４種の鋼を対象に、９４ｍｍ角×長さ４．５ｍの素材（重量３００ｋｇ）から出発し、これを１０００℃に加熱して圧延することにより６８ｍｍ角とし、いったん常温まで冷却した。ついで、この６８ｍｍ角の棒材をＡｅ１点より低い温度（実施例）または高い温度（比較例）に加熱し、その温度から線材圧延を行なって、径３４ｍｍ×長さ４３．５ｍの線材とした。線材圧延の減面率は８０％である。線材圧延の温度を、下の表１に示す。
【００２４】
2004137555.tif 000003
【００２５】
得られた線材につき、圧延ままの組織をしらべ、引張試験および衝撃試験を行なった。衝撃試験の試験片は、ＪＩＳ３号ハーフサイズを使用した。結果を、表２にまとめて示す。
【００２６】
【実施例２】
実施例１と同じ４種の鋼を対象に、９４ｍｍ角×長さ４．５ｍの素材（重量３００ｋｇ）から出発し、これを１０００℃に加熱して圧延することにより６８ｍｍ角とし、引続きＡｅ１点より低い温度（実施例）または高い温度（比較例）で線材圧延を行なって、径３４ｍｍ×長さ４３．５ｍの線材とした。線材圧延の減面率は、この場合も８０％である。線材圧延の温度は、表１に示した、実施例１のそれと同じである。得られた線材につき、圧延ままの組織をしらべ、引張試験および衝撃試験を行なった。結果を、表３にまとめて示す。
【００２７】
表２
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【００２８】
表３
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【００２９】
表２および表３のデータによれば、伸長フェライトと球状化炭化物からなる本発明の強靱な鋼は、衝撃値がいずれも２００を超えており、常用の鋼のそれが８０〜１２０の範囲にあることを考え合わせると、著しく強靱化されたということができる。降伏比の値も０．８６以上の高いレベルにあり、これも常用の鋼のそれが０．８を超えないことと対比して、顕著な向上が認められる。降伏比が高いということは、その材料がもつ強度をフルに活用することができること、つまり部品としての信頼性を高められること、また、同じ信頼性で足りるのであれば、より少ない材料で部品を作れることを意味する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によるときは、極細粒組織を実現する場合には必要である、大きな加工力を要することなく、強靱な鋼を得ることができる。この鋼は、強靭であるだけでなく、降伏比、伸び、絞りなどの特性が、実施例にみるとおり、きわめて高く得られる。鋼種によっては、耐遅れ破壊特性、切削性、鏡面性、耐食性などが向上する場合もある。
【００３１】
このようにして本発明は、自動車、航空機、発電機などに用いる部品の製造工程を一部省略することを可能にするとともに、部品の軽量化や長寿命化を実現する。その結果、燃料消費率や発電効率の向上などのメリットがえられ、環境への負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鋼を特徴づける、組織の再結晶率が２０％以下であるという要件の限定理由を示す図であって、Ｓ４５Ｃ鋼における、再結晶率と衝撃値との関係をプロットしたグラフ。
【図１】
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