(57)【要約】【課題】ラメラ組織の特徴を生かし、これを低炭素鋼の場合においても簡便に創製することのできる新しい鋼材とその製造方法を提供する。【解決手段】異なった方位を有する単相フェライトが連続的あるいは断続的に一方向に配向するラメラ組織を構成していることを特徴とする鋼材とする。【選択図】　　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なった方位を有する単相フェライトが連続的あるいは断続的に一方向に配向するラメラ組織を構成していることを特徴とする鋼材。
【請求項２】
ラメラ組織を構成している二つの部分の＜１１０＞、＜１００＞結晶方向がそれぞれ加工方向に平行であることを特徴とする請求項１の鋼材。
【請求項３】
低炭素鋼であることを特徴とする請求項１または２の鋼材。
【請求項４】
方位がランダムに分布するフェライト相を有する鋼材をフェライト相の温度領域で温間塑性加工により５０％以上の二方向塑性変形させて、異なった方位を有する単相フェライトが連続的あるいは断続的に一方向に配向するラメラ組織を構成する鋼材を製造することを特徴とする一方向配向するフェライト単相ラメラ組織鋼材の製造方法。
【請求項５】
温間加工を、５００℃〜７００℃の温度範囲で、圧下率５０％〜９０％の範囲で行うことを特徴とする請求項４の製造方法。
【請求項６】
温間塑性加工として、多方向加工を行うことを特徴とする請求項４または５の製造方法。
【請求項７】
加工面の異なる塑性加工を多段階に行うことを特徴とする請求項６の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、一方向配向するフェライト単相ラメラ組織鋼材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
ラメラ組織とは板状の構造単位が一定の規則にしたがって集合している組織であって、このようなラメラ組織は生体組織、高分子材料、鉱物などによくみられる組織であり、その物質、あるいは材料に特異な性質を与えることが知られている。たとえば、ムーンストーンは正長石と曹長石の薄い層が交互に積み重なって、密なラメラ組織を形成している。光の干渉と内部反射の作用によって、薄いラメラ組織でされば青色のシイラー効果が生ずる。また、金属材料分野においても、ＴｉＡｌ金属間化合物をはじめ、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｚｎ基合金などではラメラ組織の組織制御が材料の性質を改善するための主なアプローチとされている。
【０００３】
実際、ラメラ組織の異方性を積極的に活用して常温延性のみならず高温強度、破壊靱性を飛躍的に改善することが新しい軽量高温材料として注目されているＴｉＡｌ基合金の主要な開発のポイントである。すでに、一方向凝固法を、二相ラメラ組織の制御により、機械的性質に異方性を有するＴｉＡｌ基合金が開発されている。
【０００４】
一方、超強力鋼線の場合には、パテンティングと称する熱処理によって微細なパーライト組織を得て、高い引っ張り強度と疲れ特性を示すことが知られている。このパーライト組織はアルファ鉄の結晶からなるフェライト相とセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）相の層が交后に重なったラメラ組織である。ラメラ間隔は鋼線の引っ張り強さに大きく寄与している。
【０００５】
たとえば、以上のように、これまで、金属材料に利用されているラメラ組織は、組成と結晶構造が異なる別々の二つの相から構成され、各の相の異なる特性を利用して、材料に優れた性質を与えるものである。
【０００６】
しかしながら、実際には、鉄鋼材料の場合、フェライトとセメンタイト相からなるパーライト組織・ラメラ組織の制御は高炭素鋼の機械性質を大きく向上させるものの、二つの相の組織・制御は必ずしも容易ではなく、特に、構造用鋼などに使われる低炭素鋼においては、パーライトの体積比が１０％ほどしか占めないため、マトリックス相であるフェライト相の粒径、方位分布などの制御が必要となり、これらのことは実際的に容易ではない。
【０００７】
そこで、この出願の発明は、以上のような事情を踏まえ、ラメラ組織の特徴を生かし、これを低炭素鋼の場合においても簡便に製造することのできる新しい鋼材とその製造方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、異なった方位を有する単相フェライトが連続的あるいは断続的に一方向に配向するラメラ組織を構成していることを特徴とする鋼材を提供し、第２には、ラメラ組織を構成している二つの部分の＜１１０＞、＜１００＞結晶方向がそれぞれ加工方向に平行であることを特徴とする上記の鋼材を、第３には、低炭素鋼であることを特徴とする上記の鋼材を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、第４には、方位がランダムに分布するフェライト相を有する鋼材をフェライト相の温度領域で温間塑性加工により５０％以上の二方向塑性変形させて、異なった方位を有する単相フェライトが連続的あるいは断続的に一方向に配向するラメラ組織を構成する鋼材を製造することを特徴とする一方向配向するフェライト単相ラメラ組織鋼材の製造方法を提供し、第５には、温間加工を、５００℃〜７００℃の温度範囲で、圧下率５０％〜９０％の範囲で行うことを特徴とする製造方法を、第６には、温間塑性加工として、多方向加工を行うことを特徴とする製造方法を、第７には、加工面の異なる塑性加工を多段階に行うことを特徴とする製造方法を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
なによりも以下のことが特筆される。すなわち、多結晶の鉄鋼材料は素材生産量の大きな割合を占めている。しかし、高温から低温への変化で多段階な相変態が起こるため、鉄鋼材の単結晶の創製はたいへん難しい技術である。一方、この出願の発明は鉄鋼材料に二つの方位を有するフェライト相のラメラ組織を作り込むことによって、鉄鋼材料の特異な性質を創出することを可能としている。
【００１２】
しかも、この出願の発明でラメラ組織を創製するための加工法はかなり簡便なものである。また、大きな寸法の材料が創製可能であって、実用化、それに量産の点での効果は大きい。
【００１３】
この出願の発明において対象となる鋼材の組成については各種のものであってよいが、なかでも、低炭素鋼の場合にこの出願の発明は好適なものとなる。
【００１４】
そして、この出願の発明の、異なった方位を有する単相フェライトが連続的あるいは断続的に一方向に配向するラメラ組織を構成している鋼材を製造するための方法は、方位がランダムに分布するフェライト相を有する鋼材を、フェライト相の温度領域で温間塑性加工して５０％以上の二方向の塑性変形させることを特徴としている。なかでも、この温間塑性加工としては、５００℃〜７００℃の温度範囲で、圧下率５０％〜９０％の範囲で行うや、多方向加工さらには、加工面の異なる塑性加工を多段階で行うことが好ましい。
【００１５】
この出願の発明が提供する鋼材は、異なった方向を有する単相フェライトが連続的あるいは断続的に一方向に配向するラメラ組織を構成していることを特徴とするが、この出願の発明の鋼材では、ラメラ組織は、２０μｍ以下の間隔で幅が均一なものであることがより好ましい。そして、ラメラ組織を構成している二つの部分の＜１１０＞＜１００＞結晶方向がそれぞれ圧延方向に平行であることが好ましい。この場合、ラメラ組織の両構成部分ではそれぞれ＜１１０＞と＜１００＞結晶方向は鋼材の加工方向に平行となる。鋼材の加工面では＜１１０＞部分が｛２１１］｛３２２］｛１１１｝の結晶面からなり、＜１００＞の構成部分が単純な［００１］結晶面となる。
【００１６】
なお、加工方向はサンプルが圧延、或いは鍛造されたときの延びる方向を意味している。また、多方向圧延は圧延加工の方向ではなく圧延面（加工面）のことを意味している。たとえば板を圧延する場合、延びる方向が圧延方向で、板面が圧延面となる。また、材料の結晶方位の表示は正方体形状のサンプルに対する相対的な方位関係で表すことができる。材料の結晶も加工したサンプルも垂直座標系で描けるから、その相対の方位関係は通常圧延方向＜ＲＤ＞と圧延面（ＮＤ）に平行する結晶の方向指数あるいは面の指数で示すことができる。特定な方位が有する二種の結晶がラメラ組織になって、その特徴がやはりそれぞれのサンプルに対する結晶方位となる。
【００１７】
そこで以下に実施例を説明し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろん、この出願の発明は以下の例に限るものではない。
【００１８】
【実施例】
低炭素鋼ＪＩＳ　　ＳＭ４９０に相当するＦｅ−０．１５５Ｃ−０．３７Ｓｉ−１．３９Ｍｎ（ｗｔ％）組成をもつ鋼材を用いた。熱間圧延した５０ｍｍ厚のスラブから５０ｍｍ幅、１００ｍｍ長さのブロック材を切り出した。
【００１９】
このブロック材を１２００℃で４２×４２×１５０Ｌｍｍの寸法に鍛造し、そのまま空冷にした。その後、鍛造した材をアルゴン雰囲気において１１００℃で１ｈ加熱し、水焼入れした。また、６５０℃で２ｈの焼き戻しを行い、方位がランダムに分布するフェライト相と粒径が０．１μｍ以下の粒状セメンタイトの組織に整えた。
【００２０】
上記の熱処理を通して得られた材料を再びアルゴン雰囲気において６５０℃まで加熱し、１ｈ保持した後、図１に示したａ，ｂ，ｃ三種類の加工方法で試料に温間塑性加工を施した。各加工パスの断面積の減面率はａの場合は１０％で、ｂ，ｃの場合は５％に制御した。加工した最終試料の断面寸法は１１×１１ｍｍであり、トータルな断面縮小率は９１．５％である。
【００２１】
なお、図１は三種類の加工方法ａ，ｂ，ｃを示しているが、それぞれは溝ロール圧延機、平ロール圧延機とプレス機に相当する塑性加工装置を用いた方法であり、試験片の二方向に塑性変形を与えている。平ロール圧延（ｂ）と連続プレス（ｃ）の場合、一パス加工後、試料を９０°回転し非同時二方向塑性加工を行なった。最終的に試料の断面減面率は同じにするが、パスごとの減面率は前記のとおり、ａの場合は１０％で、ｂ，ｃの場合は５％とした。組織観察するために圧延方向の断面（Ｃ面）と圧延方向に沿って中心部を切り出した部分（ＬＭ面）を使って、光学顕微鏡組織、Ｘ線集合組織それに走査電子顕微鏡をベースとした結晶方位顕微鏡（ＯＩＭ）の組織解析を行った。図２，図３，図４の結果はフェライト単相のラメラ組織の特徴を示している。
【００２２】
まず、図２は三つの方法で加工した試料のＣ面のψ２＝０　ＯＤＦ（方位分布函敏図）の断面分布図を示している。加工した試料のＣ面からＸ線回折極点図を測定し、回折のバックグランドなどは純Ｆｅの粉サンプルを用いて校正し、結晶方位分布関数（ＯＤＦ）を求めた。
【００２３】
図２に示したように、＜１１０＞部分はＯＤＦ図面の中心に集中し、それはＲＤ／／＜１１０＞の方位関係を示す。＜１００＞部分はＯＤＦ図面の四つの角に集中し、ＲＤ／／＜１００＞の方位関係を示している。つまり、ψ１（０〜９０°）とΦ（０〜９０℃）で構成した正方形の図面では、四つの角位置は加工したサンプルのＮＤとＲＤに対して、結晶の｛００１｝＜１００＞方位を示している。中心部の位置は結晶の｛１１１｝〜｛２１１｝面が加工面に平行し、＜１１０＞方向が加工方向に平行する方位を示す。同じ出発材料でも異なった加工によって、得られた結晶の方位分布が異なることがわかる。また、ｂ加工法（平ロール圧延）の場合、同量な二方位組織（角方位と中心方位）が生ずることがより明瞭にわかる。
【００２４】
次に、図３は前記の三つの方法で加工した試験片のＬＭ面を光学顕微鏡観察した写真である。圧延方向に沿って細密な組織はａ加工法で得られた組織であることがわかる。これに対して、ラメラ組織はｂ，ｃの加工法において明瞭に形成されてることがわかり、このことはＸ線の解析結果と合致し、不規則な板状部分（図中の白い部分）は結晶の＜１００＞方向が圧延方向に平行する方位を有する。図３に示したｂ加工法において、ラメラ組織の間隔は約３０ミクロンである。ラメラ組織を構成する二つの部分は加工条件によって、相対量とラメラ間隔を制御できる。
【００２５】
また、図４はｂ加工法で加工した試験片のＬＭ面の結晶方位顕微鏡（ＯＩＭ）の分析結果を示したものである。分析領域は１００ミクロンである。左上部の図には＜１１０＞方位と＜１００＞方位の層状ラメラ組織が示されている。ＬＭ面に平行する圧延面に＜１１０＞方位と＜１００＞方位の結晶がそれぞれ｛１１１｝と｛００１｝結晶面を示す。下部の図は圧延方向から見た結晶の方位分布図である。＜１１０＞方位の領域は、圧延面の（１１１）方位の結晶部分と対応し、圧延方向に＜１１０＞結晶方向が平行する。＜１００＞方位の領域は、圧延面の（００１）方位の結晶に対応し、圧延方向に＜１００＞結晶方向が平行する。その観察した領域における結晶の方位分布を方位分布関数図（ＯＤＦ）と逆極点図（ＩＰＦ）は右図で示している。ψ２＝０とψ２＝４５のＯＤＦと圧延面（００１）、圧延方向（１００）のＩＰＦはｂ方法で加工した材料の結晶は｛００１｝＜１００＞方位と｛１１１｝＜１１０＞方位に集中していることを示す。結晶方位分布は組織観察結果と一致して、二つの部分は約同量であることを示す。二つの構成した部分の幅は５〜１０ミクロンの間に変化し、密接的に重なっていることがわかる。
【００２６】
次に、ＪＩＳに規定された試験片を用いて、引っ張り試験とシャルピー衝撃試験も行った。引っ張り方向は圧延方向に沿って、シャルピー試験片のノッチは圧延面に圧延方向と垂直した方向に切ったものである。引っ張り試験は室温で０．５ｍｍ／ｍｉｎの速度で行った。シャルピー試験は試料を５分間温度均質した後に衝撃試験を行い、消費したエネルギーを記録した。
【００２７】
図５は三種の加工方法で加工した材料の引っ張り試験とシャルピー試験の結果を示したものである。引っ張り方向は圧延方向に沿って、シャルピー試験片のノッチは圧延面に圧延方向と垂直した方向に切ったものである。三種の加工法で得られた試料の結果を比較すると、ｂの加工法において、均質なラメラ組織の形成に伴って、圧延方向の引っ張り強度が明らかに上昇した。｛１１１｝＜１１０＞方位部分をベースに｛００１｝＜１００＞方位部分の増加が引っ張り強度の上昇に大きく寄与する。引っ張り強度と延性のバランスから見るとｂ加工法で得られた組織が優れた性質を持つことがわかる。また、衝撃エネルギーの温度変化の曲線はｂ加工法で得られた組織が高い靱性、特に低温領域における靱性を持つことがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、ラメラ組織の特徴を生かし、これを低炭素鋼の場合においても簡便に創製することのできる新しい鋼材とその製造方法を提供することができる。
【００２９】
多結晶の鉄鋼材料は素材生産量の大きな割合を占めているが、高温から低温への変化で多段階な相変態が起こるため、鉄鋼材の単結晶の創製はたいへん難しい技術である。これに対し、この出願の発明は鉄鋼材料に二つの方位を有するフェライト相のラメラ組織を作り込むことによって、鉄鋼材料の特異な性質を創出することを可能とする。また、ラメラ組織を創製するための加工法はかなり簡便なものである。さらにまた、大きな寸法の材料が創製可能のため、実用化、それに量産に効果的である。
【００３０】
一般構造用鋼の高強度化と長寿命化が、環境問題の解決、資源循環型社会の構築に大きく寄与することになるが、これまで鉄鋼材料の機械性質の異方性はほとんど利用されてきていない。この出願の発明は鉄鋼材料のラメラ組織の創製技術を提供し、鉄鋼材料の性質異方性と構造体のインテリジェント設計と組み合わせて、鉄鋼構造体の軽量化に貢献するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての三種類の加工方法を例示した概要図である。
【図２】三種類の加工方法で加工した試料のＯＤＦの断面分布図である。
【図３】三種類の加工方法で加工した試験片のＬＭ面の光学顕微鏡像である。
【図４】ｂ加工方法（平ロール圧延機）で加工した試験片のＬＭ面の結晶方位顕微鏡（ＯＩＭ）の分析結果を例示した図である。
【図５】三種類の加工方法で加工した試料の引っ張り試験とシャルピー試験の結果を例示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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