(57)【要約】【課題】Ｃｒ，Ｎｉを必ずしも多量に含有させなくても効率的に鋼中に高濃度のＮを含有させることができる高Ｎ含有鋼の製造方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有する鋼片Ａと、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有する鋼片Ｂとを接合することを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有する鋼片Ａと、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有する鋼片Ｂとを接合することを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する鋼片Ａと、
Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する鋼片Ｂとを接合することを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項３】
板状または棒状または粒状の前記鋼片Ａと前記鋼片Ｂとを、積層または混合した後、６００℃以上の温度で圧力を付与して接合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項４】
前記鋼片Ａを１片以上含む合計２片以上の鋼片を接触させ、６００℃以上の温度で５０％以上の圧下率にて圧延し接合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項５】
前記鋼片Ａを１片以上含む合計２片以上の鋼片を層状に積層した後、６００℃以上の温度で５０％以上の圧下率にて圧延し接合することを特徴とする請求項４に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項６】
箱状の鋼の中に粒状の前記鋼片Ａと前記鋼片Ｂとを混合して充填した後、６００℃以上の温度で５０％以上の圧下率にて圧延し接合することを特徴とする請求項５に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項７】
板状または棒状または粒状の前記鋼片Ａと前記鋼片Ｂとを、積層または混合した後、６００℃以上の温度で１０ＭＰａ以上の圧力を付与して１分以上保持し接合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項８】
質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有する鋼片Ａと、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有する溶鋼Ｃとを接触させた後、凝固させることを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項９】
質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する鋼片Ａと、
Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する溶鋼Ｃとを接触させた後、凝固させることを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１０】
１片以上の板状または線状の前記鋼片Ａに、前記鋼片Ｃを接触させ凝固させることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１１】
粒状の前記鋼片Ａを溶鋼中に分散させた後、前記粒状の鋼片Ａが溶失するまでに溶鋼を凝固させることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１２】
表面を酸化物で被覆した前記鋼片Ａを用いることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１３】
前記鋼片Ａまたは前記鋼片Ｂまたは前記鋼片Ｃに、Ｃｒ：２０．０％以下を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１４】
前記鋼片Ａまたは前記鋼片Ｂまたは前記鋼片Ｃに、Ｎｉ：１０．０％以下を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１５】
前記鋼片Ａまたは前記鋼片Ｂまたは前記鋼片Ｃに、更に、Ｔｉ：０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｂ：０．０２％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１６】
鋼材中の平均Ｎ含有量を０．０５〜４．０％とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１７】
鋼材中のＮ含有量の少なくとも１部分を０．０５〜４．０％とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１８】
鋼材中の平均Ｎ含有量を０．０５〜４．０％とし、かつ、鋼材中のＮの分布を実質的に均一とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【請求項１９】
鋼材中の平均Ｎ含有量を０．０５〜４．０％とした後、６００℃以上の温度で１０秒以上滞在させる熱処理をすることを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車部材、建築部材、電気機器部品、容器等として用いられる鋼板、建築構造物、橋脚、土木工事部材、レール等として用いられる鋼材を含むあらゆる鋼製品の製造法に関し、これらの利用時に必要とされる強度、加工性、溶接性、靭性、耐磨耗特性、疲労特性、耐食性等に優れ、またこれらの特性を損なうことなく良好なめっきや塗装などの表面処理性を付与することが可能な鋼製品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、さまざまな方面で用いられる鋼製品においては、構造部材としての強度や部材を形成するための加工性、他の部材との接合時および接合後の強度によって表される溶接性、使用中の靭性、長期間の使用中に他部材と接触する部位での耐磨耗性、各種環境における耐食性、電気機器部材としての磁気特性さらには耐食性や意匠性を付与するため塗装またはめっきを行う場合の表面処理性などさまざまな特性が求められる。
これらの特性は、通常、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ等の鋼成分および鋼材の製造プロセスおよび熱処理温度や時間等のプロセス条件を制御して付与される。これらの内、特に鋼成分は特性に多大な影響を及ぼすため、目的とする材質に応じて制御されているが、一方、生産性や製造コストまたは使用環境などの条件により様々な制約がかけられており、目的とする材質にとっては必ずしも最高のものとなっていない場合も多い。例えば、高強度化を例にとれば、Ｃはコストを低く抑えたままで強度の上昇を図ることができるが、鋼中で析出物を形成し易く、多量に含有させると延性の劣化が顕著になる。またＳｉは、延性をそれほど低下させずに高強度化を図るには都合の良い元素であるが、表面処理性を著しく劣化させるため、表面処理を必要とする多くの用途への適用が制限されている。また、Ｃｒ，Ｎｉ等を含有したオーステナイト鋼は高強度と高延性を両立し、かつ、鋼そのもので高耐食性を確保できるが、合金コストの観点もあり適用が限定されている。
【０００３】
一方、ＮはＣと同様にコスト上昇を抑えた高強度化が可能な元素で、Ｆｅ中への固溶限がＣより格段に大きいため析出物を形成しにくく、従来では実現できなかった特性を両立するための活用が期待される元素であり、例えば、（社）日本鉄鋼協会  材料とプロセス、１５巻４２８〜４６０ページに開示されているような開発が行われている。このような開発を含め、高いＮを含有した鋼としては従来より高濃度のＣｒ，Ｎｉを含有したいわゆる高Ｎステンレス鋼が知られており、特開平８−１３４５９６号公報、特開２０００−１２９４０１号公報等において開示されている。
しかし、これらは、いわゆる通常のステンレス鋼であり、多量のＣｒ，Ｎｉの含有が必須であるためコストの上昇は避けられなかった。
そこで、本発明者は、Ｃｒ，Ｎｉを含有しない高Ｎ鋼について強度、加工性や靭性、耐磨耗性、磁気特性や耐食性等の向上を考慮した材質制御を行い、従来のＣに代わってＮを濃縮させることで組織制御した鋼や、鋼中の窒化物形態を制御した電磁鋼板などを開発しこれらは、特開２００２−２０８３４号公報、特開２００２−１２９４８号公報に開示されている。またさらに、これに関して、特願２００２−４１３１４号、特願２００２−８３６６４号等の出願を行っている。
【０００４】
これらの鋼の大きな特徴はＣｒ，Ｎｉの多量の含有を必要とせず、従来の溶鋼において成分調整がなされる製造法では到達できないほど多量のＮを含有させることである。このためには固体状態の鋼を用いた成分調整法が必要となり、そのための一手法としてガス雰囲気中での窒化の適用技術を開示している。
しかし、窒化による高Ｎ含有法は鋼材表面から鋼材内部への拡散を利用するため、鋼板であれば板厚が厚いような場合、またレールや厚板のように鋼材の体積が表面積に比して大きくなる場合には高濃度化の効率が低下する。鋼材の表面近傍のみを高窒素化して機能を付与する場合には問題とはなりにくいが、鋼材の中心部までの高窒素化が望まれる場合には生産性が劣るという課題があった。
【０００５】
【非特許文献１】（社）日本鉄鋼協会  材料とプロセス、１５巻４２８〜４６０ページ
【特許文献１】特開平８−１３４５９６号公報、
【特許文献２】特開２０００−１２９４０１号公報、
【特許文献２】特開２００２−２０８３４号公報、
【特許文献２】特開２００２−１２９４８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、従来では考えられなかったほどの高濃度のＮを含有した高機能鋼製品において、Ｃｒ，Ｎｉを必ずしも多量に含有させなくても効率的に鋼中に高濃度のＮを含有させることができる高Ｎ含有鋼の製造方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前述の課題を解決するために、固相の高Ｎ鋼または窒化物を用いて効率的に鋼に窒素を添加する方法について鋭意検討を行い、本発明を完成させたものであり、その要旨は以下の通りである。
Ｃｒ，Ｎｉの多量の含有を必須としない高Ｎ鋼の製造においては、従来の製造法のように溶鋼段階で高濃度のＮを含有させる方法では精錬が困難であり、また、鋳造時に鋳片中にガスが発生し凝固後に気泡が残存し良好な鋼板をえることができない。
そこで本発明者はＮを、Ｎを多量に含有した溶鋼を用いることなく鋼中に含有させる方法を検討し、目的とする鋼材とは別に製造した、Ｎを多量に含有させた固相状態の鋼片を用いることで製鋼工程での精錬および鋳造の問題を解決できることを見出した。
【０００８】
本発明は、この知見をもとに、さらに本発明の特徴となる固相状態の高Ｎ鋼または窒化物の形態や、熱履歴などを検討し達成させたものである。
本発明の要旨とするところは以下の通りである。
▲１▼Ｎを高濃度に含有させた板状、線状、または粒状の鋼片を準備する。
▲２▼このＮを高濃度に含有させた鋼片をＮを高濃度に含有しない鋼片または溶鋼と接触させる。
▲３▼溶鋼を使用する場合はＮを高濃度に含有する鋼片が溶解しないような条件で全体を凝固させる。
▲４▼固相同士を接着させるため適当な高温での保持を行い、必要により高温で歪を加える。
具体的には、本発明の要旨は、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００９】
（１）  質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有する鋼片Ａと、
Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有する鋼片Ｂとを接合することを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
（２）質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する鋼片Ａと、
Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する鋼片Ｂとを接合することを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
【００１０】
（３）板状または棒状または粒状の前記鋼片Ａと前記鋼片Ｂとを、積層または混合した後、６００℃以上の温度で圧力を付与して接合することを特徴とする（１）または（２）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（４）前記鋼片Ａを１片以上含む合計２片以上の鋼片を接触させ、６００℃以上の温度で５０％以上の圧下率にて圧延し接合することを特徴とする（１）または（２）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（５）前記鋼片Ａを１片以上含む合計２片以上の鋼片を層状に積層した後、６００℃以上の温度で５０％以上の圧下率にて圧延し接合することを特徴とする（４）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（６）箱状の鋼の中に粒状の前記鋼片Ａと前記鋼片Ｂとを混合して充填した後、６００℃以上の温度で５０％以上の圧下率にて圧延し接合することを特徴とする（５）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【００１１】
（７）板状または棒状または粒状の前記鋼片Ａと前記鋼片Ｂとを、積層または混合した後、６００℃以上の温度で１０ＭＰａ以上の圧力を付与して１分以上保持し接合することを特徴とする（１）または（２）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（８）質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有する鋼片Ａと、
Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有する溶鋼Ｃとを接触させた後、凝固させることを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
（９）質量％で、Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：０．０５％以上を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する鋼片Ａと、
Ｃ：０．０００１〜０．２％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１０．０％、Ｐ：０．００１〜０．５％、Ｓ：０．０００１〜０．１％、Ａｌ：４．０％以下、Ｎ：鋼片Ａが含有する質量％以下を含有し、残部にＦｅまたは不可避的不純物を含有する溶鋼Ｃとを接触させた後、凝固させることを特徴とする高Ｎ含有鋼の製造方法。
【００１２】
（１０）１片以上の板状または線状の前記鋼片Ａに、前記鋼片Ｃを接触させ凝固させることを特徴とする（８）または（９）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１１）粒状の前記鋼片Ａを溶鋼中に分散させた後、前記粒状の鋼片Ａが溶失するまでに溶鋼を凝固させることを特徴とする（８）または（９）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１２）表面を酸化物で被覆した前記鋼片Ａを用いることを特徴とする（１０）または（１１）に記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１３）前記鋼片Ａまたは前記鋼片Ｂまたは前記鋼片Ｃに、Ｃｒ：２０．０％以下を含有することを特徴とする（１）１乃至（１２）のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１４）前記鋼片Ａまたは前記鋼片Ｂまたは前記鋼片Ｃに、Ｎｉ：１０．０％以下を含有することを特徴とする（１）乃至（１３）のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【００１３】
（１５）前記鋼片Ａまたは前記鋼片Ｂまたは前記鋼片Ｃに、更に、Ｔｉ：０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｂ：０．０２％以下の１種以上を含有することを特徴とする（１）乃至（１４）のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１６）鋼材中の平均Ｎ含有量を０．０５〜４．０％とすることを特徴とする（１）乃至（１５）のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１７）鋼材中のＮ含有量の少なくとも１部分を０．０５〜４．０％とすることを特徴とする（１）乃至（１６）のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１８）鋼材中の平均Ｎ含有量を０．０５〜４．０％とし、かつ、鋼材中のＮの分布を実質的に均一とすることを特徴とする（１）乃至（１５）のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
（１９）鋼材中の平均Ｎ含有量を０．０５〜４．０％とした後、６００℃以上の温度で１０秒以上滞在させる熱処理をすることを特徴とする（１）乃至（１８）のいずれかに記載の高Ｎ含有鋼の製造方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明における鋼成分の限定理由を以下に詳細に説明する。
まず、本明細書中で使用する言葉について説明する。
本発明で使用するＮを高濃度に含有させた板状、線状または粒状の鋼片を「高Ｎ鋼片」（鋼片Ａという）と表現する。
本発明において高Ｎ鋼片と合わせて目的とする鋼材を形成する鋼片Ｂまたは溶鋼Ｃを「母材」と表現する。
本発明において高Ｎ鋼片と母材が組み合わされ、いくつかのプロセスを経た後に得られる板状、線状またはレール状等の様々な形状を有する鋼板および鋼材を「鋼製品」と表現する。
【００１５】
以下、成分について説明する。
Ｎは、本発明が適用される鋼製品にとって最も重要な元素である。まず鋼Ｎ鋼片ＡのＮ量について説明する。高Ｎ鋼片ＡのＮ量は製造する鋼製品のＮ量を高めるには高いほど好ましい。この高Ｎ鋼片について求められる特徴はＮ量のみであり、加工性や強度などの特性については全く考慮する必要はない。このため何らかの窒化物を使用することも可能である。ただし、鋼製品の製造プロセスの途中または鋼製品となった時点で、Ｎの多くの部分が固溶Ｎとして鋼中に存在することで特性を発現させる効果が現れるため、通常窒化物として知られているＣｒ窒化物やＳｉ窒化物、Ａｌ窒化物が使用された場合、窒化物を溶解させＮを固溶させるには１０００℃以上の高温熱処理が必要となり生産性の観点からは好ましくない。高Ｎ鋼片として窒化物を適用する場合はＦｅ窒化物が好ましい。一般にＦｅ窒化物として安定相と考えられているＦｅ４Ｎであれば、約６００℃でオーステナイト相鋼に溶解し多量の固溶Ｎを存在させることができる。鋼製品の高Ｎ化による様々な良好な効果を得、かつ従来の製鋼法だけでは得られない高Ｎ含有鋼を得るための範囲として、Ｎの下限値を０．０５％とする。好ましくは０．４０％、さらに好ましくは２．０％、さらに好ましくは４．０％である。上限については安定な窒化物であるＦｅ４Ｎを適用した場合の６％とすることが好ましい。
【００１６】
母材のＮ量は本発明の目的からして高Ｎ鋼片ＡのＮ量以下とする。Ｃｒ，Ｎｉを多量に含有しない母材を通常の溶鋼から鋳造によって得るのであれば、通常は０．０３％程度が限度となる。
Ｎ以外の元素は高Ｎ鋼片と母材の成分を異なるように設定しても実質的に同じになるようにしても構わない。これらの成分が高Ｎ鋼片Ａと母材で同じか異なるかは本発明の効果に何ら影響を及ぼさない。これらの成分が異なる場合は、製造プロセスによっては鋼製品に何らかの成分の偏りが残存する場合があるが、この偏りを利用して複合材のように何らかの機能を付与することは本発明の効果を何ら阻害するものではないし、この偏りが利用特性上で何らかの問題を生ずるのであれば実質的に同程度の成分とすることでこの問題を回避でき、そのことはやはり本発明の効果を何ら阻害するものではない。
【００１７】
以下、Ｎ以外の元素については高Ｎ鋼片および母材の両方について共通したものとして記述する。
Ｍｎは本発明において本質的に制御が必要な元素ではないが、Ｎを従来鋼で考えられなかったほど多量に含有している本発明が適用される鋼製品においては鋼製品としての特性を考えた場合、様々な高い機能を付与し制御するために重要な元素である。基本的には通常の鋼製品程度の含有量を対象とする。
Ｍｎは、鉄鋼原料等から不可避的に含有されることもあり、あえてコストをかけてまで低減する必要はないので、下限を０．０１％とする。
超高Ｎとの相乗効果で様々な機能を発現させるには０．６％以上含有することが好ましい。さらに好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは１．２％以上、さらに好ましくは１．５％以上とする。
Ｍｎの上限は特に限定する必要はないが、過剰な添加はコストの上昇を招くばかりでなく表面欠陥または表面処理上の問題が出る傾向があり、オーステナイトを過剰に安定化させ最終的に常温まで多量のオーステナイト相を残存させ主としてフェライト相からなる結晶粒の微細化効果を損ねる場合もあるため１０．０％を上限とする。より好ましくは６．０％以下、さらに好ましくは４．０％以下、さらに好ましくは３．０％以下、さらに好ましくは２．５％以下である。
【００１８】
Ｓｉは、一般に固溶体強化による高強度化のために添加される元素であるが、冷間圧延を経て製造する場合には冷間圧延性を劣化させるため、過剰な添加は通常の工程での鋼板の製造が困難となる。また本発明のような高Ｎ含有鋼では過剰に添加すると窒化物を形成し、延性を低下させるとともに固溶ＮまたはＦｅ窒化物を活用して生ずる特性の発現を阻害する場合があるので過剰な添加は好ましくない。一方、適当な量であれば延性をそれほど劣化させず高強度化を達成するには有効な元素であり、０．００１〜４．０％とする。窒化物の形成を抑制するには３．０％以下、好ましくは２．０％以下とする。めっき性や表面性状も考慮すると１．０％以下とすることが好ましく、さらに好ましくは０．５％以下、さらに好ましくは０．２％以下である。
Ａｌは、一般に脱酸材として用いられるが、Ｓｉ以上に強い窒化物形成元素であるため、上述のＳｉ同様に過剰な添加は好ましくない。また、Ａｌを多量に含有する溶鋼は鋳造時にノズルの閉塞等を起こし易く生産性を阻害する。さらに鋼板表面の疵の原因ともなるため４．０％以下とする。好ましい範囲は、２．５％以下、さらに好ましくは１．５％以下、さらに好ましくは０．５％以下である。
【００１９】
Ｐは、特に限定する必要はないが、Ｓｉと同様、適当な量であれば延性をそれほど劣化させず高強度化を達成するには有効な元素であり、またＮｂ等と同様に元々結晶粒の微細化効果を有し、本発明による超微細化効果を補う効果を発揮し延性の劣化を補って余りあるほど顕著に高強度化させることも可能であるため必要に応じて利用することも有効である。脱Ｐコストと過剰添加による延性劣化を考慮しＰの範囲は、０．００１〜０．５％とする。
Ｓも本発明においてはあえて添加する必要はなく、粗大なＭｎＳを形成し延性を劣化させる場合があることや、超高Ｎ鋼に特有な固溶Ｍｎによる高機能化効果を減じる害があるため低いほうが好ましく、その範囲は０．０００１〜０．１％とする。
【００２０】
Ｃは、過剰に存在するとセメンタイトを形成し延性を劣化させえう場合があるだけでなく、セメンタイトの形成およびそれに起因する複雑な変態挙動を制御するために厳格な熱履歴の制御が必要になるので、あえて添加する必要はない。一方、レール材や建築部材、一部の自動車用部品など加工性がそれほど必要とされず主として硬度に関する特性が必要とされる用途においてパーライトやベイナイト、マルテンサイトなどのＣに強く関連した変態組織を制御する目的でＣを適当量添加することは本発明の効果を何ら損なうものではない。脱炭コストを考えるとＣの下限は０．０００１％程度である。またＣの上限は２．０％とする。通常、自動車部品等に用いられる、いわゆる加工用普通鋼程度の０．０５％以下でもまったく問題はない。
【００２１】
次に、ＮｉおよびＣｒについて説明する。ＮｉおよびＣｒは、従来より、ＮｉおよびＣｒを多量に含有するいわゆるステンレス鋼において０．１％程度以上のＮを含有する鋼が製造されている。一般に、本発明鋼が対象としているようなレール、建築部材、自動車部品等に使用されるＣｒ，Ｎｉ等を多量に含有しないいわゆる普通鋼ではＮの含有量は０．０３％が限度である。これは通常、鋼の成分調整が行われる溶鋼段階でのＮの溶解量には熱力学的に限界があるとともに、鋳造における凝固時の温度低下に伴い鋼中のＮ固溶可能量が大きく低下しガス化するためブローホールの発生が顕著になり鋼板表面の性状が著しく劣化してしまうことから規制されているのである。これに対し、Ｃｒ，Ｎｉ等を１０％程度から数１０％含有するいわゆるステンレス鋼では溶鋼を含む鋼中へのＮ溶解の許容量が熱力学的に格段に大きくなるため多量のＮ含有鋼の製造が可能となっている。
しかし、ステンレス鋼においても通常の製法ではＮの上限はせいぜい０．３％程度である。このような従来の高Ｎステンレス鋼でもＮの多くはＣｒ窒化物を形成してしまうため、また様々な窒化物、炭化物の形成およびそれらによって影響を受ける変態挙動を考慮した制御がなされていないため、本発明の発現する効果は全く活用されていない状況である。
【００２２】
本発明鋼においては、溶鋼中のＮとは無関係に固体を用いてＮ添加を行うため上記のような熱力学に起因した原理的な制限がなくなり、Ｃｒ，Ｎｉ等を高濃度に含有せずとも高いＮを含有させることが可能である。もちろん、本発明鋼で例えば耐食性を付与する等の本発明以外の目的でＣｒ，Ｎｉを添加することは可能であるし、本発明の効果を何ら損なうものではない。
特にＣｒは、強力な窒化物形成元素であるため過剰な添加は好ましくない。耐食性等への効果と添加コストを考え、好ましいＣｒの範囲を２０％以下とする。
好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下、また３％以下であれば窒化物形成の影響は大幅に軽減されるし、鉄鉱石や溶鋼に混入されるスクラップ等から不可避的に含有される０．１％程度以下でも何ら問題なく高いＮを含有した鋼製品の製造が可能である。
Ｎｉはオーステナイト安定化元素であり、多量に含有したＮを固溶ＮやＦｅ窒化物の形で活用した機能の発現に好ましい効果を有する。添加コストを考えＮｉの含有量は１０％以下とする。しかし、Ｎを主に固溶Ｎとして変態を制御するために活用するような機能を付与する場合についてはＮｉとほぼ同等の効果を有するＭｎを活用した方がコスト的に大幅に有利であるためＮｉ量は、好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下とする。またＣｒと同様、鉄鉱石や溶鋼に混入されるスクラップ等から不可避的に含有される０．１％程度以下でも何ら問題なく高いＮを含有した鋼製品の製造が可能である。
【００２３】
Ｔｉ，Ｎｂ，およびＢは、強い窒化物形成元素であり、多量の窒化物による延性低下の原因ともなるため過剰な添加は好ましくない。しかし、適当量存在した場合。非常に微細な窒化物を形成し、延性の劣化を補って余りあるほどに顕著に高強度化させることも可能であるため必要に応じて利用することも有効である。
そこで、ＴｉおよびＮｂの含有量は、各々０．２％以下、さらに好ましくは０．１％以下とし、Ｂについては０．０２％以下、好ましくは０．００５％以下とする。
上で述べたＦｅ以外の窒化物形成元素について高Ｎ鋼片と母材で濃度に差をつけておき、合体させた後の鋼製品でＦｅ以外の微細な窒化物を偏析させることで製品内部位で特性を変化させ、複合鋼板的な効果を付与することも可能であり、それは本発明の効果を何ら損なうものではない。
また、深絞り、張出し、めっき、耐食、溶接、靭性に限らず、耐磨耗性やデント性など様々な使用特性を向上させる目的で、さらには鋳造性、圧延性など製造上の課題を改善する目的でＳｎ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｔａ，Ｓｅ等の各種元素を適当量添加することは本発明の効果を何ら損なうものではない。
【００２４】
本発明の大きな特徴の一つは、成分、特にＮ量の異なる鋼片を合体させることである。この合体は元は別部材であった鋼片間でＦｅを含む成分元素の拡散が十分に起きる必要がある。すなわち、鋼片の凹凸による機械的な接合では不十分で、高温保持、強加工等により鋼片同士を組織的、原子的に接合させる必要がある。その方法は特に限定しないが、通常用いられる方法としてはクラッド鋼の製造で用いられるような圧着、爆着等や、熱間押し出し、ホットプレス、熱間等方圧加工法（ＨＩＰ）等がある。特に圧着は通常の鋼製品の製造工程においてほとんどの場合適用されている熱間圧延を利用することができ、効率的である。この場合の圧延温度は６００℃以上、好ましくは８００℃以上、さらに好ましくは９００℃以上とする。付与する歪は温度にもよるが、圧延率で５０％以上とすることが好ましい。歪量が低い場合、接合が不完全になるばかりでなく。歪を付与する前の元の鋼片の充填率にもよるが、接合後の鋼材ひいては鋼製品中に多くの空隙が残存する懸念があり、多くの空隙が残存した場合、特性劣化の原因となる。基本的にはより高温で高歪を高歪速度で付与することが本発明を目的とする接合に有利である。通常のクラッド鋼では板状の複数の鋼片を合体させるが、本発明では元の鋼片は板状である必要はない。例えば、箱状に製造した母材の中に、粉状の高Ｎ鋼片を詰め込んで、これを圧着により一体化するようなことも可能である。また、棒状、線状の鋼片の束を圧着により一体化することもできる。なお、各鋼片の接合を良好にするため、各鋼片に表面処理を施しておくことも可能である。ただし、各鋼片を何らかの被覆で覆った場合、接合後の界面に存在することになる皮膜がその後の高Ｎ鋼片から母材への主としてＮの拡散を阻害する場合があるので、その後の熱間加工等の工程で皮膜を十分に破砕しＮの拡散経路を確保することが極めて望ましい。
【００２５】
また、高速度で歪を付与する代わりに比較的低い歪速度で加圧し、必要に応じ長時間保持する熱間押し出し、ホットプレスやＨＩＰのような方法でも接合が可能である。この場合の歪量は成型後の形状等により接合後の部材中で不均一となる場合もあり、一律の定義は困難であるが、本発明においては成型前後の形状変化や成型中の材料流動、さらには数値計算等を用いることにより常識的に認知され得る歪量を用い、成型前の充填率にもよるが、上述のように圧延率で５０％以上とすることが好ましい。この場合の歪量は部材形状や成型法により部材の微小部位において大きく異なる場合が想定されるが、部材全体にわたって少なくとも特性を劣化させるような多量の空隙の残存を回避する程度の歪を付与する必要があることから、部材の極表層等の特殊部位を除き部材中の全部位において５０％以上の歪が付与されることが望ましい。
【００２６】
また、接合のための条件は歪量ばかりでなく、主として温度、圧力、時間に依存する。高温、高圧なほど短時間での接合が可能となる。温度は、６００℃以上、好ましくは８００℃以上、さらに好ましくは１０００℃以上とする。ＨＩＰの場合、圧力は大気圧以上であれば接合は可能であるが、１０Ｍｐａ以上、好ましくは５０Ｍｐａ以上、さらに好ましくは１００Ｍｐａ以上とする。特にホットプレスやＨＩＰで重要となる保持時間は、温度や圧力さらには接合する部材の形状や表面状態にもよるが、高歪、高温、高圧であれば１分程度の処理でも接合は可能であり、好ましくは１０分以上、さらに好ましくは１００分以上とする。通常のＨＩＰのように加圧をガスで行う場合には、加圧をＮを含有する活性ガスで行い、接合と同時に窒化を起こさせ、さらにＮ含有量を高めるようなプロセスも可能である。ＨＩＰなどにより不完全な接合でも大型の形状を形成しておき、圧着などで接合を完全に行うなどの組み合わせも有効である。
【００２７】
また、鋼片の接合にあたり母材となるＮ含有量が低い部位は必ずしも固体である必要がない。すなわち、溶融した低Ｎの溶鋼と固体である高Ｎ鋼片を接触させて高Ｎ鋼片の表面に低Ｎ母材を凝固させることでも本発明が目的とする接合された鋼片が得られる。または低Ｎの溶鋼中に固体である高Ｎ鋼片を分散させ、固体である高Ｎ鋼片が溶失するまでに母材を凝固させることも可能である。これらのように溶鋼である母材と固体である高Ｎ鋼片とを接触させる場合、母材と接触した高Ｎ鋼片の表面は少なからず溶解し、そのことが一方では高Ｎ鋼片と母材との接合状態を良好なものにするが、一方では高Ｎ鋼片の溶解量が多くなると溶鋼のＮ含有量が上昇し凝固時にブローホール等が発生することにもなる。これを避けるには溶鋼の温度や冷却制御等により高Ｎ鋼片の溶解を抑えることも必要となるが、高Ｎ鋼片の表面を溶解温度が高い酸化物や高融点金属で覆っておくことも一つの手段となる。ただし、高Ｎ鋼片を酸化物や高融点金属で覆った場合、一体化後に界面に存在することになるこれらの皮膜がその後の高Ｎ鋼片から母材への主としてＮの拡散を阻害する場合があるので、その後の熱間加工等の工程で皮膜を十分に破砕しＮの拡散経路を確保することが必要である。
【００２８】
高Ｎ鋼片から母材への主としてＮの拡散は、これらが接合された瞬間から生ずるが、熱間圧延中の熱履歴、冷延後の焼鈍での熱履歴などを、本発明の目的とするようにＮが十分拡散するように考慮する。高Ｎ鋼片と母材とが板厚方向に層状に重ねられた場合には板厚方向へのＮの拡散が重要となるが、板厚方向への距離は冷間圧延により板厚が薄くなることで短くなるため、冷間圧延後の熱処理により拡散を行うことが効率的である。
特開２００２−２０８３４号公報、特開２００２−１２９４８号公報に開示され、あるいは特願２００２−４１３１４号、特願２００２−８３６６４号等において出願されたような固溶Ｎを介した変態やＦｅ窒化物の形態を制御する場合には一度、オーステナイト相が現出する温度域まで昇温させる必要があるが、この時に同時にＮの拡散も考慮することが好ましい。Ｆｅ窒化物を溶解させ固溶Ｎの拡散を十分に起こさせるには、高温、長時間が好ましいことは言うまでもないが、６００℃以上、１０秒以上の熱処理が極めて望ましい。
【００２９】
次に高Ｎ鋼片の製造方法について述べる。上述のように溶鋼での成分調整による製造法ではＣｒ，Ｎｉを多量に含有させず高Ｎ鋼を得ることは困難である。以下に、高Ｎ鋼片の製造方法と高Ｎ鋼片を使ってＮを多量に含有する鋼製品を得ることの利点について述べる。鋼片のＮ量を従来の溶鋼での成分調整では到達できないほどまで高めるには、特願２００２−９０６４７号に提案されているような固体である鋼片への窒化を適用すると比較的容易に可能になる。この窒化の方法は、ガスによるもの、液体中で行うもの、さらには固体との接触やイオンやプラズマ照射によるものが考えられる。いずれも固相状態において含有Ｎ量を０．０３％以下から０．０５％以上に増加させることが可能なものである。
工業的な生産性等を考慮するとガスによる窒化が実用的である。ガスによる窒化の場合は鋼片温度５５０℃以上でアンモニアを２％以上含む雰囲気中で１秒以上保持、または５５０〜８００℃のアンモニアを２％以上含む雰囲気中で１秒以上保持する。窒化は主として高温の金属表面に雰囲気が接触し雰囲気が分解する際に生じるＮ原子が金属中に侵入することで生じるので窒化反応が起きる際の温度の制御は重要である。後述するように温度がこの範囲を外れると窒化効率が低下し、必要量のＮ化に長時間を要する。また低温側に外れた場合は多量の鉄窒化物を形成しそのままでは本発明鋼で必要とする結晶粒の微細化において好ましくＮを活用することができない場合もある。好ましい温度域の下限は５９０℃、さらに好ましくは６２０℃である。高温側の温度は鋼片温度のみが雰囲気温度に対して高温である場合と、雰囲気温度そのものが高温に保持されている場合で多少状況が異なる。
【００３０】
まず鋼片温度が雰囲気温度に比較し高温になっている場合について説明する。
これは例えば雰囲気は特別に加熱することなく、高温に加熱された鋼片を、鋼片温度より低い雰囲気内に挿入する場合であり、例えば連続炉の前半部で通常の窒化がほとんど起きない雰囲気で鋼片を加熱しておき、連続炉の後半部は加熱しない窒化雰囲気にしておき、この中を通板させることで窒化を行うような場合である。または連続ラインの途中で通電加熱帯等で鋼片を加熱し高温のまま室温程度の窒化雰囲気で満たされた槽内を通過させることで窒化するような場合である。
この場合は高温の金属表面、すなわち加熱された鋼片表面で雰囲気の分解が起き、Ｎが鋼中に侵入し鋼片の窒化が進行する。この場合には雰囲気の分解および鋼中でのＮの拡散をより活性化するため板温度は高温であるほど好ましい。鋼板の加熱のための効率やコスト等を考えると通常は１０００℃以下とする。好ましくは９００℃以下で、８００℃以下でも窒化効率は実用的に十分なものである。ただし連続炉による処理を想定した場合、低温雰囲気中への高温鋼片の連続的な挿入により、窒化炉内に新たな雰囲気を持続して導入しているとしても、窒化炉内への連続的な熱の持込みにより窒化雰囲気の温度は多少なりとも上昇する可能性がある。窒化雰囲気の温度があまりに上昇すると後述するように炉材として使用されている金属部での雰囲気の分解が起きるようになり鋼片への窒化効率が低下する場合があるので低温雰囲気中への高温鋼片を挿入しての窒化を行う場合には熱の移動および雰囲気温度の管理が重要となる。
【００３１】
もう一つの方法として雰囲気温度そのものを窒化が起きる程度の高温に保持しておき、その中に雰囲気と同程度まで加熱された鋼片を挿入する場合について説明する。これは例えば通常の連続焼鈍ラインにおいて、通常高温雰囲気が満たされている加熱炉および保熱炉の炉内の雰囲気ガス成分のみを窒化ガス成分に変更して通常と同様に鋼片を通板するような場合である。この工程においては雰囲気温度が高すぎると鋼片の通過とは無関係に炉材の一部として使用されている例えば炉体そのものや各種の通板ガイドロール、加熱のためのバーナーなどの金属部分での雰囲気の分解が頻繁に起きるとともに雰囲気自体でも分解・反応が進行し、雰囲気の窒化能を低下させるため鋼片の窒化効率が低下する。また炉体や各種部品が窒化してしまうため炉そのものの機能を低下させる場合もある。このため好ましい雰囲気温度を８００℃以下とし、好ましくは７５０℃以下とする。
【００３２】
ガス組成は特に限定しないが、Ｎ化に必要なアンモニアの濃度を窒化効率の観点から０．５％以上とし、好ましくは２％以上、さらに好ましくは５％以上、さらに好ましくは１０％以上、さらに好ましくは２０％以上とする。窒化雰囲気の濃度は窒化が起きることで雰囲気そのものの塑性が変化するため一義的には確定できないし、厳密に窒化が進行している鋼片極表面での雰囲気組成を確定することは困難である。通常は雰囲気組成については窒化炉内に連続的にガスが導入されている場合はそのガスの体積分率を用いる。また、炉内に導入している雰囲気と窒化が進行している炉内の雰囲気が異なることが予想される場合には通常の環境測定等で用いられる程度の手法を用い窒化炉内の適当な場所で雰囲気を採取しその体積分率を測定するものとする。アンモニア以外の雰囲気が主としてＮ２とＨ２である場合は窒化効率の観点からはＮ２濃度を高くする方が有利である。
【００３３】
また、窒化に際しての本発明の温度および本発明の雰囲気中での保持時間は必要な鋼中Ｎ量との兼ね合いで決定される。連続焼鈍の場合にはせいぜい３０分が限度であるが、箱焼鈍などを用いることで数時間以上、数日の処理も可能となる。鋼片の大きさにもよるがＮ量の確保の観点から１秒以上は必要である。保持時間の上限は操業性や生産性などを考慮し２０日以内が望ましい。通常の連続焼鈍ラインを用いて窒化を行う場合に生産性も考慮すれば３００秒以下が好ましい。
本発明のように高Ｎ鋼片と低Ｎである母材を組み合わせることの利点について以下に述べる。Ｃｒ，Ｎｉを多量には含有せずに溶鋼段階でＮ量を十分に高めることは困難であることは前述の通りであるが、固体の鋼片のＮ含有量を何らかの方法で高める場合には、通常は鋼片の表面からＮを侵入される必要が生ずる。この際の窒化効率は同じ量の鋼片に対して表面積が大きいほど有利になることは言うまでもない。つまり、鋼板であれば厚さ０．８ｍｍの板を窒化するよりも。厚さ０．１ｍｍの板を８枚準備してこれを窒化した方が容易に高Ｎ含有鋼を大量にえることができる。鋼の形状が塊状の場合は大きな塊を窒化するよりも微粉を窒化した方が効率が良い。つまり、多量のＮを含有した鋼片を得るには薄く、細かいものを窒化し、その後これを合体させることが窒化効率の観点からは都合がよい。もちろん、多くの小さな鋼片を合体させる工程が必要になるが、窒化効率の低下から考えれば取るに足らないほどのものである。
本発明によって得られる鋼製品の用途はその形状などにより何ら限定されるものではなく、鋼板として自動車、容器、建材、モーター、トランスなど一般的に鋼板が使用されている用途に適用し本発明の効果を得ることができる。また、レールや形鋼、パイプなどへの適用も可能である。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
【表１】
2004216393.tif 000002
【表２】
2004216393.tif 000003
表１における鋼Ａの成分の厚さ０．１ｍｍから６．０ｍｍの鋼板を、表２に示す様々な方法で製造し（Ａ１〜Ａ１７）、それらの生産性を比較した。
生産性は、良い方から、◎、○、△、×、××、×××、××××の７段階で評価した結果を表２に示す。
比較例Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ７，Ａ１０，Ａ１３は、通常の鋳造、熱延および冷延鋼板については冷延工程を経て目的とする板厚の鋼板を得、その後の窒化処理により鋼材のＮ含有量を高めたため、生産性の評価は、極薄素材であるＡ２を除いて×またはそれ以下であった。
一方、本発明の高Ｎ鋼片を用いた発明例Ａ３、Ａ５、Ａ６，Ａ８，Ａ９，Ａ１１，Ａ１２，Ａ１４，Ａ１５，Ａ１６，Ａ１７は生産性の評価は、○または△であった。
なお、発明例Ａ１５，Ａ１６は熱間押し出しを用い、Ａ１７はＨＩＰを用いた例である。
【００３５】
（実施例２）
【表３】
2004216393.tif 000004
レール頭部の表層が表１の鋼Ｂの成分、レール頭部中心および却部が表１の鋼Ｃの成分からなる複層レール鋼を表３に示す様々な方法で製造し、それらの生産性を表２と同様の方法で比較した結果を表３に示す。
比較例Ｂ１，Ｂ２は、通常の鋳造、熱延工程を経て目的とする板厚の鋼板を得、その後の窒化処理により鋼材のＮ含有量を高めたため、生産性の評価は、×またはそれ以下であった。
一方、本発明の高Ｎ鋼片を用いた発明例Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５は生産性の評価は○であった。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、Ｎを多量に含有した溶鋼を用いることなく鋼中に含有させ、目的とする鋼材とは別に製造した、Ｎを多量に含有させた固相状態の鋼片を用いることで、従来では考えられなかったほどの高濃度のＮを含有した高機能鋼製品において、Ｃｒ，Ｎｉを必ずしも多量に含有させなくても効率的に鋼中に高濃度のＮを生産効率よく含有させることができる高Ｎ含有鋼の製造方法を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。