(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ１０ｍｍ以上で、フェライトの平均粒径が２μｍ以下である厚板をせん断歪を印加するクロス圧延により製造する方法であって、圧延ロールの軸心を、被加工材の幅方向に対して、該被加工材の送り方向に傾斜させ、かつ傾斜方向を上下において互いに逆にしてあるとともに、上下の圧延ロールの直径が長手方向中央に向かうほど漸減する鼓状である圧延装置により、被加工材を４００℃以上Ａｃ３以下の温度域で、クロス角を１０°まで大きくしロール間距離をフラットにして多軸歪を与え、１パスにて圧延することを特徴とするフェライト粒超微細化鋼厚板の製造方法。
【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、平均粒径２μｍ以下のフェライト超微粒組織を有する厚さ１０ｍｍ以上のフェライト粒超微細化鋼厚板の製造方法、並びにその厚板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来の一軸鍛造における、平均粒径２μｍの超微細組織を有する厚さ１０ｍｍ以上の厚板の鍛造工程では、通常非常に大きな圧下荷重が要求され、１００００トンクラスの超大型の圧延機が必要とされている。このため、必然的にコストが掛かり、実用上の問題があった。
【０００３】
また従来の鍛造機等において、大圧下による鍛造加工の際には、減面率を９０％以上にしなければならないという制約をうけていた。
たとえば、Ｆｅ−０．１５Ｃ−０．３Ｓｉ−１．５Ｍｎという組成を有する供試材を高周波溶解並びに加熱圧延（１５２３Ｋ加熱後、５０％圧下）し、これをベースとして６５０℃で一軸鍛造により１パス加工（７５％圧下）した後、直ちに水焼き入れを行ったときの試料断面のＳＥＭ組織写真が図９に示されるが、この図９の写真によれば、中心部では細粒化が起こっていることが認められるものの、その領域は精々中心部０．５ｍｍ幅の領域のみに過ぎず、その周囲の他の領域はすべて粗大粒が残ったままである。
【０００４】
また、微細組織創製についての多軸加工の有効性を明らかにする中で、鍛造や穴型圧延に応用することを試みてきたが、厚板の厚さを大幅に減少させずに組織制御を行うことは難しかった。
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来の技術的限界を克服し、平均粒径２μｍの超微細組織を有する厚さ１０ｍｍ以上の鋼材厚板であっても、圧下荷重をより軽減して厚板の大きさを大幅に減少させることなく、低コストに、しかもより実際的に均一組織鋼を製造可能とすることのできる、新しい厚板の製造方法と厚板を提供することを課題としている。
【０００５】
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、厚さ１０ｍｍ以上で、フェライトの平均粒径が２μｍ以下である厚板をせん断歪を印加するクロス圧延により製造する方法であって、圧延ロールの軸心を、被加工材の幅方向に対して、該被加工材の送り方向に傾斜させ、かつ傾斜方向を上下において互いに逆にしてあるとともに、上下の圧延ロールの直径が長手方向中央に向かうほど漸減する鼓状である圧延装置により、被加工材を４００℃以上Ａｃ３以下の温度域で、クロス角を１０°まで大きくしロール間距離をフラットにして多軸歪を与え、１パスにて圧延することを特徴とするフェライト粒超微細化鋼厚板の製造方法を提供する。
【０００６】
以上のとおりのこの出願の発明は、厚板の厚さを大幅に減少させずに組織制御を行うための検討を行い、その結果に基づいて、多軸同時加圧加工により、多方向の変形を同時に導入し、圧下率を大きくとらなくても、すなわち、厚板の厚さを大幅に減少させることなく、加工可能としている。
【０００７】
【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。
まずこの出願の発明の方法において特徴的なことは、鋼材等の被加工材に対して、歪み応力を３軸以上の多軸方向より同時に加えて加圧加工することである。そしてこの出願の発明は、その装置として、被加工材に対して歪み応力を３軸以上の多軸方向より同時に加える加圧加工手段を備えていることである。
【０００８】
ここで、「多軸方向」の規定に表現されている「軸方向」とは、鍛造やロール圧延等の加圧（圧縮）加工において慣用されているものであって、加圧加工手段の被加工材への接触面と垂直、もしくはロール接触点の接線と垂直の方向であることを意味している。つまり歪み応力の加わる方向である。
このような歪み応力が加わる方向としての軸方向が多軸方向であって、しかも歪み応力はこの多軸方向より同時に加えることがこの発明の本質的な特徴である。この点において、この出願の発明は、従来の鍛造やロール圧縮とは本質的に相違しているのである。
【０００９】
多軸同時加圧加工は、（Ａ）一方の型には多角溝が、また他方の型には平坦面もしくは多角溝が設けられている一対の加圧型を加圧加工手段として備え、この加圧型の間に被加工材を挿入し、多角溝の各々の面もしくはさらにこれに加えて平坦面からなる加工面より歪み応力を加える方法として可能とされる。
【００１０】
また、多軸同時加圧加工は、（Ｂ）回転軸中心の平面配置が相互に非平行であって、被加工材の挿入方向の面側の一方に１以上、そして他方に２以上配置されたロールを加圧加工手段として備え、このロールを回転させて歪み応力を加える方法や、（Ｃ）長手方向中心部の径が両端部よりも細くなるように周面が長手方向に湾曲したロールを被加工材の挿入方向の両側にクロス角を大きくして一対で配置して加圧加工手段とし、このロールの回転によって歪み応力を加える方法等として可能とされる。
本発明における加工は、（Ｃ）の加工（圧延）を対象としている。
【００１１】
前記（Ａ）の場合には、より具体的には鍛造として具体化される。この鍛造のための加圧型としては、たとえば、参考例として図１に例示したＶ溝を持った下型と平坦面の上型とからなる加圧型や、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に例示したようなオーバル、四角形、あるいは六角形の多角溝を持った加圧型等の各種のものが考慮される。
たとえば、図１の加圧加工型の場合には、一方の型にはＶ溝が形成され、他方の型は平坦面を有し、被加工材について、Ｖ溝と平坦面とにより断面三角形の加工面を形成可能とし、被加工材を圧縮・塑性変形加工するときに、Ｖ溝の各々の辺および平坦面の加工面から垂直に応力が加えられ、三軸方向から同時に加圧可能とされている。従って、３方向からの歪みを丸棒や角棒材等の被加工材に導入することができ、１回のパスにおいて多軸加工が可能である。そして、加工時に被加工材をたとえば６０°回転させて挿入すると、さらに多軸効果は高まることになる。また、局所的な格子回転を容易に可能とできるので、結果として材料の組織微細化が容易かつ簡略に可能とされるという利点をもつ。
【００１２】
また、前記（Ｂ）のロールによる加圧加工の場合には、たとえば、参考例として図３に例示したように、被加工材（α）の挿入方向（β）の両側たとえば上下・あるいは左右等の一方に１以上の、そして他方に２以上のロールを配置し、しかも、各々のロールが独自に相対的な角度を変更可能として、その回転軸中心の平面配置が相互に非平行となる状態で回転させて加圧加工することが例示される。図３の参考例では３軸方向同時加工が可能とされる。
【００１３】
図４は、参考例として、４軸方向同時の加圧加工について例示したものである。
いずれの場合も、たとえば各ロールの回転軸に対してユニバーサルジョイントにより動力伝達が行われ、各回転軸中心の相対角度を変化させ、歪み導入方向を独立に変更可能とすることができる。また、各ロールのユニバーサルジョイントの反対側はハウジングに固定したベアリング止めとすることができる。
【００１４】
また、図３および図４の参考例では、各ロールには、加熱用の高周波コイルを配置し、ロール抜熱による被加工材の温度低下を防止するようにしている。これらの加熱手段は、他の加圧加工手段においても同様に適用することができる。
前記（Ｃ）の本発明におけるロールによる加圧加工では、図５に例示したように、基本的には各ロールの回転軸中心の相対的角度（クロス角度）を変更可能としているとともに、ロールそのものについては、図６に示したように、長手方向中心部の径が両端部よりも細くなるように周面が長手方向に湾曲したものとし、これによって、クロス角度をたとえば１０°となるように大きくして加圧加工する。このようにして、ロール間距離がフラットになり、しかもたとえば摩擦系数０．３のせん断応力（多軸歪）を加えることが可能となる。
なお、本発明において、各ロールの回転軸中心の相対的角度であるクロス角度は、一般的に定義されるクロス角度であって、圧延方向に直角な方向とロールの回転軸中心のなす角度を意味する。
【００１５】
たとえば以上のような方法、そして装置を用いることによって、厚み１０ｍｍ以上の厚板鋼材として、たとえば平均粒径２μｍ以下の超微細組織の鋼材を製造することができる。このための方法は、加圧加工は、たとえば、４００℃以上Ａｃ３以下の温度域での加工として可能とされる。
具体的には、たとえば、参考例としての図１の方法、装置によるフエライト粒超微細化鋼の製造方法では、断面三角形の鉄鋼材料を正立させた状態で加工位置に配置し、４００℃以上Ａｃ３以下の温度域で１パスの三軸鍛造を加え、断面を正立三角形から逆三角形に形状変化させて塑性変形させることができる。これによって、平均粒径２μｍ以下の超微細組織を有する厚さ１０ｍｍ以上の厚板が製造される。加工温度４００℃以上Ａｃ３以下とする理由は、４００℃未満では、加工中またはパス間での転位再配列が困難であり、単にフェライト組織となり、等軸化しないためであり、Ａｃ３以上では結晶粒の成長速度が速いために粗大が進行するためである。
【００１６】
なお、平均粒径２μｍ以下の超微細組織を有する厚さ１０ｍｍ以上の厚板を鍛造する場合には、被加工材の断面積変化（減面率）をゼロとして加工する必要がある。一方、ロールによる加圧加工では僅かな断面積変化は発生するものの、従来方法・装置ほどの大きな変化は生じない。
上記製造方法により製造されるこの出願の発明の厚さ１０ｍｍ以上の厚板は、平均粒径２μｍ以下の超微細組織を有することができる。この厚板の化学成分としては、たとえばセメンタイトを含む炭化物の体積率が０％〜２０％となる量のＣ、０．８０ｍａｓｓ％以下のＳｉ、０．０５〜３．０ｍａｓｓ％のＭｎ、０．１０ｍａｓｓ％以下のＡｌ、０．０２ｍａｓｓ％以下のＳを含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものが例示される。一般に、炭化物が２０ｖｏｌ．％を超えると、靱性が劣化する。
【００１７】
もちろん、この出願の発明においては、以上の組成に限定されることなしに、各種鋼材等について超微細組織をもつものを実現することが可能となる。
たとえば、参考例の加圧型として図７に示したような、平坦面をもつ上型（１）とＶ溝（４）をもつ下型（２）を備えた鍛造装置を用いて加工する。上型（１）の下面は平坦な加工面（Ｆ１）であり、下型（２）のＶ溝（４）の各溝面は加工面（Ｆ２）（Ｆ３）となっている。
【００１８】
これら加工面（Ｆ１）（Ｆ２）（Ｆ３）で互いに相補的に断面三角形をなす加工面が形成され、多軸加工を可能にしている。被加工材（３ａ）としては例示的に丸棒材が示されている。
鍛造加工に際して、被加工材（３ａ）は、断面逆三角形のＶ溝（４）内に挿入され、３つの加工面（Ｆ１）（Ｆ２）（Ｆ３）により三軸方向から同時に歪みが加えられ鍛造される。被加工材（３ａ）には、各加工面（Ｆ１）（Ｆ２）（Ｆ３）から垂直に応力（歪）が加えられることになる。
【００１９】
鍛造された加工品は、Ｖ溝（４）に倣って断面逆三角形に成形される。
次いで、この断面逆三角形の鍛造加工品を、Ｖ溝（４）から引き出し、図７（ｂ）に示すように、軸線の回りに６０°回転して正置した正立三角形の姿勢として再度鍛造する。この加工によって、被加工材（３ａ）の局所的な格子回転を容易とし、材料の組織微細化が容易かつ簡略に実現される。
【００２０】
実際に、Ｆｅ−０．１５Ｃ−０．３Ｓｉ−１．５Ｍｎ合金を高周波溶解し、その後加熱圧延（１５２３Ｋで加熱後、減面率５０％圧下）加工したものを被加工材とし、６５０℃の加熱温度下で三軸鍛造を１パスにより行い、直ちに水焼き入れを行った。
さらに、この試料を減面率ゼロで一辺１０ｍｍの三角柱に加工した。ＳＥＭ観察から三角柱は、Ｃ断面において、図８に示したような平均粒径２μｍ以下の等軸微細粒が形成され、Ｌ断面では圧延方向に伸張した組織を有していた。バルク全体に渡って均一に超微細粒組織が得られている。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明により、多軸方向から同時に歪みを加えることが可能で、１回のパスで多軸加工することができる。圧下率を多くとらずに、多軸加工が可能となる。
被加工材の断面積変化が少ない状態を保ちながら、実質的に試料を強加工することも可能となる。コスト的にも有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｖ溝と平坦面をもつ加圧型を例示した斜視図である。
【図２】  （ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、オーバル、四角形、大角形の多角溝をもつ加圧型を例示した斜視図である。
【図３】  ３軸方向同時加圧を可能とするロール加圧装置の構成概要図である。
【図４】  ４軸方向同時加圧を可能とするロール加圧装置の構成概要図である。
【図５】  一対のロールの配置関係を例示した斜視概要図である。
【図６】  クロス角を大きくとってのロール加圧による多軸加工を例示した概要図である。
【図７】  （ａ）、（ｂ）は、各々、この出願の発明の実施例としての厚板の製造例を示した構成図である。
【図８】  三軸鍛造後のＣ断面に代わる組織ＳＥＭ写真である。
【図９】  従来の一軸鍛造後の図面に代わるＣ断面の組織ＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１  上型
２  下型
３ａ、３ｂ  被加工材
４  Ｖ溝
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３  加工面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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