(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイトとフェライトの２相域で鋼材を加工する際の応力予測方法であって、オーステナイト相とフェライト相との応力比、オーステナイト相とフェライト相のいずれかの体積分率及び２相全体としての歪量から各相への歪の分配を算出して各相の歪量を求め、次いで、前記各相の歪量から各相の応力を求め、更に、各相の応力と各相の体積分率から２相全体としての応力を算出することを特徴とする鋼材の２相域加工時の応力予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延や熱間鍛造など鋼製品の加工工程において、良好な製品寸法精度を確保するための応力予測方法に関し、詳しくは、鋼材をオーステナイトとフェライトの２相域で加工する際の応力予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼製品の製造において、良好な製品寸法精度を確保するには、圧延機など各種加工装置の制御を的確に行う必要がある。そして、加工装置の的確な制御のためには、被加工材である鋼材の応力を正確に予測することが極めて重要となる。例えば鋼板の圧延において、予測された鋼材の応力値が正確でなければ、製品である鋼板に所望の板厚精度を付与することができない。
【０００３】
鋼材加工時の応力予測のうちでそれが困難となるのは、オーステナイト（以下、γともいう）相とフェライト（以下、αともいう）相の２相が共存する場合、つまり、鋼材を２相域で加工する場合である。
【０００４】
以下、簡単のために、その理由を鋼板の熱間圧延を例にとって説明する。
一般に、鋼板の素材となる被加工材としてのスラブなどの鋼材は、加熱炉に装入されてγ域に加熱されるため、これが加熱炉から出た時にはγ相の単相状態である。次いで、鋼材に対して熱間圧延が開始されると、鋼材内部で回復や再結晶と呼ばれる冶金的変化が生じ、それに伴って鋼材に歪を加えたときに生じる応力も変化して行く。
【０００５】
γ単相の状態で熱間圧延を終了する鋼板製品も多いが、熱間圧延の途中で鋼材にγ相からα相への相変態が生じ、γ相とα相の２相共存の状態で圧延が行われる場合もある。このγ相とα相の２相共存の状態での圧延を２相域圧延といい、鋼板の機械的性質向上のために実施されることがある。上記２相域圧延の場合には、γ相とα相がそれぞれ異なる変形特性を有しているので、応力の推定が困難となる。
【０００６】
γ相とα相の２相域での応力推定に関しては、例えば、特開昭５８−８４６０６号公報に下記 (1)式が開示されている。
【０００７】
ｋｍ＝（１−Ｒ）・ｋｍγ＋Ｒ・ｋｍα・・・(1)
ここで、上記 (1)式におけるＲは変態率（つまり、α相の体積分率）、ｋｍ 、ｋｍγ 、ｋｍα はそれぞれ２相全体としての応力、γ相の応力、α相の応力である。（なお、上記 (1)式における記号や用語には前記公報に記載の記号や用語そのものを用いることはせず、慣用されている記号や用語を用いた。）
しかし、鋼材を２相域で加工する際の応力を前記公報に記載の方法によって予測するためには、モデル中の式に含まれる各係数の頻繁な調整が必要なため作業が極めて煩雑であるし、加えて、予測応力の実応力との誤差も大きいものであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、鋼材をオーステナイトとフェライトの２相域で加工する際の応力（つまり、鋼材の２相域加工時の応力）を高精度で予測する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記に示す鋼材の２相域加工時の応力予測方法を要旨とする。
【００１０】
すなわち、「オーステナイトとフェライトの２相域で鋼材を加工する際の応力予測方法であって、オーステナイト相とフェライト相との応力比、オーステナイト相とフェライト相のいずれかの体積分率及び２相全体としての歪量から各相への歪の分配を算出して各相の歪量を求め、次いで、前記各相の歪量から各相の応力を求め、更に、各相の応力と各相の体積分率から２相全体としての応力を算出することを特徴とする鋼材の２相域加工時の応力予測方法」である。
【００１１】
本発明者らは、γ相とα相の２相が共存する状態で鋼材を加工した場合の現象について種々検討を行った。その結果、先ず、２相域で加工する場合の歪量は、γ相とα相とで全く同じではなく、柔らかい方の相がより大きく歪むと考えるに到った。そこで次に、γ相とα相との歪分配を考慮し、２相全体としての応力を予測する方法について、更なる検討を行い、その結果、下記（ａ）及び（ｂ）の知見を得た。
【００１２】
（ａ）γ相とα相との歪分配を考慮することによって、鋼材の２相域加工時の応力予測精度を高めることができる。
【００１３】
（ｂ）歪分配を熱間加工時の応力予測に取り入れるためには、下記 (2)式のような式を用いることが簡便である。すなわち、γ相とα相の歪量を用いて各相の応力を算出し、各相の応力と各相の体積分率から２相全体としての応力を予測すればよい。
σ（ε）＝σγ（εγ）（１−ｆα）＋σα（εα）ｆα・・・(2)
ここで、εは２相全体としての歪量、εγ は２相全体としての歪量がεの時のγ相の歪量、εα は２相全体としての歪量がεの時のα相の歪量、ｆα はα相への変態率すなわちα相の体積分率である。又、σ（ε）は２相全体としての歪量がεの時の２相全体としての応力、σγ（εγ）はγ相の歪量がεγ （つまり、２相全体としての歪量がε）の時のγ相の応力、σα（εα）はα相の歪量がεα （つまり、２相全体としての歪量がε）の時のα相の応力を表す。
なお、上記のεγ とεα は、γ相とα相のそれぞれの歪と２相全体としての歪量との比を表す関数であるＭγ（ε） とＭα（ε） とを用いて、それぞれ下記 (3)式、 (4)式のように表すことができる。
εγ＝ε・Ｍγ（ε）・・・(3)、εα＝ε・Ｍα（ε）・・・(4)。
【００１４】
そこで更に、Ｍγ（ε） とＭα（ε） の値を予測し、εγ とεα を求める方法を検討するために、以下のような実験と解析を行った。
【００１５】
すなわち、γ単相、γ相とα相との２相、α単相のそれぞれの場合における鋼材の応力−歪曲線（以下、Ｓ−Ｓ曲線という）を調査するために、表１に示す化学組成を有する４種の鋼を溶製し、通常の方法で鋼片に熱間加工した。
【００１６】
【表１】
0004552338.tif 000002
次いで、上記の各鋼片から直径が８ｍｍ、高さが１２ｍｍの円筒状試験片を作製し、熱間加工再現試験装置（富士電波工機製のTHERMECMASTOR-Z ）を用いて図１に示すパターンで加工熱処理を行い、圧縮加工時のＳ−Ｓ曲線を測定した。なお、加工は歪速度一定の条件で行い、加熱処理したまま加工直前の状態で冷却した試験片については、その組織観察を行って画像処理し、加工直前における変態率の測定を行った。なお、図１における「加速変態」とは、表１に記載の鋼ＶＡのα相のＳ−Ｓ曲線を７５０℃、７００℃で得る場合に用いた下記 (A)、 (B)の熱処理パターンを指す。
【００１７】
(A) ７５０℃に対する熱処理：「７５０℃で３００秒保持した後６５０℃に冷却して３００秒保持し、次いで７５０℃に加熱して３００秒保持」。
【００１８】
(B) ７００℃に対する熱処理：「７００℃で３００秒保持した後６５０℃に冷却して３００秒保持し、次いで７００℃に加熱して３００秒保持」。
【００１９】
以上の実験によって、各温度と各変態率におけるγ相とα相の２相域及び単相域でのＳ−Ｓ曲線が得られ、又、前記データを内挿、外挿することで、炭素濃度（炭素含有量）が変化したときのγ相のＳ−Ｓ曲線が得られた。
【００２０】
上記のようにして得た、γ相、γ相とα相との２相、α相の各Ｓ−Ｓ曲線に対して、上記 (3)式、 (4)式におけるＭγ（ε） とＭα（ε） の値を、各種の場合について求めた。その結果、下記（ｃ）及び（ｄ）の知見が得られた。
【００２１】
（ｃ）γ相の歪量とα相の歪量が等しい場合のγ相とα相との応力比、γ相とα相のいずれかの体積分率及び２相全体としての歪量をパラメータに含んだ式によって、Ｍγ（ε） とＭα（ε） の値を精度良く予測することができる。
【００２２】
（ｄ）上記の式の係数は、対象とする鋼材の化学組成、製造条件に充分近い実験データを基に決定することができる。
【００２３】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の要件を３つに分け、それぞれについて詳しく説明する。
【００２５】
１．オーステナイト相とフェライト相との応力比、オーステナイト相とフェライト相のいずれかの体積分率及び２相全体としての歪量から各相への歪の分配を算出して各相の歪量を求めることについて：
２相組織を形成するオーステナイト相とフェライト相の各相の歪量を算出するためには、２相全体に加えられた歪が各相にどのような比で分配されるかを示す歪分配の値を算出することが重要で、各相毎に歪分配を算出するための予測式を作成する必要がある。そしてその予測式から歪分配を精度良く算出するためには、少なくとも、オーステナイト相とフェライト相との応力比、オーステナイト相とフェライト相のいずれかの体積分率及び２相全体としての歪量を反映させる必要があり、上記のいずれが欠けても予測式の精度は低下してしまう。
【００２６】
予測式の例としては、例えば、次の (5)式及び (6)式を挙げることができる。
Ｍγ（ε）＝ｋ１＋ｋ２×｛σγ（ε）／σα（ε）｝＋ｋ３×ｆα＋ｋ４×ε ・・・(5)、
Ｍα（ε）＝ｋ５＋ｋ６×｛σγ（ε）／σα（ε）｝＋ｋ７×ｆα＋ｋ８×ε ・・・(6)。
【００２７】
上記の各式のうち (5)式はγ相の歪分配を算出する式であり、 (6)式はα相の歪分配を算出する式である。「σγ（ε）／σα（ε）」はγ相とα相の応力比を表す。なお、ｆα がα相の体積分率、εが２相全体としての歪量を指すことは既に述べたとおりである。
【００２８】
又、ｋ１〜ｋ８は定数であり、先に知見（ｄ）で述べた方法で実験的に決定することができる。例えば、表１に示した鋼ＶＢについて、歪速度２５／秒、加工温度７００〜７５０℃の場合を対象とした実験データの回帰分析から、下記の式が得られる。
【００２９】
Ｍγ（ε）＝２．３３−１．５２｛σγ（ε）／σα（ε）｝＋０．３７ｆα＋０．２７ε ・・・(7)、
Ｍα（ε）＝−０．３３＋２．２８｛σγ（ε）／σα（ε）｝−１．５３ｆα−０．８２ε ・・・(8)。
上記Ｍγ（ε）、Ｍα（ε）の値が算出できれば、 (3)式及び (4)式の関係からγ相とα相のそれぞれの歪量であるεγ とεα を求めることができる。
【００３０】
２．各相の歪量から各相の応力を求めることについて：
上記１．で求めた各相の歪量を用いて、各相の応力を求める方法は、どのようなものでもよく、例えば、種々の化学成分、温度、歪速度における各相のＳ−Ｓ曲線をデータベース化しておけば、それらデータの内挿、外挿によって任意の化学成分、温度、歪速度におけるＳ−Ｓ曲線から各相の応力を算出することができる。
【００３１】
３．各相の応力と各相の体積分率から２相全体としての応力を算出することについて：
２相全体としての応力は、 (1)式や (2)式に示されるように、その構成相であるγ相とα相の応力と各相の体積分率の値から求めることができる。γ相、α相の応力は、上記２．に示した方法で算出することができる。各相の体積分率の値は、どのような方法で求めてもよいが、例えば日本金属学会会報第１０巻（１９７１年）の第２７９〜２８９ページに解説されているように、体積分率は面積分率に等しいので、組織を顕微鏡観察した面積分率から求めればよい。
【００３２】
以上の処理によって、最終的に予測したい２相全体としての応力が、前記 (2)式を用いることで容易に求められる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を表１に記載の鋼ＶＢを対象に、図１に示した加工熱処理パターンのうち、７５０℃で３６００秒保持した後、２５／秒の歪速度で圧縮加工した時のＳ−Ｓ曲線計算例によって、更に詳しく説明する。
鋼ＶＢの鋼片から採取した直径が８ｍｍ、高さが１２ｍｍの円筒状試験片を、熱間加工再現試験装置（富士電波工機製のTHERMECMASTOR-Z ）を用いて７５０℃で３６００秒保持した後Ｈｅガスで急冷し、通常の方法でα面積分率を測定し、α体積分率として０．３０を得た。又、α相に固溶する炭素濃度（炭素含有量）は非常に小さく、相変態の進行に伴ってγ相の炭素濃度（炭素含有量）が上昇することを考慮して、γ相中の炭素濃度（γ相の炭素含有量）を計算した結果、上記パターンにおける場合のγ相中の炭素濃度として０．１３質量％を得た。
【００３４】
又、表１に記載の各鋼に関し、既に述べたように図１の各条件で加工熱処理を行い、圧縮加工時のＳ−Ｓ曲線を測定した。
上記のＳ−Ｓ曲線をデータベースとして、データの内挿、外挿も一部用いることにより、炭素濃度が０．１３質量％であるγ相のＳ−Ｓ曲線とα相のＳ−Ｓ曲線を得た。
【００３５】
図２に、上記方法で求めた炭素濃度が０．１３質量％であるγ相のＳ−Ｓ曲線、α相のＳ−Ｓ曲線及び、炭素濃度が０．０９質量％の鋼ＶＢにおけるフェライト体積分率が０．３０の場合の実測Ｓ−Ｓ曲線をそれぞれ、実線、点線、破線で示した。
次いで、既に述べた(7)式、(8)式の関係を、縦軸に歪分配係数Ｍを横軸に２相全体としての歪量をとって求め、図３に整理して示した。又、(3)式、(4)式から２相全体としての歪量がεの時のγ相の歪量εγ とα相の歪量εα とを求め、縦軸に各相の歪量を横軸に２相全体としての歪量をとって、図４として示した。
【００３６】
上記のようにして得た各データを基にして、２相全体としての歪量がεの時の２相全体としての応力を (2)式によって求め、図５に炭素濃度が０．０９質量％の鋼ＶＢにおけるフェライト体積分率が０．３０の場合の予測Ｓ−Ｓ曲線を太い実線で示した。なお、同図には、前記図２における実測のＳ−Ｓ曲線を細い破線で、又、γ相とα相の歪分配を考慮することなくγ相とα相とが２相全体としての場合と同じ歪量を有すると仮定した場合の予測Ｓ−Ｓ曲線（すなわち、前記特開昭５８−８４６０６号公報に記載の方法による場合の予測Ｓ−Ｓ曲線）を太い点線で併せて示した。
図５から、本発明方法に基づくＳ−Ｓ曲線は実測Ｓ−Ｓ曲線とよく一致し、鋼材の２相域加工時の応力を極めて精度良く予測できることが明らかである。これに対して、γ相とα相の歪分配を考慮しない場合の応力は実測値よりもかなり大きい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、鋼材をオーステナイトとフェライトの２相域で加工する際の応力（つまり、鋼材の２相域加工時の応力）を高精度で予測することができ、この結果、圧延機や鍛造機など各種加工装置の制御を的確に行うことが可能となるので、製造される製品の寸法精度が向上する。
【００３８】
本発明の応力予測方法は、厚鋼板を初め、ホットコイル、形鋼、棒鋼、条鋼などを２相域で熱間圧延や熱間鍛造して製造する際の応力予測に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直径が８ｍｍ、高さが１２ｍｍの円筒状試験片を熱間加工再現試験装置（富士電波工機製のTHERMECMASTOR-Z ）を用いて加工熱処理した際の条件を示す図である。
【図２】７５０℃で２５／秒の歪速度で圧縮加工した時の、炭素濃度が０．１３質量％であるγ相の予測Ｓ−Ｓ曲線、α相の実測Ｓ−Ｓ曲線及び、炭素濃度が０．０９質量％の鋼ＶＢにおけるフェライト体積分率が０．３０の場合の実測Ｓ−Ｓ曲線を示す図である。
【図３】鋼ＶＢのフェライト体積分率が０．３０の場合に、２５／秒の歪速度で圧縮加工した時の、２相全体としての歪量と歪分配係数との関係を示す図である。
【図４】鋼ＶＢのフェライト体積分率が０．３０の場合に、２５／秒の歪速度で圧縮加工した時の、２相全体としての歪量εと、γ相の歪量εγ 及びα相の歪量εα との関係を示す図である。
【図５】鋼ＶＢのフェライト体積分率が０．３０の場合に、２５／秒の歪速度で圧縮加工した時の、本発明に基づく予測Ｓ−Ｓ曲線、実測のＳ−Ｓ曲線、γ相とα相の歪分配を考慮しない場合の予測Ｓ−Ｓ曲線を示す図である。
【図１】
0004552338.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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