(57)【要約】【課題】疲労特性に優れる高強度鋼を提供する。【解決手段】本発明の高強度鋼は、Ｃが０．１５質量％以上０．３０質量％以下、Ｓｉが１．２質量％以上２．４質量％以下、Ｍｎが１．２質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒが０．８質量％以上１．２質量％以下、Ｍｏが０．１質量％以上０．３質量％以下、Ｐ及びＳが０質量％超０．０２０質量％以下、Ａｌが０質量％超０．０４０質量％以下、Ｔｉが０．０４質量％以上０．１５質量％以下、Ｂが０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎが０質量％超０．００４０質量％以下、Ｏが０質量％超０．００１５質量％以下、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、旧オーステナイト粒径が３４μｍ以下、残留オーステナイト量が３．０体積％以上３．８体積％以下、残留オーステナイト中のＣ量が０．３５質量％以上０．８質量％以下、鋼中の水素含有量が０質量ｐｐｍ超０．５質量ｐｐｍ以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１５質量％以上０．３０質量％以下、
Ｓｉ：１．２質量％以上２．４質量％以下、
Ｍｎ：１．２質量％以上２．０質量％以下、
Ｃｒ：０．８質量％以上１．２質量％以下、
Ｍｏ：０．１質量％以上０．３質量％以下、
Ｐ：０質量％超０．０２０質量％以下、
Ｓ：０質量％超０．０２０質量％以下、
Ａｌ：０質量％超０．０４０質量％以下、
Ｔｉ：０．０４質量％以上０．１５質量％以下、
Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、
Ｎ：０質量％超０．００４０質量％以下、及び
Ｏ：０質量％超０．００１５質量％以下
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
旧オーステナイト粒径が３４μｍ以下、
残留オーステナイト量が３．０体積％以上３．８体積％以下、
残留オーステナイト中のＣ量が０．３５質量％以上０．８質量％以下、
鋼中の水素含有量が０質量ｐｐｍ超０．５質量ｐｐｍ以下
である高強度鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の輸送機器では、軽量化、小型化、高サイクル化の観点から高強度化が進められている。また、自動車のエンジンや足回り部品等は繰り返し荷重を受けるため、高い疲労特性が要求される。疲労強度は、例えば鋼材の引張強度が高くなれば高くなることが知られているが、疲労強度の上昇は引張強度の上昇に比して小さいため、疲労限度比（例えば疲労強度／引張強度）は高強度になるに従って低下する。このため、高強度鋼の疲労強度の向上は、低強度鋼に比べて困難である。その一方で、疲労特性に対する工業的要望は高く、このような要望に対して、様々なアプローチで疲労特性を向上させることが試みられており、引張強度等を確保しつつ疲労特性の向上するための技術としては、例えば特許文献１〜８に記載のものがある。
【０００３】
特許文献１（特開２０１３−１６６９８３号公報）には、非金属介在物サイズを規定した熱間鍛造用圧延棒鋼が開示されている。しかし、この熱間鍛造用圧延棒鋼の引張強度は１１００ＭＰａ未満であり、疲労強度（疲労限度比）も決して高くはない。
【０００４】
特許文献２（特開２０１２−１２６９７４号公報）には、金属組織をラス状ベイニティックフェライトとし、残留オーステナイトを５％〜２０％含む切欠き疲労強度に優れた高強度鋼が開示されている。しかし、この高強度鋼の疲労強度（疲労限度比）は決して高くはない。
【０００５】
特許文献３（特開２０１１−８４８１３号公報）には、残留オーステナイトの炭素濃度を０．７質量％〜１．５質量％とする切欠き疲労強度に優れた高強度鋼が開示されている。しかし、この高強度鋼の疲労強度（疲労限度比）は決して高くはない。
【０００６】
特許文献４（特開２０１０−２７０３４６号公報）には、金属組織をフェライト、パーライト及びベイナイトとし、それらの体積分率を規定すると共にフェライト粒径を制御した熱間鍛造用非調質鋼が開示されている。しかし、この熱間鍛造用非調質鋼の引張強度は１０００ＭＰａ未満であり、疲労強度（疲労限度比）も決して高くはない。
【０００７】
特許文献５（特開２０１０−７１４３号公報）には、金属組織をフェライト及びパーライトを主体とし、旧オーステナイト粒径を細粒化した機械構造用鋼が開示されている。しかし、この機械構造用鋼の引張強度は１２００ＭＰａ未満であり、疲労強度（疲労限度比）も決して高くはない。
【０００８】
特許文献６（特開２００８−１２７５９６号公報）には、フェライト中に微細なＮｂ含有析出物及びＴｉ含有析出物を有する高強度冷間鍛造用非調質鋼が開示されている。しかし、この高強度冷間鍛造用非調質鋼の引張強度は１２００ＭＰａ未満であり、疲労強度（疲労限度比）も決して高くはない。
【０００９】
特許文献７（特開２００４−２７７８４８号公報）には、金属組織をフェライト及びパーライトとし、フェライトを硬化した非調質鋼が開示されている。しかし、この非調質鋼の引張強度は１２００ＭＰａ未満であり、疲労強度（疲労限度比）も決して高くはない。
【００１０】
特許文献８（特開２００１−２６２２６７号公報）には、金属組織をフェライト及びパーライトとし、フェライト相の割合を規定すると共にフェライト粒度を微細化した非調質鋼材が開示されている。しかし、この非調質鋼材の１０５サイクルまでの疲労特性（疲労限度比）は良好なものの、それ以上のサイクル特性、例えば１０７サイクルの疲労特性は保証されていない。
【００１１】
このように、特許文献１〜８に記載の鋼材は、いずれも引張強度及び疲労特性を両立できるものではないため、引張強度及び疲労特性の両立を図るためには未だ改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１３−１６６９８３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２６９７４号公報
【特許文献３】特開２０１１−８４８１３号公報
【特許文献４】特開２０１０−２７０３４６号公報
【特許文献５】特開２０１０−７１４３号公報
【特許文献６】特開２００８−１２７５９６号公報
【特許文献７】特開２００４−２７７８４８号公報
【特許文献８】特開２００１−２６２２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記不都合に鑑みてなされたものであり、疲労特性に優れる高強度鋼を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、高強度を確保しつつ疲労特性の向上を図ることを目的として鋭意研究を重ねた結果、残留オーステナイトの存在による加工誘起変態の発生や残留オーステナイトが水素トラップとして作用することによって、疲労特性が向上するとの知見を得た。
【００１５】
すなわち、上記課題を解決するためになされた本発明は、Ｃ：０．１５質量％以上０．３０質量％以下、Ｓｉ：１．２質量％以上２．４質量％以下、Ｍｎ：１．２質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ：０．８質量％以上１．２質量％以下、Ｍｏ：０．１質量％以上０．３質量％以下、Ｐ：０質量％超０．０２０質量％以下、Ｓ：０質量％超０．０２０質量％以下、Ａｌ：０質量％超０．０４０質量％以下、Ｔｉ：０．０４質量％以上０．１５質量％以下、Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下、Ｎ：０質量％超０．００４０質量％以下、及びＯ：０質量％超０．００１５質量％以下を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、旧オーステナイト粒径が３４μｍ以下、残留オーステナイト量が３．０体積％以上３．８体積％以下、残留オーステナイト中のＣ量が０．３５質量％以上０．８質量％以下、鋼中の水素含有量が０質量ｐｐｍ超０．５質量ｐｐｍ以下である。
【００１６】
本発明によれば、旧オーステナイト粒径が３４μｍ以下であることで、旧ガンマ粒界の粗大化による疲労特性の劣化を抑制できる。また、残留オーステナイト量を上記範囲に制御することで疲労特性が向上する。これは、残留オーステナイトの存在により、硬質かつ粗大なセメンタイト析出が低減するためであると考えられる。さらに、残留オーステナイトは、水素トラップとして作用するため、疲労強度の低下や低寿命化等の水素による悪影響を低減する。特に、高強度鋼では極微量の水素が疲労特性を劣化させるため、残留オーステナイトの存在は重要な役割を持つ。また、残留オーステナイト中のＣ量を上記範囲とすることで、残留オーステナイトの安定性が向上し、応力が作用することによるマルテンサイト変態に起因する破壊を抑制できる。また、残留オーステナイト中のＣ量を上記範囲とすることで、セメンタイト析出を低減できる。そのため、残留オーステナイト中のＣ量を上記範囲とすることによっても、疲労特性を向上することができる。加えて、水素含有量を０．５質量ｐｐｍ以下とすることで、繰り返し応力が作用したときに水素が放出されることによる疲労特性の低下を抑制することができる。これらの結果、当該高強度鋼は、高強度を有すると共に疲労特性に優れる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、疲労特性に優れる高強度鋼を提供できる。従って、本発明は自動車のエンジンや足回り部品等の繰り返し荷重を受ける部品に好適に用いることができと共に、自動車等の輸送機器の軽量化、小型化、高サイクル化等に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】疲労限を測定するためのテーパー型試験片を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る高強度鋼を詳説する。
【００２０】
［高強度鋼］
当該高強度鋼は、自動車のエンジンや足回り部品等の繰り返し荷重を受ける部品に好適に用いられるものである。この高強度鋼は、添加すべき化学元素及びその含有量を規定すると共に、残留オーステナイト量を制御したところに特徴がある。このような特徴に基づき、当該高強度鋼は高強度を有すると共に疲労特性に優れる。
【００２１】
当該高強度鋼は、旧オーステナイト粒径が３４μｍ以下、の残留オーステナイト量が３．０体積％以上３．８体積％以下、残留オーステナイト中のＣ量が０．３５質量％以上０．８質量％以下である。好ましくは、当該高強度鋼の引張強度（ＴＳ）が１４００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下であり、疲労限度比（σｗ／ＴＳ）が０．６５以上である。
【００２２】
＜旧オーステナイト粒径＞
鋼中の旧オーステナイト粒径が大すぎると疲労特性が劣化するため、当該高強度鋼の旧オーステナイト粒径の上限値は３４μｍとする。当該高強度鋼の旧オーステナイト粒径の上限値としては、３０μｍが好ましく、２５μｍがより好ましい。当該高強度鋼の旧オーステナイト粒径の下限値は設けないが、その下限値を設定するとすれば、４μｍが好ましく、６μｍがより好ましい。
【００２３】
＜残留オーステナイト量＞
当該高強度鋼における残留オーステナイト量を３．０体積％以上３．８体積％以下に制御することで疲労特性が向上する。これは、残留オーステナイトの存在により、硬質かつ粗大なセメンタイト析出が低減されるためであると考えられる。また、残留オーステナイトは、水素トラップとして作用するため、疲労強度の低下や低寿命化等の水素による悪影響を低減する。高強度鋼では極微量の水素が疲労特性を劣化させるため、残留オーステナイトの存在は重要な役割を持つ。そのため、当該高強度鋼では、セメンタイト析出低減のために残留オーステナイト量の下限値は３．０体積％とされる。残留オーステナイト量の下限値としては、３．２体積％が好ましく、３．３体積％がより好ましい。一方、残留オーステナイトが多すぎると引張強度が低下するため、当該高強度鋼では、残留オーステナイト量の上限値は３．８体積％とされる。残留オーステナイト量の上限値としては、３．７体積％が好ましく、３．６体積％がより好ましい。
【００２４】
＜残留オーステナイト中のＣ量＞
当該高強度鋼における残留オーステナイト中のＣ量を０．３５質量％以上０．８質量％以下に制御とすることで、残留オーステナイトの安定性が向上し、応力が作用することによるマルテンサイト変態に起因する破壊を抑制でき、さらにセメンタイト析出を低減できる。このように残留オーステナイト中のＣ量を上記範囲とすることによっても、疲労特性が向上する。そのため、当該高強度鋼では、残留オーステナイト中のＣ量の下限値は０．３５質量％とされる。残留オーステナイト中のＣ量の下限値としては、０．４質量％が好ましく、０．５質量％がより好ましい。一方、残留オーステナイトは応力の作用により一部がマルテンサイトに変態するため、Ｃ量が高すぎると疲労特性が低減し得る。そのため、当該高強度鋼では、残留オーステナイト中のＣ量の上限値は０．８質量とされる。残留オーステナイト中のＣ量の上限値としては、０．７質量％が好ましく、０．６質量％がより好ましい。
【００２５】
＜水素含有量＞
水素は、鋼の水素脆化を引き起こすため製鋼プロセスで極力低減されるが、製鋼プロセスでは完全な除去はできない。そのため、水素は製鋼プロセスの後工程で鋼から大気中に自然放出される。しかし、一部の水素は金属組織の欠陥や介在物等にトラップされ、放出されず残存する。通常、トラップされた水素は悪影響が無いとされているが、疲労のような繰返し応力（歪エネルギ）が作用する場合、強固にトラップされた水素（特に介在物にトラップされた水素）がトラップサイトから放出され、引張強度や疲労強度等の機械的特性を劣化させる悪影響を及ぼす。そのため、疲労向上のためには水素含有量は極微量に管理する必要があり、当該高強度鋼では水素含有量が０．５質量ｐｐｍ以下とされる。水素含有量の上限値としては、０．３質量ｐｐｍが好ましく、０．２質量ｐｐｍがより好ましい。但し、水素含有量の下限値は０質量ｐｐｍ超とされる。なお、水素含有量は、昇温分析法により測定した値である。また、水素含有量は、製鋼プロセスで、例えば真空脱ガス処理等の脱水素処理により０．５質量ｐｐｍ以下となるように管理され、製鋼プロセスの後工程においても自然放出されて低減する。
【００２６】
＜引張強度（ＴＳ）＞
当該高強度鋼の引張強度（ＴＳ）としては、上述のように１４００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下が好ましい。当該高強度鋼の引張強度（ＴＳ）の下限値としては、１４５０ＭＰａがより好ましく、１５００ＭＰａがさらに好ましい。一方、当該高強度鋼の引張強度（ＴＳ）の上限値としては、１６５０ＭＰａがより好ましく、１６００ＭＰａがさらに好ましい。当該高強度鋼の引張強度（ＴＳ）が上記範囲であることで、当該高強度鋼は自動車のエンジンや足回り部品等の繰り返し荷重を受ける部品に好適に用いることができと共に自動車等の輸送機器の軽量化、小型化、高サイクル化等に寄与できる。なお、引張強度（ＴＳ）は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１：２０１１に準じて常温にて測定した値である。
【００２７】
＜疲労限度比（σｗ／ＴＳ）＞
当該高強度鋼の疲労限度比（σｗ／ＴＳ）としては、上述のように０．６５以上が好ましい。このように疲労限度比（σｗ／ＴＳ）が上記範囲であることで、当該高強度鋼は自動車のエンジンや足回り部品等の繰り返し荷重を受ける部品に好適に用いることができと共に自動車等の輸送機器の軽量化、小型化、高サイクル化等に寄与できる。ここで、疲労限度比（σｗ／ＴＳ）は、サイクル数１０７回を上限として回転曲げ試験を行ったときの疲労限（σｗ）を、引張強度（ＴＳ）で除した値である。なお、疲労限（σｗ）の下限値としては、９５０ＭＰａが好ましく、９６０ＭＰａがより好ましく、９７０ＭＰａがさらに好ましい。疲労限（σｗ）を上記範囲とすることで、疲労強度を十分に確保しつつ疲労特性を向上させることができる。
【００２８】
＜化学元素及びその含有量＞
当該高強度鋼は、以下の化学元素を所定範囲で含有する。
【００２９】
Ｃ：０．１５質量％以上０．３０質量％以下
Ｓｉ：１．２質量％以上２．４質量％以下
Ｍｎ：１．２質量％以上２．０質量％以下
Ｃｒ：０．８質量％以上１．２質量％以下
Ｍｏ：０．１質量％以上０．３質量％以下
Ｐ：０質量％超０．０２０質量％以下
Ｓ：０質量％超０．０２０質量％以下
Ａｌ：０質量％超０．０４０質量％以下
Ｔｉ：０．０４質量％以上０．１５質量％以下
Ｂ：０．０００５質量％以上０．００３０質量％以下
Ｎ：０質量％超０．００４０質量％以下
Ｏ：０質量％超０．００１５質量％以下
残部：鉄及び不可避的不純物
【００３０】
（Ｃ（炭素）元素の含有量）
Ｃ元素は、鉄鋼材料を高強度化するものである。このＣ元素は、残留オーステナイトの確保及び安定性に寄与するため、当該高強度鋼において必須の元素である。当該高強度鋼において所望とする引張強度を得るため、当該高強度鋼にはＣ元素を０．１５質量％以上含有させる必要があり、その含有量の下限値としては０．１７質量％が好ましく、０．２０質量％がより好ましい。一方、当該高強度鋼におけるＣ元素含有量が過剰になると、残留オーステナイト量が多くなりすぎ疲労特性が劣化する。そのため、当該高強度鋼におけるＣ元素の含有量の上限値は０．３０質量％とされ、好ましくは０．２８質量％、より好ましくは０．２５質量％とされる。
【００３１】
（Ｓｉ（ケイ素）元素の含有量）
Ｓｉ元素は、マトリックスの固溶強化及び焼入れ性（変態の冷却速度依存性）を向上させるために有用な元素である。また、Ｓｉ元素は、炭化物析出を抑制し残留オーステナイトを安定化させる点で本発明では重要である。このような作用を発揮させるためには、当該高強度鋼にＳｉ元素を１．２質量％以上含有させる必要があり、その含有量の下限値としては１．４質量％が好ましく、１．６質量％がより好ましい。一方、Ｓｉ元素の含有量が過剰になると、残留オーステナイト量が過剰になり、引張強度及び破壊特性ともに低下するため、当該高強度鋼におけるＳｉ元素の含有量の上限値は２．４質量％とされ、好ましくは２．０質量％、より好ましくは１．８質量％とされる。
【００３２】
（Ｍｎ（マンガン）元素の含有量）
Ｍｎ元素は、焼入れ性（変態の冷却速度依存性）を向上させるために有用な元素であり、有害元素であるＳ元素をＭｎ化合物として固定することで害を軽減する。さらに、Ｍｎ元素は、オーステナイト安定化元素であり、残留オーステナイトを制御する本発明では特に重要である。これら効果を得るためには、当該高強度鋼においてＭｎ元素が少なくとも１．２質量％は必要である。当該高強度鋼におけるＭｎ元素の含有量の下限値としては、１．４質量％が好ましく、１．６質量％がより好ましい。一方、Ｍｎ元素が多くなり過ぎると、残留オーステナイトが過剰になり疲労特性が低下する。従って、当該高強度鋼におけるＭｎ元素の含有量の上限値は２．０質量％以下とされ、好ましくは１．８質量％、より好ましくは１．６質量％とされる。
【００３３】
（Ｃｒ（クロム）元素の含有量）
Ｃｒ元素は、鋼中に固溶することでオーステナイト量の増加に寄与する。このような作用を発揮させるためには、Ｃｒ元素を０．８質量％以上含有させる必要があり、その含有量の下限値としては０．９質量％が好ましく、１．０質量％がより好ましい。一方、Ｃｒ元素は炭化物を安定化する作用があるため、Ｃｒ元素を過剰に添加すると炭化物が安定化し、残留オーステナイト量の安定性を減少させる。従って、当該高強度鋼におけるＣｒ元素の含有量は１．２質量％以下とされ、好ましくは１．１質量％以下、より好ましくは１．０質量％以下とされる。
【００３４】
（Ｍｏ（モリブデン）元素の含有量）
Ｍｏは焼入れ性を向上させるために有用な元素である。効果を得るためには、少なくとも０．１質量％必要であり、０．１２質量％以上含有させることが好ましい。しかしＭｏは高価な元素であると共に添加量が多くなり過ぎると当該高強度鋼の製造性が低下する。従って、Ｍｏ含有量は０．３質量％以下とする。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．２８質量％以下である。
【００３５】
（Ｐ（リン）元素の含有量）
Ｐ元素は、偏析部での靭性や加工性を低下させるため、その含有量が０．０２０質量％以下とされる。Ｐ元素の含有量の上限値としては、０．０１５質量％が好ましく、０．０１０質量％がより好ましい。但し、Ｐ元素の含有量の下限値は０質量ｐｐｍ超とされる。
【００３６】
（Ｓ（硫黄）元素の含有量）
Ｓ元素は、Ｐ元素と同様に偏析部での靭性や加工性を低下させるため、その含有量が０．０２０質量％以下とさる。Ｓ元素の含有量の上限値は０．０１５質量％が好ましく、０．０１０質量％がより好ましい。但し、Ｓ元素の含有量の下限値は０質量ｐｐｍ超とされる。
【００３７】
（Ａｌ（アルミニウム）元素の含有量）
Ａｌ元素は、脱酸元素として使用され酸化物として鋼中に含まれる。しかし、Ａｌ酸化物は疲労破壊の起点となる可能性があるため、Ａｌ元素の含有量は０．０４０質量％以下とされる。Ａｌ元素の含有量の上限値としては、０．０３５質量％が好ましく、０．０３０質量％がより好ましい。但し、Ａｌ元素の含有量の下限値は０質量ｐｐｍ超とされる。
【００３８】
（Ｔｉ（チタン）元素の含有量）
Ｂ元素はＮ元素と結合して窒化物を形成すると、Ｂ元素を添加することによる効果が得られない。そこで、Ｂ元素よりもＮ元素と結合しやすいＴｉ元素を添加することで、Ｂ元素を有効に作用させることができる。このような効果を得るには、Ｔｉ元素が０．０４％は必要である。Ｔｉ元素の下限値としては、０．０５質量％が好ましく、０．０６質量％がより好ましい。一方、粗大なＴｉ窒化物は疲労破壊の起点となるので、粗大なＴｉ窒化物の形成を回避するためにＴｉ元素の含有量を０．１５質量％以下とする。Ｔｉ元素の含有量の上限値としては、０．１２質量％が好ましく、０．１０質量％がより好ましく、０．０７質量％がさらに好ましい。
【００３９】
（Ｂ（ホウ素）元素の含有量）
Ｂ元素は焼入れ性向上のために添加する。当該高強度鋼では、焼入れ性が不足すると残留オーステナイトが得られない。そのため、当該高強度鋼では、焼入れ性確保のためにＢ元素を０．０００５質量％以上添加する。Ｂ元素の含有量の下限値としては、０．００１０質量％が好ましく、０．００１５質量％がより好ましい。一方、過剰なＢ元素の添加は粗大な炭ホウ化物を形成し、疲労特性を劣化させる。そのため、Ｂ元素の含有量の上限値は０．００３０質量％とする。Ｂ元素の含有量の下限値としては０．００２５質量％が好ましく、０．００２０質量％がより好ましい。
【００４０】
（Ｎ（窒素）元素の含有量）
Ｎ元素は、Ｂ元素やＴｉ元素等と窒化物を形成する。Ｎ元素がＢ元素と窒化物を形成すると焼入れ性が低下し、Ｔｉ元素と粗大な窒化物を形成すると疲労特性が劣化する。よって、当該高強度鋼におけるＮ元素の含有量の上限値は０．００４０質量％とされ、好ましくは０．００３０質量％、より好ましくは０．００２５質量％とされる。但し、Ｎ元素の含有量の下限値は０質量ｐｐｍ超とされる。
【００４１】
（Ｏ（酸素）元素の含有量）
Ｏ元素は、酸化物として不可避的に存在するが、粗大酸化物や過剰量の酸化物は疲労特性を劣化させるため制御が必要である。当該高強度鋼では、Ｏ元素の含有量を０．００１５質量％以下とすることで、疲労特性の劣化を回避する。当該高強度鋼におけるＯ元素の含有量の上限値としては、０．００１２質量％が好ましく、０．００１０質量％がより好ましく、０．０００７質量％がさらに好ましい。但し、Ｏ元素の含有量の下限値は０質量ｐｐｍ超とされる。
【００４２】
（残部）
以上が本発明で規定する含有元素であって、残部は鉄及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるＳｎ、Ａｓ、Ｐｂ等が挙げられるが、これらの元素に限定されるものではない。
【００４３】
＜高強度鋼の製造方法＞
本発明の高強度鋼は、上記化学成分量を満たす鋼材を鍛造工程及び冷却工程を含む製造プロセスによって得ることができる。この製造プロセスは、例えば予備熱処理工程、仕上げ鍛造工程、冷却工程及び焼戻し工程を含む非調質プロセスである。この非調質プロセスでは焼入れ工程が省略されるため、省エネルギ及び低コスト化を実現できる。
【００４４】
（予備熱処理工程）
予備熱処理工程は鋼中から水素を低減する工程である。この予備熱処理工程は、鋼を６００℃以上８００℃以下で加熱した状態で、０．５時間以上３時間以下保持するにより水素を低減することができる。水素低減には予備処理は０．５時間以上必要である。予備処理が長時間なほど水素が低減されるが、脱炭や生産性の問題があるため、上限を設けるのであれば３時間とする。
【００４５】
（仕上げ鍛造工程）
仕上げ鍛造工程は、鋼材を１２００℃以上１３００℃以下で加熱した後、鍛造を行う熱間鍛造として行われる。鍛造温度は、旧オーステナイト粒径への影響を通じて焼入れ性（変態の冷却速度依存性）に影響を与えることから８００℃以上９００℃以下が好ましい。
【００４６】
（冷却工程）
冷却工程は、仕上げ鍛造後の鋼材を冷却することによりベイナイト組織とすると共に、残留オーステナイトの生成を制御するために行う。この冷却工程は、例えば冷却速度を１０℃／ｓ以上８０℃／ｓ以下として１７５℃以上２７５℃以下まで急冷した後、この温度で２５０秒以上７５０秒以下の間、等温保持することで行われる。このように急冷後に等温保持することで、ベイナイト変態が進行すると共に、旧オーステナイト粒径を３４μｍ以下、残留オーステナイト量を３．０体積％以上３．８体積％以下、残留オーステナイト中のＣ量を０．３５質量％以上０．８質量％以下に制御することができる。なお、等温保持時間が短すぎたり、保持温度が３００℃以上の場合、ベイナイト変態が完了せず、残留オーステナイト量が減少し、残留オーステナイト中のＣ量も少なくなりやすい。一方、等温保持温度は高いほど残留オーステナイト量は増える傾向にある。また、残留オーステナイト中のＣ量は、等温保持時間を十分に確保すれば、低温の方が高い傾向にあるが、限られた時間の場合は高温の方が高い場合もある。さらに、冷却速度が遅い場合、高温でフェライト・パーライト変態が生じてしまい、残留オーステナイトは得られない。変態の冷却速度依存性、いわゆる焼入れ性は、上述のとおり旧オーステナイト粒径に影響を受け、成分組成にも影響を受ける。そのため、当該高強度鋼のような残留オーステナイトを生成するためには、冷却速度、等温保持温度及び等温保持時間としては、それぞれ上述のように１０℃／ｓ以上８０℃／ｓ以下、１７５℃以上２７５℃以下、及び２５０秒以上７５０秒以下が好ましい。冷却速度の下限値としては２０℃／ｓがより好ましく、３０℃／ｓがさらに好ましい。一方、冷却速度の上限値としては７５℃／ｓがより好ましく、７０℃／ｓがさらに好ましい。また、等温保持温度の下限値としては１９０℃がより好ましく、２００℃がさらに好ましい。一方、等温保持温度の上限値としては２６０℃がより好ましく、２５０℃がさらに好ましい。等温保持時間の下限値としては、２７５秒がより好ましく、３００秒がさらに好ましい。一方、等温保持時間としては６５０秒がより好ましく、６００秒がさらに好ましい。
【００４７】
（焼戻し工程）
焼戻し工程は、靭性強化のために行われる。仕上げ鍛造工程により、旧オーステナイト粒径及び残留オーステナイトを制御したマルテンサイトが得られるが、仕上げ鍛造工程のみでは靭性が乏しい。そのため、焼戻し工程を行うことで、仕上げ鍛造工程では不十分な靭性を強化することができる。但し、４５０℃以上で焼戻しを行うと、残留オーステナイト量が低減するため、４００℃以下での焼戻しを行うことで、残留オーステナイトの分解を抑制しつつ、残留オーステナイト中のＣ量を濃化し靭性を向上させることができる。また、焼戻し時間は、例えば３００秒以上１０００秒以下とされる。
【実施例】
【００４８】
次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４９】
＜試験片＞
下記表１に示す化学成分組成の直径が１４ｃｍの丸棒を表２に示すプロセスにより高強度化し丸棒試験片（１４Ａ号試験片）を作成した。各丸棒試験片については以下の評価を行った。
【００５０】
【表１】
2017214634.tif 000002
【００５１】
【表２】
2017214634.tif 000003
【００５２】
［評価方法］
下記手順に従い、旧オーステナイト粒径、鋼中の残留オーステナイト量、残留オーステナイト中のＣ量、鋼中の水素含有量、引張強度及び疲労特性を評価した。評価結果は表３に示した。
【００５３】
＜旧オーステナイト粒径＞
旧オーステナイト粒径の測定に当たっては、まず鏡面研磨した後にピクリン酸水溶液でエッチングして旧ガンマ粒界を現出させた試験片の断面を、光学顕微鏡にて４００倍の倍率で撮影した。この写真に２２０μｍに相当する長さの直線を１視野当たり５本引き、これらの線で切断される旧オーステナイト粒の切断長さを求め、１０視野の平均値を旧オーステナイト粒径として算出した。
【００５４】
＜残留オーステナイト量の測定＞
残留オーステナイト量は、鏡面研磨した丸棒鋼の直径の１／４の位置について、微小ＸＲＤ（微小Ｘ線回折分析）により分析した結果に基づきリートベルト法により算出した。
【００５５】
＜残留オーステナイト中のＣ量の測定＞
残留オーステナイト量は、鏡面研磨した丸棒鋼の直径の１／４の位置について、微小ＸＲＤ（微小Ｘ線回折分析）によりオーステナイトの格子定数ａ０を求め、下記式により算出した。
Ｃ量＝（ａ０−３．５７２）／０．０３３
【００５６】
＜水素含有量の測定＞
水素含有量は、鋼中水素量は下記の通り測定した。まず、鋼材から小片サンプルを採取し、大気圧イオン化質量分析計（ＡＰＩ−ＭＳ）を用いて、アルゴン流中（１ａｔｍ（１０００ｍｌ／ｍｉｎ））にてサンプルを室温から７２０℃まで１２℃／ｍｉｎで加熱し、放出される水素量の積算値を測定した。
【００５７】
＜引張強度＞
引張強度（ＴＳ）は、丸棒試験片を用いて、ＪＩＳ−Ｚ２２４１：２０１１に準じて常温にて測定した。ひずみ速度は１×１０−３ｓ−１とした。
【００５８】
＜疲労特性＞
疲労特性は、疲労限（σｗ）を引張強度（ＴＳ）で除することで算出した。疲労限（σｗ）は、山本金属製作所製の４連式回転曲げ疲労試験機を用いて疲労試験を実施することで測定した。具体的には、鋼材から図１に示すテーパー型試験片を切削加工し、テーパー部を＃１８０〜２０００までのエメリー紙で研磨した後、更に１〜１５μｍのダイヤモンドペーストを用いて研磨し、鏡面に仕上げた。サイクル数１０７回を上限としてこの試験片に対し回転曲げ疲労試験を行い、この時の応力で疲労限（σｗ）を評価した。
【００５９】
【表３】
2017214634.tif 000004
【００６０】
＜評価結果の考察＞
表３より、実施例１〜１５の試験片は、所定の化学組成を有し、旧オーステナイト粒径が３４μｍ以下、残留オーステナイト量が３．０体積％以上３．８体積％以下、残留オーステナイト中のＣ量が０．３５質量％以上０．８質量％以下、水素含有量が０質量ｐｐｍ超０．５質量ｐｐｍ以下であることで、引張強度が１４００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下という高強度を有すると共に、疲労限度比（σｗ／ＴＳ）が０．６５以上であるという優れた疲労特性を発揮することが確認できた。
【００６１】
これに対し、本発明で規定する組成を満たさない比較例１、４〜６、８〜１０、１９〜２６及び２９〜３２（鋼種Ｎｏ．Ｂ１〜Ｂ２２）は、疲労限度比σｗ／ＴＳが０．６５未満であり、要求される疲労特性を満たすものではなかった。また、比較例７及び１１は、疲労強度が１４００ＭＰ未満、疲労限σｗが９５０ＭＰａ未満であり、疲労特性を満たすものではなかった。
【００６２】
また、実施例１〜１５と同様に本発明で規定する組成を満たす比較例２、３、１２〜１８、２７及び２８は、疲労強度ＴＳに優れるものの、旧オーステナイト粒径、残留オーステナイト量及び残留オーステナイト中のＣ量のうちの少なくとも１つを満たさないばかりか、要求される疲労特性を満たすものではなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、本発明の高強度鋼は、高強度を有すると共に疲労特性に優れる。従って、本発明の高強度鋼は、自動車のエンジンや足回り部品等の繰り返し荷重を受ける部品に好適に用いることができと共に自動車等の輸送機器の軽量化、小型化、高サイクル化等に寄与できる。
【図１】
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