(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が質量％でＣ：０．０１−０．２％，Ｓｉ：０．０２−１．０％，Ｍｎ：０．２−２．０％、Ａｌ：０．００１−０．１％，Ｎ：０．００１−０．１％，Ｐ＜０．２％，Ｓ＜０．００１％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる平均粒径が１０μｍ以下のフェライトとオーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種からなる組織を有する鋼を、加工開始温度が７００℃以下４００℃以上であって、加工仕上温度が６００℃以下４００℃以上の温度範囲で、ひずみ０．７以上の加工を行うことを特徴とする超微細組織鋼の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超微細組織鋼の製造方法において、鋼をＡｃ３点以上に加熱してオーステナイト化した後、Ａｅ３点以下の準安定オーステナイト域で加工を与え、平均粒径で１０μｍ以下のフェライト粒と残部がオーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種からなる状態を形成させることを特徴とする超微細組織鋼の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超微細組織鋼の製造方法において、平均粒径で１０μｍ以下のフェライト粒の体積率が７０％以上で、残部がオーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種からなる状態を形成させることを特徴とする超微細組織鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超微細組織鋼の製造方法により得られた超微細組織鋼で、フェライトの平均粒径が１．５μｍ以下で、第２相としてセメンタイト、パーライト、マルテンサイト、オーステナイトの少なくとも１種を含み、引張強さが６５０ＭＰａ以上であることを特徴とするフェライト粒主体鋼。
【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、超微細組織鋼の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高価な合金元素を必要とせず、平均粒径が１．５μｍ以下の超微細組織鋼の製造を可能とする新しい製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
フェライト粒の微細化は高価な合金元素の添加を必要とせず、また、延性脆性遷移温度も低下させることができるため、従来、理想的な高強度化手法であると考えられてきている。しかしながら、実際には、最も広く用いられている制御圧延・制御冷却法では５μｍがフェライト粒微細化の限界であった。
【０００３】
一方、近年、フェライトの割合が５０％以上の２相域で５０％以上の圧下を行うことにより、２−３μｍのフェライト粒組織を得る方法が提案されている（特開平８−６０２３９）。しかし、この方法では、０．１−０．１５％ＣのＳｉ−Ｍｎ鋼の引張強度は、フェライト粒径が２．６μｍの場合で５２０ＭＰａ程度で、微細化による高強度化が期待されたほどではない。
【０００４】
さらに、粒子径が０．１−１μｍの酸化物粒子を０．０２−０．５個／μｍ2 の密度で分散させた鋼をオーステナイト域で累積圧下率１０−７０％の圧延を行い冷却後、フェライトの割合が５０−９０％の状態から累積圧下率３０−９０％の圧延を行うことによってフェライト粒径が１．４−２．２μｍの微細組織を得る方法が提案されている（特開平９−２０２９１９）。しかし、この方法では、０．０２−０．５個／μｍ2 という多くの酸化物を分散させる必要がある。さらに、０．１３Ｃ−０．２８Ｓｉ−１．３６Ｍｎ鋼（Ａｌ酸化物分散数０．０６個／μｍ2 ）で、平均フェライト粒径を１．９μｍとなった場合でも、引張強度は４４８ＭＰａであった。
【０００５】
この出願の発明者らも、Ａｒ３点以上の温度で５０％以上の圧縮加工を加えることにより、平均粒径が３μｍ以下で方位差角１５°以上の大角粒界に囲まれた超微細組織鋼の製造方法を発明した（特開平１１−９２８６１）。だが、この方法の場合には、１パス加工が検討されているため、より工業的に広く展開してゆくには、多パス化してゆく方法が求められてきた。
【０００６】
また、この出願の発明者らは、マルテンサイト組織鋼をフェライト域に再加熱し、温間加工再結晶させて、フェライト平均粒径２．５μｍ以下の超微細フェライト主体鋼を発明した（特開平１１−９２８６０）。しかし、この方法は出発組織をマルテンサイトとすることや、再加熱工程が必要であることから、より平易な製造方法が求められている。
【０００７】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの経緯を踏まえ、より工業的に実際化しやすく、平易なプロセスとして実現可能であって、しかも従来よりもはるかに微細組織化することが可能な、新しい超微細組織鋼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、化学組成が質量％でＣ：０．０１−０．２％，Ｓｉ：０．０２−１．０％，Ｍｎ：０．２−２．０％、Ａｌ：０．００１−０．１％，Ｎ：０．００１−０．１％，Ｐ＜０．２％，Ｓ＜０．００１％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる平均粒径が１０μｍ以下のフェライトとオーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種からなる組織を有する鋼を、加工開始温度が７００℃以下４００℃以上であって、加工仕上温度が６００℃以下４００℃以上の温度範囲で、ひずみ０．７以上の加工を行うことを特徴とする超微細組織鋼の製造方法を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、第２には、上記第１の超微細組織鋼の製造方法において、鋼をＡｃ３点以上に加熱してオーステナイト化した後、Ａｅ３点以下の準安定オーステナイト域で加工を与え、平均粒径で１０μｍ以下のフェライト粒と残部がオーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種からなる状態を形成させることを特徴とする超微細組織鋼の製造方法を提供し、第３には、上記第１または第２の超微細組織鋼の製造方法において、平均粒径で１０μｍ以下のフェライト粒の体積率が７０％以上で、残部がオーステナイト、パーライト、セメンタイト、マルテンサイトの少なくとも１種からなる状態を形成させることを特徴とする超微細組織鋼の製造方法を提供する。
さらにこの出願の発明は、第４として、上記第１ないし第３いずれか一つの超微細組織鋼の製造方法により得られた超微細組織鋼で、フェライトの平均粒径が１．５μｍ以下で、第２相としてセメンタイト、パーライト、マルテンサイト、オーステナイトの少なくとも１種を含み、引張強さが６５０ＭＰａ以上であることを特徴とするフェライト粒主体鋼を提供する。
【００１２】
以上のとおりのこの出願の発明は、発明者らによる次のような検討と知見に基づいている。
すなわちまず、発明者らは、添付の図１に示すように、強度とフェライト粒径の関係を見出している(CAMP-ISIJ, Vol.12(1999) 365) 。ＳＭ４９０鋼の場合、フェライト粒径３．０μｍではビッカース硬さで１９０であり、２．０μｍでは１９５であった。フェライト粒径１．５μｍでは２１０であるが、１．５μｍ以下になると硬さは大きく上昇し、フェライト粒径１．０μｍでは、２３０となる。したがって、微細化によって効果的に高強度（ビッカース硬さで２１０以上、６５０ＭＰａの引張強度に相当）を得るには、フェライト粒径は１．５μｍ以下とすべきことがわかった。
【００１３】
なお、引張強度（ＭＰａ）はビッカース硬さの３．０−３．３倍である。
発明者らの先の提案（特開平１１−９２８６１）は相変態により、微細フェライトを形成せしめる方法であり、また、別の提案（特開平１１−９２８６０）は再結晶により微細フェライトを形成せしめる方法であることを特徴としている。これら提案のさらなる検討で、発明者らは、相変態においても、再結晶においても、生成するフェライト粒径は、加工前の粒径に大きく影響され、単純には式▲１▼で表することができることを明らかにした。
【００１４】
【数１】
0004164589.tif 000002
【００１５】
ここで、Ｄ0 （μｍ）は加工前のオーステナイト粒径またはフェライト粒径で、Ｄは加工後の相変態または再結晶して得られるフェライトの粒径で、εはひずみであり、符号は正である。加工前の粒径をできる限り微細にすることが、最終的に微細なフェライト粒組織を得るためには重要であり、また、加工量の軽減につながるのである。
【００１６】
そこで、この出願の発明者は、加工前のフェライト粒径を微細にする方法として、オーステナイトの加工＋変態を用い、微細なフェライト粒をさらに微細化する方法として、フェライトの加工＋再結晶を利用し、両者を組み合わせるという方法を特徴としたこの出願の上記のとおりの発明を完成した。
【００１７】
【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。
【００１８】
この出願の発明の超微細組織鋼の製造方法を具体的に説明すると、代表的には、「オーステナイト→（加工＋変態）→微細フェライト粒＜１０μｍ＋オーステナイトｏｒパーライト→（加工＋再結晶）→微細フェライト粒＜１．５μｍ＋パーライトｏｒセメンタイト」のプロセスとなる。ここで、重要な点は変態生成するフェライト粒の大きさで、１０μｍ以下、望ましくは５μｍ以下とすることである。１０μｍ以下のフェライト粒径を変態生成させるためには、２０μｍ程度の小さなオーステナイト粒を加速冷却することによっても得られるが、先の発明者らの提案（特開平１１−９２８６１）でも示したように、準安定（過冷）オーステナイトを強加工することがより微細なフェライト粒径を得るために優れた方法であり、５μｍ以下のフェライト粒径を得ることができる。残部はオーステナイトでも、パーライト、セメンタイト、マルテンサイトのいずれか１種または２種以上でもよい。このような微細フェライト粒を再結晶温度域で加工することによって微細なフェライトが得られる。ここで再結晶温度域とは、加工開始温度が７００℃以下４００℃以上であって、加工仕上温度が６５０℃以下４００℃以上の温度範囲をさす。加工温度が４００℃未満となると、すべてのフェライト粒が再結晶せず、伸長粒が見られるようになる。さらに、加工仕上温度が６５０℃を超えると、微細なフェライト粒は得られない。加工量としては、フェライトを再結晶により微細化するためには、加工温度に依存するが、ひずみεが０．７以上は必要である。また、加工は多パスで与えてもよい。
【００２０】
この出願の発明によって、平均粒径１．５μｍ以下の微細組織鋼が製造可能であり、たとえば、引張り強度で６５０ＭＰａ以上の鋼が得られることになる。
【００２１】
【実施例】
そこで以下に、この発明の実施例を示し、さらに詳しく実施の形態について説明する。
【００２２】
なお、全実施例および参考例においてフェライト粒径は直線切断法によって測定した。ビッカース硬さの測定荷重は４．９Ｎであった。
参考例
表１の鋼種１の成分を有する板（板厚１２ｍｍ）を９００℃に６０ｓ加熱を行い、完全にオーステナイト化した。オーステナイト粒径は１７μｍであった。６５０℃まで１０Ｋ／ｓで冷却し、平均粒径８μｍのフェライト＋オーステナイト＋パーライト組織にした。フェライトの体積率は７０％であった。直ちに試験片中心部に圧縮ひずみε＝２．３、ひずみ速度１０／ｓの加工を与え、直ちに１０Ｋ／ｓで冷却を行った。得られた組織はフェライト＋セメンタイト組織であり、試験片中心部の平均フェライト粒径は０．８μｍであった（図２）。ビッカース硬さは２４１であった。
実施例１
表１の鋼種１の成分を有する板（板厚１２ｍｍ）を９００℃に６０ｓ加熱を行い、完全にオーステナイト化した。オーステナイト粒径は１７μｍであった。６００℃まで１０Ｋ／ｓで冷却し、平均粒径８μｍのフェライト＋パーライト組織にした。フェライトの体積率は７５％であった。直ちに試験片中心部に圧縮ひずみε＝２．３の加工を与え、直ちに１０Ｋ／ｓで冷却を行った。得られた組織はフェライト＋セメンタイト組織であり、試験片中心部の平均フェライト粒径は０．５μｍであった（図３）。ビッカース硬さは２８７であった。
実施例２
表１の鋼種１の成分を有する棒鋼（φ１１５×Ｌ６００ｍｍ）を９００℃で完全にオーステナイト化した。オーステナイト粒径は３０μｍであった。この棒鋼を７５０℃まで冷却し、穴型圧延によりφ７９ｍｍ（減面率５３％）まで加工を与えた。この過程でオーステナイトの一部はフェライトに変態し、得られた平均フェライト粒径は１０μｍであり、残部はオーステナイトであった。この鋼を６００℃まで冷却し、組織をフェライト＋パーライト＋オーステナイトとした。フェライトの体積率は７５％であった。直ちに穴型圧延により２４ｍｍ角（減面率９１％，圧縮ひずみε＝２．４）まで多パス加工を行った。直ちに水冷した。仕上温度は６００℃であった。得られた組織はフェライト＋セメンタイト組織であり、平均フェライト粒径は１．０μｍであった（図４）。ビッカース硬さは２３２であった。
実施例３
表１の鋼種１の成分を有する板（Ｔ６０×Ｌ６０×Ｗ３０ｍｍ）を９００℃で完全にオーステナイト化した。オーステナイト粒径は２５μｍであった。この板を７５０℃まで冷却し、鍛造によりＴ６０→３０ｍｍとなるように圧縮加工を加えた。この結果、幅Ｗ＝約６０ｍｍとなったが、幅方向を圧縮加工としてふたたび、３０ｍｍとなるように圧縮加工した。この過程でオーステナイトの一部はフェライトに変態し、このときの平均フェライト粒径は３．５μｍであり、残部はオーステナイト（体積率５０％）であった。この鋼を７００℃まで冷却し、直ちにＴ１０ｍｍ（減面率６５％，圧縮ひずみε＝１．１）までロール圧延を行った。このときの仕上温度は６００℃であった。得られた組織はフェライト＋パーライト組織であり、平均フェライト粒径は１．３μｍであった（図５）であった。ビッカース硬さは２２０、引張強さは、６８０ＭＰａであった。
比較例１
表１の成分を有する板を１０５０℃で完全にオーステナイト化した。この板を８３０℃で圧延終了するように減面率５０％の粗圧延を行った。その後、直ちに０．４Ｋ／ｓで冷却し、フェライト平均粒径２０μｍのフェライト＋オーステナイト組織とした。板を引き続き７３０から７００℃で７３％の仕上げ圧延を行った。得られたフェライト粒径は２．７μｍであった。ビッカース硬さは１５６、引張強度は５１４ＭＰａであった。
比較例２
表１の成分を有する板を１０５０℃で完全にオーステナイト化した。この板を８３０℃で圧延終了するように減面率７３％の粗圧延を行った。その後、直ちに０．７Ｋ／ｓで冷却し、フェライト平均粒径１８μｍのフェライト＋オーステナイト組織とした。板を引き続き７１０から６８５℃で５０％の仕上げ圧延を行った。得られたフェライト粒径は２．６μｍであった。ビッカース硬さは１６０、引張強度は５３０ＭＰａであった。
【００２３】
【表１】
0004164589.tif 000003
【００２４】
【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、より工業的に実際化しやすく、平易なプロセスとして実現可能であって、しかも従来よりはるかに微細組織化することが可能な、新しい超微細組織鋼の製造方法が提供される。
【００２５】
平均粒径１．５μｍ以下の微細組織鋼が製造可能であり、たとえば、引張り強度で６５０ＭＰａ以下の鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  フェライト粒径とビッカース硬さの関係を示した図である。
【図２】  参考例の組織のＳＥＭ写真図である。
【図３】  実施例１の組織のＳＥＭ写真図である。
【図４】  実施例２の組織のＳＥＭ写真図である。
【図５】  実施例３の組織のＳＥＭ写真図である。
【図１】
0004164589.tif 000004
【図２】
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【図３】
0004164589.tif 000006
【図４】
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【図５】
0004164589.tif 000008