(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分として、主成分としてのＦｅと、不可避的不純物とともに、
Ｓｉ：０．８０ｍａｓｓ％以下
Ｍｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％
Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下
Ｃ：セメンタイトを含む炭化物の体積率が２０％以下となるｍａｓｓ％
を含有し、０．０４〜０．２ｍａｓｓ％のＰを含む鋼材を４００℃以上Ａｃ３点以下の温度域で温間溝ロール圧延することにより、Ｃ断面全面が、２μｍ以下の粒径のフェライト粒またはこのフェライト粒と炭化物とから形成される金属組織を有し、延性−脆性遷移温度が２２０Ｋ（−５３℃）以下であることを特徴とする高強度・高靱性低炭素鋼棒材。
【請求項２】
２３０Ｋ（−４３℃）以上におけるupper-shelf energyが２５０Ｊ以上であることを特徴とする請求項１に記載の高強度・高靱性低炭素鋼棒材。
【請求項３】
室温における降伏点が５００ＭＰａ以上で、強度が５５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度・高靱性低炭素鋼棒材。
【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、高強度・高靱性低炭素鋼棒材に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、Ｐ（リン）を化学成分として含む低炭素鋼から形成され、高強度・高靱性である新しい高強度・高靱性低炭素鋼棒材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、低炭素鋼においては、Ｐ（リン）は低温靱性に悪影響を及ぼすことから精錬プロセスでのＰ（リン）の除去には多大な精力が費やされてきた。そしてこのＰの存在が許容されないことは、従来の精錬工程を簡略化することを難しくしており、鋼材の再利用においても支障となっていた。
【０００３】
実際に、たとえば０．１ｍａｓｓ％のＰが含有されている場合には、延性／脆性遷移温度が４０Ｋも増加することになる。このように炭素鋼においてはＰによる脆化の問題があり、従来では、依然としてＰは除去すべきものとして精錬工程の大きな負担要因となっていた。
一方、この出願の発明者らは、高強度鋼の開発を目的としてフェライト粒を微細化することを検討してきた。この過程において、フェライト粒径が微細になると遷移温度が大幅に低下することから、Ｐの存在による脆化の問題は結晶粒の微細化により克服されるのではないかと考えた。また、仮に鋼材中のＰ量の増加が許容できれば、Ｐ混入に対処するための精錬工程を簡略化し、Ｐの固溶強化能を利用したエコマテリアル開発に繋がるはずである。また、Ｐはドラッグ効果で粒成長速度を低下させ、加工硬化γからの相変態によるフェライト粒微細化に有効であることが予想される。以上の観点から、微細フェライト粒組織を対象としたＰ添加による組織創製プロセス条件緩和および変態組織の強度上昇の可能性が考えられるのである。
【０００４】
しかし、フェライト粒の微細化とこのＰの存在とをどのように制御するかは技術的に未踏の課題であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの課題を解決するために、第１に、化学成分として、主成分としてのＦｅと、不可避的不純物とともに、
Ｓｉ：０．８０ｍａｓｓ％以下
Ｍｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％
Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下
Ｃ：セメンタイトを含む炭化物の体積率が２０％以下となるｍａｓｓ％
を含有し、０．０４〜０．２ｍａｓｓ％のＰを含む鋼材を４００℃以上Ａｃ３点以下の温度域で温間溝ロール圧延することにより、Ｃ断面全面が、２μｍ以下の粒径のフェライト粒またはこのフェライト粒と炭化物とから形成される金属組織を有し、延性−脆性遷移温度が２２０Ｋ（−５３℃）以下であることを特徴としている。第２に、上記第１の特徴において、２３０Ｋ（−４３℃）以上におけるupper-shelf energyが２５０Ｊ以上であることを特徴としている。第３に、上記第１または２の特徴において、室温における降伏点が５００ＭＰａ以上で、強度が５５０ＭＰａ以上であることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、以上の通りの特徴を有するものであるが、発明者によって、Ｐ添加と溝ロール圧延による温間加工を用いることにより、低炭素鋼の細粒化を達成し、それにともない強度および靱性を増大させることができることが見出され、この知見に基づいて完成されている。
【０００７】
たとえば具体的には、この出願の発明においては、Ｐ添加効果と超微細化効果との相乗性として、
Ｐ添加による脆化を大幅に克服し、
Ｐ添加による固溶強化能を有効に発揮（たとえば降伏点で５１０ＭＰａ、強度で３１０ＭＰａ上昇）している。
【０００８】
この出願の発明の高強度・高靱性低炭素鋼棒材は、Ｐを０．０４〜０．２ｍａｓｓ％含む鋼材を素材としている。
ここで、Ｐ量は以下の理由で規定している。通常、０．１ｍａａ％当たりのＰ添加により延性−脆性遷移温度が４０Ｋ増加するが、フェライト粒径が微細になると、遷移温度は大幅に低下するため、Ｐによる脆化の問題が結晶粒の微細化により克服される。ただ、ｖＴｒｓ＜−２０℃の一般的な構造材の要件を考慮した場合、Ｐ量の上限を０．２ｍａｓｓ％とするのが適当である。また、強度はＰ量の増加とともに上昇するため、有効な上昇効果を考慮し、０．０４ｍａｓｓ％を適当な下限としている。
【０００９】
上記鋼材に温間溝ロール圧延を行うことにより高強度・高靱性低炭素鋼棒材が実現される。図１は、溝ロール圧延を多パスで行う場合を模式的に例示している。鋼材を順次、細径ロールへ挿入し、減面する。多パス溝ロール圧延は、多方向から鋼材に圧力が加わることに大きな特長を有する。
【００１０】
鋼材を４００℃以上Ａｃ３点以下の温度のフェライト領域で温間溝ロール圧延することにより、Ｃ断面全面が２μｍ以下の微細等軸フェライト粒組織となる棒材が得られる。たとえば、温間加工により２μｍ以下のフェライト粒を得るために、２μｍ以下の間隔で局所的に結晶格子を回転させ、それぞれの領域を別々の結晶方位を有するフェライト粒とする。
【００１１】
溝ロール圧延により棒材を製造する利点は、溝ロールが径の異なる多段谷状（たとえば面角度９０°）ロールから成っており、１回のパスにおいて多軸加工が付加されることに加え、連続パスにおいて材料をたとえば９０°回転させ挿入することにより多軸効果を更に高め、局所的格子回転が起こりやすくなり組織微細化の工程が容易かつ簡略化されることである。
【００１２】
多パス加工におけるワンパス当たりの減面率は５〜１５％とするのが適当である。その理由としては、これを超える強圧下では発熱が大であり、また、これ未満では導入した転位が回復し、再結晶による組織の細粒化が図れないからである。
溝ロール圧延の温度を４００℃以上Ａｃ３点以下とする理由は、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るために、単に加工フェライト組織となり、等軸化しないためである。また、Ａｃ３点を超えると、結晶粒の成長速度が速いために粗大化が進行するためである。
【００１３】
なお、加工処理後の冷却方法は制限されない。
もちろん、温間溝ロール圧延では、図１に示したような上ロールと下ロールとによって四角形の溝穴が形成されるものに限られることはない。上ロールと下ロールとによって円形、楕円形などの湾曲状の溝穴が形成されるものとしたり、下ロールを平板状とし、下ロールと上ロールとによって三角形の溝穴が形成されるものとしたりすることができる。
【００１４】
鋼材の化学成分については、Ｆｅ（鉄）を主成分とし、不可避的不純物を含有するものであり、Ｃ量については、セメンタイトを含む炭化物の体積率で規定する。炭化物量０ｖｏｌ％から２０ｖｏｌ％の範囲とする。炭化物が２０ｖｏｌ％を超えると、靱性が著しく劣化することによる。
【００１５】
なお、Ｃ量は、炭化物の体積％との間に、一般的に、Ｃ＝０．０７Ｖ（ここで、Ｃは炭素のｍａｓｓ％、Ｖは炭化物の体積％を示す）の関係があることが考慮される。
その他の成分は、Ｓｉ：０．８０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．１０ｍａｓｓ％以下である。
【００１６】
Ｓｉ、Ｍｎは強度の点において好ましい元素であるが、Ｃｅｑを増大させることから、Ｓｉについては０．８０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎについては０．０５〜３．０ｍａｓｓ％とする。Ａｌは脱酸材としての混入があるが、量が多いと非金属介在物としてのアルミナの体積が増え、脆性の原因となるため、０．１０ｍａｓｓ％以下とする。
【００１７】
通常、０．１ｍａｓｓ％当たりのＰ添加により延性−脆性遷移温度は４０Ｋ上昇するが、フェライト粒径が微細になると遷移温度は大幅に低下するため、Ｐによる脆化の問題が結晶粒の微細化により克服される。また、Ｐは安価であり、固溶強化能に優れ、Ｃｅｑを高めない。加えて、鋼材中の含有が許容されれば、精錬工程を簡略化することができ、エコマテリアルとしての開発に繋がる。さらに、Ｐは積層欠陥エネルギーを下げ、焼鈍双晶密度を増加させることおよび相界面に偏析してドラッグ効果で成長速度を低下させることにより、加工硬化γからの相変態によるフェライト粒の微細化に有効である。
【００１８】
そして、この出願の発明の高強度・高靱性低炭素鋼棒材は、以下の通りの顕著な特性を有する。
（I）延性−脆性遷移温度が２２０Ｋ（−５３℃）以下である。つまり、延性−靱性遷移温度が２２０Ｋを超えるとき、靱性が高くなり、２２０Ｋ以下で脆性破壊が起きるのであり、２２０Ｋを超える温度で棒材の使用が可能となる。通常、延性−脆性遷移温度が−２０℃以下であれば、構造材としての使用が可能であると考えられていることから、この出願の発明の高強度・高靱性低炭素鋼棒材は、上記要件を満たしている。
【００１９】
（II）２３０Ｋ（−４３℃）以上におけるupper-shelf energyが２５０Ｊ以上である。具体的には、ＪＩＳ４号Ｖ−notch試験片による室温〜７８Ｋまでの温度域でのシャルピー衝撃試験によるupper-shelf energyが２５０Ｊ以上である。
（III）室温における降伏点が５００ＭＰａ以上で、強度が５５０ＭＰａ以上である。具体的には、３．５ｍｍ径、２５ｍｍゲージ長さの丸棒の歪み速度０．５ｍｍ／ｍｉｎでの室温引張試験による降伏点が５００ＭＰａ以上で、強度が５５０ＭＰａ以上である。
【００２０】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。
【００２１】
【実施例】
（１）供試材は、Ｆｅ−０．１５Ｃ−０．３Ｓｉ−１．５Ｍｎの組成に０．１ｍａｓｓ％、０．０２ｍａｓｓ％、０ｍａｓｓ％（比較材）のＰを添加した３種類とした。Ｃ（炭素）は、上記のように、０．１５ｍａｓｓ％としているが、この役割は、炭化物２．１体積％に相当し、ほぼ実測値と同じである。これら３種類について、各々を高周波溶解、熱延（１５２３Ｋに加熱後、２３％圧下）したものを３組用意した。このうちの２組については、さらに９２３Ｋで溝ロールによりステップ毎に加工し、１組は８５％に、もう１組は９０％までの減面加工を施した後、直ちに水焼入れを行った。
【００２２】
０．１ｍａｓｓ％Ｐ添加材で溝ロール加工を行ったものが発明材である。０．１ｍａｓｓ％Ｐで熱延を行ったもの、０．０２ｍａｓｓ％Ｐおよび０ｍａｓｓ％Ｐ添加材で熱延または溝ロール加工を行ったものは比較材とする。
溝ロール加工は、図１の装置による多パス加工とした。
（２）得られた発明材と比較材についてその組織を観察し、また、特性を試験評価した。
【００２３】
試験は、平行部３．５ｍｍφ、２５ｍｍゲージ長さの丸棒とし、伸び計を用いた歪み速度０．５ｍｍ／ｍｉｎでの室温引張試験およびＪＩＳ４号Ｖ−notch試験片を用いた室温〜７８Ｋまでの温度域でのシャルピー衝撃試験とした。
図２は、減面率８５％で溝ロール加工（Warm. Rolled）により超微細化した試料（一辺１２ｍｍ角柱）のＣ断面を例示したＳＥＭ写真である。
【００２４】
０．１％Ｐを含有する発明材においては、Ｃ断面に、平均粒径１μｍ以下の均一なフェライト等軸微細粒の組織が得られていることがわかる。
また、図３は、減面率８５％で溝ロール加工(Warm. Rolled)により超微細化した上記試料と、圧延材(Hot-Rolled)との対比として引張試験の結果を示したものである。
【００２５】
溝ロール加工した場合と圧延材との比較として明らかな超微細化の効果により、０．１％Ｐ添加の発明材は、降伏点で３００ＭＰａ、強度で２００ＭＰａの上昇が認められる。また、Ｐの添加効果として、同じく溝ロール加工した０％Ｐのものに比べて降伏点についてはさらに９０ＭＰａの上昇が、強度ではさらに９５ＭＰａの上昇が認められる。しかも均一伸びが維持されている。超微細粒域においてもＰ添加による強化が粗大粒域とほぼ同等のレベルで確認されたことにより、Ｐ添加が１μｍ以下の超微細領域においても固溶強化能を有効に発揮することを検証することができた。
【００２６】
これにより、発明材（０．１％Ｐ添加、溝ロール加工）の場合には、降伏点として６１０ＭＰａ、強度として６９５ＭＰａの特性を有するＰ添加の高強度・高靱性低炭素鋼棒材が得られていることがわかる。
図４は、減面率９０％で溝ロール加工した試料について圧延材との対比として引張試験の結果を示したものである。
【００２７】
０．１％Ｐ添加の発明材は、超微細化の効果により降伏点で４３０ＭＰａ、強度で２３０ＭＰａ上昇し、Ｐの添加効果として、降伏点についてさらに１３０ＭＰａ、強度についてさらに１１０ＭＰａ上昇していることがわかる。しかも均一伸びが維持されている。
０．１％Ｐ添加で溝ロール加工した減面率９０％の高強度・高靱性低炭素鋼棒材として、降伏点７５０ＭＰａ、強度７８０ＭＰａの特性を有していることがわかる。
（３）Ｐ添加による問題点である脆性の克服については、図５の減面率８５％の場合のものに示されるように、粗大粒で見られるＰ添加による著しい脆性が超微細化により、延性−脆性遷移温度を低温側に大幅に（５０Ｋ以上）シフトさせることで克服することができることが確認された、特に超微細粒になると、０．１％Ｐの添加によってもupper-shelf energyが２７０Ｊに保持され、実用材としても十分な靱性が確保されることが注目される。
【００２８】
【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って、フェライト結晶粒径の超微細化により、Ｐの短所である脆性化が大幅に克服され、長所である固溶強化能が有効に発揮される。Ｐ含有鋼材のリサイクル性を有効利用したエコマテリアルとしての開発の可能性が示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  溝ロール加工のための装置の要部を例示した正面概要図である。
【図２】  Ｃ断面の組織を例示したＳＥＭ写真である。
【図３】  減面率８５％の溝ロール加工材と圧延材とについて引張試験の結果を示した図である。
【図４】  減面率４０％の溝ロール加工材について引張試験の結果を示した図である。
【図５】  シャルピー衝撃試験の結果を示した図である。
【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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