(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％にて、Ｃ：0.05〜0.3％、Ｍｎ：0.5〜3％およびＡｌ：0.01〜0.1％で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、Ａc3点以上の温度から1℃／s以上100℃／s未満の冷却速度にて冷却し、650℃以下低温変態相が析出を開始する温度までの温度範囲にて、加工開始時に対する加工終了時の断面積減少率が60％以上の加工を、１パスまたは１パス当たり30％以上の多パスにて施し、次いで650℃以上900℃以下の温度範囲に5℃／s以上の昇温速度で加熱した後、3℃／s以下の冷却速度にて冷却することを特徴とする微細粒フェライト組織を有する鋼材の製造方法。
【請求項２】
質量％にて、Ｃ：0.05〜0.3％、Ｍｎ：0.5〜3％およびＡｌ：0.01〜0.1％で、さらにＳｉ：0.01〜3％、Ｎｂ：0.005〜0.3％、Ｔｉ：0.005〜0.3％、Ｖ：0.01〜0.5％、Ｃｒ：0.05〜3％、Ｍｏ：0.05〜3％、Ｃｕ：0.05〜1％、Ｎｉ：0.05〜5％およびＢ：0.0003〜0.003％のいずれか一種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、Ａc3点以上の温度から1℃／s以上100℃／s未満の冷却速度にて冷却し、650℃以下低温変態相が析出を開始する温度までの温度範囲にて、加工開始時に対する加工終了時の断面積減少率が60％以上の加工を、１パスまたは１パス当たり30％以上の多パスにて施し、次いで650℃以上900℃以下の温度範囲に5℃／s以上の昇温速度で加熱した後、3℃／s以下の冷却速度にて冷却することを特徴とする微細粒フェライト組織を有する鋼材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の化学組成を有する鋼を、Ａc3点以上の温度から1℃／s以上100℃／s未満の冷却速度にて冷却し、650℃以下低温変態相が析出を開始する温度までの温度範囲にて、加工開始時に対する加工終了時の断面積減少率が60％以上の加工を、１パスまたは１パス当たり30％以上の多パスにて施し、次いで650℃以上900℃以下の温度範囲に5℃／s以上の昇温速度で加熱した後、その温度に10〜1000秒間保持し、その後冷却することを特徴とする微細粒フェライト組織を有する鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、多量の合金元素を含まないフェライト組織を主とする高靱性高強度鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の強化方法としては、従来、特定元素を固溶させる方法、冷間にて加工し加工歪みを与える方法、熱処理により強度の高い組織に変態させる方法、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＴｉＣ（炭化チタン）などの微細な粒子を析出させる方法、または結晶粒を細かくする方法などが知られている。これらの強化方法は、それぞれ利点と欠点とを併せ持ち、実用鋼ではこれらの強化方法を組み合わせて必要とする鋼の性能を得ている。
【０００３】
固溶による強化は、鋼の場合通常は多量の合金元素、例えばＳｉなどを含有させることにより得られる。この場合、十分に強度を得ようとすれば表面性状の変化や耐食性の劣化など、強度以外の面に添加元素の影響が強く現れるなどの難点があり、また、添加する合金元素は鋼より高価なものが多く、この効果により強度を上昇させようとすれば鋼は必然的に高価になって、安くて強度があるという鋼本来の特質が失われてしまう。
【０００４】
加工歪みを与える方法は、冷間加工などにより歪みを加えることにより硬くなる効果を利用するものであるが、強度上昇とともに延性が急激に低下し、靱性も大きく劣化して、材料が脆くなる難点があり、その上形状が限定される。
【０００５】
変態を利用する方法としては、一般にはＣが0.3％以上の鋼が用いられ、焼入れ−焼戻し処理がおこなわれる。焼入れは900℃前後の高温から水冷や油冷などにより急冷し、マルテンサイト相やベーナイト相などの準安定相を形成させる。これらの極めて硬度の高い相とするには、被処理鋼のサイズに基づき、その化学組成を十分に選定する必要があり、このような焼入れ−焼戻しの調質によってすぐれた性質の鋼を得ることができる。しかし、この熱処理のための余分の工程が必要であり、加熱炉や急冷装置が必要となる。そこで、近年は、熱間加工直後にその高温の状態のまま焼入れをおこなうなど、工程を短縮する手段が種々講じられている。
【０００６】
微細粒子の析出による硬化は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなど炭化物や窒化物を形成する元素を少量添加し、これらの元素が固溶状態になっている熱間で加工した後、冷却過程にて微細に析出させるものである。少量の添加元素で大きな硬化が得られる利点があるが、靱性が劣化する傾向があり、添加量を厳密に調整する必要がある。また、上記のような合金元素の添加が必要なことから、鋼材の価格も高くなる。
【０００７】
結晶粒を細かくすれば、一般に延性を低下させることなく強度、とくに降伏点が向上し、さらに靭性も向上する。通常の鋼の場合、強度を高くすると靭性が低下する傾向があるが、結晶粒を微細にすることにより、靭性の改善すなわち靭性−脆性遷移温度を低くすることができる。結晶粒を微細にすることは、プレス成形に用いる薄鋼板のように常温での加工性を強く要求される場合とか、高温でのクリープ強度が重要である場合を除き、通常は鋼の性能向上に好ましい結果をもたらす。このため、上記の各種の鋼の強化方法には、いずれも結晶粒の微細化が組み合わされて適用される。
【０００８】
通常の低炭素のフェライト相を主とする鋼においては、結晶粒の微細化は、基本的には加工変形を加えて素材の粗大結晶を破壊し細かくする方法、またはオーステナイト−フェライトの変態を利用し細かくする方法によっておこなわれる。Ａｌなど非鉄金属では、溶湯中に微細な析出核生成元素を添加し、凝固組織から細粒化させる方法もあるが、鋼では凝固組織は通常粗大である。しかし、最終製品形状に至るまでに様々な加工が施されるので、その過程である程度の細粒化が進行する。
【０００９】
鋼板の場合を例にとれば、連続鋳造法による200mm前後の厚さの鋳片は、熱間にて圧延加工されて、鋼の変形とともに粗大な凝固組織は破壊され圧延変形組織になる。そして高温であるため、圧延ロールから離れた直後から圧延変形組織の中に加工の歪みのない新たな再結晶粒が発生し、これが成長して鋼全体が速やかに再結晶粒の組織となる。その場合、圧延の加工度が大きいほど数多くの再結晶粒が発生し、細粒組織になる傾向がある。また、厚さをより薄くするためにこの圧延加工が繰り返しされると、組織の破壊と再結晶がその都度おこなわれ、より細粒化が進む。熱間加工は通常オーステナイト相の領域でおこなわれ、加工後の冷却でフェライト相に変態する。この変態の際にもオーステナイト相の結晶組織の中からフェライト相の結晶粒が発生し、やがては鋼全体がフェライト粒組織となる。しかし、このように単に高温のオーステナイト相から低温のフェライト相に変態する場合、一般にはオーステナイト相における組織の結晶粒径とほぼ同じ結晶粒径のフェライト相組織になる。
【００１０】
上記のように、加工と再結晶の繰り返しにより、結晶粒を細かくすることができるが、結晶が細かくなってくると今度は結晶粒同志が合体し、成長しやすくなってくる。これは、結晶粒内よりも粒界の持つエネルギーの方が大きく、エネルギーを放出して安定化する方向に進むため、結晶粒が細かいほどその傾向が強いからである。このため、単なる加工と再結晶だけでは、細粒化に限界がある。
【００１１】
これに対し、ＡｌやＴｉ、Ｎｂ、Ｖなど、窒化物や炭窒化物形成元素を少量添加することにより微細な析出物を形成させ、それによって結晶粒界の移動を抑止し、結晶粒の成長を阻止して、鋼の組織を細粒化する方法もある。実用的な低コストの細粒化鋼はこのような炭窒化物形成元素の添加によって得られている。
【００１２】
しかしながら、鋼の性能に対する要求がますます厳しくなって、より強度が高くより靭性のすぐれたものが要望されるようになり、その上製造プロセスの合理化の目的もあって、加工熱処理または制御圧延、あるいはＴＭＣＰ（Thermo Mechanical Control Process)といわれる手法が開発され、実用化されてきた。これは鋼組成を規制し、圧延など熱間加工の過程で加工温度や加工度を制御して、より高靭性の高強度鋼にしようとするものである。
【００１３】
この場合鋼の組成としては、通常、従来の焼入れ−焼戻しを適用する場合よりも低炭素とし、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどが添加される。ことにＮｂの添加はオーステナイト域での再結晶を遅らせる効果があり、より低温での圧延と繰り返し圧延による加工歪みの蓄積増大が可能となるので、好んで用いられる。そして、熱間加工をオーステナイト域だけでなく、オーステナイト＋フェライトの二相域にまでも拡大して、加工変形を温度変化とともに生じる再結晶、析出、変態等の進行に組み合わせる。それによって、変態強化および析出強化に細粒化が加わり、強度が向上し、靭性がより一層改善される。
【００１４】
このように加工熱処理法では、とくに結晶粒の微細化による強度上昇と靭性改善の効果が大きい。結晶粒の微細化は、上記の再結晶を遅らせ微細析出物を形成する元素の添加により、加工後再結晶前の歪みエネルギーが増加し、そのエネルギー解放に基づく再結晶核の生成頻度が増して細粒化するとともに、微細析出物の結晶粒界移動阻止により粒成長が抑止されることによる。これは加工温度が通常より低めに設定されることにより一層助長される。さらに、オーステナイト＋フェライトの二相域においても加工を施すことにより、変態のエネルギーも核生成頻度を高め、相界面の粒界移動阻止による粒成長抑止効果も加わってくると考えられる。
【００１５】
加工熱処理は、素材の加熱後の熱間加工の過程にて、温度低下にともなう金属組織的変化に、加工を組み合わせたものであるが、その加工の途中で急冷や再加熱がおこなわれることもある。また、冷却して得られた変態組織を冷間または温間にて加工し、昇温して変態（逆変態）させ、結晶粒を微細化する方法も高合金鋼で実施されている。これは、現在のところ最も結晶粒が微細化された例であるが、高合金鋼の準安定オーステナイト鋼にて、室温で加工し加工誘起変態させてマルテンサイト相とし、これを加熱してオーステナイト相に変態させるもので、超微細粒組織が得られている。
【００１６】
上記のように、鋼の強度向上とその性能向上のため、結晶粒微細化が種々検討され、実用的にもその改善効果が認められてきた。しかし、超微細粒の鋼については、高合金鋼においてある程度実現されているものの、低炭素鋼ないしは低合金鋼においては、まだ十分なものは得られていない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、低炭素鋼または低炭素低合金鋼においても、結晶粒をさらに微細にすれば、より性能のすぐれた低コストの鋼が得られることが期待される。本発明の目的は、低炭素鋼または低炭素低合金鋼であって、平均結晶粒径が極めて小さく、強度と靱性および延性がすぐれた微細粒フェライト組織を有する鋼の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
結晶粒を微細にすれば、鋼の強度を上昇させるばかりでなく、靱性や延性を同時に向上させることができる。すなわち他の強化方法のように、強度の上昇にともなって靱性が劣化したり、加工性が悪くなるという問題点がなく、鋼の強化方法としては理想的なものと考えられる。
【００１９】
低炭素鋼ないしは低炭素低合金鋼の結晶粒微細化方法として、加工熱処理方法は種々検討され、微細結晶組織の鋼が得られてきた。この方法は、主として前述のように加工により素地組織ないしは結晶粒を破砕細分化し、その加工組織から発生した再結晶粒の成長をできるだけ抑止し細粒鋼を得る。これらはその手法による限界に近いところまで微細粒化が実現されていて、それ以上の細粒化は望めないところまでになっているように思われる。すなわち加工のままの組織では歪みが多すぎ、靱性も延性も極めて劣った状態にあり、これらを回復するには必ず歪みを解放しなければならず、歪みの解放の過程で、再結晶と粒成長が進むためである。
【００２０】
また、高合金鋼におけるような逆変態は、低炭素低合金鋼の場合、結晶粒微細化には活用できない。これは、冷間での加工度を如何に大きくしても、低炭素低合金鋼ではフェライト相以外のものにはならず、これを加熱するとフェライト相の温度域で加工歪みが解放され、再結晶核生成、粒成長が進んでしまい、逆変態する時にはすでにかなり成長した粒になっているからである。
【００２１】
本発明者らは、低炭素鋼または低炭素低合金鋼の微細粒化を、これまでより一層促進させる手段として、加工による破砕と粒成長抑止の手法を改良して、さらに変態を組み合わせる方法を検討した。
【００２２】
Ａc3点以上に加熱されオーステナイト相になった鋼を急冷すると、通常、Ａr3点以下に過冷された状態のオーステナイト相となり、その温度に保持するか、またはさらに冷却を続ければ変態して、鋼組成やその際の冷却条件によって、フェライト相、マルテンサイト相あるいはベイナイト相などの低温変態相となる。このような変態直前の過冷状態にて加工を加えると、フェライトを主体とする組織に急速に変化する。これは加工によりフェライト相への変態が誘起され促進されるためと考えられる。その際に、加工温度および加工率を選定することにより、歪みが解放されたフェライト相で、しかも極めて結晶粒径の小さい組織が得られることを見出し、特開平11-323481号公報の発明を出願した。
【００２３】
しかしながら、鋼の組成によっては過冷状態にて加工をおこなってもすぐにはフェライト組織にならず、その加工後の冷却速度を変えても十分な微細フェライト組織が得られないと言う難点のあることがわかってきた。すなわち、過冷された状態のオーステナイト相を得るために、オーステナイト相を安定させる元素を多く添加すると、フェライト組織が生じ難くなると言う問題が生じてくる。
【００２４】
このような加工後のオーステナイト相から、歪みの少ないフェライト相に確実に変態させるとするための手段を検討した結果、加工後変態温度以下の範囲に再加熱し徐冷するか、あるいはその温度にしばらく保持してから冷却するのが有効であることが見出された。これは温度を上げることにより、拡散や加工によって蓄積された歪みの解放などが容易になり、フェライト組織への変化が促進されるためと考えられた。
【００２５】
過冷状態のオーステナイト相にて、十分な加工変形を加えようとすれば、オーステナイト相がある程度安定して保持される必要がある。そのためにはオーステナイト相の安定化元素をより多く添加しなければならない。しかし、このような元素の添加は、他方において目的とするフェライト相への変態を阻害する。これに対し、上述のように加工直後に加熱し徐冷する処理を施せば、フェライト相への変態が容易になり、しかも微細化された組織となるのである。このような手段をとることにより、安定して微細粒フェライト組織を有する鋼を製造することができる。
【００２６】
そこで、上記の方法における鋼の化学組成、冷却条件、加工の温度範囲、加工度、加工後の加熱冷却処理などの限界条件を明確にし、本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
(1)質量％にて、Ｃ：0.05〜0.3％、Ｍｎ：0.5〜3％およびＡｌ：0.01〜0.1％で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、Ａc3点以上の温度から1℃／s以上100℃／s未満の冷却速度にて冷却し、650℃以下低温変態相が析出を開始する温度までの温度範囲にて、加工開始時に対する加工終了時の断面積減少率が60％以上の加工を、１パスまたは１パス当たり30％以上の多パスにて施し、次いで650℃以上900℃以下の温度範囲に5℃／s以上の昇温速度で加熱した後、3℃／s以下の冷却速度にて冷却することを特徴とする微細粒フェライト組織を有する鋼材の製造方法。
(2)質量％にて、Ｃ：0.05〜0.3％、Ｍｎ：0.5〜3％およびＡｌ：0.01〜0.1％で、さらにＳｉ：0.01〜3％、Ｎｂ：0.005〜0.3％、Ｔｉ：0.005〜0.3％、Ｖ：0.01〜0.5％、Ｃｒ：0.05〜3％、Ｍｏ：0.05〜3％、Ｃｕ：0.05〜1％、Ｎｉ：0.05〜5％およびＢ：0.0003〜0.003％のいずれか一種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、Ａc3点以上の温度から1℃／s以上100℃／s未満の冷却速度にて冷却し、650℃以下低温変態相が析出を開始する温度までの温度範囲にて、加工開始時に対する加工終了時の断面積減少率が60％以上の加工を、１パスまたは１パス当たり30％以上の多パスにて施し、次いで650℃以上900℃以下の温度範囲に5℃／s以上の昇温速度で加熱した後、3℃／s以下の冷却速度にて冷却することを特徴とする微細粒フェライト組織を有する鋼材の製造方法。
(3)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼を、Ａc3点以上の温度から1℃／s以上100℃／s未満の冷却速度にて冷却し、650℃以下低温変態相が析出を開始する温度までの温度範囲にて、加工開始時に対する加工終了時の断面積減少率が60％以上の加工を、１パスまたは１パス当たり30％以上の多パスにて施し、次いで650℃以上900℃以下の温度範囲に5℃／s以上の昇温速度で加熱した後、その温度に10〜1000秒間保持し、その後冷却することを特徴とする微細粒フェライト組織を有する鋼材の製造方法。
【００２７】
なお、ここでフェライト組織というのは、結晶粒が微細であるため通常の光学顕微鏡観察では観察が困難であるが、鋼から採取した薄膜試料により、透過型電子顕微鏡で直接観察して見出すことのできる歪みの少ない結晶粒からなるフェライト組織のことである。上記(1)、(2)または(3)の本発明の方法による鋼は、この組織が断面観察の面積率で80％以上を占めるものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の方法において、鋼の化学組成を限定した理由は次のとおりである。以下、成分元素の含有量はすべて質量％である。
【００２９】
Ｃの含有範囲は0.05〜0.3％とする。その含有量が0.05％より少なければ、Ａc3点以上のオーステナイト相とした後に急冷しても、高温で変態を開始してしまうので、低温の過冷された状態のオーステナイト相での強加工が不可能となり、微細粒の鋼が得られなくなる。一方、Ｃが0.3％を超えると、変形抵抗が増大し、低温での強加工が困難となってくるとともに、パーライト組織が主相となり、フェライト主相の組織とはならない。したがってＣの含有量は0.05〜0.3％の範囲とする。
【００３０】
Ｍｎは、Ａc3点以上のオーステナイト相から急冷する際、フェライト相、ベイナイト相、またはマルテンサイト相等の低温相が析出を開始する温度を十分低下させるために必要である。すなわち、Ｍｎは、低温の過冷された状態のオーステナイト相を安定して実現させるために重要である。その量が少ない場合は過冷状態のオーステナイト相の安定化が困難になるので、0.5％以上の含有が必要である。しかし、Ｍｎの含有量が3％を超えると、変形抵抗が増大して強加工が困難となる。その上、オーステナイトの安定化効果すなわち変態の抑止効果が過度になりすぎ、強加工やその後の加熱によってもフェライト変態を生じなくなって、ベイナイトやマルテンサイトのような低温変態相となり、フェライトを主相とする組織が得られなくなる。したがって、Ｍｎの含有量は0.5〜3％に限定する。
Ａｌ（アルミニウム）は、鋳造の際、欠陥のない健全な鋳片を得るための溶鋼の脱酸に必須の元素であり、十分な溶鋼脱酸をおこなうためにＡｌの含有量を0.01％以上とする。ただし、Ａｌの多量の含有は効果が飽和するため無意味であり、鋼の価格を上げることになるので、多くても0.1％以下に止めておく。
【００３１】
本発明の方法においては、Ｃ、ＭｎおよびＡｌの外に微細粒フェライト組織を安定して得ることに寄与するＳｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＮｉおよびＢの各元素を一種以上、以下に示す範囲で含有させることが好ましい。
【００３２】
Ｓｉは含有させるとＣ量が比較的少ない場合でも安定して微細粒を得ることができる。その効果は0.01％以下では、ほとんど認められないので、添加する場合はその含有量を0.01％以上とするのがよい。一方、Ｓｉの含有量が3％を超えると、熱間加工における表面性状が劣化してくるので、添加する場合その含有の上限は3％までとする。
【００３３】
ＮｂまたはＴｉを含有させると、低温相が析出を開始する温度から多少離れた高めの温度で加工を加えた場合、あるいは加工後の加熱徐冷処理の温度が高めの場合でも、十分安定して微細組織にすることができる。これは微細な炭窒化物の析出により変態後の結晶粒の成長が抑止されるためと考えられる。この効果を十分得るためには、Ｎｂでは0.005％以上、Ｔｉでは0.005％以上含有させることが望ましい。ただし、これらの元素が過剰になると靱性が低下してくるので、Ｎｂでは0.3％以下、Ｔｉも0.3％以下とすべきである。すなわち含有させる場合、Ｎｂは0.005〜0.3％、Ｔｉは0.005〜0.3％の範囲とするのがよい。
【００３４】
Ｖ、Ｃｒ、またはＭｏを含有させることにより、微細粒組織を安定して得ることができるようになる。これらの元素は炭化物を形成し、その析出物は、ＮｂまたはＴｉの場合と同様結晶粒の成長を抑止する作用があるが、その効果は大きくない。それよりは変態を遅らせる作用が強く、低温相の発生時期を遅くし、過冷状態の低温でのオーステナイト相となる範囲を拡大するので、加工度を大きくとることができ、微細粒組織の生成を容易にする効果がある。このような効果を得るためには、それぞれＶでは0.008％以上、Ｃｒでは0.05％以上、Ｍｏでは0.05％以上含有していることが望ましい。しかし、これらの元素は、Ｍｎと同じく大加工による変態を遅らせる傾向があり、必要以上に含有量を多くするとフェライトを主体とする組織が得にくくなる。したがって、Ｖでは0.5％以下、ＣｒとＭｏではそれぞれ3％以下とするのがよい。すなわち含有させる場合の含有量は、Ｖでは0.008〜0.5％、Ｃｒでは0.05〜3％、Ｍｏでは0.05〜3％とするのが望ましい。
【００３５】
Ｃｕ、ＮｉおよびＢは、いずれも低温相に変態する温度を低下させ、それによって変態を遅らせて、過冷状態の低温でのオーステナイト相となる範囲を拡大できる。このような効果を発現させるためには、Ｃｕでは0.05％以上、Ｎｉでは0.05％以上、Ｂでは0.0003％以上含有していることが好ましい。しかし、多く添加し過ぎれば、Ｃｕでは熱間脆性、Ｎｉではコスト増加、Ｂでは効果が飽和するばかりでなく脆化を来すので、Ｃｕは1％以下、Ｎｉは5％以下、Ｂは0.003％以下とするのがよい。すなわち含有させる場合の含有量は、Ｃｕでは0.05〜1％、Ｎｉでは0.05〜5％、Ｂでは0.0003〜0.003％とするのが望ましい。なおＣｕの場合、0.2％を超える添加では熱間脆性を抑止するため、ほぼ等量のＮｉを含有させる必要がある。
【００３６】
鋼の製造上、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎなど不純物の混入は避けがたいが、これらは鋼の特性を劣化するので、できるだけ少ないことが望ましい。
【００３７】
上記の鋼を用い、Ａc3点以上の温度から1℃／s以上100℃／s以下の冷却速度にて冷却して、650℃以下のフェライト相、ベイナイト相、またはマルテンサイト相のような低温相が析出を開始する温度までの温度範囲で、加工開始時に対する加工終了時の断面積減少率が60％以上の加工を、１パスまたは１パス当たり30％以上の多パスにて施し、次いで650℃以上900℃以下の温度範囲に5℃／s以上の昇温速度で加熱した後、3℃／s以下の冷却速度にて冷却する。
【００３８】
この冷却開始以前の素材は、常温から加熱炉にてＡc3点以上の温度に加熱されたものでもよいが、粗鍛造、粗圧延など所要形状にＡc3点以上の温度にて加工された状態のものであってもよく、その前歴は問わない。
【００３９】
Ａc3点以上の温度から650℃以下までの冷却速度を1〜100℃／ｓとするのは、1℃／ｓを下回る冷却速度の場合、過冷のオーステナイト状態を650℃以下にまで持ち来すことが困難であり、加工をおこなうまでにフェライトに変態してしまい、結晶粒が粗大化してしまうことがあるからである。そして、100℃／ｓを超える急激な冷却速度とすると、被冷却材の温度分布が悪くなり、場所による不均一を招くことに加え、低温相が析出する温度以下にまで低下してしまうおそれがある。
【００４０】
650℃以下にまで冷却するのは、650℃を上回る温度域にて加工を加えると、加工変形直後の再結晶により十分な微細組織が得られなくなるからである。また、変態が始まり低温相が現れてしまってから加工がおこなわれると、均質な微細組織が得られなくなり、加工歪みが残存してしまうばかりでなく、変形抵抗が増加するので強加工を加えることが困難になる。したがって加工は、650℃以下でかつ低温相が析出するまでの温度範囲すなわち過冷状態のオーステナイト相において、おこなわなければならない。
【００４１】
この場合の加工は、断面積の減少率にて60％以上であることが必要である。60％を下回る変形量では、変形が不十分で十分な微細粒組織とはならず、しかも、変態による加工歪みの放出が不十分になる傾向がある。板圧延の場合は幅方向の変形がほとんどないので、断面積の減少率は板厚減少率と実質的に同じである。この加工は、断面積減少率で60％以上であれば、いくら大きくても同様な効果が得られるが、変形に要するエネルギーの増大や温度降下のため、通常90％程度までが限度である。
【００４２】
60％以上の加工を施す際、１パスにて加工してもよいが、多数回に分けておこなってもよい。ただし多数回に分ける場合、１回の加工は30％以上でなければならない。これは30％に満たない加工が施されると、かえって結晶粒成長が促進され、微細粒組織が得られなくなることがあるからである。また、パスとパスの間隔は、前述の加工温度範囲に保持される限りとくに短時間である必要はなく、要すれば保温してもよい。
【００４３】
過冷オーステナイト相における上記加工の直後、その温度から加熱徐冷処理をおこなう。この場合5℃／s以上の昇温速度で650℃以上900℃以下の温度範囲に加熱し、3℃／s以下の冷却速度で冷却する。これは強加工されたオーステナイト相の歪みの回復およびフェライト相への変態を促進させるためである。
【００４４】
昇温速度を5℃／s以上できるだけ速くして650℃以上とするのは、オーステナイト相の状態を維持するためであり、その後の3℃／s以下のゆっくりした冷却過程でベイナイト相やマルテンサイト相の発生を抑止し、十分にフェライト相に変態させる。加熱温度を900℃以下とするのは、この温度を超えると再度オーステナイト化し、微細粒フェライト組織が得られなくなるからである。冷却速度は遅いほど望ましいが、生産性を阻害しない程度にとどめる。。
【００４５】
昇温後直ちに冷却を開始する場合は、上述のように冷却速度を遅くする必要がある。一方、昇温した温度に一定時間保持する場合は、放冷など冷却速度を速くして冷却してもよいが、保持する時間は、10秒以上、長くても1000秒以下とする必要がある。10秒未満では他の相に変態してフェライト相の体積率が減少する。しかし保持時間が長くなり1000秒を超えるようになると、粒成長し始める。
【００４６】
【実施例】
表１に示す組成の鋼を、50kgの高周波真空溶解炉にて溶解し、鋳塊を鍛造して幅150mm、厚さ50mmのスラブとし、1200℃に加熱して圧延し、厚さ20mmの素板とした。この素板を1000℃に加熱してオーステナイト化させた後、噴霧冷却により冷却速度を変えて冷却し、目的とする温度にまで達してから低温相が析出し始める温度、すなわち変態を開始する温度の直上の温度までに圧延をおこない、その圧延加工後、加熱して所定温度に達してから、等温保持して冷却するかまたは直ちに冷却速度を制御して冷却した。いずれの場合も300℃にななるまで冷却速度を管理しその後は放冷とした。
【００４７】
これらの鋼に対するオーステナイト化後の、加工開始までの冷却速度、低温相発生温度、加工開始温度、加工条件すなわちパス回数、１回当たりの加工率および全加工率、その後の加熱徐冷処理条件等をまとめて表２に示す。
【００４８】
【表１】
0003844645.tif 000002
【００４９】
【表２】
0003844645.tif 000003
【００５０】
このようにして得た圧延加工材から、任意の位置にて採取した10ヶ所の板厚中心部の薄膜試験片にて、透過型電子顕微鏡を用いて7000倍の写真を撮りフェライト粒径を測定し、2000倍の写真にてフェライト組織の比率を求めた。
【００５１】
フェライトの平均結晶粒径、フェライト組織の占有率、強度および靱性の試験結果をまとめて表２に示す。この結果から明らかなように、本発明の製造方法によれば、低温生成フェライトが全体の80％以上を占め、かつその平均結晶粒径が3μm以下の鋼が得られる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、極めて微細なフェライト相組織を有する鋼が得られる。この方法によれば合金組成の含有量を少なくして、高強度でしかも靱性が極めてすぐれた鋼とすることができる。