JP2002069531A - 超微細フェライト鋼とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 特別な添加元素を必要とせず、高強度および
高靭性に加えて均一伸びも高められた、強度−延性バラ
ンスに優れた高強度超微細フェライト鋼とその製造方法
を提供する。 【解決手段】 組成が重量％でＣ：０．０２〜０．２０
％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０
％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａ
ｌ：０．００１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０６０％以
下、Ｔｉ：０．０２０％以下で、残部がＦｅおよび不可
避不純物からなる低合金鋼にフェライト温度領域での温
間強加工を施し、回復あるいは再結晶を誘起させて平均
粒径２μｍ未満の超微細フェライト粒組織を主体とする
超微細フェライト鋼とし、その超微細フェライト鋼を温
間強加工後直ちにあるいは３５０℃未満に冷却した後に
３５０℃〜（Ａ_c1−４０）℃の温度範囲にまで加熱し、
前記温度範囲内で徐冷あるいは等温保持する焼鈍処理を
施して高強度超微細フェライト鋼を製造する。

Description

【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、高強度超
微細フェライト鋼とそ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、特別な添加元素を
必要とせず、高強度および高靭性に加えて均一伸びも高
められた、強度−延性バランスに優れた高強度超微細フ
ェライト鋼とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】鋼の結晶粒径を微細化すると
強度が上昇するとともに靭性が向上することから、従来
より、鋼の結晶粒径を２μｍ未満に超微細化することが
行われている。しかし、例えば、図１（木村勇次、高木
節雄，塑性と加工, Vol.41，No.468 (2000), p.15）に
示したように、鋼の結晶粒径を微細化すると均一伸びが
顕著に低下することも知られており、この点が超微細フ
ェライト鋼の弱点であった。そのため、近年では、超微
細フェライト鋼の均一伸び特性を改善する方法が提案さ
れてきている。

【０００３】例えば、特開平１１−９２８５５では、フ
ェライト母相にパーライトを含有させた複相組織とする
ことにより、超微細鋼の均一伸びを改善する方法が提案
されている。また、特願２０００−５４９７４では、微
細な粒状炭化物を分散させて超微細鋼の均一伸びを増加
させる方法が提案されている。

【０００４】しかしながら、これらの方法は、共に第２
相を利用して鋼材の加工硬化率を上昇させる方法であ
り、理想的な第２相の分散状態を得るために圧延等の製
造条件が狭い範囲に限定されてしまったり、必要量の炭
化物を得るために炭素含有量を増やさなければならず溶
接性が損なわれてしまうなど、実用化に際して障害とな
る問題があった。しかも、これらの方法によると、引っ
張り強度が７００ＭＰａ以上の超微細粒鋼における均一
伸びは１０％未満しか得られていなかった。

【０００５】そこで、この出願の発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を
解消し、高強度および高靭性に加えて均一伸びも高めら
れ、強度−延性バランスに優れた高強度超微細フェライ
ト鋼とその製造方法を提供することを課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願の発明
は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発
明を提供する。

【０００７】すなわち、まず第１には、この出願の発明
は、低合金鋼にフェライト温度領域での温間強加工を施
し、回復あるいは再結晶を誘起させて平均粒径２μｍ未
満の超微細フェライト粒組織を主体とする超微細フェラ
イト鋼とし、その超微細フェライト鋼を温間強加工後直
ちにあるいは３５０℃未満に冷却した後に３５０℃〜
（Ａ_c1−４０）℃の温度範囲にまで加熱し、前記温度範
囲内で徐冷あるいは等温保持する焼鈍処理を施すことを
特徴とする高強度超微細フェライト鋼の製造方法を提供
する。

【０００８】そして、第２には、この出願の発明は、上
記第１の発明において、低合金鋼は、組成が重量％で
Ｃ：０．０２〜０．２０％，Ｓｉ：０．０１〜１．０
％，Ｍｎ：０．２〜２．０％，Ｐ：０．０５０％以下，
Ｓ：０．０１０％以下，Ａｌ：０．００１〜０．１０
％，Ｎｂ：０．０６０％以下，Ｔｉ：０．０２０％以下
で、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴
とする高強度超微細フェライト鋼の製造方法を、第３に
は、低合金鋼は、重量％でＣｕ：０．４％以下，Ｃｒ：
０．４％以下，Ｎｉ：１％以下，Ｍｏ：０．２％以下，
Ｂ：０．００３％以下のうち１種または２種以上を含有
することを特徴とする高強度超微細フェライト鋼の製造
方法を、第４には、低合金鋼の組織は、フェライト，マ
ルテンサイト，ベイナイトおよびパーライトの合計が体
積率で７０％以上であることを特徴とする高強度超微細
フェライト鋼の製造方法を提供する。

【０００９】さらに、第５には、この出願の発明は、上
記いずれかの発明において、温間強加工は、３５０℃〜
（Ａ_c1−４０）℃の温度範囲での累積加工量が次式
（１）、

【００１０】

【数３】

【００１１】（ただし、式中のε_x,i，ε_y,i，ε_z,iは
ｉ番目の加工パスにおけるそれぞれｘ，ｙ，ｚ成分の塑
性歪（真歪）を示す。）で示される相当塑性歪εeqで
０．７以上となるように行うことを特徴とする高強度超
微細フェライト鋼の製造方法を、第６には、焼鈍処理
は、（Ｔｆ−１００）℃〜（Ｔｆ＋１００）℃（ただ
し、Ｔｆは温間強加工における最終加工温度（℃）を示
す。）の温度範囲で行うことを特徴とする高強度超微細
フェライト鋼の製造方法を、第７には、焼鈍処理は、処
理温度および処理時間を次式（２）、

【００１２】

【数４】

【００１３】（ただし、式中、Ｔは焼鈍温度（℃）を、
ｔは焼鈍時間（ｓ）を示す。）で示されるパラメーター
Ａが５０００以上７０００以下となるように制御するこ
とを特徴とする高強度超微細フェライト鋼の製造方法を
提供する。

【００１４】また、第８には、この出願の発明は、上記
第１ないし第７いずれかの発明の方法により得られる高
強度超微細フェライト鋼を提供する。

【００１５】加えて、第９には、この出願の発明は、上
記第８の発明について、引っ張り強度が７００ＭＰａ以
上で、均一伸びが１０％以上であることを特徴とする高
強度超微細フェライト鋼をも提供する。

【００１６】

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記の通りの
特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。

【００１７】この出願の発明者らは、超微細フェライト
組織自体の延性に及ぼすフェライト粒内下部組織の影響
に着目して研究を行った結果、以下のような知見を得
た。

【００１８】まず、平均粒径が２μｍ未満の超微細フェ
ライト粒を得るためにはいくつかの方法が提案されてい
るが、その中で、強加工を利用して得た平均粒径が２
μｍ未満の超微細フェライト粒は、その粒内に転位や歪
が残存していること、超微細フェライト粒内の転位や
歪は、再結晶温度以下の低温焼鈍により減少し、それに
伴って均一伸びが増加すること、温間強加工による回
復あるいは再結晶によって得た超微細フェライト粒は、
比較的熱安定性が高く、焼鈍を施しても粒成長しにくい
こと、また、結晶粒径分布が比較的均一なため、焼鈍中
に一部の粒が急速に成長する異常粒成長を起こしにく
く、強度の低下が少ないこと、焼鈍の最適温度範囲
は、超微細フェライト粒を得るための温間強加工の温度
に依存することである。

【００１９】以上の知見から、まず、この出願の第１の
発明が提供する高強度超微細フェライト鋼の製造方法
は、低合金鋼にフェライト温度領域での温間強加工を施
し、回復あるいは再結晶を誘起させて平均粒径２μｍ未
満の超微細フェライト粒組織を主体とする超微細フェラ
イト鋼とし、その超微細フェライト鋼を温間強加工後直
ちにあるいは３５０℃未満に冷却した後に３５０℃〜
（Ａ_c1−４０）℃の温度範囲にまで加熱し、前記温度範
囲内で徐冷あるいは等温保持する焼鈍処理を施すように
している。

【００２０】すなわち、１）温間強加工によって超微細
フェライト粒を生成させた後、２）適当な温度範囲での
焼鈍処理によりフェライト粒内下部組織を制御すること
によって、高強度超微細フェライト鋼の均一伸びを増加
させるものである。

【００２１】出発材料としての鋼材は、低合金鋼であれ
ば、特別な合金成分は必要としない。なおここでいう低
合金とは、炭素以外の元素がおよそ５重量％以下の範囲
で加えられたもの、より好適には、炭素が０．２重量％
以下の低炭素鋼にＳｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｔｉ等の元素を２
重量％以下の範囲で加えたものを用いることができる。
結晶粒微細化の観点からは、できるだけ微細な組織を出
発材料の組織とすることが望ましい。このような鋼材と
しては、例えば、一般に使用されている溶接構造用低合
金鋼等を対象とすることができる。そこで、この出願の
第２の発明が提供する高強度超微細フェライト鋼の製造
方法は、上記第１の発明において、低合金鋼は、組成が
重量％でＣ：０．０２〜０．２０％，Ｓｉ：０．０１〜
１．０％，Ｍｎ：０．２〜２．０％，Ｐ：０．０５０％
以下，Ｓ：０．０１０％以下，Ａｌ：０．００１〜０．
１０％，Ｎｂ：０．０６０％以下，Ｔｉ：０．０２０％
以下で、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを
特徴としている。

【００２２】この出願の発明においては、低合金鋼をフ
ェライト温度域で温間強加工することで回復あるいは再
結晶を誘起させて、平均粒径２μｍ未満で上記のように
焼鈍処理に対して安定な超微細フェライト組織を得るよ
うにしている。この組織は、概ね７０％以上がフェライ
トから構成されていることが好ましい。

【００２３】次いで行う焼鈍処理は、３５０℃〜（Ａ_c1
−４０）℃の温度範囲に限定される。温間強加工温度が
焼鈍処理温度よりも高い場合には、温間強加工後に３５
０℃未満に冷却する必要がある。焼鈍処理温度が３５０
℃未満になってしまうと、フェライト粒内の転移や歪が
十分に除去できず、均一伸び特性を向上させることがで
きない。また焼鈍処理温度が（Ａ_c1−４０）℃を越える
場合は、フェライト粒成長が著しくなるため、２μｍ未
満の超微細フェライト粒組織を維持することが困難にな
り、得られる高強度超微細フェライト鋼の強度が顕著に
低下してしまう。３５０℃〜（Ａ_c1−４０）℃の温度範
囲内であれば、等温保持してもよいし、空冷未満の冷却
速度で冷却させてもよい。

【００２４】これによって、高強度および高靭性に加え
て均一伸びが増加された、強度−延性バランスに優れた
高強度超微細フェライト鋼を製造することができる。

【００２５】この出願の第３の発明が提供する高強度超
微細フェライト鋼の製造方法は、上記第１または第２の
発明において、低合金鋼は、重量％でＣｕ：０．４％以
下，Ｃｒ：０．４％以下，Ｎｉ：１％以下，Ｍｏ：０．
２％以下，Ｂ：０．００３％以下のうち１種または２種
以上を含有することを特徴としている。Ｃｒ，Ｎｉ等の
元素は高価であるため必ずしも添加する必要はないが、
必要に応じて、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＭｏおよびＢ等のう
ち１種または２種以上を元素を添加することで、より加
工硬化率の高い高強度超微細フェライト鋼を得ることが
できる。

【００２６】さらには、鋼材に第２相を分散させること
は、フェライト粒成長を抑制するためにも有効である。
第２相としては、たとえば、酸化物、セメンタイト、Ｎ
ｂ，Ｖ，Ｔｉ等の窒化物、パーライト、マルテンサイ
ト、ベイナイト等の中から適宜選択することができる。

【００２７】この出願の第４の発明が提供する高強度超
微細フェライト鋼の製造方法は、上記いずれかの発明に
おいて、低合金鋼の組織は、フェライト，マルテンサイ
ト，ベイナイトおよびパーライトの合計が体積率で７０
％以上であることを特徴としている。前述のように、出
発材料としての鋼材は低合金鋼であればよいが、より好
適には、その組織がｂｃｃ相すなわちフェライト，マル
テンサイト，ベイナイトおよびパーライトのいずれかの
単一組織あるいはこれらの混合組織の体積率の合計が６
０％以上、さらには、これらの組織の体積率の合計が７
０％以上であることが望ましい。これによって、温間強
加工によって平均粒径２μｍ未満の超微細フェライト粒
組織を主体とする超微細フェライト鋼が得やすくなる。

【００２８】また、このような組織の低合金鋼を用いる
場合には、最終加工温度を３５０℃〜（Ａ_c1−４０）℃
の温度範囲とする多様な温間強加工を施すことができ
る。具体的には、低合金鋼を室温から３５０℃〜（Ａ_c1
−４０）℃の温度範囲に加熱して強加工を施す以外に、
例えば、一旦Ａ_c1点以上の温度に加熱してから未加工の
ままあるいは加工熱処理を施した後に、３５０℃〜（Ａ
_c1−４０）℃の温度範囲に冷却して強加工を施すこと
で、得られる超微細フェライト鋼の組織微細化を容易に
することができ、この出願の発明の高強度とう微細フェ
ライト鋼の特性向上にも有益である。

【００２９】この出願の第５の発明が提供する高強度超
微細フェライト鋼の製造方法は、上記いずれかの発明に
おいて、超微細フェライト鋼は、３５０℃〜（Ａ_c1−４
０）℃の温度範囲での累積加工量が次式（１）

【００３０】

【数５】

【００３１】（ただし、式中のε_x,i，ε_y,i，ε_z,iは
ｉ番目の加工パスにおけるそれぞれｘ，ｙ，ｚ成分の塑
性歪（真歪）を示す。）で示される相当塑性歪εeqで
０．７以上となるような温間強加工を施すことで得るよ
うにしている。このような温間強加工によっても、温間
強加工時の回復あるいは再結晶を誘起して２μｍ未満の
超微細フェライト粒を得ることを容易とすることができ
る。

【００３２】この出願の第６の発明が提供する高強度超
微細フェライト鋼の製造方法は、上記いずれかの発明に
おいて、焼鈍処理を、（Ｔｆ−１００）℃〜（Ｔｆ＋１
００）℃の温度範囲で行うようにしている。

【００３３】鋼材の加工温度によって、得られる超微細
フェライト粒内の転位密度，残留歪量，焼鈍中の結晶粒
成長挙動が異なるため、焼鈍処理の温度範囲を（Ｔ_f−
１００）〜（Ｔ_f＋１００）℃、すなわち温間強加工の
最終加工温度に近い温度とすることにより、粒成長を最
小限に抑えながら、効果的にフェライト粒内下部組織を
制御することができる。これによって、フェライト粒内
下部組織を制御することができ、最も優れた強度−均一
伸びバランスを有する高強度超微細フェライト鋼を得る
ことができる。

【００３４】この出願の第７の発明が提供する高強度超
微細フェライト鋼の製造方法は、上記いずれかの発明に
おいて、焼鈍処理は、処理温度および処理時間を次式
（２）

【００３５】

【数６】

【００３６】で示されるパラメーターＡが５０００以上
７０００以下となるように制御するようにしている。

【００３７】焼鈍処理の時間および温度は、適切な範囲
に制限する必要がある。焼鈍処理時間が短すぎる場合や
焼鈍処理温度が低すぎる場合は、フェライト粒内下部組
織の制御が不十分となり、得られる高強度超微細フェラ
イト鋼の均一延びはほとんど増加しない。また、焼鈍処
理時間が長すぎる場合や焼鈍処理温度が高すぎる場合に
は、フェライト粒成長により組織が粗大化して強度が低
下してしまい、高強度超微細フェライト鋼の強度−均一
延びバランスは低下してしまう。この出願の発明におい
ては、式（２）で表されるパラメーターＡを用い、パラ
メーターＡを５０００以上７０００以下とするような焼
鈍処理の時間と温度を選択することによって、強度超微
細フェライト鋼の強度−均一延びバランスを簡便に製造
することができる。

【００３８】この出願の第８の発明が提供する高強度超
微細フェライト鋼は、上記第１ないし第７いずれかの方
法により得ることができる。この高強度超微細フェライ
ト鋼は、高強度、高靭性であることに加え、均一伸びが
増加されている。また、高価な添加元素を必要としない
ため安価であり、炭素含有量が少ないため溶接性に優れ
ている。これにより、溶接構造用低合金鋼等として有用
な、強度−均一延びバランスに優れた強度超微細フェラ
イト鋼が提供される。

【００３９】この出願の第９の発明が提供する高強度超
微細フェライト鋼は、上記第８の発明について、引っ張
り強度が７００ＭＰａ以上で、均一伸びが１０％以上で
あることを特徴としている。低合金鋼を、上述のこの出
願の発明の方法によってその組成に応じた最適な条件で
処理することにより、例えば、引っ張り強度が７００Ｍ
Ｐａ以上で均一伸びが１０％以上の、さらには引っ張り
強度が約８００ＭＰａで均一伸びが約１０％の高強度超
微細フェライト鋼が実現される。

【００４０】以下、添付した図面に沿って実施例を示
し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明す
る。

【００４１】

【実施例】表１に示した化学組成で表２に示した組織を
有する鋼Ａ〜Ｓを用い、溝ロール圧延による温間強加工
を施すことにより、平均粒径が２μｍ以下の超微細フェ
ライト組織がおおよそ７０％以上の鋼材とした。温間強
加工直後にこの鋼材を水冷し、再加熱する焼鈍処理を行
った。なお、表２に、温間強加工における３５０℃〜
（Ａ_c1−４０）℃の温度範囲での累積塑性歪ε_eq、最終
加工温度と得られた超微細フェライト粒の平均粒径、お
よび、焼鈍処理における処理温度、処理時間とパラメー
ターＡの値を記した。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】上記処理によって得られた鋼材の引張試験
を行った。その結果、引張強さ（ＴＳ），降伏強さ（Ｌ
ＹＳ），均一伸び（Ｕ．ＥＩ）および全伸びを表３に、
引張強さと均一伸びのバランスを図２に示した。

【００４５】

【表３】

【００４６】鋼材Ａ〜Ｈは、この出願の発明の方法で製
造された高強度超微細フェライト鋼であり、表３より、
引張強度および均一延びが高いことがわかる。特に鋼材
Ｄについては、引張強度が８１２ＭＰａと高くても、均
一伸びが１０．８％と大きいことが確認された。

【００４７】一方、この出願の発明以外の方法で製造さ
れた鋼材Ｉ〜Ｓは、引っ張り強度及び降伏強度は高いが
均一伸びが著しく低いものであったり、均一伸びは高い
が引っ張り強度及び降伏強度が低いものであった。ま
た、引っ張り強度に比べて降伏強度が高く、降伏比が高
いことがわかった。

【００４８】図２からは、この出願の発明例の高強度超
微細フェライト鋼が、比較例の鋼材と比較して、引張強
さ−均一伸びバランスが大きく向上されていることが確
認された。

【００４９】もちろん、この発明は以上の例に限定され
るものではなく、細部については様々な態様が可能であ
ることは言うまでもない。

【００５０】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、特別な添加元素を必要とせず、高強度および高靭
性に加えて均一伸びも高めることができる、強度−延性
バランスに優れた高強度超微細フェライト鋼とその製造
方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】工業用純鉄の粒径と応力−歪特性との関係を例
示した図である。

【図２】実施例において得た鋼材の、強度−均一伸びバ
ランスを示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鳥塚 史郎 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 長井 寿 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA02 AA04 AA05 AA11 AA14 AA16 AA19 AA22 AA23 AA27 AA29 AA31 BA01 BA02 CC01 CF01 CH04

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低合金鋼にフェライト温度領域での温間
   強加工を施し、回復あるいは再結晶を誘起させて平均粒
   径２μｍ未満の超微細フェライト粒組織を主体とする超
   微細フェライト鋼とし、その超微細フェライト鋼を温間
   強加工後直ちにあるいは３５０℃未満に冷却した後に３
   ５０℃〜（Ａ_c1−４０）℃の温度範囲にまで加熱し、前
   記温度範囲内で徐冷あるいは等温保持する焼鈍処理を施
   すことを特徴とする高強度超微細フェライト鋼の製造方
   法。
2. 【請求項２】 低合金鋼は、組成が重量％でＣ：０．０
   ２〜０．２０％，Ｓｉ：０．０１〜１．０％，Ｍｎ：
   ０．２〜２．０％，Ｐ：０．０５０％以下，Ｓ：０．０
   １０％以下，Ａｌ：０．００１〜０．１０％，Ｎｂ：
   ０．０６０％以下，Ｔｉ：０．０２０％以下で、残部が
   Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求
   項１記載の高強度超微細フェライト鋼の製造方法。
3. 【請求項３】 低合金鋼は、重量％でＣｕ：０．４％以
   下，Ｃｒ：０．４％以下，Ｎｉ：１％以下，Ｍｏ：０．
   ２％以下，Ｂ：０．００３％以下のうち１種または２種
   以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載
   の高強度超微細フェライト鋼の製造方法。
4. 【請求項４】 低合金鋼の組織は、フェライト，マルテ
   ンサイト，ベイナイトおよびパーライトの合計が体積率
   で７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし３
   いずれかの高強度超微細フェライト鋼の製造方法。
5. 【請求項５】 温間強加工は、３５０℃〜（Ａ_c1−４
   ０）℃の温度範囲での累積加工量を下記の式（１）で示
   される相当塑性歪εeqで０．７以上とすることを特徴と
   する請求項１ないし４いずれかの高強度超微細フェライ
   ト鋼の製造方法。 【数１】 （ただし、式中のε_x,i，ε_y,i，ε_z,iはｉ番目の加工
   パスにおけるそれぞれｘ，ｙ，ｚ成分の塑性歪（真歪）
   を示す。）
6. 【請求項６】 焼鈍処理は、（Ｔｆ−１００）℃〜（Ｔ
   ｆ＋１００）℃（ただし、Ｔｆは温間強加工における最
   終加工温度（℃）を示す。）の温度範囲で行うことを特
   徴とする請求項１ないし５いずれかの高強度超微細フェ
   ライト鋼の製造方法。
7. 【請求項７】 焼鈍処理は、処理温度および処理時間を
   下記の式（２）で示されるパラメーターＡが５０００以
   上７０００以下となるように制御することを特徴とする
   請求項１ないし６いずれかの高強度超微細フェライト鋼
   の製造方法。 【数２】 （ただし、式中、Ｔは焼鈍温度（℃）を、ｔは焼鈍時間
   （ｓ）を示す。）
8. 【請求項８】 請求項１ないし７いずれかの方法により
   得られる高強度超微細フェライト鋼。
9. 【請求項９】 引っ張り強度が７００ＭＰａ以上で、均
   一伸びが１０％以上であることを特徴とする請求項８記
   載の高強度超微細フェライト鋼。