JPH02310338A - 微細粒マルテンサイト鋼材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、曲げ、切断、ねじり、打ち抜き。

伸線、圧延等の如き加工処理性が良好な、汎用性に冨む
微細粒マルテンサイト鋼材に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 従来から“鋼材の緒特性（強度、靭性、加工性（塑性加
工性、切断特性１曲げ特性等）、耐゛食性、超塑性など
）はその組織が微細になるほど向上する」との事実が広
く知られており、その認識のもとに各種の技術をもって
鋼の結晶粒を微細化したり粒成長を抑制することが行わ
れている。そして、例えばＦｅ　−１３〜１８ｗｔχＣ
ｒ−８Ｊ２ｉｖｔχＮｉのオーステナイト系ステンレス
鋼を室温で冷間加工することでオーステナイトをマルテ
ンサイトに加工誘起変態させた後安定オーステナイト域
に加熱して焼鈍し、マルテンサイトをオーステナイトに
逆変態させることによって、粒径：０．５−のオーステ
ナイト結晶組織を持つオーステナイト鋼材が得られると
の報告〔鉄と鋼、第７４年（１９８８年）第６号、第１
０５２〜１０５７頁〕や、低炭素鋼を変態点よりも上の
オーステナイト領域で強加工して微細フェライトを誘起
させた後、直ちに急冷することによって、１〜５０％未
満の割合で平均粒径５〜３悶のフェライト結晶粒を含む
と共に残部がマルテンサイト又はベイナイトの焼入れ組
織から成る熱間圧延鋼材を得ようとの提案〔特公昭６２
−４２０２１号〕もなされた。

しかしながら、これらの既知技術をもってしてもマルテ
ンサイト組織そのものの微細化にはどうしても限界があ
り、該技術で達成される微細組織範囲内での特性動向は
従来知見を基に容易に予測できる域を出るものではなか
った。

ところが、最近になって、本発明者等はフェライト鋼材
やパーライト鋼材を対象として従来知られていたレベル
を皇かに下回る超微細組織の実現手段を見出し、しかも
、それら鋼材の組織が成る特定の値以下にまで微細化さ
れると予想を超える特性動向を示すようになる牛の事実
を究明することに成功した。更に、これらフェライト、
パーライト鋼材では、その主体となる組織（フェライト
粒又はパーライト粒）の粒径で特性がほぼ支配されるこ
とも確認している。

そこで、本発明者等は、マルテンサイト組織鋼材におい
ても従来技術での組織微細化限界を打破し得る方策が存
在するものと確信し、′フルテンサイド組織を主体とす
る鋼材における更なる組ｖ６．微細化手段とそれによる
特性動向を解明すべく、様々な観点からの研究を行った
。

く課題を解決するための手段〉 そして、上記研究を通じ、本発明者は次のような知見を
得たのである。

まず、マルテンサイト鋼材では熱間からの急冷によって
オーステナイト粒内にて成る結晶方位関係に制約された
マルテンサイト葉の集団（マルテンサイトのパケット）
が生成されるが、マルテンサイト綱材においてはこのパ
ケットがフェライト鋼材におけるフェライト粒径と同様
なａ織の単位として作用し、鋼材の性質を決定するのに
極めて大きな役割を持っていることが明らかとなった。

ところで、こうしたパケットは１つのオーステナイト結
晶粒から生成するものであるため“マルテンサイト変態
後のバケソビは元のオーステナイト粒の大きさに左右さ
れ、マルテンサイトのパケット径を小さくするためには
マルテンサイト変態前のオーステナイト粒径（元のオー
ステナイト粒径）の微細化が欠かせない。しかしながら
、従来、フェライト粒についてはかなりの微細化を達成
する記述が提案されてはいたものの、オーステナイト粒
の微細化は難しく、例えば５−以下のオーステナイト粒
組織を工業的に実現することは夢とされていたため、こ
のような細粒オーステナイト組織を前組織にしないと形
成が困難と思われる微細マルテンサイトパケット鋼材の
特性動向を知ることはおろか、該鋼材の実現すら危ぶま
れた。

ところが、特に、［従来一般的に採用されていた鋼材組
織微細化手段の如く、既に存在しているオーステナイト
粒を熱間加工によって幾ら加工したとしても、新たなオ
ーステナイト粒が熱間加工での再結晶によって生成され
る限りは高温和であるオーステナイトの微細化には限度
があり、従ってこのオーステナイト粒から発生する変態
生成組織も該オーステナイト粒径に拘束されるため微細
化に自ずと限界があるのを如何ともし難い」との観点に
立って更に続けられた研究の結果、本発明者は以下のよ
うな事実を確認するに至った訳である。即ち、 （ａ）　　鋼を熱間加工する場合、加工の前段階で既知
の熱間加工における如き熱履歴或いは加工履歴を経させ
、しかる後、一旦鋼組織の少なくとも一部が低温和組織
を呈するように温度管理等を行ってから、加工の最終段
階として塑性加工を加えながら温度を上げて変態点を超
えさせ、前記低温相Ｕ織をオーステナイト組織に逆変態
させると、従来の制御圧延等では到底得られないような
超微細オーステナイト組織が実現できる。

（ｂ）　　また、逆変態によって生じる上記超微細オー
ステナイト組織は、上述のように、熱間加工が最終段階
に至る前の加工途中において一旦逆変態のための前組織
（低温和組織）が得られるような温度条件下に鋼材を置
き、続く加工の最終段階でこの低温和組織に塑性加工を
加えながら温度を上げて変態点を超えさせると言う処理
を施せば実現されるが、加工の最初の段階から逆変態に
よってす一ステナイト組織とするための前組織（低温組
紐ｍ＞を準備しておき、まずこれに冷間温度域や温間温
度域での加工を加えた後、加工の最終段階で「塑性加工
を加えながら温度を上げて変態点を超えさせる」と言う
処理を施すことによっても実現される。

（Ｃ）　　上述のように、低温和組織に塑性加工を加え
ながら温度を上げて変態点を超えさせてオーステナイト
組織へ逆変態させる場合、該逆変態を十分に完了させる
ためには、塑性加工を加えながら実施する温度上昇過程
が終った後、完全な平衡状態におけるＡＩ変態点、即ち
Ａｅ、点の温度以上に一定時間保持する手段の採用も有
利である。

（ｄ）　　このようにして得られた超微細粒オーステナ
イト組織を冷却して得られるマルテンサイト組織鋼材は
、元のオーステナイト粒が超微細化されているが故に極
めて微細なパケットのマルテンサイト組織とすることが
可能である。

（ｅ）シかも、このように処理して得られる“マルテン
サイトを主体とした鋼材”において、マルテンサイトの
パケットの平均径が５鴻以下になると、鋼材の緒特性（
加工性１強度、靭性等）が従来の知見からは予想されな
かった程に大幅な向上を見せる。

（ｆｌ　　ところで、一般に、マルテンサイト、特にそ
れを焼戻した焼戻しマルテンサイトでは、マルテンサイ
トのパケットの大きさを測定するよりもエツチング手段
や組織の状況により旧オーステナイト粒（マルテンサイ
ト生成の前組織であるオーステナイト粒）の大きさを測
定する方が容易なことが多く、しかも前述したように該
旧オーステナイト粒径とマルテンサイトのパケットの平
均径とは表裏一体の関係にあって、マルテンサイトを主
体とした鋼材の緒特性の著しい向上は旧オーステナイト
粒径：５鴻を境としてそれ以下になった場合に始めて認
められるので、該鋼材におけるマルテンサイトのパケッ
ト平均径と旧オーステナイト粒径とは同様指標と考えて
差し支えないこと。

この発明は、上記知見等に基づいてなされたもので、［
従来存在しなかったところの、優れた加工性を有する“
マルテンサイトのパケットの平均径或いはマルテンサイ
トを生成する前の旧オーステナイト粒の平均径が５ｇｍ
以下であるマルテンサイトを主体とした組織”から成る
、超微細マルチンサイ）Ｍ材を実現した点」に大きな特
徴を有している。

ここでの「マルテンサイトのパケット」とは、［細長い
マルテンサイト結晶の長手方向がほぼ平行に並んでいる
領域」と定義されるものであり、「パケット平均径」と
は前記領域を粒とみなしたときの平均粒直径を指してい
る。また、「旧オーステナイト粒平均径」とは、前述し
たようにマルテンサイトが変態生成する前のオーステナ
イト組織における平均オーステナイト粒径のことである
。

なお、該旧オーステナイト粒界をマルテンサイト組織の
鋼材から確認する方法は種々知られているが、実際的に
はマルテンサイトを焼戻したのち界面活性剤を添加した
腐食液で旧オーステナイト組織を現出・確認する方法を
採用するのが好ましい。

更に、「マルテンサイトを主体とした組織」とは、組織
中にマルテンサイト　（ここではマルテンサイト、焼戻
しマルテンサイト、時効処理マルテンサイトを含めて称
する）が５０％以上含まれているものを言い、鋼材組織
中においてマルテンサイトの占める比率が５０％に達す
るとその鋼材の特性は殆んどマルテンサイトの特性に支
配されるようになる。

ところで、本発明に係る鋼材の成分組成は、マルテンサ
イトを主体とする組織の得られるものであれば格別に制
限されるものではなく、炭素鋼。

低合金鋼はもとより、フェライト系ステンレス鋼。

ＰＨステンレス鋼或いはマルエージ鋼等、マルテンサイ
ト組織の状態で使用するものの何れであっても良い。ま
た、更には＋３．　Ｖ、　Ｎｂ＋　Ｔｉ、　Ｚｒ、　Ｗ
＋Ｃｏ、　Ｔａ等の合金元素の１種以上を適量含有させ
たものであっても良く、目的に応じてはＬａ、　Ｃｃ等
の希土類元素やＣａ、　　Ｓ、　Ｐｂ、　Ｔｅ＋旧及び
Ｓｅ等の快削元素を添加した成分組成も対象となる。

次に、本発明の鋼材においてマルテンサイトのパケット
の平均径或いはマルテンサイトを生成する前の旧オース
テナイト粒の平均径を５ｐ以下とした理由、並びに本発
明綱材の製造手段を説明する。

〈作用〉 マルテンサイト鋼材の機械的性質、特に強度。

伸び並びに絞り値はマルテンサイトのパケット径もしく
は旧オーステナイト粒径の微細化と共に向上するが、上
記値が何れも５１ｒｒｎ以下になると予想以上の大幅な
向上効果が認められるようになる。

特に、パケット径が２４ｍ以下になるとその向上効果は
極めて顕著となる。このため、鋼材組織の５０％以上を
占めて本発明鋼材の性質を支配するマルテンサイトのパ
ケット、もしくは先に述べたようにこれと表裏一体にあ
る旧オーステナイト粒の平均径を５ｒｒｍ以下と限定し
たが、できれば２賜以下であることが望ましい。

ところで、本発明に係る鋼材は次のような製造手段によ
って実現される。即ち、素材網を少なくとも一部がフェ
ライト　（ここで言うフェライトとは、フェライト組織
、パーライト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組
織などのフェライト相から成る組織を指す）から成る組
織状態としておき、これに塑性加工を加えつつ変態点（
Ａｃ１点）以上の温度域に昇温するか、この昇温に続い
てＡｅ。

点板上の温度域に一定時間保持して上記フェライト相か
ら成る組織の一部又は全部を一部オーステナイトに逆変
態させて超微細オーステナイト粒を出現させ、その後冷
却する手段である。

上記逆変態時に加えられる塑性加工方法としては、既知
の板圧延機、シームレス鋼管の各種圧延機、穿孔機２条
鋼・線材等のための孔型圧延機の他、周知のハンマー、
スェージャ−、ストレッチ・レデューサ−、ストレッチ
ャー、ねじり加工機。

押出し機、引抜機等を使用することで所要の温度域にて
所要加工度の加工が行える方法であれば何れをも採用す
ることができ、格別に制限されるものではない。

なお、該塑性加工の歪量は次の三つの作用を生起させる
点で重要である。一つは、フェライトを加工することに
より加工硬化したフェライトから非常に微細なオーステ
ナイトの結晶粒が加工により誘起されて生成する作用で
あり、二つ目は、フェライトがオーステナイトに変態す
る変態点にまで被加工材の温度を上昇させるための加工
発熱を発生する作用であり、三つ目は、生成した微細な
オーステナイトの結晶を加工硬化させて、その後のフェ
ライト生成に際して更に微細なフェライト粒を加工誘起
変態生成させる作用である。このような観点から、該塑
性加工の歪量は２０％以上、好ましくは５０％以上とす
るのが良い。

被加工鋼材の昇温温度は、フェライトがオーステナイト
に逆変態する温度、即ちＡｃ、点板上にまで上昇するこ
とが必須である。勿論、Ａｃ、点板上の温度域であって
もその温度がＡｃ３点未満であるとフェライトとオース
テナイトの二相混合組織になるが、温度上昇させながら
塑性加工を加える方法によればＡｃ、点未満の温度域で
あっても結晶粒は加工と再結晶によって十分に微細化し
ている。

しかしながら、「フェライトを加工することにより、加
工硬化したフェライトから非常に微細なオーステナイト
の結晶粒が加工により誘起されて生成する」という特徴
的な作用・効果を十分に発揮させるためには、できれば
Ａｃ３点以上にまで昇温することが望ましい。もっとも
、製品によってはフェライトとオーステナイトとの二相
組織にする必要があるものもあり、このような製品に対
しては昇温温度をＡｃ、点未満の温度域で留めておくこ
とが必要であることは言うまでもない。

フェライトからオーステナイト相へ逆変態させる際に塑
性加工を加えながら昇温するのは、先にも説明したよう
に“フェライト域での加工によるフェライト粒微細化”
、“加工硬化フェライト粒からの微細オーステナイト粒
の加工誘起生成”並びに“オーステナイト粒の加工によ
る微細化”、更には“加工硬化オーステナイト粒からの
微細マルテンサイトの歪誘起変態促進”を図るためであ
る。

次いで、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明す
る。

〈実施例〉 第１表に示した成分組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、鋼
Ａ、Ｂ及びＣについてはこれを１トン綱塊にした後、均
熱−分塊圧延を経て１．２０ｍ　Ｘ　１２０ｍｍ断面の
綱片とした。

また、綱り及び已については真空溶解材をＥＳＲ溶解炉
で再熔解した後鋼塊とした。

次に、これら鋼片及び鋼塊を９８０℃に加熱して熱間鍛
造し、続いて外削により３５ｍ中の棒鋼とした後、第２
表に示す条件の処理を施してマルテンサイトを主体とし
た組織から成る鋼材を試作した。

なお、試験番号１（比較例）については、ｗ４Ａから成
る３５ｍ中の棒鋼を９８０℃に加熱後８スタンドタンデ
ムミルで１７鶴φに圧延した後、圧延ライン中で水中焼
入れし、更にこの直接焼入材を６５０℃で焼戻した。

試験番号２は、鋼Ａから成る３５Ｄφの棒鋼を７００℃
に加熱後、試験番号１と同じ処理を施した。このとき、
圧延材の圧延終了温度は変態点を超える９１５℃まで上
昇していた。

試験番号３乃至５では、まずｍＡから成る３５ｎφの棒
鋼を９８０℃に加熱後８スタンドタンデムミルで１７ｍ
中に圧延して５００℃まで放冷し、その後引き続いて高
周波加熱炉で７００℃まで昇温した後、１０スタンドタ
ンデムミルで５．５鶴φまで９０％の圧下を加えて圧延
した。そして、この圧延後、試験番号３と５については
水中で焼入れし、試験番号４については室温まで上昇し
ていた。更に、このうちの試験番号３では、圧延放冷材
を６５０℃で焼戻し処理した。

また、試験番号４では圧延・放冷材を高周波加熱で７０
０℃まで再加熱した後２　、　Ｏｍｍ中まで８７％圧下
の圧延を行い、圧延後噴霧水冷で焼入れしたが、このと
きの圧延終了温度は９２５℃まで上昇していた。そして
、焼入れ後の圧延材を６５０℃で焼戻し処理した。

試験番号５では、５．５１ｍ中とした水中焼入材を７０
０℃にまで高周波加熱で加熱した後、２．Ｏｗｍφまで
１０スタンドタンデムミルで８７％圧下の圧延を行い、
圧延後噴霧冷却して焼入れを施した。

なお、このときの２．０ｉΦ圧延終了温度は９２５℃で
あったが、この圧延材を６５０℃で焼戻し処理した。

試験番号６は、綱Ａから成る３５１ｍ中の棒鋼を９８０
℃に加熱後、７８０℃で８スタンドミルにて１７ｍ中に
まで圧延し、その後４５０℃までシャワー水冷を施して
から自然放冷した。そして、この材料を高周波加熱で７
００℃に加熱後５．５鶴φまで圧延しく圧延終了温度：
９４０℃）、直ちに噴霧氷冷した。更に、引き続いてこ
の５．５鶴φの圧延材を再度７００℃まで高周波加熱し
、１０スタンドミルで８６．８％圧下の圧延を施して２
．Ｏｆｉφとした後噴霧水冷で焼入れしてから、３５０
℃で焼戻し処理した。

試験番号７は、ｗ４Ｃから成る３５１ｍ中の棒鋼を試験
番号６と同様条件で圧延したが、１７鶴φ圧延後のシャ
ワー水冷は５００℃までとし、１７ｎ＋φ−５，５Ｗｍ
中への圧延、及び５．５Ｈφ→２　、　Ｏｍｍ中への圧
延に際して加熱温度は７５０℃とした。そして、最終の
２．Ｏｎ＋φ圧延・直接焼入れ材を　５５０℃で時効処
理した。

試験番号８は、試験番号６と同じ条件で鋼りから成る３
Ｓｆｌφの棒鋼を処理したものであるが、この場合には
２．０鶴中圧延・直接焼入れのままで、その後の焼戻し
処理は行わなかった。

試験番号９は、試験番号８で得た２、０ｎφ圧延・直接
焼入材に、更に５３０℃での時効処理を施した例である
。

試験番号１０では、鋼Ｅから成る３５關φの棒鋼を９８
０℃に加熱後、８３０℃で１７　、０　ｍｍ中にまで圧
延してから自然放冷したものを、高周波加熱により６０
０℃に加熱し、５．５鶴φまで圧延後放冷した。なお、
このときの圧延終了温度は８００℃にまで上昇していた
。そして、５．５鶴中圧延材は更に高周波加熱により再
加熱後、２．０鶴φまで圧延（圧延終了温度二８００℃
）してから放冷しく圧延後放冷で完全にマルテンサイト
組織となっていた）、この放冷材を５００℃で時効処理
した。

このようにして得られた各鋼材について、その組織を観
察すると共に、機械的性質を調査した結果を第２表に併
せて示した。なお、旧オーステナイト粒径の測定は、エ
ツチング処理によって旧オーステナイト組織を現出させ
る方法によった。

第２表に示される結果からも明らかなように、本発明に
係るマルテンサイトＭ材は従来材（比較材）に比べて高
強度でありながら優れた延性を有しており、しかも試験
番号２〜５に見られる如く組ｗｉ微細化に伴う特性向上
が極めて著しいことが分かる。

ところで、第２表には、得られたマルテンサイト鋼材の
人工海水噴霧試験による腐食進行速度の調査結果（耐食
性）をも示したが、この耐食性調査においても、本発明
材は低合金！ｌ１４（鋼Ａ）を基礎とした従来組織鋼材
（平均オーステナイト粒径：１４．７塵の制御圧延−直
接焼入材、即ち試験番号１材）の０．０９３ｍ／年に比
べて著しく優れた結果が得られている。

（効果の総括） 以上に説明した如く、この発明によれば、従来技術では
実際上実現することが出来なかった超微細マルテンサイ
ト鋼材を提供することができ、マルテンサイト鋼材特有
の特性に加えて非常に優れた加工性等これまでにない優
れた緒特性を有する鋼材を安定供給することが可能とな
るなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マルテンサイトのパケットの平均径或いはマルテンサイ
   トを生成する前の旧オーステナイト粒の平均径が５μｍ
   以下であるマルテンサイトを主体とした組織から成る、
   加工性に富んだ微細粒マルテンサイト鋼材。