JP2019143244A

JP2019143244A - 高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材及びその製造方法

Info

Publication number: JP2019143244A
Application number: JP2019027381A
Authority: JP
Inventors: 鳥塚　史郎; Shiro Torizuka; 史郎鳥塚
Original assignee: University of Hyogo
Current assignee: University of Hyogo
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: JP7406762B2

Abstract

【課題】建造物や橋梁等、自動車の足回り鋼、機械用歯車等部品に使用した場合でも、十分な機械的強度、延性を有する高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材及びその製造方法を提供する。【解決手段】Ｃ：０．０７５〜０．３ｗｔ％、Ｍｎ：３〜１０ｗｔ％、Ｓｉ：０〜２．５ｗｔ％を含有するとともに、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、旧γ粒径が２．０μｍ以下であり、シングルブロックをもつ等軸マルテンサイトである組織を有する高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材。【選択図】なし

Description

本発明は、建造物や橋梁等の構造物、自動車の足回り鋼、機械用歯車等部品に使用される鋼として好適な高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材及びその製造方法に関するものである。

マルテンサイトは、四つの構成要素でできた複雑な階層構造をとっている。大きさが数１０μｍの旧オーステナイト（γ）粒は大きさ数μｍのパケットが詰まった構造になっており、そのパケットは幅が約１μｍの細長いブロックが詰まってできている。さらに、このブロックはラスによって構成されている。すなわち、旧オーステナイト粒、パケット、ブロック、ラスの四つの構成要素が積み重なってできている。この四つの構成要素の粒界・境界や粒内に数〜数１０ｎｍの大きさの炭化物粒子が分散しているという複雑な階層構造をとっている。

このような複雑な階層構造をとるマルテンサイト組織を有する鋼材は、建造物や橋梁等、自動車の足回り鋼、機械用歯車等部品に使用される場合、強度・延性が十分とは言えず、さらなる改良を行うことが望まれていた。

本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたもので、建造物や橋梁等、自動車の足回り鋼、機械用歯車等部品に使用した場合でも、十分な機械的強度、延性を有する高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明によれば、上記課題を解決するため、下記の技術的手段ないし技術的手法が提供される。
〔１〕Ｃ：０．０７５〜０．３ｗｔ％、Ｍｎ：３〜１０ｗｔ％、Ｓｉ：０〜２．５ｗｔ％を含有するとともに、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、旧γ粒径が２．０μｍ以下であり、シングルブロック構造である等軸マルテンサイトである組織を有する高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材。
〔２〕上記第１の発明において、引張強さが１２００ＭＰａ以上、全伸びが１０％以上であることを特徴とする高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材。
〔３〕上記第１又は第２の発明の高強度・高延性鋼材の製造方法であって、前記化学成分の素材に３００〜６００℃の温度範囲で圧下率５０％以上の圧延加工を行い、微細フェライト−セメンタイトの組織とし、次いで７００〜９５０℃の温度範囲で１秒〜３時間保持後、水冷又は空冷を行い、シングルブロック構造をもつ等軸微細マルテンサイトである組織を有する高強度・高延性鋼材を製造することを特徴とする高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材の製造方法。

本発明によれば、上記構成を採用したので、建造物や橋梁等、自動車の足回り鋼、機械用歯車等部品に使用した場合でも、十分な機械的強度、延性を有するという優れた効果を得ることができる。

γ粒径を微細化させた場合の組織の構造の変化の様子を示す図である。再加熱温度７５０℃と１２００℃で得られたマルテンサイト組織のＥＢＳＤ−ＩＰＦ像を示す図である。図２の正極点図である。実施例１の鋼材の公称応力−公称ひずみ曲線を示す図である。

以下、本発明を実施の形態により詳細に説明する。

本発明の高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材は、Ｃ：０．０７５〜０．３ｗｔ％、Ｍｎ：３〜１０ｗｔ％、Ｓｉ：０〜２．５ｗｔ％を含有するとともに、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、旧γ粒径が２．０μｍ以下であり、シングルブロックをもつ等軸マルテンサイトである組織を有することを特徴とする。

本発明の鋼材において、Ｃは０．０７５〜０．３ｗｔ％とする。Ｃは焼入性とは引張強度を確保するために必要であるが、０．０７５ｗｔ％未満では、マルテンサイトを生成せず鋼材の引張強度を十分に満たさないおそれがあり、０．３ｗｔ％を超えると、鋼材の延性・靱性の低下及び溶接性の低下となる。

また、Ｓｉは０〜２．５ｗｔ％とする。Ｓｉは、材質を大きく硬質化する置換型元素であり、鋼の強度を有効な元素である。しかしながら、Ｓｉ含有量が過度に高くなると熱間加工時の加熱中にＳｉスケールが多く発生しスケール除去に余分のコストがかかることや、スケールによる表面疵が発生し易くなる。したがって、Ｓｉの上限は２．５ｗｔ％とする。

また、Ｍｎは３〜１０ｗｔ％とする。Ｍｎは、オーステナイト生成元素であり、焼入れ性を向上させ、微細γ粒からマルテンサイトを生成させる。しかし、Ｍｎが高濃度になると凝固時の鋼中Ｍｎの偏析が過大となり材料内部の均一性を害する。また、素材の調製工程における熱間加工工程において表面割れが発生し易くなる。したがって、Ｍｎの上限は１０ｗｔ％とする。

本発明の鋼材の微細組織は、旧γ粒径が２．０μｍ以下、より好ましくは１．０μｍであり、シングルブロックをもつ等軸マルテンサイトである。前述のように、通常マルテンサイトは、旧オーステナイト、パケット、ブロック、ラスの階層構造をもち、ひとつの旧オーステナイト（γ）粒は、複数のパケットを持ち、パケット内部には様々な方位（バアリアント）をもつブロックが変態生成する。ブロック境界は大角粒界である。ところがγ粒径を微細化していくと、図１に示すようにシングルパケットマルチブロック、さらに微細化するとシングルブロック（シングルバリアント）マルテンサイトが生成する可能性がある。つまり、旧オーステナイトを微細化してゆくと、その内部に生成し得るブロックの数が減ってゆく。最終的には、一つのブロックしか生成できなくなる。あたかも、見かけ上一つの旧オーステナイトが一つのフェライト粒に変化したようになる。しかし、一般にγ粒径を微細化すると焼入性が低下し、マルテンサイトとならない。ところが、本発明では、Ｍｎを適量添加するとともに、熱間圧延により組織をあらかじめ超微細フェライト−セメンタイトとすることにより、旧γ粒径を２．０μｍ以下とし、さらにＭｎを適量添加することにより、シングルブロック構造をもつ等軸マルテンサイトである組織とすることを可能にした。ここで超微細とは、旧オーステナイト粒径２μｍ以下のことをいう。シングルブロック構造とは、オーステナイト粒から１つのブロックのみが存在している構造をいう。隣接するブロックとは、母相であるオーステナイトが異なるものになる。これは、組織のＥＢＳＤ（電子線後方散乱回折）観察結果をバリアント解析法によって確認できる。

本発明の高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材は、引張強さが１２００ＭＰａ以上、全伸びが１０％以上である。

次に、本発明の高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材の製造方法について説明する。

まず、Ｆｅ粉末、Ｃ粉末、Ｓｉ粉末、Ｍｎ粉末をそれぞれＣ：０．０７５〜０．３ｗｔ％、Ｍｎ：３〜１０ｗｔ％、Ｓｉ：０〜２．５ｗｔ％、残りＦｅとなるように調整し、素材とする。そして、この素材に熱間圧延を施す。

温間圧延は、工業的に行われている厚鋼板製造ラインにおける平ロール圧延、極厚鋼板製造ラインにおける鍛造、棒鋼又は鋼線材製造ラインにおける溝ロール圧延、及び条鋼又は形鋼ラインにおける形ロール圧延の内のいずれであってもよい。これらいずれかの加工方式により、素材に対して塑性ひずみを与える。この温間圧延は、３００〜６００℃の温度範囲で圧下率５０〜９０％の圧延加工を行い、超微細フェライト−セメンタイトの組織とする。温間圧延の温度が３００℃未満であると、セメンタイトが生成せず、一方６００℃を超えるとオーステナイトが逆変態生成してしまう。圧下率が５０％未満であると、初期組織の加工硬化状態となり、微細フェライトと微細セメンタイトが十分に発達しない。

温間圧延の後、７３０〜９５０℃の温度範囲で１秒〜３時間保持し、再加熱を行う。再加熱の後、水冷、あるいは空冷を行い、シングルバリアントをもつ等軸マルテンサイトである組織を有する高強度・高延性鋼材を製造する。再加熱温度が７３０℃未満であると、フェライト＋セメンタイト組織が完全に逆変態せず、フェライトとオーステナイトの２相組織となり、マルテンサイト組織を得ることができない。９５０℃を超えると逆変態オーステナイト組織が粗大となり、微細マルテンサイトを得ることができない。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。
＜実施例１＞
溶解用主原料としてＦｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを０．１ｗｔ％、Ｃ−２ｗｔ％Ｓｉ−５ｗｔ％Ｍｎ、残りＦｅを準備した。この溶解用主原料に高周波真空誘導加熱炉を用いて、溶製し、縦１００ｍｍ×横１００×高さ３００ｍｍの鋼塊を鋳造し、本発明の高強度・高延性鋼材の素材とした。この素材を１２００℃で熱間鍛造し、断面３８角の角棒とした。

次に、この素材を５５０℃で１時間加熱の後、圧下率９０％で温間溝ロール圧延を行い、組織をあらかじめ超微細フェライト−セメンタイトとした。得られた組織のフェライト粒径は約０．５μｍであった。

次に、旧γ粒径を大きく変化させるため、再加熱温度を７００、７５０、８００、１２００℃として、１時間保持後水冷を行い、バリアント解析により旧粒径を算出した。また、引張試験を行い、力学的特性を評価した。

図２に再加熱温度７５０℃と１２００℃で得られたマルテンサイト組織のＥＢＳＤ−ＩＰＦ（電子線後方散乱回折−結晶方位）像を示す。図２の黒線は、バリアント解析で決定したγ粒界を示す。図３は、図２の正極点図を表す。図３（ａ）より黒線で囲まれた領域は、全ブロックがＫ−Ｓの関係を持ち、複数のパケット・ブロックからなる旧γ粒径約１８０μｍマルテンサイトとわかった。図３（ｂ）は、図２（ｂ）の黒線で囲まれた領域（正極点図の中心★印）と周囲の粒の方位関係をプロットした結果であるが、Ｋ−Ｓの関係がみられなかった。したがって黒線で囲まれた領域は独立した旧γ粒であるとわかった。旧γ粒径は約２．０μｍまで微細化すると、シングルバリアントをもつ等軸マルテンサイトが得られた。図４は公称応力−公称ひずみ曲線を示すが、シングルバリアントマルテンサイトは、高強度・高延性であった。

＜実施例２＞
溶解用主原料としてＦｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを０．１５ｗｔ％Ｃ−２ｗｔ％Ｓｉ−５ｗｔ％Ｍｎ、残りＦｅを準備したこと以外は、実施例１と同様にして、熱間鍛造し、断面３８角の角棒とした。

次に、この素材を５５０℃で１時間加熱の後、圧下率９０％で温間溝ロール圧延を行い、組織をあらかじめ超微細フェライト−セメンタイトとした。得られた組織のフェライト粒径は、実施例と同様に約０．５μｍであった。

次に、旧γ粒径を大きく変化させるため、再加熱温度を７５０℃として、１時間保持後水冷を行い、バリアント解析により旧粒径を算出した。また、引張試験を行い、力学的特性を評価した。

＜実施例３＞
溶解用主原料としてＦｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを０．２ｗｔ％Ｃ−２ｗｔ％Ｓｉ−５ｗｔ％Ｍｎ、残りＦｅを準備したこと以外は、実施例１と同様にして、熱間鍛造し、断面３８角の角棒とした。

力学的特性を評価した結果、実施例２の鋼材では、引張強さが１４５０Ｍｐａであり、全伸びが１２％であった。また、実施例３の鋼材では、引張強さが１６００Ｍｐａであり、全伸びが１０％であった。

Claims

Ｃ：０．０７５〜０．３ｗｔ％、Ｍｎ：３〜１０ｗｔ％、Ｓｉ：０〜２．５ｗｔ％を含有するとともに、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、旧γ粒径が２．０μｍ以下であり、シングルブロックをもつ等軸マルテンサイトである組織を有する高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材。
引張強さが１２００ＭＰａ以上、全伸びが１０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材。
請求項１又は２の高強度・高延性鋼材の製造方法であって、前記化学成分の素材に３００〜６００℃の温度範囲で圧下率５０％以上の圧延加工を行い、超微細フェライト−セメンタイトの組織とし、次いで７００〜９５０℃の温度範囲で１秒〜３時間保持後、水冷又は空冷を行い、シングルブロック構造をもつ等軸微細マルテンサイトである組織を有する高強度・高延性鋼材を製造することを特徴とする高強度・高延性微細マルテンサイト組織鋼材の製造方法。