JP2808675B2 - 微細粒ベイナイト鋼材 - Google Patents

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，圧延，
伸線等の如き加工処理性が良好な、汎用性に富む微細粒
ベイナ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“鋼材の諸特性｛強度，靭性，加工性（塑性
加工性，切断特性，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−13〜18wt％Cr−８〜12
wt％Ni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:0.5μｍ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1052〜1057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５〜３μｍ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ベイ
ナイト組織主体鋼材におけるベイナ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に、従来知られていたレベル
を遥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或る特定の値以下までに微細化さ
れると予想を超える特性動向を示すようになる」との事
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。

それで、本発明者等は、ベイナ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、ベイナイト組織を主体とする鋼材に
おける更なる組織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。

〈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、ベイナイト鋼材を熱間から冷却すると、オース
テナイト粒内で“或る一定の同一方向に成長したパーラ
イトのラメラ”と同様な組織集団が生成される。この同
一方向に並んだベイナイト葉の集団はそれぞれ“パケッ
ト”と称されているが、ベイナイト鋼材においては、こ
のパケットがフェライト組織又はパーライト組織におけ
るフェライト粒もしくはパーライト粒と同様な“組織の
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、“ベイナイト変態
後に形成される該パケット”は元のオーステナイト粒の
大きさに左右され、その大きさに伴って変化する。従っ
て、ベイナイトのパケット系を小さくするためには、ベ
イナイトに変態する前のオーステナイト粒径（元のオー
ステナイト粒径）を微細化することが欠かせない。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５μｍ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。そのため、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ベイナイトパ
ケット鋼材の特性動向を知ることはおろか、該鋼材の実
現すら危ぶまれていた。

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
れる限りは高温相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、前記低温相組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
（低温相組織）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相組織に塑性加工を
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
よってオーステナイト組織とするための前組織（低温相
組織）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、低温相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A₁変態点、即ちAe₁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ベイナイト組織鋼材は、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
細なパケットのベイナイト組織とすることが可能であ
る。

（ｅ） しかも、このように処理して得られる“ベイナ
イトを主体とした鋼材”において、ベイナイトのパケッ
トの平均径が５μｍ以下になると、鋼材の諸特性（加工
性，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。

（ｆ） ところで、一般に、ベイナイト、特にそれを焼
戻したり時効処理したりしたベイナイトでは、ベイナイ
トのパケットの大きさを測定するよりも組織の状況（初
析フェライトの列や列状初析セメンタイトのネットワー
ク）により旧オーステナイト粒（ベイナイト生成の前組
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
イト粒径とベイナイトのパケットの平均径とは表裏一体
の関係にあって、ベイナイトを主体とした鋼材の諸特性
の著しい向上は旧オーステナイト粒径:5μｍ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
におけるベイナ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
“ベイナイトのパケットの平均径或いはベイナイトを生
成する前の旧オーステナイト粒の平均系が５μｍ以下で
あるベイナイトを主体とした組織”から成る、超微細ベ
イナイト鋼材を実現した点」に大きな特徴を有してい
る。

ここでの「ベイナイトのパケット」とは、前述の如く
「細長いベイナ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、
前述したようにベイナイトが変態生成する前のオーステ
ナイト組織におえる平均オーステナイトの粒径のことで
ある。

なお、該旧オーステナイト粒界をベイナイトが主体と
なった組織の鋼材から確認する方法としては、亜共析鋼
ではベイナイト変態に先立って起きる“オーステナイト
粒界でのフェライト変態”によって生成した初析フェラ
イトの列によって確認する方法を、過共析鋼ではベイナ
イト変態に先立って起きる“オーステナイト粒界でのセ
メンタイト析出”によって生成した列状初析セメンタイ
トのネットワークによって確認する方法がそれぞれ採用
できる。

更に、「ベイナイトを主体とした組織」とは、組織中
にベイナイト（ここでは変態生成したままのベイナイ
ト，焼戻しベイナイト，時効処理ベイナイトを含めて称
する）が50％以上含まれているものを言い、鋼材組織中
においてベイナ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ベイナ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、ベイナイ
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、炭素鋼はもとより、低合金鋼，フ
ェライト系ステンレス鋼，析出硬化型ステンレス鋼或い
は耐熱鋼等、ベイナ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B,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
もよく、目的に応じてはLa,Ce等の希土類元素やCa,S,P
b,Te,Bi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ベイナイトのパケットの
平均径或いはベイナイトを生成する前の旧オーステナイ
ト粒の平均径を５μｍ以下とした理由、並びに本発明鋼
材の製造手段を説明する。

〈作用〉 ベイナイト鋼材の機械的性質、特に伸びと絞り値はベ
イナ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５μｍ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２μｍ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ベイナイトのパケ
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５μｍ以下と限定した
が、できれば２μｍ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、素材鋼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Ae₁点以
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旦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，
条鋼・線材等のための孔型圧延機の他、周知のハンマ
ー，スエージャー，ストレッチ・レデューサー，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、その後の変
態に際して更に微細な変態組織の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Ac₁点以上にまで上昇するこ
とが必須である。勿論、Ac₁点以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Ac₃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Ac₃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
の微細ベイナ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Ａ〜Ｅを真空溶解炉で溶
製し、これを１トン鋼塊にした後、均熱分塊圧延を経て
100mm×50mm断面の角材とした。

また、これとは別に、鋼Ｂから成る45mm×45mm断面の
角材を熱間鍛造で準備し、それを焼準処理したものも用
意した。

次に、これら鋼材に第２表で示す条件の処理を施し、
ベイナイトを主体とした組織から成る鋼材を試作した。
そして、このようにして得られた各鋼材の組織を観察
し、その結果を第２表に併せて示した。

ここで、試験番号１（比較例）については、鋼Ｂから
成る45mm×45mm断面の焼準材を1000℃に加熱してから自
然放冷したものであり、初析フェライトのネットワーク
によって測定した旧オーステナイト粒径は93.0μm,最終
組織は85％のベイナイトと15％のフェライトで、ベイナ
イトのパケット径は54.6μｍであった。この組織は通常
の熱処理で得られる一般のベイナイト組織である。

試験番号２（比較例）については、鋼Ｂから成る45mm
×45mm断面の焼準材を1000℃に加熱後、330℃の塩浴中
に浸漬して１時間保持した後炉外で自然放冷したもの
で、初析フェライトが少なくて旧オーステナイト粒径は
不明確であるが試験番号１と同じ加熱条件なので90℃前
後と推定される。そして、組織は100％ベイナイトでパ
ケット径は試験番号１よりやゝ小さく、22.2μｍになっ
ていた。

こうした従来材に比べて、試験番号３乃至11は、素材
鋼を昇温加熱してオーステナイト化する途上で圧延加工
を加える方法によって得られた超微細組織鋼材に係るも
のである。

即ち、試験番号３では、鋼Ｂの45mm×45mm断面の焼準
材を素材として、これを700℃に加熱後、その温度から
３段連続圧延機で13.5mm厚まで高速圧延を施した。この
圧延は、高速大圧下圧延のため、被圧延材の温度は変態
点以上の905℃まで上昇した。そして、この処理によっ
て得られた鋼材はベイナイト量:90％のフェライト・ベ
イナイト組織で、初析フェライトのネットワークによる
旧オーステナイト粒径の測定結果は4.03μm,ベイナイト
のパケット系は3.67μｍで、従来鋼材に比して桁違いの
微細組織となっていた。

試験番号４では、試験番号３と同じ圧延材を圧延後直
ちに330℃の塩浴中に１時間浸漬してから自然放冷し
た。このようにして得られた鋼材は、旧オーステナイト
粒径が3.88μm,ベイナイト率が95％，パケット系が1.59
μｍであった。

試験番号５では、100mm厚さの素材を900℃に加熱して
オーステナイト化した後、750℃まで放冷し、この750℃
から50％の圧延を施した。なお、圧延には試験番号１乃
至４と同じ圧延機を使用し、圧延速度を下げて圧延終了
温度が圧延開始温度と同じになるようにしていた。続い
て、この50mm厚の圧延材を圧延後直ちに400℃の電気炉
中に15分挿入・保持してフェライト・パーライト・ベイ
ナイトの混合組織にしたものを、高周波加工で650℃ま
で昇温し、650℃から上記と同型の圧延機で5.5mm厚まで
89％の高速大圧下圧延を施した。この圧延で、鋼材は加
工熱によって900℃まで温度上昇し、変態点を超えてオ
ーステナイト組織に変化した。その後、この圧延材を直
ちに330℃の塩浴炉に１時間浸漬した。

このようにして得られた鋼材は、旧オーステナイト粒
径が1.79μm,ベイナイト率が95％で、パケット径が1.04
μｍまで微細化していた。

試験番号６では、100μｍ厚さの素材をフェライト域
の650℃に加熱した後、50mm厚さまで高速圧延して50％
の圧下と850℃までの温度上昇を付与した。そして、こ
の段階で、微細オーステナイト化した圧延材を400℃の
電気炉中でフェライト・パーライト・ベイナイト変態さ
せた後、試験番号５と同じように5.5mm厚まで昇温圧延
してから塩浴でベイナイト変態させた。

このようにして得られた鋼材の旧オーステナイト粒径
は不明確であったが、ベイナイトのパケット径は0.43μ
ｍであった。

試験番号７では、試験番号６で50mm厚への第１回目の
圧延を施した後直ちに水中で急冷して焼入れ組織とし、
それを誘導加熱炉で650℃まで急速加熱した後、試験番
号６と同じ処理を施したものである。

このようにして得られた鋼材の旧オーステナイト粒径
はかろうじて判別され、0.31μｍになっていた。そし
て、ベイナイトのパケット径は0.19μｍで、従来の知見
では到底考えられない微細な組織となっていた。

試験番号８では、鋼Ａの100mm厚焼準材を試験番号と
７と同じように650℃加熱し、650℃から850℃への50％
昇温圧延後水中焼入れしたものを、更に650℃から900℃
まで89％の昇温圧延を施し、330℃塩浴中でベイナイト
変態させた。

このようにして得られた鋼材の旧オーステナイト粒径
は1.06μm,パケット径は0.62μｍであった。

試験番号９は、鋼Ｃについて試験番号８と同じ処理を
施した例であるが、この例で得られた鋼材は旧オーステ
ナイト粒径が0.75μm,パケット径が0.55μｍで、80％の
ベイナイトと15％の残留オーステナイトに５％のマルテ
ンサイトが混在した組織となっていた。

試験番号10は、鋼Ｄに試験番号８と同じ処理を施して
から500℃で１時間焼戻して得た、焼戻しベイナイト鋼
材の例である。

この鋼材は、旧オーステナイト粒径は1.62μｍで、ベ
イナイトのパケット径は0.98μｍとなっていた。

試験番号11では、鋼Ｅから成る100mm厚焼準材を700℃
に加熱した後、高速圧延で50mm厚に圧延して鋼材温度を
850℃まで上昇させ、その後自然放冷で室温まで冷却し
た。この段階では鋼材組織はベイナイトとマルテンサイ
トと残留オーステナイトの混合組織であったが、これを
更に誘導加熱で700℃まで急速加熱して微細フェライト
と球状炭化物の組織にしたものを5.5mm厚まで89％の高
速大圧下圧延し、930℃まで温度を上昇させた。そし
て、圧延後は自然放冷した。

このようにして得られた鋼材の最終組織は80％のベイ
ナイトと15％のマルテンサイトと５％の残留オーステナ
イトになっており、ミクロ組織から推定される旧オース
テナイト粒径は0.35μｍで、ベイナイトのパケットは0.
16μｍであった。

次に、以上のような処理を施して得られた鋼材から平
行部直径が3.5mmの丸棒微小引張試験片と10mm×5mmのサ
ブサイズ2mmVノッチシャルピー試験片（JIS4号準拠）と
を切り出すと共に、直径が5mmで長さが450mmの丸棒を機
械加工にて切り出し、それぞれ室温での引張試験，シャ
ルピー衝撃試験及び４点曲げ疲労試験に供した。

これらの結果も第２表に併せて示す。

なお、引張試験における伸び測定のための評点距離は
直径の５倍の17.5mmとした。また、疲労試験について
は、このような高強度材では耐久限度比（疲労限／引張
強さ）が重要な評価になるため、第２表には耐久限度比
も併せて示した。

第２表に示される結果からも明らかなように、本発明
に係る超微細ベイナイト鋼材は従来比（比較材）に比べ
強度の向上は勿論、伸びと絞りの向上も著しいことが分
かる。また、本発明超微細ベイナイト鋼材は衝撃値の向
上も極めて大きく、これまでにない強靭・高延性の優れ
た特性を持つ鋼材であることが明らかである。

更に、疲労強度について見ると、耐久限度比に注目し
た場合、従来材では強度の低い100キロ級で0.45〜0.55
程度、強度が150キロ級になると0.3〜0.4に下がり、200
キロ級では0.2〜0.3となるのに対して、本発明鋼材では
200キロ級で0.3〜0.5と言う驚くべき高い値を示すこと
が分かる。

ところで、参考までに、第２表では試験番号２及び３
〜７にて得られたベイナイト鋼材について人工海水噴霧
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、この耐食性調査は、試験番号２に係る従来例では
腐食進行速度が0.049mm/年であるのに対して、試験番号
３〜７に係る本発明鋼材では、同じ成分の鋼でありなが
ら0.011〜0.002mm/年と耐食性が大きく向上することを
明示している。

〈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ベイナイト
鋼材を提供することができ、ベイナ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諸
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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 8/00,9/46

Claims (1)

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