JPH0310046A - 微細粒ベイナイト鋼材 - 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。

圧延、伸線等の如き加工処理性が良好な、汎用性に冨む
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ｍ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　−１３〜１８ｗｔχＣｒ
　−８Ｊ２ｗｔχＮｉ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：０．５ｍ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５〜３μｍ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の提案〔特公昭６
２−４２０２１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
イト組織主体綱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ａ材を対象に、従来知られていたレベルを
蟲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」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ｖａ（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、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。

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、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“成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“パケッピ
と称されているが、ベイナイト綱材においては、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径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５ａ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−船釣に採用されていた鋼材Ｕ
織機細化手段の如く、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、 （ａｌ　　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雇歴を経させ
、しかる後、−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、前記低温相組織をオーステナイト結晶粒に逆変
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。

（ｂｌ　　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
よってオーステナイト組織とするための部組ｖａ（低温
和組織）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Ａ１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）シかも、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５趨以下になると、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。

（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緒特
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、３
ｆｔＦｆＪ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径が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（「
細長いベイナイト結晶の長平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Ｂ”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、ヘイナイト
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、　Ｔ
ｔ、　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、　Ｃｅ等の希土類元
素や（：ａ、　　Ｓｌ　ｐｂ、　Ｔｅ、　Ｂｔ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２ｐｒｎ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５鴻以下と限定したが
、できれば２Ｅｍ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（
Ａｃ、点）以上の温度域に昇温するか、この昇温に続い
てＡｅ。

意思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Ａｃｔ点以上にまで上昇するこ
とが必須である。勿論、Ａｃ、意思上の温度域であって
もその温度がＡｃｘ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
Ａｃ、意思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
１０１００ｗＸ５０断面の角材とした。

また、これとは別に、＠Ｂから成る４５ＮＸ４５龍断面
の角材を熱間鍛造で準備し、それを焼串処理したものを
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Ｍｉ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４５ｎＸ４５ｎ断面の焼串材を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．
Ｏｔｒｍ、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５４．６１ｒｍ
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４５＋
ｎｘ４５ｍｓ断面の焼準材を１０００℃に加熱後、３３
０℃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９０Ｑ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−小さく　
、２２．２７＋１１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ｍｓ材に係るも
のである。

即ち、試験番号３では、鋼Ｂの４５ｗｍＸ４５鶴断面の
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
ットワクによる旧オーステナイト粒径の測定結果は４．
０３印、ベイナイトのパケット径は３．６７卿で、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％、パケット径
が１．５９１ｒｍであった。

試験番号５では、１００　龍厚さの素材を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
した。続いて、この５０鶴厚の圧延材を圧延後直ちに４
００℃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
波加熱で６５０℃まで昇温し、６５０℃から上記と同型
の圧延機で５．５寵厚まで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即まで微細化していた。

試験番号６では、１００關厚さの素材をフェライト域の
６５０℃に加熱した後、５０＋ｎ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、微細オステナイト化した圧延材を４
００℃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５．５　ｍｍ
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０．４３
１であった。

試験番号７では、試験番号６で５０■ｌ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１００ｆｉ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６
５０℃から９００℃まで８９％の昇温圧延を施し、３３
０℃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
１．０６踊、パケット径は０．６２１Ｋｍ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０１５５μＩ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、鋼りに試験番号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、
ヘイナイトのパケット径は０．９８押となっていた。

試験番号１１では、鋼Ｅから成る１００龍厚焼準材を７
００℃に加熱した後、高速圧延で５０ｍ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一
フルテンサイドと残留オ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　、５
　ｍｍ　ＪＡＷまで８９％の高速大圧下圧延し、９３０
°Ｃ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！Ｊ１織から推定される旧
オーステナイト粒径は０．３５卿で、ベイナイトのパケ
ット径は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１０ｎｘ５
璽重のサフ゛サイズ２１ｍＶノ・ンチシャルピー試験片
（ＪＩＳｄ号準拠）とを切り出すと共に、直径が５１で
長さが４５０１１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材（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、本発明超微細べ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に係る従来材では腐
食進行速度が０．０４９１１／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
なからＯ，０１１〜０．００２ｍ／年と耐食性が大きく
向上することを明示している。

く効果の総括） 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、
産業上極めてを用な効果がもたらされる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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５μｍ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。