JPH11246931A - 超微細フェライト組織鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 方位がランダムに近く大角粒界に囲まれた超
微細フェライト組織を提供する。 【解決手段】 平均粒径が３．０μｍ以下で、１５°以
上の大角粒界に囲まれたフェライトを体積率で６０％以
上含有し、フェライトの特定方位の集積度が４以下であ
るフェライト組織鋼とする。

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、超微細フ
ェライト組織鋼に関するものである。さらに詳しくは、
この出願の発明は、高強度構造用鋼、そして高強度な一
般溶接構造用鋼等として有用な超微細フェライト組織鋼
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】従来、制御圧延−加速冷却技
術は、低合金鋼において、その強度向上に寄与すること
のできる微細なフェライトを得るための有効な方法であ
った。すなわち、オーステナイト未再結晶域における累
積圧下率とその後の冷却速度を制御によって、微細な組
織が得られている。しかし、得られるフェライト粒径は
せいぜいＳｉ−Ｍｎ鋼で１０ミクロン、Ｎｂ鋼で５ミク
ロンが限界であった。さらに、特公昭６２−３９２２
８、特公昭６２−７２４７に述べられているように、２
相域も含めたＡｒ１〜Ａｒ３＋１００℃の温度域で合計
減面率が７５％以上の圧下を加え、その後２０Ｋ／ｓ以
上で冷却することによって、３．４ミクロン程度のフェ
ライト粒が得られる。特公平５−６５５６４に述べられ
ているように、３ミクロン未満となってくると、極めて
大きな圧下量と冷却速度が４０Ｋ／ｓ以上が必要であ
る。しかし、２０Ｋ／ｓ以上の急冷は、板厚が薄い場合
にのみ成り立ち得る手段であり、広く一般溶接構造用鋼
の製造方法としては成立しがたい。

【０００３】このような事情から、強度向上に寄与する
フェライトの微細化については、従来ではフェライト粒
径を３μｍ未満とすることは極めて困難であって、実際
的にも実現されていないのが実情である。そしてまた、
制御圧延で、未再結晶域の圧下量を増加させてゆくと以
下のような問題が生じる。すなわち、たとえば図６（鉄
と鋼６５（１９７９）１７４７−１７５５）に示すよう
に加工量が大きくなるほど、特定方位｛３３２｝＜１１
３＞、｛１１３｝＜１１０＞の集積度が大きくなり、小
角粒界の割合が大きくなってしまう。仮に３ミクロン程
度まで微細化できたとしても、高強度化や疲労強度の上
昇は微細化によって期待されるほど大きくならないので
ある。また、フェライト粒同志が同一方位を有する確率
が大きくなるため、フェライト粒同志の合体粒成長が生
じやすくなり、微細化そのものも困難になる。この点か
らも、フェライトの微細化は、５μｍが限界であった。

【０００４】従来は生成するフェライトの方位を制御す
る技術が全くないため、フェライト粒の微細化と同時に
フェライトの方位のランダム化を図ることはできなかっ
た。そこで、この出願は、以上のとおりの従来技術の限
界を克服し、フェライト粒の超微細化とその大角粒界
化、ならびに方位のランダム化を実現した、一般溶接構
造用溝等として有用な、新しい超微細フェライト組織鋼
と、これを製造するための方法を提供することを課題と
している。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この出願は、上記の課題
を解決するために、まず第１の発明として、平均粒径が
３．０μｍ以下で、１５°以上の大角粒界に囲まれたフ
ェライトを体積率で６０％以上含有し、フェライトの特
定方位の集積度が４以下であることを特徴とする超微細
フェライト組織鋼を提供する。

【０００６】また、この出願は、第２の発明として、オ
ーステナイト鋼を加工して第１の発明の鋼を製造する方
法であって、変態前のオーステナイト粒界が、その粒界
面に対して垂直な面上から見ての線状の粒界において粒
界単位長さ当り７０％以上が周期８μｍ以下、振幅２０
０ｎｍ以上の起伏を有しているものとすることを特徴と
する超微細フェライト組織鋼の製造方法を提供する。

【０００７】さらにこの出願は、第３の発明として、オ
ーステナイト鋼を加工して第１の発明の鋼を製造する方
法であって、変態前のオーステナイト粒内の焼鈍双晶
が、その境界に対して垂直な面上から見ての線状境界に
おいて粒界単位長さ当り７０％以上が周期８μｍ以下、
振幅２００ｎｍ以上の起伏を有しているものとすること
を特徴とする超微細フェライト組織鋼の製造方法を提供
する。

【０００８】そして、この出願は、第４の発明として、
オーステナイト鋼を加工して第１の発明の鋼を製造する
方法であって、オーステナイトの未再結晶温度にて圧下
率３０％以上の圧縮加工を加え、加工後に３Ｋ／ｓ以上
の速度で冷却することを特徴とする超微細フェライト組
織鋼の製造方法をも提供する。すなわち、以上のとおり
のこの出願の発明によって、これまでに全く知られてい
ない超微細フェライト組織鋼が提供される。

【０００９】この超微細フェライト組織鋼は、 １）平均粒径が３．０μｍ以下であって、１５°以上の
大角粒界に囲まれたフェライトを、体積率で６０％以上
含有し、 ２）フェライトの特定方位の集積度が４以下であること
を要件としている。

【００１０】このような新しい超微細フェライト組織鋼
については、この出願の発明者の検討によって、フェラ
イトの超微細化とその大角粒界化と方位ランダム化のた
めには、変態前のオーステナイト粒界と変態前のオース
テナイト粒内の焼鈍双晶が起伏を持つこと、すなわち、
直線的ではないことが、超微細化とともに、粒内フェラ
イトと粒界フェライトの方位ランダム化、大角粒界化に
必要であることが見出されたことに基づいている。たと
えば図１に粒界の模式図を示すが、生成するフェライト
はオーステナイトに対してＫ−Ｓの関係をもって核生成
するが、さらに、粒界面に対して最密充填面ができるだ
け近い角（φ）を持つように核生成する。するとたとえ
ば図２のように、オーステナイト粒界に起伏を与えて、
オーステナイト粒界面がいろいろな方向を向く場合に
は、生成するフェライトもいろいろな方向を向くことに
なる。すなわち、粒界フェライトの方位ランダム化が進
むことになる。また、加工を受けたオーステナイト粒界
内の変形帯や焼鈍双晶は、粒界に匹敵する核生成サイト
となりえるが、図２の粒界と同様のような凹凸を有する
場合には、生成するフェライトは粒界フェライト同様
に、いろいろな方向を向くことになる。したがって、い
わゆる粒内フェライトの方位もランダム化するのであ
る。

【００１１】このようなオーステナイト粒界やオーステ
ナイト粒内の焼鈍双晶に起伏を持たせることは材料内に
ミクロなひずみ勾配を付与することに他ならない。具体
的なひずみ勾配の付与方法としては、アンビルを用いた
圧縮加工やロール圧延加工等の手段がある。以上の起伏
の存在によって、平均粒径で３．０ミクロン以下で隣接
フェライト粒の方位差角が１５°以上の大角粒界を有
し、さらに、特定方位の集積度が４以下のフェライト微
細な組織鋼が可能とされるのである。

【００１２】そして、一般に、微細なフェライトはその
変態過程及びその後において、極めて合体、粒成長しや
すいが、大角粒界からなるフェライトは容易に合体、粒
成長せず、微細なまま室温にいたることもこの出願の発
明者により見出されているのでもある。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下にこの出願の発明の実施の形
態についてさらに説明する。前記したように、この出願
の第１の発明は、一般溶接構造用鋼として有用な、高強
度の超微細フェライト組織鋼からなるものであるが、こ
のものを製造するためには、オーステナイトを加工する
ことになり、このオーステナイトの加工による製造に際
しては、＜Ａ＞第２の発明のように、変態前のオーステ
ナイト粒界、＜Ｂ＞第３の発明のように、変態前のオー
ステナイト粒内の変形帯もしくは焼鈍双晶の少くともい
ずれかにおいて、その粒界または境界に対して垂直な面
上から見ての線状の粒界または境界で、粒界単位長さ当
り７０％以上が周期８μｍ以下、振幅２００ｎｍ以上の
起伏が存在するようにする。

【００１４】この場合の周期や振幅は、たとえば図３に
例示したように、前記の粒界または粒界（α）において
の起伏が、周期（Ｌ）８μｍ以下、振幅（Ｗ）２００ｎ
ｍ以上であることを意味している。以上の要件は、たと
えばこの出願の第４の発明のように、オーステナイト化
した後に、オーステナイトの再結晶温度以下の未再結晶
温度にて、圧下率３０％以上の平面ひずみ圧縮加工を行
うことにより可能となる。そして、加工後には３Ｋ／ｓ
以上で冷却することで、前記のとおりの超微細フェライ
ト組織鋼が実現される。

【００１５】前記の周期（Ｌ）および振幅（Ｗ）は、こ
のプロセスにおいて各々、８μｍ以下、２００ｎｍ以上
とされる。周期（Ｌ）が８μｍを越える場合、振幅
（Ｗ）が２００ｎｍ未満の場合には、いずれもこの発明
の超微細フェライト組織鋼を得ることは難しくなる。圧
縮加工の圧下率は３０％以上とするが、より好ましくは
５０％以上である。そしてその加工のための手段として
は、図４に例示したアンビル(Anvil) 加工が好適なもの
の一つとして例示される。

【００１６】このアンビルを用いた平面歪み圧縮では、
減面率で１パス９０％を越える強加工も可能である。そ
して、アンビル加工では、図４に示すように、加工部は
ロール圧延に比べ同じ減面率でも、せん断変形を含む大
きな変形を受けることになる。なお、この出願の発明の
フェライト組織鋼の化学組成については特に限定はな
く、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃ，Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ａ
ｌ等を適量な割合で含有するものでよい。ただ、溶接性
を考慮する場合には、Ｃ（炭素）については０．３ｍａ
ｓｓ％以下とするのが適当である。

【００１７】以上のとおりのこの出願の発明によりラン
ダムな方位を有する平均フェライト粒径で３．０μｍ以
下の構造用鋼を製造可能になったことは、高強度鋼の製
造に全く新たな方法を与えることになる。しかも、高価
な元素であるＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ等を用いることな
く、超微細組織が得られるようになり、高強度鋼の安価
に製造できるようになったことは実用的にも極めて意義
あることである。

【００１８】そこで以下実施例を示し、さらに詳しくこ
の発明について説明する。

【００１９】

【実施例】以下の実施例１〜３並びに比較例において
は、表１の鋼種番号１（組成１）の鋼を用いた。

【００２０】

【表１】

【００２１】（実施例１）組成１の鋼をオーステナイト
化し、その粒径を１５ミクロンに調整したものに対し、
７５０℃で、ひずみ速度１０／ｓ、減面率７３％のアン
ビル圧縮加工を一度に行った。加工時のオーステナイト
粒界を凍結するために、加工直後に水冷を行い、マルテ
ンサイト変態を生じさせ、マルテンサイト組織を作製し
た。このマルテンサイト組織の旧オーステナイト粒界を
観察したところ、粒界単位長さ当り、８５％に明確な凹
凸が存在し、その周期は５．５ミクロン以下、振幅は３
５０ｎｍ以上であった。次に、同一条件で加工をおこな
い、オーステナイト粒界に上記の凹凸を与えた後、１０
Ｋ／ｓで冷却を行った。得られた組織はフェライト−パ
ーライトであった。フェライト組織の平均粒径は直線切
断法で測定したところ２．０ミクロンであった。電子線
後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による３次元結晶構造解析に
よって、圧延方向に対して直角な面（ＴＤ面）の組織の
方位情報を計測したところ、図５に示すように、フェラ
イトの方位はランダムであり、図５に示すように、せい
ぜい｛００１｝／／ＮＤ方位の集積度が１．９であるに
すぎなかった。隣接フェライト粒の方位差角１５度以上
の大角粒界の割合は、測定面上の粒界長さの比より、９
５％であった。この発明で規定するところのフェライト
の体積率は７５％であった。（実施例２）組成１の鋼の
オーステナイト粒径３００ミクロンのものに対し、７５
０℃で、ひずみ速度１０／ｓで、減面率７３％のアンビ
ル圧縮加工を一度に行った。加工時のオーステナイト粒
界を凍結するために、加工直後に水冷を行い、マルテン
サイト変態を生じさせ、マルテンサイト組織を作製し
た。このマルテンサイ組織の旧オーステナイト粒界を観
察したところ、明確な凹凸が存在し、その周期は６．１
ミクロン以下、振幅は３００ｎｍ以上であった。また、
旧焼鈍双晶を観察したところ、粒界単位長さ当り８０％
に明確な凹凸が存在し、その周期は６．２ミクロン以
下、振幅は３００ｎｍ以上であった。次に、同一条件で
加工をおこない、オーステナイト粒界および粒内の焼鈍
双晶に上記の凹凸を与えた後、１０Ｋ／ｓで冷却を行っ
た。得られた組織はフェライト−パーライトであった。
フェライト組織の平均粒径は直線切断法で測定したとこ
ろ２．６ミクロンであった。電子線後方散乱回折（ＥＢ
ＳＤ）による３次元結晶構造解析によって、圧延方向に
対して直角な面（ＴＤ面）の組織の方位情報を計測した
ところ、フェライトの方位はランダムであり、図６に示
すように、せいぜい｛００１｝／／ＮＤ方位の集積度が
２．１であるにすぎなかった。隣接フェライト粒の方位
差角１５度以上の大角粒界の割合は、測定面上の粒界長
さの比より、９４％であった。この発明で規定するとこ
ろのフェライトの体積率は７５％であった。 （実施例３）組成１の鋼のオーステナイト粒径１５ミク
ロンのものに対し、７５０℃で、ひずみ速度１０／ｓ
で、一回で減面率５０％のアンビル圧縮加工を行った。
圧下直後に水冷を行い、旧オーステナイトを観察した。
また、圧延後１０Ｋ／ｓの冷却速度で冷却し、フェライ
ト−パーライト組織を作製した。フェライト組織の平均
粒径は直線切断法で測定したところ２．４ミクロンであ
った。電子線後方散乱回折（ＥＤＳＤ）を用いた３次元
結晶構造解析法（ＯＤＦ法）によって、組織の方位情報
を計測したところ、方位の集積度が３．８であった。フ
ェライト粒界にしめる方位差角１５度以上の大角粒界の
割合は、測定面上の長さの比より９５％であった。旧オ
ーステナイト粒界には、粒界単位長さ当り７５％に凹凸
が存在し、その周期は６．９ミクロン以下、振幅は３０
０ｎｍ以上であった。電子線後方散乱回折法を用いて、
粒界から生成したフェライト粒の方位を測定したとこ
ろ、粒界から生成したフェライト粒の方位は、ランダム
であった。この発明で規定するところのフェライトの体
積率は７５％であった。 （比較例）組成１の鋼のオーステナイト粒径３０ミクロ
ンのものに対し、無加工のまま水冷を行い、マルテンサ
イト変態を生じさせ、マルテンサイト組織を作製した。
このマルテンサイト組織の旧オーステナイト粒界を観察
したところ、旧オーステナイト粒界は、直線で、周期的
な凹凸はみられず、時折存在する凹凸の振幅は２００ｎ
ｍ以下であった。

【００２２】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明により、高強度な一般溶接構造用鋼等として有用
な、新規超微細フェライト組織鋼が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】オーステナイト粒界でのフェライト成長を模式
的に示した図である。

【図２】起伏のあるオーステナイト粒界でのフェライト
の方位を模式的に示した図である。

【図３】起伏の周期と振幅を模式的に示した図である。

【図４】アンビル加工について示した概念図である。

【図５】実施例１についての方位とその集積度について
示した図である。

【図６】実施例２についての方位とその集積度について
示した図である。

【図７】加工量と集積度との関係についての従来の知見
を示した図である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】また、この出願は、第２の発明として、第
１の発明の鋼を製造する方法であって、オーステナイト
をその未再結晶温度にて圧下率３０％以上の圧縮加工を
加え、変態前のオーステナイト粒界が、その粒界面に対
して垂直な面上から見ての線状の粒界において粒界単位
長さ当り７０％以上が周期８μｍ以下、振幅２００ｎｍ
以上の起伏を形成し、その後に３Ｋ／ｓ以上の速度で冷
却することを特徴とする超微細フェライト組織鋼の製造
方法を提供する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】さらにこの出願は、第３の発明として、第
１の発明の鋼を製造する方法であって、オーステナイト
をその未再結晶温度にて圧下率３０％以上の圧縮加工を
加え、変態前のオーステナイト粒内の焼鈍双晶が、その
境界に対して垂直な面上から見ての線状境界において粒
界単位長さ当り７０％以上が周期８μｍ以下、振幅２０
０ｎｍ以上の起伏を形成し、その後に３Ｋ／ｓ以上の速
度で冷却することを特徴とする超微細フェライト組織鋼
の製造方法を提供する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】すなわち、以上のとおりのこの出願の発明
によって、これまでに全く知られていない超微細フェラ
イト組織鋼が提供される。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

フロントページの続き (72)発明者 梅沢 修 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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均粒径が３．０μｍ以下で、１５°以
   上の大角粒界に囲まれたフェライトを体積率で６０％以
   上含有し、フェライトの特定方位の集積度が４以下であ
   ることを特徴とする超微細フェライト組織鋼。
2. 【請求項２】 オーステナイト鋼を加工して請求項１の
   鋼を製造する方法であって、変態前のオーステナイト粒
   界が、その粒界面に対して垂直な面上から見ての線状の
   粒界において粒界単位長さ当り７０％以上が周期８μｍ
   以下、振幅２００ｎｍ以上の起伏を有しているものとす
   ることを特徴とする超微細フェライト組織鋼の製造方
   法。
3. 【請求項３】 オーステナイト鋼を加工して請求項１の
   鋼を製造する方法であって、変態前のオーステナイト粒
   内の焼鈍双晶が、その境界に対して垂直な面上から見て
   の線状境界において粒界単位長さ当り７０％以上が周期
   ８μｍ以下、振幅２００ｎｍ以上の起伏を有しているも
   のとすることを特徴とする超微細フェライト組織鋼の製
   造方法。
4. 【請求項４】 オーステナイト鋼を加工して請求項１の
   鋼を製造する方法であって、オーステナイトの未再結晶
   温度にて圧下率３０％以上の圧縮加工を加え、加工後に
   ３Ｋ／ｓ以上の速度で冷却することを特徴とする超微細
   フェライト組織鋼の製造方法。