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JP7617477B2 - 鋼材 - Google Patents

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JP7617477B2
JP7617477B2 JP2023531405A JP2023531405A JP7617477B2 JP 7617477 B2 JP7617477 B2 JP 7617477B2 JP 2023531405 A JP2023531405 A JP 2023531405A JP 2023531405 A JP2023531405 A JP 2023531405A JP 7617477 B2 JP7617477 B2 JP 7617477B2
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恭平 石川
武 豊田
啓督 川原
裕行 安達
祐一 日平
翔 深尾
康裕 上月
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Description

本発明は、鋼材に関する。
鋼材に求められる材料特性、とりわけ強度を向上させるためには、焼入れ処理によって金属組織をマルテンサイト及び／又はベイナイトに変態させることが有効であることが一般に知られている。これに関連して、従来、焼入れ性を高める合金元素を鋼材に含有させて、オーステナイトからマルテンサイト及び／又はベイナイトへの変態を促進させることが行われている（例えば、特許文献１～特許文献５参照）。
特許文献１～５に記載の発明では、マルテンサイトの体積率が９０％以上になる臨界冷却速度Ｖcを焼入れ性の指標として使用している。Ｖcは、小さいほど鋼の焼入れ性が高くなり、冷却速度が遅くなってもマルテンサイト組織を確保できる。焼入れ性を高める合金元素は、例えばＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＢである。
特開２０１８－７０９７０号公報 国際公開第２０１３－１７５８２１号 国際公開第２０１２－１４４２４８号 特開２００７－２９１４６８号公報 特開２００７－５６２８３号公報
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の焼入れ性の向上に比較的有効に作用する元素であるが、高価な元素でもある。それゆえ、ホウ素（Ｂ）のように、少量の含有でも、焼入れ性を改善することができる元素を含む鋼材に対してニーズがある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、新規な構成により、焼入れ性が改善された鋼材を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成するために、鋼の焼入れ性を高めることができる元素について検討を行った。その結果、本発明者らは、特定元素が鋼の焼入れ性を顕著に高めることを見出し、本発明を完成させた。
上記目的を達成し得た鋼材は、以下のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．００１～１．０００％、
Ｓｉ：０．０１～３．００％、
Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
Ｐ：０．３００％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ａｌ：０．００１～５．０００％、
Ｎ：０．２０００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
Ｎｂ：０～３．０００％、
Ｔｉ：０～０．５００％、
Ｔａ：０～０．５００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～３．００％、
Ｎｉ：０～１６．００％、
Ｃｒ：０～１５．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃｏ：０～３．００％、
Ｂｅ：０～０．０５０％、
Ａｇ：０～０．５００％、
Ｚｒ：０～０．５０００％、
Ｈｆ：０～０．５０００％、
Ｃａ：０～０．０５００％、
Ｍｇ：０～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
Ｓｎ：０～０．３００％、
Ｓｂ：０～０．３００％、
Ｔｅ：０～０．１００％、
Ｓｅ：０～０．１００％、
Ａｓ：０～０．０５０％、
Ｂｉ：０～０．５００％、
Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
下記式１によって求められる［Ｘ］effが下記式２を満たす化学組成を有し、
焼入れ性指標Ｖcと、厚さｔ［ｍｍ］とが下記式３を満たす、鋼材。
［Ｘ］eff＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式１
［Ｘ］eff≧０．０００３ ・・・式２
Ｖc／（９７７３×ｔ-1.8）＜１．００ ・・・式３
ただし、［Ｂ］＜０．０００３％のとき、
ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc1＝３．６－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋２８［Ｘ］eff） ・・・式４
［Ｂ］≧０．０００３％のとき、
ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc2＝２．８－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］＋３７．９［Ｘ］eff） ・・・式５
ここで、Ｖc1はＢ含有量が０．０００３％未満の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、Ｖc2はＢ含有量が０．０００３％以上の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、［Ｂ］、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、及び［Ｍｏ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
（２）ｔ≦１６ｍｍのとき、前記焼入れ性指標Ｖcと、前記厚さｔ［ｍｍ］とが下記式６をさらに満たす、上記（１）に記載の鋼材。
Ｖc／４５５ｅｘｐ（－０．３６ｔ）＜１．００ ・・・式６
（３）前記鋼材の厚さの１／４の位置において、ＪＩＳ Ｇ ０５５５：２０２０に規定するＡ系介在物の清浄度が０．０１０％以下である、上記（１）又は（２）に記載の鋼材。
（４）Ｎ含有量が０．００１０％以上であり、Ｏ含有量が０．００１０％以上である、上記（１）～（３）のいずれか１項に記載の鋼材。
（５）前記化学組成が、質量％で、
Ｎｂ：０．００３～３．０００％、
Ｔｉ：０．００５～０．５００％、
Ｔａ：０．００１～０．５００％、
Ｖ：０．００１～１．００％、
Ｃｕ：０．００１～３．００％、
Ｎｉ：０．００１～１６．００％、
Ｃｒ：０．００１～１５．００％、
Ｍｏ：０．００１～５．００％、
Ｗ：０．００１～２．００％、
Ｂ：０．０００１～０．０２００％、
Ｃｏ：０．００１～３．００％、
Ｂｅ：０．０００３～０．０５０％、
Ａｇ：０．００１～０．５００％、
Ｚｒ：０．０００１～０．５０００％、
Ｈｆ：０．０００１～０．５０００％、
Ｃａ：０．０００１～０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００１～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０．０００１～０．５０００％、
Ｓｎ：０．００１～０．３００％、
Ｓｂ：０．００１～０．３００％、
Ｔｅ：０．００１～０．１００％、
Ｓｅ：０．００１～０．１００％、
Ａｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｂｉ：０．００１～０．５００％、並びに
Ｐｂ：０．００１～０．５００％
のうち１種又は２種以上を含む、上記（１）～（４）のいずれかに記載の鋼材。
（６）Ｍｇ含有量が０％であるか又は０．００１６～０．０５００％である、上記（１）～（４）のいずれか１項に記載の鋼材。
（７）Ｓｎ含有量が０．００４％以下である、上記（１）～（６）のいずれか１項に記載の鋼材。
（８）前記鋼材の厚さの１／２の位置におけるマルテンサイト面積率が９０％以上である、上記（１）～（７）のいずれか１項に記載の鋼材。
（９）前記鋼材の厚さが２．５ｍｍ以上である、上記（１）～（８）のいずれか１項に記載の鋼材。
本発明によれば、焼入れ性が高められた鋼材を提供することができる。
＜鋼材＞
本発明の実施形態に係る鋼材は、質量％で、
Ｃ：０．００１～１．０００％、
Ｓｉ：０．０１～３．００％、
Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
Ｐ：０．３００％以下、
Ｓ：０．０３００％以下、
Ａｌ：０．００１～５．０００％、
Ｎ：０．２０００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
Ｎｂ：０～３．０００％、
Ｔｉ：０～０．５００％、
Ｔａ：０～０．５００％、
Ｖ：０～１．００％、
Ｃｕ：０～３．００％、
Ｎｉ：０～１６．００％、
Ｃｒ：０～１５．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、
Ｗ：０～２．００％、
Ｂ：０～０．０２００％、
Ｃｏ：０～３．００％、
Ｂｅ：０～０．０５０％、
Ａｇ：０～０．５００％、
Ｚｒ：０～０．５０００％、
Ｈｆ：０～０．５０００％、
Ｃａ：０～０．０５００％、
Ｍｇ：０～０．０５００％、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
Ｓｎ：０～０．３００％、
Ｓｂ：０～０．３００％、
Ｔｅ：０～０．１００％、
Ｓｅ：０～０．１００％、
Ａｓ：０～０．０５０％、
Ｂｉ：０～０．５００％、
Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
下記式１によって求められる［Ｘ］effが下記式２を満たす化学組成を有し、
焼入れ性指標Ｖcと、厚さｔ［ｍｍ］とが下記式３を満たすことを特徴としている。
［Ｘ］eff＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式１
［Ｘ］eff≧０．０００３ ・・・式２
Ｖc／（９７７３×ｔ-1.8）＜１．００ ・・・式３
ただし、［Ｂ］＜０．０００３％のとき、
ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc1＝３．６－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋２８［Ｘ］eff） ・・・式４
［Ｂ］≧０．０００３％のとき、
ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc2＝２．８－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］＋３７．９［Ｘ］eff） ・・・式５
ここで、Ｖc1はＢ含有量が０．０００３％未満の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、Ｖc2はＢ含有量が０．０００３％以上の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、［Ｂ］、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、及び［Ｍｏ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
焼入れ処理によって金属組織をオーステナイトから、マルテンサイト及び／又はベイナイトに変態させるためには、先に述べたとおり、焼入れ性を高める合金元素を鋼材に含有させることが必要である。しかしながら、例えば、鋼の焼入れ性の向上に比較的有効に作用するモリブデン（Ｍｏ）は、高価な元素である。したがって、ホウ素（Ｂ）のように、少量の含有でも、焼入れ性を高めることができる合金元素が好ましい。
そこで、このような観点から、本発明者らは、鋼の焼入れ性を向上させることのできる新たな元素について検討を行った。その結果、本発明者らは、鋼中に固溶している特定元素、すなわちＰｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃの元素（以下、「Ｘ元素」ともいう）の量をそれらの元素が鋼中で形成する介在物、より具体的にはこれらの元素の酸化物、窒化物及び硫化物との関係を考慮しつつ、所定の範囲内とすることにより（すなわち、式１によって求められる当該Ｘ元素の有効量［Ｘ］effを０．０００３％以上として式２を満足させことにより）、比較的少ないＸ元素の含有においてさえも鋼の焼入れ性を顕著に向上させることができることを見出した。さらに、本発明者らは、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effと他の特定の焼入れ性元素の含有量とによって決定される焼入れ性指標Ｖcを鋼材の厚さｔ［ｍｍ］との関係において適切なものとすることにより（すなわち、Ｂ含有量に応じて式４又は式５によって決定される焼入れ性指標Ｖcと鋼材の厚さｔ［ｍｍ］とが式３を満たすようにすることにより）、鋼材の厚さが厚い場合であっても比較的容易に当該鋼材の厚さの１／２の位置において９０％以上のマルテンサイト面積率を達成することができることを見出した。したがって、本発明によれば、金属組織をマルテンサイトに変態させ、例えば強度を向上させるとともに、鋼材の製造コストの低減などを実現することも可能となる。
何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、本発明の実施形態に係る上記のＸ元素は、オーステナイトの結晶粒界などに偏析し、例えば、熱間圧延終了後の冷却中のフェライト変態を抑制してマルテンサイトへの変態を促進させるものと考えられる。より詳しく説明すると、熱間圧延終了後の冷却過程において、金属組織はオーステナイトからフェライトや他の組織に変態するが、例えば、オーステナイトからフェライトへの変態は、主としてオーステナイトの結晶粒界から生じることが知られている。これに関連して、Ｘ元素がオーステナイトの結晶粒界に偏析した場合には、結晶粒界のエネルギーを比較的安定化させることができるため、当該結晶粒界からフェライトが生成する頻度を大きく低下させることが可能になると考えられる。したがって、Ｘ元素を鋼材に含有させることにより、熱間圧延終了後の冷却過程において、マルテンサイト変態開始温度に達するまでの間のフェライト変態を抑制することができ、その結果としてオーステナイトからマルテンサイトへの変態を顕著に促進させることが可能になるものと考えられる。
しかしながら、Ｘ元素は、鋼中に存在するＯ（酸素）、Ｎ（窒素）及びＳ（硫黄）と結びついて、酸化物、窒化物及び硫化物からなる介在物を形成しやすいという問題がある。Ｘ元素が鋼中でこのような介在物を形成してしまうと、焼入れ性の向上に寄与することができるＸ元素の固溶量が少なくなり、焼入れ性向上効果が十分に得られなくなる。本発明においては、このような介在物を考慮したＸ元素の固溶量を、後で詳しく説明する上記式１によって当該Ｘ元素の有効量［Ｘ］effとして算出し、そして当該有効量［Ｘ］effを上記式２の範囲内、すなわち０．０００３％以上とすることで、比較的少ないＸ元素の含有においてさえも鋼の焼入れ性を顕著に向上させることが可能となる。
本発明におけるＸ元素は、上記のとおりＯ、Ｎ及びＳと結びついて介在物を形成しやすく、それゆえ鋼中で所定の固溶量を確保することは一般に困難である。このような事情から、上記Ｘ元素による焼入れ性向上効果は従来知られていなかった。しかしながら、近年の精錬技術の進歩により、一般に不純物として鋼中に存在するＯ、Ｎ及びＳなどの元素の含有量を非常に低いレベルにまで低減することが可能となったこともあり、今回、上記Ｘ元素の所定範囲内における固溶を実現することができた。したがって、上記Ｘ元素の固溶に起因する焼入れ性向上効果は、今回、本発明者らによって初めて明らかにされたことであり、極めて意外であり、また驚くべきことである。
上記のとおり、Ｘ元素は少量の含有においても十分に高い焼入れ性向上効果を有するものであるが、鋼材全体として高いレベルでの焼入れ性、より具体的には焼入れがより難しい鋼材内部において高いマルテンサイト面積率を確実に達成するためには、Ｘ元素と他の特定の焼入れ性元素との量的関係を鋼材の厚さとの関係において適切なものとすることが重要である。これに関連して、Ｘ元素は、上記のように介在物として硫化物を形成するため、これに起因して鋼中に存在するＳが消費され、結果としてＭｎＳの形成が抑制されることになる。Ｍｎは強度の向上に加えて焼入れ性の向上にも有効に作用する元素であるため、Ｘ元素の含有に起因してＭｎＳの形成が抑制されることで、焼入れ性向上に寄与し得るＭｎの量を増加させることが可能となる。本発明においては、このような焼入れ性元素同士間の影響も考慮して、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effと他の特定の焼入れ性元素の含有量から焼入れ性指標Ｖcを上記式４又は式５によって新たに規定し、当該焼入れ性指標Ｖcを鋼材の厚さｔ［ｍｍ］との関係において適切なものとすること、すなわち焼入れ性指標Ｖcと鋼材の厚さｔ［ｍｍ］とが式３を満たすようにすることにより、焼入れがより難しい鋼材内部、例えば鋼材の厚さの１／２の位置においても９０％以上のマルテンサイト面積率を確実に達成することが可能となる。また、本発明によれば、金属組織を主としてマルテンサイトから構成されるより単相に近い均一な組織とすることができるため、硬質であるにもかかわらず、靭性の観点でも改善された鋼材を得ることができる。
以下、本発明の実施形態に係る鋼材についてより詳しく説明する。以下の説明において、各元素の含有量の単位である「％」は、特に断りがない限り「質量％」を意味するものである。また、本明細書において、数値範囲を示す「～」とは、特に断りがない場合、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
［Ｃ：０．００１～１．０００％］
炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの安定化及び／又は強度の確保に必要な元素である。これらの効果を十分に得るために、Ｃ含有量は０．００１％以上である。Ｃ含有量は０．００５％以上、０．０１０％以上又は０．０２０％以上であってもよい。一方で、Ｃを過度に含有すると、靭性、曲げ性及び／又は溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｃ含有量は１．０００％以下である。Ｃ含有量は０．８００％以下、０．６００％以下又は０．５００％以下であってもよい。
［Ｓｉ：０．０１～３．００％］
ケイ素（Ｓｉ）は脱酸元素であり、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上にも寄与する元素である。これらの効果を十分に得るために、Ｓｉ含有量は０．０１％以上である。Ｓｉ含有量は０．０５％以上、０．１０％以上又は０．３０％以上であってもよい。一方で、Ｓｉを過度に含有すると、靭性が低下したり、スケール疵と呼ばれる表面品質不良を発生したりする場合がある。したがって、Ｓｉ含有量は３．００％以下である。Ｓｉ含有量は２．００％以下、１．００％以下又は０．６０％以下であってもよい。
［Ｍｎ：０．１０～４．５０％］
マンガン（Ｍｎ）は、焼入れ性及び／又は強度の向上に有効な元素であり、有効なオーステナイト安定化元素でもある。これらの効果を十分に得るために、Ｍｎ含有量は０．１０％以上である。Ｍｎ含有量は０．５０％以上、０．７０％以上又は１．００％以上であってもよい。一方で、Ｍｎを過度に含有すると、靭性に有害なＭｎＳが生成したり、耐酸化性を低下させたりする場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は４．５０％以下である。Ｍｎ含有量は４．００％以下、３．５０％以下又は３．００％以下であってもよい。
［Ｐ：０．３００％以下］
リン（Ｐ）は製造工程で混入する元素である。Ｐ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｐ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｐ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上、０．００１％以上、０．００３％以上、又は、０．００５％以上であってもよい。Ｐ含有量は、製造コストの観点から、０．００７％以上であってもよい。一方で、Ｐを過度に含有すると、鋼材の加工性及び／又は靭性が低下する場合がある。したがって、Ｐ含有量は０．３００％以下である。Ｐ含有量は０．１００％以下、０．０３０％以下又は０．０１０％以下であってもよい。
［Ｓ：０．０３００％以下］
硫黄（Ｓ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物、さらには靭性に有害なＭｎＳの生成を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＳ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｓ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｓ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上、０．００１０％以上、０．００１５％以上又は０．００２０％以上であってもよい。一方で、Ｓを過度に含有すると、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effが低下するとともに、靭性が低下する場合がある。したがって、Ｓ含有量は０．０３００％以下である。Ｓ含有量は好ましくは０．０１００％以下、より好ましくは０．００５０％以下、最も好ましくは０．００３０％以下である。
［Ａｌ：０．００１～５．０００％］
アルミニウム（Ａｌ）は、脱酸元素であり、耐食性及び／又は耐熱性を向上させるのに有効な元素でもある。これらの効果を得るために、Ａｌ含有量は０．００１％以上である。Ａｌ含有量は０．０１０％以上、０．１００％以上又は０．２００％以上であってもよい。とりわけ、耐熱性を十分に向上させる観点からは、Ａｌ含有量は１．０００％以上、２．０００％以上又は３．０００％以上であってもよい。一方で、Ａｌを過度に含有すると、粗大な介在物が生成して靭性を低下させたり、製造過程で割れなどのトラブルが発生したり、及び／又は耐疲労特性を低下させたりする場合がある。したがって、Ａｌ含有量は５．０００％以下である。Ａｌ含有量は４．５００％以下、４．０００％以下又は３．５００％以下であってもよい。とりわけ、靭性の低下を抑制するという観点からは、Ａｌ含有量は１．５００％以下、１．０００％以下又は０．３００％以下であってもよい。
［Ｎ：０．２０００％以下］
窒素（Ｎ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＮ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｎ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｎ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上、０．００１０％以上、０．００１５％以上、０．００２０％以上、０．００２５％以上又は０．００３０％以上であってもよい。一方で、Ｎはオーステナイトの安定化に有効な元素でもあり、必要に応じて意図的に含有させてもよい。この場合には、Ｎ含有量は０．０１００％以上であることが好ましく、０．０２００％以上、０．０５００％以上であってもよい。しかしながら、Ｎを過度に含有すると、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effが低下するとともに、靭性が低下する場合がある。したがって、Ｎ含有量は０．２０００％以下である。Ｎ含有量は０．１５００％以下、０．１０００％以下又は０．０８００％以下であってもよい。
［Ｏ：０．０１００％以下］
酸素（Ｏ）は製造工程で混入する元素であり、本発明の実施形態に係るＸ元素との間で形成される介在物を低減する観点からは少ないほど好ましく、よってＯ含有量は０％であってもよい。しかしながら、Ｏ含有量を０．０００１％未満に低減するためには精錬に時間を要し、生産性の低下を招く。したがって、Ｏ含有量は０．０００１％以上、０．０００５％以上、０．００１０％以上、０．００１５％以上、０．００２０％以上、０．００２５％以上又は０．００３０％以上であってもよい。一方で、Ｏを過度に含有すると、粗大な介在物が形成され、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effが低下するとともに、鋼材の成形性及び／又は靭性が低下する場合がある。したがって、Ｏ含有量は０．０１００％以下である。Ｏ含有量は０．００８０％以下、０．００６０％以下又は０．００４０％以下であってもよい。
［Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素］
本発明の実施形態に係るＸ元素は、Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％であり、プラセオジム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、及びスカンジウム（Ｓｃ）はオーステナイト中に固溶状態で存在することにより焼入れ性向上効果を発現することができる。当該焼入れ性向上効果は、Ｘ元素がオーステナイトの結晶粒界などに偏析し、例えば、熱間圧延終了後の冷却中のフェライト変態を抑制してマルテンサイトへの変態を促進させることで発現するものと考えられる。焼入れ性向上効果を発現することで、比較的遅い冷却速度であっても、マルテンサイト変態開始温度に達するまでの間のフェライト変態を抑制することができるため、マルテンサイトへの変態を顕著に促進させることができる。
上記Ｘ元素は、いずれか１つの元素を単独で使用してもよいし、又は上記元素のうち２種以上のあらゆる特定の組み合わせにおいて使用してもよい。また、当該Ｘ元素は、後で詳しく説明する有効量を確保できる量において存在すればよく、その下限値は特に限定されない。しかしながら、例えば、各Ｘ元素の含有量又は合計の含有量は０．００１０％以上であってもよく、好ましくは０．００５０％以上であり、より好ましくは０．０１５０％以上であり、さらにより好ましくは０．０３００％以上であり、最も好ましくは０．０５００％以上である。一方で、Ｘ元素を過度に含有しても効果が飽和し、それゆえ当該Ｘ元素を必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、各Ｘ元素の含有量は０．８０００％以下であり、例えば０．７０００％以下、０．６０００％以下、０．５０００％以下、０．４０００％以下又は０．３０００％以下であってもよい。また、Ｘ元素の含有量の合計は９．６０００％以下であり、例えば６．００００％以下、５．００００％以下、４．００００％以下、２．００００％以下、１．００００％以下又は０．５０００％以下であってもよい。
本発明の実施形態に係る鋼材の基本化学組成は上記のとおりである。さらに、当該鋼材は、必要に応じて以下の任意選択元素のうち１種又は２種以上を含有してもよい。例えば、鋼材は、Ｎｂ：０～３．０００％、Ｔｉ：０～０．５００％、Ｔａ：０～０．５００％、Ｖ：０～１．００％、Ｃｕ：０～３．００％、Ｎｉ：０～１６．００％、Ｃｒ：０～１５．００％、Ｍｏ：０～５．００％、Ｗ：０～２．００％、Ｂ：０～０．０２００％、Ｃｏ：０～３．００％、Ｂｅ：０～０．０５０％、及びＡｇ：０～０．５００％のうち１種又は２種以上を含有してもよい。また、鋼材は、Ｚｒ：０～０．５０００％、Ｈｆ：０～０．５０００％、Ｃａ：０～０．０５００％、Ｍｇ：０～０．０５００％、並びにＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％のうち１種又は２種以上を含有してもよい。また、鋼材は、Ｓｎ：０～０．３００％、及びＳｂ：０～０．３００％のうち１種又は２種を含有してもよい。また、鋼材は、Ｔｅ：０～０．１００％、Ｓｅ：０～０．１００％、Ａｓ：０～０．０５０％、Ｂｉ：０～０．５００％、及びＰｂ：０～０．５００％のうち１種又は２種以上を含有してもよい。以下、これらの任意選択元素について詳しく説明する。
［Ｎｂ：０～３．０００％］
ニオブ（Ｎｂ）は、析出強化及び再結晶の抑制等に寄与する元素である。Ｎｂ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｎｂ含有量は０．００３％以上であることが好ましい。例えば、Ｎｂ含有量は０．００５％以上、０．０１０％以上、０．１５０％以上又は０．２００％以上であってもよい。とりわけ、析出強化を十分に図る観点からは、Ｎｂ含有量は１．０００％以上又は１．５００％以上であってもよい。一方で、Ｎｂを過度に含有すると、効果が飽和し、加工性及び／又は靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｎｂ含有量は３．０００％以下である。Ｎｂ含有量は２．８００％以下、２．５００％以下又は２．０００％以下であってもよい。とりわけ、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性低下を抑制するという観点からは、Ｎｂ含有量は０．１００％以下であることが好ましく、０．０８０％以下、０．０５０％以下又は０．０３０％以下であってもよい。例えば、Ｎｂ含有量は０．００５％未満、０．００４％以下、０．００３％以下又は０．００２％以下であってもよい。
［Ｔｉ：０～０．５００％］
チタン（Ｔｉ）は、析出強化等により鋼材の強度向上に寄与する元素である。Ｔｉ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０．００５％以上であることが好ましい。Ｔｉ含有量は０．０１０％以上、０．０５０％以上又は０．０８０％以上であってもよい。一方で、Ｔｉを過度に含有すると、多量の析出物が生成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｔｉ含有量は０．５００％以下である。Ｔｉ含有量は０．３００％以下、０．２００％以下又は０．１００％以下であってもよい。
［Ｔａ：０～０．５００％］
タンタル（Ｔａ）は、炭化物の形態制御と強度の増加に有効な元素である。Ｔａ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｔａ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｔａ含有量は０．００５％以上、０．０１０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｔａを過度に含有すると、微細なＴａ炭化物が多数析出し、鋼材の過度な強度上昇を招き、結果として延性の低下及び冷間加工性を低下させる場合がある。したがって、Ｔａ含有量は０．５００％以下である。Ｔａ含有量は、０．３００％以下、０．１００％以下又は０．０８０％以下であってもよい。
［Ｖ：０～１．００％］
バナジウム（Ｖ）は、析出強化等により鋼材の強度向上に寄与する元素である。Ｖ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｖ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｖ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上又は０．１０％以上であってもよい。一方で、Ｖを過度に含有すると、多量の析出物が生成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Ｖ含有量は１．００％以下である。Ｖ含有量は０．８０％以下、０．６０％以下又は０．５０％以下であってもよい。
［Ｃｕ：０～３．００％］
銅（Ｃｕ）は強度及び／又は耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｕ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｕ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｕ含有量は０．０１％以上、０．１０％以上、０．１５％以上、０．２０％以上、０．３０％以上又は０．６０％以上であってもよい。一方で、Ｃｕを過度に含有すると、靭性や溶接性の劣化を招く場合がある。したがって、Ｃｕ含有量は３．００％以下である。Ｃｕ含有量は２．００％以下、１．５０％以下、１．００％以下又は０．７０％以下であってもよい。例えば、Ｃｕ含有量は０．０１％未満、０．００９％以下、０．００８％以下又は０．００６％以下であってもよい。
［Ｎｉ：０～１６．００％］
ニッケル（Ｎｉ）は鋼の焼入れ性を高め、強度及び／又は耐熱性の向上に寄与する元素であり、有効なオーステナイト安定化元素でもある。Ｎｉ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｎｉ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｎｉ含有量は０．０１％以上、０．１０％以上、０．５０％以上、０．７０％以上、１．００％以上又は３．００％以上であってもよい。一方で、Ｎｉを過度に含有すると、合金コストの増加に加えて熱間加工時の変形抵抗が増大し、設備負荷が大きくなる場合がある。したがって、Ｎｉ含有量は１６．００％以下である。とりわけ、経済性の観点及び／又は溶接性の低下を抑制するという観点からは、Ｎｉ含有量は１５．００％以下、１０．００％以下、６．００％以下又は４．００％以下であってもよい。
［Ｃｒ：０～１５．００％］
クロム（Ｃｒ）は鋼の焼入れ性を高め、強度及び／又は耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｒ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｒ含有量は０．０１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。一方で、Ｃｒを過度に含有すると、合金コストの増加に加えて靭性が低下する場合がある。したがって、Ｃｒ含有量は１５．００％以下である。とりわけ、溶接性及び／又は加工性の低下を抑制するという観点からは、Ｃｒ含有量は１０．００％以下、９．００％以下、７．５０％以下、５．００％以下又は２．５０％以下であってもよい。
［Ｍｏ：０～５．００％］
モリブデン（Ｍｏ）は鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素であり、耐食性の向上にも寄与する元素である。Ｍｏ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｍｏ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｍｏ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．５０％以上又は１．００％以上であってもよい。一方で、Ｍｏを過度に含有すると、熱間加工時の変形抵抗が増大し、設備負荷が大きくなる場合がある。したがって、Ｍｏ含有量は５．００％以下である。Ｍｏ含有量は４．５０％以下、４．００％以下、３．００以下又は１．５０％以下であってもよい。
［Ｗ：０～２．００％］
タングステン（Ｗ）は鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素である。Ｗ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｗ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｗ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。一方で、Ｗを過度に含有すると、延性や溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｗ含有量は２．００％以下である。Ｗ含有量は１．８０％以下、１．５０％以下又は１．００％以下であってもよい。
［Ｂ：０～０．０２００％］
ホウ素（Ｂ）は鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素である。Ｂ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。Ｂ含有量は０．０００３％以上、０．０００５％以上又は０．０００７％以上であってもよい。一方で、Ｂを過度に含有すると、靭性及び／又は溶接性が低下する場合がある。したがって、Ｂ含有量は０．０２００％以下である。Ｂ含有量は０．０１００％以下、０．００５０％以下、０．００３０％以下又は０．００２０％以下であってもよい。
［Ｃｏ：０～３．００％］
コバルト（Ｃｏ）は焼入れ性及び／又は耐熱性の向上に寄与する元素である。Ｃｏ含有量は０％であってもよいが、これらの効果を得るためには、Ｃｏ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｃｏ含有量は０．０１％以上、０．０２％以上、０．０５％以上、０．１０％以上又は０．５０％以上であってもよい。一方で、Ｃｏを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合があり、原料コストの増加にも繋がる。したがって、Ｃｏ含有量は３．００％以下である。Ｃｏ含有量は２．５０％以下、２．００％以下、１．５０％以下又は０．８０％以下であってもよい。
［Ｂｅ：０～０．０５０％］
ベリリウム（Ｂｅ）は、母材の強度の上昇及び組織の微細化に有効な元素である。Ｂｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂｅ含有量は０．０００３％以上であることが好ましい。Ｂｅ含有量は０．０００５％以上、０．００１％以上又は０．０１０％以上であってもよい。一方で、Ｂｅを過度に含有すると、成形性が低下する場合がある。したがって、Ｂｅ含有量は０．０５０％以下である。Ｂｅ含有量は０．０４０％以下、０．０３０％以下又は０．０２０％以下であってもよい。
［Ａｇ：０～０．５００％］
銀（Ａｇ）は、母材の強度の上昇及び組織の微細化に有効な元素である。Ａｇ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ａｇ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ａｇ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ａｇを過度に含有すると、成形性が低下する場合がある。したがって、Ａｇ含有量は０．５００％以下である。Ａｇ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
［Ｚｒ：０～０．５０００％］
ジルコニウム（Ｚｒ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｚｒ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｚｒ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｚｒを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＺｒを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｚｒ含有量は０．５０００％以下である。
［Ｈｆ：０～０．５０００％］
ハフニウム（Ｈｆ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｈｆ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｈｆ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｈｆを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＨｆを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｈｆ含有量は０．５０００％以下である。
［Ｃａ：０～０．０５００％］
カルシウム（Ｃａ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｃａ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｃａ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。一方で、Ｃａを過度に含有しても効果が飽和し、それゆえＣａを必要以上に鋼材中に含有させることは製造コストの上昇を招く虞がある。したがって、Ｃａ含有量は０．０５００％以下である。
［Ｍｇ：０～０．０５００％］
マグネシウム（Ｍｇ）は、硫化物の形態を制御できる元素である。Ｍｇ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であることが好ましい。Ｍｇ含有量は０．００１５％超、０．００１６％以上、０．００１７％以上、０．００１８％以上、０．００１９％以上、０．００２０％以上、０．００２２％以上、０．００２５％以上、０．００２８％以上又は０．００３０％以上であってもよい。一方で、Ｍｇを過度に含有しても効果が飽和し、粗大な介在物の形成に起因して冷間成形性及び／又は靭性が低下する場合がある。したがって、Ｍｇ含有量は０．０５００％以下である。Ｍｇ含有量は０．０４００％以下、０．０３００％以下又は０．０２００％以下であってもよい。
［Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％］
ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）及びイットリウム（Ｙ）は、Ｃａ及びＭｇと同様に硫化物の形態を制御できる元素である。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０％であってもよいが、このような効果を得るためには０．０００１％以上であることが好ましい。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０．０００２％以上、０．０００３％以上又は０．０００４％以上であってもよい。一方で、これらの元素を過度に含有しても効果が飽和し、粗大な酸化物等が形成して冷間成形性が低下する場合がある。したがって、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種の含有量の合計は０．５０００％以下であり、０．４０００％以下、０．３０００％以下又は０．２０００％以下であってもよい。
［Ｓｎ：０～０．３００％］
錫（Ｓｎ）は耐食性の向上に有効な元素である。Ｓｎ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｓｎ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｎ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｓｎを過度に含有すると、靭性、特には低温靭性の低下を招く場合がある。したがって、Ｓｎ含有量は０．３００％以下である。Ｓｎ含有量は０．２５０％以下、０．２００％以下又は０．１５０％以下であってもよい。例えば、Ｓｎ含有量は０．００５％未満、０．００４％以下、０．００３％以下又は０．００２％以下であってもよい。
［Ｓｂ：０～０．３００％］
アンチモン（Ｓｂ）は、Ｓｎと同様に耐食性の向上に有効な元素であり、特にＳｎと複合して含有させることにより効果を増大させることができる。Ｓｂ含有量は０％であってもよいが、耐食性向上の効果を得るためには、Ｓｂ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｂ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｓｂを過度に含有すると、靭性、特には低温靭性の低下を招く場合がある。したがって、Ｓｂ含有量は０．３００％以下である。Ｓｂ含有量は０．２５０％以下、０．２００％以下又は０．１５０％以下であってもよい。
［Ｔｅ：０～０．１００％］
テルル（Ｔｅ）は、ＭｎやＳなどと低融点化合物を形成して潤滑効果を高めるため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｔｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｔｅ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｔｅ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０４０％以上であってもよい。一方で、Ｔｅを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｔｅ含有量は０．１００％以下である。Ｔｅ含有量は０．０９０％以下、０．０８０％以下又は０．０７０％以下であってもよい。
［Ｓｅ：０～０．１００％］
セレン（Ｓｅ）は、鋼中に生成するセレン化物が被削材のせん断塑性変形に変化を与え、切りくずが破砕されやすくなるため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｓｅ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｓｅ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｓｅ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０４０％以上であってもよい。一方で、Ｓｅを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｓｅ含有量は０．１００％以下である。Ｓｅ含有量は０．０９０％以下、０．０８０％以下又は０．０７０％以下であってもよい。
［Ａｓ：０～０．０５０％］
ヒ素（Ａｓ）は、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ａｓ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ａｓ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ａｓ含有量は０．００５％以上又は０．０１０％以上であってもよい。一方で、Ａｓを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合がある。したがって、Ａｓ含有量は０．０５０％以下である。Ａｓ含有量は０．０４０％以下、０．０３０％以下又は０．０２０％以下であってもよい。
［Ｂｉ：０～０．５００％］
ビスマス（Ｂｉ）は、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｂｉ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｂｉ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｂｉ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｂｉを過度に含有しても効果が飽和し、合金コストの増加を招く。したがって、Ｂｉ含有量は０．５００％以下である。Ｂｉ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
［Ｐｂ：０～０．５００％］
鉛（Ｐｂ）は、切削による温度上昇で溶融してクラックの進展を促進するため、鋼の被削性を改善するのに有効な元素である。Ｐｂ含有量は０％であってもよいが、このような効果を得るためには、Ｐｂ含有量は０．００１％以上であることが好ましい。Ｐｂ含有量は０．０１０％以上、０．０２０％以上、０．０３０％以上又は０．０５０％以上であってもよい。一方で、Ｐｂを過度に含有すると、熱間加工性が低下する場合がある。したがって、Ｐｂ含有量は０．５００％以下である。Ｐｂ含有量は０．４００％以下、０．３００％以下又は０．２００％以下であってもよい。
本発明の実施形態に係る鋼材において、上記の元素以外の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分等である。
［Ｘ元素の有効量［Ｘ］eff］
本発明の実施形態によれば、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃからなるＸ元素の有効量［Ｘ］effは、下記式１によって求められ、そしてその値は下記式２を満たすようにする。
［Ｘ］eff＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式１
［Ｘ］eff≧０．０００３ ・・・式２
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、及び［Ｓ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
上記式１によって求められるＸ元素の有効量［Ｘ］effを上記式２を満たすようにする（すなわち０．０００３以上にする）ことで、鋼中に固溶状態で存在しているこれらの元素の量を増加させることができるので、焼入れ性を向上させることができる。より詳しく説明すると、これらのＸ元素（以下、単に「Ｘ」ともいう）は、鋼中に存在するＯ（酸素）、Ｎ（窒素）及びＳ（硫黄）と結びついて、酸化物（Ｘ2Ｏ3）、窒化物（ＸＮ）及び硫化物（ＸＳ）からなる介在物を形成する傾向がある。当該介在物を形成してしまうと、少なくともこれらの介在物中のＸ元素は焼入れ性の向上に寄与することはできない。したがって、焼入れ性を向上させるためには、介在物を形成せずに鋼中に固溶状態で存在しているＸ元素の量（すなわち鋼中のＸ元素の固溶量）を増加させる必要がある。
ここで、鋼中のＸ元素の固溶量は、鋼中に含まれるＸ元素の量から介在物（酸化物、窒化物及び硫化物）を形成するのに消費され得る最大量を差し引くことによって概算することが可能である。そこで、本発明の実施形態においては、このようにして概算されるＸ元素の固溶量を焼入れ性の向上に有効なＸ元素の量［Ｘ］effとし、具体的には下記式Ａによって定義する。
［Ｘ］eff［原子％］＝Σ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[O]）×［Ｏ］×２／３－（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］ ・・・式Ａ
ここで、ＸはＰｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃの各Ｘ元素を表し、Ｍ[X]はＸ元素の原子量、Ｍ[Fe]はＦｅの原子量、Ｍ[O]はＯの原子量、Ｍ[N]はＮの原子量、Ｍ[S]はＳの原子量を表し、［Ｘ］、［Ｏ］、［Ｎ］及び［Ｓ］は、それぞれ対応する元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
上記式Ａについて以下に詳しく説明すると、まず、本発明の実施形態に係る鋼材には種々の合金元素が含有されているものの、鋼材全体としてはほぼＦｅによって構成されているか、あるいは任意選択元素であるＮｉ及び／又はＣｒを比較的多く含む場合（それぞれの最大含有量は１６．００％及び１５．００％）には、Ｆｅに加えてＮｉ及び／又はＣｒによってほぼ構成されていることが明らかである。一方で、Ｎｉ及びＣｒの原子量はＦｅの原子量と同等であることが周知である。このため、たとえ鋼材がＮｉ及び／又はＣｒを比較的多く含む場合であっても、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及びＳｃの各Ｘ元素の原子％は、近似的には各Ｘ元素の含有量［質量％］にＦｅの原子量と当該各Ｘ元素の原子量の比を掛け算すること、すなわち（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］によって算出することができる。したがって、（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］によって算出される各Ｘ元素の量を合計することで（すなわちΣ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］を計算することで）、Ｘ元素全体の原子％を算出することができる。
次に、Ｘ元素全体の原子％のうち、酸化物（Ｘ2Ｏ3）、窒化物（ＸＮ）及び硫化物（ＸＳ）を形成するのに消費され得る最大量（原子％）を差し引くことで、焼入れ性の向上に有効に作用し得る鋼中のＸ元素の量を算出することができる。ここで、酸化物（Ｘ2Ｏ3）、窒化物（ＸＮ）及び硫化物（ＸＳ）を形成するのに消費され得るＸ元素の最大量（原子％）は、上で説明したのと同様の理由から近似的には鋼中のＦｅ、Ｏ、Ｎ及びＳの原子量並びにＯ、Ｎ及びＳの含有量を用いて、それぞれ（Ｍ[Fe]／Ｍ[o]）×［Ｏ］×２／３、（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］、及び（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］として算出することが可能である。したがって、焼入れ性を向上させるためのＸ元素の有効量［Ｘ］effは、下記式Ａによって定義することができる。
［Ｘ］eff［原子％］＝Σ（Ｍ[Fe]／Ｍ[X]）×［Ｘ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[O]）×［Ｏ］×２／３－（Ｍ[Fe]／Ｍ[N]）×［Ｎ］－（Ｍ[Fe]／Ｍ[S]）×［Ｓ］ ・・・式Ａ
ここで、Ｆｅ、Ｏ、Ｎ及びＳ並びに各Ｘ元素の原子量は、それぞれＦｅ：５５．８４５、Ｏ：１５．９９９４、Ｎ：１４．００６９、Ｓ：３２．０６８、Ｐｒ：１４０．９０８、Ｓｍ：１５０．３６、Ｅｕ：１５１．９６４、Ｇｄ：１５７．２５、Ｔｂ：１５８．９２５、Ｄｙ：１６２．５００、Ｈｏ：１６４．９３０、Ｅｒ：１６７．２５９、Ｔｍ：１６８．９３４、Ｙｂ：１７３．０４５、Ｌｕ：１７４．９６７、Ｓｃ：４４．９５５９である。したがって、上記式Ａに各元素の原子量を代入して整理すると、Ｘ元素の原子％による有効量［Ｘ］effは近似的には下記式１によって表すことが可能となる。
［Ｘ］eff＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式１
ここで、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、及び［Ｓ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
本発明の実施形態においては、焼入れ性の向上に寄与する固溶状態のＸ元素の量を確保するためには、上記式１によって求められるＸ元素の有効量［Ｘ］effは０．０００３％以上、すなわち下記式２を満たすことが必要である。
［Ｘ］eff≧０．０００３ ・・・式２
［Ｘ］effは、例えば０．０００５％以上又は０．０００７％以上であってもよく、好ましくは０．００１０％以上、より好ましくは０．００１５％以上、さらにより好ましくは０．００３０％以上、最も好ましくは０．００５０％以上又は０．０１００％以上である。［Ｘ］effは、０．０２００％以上、０．０３００％以上、０．０５００％以上、０．０８００％以上、０．１０００％以上、０．１２００％以上、０．１５００％以上、０．１８００％以上又は０．２０００％以上であってもよい。また、上記式１からも明らかなように、［Ｘ］effを安定的に確保するためには、鋼中のＯ、Ｎ及びＳの含有量を極力低減することが好ましい。ここで、［Ｘ］effの上限は特に限定されないが、［Ｘ］effを過度に増加させても効果が飽和するとともに、製造コストの上昇（Ｘ元素の含有量増加に伴う合金コストの上昇及び／又はＯ、Ｎ及びＳに関する精錬コストの上昇）を招くことになり必ずしも好ましくない。したがって、［Ｘ］effは好ましくは２．００００％以下であり、例えば１．８０００％以下、１．５０００％以下、１．２０００％以下、１．００００％以下又は０．８０００％以下であってもよい。
［Ｖc／（９７７３×ｔ-1.8）＜１．００］
本発明の実施形態においては、鋼材全体として高いレベルでの焼入れ性、より具体的には焼入れがより難しい鋼材内部において高いマルテンサイト面積率を確実に達成するためには、上記式２を満たすことに加えて、焼入れ性指標Ｖcと、鋼材の厚さｔ［ｍｍ］とが下記式３を満たすことが必要である。
Ｖc／（９７７３×ｔ-1.8）＜１．００ ・・・式３
ただし、［Ｂ］＜０．０００３％のとき、
ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc1＝３．６－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋２８［Ｘ］eff） ・・・式４
［Ｂ］≧０．０００３％のとき、
ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc2＝２．８－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］＋３７．９［Ｘ］eff） ・・・式５
ここで、Ｖc1はＢ含有量が０．０００３％未満の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、Ｖc2はＢ含有量が０．０００３％以上の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、［Ｂ］、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
焼入れ性指標Ｖcは、種々の化学組成を有する鋼材を用いたジョミニー試験によって［Ｘ］effが他の特定の焼入れ性元素との関係で鋼の焼入れ性に及ぼす影響を検討し、得られた式である。具体的には、金属組織の９０％以上がマルテンサイトとなる臨界冷却速度Ｖc90の式に、実験によって得られた［Ｘ］effの項を加えている。焼入れ性指標Ｖcは、Ｂ含有量が０．０００３％未満の場合はＶc1となり式４によって決定され、Ｂ含有量が０．０００３％以上の場合はＶc2となり式５によって決定される。式４はＢの焼入れ性向上効果の影響がない場合の式であり、式５はＢの焼入れ性向上効果の影響を受ける場合の式である。式３は、鋼材の厚さと当該厚さの１／２位置における冷却速度との関係を考慮した検討によって得られた実験式である。上記式４及び５を参照すると、［Ｘ］effの係数は式４で２８そして式５で３７．９であり、他の焼入れ性元素の係数と比較して非常に大きいことがわかる。焼入れ性指標Ｖcの値が小さいほど、焼入れ性は優れるため、上記式４及び５からも［Ｘ］effが極めて高い焼入れ性向上効果を有していることが明らかである。
したがって、本発明の実施形態によれば、先に説明した式２を満たすことで、鋼中に固溶状態で存在しているＸ元素によってオーステナイトからマルテンサイトへの変態を促進し、さらにＸ元素の有効量［Ｘ］effと他の特定の焼入れ性元素の含有量とによって決定される焼入れ性指標Ｖcを鋼材の厚さｔ［ｍｍ］との関係において式３を満たすようにすることで、鋼材の厚さが厚い場合であっても比較的容易に当該鋼材の厚さの１／２の位置において９０％以上のマルテンサイト面積率を達成することが可能となる。式３におけるＶc／（９７７３×ｔ-1.8）の値は小さいほど焼入れ性に優れることを意味し、それゆえ当該値は０．９５以下、０．９０以下、０．８５以下、又は０．８０以下であってもよい。一方で、Ｖc／（９７７３×ｔ-1.8）の下限値は特に限定されず０であってもよい。例えば、Ｖc／（９７７３×ｔ-1.8）は０．０１以上、０．０５以上、又は０．１０以上であってもよい。
鋼材の厚さｔは、特に限定されず、任意の適切な厚さであってよい。例えば、鋼材の厚さｔは、０．１ｍｍ以上、０．６ｍｍ以上、１．２ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上、１．８ｍｍ以上、２ｍｍ以上、２．２ｍｍ以上、２．５ｍｍ以上、２．８ｍｍ以上、３ｍｍ以上、３．５ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、６ｍｍ以上、８ｍｍ以上、１０ｍｍ以上若しくは１６ｍｍ超であってもよく、及び／又は２５０ｍｍ以下、２００ｍｍ以下、１５０ｍｍ以下、１２０ｍｍ以下、１００ｍｍ以下、９０ｍｍ以下、８０ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下若しくは２０ｍｍ以下であってもよい。鋼材は、厚鋼板又は薄鋼板などの鋼板であってよく、棒鋼、線材、形鋼又は鋼管であってもよい。鋼材が鋼板である場合には、厚さｔは鋼板の板厚を意味する。鋼材が棒鋼又は線材である場合には、厚さｔは棒鋼又は線材の長手方向に垂直な断面の直径を意味する。鋼材が形鋼である場合には、厚さｔは形鋼のフランジの厚さを意味する。鋼材が鋼管である場合には、厚さｔは鋼管の長手方向に垂直な断面における肉厚を意味する。
［Ｖc／４５５ｅｘｐ（－０．３６ｔ）＜１．００］
上記式３は鋼材の任意の厚さｔに対して適用できるものであるが、例えば鋼材の厚さｔが１６ｍｍ以下の場合には、焼入れ性指標Ｖcと、鋼材の厚さｔ［ｍｍ］とは、上記式３に加えて、下記式６をさらに満たすようにしてもよい。
Ｖc／４５５ｅｘｐ（－０．３６ｔ）＜１．００ ・・・式６
式６は、特に鋼材の厚さを１６ｍｍ以下の厚さに限定して、このような鋼材の厚さと当該厚さの１／２位置における冷却速度との関係を考慮した検討によって得られた実験式である。式６におけるＶc／４５５ｅｘｐ（－０．３６ｔ）の値は小さいほど焼入れ性に優れることを意味し、それゆえ当該値は０．９５以下、０．９０以下、０．８５以下、又は０．８０以下であってもよい。一方で、Ｖc／４５５ｅｘｐ（－０．３６ｔ）の下限値は特に限定されず０であってもよい。例えば、Ｖc／４５５ｅｘｐ（－０．３６ｔ）は０．０１以上、０．０５以上、又は０．１０以上であってもよい。
［Ａ系介在物の清浄度：０．０１０％以下］
本発明の実施形態においては、好ましくは、鋼材の厚さの１／４の位置において、ＪＩＳ Ｇ ０５５５：２０２０に規定するＡ系介在物の清浄度が０．０１０％以下である。本発明において、Ａ系介在物とは、ＪＩＳ Ｇ ０５５５：２０２０において規定されるＡ系介在物を意味するものであり、ＭｎＳなどの軟質な介在物が熱間圧延によって圧延方向に引き延ばされ、延伸状になったものである。圧延方向に延伸したＡ系介在物が存在すると材質異方性が生じ、例えば、このようなＡ系介在物は、特定方向へのき裂の起点となることから靭性の異方性を生じさせてしまうか又は靭性の異方性を強くしてしまうことがある。Ｘ元素は、先に述べたとおり介在物として硫化物を形成するため、これに起因して鋼中に存在するＳが消費される。Ｘ元素の硫化物は比較的硬く、ＭｎＳなどのＡ系介在物とは異なり、圧延方向に引き延ばされることがないか又は圧延方向に大きく引き延ばされることがない。このため、Ｘ元素を鋼材中に十分な量で含有させることによりＡ系介在物の清浄度を改善することができ、その結果として鋼材の材質異方性、より具体的には靭性の異方性を低減することができる。靭性の異方性を低減する観点からは、Ａ系介在物の清浄度は低いほど好ましく、例えば０．００９％以下、０．００８％以下、０．００７％以下又は０．００５％以下であってもよい。Ａ系介在物の清浄度の下限値は特に限定されず０％であってもよい。例えば、Ａ系介在物の清浄度は０．００１％以上又は０．００２％以上であってもよい。
本発明において、Ａ系介在物の清浄度は、ＪＩＳ Ｇ ０５５５：２０２０の「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」に記載されるように、測定視野数を６０、倍率を４００倍として光学顕微鏡観察するいわゆる「点算法」によって決定される。
［金属組織］
本発明の実施形態によれば、鋼材の厚さの１／２の位置において、９０％以上のマルテンサイト面積率を達成することができる。鋼材の厚さの１／２の位置は、冷却速度が最も遅くなる部位であり、それゆえ焼入れが最も難しい部位である。しかしながら、本発明の実施形態に係る鋼材では、式２を満たす化学組成を有し、焼入れ性指標Ｖcと厚さｔ［ｍｍ］とが式３を満たすようにすることで、極めて高い焼入れ性向上効果を有するＸ元素を有効に作用させて、比較的遅い冷却速度であってもマルテンサイト変態開始温度に達するまでの間のフェライト変態を顕著に抑制することが可能となる。したがって、本発明の実施形態によれば、厚さが比較的薄い鋼材だけでなく、焼入れがより難しい厚い鋼材であっても、その内部まで十分に焼入れを行うことが可能となり、鋼材の厚さの１／２の位置において高いマルテンサイト面積率を達成することができる。鋼材の厚さの１／２の位置におけるマルテンサイト面積率は、好ましくは９２％以上、より好ましくは９５％以上、さらにより好ましくは９８％以上、最も好ましくは１００％である。
マルテンサイトの面積率は、以下のようにして決定される。まず、鋼材の厚さの１／２の位置のＬ断面（鋼材の圧延方向及び厚さ方向に平行な断面）を鏡面研磨し、次いでナイタールで腐食させ、光学顕微鏡を用いて５００μｍ×５００μｍの観察視野を無作為に３視野選択し、各観察視野においてマルテンサイトの面積率を測定し、それらを平均することにより決定される。ここで、マルテンサイトは、上記の方法で観察されるラス状の組織であり、フレッシュマルテンサイトに限られず、焼戻しマルテンサイト、下部ベイナイトも含まれる。
［機械特性］
本発明の実施形態によれば、上記のとおり金属組織を主としてマルテンサイトから構成されるより単相に近い均一な組織とすることができるため、硬質であるにもかかわらず、優れた靭性を達成することができる。より具体的には、－２０℃でのシャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）が２０Ｊ以上、好ましくは３０Ｊ以上、より好ましくは４０Ｊ以上、最も好ましくは４５Ｊ以上の靭性を達成することができる。当該シャルピー吸収エネルギーの平均値の上限は、特に限定されないが、例えば１００Ｊであってよい。また、シャルピー吸収エネルギーの平均値は、鋼材の厚さの１／４位置から採取し、ノッチを鋼材の幅方向（Ｃ方向）に入れたＶノッチ試験片に基づいて、ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２０１８の規定に準拠して、半径２ｍｍの衝撃刃を用いて－２０℃でのシャルピー吸収エネルギーを３本測定し、それらを平均することにより算出される。サブサイズの試験片を使用した場合は、試験片の厚さに応じてフルサイズのシャルピー吸収エネルギーに換算する。
また、本発明の好ましい実施形態によれば、Ａ系介在物の清浄度を０．０１０％以下とすることで、材質等方性の向上を実現することができる。より具体的には、Ａ系介在物の清浄度を０．０１０％以下とすることで、シャルピー衝撃試験におけるシャルピー吸収エネルギーの圧延方向（Ｌ方向）と幅方向（Ｃ方向）のＬ／Ｃ比が０．６～１．２となり、靭性の異方性を顕著に低減することができる。材質等方性の向上又は靭性の異方性低減の観点からは、Ｌ／Ｃ比は１．０に近づくほど好ましく、例えば０．７以上であってもよく、及び／又は１．１以下若しくは１．０以下であってもよい。Ｌ方向にノッチを入れたＶノッチ試験片では、ノッチ底から発生した亀裂がＬ方向に沿って進展するので、Ａ系介在物の影響を受けるとシャルピー吸収エネルギーが低下する。Ｌ／Ｃ比が１．０を超える場合は、Ｌ方向及びＣ方向のシャルピー吸収エネルギーは同等であり、測定誤差が原因であると考えてよい。
Ｌ／Ｃ比は、以下のようにして決定される。まず、鋼材の厚さの１／４位置から採取し、ノッチを鋼材の圧延方向（Ｌ方向）又は幅方向（Ｃ方向）に入れたＶノッチ試験片を作製し、次いでＪＩＳ Ｚ ２２４２：２０１８の規定に準拠して、半径２ｍｍの衝撃刃を用いて－２０℃でシャルピー衝撃試験を行い、Ｌ方向にノッチを入れたＶノッチ試験片のシャルピー吸収エネルギー（３本の測定値の平均）とＣ方向にノッチを入れたＶノッチ試験片のシャルピー吸収エネルギー（３本の測定値の平均）との比を算出することによりＬ／Ｃ比が決定される。
本発明の実施形態に係る鋼材は、任意の鋼材であってよく、特に限定されない。本発明の実施形態に係る鋼材は、例えば、厚鋼板、薄鋼板、さらには棒鋼、線材、形鋼、及び鋼管等をも包含するものである。本発明の実施形態に係る鋼材の厚さｔは、例えば０．１ｍｍ～２５０ｍｍである。本発明の実施形態に係る鋼材が厚鋼板である場合、厚さｔは、例えば３ｍｍ～２５０ｍｍ又は６ｍｍ～２５０ｍｍである。薄鋼板の場合、厚さｔは、例えば０．１ｍｍ～１６ｍｍである。棒鋼、線材の場合は、長手方向に垂直な断面の直径が例えば１．０ｍｍ～２５０ｍｍである。形鋼の場合は、フランジの厚さが例えば２０ｍｍ～１５０ｍｍである。鋼管の場合は、長手方向に垂直な断面の厚さ（肉厚）が例えば１．０ｍｍ～１６０ｍｍである。
本発明の実施形態に係る鋼材は、最終的な製品の形態等に応じて、当業者に公知の任意の適切な方法によって製造することが可能である。例えば、鋼材が厚鋼板の場合には、その製造方法は、一般に厚鋼板を製造する際に適用される工程を含み、例えば、上で説明した化学組成を有するスラブを鋳造する工程、鋳造されたスラブを熱間圧延する工程、及び得られた圧延材を冷却する工程を含み、必要に応じて適切な熱処理工程及び焼戻し工程等をさらに含んでいてもよい。
また、鋼材が薄鋼板の場合には、その製造方法は、一般に薄鋼板を製造する際に適用される工程を含み、例えば、上で説明した化学組成を有するスラブを鋳造する工程、鋳造されたスラブを熱間圧延する工程、及び得られた圧延材を冷却して巻き取る工程、必要に応じて冷間圧延工程、焼鈍工程等をさらに含んでいてもよい。棒鋼や他の鋼材の製造方法においても同様に、一般に棒鋼や他の鋼材を製造する際に適用される工程を含み、例えば、上で説明した化学組成を有する溶鋼を形成する製鋼工程、形成された溶鋼からスラブ、ビレット、ブルーム等を鋳造する工程、鋳造されたスラブ、ビレット、ブルーム等を熱間圧延する工程、及び得られた圧延材を冷却する工程を含み、他の工程は、それらの鋼材を製造するのに当業者に公知の適切な工程を適宜選択し、実施することができる。
本発明の実施形態に係る鋼材は、焼入れ性が顕著に改善されているため、熱間圧延後の冷却又は焼鈍後の冷却において比較的遅い冷却速度であっても鋼材の内部まで十分に焼入れを行うことが可能である。例えば、鋼材の厚さの１／２の位置において９０％以上のマルテンサイト面積率を達成するためには、熱間圧延後の冷却又は焼鈍後の冷却は、焼入れ指標Ｖc及び鋼材の厚さの具体的な値を考慮して、０．３～２００℃／秒の範囲から適切な平均冷却速度を選択して、マルテンサイト変態開始温度以下の温度、例えば４００℃以下、３００℃以下又は２００℃以下の温度まで実施すればよい。他の各工程の具体的な条件については、特には限定されず、鋼種、鋼材の種類及び形状等に応じて適切な条件を適宜選択すればよい。本発明の実施形態に係る鋼材の製造では、焼入れ性向上に寄与するＸ元素の有効量［Ｘ］effを確保することが重要であり、そのためにはＸ元素と鋼中で介在物を形成し得るＯ、Ｎ及びＳの含有量を精錬工程において十分に低減しておくことが極めて重要である。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
［例Ａ］
本例では、まず、種々の化学組成を有するスラブを鋳造し、切断して鋼片を採取し、次いで熱間圧延を圧下率５０％以上で実施し、冷却した。次に、得られた圧延材を９５０～１１００℃の範囲内の所定の温度に加熱し、次いで厚さｔ（ｍｍ）に応じて０．５～１５０℃／秒の範囲から適切に選択された平均冷却速度にて４００℃以下まで冷却して鋼材を得た（圧延材の厚さが厚い場合にはより高い平均冷却速度が適用され、同じ厚さの場合には同じ平均冷却速度が適用される）。得られた各鋼材から採取した試料を分析した化学組成は、下表１に示すとおりである。また、得られた各鋼材の厚さも下表１に示すとおりである。得られた各鋼材の厚さの１／２の位置から採取した試料の金属組織を光学顕微鏡によって観察し、マルテンサイトの面積率を測定した。試料のＬ断面を鏡面研磨し、次いでナイタールで腐食させ、光学顕微鏡を用いて５００μｍ×５００μｍの観察視野を無作為に３視野選択し、各観察視野においてマルテンサイト（ラス状組織）の面積率を測定し、それらを平均することによりマルテンサイトの面積率（Ｍ面積率）を決定し、表１に示した。
Figure 0007617477000001
Figure 0007617477000002
Figure 0007617477000003
Figure 0007617477000004
Figure 0007617477000005
Figure 0007617477000006
本例では、マルテンサイトの面積率（Ｍ面積率）が９０％以上の場合に、焼入れ性が改善された鋼材として評価した。表１を参照すると、比較例８４～８９では、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effが低く、また式３を満足しないため、焼入れ性が不十分になり、マルテンサイトの面積率が９０％未満になっている。一方、比較例９０～９２では、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effは０．０００３％よりも高く、それゆえ式２を満足するものであったが、他の焼入れ性元素との関係で式３を満足せず、結果として焼入れ性が不十分になり、マルテンサイトの面積率が９０％未満であった。これとは対照的に、本発明に係る全ての実施例において、式２及び３を満足することで９０％以上のマルテンサイト面積率を達成することができ、高い焼入れ性を示すことができた。
［例Ｂ］
本例では、例Ａの一部のスラブから採取した鋼片を用いて、圧下率を例Ａよりも大きくして熱間圧延を行い、冷却した。得られた圧延材を９５０～１１００℃の範囲内の所定の温度に加熱し、次いで厚さｔ（ｍｍ）に応じて０．７～６０℃／秒の範囲から適切に選択された平均冷却速度にて４００℃以下まで冷却して鋼材を得た（圧延材の厚さが厚い場合にはより高い平均冷却速度が適用され、同じ厚さの場合には同じ平均冷却速度が適用される）。得られた各鋼材の厚さは下表２に示すとおりである。得られた各鋼材のマルテンサイトの面積率（Ｍ面積率）を例Ａと同様にして測定した。鋼材の厚さの１／４の位置から試料を採取し、Ｌ断面において測定視野数を６０、倍率を４００倍として光学顕微鏡観察を行い、「点算法」によって、ＪＩＳ Ｇ ０５５５：２０２０に規定するＡ系介在物の清浄度を決定した。鋼材の厚さの１／４位置から採取し、ノッチを鋼材のＬ方向又はＣ方向に入れたフルサイズのＶノッチ試験片を使用し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２０１８の規定に準拠して、半径２ｍｍの衝撃刃を用いて－２０℃でシャルピー衝撃試験を行った。Ｃ方向のシャルピー吸収エネルギーを３本測定し、それらを平均することによりシャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）を求めた。同様に、Ｌ方向及びＣ方向のシャルピー吸収エネルギーを、それぞれ３本の試験片の測定値を平均して算出し、Ｌ／Ｃ比を求めた。その結果を表２に示す。
Figure 0007617477000007
Figure 0007617477000008
例Ａと同様に、本例においても、マルテンサイトの面積率（Ｍ面積率）が９０％以上の場合に、焼入れ性が改善された鋼材として評価した。表２を参照すると、比較例１３５及び１３６では、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effが低く、また式３を満足しないため、焼入れ性が不十分になり、マルテンサイトの面積率が９０％以上の単相に近い均一な組織とすることができず、結果として比較例１３５においてシャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）が低下している。また、比較例１３５及び１３６では、Ｘ元素の含有量が比較的少なかったために鋼中のＳが十分に消費されなかったと考えられ、その結果としてＭｎＳ等のＡ系介在物が増加してその清浄度が０．０１０％超となり、Ｌ／Ｃ比が低下している。一方、比較例１３７では、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effは０．０００３％よりも高く、それゆえ式２を満足するものであったが、他の焼入れ性元素との関係で式３を満足せず、結果として焼入れ性が不十分になり、同様にマルテンサイトの面積率が９０％以上の単相に近い均一な組織とすることができず、結果としてシャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）が低下している。これとは対照的に、本発明に係る全ての実施例において、式２及び３を満足することで９０％以上のマルテンサイト面積率を達成することができ、高い焼入れ性を示すことができた。また、本発明に係る全ての実施例において、－２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）が２０Ｊ以上であり、優れた靭性を達成しつつ、Ｌ／Ｃ比を０．６～１．２の範囲内として靭性の異方性を低減することができた。
［例Ｃ：厚さ１６ｍｍ以下の鋼材］
本例では、特に厚さが１６ｍｍ以下の鋼材を製造し、その特性について調べた。具体的には、例Ａの一部のスラブから採取した鋼片を用いて、圧下率を例Ａよりも大きくして熱間圧延を行い、冷却した。得られた圧延材を９５０～１１００℃の範囲内の所定の温度に加熱し、次いで厚さｔ（ｍｍ）に応じて２．０～１６０℃／秒の範囲から適切に選択された平均冷却速度にて４００℃以下まで冷却して鋼材を得た（圧延材の厚さが厚い場合にはより高い平均冷却速度が適用され、同じ厚さの場合には同じ平均冷却速度が適用される）。得られた各鋼材の厚さは下表３に示すとおりである。得られた各鋼材のマルテンサイトの面積率（Ｍ面積率）及びＡ系介在物の清浄度を例Ｂと同様にして測定した。鋼材の厚さの１／４位置から採取し、ノッチを鋼材のＬ方向又はＣ方向に入れたサブサイズ（２．５ｍｍ）のＶノッチ試験片を使用し、例Ｂと同様にして、シャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）及びＬ／Ｃ比を求めた。シャルピー吸収エネルギーの平均値は、フルサイズに換算した数値である。その結果を表３に示す。
Figure 0007617477000009
Figure 0007617477000010
例Ａ及びＢと同様に、本例においても、マルテンサイトの面積率（Ｍ面積率）が９０％以上の場合に、焼入れ性が改善された鋼材として評価した。表３を参照すると、比較例２２７では、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effが低く、また式３及び６を満足しないため、焼入れ性が不十分になり、９０％以上のマルテンサイト面積率を達成することができなかった。また、比較例２２７では、Ｘ元素の含有量が比較的少なかったために鋼中のＳが十分に消費されなかったと考えられ、その結果としてＭｎＳ等のＡ系介在物が増加してその清浄度が０．０１０％超となり、Ｌ／Ｃ値が低下している。一方、比較例２２８では、Ｘ元素の有効量［Ｘ］effは０．０００３％よりも高く、それゆえ式２を満足するものであったが、他の焼入れ性元素との関係で式３及び６を満足せず、結果として焼入れ性が不十分になり、同様にマルテンサイトの面積率が９０％以上の単相に近い均一な組織とすることができず、結果としてシャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）が低下している。これとは対照的に、本発明に係る全ての実施例において、式２及び３、さらには式６を満足することで９０％以上のマルテンサイト面積率を達成することができ、高い焼入れ性を示すことができた。また、本発明に係る全ての実施例において、－２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーの平均値（ＫＶ２）が２０Ｊ以上であり、優れた靭性を達成しつつ、Ｌ／Ｃ比を０．６～１．２の範囲内として靭性の異方性を低減することができた。
本発明の実施形態に係る鋼材は、例えば、熱間圧延後の鋼材である。熱間圧延後の鋼材としては、例えば、橋梁、建築、造船及び圧力容器等の用途に使用される厚鋼板、自動車及び家電等の用途に使用される薄鋼板、さらには棒鋼、線材、形鋼、及び鋼管等をも包含するものである。これらの材料において本発明の実施形態に係る鋼材を適用した場合には、焼入れ性向上効果により高強度の鋼材を製造することができる。また、金属組織を主としてマルテンサイトから構成されるより単相に近い均一な組織とすることができるため、高強度であるにもかかわらず、例えば靭性を顕著に向上させることが可能である。

Claims (8)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．００１～１．０００％、
    Ｓｉ：０．０１～３．００％、
    Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
    Ｐ：０．３００％以下、
    Ｓ：０．０３００％以下、
    Ａｌ：０．００１～５．０００％、
    Ｎ：０．２０００％以下、
    Ｏ：０．０１００％以下、
    Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
    Ｎｂ：０～３．０００％、
    Ｔｉ：０～０．５００％、
    Ｔａ：０～０．５００％、
    Ｖ：０～１．００％、
    Ｃｕ：０～３．００％、
    Ｎｉ：０～１６．００％、
    Ｃｒ：０～１５．００％、
    Ｍｏ：０～５．００％、
    Ｗ：０～２．００％、
    Ｂ：０～０．０２００％、
    Ｃｏ：０～３．００％、
    Ｂｅ：０～０．０５０％、
    Ａｇ：０～０．５００％、
    Ｚｒ：０～０．５０００％、
    Ｈｆ：０～０．５０００％、
    Ｃａ：０～０．０５００％、
    Ｍｇ：０％又は０．００１６～０．０５００％、
    Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
    Ｓｎ：０～０．３００％、
    Ｓｂ：０～０．３００％、
    Ｔｅ：０～０．１００％、
    Ｓｅ：０～０．１００％、
    Ａｓ：０～０．０５０％、
    Ｂｉ：０～０．５００％、
    Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
    残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
    下記式１によって求められる［Ｘ］effが下記式２を満たす化学組成を有し、
    焼入れ性指標Ｖcと、厚さｔ［ｍｍ］とが下記式３を満たす、鋼材。
    ［Ｘ］eff＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式１
    ［Ｘ］eff≧０．０００３ ・・・式２
    Ｖc／（９７７３×ｔ-1.8）＜１．００ ・・・式３
    ただし、［Ｂ］＜０．０００３％のとき、
    ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc1＝３．６－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋２８［Ｘ］eff） ・・・式４
    ［Ｂ］≧０．０００３％のとき、
    ｌｏｇＶc＝ｌｏｇＶc2＝２．８－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］＋３７．９［Ｘ］eff） ・・・式５
    ここで、Ｖc1はＢ含有量が０．０００３％未満の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、Ｖc2はＢ含有量が０．０００３％以上の場合の焼入れ性指標Ｖcを表し、［Ｐｒ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、［Ｂ］、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、及び［Ｍｏ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
  2. 質量％で、
    Ｃ：０．００１～１．０００％、
    Ｓｉ：０．０１～３．００％、
    Ｍｎ：０．１０～４．５０％、
    Ｐ：０．３００％以下、
    Ｓ：０．０３００％以下、
    Ａｌ：０．００１～５．０００％、
    Ｎ：０．２０００％以下、
    Ｏ：０．０１００％以下、
    Ｐｒ：０～０．８０００％、Ｓｍ：０～０．８０００％、Ｅｕ：０～０．８０００％、Ｇｄ：０～０．８０００％、Ｔｂ：０～０．８０００％、Ｄｙ：０～０．８０００％、Ｈｏ：０～０．８０００％、Ｅｒ：０～０．８０００％、Ｔｍ：０～０．８０００％、Ｙｂ：０～０．８０００％、Ｌｕ：０～０．８０００％、及びＳｃ：０～０．８０００％からなる群より選択される少なくとも１種のＸ元素、
    Ｎｂ：０～３．０００％、
    Ｔｉ：０～０．５００％、
    Ｔａ：０～０．５００％、
    Ｖ：０～１．００％、
    Ｃｕ：０～３．００％、
    Ｎｉ：０～１６．００％、
    Ｃｒ：０～１５．００％、
    Ｍｏ：０～５．００％、
    Ｗ：０～２．００％、
    Ｂ：０～０．０２００％、
    Ｃｏ：０～３．００％、
    Ｂｅ：０～０．０５０％、
    Ａｇ：０～０．５００％、
    Ｚｒ：０～０．５０００％、
    Ｈｆ：０～０．５０００％、
    Ｃａ：０～０．０５００％、
    Ｍｇ：０％又は０．００１６～０．０５００％、
    Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０～０．５０００％、
    Ｓｎ：０～０．３００％、
    Ｓｂ：０～０．３００％、
    Ｔｅ：０～０．１００％、
    Ｓｅ：０～０．１００％、
    Ａｓ：０～０．０５０％、
    Ｂｉ：０～０．５００％、
    Ｐｂ：０～０．５００％、並びに
    残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
    下記式１によって求められる［Ｘ］ eff が下記式２を満たす化学組成を有し、
    焼入れ性指標Ｖ c と、厚さｔ［ｍｍ］とが下記式３を満たし、
    ｔ≦１６ｍｍのとき、前記焼入れ性指標Ｖcと、前記厚さｔ［ｍｍ］とが下記式６をさらに満たす、鋼材。
    ［Ｘ］ eff ＝０．４０［Ｐｒ］＋０．３７［Ｓｍ］＋０．３７［Ｅｕ］＋０．３６［Ｇｄ］＋０．３５［Ｔｂ］＋０．３４［Ｄｙ］＋０．３４［Ｈｏ］＋０．３３［Ｅｒ］＋０．３３［Ｔｍ］＋０．３２［Ｙｂ］＋０．３２［Ｌｕ］＋１．２４［Ｓｃ］－２．３３［Ｏ］－３．９９［Ｎ］－１．７４［Ｓ］ ・・・式１
    ［Ｘ］ eff ≧０．０００３ ・・・式２
    Ｖ c ／（９７７３×ｔ -1.8 ）＜１．００ ・・・式３
    Ｖc／４５５ｅｘｐ（－０．３６ｔ）＜１．００ ・・・式６
    ただし、［Ｂ］＜０．０００３％のとき、
    ｌｏｇＶ c ＝ｌｏｇＶ c1 ＝３．６－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋２８［Ｘ］ eff ） ・・・式４
    ［Ｂ］≧０．０００３％のとき、
    ｌｏｇＶ c ＝ｌｏｇＶ c2 ＝２．８－０．７×（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］＋３７．９［Ｘ］ eff ） ・・・式５
    ここで、Ｖ c1 はＢ含有量が０．０００３％未満の場合の焼入れ性指標Ｖ c を表し、Ｖ c2 はＢ含有量が０．０００３％以上の場合の焼入れ性指標Ｖ c を表し、［Ｐｒ］、［Ｓｍ］、［Ｅｕ］、［Ｇｄ］、［Ｔｂ］、［Ｄｙ］、［Ｈｏ］、［Ｅｒ］、［Ｔｍ］、［Ｙｂ］、［Ｌｕ］、［Ｓｃ］、［Ｏ］、［Ｎ］、［Ｓ］、［Ｂ］、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、及び［Ｍｏ］は、各元素の含有量［質量％］であり、元素を含有しない場合は０である。
  3. 前記鋼材の厚さの１／４の位置において、ＪＩＳ Ｇ ０５５５：２０２０に規定するＡ系介在物の清浄度が０．０１０％以下である、請求項１又は２に記載の鋼材。
  4. Ｎ含有量が０．００１０％以上であり、Ｏ含有量が０．００１０％以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の鋼材。
  5. 前記化学組成が、質量％で、
    Ｎｂ：０．００３～３．０００％、
    Ｔｉ：０．００５～０．５００％、
    Ｔａ：０．００１～０．５００％、
    Ｖ：０．００１～１．００％、
    Ｃｕ：０．００１～３．００％、
    Ｎｉ：０．００１～１６．００％、
    Ｃｒ：０．００１～１５．００％、
    Ｍｏ：０．００１～５．００％、
    Ｗ：０．００１～２．００％、
    Ｂ：０．０００１～０．０２００％、
    Ｃｏ：０．００１～３．００％、
    Ｂｅ：０．０００３～０．０５０％、
    Ａｇ：０．００１～０．５００％、
    Ｚｒ：０．０００１～０．５０００％、
    Ｈｆ：０．０００１～０．５０００％、
    Ｃａ：０．０００１～０．０５００％、
    Ｍｇ：０．００１６～０．０５００％、
    Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ及びＹの少なくとも１種：合計で０．０００１～０．５０００％、
    Ｓｎ：０．００１～０．３００％、
    Ｓｂ：０．００１～０．３００％、
    Ｔｅ：０．００１～０．１００％、
    Ｓｅ：０．００１～０．１００％、
    Ａｓ：０．００１～０．０５０％、
    Ｂｉ：０．００１～０．５００％、並びに
    Ｐｂ：０．００１～０．５００％
    のうち１種又は２種以上を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼材。
  6. Ｓｎ含有量が０．００４％以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載の鋼材。
  7. 前記鋼材の厚さの１／２の位置におけるマルテンサイト面積率が９０％以上である、請求項１～６のいずれか１項に記載の鋼材。
  8. 前記鋼材の厚さが２．５ｍｍ以上である、請求項１～７のいずれか１項に記載の鋼材。
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