JP2003089845A - 低温靭性に優れた溶接構造用鋼 - Google Patents

低温靭性に優れた溶接構造用鋼

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  • Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
  • Carbon Steel Or Casting Steel Manufacturing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、エレクトロガスアーク溶接等の4
00kJ/cm以上の大入熱溶接継手のHAZ全域で優
れた低温靭性を有する溶接構造用鋼を提供する。 【解決手段】溶銑を精錬容器内で溶銑中のP含有量が粗
鋼で要求されている鋼の成分規格値以下となるまで脱燐
し、前記脱燐された溶銑を転炉に装入し、実質的に造滓
材を前記溶銑に添加することなく脱炭する転炉製鋼方法
を用いて溶製された鋼であって、化学成分として質量%
で、C:0.04〜0.12%、Si:0.01〜0.
5%、Mn:0.5〜2%、S:0.001〜0.01
%、sol.Al:0.04〜0.08%、Ti:0.
005〜0.03%、B:0.0005〜0.003
%、O:0.001〜0.005%、N:0.004〜
0.007%かつ0.9×IN≦N≦1.2×INを満
足するNを含有し、残部が不可避不純物及びFeからな
る(但し、IN=Ti/3.4+1.3Bとする)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、海洋構造物、圧力
容器、船舶、橋梁、建築及びラインパイプ等の大型溶接
構造物に用いられる高張力鋼に関し、特に低温での大入
熱HAZ靭性に優れたものに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、海洋構造物、圧力容器、船舶など
の鋼構造物は大型化し、使用鋼材は厚肉化の傾向にあ
る。厚肉材の場合、仮付け溶接等の小入熱溶接時の低温
割れや、作業能率を向上させるためのエレクトロガス溶
接(EGW),サブマージアーク溶接(SAW)等の大
入熱溶接による低温靭性の低下が問題とされる場合があ
る。
【0003】そのため、厚肉材の製造においては、小入
熱溶接時の低温割れ防止のため、低Ceq化、低Pcm
化するとともに、大入熱溶接HAZ部の靭性劣化を防止
する成分設計が通常行われている。
【0004】しかし、最近では構造物によって、−40
℃での低温靭性が要求される場合も見受けられるなど、
従来より遥かに成分設計の困難度はましている。
【0005】大入熱溶接HAZ靭性改善方法として、種
々の提案がされており、例えば、特公昭55−2616
4号公報は、微細なTiNを析出させγ結晶粒の粗大化
を抑制することを、特許第2950076号公報は、多
量の微細なAl23析出物によりオーステナイトの粗大
化を抑制する方法を提案している。
【0006】そして、特開昭61−79745号公報
は、Ti酸化物粒子を核生成サイトとして粒内フェライ
トを生成させて組織を微細化し、HAZ靭性を改善する
方法を、特開平5−287374号公報は、Ca酸化物
やCaオキシサルファイドを核として粒内アシキュラー
フェライトを生成させ、組織を微細化する方法を提案し
ている。
【0007】また、特開平9−20955号公報では、
N量をTi及びB量に応じて調整し、TiN,BNによ
りボンド部の靭性を改善する方法が提案されている。
【0008】しかしながら、特公昭55−26164号
公報記載の方法では、1400℃前後となるボンド部
で、TiNの大部分が溶解するため、組織が粗大化し、
ボンド部靭性は改善されない。
【0009】また、特許第2950076号公報記載の
方法でも、高温で長期に保持された場合は、Al23
よってもオーステナイト粒径の粗大化を抑制することは
困難である。
【0010】特開昭61−79745号公報記載の方法
では、Ti酸化物を鋼中に微細に分散するために強脱酸
元素のAlは0.007%以下と極端に少ない特殊な成
分であり、溶解での鋼種編成が複雑となる。
【0011】同様に、特開平5−287374号公報記
載の方法は、Ca酸化物を安定に確保するため、Oを
0.0040%以下に、強脱酸元素であるAlを0.0
07%以下に制限するもので、脱酸方法、成分元素の添
加などで精密な制御が必要で、更に溶接材料によっては
溶接金属部の靭性が低下する問題も懸念される。
【0012】特開平9−20955号公報記載の方法で
は、N量をTiあるいはB窒化物として固定される量以
上添加するため、加熱温度が1000〜1200℃とな
るHAZが固溶Nにより脆化する。
【0013】特許第2931065号公報は、溶接熱影
響部におけるTiNが、入熱量500kJ/cm〜10
00kJ/cmという超大入熱で高温に長時間曝される
状態においても溶解しない寸法、および微細化に必要な
個数が得られるよう製造条件を規定し、更に、BNとの
相乗効果により溶接ボンド部を含むHAZ全域での低温
靭性を改善することを提案している。
【0014】しかし、粗大なTiNが、母材や入熱が低
下した場合のHAZに残存し、鋼材の清浄性を低下させ
ることが懸念され、また、最近、特に大型化の著しいコ
ンテナ船用として多量の鋼板を製造する場合、鋳片の冷
却速度を5℃/分以下とすることは生産性の観点から好
ましくない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、現
在、生産性を損なうことなく、大入熱溶接のHAZ全域
で優れた低温靭性が得られる鋼板製造技術は十分確立さ
れているとは言い難く、特に、構造物の局所脆化をもた
らし安全性低下をさせるため好ましくないとされるシャ
ルピー衝撃値変動幅を十分小さくする技術は提供されて
いない。
【0016】本発明は、生産性に優れ、大入熱溶接(4
00kJ/cm以上)のHAZ全域(Bond,Bon
d+1mm、3mm、5mm)での靭性が、−40℃で
のシャルピー衝撃値(vE−40)として個々の試験片
で、100J以上となる溶接構造用鋼を提供することに
ある。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、先行技術
を基に、超大入熱溶接HAZ靭性に及ぼす成分組成の影
響について検討を行った。
【0018】その結果、特許第2931065号は、上
述したように超大入熱溶接特有の長い高温滞留時間でも
溶解消滅しない粗大TiNを生成させること、およびH
AZにおいて固定されない過剰なNによりHAZ靭性が
劣化するのを防止するためN量をTi,B量との関係に
おいて規定することを特徴とするものであるが、その規
定されているTi量の範囲内において、鋼板の表面性状
や清浄性を考慮してTi添加量を低く抑えた場合、靭性
を改善するBの効果は必ずしも安定して得られず、特に
−40℃のように従来経験されなかった低温の場合で
は、むしろその焼入れ性向上効果によるものと推測され
る靭性値の変動が切欠位置によっては観察され、優れた
技術ではあるものの、いっそうの靭性改善が必要である
ことが判明した。
【0019】そこで、本発明者等は、鋳造凝固過程の冷
却速度を遅くするなどして生産性を阻害することなく靭
性改善効果をより一層向上させる方法について鋭意検討
を行い、新たな知見として、転炉ゼロスラグ吹錬法とい
う製鋼プロセスを用い、二次精錬の初期において一定寸
法の微細なAl23を鋼中に適当量析出させ、化学成分
として鋼中Al、O量を適正化し、N量をTi,B量の
関係において規定した場合、常法の鋳造凝固過程によっ
ても、−40℃においてもHAZ全域(BOND、BO
ND+1〜5mm)で変動幅が小さく安定して良好な靭
性が得られることを見出した。
【0020】すなわち本発明は、鋳造凝固過程において
析出するAl23析出物がTiNやBNの析出核とな
り、さらにTiNとBNがフェライト変態の析出核とな
ってHAZ組織を微細フェライト組織とし、またTiや
Bと窒化物を形成しないHAZの固溶Nを十分な量のA
l量でAlNとして捕捉し、固溶Nを低減することでフ
ェライト地組織の靭性改善を図る技術である。
【0021】このようにTiNやBNをフェライト析出
サイトとして利用するためには、所定量のAl23の確
保が必要であり、Alを多量に添加する必要がある。し
かしながら、高Al添加は固溶Nの低減効果により靭性
を改善するものの、粗大なAl23が増大して靭性低下
を招く場合がある。特に−40℃のような低温では、B
OND部で粗大Al23が脆性破壊発生のトリガーとな
り靭性低下を生じる。
【0022】そこで本発明では、粗大Al23を低減さ
せるために、転炉ゼロスラグ吹錬法という製鋼プロセス
を用いる点に特徴を有している。この転炉ゼロスラグ吹
錬法(Zero Slag Process,以下ZS
P)は、例えば特開平10−306306号公報に記載
されている新しい製鋼プロセスであり、溶銑を精錬容器
で溶銑中のP含有量が粗鋼で要求されている鋼の成分規
格値以下となるまで脱燐し、脱燐された溶銑を転炉に装
入し、実質的に造滓材を溶銑に添加することなく脱炭を
行う方法である。この方法により、高品質、高純度鋼の
大量生産と製鋼精錬工程での大幅な省資源、省エネルギ
ー化が図られている。
【0023】ZSPの場合、転炉で脱酸しないため溶存
酸素量が少なく、その後の二次精錬において初期に生成
するAl23量が減少する。この結果、同じ投入Al量
であれば、特に粗大なAl23が減少し、微細Al23
の数は変わらない。すなわち、ZSPの方が粗大なAl
23が減少し、NをAlNとして捕捉できるAl量が増
えることになる。よって、Alの多量添加とZSPの組
合せによって、微細Al23による析出サイトの確保
と、HAZの固溶N低減効果が図られ、HAZ靭性を向
上させることが可能となる。
【0024】本発明は、上記知見を基になされたもので
あり、すなわち、請求項1記載の発明は、溶銑を精錬容
器内で溶銑中のP含有量が粗鋼で要求されている鋼の成
分規格値以下となるまで脱燐し、前記脱燐された溶銑を
転炉に装入し、実質的に造滓材を前記溶銑に添加するこ
となく脱炭する転炉製鋼方法を用いて溶製された鋼であ
って、化学成分として質量%で、C:0.04〜0.1
2%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.5〜2
%、S:0.001〜0.01%、sol.Al:0.
04〜0.08%、Ti:0.005〜0.03%、
B:0.0005〜0.003%、O:0.001〜
0.005%、N:0.004〜0.007%かつ0.
9×IN≦N≦1.2×INを満足するNを含有し、残
部が不可避不純物及びFeからなる。
【0025】但し、IN=Ti/3.4+1.3B,T
i,B及びNは含有量(%)とする。
【0026】また、請求項2記載の発明は、質量%でさ
らに、Cu≦0.5%、Ni≦1.0%、Cr≦0.5
%、Mo≦0.5%、V≦0.1%、Nb≦0.03%
の群から選択された一種または二種以上を含有する。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、本発明の成分限定理由につ
いて詳細に説明する。
【0028】(1)C Cは、強度を確保するために必要で、その効果を得るた
め、0.04%以上添加する。一方、0.12%を超え
て添加すると高炭素島状マルテンサイトが生成し、HA
Z靭性および溶接性が低下するため、0.04〜0.1
2%(0.04%以上、0.12%以下)とする。尚、
0.04%未満の場合、強度を確保するため、焼入れ性
向上元素を多量に添加しなければならず、生産原価が上
昇し、靭性、溶接性が劣化する。
【0029】(2)Si Siは、強度の確保と、製鋼過程における脱酸剤として
必要で、その効果を得るため、0.01%以上添加す
る。一方、0.5%を超えて添加すると高炭素島状マル
テンサイトが生成しやすくなり、HAZ靭性が劣化する
ため、0.01〜0.5%とする。
【0030】(3)Mn Mnは、強度を確保するため、0.5%以上添加する。
一方、2%を超えると焼入れ性が増大し、溶接性、HA
Z靭性を劣化させるため、0.5〜2%とする。
【0031】(4)S Sは、HAZ部でのフェライトの核生成サイトとなるM
nSを生成するため必要で、0.001%以上とする。
一方、0.01%を超えると、母材および溶接部の靭性
が低下するため、0.001〜0.01%とする。
【0032】(5)Ti Tiは、HAZ部でのオーステナイト結晶粒の粗大化を
抑制し、フェライトの核生成サイトとなるTiNを生成
するため必要で、0.005%以上添加する。一方、
0.03%を超えて添加すると、母材及びHAZ靭性に
有害な粗大なTiCが析出し、鋼板の表面疵も多発する
ため、0.005〜0.03%とする。
【0033】(6)B Bは、フェライトの核生成サイトとなるBNを生成させ
るため、0.0005%以上添加する。一方、0.00
3%を超えて添加するとHAZ靭性が低下するため、
0.0005〜0.003%とする。
【0034】(7)sol.Al sol.Alは、脱酸およびHAZ靭性に有害な固溶N
を低減させ、Al23析出物を生成させるため0.04
%以上とする。一方、0.08%を超えると、粗大なA
l系介在物が生じるようになり、靭性が低下するため、
0.04〜0.08%とする。
【0035】Al23析出物は、フェライト析出核とな
るTiN,BNを析出させ、HAZ部を微細フェライト
組織とし低温靭性を向上させるため、円相当直径で0.
5μm以上、3μm以下で、その個数を1×103個/
mm2以上に規定することが望ましい。
【0036】円相当直径が0.5μm未満ではTiNや
BNの析出核としては不十分であり、3μmを超えて粗
大化すると脆性破壊発生のトリガーとなり靭性低下を生
じる。また、その個数が1×103個/mm2未満ではT
iNやBNの析出核としては不十分であり、微細フェラ
イト組織が得られない。
【0037】尚、Al23析出物としては、Al23
出物およびAl23を主体とした他の酸化物(例えば、
SiO2)との複合析出物も含まれる。
【0038】図1に、相当円直径が0.5μm以上、3
μm以下のAl23析出物数に及ぼすsol.Al量の
影響を示す。供試鋼は、ZSPにて溶製され請求項1記
載の成分組成を有する本発明鋼と、該発明鋼において、
N量のみまたはsol.Al量のみを本発明範囲外とす
る比較鋼とした。
【0039】その結果、sol.Al量が本発明範囲内
となる鋼では、いずれも円相当直径で0.5μm以上、
3μm以下のAl23析出物が1×103個/mm2以上
析出しており、本発明鋼はBOND、HAZ1mmのい
ずれにおいても−40℃で100J以上の良好な靭性値
を示した。
【0040】一方、N量が本発明範囲外となる比較鋼
は、微細Al23が1×103個/mm2以上析出してい
ても、靭性値のバラツキがあり安定した結果が得られな
かった。
【0041】sol.Alが本発明の範囲外となる鋼で
は、円相当直径で0.5μm以上、3μm以下となるA
23析出物の個数が少なくやはりシャルピー衝撃試験
結果が不安定となっていた。
【0042】図2は、HAZ全域でのシャルピー衝撃値
(vE−40)に及ぼすZSPとsol.Alの影響を
示すものである。シャルピー衝撃試験結果は平均値であ
る。ZSPで溶製され本発明範囲内のsol.Alを含
有する鋼は、BOND部からHAZ5mmまでのHAZ
全域で100J以上の安定したシャルピー衝撃値を示し
た。
【0043】一方、ZSPを行わずに製造され本発明の
成分範囲内のsol.Alを含有する鋼の場合、Alに
よるHAZの固溶Nの低減効果によりHAZでは100
J以上の値を示したが、BOND部で靭性の低下が見ら
れた。また、sol.Alが本発明範囲より低い鋼で
は、HAZ1mm、3mmの靭性が低下した。
【0044】図3は、図2の試験結果において、切欠位
置をHAZ+1mmとしたシャルピー衝撃試験における
個々の衝撃値(vE−40)と平均値を示すもので、s
ol.Al量が本発明範囲外で低い供試鋼の場合、平均
値とかけはなれた極めて低い衝撃値が発生する不安定な
挙動を示し、局所脆化による安全性が懸念される結果と
なっている。
【0045】sol.Al量が低い供試鋼の場合、最高
加熱温度がボンド部より低いHAZ+1mmでは、Al
Nを形成せず、TiあるいはBとの窒化物とならない固
溶Nにより、フェライト地組織の靭性劣化が生じたもの
と思われる。
【0046】(8)N Nは、HAZにおいてオーステナイト結晶粒の粗大化を
抑制し、また、フェライトの核生成サイトとなるBN,
TiNを生成させるため0.004%以上とする。一
方、0.007%を超えると固溶N量がAl窒化物の形
成によっても過剰となり、靭性が低下するため、0.0
04〜0.007%とする。
【0047】本発明では、更にN量を0.004〜0.
007%の範囲内において、IN=Ti/3.4+1.
3B(Ti,B及びNは含有量(%))を用いて、0.
9×IN≦N≦1.2×INに規定し、含有するNの大
部分をTiN,BNとすることが必要である。
【0048】(9)O 鋼中O量は、BN,TiNの析出サイトとなるAl23
析出物を十分確保し、また、過剰な添加による粗大介在
物の生成を防止するため、0.001〜0.005%と
する。
【0049】本発明は以上の構成により十分な特性が得
られるが、更にその特性を向上させるため、Cu,N
i,Cr,Mo,V,Nbの一種又は二種以上を添加す
ることができる。これらの元素を添加する場合、Cu≦
0.5%、Ni≦1.0%、Cr≦0.5%、Mo≦
0.5%、V≦0.1%、Nb≦0.03%とする。
【0050】尚、本発明において、「残部が不可避不純
物及びFe」とは、本発明の作用効果を損なわない範囲
で、他の微量元素を含有することを意味する。
【0051】次に製造条件について述べる。
【0052】本発明では、溶銑を精錬容器内で溶銑中の
P含有量を粗鋼で要求されている鋼の成分規格値以下に
脱燐精錬し、脱燐精錬された溶銑を転炉に装入し、実質
的に焼石灰等の造滓材を溶銑に添加することなく脱炭精
錬を行う。この脱燐溶銑を使用することで、転炉での脱
燐精錬は不要となる。転炉吹錬後、所定の成分範囲に調
整したのち連続鋳造によりスラブとし、所要の条件で加
熱をした後に、圧延等の加工を施して厚鋼板とする。
【0053】本発明では、微細Al23を析出核とする
TiN、BNによるHAZ組織の微細フェライト組織化
とHAZ組織における固溶N量の低減の重畳効果によ
り、HAZ靭性を向上させるため、ZSP後の鋳造凝固
過程は常法によるものでよく、特に鋳造凝固冷却速度を
5℃/分以下と遅くする必要はない。
【0054】スラブ加熱条件や熱間圧延条件は、所望の
板厚、強度に応じて適宜設定すればよいが、圧延後は所
望の強度となるように、加速冷却あるいはオンラインま
たはオフラインで焼入れ焼戻しを行う。
【0055】
【実施例】表1に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造
法でスラブとした後、1100〜1250℃に加熱し、
TMCP(制御圧延・加速冷却)、熱間圧延後DQ−T
(直接焼き入れ・焼き戻し)等により板厚50〜70m
mの鋼板を製造した。表2に示すように、実施例1〜1
5の鋼は本発明に従いZSPを用いて製造し、比較例1
6〜35の鋼はZSPは行わずに通常の製鋼プロセスに
より製造した。
【0056】これらの鋼板について、母材の機械的性質
およびエレクトロガスアーク溶接(入熱400〜530
kJ/cm)のHAZ靭性を調査した。HAZ靭性はシ
ャルピー衝撃試験により、切欠位置をボンド部、ボンド
部からHAZ側に1mm、3mm,5mmとし、試験温
度−40℃でのシャルピー衝撃値(平均値、個々の値)
によって評価した。表示は平均値のみとした。
【0057】
【表1−1】
【0058】
【表1−2】 表2に製造条件、これらの試験結果を示す。本発明に従
う実施例1〜15の実施例鋼は、母材の引張強度510
N/mm2以上、−40℃でのシャルピー衝撃値200
J以上、ボンド部を含むHAZ全域での−40℃でのシ
ャルピー衝撃値(平均値)として100J以上が得られ
ている。更に、表には示さなかったものの個々の衝撃値
の変動幅も小さく、何れの試験結果においても平均値の
±20%以内であった。
【0059】これに対して、比較鋼である比較例16〜
35の鋼は、母材特性としては本発明鋼と同等である
が、HAZの靭性値が低下した。
【0060】比較例16〜18の比較鋼は、化学成分は
本発明の範囲内であるがZSPを用いなかったため、目
的とする靭性値を満足しなかった。これは粗大な酸化物
が生じ、靭性が低下したものと考えられる。
【0061】比較例19〜24、26、28、30〜3
4の比較鋼はTi、B及びNのバランスが悪く、INが
本発明の範囲外であり、比較例20、21、23〜2
5、27、29、31、35の比較鋼はsol.Al量
が本発明で規定する範囲を逸脱している。このため、比
較鋼は大入熱ボンド部およびHAZ1mm、3mm、5
mmでの靭性のうちのいずれかがvE−40で100J
以上を満足しなかった。
【0062】
【表2−1】
【0063】
【表2−2】
【0064】
【発明の効果】本発明によれば、エレクトロガスアーク
溶接等の400kJ/cm以上の大入熱溶接継手部HA
Z全域で安定して優れた低温靭性となる溶接構造用鋼が
得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Al23の析出状態に及ぼすsol.Al量の
影響を示す図。
【図2】HAZ靭性(vE−40の平均値:J)に及ぼ
すsol.Al量の影響を示す図。
【図3】HAZ靭性(vE−40の個々の衝撃値:J)
に及ぼすsol.Al量の影響を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 善明 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 小嶋 敏文 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 鈴木 伸一 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 平井 龍至 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 松田 穣 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 Fターム(参考) 4K014 AA03 AD23 4K070 AA02 AB03 AB17 AC03 BA13

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 溶銑を精錬容器内で溶銑中のP含有量が
    粗鋼で要求されている鋼の成分規格値以下となるまで脱
    燐し、前記脱燐された溶銑を転炉に装入し、実質的に造
    滓材を前記溶銑に添加することなく脱炭する転炉製鋼方
    法を用いて溶製された鋼であって、化学成分として質量
    %で、C:0.04〜0.12%、Si:0.01〜
    0.5%、Mn:0.5〜2%、S:0.001〜0.
    01%、sol.Al:0.04〜0.08%、Ti:
    0.005〜0.03%、B:0.0005〜0.00
    3%、O:0.001〜0.005%、N:0.004
    〜0.007%かつ0.9×IN≦N≦1.2×INを
    満足するNを含有し、残部が不可避不純物及びFeから
    なる低温靭性に優れた溶接構造用鋼。但し、IN=Ti
    /3.4+1.3B,Ti,B及びNは含有量(%)と
    する。
  2. 【請求項2】 質量%でさらに、Cu≦0.5%、Ni
    ≦1.0%、Cr≦0.5%、Mo≦0.5%、V≦
    0.1%、Nb≦0.03%の群から選択された一種ま
    たは二種以上を含有する請求項1記載の溶接構造用鋼。
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