JP2003147476A - プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材を提
供する。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１６％、
Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．０
２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．００５〜
０．０４％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｎ：０．
０００５〜０．００６％を含有し、残部はＦｅおよび不
可避不純物からなり、かつ、下記式により規定される焼
入部割れ指数Ｐｍが０．１８以下であることを特徴とす
るプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。 Ｐｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ
／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ切断部の
疲労特性に優れた鋼材に関するものであり、より具体的
には、プラズマ切断部の疲労特性に優れることから、例
えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには
自動車等に、プラズマ切断ままでも好適に使用すること
ができる鋼材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築
物、タンクさらには自動車等に使用される鋼材は、適当
な切断法により所望の形状に切断される。このような切
断法として、従来から用いられてきたガス切断に比較し
て数倍以上の高速切断が可能であることから、金属ノズ
ルによる熱的ピンチ効果を利用して形成した高温・高速
のプラズマ流を用いるプラズマ切断が近年多用される。
このプラズマ切断は切断精度も相当高いことから、プラ
ズマ切断された鋼材は、切断ままで使用される場合があ
る。

【０００３】しかしながら、例えば「鉄鋼便覧第３版VI
二次加工・表面処理・熱処理・溶接」６５１頁１６・３
・４切断部の材質変化の欄にも記載されているように、
プラズマ切断によるプラズマ切断面近傍の冷却速度は大
きくなるために切断面近傍の組織が硬化してしまう。こ
のため、プラズマ切断ままの鋼材を繰り返し応力が作用
する部材に用いると、硬度が上昇した切断面近傍から疲
労亀裂が発生し易くなり、この亀裂が起点となって疲労
寿命が低下してしまう。このため、プラズマ切断された
鋼材は、多くの場合、プラズマ切断面近傍に例えば研削
等の機械加工を仕上げ加工として行う必要があり、加工
コストや加工時間の上昇は否めなかった。

【０００４】ところで、鋼材の疲労寿命を改善する発明
として、特開平６−２７１９３０号公報には、ベイナイ
トと体積率１０％以上の残留オーステナイトとを主相と
する複合組織を有する鋼板の表面に後処理としてショッ
トピーニング処理を行って、表層部の残留オーステナイ
ト相を歪誘起変態させることによって、鋼材の疲労特性
を改善する発明が、提案されている。この提案にかかる
発明によれば、プラズマ切断された鋼材の切断面を含め
て鋼材全体の疲労特性を改善することができる。

【０００５】また、プラズマ切断部の疲労特性に優れた
鋼材およびその製造方法として、特開２００１−１０７
１７５号公報には、鋼材の焼入れ性を増加させ、プラズ
マ切断部をマルテンサイト化させ、かつ切断部のオース
テナイト粒径を２０μｍ以下に規制することにより、プ
ラズマ切断部の疲労限度を３５０MPａ以上に改善させた
発明が開示されている。

【０００６】しかし、特開平６−２７１９３０号公報の
発明によっても、鋼材に後処理を行う必要があるため、
加工コストおよび加工時間の上昇は否めない。すなわ
ち、従来には、プラズマ切断ままでも繰り返し応力が作
用する部材として用いることができる鋼材は、存在しな
かった。また、特開２００１−１０７１７５号公報で
は、その解決方法が開示されているが、焼入れ性を増大
させたために、必然的に鋼板の強度が増大してしまうた
め、構造物設計の際に選択できる強度レベル等の制約が
生じる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
なプラズマ切断における鋼材の問題点を解決し、例えば
船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動
車等の構成部材のうちで繰り返し応力が作用する部材
に、プラズマ切断ままでも好適に使用することができ、
加工コストおよび加工時間を低減できる、プラズマ切断
部の疲労特性に優れた鋼材を提供することをその課題と
している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、プラズマ
切断部における疲労特性を支配する因子を鋭意検討した
結果、プラズマ切断部を冶金的に解明するに至った。本
発明はかかる知見に基づき完成されたもので、その要旨
とするところは以下の通りである。 （１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１６％、Ｓｉ：
０．１〜１％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．０２％以
下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０４
％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｎ：０．０００５
〜０．００６％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純
物からなり、かつ、下記（１）式により規定される焼入
部割れ指数Ｐｍが０．１８以下であることを特徴とする
プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。 Ｐｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍ ｏ／１５＋Ｖ／１０・・・・・・・（１） （２）質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０
５〜１．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．１２％、Ｖ：
０．００１〜０．１％、Ｃｒ：０．０１〜０．６％、Ｍ
ｏ：０．０１〜０．６％、Ｂ：０．０００１〜０．００
３％の１種または２種以上を、さらに含有することを特
徴とする前記（１）に記載のプラズマ切断部の疲労特性
に優れた鋼材。

【０００９】

【発明の実施の形態】発明者らは、プラズマ切断部を冶
金的に解明し、プラズマ切断部における疲労特性を支配
する因子を鋭意検討した結果、以下に列記する新規な知
見を得て、本発明を完成した。 プラズマ切断時に、切断部の表面から１００μｍ程度
の範囲の鋼中に切断雰囲気から窒素が侵入し、侵窒層が
形成される。 この層内では窒素がコットレル雰囲気を形成し鋼の硬
さが異常に上昇し、Ｈｖで８００程度となる場合があ
る。 異常硬化部において、切断後、あるいは応力負荷時に
粒界破壊が生じ、その粒界破面部がプラズマ切断部の疲
労き裂発生起点となっている。

【００１０】特開２００１−１０７１７５号公報で開示
されている鋼板の焼入れ性を上昇させ、硬化層をマルテ
ンサイト組織化する技術思想は、むしろ、上記の異常硬
さ上昇域を拡大させ、疲労き裂の発生起点となる粒界破
壊部の領域を拡大するため、プラズマ切断部の疲労強度
をむしろ低下させてしまうことを知見した。特開２００
１−１０７１７５号公報では、焼入れ性を上昇すると同
時に、プラズマ切断部のオーステナイト粒径を２０μｍ
以下に微細化させることを必須としているが、粒界破壊
部の破面単位を微細化させる必要性が生じたものと解釈
できる。

【００１１】上記新観察結果により、プラズマ切断部の
疲労特性を向上させるためには、窒素の侵入、および切
断の急速加熱、急速冷却により形成される異常硬化層の
最高硬さを低減させること、異常硬化層の領域を減少さ
せること、の必要性を知見した。

【００１２】本発明では、鋼板の焼入部割れ指数Ｐｍを
０．１８以下とさせることにより、プラズマ切断面の硬
化層部の硬さ上昇を抑制させ、硬さ上昇部で特徴的に観
察される粒界割れを防止することにより、プラズマ切断
部の高疲労寿命化を図れることを具現化したものであ
る。焼入部割れ指数Ｐｍを０．１８以下に低減するに
は、Ｃ量およびＭｎ量をいずれも低減させることが効果
的ではあるが、鋼板自体の強度を低下させる。そこで、
鋼板の組成を適切に特定することによって、鋼板強度を
確保しつつ、母材およびプラズマ切断部の特性をいずれ
も所望の程度に保つことができる。

【００１３】上記の知見を用いることにより、切断面に
機械加工等の後処理を行わなくとも、プラズマ切断まま
で高疲労特性を有する鋼材を得ることができ、これによ
り、加工コストおよび加工時間をいずれも短縮できる鋼
材を提供できる。

【００１４】以下、本発明にかかるプラズマ切断部の疲
労特性に優れた鋼材について、図面を参照しながら、さ
らに詳細に説明する。なお、以降の説明では、鋼材が熱
延鋼板である場合を例にとるが、これは例示であり、本
発明は熱延鋼板以外の他の鋼材に対しても、同様に適用
される。

【００１５】まず、本発明鋼の組成の限定理由を説明す
る。なお、以下％は質量％を意味する。Ｃは鋼の強度を
向上させる有効な成分として下限を０．０１％とし、ま
た、過剰の添加は、鋼材の溶接性やＨＡＺ靭性などを著
しく低下させるので、上限を０．１６％とした。

【００１６】Ｓｉは母材の強度確保、脱酸などに必要な
成分で、０．１％以上の添加が必要であるが、ＨＡＺの
硬化により靭性が低下するのを防止するため上限を１％
とした。

【００１７】Ｍｎは母材の強度、靭性の確保に有効な成
分として０．４％以上の添加が必要であるが、溶接部の
靭性、割れ性などの許容できる範囲で上限を２％とし
た。

【００１８】Ｐは含有量が少ないほど望ましいが、これ
を工業的に低減させるためには多大なコストがかかるこ
とから、０．０２％を上限とした。

【００１９】Ｓは含有量が少ないほど望ましいが、これ
を工業的に低減させるためには多大なコストがかかるこ
とから、０．０２％を上限とした。

【００２０】Ａｌは重要な脱酸元素であり、下限値を
０．００５％とした。また、Ａｌが多量に存在すると、
鋳片の表面品位が劣化するため、上限を０．０４％とし
た。

【００２１】ＴｉはＮと結合してＴｉ窒化物を形成させ
るために０．００５％以上添加する。しかし、固溶Ｔｉ
量が増加するとＨＡＺ靭性が低下するため、０．０３％
を上限とした。

【００２２】ＮはＴｉＮとして析出することでＨＡＺ靭
性の向上効果があるため、下限を０．０００５％とし
た。しかしながら固溶Ｎが増大するとＨＡＺ靭性の低下
を招くことから０．００６％を上限とした。

【００２３】Ｃｕは鋼材の強度を向上させるために０．
０５％以上の添加が有効であるが、１％を超えるとＨＡ
Ｚ靭性を低下させることから、１％を上限とした。

【００２４】Ｎｉは鋼材の強度および靭性を向上させる
ために０．０５％以上の添加が有効であるが、Ｎｉ量の
増加は製造コストを上昇させるので、１．５％を上限と
した。

【００２５】Ｎｂは焼き入れ性を向上させることにより
母材の強度および靭性を向上させるために０．００１％
以上の添加が有効な元素であるが、ＨＡＺ部においては
過剰な添加は靭性を著しく低下させるため０．１２％を
上限とした。

【００２６】Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＢについてもＮｂと同様
な効果を有することから、それぞれ０．００１％、０．
０１％、０．０１％、０．０００１％以上の添加が好ま
しいが、過剰に添加すると焼入れ性が過剰となるため、
それぞれ０．１％、０．６％、０．６％、０．００３％
を上限とした。

【００２７】焼入部割れ指数Ｐｍ：０．１８以下の理由
を次に示す。焼入部割れ指数Ｐｍは、本発明者らがプラ
ズマ切断部の割れ性を表示するために規定した特性値で
ある。従来から溶接部焼入れ性を示す指数としてＰｃｍ
が知られている。この値を用いてプラズマ切断部の硬さ
と化学成分の関係を調べた結果、特にＢの影響が大きく
異なることを見出した。これはプラズマ切断部から侵入
するＮがＢと結合してＢＮを形成し硬さが上昇しにくい
ためであると考えられる。この点を考慮して化学成分と
硬さの関係を新たに重回帰した結果（１）式が得られた
のである。

【００２８】図１は、焼入部割れ指数：Ｐｍと、プラズ
マ切断部の最高硬さとの関係を示したものである。プラ
ズマ切断部の切断面から鋼板内部に向かって、５ｇｆの
微小硬さ計を用いて硬さ分布を測定し、その最高硬さの
値を用いたものである。この最高硬さと、前述した焼入
部割れ指数Ｐｍの間には図１に示す相関関係があり、焼
入部割れ指数Ｐｍが０．１８以下であれば、切断におけ
る熱により形成される硬化組織がマルテンサイト化され
ても、その最高硬さが５００以上とならないことを知見
した。さらに、最高硬さが５００以下の切断部では、粒
界破面は確認されていないが、８００程度と高い値を示
した切断部では粒界破面が確認された。

【００２９】プラズマ切断部の疲労特性を評価するため
には、室温で繰り返し周波数５Hz、応力比０．１、応力
振幅２００〜５００MPaの軸力片振り引張り荷重制御方
式により、５０トン電気油圧式疲労試験機を用いて疲労
試験を行った。この軸力疲労試験において、破断繰り返
し数が１０⁷回となる応力振幅を疲労限度強度Δσ_w（MP
a）として測定する。

【００３０】図２は、プラズマ切断部の最高硬さと、プ
ラズマ切断部の疲労強度を引張強度で除した値Δσ_w／
ＴＳとの関係を示す。プラズマ切断部の最高硬さが５０
０以下の場合には、Δσ_w／ＴＳの値が０．６以上と優
れているが、５００よりも最高硬さが大きい場合には、
粒界破面の形成により疲労発生強度が大幅に低下するた
め、Δσ_w／ＴＳの値が０．３以下となっている。した
がって、Ｐｍを０．１８以下に規定することにより、プ
ラズマ切断部の疲労限度を低下させる粒界破面の発生を
阻止することができる。そこで、本発明では、焼入部割
れ指数Ｐｍを０．１８以下と限定する。一方、強度確保
のため焼入部割れ指数Ｐｍは０．１以上とすることが好
ましい。

【００３１】Ｐｍが０．２を超える鋼材ではプラズマ切
断部の最高硬さは７００以上となり切断面に粒界破面が
生成した。この粒界破面から拾う亀裂が容易に発生・伝
播するため疲労強度は大きく低下しΔσ_w／ＴＳの値は
０．４以下となっている。Ｐｍを０．１８以下にするた
めには、化学成分を調整する。特にＣやＭｎの添加量を
抑えつつ強度を確保するためにＮｂやＢを活用する。ま
た、Ｎｉの活用もＰｍの低減には有効である。

【００３２】本発明の効果は成分調整によるＰｍの限定
によって得られるので、本発明鋼の製造方法は特に限定
しないが、以下に好ましい製造方法を示す。 （鋼加熱）本発明では、かかる鋼組成、および焼入部割
れ指数Ｐｍを有する鋼を、１２００℃以上の高温に加熱
しても、鋼の焼入れ性が抑制されているので、オーステ
ナイト粒の粗大化しても、焼入部の割れ性は抑制されて
いるので、鋼加熱温度は特に限定を必要としないが、一
般的な母材靭性の確保の点からは、１２５０℃以下が望
ましい。 （圧延）このようにして加熱した鋼に対し、圧延を行う
が、プラズマ切断部の特性は、圧延条件の影響を受けな
いため、特に限定を必要としない。 （冷却）このようにして圧延を終了した後についても、
プラズマ切断部の特性は、圧延条件の影響を受けないた
め、特に限定を必要としない。プラズマ切断部の特性以
外の特性を作りこむために必要な冷却条件であれば、適
用して差し支えなく、所望の機械的性質が得られる。

【００３３】

【実施例】次に、実施例を参照しながら本発明をより具
体的に説明する。表１にそれぞれ示す鋼組成および焼入
部割れ指数Ｐｍを有する供試材Ｈ１〜Ｈ６、Ｒ１〜Ｒ
４、図３に示す軸力疲労試験片を用いて、表２に示す切
断条件のプラズマ切断で切断した後、軸力疲労試験機を
用いて、軸力疲労試験を行った。そして、この軸力疲労
試験において、破断繰り返し数Ｎｆが１０⁷回となる応
力振幅を疲労限度強度Δσ_wとしてを測定した。

【００３４】表１における実施例Ｈ１〜Ｈ６は、いずれ
も、本発明の範囲を満足する本発明例であり、疲労限度
強度Δσ_wが２７７〜３７０MPaを示している。これらの
疲労限度強度Δσ_wと引張強度ＴＳとの比は、０．６３
〜０．６８と、高い値を示している。これに対し、表１
における実施例Ｒ１〜Ｒ４は、焼入部割れ指数Ｐｍが本
発明の上限を上回っており、プラズマ切断部の最高硬さ
が５５０〜８９０と、５００以上の値を示している。こ
のため、切断部に粒界破壊部が形成され、疲労限度Δσ
_wが１１０〜１５０MPaと低くなっている。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、例
えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには
自動車等の構成部材のうちで繰り返し応力が作用する部
材に、プラズマ切断ままでも好適で、しかも加工コスト
および加工時間をいずれも低減することができる鋼材が
提供できる。したがって、本発明は産業上極めて価値の
高い発明であるといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ切断部の切断面近傍の最高硬さと、焼
入部割れ指数Ｐｍとの関係を示す図である。

【図２】プラズマ切断部の切断面近傍の最高硬さと、２
０トン電気油圧式疲労試験機で評価した疲労限度強度Δ
σ_w／引張強度ＴＳとの関係を示す図である。

【図３】プラズマ切断部の疲労限度強度Δσ_wを測定す
るための試験片の形状を示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 浩司 大分県大分市大字西ノ洲１番地 新日本製 鐵株式会社大分製鐵所内 Ｆターム(参考） 4E001 AA01 BA04 CA01 EA10

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ ：０．０１〜０．１６％、 Ｓｉ：０．１〜１％、 Ｍｎ：０．４〜２％、 Ｐ ：０．０２％以下、 Ｓ ：０．０２％以下、 Ａｌ：０．００５〜０．０４％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、 Ｎ ：０．０００５〜０．００６％を含有し、残部はＦ
   ｅおよび不可避不純物からなり、かつ、下記（１）式に
   より規定される焼入部割れ指数Ｐｍが０．１８以下であ
   ることを特徴とするプラズマ切断部の疲労特性に優れた
   鋼材。 Ｐｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍ ｏ／１５＋Ｖ／１０・・・・・・・（１）
2. 【請求項２】 質量％で、 Ｃｕ：０．０５〜１％、 Ｎｉ：０．０５〜１．５％、 Ｎｂ：０．００１〜０．１２％、 Ｖ：０．００１〜０．１％、 Ｃｒ：０．０１〜０．６％、 Ｍｏ：０．０１〜０．６％、 Ｂ：０．０００１〜０．００３％の１種または２種以上
   を、さらに含有することを特徴とする請求項１に記載の
   プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。