JP2005314812A - 板厚方向の強度差が小さい疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は一様伸び特性と疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．１６％、Ｓｉ：０．１０〜０． ５０％、Ｍｎ：０．８〜１．２％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、 必要に応じて、質量％で、Ｃｕ：０．４％以下、Ｎｉ：０．８％以下、Ｃｒ： ０．４％以下、Ｍｏ：０．４％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｂ：０．００３％以下の一種または二種以上、残部が実質的にＦｅからなり、Ｃｅｑ＝０．４０の鋼を、９５０℃以上、１２００℃以下に加熱後、Ａｒ３以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、Ａｒ３以下であってＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上の温度域から１０℃／ｓ以上３０℃／ｓ未満の冷却速度で加速冷却を開始後、５００℃以上６５０℃以下で停止する。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
本発明は、一様伸び特性と疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法に関し、特に船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクなど構造安全性が強く求められる溶接構造物に好適なものに関する。
船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクなどの構造物に使用される鋼材は、強度、靭性などの機械的性質や溶接性に優れていることに加えて、高レベル地震動などによる大変形と常時稼動における繰返し荷重の双方に対して構造物の構造安全性を担保しなければならない。
地震などの大変形に対しては鋼材の延性を向上させることが有効で、繰返し荷重に対しては耐疲労特性に優れていることが要求される。
疲労特性は、１ 疲労亀裂発生特性と、２ 疲労亀裂伝播特性で評価される。溶接構造物の場合、溶接止端部は、応力集中部になりやすく、溶接による引張残留応力も作用するため疲労亀裂の発生源となることが多く、その防止策として、止端部をなめ付け溶接したり、ショットピーニングにより圧縮残留応力を導入することが知られている。
しかしながら、溶接構造物には多数の溶接止端部があり、またコスト的にも負担が大きいため、これらの方法は工業的規模での実施には不適当で、溶接構造物の耐疲労特性は使用される鋼材自体の疲労亀裂伝播特性の向上により図られることが多い。
特許文献１は耐疲労亀裂進展特性を向上させた鋼材の製造方法に関し、Ａｒ３点近傍で圧延終了後にＡｒ３点−５０℃以下の温度から水冷を開始し、６００℃以下の温度で水冷停止した後に空冷し、ミクロ組織において島状マルテンサイトを生成させ疲労亀裂伝播特性を向上させることが記載されている。
特許文献２には熱間圧延後に、鋼板を５００℃以下まで水冷後、Ａｃ１〜Ａｃ３の二相域に再加熱し圧延してミクロ組織を細粒フェライトとベイナイトもしくはマルテンサイトの混合組織とし、疲労強度を向上させることが記載されている。
特許文献３にはＮｂ，Ｔｉを含有した特定成分の鋼材を、熱間圧延後に冷却する際、添加された元素量から計算により求めた温度から冷却を開始し、５５０℃まで５０℃／ｓの冷却速度で加速冷却し、疲労亀裂伝播特性を向上させることが記載されている。
特開平６−２７１９８５号公報
特開平１０−１６８５４２号公報
特開２００１−３１６７２５号公報
しかしながら、特許文献１記載の方法で製造された鋼板は、疲労強度が向上しても島状マルテンサイトを起点として脆性破壊を発生させる可能性があり、更にフェライトを生成させるため、鋼板の温度がＡｒ３−５０℃となるまで待機させ、冷却を開始するので、生産能率も低下する。
特許文献２記載の方法は冷却後再加熱して、圧延を行うので製造工程が煩雑で、製造コストが高く、製造能率も低下する。特許文献３記載の方法は、鋼材の成分組成に高価なＮｂ，Ｔｉを含有するので、製品コストが高く、また、該成分組成によるミクロ組織は冷却速度依存性が高く板厚方向で材質不均一性が生じることが懸念される。
更に、特許文献２、３記載の方法はベイナイトもしくはマルテンサイトなど硬化相を導入するため延性や、曲げ加工性の劣化が懸念される。
本発明は、安価な、成分組成と製造コストで、一様伸び特性と疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、一様伸び特性と疲労亀裂伝播特性におよぼす鋼材ミクロ組織の影響を鋭意検討し、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、Ａｒ３以下であってＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上の温度域から１０℃／ｓ以上３０℃／ｓ未満の冷却速度で加速冷却することでフェライトが一部生成した残部オーステナイトからラメラ間隔が微細なパーライトを生成させ、かつパーライト組織を鋼板圧延方向にバンド状ではなく塊状に分散生成させることにより、一様伸びおよび疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材が得られことを見出した。
図２は疲労亀裂の伝播に及ぼすミクロ組織の影響を模式的に示す図で、（ａ）に示すような、微細なフェライト２の間に、靱性の良好な狭いラメラ間隔で析出する微細構造のパーライト３が存在するミクロ組織の場合、疲労亀裂４はパーライト境界で屈折するため繰返荷重毎の疲労亀裂進展量は（ａ）に示すような、例えば空冷条件にて析出したパーライト３を含む鋼板と比べて小さくなり、疲労亀裂の伝播が抑制されて、疲労亀裂伝播特性に優れる。
本発明は、得られた知見に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は
１ 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．１６％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜１．２％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部が実質的にＦｅからなり、Ｃｅｑ≦０．４０の鋼を、９５０℃以上、１２００℃以下に加熱後、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、Ａｒ３以下であってＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上の温度域から１０℃／ｓ以上３０℃／ｓ未満の冷却速度で加速冷却を開始後、６５０℃以下５００℃以上まで冷却することを特徴とする一様伸び特性および疲労亀裂伝播特性に優れた微細フェライトと分散したパーライト組織からなる鋼材の製造方法。
１ 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．１６％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜１．２％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部が実質的にＦｅからなり、Ｃｅｑ≦０．４０の鋼を、９５０℃以上、１２００℃以下に加熱後、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、Ａｒ３以下であってＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上の温度域から１０℃／ｓ以上３０℃／ｓ未満の冷却速度で加速冷却を開始後、６５０℃以下５００℃以上まで冷却することを特徴とする一様伸び特性および疲労亀裂伝播特性に優れた微細フェライトと分散したパーライト組織からなる鋼材の製造方法。
２ 更に、鋼成分として、質量％で、Ｃｕ：０．４％以下、Ｎｉ：０．８％以下、Ｃｒ：０．４％以下、Ｍｏ：０．４％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｂ：０．００３％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の一様伸び特性および疲労亀裂伝播特性に優れた微細フェライトと分散したパーライト組織からなる鋼材の製造方法。
本発明によれば、複雑な熱処理や、高価な合金元素を添加した成分組成を用いずに、一様伸び特性と疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造が可能で、産業上極めて有用である。
本発明法は、加速冷却法を前提とし、板厚方向に、均質な、微細フェライトが分散したパーライト組織とするため、特定成分の鋼材を、特定の冷却条件で冷却することを特徴とする。本発明の鋼材の成分組成と製造条件について詳細に説明する。
１ 成分組成（含有量％は質量％とする。）
Ｃ
Ｃは強度を確保するため０．１０％以上添加する。０．１６％を超えて添加すると溶接性が阻害されるため、０．１０〜０．１６％、好ましくは０．１１〜０．１５％を添加する。
Ｃ
Ｃは強度を確保するため０．１０％以上添加する。０．１６％を超えて添加すると溶接性が阻害されるため、０．１０〜０．１６％、好ましくは０．１１〜０．１５％を添加する。
Ｓｉ
Ｓｉは脱酸と強度を確保するため０．１０％以上添加する。０．５０％を超えて添加すると溶接性、靭性が劣化するため、０．１０〜０．５０％、好ましくは０．１５〜０．４０％とする。
Ｓｉは脱酸と強度を確保するため０．１０％以上添加する。０．５０％を超えて添加すると溶接性、靭性が劣化するため、０．１０〜０．５０％、好ましくは０．１５〜０．４０％とする。
Ｍｎ
Ｍｎは焼入れ性の増加により、強度、靭性を確保させるため、０．８％以上添加する。１．２％を超えると溶接性を劣化させるため、０．８〜１．２％、好ましくは０．９〜１．１％を添加する。
Ｍｎは焼入れ性の増加により、強度、靭性を確保させるため、０．８％以上添加する。１．２％を超えると溶接性を劣化させるため、０．８〜１．２％、好ましくは０．９〜１．１％を添加する。
Ｐ
Ｐは不純物で、靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下とする。
Ｐは不純物で、靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下とする。
Ｓ
Ｓは不純物で、靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、０．０２％以下、好ましくは０．０１％以下とする。
Ｓは不純物で、靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、０．０２％以下、好ましくは０．０１％以下とする。
Ｃｅｑ
Ｃｅｑ（＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４（％））は低温割れ防止のため、０．４０％以下、好ましくは強度および靱性を確保するため０．３２〜０．３６％とする。
Ｃｅｑ（＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４（％））は低温割れ防止のため、０．４０％以下、好ましくは強度および靱性を確保するため０．３２〜０．３６％とする。
以上が本発明に係る鋼の基本成分組成であるが、更に強度、靭性、溶接性を向上させたり、耐候性を付与する場合、Ｃｕ，Ｎｉ、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｂの一種または二種以上を添加する。
Ｃｕ
Ｃｕは固溶により強度を上昇させ、また耐候性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．４％を超えると溶接性が損なわれ、鋼材製造時に疵が生じやすくなるので０．４％以下とし、好ましくは、０．３％以下とする。
Ｃｕは固溶により強度を上昇させ、また耐候性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．４％を超えると溶接性が損なわれ、鋼材製造時に疵が生じやすくなるので０．４％以下とし、好ましくは、０．３％以下とする。
Ｎｉ
Ｎｉは低温靭性や耐候性を向上させ、またＣｕを添加した場合の熱間脆性を改善するので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．８％を超えると溶接性が損なわれ、鋼材コストが上昇するので０．８％以下とし、好ましくは、０．６％以下とする。
Ｎｉは低温靭性や耐候性を向上させ、またＣｕを添加した場合の熱間脆性を改善するので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．８％を超えると溶接性が損なわれ、鋼材コストが上昇するので０．８％以下とし、好ましくは、０．６％以下とする。
Ｃｒ
Ｃｒは強度を上昇させ、また耐候性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．４％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので０．４％以下とし、好ましくは、０．３％以下とする。
Ｃｒは強度を上昇させ、また耐候性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．４％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので０．４％以下とし、好ましくは、０．３％以下とする。
Ｍｏ
Ｍｏは強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．４％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので０．４％以下とし、好ましくは、０．２％以下とする。
Ｍｏは強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．４％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので０．４％以下とし、好ましくは、０．２％以下とする。
Ｎｂ
Ｎｂは圧延時のオーステナイト再結晶を抑制し細粒化を図ると同時に、加速冷却後の空冷時に析出し強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．０５％を超えると靭性が損なわれるので０．０５％以下とし、好ましくは０．０３％以下とする。
Ｎｂは圧延時のオーステナイト再結晶を抑制し細粒化を図ると同時に、加速冷却後の空冷時に析出し強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．０５％を超えると靭性が損なわれるので０．０５％以下とし、好ましくは０．０３％以下とする。
Ｖ
Ｖは、加速冷却後の空冷時に析出し強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．０５％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下とする。
Ｖは、加速冷却後の空冷時に析出し強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．０５％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下とする。
Ｔｉ
Ｔｉは、強度を上昇させ、溶接部靭性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．０３％を超えると鋼材コストが上昇するので０．０３％％以下、好ましくは０．０２％以下とする。
Ｔｉは、強度を上昇させ、溶接部靭性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．０３％を超えると鋼材コストが上昇するので０．０３％％以下、好ましくは０．０２％以下とする。
Ｂ
Ｂは焼入れ性を高め、強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．００３％％を超えると溶接性が低下するので、０．００３％以下、好ましくは０．００２％以下とする。
Ｂは焼入れ性を高め、強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．００３％％を超えると溶接性が低下するので、０．００３％以下、好ましくは０．００２％以下とする。
２ 製造条件
本発明では、スラブ加熱温度、圧延条件、加速冷却条件を規定する。
スラブ加熱温度
スラブ加熱温度は、圧延温度を確保するため、９５０℃以上とする。１２００℃を超えると鋼の結晶粒が粗大化し、靭性が低下するので９５０℃〜１２００℃とする。
本発明では、スラブ加熱温度、圧延条件、加速冷却条件を規定する。
スラブ加熱温度
スラブ加熱温度は、圧延温度を確保するため、９５０℃以上とする。１２００℃を超えると鋼の結晶粒が粗大化し、靭性が低下するので９５０℃〜１２００℃とする。
圧延条件
圧延で、オーステナイト粒を微細化させ、加速冷却におけるフェライト変態を促進し、フェライト粒を微細化させるため、Ａｒ３点の累積圧下率を５０％以上とする。累積圧下率５０％以上とする圧延は、オーステナイト未再結晶域、オーステナイト再結晶域を問わずＡｒ３点以上であればよい。但し、異方性が問題となる場合は、オーステナイト未再結晶域での累積圧下率を５０％以下とする。
圧延で、オーステナイト粒を微細化させ、加速冷却におけるフェライト変態を促進し、フェライト粒を微細化させるため、Ａｒ３点の累積圧下率を５０％以上とする。累積圧下率５０％以上とする圧延は、オーステナイト未再結晶域、オーステナイト再結晶域を問わずＡｒ３点以上であればよい。但し、異方性が問題となる場合は、オーステナイト未再結晶域での累積圧下率を５０％以下とする。
加速冷却条件
本発明では、ミクロ組織を微細フェライトが分散したパーライト組織とするため、圧延後、Ａｒ３以下であってＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上の温度域から１０℃／ｓ以上３０℃／ｓ未満の冷却速度で加速冷却を開始後、６５０℃以下５００℃以上まで冷却する。
本発明では、ミクロ組織を微細フェライトが分散したパーライト組織とするため、圧延後、Ａｒ３以下であってＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上の温度域から１０℃／ｓ以上３０℃／ｓ未満の冷却速度で加速冷却を開始後、６５０℃以下５００℃以上まで冷却する。
加速冷却開始温度は一様伸び特性の低下を引き起こすベイナイト組織の生成を抑制し、かつ一様伸び特性に良好な塊状のフェライト組織を確保するためにＡｒ３以下とする。また、冷却開始温度の下限はミクロ組織において疲労亀裂伝播特性に劣るバンド状のフェライト生成を抑制するためＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上とする。
加速冷却停止温度は、未変態オーステナイトをパーライト変態させ、かつ強度を確保するため６５０℃以下、５００℃以上とする。尚、本発明において、冷却速度は、冷却中に疲労亀裂伝播特性を劣化させる粗大な塊状フェライトやラメラ間隔が大きいパーライト組織を生じないように１０℃／ｓ以上とする。また、一様伸び特性の低いベイナイト組織を回避するため３０℃／ｓ未満とする。
図１は圧延後冷却時の場合の連続冷却変態図を模式的に示す図である。圧延後空冷した場合はフェライト＋パーライトバンド組織を呈する。この組織の場合、比較的一様伸び特性を含む延性は良好であるが、靭性および疲労亀裂伝播特性は低い。圧延後急冷した場合、組織はベイナイト主体の組織となり、延性が大きく低下する。
一方、本発明法の場合、冷却開始温度を制御することにより一様伸び特性に良好な塊状のフェライト組織を確保しつつ、疲労亀裂伝播特性の低いパーライトバンド組織、一様伸び特性の低いベイナイト組織を回避し、冷却速度を制御した加速冷却により疲労亀裂伝播特性向上に有効なラメラ間隔が微細なパーライトを得ることができる。
本発明での冷却速度は板厚方向の平均冷却速度、温度は鋼板表面温度とする。Ａｒ３点はＡｒ３（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の質量％での含有量を表す。）等で求めることができる。
表１に示す成分組成の鋼片を、表２に示す条件で、板厚１２〜５０ｍｍの鋼板とし、一様伸びと疲労亀裂伝播特性を求めた。更に、強度、靭性についても試験を行った。表２に製造条件に合わせて試験結果を示す。
疲労亀裂伝播特性はＣＴ試験により、疲労亀裂伝播速度を求めて評価した。ＣＴ試験片は圧延直角方向に亀裂が進展するようにＬ−Ｔ方向を全厚（板厚２５ｍｍを超えるものは２５ｍｍに減厚。）として採取した。
試験条件は応力比０．１、周波数２０Ｈｚ，室温大気中でＡＳＴＭＥ６４７に準拠した。実施例において応力拡大係数範囲ΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍとした場合の疲労特亀裂伝播速度が２×１０−８ｍ／ｃｙｃｌｅ以下を本発明例とした。
一様伸びはＣ方向採取したＪＩＳＺ２２０１１Ａ号の全厚試験片を用いた引張試験により求め、２５％以上を本発明例とした。また同時にＴＳ，ＹＳを求めた。
靭性はシャルピー衝撃試験により破面遷移温度ｖＴｒｓ（℃）を求めた。シャルピー衝撃試験片（ＪＩＳＺ２２０２）は板厚／４（板厚２５ｍｍ未満は板厚／２）より、圧延方向に平行に採取した。
板番Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９は本発明例で優れた耐疲労特性亀裂伝播特性を示し、強度、靭性、溶接性にも優れていることが確認された。
一方、板番Ｎｏ．１０はＣ，ＳｉおよびＣｅｑが本発明範囲外のため、本発明範囲内の製造条件であっても本発明例に対し、一様伸び特性に劣る。また靭性も低い。
板番Ｎｏ．１１は冷却開始温度が本発明範囲外で低く、また、冷却速度が大きく分散した塊状パーライトが得られなかったため、疲労亀裂伝播特性が本発明例に対して劣る。
板番Ｎｏ．１２は加速冷却の冷却速度が本発明範囲外で低く、一様伸び特性、疲労亀裂伝播特性に劣る。
板番Ｎｏ．１３は鋼材の成分組成が本発明範囲外で、冷却開始温度が本発明範囲外で高く、冷却速度も本発明範囲外で高いため一様伸び特性、疲労亀裂伝播特性に劣る。
板番Ｎｏ．１４は９００℃以上の累積圧下率も本発明範囲外で小さく、冷却開始温度が本発明範囲外で高いため、一様伸び特性、疲労亀裂伝播特性が本発明例に対して劣る。
板番Ｎｏ．１５は冷却開始温度が本発明範囲外で低く、疲労亀裂伝播特性が本発明例に対して劣る。
１ 鋼板
２ フェライト
３ パーライト
４ 疲労亀裂
２ フェライト
３ パーライト
４ 疲労亀裂
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．１６％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜１．２％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部が実質的にＦｅからなり、Ｃｅｑ≦０．４０の鋼を、９５０℃以上、１２００℃以下に加熱後、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、Ａｒ３以下であってＡｒ３−６０℃かつ７３０℃以上の温度域から１０℃／ｓ以上３０℃／ｓ未満の冷却速度で加速冷却を開始後、６５０℃以下５００℃以上まで冷却することを特徴とする一様伸び特性および疲労亀裂伝播特性に優れた微細フェライトと分散したパーライト組織からなる鋼材の製造方法。
- 更に、鋼成分として、質量％で、Ｃｕ：０．４％以下、Ｎｉ：０．８％以下、Ｃｒ：０．４％以下、Ｍｏ：０．４％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｂ：０．００３％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の一様伸び特性および疲労亀裂伝播特性に優れた微細フェライトと分散したパーライト組織からなる鋼材の製造方法。
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