JP2006233239A

JP2006233239A - 低降伏比鋼材の製造方法

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Publication number: JP2006233239A
Application number: JP2005046005A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shirahata; 浩幸白幡; Kazutoshi Ichikawa; 和利市川; Takeshi Yoneda; 剛米田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP4705381B2

Abstract

【課題】生産性の低い複雑な熱間圧延工程や熱処理工程を必要とせずに，低降伏比鋼材を効率的に製造することが可能な，低降伏比鋼材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は，所定の成分を有し，かつ，フェライト分率が２０％以上である鋼材を，時効が生じない温度で，圧下率０．１〜０．５％で軽圧下圧延を行う低降伏比鋼材の製造方法である。ここで，上記時効が生じない温度が下記式を満足する温度であることが好ましい。
Ｔ≦２５０−２６０００＊［(Ｎ％)−(Ｔｉ％)／３．４−(Ａｌ％)／２９］（℃）
但し，［(Ｎ％)−(Ｔｉ％)／３．４−(Ａｌ％)／２９］＜０の場合は，Ｔ＝０とする。
【選択図】なし

Description

本発明は，高層建築物などの鋼構造物に用いられる効率的な低降伏比鋼材の製造方法に関する。

近年の高層建築物には，巨大地震に見舞われた場合を想定して，柱や梁部材の塑性変形により地震エネルギーを吸収させて大崩壊を回避するという人的安全性を重視した限界状態設計法が適用されているが，それには降伏応力（ＹＰ）と引張強さ（ＴＳ）の比で示される降伏比（ＹＲ）の低い鋼材を使用することが有効であるとされている。

一般に，鋼材の低降伏比化は，ミクロ組織を軟質のフェライト相と硬質のベイナイト相またはマルテンサイト相とからなる混合組織とすることにより達成されることが知られている。低降伏比鋼材の製造方法としては，例えば特許文献１，特許文献２等に記載されているように，熱間圧延終了後，フェライト＋オーステナイトの二相域まで空冷した後に加速冷却する方法がある。しかし，このような製造方法は，空冷時に生成するフェライトが粗大化するため，一般に靭性が劣化する傾向があることに加えて，鋼材長手方向の材質均一化が困難であり，また生産性も顕著に低下してしまう，という問題がある。

他の製造方法としては，特許文献３に見られるように，圧延終了後フェライト＋オーステナイトの二相温度域で熱処理を施す方法がある。しかし，この方法も，二相域加熱によってミクロ組織が粗大化するため靭性が劣化するとともに，熱処理工程が増える分，生産性が大幅に低下してしまう，という問題がある。

特開昭６３−２９３１１０号公報特開昭５９−２１１５２８号公報特開平３−２１９０１２号公報

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，生産性の低い複雑な熱間圧延工程や熱処理工程を必要とせずに，低降伏比鋼材を効率的に製造することが可能な，新規かつ改良された低降伏比鋼材の製造方法を提供することにある。

本発明者らは，上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果，通常の加熱，圧延，冷却，熱処理工程により，フェライト分率を２０％以上とした後，低温で軽圧下圧延を施すことにより，鋼材のＴＳや伸び(ＥＬ)を低下させずにＹＰのみを低下させて，容易に低降伏比化を達成できることを見出した。

本発明は，かかる知見に基づき，さらに検討を加えてなされたものであり，その手段とするところは下記の通りである。
（１）０．０１〜０．２０質量％のＣと，０．０２〜１．０質量％のＳｉと，０．２０〜２．５質量％のＭｎと，０．０２５質量％以下のＰと，０．０２０質量％以下のＳと，０．００２〜０．１０質量％のＡｌと，０．００１０〜０．００８０質量％のＮと，残部として，Ｆｅおよび不可避不純物とからなり，かつ，フェライト分率が２０％以上である鋼材を，時効が生じない温度で，圧下率０．１〜０．５％で軽圧下圧延を行うことを特徴とする，低降伏比鋼材の製造方法。
（２）０．０５〜１．５質量％のＣｕ，０．０５〜１．０質量％のＣｒ，０．０５〜０．５質量％のＭｏ，０．０５〜０．５質量％のＷ，０．０５〜０．５質量％のＴａ，０．０５〜３．５質量％のＮｉ，０．００３〜０．０５０質量％のＮｂ，０．００３〜０．１０質量％のＴｉ，０．００５〜０．１０質量％のＶ，０．０００３〜０．００３０質量％のＢ，０．０００３〜０．００５０質量％のＣａ，０．０００５〜０．００６０質量％のＭｇ，及び０．０００５〜０．００６０質量％のＲＥＭからなる群より選択される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，（１）に記載の低降伏比鋼材の製造方法。
（３）前記時効が生じない温度Ｔは，下記数式１を満足する温度であることを特徴とする，（１）または（２）に記載の低降伏比鋼材の製造方法。
Ｔ≦２５０−２６０００＊［(Ｎ％)−(Ｔｉ％)／３．４−(Ａｌ％)／２９］（℃）
（但し，［(Ｎ％)−(Ｔｉ％)／３．４−(Ａｌ％)／２９］＜０の場合は，Ｔ＝０とする。また，Ｔｉが含まれていない場合には，（Ｔｉ％）＝０とする。）
・・・（数式１）
（４）前記軽圧下圧延する鋼材の温度が，１００℃以上であることを特徴とする，（１）〜（３）のいずれかに記載の低降伏比鋼材の製造方法。

本発明の低降伏比鋼材の製造方法によれば，時効が生じない低温域で軽圧下圧延してＹＰのみを低下させることで，生産性を低下させる熱間圧延後の温度待ちや熱処理工程を必要とせずに，低降伏比鋼材を効率的に得ることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

本発明者らは，鋼材のミクロ組織のフェライト中に可動転位を導入することにより，ＴＳやＥＬを低下させずにＹＰのみを大きく低下させることが可能であるとの知見に基づき，まず，鋼材のフェライト分率について検討した。その結果，鋼材のフェライト分率が２０％以上であれば好ましいことが判明した。つまり，フェライト分率が２０％未満であると，フェライト中に可動転位を導入出来たとしても，その絶対量が少ないため鋼材のＹＰの低下が少なく，ＹＲの低下が小さいために，フェライト分率を２０％以上，好ましくは５０％以上とするものである。

ここで，フェライト分率が２０％以上の鋼材を得るためには，生産性を阻害するような複雑な熱間圧延や熱処理によってミクロ組織を精緻にコントロールする必要はなく，最終的な圧延を行う前の段階で，フェライト分率を２０％以上にしておけばよい。例えば，１０００〜１３００℃に加熱した鋼片をＡｒ３〜１１００℃，累積圧下率５０％以上で圧延し，次に，空冷してもよく，あるいは高強度化を図るために，Ａｒ３以上の温度から，２０℃／ｓ以下の冷却速度で，または，４００℃以上の温度まで加速冷却してもよい。更に，強度，靭性，伸び等を調整することを目的として，６５０℃以下の温度で熱処理してもよい。

また，軽圧下圧延の圧下率を０．１〜０．５％の範囲で圧延を行う必要がある。これは，圧下率が０．１％未満であると，上記フェライトに可動転位を均一かつ十分な量導入することができず，ＹＲが低下しないからである。一方，圧下率が０．５％を超えると，転位密度が過剰になるため加工硬化が生じ，ＹＰ，およびＹＲが上昇に転じることに加えて，ＥＬの低下が顕在化してくるからである。ここで，軽圧下圧延の圧下率とＹＲとの関係を図１に示した。なお，図１において，横軸は圧下率（％）であり，縦軸はＹＲ（％）である。

また，軽圧下圧延時の鋼材温度については，時効が生じない温度範囲内で圧延を行う必要がある。これは，軽圧下圧延によりフェライトに可動転位が導入されたとしても，時効によってＹＰが元に戻り，ＹＲが上昇する場合があり，これを回避するためである。ここで，軽圧下圧延を実施した温度と数式１の上限温度との差と，ＹＲとの関係を図２に示した。なお，図２において，横軸は軽圧下圧延を実施した温度と数式１の上限温度との差（℃）であり，縦軸はＹＲ（％）である。また，時効が生じない温度領域であっても，１００℃以上であると，圧延の負荷を軽減できるので好ましい。

更に，この時効が生じない温度範囲の上限Ｔ_ｍａｘを下記数式１で求めることが好ましい。ここで，数式１において，（Ｎ％），（Ｔｉ％）及び（Ａｌ％）は，それぞれ，Ｎ，Ｔｉ及びＡｌの含有量を質量％で表した数値を意味している。

Ｔ_ｍａｘ＝２５０−２６０００＊［(Ｎ％)−(Ｔｉ％)／３．４−(Ａｌ％)／２９］（℃）
（但し，[(Ｎ％)−(Ｔｉ％)/３．４−(Ａｌ％)/２９]＜０の場合は，Ｔ_ｍａｚ＝０とする）
・・・（数式１）

次に，本発明の製造方法を使用して製造される鋼材の成分は通常の鋼材と同様であるが，その添加量の限定理由について説明する。

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（ＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）靭性などを著しく低下させるので，上限を０．２０％とした。

Ｓｉは，溶製時の脱酸に必要な元素であり，適量添加するとマトリクスを固溶強化するため，０．０２％以上添加する。一方，１．０％超添加すると，ＨＡＺの硬化により靭性が低下するため，上限を１．０％とした。

Ｍｎは，母材の強度，靭性の確保に有効な成分として０．２０％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２．５％とした。

Ｐ，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，それぞれ０．０２５％，０．０２０％を上限とした。

Ａｌは，重要な脱酸元素であるため，下限値を０．００２％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０．１０％とした。

Ｎは，ＡｌＮとして析出することでオーステナイトを微細化させる効果があるが，過剰添加により固溶Ｎが増大するとＨＡＺ靭性の低下を招くことから，０．００１０〜０．００８０％の範囲に制限した。

また，選択添加元素の添加量は，以下の理由により限定される。

Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａは，鋼材の焼入れ性向上により高強度化させるために有効であることから，０．０５％以上添加するが，多量に添加すると溶接性，ＨＡＺ靭性を低下させるため，Ｃｕについては１．５％，Ｃｒについては１．０％，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａについては０．５％を上限とした。

Ｎｉは，鋼材の強度および靭性を向上させることから，０．０５％以上添加することが好ましいが，Ｎｉ量の増加はコストを上昇させるので，３．５％を上限とした。

Ｎｂ，Ｔｉは，微量の添加により結晶粒の微細化と析出強化の面で有効に機能するため，０．００３％以上添加するが，過剰に添加すると溶接部靭性を著しく低下させるため，Ｎｂについては０．０５０％，Ｔｉについては０．１０％を上限とした。

Ｖは，焼入れ性を向上させるとともに炭窒化物を形成して高強度化に寄与するため，０．００５％以上添加するが，多量に添加するとＨＡＺ靭性を劣化させるため，０．１０％を上限とした。

Ｂは，ＨＡＺ靭性に有害な粒界フェライト，フェライトサイドプレートの成長抑制と高強度化に有効であることから，０．０００３％以上添加するが，過剰に添加すると靭性を劣化させることから，０．００３０％を上限とした。

Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭは，酸化物や硫化物を形成し，ＨＡＺ結晶粒粗大化の防止，及び母材の異方性の軽減を目的に添加するが，添加量が少ないと効果がなく，過度の添加は靭性を損なうため，Ｃａ：０．０００３〜０．００５０％，Ｍｇ：０．０００５〜０．００６０％，ＲＥＭ：０．０００５〜０．００６０％の範囲で添加する。なお，ＲＥＭとは，Ｌａ，Ｃｅなどの希土類元素のことである。

下記表１に，鋼材の化学成分，表２に製造条件，母材組織及び機械的性質を示す。

鋼材のＹＰ，ＴＳ，ＥＬについては，ＪＩＳ４号引張試験片を用いて評価し，ＹＲをＹＰ／ＴＳ×１００[％]により算出した。破面遷移温度(vTrs)は，ＪＩＳ４号衝撃試験片を用いて評価した。なお，試験片は，板厚中心部から圧延方向と直角な方向に採取した。

本発明の実施例のＮｏ．１〜８は，本発明の範囲内の条件で製造したため，いずれも降伏比が７５％以下と低く，低降伏比鋼材として良好な特性を有していた。

一方，比較例のＮｏ．１〜８は，製造条件，または組織のいずれかが本発明の範囲を逸脱していたために，降伏比が８０％以上と高くなってしまった。Ｎｏ．１〜３は，軽圧下圧延の温度が高かったために，ＹＰが下がらずＹＲが低下しなかった。Ｎｏ．４，５は，軽圧下圧延を実施しなかった，または圧下率が小さかったために，ＹＲが低下しなかった。Ｎｏ．６は，圧下率が大きかったためにＹＰが上昇に転じ，ＹＲが高くなった。Ｎｏ．７は，軽圧下圧延の温度が高く，圧下率も大きかったため，ＹＲが上昇してしまった。Ｎｏ．８は，熱間圧延後の冷却速度が過大，かつ停止温度が低かったために，フェライト分率が低くなり，軽圧下圧延を実施してもＹＲを下げることができなかった。

また，従来例のＮｏ．１，２は，軽圧下圧延ではなく二相域焼入れや熱処理を実施したために，ＹＲは低くなったが，生産性が著しく低下してしまった。従来例のＮｏ．１は，熱間圧延後，温度が二相域まで低下してから水冷を開始したため，ＹＲは実施例のＮｏ．２と同等であったが，靭性が低下し，生産性も低下してしまった。従来例のＮｏ．２は，熱間圧延・加速冷却と焼戻し工程の間に二相域熱処理を実施したため，実施例のＮｏ．３と同程度まで低ＹＲ化したものの，生産性が顕著に低下してしまった。

以上示したように，本発明の方法を適用することにより，従来法よりも効率的に低降伏比鋼材を製造できることが確認された。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

軽圧下圧延の圧下率とＹＲとの関係を示すグラフ図である。軽圧下圧延を実施した温度と数式１の上限温度との差と，ＹＲとの関係を示すグラフ図である。

Claims

０．０１〜０．２０質量％のＣと，
０．０２〜１．０質量％のＳｉと，
０．２０〜２．５質量％のＭｎと，
０．０２５質量％以下のＰと，
０．０２０質量％以下のＳと，
０．００２〜０．１０質量％のＡｌと，
０．００１０〜０．００８０質量％のＮと，
残部として，Ｆｅおよび不可避不純物と，
からなり，かつ，フェライト分率が２０％以上である鋼材を，
時効が生じない温度で，圧下率０．１〜０．５％で軽圧下圧延を行うことを特徴とする，低降伏比鋼材の製造方法。
０．０５〜１．５質量％のＣｕ，０．０５〜１．０質量％のＣｒ，０．０５〜０．５質量％のＭｏ，０．０５〜０．５質量％のＷ，０．０５〜０．５質量％のＴａ，０．０５〜３．５質量％のＮｉ，０．００３〜０．０５０質量％のＮｂ，０．００３〜０．１０質量％のＴｉ，０．００５〜０．１０質量％のＶ，０．０００３〜０．００３０質量％のＢ，０．０００３〜０．００５０質量％のＣａ，０．０００５〜０．００６０質量％のＭｇ，及び０．０００５〜０．００６０質量％のＲＥＭからなる群より選択される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に記載の低降伏比鋼材の製造方法。
前記時効が生じない温度Ｔは，下記数式１を満足する温度であることを特徴とする，請求項１または２に記載の低降伏比鋼材の製造方法。
Ｔ≦２５０−２６０００＊［(Ｎ％)−(Ｔｉ％)／３．４−(Ａｌ％)／２９］（℃）
（但し，［(Ｎ％)−(Ｔｉ％)／３．４−(Ａｌ％)／２９］＜０の場合は，Ｔ＝０とする）
・・・（数式１）
前記軽圧下圧延する鋼材の温度が，１００℃以上であることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の低降伏比鋼材の製造方法。