JP2006233328A - 低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低降伏点化と低温靭性を両立させた制震デバイス用の低降伏点鋼材を、製鋼工程やそれ以後の製造工程での大きな負荷やコスト増なしに製造する方法を提供すること。特に、従来の技術で難しかった板厚３０ｍｍ以上の厚肉材であっても、低温靭性を合金添加や追加の熱処理によるコストアップなしに向上させて、降伏強さのばらつきを小さくして２００〜２５０ＭＰａの範囲に制御する低降伏点厚鋼板の製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｃ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００４ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分を有する鋼を熱間圧延したのち、直接焼入れにより鋼板温度が８８０〜６００℃の範囲を平均３〜３０℃／ｓの冷却速度で冷却することを特徴とする低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、地震等による振動のエネルギーを吸収して鋼構造物の耐震性を向上するためのデバイス（制震ダンパー）に用いる鋼材として好適な２００〜２５０ＭＰａの狭い範囲の降伏強さを有する耐震部材用低降伏点鋼材の厚鋼板の製造方法に関する。

建築構造物の耐震性を向上する方法として、変形能力に優れた低降伏点鋼をエネルギー吸収デバイスとして鋼構造物の一部に配し、大地震等の振動エネルギーを塑性変形によって吸収する方法が用いられている。このような制震デバイスに使用される鋼材は、鋼構造物の他の部位、例えば、通常の柱や梁などの構造材よりも早期に塑性変形を開始する必要があるため、極めて低い降伏点が要求される。

上記のような低降伏点鋼として、純鉄に近い成分にすることにより低降伏点を実現する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、純鉄に近い成分の鋼をさらに高温で焼準処理することにより低降伏点化を実現する技術が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照。）。これらはいずれもフェライト粒を粗粒にすることにより降伏点を低下させるものであり、靭性に劣るという欠点があった。また、いずれもＣを０．０１％未満まで低減する必要があり、製鋼工程のコストが増大することや、Ｃ含有量を極めて低減することにより粒界強度が低下し、粒界破壊が起きる場合があるなどの問題があった。大地震の際には、衝撃的な変形荷重が付加されるため、制震デバイスに用いる低降伏点鋼が十分な靭性を有していないと、塑性変形によってエネルギーを吸収することなく破壊してしまい、デバイスの機能を果たすことができない。したがって、靭性の優れた低降伏点鋼が必要とされている。

靭性の優れた低降伏点鋼として、Ｃ、Ｔｉ、Ｎ量間の関係を適切に制御することにより、Ｃを極端に低減することなく実効的なＣを低減するとともに、靭性を劣化させる固溶Ｎを低減し、低降伏点化と同時に粗粒フェライト粒でありながら優れた低温靭性を達成する方法が知られている（例えば、特許文献４、特許文献５、特許文献６参照。）。特許文献４〜特許文献６には、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ等の元素もＣ、Ｎを炭窒化物として固定し、実効的なＣ量を低減する効果を有することが示されている。

また、圧延後に再加熱焼入れを施し、フェライト粒径を適切な範囲に整える方法が知られている（例えば、特許文献７、特許文献８参照。）。この方法では、Ｃ含有量を極端に低減したり、Ｃ、Ｎ等を固定するための添加元素を必要とせず、熱処理によってミクロ組織を制御して優れた特性が得られる。
特開平３−３１４６７号公報 特開平５−３２０７６０号公報 特開平５−３２０７６１号公報 特開平１０−１８３２９３号公報 特開平１１−２２９０７６号公報 特開２０００−１０９９５３号公報 特開２００４−５９９９５号公報 特開２００５−２３４１０号公報

しかしながら、特許文献４〜特許文献６に記載の低降伏点鋼では、Ｃ、Ｔｉ、Ｎ、あるいはその他のＣ固定元素といった複数の元素の含有量を同時に制御する必要があり、製鋼工程において多大な労力が必要であり、Ｃ、Ｎを十分に低減できない場合には、Ｔｉ添加量を増加せざるを得ず、合金コストが増大するという問題があった。また、これらの方法によっても、フェライト粒径が著しく粗大な場合や、靭性を劣化させるパーライトなどの第２相が増加した場合には、必ずしも十分な低温靭性が得られないという問題があった。

また、板厚の増加に伴って靭性は低下し、特許文献４〜特許文献６に記載の技術によっても、板厚３０ｍｍ以上の厚肉材において優れた低温靭性を確保することは困難であった。

さらに、特許文献７、特許文献８に記載の鋼材の製造方法では、圧延終了後に再加熱して、追加の熱処理を行なう必要があるため、製造コストやリードタイムが増大してしまうという問題があった。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、低降伏点化と低温靭性を両立させた制震デバイス用の低降伏点鋼材を、製鋼工程やそれ以後の製造工程での大きな負荷やコスト増なしに製造する方法を提供することにある。特に、従来の技術で難しかった板厚３０ｍｍ以上の厚肉材であっても、低温靭性を合金添加や追加の熱処理によるコストアップなしに向上させて、降伏強さのばらつきを小さくして２００〜２５０ＭＰａの範囲に制御する低降伏点厚鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）Ｃ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００４ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分を有する鋼を熱間圧延したのち、直接焼入れにより鋼板温度が８８０〜６００℃の範囲を平均３〜３０℃／ｓの冷却速度で冷却することを特徴とする低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
（２）鋼を、９００〜１２００℃に加熱し、９８０℃以下の温度域で累積圧下率３０％以上で圧延を行なうことを特徴とする（１）に記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
（３）冷却後、さらに、７３０℃以下の温度で焼戻しを行うことを特徴とする（１）または（２）に記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
（４）鋼が、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０ｍａｓｓ％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
（５）鋼が、さらに、Ｃａ：０．００２〜０．０２ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００２〜０．０２ｍａｓｓ％のうち１種または２種を含有することを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。

本発明によれば、制震ダンパー等に好適に使用できる、低降伏点化と低温靭性を両立させた低降伏点鋼材を製造工程での大きな負荷やコスト増なしに製造することが可能となる。特に、板厚３０ｍｍ以上の厚肉材であっても、低温靭性を合金添加によるコストアップなしに向上させて、降伏強さ２００〜２５０ＭＰａの範囲でばらつきの小さな低降伏点厚鋼板を製造できる。

低降伏点鋼の靭性を向上するために、一般的には、ＣやＮなどの侵入型元素を極力低減し、パーライトなどの靭性を劣化させる第２相の生成を押さえる方法が取られる。パーライトはセメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）とフェライト（α−Ｆｅ）の層状組織であるが、衝撃的に荷重が負荷される際にフェライト／セメンタイト界面が剥離して破壊の起点となることにより、靭性を低下させる。しかしながら、Ｃ量を極端に低減した場合、合金元素の添加なしではフェライト粒が粗大化し、厚肉材の降伏強さと靭性が顕著に低下してしまう。

本発明者らは、適量のＣを含有させた鋼のオーステナイト組織を圧延時の再結晶により整粒化（均一化）、細粒化したうえで、直接焼入れを施すことによって、フェライト粒径とセメンタイト形状を制御し、特別な合金元素の添加なしでも、目標レベルの降伏強さと優れた低温靭性を同時に達成することができることを明らかにした。

オーステナイト組織の整粒化、細粒化は、特定の温度域で圧延を行ない、オーステナイトの再結晶を促進することによって達成される。そして、その後に直接焼入れを適用することにより、γ→α変態時の冷却速度が増加し、フェライト粒径が微細化する。それに加えて、パーライトや粗大なセメンタイトの形成を抑制、セメンタイトを微細化することによって、フェライト／セメンタイト界面からの破壊を抑制し、靭性を向上させることができる。これらの効果は、圧延後の冷却速度の制御によってもたらされるものであり、その後の焼入れ、焼きならし等の熱処理は必要としない。

本発明は、Ｃ含有量の適正化と圧延条件やγ→α変態時の冷却速度制御などの製造条件とを組み合わせることによって、靭性に優れた低降伏点鋼を経済的に得るための技術であり、Ｃ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００４ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分を有する鋼を熱間圧延したのち、直接焼入れにより鋼板温度が８８０〜６００℃の範囲を平均３〜３０℃／ｓの冷却速度で冷却することを特徴とする低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法である。

本発明を構成する技術のうち、まず鋼材の化学成分の限定理由について説明する。以下の説明において％で示す単位は全て質量％である。

Ｃ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％とする。Ｃ量の増加は、パーライト等の第２相を増加させることによって、強度の上昇と靭性の劣化の原因となる。一方、固溶Ｃを極端に少なくすると、合金元素の添加なしではフェライト粒が粗大化し、厚肉材の降伏強さと靭性が顕著に低下してしまう。適量のＣを含有させて焼入れ性を適正化し、さらにγ→α変態時の冷却速度を制御することによって、必要な強度と延性を確保することができる。Ｃが０．０２％以下では、焼入れによってもフェライト粒径が粗大化してしまい、合金添加なしでは、２００ＭＰａ程度以上の降伏強さと低温靭性を確保することができない。また、０．０６％を超えると降伏強さが２５０ＭＰａを超えてしまい、低降伏点鋼としての強度特性を維持できず、低温靭性も劣化してしまう。そこで、Ｃ含有量を０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％と規定する。

Ｓｉ：０．２ｍａｓｓ％以下とする。Ｓｉは固溶強化によって鋼の強度を上昇させる元素であるので、必要に応じて添加することができる。ただし、０．２ｍａｓｓｓ％を超えて添加すると靭性が著しく劣化するため、０．２ｍａｓｓ％以下とする。

Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％以下とする。Ｍｎは固溶強化とフェライト粒微細化によって強度を上昇させる元素である。Ｍｎ含有量の適正化により、降伏強さを調整することができる。しかしながら、０．８％を超えると降伏強さが必要以上に増加してしまい、低降伏点化が難しくなってしまうため、０．８％以下に限定する。

Ａｌ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％とする。Ａｌは溶鋼の脱酸材として作用する元素であり、十分な脱酸効果を得るためには、０．００５％以上の添加を必要とする。また、鋼中の固溶Ｎと結びついて窒化物を形成し、靭性を改善する効果も有する。一方、０．０５％を超えると鋼の清浄度が低下し、靭性が低下するため、０．００５〜０．０５％の範囲に限定する。

Ｎ：０．００４ｍａｓｓ％以下とする。鋼中の固溶Ｎは靭性を著しく劣化させる。固溶Ｎの靭性への悪影響を少なくするため、Ｎ量は０．００４％以下とした。

本発明では、Ｔｉ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓｓ％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０ｍａｓｓ％のうち１種または２種以上を含有してもよい。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃｒは鋼中の固溶Ｎと結びつき窒化物としてＮを固定する作用を有する元素である。Ｎ固定により靭性が向上するため、必要に応じて添加することができる。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒのうち１種または２種以上に加えてさらに、またはＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒを含有しない場合に、Ｃａ：０．００２〜０．０２ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００２〜０．０２ｍａｓｓ％のうち１種または２種を含有してもよい。

Ｃａ、ＲＥＭは、酸硫化物を形成することによって鋼中のＳを固定する作用を有する元素である。Ｓは粒界に偏析して粒界強度を弱めることがあるので、鋼中の固溶Ｓを固定することにより、延性および靭性の向上が期待できる。また、粗大なＭｎＳは、圧延方向に垂直な板面方向（Ｃ方向）、あるいは板厚方向（Ｚ方向）の延性および靭性を劣化させることが知られているが、これらの元素の添加により、粗大なＭｎＳの生成を抑制することができる。このような効果を得るためには、ＣａあるいはＲＥＭを０．００２％以上添加する必要があるが、０．０２％を超えるとＣａ、ＲＥＭ系介在物の量が増加し、かえって靭性が劣化してしまうので、０．００２〜０．０２％の範囲に限定する。

上記以外の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。

次に、低降伏点厚鋼板の製造条件の限定理由について説明する。なお、鋼板の温度は、板厚方向の平均温度に近い、板厚の１／４の位置（１／４ｔ位置）での温度を、鋼板の冷却速度も板厚の１／４の位置（１／４ｔ位置）での冷却速度を、代表値とする。

本発明の低降伏点厚鋼板は上記の成分組成を有する鋼を用い、圧延後の冷却速度を、８８０〜６００℃の温度範囲で平均３〜３０℃／ｓで冷却することが重要である。上記の化学組成を有する鋼板をオーステナイト温度域から前記の条件で冷却することにより、フェライト粒組織を微細整粒化することができる。それにより、強度・靭性のばらつきを低減し、特性を安定化することができ、厚肉材においても必要な降伏強さと低温靭性を確保することができる。このような冷却条件を達成するために、直接焼入れを行なうことが望ましい。圧延後の鋼板を再加熱して、焼入れする方法では、製造コストが増加し、生産効率が低下する。また、直接焼入れ後のミクロ組織は、直接焼入れ前のオーステナイト組織の影響を強く受けるので、圧延条件によって強度と靭性などの特性を制御することができる。

８８０〜６００℃の範囲を平均３〜３０℃／ｓの冷却速度で冷却する。
γ→α変態が進行する８８０〜６００℃の温度域で加速冷却することにより、α粒の微細化と、パーライトや粗大なセメンタイトの形成抑制を達成することができる。そのためには、この温度域で３℃／ｓ以上の冷却速度で冷却する必要があるが、３０℃／ｓを超えるとベイナイトが生成して靭性が劣化するので、３〜３０℃／ｓに限定した。上記の冷却速度は１／４ｔ位置で確保する必要がある。

熱間圧延後に８８０℃以上の温度から直接焼入れを行なう。オーステナイト単相域からの直接焼入れであれば、８８０〜６００℃の温度範囲を平均３〜３０℃／ｓで冷却することができる。１／４ｔ位置の温度が８８０℃未満にまで低下すると、焼入れ開始前にγ→α変態が開始してしまい焼入れによるγ→α変態制御効果を得ることができないため、焼入れ温度を８８０℃以上とすることが望ましい。

さらに、直接焼入れ後に７３０℃以下で焼戻しを行なうことが望ましい。
降伏強さを所定の範囲に調整するために、焼戻しを行なうことができる。焼入れによってフェライト粒径が微細化し、降伏強さが必要以上に上昇してしまった場合でも、焼戻しによって降伏強さを低下することができる。また、靭性を劣化させる島状マルテンサイトなどの第２相を分解することによって低温靭性を向上させることができる。焼戻し温度が高すぎると、フェライト粒が粗大化して靭性が低下するので、焼戻し温度は７３０℃以下とすることが望ましい。

上記の直接焼入れによる熱処理を行なう際には、鋼板を圧延する際に、加熱温度と累積圧下率とを以下の範囲とすることが好ましい。

加熱温度を９００〜１２００℃とする。
上記の化学組成を有する鋼板をオーステナイト温度域に再加熱し、その後の圧延と冷却の条件を制御することによりフェライト粒組織を微細整粒化する。このような効果を得るには、９００℃以上に加熱して完全にオーステナイト化することが好ましい。加熱温度が１２００℃を超えると加熱時のオーステナイトが極端に粗大化してしまうので、９００〜１２００℃の範囲とする。

９８０℃以下の温度域で累積圧下率３０％以上とする。
圧延前の加熱直後のγ粒は不均一であり、一部に粗大なγ粒が存在している場合がある。熱間圧延時にγ組織を再結晶させることによって、均一微細なγ粒組織が得られ、その後のγ→α変態において微細なα粒組織を得ることができる。このような効果を得るためには少なくとも３０％以上の累積圧下率で圧延を行なうことが好ましい。また、９８０℃を超える温度では、再結晶したγ粒が速やかに成長して粗大化してしまうので、９８０℃以下の温度で圧延することが好ましい。９８０℃以下の累積圧下率を十分に確保し、組織の微細化を図るため、圧延終了温度は９５０℃以下にすることが望ましい。

表１に示す組成の３００ｍｍ厚の鋼スラブを素材（鋼Ｎｏ．１〜１５）として、表２に示す条件の熱間圧延により１５〜８０ｍｍ厚の鋼板（鋼板Ｎｏ．１−１〜１５−１）を製造した。圧延後に表２に示す条件で直接焼入れを行い、また一部の鋼板については焼戻しも行なった。尚、表中に示す温度および冷却速度は、１／４ｔ位置での値である。

得られた鋼板の引張特性、シャルピー特性を調査した。引張試験およびシャルピー試験は、板厚中央部から圧延方向に試験片を採取して行った。引張特性は、降伏強度（ＹＳ）および引張強度（ＴＳ）を測定した。靭性については、０℃での吸収エネルギー（ｖＥ0℃）と破面遷移温度（ｖＴｒｓ）を測定した。強度と靭性の測定結果を表３に示す。

組成が本発明の範囲内であり、本発明の製造方法を用いた本発明例の鋼板では、２００〜２５０ＭＰａの降伏強さを得ることができ、低温靭性についても０℃でのシャルピー吸収エネルギーが２５０Ｊ以上であり、破面遷移温度は０℃未満となり、優れた低温靭性を有していた。一方で、組成や製造方法が本発明の範囲外である比較例の鋼板では、ほとんどのものが降伏強度が本発明の範囲外であり、低温靭性も非常に劣るものであった。

Claims (5)

1. Ｃ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００４ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分を有する鋼を熱間圧延したのち、直接焼入れにより鋼板温度が８８０〜６００℃の範囲を平均３〜３０℃／ｓの冷却速度で冷却することを特徴とする低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
2. 鋼を、９００〜１２００℃に加熱し、９８０℃以下の温度域で累積圧下率３０％以上で圧延を行なうことを特徴とする請求項１に記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
3. 冷却後、さらに、７３０℃以下の温度で焼戻しを行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
4. 鋼が、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０ｍａｓｓ％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
5. 鋼が、さらに、Ｃａ：０．００２〜０．０２ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００２〜０．０２ｍａｓｓ％のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。