JP2006249469A

JP2006249469A - 表面性状に優れた非調質高張力鋼の製造方法

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Publication number: JP2006249469A
Application number: JP2005064925A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Murota; 康宏室田; Kimihiro Nishimura; 公宏西村; Kazuhide Takahashi; 和秀高橋
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: JP4830318B2

Abstract

【課題】本発明は、表面性状に優れた非調質高張力鋼の製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、C：0.05〜0.18%、Si：0.05〜0.50%，Mn：0.6〜2.0%，P：0.02%以下、S：0.005%以下、Al：0.1%以下、Nb：0.005〜0.03% 必要に応じてCu、Ni、Cr、Mo、B、Ti、Vを含有し、残部がFeおよび不可避的不純物、Ceqが0.30〜0.42%である鋼を1000〜1250℃に加熱後、圧延終了温度が表面で800〜950℃となるように熱間圧延した後に、式（１）で示す冷却速度範囲で板厚中心部において式（２）で示す冷却停止温度まで冷却をする。-50×Ceq+25≦Ｖc≦-50×Ceq+39（１）ここで、Ｖcは冷却速度（℃／ｓ）Ｔ≦2000×Nb+580（0.005≦Nb≦0.02の場合）、Ｔ≦620(0.02＜Nb≦0.03の場合)（２）
【選択図】図１

Description

本発明は、海洋構造物、橋梁、造船、ラインパイプ、建産機械、主に耐震性を必要とする建築用鋼材として使用される非調質高張力鋼の製造方法に関し、特に引張強さ550MPa以上、かつ、降伏比80%以下で、表面性状に優れるものの製造方法として好適なものに関する。

近年、建築構造物などでは地震時の安全性確保の観点から優れた耐震性を有する鋼板が要求されている。また、降伏比の低い鋼板ほど耐震性に優れることが明らかとされており、建築用鋼材などでは、降伏比が80%以下の鋼材を使用することが義務付けられている。

耐震性を確保するための低降伏比鋼材に関しては、特許文献1〜7などが提案されている。特許文献1では、スラブ加熱温度を低温化し、さらに未再結晶温度域での圧下率を30%以上と規定することにより靭性を改善し、冷却速度、冷却停止温度を制御することにより、高強度、低降伏比、高靭性を両立させている。

しかし、この手法では、スラブの低温加熱により、変形抵抗が高く圧延装置に負荷をかけることや仕上温度が低いため、厳密な温度管理が必要となり、安定製造が困難である。

特許文献2では、加速冷却時の冷却速度を水量密度を変化させることにより制御し、これにより異なる板厚においてもほぼ同一の冷却速度で冷却することができ、板厚によらず同一の強度、降伏比を得ることが可能となる技術が提案されている。

しかし、加速冷却の停止温度が400〜550℃の範囲であり、この場合、冷却による残留応力発生が発生し、加工工程のガス切断などでの歪発生が問題となる。

特許文献3では、熱間圧延終了後の加速冷却速度を1℃/s以上に制御し、750〜600℃まで冷却することにより低降伏比高強度鋼を製造している。しかし、熱間圧延終了温度を950℃以上としており、この場合、スケール疵などが多発する問題がある。

特許文献4では、熱間圧延終了後の加速冷却時の冷却速度を1〜5℃/sに制御することにより、高強度と低YRを両立している。しかし、このような1〜5℃/sという遅い冷却速度では、高強度確保のためにCu、Ni、Moなどの高価な元素を多量に添加する必要があり、その結果、大幅に製造コストが増加する。

特許文献5では、熱間圧延終了後の加速冷却速度または、再加熱焼入れ時の冷却速度を5℃/s以上に制御し、さらに焼戻し時の昇温速度を制御することにより、低降伏比を達成している。しかし、焼戻し時の昇温速度制御は、実製造上厳密な温度管理、時間管理が必要であり、安定製造が困難である。

特許文献6では、低降伏比を確保するために、二相域熱処理を実施している。しかし、二相域熱処理は、低降伏比を安定に確保できる手法であるものの、オフラインでの熱処理回数の増加による製造コストの上昇や製造工期の長期化などが問題である。

特許文献7では、熱間圧延終了後の加速冷却速時の冷却速度を0.3〜3℃/sに制御することにより高強度、低降伏比を確保しようとするものであるが、このような遅い冷却速度では、高強度確保のために多量の合金元素添加が必須となり、その結果、大幅に製造コストが増加する。
特開平5-320752号公報特開平5-339631号公報特開平6-340924号公報特開平9-3596号公報特開平9-3595号公報特開平10-306316号公報特開2001-226737号公報

しかしながら、特許文献１から７に記載された技術は高価な合金元素添加や厳密な製造条件管理、さらには、オフライン二相域熱処理や焼戻し熱処理を必要とし、大量に使用される厚鋼板の製造方法としては必ずしも妥当な方法ではなかった。

そこで、本発明は、安価かつ簡便に低降伏比高張力鋼を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成される。

１質量％で、C：0.05〜0.18%
Si：0.05〜0.5%，
Mn：0.6〜2.0%，
P：0.020%以下
S：0.005%以下
Al：0.1%以下
Nb：0.005〜0.03%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、式(1)で示される炭素当量Ceqが0.3〜0.42%である鋼を1000〜1250℃の範囲に加熱後、圧延終了温度が表面で800〜950℃となるように熱間圧延した後に、式（2）で示す冷却速度範囲で板厚中心部において式（3）で示す冷却停止温度まで冷却をすることを特徴とする表面性状に優れた引張強度が550MPa以上、かつ、降伏比80%以下の非調質高張力鋼の製造方法。

Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 （1）
ここで，C，Si,Mn，Ni，Cr，Mo，V：各元素の含有量（質量%）
-50×Ceq+25≦Ｖc≦-50×Ceq+39 （2）
ここで、Ｖcは冷却速度（℃／ｓ）
Ｔ≦2000×Nb+580（0.005≦Nb≦0.02の場合）
Ｔ≦620 (0.02＜Nb≦0.03の場合) （3）
ここで、Nb：Nbの添加量（質量 %）、Ｔ：冷却停止温度（℃）
２鋼成分として、更に、質量％で
Cu：0.1〜1.0%
Ni：0.1〜2.0%
Cr：0.05〜1.0%
Mo：0.05〜1.0%
B：0.0005〜0.002%
Ti：0.005〜0.05%
V：0.005〜0.1%
の1種または2種以上を含有する１記載の表面性状に優れた引張強度が550MPa以上、かつ、降伏比80%以下の非調質高張力鋼の製造方法。

本発明によれば、安価かつ簡便に低降伏比高張力鋼板を製造することが可能となり、産業上極めて有用である。

本発明は成分組成と製造条件を規定する。

［成分組成］％は質量％とする。

C：0.05〜0.18%
Cは、鋼の強度を確保するのに有効であり、その効果を発揮するために0.05%以上が必要である．しかし，過剰に添加すると低温溶接割れ感受性を増大させる．そのため，本発明では0.05〜0.18%の範囲に限定する。

Si：0.05〜0.5%，
Siは、脱酸元素として作用し、製鋼上0.05%以上の含有が必要であるが、0.5%を超えて含有すると母材靭性が低下する。このため，Siは0.05〜0.5%の範囲に限定する。

Mn：0.6〜2%，
Mnは鋼の焼入れ性を増加し強度を向上させる元素であり、この効果を確保するために0.6%以上の含有を必要とする．一方，2%を超えての含有は、溶接性を著しく劣化させる．このため，本発明では，Mnは0.6〜2%の範囲に限定する。

P：0.02%以下
Ｐは、不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であり，鋼の靭性を劣化させるためにできるだけ低減することが望ましい．特に、0.02%を越えての含有は、著しく靭性を劣化する。そのため、Pは0.02%以下に限定する。

S：0.005%以下
Sは、不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であり、鋼の靭性や板厚方向引張試験における絞りを劣化させるためできるだけ低減することが望ましい。特に、0.005%を越えての含有は、上記特性を著しく劣化する。そのため、Ｓは0.005%以下に限定する。

Al：0.1%以下
Alは，脱酸材として作用し，溶鋼の脱酸プロセス上もっとも汎用的に使われる。0.1%を越えての含有は、粗大な酸化物を形成して、母材の延性を著しく劣化させる。そのため、Alは0.1%以下に限定する。

Nb：0.005〜0.03%
Nbは、析出強化によって強度を上昇させるのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには、0.005%以上必要である。一方、0.03%以上添加すると、溶接部の靭性が劣化する。したがって、Nb添加量の範囲は0.005〜0.03%とする。

なお、本発明では、Nbを必須添加とすることにより、高強度化を図り、加速冷却停止温度を高温にしている。加速冷却停止温度の高温化は、冷却による鋼板内での残留応力を低減する効果を有し、加速冷却停止温度が高いほど、鋼板内での残留応力が小さく、鋼板加工時のガス切断などによる歪の軽減が可能となる。

このようなNb添加による冷却停止温度高温化効果は、0.02%以上添加しても、更なる向上効果は得られない。したがって、好ましくはNb添加の範囲は0.005〜0.02%とする。

Ceq：0.3〜0.42%
Ceqは、溶接構造物として必要不可欠である溶接継手の強度を確保するために0.3%以上必要である。しかし、0.42%以上とすると、溶接性を劣化させる。そのため、Ceqは0.3〜0.42%とする。
但し、Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ここで，C，Si, Mn，Ni，Cr，Mo，V：各元素の含有量（質量%）とする。

以上が本発明の基本成分組成であるが、更に特性を向上させる場合、Cu，Ni，Cr，Mo，B，Ti，V，の一種または二種以上を添加することができる。
Cu：0.1〜1.0%
Cuは、靭性を劣化させずに強度を上昇させるのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには0.1%以上の添加が必要である。しかし、1.0%以上の添加により、熱間圧延時に表面疵が多発する。そのため、添加する場合は、Cuは0.1〜1.0%とする。

Ni：0.1〜2.0%
Niは、靭性を劣化させずに強度を上昇させるのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには0.1%以上の添加が必要である。しかし、2.0%以上の添加により、合金コストが上昇する。そのため、添加する場合は、Niは、0.1〜2.0%とする。

Cr：0.05〜1.0%
Crは、合金コストを著しく上昇させることなく強度を上昇させるのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには0.05%以上の添加が必要である。しかし、1.0%以上の添加により、溶接性が劣化する。そのため、添加する場合は、Crは、0.05〜1.0%とする。

Mo：0.05〜1.0%
Moは、焼入れ性を増加させ、強度を上昇させるのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには0.05%以上の添加が必要である。しかし、1.0%以上の添加により、溶接性が劣化する。そのため、添加する場合は、Moは、0.05〜1.0%とする。

B：0.0005〜0.002%
Bは、極微量の添加で焼入れ性を増加させ、強度を上昇させるのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには0.005%以上必要である。しかし、0.002%以上の添加は溶接性を劣化させる。そのため、添加する場合は、Bは0.0005〜0.002%とする。

Ti：0.005〜0.05%
Tiは、母材およ溶接継手部の靭性向上に有効な元素であり、その効果を発揮するためには0.005%以上必要である。しかし、0.05%以上の添加により、溶接性が劣化する。そのため、添加する場合は、Tiは0.005〜0.05%とする。

V：0.005〜0.1%
Vは、析出強化により強度を上昇させるのに有効な元素であり、その効果を発揮するためには、0.005%以上必要である。しかし、0.1%以上の添加により、溶接性が劣化する。そのため、添加する場合は、Vは0.005〜0.1%とする。
［製造条件］
加熱温度：1000〜1250℃
加熱温度は、1000℃以下では変形抵抗が大きくなり、圧延装置に負荷をかける。また、1250℃以上では、熱間加工時に表面疵が多発する。そのため、加熱温度は1000〜1250℃とする。

熱間圧延終了温度：800〜950℃
熱間圧延終了温度は、800℃以下では強度が確保できず、950℃以上では靭性が劣化するとともに、スケール疵によって鋼板の表面性状が悪化する。したがって熱間圧延終了温度は800〜950℃とする。

冷却速度
550MPa以上の引張強度と80%以下の降伏比を両立するためには、それぞれの成分において、最適な冷却速度で冷却する必要がある。

Ceq量が0.30〜0.42%の鋼を1150℃に加熱後、鋼板表面で880℃で熱間圧延を終了し、板厚20mmに圧延した後に、冷却速度を3〜45℃/sの範囲で580℃まで冷却した。得られた鋼板よりJIS Z2201 5号試験片を採取し、引張試験を実施し、強度と降伏比を両立する冷却速度範囲を調査した。

図1にCeq量と冷却速度の関係を示す。冷却速度が(-50×Ceq+25)℃/sより遅い場合には引張強度が550MPaを下回り、また、冷却速度が(-50×Ceq+39)℃/sより速い場合には、降伏比が80%以上となる。したがって、冷却速度範囲を-50×Ceq+25≦Ｖc≦-50×Ceq+39とした。

冷却停止温度
本開発鋼である550MPa以上の引張強度を確保するためには、それぞれのNb添加量において、最適な冷却停止温度まで冷却する必要がある。Ceq量を0.40%含み、Nb添加量が0.005〜0.03%含む鋼を1150℃に加熱後、鋼板表面で880℃で熱間圧延を終了し、板厚20mmに圧延した後に、冷却速度を10℃/sで450〜700℃まで冷却した。得られた鋼板よりJIS Z2201 5号試験片を採取し、引張試験を実施し、それぞれのNb添加量における強度確保可能な冷却停止温度範囲を調査した。

図2にNb添加量と冷却停止温度の関係を示す。Nb添加量が0.02％以下の範囲では、冷却停止温度が（2000×Nb-580）℃以下の場合に引張強さ550MPa以上となる。0.02％を超える添加の場合には、更なる冷却停止温度の高温化の効果は得られない。したがって、Nb添加量が0.005〜0.02％の場合には、冷却停止温度範囲をＴ≦2000×Nb-580（℃）、Nb添加量が0.02％超えの場合にはT≦620（℃）とする。

表1に示した化学成分を有する鋼を、表2に示した条件を用いて鋼板に製造した。表2に引張特性と表面性状を合わせて示す。引張試験は、板厚40mm以下については、JIS Z2201 5号試験片で実施し、板厚40mm越えについては、1/4板厚位置から採取したJIS Z 2201 4号試験片で評価を実施した。

開発鋼は、引張強度550MPa以上、降伏比80%以下を確保しつつ、また、表面性状にも優れていることが確認できた。これに対し、比較鋼は、冷却速度、または冷却停止温度が本発明範囲外であるため、強度が550MPa以下であるか、降伏比が80%以上となっている。また、熱間圧延終了温度が950℃以上の場合には、スケール疵が発生していることが観察された。

Ceq量と冷却速度が引張特性に及ぼす影響を示す図。 Nb添加量と冷却停止温度が引張特性に及ぼす影響を示す図。

Claims

質量％で、C：0.05〜0.18%
Si：0.05〜0.5%，
Mn：0.6〜2.0%，
P：0.02%以下
S：0.005%以下
Al：0.1%以下
Nb：0.005〜0.03%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、式(1)で示される炭素当量Ceqが0.30〜0.42%である鋼を1000〜1250℃の範囲に加熱後、圧延終了温度が表面で800〜950℃となるように熱間圧延した後に、式（2）で示す冷却速度範囲で板厚中心部において式（3）で示す冷却停止温度まで冷却をすることを特徴とする表面性状に優れた引張強度が550MPa以上、かつ、降伏比80%以下の非調質高張力鋼の製造方法。
Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 （1）
ここで，C，Si,Mn，Ni，Cr，Mo，V：各元素の含有量（質量%）
-50×Ceq+25≦Ｖc≦-50×Ceq+39 （2）
ここで、Ｖcは冷却速度（℃／ｓ）
Ｔ≦2000×Nb+580（0.005≦Nb≦0.02の場合）
Ｔ≦620 (0.020＜Nb≦0.03の場合) （3）
ここで、Nb：Nbの添加量（質量 %），Ｔ：冷却停止温度（℃）
鋼成分として、更に、質量％で
Cu：0.1〜1.0%
Ni：0.1〜2.0%
Cr：0.05〜1.0%
Mo：0.05〜1.0%
B：0.0005〜0.002%
Ti：0.005〜0.05%
V：0.005〜0.1%
の1種または2種以上を含有する請求項１記載の表面性状に優れた引張強度が550MPa以上、かつ、降伏比80%以下の非調質高張力鋼の製造方法。