JP2007023328A - 低降伏比高強度高靭性鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 建築、橋梁等の各種構造物に最適な引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２以上で、降伏比が７０％以下と低い高靭性鋼材を、合金元素を多量に用いることなく、効率よく製造することのできる方法を提供する。
【解決手段】 質量％で（化学成分について以下同じ）、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．９０〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１５％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．００２〜０．０１％を満たし、残部鉄および不可避不純物からなる鋼材を用いて、
１０００℃以上１２５０℃以下に加熱後、圧延を開始し、８５０℃以上で圧延を終了した後、１０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、（Ａｃ_１＋５０℃）以上Ａｃ_３以下の温度域で焼戻してから室温まで空冷することによって、規定の金属組織とする。

Description

本発明は、低降伏比高強度高靭性鋼板の製造方法に関するものであり、殊に、引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２以上で降伏比が７０％以下と低降伏比を示すと共に、靭性にも優れた鋼板の製造方法に関するものである。

建築構造物をはじめとする各種構造物に使用される鋼板には、該構造物の安全性確保の観点から、降伏比が低いことが要求されている。降伏比が低いと、降伏点以上の応力が付加されても破壊までの許容応力が大きく、また一様伸びも大きいので、例えば地震等により降伏応力を超える負荷が建築構造物等に加わったとしても、脆性破壊に至るおそれが極めて小さいからである。

しかし、一般に降伏比は高強度化に伴い上昇する傾向にあるため、高強度と低降伏比を両立させることは難しい。また構造物の安全性向上の観点から鋼板には、高靭性であることも求められるが、靭性を高めた場合も降伏比が上昇する傾向にある。よって優れた耐震性能を発揮する鋼板として、低降伏比と高靭性を併せて発揮する高強度鋼板が求められている。

上記特性を兼備した鋼板を製造する方法として、例えば特許文献１には、Ｍｏ、Ｖを添加してオーステナイトの細粒化と安定化を図り、結晶粒の小さいフェライトとマルテンサイトの２相組織とすることで、低降伏比と靭性の確保を達成しているが、この様にＭｏ、Ｖを添加すると溶接性が低下するうえに、コストが高くなるといった問題がある。

合金元素の添加を抑え、製造条件を制御することによって上記特性を兼備させる方法についても提案されている。特許文献２には、規定の成分組成の鋼素材を、９５０〜１２５０℃に加熱後、γ（オーステナイト）再結晶域で３０％以上の圧下率で圧延し、さらにγ未再結晶域で３０％以上の圧下率で圧延し、８５０℃からＡｒ_３点の間で圧延を終了し、圧延終了から５００℃まで２０℃／ｓ以下の冷却速度で冷却し、５００℃から、４５０℃以下とした冷却停止温度までを１０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却することによって、金属組織がフェライト、ベイナイト、マルテンサイトの３相であってマルテンサイトの体積率が１〜１５％である、液体アンモニア、液化天然ガス混載用タンク材で要求される機械的性質を有する鋼材を得ることが示されている。

また特許文献３にも、規定の成分組成を満たす鋼素材を、９５０〜１２５０℃に加熱後、これに圧下率：３０％以上のγ再結晶域圧延と圧下率：３０％以上のγ未再結晶域圧延を順次施して８５０℃〜Ａｒ_３点で圧延終了後、圧延終了温度に応じて待ち時間を設け、その後、冷却速度：１０℃／ｓ以上で１５０℃未満まで冷却することによって、金属組織が、粒径３．０〜８．０μｍのフェライト地に低温変態生成物（第２相）としてマルテンサイト又はマルテンサイトとベイナイトとの混合相が分散した混合組織である、液体アンモニア、液化天然ガス混載用タンク材で要求される機械的性質を満たし得る鋼材が得られる旨示されている。

これらの方法では、上記の通りγ未再結晶域近辺で圧延を実施しているが、該方法では細粒化によりＹＰが上昇し、ＹＲが上昇しやすい傾向にある。また音響異方性が生じ、超音波探傷試験で溶接部欠陥の正確な位置を検出できないといった不具合が生じやすい。
特開昭５５−１１５９２１号公報 特開２００２−２７５５７６号公報 特開２００３−１０５４３９号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の低降伏比高靭性鋼板を、合金元素を多量に用いることなく、効率よく安定して製造することのできる方法を提供することにある。

本発明に係る引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の低降伏比高靭性鋼板の製造方法は、
質量％で（化学成分について以下同じ）、
Ｃ ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、
Ｍｎ：０．９０〜２．０％、
Ｐ ：０．０２５％以下（０％を含む）、
Ｓ ：０．０１５％以下（０％を含む）、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｎ ：０．００２〜０．０１％
を満たし、残部鉄および不可避不純物からなる鋼材を用いて、
１０００℃以上１２５０℃以下に加熱後、圧延を開始し、８５０℃以上で圧延を終了した後、１０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、（Ａｃ_１＋５０℃）以上Ａｃ_３以下の温度域で焼戻してから室温まで空冷することによって、
鋼板の金属組織を、全組織に対する占積率で、
フェライト：７０〜９０％、
マルテンサイトまたはマルテンサイトとオーステナイトの混合相：１〜１５％
残部：ベイナイト
とするところに特徴がある。

上記製造方法では、前記鋼材が、更にＴｉ：０．００５〜０．１０％を含むものや、更にＣａ：０．０００５〜０．００３０％を含むものを用いてもよい。

本発明によれば、建築、橋梁等の各種構造物に最適な引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２以上で降伏比が７０％以下と低く、高い耐震性能を示す高靭性鋼材を、合金元素を多量に用いることなく、効率よく安定して製造することができる。

本発明者らは、４９０Ｎ／ｍｍ^２以上で降伏比が７０％以下と低降伏比を示す高靭性鋼材を、効率よく安定して製造すべく鋭意研究を行なった。その結果、４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度域で降伏比：７０％以下と高靭性を両立させるには、金属組織を、フェライト、マルテンサイトまたはマルテンサイトとオーステナイトの混合相、及びベイナイトの３相組織とするのがよく、具体的には、
全組織に対する占積率で、
・フェライト（ポリゴナルフェライト）を７０〜９０％（好ましくは７０％以上８０％以下）、
・マルテンサイトまたはマルテンサイトとオーステナイトの混合相を１〜１５％
・残部ベイナイト
にすればよく、所望の特性を確実に満足する該組織の鋼材を効率よく安定して製造するための条件について、様々な角度から検討した。

まず鋼材の成分組成と成分組成を規定した理由について詳述する。

〈Ｃ：０．０５〜０．２０％〉
Ｃは、強度（ＴＳとＹＳ）を確保すると共に、焼入性を高めて硬質相を確保するのに必要な元素であり、本発明では少なくとも０．０５％含有させる。好ましくは０．０８％以上、より好ましくは０．１０％以上である。しかしＣを過剰に含有させると、靭性の低下や溶接性の低下を招くため、０．２０％以下に抑える。好ましくは０．１８％以下である。

〈Ｓｉ：０．１０〜０．６０％〉
Ｓｉは、強度を高めるのに有効な元素である。また脱酸剤としても有用であり、こうした作用を有効に発揮させるには、０．１０％以上含有させる必要がある。しかしＳｉを過剰に含有させると靭性が低下するため、その上限を０．６０％とする。

〈Ｍｎ：０．９０〜２．０％〉
Ｍｎは、焼入れ性を高めて鋼板の高強度化（高ＴＳ化と高ＹＳ化）に寄与する元素である。また、ベイナイトを微細化して靭性を高める作用を有する元素でもある。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｍｎを０．９０％以上含有させる必要がある。しかしＭｎ量が過剰になると、焼入れ性が高くなり過ぎて靭性を著しく劣化させる。よって本発明では２．０％以下とする。

〈Ｐ：０．０２５％以下（０％を含まない）〉
Ｐは、靭性に悪影響を及ぼす元素であるため極力低減する必要があり、本発明では０．０２５％以下に抑える。

〈Ｓ：０．０１５％以下（０％を含まない）〉
Ｓは、粗大な硫化物を生成して靭性を劣化させるので、極力低減する必要がある。本発明では０．０１５％以下に抑える。

〈Ａｌ：０．００１〜０．１％〉
Ａｌは、脱酸および組織の微細化による靭性向上効果を有するため、０．００１％以上含有させる。しかし過剰に含まれると溶接性が低下するので、上限を０．１％とする。好ましくは０．０６％以下である。

〈Ｎ：０．００２〜０．０１％〉
Ｎは、ＡｌやＴｉと化合して窒化物を形成し、組織の微細化による靭性の向上に有効に作用する。こうした作用を有効に発揮させるには０．００２％以上含有させる必要がある。但し、Ｎを過剰に含有させると、固溶Ｎが増加し、溶接部の靭性が低下するため、Ｎ量は０．０１％以下に抑える。

本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄及び不可避不純物であり、該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容され得る。また前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で、下記の如く、更に他の元素としてＴｉやＣａを含有させることも可能である。

〈Ｔｉ：０．００５〜０．１０％〉
Ｔｉは、Ｎと結合して固溶Ｎを低減すると共にオーステナイト粒の粗大化を抑制し、溶接熱影響部の靭性改善に有効な元素である。該効果を発揮させるには、Ｔｉを０．００５％以上含有させることが好ましい。しかしＴｉ量が過剰になると、母材靭性が低下するので、０．１０％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは０．０５％以下である。

〈Ｃａ：０．０００５〜０．００３０％〉
Ｃａは、ＳをＣａＳとして固定すると共に、粒状の非金属介在物として形態を制御することにより、靭性を向上させて、偏析部からの破壊を防止するのに有効である。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｃａを０．０００５％以上含有させることが好ましい。しかし過剰に含有させても、これらの効果は飽和するばかりか靭性が却って劣化する。よってＣａ含有量は、０．００３０％以下とすることが好ましい。

本発明では、上記成分組成の鋼材を用いて、
（ａ）１０００℃以上１２５０℃以下に加熱後、圧延を開始し、８５０℃以上で圧延を終了した後、１０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、
（ｂ）（Ａｃ_１＋５０℃）以上Ａｃ_３以下の温度域で焼戻してから室温まで空冷することによって、上述した組織を確実かつ効率的に形成することができる。以下、本発明でこの様に製造条件を規定した理由を詳述する。

まず、上記（ａ）の通り、熱間圧延に際して１０００℃以上１２５０℃以下に加熱する。該加熱温度が低すぎると、後述の仕上圧延を８５０℃以上で終了することが難しくなるからである。一方、該加熱温度が高すぎても、γ粒径が粗大化するため１２５０℃以下とした。

該加熱後に圧延を行うが、該圧延は８５０℃以上の温度で終了させる。この様に本発明では、上記従来技術と異なり、仕上圧延終了温度を８５０℃以上とすることによって、音響異方性を低減することができる。

上記圧延終了後は、１０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却する。該冷却速度が遅いと、熱間圧延後の組織がフェライトとパーライトの２相組織となり、下記の熱処理を施しても、ベイナイトが得られず高強度を確保することができないからである。

その後、上記（ｂ）の通り（Ａｃ_１＋５０℃）以上Ａｃ_３以下の温度域で焼き戻しを行う。上記加速冷却後は、ベイナイトとマルテンサイトの二相組織であるが、該温度で焼戻すことによって、フェライトを規定量確保でき、優れた靭性と低降伏比を達成できる。しかし焼戻温度が（Ａｃ_１＋５０℃）よりも低いと逆変態が起こり難く、ベイナイトが主体の組織となるため低降伏比を実現できない。一方、焼戻温度が高すぎると全ての組織がγ化してしまうため、Ｃの濃化が起こらず、その後の冷却で所望の組織が得られず、この場合も低降伏比を実現できない。よってＡｃ_３以下の温度域で焼き戻しを行なう。好ましくはＡｃ_３−３０℃以下で行なう。

上記焼戻し後、室温までの冷却は空冷とする。水冷等の様な急速冷却を行うと、組織がベイナイト主体となり、降伏比が高くなるだけでなく優れた靭性の確保も困難となるからである。

本発明の鋼板を製造するには、基本的には連鋳法あるいは造塊法により作製されたスラブを用いて、上記規定の条件で熱間圧延−冷却−熱処理を行なえばよく、その他の製造条件については特に限定されず、通常の条件を採用することができる。尚、本発明の方法は、上記熱処理後、更に焼戻し処理等の熱処理を行うものではない。更なる熱処理を施すと、硬質相の硬度が減少して降伏比が高くなることに加え、コストの上昇や生産性の低下も招くからである。

本発明の鋼板は、上述の通り高強度域において低降伏比かつ高靭性を示すので、特に建築構造物の製造に最適である。尚、本発明の鋼板は、板厚９〜６０ｍｍと厚鋼板に分類されるものである。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

表１に示す成分組成の鋼（残部は鉄および不可避不純物）を通常方法で溶製し、スラブとした後、表２に示す条件で熱間圧延および熱処理を行ない鋼板を得た。そして、得られた鋼板を用いて金属組織、引張特性、靭性を下記要領で評価した。

［金属組織の観察］
フェライト（ポリゴナルフェライト；Ｆ）の占積率は、各鋼板の板厚１／４部位について、光学顕微鏡を用いて倍率２００倍で１視野：３００μｍ×３００μｍの領域を観察し、画像解析ソフトを用いて測定し、５視野の平均値を求めた。また、マルテンサイト（Ｍ）またはマルテンサイトとオーステナイトの混合相（ＭＡ）の占積率は、熱延鋼板の板厚１／４部位について、レペラー腐食をした後、光学顕微鏡を用いて倍率１０００倍で１視野：５０μｍ×５０μｍの領域を観察し、画像解析ソフトを用いて測定し、１０視野の平均値を求めた。

そして全組織（１００％）から、上記フェライトと、マルテンサイトまたはマルテンサイトとオーステナイトの混合相の面積率を差し引いて、ベイナイト（Ｂ）の面積率とした。

［引張試験］
各鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ Ｚ ２２０１の４号試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の要領で引張試験を行ない、降伏強度（０．２％耐力：σ_0.2）及び引張強度（ＴＳ）を測定した。そして引張強度：４９０Ｎ／ｍｍ^２以上で降伏比が７０％以下のものを、高強度かつ低降伏比を示すと評価した。

［衝撃試験（靭性の評価）］
各鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ Ｚ ２２０２の４号試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ２２４２の要領でシャルピー衝撃試験を行い、試験温度０℃での吸収エネルギー（ｖＥ_０）を測定した。そして、該吸収エネルギー（ｖＥ_０）が１５０Ｊ以上のものを靭性に優れると評価した。

表１、２より次の様に考察できる（尚、下記Ｎｏ．は、表２中の実験Ｎｏ．を示す）。即ち、Ｎｏ．１〜３，１１，１２は、本発明で規定する条件で製造しているため、引張強度：４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の領域において、降伏比（ＹＲ）が７０％以下と低降伏比で、かつ吸収エネルギー（ｖＥ_０ ）が１５０Ｊ以上と靭性に優れている。

これに対し、Ｎｏ．４〜１０、１３，１４は、本発明で規定する条件で製造していないため、引張特性（引張強度、降伏比）、靭性（衝撃特性）の少なくともいずれかに不具合が生じている。

即ち、Ｎｏ．４は、加速冷却後に熱処理を行わなかったため、ベイナイトとマルテンサイトの二相組織となり、靭性が著しく劣る結果となった。

Ｎｏ．５は、焼戻し温度が著しく低く逆変態が起こらなかったため、通常の焼戻し組織としてベイナイト単相が形成され、降伏比が高くなっている。また、Ｎｏ．６も焼戻し温度が低く十分に逆変態が起こらなかったため、フェライトが十分形成されず降伏比が高くなった。

Ｎｏ．７は、焼戻し温度が高く、オーステナイト域まで加熱したため、最終組織がフェライトとパーライトの２相組織となり、低降伏比を実現できなかった。

Ｎｏ．８は、熱処理後に再度焼戻し処理を行ったため、硬質相の硬度が減少し降伏比が高くなった。

Ｎｏ．９は、圧延後の冷却速度が遅いため、熱間圧延後の組織がフェライトとパーライトの２相組織となり、最終組織がベイナイトを含まないものとなったため、強度を確保できなかった。

Ｎｏ．１０では、熱処理後の冷却を水冷としたため、最終組織がベイナイト主体となり、降伏比が高く、また靭性に劣る結果となった。

Ｎｏ．１３は、Ｃ量が不足しているため、最終組織がフェライトとパーライトの２相組織となり、強度を確保できなかった。

Ｎｏ．１４は、Ｃ量が過剰であるため靭性に劣る結果となった。

Claims (3)

1. 質量％で（化学成分について以下同じ）、
   Ｃ ：０．０５〜０．２０％、
   Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、
   Ｍｎ：０．９０〜２．０％、
   Ｐ ：０．０２５％以下（０％を含まない）、
   Ｓ ：０．０１５％以下（０％を含まない）、
   Ａｌ：０．００１〜０．１％、
   Ｎ ：０．００２〜０．０１％
   を満たし、残部鉄および不可避不純物からなる鋼材を用いて、
   １０００℃以上１２５０℃以下に加熱後、圧延を開始し、８５０℃以上で圧延を終了した後、１０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却し、その後、（Ａｃ_１＋５０℃）以上Ａｃ_３以下の温度域で焼戻してから室温まで空冷することによって、
   鋼板の金属組織を、全組織に対する占積率で、
   フェライト：７０〜９０％、
   マルテンサイトまたはマルテンサイトとオーステナイトの混合相：１〜１５％、
   残部：ベイナイト
   とすることを特徴とする引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の低降伏比高強度高靭性鋼板の製造方法。
2. 前記鋼材が、更にＴｉ：０．００５〜０．１０％を含むものである請求項１に記載の製造方法。
3. 前記鋼材が、更にＣａ：０．０００５〜０．００３０％を含むものである請求項１または２に記載の製造方法。