JP2007321220A

JP2007321220A - 耐疲労亀裂進展性に優れた鋼板

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Publication number: JP2007321220A
Application number: JP2006154907A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takaoka; 宏行高岡; Yoshiomi Okazaki; 喜臣岡崎; Masao Kinebuchi; 雅男杵渕
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: JP4976749B2

Abstract

【課題】優れた耐疲労亀裂進展性を有する鋼板を提供すること。
【解決手段】Ｃ：０．０３０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｐ：０．０３％以下、およびＳ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、Ｚ方向（板厚方向）から見て深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、針状フェライトを面積分率で１〜６０％含み、長径が５〜１００μｍの範囲内にある針状フェライトの個数割合が、８０％以上である鋼板。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶、海洋構造物、橋梁、建築物等で使用するのに適した耐疲労亀裂進展性に優れた鋼板に関するものである。

船舶、海洋構造物、橋梁、建築物等は、通常、板厚６ｍｍ以上の厚鋼板を溶接により接合して組み立てられる。鋼板の溶接部では、応力集中が起こりやすいため、疲労亀裂の発生を回避することは難しい。しかし鋼板に疲労亀裂が発生しても、その亀裂進展速度を抑えることができれば、定期点検等で、構造物の破壊を引き起こす前に亀裂を発見して、補修することが可能となる。

疲労特性、殊に耐疲労亀裂進展性に優れた鋼材として、特許文献１は、硬質相としてのベイナイト組織、あるいはマルテンサイト組織、あるいは両組織の混合組織中に、軟質相としてのフェライト組織を適正量存在せしめた鋼材を開示している（特許請求の範囲、および段落０００８）。

また特許文献２は、疲労亀裂の伝播を遅延させるマイクロクラックを発生させるために、厚みが３μｍ以下で間隔が２０μｍ以下のパーライトバンドが縞状に存在し、かつパーライトバンド相の間のマトリックス組織のアスペクト比（長径／短径の比）が４以上で、短径が１０μｍ以下の集合組織コロニーからなるフェライト・パーライト鋼を開示している（特許請求の範囲、および段落００１７〜００１９）。
特開２０００−１２３９２号公報（特許請求の範囲、および段落０００８）特開平５−１４８５４１号公報（特許請求の範囲、および段落００１７〜００１９）

これまで耐疲労亀裂進展性を向上させるために、上記のような様々な技術が開示されているが、充分な耐疲労亀裂進展性が得られているとはいえず、さらなる改良が求められている。本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は、一段と優れた耐疲労亀裂進展性を有する鋼板を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明の鋼板とは、
Ｃ：０．０３０〜０．３０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．５０％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．８〜２．０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１０％、
Ｎ：０．０１０％以下（０％を含まない）、
Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、および
Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、
Ｚ方向（板厚方向）から見て深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、針状フェライトを面積分率で１〜６０％含み、
長径が５〜１００μｍの範囲内にある針状フェライトの個数割合が、８０％以上であることを特徴とする、耐疲労亀裂進展性に優れた鋼板である。

本発明の鋼板の中でも、Ｚ方向（板厚方向）から見て深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、ベイナイトおよびマルテンサイトの合計の面積分率が１０％以上であるものが、好ましい。

本発明の鋼板には、上記成分の他、必要に応じてさらに、（ア）Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０４％以下（０％を含まない）、Ｂ：０．００４％以下（０％を含まない）、Ｗ：２．５％以下（０％を含まない）、およびＣｏ：２．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（イ）Ｔｉ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、並びにＣａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）および希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、等を含有させることも有効であり、含有させる成分の種類に応じて、鋼板の特性がさらに改善される。

鋼板組織中に針状フェライトを存在させることにより、耐疲労亀裂進展性に優れた鋼板を得ることができる。

従来では、耐疲労亀裂進展性に優れた鋼板を得るために、主にフェライトの面積分率等に着目して研究が行われていた。しかし本発明者らが鋼組織と亀裂進展速度との関係を詳細に検討した結果、鋼組織中に針状フェライトが存在する鋼板は、優れた耐疲労亀裂進展性を有することを見出した。よって本発明の鋼板は、Ｚ方向（板厚方向）から見て深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、針状フェライトを含むことを特徴とする。以下では、まず針状フェライトについて説明する。

本発明において、「針状フェライト」とは、アスペクト比（長径／短径）が２以上であり、且つγ粒内方向に成長しているものをいう。針状フェライトが存在することにより、鋼板の耐疲労亀裂進展性が向上する正確なメカニズムは不明であるが、針状フェライトは、通常のフェライトよりも隣り合う結晶粒との方位差が大きいため、亀裂の進展が、針状フェライトで一時的に停止されると推定される。但し本発明は、このような推定メカニズムに限定されない。

針状フェライトが、深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、１％以上の面積分率で存在するものは、耐疲労亀裂進展性に優れている。しかし針状フェライトの面積分率が過剰になっても、かえって耐疲労亀裂進展性が低下することも見出した。そこで針状フェライトの面積分率を１〜６０％と定めた（以下の実施例参照）。針状フェライトの面積分率は、好ましくは５〜５０％、より好ましくは１０〜４０％である。

本発明において「針状フェライトの面積分率」の値は、以下に記載する方法により測定される平均値を採用する：まず鋼板の深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置から試験片を採取し、ナイタール腐食を施す。次いで光学顕微鏡により倍率１００〜４００倍で観察して、１０個の観察視野で写真撮影を行う。得られた１０枚の顕微鏡写真について、ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製「Ｉｍａｇｅ−ＰｒｏＰｌｕｓ」などを用いて画像解析を行い、「針状フェライトの面積分率」の平均値を算出する。

針状フェライトによる亀裂進展を抑制する効果は、針状フェライトの長径が小さすぎると充分に発揮されない。逆に大きすぎても、かえって耐亀裂進展性が低下する。そこで針状フェライトの大きさについて検討した結果、実験データから、長径が５〜１００μｍの範囲内にある針状フェライトの個数割合が、８０％以上であれば、優れた耐亀裂進展性を確保できることを見出した（以下の実施例参照）。よって本発明は、これも要件として規定した。なおこの要件は、例えば針状フェライトが１０個あれば、そのうちの８個以上の長径が５〜１００μｍの範囲内にあることを意味し、針状フェライトの面積分率の測定と同様に、顕微鏡写真を得た後「Ｉｍａｇｅ−ＰｒｏＰｌｕｓ」などを用いて画像解析を行うことにより判定できる。

本発明の鋼板では、深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、ベイナイトおよびマルテンサイトの合計の面積分率が１０％以上であれば、さらに亀裂進展速度を抑制することができるため好ましい。ベイナイトおよびマルテンサイトの合計の面積分率の測定法は、針状フェライトの面積分率の測定法と同じであり、１０個の観察視野から得られる平均値を採用する。

本発明の鋼板において、深さｔ／４の位置の組織は、実質的に針状フェライトおよび粒界フェライトと、ベイナイトおよび／またはマルテンサイトとからなるが、少量のパーライトが存在してもよい。ここで「粒界フェライト」とは、γ粒界に沿って存在するフェライトを意味する。

本発明の鋼板は、耐疲労亀裂進展性を向上させるために、針状フェライトを有することに加えて、化学成分組成が適切な範囲に調整されていることも特徴とする。よって以下では、鋼板の化学成分組成について説明する。

〈Ｃ：０．０３０〜０．３０％〉
Ｃは、母材強度を確保するために必要な元素である。Ｃ量が０．０３０％未満では母材強度を確保することができなくなる。そこでＣ量の下限を０．０３０％と定めた。好ましい下限は０．０５％である。一方、Ｃ量が０．３０％を超えると、鋼全体が脆性的になり母材靱性や疲労特性が低下する。そこでＣ量の上限を０．３０％と定めた。好ましい上限は０．２％である。

〈Ｓｉ：０．５０％以下（０％を含まない）〉
Ｓｉは、鋼の脱酸のために必要な元素である。その作用を充分に発揮させるために０．１％以上、好ましくは０．１５％以上含有させることが好ましい。但しＳｉ量が過剰であると、母材靱性や疲労特性を低下させる。そこでＳｉ量の上限を０．５０％と定めた。好ましい上限は０．４％である。

〈Ｍｎ：０．８〜２．０％〉
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ、母材強度を確保するために有用な元素である。この作用を充分に確保するためにＭｎ量の下限を０．８％と定めた。Ｍｎ量は、好ましくは１％以上、より好ましくは１．５％以上である。一方、Ｍｎ量が２．０％を超えると、母材靭性や疲労特性が低下する。よってＭｎ量の上限を２．０％と定めた。Ｍｎ量は、好ましくは１．８％以下である。

〈Ａｌ：０．０１〜０．１０％〉
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この作用を充分に発揮させるために、Ａｌ量の下限を０．０１％と定めた。Ａｌ量は、好ましくは０．０２％以上である。しかしＡｌ量が過剰であると、母材靱性や疲労特性が低下する。よってＡｌ量の上限を０．１０％と定めた。Ａｌ量は、好ましくは０．０６％以下、より好ましくは０．０４％以下である。

〈Ｎ：０．０１０％以下（０％を含まない）〉
Ｎは、ＡｌやＴｉと結合して、オーステナイト粒を微細化する作用を有する。また過剰でなければ、鋼板の機械的特性に有効に働く。そこでＮ量は、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００４％以上である。しかしＮ量が過剰であると、靱性や疲労特性が低下するため、その上限を０．０１０％に定めた。Ｎ量は、好ましくは０．００８％以下、より好ましくは０．００６％以下である。

〈Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）〉
Ｐは、母材靱性や疲労特性に悪影響を及ぼすため、その上限を０．０３％と定めた。Ｐ量は、好ましくは０．０１％以下である。但しＰは、不可避的に含まれるため、その量を０％にすることは工業的に困難である。

〈Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）〉
Ｓは、ＭｎとＭｎＳを形成して、延性や疲労特性に悪影響を及ぼす元素である。よってＳ量の上限を０．０１％と定めた。Ｓ量は、好ましくは０．００５％以下である。但しＳは、不可避的に含まれるため、その量を０％にすることは工業的に困難である。

本発明の鋼板の基本成分組成は上記の通りであり、残部は実質的にＦｅである。但し原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物が鋼板中に含まれることは、当然に許容される。さらに本発明の鋼板は、必要に応じて、以下の任意元素を含有していても良い。

〈Ｃｕ：２％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｒ：２％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｎｂ：０．０４％以下、Ｂ：０．００４％以下、Ｗ：２．５％以下、およびＣｏ：２．５％以下よりなる群から選ばれる１種以上〉
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂ、ＷおよびＣｏは、焼入性を高めて鋼板の強度を向上させる作用を有し、必要に応じて鋼板中に含有させることができる。さらにＶは、焼入性に加えて、焼戻し軟化抵抗を向上させる作用を有し、またＭｏは、焼戻し脆性を防止する作用を有する。

これらの作用を充分に発揮させるために、これらの量の下限は、Ｃｕについて、好ましくは０．１％、より好ましくは０．２％であり、Ｎｉについて、好ましくは０．１％、より好ましくは０．２％であり、Ｃｒについて、好ましくは０．２％、より好ましくは０．４％であり、Ｍｏについて、好ましくは０．１％、より好ましくは０．２％であり、Ｖについて、好ましくは０．０１％、より好ましくは０．０２％であり、Ｎｂについて、０．００５％、より好ましくは０．０１０％であり、Ｂについて、好ましくは０．０００５％、より好ましくは０．００１０％であり、Ｗについて、好ましくは０．１％、より好ましくは０．２％であり、およびＣｏについて、好ましくは０．１％、より好ましくは０．２％である。

しかしこれらの元素量が過剰になると、母材靱性や疲労特性が低下する。よってこれらの元素を含有させる場合、これらの量の上限は、Ｃｕについて、２％、好ましくは１％であり、Ｎｉについて、２％、好ましくは１％であり、Ｃｒについて、２％、好ましくは１％であり、Ｍｏについて、０．５％、好ましくは０．３％であり、Ｖについて、０．１％、好ましくは０．０５％であり、Ｎｂについて、０．０４％、好ましくは０．０３％、より好ましくは０．０２５％であり、Ｂについて、０．００４％、好ましくは０．００３％、より好ましくは０．００２％であり、Ｗについて、２．５％、好ましくは１％であり、およびＣｏについて、２．５％、好ましくは１％である。

〈Ｔｉ：０．０３％以下、Ｚｒ：０．１％以下およびＨｆ：０．０５％以下よりなる群から選ばれる１種以上〉
Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆは、Ｎと窒化物を形成して、オーステナイト粒を微細化する作用や、固溶Ｎを固定化する作用を有し、鋼板の靱性を改善させるために有用な元素であり、必要に応じて含有させることができる。

これらの作用を充分に発揮させるために、これらの量の下限は、Ｔｉについて、好ましくは０．００５％、より好ましくは０．０１０％であり、Ｚｒについて、好ましくは０．０００５％、より好ましくは０．００１０％であり、およびＨｆについて、好ましくは０．０００５％、より好ましくは０．００１０％である。

しかしＴｉ、ＺｒおよびＨｆ量が過剰になると、母材靱性、ＨＡＺ靱性および疲労特性が低下する。よってこれらの元素を含有させる場合、これらの量の上限は、Ｔｉについて、０．０３％、好ましくは０．０２％であり、Ｚｒについて、０．１％、好ましくは０．０５％であり、およびＨｆについて、０．０５％、好ましくは０．０２％である。

〈Ｃａ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．００５％以下および希土類元素：０．０１％以下よりなる群から選ばれる１種以上〉
Ｃａ、Ｍｇ、および希土類元素（以下、「ＲＥＭ」と省略する）は、いずれも靱性や疲労特性を向上させる作用を有する元素であり、必要に応じて含有させることができる。具体的にはＣａおよびＲＥＭは、ＭｎＳを球状化するという介在物の形態制御により、異方性を低減する作用を有し、これにより母材靱性や疲労特性が向上する。一方、Ｍｇは、ＭｇＯを形成し、ＨＡＺのオーステナイト粒の粗大化を抑制することによって、殊にＨＡＺ
靱性を向上させ、さらに溶接後の疲労特性を向上させる。

これらの作用を充分に発揮させるために、これらの量の下限は、Ｃａについて、好ましくは０．０００５％、より好ましくは０．００１０％であり、Ｍｇについて、好ましくは０．０００５％、より好ましくは０．００１０％であり、およびＲＥＭについて、好ましくは０．０００５％、より好ましくは０．００１０％である。

しかしＣａ、ＭｇおよびＲＥＭ量が過剰になると、母材靱性、ＨＡＺ靱性および疲労特性が低下する。よってこれらの元素を含有させる場合、これらの量の上限は、Ｃａについて、０．００５％、好ましくは０．００３％であり、Ｍｇについて、０．００５％、好ましくは０．００３％であり、およびＲＥＭについて、０．０１％、好ましくは０．００５％である。

針状フェライトを有する本発明の鋼板は、９５０℃までの温度での圧下率を８０％以上とする熱間圧延を行った後、所定の保持温度まで加速冷却してから、その温度で一定時間保持し、さらにその後に、空冷以上の冷却速度で２００℃以下まで冷却することにより製造することができる。所定の温度で保持した後に、２００℃以下まで冷却する際に、場合により４００〜６００℃付近で一旦冷却を停止して、その後に空冷しても良い。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、上記・下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勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

表１に示す組成の鋼を、通常の溶製法によって溶製してスラブとした後、熱間圧延を行った。表２に９５０℃までの温度での圧下率（表２中で「圧下率」と記載）を示す。熱間圧延の後、表２に示す冷却速度（表２中で「第一冷却速度」と記載）で、所定温度まで冷却し（表２中で「第一停止温度」と記載）、所定時間保持した（表２中で「保持時間」と記載）。その後、再び表２に示す冷却速度（表２中で「第二冷却速度」と記載）で２００℃以下まで冷却して、鋼板を製造した。なお２００℃以下に冷却する途中で、一旦冷却を停止したものは、その温度を表２の「第二停止温度」の欄に記載した。

上記のようにして製造した鋼板の組織、針状フェライトの長径（個々の８０％）および亀裂進展速度を以下のようにして測定した。

鋼板組織の面積分率および長径が５〜１００μｍの範囲内にある針状フェライトの個数割合を測定するために、まず鋼板の深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置から１５ｍｍ×１５ｍｍ×１０ｍｍの試験片を採取し、ナイタール腐食を施した。次いで光学顕微鏡により倍率４００倍で観察して、１０個の観察視野で写真撮影を行った。さらに、得られた１０枚の顕微鏡写真について、ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製「Ｉｍａｇｅ−ＰｒｏＰｌｕｓ」での画像解析により、各組織の面積分率および長径が５〜１００μｍの範囲内にある針状フェライトの個数割合を算出した。その結果を表３に示す。表３に示す組織以外の残部組織はパーライトである。なお針状フェライトの形状を示すために、針状フェライトを含む鋼板Ｎｏ．２、および針状フェライトを含まない鋼板Ｎｏ．３２の組織写真を、図１および図２に示す。

亀裂進展速度を測定するために、鋼板の深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置から、亀裂進展方向がＣ方向（板幅方向）となるように、ＡＳＴＭ規格Ｅ６４７に記載のコンパクトテンション試験片（ＣＴ試験片）を切り出した（図３参照）。このＣＴ試験片を、サーボパルサ装置にて、室温、繰返し速度３０Ｈｚおよび応力比（最大応力に対する最小応力の比）０．１の条件で疲労試験を行い、応力拡大係数の範囲（ΔＫ）＝２０ＭＰａ√ｍにおける亀裂進展速度（ｍｍ／ｃｙｃｌｅ）を測定した。その結果を表３に示す。

表１〜３で示されているように、本発明で規定する針状フェライトおよび組成の要件を満たす鋼板Ｎｏ．１〜２４は、亀裂進展速度が抑制されており、耐疲労亀裂進展性に優れていることが分かる

一方、鋼板Ｎｏ．２５〜３０は、本発明の組成要件を満たさないものであり、いずれも亀裂進展速度が増大している。具体的には鋼板Ｎｏ．２５は、Ｃ量が少ないため、針状フェライトを得ることができず、亀裂進展速度が増大している。また鋼板Ｎｏ．２６はＣ量が高いため、Ｎｏ．２７はＳｉ量が高いため、Ｎｏ．２８はＭｎ量が高いため、Ｎｏ．２９はＡｌ量が高いため、およびＮｏ．３０はＮ量が高いため、脆化して亀裂進展速度が増大している。

また鋼板Ｎｏ．３１〜３５は、針状フェライトの要件を満たさないものであり、いずれも亀裂進展速度が増大している。具体的には鋼板Ｎｏ．３１および３２は、針状フェライトを含まないため、逆に鋼板Ｎｏ．３３は、針状フェライトの面積分率が過剰であるため、鋼板Ｎｏ．３４および３５は、長径が５〜１００μｍの範囲内にある針状フェライトの個数割合が少ないため、亀裂進展速度が増大している。

実施例で製造した鋼板Ｎｏ．２（針状フェライト有り）の、深さｔ／４の位置における組織写真（観察倍率４００倍）である。実施例で製造した鋼板Ｎｏ．３２（針状フェライト無し）の、深さｔ／４の位置における組織写真（観察倍率４００倍）である。実施例で製造した鋼板の亀裂進展速度を測定するために、鋼板から採取した疲労試験片の概略図である。

Claims

Ｃ：０．０３０〜０．３０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．５０％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．８〜２．０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１０％、
Ｎ：０．０１０％以下（０％を含まない）、
Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、および
Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、
Ｚ方向（板厚方向）から見て深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、針状フェライトを面積分率で１〜６０％含み、
長径が５〜１００μｍの範囲内にある針状フェライトの個数割合が、８０％以上であることを特徴とする耐疲労亀裂進展性に優れた鋼板。
Ｚ方向（板厚方向）から見て深さｔ／４（ｔ＝板厚）の位置において、ベイナイトおよびマルテンサイトの合計の面積分率が１０％以上である請求項１に記載の鋼板。
さらにＣｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０４％以下（０％を含まない）、Ｂ：０．００４％以下（０％を含まない）、Ｗ：２．５％以下（０％を含まない）、およびＣｏ：２．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１または２に記載の鋼板。
さらにＴｉ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の鋼板。
さらにＣａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）および希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の鋼板。