JP2008174766A - 残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】特定の化学組成の鋼を、熱間圧延後,特定の条件で2相域焼入れおよび焼もどし処理を行い,鋼板の金属組織を,硬質相を面積分率が15〜85%でビッカース硬さHV340以上の焼きもどしマルテンサイト相とするとともに、さらに,軟質相のビッカース硬さをHV130以下に制限したフェライト相とした混合組織とする。
【選択図】 なし
Description
従来,残留応力を抑制するための手法として,加速冷却時の水量調節や冷間レベラ−矯正などが実施されているが,完全に残留応力を解消するには至っていない.
一方,溶接構造物が,使用環境下で繰返し応力を受ける場合には,溶接止端部などの大きな形状不連続部に応力が集中し,疲労亀裂の発生・進展を生じ,最終的には貫通・破断に至り大事故を引き起こす場合がある。
このような要望に対して、特許文献1〜5には,疲労亀裂伝播速度を遅くするための鋼板と製造方法が提案されている。
(1)耐疲労亀裂伝播特性の向上には、鋼板の構成組織を,軟質相として硬さの上限を規定したフェライト相と、硬質相として硬さの下限を規定した焼もどしマルテンサイト相とし、さらに混合組織の面積分率を制御することが重要である。
(2)この混合組織制御による耐疲労亀裂伝播特性を最大限に発揮するためには,厳格な成分調整が必須であり,フェライト相の硬さを上昇させることなく,オーステナイト域からの焼入れ時にはマルテンサイト生成を促進するCrを添加することが肝要である。
(3)更には,焼もどし軟化抵抗の高いMoあるいはVのうち少なくとも1種の添加と組み合わせると,なお良い結果が得られる。
(4)また,上記のように成分調整した鋼素材に熱間圧延を施した後,加熱温度および冷却速度を適正化した二相域再加熱処理と,加熱温度および保持時間を適正化した焼もどし処理を実施することにより,上記のミクロ組織要件を達成し,優れた疲労亀裂伝播特性と機械的特性を得、更に残留応力の低減を兼備することができる。
1.鋼組成が,質量%で,
C:0.05〜0.30%,
Si:0.03〜0.35%,
Cr:0.05〜2.0%,
P:0.03%以下
S:0.003%以下
Al:0.1%以下
を含有し,残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋳片または鋼片を,熱間圧延後,Ac1変態点+10℃〜790℃の2相域温度範囲に再加熱し、平均冷却速度5〜60℃/sで焼入れ後,400〜650℃で10分以上保持して焼もどして得られる、金属組織がビッカース硬さで85以上130以下のフェライト相と,面積分率が15〜85%のビッカース硬さで340以上440以下の焼もどしマルテンサイト相の混合組織である残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
2.鋼組成が,質量%でさらに,
Mo:0.05〜1.0%,
V:0.01〜0.3%
の1種または2種を含有する1に記載した残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
3.鋼組成が,質量%でさらに,
Mn:1.2%以下
Cu:0.8%以下
Ni:1.0%以下
Nb:0.1%以下
Ti:0.03%以下
B:0.005%以下
Ca:0.005%以下
REM:0.02%以下
Mg:0.005%以下
の1種または2種以上を含有する1または2に記載の残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
4.熱間圧延後、更に焼きならし、もしくは焼入れ処理を施すことを特徴とする1乃至3のいずれか一つに記載の残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
[金属組織]
本発明では,硬質相の硬さ、分散量だけでなく,軟質相の硬さを規定する。優れた耐疲労亀裂伝播特性と機械的特性を安定して達成するため,金属組織における硬質相を面積分率が15〜85%でビッカース硬さHV340以上の焼きもどしマルテンサイト相とするとともに、さらに,軟質相のビッカース硬さをHV130以下に制限したフェライト相とした混合組織とする。
[成分組成]
成分に関する「%」表示は特に断らない限り質量%を意味するものとする.
C:0.05〜0.30%
Cは,鋼の強度を増加させ,構造用鋼材として必要な強度を確保するのに有用な元素である。また,上記したビッカース硬さが340以上の焼もどしマルテンサイト相の第2相組織を得るためには,0.05%以上の含有を必要とする。
Siは,脱酸材として作用し,また,セメンタイトの生成を抑制することにより,オーステナイト中へCを濃縮し,焼入れ時のマルテンサイト生成を促進する。さらに,焼もどし時の,マルテンサイト相の焼もどし軟化抵抗を高めるため,0.03%以上とする。
Crは本発明において重要な合金元素であり,多量に添加してもAr3変態点に対する影響が小さく,またα-Feと同じ体心立方構造で原子半径がFeに近いため固溶強化能が極めて小さく、フェライト相の硬さを上昇させない。一方,オーステナイト域からの焼入れ時には,オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第2相組織としてマルテンサイト相の生成を促進する。
Pは,鋼の強度を増加させ靭性を劣化させる元素であり,とくに溶接部の靭性を劣化させるので,できるだけ低減することが望ましい。Pが0.03%を超えて含有されると,この傾向が顕著となるため,上限とする。なお,過度のP低減は精錬コストを高騰させ経済的に不利となるため,0.003%以上とすることが望ましい。
Sは母材および溶接部の靭性を劣化させる元素であり,できるだけ低減することが望ましい。Sが0.0050%を超えて含有されると,この傾向が顕著となるため,上限とする。
Alは,脱酸剤として作用し,高張力鋼の溶鋼脱酸プロセスに於いて,もっとも汎用的に使われる。また,鋼中のNをAlNとして固定し,母材の靭性向上に寄与する.一方,0.1%を超える含有は,母材の靭性が低下するとともに,溶接時に溶接金属部に混入して,靭性を劣化させる.このため,Alは0.1%以下に限定する。なお、好ましくは0.01〜0.07%である。
Moは焼入れ時に,オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第2相組織としてマルテンサイト相の生成を促進するとともに、焼きもどし時には炭化物を生成することにより、マルテンサイト相の焼きもどし軟化を顕著に抑制し、疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。こ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。一方、1.0%を超えて添加すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Moを添加する場合は、0.05〜1.0%の範囲に限定する。
Vは焼入れ時に,オーステナイトの焼入れ性を増大させ、第2相組織としてマルテンサイト相の生成を促進するとともに、焼きもどし時には炭化物を生成することにより、マルテンサイト相の焼きもどし軟化を顕著に抑制し、疲労亀裂伝播速度の低減に有効である。
Mnは,鋼の強度を増加させる効果を有している。一方,1.2%を超えて含有すると,フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が劣化する.このため,Mnを添加する場合は、1.2%以下に限定する。
Cuは,高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素であり,HAZ靭性への影響も小さく,高強度化のために有用で,必要に応じ選択して含有できる。
Niは,高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素であり,HAZ靭性への影響も小さく,高強度化のために有用で,必要に応じ選択して含有できる。しかし、1.0%を超えて含有しても,効果が飽和し,含有量に見合う効果が得られず,経済的に不利になるとともに、フェライト相の硬さが上昇し、疲労亀裂伝播の遅延効果が低下する。このため,Niを添加する場合は1.0%以下に限定する。
Nbは,強度向上に寄与する元素であるが,0.1%を超える含有は,母材靭性およびHAZ靭性を劣化させる。このため,Nbを添加する場合は0.1%以下に限定する。
Tiは,強度向上に寄与し,また,Nとの親和力が強く凝固時にTiNとして析出し,HAZでのオーステナイト粒の粗大化抑制してHAZの高靭化に寄与する。一方,0.03%を超えて含有すると,母材靭性を劣化させる。このため,Tiを添加する場合は、0.03%以下に限定することが望ましい。
Bは,焼入れ性の向上を介して,鋼の強度を増加させる作用を有する.一方,0.0050%を超える含有は焼入れ性を著しく増加させ,母材の靭性,延性の劣化をもたらす.このため,Bを添加する場合は、0.0050%以下に限定する。
Caは,結晶粒の微細化を介して靭性を向上させる有用な元素であるが、0.005%を超えて含有しても効果が飽和するため,添加する場合は0.005%を上限とする。
REMは,靭性向上に寄与する元素であるが、0.02%を超えて含有しても効果が飽和するため,添加する場合は、0.02%を上限とする。
Mgは,結晶粒の微細化を介して靭性を向上させる有用な元素であるが、0.005%を超えて含有しても効果が飽和するため,添加する場合は、0.005%を上限とする。
[製造条件]
説明において、温度に関する「℃」表示は特に断らない限り板厚1/2t部の温度を意味するものとする。
再加熱温度
本発明に係る鋼は,上記組成の溶鋼を,転炉,電気炉,真空溶解炉等,通常公知の方法で溶製し,得られた鋼素材を好ましくは、1000℃〜1300℃に再加熱する。
熱間圧延条件
再加熱された鋼素材を、所望の板厚および形状が満足できるように熱間圧延する。熱間圧延は、圧延終了温度をAr3変態点以上とすることが好ましい。熱間圧延後の冷却は、空冷でも加速冷却でもよい。
Ar3=868−396C+25Si−68Mn−21Cu−36Ni−
25Cr−30Mo (1)
(ただし,C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo:各合金元素の含有量(質量%))
熱処理
本発明で、熱間圧延後の2相域再加熱焼入れ処理および焼もどし処理は,残留応力の低下と耐疲労き裂伝播特性を両立するために重要なプロセスである。
Ac1=723−14Mn+22Si−14.4Ni+23.3Cr (2)
(ただし,C,Si,Mn, Ni,Cr:各合金元素の含有量(mass%))
当該温度域での保持時間は,鋼板内の温度均一化を図り,特性のばらつきを抑えるため,5min.以上が好ましい。保持時間が1hr以上になるとオーステナイト粒の粗大化により,母材の靭性が劣化するので,1hr以内が好ましい。
Claims (4)
- 鋼組成が,質量%で,
C:0.05〜0.30%,
Si:0.03〜0.35%,
Cr:0.05〜2.0%,
P:0.03%以下
S:0.003%以下
Al:0.1%以下
を含有し,残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋳片または鋼片を,熱間圧延後,Ac1変態点+10℃〜790℃の2相域温度範囲に再加熱し、平均冷却速度5〜60℃/sで焼入れ後,400〜650℃で10分以上保持して焼もどして得られる、金属組織がビッカース硬さで85以上130以下のフェライト相と,面積分率が15〜85%のビッカース硬さで340以上440以下の焼もどしマルテンサイト相の混合組織である残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。 - 鋼組成に,質量%でさらに,
Mo:0.05〜1.0%,
V:0.01〜0.3%
の1種または2種を含有する請求項1に記載した残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。 - 鋼組成に加えて,質量%でさらに,
Mn:1.2%以下
Cu:0.8%以下
Ni:1.0%以下
Nb:0.1%以下
Ti:0.03%以下
B:0.005%以下
Ca:0.005%以下
REM:0.02%以下
Mg:0.005%以下
の1種または2種以上を含有する請求項1または請求項2に記載の残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。 - 熱間圧延後、更に焼きならし、もしくは焼入れ処理を施すことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の残留応力が小さく耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
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