JP2009270194A - 低温靭性の優れた780MPa級高張力鋼板の製造方法 - Google Patents

低温靭性の優れた780MPa級高張力鋼板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 780MPa級の高い強度と優れた低温靭性を兼ね備えた高張力鋼板の製造方法の提供。
【解決手段】 質量%で、C:0.06〜0.15%、Si:0.05〜0.35%、Mn:0.60〜2.00%、P:0.015%以下、S:0.015%以下、Cu:0.1〜0.5%、Ni:0.1〜1.5%、Cr:0.05〜0.8%、Mo:0.05〜0.6%、Nb:0.005%未満、V:0.005〜0.060%、Ti:0.003%未満、Al:0.02〜0.10%、B:0.0005〜0.003%、N:0.002〜0.006%を含有した鋼片を1050℃以上1200℃以下の温度に加熱し、870℃以上で熱間圧延を完了させ、10秒以上90秒以下経過後、840℃以上の温度から5℃/s以上の冷却速度で200℃以下まで冷却し、その後450℃以上650℃以下の温度で20分以上60分以下の焼戻し処理を施す。
【選択図】なし

Description

本発明は低温靭性に優れた海洋構造物用鋼およびペンストックなど向け厚鋼板に適した780MPa級高張力鋼板の製造法に関するものである。
引張強度が780MPa級であり、かつ優れた低温靭性を有する鋼材を製造するためには、焼入れ組織(下部ベイナイトやマルテンサイト)の微細化が有効であると言われている。焼入れ組織を微細とするためには、鋼材を冷却する前に焼入れ組織となる前のオーステナイト粒径を微細化しておく必要がある。特に直接焼入れ法(DQ)にて製造する場合は、制御圧延によってオーステナイト粒径のコントロールが可能であり、オーステナイト再結晶域で圧延をすることで焼入れ組織となる前のオーステナイト粒径の微細化が可能である。しかしながら、圧延時における鋼材のオーステナイト再結晶域および未再結晶域を把握することは困難であり、オーステナイト粒径がばらつくことによる材質の不安定性を招くおそれがある。
一方、制御圧延を最大限に活用し組織を微細化することで、優れた低温靭性を確保することが考えられる。例えば、特許文献1には、Nb添加した鋼材について、オーステナイトの未再結晶域である780℃以下で仕上圧延を実施することで、厚肉鋼板において組織微細化を達成し板厚中心において優れた低温靭性を確保している。しかしながら、この製造方法では、焼入れ性が大きく低下し、フェライト組織が主体となるため、780MPa級の高強度と高靭性を確保することが難しい。さらには、低温で圧延することが必要となるため、生産性の観点からも問題がある。
また、組織微細化のために添加するNbは、溶接部を硬化させる効果が極めて高く、その結果、溶接熱影響部(Heat Affected Zone;HAZ)靭性の劣化を引き起こす。特に、780MPa級鋼のような高強度鋼では、この効果によるHAZ靭性の劣化が極めて大きいため問題となる。
780MPa級強度を得るために、焼入れ性を高める効果が大きいBを添加することが有効である。しかしながら、特許文献2にあるように、BはNbと同時に添加することによって硬化第二相の生成を促進し、特にHAZ靭性が劣化することが問題であった。
HAZ靭性の改善にTi添加が有効であることが知られている。これは、TiがNなどと結合し、微細な析出物を生成し粒成長を抑制する効果が得られるためである。しかしながら、特許文献3にあるように強度確保を目的としてCを0.2%以上含む鋼の場合、母材および溶接部に非常に硬い粒子であるTiCを形成し、靭性を劣化させることが問題となる。
以上のように、これまで、Nbフリー、Tiフリーとして高い強度と優れた低温靭性とを兼ね備えた780MPa級高張力鋼板の製造方法については未だ提案されていないのが実情である。
特開平6−240355号公報 特開2007−138203号公報 特開2000−8135号公報
本発明は、上記実情に鑑み、Nbフリー、Tiフリーとした780MPa級高張力鋼板の板厚中心部においても高い強度と優れた低温靭性とを兼ね備えることが可能な海洋構造物およびペンストックなど向け厚鋼板に適した低温靭性の優れた780MPa級高張力鋼板の製造方法を提供することである。
本発明者らは、前記した課題を解決するために、オーステナイト粒径を細粒化するNbやTiを添加せずに、適正な圧延条件で圧延を実施する結果、Bの焼入れ性向上効果を最大限に活用した焼入れ組織を得、その下部組織を細かくすることで、高強度と高靭性を両立でき、さらに、Nb、Tiをフリーとすることで、これらに起因した靭性劣化についても回避可能となり、板厚中心部においても安定して高強度・高低温靭性を確保した780MPa級高張力鋼板が製造できることを見出して本発明を完成した。
本発明の要旨は、以下の通りである。
(1) 質量%で、
C:0.06〜0.15%、
Si:0.05〜0.35%、
Mn:0.60〜2.00%、
P:0.015%以下、
S:0.015%以下、
Cu:0.1〜0.5%、
Ni:0.1〜1.5%、
Cr:0.05〜0.8%、
Mo:0.05〜0.6%、
Nb:0.005%未満、
V:0.005〜0.060%、
Ti:0.003%未満、
Al:0.02〜0.10%、
B:0.0005〜0.003%、
N:0.002〜0.006%
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
BNP=(N−(14/48)Ti)/B
で規定されるBNPが1.5超4.0未満である化学成分の鋼片を1050℃以上1200℃以下の温度に加熱し、870℃以上で熱間圧延を完了させ、10秒以上90秒以下経過後、840℃以上の温度から5℃/s以上の冷却速度で200℃以下まで冷却し、その後450℃以上650℃以下の温度で20分以上60分以下の焼戻し処理を施すことを特徴とする、低温靭性の優れた780MPa級高張力鋼板の製造方法。
(2) 前記鋼片が、さらに、質量%で、
Ca:0.0035%以下、
REM:0.0040%以下、
の一種または二種を含有することを特徴とする、前記(1)に記載の低温靭性の優れた780MPa級高張力鋼板の製造方法。
本発明によれば、Nbフリー、Tiフリーとした780MPa級の強度と、母材及びHAZ部の優れた低温靭性、即ち、母材の低温靭性vE−40が100J以上、HAZ部の低温靭性vE−40が50J以上の優れた母材低温靭性およびHAZ低温靭性とを兼ね備えた高張力鋼板が製造でき、海洋構造物およびペンストックなど向け厚鋼板等に好適に用いることができるという顕著な効果を奏するものである。
以下本発明の実施の形態について説明する。
本発明は、Nbフリー、Tiフリーとすることで、旧オーステナイト粒径を過剰に微細化することを回避し、Bを最大限に活用し焼入れ性を確保することで、板厚中心部においても安定して高強度・高低温靭性を確保することができる技術である。
本発明の対象となる海洋構造物およびペンストックなど向け厚鋼板等に適した鋼材では、780MPa級という高い強度と母材および溶接部における−40℃での靭性が要求される。高強度を確保するためには、NbやTi等の鋼成分を高くし水冷することで下部ベイナイト組織やマルテンサイト組織と言った焼入れ組織を得る必要があるが、鋼成分が高い場合靭性確保が難しく、特に溶接部での低温靭性確保が大きな課題となる。
高強度と溶接部での低温靭性を両立させるためには、なるべく高い鋼成分とせずに強度を確保する必要がある。これを解決する一つの案としてBの活用があり、従来適用されてきた。
Bは、オーステナイト粒界に偏析し粒界を安定化させることで、粒界からの変態を抑え焼入れ性を高め、特に固溶B量が0.0005%以上となる場合に高い焼入れ性向上効果が得られると知られている。それ故に、制御圧延を多用することでオーステナイト粒が微細となり、オーステナイト粒界面積が増加する結果、固溶Bの粒界への偏析量が不足する状況や、オーステナイト中に多くの転位が導入される結果、パイプ拡散が促進し、固溶Bがオーステナイト粒界に偏析しにくい状況となった場合、所定の焼入れ性が得られず材質がばらつくと問題があった。それに加えて、Bは微量で効果を発揮する元素であるため、微妙な条件の違いで敏感に反応し、材質が変化しやすい。したがって、Bを安定的に使うためには、オーステナイト粒を細粒化させず、さらに多量の転位を導入させないことが有効である。
本願発明者らは、オーステナイト粒径を細粒化するNbやTiを添加せずに、適正な圧延条件で圧延を実施する結果、Bの焼入れ性向上効果を最大限に活用した焼入れ組織を得、その下部組織を細かくすることで、高強度と高靭性を両立できることを見いだした。さらに、Nb、Tiをフリーとすることで、これらに起因した靭性劣化についても回避可能となった。また、適正な圧延条件で圧延を実施しオーステナイト粒径50μm以上を確保することで、焼入れ性確保に必要な固溶Bを、十分な量オーステナイト粒界に偏析させることが可能であることを見出した。なお、780MPa級強度を確保するために、Bによる焼入れ性確保に加えて、下記式(1)で示される炭素当量(Ceq)で、0.41以上0.61以下とする必要がある。下限を0.42%に、上限を0.54%に制限しても差し支えない。
Ceq=%C+%Mn/6+(%Cu+%Ni)/15+(%Cr+%Mo
+%V)/5 ・・・・(1)式
以下に本発明の限定理由について説明する。まず、本発明鋼材の組成限定理由について説明する。以下の組成についての%は、質量%を意味する。
C:0.06〜0.15%
Cは強度を確保するために必要な元素であり、0.06%以上の添加が必要であるが、多量の添加は低温靭性、特にHAZの靱性低下を招くおそれがあるために、その上限値を0.15%とする。望ましくは、下限を0.08%に、上限を0.12%に制限することがよい。
Si:0.05〜0.35%
Siは脱酸剤として、また固溶強化により鋼の強度を増加させるのに有効な元素であるが、0.05%未満の含有量ではそれらの効果が少なく、0.35%を超えて含有すると、HAZ靱性を劣化させる。このため、Siは0.05〜0.35%に限定した。望ましくは、下限を0.10%に、上限を0.25%に制限することがよい。
Mn:0.60〜2.00%
Mnは、鋼の強度を増加するため高強度化には有効な元素であり、焼入れ性確保の観点から、0.60%以上の含有量が必要である。ただし、2.00%を超えるMnを添加すると靱性が劣化する。このため、Mnは0.60〜2.00%に限定した。望ましくは、上限を0.80%に、上限を1.20%に制限することがよい。
P:0.015%以下
Pは、粒界に偏析して鋼の靱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が、0.015%まで許容できるため、0.015%以下に限定した。望ましくは、上限を0.010%に制限することがよい。
S:0.015%以下
Sは、主にMnSを形成して鋼中に存在し、圧延冷却後の組織を微細にする作用を有するが、0.015%以上の含有は、板厚方向の靱性・延性を低下させる。これを回避するためには、Sは0.015%以下であることが必須であるため、Sは0.015%以下に限定した。望ましくは、上限を0.010%、0.006%または、003%に制限することがよい。
Cu:0.10〜0.50%
Cuは、固溶強化および析出強化にて鋼板の強度を確保するために有効な元素であり、0.10%以上の含有量が必要であるが、0.50%以上の添加は熱間加工性を低下させるおそれがある。このため、Cuは0.10〜0.50%に限定した。望ましくは、下限を0.15%に、上限を0.30%に制限することがよい。
Ni:0.10〜1.50%
Niは、鋼板の強度および低温靭性確保に有効であり0.10%以上の含有量が必要であるが、非常に高価な元素であるため、1.50%以上の添加は大幅なコストアップを招くことになる。このため、Niは0.10〜1.50%に限定した。望ましくは、下限を0.25%に、上限を1.20%に、さらに望ましくは下限を0.65%に、上限を0.95%に制限することがよい。
Cr:0.05〜0.80%
Crは、主に固溶強化で鋼板の強度を確保するために有効な元素であり、0.05%以上の含有量が必要であるが、0.80%以上の添加は鋼板の加工性および溶接性を損ない、かつコストアップを招く。このためCrは0.05〜0.80%に限定した。望ましくは、下限を0.30%に、上限を0.45%に制限することがよい。
Mo:0.05〜0.60%
Moは、析出強化や固溶強化で鋼板の強度を確保するために有効な元素であり、0.05%以上の含有量が必要であるが、0.60%以上の添加は鋼板の加工性を損ないかつ大幅なコストアップとなる。このためMoは0.05〜0.60%に限定した。望ましくは、下限を0.25または0.30%に、上限を0.45%に制限することがよい。
Nb:0.005%未満
Nbは、オーステナイトの未再結晶域を拡大して、フェライトの細粒化を促進するため、焼入れ性の低下を招き、さらにNb炭化物によってHAZ脆化が生じやすくなることから、できる限り含有しないことが望ましい。しかし、0.005%は許容可能であるため、Nbは0.005%未満に限定した。望ましくは0.003%以下、さらに望ましくは0.002%以下である。
V:0.005〜0.060%
Vは、析出強化で鋼板の強度を確保するために有効な元素であり、0.005%以上の含有量が必要であるが、0.060%以上の添加は鋼板の溶接性および靭性を損なうことから、Vは0.005〜0.060%に限定した。望ましくは、下限を0.035%に、上限を0.050%に制限することがよい。
Ti:0.003%未満
Tiは、Cと結合しTiCを形成することで母材靱性を劣化させるおそれがあり、特に780MPa級強度の鋼材で顕著となるためできる限り含有しないことが望ましい。しかしながら、0.003%未満は許容できることから、Tiは0.003%未満に限定した。望ましくは0.002%以下である。
Al:0.02〜0.10%
Alは、Nと結合しAlNを形成することで、再加熱時の急激なオーステナイト粒径の粗大化を回避する効果があるため、0.02%以上の添加が必要であるが、0.10%の添加は、粗大な介在物を形成し、靭性を劣化させるおそれがある。このため、Alは0.02〜0.10%に限定した。板厚中心部の強度および靭性の向上のためには、望ましくは0.04〜0.08%、さらに望ましくは0.06〜0.08%である。
B:0.0005〜0.003%
Bは、焼入れ性を確保するために必要な元素であり、板厚中心部において十分な焼入れ性向上効果を得るために必要な固溶B量である0.0005%を確保するためには、0.0005%以上の添加が必要である。しかしながら、0.003%以上の添加は、過剰なBによる過度な焼入れ性の上昇により、低靭性となることおよび過剰となったBが粗大な窒化物を形成し、靱性を劣化するおそれがある。そのため、Bは0.0005〜0.003%に限定した。板厚中心部の強度および靭性の向上のためには、さらに望ましくは、0.0005〜0.002%である。
N:0.002〜0.006%
Nは、Alと結合しAlNを形成することで、再加熱時の急激なオーステナイト粒径の粗大化を回避する効果があるが、0.006%以上の添加はBと結合することで固溶B量を減少させ、焼入れ性の低下を招くおそれがある。そのため、Nは0.002〜0.006%に限定した。望ましくは、下限を0.002%に、上限を0.004%に制限することがよい。
BNP:1.5超4.0未満
BNPは焼入れ性確保に必要なTi、N、Bバランスを求める下記(2)式で示されるパラメーターであり、1.5以下ではBが過剰となり靭性劣化を招き、4.0以上では固溶B不足により十分な焼入れ性を得ることができない。そのため、BNPは1.5超4.0未満に限定した。板厚中心部の強度および靭性の向上のためには、望ましくは、下限を2.0以上に、上限を3.0に制限することがよい。
BNP=(N−(14/48)Ti)/B ・・・・ (2)
以上が本願発明における必須の元素であり、これらの効果を損なわない範囲で以下の元素を添加することも有効である。
Ca:0.0035%以下、REM:0.0040%以下の一種または二種を添加
Ca添加により、MnSの形態を制御し、低温靭性をさらに向上させるため、厳しいHAZ特性を要求される場合は選択して添加できる。さらに、REMは、溶鋼中にて微細酸化物、微細硫化物を形成しその後も安定に存在することができるために、溶接部にてピニング粒子として有効にはたらき、特に大入熱溶接靭性を改善する作用があることから、特に優れた靭性が要求される場合には選択して添加できる。
一方、0.0035%を超えるCaの添加では、鋼の清浄度を損ない、靭性の劣化や水素誘起割れ感受性を高めてしまうので、0.0035%を上限とした。REMは0.0040%を超える添加では、晶出物が過剰となり鋳造時の鍋絞りを引き起こすおそれがあるため、0.0040%を上限とした。
次に、本発明鋼材の製造条件限定の理由について説明する。
加熱温度については、1050℃以上1200℃以下の温度であることが必要である。この理由は、1050℃未満の加熱では、凝固中に生成した靱性に悪影響を及ぼす粗大な介在物が溶けずに残る可能性があるためである。また、高温加熱すると鋳造時に冷却速度を制御して造り込んだ析出物を再溶解させてしまう可能性があるからである。上述を踏まえると、相変態を完了させる意味での加熱温度としては1200℃以下で十分であり、そのときに生じると考えられる結晶粒の粗大化も、あらかじめ防ぐことができるからである。以上より、加熱温度を1050℃以上1200℃以下に限定した。望ましくは1050℃以上1150℃以下である。
870℃以上で熱間圧延を完了させる必要がある。その理由として、870℃未満で圧延を実施した場合、オーステナイトの再結晶温度と未再結晶域温度での圧延となり、オーステナイト粒径がばらつくことによって材質不安定となるか、あるいは完全に未再結晶域圧延となり、オーステナイト粒径が50μm以下に細粒化することで、オーステナイト粒界に偏析させるべき固溶Bが不足するおそれがあり、その結果焼入れ性が低下し所要の強度が得られなくなるからである。このため、870℃以上で熱間圧延完了に限定した。望ましくは880℃以上での熱間圧延完了である。
鋼片は熱間圧延を完了させ、10秒以上90秒以下経過後、840℃以上の温度から5℃/s以上の冷却速度で200℃以下まで冷却する必要がある。圧延終了して10秒以上90秒以下経過した後に冷却を開始する理由は、10秒未満ではBが十分にオーステナイト粒界へ拡散できず、90秒を超えた場合、Bが鋼中Nと結合するため焼入れ性が低下し、所要の強度が得られなくなるからである。また、840℃以上から冷却する理由は、840℃未満より冷却を開始すると焼入れ性の観点から不利となり、所要の強度が得られない可能性があるためである。また、冷却速度が5℃/s以上である理由は、冷却速度が5℃/s未満では、所要の強度得るために必要な下部ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織を均一に得ることできないからである。また、200℃以下まで冷却する理由は、200℃を超える温度での冷却停止では、下部ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織における下部組織(パケット、ブロック等)が粗大化することで、強度・靭性確保が困難になるためである。上記の理由により鋼片は熱間圧延を完了させた、10秒以上90秒以下経過後、840℃以上の温度から5℃/s以上の冷却速度で200℃以下まで冷却することに限定した。望ましくは、860℃以上の温度からの冷却である。
鋼片は熱間圧延を完了し冷却した後、450℃以上650℃以下の温度で20分以上60分以下の焼戻し処理を施す必要がある。焼戻し処理を行う場合、焼戻し処理温度が高温になるほど強度低下が大きくなり、650℃を超えるとそれが顕著になるため、所要の強度が得られなくなる。また、450℃未満の焼戻し処理では、靱性改善効果が十分に得ることができない。一方、焼戻し時間については、20分未満では靭性改善効果が十分に得られず、60分を超える焼戻し処理は著しい材質変化が無く、熱処理時間の拡大に伴うコストアップおよび生産性の低下を招く。上記の理由により、鋼片は熱間圧延を完了し冷却した後、450℃以上650℃以下の温度で20分以上60分以下の焼戻し処理を施すことに限定した。
次に、本発明の実施例について述べる。
表1の化学成分を有する鋳片を表2−1及び表2−2に示す条件にて熱間圧延および焼戻し処理を行い鋼板とした後、機械的性質を評価するために試験を行った。引張試験片は各鋼板の板厚の1/4および1/2部位からJIS4号試験片を採取し、YS(0.2%耐力)、TS、El、YRを評価した。母材靱性は各鋼板の板厚1/4および1/2部位よりJIS2mmVノッチ試験片を採取し、−40℃でシャルピー衝撃試験を行い得られる衝撃吸収エネルギー値にて評価した。また、HAZ靱性は、溶接入熱5kJ/mm相当の再現熱サイクル試験を実施した鋼材を、−40℃でのシャルピー衝撃試験により得られる衝撃吸収エネルギー値によって評価した。なお、母材衝撃試験エネルギー値は平均値で100J以上、HAZ衝撃試験エネルギー値は平均値で50J以上が望まれる特性である。
表3−1及び表3−2は、各鋼における機械的性質をまとめたものを示す。鋼1〜25aは本発明の例である鋼板について示したものである。表1および表2−1から明らかなようにこれらの鋼板は化学成分と製造条件の各要件を満足しており、表3−1に示すように、母材特性およびHAZ靭性が優れていることがわかる。また、規定範囲内であれば、CaおよびREMを添加しても良好な機械的特性が得られることがわかる。
一方、鋼1〜25bは表1および表2−1から明らかなように化学成分は満足しているものの、製造条件にて本発明から逸脱したものである。これらの鋼は、表3−1に示すように、それぞれ再加熱温度(鋼5b、鋼18b、鋼20b)、圧延終了温度(鋼8b、鋼11b、鋼22b)、圧延終了から冷却開始までの経過時間(鋼1b、鋼10b、鋼15b、鋼24b)、冷却開始温度(鋼2b、鋼12b、鋼13b)、冷却速度(鋼7b、鋼9b、鋼14b、鋼23b)、冷却停止温度(鋼3b、鋼19b、鋼21b)、焼戻し温度(鋼4b、鋼6b、鋼25b)、焼戻し時間(鋼16b、鋼17b)の条件が発明のものと異なっているため、強度あるいはHAZ低温靭性が劣っている。
さらに、鋼26〜45は表1から明らかなように、化学成分について本発明から逸脱した比較例を示したものである。これらの鋼は、表3−2に示すように、それぞれC量(鋼39)、Si量(鋼37)、Mn量(鋼31)、Cu量(鋼27)、Ni量(鋼33)、Cr(鋼41)、Mo量(鋼26)、Nb量(鋼29、鋼43)、V量(鋼30)、Ti量(鋼34、鋼44)、Al量(鋼36、鋼45)、B量(鋼35)、N量(鋼40)、BNP(鋼28、鋼42)、Ca量(鋼32)、REM量(鋼38)の条件が発明のものと異なっているために、機械的性質、特に低温での靱性(母材およびHAZ)が劣っている。

Claims (2)

  1. 質量%で、
    C:0.06〜0.15%、
    Si:0.05〜0.35%、
    Mn:0.60〜2.00%、
    P:0.015%以下、
    S:0.015%以下、
    Cu:0.1〜0.5%、
    Ni:0.1〜1.5%、
    Cr:0.05〜0.8%、
    Mo:0.05〜0.6%、
    Nb:0.005%未満、
    V:0.005〜0.060%、
    Ti:0.003%未満、
    Al:0.02〜0.10%、
    B:0.0005〜0.003%、
    N:0.002〜0.006%
    を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
    BNP=(N−(14/48)Ti)/B
    で規定されるBNPが1.5超4.0未満である化学成分の鋼片を1050℃以上1200℃以下の温度に加熱し、870℃以上で熱間圧延を完了させ、10秒以上90秒以下経過後、840℃以上の温度から5℃/s以上の冷却速度で200℃以下まで冷却し、その後450℃以上650℃以下の温度で20分以上60分以下の焼戻し処理を施すことを特徴とする、低温靭性の優れた780MPa級高張力鋼板の製造方法。
  2. 前記鋼片が、さらに、質量%で、
    Ca:0.0035%以下、
    REM:0.0040%以下、
    の一種または二種を含有することを特徴とする、請求項1に記載の低温靭性の優れた780MPa級高張力鋼板の製造方法。
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