JP2010255064A

JP2010255064A - 高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法

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Publication number: JP2010255064A
Application number: JP2009108456A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Watabe; 義之渡部; Kazuhiro Fukunaga; 和洋福永; Akihiko Kojima; 明彦児島
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP5272878B2

Abstract

【課題】各種の溶接鋼構造物用鋼として高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用高張力鋼の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０７〜０．２０％、Ｎｂ：０．０５〜０．１０％、Ａｌ：０．０６０％以下、Ｎ：０．００１〜０．００５％で、必要に応じ、特定量のＶ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭを１種または２種以上をさらに含有し、かつ、Ｐ_ＣＭ値が０．２０％以下の鋳片または鋼片を、１０００〜１３００℃の温度に加熱し、オーステナイト未再結晶温度域での累積圧下量を３０％以上として８５０点以上の温度で熱間圧延を終了した後、放冷する。
【選択図】なし

Description

本発明は、火災など高温時の耐力維持を目的とした建築構造用耐火鋼を主たるターゲットとするものであるが、建築用途に限らず、海洋構造物、船舶、橋梁、各種貯槽タンク用など幅広い用途の溶接構造用高張力鋼に適用できる高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法に関する。なお、主に対象とする強度レベルは、降伏強さで２３５〜４７５ＭＰａ、引張強さで４００〜６４０ＭＰａの、いわゆる一般に４０〜５０キロ鋼と呼ばれるクラスである。

ＪＩＳ等で規格化されている一般の構造用鋼は、約３５０℃から強度低下するため、その許容温度は約５００℃となっている。すなわち、ビルや事務所、住居、立体駐車場などの建築物に前記の鋼材を用いた場合は、火災時における安全性を確保するため、十分な耐火被覆を施すことが義務付けられており、建築関連諸法令では、火災時に鋼材温度が３５０℃以上にならないように規定されている。これは、前記鋼材では、３５０℃程度で耐力が常温の２／３程度になり、必要な強度を下回るためである。このため、一般鋼材を建造物に利用する場合、火災時において鋼材の温度が３５０℃に達しないように耐火被覆を施す必要がある。したがって、耐火鋼製造においては、一般鋼＋耐火被覆ならびにその施工コストに見合うものであることが前提となる。

一方、高温耐力の確保を目的とした建築用途でのいわゆる耐火鋼は、特許文献１などをはじめとして多くの技術が開示されており、そのほとんどはＭｏを含有するものである。確かに、Ｍｏは、鋼の高温耐力を確保する上で極めて有効な元素であるが、高価で市況変化も大きく、添加量にもよるが、耐火被覆コストと見合わない状況も出てくることもある。このため、Ｍｏ低減ないしはＭｏを添加しない安価な高温強度保証鋼の開発・実用化が待たれていた。

本発明者らは、先に、Ｍｏを製鋼時のコンタミネーションのみに抑えた実質的にＭｏを添加含有しない高温強度保証鋼を発明した（特許文献２、３参照）。しかし、実質的にＭｏを添加含有せずに所定の高温強度と常温強度や溶接性、溶接部靭性などの溶接構造用鋼としての基本特性を高いレベルで両立させることは必ずしも容易ではなく、鋼成分や製造プロセスを厳格に管理・制御する必要があるなど、工業生産上は改善の余地が残されていた。

特開平２−７７５２３号公報特開２００７−２７７６７９号公報特開２００７−２７７６８０号公報

本発明は、工業生産上の製造安定性をも考慮した上で、優れた高温強度とともに溶接構造用としての基本性能に優れる鋼材を得ることを目的とし、比較的低いＣとＣｒ−Ｎｂの複合添加をベースに、高価で市況変動の大きいＭｏは微量添加に抑えつつ、その他元素も溶接割れ感受性組成Ｐ_ＣＭとともに特定範囲に限定することで、工業的に安定して、しかも低コストで供給可能な高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法を提供するものである。

本発明のポイントは、高温耐力確保・維持にきわめて有効なために通常用いられるＭｏを微量添加に抑えつつ、高温耐力を安定して確保するため、Ｃｒ−Ｎｂの複合添加による変態組織強化とＣｒやＮｂの析出物（炭窒化物）を利用するものである。Ｍｏは添加するものの、その量を微量に抑えることで、高温特性はもとより溶接構造用鋼としての基本性能（強度、靭性）はもちろん、低コスト化にも寄与し、Ｍｏの高い焼入性とによって製造安定性の向上にもつながる。

本発明は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏのみならず、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎをはじめとする個々の合金元素量およびＰ_ＣＭを限定し、さらに製造条件を限定することで、溶接構造用鋼としての各種使用性能はもちろん、優れた高温強度と低温靭性を両立させたものであるが、その要旨は、以下の通りである。

（１）成分が質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０５％、
Ｓｉ：０．６０％以下、
Ｍｎ：０．８〜２．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、
Ｍｏ：０．０７〜０．２０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ａｌ：０．０６０％以下、
Ｎ：０．００１〜０．００６％
残部が鉄および不可避的不純物からなり、Ｐ_ＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂと定義するＰ_ＣＭ値が０．２０％以下からなる鋳片または鋼片を、１０００〜１３００℃の温度に加熱し、オーステナイト未再結晶温度域での累積圧下量を３０％以上として８５０℃以上の温度で熱間圧延を終了した後、放冷することを特徴とする高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。

（２）上記の鋼成分に加え質量％で、
Ｖ：０．０１〜０．２０％
の範囲でさらに含有することを特徴とする上記（１）項に記載の高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。

（３）上記の鋼成分に加え質量％で
Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｂ：０．０００２〜０．００３％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％
の範囲で１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。

（４）上記の鋼成分に加え質量％で
Ｃａ：０．０００５〜０．００４％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００８％
のいずれか１種をさらに含有することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。

本発明によれば、火災時など高温にさらされる環境でも十分な耐力を有する高温強度と低温靭性に優れた溶接構造用鋼が大量かつ安価に供給できるため、種々の用途の広範な溶接鋼構造物の安全性向上に資することが可能となった。その結果、建築構造用として、耐火被覆の軽減または省略が可能となった。また、建築以外の用途においても、強度、靭性などの基本性能を具備した上で、さらに高温強度をも具備したため、高温に晒される可能性のある溶接構造物用鋼として、構造物の安全性を一段と高めることができるようになった。

本発明が、請求項の通りに鋼成分を限定した理由について説明する。

Ｃは、高張力鋼としては非常に低いレベルに限定しており、本発明の特徴の一つである。これは、後述する他の成分とともに製造方法とも密接に関係している。鋼成分の中でもＣは鋼材の特性に最も大きな影響を及ぼすもので、下限０．００５％は強度確保や溶接、ガス切断などの熱影響部が必要以上に軟化することのないようにするための最小量である。しかし、Ｃ量が多すぎると焼入性が必要以上に上がり、鋼材が本来有すべき強度、靱性のバランス、溶接性などに悪影響を及ぼすため、上限を０．０５％とした。

Ｓｉは、脱酸上鋼に含まれる元素であるが、多く添加すると溶接性、ＨＡＺ靭性が劣化するため、上限を０．６０％に限定した。鋼の脱酸はＡｌのみでも十分可能であり、ＨＡＺ靱性、焼入性などの観点から低いほど好ましく、必ずしも添加する必要はない。

Ｍｎは、常温の強度、靭性を確保する上で不可欠な元素であり、その下限は０．８％である。しかし、Ｍｎ量が多すぎると焼入性が上昇して溶接性、ＨＡＺ靭性を劣化させるだけでなく、連続鋳造スラブの中心偏析を助長するので上限を２．０％とした。好ましい範囲は、１．０〜１．８％である。

Ｐは、本発明鋼においては不純物であり、Ｐ量の低減はＨＡＺにおける粒界破壊を減少させる傾向があるため、少ないほど好ましい。含有量が多いと母材、溶接部の低温靭性を劣化させるため上限を０．０２０％とした。好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。

Ｓは、Ｐと同様本発明鋼においては不純物であり、母材の低温靭性の観点からは少ないほど好ましい。含有量が多いと母材、溶接部の低温靭性を劣化させるため上限を０．０１０％とした。好ましくは０．００８％以下である。

Ｃｒは、本発明における最も重要な元素の一つである。実質的にＭｏを含有しない本発明鋼においては、高温強度確保のため比較的多いＣｒの添加が必要である。これは、Ｃｒの焼入性向上効果により変態温度が低下して常温および高温強度を嵩上げするとともに、高温時にＣｒの固溶強化やＣｒ炭化物を利用するためである。これらの効果を享受するため、最低０．５０％以上が必要である。しかし、添加量が多すぎると母材、溶接部の靭性および溶接性の劣化を招き、経済性も失するため上限を１．５％とした。好ましい範囲は０．６０〜１．４０％である。

Ｍｏは、鋼の高温耐力を確保する上で極めて有効な元素であるが、高価で市況変化も大きいため、本発明においては、コストと製造安定性（すなわち材質安定性）とのバランス上、比較的に微量添加に限定した。すなわち、下限の０．０７％は、後述する成分（Ｐ_ＣＭ）および圧延後放冷する製造プロセスにおいて、Ｍｏの高い焼入性効果を顕著に発現できる最小量であり、上限の０．２０％は、高温強度を補うに足り、かつ耐火被覆工法に若干の市況変動を考慮してもなお比肩し得るコストとする上での許容上限量である。

Ｎｂは、Ｃｒ同様、本発明における最も重要な元素の一つである。なぜなら、前記のように比較的低いＭｏ添加に限定された本発明鋼においては、高温耐力確保のため固溶ＮｂならびにＮｂの析出物（炭窒化物）を利用しているからである。それらの効果を享受するため、最低０．０１％の添加が必須である。高温強度の観点からは、Ｎｂは多いほど有利であるが、ＨＡＺ靭性や経済性の観点から０．１０％に限定する。この上限については、必ずしも限界を見極めたわけではないが、本発明者らの実験により、溶接部の大幅な靭性劣化を招かない範囲として、限定したものである。なお、Ｎｂ添加は、オーステナイトの未再結晶温度を上昇させ、熱間圧延時の制御圧延の効果を最大限に発揮することにも寄与する。好ましい範囲は、０．０２０〜０．０８０％である。

Ａｌは、一般に脱酸上鋼に含まれる元素であるが、脱酸はＳｉまたはＴｉだけでも十分であり、本発明鋼においては、その下限は限定しない。しかし、Ａｌ量が多くなると鋼の清浄度が悪くなるだけでなく、溶接金属の靭性が劣化するので上限を０．０６０％とした。好ましくは、０．０４５％以下である。

Ｎは、不可避的不純物として鋼中に含まれるものであるが、Ｎｂと結合して炭窒化物を形成して強度を増加させる。このため、Ｎ量として最低０．００１％必要である。しかしながら、Ｎ量の増加は溶接熱影響部靭性、溶接性に有害であり、本発明鋼においてはその上限は０．００６％である。好ましくは、０．００５％以下である。

次に必要に応じて含有することができるＶの添加理由について説明する。

Ｖは、Ｎｂとほぼ同様の効果を有し、本発明におけるＶの役割は、Ｎｂを補完するものである。ただし、Ｖは、Ｎｂに比べて効果は小さく、焼入れ性にも影響を及ぼすため、上下限を限定したものだが、下限はＶ添加の効果を確実に享受できる最少量として０．０１％に、上限はあくまでＮｂの補完的役割であることと後述するＰ_ＣＭへの影響も勘案し０．２０％とした。好ましくは、０．１５％以下である。

次に、選択的に添加するＮｉ、Ｃｕ、Ｂ、Ｍｇの添加理由について説明する。

基本となる成分に、さらにこれらの元素を添加する主たる目的は、本発明鋼の優れた特徴を損なうことなく、強度、靭性などの特性を向上させるためである。したがってその添加量は自ずと制限されるべき性質のものである。

Ｎｉは、過剰に添加しなければ、溶接性、溶接熱影響部靭性に悪影響を及ぼすことなく母材の強度、靭性を向上させる。これら効果を発揮させるためには、少なくとも０．０５％以上の添加が必須である。一方、過剰な添加は高価なだけでなく、溶接性に好ましくない。また、Ｎｉを多く添加すると液体アンモニア中で応力腐食割れ（ＳＣＣ）を誘起する可能性が指摘されている。発明者らの実験によれば、１．０％までの添加は溶接性や液体アンモニア中でのＳＣＣを大きく劣化させず、強度、靭性向上効果の方が大きいが、経済性を優先し、上限を０．５０％とした。

Ｃｕは、Ｎｉとほぼ同様の効果、現象を示し、上限の０．５０％は溶接性劣化に加え、過剰な添加は熱間圧延時にＣｕ−クラックが発生し製造困難となるため規制される。下限は実質的な効果が得られるための最小量とすべきで０．０５％である。

Ｂは、オーステナイト粒界に偏析し、フェライトの生成を抑制することを介して、焼入性を向上させ、強度向上に寄与する。この効果を享受するため、最低０．０００２％以上必要である。しかし、多すぎる添加は焼入性向上効果が飽和するだけでなく、靭性上有害となるＢ析出物を形成する可能性もあるため、上限を０．００３％とした。なお、タンク用鋼などとして、応力腐食割れが懸念されるケースでは、母材および溶接熱影響部の硬さの低減がポイントとなることが多く（例えば、硫化物応力腐食割れ（ＳＣＣ）防止のためにはＨＲＣ≦２２（ＨＶ≦２４８）が必須とされる）、そのようなケースでは焼入性を増大させるＢ添加は好ましくない。

Ｍｇは、溶接熱影響部においてオーステナイト粒の成長を抑制し、細粒化する作用があり、溶接部の強靭化が図れる。このような効果を享受するためには、Ｍｇは０．０００２％以上必要である。一方、添加量が増えると添加量に対する効果代が小さくなるため、コスト上得策ではないので上限は０．００５％とした。

次に、請求項４にかかるＣａまたはＲＥＭの添加理由について説明する。

ＣａおよびＲＥＭは、ＭｎＳの形態を制御し、母材の低温靭性を向上させるほか、湿潤硫化水素環境下での水素誘起割れ（ＨＩＣ、ＳＳＣ、ＳＯＨＩＣ）感受性を低減させる。これらの効果を発揮するためには、最低０．０００５％必要である。しかし、多すぎる添加は、鋼の清浄度を逆に悪化させ、母材靭性や湿潤硫化水素環境下での水素誘起割れ（ＨＩＣ、ＳＳＣ、ＳＯＨＩＣ）感受性を高めるため、添加量の上限はＣａ、ＲＥＭそれぞれ０．００４％、０．００８％に限定した。ＣａとＲＥＭは、ほぼ同等の効果を有するため、いずれか１種を上記範囲で添加すればよく、両者を添加してもよい。

鋼の個々の成分を限定しても、成分系全体が適切でないと優れた特性は得られない。本発明では、下式（１）のＰ_ＣＭの値を０．２０％以下に限定する。Ｐ_ＣＭは溶接性を表す公知の指標で、低いほど溶接性は良好である。経験的に、Ｐ_ＣＭが０．２２％以下であれば優れた溶接性の確保が可能であり、本発明における前記限定は、本発明の特徴をより明確にすることを企図したものである。下限は特に限定しないが、各成分の限定範囲から自ずと制約されるものである。
Ｐ_ＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ・・・・（１）

限定された鋼成分において、優れた高温強度と低温靭性を両立する溶接構造用高張力鋼を得るためには、製造条件も本発明の通りに限定することが必要である。以下、その理由について説明する。

圧延に先立つ加熱温度を１０００〜１３００℃に限定した理由は、加熱時のオーステナイト粒を小さく保ち、圧延組織の微細化を図るためである。１３００℃は加熱時のオーステナイトが極端に粗大化しない上限温度であり、加熱温度がこれを超えるとオーステナイト粒が粗大混粒化し、変態後の組織も粗大化するため鋼の靭性が著しく劣化するので上限を１３００℃に限定した。一方、加熱温度が低すぎると、板厚によっては後述する圧延終了温度の確保が困難となるばかりでなく、オーステナイトの未再結晶温度を上昇させ、熱間圧延時の制御圧延の効果を最大限に発揮させたり、析出硬化を発現させたりするためのＮｂの溶体化の観点から下限を１０００℃に限定した。

上述のような条件で加熱した鋳片または鋼片を、オーステナイト未再結晶温度域での累積圧下量を３０％以上とし、８５０℃以上で熱間圧延を終了した後、放冷する。オーステナイト未再結晶温度域での圧延を行うことによって、実質的にオーステナイト粒を細粒化するため、少なくとも３０％以上の累積圧下量が必要である。圧延終了温度が８５０℃を下回ると、比較的Ｃ量の低い本発明においては、フェライトが変態析出し、フェライトを加工（圧延）する恐れがあり、低温靭性確保の点で好ましくない。また、フェライトが変態しない場合でも、過度な低温での圧延は、オーステナイト粒径に起因する焼入性を必要以上に低下させ、高温強度確保に必要な変態強化が得られ難くなるため、圧延終了温度は８５０℃以上に限定する。

熱間圧延終了後は放冷としたが、これは本発明の成分であれば、放冷で概ね４０〜５０キロ級の強度が得られるためである。したがって、必ずしも圧延後の加速冷却を否定するものではないが、冷却の均一性など製造容易性の観点では放冷の方が明らかに優位であり、本発明では放冷に限定した。

転炉−連続鋳造−厚板工程で種々の鋼成分の鋼板（厚さ１２〜８０ｍｍ）を製造（圧延後の冷却はいずれも放冷）し、その材質を調査した。

表１に比較鋼とともに本発明鋼の鋼成分を、表２に鋼板の製造条件と諸特性を示す。

本発明法にしたがって製造した鋼板（本発明鋼）は、すべて良好な特性を有する。これに対し、本発明によらない比較鋼は、いずれかの特性が劣る。

比較鋼２０は、Ｃ量が高いため母材靭性に劣る。比較鋼２１は、Ｍｏが無添加のため、高温強度に劣る。比較鋼２２は、Ｃｒ量が低いため、高温強度に劣る。比較鋼２３は、Ｃ量が低いために常温、高温強度とも低い。比較鋼２４は、Ｃｒ量が高く、Ｐ_ＣＭも高いため、溶接性に劣る（ｙ割れ試験でルート割れ有）。

また、鋼成分は本発明鋼５と同じであるが、比較鋼５−１は、γ未再結晶温度域の累積圧下量が小さいため靭性に劣る。比較鋼５−２は、圧延終了温度が低いためフェライトが加工されたためと思われるが、靭性および高温強度に劣り、また、建築用鋼として８０％以下の低降伏比が求められた場合、満足していない。

Claims

成分が質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０５％、
Ｓｉ：０．６０％以下、
Ｍｎ：０．８〜２．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：０．５０％超１．５０％以下、
Ｍｏ：０．０７〜０．２０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ａｌ：０．０６０％以下、
Ｎ：０．００１〜０．００６％
残部が鉄および不可避的不純物からなり、Ｐ_ＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂと定義するＰ_ＣＭ値が０．２０％以下からなる鋳片または鋼片を、１０００〜１３００℃の温度に加熱し、オーステナイト未再結晶温度域での累積圧下量を３０％以上として８５０℃以上の温度で熱間圧延を終了した後、放冷することを特徴とする高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。
上記の鋼成分に加え質量％で、
Ｖ：０．０１〜０．２０％
の範囲でさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。
上記の鋼成分に加え質量％で
Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｂ：０．０００２〜０．００３％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％
の範囲で１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。
上記の鋼成分に加え質量％で
Ｃａ：０．０００５〜０．００４％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００８％
のいずれか１種をさらに含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高温強度と低温靭性に優れる溶接構造用鋼の製造方法。