JP2011117057A - 溶接熱影響部の靭性および強度の均一性に優れた厚鋼板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の化学成分組成を満足し、酸素を除く構成元素が、質量%で、10%<Ti、5%<Al<20%、5%<Ca<40%である酸化物を含有し、且つ、酸化物のうち、円相当径が2μm未満の酸化物が300個/mm2以上、円相当径が2μm以上の酸化物が100個/mm2以下、存在すると共に、t/4位置の硬度をHvq、t/2位置の硬度をHvhとしたときに、(Hvq−Hvh)/Hvqという式から求められるH値が0.07以下である。
【選択図】なし
Description
酸化物の円相当径を2μm未満とすることで、粒内α促進によってHAZ靭性を促進することができる。酸化物の円相当径が2μm以上であると、HAZ高温加熱における液状化が十分に進行せず、粒内αの生成量が減少し、HAZ靭性が低下する。また、酸化物の組成が、10%<Ti、5%<Al<20%、5%<Ca<40%(所定量のREMやZrを含有する場合には、更に、5%<REM<50%および/または5%<Zr<40%)という範囲から外れると、HAZにおける液状化→結晶化過程が進行せず、粒内αが促進されなくなる。また、円相当径が2μm未満の酸化物が300個/mm2より少ないと、粒内α生成の起点が不足するため、やはり粒内αの生成量が減少し、十分なHAZ靭性が得られなくなる。
上記した組成を満足する酸化物のうち、円相当径が2μm以上の酸化物は、脆性破壊を助長し、HAZ靭性を劣化させるので、できるだけ少ない方が良い。こうした観点から本発明では、円相当径が2μm以上の酸化物は100個/mm2以下と規定した。
厚鋼板の板厚t/4位置(表面側)の硬度をHvq、板厚t/2位置(中心部)の硬度をHvhとしたときに、(Hvq−Hvh)/Hvqから求められるH値を0.07以下とすることで、厚鋼板の板厚方向の強度特性の均一性を確保することができる。このH値が0.07を超えると、厚鋼板の板厚t/4位置の硬度(Hvq)と板厚t/2位置の硬度(Hvh)の差が大きくなり、厚鋼板の板厚方向の強度特性の均一性を確保することができなくなる。
上記した要件を満足する本発明の厚鋼板、特に、酸素を除く構成元素が、質量%で、10%<Ti、5%<Al<20%、5%<Ca<40%、5%<REM<50%および/または5%<Zr<40%である酸化物を含有し、且つ、その酸化物のうち、円相当径が2μm未満の酸化物が300個/mm2以上、円相当径が2μm以上の酸化物が100個/mm2以下、夫々存在する厚鋼板を製造するためには、以下の製造要件を満足するようにして、厚鋼板を製造する必要がある。
ta=4−10×[Ca]/([Ti]+2[Al]+5[REM]+2[Zr]+0.01)
tb=25−40×[Ca]/([Ti]+2[Al]+5[REM]+2[Zr]+0.01)
但し、[Ca]、[Ti]、[Al]、[REM]、および[Zr]は、夫々Ca、Ti、Al、REM、およびZrの溶鋼への添加量(質量%)を示す。
B=[Of]×[Ti]/(0.25×[REM]+0.12×[Zr])
但し、[Of]はCa添加前の溶存酸素量(質量%)、[Ti]、[REM]、および[Zr]は、夫々Ti、REM、およびZrの溶鋼への添加量(質量%)を示す。
Al添加前の溶鋼中の溶存酸素量が0.002%より低い場合は、粒内α生成の起点となる適切な組成を有する酸化物系介在物を必要量確保できなくなる。また、溶存酸素量が0.01%より高い場合は、円相当径が2μm以上の粗大介在物が増加し、HAZ靭性を劣化させてしまう。
この添加順序以外の順序で各元素を添加すると、粒内α生成の起点となる適切な組成を有する酸化物系介在物を必要数確保できなくなる。特に、Caは脱酸力が極めて強いため、TiやAlに先立って添加すると、TiやAlと結びつく酸素が全てなくなってしまうことになる。
Ti添加からCa添加までの時間t1が3分よりも短くなると、Ca添加に先立つ酸化物の反応が十分に進行せず、粒内α生成の起点となる適切な組成を有する酸化物系介在物を必要数確保できなくなる。また、この時間t1が20分より長くなると、Ca添加に先立つ酸化物の反応が過剰に進行し、粒内α生成の起点となる適切な組成を有する酸化物系介在物を必要数確保できなくなる。
Ca添加から鋳込み開始までの時間t2は、酸化物の生成状況に影響を及ぼす要件であり(Caが他の酸化物から酸素を奪って酸化物を形成する時間)、この時間t2がta(分)以下になると、Ca添加後の酸化物反応が十分に進行せず、粒内α生成の起点となる適切な組成を有する酸化物系介在物を必要数確保できなくなる。また、この時間t2がtb(分)以上になると、Ca添加後の酸化物の反応が過剰に進行し、粒内α生成の起点となる適切な組成を有する酸化物系介在物を必要数確保できなくなる。尚、taとtbを求める式は、各元素の酸化物へのなり易さを考慮し、実験によって求められたものである。
鋳造時の1500〜1450℃における冷却時間t3が300秒を超えると、円相当径で2μm以上の粗大な酸化物系介在物の生成量が増加し、HAZ靭性が劣化することになる。
介在物による板厚方向のα組織の均一化を最大限発揮させるためには、冷却に先立って旧γ組織を均一化しておく必要がある。圧延に先立つ加熱温度を1050〜1200℃、加熱時間を2〜5時間とすることで、微細TiNが析出し、圧延中の異常粒の成長が抑制され、均一化された旧γ組織を得ることができる。圧延に先立つ加熱温度が1050℃未満、或いは加熱時間が2時間未満である場合は、微細TiNの析出が十分に促進されなくなる。一方、圧延に先立つ加熱温度が1200℃を超える場合、或いは加熱時間が5時間を超える場合は、TiNのオストワルド成長が進行し、TiN粒子の数が減少してしまう。
仕上げ温度、すなわち圧延終了温度(FRT)が900℃より高くなると、変態前の蓄積歪が少なくなり、α生成の障壁エネルギーが高くなるため、介在物を起点とする粒内αの生成が十分に促進されなくなる。
圧延後の冷却速度が板厚t/4位置で2℃/秒未満であると、粗大粒界フェライトが生成され、母材の靭性が劣化する。また、圧延後の冷却速度が板厚t/4位置で15℃/秒を超えると、粒内αが十分に得られなくなり、結果として板厚方向の強度特性の均一化を図れなくなる。
冷却停止温度が400℃より低くなると、厚鋼板の表層付近の粒内α未変態部に硬質第2相が生成され、結果として板厚方向の強度特性の均一化を図れなくなる。また、この温度が500℃を超えると、軟質組織が増加して強度が全体的に低くなってしまう。
冷却停止温度が400℃より低い場合でも、冷却停止後にテンパー処理を施すことで、硬質第2相は分解され、板厚方向の強度の不均一は改善される。
次に、本発明の厚鋼板における化学成分組成について説明する。本発明の厚鋼板は、酸化物の分散状態等が適切であっても、夫々の化学成分(元素)の含有量が適正範囲内でなければ、母材(厚鋼板)の特性とHAZを良好にすることができない。従って、本発明の厚鋼板では、夫々の化学成分の含有量が、以下に説明する範囲内にあることも要件とする。これらの化学成分のうち、酸化物を構成するAl、Ca、Ti等の含有量は、その作用効果から明らかなように、酸化物を構成する量を含めたものである。尚、下記の化学成分の含有量(%)は全て質量%を示す。
Cは、鋼板の強度を確保するための必須元素である。Cの含有量が0.03%より低い場合は、必要な強度を確保できなくなる。一方で、Cの含有量が過剰になると、硬質な島状マルテンサイト(MA)が多く生成して母材の靭性劣化を招くことになる。従って、Cの含有量は0.12%以下とする必要がある。Cの含有量の好ましい下限は0.04%、好ましい上限は0.10%である。
Siは、必須元素ではないが、固溶強化により強度を確保するのに有用な元素である。しかしながら、過剰に添加されると、硬質な島状マルテンサイト(MA)が多く生成して母材の靭性劣化を招くことになる。従って、Siの含有量
の上限は0.25%とする。また、好ましい上限は0.18%であり、より好ましい上限は0.05%である。
Mnは、鋼板の強度を確保するのに有用な元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには1.0%以上含有させる必要がある。しかし、2.0%を超えて過剰に含有させるとHAZの強度が上昇しすぎて靭性が劣化するので、Mnの含有量は2.0%以下とする。Mnの含有量の好ましい下限は1.4%、好ましい上限は1.8%である。
Pは、粒界破壊を起こし易く靭性に悪影響を及ぼす不純物元素であるので、その含有量はできるだけ少ないことが好ましい。母材およびHAZの靭性を確保するという観点からして、Pの含有量は0.03%以下に抑制する必要があり、好ましくは0.02%以下とする。しかし、工業的に鋼中のPを0%にすることは困難である。
Sは、Mn硫化物を形成して母材の靭性を劣化させる元素であるので、その含有量はできるだけ少ないことが好ましい。母材の靭性を確保するという観点からして、Sの含有量は0.015%以下に抑制する必要があり、好ましくは0.010%以下とする。しかし、工業的に鋼中のSを0%にすることは困難である。
Alは、TiやCa、および必要によって添加されるREMやZrに先立ち添加することによって、粒内αの生成に有効な酸化物を形成する上で有用な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためには、0.005%以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰であると粗大酸化物が生成して母材およびHAZの靭性が劣化するので、0.05%以下に抑える必要がある。Alの含有量の好ましい下限は0.010%、好ましい上限は0.04%である。
Tiは、Alの添加後、Ca、および必要によって添加されるREMやZrに先立ち添加することによって、粒内αの生成に有効な酸化物を形成してHAZ靭性の向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるためには、0.010%以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰であると粗大酸化物が多く生成してHAZ靭性を劣化させるので、0.080%以下に抑える必要がある。Tiの含有量の好ましい下限は0.012%、好ましい上限は0.060%である。
Caは、Ti、および必要によって添加されるREMやZrの添加後、3〜20分後に添加することによって、粒内αの生成に有効な酸化物を形成してHAZ靭性の向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるためには、0.0005%以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰であると粗大酸化物が生成して母材およびHAZの靭性が劣化するので0.010%以下に抑える必要がある。Caの含有量の好ましい下限は0.0008%、好ましい上限は0.008%である。
Nは、高温で溶け残る窒化物(Ti含有窒化物)を形成することによって、母材およびHAZの靭性を確保する上で有用な元素である。その含有量を0.002%以上とすることで、所望のTi含有窒化物を確保することができる。しかし、その含有量が過剰になると、固溶N量が増大して歪時効によって母材およびHAZの靭性が劣化するので0.020%以下に抑える必要がある。Nの含有量の好ましい下限は0.003%、好ましい上限は0.018%である。
REM(希土類元素)およびZrは、Tiの添加後、Caの添加に先立って添加することで、粒内αの生成に有効な酸化物を形成し、HAZ靭性の向上に寄与する元素である。こうした効果は、それらの含有量が増加するにつれて増大するが、こうした効果を有効に発揮させるためには、いずれも0.0001%以上含有させることが好ましい。しかし、これらを過剰に含有させると、酸化物が粗大になって母材およびHAZの靭性を劣化させるため、いずれも0.02%以下に抑えるべきである。これらの含有量のより好ましい下限は0.0005%、より好ましい上限は0.015%である。
Ni、Cu、Cr、およびMoは、いずれもが鋼板の高強度化に有効な元素であり、その効果はそれらの含有量が増加するにつれて増大する。こうした効果を有効に発揮させるためには、いずれも0.05%以上含有させることが好ましい。しかし、それらを過剰に含有させると、強度の過大な上昇を招き、母材およびHAZの靭性を劣化させるため、いずれも1.50%以下に抑えることが好ましい。それらの含有量のより好ましい下限は0.10%、より好ましい上限は1.20%である。
NbおよびVは、炭窒化物として析出し、γ粒の粗大化を抑制することで、母材靭性を良好にするのに有効な元素である。その効果はそれらの含有量が増加するにつれて増大するが、こうした効果を有効に発揮させるためには、いずれも0.002%以上含有させることが好ましい。しかし、それらを過剰に含有させると、HAZ組織の粗大化を招き、HAZ靭性を劣化させるため、いずれも0.10%以下に抑えることが好ましい。それらの含有量のより好ましい下限は0.005%、より好ましい上限は0.08%である。
Bは、粗大な粒界αの生成を抑制することで、母材およびHAZの靭性を向上させるのに有効な元素である。その効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、こうした効果を有効に発揮させるためには、0.0005%以上含有させることが好ましい。しかし、その含有量が過剰になると、オーステナイト粒界でのBN析出を招き、母材およびHAZの靭性を劣化させるため、0.005%以下に抑えることが好ましい。Bの含有量のより好ましい下限は0.0010%、更に好ましい下限は0.0015%であって、より好ましい上限は0.004%である。
各厚鋼板の表面から深さt/4(t:板厚)の位置から試験片を切り出し(試験片の軸心がt/4の位置を通るように採取)、圧延方向および板厚方向に平行な断面を、Carl Zeiss社製の電界放射式走査型電子顕微鏡「SUPRA35(商品名)」(以下、FE−SEMと呼ぶ)を用いて観察した。その観察条件は、倍率:5000倍、観察視野:0.0024μm2、観察箇所:20箇所とした。画像解析によって、この観察視野中の各酸化物の面積を測定し、その面積から各酸化物の円相当径を算出した。尚、各酸化物が上記した成分組成を満足するものであることは、EDX(エネルギー分散型X線検出器)によって確認した。そして、円相当径が2μm未満となる酸化物の個数(N1)を1mm2相当の個数密度に換算して求めた。但し、円相当径が0.2μm以下となる酸化物については、EDXの信頼性が十分でないため、解析から除外した。
各厚鋼板の表面から深さt/4(t:板厚)の位置から試験片を切り出し(試験片の軸心がt/4の位置を通るように採取)、圧延方向および板厚方向に平行な断面を、FE−SEMを用いて観察した。その観察条件は、倍率:1000倍、観察視野:0.06μm2、観察箇所:20箇所とした。画像解析によって、この観察視野中の各酸化物の面積を測定し、その面積から各酸化物の円相当径を算出した。尚、各酸化物が上記した成分組成を満足するものであることは、EDX(エネルギー分散型X線検出器)によって確認した。そして、円相当径が2μm以上となる酸化物の個数(N2)を1mm2相当の個数密度に換算して求めた。
各厚鋼板から、溶接継手用試験片を採取し、V先加工を施した後、入熱量:50kJ/mmにてエレクトロガスアーク溶接を実施した。これら試験片から、各厚鋼板の表面から深さt/4(t:板厚)の位置の溶接線(ボンド)近傍のHAZに切欠きを加工したシャルピー衝撃試験片(JIS Z 2202のVノッチ試験片)を3本ずつ採取し、−40℃でシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギー(vE−40)を測定し、それらの平均値と最小値を求めた。この測定結果から、vE−40の平均値が180Jを超え、最小値が120Jを超えるものを、HAZ靭性に優れると評価した。
板厚t/4位置(表面側)の硬度Hvqは、板厚t/4位置と、t/4±2mm位置の硬度を、荷重:10kgのビッカース硬度測定によって夫々求め、3点の平均値を求めた。同様に、板厚t/2位置(中心部)の硬度Hvhは、板厚t/2位置と、t/2±2mm位置の硬度を、荷重:10kgのビッカース硬度測定によって夫々求め、3点の平均値を求めた。これら測定で求めた平均値を用いて、(Hvq−Hvh)/Hvqという式からH値を求めだした。このH値が0.07以下のものを、板厚方向の強度の均一性が優れると評価した。
各厚鋼板(圧延まま材)の板厚t/4位置、板厚t/2位置から、夫々圧延方向に直角にJIS Z 2201の4号試験片を採取し、JIS Z 2241の引張り試験を実施して、t/4位置、t/2位置での引張り強度TSを夫々求めた。引張り試験で求められたt/4位置の引張り強度TSをTSq、t/2位置の引張り強度TSをTShとし、(TSq−TSh)/TSqという式からT値を求めだした。このT値が0.095以下のものを、板厚方向の強度の均一性が優れると評価した。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.03〜0.12%、Si:0.25%以下(0%を含む)、Mn:1.0〜2.0%、P:0.03%以下(0%を含まない)、S:0.015%以下(0%を含まない)、Al:0.005〜0.05%、Ti:0.010〜0.080%、Ca:0.0005〜0.010%、N:0.002〜0.020%を含有し、残部が鉄および不可避的不純物である厚鋼板であって、
酸素を除く構成元素が、質量%で、10%<Ti、5%<Al<20%、5%<Ca<40%である酸化物を含有し、且つ、前記酸化物のうち、円相当径が2μm未満の酸化物が300個/mm2以上、円相当径が2μm以上の酸化物が100個/mm2以下、存在すると共に、
板厚t/4位置の硬度をHvq、板厚t/2位置の硬度をHvhとしたときに、(Hvq−Hvh)/Hvqという式から求められるH値が0.07以下であることを特徴とする溶接熱影響部の靭性および強度の均一性に優れた厚鋼板。 - 質量%で、C:0.03〜0.12%、Si:0.25%以下(0%を含む)、Mn:1.0〜2.0%、P:0.03%以下(0%を含まない)、S:0.015%以下(0%を含まない)、Al:0.005〜0.05%、Ti:0.010〜0.080%、Ca:0.0005〜0.010%、N:0.002〜0.020%を含有すると共に、REM:0.0001〜0.02%および/またはZr:0.0001〜0.02%を含有し、残部が鉄および不可避的不純物である厚鋼板であって、
酸素を除く構成元素が、質量%で、10%<Ti、5%<Al<20%、5%<Ca<40%、5%<REM<50%および/または5%<Zr<40%である酸化物を含有し、且つ、前記酸化物のうち、円相当径が2μm未満の酸化物が300個/mm2以上、円相当径が2μm以上の酸化物が100個/mm2以下、存在すると共に、
板厚t/4位置の硬度をHvq、板厚t/2位置の硬度をHvhとしたときに、(Hvq−Hvh)/Hvqという式から求められるH値が0.07以下であることを特徴とする溶接熱影響部の靭性および強度の均一性に優れた厚鋼板。 - 酸素を除く構成元素が、質量%で、10%<Ti、5%<Al<20%、8%<Ca<40%、5%<REM<50%および/または5%<Zr<40%であって、且つ、10%<REM+Zr<70%を満足し、更には、TiとCaの質量比が1超1.4未満である酸化物のうち、円相当径が2μm未満の酸化物が300個/mm2以上存在することを特徴とする請求項2記載の溶接熱影響部の靭性および強度の均一性に優れた厚鋼板。
- 更に、質量%で、Ni:0.05〜1.50%、Cu:0.05〜1.50%、Cr:0.05〜1.50%、Mo:0.05〜1.50%よりなる群から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の溶接熱影響部の靭性および強度の均一性に優れた厚鋼板。
- 更に、質量%で、Nb:0.002〜0.10%および/またはV:0.002〜0.10%を含有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の溶接熱影響部の靭性および強度の均一性に優れた厚鋼板。
- 更に、質量%で、B:0.0005〜0.005%を含有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の溶接熱影響部の靭性および強度の均一性に優れた厚鋼板。
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