JP2011246806A - Electron beam welded joint, electron beam welding steel material, and manufacturing method therefor - Google Patents

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龍治 植森
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明彦 児島
Manabu Hoshino
学 星野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron beam welding steel material optimum for building a foundation portion of an ocean wind power generation steel tower, and balanced properly with fracture toughness of a base material, a thermal affection part and a molten metal part, and to provide an electron beam welded joint formed in the steel material.SOLUTION: This electron beam welding steel material has a prescribed component composition, wherein an electron beam welding hardenability index CeEB defined by expression (1) is 0.49-0.60, and wherein a CTOD value δof the molten metal part after electron-beam-welded, a CTOD value δof the thermal affection part and a CTOD value δof the base material satisfy expression (2) and Expression (3). The expressions represent: CeEB=C+9/40Mn+1/15Cu+1/15Ni+1/5Cr+1/5Mo+1/5V (1), 0.3≤δ/δ≤1.1 (2), and 0.3≤δ/δ≤1.1 (3).

Description

本発明は、電子ビームが被溶接部に照射され、溶接される電子ビーム溶接用鋼材とその製造方法、さらに、該鋼材の被溶接部に電子ビームを照射して形成した電子ビーム溶接継手に関するものである。   The present invention relates to a steel material for electron beam welding that is irradiated and irradiated with an electron beam to a welded portion, and a manufacturing method thereof, and further to an electron beam welded joint formed by irradiating the welded portion of the steel material with an electron beam. It is.

近年、地球環境の温暖化の一因であるCO2ガスの削減や、石油等の化石燃料の将来的な枯渇に対処するため、再生可能な自然エネルギーの利用が積極的に試みられている。風力発電も、有望視されている再生可能エネルギーの一つであり、大規模な風力発電プラントが建設されつつある。 In recent years, the use of renewable natural energy has been actively attempted in order to cope with the reduction of CO 2 gas that contributes to global warming and the future depletion of fossil fuels such as oil. Wind power generation is another promising renewable energy, and large-scale wind power plants are being built.

風力発電に最も適している地域は、絶えず強風を期待できる地域であり、そのため、洋上風力発電が、世界的規模で計画され、実現されている(特許文献1〜4、参照)。   The region most suitable for wind power generation is a region where strong winds can be expected constantly, and therefore, offshore wind power generation is planned and realized on a global scale (see Patent Documents 1 to 4).

洋上に風力発電用鉄塔を建設するためには、海底の地盤に、鉄塔の基礎部分を打ち込む必要がある。海水面から、風力発電用のタービン翼高さを十分に確保するためには、基礎部分も十分な長さが必要である。   In order to construct a tower for wind power generation on the ocean, it is necessary to drive the foundation of the tower into the seabed ground. In order to sufficiently secure the height of turbine blades for wind power generation from the sea level, the foundation portion also needs to have a sufficient length.

そのため、鉄塔の基礎部分の構造は、板厚が50mm超、例えば、100mm程度、直径が4m程度の大断面を有する鋼管構造となり、鉄塔の高さは80m以上に達する。そして、近年、風力発電用鉄塔のような巨大な鋼構造物を、建設現場近くの海岸にて、電子ビーム溶接で、簡易に、しかも、高能率で組み立てすることが求められている。   Therefore, the structure of the foundation part of the steel tower is a steel pipe structure having a large cross section with a plate thickness of more than 50 mm, for example, about 100 mm and a diameter of about 4 m, and the height of the steel tower reaches 80 m or more. In recent years, it has been demanded that a huge steel structure such as a tower for wind power generation be assembled easily and efficiently by electron beam welding on the coast near the construction site.

即ち、板厚100mmにも及ぶ極厚鋼板を、建設現場で、しかも、高能率で溶接するという、従来にない技術的要請がなされるようになった。   That is, an unprecedented technical request has been made to weld an extremely thick steel plate having a thickness of 100 mm at a construction site and with high efficiency.

一般に、電子ビーム溶接、レーザービーム溶接などの高エネルギー密度ビーム溶接は、効率的な溶接である。しかし、レーザービームで溶接できる板厚には限度があり、従来の電子ビーム溶接は高真空状態に維持した真空チャンバー内で行う必要があった。そのため、従来、高エネルギー密度ビーム溶接で溶接することができる鋼板の板厚や大きさは、溶接装置の能力や真空チャンバー内の大きさによって制限されていた。   Generally, high energy density beam welding such as electron beam welding and laser beam welding is efficient welding. However, there is a limit to the plate thickness that can be welded with a laser beam, and conventional electron beam welding has to be performed in a vacuum chamber maintained in a high vacuum state. Therefore, conventionally, the thickness and size of the steel plate that can be welded by high energy density beam welding are limited by the capability of the welding apparatus and the size in the vacuum chamber.

これに対して、近年、被溶接部の近傍を減圧し、板厚100mm程度の極厚鋼板を、効率よく、現地で溶接することができる電子ビーム溶接方法が提案されている。例えば、英国の溶接研究所では、低真空下で施工が可能な溶接方法(RPEBW:Reduced Pressured Electron Beam Welding:減圧電子ビーム溶接)が開発されている(特許文献5、参照)。   On the other hand, in recent years, an electron beam welding method has been proposed in which the vicinity of the welded portion is depressurized and an extremely thick steel plate having a thickness of about 100 mm can be efficiently welded on site. For example, a welding method (RPEBW: Reduced Pressure Electron Beam Welding) that can be applied under a low vacuum has been developed at a welding laboratory in the UK (see Patent Document 5).

減圧電子ビーム溶接(RPEBW)を用いれば、風力発電用鉄塔のような大型鋼構造物を建設する場合にも、溶接する部分を、局所的に真空状態におき、効率的に溶接することができる。RPEBW法は、真空チャンバー内で溶接する方法に比べ、真空度が低い状態で溶接する溶接方法であるが、従来のアーク溶接に比べ、溶融金属部(WM)の靭性の向上が期待できる。   By using reduced pressure electron beam welding (RPEBW), even when constructing a large steel structure such as a steel tower for wind power generation, a portion to be welded can be locally placed in a vacuum state and efficiently welded. . The RPEBW method is a welding method in which the degree of vacuum is low compared to a method of welding in a vacuum chamber, but an improvement in toughness of the molten metal part (WM) can be expected as compared with conventional arc welding.

一般に、溶接構造物の安全性を定量的に評価する指標として、CTOD(Crack Tip Opening Displacement:亀裂端開口変位)試験で求められる、破壊力学に基づく破壊靭性値δcが知られている。破壊靭性には試験片のサイズが影響するので、従来のVノッチシャルピー衝撃試験のような小型の試験で良好な結果が得られても、大型鋼構造物の溶接継手に対するCTOD試験で、良好な破壊靭性値δcが得られるとは限らない。   Generally, as an index for quantitatively evaluating the safety of a welded structure, a fracture toughness value δc based on fracture mechanics obtained by a CTOD (Crack Tip Opening Displacement) test is known. The fracture toughness is affected by the size of the specimen, so even if good results are obtained in a small test such as the conventional V-notch Charpy impact test, it is good in the CTOD test for welded joints of large steel structures. The fracture toughness value δc is not always obtained.

また、電子ビーム溶接法は、電子ビームの持つエネルギーにより、溶接部の母材を一旦溶融し、凝固させて溶接する方法であり、通常、溶接部の成分組成は母材とほぼ同等である。そのため、エレクトロガス溶接等の大入熱アーク溶接法のように、溶接ワイヤー等により、溶融金属部の硬さや、破壊靭性値δcなどの機械特性を調整することは難しい。   The electron beam welding method is a method in which the base metal of the welded portion is once melted and solidified by the energy of the electron beam and is welded, and the component composition of the welded portion is usually almost the same as that of the base metal. Therefore, it is difficult to adjust the hardness of the molten metal part and the mechanical characteristics such as the fracture toughness value δc with a welding wire or the like, as in a high heat input arc welding method such as electrogas welding.

そこで、電子ビーム溶接継手の破壊靭性値δcを向上させるために、溶融金属部(WM)の硬さや清浄度を適正化する方法が提案されている(例えば、特許文献6、7、参照)。特許文献6には、溶融金属部の硬さを、母材の硬さの110%超220%以下とし、かつ、溶融金属部の幅を母材部の板厚の20%以下とすることが提案されている。また、特許文献7には、溶接金属中のOの量を20ppm以上とし、粒径2.0μm以上の酸化物の量を10個/mm2以下とすることが提案されている。 Therefore, in order to improve the fracture toughness value δc of the electron beam welded joint, a method of optimizing the hardness and cleanliness of the molten metal part (WM) has been proposed (see, for example, Patent Documents 6 and 7). In Patent Document 6, the hardness of the molten metal part is set to be more than 110% and less than or equal to 220% of the hardness of the base material, and the width of the molten metal part is set to 20% or less of the thickness of the base material part Proposed. Patent Document 7 proposes that the amount of O in the weld metal is 20 ppm or more and the amount of oxide having a particle size of 2.0 μm or more is 10 pieces / mm 2 or less.

特開2008−111406号公報JP 2008-111406 A 特開2007−092406号公報JP 2007-092406 A 特開2007−322400号公報JP 2007-322400 A 特開2006−037397号公報JP 2006-037397 A 国際公開99/16101号パンフレットInternational Publication No. 99/16101 Pamphlet 特開2007−21532号公報JP 2007-21532 A 特開2008−88504号公報JP 2008-88504 A

洋上風力発電用鉄塔の建設においては、鋼材を突き合わせて溶接した後、溶接部に熱処理を施すことなく、そのまま使用するので、溶融金属部(WM)及び熱影響部(HAZ)には、優れた靭性が要求される。電子ビーム溶接の場合、溶接ワイヤーを使用しないので、母材の成分組成を調整して、溶融金属部及び熱影響部の靭性を制御することになる。   In the construction of offshore wind power generation towers, the steel materials are butted and welded, and the welded parts are used as they are without being heat-treated. Therefore, they are excellent for molten metal parts (WM) and heat-affected parts (HAZ). Toughness is required. In the case of electron beam welding, since no welding wire is used, the toughness of the molten metal part and the heat-affected zone is controlled by adjusting the component composition of the base material.

従来、溶融金属部における介在物、溶融金属部の硬さと母材の硬さの関係、又は、溶融金属部の幅を制御する方法が提案されているが、熱影響部の靭性が不十分であると、溶接継手の破壊靭性値は低下する。   Conventionally, there have been proposed methods for controlling inclusions in the molten metal part, the relationship between the hardness of the molten metal part and the hardness of the base metal, or the width of the molten metal part, but the toughness of the heat affected zone is insufficient. If there is, the fracture toughness value of the welded joint is lowered.

なお、板状又は箔状のNi(インサートメタル)を溶接面に張付けて電子ビーム溶接を行い、溶融金属部(WM)の靭性を、母材の靭性以上に高めることができる。しかし、この場合も母材の成分組成が適正でないと、溶融金属部の硬さと熱影響部の硬さの差が顕著となり、溶接部において、靭性が大きくばらつくことになる。   In addition, plate-shaped or foil-shaped Ni (insert metal) can be stretched on the welding surface and electron beam welding can be performed to increase the toughness of the molten metal portion (WM) to be higher than the toughness of the base material. However, in this case as well, if the composition of the base material is not appropriate, the difference between the hardness of the molten metal portion and the hardness of the heat-affected zone becomes significant, and the toughness greatly varies in the weld zone.

また、本発明者らの検討によれば、電子ビーム溶接継手においては、靱性向上のための成分組成が、溶融金属部と熱影響部(母材)とで、必ずしも一致しない。そのため、従来のアーク溶接用高HAZ靭性鋼に、そのまま、電子ビーム溶接を施しても、溶融金属部で、高い靱性は得られない。一方、電子ビーム溶接により形成される溶融金属部の靱性を考慮して、アーク溶接用鋼材の成分組成を最適化しても、熱影響部で高靱性は得られない。   Further, according to the study by the present inventors, in the electron beam welded joint, the component composition for improving toughness does not necessarily match between the molten metal portion and the heat affected zone (base material). Therefore, even if the conventional high-HAZ toughness steel for arc welding is subjected to electron beam welding as it is, high toughness cannot be obtained at the molten metal portion. On the other hand, even if the component composition of the steel material for arc welding is optimized in consideration of the toughness of the molten metal portion formed by electron beam welding, high toughness cannot be obtained in the heat affected zone.

即ち、電子ビーム溶接とアーク溶接は、溶接手法及び形成される継手構造の点で基本的に異なるから、電子ビーム溶接に係る課題は、アーク溶接に係る課題解決手法で解決することはできない。   That is, since electron beam welding and arc welding are basically different in terms of the welding technique and the joint structure to be formed, the problem relating to electron beam welding cannot be solved by the problem solving technique relating to arc welding.

本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、洋上風力発電用鉄塔の基礎部分を構成する、板厚45mm以上の電子ビーム溶接用鋼材であって、高強度で、かつ、溶融金属部(WM)、熱影響部(HAZ)、及び、母材(BM)の破壊靱性が適度にバランスした電子ビーム溶接継手を形成することができる鋼材とその製造方法、及び、上記鋼材の被溶接部に電子ビームを照射して形成した破壊靱性に優れる電子ビーム溶接継手を提供することである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is a steel material for electron beam welding having a plate thickness of 45 mm or more, which constitutes a basic portion of an offshore wind power generation tower, and has high strength. And a steel material capable of forming an electron beam welded joint in which the fracture toughness of the molten metal part (WM), the heat-affected zone (HAZ), and the base material (BM) is appropriately balanced, and its manufacturing method, and Another object of the present invention is to provide an electron beam welded joint having excellent fracture toughness formed by irradiating an welded portion of the steel material with an electron beam.

本発明においては、上記課題を解決するため、Mnを1.5質量%以上添加して、焼入れ性を確保するとともに、強力な脱酸元素であるMg及びCaを同時に添加して、Mgを含む微細な酸化物(Mg含有酸化物)を生成させて、該酸化物を、粒成長を抑制するピンニング粒子や、粒内変態の生成核として利用し、母材部(BM)、熱影響部(HAZ)、溶融金属部(WM)の破壊靭性を適度にバランスさせることを基本思想とする。   In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, 1.5% by mass or more of Mn is added to ensure hardenability, and Mg and Ca, which are strong deoxidizing elements, are simultaneously added to contain Mg. A fine oxide (Mg-containing oxide) is generated, and the oxide is used as a pinning particle for suppressing grain growth or a production nucleus for intragranular transformation, and a base material part (BM), a heat-affected part ( The basic idea is to properly balance the fracture toughness of the molten metal part (WM)).

特に、溶接ワイヤーを使用せず、WM幅及びHAZ幅が狭く、入熱量が低い電子ビーム溶接においては、溶融金属部(WM)及び熱影響部(HAZ)に微細に分散したMg含有酸化物が、熱影響部(HAZ)におけるオーステナイト粒の粗大化を抑制し、また、粒内フェライトの生成を促進する。   In particular, in electron beam welding where a welding wire is not used, the WM width and the HAZ width are narrow, and the heat input is low, the Mg-containing oxide finely dispersed in the molten metal portion (WM) and the heat affected zone (HAZ) , Suppresses the coarsening of austenite grains in the heat affected zone (HAZ), and promotes the formation of intragranular ferrite.

そして、本発明においては、新たに導入した電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBを制御して、母材部(BM)、溶融金属部(WM)、及び、熱影響部(HAZ)の破壊靱性を、適度にバランスさせ、溶接部において所要の破壊靱性を確保する。さらに、本発明においては、焼入れ性を高めるため、Mn量を増大し、一方で、Cr、Mo、Cu、Ni、及び/又は、Nbの各量を低減し、電子ビーム溶接用鋼材の製造コストを低減する。   In the present invention, the newly introduced electron beam weld hardenability index CeEB is controlled, and the fracture toughness of the base metal part (BM), the molten metal part (WM), and the heat affected zone (HAZ) is Balance properly to ensure the required fracture toughness at the weld. Furthermore, in this invention, in order to improve hardenability, Mn amount is increased, On the other hand, each amount of Cr, Mo, Cu, Ni, and / or Nb is reduced, and the manufacturing cost of the steel material for electron beam welding is reduced. Reduce.

電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBは、電子ビーム溶接継手の破壊靭性の向上のため、本発明者らが、新規に導入した指標である。指標CeEBの技術的意義については、併せて導入した指標(比)“C/CeEB”(C:C含有量)の技術的意義と併せて後述する。   The electron beam weld hardenability index CeEB is an index newly introduced by the present inventors in order to improve the fracture toughness of the electron beam weld joint. The technical significance of the indicator CeEB will be described later together with the technical significance of the indicator (ratio) “C / CeEB” (C: C content) introduced together.

本発明の要旨は以下のとおりである。   The gist of the present invention is as follows.

(1)鋼材の被溶接部に電子ビームを照射して形成する溶接継手であって、該鋼材が、質量%で、C:0.02〜0.1%、Si:0.05〜0.30%、Mn:1.5〜2.5%、P:0.015%以下、S:0.010%以下、Ti:0.005〜0.015%、N:0.0020〜0.0060%、O:0.0010〜0.0045%を含有し、かつ、Mg:0.0003〜0.0027%、及び、Ca:0.0003〜0.0027%を、
0.0006%≦Mg+Ca≦0.0040%
を満足するように含有し、Al、Nb、及び/又は、Vを、Al:0.015%以下、Nb:0.020%以下、V:0.030%以下に制限し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、さらに、下記(1)式で定義する電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBが0.49〜0.60であることを特徴とする電子ビーム溶接継手。
(1) A welded joint formed by irradiating a welded portion of a steel material with an electron beam, wherein the steel material is in mass%, C: 0.02 to 0.1%, Si: 0.05 to 0.00. 30%, Mn: 1.5 to 2.5%, P: 0.015% or less, S: 0.010% or less, Ti: 0.005 to 0.015%, N: 0.0020 to 0.0060 %, O: 0.0010 to 0.0045%, and Mg: 0.0003 to 0.0027% and Ca: 0.0003 to 0.0027%,
0.0006% ≦ Mg + Ca ≦ 0.0040%
Al, Nb, and / or V is limited to Al: 0.015% or less, Nb: 0.020% or less, V: 0.030% or less, with the balance being iron and An electron beam welded joint comprising an inevitable impurity and further having an electron beam weld hardenability index CeEB defined by the following formula (1) of 0.49 to 0.60.

CeEB=C+9/40Mn+1/15Cu+1/15Ni
+1/5Cr+1/5Mo+1/5V ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、及び、Vは、それぞれ、鋼材成分の含有量(質量%)である。
CeEB = C + 9 / 40Mn + 1 / 15Cu + 1 / 15Ni
+ 1 / 5Cr + 1 / 5Mo + 1 / 5V (1)
Here, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, and V are content (mass%) of a steel material component, respectively.

(2)前記電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBに対するC量の比(C/CeEB)が0.04〜0.18であることを特徴とする上記(1)に記載の電子ビーム溶接継手。   (2) The electron beam weld joint according to (1) above, wherein a ratio of C amount to the electron beam weld hardenability index CeEB (C / CeEB) is 0.04 to 0.18.

(3)前記鋼材が、さらに、質量%で、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下、Cu:0.25%以下、及び、Ni:0.50%以下の1種又は2種以上を含有することを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の電子ビーム溶接継手。   (3) The steel material is further in mass%, Cr: 0.50% or less, Mo: 0.50% or less, Cu: 0.25% or less, and Ni: 0.50% or less, or The electron beam welded joint according to (1) or (2) above, which contains two or more kinds.

(4)前記鋼材の厚さが45〜150mmであることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の電子ビーム溶接継手。   (4) The electron beam welded joint according to any one of (1) to (3) above, wherein the steel material has a thickness of 45 to 150 mm.

(5)前記電子ビーム溶接継手において、10Pa以下の真空度で溶接した後の溶融金属部のCTOD値δWM、熱影響部のCTOD値δHAZ、及び、母材のCTOD値δBMが、下記(2)式と(3)式を満足することを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の電子ビーム溶接継手。 (5) In the electron beam welded joint, the CTOD value δ WM of the molten metal part, the CTOD value δ HAZ of the heat affected zone , and the CTOD value δ BM of the base material after welding at a vacuum degree of 10 Pa or less are as follows: (2) The electron beam welded joint according to any one of (1) to (4), which satisfies the expressions (2) and (3)

0.3≦δWM/δBM≦1.1 ・・・(2)
0.3≦δHAZ/δBM≦1.1 ・・・(3)
ただし、δWM、δHAZ、及び、δBMは、0℃で三点曲げCTOD試験を6回行ったときのCTOD値の最低値である。
0.3 ≦ δ WM / δ BM ≦ 1.1 (2)
0.3 ≦ δ HAZ / δ BM ≦ 1.1 (3)
However, (delta) WM , (delta) HAZ , and (delta) BM are the minimum values of CTOD value when a three-point bending CTOD test is performed 6 times at 0 degreeC.

(6)上記(1)に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材であって、質量%で、C:0.02〜0.1%、Si:0.05〜0.30%、Mn:1.5〜2.5%、P:0.015%以下、S:0.010%以下、Ti:0.005〜0.015%、N:0.0020〜0.0060%、O:0.0010〜0.0045%を含有し、かつ、Mg:0.0003〜0.0027%、Ca:0.0003〜0.0027%を、
0.0006%≦Mg+Ca≦0.0040%
を満足するように含有し、Al、Nb、及び/又は、Vを、Al:0.015%以下、Nb:0.020%以下、V:0.030%以下に制限し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、さらに、下記(1)式で定義する電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBが0.49〜0.60であることを特徴とする電子ビーム溶接用鋼材。
(6) A steel material for forming the electron beam welded joint according to (1) above, in mass%, C: 0.02 to 0.1%, Si: 0.05 to 0.30%, Mn: 1.5 to 2.5%, P: 0.015% or less, S: 0.010% or less, Ti: 0.005 to 0.015%, N: 0.0020 to 0.0060%, O: 0 .0010-0.0045%, and Mg: 0.0003-0.0027%, Ca: 0.0003-0.0027%,
0.0006% ≦ Mg + Ca ≦ 0.0040%
Al, Nb, and / or V is limited to Al: 0.015% or less, Nb: 0.020% or less, V: 0.030% or less, with the balance being iron and A steel material for electron beam welding comprising an inevitable impurity and further having an electron beam welding hardenability index CeEB defined by the following formula (1) of 0.49 to 0.60.

CeEB=C+9/40Mn+1/15Cu+1/15Ni
+1/5Cr+1/5Mo+1/5V ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、及び、Vは、それぞれ、鋼材成分の含有量(質量%)である。
CeEB = C + 9 / 40Mn + 1 / 15Cu + 1 / 15Ni
+ 1 / 5Cr + 1 / 5Mo + 1 / 5V (1)
Here, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, and V are content (mass%) of a steel material component, respectively.

(7)上記(2)に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材であって、前記電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBに対するC量の比(C/CeEB)が0.04〜0.18であることを特徴とする上記(6)に記載の電子ビーム溶接用鋼材。   (7) A steel material for forming the electron beam weld joint according to (2) above, wherein a ratio of C amount to the electron beam weld hardenability index CeEB (C / CeEB) is 0.04 to 0.18. The steel material for electron beam welding according to (6) above, wherein

(8)上記(3)に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材であって、さらに、質量%で、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下、Cu:0.25%以下、及び、Ni:0.50%以下の1種又は2種以上を含有することを特徴とする上記(6)又は(7)に記載の電子ビーム溶接継手用鋼材。   (8) A steel material for forming the electron beam welded joint according to the above (3), and further, in mass%, Cr: 0.50% or less, Mo: 0.50% or less, Cu: 0.25% The steel material for an electron beam welded joint according to the above (6) or (7), which contains 1 type or 2 types or more of Ni: 0.50% or less.

(9)上記(4)に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材であって、厚さが45〜150mmであることを特徴とする上記(6)〜(8)のいずれかに記載の電子ビーム溶接継手用鋼材。   (9) The electron according to any one of (6) to (8) above, which is a steel material forming the electron beam welded joint according to (4) and has a thickness of 45 to 150 mm. Steel for beam welded joints.

(10)上記(6)〜(9)のいずれかに記載の電子ビーム溶接用鋼材の製造方法であって、上記(6)〜(8)のいずれかに記載の成分組成を有する鋼材を、950〜1150℃に加熱し、その後、加工熱処理を施すことを特徴とする電子ビーム溶接用鋼材の製造方法。   (10) A method for producing a steel material for electron beam welding according to any one of (6) to (9) above, wherein the steel material having the component composition according to any one of (6) to (8) above, A method for producing a steel material for electron beam welding, comprising heating to 950 to 1150 ° C. and then performing a heat treatment.

電子ビーム溶接継手において、所定のCTOD値(破壊靭性値)を確保するためには、母材部(BM)、溶融金属部(WM)、及び、熱影響部(HAZ)の破壊靱性値を、適度にバランスさせることが重要である。   In an electron beam welded joint, in order to ensure a predetermined CTOD value (fracture toughness value), the fracture toughness values of the base metal part (BM), the molten metal part (WM), and the heat affected zone (HAZ) are: It is important to balance appropriately.

即ち、母材部の破壊靱性と熱影響部の破壊靱性が優れていても、溶融金属部の破壊靱性が劣っていると、溶融金属部が破壊の起点となり、溶接継手としての破壊靱性は劣化する。また、溶融金属部の破壊靱性が優れていても、熱影響部の破壊靭性が劣っていると、熱影響部を起点として破壊が進行する。   That is, even if the fracture toughness of the base metal part and the fracture toughness of the heat-affected zone are excellent, if the fracture toughness of the molten metal part is inferior, the molten metal part becomes the starting point of fracture, and the fracture toughness as a welded joint deteriorates. To do. Even if the fracture toughness of the molten metal portion is excellent, if the fracture toughness of the heat affected zone is inferior, the breakage proceeds from the heat affected zone.

大入熱溶接を適用した降伏強度355MPa級の鋼材の溶接部(溶融金属部及び熱影響部)での脆性破壊は、旧オーステナイト周辺に生成する粗大な粒界フェライトや、旧オーステナイト内部にラス状に生成する上部ベイナイトやフェライトサイドプレート等が破壊の起点になって発生する。   Brittle fracture at welds (molten metal part and heat-affected zone) of steel with a yield strength of 355 MPa using high heat input welding is caused by coarse grain boundary ferrite generated around the former austenite and lath form inside the former austenite. The upper bainite, ferrite side plate, and the like that are generated at the beginning of the fracture occur.

そして、上部ベイナイトや旧オーステナイト粒界から生成した粗大なフェライトが起点となって脆性破壊するときの破面単位は、旧オーステナイトの粒径に依存する。したがって、析出物によるピンニング効果や粒内変態を利用して、溶融金属部及び熱影響部における旧オーステナイトの粒径を小さくすることにより、溶接部の破壊靭性を改善することができる。   The fracture surface unit at the time of brittle fracture starting from coarse ferrite generated from upper bainite or prior austenite grain boundaries depends on the grain size of prior austenite. Therefore, the fracture toughness of the welded portion can be improved by reducing the grain size of the prior austenite in the molten metal portion and the heat affected zone using the pinning effect and intragranular transformation caused by the precipitates.

そこで、本発明においては、強力な脱酸元素であるMg及びCaを同時に鋼に添加して、母材(BM)だけでなく、溶融金属部(WM)及び熱影響部(HAZ)に、微細なMg含有酸化物を分散させる。   Therefore, in the present invention, Mg and Ca, which are powerful deoxidizing elements, are simultaneously added to the steel, so that not only the base material (BM) but also the molten metal part (WM) and the heat-affected part (HAZ) are fine. An Mg-containing oxide is dispersed.

微細なMg含有酸化物は、ピンニング粒子として機能して、熱影響部における粒成長を抑制し、また、粒内変態の生成核として機能し、溶融金属部及び熱影響部に粒内フェライトを生成させる。その結果、溶融金属部及び熱影響部の組織が微細になり、母材部、熱影響部、及び、溶融金属部の破壊靭性g向上するとともに、これら3つの破壊靱性のバランスが向上する。   Fine Mg-containing oxide functions as pinning particles, suppresses grain growth in the heat affected zone, functions as a nucleus for intragranular transformation, and generates intragranular ferrite in the molten metal and heat affected zone Let As a result, the structure of the molten metal part and the heat affected zone becomes finer, and the fracture toughness g of the base metal part, the heat affected zone and the molten metal part is improved, and the balance of these three fracture toughness is improved.

本発明によれば、降伏強度355MPa級の鋼材の電子ビーム溶接継手において、溶融金属部及び熱影響部における破壊靭性の劣化を抑制することができ、母材部、熱影響部、溶融金属部の破壊靱性が適度にバランスした電子ビーム溶接継手を提供し、かつ、該溶接継手を形成し得る鋼材を低コストで提供することができる。   According to the present invention, in an electron beam welded joint of a steel material having a yield strength of 355 MPa, it is possible to suppress the deterioration of fracture toughness in the molten metal part and the heat affected zone, and the base metal part, the heat affected zone, and the molten metal part. It is possible to provide an electron beam welded joint in which fracture toughness is appropriately balanced, and to provide a steel material that can form the welded joint at low cost.

鋼材の強度及び靭性と金属組織との関係を定性的に示す図である。It is a figure which shows qualitatively the relationship between the strength and toughness of a steel material, and a metal structure. 焼入れ性と他の指標との関係を定性的に示す図である。(a)に、焼入れ性と溶融金属部の結晶粒径との関係を定性的に示し、(b)に、焼入れ性と熱影響部の高炭素マルテンサイト量との関係を定性的に示す。It is a figure which shows qualitatively the relationship between hardenability and another parameter | index. (A) qualitatively shows the relationship between hardenability and crystal grain size of the molten metal part, and (b) qualitatively shows the relation between hardenability and the amount of high carbon martensite in the heat affected zone. 母材の硬さに対する溶融金属部の硬さの比と溶融金属部及び熱影響部の破壊靭性との関係を定性的に示す図である。It is a figure which shows qualitatively the relationship between the ratio of the hardness of the molten metal part with respect to the hardness of a base material, and the fracture toughness of a molten metal part and a heat affected zone. CeEBと溶融金属部及び熱影響部の破壊靭性値(δc)の関係を定性的に示す図である。It is a figure which shows qualitatively the relationship between CeEB, the fracture toughness value ((delta) c) of a molten metal part, and a heat affected zone. 破壊靭性値とC/CeEBとの関係を定性的に示す図である。(a)に、溶融金属部の破壊靭性値とC/CeEBとの関係を定性的に示し、(b)に、熱影響部の破壊靭性値とC/CeEBとの関係を定性的に示す。It is a figure which shows the relationship between a fracture toughness value and C / CeEB qualitatively. (A) qualitatively shows the relationship between the fracture toughness value of the molten metal portion and C / CeEB, and (b) qualitatively shows the relationship between the fracture toughness value of the heat affected zone and C / CeEB. ノッチを導入した試験片を示す図である。It is a figure which shows the test piece which introduce | transduced the notch.

洋上風力発電用鉄塔の建設においては、鋼材を、溶接後、溶接部に熱処理を施すことなく、そのまま使用するので、溶融金属部及び熱影響部には、優れた靭性が要求される。また、電子ビーム溶接の場合、溶接ワイヤーを使用しないので、母材の成分組成を調整して、溶融金属部及び熱影響部の靭性を制御することになる。   In the construction of offshore wind power generation towers, steel materials are used as they are without being subjected to heat treatment after welding. Therefore, excellent toughness is required for the molten metal portion and the heat-affected zone. In the case of electron beam welding, since no welding wire is used, the toughness of the molten metal part and the heat-affected zone is controlled by adjusting the component composition of the base material.

従来、電子ビーム溶接は、CrやMoを含有する高強度鋼(Cr−Mo高強度鋼)やステンレス鋼など、溶融金属部の酸化物の生成が問題とされる鋼材に適用されてきた。これは、ステンレス鋼の熱影響部には脆化相が生成せず、Cr−Mo高強度鋼の熱影響部の組織は、図1に定性的に示したように靭性に優れる下部ベイナイトとなり、溶融金属部の酸化物の制御によって、靭性が顕著に向上するためである。   Conventionally, electron beam welding has been applied to steel materials in which generation of oxides in a molten metal part is a problem, such as high-strength steel containing Cr or Mo (Cr-Mo high-strength steel) or stainless steel. This means that no brittle phase is generated in the heat-affected zone of stainless steel, and the structure of the heat-affected zone of Cr-Mo high-strength steel is lower bainite having excellent toughness as qualitatively shown in FIG. This is because toughness is significantly improved by controlling the oxide of the molten metal portion.

一方、洋上風力発電用鉄塔などに使用される鋼材は、YPが約355MPaの構造用鋼であり、Cr−Mo高強度鋼に比べて強度が低く、熱影響部の組織は、図1に定性的に示したように靭性が低い上部ベイナイトになる。このような鋼材を電子ビーム溶接すると、特に、熱影響部では、粒界フェライトや上部ベイナイトなどの粗大な組織が発達し、高炭素マルテンサイトが生成しやすい。したがって、構造用鋼を電子ビーム溶接する場合、熱影響部の靭性の確保は容易ではない。   On the other hand, the steel used for offshore wind power generation towers and the like is structural steel with a YP of about 355 MPa, and its strength is lower than that of Cr-Mo high-strength steel. As shown, the upper bainite has low toughness. When such a steel material is subjected to electron beam welding, particularly in the heat-affected zone, coarse structures such as grain boundary ferrite and upper bainite develop, and high carbon martensite is likely to be generated. Therefore, when the structural steel is electron beam welded, it is not easy to ensure the toughness of the heat affected zone.

組織と靭性との関係については、結晶粒径の微細化が特に溶融金属部の靭性の向上に有効であること、高炭素マルテンサイトが特に熱影響部の靭性を低下させることが知られている。また、成分と組織との関係については、焼入れ性指標Ceqを大きくすると、図2(a)に示すように溶融金属部の粒径が微細になること、図2(b)に示すように熱影響部の高炭素マルテンサイトが増加することが知られている。   Regarding the relationship between structure and toughness, it is known that refinement of the crystal grain size is particularly effective for improving the toughness of the molten metal part, and that high carbon martensite reduces the toughness of the heat-affected zone particularly. . Further, regarding the relationship between the component and the structure, when the hardenability index Ceq is increased, the particle size of the molten metal portion becomes fine as shown in FIG. 2A, and the heat as shown in FIG. 2B. It is known that high carbon martensite in the affected area increases.

また、溶融金属部及び熱影響部の靭性を高めるには、溶融金属部の硬さと母材の硬さのバランスが重要である。即ち、図3に示したように、母材の硬さに対して、溶融金属部の硬さを高めると、溶融金属部の靭性は向上するものの、熱影響部の靭性は、溶融金属部の硬化の影響によって低下する。したがって、靭性の劣る上部ベイナイトの生成を防止するために焼入れ性を高めると、溶融金属部の硬化の影響によって、熱影響部の靭性が損なわれるという問題が生じる。   Further, in order to increase the toughness of the molten metal part and the heat-affected zone, a balance between the hardness of the molten metal part and the hardness of the base material is important. That is, as shown in FIG. 3, when the hardness of the molten metal part is increased with respect to the hardness of the base material, the toughness of the molten metal part is improved, but the toughness of the heat affected zone is Reduced by the effect of curing. Therefore, if the hardenability is increased in order to prevent the formation of upper bainite having poor toughness, the problem arises that the toughness of the heat affected zone is impaired due to the effect of hardening of the molten metal portion.

このように、鋼の焼入れ性とWMの結晶粒径やHAZの高炭素マルテンサイトとの関係、母材の硬さに対するWMの硬さの比と溶接継手の靭性との関係は、定性的には公知であった。しかし、従来、鋼材の成分によって溶接継手の破壊靭性のバランスを制御するという考え方は存在しなかった。そのため、例えば、焼入れ性を高めた母材を電子ビーム溶接すると、WMの靭性は向上するものの、HAZの靭性が著しく低下するなどの問題が生じた。   Thus, the relationship between the hardenability of steel and the grain size of WM and the high carbon martensite of HAZ, the ratio of the hardness of WM to the hardness of the base metal, and the toughness of welded joints are qualitatively Was known. However, conventionally, there has been no concept of controlling the balance of fracture toughness of welded joints by the components of steel materials. Therefore, for example, when electron beam welding is performed on a base material with improved hardenability, the toughness of the WM is improved, but the toughness of the HAZ is significantly reduced.

そこで、本発明者らは、電子ビーム溶接継手において、所要の靭性を確保するため、電子ビーム溶接に適した焼入れ性を表示する指標を検討し、新たに“CeEB”を考案し導入した。即ち、下記(1)式で定義する“電子ビーム焼入れ性指標CeEB”は、電子ビーム溶接継手の破壊靭性をより高めるために、組織の形成に大きく影響する焼入れ性に着目し、所要の組織の生成を確実に確保することを考慮した新たな指標が必要である。   In view of this, the inventors of the present invention have studied an index for indicating hardenability suitable for electron beam welding in order to ensure required toughness in an electron beam welded joint, and newly devised and introduced “CeEB”. That is, the “electron beam hardenability index CeEB” defined by the following equation (1) focuses on the hardenability that greatly affects the formation of the structure in order to further increase the fracture toughness of the electron beam welded joint. New indicators are needed that take into account ensuring production.

CeEB=C+9/40Mn+1/15Cu+1/15Ni
+1/5Cr+1/5Mo+1/5V ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、及び、Vは、それぞれ、鋼材成分の含有量(質量%)である。
CeEB = C + 9 / 40Mn + 1 / 15Cu + 1 / 15Ni
+ 1 / 5Cr + 1 / 5Mo + 1 / 5V (1)
Here, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, and V are content (mass%) of a steel material component, respectively.

上記(1)式で定義するCeEBは、硬さと相関する公知の炭素当量Ceq(=C+1/6Mn+1/15Cu+1/15Ni+1/5Cr+1/5Mo+1/5V)を基に、Mnが、電子ビーム溶接の際に蒸発して減少して焼入れ性が低下することを考慮して考案した指標である。なお、経験的に得られた焼入れ性の低下の度合いに基づいて、Mnの係数を9/40(>1/6)とした。   CeEB defined by the above equation (1) is based on the known carbon equivalent Ceq (= C + 1 / 6Mn + 1 / 15Cu + 1 / 15Ni + 1 / 5Cr + 1 / 5Mo + 1 / 5V) correlated with hardness, and Mn is evaporated during electron beam welding. Therefore, the index was devised in consideration of the decrease in hardenability. The coefficient of Mn was set to 9/40 (> 1/6) based on the degree of decrease in hardenability obtained empirically.

指標CeEBは、電子ビーム溶接前の母材において焼入れ性を所要の範囲内で確保し、溶融金属部において、微細なフェライトの生成を促進し、かつ、熱影響部において、靭性を低下させる上部ベイナイトや高炭素マルテンサイトなどの生成を抑制するための指標である。   The index CeEB is an upper bainite that ensures hardenability within the required range in the base metal before electron beam welding, promotes the formation of fine ferrite in the molten metal part, and lowers toughness in the heat affected part. It is an index for suppressing the formation of high carbon martensite and the like.

図4に、電子ビーム溶接継手における溶融金属部(WM)及び熱影響部(HAZ)の破壊靱性値(δc)とCeEBとの関係を定性的に示す。実線の曲線は溶融金属部の破壊靭性値(δcmn)であり、破線の曲線は熱影響部の破壊靭性値(δcha)である。二点鎖線の曲線は、WMの硬さの変化を無視した仮想的な熱影響部の破壊靭性値(HAZ靭性の予測値)である。このようなHAZ靭性の予測値は、HAZの熱履歴を模擬した熱処理を施した試験片を用いて破壊靭性試験を行った場合などに得られる破壊靭性値である。   FIG. 4 qualitatively shows the relationship between CeEB and the fracture toughness value (δc) of the molten metal part (WM) and the heat-affected zone (HAZ) in the electron beam welded joint. The solid line curve is the fracture toughness value (δcmn) of the molten metal part, and the broken line curve is the fracture toughness value (δcha) of the heat affected zone. A two-dot chain line curve is a fracture toughness value (predicted value of HAZ toughness) of a virtual heat-affected zone ignoring a change in the hardness of the WM. Such a predicted value of HAZ toughness is a fracture toughness value obtained when a fracture toughness test is performed using a test piece that has been subjected to heat treatment that simulates the thermal history of HAZ.

指標CeEBが大きくなると、WMの組織が微細になってδcmnが向上し、HAZでは高炭素マルテンサイトの増加とHAZの硬化によってHAZ靭性の予測値が低下する。また、CeEBが大きくなるとWMが硬化し、その影響を受けて、δchaはHAZ靭性の予測値よりも低下する。このように、指標CeEBによって溶融金属部及び熱影響部の破壊靭性を総合的に評価することが可能になり、CeEBを適正範囲に定めれば、溶融金属部及び熱影響部の破壊靱性値を一点鎖線で示す目標値以上にすることができる。後述するピンニング粒子や粒内変態を活用する場合は、効果に応じてδcmn及びδchaが向上することになる。   When the index CeEB increases, the WM structure becomes finer and δcmn improves, and in HAZ, the predicted value of HAZ toughness decreases due to the increase in high carbon martensite and the hardening of HAZ. In addition, when CeEB increases, WM hardens, and due to the influence, δcha falls below the predicted value of HAZ toughness. Thus, it becomes possible to comprehensively evaluate the fracture toughness of the molten metal part and the heat-affected zone by the index CeEB, and if CeEB is set within an appropriate range, the fracture toughness values of the molten metal part and the heat-affected zone can be obtained. It can be set to be equal to or more than the target value indicated by a one-dot chain line. When utilizing pinning particles and intragranular transformation described later, δcmn and δcha are improved according to the effect.

次に、本発明者らは、母材のC量及びCeEBと、母材、溶融金属部、及び、熱影響部の靭性の関係について検討した。その結果、母材のC量とCeEBとの比“C/CeEB”を特定の範囲に調整することが好ましいことが解った。以下に、比“C/CeEB”の技術的意義について説明する。   Next, the present inventors examined the relationship between the amount of C and CeEB of the base material, and the toughness of the base material, the molten metal portion, and the heat affected zone. As a result, it has been found that it is preferable to adjust the ratio “C / CeEB” between the amount of C in the base material and CeEB within a specific range. The technical significance of the ratio “C / CeEB” will be described below.

比“C/CeEB”は、溶接金属部の焼入れ性と、熱影響部の焼入れ性が極端に偏らないようにするための指標である。図5(a)にCeEBと溶融金属部の破壊靭性値(δc)との関係を示し、図5(b)にCeEBと熱影響部の破壊靭性値との関係を示す。   The ratio “C / CeEB” is an index for preventing the hardenability of the weld metal part and the hardenability of the heat-affected part from being extremely biased. FIG. 5 (a) shows the relationship between CeEB and the fracture toughness value (δc) of the molten metal portion, and FIG. 5 (b) shows the relationship between CeEB and the fracture toughness value of the heat affected zone.

CeEBは焼入れ性の指標であるから、CeEBが大きくなると、溶融金属部では粒径が微細になるため破壊靭性値が高くなり、熱影響部では高炭素マルテンサイトの生成が促進されて破壊靭性値が低下する。また、電子ビーム溶接では、溶融金属部のMnの一部が蒸発して、Mn量が減少する。   Since CeEB is an index of hardenability, when CeEB increases, the fracture toughness value increases because the particle size becomes finer in the molten metal part, and the formation of high carbon martensite is promoted in the heat-affected part, resulting in a fracture toughness value. Decreases. In electron beam welding, a part of Mn in the molten metal part evaporates, and the amount of Mn decreases.

そのため、図5(a)に示すように、溶融金属部の破壊靭性を向上させるためには、C/CeEBを高めて焼入れ性を確保することが好ましい。一方、熱影響部では、C量の増加によって高炭素マルテンサイトの生成が促進される。そのため、図5(b)に示すように、破壊靭性値を確保するには、C/CeEBを制限することが好ましい。   Therefore, as shown in FIG. 5A, in order to improve the fracture toughness of the molten metal part, it is preferable to increase the C / CeEB to ensure the hardenability. On the other hand, in the heat-affected zone, the generation of high carbon martensite is promoted by an increase in the C content. Therefore, as shown in FIG. 5B, in order to ensure the fracture toughness value, it is preferable to limit C / CeEB.

さらに、本発明者らは、溶融金属部の破壊靭性値と熱影響部の破壊靱性値のバランスを改善する手法について検討した。その結果、適量のMg及びCaを同時に添加し、ピンニング粒子及び粒内変態の生成核として機能する“Mgを含む微細な酸化物”(Mg含有微細酸化物)を生成させると、熱影響部及び溶融金属部の靭性が向上することが解った。   Furthermore, the present inventors examined a method for improving the balance between the fracture toughness value of the molten metal portion and the fracture toughness value of the heat-affected zone. As a result, when an appropriate amount of Mg and Ca are simultaneously added to generate “fine oxide containing Mg” (Mg-containing fine oxide) that functions as a nucleus for generating pinning particles and intragranular transformation, It was found that the toughness of the molten metal part was improved.

本発明は、母材のC量、CeEB、及び、C/CeEBを適正な範囲内に制御し、微量のMg、Caなどの元素を添加して、母材の破壊靭性値に対する溶融金属部及びHAZの破壊靭性値の比を向上させ、破壊靱性値δcのばらつきを極力抑制した電子ビーム溶接継手と、該溶接継手を形成することができる鋼材である。   In the present invention, the amount of C, CeEB, and C / CeEB of the base material are controlled within an appropriate range, and a small amount of elements such as Mg and Ca are added, and the molten metal part with respect to the fracture toughness value of the base material and An electron beam welded joint in which the ratio of fracture toughness values of HAZ is improved and variation in fracture toughness value δc is suppressed as much as possible, and a steel material capable of forming the welded joint.

本発明の鋼材は、質量%で、C:0.02〜0.1%、Si:0.05〜0.30%、Mn:1.5〜2.5%、P:0.015%以下、S:0.010%以下、Ti:0.005〜0.015%、N:0.0020〜0.0060%、O:0.0010〜0.0045%を含有し、かつ、Mg:0.0003〜0.0027%、Ca:0.0003〜0.0027%を、
0.0006%≦Mg+Ca≦0.0040%
を満足するように含有し、Al、Nb、及び/又は、Vを、Al:0.015%以下、Nb:0.020%以下、V:0.030%以下に制限し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる。
The steel material of the present invention is mass%, C: 0.02 to 0.1%, Si: 0.05 to 0.30%, Mn: 1.5 to 2.5%, P: 0.015% or less , S: 0.010% or less, Ti: 0.005 to 0.015%, N: 0.0020 to 0.0060%, O: 0.0010 to 0.0045%, and Mg: 0 .0003-0.0027%, Ca: 0.0003-0.0027%,
0.0006% ≦ Mg + Ca ≦ 0.0040%
Al, Nb, and / or V is limited to Al: 0.015% or less, Nb: 0.020% or less, V: 0.030% or less, with the balance being iron and Consists of inevitable impurities.

以下、各元素の添加理由及び添加量について説明する。なお、%は質量%を意味する。   Hereinafter, the reason and amount of each element added will be described. In addition,% means the mass%.

Cは、強度の向上に寄与する元素である。溶接構造体としての強度を確保するため、0.02%以上添加する。また、C量が少ないと、溶融金属部の焼入れ性が不足して、靭性を損なうことがある。好ましい下限は0.03%であり、より好ましくは0.04%である。一方、Cが0.1%を超えると焼入れ性が増大し、特に溶融金属部及び熱影響部の靭性が低下するので、上限は0.1%とする。好ましい上限は0.08%であり、より好ましくは、0.06%とする。   C is an element that contributes to improving the strength. In order to ensure the strength as a welded structure, 0.02% or more is added. Moreover, when there is little C amount, the hardenability of a molten metal part may be insufficient and toughness may be impaired. A preferable lower limit is 0.03%, and more preferably 0.04%. On the other hand, if C exceeds 0.1%, the hardenability increases, and particularly the toughness of the molten metal part and the heat-affected zone decreases, so the upper limit is made 0.1%. A preferable upper limit is 0.08%, and more preferably 0.06%.

Siは、脱酸元素であり、鋼板の強度を確保するためにも有効な元素である。そのため、0.05%以上添加する。しかし、Siを過剰に添加すると、特に熱影響部に高炭素マルテンサイトが多量に生成し、靭性が低下するので、上限を0.30%とする。好ましい上限は0.20%であり、より好ましくは0.15%である。   Si is a deoxidizing element and is also an effective element for securing the strength of the steel sheet. Therefore, 0.05% or more is added. However, when Si is added excessively, a large amount of high carbon martensite is generated particularly in the heat-affected zone and the toughness is lowered, so the upper limit is made 0.30%. A preferable upper limit is 0.20%, and more preferably 0.15%.

Mnは、靭性を確保し、かつ、焼入れ性を高めて鋼板の強度を確保するのに有効な元素である。1.5%未満では、鋼材の靭性、強度、及び、焼入れ性を十分に確保できないし、また、電子ビーム溶接時、Mnが溶融金属部から蒸発して、溶融金属部の焼入れ性が低下する。したがって、鋼材の靭性、強度、及び、焼入れ性、さらに、溶融金属部の焼入れ性を高めて靭性を確保するため、1.5%以上のMnを添加する。   Mn is an element effective for securing toughness and enhancing the hardenability to ensure the strength of the steel sheet. If it is less than 1.5%, the toughness, strength, and hardenability of the steel material cannot be sufficiently secured, and Mn evaporates from the molten metal part during electron beam welding, and the hardenability of the molten metal part decreases. . Therefore, 1.5% or more of Mn is added in order to increase the toughness, strength, and hardenability of the steel material, and further to ensure the toughness by increasing the hardenability of the molten metal part.

Mnの好ましい下限は1.7%、より好ましくは1.8%である。ただし、Mnが2.5%を超えると、焼入れ性が増大し、特に熱影響部の靭性が低下するので、上限を2.5%とする。好ましい上限は2.4%であり、より好ましくは2.3%である。   The minimum with preferable Mn is 1.7%, More preferably, it is 1.8%. However, if Mn exceeds 2.5%, the hardenability increases, and particularly the toughness of the heat-affected zone decreases, so the upper limit is made 2.5%. A preferable upper limit is 2.4%, and more preferably 2.3%.

Pは、不純物であり、母材(BM)、溶融金属部(WM)、及び、熱影響部(HAZ)の靭性に悪影響を及ぼす。特に、溶融金属部(WM)及び熱影響部(HAZ)の靭性を確保するためには、Pは少ないことが好ましく、0.015%以下に抑える。好ましくは0.010%以下である。製造コストの観点から、Pは0.001%以上が好ましい。   P is an impurity, which adversely affects the toughness of the base material (BM), the molten metal part (WM), and the heat affected zone (HAZ). In particular, in order to ensure the toughness of the molten metal part (WM) and the heat-affected zone (HAZ), it is preferable that P is small, and is suppressed to 0.015% or less. Preferably it is 0.010% or less. From the viewpoint of manufacturing cost, P is preferably 0.001% or more.

Sは、MnSを形成する元素である。MnSは、微細なTiNや、Mg含有微細酸化物を核として析出し、Mn希薄領域を形成して、粒内フェライトの生成(粒内変態)を促進する。粒内変態を促進するためには、Sを0.0001%以上含有させることが好ましい。好ましい下限は0.001%である。一方、Sを過剰に含有すると、特に、溶融金属部(WM)及び熱影響部(HAZ)の靭性が低下するので、0.010%以下に抑える。好ましくは、S量を0.005%以下である。   S is an element that forms MnS. MnS precipitates using fine TiN or Mg-containing fine oxides as nuclei, forms a Mn-diluted region, and promotes the formation of intragranular ferrite (intragranular transformation). In order to promote intragranular transformation, it is preferable to contain 0.0001% or more of S. A preferred lower limit is 0.001%. On the other hand, when S is contained excessively, the toughness of the molten metal part (WM) and the heat-affected zone (HAZ) is particularly lowered, so it is suppressed to 0.010% or less. Preferably, the amount of S is 0.005% or less.

Tiは、Nと結合して、結晶粒の微細化に寄与する微細な窒化物を形成する元素である。入熱量が低い電子ビーム溶接継手においては、熱影響部(HAZ)に微細なTiNが存在すると、粒内変態の生成核として機能する。   Ti is an element that combines with N to form fine nitrides that contribute to the refinement of crystal grains. In an electron beam welded joint having a low heat input, if fine TiN is present in the heat affected zone (HAZ), it functions as a nucleus for intragranular transformation.

粒成長の抑制や粒内変態により、熱影響部及び溶融金属部の靭性を向上させるため、Tiを0.005%以上添加する。好ましい下限は0.007%である。一方、Tiが過剰であると、粗大なTiNが生成して、靭性が劣化するので、上限を0.015%とする。好ましい上限は0.012%である。   In order to improve the toughness of the heat-affected zone and the molten metal zone by suppressing grain growth or intragranular transformation, 0.005% or more of Ti is added. A preferred lower limit is 0.007%. On the other hand, if Ti is excessive, coarse TiN is generated and toughness deteriorates, so the upper limit is made 0.015%. A preferable upper limit is 0.012%.

Nは、Tiと結合して、微細な窒化物を形成する元素である。母材の結晶粒の微細化や、ピンニング効果による熱影響部における粒径の粗大化の抑制や、粒内変態による粒径の微細化によって、溶融金属部及び熱影響部の靭性を向上させるため、0.0020%以上添加する。好ましい下限は0.0030%である。   N is an element that combines with Ti to form fine nitrides. To improve the toughness of the molten metal part and heat-affected zone by refining the crystal grains of the base metal, suppressing the coarsening of the grain size in the heat-affected zone due to the pinning effect, and reducing the grain size due to intragranular transformation 0.0020% or more is added. A preferred lower limit is 0.0030%.

一方、N量が過剰であると、溶融金属部及び熱影響部の靭性に悪影響を及ぼすので、上限を0.0060%とする。好ましい上限は0.0050%である。   On the other hand, if the amount of N is excessive, it adversely affects the toughness of the molten metal part and the heat affected zone, so the upper limit is made 0.0060%. A preferable upper limit is 0.0050%.

Oは、Mg含有微細酸化物を生成する元素であり、0.0010%以上とする。電子ビーム溶接によって形成される溶融金属部のO量は、母材のO量より少ないので、下限は0.0015%が好ましい。さらに好ましくは0.0020%である。しかし、O量が過剰であると、酸化物が粗大になり、破壊の起点となるので、上限を0.0045%とする。   O is an element that generates a Mg-containing fine oxide, and is set to 0.0010% or more. Since the O amount of the molten metal portion formed by electron beam welding is smaller than the O amount of the base material, the lower limit is preferably 0.0015%. More preferably, it is 0.0020%. However, if the amount of O is excessive, the oxide becomes coarse and becomes the starting point of destruction, so the upper limit is made 0.0045%.

Mgは、本発明では極めて重要な元素である。Mgは、Mg含有微細酸化物を形成し、粒内変態の促進に寄与する。Mg含有微細酸化物をピンニング粒子として利用するために、0.0003%以上添加する。また、粒内変態を促進させるために、0.0005%以上添加することが好ましい。   Mg is an extremely important element in the present invention. Mg forms a Mg-containing fine oxide and contributes to the promotion of intragranular transformation. In order to use the Mg-containing fine oxide as pinning particles, 0.0003% or more is added. In order to promote intragranular transformation, 0.0005% or more is preferably added.

一方、Mgが0.0027%を超えると、粗大な酸化物が生成して、母材及び熱影響部の靱性が低下するので、上限を0.0027%とする。好ましい上限は0.0025%である。   On the other hand, if Mg exceeds 0.0027%, a coarse oxide is generated and the toughness of the base material and the heat-affected zone decreases, so the upper limit is made 0.0027%. A preferred upper limit is 0.0025%.

Caは、強力な脱酸元素であり、Mg酸化物の粗大化を抑制して、Mg含有微細酸化物を確保するため、0.0003%以上を添加する。また、Caは、CaSを生成し、圧延方向に伸長するMnSの生成を抑制する。鋼材の板厚方向の特性、特に、耐ラメラティアー性を改善するために、0.0005%以上添加することが好ましい。   Ca is a strong deoxidizing element, and 0.0003% or more is added in order to suppress the coarsening of the Mg oxide and secure the Mg-containing fine oxide. Moreover, Ca produces | generates CaS and suppresses the production | generation of MnS extended | stretched in a rolling direction. In order to improve the properties in the plate thickness direction of the steel material, particularly lamellar resistance, it is preferable to add 0.0005% or more.

一方、Caが0.0027%を超えると、粗大な酸化物が生成し、母材及び熱影響部の靱性が低下するので、上限を0.0027%とする。好ましい上限は0.0025%である。   On the other hand, if Ca exceeds 0.0027%, a coarse oxide is generated, and the toughness of the base material and the heat-affected zone decreases, so the upper limit is made 0.0027%. A preferred upper limit is 0.0025%.

本発明では、Caの添加によって脱酸を強化し、Mg酸化物の粗大化を抑制するため、Ca及びMgを同時に添加する。即ち、CaはMgよりも優先的に酸化物を形成するので、Mg酸化物の粗大化が抑制されて、Mg含有微細酸化物の生成が促進される。Mg含有微細酸化物は、ピンニング粒子及び粒内変態核として機能し、また、TiNの生成核にもなる。本発明では、旧オーステナイト粒内のフェライトの核生成を補強し、旧オーステナイト粒内組織の微細化を図り、粗大オーステナイトの生成を抑制するため、Mg及びCaを、合計で0.0006%以上添加する。   In the present invention, Ca and Mg are added simultaneously in order to strengthen deoxidation by adding Ca and suppress the coarsening of Mg oxide. That is, since Ca forms an oxide preferentially over Mg, the coarsening of the Mg oxide is suppressed, and the production of the Mg-containing fine oxide is promoted. The Mg-containing fine oxide functions as pinning particles and intragranular transformation nuclei, and also serves as a TiN production nucleus. In the present invention, Mg and Ca are added in a total amount of 0.0006% or more in order to reinforce the nucleation of ferrite in the prior austenite grains, refine the structure in the prior austenite grains, and suppress the formation of coarse austenite. To do.

一方、Mg及びCaの合計量が過剰であると、酸化物が凝集し、粗大化して、母材及び熱影響部の靭性に悪影響を及ぼすので、合計量の上限を0.0040%とする。合計量の好ましい上限は0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%である。   On the other hand, if the total amount of Mg and Ca is excessive, the oxides aggregate and coarsen, adversely affecting the toughness of the base material and the heat-affected zone, so the upper limit of the total amount is set to 0.0040%. The upper limit with preferable total amount is 0.0030%, More preferably, it is 0.0025%.

本発明の鋼材は、さらに、Al、Nb、及び/又は、Vを、以下の理由で、一定限度内で含有してもよい。   The steel material of the present invention may further contain Al, Nb, and / or V within a certain limit for the following reason.

Alは、脱酸、及び、ミクロ組織の微細化で、母材の靭性を向上させる効果を有するので、必要に応じて、0.001%以上添加する。好ましくは0.003%以上添加する。ただし、Al酸化物は、フェライト変態核生成能力が小さく、粒内変態にほとんど寄与しないので、Alは0.015%以下とする。Al酸化物が粗大になると破壊の起点になるので、好ましい上限は0.012%であり、より好ましくは0.010%である。   Al has the effect of improving the toughness of the base material by deoxidation and refinement of the microstructure, so 0.001% or more is added as necessary. Preferably, 0.003% or more is added. However, since Al oxide has a small ferrite transformation nucleation ability and hardly contributes to intragranular transformation, Al is made 0.015% or less. When the Al oxide becomes coarse, it becomes a starting point of fracture, so the preferable upper limit is 0.012%, more preferably 0.010%.

Nbは、母材の焼入れ性を向上させて、強度を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて、0.001%以上添加する。好ましくは0.003%以上添加する。ただし、Nbを過剰に添加すると、溶融金属部及び熱影響部の靭性が低下するので、上限を0.020%とする。好ましい上限は0.012%であり、より好ましくは0.010%である。   Nb is an element effective for improving the hardenability of the base material and increasing the strength. If necessary, Nb is added in an amount of 0.001% or more. Preferably, 0.003% or more is added. However, if Nb is added excessively, the toughness of the molten metal portion and the heat-affected zone decreases, so the upper limit is made 0.020%. A preferable upper limit is 0.012%, and more preferably 0.010%.

Vは、少量の添加により、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める効果を有する元素であり、必要に応じて、0.005%以上添加する。好ましくは0.010%以上添加する。ただし、Vを過剰に添加すると、溶融金属部及び熱影響部の靭性が低下するので、上限を0.030%とする。好ましい上限は0.025%であり、より好ましくは0.020%である。   V is an element having an effect of enhancing hardenability and temper softening resistance by addition of a small amount, and is added in an amount of 0.005% or more as necessary. Preferably, 0.010% or more is added. However, if V is added excessively, the toughness of the molten metal part and the heat-affected zone decreases, so the upper limit is made 0.030%. A preferable upper limit is 0.025%, and more preferably 0.020%.

本発明の鋼材は、必要に応じ、さらに、Cr、Mo、Cu、及び、Niの1種又は2種以上を含有してもよい。これらの元素は靭性の向上に有効であるので、Cr、Mo、Cu、及び/又は、Niを、それぞれ、0.05%以上添加する。   The steel material of the present invention may further contain one or more of Cr, Mo, Cu, and Ni as necessary. Since these elements are effective in improving toughness, 0.05% or more of Cr, Mo, Cu, and / or Ni is added respectively.

しかし、Cr、Mo、Cu、及び、Niは、高価であるので、経済的観点から、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下、Cu:0.25%以下、Ni:0.50%以下とする。特に、Mn量を高めた本発明の鋼材では、これらの元素を過剰に添加すると、焼入れ性が高くなりすぎて、靭性のバランスを損なうことがある。したがって、好ましくは、Cr、Mo、Cu、及び/又は、Niの合計量を0.70%以下とする。さらに好ましくは0.50%以下とする。   However, since Cr, Mo, Cu, and Ni are expensive, from an economical viewpoint, Cr: 0.50% or less, Mo: 0.50% or less, Cu: 0.25% or less, Ni: 0 50% or less. In particular, in the steel material of the present invention in which the amount of Mn is increased, if these elements are added excessively, the hardenability becomes too high and the balance of toughness may be impaired. Therefore, Preferably, the total amount of Cr, Mo, Cu, and / or Ni is 0.70% or less. More preferably, it is 0.50% or less.

本発明の鋼材においては、上記成分組成のもとで、下記(1)式で定義する電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBを0.49〜0.60とする。   In the steel material of the present invention, the electron beam weld hardenability index CeEB defined by the following formula (1) is set to 0.49 to 0.60 based on the above component composition.

CeEB=C+9/40Mn+1/15Cu+1/15Ni
+1/5Cr+1/5Mo+1/5V ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、及び、Vは、それぞれ、鋼材成分の含有量(質量%)である。
CeEB = C + 9 / 40Mn + 1 / 15Cu + 1 / 15Ni
+ 1 / 5Cr + 1 / 5Mo + 1 / 5V (1)
Here, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, and V are content (mass%) of a steel material component, respectively.

電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBは、電子ビーム溶接に特有の溶融金属部におけるMn量の減少を考慮して焼入れ性を表示する指標である。CeEBが0.49未満であると、溶融金属部の焼入れ性が不足し、上部ベイナイトが生成して、溶接継手の破壊靭性が不十分になる。   The electron beam welding hardenability index CeEB is an index that displays the hardenability in consideration of the decrease in the amount of Mn in the molten metal part unique to electron beam welding. When CeEB is less than 0.49, the hardenability of the molten metal portion is insufficient, upper bainite is generated, and the fracture toughness of the welded joint becomes insufficient.

CeEBを0.50以上、好ましくは0.51以上にすると、破壊靱性が、さらに向上する。しかし、CeEBが0.60を超えると、熱影響部(HAZ)の破壊靭性が不十分になる。それ故、CeEBの上限は0.59が好ましく、より好ましくは0.58である。   When CeEB is 0.50 or more, preferably 0.51 or more, fracture toughness is further improved. However, when CeEB exceeds 0.60, the fracture toughness of the heat affected zone (HAZ) becomes insufficient. Therefore, the upper limit of CeEB is preferably 0.59, more preferably 0.58.

電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBに対するC量の比(C/CeEB)は、溶融金属部の焼入れ性と、熱影響部及び母材の焼入れ性のバランスを表示する指標であり、0.04〜0.18が好ましい。電子ビーム溶接では、Mnが蒸発して、溶融金属部のMn量が母材のMn量より少なくなるので、母材のC量を増加して、焼入れ性を確保することが好ましいが、C量が過剰になるとHAZに高炭素マルテンサイトが生成する。   The ratio of the amount of C to the electron beam welding hardenability index CeEB (C / CeEB) is an index that displays the balance between the hardenability of the molten metal part and the hardenability of the heat-affected zone and the base material, and is 0.04-0. .18 is preferred. In electron beam welding, Mn evaporates and the amount of Mn in the molten metal portion is smaller than the amount of Mn in the base material. Therefore, it is preferable to increase the amount of C in the base material to ensure hardenability. When the amount is excessive, high carbon martensite is generated in the HAZ.

C/CeEBが0.04未満であると、溶融金属部の焼入れ性が不足して、破壊靭性が低下するので、下限を0.04とする。好ましい下限は0.05である。一方、C/CeEBが0.18を超えると、熱影響部の破壊靭性が低下することがあるので、上限は0.18とする。好ましい上限は0.15であり、さらに好ましくは、0.10である。   If the C / CeEB is less than 0.04, the hardenability of the molten metal part is insufficient and the fracture toughness is lowered, so the lower limit is made 0.04. A preferred lower limit is 0.05. On the other hand, if C / CeEB exceeds 0.18, the fracture toughness of the heat-affected zone may decrease, so the upper limit is set to 0.18. A preferable upper limit is 0.15, and more preferably 0.10.

本発明の鋼材は、電子ビーム溶接で形成した溶接継手において、溶融金属部のCTOD値δWM、熱影響部のCTOD値δHAZ、及び、母材のCTOD値δBMが、下記(2)式と(3)式を同時に満足することが好ましい。
0.3≦δWM/δBM≦1.1 ・・・(2)
0.3≦δHAZ/δBM≦1.1 ・・・(3)
In the welded joint formed by electron beam welding, the steel material of the present invention has a CTOD value δ WM of the molten metal portion, a CTOD value δ HAZ of the heat affected zone , and a CTOD value δ BM of the base material expressed by the following formula (2): And (3) are preferably satisfied at the same time.
0.3 ≦ δ WM / δ BM ≦ 1.1 (2)
0.3 ≦ δ HAZ / δ BM ≦ 1.1 (3)

ただし、δWM、δHAZ、及び、δBMは、0℃で三点曲げCTOD試験を6回行ったときのCTOD値の最低値である。なお、δBM、δHAZ、及び、δWMのうち、δBMが最も大きくなるが、測定データのばらつきを考慮して、δWM/δBM、及び、δHAZ/δBMの上限を1.1とする。 However, (delta) WM , (delta) HAZ , and (delta) BM are the minimum values of CTOD value when a three-point bending CTOD test is performed 6 times at 0 degreeC. Of the δ BM , δ HAZ , and δ WM , δ BM is the largest. However, in consideration of variations in measurement data, the upper limit of δ WM / δ BM and δ HAZ / δ BM is 1. Set to 1.

δWM/δBM、及び、δHAZ/δBMが0.3未満になると、δWM、δHAZ、及び、δBMのバランスが極端に悪くなり、溶接部の破壊靱性が大きく低下するので、δWM/δBM、及び、δHAZ/δBMの下限は0.3とする。好ましい下限は0.4であり、より好ましくは0.5である。 When δ WM / δ BM and δ HAZ / δ BM are less than 0.3, the balance of δ WM , δ HAZ , and δ BM becomes extremely poor, and the fracture toughness of the weld is greatly reduced. The lower limit of δ WM / δ BM and δ HAZ / δ BM is 0.3. A preferred lower limit is 0.4, more preferably 0.5.

本発明のように、微細なMg含有酸化物を利用する鋼を電子ビーム溶接する場合は、HAZ、WMの破壊靭性を母材と同等にまで高めることは難しい。したがって、特に、母材の破壊靭性を高める必要がある場合、δWM/δBM、及び、δHAZ/δBMの好ましい上限は0.6であり、より好ましくは0.55である。 When electron beam welding is performed on steel using a fine Mg-containing oxide as in the present invention, it is difficult to increase the fracture toughness of HAZ and WM to the same level as the base material. Therefore, especially when it is necessary to increase the fracture toughness of the base material, the preferable upper limit of δ WM / δ BM and δ HAZ / δ BM is 0.6, more preferably 0.55.

即ち、本発明の鋼材によれば、電子ビーム溶接後の溶接継手における溶融金属部及び熱影響部の破壊靭性は、母材の破壊靱性と比較して劣化が少なく、各部の破壊靱性が適度にバランスした溶接継手を得ることができる。   That is, according to the steel material of the present invention, the fracture toughness of the molten metal part and the heat-affected zone in the welded joint after electron beam welding is less deteriorated than the fracture toughness of the base metal, and the fracture toughness of each part is moderate. A balanced weld joint can be obtained.

電子ビーム溶接は、簡易な設備で達成できる低真空度、例えば、10Pa以下の減圧下で行うことができる。真空度の下限は、設備の能力にもよるが、10-2Paが好ましい。溶接条件は、加速電圧130〜180V、ビーム電流100〜130mA、溶接速度100〜250mm/分の範囲内で、装置の性能や鋼材の板厚に応じて決定する。例えば、板厚80mmの場合、加速電圧175V、ビーム電流120mA、及び、溶接速度125mm/分程度が推奨される。 Electron beam welding can be performed under a low vacuum that can be achieved with simple equipment, for example, under a reduced pressure of 10 Pa or less. The lower limit of the degree of vacuum is preferably 10 −2 Pa, although it depends on the capacity of the equipment. The welding conditions are determined according to the performance of the apparatus and the thickness of the steel material within the ranges of acceleration voltage 130 to 180 V, beam current 100 to 130 mA, welding speed 100 to 250 mm / min. For example, when the plate thickness is 80 mm, an acceleration voltage of 175 V, a beam current of 120 mA, and a welding speed of about 125 mm / min are recommended.

次に、本発明の鋼材の製造方法について説明する。本発明の鋼材は、素材であるスラブ(鋼片)などの鋼材を加熱し、次いで、熱間圧延及び熱処理などの加工熱処理を施して製造される。鋼材(鋼片)の製造方法は、工業的には、連続鋳造法が好ましい。連続鋳造法によれば、鋳造後の冷却速度を高めて、生成する酸化物とTi窒化物を微細化することができるので、靭性向上の点から、連続鋳造法が好ましい。   Next, the manufacturing method of the steel material of this invention is demonstrated. The steel material of the present invention is manufactured by heating a steel material such as a slab (steel piece) as a raw material and then subjecting it to a heat treatment such as hot rolling and heat treatment. Industrially, the continuous casting method is preferable as the method for producing the steel material (steel piece). According to the continuous casting method, the cooling rate after casting can be increased and the generated oxide and Ti nitride can be made finer. Therefore, the continuous casting method is preferable from the viewpoint of improving toughness.

一般に、高Mn鋼は、炭素鋼や低合金鋼に比較して熱間加工性が劣るので、適正な条件で、加工熱処理を施す必要がある。本発明においては、まず、前記成分組成の鋼材(鋼片)を、950〜1150℃に加熱する。加熱温度が950℃未満であると、熱間圧延時の変形抵抗が大きくなり、生産性が低下する。一方、1150℃を超えて加熱すると、鋼材(鋼片)のTi窒化物が粗大化して、鋼材(母材)や熱影響部の靱性が低下することがある。   In general, high Mn steel is inferior in hot workability to carbon steel and low alloy steel, so it is necessary to perform thermomechanical treatment under appropriate conditions. In this invention, first, the steel material (steel piece) of the said component composition is heated to 950-1150 degreeC. When the heating temperature is less than 950 ° C., deformation resistance during hot rolling increases, and productivity decreases. On the other hand, when heating exceeds 1150 degreeC, Ti nitride of steel materials (steel piece) may coarsen and the toughness of steel materials (base material) and a heat affected zone may fall.

鋼材(鋼片)を950〜1150℃に加熱した後、加工熱処理を施す。加工熱処理は、鋼材の強度及び靱性を高めるのに有効で、例えば、(1)制御圧延(CR)、(2)制御圧延−加速冷却(ACC)、(3)圧延後直接焼入れ−焼戻し処理(QT)等の方法がある。本発明では、破壊靭性を向上の点で、(2)制御圧延−加速冷却、及び、(3)圧延後直接焼入れ−焼戻し処理が好ましい。   After the steel material (steel piece) is heated to 950 to 1150 ° C., it is subjected to thermomechanical treatment. The thermomechanical treatment is effective in increasing the strength and toughness of the steel material. For example, (1) controlled rolling (CR), (2) controlled rolling-accelerated cooling (ACC), (3) direct quenching-tempering after rolling ( There is a method such as QT). In the present invention, (2) controlled rolling-accelerated cooling and (3) direct quenching-tempering after rolling are preferable in terms of improving fracture toughness.

未再結晶温度域(約900℃以下)で行う制御圧延は、鋼材の組織を微細化し、強度及び靭性の向上に有効である。本発明では、加工フェライトの生成を防止するため、制御圧延を、Ar3変態点以上の温度で終了することが好ましい。 The controlled rolling performed in the non-recrystallization temperature range (about 900 ° C. or less) is effective in refining the structure of the steel material and improving the strength and toughness. In the present invention, in order to prevent the formation of processed ferrite, the controlled rolling is preferably finished at a temperature equal to or higher than the Ar 3 transformation point.

特に、制御圧延を行う場合、引き続き、加速冷却を行うと、ベイナイトやマルテンサイトなどの硬質相が生成して、強度が向上する。強度及び靭性を確保するためには、加速冷却の停止温度は400〜600℃が好ましい。圧延後の直接焼入れは、制御圧延の温度域より高温の温度域で熱間圧延を行った後、水冷等によって焼入れる方法である。この方法によれば、通常、強度が上昇するので、焼戻しを行って靭性を確保する。焼戻し温度は400〜600℃が好ましい。   In particular, when controlled rolling is performed, if accelerated cooling is subsequently performed, a hard phase such as bainite or martensite is generated and the strength is improved. In order to ensure strength and toughness, the stop temperature of accelerated cooling is preferably 400 to 600 ° C. The direct quenching after rolling is a method in which hot rolling is performed in a temperature range higher than the temperature range of controlled rolling, followed by quenching by water cooling or the like. According to this method, since the strength usually increases, tempering is performed to ensure toughness. The tempering temperature is preferably 400 to 600 ° C.

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。   Next, examples of the present invention will be described. The conditions in the examples are one example of conditions used for confirming the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is based on this one example of conditions. It is not limited. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.

表1及び表2に示す成分組成の鋼材を用いて、表3及び表4に示す条件により、鋼材を製造した。鋼材から試験片を採取し、引張試験及びCTOD試験を行い、母材の引張強度及び破壊靭性値を測定した。母材の強度は、板厚1/2部から圧延方向を長手方向として試験片を採取し、JIS Z 2241に基づいて測定した。なお、降伏応力が355〜420MPaであるものを良好と評価した。   Steel materials were produced under the conditions shown in Tables 3 and 4 using the steel materials having the component compositions shown in Tables 1 and 2. A test piece was collected from the steel material, subjected to a tensile test and a CTOD test, and the tensile strength and fracture toughness value of the base material were measured. The strength of the base material was measured on the basis of JIS Z 2241 by collecting test pieces from the 1/2 part of the plate thickness with the rolling direction as the longitudinal direction. In addition, the thing whose yield stress is 355-420 Mpa was evaluated as favorable.

鋼材に電子ビーム溶接を施し、I開先の突合せ溶接継手を作製した。電子ビーム溶接は、RPEBW法を採用し、1mbar程度の真空下で、電圧175V、電流120mA、溶接速度125mm/分程度の条件で行った。溶接ビード幅は3.0〜5.5mmである。   The steel material was subjected to electron beam welding to produce an I-groove butt weld joint. Electron beam welding was performed using the RPEBW method under conditions of a voltage of 175 V, a current of 120 mA, and a welding speed of about 125 mm / min under a vacuum of about 1 mbar. The weld bead width is 3.0 to 5.5 mm.

そして、溶接継手から、(a)板厚60mm未満の場合は、t(板厚)×2tの試験片、(b)板厚60mm以上の場合は、t(板厚)×tの試験片を、各6本採取した。試験片に、ノッチとして、50%疲労亀裂を、溶融金属部(WM)の中央、融合部(FL)、及び、母材(BM)の各位置に導入した。ノッチを導入した試験片を図6に示す。   Then, from the welded joint, (a) if the thickness is less than 60 mm, a test piece of t (plate thickness) × 2t, and (b) if the thickness is 60 mm or more, a test piece of t (plate thickness) × t. 6 samples were collected each. A 50% fatigue crack was introduced into the test piece as a notch at each position of the center of the molten metal part (WM), the fusion part (FL), and the base material (BM). The test piece which introduce | transduced the notch is shown in FIG.

なお、電子ビーム溶接では、熱影響部の幅が狭いので、融合部にノッチを導入した試験片を用いて、熱影響部のCTOD値δHAZを測定した。 In electron beam welding, since the width of the heat affected zone is narrow, the CTOD value δ HAZ of the heat affected zone was measured using a test piece in which a notch was introduced into the fused zone .

試験温度0℃で、CTOD試験を実施し、破壊靭性値δcを求めた。各ノッチ位置で、6本の最低値を、それぞれ、破壊靭性値δWM、δHAZ、δBMとした。表3及び表4には、溶接継手の溶融金属部(WM)のCTOD値δWM、熱影響部(HAZ)のCTOD値δHAZ、及び、母材(BM)のCTOD値δBMに基づくδEM/δBM、及び、δHAZ/δWMの値を示した。 A CTOD test was conducted at a test temperature of 0 ° C. to determine a fracture toughness value δc. At each notch position, the six minimum values were designated as fracture toughness values δ WM , δ HAZ , and δ BM , respectively. Table 3 and Table 4, CTOD value [delta] WM of the molten metal portion of the welded joint (WM), CTOD value [delta] HAZ heat affected zone (HAZ), and, based on the CTOD value [delta] BM of the base material (BM) [delta] The values of EM / δ BM and δ HAZ / δ WM are shown.

Figure 2011246806
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表1及び表3に示すように、発明例の鋼材No.1〜30は、成分組成、CeEB、C/CeEBが、いずれも、本発明の範囲内にあり、母材(BM)、熱影響部(HAZ)、及び、溶融金属部(WM)のδcの比、δHAZ/δBM、及び、δWM/δBMは十分な値を示している。 As shown in Tables 1 and 3, the steel material No. 1-30, the component composition, CeEB, and C / CeEB are all within the scope of the present invention, and δc of the base material (BM), the heat affected zone (HAZ), and the molten metal portion (WM) The ratios, δ HAZ / δ BM , and δ WM / δ BM show sufficient values.

これに対し、表2及び表4に示すように、鋼材No.31は、C量が少なく、Mn量が多く、また、CeEB値が高く、C/CeEBが低いため、熱影響部(HAZ)と溶融金属部(WM)のCTOD値は低く、δHAZ/δBMとδWM/δBMは十分な値を示していない。 On the other hand, as shown in Table 2 and Table 4, the steel material No. No. 31 has a small amount of C, a large amount of Mn, a high CeEB value, and a low C / CeEB. Therefore, the CTOD values of the heat affected zone (HAZ) and the molten metal portion (WM) are low, and δ HAZ / δ BM and δ WM / δ BM do not show sufficient values.

鋼材No.32は、C量が多く、C/CeEBが高いため、熱影響部(HAZ)と溶融金属部(WM)のCTOD値が低く、δHAZ/δBMとδWM/δBMの値は不十分である。鋼材No.34は、Mn量が少なく、CeEBが低いため、母材(BM)の強度が低く、さらに、溶融金属部(WM)の焼入れ性が不足して、溶融金属部(WM)のCTOD値が低下し、δWM/δBMの値が不十分である。 Steel No. 32 has a large amount of C and a high C / CeEB, so the CTOD values of the heat affected zone (HAZ) and the molten metal zone (WM) are low, and the values of δ HAZ / δ BM and δ WM / δ BM are insufficient. It is. Steel No. No. 34 has low Mn content and low CeEB, so the strength of the base metal (BM) is low, the hardenability of the molten metal part (WM) is insufficient, and the CTOD value of the molten metal part (WM) decreases. However, the value of δ WM / δ BM is insufficient.

鋼材No.33は、Si量が多いため、脆化相の生成が多く、熱影響部(HAZ)のCTOD値が低く、δHAZ/δBMの値が不十分である。鋼材No.35は、Mn量が多く、CeEBが高いため、熱影響部(HAZ)のCTOD値が低くなり、δHAZ/δBMの値が不十分である。 Steel No. No. 33 has a large amount of Si, so that a brittle phase is often generated, the CTOD value of the heat affected zone (HAZ) is low, and the value of δ HAZ / δ BM is insufficient. Steel No. No. 35 has a large amount of Mn and a high CeEB, so the CTOD value of the heat affected zone (HAZ) is low and the value of δ HAZ / δ BM is insufficient.

鋼材No.36及びNo.37は、それぞれ、P量及びS量が多いため、熱影響部(HAZ)と溶融金属部(WM)のCTOD値が低く、δHAZ/δBMとδWM/δBMの値が不十分である。鋼材No.38、No.39、及び、No.40は、それぞれ、Ti量、Nb量、V量が多いため、熱影響部(HAZ)と溶融金属部(WM)のCTOD値が低く、δHAZ/δBMとδWM/δBMの値が不十分である。 Steel No. 36 and no. 37 has a large amount of P and S, respectively, so the CTOD values of the heat affected zone (HAZ) and the molten metal portion (WM) are low, and the values of δ HAZ / δ BM and δ WM / δ BM are insufficient. is there. Steel No. 38, no. 39 and no. 40 has a large amount of Ti, Nb, and V, respectively, so the CTOD values of the heat affected zone (HAZ) and the molten metal zone (WM) are low, and the values of δ HAZ / δ BM and δ WM / δ BM are It is insufficient.

鋼材No.47は、N量が多く、粗大な窒化物が生じたため、熱影響部(HAZ)と溶融金属部(WM)のCTOD値が低く、δHAZ/δBMとδWM/δBMの値が不十分である。 Steel No. In No. 47, the amount of N was large and coarse nitrides were formed, so the CTOD values of the heat affected zone (HAZ) and the molten metal zone (WM) were low, and the values of δ HAZ / δ BM and δ WM / δ BM were not good. It is enough.

鋼材No.41は、Mg量が少なく、鋼材No.44は、Ca量が多く、鋼材No.46は、Al量が多く、鋼材No.48は、O量が少ないため、微細なMg含有酸化物の効果が得られず、熱影響部(HAZ)と溶融金属部(WM)のCTOD値が低下し、δHAZ/δBMとδWM/δBMの値が不十分である。 Steel No. No. 41 has a small amount of Mg and steel No. 41. No. 44 has a large amount of Ca. No. 46 has a large amount of Al. 48, since the amount of O is small, the effect of the fine Mg-containing oxide cannot be obtained, the CTOD values of the heat affected zone (HAZ) and the molten metal zone (WM) are lowered, and δ HAZ / δ BM and δ WM The value of / δ BM is insufficient.

鋼材No.42は、Ca量が少なく、鋼材No.43は、Mg量が多く、鋼材No.45は、MgとCaの合計量が多く、鋼材No.49は、O量が多いため、粗大な酸化物が生成し、熱影響部(HAZ)と溶融金属部(WM)のCTOD値が低下し、δHAZ/δBMとδWM/δBMの値が不十分である。 Steel No. No. 42 has a small amount of Ca and steel No. 42. No. 43 has a large amount of Mg. No. 45 has a large total amount of Mg and Ca. No. 49 has a large amount of O, so a coarse oxide is produced, and the CTOD values of the heat affected zone (HAZ) and the molten metal zone (WM) are lowered, and values of δ HAZ / δ BM and δ WM / δ BM are obtained. Is insufficient.

鋼材No.50〜No.53の成分組成は本発明の範囲内であるが、鋼材No.50は、CeEBが低く、鋼材No.51は、C/CeEBが低いため、溶融金属部(WM)の焼入れ性が不足し、溶融金属部のCTOD値が低下し、δWM/δBMの値が不十分である。鋼材No.52は、CeEBが高く、鋼材No.53は、C/CeEBが高いため、熱影響部のCTOD値が低く、δHAZ/δBMの値が不十分である。 Steel No. 50-No. The component composition of 53 is within the scope of the present invention. No. 50 has a low CeEB, and steel material No. No. 51 has a low C / CeEB, so that the hardenability of the molten metal part (WM) is insufficient, the CTOD value of the molten metal part is lowered, and the value of δ WM / δ BM is insufficient. Steel No. No. 52 has a high CeEB and steel No. 53 has a high C / CeEB, the CTOD value of the heat affected zone is low, and the value of δ HAZ / δ BM is insufficient.

本発明によれば、降伏強度355MPa級の鋼材の電子ビーム溶接継手の溶融金属部及び熱影響部において、母材の破壊靭性に比較して、破壊靱性の劣化が少ないので、各部の破壊靱性が適度にバランスした電子ビーム溶接継手と、該溶接継手を形成でき、洋上風力発電用鉄塔の基礎部分を建設に適した鋼材を安価に提供することができる。よって、本発明は、大型鋼構造物建設産業において利用可能性が高いものである。   According to the present invention, in the molten metal part and heat-affected zone of the electron beam welded joint of a steel material with a yield strength of 355 MPa class, the fracture toughness is less deteriorated compared to the fracture toughness of the base metal. A moderately balanced electron beam welded joint and the welded joint can be formed, and a steel material suitable for construction of the foundation portion of the offshore wind power generation tower can be provided at low cost. Therefore, the present invention has high applicability in the large steel structure construction industry.

Claims (10)

鋼材の被溶接部に電子ビームを照射して形成する電子ビーム溶接継手であって、該鋼材が、質量%で、C:0.02〜0.1%、Si:0.05〜0.30%、Mn:1.5〜2.5%、P:0.015%以下、S:0.010%以下、Ti:0.005〜0.015%、N:0.0020〜0.0060%、O:0.0010〜0.0045%を含有し、かつ、Mg:0.0003〜0.0027%、及び、Ca:0.0003〜0.0027%を、
0.0006%≦Mg+Ca≦0.0040%
を満足するように含有し、Al、Nb、及び/又は、Vを、Al:0.015%以下、Nb:0.020%以下、V:0.030%以下に制限し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、さらに、下記(1)式で定義する電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBが0.49〜0.60であることを特徴とする電子ビーム溶接継手。
CeEB=C+9/40Mn+1/15Cu+1/15Ni
+1/5Cr+1/5Mo+1/5V ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、及び、Vは、それぞれ、鋼材成分の含有量(質量%)である。
An electron beam welded joint formed by irradiating a welded portion of a steel material with an electron beam, the steel material being in mass%, C: 0.02 to 0.1%, Si: 0.05 to 0.30 %, Mn: 1.5 to 2.5%, P: 0.015% or less, S: 0.010% or less, Ti: 0.005 to 0.015%, N: 0.0020 to 0.0060% , O: 0.0010 to 0.0045%, and Mg: 0.0003 to 0.0027% and Ca: 0.0003 to 0.0027%,
0.0006% ≦ Mg + Ca ≦ 0.0040%
Al, Nb, and / or V is limited to Al: 0.015% or less, Nb: 0.020% or less, V: 0.030% or less, with the balance being iron and An electron beam welded joint comprising an inevitable impurity and further having an electron beam weld hardenability index CeEB defined by the following formula (1) of 0.49 to 0.60.
CeEB = C + 9 / 40Mn + 1 / 15Cu + 1 / 15Ni
+ 1 / 5Cr + 1 / 5Mo + 1 / 5V (1)
Here, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, and V are content (mass%) of a steel material component, respectively.
前記電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBに対するC量の比(C/CeEB)が0.04〜0.18であることを特徴とする請求項1に記載の電子ビーム溶接継手。   2. The electron beam welded joint according to claim 1, wherein a ratio (C / CeEB) of a C amount to the electron beam weld hardenability index CeEB is 0.04 to 0.18. 前記鋼材が、さらに、質量%で、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下、Cu:0.25%以下、Ni:0.50%以下の1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電子ビーム溶接継手。   The steel material further contains one or more of Cr: 0.50% or less, Mo: 0.50% or less, Cu: 0.25% or less, and Ni: 0.50% or less in mass%. The electron beam welded joint according to claim 1 or 2, characterized in that: 前記鋼材の厚さが45〜150mmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子ビーム溶接継手。   The electron beam welded joint according to any one of claims 1 to 3, wherein the steel material has a thickness of 45 to 150 mm. 前記電子ビーム溶接継手において、10Pa以下の真空度で溶接した後の溶融金属部のCTOD値δWM、熱影響部のCTOD値δHAZ、及び、母材のCTOD値δBMが、下記(2)式と(3)式を満足することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電子ビーム溶接継手。
0.3≦δWM/δBM≦1.1 ・・・(2)
0.3≦δHAZ/δBM≦1.1 ・・・(3)
ただし、δWM、δHAZ、及び、δBMは、0℃で三点曲げCTOD試験を6回行ったときのCTOD値の最低値である。
In the electron beam welded joint, the CTOD value δ WM of the molten metal portion after welding at a vacuum degree of 10 Pa or less, the CTOD value δ HAZ of the heat affected zone , and the CTOD value δ BM of the base material are the following (2) The electron beam welded joint according to any one of claims 1 to 4, wherein the expression (3) is satisfied.
0.3 ≦ δ WM / δ BM ≦ 1.1 (2)
0.3 ≦ δ HAZ / δ BM ≦ 1.1 (3)
However, (delta) WM , (delta) HAZ , and (delta) BM are the minimum values of CTOD value when a three-point bending CTOD test is performed 6 times at 0 degreeC.
請求項1に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材であって、質量%で、C:0.02〜0.1%、Si:0.05〜0.30%、Mn:1.5〜2.5%、P:0.015%以下、S:0.010%以下、Ti:0.005〜0.015%、N:0.0020〜0.0060%、O:0.0010〜0.0045%を含有し、かつ、Mg:0.0003〜0.0027%、及び、Ca:0.0003〜0.0027%を、
0.0006%≦Mg+Ca≦0.0040%
を満足するように含有し、Al、Nb、及び/又は、Vを、Al:0.015%以下、Nb:0.020%以下、V:0.030%以下に制限し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、さらに、下記(1)式で定義する電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBが0.49〜0.60であることを特徴とする電子ビーム溶接用鋼材。
CeEB=C+9/40Mn+1/15Cu+1/15Ni
+1/5Cr+1/5Mo+1/5V ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、及び、Vは、それぞれ、鋼材成分の含有量(質量%)である。
It is a steel material which forms the electron beam welding joint of Claim 1, Comprising: By mass%, C: 0.02-0.1%, Si: 0.05-0.30%, Mn: 1.5- 2.5%, P: 0.015% or less, S: 0.010% or less, Ti: 0.005-0.015%, N: 0.0020-0.0060%, O: 0.0010-0 .0045% and Mg: 0.0003-0.0027% and Ca: 0.0003-0.0027%,
0.0006% ≦ Mg + Ca ≦ 0.0040%
Al, Nb, and / or V is limited to Al: 0.015% or less, Nb: 0.020% or less, V: 0.030% or less, with the balance being iron and A steel material for electron beam welding comprising an inevitable impurity and further having an electron beam welding hardenability index CeEB defined by the following formula (1) of 0.49 to 0.60.
CeEB = C + 9 / 40Mn + 1 / 15Cu + 1 / 15Ni
+ 1 / 5Cr + 1 / 5Mo + 1 / 5V (1)
Here, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, and V are content (mass%) of a steel material component, respectively.
請求項2に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材であって、前記電子ビーム溶接焼入れ性指標CeEBに対するC量の比(C/CeEB)が0.04〜0.18であることを特徴とする請求項6に記載の電子ビーム溶接継手用鋼材。   A steel material for forming an electron beam weld joint according to claim 2, wherein a ratio of C amount to the electron beam weld hardenability index CeEB (C / CeEB) is 0.04 to 0.18. The steel material for an electron beam welded joint according to claim 6. 請求項3に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材であって、さらに、質量%で、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下、Cu:0.25%以下、及び、Ni:0.50%以下の1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項6又は7に記載の電子ビーム溶接継手用鋼材。   It is a steel material which forms the electron beam welded joint according to claim 3, and further, in mass%, Cr: 0.50% or less, Mo: 0.50% or less, Cu: 0.25% or less, and Ni: 0.50% or less of 1 type or 2 types or more, The steel material for electron beam welded joints of Claim 6 or 7 characterized by the above-mentioned. 請求項4に記載の電子ビーム溶接継手を形成する鋼材の厚さが45〜150mmであることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の電子ビーム溶接継手用鋼材。   The steel material for the electron beam welded joint according to any one of claims 6 to 8, wherein the steel material forming the electron beam welded joint according to claim 4 has a thickness of 45 to 150 mm. 請求項6〜9のいずれか1項に記載の電子ビーム溶接用鋼材の製造方法であって、請求項6〜8のいずれか1項に記載の成分組成を有する鋼材を、950〜1150℃に加熱し、その後、加工熱処理を施すことを特徴とする電子ビーム溶接用鋼材の製造方法。   It is a manufacturing method of the steel materials for electron beam welding of any one of Claims 6-9, Comprising: The steel materials which have the component composition of any one of Claims 6-8 are made into 950-1150 degreeC. A method for producing a steel material for electron beam welding, characterized by heating and then performing a heat treatment.
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