JP2012233231A - 溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材の提供
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．２％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｃｕ：０．１０〜０．６０％、Ｎｉ：０．１０〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０４０％、Ｎ：０．００７％以下、Ａｌ：０．００１〜０．００５％以下、Ｔｉ：０．０１０〜０．０３０％およびＳ：０．００２〜０．００７％を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなり、かつ下記（１）式の関係を満足する化学組成を有することを特徴とする溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材。
Ｔｉ／Ａｌ≧１０ （１）
ただし、（１）式中の、各元素記号は、その元素の含有量（質量％）を意味する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材に関するものである。

一般に鋼材を溶接すると、その熱履歴により、溶接金属に接する母材部分（溶接熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）。以下、「ＨＡＺ」と呼ぶ。）では結晶粒が粗大化する。その結果、結晶粒内に脆化組織が形成され、溶接構造物としての性能を低下させる。これまでにＨＡＺの低温靱性を高めるべく数多くの試みがなされている。例えば、酸化物粒子、窒化物粒子または硫化物粒子を鋼中に微細分散させることにより、結晶粒の粗大化を抑制し、また、結晶粒内組織の微細化をすることが行われている。

例えば、特許文献１には、鋼中にＭｇ系複合酸化物を分散させ、溶接時のＨＡＺの粒内フェライトの生成促進効果による結晶粒内組織の微細化および酸化物のピニング効果による結晶粒粗大化抑制によりＨＡＺ部が実質上微細化され、ＨＡＺ靭性が改善される鋼材が示されている。特許文献２には、粒内フェライトの生成核となる酸化物の微細分散化を図る目的でＴｉとＺｒの複合酸化物を含んだ鋼材が示されている。また、特許文献３には、粒内フェライトの生成核となる酸化物の分散密度をある値以上に高めることで粒内フェライトの生成を促進した鋼材が示されている。特許文献４には、ＴｉＮによるピニング効果による結晶粒粗大化抑制およびＭｎＳを核とした粒内フェライト生成促進による結晶粒内組織の微細化した鋼材が示されている。

特開２０００−１１９７９７号公報 特開平１−１５９３５６号公報 特開平５−４３９７７号公報 特開２００９−１７４０５９号公報

上記の特許文献に記載されるように、結晶粒内組織の微細化のために、粒内フェライトの生成促進が必要であること、そして、粒内フェライトの生成を促進させるために、主に生成核の組成および分散状態について、様々な検討がなされてきた。一般に、フェライトは粒界から優先して生成する。よって結晶粒径が小さくなると、母材のマトリクス中に占める粒界の割合は増加するためフェライトは粒界から生成しやすくなり、結果として粒内フェライトは生成し難くなる。つまり粒内フェライトの生成頻度と結晶粒径の間には相関があることが予想される。

本発明はＡｌ、ＴｉおよびＳの含有量を制御することにより結晶粒径を制御し、粒内フェライトの生成を促進することにより結晶粒内組織を微細化して、ＨＡＺ部の低温靭性を飛躍的に高める技術を提供しようとするものである。

低合金鋼のＨＡＺ靭性を向上させる方法としては、（１）結晶粒の粗大化抑制、（２）結晶粒内組織の微細化、（３）高炭素島状マルテンサイト、上部ベイナイトなどの硬化相の生成抑制などが挙げられる。本発明者らは、特に、結晶粒径と粒内フェライト生成頻度の相関に着目して、結晶粒径を制御することにより結晶粒内組織を微細化する方法を検討した。その結果、Ｔｉ系酸化物を生成させた状態でＳ量を制御することによりＨＡＺの結晶粒径が変化し、粒内フェライトの生成頻度が変化することを見出した。

本発明者らは、さらなる研究を重ね、Ｔｉ系酸化物の生成促進には母材中のＴｉおよびＡｌの含有量を調整するだけでは足りず、Ｔｉ／Ａｌ比を調整することが特に重要であることを見出した。これは、下記の理由によるものと考えられる。

粒内フェライトはＴｉ系酸化物を核として生成する傾向があるので、母材中にある程度Ｔｉを含有させる必要がある。しかし、母材中のＴｉ含有量が過剰な場合、固溶Ｔｉが増加してＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼす。一方、ＴｉおよびＡｌは、ともに脱酸剤として添加される元素であるが、ＴｉよりもＡｌの方が酸素と結合しやすい元素である。このため、Ｔｉに対するＡｌの量が過剰な場合、より具体的には、Ｔｉ／Ａｌ＜１０となる場合にはＡｌ系酸化物が優先して生成され、Ｔｉ系酸化物が生成し難くなる。

これらの知見をもとに検討した結果、Ｔｉ系酸化物の生成促進のためには、Ｔｉ含有量は０．０１０〜０．０３０質量％の範囲、Ａｌ含有量は０．００１〜０．００５質量％の範囲とし、しかも、Ｔｉ／Ａｌ比は１０以上とすることが重要であることが明らかとなった。

一方、フェライトは粒界から優先して生成するのが一般的である。結晶粒径が小さくなると、母材のマトリクス中に占める粒界の割合が増加するため、粒界から生成するフェライトが多くなり、結果として粒内フェライトは生成し難くなる。従って、粒内フェライトの生成を促進させるためには、ある程度の結晶粒径を確保し、母材のマトリクス中に占める粒界の割合を小さくする必要がある。

ここで、本発明者らは鋭意研究を重ね、結晶粒径の制御に母材中のＳ含有量が関係することを突き止めた。すなわち、本発明者らによる数々の研究の結果、ＳはＭｎＳを形成し、適正量のＳを含有する母材を溶接した場合、ＭｎＳはＴｉ系酸化物上に生成しやすくなること、また、ＭｎＳはピニング粒子であるＴｉＮと複合析出しやすいことが明らかとなった。

具体的には、母材中のＳ含有量が過小な場合、溶接後の冷却過程でＭｎＳが生成しないため、母材のマトリクス中にそのままＴｉＮが分散し、分散したＴｉＮのピニング効果により結晶粒が大きくなるのが阻害される。一方、母材中のＳ含有量が過剰な場合、溶接後の冷却過程でＴｉ系酸化物上に優先してＭｎＳが生成するが、Ｔｉ系酸化物上に生成しきれなかったＭｎＳが母材のマトリクス中に分散する。その結果、溶接後の冷却過程で、母材のマトリクス中にＭｎＳとＴｉＮが複合析出し、この複合粒子のピニング効果により結晶粒が大きくなるのが阻害される。一方、母材中のＳ含有量を適正量に調整すれば、溶接後の冷却過程でＴｉ系酸化物上のみにＭｎＳが生成し、さらにＴｉＮがＭｎＳおよびＴｉ系酸化物と複合的に析出するため、母材のマトリクス中にはＴｉＮが生成しなくなる。従って、ピニング粒子が分散していない状態となるため、冷却後の結晶粒は大きくなりやすくなる。このようにＳ量に応じて結晶粒径は変化する。

これらの知見をもとに検討した結果、粒内フェライトの生成が促進される結晶粒径を得るためには、Ｓ含有量を０．００２〜０．００７質量％とすることが必要であることが明らかとなった。

本発明は、このような技術思想に基づいてなされたものであり、下記の（１）〜（３）に示す溶接熱影響部における低温靱性に優れた鋼材を要旨とする。

（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．２％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｃｕ：０．１０〜０．６０％、Ｎｉ：０．１０〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０４０％、Ｎ：０．００７％以下、Ａｌ：０．００１〜０．００５％以下、Ｔｉ：０．０１０〜０．０３０％およびＳ：０．００２〜０．００７％を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなり、かつ下記（１）式の関係を満足する化学組成を有する溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材。
Ｔｉ／Ａｌ≧１０ （１）
ただし、（１）式中の、各元素記号は、その元素の含有量（質量％）を意味する。

（２）さらに、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下およびＶ：０．１０％以下から選択される一種以上を含有する上記（１）の溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材。

（３）さらに、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００２０％を含有する上記（１）または（２）の溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材。

本発明によれば、適正な結晶粒径を維持し、粒内フェライトの生成を促進することができるので、溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材を提供することができる。本発明の鋼材は、特に、建築、造船、ラインパイプ、海洋構造物などの各種溶接構造物に用いるのに適している。

まず、鋼材の化学組成の範囲とその限定理由を述べる。以下、各元素についての％は、「質量％」を意味する。

Ｃ：０．０３〜０．１５％
Ｃは、強度を高めるために必須の元素であり、０．０３％以上含有させる必要がある。一方、０．１５％超えて含有させると、母材および溶接部の靭性が損なわれる。このため、Ｃの含有量は０．０３〜０．１５％とした。好ましい下限は、０．０３５％である。好ましい上限は、０．１０％である。

Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは、脱酸元素として有効な元素であり、また、鋼材の強度を確保するためにも必要な元素である。これらの効果を得るためにはその含有量を０．０５％以上とする必要がある。一方、その含有量が０．５０％を超えると、母材およびＨＡＺの靭性を著しく低下させる。よって、Ｓｉの含有量は０．０５〜０．５０％とした。好ましい下限は、０．１０％である。好ましい上限は、０．４５％である。

Ｍｎ：１．０〜２．２％
Ｍｎは、鋼材の強度および靭性を確保するために必須の元素である。その効果を得るためには１．０％以上含有させる。一方、その含有量が２．２％を超えると、溶接部の靭性が損なわれる。よって、Ｍｎの含有量は１．０〜２．２％とした。好ましい下限は、１．２％である。好ましい上限は、２．０％である。

Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、不純物として鋼中に存在し、鋼中でミクロ偏析し、母材およびＨＡＺ靭性を著しく低下させる元素である。よって、Ｐは、０．０２０％以下に制限することにした。好ましい上限は、０．０１５％である。

Ｃｕ：０．１０〜０．６０％
Ｃｕは、母材靭性を損なうことなく、母材強度を向上させる元素である。この効果を得るためには０．１０％以上含有させる。しかし、その含有量が０．６０％を超えると、鋼片加熱時または溶接時に割れが生じやすくなる。よって、Ｃｕの含有量は、０．１０〜０．６０％とした。好ましい下限は、０．１５％である。好ましい上限は、０．５０％である。

Ｎｉ：０．１０〜１．０％
Ｎｉは、ＨＡＺ靭性を損なうことなく、母材の強度および靭性を向上させる元素である。この効果を得るためには０．１０％以上含有させる。しかし、その含有量が１．０％を超えると、溶接性に悪影響を及ぼす。よって、Ｎｉの含有量は、０．１０〜１．０％とした。好ましい下限は、０．１５％である。好ましい上限は、０．８０％である。

Ｎｂ：０．００５〜０．０４０％
Ｎｂは、母材強度および靭性を向上させる元素である。この効果を得るためには０．００５％以上含有させる。しかし、その含有量が０．０４０％を超えると、母材およびＨＡＺの靭性に悪影響を及ぼす。よって、Ｎｂ含有量は、０．００５〜０．０４０％とした。好ましい下限は、０．０１０％である。好ましい上限は、０．０３５％である。

Ｎ：０．００７％以下
Ｎは、不純物として鋼中に存在し、母材およびＨＡＺの靭性を著しく低下させる元素である。よって、Ｎは、０．００７％以下に制限することにした。好ましい上限は、０．００５％である。

Ａｌ：０．００１〜０．００５％
Ａｌは、脱酸剤として利用される元素である。本発明のＡｌ含有量とは、酸可溶Ａｌ（所謂「ｓｏｌ．Ａｌ」）を指す。十分な脱酸を行って母材靱性を向上させるためには、Ａｌ含有量を０．００１％以上とする必要がある。しかし、Ａｌは、酸素と結合しやすく、その含有量が０．００５％を超えると、Ｔｉ系酸化物の生成を阻害する。よって、Ａｌ含有量は０．００１〜０．００５％とした。好ましい下限は、０．００２％である。好ましい上限は、０．００４％である。

Ｔｉ：０．０１０〜０．０３０％
Ｔｉは、鋼中で酸化物を形成する。Ｔｉ系酸化物は、粒内フェライトの生成核であり、粒内フェライトの生成を促進して結晶粒内の組織を微細化し、ＨＡＺ靭性を向上させる。この効果を得るためにはＴｉを０．０１０％以上含有させる。しかし、Ｔｉ含有量が０．０３０％を超えると、固溶Ｔｉ量が増加して、ＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼす。よって、Ｔｉの含有量は、０．０１０〜０．０３０％とした。Ｔｉの好ましい下限は０．０１５％である。好ましい上限は、０．０２５％である。

Ｔｉ／Ａｌ：１０以上
粒内フェライトはＴｉ系酸化物を核として生成する傾向があるので、母材中にある程度Ｔｉを含有させる必要がある。しかし、母材中のＴｉ含有量が過剰な場合、固溶Ｔｉが増加してＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼす。一方、ＴｉおよびＡｌは、ともに脱酸剤として添加される元素であるが、ＴｉよりもＡｌの方が酸素と結合しやすい元素である。このため、Ｔｉに対するＡｌの量が過剰な場合、より具体的には、Ｔｉ／Ａｌ＜１０となる場合にはＡｌ系酸化物が優先して生成され、Ｔｉ系酸化物が生成し難くなり、ＨＡＺ靱性に悪影響を及ぼす。このため、従って、Ｔｉ／Ａｌは、１０以上とする必要がある。Ｔｉ／Ａｌの値の上限は特に定めないが、３０以下が好ましく、２０以下がより好ましい。

Ｓ：０．００２〜０．００７％
Ｓは、溶接後の冷却過程で、ＭｎＳとして鋼中に析出する。このとき、ＭｎＳは、ピニング粒子であるＴｉＮと複合析出しやすい。すでに述べたように、本発明の鋼材は、溶接後の冷却過程でＴｉ系酸化物の近傍にＭｎＳを析出させ、さらにＴｉＮをＭｎＳと複合析出させることによって、必要な結晶粒径を維持するものである。そして、Ｓ含有量が過小な場合、溶接後の冷却過程で析出するＭｎＳが少なく、ＴｉＮが単独で鋼中に析出し、結晶粒が微細化する。一方、Ｓ含有量が過剰な場合、溶接後の冷却過程で析出するＭｎＳが、Ｔｉ系酸化物近傍のみならず、鋼中に分散して析出するため、ＭｎＳおよびＴｉＮの複合析出し、そのピンニング効果により、結晶粒が微細化する。このように、Ｓ含有量が過小な場合も過剰な場合も、粒内フェライトの生成を促進するのに十分な結晶粒が得られず、結晶粒内の組織の微細化が不十分となり、ＨＡＺ靱性を向上させることができない。よって、Ｓの含有量は、０．００２〜０．００７％とした。好ましい下限は、０．００３％である。好ましい上限は、０．００６％である。

本発明の鋼材は、上記の各元素を含み、残部はＦｅおよび不純物からなるものである。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。

本発明の鋼材には、Ｃｒ、Ｍｏ、ＶおよびＢの一種以上を、下記それぞれの範囲で含有させることができる。
Ｃｒ：２．０％以下
Ｃｒは、析出強化により母材強度を向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合には、焼入れ性を過度に上昇させ、母材靭性を低下させる。よって、Ｃｒを含有させる場合の含有量を２．０％とした。上記の効果は、０．１０％以上含有させた場合に顕著となる。より好ましい下限は、０．１５％である。好ましい上限は、１．０％である。

Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏは、焼入れ性を向上させると同時に、炭窒化物を形成して強度を改善するのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合には、母材靭性を低下させる。よって、Ｍｏを含有させる場合の含有量を０．５％とした。上記の効果は、０．１０％以上含有させた場合に顕著となる。より好ましい下限は、０．１５％である。好ましい上限は、０．４０％である。

Ｖ：０．１０％以下
Ｖは、炭化物および窒化物を形成し、母材強度を向上させる元素である。しかし、その含有量が過剰な場合には、母材靭性を低下させる。よって、Ｖを含有させる場合の含有量を０．１０％以下とした。上記の効果は、０．０１％以上含有させた場合に顕著となる。より好ましい上限は、０．０５％である。より好ましい下限は、０．０２％である。

Ｂ：０．０００５〜０．００２０％
Ｂは、固溶すると焼入れ性を増加させ、粒界フェライトの生成を抑制することでＨＡＺ靭性を向上させる元素である。ただし、下記式から求められるＣｅｑが０．４０を超える場合には、Ｂを含有させなくても十分な焼入れ性が得られる一方で、Ｂを含有させると母材およびＨＡＺの靭性を低下させるおそれがある。したがって、Ｂは、特に、Ｃｅｑが０．４０以下の場合に含有させるのが効果的である。上記の効果が顕著となるのは、その含有量が０．０００５％以上の場合である。一方、Ｂ含有量が０．００２０％を超える場合には、逆に靭性を低下させる。よって、Ｂを含有させる場合の含有量を０．０００５〜０．００２０％とした。好ましい下限は、０．０００７％である。好ましい上限は、０．００１５％である。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５
ただし、上記式中の、各元素記号は各元素の含有量（質量％）を意味する。

表１に示す化学組成を有する鋼を溶製し、圧延して厚さ２０ｍｍの鋼板を得た。得られた鋼板に、ＨＡＺの熱履歴を再現した熱処理を施した後、結晶粒径および−３０℃のシャルピー吸収エネルギー値を求めた。その結果を、表２に示す。

ＨＡＺ靭性および結晶粒径を調査するために、上記の鋼板から採取した縦、横各１１ｍｍ、長さ６０ｍｍの試験片素材を加熱炉に挿入し、１４００℃で５秒保持した後、冷却速度５℃／秒で冷却した。この冷却速度は入熱量１００ｋＪ／ｃｍの大入熱溶接にＨＡＺが受ける熱履歴に相当する条件である。このような熱履歴を加えた試験片について、光学顕微鏡でミクロ組織を調査して、結晶粒径を求めるとともに、該試験片からＪＩＳＺ２２４２に従い、Ｖノッチ標準試験片を採取し、衝撃試験に供した。

表２に示すように、本発明例１〜６は、いずれも優れた低温靭性を有している。これにたいして、比較例７は、Ａｌ含有量が本発明で規定される範囲を下回り、また、Ｔｉ／Ａｌが０．４８と低いため、粒内フェライトの生成核となるＴｉ系酸化物の生成量が少なくなり、結晶粒内組織が微細化されていないため、低温靭性が劣っている。比較例８は、Ａｌ含有量が本発明で規定される範囲を下回るため、粒界フェライトが生成して低温靭性は劣っている。

比較例９および１２は、Ｓ量が本発明で規定される範囲を下回り（比較例９は、さらにＴｉ／Ａｌが本発明で規定される範囲を下回る）、結晶粒が微細化されて粒内フェライトが生成されないため、低温靭性は劣っている。比較例１０は、Ｓ量が本発明で規定される範囲を上回り、結晶粒が微細化されて粒内フェライトが生成されないため、低温靭性は劣っている。比較例１１は、各元素の含有量は本発明で規定される範囲を満足するものの、Ｔｉ／Ａｌが４．０と低いため、Ｔｉ系酸化物が形成されにくく、粒内フェライトが生成しがたくなり、低温靭性は劣っている。

本発明によれば、適正な結晶粒径を維持し、粒内フェライトの生成を促進することができるので、溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材を提供することができる。本発明の鋼材は、特に、建築、造船、ラインパイプ、海洋構造物などの各種溶接構造物に用いるのに適している。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．２％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｃｕ：０．１０〜０．６０％、Ｎｉ：０．１０〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０４０％、Ｎ：０．００７％以下、Ａｌ：０．００１〜０．００５％以下、Ｔｉ：０．０１０〜０．０３０％およびＳ：０．００２〜０．００７％を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなり、かつ下記（１）式の関係を満足する化学組成を有することを特徴とする溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材。
   Ｔｉ／Ａｌ≧１０ （１）
   ただし、（１）式中の、各元素記号は、その元素の含有量（質量％）を意味する。
2. さらに、質量％で、
   Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下およびＶ：０．１０％以下から選択される一種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材。
3. さらに、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００２０％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接熱影響部における低温靭性に優れた鋼材。