JP2014058734A - 溶接熱影響部の靭性に優れた厚鋼板 - 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、2%<Ti<40%、5%<Al<30%、5%<Ca<40%、5%<REM<50%、2%<Zr<30%、1.0≦REM/Zrを満たす酸化物を含有し、酸化物のうち円相当径が2μm未満のもの300個/mm2以上、円相当径が2μm以上のものが100個/mm2以下、Ti窒化物のうち円相当径が1μm以上のものが7個/mm2以下、円相当径が20nm以上のものが1.0×106個/mm2以上存在し、関係式|da−df|/da≦0.35を満足する。
【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以上になると、粗大Ti窒化物が晶出する際の障壁エネルギーが低下し、粗大Ti窒化物の生成量が増加してしまう。また、酸化物の組成が、質量%で、2%<Ti<40%、5%<Al<30%、5%<Ca<40%、5%<REM<50%、2%<Zr<30%、1.0≦REM/Zrという範囲から外れると十分な粒内α生成が得られなくなる。尚、酸化物中のREM/Zr比(質量%)を1.5以上とすることで、溶鋼中において酸化物の表面に生成する粗大晶出Ti窒化物量が更に減少し、いっそう優れたHAZ靭性が実現される。
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、できるだけ少ないことが好ましい。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。
円相当径が1μm以上のTi窒化物の個数が7個/mm2を超えると、脆性破壊を助長し、HAZ靭性を劣化させてしまう。このようなTi窒化物は、直方体形状を有することに加えて、鋼に比べて著しく硬度が高いため、応力集中によりHAZ靭性を著しく劣化させるという特性を有する。よって、粗大Ti窒化物は粗大酸化物より厳密に制御する必要がある。
円相当径が20nm以上のTi窒化物が1.0×106個/mm2を下回ると、γ粒粗大化抑制に必要なTi窒化物粒子が確保されない。尚、円相当径20nm未満の極微細Ti窒化物粒子は、大入熱溶接時の高温加熱において、短時間で消失し、γ粒粗大化抑制に殆ど寄与しないため、特に制御は必要としない。
Ti窒化物粒子は、サイズが小さいものほどエネルギー的に不安定であり、具体的には、全粒子の平均サイズに比べ小さい粒子ほど、HAZ高温加熱時に消失しやすくなる。よって、平均サイズより大きい、或いは、平均サイズより小さくても、平均サイズに比較的近いサイズのTi窒化物粒子数が多いほど、γ粒粗大化抑制に寄与する実質的な粒子数は増加する。
上記した要件を満足する本発明の厚鋼板、すなわち、酸素を除く構成元素が、質量%で、2%<Ti<40%、5%<Al<30%、5%<Ca<40%、5%<REM<50%、2%<Zr<30%、1.0≦REM/Zrを満たす酸化物を含有し、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、含有されるTi窒化物のうち、円相当径が1μm以上のTi窒化物が7個/mm2以下、円相当径が20nm以上のTi窒化物が1.0×106個/mm2以上、存在し、更に、|da−df|/da≦0.35という関係式を満たす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。
溶存酸素量が0.002%を下回ると、粒内α生成の起点となる適切な組成を有する酸化物を必要量確保できなくなる。また、溶存酸素量が0.01%を超えると、円相当径が2μm以上の粗大酸化物が増加し、HAZ靭性を劣化させてしまう。
本発明で規定した酸化物は、粒内αの生成促進作用を有すると共に、粗大Ti窒化物の晶出起点として機能し難いという特徴を有する。特に、酸化物中のREM/Zr比(質量%)を1.0以上とするためには、強脱酸元素であるCaの添加に先立ち、REMまたはZrの酸化物形成反応を十分に進行させる必要がある。具体的には、REMまたはZrの添加からCa添加までの時間t1を5分以上に制御することで、所定の個数密度のREM/Zr≧1.0を満たす酸化物を得ることができる。REMまたはZrの添加からCa添加までの時間t1が10分未満であると、REM/Zr≧1.0を満たす酸化物が不足することになる。また、これに加えて、REM添加量[REM]とZr添加量[Zr]の質量比である[REM]/[Zr]を1.8以上かつt1を10分以上とすることで、REM/Zr≧1.5を満たす酸化物を、所定の個数密度で得ることができる。
鋳造時の1500〜1450℃における冷却時間t2が300秒を超えると、粗大な酸化物が増加する。或いは、凝固時の成分偏析により粗大Ti窒化物が晶出し、HAZ靭性が劣化することになる。
鋳造時における1300〜1200℃の温度範囲での冷却時間t3が680秒を超えると、|da−df|/da≦0.35という関係式を満たすことができない。その原因は、次の通りと考えることができる。
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、先に説明した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併せて要件とする。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、Tiの活量を向上させる元素であり、所定のTi窒化物形態を実現するために、適切に添加する必要がある。添加量が0.10%を下回ると、円相当径が20nm以上のTi窒化物の個数密度が1.0×106個/mm2を確保できなくなる。また、0.25%を上回ると、粗大なTi窒化物が生成しやすくなるのに加え、硬質なMA組織が形成されるようになり、所定のHAZ靭性が得られない。好ましい下限は0.12%、より好ましい下限は0.14%、好ましい上限は0.22%、より好ましい上限は0.20%である。
Mnは、鋼板の強度を確保するのに有用な元素である。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。HAZ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、HAZにおいて、旧オーステナイト粒界にMn硫化物を形成して、HAZ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。HAZ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、粒内αの起点となる酸化物を形成する元素である。その含有量が0.004%未満であると、所定の酸化物形態が得られなくなり、粒内変態が十分に促進されなくなるため、HAZ靭性が劣化する。一方、含有量が過剰であると、粗大酸化物が生成してHAZ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0.007%、好ましい上限は0.04%である。
Tiは、Ti窒化物を形成する元素であると共に、REM、Zr、Caに先立ち添加することによって、粒内αの生成促進作用を有する酸化物の微細分散が可能となる。所定のTi窒化物、酸化物形態を実現するためには、Tiを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Ti窒化物が多く晶出してHAZ靭性を劣化させるので、0.050%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0.035%、より好ましい上限は0.025%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する。これら酸化物は、Ti窒化物が複合析出することでより好適な粒内α生成サイトとなる。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0.0003%以上含有させる必要がある。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HAZ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。
Caは、Ti、REM、Zrの添加から10分以上後に添加することによって、粒内αの生成に有効で、且つ粗大Ti窒化物の晶出を抑制する酸化物を形成する。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HAZ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、微細なTi窒化物を形成することによって、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、粗大Ti窒化物の晶出が助長されるので0.010%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0.008%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、HAZ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、HAZ靭性を向上させる効果を有する。こうした効果は、含有量が増加するにつれて増大するが、効果的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。より好ましくは0.0010%以上、更に好ましくは0.0015%以上である。しかし、B含有量が過剰となると、旧オーステナイト粒界からの粗大ベイナイトバケットが促進され、HAZ靭性はかえって低下する。好ましい上限は0.0050%、より好ましい上限は0.0040%、更に好ましい上限は0.0035%である。
|da−df|/daは、HAZ高温加熱時のγ粒粗大化抑制に寄与するTi窒化物数と関連するパラメータである。0.35を超えると、γ粒の粗大化が十分抑制されず、所定のHAZ靭性が確保できない。好ましい上限は0.30、更に好ましい上限は0.25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、観察面積:0.048mm2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。EDXによる成分組成測定時の加速電圧は15kV、測定時間は100秒である。そして、円相当径が2μm未満となる酸化物の個数(N1、NA)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:0.06mm2、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。EDXによる成分組成測定時の加速電圧は15kV、測定時間は100秒である。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、光学顕微鏡を用いて倍率:200倍で20視野撮影し、の粗大Ti窒化物の個数をカウントし、1mm2相当の個数密度(N3)に換算して求めた。測定画像の面積は、1視野あたり0.148mm2、1試料あたり2.96mm2である。Ti窒化物の同定は形状および色に基づいて行い、角ばった形状且つ鮮やかなオレンジ色の介在物をTi窒化物と見なした。また、Ti窒化物の円相当径は解析ソフトにより算出した。尚、粗大Ti窒化物は、酸化物を起点として晶出することが多いが、その場合、内部の酸化物は円相当径の計測の対象から除外した。
各厚鋼板のt/4位置から試験片を切り出し、圧延方向および板厚方向に平行な断面からレプリカTEM試験片を作製し、透過型電子顕微鏡(TEM)で、観察倍率15000倍、観察視野6.84μm×8.05μmの条件で4視野観察したうえで、EDX(エネルギー分散型蛍光X線分析装置)によってTi、Nを含む粒子を判別してTi含有窒化物とした。更に画像解析によって、その視野中のTi含有窒化物の面積を測定し、円相当径に換算して20nm以上のTi含有窒化物の個数を計測し、1mm2あたりに換算して個数密度(N4)を求めた。加えて、得られたデータから、円相当径が20nm以上のTi窒化物の大きさを、円相当径が20nmものから小さい順に5nm置きの領域に区切って各領域毎の円相当径の範囲を(di−5)以上di未満とし、前記各領域内に存在するTi窒化物の個数密度が最多であった領域の前記diをdfとしたときの前記dfと、円相当径が20nm以上500nm未満のTi窒化物の平均円相当径daを求め、|da−df|/daを算出した。
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 2242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。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.03〜0.12%、Si:0.10〜0.25%、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:0.004〜0.05%、Ti:0.010〜0.050%、REM:0.0003〜0.02%、Zr:0.0003〜0.02%、Ca:0.0005〜0.010%、N:0.002〜0.010%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、2%<Ti<40%、5%<Al<30%、5%<Ca<40%、5%<REM<50%、2%<Zr<30%、1.0≦REM/Zrを満たす酸化物を含有し、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、
含有されるTi窒化物のうち、円相当径が1μm以上のTi窒化物が7個/mm2以下、円相当径が20nm以上のTi窒化物が1.0×106個/mm2以上、存在し、
更に、前記円相当径が20nm以上のTi窒化物の大きさを、円相当径が20nmのものから小さい順に5nm置きの領域に区切って各領域毎の円相当径の範囲を(di−5)以上di未満とし、前記各領域内に存在するTi窒化物の個数密度が最多であった領域の前記diをdfとしたときの前記dfと、
円相当径が20nm以上500nm未満のTi窒化物の平均円相当径daが、
|da−df|/da≦0.35という関係式を満たすことを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた厚鋼板。 - 更に、酸素を除く構成元素が、質量%で、2%<Ti<40%、5%<Al<30%、 5%<Ca<40%、5%<REM<50%、2%<Zr<30%、1.5≦REM/Zrを満たす酸化物が300個/mm2以上存在することを特徴とする請求項1記載の溶接熱影響部の靭性に優れた厚鋼板。
- 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または2記載の溶接熱影響部の靭性に優れた厚鋼板。
- 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3のいずれかに記載の溶接熱影響部の靭性に優れた厚鋼板。
- 更に、B:0.0005〜0.0050%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に優れた厚鋼板。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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