JP2017186594A - 低温用h形鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
C:0.03〜0.13%、
Mn:1.20〜2.80%、
Nb:0.010〜0.060%
を含有し、
Si:0.15%以下、
Ti:0.025%以下、
Al:0.060%以下、
N:0.0120%以下、
O:0.0035%以下
に制限し、残部がFe及び不可避不純物からなり、
下記式(1)によって求められるCEVが0.40超、0.55以下であり、
フランジの板厚の外側から1/4の位置かつフランジ幅の外側から1/6の位置での焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイトの一方又は両方の面積率の合計が90%以上、硬質相の面積率が10%以下であり、
有効結晶粒径が20μm以下、かつ、硬質相の粒径が10μm以下であり、
フランジの板厚が50mm超である
ことを特徴とする低温用H形鋼。
CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは、各元素の含有量[質量%]である。
[2]更に、質量%で、
V:0.08%以下、
Cu:0.40%以下、
Ni:0.70%以下、
Mo:0.10%以下、
Cr:0.20%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]に記載の低温用H形鋼。
[3]更に、質量%で、
REM:0.010%以下、
Ca:0.0050%以下
の一方又は両方を含有することを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の低温用H形鋼。
[4]上記[1]〜[3]の何れか1項に記載の低温用H形鋼の製造方法であって、上記[1]〜[3]の何れか1項に記載の成分からなる鋼片を1100〜1350℃に加熱して熱間圧延を施し、(Ar3−30)℃以上900℃以下の範囲内で前記熱間圧延を終了し、そのまま、フランジの内外面に、冷却速度が5℃/s超である加速冷却を施し、復熱による、フランジ幅の外側から1/6の位置での表面の最高到達温度が200℃以下になるように前記加速冷却を停止し、400〜650℃に加熱して焼戻すことを特徴とする低温用H形鋼の製造方法。
Cは、鋼の強化に有効な元素であり、C量の下限値を0.03%以上とする。C含有量は、0.04%以上であることが好ましく、より好ましくは0.05%以上とする。一方、C量が0.13%を超えると硬質相である島状マルテンサイト(MA)や疑似パーライトが増加し、母材や溶接熱影響部の靱性が低下する。したがって、C量の上限を0.13%以下とする。好ましくはC量を0.10%以下、より好ましくは0.08%未満とする。
Siは、脱酸元素であり、強度の向上にも寄与するが、Cと同様、硬質相を生成させる元素である。フランジの板厚が50mmを超える場合、冷却速度の低下に伴い硬質相が生成しやすくなり、Si量が0.15%を超えると、硬質相の生成によって母材及び溶接熱影響部の靭性が低下する。そのため、Si量の上限を0.15%とし、好ましくは0.10%以下、より好ましくは0.05%以下とする。Si量の下限は規定せず、0%でもよいが、Siは有用な脱酸元素であり、0.01%以上であってもよい。
Mnは、焼入れ性を高める元素であり、強度を確保し、有効結晶粒径を微細化させるために、1.20%以上を添加する。Mn量は好ましくは、1.60%以上、より好ましくは2.00%以上、更に好ましくは、2.20%以上とする。一方、2.80%を超えるMnを添加すると、介在物の増加等によって、母材及び溶接熱影響部の靱性を損なう。したがって、Mn量の上限を2.80%以下とする。Mn量は好ましくは、2.60%以下とする。
Nbは、焼入れ性を高め、再結晶の抑制や微細な析出物の生成によって有効結晶粒径を微細化させ、強度及び靭性を向上させる元素であり、0.010%以上を添加する。Nb含有量は好ましくは0.015%以上を添加する。一方、0.060%を超えるNbを添加すると、焼入れ性の向上に伴い硬質相の増加、硬さの上昇を引き起こし、特に靭性を低下させる。したがって、Nb量の上限を0.060%とする。より好ましくは0.040%以下とする。
Tiは、TiNを形成する元素であり、Ti量が0.025%を超えるとTiNが粗大化し、脆性破壊の起点となるため、上限を0.025%に制限する。好ましくはTi量を0.020%以下とする。Ti量の下限は0%でもよいが、微細なTiNは組織の微細化に寄与するため、0.005%以上であってもよい。
Alは、脱酸元素であるが、Al量が0.060%を超えると、介在物によって母材及び溶接熱影響部の靭性が低下するため、上限を0.060%とする。Al量は、0.050%以下が好ましく、より好ましくは0.040%以下、更に好ましくは0.030%以下とする。Al量の下限は規定せず、0%でもよいが、Alは有用な脱酸元素であり、0.010%以上であってもよい。
Nは、母材及び溶接熱影響部の靭性を低下させる元素である。N量が0.0120%を超えると、固溶Nや粗大な析出物の形成によって低温靭性を損なうため、上限を0.0120%以下とする。N量は好ましくは0.0100%以下、より好ましくは0.007%以下とする。一方、N量を0.0020%未満に低減しようとすると製鋼コストが高くなるため、N量の下限は0.0020%以上であってもよい。コストの観点からN量は0.0030%以上であってもよい。
Oは、不純物であり、酸化物の生成を抑制して靭性を確保するため、O量の上限を0.0035%以下に制限する。好ましくはO量を0.0030%以下とし、より好ましくは、HAZ靭性を向上させるために0.0025%以下とする。O量を0.0005%未満にしようとすると、製造コストが高くなるため、O量は0.0005%以上であってもよい。
CEVは、焼入れ性の指標であり、特にフランジ厚50mm超においては強度を確保するために高めることが好ましく、0.40超とする。好ましくは0.45以上とする。一方、CEVが0.55を超えると、特に溶接部の靱性が低下するため、0.55以下とする。CEVは、下記式(1)で求めることができる。下記式(1)において、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは、各元素の含有量[質量%]であり、選択的に添加されるCr、Moを含有しない場合は、これらの含有量を0としてCEVを求める。
Vは、窒化物(VN)を形成する元素であり、母材の強度を高めるために0.01%以上を含有させてもよい。好ましくはV量を0.02%以上、より好ましくは0.03%以上とする。一方、Vは高価な元素であるため、V量の上限は0.08%が好ましい。
Cuは、強度の向上に寄与する元素である。しかし、Cu量が0.40%を超えると強度が過剰に上昇し、低温靭性が低下するため、上限を0.40%以下とする。Cu量は好ましくは0.30%以下とし、より好ましくは0.20%以下とする。Cu量の下限は0.01%以上が好ましく、より好ましくは0.10%以上とする。
Niは、強度及び靭性を高めるために、極めて有効な元素である。しかし、Niは高価な元素であり、合金コストの上昇を抑制するため、Ni量の上限を0.70%以下とする。Ni量は好ましくは0.50%以下とする。Ni量の下限は0.01%以上が好ましく、より好ましくは0.10%以上、更に好ましくは0.20%以上とする。
Moは、強度の向上に寄与する元素である。しかし、0.10%を超えてMoを添加すると、Mo炭化物(Mo2C)の析出や硬質相の生成を促進し、特に溶接熱影響部の靱性を劣化させることがあるため、0.10%以下に制限することが好ましい。Mo量の上限は、0.05%以下がより好ましい。Mo量の下限は、0.01%以上が好ましい。
Crも強度の向上に寄与する元素である。しかし、0.20%を超えてCrを添加すると炭化物を生成し、靭性を損なうことがあるため、Cr量の上限を0.20%以下に制限することが好ましい。Cr量の好ましい上限は0.10%以下である。Cr量の下限は0.01%以上が好ましい。
REM及びCaは、脱酸元素であり、硫化物の形態の制御にも寄与するため、添加してもよい。しかし、REM、Caの酸化物は溶鋼中で容易に浮上するため、鋼中に含有されるREMの上限は0.010%以下、Caの上限は0.0050%以下である。好ましくは、REM及びCaの含有量の下限は、それぞれ0.0005%以上とする。
不可避不純物として含有するP、Sについては、含有量を特に限定しない。なお、P、Sは、凝固偏析による溶接割れ、靱性低下の原因となるので、極力低減すべきである。P量は0.02%以下に制限することが好ましく、更に好ましい上限は0.002%以下である。また、S量の含有量は、0.002%以下に制限することが好ましい。
(硬質相の面積率:10%以下)
本発明の低温用H形鋼の金属組織は、焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイトの一方又は両方の面積率の合計が90%以上である。上限は特に制限せず、100%でもよい。一方、低温靭性を低下させるMA、疑似パーライトの一方又は両方からなる硬質相の面積率は10%以下に制限する。下限は特に制限せず、0%でもよい。焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイト、硬質相の残部として、フェライト、パーライトが含まれる場合がある。硬質相のうち、疑似パーライトは、ラメラ状のセメンタイトが分断されていたり、板状のセメンタイトの長手方向が粒内で揃っていない相である。疑似パーライトは、パーライトに比べて硬質であるため、低温靭性を低下させる。
(硬質相の粒径:10μm以下)
有効結晶粒径は、焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイト、フェライト、擬似パーライト、MA、パーライトなどが混在する金属組織の靱性と相関があり、靱性を確保するために、有効結晶粒径を20μm以下とする。有効結晶粒径は、15°以上の方位差からなる大角粒界で囲まれる領域の円相当径である。有効結晶粒径は、焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイト、フェライト、硬質相(擬似パーライト、MA)、残部(パーライト)を判別せず、EBSDによって測定する。更に破壊の起点となる硬質相は、有効結晶粒径よりも微細にすることが必要であり、硬質相の粒径を10μm以下とする。硬質相は、光学顕微鏡によって焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイト、フェライト、パーライトと判別して粒径を測定する。
通常、低温用構造物に用いられるH形鋼には、板厚が12〜50mmのサイズのH形鋼が多用されるが、本発明は、例えば、柱用に用いられる、フランジの板厚が50mm超のサイズのH形鋼を対象とする。一方、H形鋼のフランジの板厚は、150mm以下が好ましい。これは、フランジの板厚が150mmを超えると、圧下量の不足や冷却速度の低下によって組織が粗大化し、脆性破壊を引き起こす可能性があるためである。フランジの板厚は、125mm以下であることがより好ましい。
鋼片の加熱温度は、1100〜1350℃とする。加熱温度が低いと変形抵抗が高くなるので、熱間圧延における造形性を確保するために1100℃以上とする。一方、鋼片の加熱温度が1350℃を超えると、素材である鋼片の表面の酸化物が溶融して加熱炉内が損傷することがある。Nbなど、析出物を形成する元素を十分に固溶させるためには、鋼片の加熱温度の下限を1150℃以上とすることが好ましい。特に、製品の板厚が薄い場合は、累積圧下率が大きくなるため、鋼片の加熱温度を1200℃以上にすることが好ましい。組織を微細にするためには、鋼片の加熱温度の上限を1300℃以下にすることが好ましい。
熱間圧延の仕上温度は(Ar3−30)℃以上900℃以下とする。仕上温度が900℃を超えると圧延後に粗大なオーステナイトが残存し、冷却によってベイナイトに変態すると脆性破壊の起点となり、靱性が低下する。好ましくは850℃以下とする。熱間圧延の仕上温度は、H形鋼の形状精度等を考慮して、フェライト変態の開始温度である(Ar3−30)℃以上とする。Ar3は、下記式(2)によって求めることができる。下記式(2)おいて、C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Moは、各元素の含有量[質量%]であり、選択的に添加されるNi、Cu、Cr、Moを含有しない場合は、これらの含有量を0としてAr3を求める。
−20.7Cu−24.8Cr+29.6Mo ・・・ (2)
加速冷却は、例えば、図1に示す水冷装置によって、フランジの外面、内面ともに、スプレー冷却によって行う。加速冷却の冷却速度は、有効結晶粒径の粗大化や、疑似パーライト、MAからなる硬質相の生成を抑制して靭性を向上させ、焼入れの効果によって強度を高めるため、5℃/s超とする。加速冷却の冷却速度は、好ましくは11℃/s以上、より好ましくは15℃/s以上とする。加速冷却の冷却速度の上限は限定しないが、形状精度を考慮すると、50℃/s以下が好ましい。
H形鋼の表面の温度は、加速冷却によって内部の温度に比べて低下するが、加速冷却を停止した後、内部からの熱伝導によって上昇する。本発明では、このような復熱によって到達する最高温度が200℃以下になるように加速冷却を停止する。復熱によるフランジ幅の外側から1/6の位置での表面の最高到達温度が200℃を超えると、有効結晶粒径の粗大化や硬質相(主に疑似パーライト)の増加によって強度及び靱性が低下する。最高到達温度の下限は特に限定せず、室温まで加速冷却を施してもよい。ただし、加速冷却後、低温靭性を確保するために、焼戻しを施すことが必要である。
加速冷却の停止後、強度及び靭性を調整するために焼戻しを施す。焼戻しは、低温靱性を確保するために、400℃以上で行う。好ましくは下限を500℃、より好ましくは550℃以上とする。一方、強度を確保するために、焼戻しの温度を650℃以下とする。好ましくは600℃以下とする。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.03〜0.13%、
Mn:1.20〜2.80%、
Nb:0.010〜0.060%
を含有し、
Si:0.15%以下、
Ti:0.025%以下、
Al:0.060%以下、
N:0.0120%以下、
O:0.0035%以下
に制限し、残部がFe及び不可避不純物からなり、
下記式(1)によって求められるCEVが0.40超、0.55以下であり、
フランジの板厚の外側から1/4の位置かつフランジ幅の外側から1/6の位置での焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイトの一方又は両方の面積率の合計が90%以上、硬質相の面積率が10%以下であり、
有効結晶粒径が20μm以下、かつ、硬質相の粒径が10μm以下であり、
フランジの板厚が50mm超である
ことを特徴とする低温用H形鋼。
CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは、各元素の含有量[質量%]である。 - 更に、質量%で、
V:0.08%以下、
Cu:0.40%以下、
Ni:0.70%以下、
Mo:0.10%以下、
Cr:0.20%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に記載の低温用H形鋼。 - 更に、質量%で、
REM:0.010%以下、
Ca:0.0050%以下
の一方又は両方を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の低温用H形鋼。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載の低温用H形鋼の製造方法であって、請求項1〜3の何れか1項に記載の成分からなる鋼片を1100〜1350℃に加熱して熱間圧延を施し、(Ar3−30)℃以上900℃以下の範囲内で前記熱間圧延を終了し、そのまま、フランジの内外面に、冷却速度が5℃/s超である加速冷却を施し、復熱による、フランジ幅の外側から1/6の位置での表面の最高到達温度が200℃以下になるように前記加速冷却を停止し、400〜650℃に加熱して焼戻すことを特徴とする低温用H形鋼の製造方法。
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