JP2018100436A - 低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここでいう「高強度」とは、圧延方向から30度方向の降伏強さが555MPa以上かつ板幅方向の引張強さが700MPa以上である場合を、また「低温靭性に優れた」とは、シャルピー衝撃試験の破面遷移温度vTrsが−90℃以下である場合を、また、「低降伏比」とは、連続降伏型の応力歪曲線を示し、降伏比が85%以下である場合を、それぞれ云うものとする。また、「鋼板」には鋼板および鋼帯を含むものとする。
[1]鋼素材に、熱間圧延工程、冷却工程、巻取工程を施して、熱延鋼板とするにあたり、前記熱間圧延工程は、質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:0.01〜0.50%、Mn:1.4〜2.2%、P:0.025%以下、S:0.005%以下、Al:0.005〜0.10%、Nb:0.02〜0.10%、Ti:0.001〜0.030%、Mo:0.01〜0.50%、 Cr:0.01〜0.50%、Cu:0.01〜0.50%、 Ni:0.01〜0.50%を含み、下記式(1)で定義されるPCM値が0.16〜0.22%を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼素材を加熱温度:1050〜1300℃に加熱し、930℃以下の温度域での累積圧下率:60%以上となる仕上圧延を施し熱延鋼板とする工程であり、前記冷却工程は、仕上圧延終了後直ちに冷却を開始し、冷却停止温度:600〜450℃の温度域まで、板厚中央部の平均冷却速度:30℃/s以上で冷却する一次冷却と、前記冷却停止温度から巻取温度まで、板厚中央部の平均冷却速度:2℃/s以下で冷却する二次冷却からなる工程であり、前記巻取工程は、巻取温度:450℃以上で巻き取る工程であることを特徴とする低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
PCM(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(1)
但し、各元素記号は含有量(質量%)を示す。
[2]前記二次冷却は、冷却停止温度から巻取温度まで、板厚中央部の平均冷却速度:2℃/s以下での冷却に代わり、前記冷却停止温度から前記巻取温度までの温度域で20s以上滞留させることを特徴とする上記[1]に記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
[3]前記成分組成が、質量%で、下記式(2)で定義されるMoeq が1.4〜2.2%を満足することを特徴とする上記[1]または[2]に記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
Moeq(%)=Mo+0.36Cr+0.77Mn+0.07Ni ‥‥(2)
但し、各元素記号は含有量(質量%)を示す。
[4]前記成分組成が、さらに、質量%で、V:0.10%以下、B:0.0005%以下のうちの1種または2種を含有することを特徴とする上記[1]〜[3]のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
[5]前記成分組成が、さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.0050%を含有することを特徴とする上記[1]〜[4]のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
このような低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板を、特別な熱処理を施すことなく、容易にかつ安価に製造できる。
本発明の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板は、特にスパイラル鋼管用素材として好適であり、耐震性に優れた建築用部材となる高強度スパイラル鋼管杭が製造できるという効果もある。
また、リールパージ法で敷設されるラインパイプや、耐震性を要求されるラインパイプ用の電縫鋼管を安価にかつ容易に製造できるという効果もある。
以上、本発明は産業上格段の効果を奏する。
Cは、炭化物として析出し、析出強化を介し鋼板の強度増加に寄与するとともに、結晶粒微細化を介し鋼板の靭性向上にも寄与する元素である。さらに、Cは、鋼中に固溶しオーステナイトを安定化し、未変態オーステナイトの形成を促進する作用を有する。このような効果を得るためには、0.03%以上の含有を必要とする。一方、0.10%を超える含有は、結晶粒界に粗大なセメンタイトを形成する傾向が強くなり、靭性が低下する。このため、Cは0.03〜0.10%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.04〜0.09%である。
Siは、固溶強化を介して鋼板の強度増加に寄与するとともに、硬質第二相(例えば、マルテンサイト)の形成を介し、降伏比低減に寄与する。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.50%を超える含有は、赤スケールの生成が顕著となり、鋼板外観性状が低下する。このため、Siは0.01〜0.50%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.02〜0.20%である。
Mnは、固溶して鋼の焼入れ性を向上させ、マルテンサイトの生成を促進させるとともに、ベイニティックフェライト変態開始温度を低下させ、組織の微細化を介して鋼板靭性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、1.4%以上の含有を必要とする。一方、2.2%を超える含有は、溶接熱影響部の靭性を低下させる。このため、Mnは1.4〜2.2%の範囲に限定する。なお、塊状マルテンサイトの安定生成という観点からは、好ましくは1.6〜2.0%である。
Pは、固溶して鋼板強度の増加に寄与するが、同時に靭性を低下させる。このため、本発明では、Pは不純物として可及的に低減することが望ましいが、0.025%までは許容できる。よって、0.025%以下である。
Sは、鋼中ではMnS等の粗大な硫化物系介在物を形成し、スラブ等の割れを生起するとともに、鋼板の延性を低下させる。このような現象は0.005%を超える含有で顕著になる。このため、Sは0.005%以下に限定する。なお、好ましくは0.002%以下である。
Alは、脱酸剤として作用するとともに、歪時効の原因となるNを固定するのに有効な元素である。このような効果を得るためには、0.005%以上の含有を必要とする。一方、0.10%を超える含有は、鋼中酸化物が増加し母材および溶接部の靭性を低下させる。また、スラブ等の鋼素材、鋼板を加熱炉で加熱する際に、表層で窒化層を形成しやすく、降伏比の増加をもたらす恐れがある。このため、Alは0.005〜0.10%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.08%以下である。
Nbは、鋼中に固溶し、あるいは炭窒化物として析出し、オーステナイト粒の粗大化を抑制するとともに、オーステナイト粒の再結晶を抑制する作用を有し、オーステナイトの未再結晶温度域圧延を可能とする。また、炭化物あるいは炭窒化物として微細に析出して、鋼板の強度増加に寄与する元素である。熱間圧延後の冷却中に、熱間圧延により導入された転位上に炭化物あるいは炭窒化物として析出し、γ→α変態の核として作用し、ベイニティックフェライトの粒内生成を促進し、微細な塊状の未変態オーステナイト、ひいては微細な塊状のマルテンサイトの生成に寄与する。このような効果を得るためには0.02%以上の含有を必要とする。一方、0.10%を超える過剰な含有は、熱間圧延時の変形抵抗が増大し、熱間圧延が困難となる恐れがある。また、0.10%を超える過剰な含有は、主相であるベイニティックフェライトの降伏強さの増加を招き、85%以下の降伏比を確保することが困難となる。このため、Nbは0.02〜0.10%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.03〜0.07%である。
Tiは、Nを窒化物として固定し、スラブ割れの防止に寄与するとともに、炭化物として微細に析出して鋼板強度を増加させる作用を有する。このような効果を得るためには、0.001%以上の含有を必要とする。一方、0.030%を超えて多量に含有するとベイニティックフェライト変態点を過度に上昇させ、鋼板の靭性が低下する。このため、Tiは0.001〜0.030%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.005〜0.025%である。
Moは、焼入れ性向上に寄与し、ベイニティックフェライト中のCを未変態オーステナイト中に引き寄せ、未変態オーステナイトの焼入性を向上させることを介してマルテンサイト形成を促進する作用を有する。さらに、鋼中に固溶し固溶強化により鋼板強度の増加に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.50%を超える含有は、必要以上にマルテンサイトを形成させ、鋼板の靭性を低下させる。また、Moは高価な元素であり、多量の含有は材料コストの高騰を招く。以上から、Moは0.01〜0.50%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.10〜0.40%である。
Crは、γ→α変態を遅延させ、焼入れ性向上に寄与し、マルテンサイト形成を促進する作用を有する。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.50%を超える含有は、溶接部に欠陥を多発させる傾向となる。このため、Crは0.01〜0.50%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.20〜0.45%である。
Cuは、焼入れ性向上に寄与し、マルテンサイト形成を促進することに加えて、さらに靭性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.50%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できないため経済的に不利となる。このため、Cuは0.01〜0.50%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.05〜0.45%である。
Niは、焼入れ性向上に寄与し、マルテンサイト形成を促進することに加えて、さらに靭性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.50%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できないため経済的に不利となる。このため、Niは0.01〜0.50%の範囲に限定する。なお、好ましくは0.05〜0.45%である。
PCM(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(1)
但し、各元素記号は含有量(質量%)を示す。
PCMは、溶接割れ感受性指数である。上記式(1)において、各元素記号は含有量(質量%)とし、含有しない元素は0とする。PCMが0.16%未満では目標の強度レベルに到達せず、PCMが0.22%超えでは溶接性や溶接部靱性が著しく劣化するため、PCM値は0.16〜0.22%の範囲とする。特に0.17〜0.21%とすることが好ましい。
Moeq(%)=Mo+0.36Cr+0.77Mn+0.07Ni ‥‥(2)
但し、各元素記号は含有量(質量%)を示す。
Moeqは、冷却工程を経た後に、鋼板中に残存する未変態オーステナイトの焼入れ性を表す指標である。Moeqが1.4%未満では、未変態オーステナイトの焼入れ性が不足し、その後の巻取工程中にパーライト等に変態する。一方、Moeqが2.2%を超えると、必要以上にマルテンサイトが生成し、靭性が低下する。このため、Moeqは1.4〜2.2%の範囲に限定することが好ましい。Moeqが1.5%以上あれば、低降伏比となり、さらに変形能が向上する。このため、1.5%以上とすることがより好ましい。
V、Bはいずれも、鋼板の高強度化に寄与する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。Vは、固溶強化、あるいは析出強化を介して、またBは、結晶粒界に偏析して、焼入れ性向上を介し、鋼板の高強度化に寄与する。このような効果を得るためには、V:0.01%以上、B:0.0001%以上、含有することが好ましい。一方、V:0.10%を超える含有は溶接性を低下させ、B:0.0005%を超える含有は鋼板の靭性や熱間加工性を低下させる。このため、含有する場合には、V:0.10%以下、B:0.0005%以下に限定することが好ましい。
Caは、粗大な硫化物を球状の硫化物とする硫化物の形態制御に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果を得るためには、Ca:0.0005%以上含有することが好ましい。一方、Ca:0.0050%を超える含有は、鋼板の清浄度を低下させる。このため、含有する場合にはCa:0.0005〜0.0050%の範囲に限定することが好ましい。
本発明で使用する鋼素材は、上記したようにNb、Tiを必須含有する。析出強化により所望の高強度を確保するためには、これらの粗大な炭化物、窒化物等を一旦溶解させて、その後微細析出させることが必要となる。そのため、鋼素材の加熱温度は1050℃以上とする。1050℃未満では、各元素が未固溶のままとなり、所望の鋼板強度が得られない。一方、1300℃を超えて高温になると、結晶粒の粗大化が生じ、鋼板靭性が低下する。このため、鋼素材の加熱温度は1050〜1300℃に限定する。
ベイニティックフェライトの微細化、および塊状マルテンサイトの微細分散のために、930℃以下の温度域での累積圧下率を60%以上とする。930℃以下の温度域での累積圧下率が60%未満では、圧下量が不足し、主相である微細なベイニティックフェライトおよび第二相の微細な塊状マルテンサイトを確保できない。また、γ→α変態の核生成を促進するNbC等の析出サイトとなる転位が不足し、ベイニティックフェライトの粒内生成が不足し、塊状マルテンサイトを形成するための塊状の未変態γを微細かつ多数分散して残留させることができなくなる。このため、仕上圧延における930℃以下の温度域での累積圧下率は60%以上に限定する。なお、好ましくは、累積圧下率は80%以下である。圧下率が80%を超えて大きくしても、効果が飽和し、さらにセパレーションの発生が著しくなり、シャルピ−吸収エネルギーの低下を招く場合がある。
仕上圧延終了後、直ちに、好ましくは15s以内に冷却を開始する。一次冷却の冷却速度は、板厚中央部の平均冷却速度で、30℃/s以上の範囲とする。平均冷却速度が30℃/s未満では、所望の微細なベイニティックフェライトおよび塊状マルテンサイトを確保することが難しくなる。このため、仕上圧延終了後の一次冷却の平均冷却速度は30℃/s以上の範囲に限定する。なお、好ましくは50℃/s以上である。
一次冷却の冷却停止温度は600〜450℃の範囲の温度とする。冷却停止温度が600℃より高温では、所望のベイニティックフェライトを主相とする組織を確保することが難しくなる。一方、冷却停止温度が450℃より低温では、未変態γがほぼ変態を完了して所望量の塊状マルテンサイトを確保できなくなる。なお、冷却停止温度は板厚中央部の温度である。
巻取温度が450℃未満では、所望の低降伏比化を実現できなくなる。このため、巻取温度は450℃以上に限定する。巻取温度:450℃以上で巻き取ることにより、フェライトとオーステナイトが共存する温度域で所定時間以上滞留させることができる。なお、巻取温度は鋼板表面の温度である。
ここで、主相とは、面積率で50%以上の占有面積を有する相をいう。主相であるベイニティックフェライトは、転位密度が高い下部組織を有する相であり、針状フェライト、アシキュラーフェライトを含む。なお、ベイニティックフェライトには、転位密度が極めて低いポリゴナルフェライトや、細かいサブグレン等の下部組織をともなう準ポリゴナルフェライトは含まれない。なお、所望の高強度を確保するために、主相であるベイニティックフェライトには、微細な炭窒化物が析出していることが必要となる。
また、マルテンサイトはベイニティックフェライトより高い引張強さを有するため、低降伏比を達成できることになる。また、マルテンサイトを、アスペクト比:5.0未満の塊状マルテンサイトとすることにより、周囲のベイニティックフェライトに、より多くの可動転位を導入することができ、変形能向上に効果を発揮する。マルテンサイトのアスペクト比が5.0以上になると、棒状なマルテンサイト(非塊状マルテンサイト)となり、所望の低降伏比を達成できなくなる。しかし、アスペクト比が5.0以上のマルテンサイト全量に対する面積率で30%未満であれば許容できる。塊状マルテンサイトはマルテンサイト全量の面積率で70%超えとすることが好ましい。
表1に示す組成の溶鋼を、連続鋳造法でスラブ(肉厚220mm)とし、鋼素材とした。次いで、これら鋼素材を表2に示す加熱温度に加熱して、粗圧延を行い、シートバーとしたのち、シートバーに、表2に示す条件で仕上圧延を行い熱延鋼板(板厚:8〜25mm)とする熱間圧延工程を施した。得られた熱延鋼板に、仕上圧延終了後直ちに(表2に示す時間内に)冷却を開始し、表2に示す平均冷却速度で、表2に示す冷却停止温度まで冷却する一次冷却と、表2に示す条件で二次冷却を行う冷却工程を施した。冷却工程後、表2に示す巻取温度で、コイル状に巻き取った後、放冷を施した。
得られた熱延鋼板から、圧延方向断面(L断面)が観察面となるように、組織観察用試験片を採取した。試験片を研磨し、ナイタール腐食して、光学顕微鏡(倍率:500倍)または電子顕微鏡(倍率:2000倍)を用いて、組織観察を行い、撮像して、画像解析装置を用いて、組織の種類、各相の組織分率(面積率)、平均結晶粒径を測定した。主相であるベイニティックフェライトの平均結晶粒径は、JIS G 0552に準拠して切断法で求めた。なお、マルテンサイト粒のアスペクト比は、各粒における長手方向の長さ(長辺)とそれに直角な方向の長さ(短辺)との比、(長辺)/(短辺)、で算出するものとする。アスペクト比が5.0未満のマルテンサイト粒を塊状マルテンサイトと定義する。アスペクト比が5.0以上のマルテンサイトは、「棒状」マルテンサイトと称する。また、塊状マルテンサイトの結晶粒径の大きさは、塊状マルテンサイト各粒の長辺長さと短辺長さの和の1/2を直径とし、得られた各粒の直径を算術平均し、その鋼板における塊状マルテンサイトの大きさの平均を結晶粒径の平均とした。なお、塊状マルテンサイト各粒の直径のうちの最大の値を塊状マルテンサイトの結晶粒径の大きさの最大とした。測定したマルテンサイト粒は100個以上とした。
得られた熱延鋼板から、引張方向が、圧延方向と直角方向(板幅方向)および圧延方向から30°方向となるように、それぞれ引張試験片(API−5Lに定める全厚試験片;GL50mm、幅38.1mm)を採取し、ASTM A 370の規定に準拠して、引張試験を実施し、引張特性(降伏強さYS、引張強さTS)を求めた。
得られた熱延鋼板から、試験片長手方向が、圧延方向に直角方向となるように、Vノッチ試験片を採取し、ASTM A 370の規定に準拠して、シャルピー衝撃試験を実施し、破面遷移温度vTrs(℃)を求めた。
得られた熱延鋼板から、試験片長手方向が、圧延方向に直角方向となるように、試験片を採取し、四周を拘束した後、突合せ部を円周溶接のGMAWを模擬した入熱量で溶接し、予熱100℃の条件で割れの見られなかったものを溶接性良好とした。
Claims (5)
- 鋼素材に、熱間圧延工程、冷却工程、巻取工程を施して、熱延鋼板とするにあたり、
前記熱間圧延工程は、質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:0.01〜0.50%、Mn:1.4〜2.2%、P:0.025%以下、S:0.005%以下、Al:0.005〜0.10%、Nb:0.02〜0.10%、Ti:0.001〜0.030%、Mo:0.01〜0.50%、 Cr:0.01〜0.50%、Cu:0.01〜0.50%、 Ni:0.01〜0.50%を含み、下記式(1)で定義されるPCM値が0.16〜0.22%を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼素材を加熱温度:1050〜1300℃に加熱し、930℃以下の温度域での累積圧下率:60%以上となる仕上圧延を施し熱延鋼板とする工程であり、
前記冷却工程は、仕上圧延終了後直ちに冷却を開始し、冷却停止温度:600〜450℃の温度域まで、板厚中央部の平均冷却速度:30℃/s以上で冷却する一次冷却と、前記冷却停止温度から巻取温度まで、板厚中央部の平均冷却速度:2℃/s以下で冷却する二次冷却からなる工程であり、
前記巻取工程は、巻取温度:450℃以上で巻き取る工程である
ことを特徴とする低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
PCM(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(1)
但し、各元素記号は含有量(質量%)を示す。 - 前記二次冷却は、冷却停止温度から巻取温度まで、板厚中央部の平均冷却速度:2℃/s以下での冷却に代わり、前記冷却停止温度から前記巻取温度までの温度域で20s以上滞留させることを特徴とする請求項1に記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
- 前記成分組成が、質量%で、下記式(2)で定義されるMoeq が1.4〜2.2%を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
Moeq(%)=Mo+0.36Cr+0.77Mn+0.07Ni ‥‥(2)
但し、各元素記号は含有量(質量%)を示す。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、V:0.10%以下、B:0.0005%以下のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
- 前記成分組成が、さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.0050%を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の低温靭性に優れた低降伏比高強度熱延鋼板の製造方法。
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