JP2019502018A - 脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1)固溶強化を通じて強度を向上させるために鋼組成を適切に制御する。特に、固溶強化のために、Mn、Ni、Cu及びSiの含有量を最適化する。
このように硬化能を向上させることで、低い冷却速度でも厚い鋼材の中心部まで微細組織が確保される。
このように鋼組成を最適化させることで、溶接熱影響部においても優れた脆性亀裂開始抵抗性が確保される。
このように微細組織を制御することにより、鋼材に必要な強度を確保するとともに、亀裂の生成を助長する微細組織を除外させることで、脆性亀裂伝播抵抗性を向上させる。
特に、粗圧延時の圧下条件を制御することにより、中心部に微細な組織が確保されるようにする。これにより、アシキュラーフェライト(acicular ferrite)とグラニュラーベイナイト(granular bainite)の生成も促進される。
Cは、基本的な強度を確保するために最も重要な元素であるため、適切な範囲内で鋼中に含有される必要がある。このような添加効果を得るためには、Cを0.05%以上添加することが好ましい。しかし、Cの含有量が0.09%を超えると、大量の島状マルテンサイトが溶接熱影響部に生成されて脆性亀裂開始抵抗性を低下させ、母材のフェライト自体の高強度や低温変態相の多量生成などにより、低温靭性を低下させるため、上記Cの含有量は0.05〜0.09%に限定することが好ましい。また、上記Cの含有量は0.055〜0.08%に限定することがより好ましく、0.06〜0.075%に限定することがさらに好ましい。
Mnは、固溶強化により強度を向上させ、低温変態相が生成されるように硬化能を向上させる有用な元素である。また、硬化能向上により、遅い冷却速度でも低温変態相を生成させることができるため、極厚物材の中心部の強度を確保するための主な元素である。
よって、このような効果を得るためには、1.5%以上添加されることが好ましい。
しかし、Mnの含有量が2.2%を超えると、過度な硬化能の増加により、上部ベイナイト(Upper bainite)及びマルテンサイトの生成を促進し、衝撃靭性及び脆性亀裂伝播抵抗性を低下させ、溶接熱影響部の靭性も低下させる。したがって、上記Mnの含有量は1.5〜2.2%に限定することが好ましい。また、上記Mnの含有量は1.6〜2.0%に限定することがより好ましく、1.65〜1.95%に限定することがさらに好ましい。
Niは低温で転位の交差すべり(Cross slip)を容易にして衝撃靭性及び硬化能を向上させることで強度を向上させる重要な元素である。このような効果を得るためには、0.3%以上添加されることが好ましい。しかし、上記Niが1.2%以上添加されると、硬化能が上昇しすぎることが原因で低温変態相が生成されて靭性を低下させ、他の硬化能元素に比べてNiの高価なコストが原因で製造コストを上昇させる可能性があるため、上記Niの含有量の上限は1.2%に限定することが好ましい。また、Niの含有量は、0.4〜1.0%に限定することがより好ましく、0.45〜0.9%に限定することがさらに好ましい。
Nbは、NbCまたはNbCNの形で析出して母材の強度を向上させる。
また、高温で再加熱する際に固溶されたNbは、圧延時にNbCの形で非常に微細に析出してオーステナイトの再結晶を抑制することで組織を微細化させるという効果を奏する。したがって、Nbは0.005%以上添加されることが好ましい。しかし、過剰に添加する場合、溶接熱影響部の島状マルテンサイトの生成を促進させて脆性亀裂開始抵抗性を低下させ、鋼材の端に脆性クラックを誘発させる可能性があるため、Nbの含有量の上限は0.04%に制限することが好ましい。また、Nbの含有量は0.01〜0.035%に限定することがより好ましく、0.015〜0.03%に限定することがさらに好ましい。
Tiは、再加熱時にTiNとして析出して母材及び溶接熱影響部の結晶粒成長を抑制し、低温靭性を大幅に向上させる成分である。このような添加効果を得るためには、0.005%以上添加することが好ましい。しかし、Tiが過多に添加されると、連続鋳造ノズルの詰まりや中心部の晶出によって低温靭性が低下する可能性があるため、Tiの含有量は0.005〜0.04%に限定することが好ましい。また、Tiの含有量は、0.008〜0.03%に限定することがより好ましく、0.01〜0.02%に限定することがさらに好ましい。
Siは、置換型元素として固溶強化により鋼材の強度を向上させ、強力な脱酸効果を有するため、清浄鋼の製造に欠かせない元素である。したがって、Siを0.05%以上添加することが好ましい。しかし、多量添加すると、粗大な島状マルテンサイト(MA)相を生成させ、脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性を低下させることがあるため、上記Siの含有量の上限は0.3%に制限することが好ましい。また、Siの含有量は、0.1〜0.25%に限定することがより好ましく、0.1〜0.2%に限定することがさらに好ましい。
Cuは、硬化能を向上させ、固溶強化を起こして鋼材の強度を向上させる主要な元素であり、焼戻し(tempering)の適用時にイプシロンCu析出物の生成を通じて降伏強度を上げる主要な元素である。したがって、Cuを0.1%以上添加することが好ましい。しかし、多量添加すると、製鋼工程において赤熱脆性(hot shortness)によるスラブの亀裂を発生させることがあるため、上記Cuの含有量の上限は0.8%に制限することが好ましい。また、Cuの含有量は、0.2〜0.6%に限定することがより好ましく、0.25〜0.5%に限定することがさらに好ましい。
上記のようにCu/Niの重量比を設定することで、表面品質をより改善することができる。
Alは、脱酸剤の役割を果たす成分である。しかし、過度に添加される場合には、介在物を形成して靭性を低下させることがあるため、Alの含有量を0.005〜0.05%に制限することが好ましい。
P、Sは、結晶粒界に脆性を誘発するか、または粗大な介在物を形成させて脆性を誘発する元素であるため、脆性亀裂伝播抵抗性を向上させるために、P:100ppm以下、S:40ppm以下に制限することが好ましい。
但し、通常の製造過程では、原料や周囲の環境から意図しない不純物が必然的に混入される可能性があるため、これを排除することはできない。かかる不純物は、通常の技術者であれば誰でも分かるものであるため、そのすべての内容を具体的に言及しない。
上記中心部の上部ベイナイトのEBSD方法で測定された15°以上の高境界角を有する有効結晶粒の円相当直径が15μm(マイクロメートル)を超えると、低い上部ベイナイトの分率にもかかわらず、クラックが容易に誘発されるという問題があるため、中心部の上部ベイナイトの有効結晶粒の円相当直径は15μm(マイクロメートル)以下であることが好ましい。
粗圧延に先立ってスラブを再加熱する。スラブ再加熱温度は1000℃以上とすることが好ましい。これは、鋳造中に形成されたTi及び/またはNbの炭窒化物を固溶させるためである。但し、高すぎる温度で再加熱する場合には、オーステナイトが粗大化する可能性があるため、上記再加熱温度の上限は1100℃であることが好ましい。
再加熱されたスラブを粗圧延する。粗圧延温度は、オーステナイトの再結晶が止まる温度(Tnr)以上とすることが好ましい。圧延により鋳造中に形成されたデンドライトなどの鋳造組織が破壊され、オーステナイトのサイズを小さくするという効果も奏することができる。かかる効果を得るために、粗圧延温度は1100〜900℃に制限することが好ましい。また、粗圧延温度は1050〜950℃であることがより好ましい。
粗圧延されたバーをAr3(フェライト変態開始温度)+60℃〜Ar3℃で仕上げ圧延して鋼板を得る。これは、より微細化された微細組織を得るためのものである。Ar3温度直上で圧延を行う場合、オーステナイトの内部に変形帯を多く生成させてフェライトの核生成サイトを多く確保することで、鋼材の中心部まで微細組織が確保されるようにするという効果を得ることができる。また、オーステナイト内部に変形帯を効果的に多く生成させるために、仕上げ圧延時の累積圧下率を40%以上に維持し、調質圧延を除いたパス当たりの圧下率を4%以上に維持することが好ましい。より好ましい累積圧下率は40〜80%である。
より好ましいパス当たりの圧下率は4.5%以上である。
仕上げ圧延後の鋼板を500℃以下に冷却する。冷却終了温度が500℃を超えると、微細組織が適切に形成されず十分な降伏強度、例えば、460MPa以上の降伏強度を確保することが難しくなる可能性がある。また、上記冷却終了温度が400℃を超えると、アシキュラーフェライト(AF)とグラニュラーベイナイト(GB)の生成量が減少してオート焼戻し(auto tempering)の効果により強度が低下するおそれがある。したがって、好ましい冷却終了温度は400℃以下である。
Claims (17)
- 重量%で、C:0.05〜0.09%、Mn:1.5〜2.2%、Ni:0.3〜1.2%、Nb:0.005〜0.04%、Ti:0.005〜0.04%、Cu:0.1〜0.8%、Si:0.05〜0.3%、Al:0.005〜0.05%、P:100ppm以下、S:40ppm以下、残りFe及びその他の不可避不純物からなり、中心部の微細組織が、面積%で、70%以上のアシキュラーフェライト(acicular ferrite)とグラニュラーベイナイト(granular bainite)の混合相、20%以下の上部ベイナイト(upper bainite)、及び残りのフェライト、パーライト、島状マルテンサイト(MA)からなる群より選択される1種以上からなり、前記上部ベイナイトのEBSD方法で測定された15°以上の高境界角を有する有効結晶粒の円相当直径が15μm(マイクロメートル)以下であり、表面直下2mm以下の領域における表面部の微細組織が、面積%で、20%以上のフェライト、及び残りのベイナイト、マルテンサイトのうち1種以上からなり、且つ、溶接時に形成される溶接熱影響部が、面積%で、5%以下の島状マルテンサイトを含むことを特徴とする脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 前記鋼材の厚さは50mm以上であることを特徴とする請求項1に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 前記CuとNiの含有量は、Cu/Niの重量比が0.8以下であることを特徴とする請求項1に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 前記溶接時の溶接入熱量は0.5〜10kJ/mmであることを特徴とする請求項1に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 前記溶接時の溶接方法は、FCAW(Flux Cored Arc Welding)またはSAW(Submerged Arc Welding)であることを特徴とする請求項4に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 前記鋼材は降伏強度が460MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 前記鋼材は−10℃で測定されたKca値が6000以上であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 前記鋼材は、鋼材の厚さ方向に鋼材の厚さ1/2t(t:鋼板の厚さ)の位置におけるシャルピー破面遷移温度が−40℃以下であることを特徴とする請求項1に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材。
- 重量%で、C:0.05〜0.09%、Mn:1.5〜2.2%、Ni:0.3〜1.2%、Nb:0.005〜0.04%、Ti:0.005〜0.04%、Cu:0.1〜0.8%、Si:0.05〜0.3%、Al:0.005〜0.05%、P:100ppm以下、S:40ppm以下、残りFe及びその他の不可避不純物からなるスラブを1000〜1100℃で再加熱した後、1100〜900℃の温度で粗圧延する段階と、
前記粗圧延されたバー(bar)を、中心部温度を基準に、Ar3+60℃〜Ar3℃の温度範囲で仕上げ圧延して鋼板を得る段階と、
前記鋼板を500℃以下の温度まで冷却する段階と、を含むことを特徴とする脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。 - 前記仕上げ圧延された鋼板の厚さが50mm以上であることを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記粗圧延の時の最後の3パス(pass)に対しては、パス(pass)当たりの圧下率を5%以上、総累積圧下率を40%以上とすることを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記粗圧延の時の最後の3パス(pass)に対しては、変形速度(Strain rate)を2/sec以下で行うことを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記粗圧延の後仕上げ圧延前のバーの厚さ中心部の結晶粒サイズは150μm以下であることを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記仕上げ圧延の時の圧下比は、スラブの厚さ(mm)/仕上げ圧延後の鋼板の厚さ(mm)の比が3.5以上であることを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記仕上げ圧延の時の累積圧下率は40%以上に維持し、調質圧延を除いたパス当たりの圧下率は4%以上に維持することを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記鋼板の冷却は2℃/s以上の中心部冷却速度で行うことを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記鋼板の冷却は、3〜300℃/sの平均冷却速度で行うことを特徴とする請求項9に記載の脆性亀裂伝播抵抗性及び溶接部の脆性亀裂開始抵抗性に優れた高強度鋼材の製造方法。
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