JP2021188063A - 鋼材及び鋼材の製造方法 - Google Patents
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- Continuous Casting (AREA)
- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
Abstract
Description
[1] 質量%で、
C :0.030〜0.250%、
Si:0.02〜0.50%、
Mn:0.10〜2.00%、
P :0.020%以下、
S :0.001〜0.020%、
Al:0.010〜0.200%、
N :0.0020〜0.0050%、
O :0.0007〜0.0020%、
Ti:0.004〜0.025%、
B :0.0005〜0.0050%、
Mg:0.0005〜0.0050%、
Ca:0.0005%以下、
REM:0.0005%以下、
残部:Fe及び不純物からなる鋼組成を備え、
鋼中に、MgとMnとの合計に対してMgの割合が原子%で70%以上、90%以下であるMgMn系硫化物を含み、
前記MgMn系硫化物は、円相当径0.005μm以上、0.5μm未満のナノ硫化物と、円相当径0.5μm以上、5.0μm以下のマイクロ硫化物と、を含み、
前記ナノ硫化物の個数密度が1.0×104〜30.0×104個/mm2であり、
前記マイクロ硫化物のうち、個数割合で80%以上の前記マイクロ硫化物が、1原子%以上のNを含む複合介在物であり、
前記複合介在物の個数密度が20〜300個/mm2である、鋼材。
[2] 前記鋼組成が、前記Feの一部に替えて、質量%で、
Cu:1.50%以下、
Ni:2.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
Nb:0.050%以下、
V :0.100%以下
からなる群から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする、上記[1]に記載の鋼材。
[3] 前記鋼組成が、前記Feの一部に替えて、質量%で、
W :1.00%以下、
Sn:0.50%以下
からなる群から選択される1種または2種を含有することを特徴とする、上記[1]または[2]に記載の鋼材。
[4] 上記[1]乃至[3]の何れか一項に記載の鋼材の製造方法であって、
溶鋼に対して真空脱ガスを行い、前記溶鋼の溶存酸素濃度が0.0040質量%以下になってから、Mgを30〜300kg/分の速度で添加し、Mg添加後10分以内に、窒素ガス流量を1.0Nm3/分以上として還流を開始し、前記還流を1.0分間以上施す精錬工程と、
前記精錬工程後の前記溶鋼に対して連続鋳造を行い鋳片とする際に、鋳片の表面温度が1200℃から900℃になるまでの平均冷却速度を、0.2℃/秒以上とする連続鋳造工程と、
前記連続鋳造後の前記鋳片を熱間圧延して鋼材とする熱間圧延工程と、を備えることを特徴とする鋼材の製造方法。
本発明者らは、板厚40mm以下、降伏応力265MPa以上、引張強さ420〜560MPaを満足する成分系を前提に、入熱量5〜30kJ/mm程度の溶接によって得られる、HAZの組織と靭性との関係に関する詳細な調査及び研究を実施した。その結果、従来の溶接によって得られるHAZの組織制御又は靭性向上手段をそのまま適用しても、HAZの低温靭性は限られたものであるとの結論に達した。
本実施形態の鋼材は、質量%で、C:0.030〜0.250%、Si:0.02〜0.50%、Mn:0.10〜2.00%、P:0.020%以下、S:0.001〜0.020%、Al:0.010〜0.200%、N:0.0020〜0.0050%、O:0.0007〜0.0020%、Ti:0.004〜0.025%、B:0.0005〜0.0050%、Mg:0.0005〜0.0050%、Ca:0.0005%以下、REM:0.0005%以下、残部:Fe及び不純物からなる鋼組成を備え、鋼中に、MgとMnとの合計に対してMgの割合が原子%で70%以上、90%以下であるMgMn系硫化物を含み、MgMn系硫化物は、円相当径0.005μm以上、0.5μm未満のナノ硫化物と、円相当径0.5μm以上、5.0μm以下のマイクロ硫化物と、を含み、ナノ硫化物の個数密度が1.0×104〜30.0×104個/mm2であり、マイクロ硫化物のうち、個数割合で80%以上のマイクロ硫化物が、1原子%以上のNを含む複合介在物であり、複合介在物の個数密度が20〜300個/mm2である。
また、本実施形態の鋼材は、Feの一部に替えて、質量%で、Cu:1.50%以下、Ni:2.00%以下、Cr:1.00%以下、Mo:1.00%以下、Nb:0.050%以下、V:0.100%以下からなる群から選択される1種または2種以上を含有してもよい。
更に、本実施形態の鋼材は、Feの一部に替えて、質量%で、W:1.00%以下、Sn:0.50%以下からなる群から選択される1種または2種を含有してもよい。
Cは、鋼材(母材)の強度を上昇させる元素である。C含有量が0.030%未満では、母材の強度向上の効果が小さいので、C含有量は0.030%以上とする。より好ましいC含有量は0.060%以上である。一方、C含有量が0.250%を超えると、脆性破壊の起点となる島状マルテンサイトやセメンタイトが大幅に増加するため、HAZ靭性が低下する。従って、C含有量は0.250%以下とする。より好ましいC含有量は0.200%以下であり、さらに好ましいC含有量は0.150%以下である。
Siは、焼入れ性を高め、母材強度の上昇に有効な元素である。Si含有量が0.02%未満では、所期の強度を確保することが困難となる。従って、Si含有量は0.02%以上とする。より好ましいSi含有量は0.05%以上である。一方、Si含有量が0.50%を超えると、過剰な固溶Siによる島状マルテンサイトに起因して、HAZ靭性が低下する。従って、Si含有量は0.50%以下とする。より好ましいSi含有量は0.40%以下、または0.35%以下である。
Mnは、MgMn系硫化物を構成する元素であり、必須の元素である。MgMn系硫化物を十分に得るためには、Mn含有量は0.10%以上とする必要がある。Mn含有量が0.10%未満では、強度とHAZ靭性を確保する上でも不利となる。HAZ靭性を改善するために、Mn含有量を0.30%以上又は0.60%以上としてもよい。一方、Mn含有量が2.00%を超えると、MgMn系硫化物が粗大化しやすくなり、HAZ靭性を低下させるため、Mn含有量は2.00%以下とする。HAZ靱性の向上のため、Mn含有量は、1.80%以下、または1.60%以下としてもよい。
Pは、粒界脆化をもたらし、靭性に有害な元素であり、低いほうが望ましい。Pを0.020%超含有すると、MgMn系硫化物によってHAZ組織のオーステナイト粒を微細化しても靭性低下が顕著となるので、P含有量は0.020%以下とする。好ましくは、0.010%以下、更に好ましくは、0.008%以下である。P含有量の下限値を特に制限する必要はないが、P含有量を0%にするのは、技術的に容易ではないので、P含有量は0%超としてもよく、0.001%以上としてもよい。
Sは、MgMn系硫化物を生成させるために必須の元素である。Sが0.001%未満では、MgMn系硫化物の析出量が不十分になるため、S含有量は0.001%以上とする。より多量のMgMn系硫化物を生成させるためには、S含有量は0.003%以上とするとよい。一方、Sを0.020%超含有すると、粗大なMgMn系硫化物が生成し、HAZ組織のγ粒の細粒化効果が得られないため、S含有量は0.020%以下とする。
Alは、Mgが粗大な酸化物を生成することを抑制し、Mgが微細なMgMn系硫化物を生成するために必須の元素である。Alキルド鋼としてもAl含有が必須であり、それらのためAl含有量は0.010%以上とする。より多量の微細なMgMn系硫化物を生成させるためには、0.025%以上または0.030%以上のAl含有がより好ましい。一方、Al含有量が0.200%を超えると、過剰な固溶Alによる島状マルテンサイト生成に起因して、HAZ靭性が低下する。したがって、Al含有量は0.200%以下とする。より好ましいAl含有量は0.150%以下である。HAZ靭性の改善のため、Al含有量は0.120%以下または0.100%としてもよい。
Nは、窒化物や炭窒化物を形成する元素であり、含有量が過剰になると、粗大なTiN粒子や(Ti、Nb)(C、N)粒子を生成しやすくなる。これらの粒子は、脆性破壊の発生起点となる。板厚40mm以下、降伏応力265MPa以上、引張強さ420〜560MPaの鋼材において、HAZの−60℃での靭性評価では、数μmのTiN粒子や(Ti、Nb)(C、N)粒子でも脆性破壊の発生起点となり、HAZ靭性の低下を招く。従って、N含有量は厳格に制御する必要がある。また、固溶N量が多いと、BN粒子が過剰に生成して固溶B量が低減するので好ましくない。固溶B量が低減すると、固溶Bがフェライト変態を遅らせ、HAZ組織を微細化する効果や、母材強度を向上させる効果が低減する。
O含有量が多いと、粗大な酸化物が生成しやすくなる。粗大な酸化物は脆性破壊の発生起点となり、HAZ靭性を低下させる。また、Mgの含有に先立つAl含有量が0.010%以上の場合でも、設備上あるいは操業上の不具合などの特殊な要因による溶鋼の大気による汚染などにより、O含有量が0.0020%を超える場合には、粗大な酸化物に消費されるMg量が増加する。その結果、MgMn硫化物中のMg割合が低下し、MgMn硫化物の個数が減少し、これによりHAZ靭性が低下する場合がある。このためO含有量は0.0020%以下とする。より好ましいO含有量は0.0018%以下、または0.0016%以下である。O含有量は少ないほうが望ましいが、0.0007%未満に低減するとコスト上昇を伴う場合があるので、O含有量は0.0007%以上とする。コスト上昇を避けるため、O含有量は0.0009%以上、または0.0011%以上としてもよい。
Tiは、主にBによる焼入れ性向上効果を高めるので、母材の強度上昇に有効であるとともに、HAZ組織の微細化によるHAZ靭性の向上に有効である。HAZ組織の微細化には固溶B量の確保が重要であり、Tiの含有は固溶NをTiN粒子として固定して、BN粒子の生成を抑制することで固溶B量を確保することができる。また、TiN粒子によるオーステナイト粒の粒成長の抑制効果による母材の組織微細化(細粒化)と、1350℃以下に加熱されるHAZ組織の微細化に有効である。
Bは、結晶粒界に偏析して顕著な強度上昇の効果を発揮し、母材の強度上昇に有効な元素である。また、HAZにおいて、固溶Bがフェライト変態を遅らせるため、ミクロ組織を微細化しHAZ靭性を良好にするのに必須の元素である。しかしながら、0.0005%未満のB含有量では、強度上昇効果とHAZ靭性向上効果が得られないので、B含有量は0.0005%以上とする。これらのB含有効果をより確実に発揮させるために、B含有量は0.0007%以上、または0.0008%以上としてもよい。一方、Bを0.0050%超含有すると、粗大なB窒化物や炭硼化物を析出し、固溶Bが不足して強度が低下したり、析出物が破壊の起点となって、HAZ靭性が低下する。したがって、B含有量は0.0050%以下とする。より好ましいB含有量は0.0040%以下であり、さらに好ましいB含有量は0.0035%以下または0.0030%以下である。
Mgは、MgMn系硫化物の生成に必須の元素である。Mg含有量が0.0005%未満では、必要な個数のMgMn系硫化物を得ることができない。従ってMg含有量は0.0005%以上とする。より多量のMgMn系硫化物を生成させるためには、Mg含有量は0.0015%以上とすることがより好ましい。一方、Mg含有量が0.0050%超では、Mgが酸化物を生成するため、MgMn系硫化物の析出量が飽和してHAZ靭性の向上効果も飽和する上、経済性を損なうので、Mg含有量は0.0050%以下とする。
本実施形態では、MgMn系硫化物を生成させることが必要であり、このためにMg、Mn以外の硫化物形成元素の含有量は極力低減することが望ましい。代表的な硫化物形成元素はCa及びREMであり、MgMn系硫化物のサイズ及び個数を制御するために、これらを0.0005%以下とする。より好ましくは、それぞれ、0.0003%以下とする。これらの元素の下限は特に制限する必要はなく、これらの下限は0%である。REMとは、Sc、Y、及びランタノイドの合計17元素を指す。REM含有量とは、上記元素の合計含有量を指す。
Cuは、母材の強度上昇に有効な元素であり、特に、時効熱処理により微細Cu相を析出させることにより、著しい強度上昇が得られる。強度上昇の効果をより確実に得るためには、Cu含有量は0.05%以上が好ましい。逆に、Cuを1.50%超含有すると、母材やHAZの脆化が顕著となるので、Cu含有量は1.50%以下とする。
Niは、焼入れ性を上昇させることにより母材の強度上昇に効果を有し、さらに、靭性を向上させる。これらの効果をより確実に得るためには、Ni含有量は0.05%以上とすることが好ましい。一方、Niは高価な元素であるため、2.00%超含有すると経済性を損なうため、Ni含有量は2.00%以下とする。
Crは、母材の強度上昇に効果を有する。この効果をより確実に得るためには、Cr含有量は0.02%以上とすることが好ましい。一方、Cr含有量が1.00%超になると、HAZに硬化組織が生成し、MgMn系硫化物によってHAZのオーステナイト粒を微細化しても大きなHAZ靭性向上効果が得られない。従って、Cr含有量は1.00%以下とする。
Moは、母材の強度上昇に効果を有する。この効果をより確実に得るためには、Mo含有量は0.02%以上とすることが好ましい。一方、Mo含有量が1.00%超になると、HAZに硬化組織が生成し、MgMn系硫化物によってHAZのオーステナイト粒を微細化しても大きなHAZ靭性向上効果が得られない。従って、Mo含有量は1.00%以下とする。
Nbは、母材の強度上昇および細粒化に有効な元素である。これらの効果をより確実に得るためには、Nb含有量は0.005%以上とすることが好ましい。一方、Nb含有量が0.050%超になると、HAZにおけるNb炭窒化物の析出が顕著となり、MgMn系硫化物によってHAZのオーステナイト粒を微細化しても大きなHAZ靭性向上効果が得られない。従って、Nb含有量は0.050%以下とする。
Vは、母材の強度上昇および細粒化に有効な元素である。これらの効果をより確実に得るためには、V含有量は0.005%以上とすることが好ましい。一方、V含有量が0.100%超では、HAZにおける炭窒化物の析出が顕著となり、MgMn系硫化物によってHAZのオーステナイト粒を微細化しても大きなHAZ靭性向上効果が得られない。従って、V含有量は0.100%以下とする。
Wは、溶解して酸素酸イオンWO4 −の形でさびに吸着し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制し、耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Wを過剰に含有させても、上記効果が飽和するだけでなく、低温靱性が低下する場合がある。そのため、W含有量は1.00%以下、好ましくは0.75%以下である。上記の効果を得たい場合は、W含有量は、好ましくは0.01%以上、より好ましくは0.02%以上、さらに好ましくは0.05%以上である。
Snは、Sn2+となって溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する元素である。また、Snには鋼のアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させる作用がある。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Snを過剰に含有させても、上記効果が飽和するだけでなく、鋼板の圧延割れが発生しやすくなる。そのため、Sn含有量は0.50%以下、好ましくは0.30%以下である。上記の効果を得たい場合は、Sn含有量は、好ましくは0.01%以上、より好ましくは0.02%以上、さらに好ましくは0.05%以上である。
本実施形態に係る鋼材は、MgとMnとの合計に対してMgの割合が原子%で70%以上、90%以下であるMgMn系硫化物を含む。MgMn系硫化物には、円相当径0.005μm以上、0.5μm未満の(Mg,Mn)ナノ硫化物と、円相当径0.5μm以上、5.0μm以下の(Mg,Mn)マイクロ硫化物とが含まれる。以下の説明では、(Mg,Mn)ナノ硫化物を「ナノ硫化物」と言う場合がある。また、(Mg,Mn)マイクロ硫化物を「マイクロ硫化物」という場合がある。
本実施形態の鋼材の製造方法は、溶鋼に対して真空脱ガスを行い、溶鋼の溶存酸素濃度が0.0040質量%以下になってから、Mgを30〜300kg/分の速度で添加し、Mg添加後10分以内に、窒素ガス流量を1.0Nm3/分以上として還流を開始し、還流を1.0分間以上施す精錬工程と、精錬工程後の溶鋼に対して連続鋳造を行い鋳片とする際に、鋳片の表面温度が1200℃から900℃になるまでの平均冷却速度を、0.2℃/秒以上とする連続鋳造工程と、連続鋳造後の鋳片を熱間圧延して鋼材とする熱間圧延工程と、を順次行う。
精錬工程では、溶鋼に対して真空脱ガスを行い、溶鋼の溶存酸素濃度が0.0040質量%以下になってから、Mgを30〜300kg/分の速度で添加し、Mg添加後10分以内に、窒素ガス流量を1.0Nm3/分以上として、1.0分間以上の還流を開始した。
熱サイクルを付与した後の鋼材から、三個ずつVノッチ試験片を採取し、−60℃でシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギー(vE−60)を測定した。なお、Vノッチ試験片は、JIS Z 2242:2005に記載されたVノッチ試験片に準じて作成した。また、シャルピー衝撃試験は、JIS Z 2242:2005に準拠して行った。
3個の試験片の吸収エネルギー(vE−60)の平均値が100J以上であり、3個の試験片の吸収エネルギー(vE−60)の最小値が50J以上であった場合を合格とした。
Claims (4)
- 質量%で、
C :0.030〜0.250%、
Si:0.02〜0.50%、
Mn:0.10〜2.00%、
P :0.020%以下、
S :0.001〜0.020%、
Al:0.010〜0.200%、
N :0.0020〜0.0050%、
O :0.0007〜0.0020%、
Ti:0.004〜0.025%、
B :0.0005〜0.0050%、
Mg:0.0005〜0.0050%、
Ca:0.0005%以下、
REM:0.0005%以下、
残部:Fe及び不純物からなる鋼組成を備え、
鋼中に、MgとMnとの合計に対してMgの割合が原子%で70%以上、90%以下であるMgMn系硫化物を含み、
前記MgMn系硫化物は、円相当径0.005μm以上、0.5μm未満のナノ硫化物と、円相当径0.5μm以上、5.0μm以下のマイクロ硫化物と、を含み、
前記ナノ硫化物の個数密度が1.0×104〜30.0×104個/mm2であり、
前記マイクロ硫化物のうち、個数割合で80%以上の前記マイクロ硫化物が、1原子%以上のNを含む複合介在物であり、
前記複合介在物の個数密度が20〜300個/mm2である、鋼材。 - 前記鋼組成が、前記Feの一部に替えて、質量%で、
Cu:1.50%以下、
Ni:2.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
Nb:0.050%以下、
V :0.100%以下
からなる群から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1に記載の鋼材。 - 前記鋼組成が、前記Feの一部に替えて、質量%で、
W :1.00%以下、
Sn:0.50%以下
からなる群から選択される1種または2種を含有することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の鋼材。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の鋼材の製造方法であって、
溶鋼に対して真空脱ガスを行い、前記溶鋼の溶存酸素濃度が0.0040質量%以下になってから、Mgを30〜300kg/分の速度で添加し、Mg添加後10分以内に、窒素ガス流量を1.0Nm3/分以上として還流を開始し、前記還流を1.0分間以上施す精錬工程と、
前記精錬工程後の前記溶鋼に対して連続鋳造を行い鋳片とする際に、鋳片の表面温度が1200℃から900℃になるまでの平均冷却速度を、0.2℃/秒以上とする連続鋳造工程と、
前記連続鋳造後の前記鋳片を熱間圧延して鋼材とする熱間圧延工程と、を備えることを特徴とする鋼材の製造方法。
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