JP2022510216A - 溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
母材の微細組織が面積分率20~60%の針状フェライト及び40~80%のベイナイト相を含み、溶接後の溶接熱影響部内の溶融線(Fusion line)の微細組織がフェライト及びベイナイト相を含み、10~40mmの厚さを有することを特長とする。
[関係式1]
0.42>C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
(ここで、各元素は、重量含有量を意味する。)
炭素(C)は、鋼の強度を向上させるために効果的な元素であり、このような効果を十分に得るためには0.02%以上含有することが好ましい。但し、その含有量が0.08%を超えると、母材及び溶接部の低温衝撃靭性を大きく阻害するようになる。
シリコン(Si)は、脱酸剤として用いられ、鋼の強度及び靭性向上に有用な元素である。このようなSi含有量が0.5%を超えると、却って低温衝撃靭性及び溶接性が劣化するため、0.5%以下含有することが好ましい。また、Si含有量が0.15%未満であると、脱酸効果が不十分である。
マンガン(Mn)は、固溶強化により強度を確保するために有利な元素である。このような効果を十分に得るためにはMnを1.2%以上含有することが好ましい。但し、その含有量が1.8%を超えると、鋼中の硫黄(S)と結合してMnSを形成することで常温延伸率及び低温衝撃靭性を大きく阻害するという問題がある。
リン(P)は、鋼の強度向上及び耐食性の側面では有利であるのに対し、衝撃靭性を大きく阻害するため、可能な限り低く維持することが有利である。
硫黄(S)は、鋼中のMnと結合してMnSなどを形成することで、衝撃靭性を大きく損なうため、可能な限り低く維持することが好ましい。
アルミニウム(Al)は、低い費用で溶鋼を脱酸することができる元素であって、上記効果を十分に得るためにはAlを0.005%以上含有することが好ましい。但し、その含有量が0.1%を超えると、連続鋳造時にノズルの目詰まりを誘発するという問題がある。
ニッケル(Ni)は、母材の強度及び靭性を同時に向上させるために有利な元素であり、このような効果を十分に得るためには0.01%以上含有することが好ましい。但し、Niは高価な元素として0.5%を超えて添加すると、経済性が大きく低下するという欠点がある。
モリブデン(Mo)は、少量の添加だけで硬化能を大きく向上させてフェライト相の形成を抑制すると同時に、ベイナイトまたはマルテンサイト相などの硬質相の形成を誘導する効果がある。また、強度を大きく向上させるため、0.01%以上添加する必要がある。但し、Moは高価な元素であり、過度に添加すると溶接部の硬度を過度に増加させて靭性を阻害するおそれがあるため、これを考慮して、0.1%以下に制限する必要がある。
ニオブ(Nb)は、NbCまたはNb(C、N)の形で析出し、母材及び溶接部の強度を大きく向上させるだけでなく、高温で再加熱時に固溶されたNbがオーステナイトの再結晶及びフェライトまたはベイナイトの変態を抑制することで、組織の微細化効果を得ることができる。また、圧延後の冷却時にもオーステナイトの安定性を高めるため、低い速度での冷却時にもマルテンサイトまたはベイナイトなどの硬質相(hard phase)の生成を促進させて母材の強度向上に有用である。但し、鋼材を溶接した後、粒界フェライト相が形成される場合、粗大なNbC炭化物が形成されて物性が低下するおそれがある。
チタン(Ti)は、再加熱時の結晶粒の成長を抑制し、低温靭性を大きく向上させるために有利な元素である。上述した効果を十分に得るためには0.005%以上含有することが好ましいが、過度に添加して0.02%を超えると、連鋳ノズルの目詰まりや中心部の晶出によって低温衝撃靭性が劣化するおそれがある。
窒素(N)は、Tiとともに添加すると、TiN析出物を形成して溶接時の熱影響による結晶粒成長を抑制する効果がある。上述した効果を得るためには、20ppm以上含有することが好ましく、N含有量を20ppm未満に制御する場合、製鋼負荷を大きく増加させ、結晶粒成長の抑制効果が十分でなくなる。一方、N含有量が100ppmを超えると、AlNが形成されて表面クラックを誘発するという問題がある。
バナジウム(V)は、他の合金元素に比べて固溶される温度が低く、溶接熱影響部に析出し、強度の低下を防止する効果がある。したがって、PWHT後の強度の確保が十分でない場合、0.01%以上添加する。但し、その含有量が0.1%を超えると、MAなどの硬質相の分率が増大し、溶接部の低温衝撃靭性を阻害するという問題がある。
[関係式1]
0.42>C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
(ここで、各元素は、重量含有量を意味する。)
Ar3=910-310C-80Mn-20Cu-55Ni-80Mo+119V+124Ti-18Nb+179Al(ここで、各元素は、重量含有量を意味する。)
下記の表1に示す合金組成を有する鋼スラブを1120~1200℃で再加熱した後、870℃で仕上げ圧延して、それぞれの熱延鋼板を製造した。この後、熱延鋼板に対して680~810℃で冷却を開始し、5~70℃/sの冷却速度で100~200℃まで水冷した。この後、595℃で60分間維持した後で空冷する、溶接後熱処理(PWHT)工程を行った。この時、溶接後熱処理工程は2回行った。
実施例1のように、表1の合金組成を有する鋼スラブを[再加熱-熱間圧延-冷却]工程を経て製造したそれぞれの熱延鋼板に対して170KJ/cmの入熱量で1パス大入熱溶接(EGW)を行い、溶接熱影響部を形成した。この後、595℃で60分間維持した後、空冷する溶接後熱処理工程を行った。この時、溶接後熱処理工程は2回行った。
Claims (13)
- 重量%で、炭素(C):0.02~0.08%、シリコン(Si):0.15~0.5%、マンガン(Mn):1.2~1.8%、リン(P):0.008%以下(0%を除く)、硫黄(S):0.003%以下(0%を除く)、アルミニウム(Al):0.005~0.1%、ニッケル(Ni):0.01~0.5%、モリブデン(Mo):0.01~0.1%、ニオブ(Nb):0.005~0.05%、チタン(Ti):0.005~0.02%、窒素(N):20~100ppm、残部はFe及びその他の不可避不純物からなり、下記関係式1を満たし、
母材の微細組織が面積分率20~60%の針状フェライト及び40~80%のベイナイト相を含み、
溶接後に溶接熱影響部内の溶融線(Fusion line)の微細組織がフェライト及びベイナイト相を含み、
10~40mmの厚さを有することを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
[関係式1]
0.42>C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
(ここで、各元素は、重量含有量を意味する。) - 前記鋼材は、バナジウム(V):0.01~0.1%をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
- 前記母材及び溶接熱影響部内の溶融線(Fusion line)は、炭窒化物を含み、
前記炭窒化物は、MCまたはM(C、N)型であり、前記Mは、20重量%以上のMo及び残部のTiであることを特徴とする請求項1に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。 - 前記溶接熱影響部のオーステナイトの平均結晶粒サイズが500μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
- 前記母材は、面積分率で10%以下(0%を含む)のマルテンサイト相または焼戻しマルテンサイト相を含むことを特徴とする請求項1に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
- 前記鋼材は、PWHT後の引張強度が450MPa以上、-50℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギーが200J以上であることを特徴とする請求項1に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
- 前記溶接熱影響部はPWHT後の引張強度が450MPa以上、-50℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギーが100J以上であることを特徴とする請求項1に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
- 前記溶接は、EGW(Electro Gas Welding)であり、入熱量100~200KJ/cmの大入熱溶接方法であることを特徴とする請求項1に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
- 重量%で、炭素(C):0.02~0.08%、シリコン(Si):0.15~0.5%、マンガン(Mn):1.2~1.8%、リン(P):0.008%以下(0%を除く)、硫黄(S):0.003%以下(0%を除く)、アルミニウム(Al):0.005~0.1%、ニッケル(Ni):0.01~0.5%、モリブデン(Mo):0.01~0.1%、ニオブ(Nb):0.005~0.05%、チタン(Ti):0.005~0.02%、窒素(N):20~100ppm、残部はFe及びその他の不可避不純物からなり、下記関係式1を満たす鋼スラブを1050~1250℃で再加熱する段階と、
前記再加熱された鋼スラブを1200~Ar3+30℃の温度範囲で粗圧延する段階と、
前記粗圧延後Ar3以上で仕上げ圧延して熱延鋼板を製造する段階と、
前記熱延鋼板を常温~550℃まで5℃/s以上の冷却速度で冷却する段階と、
を含むことを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製造方法。
[関係式1]
0.42>C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
(ここで、各元素は、重量含有量を意味する。) - 前記鋼スラブは、バナジウム(V):0.01~0.1%をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製造方法。
- 前記冷却された熱延鋼板を入熱量100~200KJ/cmでEGW工程を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製造方法。
- 前記EGW工程後に形成された溶接熱影響部内の溶融線(Fusion line)の微細組織は、フェライト及びベイナイト相を含むことを特徴とする請求項11に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製造方法。
- 前記EGW工程後、590~620℃の温度範囲で溶接後熱処理(PWHT)を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製造方法。
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