JP2544019B2

JP2544019B2 - 大入熱溶接ｈａｚ靭性の優れた非調質鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP2544019B2
Application number: JP2286757A
Authority: JP
Inventors: 昭伊藤; 忠石川; 利昭土師; 秀里間淵
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1990-10-23
Publication date: 1996-10-16
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: JPH04160113A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、低温環境での大入熱溶接時においても溶接
熱影響部（以下HAZと称す）の靱性及び鋼材自体の靱性
（以下母材靱性と稱す）が優れた溶接構造用の非調質鋼
板の製造方法に関する。

＜従来の技術＞近年、海洋構造物、船舶、貯蔵タンク等の大型構造物
に使用される溶接構造用後の材質特性に対する要望は厳
しさを増しており、破壊がもたらす被害の大きさ及び社
会不安の大きさから、母材靱性の厳しい要求と同時に、
HAZの靱性の要望も厳しさを増している。例えば、−50
℃の液化ガスを貯蔵するタンク用鋼材に対するHAZの靱
性の要求値として、−60℃におけるシャルピー試験にお
いて測定される吸収エネルギーが50J以上であることが
求められつつあり、また北極海で使用される海洋構造物
や砕氷船等では、−60℃から−80℃での使用環境での靱
性保証が要求されつつある。

さらに、これ等の構造物の製造に際しては、溶接の効
率化のため、フラックス−銅バッキング溶接に代表され
る片面１パス溶接法のような大入熱溶接法の適用が望ま
れている。

これを受け、代入熱溶接時における鋼材のHAZ靱性に
注目した提案は従来から数多くある。

例えば、鉄と鋼第65年（1979年）第８号102頁から111
頁の「50kgf/mm²級高張力鋼板の大入熱溶接熱影響部の
靱性におよぼすTiおよびＮ量の影響」に記載されるよう
に、Ti及びＮを適当な範囲に制御し、TiNを数多く析出
させることによりHAZの組織を微細なフェライトパーラ
イト組織として所要のHAZ靱性を得る方法がある。

この方法は、Ti量を0.015％程度、Ｎ量を0.0050％程
度とすることを必須としているが、得られる靱性は０℃
程度の保証で、近年の要求である−60℃〜−80℃の靱性
保証を満たすものではない。

また、特開昭58−110658号公報等に開示されるよう
に、S,N,B,Tiの含有量を一定範囲に規定し、HAZの靱性
を向上させる方法がある。

この方法は、固接Ｎによる靱性低下を抑制し、さらに
HAZの粗大オーステナイト粒内にフェライトを生成させ
ることにより靱性を向上さる方法であるが、得られる靱
性は−30℃保証であって近年の要求である−60℃〜−80
℃の靱性保証を満たすものではない。

この方法によると、HAZの組織は、オーステナイト粒
界には初析フェライトがあり、オーステナイト粒内には
フェライトが見られる。

また、住友金属Vol.40（1988）No.1の39頁から47頁の
「大入熱溶接用高張力鋼板の開発」に記載されるよう
に、Ca及びTiを添加した鋼において、AlとＢとＮ量を一
定範囲とすることでHAZの靱性を向上する方法がある。

この方法は、Al量を0.01％以下出来るだけ少ない量と
して、Ｎ量は50ppm程度、Ｂは、0.0015〜0.0028％程度
にして、TiN、BN及びCaO析出粒子の微細分散によるHAZ
のオーステナイト粒粗大化の防止とフェライト変態促進
効果、及び溶接後の冷却時に析出するBNが有する固溶Ｎ
の低減効果を活用し、−60℃でのHAZの靱性を保証して
いるが、この方法でのHAZの組織は、フェライトパーラ
イト組織で、−80℃でのHAZ靱性を保証するものではな
い。

また、この方法では、Al量が少ないため、母材組織の
細粒化に有効なA1Nの有効活用できず、母材靱性が著し
く低下して−60℃の保証ができない場合が生じる。

＜発明が解決しようとする課題＞本発明は、上記した従来技術の現状を踏まえ、前記の
大型溶接構造物のHAZ及び母材の両位置で要求されてい
る厳しい靱性を安定して満足させる溶接構造用の非調質
鋼板の製造方法を提供することを課題とするものであ
る。

＜課題を解決するための手段＞本発明は上記の課題を解決するために、（１）重量％で、 C:0.02〜0.06％ Si:≦0.70％ Mn:0.50〜1.60％ Al:0.010〜0.060％ Ti:0.005〜0.012％ N:0.0020〜0.0050％ B:0.0005〜0.0015％を含有し、かつ、 340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Al≦40 を満たし、残部が鉄及び不可避的不純物からなる鋼片を
1000℃以上1250℃未満に加熱した後、下記の条件で定ま
る表面温度が760℃以上Ａ℃以下の範囲内で60％以上の
仕上圧延を行うことを特徴とする大入熱溶接HAZ靱性の
優れた非調質鋼板の製造方法を第１の手段とし、仕上板厚（mm）＜16mmの場合Ａ℃＝900−（50/8）×仕上板厚仕上板厚（mm）≧16mmの場合Ａ℃＝800 （２）重量％で、 C:0.02〜0.06％ Si:≦0.70％ Mn:0.50〜1.60％ Al:0.010〜0.060％ Ti:0.005〜0.012％ N:0.0020〜0.0050％ B:0.0005〜0.0015％を含有し、さらに Cu≦1.00％ Ni:≦1.00％ Mo:≦0.50％ V:≦0.10％のうち１種または２種以上を含有し、かつ、 340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Al≦40 を満たし、残部が鉄及び不可避的不純物からなる鋼片を
1000℃以上1250℃未満に加熱した後、下記の条件で定ま
る表面温度が760℃以上Ａ℃以下の範囲内で60％以上の
仕上圧延を行うことを特徴とする大入熱溶接HAZ靱性の
優れた非調質鋼板の製造方法を第２の手段としている。

仕上板厚（mm）＜16mmの場合Ａ℃＝900−（50/8）×仕上板厚仕上板厚（mm）≧16mmの場合Ａ℃＝800 本発明におけるSi、Mn、Alの限定量とその理由は、通
常の溶接構造用鋼が所要の材質を得るために従来から当
業分野での使用で確認されている作用・効果の関係を基
に、例えば特開昭58−110658号公報に記載され以下に示
す様に定めている。

Siは溶鋼の予備脱酸のために添加しているが、HAZの
靱性が低下するのを防止するために0.7％を上限とし、M
nは鋼材の強度を向上する成分として0.5％以上の添加が
必要あり、過剰な含有量ではHAZの靱性が低下するた
め、1.6％を上限とし、Alは、溶鋼の脱酸のため必要で
あり、またAlNの活用によって母材靱性を向上させるた
めにも、0.01％以上の添加が必要であり、Siと同様な作
用効果から0.06％以下に規制している。

＜作用＞本発明は前記従来技術が有する課題を解消するため
に、下記の化学成分を有する一般的な構造用鋼を用い
て、大入熱溶接を行い、種々実験検討を繰り返し第１図
〜第５図を得た。

供試鋼の化学成分 C:0.02〜0.12％ Si:0.05〜0.30％ Mn:0.50〜1.80％ P:0.002〜0.020％ S:0.0010〜0.0020％ Al:0.005〜0.060％ Ti:0.003〜0.020％ B:0〜0.0020％ N:0.0020〜0.0060％本発明者等は第１図から、Ｃ量が0.060％以下に低下
すると−60℃でのHAZの靱性が著しく向上して100Jに達
することを知見した。

その際HAZの組織は、粗大なオーステナイトの粒界に
塊状の初析フェライトが生成し、オーステナイト粒内は
微細なベイナイト状の組織であり、粒界のフェライトが
塊状になることにより、HAZの靱性に有害な粒界から成
長する粗大なフェライトサイドプレート組織や上部ベイ
ナイト状組織の生成が抑制され、前記した従来技術から
得られるHAZ組織とは異なることを知見した。

また、Ｃ量を低下させることにより、HAZの靱性に有
害とされている、島状マルテンサイトや粗大な炭化物も
減少していることを知見した。

さらに詳細に調査した結果、上記の組織は、Ti:0.005
〜0.012％、N:0.0020〜0.0050％、B:0.0005〜0.0015％
と共に、340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Al
≦40を満たした場合に安定して形成され、この成分範囲
において、第２図に示すようにHAZで安定して良好な靱
性が得られることを見出した。

この時のHAZの靱性は、第３図に示す如く−80℃でも
良好であることも知見した。

さらに、Cu及びNiは１％まで、Moは0.5％まで、ｖは
0.1％までの添加であれば、靱性を全く損なうことなく
強度を増加できることを知見した。

また、住友金属Vol.40（1988）No.1の39頁から47頁の
「大入熱溶接用高張力鋼板の開発」では、Al量が多くな
るとHAZ内でも溶接ボンド（溶接境界＝weld interfac
e）から離れた位置の靱性が低下することが記載されて
おり、その原因は、溶接ボンドから離れた位置では溶接
時の加熱温度が低いためにTiN及びAlNの再固溶がほとん
どなくＢが固溶Ｂとして多く存在して焼入性を上昇する
ことにより靱性が低下するものと推定している。

しかし上記の成分範囲の鋼板では、鋼板自体の焼入れ
性が抑えられているため、固溶Ｂが存在しても、第４
図、第５図に示すように溶接ボンドから離れた位置での
HAZ靱性の低下は起こらないことを知見した。

一方、鋼材にはHAZの靱性向上と共に、高い母材性が
必要なことは言うまでもない。

その場合、母材靱性で−80℃での靱性保証を行うに
は、線状加熱加工等による若干の靱性低下を考慮する
と、実用上からは保証温度−20℃程度の余裕が必要であ
る。

そこで本発明者等は、高いHAZの靱性を示す鋼材の製
造条件の中で母材靱性に最も影響の大きい圧延条件につ
いて研究を進め、非常に高い母材靱性が得られる下記の
条件を見出した。

一般的に鋼材は、低温で大きな圧下を加えると母材靱
性が向上することが知られている。

そこで、本発明の成分を有する鋼板について、鋼板表
面を含む（以下表面部と稱す）シャルピー試験片の板厚
中心つまりt/2部を含む（以下t/2部と稱す）シャルピー
試験片を準備し、低温での圧延条件の実験・検討を重ね
第６図〜第９図に示す知見を得た。

第６図は、仕上圧延開始温度に関する知見である。こ
の図から、板厚の違いによっても、また同じ板厚でも、
板厚表面部とt/2部で最適な圧延開始温度が異なること
が判明した。

これにより、鋼板内部を熱伝導により伝わる熱量より
も、鋼板表面から放出される熱量の方が大きいため、通
常、鋼板内部に比べ鋼板表面の温度の方が低いが、一
方、圧延中の鋼板の温度は、鋼板表面でしか測定出来な
いことにより、鋼板の板厚が厚い程表面と内部の温度差
が大きくなり、この差で母材靱性に差が生じることを知
見した。

この知見に基づき、表面温度で圧延条件を制御する場
合に、板厚により調整が必要な圧延温度について、種々
の試験を行い第７図を得た。

この図から仕上開始温度（表面温度）は次記の温度と
することが必要であることを知見した。

仕上板厚（mm）＜16mmの場合（mm）Ａ℃＝900−（50/8）×仕上板厚仕上板厚（mm）≧16mmの場合Ａ℃＝800 第８図は、仕上圧延終了温度に関する知見である。こ
の図から仕上圧延終了温度は板厚に関係なく、760℃未
満になると板厚表面付近に加工組織ができて、靱性が低
下することが判明した。

この知見に従って仕上圧延終了温度は760℃以上とし
た。

第９図は、仕上圧延における圧下率の効果に関する知
見である。該圧下率の増加により母材靱性は向上する
が、60％以上の圧下率があれば、本発明が対象とする用
途での要望を十分に満足する母材靱性が得られることが
判明した。

また、この効果は圧延前加熱温度が1000〜1250℃の時
に最良となることを知見した。

また、仕上圧延後に、強度増加のために制御冷却を行
っても、上記の圧延による母材靱性の向上効果は損なわ
れないことを知見した。

本発明は、以上の各知見に基づく新しい作用の適用に
よりなされたもので、これにより本発明の課題を達成し
たのである。

＜実施例＞表１に、本発明鋼と比較鋼の成分、及び加熱条件と圧
延条件、並びに大入熱溶接時の母材靱性とHAZ靱性を示
す。

本発明例のNo.1〜20は、何れも母材靱性、HAZ靱性と
も優れ、母材のvTrsは−100℃以下で、HAZ靱性は−60
℃、−80℃で50J以上の優れた靱性を示した。

比較例のNo.21〜36の中、No.21〜33は成分が範囲外の
もの、No.34〜36は圧延条件が範囲外のものである。

比較例のNo.21〜33は、高い母材靱性を示したが、HAZ
靱性は−60℃、−80℃で50J未満の低い靱性しか得られ
なかった。

340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Alが40を
超えたNo21〜27は、溶接ボンドから離れた位置のHAZ靱
性も低かった。

No.34〜36は、HAZ靱性は良好であったが母材靱性が低
かった。

＜発明の効果＞本発明は、上記した手段で上記した作用を生ぜしめ
て、海洋構造物、船舶、貯蔵タンク等の大型溶接構造物
の破壊に対する厳しいHAZ靱性と母材靱性の要求に応え
る溶接構造溶鋼板の製造方法を提供するもので、構造物
に高い安全性と快適さを確保し保証等を通じて、この種
の産業分野にもたらす効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は−60℃でのHAZ靱性とＣ量の関係を示し、第２
図は−60℃でのHAZ靱性と340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋68
0×Ｐ−260×Alの関係を示し、第３図は−80℃でのHAZ
靱性と340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Alの
関係を示し、第４図は−60℃での溶接ボンドから離れた
位置のHAZ靱性と340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−2
60×Alの関係を示し、第５図はHAZ靱性と340×Ｃ＋42×
Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Alの関係を示し、第６図は
表面温度で示す鋼板の仕上圧延開始温度と母材靱性の関
係を示し、第７図は母材靱性と仕上圧延開始温度の関係
を仕上板厚別に示し、第８図は仕上圧延終了温度と母材
靱性の関係を示し、第９図は仕上圧延での圧下率と母材
靱性の関係を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者間淵秀里大分県大分市大字西ノ洲１番地新日本製鐵株式会社大分製鐵所内 (56)参考文献特開平３−219046（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−110658（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−67621（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−13022（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、 C:0.02〜0.06％ Si:≦0.70％ Mn:0.50〜1.60％ Al:0.010〜0.060％ Ti:0.005〜0.012％ N:0.0020〜0.0050％ B:0.0005〜0.0015％を含有し、かつ、 340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Al≦40 を満たし、残部が鉄及び不可避的不純物からなる鋼片を
1000℃以上1250℃未満に加熱した後、下記の条件で定ま
る表面温度が760℃以上Ａ℃以下の範囲内で60％以上の
仕上圧延を行うことを特徴とする大入熱溶接HAZ靱性の
優れた非調質鋼板の製造方法。仕上板厚（mm）＜16mmの場合Ａ℃＝900−（50/8）×仕上板厚仕上板厚（mm）≧16mmの場合Ａ℃＝800
【請求項２】重量％で、 C:0.02〜0.06％ Si:≦0.70％ Mn:0.50〜1.60％ Al:0.010〜0.060％ Ti:0.005〜0.012％ N:0.0020〜0.0050％ B:0.0005〜0.0015％を含有し、さらに Cu≦1.00％ Ni:≦1.00％ Mo:≦0.50％ V:≦0.10％のうち１種または２種以上を含有し、かつ、 340×Ｃ＋42×Si＋13×Mn＋680×Ｐ−260×Al≦40 を満たし、残部が鉄及び不可避的不純物からなる鋼片を
1000℃以上1250℃未満に加熱した後、下記の条件で定ま
る表面温度が760℃以上Ａ℃以下の範囲内で60％以上の
仕上圧延を行うことを特徴とする大入熱溶接HAZ靱性の
優れた非調質鋼板の製造方法。仕上板厚（mm）＜16mmの場合Ａ℃＝900−（50/8）×仕上板厚仕上板厚（mm）≧16mmの場合Ａ℃＝800