JP2546888B2

JP2546888B2 - 溶接性、靭性の優れた高張力鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP2546888B2
Application number: JP1030856A
Authority: JP
Inventors: 和彦矢野; 重雄岡野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1996-10-23
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: JPH02209422A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、特に橋梁、ペンストック、海洋構造物など
に使用される引張強さ90kgf/mm²級以上の高張力鋼板の
溶接性、靭性を改善する技術に関する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）橋梁、ペンストック、海洋構造物などは、近年、大型
化する傾向にあり、それらに使用される鋼材を高強度化
することによって重量を軽減しようという動きがある。
すなわち、従来の引張強さ60kgf/mm²、80kgf/mm²級鋼か
ら、より高強度の90kgf/mm²級鋼を使用しようという趨
勢がある。

しかしながら、このような高張力鋼板は、その強度を
確保するためにMn、Ni、Cr、Mo等の合金元素を多量に添
加する必要があり、その結果、炭素当量が高くなって、
耐溶接割れ性は高強度化するほど劣化するという問題が
あった。

一方、高張力鋼板の溶接性を改善する技術として、次
のような基本的な技術が知られている。すなわち、微量
のNbを添加し、熱間圧延後に直後焼入を行うと、焼もど
し時にNb炭窒化物の析出強化があるため、所定の強度の
確保する上で、Mn、Ni、Cr、Mo等の合金元素量を低減す
ることができ、溶接性の改善を可能とする技術である
（特公昭44−9567号）。

しかしながら、このような析出強化を利用した鋼板
は、変態強化や細粒強化を利用した鋼板に比べ、強化に
伴う母材靭性の劣化量が大きいという問題があった。

この直接焼入焼もどし後のNbの析出強化を利用した技
術は、その後も幾つか提唱されているが（特開昭59−10
0214号、同61−147812号、同61−3833号など）、いずれ
も強化に伴う母材靭性の劣化の問題を解決するものでは
なかった。

本発明は、かゝる事情に鑑みてなされたものであっ
て、引張強さ90kgf/mm²級以上にまで高強度化する場合
に、合金元素の増量による溶接性の劣化の問題や、Nbの
析出強化を利用する際の母材靭性の劣化の問題を解決し
得る高張力鋼板の製造方法を提供することを目的とする
ものである。

（課題を解決するための手段）前記目的を達成するため、本発明者らは、引張強さ90
kgf/mm²級以上の高張力鋼板の溶接性、母材靭性を改善
すべく鋭意研究を行った。

その結果、Nbの析出強化を利用する場合にはNb量をあ
る範囲に制限し、併せてMn量を低減することによって、
母材靭性の劣化を伴うことなく析出強化が生じることを
見い出した。つまり、従来技術よりも添加するNb量、Mn
量を低減して、直接焼入、焼もどしを行うことにより、
Nb炭窒化物の析出強化の分だけ合金元素量を低減できる
ので溶接性を改善でき、また析出強化に伴う母材靭性の
劣化が少ないので、良好な母材靭性を確保できることを
知見し、ここに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明に係る溶接性、靭性の優れた引張強
さ90kgf/mm²級以上の高張力鋼板の製造方法は、C:0.07
〜0.15％、Si:0.05〜0.50％、Mn:0.10〜0.75％、Ni:1.1
〜3.0％、Cr:0.2〜1.2％、Mo:0.2〜1.0％、Al:0.01〜0.
10％及びNb:0.005〜0.020％を含有し、必要に応じて更
に、Cu:0.05〜0.30％及びCa:0.001〜0.010％のうちの１
種又は２種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物より
なる鋼につき、1150℃超えの温度に加熱し、950℃以下
での圧下率40％未満で、圧延仕上温度870℃以上で熱間
圧延した後、オーステナイト域の温度から直接焼入し、
引き続き500℃以上AC₁点未満の温度で焼もどすことを特
徴とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用）まず、本発明における化学成分の限定理由について説
明する。

C: Ｃは高張力鋼板としての強度を確保するために必要な
元素であるが、0.07％未満では引張強さ90kgf/mm²以上
を得るのが困難であり、また0.15％を超えて添加すると
耐溶接割れ特性を害するので好ましくない。したがっ
て、Ｃ含有量は0.07〜0.15％の範囲とする。

Si: Siは脱酸に必要な元素であるが、0.05％未満ではこの
効果は少なく、また0.50％を超えて過多に添加すると溶
接性、靭性を劣化させるので好ましくない。したがっ
て、Si含有量は0.05〜0.50％の範囲とする。

Mn: Mnは焼入性を向上させ、板厚内部の強度を確保するた
めに必要な元素であるが、0.10％未満ではこのような効
果が十分に得られない。一方、Mnの上限は母材靭性確保
の観点から0.75％とする必要がある。

すなわち、第１図は、0.11％Ｃ−0.25％Si−1.9％Ni
−0.6％Mo−0.015％Nb−0.030％Alの基本成分系でMn量
を0.2〜1.5％に変化させると同時にCrを0.2〜1.2％に変
化させることによって鋼の焼入性を一定に保った上で、
これを板厚50mmに熱間圧延し、直接焼入を行った後、引
張強さが90〜100kgf/mm²となるように焼もどし温度を調
整した場合におけるMn量とシャルピ吸収エネルギー（母
材靭性）の関係を示すが、この図より、Mn量が0.75％超
になると母材靭性は著しく劣化することがわかる。この
原因はMnによる焼もどし脆化の増大によるものと考えら
れる。

以上の理由から、Mn含有量は0.10〜0.75％の範囲とす
る。

Ni: Niは焼入性を向上させ、また母材靭性を向上させる元
素であるが、1.1％未満では十分な効果が得られず、ま
た3.0％を超えて過多に添加するとスケール疵を発生し
易くなり、またコスト上昇をもたらすので好ましくな
い。したがって、Ni含有量は1.1〜3.0％の範囲とする。

Cr: Crは焼入性向上に有効な元素であるが、0.20％未満で
はその効果が十分に発揮されず、また1.2％を超えて過
多に添加すると溶接性を害するので好ましくない。した
がって、Cr含有量は0.20〜1.2％の範囲とする。

Mo: Moは焼入性を高め、焼もどし軟化抵抗を増す元素であ
るが、0.2％未満では十分な効果が得られず、また1.0％
を超えて過多に添加すると溶接性を害し、且つ高価とな
るので好ましくない。したがって、Mo含有量は0.2〜1.0
％の範囲とする。

Al: Alは脱酸元素であるが、0.01％未満ではこのような効
果は少なく、また0.10％を超えて過多に添加すると靭性
の劣化をもたらすので好ましくない。したがって、Al含
有量は0.01〜0.10％の範囲とする。

Nb: Nbは本発明の重要な要素となる元素であり、スラブ加
熱時にオーステナイト中に固溶し、圧延及び直接焼入後
も、その殆どは固溶した状態にあるが、焼もどしの際に
微細な炭窒化物として結晶中に整合析出し、結晶構造を
歪ませることによって強度上昇をもたらす効果がある。
このNbの効果は、0.005％未満では十分に得られない。
一方、Nbの上限は母材靭性確保の観点から0.020％とす
る必要がある。

すなわち、第２図は、0.11％Ｃ−0.25％Si−0.4％Mn
−1.9％Ni−0.6％Cr−0.6％Mo−0.035％Alの基本成分系
で、Nb量を０〜0.050％の範囲で変化させた鋼を板厚50m
mに熱間圧延し、直接焼入を行った後、引張強さ90〜100
kgf/mm²となるような温度で焼もどしを実施した場合に
おけるNb量とシャルピ吸収エネルギー（母材靭性）の関
係を示すが、この図より、Nb量が0.020％を超えると、
著しく母材靭性が劣化することがわかる。

以上の理由から、Nb含有量は0.005〜0.020％の範囲と
する。

なお、上記以外の化学成分としては、強度レベルや板
厚に応じて、焼入性向上元素であるCuや、介在物の形態
制御元素であるCaを、必要に応じて適量添加することが
できる。

Cu: Cuは固溶強化、析出強化により強度上昇に有効な元素
であるが、0.05％未満ではこのような効果を十分に発揮
することができず、また0.30％を超えて過多に添加する
と熱間加工性が劣化し、表面に割れを生じ易いので好ま
しくない。したがって、Cu含有量は0.05〜0.30％の範囲
とする。

Ca: Caは非金属介在物の球状化作用を有し、異方性の低減
に有効であるが、0.001％未満では十分な効果が得られ
ず、また0.010％を超えて過多に添加すると介在物の増
加により靭性が劣化するので好ましくない。したがっ
て、Ca含有量は0.001〜0.010％の範囲とする。

なお、本発明においては、従来技術とは異なり、Ｖを
含有しないことが特徴の１つである。

すなわち、Ｖは少量の添加により焼入性を増し、焼も
どし軟化抵抗を高める元素であり、Nbの析出強化を利用
した高強度鋼においては、析出強化元素として用いるこ
とも提唱されている（前掲特開昭61−147812号）。しか
しながら、本発明者らの検討によれば、NbとＶを複合添
加した鋼を直接焼入焼もどし処理した場合には、析出強
化作用は大きいものの、第３図に示すように、Nb単独添
加の場合に比べて母材靭性の劣化が著しいため、本発明
においてＶを含有させないこととする。なお、第３図
は、0.11％Ｃ−0.25％Si−0.4％Mn−1.9％Ni−0.6％Cr
−0.6％Mo−0.015％Nb−0.030％Alの基本成分系で、Ｖ
量を０〜0.03％の範囲で変化させて鋼を板厚50mmに熱間
圧延し、直接焼入を行った後、引張強さが90〜100kgf/m
m²となるような温度で焼もどしを実施した場合における
Ｖ量とシャルピ吸収エネルギー（母材靭性）の関係を示
したものである。

次に本発明における製造条件について説明する。

まず、焼入方法を直接焼入に限定する背景を説明す
る。

Nb添加鋼の場合、スラブ段階でNbは粗大な炭窒化物と
して存在しているが、熱間圧延のためにスラブを1150℃
を超える高温に加熱することによってNbは固溶し、熱間
圧延及び直接焼入の過程ではNbの殆どが固溶したままと
なっている。これを焼もどすと、固溶Nbは微細な炭窒化
物としてマルテンサイトの結晶中に整合析出し、結晶構
造を歪ませるため、鋼板の強度は上昇する（析出強
化）。

これに対して、Nb添加鋼であっても圧延後に空冷する
と、その途中で固溶Nbは粗大な炭窒化物として析出し、
この析出物は結晶構造と非整合であるために強化作用を
有せず、また焼もどしの段階では固溶Nbが既に殆ど析出
してしまっているため、焼もどし時に析出強化も得られ
ない。

以上の如く、焼入方法を直接焼入に限定する理由は、
圧延直後まで多量に存在する固溶Nbが粗大析出しないよ
うに急冷し、引き続き焼もどし時に微細Nb炭窒化物によ
る析出強化を利用するためである。なお、直接焼入はオ
ーステナイト域の温度から行うことは云うまでもない。

スラブ加熱温度を1150℃超えに限定する理由は、スラ
ブ中に存在する粗大なNb炭窒化物をオーステナイト中に
十分固溶させるためである。

次に、圧延条件として、950℃以下での圧下率を40％
未満、圧延仕上温度を870℃以上と限定する理由は、加
工を受けたオーステナイトが十分に再結晶して、直接焼
入後も鋼板内に異方性が生じないようにするためであ
る。

また、焼もどし温度を500℃以上Ac₁点未満とする理由
は、500℃未満の焼もどしでは直接焼入時に発生した鋼
板内部の残留応力の解放が十分でなく、溶接構造物とし
て組立てられた後の耐脆性破壊特性に悪影響を与え、ま
たAc₁点以上の焼もどしを行うと、組織が部分的にオー
ステナイトに変態して、焼もどし後にマルテンサイト組
織が得られず、強度の著しい低下をもたらすためであ
る。

次に本発明の実施例を示す。なお、本発明は本実施例
のみに限定されるものでないことは云うまでもなく、前
述の基礎実験例も実施例足り得る。

（実施例）第１表に示す化学成分を有する鋼スラブを、第２表に
示す加熱条件、圧延条件にて種々の板厚に圧延し、第２
表に示す熱処理を施した後、引張試験及び衝撃試験並び
に斜めＹ型溶接割れ試験によって強度特性、溶接性を評
価した。それらの結果を第２表に併記する。

第２表より明らかなように、本発明による鋼板Ａ〜Ｈ
はいずれも90kgf/mm²以上の引張強さと、vTrs≦−90℃
の良好な靭性を有し、圧延方向及び圧延直角方向の靭性
の差は小さい。また斜めＹ型溶接割れ試験におけるルー
ト割れ防止予熱温度は100kgf/mm²級鋼板で100℃であ
り、80kgf/mm²級鋼板と同程度の優れた溶接性を有して
いる。

これに対して、比較鋼Ｉ、Ｊ、ＫはMn量が多すぎるた
め、比較鋼ＬはNb量が多すぎるため、また比較鋼ＭはNb
と共にＶが含有されているために、いずれもvTrsは−60
℃程度であり、母材靭性は良好とは言えない。

比較鋼Ｎは直接焼入ではなく再加熱焼入を行っている
ため、比較鋼Ｏはスラブ加熱温度が低すぎるために、い
ずれも十分な強度が得られていない。

比較鋼Ｐ、Ｑは950℃以下での圧下率が大きすぎ、或
いは圧延仕上温度が低すぎるために、いずれも圧延方向
と圧延直角方向の靭性の差が大きい。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、引張強さ90kg
f/mm²級以上にまで高強度化しても、従来のように合金
元素の増量による溶接性の劣化の問題や、Nbの析出強化
を利用する際の母材靭性の劣化の問題がなく、優れた溶
接性、靭性を備えた引張強さ90kgf/mm²級以上の高張力
鋼板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は母材靭性に及ぼすMn量の影響を示す図であり、
第２図は母材靭性に及ぼすNb量の影響を示す図であり、
第３図はNb析出強化鋼の母材靭性に及ぼすＶ添加の影響
を示す図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で（以下、同じ）、C:0.07〜0.15
％、Si:0.05〜0.50％、Mn:0.10〜0.75％、Ni:1.1〜3.0
％、Cr:0.2〜1.2％、Mo:0.2〜1.0％、Al:0.01〜0.10％
及びNb:0.005〜0.020％を含有し、残部がFe及び不可避
的不純物よりなる鋼につき、1150℃超えの温度に加熱
し、950℃以下での圧下率40％未満で、圧延仕上温度870
℃以上で熱間圧延した後、オーステナイト域の温度から
直接焼入し、引き続き500℃以上Ac₁点未満の温度で焼も
どすことを特徴とする溶接性、靭性の優れた引張強さ90
kgf/mm²級以上の高張力鋼板の製造方法。
【請求項２】前記鋼が更に、Cu:0.05〜0.30％及びCa:0.
001〜0.010％のうち１種又は２種を含有している請求項
１に記載の方法。