JP3212349B2 - 細粒高靭性構造用鋼板の製造法 - Google Patents

細粒高靭性構造用鋼板の製造法

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JP3212349B2 JP06642392A JP6642392A JP3212349B2 JP 3212349 B2 JP3212349 B2 JP 3212349B2 JP 06642392 A JP06642392 A JP 06642392A JP 6642392 A JP6642392 A JP 6642392A JP 3212349 B2 JP3212349 B2 JP 3212349B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、細粒高靭性構造用の厚
鋼板を経済的にかつ生産性よく製造する方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】近年、鋼材の強度、靭性、加工性等の諸
特性はその組織が微細化するほど向上することが一般的
な事実として広く知られ、鋼材の低温での靭性を向上さ
せるには結晶粒微細化がきわめて有効で各種分野で検討
がなされている。例えば、制御圧延の例として、フェラ
イト粒径を微細化する技術として特開昭59−4732
3号公報の提案がある。しかしこの圧延方法は低温で加
熱し、未再結晶域で大きな加工を加える方法である。ま
た従来から鋼材の細粒化には特開昭58−19431号
公報に開示されているように、NiやNb等の合金を使
用している。
【0003】また、加工熱処理技術による細粒化技術と
して、材料とプロセス,6(1990).p1796に
記載のように加工と熱処理を組み合わせてフェライト粒
径を3μm程度に細粒化する技術がある。更に、変態前
のオーステナイトを細粒化する方法として特開平2−3
0151号公報記載の方法がある。この方法は塑性加工
を加えつつ変態点を超えさせる技術で、到達オーステナ
イト粒径は5μmである。
【0004】また、鉄鋼の結晶粒超微細化部会報告書
(1991,3)に記載のようにSCM435材、オー
ステナイト系ステンレス鋼等において冷間加工を付与し
たマルテンサイトをAc3 変態点直上に逆変態させて、
オーステナイトを超細粒化する方法が提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た提案は実用時に次に述べるような問題を内在してお
り、改善が待たれている。特開昭59−47323号公
報の提案のように低温で加熱し、未再結晶域での加工量
を大きくし、かつ制御冷却を必須とし、圧延後の急冷に
より微細なフェライト及びマルテンサイトとする方法
は、他のスラブの加熱温度と対象のスラブの加熱温度が
異なるため、この前後で加熱操業条件を調整する時間が
必要となる。また、加熱効率の大幅な低下が避けられ
ず、更には未再結晶域での加工量を大きくするため、制
御圧延時の温度待ち時間が極めて長くなり、圧延効率の
低下、再加熱、及び制御冷却に伴うコスト上昇を招き、
生産性の向上を追求している現状における問題が多い。
【0006】特開昭58−19431号公報に開示され
ているように、NiやNb等の合金の添加は、鋼材の製
造コストを引き上げるばかりでなく、多量の使用は鋼材
の溶接性の劣化を招き、溶接部の所定の特性を満足でき
ないことになる。
【0007】また、加工熱処理技術を駆使して細粒化す
る技術として、材料とプロセス,6(1990).p1
796や特開平2−30151号公報記載の方法では、
加工と熱処理を組み合わせる必要があるので、鋼板の製
造時の生産性の低下ばかりでなく、圧延機等の加工設備
近傍に熱処理ができる設備が必要で、設備面からも膨大
なコスト上昇を招く。
【0008】冷間加工しその後γに逆変態させる技術も
きわめて強力な冷間圧延機が必要になり、鋼板製造設備
面からも大幅なコスト上昇を招く。本発明はこれらの問
題点を伴わずに、鋼材を細粒化させ母材の靭性を改善し
た鋼材を生産性良く、経済的に効率よく製造する方法を
提供することを課題とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するために、凝固後Ac3 以上に加熱した構造用鋼の
鋳片を、そのまま又は圧下を加え、表面温度をAr3
以下の温度域まで2℃/秒以上の冷却速度にて冷却し、
その後、復熱させ板厚中心部が再結晶終了温度〜再結晶
終了温度+150℃の温度域において圧下率30%以上
の圧延を行ない、一旦圧延を中断し、表面温度をAr3
点以下の温度域まで2℃/秒以上の冷却速度にて冷却
し、復熱後板厚中心部が未再結晶域の段階において圧下
率50%以上で圧延、圧延仕上げ温度をAr3 点以上
とすることを第1の手段とする。
【0010】更に本発明は上記手段1の圧延終了後に5
℃/秒以上の冷却速度で、650℃以下の温度に加速冷
却を行なうことを第2の手段とし、上記手段1の圧延終
了後引き続き焼入れ焼戻し処理を行なうことを第3の手
段とする。
【0011】本発明が対象とする構造用鋼は、例えば、
前記した特公昭58−14849号公報に記載され、次
記するように、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活用で確認されている作
用・効果の関係を基に定めている添加元素の種類と量を
同様に使用して同等の作用と効果が得られる。従って、
これ等を含む鋼を本発明は対象鋼とするものである。
【0012】これ等の各成分元素につきその添加理由と
量を以下に示す。Cは鋼の強度を向上させるために有効
な成分として添加するものであるが、0.20%を超え
る過剰な含有量では、島状マルテンサイトを析出し、H
AZ靭性を著しく劣化させるので0.20%以下に規制
する。
【0013】Siは溶鋼の脱酸元素と強度増加元素とし
て添加するが、0.01%未満では脱酸効果が不十分で
あり、1.0%を超えて添加すると、HAZの靭性が低
下するため、添加量は0.01〜1.0%に規制する。
【0014】Mnも脱酸成分元素として必要であり、
0.3%未満では鋼の清浄度を低下して加工性を害す
る。また鋼材の強度を向上する成分として0.3%以上
の添加が必要である。しかし、Mnは過剰の添加により
溶接性を著しく劣化する。そのため2.0%を上限とす
る。
【0015】AlはAl窒化物により鋼の結晶粒径が微
細化できるので必要である。しかし添加量が少ないとそ
の効果がなく、過剰の場合には鋼中の酸素との結合によ
り酸化物系の介在物を形成して鋼の清浄度を低下させる
ため、添加量は0.001〜0.2%に規制する。
【0016】Nは不可避的に含有される元素であるが、
過剰の添加は島状マルテンサイトの生成を促進するた
め、0.020%を上限とする。Pはミクロ偏析による
HAZの靭性と耐割れ性の劣化を防ぐため、0.015
%を上限としている。Sは粗大なA系介在物を形成して
母材の靭性、異方性(圧延方向とそれに直角方向の物性
の差)の悪化を防止するため、0.005%を上限とし
て規定する。本発明が対象とする構造用鋼の基本成分は
以上である。これを基本に母材強度の上昇或いは、継手
靭性の向上を目的として、要求される性質に応じて合金
元素を添加する場合は、添加し過ぎると、溶接性の確保
が困難になる。そこで合金の添加量としては、Ni,C
r,Mo,Cu,W,Co,V,Nb,Ti,Zr,T
a,Hf,希土類元素,Y,Ca,Mg,Te,Se,
Bの1種類以上を添加できるが合計で4.5%以内に規
制している。
【0017】本発明における鋳片の加熱温度はオーステ
ナイトの粗大化防止のため1200℃を上限とし、下限
温度は圧延の作業を考慮すると900℃以上が望まし
い。またNb元素を含む鋼材は、Nbを完全固溶させる
ために1100℃以上の加熱が必要となる。また、圧延
の終了温度をAr3 点温度未満にすると、オーステナイ
トから変態したフェライトが加工されて表層部の靭性が
劣化するので、本発明における圧延終了温度はAr3
温度以上とした。
【0018】
【作用】本発明者等は、前記従来技術が有する問題を解
決すると共に、本発明の課題を達成するため、一般的な
構造用鋼を代表する供試鋼として、実施例の表1に示す
鋼種9を用いて種々実験検討を繰り返した。
【0019】本発明者等は、生産性良く、経済的に母材
靭性を向上する方法を確立するために、圧延温度が下が
りにくい板厚中心部の温度と時間の関係の調査を実施し
た。その結果を図1に示す。
【0020】本発明者等は、この実態を活用し、従来技
術に共通する生産性の低下と経済性の悪化の要因となっ
ている鋳片の極端な低温加熱、及び従来行なわれている
圧延温度の調整のための滞留・待機、更には低温域での
再加熱圧延等を用いることなく、従来技術で得られてい
たと同等又はそれ以上の母材靭性を有する鋼板の製造方
法を確立するため、次の3点に着眼し、実験検討を重ね
た。
【0021】圧延中の鋳片を再結晶終了温度近傍まで
に早期に冷却させ、再結晶終了温度域での圧延及び鋼板
の結晶粒の微細化の関係。 鋳片を再結晶終了後から未再結晶温度域圧延を実施す
る前に冷却することによる変態前のオーステナイト中へ
の歪みの蓄積と変態フェライト粒径の関係。 との組み合わせと、母材靭性の関係。 よく知られているように被加工鋼材の温度履歴と加工量
が変化すれば、再結晶が終了する温度は変化する。従っ
て図示した再結晶終了温度及びこれに対応する圧延材の
板厚は一例である。
【0022】本発明者等は、板厚中心部の温度に着目
し、再結晶域での圧下温度と再結晶完了後のオーステナ
イト粒径の関係を調査した。その結果を図2に示す。同
図より再結晶終了温度〜再結晶終了温度+150℃の範
囲が、再結晶後のオーステナイト粒径の細粒化に有効で
あることがわかった。上記温度範囲での圧下率の影響を
調査した結果を図3に示す。同図より圧下率は30%以
上必要であることが判明した。
【0023】更に本発明者等は、未再結晶域で、いかに
歪を蓄積するかを検討した結果、一旦圧延を中断し、2
℃/秒以上の冷却速度で表面温度Ar3 以下まで冷却を
実施し、表面部と中心部に変形抵抗差をつけて靭性に及
ぼす影響を実施検討した。その結果を図4に示す。
【0024】図4の製造条件は次の通りである。 鋼種 :表1の9 加熱温度:1170℃ 鋳片厚 :250mm 仕上温度:770℃ 製品厚 :19mm 再結晶終了温度〜再結晶終了温度+150℃での圧下率
=35%
【0025】未再結晶での圧延の前に冷却を実施したも
のは、冷却を実施しないものに比べ、靭性が良好になっ
ていた。また、未再結晶域での圧下率の影響についても
検討した結果、50%以上の圧下量を加えると、母材の
靭性が顕著に良好になることがわかった。
【0026】その理由は、未再結晶域での変形抵抗差に
起因した累積歪蓄積効果が助長されたものと推察され
る。オーステナイト粒の粒成長防止の観点から板厚中心
部の温度を上記最適温度域まで早期に到達させるための
表面の冷却条件として、Ar3 点以下に2℃/秒以上の
冷却速度で冷却することが有効であることが板厚方向の
熱伝導解析結果から明らかとなった。
【0027】以上により得た構造用鋼板の強度を加速冷
却により向上するには、圧延終了後に水、水蒸気、気水
混合体等の何れかの冷却剤を使用して、冷却速度5℃/
秒以上、冷却停止温度650℃以下の加速冷却を行なえ
ば良く、また、以上により得た本発明の構造用鋼板を上
記圧延後、焼入れ焼戻しを行なうと本発明の効果を損な
うことなく強度、靭性を向上できることが判明した。本
発明は以上の知見を基になされたものである。
【0028】
【実施例】本発明の供試鋼の成分は、前記した一般的な
構造用鋼の元素と添加量であれば何れの組み合わせでも
良いが、強度レベルが異なる代表的な構造用鋼として本
実施例に用いた鋼の化学成分を表1に、製造条件を表2
に、その時使用した圧延パススケジュールと圧延中の冷
却条件を表3に、得られた材質を表4に比較例を併記し
て示す。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】
【表3】
【0032】
【表4】
【0033】
【表5】
【0034】
【表6】
【0035】
【表7】
【0036】
【表8】
【0037】表1に示す供試鋼の鋼種1〜3は40キロ
級鋼、鋼種4〜7は50キロ級鋼、鋼種8〜10は60
キロ級鋼である。それぞれには必要に応じ合金元素を添
加している。表2に示す通り、鋼種1〜10を使用した
本発明例のNo.A1〜A10は所要の強度を有し、靭性
もvTrsで−108〜−130℃と良好な値であっ
た。
【0038】これに対し、No.B1〜B10の比較例は
何れも本発明に示す製造条件を満足しておらずそれぞれ
に問題がある。すなわち再結晶終了温度〜再結晶終了温
度+150℃での圧下率が30%に満たない比較例のN
o.B3,B4は、それぞれ同じ供試鋼を用いて製造し
た本発明例のNo.A3,A4に比べ母材靭性が劣化して
いた。再結晶域での冷却がない比較例のNo.B1,B
3,B4,B7,B8,B9はそれぞれ同じ供試鋼を用
いて製造した本発明例のNo.A1,A3,A4,A7,
A8,A9に比べ母材靭性が劣化していた。未再結晶域
での圧延前に冷却がない比較例のNo.B1,B2,B
5,B6,B7,B8,B9はそれぞれ同じ供試鋼を用
いて製造した本発明例のNo.A1,A2,A5,A6,
A7,A8,A9に比べ母材靭性が劣化していた。ま
た、Nb添加鋼で加熱温度が985℃と低い比較例No.
B10は靭性は優れているものの強度が所要の強度に達
しなかった。
【0039】
【発明の効果】本発明は以上の説明から明らかな通り、
前記の手段により発生する前記の作用を活用することに
より、母材靭性が安定して経済的に製造する技術を確立
したもので、本発明の利用分野への波及効果はきわめて
大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】加熱抽出からの時間と温度の関係を示す図表で
ある。
【図2】再結晶域での圧延温度域と再結晶完了後の平均
γ粒径の関係を示す図表である。
【図3】再結晶域での圧下率と再結晶完了後の平均γ粒
径の関係を示す図表である。
【図4】未再結晶域での圧下率と靭性の関係を示す図表
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 宏 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 昭59−20421(JP,A) 特開 平3−53020(JP,A) 特開 平3−61321(JP,A) 特開 昭63−20413(JP,A) 特公 平2−15605(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 8/00 - 8/10

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 凝固後Ac3 以上に加熱した構造用鋼
    の鋳片表面温度をAr3 点以下の温度域まで2℃/秒
    以上の冷却速度にて冷却し、その後、復熱させ板厚中心
    部が再結晶終了温度〜再結晶終了温度+150℃の温度
    において圧下率30%以上の圧延を行ない、一旦圧延
    を中断し、表面温度をAr3 点以下の温度域まで2℃/
    秒以上の冷却速度にて冷却し、復熱後板厚中心部が未再
    結晶域の段階において圧下率50%以上で圧延、圧延
    仕上げ温度をAr3 点以上とすることを特徴とする細粒
    高靭性構造用鋼板の製造法。
  2. 【請求項2】 凝固後Ac 3 点以上に加熱した構造用鋼
    の鋳片に圧下を加えた後、表面温度をAr 3 点以下の温
    度域まで2℃/秒以上の冷却速度にて冷却することを特
    徴とする請求項1記載の細粒高靭性構造用鋼板の製造
    法。
  3. 【請求項3】 圧延終了後に5℃/秒以上の冷却速度で
    650℃以下の温度に加速冷却を行なうことを特徴とす
    る請求項1又は2に記載の細粒高靭性構造鋼板の製造
    法。
  4. 【請求項4】 圧延終了後引き続き焼入れ焼戻し処理
    を行なうことを特徴とする請求項1又は2に記載の細粒
    高靭性構造鋼板の製造法。
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