JP3589156B2 - 破壊靱性に優れた高強度鋼材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、破壊靱性に優れた高強度鋼材とその製造方法に関する。さらに詳述すれば、本発明は、例えば大型産業機械用、造船用、海洋構造物用、橋梁用鋼材などの溶接構造物用鋼材として適する、破壊靱性に優れた高強度鋼材とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、経済性および安全性等の観点から、大型産業機械、溶接鋼管、海洋構造物、橋梁等の溶接構造物における高強度化が益々進むと共に、これらの分野で使用される鋼材に対する要求特性は高まる一方である。これらの鋼材には破壊靱性試験としてBS7448やASTM E1290に規定される試験によるCTOD特性を要求されることがあり、CTOD特性の向上と安定化は構造物の安全性向上に大きく寄与するものである。
【0003】
ここに、「CTOD特性」は、CTOD(Crack Tip Opening Displacement 、き裂先端開口変位) に対する抵抗性を示す指標であり、具体的には、疲労き裂を与えた試験片を指定温度で3点曲げを行い、き裂先端の開口変位をクリップゲージ等で測定し、破壊が発生する限界値を限界CTOD値として、CTOD特性を評価する。
【0004】
従来より、鋼材のCTOD特性を向上させるには、低C化が有効であることが知られており、低C化による強度低下を補うため、種々の合金元素添加やプロセス面からの高強度化が図られている。例えば、ASTM A710 や米国特許第3,692,514 号ではCuの析出強化を利用した鋼材が開示されている。これらの鋼材は溶接性に優れていることが特徴であるが、低温での充分な破壊靱性を有しているとは言い難い。
【0005】
低温靱性を改善する技術としては、日本特許第2,611,565 号あるいは同第2,690,578 号に、通常の熱間圧延後に冷間あるいは温間で圧下を加える方法が開示されている。しかしながらこれらの技術は、通常、熱間圧延を行う厚板用ミルにおいて冷間あるいは温間の圧下を加えるもので、設備負荷が大きく、広く一般に適用可能な技術とは言い難い。また、CTOD試験においては数度の繰り返し試験で個々の限界CTOD値で著しく低い値( 低限界CTOD値) を示すことがあり、このような低限界CTOD値の発生を抑え、安定的に良好な特性を得るために、より低C化や高価な合金元素の添加を余儀なくされている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、本発明の課題は、安価かつ簡便な手段でもって実現できる破壊靱性に優れた高強度鋼材とその製造方法を提供することである。
【0007】
より具体的には、本発明の課題は、降伏強度550N/mm2以上、引張強度620N/mm2以上を満足する、安価かつ簡便な手段でもって実現できる破壊靱性に優れた高強度鋼材とその製造方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため種々検討を重ねた結果、微量元素をコントロールすることにより溶接性と安定した破壊靱性を具備した高強度鋼材を提供できることを知り、本発明を完成した。
【0009】
すなわち、本発明者は、種々の検討を重ねた結果、CTOD試験において著しく低い限界CTOP値を示す原因として微量元素であるSeに起因する硬くて脆い介在物の存在を見い出し、これを抑制することにより、低限界CTOD値の発生を抑え、より低コストで安定的なCTOD特性が得られることを知見した。
【0010】
ここに、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
(1) 質量%で、C:0.02〜0.10%、Mn:0.50〜2.5 %、P:0.025%以下、
S:0.01%以下、Cu:0.50〜2.0 %、Ni:0〜4%、Nb:0.05%以下、
Ti:0.05%以下、Se:0.005 %以下、およびAl:0.1 %以下
を含有する鋼組成を有する、− 40 ℃での限界 CTOD 値 0.80mm 以上を示す、破壊靱性に優れた高強度鋼材。
(2) 前記(1) に記載された鋼組成を有する鋼片を950 〜1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行った後、放冷し、次いで450 〜680 ℃に再加熱した後、空冷することを特徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(3) 前記(1) に記載された鋼組成を有する鋼片を950 〜1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行った後、1〜50℃/secの冷却速度で580 ℃以下の温度域まで冷却し、次いで450〜680 ℃に再加熱した後、空冷することを特徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の製造方法。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明するが、以降の説明では、「鋼材」が「鋼板」である場合を例にとる。なお、本明細書において鋼組成を規定する「%」は、「質量%」である。
【0012】
本発明における鋼材の鋼組成を限定する理由を説明する。
C: 0.02 〜 0.10 %
Cは、強度上昇に寄与する元素ではあるが、0.02%未満では強度を確保することは困難であり、一方、0.10%を超えて多量に含有すると、目的とする製品の溶接性および破壊靱性を劣化させる。したがって、C含有量は0.02%以上0.10%以下と限定する。経済性やより高い性能を求める意味から望ましいC含有量は0.03%以上0.08%以下である。
【0013】
Mn : 0.50 〜 2.5 %
Mnは、鋼の強度および靱性を確保するために必要な元素ではあるが、0.50%未満ではこのような効果は少なく、一方、2.5 %を超えて多量に添加すると溶接性を劣化させる。したがって、Mn含有量は、0.50〜2.5 %以下に限定する。経済性やより高い性能を求める意味から、望ましいMn含有量は0.60%以上1.8 %以下である。
【0014】
P: 0.025 %以下、S: 0.01 %以下
P、Sは、ともに鋼の凝固時に偏析を起こし易い元素であり、この偏析により、溶接部を脆化させて靱性を低下させる。このため、P、Sともに含有量を低減することが望ましいが、それらの元素の著しい低減には相応の処理コストを要する。そこで、本発明では、P含有量を0.025 %以下と限定する。一方、Sは、A系介在物であるMnS となって鋼中に析出し、圧延時に延伸されて靱性を低下させる。そこで、本発明では、S 含有量は0.01%以下とする。
【0015】
Cu : 0.50 〜 2.0 %
Cuは本発明の特徴とする元素で、圧延冷却後のCu析出処理による強化作用、つまり析出強化を活用することにより、低C化を実現し、溶接性と低温靱性ひいては破壊靱性の向上をもたらす。析出強化を有効に得るために下限を0.50%と限定する。しかし過度の添加は逆に靱性の低下をもたらすと共に、鋼の熱間圧延中のCuクラックの発生やHAZ の粒界割れを助長するという悪影響が顕著になる。このため、上限を2.0 %と限定する。経済性やより高い性能を求める意味から望ましいCu含有量は0.7 %以上1.8 %以下である。
【0016】
Ni :4%以下
Niは、所望添加元素であり、Cuとほぼ同様に、溶接性およびHAZ 靱性に悪影響を及ぼすこともなく、母材の強度、靱性を向上させるが、4%超の添加では構造用鋼材として極めて高価になるため経済性を失うので、添加する場合、Ni含有量は4%以下と限定する。経済性を求める意味から望ましいNi含有量は2%以下、つまり0〜2%である。ここに本発明においてNiは任意添加成分であるという趣旨でNi:0〜4%と記述する。
【0017】
Nb : 0.05 %以下
Nbは、析出強化と細粒化による靱性向上に有効な元素であるが、0.05%を超えると溶接部の靱性が劣化する。そこでNb添加量は、0.05%以下と限定する。経済性やより高い性能を求める意味から望ましいNb含有量は0.03%以下である。
【0018】
Ti : 0.05 %以下
Tiは、オーステナイト粒粗大化防止に有効な元素であるが、0.05%を超えると靱性が劣化する。そこでTi添加量は、0.05%以下と限定する。経済性やより高性能を求める意味から望ましいTi含有量は0.03%以下である。
【0019】
Se : 0.005 %以下
Seは、その添加により鋼の切削性を向上させるのに有効な元素であるが、硬くて脆い介在物を形成し破壊靱性の低下をもたらす。本発明の意図する鋼材では切削性向上を積極的に求める必要はなく、Seの意図的な添加を行わないが、製鋼時に使用する鉱石類やスクラップから微量汚染され、破壊靱性の深刻な劣化をもたらす場合がある。そのためSe含有量を0.005 %以下と限定する。より高い性能を求める意味からSe含有量は少なければ少ないほど望ましい。
【0020】
Al : 0.1 %以下
Alは、脱酸およびオーステナイト粒粗大化防止に有効な元素であるが、脱酸作用についてはSiやMnによって、オーステナイト粒粗大化防止作用についてはNbやTiと云った微量元素添加によって代替可能であり、むしろAlの多量添加では鋼中の清浄度を劣化させる懸念がある。よってAl含有量は、0.1 %以下と限定する。経済性やより高い性能を求める意味から望ましいAl含有量は0.06%以下である。
【0021】
その他の元素
本発明において以上のように限定した元素以外で、鋼の製造において一般に添加される元素、例えばSi、Cr、Mo、V、B等については、本発明の効果を阻害しない範囲で添加することは制限されない。換言すれば、経済的に許容可能な添加量であれば本発明の効果を助長こそすれ阻害しないため、その添加量に制限を設けない。
【0022】
熱間圧延
本発明では、上述のような鋼組成を有する鋼片を950 〜1250℃の温度範囲に加熱して、熱間圧延を行う。加熱温度が950 ℃未満の場合はNbが充分にマトリックスに固溶しないため、引き続いて行われる熱間圧延においてオーステナイトの再結晶化を抑制することができず、組織の微細化が不充分となり、充分な靱性が得られない。一方、加熱温度が1250℃を超えると連続鋳造鋳片の場合オーステナイト結晶粒がさらに粗大化し、板厚中心部だけでなく母材全体の靱性が低下する。
【0023】
そこで、本発明では、連続鋳造鋳片の加熱温度は950 〜1250℃とする。熱間圧延の条件は、通常の鋼材製造における条件でよい。
冷却
熱間圧延を終了した後に、放冷しまたは必要に応じて1〜50℃/secの冷却速度で580 ℃以下の温度域まで冷却する。ここで言う「必要に応じて」とは、目標とする鋼材の板厚と低温靱性確保の両面から決定するものであり。例えばより低温での高靱性を必要とする場合、または厚肉鋼材で放冷時の冷却速度が遅い場合は、加速冷却を実施することが効果的であることを意味する。この場合、圧延終了温度に応じた冷却開始温度が選択される。
【0024】
この冷却における平均の冷却速度が1℃/sec未満であると、粗大な炭化物を伴うベイナイト組織等が生成し易いので、特に鋼板の中心部の充分な降伏強さを確保することができない。一方、冷却速度が50℃/secを超えると、鋼板の表層部近傍で焼きが入り易いために表層の靱性が低下することがある。そこで本発明では、580 ℃以下の温度域までの平均冷却速度を1℃/sec以上50℃/sec以下と限定する。この冷却における冷却停止温度が580 ℃を超えると、鋼板の中心部のみならず表層部においても、マルテンサイトあるいは下部ベイナイト等の生成が不充分であるので強度を確保することができない。そこで、本発明の上記態様では、冷却停止温度は580 ℃以下とする。
【0025】
単に放冷する場合にあっても放冷、つまり冷却停止条件は580 ℃以下とする。
熱処理
放冷しあるいは加速冷却した鋼を450 〜680 ℃に再加熱した後、空冷処理を実施する。これは、Cuの析出強化を効率的かつ安定的に発揮させるためであり、目的とする強度・低温靱性に応じ、450 〜680 ℃の温度範囲で実施する。
【0026】
ここで、下限を450 ℃と限定するのは、これより低温では熱処理中にCuの析出が充分に完了せず、その後構造物等に加工される際の溶接熱によって継ぎ手近傍で母材の特性が著しく変化することが懸念される。また上限を680 ℃と限定するのは、それより高温では、過時効により充分な強度が確保できなくなるためである。
【0027】
かくして、本発明によれば、溶接構造物用鋼材、例えば大型産業機械用、造船用、海洋構造物用、さらには橋梁用等の構造材として用いることができる破壊靱性に優れた高強度鋼材が得られる。しかも、その製造に際しては、有害成分であるSe含有量を制限することで、また熱間圧延に際しての熱処理条件を規定するという簡便な手段でもってそのような優れた鋼特性を得ることができるのであり、その着想のユニークさはもちろん、実用上の意義は大きく、本発明はこの種の鋼材の開発に大きな貢献を果たすことが期待される。
【0028】
次に、本発明を実施例を参照しながら、より具体的に説明する。
【0029】
【実施例】
本実施例における目標性能は、海洋構造物用のYS≧550N/mm2級の鋼とし、破壊靱性の目標値は限界CTOD値で0.80mm以上である。
【0030】
CTOD試験の方法はBS7448に準拠して行った。
表1に示す鋼組成・製造条件を有する鋼板を熱間圧延により37種製造した。
得られた鋼板から試験片を切り出し、YS、TS、限界CTOD値を測定した。
【0031】
結果を表1にまとめて示す。
表1において実施例No.1〜23は本発明の実施例であり、No.24 〜39は比較例である。実施例No.1〜23はいずれもYS≧550N/mm2、TS≧620N/mm2、限界CTOD値≧0.80mmを有しており、破壊靱性に優れた高強度鋼材である。
【0032】
一方、比較例であるNo.24 〜39は製造方法が本発明範囲外の例である。No.24 〜25は加熱温度が発明範囲外であり、強度あるいは破壊靱性が目標を達成しなかった。No.26 〜27は冷却温度域あるいは冷却速度が発明範囲外であり、YS、TSあるいは破壊靱性が目標を達成しなかった。No.28 〜37は化学組成が本発明範囲外の例であり、YS、TSあるいは破壊靱性が目標を達成しなかった。No.38 〜39は熱処理温度が本発明範囲外の例であり、YS、TSあるいは破壊靱性が目標を達成しなかった。
【0033】
【表1】
【0034】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明により破壊靱性に優れた高強度鋼材を提供することが可能となった。かかる効果を有する本発明の実用上の意義は大きい。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.02〜0.10%、Mn:0.50〜2.5 %、P:0.025%以下、
S:0.01%以下、Cu:0.50〜2.0 %、Ni:0〜4%、Nb:0.05%以下、
Ti:0.05%以下、Se:0.005 %以下、およびAl:0.1 %以下
を含有する鋼組成を有する、− 40 ℃での限界 CTOD 値 0.80mm 以上を示す、破壊靱性に優れた高強度鋼材。 - 請求項1に記載された鋼組成を有する鋼片を950 〜1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行った後、放冷し、次いで450 〜680 ℃に再加熱した後、空冷することを特徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 請求項1に記載された鋼組成を有する鋼片を950 〜1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行った後、1〜50℃/secの冷却速度で580 ℃以下の温度域まで冷却し、次いで450 〜680 ℃に再加熱した後、空冷することを特徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の製造方法。
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