JP3842720B2 - 靭性に優れた溶接用鋳鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築物などの大型構造物に用いられる溶接用鋳鋼に関するものであり、殊にその組織を適切に制御することによって靭性を向上させた溶接用鋳鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築物などの大型構造物には、鋼材の使用が必要不可欠なものとなっている。こうした鋼材を建築構造物に適用するには、熱延鋼板を施工現場にて溶接して組み立てるのが一般的である。しかしながら、複雑な形状をした建築構造物に適用する場合には、その製作に熟練した技術が必要になり、コスト高や工期が長引く等の原因となっている。
【０００３】
こうしたことから近年では、複雑な形状をした建築構造物を鋳鋼で製造することによって、その作製を容易にし、工期短縮やコスト削減などを図ることが行われている。こうした溶接構造用鋳鋼品としては、ＪＩＳ Ｇ ５１０２に規定されているものが知られている。
【０００４】
ところで、建築構造物に用いられる溶接構造用鋳鋼品においては、高強度であることは勿論であるが、耐震性という観点から靭性にも優れていることが要求される。しかしながら、特に溶接構造物として要求される４８０ＭＰａ以上の引張強度を有するもの（ＪＩＳ Ｇ ５１０２：ＳＣＷ４８０）では、一般的に靭性値が非常に低いという欠点がある。
【０００５】
また厚肉の鋳鋼品では、表面部と中心部で冷却速度が異なり、複雑な形状の製品では部位によって肉厚が異なるので、冷却速度の差が発生することになる。例えば、肉厚が１／２になれば中心部の冷却速度は約３倍になると言われている。
【０００６】
従来の溶接構造用鋳鋼品では、冷却速度が変化すると、靭性が大きく変化するので、複雑な形状をした鋳鋼品では、その部位によっては靭性値が大きく異なってくるという欠点がある。特に、立方晶系のＢ１型析出物を形成するＶ等の合金元素を多量に含有する場合には、冷却速度大きくなると焼戻し時に微細な整合析出物が生成し、靭性が劣化するという現象が発生する。こうした状況の下で、安定して高靭性を発揮することのできる鋳鋼品の実現が望まれているのが実状である。
【０００７】
鋳鋼品の靭性を改善する技術もこれまでにも様々開発されており、例えばＡｌ、希土類元素およびＣａを脱酸剤として用い、靭性に悪影響を及ぼす介在物を低減させることによって、優れた靭性を確保することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、介在物の低減だけでは十分な靭性が確保されているとは言えない。
【０００８】
また、鋳鋼の組織を適切に制御することによって、優れた靭性を確保する技術として、（フェライト＋ベイナイト）の二相組織に少量の焼戻しマルテンサイトを存在させた三相組織を形成させることによって、高い強度と優れた靭性を確保する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながらこの技術では、上記のような組織を形成するために焼入れ処理を２回行う必要があり、生産性が低下するという問題がある。しかもこの技術では、０．０５〜１．５％程度のＶを含有させるものであるので、ＶＣ整合析出物が生成する恐れがあり、特に冷却速度が大きくなったときには靭性劣化が顕著に表れる。
【０００９】
更に、０．０１〜０．０５％程度のＮｂを添加すると共に、二段の焼きならし処理によって結晶粒を微細化させて靭性を改善する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながらこの技術では、高価なＮｂを添加する必要があるばかりでなく、焼きならし処理を二段で行う必要があるので、工程増加による生産性低下が発生する。
【００１０】
ところで、新規材料の開発に関してはＪＩＳ規格以外の材料を使用するには別途認可を受ける必要があることから、ＪＩＳ規格の成分範囲内で冷却速度に依存することがなく、安定して高靭性が発揮できるような溶接構造用鋳鋼の開発が望まれているのも事実である。
【００１１】
こうした観点からして、これまでにも様々な技術が提案されているが、いずれも近年の要求に必ずしも対応できているものとはいえない。例えば各種窒化物によるピン止め効果を用いて旧オーステナイト粒の微細化を図ることで、材質のばらつきを低減し、更に焼きならし処理を組み合わせることで高靭性化を図る技術が提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかしながらこの技術は、基本成分としてＭｏを多量に添加するものであり、炭素当量ＣｅｑがＪＩＳ規格よりも大きなものとなり、しかも窒化物形成元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ等）によって整合析出物が形成し易くなるという欠点がある。
【００１２】
一方、化学成分組成を制御することによってその主組織をベイナイト化し、高強度および高靭性を達成する技術も提案されている（例えば、特許文献５参照）。しかしながら、ベイナイトを主組織にするためには多量（１．２〜２．５％程度）のＮｉを含有させる必要があり、この含有量は前記ＪＩＳ Ｇ ５１０２のＳＣＷ４８０で規定されるＮｉ含有量（０．０５％以下）を大きく外れるものである。
【００１３】
【特許文献１】
特公平１−３６５２７号公報 特許請求の範囲
【特許文献２】
特開平５−７８７８０号公報 特許請求の範囲
【特許文献３】
特開昭６４−４２５５５号公報 特許請求の範囲
【特許文献４】
特開平８−１７６７２８号 公開公報の第３頁右欄第２０〜２５行
【特許文献５】
特開２００１−１８１７８３号 特許請求の範囲
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、冷却速度の変動があっても安定して高靭性が達成されると共に、ＪＩＳ規格に沿った化学成分内で良好な生産性を維持しつつ良好な強度および靭性を発揮する溶接用鋳鋼を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の溶接用鋳鋼とは、フェライトの他、パーライトおよび／またはベイナイトを含む混合組織からなると共に、フェライト分率：４０〜８５面積％、パーライト分率：３０面積％以下、ベイナイト分率：３０面積％以下であり、且つフェライト中に存在する直径：３０ｎｍ以下の微細整合析出物が、被検面積１μｍ2当たり平均５０個以下である点に要旨を有するものである。尚、本発明において、「整合析出物」とは、全ての界面が整合界面（母相と析出物の格子が完全に１対１に対応する界面）である析出物の意味である。
【００１６】
上記した本発明の溶接用鋳鋼における具体的な化学成分としては、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない），Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない），Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有するものが挙げられる。
【００１７】
また、本発明のこの溶接用鋳鋼においては、必要によって、Ｃｕ：０．１〜２％を含有させることや、下記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。
但し、[C],[Mn],[Si],[Ni],[Cr],[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ
，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【００１８】
本発明の上記目的は、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない）およびＶ：０．００５〜０．２０％を夫々含有すると共に、組織がフェライトの他、パーライトおよび／またはベイナイトを含む混合組織からなり、且つフェライト分率：４０〜８５面積％、パーライト分率：３０面積％以下、ベイナイト分率：３０面積％以下であり、更に下記（２）式および（３）式の関係を満足する溶接用鋳鋼によっても達成することができる。
ＰTS＝-0.447[フェライト分率(%)]+25.6[Si]+2.57ＰPr+124.2＞100‥（２）
ＰvE0＝-5.8[パーライト分率(%)]-14.6ＰPr+218.4＞100 ‥（３）
但し、ＰPrは、下記（４）式または（５）式によって求められる値であり、
[Si],[V],[C],[Mn],[Cu]および[Cr]は、夫々Ｓｉ，Ｖ，Ｃ，Ｍｎ，Ｃｕおよ
びＣｒの含有量（質量％）を示す。
【００１９】
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％以下のとき］
ＰPr＝[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（４）
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％を超えるとき］
ＰPr＝（[Cu]-0.5）+[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（５）
本発明のこの溶接用鋳鋼においては、必要によって、Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有させることや、上記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記ＳＣＷ４８０に準じるような化学成分組成を有する鋳鋼においても、強度と靭性の両特性を満足させることができるための要件について様々な角度から検討した。その結果、フェライトを主体とする組織に、所定量のパーライトおよび／またはベイナイトを析出させた混合組織としたもので、前記フェライト組織中に存在する直径：３０ｎｍ以下の微細整合析出物の個数を被検面積１μｍ2当たり平均５０個以下となるようにすれば、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。
【００２１】
本発明の鋳鋼では、上記混合組織における各組織分率を適切な範囲内に制御する必要があるが、まず各組織分率を規定した理由について説明する。
【００２２】
フェライト分率：４０〜８５面積％
本発明の溶接用鋳鋼では、フェライト分率を４０〜８５面積％とする必要がある。フェライトは強度に影響を与える因子であり、その分率を適切な範囲にすることによって、適切な強度を確保することができる。フェライト相が少なくなりすぎると、相対的にパーライトの分率が多くなって強度が大きくなり過ぎて靭性が却って劣化することになる。こうしたことから、フェライト分率は４０面積％以上とする必要がある。
【００２３】
一方、フェライト相が多くなり過ぎると、相対的にパーライト（若しくはパーライト＋ベイナイト）が少なくなって、十分な強度が確保できなくなる。こうしたことから、フェライト分率は８５面積％以下とする必要がある。尚、このフェライト分率の好ましい範囲は、６０〜８０面積％程度であり、この範囲で本発明の効果が最も発揮される。
【００２４】
パーライト分率：３０面積％以下
パーライトを適切な量で組織中に存在させることによって、適切な強度を確保しつつ優れた靭性を発揮させることができる。即ち、パーライトをその分率が、３０面積％までの範囲で存在させることによって、適切な強度を確保しつつ優れた靭性を発揮する鋳鋼が実現できるのである。即ち、パーライト分率が３０面積％を超えると、強度が高くなり過ぎて優れた靭性を発揮することができなくなる。尚、パーライトによるこうした効果を発揮させるためには、その分率は２０面積％以上とするのが好ましい。
【００２５】
ベイナイト分率：３０面積％以下
ベイナイトは鋳鋼の強度・靭性バランスを向上させるのに有効である。こうした効果はその量が増加するにつれて大きくなるが、あまり過剰になって３０面積％を超えると割れ易くなって溶接性が悪くなる。
【００２６】
本発明の鋳鋼では、上記の条件を満足させると同時に、所定大きさ、性質の析出物の個数を適切に制御する必要がある。ここで、測定対象とする析出物を「整合析出物」としたのは、非整合析出物に比べ、整合析出物の靭性劣化が激しいためである。また、「大きさを３０ｎｍ（ナノメータ）以下」としたのは、整合析出物でもこのサイズを超える大きさになると靭性がそれほど低下しなくなるためである。更に、析出物数を被検面積１μｍ2当たり平均５０個以下としたのは、析出物数がこの値よりも少ないと靭性劣化効果がなくなるためである。
【００２７】
本発明の溶接用鋳鋼は、基本的に前記ＳＣＷ４８０の化学成分組成を想定したものであり、具体的には、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない），Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない），Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．０５％以下を夫々含有するものが挙げられるが、これらの元素の範囲限定理由は下記の通りである。
【００２８】
Ｃ：０．０８〜０．１５％
Ｃは、パーライトを適切な量に形成して強度を付与するのに有効な元素であり、０．０８％未満ではパーライトが少なくなって（即ち、フェライト相が多くなって）強度不足を招くことになる。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えて過剰になると、パーライト分率が増加して靭性が却って劣化することになる。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０９％であり、好ましい上限は０．１２％である。
【００２９】
Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない）
Ｓｉは脱酸剤として含有されるが、多量に含有させない限り組織にはそれほど影響を及ぼすことはない。但し、０．８％を超えて含有させると、Ｓｉのマクロ偏析が生じて靭性が却って劣化することになる。
【００３０】
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｍｎは、脱酸剤および焼入れ性向上元素として添加されるが、オーステナイト生成元素であるのでフェライト分率を抑制する作用も発揮する。また、焼入れ性向上によって、ベイナイトの生成を促進して強度・靭性バランスを良好なものとする。これらの効果を発揮させるためには、Ｍｎは０．５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、その含有量が過剰になると、Ｍｎの偏析が大きくなって靭性を却って劣化させることになるので、１．５％以下とすべきである。尚、Ｍｎ含有量のより好ましい下限は１．０％であり、より好ましい上限は１．４％である。
【００３１】
Ｎｉ：０．１〜０．５％
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト生成元素であるのでフェライト分率を抑制する作用も発揮する。また、焼入れ性向上によって、ベイナイトの生成を促進して強度・靭性バランスを良好なものとする。更に、Ｎｉを固溶させることによって、鋳鋼の靭性を向上させる作用を発揮する。これらの効果を発揮させるためには、Ｎｉは０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、その含有量が過剰になって０．５％を超えると、コスト高を招くことになる。尚、Ｎｉ含有量のより好ましい下限は０．３％であり、より好ましい上限は０．５％である。
【００３２】
Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない）
Ｃｒは、焼入れ性を向上させて強度を確保する上で有用な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有されると強度が高くなり過ぎて靭性が却って劣化することになるので、０．４％以下とすべきである。
【００３３】
Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）
Ｍｏは上記Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させて強度を確保する上で有用な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有されると強度が高くなり過ぎて靭性が却って劣化することになるので、０．３％以下とすべきである。
【００３４】
Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）
Ａｌは脱酸剤として含有されるが、過剰に含有されると鋳鋼に高温割れが発生しやすくなるので、０．０５％以下とするのが良い。尚、Ａｌ含有量のより好ましい上限は０．０３％程度である。
【００３５】
Ｖ：０．０５％以下（０％を含まない）
Ｖは、強度を確保する上で有効な元素であるが、過剰に含有されると、整合析出物が生成し易くなって靭性が却って悪化することになるので、０．０５％以下とするのが良い。即ち、本発明では、靭性を劣化させる原因となる整合析出物をできるだけ少なくするためにＶの含有量を極力抑えつつ、前述した組織に調整することによって、高強度・高靭性の鋳鋼が実現できたのである。また、これによって、焼入れ時の冷却速度に影響されることなく、良好な靭性がばらつきを生じさせることなく確保できるのである。
【００３６】
本発明の鋳鋼における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は不可避不純物からなるものであるが、必要によって、Ｃｕ：０．１〜２％を含有させることや、下記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。これらの要件による作用効果は、下記の通りである。
但し、[C],[Mn],[Si],[Ni],[Cr],[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ
，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【００３７】
Ｃｕ：０．１〜２％
Ｃｕは、Ｎｉと同様に焼入れ性を向させるのに有効な元素であり、パーライトの形成を抑制すると共に、ベイナイトの形成を促進することによって、靭性の向上に寄与する元素である。また、固溶強化によって、鋳鋼の降伏応力を上昇させるのにも有効に作用する。これらの効果を発揮させるには、Ｎｉは０．１％以上含有させるのが好ましい。しかしながら、Ｃｕ含有量が過剰になって２％を超ええると、赤熱脆性のために高温割れが発生し易くなるばかりか、Ｃｕを含む整合析出物の量が増加して靭性を却って劣化させることになる。
【００３８】
Ｃｅｑ ( ％ ) ≦０．４５％
炭素当量Ｃｅｑは、溶接割れに影響を与える因子であり、この値を０．４５％以下に制御することによって溶接割れを防止することができる。
【００３９】
本発明の鋳鋼は、その組織を適切に制御することによって、その目的を達成するものであるが、こうした組織に制御するための製造方法について説明する。即ち、本発明の鋳鋼を製造するには、まず８５０〜１０００℃程度の温度で焼きならしした後、１〜６００℃／ｍｉｎ程度の冷却速度で冷却を行ない、その後所定の条件で焼戻し処理を行うようにすれば良い。
【００４０】
上記製造方法において、焼きならしは組織の均一化を図るために行うものであり、その温度が８５０℃未満になると均一化に長時間を要し、１０００℃を超えると組織の粗大化が発生し易くなる。この温度の好ましい範囲は、９００〜９５０℃程度である。尚、この焼きならし処理は、１回でもその効果が発揮されるものであるが、組織の均質化、微細化という観点から複数回（例えば、２回）行うことも有効である。
【００４１】
焼きならし後の冷却では、その冷却速度を変化させることによって、その組織を制御することができ、冷却速度が小さくなるとフェライト変態が進行し易くなってフェライト分率が増大し、冷却速度が小さくなるとフェライト変態が抑制されてベイナイトが生成し易くなる傾向がある。上記冷却速度が１℃／ｍｉｎ未満になると、フェライト分率が大きくな過ぎて所定の強度を確保することができない。即ち、冷却速度を１℃／ｍｉｎ以上とすることによって、フェライト分率が増加するのを適切に抑制して強度を確保することができるのである。
【００４２】
この冷却速度に関して、肉厚が５０ｍｍを超えるような部位を持つ大型鋳鋼品では、上記のような冷却速度を確保することが困難であり、通常は１℃／ｍｉｎ未満になる。しかしながら、大型の水焼入れ設備を用いることによって、例えば厚み２１０ｍｍの厚肉品の中心部でも、冷却速度２５℃／ｍｉｎ程度の冷却速度が達成され、所定の強度を確保することができるのである。一方、冷却速度の上限については、設備上の制約から６００℃／ｍｉｎ程度となる。
【００４３】
尚、Ｃｕを含有する場合には、焼入れ性が向上しているので、冷却速度が小さくても（例えば、０．０１℃／ｍｉｎ以上）、ベイナイト生成、フェライトやパーライトの抑制が達成されて、希望する特性（強度および靭性）を実現することができる。
【００４４】
焼戻しは、凝固や変態時に発生した歪を除去するために行われるものであるが、そのときの加熱温度が５００℃未満では十分な歪除去を行うことができず、７００℃よりも高温になると軟化が進行して十分な強度が確保できなくなる。この温度の好ましい範囲は、５６０〜６４０℃程度である。尚、この焼戻し処理は、１回でもその効果が発揮されるものであるが、靭性確保という観点から複数回（例えば、２回）行うことも有効である。
【００４５】
ところで、鋳鋼品の表面部と中心部では冷却速度が異なるので、中心部で十分な冷却速度を確保するために水冷すると、表面部の冷却速度は大きくなる。また、Ｖを多量に含有している場合には、中心部では適度な冷却速度が保たれて焼戻し時の整合析出物の析出が抑制されて靭性が確保できても、表面部では冷却速度が大きくなって焼戻し時に整合析出物が微細に析出しやすくなって靭性が劣化することになる。本発明では、Ｖ等の整合析出物を形成する添加元素を減らして析出物量を減少させることによって、焼入れ時の冷却における整合析出物量を減少させることができ、これによって冷却速度が変化したのときの靭性のばらつきを抑制できるのである。
【００４６】
上記のように本発明では、組織と析出物の析出形態を制御することによって、靭性に優れた溶接用鋳鋼が実現できたのであるが、本発明者らはこうした靭性向上機構について、別の角度から検討した。そしてまず強度ＴＳの支配因子がフェライト分率、Ｓｉ量による固溶強化、および析出物による析出強化であることに着目し、更に検討を進めた。即ち、析出物数はＴＥＭ観察によって測定できるのであるが、測定に時間やコストがかかる。そこで、析出物測定を簡略化するという観点から、析出条件に及ぼす成分組成、プロセスを考慮することによって、析出物の析出状況をパラメータ化することを試みた。その結果、上記各要件をパラメータとすれば、上記（２）式および（３）式の如くＴＳを整理できることを明らかにしたのである。
【００４７】
まず、上記（２）式および（３）式を導き出した経緯について説明する。本発明で対象とする溶接用鋳鋼においては、成分とプロセスが決まれば金属組織が決定される。換言すれば、金属組織と成分が分かればプロセスが推定できるはずである。そこで、プロセス（特に、冷却速度）を組織、成分で回帰し、それと析出に関連するＶやＣｕの含有量を考慮することによって、析出パラメータを設定した。こうして設定された析出パラメータの式が下記（４）式および（５）式である。尚、（４）式および（５）式は、Ｃｕ含有量の違いによって区別されるものであるが、これはＣｕ含有量が０．５％を超えると焼戻し時にＣｕが微細に析出するようになるという観点から場合分けしたものである。
【００４８】
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％以下のとき］
ＰPr＝[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（４）
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％を超えるとき］
ＰPr＝（[Cu]-0.5）+[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（５）
そして、上記で求めた析出パラメータと、フェライト分率やＳｉ含有量で引張強度の回帰式を作成し、強度パラメータ（ＰTS）とした。こうして求めたのが下記（２）式である。
ＰTS＝-0.447[フェライト分率(%)]+25.6[Si]+2.57ＰPr+124.2＞100‥（２）
但し、[Si],[V],[C],[Mn],[Cu]および[Cr]は、夫々Ｓｉ，Ｖ，Ｃ，Ｍｎ，ＣｕおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。
【００４９】
一方、靭性を支配する因子はパーライト分率と整合析出物であるので、パーライト分率と析出パラメータで、０℃での靭性値の回帰式を作成し、これを靭性パラメータ（ＰvE0）とした。こうして求めたのが下記（３）式である。
ＰvE0＝-5.8[パーライト分率(%)]-14.6ＰPr+218.4＞100 ‥（３）
尚、上記強度パラメータ（ＰTS）および靭性パラメータ（ＰvE0）は、９２０℃３時間の焼ならし処理後、各冷却速度で冷却し、その後６００℃で６時間の焼戻し処理をしたときの予測式である。
【００５０】
上記のように設定した強度パラメータ（ＰTS）および靭性パラメータ（ＰvE0）が同時に一定の条件を満足するように製造することによって、強度および靭性のいずれにも優れた鋳鋼品が得られるのである。例えば強度パラメータ（ＰTS）が、１００を超える場合には、引張強度が４８０ＭＰａ以上となり、靭性パラメータ（ＰvE0）が１００を超える場合には、０℃におけるシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ０℃）が１００Ｊ以上になる。
【００５１】
但し、上記（２）式および（３）式を満足する場合であっても、その組織および化学成分を適切な範囲に調整する必要がある。組織については、上記と同様である。また化学成分については少なくとも上記各式に関与する成分であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｖについては、上記規定した範囲内に制御するのが良いが、特にＶについては少なくとも０．００５％以上含有させるのが良い。但し、上記各式を満足させることによって靭性の向上が図れるので、Ｖ含有量が０．０５％を超えることがあっても良好な靭性を確保できる場合がある。こうした観点からして、Ｖは例えば、０．２０％程度まで許容できる。
【００５２】
この溶接用鋳鋼においては、必要によって、Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有させることも有効であり、これらの含有によって上述した作用効果が発揮される。またこの鋳鋼においても、先に開発した鋳鋼と同様に、上記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。
【００５３】
こうした化学成分の範囲内で、上記（２）式および（３）式の関係を満足するための製造条件（焼きならし後の冷却条件）としては、下記（６）式および（７）式の関係を満足するように制御すれば良いことを、本発明者らは見出している。
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に特徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５４】
【実施例】
下記表１に示す各化学成分組成に鋳込んだ鋳鋼に熱処理シミュレータを用いて熱処理を施した。このとき、９２０℃で３時間の焼きならし処理後、各冷却速度（ＣＲ）で冷却し、その後６００℃で６時間の焼戻し処理を施した。
【００５５】
【表１】
【００５６】
得られた鋳鋼における組織の分率測定、整合析出物の測定、引張試験、シャルピー衝撃試験を下記の条件で行った。
【００５７】
（組織の分率の測定）
試料を鏡面仕上げに研磨した後、ナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用いて観察し（倍率：１００倍）、白いコントラストで観察される領域をフェライト、黒っぽい単一コントラストで観察される領域をパーライト、それ以外をベイナイトとして各面積率を測定し、１０視野分の平均値を各組織の面積率（分率）とした。
【００５８】
（整合析出物の測定）
試料を直径：３ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍの円盤状に切り出し、エメリー紙で３０μｍまで研磨した後、Twin Jet法に従って電子顕微鏡用サンプルを作製し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した（加速電圧：２００ｋＶ）。ここで、整合析出物は、ｇ1 *ベクトルを励起させて観察した際に、「こ」の字状のコントラストで示されるものを指している（例えば、「結晶電子顕微鏡学−材料研究者のために−」、内田老鶴圃出版、第１４９〜１５１頁）。
【００５９】
そして、５０００倍で観察した組織写真のなかで、ｇ1 *ベクトルが励起されて、整合析出物が最もはっきり観察される点を中心に５ｃｍ×５ｃｍの正方形に撮り、その中に含まれる整合析出物（直径：３０ｎｍ以下のもの）の数をカウントし、１０視野の平均値を整合析出物数とした。
【００６０】
（引張試験）
ＪＩＳ Ｚ２２０１に従って引張試験片（２ｍｍＶノッチ試験片）を作成し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して引張強度（ＴＳ）を測定した。
【００６１】
（シャルピー衝撃試験）
ＪＩＳ Ｚ２２０２に従ってシャルピー衝撃試験片（２ｍｍＶノッチ試験片）を作成し、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠して０℃におけるシャルピー吸収エネルギー（vＥ0℃）を測定した。
【００６２】
これらの測定結果を、一括して下記表２に示す。また、鋼種Ｃ，Ｌ，Ｎについては、製造パラメータ（ＰＦTS、ＰＦvE0）、強度パラメータ（ＰTS）、靭性パラメータ（ＰvE0）および析出パラメータＰPrについて、下記表３に示す。
【００６３】
これらの結果から次の様に考察できる。まず鋼種Ａでは、焼きならし後の冷却速度（ＣＲ）が１℃／ｍｉｎ未満のときには、フェライト分率が増加して強度が不足するが、冷却速度（ＣＲ）が１℃以上となると組織が適切に制御されて目標値である強度：４８０ＭＰａ、シャルピー吸収エネルギー（vＥ0℃）：１００Ｊを満たすものとなっている。
【００６４】
鋼種Ｂでは、Ｃｕが添加されているので、冷却速度が０．１℃／ｍｉｎであっても、フェライト分率が抑制されて、所定の強度および靭性が達成されている。
【００６５】
鋼種Ｃでは、Ｖ含有量が０．０５％未満であるので、冷却速度が５０℃／ｍｉｎでも整合析出物が５０個以下した析出しておらず、良好な靭性が確保されている。但し、冷却速度が非常に小さいときにはフェライト変態が進行し、且つＰTSも１００未満となっているので、所定の強度（４８０ＭＰａ）が確保されていない。
【００６６】
鋼種Ｄでは、Ｃを比較的多く含有するものであるので、強度が向上しているが靭性が若干低下することになる。但し、本発明で規定する範囲内であるので、目標値（１００Ｊ）は確保できている。
【００６７】
鋼種Ｅのものでは、Ｃの含有量が比較的少なくなっているので、フェライト分率が増加して強度が若干低下する傾向を示すが、目標値は確保できている。
【００６８】
鋼種Ｆでは、Ｃ含有量が本発明の好ましい範囲よりも少なくなっているので、フェライト分率が大きくなって強度が不足気味である。
【００６９】
鋼種Ｇでは、Ｃ含有量が本発明の好ましい範囲より多くなっているので、パーライト分率が大きくなって靭性が不足気味である。
【００７０】
鋼種Ｈでは、Ｍｎ含有量が本発明の好ましい範囲よりも多くなっているので、パーライト分率が増大し、靭性が不足している。
【００７１】
鋼種Ｉでは、Ｍｎ含有量が本発明の好ましい範囲よりも少なくなっているので、フェライト分率が増大し、強度が不足している。
【００７２】
鋼種Ｊでは、Ｎｉ含有量が本発明の好ましい範囲よりも少なくなっているので、フェライト変態が進行し、強度が不足している。また、Ｎｉ固溶による靭性改善効果が低下するので、靭性が若干不足している。
【００７３】
鋼種Ｋでは、Ｃｕ含有量が本発明の好ましい範囲よりも多くなっているので、整合析出物量が増大して靭性が低下している。また、鋳込み時の割れが発生している。尚、この「割れ発生」とは、鋳込み時に目視間または磁粉探傷によって確認できる深さ・長さが夫々１ｍｍ以上の割れが発生したことを意味する。
【００７４】
鋼種Ｌでは、Ｖを０．１１％含むものであるので、整合析出が発生し易く、冷却速度が大きいときに靭性が劣化している。但し、冷却速度が小さい場合は、ＰＴＳが１００を満たさなくても、析出物量が少なくなって、良好な靭性が得られている。
【００７５】
鋼種Ｍでは、組織が適切に調整されることによって優れた強度と靭性が達成されているが、Ａｌを多く含むものであるので、割れが発生している。
【００７６】
鋼種Ｎでは、Ｖ含有量が本発明で規定する範囲よりも多めに含有されているので、析出物量が多くなっているが、ＣやＣｕの含有量、冷却条件を適切に制御することによって、靭性パラメータ（ＰvE0）が１００をこえるので、１００Ｊ以上の靭性値が得られている。
【００７７】
【表２】
【００７８】
【表３】
【００７９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、冷却速度に変動があっても安定して高靭性が達成されると共に、ＪＩＳ規格に沿った化学成分内で良好な生産性を維持しつつ良好な靭性を発揮する溶接用鋳鋼が実現できた。
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築物などの大型構造物に用いられる溶接用鋳鋼に関するものであり、殊にその組織を適切に制御することによって靭性を向上させた溶接用鋳鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築物などの大型構造物には、鋼材の使用が必要不可欠なものとなっている。こうした鋼材を建築構造物に適用するには、熱延鋼板を施工現場にて溶接して組み立てるのが一般的である。しかしながら、複雑な形状をした建築構造物に適用する場合には、その製作に熟練した技術が必要になり、コスト高や工期が長引く等の原因となっている。
【０００３】
こうしたことから近年では、複雑な形状をした建築構造物を鋳鋼で製造することによって、その作製を容易にし、工期短縮やコスト削減などを図ることが行われている。こうした溶接構造用鋳鋼品としては、ＪＩＳ Ｇ ５１０２に規定されているものが知られている。
【０００４】
ところで、建築構造物に用いられる溶接構造用鋳鋼品においては、高強度であることは勿論であるが、耐震性という観点から靭性にも優れていることが要求される。しかしながら、特に溶接構造物として要求される４８０ＭＰａ以上の引張強度を有するもの（ＪＩＳ Ｇ ５１０２：ＳＣＷ４８０）では、一般的に靭性値が非常に低いという欠点がある。
【０００５】
また厚肉の鋳鋼品では、表面部と中心部で冷却速度が異なり、複雑な形状の製品では部位によって肉厚が異なるので、冷却速度の差が発生することになる。例えば、肉厚が１／２になれば中心部の冷却速度は約３倍になると言われている。
【０００６】
従来の溶接構造用鋳鋼品では、冷却速度が変化すると、靭性が大きく変化するので、複雑な形状をした鋳鋼品では、その部位によっては靭性値が大きく異なってくるという欠点がある。特に、立方晶系のＢ１型析出物を形成するＶ等の合金元素を多量に含有する場合には、冷却速度大きくなると焼戻し時に微細な整合析出物が生成し、靭性が劣化するという現象が発生する。こうした状況の下で、安定して高靭性を発揮することのできる鋳鋼品の実現が望まれているのが実状である。
【０００７】
鋳鋼品の靭性を改善する技術もこれまでにも様々開発されており、例えばＡｌ、希土類元素およびＣａを脱酸剤として用い、靭性に悪影響を及ぼす介在物を低減させることによって、優れた靭性を確保することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、介在物の低減だけでは十分な靭性が確保されているとは言えない。
【０００８】
また、鋳鋼の組織を適切に制御することによって、優れた靭性を確保する技術として、（フェライト＋ベイナイト）の二相組織に少量の焼戻しマルテンサイトを存在させた三相組織を形成させることによって、高い強度と優れた靭性を確保する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながらこの技術では、上記のような組織を形成するために焼入れ処理を２回行う必要があり、生産性が低下するという問題がある。しかもこの技術では、０．０５〜１．５％程度のＶを含有させるものであるので、ＶＣ整合析出物が生成する恐れがあり、特に冷却速度が大きくなったときには靭性劣化が顕著に表れる。
【０００９】
更に、０．０１〜０．０５％程度のＮｂを添加すると共に、二段の焼きならし処理によって結晶粒を微細化させて靭性を改善する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながらこの技術では、高価なＮｂを添加する必要があるばかりでなく、焼きならし処理を二段で行う必要があるので、工程増加による生産性低下が発生する。
【００１０】
ところで、新規材料の開発に関してはＪＩＳ規格以外の材料を使用するには別途認可を受ける必要があることから、ＪＩＳ規格の成分範囲内で冷却速度に依存することがなく、安定して高靭性が発揮できるような溶接構造用鋳鋼の開発が望まれているのも事実である。
【００１１】
こうした観点からして、これまでにも様々な技術が提案されているが、いずれも近年の要求に必ずしも対応できているものとはいえない。例えば各種窒化物によるピン止め効果を用いて旧オーステナイト粒の微細化を図ることで、材質のばらつきを低減し、更に焼きならし処理を組み合わせることで高靭性化を図る技術が提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかしながらこの技術は、基本成分としてＭｏを多量に添加するものであり、炭素当量ＣｅｑがＪＩＳ規格よりも大きなものとなり、しかも窒化物形成元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ等）によって整合析出物が形成し易くなるという欠点がある。
【００１２】
一方、化学成分組成を制御することによってその主組織をベイナイト化し、高強度および高靭性を達成する技術も提案されている（例えば、特許文献５参照）。しかしながら、ベイナイトを主組織にするためには多量（１．２〜２．５％程度）のＮｉを含有させる必要があり、この含有量は前記ＪＩＳ Ｇ ５１０２のＳＣＷ４８０で規定されるＮｉ含有量（０．０５％以下）を大きく外れるものである。
【００１３】
【特許文献１】
特公平１−３６５２７号公報 特許請求の範囲
【特許文献２】
特開平５−７８７８０号公報 特許請求の範囲
【特許文献３】
特開昭６４−４２５５５号公報 特許請求の範囲
【特許文献４】
特開平８−１７６７２８号 公開公報の第３頁右欄第２０〜２５行
【特許文献５】
特開２００１−１８１７８３号 特許請求の範囲
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、冷却速度の変動があっても安定して高靭性が達成されると共に、ＪＩＳ規格に沿った化学成分内で良好な生産性を維持しつつ良好な強度および靭性を発揮する溶接用鋳鋼を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の溶接用鋳鋼とは、フェライトの他、パーライトおよび／またはベイナイトを含む混合組織からなると共に、フェライト分率：４０〜８５面積％、パーライト分率：３０面積％以下、ベイナイト分率：３０面積％以下であり、且つフェライト中に存在する直径：３０ｎｍ以下の微細整合析出物が、被検面積１μｍ2当たり平均５０個以下である点に要旨を有するものである。尚、本発明において、「整合析出物」とは、全ての界面が整合界面（母相と析出物の格子が完全に１対１に対応する界面）である析出物の意味である。
【００１６】
上記した本発明の溶接用鋳鋼における具体的な化学成分としては、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない），Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない），Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有するものが挙げられる。
【００１７】
また、本発明のこの溶接用鋳鋼においては、必要によって、Ｃｕ：０．１〜２％を含有させることや、下記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。
，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【００１８】
本発明の上記目的は、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない）およびＶ：０．００５〜０．２０％を夫々含有すると共に、組織がフェライトの他、パーライトおよび／またはベイナイトを含む混合組織からなり、且つフェライト分率：４０〜８５面積％、パーライト分率：３０面積％以下、ベイナイト分率：３０面積％以下であり、更に下記（２）式および（３）式の関係を満足する溶接用鋳鋼によっても達成することができる。
ＰTS＝-0.447[フェライト分率(%)]+25.6[Si]+2.57ＰPr+124.2＞100‥（２）
ＰvE0＝-5.8[パーライト分率(%)]-14.6ＰPr+218.4＞100 ‥（３）
但し、ＰPrは、下記（４）式または（５）式によって求められる値であり、
[Si],[V],[C],[Mn],[Cu]および[Cr]は、夫々Ｓｉ，Ｖ，Ｃ，Ｍｎ，Ｃｕおよ
びＣｒの含有量（質量％）を示す。
【００１９】
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％以下のとき］
ＰPr＝[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（４）
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％を超えるとき］
ＰPr＝（[Cu]-0.5）+[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（５）
本発明のこの溶接用鋳鋼においては、必要によって、Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有させることや、上記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記ＳＣＷ４８０に準じるような化学成分組成を有する鋳鋼においても、強度と靭性の両特性を満足させることができるための要件について様々な角度から検討した。その結果、フェライトを主体とする組織に、所定量のパーライトおよび／またはベイナイトを析出させた混合組織としたもので、前記フェライト組織中に存在する直径：３０ｎｍ以下の微細整合析出物の個数を被検面積１μｍ2当たり平均５０個以下となるようにすれば、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。
【００２１】
本発明の鋳鋼では、上記混合組織における各組織分率を適切な範囲内に制御する必要があるが、まず各組織分率を規定した理由について説明する。
【００２２】
フェライト分率：４０〜８５面積％
本発明の溶接用鋳鋼では、フェライト分率を４０〜８５面積％とする必要がある。フェライトは強度に影響を与える因子であり、その分率を適切な範囲にすることによって、適切な強度を確保することができる。フェライト相が少なくなりすぎると、相対的にパーライトの分率が多くなって強度が大きくなり過ぎて靭性が却って劣化することになる。こうしたことから、フェライト分率は４０面積％以上とする必要がある。
【００２３】
一方、フェライト相が多くなり過ぎると、相対的にパーライト（若しくはパーライト＋ベイナイト）が少なくなって、十分な強度が確保できなくなる。こうしたことから、フェライト分率は８５面積％以下とする必要がある。尚、このフェライト分率の好ましい範囲は、６０〜８０面積％程度であり、この範囲で本発明の効果が最も発揮される。
【００２４】
パーライト分率：３０面積％以下
パーライトを適切な量で組織中に存在させることによって、適切な強度を確保しつつ優れた靭性を発揮させることができる。即ち、パーライトをその分率が、３０面積％までの範囲で存在させることによって、適切な強度を確保しつつ優れた靭性を発揮する鋳鋼が実現できるのである。即ち、パーライト分率が３０面積％を超えると、強度が高くなり過ぎて優れた靭性を発揮することができなくなる。尚、パーライトによるこうした効果を発揮させるためには、その分率は２０面積％以上とするのが好ましい。
【００２５】
ベイナイト分率：３０面積％以下
ベイナイトは鋳鋼の強度・靭性バランスを向上させるのに有効である。こうした効果はその量が増加するにつれて大きくなるが、あまり過剰になって３０面積％を超えると割れ易くなって溶接性が悪くなる。
【００２６】
本発明の鋳鋼では、上記の条件を満足させると同時に、所定大きさ、性質の析出物の個数を適切に制御する必要がある。ここで、測定対象とする析出物を「整合析出物」としたのは、非整合析出物に比べ、整合析出物の靭性劣化が激しいためである。また、「大きさを３０ｎｍ（ナノメータ）以下」としたのは、整合析出物でもこのサイズを超える大きさになると靭性がそれほど低下しなくなるためである。更に、析出物数を被検面積１μｍ2当たり平均５０個以下としたのは、析出物数がこの値よりも少ないと靭性劣化効果がなくなるためである。
【００２７】
本発明の溶接用鋳鋼は、基本的に前記ＳＣＷ４８０の化学成分組成を想定したものであり、具体的には、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない），Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない），Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．０５％以下を夫々含有するものが挙げられるが、これらの元素の範囲限定理由は下記の通りである。
【００２８】
Ｃ：０．０８〜０．１５％
Ｃは、パーライトを適切な量に形成して強度を付与するのに有効な元素であり、０．０８％未満ではパーライトが少なくなって（即ち、フェライト相が多くなって）強度不足を招くことになる。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えて過剰になると、パーライト分率が増加して靭性が却って劣化することになる。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０９％であり、好ましい上限は０．１２％である。
【００２９】
Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない）
Ｓｉは脱酸剤として含有されるが、多量に含有させない限り組織にはそれほど影響を及ぼすことはない。但し、０．８％を超えて含有させると、Ｓｉのマクロ偏析が生じて靭性が却って劣化することになる。
【００３０】
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｍｎは、脱酸剤および焼入れ性向上元素として添加されるが、オーステナイト生成元素であるのでフェライト分率を抑制する作用も発揮する。また、焼入れ性向上によって、ベイナイトの生成を促進して強度・靭性バランスを良好なものとする。これらの効果を発揮させるためには、Ｍｎは０．５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、その含有量が過剰になると、Ｍｎの偏析が大きくなって靭性を却って劣化させることになるので、１．５％以下とすべきである。尚、Ｍｎ含有量のより好ましい下限は１．０％であり、より好ましい上限は１．４％である。
【００３１】
Ｎｉ：０．１〜０．５％
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト生成元素であるのでフェライト分率を抑制する作用も発揮する。また、焼入れ性向上によって、ベイナイトの生成を促進して強度・靭性バランスを良好なものとする。更に、Ｎｉを固溶させることによって、鋳鋼の靭性を向上させる作用を発揮する。これらの効果を発揮させるためには、Ｎｉは０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、その含有量が過剰になって０．５％を超えると、コスト高を招くことになる。尚、Ｎｉ含有量のより好ましい下限は０．３％であり、より好ましい上限は０．５％である。
【００３２】
Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない）
Ｃｒは、焼入れ性を向上させて強度を確保する上で有用な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有されると強度が高くなり過ぎて靭性が却って劣化することになるので、０．４％以下とすべきである。
【００３３】
Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）
Ｍｏは上記Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させて強度を確保する上で有用な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有されると強度が高くなり過ぎて靭性が却って劣化することになるので、０．３％以下とすべきである。
【００３４】
Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）
Ａｌは脱酸剤として含有されるが、過剰に含有されると鋳鋼に高温割れが発生しやすくなるので、０．０５％以下とするのが良い。尚、Ａｌ含有量のより好ましい上限は０．０３％程度である。
【００３５】
Ｖ：０．０５％以下（０％を含まない）
Ｖは、強度を確保する上で有効な元素であるが、過剰に含有されると、整合析出物が生成し易くなって靭性が却って悪化することになるので、０．０５％以下とするのが良い。即ち、本発明では、靭性を劣化させる原因となる整合析出物をできるだけ少なくするためにＶの含有量を極力抑えつつ、前述した組織に調整することによって、高強度・高靭性の鋳鋼が実現できたのである。また、これによって、焼入れ時の冷却速度に影響されることなく、良好な靭性がばらつきを生じさせることなく確保できるのである。
【００３６】
本発明の鋳鋼における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は不可避不純物からなるものであるが、必要によって、Ｃｕ：０．１〜２％を含有させることや、下記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。これらの要件による作用効果は、下記の通りである。
，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
【００３７】
Ｃｕ：０．１〜２％
Ｃｕは、Ｎｉと同様に焼入れ性を向させるのに有効な元素であり、パーライトの形成を抑制すると共に、ベイナイトの形成を促進することによって、靭性の向上に寄与する元素である。また、固溶強化によって、鋳鋼の降伏応力を上昇させるのにも有効に作用する。これらの効果を発揮させるには、Ｎｉは０．１％以上含有させるのが好ましい。しかしながら、Ｃｕ含有量が過剰になって２％を超ええると、赤熱脆性のために高温割れが発生し易くなるばかりか、Ｃｕを含む整合析出物の量が増加して靭性を却って劣化させることになる。
【００３８】
Ｃｅｑ ( ％ ) ≦０．４５％
炭素当量Ｃｅｑは、溶接割れに影響を与える因子であり、この値を０．４５％以下に制御することによって溶接割れを防止することができる。
【００３９】
本発明の鋳鋼は、その組織を適切に制御することによって、その目的を達成するものであるが、こうした組織に制御するための製造方法について説明する。即ち、本発明の鋳鋼を製造するには、まず８５０〜１０００℃程度の温度で焼きならしした後、１〜６００℃／ｍｉｎ程度の冷却速度で冷却を行ない、その後所定の条件で焼戻し処理を行うようにすれば良い。
【００４０】
上記製造方法において、焼きならしは組織の均一化を図るために行うものであり、その温度が８５０℃未満になると均一化に長時間を要し、１０００℃を超えると組織の粗大化が発生し易くなる。この温度の好ましい範囲は、９００〜９５０℃程度である。尚、この焼きならし処理は、１回でもその効果が発揮されるものであるが、組織の均質化、微細化という観点から複数回（例えば、２回）行うことも有効である。
【００４１】
焼きならし後の冷却では、その冷却速度を変化させることによって、その組織を制御することができ、冷却速度が小さくなるとフェライト変態が進行し易くなってフェライト分率が増大し、冷却速度が小さくなるとフェライト変態が抑制されてベイナイトが生成し易くなる傾向がある。上記冷却速度が１℃／ｍｉｎ未満になると、フェライト分率が大きくな過ぎて所定の強度を確保することができない。即ち、冷却速度を１℃／ｍｉｎ以上とすることによって、フェライト分率が増加するのを適切に抑制して強度を確保することができるのである。
【００４２】
この冷却速度に関して、肉厚が５０ｍｍを超えるような部位を持つ大型鋳鋼品では、上記のような冷却速度を確保することが困難であり、通常は１℃／ｍｉｎ未満になる。しかしながら、大型の水焼入れ設備を用いることによって、例えば厚み２１０ｍｍの厚肉品の中心部でも、冷却速度２５℃／ｍｉｎ程度の冷却速度が達成され、所定の強度を確保することができるのである。一方、冷却速度の上限については、設備上の制約から６００℃／ｍｉｎ程度となる。
【００４３】
尚、Ｃｕを含有する場合には、焼入れ性が向上しているので、冷却速度が小さくても（例えば、０．０１℃／ｍｉｎ以上）、ベイナイト生成、フェライトやパーライトの抑制が達成されて、希望する特性（強度および靭性）を実現することができる。
【００４４】
焼戻しは、凝固や変態時に発生した歪を除去するために行われるものであるが、そのときの加熱温度が５００℃未満では十分な歪除去を行うことができず、７００℃よりも高温になると軟化が進行して十分な強度が確保できなくなる。この温度の好ましい範囲は、５６０〜６４０℃程度である。尚、この焼戻し処理は、１回でもその効果が発揮されるものであるが、靭性確保という観点から複数回（例えば、２回）行うことも有効である。
【００４５】
ところで、鋳鋼品の表面部と中心部では冷却速度が異なるので、中心部で十分な冷却速度を確保するために水冷すると、表面部の冷却速度は大きくなる。また、Ｖを多量に含有している場合には、中心部では適度な冷却速度が保たれて焼戻し時の整合析出物の析出が抑制されて靭性が確保できても、表面部では冷却速度が大きくなって焼戻し時に整合析出物が微細に析出しやすくなって靭性が劣化することになる。本発明では、Ｖ等の整合析出物を形成する添加元素を減らして析出物量を減少させることによって、焼入れ時の冷却における整合析出物量を減少させることができ、これによって冷却速度が変化したのときの靭性のばらつきを抑制できるのである。
【００４６】
上記のように本発明では、組織と析出物の析出形態を制御することによって、靭性に優れた溶接用鋳鋼が実現できたのであるが、本発明者らはこうした靭性向上機構について、別の角度から検討した。そしてまず強度ＴＳの支配因子がフェライト分率、Ｓｉ量による固溶強化、および析出物による析出強化であることに着目し、更に検討を進めた。即ち、析出物数はＴＥＭ観察によって測定できるのであるが、測定に時間やコストがかかる。そこで、析出物測定を簡略化するという観点から、析出条件に及ぼす成分組成、プロセスを考慮することによって、析出物の析出状況をパラメータ化することを試みた。その結果、上記各要件をパラメータとすれば、上記（２）式および（３）式の如くＴＳを整理できることを明らかにしたのである。
【００４７】
まず、上記（２）式および（３）式を導き出した経緯について説明する。本発明で対象とする溶接用鋳鋼においては、成分とプロセスが決まれば金属組織が決定される。換言すれば、金属組織と成分が分かればプロセスが推定できるはずである。そこで、プロセス（特に、冷却速度）を組織、成分で回帰し、それと析出に関連するＶやＣｕの含有量を考慮することによって、析出パラメータを設定した。こうして設定された析出パラメータの式が下記（４）式および（５）式である。尚、（４）式および（５）式は、Ｃｕ含有量の違いによって区別されるものであるが、これはＣｕ含有量が０．５％を超えると焼戻し時にＣｕが微細に析出するようになるという観点から場合分けしたものである。
【００４８】
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％以下のとき］
ＰPr＝[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（４）
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％を超えるとき］
ＰPr＝（[Cu]-0.5）+[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（５）
そして、上記で求めた析出パラメータと、フェライト分率やＳｉ含有量で引張強度の回帰式を作成し、強度パラメータ（ＰTS）とした。こうして求めたのが下記（２）式である。
ＰTS＝-0.447[フェライト分率(%)]+25.6[Si]+2.57ＰPr+124.2＞100‥（２）
但し、[Si],[V],[C],[Mn],[Cu]および[Cr]は、夫々Ｓｉ，Ｖ，Ｃ，Ｍｎ，ＣｕおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。
【００４９】
一方、靭性を支配する因子はパーライト分率と整合析出物であるので、パーライト分率と析出パラメータで、０℃での靭性値の回帰式を作成し、これを靭性パラメータ（ＰvE0）とした。こうして求めたのが下記（３）式である。
ＰvE0＝-5.8[パーライト分率(%)]-14.6ＰPr+218.4＞100 ‥（３）
尚、上記強度パラメータ（ＰTS）および靭性パラメータ（ＰvE0）は、９２０℃３時間の焼ならし処理後、各冷却速度で冷却し、その後６００℃で６時間の焼戻し処理をしたときの予測式である。
【００５０】
上記のように設定した強度パラメータ（ＰTS）および靭性パラメータ（ＰvE0）が同時に一定の条件を満足するように製造することによって、強度および靭性のいずれにも優れた鋳鋼品が得られるのである。例えば強度パラメータ（ＰTS）が、１００を超える場合には、引張強度が４８０ＭＰａ以上となり、靭性パラメータ（ＰvE0）が１００を超える場合には、０℃におけるシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ０℃）が１００Ｊ以上になる。
【００５１】
但し、上記（２）式および（３）式を満足する場合であっても、その組織および化学成分を適切な範囲に調整する必要がある。組織については、上記と同様である。また化学成分については少なくとも上記各式に関与する成分であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｖについては、上記規定した範囲内に制御するのが良いが、特にＶについては少なくとも０．００５％以上含有させるのが良い。但し、上記各式を満足させることによって靭性の向上が図れるので、Ｖ含有量が０．０５％を超えることがあっても良好な靭性を確保できる場合がある。こうした観点からして、Ｖは例えば、０．２０％程度まで許容できる。
【００５２】
この溶接用鋳鋼においては、必要によって、Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有させることも有効であり、これらの含有によって上述した作用効果が発揮される。またこの鋳鋼においても、先に開発した鋳鋼と同様に、上記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)を０．４５％以下にすることも有効であり、これによって溶接用鋳鋼の特性を更に向上させることができる。
【００５３】
こうした化学成分の範囲内で、上記（２）式および（３）式の関係を満足するための製造条件（焼きならし後の冷却条件）としては、下記（６）式および（７）式の関係を満足するように制御すれば良いことを、本発明者らは見出している。
【００５４】
【実施例】
下記表１に示す各化学成分組成に鋳込んだ鋳鋼に熱処理シミュレータを用いて熱処理を施した。このとき、９２０℃で３時間の焼きならし処理後、各冷却速度（ＣＲ）で冷却し、その後６００℃で６時間の焼戻し処理を施した。
【００５５】
【表１】
得られた鋳鋼における組織の分率測定、整合析出物の測定、引張試験、シャルピー衝撃試験を下記の条件で行った。
【００５７】
（組織の分率の測定）
試料を鏡面仕上げに研磨した後、ナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用いて観察し（倍率：１００倍）、白いコントラストで観察される領域をフェライト、黒っぽい単一コントラストで観察される領域をパーライト、それ以外をベイナイトとして各面積率を測定し、１０視野分の平均値を各組織の面積率（分率）とした。
【００５８】
（整合析出物の測定）
試料を直径：３ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍの円盤状に切り出し、エメリー紙で３０μｍまで研磨した後、Twin Jet法に従って電子顕微鏡用サンプルを作製し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した（加速電圧：２００ｋＶ）。ここで、整合析出物は、ｇ1 *ベクトルを励起させて観察した際に、「こ」の字状のコントラストで示されるものを指している（例えば、「結晶電子顕微鏡学−材料研究者のために−」、内田老鶴圃出版、第１４９〜１５１頁）。
【００５９】
そして、５０００倍で観察した組織写真のなかで、ｇ1 *ベクトルが励起されて、整合析出物が最もはっきり観察される点を中心に５ｃｍ×５ｃｍの正方形に撮り、その中に含まれる整合析出物（直径：３０ｎｍ以下のもの）の数をカウントし、１０視野の平均値を整合析出物数とした。
【００６０】
（引張試験）
ＪＩＳ Ｚ２２０１に従って引張試験片（２ｍｍＶノッチ試験片）を作成し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して引張強度（ＴＳ）を測定した。
【００６１】
（シャルピー衝撃試験）
ＪＩＳ Ｚ２２０２に従ってシャルピー衝撃試験片（２ｍｍＶノッチ試験片）を作成し、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠して０℃におけるシャルピー吸収エネルギー（vＥ0℃）を測定した。
【００６２】
これらの測定結果を、一括して下記表２に示す。また、鋼種Ｃ，Ｌ，Ｎについては、製造パラメータ（ＰＦTS、ＰＦvE0）、強度パラメータ（ＰTS）、靭性パラメータ（ＰvE0）および析出パラメータＰPrについて、下記表３に示す。
【００６３】
これらの結果から次の様に考察できる。まず鋼種Ａでは、焼きならし後の冷却速度（ＣＲ）が１℃／ｍｉｎ未満のときには、フェライト分率が増加して強度が不足するが、冷却速度（ＣＲ）が１℃以上となると組織が適切に制御されて目標値である強度：４８０ＭＰａ、シャルピー吸収エネルギー（vＥ0℃）：１００Ｊを満たすものとなっている。
【００６４】
鋼種Ｂでは、Ｃｕが添加されているので、冷却速度が０．１℃／ｍｉｎであっても、フェライト分率が抑制されて、所定の強度および靭性が達成されている。
【００６５】
鋼種Ｃでは、Ｖ含有量が０．０５％未満であるので、冷却速度が５０℃／ｍｉｎでも整合析出物が５０個以下した析出しておらず、良好な靭性が確保されている。但し、冷却速度が非常に小さいときにはフェライト変態が進行し、且つＰTSも１００未満となっているので、所定の強度（４８０ＭＰａ）が確保されていない。
【００６６】
鋼種Ｄでは、Ｃを比較的多く含有するものであるので、強度が向上しているが靭性が若干低下することになる。但し、本発明で規定する範囲内であるので、目標値（１００Ｊ）は確保できている。
【００６７】
鋼種Ｅのものでは、Ｃの含有量が比較的少なくなっているので、フェライト分率が増加して強度が若干低下する傾向を示すが、目標値は確保できている。
【００６８】
鋼種Ｆでは、Ｃ含有量が本発明の好ましい範囲よりも少なくなっているので、フェライト分率が大きくなって強度が不足気味である。
【００６９】
鋼種Ｇでは、Ｃ含有量が本発明の好ましい範囲より多くなっているので、パーライト分率が大きくなって靭性が不足気味である。
【００７０】
鋼種Ｈでは、Ｍｎ含有量が本発明の好ましい範囲よりも多くなっているので、パーライト分率が増大し、靭性が不足している。
【００７１】
鋼種Ｉでは、Ｍｎ含有量が本発明の好ましい範囲よりも少なくなっているので、フェライト分率が増大し、強度が不足している。
【００７２】
鋼種Ｊでは、Ｎｉ含有量が本発明の好ましい範囲よりも少なくなっているので、フェライト変態が進行し、強度が不足している。また、Ｎｉ固溶による靭性改善効果が低下するので、靭性が若干不足している。
【００７３】
鋼種Ｋでは、Ｃｕ含有量が本発明の好ましい範囲よりも多くなっているので、整合析出物量が増大して靭性が低下している。また、鋳込み時の割れが発生している。尚、この「割れ発生」とは、鋳込み時に目視間または磁粉探傷によって確認できる深さ・長さが夫々１ｍｍ以上の割れが発生したことを意味する。
【００７４】
鋼種Ｌでは、Ｖを０．１１％含むものであるので、整合析出が発生し易く、冷却速度が大きいときに靭性が劣化している。但し、冷却速度が小さい場合は、ＰＴＳが１００を満たさなくても、析出物量が少なくなって、良好な靭性が得られている。
【００７５】
鋼種Ｍでは、組織が適切に調整されることによって優れた強度と靭性が達成されているが、Ａｌを多く含むものであるので、割れが発生している。
【００７６】
鋼種Ｎでは、Ｖ含有量が本発明で規定する範囲よりも多めに含有されているので、析出物量が多くなっているが、ＣやＣｕの含有量、冷却条件を適切に制御することによって、靭性パラメータ（ＰvE0）が１００をこえるので、１００Ｊ以上の靭性値が得られている。
【００７７】
【表２】
【表３】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、冷却速度に変動があっても安定して高靭性が達成されると共に、ＪＩＳ規格に沿った化学成分内で良好な生産性を維持しつつ良好な靭性を発揮する溶接用鋳鋼が実現できた。
Claims (7)
- Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を含有し、フェライトの他、パーライトおよび／またはベイナイトを含む混合組織からなると共に、フェライト分率：４０〜８５面積％、パーライト分率：３０面積％以下、ベイナイト分率：３０面積％以下であり、且つフェライト中に存在する直径：３０ｎｍ以下の微細整合析出物が、被検面積１μｍ２当たり平均５０個以下であることを特徴とする靭性に優れた溶接用鋳鋼。
- Ｃ：０．０８〜０．１５％（質量の意味、以下同じ），Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない），Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない），Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる請求項１に記載の溶接用鋳鋼。
- 更に、Ｃｕ：０．１〜２％を含有するものである請求項２に記載の溶接用鋳鋼。
- 下記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)が０．４５％以下である請求項２または３に記載の溶接用鋳鋼。
Ｃｅｑ（％）＝[C]+([Mn]/6)+([Si]/24)+([Ni]/40)
+([Cr]/5)+([Mo]/4)+([V]/14)‥‥（１）
但し、[C],[Mn],[Si],[Ni],[Cr],[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。 - Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない），Ｍｎ：０．５〜１．５％，Ｃｒ：０．４％以下（０％を含まない），Ｃｕ：０．１〜２％，およびＶ：０．００５〜０．２０％を夫々含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなると共に、組織がフェライトの他、パーライトおよび／またはベイナイトを含む混合組織からなり、且つフェライト分率：４０〜８５面積％、パーライト分率：３０面積％以下、ベイナイト分率：３０面積％以下であり、更に下記（２）式および（３）式の関係を満足するものであることを特徴とする靭性に優れた溶接用鋳鋼。
ＰTS＝-0.447[フェライト分率(%)]+25.6[Si]+2.57ＰＰｒ+124.2＞100‥（２）
ＰvE0＝-5.8[パーライト分率(%)]-14.6ＰＰｒ+218.4＞100 ‥（３）
但し、ＰＰｒは、下記（４）式または（５）式によって求められる値であり、[Si],[V],[C],[Mn],[Cu]および[Cr]は、夫々Ｓｉ，Ｖ，Ｃ，Ｍｎ，ＣｕおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％以下のとき］
ＰＰｒ＝[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（４）
［Ｃｕ含有量[Cu]が０．５％を超えるとき］
ＰＰｒ＝（[Cu]-0.5）+[V]×[456-3.35[フェライト分率(%)]-650[C]-50.8[Mn]
-75.7[Cu]-76.4[Cr]-275[V]]‥（５） - Ｎｉ：０．１〜０．５％，Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有するものである請求項５に記載の溶接用鋳鋼。
- 下記（１）式で示される炭素当量Ｃｅｑ(％)が０．４５％以下である請求項４または５に記載の溶接用鋳鋼。
Ｃｅｑ（％）＝[C]+([Mn]/6)+([Si]/24)+([Ni]/40)
+([Cr]/5)+([Mo]/4)+([V]/14)‥‥（１）
但し、[C],[Mn],[Si],[Ni],[Cr],[Mo]および[V]は、夫々Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
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