JP3852295B2

JP3852295B2 - 超大入熱溶接特性に優れた鋼材

Info

Publication number: JP3852295B2
Application number: JP2001083919A
Authority: JP
Inventors: 知哉藤原; 昌彦濱田; 威一ノ瀬; 秀治岡口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: JP2002285279A

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、建築、土木、建設機械、造船、パイプ、タンクおよび海洋構造物などの溶接構造物として使用される超大入熱溶接用鋼材に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
厚鋼板に代表される溶接構造用鋼材は、上記種々の分野で使用され、高強度化や高靭性化などの特性の改善が図られてきた。
【０００３】
特開昭５４−１３２４２１号公報には、主にラインパイプに用いる鋼としてＣを０．０３％以下に低減しかつ微量のＢを添加した極低Ｃ−Ｂ添加鋼が開示されおり、Ｃ量の低減により島状マルテンサイトの低減が図られ、溶接部の靱性が向上すること、微量のＢの添加により母材組織をベイナイトとし高強度、高靱性な母材が得られることが示されている。
【０００４】
特開平８−１４４０１９号公報には、材質ばらつきの小さなＭｎ、Ｎｂ量を調整した極低Ｃ−Ｂ添加ベイナイト鋼とその製造方法が開示されている。
【０００５】
特開平９−２４９９１５号公報には、材質のばらつきが少なく、かつ耐疲労特性に優れたＣｕ添加による析出強化を利用した極低Ｃ−Ｂ添加高靭性鋼材とその製造方法が開示されている。
【０００６】
溶接構造物の製作にあたっては溶接施工コスト削減の観点から大入熱溶接の適用が望ましい。上記各公報には、極低Ｃ−Ｂ添加鋼において低Ｃ化による島状マルテンサイトの低減は、溶接部靱性の向上に効果があることが示されているが、いずれも対象は溶接入熱量１００ｋＪ／ｃｍ未満の比較的入熱量の少ない領域に限られており、施工コスト低減に対する寄与は小さいという問題があった。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、大入熱溶接においても靱性劣化が少なく、溶接構造物の施工コスト低減に寄与できる鋼材を提供することにあり、具体的には母材の特性として降伏応力が４５０ＭＰａ以上または引張り強さが５７０ＭＰａ以上、JIS Z 2202に規定の幅１０ｍｍのＶノッチシャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験における破面遷移温度（_ＶＴ_Ｓ）が−４０℃以下、溶接ボンドでの吸収エネルギーが−１０℃において１００Ｊ以上の鋼材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するため種々の実験と検討をおこなった結果、下記の知見を得た。
【０００９】
Ｃｕの析出強化を利用しないで、引張り強さ５７０ＭＰａ以上の強度を確保するためには、Ｂを含有させて焼入性を向上させ、かつフェライト組織分率を３５％以下と少なくすればよい。しかし、この方法では大入熱溶接をおこなった場合に溶接部の靱性が劣化するので、Ｓｉ、ＡｌおよびＣ含有量を低減すれば組織中の硬質脆化相の生成を抑制することができる。すなわち、Ｓｉ、Ａｌの含有量をＣ量に応じて変化させる必要があり、下記式を満足させることにより、靭性も確保できる。
０．５≦Ｃ×(Ｓｉ＋５Ａｌ)×１０^２≦１．５
【００１０】
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は下記に示す超大入熱溶接性に優れた鋼材にある。
【００１１】
「質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜１．６２％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ｂ：０．０００３〜０．００２％、Ｎ：０．００２〜０．００６％、sol.Ａｌ：０．０２１〜０．０５％及びＯ（酸素）：０．０００３〜０．００３５％並びにＣｕ：０．１〜０．８％、Ｎｉ：０．２〜２％、Ｃｒ：０．０５〜１％、Ｍｏ：０．０５〜１％、Ｖ：０．０１〜０．１％及びＮｂ：０．００５〜０．０７％から選択される１種又は２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織のフェライト組織の占める割合が３５％以下であり、かつ下記式を満足していることを特徴とする超大入熱溶接特性に優れた鋼材。
【００１２】
０．５≦Ｃ×(Ｓｉ＋５Ａｌ)×１０^２≦１．５
ここで、式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を示す。」
【発明の実施の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は全て「質量％」とする。
【００１４】
Ｃ：０．０３〜０．１％
Ｃは、母材の強度確保を目的に含有させる。０．０３％未満では５７０ＭＰａ以上の強度を確保することができない。一方、０．１％を超えると溶融線近傍の溶接熱影響部の靱性が劣化する。したがって、Ｃの含有量は０．０３〜０．１％とした。なお、好ましくは０．０８％以下、さらに望ましくは０．０６％以下である。望ましい下限は０．０４％である。
【００１５】
Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、脱酸剤として添加する元素である。その効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が増加すると溶接冷却過程において残留γがセメンタイトへ分解する反応を抑制し島状マルテンサイトを増加させるので、溶接部靱性の確保の観点からは含有量は少ない方が望ましく、上限を０．５％とした。好ましい上限は０．３％、さらに好ましくは０．１５％以下である。
【００１６】
Ｍｎ：０．５〜１．６２％、
Ｍｎは、母材の強度確保、溶接熱影響部の焼入性の確保に有効で、また脱酸元素としても有効である。０．５％未満では、溶接熱影響部にフェライトが生成し靱性が劣化するので０．５％以上含有させる必要がある。一方、多量に含有させると中心偏析による板厚方向での母材特性の不均一や靱性の劣化をもたらす。したがって、Ｍｎの上限は１．６２％とした。
【００１７】
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％
Ｔｉは、母材の強度を向上させると同時に、連続鋳造スラブの横ひび割れを防止するのに有効である。また、固溶Ｎと結合することによって形成されるＴｉＮは、加熱時のγ結晶粒の粗大化を抑制し、母材および溶接部の靱性を向上させる効果がある。これらの効果を発揮させるには０．００５％以上含有させる必要がある。しかしながら、０．０２５％を超えて含有させると母材の靱性が劣化するため上限は０．０２５％とした。
【００１８】
Ｎ：０．００２〜０．００６％
Ｎは、Ｔｉと結合してＴｉＮを形成し、加熱時のγ粒の粗大化を抑制し、母材および溶接熱影響部の靱性を改善する。このためには、０．００２％以上含有されることが必要である。しかしながら、０．００６％を超えると、過剰のＮが組織中に存在し、ボロンと結合してボロンの焼入性を劣化、強度を低下させる。このためＮ量は０．００６％以下とする必要がある。ボロンの焼入性向上の観点からは、Ｎ量はＴｉ量の４．３分の１よりもやや少なく含有されることが望ましい。
【００１９】
sol.Ａｌ：０．０２１〜０．０５％、
Ａｌは、脱酸を目的で添加する。その効果を得るために、０．０２１％以上含有させる。一方、Ａｌ含有が増加するとＳｉと同様、溶接冷却過程において残留オーステナイトがセメンタイトへ分解する反応を抑制し島状マルテンサイトを増加させる。したがって、溶接熱影響部の靱性を確保する観点から含有は少ないほうが望ましいが、０．０５％までの量であれば問題がない。望ましい上限は０．０３％、さらに望ましくは０．０１％である。
【００２０】
Ｏ：０．０００３〜０．００３５％
酸素は、酸化物を形成することにより溶接熱影響部の組織を微細化する作用がある。この効果を得るために、０．０００３％以上含有させる。一方、過剰な添加は粗大な酸化物の形成から靱性に悪影響を及ぼすため含有させる場合の上限を０．００３５％とした。
【００２１】
Ｂ：０．０００３〜０．００２％
Ｂ含有量が、０．０００３％未満では十分な強度向上効果が得られないため下限を０．０００３％とした。一方０．００２％を超えて過剰にＢを含有させると、粗大なＢ化合物の析出を招き靱性を劣化させるので上限を０．００２％とした。
【００２２】
Ｃ×(Ｓｉ＋５Ａｌ)×１０^２
Ｂを含有させて強度を向上させる場合には、靱性改善の観点よりＳｉ、Ａｌの含有量をＣ量に応じて変化させる必要がある。この指標が下記式であり、靱性を確保するためには上記式０．５以上となるようにＣ、ＳｉおよびＡｌ含有を調整しなければならない。上記式において０．５未満の場合は強度が不足し、１．５を超える場合はベイナイト組織中の硬質相の割合が増加するために靱性が劣化する。望ましい範囲は０．７〜１である。
【００２３】
上記の化学組成のＢ含有鋼材において、さらに母材の強度を高めるために、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＣｕから選択される１種又は２種以上を含有させる。以下に、各元素を含有させた場合の含有量について説明する。
【００２４】
Ｎｉ：０．２〜２％
Ｎｉは、靱性劣化を最小限に抑え母材の強度を上昇させるのに有効で、０．２％以上の添加が好ましい。一方、２％を超えて含有させてもコストアップに見合う強度、靱性の改善効果が見られないため、上限を２％とした。
【００２５】
Ｃｒ：０．０５〜１％
Ｃｒは、母材の強度確保を目的として含有させる。そのためには、少なくとも０．０５％含有させる必要がある。一方、１％以上含有させると靱性を劣化させるため、その上限は１％とした。好ましい上限は０．５％以下である。
【００２６】
Ｍｏ：０．０５〜１％
Ｍｏは、母材の強度確保を目的として含有させる。そのためには少なくとも０．０５％含有させる必要がある。一方、１％を超えて含有させた場合は靱性を劣化させるので上限を１％とした。好ましい上限は０．５％である。
【００２７】
Ｖ：０．０１〜０．１％
Ｖは、母材の強度確保を目的として含有させる。そのためには少なくとも０．０１％含有させる必要がある。一方、０．１％を超えて含有させた場合は靱性を劣化させるため、その上限を０．１％とした。好ましい上限は０．０５％以下、さらに好ましくは０．０３％以下である。
【００２８】
Ｎｂ：０．００５〜０．０７％
Ｎｂは母材の強度を上昇させると同時に組織の微細化を通して母材の低温靱性を改善する効果がある。これらの効果を得るには０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．０７％を超えて過剰に含有させると粗大な炭化物、窒化物を形成して靱性を低下させる。したがって、上限は０．０７％とした。強度と靱性のバランスの観点より、好ましい上限は０．０５％、さらに好ましくは０．０３％である。
【００２９】
Ｃｕ：０．１〜０．８％
Ｃｕは、０．８％以下であっても析出強化作用が幾分あり、選択元素として必要により含有させる。しかし、０．１％未満ではその効果がないため、含有させる場合の下限を０．１％とした。また、積極的にＣｕによる強化作用は不要であるため上限を０．８％とした。
【００３０】
フェライト組織分率：３５％以下
上述したように、本発明鋼において５７０ＭＰａ以上の強度を確保するためには、上記のような化学組成とし、さらに適切なフェライト組織分率を確保する必要がある。フェライト組織分率は３５％以下にしてベイナイトおよびマルテンサイト組織分率を上げて強度を上げる必要がある。
【００３１】
本発明の鋼材は、金属組織がフェライト組織以外は、ベイナイトまたはマルテンサイト組織である。この場合、靱性改善の理由からベイナイト組織のラスの平均長さは５０μm以下であるのが好ましい。靱性改善の観点からは、ベイナイトラスの長さは短ければ短いほど良く、それを実現するためには一般的には、例えばオーステナイトの未再結晶温度域で強圧下圧延をすればよい。しかしながら、本発明鋼材のように比較的焼入性の低い鋼では、ベイナイトの平均ラス長さを１５μm以下にしようとすると、強圧下圧延によって、同時に初析αの生成頻度を高めることとなり、ベイナイトとマルテンサイトの組織分率が不足する。ベイナイトとマルテンサイトの組織分率が不足すると所望の強度が確保されないため、ベイナイトの平均ラス長さは１５μm以上に調整するのがよい。
【実施例】
【００３２】
表１に示す化学組成を有する１８種の鋼を１８０ｋｇ真空溶解炉を用いて溶製した。表中記号１４、１７、１９、２１及び２３は本発明例であり、そして記号Ｘ８〜Ｘ１４は比較例である。
【００３３】
【表１】
【００３４】
これらの各１８０ｋｇ鋼塊を鍛造して厚さ１６０ｍｍの鋼片とした。次いで、表２に示す各温度に加熱して熱間圧延して、各温度で仕上げて冷却した。その後、これらの表に示す６００〜６３０℃の温度範囲で１時間保持して焼戻し熱処理を施し、板厚４０ｍｍの鋼板とした。
【００３５】
【表２】
【００３６】
このようにして得た各鋼板の板厚中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とJIS Z 2202に規定の幅１０ｍｍのＶノッチシャルピー衝撃試験片をそれぞれ圧延方向と平行な方向で採取し、母材の機械的性質を調査した。また、各鋼板についてナイタルで腐食して組織を現出させた後、光学顕微鏡により２０視野を観察して面積率を求め、フェライト組織分率を調べた。
【００３７】
さらに、各鋼板を大入熱溶接した場合の靭性を調べるため、入熱３００ｋＪ／ｍｍの条件にてエレクトロガスアーク溶接をおこない、溶接ボンド部にノッチを成形できるように上記と同じシャルピー衝撃試験片採取し、溶接部のボンドの吸収エネルギーを測定した。
【００３８】
表２に試験結果をまとめて示す。
【００３９】
なお、母材の強度と靭性の目標はそれぞれＹＳで４５０ＭＰａ以上、ＴＳで５７０ＭＰａ以上、ｖＴｓを−４０℃以下とした。また、シャルピー衝撃試験において溶接ボンド部の吸収エネルギーの目標値は−１０℃で１００Ｊ以上とした。
【００４０】
表２から明らかなように、本発明例１４、１７、１９、２１及び２３は全てＴＳで５７０ＭＰａ以上、ＹＳで４５０ＭＰａ以上の強度と−４０℃以下のｖＴｓが得られている。また３００ｋＪ／ｍｍの溶接にて−１０℃でのエネルギーが１００Ｊ以上となった。
成分のいずれかが本発明で規定する範囲から外れた比較例の記号Ｘ８〜Ｘ１４は、強度、靭性、溶接性の少なくとも１つが目標に達していなかった。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、ＴＳが５７０ＭＰａ以上、ＹＳが４５０ＭＰａ以上、JIS Z 2202
に規定の１０ｍｍ幅、Ｖノッチシャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験でのｖＴｓが−４０℃以下で、３００ｋＪ／ｍｍでの溶接時の−１０℃での吸収エネルギーが１００Ｊ以上の鋼が得られ、種々の溶接構造物において優れた効果を発揮する。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜１．６２％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ｂ：０．０００３〜０．００２％、Ｎ：０．００２〜０．００６％、sol.Ａｌ：０．０２１〜０．０５％及びＯ（酸素）：０．０００３〜０．００３５％並びにＣｕ：０．１〜０．８％、Ｎｉ：０．２〜２％、Ｃｒ：０．０５〜１％、Ｍｏ：０．０５〜１％、Ｖ：０．０１〜０．１％及びＮｂ：０．００５〜０．０７％から選択される１種又は２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織のフェライト組織の占める割合が３５％以下であり、かつ下記式を満足していることを特徴とする超大入熱溶接特性に優れた鋼材。
０．５≦Ｃ×(Ｓｉ＋５Ａｌ)×１０^２≦１．５
ここで、式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を示す。