JP3882701B2 - 低温靭性に優れた溶接構造用鋼の製造方法 - Google Patents
低温靭性に優れた溶接構造用鋼の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋構造物、圧力容器、船舶、橋梁、建築及びラインパイプ等の大型溶接構造物に用いられる高張力鋼に関し、特に低温での大入熱ＨＡＺ靭性に優れた溶接構造用鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海洋構造物、圧力容器、船舶などの鋼構造物は大型化し、使用鋼材は高張力化かつ厚肉化の傾向にある。厚肉材の場合、仮付け溶接等の小入熱溶接時の低温割れや、作業能率を向上させるためのエレクトロガス溶接（ＥＧＷ），サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）等の大入熱溶接による低温靭性の低下が問題とされる場合がある。
【０００３】
そのため、厚肉材の製造においては、小入熱溶接時の低温割れ防止のため、低Ｃｅｑ化、低Ｐｃｍ化するとともに、大入熱溶接ＨＡＺ部の靭性劣化を防止する成分設計が通常行われている。
【０００４】
しかし、最近では構造物によって、−４０℃での低温靭性が要求される場合も見受けられるなど、従来より遥かに成分設計の困難度はましている。
【０００５】
大入熱溶接ＨＡＺ靭性改善方法として、種々の提案がされており、例えば、特公昭５５−２６１６４号公報は、微細なＴｉＮを析出させγ結晶粒の粗大化を抑制することを、特許第２９５００７６号公報は、多量の微細なＡｌ2Ｏ3析出物によりオーステナイトの粗大化を抑制する方法を提案している。
【０００６】
そして、特開昭６１−７９７４５号公報は、Ｔｉ酸化物粒子を核生成サイトとして粒内フェライトを生成させて組織を微細化し、ＨＡＺ靭性を改善する方法を、特開平５−２８７３７４号公報は、Ｃａ酸化物やＣａオキシサルファイドを核として粒内アシキュラーフェライトを生成させ、組織を微細化する方法を提案している。
【０００７】
また、特開平９−２０９５５号公報では、Ｎ量をＴｉ及びＢ量に応じて調整し、ＴｉＮ，ＢＮによりボンド部の靭性を改善する方法が提案されている。
【０００８】
しかしながら、特公昭５５−２６１６４号公報記載の方法では、１４００℃前後となるボンド部で、ＴｉＮの大部分が溶解するため、組織が粗大化し、ボンド部靭性は改善されない。
【０００９】
また、特許第２９５００７６号公報記載の方法でも、高温で長期に保持された場合は、Ａｌ2Ｏ3によってもオーステナイト粒径の粗大化を抑制することは困難である。
【００１０】
特開昭６１−７９７４５号公報記載の方法では、Ｔｉ酸化物を鋼中に微細に分散するために強脱酸元素のＡｌは０．００７％以下と極端に少ない特殊な成分であり、溶解での鋼種編成が複雑となる。
【００１１】
同様に、特開平５−２８７３７４号公報記載の方法は、Ｃａ酸化物を安定に確保するため、Ｏを０．００４０％以下に、強脱酸元素であるＡｌを０．００７％以下に制限するもので、脱酸方法、成分元素の添加などで精密な制御が必要で、更に溶接材料によっては溶接金属部の靭性が低下する問題も懸念される。
【００１２】
特開平９−２０９５５号公報記載の方法では、Ｎ量をＴｉあるいはＢ窒化物として固定される量以上添加するため、加熱温度が１０００〜１２００℃となるＨＡＺが固溶Ｎにより脆化する。
【００１３】
特許第２９３１０６５号公報は、溶接熱影響部におけるＴｉＮが、入熱量５００ｋＪ／ｃｍ〜１０００ｋＪ／ｃｍという超大入熱で高温に長時間曝される状態においても溶解しない寸法、および微細化に必要な個数が得られるよう製造条件を規定し、更に、ＢＮとの相乗効果により溶接ボンド部を含むＨＡＺ全域での低温靭性を改善することを提案している。
【００１４】
しかし、粗大なＴｉＮが、母材や入熱が低下した場合のＨＡＺに残存し、鋼材の清浄性を低下させることが懸念され、また、最近、特に大型化の著しいコンテナ船用として多量の鋼板を製造する場合、鋳片の冷却速度を５℃／分以下とすることは生産性の観点から好ましくない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、現在、生産性を損なうことなく、大入熱溶接のＨＡＺ全域で優れた低温靭性が得られる鋼板製造技術は十分確立されているとは言い難く、特に、構造物の局所脆化をもたらし安全性低下をさせるため好ましくないとされるシャルピー衝撃値変動幅を十分小さくする技術は提供されていない。
【００１６】
本発明は、生産性に優れ、大入熱溶接（４００ｋＪ／ｃｍ以上）のＨＡＺ全域（Ｂｏｎｄ，Ｂｏｎｄ＋１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）での靭性が、−４０℃でのシャルピー衝撃値（ｖＥ−４０）として個々の試験片で、１００Ｊ以上となる、板厚７０ｍｍまでの厚肉で降伏強度３９０Ｎ／ｍｍ2級の高強度を有する溶接構造用鋼の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、先行技術を基に、超大入熱溶接ＨＡＺ靭性に及ぼす成分組成の影響について検討を行った。
【００１８】
その結果、特許第２９３１０６５号は、上述したように超大入熱溶接特有の長い高温滞留時間でも溶解消滅しない粗大ＴｉＮを生成させること、およびＨＡＺにおいて固定されない過剰なＮによりＨＡＺ靭性が劣化するのを防止するためＮ量をＴｉ，Ｂ量との関係において規定することを特徴とするものであるが、その規定されているＴｉ量の範囲内において、鋼板の表面性状や清浄性を考慮してＴｉ添加量を低く抑えた場合、靭性を改善するＢの効果は必ずしも安定して得られず、特に−４０℃のように従来経験されなかった低温の場合では、むしろその焼入れ性向上効果によるものと推測される靭性値の変動が切欠位置によっては観察され、優れた技術ではあるものの、いっそうの靭性改善が必要であることが判明した。
【００１９】
そこで、本発明者等は、鋳造凝固過程の冷却速度を遅くするなどして生産性を阻害することなく靭性改善効果をより一層向上させる方法について鋭意検討を行い、新たな知見として、転炉ゼロスラグ吹錬法という製鋼プロセスを用い、二次精錬の初期において一定寸法の微細なＡｌ2Ｏ3を鋼中に適当量析出させ、化学成分として鋼中Ａｌ、Ｏ量を適正化し、Ｎ量をＴｉ、Ｂ量の関係において規定した場合、−４０℃においてもＨＡＺ全域（ＢＯＮＤ、ＢＯＮＤ＋１〜５ｍｍ）で変動幅が小さく安定して良好な靭性が得られることを見出した。
【００２０】
すなわち本発明は、鋳造凝固過程において析出する微細なＡｌ2Ｏ3析出物がＴｉＮやＢＮの析出核となり、さらにＴｉＮとＢＮがフェライト変態の析出核となってＨＡＺ組織を微細フェライト組織とし、またＴｉやＢと窒化物を形成しないＨＡＺの固溶Ｎを十分な量のＡｌ量でＡｌＮとして捕捉し、固溶Ｎを低減することでフェライト地組織の靭性改善を図る技術である。
【００２１】
このようにＴｉＮやＢＮをフェライト析出サイトとして利用するためには、所定量のＡｌ2Ｏ3の確保が必要であり、Ａｌを多量に添加する必要がある。しかしながら、高Ａｌ添加は固溶Ｎの低減効果により靭性を改善するものの、粗大なＡｌ2Ｏ3が増大して靭性低下を招く場合がある。特に−４０℃のような低温では、ＢＯＮＤ部で粗大Ａｌ2Ｏ3が脆性破壊発生のトリガーとなり靭性低下を生じる。
【００２２】
そこで本発明では、粗大Ａｌ2Ｏ3を低減させるために、転炉ゼロスラグ吹錬法という製鋼プロセスを用いる点に特徴を有している。この転炉ゼロスラグ吹錬法（Ｚｅｒｏ Ｓｌａｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ，以下ＺＳＰ）は、例えば特開平１０−３０６３０６号公報に記載されており、溶銑中のＰ含有量を製品規格値（成分規格値）以下まで低減することで、転炉で脱燐のために発生するスラグを「ゼロ化」する方法である。
【００２３】
ＺＳＰの場合、転炉で脱酸しないため溶存酸素量が少なく、その後の二次精錬において初期に生成するＡｌ2Ｏ3量が減少する。この結果、同じ投入Ａｌ量であれば、特に粗大なＡｌ2Ｏ3が減少し、微細Ａｌ2Ｏ3の数は変わらない。すなわち、ＺＳＰの方が粗大なＡｌ2Ｏ3が減少し、ＮをＡｌＮとして捕捉できるＡｌ量が増えることになる。よって、Ａｌの多量添加とＺＳＰの組合せによって、微細Ａｌ2Ｏ3による析出サイトの確保と、ＨＡＺの固溶Ｎ低減効果が図られ、ＨＡＺ靭性を向上させることが可能となる。
【００２４】
本発明は、上記知見を基になされたものであり、すなわち、請求項１記載の発明は、転炉ゼロスラグ吹錬法によって溶製した後に、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．００１〜０．０１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４〜０．０８％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｎ：０．００４〜０．００７％、Ｏ：０．００１〜０．００５％かつ０．９×ＩＮ≦１．２×ＩＮを満足するＮを含有する残部が不可避不純物及びＦｅからなる鋼に成分調整する工程と、得られた鋼を連続鋳造によりスラブとし、熱間圧延後、加速冷却または焼入れ焼戻しする工程と、を具備することを特徴とする。
【００２５】
但し、ＩＮ＝Ｔｉ／３．４＋１．３Ｂ，Ｔｉ，Ｂ及びＮは含有量（％）とする。
【００２６】
また、請求項２記載の発明は、前記成分調整工程において、鋼が質量％でさらにＣｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％の群から選択される一種または二種以上を含有するように成分調整することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の成分限定理由について詳細に説明する。
【００２８】
（１）Ｃ
Ｃは、強度を確保するために必要で、その効果を得るため、０．０４％以上添加する。一方、０．１２％を超えて添加すると高炭素島状マルテンサイトが生成し、ＨＡＺ靭性および溶接性が低下するため、０．０４〜０．１２％（０．０４％以上、０．１２％以下）とする。尚、０．０４％未満の場合、強度を確保するため、焼入れ性向上元素を多量に添加しなければならず、生産原価が上昇し、靭性、溶接性が劣化する。
【００２９】
（２）Ｓｉ
Ｓｉは、強度の確保と、製鋼過程における脱酸剤として必要で、その効果を得るため、０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると高炭素島状マルテンサイトが生成しやすくなり、ＨＡＺ靭性が劣化するため、０．０１〜０．５％とする。
【００３０】
（３）Ｍｎ
Ｍｎは、強度を確保するため、０．５％以上添加する。一方、２％を超えると焼入れ性が増大し、溶接性、ＨＡＺ靭性を劣化させるため、０．５〜２％とする。
【００３１】
（４）Ｓ
Ｓは、ＨＡＺ部でのフェライトの核生成サイトとなるＭｎＳを生成するため必要で、０．００１％以上とする。一方、０．０１％を超えると、母材および溶接部の靭性が低下するため、０．００１〜０．０１％とする。
【００３２】
（５）Ｔｉ
Ｔｉは、ＨＡＺ部でのオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、フェライトの核生成サイトとなるＴｉＮを生成するため必要で、０．００５％以上添加する。一方、０．０３％を超えて添加すると、母材及びＨＡＺ靭性に有害な粗大なＴｉＣが析出し、鋼板の表面疵も多発するため、０．００５〜０．０３％とする。
【００３３】
（６）Ｂ
Ｂは、フェライトの核生成サイトとなるＢＮを生成させるため、０．０００５％以上添加する。一方、０．００３％を超えて添加するとＨＡＺ靭性が低下するため、０．０００５〜０．００３％とする。
【００３４】
（７）ｓｏｌ．Ａｌ
ｓｏｌ．Ａｌは、脱酸およびＨＡＺ靭性に有害な固溶Ｎを低減させ、Ａｌ2Ｏ3を生成させるため０．０４％以上とする。一方、０．０８％を超えると、粗大なＡｌ系介在物が生じるようになり、靭性が低下するため、０．０４〜０．０８％とする。
【００３５】
図２は、ＨＡＺ全域でのシャルピー衝撃値（ｖＥ−４０）に及ぼすＺＳＰとｓｏｌ．Ａｌの影響を示すものである。シャルピー衝撃試験結果は平均値である。ＺＳＰで溶製され本発明範囲内のｓｏｌ．Ａｌを含有する鋼は、ＢＯＮＤ部からＨＡＺ５ｍｍまでのＨＡＺ全域で１００Ｊ以上の安定したシャルピー衝撃値を示した。
【００３６】
一方、ＺＳＰを行わずに製造され本発明の成分範囲内のｓｏｌ．Ａｌを含有する鋼の場合、ＡｌによるＨＡＺの固溶Ｎの低減効果によりＨＡＺでは１００Ｊ以上の値を示したが、ＢＯＮＤ部で靭性の低下が見られた。また、ｓｏｌ．Ａｌが本発明範囲より低い鋼では、ＨＡＺ１ｍｍ、３ｍｍの靭性が低下した。
【００３７】
図３は、図２の試験結果において、切欠位置をＨＡＺ＋１ｍｍとしたシャルピー衝撃試験における個々の衝撃値（ｖＥ−４０）と平均値を示すもので、ｓｏｌ．Ａｌ量が本発明範囲外で低い供試鋼の場合、平均値とかけはなれた極めて低い衝撃値が発生する不安定な挙動を示し、局所脆化による安全性が懸念される結果となっている。
【００３８】
ｓｏｌ．Ａｌ量が低い供試鋼の場合、最高加熱温度がボンド部より低いＨＡＺ＋１ｍｍでは、ＡｌＮを形成せず、ＴｉあるいはＢとの窒化物とならない固溶Ｎにより、フェライト地組織の靭性劣化が生じたものと思われる。
【００３９】
（８）Ｎ
Ｎは、ＨＡＺにおいてオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、また、フェライトの核生成サイトとなるＢＮ，ＴｉＮを生成させるため０．００４％以上とする。一方、０．００７％を超えると固溶Ｎ量がＡｌ窒化物の形成によっても過剰となり、靭性が低下するため、０．００４〜０．００７％とする。
【００４０】
本発明では、更にＮ量を０．００４〜０．００７％の範囲内において、ＩＮ＝Ｔｉ／３．４＋１．３Ｂ（Ｔｉ，Ｂ及びＮは含有量（％））を用いて、０．９×ＩＮ≦Ｎ≦１．２×ＩＮに規定し、含有するＮの大部分をＴｉＮ，ＢＮとすることが必要である。
【００４１】
（９）Ｏ
鋼中Ｏ量は、ＢＮ，ＴｉＮの析出サイトとなるＡｌ2Ｏ3析出物を十分確保し、また、過剰な添加による粗大介在物の生成を防止するため、０．００１〜０．００５％とする。
【００４２】
（１０）Ａｌ2Ｏ3析出物
本発明の化学成分、製造方法で得られる鋼中のＡｌ2Ｏ3析出物は、フェライト析出核となるＴｉＮ，ＢＮを析出させ、ＨＡＺ部を微細フェライト組織とし低温靭性を向上させるため、円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下で、その個数が１×１０3個／ｍｍ2以上とすることが望ましい。円相当直径が０．５μｍ未満ではＴｉＮやＢＮの析出核としては不十分であり、３μｍを超えて粗大化すると脆性破壊発生のトリガーとなり靭性低下を生じる。また、その個数が１×１０3個／ｍｍ2未満ではＴｉＮやＢＮの析出核としては不十分であり、微細フェライト組織が得られない。
【００４３】
尚、本発明でＡｌ2Ｏ3析出物とは、Ａｌ2Ｏ3析出物およびＡｌ2Ｏ3を主体とした他の酸化物（例えば、ＳｉＯ2）との複合析出物も含まれる。
【００４４】
図１に、相当円直径が０．５μｍ以上、３μｍ以下のＡｌ2Ｏ3析出物数に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す。供試鋼は、ＺＳＰにて溶製され請求項１記載の成分組成を有する本発明鋼と、該発明鋼において、Ｎ量のみまたはｓｏｌ．Ａｌ量のみを本発明範囲外とする比較鋼とした。
【００４５】
その結果、ｓｏｌ．Ａｌ量が本発明範囲内となる鋼では、いずれも円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下のＡｌ2Ｏ3析出物が１×１０3個／ｍｍ2以上析出しており、本発明鋼はＢＯＮＤ、ＨＡＺ１ｍｍのいずれにおいても−４０℃で１００Ｊ以上の良好な靭性値を示した。
【００４６】
一方、Ｎ量が本発明範囲外となる比較鋼は、微細Ａｌ2Ｏ3が１×１０3個／ｍｍ2以上析出していても、靭性値のバラツキがあり安定した結果が得られなかった。
【００４７】
ｓｏｌ．Ａｌが本発明の範囲外となる鋼では、円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下となるＡｌ2Ｏ3析出物の個数が少なくやはりシャルピー衝撃試験結果が不安定となっていた。
【００４８】
本発明は以上の構成により十分な特性が得られるが、更にその特性を向上させるため、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂの一種又は二種以上を添加することができる。これらの元素を添加する場合、Ｃｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％とする。
【００４９】
尚、本発明において、「残部が不可避不純物及びＦｅ」とは、本発明の作用効果を損なわない範囲で、他の微量元素を含有することを意味する。
【００５０】
次に製造条件について述べる。
【００５１】
本発明では、溶銑を精錬容器内で溶銑中のＰ含有量を粗鋼で要求されている鋼の成分規格値以下に脱燐精錬し、脱燐精錬された溶銑を転炉に装入し、実質的に焼石灰等の造滓材を溶銑に添加することなく脱炭精錬を行う。この脱燐溶銑を使用することで、転炉での脱燐精錬は不要となる。転炉吹錬後、所定の成分範囲に調整したのち連続鋳造によりスラブとし、所要の条件で加熱をした後に、圧延等の加工を施して厚鋼板とする。
【００５２】
本発明では、微細Ａｌ2Ｏ3を析出核とするＴｉＮ、ＢＮによるＨＡＺ組織の微細フェライト組織化とＨＡＺ組織における固溶Ｎ量の低減の重畳効果により、ＨＡＺ靭性を向上させるため、ＺＳＰ後の鋳造凝固過程は常法によるものでよく、特に鋳造凝固冷却速度を５℃／分以下と遅くする必要はない。
【００５３】
スラブ加熱条件や熱間圧延条件は、所望の板厚、強度に応じて適宜設定すればよいが、圧延後は所望の強度となるように、加速冷却あるいはオンラインまたはオフラインで焼入れ焼戻しを行う。
【００５４】
【実施例】
表１に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造法でスラブとした後、１１００〜１２５０℃に加熱し、ＴＭＣＰ（制御圧延・加速冷却）、熱間圧延後ＤＱ−Ｔ（直接焼き入れ・焼き戻し）等により板厚５０〜７０ｍｍの鋼板を製造した。表２に示すように、実施例１〜１５の鋼は本発明に従いＺＳＰを用いて製造し、比較例１６〜３５の鋼はＺＳＰは行わずに通常の製鋼プロセスにより製造した。
【００５５】
これらの鋼板について、母材の機械的性質およびエレクトロガスアーク溶接（入熱４００〜５３０ｋＪ／ｃｍ）のＨＡＺ靭性を調査した。ＨＡＺ靭性はシャルピー衝撃試験により、切欠位置をボンド部、ボンド部からＨＡＺ側に１ｍｍ、３ｍｍ，５ｍｍとし、試験温度−４０℃でのシャルピー衝撃値（平均値、個々の値）によって評価した。表示は平均値のみとした。
【００５６】
【表１−１】
【００５７】
【表１−２】
表２に製造条件、これらの試験結果を示す。本発明に従い製造した実施例１〜１５の本発明鋼は、母材の降伏強度がいずれも３９０Ｎ／ｍｍ2以上であり、−４０℃でのシャルピー衝撃値２００Ｊ以上、ボンド部を含むＨＡＺ全域での−４０℃でのシャルピー衝撃値（平均値）として１００Ｊ以上が得られている。更に、表には示さなかったものの個々の衝撃値の変動幅も小さく、何れの試験結果においても平均値の±２０％以内であった。
【００５８】
これに対して、比較鋼である比較例１６〜３５の鋼は、母材特性としては本発明鋼と同等であるが、ＨＡＺの靭性値が低下した。
【００５９】
比較例１６〜１８の比較鋼は化学成分は本発明の範囲内であるがＺＳＰを用いなかったため、目的とする靭性値を満足しなかった。これは粗大な酸化物が生じ、靭性が低下したものと考えられる。
【００６０】
比較例１９〜２４、２６、２８、３０〜３４の比較鋼はＴｉ、Ｂ及びＮのバランスが悪く、ＩＮが本発明の範囲外であり、比較例２０、２１、２３〜２５、２７、２９、３１、３５の比較鋼はｓｏｌ．Ａｌ量が本発明で規定する範囲を逸脱している。このため、比較鋼は大入熱ボンド部およびＨＡＺ１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍでの靭性のうちのいずれかがｖＥ−４０で１００Ｊ以上を満足しなかった。
【００６１】
【表２−１】
【００６２】
【表２−２】
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、エレクトロガスアーク溶接等の４００ｋＪ／ｃｍ以上の大入熱溶接継手部ＨＡＺ全域で安定して優れた低温靭性となり、板厚７０ｍｍまでの厚肉で降伏強度３９０Ｎ／ｍｍ2級の高強度を有する溶接構造用鋼が得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ2Ｏ3の析出状態に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【図２】ＨＡＺ靭性（ｖＥ−４０の平均値：Ｊ）に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【図３】ＨＡＺ靭性（ｖＥ−４０の個々の衝撃値：Ｊ）に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋構造物、圧力容器、船舶、橋梁、建築及びラインパイプ等の大型溶接構造物に用いられる高張力鋼に関し、特に低温での大入熱ＨＡＺ靭性に優れた溶接構造用鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海洋構造物、圧力容器、船舶などの鋼構造物は大型化し、使用鋼材は高張力化かつ厚肉化の傾向にある。厚肉材の場合、仮付け溶接等の小入熱溶接時の低温割れや、作業能率を向上させるためのエレクトロガス溶接（ＥＧＷ），サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）等の大入熱溶接による低温靭性の低下が問題とされる場合がある。
【０００３】
そのため、厚肉材の製造においては、小入熱溶接時の低温割れ防止のため、低Ｃｅｑ化、低Ｐｃｍ化するとともに、大入熱溶接ＨＡＺ部の靭性劣化を防止する成分設計が通常行われている。
【０００４】
しかし、最近では構造物によって、−４０℃での低温靭性が要求される場合も見受けられるなど、従来より遥かに成分設計の困難度はましている。
【０００５】
大入熱溶接ＨＡＺ靭性改善方法として、種々の提案がされており、例えば、特公昭５５−２６１６４号公報は、微細なＴｉＮを析出させγ結晶粒の粗大化を抑制することを、特許第２９５００７６号公報は、多量の微細なＡｌ2Ｏ3析出物によりオーステナイトの粗大化を抑制する方法を提案している。
【０００６】
そして、特開昭６１−７９７４５号公報は、Ｔｉ酸化物粒子を核生成サイトとして粒内フェライトを生成させて組織を微細化し、ＨＡＺ靭性を改善する方法を、特開平５−２８７３７４号公報は、Ｃａ酸化物やＣａオキシサルファイドを核として粒内アシキュラーフェライトを生成させ、組織を微細化する方法を提案している。
【０００７】
また、特開平９−２０９５５号公報では、Ｎ量をＴｉ及びＢ量に応じて調整し、ＴｉＮ，ＢＮによりボンド部の靭性を改善する方法が提案されている。
【０００８】
しかしながら、特公昭５５−２６１６４号公報記載の方法では、１４００℃前後となるボンド部で、ＴｉＮの大部分が溶解するため、組織が粗大化し、ボンド部靭性は改善されない。
【０００９】
また、特許第２９５００７６号公報記載の方法でも、高温で長期に保持された場合は、Ａｌ2Ｏ3によってもオーステナイト粒径の粗大化を抑制することは困難である。
【００１０】
特開昭６１−７９７４５号公報記載の方法では、Ｔｉ酸化物を鋼中に微細に分散するために強脱酸元素のＡｌは０．００７％以下と極端に少ない特殊な成分であり、溶解での鋼種編成が複雑となる。
【００１１】
同様に、特開平５−２８７３７４号公報記載の方法は、Ｃａ酸化物を安定に確保するため、Ｏを０．００４０％以下に、強脱酸元素であるＡｌを０．００７％以下に制限するもので、脱酸方法、成分元素の添加などで精密な制御が必要で、更に溶接材料によっては溶接金属部の靭性が低下する問題も懸念される。
【００１２】
特開平９−２０９５５号公報記載の方法では、Ｎ量をＴｉあるいはＢ窒化物として固定される量以上添加するため、加熱温度が１０００〜１２００℃となるＨＡＺが固溶Ｎにより脆化する。
【００１３】
特許第２９３１０６５号公報は、溶接熱影響部におけるＴｉＮが、入熱量５００ｋＪ／ｃｍ〜１０００ｋＪ／ｃｍという超大入熱で高温に長時間曝される状態においても溶解しない寸法、および微細化に必要な個数が得られるよう製造条件を規定し、更に、ＢＮとの相乗効果により溶接ボンド部を含むＨＡＺ全域での低温靭性を改善することを提案している。
【００１４】
しかし、粗大なＴｉＮが、母材や入熱が低下した場合のＨＡＺに残存し、鋼材の清浄性を低下させることが懸念され、また、最近、特に大型化の著しいコンテナ船用として多量の鋼板を製造する場合、鋳片の冷却速度を５℃／分以下とすることは生産性の観点から好ましくない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、現在、生産性を損なうことなく、大入熱溶接のＨＡＺ全域で優れた低温靭性が得られる鋼板製造技術は十分確立されているとは言い難く、特に、構造物の局所脆化をもたらし安全性低下をさせるため好ましくないとされるシャルピー衝撃値変動幅を十分小さくする技術は提供されていない。
【００１６】
本発明は、生産性に優れ、大入熱溶接（４００ｋＪ／ｃｍ以上）のＨＡＺ全域（Ｂｏｎｄ，Ｂｏｎｄ＋１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）での靭性が、−４０℃でのシャルピー衝撃値（ｖＥ−４０）として個々の試験片で、１００Ｊ以上となる、板厚７０ｍｍまでの厚肉で降伏強度３９０Ｎ／ｍｍ2級の高強度を有する溶接構造用鋼の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、先行技術を基に、超大入熱溶接ＨＡＺ靭性に及ぼす成分組成の影響について検討を行った。
【００１８】
その結果、特許第２９３１０６５号は、上述したように超大入熱溶接特有の長い高温滞留時間でも溶解消滅しない粗大ＴｉＮを生成させること、およびＨＡＺにおいて固定されない過剰なＮによりＨＡＺ靭性が劣化するのを防止するためＮ量をＴｉ，Ｂ量との関係において規定することを特徴とするものであるが、その規定されているＴｉ量の範囲内において、鋼板の表面性状や清浄性を考慮してＴｉ添加量を低く抑えた場合、靭性を改善するＢの効果は必ずしも安定して得られず、特に−４０℃のように従来経験されなかった低温の場合では、むしろその焼入れ性向上効果によるものと推測される靭性値の変動が切欠位置によっては観察され、優れた技術ではあるものの、いっそうの靭性改善が必要であることが判明した。
【００１９】
そこで、本発明者等は、鋳造凝固過程の冷却速度を遅くするなどして生産性を阻害することなく靭性改善効果をより一層向上させる方法について鋭意検討を行い、新たな知見として、転炉ゼロスラグ吹錬法という製鋼プロセスを用い、二次精錬の初期において一定寸法の微細なＡｌ2Ｏ3を鋼中に適当量析出させ、化学成分として鋼中Ａｌ、Ｏ量を適正化し、Ｎ量をＴｉ、Ｂ量の関係において規定した場合、−４０℃においてもＨＡＺ全域（ＢＯＮＤ、ＢＯＮＤ＋１〜５ｍｍ）で変動幅が小さく安定して良好な靭性が得られることを見出した。
【００２０】
すなわち本発明は、鋳造凝固過程において析出する微細なＡｌ2Ｏ3析出物がＴｉＮやＢＮの析出核となり、さらにＴｉＮとＢＮがフェライト変態の析出核となってＨＡＺ組織を微細フェライト組織とし、またＴｉやＢと窒化物を形成しないＨＡＺの固溶Ｎを十分な量のＡｌ量でＡｌＮとして捕捉し、固溶Ｎを低減することでフェライト地組織の靭性改善を図る技術である。
【００２１】
このようにＴｉＮやＢＮをフェライト析出サイトとして利用するためには、所定量のＡｌ2Ｏ3の確保が必要であり、Ａｌを多量に添加する必要がある。しかしながら、高Ａｌ添加は固溶Ｎの低減効果により靭性を改善するものの、粗大なＡｌ2Ｏ3が増大して靭性低下を招く場合がある。特に−４０℃のような低温では、ＢＯＮＤ部で粗大Ａｌ2Ｏ3が脆性破壊発生のトリガーとなり靭性低下を生じる。
【００２２】
そこで本発明では、粗大Ａｌ2Ｏ3を低減させるために、転炉ゼロスラグ吹錬法という製鋼プロセスを用いる点に特徴を有している。この転炉ゼロスラグ吹錬法（Ｚｅｒｏ Ｓｌａｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ，以下ＺＳＰ）は、例えば特開平１０−３０６３０６号公報に記載されており、溶銑中のＰ含有量を製品規格値（成分規格値）以下まで低減することで、転炉で脱燐のために発生するスラグを「ゼロ化」する方法である。
【００２３】
ＺＳＰの場合、転炉で脱酸しないため溶存酸素量が少なく、その後の二次精錬において初期に生成するＡｌ2Ｏ3量が減少する。この結果、同じ投入Ａｌ量であれば、特に粗大なＡｌ2Ｏ3が減少し、微細Ａｌ2Ｏ3の数は変わらない。すなわち、ＺＳＰの方が粗大なＡｌ2Ｏ3が減少し、ＮをＡｌＮとして捕捉できるＡｌ量が増えることになる。よって、Ａｌの多量添加とＺＳＰの組合せによって、微細Ａｌ2Ｏ3による析出サイトの確保と、ＨＡＺの固溶Ｎ低減効果が図られ、ＨＡＺ靭性を向上させることが可能となる。
【００２４】
本発明は、上記知見を基になされたものであり、すなわち、請求項１記載の発明は、転炉ゼロスラグ吹錬法によって溶製した後に、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．００１〜０．０１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４〜０．０８％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｎ：０．００４〜０．００７％、Ｏ：０．００１〜０．００５％かつ０．９×ＩＮ≦１．２×ＩＮを満足するＮを含有する残部が不可避不純物及びＦｅからなる鋼に成分調整する工程と、得られた鋼を連続鋳造によりスラブとし、熱間圧延後、加速冷却または焼入れ焼戻しする工程と、を具備することを特徴とする。
【００２５】
但し、ＩＮ＝Ｔｉ／３．４＋１．３Ｂ，Ｔｉ，Ｂ及びＮは含有量（％）とする。
【００２６】
また、請求項２記載の発明は、前記成分調整工程において、鋼が質量％でさらにＣｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％の群から選択される一種または二種以上を含有するように成分調整することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の成分限定理由について詳細に説明する。
【００２８】
（１）Ｃ
Ｃは、強度を確保するために必要で、その効果を得るため、０．０４％以上添加する。一方、０．１２％を超えて添加すると高炭素島状マルテンサイトが生成し、ＨＡＺ靭性および溶接性が低下するため、０．０４〜０．１２％（０．０４％以上、０．１２％以下）とする。尚、０．０４％未満の場合、強度を確保するため、焼入れ性向上元素を多量に添加しなければならず、生産原価が上昇し、靭性、溶接性が劣化する。
【００２９】
（２）Ｓｉ
Ｓｉは、強度の確保と、製鋼過程における脱酸剤として必要で、その効果を得るため、０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると高炭素島状マルテンサイトが生成しやすくなり、ＨＡＺ靭性が劣化するため、０．０１〜０．５％とする。
【００３０】
（３）Ｍｎ
Ｍｎは、強度を確保するため、０．５％以上添加する。一方、２％を超えると焼入れ性が増大し、溶接性、ＨＡＺ靭性を劣化させるため、０．５〜２％とする。
【００３１】
（４）Ｓ
Ｓは、ＨＡＺ部でのフェライトの核生成サイトとなるＭｎＳを生成するため必要で、０．００１％以上とする。一方、０．０１％を超えると、母材および溶接部の靭性が低下するため、０．００１〜０．０１％とする。
【００３２】
（５）Ｔｉ
Ｔｉは、ＨＡＺ部でのオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、フェライトの核生成サイトとなるＴｉＮを生成するため必要で、０．００５％以上添加する。一方、０．０３％を超えて添加すると、母材及びＨＡＺ靭性に有害な粗大なＴｉＣが析出し、鋼板の表面疵も多発するため、０．００５〜０．０３％とする。
【００３３】
（６）Ｂ
Ｂは、フェライトの核生成サイトとなるＢＮを生成させるため、０．０００５％以上添加する。一方、０．００３％を超えて添加するとＨＡＺ靭性が低下するため、０．０００５〜０．００３％とする。
【００３４】
（７）ｓｏｌ．Ａｌ
ｓｏｌ．Ａｌは、脱酸およびＨＡＺ靭性に有害な固溶Ｎを低減させ、Ａｌ2Ｏ3を生成させるため０．０４％以上とする。一方、０．０８％を超えると、粗大なＡｌ系介在物が生じるようになり、靭性が低下するため、０．０４〜０．０８％とする。
【００３５】
図２は、ＨＡＺ全域でのシャルピー衝撃値（ｖＥ−４０）に及ぼすＺＳＰとｓｏｌ．Ａｌの影響を示すものである。シャルピー衝撃試験結果は平均値である。ＺＳＰで溶製され本発明範囲内のｓｏｌ．Ａｌを含有する鋼は、ＢＯＮＤ部からＨＡＺ５ｍｍまでのＨＡＺ全域で１００Ｊ以上の安定したシャルピー衝撃値を示した。
【００３６】
一方、ＺＳＰを行わずに製造され本発明の成分範囲内のｓｏｌ．Ａｌを含有する鋼の場合、ＡｌによるＨＡＺの固溶Ｎの低減効果によりＨＡＺでは１００Ｊ以上の値を示したが、ＢＯＮＤ部で靭性の低下が見られた。また、ｓｏｌ．Ａｌが本発明範囲より低い鋼では、ＨＡＺ１ｍｍ、３ｍｍの靭性が低下した。
【００３７】
図３は、図２の試験結果において、切欠位置をＨＡＺ＋１ｍｍとしたシャルピー衝撃試験における個々の衝撃値（ｖＥ−４０）と平均値を示すもので、ｓｏｌ．Ａｌ量が本発明範囲外で低い供試鋼の場合、平均値とかけはなれた極めて低い衝撃値が発生する不安定な挙動を示し、局所脆化による安全性が懸念される結果となっている。
【００３８】
ｓｏｌ．Ａｌ量が低い供試鋼の場合、最高加熱温度がボンド部より低いＨＡＺ＋１ｍｍでは、ＡｌＮを形成せず、ＴｉあるいはＢとの窒化物とならない固溶Ｎにより、フェライト地組織の靭性劣化が生じたものと思われる。
【００３９】
（８）Ｎ
Ｎは、ＨＡＺにおいてオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、また、フェライトの核生成サイトとなるＢＮ，ＴｉＮを生成させるため０．００４％以上とする。一方、０．００７％を超えると固溶Ｎ量がＡｌ窒化物の形成によっても過剰となり、靭性が低下するため、０．００４〜０．００７％とする。
【００４０】
本発明では、更にＮ量を０．００４〜０．００７％の範囲内において、ＩＮ＝Ｔｉ／３．４＋１．３Ｂ（Ｔｉ，Ｂ及びＮは含有量（％））を用いて、０．９×ＩＮ≦Ｎ≦１．２×ＩＮに規定し、含有するＮの大部分をＴｉＮ，ＢＮとすることが必要である。
【００４１】
（９）Ｏ
鋼中Ｏ量は、ＢＮ，ＴｉＮの析出サイトとなるＡｌ2Ｏ3析出物を十分確保し、また、過剰な添加による粗大介在物の生成を防止するため、０．００１〜０．００５％とする。
【００４２】
（１０）Ａｌ2Ｏ3析出物
本発明の化学成分、製造方法で得られる鋼中のＡｌ2Ｏ3析出物は、フェライト析出核となるＴｉＮ，ＢＮを析出させ、ＨＡＺ部を微細フェライト組織とし低温靭性を向上させるため、円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下で、その個数が１×１０3個／ｍｍ2以上とすることが望ましい。円相当直径が０．５μｍ未満ではＴｉＮやＢＮの析出核としては不十分であり、３μｍを超えて粗大化すると脆性破壊発生のトリガーとなり靭性低下を生じる。また、その個数が１×１０3個／ｍｍ2未満ではＴｉＮやＢＮの析出核としては不十分であり、微細フェライト組織が得られない。
【００４３】
尚、本発明でＡｌ2Ｏ3析出物とは、Ａｌ2Ｏ3析出物およびＡｌ2Ｏ3を主体とした他の酸化物（例えば、ＳｉＯ2）との複合析出物も含まれる。
【００４４】
図１に、相当円直径が０．５μｍ以上、３μｍ以下のＡｌ2Ｏ3析出物数に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す。供試鋼は、ＺＳＰにて溶製され請求項１記載の成分組成を有する本発明鋼と、該発明鋼において、Ｎ量のみまたはｓｏｌ．Ａｌ量のみを本発明範囲外とする比較鋼とした。
【００４５】
その結果、ｓｏｌ．Ａｌ量が本発明範囲内となる鋼では、いずれも円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下のＡｌ2Ｏ3析出物が１×１０3個／ｍｍ2以上析出しており、本発明鋼はＢＯＮＤ、ＨＡＺ１ｍｍのいずれにおいても−４０℃で１００Ｊ以上の良好な靭性値を示した。
【００４６】
一方、Ｎ量が本発明範囲外となる比較鋼は、微細Ａｌ2Ｏ3が１×１０3個／ｍｍ2以上析出していても、靭性値のバラツキがあり安定した結果が得られなかった。
【００４７】
ｓｏｌ．Ａｌが本発明の範囲外となる鋼では、円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下となるＡｌ2Ｏ3析出物の個数が少なくやはりシャルピー衝撃試験結果が不安定となっていた。
【００４８】
本発明は以上の構成により十分な特性が得られるが、更にその特性を向上させるため、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂの一種又は二種以上を添加することができる。これらの元素を添加する場合、Ｃｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％とする。
【００４９】
尚、本発明において、「残部が不可避不純物及びＦｅ」とは、本発明の作用効果を損なわない範囲で、他の微量元素を含有することを意味する。
【００５０】
次に製造条件について述べる。
【００５１】
本発明では、溶銑を精錬容器内で溶銑中のＰ含有量を粗鋼で要求されている鋼の成分規格値以下に脱燐精錬し、脱燐精錬された溶銑を転炉に装入し、実質的に焼石灰等の造滓材を溶銑に添加することなく脱炭精錬を行う。この脱燐溶銑を使用することで、転炉での脱燐精錬は不要となる。転炉吹錬後、所定の成分範囲に調整したのち連続鋳造によりスラブとし、所要の条件で加熱をした後に、圧延等の加工を施して厚鋼板とする。
【００５２】
本発明では、微細Ａｌ2Ｏ3を析出核とするＴｉＮ、ＢＮによるＨＡＺ組織の微細フェライト組織化とＨＡＺ組織における固溶Ｎ量の低減の重畳効果により、ＨＡＺ靭性を向上させるため、ＺＳＰ後の鋳造凝固過程は常法によるものでよく、特に鋳造凝固冷却速度を５℃／分以下と遅くする必要はない。
【００５３】
スラブ加熱条件や熱間圧延条件は、所望の板厚、強度に応じて適宜設定すればよいが、圧延後は所望の強度となるように、加速冷却あるいはオンラインまたはオフラインで焼入れ焼戻しを行う。
【００５４】
【実施例】
表１に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造法でスラブとした後、１１００〜１２５０℃に加熱し、ＴＭＣＰ（制御圧延・加速冷却）、熱間圧延後ＤＱ−Ｔ（直接焼き入れ・焼き戻し）等により板厚５０〜７０ｍｍの鋼板を製造した。表２に示すように、実施例１〜１５の鋼は本発明に従いＺＳＰを用いて製造し、比較例１６〜３５の鋼はＺＳＰは行わずに通常の製鋼プロセスにより製造した。
【００５５】
これらの鋼板について、母材の機械的性質およびエレクトロガスアーク溶接（入熱４００〜５３０ｋＪ／ｃｍ）のＨＡＺ靭性を調査した。ＨＡＺ靭性はシャルピー衝撃試験により、切欠位置をボンド部、ボンド部からＨＡＺ側に１ｍｍ、３ｍｍ，５ｍｍとし、試験温度−４０℃でのシャルピー衝撃値（平均値、個々の値）によって評価した。表示は平均値のみとした。
【００５６】
【表１−１】
【表１−２】
【００５８】
これに対して、比較鋼である比較例１６〜３５の鋼は、母材特性としては本発明鋼と同等であるが、ＨＡＺの靭性値が低下した。
【００５９】
比較例１６〜１８の比較鋼は化学成分は本発明の範囲内であるがＺＳＰを用いなかったため、目的とする靭性値を満足しなかった。これは粗大な酸化物が生じ、靭性が低下したものと考えられる。
【００６０】
比較例１９〜２４、２６、２８、３０〜３４の比較鋼はＴｉ、Ｂ及びＮのバランスが悪く、ＩＮが本発明の範囲外であり、比較例２０、２１、２３〜２５、２７、２９、３１、３５の比較鋼はｓｏｌ．Ａｌ量が本発明で規定する範囲を逸脱している。このため、比較鋼は大入熱ボンド部およびＨＡＺ１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍでの靭性のうちのいずれかがｖＥ−４０で１００Ｊ以上を満足しなかった。
【００６１】
【表２−１】
【表２−２】
【発明の効果】
本発明によれば、エレクトロガスアーク溶接等の４００ｋＪ／ｃｍ以上の大入熱溶接継手部ＨＡＺ全域で安定して優れた低温靭性となり、板厚７０ｍｍまでの厚肉で降伏強度３９０Ｎ／ｍｍ2級の高強度を有する溶接構造用鋼が得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ2Ｏ3の析出状態に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【図２】ＨＡＺ靭性（ｖＥ−４０の平均値：Ｊ）に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【図３】ＨＡＺ靭性（ｖＥ−４０の個々の衝撃値：Ｊ）に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
Claims (2)
- 転炉ゼロスラグ吹錬法によって溶製した後に、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．００１〜０．０１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４〜０．０８％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｎ：０．００４〜０．００７％、Ｏ：０．００１〜０．００５％かつ０．９×ＩＮ≦１．２×ＩＮを満足するＮを含有する残部が不可避不純物及びＦｅからなる鋼に成分調整する工程と、
得られた鋼を連続鋳造によりスラブとし、熱間圧延後、加速冷却または焼入れ焼戻しする工程と、
を具備することを特徴とする低温靭性に優れた溶接構造用鋼の製造方法。
但し、ＩＮ＝Ｔｉ／３．４＋１．３Ｂ，Ｔｉ，Ｂ及びＮは含有量（％）とする。 - 前記成分調整工程において、鋼が質量％でさらにＣｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％の群から選択される一種または二種以上を含有するように成分調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
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