JP4077167B2 - アレスト特性に優れた鋼板およびその製法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレスト特性（脆性亀裂伝播停止特性）に優れた鋼板とその製法に関し、本発明によれば、構造物の安全性を確保するための重要な性能の一つであるアレスト特性に優れた鋼板を、Ｎｉ等の高価な元素を多量に添加することなく安価に提供することができる。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板のアレスト特性を高める上で、鋼板表層領域における等軸フェライト結晶粒（α粒）を微細化することが有効であることは良く知られており、従って該表層領域のフェライト結晶粒を微細化するための研究が種々進められている。ここで等軸フェライトとは、アスペクト比（長径／短径の比）がほぼ１で、圧延により圧延方向に伸展していないフェライト結晶粒をいう。
【０００３】
例えば特開昭６１−２３５５３４号公報には、圧延途中の冷却とその後の復熱過程での圧延によるフェライト粒の再結晶と、Ａｃ3変態点以上への昇温によるα組織からγ組織への逆変態を利用してフェライト結晶粒を微細化する方法が提案されている。しかしこの方法では、Ａｃ3変態点以上の復熱を必須とするため生産性の低下が避けられない。
【０００４】
これに対し特開平４−１４１５１７号公報には、生産性の低下を緩和するため、圧延途中の冷却とその後の昇温中の圧延による復熱温度をＡｃ3変態点未満に抑えることによってフェライト粒を再結晶化させ、それにより表層領域のフェライト粒を微細化する方法が開示されている。しかもこの公報には、鋼板表層領域のみならず表層領域と板厚方向内部の変形抵抗差によって板厚内部組織も微細化される旨の記述が見られる。しかしこの方法の如く、フェライト粒の再結晶を利用して微細フェライト粒を得るにはかなり大きな圧下量が必要となるため、鋼板の厚さや幅が大きくなると、結晶粒の微細化レベルが圧延機の能力に左右されることになり、目標通りの微細化効果を安定して得ることが難しい。
【０００５】
上記以外の結晶粒微細化法として特開平２−３０１５４０号公報には、圧延中の加工発熱を利用し、Ａｃ3変態点以上への復熱によるα組織からγ組織への逆変態を利用したフェライト結晶粒の微細化法が開示されている。しかしこの方法は、線材あるいは高速連続圧延の可能な熱延鋼板には適用できるが、厚板への適用は殆ど不可能である。
【０００６】
更に特開平８−２９５９８２号公報には、板厚方向全断面をフェライト−オーステナイト２相域にまで冷却してから圧延を行なう方法が開示されている。しかしこの様な方法で変形抵抗の異なるフェライトとオーステナイトとを混在状態で圧延した場合、鋼板に求められる板厚精度や平坦性が乱れる恐れがある。しかも等軸フェライトを主体とする組織の鋼板では、アスペクト比の大きな加工フェライトを利用する場合に比べるとアレスト特性はかなり劣るものとなる。
【０００７】
またこの種の改良技術の殆どは、金属組織として平均結晶粒径を規定することにより特性の向上を図っている。
【０００８】
本件出願人もかねてよりこの種の改良研究を進めており、その一環として、特開平１２−３０９８５１号や同１２−３０９８５２号を先に提案している。しかし、何れもフェライト結晶粒径やその面積率、アスペクト比などを規定するもので、それなりの成果は得ているものの、アレスト特性値に若干のバラツキが見られ、品質安定性という点で更に改善の余地が残されていることを知った。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
即ち本発明者らがその後更に研究を進めたところによると、前述の如く表層部におけるフェライト組織の平均粒径を可及的に小さくすれば、相対的に高いアレスト特性を得ることができるが、同じ平均粒径を有するものであっても製造条件などによってはアレスト特性値にバラツキを生じることがあり、信頼性の高い最終製品を得るには、該特性値のバラツキを可及的に小さく抑えることが望まれる。
【００１０】
本発明はこうした知見を基になされたものであって、その目的は、優れたアレスト特性を有すると共に、当該特性値のバラツキが小さくて信頼性の高い鋼板を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るアレスト特性に優れた鋼板とは、フェライトとパーライト主体のミクロ組織を有する鋼板であって、鋼板表面から中心部に向う板厚に対し少なくとも５％の表層領域において、板厚方向フェライト組織の円相当平均粒径が５μｍ以下であり、該粒のアスペクト比が２以上で且つ粒径バラツキの標準偏差が３μｍ以下であるところに要旨を有している。
【００１２】
本発明における上記鋼板の好ましい基本組成は、質量％（以下、同じ）で、Ｃ：０．０３〜０．２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含むものであり、あるいは更に
▲１▼Ｔｉ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．０３％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｂ：０．００２％以下およびＮ：０．０１％以下よりなる群から選択される少なくとも１種を含み、あるいは更に
▲２▼Ｃｕ：０．５％以下、及び／又はＮｉ：０．５％以下を含み、
▲３▼Ｃｒ：０．１％以下、及び／又はＭｏ：０．１％以下を含み、
▲４▼Ｃａ：０．０１％以下、及び／又はＺｒ：０．０１％以下を含み、
残部が実質的にＦｅと不可避不純物からなる鋼材が挙げられる。
【００１３】
また本発明に係る製法とは、アレスト特性に優れた上記鋼板を効率よく製造することのできる方法として位置付けられるもので、その構成は、素材鋼板の仕上圧延開始前に、前記鋼板表層部にＡｒ3変態点以上の温度で少なくとも０．３の累積相当塑性歪（ε）を付与した後、６５０℃以下の温度域までを２℃／秒以上の速度で冷却してから直ちに圧延を再開し、次いで当該表層部を鋼板の内部潜熱および加工熱によりＡｒ3変態点以下の温度まで復熱させながら、１パス当たりの最大圧下率：１２％以下、累積圧下率：３０％以上で仕上圧延するところに要旨を有している。
【００１４】
この方法を実施するに当たっては、前記仕上圧延に引き続いて、平均冷却速度２℃／秒以上で加速冷却を行ない、あるいは上記加速冷却に引き続いて、６００℃以下の温度で焼戻し処理を行なえば、得られる鋼板のアレスト特性を一段と優れたものにすることができるので好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、フェライト−パーライト主体のミクロ組織を有する鋼材を対象として、その実現が困難な微細等軸フェライト結晶粒に代わるアレスト特定改善技術についてかねてより研究を進めてきた。その結果として、一般に加工フェライトと呼ばれる圧延方向に伸展した組織を鋼板表層領域に形成すればアレスト特性が向上すること、但し、加工フェライトであればどの様な形のものでも良いというわけではなく、その分布が
▲１▼板厚表面から板厚の５％以上の範囲の表層領域に存在すること、
▲２▼加工フェライト粒の面積が円相当径で５μｍ以下であること、
▲３▼フェライト粒のアスペクト比が２以上であること、
▲４▼上記フェライト粒が、上記表層領域に５０％以上存在すること、
といった要件を満たすものは、アレスト特性が飛躍的に改善されることを確認し、こうした事実を基に特開平１２−３０９８５１号に開示の技術を提示した。ここで円相当径とは、該当する組織の個々の結晶粒について、その面積が等しくなるように想定した円の直径を意味する。
【００１６】
こうした組織の形態制御により、従来材に比べてアレスト特性は飛躍的に改善されたものの、鋼板毎の特性値に若干のバラツキを生じる傾向があり、実用製品としての信頼性を高めるには、特性値のバラツキを可及的に抑え、安定して優れたアレスト特性を与え得る様な技術を確立する必要がある。
【００１７】
そこで、高レベルのアレスト特性を確実且つ安定に発現し得る様な鋼材とその製法を目指してその後も更に研究を続けた結果、鋼板表層領域におけるミクロ組織のバラツキ、即ち板厚方向フェライト結晶粒径のバラツキが、当該鋼板のアレスト特性のバラツキと密接な関係を有しており、該結晶粒径のバラツキ（すなわち標準偏差）を少なくすれば、得られる鋼板に見られるアレスト特性値のバラツキも小さくなること、そして上記結晶粒径の標準偏差を３μｍ以下、より好ましくは２．５μｍ以下に抑えてやれば、アレスト特性鋼板として高い信頼性を有するものになることを突き止め、上記本発明に想到したものである。
【００１８】
即ち本発明における重要なポイントは、下記1)〜4)の新たな知見にある。
【００１９】
1)鋼板としての機械的特性、殊に靭性などは結晶粒径が小さいほど向上するが、その程度は平均結晶粒径のみに依存するのではなく、結晶粒径のバラツキの大小によって顕著に変わり、平均粒径の標準偏差を３μｍ以下、より好ましくは２．５μｍ以下に抑えてやれば、安定したアレスト特性値が確保されること。
【００２０】
2)従来は、１パス当たりの圧下率を大きくするほど結晶粒が微細化するといわれているのに対し、今回の本発明者らの知見によれば、１パス当たりの圧下率が小さい場合でも、累積相当塑性歪量と冷却条件を適正に制御してやれば微細組織が得られること。
【００２１】
3)仕上圧延を行なう際に、軽圧下（例えば１パス当たりの圧下率が１２％程度以下の圧延）を行なうと、局所的な再結晶現象が抑制されて結晶粒径のバラツキが低減されること。
【００２２】
4)該仕上圧延の前に鋼板表層部を適切な条件で冷却し、微細フェライト組織を形成させてから上記▲３▼の手法を組合わせて実施すれば、当該表層部の平均結晶粒径が微細化されると共に粒径バラツキも小さくなり、安定して優れたアレスト特性を示す鋼板が得られること。
【００２３】
以下、本発明を構成する各要件について詳細に説明していく。
【００２４】
まず本発明にかかるアレスト特性に優れた鋼板は、表・裏の両表層領域がフェライト組織とパーライト組織を主体とするミクロ組織であることを必須とする。ここで「主体とする」とは、当該表層領域におけるミクロ組織の好ましくは８０面積％以上、より好ましくは９０面積％以上がフェライト組織及び／又はパーライト組織であることを意味し、混在することのあるベイナイト組織やマルテンサイト等の占める比率は１０面積％以下であることが望ましい。ちなみにこれら第３の組織が多すぎると、当該表層部の硬度分布に偏りが生じ、脆性亀裂がより柔らかいフェライトまたはパーライト組織に集中して進展し易くなり、満足のいくアレスト特性が得られなくなるからである。本発明において特に好ましいのは、面積比でフェライト組織が７５％以上、９５％以下、より好ましくは８０％以上、９０％以下で、パーライト組織が５％以上、２５％以下、より好ましくは５％以上、１５％以下で、その他の組織が１０％以下、より好ましくは５％以下ある。
【００２５】
そして本発明では、組織制御が行なわれる鋼板表層領域を板厚に対し５％以上と定めているが、これはアレスト特性が特に鋼板表層領域の組織に左右されるからであり、少なくとも板厚の両表面から５％以上の深さ位置までを適切な組織としなければ、アレスト特性向上効果が有効に発揮されないからである。安定してより高レベルのアレスト特性を確保する上では、表面から５％以上、より好ましくは１０％以上の深さ位置までを適切に組織制御することが望ましい。
【００２６】
ところで、アレスト特性を向上させるには、前記表層領域のフェライト結晶粒を微細化することが好ましいとされているが、従来例の様に円相当結晶粒径が５μｍ程度以下の微細な組織であっても、アスペクト比を大きくすればアレスト特性は向上する。但し、上記表層領域のフェライト組織を微細化することによりアレスト特性は向上し得るとしても、常に安定した特性が得られるとは限らず、従来技術では鋼板毎にアレスト特性には相当のバラツキが見られる。
【００２７】
そこでその理由を追究したところ、以下の事実が確認された。まず、鋼板の機械的特性は結晶粒径の微細化によって向上することが知られており、平均結晶粒径で評価することが多い。その場合、小さな結晶粒の数が多いほど平均結晶粒径は相対的に小さくなるが、大きな結晶粒が存在する場合は、平均結晶粒径が小さい場合でも特性値の大幅な向上は見られず、且つ特性値のバラツキも大きくなる。これは、機械的特性が平均結晶粒径ではなく個々の結晶の影響を大きく受けるためと考えられる。
【００２８】
そこで本発明者らはこの点に注目し、粗大なフェライト組織の生成を極力低減することのできる圧延法を明かにすべく検討した結果、一般に未再結晶温度域と呼ばれる低温で圧延を行なった場合でも、圧延中の歪の蓄積によって局所的にオーステナイトの再結晶現象が引き起こされ、それに伴って結晶粒の成長が起こることが確認された。そこでこうした結晶粒の成長を抑制する方法について検討を進めた結果、下記の事実が確認された。
【００２９】
a)仕上圧延時に軽圧下圧延（１パス当たりの圧下率を１２％程度以下に抑えた圧下：通常は生産性を高めるため１５〜２０％程度の圧下率が採用される）を適用することにより、前述した様な未再結晶温度域での局所的な再結晶現象が抑制される。なお、圧下率が小さいほど粗大結晶組織の発生抑制効果は大きくなるが、１パス当たりの圧下率があまりに小さいと生産性が低下するため、圧下率は６％程度以上とすることが望ましい。
【００３０】
b)仕上圧延前に鋼板表層領域を特定の条件で冷却すると、粗大なフェライト組織の発生を抑制しつつ微細フェライト組織を生成させることができ、且つ未変態オーステナイト組織に対し上記a)の圧延を行なうことで粗大フェライト組織の生成が抑制され、その結果として粗大組織の生成を抑えることができる。
【００３１】
かくして、鋼板表層領域における粗大フェライト組織を低減しつつ微細フェライト組織の生成を助長させれば、結果的にフェライト組識の平均粒径を微細化できると共に、該粒径のバラツキ、即ち標準偏差も小さく抑えられ、高レベルのアレスト特性を安定して発揮することが確認された。
【００３２】
そして、上記の様に微細で且つ標準偏差の小さな表層部組織を実現するための具体的な制御方法について検討を重ねた結果、前記2)〜4)に示した手法を採用することが有効であるとの結論を得た。
【００３３】
なお上記4)の手法を採用する場合、冷却速度はある程度速い方が望ましいが、冷却速度が１０℃／秒を超えると、冷却停止温度が５５０℃未満となるまで冷却した時にベイナイト主体の組織となり、アレスト特性が著しく劣化するので、冷却速度は２℃／秒以上、７℃／秒程度以下とし、冷却停止温度も５５０℃以上に止めるのが良い。
【００３４】
上記4)の手法を採用することによって実現される微細組織は等軸フェライト組織であるため、更なるアレスト特性の向上を期して、これに特開平１２−３０９８５１号に開示の技術を利用して加工フェライト組織とするための圧延加工を行なったところ、アスペクト比が２以上の組織の場合に優れた特性が得られること、そしてアスペクト比が２以上の組織とするには、累積圧下率で３０％以上の圧延を施せばよいことが確認された。
【００３５】
この場合、前掲の特開昭６１−２３５５３４号公報に開示されている如く、生成したフェライトを直接圧延することによってフェライト組織を再結晶させて微細フェライト組織を得る手法もあるが、本発明の如く復熱温度がＡｒ3変態点以下の低温で且つ１パス当たりの圧下率が前記3)で示した如く小さい場合は、フェライトの再結晶現象は起こらず、前記4)で生成したフェライト組織は圧延によって加工され、アスペクト比が増大するだけに過ぎない。また、Ａｒ3変態点以上の温度に復熱すると、冷却によって生成した微細フェライト組織の一部が粗大なオーステナイトに逆変態する割合が増大するため、復熱の温度はＡｒ3変態点以下に抑える必要がある。
【００３６】
上述した様な組織制御要件を含めて、優れたアレスト特性を有する鋼板を得るには、仕上圧延開始前に、前記鋼板表層領域にＡｒ3変態点以上の温度、好ましくはＡｒ3変態点以上、（Ａｒ3変態点＋７０℃）までの温度で少なくとも０．３以上（より好ましくは０．４以上）の累積相当塑性歪（ε）を付与した後、６５０℃以下（より好ましくは６００℃以下）の温度域までを２℃／秒以上（より好ましくは５℃／秒以上）の速度で冷却し、その後直ちに圧延を再開し、次いで当該表層領域を鋼板の内部潜熱および加工熱によりＡｒ3変態点以下の温度まで復熱させながら、１パス当たりの最大圧下率を１２％以下（より好ましくは１０％以下、更に好ましくは８％以下）に抑えつつ、累積圧下率３０％以上（より好ましくは３５％以上）で仕上圧延する方法が採用される。
【００３７】
ちなみに、仕上圧延開始前にＡｒ3変態点以上の温度で実施される累積相当塑性歪（ε）が０．３未満では、その後の冷却速度等を適正に制御したとしても、鋼板表層領域における結晶組織の微細化効果が不足すると共に、粗大結晶粒の生成も起こり易くなり、粒径バラツキを目標レベルにまで低減できず、また、仕上圧延後の冷却停止温度が６５０℃を超えたり、あるいは当該温度域までの冷却速度が２℃／秒未満では、同様に満足な結晶微細化効果と粒径バラツキ低減効果が得られ難くなる。
【００３８】
上記冷却後に再開される仕上圧延工程では、鋼板表層領域を鋼板の内部潜熱および加工熱により復熱させながら圧延が行われるが、この時の復熱温度がＡｒ3変態点を超えると、冷却によって生成した微細フェライト組識が粒成長を引き起こし易くなり、粗大組織生成の原因になるので、復熱温度はＡｒ3変態点以下に抑えるべきである。また該復熱後の圧延時における１パス当たりの圧下率を高め過ぎると、未変態のオーステナイトが局所的に再結晶現象を生じ、粗大オーステナイト組織となって鋼板表層領域の粒径バラツキが大きくなり、また累積圧下率が３０％未満では、フェライト結晶粒のアスペクト比が低下傾向を生じてくるので、１パス当たりの最大圧下率は１２％以下に抑えて粒径バラツキの増大を防止すると共に、累積圧下率は３０％以上に高めることによって、フェライト結晶粒のアスペクト比で２以上を確保することが重要となる。
【００３９】
かくして上記要件を満たす条件を設定することにより、鋼板表層領域における板厚方向フェライト組識の円相当平均粒径で５μｍ以下を確保しつつ、該結晶粒のアスペクト比で２以上、且つ粒径バラツキの標準偏差で３μｍ以下を確保することができ、それにより、「−８０℃におけるＫca値で７０００ｎ・ｍｍ-3/2以上」といった、従来材に比べて卓越したアレスト特性を有する鋼板を確実に製造することが可能となる。
【００４０】
また本発明を実施するに当たっては、上記圧延の後更なる特性向上のため加速冷却を行なうことも有効である。これは、鋼板内部組織（表層領域よりも内側の組織）を微細化することで、シャルピー試験による低温靭性などを向上させる上で有効となるが、前記3)，4)の手法を採用する本発明においては、鋼板表層領域の組織形成は完結しているため、アレスト特性には殆ど影響は生じない。従って、低温靭性が要求される用途に適用する場合は、仕上圧延の後に加速冷却を行なうことが望ましく、加速冷却を行なう際の好ましい冷却速度は、平均冷却速度で２℃／秒以上、より好ましくは５℃／秒以上である。
【００４１】
更に、鋼板内の残留応力を低減するため焼戻し処理を行なうことも有効であるが、焼戻し温度が６００〜７００℃を超えると、折角微細化したフェライト組織からオーステナイトへの逆変態が起こって粗大組織が生成し粒度バラツキが大きくなってアレスト特性を劣化させる恐れがある。しかし焼戻し温度を６００℃以下に抑えてやれば、そうした組織の逆変態も起こらず、アレスト特性の劣化を回避することができる。
【００４２】
本発明において上記各要件を定めた理由を一層明らかにするため、図１〜図７に、それらの各要件が、二重引張試験によるアレスト特性（−８０℃におけるＫca値：Ｎ・ｍｍ-3/2）に及ぼす影響について調べた結果をグラフ化して示す。これらのデータは、後記する実施例、比較例から抽出したものであり、いずれも表１（後記する）の鋼種Ａ、試験板厚３０ｍｍを用いて，引張試験片ＪＩＳ １Ｂ号（ＧＬ＝２００ｍｍ）を用いて調べた例である。
【００４３】
まず図１、本発明により組織制御される鋼板表層領域の層厚（ｍｍ）とフェライト結晶粒のアスペクト比がアレスト特性におよぼす影響を示したグラフであり、層厚が１．５ｍｍ（供試鋼板の板厚は３０ｍｍであるから、全板厚に対して５％）未満では、たとえフェライト粒のアスペクト比が２以上であっても、目標とするアレスト特性（即ち、Ｋca値）を満たすものは得られない。またアスペクト比が２未満では、層厚をかなり厚くしても満足なアレスト特性が得られない。これに対し、表層領域の層厚を１．５ｍｍ（即ち、全板厚の５％）以上とし、当該表層部に存在する結晶粒のアスペクト比が２以上であるものは、−８０℃でのＫca値で７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上の高いが得られている。
【００４４】
図２は、鋼板表層領域に存在するフェライト結晶粒の平均値がアレスト特性に与える影響を示したグラフであり、この図からは、該平均フェライト結晶粒を５μｍ以下とすることによって、７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上の高いＫca値が得られている。
【００４５】
図３は、鋼板表層領域に存在する結晶粒のバラツキ（標準偏差）がアレスト特性に与える影響を示したグラフであり、該バラツキが３μｍを境にしてこれ以下では７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上のＫca値が得られているのに対し、３μｍを超えると急激に低下している。
【００４６】
図４は、本発明鋼板を製造する際の累積相当塑性歪量（ε）とその後の冷却速度が表層領域の平均フェライト結晶粒径与える影響を示したグラフであり、この図からは、累積相当塑性歪量が大きくなるほど、また冷却速度を速くするほど平均フェライト結晶粒径は小さくなることを示している。そして、該累積相当塑性歪量を０．３以上に設定すると共に冷却速度を２℃／秒以上に高めてやれば、平均結晶粒径で５μｍ以下を得ることができ、それにより図２からも明らかな様に７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上の高いＫca値を確保できることが分かる。
【００４７】
図５は、本発明鋼板を製造する際の冷却速度を２℃／秒一定とし、累積相当塑性歪量を０．３１〜０．３４の範囲に納め、冷却停止温度を変えた時の表層領域の平均フェライト粒径に与える影響を示したグラフであり、このグラフからは、５μｍ以下の平均粒径を確保して十分なアレスト特性を確保するには、冷却停止温度を６５０℃以下にしなければならないことが分かる。
【００４８】
図６は、仕上圧延時の１パス当たりの圧下率が鋼板表層領域の結晶粒径バラツキに与える影響を示したグラフであり、このグラフからも明らかな様に、粒径バラツキを３μｍ以下に抑えて良好なアレスト特性を確保するには、仕上圧延時における１パス当たりの圧下率を１２％以下に抑えるべきであることが分かる。
【００４９】
更に図７は、仕上圧延時における累積圧下率がフェライト結晶粒のアスペクト比に与える影響を示したグラフであり、該アスペクト比で２以上を確保して目標レベルのＫca値を得るには、仕上圧延時の累積圧下率で少なくとも３０％以上を保証すべきであることが分かる。
【００５０】
次に、本発明鋼板の鋼中化学成分について説明する。上述した通り、本発明のアレスト特性に優れた鋼板は、鋼板表層領域の組織を特定したところに重要ポイントを有するものであって、鋼自体の化学成分については特に限定されないが好ましい化学成分は以下の通りである。
【００５１】
Ｃ：０．０３〜０．２％
Ｃ含有量は、必要強度を確保するため０．０３％以上が好ましく、より好ましくは０．０５％以上である。但し、過度の含有は溶接性や母材靭性に悪影響を及ぼすので、０．２％以下、より好ましくは０．１７％以下に抑えることが望ましい。
【００５２】
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、母材の強度向上および溶鋼の脱酸成分として有用な元素であり、その効果を有効に発揮させるには０．０５％以上含有させることが望ましい。しかし、含有量が多くなり過ぎると、溶接性や母材靭性を劣化させるので、０．５％以下、より好ましくは０．４５％以下に抑えるのが良い。
【００５３】
Ｍｎ：１．８％以下
Ｍｎは、母材の強度上昇元素として有用であり、その為には０．５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．７％以上である。但し、過度の含有は溶接性や母材靭性劣化を招くので、１．８％以下、より好ましくは１．６％以下に抑えるのが良い。
【００５４】
Ａｌ：０．０１〜０．１％
Ａｌは、脱酸剤として有用であるのみならず、窒化物を形成して母材組織の細粒化に寄与する。こうした作用は０．０１％以上、より好ましくは０．０１５％以上で有効に発揮されるが、０．１％を超えて過度に含有させると母材靭性が劣化するので、０．１％以下、より好ましくは０．０５％以下に抑えることが望ましい。
【００５５】
本発明鋼板では、上記元素を基本元素として含み、残部はＦｅと不可避不純物や微量許容元素を含み得るが、更なる他の特性付与を目指して、下記元素を積極的に添加することも有効である。
【００５６】
Ｔｉ：０．０２％以下，Ｎｂ：０．０３％以下，Ｖ：０．０５％以下，Ｂ：０．００２％以下およびＮ：０．０１％以下、よりなる群から選択される少なくとも一種
これらの元素は、鋼板加熱時のオーステナイト粒粗大化抑制作用、圧延終了後のフェライト変態核生成促進作用、またはオーステナイト粒再結晶抑制効果を通じてフェライト結晶粒の微細化効果を有する元素である。具体的には、Ｔｉは窒化物の形成によって上記作用が得られるが、この様な作用を有効に発揮させるためには０．００４％以上添加することが好ましい。但し、０．０２％を超えて過剰に添加しても母材靭性を劣化させるため、その上限を０．０２％以下にすることが好ましい。
【００５７】
また、Ｎｂは炭窒化物の形成により、圧延中のオーステナイト粒粗大化作用および再結晶抑制作用を発揮し、圧延終了後のフェライト粒の微細化に有効な元素であるが、この様な作用を有効に発揮させるためには、０．００２％以上添加することが好ましい。但し、０．０３％を超えて過剰に添加すると溶接性が劣化するため、その上限を０．０３％にすることが好ましい。
【００５８】
Ｖは、Ｎｂと同様、炭窒化物の形成により、圧延中のオーステナイト粒粗大化および再結晶抑制作用を発揮し、圧延終了後のフェライト粒の微細化に有効な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには０．００２％以上添加することが好ましい。但し、０．０５％を超えて過剰に添加すると溶接性が劣化するため、その上限を０．０３％とすることが好ましい。
【００５９】
Ｂは、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を向上させるのに有効な元素であり、この様な作用を有効に発揮させるには０．０００２％以上の添加が好ましい。但し、０．００２％を超えて添加すると、焼入れ性が増加し、母材の低温靭性劣化を招くことから、その上限を０．００２％とすることが好ましい。
【００６０】
Ｎは、上記Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖなどの添加元素と窒化物を形成し、母材組織の細粒化作用を有する。この様な作用を有効に発揮させるには０．００１％以上含有させることが好ましい。但し、０．０１％を超えて含有量が多くなり過ぎると固溶Ｎの増大を招き、特に溶接部の靭性が劣化するので、０．０１％以下に抑えることが好ましい。
【００６１】
Ｃｕ：０．５％以下及び／又はＮｉ：０．５％以下
これらの元素は、いずれもオーステナイト結晶粒の微細化および低温靭性の向上に寄与する元素である。
【００６２】
具体的には、Ｃｕは、フェライト結晶粒の微細化に有効な元素であり、この様な作用を有効に発揮させるには、０．２％以上添加することが好ましい。但し、多量に添加すると母材の溶接性を劣化させるので、その上限を０．５％とすることが好ましい。
【００６３】
Ｎｉは、低温靭性の向上に有効な元素であるが、高価なため、その上限を０．５％とすることが好ましい。
【００６４】
これらの元素は単独で使用しても良いし、或いは併用しても構わないが、Ｃｕを単独添加すると熱間割れが発生する可能性があることから、Ｎｉも同時に添加し、熱間割れを防止することが好ましい。
【００６５】
Ｃｒ：０．１％以下及び／又はＭｏ：０．１％以下
これらの元素は、いずれも炭窒化物を析出させ、強度上昇に寄与する元素であり、この様な作用を有効に発揮させるためには、いずれの元素も０．０３％以上添加することが好ましい。但し、過度の添加は溶接性および母材靭性を劣化させるため、その上限を０．１％とすることが好ましい。
【００６６】
Ｃａ：０．０１％以下及び／又はＺｒ：０．０１％以下
これらの元素は鋼中の介在物形態を球状化させることによって母材の靭性を高める作用を有する。
【００６７】
このうちＣａは、鋼中介在物の形態を球状化させることにより、母材の靭性を改善する効果を有する。この様な作用を有効に発揮させるには０．０００５％以上添加することが好ましい。但し、過剰の添加は逆に母材の靭性を劣化させるため、その上限を０．０１％とすることが好ましい。
【００６８】
Ｚｒは、Ｃａと同様、鋼中介在物の形態を球状化させることによって母材の靭性を改善する作用を有する。この様な作用を有効に発揮させるには、０．００３％以上添加することが好ましい。但し、過剰の添加は逆に母材の靭性を劣化させるため、その上限を０．０１％とすることが好ましい。
【００６９】
【実施例】
以下、実験例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はもとより下記実験例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは全て本発明の技術範囲に包含される。
【００７０】
実験例
表１に記載の鋼種Ａ〜Ｉを用い、表２及び表４に示す条件で加熱し、二段階に分けて圧延した後冷却し、一部については加速冷却、あるいは更に焼戻し処理を行なうことにより、表３及び表５に記載の組織を有する鋼板を製造した。
【００７１】
得られた各鋼板（全厚さ：３０ｍｍ）について、ナイタール腐食を行なった後光学顕微鏡を用いて、表層領域（表面から１．５ｍｍの深さ位置）の組織観察を行ない、板厚方向フェライト組織の平均粒径とその標準偏差およびアスペクト比（平均値）を求めると共に、夫々について、ＪＩＳ １Ｂ号に記載の引張試験に準じて、−８０℃におけるアレスト特性（脆性亀裂伝播停止特性）を、ＷＥＳ（日本溶接協会）が規定する温度勾配型二重引張試験により測定した。結果を表３及び５に示す。
【００７２】
【表１】
【００７３】
【表２】
【００７４】
【表３】
【００７５】
【表４】
【００７６】
【表５】
【００７７】
表２，３のＮｏ．１〜２０は、いずれも本発明の規定要件を全て満たす実施例であり、何れも−８０℃におけるアレスト特性は目標値の７０００Ｎ・ｍｍ-3/2を超える高い値を示している。
【００７８】
これに対し、本発明で定めるいずれかの要件を欠く表４，５のＮｏ．２１〜４０は、−８０℃におけるアレスト特性値が目標とする７０００Ｎ・ｍｍ-3/2に達していない。
【００７９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、アレスト特性に影響を及ぼす鋼板表層領域の平均粒径やアスペクト比に加えて、粒径の標準偏差を規定することにより、従来材に比べて卓越したアレスト特性を安定して発揮する信頼性の高い鋼材を提供し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼板表層領域の厚さと該領域内に存在するフェライト結晶粒のアスペクト比がアレスト特性に与える影響を示すグラフである。
【図２】鋼板表層領域に存在するフェライト組織の平均粒径がアレスト特性に与える影響を示すグラフである。
【図３】鋼板表層領域に存在するフェライト組識の粒径バラツキがアレスト特性に及ぼす影響を示すグラフである。
【図４】本発明鋼板を製造する際の累積相当塑性歪量とその後の冷却速度が平均フェライト粒径に与える影響を示したグラフである。
【図５】本発明鋼板を製造する際の一次冷却停止温度が、表層部の平均フェライト粒径に与える影響を示すグラフである。
【図６】本発明鋼板を製造する際の仕上圧延時における１パス当たりの圧下率が、表層部の粒径バラツキに与える影響を示すグラフである。
【図７】本発明鋼板を製造する際における仕上圧延時の累積圧下率が、表層部のフェライト結晶粒のアスペクト比に与える影響を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレスト特性（脆性亀裂伝播停止特性）に優れた鋼板とその製法に関し、本発明によれば、構造物の安全性を確保するための重要な性能の一つであるアレスト特性に優れた鋼板を、Ｎｉ等の高価な元素を多量に添加することなく安価に提供することができる。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板のアレスト特性を高める上で、鋼板表層領域における等軸フェライト結晶粒（α粒）を微細化することが有効であることは良く知られており、従って該表層領域のフェライト結晶粒を微細化するための研究が種々進められている。ここで等軸フェライトとは、アスペクト比（長径／短径の比）がほぼ１で、圧延により圧延方向に伸展していないフェライト結晶粒をいう。
【０００３】
例えば特開昭６１−２３５５３４号公報には、圧延途中の冷却とその後の復熱過程での圧延によるフェライト粒の再結晶と、Ａｃ3変態点以上への昇温によるα組織からγ組織への逆変態を利用してフェライト結晶粒を微細化する方法が提案されている。しかしこの方法では、Ａｃ3変態点以上の復熱を必須とするため生産性の低下が避けられない。
【０００４】
これに対し特開平４−１４１５１７号公報には、生産性の低下を緩和するため、圧延途中の冷却とその後の昇温中の圧延による復熱温度をＡｃ3変態点未満に抑えることによってフェライト粒を再結晶化させ、それにより表層領域のフェライト粒を微細化する方法が開示されている。しかもこの公報には、鋼板表層領域のみならず表層領域と板厚方向内部の変形抵抗差によって板厚内部組織も微細化される旨の記述が見られる。しかしこの方法の如く、フェライト粒の再結晶を利用して微細フェライト粒を得るにはかなり大きな圧下量が必要となるため、鋼板の厚さや幅が大きくなると、結晶粒の微細化レベルが圧延機の能力に左右されることになり、目標通りの微細化効果を安定して得ることが難しい。
【０００５】
上記以外の結晶粒微細化法として特開平２−３０１５４０号公報には、圧延中の加工発熱を利用し、Ａｃ3変態点以上への復熱によるα組織からγ組織への逆変態を利用したフェライト結晶粒の微細化法が開示されている。しかしこの方法は、線材あるいは高速連続圧延の可能な熱延鋼板には適用できるが、厚板への適用は殆ど不可能である。
【０００６】
更に特開平８−２９５９８２号公報には、板厚方向全断面をフェライト−オーステナイト２相域にまで冷却してから圧延を行なう方法が開示されている。しかしこの様な方法で変形抵抗の異なるフェライトとオーステナイトとを混在状態で圧延した場合、鋼板に求められる板厚精度や平坦性が乱れる恐れがある。しかも等軸フェライトを主体とする組織の鋼板では、アスペクト比の大きな加工フェライトを利用する場合に比べるとアレスト特性はかなり劣るものとなる。
【０００７】
またこの種の改良技術の殆どは、金属組織として平均結晶粒径を規定することにより特性の向上を図っている。
【０００８】
本件出願人もかねてよりこの種の改良研究を進めており、その一環として、特開平１２−３０９８５１号や同１２−３０９８５２号を先に提案している。しかし、何れもフェライト結晶粒径やその面積率、アスペクト比などを規定するもので、それなりの成果は得ているものの、アレスト特性値に若干のバラツキが見られ、品質安定性という点で更に改善の余地が残されていることを知った。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
即ち本発明者らがその後更に研究を進めたところによると、前述の如く表層部におけるフェライト組織の平均粒径を可及的に小さくすれば、相対的に高いアレスト特性を得ることができるが、同じ平均粒径を有するものであっても製造条件などによってはアレスト特性値にバラツキを生じることがあり、信頼性の高い最終製品を得るには、該特性値のバラツキを可及的に小さく抑えることが望まれる。
【００１０】
本発明はこうした知見を基になされたものであって、その目的は、優れたアレスト特性を有すると共に、当該特性値のバラツキが小さくて信頼性の高い鋼板を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るアレスト特性に優れた鋼板とは、フェライトとパーライト主体のミクロ組織を有する鋼板であって、鋼板表面から中心部に向う板厚に対し少なくとも５％の表層領域において、板厚方向フェライト組織の円相当平均粒径が５μｍ以下であり、該粒のアスペクト比が２以上で且つ粒径バラツキの標準偏差が３μｍ以下であるところに要旨を有している。
【００１２】
本発明における上記鋼板の好ましい基本組成は、質量％（以下、同じ）で、Ｃ：０．０３〜０．２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．８％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含むものであり、あるいは更に
▲１▼Ｔｉ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．０３％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｂ：０．００２％以下およびＮ：０．０１％以下よりなる群から選択される少なくとも１種を含み、あるいは更に
▲２▼Ｃｕ：０．５％以下、及び／又はＮｉ：０．５％以下を含み、
▲３▼Ｃｒ：０．１％以下、及び／又はＭｏ：０．１％以下を含み、
▲４▼Ｃａ：０．０１％以下、及び／又はＺｒ：０．０１％以下を含み、
残部が実質的にＦｅと不可避不純物からなる鋼材が挙げられる。
【００１３】
また本発明に係る製法とは、アレスト特性に優れた上記鋼板を効率よく製造することのできる方法として位置付けられるもので、その構成は、素材鋼板の仕上圧延開始前に、前記鋼板表層部にＡｒ3変態点以上の温度で少なくとも０．３の累積相当塑性歪（ε）を付与した後、６５０℃以下の温度域までを２℃／秒以上の速度で冷却してから直ちに圧延を再開し、次いで当該表層部を鋼板の内部潜熱および加工熱によりＡｒ3変態点以下の温度まで復熱させながら、１パス当たりの最大圧下率：１２％以下、累積圧下率：３０％以上で仕上圧延するところに要旨を有している。
【００１４】
この方法を実施するに当たっては、前記仕上圧延に引き続いて、平均冷却速度２℃／秒以上で加速冷却を行ない、あるいは上記加速冷却に引き続いて、６００℃以下の温度で焼戻し処理を行なえば、得られる鋼板のアレスト特性を一段と優れたものにすることができるので好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、フェライト−パーライト主体のミクロ組織を有する鋼材を対象として、その実現が困難な微細等軸フェライト結晶粒に代わるアレスト特定改善技術についてかねてより研究を進めてきた。その結果として、一般に加工フェライトと呼ばれる圧延方向に伸展した組織を鋼板表層領域に形成すればアレスト特性が向上すること、但し、加工フェライトであればどの様な形のものでも良いというわけではなく、その分布が
▲１▼板厚表面から板厚の５％以上の範囲の表層領域に存在すること、
▲２▼加工フェライト粒の面積が円相当径で５μｍ以下であること、
▲３▼フェライト粒のアスペクト比が２以上であること、
▲４▼上記フェライト粒が、上記表層領域に５０％以上存在すること、
といった要件を満たすものは、アレスト特性が飛躍的に改善されることを確認し、こうした事実を基に特開平１２−３０９８５１号に開示の技術を提示した。ここで円相当径とは、該当する組織の個々の結晶粒について、その面積が等しくなるように想定した円の直径を意味する。
【００１６】
こうした組織の形態制御により、従来材に比べてアレスト特性は飛躍的に改善されたものの、鋼板毎の特性値に若干のバラツキを生じる傾向があり、実用製品としての信頼性を高めるには、特性値のバラツキを可及的に抑え、安定して優れたアレスト特性を与え得る様な技術を確立する必要がある。
【００１７】
そこで、高レベルのアレスト特性を確実且つ安定に発現し得る様な鋼材とその製法を目指してその後も更に研究を続けた結果、鋼板表層領域におけるミクロ組織のバラツキ、即ち板厚方向フェライト結晶粒径のバラツキが、当該鋼板のアレスト特性のバラツキと密接な関係を有しており、該結晶粒径のバラツキ（すなわち標準偏差）を少なくすれば、得られる鋼板に見られるアレスト特性値のバラツキも小さくなること、そして上記結晶粒径の標準偏差を３μｍ以下、より好ましくは２．５μｍ以下に抑えてやれば、アレスト特性鋼板として高い信頼性を有するものになることを突き止め、上記本発明に想到したものである。
【００１８】
即ち本発明における重要なポイントは、下記1)〜4)の新たな知見にある。
【００１９】
1)鋼板としての機械的特性、殊に靭性などは結晶粒径が小さいほど向上するが、その程度は平均結晶粒径のみに依存するのではなく、結晶粒径のバラツキの大小によって顕著に変わり、平均粒径の標準偏差を３μｍ以下、より好ましくは２．５μｍ以下に抑えてやれば、安定したアレスト特性値が確保されること。
【００２０】
2)従来は、１パス当たりの圧下率を大きくするほど結晶粒が微細化するといわれているのに対し、今回の本発明者らの知見によれば、１パス当たりの圧下率が小さい場合でも、累積相当塑性歪量と冷却条件を適正に制御してやれば微細組織が得られること。
【００２１】
3)仕上圧延を行なう際に、軽圧下（例えば１パス当たりの圧下率が１２％程度以下の圧延）を行なうと、局所的な再結晶現象が抑制されて結晶粒径のバラツキが低減されること。
【００２２】
4)該仕上圧延の前に鋼板表層部を適切な条件で冷却し、微細フェライト組織を形成させてから上記▲３▼の手法を組合わせて実施すれば、当該表層部の平均結晶粒径が微細化されると共に粒径バラツキも小さくなり、安定して優れたアレスト特性を示す鋼板が得られること。
【００２３】
以下、本発明を構成する各要件について詳細に説明していく。
【００２４】
まず本発明にかかるアレスト特性に優れた鋼板は、表・裏の両表層領域がフェライト組織とパーライト組織を主体とするミクロ組織であることを必須とする。ここで「主体とする」とは、当該表層領域におけるミクロ組織の好ましくは８０面積％以上、より好ましくは９０面積％以上がフェライト組織及び／又はパーライト組織であることを意味し、混在することのあるベイナイト組織やマルテンサイト等の占める比率は１０面積％以下であることが望ましい。ちなみにこれら第３の組織が多すぎると、当該表層部の硬度分布に偏りが生じ、脆性亀裂がより柔らかいフェライトまたはパーライト組織に集中して進展し易くなり、満足のいくアレスト特性が得られなくなるからである。本発明において特に好ましいのは、面積比でフェライト組織が７５％以上、９５％以下、より好ましくは８０％以上、９０％以下で、パーライト組織が５％以上、２５％以下、より好ましくは５％以上、１５％以下で、その他の組織が１０％以下、より好ましくは５％以下ある。
【００２５】
そして本発明では、組織制御が行なわれる鋼板表層領域を板厚に対し５％以上と定めているが、これはアレスト特性が特に鋼板表層領域の組織に左右されるからであり、少なくとも板厚の両表面から５％以上の深さ位置までを適切な組織としなければ、アレスト特性向上効果が有効に発揮されないからである。安定してより高レベルのアレスト特性を確保する上では、表面から５％以上、より好ましくは１０％以上の深さ位置までを適切に組織制御することが望ましい。
【００２６】
ところで、アレスト特性を向上させるには、前記表層領域のフェライト結晶粒を微細化することが好ましいとされているが、従来例の様に円相当結晶粒径が５μｍ程度以下の微細な組織であっても、アスペクト比を大きくすればアレスト特性は向上する。但し、上記表層領域のフェライト組織を微細化することによりアレスト特性は向上し得るとしても、常に安定した特性が得られるとは限らず、従来技術では鋼板毎にアレスト特性には相当のバラツキが見られる。
【００２７】
そこでその理由を追究したところ、以下の事実が確認された。まず、鋼板の機械的特性は結晶粒径の微細化によって向上することが知られており、平均結晶粒径で評価することが多い。その場合、小さな結晶粒の数が多いほど平均結晶粒径は相対的に小さくなるが、大きな結晶粒が存在する場合は、平均結晶粒径が小さい場合でも特性値の大幅な向上は見られず、且つ特性値のバラツキも大きくなる。これは、機械的特性が平均結晶粒径ではなく個々の結晶の影響を大きく受けるためと考えられる。
【００２８】
そこで本発明者らはこの点に注目し、粗大なフェライト組織の生成を極力低減することのできる圧延法を明かにすべく検討した結果、一般に未再結晶温度域と呼ばれる低温で圧延を行なった場合でも、圧延中の歪の蓄積によって局所的にオーステナイトの再結晶現象が引き起こされ、それに伴って結晶粒の成長が起こることが確認された。そこでこうした結晶粒の成長を抑制する方法について検討を進めた結果、下記の事実が確認された。
【００２９】
a)仕上圧延時に軽圧下圧延（１パス当たりの圧下率を１２％程度以下に抑えた圧下：通常は生産性を高めるため１５〜２０％程度の圧下率が採用される）を適用することにより、前述した様な未再結晶温度域での局所的な再結晶現象が抑制される。なお、圧下率が小さいほど粗大結晶組織の発生抑制効果は大きくなるが、１パス当たりの圧下率があまりに小さいと生産性が低下するため、圧下率は６％程度以上とすることが望ましい。
【００３０】
b)仕上圧延前に鋼板表層領域を特定の条件で冷却すると、粗大なフェライト組織の発生を抑制しつつ微細フェライト組織を生成させることができ、且つ未変態オーステナイト組織に対し上記a)の圧延を行なうことで粗大フェライト組織の生成が抑制され、その結果として粗大組織の生成を抑えることができる。
【００３１】
かくして、鋼板表層領域における粗大フェライト組織を低減しつつ微細フェライト組織の生成を助長させれば、結果的にフェライト組識の平均粒径を微細化できると共に、該粒径のバラツキ、即ち標準偏差も小さく抑えられ、高レベルのアレスト特性を安定して発揮することが確認された。
【００３２】
そして、上記の様に微細で且つ標準偏差の小さな表層部組織を実現するための具体的な制御方法について検討を重ねた結果、前記2)〜4)に示した手法を採用することが有効であるとの結論を得た。
【００３３】
なお上記4)の手法を採用する場合、冷却速度はある程度速い方が望ましいが、冷却速度が１０℃／秒を超えると、冷却停止温度が５５０℃未満となるまで冷却した時にベイナイト主体の組織となり、アレスト特性が著しく劣化するので、冷却速度は２℃／秒以上、７℃／秒程度以下とし、冷却停止温度も５５０℃以上に止めるのが良い。
【００３４】
上記4)の手法を採用することによって実現される微細組織は等軸フェライト組織であるため、更なるアレスト特性の向上を期して、これに特開平１２−３０９８５１号に開示の技術を利用して加工フェライト組織とするための圧延加工を行なったところ、アスペクト比が２以上の組織の場合に優れた特性が得られること、そしてアスペクト比が２以上の組織とするには、累積圧下率で３０％以上の圧延を施せばよいことが確認された。
【００３５】
この場合、前掲の特開昭６１−２３５５３４号公報に開示されている如く、生成したフェライトを直接圧延することによってフェライト組織を再結晶させて微細フェライト組織を得る手法もあるが、本発明の如く復熱温度がＡｒ3変態点以下の低温で且つ１パス当たりの圧下率が前記3)で示した如く小さい場合は、フェライトの再結晶現象は起こらず、前記4)で生成したフェライト組織は圧延によって加工され、アスペクト比が増大するだけに過ぎない。また、Ａｒ3変態点以上の温度に復熱すると、冷却によって生成した微細フェライト組織の一部が粗大なオーステナイトに逆変態する割合が増大するため、復熱の温度はＡｒ3変態点以下に抑える必要がある。
【００３６】
上述した様な組織制御要件を含めて、優れたアレスト特性を有する鋼板を得るには、仕上圧延開始前に、前記鋼板表層領域にＡｒ3変態点以上の温度、好ましくはＡｒ3変態点以上、（Ａｒ3変態点＋７０℃）までの温度で少なくとも０．３以上（より好ましくは０．４以上）の累積相当塑性歪（ε）を付与した後、６５０℃以下（より好ましくは６００℃以下）の温度域までを２℃／秒以上（より好ましくは５℃／秒以上）の速度で冷却し、その後直ちに圧延を再開し、次いで当該表層領域を鋼板の内部潜熱および加工熱によりＡｒ3変態点以下の温度まで復熱させながら、１パス当たりの最大圧下率を１２％以下（より好ましくは１０％以下、更に好ましくは８％以下）に抑えつつ、累積圧下率３０％以上（より好ましくは３５％以上）で仕上圧延する方法が採用される。
【００３７】
ちなみに、仕上圧延開始前にＡｒ3変態点以上の温度で実施される累積相当塑性歪（ε）が０．３未満では、その後の冷却速度等を適正に制御したとしても、鋼板表層領域における結晶組織の微細化効果が不足すると共に、粗大結晶粒の生成も起こり易くなり、粒径バラツキを目標レベルにまで低減できず、また、仕上圧延後の冷却停止温度が６５０℃を超えたり、あるいは当該温度域までの冷却速度が２℃／秒未満では、同様に満足な結晶微細化効果と粒径バラツキ低減効果が得られ難くなる。
【００３８】
上記冷却後に再開される仕上圧延工程では、鋼板表層領域を鋼板の内部潜熱および加工熱により復熱させながら圧延が行われるが、この時の復熱温度がＡｒ3変態点を超えると、冷却によって生成した微細フェライト組識が粒成長を引き起こし易くなり、粗大組織生成の原因になるので、復熱温度はＡｒ3変態点以下に抑えるべきである。また該復熱後の圧延時における１パス当たりの圧下率を高め過ぎると、未変態のオーステナイトが局所的に再結晶現象を生じ、粗大オーステナイト組織となって鋼板表層領域の粒径バラツキが大きくなり、また累積圧下率が３０％未満では、フェライト結晶粒のアスペクト比が低下傾向を生じてくるので、１パス当たりの最大圧下率は１２％以下に抑えて粒径バラツキの増大を防止すると共に、累積圧下率は３０％以上に高めることによって、フェライト結晶粒のアスペクト比で２以上を確保することが重要となる。
【００３９】
かくして上記要件を満たす条件を設定することにより、鋼板表層領域における板厚方向フェライト組識の円相当平均粒径で５μｍ以下を確保しつつ、該結晶粒のアスペクト比で２以上、且つ粒径バラツキの標準偏差で３μｍ以下を確保することができ、それにより、「−８０℃におけるＫca値で７０００ｎ・ｍｍ-3/2以上」といった、従来材に比べて卓越したアレスト特性を有する鋼板を確実に製造することが可能となる。
【００４０】
また本発明を実施するに当たっては、上記圧延の後更なる特性向上のため加速冷却を行なうことも有効である。これは、鋼板内部組織（表層領域よりも内側の組織）を微細化することで、シャルピー試験による低温靭性などを向上させる上で有効となるが、前記3)，4)の手法を採用する本発明においては、鋼板表層領域の組織形成は完結しているため、アレスト特性には殆ど影響は生じない。従って、低温靭性が要求される用途に適用する場合は、仕上圧延の後に加速冷却を行なうことが望ましく、加速冷却を行なう際の好ましい冷却速度は、平均冷却速度で２℃／秒以上、より好ましくは５℃／秒以上である。
【００４１】
更に、鋼板内の残留応力を低減するため焼戻し処理を行なうことも有効であるが、焼戻し温度が６００〜７００℃を超えると、折角微細化したフェライト組織からオーステナイトへの逆変態が起こって粗大組織が生成し粒度バラツキが大きくなってアレスト特性を劣化させる恐れがある。しかし焼戻し温度を６００℃以下に抑えてやれば、そうした組織の逆変態も起こらず、アレスト特性の劣化を回避することができる。
【００４２】
本発明において上記各要件を定めた理由を一層明らかにするため、図１〜図７に、それらの各要件が、二重引張試験によるアレスト特性（−８０℃におけるＫca値：Ｎ・ｍｍ-3/2）に及ぼす影響について調べた結果をグラフ化して示す。これらのデータは、後記する実施例、比較例から抽出したものであり、いずれも表１（後記する）の鋼種Ａ、試験板厚３０ｍｍを用いて，引張試験片ＪＩＳ １Ｂ号（ＧＬ＝２００ｍｍ）を用いて調べた例である。
【００４３】
まず図１、本発明により組織制御される鋼板表層領域の層厚（ｍｍ）とフェライト結晶粒のアスペクト比がアレスト特性におよぼす影響を示したグラフであり、層厚が１．５ｍｍ（供試鋼板の板厚は３０ｍｍであるから、全板厚に対して５％）未満では、たとえフェライト粒のアスペクト比が２以上であっても、目標とするアレスト特性（即ち、Ｋca値）を満たすものは得られない。またアスペクト比が２未満では、層厚をかなり厚くしても満足なアレスト特性が得られない。これに対し、表層領域の層厚を１．５ｍｍ（即ち、全板厚の５％）以上とし、当該表層部に存在する結晶粒のアスペクト比が２以上であるものは、−８０℃でのＫca値で７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上の高いが得られている。
【００４４】
図２は、鋼板表層領域に存在するフェライト結晶粒の平均値がアレスト特性に与える影響を示したグラフであり、この図からは、該平均フェライト結晶粒を５μｍ以下とすることによって、７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上の高いＫca値が得られている。
【００４５】
図３は、鋼板表層領域に存在する結晶粒のバラツキ（標準偏差）がアレスト特性に与える影響を示したグラフであり、該バラツキが３μｍを境にしてこれ以下では７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上のＫca値が得られているのに対し、３μｍを超えると急激に低下している。
【００４６】
図４は、本発明鋼板を製造する際の累積相当塑性歪量（ε）とその後の冷却速度が表層領域の平均フェライト結晶粒径与える影響を示したグラフであり、この図からは、累積相当塑性歪量が大きくなるほど、また冷却速度を速くするほど平均フェライト結晶粒径は小さくなることを示している。そして、該累積相当塑性歪量を０．３以上に設定すると共に冷却速度を２℃／秒以上に高めてやれば、平均結晶粒径で５μｍ以下を得ることができ、それにより図２からも明らかな様に７０００Ｎ・ｍｍ-3/2レベル以上の高いＫca値を確保できることが分かる。
【００４７】
図５は、本発明鋼板を製造する際の冷却速度を２℃／秒一定とし、累積相当塑性歪量を０．３１〜０．３４の範囲に納め、冷却停止温度を変えた時の表層領域の平均フェライト粒径に与える影響を示したグラフであり、このグラフからは、５μｍ以下の平均粒径を確保して十分なアレスト特性を確保するには、冷却停止温度を６５０℃以下にしなければならないことが分かる。
【００４８】
図６は、仕上圧延時の１パス当たりの圧下率が鋼板表層領域の結晶粒径バラツキに与える影響を示したグラフであり、このグラフからも明らかな様に、粒径バラツキを３μｍ以下に抑えて良好なアレスト特性を確保するには、仕上圧延時における１パス当たりの圧下率を１２％以下に抑えるべきであることが分かる。
【００４９】
更に図７は、仕上圧延時における累積圧下率がフェライト結晶粒のアスペクト比に与える影響を示したグラフであり、該アスペクト比で２以上を確保して目標レベルのＫca値を得るには、仕上圧延時の累積圧下率で少なくとも３０％以上を保証すべきであることが分かる。
【００５０】
次に、本発明鋼板の鋼中化学成分について説明する。上述した通り、本発明のアレスト特性に優れた鋼板は、鋼板表層領域の組織を特定したところに重要ポイントを有するものであって、鋼自体の化学成分については特に限定されないが好ましい化学成分は以下の通りである。
【００５１】
Ｃ：０．０３〜０．２％
Ｃ含有量は、必要強度を確保するため０．０３％以上が好ましく、より好ましくは０．０５％以上である。但し、過度の含有は溶接性や母材靭性に悪影響を及ぼすので、０．２％以下、より好ましくは０．１７％以下に抑えることが望ましい。
【００５２】
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、母材の強度向上および溶鋼の脱酸成分として有用な元素であり、その効果を有効に発揮させるには０．０５％以上含有させることが望ましい。しかし、含有量が多くなり過ぎると、溶接性や母材靭性を劣化させるので、０．５％以下、より好ましくは０．４５％以下に抑えるのが良い。
【００５３】
Ｍｎ：１．８％以下
Ｍｎは、母材の強度上昇元素として有用であり、その為には０．５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．７％以上である。但し、過度の含有は溶接性や母材靭性劣化を招くので、１．８％以下、より好ましくは１．６％以下に抑えるのが良い。
【００５４】
Ａｌ：０．０１〜０．１％
Ａｌは、脱酸剤として有用であるのみならず、窒化物を形成して母材組織の細粒化に寄与する。こうした作用は０．０１％以上、より好ましくは０．０１５％以上で有効に発揮されるが、０．１％を超えて過度に含有させると母材靭性が劣化するので、０．１％以下、より好ましくは０．０５％以下に抑えることが望ましい。
【００５５】
本発明鋼板では、上記元素を基本元素として含み、残部はＦｅと不可避不純物や微量許容元素を含み得るが、更なる他の特性付与を目指して、下記元素を積極的に添加することも有効である。
【００５６】
Ｔｉ：０．０２％以下，Ｎｂ：０．０３％以下，Ｖ：０．０５％以下，Ｂ：０．００２％以下およびＮ：０．０１％以下、よりなる群から選択される少なくとも一種
これらの元素は、鋼板加熱時のオーステナイト粒粗大化抑制作用、圧延終了後のフェライト変態核生成促進作用、またはオーステナイト粒再結晶抑制効果を通じてフェライト結晶粒の微細化効果を有する元素である。具体的には、Ｔｉは窒化物の形成によって上記作用が得られるが、この様な作用を有効に発揮させるためには０．００４％以上添加することが好ましい。但し、０．０２％を超えて過剰に添加しても母材靭性を劣化させるため、その上限を０．０２％以下にすることが好ましい。
【００５７】
また、Ｎｂは炭窒化物の形成により、圧延中のオーステナイト粒粗大化作用および再結晶抑制作用を発揮し、圧延終了後のフェライト粒の微細化に有効な元素であるが、この様な作用を有効に発揮させるためには、０．００２％以上添加することが好ましい。但し、０．０３％を超えて過剰に添加すると溶接性が劣化するため、その上限を０．０３％にすることが好ましい。
【００５８】
Ｖは、Ｎｂと同様、炭窒化物の形成により、圧延中のオーステナイト粒粗大化および再結晶抑制作用を発揮し、圧延終了後のフェライト粒の微細化に有効な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには０．００２％以上添加することが好ましい。但し、０．０５％を超えて過剰に添加すると溶接性が劣化するため、その上限を０．０３％とすることが好ましい。
【００５９】
Ｂは、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を向上させるのに有効な元素であり、この様な作用を有効に発揮させるには０．０００２％以上の添加が好ましい。但し、０．００２％を超えて添加すると、焼入れ性が増加し、母材の低温靭性劣化を招くことから、その上限を０．００２％とすることが好ましい。
【００６０】
Ｎは、上記Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖなどの添加元素と窒化物を形成し、母材組織の細粒化作用を有する。この様な作用を有効に発揮させるには０．００１％以上含有させることが好ましい。但し、０．０１％を超えて含有量が多くなり過ぎると固溶Ｎの増大を招き、特に溶接部の靭性が劣化するので、０．０１％以下に抑えることが好ましい。
【００６１】
Ｃｕ：０．５％以下及び／又はＮｉ：０．５％以下
これらの元素は、いずれもオーステナイト結晶粒の微細化および低温靭性の向上に寄与する元素である。
【００６２】
具体的には、Ｃｕは、フェライト結晶粒の微細化に有効な元素であり、この様な作用を有効に発揮させるには、０．２％以上添加することが好ましい。但し、多量に添加すると母材の溶接性を劣化させるので、その上限を０．５％とすることが好ましい。
【００６３】
Ｎｉは、低温靭性の向上に有効な元素であるが、高価なため、その上限を０．５％とすることが好ましい。
【００６４】
これらの元素は単独で使用しても良いし、或いは併用しても構わないが、Ｃｕを単独添加すると熱間割れが発生する可能性があることから、Ｎｉも同時に添加し、熱間割れを防止することが好ましい。
【００６５】
Ｃｒ：０．１％以下及び／又はＭｏ：０．１％以下
これらの元素は、いずれも炭窒化物を析出させ、強度上昇に寄与する元素であり、この様な作用を有効に発揮させるためには、いずれの元素も０．０３％以上添加することが好ましい。但し、過度の添加は溶接性および母材靭性を劣化させるため、その上限を０．１％とすることが好ましい。
【００６６】
Ｃａ：０．０１％以下及び／又はＺｒ：０．０１％以下
これらの元素は鋼中の介在物形態を球状化させることによって母材の靭性を高める作用を有する。
【００６７】
このうちＣａは、鋼中介在物の形態を球状化させることにより、母材の靭性を改善する効果を有する。この様な作用を有効に発揮させるには０．０００５％以上添加することが好ましい。但し、過剰の添加は逆に母材の靭性を劣化させるため、その上限を０．０１％とすることが好ましい。
【００６８】
Ｚｒは、Ｃａと同様、鋼中介在物の形態を球状化させることによって母材の靭性を改善する作用を有する。この様な作用を有効に発揮させるには、０．００３％以上添加することが好ましい。但し、過剰の添加は逆に母材の靭性を劣化させるため、その上限を０．０１％とすることが好ましい。
【００６９】
【実施例】
以下、実験例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はもとより下記実験例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは全て本発明の技術範囲に包含される。
【００７０】
実験例
表１に記載の鋼種Ａ〜Ｉを用い、表２及び表４に示す条件で加熱し、二段階に分けて圧延した後冷却し、一部については加速冷却、あるいは更に焼戻し処理を行なうことにより、表３及び表５に記載の組織を有する鋼板を製造した。
【００７１】
得られた各鋼板（全厚さ：３０ｍｍ）について、ナイタール腐食を行なった後光学顕微鏡を用いて、表層領域（表面から１．５ｍｍの深さ位置）の組織観察を行ない、板厚方向フェライト組織の平均粒径とその標準偏差およびアスペクト比（平均値）を求めると共に、夫々について、ＪＩＳ １Ｂ号に記載の引張試験に準じて、−８０℃におけるアレスト特性（脆性亀裂伝播停止特性）を、ＷＥＳ（日本溶接協会）が規定する温度勾配型二重引張試験により測定した。結果を表３及び５に示す。
【００７２】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
表２，３のＮｏ．１〜２０は、いずれも本発明の規定要件を全て満たす実施例であり、何れも−８０℃におけるアレスト特性は目標値の７０００Ｎ・ｍｍ-3/2を超える高い値を示している。
【００７８】
これに対し、本発明で定めるいずれかの要件を欠く表４，５のＮｏ．２１〜４０は、−８０℃におけるアレスト特性値が目標とする７０００Ｎ・ｍｍ-3/2に達していない。
【００７９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、アレスト特性に影響を及ぼす鋼板表層領域の平均粒径やアスペクト比に加えて、粒径の標準偏差を規定することにより、従来材に比べて卓越したアレスト特性を安定して発揮する信頼性の高い鋼材を提供し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼板表層領域の厚さと該領域内に存在するフェライト結晶粒のアスペクト比がアレスト特性に与える影響を示すグラフである。
【図２】鋼板表層領域に存在するフェライト組織の平均粒径がアレスト特性に与える影響を示すグラフである。
【図３】鋼板表層領域に存在するフェライト組識の粒径バラツキがアレスト特性に及ぼす影響を示すグラフである。
【図４】本発明鋼板を製造する際の累積相当塑性歪量とその後の冷却速度が平均フェライト粒径に与える影響を示したグラフである。
【図５】本発明鋼板を製造する際の一次冷却停止温度が、表層部の平均フェライト粒径に与える影響を示すグラフである。
【図６】本発明鋼板を製造する際の仕上圧延時における１パス当たりの圧下率が、表層部の粒径バラツキに与える影響を示すグラフである。
【図７】本発明鋼板を製造する際における仕上圧延時の累積圧下率が、表層部のフェライト結晶粒のアスペクト比に与える影響を示すグラフである。
Claims (10)
- Ａｌ：０．０１〜０．１％（質量％の意味。以下、同じ。）、Ｎ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有し、
フェライトとパーライト主体のミクロ組織を有する鋼板であって、鋼板表面から中心部に向う板厚に対し少なくとも５％の表層領域において、板厚方向フェライト組織の円相当平均粒径が５μｍ以下であり、該粒のアスペクト比が２以上で且つ粒径バラツキの標準偏差が３μｍ以下であることを特徴とするアレスト特性に優れた鋼板。 - 鋼中の化学成分が、
Ｃ ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：１．８％以下（０％を含まない）
を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物である請求項１に記載の鋼板。 - 他の元素として、
Ｔｉ：０．０２％以下 （０％を含まない）、
Ｎｂ：０．０３％以下 （０％を含まない）、
Ｖ ：０．０５％以下 （０％を含まない）
よりなる群から選択される少なくとも１種を含有する請求項２に記載の鋼板。 - 更に他の元素として、Ｂ：０．００２％以下（０％を含まない）を含有する請求項２または３に記載の鋼板。
- 更に他の元素として、Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）及び／又はＮｉ：０．５％以下（０％を含まない）を含有する請求項２〜４のいずれかに記載の鋼板。
- 更に他の元素として、Ｃｒ：０．１％以下（０％を含まない）及び／又はＭｏ：０．１％以下（０％を含まない）を含有する請求項２〜５のいずれかに記載の鋼板。
- 更に他の元素として、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）及び／又はＺｒ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有する請求項２〜６のいずれかに記載の鋼板。
- 上記請求項１〜７のいずれかに記載の鋼板を製造する方法であって、仕上圧延開始前に、前記鋼板表層部にＡｒ3変態点以上の温度で少なくとも０．３の累積相当塑性歪（ε）を付与した後、６５０℃以下の温度域までを２℃／秒以上の速度で冷却してから直ちに圧延を再開し、次いで当該表層部を鋼板の内部潜熱および加工熱によりＡｒ3変態点以下の温度まで復熱させながら、１パス当たりの最大圧下率：１２％以下、累積圧下率：３０％以上で仕上圧延することを特徴とするアレスト特性に優れた鋼板の製法。
- 前記仕上圧延に引き続いて、平均冷却速度２℃／秒以上で加速冷却を行なう請求項８に記載の製法。
- 前記加速冷却に引き続いて、６００℃以下の温度で焼戻し処理を行なう請求項９に記載の製法。
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