JP4303703B2 - 溶接熱影響部の破壊靭性に優れた鋼及びその製造方法 - Google Patents
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特に優れた低合金鋼としては、Ti酸化物によりミクロ組織を微細化し、さらにTi、O、Nの各元素の含有量を適正化してTiCの析出を抑制し、これにより析出硬化を低減し、靭性を向上させた低合金鋼が提案されている(特許文献1参照)。
また、Ni、Cu等の高価な元素を添加した場合、低合金鋼の製造コストの増加を招き、破壊靭性(CTOD)特性に優れた鋼を製造・販売する際の障害になっていた。
残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする溶接熱影響部の破壊靭性に優れた鋼。
かつ、PCTOD=C+Nb+1/3Vで表されるPCTODが、質量%で0.075%以下であることを特徴とする上記(1)に記載の溶接熱影響部の破壊靭性に優れた鋼。
なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
質量%で、C:0.040〜0.075%、Si:0.10〜0.30%、Mn:1.70〜2.50%、P:0.008%以下、S:0.005%以下、Al:0.004%以下、Ti:0.005〜0.015%、O:0.0035%以下、N:0.0030〜0.0050%を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなるものである。
Cは、鋼材の特性に最も顕著に効くもので、含有量を0.040〜0.075%の範囲に限定するものである。ここで、Cの含有量を上記の様に限定した理由は、0.040%未満では、高強度を得ることができないからであり、一方、0.075%を越えると、溶接熱影響部の靱性を劣化させ、−60℃のCTOD特性を満足させることができないからである。
Alは、脱酸元素として最も一般的なものであるが、Tiと共存した場合、Ti酸化物あるいはTi及びAlを含む複合酸化物を生成させるため少ない方が好ましいが、工業生産的に制約があり、0.004%が上限である。
Oは、Ti酸化物の生成に必要であるが、含有量が0.0035%超では粗大なTi酸化物が生成されることで靭性が極端に劣化するので、上限を0.0035%とした。
Nは、Ti窒化物の生成に必要であるが、含有量が0.003%未満では効果が小さく、また、0.005%超では、鋼片製造時に表面皮が発生するため、Nの含有量の範囲を0.0030〜0.0050%とした。
さらに、質量%で、Nb:0.015%以下、V:0.030%以下の群から選択された1種または2種を含有し、
かつ、PCTOD=C+Nb+1/3Vで表されるPCTODが、質量%で0.075%以下であることが好ましい。
Nb及びVそれぞれの含有量を上記の様に限定したのは、母材強度の向上に有効であり、かつ、HAZ靭性を大きく害しない範囲とするためである。そこで、Nbの含有量の上限を0.015%、Vの含有量の上限を0.030%とした。
本発明者等は、実際の溶接熱履歴(板厚50mmの潜弧溶接(SAW)5kJ/mmの多層溶接)をシミュレートした実験を多数実施し、−60℃のCTOD特性が満足できる条件を検討した。なお、熱サイクルは、異なる温度を計3回付与することとし、1回目を1400℃、2回目を760℃、3回目を500℃とした。
そこで、PCTOD=C+Nb+1/3Vで表されるPCTODとCTOD特性(Tδc0.1(℃))の関係を調べたところ、図2に示すように、PCTOD=C+Nb+1/3VとCTOD特性の関係は明瞭で、−60℃のCTOD特性を達成するためには、PCTOD=C+Nb+1/3Vを0.075%以下とすることが必須であることが分かった。
この製造方法は、質量%で、C:0.040〜0.075%、Si:0.10〜0.30%、Mn:1.70〜2.50%、P:0.008%以下、S:0.005%以下、Al:0.004%以下、Ti:0.005〜0.015%、O:0.0035%以下、N:0.0030〜0.0050%を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を連続鋳造法によりスラブとし、次いで、このスラブを1100℃以下の温度に再加熱し、その後、加工熱処理する方法である。
その理由は、溶鋼の凝固冷却連度が速く、スラブ中に微細なTi酸化物とTi窒化物を多量に生成することが可能なためである。
スラブを圧延するに際しては、その再加熱温度を1100℃以下とする必要がある。その理由は、再加熱温度が1100℃を超えると、Ti窒化物が異常粒成長することにより粗大化し、母材の靭性劣化を生じさせる虞があり、また、HAZ靭性の改善効果が期待できないからである。
その理由は、再加熱後では母材の靭性が劣ったものとなっているので、優れたHAZ靭性が得られても、母材の靭性が劣っていると鋼材としては不十分なものだからである。
加工熱処理の方法としては、(1)制御圧延法、(2)制御圧延−加速冷却法、(3)圧延後直接焼入れ−焼戻し法、等が挙げられるが、好ましくは、(2)制御圧延−加速冷却法である。
なお、この鋼を製造した後、脱水素等の目的でAr3変態点以下の温度に再加熱しても、本発明の特徴を損なうものではない。
転炉により、表1に示す様々な組成の鋼スラブを溶製し、次いで、表2に示す製造方法により、表2に示す板厚(40〜65mm)の厚鋼板を作製した。
製造方法は、制御圧延(CR)、加速冷却(ACC)、圧延直後焼入−焼戻(DQT)の群から1種を適用した。
溶接は、一般的に試験溶接として用いられている、潜弧溶接(SAW)法で、溶接溶け込み線(FL)が垂直になるようにK開先とし、溶接入熱は4.5〜5.0kJ/mmで実施した。
CTOD試験は,試験片の大きさをt(板厚)×2tの大きさとし、ノッチは50%疲労亀裂でFL位置(3本)で実施した。
表1に鋼組成を示し、表2に厚鋼板の製造方法及び諸特性を示す。
なお、CTOD試験については、3本のFL位置それぞれにおける値及び最小値(min)を示した。
一方、比較例16〜20は、母材強度は実施例1〜15と同等であるが、CTOD値が劣っており、厳しい環境下で使用される鋼板としては、適切でないことが分かった。
比較例17では、C、Nbが多すぎ、C+Nb+Vの値も0.112%と多すぎるため、CTOD値が低い値であった。
比較例18では、C、Nb等は実施例1〜15と同様であるが、Oの含有量が多すぎるため、CTOD値が低い値であった。
比較例19では、主な鋼成分は実施例1〜15と同様であるが、Alの含有量が多すぎるため、CTOD値が低い値であった。
比較例20では、主な鋼成分は実施例1〜15と同様であるが、Tiの含有量が多すぎるため、CTOD値が低い値であった。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.040〜0.075%、Si:0.10〜0.30%、Mn:1.70〜2.50%、P:0.008%以下、S:0.005%以下、Al:0.004%以下、Ti:0.005〜0.015%、O:0.0035%以下、N:0.0030〜0.0050%を含有し、
残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする溶接熱影響部の破壊靭性に優れた鋼。 - さらに、質量%で、Nb:0.015%以下、V:0.030%以下の群から選択された1種または2種を含有し、
かつ、PCTOD=C+Nb+1/3Vで表されるPCTODが、質量%で0.075%以下であることを特徴とする請求項1記載の溶接熱影響部の破壊靭性に優れた鋼。 - 質量%で、C:0.040〜0.075%、Si:0.10〜0.30%、Mn:1.70〜2.50%、P:0.008%以下、S:0.005%以下、Al:0.004%以下、Ti:0.005〜0.015%、O:0.0035%以下、N:0.0030〜0.0050%を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を連続鋳造法によりスラブとし、次いで、このスラブを1100℃以下の温度に再加熱し、その後、加工熱処理することを特徴とする溶接熱影響部の破壊靭性に優れた鋼の製造方法。
- 前記鋼は、さらに、質量%で、Nb:0.015%以下、V:0.030%以下の群から選択された1種または2種を含有し、かつ、PCTOD=C+Nb+1/3Vで表されるPCTODが、質量%で0.075%以下であることを特徴とする請求項3記載の溶接熱影響部の破壊靭性に優れた鋼の製造方法。
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