JP4418115B2 - レーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，引張強度が５７０ＭＰａ級以上で，靱性が要求される構造物全般に供されるレーザー溶接部の溶接熱影響部（ＨＡＺ）靱性に優れた高強度鋼に関するものである。用途としては，例えば，建築構造物，海洋構造物，船舶，橋梁，ラインパイプ等の溶接構造物に用いることができる。また，鋼の形態は特に問わないが，構造部材として用いられ，低温靱性が要求される鋼板，特に厚板，鋼管素材，あるいは形鋼で有用である。
【０００２】
【従来技術】
最近，高速溶接が可能で，自動化も比較的容易なため，高効率で溶接が可能なレーザー溶接が厚鋼板の溶接にも実適用されつつある。しかしながら，従来の溶接部の靱性を保証した溶接構造用鋼はアーク溶接を中心とする既存の溶接方法で溶接された場合を想定して成分設計されており，レーザー溶接によって接合された場合の溶接熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）の靱性については全く考慮されていない。レーザー溶接部の健全性やＨＡＺの割れ性等のレーザー溶接性に優れた鋼については最近，開発が盛んに行われているが，溶接部の靱性を保証できる鋼についてはほとんど検討されていないのが実状である。
【０００３】
なお，最近，特開平１０−９４８９０号公報において，レーザー溶接条件に応じて鋼の理想焼入臨界直径（ＤＩ値）を調整することによって溶接継手組織を下部ベイナイト主体組織とすることでレーザー溶接継手靱性を向上させるレーザー溶接方法が示されている。靱性向上の観点からは上記公報に示されるように下部ベイナイト主体とすることが好ましいが，下部ベイナイト組織となる化学組成範囲は比較的狭く，かつ溶接条件に合わせて化学組成を調整する必要があることから，鋼の成分調整が煩雑であり，かつ化学組成が狭い範囲に限定される問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
同程度の板厚で比較した場合，レーザー溶接は，一般的に開先幅が狭く溶接金属の量が少ないために，従来のアーク溶接に比べて溶接のエネルギーによって高温に晒された溶接熱影響部の冷却段階での冷却速度が大きく，ＨＡＺはアーク溶接におけるよりも変態点の低い，より硬化した組織となる。また，一般に，多層溶接となるアーク溶接と異なり，１層溶接であるため，一旦形成された組織が後続の溶接パスの再加熱による組織微細化や焼戻し効果が期待できない。
【０００５】
従って，レーザー溶接で形成されるＨＡＺ組織は，前記，特開平１０−９４８９０号公報のように，溶接条件に合わせて化学組成を厳密に調整する場合以外は，粗粒のマルテンサイト主体組織となる場合が多い。
そのため，本発明では，レーザー溶接条件に依存せず，汎用的にＨＡＺ靱性を高めるために，レーザー溶接のＨＡＺ組織がマルテンサイト主体組織となることを前提として，該マルテンサイト主体組織の靱性を高めることを課題とした。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは，前記特開平１０−９４８９０号公報のように，溶接条件に合わせて化学組成を調整して下部ベイナイト主体組織とするものとは異なり，レーザー溶接部のＨＡＺ組織がマルテンサイト主体組織となることを前提とした上で，該マルテンサイト主体組織の靱性を改善するための手段を検討した。
その結果，レーザー溶接で形成されるＨＡＺの靱性に対しては，マルテンサイト相の硬さを支配するＣ，マトリックスの靱性に大きな影響を及ぼすＮｉ，さらに，マルテンサイト相の組織の微細さを決定づける加熱オーステナイト粒径が重要であり，加熱オーステナイト粒径を一定以上微細化し，かつ，マルテンサイトの硬さを低減するためにＣ量を低減し，さらに，マトリックスの靱性向上に有効なＮｉを適正量添加することで, マルテンサイト主体組織の靱性は向上できることを見出した。
【０００７】
ただし，最も重要な点は，オーステナイト粒径を微細化すると鋼の焼入性が低下するため，ＨＡＺ組織がマルテンサイト主体から，ベイナイト主体組織，特に靱性の最も劣る上部ベイナイト組織へと変化する可能性があり，もし上部ベイナイト組織が出現した場合には，低Ｃ化や高Ｎｉ化，さらにＨＡＺのオーステナイトを微細化しても靱性の大幅な劣化は免れないため，ＨＡＺのオーステナイト粒径が微細化されても安定してマルテンサイト主体組織とするために，鋼の焼入性を確保する点である。そのための条件は詳細な実験により検討され，マルテンサイト出現の指標としては，（１）式で示される理想焼入臨界直径（ＤＩ値）が有効であり，その値を適正範囲になるように化学組成を調整する必要があることを見出した。
ＤＩ＝０．５・（Ｃ％）1/2 ・（１＋０．６４・Ｓｉ％）・（１＋４．１０・Ｍｎ％）・（１＋０．２７・Ｃｕ％）・（１＋０．５２・Ｎｉ％）・（１＋ ２．３３・Ｃｒ％）・（１＋３．１４・Ｍｏ％）・（１＋１．５０・Ｗ％） ・・・・・（１）
【０００８】
また，レーザー溶接のＨＡＺの加熱オーステナイト粒の安定的な微細化のためには，溶接時に１３５０℃程度以上の高温に晒されても，オーステナイトの粒成長を抑制できる強力なピンニング粒子が鋼中に高密度に分散していることが好ましく，特に，ピンニング粒子として，微細な酸化物を主体とする熱的に安定な粒子を高密度に分散させることが有効である。
本発明は，上記のレーザー溶接で形成されたＨＡＺ靱性支配因子に関する新しい知見とその達成手段の開発に基づいて発明されたものであり，その要件は以下に示す通りである。
【０００９】
（１） 質量％で，
Ｃ：０．０１〜０．０６％，
Ｓｉ：０．０５〜０．５％，
Ｍｎ：０．１〜２％，
Ｐ：０．０１％以下，
Ｓ：０．００５％以下，
Ａｌ：０．００５〜０．０６％，
Ｎ：０．００１〜０．０１％，
Ｎｉ：１〜９％，
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％，
Ｃａ：０．０００５〜０．００３％
を含有し，かつ，下記（１）式で示す理想焼入臨界直径ＤＩが３〜３０で，残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼のレーザー溶接部において，溶接熱影響部の加熱オーステナイト粒径が１００μｍ以下で、かつ、溶接熱影響部組織に占めるマルテンサイトの割合が８０％以上であることを特徴とするレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
ＤＩ＝０．５・（Ｃ％）１／２・（１＋０．６４・Ｓｉ％）・（１＋４．１０・Ｍｎ％）・（１＋０．２７・Ｃｕ％）・（１＋０．５２・Ｎｉ％）・（１＋２．３３・Ｃｒ％）・（１＋３．１４・Ｍｏ％）・（１＋１．５０・Ｗ％）・・・・・（１）
【００１０】
（２） 円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位面積当たりの個数で，１００〜３０００個／ｍｍ2 含有し，該酸化物の組成が，少なくともＣａ，Ａｌ，Ｏを含み，Ｏをのぞいた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
を含有することを特徴とする前記（１）に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
【００１１】
（４） 更に、鋼が質量％で，
Ｍｇ：０．０００１〜０．００２％
を含有し，かつ，円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位面積当たりの個数で，１００〜３０００個／ｍｍ２含有し，該酸化物粒子の組成が，少なくともＣａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｏを含み，Ｏをのぞいた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
Ｍｇ：１％以上，
を含有することを特徴とする前記（１）に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
【００１２】
（６）更に、鋼が質量％で，
Ｃｕ：０．０５〜１．５％，
Ｃｒ：０．０５〜２％，
Ｍｏ：０．０５〜２％，
Ｗ：０．１〜４％，
Ｖ：０．０１〜０．２％，
Ｎｂ：０．００３〜０．０５％，
Ｔａ：０．０１〜０．２％，
Ｚｒ：０．００５〜０．１％，
Ｂ：０．０００２〜０．００５％，
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
（７）更に、鋼が質量％で，
Ｙ：０．００１〜０．０１％，
Ｃｅ：０．００５〜０．１％，
のうち１種または２種を含有することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について詳細に述べる。
本発明は，組織要件の限定と同時に化学組成の適正化も必須である。そこで，先ず，化学組成の限定理由とその作用を述べ，ついで，組織要件の限定理由，さらに，組織要件を満足するための手段の例として，加熱オーステナイト粒成長抑制のための鋼中へのピンニング粒子の分散に関する要件を述べる。
【００１４】
Ｃはマルテンサイト組織の靱性改善のためには低減することが好ましいが，鋼の強度確保のために必須の元素でもある。０．０１％未満では構造用鋼に必要な強度の確保が困難であるため下限を０．０１％とする。一方，本発明で限定しているＨＡＺのオーステナイト粒径が１００μｍ以下であることを前提して，靱性の劣化が許容できる上限を，実験結果に基づいて本発明では０．０６％とする。次に，Ｓｉは脱酸元素として，また，母材の強度確保に有効な元素である。これらの効果が明確になるためには０．０５％以上の添加が必要である。一方，０．５％を超える過剰の含有は粗大な酸化物を形成して延性や靱性の劣化を招く。また，固溶Ｓｉはマルテンサイトのオートテンパーを抑制してＣの悪影響を助長するため，０．５％を超える過剰の添加は好ましくない。そこで，Ｓｉの範囲は０．０５〜０．５％とした。
Ｍｎは母材の強度，靱性の確保に必要な元素であり，最低限０．１％以上含有する必要があるが，ＭｎはＣの析出を遅らせてマルテンサイトの靱性を劣化させるため，本発明のようなマルテンサイト主体組織の靱性改善のためには２％以下に抑制させる必要がある。なお，ＨＡＺ靱性の保証温度が−８０℃以下のような特に良好な低温靱性が要求される場合は，Ｍｎの上限をさらに１％以下に限定するのが好ましい。
【００１５】
Ｐは不純物元素であり，鋼の特性に対して有害である。特にマルテンサイト主体組織では粒界脆化を顕著に助長する元素であるため，極力低減する方が好ましいが，本発明においては，実用上悪影響が許容できる量として，上限を０．０１％とする。
Ｓは延性特性に悪影響を及ぼす不純物元素であり，０．００５％以下に低減することが好ましい。ただし，酸化物粒子中に含まれて溶接熱影響部の加熱オーステナイト粒径微細化に効果を発揮させる場合には積極的に添加する。その場合，０．００２〜０．００５％の添加が好ましい。
【００１６】
Ａｌは脱酸，母材の加熱γ粒径の細粒化等に有効な元素であるが，効果を発揮するためには０．００５％以上含有する必要がある。一方，０．０６％を超えて過剰に含有すると，溶接熱影響部の加熱オーステナイト微細化に有効な微細酸化物の分散に悪影響を及ぼし，かつ粗大な酸化物を形成して延性を劣化させるため，０．００５％〜０．０６％の範囲に限定する必要がある。
Ｎは固溶状態では延性，靱性に悪影響を及ぼすため，本発明においては好ましくないが，Ｖ，ＡｌやＴｉと結びついてγ粒微細化や析出強化に有効に働くため，微量であれば機械的特性向上に有効である。また，工業的に鋼中のＮを完全に除去することは不可能であり，必要以上に低減することは製造工程に過大な負荷をかけるため好ましくない。そのため，延性，靱性への悪影響が許容できる範囲で，かつ，工業的に制御が可能で，製造工程への負荷が許容できる範囲として下限を０．００１％とする。過剰に含有すると，固溶Ｎが増加し，延性や靱性に悪影響を及ぼす可能性があるため，許容できる範囲として上限を０．０１％とする。
【００１７】
Ｎｉは固溶靱化により組織によらず靱性を向上できる唯一の元素である。さらに，マルテンサイト組織において，マルテンサイト変態後の冷却中のＣの析出を促進して，固溶Ｃの靱性劣化を抑制する特有の働きもあり，後続パスによる焼戻し効果を期待できないレーザー溶接のマルテンサイト主体組織のＨＡＺの靱性向上に必須の元素である。効果を発揮するためには１％以上の添加が必要である。Ｎｉ量は増加するほど靱性を向上させるが，９％を超えるような過剰な添加では，効果が飽和する一方で，溶接金属の割れ特性を劣化させる懸念もあり，さらには，高価な元素であるため，経済性も考慮して，本発明においてはＮｉの上限を９％とする。
【００１８】
Ｔｉはレーザー溶接熱影響部（ＨＡＺ）の加熱オーステナイト粒径微細化を酸化物によるピンニングで行う場合には，適正に添加が必要である。詳細は後述するが，効果を発揮するためには０．００５％以上必要である一方，０．０３％を超えると粗大なＴｉＮや酸化物を形成する恐れがあるため，本発明においてはＴｉは０．００５〜０．０３％に限定する。
ＣａもＴｉと同様，酸化物の微細分散をＨＡＺの加熱オーステナイト微細化に用いる場合には必須の元素である。加熱オーステナイト粒径微細化に効果を発揮するためには０．０００５％以上必要である一方，０．００３％を超えると粗大な硫化物や酸化物を形成する恐れがあるため，本発明においてはＣａは０．０００５〜０．００３％に限定する。
また，Ｍｇも酸化物微細分散に有効であり，必要に応じて添加する。添加する場合は，０．０００１〜０．００２％の範囲とするが，これは０．０００１％未満では効果が明確でなく，０．００２％超では酸化物の粗大化が懸念されるためである。
【００１９】
以上が，本発明において必須あるいは重要な元素及び不純物元素の限定理由であるが，本発明においては，強度・靱性の調整のために，必要に応じてさらに，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｂの１種または２種以上を含有することができる。
Ｃｕは変態挙動，強度，靱性に対して，Ｎｉと類似の効果を有する元素であるが，効果を発揮するるためには０．０５％以上の添加が必要であり，１．５％超の添加では熱間加工性やＨＡＺ靱性に問題を生じるため，本発明においては，０．０５〜１．５％の範囲に限定する。
Ｃｒは焼入性の向上，固溶強化により強度向上に有効な元素であり，効果を生じるためには０．０５％以上必要であるが，Ｃｒは過剰に添加すると硬さの増加，粗大析出物の形成等を通して，母材やＨＡＺの靱性に悪影響をおよぼすため，許容できる範囲として，上限を２％に限定する。
【００２０】
ＭｏもＣｒと同様の効果によって強度を高めるに有効な元素であるが，効果を発揮でき，他特性に悪影響をおよぼさない範囲として，０．０５〜２％に限定する。
ＷもＣｒ，Ｍｏと同様の効果によって強度を高めるに有効な元素であるが，効果を発揮でき，他特性に悪影響をおよぼさない範囲として，０．１〜４％に限定する。
Ｖは主として析出強化により高強度化に寄与する。効果を発揮するためには，０．０１％以上は必要である。ただし，０．２％を超えて過剰に添加すると，延性，靱性を極端に劣化させるため，本発明においては，０．０１〜０．２％の範囲に限定する。
【００２１】
Ｎｂは変態強化，析出強化により微量で高強度化に寄与する。また，γの加工・再結晶挙動に大きな影響を及ぼすため，母材靱性向上にも有効である。効果を発揮するためには，０．００３％以上は必要である。ただし，０．０５％を超えて過剰に添加すると，延性，靱性を極端に劣化させるため，本発明においては，０．００３〜０．０５％の範囲に限定する。
ＴａもＮｂと同様の効果を有し，適正量の添加により強度，靱性の向上に寄与するが，０．０１％未満では効果が明瞭には生ぜず，０．２％を超える過剰な添加では粗大な析出物に起因した靱性劣化が顕著となるため，範囲を０．０１〜０．２％とする。
Ｚｒも強度向上に有効な元素であるが，効果を発揮するためには０．００５％以上必要である。一方，０．１％を超えて過剰に添加すると粗大な析出物を形成して靱性に悪影響をおよぼすため，上限を０．１％とする。
【００２２】
Ｂは極微量で焼入性を高める元素であり，高強度化に有効な元素である。Ｂは固溶状態でγ粒界に偏析することによって焼入性を高めるため，極微量でも有効であるが，０．０００２％未満では粒界への偏析量を十分に確保できないため，焼入性向上効果が不十分となったり，効果にばらつきが生じたりしやすくなるため好ましくない。一方，０．００５％を超えて添加すると，鋼片製造時や再加熱段階で粗大な析出物を形成する場合が多いため，焼入性向上効果が不十分となったり，鋼片の割れや析出物に起因した延性劣化，靱性劣化を生じる危険性も増加する。そのため，本発明においては，Ｂの範囲を０．０００２〜０．００５％とする。
【００２３】
さらに，本発明においては，延性の向上，継手靱性の向上等のために，必要に応じて，Ｙ，Ｃｅの１種または２種を含有することができる。
Ｙ，Ｃｅはいずれも酸化物を微細化させて母材, ＨＡＺの延性やＨＡＺ靱性向上に有効に働く。その効果を発揮するための下限の含有量は，Ｙは０．００１％，Ｃｅは０．００５％である。一方，過剰に含有すると，硫化物や酸化物の粗大化を生じ，延性，靱性の劣化を招くため，上限を各々，Ｙは０．０１％，Ｃｅは０．１％とする。
【００２４】
本発明においては，さらに（１）式で示す理想焼入臨界直径（ＤＩ値）を３〜３０に限定する。ＤＩ値を３以上とするのは，後述する限定理由にあるように，レーザー溶接のＨＡＺの加熱オーステナイト粒径を１００μｍ以下に細粒化した場合にも安定してＨＡＺ組織をマルテンサイト割合が８０％以上のマルテンサイト主体組織とするためである。
ＤＩ値は大きいほどマルテンサイト組織は安定的に得られるが，ＤＩ値が過大になると，溶接性の劣化や，残留オーステナイトの増加による強度低下等の悪影響も出てくるため，本発明ではこれらの悪影響が出ない条件で，ＤＩ値の上限を３０とする。
以上が本発明における化学組成に関する限定理由である。
【００２５】
本発明の目的としている良好なレーザー溶接部のＨＡＺ靱性を達成するためには，上記化学組成の限定を前提とした上で，ＨＡＺの組織を，下記のようにする必要がある。すなわち，
▲１▼加熱オーステナイト粒径：１００μｍ以下
▲２▼マルテンサイト分率：８０％以上
【００２６】
▲１▼の加熱オーステナイト粒径を１００μｍ以下とするのは，マルテンサイト主体組織においては，靱性を支配する，結晶方位がほぼそろった組織領域のサイズである，いわゆる”有効結晶粒径”がベイナイト主体組織あるいはベイナイト／マルテンサイト混合組織に比べてより直接的にオーステナイト粒径の影響を受け，オーステナイト粒径の微細化がＨＡＺ靱性改善のために必須なためである。
すなわち，変態組織が下部ベイナイトの場合は，有効結晶粒径は加熱オーステナイト粒径よりもかなり小さくなるが，マルテンサイト組織の場合は，加熱オーステナイト粒径と有効結晶粒径との差が小さく，かつ，ほぼ加熱オーステナイト粒径に比例して有効結晶粒径が変化する。本発明においては，本発明の化学組成範囲において，２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の破面遷移温度（ｖＴｒｓ）を確実に−４０℃以下にするために必要な加熱オーステナイト粒径として，１００μｍ以下に限定する。
【００２７】
▲２▼のマルテンサイト分率を８０％以上とするのは，化学組成やオーステナイト粒径の変化に対して靱性の変動を極力低減するためである。下部ベイナイト主体組織とすることは，靱性改善に有効ではあるが，適正な化学組成の範囲が限定され，さらに加熱オーステナイト粒径が微細化すると逆に粗大な上部ベイナイトが生成して靱性劣化を招くおそれもある。
一方，本発明では，あくまでもマルテンサイト主体組織を前提として，良好なＨＡＺ靱性を得るための組成及び組織要件を規定しているため，マルテンサイト組織割合も規定する必要がある。マルテンサイトの割合が８０％以上であれば，残余の組織が他の組織，例えば靱性に好ましくない上部ベイナイトであっても，靱性はその主体組織であるマルテンサイトに支配されるため，他の本発明の要件が満足されていれば，良好な靱性を達成できる。
なお，実際には，マルテンサイトが８０％以上となるような組織，レーザー溶接条件においては，残余の組織が靱性を大きく劣化させる粗大な上部ベイナイト組織となることはほとんどない。
【００２８】
以上が，本発明において，レーザー溶接継手のＨＡＺ靱性を向上させるための化学組成及び組織に関する要件である。本組織要件と化学組成要件を満足すれば，その達成手段は問わない。
例えば，オーステナイト粒径の微細化手段として，後述する本発明のごとく，酸化物をピンニング粒子とする方法以外に，Ｔｉ，Ｎ等の窒化物形成元素を多量に含有させる，等の方法が考えられる。ただし，材質劣化をともなわずにＨＡＺの加熱オーステナイト粒径を微細化する手段としては必ずしも十分でない。一方，本発明では，材質劣化をともなわずに安定的にＨＡＺの加熱オーステナイト粒径を２００μｍ以下とする具体的手段として，熱的に安定な酸化物を主体とするピンニング粒子の微細分散法を包含する。
【００２９】
ＨＡＺの加熱オーステナイト粒を細粒化するためには高温でのオーステナイト粒成長を抑制することが必要である。その手段として最も有効な方法は，分散粒子によりオーステナイトの粒界をピンニングし，粒界の移動を抑制する方法が考えられる。そのような作用をする分散粒子の一つとしては，従来，Ｔｉ窒化物が有効であると考えられていた。しかしながらＴｉ窒化物は１４００℃以上の高温では固溶する割合が大きくなるため，ピンニング効果が小さくなる。
これに対し，高温で安定な酸化物と硫化物とを併せてピンニング粒子として活用することが有効である。
また，分散粒子による結晶粒界のピンニング効果は，分散粒子の体積率が大きいほど，一個の粒子径が大きいほど大きい。ただし，分散粒子の体積率は鋼中に含まれる粒子を構成する元素の濃度によって上限があるので，体積率を一定と仮定した場合には，粒子径はある程度小さい方がピンニングには有効である。
【００３０】
酸化物および硫化物の体積分率を大きくする手段の一つとして，Ｏ量，Ｓ量を増大させることがあるが，Ｏ量，Ｓ量の増大は材質に有害な粗大介在物をも多数生成する原因となるため，有効な手段ではない。Ｏ量，Ｓ量を増大させずに酸化物および硫化物の体積分率を大きくするには，ＯおよびＳとの溶解度積が小さい元素を活用することが有効である。
Ｏとの溶解度積が小さい，すなわち強脱酸元素として，一般的にはＡｌが用いられる。しかしながら，ＡｌだけではＯを充分利用するには不充分で，さらにＡｌよりも強い脱酸元素が必要で，Ｃａ，さらには必要に応じてＭｇを活用することが重要である。
硫化物を生成しやすい元素として，Ｍｎが挙げられる。しかしながら，ＭｎだけではＳを活用するには不充分で，上記酸化物におけると同様に，Ｓとの溶解度積が小さい，すなわち安定した硫化物を生成する元素であるＣａ，Ｍｇの活用が重要である。
【００３１】
Ｃａ，Ｍｇをはじめとした種々脱酸元素を用いた溶解実験結果から，鋼中に生成する酸化物粒子の組成として，Ｏを除いた元素が質量比で，Ｃａが５％以上かつＡｌが５％以上含まれる場合，あるいは，Ｃａ及びＡｌが５％以上でさらにＭｇが１％以上含まれることで，酸化物の体積分率すなわち酸化物量を大きくすることが可能となることを知見した。
また，さらには，酸化物の周囲に，例えばＣａＳおよびＭｇＳといった硫化物が析出することで，酸化物と硫化物とを併せてより一層の体積分率の増加が可能となることを見出したのである。その場合，酸化物と硫化物とを併せて一つの粒子と見なしたときの組成が，Ｍｇを含まない場合で，Ｏを除いた元素が質量比で，ＣａとＡｌが５％以上，Ｓが１％以上含まれる必要がある。
また，粒子がＭｇを含む場合は，Ｏを除いた元素が質量比で，Ｃａ及びＡｌが５％以上，Ｍｇ及びＳが１％以上含まれる必要がある。
なお，酸化物中にＳを含む場合，酸化物と硫化物とが複合化している場合，酸化物を核として硫化物が該酸化物の周囲に析出している場合，いずれもオーステナイトの成長抑制には同等の効果を有する。以降で，酸化物あるいはピンニング粒子としているものも，特に断らない限り，上記の粒子を包含することとする。
【００３２】
次にＨＡＺの加熱オーステナイト粒のピンニングに有効な粒子の大きさについて述べる。分散粒子による結晶粒界のピンニング効果は，分散粒子の体積率が大きいほど，一個の粒子径が大きいほど大きいが，粒子の体積率が一定のとき，一個の粒子の大きさが小さい方が粒子数が多くなりピンニング効果が大きくなるが，あまり小さくなると粒界に存在する粒子の割合が小さくなるため，その効果は低減する。
粒子の大きさを種々変化させた試験片を用いて，高温に加熱したときのオーステナイト粒径を詳細に調査した結果，レーザー溶接に相当する温度・保持時間において安定的にオーステナイト粒径をピンニングするためには，前記の組成を有する安定な粒子の大きさとして，０．００５〜２μｍのものが有効であることをつきとめた。また０．００５μｍより小さい酸化物粒子はほとんど観察されなかった。この結果より，必要な粒子径を０．００５〜２μｍとした。
【００３３】
次に必要なピンニング粒子の個数について検討した。粒子個数が多いほど組織単位は微細になり，そのため，粒子個数が多いほどＨＡＺ組織は微細化する。本発明の目的とする，レーザー溶接におけるＨＡＺのオーステナイト粒径を確実に１００μｍ以下とするためには，粒子径が０．００５〜２μｍの粒子が１００個／ｍｍ2 以上必要である。
ただし，粒子数が多くなるほどピンニング力は大となるが，その効果は飽和し，かつ，必要以上に粒子個数を多くすることは，逆に延性や靱性に有害な粗大な粒子が生成する可能性を高めることにもなる，また現在の工業技術では限界もあることを考え，本発明においては粒子数の上限を３０００個／ｍｍ2 とした。
【００３４】
該酸化物の大きさおよび個数の測定は，例えば以下の要領で行なう。母材となる鋼板から抽出レプリカを作製し，それを電子顕微鏡にて１００００倍で２０視野以上，観察面積にして１０００μｍ2 以上を観察することで該酸化物の大きさおよび個数を測定する。このとき鋼板の表層部から中心部までどの部位から採取した抽出レプリカでもよい。また，粒子が適正に観察可能であれば，観察倍率を低くしてもかまわない。
【００３５】
本発明では，化学組成の適正化と酸化物による加熱オーステナイト粒径の微細化とで，レーザー溶接継手のＨＡＺ靱性を向上させる。フュージョンライン近傍のＨＡＺは高温に晒されて母材組織はほぼ全面的に解消される。従って，本発明では鋼材を製造するプロセスは問わない。通常の熱間圧延まま，制御圧延，制御冷却，また，これらのプロセスと焼戻しの組み合わせ，さらには焼き均しや焼入・焼戻し等の再加熱処理で製造してもかまわない。
なお，本発明によって製造される鋼はレーザー溶接継手のＨＡＺ靱性に優れた高強度鋼を提供することを目的としているが，溶接時に鋼板に加えられる熱履歴が，レーザー溶接と同様な，すなわち，溶接後の冷却速度が比較的大きく，具体的には８００℃から５００℃までの冷却時間が２０ｓ以下で，原則的に１パス溶接で後続の溶接パスによる熱を受けない，例えば電子ビーム溶接などにおいても優れた継手靱性を達成することが可能である。
【００３６】
【実施例】
以上が，本発明の要件についての説明であるが，さらに，実施例に基づいて本発明の効果を示す。
実施例に用いた供試鋼の化学組成を表１，２に示す。鋼材番号Ａ１〜Ａ１０が本発明鋼，Ｂ１〜Ｂ７が比較鋼である。試作鋼は連続鋳造または真空溶解により溶製し，鋳片またはインゴットに鋳造した後，加熱圧延を経て，板厚１２ｍｍの鋼板として製造した。鋼板は全て再加熱焼入焼戻し処理（ＱＴ）を施した。焼入・焼戻し条件は化学組成に応じて適当に調整した。
表１，２には併せて，鋼中酸化物粒子の組成，粒子径０．００５〜２μｍの粒子数の測定結果も示す。なお酸化物粒子とは既述したように，酸化物中にＳを含む粒子，酸化物と硫化物とが複合化している粒子，酸化物を核として硫化物が該酸化物の周囲に析出している粒子を全て含んだものである。
レーザー溶接は，レーザー切断あるいは鋸切断したＩ型の端面同士をルートギャップなしで突き合わせ溶接した。１０ｋＷのＣＯ2 レーザー溶接機を用い，溶接速度，約１．５ｍ／分でレーザー溶接した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】
【００４０】
表３は母材の引張特性，溶接後のＨＡＺ組織形態，ＨＡＺの機械的性質を調査した結果を示している。ＨＡＺ組織形態としては，加熱オーステナイト粒径，マルテンサイト分率を示す。加熱オーステナイト粒径，マルテンサイト分率については光学顕微鏡組織写真から測定したが，加熱オーステナイト粒径はフュージョンラインからＨＡＺ側１ｍｍ内のＨＡＺの中での最大径を示し，マルテンサイト分率は板厚中心部のフュージョンラインからＨＡＺ側１ｍｍ近傍で撮影した倍率２００倍の写真，５視野の平均で示した。
【００４１】
機械的性質としては，母材の引張特性及びＨＡＺの２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃特性を調査した。母材の引張特性は圧延方向に直角な方向で板厚中心部から丸棒引張試験片を採取して測定した。２ｍｍＶノッチシャルピー試験片は，ノッチ位置がフュージョンラインからＨＡＺ側１ｍｍとなる，試験片厚さ１０ｍｍの標準試験片とした。引張試験は室温で実施し，シャルピー試験は種々温度で試験を実施し，破面遷移温度（ｖＴｒｓ）と−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−４０）を求めた。
【００４２】
表１，２において，鋼材番号Ａ１〜Ａ１０は本発明により製造したものであり，鋼材番号Ｂ１〜Ｂ９は本発明のいずれかの要件を満足していないものである。表３の機械的性質から明らかなように，本発明による鋼材番号Ａ１〜Ａ１０は，ＨＡＺの組織形態は本発明の要件を満足しており，強度レベルとして様々なものを含んでいるが，全て，良好なＨＡＺ靱性（−４０℃における吸収エネルギー及び破面遷移温度（ｖＴｒｓ））が達成されていることが明らかである。具体的には，Ｎｉ量の最も低い鋼Ａ６においてもｖＴｒｓで−４５℃であり，Ｎｉ量が高い鋼では高強度鋼でありながら，−１００℃以下のｖＴｒｓが得られている場合もあり，本発明によれば，レーザー溶接継手において極めて良好なＨＡＺ靱性が達成できることは明白である。
【００４３】
一方，鋼材番号Ｂ１〜Ｂ７の比較例の特性は，後述の理由により，同程度のＮｉ量あるいは母材強度で比較して，レーザー溶接継手のＨＡＺ靱性が本発明に比べて明らかに劣っている。以下，比較例について，そのＨＡＺ靱性が劣る理由を示す。
鋼材番号Ｂ１，Ｂ２は，Ｃが過剰なため，ＨＡＺの組織は本発明を満足しているが，マルテンサイト相の靱性が大きく劣化するため，ＨＡＺ靱性が本発明に比べて大きく劣る。
鋼材番号Ｂ３は，マルテンサイト相の靱性を向上するために必須のＮｉが過少であるため，ＨＡＺ靱性が本発明に比べて劣る。
【００４４】
鋼材番号Ｂ４は，ＤＩ値が本発明の下限よりも小さいため，必要な焼入性が得られておらず，ＨＡＺの組織中のマルテンサイト相の割合が小さい一方，粗大な上部ベイナイトイト相の割合が多いため，ＨＡＺ靱性が劣る。
鋼材番号Ｂ５は，逆にＤＩ値が過大であり，不安定な残留オーステナイト相によると推定されるＨＡＺ靱性の劣化が生じており，ＨＡＺ靱性は本発明に比べて若干劣る。
鋼材番号Ｂ６，Ｂ７は，ＨＡＺのオーステナイト粒径が過大であるため，ＨＡＺ靱性が劣っている例である。
以上の実施例から，本発明の鋼は，レーザー溶接におけるＨＡＺの組織がマルテンサイト主体となる鋼において，レーザー溶接におけるＨＡＺ靱性が極めて優れていることが明白である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により，レーザー溶接で形成されるＨＡＺ組織がマルテンサイト主体組織となるような，引張強度が５７０ＭＰａ級以上の高張力鋼のレーザー溶接継手のＨＡＺ靱性を向上させることが可能となり，産業上の効果は極めて顕著である。
【発明の属する技術分野】
本発明は，引張強度が５７０ＭＰａ級以上で，靱性が要求される構造物全般に供されるレーザー溶接部の溶接熱影響部（ＨＡＺ）靱性に優れた高強度鋼に関するものである。用途としては，例えば，建築構造物，海洋構造物，船舶，橋梁，ラインパイプ等の溶接構造物に用いることができる。また，鋼の形態は特に問わないが，構造部材として用いられ，低温靱性が要求される鋼板，特に厚板，鋼管素材，あるいは形鋼で有用である。
【０００２】
【従来技術】
最近，高速溶接が可能で，自動化も比較的容易なため，高効率で溶接が可能なレーザー溶接が厚鋼板の溶接にも実適用されつつある。しかしながら，従来の溶接部の靱性を保証した溶接構造用鋼はアーク溶接を中心とする既存の溶接方法で溶接された場合を想定して成分設計されており，レーザー溶接によって接合された場合の溶接熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）の靱性については全く考慮されていない。レーザー溶接部の健全性やＨＡＺの割れ性等のレーザー溶接性に優れた鋼については最近，開発が盛んに行われているが，溶接部の靱性を保証できる鋼についてはほとんど検討されていないのが実状である。
【０００３】
なお，最近，特開平１０−９４８９０号公報において，レーザー溶接条件に応じて鋼の理想焼入臨界直径（ＤＩ値）を調整することによって溶接継手組織を下部ベイナイト主体組織とすることでレーザー溶接継手靱性を向上させるレーザー溶接方法が示されている。靱性向上の観点からは上記公報に示されるように下部ベイナイト主体とすることが好ましいが，下部ベイナイト組織となる化学組成範囲は比較的狭く，かつ溶接条件に合わせて化学組成を調整する必要があることから，鋼の成分調整が煩雑であり，かつ化学組成が狭い範囲に限定される問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
同程度の板厚で比較した場合，レーザー溶接は，一般的に開先幅が狭く溶接金属の量が少ないために，従来のアーク溶接に比べて溶接のエネルギーによって高温に晒された溶接熱影響部の冷却段階での冷却速度が大きく，ＨＡＺはアーク溶接におけるよりも変態点の低い，より硬化した組織となる。また，一般に，多層溶接となるアーク溶接と異なり，１層溶接であるため，一旦形成された組織が後続の溶接パスの再加熱による組織微細化や焼戻し効果が期待できない。
【０００５】
従って，レーザー溶接で形成されるＨＡＺ組織は，前記，特開平１０−９４８９０号公報のように，溶接条件に合わせて化学組成を厳密に調整する場合以外は，粗粒のマルテンサイト主体組織となる場合が多い。
そのため，本発明では，レーザー溶接条件に依存せず，汎用的にＨＡＺ靱性を高めるために，レーザー溶接のＨＡＺ組織がマルテンサイト主体組織となることを前提として，該マルテンサイト主体組織の靱性を高めることを課題とした。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは，前記特開平１０−９４８９０号公報のように，溶接条件に合わせて化学組成を調整して下部ベイナイト主体組織とするものとは異なり，レーザー溶接部のＨＡＺ組織がマルテンサイト主体組織となることを前提とした上で，該マルテンサイト主体組織の靱性を改善するための手段を検討した。
その結果，レーザー溶接で形成されるＨＡＺの靱性に対しては，マルテンサイト相の硬さを支配するＣ，マトリックスの靱性に大きな影響を及ぼすＮｉ，さらに，マルテンサイト相の組織の微細さを決定づける加熱オーステナイト粒径が重要であり，加熱オーステナイト粒径を一定以上微細化し，かつ，マルテンサイトの硬さを低減するためにＣ量を低減し，さらに，マトリックスの靱性向上に有効なＮｉを適正量添加することで, マルテンサイト主体組織の靱性は向上できることを見出した。
【０００７】
ただし，最も重要な点は，オーステナイト粒径を微細化すると鋼の焼入性が低下するため，ＨＡＺ組織がマルテンサイト主体から，ベイナイト主体組織，特に靱性の最も劣る上部ベイナイト組織へと変化する可能性があり，もし上部ベイナイト組織が出現した場合には，低Ｃ化や高Ｎｉ化，さらにＨＡＺのオーステナイトを微細化しても靱性の大幅な劣化は免れないため，ＨＡＺのオーステナイト粒径が微細化されても安定してマルテンサイト主体組織とするために，鋼の焼入性を確保する点である。そのための条件は詳細な実験により検討され，マルテンサイト出現の指標としては，（１）式で示される理想焼入臨界直径（ＤＩ値）が有効であり，その値を適正範囲になるように化学組成を調整する必要があることを見出した。
ＤＩ＝０．５・（Ｃ％）1/2 ・（１＋０．６４・Ｓｉ％）・（１＋４．１０・Ｍｎ％）・（１＋０．２７・Ｃｕ％）・（１＋０．５２・Ｎｉ％）・（１＋ ２．３３・Ｃｒ％）・（１＋３．１４・Ｍｏ％）・（１＋１．５０・Ｗ％） ・・・・・（１）
【０００８】
また，レーザー溶接のＨＡＺの加熱オーステナイト粒の安定的な微細化のためには，溶接時に１３５０℃程度以上の高温に晒されても，オーステナイトの粒成長を抑制できる強力なピンニング粒子が鋼中に高密度に分散していることが好ましく，特に，ピンニング粒子として，微細な酸化物を主体とする熱的に安定な粒子を高密度に分散させることが有効である。
本発明は，上記のレーザー溶接で形成されたＨＡＺ靱性支配因子に関する新しい知見とその達成手段の開発に基づいて発明されたものであり，その要件は以下に示す通りである。
【０００９】
（１） 質量％で，
Ｃ：０．０１〜０．０６％，
Ｓｉ：０．０５〜０．５％，
Ｍｎ：０．１〜２％，
Ｐ：０．０１％以下，
Ｓ：０．００５％以下，
Ａｌ：０．００５〜０．０６％，
Ｎ：０．００１〜０．０１％，
Ｎｉ：１〜９％，
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％，
Ｃａ：０．０００５〜０．００３％
を含有し，かつ，下記（１）式で示す理想焼入臨界直径ＤＩが３〜３０で，残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼のレーザー溶接部において，溶接熱影響部の加熱オーステナイト粒径が１００μｍ以下で、かつ、溶接熱影響部組織に占めるマルテンサイトの割合が８０％以上であることを特徴とするレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
ＤＩ＝０．５・（Ｃ％）１／２・（１＋０．６４・Ｓｉ％）・（１＋４．１０・Ｍｎ％）・（１＋０．２７・Ｃｕ％）・（１＋０．５２・Ｎｉ％）・（１＋２．３３・Ｃｒ％）・（１＋３．１４・Ｍｏ％）・（１＋１．５０・Ｗ％）・・・・・（１）
【００１０】
（２） 円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位面積当たりの個数で，１００〜３０００個／ｍｍ2 含有し，該酸化物の組成が，少なくともＣａ，Ａｌ，Ｏを含み，Ｏをのぞいた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
を含有することを特徴とする前記（１）に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
【００１１】
（４） 更に、鋼が質量％で，
Ｍｇ：０．０００１〜０．００２％
を含有し，かつ，円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位面積当たりの個数で，１００〜３０００個／ｍｍ２含有し，該酸化物粒子の組成が，少なくともＣａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｏを含み，Ｏをのぞいた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
Ｍｇ：１％以上，
を含有することを特徴とする前記（１）に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
【００１２】
（６）更に、鋼が質量％で，
Ｃｕ：０．０５〜１．５％，
Ｃｒ：０．０５〜２％，
Ｍｏ：０．０５〜２％，
Ｗ：０．１〜４％，
Ｖ：０．０１〜０．２％，
Ｎｂ：０．００３〜０．０５％，
Ｔａ：０．０１〜０．２％，
Ｚｒ：０．００５〜０．１％，
Ｂ：０．０００２〜０．００５％，
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
（７）更に、鋼が質量％で，
Ｙ：０．００１〜０．０１％，
Ｃｅ：０．００５〜０．１％，
のうち１種または２種を含有することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について詳細に述べる。
本発明は，組織要件の限定と同時に化学組成の適正化も必須である。そこで，先ず，化学組成の限定理由とその作用を述べ，ついで，組織要件の限定理由，さらに，組織要件を満足するための手段の例として，加熱オーステナイト粒成長抑制のための鋼中へのピンニング粒子の分散に関する要件を述べる。
【００１４】
Ｃはマルテンサイト組織の靱性改善のためには低減することが好ましいが，鋼の強度確保のために必須の元素でもある。０．０１％未満では構造用鋼に必要な強度の確保が困難であるため下限を０．０１％とする。一方，本発明で限定しているＨＡＺのオーステナイト粒径が１００μｍ以下であることを前提して，靱性の劣化が許容できる上限を，実験結果に基づいて本発明では０．０６％とする。次に，Ｓｉは脱酸元素として，また，母材の強度確保に有効な元素である。これらの効果が明確になるためには０．０５％以上の添加が必要である。一方，０．５％を超える過剰の含有は粗大な酸化物を形成して延性や靱性の劣化を招く。また，固溶Ｓｉはマルテンサイトのオートテンパーを抑制してＣの悪影響を助長するため，０．５％を超える過剰の添加は好ましくない。そこで，Ｓｉの範囲は０．０５〜０．５％とした。
Ｍｎは母材の強度，靱性の確保に必要な元素であり，最低限０．１％以上含有する必要があるが，ＭｎはＣの析出を遅らせてマルテンサイトの靱性を劣化させるため，本発明のようなマルテンサイト主体組織の靱性改善のためには２％以下に抑制させる必要がある。なお，ＨＡＺ靱性の保証温度が−８０℃以下のような特に良好な低温靱性が要求される場合は，Ｍｎの上限をさらに１％以下に限定するのが好ましい。
【００１５】
Ｐは不純物元素であり，鋼の特性に対して有害である。特にマルテンサイト主体組織では粒界脆化を顕著に助長する元素であるため，極力低減する方が好ましいが，本発明においては，実用上悪影響が許容できる量として，上限を０．０１％とする。
Ｓは延性特性に悪影響を及ぼす不純物元素であり，０．００５％以下に低減することが好ましい。ただし，酸化物粒子中に含まれて溶接熱影響部の加熱オーステナイト粒径微細化に効果を発揮させる場合には積極的に添加する。その場合，０．００２〜０．００５％の添加が好ましい。
【００１６】
Ａｌは脱酸，母材の加熱γ粒径の細粒化等に有効な元素であるが，効果を発揮するためには０．００５％以上含有する必要がある。一方，０．０６％を超えて過剰に含有すると，溶接熱影響部の加熱オーステナイト微細化に有効な微細酸化物の分散に悪影響を及ぼし，かつ粗大な酸化物を形成して延性を劣化させるため，０．００５％〜０．０６％の範囲に限定する必要がある。
Ｎは固溶状態では延性，靱性に悪影響を及ぼすため，本発明においては好ましくないが，Ｖ，ＡｌやＴｉと結びついてγ粒微細化や析出強化に有効に働くため，微量であれば機械的特性向上に有効である。また，工業的に鋼中のＮを完全に除去することは不可能であり，必要以上に低減することは製造工程に過大な負荷をかけるため好ましくない。そのため，延性，靱性への悪影響が許容できる範囲で，かつ，工業的に制御が可能で，製造工程への負荷が許容できる範囲として下限を０．００１％とする。過剰に含有すると，固溶Ｎが増加し，延性や靱性に悪影響を及ぼす可能性があるため，許容できる範囲として上限を０．０１％とする。
【００１７】
Ｎｉは固溶靱化により組織によらず靱性を向上できる唯一の元素である。さらに，マルテンサイト組織において，マルテンサイト変態後の冷却中のＣの析出を促進して，固溶Ｃの靱性劣化を抑制する特有の働きもあり，後続パスによる焼戻し効果を期待できないレーザー溶接のマルテンサイト主体組織のＨＡＺの靱性向上に必須の元素である。効果を発揮するためには１％以上の添加が必要である。Ｎｉ量は増加するほど靱性を向上させるが，９％を超えるような過剰な添加では，効果が飽和する一方で，溶接金属の割れ特性を劣化させる懸念もあり，さらには，高価な元素であるため，経済性も考慮して，本発明においてはＮｉの上限を９％とする。
【００１８】
Ｔｉはレーザー溶接熱影響部（ＨＡＺ）の加熱オーステナイト粒径微細化を酸化物によるピンニングで行う場合には，適正に添加が必要である。詳細は後述するが，効果を発揮するためには０．００５％以上必要である一方，０．０３％を超えると粗大なＴｉＮや酸化物を形成する恐れがあるため，本発明においてはＴｉは０．００５〜０．０３％に限定する。
ＣａもＴｉと同様，酸化物の微細分散をＨＡＺの加熱オーステナイト微細化に用いる場合には必須の元素である。加熱オーステナイト粒径微細化に効果を発揮するためには０．０００５％以上必要である一方，０．００３％を超えると粗大な硫化物や酸化物を形成する恐れがあるため，本発明においてはＣａは０．０００５〜０．００３％に限定する。
また，Ｍｇも酸化物微細分散に有効であり，必要に応じて添加する。添加する場合は，０．０００１〜０．００２％の範囲とするが，これは０．０００１％未満では効果が明確でなく，０．００２％超では酸化物の粗大化が懸念されるためである。
【００１９】
以上が，本発明において必須あるいは重要な元素及び不純物元素の限定理由であるが，本発明においては，強度・靱性の調整のために，必要に応じてさらに，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｂの１種または２種以上を含有することができる。
Ｃｕは変態挙動，強度，靱性に対して，Ｎｉと類似の効果を有する元素であるが，効果を発揮するるためには０．０５％以上の添加が必要であり，１．５％超の添加では熱間加工性やＨＡＺ靱性に問題を生じるため，本発明においては，０．０５〜１．５％の範囲に限定する。
Ｃｒは焼入性の向上，固溶強化により強度向上に有効な元素であり，効果を生じるためには０．０５％以上必要であるが，Ｃｒは過剰に添加すると硬さの増加，粗大析出物の形成等を通して，母材やＨＡＺの靱性に悪影響をおよぼすため，許容できる範囲として，上限を２％に限定する。
【００２０】
ＭｏもＣｒと同様の効果によって強度を高めるに有効な元素であるが，効果を発揮でき，他特性に悪影響をおよぼさない範囲として，０．０５〜２％に限定する。
ＷもＣｒ，Ｍｏと同様の効果によって強度を高めるに有効な元素であるが，効果を発揮でき，他特性に悪影響をおよぼさない範囲として，０．１〜４％に限定する。
Ｖは主として析出強化により高強度化に寄与する。効果を発揮するためには，０．０１％以上は必要である。ただし，０．２％を超えて過剰に添加すると，延性，靱性を極端に劣化させるため，本発明においては，０．０１〜０．２％の範囲に限定する。
【００２１】
Ｎｂは変態強化，析出強化により微量で高強度化に寄与する。また，γの加工・再結晶挙動に大きな影響を及ぼすため，母材靱性向上にも有効である。効果を発揮するためには，０．００３％以上は必要である。ただし，０．０５％を超えて過剰に添加すると，延性，靱性を極端に劣化させるため，本発明においては，０．００３〜０．０５％の範囲に限定する。
ＴａもＮｂと同様の効果を有し，適正量の添加により強度，靱性の向上に寄与するが，０．０１％未満では効果が明瞭には生ぜず，０．２％を超える過剰な添加では粗大な析出物に起因した靱性劣化が顕著となるため，範囲を０．０１〜０．２％とする。
Ｚｒも強度向上に有効な元素であるが，効果を発揮するためには０．００５％以上必要である。一方，０．１％を超えて過剰に添加すると粗大な析出物を形成して靱性に悪影響をおよぼすため，上限を０．１％とする。
【００２２】
Ｂは極微量で焼入性を高める元素であり，高強度化に有効な元素である。Ｂは固溶状態でγ粒界に偏析することによって焼入性を高めるため，極微量でも有効であるが，０．０００２％未満では粒界への偏析量を十分に確保できないため，焼入性向上効果が不十分となったり，効果にばらつきが生じたりしやすくなるため好ましくない。一方，０．００５％を超えて添加すると，鋼片製造時や再加熱段階で粗大な析出物を形成する場合が多いため，焼入性向上効果が不十分となったり，鋼片の割れや析出物に起因した延性劣化，靱性劣化を生じる危険性も増加する。そのため，本発明においては，Ｂの範囲を０．０００２〜０．００５％とする。
【００２３】
さらに，本発明においては，延性の向上，継手靱性の向上等のために，必要に応じて，Ｙ，Ｃｅの１種または２種を含有することができる。
Ｙ，Ｃｅはいずれも酸化物を微細化させて母材, ＨＡＺの延性やＨＡＺ靱性向上に有効に働く。その効果を発揮するための下限の含有量は，Ｙは０．００１％，Ｃｅは０．００５％である。一方，過剰に含有すると，硫化物や酸化物の粗大化を生じ，延性，靱性の劣化を招くため，上限を各々，Ｙは０．０１％，Ｃｅは０．１％とする。
【００２４】
本発明においては，さらに（１）式で示す理想焼入臨界直径（ＤＩ値）を３〜３０に限定する。ＤＩ値を３以上とするのは，後述する限定理由にあるように，レーザー溶接のＨＡＺの加熱オーステナイト粒径を１００μｍ以下に細粒化した場合にも安定してＨＡＺ組織をマルテンサイト割合が８０％以上のマルテンサイト主体組織とするためである。
ＤＩ値は大きいほどマルテンサイト組織は安定的に得られるが，ＤＩ値が過大になると，溶接性の劣化や，残留オーステナイトの増加による強度低下等の悪影響も出てくるため，本発明ではこれらの悪影響が出ない条件で，ＤＩ値の上限を３０とする。
以上が本発明における化学組成に関する限定理由である。
【００２５】
本発明の目的としている良好なレーザー溶接部のＨＡＺ靱性を達成するためには，上記化学組成の限定を前提とした上で，ＨＡＺの組織を，下記のようにする必要がある。すなわち，
▲１▼加熱オーステナイト粒径：１００μｍ以下
▲２▼マルテンサイト分率：８０％以上
【００２６】
▲１▼の加熱オーステナイト粒径を１００μｍ以下とするのは，マルテンサイト主体組織においては，靱性を支配する，結晶方位がほぼそろった組織領域のサイズである，いわゆる”有効結晶粒径”がベイナイト主体組織あるいはベイナイト／マルテンサイト混合組織に比べてより直接的にオーステナイト粒径の影響を受け，オーステナイト粒径の微細化がＨＡＺ靱性改善のために必須なためである。
すなわち，変態組織が下部ベイナイトの場合は，有効結晶粒径は加熱オーステナイト粒径よりもかなり小さくなるが，マルテンサイト組織の場合は，加熱オーステナイト粒径と有効結晶粒径との差が小さく，かつ，ほぼ加熱オーステナイト粒径に比例して有効結晶粒径が変化する。本発明においては，本発明の化学組成範囲において，２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の破面遷移温度（ｖＴｒｓ）を確実に−４０℃以下にするために必要な加熱オーステナイト粒径として，１００μｍ以下に限定する。
【００２７】
▲２▼のマルテンサイト分率を８０％以上とするのは，化学組成やオーステナイト粒径の変化に対して靱性の変動を極力低減するためである。下部ベイナイト主体組織とすることは，靱性改善に有効ではあるが，適正な化学組成の範囲が限定され，さらに加熱オーステナイト粒径が微細化すると逆に粗大な上部ベイナイトが生成して靱性劣化を招くおそれもある。
一方，本発明では，あくまでもマルテンサイト主体組織を前提として，良好なＨＡＺ靱性を得るための組成及び組織要件を規定しているため，マルテンサイト組織割合も規定する必要がある。マルテンサイトの割合が８０％以上であれば，残余の組織が他の組織，例えば靱性に好ましくない上部ベイナイトであっても，靱性はその主体組織であるマルテンサイトに支配されるため，他の本発明の要件が満足されていれば，良好な靱性を達成できる。
なお，実際には，マルテンサイトが８０％以上となるような組織，レーザー溶接条件においては，残余の組織が靱性を大きく劣化させる粗大な上部ベイナイト組織となることはほとんどない。
【００２８】
以上が，本発明において，レーザー溶接継手のＨＡＺ靱性を向上させるための化学組成及び組織に関する要件である。本組織要件と化学組成要件を満足すれば，その達成手段は問わない。
例えば，オーステナイト粒径の微細化手段として，後述する本発明のごとく，酸化物をピンニング粒子とする方法以外に，Ｔｉ，Ｎ等の窒化物形成元素を多量に含有させる，等の方法が考えられる。ただし，材質劣化をともなわずにＨＡＺの加熱オーステナイト粒径を微細化する手段としては必ずしも十分でない。一方，本発明では，材質劣化をともなわずに安定的にＨＡＺの加熱オーステナイト粒径を２００μｍ以下とする具体的手段として，熱的に安定な酸化物を主体とするピンニング粒子の微細分散法を包含する。
【００２９】
ＨＡＺの加熱オーステナイト粒を細粒化するためには高温でのオーステナイト粒成長を抑制することが必要である。その手段として最も有効な方法は，分散粒子によりオーステナイトの粒界をピンニングし，粒界の移動を抑制する方法が考えられる。そのような作用をする分散粒子の一つとしては，従来，Ｔｉ窒化物が有効であると考えられていた。しかしながらＴｉ窒化物は１４００℃以上の高温では固溶する割合が大きくなるため，ピンニング効果が小さくなる。
これに対し，高温で安定な酸化物と硫化物とを併せてピンニング粒子として活用することが有効である。
また，分散粒子による結晶粒界のピンニング効果は，分散粒子の体積率が大きいほど，一個の粒子径が大きいほど大きい。ただし，分散粒子の体積率は鋼中に含まれる粒子を構成する元素の濃度によって上限があるので，体積率を一定と仮定した場合には，粒子径はある程度小さい方がピンニングには有効である。
【００３０】
酸化物および硫化物の体積分率を大きくする手段の一つとして，Ｏ量，Ｓ量を増大させることがあるが，Ｏ量，Ｓ量の増大は材質に有害な粗大介在物をも多数生成する原因となるため，有効な手段ではない。Ｏ量，Ｓ量を増大させずに酸化物および硫化物の体積分率を大きくするには，ＯおよびＳとの溶解度積が小さい元素を活用することが有効である。
Ｏとの溶解度積が小さい，すなわち強脱酸元素として，一般的にはＡｌが用いられる。しかしながら，ＡｌだけではＯを充分利用するには不充分で，さらにＡｌよりも強い脱酸元素が必要で，Ｃａ，さらには必要に応じてＭｇを活用することが重要である。
硫化物を生成しやすい元素として，Ｍｎが挙げられる。しかしながら，ＭｎだけではＳを活用するには不充分で，上記酸化物におけると同様に，Ｓとの溶解度積が小さい，すなわち安定した硫化物を生成する元素であるＣａ，Ｍｇの活用が重要である。
【００３１】
Ｃａ，Ｍｇをはじめとした種々脱酸元素を用いた溶解実験結果から，鋼中に生成する酸化物粒子の組成として，Ｏを除いた元素が質量比で，Ｃａが５％以上かつＡｌが５％以上含まれる場合，あるいは，Ｃａ及びＡｌが５％以上でさらにＭｇが１％以上含まれることで，酸化物の体積分率すなわち酸化物量を大きくすることが可能となることを知見した。
また，さらには，酸化物の周囲に，例えばＣａＳおよびＭｇＳといった硫化物が析出することで，酸化物と硫化物とを併せてより一層の体積分率の増加が可能となることを見出したのである。その場合，酸化物と硫化物とを併せて一つの粒子と見なしたときの組成が，Ｍｇを含まない場合で，Ｏを除いた元素が質量比で，ＣａとＡｌが５％以上，Ｓが１％以上含まれる必要がある。
また，粒子がＭｇを含む場合は，Ｏを除いた元素が質量比で，Ｃａ及びＡｌが５％以上，Ｍｇ及びＳが１％以上含まれる必要がある。
なお，酸化物中にＳを含む場合，酸化物と硫化物とが複合化している場合，酸化物を核として硫化物が該酸化物の周囲に析出している場合，いずれもオーステナイトの成長抑制には同等の効果を有する。以降で，酸化物あるいはピンニング粒子としているものも，特に断らない限り，上記の粒子を包含することとする。
【００３２】
次にＨＡＺの加熱オーステナイト粒のピンニングに有効な粒子の大きさについて述べる。分散粒子による結晶粒界のピンニング効果は，分散粒子の体積率が大きいほど，一個の粒子径が大きいほど大きいが，粒子の体積率が一定のとき，一個の粒子の大きさが小さい方が粒子数が多くなりピンニング効果が大きくなるが，あまり小さくなると粒界に存在する粒子の割合が小さくなるため，その効果は低減する。
粒子の大きさを種々変化させた試験片を用いて，高温に加熱したときのオーステナイト粒径を詳細に調査した結果，レーザー溶接に相当する温度・保持時間において安定的にオーステナイト粒径をピンニングするためには，前記の組成を有する安定な粒子の大きさとして，０．００５〜２μｍのものが有効であることをつきとめた。また０．００５μｍより小さい酸化物粒子はほとんど観察されなかった。この結果より，必要な粒子径を０．００５〜２μｍとした。
【００３３】
次に必要なピンニング粒子の個数について検討した。粒子個数が多いほど組織単位は微細になり，そのため，粒子個数が多いほどＨＡＺ組織は微細化する。本発明の目的とする，レーザー溶接におけるＨＡＺのオーステナイト粒径を確実に１００μｍ以下とするためには，粒子径が０．００５〜２μｍの粒子が１００個／ｍｍ2 以上必要である。
ただし，粒子数が多くなるほどピンニング力は大となるが，その効果は飽和し，かつ，必要以上に粒子個数を多くすることは，逆に延性や靱性に有害な粗大な粒子が生成する可能性を高めることにもなる，また現在の工業技術では限界もあることを考え，本発明においては粒子数の上限を３０００個／ｍｍ2 とした。
【００３４】
該酸化物の大きさおよび個数の測定は，例えば以下の要領で行なう。母材となる鋼板から抽出レプリカを作製し，それを電子顕微鏡にて１００００倍で２０視野以上，観察面積にして１０００μｍ2 以上を観察することで該酸化物の大きさおよび個数を測定する。このとき鋼板の表層部から中心部までどの部位から採取した抽出レプリカでもよい。また，粒子が適正に観察可能であれば，観察倍率を低くしてもかまわない。
【００３５】
本発明では，化学組成の適正化と酸化物による加熱オーステナイト粒径の微細化とで，レーザー溶接継手のＨＡＺ靱性を向上させる。フュージョンライン近傍のＨＡＺは高温に晒されて母材組織はほぼ全面的に解消される。従って，本発明では鋼材を製造するプロセスは問わない。通常の熱間圧延まま，制御圧延，制御冷却，また，これらのプロセスと焼戻しの組み合わせ，さらには焼き均しや焼入・焼戻し等の再加熱処理で製造してもかまわない。
なお，本発明によって製造される鋼はレーザー溶接継手のＨＡＺ靱性に優れた高強度鋼を提供することを目的としているが，溶接時に鋼板に加えられる熱履歴が，レーザー溶接と同様な，すなわち，溶接後の冷却速度が比較的大きく，具体的には８００℃から５００℃までの冷却時間が２０ｓ以下で，原則的に１パス溶接で後続の溶接パスによる熱を受けない，例えば電子ビーム溶接などにおいても優れた継手靱性を達成することが可能である。
【００３６】
【実施例】
以上が，本発明の要件についての説明であるが，さらに，実施例に基づいて本発明の効果を示す。
実施例に用いた供試鋼の化学組成を表１，２に示す。鋼材番号Ａ１〜Ａ１０が本発明鋼，Ｂ１〜Ｂ７が比較鋼である。試作鋼は連続鋳造または真空溶解により溶製し，鋳片またはインゴットに鋳造した後，加熱圧延を経て，板厚１２ｍｍの鋼板として製造した。鋼板は全て再加熱焼入焼戻し処理（ＱＴ）を施した。焼入・焼戻し条件は化学組成に応じて適当に調整した。
表１，２には併せて，鋼中酸化物粒子の組成，粒子径０．００５〜２μｍの粒子数の測定結果も示す。なお酸化物粒子とは既述したように，酸化物中にＳを含む粒子，酸化物と硫化物とが複合化している粒子，酸化物を核として硫化物が該酸化物の周囲に析出している粒子を全て含んだものである。
レーザー溶接は，レーザー切断あるいは鋸切断したＩ型の端面同士をルートギャップなしで突き合わせ溶接した。１０ｋＷのＣＯ2 レーザー溶接機を用い，溶接速度，約１．５ｍ／分でレーザー溶接した。
【００３７】
【表１】
【表２】
【表３】
表３は母材の引張特性，溶接後のＨＡＺ組織形態，ＨＡＺの機械的性質を調査した結果を示している。ＨＡＺ組織形態としては，加熱オーステナイト粒径，マルテンサイト分率を示す。加熱オーステナイト粒径，マルテンサイト分率については光学顕微鏡組織写真から測定したが，加熱オーステナイト粒径はフュージョンラインからＨＡＺ側１ｍｍ内のＨＡＺの中での最大径を示し，マルテンサイト分率は板厚中心部のフュージョンラインからＨＡＺ側１ｍｍ近傍で撮影した倍率２００倍の写真，５視野の平均で示した。
【００４１】
機械的性質としては，母材の引張特性及びＨＡＺの２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃特性を調査した。母材の引張特性は圧延方向に直角な方向で板厚中心部から丸棒引張試験片を採取して測定した。２ｍｍＶノッチシャルピー試験片は，ノッチ位置がフュージョンラインからＨＡＺ側１ｍｍとなる，試験片厚さ１０ｍｍの標準試験片とした。引張試験は室温で実施し，シャルピー試験は種々温度で試験を実施し，破面遷移温度（ｖＴｒｓ）と−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−４０）を求めた。
【００４２】
表１，２において，鋼材番号Ａ１〜Ａ１０は本発明により製造したものであり，鋼材番号Ｂ１〜Ｂ９は本発明のいずれかの要件を満足していないものである。表３の機械的性質から明らかなように，本発明による鋼材番号Ａ１〜Ａ１０は，ＨＡＺの組織形態は本発明の要件を満足しており，強度レベルとして様々なものを含んでいるが，全て，良好なＨＡＺ靱性（−４０℃における吸収エネルギー及び破面遷移温度（ｖＴｒｓ））が達成されていることが明らかである。具体的には，Ｎｉ量の最も低い鋼Ａ６においてもｖＴｒｓで−４５℃であり，Ｎｉ量が高い鋼では高強度鋼でありながら，−１００℃以下のｖＴｒｓが得られている場合もあり，本発明によれば，レーザー溶接継手において極めて良好なＨＡＺ靱性が達成できることは明白である。
【００４３】
一方，鋼材番号Ｂ１〜Ｂ７の比較例の特性は，後述の理由により，同程度のＮｉ量あるいは母材強度で比較して，レーザー溶接継手のＨＡＺ靱性が本発明に比べて明らかに劣っている。以下，比較例について，そのＨＡＺ靱性が劣る理由を示す。
鋼材番号Ｂ１，Ｂ２は，Ｃが過剰なため，ＨＡＺの組織は本発明を満足しているが，マルテンサイト相の靱性が大きく劣化するため，ＨＡＺ靱性が本発明に比べて大きく劣る。
鋼材番号Ｂ３は，マルテンサイト相の靱性を向上するために必須のＮｉが過少であるため，ＨＡＺ靱性が本発明に比べて劣る。
【００４４】
鋼材番号Ｂ４は，ＤＩ値が本発明の下限よりも小さいため，必要な焼入性が得られておらず，ＨＡＺの組織中のマルテンサイト相の割合が小さい一方，粗大な上部ベイナイトイト相の割合が多いため，ＨＡＺ靱性が劣る。
鋼材番号Ｂ５は，逆にＤＩ値が過大であり，不安定な残留オーステナイト相によると推定されるＨＡＺ靱性の劣化が生じており，ＨＡＺ靱性は本発明に比べて若干劣る。
鋼材番号Ｂ６，Ｂ７は，ＨＡＺのオーステナイト粒径が過大であるため，ＨＡＺ靱性が劣っている例である。
以上の実施例から，本発明の鋼は，レーザー溶接におけるＨＡＺの組織がマルテンサイト主体となる鋼において，レーザー溶接におけるＨＡＺ靱性が極めて優れていることが明白である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により，レーザー溶接で形成されるＨＡＺ組織がマルテンサイト主体組織となるような，引張強度が５７０ＭＰａ級以上の高張力鋼のレーザー溶接継手のＨＡＺ靱性を向上させることが可能となり，産業上の効果は極めて顕著である。
Claims (7)
- 質量％で，
Ｃ：０．０１〜０．０６％，
Ｓｉ：０．０５〜０．５％，
Ｍｎ：０．１〜２％，
Ｐ：０．０１％以下，
Ｓ：０．００５％以下，
Ａｌ：０．００５〜０．０６％，
Ｎ：０．００１〜０．０１％，
Ｎｉ：１〜９％，
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％，
Ｃａ：０．０００５〜０．００３％
を含有し，かつ，下記（１）式で示す理想焼入臨界直径ＤＩが３〜３０で，残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼のレーザー溶接部において，溶接熱影響部の加熱オーステナイト粒径が１００μｍ以下で、かつ、溶接熱影響部組織に占めるマルテンサイトの割合が８０％以上であることを特徴とするレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
ＤＩ＝０．５・（Ｃ％）１／２・（１＋０．６４・Ｓｉ％）・（１＋４．１０・Ｍｎ％）・（１＋０．２７・Ｃｕ％）・（１＋０．５２・Ｎｉ％）・（１＋２．３３・Ｃｒ％）・（１＋３．１４・Ｍｏ％）・（１＋１．５０・Ｗ％）・・・・・（１） - 円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位面積当たりの個数で，１００〜３０００個／ｍｍ２含有し，該酸化物粒子の組成が，少なくともＣａ，Ａｌ，Ｏを含み，Ｏをのぞいた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
を含有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。 - 前記酸化物粒子の組成が少なくともＣａ，Ａｌ，Ｏ，Ｓを含み，Ｏを除いた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
Ｓ：１％以上，
を含有することを特徴とする請求項２に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。 - 更に、鋼が質量％で，
Ｍｇ：０．０００１〜０．００２％
を含有し，かつ，円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位面積当たりの個数で，１００〜３０００個／ｍｍ２含有し，該酸化物粒子の組成が，少なくともＣａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｏを含み，Ｏをのぞいた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
Ｍｇ：１％以上，
を含有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。 - 前記酸化物粒子の組成が少なくともＣａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｏ，Ｓを含み，Ｏを除いた元素が質量％で，
Ｃａ：５％以上，
Ａｌ：５％以上，
Ｍｇ：１％以上，
Ｓ：１％以上，
を含有することを特徴とする請求項４に記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。 - 更に、鋼が質量％で，
Ｃｕ：０．０５〜１．５％，
Ｃｒ：０．０５〜２％，
Ｍｏ：０．０５〜２％，
Ｗ：０．１〜４％，
Ｖ：０．０１〜０．２％，
Ｎｂ：０．００３〜０．０５％，
Ｔａ：０．０１〜０．２％，
Ｚｒ：０．００５〜０．１％，
Ｂ：０．０００２〜０．００５％，
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。 - 更に、鋼が質量％で，
Ｙ：０．００１〜０．０１％，
Ｃｅ：０．００５〜０．１％，
のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザー溶接部の靱性に優れた高強度鋼。
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