JP4461589B2 - 溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法 - Google Patents
溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築などの鋼構造物に使用される780N/mm2級高張力鋼の製造方法に関し、特に耐震設計で要求される低降伏比を満足し、且つ溶接性に優れたものに関する。
【0002】
【従来の技術】
780N/mm2級高張力鋼は、一般に焼入れ焼戻し処理で製造され、その降伏比は90%以上と高い。しかし、近年、耐震設計の観点から降伏比の低減が要求され、低降伏比型780N/mm2級鋼が開発されてきた。
【0003】
例えば、特開平7−224350号公報では、2.5〜4.5%のNiを添加した鋼を加熱圧延後、900℃以上から直接焼入れし、その後400〜800℃で1回以上焼戻す方法が開示されている。
【0004】
特開平5−163527号公報では、耐低温割れ性や超大入熱溶接部HAZ靭性を改善した低降伏比780N/mm2級鋼の製造方法として、1.0〜2.0%のCuを添加した鋼を熱間圧延後水冷し、その後780〜830℃の温度に再加熱し、水冷後、500〜550℃で時効熱処理をすることが開示されている。
【0005】
また、特開平6−248336号公報では0.005〜0.025%のTiおよび0.15〜0.65%のVを添加した鋼片を1000〜1250℃に加熱圧延後、Ac3〜1000℃に再加熱して焼入れし、その後、Ac1変態点以下で焼戻すことを特徴とする板厚70mm以下の低降伏比780N/mm2鋼の製造方法が記載されている。
【0006】
また、特開平6−248337号公報では、上述した成分組成の鋼を、1000〜1250℃に加熱し、1000℃以下での累積圧下量が30%以上となるように圧延後、720℃以上の温度から直接焼入れし、その後750〜870℃の温度より再加熱焼入れおよびAc1点以下で焼戻すことで板厚70mm以下の低降伏比780N/mm2鋼の製造方法が記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平7−224350号公報に記載の製造方法は、鋼成分として多量のNiを添加する必要があり、経済性に問題がある。特開平5−163527号公報に記載の方法は、微量Bの添加により焼入れ性を向上させるため、化学成分や製造条件の変動により母材特性が不安定と成りやすく、また、小入熱溶接により熱影響部が硬化し溶接性が劣化する。
【0008】
さらに、多量のCu添加による析出強化で強度を確保するため、降伏比が80%を超える場合もあり、必ずしも耐震性が良好ではなかった。
【0009】
一方、特開平6−248336号公報は、Bを無添加とし、0.15〜0.65%と多量のV添加による析出強化で強度を確保する技術であるが、780N/mm2級の強度が得られる板厚の上限は70mm程度で、降伏比も80%を超える場合があり、必ずしも十分な耐震性能が得られているわけではない。特開平6−248337号公報は、直接焼入れプロセスによるものであるが、板厚の上限はやはり70mm程度となっている。
【0010】
本発明は、経済性及び溶接性に優れ、且つ70mmを超える板厚においても低降伏比が安定して得られる780N/mm2級高張力鋼の製造方法を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため、成分組成、製造条件の双方について詳細に検討を行い、以下の知見を得た。
【0012】
1.780N/mm2級鋼の強度を確保するため、微量Bを使用した場合、溶接熱影響部を著しく硬化させ、継手靭性を劣化させる。また、Bの有効活用のため添加されるTiは、母材性能を不安定とする。
【0013】
2.Ti,Bを添加しない成分組成で、良好な溶接割れ感受性と、健全な溶接継手の両者を備える低降伏比780N/mm2級鋼をQ−Q´−Tで製造する場合、製造板厚が制限される。
【0014】
3.微量Nbを添加した場合、DQプロセスでは加熱圧延時の固溶Nbにより焼入れ性が向上するため、低Pcm値で溶接性に優れた780N/mm2級鋼が得られる。
【0015】
4.オーステナイト未再結晶温度域での制御圧延(CR)の実施により、ミクロ組織が展伸し、DQ時の焼入れ性が低下し、低降伏比に有効な軟質相(フェライト)が導入される。軟質相は、Q´−T処理後も残存し、低降伏比化に寄与する。
【0016】
5.CR−DQプロセスにより展伸した組織には、その後の2相域加熱時の逆変態オーステナイト生成サイトが多く存在し、2相域焼入れ後に硬質な焼入れ相が増加し、Q−Q´−Tに比較して高強度が得られる。
【0017】
このように、CR−DQ(−Q´−T)プロセスは、Q−Q´−Tプロセスでは不可能な2相域加熱前の組織制御を可能とし、低降伏比化を達成する。また、Nb添加によりオーステナイト未再結晶温度域は拡大し、圧延効率を損ねることなくCRが可能となる。そして、Nb添加およびCR−DQ−Q´−Tプロセスにより強度が上昇するが、それに伴う降伏比の上昇は小さい。
【0018】
本発明は、以上の知見を基に、更に検討を加えてなされたものであり、すなわち本発明は、
1.質量%で、C:0.07〜0.11%、Si:0.5%以下、Mn:0.5〜1.6%、Ni:0.05〜2.0%、Mo:0.2〜0.5%、V:0.01〜0.1%、Al:0.01〜0.05%、N:0.005%以下、P:0.03%以下、S:0.005%以下、Ti:0.005%以下、B:0.0003%以下、且つPcm:0.26以下を満足する残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を1000〜1250℃に加熱し、950℃以下で40%以上の累積圧下を含む圧延終了後、Ar3点以上の温度から直接焼入れし、次いでAc1点〜Ac3点の2相域温度に再加熱後水冷し、Ac1点以下で焼戻すことを特徴とする溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法。
【0019】
但し、Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+
Cr/20+Mo/15+V/10+5B(%)
2. 更に、質量%で、Cu:0.05〜0.5%、Cr:0.05〜1.0%、Nb:0.005〜0.05%の一種又は二種以上を添加することを特徴とする1記載の溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法。
【0020】
3.圧延仕上温度を750℃以上とすることを特徴とする1又は2記載の溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明では化学成分、製造条件について規定する。
【0022】
1.化学成分
C
Cは強度を確保するために添加する。添加量が0.07%未満では、780N/mm2級の強度を確保するため他の合金元素を多量に添加する必要があり、製品コストが上昇する。一方、0.11%を超えて添加すると溶接性を低下させるため、0.07〜0.11%(0.07%以上、0.11%以下)とする。
【0023】
Si
Siは添加量が0.5%を超えると、溶接性やHAZ靭性を劣化させるため、0.5%を上限とする。
【0024】
Mn
Mnは、母材強度と溶接継手強度を確保するため、0.5%以上添加する。しかし、1.6%を超える過剰の添加は、溶接性および溶接継手靭性を劣化させるため、0.5〜1.6%とする。
【0025】
P,S
P,Sはいずれも不純物元素であり、健全な母材および継手性能を得るため、Pは0.03%以下、Sは0.005%以下に規制する。
【0026】
Ni
Niは母材及び溶接継手の強度、靭性を向上のために0.05%以上添加するが、2.0%を超える過剰な添加は経済性を損なうため、0.05〜2.0%とする。
【0027】
Mo
Moは母材及び溶接部の強度を向上させるため0.2%以上添加するが、0.5%を超える過剰な添加は溶接性およびHAZ靭性を劣化させるため、0.2〜0.5%とする。
【0028】
V
Vは母材及び溶接部の強度を向上させるため、0.01〜0.1%(0.01%以上、0.1%以下)を添加する。
【0029】
Al
Alは脱酸、およびミクロ組織を微細化し、母材靭性を向上させるため0.01%以上添加する。しかし、0.05%を超える添加は母材靭性を損なうため、0.01〜0.05%(0.01%以上、0.05%以下)とする。
【0030】
N
Nは、不可避不純物として鋼中に含まれるが、本発明ではHAZ靭性を確保するため0.005%以下とする。
【0031】
Ti,B
本発明では、Ti,Bは不可避不純物として扱い、その含有量をTiは0.005%以下、Bは0.0003%以下に規定する。
【0032】
B添加鋼において、Tiは焼入れ性向上に有効なBを確保するため、しばしば積極的に添加される。しかし、本発明鋼はHAZ硬さの低減により、HAZ靭性を改善することを特徴とするもので、Bは不可避不純物であり、HAZを硬化させないように0.0003%以下に規制する。また、Tiも積極的に添加せず、不可避不純物として0.005%以下に規制する。
【0033】
Pcm
Pcmは溶接割れ感受性指数で、本発明では0.26%以下に規制する。B無添加鋼である本発明鋼でPcm:0.26%以下の場合、溶接雰囲気が20℃ー60%でのガスシールドアーク溶接(GMAW)によるy型溶接割れ試験(JISZ3158)で、割れ防止予熱温度は50℃以下と優れた特性が得られる。
【0034】
以上が本発明鋼の基本成分組成であり、更にその特性を向上させる場合、Cu,Cr,Nbの一種又は二種以上を添加することが出来る。
【0035】
Cu
Cuは、母材および溶接継手強度向上のために0.05%以上添加する。過剰の添加はεーCuの析出強化による降伏比の上昇が懸念されるため、0.5%以下とする。
【0036】
Cr
Crは、母材および溶接継手強度向上のために0.1%以上添加する。過剰な添加は溶接性やHAZ靭性を劣化させるため、1.0%以下とする。
【0037】
Nb
Nbは、加熱時の固溶Nbによる焼入れ性向上で母材強度を高め、また、オーステナイトの未再結晶温度を上昇させ、圧延効率を損ねることなくオーステナイト未再結晶温度域での制御圧延(CR)を可能とするように、0.005%以上添加する。しかし、0.05%を超えて添加すると靭性が劣化するため、0.005%以上、0.05%以下とする。
【0038】
2.製造条件
スラブ加熱温度
圧延前段階でNb炭窒化物を完全に固溶させ、合金元素を均質化させるため1000℃以上に加熱する。一方、1250℃を超えるとミクロ組織が粗大化し、靭性劣化が懸念されるため、1000〜1250℃以下とする。スラブ加熱温度はNb炭窒化物の固溶温度以上であれば、低いほど靭性は良好であり、好ましくは1150℃、更に好ましくは、1100℃とする。
尚、Nb炭窒化物の固溶温度は、log{(Nb)×(C+12N/14)}=2.26−6770/(T+273.15)より求めることができる。
【0039】
圧延条件
780N/mm2級鋼の強度とYR80%以下の低降伏比を得るため、圧延温度950℃以下で40%以上の累積圧下を行う。図2に、表1に記載の供試鋼C,Dを用い、CR率50%として強度に及ぼすCR開始温度の影響を調査した結果を示す。
【0040】
板厚によらず、CR開始温度が低下すると強度(YS,TS)は上昇し、950℃以下で、780N/mm2級鋼としての強度が得られる。
【0041】
図1は、YRをCR開始温度によって整理したもので、CR開始温度が低下して強度が上昇しても、YRはほぼ一定で、80%以下の低降伏比が得られている。
【0042】
圧延仕上温度
本発明鋼を建築用鋼として用いる場合、音響異方性を1.02以下とすることが望ましい。その場合、圧延仕上温度は750℃以上とする。図3は、音響異方性に及ぼす圧延仕上温度の影響を示すもので、圧延仕上温度を750℃以上とした場合、音響異方性は1.02以下となっている。
【0043】
直接焼入れ
熱間圧延終了後、Ar3点以上より、直接焼入れを行う。冷却速度は1℃/s以上とするのが好ましい。尚、Ar3点は、例えば、Trans.ISIJ、22(1982)、P214(C.Ouchi,T.Sampei,and I.Kozasu)に記載されるように、板厚をt(mm)として、Ar3=910−310C−80Mn−20Cu−15Cr−55Ni−80Mo+0.35(t−8)により求めることが出来る。
【0044】
二相域焼入れ温度
直接焼入れ後、降伏比を低減させるため、Ac1点以上、Ac3点以下の二相域に再加熱し、部分的にγ変態させ、焼入れを行い、ミクロ組織を硬質相と軟質相とする。
【0045】
焼戻し温度
二相域焼入れ後、焼戻しを、Ac1変態点以下で行う。
【0046】
【実施例】
表1に供試鋼の化学成分を、表2にそれらを用いた鋼板の製造条件および得られた特性を示す。鋼番A1,B1は化学成分、製造条件とも本発明範囲内であり、780N/mm2級強度、降伏比80%以下の低降伏比および優れた溶接性(割れ防止予熱温度50℃以下)が得られている。
【0047】
鋼種Cは本発明の化学成分範囲内であるが、鋼番C1は、950℃以下で40%以上の累積圧下を実施せず、780N/mm2級の強度が得られていない。一方、鋼番C2,C3は、950℃以下で40%以上の累積圧下を行うもので、強度、降伏比ともに本発明の目的とする効果が得られている。
【0048】
鋼種Dは本発明の化学成分範囲内であり、鋼番D2,D3は、950℃以下で40%以上の累積圧下を行うもので、強度、降伏比ともに本発明の目的とする効果が得られている。
【0049】
鋼種Eは本発明の化学成分範囲内であるが、鋼番E2は圧延仕上温度が720℃と低く、音響異方性が1.02を上回り、請求項3記載の発明の比較鋼となっている。
【0050】
鋼番G1,H1,I1,J1,K1は、化学成分、製造条件ともに本発明範囲内であり、低降伏比780N/mm2鋼として優れた機械的特性、溶接性が得られている。
【0051】
鋼番L1,L2,M1は、化学成分にNiが添加されておらず、比較鋼となっており、機械的特性に劣っている。鋼番N1,O1は化学成分にBが添加されている比較鋼であり、HAZが著しく硬化し、割れ防止予熱温度も高い。
【0052】
尚、表1に示すAr3は前述の計算式において、板厚100mmとして求めたものである。
【0053】
【表1】
【0054】
【表2】
【0055】
【発明の効果】
本発明によれば、板厚100mm程度の厚鋼板においても、780N/mm2級の強度で、優れた溶接性、音響異方性を有するYR≦80%以下の低降伏比鋼が生産性よく得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】YRに及ぼす仕上圧延におけるCR開始温度の影響を示す図。
【図2】YS,TSに及ぼす仕上圧延におけるCR開始温度の影響を示す図。
【図3】音響異方性に及ぼす圧延仕上温度の影響を示す図。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.07〜0.11%、Si:0.5%以下、Mn:0.5〜1.6%、Ni:0.05〜2.0%、Mo:0.2〜0.5%、V:0.01〜0.1%、Al:0.01〜0.05%、N:0.005%以下、P:0.03%以下、S:0.005%以下、Ti:0.005%以下、B:0.0003%以下、且つPcm:0.26以下を満足する残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を1000〜1250℃に加熱し、950℃以下で40%以上の累積圧下を含む圧延終了後、Ar3点以上の温度から直接焼入れし、次いでAc1点〜Ac3点の2相域温度に再加熱後水冷し、Ac1点以下で焼戻すことを特徴とする溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法。
但し、Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B(%) - 更に、質量%で、Cu:0.05〜0.5%、Cr:0.05〜1.0%、Nb:0.005〜0.05%の一種又は二種以上を添加することを特徴とする請求項1記載の溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法。
- 圧延仕上温度を750℃以上とすることを特徴とする請求項1又は2記載の溶接割れ感受性に優れた低降伏比780N/mm2級高張力鋼の製造方法。
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