JP4535878B2 - 溶接可能な鋼建築構成部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接可能な構造鋼の構成部材に関し、およびこれらの製造方法に関する。

構造鋼は、その構造鋼で造ることが求められる用途に適合させるために、所与のレベルの機械的特性を有していなければならないし、また特に、高度の硬さを発揮しなければならない。この目的のために、焼入れされることが可能な鋼が使用される。すなわちその場合、十分急速にかつ効率良く冷却されると、マルテンサイトまたはベイナイト構造を得ることが可能な鋼が使用される。すなわち、その速度を超えると、達成された冷却速度の関数としてベイナイト、マルテンサイト、またはマルテンサイト−ベイナイト構造が得られる、臨界ベイナイト速度が定義される。

これらの鋼の焼入れへの適合性は、これらの鋼の焼入れ成分の含量によって決まる。原則として、これらの元素の存在する量が多いほど、臨界ベイナイト速度は遅くなる。

これらの機械的特性のほかに、構造鋼は良好な溶接性をも有しなければならない。鋼構成部材を溶接する場合、熱影響部またはＨＡＺとも呼ばれる溶接領域が短時間の非常な高温に曝され、次いで突然の冷却に曝され、このためその領域が高度の硬さを付与され、それによって割れを生じる恐れがあり、したがってまた鋼の溶接性が制約される恐れがある。

従来の方法では、鋼の溶接性は、その「炭素当量」を計算することにより推算することができ、この炭素当量は、下記の式：
Ｃ_ｅｑ＝（％Ｃ＋％Ｍｎ／６＋（％Ｃｒ＋（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）＋％Ｖ）／５＋％Ｎｉ／１５）
によって示される。

第１近似として、その炭素当量が低いほど、鋼はより溶接しやすい。したがって、焼入れ元素がより多くなると焼入れ性の改善をもたらし、これが溶接性には有害になることが理解されるであろう。

この溶接性を低下させることなくこれらの鋼の焼入れ性を改善するために、ホウ素を微細合金化した品種が開発され、特に、オーステナイト化温度が上昇する場合その元素の焼入れ効率が低下する事実を利用している。すなわち、ホウ素のない同様な焼入れ性の品種におけるよりもＨＡＺを焼き入れし難くなり、したがってこのＨＡＺの焼入れ性および硬さを低下させることが可能である。

しかし、効率の良い含量が３０から５０ｐｐｍであるため、鋼の非溶接部分におけるホウ素の焼入れ効果が飽和される傾向にあるので、鋼の焼入れ性のさらなる改善は、その効率がオーステナイト化温度には依存しない焼入れ元素を添加することによってのみ達成され、このことは自動的にこれらの鋼の溶接性に悪影響を及ぼす。同様に、焼入れ元素の含量を低減させることにより溶接性の改善をもたらすが、それは自動的に焼入れ性を低下させる。

本発明の目的は、その溶接性を低下させずに、改良された焼入れ性を有する構造鋼をもたらすことにより、この不利な点を克服することである。

このために、本発明の第１の主題は、その化学組成が、重量により：

を含み、
場合によって、０．３重量％未満の含量においてＶ、Ｎｂ、Ｔａ、ＳおよびＣａからおよび／または０．５重量％未満またはこれに等しい含量でＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種の元素を含み、その残部が鉄、および生産工程から生じる不純物であり、
その組成のアルミニウム、ホウ素、チタンおよび窒素の含量は、重量％の１０００分の１により表して、下記の関係：

も満たしており、
また、この構造はベイナイト、マルテンサイトまたはマルテンサイト−ベイナイト系であり、かつまた３から２０％の残留オーステナイト、好ましくは５から２０％の残留オーステナイトを含む、溶接可能な構造鋼の構成部材である。

好ましい実施形態において、本発明による構成部材の鋼の化学組成は、下記の関係：
１．１％Ｍｎ＋０．７％Ｎｉ＋０．６％Ｃｒ＋１．５（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）≧１、好ましくは≧２ （２）
をも満たしている。

他の好ましい実施形態において、本発明による構成部材の鋼の化学組成は、関係：
％Ｃｒ＋３（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）≧１．８、好ましくは≧２．０
をも満たしている。

本発明の第２の主題は：
Ａｃ_３から１０００℃、好ましくはＡｃ_３から９５０℃、の温度で加熱することにより、次いで、構成部材の芯部において、８００℃と５００℃の間の冷却速度が臨界ベイナイト速度より大きいかこれに等しい速度となるように２００℃以下の温度まで冷却することにより構成部材をオーステナイト化すること、
場合によって、Ａｃ_１以下の温度で焼戻しが行われることを特徴とする、本発明による溶接可能な鋼構成部材の製造方法である。

特に自動焼戻しの現象と３％から２０％の残留オーステナイトの保有とを促進するために、およそ５００℃と周囲温度との間、特に５００℃と２００℃以下の温度との間で冷却速度を場合によって減速することができる。この場合、５００℃と２００℃以下の温度との間の冷却速度は０．０７℃／秒から５℃／秒とするのが好ましく；０．１５℃／秒から２．５℃／秒がより好ましい。

好ましい実施形態において、２００℃以下の温度への冷却操作の終わりに、３００℃未満の温度で１０時間未満の時間、焼戻しが行われる。

他の好ましい実施形態において、本発明による方法は、２００℃以下の温度への冷却操作の終わりにおける焼戻しを含まない。

他の好ましい実施形態において、本発明による方法に曝す構成部材は、３から１５０ｍｍの厚さを有する板である。

本発明の第３の主題は、その厚さが３ｍｍから１５０ｍｍである本発明による溶接可能な鋼板の製造方法であり、この方法は、板を焼入れして、℃／時間で表した８００℃と５００℃の間におけるこの板の芯部における冷却速度Ｖ_Ｒおよびその鋼の組成を：
１．１％Ｍｎ＋０．７％Ｎｉ＋０．６％Ｃｒ＋１．５（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）＋ｌｏｇＶ_Ｒ≧５．５、
および好ましくは≧６（ｌｏｇは常用対数）とすることを特徴とする。

本発明は、上記に示した含量のケイ素の添加により、ホウ素の焼入れ効果を３０から５０％増大させることが可能になるとの新たな発見に基づいている。この相乗作用は、ホウ素添加量を増加させずに現われるが、ホウ素が存在しないとケイ素は何ら見るべき焼入れ効果を有しない。

一方、ケイ素の添加は、ＨＡＺにおける場合のように、オーステナイト化温度が上昇するとその焼入れ性が低下し、次いで相殺されると見られるホウ素の性質に影響を及ぼさない。

したがって、ホウ素が存在する状態でケイ素を使用すると、構成部材の溶接性に悪影響を及ぼすことなく、構成部材の焼入れ性をさらに向上させることが可能であることが理解されるであろう。

さらに、これらの鋼品種の焼入れ性を向上させることにより、一方で、特にクロム、モリブデン、およびタングステンにより代表される炭化物生成元素の最小限の含量を確保することにより、単に低温における焼戻しを実施することによって、または焼戻しをなくしてさえも、これらの鋼を製造することが可能であることをも見出している。

焼入れ性の向上により、構成部材をより遅く冷却し、同時に確実に実質的なベイナイト、マルテンサイト、またはマルテンサイト−ベイナイト構造とすることが可能になる。この遅い冷却を炭化物生成元素の十分な含量と組み合せることにより、いわゆる自動焼戻し現象によって微細なクロム、モリブデン、および／またはタングステン炭化物の析出が可能になる。さらに、５００℃未満で冷却速度を遅くすることにより、この自動焼戻し現象は大いに促進される。同様に、これを遅くすると、３％から２０％の割合におけるオーステナイトの保有をも助長する。したがって製造方法が単純化され、同時に鋼の機械的特性が、通常行われる、高温での焼戻しによる大幅な軟化を受けずに改良される。しかし、通常の温度、すなわちＡｃ_１以下の温度でこのような焼戻しを実施することは、依然として可能である。

本発明をここで、より詳細に、しかし非限定的な形で記述している。

本発明による構成部材の鋼は：
優れた機械的特性が得られることを可能にするために０．４０重量％以上、しかし良好な溶接性、良好な切削性、良好な曲げに対する適性、および満足される靭性を得るために０．５０％以下の炭素と；
ホウ素との相乗効果を得るために０．５０重量％以上、好ましくは０．７５重量％を超える、また特に好ましくは０．８５重量％を超える、しかし鋼を脆化しないために１．５０重量％以下のケイ素と；
焼入れ性を調節するために０．０００５重量％以上、好ましくは０．００１重量％を超える、しかし鋼の機械的特性に対して有害である窒化ホウ素の含量が高過ぎることを避けるために０．０１０重量％以下のホウ素と；
鋼を生産するため使用した方法の関数として得られる含量である０．０２５重量％以下、また好ましくは０．０１５重量％未満の窒素と；
主としてベイナイト、マルテンサイトまたはマルテンサイト−ベイナイト構造を得るために、さらに上記に示したようにクロム、モリブデンおよびタングステンは、機械的強度および耐摩耗性に有利な炭化物の生成を可能にする利点を有しており、０重量％から３重量％かつ好ましくは０．３重量％から１．８重量％のマンガン、０重量％から５重量％かつ好ましくは０重量％から２重量％のニッケル、０重量％から４重量％のクロム、０重量％から１重量％の銅、１．５０重量％以下であるモリブデン含量および半量のタングステン含量の合計量と、さらに場合によって３００℃への焼戻しを制限し、または焼戻しをなくすることができるために％Ｃｒ＋３（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）合計量が好ましくは１．８重量％以上であること、また特に好ましくは２．０重量％以上であることと；
その量を超えると鋳造性に有害（介在物による鋳造ダクトの閉塞）であろう０．９重量％以下のアルミニウムと、圧延の間の切れの危険性を制限するためにアルミニウムおよびケイ素の累積含量も２．０重量％以下でなければならないことと；
場合によって０．３重量％未満の含量のＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓ、およびＣａから選択され、および／または０．５重量％以下の含量のＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種の元素と、溶接性への過度の悪影響を有することなくＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒの添加により析出硬化が可能になることと、チタン、ジルコニウム、およびアルミニウムを使用して鋼内に存在する窒素（ホウ素を保護する）を固定でき、Ｚｒ重量の２倍ですべてのもしくはいくらかのチタンを置き換えることが可能であることと、硫黄およびカルシウムが本品種の機械加工性を改良することと；
この組成におけるアルミニウム、ホウ素、チタンおよび窒素の含量が、重量％の１０００分の１で表して、下記の関係：

も満たしていることと、
残部が鉄、および生産工程から生じる不純物であることと
を含む。

溶接可能な構成部材を製造するために、本発明による鋼を製造し、半仕上製品の形で鋳造し、次いでそれを高温における塑性変形により、例えば圧延によりもしくは鍛造により成形する。そのようにして得られた構成部材は次いで、Ａｃ_３ 以上１０００℃以下の、また好ましくは９５０℃未満の温度に加熱することによりオーステナイト化し、次いでそれを、構成部材の芯部で８００℃と５００℃の間の冷却速度が臨界ベイナイト速度以上になるような方法で周囲温度まで冷却する。オーステナイト化の温度は１０００℃を限界とする。その温度を超えるとホウ素の焼入れ効果があまりに弱くなるからである。

しかし、成形操作の熱処理中に直接冷却するステップにより（再オーステナイト化をなくして）構成部材を得ることも可能であり、この場合成形前の加熱が１０００℃を超えても、１３００℃未満に留まっていればホウ素はその効果を保持する。

オーステナイト化の温度から周囲温度まで構成部材を冷却するために、冷却速度が臨界ベイナイト速度を超えて留まっている限りは、任意の知られている焼入れ方法（空気、油、水）を使用することが可能である。

次いで構成部材はＡｃ_１以下の温度で、場合によって従来の焼戻しに掛けるが、この温度は３００℃までに制限し、またはこのステップをなくすることさえも好ましい。焼戻しがなくても、場合によって自動焼戻しの現象によって補償できる。特に、低温において（すなわち、およそ５００℃未満で）０．０７℃／秒から５℃／秒とするのが好ましく、０．１５℃／秒から２．５℃／秒がより好ましい冷却速度を可能にするステップによりこの現象が促進される。

このために、任意の知られている焼入れ手段を使用できる。ただしそれらの手段は必要な場合制御される。したがって、例えば、構成部材の温度が５００℃未満に低下したとき冷却速度を減速させる場合、水焼入れを使用することが可能であり、このことは、詳細には、空気中における焼入れ操作を仕上げるために構成部材を水中から取り出すことにより行うことができるであろう。

このようにして、ベイナイト、マルテンサイトまたはマルテンサイト−ベイナイトの芯部構造を有し、３％から２０％の残留オーステナイトを含む鋼により構成される溶接可能な構成部材、また特に溶接可能な板が得られる。

残留オーステナイトの存在は、溶接時の鋼の挙動に関連して特に注目される。溶接中の割れの危険性を制限するという観点で、また上述したＨＡＺの焼入れ性低減のほかに、ＨＡＺ近傍の基盤金属中の残留オーステナイトの存在によって、溶接操作により導入されたと思われ、このように固定されないと割れの危険性を増大させる恐れがある、溶解水素の一部を固定することが可能である。

実施例として、本発明による鋼１および２によって、また従来技術による鋼ＡおよびＢによって、棒を製造した。これらの棒の組成は、重量％の１０００分の１により、また鉄を除いて次の通りである。

棒を鍛造した際に、膨張計測によりこの４点の鋼の焼入れ性を評価した。ここでは例として、マルテンサイト焼入れ性に注目し、したがってまた９００℃で１５分間オーステナイト化した後の、臨界マルテンサイト速度Ｖ１に着目した。

この速度Ｖ１を用いて、実質的なマルテンサイト芯部構造を保持しながら、その構造が少なくとも３％の残留オーステナイトをも含み、また得ることができる最大の板厚を導き出している。これらの厚さは、空気焼入れ（Ａ）、油焼入れ（Ｈ）、および水焼入れ（Ｅ）の場合に測定した。

最後に２つの鋼の溶接性を、式：
Ｃ_ｅｑ＝（％Ｃ＋％Ｍｎ／６＋（％Ｃｒ＋（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）＋％Ｖ）／５＋％Ｎｉ／１５）
による炭素当量百分率を計算することによって、推算した。

本発明による棒Ｌ１およびＬ２、ならびに比較として示した棒ＬＡおよびＬＢの特性値は、次の通りである：

本発明による構成部材の臨界マルテンサイト速度は、従来技術の鋼棒の対応する速度よりも際立って低く、このことはこれらの構成部材の焼入れ性が実質的に改良されるが、同時にそれらの溶接性には変化がないことを意味していることが理解されるであろう。

したがって、焼入れ性の改良により、従来技術の構成部材よりもあまり厳しくない冷却条件のもとで、かつ／またはより大きな最大厚さで、芯部焼入れ構造を有する構成部材を製造することが可能になっている。

Claims (11)

1. 化学的組成が、重量により：
   を含み、
   場合によって、０．３重量％未満の含量においてＶ、Ｎｂ、Ｔａ、ＳおよびＣａから選択される少なくとも１種の元素および／または０．５重量％未満またはこれに等しい含量においてＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種の元素を含み、残部が鉄、および生産工程から生じる不純物であり、
   前記組成のアルミニウム、ホウ素、チタンおよび窒素の含量は、重量％の１０００分の１により表して下記の関係：
   も満たしており、
   また、鋼の構造はベイナイト、マルテンサイトまたはマルテンサイト−ベイナイト系であり、およびまた３から２０％の残留オーステナイトをも含むことを特徴とする、溶接可能な構造鋼の構成部材。
2. 化学組成が、下記の関係：
   １．１％Ｍｎ＋０．７％Ｎｉ＋０．６％Ｃｒ＋１．５（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）≧１
   （２）
   も満たしていることを特徴とする請求項１に記載の鋼構成部材。
3. 化学組成が、下記の関係：
   １．１％Ｍｎ＋０．７％Ｎｉ＋０．６％Ｃｒ＋１．５（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）≧２
   （２）
   も満たしていることを特徴とする請求項２に記載の鋼構成部材。
4. 化学組成が、下記の関係：
   ％Ｃｒ＋３（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）≧１．８
   も満たしていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鋼構成部材。
5. 化学組成が、下記の関係：
   ％Ｃｒ＋３（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）≧２．０
   も満たしていることを特徴とする請求項４に記載の鋼構成部材。
6. 前記構成部材を、Ａｃ_３から１０００℃の温度で加熱することによりオーステナイト化し、次いで前記構成部材の芯部において８００℃と５００℃の間の冷却速度が臨界ベイナイト速度以上となるように、周囲温度まで冷却すること、
   場合によって、Ａｃ_１以下の温度で焼戻しを行うこと
   を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接可能な鋼構成部材の製造方法。
7. 前記構成部材の芯部において、５００℃と、２００℃以下の温度との間の冷却速度が、０．０７℃／秒から５℃／秒であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. ２００℃以下の温度への冷却操作の終わりに、３００℃未満の温度で１０時間未満の時間、焼戻しが行われることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. ２００℃以下の温度への冷却操作の終わりに、焼戻しをまったく実施しないことを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
10. 厚さが３ｍｍから１５０ｍｍであり、鋼板を焼入れして、８００℃と５００℃の間における前記構成部材の芯部における冷却速度Ｖ_Ｒ、および前記鋼の組成を：
    １．１％Ｍｎ＋０．７％Ｎｉ＋０．６％Ｃｒ＋１．５（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）＋ｌｏｇＶ_Ｒ≧５．５
    とすることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接可能な鋼板の製造方法。
11. 厚さが３ｍｍから１５０ｍｍであり、鋼板を焼入れして、８００℃と５００℃の間における前記構成部材の芯部における冷却速度Ｖ_Ｒ、および前記鋼の組成を：
    １．１％Ｍｎ＋０．７％Ｎｉ＋０．６％Ｃｒ＋１．５（％Ｍｏ＋％Ｗ／２）＋ｌｏｇＶ_Ｒ≧６
    とすることをさらに特徴とする、請求項１０に記載の溶接可能な鋼板の製造方法。