JP4571752B2 - 超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高層建築のボックス柱の組み立てで適用されるエレクトロスラグ溶接などの超大入熱溶接における熱影響部（以下、ＨＡＺと称する）靭性に優れた溶接用高張力鋼の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の建築構造物の高層化に伴い、鋼製柱が大型化し、これに使用される鋼材の板厚も増してきた。このような板厚の大きな鋼を高能率で溶接するために、入熱量の大きなエレクトロスラグ溶接が広く用いられるようになってきた。その際の入熱量は５００〜１５００kJ／cmであり、このような超大入熱溶接では、ＨＡＺは１３５０℃以上の高温に長時間さらされるためオーステナイト粒の粗大化が著しく、ＨＡＺの高靭性を確保することが困難であった。最近の大地震を契機に、建築構造物の信頼性確保が大きな課題となってきており、超大入熱溶接におけるＨＡＺの靭性向上が望まれている。
【０００３】
従来のＨＡＺ靭性向上技術は大きく二つに分類される。一つはピン止め粒子によるオーステナイト粒の粗大化抑制技術であり、他の一つはオーステナイト粒内フェライト変態を利用した有効結晶粒微細化技術である。
オーステナイト粒の粗大化抑制に有効な粒子として、ＴｉＮやＭｇ含有酸化物がある。例えば、鉄と鋼ｖｏｌ．６１、Ｎｏ．１１、６８頁には、ＴｉＮの微細分散によりオーステナイト粒粗大化が抑制されることが示されている。しかしながら、本発明が対象とする超大入熱溶接ではＨＡＺは１３５０℃以上の高温に長時間さらされるため、ほとんどのＴｉＮは固溶し、オーステナイト粒粗大化抑制効果を失う。従って、ＴｉＮの微細分散技術は本発明が目的とする超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性向上には適用できない。
【０００４】
一方、Ｍｇ含有酸化物は１３５０℃以上の高温でも安定であり、超大入熱溶接のＨＡＺにおけるオーステナイト粒の粗大化抑制に適用可能であることが、特開平９−１５７７８７号公報に示されている。しかし、オーステナイト粒の粗大化抑制だけでは超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性向上は十分でなく、オーステナイト粒内フェライト変態を利用した有効結晶粒微細化技術を併用する必要がある。
前記特開平９−１５７７８７号公報では、オーステナイト粒内フェライト変態を起こさせる目的でＴｉ含有酸化物とＭｎＳの複合体を利用することを開示しているが、Ｔｉ含有酸化物とＭｎＳの複合体ではオーステナイト粒内フェライト変態を発生させる能力が十分でなく、その結果、超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性を十分に向上させるに至らない。
【０００５】
また、特開平８−１７０１４５号公報では、オーステナイト粒内フェライト変態を起こさせる目的でＴｉ、Ｍｎ、Ａｌ含有酸化物を利用することを開示しているが、Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ含有酸化物ではオーステナイト粒内フェライト変態を発生させる能力が十分でない。さらには、Ａｌを添加した鋼ではＡｌの脱酸力がＴｉの脱酸力よりも強いため、Ｔｉが還元され、Ｔｉ含有酸化物を鋼中に分散させることが困難である。このため、十分なオーステナイト粒内フェライト変態を発生させることができず、超大入熱溶接におけるＨＡＺ靱性を十分に向上させるに至らなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような問題点を解決し、高層建築のボックス柱の組み立てで適用されるエレクトロスラグ溶接などの超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性に優れた溶接用高張力鋼を提供することをその課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は鋼中にＭｎを２〜３０at％含有する粒子径が０．１〜３μｍのＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を２０〜１０００個／mm2 含ませ、オーステナイト粒内フェライト変態を促進することで超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼を得るものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
【０００９】
（１）質量％で、
Ｃ ：０．０１〜０．２％、 Ｓｉ：０．０２〜０．１５％、 Ｍｎ：０．６〜２％、
Ｐ ：０．０２％以下、 Ｓ ：０．００２〜０．００８％、
Ａｌ：０．０００５〜０．０２％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、 Ｎ ：０．００２〜０．００８％、
Ｏ ：０．０００５〜０．００８％
を含有し、Ｂａ：０．０００３〜０．０１％、Ｓｒ：０．０００３〜０．０１％の１種または２種を、さらに含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼であって、Ｍｎを２〜３０at％含有し、粒子径が０．１〜３μｍのＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を２０〜１０００個／mm2 含み、前記Ｔｉ、Ｍｇ含有酸化物がペロブスカイト型結晶構造を有する超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼を製造するにあたり、酸素濃度を０．００２〜０．０１５質量％とした後、Ｔｉを添加し、次に、Ｍｇを添加し、その後他の脱酸元素であるＢａ、Ｓｒの１種または２種を添加した溶鋼を鋳造し圧延することを特徴とする超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
発明者らは、超大入熱溶接ＨＡＺの組織と靭性に関する詳細な研究を実施した結果、Ｍｎを０．５〜５０at％含有するＴｉ含有酸化物がオーステナイト粒内フェライト変態発生を著しく促進することを見出し、本発明を完成した。
Ｍｎを０．５〜５０at％含有するＴｉ含有酸化物がオーステナイト粒内フェライト変態発生を著しく促進する原因は、鋼中Ｍｎが酸化物中に吸収され、酸化物周辺にＭｎ濃度の希薄な領域を形成するためである。
【００１２】
酸化物がＭｎを吸収する機構としては、酸化物中に陽イオン空孔が多数存在し、陽イオン空孔にＭｎが吸収されるとする陽イオン空孔説、あるいは酸化物中のＭｇやＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａなどの陽イオンとＭｎが置換する陽イオン置換説が考えられる。いずれにしても、酸化物中のＭｎ濃度が５０ａｔ％以上になると、介在物中の陽イオン空孔あるいはＭｇやＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａなどの陽イオンがほとんど無くなるためＭｎ吸収能は低下する。逆に、酸化物中に含有できるＭｎ量が０．５at％未満では十分に鋼中Ｍｎを吸収できず、オーステナイト粒内フェライト変態を発生することが難しくなる。従って、酸化物中Ｍｎ含有量は０．５〜５０at％とした。ただし、Ｍｎ吸収能は酸化物の大きさにも依存するため通常の鋼で最も多くみられる３μｍ以下の酸化物の場合、Ｍｎ含有量は２〜３０at％が望ましい。
【００１３】
また、特に９００〜１２００℃での酸化物中Ｍｎ含有量が大きい酸化物が望ましい。９００℃以下の温度では、鋼中Ｍｎはほとんど拡散しないため、９００℃以下での酸化物中Ｍｎ含有量は特性にほとんど影響しない。また、１２００℃以上ではＭｎの拡散が非常に速いため、一時的に鋼中でＭｎ濃度の低い領域が形成されてもすぐにＭｎ濃度は均一になってしまう。従って、１２００℃以上での酸化物中Ｍｎ含有量は特性にほとんど影響しない。
【００１４】
また、ＨＡＺにおいて溶接終了後の冷却中にオーステナイト粒内フェライト変態を発生させるには、溶接中のＨＡＺの温度（約１３００℃〜１４５０℃）での酸化物中Ｍｎ含有量に比べて、それよりも低温（約９００℃〜１２００℃）での酸化物中Ｍｎ含有量が大きいことが望ましい。
【００１５】
Ｍｎを含むＴｉ含有酸化物のうち、特にスピネル型結晶構造またはペロブスカイト型結晶構造を有するＴｉ含有酸化物は上記の条件を満たしており、Ｍｎの吸収能に優れ、周囲の鋼におけるＭｎ濃度の低下量が大きく、オーステナイト粒内フェライト変態の発生が著しく容易である。また、酸化物がＭｇを含むＴｉ、Ｍｇ酸化物の場合は、前記の効果を一層高めることができ好ましい。
【００１６】
前記Ｍｎ含むＴｉ含有酸化物もしくはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を鋼中に分散させるには、Ｔｉを添加し、その後Ｍｇと他の脱酸元素を添加した溶鋼を鋳造して製造しなければならない。これは、Ｔｉを先に添加することでＴｉ酸化物を晶出させ、その後他の脱酸元素を添加することでＴｉ含有酸化物を生成させることができる。Ｔｉ含有酸化物はＭｎを固溶しやすく、鋳造工程で前記Ｍｎ含有酸化物となる。Ｍｇなどの他の脱酸元素を先に添加すると、Ｍｇの脱酸力がＴｉの脱酸力よりも強いためＭｇ酸化物となり、Ｔｉ含有酸化物ができないものと考えられる。
【００１７】
前記Ｍｎ含むＴｉ含有酸化物もしくはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物の粒子径を変化させてオーステナイト粒内フェライト変態発生率を調べたところ、０．１μｍ未満ではオーステナイト粒内フェライト変態発生率が急激に減少した。従って、粒子径は０．１μｍ以上であることが必要である。一方、５μｍを超える粒子は脆性破壊の起点となりやすく、靭性を劣化させる。従って、粒子径は５μｍ以下である必要がある。
【００１８】
また、粒子密度が２０個／mm2 未満では十分なＨＡＺ靭性向上を達成できない。従って粒子密度の下限を２０個／mm2 とした。一方、粒子密度が１０００個／mm2 を超えると延性低下を示すため、粒子密度の上限を１０００個／mm2 とした。ここで、粒子密度の測定は、製造した鋼の断面をＣＭＡ分析装置で元素マッピングを行い、粒子個数を計測し、粒子密度に換算した。なお、ＣＭＡ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）は、電子線により励起された原子の特性Ｘ線によって元素を特定し画像処理によりその分布を表示する解析手法である。溶接の入熱量が得に高く、７００kJ／cm以上となる場合には、さらに靱性が要求されるため、粒子密度は１００〜５００個／mm2 が望ましい。
【００１９】
また、本発明鋼はオーステナイト粒粗大化抑制効果のあるＴｉＮやＡｌＭｇ酸化物などの分散と組み合わせることにより、一層のＨＡＺ靱性向上が可能である。
【００２０】
次に、成分元素の限定理由を示す。なお、％は質量％を表す。
Ｃ：０．０１％未満では母材強度が確保できないので下限を０．０１％とした。また、０．２％を超えると脆性破壊起点となるセメンタイトが増加するため靱性が低下する。このため上限を０．２％とした。
【００２１】
Ｓｉ：０．０２％未満では母材強度が確保できないので下限を０．０２％とした。また、０．１５％を超えるとＨＡＺ中に島状マルテンサイトが生成し、靱性が低下する。このため上限を０．１５％とした。
【００２２】
Ｍｎ：オーステナイト粒内フェライト変態を発生させるにはＭｎが必須である。０．６％以下ではオーステナイト粒内フェライト変態率が著しく減少するため、０．６％を下限とした。また、２％を超えるとオーステナイト粒内フェライト変態が発生しても、母材の靱性劣化が激しく、良好なＨＡＺ靱性が得られない。
従って２％を上限とした。
【００２３】
Ｐ：粒界脆化をもたらすため低い方が望ましい。０．０２％を超えると靱性低下が顕著になるため０．０２％以下とした。
【００２４】
Ｓ：ＳはＭｎＳとして析出することにより、本発明のＴｉ含有酸化物もしくはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物の効果と併せてオーステナイト粒内フェライト変態を促進させる効果がある。０．００２％未満ではオーステナイト粒内フェライト変態促進効果がほとんどなくなるため、下限を０．００２％とした。ただし、０．００８％を超えると板厚方向の延性低下が顕著となるため、上限を０．００８％とした。
【００２５】
Ａｌ：ＡｌはＴｉ含有酸化物の生成を抑制するため、低い方が望ましい。０．０２％を超えるとＴｉおよびＭｇ含有酸化物の生成が著しく低下するため、０．０２％以下とした。ただし、特に著しいオーステナイト粒内フェライト変態が求められる場合には０．００５％以下とすることが好ましい。また、十分な酸素濃度が得られた状態で、酸素を使いきらない程度のＡｌ添加は靱性向上に効果がある。従って、下限値を０．０００５％とした。
【００２６】
Ｔｉ：ＴｉはＭｎを固溶しやすいＴｉ含有酸化物を生成し、オーステナイト粒内フェライト変態を発生させるために必須である。０．００５％未満では酸化物密度が低すぎるため０．００５％を下限とした。逆に０．０２５％を超えると、破壊起点となる粗大なＴｉ酸化物を生成し靱性低下をもたらす。従って上限を０．０２５％した。ただし、０．００８％未満の場合、酸化物のＴｉ含有量が低く、酸化物へのＭｎ固溶量が減少するため、オーステナイト粒内フェライト変態の発生率が低くなる。また、０．０２％を超えると、粗大なＴｉ酸化物が生成しはじめるので靱性が低下する。従って、特に良好な靱性値が要求される場合のＴｉ含有量は０．００８〜０．０２％が望ましい。
【００２７】
Ｎ：ＮはＴｉＮを析出するために必要である。ＴｉＮは高温では溶融しオーステナイト粒粗大化抑制の効果を失うが、溶接融合線から離れた部分では加熱温度が低くなりオーステナイト粒粗大化抑制に効果を発揮する。ＨＡＺ全域にわたって靱性を向上させるにはＴｉＮの利用が必要である。Ｎが０．００２％未満では十分なＴｉＮが析出しないため、下限を０．００２％とした。０．００８％を超えるとフェライト鋼中に固溶して靱性低下をもたらすため、上限を０．００８％とした。
【００２８】
Ｍｇ：ＭｇはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を生成しオーステナイト粒内フェライト変態を発生させるために必要である。０．０００３％未満では酸化物密度が低すぎるため０．０００３％を下限とした。逆に０．０１％を超えると、酸化物が多くなりすぎて延性低下をもたらす。従って、上限を０．０１％とした。ただし、０．００１％未満では酸化物の大きさが小さいためＭｎ吸収能は低い。また、０．００５％以上では、酸化物の一部がＭｇ含有酸化物となり、Ｔｉ、Ｍｇ含有酸化物の数が減少するためＭｎ吸収能は低下する。従って、特に良好な靱性値が要求される場合のＭｇ含有量は０．００１〜０．００５％が望ましい。
【００２９】
Ｏ：酸化物を生成するために必要である。０．０００５％未満では酸化物の個数が不足するため、下限を０．０００５％とした。逆に０．００８％を超えると、酸化物が多くなりすぎて延性低下をもたらす。従って、上限を０．００８％とした。
【００３０】
Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａ：これらの元素は、溶鋼へのＴｉ添加後に添加することで、ペロブスカイト型結晶構造やスピネル型結晶構造を有するＴｉ含有酸化物を生成しやすいため、１種以上をそれぞれ０．０００３％以上含有する。逆に０．０１％を超えると酸化物が多くなりすぎ、また粗大化しやすくなり、延性や靱性の低下をもたらす。従って、上限を０．０１％とした。
【００３１】
【実施例】
転炉により鋼を溶製し、連続鋳造により厚さ２４０mmのスラブを製造した。比較例として、ほぼ同一の組成でＡｌ、Ｔｉ、Ｍｇ量のみ変化させた鋼および本発明鋼と同じ組成であるがＭｇを先に添加した後Ｔｉを添加した鋼を製造した。それらの化学組成を表１に示す。これらの鋼を用いて、図１に示すエレクトロスラグ溶接により溶接試験体を作成した。溶接の電流は３８０Ａ、電圧は４６Ｖ、速度は１．１４cm／分とした。入熱は９２０kJ／cmである。図１に示すように、溶接融合線および溶接融合線から３mmの位置がノッチ位置に一致するようにシャルピー試験片を採取した。シャルピー衝撃試験を０℃で行い、靱性を評価した結果を表２に示す。
【００３２】
また、エレクトロスラグ溶接部融合線近傍のＨＡＺの光学顕微鏡組織観察を行い、オーステナイト粒径と粒内変態フェライト分率を測定した。さらに、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｍｎを含有する酸化物の組成、大きさ、密度をＣＭＡ分析装置により調べた。また、酸化物の結晶構造を調べるため、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を利用して電子線回折図形の解析を実施した。これらの結果も併せて表２に示す。
【００３３】
表２から明らかなように、本発明鋼は比較鋼に比べて超大入熱溶接におけるＨＡＺ靱性が優れている。本発明鋼では、Ｍｎを０．５at％以上５０at％以下含有し粒子径が０．１〜５μｍである酸化物が２０〜１０００個／mm2 の密度で存在し、粒内変態フェライト分率が著しく高いことが判る。スピネル型結晶構造またはペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物では粒内変態フェライト分率が特に大きいことが判る。
【００３４】
一方、比較鋼において、Ｍｎを０．５at％以上含有するＴｉ含有酸化物が存在しないかあるいは２０個／mm2 未満の分布密度の場合には粒内変態フェライト分率は低い。このため、オーステナイト粒径が小さい鋼（表２の番号２７と３０）でも靱性はそれほど良くない。
Ｍｎを０．５at％以上含有するＴｉ含有酸化物の分布密度が１０００個／mm2 を超える場合（表２の番号３３、３５、３７、３９）、粒内変態率は高いが、靱性値は低くなっている。
また、ＭｇをＴｉよりも先に添加した鋼（番号３２）では、酸化物はＭｇ酸化物となっており、Ｔｉ、Ｍｇ含有酸化物は見られない。このＭｇ酸化物はＭｎを含有せず、粒内変態率は低く、靱性は悪い。
【００３５】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、高層建築のボックス柱の組み立てで適用されるエレクトロスラグ溶接などの５００kJ／cm以上の超大入熱溶接におけるＨＡＺ部で、粒内変態フェライト分率を著しく高くし、オーステナイト粒径を小さくすることができ、その結果ＨＡＺ靭性に優れた溶接用高張力鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例におけるエレクトロスラグ溶接条件を示す模式図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高層建築のボックス柱の組み立てで適用されるエレクトロスラグ溶接などの超大入熱溶接における熱影響部（以下、ＨＡＺと称する）靭性に優れた溶接用高張力鋼の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の建築構造物の高層化に伴い、鋼製柱が大型化し、これに使用される鋼材の板厚も増してきた。このような板厚の大きな鋼を高能率で溶接するために、入熱量の大きなエレクトロスラグ溶接が広く用いられるようになってきた。その際の入熱量は５００〜１５００kJ／cmであり、このような超大入熱溶接では、ＨＡＺは１３５０℃以上の高温に長時間さらされるためオーステナイト粒の粗大化が著しく、ＨＡＺの高靭性を確保することが困難であった。最近の大地震を契機に、建築構造物の信頼性確保が大きな課題となってきており、超大入熱溶接におけるＨＡＺの靭性向上が望まれている。
【０００３】
従来のＨＡＺ靭性向上技術は大きく二つに分類される。一つはピン止め粒子によるオーステナイト粒の粗大化抑制技術であり、他の一つはオーステナイト粒内フェライト変態を利用した有効結晶粒微細化技術である。
オーステナイト粒の粗大化抑制に有効な粒子として、ＴｉＮやＭｇ含有酸化物がある。例えば、鉄と鋼ｖｏｌ．６１、Ｎｏ．１１、６８頁には、ＴｉＮの微細分散によりオーステナイト粒粗大化が抑制されることが示されている。しかしながら、本発明が対象とする超大入熱溶接ではＨＡＺは１３５０℃以上の高温に長時間さらされるため、ほとんどのＴｉＮは固溶し、オーステナイト粒粗大化抑制効果を失う。従って、ＴｉＮの微細分散技術は本発明が目的とする超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性向上には適用できない。
【０００４】
一方、Ｍｇ含有酸化物は１３５０℃以上の高温でも安定であり、超大入熱溶接のＨＡＺにおけるオーステナイト粒の粗大化抑制に適用可能であることが、特開平９−１５７７８７号公報に示されている。しかし、オーステナイト粒の粗大化抑制だけでは超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性向上は十分でなく、オーステナイト粒内フェライト変態を利用した有効結晶粒微細化技術を併用する必要がある。
前記特開平９−１５７７８７号公報では、オーステナイト粒内フェライト変態を起こさせる目的でＴｉ含有酸化物とＭｎＳの複合体を利用することを開示しているが、Ｔｉ含有酸化物とＭｎＳの複合体ではオーステナイト粒内フェライト変態を発生させる能力が十分でなく、その結果、超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性を十分に向上させるに至らない。
【０００５】
また、特開平８−１７０１４５号公報では、オーステナイト粒内フェライト変態を起こさせる目的でＴｉ、Ｍｎ、Ａｌ含有酸化物を利用することを開示しているが、Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ含有酸化物ではオーステナイト粒内フェライト変態を発生させる能力が十分でない。さらには、Ａｌを添加した鋼ではＡｌの脱酸力がＴｉの脱酸力よりも強いため、Ｔｉが還元され、Ｔｉ含有酸化物を鋼中に分散させることが困難である。このため、十分なオーステナイト粒内フェライト変態を発生させることができず、超大入熱溶接におけるＨＡＺ靱性を十分に向上させるに至らなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような問題点を解決し、高層建築のボックス柱の組み立てで適用されるエレクトロスラグ溶接などの超大入熱溶接におけるＨＡＺ靭性に優れた溶接用高張力鋼を提供することをその課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は鋼中にＭｎを２〜３０at％含有する粒子径が０．１〜３μｍのＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を２０〜１０００個／mm2 含ませ、オーステナイト粒内フェライト変態を促進することで超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼を得るものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
【０００９】
（１）質量％で、
Ｃ ：０．０１〜０．２％、 Ｓｉ：０．０２〜０．１５％、 Ｍｎ：０．６〜２％、
Ｐ ：０．０２％以下、 Ｓ ：０．００２〜０．００８％、
Ａｌ：０．０００５〜０．０２％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、 Ｎ ：０．００２〜０．００８％、
Ｏ ：０．０００５〜０．００８％
を含有し、Ｂａ：０．０００３〜０．０１％、Ｓｒ：０．０００３〜０．０１％の１種または２種を、さらに含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼であって、Ｍｎを２〜３０at％含有し、粒子径が０．１〜３μｍのＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を２０〜１０００個／mm2 含み、前記Ｔｉ、Ｍｇ含有酸化物がペロブスカイト型結晶構造を有する超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼を製造するにあたり、酸素濃度を０．００２〜０．０１５質量％とした後、Ｔｉを添加し、次に、Ｍｇを添加し、その後他の脱酸元素であるＢａ、Ｓｒの１種または２種を添加した溶鋼を鋳造し圧延することを特徴とする超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
発明者らは、超大入熱溶接ＨＡＺの組織と靭性に関する詳細な研究を実施した結果、Ｍｎを０．５〜５０at％含有するＴｉ含有酸化物がオーステナイト粒内フェライト変態発生を著しく促進することを見出し、本発明を完成した。
Ｍｎを０．５〜５０at％含有するＴｉ含有酸化物がオーステナイト粒内フェライト変態発生を著しく促進する原因は、鋼中Ｍｎが酸化物中に吸収され、酸化物周辺にＭｎ濃度の希薄な領域を形成するためである。
【００１２】
酸化物がＭｎを吸収する機構としては、酸化物中に陽イオン空孔が多数存在し、陽イオン空孔にＭｎが吸収されるとする陽イオン空孔説、あるいは酸化物中のＭｇやＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａなどの陽イオンとＭｎが置換する陽イオン置換説が考えられる。いずれにしても、酸化物中のＭｎ濃度が５０ａｔ％以上になると、介在物中の陽イオン空孔あるいはＭｇやＣａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａなどの陽イオンがほとんど無くなるためＭｎ吸収能は低下する。逆に、酸化物中に含有できるＭｎ量が０．５at％未満では十分に鋼中Ｍｎを吸収できず、オーステナイト粒内フェライト変態を発生することが難しくなる。従って、酸化物中Ｍｎ含有量は０．５〜５０at％とした。ただし、Ｍｎ吸収能は酸化物の大きさにも依存するため通常の鋼で最も多くみられる３μｍ以下の酸化物の場合、Ｍｎ含有量は２〜３０at％が望ましい。
【００１３】
また、特に９００〜１２００℃での酸化物中Ｍｎ含有量が大きい酸化物が望ましい。９００℃以下の温度では、鋼中Ｍｎはほとんど拡散しないため、９００℃以下での酸化物中Ｍｎ含有量は特性にほとんど影響しない。また、１２００℃以上ではＭｎの拡散が非常に速いため、一時的に鋼中でＭｎ濃度の低い領域が形成されてもすぐにＭｎ濃度は均一になってしまう。従って、１２００℃以上での酸化物中Ｍｎ含有量は特性にほとんど影響しない。
【００１４】
また、ＨＡＺにおいて溶接終了後の冷却中にオーステナイト粒内フェライト変態を発生させるには、溶接中のＨＡＺの温度（約１３００℃〜１４５０℃）での酸化物中Ｍｎ含有量に比べて、それよりも低温（約９００℃〜１２００℃）での酸化物中Ｍｎ含有量が大きいことが望ましい。
【００１５】
Ｍｎを含むＴｉ含有酸化物のうち、特にスピネル型結晶構造またはペロブスカイト型結晶構造を有するＴｉ含有酸化物は上記の条件を満たしており、Ｍｎの吸収能に優れ、周囲の鋼におけるＭｎ濃度の低下量が大きく、オーステナイト粒内フェライト変態の発生が著しく容易である。また、酸化物がＭｇを含むＴｉ、Ｍｇ酸化物の場合は、前記の効果を一層高めることができ好ましい。
【００１６】
前記Ｍｎ含むＴｉ含有酸化物もしくはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を鋼中に分散させるには、Ｔｉを添加し、その後Ｍｇと他の脱酸元素を添加した溶鋼を鋳造して製造しなければならない。これは、Ｔｉを先に添加することでＴｉ酸化物を晶出させ、その後他の脱酸元素を添加することでＴｉ含有酸化物を生成させることができる。Ｔｉ含有酸化物はＭｎを固溶しやすく、鋳造工程で前記Ｍｎ含有酸化物となる。Ｍｇなどの他の脱酸元素を先に添加すると、Ｍｇの脱酸力がＴｉの脱酸力よりも強いためＭｇ酸化物となり、Ｔｉ含有酸化物ができないものと考えられる。
【００１７】
前記Ｍｎ含むＴｉ含有酸化物もしくはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物の粒子径を変化させてオーステナイト粒内フェライト変態発生率を調べたところ、０．１μｍ未満ではオーステナイト粒内フェライト変態発生率が急激に減少した。従って、粒子径は０．１μｍ以上であることが必要である。一方、５μｍを超える粒子は脆性破壊の起点となりやすく、靭性を劣化させる。従って、粒子径は５μｍ以下である必要がある。
【００１８】
また、粒子密度が２０個／mm2 未満では十分なＨＡＺ靭性向上を達成できない。従って粒子密度の下限を２０個／mm2 とした。一方、粒子密度が１０００個／mm2 を超えると延性低下を示すため、粒子密度の上限を１０００個／mm2 とした。ここで、粒子密度の測定は、製造した鋼の断面をＣＭＡ分析装置で元素マッピングを行い、粒子個数を計測し、粒子密度に換算した。なお、ＣＭＡ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）は、電子線により励起された原子の特性Ｘ線によって元素を特定し画像処理によりその分布を表示する解析手法である。溶接の入熱量が得に高く、７００kJ／cm以上となる場合には、さらに靱性が要求されるため、粒子密度は１００〜５００個／mm2 が望ましい。
【００１９】
また、本発明鋼はオーステナイト粒粗大化抑制効果のあるＴｉＮやＡｌＭｇ酸化物などの分散と組み合わせることにより、一層のＨＡＺ靱性向上が可能である。
【００２０】
次に、成分元素の限定理由を示す。なお、％は質量％を表す。
Ｃ：０．０１％未満では母材強度が確保できないので下限を０．０１％とした。また、０．２％を超えると脆性破壊起点となるセメンタイトが増加するため靱性が低下する。このため上限を０．２％とした。
【００２１】
Ｓｉ：０．０２％未満では母材強度が確保できないので下限を０．０２％とした。また、０．１５％を超えるとＨＡＺ中に島状マルテンサイトが生成し、靱性が低下する。このため上限を０．１５％とした。
【００２２】
Ｍｎ：オーステナイト粒内フェライト変態を発生させるにはＭｎが必須である。０．６％以下ではオーステナイト粒内フェライト変態率が著しく減少するため、０．６％を下限とした。また、２％を超えるとオーステナイト粒内フェライト変態が発生しても、母材の靱性劣化が激しく、良好なＨＡＺ靱性が得られない。
従って２％を上限とした。
【００２３】
Ｐ：粒界脆化をもたらすため低い方が望ましい。０．０２％を超えると靱性低下が顕著になるため０．０２％以下とした。
【００２４】
Ｓ：ＳはＭｎＳとして析出することにより、本発明のＴｉ含有酸化物もしくはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物の効果と併せてオーステナイト粒内フェライト変態を促進させる効果がある。０．００２％未満ではオーステナイト粒内フェライト変態促進効果がほとんどなくなるため、下限を０．００２％とした。ただし、０．００８％を超えると板厚方向の延性低下が顕著となるため、上限を０．００８％とした。
【００２５】
Ａｌ：ＡｌはＴｉ含有酸化物の生成を抑制するため、低い方が望ましい。０．０２％を超えるとＴｉおよびＭｇ含有酸化物の生成が著しく低下するため、０．０２％以下とした。ただし、特に著しいオーステナイト粒内フェライト変態が求められる場合には０．００５％以下とすることが好ましい。また、十分な酸素濃度が得られた状態で、酸素を使いきらない程度のＡｌ添加は靱性向上に効果がある。従って、下限値を０．０００５％とした。
【００２６】
Ｔｉ：ＴｉはＭｎを固溶しやすいＴｉ含有酸化物を生成し、オーステナイト粒内フェライト変態を発生させるために必須である。０．００５％未満では酸化物密度が低すぎるため０．００５％を下限とした。逆に０．０２５％を超えると、破壊起点となる粗大なＴｉ酸化物を生成し靱性低下をもたらす。従って上限を０．０２５％した。ただし、０．００８％未満の場合、酸化物のＴｉ含有量が低く、酸化物へのＭｎ固溶量が減少するため、オーステナイト粒内フェライト変態の発生率が低くなる。また、０．０２％を超えると、粗大なＴｉ酸化物が生成しはじめるので靱性が低下する。従って、特に良好な靱性値が要求される場合のＴｉ含有量は０．００８〜０．０２％が望ましい。
【００２７】
Ｎ：ＮはＴｉＮを析出するために必要である。ＴｉＮは高温では溶融しオーステナイト粒粗大化抑制の効果を失うが、溶接融合線から離れた部分では加熱温度が低くなりオーステナイト粒粗大化抑制に効果を発揮する。ＨＡＺ全域にわたって靱性を向上させるにはＴｉＮの利用が必要である。Ｎが０．００２％未満では十分なＴｉＮが析出しないため、下限を０．００２％とした。０．００８％を超えるとフェライト鋼中に固溶して靱性低下をもたらすため、上限を０．００８％とした。
【００２８】
Ｍｇ：ＭｇはＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を生成しオーステナイト粒内フェライト変態を発生させるために必要である。０．０００３％未満では酸化物密度が低すぎるため０．０００３％を下限とした。逆に０．０１％を超えると、酸化物が多くなりすぎて延性低下をもたらす。従って、上限を０．０１％とした。ただし、０．００１％未満では酸化物の大きさが小さいためＭｎ吸収能は低い。また、０．００５％以上では、酸化物の一部がＭｇ含有酸化物となり、Ｔｉ、Ｍｇ含有酸化物の数が減少するためＭｎ吸収能は低下する。従って、特に良好な靱性値が要求される場合のＭｇ含有量は０．００１〜０．００５％が望ましい。
【００２９】
Ｏ：酸化物を生成するために必要である。０．０００５％未満では酸化物の個数が不足するため、下限を０．０００５％とした。逆に０．００８％を超えると、酸化物が多くなりすぎて延性低下をもたらす。従って、上限を０．００８％とした。
【００３０】
Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａ：これらの元素は、溶鋼へのＴｉ添加後に添加することで、ペロブスカイト型結晶構造やスピネル型結晶構造を有するＴｉ含有酸化物を生成しやすいため、１種以上をそれぞれ０．０００３％以上含有する。逆に０．０１％を超えると酸化物が多くなりすぎ、また粗大化しやすくなり、延性や靱性の低下をもたらす。従って、上限を０．０１％とした。
【００３１】
【実施例】
転炉により鋼を溶製し、連続鋳造により厚さ２４０mmのスラブを製造した。比較例として、ほぼ同一の組成でＡｌ、Ｔｉ、Ｍｇ量のみ変化させた鋼および本発明鋼と同じ組成であるがＭｇを先に添加した後Ｔｉを添加した鋼を製造した。それらの化学組成を表１に示す。これらの鋼を用いて、図１に示すエレクトロスラグ溶接により溶接試験体を作成した。溶接の電流は３８０Ａ、電圧は４６Ｖ、速度は１．１４cm／分とした。入熱は９２０kJ／cmである。図１に示すように、溶接融合線および溶接融合線から３mmの位置がノッチ位置に一致するようにシャルピー試験片を採取した。シャルピー衝撃試験を０℃で行い、靱性を評価した結果を表２に示す。
【００３２】
また、エレクトロスラグ溶接部融合線近傍のＨＡＺの光学顕微鏡組織観察を行い、オーステナイト粒径と粒内変態フェライト分率を測定した。さらに、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｍｎを含有する酸化物の組成、大きさ、密度をＣＭＡ分析装置により調べた。また、酸化物の結晶構造を調べるため、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を利用して電子線回折図形の解析を実施した。これらの結果も併せて表２に示す。
【００３３】
表２から明らかなように、本発明鋼は比較鋼に比べて超大入熱溶接におけるＨＡＺ靱性が優れている。本発明鋼では、Ｍｎを０．５at％以上５０at％以下含有し粒子径が０．１〜５μｍである酸化物が２０〜１０００個／mm2 の密度で存在し、粒内変態フェライト分率が著しく高いことが判る。スピネル型結晶構造またはペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物では粒内変態フェライト分率が特に大きいことが判る。
【００３４】
一方、比較鋼において、Ｍｎを０．５at％以上含有するＴｉ含有酸化物が存在しないかあるいは２０個／mm2 未満の分布密度の場合には粒内変態フェライト分率は低い。このため、オーステナイト粒径が小さい鋼（表２の番号２７と３０）でも靱性はそれほど良くない。
Ｍｎを０．５at％以上含有するＴｉ含有酸化物の分布密度が１０００個／mm2 を超える場合（表２の番号３３、３５、３７、３９）、粒内変態率は高いが、靱性値は低くなっている。
また、ＭｇをＴｉよりも先に添加した鋼（番号３２）では、酸化物はＭｇ酸化物となっており、Ｔｉ、Ｍｇ含有酸化物は見られない。このＭｇ酸化物はＭｎを含有せず、粒内変態率は低く、靱性は悪い。
【００３５】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
本発明は、高層建築のボックス柱の組み立てで適用されるエレクトロスラグ溶接などの５００kJ／cm以上の超大入熱溶接におけるＨＡＺ部で、粒内変態フェライト分率を著しく高くし、オーステナイト粒径を小さくすることができ、その結果ＨＡＺ靭性に優れた溶接用高張力鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例におけるエレクトロスラグ溶接条件を示す模式図である。
Claims (1)
- 質量％で、
Ｃ ：０．０１〜０．２％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１５％、
Ｍｎ：０．６〜２％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．００２〜０．００８％、
Ａｌ：０．０００５〜０．０２％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、
Ｎ ：０．００２〜０．００８％、
Ｏ ：０．０００５〜０．００８％を含有し、
Ｂａ：０．０００３〜０．０１％、
Ｓｒ：０．０００３〜０．０１％の１種または２種を、さらに含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼であって、
Ｍｎを２〜３０at％含有し、粒子径が０．１〜３μｍのＴｉ、Ｍｇ含有酸化物を２０〜１０００個／mm2 含み、前記Ｔｉ、Ｍｇ含有酸化物がペロブスカイト型結晶構造を有する超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼を製造するにあたり、酸素濃度を０．００２〜０．０１５質量％とした後、Ｔｉを添加し、次に、Ｍｇを添加し、その後他の脱酸元素であるＢａ、Ｓｒの１種または２種を添加した溶鋼を鋳造し圧延することを特徴とする超大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた溶接用高張力鋼の製造方法。
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