JP4670371B2 - 板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクなどに好適な耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法に関する。

船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクなどの構造物に使用される鋼材は、強度、靭性などの機械的性質や溶接性に優れていることに加えて、構造安全性を確保するため、耐疲労特性に優れていることが要求される。

疲労特性は、１ 疲労亀裂発生特性と、２ 疲労亀裂伝播特性で評価される。溶接構造物の場合、溶接止端部は、応力集中部になりやすく、溶接による引張残留応力も作用するため疲労亀裂の発生源となることが多く、その防止策として、なめ付け溶接により、止端部形状を改善し応力集中を低減したり、ショットピーニングにより圧縮残留応力を導入することが知られている。

しかしながら、溶接構造物には多数の溶接止端部があり、またコスト的にも負担が大きいため、これらの方法は工業的規模での実施には不適当で、溶接構造物の耐疲労特性は使用される鋼材自体の耐疲労亀裂伝播特性の向上により図られることが多い。

特許文献１は耐疲労亀裂進展特性を向上させた鋼材の製造方法に関し、Ａｒ３点近傍で圧延終了後にＡｒ３点ー５０℃以下の温度から水冷を開始し、６００℃以下の温度で水冷停止した後に空冷し、ミクロ組織において島状マルテンサイトを生成させ耐疲労亀裂伝播特性を向上させることが記載されている。

特許文献２には熱間圧延後に、鋼板を５００℃以下まで水冷後、Ａｃ１〜Ａｃ３の二相域に再加熱し圧延してミクロ組織を細粒フェライトとベイナイトもしくはマルテンサイトの混合組織とし、疲労強度を向上させることが記載されている。

特許文献３にはＮｂ，Ｔｉを含有した特定成分の鋼材を、熱間圧延後に冷却する際、添加された元素量から計算により求めた温度から冷却を開始し、５５０℃まで５〜５０℃／ｓの冷却速度で加速冷却し、耐疲労亀裂伝播特性を向上させることが記載されている。
特開平６−２７１９８５号公報 特開平１０−１６８５４２号公報 特開２００１−３１６７２５号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法で製造された鋼板は、疲労強度が向上しても島状マルテンサイトを起点として脆性破壊を発生させる可能性があり、更にフェライトを生成させるため、鋼板の温度がＡｒ３−５０℃となるまで待機させ、冷却を開始するので、生産能率も低下する。

特許文献２記載の方法は冷却後再加熱して、圧延を行うので製造工程が煩雑で、製造コストが高く、製造能率も低下する。特許文献３記載の方法は、鋼材の成分組成に高価なＮｂ，Ｔｉを含有するので、製品コストが高く、また、該成分組成によるミクロ組織は冷却速度依存性が高く板厚方向で材質不均一性が生じることが懸念される。

本発明は、安価な、成分組成と製造コストで、板厚方向の材質均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、疲労亀裂伝播特性におよぼす鋼材のミクロ組織の影響を鋭意検討し、フェライトが分散したベイナイトを含む組織の場合に優れた耐疲労亀裂伝播特性の得られること、加速冷却における冷却速度を成分組成のＰｃｍに応じて規定した場合、板厚方向に均一にそのような組織が得られることを見出した。本発明は、得られた知見に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は
１質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｐｃｍ≦０．２５の鋼を、１０００℃以上、１３００℃以下に加熱後、９００℃以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、その後直ちにＡｒ３点以上から６５０℃以下まで、冷却速度１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）で加速冷却することを特徴とする板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。

Ｐｃｍ（＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ、添加しない元素は０とする。）
２ 更に、鋼成分として、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする１記載の板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。

３ 加速冷却後、更に６５０℃以下で焼戻すことを特徴とする１または２記載の板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。

４ 質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｐｃｍ≦０．２５の鋼を１０００℃以上、１３００℃以下に加熱後、９００℃以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、その後直ちにＡｒ３点以上から６５０℃以下まで、冷却速度１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）で加速冷却して製造した板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。

Ｐｃｍ（＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ、添加しない元素は０とする。）
５ 更に、鋼成分として、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする４記載の板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。

本発明によれば、複雑な熱処理や、高価な合金元素を添加した成分組成を用いずに、板厚方向の材質均一性と耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造が可能で、産業上極めて有用である。

本発明法は、加速冷却法を前提とし、板厚方向に、均質な、耐疲労亀裂伝播特性に優れるフェライトが分散したベイナイトを含む組織とするため、特定成分の鋼材を、その成分に応じて規定される冷却条件で冷却することを特徴とする。本発明の鋼材の成分組成と製造条件について詳細に説明する。

１ 成分組成（含有量％は質量％とする。）
Ｃ
Ｃは強度を確保するため０．０２％以上添加する。０．２０％を超えて添加すると溶接性が阻害されるため、０．０２〜０．２０％（０．０２％以上、０．２０％以下）、好ましくは０．０２〜０．１５％を添加する。

Ｓｉ
Ｓｉは脱酸と強度を確保するため０．０１％以上添加する。０．５０％を超えて添加すると溶接性、靭性が劣化するため、０．０１〜０．５０％、好ましくは０．０５〜０．４０％とする。

Ｍｎ
Ｍｎは焼入れ性の増加により、強度、靭性を確保させるため、０．５％以上添加する。２．０％を超えると溶接性を劣化させるため、０．５〜２．０％、好ましくは０．５〜１．７％を添加する。

Ｐ
Ｐは不純物で、靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下とする。

Ｓ
Ｓは不純物で、靭性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良く、製造コスト上、０．０２％以下、好ましくは０．０１％以下とする。

Ｐｃｍ
Ｐｃｍ（＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ、添加しない元素は０とする。）は低温割れ防止のため、０．２５％以下、好ましくは０．２２％以下とする。

以上が本発明に係る鋼の基本成分組成であるが、更に強度、靭性、溶接性を向上させたり、耐候性を付与する場合、Ｃｕ，Ni、Ｃｒ，Mo、Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｂの一種または二種以上を添加する。

Ｃｕ
Ｃｕは固溶により強度を上昇させ、また耐候性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、１．０％を超えると溶接性が損なわれ、鋼材製造時に疵が生じやすくなるので１．０％以下とし、好ましくは、０．５％以下とする。

Ｎｉ
Ｎｉは低温靭性や耐候性を向上させ、またＣｕを添加した場合の熱間脆性を改善するので、必要に応じて添加する。添加する場合、２．０％を超えると溶接性が損なわれ、鋼材コストが上昇するので２．０％以下とし、好ましくは、１．０％以下とする。

Ｃｒ
Ｃｒは強度を上昇させ、また耐候性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、１．０％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので１．０％以下とし、好ましくは、０．５％以下とする。

Ｍｏ
Ｍｏは強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、１．０％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので１．０％以下とし、好ましくは、０．５％以下とする。

Ｎｂ
Ｎｂは圧延時のオーステナイト再結晶を抑制し細粒化を図ると同時に、加速冷却後の空冷時に析出し強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．１％を超えると靭性が損なわれるので０．１％以下とする。

Ｖ
Ｖは、加速冷却後の空冷時に析出し強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．１％を超えると溶接性と靭性が損なわれるので０．１％以下、好ましくは０．０７％以下とする。

Ｔｉ
Ｔｉは、強度を上昇させ、溶接部靭性を向上させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．１％を超えると鋼材コストが上昇するので０．１％以下、好ましくは０．０５％以下とする。

Ｂ
Ｂは焼入れ性を高め、強度を上昇させるので、必要に応じて添加する。添加する場合、０．００５％を超えると溶接性が低下するので、０．００５％以下、好ましくは０．００３％以下とする。

本発明範囲内で好ましい成分組成は質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．７％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、残部が実質的にＦｅからなり、Ｐｃｍ０．２２％以下 更に、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下の一種または二種以上である。

２ 製造条件
本発明では、スラブ加熱温度、圧延条件、加速冷却条件を規定する。
スラブ加熱温度
スラブ加熱温度は、圧延温度を確保するため、１０００℃以上とする。１３００℃を超えると鋼の結晶粒が粗大化し、靭性が低下するので１０００〜１３００℃とする。

圧延条件
圧延で、オーステナイト粒を微細化させ、加速冷却におけるフェライト変態を促進し、フェライト粒を微細化させるため、９００℃以上の累積圧下率を５０％以上とする。累積圧下率５０％以上とする圧延は、オーステナイト未再結晶域、オーステナイト再結晶域を問わず９００℃以上であればよい。但し、異方性が問題となる場合は、オーステナイト未再結晶域での累積圧下率を５０％以下とする。

加速冷却条件
本発明では、ミクロ組織をフェライトが分散したベイナイトを含む組織とするため、圧延後、加速冷却をＡｒ３点以上から開始し、冷却速度を１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）とし、加速冷却停止温度を６５０℃以下とする。

加速冷却開始温度はミクロ組織において耐疲労亀裂伝播特性に劣るバンド状のフェライト生成を抑制するためＡｒ３点以上とする。加速冷却停止温度は、未変態オーステナイトをベイナイト変態させ、強度を確保するため６５０℃以下とする。

６５０℃超えとした場合、ベイナイトが生じずにバンド状のパーライトが生じ、耐疲労亀裂特性が劣化する。冷却停止後、鋼材の形状改善や、強度、靭性の調整を目的として、必要に応じて６５０℃以下で焼戻しを行う。

冷却速度はミクロ組織を板厚方向に均質な、フェライトが分散したベイナイトを含む組織とするため１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）とする。冷却速度を１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）とした場合、鋼材の成分組成に応じて冷却速度が調整されるので、板厚方向の組織均一性が向上する。

図１は加速冷却の場合の連続冷却変態図を模式的に示す図で、従来法では表層が急冷された後、緩冷却される鋼板内部からの熱により復熱される。その結果、表層は焼戻しマルテンサイト、鋼板内部はフェライトあるいはベイナイトまたは両者混合組織となる。

本発明法の場合、表層と鋼板内部の冷却速度の差が小さくなり、板厚方向に均質な、フェライトが分散したベイナイトを含むミクロ組織が得られる。

図２は、本発明法において冷却速度をＰｃｍとの関係において規定する効果を示す模式的な連続冷却変態図で、鋼材のＰｃｍが高くなると、焼入れ性が高くなるので所望のミクロ組織とするため冷却速度を小さくする。

一方、鋼材のＰｃｍが低くなると、焼入れ性が低くなるので、所望のミクロ組織とするため、冷却速度を大きくする。

冷却速度が１／Ｐｃｍ（℃／ｓ）未満の場合、ベイナイトが導入されずバンド状のフェライト／パーライト組織となり、耐疲労亀裂伝播特性が低下し、加速冷却による高強度化が得られない。冷却速度が６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）超えの場合、表層にフェライトが導入できず耐疲労亀裂伝播特性が低下し、板厚方向での冷却速度差により均質性が損なわれるため、１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）とする。

本発明での冷却速度は板厚方向の平均冷却速度とする。温度は鋼板表面温度とする。Ａｒ３点はＡｒ３（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の質量％での含有量を表す。）等で求めることができる。

なお、本発明でいうフェライトが分散したベイナイトを含む組織には、耐疲労亀裂伝播特性を低下させる要因となるバンド状のパーライト組織を含まない。バンド状パーライトを避けるためにはその一部あるいは全てをベイナイト化すれば良く、従って、フェライトとベイナイト中にパーライトが残存していたてしても許容される。

なお、本発明は船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクなどに好適な耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材及びその製造方法であり、その鋼材の性能は特に限定するものではないが、耐疲労亀裂伝播特性に関しては大気中において応力拡大係数範囲ΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍのときの疲労亀裂伝播速度が５×１０-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下、強度はＴＳで４９０ＭＰａ以上、靭性はシャルピー衝撃試験での破面遷移温度ｖＴｒｓ（℃）が−３０℃以下、溶接性はｙ割れ試験で２５℃において割れがないこと、板厚方向の強度差に関しては表層と内部の硬度差が５０以内であれば望ましい。

表１に示す成分組成の鋼片を、表２の一部に示す条件で、板厚１２〜５０ｍｍの鋼板とし、耐疲労亀裂伝播特性を求めた。更に、溶接性、強度、靭性、鋼板板厚方向の硬度差についても試験を行った。

耐疲労亀裂伝播特性はＣＴ試験により、疲労亀裂伝播速度を求めて評価した。ＣＴ試験片は圧延直角方向に亀裂が進展するようにＬ−Ｔ方向を全厚（板厚２５ｍｍを超えるものは２５ｍｍに減厚。）として採取した。

試験条件は応力比０．１、周波数２０Ｈｚ，室温大気中でＡＳＴＭＥ６４７に準拠した。

溶接性はｙ割れ試験（ＪＩＳＺ３１５８に準拠）を、２０℃ー６０％雰囲気、予熱温度２５℃でＭＡＧ溶接を行い評価した。試験片は供試鋼板毎に２体とした。

強度はＣ方向採取したＪＩＳＺ２２０１１Ａ号の全厚試験片を用いて引張試験を行った。

靭性はシャルピー衝撃試験により破面遷移温度ｖＴｒｓ（℃）を求めた。シャルピー衝撃試験片（ＪＩＳＺ２２０２）は板厚／４（板厚２５ｍｍ未満は板厚／２）より、圧延方向に平行に採取した。

鋼板板厚方向の硬度差は表層下１ｍｍと板厚／２においてビッカース硬さ試験（荷重９８Ｎ、５点平均値）を行った。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は本発明例で優れた耐疲労特性亀裂伝播特性を示し、強度、靭性、溶接性および板厚方向の強度均一性にも優れていることが確認された。一方、Ｎｏ．９はＣ，ＳｉおよびＰｃｍが本発明範囲外のため、本発明範囲内の製造条件であっても本発明例に対し、耐疲労亀裂伝播特性、靭性、溶接性および板厚方向の強度均一性に劣る。

Ｎｏ．１０は加熱温度が本発明範囲外で高く、９００℃以上の累積圧下率が本発明範囲外で小さいため、耐疲労亀裂伝播特性、靭性が本発明例に対して劣る。

Ｎｏ．１１は加速冷却の冷却開始温度が本発明範囲外で低く、耐疲労亀裂伝播特性に劣る。Ｎｏ．１２は加速冷却の冷却速度が本発明範囲外で速く、耐疲労亀裂伝播特性、板厚方向の均一性に劣る。Ｎｏ．１３は加速冷却の冷却速度が本発明範囲外で低く、耐疲労亀裂伝播特性、強度、および靭性に劣る。Ｎｏ．１４は加速冷却の冷却停止温度が本発明範囲外で高く、耐疲労亀裂伝播特性、強度に劣る。

本発明の効果を示す模式的な連続冷却変態図。 本発明の効果を示す模式的な連続冷却変態図。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｐｃｍ≦０．２５の鋼を、１０００℃以上、１３００℃以下に加熱後、９００℃以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、その後直ちにＡｒ３点以上から６５０℃以下まで、冷却速度１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）で加速冷却することを特徴とする板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
   Ｐｃｍ（＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ、添加しない元素は０とする。）
2. 更に、鋼成分として、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
3. 加速冷却後、更に６５０℃以下で焼戻すことを特徴とする請求項１または２記載の板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法。
4. 質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｐｃｍ≦０．２５の鋼を１０００℃以上、１３００℃以下に加熱後、９００℃以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、その後直ちにＡｒ３点以上から６５０℃以下まで、冷却速度１／Ｐｃｍ〜６／Ｐｃｍ（℃／ｓ）で加速冷却して製造した板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。
   Ｐｃｍ（＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ、添加しない元素は０とする。）
5. 更に、鋼成分として、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項４記載の板厚方向の強度均一性および耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材。

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