JP4705696B2 - 溶接用鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2009年5月22日に、日本に出願された特願2009−124614号、2009年5月21日に、日本に出願された特願2009−123428号、および、2009年8月21日に、日本に出願された特願2009−192387号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(2) 上記(1)に記載の溶接用鋼材において、MgとCaの合計含有量を0.0030%以下にさらに制限してもよい。
(3) 本発明の一態様にかかる溶接用鋼の製造方法は、上記(1)または(2)に記載の溶接用鋼材を連続鋳造により製造し、950〜1100℃の温度に加熱して加工熱処理する。
PCTOD=[C]+[V]/3+[Cu]/22+[Ni]/67・・・(1)
ここで、[C]、[V]、[Cu]、[Ni]は、それぞれ、鋼中のC、V、Cu、Niの含有量(質量%)である。例えば、Cuが含有されない場合には、Cu含有量は、0%である。
1st cycle:最高加熱温度1400℃(800〜500℃間を22secで冷却)
2nd cycle:最高加熱温度760℃(760〜500℃間を22secで冷却)
3rd cycle:最高加熱温度500℃(500〜300℃間を60secで冷却)
図4A中に示すように、溶接部2におけるFLノッチ7の位置は、HAZ4とWM3との境界のFL部5である。FLノッチによる以下のCTOD試験では、荷重とこのFL部5の開口変位との関係を測定した。
この試験片をBS5762法(British Standards)のCTOD試験によって評価し、図1のTδc0.1(FL)が得られている。ここで、Tδc0.1(FL)は、各試験温度で3本の試験片を用いて得られたCTOD(δc)値の最低値が0.1mmを超える温度(℃)である。なお、CTOD試験における板厚の影響を考慮すると、板厚50〜100mmの鋼板の実継手のFLノッチ部(FL部)において、−60℃で安定して0.25mm以上のCTOD(δc)値を確保するためには、上述したようにTδc0.1(FL)を−110℃以下にする必要がある。
1st cycle:最高加熱温度950℃(800〜500℃間を20secで冷却)
2nd cycle:最高加熱温度770℃(770〜500℃間を22secで冷却)
3rd cycle:最高加熱温度450℃(450〜300℃間を65secで冷却)
図4B中に示すように、溶接部2におけるICノッチ8の位置は、母材1とHAZ4との境界のIC部(ICHAZ部)6である。ICノッチによるCTOD試験では、荷重とこのIC部6の開口変位との関係を測定した。
CeqH=[C]+[Si]/4.16+[Mn]/14.9+[Cu]/12.9+[Ni]/105+1.12[Nb]+[V]/1.82・・・(2)
と定義される。なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Nb]、[V]は、鋼中のC、Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Vの含有量(質量%)である。例えば、Cuが含有されない場合には、Cu含有量は、0%である。
十分な強度を得るために、0.010%以上のCを含有させる必要がある。しかしながら、0.065%超のC含有量[C]では、溶接HAZの特性が劣化し、−60℃のCTOD特性が十分でない。そのため、C含有量[C]の上限は、0.065%である。したがって、C含有量[C]は、0.015%以上0.065%以下である。
良好なHAZ靭性を得るため、Si含有量[Si]は、少ないほど好ましい。しかしながら、後述するようにAl含有量[Al]を制限しているため、脱酸上0.05%以上のSi含有量[Si]が必要である。しかしながら、0.20%超のSi含有量[Si]では、HAZ靭性を害するため、Si含有量[Si]の上限は、0.20%である。したがって、Si含有量[Si]は、0.05%以上0.20%以下である。より良好なHAZ靭性を得るために、Si含有量[Si]は、0.15%以下または0.13%以下であることが好ましい。
Mnは、ミクロ組織を適正化する効果が大きい安価な元素である。また、Mnの添加によって、HAZ靭性を害する可能性は少ない。これらの点からは、Mnの添加量が多いのが好ましい。しかしながら、2.70%超のMn含有量では、ICHAZの硬さが増加し、靭性が劣化する。そのため、Mn含有量[Mn]の上限は、2.70%である。また、Mn含有量[Mn]が1.52%未満では、ミクロ組織を向上する効果が少ないので、Mn含有量[Mn]の下限は、1.52%である。したがって、Mn含有量[Mn]は、1.52%以上2.70%以下である。よりHAZ靭性を改善するためには、Mn含有量[Mn]は、1.55%又は1.6%以上であることが好ましく、より好ましくは、1.7%以上である。
Niは、HAZ靭性をあまり劣化させず、母材の強度及び靭性を向上させ、ICHAZの硬さをあまり増加させない元素である。しかしながら、Niは、高価な合金元素であり、鋼中に過剰に含まれると表面瑕を生じさせることがある。そのため、Ni含有量[Ni]の上限は、1.50%である。一方で、上述のNi添加の効果を十分に享受するためには、少なくとも0.10%のNiを含有する必要がある。したがって、Ni含有量[Ni]は、0.10%以上1.50%以下である。ICHAZの硬さをあまり増加させることなく、母材の強度及び靭性をより向上するために、Ni含有量[Ni]は、0.20%以上であることが好ましく、0.30%以上であることがより好ましい。さらに、鋼材に耐候性を付与するためには、Ni含有量[Ni]は、0.40%以上であることが好ましく、0.50%以上であることがさらに好ましい。また、表面疵をより確実に防止するためには、Ni含有量[Ni]は、1.20%以下であることが好ましく、1.0%以下であることがより好ましい。他元素の添加により母材の強度及び靭性を十分に確保できる場合には、より経済性を確保するために、Ni含有量[Ni]は、0.80%以下であることが最も好ましい。なお、後述するように、Cuを必要に応じ添加する場合には、鋳片のCu割れを抑制するために、Ni含有量[Ni]は、Cu含有量[Cu]の1/2以上であることが好ましい。
S:0.005%以下(0%を含む)
P及びSは、靭性を低下させ、不可避的不純物として含有される元素である。そのため、P含有量[P]及びS含有量[S]は、母材靭性及びHAZ靭性を確保するためともに低下させる必要がある。しかしながら、工業生産的な制約があるため、P含有量[P]の上限及びS含有量[S]の上限は、それぞれ0.008%及び0.005%である。より良好なHAZ靭性を得るために、P含有量[P]を0.005%以下に制限することが好ましく、S含有量[S]を0.003%以下に制限することが好ましい。
Al含有量[Al]は、Ti酸化物を生成させる必要があるため、少ないほど好ましい。しかしながら、工業生産的に制約があるため、Al含有量[Al]の上限は、0.004%である。
Tiは、Ti酸化物を生成させミクロ組織を微細化させる。しかしながら、Ti含有量[Ti]が多すぎると、Tiは、TiCを生成してHAZ靭性を劣化させる。そのため、Ti含有量[Ti]は、0.005%以上0.015%以下が適正な範囲である。よりHAZ靭性を改善するために、Ti含有量[Ti]は、0.013%以下であることが好ましい。
Nbは、不純物として含有される場合があり、母材の強度及び靭性を向上させるが、HAZ靭性を低下させる。HAZ靭性が著しく低下しないNb含有量[Nb]の範囲は、0.010%以下である。そのため、Nb含有量[Nb]を0.010%以下に制限する。よりHAZ靭性を改善させるためには、0.002%以下(0%を含む)に制限することが好ましい。
O含有量[O]は、FL部のIGF生成核としてのTiの酸化物の生成量を確保するために、0.0010%以上であることが必須である。しかし、O含有量[O]が多すぎると、酸化物のサイズおよび個数が過大になるためIC部のCTOD特性が劣化する。そのため、O含有量[O]を0.0015%以上0.0045%以下の範囲に制限した。より良好なHAZ靭性を得るために、O含有量[O]は、0.0030%以下であることが好ましく、0.0028%以下であることがより好ましい。
Nは、Ti窒化物を生成させるために必要である。しかしながら、N含有量[N]が0.002%未満では、Ti窒化物を生成させる効果が少ない。また、N含有量[N]が0.006%超では、鋼片製造時に表面疵が発生するため、N含有量[N]の上限は、0.006%である。したがって、N含有量[N]は、0.002%以上0.006%以下である。より良好なHAZ靭性を得るために、N含有量[N]は、0.005%以下であることが好ましい。
Mgは本発明の重要な合金元素であり、主に脱酸剤あるいは硫化物生成元素として添加される。Mg含有量[Mg]が0.003%以下になるように添加されると、粗大な酸化物あるいは硫化物が生成せず、好ましい母材およびHAZ靭性が得られる。また、ピニング粒子として必要な酸化物の生成を十分に期待するため、0.0003%以上の添加が必要である。従って、Mg含有量[Mg]の範囲を0.0003〜0.003%とする。
Caは硫化物を生成することにより伸長MnSの生成を抑制し、鋼材の板厚方向の特性、特に耐ラメラテア性を改善する。さらに、CaはMgと同様な効果を有していることから、本発明の重要な元素である。上記の効果を十分に得るため、0.0003%以上の添加が必要である。また、Ca含有量[Ca]を0.003%以下に制限すると、Caの粗大酸化物個数が抑制され、超微細な酸化物あるいは硫化物の個数が十分に得られる。
Cuは、HAZ靭性をあまり劣化させず、母材の強度及び靭性を向上させ、ICHAZの硬さもあまり増加させない元素である。CやMn、Ni等の元素により鋼材の強度を十分に確保すれば、Cuを必ずしも添加する必要はない。強度等の要請に応じ、Cuを添加してもよい。しかし、Cuは、比較的高価な合金元素であり、Niに比べると上述の効果が小さく、多過ぎる添加によって鋳片のCu割れが生じる危険性を高める。そのため、Cu含有量[Cu]を0.50%以下に制限する。必要に応じて、0.24%以下又は0.10%以下に制限してもよい。加えて、鋼中にCuを添加したり、不純物としてCuを含んだりする場合には、鋳片のCu割れを防止するために、Cu含有量[Cu]をNi含有量[Ni]の2倍以下にすることが好ましい。また、Cuのフェライト(αFe)中への固溶限が小さいため、溶接の熱履歴によっては溶接HAZ中にεCuが析出し、低温靭性を低下させる可能性がある。Cu含有量[Cu]を0.03%以下にすれば、製品の低温靭性をより確実に担保できる。特に大熱量の溶接方法を用いる場合等は、Cu含有量[Cu]を0.01%以下にすれば、さらに確実に低温靭性が確保できる。
Vは、母材強度を向上させるために有効である。そのため、必要に応じ、Vを添加してもよい。しかし、0.020%を超えるVを添加すると、HAZ靭性が大きく低下する。そのため、V含有量[V]を、0.020%以下に制限する。HAZ靭性の低下を十分に抑えるためには、V含有量[V]を0.010%に制限することが好ましい。CやMn、Ni等の元素により鋼材の強度を十分に確保すれば、Vを必ずしも添加する必要はない。強度上の理由から選択的にVを添加する場合であっても、V含有量[V]を極力少なく抑えることが好ましい。したがって、V含有量[V]は、0.005%以下であることがより好ましい。
MoはHAZ靭性を低下させるため、Mo含有量[Mo]は、0.05%以下であることが好ましく、0.03%以下であることがより好ましく、0.01%以下であることが最も好ましい。
BはHAZ硬さを高め、HAZ靭性を低下させるため、B含有量[B]は、0.0005%以下であることが好ましく、0.0003%以下であることがより好ましく、0.0002%以下であることが最も好ましい。
SnはHAZ靭性を損なうため、Sn含有量[Sn]は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。
AsはHAZ靭性を損なうため、As含有量[As]は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。
REMはTi酸化物の生成を抑制する効果があるため、REM含有量[REM]は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。
CR:制御圧延(鋼材の強度及び靭性を改善するために最適な温度域での圧延)
ACC:制御圧延−加速冷却(制御圧延後400℃〜600℃の温度域まで鋼材を水冷し、放冷)
DQ:圧延直後焼入れ−焼戻し(圧延直後に200℃以下の温度まで鋼材を水冷した後、焼戻し)
また、表3及び4中の溶接継手のCTOD試験結果において、δc(av)は、5本の試験のCTOD値の平均値を、δc(min)は、5本の試験のうちのCTOD値の最低値を示す。
比較鋼32はAl量が高いため、PCTODおよびCeqH値は適正であるが、FL近傍の組織制御が不十分となってFLノッチのCTOD値が低い。
比較鋼33はMg+Ca量が過剰、かつPCTODおよびCeqH値も高いため、FL、ICノッチともCTOD値が低い値である。
比較鋼34はSi量が過剰で、Mg、Caも無添加であり、CeqH値も高いため、FL、ICノッチともCTOD値が低い値である。
比較鋼35はV量が過剰なため、比較鋼22はNb量が過剰なため、CeqHが高くなり、特にICノッチのCTOD値が低い値となっている。
表1〜表4中の鋼成分硬さパラメーターCeqHとIC部における−60℃でのCTOD(δc)値との関係を纏めた結果を図5に示す。図5に示すように、鋼中の各成分及び鋼成分パラメーターPCTODが上記条件を満足する場合には、鋼成分硬さパラメーターCeqHを0.235%以下に抑えることによって、ICノッチにおけるCTOD値の最小値δc(min)が0.25mm以上の鋼材を製造することができた。なお、鋼成分硬さパラメーターCeqHが0.235%以下であっても、鋼中の各成分及び鋼成分パラメーターPCTODが上記条件を満足しない場合には、CTOD値の最小値δc(min)が0.25mm以上の鋼材を製造することができなかった(例えば、比較例8及び37)。
Claims (3)
- 質量%で、
C含有量[C]が、0.010%以上0.065%以下のCと、
Si含有量[Si]が、0.05%以上0.20%以下のSiと、
Mn含有量[Mn]が、1.52%以上2.70%以下のMnと、
Ni含有量[Ni]が、0.10%以上1.50%以下のNiと、
Ti含有量[Ti]が、0.005%以上0.015%以下のTiと、
O含有量[O]が、0.0010%以上0.0045%以下のOと、
N含有量[N]が、0.002%以上0.006%以下のNと、
Mg含有量[Mg]が、0.0003%以上0.003%以下のMgと、
Ca含有量[Ca]が、0.0003%以上0.003%以下のCaと、
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物を含み、
P含有量[P]を0.008%以下、
S含有量[S]を0.005%以下、
Al含有量[Al]を0.004%以下、
Nb含有量[Nb]を0.010%以下、
Cu含有量[Cu]を0.50%以下、
V含有量[V]を0.020%以下、
Cu含有量[Cu]を0.03以下
に制限し、
鋼成分パラメーターPCTODが、
PCTOD=[C]+[V]/3+[Cu]/22+[Ni]/67・・・(1)
と定義され、
鋼成分硬さパラメーターCeqHが、
CeqH=[C]+[Si]/4.16+[Mn]/14.9+[Cu]/12.9+[Ni]/105+1.12[Nb]+[V]/1.82・・・(2)
と定義されるとき、
前記PCTODが0.065%以下、かつ、前記CeqHが0.235%以下であることを特徴とする溶接用鋼材。 - MgとCaの合計含有量を0.0030%以下にさらに制限することを特徴とする請求項1に記載の溶接用鋼材。
- 請求項1または2に記載の成分のスラブを連続鋳造により製造し、
950〜1100℃の温度に加熱して加工熱処理する、
ことを特徴とする溶接用鋼の製造方法。
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