JP4768447B2 - 溶接熱影響部の靭性に優れた耐候性鋼板 - Google Patents
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Description
W=1.3/{-0.1[Mn]+3[Cu]+2.5[Ni]+0.6[Mo]+0.3[Cr]+0.1}0.5 … (1)
但し、[Mn],[Cu],[Ni],[Mo]および[Cr]は、夫々Mn,Cu,Ni,MoおよびCrの含有量(質量%)を示す。
Y=PCM/{0.18+0.02[([TS]−570)/100]2} … (2)
但し、PCMは、下記(3)式で求められる値(質量%)であり、[TS]は、引張り強度実測値を示す。
PCM=[C]+[Si]/30+[Mn]/20+[Cu]/20+[Ni]/60+[Cr]/20+[Mo]/15+[V]/10+5[B]…(3)
([C],[Si],[Mn],[Cu],[Ni],[Cr],[Mo],[V]および[B]は、夫々C,Si,Mn,Cu,Cr,Mo,SiおよびNbの含有量(質量%)を示す。)
Cは高張力鋼の強度を増大させるのに有効な元素であり、所望の強度を確保するためには0.01%以上含有させる必要がある。しかしながら、Cを過剰に含有させると、島状マルテンサイト相(M−A相)またはセメンタイトが多量に形成されて極低Cベイナイト組織を安定して生成させることが困難になる。こうしたことから、その上限は0.08%とする必要がある。
Siは冷却条件によらず固溶強化により鋼の強度を増加させるのに有効な元素であるが、過剰に含有させると鋼材(母材)にM―A相を多量に析出させて靭性を劣化させる。こうしたことから、その上限を1.0%とした。尚、Si含有量の好ましい上限は0.5%である。
Mnは極低Cベイナイト組織を生成させて鋼材を強化するのに有効な元素であり、こうした効果を発揮させるためには、Mnは0.5%以上含有させる必要がある。しかしながらMnを過剰に含有させると、母材の靭性劣化を引き起こすので上限を2.0%とする。Mn含有量の好ましい下限は0.7%であり、好ましい上限は1.8%である。
Pは結晶粒に偏析し、延性や靭性に有害に作用する不可避的不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが、不可避的に鋼材に混入することを考慮して0.05%以下に抑制するのが良い。またSは、鋼材中の合金元素と反応して種々の介在物を形成し、鋼材の延性や靭性に有害に作用するので不純物であるので、できるだけ少ない方が好ましいのであるが、不可避的に混入することを考慮して0.02%以下に抑制するのが良い。
Alは脱酸剤として有効な元素であると共に、Tiと複合添加することによって、鋼板表面層部の安定化錆層の形成を促進する効果も発揮する。こうした効果を発揮させるためには、Al含有量は0.01%以上とする必要がある。しかしながら、過剰に含有されると鋼材(母材)に島状マルテンサイト相(M―A相)を多量に析出させて靭性を劣化させる。こうしたことから、その上限を0.07%とした。尚、Al含有量の好ましい下限は0.02%であり、好ましい上限は0.05%である。
CuとNiは、共に耐食性向上効果や溶接性の向上効果を有する元素である。このうちCuは、電気化学的にFeよりも貴な元素であり、鋼板表面に生成する錆を緻密化して、安定錆層の形成を促進し、耐候性等の耐食性を向上させる効果を発揮する。また、溶接性の向上にも寄与する。こうした効果を発揮させるためには、Cu含有量は0.1%以上とする必要があるが、Cu含有量が過剰になって1.5%を超えるとその効果が飽和するばかりか、却って鋼材の製造のための熱間圧延等の加工の際に、素材の脆化を引き起こす可能性がある。尚、Cu含有量の好ましい下限は0.2%であり、好ましい上限は1.0%である。
NiはCuと同様に鋼板表面に生成する錆を緻密化して、安定錆層の形成を促進し、耐候性等の耐食性を向上させる効果を発揮する。また、溶接性の向上にも寄与する。更に、NiはCuによる熱間加工脆性を抑制する作用も発揮する。従って、Cuと併用して含有させることによって、耐候性向上効果、熱間加工脆性を抑制する効果が期待できる。こうした効果を発揮させるためには、Ni含有量は0.2%以上とする必要があるが、Ni含有量が過剰になって2.0%を超えると、耐溶接高温割れ性に悪影響を与えることになる。尚、Ni含有量の好ましい下限は0.3%であり、好ましい上限は1.5%である。
Crは極低Cベイナイト組織を得るために重要な元素である。また、HAZ組織においてはベイナイトブロックサイズを低減するためにも有効である。更に、焼入れ性を向上させて鋼材の強度を確保する上でも有効な元素である。これらの効果を発揮させるためには、Crは0.3%以上含有させる必要がある。しかしながら、Crの含有量が過剰になって2.0%を超えると、粗大な析出物を形成するので、母材およびHAZのいずれの靭性も劣化する。尚、Cr含有量の好ましい下限は0.7%であり、好ましい上限は1.8%である。
Moは焼入性を向上させて強度向上に有効な元素であり、TiやNiと共存させることによって耐食性を向上させることができる。しかしながら、0.5%を超えてMoを過剰に含有させると、粗大な硬化相となるので、母材およびHAZのいずれの靭性も劣化する。尚、本発明において極低Cベイナイト組織を得るためには、必ずしも必要な元素ではなく、無添加でも良い(0%を含む)。但し、Moを含まない場合には、前述の如く、前記(1)式および(3)式は、Moを含まないものとして計算する必要がある。Mo含有量の好ましい上限は0.8%である。
Tiは窒化物を形成させ、大入熱溶接時に旧オーステナイト粒の粗大化を抑制、HAZ靭性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ti含有量は0.005%以上とする必要がある。しかしながら、Tiを過剰に含有させると粗大な介在物を析出させ、却ってHAZ靭性を劣化させるので、その上限を0.03%とする。尚、Ti含有量の好ましい下限は0.01%であり、好ましい上限は0.025%である。
Caは介在物形状を球状化して鋼板の異方性を低減する作用があり、HAZ靭性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、0.0005%以上含有させる必要があるが、0.005%を超えて過剰に含有させても介在物が粗大化してHAZ靭性が却って劣化する。尚、Ca含有量の好ましい下限は0.001%であり、好ましい上限は0.003%である。
大入熱溶接HAZにおいて靭性を高位に確保するためには、旧オーステナイト粒内にTiNを微細析出させて旧オーステナイト粒の粗大化を防止することが有効である。こうした効果を発揮せせるためには、N含有量は0.0020%以上とする必要がある。しかしながら、Nの含有量が過剰になって0.0080%を超えると粗大なTiNが析出して破壊の起点となる。尚、N含有量の好ましい下限は0.003%であり、好ましい上限は0.007%である。
Bは強度を向上させるのに有効な元素であるが、過剰に含有させるとその効果が飽和するばかりか、HAZ組織中での介在物(B窒化物)が増加してHAZ靭性は却って低下するので、B含有量の上限は0.0030%とする必要がある。尚、B含有量の好ましい下限は0.0005%であり(より好ましくは0.0007%以上)、好ましい上限は0.002%である。
Wは、TiやNiと共存することによって、耐食性を向上させる効果を有する元素であり、選択的に含有させる。Wを含有すると、鋼板表面に生成する錆を微細化して、安定錆層の形成を促進し、耐候性等の耐食性を向上させる効果を発揮する。また、具体的には、生成する錆を緻密化させると共に、錆の性質を、塩化物イオン等の腐食性アニオンと結びつきにくいカチオン選択性として、腐食性アニオンの錆層の浸透を抑制させる。こうした効果が、TiやNiの緻密な安定錆生成効果(非晶質の錆やα−FeOOHの錆の促進と、腐食を促進するβ−FeOOHの抑制)と相俟って、鋼板の耐食性を向上させることになる。こうした効果は、その含有量を増加するにつれて増大するが、3.0%を超えて過剰になると、その効果は飽和することになる。尚、上記の効果を発揮させるための好ましい下限は0.05%である。
これらの元素は、いずれも耐食性向上に有効な元素であり、必要によって選択的に1種または2種以上を含有させることが有効である。これらの元素は、鋼板表面に生成する錆を緻密化して、安定錆層の形成を促進し、耐候性等の耐食性を向上させる。また、La,CeおよびMgは、鋼板表面やミクロ的な欠陥部での腐食進行過程において、鉄の腐食反応に伴い、微量溶解してアルカリ性を呈する。従って、腐食(アノード)先端部の溶液pH緩衝効果を有し、腐食先端部での腐食を抑制する効果を有する元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰になるとその効果が飽和するので、いずれも0.05%以下とすべきである。尚、これらの元素の好ましい下限は、いずれも0.0001%である。
これらの元素は、Tiと同様に、生成する錆の非晶質化やα−FeOOHの割合を高くして、微細で緻密な錆を形成すると共に、β−FeOOHを抑制した安定化錆層を形成する。しかしながら、その効果はTiと比べて小さいものであるので、Tiの効果を補完すうものとして、必要によって含有される。これらの元素による効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、その合計で0.2%を超えて含有させても、その効果が飽和するばかりか、錆と鋼板表面との密着性を低下させて却って耐食性を低下させる可能性がある。
(A)鋳片または鋼片を950〜1300℃に加熱し、圧延仕上げ温度700℃以上で熱間圧延を終了した後、空冷する。
(B)鋳片または鋼片を950〜1300℃に加熱し、圧延仕上げ温度700℃以上で熱間圧延を終了した後、冷却速度1〜50℃/秒で500℃以下まで水冷却する。
下記表1、2に示す化学成分組成の鋼を用い、下記表3、4に示す製造条件にて鋼板を製造した。尚、表1、2には、本発明で規定するW値、Y値およびPCM値についても示した。
各鋼板のt/4(tは板厚)から鏡面研磨後試験片を採取し、これを2%硝酸−エタノール溶液(ナイタール溶液)でエッチングした後、5視野において光学顕微鏡を用いて400倍で観察を行ない、画像解析によって鋼組織中のベイナイト分率(面積%)を測定した。この際、フェライト(ポリゴナルフェライト・擬ポリゴナルフェライトを含む)以外のラス状組織は全てベイナイトとみなした。
鋼板のt/4(tは板厚)からJIS Z 2201 4号試験片を採取し、JIS Z 2241の要領で引張り試験を行ない、降伏強度(0.2%耐力YS)、引張り強度(TS)を測定した。本発明では、引張強度TS:570MPa以上を合格とした。
鋼板のt/4からL方向(圧延方向)にJIS Z 2202 Vノッチ試験片を採取してJIS Z 2242に準拠してシャルピー衝撃試験を行ない、シャルピー試験片の脆性破面率が50%となる温度を近侍して破面遷移温度(vTrs)として測定した。vTrsが−50℃以下を目標として合格とした。
HAZ再現試験を行なった。鋼板から採取した試験片[12.5×32×55(mm)の試験片を各5本採取]に1400℃×5秒加熱後、入熱量10kJ/mmに相当する[800〜500℃までを80秒で冷却]熱サイクル試験を行なった。その後、各試験片から2本のシャルピー衝撃試験片(JIS Z 2202 Vノッチ試験片)を採取し、各鋼板毎に10本で−15℃における平均衝撃吸収エネルギーvE−15を求めた。平均100J以上を合格とした。
評価方法としては、塩水散布試験を行なった。試験片は、各成分鋼片から熱間圧延を行い、板厚:9mmの鋼板を作製し、表裏面2mmずつ減厚加工を行った後、切り出し5×70×150(mm)の試験片を作製した。このときに、試験片の重量を測定しておく。その試験片を屋外暴露し、5%NaCl溶液を1週1回噴霧器により試験面に散布して、試験面の腐食発生に伴う錆を落とした後、重量を測定し、重量の減少量を計算した。暴露期間は3ヶ月とし、各鋼種について3本ずつ供試したときの平均値を腐食減量とした。
強度レベルおよびW値の双方が近く、Y値が違うものとして、鋼種B、V1を選び(試験No.2、31)、下記の条件にて溶接割れ試験を行ない、溶接時の入熱量と割れの関係を調査して溶接性について調査した。
JIS Z 3158に規定するy形溶接割れ試験法に従い、予熱温度を25℃、50℃、75℃と変化させて断面割れ率を測定した。このとき、測定値は各々3本の試験片を準備し、その平均値も求めた。
Claims (6)
- C:0.01〜0.08%(質量%の意味、以下同じ)、Si:1.0%以下(0%を含まない)、Mn:0.5〜2.0%、P:0.05%以下(0%を含まない)、S:0.01%以下(0%を含まない)、Al:0.01〜0.07%、Cu:0.1〜1.5%、Ni:0.2〜2.0%、Cr:0.3〜2.0%、Ti:0.005〜0.03%、Ca:0.0005〜0.005%、N:0.0020〜0.0080%を夫々含有すると共に、下記(1)式で規定されるW値が1.0以下、下記(2)式で規定されるY値が1.0以下を夫々満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、且つベイナイト分率が90面積%以上の組織であることを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた耐候性鋼板。
W=1.3/{-0.1[Mn]+3[Cu]+2.5[Ni]+0.6[Mo]+0.3[Cr]+0.1}0.5 … (1)
但し、[Mn],[Cu],[Ni],[Mo]および[Cr]は、夫々Mn,Cu,Ni,MoおよびCrの含有量(質量%)を示す。
Y=PCM/{0.18+0.02[([TS]−570)/100]2} … (2)
但し、PCMは、下記(3)式で求められる値(質量%)であり、[TS]は、引張り強度実測値を示す。
PCM=[C]+[Si]/30+[Mn]/20+[Cu]/20+[Ni]/60+[Cr]/20+[Mo]/15+[V]/10+5[B]…(3)
([C],[Si],[Mn],[Cu],[Ni],[Cr],[Mo],[V]および[B]は、夫々C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,VおよびBの含有量(質量%)を示す。) - 更に、Mo:1.0%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載の耐候性鋼板。
- 更に、B:0.003%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1または2に記載の耐候性鋼板。
- 更に、W:3.0%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の耐候性鋼板。
- La:0.05%以下(0%を含まない)、Ce:0.05%以下(0%を含まない)およびMg:0.05%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種または2種以上を含有するものである請求項1〜4のいずれかに記載の耐候性鋼板。
- Zr,Ta,Nb,VおよびHfよりなる群から選ばれる1種または2種以上:合計で0.2%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜5のいずれかに記載の耐候性鋼板。
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