JP4914783B2 - シャー切断性に優れた大入熱溶接用厚鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、例えば船舶や海洋構造物等の溶接構造物に適用される厚鋼板に関し、殊に大入熱溶接後の熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）の靭性に優れると共に、シャー切断性にも優れた厚鋼板に関するものである。

近年、例えばコンテナ船等の大型化が進められ、板厚が４０ｍｍ以上の厚鋼板が用いられることがある。このような厚鋼板を効率良く溶接するために、入熱量が４０ｋＪ／ｍｍ以上であるような大入熱溶接若しくは超大入熱溶接（以下、「大入熱溶接」で代表することがある）を行うことが求められている。

しかしながら、大入熱溶接を行うと、ＨＡＺが高温のオーステナイト領域まで加熱されてから徐冷されるため、その組織が粗大化し、ＨＡＺ靭性が著しく劣化するという問題がある。こうしたことから、従来では、溶接入熱量の制限を余儀なくされていた。

このような大入熱溶接で良好なＨＡＺ靭性を達成するために、例えば特許文献１は、厚鋼板中のＣ含有量を低減させると共に、不可避的に混入してくるＰの含有量を制限し、加えてＮｂおよびＢの含有量を適切な範囲に制御することを提案している。また特許文献２は、溶接用鋼中に存在するＴｉＮ系介在物の中にＮｂを積極的に含有させて、粗大フェライトの生成を抑制している。しかしながらこれらの技術では、ＴｉＮが不足しているか、またはＴｉＮが足りている場合にはそのＴｉＮが粗大化していたり、ＣａＯ酸化物等によるピン止め効果が十分でないために、ＨＡＺ靭性の更なる改善の余地がある。また、後述する母材鋼板のシャー切断性については考慮されていない。

特許文献３は、鋼材にＮを比較的多量に含有させ、且つＴｉとＢの含有量バランスを適切に制御することを提案している。しかしながらこうした技術においても、ＴｉＮやＢＮの析出量が十分でなかったり、微細でなかったりし、またＮｂ無添加で焼入れ性が低いためにフェライトが粗大になったりするため、ＨＡＺ靭性の更なる改善の余地がある。また、後述する母材鋼板のシャー切断性については考慮されていない。

一方、熱間圧延により所定の板厚に圧延された厚鋼板は、冷却床で冷却されてから採寸作業が行われ、採寸された厚鋼板は所定寸法の幅および長さに切断されることになる。そして、この切断は、剪断機による切断やガス切断が行われる。通常、板厚が５０ｍｍ程度よりも薄い厚鋼板では剪断機により切断され、板厚が５０ｍｍ程度よりも厚い厚鋼板ではガス切断が行われているが、前記剪断機としては、厚鋼板のトップ部およびボトム部を切断するクロックシャー、耳部を切断するサイドシャー、厚鋼板の幅方向を二分割するスリッター、長さ方向を所定の寸法に切断するエンドシャー等があり、これらの剪断機で構成される切断ラインを通過させることによって、厚鋼板が所定の寸法にされることになる。

上記のような剪断工程において発生する鋼板切断面の不良は、タレ、カエリ、機械割れ、切込み、段着き等が知られており、これらが発生若しくは大きくなった場合には、そのままでは製品としては使用できず、ブラインダー研磨等の手入れや再切断が必要となり、歩留まりの低下や製造コストの上昇を招くことになる。

上記のような切断面不良の対策として、これまで様々な提案がなされている。こうした技術として、例えば非特許文献１には、これらの切断面不良は剪断機の設備的な条件によって決まる度合いが大きいとして、剪断機の設備条件を適正値に管理することが提案されている。また、特許文献４には、タレを少なくする方法として、切断線を含むクロップ部を予熱してから剪断機により切断する方法が開示されている。

本発明者らが、従来の技術について検討したところによれば、剪断機の設備条件を適切に管理しても、機械構造用、建築土木用およびラインパイプ用として適用されるような引張強度が５５０ＭＰａ以上の高靭性高強度厚鋼板の破断面には、発生頻度は少ないものの、板厚中心部に沿った割れ（以下、「シャー切断割れ」と呼ぶ）が発生することが確認できた。

上記のような各種用途に適用される厚鋼板は、短期間で大量生産する必要があり、予熱されることなく剪断機にて切断されるものである。シャー切断割れが発生した場合、オフラインにおけるガス切断によって再切断を行い、割れ部分を除去しなければならず、大幅な工期延長と製造コストの増加を余儀なくされることになる。しかしながら、これまでこうしたシャー切断割れを効果的に防止し得る技術が確立されていないのが実情である。

シャー切断割れ防止する技術として、例えば特許文献５には、圧延後の冷却速度を増大させることによって（加速冷却）、鋼材中の偏析を調整してシャー切断性を改善した技術が提案されているが、高速冷却を実施するものであるので、製造できる強度範囲が限られる等の問題があり、シャー切断割れへの対策としては不十分である。
特開２００３−１６６０３３号公報 特開２００４−２１８０１０号公報 特開２００５−２００７１６号公報 特開平６−１９０６２７号公報 特開２００１−２６８２１号公報 「鉄鋼便覧第３巻III（１）圧延基礎・鋼板」（日本鉄鋼協会編、第３版、第２８５頁）

本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、大入熱溶接でも良好なＨＡＺ靭性を示すと共に、シャー剪断機によって切断した場合であってもシャー切断割れが発生しないようなシャー切断性に優れた厚鋼板を提供することである。

上記目的を達成し得た本発明の厚鋼板とは、Ｃ：０．０３０〜０．１５％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１５〜０．０３％、Ｂ：０．００１０〜０．００３５％、Ｎ：０．００５０〜０．０１％、Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｏ：０．０１％以下（０％を含まない）を夫々含有すると共に、下記（１）式および（２）式を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、且つベイナイト分率が９５面積％以上の組織であり、ベイナイトのブロックサイズの平均円相当直径が４０μｍ以下であると共に、ベイナイトのブロックサイズの最大円相当直径と前記平均円相当直径の差が４０μｍ以下である点に要旨を有するものである。尚、上記「円相当直径」とは、ベイナイト・ブロックの大きさに着目して、その面積が等しくなる様に想定した円の直径を求めたものである。
１．５≦［Ｔｉ］／［Ｎ］≦４．０ … （１）
４０≦Ｘ値≦１６０ … （２）
Ｘ値＝５００［Ｃ］＋３２［Ｓｉ］＋８［Ｍｎ］−９［Ｎｂ］
＋１４［Ｃｕ］＋１７［Ｎｉ］−５［Ｃｒ］−２５［Ｍｏ］−３４［Ｖ］
（式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を表す。）

本発明の厚鋼板では、良好な低温靭性およびＨＡＺ靭性の観点から、（ａ）δ域の温度範囲が４０℃以下であることや、（ｂ）深さｔ／４の位置（ｔ＝板厚）において、Ｔｉ系炭・窒化物の平均粒子径が４３ｎｍ以下であること、等の要件を満足させることが好ましい。尚、「Ｔｉ系炭・窒化物」とは、Ｔｉを含む炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれをも含む趣旨である。

本発明の厚鋼板には、必要によって、更に（ａ）Ｎｂ：０．０３５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）およびＣｒ：２．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｃ）Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａよりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．０１％以下（０％を含まない）、（ｆ）希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）、（ｇ）Ｚｒ,ＴａおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．０５％以下（０％を含まない）、（ｈ）Ｃｏ：２．５％以下（０％を含まない）および／またはＷ：２．５％以下（０％を含まない）、等を含有することも有用であり、含有される成分に応じて、鋼板の特性が更に改善される。

本発明によれば、各成分の量および組織を適切な範囲内に収めると共に、上記（１）式および（２）式を満足するように化学成分組成を調整し、且つベイナイトのブロックサイズの平均円相当直径や、ベイナイトのブロックサイズの最大円相当直径と前記平均円相当直径の差を適切に制御することによって、大入熱溶接でも優れたＨＡＺ靭性を示すと共に、シャー切断性にも優れた厚鋼板が実現できた。

本発明者らは、Ｔｉ系炭・窒化物を微細化することによって、大入熱溶接でも良好なＨＡＺ靭性を達成させることを試みた。従来のＴｉ系炭・窒化物の分散状態は、溶鋼凝固時の冷却速度が一定であれば、Ｔｉ、Ｎの添加バランスのみにより定まるものと考えられてきた。しかし本発明者らが鋭意検討した結果、鋼の状態図において表されるδ域の温度範囲を縮小させることにより、同じＴｉ、Ｎ添加量でも、Ｔｉ系炭・窒化物を微細分散させ得ることを見出した。

上記（２）式の関係を規定するＸ値は、δ域の温度範囲に関する関数である。本発明者らは、ＨＡＺ靭性の改善を試みて上記（２）式の関係を見出したのであるが、まずその経緯について説明する。上記「δ域」とは、鋼の状態図においてδ鉄が含まれる領域を意味する。この「δ鉄が含まれる領域」は、δ鉄のみの領域の他にも、δ＋γの２相領域など、δ鉄と他の状態が含まれる領域も包含する。そして「δ域の温度範囲」とは、δ鉄が含まれる温度範囲（δ域の上限温度と下限温度との差）をいう。ここで特定組成の鋼において、例えばδ鉄のみの温度範囲とδ＋γ鉄の温度範囲がある場合、これらの温度範囲の合計が、δ域の温度範囲である。このδ域の温度範囲は、総合熱力学計算ソフトウェア（Ｔｈｅｒｍｏ−ｃａｌｃ、ＣＲＣ総合研究所から購入可能）に、鋼板の化学成分組成を入力することにより計算することができる。

このδ鉄中ではＴｉの拡散速度が速いため、δ域の温度範囲が広いと、δ鉄が存在する時間が長くなり、粗大なＴｉ系炭・窒化物が形成され易くなると考えられる。そこで化学成分組成を調整してδ域の温度範囲を縮小することにより、Ｔｉ系炭・窒化物を微細化することを検討した。そのためにＴｈｅｒｍｏ−ｃａｌｃの計算にて、特定成分を基準に化学成分量の１つだけを変更することにより、各化学成分のδ域の温度範囲への影響を調べた。そのような検討により、δ域の温度範囲と相関関係にあり、化学成分組成の関数で表されるＸ値を定めた：
Ｘ値＝５００［Ｃ］＋３２［Ｓｉ］＋８［Ｍｎ］−９［Ｎｂ］
＋１４［Ｃｕ］＋１７［Ｎｉ］−５［Ｃｒ］−２５［Ｍｏ］−３４［Ｖ］
（式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を表す。）

Ｘ値の上記式中の係数は、特定成分の鋼から、各化学成分を変化させた場合のδ域の温度範囲の変化量に対応する。具体的には、例えば［Ｃ］の係数の「５００」は、Ｃ量を０．０１％だけ増大させたときに、Ｔｈｅｒｍｏ−ｃａｌｃの計算にてδ域の温度範囲が約５℃減少することを意味する。そしてＸ値とδ域の温度範囲とは、ほぼ反比例の関係（Ｘ値が増大すれば、δ域の温度範囲は減少するという関係）にある。

尚、上記Ｘ値を規定する元素のうちには、本発明の厚鋼板の基本成分（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ）以外にも、必要によって含有されるものも含まれるが（Ｎｂ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等）、これらの元素を含まないときには、これらの項目がないものとしてＸ値を計算し、これらの元素を含むときには、上記式からＸ値を計算すれば良い。

このような考えに基づいて、様々なＸ値を有する鋼板を製造して調べたところ、Ｘ値を増大させることで、Ｔｉ系炭・窒化物の平均粒子径を微細化でき、ＨＡＺ靭性を向上させ得ることを見出した。

そしてＸ値を増大させることで、更に、鋼板の低温靭性も向上することを見出した。この現象は、Ｘ値を増大させることで、Ｔｉ系炭・窒化物の平均粒子径が減少したことによるものと推定される。

上記のように本発明の厚鋼板は、その化学成分組成が下記（２）式：
４０≦Ｘ値≦１６０ … （２）
Ｘ値＝５００［Ｃ］＋３２［Ｓｉ］＋８［Ｍｎ］−９［Ｎｂ］
＋１４［Ｃｕ］＋１７［Ｎｉ］−５［Ｃｒ］−２５［Ｍｏ］−３４［Ｖ］
（式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を表す。）
を満たしている点に、大きな特徴がある。但し、本発明は、上記のような推定理由（δ域の温度範囲の減少による炭・窒化物の平均粒子径の減少、平均粒子径の減少によるＨＡＺ靭性および低温靭性の向上等）には制限されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲により定められる。即ち特許請求の範囲に規定する構成要件を満たす厚鋼板は、本発明の範囲内に包含される。

各化学成分量が適正範囲内であれば、Ｘ値が大きくなるほど、Ｔｉ系炭・窒化物の平均粒子径、およびＨＡＺ靭性並びに母材靭性が向上する。このＸ値の下限は、４０（好ましくは４５、より好ましくは５０）である。Ｘ値の上限は、各化学成分の適正量から定められ、１６０（好ましくは１００以下、より好ましくは７５以下）である。硬質相ＭＡ組織（マルテンサイト−オーステナイトの混合組織）の生成抑制の観点から、Ｘ値の好ましい上限は、７５である。

本発明の厚鋼板では、Ｘ値が４０以上となるように化学成分組成を調整することにより、Ｔｉ系炭・窒化物を微細にしている。しかしＴｉ含有量とＮ含有量とのバランスが崩れると、鋼板の靭性、特にＨＡＺ靭性が劣化する。具体的にはＴｉ含有量［Ｔｉ］とＮ含有［Ｎ］の比（［Ｔｉ］／［Ｎ］）が４．０を超える場合には、Ｔｉ系炭・窒化物が粗大になり、ＨＡＺ靭性が低下する。逆に１．５未満であれば、過剰Ｎの影響で、低温靭性およびＨＡＺ靭性が低下する。よって本発明の厚鋼板では、Ｘ値を規定する上記（２）式に加えて、下記（１）式：
１．５≦［Ｔｉ］／［Ｎ］≦４．０ … （１）
を満たすように、Ｔｉ含有量［Ｔｉ］とＮ含有量［Ｎ］とのバランスが図られていることも特徴の１つとする。この［Ｔｉ］／［Ｎ］の好ましい下限は２．０であり、好ましい上限は３．５である。

靭性の観点から、本発明の厚鋼板中のＴｉ系炭・窒化物は微細であることが好ましい。よって本発明の厚鋼板中のＴｉ系炭・窒化物は、好ましくは４３ｎｍ以下、より好ましくは４０ｎｍ以下、更に好ましくは３５ｎｍ以下である。

本発明におけるＴｉ系炭・窒化物の平均粒子径の値は、以下のようにして測定した値である。まず、鋼板の熱履歴を代表する部分として深さｔ／４の位置（ｔ＝板厚）を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で、観察倍率６万倍以上、観察視野２．０μｍ×２．０μｍ以上、観察箇所５箇所以上の条件で観察する。そしてその視野中の各炭・窒化物の面積を測定し、この面積から各炭・窒化物の円相当径を算出する。この各炭・窒化物の円相当径を算術平均（相加平均）して得られる値を、本発明におけるＴｉ系炭・窒化物の平均粒子径とする。

尚、Ｔｉ系炭・窒化物であるかの判別は、各炭・窒化物粒子の主体となる成分によって定まる。即ち、「Ｔｉ系炭・窒化物」とは、炭素および窒素を除いた残りの元素の合計質量を１００％としたとき、Ｔｉの割合が５０質量％以上になるものを言う。元素の量は、エネルギー分散型Ｘ線検出器（ＥＤＸ）によって決定することができる。但し、あまりに微細な炭・窒化物は測定できないため、本発明における「Ｔｉ系炭・窒化物」は、５ｎｍ以上のものに限定する。

厚鋼板では、上記のようにＨＡＺ靭性が良好であることに加え、シャー切断性に優れていることも要求される。シャー切断後の切断面の不良が存在すると、そのままでは製品として使用できず、グラインダー等による手入れや、再切断が必要となり、歩留まりの低下や製造コストの上昇を招くことになる。本発明者らは、シャー切断性の向上を合わせて達成するという観点からも検討を重ねてきた。その結果、厚鋼板の組織をベイナイト主体とする（ベイナイト分率が９５面積％以上）と共に、ベイナイトのブロックサイズ（以下、「ベイナイト・ブロックサイズ」と記す）に着目した組織制御をすれば、シャー切断性が良好になり得ることを見出した。

本発明の厚鋼板では、ベイナイト・ブロックサイズの平均円相当直径を４０μｍ以下とすると共に、ベイナイト・ブロックサイズの最大円相当直径と前記平均円相当直径の差を４０μｍ以下に制御して組織のバラツキを小さくすることによって、優れたシャー切断性が実現できる。ベイナイト組織を制御することによってシャー切断性が良好となるメカニズムについては、十分に明らかにできた訳ではないが、おそらく組織が微細均一なほど局部的（ミクロ）な応力集中が減少し、また素材自体も強靱になるので、劈開面にそって割れることが少なくなるものと推定される。

上記の効果を発揮させるためには、ベイナイト・ブロックサイズが平均円相当直径で４０μｍ以下である必要があるが、ベイナイト・ブロックサイズは微細なほど良く、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下（更に好ましくは１０μｍ以下）である。またベイナイト・ブロックサイズの最大円相当直径と前記平均円相当直径の差は、組織のバラツキを小さくするという観点から４０μｍ以下に制御されるのであるが、この差の値も小ければ小さいほど好ましく、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下（更に好ましくは１０μｍ以下）である。

ベイナイト・ブロックサイズは、ＥＢＳＰ解析装置（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｐａｔｔｅｒｎ解析装置：「ＴｅｘＳＥＭ」Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社製）、およびＦＥ−ＳＥＭ（電解放出型走査電子顕微鏡：「ＸＬ３０Ｓ−ＦＥＧ」Ｐｈｉｌｉｐｓ社製）を用いて測定した。傾角が１５°以上の境界をベイナイト・ブロックとして、その大きさ（円相当直径）を測定した。このときの測定条件は、測定領域：２５０μｍ×２５０μｍ、測定ピッチ：０．４μｍ間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィデンス・インデックス（Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ）が０．１よりも小さい測定点は解析対象から除外した。また、ベイナイト・ブロックサイズが２．０ｍｍ以下のものについては、測定ノイズと判断し、ベイナイト・ブロックサイズの平均計算の対象から除外した。

本発明では、ベイナイトを主体とする組織であることが必要である。またベイナイト・ブロックサイズを上記のように規定することによって、良好なシャー切断性が発揮されることになる。但し、こうした効果を発揮させるためには、必ずしも１００面積％がベイナイト組織である必要はなく、ベイナイト分率で９５面積％以上であれば良い。ベイナイト以外の組織としては、マルテンサイト、フェライトまたはパーライト等が挙げられる。尚、本発明において、ベイナイト分率は、下記の方法に従って測定した。

［ベイナイト分率の測定方法］
各鋼板のｔ／４（ｔ：板厚）位置から採取した２ｃｍ角の試験片を、鏡面研磨した後、ナイタール腐食液（２％硝酸−エタノール溶液）でエッチングし、光学顕微鏡によって組織を観察し（倍率：１００倍）、ｎ＝１０（回）として撮影した写真を画像解析装置（Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ製：Ｉｍｅｇａ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ）によって、ベイナイト分率を算出した。この際、フェライト以外のラス状組織は全てベイナイトとみなした。

本発明の厚鋼板は、その化学成分組成が上記（１）式および（２）式の関係を満足すると共に、ベイナイト・ブロックサイズを制御することによって、ＨＡＺ靭性と共にシャー切断性が優れたものとなる。しかし、これらの要件を満足していても、夫々の化学成分（各元素）の含有量が適正範囲内になければ、上記の効果を達成することができない。よって本発明の厚鋼板は、上記（１）式および（２）式、並びにベイナイト・ブロックサイズが規定範囲を満たすことに加えて、夫々の化学成分の量が、以下に記載するような適正範囲内にあることも特徴とする。以下、化学成分について個々に説明する。

［Ｃ：０．０３０〜０．１５％］
Ｃは、鋼板の強度を確保するために必要な元素であり、また鋼の状態図におけるδ域の温度範囲を縮小させるために有効な元素である。Ｃ含有量が０．０３０％未満ではそれらの効果が発揮されなくなる。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えると、硬質の第２相ＭＡ組織が多くなり過ぎて、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下する。そこでＣ含有量を０．０３０〜０．１５％と定めた。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０４０％であり（より好ましくは０．０５０％以上）、好ましい上限は０．１０％（より好ましくは０．０７０％以下）である。

［Ｓｉ：１．０％以下（０％を含まない）］
Ｓｉは、鋼板の強度を確保するために有効な元素であり、そのためには、０．０１％以上（より好ましくは０．１０％以上）含有させることが好ましい。しかしＳｉを過剰に含有させると、ＭＡ組織が多く生成し、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下するため、その上限を１．０％とする必要がある。Ｓｉ量の好ましい上限は０．８％であり、より好ましくは０．５０％、更に好ましくは０．４０％である。

［Ｍｎ：０．８〜２．０％］
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ、鋼板の強度を確保するのに有効な元素である。Ｍｎ含有量が０．８％未満では、強度確保の作用が充分に発揮されない。一方、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下する。そこでＭｎ含有量を、０．８〜２．０％と定めた。Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．００％であり、より好ましくは１．２０％、更に好ましくは１．５０％である。一方、Ｍｎ量の好ましい上限は１．８０％、より好ましくは１．６０％である。

［Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）］
不純物元素であるＰは、母材靭性およびＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼすため、その量は、できるだけ少ないことが好ましい。よってＰ量は、０．０３％以下、好ましくは０．０１０％以下である。しかし工業的に、鋼中のＰ量を０％にすることは困難である。

［Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）］
Ｓは、ＭｎＳを形成して延性を低下させる元素であり、特に高張力鋼において悪影響が大きくなるため、その量は、できるだけ少ないことが好ましい。よってＳ量は、０．０１％以下、好ましくは０．００５％以下である。しかし工業的に、鋼中のＳ量を０％にすることは困難である。

［Ａｌ：０．０１〜０．１０％］
Ａｌは、脱酸、およびミクロ組織の微細化により母材靭性を向上させる効果を有する元素である。このような効果を充分に発揮させるため、Ａｌを０．０１％以上含有させる。もっともＡｌを過剰に含有させると、却って母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下するため、上限を０．１０％とする。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０２０％である。一方、その好ましい上限は０．０６０％であり、より好ましくは０．０４０％以下である。

［Ｔｉ：０．０１５〜０．０３％］
Ｔｉは、Ｎと微細な窒化物を形成し、溶接時におけるＨＡＺのオーステナイト粒の粗大化を抑制することにより（いわゆるピンニング効果）、ＨＡＺ靭性を向上させるために有効な元素である。このような効果を充分に発揮させるためには、Ｔｉを０．０１５％以上含有する。しかしＴｉ含有量が過剰になると、却ってＨＡＺ靭性が劣化するため、Ｔｉ含有量の上限を０．０３％と定めた。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０１７％以上、０．０２０％以下とするのが良い。

［Ｂ：０．００１０〜０．００３５％］
Ｂは、大入熱溶接の際に、ＨＡＺ、殊にボンド部の付近で、ＢＮを核にした粒内フェライトを生成させると共に、固溶Ｎの固定作用も有し、ＨＡＺ靭性改善に重要な元素である。本発明では、その効果を充分に発揮させるためにＢを、通常の厚鋼板中の含有量よりも多く、０．００１０％以上含有させている。しかしＢ含有量が過剰になると、大入熱溶接の際に粗大なベイナイト組織が形成されるため、却ってＨＡＺ靭性が劣化する。そのためＢ含有量の上限を０．００３５％と定めた。Ｂ含有量の好ましい下限は０．００１５％（より好ましくは０．００２０％以上）、好ましい上限は０．００３０％（より好ましくは０．００２５％以下）である。

［Ｎ：０．００５０〜０．０１％］
Ｎは、Ｔｉと結合して微細な炭窒化物を形成し、大入熱溶接の際にオーステナイト粒の粗大化を抑制し、ＨＡＺ靭性を向上させる効果を有する元素である。Ｎ含有量が少な過ぎると、上記効果が充分に発揮されないため、その下限を０．００５０％と定めた。一方、Ｎ含有量が過剰になると、母材靭性およびＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼすため、その上限を０．０１％と定めた。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００５５％であり、より好ましくは０．００６０％以上である。またＮ含有量の好ましい上限は０．００９０％であり、より好ましくは０．００８０％以下である。

［Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）］
Ｃａは、ＨＡＺ靭性を向上させる効果を有する元素である。詳しくは、Ｃａは、ＭｎＳを球状化するという介在物の形態制御による異方性を低減させることによって、ＨＡＺ靭性を向上させる。一方、ＣａＳ、ＣａＯを形成し、ＨＡＺのオーステナイト粒の粗大化を抑制することによってＨＡＺ靭性を向上させる。このような効果を充分に発揮させるために鋼板中に、Ｃａを好ましくは０．０００５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃａの含有量が過剰であると、却って母材靭性およびＨＡＺ靭性を劣化させるので、その上限を０．００５％と定めた。Ｃａ量の好ましい上限は０．００３０％であり、より好ましくは０．００２５％である。

［Ｏ：０．０１％以下（０％を含まない）］
Ｏは、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ等と反応して高温で安定な酸化物を形成し、ＨＡＺの旧オーステナイト粒の粗大化を防止するのに有効に働く元素である。こうした効果はその含有量が多くなればなるほど増大するが、過剰になると清浄度が低下してしまい、ＨＡＺ靭性が却って低下するので、その上限を０．０１％と定めた。

本発明の厚鋼板は、上記成分の他は基本的に、Ｆｅおよび不可避不純物からなる。しかし本発明は、他の元素が含有される厚鋼板を排除するものではなく、本発明の範囲には、本発明の効果が損なわれない範囲で、他の成分元素を含有している厚鋼板も含まれる。

例えば本発明の厚鋼板には、上記成分の他、必要に応じて、更に（ａ）Ｎｂ：０．０３５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）およびＣｒ：２．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｃ）Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａよりなる群から選ばれる１種以上を合計０．０１％以下（０％を含まない）、（ｆ）希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）、（ｇ）Ｚｒ,ＴａおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．０５％以下（０％を含まない）、（ｈ）Ｃｏ：２．５％以下（０％を含まない）および／またはＷ：２．５％以下（０％を含まない）、等を含有させることも有効であり、含有させる成分の種類に応じて、鋼板の特性がさらに改善される。

［Ｎｂ：０．０３５％以下（０％を含まない）］
Ｎｂは、素地の焼入れ性を向上させて鋼板の強度を高めるために有効な元素であり、必要により含有される。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下するため、その上限を０．０３５％と定めた。Ｎｂは、その効果を発揮させるためには、０．００５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０１０％以上含有させるのが良い。またＮｂ含有量のより好ましい上限は０．０２５％であり、更に好ましくは０．０２０％以下とするのが良い。

［Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）およびＣｒ：２．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｃｕ，ＮｉおよびＣｒは、いずれも焼入れ性を高めて強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて添加することができる。このうちＣｕは、Ｃと同様にδ域の温度範囲を縮小させて、Ｔｉ系炭窒化物を微細化する効果を有すると考えられる。またＮｉも、δ域の温度範囲を縮小させるために有効な元素である。このような効果を充分に発揮させるために、いずれもその含有量は好ましくは０．２０％以上、より好ましくは０．４０％以上であることが推奨される。これらの量が過剰であると、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下する傾向があるため、その上限はいずれも２．０％と定めた。好ましくは１．０％以下である。

［Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）］
Ｍｏは、焼入れ性を高めて強度を向上させることに加えて、焼戻し脆性を防止するために有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。このような効果を充分に発揮させるために、Ｍｏ含有量は、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．１０％以上であることが推奨される。しかしＭｏ含有量が過剰になると、母材靭性およびＨＡＺ靭性が劣化するため、その上限を１．０％と定めた。Ｍｏ含有量は、より好ましくは０．５０％以下である。

［Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）］
Ｖは、少量の添加により、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高める効果を有する元素であり、必要に応じて添加することができる。このような効果を充分に発揮させるために、Ｖ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０２％以上であることが推奨される。しかしＶ量が過剰であると、母材靭性およびＨＡＺ靭性が劣化するため、その上限を０．１％と定めた。Ｖ量は、好ましくは０．０５％以下である。

［Ｍｇ，ＳｒおよびＢａよりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．０１％以下（０％を含まない）］
Ｍｇ，ＳｒおよびＢａは、厚鋼板中に微細な酸化物を生成し、ＨＡＺのオーステナイト粒の粗大化を抑制することによってＨＡＺ靭性を向上させるのに有効な元素である。このような効果を十分に発揮させるためには、これらの１種以上（合計で）を０．０００３％以上含有させることが好ましい。しかしながら、これらの含有量が過剰になると、却って母材靭性およびＨＡＺ靭性を劣化させるので、その上限を０．０１％とした。より好ましい上限は、０．００４０％であり、更に好ましくは０．００２０％である。

［希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）］
希土類元素（ＲＥＭ）は、酸化物または硫化物として存在し、ＨＡＺのオーステナイト粒微細化やフェライト変態の促進作用によってＨＡＺ靭性を改善する作用があり、必要によって有効に活用することができる。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有させると、ＨＡＺ靭性を却って劣化させるので、その上限は０．０１％とすることが好ましい。ＲＥＭのより好ましい上限は０．００３％である。尚、本発明で用いるＲＥＭは、ランタノイド系列希土類元素のいずれをも含むものであり、これらの１種以上を含有させれば良い。

［Ｚｒ,ＴａおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．０５％以下（０％を含まない）］
Ｚｒ，ＴａおよびＨｆは、Ｔｉと同様に炭素・窒化物を形成し、溶接時におけるＨＡＺのオーステナイト粒の粗大化を抑制するので、ＨＡＺ靭性の改善に有効な元素である。このような効果を十分に発揮させるため、上記元素の１種以上を合計で０．００１％以上含有させることが好ましいが、これらの含有量が過剰になると、母材靭性およびＨＡＺ靭性が却って低下させるので、これらの元素を含有させる場合、その合計で０．０５％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０３％以下とするのが良い。

［Ｃｏ：２．５％以下（０％を含まない）および／またはＷ：２．５％以下（０％を含まない）］
ＣｏおよびＷは、焼入れ性を向上させ、鋼板の強度を高める効果を有する元素である。このような効果を充分に発揮させるため、これらの１つまたは両方を、夫々０．２％以上で含有させることが好ましい。しかしこれらの量が過剰であると、母材靭性およびＨＡＺ靭性が劣化するため、これらの量の上限を、いずれも２．５％と定めた。

本発明の厚鋼板を製造するに当たっては、上記のように化学成分組成、［Ｔｉ］／［Ｎ］およびＸ値の要件を満たす鋼を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を冷却してスラブとした後、例えば９５０〜１３００℃の範囲に加熱した後、熱間圧延を行い、８５０±５０℃の温度範囲における圧延パス数を４回以上とし（但し、１パス当りの圧下量は５ｍｍ以上）、引き続き７５０〜８００℃での累積圧下率を１０〜３０％となるように圧延を終了し、その後７００〜４００℃の温度範囲を５℃／秒以上で冷却するようにすれば良い。

上記製造条件において、８５０±５０℃の温度範囲における圧延パス数を４回以上で１パス当り５ｍｍ以上とするのは、ベイナイト・ブロックサイズの微細化という観点からであり、このときの圧延パス数が４回未満となるとベイナイト・ブロックサイズを平均円相当直径で４０μｍ以下にすることができなくなる。また７５０〜８００℃での累積圧下率を１０〜３０％とするのは、ベイナイト・ブロックサイズを小さくすると共に、その最大値を小さくするという観点からであり、このときの圧下率が１０％未満ではベイナイト・ブロックサイズの平均円相当直径が４０μｍを超えることになり、圧下率が３０％を超えるとベイナイト・ブロックサイズの最大円相当直径が大きくなって、これらの差（ベイナイト・ブロックサイズの最大円相当直径と平均円相当直径の差）が４０μｍを超えることになる。

また７００〜４００℃の温度範囲を５℃／秒以上で冷却するのは、ベイナイトが変態する温度域（７００〜４００℃）をできるだけ速く冷却することによってベイナイト・ブロックサイズを小さくするという観点からであり、この温度域での冷却速度が５℃／秒未満になるベイナイト・ブロックサイズの平均円相当直径が４０μｍを超えることになる。

本発明の厚鋼板は、Ｘ値を制御してδ域の温度範囲を狭くさせているので、溶鋼を通常の条件で冷却（例えば１５００℃から１１００℃までを０．１〜２．０℃／秒の冷却速度で冷却）してスラブを形成することにより、十分に小さいＴｉ系炭・窒化物の平均粒子径を形成することができる。但し、より微細な炭・窒化物を形成させるために、鋳造機の冷却水量や冷却方法を変更させて、凝固時の冷却速度を向上させることが好ましい。

本発明は厚鋼板に関するものであり、該分野において厚鋼板とは、ＪＩＳで定義されるように、一般に板厚が３．０ｍｍ以上であるものを指す。しかし本発明の厚鋼板の板厚は、好ましくは２０ｍｍ以上、好ましくは４０ｍｍ以上、更に好ましくは６０ｍｍ以上である。なぜなら本発明の厚鋼板は、入熱量が４０ｋＪ／ｍｍであるような大入熱溶接若しくは超大入熱溶接であっても良好なＨＡＺ靭性を示すので、板厚が厚くても、入熱量を増大させることで効率よく溶接できるからである。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記表１〜４に示す組成の鋼を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を０．１〜２．０℃／分の冷却速度で１５００℃から１１００℃まで冷却してスラブとした後、１１００℃に加熱して熱間圧延を行い、および場合により焼戻しを行い、板厚４０ｍｍの高張力鋼板を製造した。このとき、８５０±５０℃の温度範囲における圧延パス数（１パス当りの圧下量：試験Ｎｏ．７８のものは４ｍｍ、それ以外は１０ｍｍ）、７５０〜８００℃での累積圧下率、および７００〜４００℃の温度範囲での冷却速度を制御した。下記表１〜４には、鋼板の化学成分組成から計算した［Ｔｉ］／［Ｎ］、Ｘ値、およびＴｈｅｒｍｏ−ｃａｌｃから計算したδ域の温度範囲の値（表中で「δ域」と記載）を併記した。

上記のようにして製造した鋼板について、Ｔｉ系炭・窒化物の粒子径（平均、最大）、鋼板の引張強度、母材靭性、ＨＡＺ靭性およびシャー切断性を、下記の方法で測定すると共に、ベイナイトの面積率を前述した方法によって測定した。これらの結果を、製造方法（８５０±５０℃の温度範囲における圧延パス数、７５０〜８００℃での累積圧下率、および７００〜４００℃の温度範囲での冷却速度）と共に、下記表５〜８に示す。

［Ｔｉ系炭・窒化物の平均粒子径］
深さｔ／４の位置（ｔ＝板厚）を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で、観察倍率６万倍、観察視野２．０μｍ×２．０μｍ、観察箇所５箇所の条件で観察した。そしてその視野中の各炭・窒化物の面積を測定し、この面積から各炭・窒化物の円相当径を算出した。この各炭窒化物の円相当径を算術平均（相加平均）して、各鋼板におけるＴｉ系炭・窒化物の平均円相当直径を算出した。またベイナイト・ブロックサイズの最大円相当直径を選び、前記平均円相当直径の差を求めた。（下記表５〜８には、「直径差（最大−平均）」と記す）。

［鋼板の引張強度］
深さｔ／４の位置（ｔ＝板厚）で、試験片の長手方向が鋼板の板幅方向（Ｃ方向）となるようにＪＩＳ４号試験片を採取し、引張試験を行うことにより、引張強度を測定した。

［母材靭性］
深さｔ／４の位置（ｔ＝板厚）で、試験片の長手方向が鋼板の圧延方向（Ｌ方向）となるように、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定するＶノッチ標準試験片を採取し、各温度でシャルピー衝撃試験（衝撃刃半径：２ｍｍ）を行い、−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ_-40）を測定した。

［ＨＡＺ靭性］
入熱量４０ｋＪ／ｍｍで溶接（エレクトロガスアーク溶接）を行い、図１に示す部位からＪＩＳ４号試験片を採取し（ノッチ位置は、ボンドから０．５ｍｍＨＡＺ側）、−４０℃でシャルピー衝撃試験（衝撃刃半径：２ｍｍ）を行い、吸収エネルギー（ｖＥ_-40）を測定した。本発明では、吸収エネルギー（ｖＥ_-40）が２００Ｊ以上のものを合格とした。

［シャー切断性の評価］
シャー切断性の良否は、切断後の厚板切断面を磁粉深傷にて調査し、シャー切断割れ等のないものをシャー切断性が良好（後記表中「○」と表示）、シャー切断割れが認められたものを不良（後記表中「×」と表示）とした。

これらの結果から、次のように考察できる。まず試験Ｎｏ．１〜４６のものは、本発明で規定する要件を満たすものであるが、いずれの特性（鋼板の引張強度、母材靭性、ＨＡＺ靭性およびシャー切断性）も良好であることが分かる。

これに対して、試験Ｎｏ．４７〜７８のものでは、本発明で規定する要件のいずれかを欠くものであり、いずれかの特性が劣化している。

ＨＡＺ靭性（ｖＥ_-40）測定用の試験片を採取した位置を示す概略図である。

Claims (9)

1. Ｃ：０．０３０〜０．１５％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１５〜０．０３％、Ｂ：０．００１０〜０．００３５％、Ｎ：０．００５０〜０．０１％、Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｏ：０．０１％以下（０％を含まない）を夫々含有すると共に、下記（１）式および（２）式を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、且つベイナイト分率が９５面積％以上の組織であり、ベイナイトのブロックサイズの平均円相当直径が４０μｍ以下であると共に、ベイナイトのブロックサイズの最大円相当直径と前記平均円相当直径との差が４０μｍ以下であり、δ域の温度範囲が４０℃以下であると共に、深さｔ／４の位置（ｔ＝板厚）において、Ｔｉ系炭・窒化物の平均粒子径が４３ｎｍ以下であることを特徴とするシャー切断性に優れた大入熱溶接用厚鋼板。
   １．５≦［Ｔｉ］／［Ｎ］≦４．０ … （１）
   ４０≦Ｘ値≦１６０ … （２）
   Ｘ値＝５００［Ｃ］＋３２［Ｓｉ］＋８［Ｍｎ］−９［Ｎｂ］
   ＋１４［Ｃｕ］＋１７［Ｎｉ］−５［Ｃｒ］−２５［Ｍｏ］−３４［Ｖ］
   （式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を表す。）
2. 更に、Ｎｂ：０．０３５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１に記載の大入熱溶接用厚鋼板。
3. 更に、Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）およびＣｒ：２．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１または２に記載の大入熱溶接用厚鋼板。
4. 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１〜３のいずれかに記載の大入熱溶接用厚鋼板。
5. 更に、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の大入熱溶接用厚鋼板。
6. 更に、Ｍｇ，ＳｒおよびＢａよりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．０１％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大入熱溶接用厚鋼板。
7. 更に、希土類元素：０．０１％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜６のいずれかに記載の大入熱溶接用厚鋼板。
8. 更に、Ｚｒ,ＴａおよびＨｆよりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．０５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜７のいずれかに記載の大入熱溶接用厚鋼板。
9. 更に、Ｃｏ：２．５％以下（０％を含まない）および／またはＷ：２．５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜８のいずれかに記載の大入熱溶接用厚鋼板。

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