JP4949210B2 - 溶接熱影響部の靭性が優れた鋼およびその製造方法 - Google Patents
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すなわち、
1)小〜中入熱HAZでは、一般に溶接後の冷却時間がおよそ60s以内である。このような冷却条件では、C含有量が十分低ければ、その他の脆化元素を適切に制御することにより、Mnを2.0%程度まで添加しても、靭性に悪影響を及ぼすM*が生成しなくなること、
2)Alを実質的に含まない鋼でTi酸化物を用いてミクロ組織を微細化する技術に代
えて、MgとCaによる複合脱酸技術を用いて結晶粒を微細化させることにより、鋼の焼入れ性を低く抑えることが可能となり、鋼成分をより適正化できること、
3)更に、鋼中に不純物として存在するNb、Vを一定限界以下に、制限することによ
り予期せぬ靭性低下を除去できること、を見出して本発明を完成した。
本発明の要旨は、次の通りである。
C:0.01〜0.07%、
Si:0.05〜0.20%、
Mn:1.50〜2.0%、
Cu:0.25〜0.50%、
Ni:0.50〜1.50%、
P:≦0.015%、
S:≦0.010%、
Ti:0.005〜0.015%、
N:0.0020〜0.0060%、
Mg:0.0003〜0.003%、
Ca:0.0003〜0.003%、
O:0.0010〜0.0045%
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、不純物としての混入量がNb:≦0.010%、V:≦0.020%であり、下記(A)式で表されるCeHが0.05以下の範囲であることを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼。
CeH=C+1/4Si−1/24Mn+1/48Cu+1/32Ni+1/0.4Nb+1/2V ・・・(A)
但し、C、Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Vは、それぞれ鋼成分量(質量%)を示す。
本発明者らの研究によれば、小〜中入熱(板厚50mmで1.5〜6.0kJ/mm)溶接時のHAZのCTOD特性(−40℃以下の温度に於けるCTOD特性)に対しては、極めて局部的な領域の靱性(シャルピー試験による破壊性能指標)が支配的であり、この部分のミクロ組織の制御と脆化元素の低減、さらには応力集中源となり靭性を低下させる介在物の制御が重要となる。換言すれば、CTOD特性は、材料の平均的特性ではなく局所的な脆化域や介在物の存在に支配され、鋼材中にごく一部分でも脆化をもたらす領域があれば、鋼板のCTOD特性は著しく損なわれる。
えて、MgとCaによる複合脱酸技術を用いて結晶粒を微細化させることにより、鋼の焼入れ性を低く抑えることが可能となり、鋼成分をより適正化できることを知見した。これにより、M*以外の硬化相(BuやFSPなど)の生成も抑制することが可能となり、HAZ靱性劣化の要因を取り除くことができる。このとき、介在物の制御〔個数の低減〕の観点から、MgとCaのそれぞれの上限を0.003%にすることが良好なCTOD特性を得る上で不可欠である。なお、以上に示した1)の高Mn化と、2)のMgとCaの複合脱酸を用いた細粒化技術の組合せにとよるCTOD向上技術は従来全く報告されていない。
り予期せぬ靭性低下を除去した。これら元素は硬化相の生成を促進する効果を有することから、含有量を制限することで靭性を向上させることが可能となる。
Cは強度を得るため0.01%以上は必要であるが、0.07%超では溶接HAZの靭性を劣化させ、良好なCTOD特性を満足できないため0.07%を上限とする。
SiはHAZ靱性を阻害するため、良好なHAZ靭性を得るためには少ない方が好ましい。しかし、発明鋼ではAlを添加してないため、脱酸のため0.05%以上の添加が必要である。しかしながら、含有量が0.20%を超えるとHAZ靱性を害するため、0.20%を上限とする。
Mnは本発明の主たる合金元素であり、ミクロ組織を適正化する効果が大きく、しかも他の元素に比べて安価であることが特徴である。特に、前出のCeHを低下させることができるため、小〜中入熱のHAZ靭性を害することなく、高強度化のために多量の添加を行なうことが可能となる。しかし、2.0%超ではスラブの偏析を助長し、靭性に有害なBuを生成し易くするため、含有量は2.0%を上限とした。また、1.5%未満では効果が少ないので下限を1.5%とした。
Cu、Niは添加によるHAZ靭性の劣化が少なく、前述したように、高Mn鋼においても極低温のCTOD特性を改善させると共に、良好な値を安定して得ることができるため、本発明の重要な合金元素である。また、母材の強度を向上させる効果があり、特性のさらなる向上にCu:0.25以上、Ni:0.5以上とすることが有効であるが、それぞれの含有量がCu:0.5%、Ni:1.5%を超えると焼入れ性の増大から靱性が劣化する傾向となるため、これらの値を上限とした。したがって、Cu:0.25〜0.5、Ni:0.5〜1.5%とした。
P、Sは、不可避的不純物として含有される元素であり、母材靱性、HAZ靱性の観点から少ない方が良いが、その低減には工業生産的な制約もあり、それぞれ0.015%、0.010%を上限としたが、それぞれ0.008%、0.005%を上限とすることが望ましい。
Tiは0.005%以上含有することで、Ti窒化物を生成させミクロ組織を微細化させることにより靭性向上に大きく寄与するが、含有量が0.015%を超え多すぎるとTiCを生成し、これがHAZ靭性を著しく劣化させるため、0.005〜0.015%が適正範囲である。
Mgは本発明の主たる合金元素であり、主に脱酸剤あるいは硫化物生成元素として添加されるが、0.003%を越えて添加されると、粗大な酸化物あるいは硫化物が生成し易くなり、母材およびHAZ靱性の低下をもたらす。しかしながら、0.0003%未満の添加では、ピニング粒子として必要な酸化物の生成が十分に期待できなくなるため、その添加範囲を0.0003〜0.003%と限定する。
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、特に耐ラメラティアー性を改善する。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。Caは0.0003%未満では、十分な効果が得られないので下限値を0.0003%にした。逆に、Caが0.003%を超えるとCaの粗大酸化物個数が増加し、超微細な酸化物あるいは硫化物の個数が低下するため、その上限を0.003%とする。
Oは酸化物の生成に必要で、0.001%未満では効果が少なく、一方、0.0045%超では粗大な酸化物を生成し、靱性を極端に劣化させるため、含有範囲を0.001〜0.0045%とした。
Nは微細なTi窒化物を形成して母材靭性やHAZ靭性を改善するために必要であるが、0.002%未満では効果が少なく、0.006%超では鋼片製造時に表面疵が発生するため上限を0.006%とした。
CeH=C+1/4Si−1/24Mn+1/48Cu+1/32Ni+1/0.4Nb+1/2V・・・・・(A)
但し、上記式において、C、Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Vは、それぞれ鋼成分量(質量%)を意味する。
本発明においては、CeHが0.05より小さい場合にはTδcが−40℃を満足し、CeHが0.02以下のときに、Tδcが−60℃を満足させることができる。したがって、本発明ではCeHを0.05以下、又は、より低温靭性が要求されるものについては
CeHを0.02以下と限定した。
本発明鋼は工業的には連続鋳造法で製造することが望ましい。その理由は溶鋼の凝固冷却速度が速く、スラブ中に微細な酸化物とTi窒化物を多量に生成することが可能なためである。スラブの圧延に際し、その再加熱温度は1100℃以下とする必要がある。再加熱温度が1100℃を超えるとTi窒化物が粗大化して母材の靭性劣化やHAZ靱性改善効果が期待できないためである。再加熱温度の下限は、加工熱処理が可能な温度あればよく、1000℃とすることが好ましい。ついで、再加熱後の製造法は加工熱処理が必須である。その理由は、優れたHAZ靱性が得られても、母材の靱性が劣っていると鋼材としては不十分なためである。加工熱処理の方法としては、1)制御圧延、2)制御圧延−加速冷却、3)圧延後直接焼入れ−焼戻しなどが挙げられるが、好ましい方法は制御圧延−加速冷却法および圧延後直接焼入れ−焼戻し法である。
転炉−連続鋳造−厚板工程で種々の鋼成分の厚鋼板を製造し、母材強度や溶接継手のCTOD試験を実施した。溶接は一般的に試験溶接として用いられている潜弧溶接(SAW)法で、溶接溶け込み線(FL)が垂直になるようにK開先で溶接入熱は4.5〜5.0kJ/mmで実施した。CTOD試験はt(板厚)×2tのサイズでノッチは50%疲労亀裂をFL位置に導入して実施した。表1に本発明の実施例および比較例として、鋼の化学成分およびCeHを示し、表2に製造条件、母材特性及び溶接継ぎ手靭性を示す。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.01〜0.07%、
Si:0.05〜0.2%、
Mn:1.5〜2.0%、
Cu:0.25〜0.5%、
Ni:0.5〜1.5%、
P:≦0.015%、
S:≦0.01%、
Ti:0.005〜0.015%、
N:0.002〜0.006%、
Mg:0.0003〜0.003%、
Ca:0.0003〜0.003%、
O:0.001〜0.0045%
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、不純物としての混入量がNb:≦0.01%、V:≦0.02%であり、下記(A)式で表されるCeHが0.05以下の範囲であることを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼。
CeH=C+1/4Si−1/24Mn+1/48Cu+1/32Ni+1/0.4Nb+1/2V ・・・(A)
但し、C、Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Vは、それぞれ鋼成分(質量%)を示す。 - CeHが0.02以下の範囲であることを特徴とする請求項1記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼。
- MgとCaの合計量が0.005%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の溶接熱影響部の靭性に優れた鋼。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の鋼成分とCeHとを満足する鋼片を1100℃以下の温度に加熱後、加工熱処理することを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼の製造方法。
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