JP4950529B2 - 溶接熱影響部の靭性および母材靭性に優れた鋼材およびその製法 - Google Patents
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C:0.03〜0.12%(「質量%」の意味。以下同じ)、
Si:0.5%以下(0%を含まない)、
Mn:1.4〜1.8%、および
N :0.003〜0.01%を含み、
P :0.02%以下(0%を含まない)、
S :0.015%以下(0%を含まない)、および
Al:0.01%以下(0%を含まない)を満足し、
REM:0.001〜0.1%および/またはCa:0.0003〜0.02%と、
Zr:0.001〜0.05%を夫々含有し、
残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材であって、
該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、REMの酸化物および/またはCaOと、ZrO2を含有し、且つ
全組織に占める島状マルテンサイトの分率が1.1%以下で残部がベイナイト組織である点に要旨を有する。
Cu:2%以下(0%を含まない)、
Ni:3.5%以下(0%を含まない)、
Cr:3%以下(0%を含まない)、
Mo:1%以下(0%を含まない)、
Nb:0.25%以下(0%を含まない)、
V :0.1%以下(0%を含まない)、および
B :0.005%以下(0%を含まない)
よりなる群から選ばれる1種以上の元素を含むものが好ましく、こうした元素を含有することで母材の強度を高めることができる。
Tiは、鋼材中にTi酸化物を生成してHAZの靭性向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、Tiは0.005%以上含有させることが好ましく、より好ましくは0.007%以上、更に好ましくは0.01%以上とする。しかし過剰に添加すると、酸化物が多量に生成し過ぎて鋼材(母材)の靭性を劣化させるため、0.08%以下に抑えるべきである。好ましくは0.07%以下であり、より好ましくは0.06%以下とする。
Cuは、鋼材を固溶強化させる元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには、0.05%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.1%以上であり、更に好ましくは0.2%以上である。特に0.6%以上含有させると、固溶強化のほか、時効析出強化も発揮し、大幅な強度向上が可能となる。しかし2%を超えて含有させると、鋼材(母材)の靭性が低下するため、Cuは2%以下に抑えるのがよい。好ましくは1.8%以下であり、より好ましくは1.6%以下とする。
Niは、鋼材の強度を高めると共に、鋼材の靭性を向上させるのに有効に作用する元素であり、こうした作用を発揮させるには、0.05%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.1%以上であり、更に好ましくは0.2%以上とする。Niは多いほど好ましいが、高価な元素であるため経済的観点から3.5%以下に抑えることが好ましい。より好ましくは3.3%以下であり、更に好ましくは3%以下とする。
Crを添加して強度を高めるには、0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.02%以上、更に好ましくは0.03%以上である。しかし3%を超えると溶接性が劣化するため、Crは3%以下に抑えることが好ましい。より好ましくは1.5%以下であり、更に好ましくは1%以下である。
Moを添加して強度を高めるには、0.01%以上含有させるのが望ましい。より好ましくは0.02%以上であり、更に好ましくは0.03%以上含有させるのがよい。但し、1%を超えると溶接性を悪化させるためMoは1%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.9%以下であり、更に好ましくは0.8%以下に抑えることが推奨される。
Nbを添加して強度を高めるには、0.005%以上含有させるのが好ましい。より好ましくは0.01%以上であり、更に好ましくは0.03%以上である。しかし0.25%を超えると炭化物(NbC)が析出して母材靭性が劣化するので、Nbは0.25%以下に抑えるのが好ましい。より好ましくは0.23%以下であり、更に好ましくは0.20%以下とする。
Vを添加して強度を高めるには、0.005%以上含有させるのが望ましい。より好ましくは0.01%以上、更に好ましくは0.03%以上含有させるのがよい。しかし0.1%を超えると、溶接性が悪化する共に母材の靭性が劣化するため、Vは0.1%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.08%以下、更に好ましくは0.06%以下に抑えるのがよい。
Bは、鋼材の強度を高めると共に、溶接時に加熱されたHAZが冷却される過程において鋼中のNと結合してBNを析出し、オーステナイト粒内からのフェライト変態を促進させる。こうした効果を有効に発揮させるには、0.0003%以上含有させるのが好ましい。より好ましくは0.0005%以上であり、更に好ましくは0.0008%以上である。しかし0.005%を超えると、鋼材(母材)の靭性が劣化するため、Bは0.005%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.004%以下であり、更に好ましくは0.003%以下とするのがよい。
しかしこの場合、上記ベイナイト組織と同時に硬質相の島状マルテンサイト(Martensite-Austenite constituent,以下「MA」ということがある)が生成し易く、これが破壊の起点となり、母材靭性に悪影響を及ぼす。図1は、島状マルテンサイトの分率(MA分率)とvTrs(破面遷移温度)の関係を示すグラフであり、後述する実施例の実験結果を整理したものであるが、この図1より、vTrs:−40℃以下と優れた母材靭性を示す鋼材を得るには、MA分率を1.1%以下に抑える必要があることがわかる。より好ましくは、上記MA分率を1.0%以下とするのがよい。
(1)プロセスコンピュータにおいて、加熱開始から加熱終了までの雰囲気温度、在炉時間に基づき、鋼片の表面から裏面までの板厚方向の任意の位置の加熱温度を算出する。
(2)上記算出した加熱温度を用い、圧延中の圧延パススケジュールやパス間の冷却方法(水冷あるいは空冷)のデータに基づいて、板厚方向の任意の位置の圧延温度を差分法など計算に適した方法を用いて算出しつつ、圧延を実施する。
(3)鋼板表面温度は、圧延ライン上に設置された放射型温度計を用いて実測する(ただし、プロセスコンピュータ上においても計算を実施する)。
(4)粗圧延開始時、粗圧延終了時および仕上圧延開始時にそれぞれ実測した鋼板表面温度を、プロセスコンピュータ上の計算温度と照合する。
(5)粗圧延開始時、粗圧延終了時および仕上圧延開始時の計算温度と上記実測温度の差が±30℃以上の場合は、実測表面温度と計算表面温度が一致する様に再計算し、プロセスコンピュータ上の計算温度とする。
(6)上記計算温度の補正を行って、t/4部位の仕上圧延終了温度を求める。
各鋼板のt(板厚)/4部位から、圧延方向に対して直角の方向にJISZ 2201の4号試験片を採取して、JISZ 2241の要領で引張試験を行ない、引張強度(TS)を測定した。そして、TSが510MPa以上でYPが390MPa以上のものを、引張特性に優れていると評価した。
島状マルテンサイトの分率は下記の様にして測定した。即ち、圧延方向に平行で且つ鋼板表面に対して垂直な、鋼板表裏面を含む板厚断面を観察できるよう上記鋼板からサンプルを採取し、観察面を鏡面研磨した後、レペラー腐食液で腐食した。そして、t(板厚)/4部位を、光学顕微鏡にて400倍の倍率で撮影し(1視野サイズ:60μm×80μm)、主体の組織がベイナイト(B)、またはフェライト(F)+パーライト(P)であるかを判断した上で、主体の組織がベイナイトの場合には、上記撮影した写真を画像解析装置に取り込み、白黒に画像処理してから白い部分(MA)の面積率を求めた。該測定を任意の12視野以上について行い、その平均値をMA分率とした。
各鋼板のt(板厚)/4位置における横断面からサンプルを切り出した。切り出されたサンプル表面を島津製作所製「EPMA−8705(装置名)」を用いて600倍で観察し、最大径が0.2μm以上の析出物について成分組成を定量分析した。観察条件は、加速電圧を20kV,試料電流を0.01μA,観察視野面積を1〜5cm2,分析個数を100個とし、特性X線の波長分散分光により析出物中央部での成分組成を定量分析した。分析対象元素は、Al,Mn,Si,Ti,Zr,Ca,La,CeおよびOとし、既知物質を用いて各元素の電子線強度と元素濃度の関係を予め検量線として求めておき、次いで、前記析出物から得られた電子線強度と前記検量線からその析出物の元素濃度を定量した。
次に、HAZの靭性を評価するため、入熱量40〜60kJ/mmのエレクトロガス溶接またはサブマージ溶接を実施し、板厚方向の裏面7mmを中心とした板厚位置から、JISZ2242(2006)で規定のVノッチシャルピー試験片3本を採取した。次に、該試験片を用いて−40℃でシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギー(vE−40)を測定し、上記3本の試験片の平均値を求めた。そして、vE−40が150J以上のものをHAZ靭性に優れると評価した。
各鋼板のt/4部位からJIS Z 2202(2006)で規定のVノッチ試験片を採取して、JISZ 2242(2006)に規定の方法でシャルピー衝撃試験を行い、破面遷移温度(vTrs)を測定した。そして、vTrsが−40℃以下のものを、母材靭性に優れる[船級Eグレード鋼材規格値(−20℃で55J以上)を安定して確保できる]と評価した。
Claims (8)
- C:0.03〜0.12%(「質量%」の意味。以下同じ)、
Si:0.5%以下(0%を含まない)、
Mn:1.4〜1.8%、および
N :0.003〜0.01%を含み、
P :0.02%以下(0%を含まない)、
S :0.015%以下(0%を含まない)、および
Al:0.01%以下(0%を含まない)を満足し、
REM:0.001〜0.1%および/またはCa:0.0003〜0.02%と、
Zr:0.001〜0.05%を夫々含有し、
残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材であって、
該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、REMの酸化物および/またはCaOと、ZrO2を含有し、且つ
全組織に占める島状マルテンサイトの分率が1.1%以下で残部がベイナイト組織であることを特徴とする溶接熱影響部の靭性および母材靭性に優れた鋼材。 - 前記REMの酸化物および/またはCaOの合計が5%以上で、且つ前記ZrO2が5%以上を満足するものである請求項1に記載の鋼材。
- 前記鋼材が、更に他の元素として、Ti:0.08%以下(0%を含まない)を含むと共に、前記鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、Ti2O3を含有するものである請求項1または2に記載の鋼材。
- 前記Ti2O3が0.3%以上を満足するものである請求項3に記載の鋼材。
- 前記鋼材が、更に他の元素として、
Cu:2%以下(0%を含まない)、
Ni:3.5%以下(0%を含まない)、
Cr:3%以下(0%を含まない)、
Mo:1%以下(0%を含まない)、
Nb:0.25%以下(0%を含まない)、
V :0.1%以下(0%を含まない)、および
B :0.005%以下(0%を含まない)
よりなる群から選ばれる1種以上の元素を含むものである請求項1〜4のいずれかに記載の鋼材。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の鋼材を製造する方法であって、
溶存酸素量を0.0020〜0.010%の範囲に調整した溶鋼へ、
REMおよびCaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、Zrを添加すると共に、
熱間圧延終了温度(仕上圧延終了温度)から、ベイナイト変態終了温度(Bf)以下でマルテンサイト変態開始温度(Ms)以上の温度域までを、6℃/s以上で冷却することを特徴とする溶接熱影響部の靭性および母材靭性に優れた鋼材の製法。 - 請求項3〜5のいずれかに記載の鋼材を製造する方法であって、
溶存酸素量を0.0020〜0.010%の範囲に調整した溶鋼へ、
REMおよびCaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、TiとZrを添加すると共に、
熱間圧延終了温度(仕上圧延終了温度)から、ベイナイト変態終了温度(Bf)以下でマルテンサイト変態開始温度(Ms)以上の温度域までを、6℃/s以上で冷却することを特徴とする溶接熱影響部の靭性および母材靭性に優れた鋼材の製法。 - 上記溶存酸素量を調整した溶鋼へ、REMおよびCaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とZrを添加するに先立って、Tiを添加する請求項7に記載の製法。
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