JP5223706B2 - Steel material excellent in toughness of heat-affected zone with high heat input and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、入熱200kJ/cmを超える大入熱の溶接熱影響部(以下、HAZと称す)靭性に優れた鋼材及びその製造方法に関するものである。特に、建築、橋梁などの大型構造物に使用され、大入熱溶接熱影響部の靭性が安定して高い値を示すことが求められる鋼材及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a steel material excellent in weld heat-affected zone (hereinafter referred to as HAZ) toughness with a high heat input exceeding 200 kJ / cm and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to a steel material that is used for large structures such as buildings and bridges, and to which the toughness of a high heat input welding heat-affected zone is required to stably exhibit a high value, and a method for manufacturing the same.

建築、橋梁などの大型構造物に使用される溶接構造用鋼材の材質特性に対する要求は年々厳しさを増しており、母材靭性と同様に、HAZ靭性に対しても、より厳しい要求がなされている。特に、HAZ靭性が母材靭性と比較して大幅に劣る場合には、大型地震によりHAZからき裂が発生し建造物が倒壊するといった危険性がある。   The demands for material properties of welded structural steel materials used for large structures such as buildings and bridges are becoming stricter year by year. As with the base material toughness, the HAZ toughness has become more severe. Yes. In particular, if the HAZ toughness is significantly inferior to the base metal toughness, there is a risk that a crack will occur from the HAZ due to a large earthquake and the building will collapse.

優れたHAZ靭性を有する大入熱溶接用鋼材に関しては、例えば、特許文献1には、鋼材中のCa、O、Sの含有量を調整することによって、大入熱溶接をした際に溶接熱影響部が微細な組織となるようにすることが記載されている。   Regarding steel materials for high heat input welding having excellent HAZ toughness, for example, Patent Document 1 discloses welding heat when performing high heat input welding by adjusting the contents of Ca, O, and S in the steel material. It is described that the affected part has a fine structure.

ここでは、鋼板を溶製する際の凝固段階でCaSを晶出させ、さらに、CaSの表面上にMnSを析出させ、さらに、MnS上には、TiN、BN、AlN、VN等のフェライト生成核を析出させることにより、大入熱溶接時の高温化でも溶解しないフェライト変態生成核を微細に分散させ、HAZ組織を微細なフェライト-パーライト組織として高靭性化を達成させるとしている。   Here, CaS is crystallized in the solidification stage when the steel sheet is melted, MnS is further precipitated on the surface of CaS, and further, ferrite-forming nuclei such as TiN, BN, AlN, and VN are formed on MnS. By precipitating, the ferrite transformation nuclei that do not dissolve even at high temperatures during high heat input welding are finely dispersed, and the HAZ structure is made fine ferrite-pearlite structure to achieve high toughness.

また、特許文献2には、製鋼段階で、脱酸材をTi、Al、Caの順に添加し、その後さらにAlを添加することによって、溶接継手部靱性の優れた鋼材の製造方法が記載されている。   Patent Document 2 describes a method for producing a steel material having excellent weld joint toughness by adding a deoxidizing material in the order of Ti, Al, and Ca in the steelmaking stage and then further adding Al. Yes.

ここでは、Ca、Al、Tiのいずれか2種を含有する複合酸化物の微細分散と個数増加を図り、オーステナイト粒の細粒化や微細フェライトの生成によって、優れたHAZ靭性を持つ鋼材が製造できるとしている。   Here, steel materials with excellent HAZ toughness are manufactured by finely dispersing and increasing the number of complex oxides containing any two of Ca, Al, and Ti, and by making austenite grains fine and producing fine ferrites. I can do it.

特開2002−256379号公報JP 2002-256379 A 特開2001−288509号公報JP 2001-288509 A

従来であれば、シャルピー試験においても吸収エネルギーの平均値で規定値をクリアすれば、その要求を満足させることができた。ところが、建築、橋梁などの鋼構造物に対する安全性確保の要求はますます高まってきており、最近では安定的な高靭性が求められ、大入熱溶接HAZにおけるシャルピー吸収エネルギー個々値のバラツキまで問題にされるようになってきた。   Conventionally, if the specified value is cleared by the average value of absorbed energy in the Charpy test, the requirement can be satisfied. However, there is an ever-increasing demand for ensuring the safety of steel structures such as buildings and bridges. Recently, stable and high toughness is required, and there is a problem with variations in individual values of Charpy absorbed energy in large heat input welding HAZ. Has come to be.

しかしながら、上記特許文献1及び2に記載された発明では、このような要求を満足させることはできない。   However, the inventions described in Patent Documents 1 and 2 cannot satisfy such a requirement.

具体的には、次の2点である。   Specifically, there are the following two points.

(i) シャルピー試験において吸収エネルギーの平均値が高くても、個々値にバラツキがあるということは、本質的に靭性が安定しておらず、試験を繰り返すと、平均値としても低値を示す確率が高いと考えられるようになってきたこと。   (i) Even if the average value of the absorbed energy in the Charpy test is high, the fact that the individual values are uneven means that the toughness is essentially not stable, and when the test is repeated, the average value shows a low value. Being considered to have a high probability.

(ii) 重要な鋼構造物に対しては、安全性確認のために、例えば溶接長100m当り1回のシャルピー試験を行い合格することを求められる場合があること。そのような場合には、シャルピー吸収エネルギー個々値のレベルで安定した高靭性が得られなければ、何度も繰り返される試験にすべて合格することが困難であること。   (ii) For important steel structures, it may be required to pass a Charpy test once per 100m of weld length, for example, to confirm safety. In such a case, it is difficult to pass all the repeated tests unless stable high toughness is obtained at the individual Charpy absorbed energy level.

さらに、建築、橋梁などの鋼構造物用の鋼材として用いるためには、大型地震に対して安全性が高いことも必要とされる。このため、鋼材の降伏強度と引張強さの比である降伏比が低いことが必要となる。   Furthermore, in order to be used as a steel material for steel structures such as buildings and bridges, it is also required to have high safety against large-scale earthquakes. For this reason, it is necessary that the yield ratio, which is the ratio between the yield strength and the tensile strength of the steel material, is low.

本発明の目的は、このような状況に鑑みて、HAZにおけるシャルピー試験で安定して高い吸収エネルギーを確保でき、そして、建築、橋梁などの鋼構造物用として用いることができる、大入熱溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材を提供することにある。   In view of such circumstances, the object of the present invention is to secure high absorbed energy stably in the Charpy test in HAZ, and to be used for steel structures such as buildings and bridges. The object is to provide a steel material excellent in toughness of a heat-affected zone.

本発明者等は、大入熱溶接熱影響部においても安定した高靭性を有する鋼材を提供するべく、種々の検討と実験を行った。その結果、次の(a)〜(e)に示すとおり、適正な介在物制御と硬質第二相組織制御の技術を組合せることによって、新たな金属学的効果に関する知見を得た。   The present inventors conducted various examinations and experiments in order to provide a steel material having stable high toughness even in a heat-affected zone with high heat input welding. As a result, as shown in the following (a) to (e), new metallurgical effects were obtained by combining appropriate inclusion control and hard second phase structure control techniques.

(a) 一般に、溶接熱影響部に高靭性が要求される重要構造物には、Alにより鋼中の酸素を除去したAlキルド鋼が用いられる。ところが、上述したとおり、Alキルド鋼は、溶接熱影響部において、シャルピー試験などでは個々値のバラツキが大きいため、破壊安全性をさらに確保すべく、溶接熱影響部においてもさらに安定していることが求められる。   (a) In general, Al killed steel obtained by removing oxygen in steel with Al is used for important structures that require high toughness in the heat affected zone. However, as described above, Al killed steel has a large variation in individual values in the Charpy test, etc. in the weld heat affected zone. Is required.

(b) 発明者らは、シャルピー試験の吸収エネルギー個々値のバラツキについて鋭意研究した結果、鋼中の粗大介在物あるいは圧延で点列状につらなった介在物の集合体が、溶接熱影響部のシャルピー試験時にき裂の発生と伝播を助長し、吸収エネルギーのバラツキの原因となっており、HAZ組織の微細化だけではこれらのバラツキを抑えられないことが判明した。なお、鋼中の粗大介在物とは、主としてAl系介在物のことである。そして、Al系介在物や圧延で伸延されたMnSなどの硫化物系の介在物が圧延で砕かれて、点列状につらなって介在物群が生じるのである。 (b) As a result of intensive research on the dispersion of individual values of absorbed energy in the Charpy test, the inventors have found that aggregates of coarse inclusions in steel or inclusions formed in the form of dotted lines by rolling are welded heat affected zone. It has been found that, during the Charpy test, crack initiation and propagation are promoted, causing variations in absorbed energy, and these variations cannot be suppressed only by reducing the HAZ structure. Note that coarse inclusions in steel are mainly Al 2 O 3 inclusions. In addition, Al 2 O 3 inclusions and sulfide inclusions such as MnS elongated by rolling are crushed by rolling, forming a series of inclusions in a dotted line shape.

(c) このような粗大介在物ないし点列状の介在物群が、シャルピー試験片のノッチ近傍に存在すれば、その周囲に発生する応力集中効果により、へき開破壊の発生およびき裂の伝播が容易となり、シャルピー試験の吸収エネルギーは著しく低下する。したがって、鋼材中の介在物形態を制御してこれらの点列状の介在物群の生成を防止することが、吸収エネルギーの個々値のバラツキを防止するための重要な要素となる。   (c) If such a coarse inclusion or a group of inclusions in the form of a line is present in the vicinity of the notch of the Charpy test piece, the occurrence of cleavage fracture and crack propagation will occur due to the stress concentration effect around it. It becomes easier and the absorbed energy of the Charpy test is significantly reduced. Therefore, controlling the form of inclusions in the steel material to prevent the formation of these group of inclusions in the form of dots is an important factor for preventing variations in individual values of absorbed energy.

(d) しかし、一方で、入熱200kJ/cmを超える大入熱溶接HAZではこれら介在物群の生成のみならず、硬質第二相組織の生成もまた、へき開破壊の発生およびき裂の伝播を助長することが判明した。つまり硬質第二相組織が生成すると介在物形態制御によるシャルピー吸収エネルギーの改善効果が失われてしまうことが新たに判明した。   (d) On the other hand, however, in the high heat input welding HAZ with a heat input exceeding 200 kJ / cm, not only the formation of these inclusion groups but also the formation of a hard second phase structure also causes the occurrence of cleavage fracture and propagation of cracks. It was found to encourage. In other words, it was newly found that when a hard second phase structure is formed, the effect of improving Charpy absorbed energy by inclusion shape control is lost.

(e) その理由は、これらHAZにて生成する硬質第二相組織をつぶさに観察した結果からすると、マルテンサイト組織とオーステナイト相とが複合した島状マルテンサイト組織が生成したためであると推定される。というのは、このような複合した島状マルテンサイトはシャルピー吸収エネルギーを著しく低下させる原因となるためである。したがって、入熱200kJ/cmを超える大入熱溶接HAZの靭性を改善するためには、鋼材中の介在物形態制御に加えて、島状マルテンサイトの生成を防止すればよい。   (e) The reason is presumed to be that an island-like martensite structure in which a martensite structure and an austenite phase are combined is formed based on the result of observing the hard second phase structure generated in these HAZs. . This is because such complex island martensite causes a significant decrease in Charpy absorbed energy. Therefore, in order to improve the toughness of the high heat input welding HAZ exceeding 200 kJ / cm, it is only necessary to prevent the formation of island martensite in addition to the inclusion form control in the steel.

本発明は、上記の知見を基礎としてなされたものであり、その要旨は下記の(1)〜(3)の大入熱溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材及び(4)の鋼材の製造方法にある。   The present invention has been made on the basis of the above knowledge, the gist of which is the following (1) to (3) steel material excellent in toughness of the heat input heat affected zone of (1) to (3) and (4) production of the steel material Is in the way.

(1) 質量%で、C:0.01〜0.2%、Si:0.03〜0.5%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.02%以下、S:0.01%未満、Al:0.005超〜0.08%、Ti:0.0005〜0.02%、Ca:0.0003〜0.02%、N:0.002〜0.009%及びO(酸素):0.001〜0.0035%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、下記の(1)式、(2)式および(3)式を満足するとともに、板厚方向で1/4位置におけるフェライト面積率が15%以上であり、鋼中に粒径0.5〜5μmのCaO・Al系介在物が存在し、その介在物のアスペクト比が1.9以下であることを特徴とする大入熱溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材。 (1) By mass%, C: 0.01 to 0.2%, Si: 0.03 to 0.5%, Mn: 0.5 to 2.0%, P: 0.02% or less, S: Less than 0.01%, Al: more than 0.005 to 0.08%, Ti: 0.0005 to 0.02%, Ca: 0.0003 to 0.02%, N: 0.002 to 0.009% And O (oxygen): 0.001 to 0.0035%, with the balance being Fe and impurities, satisfying the following formulas (1), (2) and (3), and in the thickness direction The ferrite area ratio at the 1/4 position is 15% or more, CaO.Al 2 O 3 inclusions having a particle size of 0.5 to 5 μm are present in the steel, and the aspect ratio of the inclusions is 1.9. A steel material excellent in toughness of a heat-affected zone with high heat input welding, characterized by the following:

0.50≦Ca/O≦1.30 ・・・・・(1)式
Ti/N<3.4 ・・・・・(2)式
Pcm≦0.23 ・・・・・(3)式
ここで、
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/3+Nb/2+23{B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)}
ただし、B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)≦0のとき、B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)=0として取り扱う。
0.50 ≦ Ca / O ≦ 1.30 Equation (1) Ti / N <3.4 Equation (2)
Pcm * ≦ 0.23 (3) where
Pcm * = C + Si / 30 + Mn / 20 + Cu / 20 + Ni / 60 + Cr / 20 + Mo / 15 + V / 3 + Nb / 2 + 23 {B- (10.8 / 14.1) (N-Ti /3.4)}
However, when B- (10.8 / 14.1) (N-Ti / 3.4) ≦ 0, it is handled as B- (10.8 / 14.1) (N-Ti / 3.4) = 0.

また、(1)式、(2)式および(3)式の元素記号はその元素の含有量(質量%)を示し、アスペクト比とは、鋼材の圧延方向に平行な断面で観察される介在物の長径を短径で除した値を意味する。   In addition, the element symbols in the expressions (1), (2) and (3) indicate the content (% by mass) of the element, and the aspect ratio is an observation observed in a cross section parallel to the rolling direction of the steel material. It means the value obtained by dividing the major axis of the product by the minor axis.

(2) Feの一部に代えて、質量%で、B:0.005%以下、Nb:0.05%以下、V:0.1%以下、Cu:1.5%以下、Ni:6.0%以下、Cr:1.0%以下及びMo:0.8%以下の中から選んだ1種または2種以上を含有することを特徴とする、上記(1)の鋼材。   (2) Instead of a part of Fe, in mass%, B: 0.005% or less, Nb: 0.05% or less, V: 0.1% or less, Cu: 1.5% or less, Ni: 6 0.0% or less, Cr: 1.0% or less, and Mo: 0.8% or less, one or more selected from the steel materials according to (1) above.

(3) 建築鋼管用として用いられることを特徴とする、上記(1)又は(2)の鋼材。   (3) The steel material as described in (1) or (2) above, which is used for construction steel pipes.

(4) 溶鋼中のAl含有量が0.005〜0.08質量%の範囲となるようにAlを添加して脱酸し、さらに脱ガス装置で15分以上処理した後、溶鋼温度を1600±70℃に保った状態でCaを添加し、鋳造したスラブを熱間圧延した後、750℃以下の温度から水冷を開始することを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかの鋼材の製造方法。   (4) Al is added and deoxidized so that the Al content in the molten steel is in the range of 0.005 to 0.08% by mass, and after further treatment with a degassing apparatus for 15 minutes or more, the molten steel temperature is 1600. Any one of the above (1) to (3), wherein Ca is added in a state maintained at ± 70 ° C., the cast slab is hot-rolled, and then water cooling is started from a temperature of 750 ° C. or lower. Steel manufacturing method.

本発明によれば、大入熱溶接熱影響部におけるシャルピー試験で安定して高い吸収エネルギーを確保できるので、建築、橋梁などの鋼構造物に好適な靱性に優れた鋼材を提供することができる。   According to the present invention, stable high absorption energy can be secured in the Charpy test in the high heat input welding heat-affected zone, so that it is possible to provide a steel material having excellent toughness suitable for steel structures such as buildings and bridges. .

以下、本発明に係る鋼材に関して、その化学組成、フェライト面積率および介在物について説明するとともに、本発明に係る製造方法についても説明する。なお、含有量に関する「%」は「質量%」を意味する。   Hereinafter, regarding the steel material according to the present invention, its chemical composition, ferrite area ratio, and inclusions will be described, and the manufacturing method according to the present invention will also be described. In addition, "%" regarding content means "mass%".

(A)化学組成について
C:0.01〜0.2%
Cは、母材及び溶接部の強度と靭性を確保するために、0.01%以上含有させる必要がある。しかし、Cの含有量が多すぎると、島状マルテンサイトの生成を助長しHAZ靭性を低下させるとともに溶接性を劣化させるため、その上限を0.2%とする。
(A) Chemical composition C: 0.01 to 0.2%
C needs to be contained in an amount of 0.01% or more in order to ensure the strength and toughness of the base material and the weld. However, if the C content is too large, the formation of island martensite is promoted, the HAZ toughness is lowered and the weldability is deteriorated, so the upper limit is made 0.2%.

Si:0.03〜0.5%
Siは、Siは鋼の予備脱酸に効果があり、また母材の強度確保に有効であるので、0.03%以上含有させる必要がある。しかし、過剰に含有すると、島状マルテンサイトの生成を助長しHAZ靭性を劣化させるため、その上限を0.5%とする。Siの好ましい含有量は0.4%以下である。
Si: 0.03-0.5%
Si needs to be contained in an amount of 0.03% or more because Si is effective for preliminary deoxidation of steel and is effective in securing the strength of the base material. However, if contained excessively, the formation of island martensite is promoted and the HAZ toughness is deteriorated, so the upper limit is made 0.5%. A preferable content of Si is 0.4% or less.

Mn:0.5〜2.0%
Mnは母材及びHAZ部の強度と靭性を確保するために、0.5%以上含有させる必要がある。しかし、Mnの含有量が多すぎると、HAZ靭性の劣化や、スラブの中心偏析助長による溶接性劣化などが起こるため、その上限を2.0%とする。
Mn: 0.5 to 2.0%
In order to ensure the strength and toughness of the base material and the HAZ part, Mn needs to be contained by 0.5% or more. However, if the Mn content is too large, the HAZ toughness is deteriorated and weldability is deteriorated due to the promotion of center segregation of the slab, so the upper limit is made 2.0%.

P:0.02%以下
Pは、本発明においては不純物元素であり、多すぎるとスラブ中心偏析を促進し、また、HAZの粒界破壊を促進して、母材及びHAZの機械的性質を低下させる。したがって、可及的に少ない方が好ましいが、Pの含有量が0.02%以下であれば、母材及びHAZの靱性は確保できるので、0.02%以下に規定する。
P: 0.02% or less P is an impurity element in the present invention. If it is too much, slab center segregation is promoted, and HAZ grain boundary fracture is promoted, so that the mechanical properties of the base material and HAZ are increased. Reduce. Therefore, it is preferable that the amount is as small as possible. However, if the P content is 0.02% or less, the toughness of the base material and the HAZ can be secured, so the content is specified to 0.02% or less.

S:0.01%未満
Sは、本発明においては不純物元素であり、多すぎると板厚中心部で延伸したMnSが多量に生成するため、母材及びHAZの靭性を低下させる。また、Caとの親和力が大きく、CaSを生成するため、適正な複合酸化物の生成を阻害する。したがって、可及的に少ない方が好ましいが、Sの含有量が0.01%未満であれば、母材及びHAZの靱性は確保でき、また、適正な複合酸化物の生成を阻害することもないので、0.01%未満に規定する。なお、好ましくは0.001%未満、より好ましくは0.0004%未満である。
S: Less than 0.01% S is an impurity element in the present invention. If it is too much, a large amount of MnS stretched at the center of the plate thickness is generated, so that the toughness of the base material and the HAZ is lowered. Moreover, since the affinity with Ca is large and CaS is produced, production of an appropriate complex oxide is inhibited. Therefore, it is preferable that the amount is as small as possible. However, if the S content is less than 0.01%, the toughness of the base material and the HAZ can be secured, and the formation of an appropriate composite oxide may be inhibited. Therefore, it is specified to be less than 0.01%. In addition, Preferably it is less than 0.001%, More preferably, it is less than 0.0004%.

Al:0.005%を超えて0.08%以下
Alは本発明において重要な元素の一つである。Alを溶鋼中に添加した場合、脱酸剤として作用し、Alを生成する。Alは溶鋼中にてクラスターを形成し、圧延を施した場合にはこれらのクラスターが分離し、点列状につらなって鋼材中に分散することとなる。この場合、点状につらなったAlはシャルピー試験時のき裂の発生起点となり、母材の靭性を劣化させる。また、Alは安定な酸化物であるため、溶接によっても変化せず、最終的にHAZに残留するため、HAZ靭性をも劣化させる。
Al: more than 0.005% and 0.08% or less Al is one of the important elements in the present invention. When Al is added to molten steel, it acts as a deoxidizer and produces Al 2 O 3 . Al 2 O 3 forms clusters in the molten steel, and when rolled, these clusters are separated and dispersed in the steel material in the form of dotted lines. In this case, the Al 2 O 3 gathered in the form of dots serves as a starting point of crack generation during the Charpy test, and deteriorates the toughness of the base material. Moreover, since Al 2 O 3 is a stable oxide, it does not change even by welding, and finally remains in the HAZ, so that the HAZ toughness is also deteriorated.

しかしながら、AlとともにCaを添加することによって、鋼中にCaO・Al系介在物を生成せしめると、破壊起点として作用することが防止される。したがって、Alは0.005%を超えて含有させる必要がある。一方、Alを大量に含有させると、鋼中に固溶するAlが増加し、溶接冷却過程において残留オーステナイトのセメンタイトへの分解反応を抑制して島状マルテンサイトを増加させ、溶接部の靭性を低下させる。したがって、Alの含有量は0.08%以下とする。 However, when CaO · Al 2 O 3 inclusions are generated in steel by adding Ca together with Al, it is prevented from acting as a fracture starting point. Therefore, Al needs to be contained exceeding 0.005%. On the other hand, when a large amount of Al is contained, the amount of Al dissolved in the steel increases, which suppresses the decomposition reaction of retained austenite to cementite in the welding cooling process, increases island martensite, and improves the toughness of the weld. Reduce. Therefore, the Al content is 0.08% or less.

Ti:0.0005〜0.02%
Tiは、鋼中のNと反応してTiNとして析出し、HAZでのオーステナイトの粗大化を抑制するとともに、フェライト変態の核として作用して粒内組織を微細化する効果を有するので、HAZ靭性を向上させる。この効果を得るには、Tiを0.0005%以上含有させる必要がある。一方、Tiの含有量が多くなると、固溶Tiが増加し、HAZ靭性が低下するため、0.02%以下とする。
Ti: 0.0005 to 0.02%
Ti reacts with N in the steel to precipitate as TiN, suppresses austenite coarsening in HAZ, and acts as a core of ferrite transformation to refine the intragranular structure, so HAZ toughness To improve. In order to obtain this effect, it is necessary to contain 0.0005% or more of Ti. On the other hand, when the Ti content is increased, the solid solution Ti is increased and the HAZ toughness is decreased.

Ca:0.0003〜0.02%
Caは本発明において重要な元素の一つであり、介在物の球状化を達成するためにはAl、Oとともに、その含有量を厳密に制御する必要がある。Caを溶鋼中に添加した場合には脱酸剤として作用し、Alとともに鋼中にCaO・Al系介在物を形成するので、介在物形態を制御するためにも必要な元素である。したがって、Caを0.0003%以上含有させる必要がある。しかし、大量に添加すると鋼の清浄性を低下させ、母材およびHAZの靭性を劣化させる。このため、Caの含有量は0.02%以下とする。
Ca: 0.0003 to 0.02%
Ca is one of the important elements in the present invention, and in order to achieve spheroidization of inclusions, the content of Al and O must be strictly controlled. When Ca is added to the molten steel, it acts as a deoxidizer and forms CaO.Al 2 O 3 inclusions in the steel together with Al. Therefore, it is an element necessary for controlling the inclusion form. . Therefore, it is necessary to contain 0.0003% or more of Ca. However, if added in a large amount, the cleanliness of the steel is lowered, and the toughness of the base material and the HAZ is deteriorated. For this reason, content of Ca shall be 0.02% or less.

N:0.002〜0.009%
Nは、TiNの析出に極めて重要な元素であり、鋼中のTiと反応してTiNとして析出し、HAZでのオーステナイトの粗大化を抑制するとともに、フェライト変態の核として作用して粒内組織を微細化する効果を有するので、HAZ靭性を向上させる。この効果を得るには、Nを0.002%以上含有させる必要がある。また、Nの含有量が0.002%を下回ると、TiNの析出量が不足し、冷却時に有害なTi炭化物が生成するので、Nを0.002%以上含有させる必要がある。一方、Nの含有量が多くなると、固溶Nの増大を招き、ひいてはHAZ靭性の劣化を招くことから、Nの含有量の上限は0.009%を上限とする。
N: 0.002 to 0.009%
N is an extremely important element for the precipitation of TiN, reacts with Ti in the steel and precipitates as TiN, suppresses the coarsening of austenite in HAZ, and acts as a nucleus of ferrite transformation to form an intragranular structure. HAZ toughness is improved. In order to acquire this effect, it is necessary to contain N 0.002% or more. On the other hand, if the N content is less than 0.002%, the amount of TiN deposited is insufficient, and harmful Ti carbides are produced during cooling. Therefore, it is necessary to contain N in an amount of 0.002% or more. On the other hand, when the N content increases, the solid solution N increases and, as a result, the HAZ toughness deteriorates, so the upper limit of the N content is 0.009%.

O(酸素):0.001〜0.0035%
O(酸素)は、Al、Caと並んで、本発明において重要な元素の一つである。OはAl、Caとともに、鋼中にCaO・Al系介在物を生成することで、破壊起点として作用することを防止するとともに、この介在物の分散個数や粒径とも直接的に関わる。したがって、O(酸素)は0.001%以上含有させる必要がある。一方、O(酸素)を過剰に含有させると、粗大な酸化物を形成するとともに、介在物個数を必要以上に増加させ、母材の清浄性を低下させて、母材およびHAZの靭性に悪影響を及ぼす。よって、その上限を0.0035%とする。
O (oxygen): 0.001 to 0.0035%
O (oxygen) is one of the important elements in the present invention along with Al and Ca. O, together with Al and Ca, generates CaO.Al 2 O 3 inclusions in the steel, thereby preventing it from acting as a fracture starting point, and is directly related to the number of dispersed inclusions and the particle size. . Therefore, O (oxygen) needs to be contained by 0.001% or more. On the other hand, if O (oxygen) is contained excessively, a coarse oxide is formed, the number of inclusions is increased more than necessary, and the cleanliness of the base material is lowered, which adversely affects the toughness of the base material and the HAZ. Effect. Therefore, the upper limit is made 0.0035%.

本発明に係る鋼材は、上記の化学成分のほかに、さらに、B、Nb、V、Cu、Ni、Cr及びMoの中から選んだ1種または2種以上を含有させてもよい。これらの元素を含有させてもよい理由とそのときの含有量は次のとおりである。   The steel material according to the present invention may further contain one or more selected from B, Nb, V, Cu, Ni, Cr and Mo in addition to the above chemical components. The reason why these elements may be contained and the contents at that time are as follows.

B:0.005%以下
Bは必要に応じて含有させることができる。含有させれば、焼入れ性を高めて母材やHAZの機械的性質を向上させる効果がある。しかしながら、0.005%を超えて含有させるとHAZ靭性や溶接性の低下を招くので、Bの含有量の上限を0.005%とする。好ましい上限は、0.002%である。なお、焼入れ性を高めて母材やHAZの機械的性質を向上させる効果を確実に発現させるためには、0.0003%以上含有させるのが好ましい。
B: 0.005% or less B can be contained as necessary. If contained, it has the effect of enhancing the hardenability and improving the mechanical properties of the base material and HAZ. However, if the content exceeds 0.005%, the HAZ toughness and weldability are deteriorated, so the upper limit of the B content is set to 0.005%. A preferable upper limit is 0.002%. In order to enhance the hardenability and to ensure the effect of improving the mechanical properties of the base material and HAZ, it is preferable to contain 0.0003% or more.

Nb:0.05%以下
Nbは必要に応じて含有させることができる。含有させれば、母材組織の微細化を促進して母材の機械的性質を向上させる効果がある。しかしながら、0.05%を超えて含有させると母材とHAZの靭性の低下を招くので、Nbの含有量の上限を0.05%とする。なお、母材組織の微細化を促進して母材の機械的性質を向上させる効果を確実に発現させるためには、0.004%以上含有させるのが好ましい。
Nb: 0.05% or less Nb can be contained as necessary. If contained, it has the effect of promoting the refinement of the matrix structure and improving the mechanical properties of the matrix. However, if the content exceeds 0.05%, the toughness of the base material and the HAZ is reduced, so the upper limit of the Nb content is set to 0.05%. In order to promote the refinement of the base material structure and to ensure the effect of improving the mechanical properties of the base material, it is preferable to contain 0.004% or more.

V:0.1%以下
Vは必要に応じて含有させることができる。含有させれば、焼戻し時の炭窒化物析出により母材の強度を向上させる効果がある。しかしながら、0.1%を超えて含有させると母材の靭性の低下を招くので、Vの含有量の上限を0.1%とする。なお、焼戻し時の炭窒化物析出により母材の強度を向上させる効果を確実に発現させるためには、0.005%以上含有させるのが好ましい。
V: 0.1% or less V can be contained as necessary. If contained, it has the effect of improving the strength of the base material by carbonitride precipitation during tempering. However, if the content exceeds 0.1%, the toughness of the base material is lowered, so the upper limit of the V content is 0.1%. In order to ensure the effect of improving the strength of the base material by carbonitride precipitation during tempering, it is preferable to contain 0.005% or more.

Cu:1.5%以下
Cuは必要に応じて含有させることができる。含有させれば、靭性を劣化させずに強度を上昇させる効果がある。しかしながら、1.5%を超えて含有させると、鋼の焼入れ性を過度に高め、HAZ靱性を損なう傾向が強くなるので、Cuの含有量の上限を1.5%とする。なお、靭性を劣化させずに強度を上昇させる効果を確実に発現させるためには、0.1%以上含有させるのが好ましい。
Cu: 1.5% or less Cu can be contained as necessary. If contained, it has the effect of increasing strength without degrading toughness. However, if the content exceeds 1.5%, the hardenability of the steel is excessively increased and the tendency to impair the HAZ toughness becomes strong, so the upper limit of the Cu content is set to 1.5%. In order to ensure the effect of increasing the strength without deteriorating the toughness, it is preferable to contain 0.1% or more.

Ni:6.0%以下
Niは必要に応じて含有させることができる。含有させれば、溶接性およびHAZ靱性に悪影響を及ぼすこともなく、焼入れ性向上を向上させて、母材の強度、靱性を向上させる効果がある。しかしながら、6.0%を超えて含有させると、構造用鋼材として極めてコスト高になるため、Niの含有量の上限は6.0%とする。なお、焼入れ性向上を向上させて、母材の強度、靱性を向上させる効果を確実に発現させるためには、0.1%以上含有させるのが好ましい。特に、Cuを含有させる場合は、圧延時のひび割れ(Cuチェッキング)を防止するためにも、0.1%以上のNiを含有させるのが好ましい。
Ni: 6.0% or less Ni can be contained as necessary. If contained, the weldability and HAZ toughness are not adversely affected, and the hardenability is improved and the strength and toughness of the base material are improved. However, if the content exceeds 6.0%, the cost of the structural steel material is extremely high, so the upper limit of the Ni content is 6.0%. In addition, in order to improve hardenability improvement and to express the effect which improves the intensity | strength of a base material and toughness reliably, it is preferable to make it contain 0.1% or more. In particular, when Cu is contained, it is preferable to contain 0.1% or more of Ni in order to prevent cracking (Cu checking) during rolling.

Cr:1.0%以下
Crは必要に応じて含有させることができる。含有させれば、焼入れ性を高めて母材やHAZの機械的性質を向上させる効果がある。しかしながら、1.0%を超えて含有させると、他の成分条件を満足させても、HAZ靭性が低下するため、Crの含有量の上限は1.0%とする。なお、焼入れ性を高めて母材やHAZの機械的性質を向上させる効果を確実に発現させるためには、0.05%以上含有させるのが好ましい。
Cr: 1.0% or less Cr can be contained as necessary. If contained, it has the effect of enhancing the hardenability and improving the mechanical properties of the base material and HAZ. However, if the content exceeds 1.0%, the HAZ toughness decreases even if other component conditions are satisfied, so the upper limit of the Cr content is 1.0%. In order to enhance the hardenability and to ensure the effect of improving the mechanical properties of the base material and HAZ, it is preferable to contain 0.05% or more.

Mo:0.8%以下
Moは必要に応じて含有させることができる。含有させれば、母材の強度と靱性を向上させる効果がある。しかしながら、0.8%を超えて含有させると、HAZの硬度が高まり靱性を損なうので、Moの上限は0.8%とする。なお、母材の強度と靱性を向上させる効果る確実に発現させるためには、0.05%以上含有させるのが好ましい。
Mo: 0.8% or less Mo can be contained as necessary. If contained, it has the effect of improving the strength and toughness of the base material. However, if the content exceeds 0.8%, the hardness of the HAZ increases and the toughness is impaired, so the upper limit of Mo is set to 0.8%. In order to ensure the effect of improving the strength and toughness of the base material, it is preferable to contain 0.05% or more.

本発明に係る鋼材は、上記の必須元素あるいはさらに上記の任意元素を含有し、残部がFeおよび不純物からなる。ここで、不純物とは、原料鉱石やスクラップ等から混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。   The steel material according to the present invention contains the above-mentioned essential elements or the above-mentioned optional elements, with the balance being Fe and impurities. Here, the impurity means a component mixed from raw material ore, scrap or the like, and is allowed within a range that does not adversely affect the present invention.

本発明に係る鋼材は、さらに、次の(1)〜(3)式を満足する必要がある。   The steel material according to the present invention must further satisfy the following formulas (1) to (3).

0.50≦Ca/O≦1.30 ・・・・・(1)式
溶鋼中で生成されるCaO・Al系介在物において、CaOとAlとがほぼ1:1で共存した場合、CaO・Al系介在物の融点は溶鋼温度以下に低下し液化する。このとき、CaO・Al系介在物には表面張力が作用して、この介在物は球状となる。しかしながら、(1)式において(ここで、式中の元素記号はその元素の含有量(質量%)を示す。)、Ca/Oが1.30を超える場合にはCaOがAlよりも多くなり、また、Ca/Oが0.50未満である場合にはAlがCaOよりも多くなって、いずれの場合も、CaO・Al系介在物の融点が溶鋼温度を超えるので、CaO・Al系介在物の球状化は困難となる。したがって、CaO・Al系介在物が球状化するように形態制御するためには、Ca/Oを0.50〜1.30とする必要がある。なお、より球状化を促進するためには、Ca/Oを0.63〜1.13とするのが好ましい。
0.50 ≦ Ca / O ≦ 1.30 (1) In the CaO · Al 2 O 3 inclusions produced in the molten steel, CaO and Al 2 O 3 are approximately 1: 1. When coexisting, the melting point of the CaO · Al 2 O 3 inclusions decreases below the molten steel temperature and liquefies. At this time, surface tension acts on the CaO.Al 2 O 3 inclusions, and the inclusions become spherical. However, in the formula (1) (where the element symbol indicates the content (mass%) of the element), when Ca / O exceeds 1.30, CaO is more than Al 2 O 3 In addition, when Ca / O is less than 0.50, Al 2 O 3 is more than CaO, and in any case, the melting point of the CaO · Al 2 O 3 inclusion is the molten steel temperature. Therefore, it is difficult to spheroidize CaO · Al 2 O 3 inclusions. Therefore, in order to control the shape so that the CaO.Al 2 O 3 -based inclusions are spheroidized, it is necessary to set Ca / O to 0.50 to 1.30. In order to further promote spheroidization, Ca / O is preferably 0.63 to 1.13.

Ti/N<3.4 ・・・・・(2)式
前述したとおり、TiおよびNは鋼材中でTiNを形成するので、溶接時に加熱されたオーステナイトの粗大化抑制効果および粒内フェライト変態促進効果による微細化によるHAZ靭性を改善する。しかしながら、Tiが過剰になり固溶Tiが増加すると、HAZ靭性が著しく低下するので、TiN形成のための原子量論比の3.4を下回る必要がある。したがって、(2)式において(ここで、式中の元素記号はその元素の含有量(質量%)を示す。)、Ti/N<3.4と規定する。なお、Ti/Nを低下させると、TiNがより高温までもちきたされるので、オーステナイト粗大化抑制効果が改善される。Ti/Nは、2.5未満とするのが好ましい。
Ti / N <3.4 (2) As described above, Ti and N form TiN in the steel material, so the effect of suppressing the coarsening of austenite heated during welding and the promotion of intragranular ferrite transformation HAZ toughness is improved by refinement due to the effect. However, if Ti becomes excessive and solute Ti increases, the HAZ toughness significantly decreases, so it is necessary to lower the atomic stoichiometric ratio of 3.4 for TiN formation. Therefore, in the formula (2) (where the element symbol in the formula indicates the content (mass%) of the element), it is defined as Ti / N <3.4. In addition, when Ti / N is lowered, TiN is brought to a higher temperature, so that the austenite coarsening suppressing effect is improved. Ti / N is preferably less than 2.5.

Pcm≦0.23 ・・・・・(3)式
大入熱溶接HAZにおける島状マルテンサイトは、Cのみならず他の合金元素が増加することによっても生成が助長される。そして、HAZの硬度が高くなるとフェライト主体の組織からベイナイト主体の組織へと変化し、島状マルテンサイトも増加する。
Pcm * ≦ 0.23 (3) The formation of island martensite in high heat input welding HAZ is facilitated not only by the increase of C but also other alloy elements. When the hardness of the HAZ increases, the structure changes from a ferrite-based structure to a bainite-based structure, and island martensite also increases.

Pcmは、元来TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)鋼の溶接低温割れ防止のためのパラメータとして開発されたものである。ところが、このパラメータはHAZの硬度と良い相関を有するので、本発明ではこのパラメータを島状マルテンサイト生成防止のための指標とした。本発明にかかる大入熱溶接HAZにおいて島状マルテンサイトを生成させないためには、Pcmの値を0.23以下とすればよい。さらに、Pcmの値を0.23以下とすることで、良好な溶接性を確保することもできる。なお、Pcmは次式で定義される(ここで、式中の元素記号はその元素の含有量(質量%)を示す。)。
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/3+Nb/2+23{B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)}
ただし、B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)≦0のとき、B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)=0として取り扱う。
Pcm * was originally developed as a parameter for preventing weld cold cracking of TMCP (Thermo-Mechanical Control Process) steel. However, since this parameter has a good correlation with the hardness of the HAZ, in the present invention, this parameter is used as an index for preventing the formation of island martensite. In order to prevent generation of island martensite in the high heat input welding HAZ according to the present invention, the value of Pcm * may be set to 0.23 or less. Furthermore, favorable weldability can also be ensured by setting the value of Pcm * to 0.23 or less. Pcm * is defined by the following formula (wherein the element symbol in the formula indicates the content (mass%) of the element).
Pcm * = C + Si / 30 + Mn / 20 + Cu / 20 + Ni / 60 + Cr / 20 + Mo / 15 + V / 3 + Nb / 2 + 23 {B- (10.8 / 14.1) (N-Ti /3.4)}
However, when B- (10.8 / 14.1) (N-Ti / 3.4) ≦ 0, it is handled as B- (10.8 / 14.1) (N-Ti / 3.4) = 0.

(B)板厚方向で1/4位置におけるフェライト面積率について
本発明に係る鋼材はHAZ靭性に優れるのみではなく、建築、橋梁用鋼材として大型地震に対する安全性をも兼ね備えることが求められる。このためには鋼材の降伏強度と引張強さの比である降伏比を低くすることが望ましく、鋼材組織を制御することで降伏比を低下させる必要がある。この鋼材組織制御としては板厚方向で1/4位置におけるフェライト面積率を15%以上とすれば低降伏比を達成することができる。
(B) Ferrite area ratio at 1/4 position in the plate thickness direction The steel material according to the present invention is required not only to have excellent HAZ toughness but also to have safety against large earthquakes as a steel material for buildings and bridges. For this purpose, it is desirable to lower the yield ratio, which is the ratio between the yield strength and the tensile strength of the steel material, and it is necessary to lower the yield ratio by controlling the steel material structure. As this steel material structure control, a low yield ratio can be achieved if the ferrite area ratio at the 1/4 position in the thickness direction is 15% or more.

(C)CaO・Al系介在物の粒径およびアスペクト比について
CaO・Al系介在物は、Al中の一部のAlがCaと置換する事により形成される介在物をいう。鋼中にCaO・Al系介在物を形成させるには、後述するような製鋼段階を経て鋼材を製造すればよい。
(C) CaO · Al 2 O 3 inclusions particle size and CaO · Al 2 O 3 inclusions Aspect ratio is formed by a part of Al in the Al 2 O 3 is replaced with Ca Refers to inclusions. In order to form CaO · Al 2 O 3 inclusions in steel, a steel material may be manufactured through a steel making stage as described later.

CaO・Al系介在物の粒径は、0.5〜5μmとする。粒径を0.5μm以上としたのは、これより小さい介在物は、破壊起点として影響する確率が低く、HAZ靭性に大きな影響を与えないためである。よって本発明では粒径0.5μm以下の介在物に関しては、その個数および形状について問題としない。また、粒径を5μm以下としたのは、Oの上限を0.0035%とすると粒径が5μm超のCaO・Al系介在物が多数分散できないためであり、たとえ5μmを超えるCaO・Al系介在物が存在したとしても、シャルピー試験時の破壊起点として作用する確率は限りなく低いためである。 The particle size of the CaO · Al 2 O 3 inclusion is 0.5 to 5 μm. The reason why the particle size is 0.5 μm or more is that inclusions smaller than this have a low probability of affecting the fracture starting point and do not significantly affect the HAZ toughness. Therefore, in the present invention, regarding the inclusion having a particle size of 0.5 μm or less, the number and shape thereof are not problematic. The reason why the particle size is 5 μm or less is that when the upper limit of O is 0.0033%, many CaO · Al 2 O 3 inclusions having a particle size exceeding 5 μm cannot be dispersed, even if the CaO exceeds 5 μm. This is because even if Al 2 O 3 inclusions exist, the probability of acting as a fracture starting point during the Charpy test is extremely low.

CaO・Al系介在物が球状化し、アスペクト比(長径/短径)が1に近い場合、シャルピー試験時の同介在物および周辺組織への応力集中が緩和されるため、靭性が向上するとともに安定化する。一方でアスペクト比の大きい長径化した介在物がシャルピー試験片のノッチ近傍に存在する場合、応力集中源となり、そこから発生するき裂の伝播によって、靭性が著しく低下する。なお、アスペクト比とは、鋼材の圧延方向に平行な断面で観察される介在物の長径を短径で除した値を意味する。 When CaO · Al 2 O 3 inclusions are spheroidized and the aspect ratio (major axis / minor axis) is close to 1, stress concentration on the inclusions and surrounding tissues during the Charpy test is reduced, improving toughness. And stabilize. On the other hand, when an inclusion with a large aspect ratio and an elongated diameter is present in the vicinity of the notch of the Charpy specimen, it becomes a stress concentration source, and the toughness is remarkably reduced due to the propagation of cracks generated therefrom. In addition, an aspect ratio means the value which remove | divided the major axis of the inclusion observed by the cross section parallel to the rolling direction of steel materials by the minor axis.

CaO・Al系介在物は、Ca/Oが0.50〜1.30の範囲であれば、溶鋼中で球状化し、またこの組成の介在物は圧延によって破砕や延伸されることがないため、そのアスペクト比は1に近い値となる。しかし、Ca/Oが0.50未満、または1.30以上となる場合、CaO・Al系介在物は溶鋼中で完全には球状化せず、圧延中に破砕され点列状につらなった形状となり、アスペクト比が高くなる。この場合、シャルピー試験における応力集中源となるため、アスペクト比の上限を1.9とした。なお、このとき、点列状につらなった介在物を一つの延伸した介在物と見なして差し支えない。 CaO · Al 2 O 3 inclusions are spheroidized in molten steel if Ca / O is in the range of 0.50 to 1.30, and inclusions of this composition may be crushed or stretched by rolling. Therefore, the aspect ratio is close to 1. However, when Ca / O is less than 0.50 or 1.30 or more, CaO · Al 2 O 3 inclusions do not completely spheroidize in the molten steel, and are crushed during rolling to form a dotted line. It becomes a smooth shape and the aspect ratio is high. In this case, since it becomes a stress concentration source in the Charpy test, the upper limit of the aspect ratio is set to 1.9. At this time, the inclusions arranged in a dot array may be regarded as one extended inclusion.

粒径0.5μm以上のAlやCaOは、圧延により、延伸した粗大な介在物や点列状につらなった介在物群を形成し、シャルピー試験における応力集中源となり、HAZ靭性の安定性を著しく低下させる。特に、アスペクト比が5以上の場合、他の介在物が存在したとしても、最も有効な応力集中源として作用する。なお、このとき、CaO・Al系介在物と同様に、点列状に並んだ介在物を一つの延伸した介在物と見なしても差し支えない。 Al 2 O 3 and CaO having a particle size of 0.5 μm or more form rolled coarse inclusions or inclusion groups connected in a dotted line by rolling, and become a stress concentration source in the Charpy test. Stability is significantly reduced. In particular, when the aspect ratio is 5 or more, it acts as the most effective stress concentration source even if other inclusions exist. At this time, similarly to the CaO.Al 2 O 3 -based inclusions, the inclusions arranged in a dotted line may be regarded as one extended inclusion.

本発明のCaO・Al系介在物のアスペクト比は、以下のような方法で定量的に測定すればよい。すなわち、鋼材の圧延方向に対し平行な断面、好ましくは断面中心部から観察用試料を作成し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて3000〜10000倍の倍率で、少なくとも100個以上のCaO・Al系介在物を観察し、その長径を短径で除した値の平均値を算出すればよい。Al、CaOに関しても、同様の測定方法を用いることに何ら問題はない。 The aspect ratio of the CaO · Al 2 O 3 inclusions of the present invention may be quantitatively measured by the following method. That is, an observation sample is prepared from a cross section parallel to the rolling direction of the steel material, preferably from the center of the cross section, and at least 100 or more CaO · s at a magnification of 3000 to 10,000 times using a scanning electron microscope (SEM). observing the al 2 O 3 inclusions, the diameter may be calculated an average value of a value obtained by dividing the minor axis. For Al 2 O 3 and CaO, there is no problem in using the same measurement method.

また、このとき測定した長径の平均値を、介在物の粒径として使用することに何ら問題はない。   Moreover, there is no problem in using the average value of the major axis measured at this time as the particle size of the inclusion.

(D)製造方法
本発明に係る製造方法は、その製鋼段階に特徴を有する。すなわち、溶鋼中のAlが0.005%〜0.08%の範囲となるようにAlを添加して脱酸し、さらに脱ガス装置で15分以上処理した後、溶鋼温度を1600±70℃に保った状態でCaを添加し、鋳造したスラブを熱間圧延した後、750℃以下の温度から水冷を開始することにより、大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた鋼板を製造するものである。
(D) Manufacturing method The manufacturing method which concerns on this invention has the characteristics in the steelmaking stage. That is, Al is added so that the Al content in the molten steel is in the range of 0.005% to 0.08% for deoxidation, and after further treatment with a degasser for 15 minutes or more, the molten steel temperature is 1600 ± 70 ° C. After adding Ca in a state kept at a high temperature and hot rolling the cast slab, water cooling is started from a temperature of 750 ° C. or lower to produce a steel sheet having excellent toughness of the heat-affected zone with high heat input welding It is.

本発明に係る製造方法では、まず、あらかじめ成分を調整した溶鋼に、溶鋼中のAlが0.005%〜0.08%の範囲となるようにAlを添加して脱酸する。最初に添加するAlは脱酸力が強いため、溶鋼中の固溶酸素と結合し、Alを生成する。溶鋼中のAlが0.005%未満の場合には、Alによる脱酸が不十分となり、Alが生成しない。また、溶鋼中のAlが0.08%超の場合には、余分なAlが鋼中に固溶Alとして残留し、母材、ならびにHAZの靭性を劣化せしめる。なお、本発明に係る製造方法において「Alを添加する」とは、投入したAlが溶鋼中に均一に混合されることを意味する。Ca添加についても同様である。 In the production method according to the present invention, first, Al is added to the molten steel whose components have been adjusted in advance so that the Al content in the molten steel is in the range of 0.005% to 0.08% for deoxidation. Since Al added first has a strong deoxidizing power, it combines with solute oxygen in the molten steel to produce Al 2 O 3 . When Al in molten steel is less than 0.005%, deoxidation by Al becomes insufficient, and Al 2 O 3 is not generated. Moreover, when Al in molten steel exceeds 0.08%, excess Al remains as solid solution Al in steel, and the toughness of a base material and HAZ is deteriorated. In the production method according to the present invention, “adding Al” means that the introduced Al is uniformly mixed in the molten steel. The same applies to the addition of Ca.

続いて、脱ガス装置にて15分以上処理する。一定時間以上脱ガス処理することで、粗大なAlを浮上分離させることができる。その後、溶鋼温度を1600±70℃に保った状態でCaを添加し、鋳造する。Ca添加により、Alが一部還元されAlとCaが置換する事により、CaO・Al系介在物が形成される。このとき、溶鋼の温度を1600±70℃に制御することによりCaO・Al系介在物は溶鋼中で液状化し、表面張力の作用により表面積を最小化するために、同介在物は球状化する。なお、球状化には、Ca、Al、O含有量を本発明に係る含有量となるように制御することが必要である。 Then, it processes for 15 minutes or more with a degassing apparatus. By degassing for a certain time or longer, coarse Al 2 O 3 can be levitated and separated. Thereafter, Ca is added and cast in a state where the molten steel temperature is maintained at 1600 ± 70 ° C. When Ca is added, part of Al 2 O 3 is reduced and Al and Ca are substituted to form CaO · Al 2 O 3 inclusions. At this time, by controlling the temperature of the molten steel to 1600 ± 70 ° C., the CaO · Al 2 O 3 inclusions liquefy in the molten steel, and the inclusions are spherical in order to minimize the surface area by the action of surface tension. Turn into. For spheroidization, it is necessary to control the Ca, Al, and O contents to be the contents according to the present invention.

このようにして得られたスラブは、さらにこの後、鋳造工程、熱間圧延工程を経て板状に加工する。鋳造および熱間圧延は、通常の方法により行うことが出来る。熱間圧延後は、750℃以下の温度から水冷を開始する。このような水冷を行うことで、板厚1/4位置におけるフェライト面積率を15%以上とし、低降伏比を有する鋼材を製造することができる。水冷後、焼もどしを行うことはフェライト分率を制御する上で差し支えない。   The slab thus obtained is further processed into a plate shape through a casting process and a hot rolling process. Casting and hot rolling can be performed by ordinary methods. After hot rolling, water cooling is started from a temperature of 750 ° C. or lower. By performing such water cooling, a steel material having a low yield ratio can be manufactured with a ferrite area ratio of 15% or more at a ¼ thickness position. Performing tempering after water cooling has no problem in controlling the ferrite fraction.

表1に示した化学組成を有する鋼を溶製し、加熱、圧延を経て板厚19〜65mmの鋼板を製造した。得られた鋼板を入熱200〜500kJ/cmで溶接した温度履歴を模擬した再現熱サイクル試験に供し、0℃でシャルピー試験を行い、HAZ靭性を評価した。試験番号の1〜23が本発明例、a〜nが比較鋼である。母材の製造条件は下記のとおりである。   Steel having the chemical composition shown in Table 1 was melted, and a steel plate having a thickness of 19 to 65 mm was produced through heating and rolling. The obtained steel sheet was subjected to a reproducible thermal cycle test simulating a temperature history of welding at a heat input of 200 to 500 kJ / cm, a Charpy test was performed at 0 ° C., and HAZ toughness was evaluated. Test numbers 1 to 23 are examples of the present invention, and a to n are comparative steels. The manufacturing conditions of the base material are as follows.

Figure 0005223706
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表2に、母材の製造方法、母材特性およびHAZの靭性を示す。なお、表2中の母材製造法のDQは、圧延終了後に表中に示す水冷開始温度から、直接水冷したことを示し、そして、Tは水冷後に表中に示す焼戻し温度で焼戻ししたことを示す。また、Al添加後の脱ガス処理はすべての実施例において15分以上行った。HAZ靭性評価のためのシャルピー試験は、再現熱サイクルを付与した3本の試験片で行った。表2にその3本の試験片による測定値を示す。   Table 2 shows the base material manufacturing method, base material characteristics, and HAZ toughness. In addition, DQ of the base material manufacturing method in Table 2 indicates that it was directly water-cooled from the water-cooling start temperature shown in the table after the end of rolling, and T indicates that it was tempered at the tempering temperature shown in the table after water-cooling. Show. Further, the degassing treatment after the addition of Al was performed for 15 minutes or more in all Examples. The Charpy test for HAZ toughness evaluation was performed with three test pieces to which a reproducible thermal cycle was applied. Table 2 shows the measured values of the three test pieces.

Figure 0005223706
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表2から明らかなように、本発明例に係る試験番号1〜23の鋼材は、優れたHAZ靭性を有し、0℃でのHAZ靭性がいずれも70J以上と極めて優れている。   As is apparent from Table 2, the steel materials of test numbers 1 to 23 according to the inventive examples have excellent HAZ toughness, and the HAZ toughness at 0 ° C. is extremely excellent at 70 J or more.

一方、比較例に係る試験番号a〜nの鋼材は、いずれも0℃でのHAZ靭性が3本中の少なくとも1本は70J未満の値を示した。このうち、比較例hおよびnはHAZ靭性のバラツキが大きく、それぞれ最大で200J、180Jの差が出た。
ここで、試験番号a〜kの鋼材は、基本成分または成分パラメータが本発明鋼の要件を満たさない例である。また、試験番号lの鋼材は、水冷開始温度が高いため、CaO・Al系介在物の粒径およびアスペクト比が本発明鋼の所定の値を超えた例である。なお、試験番号mおよびnの鋼材は、ともにCa添加温度が本発明の製造方法から逸脱しているため、CaO・Al系介在物のアスペクト比がアスペクト比が本発明鋼の所定の値を超え、HAZ靭性が低下した例である。
On the other hand, as for the steel materials of test numbers a to n according to the comparative example, at least one of the three HAZ toughnesses at 0 ° C. was less than 70 J. Among these, the comparative examples h and n had large variations in HAZ toughness, and the maximum difference was 200J and 180J, respectively.
Here, the steel materials of test numbers a to k are examples in which the basic components or component parameters do not satisfy the requirements of the steel of the present invention. Moreover, since the steel material of test number 1 has a high water-cooling start temperature, the particle size and aspect ratio of the CaO · Al 2 O 3 inclusions exceed the predetermined values of the steel of the present invention. In addition, since both of the steel materials of test numbers m and n have a Ca addition temperature deviating from the production method of the present invention, the aspect ratio of CaO · Al 2 O 3 inclusions is the predetermined ratio of the steel of the present invention. This is an example in which the value exceeds the value and the HAZ toughness decreases.

以上の実験結果と、その切欠引張強度向上のメカニズムから、低S化によって切欠引張強度が向上するという現象は、一般的な浸炭鋼においては、普遍的に成り立つことが明白である。   From the above experimental results and the mechanism for improving the notch tensile strength, it is clear that the phenomenon that the notch tensile strength is improved by lowering S is universally realized in general carburized steel.

本発明によれば、大入熱溶接熱影響部におけるシャルピー試験で安定して高い吸収エネルギーを確保できるので、建築、橋梁などの鋼構造物に好適な靱性に優れた鋼材を提供することができる。   According to the present invention, stable high absorption energy can be secured in the Charpy test in the high heat input welding heat-affected zone, so that it is possible to provide a steel material having excellent toughness suitable for steel structures such as buildings and bridges. .

Claims (4)

質量%で、C:0.01〜0.2%、Si:0.03〜0.5%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.02%以下、S:0.01%未満、Al:0.005超〜0.08%、Ti:0.0005〜0.02%、Ca:0.0003〜0.02%、N:0.002〜0.009%及びO(酸素):0.001〜0.0035%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、下記の(1)式、(2)式および(3)式を満足するとともに、板厚方向で1/4位置におけるフェライト面積率が15%以上であり、鋼中に粒径0.5〜5μmのCaO・Al系介在物が存在し、その介在物のアスペクト比が1.9以下であることを特徴とする大入熱溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材。
0.50≦Ca/O≦1.30 ・・・・・(1)式
Ti/N<3.4 ・・・・・(2)式
Pcm≦0.23 ・・・・・(3)式
ここで、
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/3+Nb/2+23{B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)}
ただし、B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)≦0のとき、B-(10.8/14.1)(N-Ti/3.4)=0として取り扱う。
また、(1)式、(2)式および(3)式の元素記号はその元素の含有量(質量%)を示し、アスペクト比とは、鋼材の圧延方向に平行な断面で観察される介在物の長径を短径で除した値を意味する。
In mass%, C: 0.01 to 0.2%, Si: 0.03 to 0.5%, Mn: 0.5 to 2.0%, P: 0.02% or less, S: 0.01 %: Al: more than 0.005 to 0.08%, Ti: 0.0005 to 0.02%, Ca: 0.0003 to 0.02%, N: 0.002 to 0.009%, and O ( Oxygen): 0.001 to 0.0035% contained, the balance being Fe and impurities, satisfying the following formulas (1), (2) and (3), and 1 / The ferrite area ratio at 4 positions is 15% or more, CaO · Al 2 O 3 inclusions having a particle size of 0.5 to 5 μm are present in the steel, and the aspect ratio of the inclusions is 1.9 or less. A steel material with excellent toughness of heat-affected zone with high heat input welding.
0.50 ≦ Ca / O ≦ 1.30 Equation (1) Ti / N <3.4 Equation (2)
Pcm * ≦ 0.23 (3) where
Pcm * = C + Si / 30 + Mn / 20 + Cu / 20 + Ni / 60 + Cr / 20 + Mo / 15 + V / 3 + Nb / 2 + 23 {B- (10.8 / 14.1) (N-Ti /3.4)}
However, when B- (10.8 / 14.1) (N-Ti / 3.4) ≦ 0, it is handled as B- (10.8 / 14.1) (N-Ti / 3.4) = 0.
In addition, the element symbols in the expressions (1), (2) and (3) indicate the content (% by mass) of the element, and the aspect ratio is an observation observed in a cross section parallel to the rolling direction of the steel material. It means the value obtained by dividing the major axis of the product by the minor axis.
Feの一部に代えて、質量%で、B:0.005%以下、Nb:0.05%以下、V:0.1%以下、Cu:1.5%以下、Ni:6.0%以下、Cr:1.0%以下及びMo:0.8%以下の中から選んだ1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1に記載の鋼材。 Instead of a part of Fe, by mass%, B: 0.005% or less, Nb: 0.05% or less, V: 0.1% or less, Cu: 1.5% or less, Ni: 6.0% The steel material according to claim 1, characterized in that it contains one or more selected from Cr: 1.0% or less and Mo: 0.8% or less. 建築鋼管用として用いられることを特徴とする、請求項1または2に記載の鋼材。   The steel material according to claim 1 or 2, wherein the steel material is used for a construction steel pipe. 溶鋼中のAl含有量が0.005〜0.08質量%の範囲となるようにAlを添加して脱酸し、さらに脱ガス装置で15分以上処理した後、溶鋼温度を1600±70℃に保った状態でCaを添加し、鋳造したスラブを熱間圧延した後、750℃以下の温度から水冷を開始することを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の鋼材の製造方法。   Al is added so that the Al content in the molten steel is in the range of 0.005 to 0.08 mass% for deoxidation, and after further treatment with a degasser for 15 minutes or more, the molten steel temperature is 1600 ± 70 ° C. The steel material according to any one of claims 1 to 3, wherein Ca is added in a state of being kept at a low temperature, and after the cast slab is hot-rolled, water cooling is started from a temperature of 750 ° C or lower. Production method.
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