JP5510620B1 - 鋼板 - Google Patents
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Abstract
この鋼板は、A値が4.5%以下であり;Pcm値が0.25%以下であり;降伏強度が460N/mm2〜580N/mm2、かつ、引張強さが550N/mm2〜670N/mm2であり;表面から板厚方向に沿って板厚の1/8の位置である1/8t部の硬さと、前記表面から前記板厚方向に沿って前記板厚の1/2の位置である1/2t部の硬さとの差が、ビッカース硬度で20以下であり、前記1/8t部における平均結晶粒径が35μm以下である。
Description
本発明は、建築物、建設機械、海洋構造物、船舶用大型クレーン、土木構造物などの溶接構造物への適用に好適な強度である降伏強度460N/mm2〜580N/mm2、引張強さ550N/mm2〜670N/mm2の強度を有し、さらに、板厚方向に均一な特性を有し、溶接性と母材靭性と溶接熱影響部靭性とに優れ、板厚80mm以上に好適な厚手高張力鋼板に関する。
近年、建築物、建設機械、海洋構造物、船舶用大型クレーン、土木構造物などの溶接構造物では、構造物の大型化に伴い厚手高張力鋼板の適用が進んでいる。
厚手高張力鋼板を大型構造物に適用する場合、板厚方向における強度差及び靱性差は、複雑な溶接構造物を構築、設計する上で、それらの変形挙動や破壊挙動を予測して高度かつ合理的な安全性を構築する場合に好ましいものではない。そのため、板厚方向に均一な特性を有する厚手高張力鋼板が求められている。
厚手高張力鋼板は、大型海洋構造物や大型クレーンなどにおいて、高度な安全性が要求される部位に使用される場合が多い。構造物の破壊で最も懸念されるのは、溶接欠陥などの溶接継手部から、脆性破壊が発生することである。したがって、溶接部においては欠陥の発生を防止するために優れた溶接性が求められるとともに、脆性破壊に対しては高い溶接熱影響部靭性(以下、HAZ靱性とする)を求められる場合が多い。
厚手高張力鋼板を大型構造物に適用する場合、板厚方向における強度差及び靱性差は、複雑な溶接構造物を構築、設計する上で、それらの変形挙動や破壊挙動を予測して高度かつ合理的な安全性を構築する場合に好ましいものではない。そのため、板厚方向に均一な特性を有する厚手高張力鋼板が求められている。
厚手高張力鋼板は、大型海洋構造物や大型クレーンなどにおいて、高度な安全性が要求される部位に使用される場合が多い。構造物の破壊で最も懸念されるのは、溶接欠陥などの溶接継手部から、脆性破壊が発生することである。したがって、溶接部においては欠陥の発生を防止するために優れた溶接性が求められるとともに、脆性破壊に対しては高い溶接熱影響部靭性(以下、HAZ靱性とする)を求められる場合が多い。
特に、板厚が80mm以上となる厚手高張力鋼板は、通常、板厚中心部まで所定の強度を付与することを目的として、焼入れ性を向上させるC、Mn、Cr、Mo、Vなどの合金元素が適量添加され、焼入れおよび焼戻し処理により製造される。焼入れ処理時においては、板厚方向における冷却速度の差に起因して、表層から板厚中心部にかけて、板厚方向深さに応じて強度や靭性が変化することが良く知られている。また、板厚が厚くなると、焼入れ処理時の冷却速度の差だけでなく、焼入れ処理の加熱時においても、表層と板厚中心部との加熱速度の差が大きくなる。鋼板の表層部では、板厚中心部に比べて高温で保持される時間が長くなり、板厚中心部に比べて結晶粒が粗大となりやすい。表層付近と板厚中心部とで結晶粒に差異が生じると、強度をはじめとする材質に差異が生じる場合がある。
一般に、多くの鋼材規格では鋼板の表面から板厚方向に沿って板厚の1/4の位置、言い換えれば、鋼板の表面から板厚方向に板厚の中心部へ向かって板厚の1/4進んだ位置(以下、1/4t部)の特性が規定されている。しかしながら、海洋構造物などにおいて板厚が厚くなり、かつ、破壊に対して高度な安全性が要求されるようになると、鋼板の表面から板厚中心部方向へ向かって板厚の1/2の位置(以下、1/2t部)においても安定して高い特性が必要となる。
一般に、多くの鋼材規格では鋼板の表面から板厚方向に沿って板厚の1/4の位置、言い換えれば、鋼板の表面から板厚方向に板厚の中心部へ向かって板厚の1/4進んだ位置(以下、1/4t部)の特性が規定されている。しかしながら、海洋構造物などにおいて板厚が厚くなり、かつ、破壊に対して高度な安全性が要求されるようになると、鋼板の表面から板厚中心部方向へ向かって板厚の1/2の位置(以下、1/2t部)においても安定して高い特性が必要となる。
以上のような観点から、今後の大型構造物に適用される厚手高張力鋼板としては、溶接性に優れ、母材靱性及び溶接熱影響部靭性が高いだけでなく、厚手高張力鋼板特有の板厚方向の不均一性を排除したものであることが重要である。溶接性は、多くの研究から合金組成により決定されることが明らかとなっており、例えばPcm値などの指標で評価できる。多くの場合、Cr、Moなどの焼入れ性の高い合金元素の含有量を制限し、Pcm値を例えば0.25%以下とすることで、予熱が不要な良溶接性を達成できる。したがって、優れた溶接性を確保する上で、上述したように、焼入れ性を上昇させる元素を極力添加しないで強度を確保することが重要である。そのような先行技術のひとつとして、Cuを多く含む高張力鋼板の発明が従来から開示されている。
例えば、特許文献1および特許文献2には、Cuをそれぞれ0.6%〜1.5%および0.5%〜2.0%含有する高張力鋼板の製造方法に関する発明が開示されている。これらの発明は、熱間圧延時に制御圧延を施し、原則として圧延後の加速冷却を伴う熱加工制御の適用を前提としたものである。そのため、特許文献1及び2に開示された製造方法は、80mm以上を対象とする厚手高張力鋼板の製造には適さない。さらに、これらの製造方法を用いた場合、制御圧延などの効果により板厚表層部近傍と中心部とのミクロ組織などが大きくことなることから、必然的に板厚方向の特性も大きく変化してしまう懸念がある。
特許文献3には、Cuを0.5%〜4.0%含有する、伸び特性が優れてかつ引張強さが686MPa以上である高靱性高強度鋼(高張力鋼板)の製造法が開示されている。特許文献3で対象とされているのは、引張強さが本発明の想定を超える686MPa以上の高強度鋼であり、Cr、Mo、Vなどの合金元素の添加が許容された焼入れ性の高い高強度鋼である。そのため、特許文献3に記載の製造方法は、板厚方向の材質均一性への懸念から、本発明で意図している課題を解決するための手段としては採用できない。
特許文献4には、Cuを0.8%〜1.5%含有する、溶接部靭性に優れた高張力鋼板が開示されている。この高張力鋼板は、CuおよびNiが添加されているものの、板厚の想定が文献4の実施例から分かるように77mmであり、80mm以上の板厚に好適な本発明とはその意図が異なる。また、特許文献4では、高張力鋼板の製造において、900℃以下での総圧下量を規制しながら圧延し、圧延後に直接水冷処理を行なうことが明記されている。そのため、板厚方向の材質均一性にとって、大きな懸念がある。また、N/Al比が0.3〜3.0の範囲と規定されているが、実施例に開示されているように、Alの含有量は0.013%以下である。その結果、通常のAlによる脱酸ができず、従来の一般的な製造方法からやや逸脱し、安定性に欠けたり、コストが高くなる懸念がある。
特許文献5、特許文献6および特許文献7には、いずれもCuを0.2%〜2.0%含有する低温靭性の優れた大入熱溶接用鋼の製造法について開示されている。これらの鋼板の特徴は、S含有量を0.003%〜0.008%となるように制御することである。Sを添加し、S含有量を上記の範囲とすることで、鋼中に微細なMnSが析出し、大入熱溶接に対して優れたHAZ靭性が得られている。これらの技術は、大入熱溶接に対しては一定の効果があるものの、対象となる板厚は32mm程度の薄手材であって、本発明の意図とは大きく異なる。さらにSの添加は、特に厚手高張力鋼板において、靭性に悪影響を与える可能性が高いMnS介在物の生成を促進する。そのため、特許文献5〜7に開示された技術は、厚手高張力鋼板の製造を前提とすると優れた方法ではない。
特許文献8には、Cuを0.70%〜1.75%含有する、CTOD特性に優れた高強度厚鋼板が開示されている。しかしながら、これらの鋼板の強度レベルは780MPa級(引張強さ780MPa以上)であって、本発明が意図する強度とは著しく異なっている。さらに、これらの鋼板は、Bが0.005%〜0.0015%含有されていることから、板厚表層部近傍の硬さの上昇が極めて大きくなる。そのため、特許文献8に開示された鋼板では、板厚方向における強度差が大きいと推定される。さらに、これらの鋼板は、Alの含有量が0.01%以下と極めて少なく、通常のAlによる脱酸ができない。そのため、従来の一般的な製造方法からやや逸脱し、安定性にかけるコストの高いものとなるなど、本発明の課題を解決するためには、適さないものである。
上述の通り、Cu添加は従来から多くの発明に適用されてきた技術である。しかしながら、例えば80mmを超える厚手高張力鋼板に対して、Cr、Mo、Vなどの合金元素を実質的に含有させなくても板厚方向の材質均一性を確保できる従来技術はなかった。
本発明は、従来の発明では達成できなかった、降伏強度460N/mm2〜580N/mm2、引張強さ550N/mm2〜670N/mm2を有する、例えば80mm以上の厚手高張力鋼板であって、板厚方向に均一な特性を有し、溶接性、母材靭性及びHAZ靭性に優れた厚手高張力鋼板を提供するものである。
本発明者らは、厚手高張力鋼板の製造法について多くの実験を重ねた。その結果、母材の高い溶接性とHAZ靭性とを確保するためには、Pcm値を0.25%以下の範囲に制御し、焼入れ性の高いCr、Mo、VおよびBを実質的に含有させないことが重要であることを見出した。なお、本発明において、高い溶接性とは、実際の溶接において0℃でも溶接割れが発生しないことを示す。この場合、溶接時に予熱が不要となる。
さらに、応力除去焼鈍後の特性やHAZ靭性を確保するためには、高い濃度のCuと同時に高い濃度のNiを含有することが有効であることを知見した。さらに、板厚方向の材質均一性を有する厚手高張力鋼板とするためには、Cu、Niの含有量を特定の高い濃度範囲に制限した上で、従来のCu添加鋼の主流であったTMCP処理(Thermo Mechanical Control Process)ではなく、焼入れおよび焼戻し処理を適用することが有効であることを見出した。
さらに、応力除去焼鈍後の特性やHAZ靭性を確保するためには、高い濃度のCuと同時に高い濃度のNiを含有することが有効であることを知見した。さらに、板厚方向の材質均一性を有する厚手高張力鋼板とするためには、Cu、Niの含有量を特定の高い濃度範囲に制限した上で、従来のCu添加鋼の主流であったTMCP処理(Thermo Mechanical Control Process)ではなく、焼入れおよび焼戻し処理を適用することが有効であることを見出した。
図1は、Cuを1.15%含有し、Niを1.81%または3.22%含有する2種類の板厚110mmの鋼板における、焼入れおよび焼戻し処理後の板厚方向の断面硬さ分布を示した図である。一般に厚手高張力鋼板の板厚方向断面硬さは、内部から表層部近傍に向かって硬さが上昇する傾向を示し、その程度は、焼入れ性を向上させる合金元素の含有量が多いほど顕著となる。図1から分かるように、1.81%Ni含有鋼(Ni含有量が1.81%である鋼)に比べて、3.22%Ni含有鋼の場合、表層部から板厚内部に渡って硬さの高い範囲が広がっており、鋼板の表面から板厚方向に沿って板厚の1/8の位置(以下1/8t部)でのビッカース硬さと1/2t部でのビッカース硬さとの差(ΔHv)は、38となる。3.22%Ni含有鋼のΔHvは、1.81%Ni鋼より著しく高い値を示している。ここで、鋼板の表面というのは、圧延時の特定の表面を意味するものでなく、単に鋼板のある片方の表面を意味している。
上記のように、ΔHvは、合金元素の含有量に依存する。ΔHvと合金元素の含有量との関係を実験的に求めた結果を図2に示す。図2は、Cu及びNiの含有量を変化させた板厚100mmの鋼板において、鋼板の1/8t部での硬さと1/2t部での硬さとの差であるΔHvを示したものである。図中の円の中の数字が、ΔHvである。鋼板の板厚方向断面の硬さを測定する場合、板厚の中心部付近では、鋳片の状態に応じて、中心偏析に起因する局所的に硬さの高い領域が現れる場合がある。このような局所的に硬さの高い領域(局所的な硬化部)は、厚手高張力鋼板の板厚全体に対して極めて微小な領域なので、鋼の強度にはほとんど影響を及ぼさないと考えられる。そのため、鋼板の断面の硬さ分布を測定する場合、上述のような局所的な硬化部のデータは除外する方が望ましい。この図2から分かるように、Cu含有量及びNi含有量の合計であるA値(A=Cu+Ni)と、ΔHvとの間には相関があり、A値が4.5%を超えてしまうと、ΔHvが20を超えることが分かった。さらに、Cu含有量が1.5%以下の低い値であってもNi含有量が3.0%を超えてしまうとやはりΔHvが20を超えてしまうおそれがあることが分かった。一方、A値の下限値については、特に制約を設けるものではない。しかしながら、後に述べるHAZ靱性および強度の確保の観点からNi含有量およびCu含有量については、それぞれ1.2%および0.7%が下限となる。したがって、A値の下限値は、Cu含有量とNi含有量とのそれぞれの下限値の合計である1.9%とすることが好ましい。
さらに、本発明者らは、本発明の大きな要素であるHAZ靭性(vE(HAZ))におよぼすCu含有量及びNi含有量の影響を調べるために、−40℃における溶接熱影響部を模擬した衝撃試験も行なった。その結果を図3に示す。通常の大型構造物において、−40℃におけるシャルピー吸収エネルギーが42J以上であれば、脆性破壊の発生を阻止できるとされている。そのため、−40℃でのシャルピー吸収エネルギーが42J以上か否かを合否の判定基準とした。図3における図中の円の中の数値が、−40℃でのシャルピー吸収エネルギーである。図3から分かるように、Ni含有量の増加により鋼材の靱性が大きく改善し、後述するような衝撃試験値で42J以上を確保するためには、1.2%以上のNi含有量が必要であることが分かった。しかしながら、Cu含有量が2.5%を超えると、Ni含有量が1.2%以上であっても靱性が低下することも判明した。
上記したように、HAZ靱性は、合金組成(合金成分の含有量)に強く影響される。一方、母材の靱性については、合金組成に加え、ミクロ組織、具体的には結晶粒径を考慮した検討が必要となる。特に80mmを超える厚手高張力鋼板の板厚位置ごとに、結晶粒径がどのようになるかを検討する必要がある。本発明で想定されるような引張強さが550N/mm2〜670N/mm2の鋼では、一般的に、ミクロ組織が、フェライトおよびベイナイトの混在した組織になる。そのため、従来実施されている光学顕微鏡を用いたミクロ組織観察から結晶粒径を評価することは容易ではない。そこで、本発明では、結晶方位解析に多く用いられるEBSD法(電子ビーム後方散乱回折パターン解析法)を用い、その結晶方位差が30°以上の角度を持つ粒界によって囲まれる領域を結晶粒と定義し、その結晶粒の円相当粒径を結晶粒径と定義した。そして、測定された結晶粒径の頻度分布を算出し、細粒側からの累積頻度が70%となる結晶粒径を平均結晶粒径と定義した。実際に測定された例を図4に示す。図4は、0.08%C−0.15%Si−1.51%Mn−0.008%P−0.0010%S−1.15%Cu−1.23%Ni−0.012%Ti−0.012%Nb−0.035%Al−0.0039%Nを成分として有する鋼の、結晶粒径に対する累積頻度(%)を示したものである。累積頻度を求めるにあたり、まず、上記成分に溶製された鋼を、板厚が140mmになるように熱間圧延を実施し、熱間圧延後に焼入れ焼戻しを行った。そして、焼入れ焼戻し後の鋼板における鋼板の表層部(つまり表面部または最表層)、1/8t部、2/8t部(1/4t部)および3/8t部の各板厚位置での結晶粒径を求め、結晶粒径に対する累積頻度(%)を得た。累積頻度が70%に相当する結晶粒径が平均結晶粒径である。図4から分かるように、この実験結果では各板厚位置における平均結晶粒径は、鋼板の板厚方向の採取位置により変化し、概ね、最表層および1/8t部において、20μm以上であるのに対し、2/8t部および3/8t部では15μm以下であった。
さらに、本発明者らは、上記のように定義した結晶粒に対して靭性がどのように変化するかについて調べた。図5には、先に示した0.08%C−0.15%Si−1.51%Mn−0.008%P−0.0010%S−1.15%Cu−1.23%Ni−0.012%Ti−0.012%Nb−0.035%Al−0.0039%Nを成分とした板厚140mmの焼入れ焼戻し鋼における、結晶粒径と、試験温度を20℃間隔で変化させながら実施したシャルピー試験で得られた靭性との関係を示す。靭性の指標としては、シャルピー試験で得られた破面遷移温度(vTrs)を用いた。ここで、vTrsとは、試験片の破断面の特徴から延性破面と脆性破面とを識別し、全破面の面積に対する脆性破面の面積率を測定し、その脆性破面の面積率と試験温度との関係を求めた際の、脆性破面の面積率が50%を示す温度である。vTrsは、その値が小さいほど靭性がよいことを示す。なお、シャルピー試験片の採取位置は、結晶粒径を測定した部位と同じ位置であり、採取方向は圧延方向に対して直角方向である。
図5において、縦軸がvTrs(靭性)、横軸のd−1/2が平均結晶粒径の平方根の逆数である。この図においては、横軸のd−1/2×100の値が大きいほど結晶粒径が細かいことを表している。
図5から明らかなように、vTrsとd−1/2とにはほぼ直線の相関関係が認められる。これは、従来からホール・ペッチの関係と呼ばれる関係に相当する。なお、縦軸のvTrsは、成分系にも影響され、特にNi含有量が増加すると靱性が向上することが知られている。図5はNi含有量が1.23%の場合であり、このNi量はHAZ靭性の向上を図るために必要なNi量の下限値である1.2%に近い。そのため、この図5を用いると靭性に与える影響が最も大きい合金成分であるNiの含有量が本発明範囲の下限値に近い場合に、どの程度の結晶粒径が必要なのかを予測することが可能となる。以下、詳細に説明する。
図5において、縦軸がvTrs(靭性)、横軸のd−1/2が平均結晶粒径の平方根の逆数である。この図においては、横軸のd−1/2×100の値が大きいほど結晶粒径が細かいことを表している。
図5から明らかなように、vTrsとd−1/2とにはほぼ直線の相関関係が認められる。これは、従来からホール・ペッチの関係と呼ばれる関係に相当する。なお、縦軸のvTrsは、成分系にも影響され、特にNi含有量が増加すると靱性が向上することが知られている。図5はNi含有量が1.23%の場合であり、このNi量はHAZ靭性の向上を図るために必要なNi量の下限値である1.2%に近い。そのため、この図5を用いると靭性に与える影響が最も大きい合金成分であるNiの含有量が本発明範囲の下限値に近い場合に、どの程度の結晶粒径が必要なのかを予測することが可能となる。以下、詳細に説明する。
通常の大型構造物における破壊は溶接継手部から発生するため、鋼材としてはHAZ靭性が重要である。しかしながら、より構造物の安全性を高めるためには、HAZ靭性だけでなく母材(溶接熱影響を受けていない部分)においても高い靭性が必要とされる。一般に、脆性破壊は溶接欠陥などから発生する場合が想定されるが、それらの欠陥の多くは、発見が容易な表面に存在する欠陥ではなく、鋼板内部に存在する欠陥である場合に脆性破壊に最も大きく影響する。これは、鋼板内部の欠陥が、発見される可能性が低くなると同時に、作用応力状態にもよるが、き裂の進展に対して最も厳しい応力状態になり得ると想定されるからである。
溶接部の欠陥からの破壊を想定した場合、万が一、脆性き裂が発生したとしても、母材でそれを阻止するためには、欠陥近傍の母材の靭性が高くなければならない。このような厳しい応力状態となるのは、主に鋼板の内部側である1/8t部〜7/8t部の領域であると想定される。それゆえ、母材に対して必要な靭性は、板厚の表層近傍よりもむしろ1/8t部より鋼板の中心に近い内部側で規定されるべきである。
以上の理由から、一般に要求される−40℃におけるシャルピーの吸収エネルギー(vE−40)として要求される42J以上のエネルギー値は、鋼板表面から1/8t部より鋼板の内側において必要とされる。そこで、本発明においては、1/8t部より内部側の結晶粒径を規定する。
さて、従来の鋼板で得られた遷移曲線から考えると、−40℃での吸収エネルギー42Jを満足するためにはvTrsが−10℃以下であることが必要である。
図5から、vTrsが−10℃(図中の破線)に相当する平均結晶粒径は、35μmである。従って、平均結晶粒径が35μm以下であれば、vTrs≦−10℃を満足できることがわかった。図5中の各点は、( )内の表示で示された板厚位置から採取されたものである。先に述べたように、鋼板表層部は実際の構造物の破壊にあまり影響しないと考えられるので、本発明では、最表層部から1/8t部までの領域を除いた位置での平均結晶粒径を規定する。厚手鋼板は長時間にわたって熱処理炉内で保持されるため、鋼板表層部側の方が板厚中心部に比べて結晶粒径が粗大になる傾向がある。そのため、特に板厚の1/8t部の平均結晶粒径を35μm以下とすることが重要である。さらに、板厚の3/8t部の平均結晶粒径を35μm以下とすることで、板厚の1/8t部及び3/8t部の両方の平均結晶粒径を35μm以下としても差し支えない。
なお、上記のように平均結晶粒径は細粒であるほど靱性が向上するが、細粒にすることは容易でない。そのため、平均結晶粒径の下限値を5μm、10μm又は15μmとしてもよい。
鋼構造物の安全性を向上させるために、歪時効などを考慮し、母材に対してより高い靭性を必要とする考え方がある。特に歪時効の場合、発明者らの検討によれば、5%程度の歪を冷間で付与し、その後、250℃(2時間保持)で時効処理を実施した場合、シャルピー遷移温度が、−15℃程度上昇することが判明している。そこで、歪時効を考慮してさらに高い靭性が要求される場合は、vTrsは、さらに15℃低い、−25℃以下であることが望ましい。このためには、同じく図5より、板厚の1/8t部の平均結晶粒径を25μm以下とすればよいことが判った。すなわち、前記と同様な理由により、板厚の3/8t部の平均結晶粒径も25μm以下としてもよい。
なお、鋼板の表層付近は鋼板内部より焼入れ時の冷却速度が高くなるため、十分な焼入れ組織が得られやすい半面、強度が高くなる傾向がある。そのため、表層付近の靭性は鋼板内部(例えば、1/4t部)と比べ、必ずしも高いとは言えない。しかしながら、先に述べた様に、構造物としての脆性破壊に対する安全性を考えた場合、極端な曲げ変形が生じない条件下では、溶接欠陥などの潜在的なき裂の発見が容易であり、かつ、拘束力が低い表層近傍より板厚内部(1/8tより内部)の方がより脆性き裂の発生に対してはより厳しくなる傾向にある。このため、本発明においては、1/8tより内部の靭性を考慮すれば、構造物の安全性の確保に対して、十分であると考え、1/8tより内部の平均結晶粒径を規定することとした。
以上のような技術に基づいて製造された鋼板は、その板厚方向の均一性を確保しながら、優れた溶接性、母材靱性および溶接熱影響部靭性を示す。特に、板厚が80mm以上の鋼板においてその効果は大きい。しかしながら、板厚が200mmを超える鋼板では、板厚中心部の冷却速度が著しく低下し、ミクロ組織の粗大化を招くことにより、所定の強度および靱性を満足できなくなる可能性が高い。したがって、本発明により製造する鋼板の板厚は200mm以下としてもよい。必要に応じて、板厚の上限を175mm、150mm又は125mmとしてもよい。板厚の下限を90mm又は100mmとしてもよい。
溶接部の欠陥からの破壊を想定した場合、万が一、脆性き裂が発生したとしても、母材でそれを阻止するためには、欠陥近傍の母材の靭性が高くなければならない。このような厳しい応力状態となるのは、主に鋼板の内部側である1/8t部〜7/8t部の領域であると想定される。それゆえ、母材に対して必要な靭性は、板厚の表層近傍よりもむしろ1/8t部より鋼板の中心に近い内部側で規定されるべきである。
以上の理由から、一般に要求される−40℃におけるシャルピーの吸収エネルギー(vE−40)として要求される42J以上のエネルギー値は、鋼板表面から1/8t部より鋼板の内側において必要とされる。そこで、本発明においては、1/8t部より内部側の結晶粒径を規定する。
さて、従来の鋼板で得られた遷移曲線から考えると、−40℃での吸収エネルギー42Jを満足するためにはvTrsが−10℃以下であることが必要である。
図5から、vTrsが−10℃(図中の破線)に相当する平均結晶粒径は、35μmである。従って、平均結晶粒径が35μm以下であれば、vTrs≦−10℃を満足できることがわかった。図5中の各点は、( )内の表示で示された板厚位置から採取されたものである。先に述べたように、鋼板表層部は実際の構造物の破壊にあまり影響しないと考えられるので、本発明では、最表層部から1/8t部までの領域を除いた位置での平均結晶粒径を規定する。厚手鋼板は長時間にわたって熱処理炉内で保持されるため、鋼板表層部側の方が板厚中心部に比べて結晶粒径が粗大になる傾向がある。そのため、特に板厚の1/8t部の平均結晶粒径を35μm以下とすることが重要である。さらに、板厚の3/8t部の平均結晶粒径を35μm以下とすることで、板厚の1/8t部及び3/8t部の両方の平均結晶粒径を35μm以下としても差し支えない。
なお、上記のように平均結晶粒径は細粒であるほど靱性が向上するが、細粒にすることは容易でない。そのため、平均結晶粒径の下限値を5μm、10μm又は15μmとしてもよい。
鋼構造物の安全性を向上させるために、歪時効などを考慮し、母材に対してより高い靭性を必要とする考え方がある。特に歪時効の場合、発明者らの検討によれば、5%程度の歪を冷間で付与し、その後、250℃(2時間保持)で時効処理を実施した場合、シャルピー遷移温度が、−15℃程度上昇することが判明している。そこで、歪時効を考慮してさらに高い靭性が要求される場合は、vTrsは、さらに15℃低い、−25℃以下であることが望ましい。このためには、同じく図5より、板厚の1/8t部の平均結晶粒径を25μm以下とすればよいことが判った。すなわち、前記と同様な理由により、板厚の3/8t部の平均結晶粒径も25μm以下としてもよい。
なお、鋼板の表層付近は鋼板内部より焼入れ時の冷却速度が高くなるため、十分な焼入れ組織が得られやすい半面、強度が高くなる傾向がある。そのため、表層付近の靭性は鋼板内部(例えば、1/4t部)と比べ、必ずしも高いとは言えない。しかしながら、先に述べた様に、構造物としての脆性破壊に対する安全性を考えた場合、極端な曲げ変形が生じない条件下では、溶接欠陥などの潜在的なき裂の発見が容易であり、かつ、拘束力が低い表層近傍より板厚内部(1/8tより内部)の方がより脆性き裂の発生に対してはより厳しくなる傾向にある。このため、本発明においては、1/8tより内部の靭性を考慮すれば、構造物の安全性の確保に対して、十分であると考え、1/8tより内部の平均結晶粒径を規定することとした。
以上のような技術に基づいて製造された鋼板は、その板厚方向の均一性を確保しながら、優れた溶接性、母材靱性および溶接熱影響部靭性を示す。特に、板厚が80mm以上の鋼板においてその効果は大きい。しかしながら、板厚が200mmを超える鋼板では、板厚中心部の冷却速度が著しく低下し、ミクロ組織の粗大化を招くことにより、所定の強度および靱性を満足できなくなる可能性が高い。したがって、本発明により製造する鋼板の板厚は200mm以下としてもよい。必要に応じて、板厚の上限を175mm、150mm又は125mmとしてもよい。板厚の下限を90mm又は100mmとしてもよい。
このように、本発明は、従来Cr、Moなどの合金元素が多く含有されていた例えば80mm以上の厚手高張力鋼板に対し、実質的にこれらの元素を含有せず、CuおよびNiの含有量を適切に制御することで板厚方向に均一でかつ、溶接性および母材靭性とHAZ靱性が優れた鋼を製造できる条件を特定したことを基本として構成されたものである。
(1)すなわち、本発明の一態様に係る鋼板は、化学組成が、質量%で、C:0.03%〜0.12%、Si:0.05%〜0.30%、Mn:1.20%〜1.65%、Cu:0.7%〜2.5%、Ni:1.2%〜3.0%、Nb:0.005%〜0.030%、Ti:0.005%〜0.030%、Al:0.015%〜0.065%、N:0.0020%〜0.0060%、Mo:0%〜0.04%、Cr:0%〜0.08%、V:0%〜0.01%、B:0%〜0.0005%、P:0.010%以下、S:0.002%以下、Ca:0%〜0.0030%、Mg:0%〜0.0030%、REM:0%〜0.0030%、残部:Fe及び不純物であり;下記(a)式で示されるA値が4.5%以下であり;下記(b)式で示されるPcm値が0.25%以下であり;降伏強度が460N/mm2〜580N/mm2、かつ、引張強さが550N/mm2〜670N/mm2であり;表面から板厚方向に沿って板厚の1/8の位置である1/8t部の硬さと、前記表面から前記板厚方向に沿って前記板厚の1/2の位置である1/2t部の硬さとの差が、ビッカース硬度で20以下であり;電子ビーム後方散乱回析パターン解析法を用いた結晶方位解析を行い、結晶方位差が30°以上の粒界で囲まれる領域を結晶粒と定義し、前記結晶粒の円相当粒径を結晶粒径と定義し、前記結晶粒径の頻度分布を算出した場合の累積頻度が細粒側から70%となる前記結晶粒径を、平均結晶粒径と定義したとき、前記1/8t部における前記平均結晶粒径が35μm以下である。
A=Cu+Ni…(a)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(b)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V及びBは、各元素の含有量で、その単位は質量%である。
A=Cu+Ni…(a)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(b)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V及びBは、各元素の含有量で、その単位は質量%である。
(2)上記(1)に記載の鋼板では、さらに、前記鋼板の前記表面から前記板厚方向に沿って前記板厚の3/8の位置である3/8t部における前記平均結晶粒径が35μm以下であってもよい。
(3)上記(1)に記載の鋼板では、さらに、前記1/8t部における前記平均結晶粒径が25μm以下であってもよい。
(4)上記(3)に記載の鋼板では、さらに、前記鋼板の前記表面から前記板厚方向に沿って前記板厚の3/8の位置である3/8t部における前記平均結晶粒径が25μm以下であってもよい。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の鋼板では、前記鋼板の前記板厚が、80mm以上であってもよい。
本発明によれば、板厚方向の母材材質の均一性に優れ、溶接性、母材靭性、およびHAZ靭性に優れた厚手高張力鋼板の提供が可能となる。
以下、本発明の一実施形態に係る鋼板(本実施形態に係る鋼板)について詳細に説明する。
まず、本実施形態に係る鋼板の化学組成の限定理由を述べる。
まず、本実施形態に係る鋼板の化学組成の限定理由を述べる。
C:0.03%〜0.12%
Cは、母材の強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、C含有量を、0.03%以上とする必要がある。強度の向上のため、C含有量の下限を0.04%、0.05%、0.06%又は0.07%としてもよい。一方、C含有量が0.12%を超えると焼入れ性の増加により板厚方向の材質均一性が損なわれる。また、溶接部の硬さが上昇すると同時にHAZ靭性が低下する。そのため、C含有量の上限を0.12%とする。HAZ靭性の改善のため、C含有量の上限を0.11%、0.10%、0.09%又は0.08%としてもよい。
Cは、母材の強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、C含有量を、0.03%以上とする必要がある。強度の向上のため、C含有量の下限を0.04%、0.05%、0.06%又は0.07%としてもよい。一方、C含有量が0.12%を超えると焼入れ性の増加により板厚方向の材質均一性が損なわれる。また、溶接部の硬さが上昇すると同時にHAZ靭性が低下する。そのため、C含有量の上限を0.12%とする。HAZ靭性の改善のため、C含有量の上限を0.11%、0.10%、0.09%又は0.08%としてもよい。
Si:0.05%〜0.30%
Siは、脱酸に有効な元素であるとともに、強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、Si含有量を0.05%以上とする必要がある。強度の向上のため、Si含有量の下限を0.06%、0.08%、0.10%又は0.13%としてもよい。一方、Si含有量が0.30%を超えると、HAZ靭性が低下するので、Si含有量の上限を0.30%とする。HAZ靭性の向上のため、Si含有量の上限を0.25%、0.22%、0.20%又は0.18%としてもよい。
Siは、脱酸に有効な元素であるとともに、強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、Si含有量を0.05%以上とする必要がある。強度の向上のため、Si含有量の下限を0.06%、0.08%、0.10%又は0.13%としてもよい。一方、Si含有量が0.30%を超えると、HAZ靭性が低下するので、Si含有量の上限を0.30%とする。HAZ靭性の向上のため、Si含有量の上限を0.25%、0.22%、0.20%又は0.18%としてもよい。
Mn:1.20%〜1.65%
Mnは、脱酸に有効な元素であるとともに、強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、Mn含有量を1.20%以上とする必要がある。強度の向上のため、Mn含有量の下限を1.25%、1.28%、1.30%、1.33%、1.35%又は1.37%としてもよい。一方、Mn含有量が1.65%を超えると、焼入れ性の増加により板厚方向の材質均一性が損なわれるとともに、鋳片での偏析が顕著になってHAZ靭性を低下させる。そのため、Mn含有量の上限を1.65%とする。HAZ靭性の向上のため、Mn含有量の上限を1.60%、1.58%、1.55%、1.52%、1.50%又は1.47%としてもよい。
Mnは、脱酸に有効な元素であるとともに、強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、Mn含有量を1.20%以上とする必要がある。強度の向上のため、Mn含有量の下限を1.25%、1.28%、1.30%、1.33%、1.35%又は1.37%としてもよい。一方、Mn含有量が1.65%を超えると、焼入れ性の増加により板厚方向の材質均一性が損なわれるとともに、鋳片での偏析が顕著になってHAZ靭性を低下させる。そのため、Mn含有量の上限を1.65%とする。HAZ靭性の向上のため、Mn含有量の上限を1.60%、1.58%、1.55%、1.52%、1.50%又は1.47%としてもよい。
Cu:0.7%〜2.5%
Cuは、本実施形態に係る鋼板にとって主要な合金元素であり、溶接性およびHAZ靭性を損なわずに母材の強度を向上させる数少ない元素である。Cu含有量を0.7%以上とすることで強度の上昇に著しい効果がある。このため、Cu含有量の下限は0.7%とする。強度の向上のため、Cu含有量の下限を0.75%、0.8%、0.85%、0.9%、0.95%、1.0%、1.05%又は1.1%としてもよい。一方、Cu含有量が2.5%を超えた場合、焼入れ性の上昇を招き、図3に示されたようにHAZ靭性が低下することが懸念される。そのため、Cu含有量の上限を2.5%とする。HAZ靭性の向上のため、Cu含有量の上限を2.3%、2.1%、1.9%、1.7%、1.6%、1.5%又は1.4%としてもよい。
Cuは、本実施形態に係る鋼板にとって主要な合金元素であり、溶接性およびHAZ靭性を損なわずに母材の強度を向上させる数少ない元素である。Cu含有量を0.7%以上とすることで強度の上昇に著しい効果がある。このため、Cu含有量の下限は0.7%とする。強度の向上のため、Cu含有量の下限を0.75%、0.8%、0.85%、0.9%、0.95%、1.0%、1.05%又は1.1%としてもよい。一方、Cu含有量が2.5%を超えた場合、焼入れ性の上昇を招き、図3に示されたようにHAZ靭性が低下することが懸念される。そのため、Cu含有量の上限を2.5%とする。HAZ靭性の向上のため、Cu含有量の上限を2.3%、2.1%、1.9%、1.7%、1.6%、1.5%又は1.4%としてもよい。
Ni:1.2%〜3.0%
Niも、本実施形態に係る鋼板にとって主要な合金元素であり、母材強度および靭性の改善、ならびにHAZ靭性改善に有効な元素である。Ni含有量は、HAZ靭性の観点から、図3に示されたように、1.2%以上が必要である。上記の特性の改善のため、Ni含有量の下限を1.25%、1.3%、1.35%、1.4%、1.45%、1.5%、1.55%又は1.6%としてもよい。一方、Ni含有量が3.0%を超えると、図2に示されたように、板厚方向の材質差を生じる。そのため、Ni含有量の上限を3.0%に制限する。板厚方向の材質差をより小さくするため、Ni含有量の上限を2.8%、2.6%、2.4%、2.2%、2.0%、1.9%又は1.8%としてもよい。
Niも、本実施形態に係る鋼板にとって主要な合金元素であり、母材強度および靭性の改善、ならびにHAZ靭性改善に有効な元素である。Ni含有量は、HAZ靭性の観点から、図3に示されたように、1.2%以上が必要である。上記の特性の改善のため、Ni含有量の下限を1.25%、1.3%、1.35%、1.4%、1.45%、1.5%、1.55%又は1.6%としてもよい。一方、Ni含有量が3.0%を超えると、図2に示されたように、板厚方向の材質差を生じる。そのため、Ni含有量の上限を3.0%に制限する。板厚方向の材質差をより小さくするため、Ni含有量の上限を2.8%、2.6%、2.4%、2.2%、2.0%、1.9%又は1.8%としてもよい。
Nb:0.005%〜0.030%
Nbは、強度を向上させるとともに、母材結晶粒の細粒化に有効な元素である。その効果を得るためには、Nb含有量を0.005%以上とする必要がある。強度向上と結晶粒の微細化とのため、Nb含有量の下限を0.007%、0.010%、0.012%、0.013%又は0.015%としてもよい。一方、Nb含有量が、0.030%を超えるとHAZ靭性が低下するので、Nb含有量の上限を0.030%とする。HAZ靭性の向上のため、Nb含有量の上限を0.027%、0.025%、0.022%又は0.020%としてもよい。
Nbは、強度を向上させるとともに、母材結晶粒の細粒化に有効な元素である。その効果を得るためには、Nb含有量を0.005%以上とする必要がある。強度向上と結晶粒の微細化とのため、Nb含有量の下限を0.007%、0.010%、0.012%、0.013%又は0.015%としてもよい。一方、Nb含有量が、0.030%を超えるとHAZ靭性が低下するので、Nb含有量の上限を0.030%とする。HAZ靭性の向上のため、Nb含有量の上限を0.027%、0.025%、0.022%又は0.020%としてもよい。
Ti:0.005%〜0.030%
Tiは窒化物を形成し溶接熱影響部における結晶粒の細粒化に寄与する元素である。その効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上とする必要がある。HAZ靭性の向上のため、Ti含有量の下限を0.007%、0.010%、又は0.012%としてもよい。一方、Ti含有量が0.030%を超えると、窒化物が粗大化してしまいかえってHAZ靭性の低下を招くことが懸念される。そのため、Ti含有量の上限を0.030%とする。HAZ靭性の低下防止のため、Ti含有量の上限を0.025%、0.020%、又は0.018%としてもよい。
Tiは窒化物を形成し溶接熱影響部における結晶粒の細粒化に寄与する元素である。その効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上とする必要がある。HAZ靭性の向上のため、Ti含有量の下限を0.007%、0.010%、又は0.012%としてもよい。一方、Ti含有量が0.030%を超えると、窒化物が粗大化してしまいかえってHAZ靭性の低下を招くことが懸念される。そのため、Ti含有量の上限を0.030%とする。HAZ靭性の低下防止のため、Ti含有量の上限を0.025%、0.020%、又は0.018%としてもよい。
Al:0.015%〜0.065%以下
Alは脱酸に有効であると同時に、窒化物を形成し母材およびHAZ結晶粒の細粒化に有効な元素である。その効果を得るためには、Al含有量を0.015%以上とする必要がある。母材およびHAZ結晶粒の細粒化のため、Al含有量の下限を0.020%、0.025%、0.028%、0.031%又は0.035%としてもよい。一方、Al含有量が0.065%を超えると粗大な窒化物が形成され靱性が低下する傾向がある。そのため、Al含有量の上限を0.065%とする。靭性低下防止のため、Alの含有量の上限を0.060%、0.055%、0.052%、0.050%又は0.048%としてもよい。
Alは脱酸に有効であると同時に、窒化物を形成し母材およびHAZ結晶粒の細粒化に有効な元素である。その効果を得るためには、Al含有量を0.015%以上とする必要がある。母材およびHAZ結晶粒の細粒化のため、Al含有量の下限を0.020%、0.025%、0.028%、0.031%又は0.035%としてもよい。一方、Al含有量が0.065%を超えると粗大な窒化物が形成され靱性が低下する傾向がある。そのため、Al含有量の上限を0.065%とする。靭性低下防止のため、Alの含有量の上限を0.060%、0.055%、0.052%、0.050%又は0.048%としてもよい。
N:0.0020%〜0.0060%
NはTi、Al等の元素と結合し、窒化物を形成する元素である。窒化物の形成の観点からはN含有量を0.0020%以上とすることが必要である。より確実に窒化物を形成させるため、Nの含有量の下限を0.0024%又は0.0028%としてもよい。一方、N含有量が0.0060%を越えると、HAZ靭性が低下するので、N含有量の上限を0.0060%とする。HAZ靭性の低下防止のため、Nの含有量の上限を0.055%、0.050%又は0.045%としてもよい。
NはTi、Al等の元素と結合し、窒化物を形成する元素である。窒化物の形成の観点からはN含有量を0.0020%以上とすることが必要である。より確実に窒化物を形成させるため、Nの含有量の下限を0.0024%又は0.0028%としてもよい。一方、N含有量が0.0060%を越えると、HAZ靭性が低下するので、N含有量の上限を0.0060%とする。HAZ靭性の低下防止のため、Nの含有量の上限を0.055%、0.050%又は0.045%としてもよい。
Cr:0%〜0.08%
Mo:0%〜0.04%
V:0%〜0.01%
Cr、MoおよびVは、焼入れ性を増加させ、厚手高張力鋼板においては、表層部と板厚中心部との硬さの差を大きくする元素である。またCr、Mo及びVを含有すると、HAZ靭性が低下することが懸念される。そのため、本実施形態に係る鋼板においてはこれらの元素を低減する必要がある。
前述したように、HAZ靱性の評価は、多くの場合シャルピー試験が用いられるが、最近はより破壊力学を考慮した設計に反映できるCTOD値を求めるCTOD試験も実施される。CTOD値とはき裂開口変位のことであり、疲労き裂先端からの脆性破壊が発生した時のき裂先端の開口量である。このCTOD値を実験的に求める方法がCTOD試験である。CTOD試験は、通常、構造物が実際に運用される設計温度で実施される。CTOD値は、疲労き裂先端の鋼板のミクロ組織、すなわち、硬さや結晶粒径、炭化物の状態、脆化組織の有無などに影響されるので、シャルピー試験よりこれらの冶金学的な要因に敏感であるといわれている。なお、多くの場合、CTOD値が0.1mm以上であれば、その鋼板は、脆性破壊に対する十分な抵抗性を有すると判断される。
Mo:0%〜0.04%
V:0%〜0.01%
Cr、MoおよびVは、焼入れ性を増加させ、厚手高張力鋼板においては、表層部と板厚中心部との硬さの差を大きくする元素である。またCr、Mo及びVを含有すると、HAZ靭性が低下することが懸念される。そのため、本実施形態に係る鋼板においてはこれらの元素を低減する必要がある。
前述したように、HAZ靱性の評価は、多くの場合シャルピー試験が用いられるが、最近はより破壊力学を考慮した設計に反映できるCTOD値を求めるCTOD試験も実施される。CTOD値とはき裂開口変位のことであり、疲労き裂先端からの脆性破壊が発生した時のき裂先端の開口量である。このCTOD値を実験的に求める方法がCTOD試験である。CTOD試験は、通常、構造物が実際に運用される設計温度で実施される。CTOD値は、疲労き裂先端の鋼板のミクロ組織、すなわち、硬さや結晶粒径、炭化物の状態、脆化組織の有無などに影響されるので、シャルピー試験よりこれらの冶金学的な要因に敏感であるといわれている。なお、多くの場合、CTOD値が0.1mm以上であれば、その鋼板は、脆性破壊に対する十分な抵抗性を有すると判断される。
本発明者らは、特に焼入れ性の高い元素であるCr、Mo、Vの含有量が、CTOD値へ及ぼす影響を検証した。図6は、Mo量を変化させた複数の鋼板の実溶接継手部に対しCTOD試験を実施し、Mo量の影響を評価した結果を示す図である。この試験に際しては、まず0.06%C−0.18%Si−1.35%Mn−1.05%Cu−1.25%Ni−0.013%Tiを基本成分系とし、それにMo含有量を無添加(不純物として含まれる含有量)から0.12%まで変化させた鋼を溶製し、熱間圧延により板厚100mmの鋼板を製造した。その後、鋼板に対し、900℃の焼入れおよび580℃の焼戻しを実施したのち、入熱25kJ/mmで多層溶接を実施した。溶接された鋼板から、溶接線に対して直角方向に全厚のCTOD試験片を採取した。CTOD試験のノッチ位置は、溶接金属と母材との融合線(FL)およびFLから3mmの位置(FL+3mm)とした。そして、採取した試験片に対して試験温度−10℃で3本ずつCTOD試験を実施した。
図6は、縦軸が−10℃での限界CTOD値δc(δc−10℃と記載する場合がある)の3本の平均値であり、横軸がMo含有量である。図6から、Moは、溶接継手のCTOD特性、その中でもFL+3mmの位置及びFL位置でのCTOD特性を低下させることが分かる。また、δc≧0.1mmを合格の目安とすると、Mo含有量を0.04%以下にする必要があることが分かる。
Mo含有量については、少ない方が望ましいが、完全に含有しないようにすることはコストの上昇を招くため望ましくない。また、不純物として又は意図的に含有される場合を考慮し、Moの含有量の上限を0.04%とする。より好ましい含有量の上限は0.03%、0.02%又は0.01%である。
図6は、縦軸が−10℃での限界CTOD値δc(δc−10℃と記載する場合がある)の3本の平均値であり、横軸がMo含有量である。図6から、Moは、溶接継手のCTOD特性、その中でもFL+3mmの位置及びFL位置でのCTOD特性を低下させることが分かる。また、δc≧0.1mmを合格の目安とすると、Mo含有量を0.04%以下にする必要があることが分かる。
Mo含有量については、少ない方が望ましいが、完全に含有しないようにすることはコストの上昇を招くため望ましくない。また、不純物として又は意図的に含有される場合を考慮し、Moの含有量の上限を0.04%とする。より好ましい含有量の上限は0.03%、0.02%又は0.01%である。
同様に、Cr含有量およびV含有量のHAZ靱性への影響を調査した。その結果を図7、図8に示す。この両図は、図6と同様に溶接継手を作成した上で、FL+3mmの位置にノッチを入れて試験温度−10℃でCTOD試験を実施し、得られたδcとCrおよびVの含有量との関係を示した図である。Cr、Vともに含有量が増加していくと、ある含有量でδcが0.1mmを下回る結果となっている。δcが0.1mmを下回らない両者の含有量の上限値を図7、図8から求めると、Cr含有量の上限は0.08%、V含有量の上限は0.01%となる。そのため、不純物として又は意図的な含有によらず、Cr含有量の上限は0.08%とする。HAZ靭性の向上のため、Crの含有量の上限を0.06%、0.05%、0.04%又は0.03%としてもよい。また、V含有量の上限は、不純物として又は意図的な含有によらず、0.01%とする。HAZ靭性の向上のため、Vの含有量の上限を0.008%、0.005%、0.003%又は0.001%としてもよい。
なお、Cr、Mo、Vは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
なお、Cr、Mo、Vは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
BもまたCr、Mo、Vと同様に微量の含有量で焼入れ処理後の硬さを上昇させ、焼入れ性の向上に有効な元素である。しかし、厚手高張力鋼板の場合、Bの含有により表層部と板厚中心部との焼入れ硬さの差が拡大してしまう。従って、板厚方向の均一性の観点から、Bの含有は好ましくない。しかしながらこれらを完全に含有しないとすることは技術的に困難である。従って、不純物として含有される場合を考慮し、B含有量の上限を0.0005%とする。なお、意図的に含有させた場合でも上限は、0.0005%である。板厚方向の一層の均一性のため、Bの含有量の上限を0.0004%、0.0003%、0.0002%又は0.0001%としてもよい。Bは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
PおよびSは、鋼中に含まれる不純物元素であり、母材靭性及びHAZ靭性を低下させるため、その含有量は少ないほど好ましい。本発明においては、Pの上限は、0.010%以下、好ましくは0.007%、0.005%以下又は0.003%、およびSの上限は0.002%以下に制限する。Sの上限を0.001%又は0.0008%に制限してもよい。P量およびS量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
Caは、鋼板の硫化物を球状化して、靱性にとって有害なMnSの影響を軽減する効果がある。この効果を得るため、0.0001%以上含有しても良い。しかしCa含有量が過剰となると溶接性が損われるため、Ca含有量を0.0050%以下に制限する。溶接性の改善のため、Caの含有量の上限を0.0040%、0.0035%又は0.0030%としてもよい。Caは溶鋼製造時にスクラップや、耐火物等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
MgおよびREMは、鋼板中で酸化物を形成して、HAZ靭性を向上させる元素である。この効果を得るため、0.0001%以上含有してもよい。しかしMg、REMの含有量が過剰であると、粗大な酸化物が生成し、靭性の低下を招く。そのため、Mg含有量、REM含有量は、それぞれ0.0030%以下に制限する。必要に応じて、これらの含有量の上限を0.0025%又は0.0020%としてもよい。Mg、REMは溶鋼製造時にスクラップや、耐火物等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%である。
ここで、REMとは、ランタノイドの15元素にYおよびScを合わせた17元素の総称であり、これらの元素のうちの1種または2種以上を含有させることができる。なお、REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
ここで、REMとは、ランタノイドの15元素にYおよびScを合わせた17元素の総称であり、これらの元素のうちの1種または2種以上を含有させることができる。なお、REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
なお、下限の規定がない合金元素(例えば、Mo、Cr、V、B、P、S、Ca、Mg、REM)が意図的に添加されたとしても、または不純物として混入されたとしても、その含有量が請求範囲内にあれば、その鋼板は本発明の請求範囲内と解釈する。
本実施形態に係る鋼板は、上記成分を含有し、残部が鉄および不純物である。しかしながら、本実施形態に係る鋼板には、上記成分の他に、鋼材自体の強度、靭性等を一段と改善する目的で、あるいはスクラップ等の副原料からの不純物として、さらに、Sb、As、Sn、Pb,Zr、Zn、W、Coを含有してもよい。しかしながら、その含有量の上限は、以下の通りとすることが望ましい。
SbはHAZの靭性を損なうため、Sb含有量の上限を0.02%としてもよい。HAZ靭性を向上させるため、Sb含有量の上限を、0.01%、0.005%又は0.002%としてもよい。
AsおよびSnはHAZの靭性を損なうため、AsおよびSnの含有量の上限を0.02%としてもよい。必要に応じて、AsおよびSnの含有量の上限を、0.01%、0.005%又は0.002%としてもよい。
また、強度及び靭性の向上のため、Pb、Zr、Zn及びWの含有量を、それぞれ0.1%以下、0.01%又は0.005%以下としてもよい。これらの下限を特に決める必要はなく、0%である。
Coは、Niの中に不純物として含まれる場合がある。CoはHAZ靭性を損なうため、Co含有量の上限を0.3%、0.1%又は0.05%としてもよい。その下限を特に決める必要はなく、その下限は0%である。
本実施形態に係る鋼板は、上記成分を含有し、残部が鉄および不純物である。しかしながら、本実施形態に係る鋼板には、上記成分の他に、鋼材自体の強度、靭性等を一段と改善する目的で、あるいはスクラップ等の副原料からの不純物として、さらに、Sb、As、Sn、Pb,Zr、Zn、W、Coを含有してもよい。しかしながら、その含有量の上限は、以下の通りとすることが望ましい。
SbはHAZの靭性を損なうため、Sb含有量の上限を0.02%としてもよい。HAZ靭性を向上させるため、Sb含有量の上限を、0.01%、0.005%又は0.002%としてもよい。
AsおよびSnはHAZの靭性を損なうため、AsおよびSnの含有量の上限を0.02%としてもよい。必要に応じて、AsおよびSnの含有量の上限を、0.01%、0.005%又は0.002%としてもよい。
また、強度及び靭性の向上のため、Pb、Zr、Zn及びWの含有量を、それぞれ0.1%以下、0.01%又は0.005%以下としてもよい。これらの下限を特に決める必要はなく、0%である。
Coは、Niの中に不純物として含まれる場合がある。CoはHAZ靭性を損なうため、Co含有量の上限を0.3%、0.1%又は0.05%としてもよい。その下限を特に決める必要はなく、その下限は0%である。
A値(=Cu+Ni):4.5%以下
本実施形態では母材の板厚方向について、主として強度の均一性を示す指標であるΔHvを制御する必要がある。図2から分かるように、Cu+Ni、すなわち、Cu含有量とNi含有量との合計であり、下記式(1)で表されるA値が、4.5%を超えると1/8t部でのビッカース硬さと1/2t部でのビッカース硬さとの差であるΔHvが20を超え、板厚方向における特性が不均一となる。この結果から、上記の個々の元素の範囲の限定に加えて、A値の上限を4.5%とする。板厚方向の硬さの差をより低減するため、必要に応じて、A値の上限を4.2%、4.0%、3.8%、3.5%、3.3%又は3.0%としてもよい。A値の下限は特に限定する必要がないが、Cu含有量及びNi含有量のそれぞれの下限の合計の1.9%が実質的な下限となる。
A=Cu+Ni…(1)
ここで、上記式(1)中のCuおよびNiは各元素の含有量で、その単位は質量%である。
本実施形態では母材の板厚方向について、主として強度の均一性を示す指標であるΔHvを制御する必要がある。図2から分かるように、Cu+Ni、すなわち、Cu含有量とNi含有量との合計であり、下記式(1)で表されるA値が、4.5%を超えると1/8t部でのビッカース硬さと1/2t部でのビッカース硬さとの差であるΔHvが20を超え、板厚方向における特性が不均一となる。この結果から、上記の個々の元素の範囲の限定に加えて、A値の上限を4.5%とする。板厚方向の硬さの差をより低減するため、必要に応じて、A値の上限を4.2%、4.0%、3.8%、3.5%、3.3%又は3.0%としてもよい。A値の下限は特に限定する必要がないが、Cu含有量及びNi含有量のそれぞれの下限の合計の1.9%が実質的な下限となる。
A=Cu+Ni…(1)
ここで、上記式(1)中のCuおよびNiは各元素の含有量で、その単位は質量%である。
さらに、本実施形態に係る鋼板では溶接性を確保するため、個々の元素の範囲の限定に加えて、下記の式(2)で求められるPcm値が0.25%以下となるように化学組成を限定する。Pcm値は炭素当量(Ceq)と同様に溶接割れ感受性を表す指標として多く適用されており、鋼に含まれる合金の含有量から計算される。式(2)には本発明において実質的に含有しないCr、Mo、V、Bなどの元素も含まれている。しかしながら、これらの元素は、工業的に製造される過程で各種合金原料から不純物として混入してしまう可能性があるため、溶接性を評価する場合にはこのような不純物も含めた合金元素の含有量を評価する必要がある。なお、各合金元素が含有されない(検出されない)場合には、その項を0として計算すればよい。
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V及びBは各元素の含有量で、その単位は質量%である。
本実施形態に係る鋼板においては、Pcm値が0.25%を超えると0℃で溶接した時の低温割れが発生しやすくなることから、Pcm値の上限を0.25%としている。Pcm値の下限を特に規定する必要はないが、その下限を0.15%又は0.18%としてもよい。
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V及びBは各元素の含有量で、その単位は質量%である。
本実施形態に係る鋼板においては、Pcm値が0.25%を超えると0℃で溶接した時の低温割れが発生しやすくなることから、Pcm値の上限を0.25%としている。Pcm値の下限を特に規定する必要はないが、その下限を0.15%又は0.18%としてもよい。
次に本実施形態に係る鋼板は、以下の製造方法によって製造することができる。
まず、上述した範囲に調整した鋼成分(化学組成)を有する溶鋼を、連続鋳造または造塊分塊法によってスラブとする(鋳造工程:S1)。その後、得られたスラブを加熱する(加熱工程:S2)。なお、加熱工程において目標とする加熱温度は、厚手高張力鋼板を圧延する際に板厚中心部まで十分に圧下の効果を得る目的で、その下限を950℃とすることが望ましい。一方で、加熱温度が1250℃を超えると、鋼板のスケールが剥離できず、鋼板表面疵が発生してしまう場合があるので、その上限を1250℃とすることが望ましい。
まず、上述した範囲に調整した鋼成分(化学組成)を有する溶鋼を、連続鋳造または造塊分塊法によってスラブとする(鋳造工程:S1)。その後、得られたスラブを加熱する(加熱工程:S2)。なお、加熱工程において目標とする加熱温度は、厚手高張力鋼板を圧延する際に板厚中心部まで十分に圧下の効果を得る目的で、その下限を950℃とすることが望ましい。一方で、加熱温度が1250℃を超えると、鋼板のスケールが剥離できず、鋼板表面疵が発生してしまう場合があるので、その上限を1250℃とすることが望ましい。
加熱工程後、加熱されたスラブを熱間圧延して鋼板とする(熱間圧延工程:S3)。熱間圧延工程後、鋼板をそのまま350℃以下まで冷却する(冷却工程:S4)。冷却工程後にAc3変態点以上に再加熱するため、冷却場所等の制約があれば、必要に応じて、加速冷却を行ってもよい。なお、冷却工程における冷却停止温度が350℃を超えると、窒化アルミなど粗大な析出物などによる脆化が生じる恐れがあるので、望ましくない。
なお、ここで言うAc1変態点とは、鋼を室温のフェライト相から昇温した場合、オーステナイトが局部的に生じ始める温度を言う。また、さらに昇温した場合には、フェライトとオーステナイトとの二相状態からオーステナイト単相になる。このオーステナイト単相になる時の温度をAc3変態点と言う。これら変態点は、通常、フェライトとオーステナイトとの熱膨張率の差を利用して実験的に求めることができる。すなわち、鋼を一定の加熱速度(例えば2.5℃/minなど)で加熱して得られる膨張−温度曲線を測定し、熱膨張の変化点から実験的に求めることができる。
冷却工程後、Ac3変態点以上に加熱し水冷する焼入れ処理、およびAc1変態点以下の温度に加熱し空冷する焼戻し処理を行なう(焼入れ焼戻し工程:S5)。
焼入れ時の加熱温度がAc3変態点未満であると、十分な焼入れ組織が得られないため、強度又は靭性が低下する。一方で、結晶粒の粗大化を防止する点から、焼入れ時の加熱温度は低い方が好ましい。このため、加熱温度の上限を930℃、910℃又は890℃としてもよい。また、焼戻し時の加熱温度がAc1変態点超であると、強度又は靭性が著しく低下する場合がある。
近年、本実施形態のように圧延後に冷却された鋼板を再加熱し焼入れ処理および焼戻し処理をする方法ではなく、圧延後に直接冷却を施し、それを焼き戻す方法(直接焼入れ+焼戻し処理)が、高張力鋼板の製造においても適用される例がある。しかし、この方法は、本実施形態に係る鋼板には適さない。その理由は、以下のとおりである。
圧延後に直接焼入れ処理をされた鋼板の結晶粒径は、加熱および圧延温度に依存する。結晶粒径の細粒化を図るために、低温加熱を実施したり、低温で圧延を実施したりすると、冷却されやすい鋼板表面側において圧延温度が低くなる。その結果、圧延直後には、板厚表面側が熱間圧延により扁平な細粒なオーステナイト組織となり、中心部側が圧延の影響を受けにくい、再結晶によって生成した等方的でやや粗粒なオーステナイト組織となる場合が多い。これらのオーステナイト組織を有する鋼板に直接焼入れを実施すると、圧延の影響を受ける表層から1/8t部付近までの領域は、加工されたオーステナイトから変態した細粒フェライトおよびベイナイト組織を主体するするミクロ組織となり、逆に2/8t部より内側では、粗粒なフェライトおよびベイナイト組織となる。この結果、3/8t部の平均結晶粒径が35μm以上となる。
すなわち、このように直接焼入れ処理が行われた鋼板(直接焼入れ鋼)の結晶粒は、表層から1/8t側が板厚中心部側より細粒となり、本実施形態に係る鋼板とは全く逆のミクロ組織の構成となる。すなわち、直接焼入れ鋼において、1/8t部における母材の結晶粒径を規定したとしても、それより鋼板内部での結晶粒径が1/8t部での結晶粒径よりも粗大であるので、本発明範囲における制約で母材の靭性を規定することはできない。さらに、表層側の結晶粒が細粒であることから、板厚方向の硬さ分布においても表層側が硬化する傾向が高く、ΔHv≦20を満足できない。
以上のように、厚手高張力鋼板において、板厚方向の材質均一性を確保し、かつ優れた靱性を付与する手段としては、直接焼入れ+焼戻し法は適さない。板厚方向の材質均一性を確保し、1/8t部の平均結晶粒径を35μm以下とするためには、一旦冷却後に焼入れ処理および焼戻し処理を行う必要がある。
なお、ここで言うAc1変態点とは、鋼を室温のフェライト相から昇温した場合、オーステナイトが局部的に生じ始める温度を言う。また、さらに昇温した場合には、フェライトとオーステナイトとの二相状態からオーステナイト単相になる。このオーステナイト単相になる時の温度をAc3変態点と言う。これら変態点は、通常、フェライトとオーステナイトとの熱膨張率の差を利用して実験的に求めることができる。すなわち、鋼を一定の加熱速度(例えば2.5℃/minなど)で加熱して得られる膨張−温度曲線を測定し、熱膨張の変化点から実験的に求めることができる。
冷却工程後、Ac3変態点以上に加熱し水冷する焼入れ処理、およびAc1変態点以下の温度に加熱し空冷する焼戻し処理を行なう(焼入れ焼戻し工程:S5)。
焼入れ時の加熱温度がAc3変態点未満であると、十分な焼入れ組織が得られないため、強度又は靭性が低下する。一方で、結晶粒の粗大化を防止する点から、焼入れ時の加熱温度は低い方が好ましい。このため、加熱温度の上限を930℃、910℃又は890℃としてもよい。また、焼戻し時の加熱温度がAc1変態点超であると、強度又は靭性が著しく低下する場合がある。
近年、本実施形態のように圧延後に冷却された鋼板を再加熱し焼入れ処理および焼戻し処理をする方法ではなく、圧延後に直接冷却を施し、それを焼き戻す方法(直接焼入れ+焼戻し処理)が、高張力鋼板の製造においても適用される例がある。しかし、この方法は、本実施形態に係る鋼板には適さない。その理由は、以下のとおりである。
圧延後に直接焼入れ処理をされた鋼板の結晶粒径は、加熱および圧延温度に依存する。結晶粒径の細粒化を図るために、低温加熱を実施したり、低温で圧延を実施したりすると、冷却されやすい鋼板表面側において圧延温度が低くなる。その結果、圧延直後には、板厚表面側が熱間圧延により扁平な細粒なオーステナイト組織となり、中心部側が圧延の影響を受けにくい、再結晶によって生成した等方的でやや粗粒なオーステナイト組織となる場合が多い。これらのオーステナイト組織を有する鋼板に直接焼入れを実施すると、圧延の影響を受ける表層から1/8t部付近までの領域は、加工されたオーステナイトから変態した細粒フェライトおよびベイナイト組織を主体するするミクロ組織となり、逆に2/8t部より内側では、粗粒なフェライトおよびベイナイト組織となる。この結果、3/8t部の平均結晶粒径が35μm以上となる。
すなわち、このように直接焼入れ処理が行われた鋼板(直接焼入れ鋼)の結晶粒は、表層から1/8t側が板厚中心部側より細粒となり、本実施形態に係る鋼板とは全く逆のミクロ組織の構成となる。すなわち、直接焼入れ鋼において、1/8t部における母材の結晶粒径を規定したとしても、それより鋼板内部での結晶粒径が1/8t部での結晶粒径よりも粗大であるので、本発明範囲における制約で母材の靭性を規定することはできない。さらに、表層側の結晶粒が細粒であることから、板厚方向の硬さ分布においても表層側が硬化する傾向が高く、ΔHv≦20を満足できない。
以上のように、厚手高張力鋼板において、板厚方向の材質均一性を確保し、かつ優れた靱性を付与する手段としては、直接焼入れ+焼戻し法は適さない。板厚方向の材質均一性を確保し、1/8t部の平均結晶粒径を35μm以下とするためには、一旦冷却後に焼入れ処理および焼戻し処理を行う必要がある。
さらに、本実施形態においては、熱間圧延工程後と焼入れ焼戻し工程との間に、焼入れ時の板厚方向の結晶粒径の均一化を図る目的で、鋼板の温度が550℃以上、Ac1変態点以下でかつ、この温度域での保持時間が5時間以上、500時間以内となるような予備熱処理を実施する工程(予備熱処理工程:S6)をさらに有することが好ましい。この予備熱処理工程を行うことで、図4に示されたような板厚方向の結晶粒径の差異を小さくすることができる。すなわち、この予備熱処理とは、先に述べたような厚手高張力鋼板の焼入れ処理時の加熱工程において、表層〜1/8t部の加熱時間が長時間にわたる場合に生じる結晶粒の粗大化を防止するために、焼入れに先立って行う処理である。この予備熱処理の冶金学的な意味は、熱間圧延後に微細に析出しているTiおよびNbの炭窒化物または窒化アルミニウム析出物を、オストワルド成長により、焼入れ時にピン止め粒子として作用するように、適度な大きさに粗大化させることにある。図9は、0.08%C−0.15%Si−1.51%Mn−0.008%P−0.0010%S−1.15%Cu−1.23%Ni−0.012%Ti−0.012%Nb−0.035%Al−0.0039%Nの成分を有する鋼を140mmに圧延後、450℃および550℃の各温度で保持時間を変えて予備熱処理を実施し、その後、920℃で120分保持された後に水冷する焼入れ処理および590℃で100分保持し空冷する焼戻し処理を行なった鋼板の、1/8t部の平均結晶粒径の変化を示す図である。
図9から分かるように、予備熱処理の温度が450℃の場合は、保持時間が長時間となると徐々に平均結晶粒径が小さくなる傾向があるものの、平均結晶粒径を25μm以下とするには、100時間以上と非常に長い保持時間が必要である。一方、予備熱処理の温度が550℃の場合は、保持時間が5時間以上で、平均結晶粒径が25μm以下となり、明らかな細粒化が認められた。以上のことから、粗大化しやすい板厚の1/8t部近傍の平均結晶粒径の微細化を図るためには、予備熱処理として、550℃以上で5時間以上の保持を行なうことが望ましいことが分かった。平均結晶粒径が細粒化されることで、より靭性が向上した。さらに、上述の予備熱処理による結晶粒微細化効果は、表層側の結晶粒に対しての方がより効果がより大きいので、板厚中央部との靭性の差異が小さくなり板厚方向も靭性が均一化する傾向にある。しかしながら、予備熱処理における保持時間が500時間以上となると、予備熱処理中に析出粒子の粗大化が著しく進行するとともに、それに伴い粒子の個数密度が減少することによってピン止め効果はかえって小さくなる。したがって、その保持時間の上限を500時間とすることが望ましい。なお、予備熱処理温度がAc1変態点を越えると鋼板内でオーステナイト変態が部分的に生じる。この場合、フェライトとオーステナイトとで析出物の成長速度が異なることから、鋼板内で均一な析出物の成長が期待できない。そのため、予備熱処理の際の加熱温度(保持温度)は、Ac1変態点以下とすることが好ましい。
図9から分かるように、予備熱処理の温度が450℃の場合は、保持時間が長時間となると徐々に平均結晶粒径が小さくなる傾向があるものの、平均結晶粒径を25μm以下とするには、100時間以上と非常に長い保持時間が必要である。一方、予備熱処理の温度が550℃の場合は、保持時間が5時間以上で、平均結晶粒径が25μm以下となり、明らかな細粒化が認められた。以上のことから、粗大化しやすい板厚の1/8t部近傍の平均結晶粒径の微細化を図るためには、予備熱処理として、550℃以上で5時間以上の保持を行なうことが望ましいことが分かった。平均結晶粒径が細粒化されることで、より靭性が向上した。さらに、上述の予備熱処理による結晶粒微細化効果は、表層側の結晶粒に対しての方がより効果がより大きいので、板厚中央部との靭性の差異が小さくなり板厚方向も靭性が均一化する傾向にある。しかしながら、予備熱処理における保持時間が500時間以上となると、予備熱処理中に析出粒子の粗大化が著しく進行するとともに、それに伴い粒子の個数密度が減少することによってピン止め効果はかえって小さくなる。したがって、その保持時間の上限を500時間とすることが望ましい。なお、予備熱処理温度がAc1変態点を越えると鋼板内でオーステナイト変態が部分的に生じる。この場合、フェライトとオーステナイトとで析出物の成長速度が異なることから、鋼板内で均一な析出物の成長が期待できない。そのため、予備熱処理の際の加熱温度(保持温度)は、Ac1変態点以下とすることが好ましい。
予備熱処理工程後、鋼板を350℃以下まで冷却した後、焼入れ処理が実施される。焼入れ処理は、Ac3変態点を越える温度に加熱された鋼板に水冷を行う処理である。結晶粒の粗大化を防止する点から、焼入れ時の加熱温度が低い方が好ましい。このため、加熱温度の上限を930℃、910℃又は890℃としてもよい。
焼入れ処理に引き続き、焼戻し処理が実施される。焼戻し処理は、強度および靭性を所定の範囲に制御する目的で重要な処理である。本実施形態においては、焼戻し処理は、板厚方向の材質の均一性を確保することを目的として、Ac1変態点以下の温度で実施される。その温度範囲は、好ましくは500℃〜650℃の範囲であり、より好ましくは550℃〜610℃である。板厚方向の硬さ分布において表面からの板厚の1/8t部と1/2t部とでのビッカース硬さの差ΔHvを20以下とするには、上記温度で焼戻し処理を行うことが有効である。
表1、表2に示す成分組成を有するA1〜A10およびB1〜B29の鋼を溶製して得られた鋼片を、表3、表4に示す製造条件により、板厚80〜200mmの鋼板とした。
製造にあたっては、加熱温度は、950℃〜1250℃、その後、熱間圧延を実施した後、空冷もしくは水冷した。その後、試験番号5、10、15および26については、焼入れ処理の前に予備熱処理を実施した。試験番号1〜51の鋼板について、試験番号18以外は、焼入れおよび焼戻し処理を実施した。なお、試験番号18は、圧延後直ちに100℃まで水冷を実施し、焼入れを行わずに、焼戻しのみを実施した。その後、母材の強度特性を評価するために、JIS Z 2201に規定の14号引張試験片を採取して、JIS Z 2241に規定の引張試験を行った。そして、その試験の結果、降伏強度460N/mm2〜580N/mm2、かつ、引張強さ550N/mm2〜670N/mm2を合格と判定した。さらに、JIS Z 2242に準拠して衝撃試験片を採取し、試験を実施した。母材靱性の評価として実施した衝撃試験については、−40℃での3本の吸収エネルギーの平均値をvE−40(母材)として記載し、42J以上を合格とした。なお、引張試験片については、通常の鋼材規格でも規定されることが多い板厚の1/4t部から採取した。衝撃試験片は1/8t部、1/4t部、1/2t部の3か所から採取したが、表3、表4には、最も靭性が低くなった1/2t部(板厚中心部)の試験結果のみ記載した。採取方向は、いずれも圧延方向に対して直角方向とした。Ac1およびAc3変態点については、板厚の1/4t部から、直径が3mmφ、長さが10mmの円柱型試験片を機械加工により採取し、熱電対を試験片の端部に装着した後、高周波誘導加熱により2.5℃/minの加熱速度で、室温から950℃まで加熱された時の試験片の長手方向の熱膨張量の変化から読み取った。
また、板厚の1/8t部および3/8t部から圧延方向に対して直角方向にミクロ組織試験片を採取し、鏡面研磨した後、EBSD法を用い、その結晶方位が30°以上の角度を持つ粒界によって囲まれる領域を結晶粒と定義し、その結晶粒の円相当径を結晶粒径と定義した。そして、各試料の結晶粒径に対する頻度分布を測定し、細粒側から計算された累積頻度が70%となる結晶粒径を平均結晶粒径と定義した。
さらに、板厚方向断面のビッカース硬さ分布(荷重98N)を測定し、板厚の1/8t部と1/2t部との硬さの差を材質均一性の指標としてΔHvで記載した。また、ΔHvが20以下である場合を合格とした。ここで、板厚の1/8t部とは、鋼板中において2箇所存在する(すなわち、一方の表面からみた場合には、1/8t部と7/8t部となる位置)が、ΔHvはいずれか1/8t部と1/2t部との硬さの差のうち大きい方である。
溶接性の評価として、JIS Z 3158に規定のy型溶接割れ試験での評価を行った。溶接はCO2溶接で入熱1.5kJ/mmで実施し、供試鋼板として板厚中心部を中心に50mm厚となるように、表裏面を切削加工された鋼板を用いた。試験の結果、ルート割れ率が0%となる試験温度を求め、0℃であれば合格とした。
一方、HAZ靭性の評価を目的として、潜弧溶接により入熱3.5kJ/mm〜4.5kJ/mmの開先形状がK型の突合せ継手を作成した。そして、この突合せ継手から、切欠き位置をフュージョンラインとしてJIS Z 3128に準拠した衝撃試験片を3本採取し、試験温度−40℃で衝撃試験を行った。3本の試験片の平均値をvE−40(HAZ)として、表3、表4に記載した。
また、同じ突合せ継手から、ノッチ位置をCGHAZ(Coarse grain HAZ)とよばれるフージョンラインとして、BS7448に準拠した全厚CTOD試験片(B×Bタイプ)を採取し、試験温度−10℃で、API(American Petroleum Institue)規格RP 2Z及びBS(British Standards)規格7448に準拠したCTOD試験をそれぞれ3本行った。これらの最低値をδc−10℃として表3、表4に記載した。なお、衝撃試験においては42J以上を、CTOD試験(δc)では0.1mm以上を合格として評価した。
なお、衝撃試験の結果とCTOD試験の結果とには、大まかな相関があるとされているが、一方が良好であってももう一方が低い場合もある。そのため、破壊に対して要求が厳しい構造物では、HAZ靭性として両者を満足する必要がある。
また、同じ突合せ継手から、ノッチ位置をCGHAZ(Coarse grain HAZ)とよばれるフージョンラインとして、BS7448に準拠した全厚CTOD試験片(B×Bタイプ)を採取し、試験温度−10℃で、API(American Petroleum Institue)規格RP 2Z及びBS(British Standards)規格7448に準拠したCTOD試験をそれぞれ3本行った。これらの最低値をδc−10℃として表3、表4に記載した。なお、衝撃試験においては42J以上を、CTOD試験(δc)では0.1mm以上を合格として評価した。
なお、衝撃試験の結果とCTOD試験の結果とには、大まかな相関があるとされているが、一方が良好であってももう一方が低い場合もある。そのため、破壊に対して要求が厳しい構造物では、HAZ靭性として両者を満足する必要がある。
なお、表1、表2中で下線を付した鋼成分、A値(Cu+Ni)およびPcm値は、その値が本発明外であることを示し、表3、表4中で下線を付した数値は、特性が不十分であることを示している。また、表1、表2中の残部はFe及び不純物である。
表3の試験番号1〜17においては、鋼成分および製造条件がすべて本発明範囲内である。これらの鋼はいずれも母材の引張特性および靭性(衝撃特性)、さらに板厚方向の均一性の指標であるΔHvにおいて、いずれも目標値を満足している。さらに、溶接性も、すべて0℃で割れ発生が認められず、HAZ靭性も、吸収エネルギー(vE−40)およびCTOD値(δc−10℃)のいずれもが目標値を満足している。
なお、その中でも、本発明範囲の予備熱処理が実施された試験番号5、10および15について、平均結晶粒径を見ると、その他のものに比べて、板厚の1/8t部および3/8t部もの平均結晶粒径がいずれも25μm以下となっている。また、その結果、試験番号5、10および15は他の鋼に比べて母材の靭性が良好である。
これに対し、表4中の試験番号18〜22は、成分が本発明範囲内であるが、製造条件が望ましいものではなく、母材特性及び/または板厚方向の均一性が目標値を満たしていない。また、試験番号23〜51は、化学組成が本発明の範囲を逸脱している鋼を用いて製造した鋼板である。試験番号23〜51は、表4に示されたように、母材の強度および靱性、ΔHv、割れ停止温度、vE−40(HAZ)およびδc−10℃の少なくとも1つについて目標値を満足しない結果となった。
試験番号18は、圧延後ただちに水冷処理(直接焼入れ)された鋼板に対し、焼戻し処理のみを行なったものであり、焼入れ処理が省略されて製造されている。この鋼板においては、母材靱性が29Jと低いうえにΔHvが29と高い。試験番号19は、焼入れ温度が二相域焼入れ処理となった結果、母材の引張特性が目標値を満足していない例である。試験番号20は、焼戻し温度が705℃であり、Ac1変態点を越えた結果、降伏強度が低く、ΔHvも目標値を満足していない例である。試験番号21は、圧延後の冷却停止温度が、395℃と高く、そこから焼入れのための加熱を開始した例である。この例では、冷却停止温度が高温のため、次工程である焼入れ工程の加熱段階で析出物の粗大化が生じ、母材の靭性が低くなった。
さらに、試験番号22は、焼入れ温度が950℃と望ましい範囲を逸脱して実施された例である。試験番号22は、結晶粒径が粗大であり、母材靭性が低くなっている。
試験番号23、25および27は、それぞれC、SiおよびMnの含有量が本発明範囲を低めにはずれた例である。これらは母材の引張強さが目標値を満足しておらず、さらに試験番号23、25では降伏強度も低い。
逆に、試験番号24は、Cが0.14%と本発明範囲を高めにはずれかつ、Pcm値も0.27%とはずれた例である。その結果、母材靱性が低く、ΔHvが32と板厚方向の均一性に劣り、割れ停止温度も25℃と高く、溶接部の吸収エネルギーもδcも低い。同様に、試験番号28は、Mnが1.89%、試験番号46はCrが0.11%および試験番号49はBが0.0006%といずれも本発明範囲を高めに逸脱している。これらの元素はすべて母材の焼入れ性を上昇させる元素なので、試験番号28、46、49は、いずれもΔHvが20を超える値であり、降伏強度および母材靱性が本発明範囲を満足しないものもある。
一方、試験番号26はSiが0.37%、試験番号29はPが0.012%、試験番号30はSが0.004%、試験番号40はNbが0.038%、試験番号42はTiが0.036%、試験番号44はAlが0.077%、試験番号45はNが0.0075%、試験番号47はMoが0.05%、試験番号48はVが0.012%、といずれも本発明範囲を高めに逸脱している。これらの元素が、本発明範囲を超えて含有されると、HAZ靭性が低下する。従って、vE−40(HAZ)もしくはδc−10℃の値いずれかまたは両者が目標値を満足していない。
次に、本発明鋼にとって、主要な元素であるCu、Niの効果について述べる。試験番号31、試験番号37および試験番号38は、Cuがいずれも本発明範囲を低めにはずれている。そのため、試験番号31では、引張強さが低く、試験番号37、38では、引張強度及び降伏強度が低い。さらに、試験番号37は、Niが3.29%と本発明範囲を高めにはずれていることから、ΔHvも55と高く、試験番号38は、逆にNiが1.11と低めにはずれており、溶接部の靭性がいずれも低い。
さらに、試験番号32、35および36は、Cuが本発明範囲を高めにはずれ、さらにPcm値も0.25%を超えた例である。その結果、これらのすべてで割れ停止温度が25℃となっており目標を満足しておらず、HAZ靱性も低い。その中でも試験番号35は、Niも1.05%と本発明範囲を低めに逸脱しており、vE−40(HAZ)およびδc−10℃が低い。また、試験番号36は、逆にNiが本発明範囲を高めにはずれた例であるので、Cu+Niが6.00%と発明範囲である4.5%を外れており、その結果ΔHvが59と目標を満足していない。
試験番号33および試験番号34は、Cuが本発明範囲内で含有されたものであるがNiが本発明範囲を逸脱した例である。すなわち、試験番号33は、Niが0.92%と本発明範囲を低めにはずれており、その結果、母材及び溶接部の靭性が目標を満足していない。一方、試験番号34は、逆にNiが3.15%と本発明範囲を高めにはずれた例で、同時にCu+Niも4.63%と本発明範囲である4.5%を逸脱しているので、ΔHvが45と高くなっている。
試験番号39は、Nbが低めにはずれた例であり、母材の降伏強度および引張強さが低い。試験番号41はTiが0.003%と低めにはずれた例でありvE−40(HAZ)が低い。試験番号43は、Alが0.014%と低めにはずれた例であり、母材の結晶粒の細粒化が不十分であり、母材の靭性が低い。試験番号50および51は、個々の成分範囲については本発明範囲であるが、A値またはPcm値がそれぞれ単独ではずれた例である。試験番号50は、A値が4.60%と本発明範囲である4.5%を逸脱した例であるこの場合、ΔHvが31となり本発明範囲を満足しない。試験番号51はPcm値が0.27%と本発明範囲を逸脱しており、その結果、割れ停止温度が25℃と高く目標値を満足してない。
さらに、試験番号22は、焼入れ温度が950℃と望ましい範囲を逸脱して実施された例である。試験番号22は、結晶粒径が粗大であり、母材靭性が低くなっている。
試験番号23、25および27は、それぞれC、SiおよびMnの含有量が本発明範囲を低めにはずれた例である。これらは母材の引張強さが目標値を満足しておらず、さらに試験番号23、25では降伏強度も低い。
逆に、試験番号24は、Cが0.14%と本発明範囲を高めにはずれかつ、Pcm値も0.27%とはずれた例である。その結果、母材靱性が低く、ΔHvが32と板厚方向の均一性に劣り、割れ停止温度も25℃と高く、溶接部の吸収エネルギーもδcも低い。同様に、試験番号28は、Mnが1.89%、試験番号46はCrが0.11%および試験番号49はBが0.0006%といずれも本発明範囲を高めに逸脱している。これらの元素はすべて母材の焼入れ性を上昇させる元素なので、試験番号28、46、49は、いずれもΔHvが20を超える値であり、降伏強度および母材靱性が本発明範囲を満足しないものもある。
一方、試験番号26はSiが0.37%、試験番号29はPが0.012%、試験番号30はSが0.004%、試験番号40はNbが0.038%、試験番号42はTiが0.036%、試験番号44はAlが0.077%、試験番号45はNが0.0075%、試験番号47はMoが0.05%、試験番号48はVが0.012%、といずれも本発明範囲を高めに逸脱している。これらの元素が、本発明範囲を超えて含有されると、HAZ靭性が低下する。従って、vE−40(HAZ)もしくはδc−10℃の値いずれかまたは両者が目標値を満足していない。
次に、本発明鋼にとって、主要な元素であるCu、Niの効果について述べる。試験番号31、試験番号37および試験番号38は、Cuがいずれも本発明範囲を低めにはずれている。そのため、試験番号31では、引張強さが低く、試験番号37、38では、引張強度及び降伏強度が低い。さらに、試験番号37は、Niが3.29%と本発明範囲を高めにはずれていることから、ΔHvも55と高く、試験番号38は、逆にNiが1.11と低めにはずれており、溶接部の靭性がいずれも低い。
さらに、試験番号32、35および36は、Cuが本発明範囲を高めにはずれ、さらにPcm値も0.25%を超えた例である。その結果、これらのすべてで割れ停止温度が25℃となっており目標を満足しておらず、HAZ靱性も低い。その中でも試験番号35は、Niも1.05%と本発明範囲を低めに逸脱しており、vE−40(HAZ)およびδc−10℃が低い。また、試験番号36は、逆にNiが本発明範囲を高めにはずれた例であるので、Cu+Niが6.00%と発明範囲である4.5%を外れており、その結果ΔHvが59と目標を満足していない。
試験番号33および試験番号34は、Cuが本発明範囲内で含有されたものであるがNiが本発明範囲を逸脱した例である。すなわち、試験番号33は、Niが0.92%と本発明範囲を低めにはずれており、その結果、母材及び溶接部の靭性が目標を満足していない。一方、試験番号34は、逆にNiが3.15%と本発明範囲を高めにはずれた例で、同時にCu+Niも4.63%と本発明範囲である4.5%を逸脱しているので、ΔHvが45と高くなっている。
試験番号39は、Nbが低めにはずれた例であり、母材の降伏強度および引張強さが低い。試験番号41はTiが0.003%と低めにはずれた例でありvE−40(HAZ)が低い。試験番号43は、Alが0.014%と低めにはずれた例であり、母材の結晶粒の細粒化が不十分であり、母材の靭性が低い。試験番号50および51は、個々の成分範囲については本発明範囲であるが、A値またはPcm値がそれぞれ単独ではずれた例である。試験番号50は、A値が4.60%と本発明範囲である4.5%を逸脱した例であるこの場合、ΔHvが31となり本発明範囲を満足しない。試験番号51はPcm値が0.27%と本発明範囲を逸脱しており、その結果、割れ停止温度が25℃と高く目標値を満足してない。
本発明によれば、板厚方向の母材材質の均一性に優れ、母材の靭性、溶接性およびHAZ靭性に優れた厚手高張力鋼板の提供が可能となる。
Claims (5)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.12%、
Si:0.05%〜0.30%、
Mn:1.20%〜1.65%、
Cu:0.7%〜2.5%、
Ni:1.2%〜3.0%、
Nb:0.005%〜0.030%、
Ti:0.005%〜0.030%、
Al:0.015%〜0.065%、
N:0.0020%〜0.0060%、
Mo:0%〜0.04%、
Cr:0%〜0.08%、
V:0%〜0.01%、
B:0%〜0.0005%、
P:0.010%以下、
S:0.002%以下、
Ca:0%〜0.0030%、
Mg:0%〜0.0030%、
REM:0%〜0.0030%、
残部:Fe及び不純物であり;
下記(1)式で示されるA値が4.5%以下であり;
下記(2)式で示されるPcm値が0.25%以下であり;
降伏強度が460N/mm2〜580N/mm2、かつ、引張強さが550N/mm2〜670N/mm2であり;
表面から板厚方向に沿って板厚の1/8の位置である1/8t部の硬さと、前記表面から前記板厚方向に沿って前記板厚の1/2の位置である1/2t部の硬さとの差が、ビッカース硬度で20以下であり;
電子ビーム後方散乱回析パターン解析法を用いた結晶方位解析を行い、結晶方位差が30°以上の粒界で囲まれる領域を結晶粒と定義し、前記結晶粒の円相当粒径を結晶粒径と定義し、前記結晶粒径の頻度分布を算出した場合の累積頻度が細粒側から70%となる前記結晶粒径を、平均結晶粒径と定義したとき、前記1/8t部における前記平均結晶粒径が35μm以下である;
ことを特徴とする鋼板。
A=Cu+Ni…(1)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B…(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V及びBは、各元素の含有量で、その単位は質量%である。 - さらに、前記鋼板の前記表面から前記板厚方向に沿って前記板厚の3/8の位置である3/8t部における前記平均結晶粒径が35μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の鋼板。
- さらに、前記1/8t部における前記平均結晶粒径が25μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の鋼板。
- さらに、前記鋼板の前記表面から前記板厚方向に沿って前記板厚の3/8の位置である3/8t部における前記平均結晶粒径が25μm以下であることを特徴とする請求項3に記載の鋼板。
- 前記鋼板の前記板厚が、80mm以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の鋼板。
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