JP5838801B2 - 厚鋼板及び厚鋼板の製造方法 - Google Patents
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また、特許文献5には、継手部の脆性亀裂伝播停止性能の優れた溶接構造用鋼として、板厚内部の圧延面における(100)面のX線面強度比が1.5以上を有する鋼板が開示され、当該集合組織発達による応力負荷方向と亀裂伝播方向の角度のずれにより脆性亀裂伝播停止特性に優れることが記載されている。
また、供試材のESSO試験では、使用温度−10℃におけるKcaの値が3000N/mm3/2に満たない結果が示され、50mm以上の板厚の鋼板を適用した船体構造の場合、安全性確保が課題となることが示唆されている。
(A)板厚が50mm以上の厚鋼板において、圧延直角方向に脆性亀裂が突入したときに、該厚鋼板内で、亀裂が所定の2方向に分岐することで、脆性亀裂先端の応力拡大係数が減少する結果、脆性亀裂伝播停止特性の向上が可能となる。
(B)また、前記脆性亀裂の分岐については、前記鋼板内部に発生した靱性の異方性が大きい場合に発生することから、特定の鋼組成と、特定の板厚中央部の温度域での累積圧下率及び1パスあたりの圧下率の平均値を特定する熱間圧延条件との組合せによって、前記鋼板内部の集合組織の制御を行うことで、実現可能となる。
(1)質量%で、C:0.03〜0.20%、Si:0.03〜0.5%、Mn:0.5〜2.2%、Al:0.005〜0.08%、P:0.03%以下、S:0.01%以下、N:0.0075%以下を含有し、さらに、質量%で、Ti:0.005〜0.03%、Nb:0.005〜0.05%、Cu:0.01〜0.5%、Ni:0.01〜1.0%、Cr:0.01〜0.5%、Mo:0.01〜0.5%、V:0.001〜0.1%、B:0.003%以下、Ca:0.005%以下及びREM:0.01%以下のうちの1種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、式(1)で表される炭素当量(Ceq)が0.34%以上、0.49%未満である鋼組成を具え、
C eq =C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(V+Mo+Cr)/5・・・(1)
(ただし、C、Mn、Cu、Ni、V、Mo、Crは、それぞれの含有量(質量%)である。)
鋼板の圧延方向に応力が負荷された状態で、該鋼板の圧延直角方向へ向かって突入した脆性亀裂が、鋼板内で2方向に分岐して停止し、板厚が50mm以上であり、
板厚1/2部でのベイナイト分率が91%以上であり、板厚1/2+6mm部における圧延直角方向±45°の方向のシャルピー破面遷移温度が圧延直角方向のシャルピー破面遷移温度よりも10℃以上高いことを特徴とする厚鋼板。
C eq =C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(V+Mo+Cr)/5・・・(1)
(ただし、C、Mn、Cu、Ni、V、Mo、Crは、それぞれの含有量(質量%)である。)
以下、図面を参照しながら本発明の厚鋼板について説明する。図1は、脆性亀裂が突入した本発明の厚鋼板について、上から見た状態を示したものであり、図2は、本発明の厚鋼板の断面を示したものである。
なお、本発明での圧延方向Lとは、厚鋼板製造時における圧延の方向のことであり、圧延直角方向とは、図1に示すように、厚鋼板を上方から見たとき、前記圧延方向Lと直角に交わる方向Vのことをいう。
前記厚鋼板1の板厚tが50mm以上と大きくなる場合、圧延直角方向Vに発生した脆性亀裂の伝播を十分に抑制することができなかったが、本発明では、鋼板1内で亀裂2が2つの方向21、22に分岐するため、前記脆性亀裂2の伝播に係る力(脆性亀裂の応力拡大係数)を分散できる結果、優れた脆性亀裂伝播停止能力を実現できる。
分岐したそれぞれの脆性亀裂21、22の応力拡大係数をもっとも低減でき、前記脆性亀裂2の伝播に係る力を最も効率的に分散できるからである。前記分岐方向21、22の圧延直角方向Vに対する角度α、βが、上記範囲から外れると、前記脆性亀裂2が分裂しない場合や、前記脆性亀裂2が分岐した場合でも、各脆性亀裂21、22の応力拡大係数を十分に低減できないため、圧延方向L又は圧延直角方向Vに大きく伝播するおそれがある。
ここで、前記シャルピー破面遷移温度とは、鉄鋼材料の靭性を評価するための指標であり、切り欠きのはいった角柱状の試験片(シャルピー試験片)に対して高速で衝撃を与えることで該試験片を破壊し、破壊するのに要したエネルギー(温度)のことをいう。
なお、前記板厚1/2+6mm部おけるシャルピー破面遷移温度については、図2に示すように厚鋼板1の断面を見たとき、前記厚鋼板1の厚さtの1/2の部分(1/2t)よりも6mmだけ鋼板表面側に位置する部分(1/2t+6mm)が、試験片の中央部になることをいう。また、前記圧延直角方向及び圧延直角方向±45°のシャルピー破面遷移温度については、図3に示すように、長手方向が圧延直角方向と平衡になる試験片1a、及び、長手方向が圧延直角方向±45°の方向と平衡になる試験片1bを切り出した後、それぞれの試験片1a、1bについてシャルピー衝撃試験を行うことで算出することができる。
Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(V+Mo+Cr)/5・・・(1)
(ただし、C、Mn、Cu、Ni、V、Mo、Crは、それぞれの含有量(質量%)である。)
Cは鋼の強度を向上する元素であり、本発明では、所望の強度を確保するためには0.03%以上の含有を必要とするが、0.20%を超えると、溶接性が劣化するばかりか靭性にも悪影響がある。このため、Cは、0.03〜0.20%の範囲に規定した。なお、好ましくは0.05〜0.15%である。
Siは脱酸元素として、また、鋼の強化元素として有効であるが、0.03%未満の含有量ではその効果がない。一方、0.5%を越えると鋼の表面性状を損なうばかりか靭性が極端に劣化する。従ってその添加量を0.03%以上、0.5%以下とする。
Mnは、強化元素として添加する。0.5%より少ないとその効果が十分でなく、2.0%を超えると溶接性が劣化し、鋼材コストも上昇するため、0.5%以上、2.0%以下とする。
Alは、脱酸剤として作用し、このためには0.005%以上の含有を必要とするが、0.08%を超えて含有すると、靭性を低下させるとともに、溶接した場合に、溶接金属部の靭性を低下させる。このため、Alは、0.005〜0.08%の範囲に規定した。なお、好ましくは、0.02〜0.04%である。
P、Sは、鋼中の不可避不純物であるが、Pは0.03%を超え、Sは0.01%を超えると靭性が劣化するため、それぞれ、0.03%以下、0.01%以下が望ましく、それぞれ、0.02%以下、0.005%以下がさらに望ましい。
Nは、鋼中のAlと結合し、圧延加工時の結晶粒径を調整し、鋼を強化するが、0.0050%を超えると靭性が劣化するため、0.0050%以下とする。
上記式(1)で示される炭素当量(Ceq)については、構造用鋼としての溶接性を確保するため、0.34%以上、0.49%未満であることが好ましい。
Tiは微量の添加により、窒化物、炭化物、あるいは炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化して母材靭性を向上させる効果を有する。その効果は0.005%以上の添加によって得られるが、0.03%を超える含有は、母材および溶接熱影響部の靭性を低下させるので、Tiは、0.005〜0.03%の範囲にするのが好ましい。
Nbは、NbCとしてフェライト変態時あるいは再加熱時に析出し、高強度化に寄与する。また、オーステナイト域の圧延において未再結晶域を拡大させる効果をもち、フェライトの細粒化に寄与するので、靭性の改善にも有効である。その効果を得るためには0.005%以上の添加が必要であるが0.05%を超えて添加すると、粗大なNbCが析出し逆に、靭性の低下を招くのでその上限は0.05%とするのが好ましい。
Cu、Ni、Cr及びMoはいずれも鋼の焼入れ性を高める元素である。圧延後の強度アップに直接寄与するとともに、靭性、高温強度、あるいは耐候性などの機能向上のために添加するが、過度の添加は靭性や溶接性を劣化させるため、それぞれ上限を0.5%、1.0%、0.5%、0.5%とする。逆に添加量が0.01%未満であるとその効果が現れないため、0.01%以上の添加とする。
Vは、V(CN)として析出強化により、鋼の強度を向上する元素であり、0.001%以上含有してもよいが、0.10%を超えて含有すると、靭性を低下させる。このため、Vは、0.001〜0.10%の範囲の添加とする。
Bは微量で鋼の焼き入れ性を高める元素として添加してもよい。しかし、0.003%を超えて含有すると溶接部の靭性を低下させるので、Bは0.003%以下の添加とする。
Ca、REMは溶接熱影響部の組織を微細化し靭性を向上させ、添加しても本発明の効果が損なわれることはないので必要に応じて添加してもよい。しかし、過度に添加すると、粗大な介在物を形成し母材の靭性を劣化させるので、添加量の上限をそれぞれ0.005%、0.01%とすることが好ましい。
本発明による厚鋼板の製造方法は、鋼素材を、900〜1200℃の温度に加熱した後、板厚中央部の温度が(Ar3点+100)℃以上で累積圧下率が30%以上、板厚中央部の温度が(Ar3点+10)〜(Ar3点+60)℃で累積圧下率が50%以上、平均パス圧下率が5%以上、の条件下で圧延を行い、その後、板厚中央部の温度がAr3点以上の温度から2℃/s以上の冷却速度で400℃以下になるまで冷却を行うことを特徴とする。ここで、平均パス圧下率とは、1パスを通しての圧下率の平均値のことをいう。
なお、400℃以下まで冷却した厚鋼板に対して、焼戻処理を行なうことができる。焼戻処理を行う場合には、焼戻温度をAc1点以下とする必要がある。これはAc1点を超えた温度で焼戻処理を行うと、鋼組織の一部がオーステナイトに逆変態するため、最終的に得られる組織が変化してしまうからである。
前記Ac1変態点(℃)を求める式は特に規定しないが、例えばAc1点=751−26.6C+17.6Si−11.6Mn−169Al−23Cu−23Ni+24.1Cr+22.5Mo+233Nb−39.7V−5.7Ti−895B、とすることができる。なお、前記Ac1変態点の算出式において各元素は鋼中含有量(mass%)とし、含有しない場合は0とする。
(サンプル1〜26)
表1に示す各組成の溶鋼(鋼記号A〜T)を、転炉で溶製した後、連続鋳造法で鋼素材(スラブ280mm厚)とし、板厚50〜75mmに熱間圧延を行った後、冷却することで、サンプル1〜26の供試鋼板を得た。表2に熱間圧延条件と冷却条件を示す。
なお、Ar3変態点(℃)は、次式により計算した。
Ar3(℃)=910−310C−80Mn−20Cu−15Cr−55Ni−80Mo
(ただし、各元素は鋼中含有量(mass%)とする。)
以上のようにして得られた厚鋼板のサンプル1〜26について、板厚1/4部が試験片の中央部となるようにJIS 14A号試験片を切り出して採取し、以下の条件で、(1)降伏強度(YS)及び(2)引張強さ(TS)を測定した。表3に測定結果を示す。
(1)降伏強度(YS)の測定
JIS Z 2241に準拠した手法によって、降伏強度の測定を行った。
(2)引張強さ(TS)の測定
JIS Z 2241に準拠した手法によって、引張強さの測定を行った。
また、得られた厚鋼板のサンプル1〜26について、板厚1/2+6mm部からJIS4号衝撃試験片を、試験片の長手方向が圧延方向Lと平行となる方向、及び、試験片の長手方向が圧延直角方向V+45°となる方向で、それぞれ採取した後、JIS Z 2242の条件でシャルピー衝撃試験を行い、シャルピー破面遷移温度(vTrs)を測定した。表3に測定結果を示す。
また、得られた厚鋼板のサンプル1〜26について、板厚中央部の断面について光学顕微鏡写真を撮影し、画像解析によってベイナイト分率の測定を行った。測定結果を表3に示す。
得られた厚鋼板のサンプル1〜26について、脆性亀裂の伝播停止特性を評価するため、大型混成ESSO試験を行った。ESSO試験に用いた試験体10の形状を図4に示す。図4(a)は正面図、図4(b)は側面図である。
試験は応力235MPa、温度−10℃の条件にて実施した。大入り熱溶接部50のボンドに設けた窓枠型の機械ノッチ60に打撃を与えて脆性亀裂を発生させ、溶接金属20を貫通した脆性亀裂が、評価対象となるサンプル1〜26の厚鋼板30で停止するか否かを調査した。
脆性亀裂の伝播停止特性の評価については、前記厚鋼板30に進入した脆性亀裂の分裂の有無、及び、脆性亀裂が前記厚鋼板30を貫通したか否かを観察することで行った。観察結果を表3に示す。
2 脆性亀裂
21、22 分岐した脆性亀裂
3 溶接部
10 試験体
20 溶接金属
30 母材
50 大入り熱溶接部
60 機械ノッチ
Claims (5)
- 質量%で、C:0.03〜0.20%、Si:0.03〜0.5%、Mn:0.5〜2.2%、Al:0.005〜0.08%、P:0.03%以下、S:0.01%以下、N:0.0075%以下を含有し、さらに、質量%で、Ti:0.005〜0.03%、Nb:0.005〜0.05%、Cu:0.01〜0.5%、Ni:0.01〜1.0%、Cr:0.01〜0.5%、Mo:0.01〜0.5%、V:0.001〜0.1%、B:0.003%以下、Ca:0.005%以下及びREM:0.01%以下のうちの1種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、式(1)で表される炭素当量(Ceq)が0.34%以上、0.49%未満である鋼組成を具え、
C eq =C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(V+Mo+Cr)/5・・・(1)
(ただし、C、Mn、Cu、Ni、V、Mo、Crは、それぞれの含有量(質量%)である。)
鋼板の圧延方向に応力が負荷された状態で、該鋼板の圧延直角方向へ向かって突入した脆性亀裂が、鋼板内で2方向に分岐して停止し、板厚が50mm以上であり、
板厚1/2部でのベイナイト分率が91%以上であり、板厚1/2+6mm部における圧延直角方向±45°の方向のシャルピー破面遷移温度が圧延直角方向のシャルピー破面遷移温度よりも10℃以上高いことを特徴とする厚鋼板。 - 前記脆性亀裂の分岐方向は、圧延直角方向に対して、それぞれ45°±10°、−45°±10°の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の厚鋼板。
- 板厚1/2+6mm部において、前記圧延直角方向のシャルピー破面遷移温度が−50℃以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の厚鋼板。
- 組成が、質量%で、C:0.03〜0.20%、Si:0.03〜0.5%、Mn:0.5〜2.2%、Al:0.005〜0.08%、P:0.03%以下、S:0.01%以下、N:0.0075%以下を含有し、さらに、質量%で、Ti:0.005〜0.03%、Nb:0.005〜0.05%、Cu:0.01〜0.5%、Ni:0.01〜1.0%、Cr:0.01〜0.5%、Mo:0.01〜0.5%、V:0.001〜0.1%、B:0.003%以下、Ca:0.005%以下及びREM:0.01%以下のうちの1種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、式(1)で表される炭素当量(Ceq)が0.34%以上、0.49%未満である鋼素材を、900〜1200℃の温度に加熱した後、板厚中央部の温度が(Ar3点+100)℃以上で累積圧下率が30%以上、板厚中央部の温度が(Ar3点+10)〜(Ar3点+60)℃で累積圧下率が50%以上、平均パス圧下率が5%以上、の条件下で圧延を行い、その後、板厚中央部の温度がAr3点以上の温度から400℃以下になるまで2℃/s以上の冷却速度で冷却を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の厚鋼板の製造方法。
C eq =C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(V+Mo+Cr)/5・・・(1)
(ただし、C、Mn、Cu、Ni、V、Mo、Crは、それぞれの含有量(質量%)である。) - 400℃以下になるまで冷却を行った後、Ac1点以下の温度で焼戻処理を行うことを特徴とする請求項4に記載の厚鋼板の製造方法。
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