JP5870860B2 - 耐表面割れ感受性に優れた高靭性鋼材用連続鋳造鋳片 - Google Patents
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Description
本発明は、低温靭性が必要とされる構造部材に用いられる高張力鋼材を製造する際の圧延素材となる鋳片を、連続鋳造工程において高い生産性の下で製造する技術に関する。
厚鋼板に代表される高張力鋼材は、構造部材として用いられるため、構造物の安全性確保の観点から低温靭性が要求される。高張力鋼材の低温靭性を向上させる方法の１つとして、Ｎｉ含有量を増加させる冶金学的な方法が従来において提案されている。
しかし、非特許文献１に記載されているように、Ｎｉはγ安定化元素であるため、Ｎｉを添加するとＡ３変態温度が低下するが、それに伴い、高温脆化温度域の低温側への拡大と、鋳片表面へのスケール固着による冷却特性の変化が起こり、連続鋳造時に表面割れが発生する場合があることが知られている。
しかし、非特許文献１に記載されているように、Ｎｉはγ安定化元素であるため、Ｎｉを添加するとＡ３変態温度が低下するが、それに伴い、高温脆化温度域の低温側への拡大と、鋳片表面へのスケール固着による冷却特性の変化が起こり、連続鋳造時に表面割れが発生する場合があることが知られている。
また、特許文献１には、連続鋳造において、鋳型内溶鋼のメニスカス部から鋳型下部までの引き抜き所要時間を１分以内とし、引き抜いた直後直ちに２次冷却を行い、１分以内に表面温度をA3変態温度以下まで冷却する方法が開示されている。
しかし、鋼材成分によっては、特許文献１に示された連続鋳造工程を用いても、鋳片表面に割れが生じる場合があり、その発生を低減し、鋳片手入れ作業の負荷を軽減することが必要となっていた。
しかし、鋼材成分によっては、特許文献１に示された連続鋳造工程を用いても、鋳片表面に割れが生じる場合があり、その発生を低減し、鋳片手入れ作業の負荷を軽減することが必要となっていた。
加藤他、鉄と鋼、８４（１９９８）２０
本発明は、低温靭性が必要とされる構造部材に用いられる高張力鋼材を製造する際に、圧延素材となる鋳片を連続鋳造工程において高い生産性の下で製造することにあり、鋼成分を最適化することで鋳片表面の割れ感受性を低下させ、連続鋳造における鋳片表面割れの発生を抑制し、鋳片手入れ作業の負荷を軽減する鋳片を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために、Ｎｉ添加による連続鋳造時の表面割れの本質的な原因を、計算機シミュレーション等を駆使して明らかにし、それによって表面割れを回避する手段を見出し、本発明に至った。即ち、本発明は、以下の通りの高靭性鋼材用連続鋳造鋳片を要旨とするものである。
［１］質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｎｉ：０．７〜５．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．００１〜０．００５％、Ｎ：０．０００１〜０．００６％を含有し、更に、Ｔｉ：０．００７５〜０．０２％、Ｖ：０．００５〜０．１％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉの含有量が下記の式（１）を満たすことを特徴とする耐表面割れ感受性に優れた高靭性鋼材用連続鋳造鋳片。
４／４７．９×Ｔｉ＋３／５０．９×Ｖ＋２／５２．０×Ｃｒ＋３／９２．９×Ｎｂ＋
２／９５．９×Ｍｏ＞２／５８．７／２０×Ｎｉ ・・・（１）
但し、式（１）において、元素記号は各元素の含有質量（％）を意味するものとする。
［２］更に、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎの含有量が、下記の式（２）を満たすことを特徴とする上記［１］に記載の耐表面割れ感受性に優れた高靭性鋼材用連続鋳造鋳片。
１．０≦（Ｔｉ／４７．９＋Ｖ／５０．９＋Ｃｒ／５２．０＋Ｎｂ／９２．９＋Ｍｏ／
９５．９）／（Ｎ／１４．０）≦２．０ ・・・（２）
但し、式（２）において、元素記号は各元素の含有質量（％）を意味するものとする。
４／４７．９×Ｔｉ＋３／５０．９×Ｖ＋２／５２．０×Ｃｒ＋３／９２．９×Ｎｂ＋
２／９５．９×Ｍｏ＞２／５８．７／２０×Ｎｉ ・・・（１）
但し、式（１）において、元素記号は各元素の含有質量（％）を意味するものとする。
［２］更に、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎの含有量が、下記の式（２）を満たすことを特徴とする上記［１］に記載の耐表面割れ感受性に優れた高靭性鋼材用連続鋳造鋳片。
１．０≦（Ｔｉ／４７．９＋Ｖ／５０．９＋Ｃｒ／５２．０＋Ｎｂ／９２．９＋Ｍｏ／
９５．９）／（Ｎ／１４．０）≦２．０ ・・・（２）
但し、式（２）において、元素記号は各元素の含有質量（％）を意味するものとする。
本発明を用いることにより、低温靭性が必要とされる構造部材に用いられる高張力鋼材を製造する際の圧延素材となる鋳片を、連続鋳造工程において高い生産性のもとで製造することができ、鋼成分を最適化することで鋳片表面の割れ感受性を低下させ、連続鋳造における鋳片表面割れの発生を抑制し、鋳片手入れ作業の負荷を軽減することが可能になる。
発明者らは、Ｎｉ添加による連続鋳造時の表面割れの本質的な原因を、計算機シミュレーション等を駆使して明らかにした。計算機シミュレーションとして、原子番号と原子の初期配置のみから電子状態を計算し、諸々の物性値を算出することの可能な第一原理計算を用いた。
計算機シミュレーションでは、γ鉄の粒界を作製し、粒界に偏析しやすいＳを配置し、更に、連続鋳造時の表面割れを起こし易くする元素であるＮｉを粒界近傍に配置し、Ｎｉによる粒界脆化促進機構について調べた。
その結果、Ｎｉが粒界偏析したＳの近傍に存在すると、ＮｉはＦｅに比べて電子が２個多いために、その電子がＳの非占有軌道を占有する。しかし、Ｓが粒界近傍に複数個存在すると、Ｓ原子間の反結合軌道が占有され、Ｓ原子間に反発力が働き、粒界脆化が促進されることが分かった。つまり、連続鋳造時の表面割れがＮｉ添加によって促進される事象は、この機構によるものと考えられる。
その結果、Ｎｉが粒界偏析したＳの近傍に存在すると、ＮｉはＦｅに比べて電子が２個多いために、その電子がＳの非占有軌道を占有する。しかし、Ｓが粒界近傍に複数個存在すると、Ｓ原子間の反結合軌道が占有され、Ｓ原子間に反発力が働き、粒界脆化が促進されることが分かった。つまり、連続鋳造時の表面割れがＮｉ添加によって促進される事象は、この機構によるものと考えられる。
この機構によって連続鋳造時の表面割れが引き起こされるとすると、Ｆｅに比べてＮｉは電子が２個多いことが原因であり、その電子を他の原子が受け取ることができれば、この機構は働かず、表面割れは起こらない。その機能を持つ元素として、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏが挙げられ、これらの元素を添加することによって表面割れを抑制する方法を見出した。
更に、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏは炭化物や窒化物を作りやすい元素であることから、炭化物や窒化物が生成しても、Ｎｉの電子を引き受けるだけの原子が鋼中に固溶原子として残っているように添加することが重要であることを見出した。
本発明は、以上のような知見に基づくものであり、以下に、鋳片の化学成分の限定理由について詳細に説明する。
Ｃは、鋼製品である厚鋼板やＨ型鋼の母材の強度を確保するために０．０２％以上必要である。Ｃが多過ぎると鋼製品の母材の靭性や溶接性を損なうので０．２％が上限である。
Ｓｉは、脱酸のために鋼に含有されるが、多過ぎると鋼製品の溶接性および靭性を劣化させるので上限を０．６％とする。また、Ｓｉは強度を向上させる元素であり、そのためには０．０１％以上含有させることが必要である。
Ｃは、鋼製品である厚鋼板やＨ型鋼の母材の強度を確保するために０．０２％以上必要である。Ｃが多過ぎると鋼製品の母材の靭性や溶接性を損なうので０．２％が上限である。
Ｓｉは、脱酸のために鋼に含有されるが、多過ぎると鋼製品の溶接性および靭性を劣化させるので上限を０．６％とする。また、Ｓｉは強度を向上させる元素であり、そのためには０．０１％以上含有させることが必要である。
Ｍｎは、鋼製品の母材の強度と靭性の確保に不可欠であるから０．３％以上必要である。しかし、Ｍｎが多過ぎると焼き入れ性が増加して鋼製品の溶接性や靭性が劣化するため、Ｍｎの上限を２．５％とする。
Ｎｉは、鋼材の強度、靭性を向上させるために添加する元素である、強度、靭性を向上させるために必要な添加量は０．２％以上である。５．０％を超えて過剰に添加すると、Ｎｉは高価な元素であるので、合金コストの観点から経済的に好ましくないため、５．０％が上限である。なお、Ｎｉの下限は、特許請求の範囲では、実施例で確認されている０．７％とした。
Ｎｉは、鋼材の強度、靭性を向上させるために添加する元素である、強度、靭性を向上させるために必要な添加量は０．２％以上である。５．０％を超えて過剰に添加すると、Ｎｉは高価な元素であるので、合金コストの観点から経済的に好ましくないため、５．０％が上限である。なお、Ｎｉの下限は、特許請求の範囲では、実施例で確認されている０．７％とした。
ＰとＳは、本発明において不純物元素であり、鋼製品の母材の機械的性質を確保するために、それぞれ、０．０３０％以下、０．０２０％以下に低減する必要がある。
Ａｌは、脱酸に重要な元素で、酸素濃度を充分下げるためには、少なくとも０．００５％含有させることが必要である。一方、０．０３％を超えて過剰に添加しても、脱酸の効果が小さいだけでなく、鋼材の強度、靭性を低下させる原因となる粗大な酸化物が多量に生成するので、上限を０．０３％とする。
Ａｌは、脱酸に重要な元素で、酸素濃度を充分下げるためには、少なくとも０．００５％含有させることが必要である。一方、０．０３％を超えて過剰に添加しても、脱酸の効果が小さいだけでなく、鋼材の強度、靭性を低下させる原因となる粗大な酸化物が多量に生成するので、上限を０．０３％とする。
Ｏは、特殊元素と結合して酸化物を形成し、直接的あるいは間接的にＴｉＮの微細分散に寄与するため、０．００１％以上必要である。しかし、Ｏが０．００５％を超えると、鋼の性状度が低下して鋼製品の母材の機械的性質が劣化するため、０．００５％が上限である。
Ｎは、０．００６％超となると鋼材の靭性を劣化させるため、０．００６％以下とする。Ｎは不可避的に混入するものであり、下限は０．０００１％である。
Ｎは、０．００６％超となると鋼材の靭性を劣化させるため、０．００６％以下とする。Ｎは不可避的に混入するものであり、下限は０．０００１％である。
Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏは、鋼材の強度、若しくは、靭性を向上させるのに有効な元素であり、１種または２種以上含有させることが必要である。なお、これらの元素は上記のように鋳片の表面割れを抑制するためにも必要であるが、そのための含有要件については後述する。
Ｔｉは、Ｎと結びつき、微細なＴｉＮ、ＴｉＣを生成することにより、鋼材の靭性向上に寄与する。その効果は、０．００７５％以上含有させた時に発現する。一方で、０．０２％を超えると、粗大なＴｉＮ、ＴｉＣが生成し、靭性を劣化させ易い。
Ｖは、鋼材の強度向上に寄与する。その効果は、０．００５％以上の場合に発現する。しかしながら、０．１％を超えて含有させると、鋼製品の溶接性が劣化するため、０．１％が上限である。
Ｖは、鋼材の強度向上に寄与する。その効果は、０．００５％以上の場合に発現する。しかしながら、０．１％を超えて含有させると、鋼製品の溶接性が劣化するため、０．１％が上限である。
Ｃｒは、強度、耐食性を向上させることに有効である。その効果は、０．０５％以上の場合に発現する。しかし、１．０％を超えると鋼製品の溶接性が劣化するため、１．０％が上限である。
Ｎｂは、鋼製品の母材の組織を微細化して靭性を向上させることに有効である。その効果を発現する下限は０．００５％である。しかし、０．０５％を超えると、鋳片表面割れが著しく発生したり、鋼製品の溶接性が劣化するため、０．０５％が上限である。
Ｍｏは、鋼製品の母材の強度を向上させることに有効である。その効果を発現する下限は０．０５％である。しかし、１％を超えると鋼製品の溶接性が劣化するため、１％が上限である。
Ｎｂは、鋼製品の母材の組織を微細化して靭性を向上させることに有効である。その効果を発現する下限は０．００５％である。しかし、０．０５％を超えると、鋳片表面割れが著しく発生したり、鋼製品の溶接性が劣化するため、０．０５％が上限である。
Ｍｏは、鋼製品の母材の強度を向上させることに有効である。その効果を発現する下限は０．０５％である。しかし、１％を超えると鋼製品の溶接性が劣化するため、１％が上限である。
本発明の成分系の下で、鋳片表面割れ感受性を低減できるような成分設計法を見出すことを目的に、連続鋳造時の温度履歴と引張応力（曲げ部あるいは曲げ戻し部に対応）を模擬した熱間引張り試験（グリーブル試験）を行った。
ここでは、鋼を１４００℃で６００ｓ保持した後に連続鋳造の冷却過程を模擬して１０００〜７００℃で引張試験（歪速度：５×１０−３／ｓ、雰囲気：Ａｒ）を行い、絞り値が６０％を下回る延性の低い場合には鋳片表面割れ感受性が高いと判断した。一方、絞り値が６０％を超える延性の高い場合は鋳片表面割れ感受性が低いと判断した。
この判断基準は過去に多くの試験を行う中で見出された一般的な関係であり、実際の鋳片表面割れの発生傾向と一致することを確認している。
ここでは、鋼を１４００℃で６００ｓ保持した後に連続鋳造の冷却過程を模擬して１０００〜７００℃で引張試験（歪速度：５×１０−３／ｓ、雰囲気：Ａｒ）を行い、絞り値が６０％を下回る延性の低い場合には鋳片表面割れ感受性が高いと判断した。一方、絞り値が６０％を超える延性の高い場合は鋳片表面割れ感受性が低いと判断した。
この判断基準は過去に多くの試験を行う中で見出された一般的な関係であり、実際の鋳片表面割れの発生傾向と一致することを確認している。
本発明の成分範囲において、上述の熱間変形能を詳細に検討した結果、本発明の成分系においては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏの含有量をＮｉ含有量と連動させて、下記の式（１）を満たすように調整することで、鋳片表面割れ感受性を安定的に低く抑えられることが判明した。
（４／４７．９）×Ｔｉ＋（３／５０．９）×Ｖ＋（２／５２．０）×Ｃｒ＋
（３／９２．９）×Ｎｂ＋（２／９５．９）×Ｍｏ＞（２／５８．７／２０）×Ｎｉ
・・・（１）
但し、式（１）において、各元素記号は、各元素の含有質量（％で表す）を意味するものとする。
（４／４７．９）×Ｔｉ＋（３／５０．９）×Ｖ＋（２／５２．０）×Ｃｒ＋
（３／９２．９）×Ｎｂ＋（２／９５．９）×Ｍｏ＞（２／５８．７／２０）×Ｎｉ
・・・（１）
但し、式（１）において、各元素記号は、各元素の含有質量（％で表す）を意味するものとする。
更に、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎについては、鋳片加熱時のγ粒成長を炭化物や窒化物のピン止めによって抑制する効果があり、これらの元素の含有量を下記の式（２）の比率に制御することによって、析出物を微細分散することができ、且つ、Ｎｉの電子を引き受けるだけの原子を鋼中に固溶させることができる。
１．０≦（Ｔｉ／４７．９＋Ｖ／５０．９＋Ｃｒ／５２．０＋Ｎｂ／９２．９＋
Ｍｏ／９５．９）／（Ｎ／１４．０）≦２．０ ・・・（２）
但し、式（２）において、各元素記号は、各元素の含有質量（％で表す）を意味するものとする。
１．０≦（Ｔｉ／４７．９＋Ｖ／５０．９＋Ｃｒ／５２．０＋Ｎｂ／９２．９＋
Ｍｏ／９５．９）／（Ｎ／１４．０）≦２．０ ・・・（２）
但し、式（２）において、各元素記号は、各元素の含有質量（％で表す）を意味するものとする。
本発明は、以上のように構成されるものであり、以下実施例に基づいて、本発明を実施したことによる効果について説明する。
転炉と２次精錬によって成分調整した後に連続鋳造された鋳片の成分と表面割れ状況を表１に示す。ここで用いた連続鋳造機は垂直型であり、鋳片厚みは２４０mmであった。鋳造完了後に鋳片表面における割れ存在状態を目視測定し、割れ除去のための手入れ作業の必要性を判断した。
手入れが必要と判断された場合にはさらに手入れを行った後に、鋳片を１２５０℃に加熱して厚板圧延によって８０ｍｍ厚みの鋼板を製造した。この時の圧延終了時の温度は８６０℃であり、その後空冷によって冷却され、冷却後の熱処理は施されなかった。全ての鋼板が同一条件で製造された。
冷却後の各鋼板の板厚中心部について、２mmＶノッチシャルピー試験を―４０℃で実施し、３本の平均吸収エネルギーで靭性を評価した。
手入れが必要と判断された場合にはさらに手入れを行った後に、鋳片を１２５０℃に加熱して厚板圧延によって８０ｍｍ厚みの鋼板を製造した。この時の圧延終了時の温度は８６０℃であり、その後空冷によって冷却され、冷却後の熱処理は施されなかった。全ての鋼板が同一条件で製造された。
冷却後の各鋼板の板厚中心部について、２mmＶノッチシャルピー試験を―４０℃で実施し、３本の平均吸収エネルギーで靭性を評価した。
鋼１〜１４は実施例であり、鋳片表面割れは発生しなかった。
鋼１５〜２２は比較例であり、鋳片表面割れが発生した。
実施例の中でも、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎが式（２）を満たす鋼２、４、８、９は靭性に優れていた。
鋼１５〜２２は比較例であり、鋳片表面割れが発生した。
実施例の中でも、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎが式（２）を満たす鋼２、４、８、９は靭性に優れていた。
本発明による連続鋳造鋳片は、熱間加工によって厚鋼板、鋼管、Ｈ型鋼等に製品化され、例えば、海洋構造物、圧力容器、船舶、橋梁、建築物、ラインパイプなどの構造物一般に用いることができるが、特に低温靭性を必要とする海洋構造物、船舶、橋梁等の構造物鋼材として有用である。
Claims (2)
- 質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．６％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｎｉ：０．７〜５．０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０３％、
Ｏ：０．００１〜０．００５％、
Ｎ：０．０００１〜０．００６％
を含有し、更に、
Ｔｉ：０．００７５〜０．０２％、
Ｖ：０．００５〜０．１％、
Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉの含有量が下記の式（１）を満たすことを特徴とする耐表面割れ感受性に優れた高靭性鋼材用連続鋳造鋳片。
４／４７．９×Ｔｉ＋３／５０．９×Ｖ＋２／５２．０×Ｃｒ＋３／９２．９×Ｎｂ＋
２／９５．９×Ｍｏ＞２／５８．７／２０×Ｎｉ ・・・（１）
但し、式（１）において、元素記号は各元素の含有質量（％）を意味するものとする。 - 更に、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎの含有量が、式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の耐表面割れ感受性に優れた高靭性鋼材用連続鋳造鋳片。
１．０≦（Ｔｉ／４７．９＋Ｖ／５０．９＋Ｃｒ／５２．０＋Ｎｂ／９２．９＋Ｍｏ／
９５．９）／（Ｎ／１４．０）≦２．０ ・・・（２）
但し、式（２）において、元素記号は各元素の含有質量（％）を意味するものとする。
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