JP6048626B1 - 厚肉高靭性高強度鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
CeqIIW=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5≧0.65 (1)
(CL−C)/CL×100≧30 (2)
ここでCLは次式で定義する。
CL=0.2−(−0.1×(0.2−Si)−0.03×(1.1−Mn)−0.12×(0.2−Cu)−0.11×(3−Ni)+0.025×(1.2−Cr)+0.1×(0.5−Mo)+0.2×(0.04−V)−0.05×(0.06−Al)) (3)
ただし、上記式において元素記号は各合金成分の含有量(質量%)とし、含有しないものは0とする。
鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、累積圧下量を25%以上とする熱間鍛造を行い、Ac3点以上1200℃以下に加熱し、累積圧下量を40%以上とする熱間圧延を行い、Ar3点℃以上の温度から350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度まで急冷し、450℃〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板の製造方法。
鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、累積圧下量を40%以上とする分塊圧延を行い、Ac3点以上1200℃以下に加熱し、累積圧下量を40%以上とする熱間圧延を行い、放冷し、Ac3点以上1050℃以下に再加熱し、Ac3点以上の温度から350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度まで急冷し、450〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板の製造方法。
鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、累積圧下量を40%以上とする分塊圧延を行い、Ac3点以上1200℃以下に加熱し、累積圧下量を40%以上とする熱間圧延を行い、Ar3点℃以上の温度から350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度まで急冷し、450℃〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板の製造方法。
本発明の厚肉高靭性高強度鋼板の成分組成は、質量%で、C:0.08〜0.20%、Si:0.40%以下(但し、0%を含む)、Mn:0.5〜5.0%、P:0.010%以下(但し、0%を含む)、S:0.0050%以下(但し、0%を含む)、Cr:3.0%以下(但し、0%を含む)、Ni:0.1〜5.0%、Al:0.010〜0.080%、N:0.0070%以下(但し、0%を含む)、O:0.0025%以下(但し、0%を含む)を含有する。以下、各成分について説明する。なお、成分の含有量を表す「%」は「質量%」を意味する。
Cは、構造用鋼に求められる強度を安価に得るために有用な元素である。その効果を得るためにC含有量を0.08%以上とする必要がある。一方、C含有量が0.20%を超えると、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材および溶接部の靭性が顕著に劣化する。そこで、C含有量の上限を0.20%とした。好ましいC含有量は0.08%〜0.14%である。
Siは脱酸のために添加する。しかし、他の元素を脱酸のために添加する場合には、本発明の鋼板はSiを含まなくてもよい。Si含有量が0.40%を超えると、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材および溶接熱影響部の靭性が顕著に低下する。このため、Si含有量は0.40%以下とする。好ましいSi含有量は0.05〜0.3%の範囲である。より好ましくは0.1〜0.3%の範囲である。
Mnは母材強度を確保する観点から添加する。Mn含有量が0.5%未満ではその効果が十分でない。また、Mn含有量が5.0%を超えると、中心偏析を助長しスラブの鋳造欠陥が大型化し、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材の特性が劣化する。そこで、Mn含有量の上限を5.0%とする。Mn含有量は、0.6〜2%の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.6〜1.6%である。
P含有量が0.010%を超えると、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材および溶接熱影響部の靭性が著しく低下する。このため、P含有量は少ないほど好ましく(含まなくてもよい)、0.010%以下に制限する。
S含有量が0.0050%を超えると、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材および溶接熱影響部の靭性が顕著に低下する。このため、S含有量は少ないほど好ましく(含まなくてもよい)、0.0050%以下とする。
Crは、母材の高強度化に有効な元素である。しかし、Cr含有量が過剰になると溶接性が低下する。そこで、Cr含有量は3.0%以下とする。好ましいCr含有量は、0.1%〜2%である。より好ましくは、0.7%〜1.7%の範囲である。また、Cr含有量は0%でもよい。
Niは、鋼の強度および溶接熱影響部の靭性を向上させる有益な元素である。この効果を得るためにNi含有量を0.1%以上とする。一方、Ni含有量が5.0%を超えると、経済性が著しく低下する。そこで、Ni含有量の上限は5.0%とする。また、Ni含有量は、0.4〜4%であることが好ましく、より好ましくは、0.8%〜3.8%である。
Alは溶鋼を十分に脱酸するために添加される。Al含有量が0.010%未満の場合はその効果が不十分である。一方、Al含有量が0.080%を超えると、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材中に固溶するAl含有量が多くなり、母材靭性が低下する。そこで、Al含有量は0.080%以下とする。Al含有量は、0.030〜0.080%の範囲であることが好ましく、より好ましくは、0.030〜0.070%の範囲である。
Nは、Tiなどと窒化物を形成することによって組織を微細化し、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材および溶接熱影響部の靭性を向上させる効果を有する。この靭性向上の効果はN以外の構成により得ることができるため、本発明の鋼板はNを含まなくてもよい。しかし、Nによりこの効果を得る観点からはN含有量を0.0015%以上とすることが好ましい。一方、N含有量が0.0070%を超えると、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材中に固溶するN量が増大し、母材靭性が著しく低下し、さらに溶接熱影響部においても粗大な炭窒化物を形成し靭性が低下する。そこで、N含有量は0.0070%以下とする。好ましくは、0.006%以下、より好ましくは0.005%以下である。
Oは、0.0025%を超えると、鋼中で硬質な酸化物が生成し、靭性が顕著に低下する。そこで、O含有量は少ないほど好ましく(含まなくてもよい)、0.0025%以下とする。
Cuを含有すれば、靭性を損なうことなく鋼の強度を向上させることができる。Cu含有量が0.50%を超えると熱間加工時に鋼板表面に割れを生じる場合がある。そこで、Cuを含有する場合、その含有量は0.50%以下とする。
Moは、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材の高強度化に寄与する。しかし、Mo含有量が1.50%を超えると、合金炭化物の析出による硬度の上昇を引き起こし、靭性が低下する。そこで、Moを含有する場合、Mo含有量の上限を1.50%とする。好ましいMo含有量は、0.2%〜0.8%の範囲である。
Vは、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材の強度・靭性の向上に寄与する。また、Vは、VNとして析出することで固溶Nの低下に有効である。しかし、V含有量が0.400%を超えると硬質なVCの析出により靭性が低下する。そこで、Vを添加する場合は、V含有量を0.400%以下とするのが好ましい。より好ましくは、0.01〜0.1%の範囲である。
Nbは、母材の強度の向上に効果があるため有効である。Nb含有量が0.100%を超えると、母材の靭性が顕著に低下する。そこで、Nb含有量の上限を0.100%とする。好ましくは、0.025%以下である。
Tiは加熱時にTiNを生成し、オーステナイトの粗大化を効果的に抑制し、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材および溶接熱影響部の靭性を向上させる。しかし、Ti含有量が0.020%を超えると、Ti窒化物が粗大化し母材の靭性を低下させる。そこで、Tiを含有する場合は、Ti含有量は0.005%〜0.020%の範囲とする。好ましくは、0.008%〜0.015%の範囲である。
Mgは高温で安定な酸化物を形成し、溶接熱影響部の旧γ粒の粗大化を効果的に抑制し、溶接部の靭性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るためには、Mg含有量を0.0001%以上とする。しかし、Mg含有量が0.0050%を超えると、介在物量が増加し靭性が低下する。そこで、Mgを含有する場合、その含有量は0.0050%以下とするのが好ましい。より好ましくは、0.0001%〜0.015%の範囲である。
Taを適正量添加すると、強度向上に有効である。具体的にはTa含有量を0.01%以上にすることが有効である。しかし、その含有量が0.20%を超える場合は析出物生成により靭性が低下する。そこで、Taを含有する場合、その含有量は0.01%〜0.20%とする。
Zrは強度上昇に有効な元素である。この効果を得るためにはZr含有量を0.005%以上にすることが有効である。一方、Zr含有量が0.1%を超える場合には粗大な析出物が生成し靭性が低下する。そこで、Zrを含有する場合、その含有量は0.005〜0.1%とする。
Yは高温で安定な酸化物を形成し、溶接熱影響部の旧γ粒の粗大化を効果的に抑制し、溶接部の靭性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るためには、Y含有量を0.001%以上にすることが有効である。しかし、Y含有量が0.01%を超えると、介在物量が増加し靭性が低下する。そこで、Yを含有する場合、その含有量は、0.001〜0.01%とする。
Bは、オーステナイト粒界に偏析することで粒界からのフェライト変態を抑制し、焼入性を高める効果を有する。しかし、B含有量が0.0030%を超えると、Bは炭窒化物として析出し焼入性を低下させ靭性が低下する。そこで、B含有量は0.0030%以下とする。Bを含有する場合、その含有量は0.0003〜0.0030%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは0.0005〜0.002%の範囲である。
Caは硫化物系介在物の形態制御に有用な元素である。その効果を発揮させるためには、Ca含有量を0.0005%以上にすることが必要である。しかしCa含有量が0.0050%を超えると、清浄度の低下を招き靭性が劣化する。そこで、Caを含有する場合、その含有量は0.0050%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.0005%〜0.0025%の範囲である。
REMもCaと同様に鋼中で酸化物および硫化物を形成して材質を改善する効果がある。その効果を得るためにはREM含有量を0.0005%以上にすることが必要である。しかし、REM含有量が0.0100%を超えても、その効果が飽和する。そこで、REMを含有する場合、その含有量は0.0100%以下とする。好ましいREM含有量は0.0005〜0.005%の範囲である。
本発明では、板厚100mm以上の厚肉高靭性高強度鋼板の板厚中心部において、降伏強度で620MPa以上の強度と良好な靭性を確保するために、適切な合金成分の添加が必要である。具体的には、下記の式(1)のとおり、炭素当量(CeqIIW)が0.65%以上となるように合金元素の含有量を調整する必要がある。
CeqIIW=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5≧0.65 (1)
なお、式中の各元素記号はそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。また、含有しないものは0とする。
後述する通り、本発明によれば、スラブ表面の凝固時における冷却速度が1℃/s以下の範囲で鋳造される鋼素材から製造される場合であっても、良好な特性の鋼板が得られる。本発明では、板厚100mm以上の厚肉高靭性高強度鋼板の鋼板表面において良好な靭性(vE−40≧70J)を満足するために、特にスラブ表面の凝固時における冷却速度が1℃/s以下の範囲で鋳造される鋼素材から製造される場合において、ミクロ偏析を低減する必要がある。そのためには、凝固時の初晶をδ相とし、γ相生成開始時におけるδ相の比率((CL−C)/CL×100)を30%以上とする必要がある。
CL=0.2−(−0.1×(0.2−Si)−0.03×(1.1−Mn)−0.12×(0.2−Cu)−0.11×(3−Ni)+0.025×(1.2−Cr)+0.1×(0.5−Mo)+0.2×(0.04−V)−0.05×(0.06−Al)) (3)
上記式(3)において元素記号は各合金成分の含有量(質量%)とし、含有しないものは0とする。
次に、本発明の製造条件について説明する。説明において、温度「℃」は、圧延後放冷せずに焼入れする場合の焼入れ温度を除き、板厚中心部における温度を意味するものとする。圧延後放冷せずに焼入れする場合の焼入れ温度は、鋼板表面温度とする。これは圧延時に板厚方向の鋼板温度分布が大きくなり、鋼板表面の温度低下を考慮する必要があるためである。板厚中心部の温度は、板厚、表面温度および冷却条件等から、シミュレーション計算等により求められる。例えば、差分法を用い、板厚方向の温度分布を計算することにより、板厚中心温度が求められる。
上記組成の溶鋼を、転炉、電気炉、真空溶解炉等の通常の方法で溶製し、連続鋳造法および造塊法等の通常の鋳造方法でスラブ、ビレットなどの鋼素材とする。この時の凝固時の冷却速度は、熱電対等を用いた直接測定および伝熱計算などによるシミュレーション計算によって決定する方法がある。上記の通り、本発明では、鋼素材として、表面の凝固時における冷却速度が1℃/s以下の条件で製造されたものを好ましく用いることができる。
上述の組成を有する鋳片または鋼片を、1200〜1350℃に加熱する。再加熱温度が1200℃未満では、所定の熱間加工の累積圧下量を確保するための荷重の増大を招き、十分な圧下量を確保できないばかりか、必要に応じて加工中に再度加熱しなければならない場合も発生し、製造能率の低下を招く。このため、再加熱温度は1200℃以上とする。また、炭素当量が0.65%以上の本鋼のように合金元素添加量が高い場合、鋼素材中のセンターポロシティやザクなどの鋳造欠陥が著しく粗大化する。それらを圧着して無害化するために、累積圧下量を25%以上とする必要がある。一方、再加熱温度が1350℃を超えると、過大なエネルギーを消費し、加熱時のスケールにより表面疵が生じやすくなり、熱間鍛造後の手入れ負荷が増大するため、上限は1350℃とする。
上述の組成を有する鋳片または鋼片を、1200〜1350℃に加熱する。再加熱温度が1200℃未満では、所定の熱間加工の累積圧下量を確保するための荷重の増大を招き、十分な圧下量を確保できないばかりか、必要に応じて加工中に再度加熱しなければならない場合も発生し、製造能率の低下を招く。このため、再加熱温度は1200℃以上とする。また、鋳造欠陥を圧着して無害化し、本発明の効果を得るためには、累積圧下量を30%以上とすればよいが、絞り(RA)にも優れたものとする観点から累積圧下量を40%以上とすることが好ましい。一方、再加熱温度が1350℃を超えると、過大なエネルギーを消費し、加熱時のスケールにより表面疵が生じやすくなり、熱間鍛造後の手入れ負荷が増大するため、上限は1350℃とする。
鍛造後の鋼素材をAc3変態点以上1200℃以下に加熱するのは、鋼をオーステナイト組織一相に均一化するためであり、加熱温度としては、1000℃以上1200℃以下とするのが好ましい。
なお、Ac3変態点は、下記式(4)により計算される値を用いる。
Ac3=937.2−476.5C+56Si−19.7Mn−16.3Cu−26.6Ni−4.9Cr+38.1Mo+124.8V+136.3Ti+198.4Al+3315B (4)
(4)式での各元素記号はそれぞれの合金元素の含有量(質量%)を示す。
鋼素材は、熱間圧延により所望の板厚に加工される。板厚100mm以上の厚肉鋼板の板厚中心部の特性を確保するために、熱処理による旧γ粒径の整粒化、細粒化の効果を十分に発揮するため、圧延段階での材料のつくり込みが必要である。具体的には、圧延における累積圧下量を40%以上とすることで、加工による再結晶が起こりにくい板厚中心部においても圧延段階で整粒化を図ることができる。
板厚中心部での強度と靭性を得るために、本発明では熱間圧延後放冷(例えば空冷)する、または、熱間圧延後放冷せずにAr3点以上の温度から350℃以下の温度まで急冷する。放冷した場合は、Ac3点〜1050℃に再加熱し、Ac3点以上の温度から350℃以下になるまで急冷する。再加熱温度を1050℃以下とするのは、1050℃を超える高温の再加熱ではオーステナイト粒の粗大化により、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材靭性の低下が著しく低下するためである。また、再加熱温度をAc3点以上とするのは鋼板全体をオーステナイト組織にするためである。また、Ac3点未満の温度ではフェライトとオーステナイトからなる不均一組織を形成し必要な特性が得られないため、焼入れ温度はAc3点以上とする。また、放冷せずに急冷する場合は、オーステナイト単相域から焼入するため焼入温度はAr3点以上とする。また、急冷の停止温度は鋼板全体で変態後の組織を確実に得るために350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度とする。つまり、停止温度はAr3点以下且つ350℃以下である必要がある。
なお、Ar3変態点は、下記式(5)により計算される値を用いる。
Ar3=910−310C−80Mn−20Cu−15Cr−55Ni−80Mo (5)
(5)式での各元素記号はそれぞれの合金元素の含有量(質量%)を示す。
急冷後、450〜700℃で焼戻す理由は以下の通りである。450℃未満では残留応力の除去効果が少ない。一方、700℃を超える温度では、種々の炭化物が析出するとともに、厚肉高靭性高強度鋼板を用いて溶接により鋼構造物を製造したときに、母材の組織が粗大化し、強度、靭性が大幅に低下する。
各鋼板の板厚中心部から、圧延方向と直角方向に丸棒引張試験片(Φ12.5mm、GL50mm)を採取し、降伏強度(YS)、引張強度(TS)を測定した。
各鋼板の鋼板表面および板厚中心部から圧延方向を長手方向とする2mmVノッチシャルピー試験片を各3本ずつ採取し、各試験片について、試験温度:−40℃でシャルピー衝撃試験により吸収エネルギーを測定し、それらの平均値を求めた(板厚中心部の試験片の平均値および表面の試験片の平均値をそれぞれ求めた。)。
各鋼板の板厚中心部を含む領域について板厚方向丸棒引張試験片(Φ10mm)を採取し、絞り(RA)を測定した。なお、絞りは試験片破断後における最小断面積とその原断面積との差の原断面積に対する百分率である。
Claims (8)
- 質量%で、C:0.08〜0.20%、Si:0.40%以下、Mn:0.5〜5.0%、P:0.010%以下、S:0.0050%以下、Cr:3.0%以下、Ni:0.1〜5.0%、Al:0.010〜0.080%、N:0.0070%以下、O:0.0025%以下を含有し、(1)式および(2)式の関係を満たし、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、
鋼板表面における靭性(vE−40)が70J以上であり、
板厚が100mm以上であり、
降伏強度が620MPa以上であることを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板。
CeqIIW=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5≧0.65 (1)
(CL−C)/CL×100≧30 (2)
ここでCLは次式で定義する。
CL=0.2−(−0.1×(0.2−Si)−0.03×(1.1−Mn)−0.12×(0.2−Cu)−0.11×(3−Ni)+0.025×(1.2−Cr)+0.1×(0.5−Mo)+0.2×(0.04−V)−0.05×(0.06−Al)) (3)
ただし、上記式において元素記号は各合金成分の含有量(質量%)とし、含有しないものは0とする。 - 更に、質量%で、Cu:0.50%以下、Mo:1.50%以下、V:0.400%以下、Nb:0.100%以下、Ti:0.005%〜0.020%の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に記載の厚肉高靭性高強度鋼板。
- 更に、質量%で、Mg:0.0001〜0.0050%、Ta:0.01〜0.20%、Zr:0.005〜0.1%、Y:0.001〜0.01%、B:0.0030%以下、Ca:0.0005〜0.0050%、REM:0.0005〜0.0100%の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又は2に記載の厚肉高靭性高強度鋼板。
- 板厚中心の板厚方向の絞りが40%以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の厚肉高靭性高強度鋼板。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の厚肉高靭性高強度鋼板を製造する方法であって、
鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、累積圧下量を25%以上とする熱間鍛造を行い、Ac3点以上1200℃以下に加熱し、累積圧下量を40%以上とする熱間圧延を行い、放冷し、Ac3点以上1050℃以下に再加熱し、Ac3点以上の温度から350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度まで急冷し、450〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の厚肉高靭性高強度鋼板を製造する方法であって、
鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、累積圧下量を25%以上とする熱間鍛造を行い、Ac3点以上1200℃以下に加熱し、累積圧下量を40%以上とする熱間圧延を行い、Ar3点℃以上の温度から350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度まで急冷し、450℃〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の厚肉高靭性高強度鋼板を製造する方法であって、
鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、累積圧下量を40%以上とする分塊圧延を行い、Ac3点以上1200℃以下に加熱し、累積圧下量を40%以上とする熱間圧延を行い、放冷し、Ac3点以上1050℃以下に再加熱し、Ac3点以上の温度から350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度まで急冷し、450〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の厚肉高靭性高強度鋼板を製造する方法であって、
鋼素材を、1200〜1350℃に加熱し、累積圧下量を40%以上とする分塊圧延を行い、Ac3点以上1200℃以下に加熱し、累積圧下量を40%以上とする熱間圧延を行い、Ar3点℃以上の温度から350℃以下またはAr3点以下の低い方の温度まで急冷し、450℃〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする厚肉高靭性高強度鋼板の製造方法。
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