JP6078554B2 - 被削性及び溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、被削性及び溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材及びその製造方法に関する。より詳細には、液化ガス貯蔵タンク及び輸送設備等の液化ガス雰囲気下の低温から室温までの広範囲な温度で用いられる構造用鋼材に関する。
液化天然ガス（ＬＮＧ、Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ、沸点：−１６４℃）、液体酸素（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ、沸点：−１８３℃）、液体窒素（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ、沸点：−１９６℃）等のような液化ガスは、極低温貯蔵を必要とする。したがって、これらのガスを貯蔵するためには、極低温で十分な靱性と強度を有する材料からなる圧力容器等の構造物が必要である。
液化ガス雰囲気下の低温で使用可能な材料として、従来からＡＩＳＩ３０４等のＣｒ‐Ｎｉ系ステンレス合金や９％Ｎｉ鋼及び５０００系列のアルミニウム合金等が用いられてきた。しかしながら、アルミニウム合金は、合金コストが高くて強度が低いため、構造物の設計厚さが増加し、溶接施工性も良くないため、使用に制限があるという問題を有する。Ｃｒ‐Ｎｉ系ステンレスと９％Ｎｉ鋼等は、アルミニウムの物性上の問題は多く克服されたが、高価なニッケルを含有することから製造コストが上昇する等、その適用に問題がある。
これを解決するために、高価なニッケルの含量を低減し、代わりにマンガン、クロム等を添加した技術として、特許文献１と特許文献２が挙げられる。特許文献１は、ニッケル含量を１．５〜４％まで減少させ、代わりにマンガン、クロムをそれぞれ１６〜２２％、２〜５．５％添加してオーステナイト組織を確保することにより極低温靱性を向上させた技術であり、特許文献２は、ニッケル含量を５．５％程度に減少させ、代わりにマンガン、クロムをそれぞれ２．０％、１．５％以下添加し、繰り返し熱処理及び焼き戻しによってフェライト結晶粒を微細化することにより極低温靱性を確保する技術である。しかしながら、上記発明も、高価なニッケルを含有しており、また、極低温靱性を確保するために多段階の繰り返し熱処理及び焼き戻しを行っているため、コストや工程簡素化の面で有利でない。
液化ガスに用いられる構造用鋼に関する他の技術として、ニッケルを完全に排除した、いわゆる、ニッケル‐フリー（Ｎｉ‐ｆｒｅｅ）の高マンガン鋼が挙げられる。上記高マンガン鋼は、マンガンの添加量によってそれぞれフェライト系とオーステナイト系に分けられる。例えば、特許文献３は、９％のニッケルの代わりに５％のマンガンを添加し、これをオーステナイトとフェライトが共存する二相域温度区間で４回繰り返し熱処理して結晶粒を微細化した後に焼き戻しすることにより極低温靱性を向上させた技術である。また、特許文献４は、１３％のマンガンを添加し、これをオーステナイトとフェライトの二相域温度区間で４回繰り返し熱処理して結晶粒を微細化した後に焼き戻しすることにより極低温靱性を向上させた技術である。上記特許は、フェライトを主組織としており、極低温靱性を得るために４回以上の繰り返し熱処理及び焼き戻しによってフェライト結晶粒を微細化させることを骨子としている。しかしながら、上記技術には、熱処理回数の増加によってコストが増加し熱処理設備負荷が生じるという問題がある。
特許文献５は、ニッケルを完全に排除する代わりに、多量のマンガン、１６〜３５％及び０．１〜０．５％の炭素を添加してオーステナイトを安定化させ、アルミニウムを１〜８％添加した、極低温特性に優れた高マンガン鋼に関する技術である。特許文献６は、１５〜４０％のマンガンを添加してオーステナイトとイプシロンマルテンサイトとの混合組織を得ることにより低温靱性に優れた高マンガンが得られることを開示している。しかしながら、炭素の含量が低いことから、一部のイプシロンマルテンサイトのような極低温で不安定な組織が生成されて靱性が劣化する恐れがあり、アルミニウム添加によって鋳造欠陥が発生する可能性が増加する等の問題がある。
また、オーステナイト系高マンガン鋼は、高い加工硬化によって被削性が劣り、これにより、切削工具の寿命が減少するため、工具コストが増加し、工具の交替に関連した休止期間が増加する等、生産コストを増加させるという問題がある。
本発明の目的は、ニッケルを排除した低コストの鋼材を提供し、低温で安定なオーステナイト相を形成し、被削性に優れ、溶接熱影響部における極低温靱性を確保したオーステナイト系鋼材及びその製造方法を提供することである。
しかしながら、本発明が解決しようとする課題は上述した課題に制限されず、記載されていない他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解されることができる。
上記のような目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、重量％で、マンガン（Ｍｎ）：１５〜３５％、２３．６Ｃ＋Ｍｎ≧２８及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満たす炭素（Ｃ）、銅（Ｃｕ）：５％以下（０％は除く）、２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７を満たすクロム（Ｃｒ）（０％は除く）、残部鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避不純物からなり、被削性及び溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材が提供される。
但し、上記各数式のＭｎ、Ｃ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎはそれぞれ当該元素の含量を重量％の単位で示したものである。
本発明の他の実施形態によれば、重量％で、マンガン（Ｍｎ）：１５〜３５％、２３．６Ｃ＋Ｍｎ≧２８及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満たす炭素（Ｃ）、銅（Ｃｕ）：５％以下（０％は除く）、２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７を満たすクロム（Ｃｒ）（０％は除く）、残部鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避不純物からなる鋼材を溶接して溶接熱影響部を得る段階と、上記溶接熱影響部を冷却速度１０℃／ｓ以上で冷却する段階と、を含む、被削性及び溶接熱影響部における靱性に優れた耐磨耗オーステナイト系鋼材の製造方法が提供される。
本発明によれば、ニッケル及びアルミニウムを添加せず且つマンガンの含量を比較的低い範囲に制御することができるため、低コストの極低温鋼材が得られ、低温で安定なオーステナイト相が形成され、銅によって炭化物形成を効果的に抑制し、カルシウム及び硫黄の添加によって被削性が改善された、溶接熱影響部における極低温靱性に優れた構造用鋼材を提供することができる。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように本発明の被削性及び溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材及びその製造方法を詳細に説明する。
溶接熱影響部における極低温靱性が求められるオーステナイト系鋼材においてマンガンの含量が低い場合、オーステナイトを安定化させるためには炭素の含量を増加させなければならないが、炭化物形成によって靱性が劣化する恐れがある。また、極低温靱性を確保するためには炭化物析出を抑制する必要があり、溶接熱影響部のように冷却速度の制御が容易でない場合は熱影響部で炭化物の析出が発生して極低温靱性を急激に劣化させてしまう。よって、マンガンと炭素を適切に制御することによりオーステナイトを安定化させ、マンガンに対して炭化物形成に効果的な合金元素を添加することにより溶接熱影響部における極低温靱性に優れた極低温用鋼材を開発することが求められている。また、高価なニッケル等を添加しなかった低コストの経済的な極低温用鋼材を開発することも求められている。
よって、本発明者らは、ニッケルを添加しなかった鋼材が極低温で有利な靱性を得るためには、鋼材の成分系を調節すると共に鋼材の主組織をオーステナイト組織とする必要があり、特に、溶接熱影響部におけるオーステナイト粒界に炭化物が生成されることを制御する必要があることを見出し、本発明に至った。また、カルシウム及び硫黄の含量を調節してオーステナイト系高マンガン鋼の被削性を顕著に改善させる鋼材の組成を導出するに至った。
本発明の鋼材は、重量％で、マンガン（Ｍｎ）：１５〜３５％、２３．６Ｃ＋Ｍｎ≧２８及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満たす炭素（Ｃ）、銅（Ｃｕ）：５％以下（０％は除く）、２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７を満たすクロム（Ｃｒ）（０％は除く）、残部鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避不純物からなる組成を有することができる。但し、上記各数式のＭｎ、Ｃ、Ｃｒはそれぞれ当該元素の含量を意味する。
上記各成分の数値を限定する理由を説明すると、下記の通りである。なお、以下の各成分の含量の単位は、特に記載されていない限り、重量％である。
マンガン（Ｍｎ）：１５〜３５％
マンガンは、本発明のような高マンガン鋼に添加される重要な元素であって、オーステナイトを安定化させる役割をする元素である。マンガンは、極低温におけるオーステナイト相を安定化させるために１５％以上含まれることが好ましい。マンガンの含量が１５％未満の場合は、炭素含量が小さいと、準安定相であるイプシロンマルテンサイトが形成され、極低温における加工誘起変態によってアルファマルテンサイトに容易に変態されるため、靱性を確保することができない。また、これを防止するために炭素含量を増加させてオーステナイトの安定化を図ると、却って炭化物析出によって物性が急激に劣化するため好ましくない。したがって、マンガンの含量を１５％以上とすることが好ましい。これに対し、マンガンの含量が３５％を超える場合は、鋼材の腐食速度の低下をもたらし、含量の増加によって経済性が減少するという問題がある。したがって、上記マンガンの含量を１５〜３５％に限定することが好ましい。
マンガンは、本発明のような高マンガン鋼に添加される重要な元素であって、オーステナイトを安定化させる役割をする元素である。マンガンは、極低温におけるオーステナイト相を安定化させるために１５％以上含まれることが好ましい。マンガンの含量が１５％未満の場合は、炭素含量が小さいと、準安定相であるイプシロンマルテンサイトが形成され、極低温における加工誘起変態によってアルファマルテンサイトに容易に変態されるため、靱性を確保することができない。また、これを防止するために炭素含量を増加させてオーステナイトの安定化を図ると、却って炭化物析出によって物性が急激に劣化するため好ましくない。したがって、マンガンの含量を１５％以上とすることが好ましい。これに対し、マンガンの含量が３５％を超える場合は、鋼材の腐食速度の低下をもたらし、含量の増加によって経済性が減少するという問題がある。したがって、上記マンガンの含量を１５〜３５％に限定することが好ましい。
炭素（Ｃ）：２３．６Ｃ＋Ｍｎ≧２８及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３の関係を満たす。
炭素は、オーステナイトを安定化させて強度を増加させる元素であり、特に、冷却過程又は加工過程でオーステナイトからイプシロン又はアルファマルテンサイトへの変態点であるＭｓ及びＭｄを低くする役割をする。したがって、炭素が十分に添加されない場合は、オーステナイト安定度が足りないため、極低温で安定なオーステナイトが得られず、また、外部応力によってイプシロン又はアルファマルテンサイトへの加工誘起変態を容易に起こすため、靱性を減少させ、鋼材の強度も減少させる。これに対し、炭素の含量が多すぎる場合は、炭化物析出によって靱性が急激に劣化し、強度の過度な増加によって加工性が悪くなるという短所がある。
炭素は、オーステナイトを安定化させて強度を増加させる元素であり、特に、冷却過程又は加工過程でオーステナイトからイプシロン又はアルファマルテンサイトへの変態点であるＭｓ及びＭｄを低くする役割をする。したがって、炭素が十分に添加されない場合は、オーステナイト安定度が足りないため、極低温で安定なオーステナイトが得られず、また、外部応力によってイプシロン又はアルファマルテンサイトへの加工誘起変態を容易に起こすため、靱性を減少させ、鋼材の強度も減少させる。これに対し、炭素の含量が多すぎる場合は、炭化物析出によって靱性が急激に劣化し、強度の過度な増加によって加工性が悪くなるという短所がある。
特に、本発明において、炭素の含量は、炭素と他に一緒に添加される元素との関係に留意して決められることが好ましい。このために、本発明者らが見出した炭化物形成に関する炭素とマンガンとの関係を図１に示した。炭化物は炭素によって形成されるが、炭素が独立して炭化物形成に影響を及ぼすのではなく、炭素がマンガンと複合的に作用してその形成傾向に影響を及ぼす。図１に適正炭素含量を示した。炭化物形成を防止するためには、他の成分が本発明で規定する範囲を満たすという前提の下で２３．６Ｃ＋Ｍｎ（Ｃ、Ｍｎは各成分の含量を重量％の単位で示したものである。）の値を２８以上に制御することが良い。これは、図面の平行四辺形領域のうち傾斜した左側境界を意味する。２３．６Ｃ＋Ｍｎが２８未満の場合は、オーステナイト安定度が減少し、極低温における衝撃によって加工誘起変態を起こすため、衝撃靱性を低下させてしまう。炭素含量が高すぎる場合、即ち、３３．５Ｃ−Ｍｎが２３より大きい場合は、炭素の過度な添加によって炭化物が析出し、低温衝撃靱性を低くするという問題が発生する。したがって、本発明において、マンガンは、１５〜３５、２３．６Ｃ＋Ｍｎ≧２８及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満たすように添加されることが好ましい。図１からも分かるように、上記数式を満たす範囲内でＣ含量の最下限は０％である。
銅（Ｃｕ）：５％以下（０％は除く）
銅は、炭化物中の固溶度が非常に低くてオーステナイト内での拡散が遅いため、オーステナイトと核生成された炭化物の界面に濃縮され、これにより、炭素の拡散を妨害するため、炭化物の成長を効果的に遅らせ、その結果、炭化物生成を抑制する効果を有する。母材の場合は製造過程中に加速冷却によって炭化物析出を抑制することができるが、溶接熱影響部の場合は冷却速度の制御が容易でないため、本発明では炭化物析出抑制に非常に効果的な元素である銅を添加する。また、銅は、オーステナイトを安定化させて極低温靱性を向上させる効果を有する。但し、Ｃｕの含量が５％を超える場合は鋼材の熱間加工性を低下させるという問題があるため、その上限を５％に制限することが好ましい。また、上述した炭化物抑制効果を得るための銅の含量は０．５％以上であることがより好ましい。
銅は、炭化物中の固溶度が非常に低くてオーステナイト内での拡散が遅いため、オーステナイトと核生成された炭化物の界面に濃縮され、これにより、炭素の拡散を妨害するため、炭化物の成長を効果的に遅らせ、その結果、炭化物生成を抑制する効果を有する。母材の場合は製造過程中に加速冷却によって炭化物析出を抑制することができるが、溶接熱影響部の場合は冷却速度の制御が容易でないため、本発明では炭化物析出抑制に非常に効果的な元素である銅を添加する。また、銅は、オーステナイトを安定化させて極低温靱性を向上させる効果を有する。但し、Ｃｕの含量が５％を超える場合は鋼材の熱間加工性を低下させるという問題があるため、その上限を５％に制限することが好ましい。また、上述した炭化物抑制効果を得るための銅の含量は０．５％以上であることがより好ましい。
クロム（Ｃｒ）：２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７（０％は除く）
クロムは、適正添加量の範囲まではオーステナイトを安定化させて低温における衝撃靱性を向上させ、オーステナイト内に固溶されて鋼材の強度を増加させる役割をする。また、クロムは、鋼材の耐食性を向上させる元素でもある。但し、クロムは、炭化物元素であって、特に、オーステナイト粒界に炭化物を形成して低温衝撃を減少させる元素でもある。したがって、本発明において、クロムの含量は、炭素と他に一緒に添加される元素との関係に留意して決められることが好ましい。炭化物形成を防止するためには、他の成分が本発明で規定する範囲を満たすという前提の下で２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ（Ｃ、Ｃｒは各成分の含量を重量％の単位で示したものである。）の値を５７以下に制御することが良い。２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒの値が５７を超える場合は、過度なクロム及び炭素含量によって、オーステナイト粒界における炭化物生成を効果的に抑制することが困難であるため、低温における衝撃靱性が減少するという問題がある。したがって、本発明において、クロムは、２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７を満たすように添加されることが好ましい。
クロムは、適正添加量の範囲まではオーステナイトを安定化させて低温における衝撃靱性を向上させ、オーステナイト内に固溶されて鋼材の強度を増加させる役割をする。また、クロムは、鋼材の耐食性を向上させる元素でもある。但し、クロムは、炭化物元素であって、特に、オーステナイト粒界に炭化物を形成して低温衝撃を減少させる元素でもある。したがって、本発明において、クロムの含量は、炭素と他に一緒に添加される元素との関係に留意して決められることが好ましい。炭化物形成を防止するためには、他の成分が本発明で規定する範囲を満たすという前提の下で２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ（Ｃ、Ｃｒは各成分の含量を重量％の単位で示したものである。）の値を５７以下に制御することが良い。２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒの値が５７を超える場合は、過度なクロム及び炭素含量によって、オーステナイト粒界における炭化物生成を効果的に抑制することが困難であるため、低温における衝撃靱性が減少するという問題がある。したがって、本発明において、クロムは、２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７を満たすように添加されることが好ましい。
本発明の残りの成分は鉄（Ｆｅ）である。但し、通常の製造過程では、原料又は周囲環境から意図しない不純物が不可避に混入される可能性があるため、これを排除することはできない。これらの不純物は通常の製造過程の技術者であれば誰でも分かるものであるため、本明細書ではその詳細な内容を省略する。
本発明の鋼材は、上記成分に加えて、重量％で、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．１％、カルシウム（Ｃａ）：０．００１〜０．０１％をさらに含むことができる。
硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．１％
硫黄は、一般にマンガンと共に添加されて化合物である硫化マンガンを形成し、切削加工時に容易に切断され分離されて切削性を向上させる元素として知られている。切削加工熱によって溶融されるため、チップと切削工具との摩擦力を減少させ、これにより、工具の表面潤滑による切削工具の磨耗減少、切削工具上での切削チップの蓄積防止等の効果をもたらすため、切削工具の寿命を増加させる。但し、硫黄の含量が多すぎる場合は、熱間加工時に延伸された多量の粗大な硫化マンガンによって鋼材の機械的特性を減少させ、硫化鉄の形成によって熱間加工性を害する可能性があるため、その上限を０．１％とすることが好ましい。これに対し、硫黄が０．０３％未満添加される場合は、切削性改善の効果がないため、その下限を０．０３％に制限することが好ましい。
硫黄は、一般にマンガンと共に添加されて化合物である硫化マンガンを形成し、切削加工時に容易に切断され分離されて切削性を向上させる元素として知られている。切削加工熱によって溶融されるため、チップと切削工具との摩擦力を減少させ、これにより、工具の表面潤滑による切削工具の磨耗減少、切削工具上での切削チップの蓄積防止等の効果をもたらすため、切削工具の寿命を増加させる。但し、硫黄の含量が多すぎる場合は、熱間加工時に延伸された多量の粗大な硫化マンガンによって鋼材の機械的特性を減少させ、硫化鉄の形成によって熱間加工性を害する可能性があるため、その上限を０．１％とすることが好ましい。これに対し、硫黄が０．０３％未満添加される場合は、切削性改善の効果がないため、その下限を０．０３％に制限することが好ましい。
カルシウム（Ｃａ）：０．００１〜０．０１％
カルシウムは、硫化マンガンの形状を制御するために主に用いられる元素である。カルシウムは、硫黄に対して大きな親和力を有するため、カルシウム硫化物を形成すると共に硫化マンガンに固溶されて存在し、上記カルシウム硫化物を核として硫化マンガンが晶出するため、熱間加工時に硫化マンガンの延伸を抑制して球状の形状を維持するようにすることにより被削性を改善させる。但し、カルシウムの含量が０．０１％を超える場合は、効果が飽和し、また、カルシウムの実収率が低いことから含有量を増やすには多量添加される必要があるため、製造コストの面で好ましくなく、０．００１％未満の場合は、効果が少ないため、その下限を０．００１％に制限することが好ましい。
カルシウムは、硫化マンガンの形状を制御するために主に用いられる元素である。カルシウムは、硫黄に対して大きな親和力を有するため、カルシウム硫化物を形成すると共に硫化マンガンに固溶されて存在し、上記カルシウム硫化物を核として硫化マンガンが晶出するため、熱間加工時に硫化マンガンの延伸を抑制して球状の形状を維持するようにすることにより被削性を改善させる。但し、カルシウムの含量が０．０１％を超える場合は、効果が飽和し、また、カルシウムの実収率が低いことから含有量を増やすには多量添加される必要があるため、製造コストの面で好ましくなく、０．００１％未満の場合は、効果が少ないため、その下限を０．００１％に制限することが好ましい。
本発明の鋼材は、上記成分に加えて、必要に応じて、重量％で、チタニウム（Ｔｉ）：０．５％以下、ニオビウム（Ｎｂ）：０．５％以下、バナジウム（Ｖ）：０．５％以下、窒素（Ｎ）：１％以下のうち１種以上をさらに含むことができる。
チタニウム（Ｔｉ）：０．５％以下
チタニウムは、固溶及び析出硬化効果によって強度を増加させる元素であって、特に、溶接熱影響部でチタン炭／窒化物によって結晶粒成長を抑制して強度の劣化を防止することができる有利な元素である。但し、チタニウムの含量が０．５％を超える場合は、粗大な析出物が生成されて、却って鋼材の物性を劣化させるため、その含量の上限を０．５％に限定することが好ましい。
チタニウムは、固溶及び析出硬化効果によって強度を増加させる元素であって、特に、溶接熱影響部でチタン炭／窒化物によって結晶粒成長を抑制して強度の劣化を防止することができる有利な元素である。但し、チタニウムの含量が０．５％を超える場合は、粗大な析出物が生成されて、却って鋼材の物性を劣化させるため、その含量の上限を０．５％に限定することが好ましい。
ニオビウム（Ｎｂ）：０．５％以下
ニオビウムは、固溶及び析出硬化効果によって強度を増加させる元素であって、特に、鋼の再結晶停止温度（Ｔｎｒ）を増加させて低温圧延時に結晶粒の微細化によって降伏強度を向上させることができる元素である。但し、ニオビウムの含量が０．５％を超える場合は、粗大な析出物が生成されて、却って鋼材の物性を劣化させるため、その含量の上限を０．５％に限定することが好ましい。
ニオビウムは、固溶及び析出硬化効果によって強度を増加させる元素であって、特に、鋼の再結晶停止温度（Ｔｎｒ）を増加させて低温圧延時に結晶粒の微細化によって降伏強度を向上させることができる元素である。但し、ニオビウムの含量が０．５％を超える場合は、粗大な析出物が生成されて、却って鋼材の物性を劣化させるため、その含量の上限を０．５％に限定することが好ましい。
バナジウム（Ｖ）：０．５％以下
バナジウムは、固溶及び析出硬化効果によって強度を増加させる元素である。但し、バナジウムが０．５％を超える場合は、粗大な析出物が生成されて、却って鋼材の物性を劣化させるため、その含量の上限を０．５％に限定することが好ましい。
バナジウムは、固溶及び析出硬化効果によって強度を増加させる元素である。但し、バナジウムが０．５％を超える場合は、粗大な析出物が生成されて、却って鋼材の物性を劣化させるため、その含量の上限を０．５％に限定することが好ましい。
窒素（Ｎ）：１％以下
窒素は、炭素と共にオーステナイトを安定化させる元素であって、特に、炭素のように固溶強化によって強度を向上させるのに非常に有利な元素である。但し、窒素が１％を超えて含まれる場合は、粗大な窒化物が形成されて鋼材の物性を劣化させる。したがって、上記窒素の含量を１％以下に限定することが好ましい。
窒素は、炭素と共にオーステナイトを安定化させる元素であって、特に、炭素のように固溶強化によって強度を向上させるのに非常に有利な元素である。但し、窒素が１％を超えて含まれる場合は、粗大な窒化物が形成されて鋼材の物性を劣化させる。したがって、上記窒素の含量を１％以下に限定することが好ましい。
上述した組成の鋼材は、オーステナイト系組織を有し且つ溶接熱影響部の極低温靱性に優れる。本発明の好ましい一具現例によれば、本発明の鋼材は、溶接熱影響部の−１９６℃でのシャルピー衝撃値が４１Ｊ以上であれば良い。
本発明の鋼材は上述した成分系を満たす成分範囲内で熱間圧延及び冷却工程により製造されるか又は熱間圧延後に再加熱及び冷却工程により製造されることができ、溶接熱影響部の微細組織はオーステナイトが面積分率で９５％以上であることが好ましい。上記オーステナイトの他に、マルテンサイト、ベイナイト、パーライト、フェライト等の不可避に形成された不純組織が一部含まれることができる。なお、各組織の含量は、炭化物等の析出物を含まず、鋼材の相（ｐｈａｓｅ）の合わせた和を１００％としたときの含量である。また、本発明の鋼材において、溶接熱影響部の微細組織は、オーステナイト粒界に存在する炭化物が面積分率で５％以下であることが好ましい。
上記オーステナイト組織の分率を確認する基準としての極低温温度は−１９６℃に決める。即ち、オーステナイト組織分率が上述した範囲を外れる場合は、十分な靱性、即ち、−１９６℃で４１Ｊ以上の衝撃靱性が得られない。
以下では、上述した本発明の溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材を製造する方法を説明する。
本発明は、一実施態様では、上述した組成を満たすスラブを粗圧延、仕上げ圧延及びそれに伴う後続冷却によって製造された鋼板（鋼材）同士を溶接して溶接熱影響部を得る。その後、上記溶接熱影響部を冷却速度１０℃／ｓ以上で冷却する。
上記溶接熱影響部の冷却速度を１０℃／ｓ以上に設定した理由は、溶接熱影響部におけるオーステナイトが面積分率で９５％以上、オーステナイト粒界に存在する炭化物が面積分率で５％以下の組織を得るためである。即ち、上記の冷却速度は、炭化物形成元素であるＣｒ、Ｃの添加量の大きい場合に炭化物形成を抑制するのに有利な冷却速度である。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。但し、下記実施例は、本発明をより詳細に説明するための例に過ぎず、本発明の権利範囲を制限するものではない。
［実施例１］
下記表１に記載の成分系を満たすスラブを表２に示されているような条件で加熱−熱間圧延−冷却−溶接して鋼材を製造した後、微細組織、降伏強度、引張強度、延伸率、溶接熱影響部（ＨＡＺ）のシャルピー衝撃靱性等を測定して下記表３に示した。表１において、各成分の含量単位は重量％である。
下記表１に記載の成分系を満たすスラブを表２に示されているような条件で加熱−熱間圧延−冷却−溶接して鋼材を製造した後、微細組織、降伏強度、引張強度、延伸率、溶接熱影響部（ＨＡＺ）のシャルピー衝撃靱性等を測定して下記表３に示した。表１において、各成分の含量単位は重量％である。
発明例Ａ１〜Ａ９は、本発明で制御する成分系及び組成範囲を満たす鋼種であり、溶接熱影響部内での炭化物形成を面積分率で５％以下に制御し、安定なオーステナイトが得られ、極低温で優れた靱性が得られることを示している。また、比較的低いマンガン含量範囲でも適切な含量の炭素添加によって安定なオーステナイトが得られ、特に、炭素の含量が高い場合は銅添加によって炭化物形成を抑制することができ、強度及びオーステナイト安定度の向上によって衝撃靱性が向上した。特に、発明例Ａ９は、銅を約２．１％添加することにより炭化物が効果的に抑制され、また、銅を添加しなかった比較例７に比べても上記効果に優れる。
これに対し、比較例Ａ１は、炭素の含量が本発明で制御する範囲に該当せず、オーステナイト安定化効果が足りないため、準安定相であるイプシロンマルテンサイトの形成によって靱性が良くない。
また、比較例Ａ２は、炭素が本発明で制御する範囲を超えて添加されたことにより、炭化物が形成されて延伸率及び靱性が低下した。また、比較例Ａ３及びＡ４は、炭素が本発明で制御する範囲に該当するが、マンガンの含量が足りないため、極低温におけるオーステナイト安定性が減少し、極低温における衝撃試験時にオーステナイトの加工誘起変態によって衝撃靱性が良くない。
また、比較例Ａ５は、マンガン及び炭素の含量が本発明で制御する範囲に該当するが、銅が本発明で制御する範囲以上添加されたことにより材料の熱間加工性が急激に劣化し、熱間加工時にクラックが多く発生し、健全な圧延材が得られなかった。
また、比較例Ａ６は、マンガン及び炭素の含量がすべて本発明で制御する範囲に該当しないことから、フェライトが形成されて衝撃靱性が良くない。
また、比較例Ａ７は、マンガンの含量が本発明で制御する範囲に該当せず、極低温におけるオーステナイト安定性が減少し、極低温における衝撃試験時にオーステナイトの加工誘起変態によって衝撃靱性が良くない。
また、比較例Ａ８は、炭素及びマンガンの含量がすべて本発明で制御する範囲に該当するが、クロムが本発明で制御する範囲以上添加されたことにより、炭化物が析出して衝撃靱性が良くない。
また、比較例Ａ９は、組成が本発明で規定する範囲を満たすが、溶接熱影響部の冷却速度が１０℃／ｓに達しておらず、炭化物が多量生成されて低温靱性が良くない。
図２は上記発明例Ａ３により製造された鋼板の微細組織写真を示したものであり、これから全ての組織がオーステナイトと面積分率で５％以内の炭化物からなっていることが確認でき、図３は同一発明例の極低温衝撃試験片の破面写真を示したものであり、延性破壊の形状を示しており、これから本発明の成分系及び組成範囲の制御によってオーステナイト安定化が効果的に可能であったことが確認できる。
したがって、本発明の有利な効果が確認できる。
［実施例２］
下記表４に記載の成分系を満たす発明例及び比較例として、連続鋳造を用いて鋼スラブを製造した。表４において、各成分の含量単位は重量％である。
下記表４に記載の成分系を満たす発明例及び比較例として、連続鋳造を用いて鋼スラブを製造した。表４において、各成分の含量単位は重量％である。
このように製造された鋼スラブを表５の条件で加熱してから、熱間仕上げ圧延し冷却した後、溶接して、溶接熱影響部を冷却した。
上記製造された鋼材について、溶接熱影響部の炭化物の面積分率、降伏強度、引張強度、延伸率、溶接熱影響部の−１９６℃でのシャルピー衝撃値を測定して下記表３に示した。被削性評価のために、直径１０ｍｍの高速工具鋼ドリルを用いて回転速度１３０ｒｐｍ、ドリル送り速度０．０８ｍｍ／ｒｅｖの条件で鋼材に穴を繰り返し空け、ドリルが磨耗されて寿命が尽きるまでの穴数を測定して表６に記載した。
本実施例は、炭素、マンガン、クロム、銅の含量が本発明で制御する成分系及び組成範囲をすべて満たす鋼種であり、銅添加によって溶接熱影響部における粒界炭化物析出が効果的に抑制され、その面積分率が５％以下に制御されたため、低温靱性に優れる。具体的には、高い炭素含量でも銅添加によって炭化物が効果的に抑制されたため、目標とする微細組織及び物性が得られた。
比較例Ｂ１〜Ｂ５は、カルシウム及び硫黄の含量が本発明で制御する組成範囲を満たしていない鋼種であり、被削性が劣る。
これに対し、発明例Ｂ１〜Ｂ５は、硫黄及びカルシウムの添加量が本発明で制御する成分系及び組成範囲をすべて満たす鋼種であり、比較例と比較して被削性に優れる。特に、発明例Ｂ２〜Ｂ４は、硫黄含量を変化させたものであり、硫黄含量の増加によって被削性がより改善された。
図４は、硫黄含量による被削性を示したものであり、これから硫黄含量の増加によって被削性が増加したことが確認できる。
Claims (8)
- 重量％で、マンガン（Ｍｎ）：１５〜３５％、２３．６Ｃ＋Ｍｎ≧２８及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満たす炭素（Ｃ）（０％は除く）、銅（Ｃｕ）：５％以下（０％は除く）、２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７を満たすクロム（Ｃｒ）（０％は除く）、残部鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避不純物からなる組成を有し、溶接熱影響部の−１９６℃でのシャルピー衝撃値が４１Ｊ以上である、溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材。
- 前記鋼材は、重量％で、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．１％、カルシウム（Ｃａ）：０．００１〜０．０１％をさらに含む、請求項１に記載の溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材。
- 前記鋼材は、重量％で、チタニウム（Ｔｉ）：０．５％以下、ニオビウム（Ｎｂ）：０．５％以下、バナジウム（Ｖ）：０．５％以下、窒素（Ｎ）：１％以下のうち１種以上をさらに含む、請求項１又は２に記載の溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材。
- 前記溶接熱影響部の微細組織は、オーステナイトが面積分率で９５％以上である、請求項１又は２に記載の溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材。
- 前記溶接熱影響部のオーステナイト粒界に存在する炭化物が面積分率で５％以下である、請求項１又は２に記載の溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材。
- 重量％で、マンガン（Ｍｎ）：１５〜３５％、２３．６Ｃ＋Ｍｎ≧２８及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満たす炭素（Ｃ）（０％は除く）、銅（Ｃｕ）：５％以下（０％は除く）、２８．５Ｃ＋４．４Ｃｒ≦５７を満たすクロム（Ｃｒ）（０％は除く）、残部鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避不純物からなる組成を有する鋼材を溶接して溶接熱影響部を得る段階と、
前記溶接熱影響部を冷却速度１０℃／ｓ以上で冷却する段階と、
を含み、溶接熱影響部の−１９６℃でのシャルピー衝撃値が４１Ｊ以上である、溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材の製造方法。 - 前記鋼材は、重量％で、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．１％、カルシウム（Ｃａ）：０．００１〜０．０１％をさらに含む、請求項６に記載の溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材の製造方法。
- 前記鋼材は、重量％で、チタニウム（Ｔｉ）：０．５％以下、ニオビウム（Ｎｂ）：０．５％以下、バナジウム（Ｖ）：０．５％以下、窒素（Ｎ）：１％以下のうち１種以上をさらに含む、請求項６又は７に記載の溶接熱影響部における極低温靱性に優れたオーステナイト系鋼材の製造方法。
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