JP6354572B2 - 低温用h形鋼及びその製造方法 - Google Patents
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C:0.06〜0.12%、
Si:0.05〜0.40%、
Mn:0.80〜2.00%、
V:0.04〜0.09%、
Ti:0.005〜0.025%、
Cu:0.01〜0.60%、
Ni:0.01〜0.50%、
N:0.0020〜0.0120%、
を含有し、
Al:0.06%以下、
O:0.0035%以下
に制限し、残部がFe及び不可避不純物からなり、VとNとの含有量[質量%]の比V/Nが7.0〜22.0であり、下記式(1)で求められるCEが0.42以下であり、フランジの板厚が12〜40mmであり、フランジの板厚の外側から1/4の位置かつフランジ幅の外側から1/6の位置でのフェライトの面積率が75%以上、フェライト粒径が14μm以下であることを特徴とする低温用H形鋼。
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ・・・(1)
ここで、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは、各元素の含有量[質量%]である。
[2] 更に、質量%で
Mo:0.10%以下、
Cr:0.20%以下
のうちの1種又は2種を含有することを特徴とする上記[1]に記載の低温用H形鋼。
[3] 更に、質量%で、
REM:0.010%以下、
Ca:0.0050%以下
のうちの1種又は2種を含有することを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の低温用H形鋼。
[4] C及びMnの含有量が、質量%で、
C:0.06〜0.10%、
Mn:0.80〜1.60%
であり、
VとNとの含有量[質量%]の比V/Nが7.0〜18.0であり、フランジの板厚の外側から1/4の位置かつフランジ幅の外側から1/6の位置でのフェライトの面積率が80%以上であることを特徴とする上記[1]〜[3]の何れか1項に記載の低温用H形鋼。
[5] 上記[1]〜[3]の何れか1項に記載の低温用H形鋼の製造方法であって、上記[1]〜[3]の何れか1項に記載の成分からなる鋼片を1100〜1350℃に加熱し、フランジの表面温度が900℃以下での累積圧下率を10%以上として熱間圧延し、空冷することを特徴とする低温用H形鋼の製造方法。
[6] 上記[4]に記載の低温用H形鋼の製造方法であって、上記[4]に記載の成分からなる鋼片を1100〜1350℃に加熱し、フランジの表面温度が900℃以下での累積圧下率を20%以上として熱間圧延し、空冷することを特徴とする低温用H形鋼の製造方法。
まず、本発明のH形鋼の成分組成について説明する。
C:0.06〜0.12%
Cは、鋼の強化に有効な元素であり、含有量の下限値を0.06%以上とする。C含有量は、0.08%以上であることが好ましい。一方、C量が0.12%を超えるとCEが増加し、HAZ靱性が低下する。したがって、C量の上限を0.12%以下とする。−60℃においても良好な靭性を発揮するために、C含有量は、0.10%以下であることが好ましい。
Siは、脱酸元素であり、強度の向上にも寄与するため、本発明では、Si量の下限を0.05%以上とする。Si含有量は、0.10%以上であることが好ましい。一方、Si量が0.40%を超えると、溶接部で島状マルテンサイトが生成し、靭性を低下させる。溶接熱影響部の靱性を向上させるためには、Si含有量の上限を0.40%以下とする。Si含有量は、0.30%以下であることが好ましい。
Mnは、強度を確保するため、0.80%以上を添加する。Mn含有量は好ましくは、1.00%以上、より好ましくは1.20%以上、更に好ましくは、1.30%以上とする。一方、2.00%を超えるMnを添加すると、母材及び溶接熱影響部の靱性、割れ性などを損なう。したがって、Mn量の上限を2.00%以下とする。Mn含有量は好ましくは、1.80%以下とする。−60℃においても良好な靭性を発揮するために、より好ましくはMn含有量を1.60%以下とする。
Vは、フェライトの核生成サイトとして機能するVNを形成する元素である。本発明では、フェライトの結晶粒を微細化するために、V含有量を0.04%以上とする。V含有量は好ましくは0.05%以上とする。一方、0.09%を超えてVを添加すると、析出硬化によって靭性が低下するため、上限を0.09%以下とする。V含有量は好ましくは、0.08%以下、より好ましくは0.07%以下とする。
Tiは、本発明では重要な元素であり、Vによる結晶粒の微細化の効果を発現させるために、0.005%以上を添加する。VとTiとを同時に添加することによって、結晶粒が微細化する理由は、必ずしも明らかではないが、TiNとVNとの複合析出により、微細なVNが析出し、核生成の頻度が増加するためであると考えられる。Ti含有量は好ましくは、0.006%以上、より好ましくは0.010%以上とする。一方、0.025%を超えてTiを添加すると、析出物の粗大化や、VNの析出の減少により、低温靱性が低下するため、上限を0.025%以下とする。Ti含有量は好ましくは0.018%以下、より好ましくは0.015%以下とする。
Cuは、強度の向上に寄与する元素であり、0.01%以上を添加する。Cu含有量は好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上とする。一方、0.60%を超えるCuを添加すると、強度が過剰に上昇し、低温靭性が低下するため、上限を0.60%以下とする。Cu含有量は好ましく0.50%以下とし、より好ましくは0.30%以下とする。
Niは、強度及び靭性を高めるために、極めて有効な元素である。特に、靭性を高めるために、本発明では、Ni含有量を0.01%以上とする。Ni含有量は好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上とする。一方、Niは高価な元素であり、合金コストの上昇を抑制するため、上限を0.50%以下とする。Ni含有量は好ましくは0.30%以下とする。
Nは、窒化物を形成する元素であり、VNによる結晶粒の微細化を促進させるために、N含有量を0.0020%以上とする。N含有量は好ましくは0.0040%以上とする。一方、N量が0.0120%を超えると、析出物が過剰に生成し、靭性を損なうため、N量の上限を0.0120%以下とする。N含有量は好ましくは0.0100%以下、より好ましくは0.0070%以下とする。また、析出物を制御するためには、VとNとの含有量の比(V/N)を一定の範囲内とすることが必要である。
Alは、脱酸元素であり、0.01%以上を添加することが好ましい。一方、0.06%を超えてAlを添加すると、粗大な介在物の形成によって靭性が低下するため、0.06%以下に制限する。Al含有量は好ましくは0.05%以下、より好ましくは0.04%以下とする。
Oは、不純物であり、酸化物の生成を抑制して靭性を確保するため、O含有量の上限を0.0035%以下に制限する。HAZ靭性を向上させるには、O含有量を0.0015以下にすることが好ましい。O含有量を0.0005%未満にしようとすると、製造コストが高くなるため、O含有量は0.0005%以上が好ましい。
VNの析出量を確保して結晶粒を微細化するには、V含有量[質量%]とN含有量[質量%]との比、即ち、V/Nを適正な範囲とすることが必要である。V、Nの何れかが不足するとVNの析出量が減少し、微細化効果は得られない。また、V、Nの何れか一方を過剰に含有すると、靭性に悪影響を及ぼす。本発明では、結晶粒を微細化して、低温靱性を確保するため、V/Nを7.0〜22.0の範囲内とする。好ましくは、V/Nを9.0以上とする。また、−60℃においても良好な靭性を発揮するために、V/Nの上限を18.0以下にすることが好ましく、より好ましくはV/Nを15.0以下とする。
CEは、焼入れ性の指標であり、強度を確保するために高めることが好ましい。しかし、CEが0.42を超えると、特に溶接部の靱性が低下するため、0.42以下とする。CEは、下記式(1)で求めることができる。下記式(1)において、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは、各元素の含有量[質量%]であり、選択的に添加されるCr、Moを含有しない場合は、これらの含有量を0としてCEを求める。
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ・・・(1)
Mo:0.10%以下
Moは、強度の向上に寄与する元素である。しかし、0.10%を超えてMoを添加すると、Mo炭化物(Mo2C)を析出し、特に溶接熱影響部の靱性を劣化させることがあるため、0.10%以下に制限することが好ましい。Mo含有量の上限は、0.05%以下がより好ましい。Mo含有量の下限は、0.01%以上が好ましい。
Crも強度の向上に寄与する元素である。しかし、0.20%を超えてCrを添加すると炭化物を生成し、靭性を損なうことがあるため、Cr含有量の上限を0.20%以下に制限することが好ましい。Cr含有量の好ましい上限は0.10%以下である。Cr含有量の下限は0.01%以上が好ましい。
REM:0.010%以下、Ca:0.0050%以下
REM及びCaは、脱酸元素であり、硫化物の形態の制御にも寄与するため、添加してもよい。しかし、REM、Caの酸化物は溶鋼中で容易に浮上するため、鋼中に含有されるREMの上限は0.010%以下、Caの上限は0.0050%以下である。好ましくは、REM及びCaの含有量の下限は、それぞれ0.0005%以上とする。
本発明のH形鋼の場合、フランジの特性が重要である。このため、H形鋼の金属組織の観察および機械特性(強度およびシャルピー衝撃吸収エネルギー)の測定は、図2に示すH形鋼の幅方向断面におけるフランジの板厚(tf)の外側から1/4の位置((1/4)tf)かつフランジ幅(F)の外側から1/6の位置((1/6)F)から、試料片を採取して行う。図2の(1/4)tfかつ(1/6)Fの位置において、金属組織および機械特性を評価するのは、(1/6)Fの位置が圧延時に最も温度の低いフランジ先端とフランジ中央の中間近くであり、かつJIS、EN、ASTMなどで強度試験の規格部位とされることもある位置であるため、(1/4)tfかつ(1/6)Fの位置がH形鋼の平均的な機械特性を示すと判断したためである。
溶接熱影響部の−40℃及び−60℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギーとCTOD値の目標値は、母材と同等である。母材の−40℃及び−60℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギーは、100J以上であることがより好ましい。また、母材のCTOD値は、0.30mm以上であることがより好ましい。
製鋼工程では、上述のように、溶鋼の化学成分を調整した後、鋳造し、鋼片を得る。鋳造は、生産性の観点から、連続鋳造が好ましい。また、鋼片の厚みは、生産性の観点から、200mm以上とすることが好ましく、偏析の低減や、熱間圧延における加熱温度の均質性などを考慮すると、350mm以下が好ましい。
パス間水冷圧延加工では、圧下率が小さい場合でも、板厚の内部まで加工歪みを導入することができる。また、水冷により圧延温度を短時間で低下させることによって、生産性も向上する。
Ar3(℃)=868−396C+24.6Si−68.1Mn−36.1Ni−20.7Cu−24.8Cr+29.6Mo
また、熱間圧延後、強度を調整するために熱処理を施すことができる。
なお、2ヒート圧延を行う場合、フランジの表面温度が900℃以下での累積圧下率とは、再加熱後の900℃以下における累積圧下率を意味する。
機械特性として、降伏点(YP)、引張強度(TS)、−40℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−40)を測定した。引張試験は、JIS Z 2241に準拠して行い、シャルピー衝撃試験は、JIS Z 2242に準拠して−40℃で行った。一部の試験片は、JIS Z 2242に準拠して、−60℃でシャルピー衝撃試験を行い、−60℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−60)を測定した。
製造No.10はフランジ厚が大きく、製造No.13は累積圧下率が不足しており、結晶粒が微細化しなかった例であり、低温靭性が劣化している。
製造No.11はC含有量が多く、フェライト分率が75%以下となったために靭性が低下した例である。
製造No.14は、製造No.6とほぼ同成分、同圧延条件だが、Ti添加量が不足しており、結晶粒径が粗大化したために靭性が低下した例である。
No.15はCEが大きく、靱性が低下した例である。No.16はCu含有量が多く、No.17はN含有量が多く、靱性が低下した例である。
2 水冷装置
3 仕上げ圧延機
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.06〜0.12%、
Si:0.05〜0.40%、
Mn:0.80〜2.00%、
V:0.04〜0.09%、
Ti:0.005〜0.025%、
Cu:0.01〜0.60%、
Ni:0.01〜0.50%、
N:0.0020〜0.0120%、
を含有し、
Al:0.06%以下、
O:0.0035%以下
に制限し、残部がFe及び不可避不純物からなり、VとNとの含有量[質量%]の比V/Nが7.0〜22.0であり、下記式(1)で求められるCEが0.42以下であり、フランジの板厚が12〜40mmであり、フランジの板厚の外側から1/4の位置かつフランジ幅の外側から1/6の位置でのフェライトの面積率が75%以上、フェライト粒径が14μm以下であることを特徴とする低温用H形鋼。
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ・・・ (1)
ここで、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは、各元素の含有量[質量%]である。 - 更に、質量%で
Mo:0.10%以下、
Cr:0.20%以下
のうちの1種又は2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の低温用H形鋼。 - 更に、質量%で、
REM:0.010%以下、
Ca:0.0050%以下
のうちの1種又は2種を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の低温用H形鋼。 - C及びMnの含有量が、質量%で、
C:0.06〜0.10%、
Mn:0.80〜1.60%
であり、
VとNとの含有量[質量%]の比V/Nが7.0〜18.0であり、フランジの板厚の外側から1/4の位置かつフランジ幅の外側から1/6の位置でのフェライトの面積率が80%以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の低温用H形鋼。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載の低温用H形鋼の製造方法であって、請求項1〜3の何れか1項に記載の成分からなる鋼片を1100〜1350℃に加熱し、フランジの表面温度が900℃以下での累積圧下率を10%以上として熱間圧延し、空冷することを特徴とする低温用H形鋼の製造方法。
- 請求項4に記載の低温用H形鋼の製造方法であって、請求項4に記載の成分からなる鋼片を1100〜1350℃に加熱し、フランジの表面温度が900℃以下での累積圧下率を20%以上として熱間圧延し、空冷することを特徴とする低温用H形鋼の製造方法。
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