JP6718510B2 - 熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
平面の加工は、板材成形時になされるため、船舶、海洋構造物の建造では、別途の工程を経ることなく外観を成形するが、曲面成形の場合には、板材を加工する過程を経るため、鋼板の表面を加熱する線状加熱作業が行われる。
線状加熱による曲げ加工は、加熱部の熱膨張とその後の冷却によって収縮する時、周囲の非加熱領域からの拘束によって変形される性質を利用する。
また、鋼板の表面の加熱、冷却の熱サイクルによって脆化し、靭性の低下をもたらす可能性もある。
したがって、線状加熱後も降伏強度、引張強度及び衝撃靭性に優れた熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板及びその製造方法に対する開発が求められている。
なお、本発明の課題は上述した内容に限定されない。本発明の課題は本明細書全般の内容から理解され、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であれば本発明の更なる課題を理解するのに何の問題もないはずである。
本発明者らは、船舶、及び海洋建築構造物の外観が曲面を有するように高強度構造用鋼板を線状加熱して曲げ加工する場合、線状加熱後の鋼板の物性が低下する虞があることを見出した。
このような線状加熱は鋼板の表面を600〜900℃まで加熱するため、基地組織及び結晶粒界の軟化、結晶粒の成長、カーバイド(Fe3C)の粗大化などによって強度及び靭性が同時に低下する現象が発生する。
また、オーステナイト開始変態温度までの加熱は転位の焼鈍などにより材質の劣化を発生させ、変態温度以上又は再結晶温度以上に加熱する場合は主に結晶粒の成長によって材質の劣化がもたらされる。
本発明の一実施形態による熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板は、重量%で、C:0.03〜0.07%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.6〜2.3%、P:0.008%以下、S:0.002%以下、Al:0.025%以下、Cu:0.1〜0.4%、Ni:1.4〜2.3%、Mo:0.08〜0.2%、Nb:0.01〜0.025%、Ti:0.008〜0.02%、N:0.001〜0.008%、残部Fe及び不可避不純物を含み、表面から10mm以内での微細組織は90%以上の針状フェライトを含む。
Cは強度を確保するのに非常に重要な元素である。
C含量は十分な強度を確保するために0.03%以上添加することが好ましい。しかし、過剰に添加する場合は線状加熱後の冷却中に粗大な炭化物を形成し、衝撃靭性を低下させる虞があるため、その上限は0.07%であることが好ましい。
Siは脱酸剤として有用な元素であるが、その含量が多すぎる場合は靭性の低下の原因になる可能性がある。脱酸のためにはSi含量が0.05%以上であることが好ましく、Si含量が0.2%を超える場合は靭性が低下する虞がある。したがって、Si含量は0.05〜0.2%であることが好ましい。
Mnは固溶強化元素として強度を向上させ、結晶粒の微細化及び母材の靭性を改善する効果を有する。また、Ar3温度を低くし、低温圧延及び強冷によってポリゴナルフェライトの形成を最小化することができる。
Mn含量は上記効果を十分に示すために1.6%以上添加することが好ましい。しかし、過剰に添加する場合は中心部にMnSの非金属介在物を形成し、このMnS介在物は圧延後延伸し、低温靭性を大きく低下させる可能性がある。したがって、その上限は2.3%であることが好ましい。
Pは強度向上と耐食性に有利な元素であるが、衝撃靭性を大きく低下させる元素であるため、できる限り低く維持するのがよい。したがって、その上限を0.008%とすることが好ましい。
SはMnSなどを形成し、衝撃靭性を大きく低下させるため、できる限り低くするのがよい。したがって、その上限を0.002%とすることが好ましい。
Alは効果的に脱酸することができる元素であり、0.005〜0.025%に制御することが好ましい。その下限を特に制御する必要はないが、脱酸のために0.005%以上含まれるのがよい。
Cuは固溶強化及び析出強化元素であり、母材の靭性低下を最小化しつつ強度を向上させることができる元素である。Cu含量は十分な強度向上の効果を達成するために0.1%以上含有されることが好ましい。しかし、過剰な添加は熱間脆性による鋼材の表面の欠陥をもたらす可能性があるため、その上限は0.4%以下とすることが好ましい。
Niは母材の強度と靭性を同時に向上させることができる元素である。また、Ar3温度を低くし、低温圧延及び強冷によってポリゴナルフェライトの形成を最小化することができる。
Ni含量が1.4%未満の場合は上記の効果が十分でなく、Ni含量が2.3%を超える場合は硬化能が上昇し、ベイナイトの形成によって衝撃靭性が低下する虞がある。したがって、Ni含量は1.4〜2.3%とすることが好ましい。
Moは少量の添加によって強度を効果的に上昇させる元素であり、線状加熱後に微細なMo−C系の析出物を形成し、強度の低下を防止するためには、0.08%以上添加することが好ましい。しかし、過剰なMoの添加によって析出物の粗大化が発生する可能性があるため、その上限は0.2%以下であることが好ましい。
線状加熱前に鋼板に固溶していたNbは、線状加熱時にNbC、NbCNなどの形で析出し、母材の強度を向上させる。これは、線状加熱後の強度の維持に重要であり、Nbの添加効果を有効に発揮するためには0.01%以上添加されなければならない。しかし、過剰なNbの添加によって析出物の粗大化が発生する虞があるため、その上限は0.025%以下であることが好ましい。
TiはNと共に窒化物を形成し、高温で結晶粒が成長することを防止する。このような効果を十分に確保するために、Tiは0.008%以上含まれることが好ましい。しかし、過剰なTiの添加はTi析出物の粗大化によって衝撃靭性が低下するという問題があるため、その上限は0.02%であることが好ましい。
NはTi、Nb、Alなどと共に析出物を形成し、再加熱時にオーステナイト組織を微細化し、強度と靭性を向上させる元素である。
N含量が0.001%未満の場合は上記の効果が十分に得られない。これに対し、N含量が0.008%を超える場合は高温で表面クラックを誘発する可能性があり、残留するNは原子の状態で存在し、靭性を低下させる虞がある。したがって、N含量は0.001〜0.008%であることが好ましい。
本発明の一実施形態による熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板の表面から10mm以内での微細組織は、体積分率で80%以上の針状フェライト及び20%以下のポリゴナルフェライトを含む。
ポリゴナルフェライトは加熱による結晶粒の成長が容易になされるため、ポリゴナルフェライトが表面から10mm以内での微細組織に20体積%を超えて存在する場合には、線状加熱時に結晶粒が成長し、粗大なカーバイドを形成し、基地組織の劣化の原因になる虞がある。
上記のように合金組成及び微細組織を制御することにより、上記鋼板は降伏強度が500MPa以上、引張強度が600MPa以上、−40℃での衝撃靭性が100J以上となる。これにより、船舶、及び海洋建築構造物などに好ましく利用することができる。
上記の合金組成及び微細組織を有する熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板を線状加熱するとき、Mo2C析出物及びNbC析出物のいずれか一つ以上が析出するようになる。
また、線状加熱は一般的に鋼板の表面を600〜900℃まで加熱するが、比較的低温の600〜800℃では鋼板に固溶していたMoが線状加熱後の冷却時にMo2Cとして析出し、比較的高温の800℃以上では鋼板に固溶していたNbが線状加熱後冷却時にNbCとして析出する。
上記Mo2C析出物又はNbC析出物は結晶粒界に析出して結晶粒の成長を抑制(pinning効果)し、粗大なカーバイドの形成を防止するという効果がある。また、Cが析出物として多く消耗されることにより、カーバイドの生成及び粗大化を防止することができる。この際、上記Mo2C析出物及びNbC析出物の大きさは2〜20nmであることが好ましい。
したがって、本発明による鋼板は、600〜900℃に線状加熱して曲げ加工を行っても、降伏強度500MPa以上、引張強度600MPa以上、−40℃での衝撃靭性100J以上を確保することができる。
本発明の他の実施形態による熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板の製造方法は、上記の合金組成を有するスラブを再加熱する段階と、再加熱されたスラブを750〜850℃で未再結晶域圧延する段階と、未再結晶域圧延後に、10℃/秒以上の冷却速度で380〜440℃の冷却終了温度まで冷却する段階と、を含む。
上記の合金組成を有するスラブを再加熱する。上記スラブの再加熱温度は特に限定されないが、1100〜1200℃とすることが好ましい。
未再結晶域圧延段階
上記再加熱されたスラブを750〜850℃で未再結晶域圧延する。これは結晶粒を微細化するためである。
結晶粒を微細化するためには、未再結晶圧延がAr3温度直上のできる限り低い温度で行われなければならないが、本発明ではMn、Niの含量を高くすることにより十分に低いAr3温度を有するようになるため、750℃以上で未再結晶域圧延を行うことが好ましい。また、未再結晶圧延温度が850℃を超える場合は結晶粒の微細化が困難になり、靭性が低下する。したがって、未再結晶圧延温度の上限は850℃であることが好ましく、800℃であることがより好ましい。
未再結晶域圧延後、10℃/秒以上の冷却速度で380〜440℃の冷却終了温度まで冷却する。
上記のように冷却段階を制御することにより、鋼板の表面から10mm以内での微細組織が体積分率で80%以上の針状フェライト及び20%以下のポリゴナルフェライトを含むようにすることができる。
冷却速度が10℃/秒未満であるか又は冷却終了温度が440℃を超える場合は十分な冷却が行われず、ポリゴナルフェライトが多量に形成され、線状加熱時に結晶粒の成長と基地組織の劣化が発生する。
また、上記の冷却された鋼板を600〜900℃で線状加熱して曲げ加工する段階をさらに行うことができる。
上記のような線状加熱により、鋼板の曲げ加工が可能になり、線状加熱後冷却時にMo2C析出物及びNbC析出物が析出することにより、結晶粒の成長を抑制(pinning効果)し、粗大なカーバイドの形成を防止することができる。
下記表1のような合金組成を有する溶鋼を用意した後、連続鋳造を利用して鋼スラブを製造した。発明鋼A、B、Cは本発明で規定した成分範囲を満たす鋼板であり、比較鋼D、F、G、Hは本発明の成分範囲を超えるか又は下回る合金成分が含まれる鋼板である。ここで、比較鋼DはC成分、比較鋼EはMo成分、比較鋼FはNb成分、比較鋼GはNi、Mn成分が本発明の成分範囲を外れるものである。
上記発明鋼及び比較鋼を下記表2の製造条件で圧延、冷却して厚鋼板を製造した。具体的には、圧延終了温度を780℃、880℃とし、冷却終了温度を400℃、600℃として行った。そして、製造された鋼板を線状加熱することができるサイズに切断し、4個の温度条件(600℃、700℃、800℃、900℃)で曲げ加工のための線状加熱を行った。
また、下記表3には上記条件で製造された母材の機械的物性及び線状加熱後の機械的物性を示した。
また、鋼板の表面から10mm以内での微細組織を観察し、ポリゴナルフェライトの体積分率を表3に記載した。ポリゴナルフェライト以外の組織は針状フェライトであった。
具体的には、線状加熱前後とも降伏強度500MPa以上、引張強度600MPa以上、−40℃での衝撃靭性100J以上の特性を示している。
比較例3はCの成分が本発明の成分範囲を超える比較鋼Dを利用したものであり、強度は目標水準を大きく上回っているが、衝撃靭性は顕著に減少することが分かる。これは、粗大なカーバイドの形成によって衝撃テスト時の破壊の原因になるためであるものと判断される。
また、比較例6はMn、Niの成分が本発明の成分範囲を下回る比較鋼Gを利用したものであり、十分に低いAr3温度が確保されず、低温での圧延時にポリゴナルフェライトが多量に形成され、強度と靭性の低下をもたらした。
比較例1は本発明の合金組成は満たしているが、圧延温度が850℃を超え、衝撃靭性が劣った。比較例3は本発明の合金組成は満たしているが、冷却条件が本発明の範囲を外れ、ポリゴナルフェライト分率の増大によって線状加熱後の結晶粒成長による強度と靭性の低下が発生した。
Claims (6)
- 重量%で、C:0.03〜0.07%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.6〜2.3%、P:0.008%以下、S:0.002%以下、Al:0.025%以下、Cu:0.1〜0.4%、Ni:1.4〜2.3%、Mo:0.08〜0.2%、Nb:0.01〜0.025%、Ti:0.008〜0.02%、N:0.001〜0.008%を含有すると共に、残部がFe及び不可避不純物からなり、
表面から10mm以内での微細組織は、体積分率で80%以上の針状フェライト及び20%以下のポリゴナルフェライトを含むことを特徴とする熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板。 - 前記鋼板の厚さは40mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板。
- 前記鋼板は、降伏強度が500MPa以上であり、引張強度が600MPa以上であり、−40℃での衝撃靭性が100J以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板。
- 前記鋼板は、600〜900℃に線状加熱して曲げ加工した後の降伏強度が500MPa以上であり、引張強度が600MPa以上であり、−40℃での衝撃靭性が100J以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板。
- 重量%で、C:0.03〜0.07%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.6〜2.3%、P:0.008%以下、S:0.002%以下、Al:0.025%以下、Cu:0.1〜0.4%、Ni:1.4〜2.3%、Mo:0.08〜0.2%、Nb:0.01〜0.025%、Ti:0.008〜0.02%、N:0.001〜0.008%を含有すると共に、残部がFe及び不可避不純物からなるスラブを再加熱する段階と、
前記再加熱されたスラブを750〜850℃で未再結晶域圧延する段階と、
前記未再結晶域圧延後に、10℃/秒以上の冷却速度で380〜440℃の冷却終了温度まで冷却する段階と、を含み、
表面から10mm以内での微細組織は、体積分率で80%以上の針状フェライト及び20%以下のポリゴナルフェライトを含むことを特徴とする熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板の製造方法。 - 前記冷却された鋼板を600〜900℃で線状加熱した後、曲げ加工する段階をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の熱間抵抗性に優れた高強度構造用鋼板の製造方法。
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