JP7147960B2 - 鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
C:0.05%以上0.15%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.50%以上2.00%以下、
Al:0.060%以下、
N:0.0010%以上0.0100%以下、
Ti:0.005%以上0.100%以下、
P:0.020%以下、
S:0.010%以下および
O:0.0100%以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有し、
鋼板の表面から1mmの深さにおける焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの合計体積率が90%以上であり、前記鋼板の板厚の1/2におけるフェライトおよびベイナイトの合計体積率が60%以上90%以下、かつ島状マルテンサイトの体積率が10%以下である、ミクロ組織を有する、鋼板。
Cu:2.00%以下、
Ni:2.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
V:1.00%以下、
W:1.00%以下、
Co:1.00%以下、
Nb:0.100%以下、
B:0.0100%以下、
Ca:0.0200%以下、
Mg:0.0200%以下および
REM:0.0200%以下
のうちから選ばれる1種以上を含有する、前記1に記載の鋼板。
C:0.05%以上0.15%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.50%以上2.00%以下、
Al:0.060%以下、
N:0.0010%以上0.0100%以下、
Ti:0.005%以上0.100%以下、
P:0.020%以下、
S:0.010%以下および
O:0.0100%以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材に、終了温度がAr3点以上の熱間圧延を施し、その後Ar3点以上の温度から冷却を開始し、鋼板表面から1mmの深さにおける温度が600℃以下になるまで平均冷却速度:10℃/s以上で冷却し、一旦冷却を停止して該冷却を10秒から600秒の間で中断し、次いで鋼板の板厚の1/2における平均冷却速度が5~50℃/sの冷却を行って、該冷却を板厚中心部における温度が200℃以上450℃以下の温度域にて終了する、鋼板の製造方法。
Cu:2.00%以下、
Ni:2.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
V:1.00%以下、
W:1.00%以下、
Co:1.00%以下、
Nb:0.100%以下、
B:0.0100%以下、
Ca:0.0200%以下、
Mg:0.0200%以下および
REM:0.0200%以下
のうちから選ばれる1種以上を含有する、前記3に記載の鋼板の製造方法。
C:0.05%以上0.15%以下
Cは、鋼の焼入れ性を増加させる作用を有する元素であり、高強度を達成するためには添加が必要になる、重要な元素の1つである。前記効果を得るためには、C含有量を0.05%以上とする。さらに、他の合金元素の含有量を少なくし、より低コストで製造するという観点からは、C含有量は0.07%以上とすることが好ましい。一方、C含有量が0.15%を超えると、強度が過剰に高くなることに加えて、靭性や溶接性が低下する。そのため、C含有量は0.15%以下とする。さらに、靱性や溶接性の低下を抑制する観点からは、C含有量を0.13%以下とすることが好ましい。
Siは、脱酸剤として作用する元素であるが、一方で靭性や溶接性の低下を招く元素である。そのため、できる限り含有量を低くすることが望ましいが、0.50%以下であれば許容できる。なお、鋼の脱酸はAlやTiなどでも十分可能であることから、Si含有量の下限は特に限定されず、0%であってよい。靭性や溶接性の観点からは、0.40%以下とすることが好ましく、0.30%以下とすることがより好ましい。
Mnは、鋼の焼入れ性を増加させる作用を有する元素であり、高強度を満足するためには添加が必要になる、重要な元素の1つである。前記効果を得るためには、Mn含有量を0.50%以上とする。さらに、他の合金元素の含有量を少なくし、より低コストで製造するという観点からは、Mn含有量は0.70%以上とすることが好ましく、0.90%以上とすることがより好ましい。一方、Mn含有量が2.00%を超えると、強度が過剰に高くなることおよび靭性や溶接性が低下することに加えて、合金コストが過度に高くなってしまう。そのため、Mn含有量は2.00%以下とする。さらに、靭性および溶接性の低下を抑制する観点からは、Mn含有量を1.80%以下とすることが好ましく、1.60%以下とすることがより好ましい。
Alは、脱酸剤として作用するとともに、結晶粒を微細化する作用を有する元素である。これらの効果を得るためには、Al含有量を0.010%以上とすることが好ましい。一方、Al含有量が0.060%を超えると、酸化物系介在物が増加して清浄度が低下することで靭性が低下する。そのため、Al含有量は0.060%以下とする。なお、Al含有量は0.050%以下とすることが好ましく、0.040%以下とすることがより好ましい。
Nは、Tiと結合してTiNとして析出し、組織の微細化に寄与し、靭性を向上させる。この効果を得るためには、N含有量を0.0010%以上とする。好ましくは、0.0020%以上である。一方、N含有量が0.0100%を超えると、かえって靭性の低下を招く。したがって、靭性や溶接性の低下を抑制する観点からは、0.0100%以下とする。N含有量は、0.0080%以下とすることが好ましく、0.0060%以下とすることがより好ましい。
Tiは、窒化物の形成傾向が強く、Nを固定して固溶Nを低減する作用を有する元素である。そのため、Tiの添加により、母材および溶接部の靭性を向上させることができる。この効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上とする。Ti含有量は、0.012%以上とすることが好ましい。一方、Ti含有量が0.100%を超えると、かえって靭性が低下する。そのため、Ti含有量は0.100%とする。Ti含有量は、0.090%以下とすることが好ましく、0.080%以下とするのがさらに好ましい。
Pは、不可避的不純物として含有される元素であり、粒界に偏析することによって靱性や溶接性を低下させるなど、悪影響を及ぼす。そのため、できる限りP含有量を低くすることが望ましいが、0.020%以下であれば許容できる。なお、P含有量の下限は特に限定されず、0%であってよいが、通常、Pは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であるため、工業的には0%超であってよい。また、過剰の低減は精錬コストの高騰を招くため、P含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。
Sは、不可避的不純物として含有される元素であり、MnS等の硫化物系介在物として鋼中に存在し、破壊の発生起点となるなど、悪影響を及ぼす元素である。そのため、できる限りS含有量を低くすることが望ましいが、0.010%以下であれば許容できる。なお、S含有量の下限は特に限定されず、0%であってよい。通常、Sは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であるため、工業的には0%超であってもよい。すなわち、過剰の低減は精錬コストの高騰を招くため、コストの観点からはS含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。
Oは、不可避的不純物として含有される元素であり、酸化物を形成し、破壊の発生起点となるなど、悪影響を及ぼす元素であることから、0.0100%以下に制限する。O含有量は、0.0050%以下とすることが好ましく、0.0030%以下とすることがより好ましい。一方、O含有量の下限は特に限定されず、0%であってよいが、通常、Oは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であるため、工業的には0%超であってよい。すなわち、過剰の低減は精錬コストの高騰を招くため、コストの観点からはO含有量を0.0020%以上とすることが好ましい。
Cuは、鋼の焼入れ性を増加させて鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。Cuを添加する場合、前記効果を得るためにCu含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.20%以上である。一方、Cu含有量が2.00%を超えると、靭性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Cuを添加する場合、Cu含有量を2.00%以下とする。より好ましくは、1.00%以下である。
Niは、Cuと同様に鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。Niを添加する場合、前記効果を得るためにNi含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.20%以上である。一方、Ni含有量が2.00%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Niを添加する場合、Ni含有量を2.00%以下とする。より好ましくは、1.00%以下である。
Crは、Cuと同様に鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。前記効果を得るためにCr含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上である。一方、Cr含有量が1.00%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Crを添加する場合、Cr含有量を1.00%以下とする。より好ましくは、0.50%以下である。
Moは、Cuと同様に鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。前記効果を得るためにMo含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上である。一方、Mo含有量が1.00%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Moを添加する場合、Mo含有量を1.00%以下とする。より好ましくは、0.50%以下である。
Vは、Cuと同様に鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。前記効果を得るためにV含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上である。一方、V含有量が1.00%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Vを添加する場合、V含有量を1.00%以下とする。より好ましくは、0.50%以下である。
Wは、Cuと同様に鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。前記効果を得るためにW含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上である。一方、W含有量が1.00%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Wを添加する場合、Mo含有量を1.00%以下とする。より好ましくは、0.50%以下である。
Coは、Cuと同様に鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。前記効果を得るためにCo含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上である。一方、Co含有量が1.00%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Coを添加する場合、Co含有量を1.00%以下とする。より好ましくは、0.50%以下である。
Nbは、炭窒化物として析出することで旧オーステナイト粒径を小さくし、靭性を向上させる効果を有する元素である。Nbを添加する場合、前記効果を得るためにNb含有量を0.005%以上とすることが好ましい。さらに、Nb含有量は0.007%以上とすることがより好ましい。一方、Nb含有量が0.100%を超えるとNbCが多量に析出し、靭性が低下する。そのため、Nbを添加する場合、Nb含有量を0.100%以下とする。Nb含有量は、0.080%以下とすることが好ましく、0.060%以下とするのがさらに好ましく、0.045%以下とするのがさらに好ましい。
Bは、微量の添加でも焼入れ性を著しく向上させる作用を有する元素である。したがって、鋼板の強度を向上させることができる。前記効果を得るために、Bを添加する場合、B含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。B含有量は、0.0005%以上とすることがより好ましく、0.0010%以上とすることがさらに好ましい。一方、B含有量が0.0100%を超えると溶接性が低下する。そのため、Bを添加する場合、B含有量を0.0100%以下とする。B含有量は0.0050%以下とすることが好ましく、0.0030%以下とすることがさらに好ましい。
Caは、Sと結合し、圧延方向に長く伸びるMnS等の形成を抑制する作用を有する元素である。したがって、Caを添加することにより、硫化物系介在物が球状を呈するように形態制御し、溶接部等の靭性を向上させることができる。前記効果を得るために、Caを添加する場合、Ca含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.0020%以上である。一方、Ca含有量が0.0050%を超えると、鋼の清浄度が低下する。清浄度の低下は、表面疵の増加による表面性状の劣化と、曲げ加工性の低下を招く。そのため、Caを添加する場合、Ca含有量を0.0050%以下とする。より好ましくは、0.0100%以下である。
Mgは、Caと同様、Sと結合し、圧延方向に長く伸びるMnS等の形成を抑制する作用を有する元素である。したがって、Mgを添加することにより、硫化物系介在物が球状を呈するように形態制御し、溶接部等の靭性を向上させることができる。前記効果を得るために、Mgを添加する場合、Mg含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.0020%以上である。一方、Mg含有量が0.0050%を超えると、鋼の清状度が低下する。清浄度の低下は、表面疵の増加による表面性状の劣化と、曲げ加工性の低下を招く。そのため、Mgを添加する場合、Mg含有量を0.0050%以下とする。より好ましくは、0.0100%以下である。
REM(希土類金属)は、CaやMgと同様、Sと結合し、圧延方向に長く伸びるMnS等の形成を抑制する作用を有する元素である。したがって、REMを添加することにより、硫化物系介在物が球状を呈するように形態制御し、溶接部等の靭性を向上させることができる。前記効果を得るために、REMを添加する場合、REM含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.0020%以上である。一方、REM含有量が0.0050%を超えると、鋼の清状度が低下する。清浄度の低下は、表面疵の増加による表面性状の劣化と、曲げ加工性の低下を招く。そのため、REMを添加する場合、REM含有量を0.0080%以下とする。より好ましくは、0.0100%以下である。
本発明の鋼板のミクロ組織について説明する。
[鋼板の表面から1mmの深さにおける焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの合計体積率が90%以上]
通常、熱間圧延後に引き続き冷却を行った鋼板において、最も冷却速度の速い表面の組織はマルテンサイトあるいはベイナイトとなる。本発明では、鋼板の製造条件を後述するように、熱間圧延後の冷却を一旦中断して鋼板表層部のみを意図的に焼戻すことによって、鋼板表面の過度な硬化を防ぎ、所定の強度特性を満足させ、かつ低温での靭性を向上させている。従って、鋼板の表面から1mmの深さ(以下、表層部ともいう)における組織は、焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの合計体積率が90%以上である。焼戻マルテンサイトあるいは焼戻ベイナイト以外の残部組織が10%以上になると、焼戻マルテンサイトあるいは焼戻ベイナイトと残部組織との間の強度差が大きくなり強度特性が満足されなくなり、あるいは低温での靭性が低下することになるため、焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの合計体積率を90%以上とする。焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの体積率は高いほどよいため、該体積率の上限は特に限定されず、100%であってよい。なお、焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの各比率は特に限定する必要はないが、焼戻マルテンサイトが80%以上であることが好ましい。
鋼板の板厚の1/2(以下、板厚中心部ともいう)における組織は、フェライトおよびベイナイトの合計体積率が60%以上90%以下であり、残部に含まれる島状マルテンサイトの体積率が10%以下である。すなわち、フェライトおよびベイナイトの合計体積率が60%未満であると、これ以外のマルテンサイト、パーライト、オーステナイトの体積分率が増加することになり、十分な強度および/または靭性が得られず、機械特性を満足することができない。一方で、前記組織の合計体積率が90%を超えると、マルテンサイト、パーライト、オーステナイトなどの体積分率が低くなりすぎるため、強度特性が満足されない。
なお、各種ミクロ組織の体積率は、後述の実施例に記載した方法で測定することができる。
上記した成分組成を有する鋼素材を加熱し、熱間圧延を施して熱延鋼板とし、開始温度がAr3変態点以上である冷却を行って鋼板とする。以下、製造条件毎に詳しく説明する。
鋼素材の加熱温度は特に限定されないが、加熱温度が950℃未満では、加熱温度が低すぎて変形抵抗が高くなり、熱間圧延機への負荷が増大し、熱間圧延が困難になる、おそれがある。一方、1250℃を超える高温になると、酸化が著しくなり、酸化ロスが増大し歩留りが低下する、おそれがある。このようなことから、加熱温度は950℃以上1250℃以下にすることが好ましい。なお、より好ましくは1000℃以上1150℃以下である。
上記温度に加熱後、熱間圧延を開始して、Ar3変態点以上の温度で圧延を終了する。すなわち、圧延温度がAr3変態点未満となると、フェライトが生成し、生成したフェライトが加工の影響を受けるため、靭性が悪化することになる。さらには、熱間圧延機への負荷が大きくなる。したがって、熱間圧延温度は、Ar3変態点以上とする。好ましくは、Ar3変態点+20℃以上である。
一方、圧延温度が950℃を超えると、組織が粗大化し靭性が劣化する、おそれがあるため、950℃以下とすることが好ましい。より好ましくは、930℃以下である。
Ar3(℃)=910-273×C-74×Mn-57×Ni-16×Cr-9×Mo-5×Cu
ただし、各元素は当該元素の含有量(質量%)を示す。
次に、熱間圧延後の鋼板に、Ar3変態点以上から冷却を行う。冷却開始温度がAr3変態点未満では、鋼板表層部にフェライトが生成し、強度差が大きいマルテンサイト組織あるいはベイナイト組織と共存することになる結果、靭性が低下する。そのため、冷却開始温度はAr3変態点以上とする。
1回目冷却における速度は、10℃/s以上とする。なぜなら、焼戻しベイナイトあるいは焼戻しベイナイトと硬度差が大きいフェライトが生成することにより低温靭性が確保されない。好ましくは、10℃/s以上である。冷却速度の上限は特に限定されないが、過度の冷却を行うと冷却コストが増加するため、200℃/s以下とすることが好ましい。
1回目の冷却の停止温度は、表層部の組織を合計90%以上のマルテンサイトおよび/あるいはベイナイトとするため、600℃以下とする。冷却停止温度が600℃を超えると、フェライトが多く生成し靭性が低下する。従って、冷却停止温度は600℃以下とする。一方、冷却停止温度の下限は限定しないが、実質的には、冷却水の温度以下にはならないため5℃以上である。しかし、表層部の冷却停止温度が低すぎると、続く板厚中心部も冷却されすぎてしまうため、好ましくは100℃以上、より好ましくは200℃以上である。
上記の1回目の冷却後、一時的に冷却を10秒以上600秒以下の間にわたり停止する。冷却停止によって、表層部に生成したマルテンサイトあるいはベイナイトの組織を板厚中心部側からの復熱によって焼戻す。停止時間が10秒未満では、焼戻しの効果は不十分となり、靭性が低下するとともに、強度が過剰に高くなる。一方、600秒を超えると、板厚中心部での変態が開始しフェライト組織が多く生成してしまい、さらに組織が粗大になるために、強度さらには靭性が低下してしまう。
上記冷却停止後、冷却を再開する。ここでの冷却速度は、フェライトあるいはマルテンサイトが所定の体積率になるように、5℃/s以上50℃/s以下とする。すなわち、冷却速度が5℃/s未満であると、フェライトあるいはベイナイト組織の体積率多くなりすぎてしまい、強度特性を満足しなくなる。一方で、冷却速度が50℃/sを超えると、マルテンサイトの体積率が多くなりすぎてしまい、靭性が低下する。
2回目の冷却の終了温度は、板厚中心部にてフェライトおよびベイナイトの組織を所定の体積率得るために200℃以上450℃以下とする。冷却終了温度が450℃超では、板厚中心部のフェライトおよびベイナイトの合計体積率が90%を超え、強度特性を満足しなくなる。一方、冷却終了温度が200℃未満の温度では、島状マルテンサイトの体積率が多くなりすぎてしまい、強度が過剰に高くなることに加え靭性が低下する。
得られた各鋼板から、該鋼板表面から1mmの深さの位置が観察面となるように、サンプルを採取した。前記サンプルの表面を鏡面研磨し、さらにナイタール腐食した後、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて10mm×10mmの範囲を撮影した。撮影された像について画像解析装置を用いて解析することによってミクロ組織の分率を求め、その値を体積率とした。
各鋼板の全厚から、圧延方向に直角の方向にJIS Z 2201の1B号試験片を採取して、JIS Z 2241の要領で引張試験を行い、降伏強さYS(降伏点があるときは降伏点YP、ないときは0.2%耐力σ0.2)および引張強さ(TS)を測定した。そして降伏強さ:440MPa以下のものを、アンモニア応力腐食割れ性に優れた鋼板とし、引張強さが490MPa以上のものを引張強度に優れた鋼板と評価した。なお、降伏強さYSは、アンモニア応力腐食割れ性と密接に関係し、液化ガスばら積み船の構造部材として、IMOガスコードや船級規則にて、アンモニア応力腐食割れの危険性を最小限にするため降伏点を440MPa以下と規定されている。従って、上記の通り、YS440MPa以下のものをアンモニア応力腐食割れ性に優れた鋼板と判定した。
また各鋼板の表面側から1mm削った部位から、圧延方向にJIS Z 2202のVノッチ試験片を採取して、JIS Z 2242の要領でシャルピー衝撃試験を行い、vTrsを測定した。そして、vTrsが-60℃以下のものを靭性に優れた鋼板と評価した。
かくして得られた評価結果を表2に併記する。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.05%以上0.15%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.50%以上2.00%以下、
Al:0.060%以下、
N:0.0010%以上0.0100%以下、
Ti:0.005%以上0.100%以下、
P:0.020%以下、
S:0.010%以下および
O:0.0100%以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有し、
鋼板の表面から1mmの深さにおける焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの合計体積率が90%以上であり、前記鋼板の板厚の1/2におけるフェライトおよびベイナイトの合計体積率が60%以上90%以下、かつ島状マルテンサイトの体積率が10%以下である、ミクロ組織を有し、降伏強さ(YS):440MPa以下、引張強さ(TS):490MPa以上および延性脆性温度(vTrs)が-60℃以下である、鋼板。 - 前記成分組成はさらに、質量%で、
Cu:2.00%以下、
Ni:2.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
V:1.00%以下、
W:1.00%以下、
Co:1.00%以下、
Nb:0.100%以下、
B:0.0100%以下、
Ca:0.0200%以下、
Mg:0.0200%以下および
REM:0.0200%以下
のうちから選ばれる1種以上を含有する、請求項1に記載の鋼板。 - 質量%で、
C:0.05%以上0.15%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.50%以上2.00%以下、
Al:0.060%以下、
N:0.0010%以上0.0100%以下、
Ti:0.005%以上0.100%以下、
P:0.020%以下、
S:0.010%以下および
O:0.0100%以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材に、終了温度がAr3点以上の熱間圧延を施し、その後Ar3点以上の温度から冷却を開始し、鋼板表面から1mmの深さにおける温度が600℃以下になるまで平均冷却速度:10℃/s以上で冷却し、一旦冷却を停止して該冷却を10秒から600秒の間で中断し、次いで鋼板の板厚の1/2における平均冷却速度が5~50℃/sの冷却を行って、該冷却を板厚中心部における温度が200℃以上450℃以下の温度域にて終了する、鋼板の表面から1mmの深さにおける焼戻マルテンサイトおよび焼戻ベイナイトの合計体積率が90%以上であり、前記鋼板の板厚の1/2におけるフェライトおよびベイナイトの合計体積率が60%以上90%以下、かつ島状マルテンサイトの体積率が10%以下である、ミクロ組織を有し、降伏強さ(YS):440MPa以下、引張強さ(TS):490MPa以上および延性脆性温度(vTrs)が-60℃以下である、鋼板の製造方法。 - 前記成分組成はさらに、質量%で、
Cu:2.00%以下、
Ni:2.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
V:1.00%以下、
W:1.00%以下、
Co:1.00%以下、
Nb:0.100%以下、
B:0.0100%以下、
Ca:0.0200%以下、
Mg:0.0200%以下および
REM:0.0200%以下のうちから選ばれる1種以上を含有する、請求項3に記載の鋼板の製造方法。
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