JPH04304314A - 高靭性鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は厚み全域にわたって平均
粒径２μｍ以下の超細粒組織を有する鋼板の製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、海洋構造物、船舶、貯蔵タンク等
の大型構造物に使用される溶接構造用鋼板の材質特性に
対する要望は、大型構造物の破壊がもたらす被害の大き
さ及び社会不安の大きさから厳しさを増しており、鋼材
の母材靭性としてシャルピ−衝撃試験でのｖＴｒｓで−
１２０℃以下を示す鋼板が望まれ、それを実現するため
の結晶粒微細化技術の確立が要望されている。

【０００３】鋼板母材の靭性を改善するのに必要なフェ
ライト粒径の微細化技術としては、特開昭５９−４７３
２３号公報に記載のように低温で加熱し、未再結晶域で
大きな加工量の圧延をする方法がある。また従来から鋼
材の細粒化には特開昭５８−１９４３１号公報に開示さ
れているように、ＮｉやＮｂ等の合金元素を使用してい
る。しかしこれ等の高張力鋼はＮｉやＮｂを使用してい
るものの、シャルピ−衝撃試験でのｖＴｒｓは−５０℃
から−７０℃程度で、前記した近年の要望を満たし得な
い。

【０００４】また、溶接部の靭性が優れている低温用溶
接構造用鋼板の製造法としては、特公昭６０−１６９５
１６号公報に記載の如く、１２５０℃〜１３５０℃に６
０分以上加熱して後、放冷もしくは圧延してＡｒ３　点
以下の温度に冷却し、再び加熱して９００〜１１５０℃
として８００℃以下で圧下率が３０％以上の圧延を行っ
た後、３００℃以下迄を１０〜５０℃／秒で冷却し、し
かる後４００〜６５０℃に加熱して焼き戻す方法がある
。

【０００５】また、これらの方法の改善方法としては、
材料とプロセス，６（１９９０）．Ｐ・１７９６に記載
のように加工熱処理を駆使してフェライト粒径を３μｍ
以下にする方法が提案されている。

【０００６】更に加工熱処理の応用例としては、特開昭
６１−２３５５３４号公報に急速冷却された鋼板の板厚
中心部と表層部の温度差を利用して、鋼板表層部をＡｒ
３　点以下に冷却後、該鋼板の顕熱によりＡｃ３　点以
上に復熱する過程で圧延し、超細粒組織を得る製造方法
が提案されている。

【０００７】この方法では、多段階の熱処理を適用する
事なく超細粒組織が得られる特徴を有するが、鋼板の温
度差を利用しているために鋼板厚み全域を超細粒化する
ことはできない。また、特開平２−７６８３０号公報に
は、板厚の２〜３３％に対応する上下各表層部をＡｒ３
　点以下の温度に冷却し、復熱することを１回以上繰り
返す間に圧延し、Ａｃ３　点或いはＡｃ３　点前後に復
熱させることを特徴とする製造法が提案されているが、
この提案も特開昭６１−２３５５３４号公報と同様に鋼
板の温度差を利用しているため、鋼板厚み全域を超細粒
化することはできない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記した各提案は何れ
も結晶粒径は３〜１０μｍ程度で画期的な微細化技術で
はなく、しかも結晶粒微細化のために多量の微細化元素
を添加したり、大きな加工量と多段階の熱処理を組み合
わせたり、或いは限定された鋼板の表層部の領域しか超
細粒化できないものである。

【０００９】また、ＮｉやＮｂの添加は結晶粒細粒化の
効果はあるが、合金元素添加によるコスト上昇を引き起
こすばかりでなく、溶接熱影響部の靭性に悪影響を与え
ることがあり好ましくない。また圧下量を大きくとるた
めには、初期の鋳片厚みを大きくとる必要があり、その
結果鋳片の冷却速度が低下し、生産性の低下が避けられ
ない。

【００１０】一方、製造プロセスの面からは、工程省略
の立場から圧延工程の省力化が進められており、これに
伴い比較的軽圧下での細粒化技術が求められている。

【００１１】本発明は前記従来技術の問題点を伴わずに
上記要望を満たし、板厚全域にわたり３μｍ未満の超細
粒を有する鋼板を製造する技術を提供することを課題と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題を
達成するため、Ａｒ３　点温度以下の鋳片または鋼板を
外部熱または加工熱或いは両者で加熱してＡｃ１　点温
度以上から圧延を開始し、Ａｃ３　点温度〜Ａｃ３　＋
５０℃の範囲への昇温過程において圧下率３０％以上の
圧延を終了し、その後の冷却過程においてＡｒ３　点温
度に達する迄に圧下率２０％以上の圧延を行う事を特徴
とする高靭性鋼板の製造方法を第１の手段とし、

【００１３】最終板厚の２倍程度の厚みを有するＡｒ３
　点温度以下の鋳片または鋼板を外部熱または加工熱或
いは両者により加熱してＡｃ１　点温度以上から圧延を
開始し、Ａｃ３　点温度〜Ａｃ３　点温度＋５０℃の範
囲への昇温過程において圧下率３０％以上の圧延を終了
し、その後の冷却過程においてＡｒ３　点温度に達する
迄に圧下率２０％以上の圧延を行う事を特徴とする高靭
性鋼板の製造方法を第２の手段とするものである。

【００１４】本発明が対象とする構造用鋼は、例えば前
記した特公昭５８−１４８４９号公報に記載され、次記
するように、通常の構造用鋼が所要の材質を得るために
、従来から当業分野での活用で確認されている作用・効
果の関係を基に定めている添加元素の種類と量を同様に
使用して同等の作用と効果が得られる。従ってこれ等の
元素を含む鋼を本発明は対象鋼とするものである。これ
等の各成分元素について添加理由と量は以下の通りであ
る。

【００１５】Ｃは鋼の強度を向上する有効な成分として
０．０２％以上添加するものであるが、０．２０％を超
える過剰な含有量では、２相域圧延時の変形抵抗を増し
て圧延を困難にするばかりか、溶接部に島状マルテンサ
イトを析出し、鋼の靭性を著しく劣化させるので、０．
０２％〜０．２０％に規制する。

【００１６】Ｓｉは溶鋼の脱酸元素として０．０１％以
上を添加する。強度増加元素としても有用であるが１．
０％を超えると鋼の加工性が低下する一方、溶接部の靭
性が劣化するので、添加量は０．０１〜１．０％に規制
する。

【００１７】Ｍｎは鋼材の強度を向上する成分として０
．３％以上の添加が必要であるが、Ｍｎの添加は変態温
度を下げるので、過剰の添加では熱間圧延時の変形抵抗
が上昇するので２．０％を上限とする。

【００１８】Ａｌ及びＮはＡｌ窒化物による鋼の微細化
の他、圧延過程での固溶、析出による鋼の結晶方位の整
合及び再結晶のために添加するが、添加量が少ない時は
効果がなく、過剰の添加は鋼の靭性を劣化させるので、
Ａｌは０．００１〜０．２０％に、Ｎは０．０２０％以
下とする。

【００１９】以上が、本発明が対象とする鋼の基本成分
であるが、母材強度の上昇或いは、継手靭性の向上の目
的のため、要求される性質に応じて、合金元素を添加す
る場合は、変態温度を下げ過ぎると２相域での変形抵抗
が増し、圧延が困難になるので、添加する合金としては
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ，Ｐ，Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、希土類元素、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇ、
Ｔｅ、Ｓｅ、Ｂの１種類以上が使用できるが、その添加
量は合計で４．５％以下に規制する。

【００２０】

【作用】本発明者等は経済的に且つ生産性良く鋼板に高
い母材靱性をもたらす結晶粒の超細粒化方法を確立する
ため、鋼材の一部とは言え結晶粒を超細粒化する方法と
して前記した特開昭６１−２３５５３４号公報に開示さ
れた方法、つまり鋼材の表層部をＡｒ３　点温度以下に
急速冷却し、この時に形成される鋼材表層と中心部の温
度差を利用して該鋼材の顕熱によりＡｃ３　点温度以上
に復熱する過程で圧延し、フェライトからオーステナイ
トへの逆変態時にフェライトに十分な加工を施して微細
なオーステナイトを生成させて超細粒組織を得る製造方
法に着目し、鋼材の全域、とりわけ厚み全域の温度を実
質的に均一に昇温しつつ鋼材に加工を加え、鋼材の厚み
全域の組織を超細粒化する方法の確立を目標に、下記の
化学成分を有する一般的な構造用鋼を用いて種々の実験
検討を繰り返した。

【００２１】Ｃ　　：０．０２〜０．１５％　　　　　
　　　Ｓｉ：０．１５〜０．２５％ Ｍｎ：０．８〜１．６％　　　　　　　　　　　　Ａｌ
：０．０１〜０．０５％ Ｎ　　：０．００１〜０．０１０％

【００２２】この方法の実用性は、前記した鋼材の全域
、とりわけ厚み全域の温度を実質的に均一に昇温する方
法と装置の経済性と作業性にあり、そのために本発明者
等は圧延中の加熱装置を出来るだけコンパクトにしてコ
スト上昇を防ぎつつ、高い生産性を発揮する必要がある
。それには加熱エネルギー負荷が出来るだけ少なくなく
なる薄い板厚が望まれる。しかし、鋼板の母材靭性及び
機械的性質を得る上からは所要の加工量が望まれる。 この両面から、鋼板の厚みは最終板厚の１．９倍以上、
２倍程度ある事が材質と生産性と経済性の面から良い事
を知得した。

【００２３】この実験検討から得た圧延温度域別の圧下
率と鋼板の平均粒径の関係を図１に示す。図１の関係か
ら、本発明者等は圧延温度域がＡｒ３　点温度からＡｃ
３　点温度の間の昇温過程中（圧延開始温度より圧延終
了温度が高い）に３０％以上の圧延を実施し、その後鋼
板の組織がオーステナイト１相になると直ちにＡｒ３　
点温度へ冷却する過程で２０％以上の圧延を実施するこ
とにより、平均粒径２μｍ以下の超細粒組織が最終板厚
の２倍程度の厚みを有する鋳片または鋼板からの低い圧
下量の加工によっても得られることを知見した。

【００２４】この事実から本発明者等はここにみられる
細粒化機構に、異なる目的の達成を前提とする鋼材表層
への適用として提案された、前記特開昭６１−２３５５
３４号公報が開示している細粒化機構、つまり、急速冷
却で低温化した鋼材の表層のフェライトに復熱昇温中に
加工を加えて歪を蓄積させ、オーステナイトへの逆変態
時に微細なオーステナイトを生成し、該表層部に超微細
なフェライトを生成させる機構が応用出来る事を知見し
た。それには鋼材の厚み全域を一旦低温化し、この鋼材
の厚み全域を復熱しつつ上記と同様に加工を加え、更に
この微細なオーステナイトに変態時の駆動力となる歪み
を加える事により、低圧下量でも鋼材の厚み全域にわた
って超細粒組織が得られる事を知見した。

【００２５】また、本発明の実施に当たって圧延に用い
る鋳片もしくは鋼板の温度をＡｒ３　点温度以下に規定
すると、圧延開始時の組織にフェライトが存在すること
を保証でき本発明が活用する作用が安定し、圧延開始温
度をＡｃ１　点温度以上に規定すると、一般的に知られ
ている図２に示すような圧延温度と変形抵抗の関係を活
用して圧延時の変形抵抗をより小さくするばかりでなく
、フェライトがオーステナイトに逆変態する温度領域で
圧延を行い本発明が活用する作用が円滑に進行する事を
知見した。また、昇温圧延終了温度の下限をＡｃ３　と
規定すると総てのフェライトをいったん全てオーステナ
イト化させ、上記の超細粒化機構を最大限発揮出来る事
を知得した。また、昇温過程での圧延終了温度の上限を
Ａｃ３　＋５０℃に規定すると、一部の粒の粗大化が防
止出来、本発明により得られた鋼板の材質が安定する事
を知見した。

【００２６】また、昇温過程での圧下率が３０％以下で
は、生成したオーステナイトが、フェライト生成を開始
するＡｒ３　点の温度に達する迄に歪回復が生じ、昇温
加工だけでは目的とする２μｍ以下の超細粒フェライト
組織が得られないことがわかった。そこでこの歪回復を
補充するため、Ａｒ３　点温度直上で更に２０％以上の
軽圧下圧延を行なうと、板厚の全域で目的とする２μｍ
以下の超細粒フェライト組織が得られる事を知見した。 このようにして生成したフェライトは変態後加工を受け
ていないので、略等軸の超細粒組織を呈している事が判
明した。

【００２７】尚、本実験においての鋳片或いは鋼板の圧
延時の昇温は、誘導加熱炉による加熱を使用したが、本
発明の実施に当たっては、この他強圧下加工による加工
発熱のみ、更には外部熱と加工発熱の併用も使用する事
が出来る。本発明は、上記各知見を基に成されたもので
ある。

【００２８】

【実施例】実施例における供試鋼の成分を表１に、製造
条件を表２に、得られた材質を表３に比較例と共に示す
。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】予備圧延については、表２に示す通り、本
発明例の鋼番１〜５、９〜１２及び比較例の１３〜１９
、２３〜２６は、厚１５０ｍｍ〜２５０ｍｍの鋳片を用
い、最終製品板厚の２倍程度の厚み迄行ったが、本発明
例の鋼番６〜８及び比較例の２０〜２２は厚み５０ｍｍ
に鋳造した鋳片をその儘予備圧延なしで使用した。

【００３３】また、昇温については表２に示す通り、本
発明例の鋼番１〜４と比較例の１５〜１８は前述した予
備圧延後室温迄十分に冷却し、本発明例の鋼番８及び比
較例の２１、２２は鋳造後に共に室温迄十分に冷却した
鋼板と鋳片で、各々は昇温圧延に必要な開始温度を満足
する迄加熱炉で加熱した。また、本発明例の鋼番５〜７
、９〜１２及び比較例の１３、１４、１９〜２０と２３
〜２６は、予備圧延或いは鋳造後の冷却過程から昇温圧
延過程に移行させた。

【００３４】これ等の中、比較例の鋼番１３〜２０は昇
温圧延後の仕上げ圧延を実施していない。従って、鋼番
１４は予備圧延及び昇温圧延において本圧延条件を十分
に満足しているにもかかわらず、平均粒径は５μｍ以上
で本発明が目標とする平均粒径３μｍ未満の超細粒組織
は得られなかった。更に鋼番１３、１５は共に昇温圧延
の開始温度及び終了温度共に低く、鋼番１８は昇温圧延
の圧下率が低かった。

【００３５】また、鋼番１９〜２０、２３、２４は初期
温度がＡｒ３　点温度以下になっておらず、鋼番２２、
２４、２６は降温圧延となって昇温圧延が形成されてお
らず、鋼番２３は昇温圧延の終了温度が高く、鋼番２５
は昇温圧延開始温度がＡｃ３　点温度以上にあり、それ
ぞれ本発明の必要条件を満足してはいない。

【００３６】これ等の比較例の鋼番１３〜２６の材質は
、表３に示す通り、組織の超細粒化が達成されず、ｖＴ
ｒｓは−１２０℃以下であり、Ｋｃａ値＞４００ｋｇ／
ｍｍ１．５　を示す温度もー６０℃以下となり、本発明
の目標材質を満たさなかった。

【００３７】これに対し、本発明例の鋼番１〜１２の材
質は、表３に示す通り所定の強度と伸びを満たし、本発
明の狙いである靭性は−１２０℃以下を達成し、更に、
伝播中の長い脆性破壊亀裂を停止させるのに必要なアレ
スト性能Ｋｃａ値＞４００ｋｇ／ｍｍ１．５　を示す温
度は−１００℃以下の良好な値を示した。

【００３８】

【発明の効果】本発明は上記した手段を用いて上記した
作用を利用したので、圧延中に圧延材に施す昇温方法を
付加するのみで、厚み全域にわたって平均粒径２μｍ以
下の超細粒組織を有する鋼板を生産性良く、経済的に製
造する事を可能とするもので、当業分野にもたらす効果
は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧延温度域別の圧下率と鋼板の平均粒径の関係
を示す。

【図２】圧延温度と変形抵抗の関係を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ａｒ３　点温度以下の鋳片または鋼板
   を外部熱または加工熱或いは両者で加熱してＡｃ１　点
   温度以上から圧延を開始し、Ａｃ３　点温度〜Ａｃ３　
   点温度＋５０℃の範囲への昇温過程において圧下率３０
   ％以上の圧延を終了し、その後の冷却過程においてＡｒ
   ３点温度に達する迄に圧下率２０％以上の圧延を行う事
   を特徴とする高靭性鋼板の製造方法。
2. 【請求項２】　　最終板厚の２倍程度の厚みを有するＡ
   ｒ３　点温度以下の鋳片または鋼板を外部熱及びまたは
   加工熱により加熱してＡｃ１　点温度以上から圧延を開
   始し、Ａｃ３　点温度〜Ａｃ３　点温度＋５０℃の範囲
   への昇温過程において圧下率３０％以上の圧延を終了し
   、その後の冷却過程においてＡｒ３　点温度に達する迄
   に圧下率２０％以上の圧延を行う事を特徴とする高靭性
   鋼板の製造方法。