JPH0432536A - 溶接熱影響部の低温靭性の優れた高張力鋼 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は溶接人熱か２００ｋＪ／ｃｍ程度の大入熱溶接
に至る広範な入熱の溶接条件において、良好な溶接熱影
響部の低温靭性を有する高張力鋼にかかわるものである
。

（従来の技術） 近年、海洋構造物、船舶等、大型構造物の材質に対する
要求は安全性確保の点から厳しさを増している。特に母
材に比べて材質が劣化する傾向にある溶接熱影響部の低
温靭性の向上が望まれている。

一般に鋼材をサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ
溶接などの溶接入熱の大きい自動溶接を行うと、溶接熱
影響部（以下、ＨＡＺと称する）のオーステナイト結晶
粒が粗大化することによりＨＡＺの組織か粗くなり、Ｈ
ＡＺ靭性が著しく低下する。

ＨＡＺ靭性向」二のためにはＨＡＺ、特に高温にさらさ
れる融合部（フュージョンライン、以下ＦＬと称する）
近傍のＨＡＺ組織を微細化する必要がある。従来、以下
に示すような種々のＨＡＺ組織微細化方法か提案されて
いる。

例えば、昭和５４年６月発行の「鉄と鋼」第６５巻第８
号１２３２頁においては、ＴｉＮを微細析出させること
によりＨＡＺのオーステナイト粒を微細化して、５０ｋ
ｇ　ｆ　／　ｍｊ級高張力鋼の大入熱溶接時のＨＡＺ靭
性を改善する技術か開示されているか、ＴｉＮはＦＬ直
近では溶接時に大部分が溶解し、オーステナイトの粗粒
化と固溶Ｎの増加とによりＨＡＺ靭性の劣化か避けられ
ないという欠点か存在する。

ごく最近では、オーステナイトの細粒化によらずに粒内
フェライトを生成させることにより、ＨＡＺ組織の微細
化を図る技術が開発されている。

粒内フェライトの生成核としてＴｉ酸化物が有効であり
、Ｔｉ酸化物は高温にさらされても溶解することかなく
、ＦＬ直近でも粒内に針状のフェライトを生成し、これ
により組織微細化が可能で、ＴｉＮ等を利用した鋼に比
較してＦＬ近傍のＨＡＺ靭性の著しい改善か可能である
ことか、例えば特開昭６１−１１７２４５号公報に示さ
れている。

（発明か解決しようとする課題） Ｔｉ酸化物を粒内変態核とした場合はＴｉＮや他の複合
単室化物等を核とした場合に比べて高温安定性には優れ
ているが、酸化物であるため、凝固時にその分散状態が
決定され、即窒化物に比べて分散状態の制御か困難であ
り、またＴｉ酸化物の個数自体も現状の製鋼、凝固法に
おいてはＴｉＮなどと比べて非常に少ない。さらに、粗
大なＴｉ酸化物ができやすく、その場合には酸化物自身
が脆性破壊の起点となってＨＡＺ靭性劣化を招く。

また、全面粒内フェライト組織にすることか困難で、靭
性に悪影響を及はす粗大な粒界フェライトやフェライト
サイトプレートの生成が不可避で、得られるＨＡＺ靭性
にも限度かある。

従って、酸化物を用いた鋼材で安定したＨＡＺ靭性を確
保し、−層のＨＡＺ靭性向上を図るためには粒内フェラ
イトの核となり得る酸化物を微細、多量且つ均一に分布
でき、且つ、粗大な粒界フェライトやフェライトサイト
プレートの生成を抑制できる新しい手法か必要とｔよる
。

（課題を解決するだめの手段） Ｔ１酸化物を分散させた鋼のＦＬ近傍の溶接熱影響部粗
粒域の組織は、主として旧オーステナイト粒界に板状の
初析粒界フェライトと粒内の針状フェライトからなる。

ＦＬ直近で、オーステナイト粒か粗大な場合は粒界焼入
性か高いため、粒界からの変態か抑制され、その分粒内
からの変態が支配的で、粒内のほぼ全面を粒内フェライ
ト組織とすることはそれはと困難ではない。

しかしなから、ＦＬから遠ざかるにつれて溶接による加
熱温度が低−ドし、オーステナイト粒径か微細になるに
つれて粒界からの変態が優先的となり、靭性に有害な粗
大な粒界フェライトやフェライトサイトプレートが生成
しやすくなり、結果として粒内フェライトの生成か少な
くなり、靭性か劣化する。

従って、Ｔｉ酸化物を含有して粒内フェライトにより靭
性向上を計る鋼においてはＦＬ直近よりも比較的母材に
近く、比較的粒径の細かいＨＡＺての靭性劣化の懸念か
ある。

即ち、従来の炭窒化物を用いてオーステナイトの細粒化
、粒内フェライト生成により靭性向上を計る鋼ではＦＬ
直近のＨＡＺの靭性劣化か不可避で、最近具いたされた
Ｔｉ酸化物を用いて粒内フェライト生成により靭性向上
を計る鋼では、ＦＬから離れたＨＡＺにおける靭性劣化
を生しやすい。

本発明者らは従来鋼、Ｔｉ酸化物を含有する鋼それぞれ
の持つ問題を克服して、ＨＡＺ全域で安定して靭性を確
保し、且つ一層の高靭性化をはかる新しい手段について
種々検討した結果、針状の粒内フェライトによらす、Ｆ
Ｌ直近から母材近傍のオーステナイト粒径の小さい母材
に近いＨＡＺに至るＨＡＺ全域において、塊状のフェラ
イトを粒界、粒内によらず生成して、ＨＡＺ全域の靭性
向上が可能な鋼の発明に至った。

以下、その詳細について実験結果に基づいて説明する。

ＦＬ直近は融点近くの非常に高温にさらされ、この温度
でオーステナイト粒径抑制やフェライト核として有効な
析出物、介在物を確保するには炭窒化物では困難で、や
はり、なんらかの酸化物を活用する必要がある。しかし
、酸化物は微細分散が困難で、特に脱酸力の強い元素の
酸化物はど粗大な傾向にあり、鋼中の含有量も少なくな
る。例えば、通常行われているへρ脱酸では粒内フェラ
イト生成に必要な酸化物個数は絶対的に不足である。

ＴｉはＡｇに比較して脱酸力が弱く、溶鋼中の酸化物も
微細で個数も多くなる上、凝固時にも二次脱酸生成物と
してＴｉ酸化物が微細に分散するのて、粒内フェライト
生成核として比較的多量の酸化物の分散が可能となる。

しかし、Ｔｉ脱酸による酸化物の分散にも限度があり、
例えば、連続鋳造スラブの中心部においては観察断面積
１ｉあたり最大５０個程度の分散か限度である。

本発明者らはＴｉ脱酸鋼以上にフェライトの生成核とな
る酸化物の微細、多量分散を可能とする方法について検
討した結果、Ｔｉ　、Ａｌｌ、Ｃａ等の強脱酸元素を含
有せす、巨つ鋼中の酸素量を適切にすることにより、鋼
中に含有される酸化物の個数を飛躍的に高めることが可
能であることを見いだした。

その実験結果の１例を第３図に示す。

この図はＣＩ　０．０８％、Ｓ　ｉ：０．１％、Ｍ　ｎ
　：　ｌ　、　５％、Ｎ　ｉ：０．５％、Ｃｕ：０．５
％を基本成分として、コノ基本成分鋼と、さらに溶鋼中
にそれぞれＶ　：　０．０５％、Ｔ　ｉ：０．（［５％
、Ｃａ：ｏ、００５％、ＡＲ：０．０３％を単独に添加
したインゴット重１３００ｋｇの真空溶解鋼について、
インゴット中心部の酸素含有量と酸化物の関係を示した
図である。なお、酸化物個数と粒子径は酸化物を形成す
る元素の特性Ｘ線をコンピューターにより画像解析処理
しくＣＭＡ装置）求めた。

いずれの鋼も酸素含有量が増加するにつれて酸化物の個
数も増加するが、八ρ、Ｃａを含有する鋼では酸素量が
多くても酸化物個数は非常に少な１．１ｏＴｉ含有鋼で
はこれらに比べれば酸化物個数は多くなるが、酸素量か
多くても７０個／−程度が限度である。

一方、ＴｊやＡＩなどの強脱酸元素を含まない基本成分
鋼と、Ｖ含を鋼は酸素含有量が多い場合に酸化物個数か
飛跡的に増加し、Ｔｊ含有鋼に比べても２〜３倍程度以
上の酸化物の鋼中への分散か可能である。

■含有鋼は基本成分鋼に比べても酸化物個数か増える傾
向にあるか、その差は小さい。即ち、強脱酸元素を含有
せずに酸素量を増加することにより酸化物個数を増加さ
せることが可能なことか判明した。このときの酸化物は
種々複雑な組成を有するものか観察されるが、主として
Ｆｅ、ＭｎＳｉを含釘する複合酸化物となる。■含有鋼
ではさらにＶを微量に含む複合酸化物も観察されＺ、。

以上のように酸化物個数に関しては、強脱酸元素を含ま
ないことにより増加が可能であるが、単に酸化物個数だ
けを増加させてもフェライトの生成を促進することはで
きない。即ち、Ｔｉ酸化物を含有する鋼で粒内の針状フ
ェライト生成か促進されるのは、オーステナイトからの
冷却中、フェライト変態前にＴｉ酸化物に直接、ないし
はＴＩ酸化物上にＭｎ　Ｓが析出した部分に、Ｔｉの炭
窒化物か析出するためである。

従って、Ｔｉを含まない鋼ではＴｉに変わる炭窒化物生
成元素か必須であり、それにはＶ添加か酸化物の分散へ
の悪影響もなく、非常に効果的であることを見いたした
。即ち、■の炭窒化物はＴ】の炭窒化物に比へても固溶
析出か容易で、特に加熱温度が低い場合でも固溶析出し
やすいため、ＨＡＺ全域にわたって、フェライト生成促
進にａ効に利用可能である。

そして、ＡＭ、Ｔｉなとの強脱酸元素を含まず、酸素を
適量含有して酸化物個数か多く、さらにＶを含有してい
る鋼では、フェライト生成能かＴｉ酸化物含有鋼に比較
しても向上する結果、ＦＬ直近のＨＡＺＩＩｍにおいて
も塊状のフェライト生成か優先するようになり、Ｔｉ酸
化物含有鋼の粒界フェライト十針状粒内フェライト組織
とは全く異なった、９０％以上が塊状のフェライトで、
残部が針状粒内フェライトの組織となり、粗大な粒界フ
ェライトやフェライトサイドプレートの生成が抑制され
て、靭性が飛躍的に向上する。

また、塊状フェライト主体組織であるため、針状粒内フ
ェライト主体組織に顕著に認められる組織のオーステナ
イト粒径依存性が小さく、ＨＡＺ全域にわたって、類似
の組織を示し、結果としてＨＡＺ位置による靭性変動も
小さい。

その検討結果を示したのか第１図、第２図である。

これは第３図の結果の内、酸素量が８０〜Ｉ００ｐｐｍ
程度の基本成分鋼（鋼Ａ）、Ｖ含有鋼（鋼Ｂ）、Ｔｉ３
白゛鋼（鋼Ｃ）について、各々のインゴットを熱間圧延
し、焼入れ焼戻し処理を加えて素材とし、素材より採取
した試験片にＨＡＺ全域の受ける熱履歴をシミュレート
した溶接再現熱サイクルを加えた後、シャルピー特性を
調査した結果である。

溶接再現熱サイクル条件は加熱温度を１４５０℃から１
３００℃まで変化させ、保持時間１秒で、８００〜５０
０℃までの冷却時間（△８１５）をザブマージアーク（
ＳＡＷ）溶接の大入熱溶接に相当する１６１秒（第１図
）と、中入熱溶接に相当する４０秒（第２図）の２種類
とした。

基本成分鋼（鋼Ａ）は第３図に示すように酸化物個数は
多いか値フェライト変態直前に析出して直接フエライ！
・変態を誘起すべき炭窒化物形成元素を含有しないため
、組織は上部ベイナイト組織主体で、靭性（シャルピー
試験の破面遷移温度：ｖ　Ｔ　ｒｓ）は加熱温度、冷却
条件によらず劣る。

Ｔｉ含有鋼（鋼Ｃ）はこれに比べれば靭性は優れている
。特にＦＬ直近に相当する加熱温度１４５０℃の条件に
おいて従来鋼に比べて優れた靭性を示す。

従来の、例えばＴｉＮ鋼においては加熱温度か低い１３
５０°Ｃ程度の加熱条件ではオーステナイトの細粒化に
より、Ｔｊ酸化物を含有する鋼と同等以上の靭性を得る
ことも不可能ではないか、加熱温度か１４００℃以上の
高温ではＴｉＮか溶解してオーステナイトの細粒化か期
待てきないため、ＦＬ直近の靭性劣化を防止できない。

しかしなから、Ｔ１酸化物を含有する鋼では逆に加熱温
度か低い条件で粒内フェライトの生成か困難となるため
、従来鋼のようにＦＬから離れたＨＡＺにおける靭性向
上は望めない。

一方、本発明鋼であるＶを含有するＭ（鋼Ｂ）はいずれ
の加熱温度、冷却条件においても優れた再現熱サイクル
靭性を示し、ＨＡＺ全域において一層のＨＡＺ靭性向上
を；１れることが明白である。

（作　　用） 以上か、本発明の基本要件であるか、ＨＡＺ靭性の向上
や、高張力鋼としての基本特性確保等のためには、さら
に各々の構成元素二についても限定する必要かある。

以下その限定理由について述べる。

先ず、Ｃは強度を向上するために有効な成分として添加
するもので、０．０２％未満では構造用高張力鋼に必要
な強度の確保か困難である。たたし、０．２０％を超え
る過剰の添加はＨＡＺ靭性、耐溶接割れ性などを著しく
低下させるので、０．０２〜０．２０９６の範囲とした
。

次に、Ｓｉは母材の強度確保に何効な元素であり、また
ＨＡＺ靭性向上に必要な酸化物を形成する上で、必要な
元素であるので、０．旧％以上の添加は必要である。し
かし、Ｓｉ　は過剰に添加すると、ＨＡＺに島状マルテ
ンサイトを形成しやすく、ＨＡＺ靭性を大きく劣化させ
るため、上限を０２５％とした。

Ｍｎも母材の強度確保に有効な元素であり、且つＨＡＺ
靭性向上に必要な酸化物を形成する上で必要な元素であ
るため、０４％以上の添加か必要である。ただし、２．
０％を超えて添加すると、母キイ靭性、耐溶接割れ性を
劣化させるので、０４〜２．０％の範囲とした。

ＳについてはＭｎＳを形成してフェライト生成を助長す
る元素であるので、０．００１％以上必要であるか、０
．０１％を超える過剰の添加は粗大なＡ系介在物を形成
して母材の延性、靭性の低下と機械的性質の異方性の増
加を招く上から避けるべきであり、従って、Ｓは０．０
０１〜０．０１０％の範囲とすべきである。

■は本発明において特に重要な元素であり、フェライト
変態を促進するために必須であり、その効果を生しさせ
るためには０．０２％以上の添加が必要である。しかし
、０．２０％を超える添加を行うと、析出脆化が大きく
なり、組織が微細になっても靭性向上が望めなくなるた
め、０．０２〜０．２０％の範囲とした。

ＮはＶＮを形成してフェライト変態促進に必要であり、
そのためには０．００１０％以上の添加が必要である。

ただし、ＮはＨＡＺ組織中に島状マルテンサイトを生成
してＨＡＺ靭性を低下させる元素であるため、過剰な添
加は避けるべきてあり、本発明者らの検討結果に基づい
て上限を０．００６０９６とした。

０も第３図に示したように適切な量添加して酸化物を鋼
中に多量に分散させるために必須の元素である。安定し
て塊状フェライト組織としてＨＡＺ靭性向上を計るため
には、本発明者らの検討によれば酸化物は７０個／−程
度以上必要である。

従って、第３図からＯＢｉは０．００２０％以上必要で
ある。０量が増加すれば酸化物個数は増加し、組織改善
には有効であるか、ＯＲか多すぎると酸化物が粗大化し
て逆に靭性劣化を生じるため、上限を０．０２０％に制
限した。

また、ＰはＨＡＺ靭性や耐溶接割れ性を劣化させる元素
で極力低減するべきてあり、上限を０．０１５％とした
。

Ａ、Ｑは非常に脱酸力の強い元素であり、不純物しても
一定量以上含有すると１，６１酸化物を形成して微細な
酸化物の形成を妨げるので、Ｔ＋酸化物含有鋼において
も極力低減する必要があったか、本発明においても当然
低減か必要で、その悪影響を許容できる限度として上限
を０．００６％とした。

以上か、本発明鋼の基本成分の各々の限定理由であるが
、母材強度調整及び母材靭性向上の目的で、必要に応し
てＮｉ、Ｃｕの１種以上を含有することかできる。

先ず、Ｎｉは母＋イの強度、靭性とＨＡＺ靭性を同時に
向上できる極めて有効な元素であるか、３．０％を超え
る過剰な添加をすると、ベイナイトか生成しやすくなり
、フェライトの生成が抑制され、ＨＡＺ靭性が劣化する
ようになるため、上限を３．０％とした。

また、Ｃｕは母材強度を高める割にはＨＡＺ靭性劣化が
少ない点でｆ−ｉ効な元素であるか、１．５％を超える
多量の添加は応力除去焼鈍による割れやＨＡＺ靭性劣化
の問題等が顕著になるため、上限を１５９６とした。

以上が各元素の限定理由であるが、本発明においてはさ
らに炭素当量も併せて限定する必要かある。即ち、鋼の
焼入性か高すぎると、酸化物が適切に分散し、フェライ
ト生成を助長するＶの炭窒化物か冷却中に析出できても
フェライトの生成が困難となる。従って、本発明におい
ては通児の溶接条件の範囲で十分目的の塊状フェライト
組織を得られる成分範囲を検討した結果から、Ｃｅｑ（
Ｃｅｑ、＝Ｃ％＋ｓｉ％／　２４　＋　ＬＸ　ｎ％／　
６　＋Ｎ　＋％　／　４０　＋　Ｖ　％／　Ｉ　４　＋
　Ｃｕ％／＋５）　０．４５％以下に限定した。

（実　施　例） 第１表に本発明に従って試作した鋼板及び比較鋼板の化
学成分、酸化物個数、溶接部の靭性等を示す。

ここで、Ｎｏ、　１〜〜ｏ、　Ｉ　Ｏが本発明鋼であり
、Ｎｏ、　２１〜Ｎｏ、　Ｉ　Ｂか比較鋼である。本発
明鋼、比較鋼とも圧延により２０ｍｍ及び３０ｍｍの鋼
板とした。

２Ｏｎ＋ｍ材についてはＸ開先で、電流７００ＡＳ屯圧
３２Ｖ１溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ　、入熱４５ｋＪ／
ｃｍの両面１層］電極潜弧溶接（サブマージアーク溶接
）を行った。３０ｍｍ材についてはＹ開先で、電流１１
３８０Ａ（Ｌ極）　、ｌ］５０Ａ　（Ｔ　１極）　、ｌ
０４０Ａ　（Ｔ２極）、電圧３６Ｖ（Ｌ極）、４２Ｖ（
Ｔ１極）　、４６Ｖ　（Ｔ２極）、溶接速度４５ｃｍ／
ｍｉｎ、入熱１９４ｋＪ／ｃｍの片面１層３電極サブマ
ージアーク溶接を行い、いずれも２　ｍｎ　Ｖノツチシ
ャルピー衝撃試験片を板表面から７ｎｏｉの位置が試験
片の中心部となり、溶接金属とＨＡＺの境界（融合部：
ＦＬ）からＨＡＺ側に１ｍｍ入った位置かノツチ位置と
なるよう採取し、＝６０℃で試験を実施した。

このような試験片の採取方法によれば、ノツチはＨＡＺ
と斜めに交差し、ノツチ先端にはＦＬ直近〜母材に近い
ＨＡＺまて様々な位置のＨＡＺが含まれることになる。

第１表から明らかなように、本発明鋼は比較鋼に比べて
優れたＨＡＺ靭性を有し、−６０℃の低温でも構造物の
安全性確保に十分なシャルピー試験の吸収エネルギーを
示すことが分かる。即ち、本発明鋼はいずれも微細な複
合酸化物か多量に鋼中に分散しており、その結果として
、入熱４０ｋＪ／ａｍの両面１層溶接たけでなく、入熱
１９４ｋＪ／ｃｍの片面１層の大人熱溶接においてもき
わめて優れたシャルピー特性を示している。

一方、比較鋼はいずれも本発明の要項を完全には満たし
ていないために、本発明鋼に比較して継手シャルピー特
性は劣っている。即ち、比較鋼Ｎｏ、　ｌ　ＩはＶを含
有していないために、ＨＡＺ組織か上部ベイナイト主体
組織となり、靭性が劣る。

Ｎｏ、　１２はＴｉ酸化物を含有した鋼であり、ＦＬ近
傍のＨＡＺ組織は針状粒内フェライト主体組織となるが
、ＦＬから離れたＨＡＺでは粒内フェライト組織となら
ないため、ＨＡＺ靭性はばらつきか大きくなり、平均値
としては高吸収エネルギーを示すものの、最低値は改善
されない。Ｎｏ、　１３はＡ、Ｑを含むため、酸化物個
数が極端に少なく、■を含有していてもＨＡＺ靭性は劣
る。Ｎｏ、１４．　１５はそれぞれＯ，Ｖｆｆｌか本発
明の範囲を外れているため、優れたＨＡＺ靭性か得られ
ていない。Ｎｏ、　Ｉ　Ｇは各成分の範囲は本発明の範
囲内であるか、Ｃｅｑ、が高すぎるため、酸化物個数も
十分で、■も含有しているにもかかわらす、フェライト
の生成が抑制され、ベイナイト主体組織となり、やはり
ＨＡＺ靭性が劣化する。

以上の実施例から本発明によれば、２００ｋＪ／ｃｍ程
度の大人熱溶接に至るまで極めて優れたＨＡＺ靭性か得
られることか明白である。

／ ／ （発明の効果） Ｔ１酸化物を利用してＨＡＺ組織に粒内フェライトを生
成させて組織の微細化を図る技術は、ＨＡＺ靭性向上の
ための優れた技術である。

一方、本発明はＴｉを含むことなく、酸化物をＴｊ酸化
物を含む鋼量上に多量に分散させた上、■を含有するこ
とにより、フェライト生成能を向上させて、ＦＬ直近も
含めたＨＡＺ全域で塊状フェライト主体のＨＡＺ組織と
することに特徴を有し、−層のＨＡＺ靭性向上が図れる
ことは以上の実施例からも明らかである。

従って、過酷な使用条件に対しても安全性の高い溶接構
造用鋼を提供することか可能となるものであり、その効
果は極めて顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸化物粒子数とΔ８１５−１６１秒の溶接再現
熱サイクルを加えたときのシャルピー特性の関係を示す
図表、第２図は酸化物粒子数とΔ８１５−４０秒の溶接
再現熱サイクルを加えたときのシャルピー特性の関係を
示す図表、第３図は各種の鋼の鋼中の酸素量と酸化物の
個数の関係を示す図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で、 Ｃ：０．０２〜０．２０％ Ｓｉ：０．０１〜０．２５％ Ｍｎ：０．４〜２．０％ Ｓ：０．００１〜０．０１０％ Ｖ：０．０２〜０．２０％ Ｎ：０．００１０〜０．００６０％ Ｏ：０．００２０〜０．０２０％ を含有し、炭素当量Ｃｅｑ．（Ｃｅｑ．＝Ｃ％＋Ｓｉ％
   ／２４＋Ｍｎ％／６＋Ｖ％／１４）が０．４５％以下で
   、不純物としてＰ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．００
   ６％以下、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる溶接熱
   影響部の低温靭性の優れた高張力鋼。 ２、重量％で、 Ｎｉ：３．０％以下 Ｃｕ：１．５％以下 の１種以上を含有し、炭素当量Ｃｅｑ．（Ｃｅｑ．＝Ｃ
   ％＋Ｓｉ％／２４＋Ｍｎ％／６＋Ｎｉ％／４０＋Ｖ％／
   １４＋Ｃｕ％／１５）が０．４５％以下を特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の溶接熱影響部の低温靭性の優
   れた高張力鋼。