JPH05271760A - 高強度高靭性構造用厚鋼板の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、高強度高靭性構造用厚鋼板を生産
性よく製造する方法に関するものである。 【構成】 凝固後Ａｃ₃ 以上に加熱した構造用鋼の鋳片
をＡｃ₃ 点温度以上で終了する圧延中に、板厚中心部が
再結晶終了温度〜再結晶終了温度＋１５０℃の温度域で
３０％以上圧延されるように、スラブ厚ｔ（mm）と平均
冷却速度Ｖ（℃／秒）との間の関係がＶ＞（１８／ｔ）
^0.5 を満足する冷却を実施しながら圧延し、一旦圧延を
中断し、表面温度をＡｒ₃ 点以下の温度域まで２℃／秒
以上の冷却速度にて冷却し、復熱後板厚中心部が未再結
晶域で圧下率５０％以上で圧延される。 【効果】 母材の強度、靭性がともに優れた鋼板を安定
して経済的に製造する技術を確立する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度高靭性構造用の
厚鋼板を経済的にかつ生産性よく製造する方法に関する
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の材質特性に対
する要望は厳しさを増しており、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、鋼材の母材靭性の改
善が要望されている。

【０００３】母材の低温靭性を向上させるためには変態
後のフェライト粒径を微細化することが有効であり、そ
のために変態前のオーステナイト粒を細粒化させること
が有効なことは知られている。その方法としては多数の
提案があり、例えば、特開昭５９−４７３２３号公報記
載のように低温で加熱し、未再結晶域での加工量を大き
くする方法がある。

【０００４】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、これにより母材の靭性をシャル
ピー衝撃試験で−５０℃から−７０℃のｖＴｒｓ値を得
ている。

【０００５】また、溶接性の改善のために鋼中に添加す
る合金元素添加量を削減し、加速冷却法によって、少な
い成分で強度を上げ、かつ良好な靭性を有する厚鋼板を
製造する技術が提案され、この技術によって製造された
鋼板は造船用あるいは海洋構造物用鋼板等の分野を中心
に、構造物への適用が展開されている。

【０００６】例えば、特公昭６２−１３０２１６号公報
に見られる「Ｔｉ添加鋼に低温のオーステナイト未再結
晶域で熱間圧延を施した後、これを直ちに冷却速度１℃
／秒以上で加速冷却することによって高強度・高靭性の
厚鋼板を製造する方法」や、特公昭６２−１６４８２０
号公報に見られる「鋼片を熱間圧延した後、直ちに炭素
当量をも考慮した所定の水量密度で加速冷却して極厚鋼
板を得る方法」等がある。

【０００７】前記「加速冷却法」を適用する場合でも、
少量ではあるが圧延−加速冷却による強化作用を高める
ためにＮｂ，Ｖ，Ｔｉ等の析出型合金元素が添加される
のが普通であり、これらの元素の強化作用は加熱時に再
固溶した量にほぼ比例するとされていて、溶接性を考慮
した上で目的強度に応じた合金元素の添加量の調整がな
されている。

【０００８】この加速冷却法を更に改善する方法とし
て、オーステナイト中で析出する圧延中の析出物を制御
して、加速冷却時の析出制御による厚鋼板の高強度・高
靭化方法が特開平１−２７５７１９号公報に見られる。
この方法は粗圧延を終了して仕上げ圧延にかかる間の１
０００℃から８５０℃の間において、その少なくとも７
０℃以上にわたる温度範囲を０．５℃／秒以上の冷却速
度で冷却し、Ｎｂ炭窒化物やＶ炭窒化物等の圧延歪によ
る析出ノーズたる８５０℃〜１０００℃の温度域での析
出制御を行ない、強度で約９kgf/mm² の上昇効果を提示
している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た提案は何れも実用時に次に述べる様々な問題を内在し
ており、それぞれに改善が待たれている。特開昭５９−
４７３２３号公報の提案のように低温で加熱し、未再結
晶域での加工量を大きくし、かつ制御冷却を必須とし、
圧延後の急冷により微細なフェライト及びマルテンサイ
トとする方法は、他のスラブの加熱温度と対象のスラブ
の加熱温度が異なるため、この前後で加熱操業条件を調
整する時間が必要となる。また、加熱効率の大幅な低下
が避けられず、更には未再結晶域での加工量を大きくす
るため、制御圧延時の温度待ち時間が極めて長くなり、
圧延効率の低下、再加熱、及び制御冷却に伴うコスト上
昇を招き、生産性の低下は著しい。

【００１０】また、特開昭５８−１９４３１号公報に記
載のようにアレスト特性に優れた高張力鋼は、Ｎｉ及び
Ｎｂに加えて、圧延後再加熱して安全にオーステナイト
化することを必須としており、再加熱に伴うコスト上昇
と生産性の低下が避けられない。

【００１１】更に、ＮｉやＮｂは高価な合金成分であ
り、その添加は鋼材のコストを著しく上昇させる。それ
にもかかわらず母材の靭性を示すシャルピー衝撃試験で
のｖＴｒｓは−５０℃から−７０℃レベルでしかない。
特にＮｂの多量の添加は後述するように、ＨＡＺの靭性
を著しく低下させるため溶接用鋼材としては好ましくな
い。

【００１２】また、従来行なわれてきた加速冷却法によ
る厚鋼板の製造手段では、鋳片加熱時に再固溶した析出
強化元素であるＮｂやＶが、圧延中にオーステナイト内
に析出し、析出強化時に必要な析出が見られず、添加し
たＮｂやＶが十分寄与せず、材質的にも、コスト的にも
共に加速冷却法適用による利益を十分に享受していな
い。

【００１３】上記加速冷却法を更に改善する方法として
特開平１−２７５７１９号公報記載の方法では、水冷を
粗圧延と仕上げ圧延間に限定している。このため、実際
には圧延中に導入される歪により誘起された析出物がオ
ーステナイト中に析出してしまい、強度に有効とされて
いる加速冷却時に析出できる析出物が減少し、析出強化
作用が十分に発揮されない。

【００１４】本発明はこれらの問題点を伴わずに、つま
り、多量な合金元素の添加、温度調整のための滞留・待
機、更には低温域での再加熱圧延等を行なうことなく、
従来技術で得られていたと同等またはそれ以上の高強度
高靭性を有する構造用鋼板を生産性よく、経済的に効率
よく製造する方法を提供することを課題とするものであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するために、凝固後Ａｃ₃ 以上に加熱した構造用鋼の鋳
片をＡｒ₃ 点温度以上で終了する圧延中に、板厚中心部
が再結晶終了温度〜再結晶終了温度＋１５０℃の温度域
で３０％以上圧延されるように、スラブ厚ｔ（mm）と平
均冷却速度Ｖ（℃／秒）との間の関係がＶ＞（１８／
ｔ）^0.5 を満足する冷却を実施しながら圧延し、一旦圧
延を中断し、表面温度をＡｒ₃ 点以下の温度域まで２℃
／秒以上の冷却速度にて冷却し、復熱後板厚中心部が未
再結晶域で圧下率５０％以上で圧延されることを第１の
手段とする。

【００１６】更に本発明は上記手段１の圧延終了後に５
℃／秒以上の冷却速度で６５０℃以下の温度に加速冷却
を行なうことを第２の手段とし、上記手段１の圧延終了
後引き続き焼入れ焼戻し処理を行なうことを第３の手段
とする。

【００１７】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、通常の溶接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、
これ等を含む鋼を本発明は対象鋼とするものである。

【００１８】これ等の各成分元素につきその添加理由と
量を以下に示す。Ｃは鋼の強度を向上させるために有効
な成分として添加するものであるが、０．２０％を超え
る過剰な含有量では、島状マルテンサイトを析出し、Ｈ
ＡＺ靭性を著しく劣化させるので０．２０％以下に規制
する。

【００１９】Ｓｉは溶鋼の脱酸元素と強度増加元素とし
て添加するが、０．０１％未満では脱酸効果が不十分で
あり、１．０％を超えて添加すると、ＨＡＺの靭性が低
下するため、添加量は０．０１〜１．０％に規制する。

【００２０】Ｍｎも脱酸成分元素として必要であり、
０．３％未満では鋼の清浄度を低下して加工性を害す
る。また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。しかし、Ｍｎは過剰の添加により
溶接性を著しく劣化する。そのため２．０％を上限とす
る。

【００２１】ＡｌはＡｌ窒化物により鋼の結晶粒径が微
細化できるので必要である。しかし添加量が少ないとそ
の効果がなく、過剰の場合には鋼中の酸素との結合によ
り酸化物系の介在物を形成して鋼の清浄度を低下させる
ため、添加量は０．００１〜０．２０％に規制する。

【００２２】Ｎは不可避的に含有される元素であるが、
過剰の添加は島状マルテンサイトの生成を促進するた
め、０．０２０％を上限とする。Ｐはミクロ偏析による
ＨＡＺの靭性と耐割れ性の劣化を防ぐため、０．０１５
％を上限としている。Ｓは粗大なＡ系介在物を形成して
母材の靭性、異方性（圧延方向とそれに直角方向の物性
の差）の悪化を防止するため、０．００５％を上限とし
て規定する。本発明が対象とする構造用鋼の基本成分は
以上である。これを基本に母材強度の上昇或いは、継手
靭性の向上を目的として、要求される性質に応じて合金
元素を添加する場合は、添加し過ぎると、溶接性の確保
が困難になる。そこで合金の添加量としては、Ｎｉ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｃｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔ
ａ，Ｈｆ，希土類元素，Ｙ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｅ，Ｓｅ，
Ｂの１種類以上を添加できるが合計で４．５％以内に規
制している。

【００２３】本発明における鋳片の加熱温度はオーステ
ナイトの粗大化防止のため１２００℃を上限とし、下限
温度は圧延の作業を考慮すると９００℃以上が望まし
い。またＮｂ元素を含む鋼材は、Ｎｂを完全固溶させる
ために１１００℃以上の加熱が必要となる。また、圧延
の終了温度をＡｒ₃ 点温度未満にすると、オーステナイ
トから変態したフェライトが加工されて表層部の靭性が
劣化するので、本発明における圧延終了温度はＡｒ₃ 点
温度以上とした。

【００２４】

【作用】本発明者等は、前記従来技術が有する問題を解
決すると共に、本発明の課題を達成するため、一般的な
構造用鋼を代表する供試鋼として実施例の表１に示す鋼
種２，鋼種９を用いて種々実験検討を繰り返した。

【００２５】生産性良く、経済的に強度及び母材靭性を
向上する方法を確立するために、圧延中の冷却速度が
０．４℃〜０．５℃／秒と認識されている通常の圧延に
おける鋳片厚みと冷却速度の関係を調査した。その結
果、従来の圧延技術では全く活用されていない被圧延材
の厚みに対応した冷却速度の実態が判明した。その実態
を図１に曲線Ａで示す。

【００２６】本発明者等は析出物の高強度効果を享受し
つつ、多量な合金元素の添加、温度調整のための滞留、
待機、更には低温域での再加熱圧延等を行なうことな
く、従来技術で得られていたと同等またはそれ以上の高
強度高靭性を有する構造用鋼板の製造方法を確立するた
め、次の３点から実験検討を重ねた。

【００２７】圧延中の鋳片を再結晶終了温度域で冷却
しながら圧延することによる鋳片滞留時間の減少、圧延
温度域の低下、析出強化用合金元素の固溶及び板厚中心
部靭性と結晶粒微細化の関係。 圧延中の鋳片を再結晶終了後、未再結晶域圧延前に冷
却することによりフェライト変態前のオーステナイト粒
への歪の蓄積と変態フェライト粒径の関係。

【００２８】との組合せと母材の強度及び靭性の
関係。

【００２９】よく知られているように被加工鋼材の温度
履歴と加工量が変化すれば再結晶が終了する温度は変化
する。従って図示した再結晶終了温度及びこれに対応す
る圧延材の板厚は一例である。

【００３０】この実験検討で、強度４７kgf/mm、母材靭
性としてのシャルピー衝撃試験でのｖＴｒｓが−１１０
℃を示した鋼材の再結晶終了温度までの各厚み別冷却速
度をそれぞれ図１に曲線Ｂで示す。

【００３１】本発明者等は、板厚中心部の温度に着目
し、再結晶域での圧延温度域と再結晶完了後のオーステ
ナイト粒径の関係を調査した。その結果を図２に示す。
同図より再結晶終了温度〜再結晶終了温度＋１５０℃の
範囲が、再結晶後のオーステナイト粒径の細粒化に有効
であることがわかった。上記温度範囲での圧下率の影響
を調査した結果を図３に示す。同図より圧下率は３０％
以上必要であることが判明した。

【００３２】更に、本発明者等は、未再結晶域で、板厚
中心部にいかに歪を蓄積するかを検討した結果、一旦圧
延を中断し、２℃／秒以上の冷却速度で表面温度Ａｒ₃
点以下まで冷却を実施し、表面部と中心部に変形抵抗差
をつけて靭性に及ぼす影響を実施検討した。その結果を
図４に示す。図４の製造条件は次の通りである。 鋼種 ：表１の９ 加熱温度：１１７０℃ 鋳片厚 ： ２５０mm 仕上温度： ７７０℃ 製品厚 ： １９mm ｔ・Ｖ² ＞１８

【００３３】オーステナイト粒の粒成長防止の観点か
ら、板厚中心部の温度を上記最適温度域まで早期に到達
させるための表面の冷却条件として、Ａｒ₃ 点以下に２
℃／秒以上の冷却速度で冷却することが有効であること
が、板厚方向の熱伝導解析結果から明らかとなった。

【００３４】図１の曲線は鋳片の厚みをｔとすると、
（１８／ｔ）^0.5 で近似できることが判明した。これに
より圧延中に被圧延材が圧延により厚みが変化しても、
冷却速度Ｖ（℃／秒）が（１８／ｔ）^0.5 以上を満足す
ると、本発明の課題が達成できることが判明した。図
５，６に冷却条件ｔ×Ｖ² 〔mm・（℃／秒）² 〕と圧延
後の鋼板のｔ／２母材靭性の関係を示す。図５及び図６
の製造条件は次の通りである。

【００３５】図５の本発明例は再結晶終了温度〜再結晶
終了温度＋１５０℃での圧下率：３５％、未再結晶域で
の圧下率：６５％とした。

【００３６】加熱温度：１０５０℃ 仕上温度： ７７０℃ 鋳片厚 ： １５０mm 製品厚 ： ２５mm 鋼種 ：表１の２

【００３７】図６の本発明例は再結晶終了温度〜再結晶
終了温度＋１５０℃での圧下率：４０％、未再結晶域で
の圧下率：６８％とした。

【００３８】加熱温度：１１８０℃ 仕上温度： ７５６℃ 鋳片厚 ： ２６０mm 製品厚 ： １７mm 鋼種 ：表１の９

【００３９】図４により、強度４７kgf/mm² 、靭性（ｖ
Ｔｒｓ値）−８５℃を示す従来の圧延方法で得られた鋼
種２の構造用鋼板が、本発明の方法により大幅に改善さ
れ、強度７３kgf/mm² 、靭性（ｖＴｒｓ値）は−１１０
℃に向上することが判明した。

【００４０】図５により、強度６６kgf/mm² 、靭性（ｖ
Ｔｒｓ値）−９５℃を示す従来の圧延方法で得られた鋼
種９の構造用鋼板が、本発明の方法により大幅に改善さ
れ、同一強度で靭性（ｖＴｒｓ値）は−１２３℃に向上
することが判明した。

【００４１】以上により得た構造用鋼板の強度を加速冷
却により向上するには、圧延終了後に水、水蒸気、気水
混合体等の何れかを冷却剤を使用して、冷却速度５℃／
秒以上、冷却停止温度６５０℃以下の加速冷却を行なえ
ば良く、また、以上により得た本発明の構造用鋼板を上
記圧延後、焼入れ焼戻しを行なうと本発明の効果を損な
うことなく強度、靭性を向上できることが判明した。本
発明は以上の知見を基になされたものである。

【００４２】

【実施例】本発明の供試鋼の成分は、前記した一般的な
構造用鋼の元素と添加量であれば何れの組合せでも良い
が、強度レベルが異なる代表的な構造用鋼として本実施
例に用いた鋼の化学成分を表１に、製造条件を表２に、
その時使用した圧延パススケジュールと圧延中の冷却条
件を表３に、得られた材質を表４に従来例を併記して示
す。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】

【表３】

【００４６】

【表４】

【００４７】

【表５】

【００４８】

【表６】

【００４９】

【表７】

【００５０】表１に示す供試鋼の鋼種１〜３は４０キロ
級鋼、鋼種４〜７は５０キロ級鋼、鋼種８〜１０は６０
キロ級鋼である。それぞれには必要に応じ合金元素を添
加している。表２に示す通り、鋼種１〜１０を使用した
本発明例のNo．Ａ１〜Ａ１０は、所要の強度を示し、靭
性もｖＴｒｓで−１０７〜−１３３℃と良好な値であっ
た。また指定パス冷却とゾーン冷却の何れも優れた強
度、靭性を有する鋼板を生産性、経済性良く製造するこ
とができた。

【００５１】これに対し、No．Ｂ１〜Ｂ１０の従来例は
何れも本発明に示す条件を満足しておらずそれぞれに問
題がある。すなわち再結晶終了温度〜再結晶終了温度＋
１５０℃での圧下率が３０％に満たない比較例のNo．Ｂ
５，Ｂ６は、それぞれ同じ供試鋼を用いて製造した本発
明例のＡ５，Ａ６に比べ母材靭性が劣化していた。

【００５２】再結晶域での圧延中の冷却が実施されてい
ない比較例No．Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９は、それ
ぞれ同じ供試鋼を用いて製造した本発明例のＡ５，Ａ
６，Ａ７，Ａ８，Ａ９に比べ、母材靭性が劣化してい
た。

【００５３】未再結晶域での圧延の前に冷却が実施され
ていない比較例No．Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ７，Ｂ
８，Ｂ９は、それぞれ同じ供試鋼を用いて製造した本発
明例のＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ７，Ａ８，Ａ９に比
べ、母材靭性が劣化していた。また、Ｎｂ添加鋼で加熱
温度が９８５℃と低い比較例No．Ｂ１０は靭性は優れて
いるものの強度が所要の強度に達しなかった。

【００５４】実施例に示すように、Ｎｂ等の析出元素を
含まないＳｉ−Ｍｎ系鋼では、本発明に開示する方法に
より強度は変わらないものの、靭性は大幅に改善され
る。また、Ｎｂ等の析出元素を含む鋼材は、本発明の方
法により、強度靭性とも大幅に改善されている。

【００５５】

【発明の効果】本発明は以上の説明から明らかな通り、
前記の手段により発生する前記の作用を活用することに
より、母材の強度、靭性がともに安定して経済的に製造
する技術を確立したもので、本発明の利用分野への波及
効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧延中の鋳片厚みと該厚み板厚方向の平均冷却
速度の関係を示す。

【図２】再結晶域での圧延温度と再結晶完了後の平均γ
粒径の関係を示す。

【図３】再結晶適正温度域での圧下率と再結晶完了後の
平均γ粒径の関係を示す。

【図４】未再結晶域での圧下率と靭性の関係を示す。

【図５】冷却条件とｔ／２部の母材靭性を示す。

【図６】冷却条件とｔ／２部の母材靭性を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 宏 大分市大字西ノ洲１番地 新日本製鐵株式 会社大分製鐵所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凝固後Ａｃ₃ 以上に加熱した構造用鋼の
   鋳片をＡｃ₃ 点温度以上で終了する圧延中に、板厚中心
   部が再結晶終了温度〜再結晶終了温度＋１５０℃の温度
   域で３０％以上圧延されるように、スラブ厚ｔ（mm）と
   平均冷却速度Ｖ（℃／秒）との間の関係がＶ＞（１８／
   ｔ）^0.5 を満足する冷却を実施しながら圧延し、一旦圧
   延を中断し、表面温度をＡｒ₃ 点以下の温度域まで２℃
   ／秒以上の冷却速度にて冷却し、復熱後板厚中心部が未
   再結晶域で圧下率５０％以上で圧延されることを特徴と
   する高強度高靭性構造用厚鋼板の製造法。
2. 【請求項２】 圧延終了後に５℃／秒以上の冷却速度で
   ６５０℃以下の温度に加速冷却を行なうことを特徴とす
   る請求項１に記載の高強度高靭性構造用厚鋼板の製造
   法。
3. 【請求項３】 圧延終了後引き続き焼入れ焼戻し処理を
   行なうことを特徴とする請求項１に記載の高強度高靭性
   構造用厚鋼板の製造法。