JPH07242942A - 急速焼戻しによる高張力鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、靭性の優れた低ＹＲの高張力鋼の
高能率な製造方法に関するものである。 【構成】 相当量のＴｉを添加した鋼を圧延後の８００
℃以上の温度で圧延を終え、７２０〜７８０℃から常温
まで水冷し、ミクロ組織をフェライト、マルテンサイ
ト、ベイナイトの混合組織とし、その後鋼板のスケール
を排除して、８００〜１０００℃に加熱した熱処理炉に
装入し、０．３℃／秒以上の昇温速度で加熱して、表面
温度がＡ₁ 点−１５０℃以上、Ａ₁ 点＋５０℃以下の所
定の温度に到達した後、ただちに炉外へ出し、空冷及び
水冷により常温まで冷却することを特徴とする急速焼戻
しによる高張力鋼板の製造方法。本発明により製造した
鋼は靭性が良好で、低ＹＲの高張力を兼ね備えており、
大型の建築物等への適用が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工業的に可能で、高能率
な焼戻し処理により低降伏比で靭性が良好な高張力鋼板
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、引張強度が５８０Ｎ／mm² 以上の
高張力鋼の殆どは焼入れ、焼戻し処理により製造されて
いた。このような製造法では、高い強度は得られるが、
強度が高くなるほど降伏比（ＹＲ）が高くなり、靭性が
悪くなる欠点を有していた。また製造コストが高く、製
造に要する時間も長いため、生産性が悪い等の問題点を
含んでいた。このため、従来の熱処理法を補う方法とし
て、圧延直後に水冷するいわゆるＤＱ法が使用されはじ
めている。しかしながら、このような技術では、焼戻し
工程が従来の方法であるため、強度の増加と共にＹＲが
高くなり、靭性も劣化する傾向であった。

【０００３】このため、低ＹＴ化のため、圧延後のγ／
αの二相域からの水冷や、靭性確保のため、高価な合金
元素（Ｎｉ，Ｍｏ等）を添加する必要があった。また、
生産性が悪く、製造コストの増加は避けられなかった
（従来の焼戻し処理は５５０〜６８０℃程度に保持され
た熱処理炉に鋼板を装入して、鋼板の温度が所定の温度
に達してから２０〜４０分程度保持して、その後、空令
する方法で、昇温と保持をあわせた時間が長くなってい
た）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は工業的に可能
な高能率な焼戻し処理により低ＹＲで、靭性が良好な高
張力鋼板の製造技術を提供するものである。本発明によ
り製造した鋼は低ＹＲで、靭性が良好、高張力を兼ね備
えており、大型の建築物等への適用が可能である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、重量比
で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓi:１．０％以下、Ｍ
ｎ：１．２〜１．８％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：
０．０１０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．
０２〜０．０５％、Ｎ：０．００６％以下、及びＮｉ：
１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、
Ｃｒ：０．５％以下、Ｂ：０．００３％以下の一種また
は二種以上を添加し、残部がＦｅ及び不可避的不純物か
らなる鋼を１１５０〜１２５０℃の温度で加熱し、圧延
を８００℃以上で終了し、７２０〜７８０℃まで空冷
し、この温度から常温まで水冷し、ミクロ組織をフェラ
イト、マルテンサイト、ベイナイトの混合組織とし、そ
の後鋼板のスケールを排除して、８００〜１０００℃に
加熱した熱処理炉に装入し、０．３℃／秒以上の昇温速
度で加熱して、表面温度がＡ₁ 点−１５０℃以上、Ａ₁
点＋５０℃以下の所定の温度に到達した後、ただちに炉
外へ出し、空冷及び水冷により常温まで冷却することを
特徴とする急速焼戻しによる低降伏比高張力鋼の製造方
法である。

【０００６】本発明の基本となる考え方を以下に述べ
る。強度が５８０Ｎ／mm² 以上の靭性が良好な高張力鋼
の製造法は再加熱の焼入れ、焼戻し処理で製造する方法
が一般的である。また、焼入れを圧延直後に行う直接焼
入れる方法（ＤＱ）が使用される場合もある。しかしな
がら、このような方法では、強度の増加と共にＹＲが高
くなり、靭性は劣化する傾向であった。また、ＹＲを低
下させるため、圧延後のγ／αから水冷する方法が使用
されはじめている。しかしながら、このような方法で
も、靭性は劣化する傾向であった。

【０００７】本発明では、強度増加と靭性劣化の原因に
ついて研究し、鋼成分中に相当量のＴｉを添加した鋼を
１１５０〜１２５０℃に加熱し、８００℃以上の温度で
圧延を終了し、７２０〜７８０℃まで空冷し、この温度
から常温まで水冷し、ミクロ組織をフェライト、マルテ
ンサイト、ベイナイトの混合組織とし、その後、鋼板の
スケールを排除して、８００〜１０００℃に加熱した熱
処理炉に装入し、０．３℃／秒以上の昇温速度で加熱し
て、表面温度がＡ₁ 点−１５０℃以上、Ａ₁ 点＋５０℃
以下の所定の温度に到達した後、ただちに炉外へ出し、
空冷及び水冷により常温まで冷却する方法により低ＹＲ
化、高強度化と良好な靭性が達成できることを見いだし
たもので、その現象と限定理由を以下に述べる。

【０００８】鋼の成分のうち最も重要な元素はＴｉであ
り、Ｔｉ量はＴｉとＮの原子当量以上（０．０２〜０．
０５％）必要である。Ｔｉを添加した鋼を１１５０〜１
２５０℃に加熱してＴｉＮ以外のＴｉ（この温度ではＴ
ｉＮは固溶しない）を固溶化し、圧延後水冷することに
よりＴｉの固溶状態を常温まで持ちこし、急速加熱の焼
戻しにより微細なＴｉＣとして析出させるためである。

【０００９】また、圧延を８００℃で終え、その後の７
２０〜７８０℃から水冷する理由は、８００℃未満の温
度では、オーステナイト（γ）からフェライト（α）の
変態がはじまり、圧延により変態したαが加工され、こ
の部分の延性が低下し、ＹＲが増加するためである。さ
らに７２０〜７８０℃より水冷する理由は、７２０℃未
満の温度では、得られるミクロ組織が殆どフェライトと
なり、温度が低下するためであり、７８０℃超では、フ
ェライトの生成が少なく、ＹＳが増加し、ＹＲの増加が
避けられないためである。従って、固溶Ｔｉを含んだ鋼
を最適な圧延、水冷条件で、鋼板のミクロ組織をフェラ
イト、マルテンサイト、ベイナイトとすることが重要で
ある。

【００１０】次に、焼戻し工程では、従来の焼戻し工程
で生じる一般的な冶金現象は、焼戻しの短時間側から
マルテンサイト中の固溶炭素原子がセメンタイトとして
排出し、セメンタイトが生成し、強度が低下し、靭性が
向上、変態時に生じたミクロ組織中の多数の転位が減
少し、強度が低下、マルテンサイトから排出したセメ
ンタイトとベイナイト中のセメンタイトが粗大化し、強
度が低下し、靭性も劣化する、固溶炭素原子がＦｅ以
外の金属元素と炭化物として析出し、強度が向上する。

【００１１】これらの現象が一般的に、焼戻し温度が高
いほど、焼戻し時間が長いほど速く、焼戻し温度が低い
ほど、焼戻し時間が短いほど進行が遅れる。このため、
高強度化と良好な靭性の両特性を向上させるには、と
の冶金現象を促進し、，の冶金現象を抑制するこ
とが重要である。本発明者らは鋭意検討した結果、急速
加熱のテンパー処理によりの冶金現象を起こさせるこ
とを見いだした。また、の冶金現象のうち、ＴｉとＮ
の原子当量以上のＴｉの添加により目的を達することを
見いだした。

【００１２】すなわち、０．０２〜０．０５％のＴｉを
添加した鋼を１１５０〜１２５０℃に加熱してＴｉＮ以
外のＴｉ（この温度ではＴｉＮは固溶しない）を固溶化
し、圧延後水冷することによりＴｉの固溶状態の常温ま
で持ちこし、急速加熱の焼戻しにより微細なＴｉＣとし
て析出させる方法である。この方法によれば、ＴｉＣが
極微細に析出するため、強度向上効果が大きく、靭性も
劣化しない。従来の焼戻し法では、ＴｉＣ，ＮｂＣ，Ｖ
₄ Ｃ₃ 等の効果はすべて強度は向上させるが、靭性は劣
化する傾向であった。特に、ＴｉＣは強度向上効果も大
きいが、靭性の劣化が極めて大きいことが知られてい
た。

【００１３】本発明の急速焼戻し法は、圧延後の水冷に
よりマルテンサイト、ベイナイトの混合組織とした鋼板
を鋼板の表面のスケールを排除した後、鋼板を８００〜
１０００℃に加熱した熱処理炉に装入し、０．３℃／秒
以上の昇温速度で加熱して、表面温度がＡ₁ 点−１５０
℃〜Ａ₁ 点＋５０℃以下の所定の温度に到達した後、た
だちに炉外へ出し、常温まで空冷を行うことを特徴とす
る焼戻し方法である。

【００１４】まず、熱処理炉で鋼板を０．３℃／秒の昇
温速度の急速加熱をする場合、鋼板の温度は鋼板表裏面
のスケールの影響が大きく、特に本発明のように所定の
温度で保持しない方法では、板内のスケールの付着状態
により鋼板の到達温度が大きく左右される。このため、
同一熱処理鋼板内での材質変動が大きくなり、実用には
適さない。

【００１５】また、熱処理炉の温度を焼戻し温度（Ａ₁
点−１５０℃〜Ａ₁ 点＋５０℃以下）より大幅に高い８
００〜１０００℃に保持する理由は、８００℃未満では
昇温速度が遅く（昇温速度は熱処理炉の保持温度が高い
ほど速くなる）、結果として高温にさらされる時間が長
くなり、セメンタイトの粗大化や転位が喪失するため、
強度や靭性が劣化し、初期の目的を達しない。また、１
０００℃超では、板厚中心温度と表面温度の差や鋼板の
端との温度差が１００℃を超え、鋼板部位で強度や靭性
が大きく変化するためである。

【００１６】さらに、鋼板表面の温度（到達温度：焼戻
し温度）をＡ₁ 点−１５０℃〜Ａ₁点＋５０℃以下の範
囲とする理由はＡ₁ 点−１５０℃未満の温度では、過剰
な炭素の固溶状態がなくならないで、靭性が回復しない
ためであり、Ａ₁ 点＋５０℃超の温度では、セメンタイ
トの粗大化が顕著となり、強度が低下するだけでなく、
靭性も劣化するためである。次に、所定の温度に達した
後、保持をしないでただちに炉外へ出して空冷〜水冷す
る理由は、上述の理由と同じで、昇温速度を速くして
も、保持をすることにより急激にセメンタイトが粗大化
するためである。

【００１７】本発明法によれば、生産性の点からも大き
なメリットが生じる。本発明法での焼戻し処理に要する
時間は従来法に対し格段に短くなる。すなわち、処理時
間は板厚により異なるが、従来法の１／３〜１／５程度
の時間で処理ができるため経済的に大きなメリットであ
る。本発明鋼は従来にない短時間の焼戻し処理で、極め
て良好な材質の鋼板の製造を可能とするものであるが、
製造法と共に鋼成分が重要であり、以下これについて述
べる。

【００１８】鋼の個々の成分規制範囲について述べる前
に、本発明で最も重要な元素であるＴｉ量の制限範囲に
ついて述べる。溶鋼中に添加されたＴｉはその凝固冷却
後にかなりの量は固溶状態であるが、一部はＴｉＣやＴ
ｉＮとして析出する。このため次工程でＴｉＮ以外のＴ
ｉを一旦固溶させる必要があり、鋼の加熱温度は１１５
０℃以上が必須である。この場合、１１５０℃以上の温
度で固溶できるＴｉ量はＮ量により差がでるが（ＴｉＮ
はこの温度では、殆ど固溶しない）約０．０２％程度で
ある。

【００１９】加熱温度を上げることにより固溶するＴｉ
量は増加するが１２５０℃でも、０．０３％程度であ
る。加熱温度を上げることによりさらに多くのＴｉの固
溶が可能であるが、１２５０℃超の温度では、オーステ
ナイト粒の粗大化が著しく、靭性を劣化させる要因とな
るため、加熱温度は１２５０℃が上限の温度である。ま
た１１５０℃、１２５０℃の加熱温度条件ともに、Ｔｉ
Ｎとして使用されるＴｉ量が０．０２％程度となるた
め、適正なＴｉ量は０．０２〜０．０５％である。すな
わち、０．０２％未満のＴｉ量ではＴｉＣ生成による強
度向上は期待できず、０．０５％超では、添加したＴｉ
が固溶できず、有効に活用できないためである。

【００２０】次に、個々の合金元素の制限範囲について
述べる。Ｃは強度を確保するため重要な元素であり、
０．０８％未満では十分な強度が得られないため、下限
を０．０８％とした。また０．２％を超えると溶接性を
劣化させるので上限を０．２％とした。Ｓｉは脱酸上、
鋼に含まれる元素であるが、多く添加すると溶接性が劣
化するため、上限を１％とした。Ｍｎは強度、靭性を確
保するため不可欠な元素であり、１．２％以上の添加が
有効である。しかしながら、１．８％以上では溶接性を
害するため上限を１．８％とした。

【００２１】本発明鋼において不純物であるＰ，Ｓをそ
れぞれ０．０２０％、０．０１０％とした。理由は母材
靭性や溶接性を劣化させないためである。Ａｌは一般に
脱酸上、鋼に含まれる元素であるが、０．０５％を超え
るとスラブ鋳造時の表面割れがでやすくなるため上限を
０．０５％とした。Ｎは多すぎるとＢの焼入れ性向上効
果を失い、スラブ鋳造時の表面割れがでやすくなるた
め、上限を０．００６％とした。

【００２２】次に、選択元素であるＮｉ，Ｍｏ，Ｃｕ，
Ｃｒ，Ｂを添加する理由を述べる。Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒの
添加はいずれも鋼の焼入れ性を向上させ、強度や靭性を
確保するため重要な元素であるが、過度の添加は鋼の靭
性や溶接性、溶接部の靭性を害するため、それぞれの上
限をＮｉ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｒ：０．
５％以下とした。

【００２３】また、Ｃｕの０．５％以下の添加はＮｉや
Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させ、強度や靭性を確保
するため重要であるが、０．５％超では、通常、Ｃｕク
ラスターを生成して強度を向上させるが、本発明の製造
法では析出硬化が起きず、これ以上の添加は効果がな
い。このため、上限を０．５％とした。Ｂは焼入れ性を
向上させ、強度や靭性を確保するため重要な元素である
が、過度の添加は鋼の靭性や溶接性、溶接部の靭性を害
するため、０．００３％を上限とした。

【００２４】

【実施例】表１に発明鋼と比較鋼の化学成分及び鋼板の
製造条件、母材の機械的特性を示す。また、図１に発明
鋼と比較鋼の強度（ＴＳ）と靭性（ｖＴｒｓ）の関係を
示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】表１，図１に示すように発明鋼は低ＹＲ
（ＹＲ≦８２％）で、高強度（ＴＳ≧６３９Ｎ／m
m² ）、かつ、良好な靭性（ｖＴｒｓ≦−６２℃）を示
し、強度特性と靭性のバランスが良好である。これに対
し、比較鋼１１では、焼入れ焼戻し法は発明鋼と同じで
あるが、鋼成分のＭｎが高すぎるため、強度は良好であ
るが、靭性が不十分である。比較鋼１２では、焼入れ焼
戻し法は発明鋼と同じであるが、Ｍｎが低すぎるため強
度は良好であるが、靭性が不十分である。比較鋼１３で
は、焼入れ焼戻し法は発明鋼と同じであるが、Ｃが低す
ぎるため、靭性は良好であるが、強度が不十分である。

【００２８】比較鋼１４では、焼入れ焼戻し法は発明鋼
と同じであるが、Ｃが高すぎるため、強度、靭性とも不
十分である。比較鋼１５では、焼入れ焼戻し法は発明鋼
と同じであるが、強度向上のためＮｂやＶが相当量添加
されているが、その効果が少なく、強度が不十分であ
る。比較鋼１６〜１８では、鋼成分は発明鋼と同じであ
るが、製造法が発明鋼と異なるため、いずれも強度は良
好であるが、靭性が不十分である。

【００２９】

【発明の効果】本発明は工業的に可能な高能率な焼戻し
処理により靭性が良好な高張力鋼板の製造技術を提供す
るものである。本発明により製造した鋼は高靭性と高張
力を兼ね備えており、大型の溶接構造物等への適用が可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼と比較鋼の強度、靭性の関係を示す図
表。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、 Ｃ ：０．０８〜０．２０％、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：１．２〜１．８％、 Ｐ ：０．０２０％以下、 Ｓ ：０．０１０％以下、 Ａｌ：０．０５％以下、 Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、 Ｎ ：０．００６％以下、 更にＮｉ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｕ：０．
   ５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｂ：０．００３％以下
   の一種または二種以上、 残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を１１５０〜
   １２５０℃の温度で加熱し、圧延を８００℃以上で終了
   し、７２０〜７８０℃まで空冷し、この温度から常温ま
   で水冷し、ミクロ組織をフェライト、マルテンサイト、
   ベイナイトの混合組織とし、その後、鋼板のスケールを
   排除して、８００〜１０００℃に加熱した熱処理炉に装
   入し、０．３℃／秒以上の昇温速度で加熱して、表面温
   度がＡ₁点−１５０℃以上、Ａ₁ 点＋５０℃以下の所定
   の温度に到達した後、ただちに炉外へ出し、空冷及び水
   冷により常温まで冷却することを特徴とする急速焼戻し
   による低降伏比高張力鋼の製造方法。