JPH0794687B2 - 高溶接性、耐応力腐食割れ性および低温靭性にすぐれたht80鋼の製造方法 - Google Patents

高溶接性、耐応力腐食割れ性および低温靭性にすぐれたht80鋼の製造方法

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JPH0794687B2
JPH0794687B2 JP1077097A JP7709789A JPH0794687B2 JP H0794687 B2 JPH0794687 B2 JP H0794687B2 JP 1077097 A JP1077097 A JP 1077097A JP 7709789 A JP7709789 A JP 7709789A JP H0794687 B2 JPH0794687 B2 JP H0794687B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、高溶接性、耐応力腐食割れ性および低温靱性
にすぐれた降伏強さが70kgf/mm2以上で、引張強さが80k
gf/mm2以上の高張力鋼の製造方法に関するものである。
(従来の技術) 近年エネルギー需要が益々増加の傾向にあり、海底資源
開発につながる海洋構造物および海底調査作業船の建造
あるいは、エネルギー源を貯蔵する圧力容器の建造等、
エネルギー関連の溶接鋼構造物の建造が活発化してい
る。これらに使用される構造物は、大型化して使用鋼材
が厚肉となり、より安全性確保が重要課題である。
したがって、これら構造物などに使用される鋼材には、
構造上、高溶接性でかつ高靱性が要求されており、さら
に海水および原油等の使用環境条件において、耐応力腐
食割れ性を具備することが望まれている。
従来降伏強さが70kgf/mm2以上で、引張強さが80kgf/mm2
以上の溶接性に優れた高張力鋼(以下HT80と呼ぶ)の製
造方法として、B(ボロン)を微量添加してその焼入性
向上効果を利用する方法がある。すなわち、溶接性の指
標の一つである炭素当量を低減させるために、C、Ni,C
r,Mo等の焼入性増加元素の必要以上の添加をさけ、その
代りBの焼入性を最大に発揮させるため、Al−B処理あ
るいは低N化処理を施し、通常の再加熱焼入れ焼戻し法
あるいは圧延後直接焼入れ焼戻し法によって製造されて
いる。例えば、特公昭60-25494号の「ボロン含有低合金
調質型高張力鋼板の製造法」、特公昭60-20461号の「高
強度高靱性を有する厚肉高張力鋼板」がある。この焼入
れ焼戻し処理により得られる組織が、焼戻しマルテンサ
イトあるいは焼戻し下部ベイナイト組織であるため、高
強度と高靱性が達成されている。
一方、Bを使用しない高強度鋼を製造する方法として
は、Cuの析出硬化を利用したNi-Cu鋼(ASTM規格の710
鋼)が知られており、再加熱焼入れ焼戻し法あるいは再
加熱焼準焼戻し法によって製造され、引張強さ60kgf/mm
2級の高張力鋼に適用されている。
(発明が解決しようとする課題) しかしBの焼入性向上効果を利用する方法は、確かにC,
Ni,Cr,Mo等の元素が低減でき、溶接前の予熱温度を下げ
ても割れが発生しないなど溶接性は向上するが、溶接時
の予熱を完全に省略するまでは至っていない。また小入
熱溶接においては、Bの焼入性向上効果により溶接熱影
響部(Heat Affected Zone:HAZ)の硬さが上昇し、応力
腐食割れ感受性を高めたりする欠点があった。さらに厚
肉材においては、表層下から1/4t部はBによる焼入性向
上によりマルテンサイト、あるいは下部ベイナイト組織
が得られるが、板厚中心部においては、上部ベイナイト
組織の生成により十分な靱性が得られているとは言えな
い。
本発明は、上記課題を解決した高溶接性、耐応力腐食割
れ性および低温靱性にすぐれたHT80鋼の製造方法を提供
する。
(課題を解決するための手段) 本発明者らは、高溶接性、耐応力腐食割れ性および低温
靱性に優れた厚肉HT80鋼を開発することを目的に、鋼お
よびその製造方法について種々実験した結果、低炭素鋼
でも溶接HAZ硬さにはBが著しく影響し、Bを0.0002%
以下(実質的にB無添加)とし、更にCを0.05%以下と
して、これを組合わせることにより著しく溶接HAZ硬さ
が低下できることを知見した。
又、更に、低CでかつB無添加をベースにした厚肉材の
板厚方向に対し、均一な高強度高靱性を得るには、上部
ベイナイト組織が生成されても細粒化とCuによる析出硬
化を利用することが有効であり、加熱、圧延、冷却、熱
処理方法などを組合わせることにより目的の鋼が製造で
きることを知見した。
本発明はこのような知見に基づいて構成したもので、そ
の要旨は、重量%でC;0.02〜0.05%,Si;0.02〜0.5%,M
n;0.4〜1.5%,Ni;0.5〜4.0%,Mo;0.20〜1.50%,Ti;0.00
5〜0.03%,Al;0.01〜0.08%,B;0.0002%以下,Cu;0.5〜
2.0%,N;0.01%以下を含有し、残部が鉄および不可避的
不純物からなる鋼片、あるいは、更にCr;0.05〜1.0%,
V;0.005〜0.10%,Nb:0.005〜0.05%,からなる強度改善
元素群、又は介在物形態制御作用のあるCa;0.0050%以
下の一種又は二種以上を含有する鋼片を900℃〜1000℃
に加熱し、ついで熱間圧延においてオーステナイトが再
結晶する温度域で圧下率30〜70%、引続きオーステナイ
トが再結晶しない温度域で圧下率20〜60%となるように
圧延を行なった後Ar3点以上の温度から水冷を開始し、2
50℃以下の温度で停止する焼入れ処理を行ない、続いて
Ac1点以下の温度で焼戻し処理を行なって製造する方法
である。
(作用) 以下本発明を、作用とともに詳細に説明する。
まず、本発明に適用する鋼を上記のような鋼成分に限定
した理由を述べる。
C;Cは焼入性を向上させ強度を容易に上昇させるのに有
効な元素である。反面、本発明の目的である高溶接性お
よび耐応力腐食割れ性に対しては、影響を与える元素で
ある。すなわち第1図に示すように、特にBなし(≦0.
0002%)の場合に、Cを0.05%以下とする時に溶接HAZ
硬さが著しく低下する。又Cが0.05%を超えると溶接HA
Zが硬化し、溶接性が低下すると共に応力腐食割れ感受
性も高める。又、Cが0.02%未満であると強度が得られ
ない。したがって、C含有量の範囲を0.02〜0.05%とし
た。
Si;Siは製鋼上不可避な元素であり、0.02%は鋼中に含
まれることになるが、0.5%以上になると母材靱性、溶
接性およびHAZ靱性を低下させるため、Siの含有量を0.0
2〜0.5%とした。
Mn;Mnは焼入性を向上させ強度、靱性確保に有効である
が、1.5%以上では焼戻し脆性が大きくなり低温靱性が
劣化し、更に0.4%未満では強度および靱性が低下す
る。したがって、Mnの含有量を0.4〜1.5%とした。
Cu;CuはHAZ靱性を損なわずに強度を上昇させることが可
能で、本発明の重要な元素である。低Cをベースにした
本発明鋼においては、焼入性の低下を補うため、焼入処
理後の焼戻し処理において、Cuの析出硬化により強度を
確保することから0.5%以上必要である。しかし2.0%以
上添加しても強度は飽和し、かえって靱性の低下をきた
すため2.0%を上限とした。
Ni;Niは鋼の低温靱性の向上および焼入性を高めて強度
を向上させると共に、熱間割れおよび溶接高温割れ防止
にも効果がある。特に本発明においては、Niは焼入処理
時、細粒ベイナイト組織を生成させるためであり、低温
靱性付与の面から0.5%以上必要である。しかし4.0%を
超えると溶接性の低下を招くこと、および高価な元素で
あるため4.0%を上限とした。
Mo;Moは焼入性向上による強度確保、および焼戻し脆性
を防止するために有効な元素である。又Cuと同様に、本
発明の重要な元素である。すなわち、Moは未再結晶温度
域を拡大するので、Cu析出サイトとして転位密度を増加
することができ、よりCuの析出硬化を増大させることが
できる。しかし0.2%未満では、未再結晶温度域の拡大
効果が小さく、目標とする強度,靱性が得られず、又1.
5%を超えると粗大なMo2C等の炭化物が増加して靱性を
低下させ、又溶接熱影響部を著しく硬化させる。
Ti;Tiはオーステナイト粒の粗大化を防ぎ、かつHAZ靱性
向上の面から不可欠な元素である。本発明では板厚中心
部の靱性を確保するため、厚板圧延を行なう前の鋼片加
熱時のオーステナイト粒の細粒化が必須であり、そのた
めTi/Nで2.0〜3.4になるようにTiを添加する。その量は
N量にもよるが、0.005%未満では細粒化効果が小さ
く、又0.03%を超えると、かえって母材靱性およびHAZ
靱性を低下させる。したがって、Tiの含有量を0.005〜
0.03%とした。
Al;Alは脱酸のために必要な元素であると同時に、鋼片
加熱時に窒化物を形成し、オーステナイト粒の細粒化に
有効である。しかし0.01%未満ではその効果が小さく、
又0.08を超えると、アルミナ系介在物が増大し靱性を阻
害する。
N;NはTiと結合して炭窒化物を形成し、オーステナイト
粒の粗大化防止に効果がある。しかしN量が多くなる
と、HAZ靱性を劣化させるため上限を0.01%とした。
B;Bは溶接HAZ部を硬化させ、溶接割れ性,硬化性および
耐応力腐食割れ性を低下させるため、本発明においては
最も有害な元素である。特に小入熱溶接においては、第
2図に示すごとく、0.0002%を超えるとHAZ部を著しく
硬化させる。したがって、その含有量を0.0002%以下と
した。
本発明では、上記基本成分の他に、Cr,V,NbおよびCaの
一種または二種以上を添加する。Cr,V,Nb成分は、鋼の
強度を向上させるという均等的作用をもつもので、所要
の効果を確保するためにはそれぞれ含有下限量をCr;0.0
5%,V;0.005%,Nb;0.005%とする必要がある。しかし、
それぞれCr;1.0%,V;0.10%,Nb;0.05%を超えて含有さ
せると、溶接硬化性が増大し応力腐食割れ感受性を高め
たり溶接HAZ−靱性が低下するため、上記の通り限定す
る。
Ca;Caは非金属介在物の球状化に有効であり、靱性の異
方性を小さくする効果がある。又溶接後残部留応力除去
焼鈍による割れ防止に効果を発揮する。しかし0.0050%
を超えると、介在物増加により靱性を低下させる。
上記の成分の他に、不可避的不純物としてP,S等は本発
明の特性である靱性を低下させる有害な元素であるか
ら、その量は少ない方がよい。好ましくは、P≦0.010
%,S≦0.005%である。
次に本発明のもう一つの骨子である製造法について述べ
る。すなわち上記のような鋼成分組成であっても、Cuの
析出硬化を十分に発揮させ、更に厚肉材の板厚方向の靱
性を均一高靱性化させるには、製造方法が適切でなけれ
ばならない。ここで鋼片の加熱、圧延、冷却、焼戻し条
件の限定理由について説明する。
まず上記成分組成の鋼片を、900℃〜1000℃に加熱し熱
間圧延を行なう。本発明においては、鋼の厚肉材の板厚
中心部の靱性の確保のため、上部ベイナイト組織が生成
しても十分なほど細粒化を行ない、高靱性化をはかる。
それにはまず、加熱オーステナイト粒を細粒化する必要
がある。一方目標強度を得るため、この加熱温度におい
てもCuおよびMo等が十分に固溶化され、焼戻し処理でCu
およびMo析出物による析出硬化が十分に行われることが
必要である。この両者を満足する加熱温度として、900
℃未満の低い温度ではこの固溶化作用が十分でなく、特
にM6C等の未溶解析出物の存在は、焼戻し処理の際の十
分な析出硬化を期待出来なくすると共に、靱性低下の原
因ともなる。一方1000℃を超える温度では、加熱オース
テナイト粒が粗大化し、その後の制御圧延によってもオ
ーステナイト粒が細粒化しにくく、上部ベイナイト組織
が高靱性化されない。したがって鋼片の加熱温度を900
〜1000℃とした。
次に熱間圧延において、オーステナイトが再結晶する温
度域で圧下率30〜70%、引続きオーステナイトが再結晶
しない温度域(未再結晶温度域)で圧下率20〜60%とな
るように圧延しなければならない理由について説明す
る。
これはオーステナイト粒の細粒化に加え、オーステナイ
ト粒内に変形帯を形成させて転位密度を増加させ、焼戻
し時に析出物を転位に優先的に析出させて効果的な析出
強化を得るためである。ここで再結晶する温度域の圧下
率を小さくし、未再結晶温度域の圧下率を高くすると、
オーステナイト粒の細粒化が不十分となり、粗大な伸長
オーステナイト粒が形成され、強度、靱性の異方性が著
しく増し、応力腐食割れ感受性を高める。一方再結晶温
度域の圧下率を高くして、未再結晶温度域の圧下率を低
くすると、オーステナイト粒は細粒化されるがオーステ
ナイト粒内に変形帯の形成が不十分となり析出強化も不
十分となる。
以上の理由から、必要な圧下率を再結晶温度域で30〜70
%、未再結晶温度域で20〜60%とした。
又圧延後Ar3点以上の温度から水冷を開始し、250℃以下
の温度で停止する焼入れ処理を行なう必要がある。これ
は空冷では冷却過程でCuが析出して過時効となり、その
後焼戻し処理時に十分な析出硬化が得られないこと、お
よびフェライトが生成された組織ではHT80鋼としての強
度、靱性が得られない。したがって細粒ベイナイト組織
を得るために、水冷開始はAr3点以上とした。又水冷停
止温度が250℃を超えると、本発明の場合、焼戻し処理
における析出硬化作用が不十分となり、強度を低下させ
る。特に厚肉材においては、板厚方向の均一性が得られ
なくなる。このように熱間圧延後直接焼入れされた鋼の
オーステナイト粒は、再加熱焼入れされた鋼に比べ細粒
である。
熱間圧延後水冷された鋼は、その後Ac1点以下の温度で
焼戻し処理を行なう必要がある。この焼戻し処理は、Cu
およびMo等の析出物を十分に析出硬化させ、強度および
靱性を得るためである。又溶接された鋼の応力除去焼鈍
処理時の軟化を防止するためにも必要である。しかし、
Ac1点を超えた温度では、強度が著しく低下し、又更に
靱性も低下するため、Ac1点以下と限定した。
このような製造工程で得られた鋼は、低炭素にもかかわ
らず板厚方向に均質な高強度,高靱性が得られ、かつ溶
接HAZ部の硬化性が著しく減少するため常温溶接が可能
であり、更に耐応力腐食割れ性も著しく改善される。
(実施例) 次に本発明の実施例について説明する。
第1表に示す組成を有する鋼を溶製して得た鋼片を、第
2表に示す本発明法と比較法の各々の製造条件に基づい
て、板厚25〜150mmの鋼板に製造した。これらについて
母材の機械的性質と、更に溶接熱影響部の硬さ、及びK
ISCC値(耐応力腐食割れに対する限界破壊靱性値)を調
査した。溶接は溶接熱影響部の硬化性に大して苛酷な小
入熱17〜25KJ/cmで被覆アーク溶接で行なった。
これら第1表の化学組成を有する鋼と第2表で示す製造
条件とによって得られた機械的性質、JIS Z 3101に準拠
したHAZ最高硬さ試験結果、および3.5%の人工海水中で
のASTM E399に示される試験片を使った溶接熱影響部のK
ISCC試験結果を第3表に示す。
本発明例(本発明例の鋼組成と本発明例の製造条件とを
組合わせた1−A〜11−K)においては、母材の強度,
靱性は板厚方向差も小さく、十分高い値である。更にHA
Z硬さも低く、この結果、HAZ部のKISCC値も十分高い値
である。これに対し比較例12−L、13−Mでは、Cが高
くBが添加されているために、HAZ硬さが極めて高くな
り、HAZ部のKISCC値も低い。又更に、Tiが添加されてな
いため細粒化が不十分となり、板厚方向の靱性差が生
じ、例13−Mは表層下部は粗粒マルテンサイト組織、1/
2t部は粗粒上部ベイナイト組織となり靱性が低下してい
る。例14−Nでは、Cが高いためHAZ硬さも高い。又Ti
が添加されてないこと、および加熱温度が高く、更に再
結晶域圧延のみのため板厚方向に靱性差が生じ、表層下
部が粗粒のマルテンサイト組織、1/2t部は粗粒の上部ベ
イナイト組織となり、靱性が低下している。例15−Oで
は、微量Bが4ppm添加されているためにHAZ硬さが高く
なり、KISCC値が低い。更に例16−Aでは未再結晶域圧
延のみのため、伸長粗大オーステナイト粒からの上部ベ
イナイト組織となり、1/4t部でも強度、靱性が十分でな
い。
同じ鋼Eを用いた例5−E(本発明法)と例17−E(比
較法)で製造した板厚50mm材の材質とを比較してみる
と、前者では1/2t部でも細粒の上部ベイナイト組織が生
成し、目標の性能が十分得られるが、後者では加熱温度
が高いことと、再結晶域圧延のみのため析出硬化が不十
分で粗粒の上部ベイナイト組織が生成し、目標の強度、
靱性を満足できない。例18−Fでは水冷停止温度が高
く、析出作用が不十分となり、強度不足である。
(発明の効果) 本発明による組成範囲および製造法により、溶接硬化
性、耐応力腐食割れ性および低温靱性の優れた80kgf/mm
2級高張力鋼の製造が可能となった。その結果、現場溶
接施工能率が著しく向上し、且つ使用される環境条件に
おいても十分な安全性が確保されるものとなった。
【図面の簡単な説明】
第1図はB添加なし材およびB添加材の溶接HAZ部の硬
さに及ぼすC量の影響について示す図面、第2図は溶接
HAZ部の硬さに及ぼすB量について示す図面である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千葉 秀隆 愛知県東海市東海町5―3 新日本製鐵株 式会社名古屋製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭63−241114(JP,A) 特開 昭62−256915(JP,A) 特開 昭53−119215(JP,A) 特開 平2−77521(JP,A) 日本学術振興会製鋼第19委員会編「鉄鋼 と合金元素(上)」P.137〜151(昭和41 年2月28日(株)誠文堂新光社)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で C :0.02〜0.05% Si:0.02〜0.5% Mn:0.4〜1.5% Ni:0.5〜4.0% Mo:0.20〜1.5% Ti:0.005〜0.03% Al:0.01〜0.08% B :0.0002%以下 Cu:0.5〜2.0% N :0.01%以下 を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼片
    を900〜1000℃に加熱し、ついで熱間圧延においてオー
    ステナイトが再結晶する温度域で圧下率30〜70%、引続
    きオーステナイトが再結晶しない温度域で圧下率20〜60
    %となるように圧延を行った後Ar3点以上の温度から水
    冷を開始し、250℃以下の温度で停止する焼入れ処理を
    行い、続いてAc1点以下の温度で焼戻し処理することを
    特徴とする高溶接性、耐応力腐食割れ性および低温靱性
    にすぐれたHT80鋼の製造方法。
  2. 【請求項2】重量%で C :0.02〜0.05% Si:0.02〜0.5% Mn:0.4〜1.5% Ni:0.5〜4.0% Mo:0.20〜1.5% Ti:0.005〜0.03% Al:0.01〜0.08% B :0.0002%以下 Cu:0.5〜2.0% N :0.01%以下 を含有し、さらに Cr:0.05〜1.0% V :0.005〜0.10% Nb:0.005〜0.05%からなる強度改善元素群、又は介在物
    形態制御作用のある Ca:0.0005〜0.005% の一種又は二種以上を含有し、残部が鉄および不可避的
    不純物からなる鋼片を900〜1000℃に加熱し、ついで熱
    間圧延においてオーステナイトが再結晶する温度域で圧
    下率30〜70%、引続きオーステナイトが再結晶しない温
    度域で圧下率20〜60%となるように圧延を行った後Ar3
    点以上の温度から水冷を開始し、250℃以下の温度で停
    止する焼入れ処理を行い、続いてAc1点以下の温度で焼
    戻し処理することを特徴とする高溶接性、耐応力腐食割
    れ性および低温靱性にすぐれたHT80鋼の製造方法。
JP1077097A 1989-03-29 1989-03-29 高溶接性、耐応力腐食割れ性および低温靭性にすぐれたht80鋼の製造方法 Expired - Lifetime JPH0794687B2 (ja)

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