JPH08176659A

JPH08176659A - 低降伏比高張力鋼の製造方法

Info

Publication number: JPH08176659A
Application number: JP6316190A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Fujiwara; 知哉藤原; Hideji Okaguchi; 秀治岡口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1996-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】建築物等に使用される、低温靱性および溶接性
が優れた低降伏比高張力鋼の製造方法を提供する。【構成】重量％で、Ｃ：0.02〜0.15％、Ｍｎ： 0.6〜
2.0％、Ｎｂ： 0.005〜0.08％、Ｔｉ： 0.005〜0.03
％、Ｎｉ： 0.5〜 4.0％、sol.Ａｌ： 0.005〜0.08％、
を基本成分とし、他に必要に応じてＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃ
ｕおよびＢを含む鋼を、熱間圧延工程にて、Ａｃ₃点以
上 900℃以下の温度で累積圧下率50％以上の圧下を加え
た後、 400〜 580℃の温度域まで冷却して、その温度域
にて20〜100ｓ保持後、 200℃以下に冷却し、その後、
Ａｃ₁点以上Ａｃ₃点以下の温度域に加熱後焼入れ、Ａ
ｃ₁点以下 400℃以上の温度で焼戻し処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土木・建築の分野等に
おける構造物の耐震性に関連して要望されている溶接性
と低温靱性に優れた低降伏比高張力鋼の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、大形建築構造物の分野ではその機
能性や空間利用効率の追求から、ますます大形化、高層
化の傾向がある。これらに使用される鋼材は高負荷に堪
えるため、厚さを増すだけでなく必然的に高強度が必要
となり、一方では安全性の面から靱性が優れていて溶接
部の性能が良好であることが要求される。靱性を損なう
ことなく鋼の強度を高めるには、合金元素の含有量を管
理して焼入れ焼戻しをおこなったり、制御圧延するなど
種々の方法があり、溶接部の性能確保および溶接時の予
熱温度低減のためには、添加する合金元素の炭素当量を
管理するなどの手段が取られ、そのような高強度鋼の製
造方法は数多く提案され実施されている。

【０００３】しかし、大地震の際の鋼構造物の全体崩壊
を防ぐためには、破壊のエネルギーを吸収する耐震性と
しての観点から、これらの性能に加えて、通常は0.95程
度の降伏比に対し 0.8前後ないしはそれ以下の低い降伏
比（降伏点／引張強さ）が必要とされている。

【０００４】この建築構造用の耐震性を配慮した低降伏
比高張力鋼板の要望に対し、引張り強度 590ＭＰａ級ま
での鋼板が種々開発され、実用化されてきた。鋼の特性
としての高強度と低降伏比を両立させるには、金属組織
を軟質のフェライト相に硬質のマルテンサイト相やベイ
ナイト相を混在させた複合組織にすると実現できること
が明らかとなり、そのための熱処理方法や制御圧延方法
が提案されている。

【０００５】建築構造物の大形化が進むにしたがい、鋼
の高強度化への要求はますます強くなり、さらに 780Ｍ
Ｐａ級の低降伏比高強度鋼が要望されるようになってき
た。

【０００６】ところが、一般に鋼は引張り強さないしは
強度を高めると、降伏点が上昇する傾向にあるため、強
度が高くなるほど降伏比の低下は困難になってくる。

【０００７】鋼構造物を対象にした 685ＭＰａ級以上の
高強度鋼の製造方法として、特開平5-186821号公報に
は、Ｃを0.11％以下に抑えＣｕを 2.0〜 4.0％添加した
鋼を用い、焼入れ焼戻しする方法が提案されている。こ
れはＣｕの多量添加により強度が上昇すると共に伸びが
よくなる現象を見出し、伸びが向上することにより構造
物の安全性が高まるとしているが、Ｃｕを多量に添加す
ると熱間加工割れを生じやすくなるため、Ｎｉの添加が
必須となり高価になる。また、この場合降伏比を低く抑
える目的は達成されていない。

【０００８】590ＭＰａ級の低降伏比高張力鋼の製造に
対し、Ａｃ₃点以上のオーステナイト域から急冷する通
常の焼入れ処理をおこなった後、Ａｃ₃点以下Ａｃ₁点
以上の２相域に再加熱し急冷して焼入れ、焼戻すことに
より複合組織にする方法が開発された。成分元素の管理
と、この熱処理方法の改善により 880ＭＰａ以上の低降
伏比高強度鋼を開発した例として、特開平5-125481号公
報があるが、この製造条件の場合、オーステナイト粒が
粗粒化しやすく靱性のやや劣る傾向がある。

【０００９】このように強度を高くした上で低降伏比を
実現しようとした試みはいくつかあるが、性能的にバラ
ンスの取れた高強度低降伏点鋼の充分満足しうるものが
得られているとは言い難い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、建築構造用
の耐震性を配慮した低降伏比高張力鋼におけるより一層
の高強度化の要望に対し、強度が 780ＭＰａ級の低温靱
性および溶接性がすぐれた鋼、たとえば厚鋼板を、成分
と製造プロセス条件の組み合わせにより金属組織を改良
することによって得る、製造方法を提供しようとするも
のである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】強度を上げ、その上で靱
性を確保するには、製品鋼板のオーステナイト結晶粒を
微細にする必要がある。また、降伏比を下げるには、フ
ェライト相にマルテンサイトやベイナイトのような硬質
の相を適度に分散させた複合組織とすることが必須であ
る。良好な溶接性を得るには、強度の決定に支配的な元
素の含有量を、炭素当量や割れ感受性を配慮しながら選
定しなければならない。そこで、厚さ約40mm以上の厚鋼
板を対象とし、強度レベルは 780ＭＰａ以上、降伏比は
82％以下と言う目標値を設定して、製造条件の検討をお
こなった。

【００１２】製品鋼板での複合組織は、Ａｃ₁点以上Ａ
ｃ₃点以下の２相温度域に加熱して焼入れることにより
容易に得られる。また、一般的に強度を高くしてしかも
靱性を向上させるには、結晶粒を微細にする必要があ
る。しかしながら、従来、この低降伏比高張力鋼板に適
用された単なる２相温度域からの焼入れや、オーステナ
イト域に加熱して焼入れた後、２相温度域に再加熱し焼
入れる方法では、この複合組織のオーステナイト結晶粒
径を、充分なレベルにまで微細化できない。

【００１３】２相温度域から焼入れた場合、そのオース
テナイト粒径は加熱前の組織に大きく支配されると考え
られた。そこで、２相温度域に加熱する前の組織の影響
について種々調査したところ、炭化物が微細に分散した
ベイナイト組織を前組織とすれば、従来法に比較して、
極めて微細なオーステナイト粒の得られることがわかっ
た。次いで、このようなベイナイト組織を安定して得る
ための処理方法を検討した結果、再結晶の進行の遅い低
温のオーステナイト域にて、50％以上の累積圧下を加え
た直後、所定温度まで冷却してベイナイト変態させると
よいことが明らかになった。

【００１４】本発明はこのような知見に基づいて完成さ
れてものであり、その要旨は次の２項のとおりである。

【００１５】(1) 重量％にて、Ｃ：0.02〜0.15％、Ｓ
ｉ：0.15％以下、Ｍｎ： 0.6〜 2.0％、Ｎｂ： 0.005〜
0.08％、Ｔｉ： 0.005〜0.03％、Ｎｉ： 0.5〜 4.0％お
よびsol.Ａｌ： 0.005〜0.08％を含み、残部がＦｅおよ
び不可避不純物からなる鋼を、1000〜1250℃の温度に加
熱した後、Ａｃ₃点以上 900℃以下の温度で累積圧下率
50％以上の圧下を加え、圧延終了後、 400〜 580℃の温
度域まで加速冷却して、その温度域内にて20〜 100ｓの
時間保持後、 200℃以下に冷却し、次いでＡｃ_１点以上
Ａｃ_３点以下の温度域に加熱して焼入れ、Ａｃ₁点以
下 400℃以上の温度で焼戻し処理をおこなうことを特徴
とする溶接性と低温靱性に優れた低降伏比高張力鋼の製
造方法。

【００１６】(2) 重量％にて、Ｃ：0.02〜0.15％、Ｓ
ｉ：0.15％以下、Ｍｎ： 0.6〜 2.0％、Ｎｂ： 0.005〜
0.08％、Ｔｉ： 0.005〜0.03％、Ｎｉ： 0.5〜 4.0％お
よびsol.Ａｌ： 0.005〜0.08％を含み、さらにＣｒ：0.
05〜 2.0％、Ｍｏ：0.05〜 3.0％、Ｖ：0.01〜0.10％、
Ｃｕ： 1.0〜 2.0％およびＢ：0.0003〜0.0020％の１種
以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる
鋼を、1000〜1250℃の温度に加熱した後、Ａｃ₃点以上
900℃以下の温度で累積圧下率50％以上の圧下を加え、
圧延完了後、 400〜 580℃の温度域まで加速冷却して、
その温度域内にて20〜 100ｓの時間保持後、 200℃以下
に冷却し、次いでＡｃ₁点以上Ａｃ₃点以下の温度域に
加熱して焼入れ、Ａｃ₁点以下 400℃以上の温度で焼戻
し処理をおこなうことを特徴とする、溶接性と低温靱性
に優れた低降伏比高張力鋼の製造方法。

【００１７】

【作用】以下本発明の方法において、鋼の成分組成およ
びその製造条件を前記のように限定した理由をその作用
と共に説明する。

【００１８】(1) ＣＣは強度確保に必須な元素であり、少なくとも0.02％以
上が必要である。しかし、靱性の低下および耐溶接割れ
性劣化の点から、上限は0.15％までとする必要がある。

【００１９】(2) ＳｉＳｉの含有量は、実質的に 0でもよい。ただし、不純物
としての混入は避け難く、0.15％をこえると溶接熱影響
部の低温靱性を低下させるため、含有量を0.15％以下と
限定する必要がある。

【００２０】(3) Ｍｎ強度向上に有効な元素であり、その効果を得るには 0.6
％以上の含有が必要である。しかし、 2.0％をこえる含
有は靱性が劣化するので、その含有範囲は 0.6〜 2.0％
とする。

【００２１】(4) ＮｉＮｉは、低温靱性を改善するのに有効な元素であり、そ
の効果を発現させるには 0.5％以上の含有が必要であ
る。しかし、 4.0％をこえて含有させてもコストアップ
に見合うだけの強度上昇および靱性改善が得られない。
したがってＮｉの含有量は 0.5〜 4.0％とする。

【００２２】(5) Ｎｂとくに低温のオーステナイト域にて累積圧下を大きくす
ると、結晶粒を微細化するのに効果がある。この目的に
は最低限 0.005％の含有が必要であるが、0.08％をこえ
て含有させると靱性が劣化する。したがって含有量を
0.005〜0.08％に限定する。

【００２３】(6) ＴｉＴｉは結晶粒の微細化に有効な元素である。その効果を
得るためには 0.005％以上含有させる必要がある。しか
し、0.03％をこえて含有させると靱性が劣化するので、
その含有量は 0.005〜0.03％に限定する。

【００２４】(7) sol.ＡｌＡｌは脱酸剤として添加し、健全な鋳片を得るのに酸固
溶Ａｌ（sol.Ａｌ）の含有量として最小限 0.005％は必
要である。しかし多過ぎても効果は飽和してしまい、コ
スト上昇を招くだけなので上限を0.08％とする。すなわ
ち、含有量の限定範囲は 0.005〜0.08％である。

【００２５】(8) Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＣｕおよびＢこれらの元素は、いずれも強度上昇に有効な元素であ
り、必要に応じて添加する。ただし、強度上昇の効果を
示す含有量は元素ごとに異り、また強度上昇以外にもそ
れぞれ特有の効果が期待できるので、適宜選択し含有さ
せる。

【００２６】ＣｒおよびＭｏの強度上昇効果は、２相域
に加熱後、焼入れる際の焼入れ性向上による強化と考え
られる。添加する場合、このＣｒおよびＭｏは0.05％未
満の含有では効果なく、またＣｒでは 2.0％をこえ、Ｍ
ｏでは 3.0％をこえると延性や靱性が劣化してくるの
で、添加する場合の含有量の範囲はそれぞれＣｒでは0.
05〜 2.0％、Ｍｏでは0.05〜 3.0％とする。

【００２７】Ｖ添加の強度上昇効果は、焼き戻しの際の
Ｖ（ＣＮ）の析出強化によると考えられる。添加する場
合、0.01％未満の含有では効果がなく、0.1 ％をこえる
と延性や靱性が劣化してくるので、添加する場合の含有
量の範囲は0.01〜 0.1％とする。

【００２８】Ｃｕ添加による強度上昇は、主としてＣｕ
そのものの析出硬化によると考えられる。また、強度上
昇による靱性や伸びの劣化が小さい。ただし、その効果
を得るには 1.0％以上の含有が必要であり、多くなると
熱間割れを生じやすく、その対策に高価なＮｉを多く添
加しなければならなくなるので、上限は 2.0％までとす
る。すなわち、Ｃｕを添加する場合、含有量は 1.0〜
2.0％に限定する。

【００２９】Ｂの効果も焼入れ性向上による強度上昇と
考えられるが、その他に安定して前組織を得るのにも有
効である。微量の添加で効果があるが、含有量0.0003％
未満では効果なく、また0.0020％をこえて含有させても
効果が飽和し、靱性が劣化してくる。したがって、添加
する場合の含有量の範囲は、0.0003〜0.0020％に限定す
る。

【００３０】(9) Ｐ、ＳおよびＮいずれも靱性を劣化する不純物元素であり少なければ少
ないほどよい。本発明の目的からは、目立った影響をお
よぼさない限界として、ＰおよびＳの含有量はそれぞれ
0.02％以下、Ｎの含有量は 0.006％以下とするとするこ
とが望ましい。

【００３１】(10) 圧延条件熱間圧延の鋼片加熱温度については、1000〜1250℃とす
る。これは上限の1250℃をこえると不必要なオーステナ
イト結晶粒の粗大化をきたし、下限の1000℃を下まわる
と加熱時点でＴｉやＮｂの一部が炭・窒化物となって析
出してしまい、添加の効果が充分発揮されないためであ
る。

【００３２】熱間圧延の後の段階では、 900℃以下の温
度で累積圧下率50％以上の圧延加工をおこない、Ａｒ₃
点以上の温度で圧延を終了する。累積圧下率は50％以上
であれば高い方は特には限定しないが、変形抵抗の増加
や温度低下のために制約されるので、80％程度が限界で
あろう。 900℃以下の温度で累積圧下率50％以上の圧延
加工をおこなうのは、ベイナイト組織の微細化を図るた
めであり、 900℃をこえる温度域での圧延加工は、如何
に大きくても微細化に効果がなく、 900℃以下での圧延
加工が累積圧下率50％未満であっても、やはり微細化の
効果がない。また、圧延終了温度がＡｒ₃点未満では、
最終製品の靱性が劣化する。

【００３３】(11) 圧延後の熱処理熱間圧延終了直後、 400〜 580℃の温度域にまで加速冷
却し、この温度域にて20〜 100ｓの間保持後、 200℃の
温度以下まで冷却する。

【００３４】加速冷却は 5〜15℃／ｓの範囲が望まし
く、速くしすぎると冷却の不均一が大きくなり鋼板の形
状が悪くなる危険性があり、遅すぎるとフェライトパー
ライト変態が始まり、目的とする前組織が得られなくな
る。加速冷却して到達する温度は 400℃未満ではベイナ
イト化が進行せず、 580℃をこえるとフェライトパーラ
イト変態して、どちらも目的とするベイナイト組織が得
られない。

【００３５】この温度域に維持される時間を20〜 100ｓ
と限定するのは、20ｓ未満ではベイナイト化が不十分で
あり、 100ｓをこえる時間この温度域に保持すると、ベ
イナイトの粒同志が合体し粗粒化するためである。

【００３６】このように 400〜 580℃の温度域内に20〜
100ｓの間保持後、冷却することにより目的とするベイ
ナイト組織が得られるが、より一層安定して好ましいベ
イナイト組織を得るには、この温度域にて等温保持また
は 0〜 0.5℃／ｓのゆっくりした冷却速度で所定時間保
持されることが望ましい。

【００３７】所定の温度および時間保持後、 200℃以下
室温程度までの温度に冷却することにより、ベイナイト
化を完了する。 200℃以下に冷却されない状態で次工程
の２相域に再加熱されると、ベイナイトの粒同志が合体
し粗粒化することがある。また、 200℃以下へ冷却する
方法は放冷で充分であり、要すれば衝風あるいは水冷等
の加速冷却をおこなってもよい。

【００３８】(12) ２相域熱処理以上のようにして、微細に分散した炭化物をもつベイナ
イト組織にした後、Ａｃ₁点以上Ａｃ₃点以下の温度域
に加熱して焼入れ、Ａｃ₁点以下 400℃以上の温度にて
焼戻しをおこなう。

【００３９】この場合、加熱温度をＡｃ₁点以上Ａｃ₃
点以下とするのは、オーステナイト＋フェライトの２相
状態とし、その後の焼入れによってオーステナイトをマ
ルテンサイトに変え、マルテンサイト＋フェライト組織
にして低降伏比と高強度を得るためである。焼戻しに
は、マルテンサイト組織の靱性の回復の効果もあるが、
ＮｂやＶの微細炭窒化物、およびＣｕそのものの析出に
よる強化の効果がある。

【００４０】焼戻しの温度は 400℃未満では焼戻しや析
出の効果が充分得られず、Ａｃ₃点をこえると、マルテ
ンサイトの分解や過時効現象により強度が低下してくる
ので、Ａｃ₁点以下 400℃までとする。ただし、焼戻し
と析出の組合わせを最も効果的に発現させるには、 500
〜 550℃の温度範囲が望ましい。

【００４１】

【実施例】化学成分が表１に示される厚さ 300mmのスラ
ブを用い、それぞれを表２に示される熱間圧延条件で圧
延し、加速冷却速度を約10℃／ｓとしてベイナイト化温
度に到達後、所定時間保持した。この場合、保持開始温
度から 0.2℃／ｓ程度の緩冷却とした。所定時間後水冷
してベイナイト化を終了させ、次に２相域温度に加熱
後、焼入れ焼戻しをおこなった。

【００４２】これらの鋼板の板厚の 1/4ｔ部から試験片
を採取し、引張り試験および 2mmＶノッチのシャルピー
衝撃試験をおこなった。また溶接性については電流 170
Ａ、速度15cm/minのサブマージ溶接をおこない、溶接部
のＨＡＺの最高硬さを測定した。結果も表２に合せて示
す。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】これらの鋼はいずれも、当初目標とした 7
80ＭＰａ以上の強度を得ることができたが、本発明で定
める成分範囲およびプロセスとその条件で製造したもの
は、降伏比82％以下で、低温靱性および溶接性も共に優
れた低降伏点鋼が得られている。鋼Ａ〜Ｇと鋼Ｈ〜Ｍと
を比較すると、熱間圧延以降のプロセス条件が本発明の
方法の範囲内であっても、化学成分が本発明の定める範
囲を外れるものは低降伏点が得られていない。また、表
２の試験番号 9〜13から、化学成分は本発明で定める範
囲内であっても、熱間圧延条件やベイナイト化条件、あ
るいは２相域加熱焼入れ焼戻し条件などが本発明で規制
する範囲を逸脱すれば、低降伏点鋼が得られないことが
わかる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
れば、高強度を有しながら低温靱性および溶接性が優れ
た低降伏点鋼を容易に得ることができる。このような鋼
の適用により、鋼構造物等において、地震に対する安全
性を維持しつつ大形化、高層化、あるいは鋼材の使用量
削減による空間使用効率の拡大が可能になる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、Ｃ：0.02〜0.15％、Ｓｉ：0.
15％以下、Ｍｎ： 0.6〜 2.0％、Ｎｂ： 0.005〜0.08
％、Ｔｉ： 0.005〜0.03％、Ｎｉ： 0.5〜 4.0％および
sol.Ａｌ： 0.005〜0.08％を含み、残部がＦｅおよび不
可避不純物からなる鋼を、1000〜1250℃の温度に加熱し
た後、Ａｃ₃点以上 900℃以下の温度で累積圧下率50％
以上の圧下を加え、圧延終了後、 400〜 580℃の温度域
まで加速冷却して、その温度域内にて20〜 100ｓの時間
保持後、 200℃以下に冷却し、次いでＡｃ₁点以上Ａｃ
₃点以下の温度域に加熱して焼入れ、Ａｃ₁点以下 400
℃以上の温度で焼戻し処理をおこなうことを特徴とする
溶接性と低温靱性に優れた低降伏比高張力鋼の製造方
法。
【請求項２】重量％にて、Ｃ：0.02〜0.15％、Ｓｉ：0.
15％以下、Ｍｎ： 0.6〜 2.0％、Ｎｂ： 0.005〜0.08
％、Ｔｉ： 0.005〜0.03％、Ｎｉ： 0.5〜 4.0％および
sol.Ａｌ： 0.005〜0.08％を含み、さらにＣｒ：0.05〜
2.0％、Ｍｏ：0.05〜 3.0％、Ｖ：0.01〜0.10％、Ｃ
ｕ： 1.0〜 2.0％およびＢ：0.0003〜0.0020％の１種以
上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼
を、1000〜1250℃の温度に加熱した後、Ａｃ₃点以上 9
00℃以下の温度にて累積圧下率50％以上の圧下を加え、
圧延終了後、 400〜 580℃の温度域まで加速冷却して、
その温度域内にて20〜 100ｓの時間保持後、 200℃以下
に冷却し、次いでＡｃ₁点以上Ａｃ₃点以下の温度域に
加熱して焼入れ、Ａｃ₁点以下 400℃以上の温度で焼戻
し処理をおこなうことを特徴とする溶接性と低温靱性に
優れた低降伏比高張力鋼の製造方法。