JPH1060573A - 耐メッキ割れ性及び溶接熱影響部靱性に優れた高張力鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的特性や経済性を損なわずに、母材およ
びHAZ 部の耐メッキ割れ性を飛躍的に向上させた高張力
鋼を提供する。 【解決手段】高張力鋼組成を有し、かつ下記(i) および
(ii)式を満たす組成相を含有する直径１〜10μｍの分散
粒子が、平均密度１mm² あたり４個以上分散し、かつ、
該分散粒子の中に立方晶系M₃O₄型結晶構造を有する酸化
物相を含有するようにする。 (i) Mn ：５〜50at％ (ii)(Al+Ti) ：50〜95at％ ただし、上記「at％」は、酸化物を構成する全金属元素
に対するMn、Al、Tiの原子比率を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建築物、鉄塔およ
び橋梁等に使用される耐メッキ割れ性および溶接熱影響
部靱性に優れた高張力鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、鋼材の防錆を目的として、例
えば鋼材の表面に亜鉛(Zn)などを溶融メッキする手段が
広く用いられている。このような方法は防錆上極めて有
効な手段であるが、構造物が大型のものであったり、構
造物に使用されている鋼材の組成やメッキ浴への浸漬の
仕方によっては、構造物を溶融メッキ浴に浸漬する際
に、特に溶接熱影響部 (以下、HAZ 部とも称する) に割
れが発生する場合がある。

【０００３】このような割れをメッキ割れと称している
ので、以下、これに対する耐性を「耐メッキ割れ性」と
記す。上記のメッキ割れは、鋼の粒界に亜鉛などの液体
金属が侵入することにより鋼材が脆化し、割れに至るも
のと考えられており、特に鋼材のHAZ 部に大きな応力が
付加された状態で、亜鉛等の液体金属浴に浸漬した場合
に脆化が著しいことが知られている。

【０００４】耐メッキ割れ性を向上させる手段として、
特公平２−5814号公報には耐亜鉛メッキ割れ性に有害な
Ｃ、SiやMn等の含有量を規制した、Nb、ＶおよびTiを含
む高強度低合金鋼が示されている。

【０００５】また、特開平２−145721号公報および「鉄
と鋼」Vol.9, P93には、粒界の焼入性を増大させるＢ添
加量を低減させ、初析フェライトを生成させることで、
メッキ割れを抑制することが可能であるとされている。

【０００６】しかしながら、このように限られた化学成
分のコントロールのみでは大型構造物や高強度鋼を利用
した構造物におけるメッキ割れの防止対策としては不十
分である。すなわち、構造物の大型化に伴って溶接残留
応力や、メッキ時に発生する熱応力が増大するので、上
述のような鋼組成の調整だけではメッキ割れの発生を皆
無にすることはできず、また、鋼材の高強度化に伴う耐
メッキ割れ性の劣化を抑制することはできなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般に、メッキ割れは
鋼材の厚みが大きいほど、また、強度が高いほど発生し
やすい傾向にあることから、例えば600MPa以上の引張強
さの高張力鋼の場合にはメッキ割れは避けられないと考
えられていた。つまり、耐メッキ割れ性と高張力性とは
相反する特性と考えられていたのである。

【０００８】ここに、本発明は、特に引張強さなどの機
械的特性や経済性を損なわずに、母材およびHAZ 部の耐
メッキ割れ性を飛躍的に向上させた高張力鋼を提供する
ことを目的とする。

【０００９】より具体的には、本発明は、引張強さ500M
Pa以上、−30℃でシャルピー衝撃値100J以上のHAZ 部靱
性を有し、優れた耐メッキ割れ性を示す高張力鋼を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するために研究を重ねた結果、鋼中に含まれる
酸化物を利用して、粒内組織を均一な微細フェライト組
織とすることにより、HAZ 部の粒界の耐メッキ割れ性を
も著しく向上させ、耐亜鉛メッキ割れ性に有害とされて
いるＣ、Si、MnおよびＢ等をある程度含む鋼についても
十分な耐メッキ割れ性を付与できることを見い出して本
発明を完成した。

【００１１】つまり、従来、耐メッキ割れ性の向上を目
的として、HAZ 部の粒界に初析フェライトを生成させて
いた代わりに、微細フェライトを生成させ同様の効果を
得ることが可能となったものである。さらに、その結果
として、HAZ 部の靱性の向上を実現することができた。

【００１２】すなわち、本発明者らは酸化物利用による
粒内フェライトの析出促進作用およびそれによる溶接熱
影響部の靱性改善機構を詳細に検討するため、種々の組
成の酸化物を有する鋼材を実験室規模で溶解し、そのと
きの分散粒子と粒内フェライトの析出状況について基礎
的な研究を行った。その結果、溶接熱サイクルの冷却途
中に多量の粒内フェライトを生成する鋼中には、Mn、A
l、Tiを主成分とする複合酸化物が存在することを見い
出した。粒内フェライトの生成核となっていた複合酸化
物粒子中には種々の組成比率を有するMn−Ti−Al系の酸
化物相が複雑に複合して存在する。

【００１３】そこで、そのような酸化物相の結晶構造を
調査するため電解抽出法により採取した残渣を用いたＸ
線回折を行った。その結果、次のようなことが判明し
た。すなわち、上記複合酸化物中には立方晶系のM₃O₄型
の酸化物が含まれており、その格子定数がフェライトの
格子定数とほぼ等しくなっており、そのためにそのよう
な酸化物が粒内フェライトの生成核となるものと考えら
れる。

【００１４】ところで、立方晶系のM₃O₄型の酸化物は一
般にはスピネル型あるいは逆スピネル型と称される酸化
物相であり、Mn、Ti、Alを含有する結晶相としてMnAl₂O
₄ 、MnTi₂O₄ 、Mn₂AlO₄ 、Mn₂TiO₄ 等が知られている。
上述の複合酸化物中のAl、Mn、Tiの組成比は必ずしも整
数倍とはなっておらず、MnAl₂O₄ 、MnTi₂O₄ 、Mn₂AlO₄
等においてAl、Mn、Tiが互いに置換して、その格子定数
の範囲が広がったと考えられる。

【００１５】このような複合酸化物が粒内フェライトの
析出を促進する理由については明らかではないが、立方
晶系のM₃O₄型の結晶構造は優れた対称性を有しており、
フェライトとの結晶整合性が非常に優れていることから
フェライトの生成核として機能したと考えられる。

【００１６】よって、本発明は、重量％としてＣ：0.05
〜0.20％、Si：0.50％以下、Mn：0.2 〜2.0 ％、Ｐ：0.
030 ％以下、Ｓ：0.030 ％以下、Al：0.020 ％以下、T
i：0.050 ％以下、Ｏ：0.001 〜0.010 ％以下、Ｎ：0.0
10 ％以下 残部がFeおよび不可避的不純物から成る鋼組成を有し、
直径１〜10μｍの分散粒子が、１mm² あたり４個以上分
散し、該分散粒子の中に下記(i) および(ii)式を満たす
Mn-Al-Ti系の組成相を含有し、かつ、該分散粒子の中に
立方晶系M₃O₄型結晶構造を有する酸化物相を含有するも
のが存在することを特徴とする耐メッキ割れ性および溶
接熱影響部靱性の優れた高張力鋼である。

【００１７】(i) Mn ：５〜50at％ (ii) (Al+Ti)：50〜95at％ ただし、上記「at％」は、酸化物相を構成する全金属元
素に対するMn、Al、Tiの原子比率を示す。

【００１８】本発明にあっては、さらに、上記鋼組成
が、Cu：1.0 ％以下、Ni：1.0 ％以下、Cr：0.50％以
下、Mo：0.5 ％以下、Ｖ：0.1 ％以下、Nb：0.10％以
下、Ｂ：0.001 ％以下の１種または２種以上を含有する
ものであってもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の趣旨は、最も広義には、
立方晶系のM₃O₄型結晶構造をもつ酸化物相を含有する主
にAl、Mn、Tiからなる複合酸化物を微細に分散させるこ
とにより、粒内フェライトの析出を促進し、HAZ 部にお
ける耐メッキ割れ性および低温靱性を改善することにあ
る。ここで、本発明にかかる高張力鋼を構成する組成成
分の作用、効果、ならびにそれらの限定理由について述
べる。

【００２０】Ｃ：Ｃは強度確保のために添加されるた
め、0.05％未満の場合には強度不足となる。一方、その
含有量が増加すると母材および溶接部の靱性が損なわれ
るだけでなく、HAZ 部の耐メッキ割れ性を損なうのでそ
の上限を0.20％とした。好ましくは、0.05〜0.15％であ
る。

【００２１】Si：Siは脱酸のためだけでなく、強度確保
の観点からも有効な元素であるが、0.50％を超えて含有
させると、Siはセメンタイト中への固溶量が少ないた
め、未変態γがαとセメンタイトに分解するのを阻害
し、微細な硬化組織である島状マルテンサイトの生成を
助長してHAZ 部靱性を劣化させる。さらにHAZ 部の耐メ
ッキ割れ性をも劣化させるので、その上限を0.50％以下
とした。好ましくは、0.30％以下である。

【００２２】Mn：Mnは鋼の強度と靱性の確保のため、必
須の元素であるばかりでなく、本発明においては、フェ
ライト析出核となる複合酸化物の構成元素としても必須
の元素である。このため、0.2 ％以上の添加が必要であ
るが、過剰な添加はHAZ 部靱性の低下を招くばかりでな
く、耐メッキ割れ性をも劣化させるのでその上限を2.0
％とした。好ましくは、1.00〜.1.80 である。

【００２３】Ｐ：Ｐは不可避的に含有される不純物元素
であるが、粒界偏析元素であるために、HAZ 部における
粒界割れの原因となる。このため、Ｐの含有量は低いほ
ど好ましいが、経済的観点を考慮して0.030 ％を上限と
した。さらに母材靱性、HAZ 部靱性を向上させ、スラブ
中心偏析を低減するには、0.01％以下とすることが望ま
しい。

【００２４】Ｓ：ＳもＰと同様に鋼に不可避的に含有さ
れる不純物元素である。Ｓが多量に存在する場合、MnS
等の溶接割れの起点となる析出物を形成する。そのた
め、Ｓの含有量が低いほど好ましいが、経済的観点を考
慮して、0.030 ％を上限とした。さらに、母材靱性およ
び、HAZ 部靱性を向上させ、スラブ中心偏析を低減する
には、0.01％以下とするこが望ましい。

【００２５】Al：Al添加は、HAZ 部におけるオーステナ
イト相からフェライト相への変態を促進し、HAZ 部の組
織が微細化し、メッキ割れ感受性を高める島状マルテン
サイトの粒間での生成が抑制される。また、Alは本発明
において、フェライト析出核となる複合酸化物の構成元
素としても必須の元素である。しかし、Alの過剰な添加
は複合酸化物の形成を困難にし、HAZ 部の島状マルテン
サイトを増加させ、靱性を劣化させるのでその上限を0.
020 ％とした。望ましい範囲は、0.005 ％以下である。

【００２６】Ti：TiもAl同様、複合酸化物の構成元素と
して必須である。ただし、Alと同様に複合酸化物形成に
必要なTi量は分析限界に近く、特に下限は限定しない。
実用上からは0.001 ％以上であればよい。一方、過剰な
Tiの添加は粗大なTiＣの単独析出を招き、耐メッキ割れ
性を劣化させ、かつHAZ 部や母材の靱性にも有害である
ため0.05％以下とした。好ましくは、0.010 ％以下であ
る。

【００２７】Ｏ (酸素) ：Ｏはフェライト析出核となる
複合酸化物生成のために、少なくとも0.001 ％は必要で
ある。しかし、鋼中に過剰にＯが存在する場合には母材
靱性に悪影響を与えることから、上限を0.010 ％とし
た。好ましくは、0.003 〜0.007 ％である。

【００２８】Ｎ：Ｎは不可避的に含まれる不純物元素で
あり、過剰に添加すると靱性を低下させる。本発明鋼に
おいては、0.01％以下であればその悪影響は少ないた
め、0.010％以下とした。

【００２９】本発明によれば、その他、必要に応じて、
さらに、Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、Ｖ、およびＢの１種また
は２種以上を含有させ、鋼の強度と靱性をさらに高める
ようにしてもよい。

【００３０】Cu、Ni、Cr、Mo、Ｖ、Nb、Ｂは鋼材の焼入
性を増し、強度確保には有利な元素であるが、過剰の添
加は母材および、HAZ 部の靱性劣化をまねくとともに、
HAZ部の耐メッキ割れ性も低下させる。そのため、Cuお
よびNiはそれぞれ1.0 ％以下、CrおよびMoはそれぞれ0.
50％以下、ＶおよびNbはそれぞれ0.10％以下、さらにＢ
は0.001 ％以下とした。

【００３１】本発明において、耐メッキ割れ性を改善
し、かつHAZ 部の更なる高靱性化を図るためには、上記
のように鋼板の成分を規定するだけでは不十分であり、
後述する酸化物を生成させ、微細に分散させることが、
不可欠である。

【００３２】つまり、本発明によれば、立方晶系のM₃O₄
型結晶構造をもつ酸化物相を含有する主にAl、Mn、Tiか
らなる複合酸化物を微細に分散させることにより、粒内
フェライトの析出を促進し、HAZ 部における低温靱性を
改善するのである。本発明において上記のように、分散
粒子の組成範囲と結晶構造を同時に限定した理由を以下
に述べる。

【００３３】まず、上述のように、本発明は、特定の酸
化物相が有するフェライト析出核としての機能を利用す
るものである。そのためには、分散粒子の必要とする酸
化物相の組成、総量、分散数を限定する必要がある。し
かし、分散粒子中には種々の組成を有する相が複合して
存在しており、それぞれの相は酸化物だけでなく窒化
物、硫化物等種々の化合物である場合もある。このよう
な分散粒子中の酸化物相のみを抽出して組成を定量化す
る技術は現状では存在しない。そこで少なくとも分散粒
子中にMn-Al-Ti系の本発明の限定範囲内の組成相を有す
ることを必須とした。このような限定された領域であれ
ば、EDX 等により組成の確認が可能であるばかりでな
く、酸素含有量が規定されることと相まって、Mn-Al-Ti
系の酸化物の存在は少なくとも確認されるからである。

【００３４】また、分散粒子全体として所望の機能を有
することを保証するために分散粒子の格子定数、つまり
組成および結晶構造を限定した。抽出残渣を用いたＸ線
回折により格子定数および結晶構造の確認が可能である
からである。

【００３５】本発明によれば、分散粒子中には、Mn：５
〜50at％、(Al+Ti):50〜95at％の成分組成のものが含有
されている。このような組成範囲を外れる場合には、格
子定数不適となるからである。また、Mn、Al、Ti以外の
金属元素については制限しないのは、Mn、Al、Tiの介在
物のみがアシキュラーフェライト生成に寄与するためで
ある。通常、そのような金属元素としてはSiが例示され
る。

【００３６】一方、フェライトの結晶整合性が高く、粒
内フェライトの析出核として機能すると考えられる立方
晶系のM₃O₄型の酸化物を一般の鋼材で形成するには、酸
化物組成を制御する必要がある。

【００３７】そこで、分散粒子中に上記限定内の組成を
有する相が存在していることを必要条件の一つとして限
定した。分散粒子中には、立方晶系のM₃O₄型結晶構造を
もつ酸化物相を含有することが必須である。本発明の限
定範囲内にある酸化物相は、フェライトとの整合性に優
れ、析出サイトとして機能する。このように、分散粒子
の成分組成および結晶構造を同時に限定することによ
り、本発明が目的とする分散粒子を明確に規定すること
ができる。

【００３８】本発明によれば、上記の組成、結晶構造を
満たす分散粒子が存在する鋼材においては、それらを微
細分散させる必要があり、そのための前提として直径１
〜10μｍの粒子が１mm² 当たり４個以上分散しているこ
とが必要である。このときの分散粒子の組成、結晶構造
は制限されず、酸化物、硫化物粒子等も包含されるが、
好ましくは、主要な分散粒子が酸化物であって、上述の
組成、結晶構造をとるものである。粒子の分散密度が１
mm² 当たり４個未満の場合には組織改善効果が十分に現
れず、HAZ 部靱性が改善されないためである。また分散
個数は多いほど靱性改善効果が大きいため上限は規定し
ない。さらに分散個数は、光学顕微鏡またはＳＥＭ観察
により計測が可能である。なお、その他の分散粒子につ
いては、通常、この種の高張力鋼に見られる程度の非金
属介在物であれば特に制限されない。

【００３９】本発明にかかる鋼板の製造に当たっては、
上記成分系の鋼を転炉、電気炉等で溶製し、連続鋳造、
あるいは造塊・分塊法により鋳片を鋳造する。鋳片の鋳
造にあたっては冷却速度が速い方が望ましいため、連続
鋳造の方が望ましい。また、同様の理由から、連続鋳造
におけるスラブ厚は薄い方が好ましい。その後、スラブ
加熱、熱間圧延を施し、所定の厚みの鋼板を製造する。

【００４０】厚板加熱以降の製造条件については、現在
公知になっている制御圧延、制御冷却等の種々の技術を
適用しても、HAZ 部に何ら悪影響を及ぼさない。また、
母材の機械的特性を向上させるために、熱間圧延後適当
な熱処理を施してもHAZ 部の性質に何ら悪影響を及ぼす
ものでない。

【００４１】

【実施例】

(実施例１)表１に示すように、母材成分を変化させた23
種類の鋼板を作成した。鋼板中の酸化物の組成を変化さ
せるため、脱酸元素の添加時期、順序を種々変化させ鋳
造を行った後、熱間圧延、冷間圧延を経て鋼板の製造を
行った。

【００４２】これらの鋼板について直径１〜10μｍの非
金属介在物粒子である分散粒子の分散密度、そのような
分散粒子のうちの酸化物粒子組成を調査した。分散密度
は、500 倍の光学顕微鏡にてミクロ試料の表面を観察し
計測した。

【００４３】分散粒子の中の本発明が規定する組成の酸
化物相の存在の有無は、分散粒子をSEM-EDX 装置にて観
察し、組成比率を各相ごとに同定することにより確認し
た。結晶構造の同定は、定電流電解法により得た抽出残
渣を用いてＸ線回折法を用いて分析した。

【００４４】一方、鋼板の母材強度・靱性を調査すると
ともに、HAZ 部の耐メッキ割れ性および靱性について調
査を行った。耐メッキ割れ性の調査については、図１
(a) 、(b) に示すように、20パスの拘束溶接を行って、
拘束継手試験材を作成した。図１(a) 、(b) において、
ａが試験板 (厚さｔ＝15mm、長さｌ＝150 mm、幅Ｗ＝50
mm) 、ｂが試験ビード、ｌb が試験ビード長さ、ｃが拘
束ビードである。なお、拘束継手試験片は、３体作成し
た。

【００４５】また、溶接は、被覆アーク溶接法 (予熱な
し) を用いて、拘束ビードは2.3KJ/mmで、試験ビードは
1.6KJ/mmにて実施し、作製した試験片を470 ℃の溶融亜
鉛メッキ浴中に10分間浸漬した後、試験ビード (ｂ部)
を磁気探傷により検査し、割れの有無を調査した。割れ
が見られない場合は、○で表わし、割れが存在する場合
は×で表わす。

【００４６】さらに、HAZ 部靱性の調査については、SA
W 法にて入熱9.0KJ/mmにて溶接を行い、F. L部から採取
した試験片を用いてシャルピー試験を行った。結果を表
２および表3 にまとめて示す。

【００４７】これらの結果からも分かるように、本発明
にかかる鋼No.1〜８については、表２に示すように目標
とする組成および結晶構造を有する酸化物の生成を確認
した。その結果、溶接部においてメッキ割れは発生せ
ず、良好なシャルピー吸収エネルギーを有することを確
認した。

【００４８】鋼No.9〜13は、本発明内の母材成分を有す
る鋼であるが、酸化物の変化による耐メッキ割れ性およ
びHAZ 靱性の変化を調査するため、溶鋼精錬条件および
凝固時の鋳型寸法を変化させたものである。分散個数の
少ない鋼No.9では目標とする組成を有する酸化物の生成
は確認したものの、耐メッキ割れ性およびHAZ 靱性とも
に劣化している。さらに、酸化物組成が、鋼No.10 はMn
の下限外れ、鋼No.11はMnの上限外れ、鋼No.12 ではAl
＋Ti量が上限外れ、鋼No.13 ではAl＋Ti量が下限外れ、
メッキ割れ性およびHAZ 靱性ともに劣化している。

【００４９】またさらに、母材成分において、鋼板中酸
化物の主成分であるMn、Al、Ti量が成分範囲外である鋼
No.17 〜20についても目標とする成分範囲内の酸化物が
得られず、メッキ割れ性およびHAZ 靱性ともに劣化して
いる。

【００５０】(実施例２)本例では、さらに強度を改善す
る例として、表４に示すようにCu、Ni、Cr、Mo、Ｖ、N
b、Ｂを添加した鋼組成を使用して、実施例１を繰り返
した。結果は表５および表６にまとめて示す。

【００５１】これらの結果からも分かるように、本発明
にかかる鋼No.24 〜32については、溶接部においてメッ
キ割れは発生せず、良好なシャルピー吸収エネルギーを
有することを確認した。

【００５２】また、鋼No.33 〜39は、分散粒子の分散個
数および組成相は目標とするものが得られているが、母
材成分が本発明範囲外であるためHAZ の硬化に起因し
て、メッキ割れが発生するとともに、HAZ 靱性が劣化し
ている。

【００５３】

【表１】

【００５４】

【表２】

【００５５】

【表３】

【００５６】

【表４】

【００５７】

【表５】

【００５８】

【表６】

【００５９】

【発明の効果】本発明の高張力鋼は良好な耐メッキ割れ
性を有すると共に、優れたHAZ 靱性を有している。従っ
て、溶融メッキを施して大型構造物等に使用する高強度
鋼として極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) および(b) は、耐メッキ割れ性を調査
するために実施した拘束割れ試験の構造を示す図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱田 昌彦 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金 属工業株式会社内 (72)発明者 一ノ瀬 威 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金 属工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ：0.05〜0.20％、 Si：0.50％以下、 Mn：0.2 〜2.0 ％、 Ｐ：0.030 ％以下、 Ｓ：0.030 ％以下、 Al：0.020 ％以下、 Ti：0.050 ％以下、 Ｏ：0.001 〜0.010 ％、Ｎ：0.010 ％以下 残部がFeおよび不可避的不純物 から成る鋼組成を有し、直径１〜10μｍの分散粒子が、
   １mm² あたり４個以上分散し、該分散粒子の中に下記
   (i) および(ii)式を満たすMn-Al-Ti系の組成相を含有
   し、 かつ、該分散粒子の中に立方晶系M₃O₄型結晶構造を有す
   る酸化物相を含有するものが存在することを特徴とする
   耐メッキ割れ性および溶接熱影響部靱性の優れた高張力
   鋼。 (i) Mn ：５〜50at％ (ii)(Al+Ti) ：50〜95at％ ただし、上記「at％」は、酸化物相を構成する全金属元
   素に対するMn、Al、Tiの原子比率を示す。
2. 【請求項２】 重量％で、さらに Cu：1.0 ％以下、Ni：1.0 ％以下、Cr：0.50％以下、M
   o：0.5 ％以下、 Ｖ：0.1 ％以下、Nb：0.10％以下、およびＢ：0.001 ％
   以下の１種または２種以上を含有する請求項１記載の高
   張力鋼。