JPWO2016009595A1 - 大入熱溶接用鋼板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
船舶や建築・土木等の分野における各種鋼構造物においては、母材の特性に加え、溶接部の強度や靱性等の継手特性にも優れていることが要求される。しかし、大入熱溶接後の溶接熱影響部(以下、「HAZ」とも称する。)は、組織制御などによって製造工程で作りこまれた母材の特性が熱影響によって無効化されるため、靱性が低下することが知られている。これに対して、HAZの靱性低下を抑制するため、種々の大入熱溶接用鋼が提案されている。
しかし、引用文献5に記載の技術は、降伏強度が390MPaクラスの鋼材を対象としており、降伏強度が460MPaクラスを超えるような高強度鋼よりも炭素当量が低い鋼材に適用される。このため、引用文献5の技術を降伏強度が460MPaクラスを超えるような高強度鋼に適用した場合、炭素当量が高いためにHAZの結晶粒内がフェライトとベイナイトの混合組織となることから、HAZの靱性等の継手特性を改善することが困難であった。さらに、引用文献1〜4に記載の技術は、上記のように、入熱量が200kJ/cmを超える大入熱溶接においては、HAZ靱性等の継手特性が改善されなかった。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、溶接入熱が200kJ/cm以上となる大入熱溶接下においても、優れた継手特性を有する、降伏強度が460MPa以上で、板厚が25mm以上50mm以下の大入熱溶接用鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
ACR=(Ca−(0.18+130×Ca)×O)/(1.25×S) ・・・(1)
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 ・・・(2)
なお、表面温度の条件式におけるtは熱間圧延後の鋼素材の厚みを示し、(1)式および(2)式において、各元素記号は鋼素材中の各元素の含有量(質量%)を示す。
鋼素材は、質量%で、Mg:0.0005%以上0.0050%以下、Zr:0.0010%以上0.0200%以下、REM:0.0010%以上0.0200%以下のうちから選ばれる1種以上をさらに含有してもよい。
(a)大入熱溶接熱影響部の靭性向上には、高温領域でのオーステナイト粒の粗大化を抑制し、その後の冷却過程において粒内フェライトを生成させることにより、ベイナイト中の島状マルテンサイト(以下、「MA」とも称する。)量を低減させることが肝要である。さらに、MA量の低減ためには、鋼組成におけるC、SiおよびP含有量の低減が肝要である。
(b)焼入性の指標である炭素当量(Ceq)が適正な範囲に入るよう成分調整を行うことにより、継手の引張強度と靭性とを両立させる事ができる。
(c)母材強度の抑制には復熱によるセルフテンパーが有効であり、圧延後の冷却において板厚に応じた冷却停止温度制御を行うことで母材強度を適正な範囲にコントロールできる。さらに、板厚に応じた冷却停止温度制御を行うことで、延性や靱性等の母材強度以外の他の特性も両立させることができる。
[基本成分組成]
次に、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。まず、本発明の鋼材が有すべき基本成分組成について説明する。説明において、化学成分に関する%表示は全て質量%を意味する。
Cは、鋼材の強度を高める元素であり、構造用鋼として必要な強度を確保するためには、0.03%以上含有させる必要がある。一方、Cの含有量が0.10%を超えると、ボンド部近傍のHAZでMAが生成し易くなるため、上限は0.10%以下とする。好ましくは、Cの含有量は0.05%以上0.08%以下である。ここで、ボンド部近傍は、溶融線直近のHAZ中で最も粗粒化が著しい領域のことを意味する。
Siは、鋼を溶製する際の脱酸剤として添加される元素であり、0.01%以上の添加が必要である。しかし、Siの含有量が0.10%を超えると、母材の靱性が低下する。さらに、Siの含有量が0.10%を超えると、大入熱溶接後のボンド部近傍のHAZにMAが生成することで、靱性の低下が生じ易くなる。よって、Siの含有量は0.01%以上0.10%以下の範囲とする。好ましくは、Siの含有量は0.08%以下である。
Mnは、母材の強度を確保するために、0.8%以上添加する。一方、Mnの含有量が2.0%を超えるとHAZの靭性を著しく劣化させるため、Mnの含有量は、0.8%以上2.0%以下とする。好ましくは、Mnの含有量は1.2%以上2.0%以下である。
P:0.020%以下
Pは、ボンド部近傍のHAZでのMA生成を促進させ、靭性を大きく低下させるため、0.020%以下の含有量とする。好ましくは、Pの含有量は0.010%以下である。
Sは、フェライトの核生成サイトとして作用するMnSあるいはCaSを形成するために必要な元素である。このため、Sの含有量は0.0005%以上とする。しかしながら、過度に含有すると母材の靭性の低下を招くため、Sの含有量の上限は0.0050%とする。
Alは、鋼の脱酸のために添加される元素であり、0.005%以上含有させる必要がある。しかし、Alの含有量が0.100%を超えると、母材の靱性のみならず、溶接金属の靱性も低下する。よって、Alの含有量は0.005%以上0.100%以下とする。好ましくは、Alの含有量は0.010%以上0.100%以下である。
Nbは、母材および継手の強度を確保するために必要な元素である。しかし、Nbの含有量が0.003%未満の場合、強度への向上効果は小さい。一方、Nbの含有量が0.030%を超える場合、ボンド部近傍のHAZにMAが生成するため靱性が低下する。よって、Nbの含有量は0.003%以上0.030%以下の範囲とする。好ましくは、Nbの含有量は0.008%以上0.0020%以下である。
Tiは、溶鋼の凝固時にTiNとなって母材中に析出し、オーステナイト粒の粗大化を抑制することで母材靭性の向上に寄与する元素であり、添加が必須である。また同時に、Tiは、Bと結合しうるNを低減させ、鋼中の固溶Bを確保するため、母材強度を確保する上で有効に作用する。また、TiNは、HAZにおいてはフェライトの変態核となり、HAZの高靱性化に寄与する。斯かる効果を得るためには、Tiの含有量は0.005%以上が必要であり、0.015%以上とすることが好ましい。一方、Tiの含有量が0.050%を超える場合、析出したTiNが粗大化し、上記効果が得られなくなる。よって、Tiの含有量は、0.005%以上0.050%以下の範囲とする。好ましくは、Tiの含有量は0.010%以上0.0035%以下である。
Cuは、母材および継手の強度確保に寄与する元素である。特に、ボンド部近傍のHAZにおいて、顕著なMA生成を伴うことなく継手強度の向上に寄与するため添加が必須である。斯かる効果を得るために、Cuの含有量は、0.10%以上とする。一方、Cuの含有量が0.50%を越える場合、母材および継手の強度確保の効果は飽和する。このため、Cuの含有量の上限は、0.50%とする。好ましくは、Cuの含有量は0.020%以上0.040%以下である。
Niは、母材の靭性を向上させるとともに、母材の強度も上昇させる元素である。また、Niは、Cu添加による連続鋳造時の割れの発生を抑制する効果もある。斯かる効果を得るために、Niの含有量は、0.30%以上とする。一方、Niの含有量が2.0%を超える場合、母材の強度向上の効果は飽和する。このため、Niの含有量は、0.30%以上2.00%以下とする。好ましくは、Niの含有量は0.50%以上1.50%以下である。
Nは、溶鋼の凝固時にTiNとなって母材中に析出し、オーステナイト粒の粗大化を抑制することで母材靱性の向上に寄与する元素である。斯かる効果を得るために、Nの含有量は、0.0030%以上とする。一方、Nの含有量が0.0100%を超える場合、溶接熱サイクルによりTiNが溶解する領域において、固溶Nが増大することで靱性が劣化する。このため、Nの含有量は、0.0030%以上0.0100%以下とする。好ましくは、Nの含有量は0.0040%以上0.0080%以下である。
Bは、HAZでBNとなることで、固溶Nを低減させる元素であり、ACR(Atomic concentration ratio)制御と組み合わせることで効果的なフェライト変態核となり、フェライトを生成してHAZの靱性を向上させる。これらの効果を得るために、Bの含有量は、0.0003%以上とする。しかし、Bの含有量が0.0025%を超える場合、母材である鋼板およびHAZの靱性の低下が生じる。このため、Bの含有量は0.0003%以上0.0025%以下の範囲とする。好ましくは、Bの含有量は0.008%以上0.0020%以下である。
Caは、フェライトの生成核として利用されるCaSとしてSを固定することで靱性を改善させる元素であり、ACR制御をする上で必須の元素である。斯かる効果を得るために、Caの含有量は、0.0005%以上とする。一方、Caの含有量が0.0030%を超える場合、靱性改善の効果が飽和する。このため、Caの含有量は、0.0005%以上0.0030%以下の範囲とする。
O:0.0040%未満
Oは、CaS上にMnSが析出した複合粒化物の生成に間接的に影響を与える元素である。このため、Oの含有量は、0.0040%未満とする。好ましくは、Oの含有量は0.0030%未満である。
ACR=(Ca−(0.18+130×Ca)×O)/(1.25×S) ・・・(1)
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 ・・・(2)
なお、(1)式および(2)式において、各元素記号は鋼材中の各元素の含有量(質量%)を示す。
ACRは、各成分範囲の鋼を大入熱溶接した際、HAZの靱性の良好性を示すパラメータ式であり、0超1未満とする。Ca、OおよびSの含有量を上記ACRの範囲を満足させるように規定することにより、CaS上にMnSが析出した複合粒化物が生成され、フェライトの生成核となる。この複合粒化物を微細分散させることで変態組織が微細化し、溶接熱影響部の靱性が向上する。ACRが0以下の場合、CaSが晶出せずに、SがMnS単体として析出する。析出したMnSは、鋼板製造時に圧延方向に伸長することで、母材靱性を低下させる。また、HAZにおいてMnSが溶融するため、優れた靱性が得られない。一方、ACRが1以上の場合、ほとんどのSがCaによって固定され、フェライト生成核となる複合介在物を得ることができない。このため、HAZ組織が微細化せず、靱性向上効果を得ることができない。さらに、ACRを0超1未満とすることで、微細分散したMnSおよびCaSの複合硫化物上にBNが複合析出し、より能力の高いフェライト生成核として利用可能となることから、更なるHAZ靭性の向上が達成可能となる。
Ceqは、各成分範囲の鋼を大入熱溶接した際、継手引張強度および継手靱性を両立させるための指標となるパラメータ式であり、0.38以上0.43以下とする。(2)式中の元素の含有量を、上記Ceqの範囲を満足させるように規定することにより、HAZにおいて570MPaを超える継手強度を達成しながら、良好な靱性を確保する事ができる。Ceqが0.38以下の場合、鋼板の焼入性が不足し、HAZの軟化域の硬度が著しく低下するため所望する継手強度を得る事ができない。一方、Ceqが0.43以上の場合、鋼板の焼入性が過剰となり、ボンド部近傍においてフェライト生成が抑制されるとともにMAの生成が促進されるため優れた靱性を得る事が出来ない。なお、(2)式中には、Cr、MoおよびVが含まれるが、本発明の基本成分組成においては、不可避的に混入するような場合を除き、Cr、MoおよびVが含有されていなくてもよい。
以上が本発明の大入熱溶接用鋼板の基本成分組成である。なお、上記成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
次に、本発明の大入熱溶接用鋼板の成分組成の変形例について説明する。本発明の大入熱溶接用鋼板は、上記の基本成分組成に加えて、V、CrおよびMoのうちから選ばれる1種以上の元素を下記の範囲かつ上記(2)式を満足する範囲でさらに含有することができる。V、CrおよびMoのうちから選ばれる1種以上を選択的元素として含有することにより、強度向上などの効果を得ることができる。
Vは、VNとして析出し、母材の強度・靱性の向上に寄与すると共に、フェライト生成核としても作用する元素である。斯かる効果を得るためには、Vの含有量は、0.005%以上であることが好ましい。しかし、Vの含有量が過剰となる場合、靱性の低下を招き、さらに合金コストの増加を招くため、Vの含有量の上限は0.20%とするのが好ましい。
Crは、母材の高強度化に有効な元素である。斯かる効果を得るためには、Crの含有量は、0.02%以上とすることが好ましい。しかし、Crの含有量が過剰となる場合、Crは、靱性に悪影響を及ぼし、さらに合金コストの増加を招く。このため、Crの含有量の上限は、0.40%とするのが好ましい。
Moは、Crと同様に、母材の高強度化に有効な元素である。斯かる効果を得るためには、Moの含有量は、0.02%以上とすることが好ましい。しかし、Moの含有量が過剰となる場合、Moは、靱性に悪影響を及ぼし、さらに合金コストの増加を招く。このため、Moの含有量の上限は、0.40%とするのが好ましい。
Mg:0.0005%以上0.0050%以下
Mgは、酸化物の分散による靱性改善効果を有する元素である。斯かる効果を発現させるには、Mgの含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。一方、Mgの含有量が0.0050%を超える場合には、靱性改善効果が飽和する。このため、Mgの含有量は、0.0005%以上0.0050%以下の範囲とすることが好ましい。
Zrは、Mgと同様に、酸化物の分散による靱性改善効果を有する元素である。斯かる効果を発現させるには、Zrの含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。一方、Zrの含有量が0.0200%を超える場合には、靱性改善効果が飽和する。このため、Zrの含有量は、0.0005%以上0.0200%以下の範囲とすることが好ましい。
REMは、MgやZrと同様に、酸化物の分散による靱性改善効果を有する元素である。斯かる効果を発現させるには、REMの含有量は0.0010%以上とすることが好ましい。一方、REMの含有量が0.0200%を超える場合には、靱性改善効果が飽和する。このため、REMの含有量は、0.0010%以上0.0200%以下の範囲とすることが好ましい。
次に、本発明に係る大入熱溶接用鋼板の製造方法について説明する。本発明に係る大入熱用鋼板の製造方法では、まず、上記組成の溶鋼が、転炉、電気炉、真空溶解炉等の精錬設備を用いた通常の精錬方法で溶製され、溶製された溶鋼が連続鋳造法や造塊法等の鋳造方法で鋳造されることでスラブ等の鋼素材が製造される。なお、以下の製造方法の説明において、鋼板温度の記述は、すべて鋼板表面の温度を示す。
Ar3変態点=900−332C+6Si−77Mn−20Cu−50Ni−18Cr−68Mo ・・・(3)
なお、(3)式において、C、Si、Mn、Cu、Ni、CrおよびMoは、各元素の含有量(質量%)をそれぞれ示す。
鋼板を水冷した後、鋼板を空冷することで、大入熱溶接用鋼板が製造される。
(1)本発明に係る大入熱溶接用鋼板の製造方法は、質量%で、C:0.03%以上0.10%以下、Si:0.01%以上0.10%以下、Mn:0.8%以上2.0%以下、P:0.020%以下、S:0.0005%以上0.0050%以下、Al:0.005%以上0.100%以下、Nb:0.003%以上0.030%以下、Ti:0.005%以上0.050%以下、Cu:0.10%以上0.50%以下、Ni:0.30%以上2.00%以下、N:0.0030%以上0.0100%以下、B:0.0003%以上0.0025%以下、Ca:0.0005%以上0.0030%以下、O:0.0040%未満を含有し、かつ、下記(1)式で定義されるACRが0超1未満、下記(2)式で定義されるCeqが0.38以上0.43以下を満たして上記成分が含有され、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、1050℃以上1200℃以上に加熱し、加熱した鋼素材を、圧延後の板厚tが25mm以上50mm以下、累積圧下率が40%以上となるように、850℃以下かつ圧延終了時にAr3変態点以上となる温度域で熱間圧延し、熱間圧延した鋼素材を、表面温度が(−t×1.5)+400℃以上かつ(−t×1.5)+620℃以下となるまで、5℃/sec以上の冷却速度で水冷し、水冷し鋼素材を、空冷する。
ACR=(Ca−(0.18+130×Ca)×O)/(1.25×S) ・・・(1)
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 ・・・(2)
なお、表面温度の条件式におけるtは熱間圧延後の鋼素材の厚みを示し、(1)式および(2)式において、各元素記号は鋼素材中の各元素の含有量(質量%)を示す。
上記(2)の構成によれば、母材の靱性の低下を抑えながらも、母材の強度を向上させることができる。
(3)上記(1)または(2)の構成において、鋼素材は、質量%で、Mg:0.0005%以上0.0050%以下、Zr:0.0010%以上0.0200%以下、REM:0.0010%以上0.0200%以下のうちから選ばれる1種以上をさらに含有する。
上記(3)の構成によれば、酸化物の分散による靱性改善効果を得ることができる。
まず、150kgの高周波溶解炉を用いて、表1に示す成分組成を有するNo.1〜23の溶鋼をそれぞれ溶製し、鋳造することで鋼塊(鋼素材)を製造した。次いで、各鋼塊を熱間圧延することで種々の厚さの鋼片を製造した。さらに、得られた鋼片を種々の圧延および加速冷却条件により、圧延および加速冷却することで厚さが25mm以上50mm未満の鋼板を製造した。その後、各鋼板から長手方向が板幅方向と一致するようにJISZ2201に記載の1A号試験片を採取し、降伏応力YS(MPa)、引張強さTS(MPa)および全伸びEl(%)を計測した。なお、表1において、鋼No.1〜8は本発明の実施例であり、鋼No.9〜23は成分組成が本発明の範囲外となる比較例である。
ACR=(Ca−(0.18+130×Ca)×O)/(1.25×S)
・・・(1)
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
・・・(2)
なお、表面温度の条件式におけるtは熱間圧延後の鋼素材の厚みを示し、(1)式および(2)式において、各元素記号は鋼素材中の各元素の含有量(質量%)を示す。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.03%以上0.10%以下、
Si:0.01%以上0.10%以下、
Mn:0.8%以上2.0%以下、
P:0.020%以下、
S:0.0005%以上0.0050%以下、
Al:0.005%以上0.100%以下、
Nb:0.003%以上0.030%以下、
Ti:0.005%以上0.050%以下、
Cu:0.10%以上0.50%以下、
Ni:0.30%以上2.00%以下、
N:0.0030%以上0.0100%以下、
B:0.0003%以上0.0025%以下、
Ca:0.0005%以上0.0030%以下、
O:0.0040%未満を含有し、かつ、
下記(1)式で定義されるACRが0超1未満、下記(2)式で定義されるCeqが0.38以上0.43以下を満たして各成分が含有され、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼素材を、1050℃以上1200℃以上に加熱し、
加熱した前記鋼素材を、圧延後の板厚が25mm以上50mm以下、累積圧下率が40%以上となるように、850℃以下かつ圧延終了時にAr3変態点以上となる温度域で熱間圧延し、
熱間圧延した前記鋼素材を、表面温度が(−t×1.5)+400℃以上かつ(−t×1.5)+620℃以下となるまで、5℃/sec以上の冷却速度で水冷し、
水冷し前記鋼素材を、空冷することを特徴とする大入熱溶接用鋼板の製造方法。
ACR=(Ca−(0.18+130×Ca)×O)/(1.25×S) ・・・(1)
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 ・・・(2)
なお、表面温度の条件式におけるtは熱間圧延後の前記鋼素材の厚みを示し、(1)式および(2)式において、各元素記号は前記鋼素材中の各元素の含有量(質量%)を示す。 - 前記鋼素材は、質量%で、V:0%超0.20%以下、Cr:0%超0.40%以下およびMo:0%超0.40%以下のうちから選ばれる1種以上をさらに含有することを特徴とする請求項1に記載の大入熱溶接用鋼板の製造方法。
- 前記鋼素材は、質量%で、Mg:0.0005%以上0.0050%以下、Zr:0.0010%以上0.0200%以下、REM:0.0010%以上0.0200%以下のうちから選ばれる1種以上をさらに含有することを特徴とする請求項1または2に記載の大入熱溶接用鋼板の製造方法。
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