JPWO2018117228A1 - H形鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献5〜8では、高強度、高靱性などを目的とした厚手のH形鋼又はH形鋼の製造方法が開示されている。
(1)本発明の一態様にかかるH形鋼は、鋼が、化学成分として、質量%で、C:0.05〜0.160%、Si:0.01〜0.60%、Mn:0.80〜1.70%、Nb:0.005〜0.050%、V:0.05〜0.120%、Ti:0.001〜0.025%、N:0.0001〜0.0120%、Cr:0〜0.30%、Mo:0〜0.20%、Ni:0〜0.50%、Cu:0〜0.35%、W:0〜0.50%、Ca:0〜0.0050%、Zr:0〜0.0050%を含有し、Al:0.10%以下、B:0.0003%以下に制限し、残部がFe及び不純物からなり、Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15としたとき、前記化学成分中のC、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuが、0.30≦Ceq≦0.48を満足し、前記鋼が、金属組織として、面積分率で、フェライトを60〜100%未満含み、マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織MAを3.0%以下に制限し、前記フェライト及び前記MA以外の組織を37%以下に制限し、前記フェライトの平均粒径が1〜30μmであり、前記鋼を圧延方向と直交する切断面で見たとき、形状がH形であり、フランジの厚みが20〜140mmであり、前記フランジの幅方向長さをFとしたとき、前記フランジの幅方向端面から(1/6)Fの位置にて、引張降伏応力が385〜530MPaで、引張最大強度が490〜690MPaであり、前記フランジの厚みをt2としたとき、前記(1/6)Fの位置かつ、前記フランジの厚さ方向外側の面から(1/4)t2の位置にて、−20℃でのシャルピー試験の吸収エネルギーが100J以上である。
(2)上記(1)に記載のH形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、Nb:0.02超〜0.050%を含有してもよい。
(3)上記(1)または(2)に記載のH形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、N:0.005超〜0.0120%を含有してもよい。
(4)上記(1)〜(3)の何れか1つに記載のH形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、Cu:0.03%未満に制限してもよい。
(5)上記(1)〜(4)の何れか1つに記載のH形鋼では、前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、Al:0.003%未満に制限してもよい。
(6)上記(1)〜(5)の何れか1つに記載のH形鋼では、前記フランジの前記厚みが25〜140mmであってもよい。
(7)本発明の一態様にかかるH形鋼の製造方法は、上記(1)〜(6)の何れか1つに記載のH形鋼の製造方法であって、上記(1)〜(5)の何れか1つに記載の化学成分を有する溶鋼を得る製鋼工程と、前記製鋼工程後の前記溶鋼を鋳造して鋼片を得る鋳造工程と、前記鋳造工程後の前記鋼片を1100〜1350℃に加熱する加熱工程と、前記加熱工程後の前記鋼片に対して、圧延方向と直交する切断面で見たときの形状がH形となるように、フランジの幅方向端面から(1/6)Fの位置での累積圧下率が900℃超〜1100℃で20%以上であり、前記位置での累積圧下率が730〜900℃で15%以上であり、730℃以上で圧延を終了する条件で圧延を行う熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程後の熱延材を放冷する冷却工程と、を備える。
C(炭素)は、鋼の強化に有効な元素である。そのため、C含有量の下限を0.05%とする。好ましくは、C含有量の下限を、0.060%、0.070%、または0.080%とする。一方、C含有量が0.160%を超えると、低温靭性の低下を招く。そのため、C含有量の上限を0.160%とする。低温靭性をさらに向上させるために、好ましくは、C含有量の上限を、0.140%、0.130%、または0.120%とする。
Si(シリコン)は、脱酸元素であり、強度の向上にも寄与する元素である。そのため、Si含有量の下限を0.01%とする。好ましくは、Si含有量の下限を、0.05%、0.10%、または0.15%とする。一方、Si含有量が0.60%を超えると、MAの生成を助長し、低温靭性の低下を招く。そのため、Si含有量の上限を0.60%とする。低温靭性をさらに向上させるために、好ましくは、Si含有量の上限を、0.40%または0.30%とする。
Mn(マンガン)は、強度の向上に寄与する元素である。そのため、Mn含有量の下限を0.80%とする。より強度を高めるに、好ましくは、Mn含有量の下限を、1.0%、1.1%、または1.2%とする。一方、Mn含有量が1.70%を超えると、焼入性が過剰に上昇し、MAの生成を助長し、低温靭性を損なう。そのため、Mn含有量の上限を1.70%とする。好ましくは、Mn含有量の上限を、1.60%または1.50%とする。
Nb(ニオブ)は、熱間圧延時にオーステナイトの再結晶を抑制し、鋼材中に加工歪を蓄積させることでフェライトの細粒化に寄与し、更に、析出強化により強度の向上に寄与する元素である。そのため、Nb含有量の下限を0.005%とする。好ましくは、Nb含有量の下限を、0.010%、0.020%超、0.025%、または0.030%とする。ただし、Nb含有量が0.050%を超えると、著しい低温靭性の低下を招くことがある。そのため、Nb含有量の上限を0.050%とする。好ましくは、Nb含有量の上限を、0.045%、0.043%、または0.040%とする。なお、Nbを意図的に添加しない場合、不純物として含まれるNb含有量は0.005%未満である。Nb含有量を0.005%以上にするためには、Nbを鋼へ意図的に含有させる。
V(バナジウム)は、オーステナイトの粒内に炭窒化物として析出し、フェライトへの変態核として作用し、フェライト粒を微細化する効果を有する元素である。そのため、V含有量の下限を0.05%とする。好ましくは、V含有量の下限を、0.05%超、0.06%、または0.07%とする。しかし、V含有量が0.120%を超えると、析出物の粗大化に起因して低温靭性を損なうことがある。そのため、V含有量の上限を0.120%とする。好ましくは、V含有量の上限を、0.110%または0.100%とする。
Ti(チタン)は、TiNを形成して、鋼中のNを固定する元素である。そのため、Ti含有量の下限を0.001%とする。TiNのピンニング効果によってオーステナイトをさらに細粒化するために、好ましくは、Ti含有量の下限を、0.005%、0.007%、または0.010%とする。一方、Ti含有量が0.025%を超えると、粗大なTiNが生成し、低温靭性を損なう。そのため、Ti含有量の上限を0.025%とする。好ましくは、Ti含有量の上限を、0.020%、0.015%、または0.012%とする。
また、Alを積極的に添加しない場合、Tiが脱酸元素として働くので、Tiと結合しないNが生じる。ただ、このNは、Ti酸化物を核としてV炭窒化物として析出する。すなわち、Tiが脱酸元素として働いてTi酸化物が析出することにより、V炭窒化物の析出が促進され、低温靭性を向上させることができる。
N(窒素)は、TiNやVNを形成し、組織の細粒化や析出強化に寄与する元素である。そのため、N含有量の下限を0.0001%とする。好ましくは、N含有量の下限を、0.0020%、0.0035%、0.0050%超、または0.0060%とする。しかし、N含有量が0.0120%を超えると、低温靭性が低下し、鋳造時の表面割れや製造された鋼材の歪時効による材質不良の原因となる。そのため、N含有量の上限を0.0120%とする。好ましくは、N含有量の上限を、0.0110%、0.0100%、または0.0090%とする。
Al(アルミニウム)は、脱酸元素として用いられる元素であるが、Al含有量が0.10%を超えると、酸化物が粗大化して脆性破壊の基点となり、低温靭性が低下する。そのため、Al含有量の上限を0.10%に制限する。また、Alを積極的に脱酸元素として用いない場合には、Tiが脱酸元素として働き、鋼中にTi酸化物が析出する。このTi酸化物は、V炭窒化物の核生成サイトとして機能し、フェライト粒径を微細化し、低温靭性の向上に寄与する。そのため、Alを脱酸元素として用いずに、Alを不純物として、Al含有量の上限を、0.003%未満、0.002%、または0.001%に制限してもよい。なお、一般に、Al含有量を0.003%以上にするためには、Alを鋼へ意図的に含有させる。
B(ボロン)は、焼入性を高め、MAの生成を助長し、低温靭性を低下させる。そのため、本実施形態では、Bを積極的に添加せず不純物レベル以下に制限する。B含有量の上限を0.0003%に制限する。好ましくは、B含有量の上限を、0.0003%未満、0.0002%、または0.0001%に制限する。なお、一般に、B含有量を0.0003%超にするためには、Bを鋼へ意図的に含有させる。
P(燐)、S(硫黄)、およびO(酸素)は不純物である。PおよびSは、凝固偏析して溶接割れを助長し、また低温靭性を低下させる。好ましくは、P含有量の上限を、0.03%、0.02%、または0.01%に制限する。また、好ましくは、S含有量の上限を、0.02%または0.01%に制限する。Oは、鋼中に固溶して低温靭性を低下させ、また酸化物粒子の粗大化によって低温靭性を低下させる。好ましくは、O含有量の上限を、0.005%、0.004%、または0.003%に制限する。
Cr(クロム)は、強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Cr含有量を0〜0.30%にしてもよい。強度のさらなる向上のために、好ましくは、Cr含有量の下限を、0.01%、0.05%、または0.10%とする。一方、Cr含有量が0.30%を超えると、MAの生成を助長し、低温靭性を低下させることがある。そのため、好ましくは、Cr含有量の上限を、0.30%、0.25%、または0.20%とする。
Mo(モリブデン)は、鋼中に固溶して強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Mo含有量を0〜0.20%にしてもよい。強度のさらなる向上のために、好ましくは、Mo含有量の下限を、0.01%、0.05%、または0.10%とする。しかし、Mo含有量が0.20%を超えると、MAの生成を助長し、低温靭性の低下を招くことがある。そのため、好ましくは、Mo含有量の上限を、0.20%、0.17%、または0.15%とする。
Ni(ニッケル)は、鋼中に固溶して強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ni含有量を0〜0.50%にしてもよい。強度のさらなる向上のために、好ましくは、Ni含有量の下限を、0.01%、0.05%、または0.10%とする。しかし、Ni含有量が0.50%を超えると、焼入性を高め、MAの生成を助長し、低温靭性を低下させることがある。そのため、好ましくは、Ni含有量の上限を、0.50%、0.30%、または0.20%とする。
Cu(銅)は、強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Cu含有量を0〜0.35%にしてもよい。しかし、Cuの添加は、MAの生成を助長し、低温靭性が低下することがある。そのため、好ましくは、Cu含有量を、0.30%以下、0.20%以下、0.10%以下、あるいは、不純物レベルとなる0.03%未満または0.01%未満に制限してもよい。
W(タングステン)は、鋼中に固溶して強度の向上に寄与する元素である。必要に応じて、W含有量を0〜0.50%にしてもよい。好ましくは、W含有量の下限を、0.001%、0.01%、または0.10%とする。しかし、W含有量が0.50%を超えると、MAの生成を助長し、低温靭性を低下させることがある。そのため、好ましくは、W含有量の上限を、0.50%、0.40%、または0.30%とする。なお、Wを意図的に添加しない場合、不純物として含まれるW含有量は0.001%未満である。W含有量を0.001%以上にするためには、Wを鋼へ意図的に含有させる。
Ca(カルシウム)は、硫化物の形態制御に有効であり、粗大なMnSの生成を抑制し、低温靭性の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Ca含有量を0〜0.0050%にしてもよい。好ましくは、Ca含有量の下限を、0.0001%、0.0005%、または0.0010%とする。一方、Ca含有量が0.0050%を超えると、低温靭性が低下することがある。そのため、好ましくは、Ca含有量の上限を、0.0050%、0.0040%、または0.0030%とする。
Zr(ジルコニウム)は、炭化物、窒化物、又はその複合物として析出し、析出強化に寄与する元素である。必要に応じて、Zr含有量を0〜0.0050%にしてもよい。好ましくは、Zr含有量の下限を、0.0001%、0.0005%、または0.0010%とする。一方、Zr含有量が0.0050%を超えると、Zrの炭化物や窒化物などの粗大化を招き、低温靭性が低下することがある。そのため、好ましくは、Zr含有量の上限を、0.0050%、0.0040%、または0.0030%とする。なお、Zrを意図的に添加しない場合、不純物として含まれるZr含有量は0.0001%未満である。Zr含有量を0.0001%以上にするためには、Zrを鋼へ意図的に含有させる。
Mg(マグネシウム)やREM(希土類元素)は、母材靭性や溶接熱影響部(HAZ)の靭性の向上に寄与する元素である。必要に応じて、Mg含有量を0〜0.0050%、REM含有量を0〜0.0050%にしてもよい。好ましくは、Mg含有量の下限を、0.0005%、0.0010%、または0.0020%とし、REM含有量の下限を、0.0005%、0.0010%、または0.0020%とする。一方、好ましくは、Mg含有量の上限を、0.0040%、0.0030%、または0.0025%とし、REM含有量の上限を、0.0040%、0.0030%、または0.0025%とする。
本実施形態に係るH形鋼では、強度の確保の観点から、炭素当量Ceqを制御する。具体的には、Ceqを下記の式1としたとき、H形鋼の化学成分中のC、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuが、質量%で、0.30≦Ceq≦0.48を満足する。Ceqが0.30未満であると、強度が不足する。そのため、Ceqの下限を0.30とする。好ましくは、Ceqの下限を、0.32%、0.34%、または0.35%とする。一方、Ceqが0.48を超えると、低温靭性が低下する。そのため、Ceqの上限を0.48とする。好ましくは、Ceqの上限を、0.45%、0.43%、または0.40%とする。なお、下記の式1によってCeqを計算するとき、鋼中の含有量が検出限界以下の元素は、値として0を式1に代入してCeqを計算すればよい。
フェライトは、本実施形態に係るH形鋼の鋼組織中での主要な構成相である。フェライトの面積分率が60%未満であると、低温靱性が低下する。そのため、フェライト分率の下限を60%とする。好ましくは、フェライト分率の下限を、65%、70%、または75%とする。一方、フェライトの面積分率を100%に制御することは、パーライトまたはベイナイトの生成を伴うため、物理的に困難である。そのため、フェライト分率の上限を100%未満とする。強度と低温靱性とを好ましく制御するために、好ましくは、フェライト分率の上限を、90%、85%、または80%とする。
MAの生成が助長されると、低温靭性が低下する。本実施形態に係るH形鋼では、MAの生成を助長せずに鋼材の強度を上昇させる。そのため、MA分率を3.0%以下に制限する。好ましくは、MA分率の上限を、2.5%、2.0%、または1.5%とする。なお、MA分率は小さいほど好ましいので、MA分率の下限が0%でもよい。
本実施形態に係るH形鋼の鋼組織には、上記したフェライト及びMA以外の組織として、ベイナイトやパーライトなどが含まれる。フェライト及びMA以外の組織が過剰に含まれると、低温靱性が低下する。そのため、フェライト及びMA以外の組織(上記したフェライト及びMAの残部)の面積分率を37%以下に制限する。好ましくは、フェライト及びMA以外の組織の分率を、35%以下、30%以下、または25%以下とする。なお、フェライト及びMA以外の組織の分率は小さいほど好ましいので、この下限が0%でもよい。
フェライトの平均粒径は微細であることが好ましい。フェライト粒径が30μmを超えると、低温靱性が低下する。そのため、フェライト粒径の上限を30μmとする。好ましくは、フェライト粒径の上限を、25μm、22μm、または18μmとする。一方、フェライト粒径を1μm未満に制御することは、工業的に困難である。そのため、フェライト粒径の下限を1μmとする。好ましくは、フェライト粒径の下限を、3μm、5μm、または10μmとする。
2a 粗圧延機
2b 中間圧延機
2c 仕上圧延機
3 中間圧延機前後の水冷装置
4 H形鋼
5 フランジ
5a フランジの幅方向端面
5b フランジの厚さ方向外側の面
6 ウェブ
7 引張特性、低温靭性、および鋼材組織の評価部位
F フランジの幅方向長さ
H 高さ
t1 ウェブの厚み
t2 フランジの厚み
Claims (7)
- 鋼が、化学成分として、質量%で、
C :0.05〜0.160%、
Si:0.01〜0.60%、
Mn:0.80〜1.70%、
Nb:0.005〜0.050%、
V :0.05〜0.120%、
Ti:0.001〜0.025%、
N :0.0001〜0.0120%、
Cr:0〜0.30%、
Mo:0〜0.20%、
Ni:0〜0.50%、
Cu:0〜0.35%、
W :0〜0.50%、
Ca:0〜0.0050%、
Zr:0〜0.0050%
を含有し、
Al:0.10%以下、
B :0.0003%以下
に制限し、
残部がFe及び不純物からなり、
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15としたとき、前記化学成分中のC、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuが、0.30≦Ceq≦0.48を満足し、
前記鋼が、金属組織として、面積分率で、
フェライトを60〜100%未満含み、
マルテンサイトとオーステナイトとの混合組織MAを3.0%以下に制限し、
前記フェライト及び前記MA以外の組織を37%以下に制限し、
前記フェライトの平均粒径が1〜30μmであり、
前記鋼を圧延方向と直交する切断面で見たとき、形状がH形であり、フランジの厚みが20〜140mmであり、
前記フランジの幅方向長さをFとしたとき、前記フランジの幅方向端面から(1/6)Fの位置にて、引張降伏応力が385〜530MPaで、引張最大強度が490〜690MPaであり、
前記フランジの厚みをt2としたとき、前記(1/6)Fの位置かつ、前記フランジの厚さ方向外側の面から(1/4)t2の位置にて、−20℃でのシャルピー試験の吸収エネルギーが100J以上である
ことを特徴とするH形鋼。 - 前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、
Nb:0.02超〜0.050%
を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載のH形鋼。 - 前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、
N:0.005超〜0.0120%
を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載のH形鋼。 - 前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、
Cu:0.03%未満
に制限する
ことを特徴とする請求項1に記載のH形鋼。 - 前記鋼が、前記化学成分として、質量%で、
Al:0.003%未満
に制限する
ことを特徴とする請求項1に記載のH形鋼。 - 前記フランジの前記厚みが25〜140mmである
ことを特徴とする請求項1に記載のH形鋼。 - 請求項1〜6の何れか1項に記載のH形鋼の製造方法であって、
請求項1〜5の何れか1項に記載の前記化学成分を有する溶鋼を得る製鋼工程と、
前記製鋼工程後の前記溶鋼を鋳造して鋼片を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程後の前記鋼片を1100〜1350℃に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後の前記鋼片に対して、圧延方向と直交する切断面で見たときの形状がH形となるように、フランジの幅方向端面から(1/6)Fの位置での累積圧下率が900℃超〜1100℃で20%以上であり、前記位置での累積圧下率が730〜900℃で15%以上であり、730℃以上で圧延を終了する条件で圧延を行う熱間圧延工程と、
前記熱間圧延工程後の熱延材を放冷する冷却工程と、を備える
ことを特徴とするH形鋼の製造方法。
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