JPWO2021054335A1 - クラッド鋼およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

母材鋼板に合金からなる合せ材が接合されたクラッド鋼において、母材鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：１．２０〜１．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｍｏ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０４０％、Ｔｉ：０．００５％未満、Ｎ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｎｉ：０．１０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の成分組成を有し、ＮｂとＮの質量％の比Ｎｂ／Ｎは、２．０〜１０．０、かつ下記式（１）で表わされるＣｅｑが０．３８〜０．４５の範囲内にあり、母材鋼板の組織は、面積率でパーライト相が２％以下であり、かつ、ベイナイト相および／またはマルテンサイト相を合計で１３〜３５％含み、かつ、フェライト相を６５〜８５％含み、母材鋼板のフェライト粒径の最大値が４５μｍ以下であるクラッド鋼。Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋Ｍｏ／５ ・・・（１）

Description

本発明は、例えば化学プラントの反応容器などに用いられるクラッド鋼およびその製造方法に関する。
クラッド鋼は、異種金属を金属学的に接合させたもので、めっきとは異なり剥離する心配がなく、単一金属及び合金では達し得ない特性を持たせることができる。クラッド鋼は、使用環境毎の目的に合った機能を有する合せ材を選択することにより、板厚全体が単一の金属あるいは合金である無垢材と同等の機能を発揮させることができる。例えば、合せ材に高い耐食性の高合金鋼材を用い、母材に普通鋼材を用いて、二種類の性質の異なる金属材を貼り合わせた高合金クラッド鋼が知られている。さらに、クラッド鋼の母材には、耐食性以外の高靭性や高強度といった厳しい環境に適した炭素鋼、低合金鋼を適用することができる。
このように、クラッド鋼は無垢材よりもＣｒ、ＮｉおよびＭｏ等の合金元素の使用量が少なく、かつ、無垢材と同等の防錆性能を確保でき、さらに炭素鋼および低合金鋼と同等の強度および靭性を確保できるため、経済性と機能性が両立できるという利点を有する。以上から、高合金の合せ材を用いたクラッド鋼は非常に有益な機能性鋼材であると考えられており、近年そのニ−ズが各種産業分野で益々高まっている。また、近年、寒冷地など低温環境におけるクラッド鋼の使用が増えていることを背景に、より高い母材強度および靱性がクラッド鋼に求められている。
従来から強度及び靭性を向上させるためのクラッド鋼が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、溶体化処理温度にまで加熱した後、母材をＢＮ析出温度以下にまで徐冷してＢＮを析出させ、その後急冷することにより溶体化まで靱性に優れるクラッド鋼が開示されている。
特許第４２５２６４５号公報
ところで、クラッド鋼を例えば化学プラントの反応容器として用いた場合、クラッド鋼の溶接後に溶接部の残留応力低減などを目的として応力除去焼鈍が実施されることがある。しかしながら、上述した特許文献１のクラッド鋼の場合、応力除去焼鈍後において、母材中の炭化物の形態変化に伴う強度および／または靱性が劣化するおそれがあるという問題がある。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、母材の成分および母材組織を規定することにより、応力除去焼鈍をしても強度及び靱性を向上させることができるクラッド鋼材及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、本発明者らは母材成分と組織および強度、靱性の関係を調査した。その結果、靱性の劣化はフェライト粒の粗大化によって引き起こされていることを突き止めた。更に、母材組織中のパーライト相分率と最大フェライト粒径との間に相関があることを明らかにし、母材の相分率および最大フェライト粒径を規定することで、母材強度および靱性に優れたクラッド鋼を提供できることを見出し、本発明に至り、その要旨は、以下の通りである。
［１］
母材鋼板に合金からなる合せ材が接合されたクラッド鋼において、
前記母材鋼板は、質量％で、
Ｃ：０．０６〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、
Ｍｎ：１．２０〜１．６０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
Ｍｏ：０．０５〜０．１５％、
Ｎｂ：０．０１０〜０．０４０％、
Ｔｉ：０．００５％未満、
Ｎ：０．００１０〜０．０１００％、
Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、
Ｎｉ：０．１０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の成分組成を有し、
ＮｂとＮの質量％の比Ｎｂ／Ｎは、２．０〜１０．０、かつ下記式（１）で表わされるＣｅｑが０．３８〜０．４５の範囲内にあり、
前記母材鋼板の組織は、面積率でパーライト相が２％以下であり、かつ、ベイナイト相および／またはマルテンサイト相を合計で１３〜３５％含み、かつ、フェライト相を６５〜８５％含み、
前記母材鋼板のフェライト粒径の最大値が４５μｍ以下であるクラッド鋼。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋Ｍｏ／５ ・・・（１）
（式（１）中、元素記号は各元素の質量％を示す。）
［２］ 前記母材鋼板は、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜０．４０％およびＶ：０．００１〜０．０５０％から選択される１種又は２種を含有し、かつ、下記式（２）で表わされるＣｅｑが０．３８〜０．４５の範囲内にある［１］に記載のクラッド鋼。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ・・（２）
（上記式（２）中、元素記号は各元素の質量％を示す。）
［３］ ［１］または［２］に記載のクラッド鋼の製造方法において、
［１］または［２］に記載の成分組成を有する鋼素材を１１８０℃以上に加熱後、圧延して母材鋼板の素材を製造する、母材鋼板素材製造工程と、
前記母材鋼板の素材及び前記合せ材の素材を組み立てた組立スラブを１０５０℃〜１２５０℃に加熱する加熱工程と、
前記組立スラブに対し圧下比が３．０以上の熱間圧延を施し、圧延体を形成する圧延体形成工程と、
前記圧延体を放冷した後、９００℃〜１１５０℃に前記圧延体を再加熱する再加熱工程と、
前記圧延体の母材鋼板を０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ未満の冷却速度で冷却する冷却工程と、
を含むクラッド鋼の製造方法。
［４］ 冷却工程の後に５００℃〜６８０℃に前記圧延体を再加熱する工程を含む、［３］に記載のクラッド鋼の製造方法。
本発明のクラッド鋼及びその製造方法によれば、母材鋼板におけるＣ量、Ｍｏ量、Ｃｅｑを規定することで応力除去焼鈍後の強度を担保するとともに、パーライト相分率を規定することでフェライト粒を微細化させることができ、その結果、強度および靱性を格段に向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。はじめに、クラッド鋼は、母材鋼板の片面または両面に合せ材が接合された構造を有する。合せ材としては、例えば耐食性のステンレス鋼又はＮｉ合金が挙げられるがこれに限定されず、用途に応じて種々の合金を用いることができる。以下に、母材鋼板の成分組成及び組織について説明する。
母材鋼板の成分組成は、質量％で、（ａ）Ｃ：０．０６〜０．１５％、（ｂ）Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、（ｃ）Ｍｎ：１．２０〜１．６０％、（ｄ）Ｐ：０．０３０％以下、（ｅ）Ｓ：０．０１０％以下、（ｆ）Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、（ｇ）Ｍｏ：０．０５〜０．１５％、（ｈ）Ｎｂ：０．０１０〜０．０４０％、（ｉ）Ｔｉ：０．００５％未満、（ｊ）Ｎ：０．００１０〜０．０１００％、（ｋ）Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、（ｌ）Ｎｉ：０．１０〜０．５０％、（ｍ）Ｎｂ／Ｎ：２．０〜１０．０を含有するものである。以下、各成分組成について詳説する。
（ａ）Ｃ：０．０６〜０．１５％
Ｃは鋼の強度を向上させる元素であり、０．０６％以上含有させることで十分な強度を発現し、０．０７％以上含有させることが好ましく、０．０８％以上含有させることがより好ましい。しかし、０．１５％を超えると溶接性および靱性の劣化を招く。したがって、Ｃ量は０．１５％以下とし、好ましくは０．１４％以下、より好ましくは０．１２％以下である。
（ｂ）Ｓｉ：０．１０〜０．６０％
Ｓｉは脱酸に有効であり、また鋼の強度を向上させるために０．１０％以上含有させ、好ましくは０．２０％以上含有させる。しかしながら、０．６０％を超えると鋼の表面性状および靱性の劣化を招くので、Ｓｉ含有量は０．６０％以下として、０．５０％以下であることが好ましい。なお、Ｓｉは鉄鉱石などの原料から鋼中へ不可避的に入る元素であり、Ｓｉ量を０．１０％未満に抑えることは製鋼過程でのコスト増を招くことになる。
（ｃ）Ｍｎ：１．２０〜１．６０％
Ｍｎは鋼の強度を上昇させる元素である。また、ＮｉやＣｒなど他の強度を上昇させる元素に比べて安価であるため、積極的に添加することが望ましい。よって、添加量の下限を１．２０％とし、１．３０％とすることが好ましい。しかしながら、１．６０％を超えると溶接性が損なわれる。したがって、Ｍｎ量は１．６０％以下とする。
（ｄ）Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは鋼中の不可避的不純物であり、Ｐの含有量が０．０３０％を超えると靱性が劣化する。すなわち、Ｐは、できるだけ低減することが好ましいが、０．０３０％までは許容できる。したがって、Ｐ量の上限値は０．０３０％以下とし、好ましくは０．０２５％以下である。ただし、Ｐ量を０．０００１％未満に低減するためには、溶鋼を溶製する過程で脱Ｐ処理に長時間を要し、製造コストの上昇を招くため、０．０００１％以上であることが好ましい。当該Ｐ量の好ましい範囲は０．０００１〜０．０２５％である。
（ｅ）Ｓ：０．０１０％以下
ＳもＰと同様に、鋼中の不可避的不純物である。Ｓの含有量が０．０１０％を超えると靱性が劣化する。すなわち、Ｓは、できるだけ低減することが好ましいが、０．０１０％までは許容できる。したがって、Ｓ量の上限値は０．０１０％以下とし、好ましくは０．００５％以下である。ただし、Ｓ量を０．０００１％未満に低減するためには、溶鋼を溶製する過程で脱Ｓ処理に長時間を要し、製造コストの上昇を招く。このため、０．０００１％以上であることが好ましく、０．０００３％以上であることがより好ましい。
（ｆ）Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは脱酸剤として添加する。０．００５％以上の含有で脱酸効果を発揮するので０．００５％以上を、好ましくは０．０１０％以上を添加する。しかしながら、０．０５０％を超えると溶接部の靱性劣化を招く。したがって、Ａｌ量は０．０５０％以下とし、好ましくは０．０４５％以下である。
（ｇ）Ｍｏ：０．０５〜０．１５％
Ｍｏは鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、圧延後の鋼の強度および靱性を向上させる。また、ＭｏはＣと結合して、ＭｏＣやＭｏ２Ｃを形成するが、これらの炭化物は安定であるため、応力除去焼鈍における強度、靱性を向上させる効果がある。その効果は０．０５％以上の含有で発現するので、Ｍｏ量は０．０５％以上、好ましくは０．０７％以上とする。しかしながら、０．１５％を超えると溶接性の劣化を引き起こす。したがって、Ｍｏ量は０．１５％以下とし、好ましくは０．１３％以下である。
（ｈ）Ｎｂ：０．０１０〜０．０４０％
ＮｂはＮｂ窒化物として析出し、オーステナイト粒の粗大化を抑制して、鋼の強度および靱性を改善させる効果がある。また、オーステナイト域の圧延において再結晶温度域を低温まで拡大させ、結晶粒の微細化が可能となり、靱性が改善する。これらの効果は０．０１０％以上の含有により得られるので、Ｎｂ量は０．０１０％以上とする。結晶粒の微細化および靱性の向上の観点から、好ましくは０．０１３％以上とする。しかしながら、０．０４０％を超えると粗大なＮｂ窒化物が形成されて靱性が劣化する。したがって、Ｎｂ量は０．０４０％以下とし、粗大なＮｂ窒化物を抑制する観点から、好ましくは０．０３０％以下とする。また、後述の窒素原子との比を所定値以上にすることで、オーステナイト粒の粗大化の抑制効果をより発揮することができる。
（ｉ）Ｔｉ：０．００５％未満
Ｔｉは単体ではＴｉＣやＴｉＮなどの炭化物、窒化物を形成し、Ｎｂとの複合添加の場合はＴｉとＮｂの複合炭化物、複合窒化物が形成される。本発明の母材鋼板において、Ｔｉの量がＮｂより少ないことが好ましい。また、ＴｉとＮｂとを併用して混合する場合、特にＴｉの量を０．００５％以上とＮｂの量を０．０１０〜０．０４０％とを混合すると、粗大なＴｉとＮｂの複合炭化物および／または複合窒化物が形成されて靱性が劣化することが確認された。よって、Ｔｉ量は０．００５％未満とし、炭化物または窒化物の形成の観点から、０．００３％以下とすることが好ましい。
（ｊ）Ｎ：０．００１０〜０．０１００％
ＮはＮｂ窒化物の形成に不可欠な元素であり、０．００１０％以上の含有でＮｂ窒化物が形成される。このためＮ量は０．０．０１０％以上とし、窒化物の形成の観点から、好ましくは０．００２０％以上である。しかしながら、０．０１００％を超えると溶接性および靱性の劣化を引き起こす。したがって、Ｎ量は０．０１００％以下とし、溶接性および靱性の劣化の観点から、好ましくは０．００８０％以下とし、好ましい範囲は０．００２０〜０．００８０％である。また、後述のＮｂとの比を所定値以上にすることで、γ粒（オーステナイト粒）の粗大化の抑制効果をより発揮することができると考えられる。
（ｋ）Ｃｕ：０．１０〜０．５０％
Ｃｕは鋼の焼入れ性を向上に有効な元素であり、圧延後の鋼の強度および靱性を向上させる。経済性と他の添加元素の量を考慮して、添加量は０．１０％以上とし、好ましくは０．２０％以上とする。しかしながら、０．５０％を超えると溶接性および靱性の劣化を引き起こす。したがって、Ｃｕ量は０．５０％以下とし、好ましくは０．４０％以下である。
（ｌ）Ｎｉ：０．１０〜０．５０％
Ｎｉは鋼の焼き入れ性を向上させ、特に靱性の改善に効果的な任意成分の元素である。経済性と他の添加元素の量を考慮して、添加量を０．１０％以上とし、好ましくは０．２０％以上とする。しかしながら、０.５０％を超えると溶接性を損ない、合金コストも増大する。したがって、Ｎｉ量は０．５０％以下とし、好ましくは０．４０％以下である。
（ｍ）Ｎｂ／Ｎ：２．０〜１０．０
ＮｂとＮの質量％の比Ｎｂ／Ｎが２．０以上の場合、Ｎｂ窒化物の析出と固溶Ｎｂの効果が十分に発現する。しかしながら、Ｎｂ／Ｎが２．０未満の場合、鋼中に固溶Ｎが存在するため、靱性の顕著な劣化が生じる。したがって、Ｎｂ／Ｎは２．０以上とする。また、Ｎｂ／Ｎが１０．０を超える場合、鋼中に固溶するＮｂ量が多くなり靱性が劣化する。したがって、Ｎｂ／Ｎは１０．０以下とし、好ましくは７．０以下である。
また、上記成分組成は、下記式（１）の鋼の焼き入れ性の指標値であるＣｅｑが０．３８〜０．４５を満たすように含有される。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋Ｍｏ／５ ・・・（１）
（上記式中、元素記号は各元素の質量％を示す。）
Ｃｅｑが０．３８以上のとき、十分な焼き入れ性が確保可能で良好な鋼の強度および靱性が得られる。よって、Ｃｅｑは０．３８以上とし、０．３９以上が好ましく、０．４０以上がより好ましい。しかしながら、Ｃｅｑが０．４５を超えると、溶接性が損なわれるため、Ｃｅｑは０．４５以下とし、好ましくは０．４４以下、より好ましくは０．４３以下である。
さらに、特性を向上させるために、必要に応じて母材鋼板に任意成分を添加してもよい。すなわち、任意成分として、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜０．４０％及びＶ：０．００１〜０．０５０％からなる群から選択される１種又は２種をさらに含有してもよい。
Ｃｒ：０．０１〜０．４０％
Ｃｒは鋼の焼入れ性を向上させる任意成分の元素であり、圧延後の鋼の強度および靱性を向上させる。その効果は０．０１％以上の含有で発現する。しかしながら、０．４０％を超えると溶接性および靱性の劣化を引き起こす。したがって、特に鋼の強度および靱性の改善を目的としてＣｒを含有する場合、Ｃｒ量は０．０１〜０．４０％とする。当該Ｃｒ量のより好ましい範囲は０．０１〜０．３０％である。
Ｖ：０．００１〜０．０５０％
Ｖは炭窒化物を形成することで、鋼の強度を向上させる任意成分の元素である。その効果は０．００１％以上の含有で発現する。よって、特に鋼の強度の改善を目的としてＶを含有させる場合には、０．００１％以上とすることが好ましく、０．００５％以上とすることがより好ましい。しかしながら、０．０５０％を超えると靱性が劣化する。したがって、Ｖ量は０．０５０％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０４０％以下である。
上述のように、母材に任意成分が含有している場合、下記式（２）のＣｅｑが０．３８〜０．４５を満足するように含有される。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ・・・（２）
（上記式中、元素記号は各元素の質量％を示す。）
Ｃｅｑが０．３８以上の場合、十分な焼き入れ性が確保可能で、良好な鋼の強度および靱性が得られる。よって、Ｃｅｑは０．３８以上とし、０．３９以上が好ましく、０．４０以上がより好ましい。しかしながら、Ｃｅｑが０．４５を超えると、溶接性が損なわれるため、Ｃｅｑは０．４５以下とし、好ましくは０．４４以下、より好ましくは０．４３以下である。
本発明に係る母材鋼板において、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。なお、Ｃａ：０．０１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｓｎ：０．０５０％以下、Ｓｂ：０．０５０％以下、Ｚｒ：０．０５０％以下、Ｗ：０．０５０％以下、Ｃｏ：０．０５０％以下、Ｍｇ：０．０２０％以下、ＲＥＭ：０．０１０％以下のいずれか１種以上をこの範囲で含有しても、母材鋼板の特性に顕著な変化は生じない。
以上において、クラッド鋼の母材鋼板の適正組成範囲について説明したが、母材鋼板の成分組成を上記範囲に調整するだけでは不十分であり、母材鋼板を構成する組織分率および最大フェライト粒径を制御することにより、母材鋼板の強度および靱性の向上が発現する。以下、クラッド鋼の母材鋼板の組織分率および最大フェライト粒径について説明する。
パーライト相の面積率：２％以下
パーライト相が生成するとその周囲には粗大なフェライト相が生成することを見出し、パーライト相が２％以下であれば、粗大なフェライト相の生成を回避できる。そのため、パーライト相の面積率は２％以下とする。好ましくは１％以下である。
ベイナイト相および／またはマルテンサイト相の面積率：１３〜３５％
ベイナイト相、マルテンサイト相は強度の向上およびフェライト粒の微細化による靱性の向上のために必要である。１３％以上の分率でその効果が発現するので、下限値は１３％とする。しかし、ベイナイト相、マルテンサイト相の分率が多いと硬質相が多くなることで、加工性の劣化を引き起こすため、上限値は３５％とする。したがって、ベイナイト相および／またはマルテンサイト相の面積率は１３〜３５％とする。好ましくは１５〜３０％である。
母材鋼板の残部の構成組織は、フェライト相であり、フェライト相の面積率は６５〜８５％になる。なお、パーライト相、ベイナイト相および／またはマルテンサイト相及びフェライト相の面積率の合計は１００％になる。
また、フェライト粒径の最大値は４５μｍ以下である。組織の中の粗大なフェライト粒を微細化することにより靱性は向上し、フェライト粒径の最大値が４５μｍ以下の場合、靱性の顕著な向上が見られる。そのため、フェライト粒径の最大値は４５μｍ以下とする。好ましくは４０μｍ以下である。
本発明のクラッド鋼の製造方法の実施形態について説明する。クラッド鋼の母材鋼板用の鋼素材は、上述した成分組成に調整され、常法等により溶製される。合せ材は、使用する腐食環境などによって適宜選択される。合せ材としては、一例として、常法等により溶製されたＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｌなどのオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４１０などのマルテンサイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌなどの二相ステンレス鋼やＮＷ４４００、ＮＣＦ６２５、ＮＣＦ８２５などのＮｉ合金などの耐食性合金を使用することができる。これらの母材鋼板の素材および合せ材の素材を用いて、クラッド圧延用組立スラブ（以下、「組立スラブ」と称する）が組み立てられる。
組立スラブは、公知の手法を用いて作製することができる。そのうち、母材鋼板の素材／合せ材の素材／合せ材の素材／母材鋼板の素材というように重ね合わせた形式が製造上効率的である。また冷却時の反りを考慮すると、母材鋼板の素材同士、合せ材の素材同士は等厚であることが望ましい。もちろん、上記で記述した組立方式に限定する必要が無いことは言うまでもない。
上述のように組み立てた組立スラブは加熱され、さらに熱間圧延が実施される。すなわち、全体として、（Ｉ）母材素材製造工程、（ＩＩ）加熱工程、（ＩＩＩ）圧延体形成工程、（ＩＶ）再加熱工程、（Ｖ）冷却工程の順に行われる。各工程での条件は下記の通りである。なお、本発明における温度条件は、いずれも、素材や鋼板の表面の温度とする。
（Ｉ）母材素材製造工程
母材素材製造工程は、上記した成分範囲内に調整された母材鋼板用の鋼素材を、常法等により１１８０℃以上に加熱し、その後に圧延する工程である。加熱温度を１１８０℃以上とするのは、母材鋼板のミクロ偏析を低減させ、母材鋼板の靱性を確保するためである。加熱温度が１１８０℃未満の場合、鋳造時に形成された母材鋼板用の鋼素材のミクロ偏析が残存し、焼き入れ促進成分が希薄である領域の焼き入れ性が確保されず、粗大なフェライト粒が生じることで、母材鋼板の靱性が劣化する。母材鋼板のミクロ偏析の低減のため、母材鋼板用の鋼素材の加熱は１１８０℃以上とする。好ましくは１２００℃以上である。加熱温度の上限は特に制限されないが、母材鋼板用の鋼の溶融温度を考慮し、好ましくは１３００℃以下である。そして、母材鋼板用の鋼は加熱が行われた後に圧延され、母材鋼板の素材が製造される。
（ＩＩ）加熱工程
加熱工程は、組立スラブを１０５０℃〜１２５０℃に加熱する工程である。ここで、組立スラブは、例えば、前述のように作製してもよい。加熱温度を１０５０℃以上とするのは、合せ材と母材鋼板との接合性および母材鋼板の靱性を確保するためである。加熱温度が１０５０℃以上になると、合せ材と母材鋼板とを接合させるには、高温域での圧延が有利である。一方、１０５０℃を下回る加熱温度では、高温域での圧延量が十分に確保できず、接合性が劣化する。したがって、合せ材と母材鋼板との接合性の確保のため、加熱温度を１０５０℃以上とする。また、加熱温度が１２５０℃を超えると結晶粒の粗大が著しく、母材鋼板の靱性の劣化が生じる。そのため、加熱温度は１０５０〜１２５０℃、好ましくは１１００〜１２５０℃である。
（ＩＩＩ）圧延体形成工程
圧延体形成工程は、組立スラブに対し、圧下比３．０以上の熱間圧延を施し、圧延体を形成する工程である。ここで、圧下比とはスラブ厚（圧延前の組立スラブの厚さ）／圧延後のクラッド鋼の厚さをいう。熱間圧延において圧下比を３．０以上としたのは、圧下比を３．０以上とすることで母材鋼板の結晶粒が細粒化され、母材鋼板の靱性が向上するためである。圧下比の範囲はより好ましくは４．０〜２０.０である。
（ＩＶ）再加熱工程
この再加熱工程と次の（Ｖ）冷却工程とを続けて実施することにより、上記の圧延体に焼きならし処理を実施する。再加熱工程は、圧下比３．０以上で熱間圧延した圧延体を大気中などで放冷した後、さらに９００〜１１５０℃に圧延体を再加熱する工程である。ここで、放冷とは、注水等による強制冷却を行わずに延体や鋼を大気中に暴露することを意味し、積極的な冷却は行わず、空冷することを意味する。なお、積極的な冷却とは、「積極的にガス、液体またはその混合物で冷却を行う」ことをいう。耐孔食性、強度または靱性の向上の観点では、圧延体を放冷した後、再加熱する間は積極的な冷却は行わないことが好ましい。
また、熱間圧延後に再加熱を行うのは母材鋼板の組織の調整のためである。熱間圧延後に再加熱を行うことで、母材鋼板の組織が均質化され、強度および靱性が向上する。再加熱温度が９００℃未満となると、母材鋼板の組織の均質化が生じないため、再加熱温度は９００℃以上とし、好ましくは９３０℃以上とする。また、１１５０℃を超えると母材鋼板の結晶粒が粗大となって、母材鋼板の靱性の劣化が顕著となる。したがって、再加熱温度は１１５０℃とし、好ましくは１１００℃以下である。
（Ｖ）冷却工程
冷却工程は、再加熱した圧延体を冷却する工程で、具体的には、圧延体における母材鋼板を０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ未満の冷却速度で冷却する工程である。再加熱後の母材鋼板の冷却速度を０．１℃／ｓ以上とするのは、母材をパーライト相が２％以下、ベイナイト相および／またはマルテンサイト相を合計で１３〜３５％、かつ、フェライト相を６５〜８５％含む組織とするためである。しかしながら、１．０℃／ｓ以上の冷却速度では、焼き入れ性が上がり過ぎ、加工性を担保するためには焼き戻し熱処理の工程が必要となるため、工程数とコストの増大を招く。したがって、再加熱後の母材の冷却速度は０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ未満とする。なお、母材鋼板が上記冷却速度で冷却されるものであればその手法を問わず、例えば圧延体の母材鋼板側に冷却水を噴射する等の公知の技術を用いることができる。
本発明に係るクラッド鋼の製造方法は、上述した各工程（Ｉ）〜（Ｖ）の順に行うことが好ましいが、各工程間に必要により公知の工程をさらに付加してもよい。さらに、必要に応じて、（Ｖ）冷却工程の後に冷却後の再加熱工程（ＶＩ）が実施される。
（ＶＩ）冷却後の再加熱工程
冷却後の再加熱工程は、上述した冷却工程（Ｖ）の後に、５００℃〜６８０℃に圧延体を再加熱する工程である。冷却後に再度加熱を実施するのは、溶接後の応力除去熱処理を実施した非溶接部の特性を把握するためである。溶接後の応力除去熱処理は、溶接後の鋼構造物全体に実施されるため、非溶接部も同様の熱処理にさらされる。そのため、溶接後の応力除去熱処理を模擬した熱処理を実施し、特性を評価する場合がある。再加熱温度は、５００℃未満では溶接部の応力除去効果が十分でないため、５００℃以上とする。また、６８０℃超えでは母材組織の相変態が生じ、靱性が劣化する可能性があるため、６８０℃以下とする。保持時間は加熱温度や板厚などにより適宜設定される。
このようなクラッド鋼の製造方法を用いることで、応力除去焼鈍後において母材鋼板の強度および靱性を確保可能なクラッド鋼を製造することができる。なお、クラッド鋼の製造方法は、工程（Ｉ）〜（Ｖ）の順に全ての工程を行うものであればよく、必要により各工程間に公知の工程をさらに付加してもよい。
下記表１に示す鋼種を溶解して母材鋼板用の素材を作製した。なお、合せ材の素材はＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＮＷ４４００、ＮＣＦ６２５、ＮＣＦ８２５の中から選ばれる一種を常法で溶製した。なお、表１〜３において、下線部分は、本発明の範囲外であることを意味し、空欄は含有していない、もしくは不可避不純物として含有している場合を意味する。
Figure 2021054335
作製した母材鋼板の素材と合せ材の素材とを組み立てて組立スラブを作製した後、表２に示す製造方法でクラッド鋼を製造した。製造されたクラッド鋼は、合せ材の厚さが２ｍｍ〜４ｍｍ、母材鋼板の厚さが１５ｍｍ〜４５ｍｍであった。いずれも、焼きらなし処理、すなわち、再加熱およびそれに引き続いて実施される冷却の後で、応力除去焼鈍を行った。そして、得られたクラッド鋼について、試験片を採取し、（１）母材鋼板の組織分率評価、（２）母材鋼板の最大フェライト粒径評価、（３）強度評価、（４）靭性評価を実施した。
Figure 2021054335
（１）母材鋼板の組織分率評価
得られたクラッド鋼板から、母材鋼板の表面と垂直でかつ圧延方向に平行な面が観察面となるように、組織観察用試験片を採取した。ついで、観察面を研磨し、３ｖｏｌ％ナイタール液で腐食して組織を現出し、組織を光学顕微鏡（倍率：２００倍）で観察し、撮像した。得られた組織写真から、画像解析により、組織を同定する。上記の金属組織観察を１０視野で行い、各視野での組織写真中の各相の占有面積率の平均値を、各相の面積率とした。
（２）母材鋼板の最大フェライト粒径評価
上記の金属組織観察で得られた組織写真のフェライト相に対してＪＩＳ Ｇ０５５１に規定の結晶粒度測定方法により、フェライト粒径を算出した。金属組織観察を１０視野で行い、その中で最も大きい値のフェライト粒径を最大フェライト粒径とした。
（３）強度評価
母材鋼板の強度は引張試験によって評価した。クラッド鋼の合せ材部分を機械加工によって取り除いた、母材鋼板のみの領域からＪＩＳ １Ａ号の引張試験片を採取し、引張試験を行った。母材鋼板の強度が４８５ＭＰａ以上のものを強度が良好であると判断した。
（４）靭性評価
母材鋼板の靭性は、シャルピー衝撃試験によって評価した。母材鋼板についてＪＩＳ Ｚ２２４２に規定の１０×１０ｍｍサイズＶノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行った。−４０℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギー値（ｖＥ−４０）が１００Ｊを超えるものを靭性が良好であると判断した。
上記試験結果を表３に示す。
Figure 2021054335
母材鋼板の化学成分が本発明の範囲内であるＮｏ．１〜１４のクラッド鋼は良好な強度、および靱性を示した。母材鋼板の成分組成が本発明の範囲外であるＮｏ．１５〜２３のクラッド鋼では、母材鋼板の強度が４８５ＭＰａ未満および／またはシャルピー衝撃吸収エネルギー値が１００Ｊ以下であり、強度および／または靱性に劣っていた。また、母材鋼板の成分組成及び製造方法の条件が本発明の範囲外であるＮｏ．２４〜３３のクラッド鋼では、母材鋼板の強度が４８５ＭＰａ未満および／またはシャルピー衝撃吸収エネルギー値が１００Ｊ以下であり、強度および／または靱性に劣っていた。以上のように、応力除去焼鈍をしても強度及び靱性の向上させることができた。

Claims (4)

  1. 母材鋼板に合金からなる合せ材が接合されたクラッド鋼において、
    前記母材鋼板は、質量％で、
    Ｃ：０．０６〜０．１５％、
    Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、
    Ｍｎ：１．２０〜１．６０％、
    Ｐ：０．０３０％以下、
    Ｓ：０．０１０％以下、
    Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
    Ｍｏ：０．０５〜０．１５％、
    Ｎｂ：０．０１０〜０．０４０％、
    Ｔｉ：０．００５％未満、
    Ｎ：０．００１０〜０．０１００％、
    Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、
    Ｎｉ：０．１０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の成分組成を有し、
    ＮｂとＮの質量％の比Ｎｂ／Ｎは、２．０〜１０．０、かつ下記式（１）で表わされるＣｅｑが０．３８〜０．４５の範囲内にあり、
    前記母材鋼板の組織は、面積率でパーライト相が２％以下であり、かつ、ベイナイト相および／またはマルテンサイト相を合計で１３〜３５％含み、かつ、フェライト相を６５〜８５％含み、
    前記母材鋼板のフェライト粒径の最大値が４５μｍ以下であるクラッド鋼。
    Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋Ｍｏ／５ ・・・（１）
    （式（１）中、元素記号は各元素の質量％を示す。）
  2. 前記母材鋼板は、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜０．４０％およびＶ：０．００１〜０．０５０％から選択される１種又は２種を含有し、かつ、下記式（２）で表わされるＣｅｑが０．３８〜０．４５の範囲内にある請求項１に記載のクラッド鋼。
    Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ・・（２）
    （上記式（２）中、元素記号は各元素の質量％を示す。）
  3. 請求項１または２に記載のクラッド鋼の製造方法において、
    請求項１または２に記載の成分組成を有する鋼素材を１１８０℃以上に加熱後、圧延して母材鋼板の素材を製造する、母材鋼板素材製造工程と、
    前記母材鋼板の素材及び前記合せ材の素材を組み立てた組立スラブを１０５０℃〜１２５０℃に加熱する加熱工程と、
    前記組立スラブに対し圧下比が３．０以上の熱間圧延を施し、圧延体を形成する圧延体形成工程と、
    前記圧延体を放冷した後、９００℃〜１１５０℃に前記圧延体を再加熱する再加熱工程と、
    前記圧延体の母材鋼板を０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ未満の冷却速度で冷却する冷却工程と、
    を含むクラッド鋼の製造方法。
  4. 冷却工程の後に５００℃〜６８０℃に前記圧延体を再加熱する工程を含む、請求項３に記載のクラッド鋼の製造方法。
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