JPWO2021054344A1 - 厚鋼板および厚鋼板の製造方法 - Google Patents

厚鋼板および厚鋼板の製造方法 Download PDF

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Abstract

厚鋼板およびその製造方法を提供する。本発明の厚鋼板は、特定の成分組成からなり、Ceqと板厚t[mm]とが、0.0004t+0.25≦Ceq≦0.0004t+0.45を満足する成分組成を有し、鋼板表層下1mm位置の転位密度がρ≦4×1014m−2であり、鋼板表層下1mm位置の平均結晶粒径が15μm以下であり、板厚中心位置での平均結晶粒径が20μm以下である。

Description

本発明は、強度、靱性および曲げ加工性を高い水準で兼ね備えた厚鋼板に関するものである。また、本発明は厚鋼板の製造方法に関するものである。
発電効率向上のため、風力発電機の大型化が進んでおり、より高強度で、板厚の厚い鋼板が求められている。また、洋上の風力発電機の支持構造形式の中でも主流となっているモノパイル式に用いられる風力発電機用厚鋼板は、曲げ加工によりパイプ状に成形される。さらに洋上風力発電機では、波浪や流氷等が支持構造物に使用される鋼板の表層に衝突する。そのため、厚鋼板は、高い曲げ加工性と、鋼板表層および板厚中心の優れた靱性とを有することが必要である。
従来より、鋼板の強度は、合金元素の添加と、オーステナイト域からの冷却速度とを高めることで、鋼組織の種類をより高強度のものに制御して向上させることが知られている。
鋼板の靱性は、鋼組織の結晶粒径の微細化を行うことで向上させることが知られている。例えば特許文献1に記載されるように、結晶粒径の微細化のために、特にオーステナイトの再結晶が抑制され未再結晶温度域となる低温域で圧延を行い、そこで導入されたひずみを変態核に利用する制御圧延が有効であることが知られている。
強度と曲げ加工性を改善した鋼板として、例えば特許文献2には、質量%で、C、Si、Mn、P、S、Al、Ti、N、Nb、V、Crの適正量を含み、さらにTi、Nが4.0≧Ti/N≧2.0を満足し、かつ所定の式で定義される炭素当量Ceqが0.35〜0.50を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成であり、鋼板表面から板厚方向に5mmの位置までの範囲における組織が、面積率で30〜70%のポリゴナルフェライト相と、残部がベイナイト相またはマルテンサイト相、あるいはその混合相からなり、鋼板表面から板厚方向に5mmの位置から板厚中央位置までの範囲における組織が、面積率が30%以下のポリゴナルフェライト相と、残部がベイナイト相またはパーライト相、あるいはその混合相からなり、鋼板表面から板厚方向に1mmの位置におけるビッカース硬さHVが260HV以下とする厚鋼板が記載されている。
特公昭49−7291号 特開2019−52341号公報
しかしながら、特許文献2に記載の技術は、強度と曲げ加工性を改善することが目的であり、鋼板表層および板厚中心の靭性については検討されていない。
また、上述したように、板厚が厚い鋼板で板厚中心の強度を確保するためには多量の合金元素の添加が必須であるが、高合金成分では冷却速度の速い鋼板表層が非常に強度の高い組織となるため、曲げ加工性および靱性は劣位である。
板厚中心の靱性を向上させるために低温で圧延を行うと、特に板厚が厚い鋼板では板厚方向の温度分布が大きいため、鋼板表層付近ではオーステナイト組織からフェライトやパーライトといった低温生成組織への変態が起こった状態で圧延が行われる。その結果、鋼板の表層組織に圧延による加工ひずみが導入され、曲げ加工性および靱性が著しく劣化する。
そのため、特に板厚の厚い鋼板で高強度、鋼板表層と板厚中心の優れた靱性、および優れた曲げ加工性を兼備することは難しい。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、特に板厚が厚い鋼板における、高強度、鋼板表層と板厚中心の優れた靱性、および優れた曲げ加工性を高い水準で兼ね備えた厚鋼板を提供することを目的とする。また、本発明は、前記厚鋼板を製造する方法について提供することを目的とする。
ここで、高強度とは、引張試験における板厚中心位置における降伏強度が300MPa以上、引張強度が400MPa以上であることを指す。
また、優れた靱性とは、鋼板表面下1mm位置および板厚中心位置での−40℃でのシャルピー衝撃吸収試験による衝撃吸収エネルギーがそれぞれ60J以上であることを指す。衝撃吸収エネルギーは、好ましくは100J以上である。
また、優れた曲げ加工性とは、鋼板表層において、曲げ半径R(曲げパンチの半径)/t(板厚)が1.0の条件で180°曲げ試験を行い、曲げ割れが発生しなかったことを指す。
なお、上記の引張試験、シャルピー衝撃吸収試験および曲げ試験は、後述する実施例に記載の方法で行うことができる。
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。
まず、鋼板の板厚に応じて必要な強度を確保しつつ、かつ焼入れ性が過剰に高くなることによって鋼板表層に靱性および曲げ加工性の劣る高強度組織が生成されることを防ぐ。このために、炭素当量(Ceq)とオーステナイトから変態が生じる温度域である700〜550℃間の冷却速度とを制御した。
次に、鋼板の板厚方向に対して鋼板表層と板厚中心の温度分布が大きくなる厚物材において、曲げ加工性および靱性の劣る加工ひずみが導入された組織が鋼板表層に形成されることを抑制しつつ、板厚中心位置で未再結晶温度域の圧下を行えるようにする。このために、固溶Nbや微細析出NbCによりオーステナイトの未再結晶温度域を高温側に上昇させる効果を有するNbを含有した。Nb含有鋼の未再結晶温度は(8250[Nb]+770℃)以下である。
次に、板厚が厚い鋼板において、曲げ加工性、鋼板表層の靱性、および板厚中心の靱性を兼備するためには、鋼板表層および板厚中心の熱間圧延条件をそれぞれ適切に制御することが有効である。
そこで、鋼板表層の組織制御のために、次のように制御する。鋼板表層に対して、まず、熱間圧延中に鋼板表層を一旦Ar3温度以下まで冷却することでオーステナイトからフェライト等の低温生成組織に変態させ、その後の復熱で鋼板表層をAc3温度以上の温度とすることでオーステナイト組織に再変態させ、鋼板表層を微細なオーステナイトとする。
続いて、鋼板表層温度が(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の未再結晶温度域における圧下率が25%以上の圧下を鋼板表層に加えることで、鋼板表層のオーステナイト中に加工ひずみを導入しておく。その後、鋼板表層温度がAr3温度未満の温度域における総圧下率が15%以下となるように圧延することで、鋼板表層の組織が加工ひずみの導入されたフェライトやパーライトになるのを防ぐ。これらの組織制御により、鋼板表層の組織を、転位密度が低く、かつ結晶粒径が小さい、優れた曲げ加工性と靱性を兼ね備えた組織とすることができる。
さらに、板厚中心(1/2t)の組織制御のために、上記した熱間圧延を鋼板表層に行っている間、次の制御を行う。鋼板の板厚中心に対して、板厚中心温度が未再結晶温度域である(8250[Nb]+770℃)以下の温度域における総圧下率が25%以上の圧延を行うことで、板厚中心位置においても結晶粒径が微細な高靱性組織とすることができる。
以上のように、鋼板の板厚に応じたCeqと700〜550℃間の冷却速度の制御、および熱間圧延中の鋼板表層と板厚中心の組織制御を行うことにより、板厚が厚い鋼板であっても、高強度、鋼板表層と板厚中心の優れた靱性、および優れた曲げ加工性の兼備が可能となることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は次のとおりである。
[1] 質量%で、
C :0.04〜0.14%、
Si:0.03〜0.70%、
Mn:0.30〜2.50%、
P :0.030%以下、
S :0.0200%以下、
Nb:0.001〜0.100%、
Al:0.001〜0.100%、
O :0.01%以下、および
N :0.01%以下を含み、
残部がFe及び不可避不純物からなり、
下記(1)式で定義されるCeqと板厚t[mm]とが、0.0004t+0.25≦Ceq≦0.0004t+0.45を満足する成分組成を有し、
鋼組織は、鋼板表面下1mm位置における転位密度ρ(m−2)がρ≦4×1014であり、
鋼板表面下1mm位置における平均結晶粒径が15μm以下であり、
鋼板の板厚中心位置における平均結晶粒径が20μm以下である、厚鋼板。
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15・・・(1)
ただし、上記(1)式における各元素記号は当該元素の含有量(質量%)を表し、当該元素が含有されていない場合は0とする。
[2] 前記成分組成が、さらに、質量%で、
Cu:2.00%以下、
Ni:2.50%以下、
Cr:1.50%以下、
Mo:1.00%以下、
Ti:0.100%以下、
V :0.30%以下、
B :0.0100%以下、
W :0.50%以下、
Ca:0.0200%以下、
Mg:0.0200%以下、および
REM:0.0500%以下
からなる群より選択される1種または2種以上を含む、[1]に記載の厚鋼板。
[3] [1]または[2]に記載の厚鋼板の製造方法であって、
前記成分組成を有するスラブを1000〜1200℃の温度に加熱し、
加熱された前記スラブに熱間圧延を行う際に、
前記鋼板表面下1mm位置の鋼板温度を、一旦Ar3温度以下まで冷却し、その後復熱でAc3温度超とし、
前記鋼板表面下1mm位置の鋼板温度が(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の温度域における圧下率を25%以上とする圧下を加え、その後前記鋼板表層下1mm位置の鋼板温度がAr3温度未満の温度域における総圧下率を15%以下とする圧下を行うとともに、
前記板厚中心位置の鋼板温度が、(8250[Nb]+770℃)以下Ar3温度以上の温度域における総圧下率を25%以上とする圧下を行い、
前記熱間圧延後、板厚中心位置の温度で700〜550℃の温度域における平均冷却速度が、鋼板の板厚をt[mm]としたとき、2500×t−1.7℃/秒以上で冷却する、厚鋼板の製造方法。
ただし、上記[Nb]は、当該元素の含有量(質量%)を表す。
[4] 前記冷却後、さらに、650℃以下の焼戻し温度で焼戻す、[3]に記載の厚鋼板の製造方法。
本発明によれば、板厚が厚い鋼板であっても、高強度、鋼板表層と板厚中心の優れた靱性、および優れた曲げ加工性を兼ね備えた厚鋼板および厚鋼板の製造方法を提供することができる。
なお、本発明の厚鋼板の適用は、洋上風力発電用のみに限定されず、例えば造船、ラインパイプ、海洋構造物、建築用等にも適用可能である。
以下、本発明について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
まず、本発明の厚鋼板における成分組成および鋼組織について説明する。
[成分組成]
本発明では、厚鋼板およびその製造に用いられる鋼素材が、上記した成分組成を有することが重要である。そこで、本発明において鋼素材の成分組成を上記のように限定した理由を説明する。なお、成分組成に関する「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味する。
C:0.04〜0.14%
Cは、鋼板の強度を最も安価に向上させられる元素であり、またオーステナイト粒界の強化に寄与する元素である。C含有量が0.04%未満であると、オーステナイトの粒界強度が低下し、スラブの熱間割れが生じるため、製造性が著しく低下する。また本発明で目的とする強度を得られない。一方、C含有量が0.14%を超えると、溶接性が低下する。靭性も低下する。そのため、C含有量は0.04〜0.14%とする。なお、C含有量は0.05%以上が好ましく、C含有量は0.12%以下が好ましい。より好ましくは0.06%以上であり、より好ましくは0.11%以下である。
Si:0.03〜0.70%
Siは、脱酸に有効な元素であるが、Si含有量が0.03%未満であると十分な効果を得ることができない。しかし、Si含有量が0.70%を超えると溶接性が低下する。そのため、Si含有量を0.03〜0.70%とする。なお、Si含有量は0.04%以上が好ましく、Si含有量は0.60%以下が好ましい。より好ましくは0.05%以上であり、より好ましくは0.55%以下である。
Mn:0.30〜2.50%
Mnは、低コストで鋼の焼入れ性を向上させ、強度を向上させることができる元素である。その効果を得るには0.30%以上のMnの含有が必要である。一方、Mn含有量が2.50%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Mn含有量を0.30〜2.50%とする。なお、Mn含有量は0.50%以上が好ましく、Mn含有量は2.20%以下が好ましい。より好ましくは0.60%以上であり、より好ましくは2.10%以下である。
P:0.030%以下
Pは、粒界を脆化させる作用の大きい元素であり、多量に含有すると、鋼の靭性を低下させる。そのため、P含有量を0.030%以下とする。P含有量を0.025%以下とすることが好ましい。一方、Pは少ないほど好ましいため、P含有量の下限は特に限定されず、0%であってもよい。しかし、Pは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であり、過度の低P化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、P含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
S:0.0200%以下
Sは、鋼の靭性を低下させるため、S含有量を0.0200%以下とする。S含有量を0.0100%以下とすることが好ましい。一方、Sは少ないほど好ましいため、S含有量の下限は特に限定されず、0%であってもよい。しかし、Sは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であり、過度の低S化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、S含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Nb:0.001〜0.100%
Nbは、固溶Nbや微細析出したNbCによりオーステナイト組織にひずみが加わった際の再結晶を抑制し、また未再結晶温度域を高温化する効果のある元素である。その効果を得るためには0.001%以上のNbの含有が必要である。一方、0.100%を超えるNbの含有は溶接性を劣化させる。そのため、Nb含有量は0.001〜0.100%とする。なお、Nb含有量は0.005%以上が好ましく、Nb含有量は0.075%以下が好ましい。Nb含有量は0.050%以下がより好ましい。
Al:0.001〜0.100%
Alは、脱酸剤として有効であるとともに、窒化物を形成してオーステナイト粒径を小さくする効果を有する元素である。その効果を得るためにはAl含有量を0.001%以上とする必要がある。一方、Al含有量が0.100%を超えると、鋼素材や鋼板の清浄度が低下し、その結果、延性および靭性が低下する。そのため、Al含有量を0.001〜0.100%とする。なお、Al含有量は0.005%以上が好ましく、Al含有量は0.080%以下が好ましい。
O:0.01%以下
Oは、延性、靭性を低下させる元素であるため、O含有量を0.01%以下とする。一方、Oは少ないほど好ましいため、O含有量の下限は特に限定されず、0%であってもよい。しかし、Oは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であり、過度の低O化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、O含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。
N:0.01%以下
Nは、延性、靭性を低下させる元素であるため、N含有量を0.01%以下とする。一方、Nは少ないほど好ましいため、N含有量の下限は特に限定されず、0%であってもよい。しかし、Nは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であるため、工業的には0%超であってもよい。なお、過度の低N化は精錬時間の増加やコストの上昇を招くため、N含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。
本発明の厚鋼板は、以上の成分を含み、残部がFeおよび不可避不純物である。
本発明の厚鋼板は、上記した成分を基本の成分組成とする。上記した必須元素で本発明で目的とする特性は得られるが、強度や溶接性(溶接部の靱性や溶接作業性など)のさらなる向上を目的として、必要に応じて下記の元素を含有することができる。
Cu:2.00%以下、Ni:2.50%以下、Cr:1.50%以下、Mo:1.00%以下、Ti:0.100%以下、V:0.30%以下、B:0.0100%以下、W:0.50%以下、Ca:0.0200%以下、Mg:0.0200%以下、およびREM:0.0500%以下からなる群より選択される1種または2種以上
Cu:2.00%以下
Cuは、母材および靭性を大きく劣化させることなく鋼板の強度を向上させることができる元素である。一方、Cu含有量が2.00%を超えると、スケール直下に生成するCu濃化層に起因する熱間割れが問題となる。そのため、Cuを含有する場合、Cu含有量を2.00%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.01%以上であり、より一層好ましくは1.50%以下である。さらに好ましくは0.15%以上であり、さらに好ましくは1.00%以下である。
Ni:2.50%以下
Niは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、靭性を向上させる効果を有する元素である。一方、Ni含有量が2.50%を超えると製造コストの増加が問題となる。そのため、Niを含有する場合、Ni含有量を2.50%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.01%以上であり、より一層好ましくは2.00%以下である。さらに好ましくは0.15%以上であり、さらに好ましくは1.50%以下である。
Cr:1.50%以下
Crは、鋼の焼入れ性を向上させることにより鋼板の強度を向上させることができる元素である。一方、Cr含有量が1.50%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Crを含有する場合、Cr含有量を1.50%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.01%以上であり、より一層好ましくは1.20%以下である。さらに好ましくは0.15%以上であり、さらに好ましくは0.90%以下である。
Mo:1.00%以下
Moは、鋼の焼入れ性を向上させることにより鋼板の強度を向上させることができる元素である。一方、Mo含有量が1.00%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Moを含有する場合、Mo含有量を1.00%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.01%以上であり、より一層好ましくは0.80%以下である。さらに好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.60%以下である。
Ti:0.100%以下
Tiは、TiNとして析出することで結晶粒界の移動をピン止めし、粒成長を抑制する効果を有する元素である。一方、Ti含有量が0.100%を超えると、鋼組織の清浄度が低下し、その結果、延性および靭性が低下する。そのため、Tiを含有する場合、Ti含有量を0.100%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.001%以上であり、より一層好ましくは0.080%以下である。さらに好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.050%以下である。
V:0.30%以下
Vは、鋼の焼入れ性の向上とともに、炭窒化物の生成により鋼板の強度を向上させることができる元素である。一方、V含有量が0.30%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Vを含有する場合、V含有量を0.30%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.01%以上であり、より一層好ましくは0.25%以下である。さらに好ましくは0.15%以下である。
B:0.0100%以下
Bは、極微量の添加で焼入れ性を向上させることにより、鋼板の強度を向上させる効果を有する元素である。一方、B含有量が0.0100%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Bを含有する場合、B含有量を0.0100%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.0001%以上であり、より一層好ましくは0.0070%以下である。さらに好ましくは0.0005%以上であり、さらに好ましくは0.0050%以下である。
W:0.50%以下
Wは、鋼の焼入れ性を向上させることにより、鋼板の強度を向上させることができる元素である。一方、W含有量が0.50%を超えると、溶接性が低下する。そのため、Wを含有する場合、W含有量を0.50%以下とすることが好ましい。なお、より一層好ましくは0.01%以上であり、より一層好ましくは0.40%以下である。さらに好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.35%以下である。
Ca:0.0200%以下
Caは、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。一方、Ca含有量が0.0200%を超えると、清浄度が低下して鋼の靭性が損なわれる。そのため、Caを含有する場合、Ca含有量を0.0200%以下とする。なお、より一層好ましくは0.0001%以上であり、より一層好ましくは0.0180%以下である。さらに好ましくは0.0005%以上であり、さらに好ましくは0.0060%以下である。
Mg:0.0200%以下
Mgは、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。一方、Mg含有量が0.0200%を超えると、Mgの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、Mgを含有する場合、Mg含有量を0.0200%以下とする。なお、より一層好ましくは0.0001%以上であり、より一層好ましくは0.0180%以下である。さらに好ましくは0.0005%以上であり、さらに好ましくは0.0060%以下である。
REM:0.0500%以下
REM(希土類金属)は、高温での安定性が高い酸硫化物を形成することで溶接性を向上させる元素である。一方、REM含有量が0.0500%を超えると、REMの添加効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。そのため、REMを含有する場合、REM含有量を0.0500%以下とする。なお、より一層好ましくは0.0001%以上であり、より一層好ましくは0.0450%である。さらに好ましくは0.0010%以上であり、さらに好ましくは0.0100%以下である。
上記厚鋼板の成分組成は、さらに次の条件を満足する必要がある。
Ceqと板厚t[mm]の関係:0.0004t+0.25≦Ceq≦0.0004t+0.45
下記(1)式で定義されるCeqは、含有元素による焼入れ性の指標である。本発明で目的とする高強度組織を得るためには、ある鋼板の板厚に応じた冷却速度および板厚に応じた合金添加量を制御する必要があり、Ceqが(0.0004t+0.25)未満であると必要な強度が得られない。一方、Ceqが(0.0004t+0.45)よりも大きくなると、板厚中心位置に比べて冷却速度の速い鋼板表面において、強度が高くなりすぎるため曲げ加工性が低位となる。そのため、0.0004t+0.25≦Ceq≦0.0004t+0.45とした。なお、Ceqは(0.0004t+0.27)以上とすることが好ましく、Ceqは(0.0004t+0.43)以下とすることが好ましい。より好ましくは(0.0004t+0.28)以上であり、(0.0004t+0.42)以下である。
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15・・・(1)
ただし、(1)式における各元素記号は当該元素の含有量(質量%)を表し、当該元素が含有されていない場合は0とする。
[鋼組織]
本発明の厚鋼板は、上記成分組成を有することに加えて、厚鋼板の鋼板表面下1mm位置における転位密度ρ(m−2)がρ≦4×1014であり、鋼板表面下1mm位置における平均結晶粒径が15μm以下であり、鋼板の板厚中心位置における平均結晶粒径が20μm以下である鋼組織を有する。そこで、本発明において鋼組織を上記のように限定した理由を以下に説明する。
鋼板表面下1mm位置の転位密度:ρ≦4×1014(m−2
鋼板の曲げ加工性は、鋼板の表層組織の延性によって決まる。熱間圧延時の加工ひずみにより表層組織の転位密度が増加すると、表層組織の変形限界が低下するため曲げ加工性が低下する。そのため、鋼板表面下1mm位置の転位密度を4×1014(m−2)以下とした。なお、通常、鋼組織は不可避的に転位を含有するため、1×1011(m−2)以下にするには非常に製造コストがかかる。そのため、好ましくは1×1011以上であり、好ましくは3×1014(m−2)以下である。
鋼板表面下1mm位置の平均結晶粒径:15μm以下
鋼板の表層組織の結晶粒径が細かくなるほど、鋼板表層の靱性は向上する。その効果を得るためには、鋼板表面下1mm位置の平均結晶粒径を15μm以下とする必要がある。そのため、鋼板表面下1mm位置の平均結晶粒径を15μm以下とする。なお好ましくは13μm以下である。好ましくは4μm以上である。
板厚中心位置の平均結晶粒径:20μm以下
鋼板の板厚中心位置における鋼組織の結晶粒径が細かくなるほど、板厚中心位置での靱性は向上する。その効果を得るためには、板厚中心位置における平均結晶粒径を20μm以下とする必要がある。そのため、板厚中心位置の平均結晶粒径を20μm以下とした。なお好ましくは15μm以下である。好ましくは7μm以上である。
ここで、本発明において、「鋼板表面下1mm」とは、厚鋼板の表面から板厚方向に1mmの深さ位置を指すものとする。「板厚中心位置」とは、厚鋼板の板厚1/2位置を指すものとする。
「平均結晶粒径」とは、結晶方位差が15°以上の境界によって囲まれた領域を結晶粒としたとき、鋼板表面下1mm位置および板厚中心位置のそれぞれにおいて、すべての結晶粒の平均を指すものとする。なお、平均結晶粒径は後述する実施例に記載の方法で測定することができる。
なお、本発明における「厚鋼板」とは、板厚6mm以上の鋼板を指すものとする。厚鋼板の板厚は、40mm超えとすることが好ましく、70mm以上とすることがより一層好ましい。板厚の上限は特に限定されず、任意の厚さとすることができるが、190mm以下とすることが好ましい。
[製造方法]
次に、本発明の一実施形態における厚鋼板の製造方法について説明する。
本発明の厚鋼板は、上記した成分組成を有するスラブ(鋼素材)を、上記した各条件で加熱し、熱間圧延し、冷却することで得られる。当該冷却後、さらに任意の焼き戻し工程を行うことができる。
以下、詳細に説明する。なお、以下の製造方法の説明では、温度に関する「℃」表示は、特に断らない限り、スラブ、鋼板の表面温度、および鋼板の板厚中心位置(板厚1/2位置)の温度とする。表面温度は、例えば放射温度計等で測定することができる。また、スラブや鋼板の板厚中心位置の温度は、例えば、鋼板の板厚中心に熱電対を付けて測定することや、鋼板断面内の温度分布を伝熱解析により計算し、その結果を鋼板の表面温度によって補正することで求めることができる。
本発明において、スラブの溶製方法は特に限定されず、転炉、電気炉、真空溶解炉等の公知の溶製方法のいずれもが適合する。スラブは、例えば連続鋳造法によって、所望寸法に製造される。溶鋼にはさらに、取鍋精錬等の二次精錬を施してもよい。
上記のとおり、製造されたスラブを、1000〜1200℃の温度に加熱する。
スラブの加熱温度:1000〜1200℃
スラブの加熱温度が1000℃未満になると、スラブ鋳造時にスラブ内部に析出していた粗大NbCが再固溶せずに残存する。これにより、固溶Nbや熱間圧延中に再析出する微細NbCによる未再結晶温度域の低温化効果が得られなくなる。それに伴い、制御圧延による結晶粒の微細化効果が小さくなり、靱性が低下する。一方、スラブの加熱温度が1200℃を超えると、オーステナイトの粒成長により熱間圧延開始時の結晶粒径が粗大になるため、それに伴い熱間圧延後の最終組織の結晶粒径も粗大になり、靱性が低下する。そのため、スラブの加熱温度は1000〜1200℃の温度とした。好ましくは1030℃以上であり、好ましくは1170℃以下である。
次いで、加熱されたスラブを熱間圧延する。上述のように、本発明では、熱間圧延時の鋼板表層および鋼板の板厚中心の各圧延条件を適正に制御することが重要である。
なおここでは、鋼板表面下1mm位置あるいは板厚中心位置の温度で(8250[Nb]+770℃)を超える温度域を再結晶温度域と称し、鋼板表面下1mm位置あるいは板厚中心位置の温度で(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の温度域を未再結晶温度域と称する。なお、上記した[Nb]は当該元素の含有量(質量%)を表す。
鋼板表層の圧延条件:
まず、鋼板表面下1mm位置の鋼板温度を、一旦Ar3温度以下まで冷却し、その後復熱でAc3温度超えとする。次いで、鋼板表面下1mm位置に対して、鋼板表面下1mm位置の鋼板温度が(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の温度域における圧下率を25%以上とする圧下を行う。その後、鋼板表面下1mm位置の鋼板温度がAr3温度未満の温度域における総圧下率を15%以下とする圧下を行う。
加熱されたスラブに対し、熱間圧延中に鋼板表層を一旦Ar3温度以下まで冷却することでオーステナイトからフェライト等の低温生成組織に変態させ、さらにその後の復熱によって鋼板表層をAc3温度以上の温度とすることで、オーステナイト組織に再変態させて鋼板表層を微細なオーステナイトとする。
なお、この冷却は、例えば水冷、送風冷却等の方法が挙げられ、所定の温度に制御できる限り方法は問わない。例えば、Ar3温度以下とする冷却は水冷で行い、鋼板表面下1mm位置がAr3温度以下となっている滞留時間は5秒以上とすることが好ましく、300秒以下とすることが好ましい。冷却後の復熱は、大気中で鋼板を保持することとし、保持時間は30秒以上とすることが好ましく、600秒以下とすることが好ましい。
(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の温度域における圧下率:25%以上
続いて、鋼板表層が未再結晶温度域である(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の温度域で25%以上の圧下を加えることで、鋼板表層のオーステナイト中に加工ひずみが導入される。これが最終冷却時の変態核として作用することで、靱性が良好な微細組織が得られる。好ましくは30%以上とする。なお、圧延能率の観点から、この温度域での圧下率は80%以下とすることが好ましく、70%以下とすることがより一層好ましい。
なお、この温度域におけるパス数の上限は特に限定しない。また、上記した圧下率の条件を満たせば良く、例えば複数パスに分けて行ってもよい。
r3温度未満の温度域の総圧下率:15%以下
鋼板表層の温度がAr3温度未満の温度域での総圧下率が15%を超えると、鋼板表層で変態が完了したフェライト組織やパーライト組織に加工ひずみが導入されることで延性が低下し、曲げ加工性が劣化する。そのため、鋼板表層の温度がAr3温度未満の温度域での総圧下率を15%以下とした。好ましくは6%以下とする。
上記した鋼板表層の圧延条件によってこれらの組織制御を行うことにより、鋼板表層を転位密度が低い、かつ結晶粒径が小さい、優れた曲げ加工性と靱性を兼ね備えた組織とすることができる。
板厚中心位置の圧延条件:
鋼板の板厚中心位置に対して、板厚中心位置の鋼板温度が、(8250[Nb]+770℃)以下Ar3温度以上の温度域における総圧下率が25%以上となるように圧下を加える。
(8250[Nb]+770℃)以下Ar3温度以上の温度域の総圧下率:25%以上
加熱されたスラブに対し、上記した鋼板表層の圧延条件で熱間圧延を行っている間、鋼板の板厚中心位置が未再結晶温度域である(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の温度域で25%以上の圧下を加えることで、板厚中心位置のオーステナイト中に加工ひずみが導入される。これが最終冷却時の変態核として作用することで靱性が良好な微細組織が得られる。そのため、鋼板板厚中心温度が(8250[Nb]+770℃)以下の温度域での総圧下率を25%以上とした。好ましくは35%以上とする。圧延能率の観点から、この温度域での総圧下率は70%以下とすることが好ましく、67%以下とすることがより一層好ましい。
なお、鋼板の板厚中心位置がAr3温度未満の場合、生成したフェライトに加工ひずみが導入され、靱性が低下する。よって、Ar3温度以上とすることが好ましい。
なお本発明では、「鋼板表層に対する圧延」と「板厚中心位置に対する圧延」の2種の圧延において、上記した各圧延条件内で温度域が重複することがあり得る。この場合には、重複した温度域の圧下量を、「鋼板表層」および「板厚中心位置」の各圧下量として積算し、この積算された圧下量が各圧延条件の範囲内となればよい。
ここで、鋼板表層および板厚中心位置における再結晶温度域での総圧下率は、(8250[Nb]+770℃)を超える温度域で、最初の圧延を開始した板厚をr、最後の圧延を行った後の板厚をrとするとき、総圧下率=(r−r)/r×100(%)で計算される。
また、Ar3温度、Ac3温度は、フォーマスタ試験などで求めることができる。
上記した鋼板の板厚中心位置の圧延条件によってこれらの組織制御を行うことにより、鋼板中心位置を結晶粒径の小さい優れた靱性の組織とすることができる。
上記熱間圧延後、得られた厚鋼板を冷却する。冷却では、鋼板の板厚中心位置の温度で700〜550℃の温度域における平均冷却速度が、板厚t[mm]とするとき、2500×t−1.7℃/秒以上となるように行う。冷却方法は、例えばノズルから水を大流量で噴射する水冷等が挙げられる。本発明では、鋼板の両面が同条件で冷却されるように、鋼板両面に冷却操作(処理)を施すことが好ましい。
板厚中心位置での700〜550℃の温度域の平均冷却速度:2500×t−1.7℃/秒以上
熱間圧延後の板厚中心位置での700〜550℃間の平均冷却速度が2500×t−1.7℃/秒未満の場合、オーステナイトから低温変態組織への変態が生じる温度域での冷却速度不足により、本発明で目的とする必要な強度が得られず、また粗大なフェライトが生成するため靱性が低下する。したがって、板厚中心位置での700〜550℃の温度域の平均冷却速度は、2500×t−1.7℃/秒以上とした。好ましくは2800×t−1.7℃/秒以上であり、好ましくは15000×t−1.7℃/秒以下である。
本発明では、上記冷却後に、必要に応じて、強度および靭性をさらに向上させることを目的として、焼戻しを行うことができる。この場合には、鋼板の冷却後に650℃以下の焼戻し温度で焼戻す。
焼戻し温度:650℃以下
焼戻し温度が650℃より高いと、著しい軟化が生じて必要な強度を確保できなくなる場合がある。そのため、焼戻し温度を650℃以下とすることが好ましい。一方、焼戻し温度の下限は特に限定されないが、200℃以上とすることが好ましい。なお、焼戻しの時間は、適宜調整可能である。ここでの焼戻し温度とは、鋼板表面の温度である。より一層好ましくは250℃以上であり、より一層好ましくは630℃以下である。
以下に、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、この実施例によって何ら限定されるものではない。
まず、表1に示す成分組成を有する溶鋼を溶製し、連続鋳造等により鋼素材(スラブ)を製造した。なお、表1の空欄は、意図的に添加しないことを表しており、含有しない(0%)の場合だけでなく、不可避的に含有する場合も含む。
次に、得られたスラブに対して、加熱、熱間圧延、冷却の各工程を順次行い、表2に示す板厚t(mm)の厚鋼板を得た。さらに、得られた厚鋼板のうち一部の厚鋼板については、冷却後に焼戻しのための再加熱を行った。各工程の製造条件は、表2に示す通りである。
なお、表層制御圧延を行う前に鋼板表面下1mm位置を一旦Ar3温度以下とする際の冷却は水冷で行い、鋼板表面下1mm位置がAr3温度以下となっている滞留時間が5秒以上となるように冷却を行った。さらに、冷却後の鋼板を大気中で保持することで復熱を待った。また、熱間圧延後の冷却は、鋼板の表裏面より大流量で水を噴射して行った。鋼板温度は、表層温度は放射率温度計で測定し、板厚中心位置の温度は鋼板の板厚中心位置に熱電対を付けることで測定した値である。また、表2に示す本発明例の圧延開始温度は鋼板表層で990〜1140℃の範囲であり、圧延仕上温度は鋼板表層で670〜830℃の範囲であった。
得られた各厚鋼板について、以下に記す方法で、転位密度、平均結晶粒径、Ar3温度およびAc3温度の温度の測定と、引張試験、シャルピー衝撃吸収試験、曲げ試験を行った。測定結果および試験結果を表3に示す。
[転位密度の測定]
得られた各鋼板の長手方向と幅方向の中央位置の、鋼板表面下1mm位置が評価面となるようにサンプルを採取した。該サンプルの表面を機械研磨と電解研磨仕上で鏡面研磨し、X線回折装置を用いてWilliamson−Hall法(参考文献1)で転位密度を評価した。
(参考文献1) G.K.Williams and W.H.Hall:Acta Metall.,1(1953),22
[平均結晶粒径]
得られた各厚鋼板から、該鋼板の長手方向および幅方向の中央位置において、鋼板表面下1mm位置と板厚中心位置の鋼板長手方向断面が評価面となるように、サンプルを採取した。得られたサンプルの表面をコロイダルシリカ仕上で鏡面研磨し、次の条件でEBSP(後方散乱電子線回折法)により測定した。測定領域は300μm×400μm、測定ステップサイズは1μmとした。得られた結晶方位マップより、隣接する結晶粒との結晶方位差が15°以上となる大角粒界で囲まれた組織の円相当直径を求め、上記測定領域における円相当直径の平均値を平均結晶粒径とした。なお、本発明例の鋼板表層、板厚中心共にベイナイトや擬ポリゴナルフェライトを主体とする組織であった。
[Ar3温度、Ac3温度の測定]
得られた各スラブの板厚1/4t位置からフォーマスタ試験片を採取した。フォーマスタ試験では、フォーマスタ試験片を用いて、室温から1000℃まで10℃/秒で加熱した際のAc3温度と、1000℃から室温まで0.1℃/秒で冷却した際のAr3温度を測定し、評価に用いた。
[引張試験]
得られた各厚鋼板を用いて、該鋼板の長手方向および幅方向の中央位置における、板厚中心位置(板厚1/2位置)から、引張試験片の長手方向が鋼板の圧延方向と平行になるように引張試験片を採取した。次いで、引張試験片を用い、JIS Z2241(2011)に準拠した引張試験を行い、YS、TSを評価した。引張試験片はJIS4号形状のものを使用した。
[シャルピー衝撃吸収試験]
得られた各厚鋼板を用いて、該鋼板の長手方向および幅方向の中央位置からシャルピー試験片を採取した。シャルピー試験片は、鋼板表面下1mmと板厚中心位置(板厚1/2位置)から、シャルピー試験片の長手方向が鋼板の板幅方向と平行になるように採取した。次いで、各シャルピー試験片を用い、JIS Z2242(2018)に準拠したシャルピー衝撃吸収試験を行い、衝撃吸収エネルギーを評価した。シャルピー試験片はVノッチの標準試験片を使用し、−40℃で3本試験した結果の平均値を評価に用いた。
[曲げ試験]
得られた各厚鋼板を用いて、該鋼板の長手方向および幅方向の中央位置から試験片を採取した。試験片は、鋼板最表面〜表層下12mm位置までの形状:厚さ12mm×幅50mm×長さ350mmの試験片を、曲げ試験片の長手方向が鋼板の幅方向と平行になるように採取した。次いで、各試験片を用い、JIS Z2248(2006)に準拠した3点曲げ試験を行った。曲げ半径12mmのパンチを用い、元鋼板の最表面側が曲げの外側に来る向きで180°曲げを行い、割れ発生の有無を評価した。
Figure 2021054344
Figure 2021054344
Figure 2021054344
表3に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たす厚鋼板は、板厚180mmまでの極厚鋼板において、板厚中心位置の高い強度と、鋼板表面および板厚中心位置の優れた靱性と、優れた曲げ加工性を兼ね備えていた。これに対して、本発明の条件を満たさない比較例の鋼板は、強度、靭性、曲げ加工性のいずれかが劣位であった。
例えば、No.23の鋼板ではP含有量が高いため、鋼板が脆化しており靱性が低い。
No.24の鋼板ではS含有量が高いため、鋼板が脆化しており靱性が低い。
No.25の鋼板ではAl含有量が高いため、鋼板の延性が低下しており曲げ加工性が低い。また靭性も低い。
No.26の鋼板ではO含有量が高いため、鋼板の延性が低下しており曲げ加工性が低い。
No.27の鋼板ではN含有量が高いため、鋼板の延性が低下しており曲げ加工性が低い。
No.28、30の鋼板ではCeqが板厚に対して高いため、冷却時の冷速が速い鋼板表面の組織は転位密度が高く延性の低いベイナイトを主体とする組織となる。このため、曲げ加工性が低い。
No.29、31の鋼板ではCeqが板厚に対して低いため、板厚中心の強度が低い。
No.32の鋼板ではスラブ加熱温度が低いため、再結晶抑制効果のあるNbが析出物のまま未固溶となるため、制御圧延による結晶粒微細化効果が小さい。また、靱性が低い。
No.33の鋼板ではスラブ加熱温度が高いため、圧延開始段階の結晶粒径が粗大になり、最終組織の結晶粒径も粗大になるため靱性が低い。
No.34、37の鋼板では表層の制御圧延を行う前の、一旦の低温組織への変態とその後の復熱による逆変態が生じていないため、表層の結晶粒微細化が不十分となる。このため、表層の靱性が低い。
No.35、38の鋼板では未再結晶域での圧下量が不十分で、組織が粗大となったため靱性が低い。
No.36、39の鋼板では表層温度がAr3温度未満での圧下量が多いため、表層が加工ひずみを多く含んだ組織となった。このため、曲げ加工性が低い。
No.40、41の鋼板では板厚に対して冷却速度が遅いため、強度が低い。また靭性も低い。

Claims (4)

  1. 質量%で、
    C :0.04〜0.14%、
    Si:0.03〜0.70%、
    Mn:0.30〜2.50%、
    P :0.030%以下、
    S :0.0200%以下、
    Nb:0.001〜0.100%、
    Al:0.001〜0.100%、
    O :0.01%以下、および
    N :0.01%以下を含み、
    残部がFe及び不可避不純物からなり、
    下記(1)式で定義されるCeqと板厚t[mm]とが、0.0004t+0.25≦Ceq≦0.0004t+0.45を満足する成分組成を有し、
    鋼組織は、鋼板表面下1mm位置における転位密度ρ[m−2]がρ≦4×1014であり、
    鋼板表面下1mm位置における平均結晶粒径が15μm以下であり、
    鋼板の板厚中心位置における平均結晶粒径が20μm以下である、厚鋼板。
    Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15・・・(1)
    ただし、上記(1)式における各元素記号は当該元素の含有量(質量%)を表し、当該元素が含有されていない場合は0とする。
  2. 前記成分組成が、さらに、質量%で、
    Cu:2.00%以下、
    Ni:2.50%以下、
    Cr:1.50%以下、
    Mo:1.00%以下、
    Ti:0.100%以下、
    V :0.30%以下、
    B :0.0100%以下、
    W :0.50%以下、
    Ca:0.0200%以下、
    Mg:0.0200%以下、および
    REM:0.0500%以下
    からなる群より選択される1種または2種以上を含む、請求項1に記載の厚鋼板。
  3. 請求項1または2に記載の厚鋼板の製造方法であって、
    前記成分組成を有するスラブを1000〜1200℃の温度に加熱し、
    加熱された前記スラブに熱間圧延を行う際に、
    前記鋼板表面下1mm位置の鋼板温度を、一旦Ar3温度以下まで冷却し、その後復熱でAc3温度超えとし、
    前記鋼板表面下1mm位置の鋼板温度が(8250[Nb]+770℃)〜Ar3温度の温度域における圧下率を25%以上とする圧下を加え、その後前記鋼板表層下1mm位置の鋼板温度がAr3温度未満の温度域における総圧下率を15%以下とする圧下を行うとともに、
    前記板厚中心位置の鋼板温度が、(8250[Nb]+770℃)以下Ar3温度以上の温度域における総圧下率を25%以上とする圧下を行い、
    前記熱間圧延後、板厚中心位置の温度で700〜550℃の温度域における平均冷却速度が、鋼板の板厚をt[mm]としたとき、2500×t−1.7℃/秒以上で冷却する、厚鋼板の製造方法。
    ただし、上記[Nb]は、当該元素の含有量(質量%)を表す。
  4. 前記冷却後、さらに、650℃以下の焼戻し温度で焼戻す、請求項3に記載の厚鋼板の製造方法。
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