WO2017183630A1 - 鋼材 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a steel material, and in particular, to a steel material having excellent toughness of a weld heat affected zone (hereinafter sometimes referred to as “HAZ”).
- HZ weld heat affected zone
- Steel applications include welded structures such as ships, high-rise buildings, other buildings, bridges, offshore structures, LNG storage tanks and other large tanks, and line pipes.
- welded structures such as ships, high-rise buildings, other buildings, bridges, offshore structures, LNG storage tanks and other large tanks, and line pipes.
- the size of welded structures has been increased in order to increase the height of building structures and increase the loading weight of container ships.
- steel materials are required to be thicker and stronger.
- HZ toughness the toughness of the weld heat affected zone
- the welding construction cost occupies the entire construction cost of the welded structure, and it is required to perform highly efficient welding in order to reduce this cost. Specifically, it is effective to perform welding with high heat input and reduce the number of welding passes. However, when high heat input welding is performed, the HAZ structure of the steel material becomes coarse, and deterioration of toughness is inevitable.
- Patent Document 1 Ti and Zr are simultaneously added to molten steel that does not substantially contain Al to form a composite oxide of fine Ti and Zr.
- a method of refining the structure of the weld heat affected zone with a composite oxide has been proposed.
- Patent Document 1 describes that a fine composite oxide of Ti and Zr serves as a nucleus of intragranular transformation that generates fine ferrite in a radial pattern.
- Patent Document 2 proposes a method for improving the HAZ toughness by inclusions containing REM and Zr.
- an object of the present invention is to provide a steel material having excellent HAZ toughness, in particular, high toughness welding HAZ having a heat input of 40 kJ / mm or more.
- the present inventors pay attention to Zr-containing oxides (including composite oxides containing Zr and Ti; the same applies hereinafter) and B nitrides as intragranular ferrite formation sites for refining the structure in HAZ. And intensively studied. As a result, the following new findings (A) to (F) were mainly obtained.
- Sol. HAZ toughness tends to improve as Zr decreases, and it is important to limit it to 0.0010 mass% or less.
- Sol. Zr is acid-soluble Zr and corresponds to Zr that is solid-solved in steel and can be measured by an electrolytic extraction residue analysis method or the like.
- Solid solution B segregates at the prior austenite grain boundaries and contributes to the improvement of HAZ toughness by suppressing the formation of coarse grain boundary ferrite. For this reason, in addition to the amount of B precipitated as the above-mentioned B nitride, it is necessary to secure the amount of B for obtaining the solid solution B. Specifically, when BF represented by the following formula ⁇ 2> is 0.0005 or more, a predetermined amount of solid solution B is ensured, and the grain boundary ferrite suppressing effect is obtained.
- B F B ⁇ B asBN ... ⁇ 2>
- B in the formula is the B content (mass%) contained in the steel
- B asBN is a value obtained from the formula ⁇ 1>.
- the present invention has been completed based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
- the steel material according to one embodiment of the present invention has a chemical composition of mass%, C: 0.01 to 0.20%, Si: 0.02 to 0.70%, Mn: 0.30 to 2 50%, Ti: 0.003-0.024%, B: 0.0010-0.0050%, N: 0.0010-0.0090%, O: 0.0010-0.0050%, Insol. Zr: 0.0005 to 0.0100%, P: 0.050% or less, S: 0.0080% or less, Al: 0.005% or less, Sol.
- B asBN (N- (Ti- (O-Insol.Zr ⁇ (32 / 91.224)) ⁇ (95.734 / 48)) ⁇ (14 / 47.867)) ⁇ (10.811 / 14) ... ⁇ 1>
- B F B ⁇ B asBN ...
- N, Ti, O, and B in the formula are contents in mass% of N, Ti, O, and B contained in the steel.
- Zr is the content in mass% of acid-insoluble Zr.
- Zr is the content in mass% of acid-soluble Zr.
- the chemical composition is further mass%, Cu: 1.50% or less, Ni: 3.00% or less, Cr: 1.00% or less, Mo: You may contain 1 type, or 2 or more types selected from the group which consists of 1.00% or less, V: 0.100% or less, and Nb: 0.035% or less.
- the chemical composition is further selected from the group consisting of W: 1.00% or less and Sn: 0.50% or less in terms of mass%. You may contain 1 type or 2 types.
- the inventors of the present invention focused on Zr-containing oxides and B nitrides as intragranular ferrite formation sites for refining the HAZ structure, and conducted intensive studies. As a result, the following new findings (a) to (f) were mainly obtained.
- the present inventors examined a method for improving the HAZ toughness by actually dispersing a Zr-containing oxide in steel. As a result, when the Zr-containing oxide having an equivalent circle diameter of 0.5 ⁇ m or more is dispersed at 50 pieces / mm 2 or more, the intragranularity is compared with the case of dispersing the oxide of Ti used conventionally. It became clear that ferrite is fine and produced in large quantities, and that HAZ toughness can be improved through refinement of the structure.
- the B nitride by the B nitride, the Zr-containing oxide, which was difficult to function as an intragranular ferrite formation site alone, also becomes a ferrite formation site, contributing to the refinement of the HAZ structure more efficiently.
- the B content (mass%) index (B asBN ) for precipitating the B nitride should be 0.0005 or more, and the B content should be B asBN or more. is necessary.
- Ti acts as a nitride-forming element in addition to B in steel. Therefore, in order to precipitate B nitride efficiently, it is necessary to suppress the formation of Ti nitride.
- the present inventors have clarified the generation mechanism of inclusions including oxides and nitrides, and have studied to clarify the conditions for generating B nitrides.
- Zr which has a higher deoxidizing power than Ti
- Zr which has a higher deoxidizing power than Ti
- Zr is preferentially an oxide
- excess oxygen and Ti are combined to form a composite oxide of Zr and Ti.
- the remaining Ti without forming an oxide combines with nitrogen to form a nitride.
- Zr is considered to form ZrO 2 , Ti forms Ti 2 O 3 and TiN, and B forms BN. Based on these atomic weights or molecular weights, the following formula ⁇ 1> is used to form B ( The content (mass%) of B asBN can be determined. When this value is 0.0005 or more and the B content value is B asBN or more, it is considered that the effect of improving HAZ toughness by B nitride is obtained.
- a fine Zr-containing oxide (a composite oxide mainly containing Zr and Ti) is dispersed in a steel material obtained by hot rolling a steel slab having a component satisfying the above formula ⁇ 1>. .
- B nitride is further precipitated in some of the Zr-containing oxides.
- B nitride re-dissolves when heated to a temperature range higher than 1200 ° C. during welding, but the Zr-containing oxide exists stably even when heated to 1400 ° C. Therefore, the B nitride is dissolved in the heating of the welding, and the solid solution B is unevenly distributed around the Zr-containing oxide.
- This solid solution B is considered to reprecipitate as B nitride having oxide as a nucleus in the cooling process after welding.
- Al acts as a strong deoxidizing element in steel, if it is contained in a large amount in steel, it inhibits the formation of oxides of Zr and Ti.
- a steel material satisfying these conditions produces a predetermined number or more of Zr-containing oxides of a predetermined size.
- Many of the Zr-containing oxides are complex oxides containing Zr and Ti, and B nitrides were precipitated with the oxide as a nucleus.
- the oxide particles function effectively as intragranular ferrite formation sites in the HAZ, and the HAZ toughness is improved through refinement of the HAZ structure. Became clear.
- C (C: 0.01-0.20%) C is an element necessary for ensuring strength. If the C content is less than 0.01%, the strength required for a general structural member cannot be ensured. Therefore, the lower limit for the C content is 0.01%. A preferable lower limit of the C content is 0.03%. On the other hand, when the C content exceeds 0.20%, it becomes difficult to secure toughness for both the base material and the HAZ. Therefore, the upper limit of C content is 0.20%. A preferable upper limit is 0.15%.
- Si is an element that improves the hardenability of steel and contributes to an increase in the strength of steel.
- the lower limit of the Si content is 0.02%.
- the lower limit of the Si content is 0.05%.
- Si since Si has a high reactivity with oxygen and a deoxidizing action, it affects the formation of Zr-containing oxides. If the Si content exceeds 0.70%, the composition of the oxide changes, the HAZ structure is not refined, and the HAZ toughness decreases. Therefore, the upper limit of Si content is set to 0.70%. A more preferable upper limit of the Si content is 0.50%, and a further preferable upper limit is 0.40%.
- Ti is an element that forms a complex oxide together with Zr. This composite oxide functions as an intragranular ferrite formation site in the HAZ and contributes to the refinement of the HAZ structure.
- the lower limit of the Ti content is set to 0.003%.
- a preferable lower limit of the Ti content is 0.005%.
- Ti produces nitrides. When a large amount of Ti nitride is generated, the amount of B nitride generated is suppressed, and the desired effect in this embodiment cannot be obtained. Further, excess Ti forms TiC and degrades the toughness of the base material and HAZ. Therefore, the upper limit of the Ti content is 0.024%. A preferable upper limit is 0.020%.
- N is an element necessary for bonding with B in steel to form B nitride.
- the lower limit of the N content is set to 0.0010%.
- the minimum with preferable N content is 0.0020%.
- the upper limit of N content is set to 0.0090%.
- a preferable upper limit is 0.0060%.
- O oxygen
- the lower limit of the O content is 0.0010%.
- a preferable lower limit of the O content is 0.0015%.
- the upper limit of the O content is set to 0.0050%.
- a preferable upper limit is 0.0040%.
- S is an element unavoidably present in steel as an impurity. If the S content exceeds 0.0080%, a large amount of MnS stretched in the central segregation part is generated, and the toughness and ductility of the base material and HAZ deteriorate. For this reason, the S content is limited to 0.0080% or less. Preferably it is 0.0050% or less. The lower the S content, the better. The lower limit is not particularly specified, but may be 0.0001% or more from the viewpoint of manufacturing cost.
- Al 0.005% or less
- Al is an element that is positively added as a deoxidizing element.
- Al preferentially reacts with oxygen preferentially, if its content is excessive, formation of the desired Zr-containing oxide becomes insufficient, and effective ferrite formation sites in HAZ are reduced.
- the Al content is excessive, formation of coarse cluster-like alumina (Al 2 O 3 ) inclusions is promoted, and the toughness of the base material and the HAZ is deteriorated. Therefore, it is preferable to reduce the Al content as much as possible.
- the allowable Al content is 0.005% or less, preferably 0.003% or less.
- Ca and REM are elements that easily react with oxygen more preferentially than Al.
- the total content of Ca and REM is limited to 0.0005% or less. More preferably, the Ca content is less than 0.0003%, the REM content is less than 0.0003%, and the total content is 0.0005% or less.
- Zr represents acid-soluble Zr, that is, Zr dissolved in steel.
- Sol. As the Zr content increases, the HAZ toughness deteriorates significantly. Therefore, the content is limited to 0.0010% or less.
- Sol. Since Zr is preferably as small as possible, the lower limit is not particularly defined and may be 0%.
- Insol. Zr and Sol. Zr can be measured by electrolytic extraction residue analysis. In the electrolytic extraction residue analysis method, steel is dissolved in a matrix by electrolysis in a non-aqueous solvent (such as acetylacetone-methanol solution), and the residue (precipitates and inclusions) is extracted with a filter having a pore size of 0.2 ⁇ m. It is a method of separation. After separation, the amount of Zr contained in the solution was determined as Sol. Zr content, the amount of Zr contained in the residue is Insol. It is the content of Zr.
- the total with Zr is the Zr content contained in the steel material.
- the lower limit of the Zr content is Insol. Similar to Zr, it is 0.0005%, preferably 0.0010%.
- the upper limit of the Zr content is Insol.
- the upper limit of Zr and Sol. The total with the upper limit of Zr, that is, 0.0110%, preferably 0.0075%.
- the steel material according to the present embodiment basically contains each of the above elements, and the balance is made of Fe and impurities.
- Impurities mean components that are mixed from raw materials such as ores and scraps or other factors when industrially producing steel materials, and are allowed within a range that does not adversely affect the properties. However, it is necessary to limit the upper limit of P and S among impurities as described above.
- Al, Ca, and REM act as strong deoxidizing elements in the steel and inhibit Zr and Ti from generating oxides, so it is preferable to reduce them as much as possible.
- one or more selected from the group consisting of Cu, Ni, Cr, Mo, V, and Nb is used later for the purpose of further increasing the strength instead of a part of Fe. You may make it contain in the range. Moreover, you may contain 1 type or 2 types selected from the group which consists of W and Sn in the below-mentioned range for the purpose of improving corrosion resistance.
- Cu is an element having an effect of improving the strength and corrosion resistance of steel.
- the Cu content is preferably set to 0.10% or more. More preferably, it is 0.20% or more.
- the performance improvement commensurate with the increase in the alloy cost is not seen, but it may cause the steel material surface crack. Therefore, even when it contains, Cu content shall be 1.50% or less.
- the Cu content is preferably 1.00% or less, more preferably less than 0.70%, and even more preferably 0.50% or less.
- Ni is an element having an effect of improving the strength of steel.
- Ni is an element having an effect of increasing the toughness of a steel matrix (dough) in a solid solution state.
- the Ni content is preferably set to 0.10% or more.
- Ni exceeds 3.00%, improvement in characteristics commensurate with an increase in alloy cost cannot be obtained. Therefore, even when it contains, Ni content shall be 3.00% or less.
- the Ni content is preferably 2.00% or less, more preferably 1.00% or less.
- Mo 1.00% or less
- Mo is an element having an effect of improving the strength and toughness of the base material.
- the Mo content is preferably 0.05% or more.
- the Mo content is 0.50% or less, more preferably 0.30% or less.
- V is an element having an effect of improving the strength of the base material mainly by carbonitride precipitation during tempering.
- the V content is preferably 0.010% or more.
- the V content is 0.050% or less.
- Nb is an element that improves the strength and toughness of the base material by refining and carbide precipitation.
- the Nb content is preferably set to 0.005% or more.
- Nb content exceeds 0.035%, not only the above effects are saturated but also the HAZ toughness may be lowered. Therefore, even when it contains, Nb content shall be 0.035% or less.
- the Nb content is 0.025% or less.
- W is dissolved oxygen acid ions WO 4 - adsorbed to rust in the form of, suppresses permeation of chloride ions rust layer, which is an element improving the corrosion resistance.
- the W content is preferably set to 0.01% or more.
- W content if the W content exceeds 1.00%, not only the above effects are saturated but also the base material and the HAZ toughness may be lowered. Therefore, even when it contains, W content shall be 1.00% or less.
- the W content is 0.75% or less.
- Sn is an element that dissolves as Sn 2+ and has an action of inhibiting corrosion by an inhibitor action in an acidic chloride solution. Moreover, Sn has the effect
- the BasBN represented by the following formula ⁇ 1> is 0.0005 or more and the following formula ⁇ 2>, after controlling the content of each element as described above.
- BF needs to be 0.0005 or more.
- B asBN (N- (Ti- (O-Insol.Zr ⁇ (32 / 91.224)) ⁇ (95.734 / 48)) ⁇ (14 / 47.867)) ⁇ (10.811 / 14) ... ⁇ 1>
- B F B ⁇ B asBN ... ⁇ 2>
- N, Ti, O and B in the formula ⁇ 1> are the contents (mass%) of N, Ti, O and B contained in the steel, respectively.
- Zr is the content (% by mass) of acid-insoluble Zr.
- the refinement of the structure due to the formation of intragranular ferrite, the suppression of the formation of coarse grain boundary ferrite due to solute B segregated at the austenite grain boundaries, and the HAZ toughness is improved.
- B content which exists as solid solution B ie, BF represented by said Formula ⁇ 2>, 0.0005 or more. More preferably, it is 0.0007 or more.
- B F does not exceed the B content (B in the above formula ⁇ 2>).
- the B F exceeds 0.0020 well above effect is saturated, hardenability of steel becomes excessive, causing cold cracking in the welded portion. Therefore, more preferable upper limit of B F is 0.0020.
- Steel material according to the present embodiment has a circular Zr-containing oxide equivalent diameter of 0.5 ⁇ m or more 50 / mm 2 or more.
- B nitride is precipitated with a Zr-containing oxide as a nucleus to form a composite inclusion.
- This composite inclusion becomes an intragranular ferrite formation site during cooling after welding.
- Zr-containing oxides are mainly composed of oxides containing Zr and Ti.
- the Zr concentration in the oxide may be equal to or higher than the Ti concentration. preferable.
- the equivalent circle diameter of the Zr-containing oxide (the diameter of a circle having the same area as the observed cross-sectional area of the oxide) is 0.5 ⁇ m or more.
- the equivalent circle diameter is large, so the upper limit is not limited.
- the equivalent circle diameter of the Zr-containing oxide is preferably 10.0 ⁇ m or less.
- the oxide of the said size needs to be disperse
- the larger the oxide number density the more desirable the ferrite generation sites.
- the effect is saturated even if the number of oxides exceeds 500 / mm 2 .
- the equivalent circle diameter and number density of the Zr-containing oxide can be measured by observing the mirror-polished steel material surface with a scanning electron microscope (SEM). Specifically, the number of Zr-containing oxide particles having an equivalent circle diameter of 0.5 ⁇ m or more was measured by SEM in a range of 10 mm ⁇ 10 mm (100 mm 2 ) or more and divided by the area of the observed visual field. The oxide number density is measured. You may use the photograph image
- the particles to be measured for oxide number density can be particles in which at least Zr and O are detected by qualitative analysis using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) attached to the SEM.
- EDX energy dispersive X-ray analyzer
- the steel material according to the present embodiment is, for example, melted molten steel by a known method such as a converter, an electric furnace, etc., and a steel material such as a slab or billet by a known method such as a continuous casting method or an ingot forming method, What is necessary is just to manufacture by performing an intermediate rolling.
- the molten steel may be subjected to treatment such as ladle refining or vacuum degassing.
- the steel material after casting or ingot forming may be hot-rolled as it is. Furthermore, after hot rolling, heat treatment and cold working can be performed.
- the O activity in the molten steel is analyzed, and the amount of Zr added is adjusted in accordance with the amount of dissolved O, and “Insol.Zr and Sol.Zr” Is preferably adjusted.
- the amount of dissolved O in molten steel is 0.0025% by mass, about 7 g of Zr is added per 100 kg of molten steel.
- Zr, Sol. An ingot that satisfies the desired content range with Zr can be obtained.
- the oxides may be agglomerated and coarsened, and an oxide having a desired number density may not be obtained. Is preferably within.
- electrolytic iron or industrial pure iron with a low Al content was dissolved as a base material.
- granular carbon was added so that it might become a predetermined density
- the pressure was less than 1 Torr, 90% or more of the residual gas was argon gas, and the holding time was about 10 minutes.
- the molten steel temperature was generally 1600 to 1650 ° C. at which the steel was melted.
- Adjustment of “Insol.Zr, Sol.Zr” was performed by analyzing the O activity in the molten steel and adjusting the amount of Zr according to the amount of dissolved O. For example, if the amount of dissolved O in molten steel is 0.0025% by mass, about 7 g of Zr is added per 100 kg of molten steel. Zr, Sol. An ingot that satisfies the desired content range with Zr could be obtained.
- the Insol. Zr and Sol. Zr was measured by electrolytic extraction residue analysis by dissolving the parent phase by electrolysis of steel in a non-aqueous solvent (such as acetylacetone-methanol solution). Residues (precipitates and inclusions) were extracted with a filter having a pore size of 0.2 ⁇ m. After the separation, the amount of Zr contained in the solution (Sol.Zr content) and the amount of Zr contained in the residue (Insol.Zr content) were measured by chemical analysis.
- a non-aqueous solvent such as acetylacetone-methanol solution
- the number density of the Zr-containing oxide having an equivalent circle diameter of 0.5 ⁇ m or more was measured by observation using an SEM. At that time, the surface to be observed was a mirror-polished steel material surface. Moreover, the composition of the particles was confirmed using EDX. As a result of observation, in the inventive examples, 90% or more of the Zr-containing oxide having an equivalent circle diameter of 0.5 ⁇ m or more was an oxide containing Zr and Ti.
- a test piece for a heat cycle test was collected from the steel material.
- This test piece was subjected to a thermal cycle that reproduced welding with a heat input of 40 kJ / mm (large heat input welding).
- As specific heat cycle conditions after heating from room temperature to 1400 ° C., holding at 1400 ° C. for 10 seconds, and then setting the temperature range from 800 ° C. to 500 ° C., which is a temperature range related to intragranular transformation, to 1.0. Cooling was controlled at a rate of ° C / second.
- Three JIS No. 4 Charpy specimens were collected from the steel material after the heat cycle was applied, and Charpy test was conducted at -40 ° C. to measure the absorbed energy (vE ⁇ 40 ). The Charpy test was conducted in accordance with JIS Z 2242.
- Tables 1 and 2 show the chemical composition of the test steel.
- Table 3 shows the number density and Charpy test results of the Zr-containing oxide having an equivalent circle diameter of 0.5 ⁇ m or more. In any example, since Ca and REM were not added, the total content thereof was 0.0005% or less.
- the steel material according to the present invention has excellent toughness especially in high heat input welding HAZ. If this steel material is used, highly efficient welding becomes possible and the construction cost of the welded structure can be drastically reduced. Furthermore, the safety and reliability of the welded structure can be improved. For this reason, the industrial contribution of the present invention is extremely remarkable.
Abstract
Description
本願は、2016年04月19日に、日本に出願された特願2016-083595号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、特許文献2には、REMとZrとを含む介在物によってHAZ靱性を向上させる方法が提案されている。
また、特許文献4は、TiNによるピン止め効果とBNによる粒内変態とによってHAZを微細化し、さらにBによる焼入れ性の向上を利用してHAZの軟化を抑制することで、靱性を向上させる方法が提案されている。
BasBN=(N-(Ti-(O-Insol.Zr×(32/91.224))×(95.734/48))×(14/47.867))×(10.811/14) ・・・<1>
ここで、式中のN、Ti及びOは、鋼中に含まれる各元素(N、Ti、O)の含有量(質量%)であり、Insol.Zrは、酸不溶性Zrの含有量(質量%)である。
BF=B-BasBN ・・・<2>
ここで、式中のBは、鋼中に含まれるB含有量(質量%)であり、BasBNは式<1>より求まる値である。
BasBN=(N-(Ti-(O-Insol.Zr×(32/91.224))×(95.734/48))×(14/47.867))×(10.811/14) ・・・<1>
BF=B-BasBN ・・・<2>
ただし、式中の、N、Ti、O及びBは、鋼中に含まれるN、Ti、O、Bの質量%での含有量であり、Insol.Zrは、酸不溶性Zrの質量%での含有量であり、Sol.Zrは、酸可溶性Zrの質量%での含有量である。
特に、これまでに、Zr含有酸化物に更に複合析出したB窒化物が、鋼材のHAZ組織の微細化とHAZ靱性向上とにどのように影響するかについて検討されたことは無い。
また、本発明者らは、より有効にフェライト生成を促進させるために種々の元素について検討した。その結果、Bを一定量以上含有させることで、鋳造、熱間圧延または溶接時に、Zr含有酸化物を核としてB窒化物が析出し、この複合析出物が粒内フェライト生成サイトとしてより一層有効に機能することを見出した。
即ち、B窒化物によって、単独では粒内フェライト生成サイトとして機能し難かったZr含有酸化物もフェライト生成サイトになり、より効率的にHAZ組織の微細化に寄与する。これらの効果を得るためには、B窒化物を析出するためのB含有量(質量%)の指標(BasBN)を0.0005以上とし、かつB含有量をこのBasBN以上とすることが必要である。
B窒化物は溶接時に1200℃超の温度域に加熱されると再固溶するが、Zr含有酸化物は1400℃に加熱されても安定に存在する。したがって、溶接の加熱時にB窒化物は固溶し、固溶BがZr含有酸化物の周囲に偏在する。この固溶Bは溶接後の冷却過程において酸化物を核とするB窒化物として再析出すると考えられる。
B窒化物を十分に析出させるためには、B含有量をBasBN以上(B-BasBN≧0)とする必要があるが、粒界フェライト抑制効果を得るには、更に、B含有量を増加させ、下記式<2>で表わされる固溶B(BF)を0.0005以上(B-BasBN≧0.0005)にすることが必要である。
BF=B-BasBN ・・・<2>
ここで、式中のBは、鋼中に含まれるBの含有量(質量%)であり、BasBNは式<1>より求まる値である。
Cは、強度を確保するために必要な元素である。C含有量が0.01%未満では一般の構造部材として求められる強度を確保することができない。そのため、C含有量の下限を0.01%とする。C含有量の好ましい下限は0.03%である。一方、C含有量が0.20%を超えると、母材、HAZ共に靱性を確保することが難しくなる。そのため、C含有量の上限を0.20%とする。好ましい上限は0.15%である。
Siは、鋼の焼入れ性を高め、鋼材の強度上昇に寄与する元素である。この効果を得るためにはSi含有量の下限を0.02%とする。好ましくはSi含有量の下限を0.05%とする。一方で、Siは酸素との反応性が高く脱酸作用を有するので、Zr含有酸化物の形成に影響を及ぼす。Si含有量が0.70%を超えると、酸化物の組成が変化し、HAZ組織の微細化が達成されず、HAZ靭性が低下する。そのため、Si含有量の上限を0.70%とする。より好ましいSi含有量の上限は0.50%、更に好ましい上限は0.40%である。
Mnは、鋼の焼入れ性を高める効果があり、強度及び靭性の確保に有効な元素である。Mn含有量が0.30%未満では、焼入れ性の不足によって構造部材としての強度及び靱性が得られない。そのため、Mn含有量の下限を0.30%とする。Mn含有量の好ましい下限を0.60%とする。一方で、Mn含有量が2.50%を超えると、凝固時のMn偏析により中心偏析部の靱性が低下するとともに、焼入れ性が高まりすぎて母材、HAZともに硬さが増大して靱性が劣化する。そのため、Mn含有量の上限を2.50%とする。好ましい上限は2.00%である。
Tiは、Zrととともに複合酸化物を形成する元素である。この複合酸化物はHAZにおける粒内フェライト生成サイトとして機能してHAZ組織の微細化に寄与する。この効果を得るためには、Ti含有量の下限を0.003%とする。Ti含有量の好ましい下限は0.005%である。一方で、Tiは窒化物を生成する。Ti窒化物が多量に生成するとB窒化物の生成量が抑制され、本実施形態で所望する効果が得られなくなる。更に、過剰なTiはTiCを形成し、母材及びHAZの靱性を劣化させる。よって、Ti含有量の上限を0.024%とする。好ましい上限は0.020%である。
Bは、鋼中において窒素と結合し、Zr含有酸化物の周囲にB窒化物を生成する元素である。B含有量を0.0010%以上にし、後述するBasBN及びBFについての所定の条件を満足することにより、HAZにおける粒内フェライト生成能を高め、組織の微細化を通じて靱性の改善に寄与する。また、固溶Bはオーステナイト粒界に偏析することで、粗大な粒界フェライト生成を抑制する。そのため、B含有量の下限を0.0010%とする。HAZ靱性を更に改善するために、B含有量の好ましい下限は0.0015%である。一方、B含有量が過剰な場合、強度を高める効果が飽和するだけでなく、母材、HAZともに靱性が劣化する。したがって、B含有量の上限を0.0050%とする。B含有量の好ましい上限は0.0030%である。
Nは、鋼中においてBと結合し、B窒化物を形成させるために必要な元素である。この効果を得るために、N含有量の下限を0.0010%とする。N含有量の好ましい下限は0.0020%である。一方、N含有量が過剰な場合、母材及びHAZの靱性が劣化する。そのため、N含有量の上限を0.0090%とする。好ましい上限は0.0060%である。
O(酸素)は、Zr含有酸化物の生成に不可欠な元素である。そのため、O含有量の下限を0.0010%とする。O含有量の好ましい下限は0.0015%である。一方、O含有量が過剰な場合、酸化物が過剰に生成して鋼材の清浄度が低下し、母材靱性及び伸び、絞り等の延性が劣化する。このためO含有量の上限を0.0050%とする。好ましい上限は0.0040%である。
Insol.Zrは酸不溶性Zr、すなわち、酸化物として鋼中に存在するZrを表わす。Insol.Zrは単独で酸化物を形成し、またはTiとともに複合酸化物を形成する。この酸化物はHAZにおける粒内フェライト生成サイトとして機能し、HAZ組織の微細化に寄与する。
上記効果を得るためには、Insol.Zr(酸不溶性Zr含有量)の下限を0.0005%にする必要がある。好ましい下限は0.0010%である。一方、Insol.Zrが過剰な場合、酸化物が鋼中に多量に生成し、HAZ靱性が劣化する。そのため、Insol.Zrの上限を0.0100%とする。好ましい上限は0.0075%である。
Pは、不純物として鋼中に不可避的に存在する元素である。P含有量は少ないほど好ましいが、P含有量が0.050%を超えるとオーステナイト粒界にPが偏析して著しく靭性が低下する。また、粒界に偏析したPは溶接時に高温割れを招く原因となる。そのため、P含有量を0.0050%以下に制限する。好ましくは、0.030%以下である。P含有量は少ないほど好ましいので下限は特に規定しないが、製造コストの観点から、0.001%以上であってもよい。
Sは、不純物として鋼中に不可避的に存在する元素である。S含有量が0.0080%を超えると中心偏析部において延伸したMnSが多量に生成し、母材及びHAZの靱性や延性が劣化する。このためS含有量を0.0080%以下に制限する。好ましくは0.0050%以下である。S含有量は少ないほど好ましいので下限は特に規定しないが、製造コストの観点から、0.0001%以上であってもよい。
Alは、一般的には、脱酸元素として、積極的に添加される元素である。しかし、Alは優先的に酸素と反応しやすいので、その含有量が過剰な場合には、所望するZr含有酸化物の形成が不十分となり、HAZにおける有効なフェライト生成サイトが減少する。
更にAl含有量が過剰になると粗大なクラスター状のアルミナ(Al2O3)系介在物の形成が助長され、母材及びHAZの靭性が劣化する。よって、Alの含有量はできる限り低減することが好ましい。許容できるAl含有量は0.005%以下であり、好ましくは0.003%以下とする。
Ca及びREMは、Alよりも更に優先的に酸素と反応しやすい元素である。所望するZr含有酸化物を形成させるために、Ca及びREMの含有量の合計を0.0005%以下に制限する。より好ましくはCa含有量が0.0003%未満、かつREM含有量が0.0003%未満で、その含有量の合計が0.0005%以下である。
Sol.Zrは酸可溶性Zr、すなわち、鋼中に固溶しているZrを表わす。Sol.Zrの含有量が増えると、HAZ靱性が著しく劣化する。そのため、その含有量を0.0010%以下に制限する。Sol.Zrは少ないほど好ましいので下限は特に規定せず、0%でもよい。
上述のInsol.Zr及びSol.Zrは、電解抽出残渣分析法によって測定することができる。電解抽出残渣分析法は、鋼を非水溶媒(アセチルアセトン-メタノール溶液など)中での電解によって母相を溶解させて、残渣(析出物や介在物)を孔径0.2μmのフィルターで抽出し、分離する方法である。分離後、溶液に含まれるZrの量がSol.Zrの含有量であり、残渣に含まれるZrの量がInsol.Zrの含有量である。
ただし、不純物のうち、P、Sについては上述のように上限を制限する必要がある。また、Al、Ca及びREMは鋼中において強脱酸元素として作用し、ZrやTiが酸化物を生成するのを阻害するので、可能な限り低減することが好ましい。
本実施形態に係る鋼材には、Feの一部に代えて、強度を更に高める目的で、Cu、Ni、Cr、Mo、V及びNbからなる群から選択される1種または2種以上を後述の範囲で含有させてもよい。また、耐食性を高める目的でW及びSnからなる群から選択される1種または2種を後述の範囲で含有させてもよい。
Cuは、鋼の強度及び耐食性を向上させる効果を有する元素である。これらの効果を得るためには、Cu含有量を0.10%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.20%以上である。一方、1.50%を超えてCuを含有させても、合金コスト上昇に見合った性能の改善が見られず、むしろ鋼材表面割れの原因となる場合がある。そのため、含有させる場合でも、Cu含有量を1.50%以下とする。好ましくはCu含有量を1.00%以下とし、より好ましくは0.70%未満とし、さらに好ましくは0.50%以下とする。
Niは、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。また、Niは固溶状態において鋼のマトリックス(生地)の靱性を高める効果を有する元素である。これらの効果を得るためには、Ni含有量を0.10%以上とすることが好ましい。一方、3.00%を超えてNiを含有させても、合金コストの上昇に見合った特性の向上が得られない。そのため、含有させる場合でも、Ni含有量を3.00%以下とする。好ましくはNi含有量を2.00%以下、より好ましくは1.00%以下とする。
Crは、焼入性を高めることで強度の向上に有用な元素である。また、Crは耐食性を高める元素でもある。これらの効果を得るためには、Cr含有量を0.10%以上とすることが好ましい。一方、1.00%を超えてCrを含有させても、耐食性を向上させる効果が飽和するだけでなく、HAZが硬化して靱性が劣化する場合がある。そのため、含有させる場合でも、Cr含有量を1.00%以下とする。好ましくはCr含有量を0.50%以下とする。
Moは、母材の強度と靱性とを向上させる効果を有する元素である。この効果を得るためには、Mo含有量を0.05%以上とすることが好ましい。一方、Mo含有量が1.00%を超えると、特にHAZの硬度が高まり、HAZ靱性が劣化する場合がある。そのため、含有させる場合でも、Mo含有量を1.00%以下とする。好ましくはMo含有量を0.50%以下、より好ましくは0.30%以下とする。
Vは、主に焼戻し時の炭窒化物析出により母材の強度を向上させる効果を有する元素である。この効果を得るためには、V含有量を0.010%以上とすることが好ましい。一方、V含有量が0.100%を超えると、効果が飽和するだけでなく、硬度が高まり、靱性が劣化する場合がある。そのため、含有させる場合でも、V含有量を0.100%以下とする。好ましくはV含有量を0.050%以下とする。
Nbは、細粒化と炭化物析出とにより母材の強度及び靱性を向上させる元素である。これらの効果を得るためには、Nb含有量を0.005%以上とすることが好ましい。一方、Nb含有量が0.035%を超えると、上記効果が飽和するだけでなく、HAZ靱性が低下する場合がある。そのため、含有させる場合でも、Nb含有量を0.035%以下とする。好ましくはNb含有量を0.025%以下とする。
Wは、溶解して酸素酸イオンWO4 -の形でさびに吸着し、さび層中の塩化物イオンの透過を抑制し、耐食性を向上させる元素である。この効果を得るためには、W含有量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、W含有量が1.00%を超えると、上記効果が飽和するだけでなく、母材およびHAZ靱性が低下する場合がある。そのため、含有させる場合でも、W含有量を1.00%以下とする。好ましくはW含有量を0.75%以下とする。
Snは、Sn2+となって溶解し、酸性塩化物溶液中でのインヒビター作用により腐食を抑制する作用を有する元素である。また、Snには鋼のアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させる作用がある。これらの効果を得るためにはSn含有量を0.03%以上とすることが好ましい。一方、Snを0.50%を超えて含有させると、その効果が飽和するだけでなく、鋼板の圧延割れが発生しやすくなる。このため、Snを含有させる場合でも、その含有量を0.50%以下とする。
BasBN=(N-(Ti-(O-Insol.Zr×(32/91.224))×(95.734/48))×(14/47.867))×(10.811/14) ・・・<1>
BF=B-BasBN ・・・<2>
ここで、式<1>中のN、Ti、O及びBは、それぞれ鋼中に含まれるN、Ti、O及びBの含有量(質量%)であり、Insol.Zrは、酸不溶性Zrの含有量(質量%)である。
これらの効果を得るためには、B窒化物の析出に寄与するB含有量の指標、即ち、前記式<1>で表されるBasBNを0.0005以上とした上で、B含有量をBasBN以上にすることが必要である。より好ましくは、BasBNは0.0010以上である。一方、BasBNが0.0030を超えると上記効果が飽和するだけでなく、鋳造時の表面割れが発生しやすくなる。そのため、好ましいBasBNの上限は0.0030以下である。
この効果を得るためには、固溶Bとして存在するB含有量、即ち、前記式<2>で表されるBFを0.0005以上とする必要がある。より好ましくは、0.0007以上である。上述の通り、B≧BasBNなので、BFは、B含有量(上式<2>のB)を超えることはない。一方、BFが0.0020を超えると上記効果が飽和するだけでなく、鋼材の焼入れ性が過剰となり、溶接部における低温割れ発生の原因となる。そのため、より好ましいBFの上限は0.0020である。
本実施形態に係る鋼材は、円相当径が0.5μm以上であるZr含有酸化物を50個/mm2以上有する。
本実施形態に係る鋼材ではZr含有酸化物を核として、B窒化物が析出して複合介在物が形成される。この複合介在物は、溶接後の冷却時に粒内フェライト生成サイトとなる。Zr含有酸化物は、ZrとTiとを含む酸化物が主体であるが、B窒化物の析出核とする場合、酸化物中のZr濃度がTi濃度と等しいか、Ti濃度よりも高いことが好ましい。
また、粒内フェライトの生成サイトとして作用する条件として、溶接時に加熱された際のオーステナイト粒内に、1つ以上のZr含有酸化物が分散していることが不可欠である。このため、上記サイズの酸化物が50個/mm2以上の個数密度で分散している必要がある。酸化物個数密度は、多いほどフェライト生成サイトが増加するため望ましいが、500個/mm2を超えて分散させてもその効果は飽和する。
また、Zr添加後、鋳造までの時間を通常よりも長時間化すると酸化物が凝集粗大化し、所望の個数密度の酸化物が得られないおそれがあるので、鋳造までの時間は、例えば60分以内にすることが好ましい。
まず、この鋼材のInsol.Zr及びSol.Zrを、鋼を非水溶媒(アセチルアセトン-メタノール溶液など)中での電解によって母相を溶解させ、電解抽出残渣分析法によって測定した。残渣(析出物や介在物)は、孔径0.2μmのフィルターで抽出した。分離後、溶液に含まれるZrの量(Sol.Zr含有量)及び残渣に含まれるZrの量(Insol.Zr含有量)を化学分析によって測定した。
また、円相当径が0.5μm以上のZr含有酸化物の個数密度を、SEMを用いた観察により測定した。その際、観察面は、鏡面研磨した鋼材表面とした。また、EDXを用いて粒子の組成を確認した。観察の結果、発明例では、円相当径が0.5μm以上のZr含有酸化物のうち、90%以上はZrとTiとを含む酸化物であった。
熱サイクルを付与した後の鋼材から、三個ずつJIS4号シャルピー試験片を採取し、-40℃でシャルピー試験を行い、吸収エネルギー(vE-40)を測定した。シャルピー試験は、JIS Z 2242に準拠して行った。
Claims (3)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.01~0.20%、
Si:0.02~0.70%、
Mn:0.30~2.50%、
Ti:0.003~0.024%、
B:0.0010~0.0050%、
N:0.0010~0.0090%、
O:0.0010~0.0050%、
Insol.Zr:0.0005~0.0100%、
P:0.050%以下、
S:0.0080%以下、
Al:0.005%以下、
Sol.Zr:0.0010%以下、
Ca及びREMの含有量の合計:0.0005%以下、
残部はFe及び不純物からなり、
下記式<1>で表されるBasBNが0.0005以上、かつ下記式<2>で表されるBFが0.0005以上であり;
円相当径が0.5μm以上のZr含有酸化物を50個/mm2以上有する;
ことを特徴とする鋼材。
BasBN=(N-(Ti-(O-Insol.Zr×(32/91.224))×(95.734/48))×(14/47.867))×(10.811/14) ・・・<1>
BF=B-BasBN ・・・<2>
ただし、式中の、N、Ti、O及びBは、鋼中に含まれるN、Ti、O、Bの質量%での含有量であり、Insol.Zrは、酸不溶性Zrの質量%での含有量であり、Sol.Zrは、酸可溶性Zrの質量%での含有量である。 - 前記化学組成が、更に、質量%で、
Cu:1.50%以下、
Ni:3.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
V:0.100%以下及び
Nb:0.035%以下
からなる群から選択される1種または2種以上を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、更に、質量%で、
W:1.00%以下及び
Sn:0.50%以下
からなる群から選択される1種または2種を含有する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の鋼材。
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