JP2001355037A

JP2001355037A - 破壊靱性に優れた高強度鋼材

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Publication number: JP2001355037A
Application number: JP2000175806A
Authority: JP
Inventors: Jun Furukawa; 純古川
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2001-12-25
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP3589156B2

Abstract

(57)【要約】【課題】降伏強度550MPa以上、引張強度620MPa以上を
満足し、造船用、海洋構造物用に適する破壊靱性に優れ
た高強度鋼材を開発する。【解決手段】質量％で、Ｃ：0.02〜0.10％、Mn：0.50〜
2.5 ％、Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.01％以下、Cu：0.50
〜２％、Ni：０〜４％、Nb：0.05％以下、Ti：0.05％以
下、Se：0.005 ％以下およびAl：0.1 ％以下を含有する
鋼組成を有し、熱間圧延に先立つ加熱温度950 〜1250
℃、放冷もしくは１〜50℃/secの冷却速度で580 ℃以下
の温度域まで冷却し、次いで450 〜680℃に再加熱した
後、空冷処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、破壊靱性に優れた
高強度鋼材とその製造方法に関する。さらに詳述すれ
ば、本発明は、例えば大型産業機械用、造船用、海洋構
造物用、橋梁用鋼材などの溶接構造物用鋼材として適す
る、破壊靱性に優れた高強度鋼材とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、経済性および安全性等の観点か
ら、大型産業機械、溶接鋼管、海洋構造物、橋梁等の溶
接構造物における高強度化が益々進むと共に、これらの
分野で使用される鋼材に対する要求特性は高まる一方で
ある。これらの鋼材には破壊靱性試験としてBS7448やAS
TM E1290に規定される試験によるCTOD特性を要求される
ことがあり、CTOD特性の向上と安定化は構造物の安全性
向上に大きく寄与するものである。

【０００３】ここに、「CTOD特性」は、CTOD(Crack Tip
Opening Displacement 、き裂先端開口変位) に対する
抵抗性を示す指標であり、具体的には、疲労き裂を与え
た試験片を指定温度で３点曲げを行い、き裂先端の開口
変位をクリップゲージ等で測定し、破壊が発生する限界
値を限界CTOD値として、CTOD特性を評価する。

【０００４】従来より、鋼材のCTOD特性を向上させるに
は、低Ｃ化が有効であることが知られており、低Ｃ化に
よる強度低下を補うため、種々の合金元素添加やプロセ
ス面からの高強度化が図られている。例えば、ASTM A71
0 や米国特許第3,692,514 号ではCuの析出強化を利用し
た鋼材が開示されている。これらの鋼材は溶接性に優れ
ていることが特徴であるが、低温での充分な破壊靱性を
有しているとは言い難い。

【０００５】低温靱性を改善する技術としては、日本特
許第2,611,565 号あるいは同第2,690,578 号に、通常の
熱間圧延後に冷間あるいは温間で圧下を加える方法が開
示されている。しかしながらこれらの技術は、通常、熱
間圧延を行う厚板用ミルにおいて冷間あるいは温間の圧
下を加えるもので、設備負荷が大きく、広く一般に適用
可能な技術とは言い難い。また、CTOD試験においては数
度の繰り返し試験で個々の限界CTOD値で著しく低い値(
低限界CTOD値) を示すことがあり、このような低限界CT
OD値の発生を抑え、安定的に良好な特性を得るために、
より低Ｃ化や高価な合金元素の添加を余儀なくされてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の課題
は、安価かつ簡便な手段でもって実現できる破壊靱性に
優れた高強度鋼材とその製造方法を提供することであ
る。

【０００７】より具体的には、本発明の課題は、降伏強
度550N/mm²以上、引張強度620N/mm²以上を満足する、安
価かつ簡便な手段でもって実現できる破壊靱性に優れた
高強度鋼材とその製造方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するため種々検討を重ねた結果、微量元素をコント
ロールすることにより溶接性と安定した破壊靱性を具備
した高強度鋼材を提供できることを知り、本発明を完成
した。

【０００９】すなわち、本発明者は、種々の検討を重ね
た結果、CTOD試験において著しく低い限界CTOP値を示す
原因として微量元素であるSeに起因する硬くて脆い介在
物の存在を見い出し、これを抑制することにより、低限
界CTOD値の発生を抑え、より低コストで安定的なCTOD特
性が得られることを知見した。

【００１０】ここに、本発明の要旨とするところは以下
の通りである。 (1) 質量％で、Ｃ：0.02〜0.10％、Mn：0.50〜2.5 ％、
Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.01％以下、Cu：0.50〜2.0
％、Ni：０〜４％、Nb：0.05％以下、Ti：0.05％以下、
Se：0.005 ％以下、およびAl：0.1 ％以下を含有する鋼
組成を有する破壊靱性に優れた高強度鋼材。 (2) 前記(1) に記載された鋼組成を有する鋼片を950 〜
1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行った後、放冷
し、次いで450 〜680 ℃に再加熱した後、空冷すること
を特徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の製造方法。 (3) 前記(1) に記載された鋼組成を有する鋼片を950 〜
1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行った後、１〜
50℃/secの冷却速度で580 ℃以下の温度域まで冷却し、
次いで450 〜680 ℃に再加熱した後、空冷することを特
徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の製造方法。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を説明するが、
以降の説明では、「鋼材」が「鋼板」である場合を例に
とる。なお、本明細書において鋼組成を規定する「％」
は、「質量％」である。

【００１２】本発明における鋼材の鋼組成を限定する理
由を説明する。Ｃ：0.02〜0.10％Ｃは、強度上昇に寄与する元素ではあるが、0.02％未満
では強度を確保することは困難であり、一方、0.10％を
超えて多量に含有すると、目的とする製品の溶接性およ
び破壊靱性を劣化させる。したがって、Ｃ含有量は0.02
％以上0.10％以下と限定する。経済性やより高い性能を
求める意味から望ましいＣ含有量は0.03％以上0.08％以
下である。

【００１３】Mn：0.50〜2.5 ％ Mnは、鋼の強度および靱性を確保するために必要な元素
ではあるが、0.50％未満ではこのような効果は少なく、
一方、2.5 ％を超えて多量に添加すると溶接性を劣化さ
せる。したがって、Mn含有量は、0.50〜2.5 ％以下に限
定する。経済性やより高い性能を求める意味から、望ま
しいMn含有量は0.60％以上1.8 ％以下である。

【００１４】Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.01％以下Ｐ、Ｓは、ともに鋼の凝固時に偏析を起こし易い元素で
あり、この偏析により、溶接部を脆化させて靱性を低下
させる。このため、Ｐ、Ｓともに含有量を低減すること
が望ましいが、それらの元素の著しい低減には相応の処
理コストを要する。そこで、本発明では、Ｐ含有量を0.
025 ％以下と限定する。一方、Ｓは、Ａ系介在物である
MnS となって鋼中に析出し、圧延時に延伸されて靱性を
低下させる。そこで、本発明では、S 含有量は0.01％以
下とする。

【００１５】Cu：0.50〜2.0 ％ Cuは本発明の特徴とする元素で、圧延冷却後のCu析出処
理による強化作用、つまり析出強化を活用することによ
り、低Ｃ化を実現し、溶接性と低温靱性ひいては破壊靱
性の向上をもたらす。析出強化を有効に得るために下限
を0.50％と限定する。しかし過度の添加は逆に靱性の低
下をもたらすと共に、鋼の熱間圧延中のCuクラックの発
生やHAZ の粒界割れを助長するという悪影響が顕著にな
る。このため、上限を2.0 ％と限定する。経済性やより
高い性能を求める意味から望ましいCu含有量は0.7 ％以
上1.8 ％以下である。

【００１６】Ni：４％以下 Niは、所望添加元素であり、Cuとほぼ同様に、溶接性お
よびHAZ 靱性に悪影響を及ぼすこともなく、母材の強
度、靱性を向上させるが、４％超の添加では構造用鋼材
として極めて高価になるため経済性を失うので、添加す
る場合、Ni含有量は４％以下と限定する。経済性を求め
る意味から望ましいNi含有量は２％以下、つまり０〜２
％である。ここに本発明においてNiは任意添加成分であ
るという趣旨でNi：０〜４％と記述する。

【００１７】Nb：0.05％以下 Nbは、析出強化と細粒化による靱性向上に有効な元素で
あるが、0.05％を超えると溶接部の靱性が劣化する。そ
こでNb添加量は、0.05％以下と限定する。経済性やより
高い性能を求める意味から望ましいNb含有量は0.03％以
下である。

【００１８】Ti：0.05％以下 Tiは、オーステナイト粒粗大化防止に有効な元素である
が、0.05％を超えると靱性が劣化する。そこでTi添加量
は、0.05％以下と限定する。経済性やより高性能を求め
る意味から望ましいTi含有量は0.03％以下である。

【００１９】Se：0.005 ％以下 Seは、その添加により鋼の切削性を向上させるのに有効
な元素であるが、硬くて脆い介在物を形成し破壊靱性の
低下をもたらす。本発明の意図する鋼材では切削性向上
を積極的に求める必要はなく、Seの意図的な添加を行わ
ないが、製鋼時に使用する鉱石類やスクラップから微量
汚染され、破壊靱性の深刻な劣化をもたらす場合があ
る。そのためSe含有量を0.005 ％以下と限定する。より
高い性能を求める意味からSe含有量は少なければ少ない
ほど望ましい。

【００２０】Al：0.1 ％以下 Alは、脱酸およびオーステナイト粒粗大化防止に有効な
元素であるが、脱酸作用についてはSiやMnによって、オ
ーステナイト粒粗大化防止作用についてはNbやTiと云っ
た微量元素添加によって代替可能であり、むしろAlの多
量添加では鋼中の清浄度を劣化させる懸念がある。よっ
てAl含有量は、0.1 ％以下と限定する。経済性やより高
い性能を求める意味から望ましいAl含有量は0.06％以下
である。

【００２１】その他の元素本発明において以上のように限定した元素以外で、鋼の
製造において一般に添加される元素、例えばSi、Cr、M
o、Ｖ、Ｂ等については、本発明の効果を阻害しない範
囲で添加することは制限されない。換言すれば、経済的
に許容可能な添加量であれば本発明の効果を助長こそす
れ阻害しないため、その添加量に制限を設けない。

【００２２】熱間圧延本発明では、上述のような鋼組成を有する鋼片を950 〜
1250℃の温度範囲に加熱して、熱間圧延を行う。加熱温
度が950 ℃未満の場合はNbが充分にマトリックスに固溶
しないため、引き続いて行われる熱間圧延においてオー
ステナイトの再結晶化を抑制することができず、組織の
微細化が不充分となり、充分な靱性が得られない。一
方、加熱温度が1250℃を超えると連続鋳造鋳片の場合オ
ーステナイト結晶粒がさらに粗大化し、板厚中心部だけ
でなく母材全体の靱性が低下する。

【００２３】そこで、本発明では、連続鋳造鋳片の加熱
温度は950 〜1250℃とする。熱間圧延の条件は、通常の
鋼材製造における条件でよい。冷却熱間圧延を終了した後に、放冷しまたは必要に応じて１
〜50℃/secの冷却速度で580 ℃以下の温度域まで冷却す
る。ここで言う「必要に応じて」とは、目標とする鋼材
の板厚と低温靱性確保の両面から決定するものであり。
例えばより低温での高靱性を必要とする場合、または厚
肉鋼材で放冷時の冷却速度が遅い場合は、加速冷却を実
施することが効果的であることを意味する。この場合、
圧延終了温度に応じた冷却開始温度が選択される。

【００２４】この冷却における平均の冷却速度が１℃/s
ec未満であると、粗大な炭化物を伴うベイナイト組織等
が生成し易いので、特に鋼板の中心部の充分な降伏強さ
を確保することができない。一方、冷却速度が50℃/sec
を超えると、鋼板の表層部近傍で焼きが入り易いために
表層の靱性が低下することがある。そこで本発明では、
580 ℃以下の温度域までの平均冷却速度を１℃/sec以上
50℃/sec以下と限定する。この冷却における冷却停止温
度が580 ℃を超えると、鋼板の中心部のみならず表層部
においても、マルテンサイトあるいは下部ベイナイト等
の生成が不充分であるので強度を確保することができな
い。そこで、本発明の上記態様では、冷却停止温度は58
0 ℃以下とする。

【００２５】単に放冷する場合にあっても放冷、つまり
冷却停止条件は580 ℃以下とする。熱処理放冷しあるいは加速冷却した鋼を450 〜680 ℃に再加熱
した後、空冷処理を実施する。これは、Cuの析出強化を
効率的かつ安定的に発揮させるためであり、目的とする
強度・低温靱性に応じ、450 〜680 ℃の温度範囲で実施
する。

【００２６】ここで、下限を450 ℃と限定するのは、こ
れより低温では熱処理中にCuの析出が充分に完了せず、
その後構造物等に加工される際の溶接熱によって継ぎ手
近傍で母材の特性が著しく変化することが懸念される。
また上限を680 ℃と限定するのは、それより高温では、
過時効により充分な強度が確保できなくなるためであ
る。

【００２７】かくして、本発明によれば、溶接構造物用
鋼材、例えば大型産業機械用、造船用、海洋構造物用、
さらには橋梁用等の構造材として用いることができる破
壊靱性に優れた高強度鋼材が得られる。しかも、その製
造に際しては、有害成分であるSe含有量を制限すること
で、また熱間圧延に際しての熱処理条件を規定するとい
う簡便な手段でもってそのような優れた鋼特性を得るこ
とができるのであり、その着想のユニークさはもちろ
ん、実用上の意義は大きく、本発明はこの種の鋼材の開
発に大きな貢献を果たすことが期待される。

【００２８】次に、本発明を実施例を参照しながら、よ
り具体的に説明する。

【００２９】

【実施例】本実施例における目標性能は、海洋構造物用
のYS≧550N/mm²級の鋼とし、破壊靱性の目標値は限界CT
OD値で0.80mm以上である。

【００３０】CTOD試験の方法はBS7448に準拠して行っ
た。表１に示す鋼組成・製造条件を有する鋼板を熱間圧
延により37種製造した。得られた鋼板から試験片を切り
出し、YS、TS、限界CTOD値を測定した。

【００３１】結果を表１にまとめて示す。表１において
実施例No.1〜23は本発明の実施例であり、No.24 〜39は
比較例である。実施例No.1〜23はいずれもYS≧550N/m
m²、TS≧620N/mm²、限界CTOD値≧0.80mmを有しており、
破壊靱性に優れた高強度鋼材である。

【００３２】一方、比較例であるNo.24 〜39は製造方法
が本発明範囲外の例である。No.24〜25は加熱温度が発
明範囲外であり、強度あるいは破壊靱性が目標を達成し
なかった。No.26 〜27は冷却温度域あるいは冷却速度が
発明範囲外であり、YS、TSあるいは破壊靱性が目標を達
成しなかった。No.28 〜37は化学組成が本発明範囲外の
例であり、YS、TSあるいは破壊靱性が目標を達成しなか
った。No.38 〜39は熱処理温度が本発明範囲外の例であ
り、YS、TSあるいは破壊靱性が目標を達成しなかった。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
り破壊靱性に優れた高強度鋼材を提供することが可能と
なった。かかる効果を有する本発明の実用上の意義は大
きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.02〜0.10％、Mn：0.50〜2.5 ％、Ｐ：0.025 ％以
下、Ｓ：0.01％以下、Cu：0.50〜2.0 ％、Ni：０〜４％、N
b：0.05％以下、 Ti：0.05％以下、Se：0.005 ％以下、およびAl：0.1 ％
以下を含有する鋼組成を有する破壊靱性に優れた高強度鋼
材。
【請求項２】請求項１に記載された鋼組成を有する鋼
片を950 〜1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行っ
た後、放冷し、次いで450 〜680 ℃に再加熱した後、空
冷することを特徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の
製造方法。
【請求項３】請求項１に記載された鋼組成を有する鋼
片を950 〜1250℃の温度範囲に加熱し、熱間圧延を行っ
た後、１〜50℃/secの冷却速度で580 ℃以下の温度域ま
で冷却し、次いで450 〜680 ℃に再加熱した後、空冷す
ることを特徴とする破壊靱性に優れた高強度鋼材の製造
方法。