JP3255004B2

JP3255004B2 - 靱性およびアレスト性に優れる溶接用高張力鋼材およびその製造方法

Info

Publication number: JP3255004B2
Application number: JP07275696A
Authority: JP
Inventors: 友弥川畑; 一志大西; 浩壱岐; 健占部
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: JPH09263828A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直接焼入れ焼戻し
処理による例えば厚鋼板などの高張力鋼材およびその製
造方法に係り、特に溶接性と靱性さらにはアレスト性に
優れた780 N/mm²以上の引張強さを有する高張力鋼材お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ペンストック・圧力容器などの大型化に
伴い省資材、運搬・施工コスト削減の観点から鋼材には
一層の高強度化が求められており、引張強さ950 N/mm²
級の高張力鋼板がペンストック分野に適用された例もあ
る。

【０００３】これまで、この種類の高張力鋼材の製造に
あたっては熱間圧延後の再加熱、そして焼入れ・焼戻し
処理が適用されてきたが、厚肉材の中心部の強度・靱性
を保証するために添加合金元素を多くせざるを得なかっ
た。そのため、焼入れ時、冷却速度の大きい表層部近傍
では過剰焼入れとなり靱性が低下するほか、溶接性の低
下により予熱温度を高くして溶接する必要があった。

【０００４】この問題に対し、近年、熱間圧延後直ちに
焼入れを行い、その後焼戻しを行う方法が開発され、再
加熱分のコストが低減できるというメリットも生まれる
ことから、いくつかの提案がなされた。

【０００５】例えば、特公平６−70248 号公報の開示す
る方法は、焼入れの直前に軽圧下圧延を行い、特に表層
部の変形帯確保による過剰焼入れ防止を狙ったもので、
継手部の衝撃特性確保のため、Tiフリーを特徴としてい
る。しかしながら、安定的に所望の高強度を得ることは
困難である。

【０００６】また、特公昭62−196326号公報は、Ti添加
によりＢの焼入れ性向上に寄与する働きを活用し、低温
域の圧下により表層部の靱性を向上させる方法を開示し
ているが、この方法によりペンストックなどのアレスト
性が要求される分野へ適用するためには多量のNiが必要
であり、経済的観点より実際的とは言い難い。ここに、
「アレスト性」とは、脆性亀裂伝播特性である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術である特公平
６−70248 号公報の開示する方法は、AlによるＮの固定
がTiに比べ確実でないことから、焼入れ性向上に寄与す
る有効Ｂ量が確保できないという問題があり、また、特
公昭62−196326号公報の開示する方法は、特にNbに関す
る規定がなく、変形帯維持による微細化効果が期待でき
ないことから、多量のNi添加は必須となり、実用性の点
で問題である。

【０００８】かくして、本発明の目的は、直接焼入れ焼
戻し処理による経済的な鋼材製造に当たり、高強度・高
靱性に加えて、優れた溶接性およびアレスト性を具備し
た高張力鋼材およびその製造方法を提供することであ
る。

【０００９】より具体的には、本発明の目的は、TS:780
N/mm²以上、Ｃeq：0.42以上、Ｐcm：0.30以下を満足す
る溶接性、靱性およびアレスト性に優れた高強度の高張
力鋼材およびその経済的な製造方法を提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために種々検討を重ねた結果、下記のように
Ｎを0.005 ％以下に制限するとともにTiの添加によりＮ
の確実な固定を図り、これによりＢの作用効果を確保す
るとともにNbを添加して回復・再結晶の遅延を図るとい
う鋼組成と、特定の圧延条件および熱処理条件とを組み
合わせることにより、直接焼入れ法によっても所望の特
性を安定して得ることができることを見い出し、本発明
を完成した。

【００１１】ここに、本発明の要旨は、重量％で、Ｃ：
0.06〜0.16％、Si：0.50％以下、望ましくは0.15％以
下、Mn：0.60〜1.50％、Cr：0.05〜1.20％、Mo：0.05〜
1.00％、Ｖ：0.005 〜0.10％、Nb：0.005 〜0.03％、so
l.Al：0.01〜0.10％、Ti：0.005 〜0.03％、Ｎ：≦0.00
5 ％、Ｂ：0.0005〜0.0025％、さらに所望によりCu：0.
05〜1.00％、Ni：0.05〜3.00％、Zr：0.01〜0.15％の１
種または２種以上、および／またはCa：0.001 〜0.008
％、残部Feおよび不可避的不純物から成る組成を有する
鋼を950 〜1150℃に加熱、均熱後900 ℃以下の温度範囲
で累積圧下率が50％以上の熱間圧延を施し、引き続き70
0 ℃以上の温度から直接焼入れし、その後、Ac₁点以下
の温度で焼戻すことを特徴とする靱性およびアレスト性
の優れた溶接用高張力鋼材の製造方法である。

【００１２】このように本発明によれば、特に、有効
Ｂ量を確保するため、Alに較べ格段にＮの固定能の高い
TiとＮの規定を行うこと、そして所定量の有効Ｂ量を
確保することによる焼入れ性確保が達成され、アレスト
性の優れた組織を板厚中心まで確保できること、そし
て、Nbによる変形帯維持効果による破面単位の微細化
効果が図られるのである。特に本発明によれば、例えば
ペンストック用の板厚25〜100 mmという厚板の高張力鋼
材が安価に得られるのであり、その実用上の意義は大き
い。別の観点からは、本発明は、重量％で、Ｃ：0.06〜
0.16％、Si：0.50％以下、望ましくは0.15％以下、 Mn：
0.60〜1.50％、Cr：0.05〜1.20％、Mo：0.05〜1.00％、
Ｖ：0.005 〜0.10％、Nb：0.005 〜0.03％、sol.Al：0.
01〜0.10％、 Ti：0.005 〜0.03％、Ｎ：≦0.005 ％、
Ｂ：0.0005〜0.0025％、さらに所望により Cu：0.05〜1.
00％、Ni：0.05〜3.00％、Zr：0.01〜0.15％の１種また
は２種以上、および／またはCa：0.001 〜0.008 ％、残
部Feおよび不可避的不純物から成る組成を有する鋼を、
950 〜1150℃に加熱、均熱後900 ℃以下の温度範囲で累
積圧下率が50％以上の熱間圧延を施し、引き続き700 ℃
以上の温度から直接焼入れし、その後、Ac ₁ 点以下の温
度で焼戻すことによって、得られる靱性およびアレスト
性の優れた溶接用高張力鋼材である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその作用効果とと
もに詳述する。なお、本明細書において特に断りがない
限り「％」は「重量％」を表すものとする。まず、本発
明において上述のように鋼組成を限定した理由について
説明する。

【００１４】Ｃ：Ｃは0.06％未満であると強度が不足す
るため、0.06％以上とし、また0.16％を超えると靱性・
溶接性を損ねるため、0.16％以下と制限した。

【００１５】Si：Siは焼入性向上による強度確保のため
に添加するが、0.50％を超えると島状マルテンサイトの
生成を促すことによって、鋼材の靱性を著しく低下させ
るために0.50％以下とする。ただし、望ましくは0.15％
以下である。

【００１６】Mn：Mnは焼入れ性と強度・靱性をともに確
保するために0.60％以上添加する必要があるが、1.50％
を超えて多量に添加すると溶接性の確保が困難になるほ
か、著しく靱性・等方性を損ねるMnＳの生成を助長し高
張力鋼として不適となる。そこで、Mn添加量を0.60％以
上、1.50％以下と制限する。

【００１７】Cr：Crは0.05％以上の添加により焼入れ性
を高める働きを発揮するため、強度・靱性の向上に有効
であるが、1.2 ％を超えると靱性を著しく劣化させるの
で、0.05％以上1.20％以下と制限する。

【００１８】Mo：Moは0.05％以上の添加により強度の向
上に有効であるが、1.0 ％を超えて添加すると靱性を損
なうため0.05％以上1.0 ％以下と限定する。

【００１９】Nb：Nbは特に本発明において重要な元素で
ある。Nbはスラブ加熱時に結晶粒粗大化を抑制するほ
か、焼戻し時に粒内にNb(C,N) として析出し、降伏強度
向上に寄与する働きを有する。さらに、本発明において
特に強調すべき効果はNbによる回復・再結晶遅滞効果で
ある。

【００２０】このような効果は500 N/mm² クラスのα組
織主体の低強度鋼ではこれまで盛んに利用されてきた。
本発明においてはこれをベイナイト−マルテンサイト主
体の高強度鋼へも適用を拡大したものである。しかし、
従来のNb添加による効果は、フェライト・パーライト組
織を前提に考えられていたのであるが、本発明の場合に
はこのような前例がないため、Nb添加の効果は予測でき
なかったが、本発明のように直接焼入れプロセス利用で
あれば、ベイナイト−マルテンサイト主体の高強度鋼に
あっても同様のNb添加による回復・再結晶遅滞効果が達
成されることが分かった。

【００２１】ところで、仕上げ圧延終了後、焼入れによ
って微細なパケットサイズを有する組織にするためには
圧延によって導入された変形帯の維持が不可欠である。
しかしながら、実生産ライン上では圧延機から水冷装置
への移動時間が少なからず存在し、かかる間に変形帯が
回復によって解消してしまうほか、再結晶によりさらに
圧延による粒微細化効果を解消する場合もある。

【００２２】この課題に対して、Nbは回復・再結晶遅滞
効果を発揮し、圧延により導入した変形帯の焼入れまで
の維持に対して有用な元素である。また、Nbは0.005 ％
未満ではその効果があらわれず、0.03％超では継手靱性
を著しく損なう結果となる。したがって、0.005 ％以上
0.03％以下と限定した。

【００２３】sol.Al：sol.Alは、γ粒の微細化に寄与す
る元素として有効であり0.01％以上の添加によりその有
効性を発揮し、0.10％を超えると靱性の低下をもたら
す。

【００２４】Ti：Tiはγ粒の微細化、固溶Ｎの固定によ
る有効Ｂ量確保のために不可欠な元素であってかかる効
果を発揮させるためには0.005 ％以上の添加が必要とな
るが、0.03％を超えて添加すると靱性の低下を招くた
め、0.005 ％以上0.03％以下と限定した。

【００２５】Ｎ：ＮはAlＮ、TiＮの生成によって初期γ
粒の粗大化抑制に寄与するが、0.005 ％を超えて添加す
ると固溶Ｎが増大し靱性が劣化する。よって、0.005 ％
以下と限定した。

【００２６】Ｂ：Ｂは本発明において微量の添加で焼入
れ性を著しく向上させるため、極めて重要な元素であ
り、0.0005％以上の添加が必要であるが、0.0025％を超
えて添加すると靱性が著しく劣化するため、Ｂの添加量
は0.0005％以上0.0025％以下と限定した。

【００２７】Cu：Cuは任意添加元素であり、0.05％以上
の添加により強度上昇のために有効な元素であるが、1.
0 ％超添加するとスケール発生により鋼材の表面性状を
著しく劣化させる。したがって、それを添加する場合に
は0.05％以上1.0 ％以下と制限する。

【００２８】Ni：Niも任意添加元素であるが、強度・靱
性を向上させるために有効な元素であり、0.05％以上添
加しないと靱性の向上は認められず、多量に添加すると
コストの上昇を招くため、添加する場合、3.0 ％以下に
制限する。

【００２９】Zr：Zrは析出によって鋼の強度向上に寄与
するが、含有量が0.01％に満たなければ所望の効果が得
られず、0.15％を超えると靱性を劣化させることから、
Zrの添加量は0.01％以上0.15％以下と限定した。

【００３０】Ca：Caも任意添加元素であって、Ca添加に
は、硫化物系非金属介在物の形態を制御することによ
り、亀裂進展抵抗を高めることができ、結果的に靱性向
上に寄与する作用がある。0.001 ％未満であるとその効
果は少なく、0.008 ％を超えると非金属介在物の量が増
加し、これらの性能が損なわれる傾向が現れるようにな
ることから、その含有量は0.001 ％以上0.008 ％以下と
規定した。このようにして構成される本発明にかかる鋼
組成は、溶接性確保の観点からは、その好適態様にあっ
ては、Ｃeq：0.42以上、Ｐcm：0.30以下に制限される。

【００３１】さらに本発明によれば、以上の組成を有す
る鋼から連続鋳造法または鋼塊法により得られたスラブ
に対して、以下のような(1) ないし(3) の各工程から成
る加工熱処理を経て溶接用高張力鋼材が製造されるので
ある。

【００３２】(1) 950 〜1150℃に加熱、均熱 (2) 900 ℃以下の温度範囲で累積圧下率が50％以上の熱
間圧延により所望の厚みまで減厚し、 (3) 700 ℃以上の温度から直接焼入れし、そして (4) その後、Ac₁ 点以下の温度で焼戻す。

【００３３】まず、以上の制御圧延方法について以下に
詳述するが、鋼塊の加熱温度は微量に添加したNbを十分
固溶させてNbの種々の効果を得る必要があるため、950
℃以上の高温であることが望ましい。しかし、1150℃を
超えるとγ粒の粗大化が顕著となり、靱性の低下につな
がる。さらに、粗粒に起因する圧延異方性の増大を招く
ことから、加熱温度は950 ℃以上1150℃以下と限定す
る。

【００３４】次に、圧下の温度範囲に関する規定である
が、900 ℃を超えた温度域での圧下によって生成された
変形帯はNb添加の成分系であっても圧下直後に回復によ
って解消されることから、変形帯によるγ→マルテンサ
イトあるいはベイナイト変態時のパケットサイズまでへ
の微細化を論じる場合の圧下に関する温度範囲は900℃
以下とした。

【００３５】また、かかる温度域での累積圧下率が50％
未満では破面単位微細化効果が有効に発揮されない。し
たがって、累積圧下率は50％以上と限定した。好ましく
は、70％以上である。

【００３６】ここに、図１は、後述の実施例における例
No.1と同じ鋼組成の鋼材にその例の加工熱処理を基本と
して900 ℃以下の温度域での累積圧下率を変えたときの
Ｖノッチシャルピー遷移温度をグラフにまとめたもので
あり、かかる温度域での累積圧下率が50％未満では破面
単位微細化効果が有効に発揮されないことが分かる。

【００３７】次に、焼入れ温度は焼入れ性を確保するた
めに高温から焼入れを行うことが望ましい。また、700
℃未満からの水冷では焼入れ性が確保されず、強度不足
になることから焼入れ温度は700 ℃以上とした。そして
最後に焼戻し処理を行うが、焼戻し処理は従来通りの方
法に基づけばよく、γ化を防ぐため、Ac₁ 点以下の適当
な温度にて焼戻しすればよい。

【００３８】以上詳述してきた本発明にかかる方法によ
り、低温靱性およびアレスト性に優れた本発明にかかる
高張力鋼材を確実に得ることができる。さらに、本発明
を実施例を用いて詳述するが、これは本発明の例示であ
ってこれにより本発明が不当に制限されるものではな
い。

【００３９】

【実施例】表１に示す組成を有する鋼塊を表２に示す条
件にて制御圧延を行って板厚が50mmの試料No.1〜12を得
た。

【００４０】これらの試料について、引張試験を行って
降伏点・引張強さを測定するとともにシャルピー衝撃試
験を行ってその遷移温度を測定した。また、高圧負荷箇
所への適用の際に不可欠な脆性破壊伝播停止性能を調査
するために温度勾配型ESSO試験を行った。それらの試験
も表２中に示す。

【００４１】試料No.1〜９はHT950 を狙って製造したも
のであるが、Nb非添加の試料No.5、Ti非添加の試料No.
7、Ｂ非添加の試料No.8、Ｎ上限外れの試料No.9はいず
れも適正な制御圧延を施しているにも拘わらず、強度が
目標を下回っているほかアレスト性も劣位を示してい
る。

【００４２】また、化学成分の適合している試料No.4に
おいても焼入れ温度規定外れ(4-b)、加熱温度規定外れ
(4-c) 、900 ℃以下の累積圧下率未達(4-d) のものは、
いずれも強度・アレスト性ともに劣位を示している。

【００４３】試料No.10 〜12はHT780 を狙って製造した
ものであるが、Nb非添加の試料No.11 、Ti非添加の試料
No.12 はいずれも適正な制御圧延を施しても強度が目標
を下回っているほかアレスト性も劣位を示している。ま
た、化学成分の適合している試料No.10 においても焼入
れ温度外れ(10-b)、加熱温度外れ(10-c)は、いずれも強
度・アレスト性ともに劣位を示している。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】

【発明の効果】近年、高張力化・厚肉化の要求が年々増
大しているペンストック用鋼板あるいは圧力容器用鋼板
などの大型構造物に使用することができる、靱性および
アレスト性に優れた溶接用高張力鋼板およびその製造法
を提供する本発明の意義は著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】900 ℃以下の温度での累積圧下率とＶノッチシ
ャルピー遷移温度との関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者占部健茨城県鹿嶋市大字光３番地住友金属工業株式会社鹿島製鉄所内 (56)参考文献特開平４−293718（ＪＰ，Ａ) 特開平３−232923（ＪＰ，Ａ) 特公平６−17507（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 8/00 - 8/10 C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、Ｃ：0.06〜0.16％、 Si：0.50％以下、 Mn：0.60
〜1.50％、 Cr：0.05〜1.20％、 Mo：0.05〜1.00％、Ｖ：0.00
5 〜0.10％、 Nb：0.005 〜0.03％、 sol.Al：0.01〜0.10％、 Ti：0.005 〜0.03％、Ｎ：0.005 ％以下、Ｂ：0.00
05〜0.0025％、残部Feおよび不可避的不純物から成る組成を有する鋼を
950 〜1150℃に加熱、均熱後900 ℃以下の温度範囲で累
積圧下率が50％以上の熱間圧延を施し、引き続き700 ℃
以上の温度から直接焼入れし、その後、Ac₁点以下の温
度で焼戻すことを特徴とする靱性およびアレスト性の優
れた溶接用高張力鋼材の製造方法。
【請求項２】上記の鋼がさらに、重量％にて、 Cu：0.05〜1.00％、Ni：0.05〜3.00％、 Zr：0.01〜0.15％の１種または２種以上含有することを
特徴とする請求項１記載の靱性およびアレスト性の優れ
た溶接用高張力鋼材の製造方法。
【請求項３】上記の鋼がさらに重量％にて、Ca：0.00
1 〜0.008 ％を含有する請求項１または２記載の靱性お
よびアレスト性の優れた溶接用高張力鋼材の製造方法。
【請求項４】重量％にて、Ｃ：0.06〜0.16％、Si：0.
50％以下、Mn：0.60〜1.50％、Cr：0.05〜1.20％、Mo：
0.05〜1.00％、Ｖ：0.005 〜0.10％、Nb：0.005 〜0.03
％、sol.Al：0.01〜0.10％、Ti：0.005 〜0.03％、Ｎ：
0.005 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.0025％、残部Feおよび不
可避的不純物から成る鋼組成を有する鋼を、950 〜1150
℃に加熱、均熱後900 ℃以下の温度範囲で累積圧下率が
50％以上の熱間圧延を施し、引き続き700 ℃以上の温度
から直接焼入れし、その後、Ac₁点以下の温度で焼戻す
ことによって、得られる靱性およびアレスト性の優れた
溶接用高張力鋼材。
【請求項５】上記の鋼がさらに、重量％にて、 Cu：0.05〜1.00％、Ni：0.05〜3.00％、 Zr：0.01〜0.15％の１種または２種以上含有することを
特徴とする請求項４記載の靱性およびアレスト性の優れ
た溶接用高張力鋼材。
【請求項６】上記の鋼がさらに、重量％にて、Ca：0.
001 〜0.008 ％を含有する請求項４または５記載の靱性
およびアレスト性の優れた溶接用高張力鋼材。