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JP3802810B2 - Steel for welded structures having no dependence on heat input of HAZ toughness and method for manufacturing - Google Patents

Steel for welded structures having no dependence on heat input of HAZ toughness and method for manufacturing Download PDF

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JP3802810B2
JP3802810B2 JP2001529471A JP2001529471A JP3802810B2 JP 3802810 B2 JP3802810 B2 JP 3802810B2 JP 2001529471 A JP2001529471 A JP 2001529471A JP 2001529471 A JP2001529471 A JP 2001529471A JP 3802810 B2 JP3802810 B2 JP 3802810B2
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Description

【0001】
技術分野
本発明は、海洋構造物、天然ガス・原油輸送用ラインパイプ、建築、造船、橋梁、建設機械などに使用する溶接構造物用鋼およびその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、溶接部の靭性が要求され、溶接時の入熱が0.5kJ/mmから150kJ/mm超という幅広い入熱条件で溶接を実施しても、溶接熱影響部(以下「HAZ」という。)における旧オーステナイト粒径が小さく、溶接熱影響部の靭性(以下「HAZ靱性」という。)が入熱条件によらず優れた溶接構造物用鋼に関するものである。
【0002】
背景技術
海洋構造物など溶接構造物の脆性破壊を防止する観点から、溶接部から生じる脆性破壊の発生を抑制する研究、すなわち、使用する鋼板におけるHAZ靱性の向上に関する研究が数多く報告されている。近年では、溶接施工能率の向上の観点から、従来実施されてきた大入熱溶接(およそ20kJ/mm以下)から、さらに溶接入熱が増大した超大入熱溶接(20〜150kJ/mm)を実施する場合が増加している。
大入熱溶接と超大入熱溶接が鋼板へ及ぼす影響の差異は、1400℃以上の高温での滞留時間の差異に起因している。
【0003】
即ち、超大入熱溶接では、その滞留時間が極めて長時間であるために、HAZにおいて結晶粒径が著しく粗大化する領域が広くなり、靱性の低下が著しい。
【0004】
一般に、鋼板のHAZにおける結晶粒の粗大化に対する粗大化防止策としては、例えば、特開昭55−26164号公報に記載されているTiNや、特開昭52−17314号公報に記載されている“重量%で、C:0.01〜0.2%、Si:0.002〜1.5%、Mn:0.5〜2.5%、Tiおよび/あるいはZr:0.002〜0.1%、Caおよび/あるいはMg:0.004%以下、Ceおよび/あるいはLa:0.001〜0.1%、Al:0.005〜0.1%、N:0.002〜0.015%を含有することを特徴とする大入熱溶接用構造用鋼”におけるZrNなどのように、鋼中に微細分散させた介在物粒子により、旧オーステナイト粒(以下「旧γ粒」という。また、その粒径を「旧γ粒径」という。)をピニングする効果(ピニング効果)を利用する策が知られている。
【0005】
しかしながら、このような窒化物は、小入熱ないし中入熱の溶接時には溶解せずに旧γ粒をピニングしてピニング効果を発揮し、結晶粒の微細化に寄与するが、1400℃以上の高温での滞留時間が極めて長い大入熱ないし超大入熱の溶接時には、該溶接熱で、鋼中で容易に溶解し、消滅してしまうという問題点を抱えている。
【0006】
一方、近年、HAZ靱性のさらなる向上を目的として、溶鋼中で生成する酸化物を用いる技術が開示されている。例えば、特開昭59−190313号公報には、溶鋼をTiあるいはTi合金で脱酸し、ついで、Al、Mgなどを添加することを特徴とする溶接性の優れた鋼材の製造方法が開示されている。この製造方法は、Ti酸化物をフェライトの変態核として作用させ、フェライト分率を増加させるという効果を利用するもので、従来、窒化物などの析出物によるピニング効果を利用する方法とは異なった方法で、HAZ靱性の向上を図る技術である。
【0007】
その後、この技術分野においては、特開昭61−79745号公報、特開平5−43977号公報、特開平6−37364号公報などで、粒内変態核としての酸化物の個数の増加を図る発明など、様々な発明が開示されている。
【0008】
特に、特開昭59−190313号公報に記載されているように、これらの発明の骨子は、「γ→α変態時のフェライト核生成、即ち、フェライト組織の微細化に利用可能な含Ti酸化物を、均一に微細分散させる」ことであり、先に述べたような窒化物などによりピニング効果を確保するものではなく、冷却過程で生じるγ→α変態時のフェライト変態を促進することで、粗大な脆化組織の生成の抑制を図り、組織の微細化を達成するものである。
【0009】
これらの靱性改善方法は、すべて、粗大な組織の中に、粒内でのフェライト変態を促進させるために、変態核として1μm程度の比較的大きい酸化物を分散せしめて利用するものである。
【0010】
しかしながら、近年、溶接構造物の大型化、軽量化の観点から、より高強度の高張力鋼に対する要求が高まりつつあり、高張力鋼の成分組成においては、合金元素の添加量が増加する傾向にある。その場合、HAZでの焼入れ性の増加に起因して、従来のフェライト変態を利用するHAZ靱性の向上対策は、有効ではなくなってきつつある。
【0011】
以上のような観点から、抜本的なHAZ靱性の向上を図るためには、幅広い入熱条件においても旧γ粒に対するピニング効果が期待でき、高温でも溶解し難い酸化物粒子などを、窒化物と同様に、鋼中に微細分散せしめることができる技術の開発が望まれる。しかも、その場合に、これまでのフェライト変態核以上の変態能力を付与することが可能ならば、この技術分野で利用される鋼材特性に対して、HAZ靱性の飛躍的な向上をもたらすものと考えられる。
【0012】
酸化物の導入方法としては、鋼の溶製工程においてTiなどの脱酸元素を単独に添加する方法がある。しかし、多くの場合、溶鋼保持中に酸化物の凝集合体が生成し、粗大な酸化物の生成をもたらすことになり、かえって、鋼の清浄度を損ない、靱性を低下させてしまう。そこで、これらの酸化物の微細化を図るために、先の例に述べたごとく、複合脱酸法などさまざまな工夫がなされている。
【0013】
しかしながら、従来知られている方法では、溶接入熱が大きい場合において結晶粒の粗大化を完全に阻止し得る程の作用をなす微細な酸化物を、鋼中に分散させることはできない。
【0014】
発明の開示
本発明は、従来の複合脱酸方法を改良し、従来以上に、酸化物および/あるいは窒化物を微細でかつ均一に分散させ、さらに、この微細分散粒子にフェライト変態能も併せて付与し、超大入熱を含むいかなる入熱条件での溶接においても、HAZ靱性に優れる溶接構造物用鋼を提供することを課題としている。
【0015】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
【0016】
(1)質量%で、
C :0.01〜0.2%、
Si:0.02〜0.5%、
Mn:0.3〜2%、
P :0.03%以下、
S :0.0001〜0.03%、
Al:0.0005〜0.05%、
Ti:0.003〜0.05%、
Mg:0.0001〜0.01%、
O :0.0001〜0.008%を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
粒子径が0.2〜5μmのMg主体の酸化物を核にして、硫化物および窒化物の一方が単独で、もしくは、両方が複合して析出した粒子が、平均粒子間隔30〜100μmで鋼中に分散し、および/または、
粒子径が0.005〜0.2μm未満のMg主体の酸化物を核にして、硫化物および窒化物の一方が単独で、もしくは、両方が複合して析出した粒子が、平均粒子間隔30μm以下で鋼中に分散している、
ことを特徴とするHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。
【0017】
(2)質量%で、さらに、
Cu:0.05〜1.5%、
Ni:0.05〜5%、
Cr:0.02〜1.5%、
Mo:0.02〜1.5%、
V :0.01〜0.1%、
Nb:0.0001〜0.2%、
Zr:0.0001〜0.05%、
Ta:0.0001〜0.05%
B :0.0003〜0.005%のうち1種または2種以上を含有する、
ことを特徴とする前記(1)に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。
【0018】
(3)質量%で、さらに、
Ca:0.0005〜0.005%、
REM:0.0005〜0.005%のうち1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。
【0019】
(4)HAZ組織の旧オーステナイト粒径が、溶接入熱によらず10〜200μmであることを特徴とする前記(1)、(2)または(3)に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。
【0020】
(5)製段階において、Si、Mnを添加して弱脱酸処理を行った後、Ti:0.003〜0.05質量%と、Mgを、順次あるいは同時に添加して溶存酸素量を50ppm以下とし、さらにMgを、最終含有量で0.0001〜0.01質量%となるように添加し鋳造することを特徴とする前記(1)、(2)、(3)または(4)に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼の製造方法。
【0021】
(6)製段階において、Si、Mnを添加して弱脱酸処理を行った後、Ti:0.003〜0.05質量%と、Al、Ca、Mgを、順次、あるいは同時に添加して溶存酸素量を50ppm以下とし、さらにMgを、最終含有量で0.0001〜0.01質量%となるように添加し、鋳造することを特徴とする前記(1)、(2)、(3)または(4)に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼の製造方法。
【0022】
発明を実施するための最良の形態
Mgは、従来から、強脱酸剤、脱硫剤として鋼の清浄度を高め、HAZ靱性を向上せしめる元素として知られている。
【0023】
また、酸化物の分散を制御してHAZ靱性を向上させる技術として、Ti添加後、Mgを添加する複合添加の技術が、特開昭59−190313号公報に記載されている。
【0024】
しかしながら、その技術の目的は、先に引用したように、Mg添加により、粒内変態核であるTi酸化物の増加を促進することであり、酸化物をより微細に分散させてピニングにより結晶粒の細粒化を達成するものではない。
【0025】
そこで、本発明者らは、Mgの有する強脱酸剤としての作用に着目し、Alより凝集粗大化が起こりにくい性質を利用して、Ti添加鋼において、製鋼工程での脱酸剤の添加順序および量を制御すれば、酸化物の微細分散を期待できる余地があるとの着想に至った。
【0026】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【0027】
本発明者らは、Tiを添加し弱脱酸した溶鋼中にMgを添加した場合において、酸化物の状態を系統的に調査した。
【0028】
その結果、溶鋼をSi、Mnにより脱酸した後、Ti、Mgの順にTiとMgを添加した場合に、あるいは、Ti添加とMg添加を同時に行い、さらに、平衡状態になった状態で再度Mgを添加した場合に、酸化物の粒子径として2種類の粒子径を有する酸化物が生成することを見出した。
【0029】
なお、1段目のMg脱酸においては、同時あるいは前段にAl、Caを添加した場合も、上記と同様な傾向になることが、本発明では確認できている。
【0030】
すなわち、1つは、粒子径が0.2〜5.0μmのMg含有酸化物であり、他は、0.005〜0.1μmの超微細なMgOないしはMg含有酸化物である。このような酸化物の生成は、次のような理由に基づくものと推定される。なお、Mg含有酸化物は、後述する「Mgを主体とするMg含有酸化物」であり、以下、短縮して、「Mg主体の酸化物」という。
【0031】
まず、Ti添加、あるいは、Tiと少量のMgの同時添加により、一旦TiあるいはTiを主体とするμmサイズの酸化物が生成される。次に、この状態で、脱酸力の強いMgがさらに添加されると、既に生成されている酸化物がMgにより還元されて、最終的に、μmサイズの、Mgを主体とするMg含有酸化物(Mg主体の酸化物)が生成される。
【0032】
また、この際に、溶存酸素が少なくなっているにもかかわらず、MgがTiよりも脱酸力が強いために、新たなMg単独のサブμmサイズの微細な酸化物も同時に生成される。
【0033】
その結果、従来の添加方法では達成できなかった粒子数の増加とサイズの微細化を達成することができるようになる。
【0034】
一般に、μmサイズの酸化物に関しては、5μm以上のものが多くなる程破壊の起点になり易くなるので、Mgを添加する場合には、特開平9−157787号公報にも記載されているように、Mg添加量は、30〜50ppm程度が限界とされている。
【0035】
しかしながら、本発明に従えば、このような問題は回避され、100ppmまではMgの添加が可能になる。
【0036】
一方、Ti脱酸や、Ti+少量Mg脱酸では、弱脱酸元素あるいは少量の強脱酸元素による脱酸であるので、溶鋼中に溶存酸素がまだ残っていて、その時点で、再度、Mgを添加すると、前述のμmないしサブμmの酸化物だけでなく、まだ残っている溶存酸素とMgの酸化反応が穏やかに進行して、超微細な酸化物がさらに生成することになる。超微細な酸化物が生成する理由は、溶存酸素量が少なくなっていることに加えて、溶存酸素の溶鋼中での分布が均一化されることから、酸化物のクラスター化が抑制されたものと推定される。
【0037】
以上のように、鋼中に生成した酸化物は、鋳造時、あるいは、その後の冷却過程や再加熱−熱間工程中に、硫化物および窒化物の核生成サイトになる。
【0038】
そして、電子顕微鏡を用いて、1000倍〜10万倍の倍率で、鋼中酸化物の様子を調査した結果、鋼中酸化物の存在状態は、以下、1)および2)のように整理できる。なお、酸化物の存在状態については、特定倍率(例えば、超微細な酸化物の場合には10万倍程度)で10視野以上を観察し、平均粒子間隔等を測定することが望ましい。
【0039】
1)粒子径が0.2〜5μmのMg主体の酸化物を核にして、硫化物および窒化物の一方が単独で、もしくは、両方が複合して析出した粒子が、平均粒子間隔30〜100μmで、鋼中に含有されている。
【0040】
2)粒子径が0.005〜0.2μm未満のMg主体の酸化物を核にして、硫化物および窒化物の一方が単独で、もしくは、両方が複合して析出した粒子が、平均粒子間隔30μm以下で鋼中に含有されている。
【0041】
本発明は、上記1)および/または2)の酸化物の存在状態によって達成される優れたHAZ靱性を備える鋼材に関するものであり、従来は入熱量に大きく依存していたHAZにおける靱性変化を極力抑えることができる画期的な技術を提供するものである。
【0042】
以下に、HAZ靭性の向上について、さらに説明する。
【0043】
これまで知られているように、粒内変態は、酸化物の個数が多い程、かつ、硫化物と窒化物の酸化物上への析出がある場合の方が促進される。上記1)に示したように、個数については、従来に比較して10倍以上増加していること、また、複合析出についても、確認した限りにおいて、100%硫化物あるいは窒化物が複合的に析出していることから、本発明のMg主体の酸化物においては、粒内変態能が極めて大きくなる。
【0044】
次いで、本発明で最も重要な旧γ粒径の微細化について図1に基づいて説明する。
図1は、0.10C−1.0Mn鋼をベース成分とし、入熱量を横軸にしたときのHAZにおける旧γ粒径を、各入熱条件[1kJ/mm、10kJ/mm、50kJ/mm、100kJ/mm、150kJ/mm]で測定したものである。
【0045】
旧γ粒径の測定は、実継手の場合には、HAZの一部を切断加工等により抽出した後、研磨処理を行い、さらに、ナイタール腐食して得られるミクロ組織を、光学顕微鏡を用い、50倍〜200倍の倍率で写真撮影(5枚以上)し、切断法によって行った。図1における1〜50kJ/mmの旧γ粒径は、この方法によって求めた値である。
【0046】
また、超大入熱の場合は、旧γ粒界に沿って粒界フェライトが生成するので、粒界フェライトを含めて旧γ粒として算出するか、あるいは、入熱相当量を同一にした再現熱サイクル試験機を用いて所定の条件に加熱した後、急冷処理して得たミクロ組織から旧γ粒径を測定するのが普通である。図1における100kJ/mmと150kJ/mmの場合の旧γ粒径は、後者の再現熱サイクル試験機を用いて形成したミクロ組織より求めた値である。
【0047】
ここでは、Al脱酸鋼、Ti添加Al脱酸鋼、Mg脱酸鋼の測定例を示しており、上記2)のMg酸化物の有無によって、旧γ粒径の入熱依存性が全く異なっていることがわかる。
【0048】
すなわち、Mg脱酸鋼以外では、入熱量の増大に従って、明らかに、旧γ粒径が顕著に大きくなっている。
【0049】
これに対して、上記1)と2)の酸化物の存在状態が実現している場合、あるいは、上記2)の酸化物の存在状態が実現している場合には、入熱量が大きく変化した場合のMg脱酸鋼では、旧γ粒径の変化が極めて小さいことがわかる。
特に、上記2)の酸化物の存在状態は、旧γ粒径の微細化に対して支配的な要因になっている。
【0050】
しかしながら、入熱量が60kJ/mm程度までであれば、上記1)の酸化物の存在状態(単独)だけでも、旧γ粒径の細粒化は達成されている。
【0051】
なお、上記1)単独の酸化物の存在状態においても、ピニング力が、その効力は小さいものの作用しているが、上記2)の酸化物の存在状態と共存すると、旧γ粒の微細化が顕著に促進されている。
【0052】
旧γ粒が微細化した鋼板を電子顕微鏡で観察した結果、0.1μm以下の面心立方構造のMgOやMgを主構成元素とするスピネル型構造のMIIMIII24 (MII:Mg、Ca、Fe、Mn等、MIII :Al、Ti、Cr、Mn、V等)粒子、あるいは、図2に形態を模式的に示すMg主体の酸化物−硫化物および/あるいは窒化物[TiN等]の複合粒子が、多数存在することが明らかになった。
【0053】
また、電子顕微鏡観察において、Mg主体の含有酸化物−硫化物あるいは窒化物粒子間の結晶学的な方位関係を調べると、いずれも、完全平行の方位関係を持っていることも明らかになった。
【0054】
このことは、Mgの超微細酸化物が、硫化物や窒化物の優先析出サイトとして作用していることを示している。即ち、この優先析出サイトが多数存在することにより、結晶粒のピニングに有効な窒化物の数が増加しているものと考えられる。
【0055】
つまり、入熱が小さい場合には、これらの複合粒子が、ピニングをなす粒子として作用していると考えられ、さらに、超大入熱溶接時のような高温での滞留時間が長い場合には、窒化物粒子の溶解が生じるものの、本発明では、多数のMgOないしはMg主体の含有酸化物が存在していて、たとえ、窒化物粒子が溶解しても、依然として存在する微細な酸化物粒子が、高温でのピニング粒子として作用していると考えられる。
【0056】
したがって、本発明においては、従来鋼では決して得ることができなかったHAZにおける旧γ粒の成長抑制を達成することができるのである。
【0057】
すなわち、本発明の特徴の一つは、粒内変態能の顕著な向上に加え、TiNなどの窒化物を利用して結晶粒のピニングを図った従来鋼の場合とは異なり、MgO等の酸化物を鋼中に微細に導入することにより窒化物の析出核を創出し、これにより、窒化物の個数の増加を実現して、窒化物が有効に作用する小入熱溶接においては、これらの複合粒子の存在により、HAZで10〜200μm以下の旧γ粒を得ることができる点にある。
【0058】
さらに、本発明の他の特徴は、窒化物が溶解してしまい、従来、全く靱性の改善効果が得られなかった大入熱〜超大入熱溶接においても、酸化物単独による粒成長抑制効果により、HAZにおいて、旧γ粒径には、ほとんど変化が生じない点にある。
【0059】
本発明におけるMgの添加方法は、既に述べたように、最初に、Si、Mnを添加し、その後、まず、Tiを添加し溶鋼中の酸素量を調整し、その後、少量のMgを徐々に添加するか、あるいは、Tiと少量のMgを同時に添加し、その後に、最終的に、再度、Mgを添加するというものである。
【0060】
最適なMg添加量は、Ti添加後、溶鋼中に存在する酸素量などに依存するが、実験によれば、その時の酸素濃度は、Ti添加量とMg添加までの時間に依存するので、結局は、Ti添加量とMg添加量を適正な範囲で制御すればよい。
【0061】
なお、最終的なMg添加時の溶存酸素量は0.1〜50ppm程度が適量である。最小の0.1ppmは、微細なMg酸化物ができる最小限度の溶存酸素量である。一方、溶存酸素量が50ppmを超えると、粗大なMg酸化物ができてしまい、ピニング力が弱くなるので、50ppmを限度とした。
【0062】
また、Mgを添加する際に用いるMgの素材および添加方法については、金属MgをFe箔に包んで添加する方法、Mg合金を用いて添加する方法などを試みた結果、前者は、溶鋼投入の際の酸化反応が激しく、歩留まりが低下することが判明したので、通常の大気圧下で溶製する場合には、比重の比較的重いMg合金を用いて添加するのが好ましい。
【0063】
以下、本発明の成分組成の限定理由について述べる。
【0064】
Cは、鋼の母材強度を向上させる基本的な元素である。その向上効果を確保するため0.01%以上の添加が必要であるが、0.2%を越えて過剰に添加すると、鋼材の溶接性や靱性の低下を招くので、上限を0.2%とする。
【0065】
Siは、製鋼上脱酸元素として必要な元素であり、鋼中に0.02%以上の添加が必要であるが、0.5%を越えて添加すると、HAZ靱性を低下させるので、0.5%を上限とする。
【0066】
Mnは、母材の強度および靱性の確保に必要な元素であるが、2%を越えて添加すると、HAZ靱性を著しく阻害し、逆に、0.3%未満の添加では、母材の強度確保が困難になるので、添加量範囲を0.3〜2%とする。
【0067】
Pは、鋼の靱性に影響を与える元素であり、0.03%を越えて含有されていると、母材だけでなくHAZの靱性が著しく阻害されるので、上限を0.03%とする。
【0068】
Sは、0.03%を越えて含有されていると、粗大な硫化物を生成し、靱性を阻害するが、0.0001%未満の含有になると、粒内フェライトの生成に有効なMnS等の硫化物の生成量が著しく低下するので、0.0001〜0.03%を添加量の範囲とする。
【0069】
Alは、通常、脱酸剤として添加されるが、本発明においては、0.05%を越えて添加されると、Mgの添加の効果を阻害するので、0.05%を上限とする。また、安定して、MIIMIII24 を生成するためには、少なくとも、0.0005%は必要であるので、0.0005%を下限とする。
【0070】
Tiは、脱酸剤として、さらには、窒化物形成元素として、結晶粒の細粒化に効果を発揮する元素であるが、多量の添加は、炭化物の形成による靱性の著しい低下をもたらすので、上限を0.05%にする必要がある。そして、所定の効果を得るためには、0.003%以上の添加が必要であるので、その添加量の範囲を、0.003〜0.05%とする。
【0071】
Mgは、本発明における主たる合金元素であり、主に、脱酸剤として添加されるが、0.01%を越えて添加されると、粗大な酸化物が生成し易くなり、母材およびHAZ靱性の低下をもたらす。しかし、0.0001%未満の添加では、粒内変態およびピニング粒子として必要な酸化物の生成が十分に期待できなくなるの。それ故、添加量の範囲を、0.0001〜0.010%とする。
【0072】
O(酸素)は、Mg主体の酸化物を生成させるための必須元素である。鋼中に最終的に残存する酸素量が、0.0001%未満であると、酸化物の個数が十分とはならないので、0.0001%を下限とする。一方、0.008%を越えて残存した場合には、粗大な酸化物が多くなり、母材靱性およびHAZ靭性の低下をもたらすので、上限を0.008%とする。
【0073】
なお、本発明においては、強度および靱性を改善する元素として、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Zr、Ta、Bの中から、1種または2種以上の元素を添加することができる。
【0074】
Cuは、靱性を低下させずに強度を高めるのに有効な元素であるが、0.05%未満では効果がなく、1.5%を越えると鋼片加熱時や溶接時に割れを生じ易くなる。従って、その含有量範囲を、0.05〜1.5%とする。
【0075】
Niは、靱性および強度の改善に有効な元素であり、その効果を得るためには、0.05%以上の添加が必要であるが、5%を越えて添加すると溶接性が低下するので、上限を5%とする。
【0076】
Crは、析出強化による鋼の強度を向上させるために、0.02%以上の添加が有効であるが、1.5%を越えて多量に添加すると、焼入れ性を上昇させ、ベイナイト組織を生じさせ、靱性を低下させてしまう。従って、その上限を1.5%とする。
【0077】
Moは、焼入れ性を向上させると同時に、炭窒化物を形成し強度を改善する元素であり、その効果を得るためには、0.02%以上の添加が必要になるが、1.5%を越えた多量の添加は、必要以上の強化とともに、靱性の著しい低下をもたらすので、その含有量範囲を0.02〜1.5%とする。
【0078】
Vは、炭化物、窒化物を形成し強度の向上に効果がある元素であるが、0.01%未満の添加ではその効果がなく、0.1%を越える添加では、逆に靱性の低下を招くので、その含有量範囲を0.01〜0.1%とする。
【0079】
Nbは、炭化物、窒化物を形成し強度の向上に効果がある元素であるが、0.0001%未満の添加ではその効果がなく、0.2%を越える添加では、靱性の低下を招くので、その含有量範囲を0.0001〜0.2%とする。
【0080】
ZrとTaも、Nbと同様に炭化物、窒化物を形成し強度の向上に効果がある元素であるが、0.0001%未満の添加ではその効果がなく、0.05%を越える添加では、逆に靱性の低下を招くので、その含有量範囲を0.0001〜0.05%とする。
【0081】
Bは、一般に、固溶すると焼入れ性を増加させるが、また、BNとして固溶Nを低下させ、溶接熱影響部の靱性を向上させる元素である。従って、0.0003%以上の添加でその効果を利用できるが、過剰の添加は、靱性の低下を招くので、その上限を0.005%とする。
【0082】
CaおよびREMは、硫化物を生成することにより、伸長したMnSの生成を抑制し、鋼材の板厚方向の特性、特に、耐ラメラティアー性を改善する。Ca、REMは、ともに、0.0005%未満の添加では、この効果が得られないので、その下限を0.0005%とする。逆に、0.005%を越えて添加すると、CaおよびREMの酸化物の個数が増加し、超微細なMg主体の酸化物の個数が低下するので、その上限を0.005%とする。
【0083】
上記成分を含有する鋼は、製鋼工程で溶製後、連続鋳造などをへて、厚板加熱、圧延が施される。この場合、圧延方法と加熱冷却方法および熱処理方法においては、当該分野において従来から適用されている方法を用いても、HAZ靱性に対して何ら差し支えがない。
【0084】
特に、母材の粒径が小さければ小さい程、HAZの粒径との粒径差が大きくなることから、本発明によるHAZにおける旧γ粒径の微細化は、HAZ靭性だけでなく、硬度マッチングなどを考慮する必要がある場合にも、大きな効力を発揮する。
【0085】
実施例
次に、本発明の実施例について述べる。
【0086】
表1および表2(表1の続き)の化学成分を有する鋼塊に、表3に示す条件で熱間圧延および熱処理を施し、鋼板とした後、該鋼板に、溶接入熱が1.7kJ/mmの小入熱、20kJ/mmの大入熱、および、150kJ/mmの超大入熱溶接を施した。そして、HAZにおける旧γ粒径を、前述の切断法によって測定するとともに、シャルピー衝撃試験によりHAZ靭性(試験片採取位置は最粗粒域)の入熱依存性を評価した。その結果を同じく表3に示す。
【0087】
なお、表3中のΔvEoは、小入熱(1.7kJ/mm)と超大入熱(150kJ/mm)のシャルピー吸収エネルギーの差、すなわち[小入熱時の靱性:vEo(J)]−[超大入熱時の靱性:vEo(J)]を計算したものであり、それぞれの吸収エネルギーは、0℃における3本の試験片について測定した値の平均値である。
【0088】
また、λ1とλ2は、λ1が1000倍の電子顕微鏡写真10枚から、λ2が10万倍の電子顕微鏡写真10枚から、それぞれ算出した酸化物の平均粒子間隔である。
【0089】
【表1】

Figure 0003802810
【0090】
【表2】
Figure 0003802810
【0091】
【表3】
Figure 0003802810
【0092】
鋼1〜22は本発明の例を示す。表3から明らかなように、これらの発明鋼における旧γ粒径は、小入熱〜超大入熱の広い入熱条件の範囲において、すべて、200μm以下である。鋼20−2と21−2は、化学成分が、それぞれ、鋼20と21の化学成分とほとんど同様のものであるが、脱酸条件を変化させたものであり、Mg量が多少異なるものである。鋼20−2の場合はλ1が、鋼21−2の場合はλ2が、本発明で規定する範囲の外であるが、これらの場合においても、鋼20−2では、粒径がほとんど変化していないことが認められ、また、鋼21−2では、入熱条件60.0kJ/mmで粒径が200μm以下になっていることがわかる。また、これら発明鋼のシャルピー吸収エネルギーは、すべて、10kgf・mを超えていて、上記発明鋼が高靭性の鋼であることを示している。
【0093】
しかも、小入熱と超大入熱の場合におけるシャルピー吸収エネルギーの差は、最大でも、およそ4kgf・m以下と小さく、幅広い入熱条件の範囲においても、HAZ靱性に大きな変化はない。
【0094】
なお、表3には、上記シャルピー吸収エネルギーの差にマイナスが付されているものがあるが、これは、旧γ粒径が大きくなったにもかかわらず靱性が向上したことを示している。そして、このことは、本発明においてはMg主体の含有酸化物の粒内変態能が極めて大きいことに起因している。
【0095】
それに対し、鋼23〜35は、本発明の方法から逸脱して製造された比較鋼を示す。すなわち、比較鋼23、24、25、26、27、29、30、33、34および35は、基本成分あるいは選択元素の内、いずれかの元素が、本発明で規定する組成範囲を越えて添加されている例である。
【0096】
上記比較鋼においては、本発明において重要な要件である酸化物の平均粒子間隔は、大部分が、本発明で規定する要件を満たしているが、靱性劣化の要因となる元素が過剰に添加されていることにより、小入熱条件および超大入熱条件での溶接時、HAZ靱性の劣化が助長されたものである。
【0097】
比較鋼28と比較鋼31は、それぞれ、AlとTiが、本発明で規定するAlとTiの下限値より小さい場合の鋼であり、入熱量が大きくなるに従って、旧γ粒径は粗大化しており、比較鋼28と比較鋼31は、ともに、靱性値が低いものである。
【0098】
また、比較鋼32は、Mgが無添加のものであり、小入熱条件の下では、靱性は良好であるが、超大入熱条件の下では、靭性の劣化が大きく、結局、シャルピー吸収エネルギーの差は、10.3kgf・mと大きい。
【0099】
上記比較鋼においては、いずれも、HAZ靱性は低いレベルにあり、そのうえ、入熱量が大きい場合には、さらに、HAZ靱性が低下している。
【0100】
なお、比較鋼33と比較鋼34においては、微細な酸化物が数多く存在していることにより、他に比べて十分に、旧γ粒径が小さくなっているにもかかわらず、靱性が大きく劣化している。
【0101】
この理由は、過剰のMgあるいはOが添加されたことに起因して、主として、5μm以上の粗大な粒子が生成され、脆性破壊が促進されたためである。
【0102】
比較鋼36と比較鋼37は、化学成分が、それぞれ、発明鋼1と発明鋼2の化学成分と同じであるが、最終のMgを所定量添加する際、溶鋼中の溶存酸素量が50ppmを越えていた鋼である。
【0103】
結局、比較鋼36と比較鋼37は、鋼中において超微細酸化物の生成が少ないことから、旧γ粒径の粗大化と、顕著な靱性劣化が起きているものである。
【0104】
産業上の利用可能性
本発明の化学成分および製造方法によれば、Ti添加後にMgを適切に所定量添加するか、あるいは、TiとMgを同時に添加した後に、Mgを適切に所定量添加することにより、入熱条件にかかわらず、HAZにおける旧γ粒の成長を抑制することができる。
【0105】
本発明においては、この抑制効果により、HAZ靱性を、入熱条件の幅広い範囲で向上させることが可能である。
【0106】
その結果、海洋構造物、天然ガス・原油輸送用ラインパイプ、建築、造船、橋梁、建設機械などの幅広い技術分野において、溶接構造物の脆性破壊に対する安全性が、大幅に向上する。
【0107】
従って、本発明は、各種産業技術の発展に寄与するところが極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 溶接入熱量を変化させた場合のHAZにおける旧γ粒径を示す図である。
【図2】 超微細なMg酸化物を核にした複合粒子の形態を模式的に示す図である。[0001]
  Technical field
  The present invention relates to steel for welded structures used for offshore structures, natural gas / crude oil transportation line pipes, buildings, shipbuilding, bridges, construction machinery, and the like, and a method for producing the same. More specifically, the present invention requires the toughness of the welded portion, and even if welding is performed under a wide range of heat input conditions where the heat input during welding is from 0.5 kJ / mm to over 150 kJ / mm, the weld heat affected zone ( Hereinafter, the prior austenite grain size in “HAZ”) is small, and the toughness of the weld heat-affected zone (hereinafter referred to as “HAZ toughness”) relates to steel for welded structures that is excellent regardless of heat input conditions.
[0002]
  Background art
  From the viewpoint of preventing brittle fracture of a welded structure such as an offshore structure, many studies have been reported on suppressing the occurrence of brittle fracture occurring from a welded portion, that is, research on improving HAZ toughness in a steel sheet to be used. In recent years, from the viewpoint of improving welding work efficiency, super large heat input welding (20 to 150 kJ / mm), in which welding heat input is further increased, has been carried out from the conventional high heat input welding (approximately 20 kJ / mm or less). If you have increased.
  The difference in the effect of large heat input welding and super large heat input welding on the steel sheet is due to the difference in residence time at a high temperature of 1400 ° C. or higher.
[0003]
  That is, in ultra-high heat input welding, since the residence time is extremely long, the region in which the crystal grain size is significantly coarsened in HAZ is widened, and the toughness is significantly reduced.
[0004]
  In general, measures for preventing the coarsening of crystal grains in the HAZ of a steel sheet are described in, for example, TiN described in JP-A-55-26164 and JP-A-52-17314. “By weight%, C: 0.01-0.2%, Si: 0.002-1.5%, Mn: 0.5-2.5%, Ti and / or Zr: 0.002-0. 1%, Ca and / or Mg: 0.004% or less, Ce and / or La: 0.001 to 0.1%, Al: 0.005 to 0.1%, N: 0.002 to 0.015 % Of old austenite grains (hereinafter referred to as “old γ grains”) due to inclusion particles finely dispersed in the steel, such as ZrN in “structural steel for high heat input welding”. , The particle size is called "old γ particle size") There are known measures to use the effect (pinning effect).
[0005]
  However, such a nitride does not melt at the time of welding with a low heat input or a medium heat input and exhibits a pinning effect by pinning the old γ grains and contributes to the refinement of crystal grains. At the time of welding with high heat input or super high heat input, which has a very long residence time at a high temperature, the welding heat easily dissolves in the steel and disappears.
[0006]
  On the other hand, in recent years, a technique using an oxide generated in molten steel has been disclosed for the purpose of further improving the HAZ toughness. For example, JP-A-59-190313 discloses a method for producing a steel material having excellent weldability, characterized by deoxidizing molten steel with Ti or a Ti alloy and then adding Al, Mg, or the like. ing. This manufacturing method uses the effect of causing the Ti oxide to act as a transformation nucleus of ferrite and increasing the ferrite fraction, and is different from the conventional method using the pinning effect due to precipitates such as nitrides. This is a technique for improving the HAZ toughness.
[0007]
  Thereafter, in this technical field, an invention for increasing the number of oxides as intragranular transformation nuclei in JP-A-61-79745, JP-A-5-43977, JP-A-6-37364, etc. Various inventions are disclosed.
[0008]
  In particular, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-190313, the gist of these inventions is that “the formation of ferrite nuclei during the γ → α transformation, ie, the Ti-containing oxidation that can be used to refine the ferrite structure Is to finely disperse the material uniformly, and does not secure the pinning effect by the nitride as described above, but promotes the ferrite transformation during the γ → α transformation that occurs in the cooling process, The formation of a coarse embrittled structure is suppressed, and the refinement of the structure is achieved.
[0009]
  These toughness improving methods are all used by dispersing relatively large oxides of about 1 μm as transformation nuclei in a coarse structure in order to promote ferrite transformation within the grains.
[0010]
  However, in recent years, from the viewpoint of increasing the size and weight of welded structures, the demand for higher-strength high-strength steel is increasing, and in the composition of high-strength steel, the amount of alloying elements tends to increase. is there. In that case, due to the increase in hardenability with HAZ, conventional measures for improving HAZ toughness using ferrite transformation are becoming ineffective.
[0011]
  From the above viewpoint, in order to drastically improve the HAZ toughness, a pinning effect on the old γ grains can be expected even under a wide range of heat input conditions. Similarly, development of a technique that can be finely dispersed in steel is desired. Moreover, in that case, if it is possible to impart a transformation capacity higher than that of conventional ferrite transformation nuclei, it is considered that the HAZ toughness will be dramatically improved with respect to the steel material properties used in this technical field. It is done.
[0012]
  As a method for introducing an oxide, there is a method in which a deoxidizing element such as Ti is added alone in the steel melting step. However, in many cases, aggregates and aggregates of oxides are generated during holding of molten steel, resulting in the formation of coarse oxides. On the contrary, the cleanliness of the steel is impaired and the toughness is reduced. Therefore, in order to miniaturize these oxides, various ideas such as a composite deoxidation method have been made as described in the previous example.
[0013]
  However, the conventionally known methods cannot disperse fine oxides in the steel that have such an effect that the coarsening of crystal grains can be completely prevented when the welding heat input is large.
[0014]
  Disclosure of the invention
  The present invention improves the conventional composite deoxidation method, disperses oxides and / or nitrides more finely and uniformly than before, and further imparts ferrite transformation ability to the finely dispersed particles. An object of the present invention is to provide a steel for a welded structure that is excellent in HAZ toughness in welding under any heat input condition including super large heat input.
[0015]
  The gist of the present invention is as follows.
[0016]
  (1) In mass%,
    C: 0.01-0.2%
    Si: 0.02 to 0.5%,
    Mn: 0.3-2%,
    P: 0.03% or less,
    S: 0.0001 to 0.03%,
    Al: 0.0005 to 0.05%,
    Ti: 0.003 to 0.05%,
    Mg: 0.0001 to 0.01%
    O: 0.0001 to 0.008% is contained, the balance is made of iron and inevitable impurities,
  Mg with a particle size of 0.2-5 μmSubjectWith the oxide as a core, one of sulfide and nitride alone or a combination of both particles is dispersed in steel with an average particle spacing of 30 to 100 μm,And / or
  Mg having a particle size of 0.005 to less than 0.2 μmSubjectWith oxide as a core, one of sulfide and nitride alone or a composite of both is dispersed in steel with an average particle spacing of 30 μm or less.
A welded structure steel having no dependence on heat input of HAZ toughness.
[0017]
  (2) In mass%,
    Cu: 0.05 to 1.5%,
    Ni: 0.05 to 5%,
    Cr: 0.02 to 1.5%,
    Mo: 0.02 to 1.5%,
    V: 0.01-0.1%
    Nb: 0.0001 to 0.2%,
    Zr: 0.0001 to 0.05%,
    Ta: 0.0001 to 0.05%
    B: contains one or more of 0.0003 to 0.005%,
The steel for welded structures having no dependency on heat input of the HAZ toughness as described in (1) above.
[0018]
  (3) In mass%,
    Ca: 0.0005 to 0.005%,
    REM: For welded structures having no dependence on heat input of HAZ toughness according to (1) or (2) above, containing one or more of 0.0005 to 0.005% steel.
[0019]
  (4) The heat input dependence of the HAZ toughness according to (1), (2) or (3) above, wherein the prior austenite grain size of the HAZ structure is 10 to 200 μm regardless of welding heat input. There is no steel for welded structures.
[0020]
  (5) MadesteelIn the stage, after adding Si and Mn and performing weak deoxidation treatment, Ti: 0.003 to 0.05 mass%,MgAre added sequentially or simultaneously to bring the dissolved oxygen amount to 50 ppm or less, and Mg is added to the final content.0.0001-0.01% by mass(1), (2), (3) or (4), wherein the HAZ toughness has no dependency on heat input, and is a method for producing steel for welded structures.
[0021]
  (6) MadesteelIn the stage, after adding Si and Mn and performing weak deoxidation treatment, Ti: 0.003 to 0.05 mass%,Al, Ca and Mg are added sequentially or simultaneously to reduce the dissolved oxygen content to 50 ppm or less, and Mg is added to the final content.0.0001-0.01% by mass(1), (2), (3) or (4), wherein the HAZ toughness has no dependency on heat input, and is a method for producing a steel for welded structures. .
[0022]
  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  Mg has been conventionally known as an element that increases the cleanliness of steel and improves the HAZ toughness as a strong deoxidizer and desulfurizer.
[0023]
  As a technique for improving the HAZ toughness by controlling oxide dispersion, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-190313 discloses a technique for adding Mg after adding Ti.
[0024]
  However, the purpose of the technology is to promote the increase of Ti oxides as intragranular transformation nuclei by adding Mg, as cited above. It does not achieve finer grain size.
[0025]
  Therefore, the present inventors pay attention to the action of Mg as a strong deoxidizer and utilize the property that aggregation and coarsening are less likely to occur than Al, and in the Ti-added steel, the addition of the deoxidizer in the steelmaking process The idea was that if the order and amount were controlled, there was room to expect fine dispersion of the oxide.
[0026]
  Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0027]
  The present inventors systematically investigated the state of oxides when Mg was added to molten steel that was weakly deoxidized by adding Ti.
[0028]
  As a result, after deoxidizing the molten steel with Si and Mn, when Ti and Mg are added in the order of Ti and Mg, or Ti addition and Mg addition are performed at the same time, and the Mg is again in an equilibrium state. It has been found that an oxide having two types of particle sizes is formed as the oxide particle size.
[0029]
  In the present invention, in the first stage Mg deoxidation, it is confirmed in the present invention that the same tendency as described above also occurs when Al or Ca is added simultaneously or in the preceding stage.
[0030]
  That is, one is an Mg-containing oxide having a particle size of 0.2 to 5.0 μm, and the other is an ultrafine MgO or Mg-containing oxide having a particle size of 0.005 to 0.1 μm. The generation of such an oxide is presumed to be based on the following reason.The Mg-containing oxide is an “Mg-containing oxide mainly composed of Mg” to be described later, and is hereinafter referred to as “Mg-based oxide”.
[0031]
  First, by addition of Ti or simultaneous addition of Ti and a small amount of Mg, an oxide of μm size mainly composed of Ti or Ti is once generated. Next, when Mg having strong deoxidizing power is further added in this state, the oxide already formed is reduced by Mg, and finally, Mg-containing oxidation mainly composed of Mg having a μm size. object(Mg-based oxide)Is generated.
[0032]
  At this time, despite the fact that dissolved oxygen is low, Mg has a stronger deoxidizing power than Ti, so that a new fine oxide of sub-μm size of Mg alone is also generated at the same time.
[0033]
  As a result, it is possible to achieve an increase in the number of particles and a reduction in size that could not be achieved by the conventional addition method.
[0034]
  In general, with respect to oxides having a size of μm, as the number of oxides of 5 μm or more increases, it tends to become a starting point of destruction. Therefore, when Mg is added, as described in JP-A-9-157787, The Mg addition amount is limited to about 30 to 50 ppm.
[0035]
  However, according to the present invention, such a problem is avoided, and Mg can be added up to 100 ppm.
[0036]
  On the other hand, in Ti deoxidation or Ti + small amount Mg deoxidation, since it is deoxidation by a weak deoxidation element or a small amount of strong deoxidation element, dissolved oxygen still remains in the molten steel, and at that time, again Mg In addition to the above-mentioned μm or sub-μm oxide, the oxidation reaction of the remaining dissolved oxygen and Mg gradually proceeds to further generate an ultrafine oxide. The reason why ultra-fine oxides are generated is that the amount of dissolved oxygen is reduced and the distribution of dissolved oxygen in the molten steel is made uniform, so that oxide clustering is suppressed. It is estimated to be.
[0037]
  As described above, the oxide generated in steel becomes sulfide and nitride nucleation sites during casting, or during the subsequent cooling process or reheating-hot process.
[0038]
  And as a result of investigating the state of the oxide in steel at a magnification of 1000 to 100,000 times using an electron microscope, the existence state of the oxide in steel can be arranged as 1) and 2) below. . Regarding the state of oxides, it is desirable to observe at least 10 fields of view at a specific magnification (for example, about 100,000 times in the case of ultrafine oxides) and measure the average particle spacing and the like.
[0039]
  1) Mg having a particle size of 0.2 to 5 μmSubjectParticles in which one of sulfide and nitride alone or in combination of both with oxide as a nucleus are combined and contained in steel with an average particle spacing of 30 to 100 μm.
[0040]
  2) Mg having a particle size of 0.005 to less than 0.2 μmSubjectParticles in which one of sulfide and nitride alone or in combination of both with oxide as a core are precipitated are contained in steel with an average particle spacing of 30 μm or less.
[0041]
  The present invention relates to a steel material having excellent HAZ toughness achieved by the presence of the oxides of the above 1) and / or 2), and toughness change in HAZ, which has been largely dependent on heat input in the past, as much as possible. It provides innovative technology that can be suppressed.
[0042]
  Below, the improvement of HAZ toughness is further demonstrated.
[0043]
  As known so far, the intragranular transformation is promoted more when the number of oxides is larger and when there is precipitation of sulfides and nitrides on the oxides. As shown in the above 1), the number is increased by 10 times or more compared to the conventional one, and the composite precipitation is confirmed to be 100% sulfide or nitride as long as it is confirmed. Since it is precipitated, Mg of the present inventionSubjectIn the oxide, the intragranular transformation ability becomes extremely large.
[0044]
  Next, the most important refinement of the prior γ grain size in the present invention will be described with reference to FIG.
  FIG. 1 shows the old γ grain size in HAZ with 0.10C-1.0Mn steel as the base component and the amount of heat input on the horizontal axis for each heat input condition [1 kJ / mm, 10 kJ / mm, 50 kJ / mm. , 100 kJ / mm, 150 kJ / mm].
[0045]
  For the measurement of the prior γ particle size, in the case of an actual joint, after extracting a part of HAZ by cutting or the like, polishing treatment is performed, and the microstructure obtained by Nital corrosion is further measured using an optical microscope. Photographs were taken (at least 5) at a magnification of 50 to 200 times, and cutting was performed. The old γ particle size of 1 to 50 kJ / mm in FIG. 1 is a value obtained by this method.
[0046]
  In the case of ultra-high heat input, grain boundary ferrite is generated along the old γ grain boundary, so it is calculated as old γ grain including the grain boundary ferrite, or reproducible heat with the same heat input equivalent amount. It is usual to measure the prior γ particle size from the microstructure obtained by heating to a predetermined condition using a cycle tester and then quenching. The old γ particle size in the case of 100 kJ / mm and 150 kJ / mm in FIG. 1 is a value obtained from a microstructure formed using the latter reproduction thermal cycle tester.
[0047]
  Here, measurement examples of Al deoxidized steel, Ti-added Al deoxidized steel, and Mg deoxidized steel are shown, and the dependence of the old γ particle size on heat input is completely different depending on the presence or absence of Mg oxide in 2) above. You can see that
[0048]
  That is, with the exception of Mg deoxidized steel, the old γ grain size is clearly increased as the heat input increases.
[0049]
  On the other hand, when the presence state of the oxides 1) and 2) is realized, or when the presence state of the oxide 2) is realized, the heat input greatly changes. In the case of the Mg deoxidized steel, the change in the prior γ grain size is found to be extremely small.
  In particular, the presence state of the oxide of 2) is a dominant factor for the refinement of the prior γ grain size.
[0050]
  However, if the heat input amount is up to about 60 kJ / mm, the refinement of the old γ grain size is achieved even in the presence state (single) of the oxide of 1) above.
[0051]
  In addition, the pinning force is effective even in the presence state of the above-mentioned 1) single oxide, although its effectiveness is small, but when coexisting with the presence state of the oxide of 2) above, the refinement of the old γ grains is reduced. Remarkably promoted.
[0052]
  As a result of observing the steel sheet with refined old γ grains with an electron microscope, it was found that the face-centered cubic structure of MgO or Mg of 0.1 μm or less and the spinel type structure MIIMIII2OFour (MII: Mg, Ca, Fe, Mn, etc., MIII: Al, Ti, Cr, Mn, V, etc.) particles, or Mg schematically shown in FIG.SubjectIt was revealed that there are a large number of oxide-sulfide and / or nitride [TiN etc.] composite particles.
[0053]
  In electron microscope observation, MgSubjectExamination of the crystallographic orientation relationship between the contained oxide-sulfide or nitride particles revealed that they all had a completely parallel orientation relationship.
[0054]
  This indicates that the ultrafine Mg oxide acts as a preferential precipitation site for sulfides and nitrides. In other words, it is considered that the number of nitrides effective for crystal grain pinning is increased due to the presence of many preferential precipitation sites.
[0055]
  In other words, when the heat input is small, it is considered that these composite particles are acting as particles for pinning, and furthermore, when the residence time at high temperatures such as during super-high heat input welding is long, Although dissolution of nitride particles occurs, in the present invention, a large number of MgO or MgSubjectEven if the contained oxide is present, even if the nitride particles are dissolved, the fine oxide particles still present are considered to act as pinning particles at a high temperature.
[0056]
  Therefore, in the present invention, it is possible to achieve growth suppression of old γ grains in HAZ that could never be obtained with conventional steel.
[0057]
  That is, one of the features of the present invention is that, in addition to the remarkable improvement in intragranular transformation ability, unlike conventional steel in which crystal grains are pinned using a nitride such as TiN, oxidation of MgO or the like. Fine precipitates are introduced into the steel to create nitride precipitation nuclei, thereby increasing the number of nitrides, and in small heat input welding where nitrides work effectively, these The presence of the composite particles is that old γ grains having a HAZ of 10 to 200 μm or less can be obtained.
[0058]
  Furthermore, another feature of the present invention is that the nitride is dissolved, and in the high heat input to super high heat input welding, where the effect of improving toughness has not been obtained at all, the effect of suppressing the grain growth by the oxide alone. In HAZ, the old γ grain size is hardly changed.
[0059]
  As described above, the Mg addition method in the present invention is as follows. First, Si and Mn are added. Thereafter, Ti is added to adjust the amount of oxygen in the molten steel, and then a small amount of Mg is gradually added. Either Ti and a small amount of Mg are added at the same time, and then Mg is finally added again.
[0060]
  The optimum amount of Mg depends on the amount of oxygen present in the molten steel after the addition of Ti. However, according to experiments, the oxygen concentration at that time depends on the amount of Ti addition and the time until the addition of Mg. In this case, the addition amount of Ti and the addition amount of Mg may be controlled within an appropriate range.
[0061]
  The appropriate amount of dissolved oxygen at the final Mg addition is about 0.1 to 50 ppm. The minimum of 0.1 ppm is the minimum amount of dissolved oxygen that can form fine Mg oxide. On the other hand, if the amount of dissolved oxygen exceeds 50 ppm, a coarse Mg oxide is formed, and the pinning force becomes weak.
[0062]
  In addition, as for the Mg material and the addition method used when adding Mg, as a result of trying a method of adding metal Mg by wrapping it in Fe foil, a method of adding using Mg alloy, etc., the former In this case, it was found that the oxidation reaction was intense and the yield was lowered. Therefore, when melting at normal atmospheric pressure, it is preferable to add Mg alloy having a relatively heavy specific gravity.
[0063]
  Hereinafter, the reasons for limiting the component composition of the present invention will be described.
[0064]
  C is a basic element that improves the strength of the base metal of steel. In order to secure the improvement effect, addition of 0.01% or more is necessary. However, if over 0.2% is added excessively, the weldability and toughness of the steel material are reduced, so the upper limit is 0.2%. And
[0065]
  Si is an element necessary as a deoxidizing element in steelmaking, and it is necessary to add 0.02% or more to the steel. However, if added over 0.5%, the HAZ toughness is reduced, so that the content of Si is 0.001%. The upper limit is 5%.
[0066]
  Mn is an element necessary for ensuring the strength and toughness of the base metal. However, if added over 2%, the HAZ toughness is significantly inhibited. Since securing becomes difficult, the addition amount range is set to 0.3 to 2%.
[0067]
  P is an element that affects the toughness of steel. If contained over 0.03%, not only the base metal but also the toughness of HAZ is significantly inhibited, so the upper limit is made 0.03%. .
[0068]
  When S is contained in an amount exceeding 0.03%, coarse sulfides are generated and toughness is inhibited. However, when the content is less than 0.0001%, MnS and the like effective for the formation of intragranular ferrite are produced. Therefore, the amount of sulfide is significantly reduced, so 0.0001 to 0.03% is made the range of the addition amount.
[0069]
  Al is usually added as a deoxidizer, but in the present invention, if added over 0.05%, the effect of adding Mg is inhibited, so 0.05% is made the upper limit. Also, stable, MIIMIII2OFour Since 0.0005% is necessary at least to generate, 0.0005% is set as the lower limit.
[0070]
  Ti is an element that exerts an effect on grain refinement as a deoxidizer and further as a nitride-forming element, but a large amount of addition causes a significant decrease in toughness due to the formation of carbides. The upper limit needs to be 0.05%. And in order to acquire a predetermined effect, since addition of 0.003% or more is required, the range of the addition amount shall be 0.003-0.05%.
[0071]
  Mg is a main alloy element in the present invention, and is mainly added as a deoxidizing agent. However, when it is added over 0.01%, a coarse oxide is easily generated, and the base material and the HAZ This results in a decrease in toughness. However, addition of less than 0.0001% makes it impossible to sufficiently expect the formation of oxides necessary for intragranular transformation and pinning particles. Therefore, the range of the addition amount is set to 0.0001 to 0.010%.
[0072]
  O (oxygen) is MgSubjectIt is an essential element for generating an oxide. If the amount of oxygen finally remaining in the steel is less than 0.0001%, the number of oxides is not sufficient, so 0.0001% is made the lower limit. On the other hand, when the content exceeds 0.008%, coarse oxides increase and the base material toughness and the HAZ toughness are lowered, so the upper limit is made 0.008%.
[0073]
  In the present invention, one or more elements selected from Cu, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Zr, Ta, and B may be added as elements for improving strength and toughness. it can.
[0074]
  Cu is an element effective for increasing the strength without reducing toughness, but if it is less than 0.05%, it is not effective, and if it exceeds 1.5%, cracking is likely to occur during heating of the slab or welding. . Therefore, the content range is set to 0.05 to 1.5%.
[0075]
  Ni is an element effective for improving toughness and strength, and in order to obtain the effect, addition of 0.05% or more is necessary, but if added over 5%, weldability is reduced. The upper limit is 5%.
[0076]
  Addition of 0.02% or more is effective to improve the strength of steel by precipitation strengthening, but Cr increases the hardenability and produces a bainite structure when added in excess of 1.5%. And toughness is reduced. Therefore, the upper limit is made 1.5%.
[0077]
  Mo is an element that improves hardenability and at the same time forms carbonitride to improve strength. To obtain the effect, addition of 0.02% or more is required, but 1.5% Addition exceeding a large amount brings about a significant decrease in toughness as well as an unnecessary strengthening, so the content range is 0.02 to 1.5%.
[0078]
  V is an element that forms carbides and nitrides and is effective in improving the strength. However, the addition of less than 0.01% has no effect, and the addition of more than 0.1% reduces the toughness. Therefore, the content range is set to 0.01 to 0.1%.
[0079]
  Nb is an element that forms carbides and nitrides and is effective in improving the strength. However, if it is added less than 0.0001%, it is not effective, and if it exceeds 0.2%, the toughness is reduced. The content range is 0.0001 to 0.2%.
[0080]
  Zr and Ta are elements that form carbides and nitrides as in Nb and are effective in improving the strength. However, the addition of less than 0.0001% has no effect, and the addition of more than 0.05% On the contrary, since the toughness is reduced, the content range is set to 0.0001 to 0.05%.
[0081]
  B is an element that generally increases the hardenability when dissolved, but lowers the solid solution N as BN and improves the toughness of the weld heat affected zone. Therefore, the effect can be utilized by addition of 0.0003% or more, but excessive addition causes a decrease in toughness, so the upper limit is made 0.005%.
[0082]
  Ca and REM suppress the production | generation of the extended | stretched MnS by producing | generating a sulfide, and improve the characteristic of the plate | board thickness direction of steel materials, especially lamellar resistance. Both Ca and REM cannot obtain this effect when added in an amount of less than 0.0005%, so the lower limit is made 0.0005%. On the contrary, if added over 0.005%, the number of Ca and REM oxides increases, and ultrafine MgSubjectSince the number of oxides decreases, the upper limit is made 0.005%.
[0083]
  The steel containing the above components is subjected to thick plate heating and rolling after melting in the steel making process, through continuous casting and the like. In this case, in the rolling method, the heating / cooling method, and the heat treatment method, there is no problem with respect to the HAZ toughness even if a method conventionally applied in this field is used.
[0084]
  In particular, the smaller the particle size of the base material, the larger the particle size difference from the HAZ particle size. Therefore, the refinement of the old γ particle size in HAZ according to the present invention is not only HAZ toughness but also hardness matching. Even when it is necessary to consider, etc., it is effective.
[0085]
  Example
  Next, examples of the present invention will be described.
[0086]
  A steel ingot having the chemical components shown in Table 1 and Table 2 (continuation of Table 1) is subjected to hot rolling and heat treatment under the conditions shown in Table 3 to form a steel plate, and then the welding heat input to the steel plate is 1.7 kJ. / Mm small heat input, 20 kJ / mm large heat input, and 150 kJ / mm super large heat input welding were performed. Then, the old γ particle size in HAZ was measured by the above-described cutting method, and the heat input dependence of HAZ toughness (test piece sampling position was the coarsest grain region) was evaluated by a Charpy impact test. The results are also shown in Table 3.
[0087]
  In Table 3, ΔvEo is the difference in Charpy absorbed energy between small heat input (1.7 kJ / mm) and super large heat input (150 kJ / mm), that is, [Toughness at small heat input: vEo (J)] − [Toughness at ultra-high heat input: vEo (J)] was calculated, and each absorbed energy is an average value of values measured for three test pieces at 0 ° C.
[0088]
  Further, λ1 and λ2 are average particle spacings of oxides calculated from 10 electron micrographs with λ1 of 1000 times and 10 electron micrographs with λ2 of 100,000 times, respectively.
[0089]
[Table 1]
Figure 0003802810
[0090]
[Table 2]
Figure 0003802810
[0091]
[Table 3]
Figure 0003802810
[0092]
  Steels 1-22 show examples of the present invention. As is apparent from Table 3, the prior γ grain sizes in these inventive steels are all 200 μm or less in a wide range of heat input conditions from small heat input to super large heat input. Steels 20-2 and 21-2 have chemical components almost the same as those of steels 20 and 21, respectively, except that the deoxidation conditions are changed, and the amount of Mg is slightly different. is there. In the case of steel 20-2, λ1 is outside the range specified in the present invention, and in the case of steel 21-2, λ2 is outside the range specified in the present invention. Further, it can be seen that, in the steel 21-2, the particle diameter is 200 μm or less under the heat input condition of 60.0 kJ / mm. In addition, the Charpy absorbed energy of these inventive steels exceeds 10 kgf · m, indicating that the inventive steel is a high toughness steel.
[0093]
  Moreover, the difference in Charpy absorbed energy between the small heat input and the super large heat input is as small as about 4 kgf · m or less at maximum, and there is no significant change in the HAZ toughness even in a wide range of heat input conditions.
[0094]
  In Table 3, there is a difference in the Charpy absorbed energy difference, which indicates that the toughness is improved despite the increase in the prior γ grain size. And this means that in the present invention MgSubjectThis is because the intragranular transformation ability of the contained oxide is extremely large.
[0095]
  On the other hand, steels 23 to 35 represent comparative steels produced by deviating from the method of the present invention. That is, in the comparative steels 23, 24, 25, 26, 27, 29, 30, 33, 34 and 35, any one of the basic components or the selected elements is added beyond the composition range defined in the present invention. This is an example.
[0096]
  In the comparative steel, the average particle spacing of the oxide, which is an important requirement in the present invention, mostly satisfies the requirements specified in the present invention, but an element that causes toughness deterioration is excessively added. Therefore, the deterioration of the HAZ toughness is promoted at the time of welding under the small heat input condition and the super large heat input condition.
[0097]
  The comparative steel 28 and the comparative steel 31 are steels in which Al and Ti are smaller than the lower limits of Al and Ti defined in the present invention, respectively, and as the heat input increases, the old γ grain size becomes coarser. Both the comparative steel 28 and the comparative steel 31 have low toughness values.
[0098]
  The comparative steel 32 has no additive of Mg and has good toughness under a small heat input condition, but the toughness is greatly deteriorated under a super large heat input condition, and eventually Charpy absorbed energy. The difference is as large as 10.3 kgf · m.
[0099]
  In all the comparative steels, the HAZ toughness is at a low level, and further, when the heat input is large, the HAZ toughness is further lowered.
[0100]
  Note that, in the comparative steel 33 and the comparative steel 34, due to the presence of many fine oxides, the toughness is greatly deteriorated despite the fact that the old γ grain size is sufficiently small compared to the other. is doing.
[0101]
  The reason for this is that, due to the addition of excess Mg or O, coarse particles of 5 μm or more are mainly generated, and brittle fracture is promoted.
[0102]
  The comparative steel 36 and the comparative steel 37 have the same chemical composition as that of the inventive steel 1 and the inventive steel 2, respectively, but when a predetermined amount of final Mg is added, the dissolved oxygen content in the molten steel is 50 ppm. It was steel that had been exceeded.
[0103]
  As a result, the comparative steel 36 and the comparative steel 37 are those in which the generation of ultrafine oxides is small in the steel, and thus the coarsening of the old γ grain size and the remarkable toughness deterioration occur.
[0104]
  Industrial applicability
  According to the chemical component and the production method of the present invention, the heat input condition can be obtained by adding a predetermined amount of Mg after adding Ti, or by adding a predetermined amount of Mg after simultaneously adding Ti and Mg. Regardless of this, the growth of old γ grains in the HAZ can be suppressed.
[0105]
  In the present invention, this suppression effect can improve the HAZ toughness over a wide range of heat input conditions.
[0106]
  As a result, the safety against brittle fracture of welded structures is greatly improved in a wide range of technical fields such as offshore structures, natural gas / crude oil line pipes, construction, shipbuilding, bridges, and construction machinery.
[0107]
  Therefore, the present invention greatly contributes to the development of various industrial technologies.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an old γ grain size in HAZ when the welding heat input is changed.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the form of a composite particle having an ultrafine Mg oxide as a nucleus.

Claims (6)

質量%で、
C :0.01〜0.2%、
Si:0.02〜0.5%、
Mn:0.3〜2%、
P :0.03%以下、
S :0.0001〜0.03%、
Al:0.0005〜0.05%、
Ti:0.003〜0.05%、
Mg:0.0001〜0.01%、
O :0.0001〜0.008%を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
粒子径が0.2〜5μmのMg主体の酸化物を核にして、硫化物および窒化物の一方が単独で、もしくは、両方が複合して析出した粒子が、平均粒子間隔30〜100μmで鋼中に分散し、および/または、
粒子径が0.005〜0.2μm未満のMg主体の酸化物を核にして、硫化物および窒化物の一方が単独で、もしくは、両方が複合して析出した粒子が、平均粒子間隔30μm以下で鋼中に分散している、
ことを特徴とするHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。
% By mass
C: 0.01-0.2%
Si: 0.02 to 0.5%,
Mn: 0.3-2%,
P: 0.03% or less,
S: 0.0001 to 0.03%,
Al: 0.0005 to 0.05%,
Ti: 0.003 to 0.05%,
Mg: 0.0001 to 0.01%
O 2: contains 0.0001 to 0.008%, the balance consists of iron and inevitable impurities,
Particles with an average particle spacing of 30 to 100 μm are formed by depositing particles containing 0.2 to 5 μm of Mg- based oxide as a nucleus and one of sulfide and nitride alone or a combination of both. Dispersed in and / or
Particle size and the oxide of Mg mainly below 0.005~0.2μm the nucleus, alone is one of the sulfides and nitrides, or both was precipitated by the composite particles, the average particle spacing 30μm or less Dispersed in steel,
A steel for welded structures having no dependence on heat input of HAZ toughness.
質量%で、さらに、
Cu:0.05〜1.5%、
Ni:0.05〜5%、
Cr:0.02〜1.5%、
Mo:0.02〜1.5%、
V :0.01〜0.1%、
Nb:0.0001〜0.2%、
Zr:0.0001〜0.05%、
Ta:0.0001〜0.05%、
B :0.0003〜0.005%のうち1種または2種以上を含有することを特徴とする請求1に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。
In mass%,
Cu: 0.05 to 1.5%,
Ni: 0.05 to 5%,
Cr: 0.02 to 1.5%,
Mo: 0.02 to 1.5%,
V: 0.01-0.1%
Nb: 0.0001 to 0.2%,
Zr: 0.0001 to 0.05%,
Ta: 0.0001 to 0.05%,
B: 0.0003-0.005% 1 kind or no heat input dependency of HAZ toughness according to claim 1, characterized by containing two or more welded structure steel of.
質量%で、さらに、
Ca:0.0005〜0.005%、
REM:0.0005〜0.005%のうち1種または2種以上を含有することを特徴とする請求1または2に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。
In mass%,
Ca: 0.0005 to 0.005%,
REM: 0.0005 to 0.005% 1 kind or characterized by containing two or more claims 1 or 2 is not heat input dependency of HAZ toughness described welded structure steel of.
HAZ組織の旧オーステナイト粒径が、溶接入熱によらず10〜200μmであることを特徴とする請求1、2または3に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼。The steel for welded structures having no dependence on heat input of HAZ toughness according to claim 1 , wherein the prior austenite grain size of the HAZ structure is 10 to 200 μm irrespective of welding heat input. 段階において、Si、Mnを添加して弱脱酸処理を行った後、Ti:0.003〜0.05質量%と、Mgを、順次あるいは同時に添加して溶存酸素量を50ppm以下とし、さらにMgを、最終含有量で0.0001〜0.01質量%となるように添加し、鋳造することを特徴とする請求1、2、3または4に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼の製造方法。In steelmaking stage, Si, after addition to weak deoxidation of Mn, Ti: and 0.003 to 0.05 wt%, the Mg, the amount of dissolved oxygen and 50ppm or less by adding sequentially or simultaneously Furthermore, Mg is added so that it may become 0.0001-0.01 mass% in final content, and it casts, The HAZ toughness of Claim 1, 2, 3 or 4 dependence on heat input Method for manufacturing steel for welded structures. 段階において、Si、Mnを添加して弱脱酸処理を行った後、Ti:0.003〜0.05質量%と、Al、Ca、Mgを、順次あるいは同時に添加して溶存酸素量を50ppm以下とし、さらにMgを、最終含有量で0.0001〜0.01質量%となるように添加し、鋳造することを特徴とする請求1、2、3または4に記載のHAZ靱性の入熱依存性がない溶接構造物用鋼の製造方法。In steelmaking stage, Si, after addition to weak deoxidation of Mn, Ti: 0.003 to 0.05 mass% and, Al, Ca, Mg, and dissolved oxygen was added sequentially or simultaneously The HAZ toughness according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein Mg is added so that the final content is 0.0001 to 0.01% by mass , and casting is performed. Of manufacturing steel for welded structures that does not depend on heat input.
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