JP4652952B2

JP4652952B2 - 大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた高張力鋼板

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Publication number: JP4652952B2
Application number: JP2005321404A
Authority: JP
Inventors: 誠太田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-11-04
Also published as: JP2007126725A; KR100867139B1; CN100523264C; CN1958830A; KR20070048591A

Description

本発明は、大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた高張力鋼板に関するものであり、特に５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱溶接を施した場合に、溶接熱影響部の靭性に優れた引張強度が５９０ＭＰａ以上の高張力鋼板に関するものである。

例えば建築構造物のボックス柱組立てに適用されるサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接等では、施工のより一層の高能率化を図るべく、５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱溶接が施される場合がある。しかし一般に、溶接入熱量が大きくなると、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の組織が粗大化し、靭性が低下し易いことが知られており、これまでにも、建築構造物等の安全性をより高める観点から、上記ＨＡＺの靭性を改善すべく種々の方法が提案されている。

上記方法として、例えばＴｉＮや複合酸化物（例えば特許文献１では、Ｔｉ含有酸化物とＭｎＳからなる複合体）の微細分散によるピン止め効果を利用して、オーステナイト粒の粗大化を抑制することでＨＡＺの靭性を改善する方法が提案されている。

しかし大入熱溶接施工において、溶接金属近傍の熱影響部が高温に長時間曝されると、ＴｉＮは多くが溶解してピン止め効果が十分発揮されない、といった問題がある。また後者の複合酸化物は、均一に微細分散させることが困難であることから、検討は多くなされているものの効果が十分でない、といった問題がある。

またＨＡＺの靭性を改善すべく、γ粒内の変態組織の微細化を図る技術も提案されており、例えば、ＴｉＮやＢＮ（特許文献２参照）をフェライト変態核として利用する技術が提案されている。しかしこの場合も、高温に長時間曝される熱影響部では、上記析出物の多くが溶解してしまい十分な効果が得られない、といった問題がある。また、Ｔｉ酸化物を分散させた粒内フェライト生成促進技術も開発されている（例えば特許文献３参照）が、上記複合酸化物の場合と同様に、均一に微細分散させることが難しいといった問題がある。

更に、破壊起点となるＭＡ（Martensite-Austenite constituent）発生の抑制とγ粒内の組織微細化の観点から、Ｃを極低Ｃとした上で、焼入性向上元素であるＭｎ、Ｃｒなどを積極的に添加すると共に、Ｂを添加することにより、ベイナイトブロックサイズを微細化させる技術（例えば特許文献４）も提案されている。しかし該技術では、大入熱溶接条件下でブロックサイズの微細化が十分とは言い難い。
特許第３２５６１１８号公報特許第１８２４２９０号公報特公平０５−０１７３００号公報特許第３６０２４７１号公報

本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、建築構造物等の大型化と並行して高い安全性が要求される中で、５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱のサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接を施した場合に、優れたＨＡＺ靭性を確保することのできる５９０ＭＰａ以上の高張力鋼板を提供することにある。

本発明に係る大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた高張力鋼板とは、
質量％で（以下同じ）、
Ｃ：０．０２〜０．０５％、
Ｓｉ：０．０５〜０．２０％、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０１〜０．０５％、
Ｎｉ：０．２〜２．０％、
Ｃｒ：０．５〜２．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｎ：０．００４〜０．０１０％
を満たすと共に、下記式（１）および式（２）を満たし、残部鉄および不可避不純物からなるところに特徴を有する。
２．３≦（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）≦３．７ …（１）
［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］≧０．３ …（２）
｛式中、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す｝

上記鋼板は、更に、
（ａ）Ｍｏ：０．２％以下（０％を含まない）、
（ｂ）Ｖ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０１％以下、およびＢ：０．００２０％以下よりなる群から選択される１種以上［但し、下記式（３）を満たすことを条件とする］、
（Ｖ＋２Ｎｂ＋１０Ｂ）≦０．０３ …（３）
｛式中、Ｖ、Ｎｂ、Ｂは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す｝
を含んでいてもよい。

本発明によれば、５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱のサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接等を施した場合にも、優れたＨＡＺ靭性を確保できることから、安全性の高い建築構造物等をより短期間で製造することができる。

本発明者は、５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱溶接を施した場合のＨＡＺの靭性（以下、単に「ＨＡＺ靭性」ということがある）に優れる高張力鋼板を得るべく鋭意研究を行った。その結果、
（i）熱影響部の高靭性を安定して確保するには、
・極低Ｃ化によるＭＡ抑制のみならず、ＭＡの形態を制御すること（具体的には針状ＭＡの生成を抑制すること）、
・γ粒界に成長する粗大な組織［粒界フェライト（ＧＢＦ）＋フェライトサイドプレート（ＦＳＰ）］を抑制すること、
・γ粒内における変態組織のブロックサイズ微細化を図ること、
が必要であり、本発明では、焼入性向上元素であるＭｎ、ＮｉおよびＣｒを適正に含有させることによってこれを実現し得ること、
（ii）更に、焼入性向上元素であるＮｂ、ＶおよびＢよりなる群から選択される１種以上を添加する場合には、これらの元素の含有量を総合的に制限して、ＭＡおよび粗大なラス状組織の生成を抑制すれば、ＨＡＺ靭性の劣化を抑制できること、
を見出し、本発明に想到した。

まず上記（i）について説明する。本発明者は、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）と、ＨＡＺにおけるγ粒界に成長する粗大な組織［粒界フェライト（ＧＢＦ）＋フェライトサイドプレート（ＦＳＰ）］の量（面積％）およびブロックサイズとの間に相関があることを見出し、これらの関係を整理した。その結果を図１に示す。

図１より、上記（ＧＢＦ＋ＦＳＰ）量を５０面積％以下に抑えるには、下記式（１）に示す通り、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）を２．３％以上とする必要があり、一方、ブロックサイズを４０μｍ以下と微細化を図るには、下記式（１）に示す通り、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）を３．７％以下とする必要があることがわかる。ブロックサイズを２０μｍ以下とより微細化するには、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）を３．３％以下とすればよい。
２．３≦（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）≦３．７ …（１）
｛式中、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す｝

また図２は、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）とＨＡＺ靭性（後述する実施例に示す方法で測定したｖＥ_０）の関係を示したものであるが、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）を２．３〜３．７％の範囲内にして、上記（ＧＢＦ＋ＦＳＰ）量を抑えると共にブロックサイズの微細化を図れば、大入熱溶接を施した場合でもｖＥ_０：１００Ｊ以上と優れたＨＡＺ靭性を確保できることがわかる。

また本発明者は、［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］と、ＭＡの形態［具体的にはアスペクト比（長径／短径）が２．５以上である針状ＭＡの面積率］との間に相関があることを見出し、これらの関係を整理した。その結果を図３に示す。

図３より、針状ＭＡの面積率を４％以下に抑えるには、下記式（２）に示す通り、［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］を０．３以上とする必要があることがわかった。
［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］≧０．３ …（２）
｛式中、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す｝

また図４は、［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］と、ＨＡＺ靭性（後述する実施例に示す方法で測定したｖＥ_０）の関係を示したものであるが、［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］を０．３以上として針状ＭＡの生成を抑制すれば、大入熱溶接を施した場合にも、ｖＥ_０：１００Ｊ以上と優れたＨＡＺ靭性を確保できることがわかる。

上記の通りＭｎ、ＮｉおよびＣｒのバランスを最適化してＨＡＺ靭性を確実に高めると共に、母材の強度や靭性等を確保するには、上記Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒの含有量をそれぞれ下記範囲内とする必要がある。

〈Ｍｎ：１．０〜２．５％〉
Ｍｎは、焼入れ性を向上させて母材の強度や靭性を確保するのに有用な元素である。また、ＨＡＺのブロックサイズ微細化にも有用な元素である。これらの効果を発揮させるには、１．０％以上含有させる。しかしＭｎが過剰になると、ＭＡが増大してＨＡＺ靭性が劣化する。よってＭｎ量は、２．５％以下に抑える。

〈Ｎｉ：０．２〜２．０％〉
Ｎｉは、焼入れ性を向上させて母材の強度・靭性を確保すると共に、熱間割れの防止に効果のある元素である。また、ＨＡＺのブロックサイズ微細化にも有用な元素であり、これらの効果を発揮させるには、０．２％以上含有させる。一方、Ｎｉが過剰になるとスケール疵が発生し易くなるので、２．０％以下に抑える。

〈Ｃｒ：０．５〜２．０％〉
Ｃｒは、焼入れ性を向上させて母材の強度や靭性を確保するのに有用な元素である。また、ＨＡＺのブロックサイズ微細化にも有用な元素である。これらの効果を発揮させるには、０．５％以上含有させる。しかし、Ｃｒが過剰に存在すると、ＭＡが増大してＨＡＺ靭性が劣化する。よってＣｒは２．０％以下に抑える。

図５は、Ｃｒ量と（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）の関係を示したグラフにおいて、前述した式（１）および式（２）と、上記Ｃｒ量の上限および（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）の下限で囲まれた範囲（斜線部分）を示したものであるが、この図５に示す様に、Ｃｒ、ＭｎおよびＮｉの関係が斜線部分の範囲内となるようにすれば、大入熱溶接を施した場合のＨＡＺ靭性を、従来技術よりも確実に高めることができる。

上記の通りＨＡＺ靭性を確実に高めると共に、鋼板（母材）の強度や靭性等その他の特性を確実に具備させるには、上記以外の成分の含有量を下記範囲内とする必要がある。

〈Ｃ：０．０２〜０．０５％〉
Ｃは、母材強度の確保、およびγ粒の粗大化を抑制してＨＡＺ靭性を確保するのに必要な元素であり、該効果を発揮させるには、０．０２％以上含有させる必要がある。一方、Ｃ量が過剰になるとＭＡが増大することに加え、鋳造時に形成するＴｉＮの高温安定性が減じるため、ＨＡＺ靭性は却って劣化する。また、低温割れ性劣化の原因ともなる。従って、Ｃ量は０．０５％以下に抑える。

〈Ｓｉ：０．０５〜０．２０％〉
Ｓｉは、製鋼時の脱酸に必要な元素であり、０．０５％以上含有させる。しかし、Ｓｉ量が過剰になると、ＭＡが増大してＨＡＺ靭性が劣化するため０．２０％以下に抑える。

〈Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）〉
Ｐは、母材靭性の劣化やＰの偏析によるγ粒界の破壊を招くため、０．０２％以下に抑える。

〈Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない）〉
Ｓも、上記Ｐと同様に、母材靭性の劣化やＭｎＳの偏析によるγ粒界の破壊を招くため、０．００５％以下に抑える。

〈Ａｌ：０．０１〜０．０５％〉
Ａｌは、製鋼時の脱酸に必要な元素であり、０．０１％以上含有させる。しかしＡｌが過剰になると、アルミナ等の粗大介在物が増加し、母材靭性が劣化する。加えてＭＡが増加し、ＨＡＺ靭性も劣化するため、０．０５％以下に抑える。

〈Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％〉
Ｔｉは、Ｎと結合しＴｉＮを形成する元素であり、該ＴｉＮは、低Ｃ化された本発明の鋼において高温安定性が高まり、ＨＡＺのγ粒を微細化し、ＨＡＺ靭性の向上に有効に寄与する。この様な効果を発揮させるには、Ｔｉを０．００５％以上（好ましくは０．０１０％以上）含有させる。一方、Ｔｉが過剰になるとＴｉＮが粗大化し、母材靭性、ＨＡＺ靭性が共に劣化するので、０．０２５％以下に抑える。

〈Ｎ：０．００４〜０．０１０％〉
Ｎは、上記Ｔｉと結合してＴｉＮを形成し、該ＴｉＮによりＨＡＺのγ粒を微細化して靭性の向上に寄与する元素である。該効果を発揮させるには、Ｎ量を０．００４％以上とする。一方、Ｎが過剰に存在すると、固溶Ｎが増大して、母材靭性とＨＡＺ靭性が共に劣化する。よって、Ｎ量は０．０１０％以下に抑える。

本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄及び不可避不純物であり、該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容され得る。また、更に下記元素を積極的に含有させることも可能である。

〈Ｍｏ：０．２％以下（０％を含まない）〉
Ｍｏは、焼入れ性・焼戻し軟化抵抗を高め、母材の強度・靭性を確保するのに有効な元素であり、該効果を発揮させるには、Ｍｏを０．０５％以上含有させることが好ましい。しかしＭｏが過剰になると、再結晶抑制作用により圧延後、γ粒が粗大となり、変態組織のブロックサイズも粗大化する。よって、本発明ではＭｏ量を０．２％以下に抑える。

〈Ｖ：０．０５％以下、
Ｎｂ：０．０１％以下、および
Ｂ：０．００２０％以下よりなる群から選択される１種以上
［但し、下記式（３）の範囲内とする］
（Ｖ＋２Ｎｂ＋１０Ｂ）≦０．０３ …（３）
｛式中、Ｖ、Ｎｂ、Ｂは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す｝〉
これらＶ、Ｎｂ、Ｂは、母材の強度・靭性の確保に有効な元素である。Ｖは、焼入れ性・焼戻し軟化抵抗を向上させて母材の強度・靭性を確保するのに有用な元素である。しかし、Ｖが過剰に含まれているとＨＡＺ靭性が劣化するため、Ｖ量は０．０５％以下に抑えるのがよい。

Ｎｂは、γ粒を微細化して母材の強度・靭性を確保するのに有効な元素である。しかし、Ｎｂが過剰に含まれているとＨＡＺ靭性が劣化するため、０．０１％以下に抑えるのがよい。

Ｂは、焼入れ性を向上させて母材の強度・靭性を確保するのに有用な元素である。しかし、Ｂが過剰に含まれていると、鉄炭硼化物が析出し母材靭性が劣化するため、０．００２０％以下に抑えるのがよい。

また、上記Ｖ、ＮｂおよびＢよりなる群から選択される１種以上を含有させる場合、上記式（３）も満足させる必要がある。（Ｖ＋２Ｎｂ＋１０Ｂ）を０．０３％以下に抑えることで、前記（ii）に示した通り、ＭＡおよび粗大なラス状組織の生成を抑制でき、ＨＡＺ靭性の劣化を抑制できる。

〈Ｃｕ：０．１〜１．０％〉
Ｃｕは、焼入れ性を向上させるのに有効な元素であり、該効果を発揮させるには０．１％以上含有させることが好ましい。しかし、Ｃｕが過剰になると、圧延時に熱間割れを引き起こし易くなるため、１．０％以下に抑えることが好ましい。

〈Ｃａ：０．０００５〜０．００３０％〉
Ｃａは、非金属介在物を粒状に形態制御してＨＡＺ靭性を向上させるのに有効な元素である。この様な効果を十分発揮させるには、Ｃａを０．０００５％以上含有させることが好ましいが、過剰に含有させると、Ｃａ介在物が粗大化して母材の延性を劣化させる。よってＣａ量は、０．００３０％以下とすることが好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例
によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

表１に示す成分組成の鋼材を溶製しスラブとした後、１１００℃に加熱し、板厚５０ｍｍまで熱間圧延を行った。その後、９３０℃まで再加熱して焼入れし、５００℃にて焼戻しを行い製造した。尚、熱間圧延後、直ちに焼入れ、焼戻しを行ってもよい。

そして得られた鋼板を用いて、下記の通り母材強度の測定とＨＡＺ靭性の評価を行った。

［母材強度の測定］
各鋼板のｔ／４（ｔは板厚）から、圧延方向に対して直角の方向にＪＩＳＺ２２０１の４号試験片を採取して、ＪＩＳＺ２２４１の要領で引張試験を行ない、引張強度（ＴＳ）を測定した。そして、引張強度が５９０ＭＰａ以上のものを高張力であると評価した。

［ＨＡＺ靭性の評価］
溶接入熱が８００ｋＪ／ｃｍのエレクトロスラグ溶接を行ったときのボンド近傍の熱影響部の熱履歴を模擬し、ｔ／４から採取した１２．５ｍｍ厚さ×３２ｍｍ幅×５５ｍｍ長さの試験片に、加熱：１４００℃で３０秒間保持、８００〜５００℃の冷却時間（Ｔｃ）：７００秒のサイクルで、高周波誘導加熱装置にて熱処理を施した［熱処理後の試験片は、スキンプレート材（５０ｍｍ厚）とダイアフラム材（５０ｍｍ厚）を組合せ、溶接入熱が８００ｋＪ／ｃｍのエレクトロスラグ溶接を行った場合の熱影響部に相当］。

そして、ＪＩＳＺ２２０２のＶノッチ試験片を採取して、ＪＩＳＺ２２４２の要領でシャルピー衝撃試験を行い、試験温度０℃での吸収エネルギー（ｖＥ_０）を測定し、該吸収エネルギーが１００Ｊ以上のものを、ＨＡＺの靭性に優れると評価した。

これらの結果を表２に示す。

表１、表２から次の様に考察することができる（尚、下記Ｎｏ．は、表中の実験Ｎｏ．を示す）。

本発明で規定する要件を満たし、前記図１の斜線範囲（本発明の範囲）にあるＮｏ．１〜７、９、１０の鋼板は、良好なＨＡＺ靭性を示す高張力鋼板であることがわかる。

これに対し、本発明の規定を満足しないＮｏ．１３〜２８は、夫々、以下の不具合を有している。即ち、Ｎｏ．１３は、Ｃ量が上限を超えているためＨＡＺ靭性に劣っている。

またＮｏ．１４は、Ｍｎ量とＮｉ量が不足しているため、ＨＡＺ靭性に劣っている。

Ｎｏ．１５とＮｏ．１７は、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）が上限を超えているため、またＮｏ．１６は、（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）が下限を下回っているため、いずれもＨＡＺ靭性の小さいものとなっている。

Ｎｏ．１８はＣｒ量が過剰であるため、またＮｏ．１９はＡｌ量が過剰であるため、ＨＡＺ靭性に劣っている。

Ｎｏ．２０は、Ｎ量が不足しているためＨＡＺ靭性に劣っている。

またＮｏ．２１は、Ｔｉ量とＮ量が上限を超えているため、ＨＡＺ靭性に劣っている。

Ｎｏ．２２は、［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］が下限を下回っているため、ＨＡＺ靭性が劣化している。

Ｎｏ．２３は、Ｍｏを過剰に含んでいるためＨＡＺ靭性に劣っている。

Ｎｏ．２４は、ＶとＢの個々の含有量は規定範囲内にあるが、（Ｖ＋２Ｎｂ＋１０Ｂ）が０．０３％を超えているため、ＨＡＺ靭性が劣化している。

Ｎｏ．２５はＭｎ量が過剰であるため、Ｎｏ．２６はＮｉ量が過剰であるため、Ｎｏ．２７はＴｉ量が過剰であるため、また、Ｎｏ．２８はＮ量が過剰であるため、いずれもＨＡＺ靭性に劣っている。

（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）と（ＧＢＦ＋ＦＳＰ）量またはブロックサイズの関係を示すグラフである。（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）とＨＡＺ靭性（ｖＥ_０）の関係を示すグラフである。［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］と針状ＭＡ［アスペクト比（長径／短径）が２．５以上のＭＡ］の面積率との関係を示すグラフである。［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］とＨＡＺ靭性（ｖＥ_０）の関係を示すグラフである。Ｃｒ量と（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）の関係において、本発明で規定する範囲を示した図である。

Claims

質量％で（以下同じ）、
Ｃ：０．０２〜０．０５％、
Ｓｉ：０．０５〜０．２０％、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０１〜０．０５％、
Ｎｉ：０．２〜２．０％、
Ｃｒ：０．５〜２．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、
Ｎ：０．００４〜０．０１０％
を満たすと共に、下記式（１）および式（２）を満たし、残部鉄および不可避不純物からなることを特徴とする大入熱溶接熱影響部の靭性に優れた高張力鋼板。
２．３≦（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ＋Ｃｒ）≦３．７ …（１）
［Ｃｒ／（Ｍｎ＋０．７×Ｎｉ）］≧０．３ …（２）
｛式中、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す｝
更に、Ｍｏ：０．２％以下（０％を含まない）を含む請求項１に記載の鋼板。
更に、
Ｖ：０．０５％以下、
Ｎｂ：０．０１％以下、および
Ｂ：０．００２０％以下
よりなる群から選択される１種以上を下記式（３）を満たすように含む請求項１または２に記載の鋼板。
（Ｖ＋２Ｎｂ＋１０Ｂ）≦０．０３ …（３）
｛式中、Ｖ、Ｎｂ、Ｂは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す｝