JP4655372B2

JP4655372B2 - 高い降伏点を有する高張力鋼材の製造方法

Info

Publication number: JP4655372B2
Application number: JP2001016558A
Authority: JP
Inventors: 照輝貞末; 伸一鈴木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: JP2002220622A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い降伏点を有する高張力鋼材の製造方法に関し、詳しくは、橋梁、建築物、建産機等に代表されるような溶接構造物の主要部材を対象とした降伏強度が450MPa以上の優れた靭性および溶接性を有する高張力鋼材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
橋梁、建築物、建産機等に代表される溶接構造物は近年、大型化、高度化の方向にある。これに伴い、このような構造物の主要鋼材には高張力鋼が適用される事例が多くなってきている。高張力鋼材の使用による鋼材重量の低減、薄肉化、さらにこれらに伴う溶接の省力化が狙いである。
【０００３】
従来、このような高張力鋼材の中でも450MPa以上の高降伏点を有する鋼材は、焼入れ・焼戻し処理する方法や種々の合金元素を添加する方法により製造されてきた。しかし、前者の処理方法は製造コストが増大すること、後者の方法は合金元素添加によるコスト増大に加えて靭性および溶接性が悪くなること、という問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために熱間圧延後の鋼材への加速冷却の適用が試みられている。特開昭６２−８９８１４号公報には圧延後さらにAr₃点-30℃からAr₃点-150℃の温度域でレベラー掛けまたは軽圧下処理を施すことでNb、Vの析出を促進しつつ、その後の加速冷却にて高降伏点鋼を得る手法が開示されている。また、特開平４−２２１０１５号公報には圧延後、Ar₃点-70℃からAr₃点-150℃の温度範囲で2分間以上保持する間にNb、Vを析出させ、その後に加速冷却することで高降伏点鋼板を得る手法が開示されている。これらの技術に共通する問題点は圧延後に特殊な工程を必要とし作業が煩雑となることにある。また、特開昭６３−１６１１１９号公報には降伏強度46kgf/mm²（451MPa）以上を得るために、Cu、Ni、Ti、REMを含有する鋼を圧延後、引き続き350〜500℃の温度域まで加速冷却する手法が開示されている。しかし、この場合でも高価な合金元素を添加する必要があるためコスト増大を招くという問題がある。
【０００５】
上記のように、従来提案された加速冷却を用いた手法においては、所望特性を得るための製造工程が複雑であったり、或いは素材鋼として特殊な成分系のものを必要とするなど、実用的な手段とは言えなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、特殊な工程や多量の合金元素の添加を必要とせずに、優れた靭性および溶接性を有し、かつ450MPa以上の高い降伏点を有する高張力鋼材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、450MPa以上の高降伏点を有し、かつ、靭性および溶接性に優れた鋼材の製造方法について鋭意研究を行った。その結果、VとNbを複合添加することによりマトリクスの強化と析出強化とを効果的に活用することで、加速冷却時において広範囲の停止温度でも安定的に高降伏点が得られるとの知見を得た。また、上記鋼材の成分を特定の範囲とすることにより、優れた靭性および溶接性を併せ持たせることができるとの知見を得た。
【０００８】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであって、質量%で、Ｃ：0.03〜0.15%、Ｓｉ：0.10〜0.50%、Ｍｎ：0.5〜2.0%、Ｐ：0.05%以下、Ｓ：0.02%以下、Ｎｂ：0.001〜0.10%、Ｖ：0.001〜0.10%を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、かつＰ_CM≦0.25%である鋼を加熱後、熱間圧延し、直ちにAr₃点以上の温度域から5℃/s以上の冷却速度で350〜650℃の温度域まで冷却することを特徴とする450MPa以上の高い降伏点を有する靭性および溶接性に優れた高張力鋼材の製造方法である。
但し、Ｐ_CMは溶接割れ感受性指数であり、以下の（１）式で与えられる。（１）式中の元素記号は鋼材中の各成分元素の含有率（質量%）である。
【００１０】
Ｐ_CM=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B…（１）
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは鋼材の高降伏点化のためには、NbおよびV添加によるマトリクスの強化および析出強化が必要と考え、これを加速冷却により最大限に発揮させることを目的として研究を行い、本発明を完成した。
【００１２】
本発明の鋼の成分および製造条件の限定理由を詳細に説明する。まず、化学成分の限定理由について説明する。
【００１３】
Ｃ：0.03〜0.15%；
Ｃは強度確保のために0.03%以上の添加が必要である。しかし、0.15%を越える添加は溶接性を阻害する。したがって0.03%以上0.15%以下に限定する。
【００１４】
Ｓｉ：0.10〜0.50%；
Ｓｉは脱酸剤として有効であるとともに高強度化のためには0.10%以上必要であるが、0.50%を越えて添加すると溶接性、靭性を劣化させる。したがって0.10%以上0.50%以下に限定する。
【００１５】
Ｍｎ：0.5〜2.0%；
Ｍｎは安価に焼入れ性を増加させ、強度を高めるだけでなく、靭性向上にも寄与する。この観点から0.5%以上必要であるが、2.0%を越えると溶接性の劣化に繋がる。したがって0.5%以上2.0%以下に限定する。
【００１６】
Ｐ：0.05%以下；
Ｐは鋼の靭性を劣化させるため、その含有量はできるだけ低いことが望ましい。このため上限を0.05%とした。好ましくは0.03%以下とする。
【００１７】
Ｓ：0.02%以下；
Ｓは多量に添加すると鋼の靭性を低下させるため極力低減するのが望ましい。
このため、上限を0.02%とした。好ましくは0.01%以下とする。
【００１８】
Ｎｂ：0.001〜0.10%；
Ｎｂは本発明において非常に重要な元素であり、マトリクスの強化ならびに析出強化を通じて高降伏点化をもたらす働きを有する。この効果を発揮させるには0.001%以上の添加が必要であるが、0.10%を越えて添加すると靭性が劣化する。したがって0.001%以上0.10%以下に限定する。
【００１９】
Ｖ：0.001〜0.10%；
ＶもＮｂと同様、本発明において重要な働きをなす元素であり、マトリクスの強化及び析出強化による高降伏点化をもたらす。このため0.001%以上の添加が必要となるが、0.10%を越える添加は溶接性および靭性の低下を招く。したがって0.001%以上0.10%以下に限定する。
【００２０】
Ｃｕ：1%以下；
Ｃｕは固溶による強度上昇効果をもたらすとともに耐候性確保のため必要により添加される。しかし、その含有量が1%を超えると溶接性を損なうとともに鋼材製造時に疵が生じやすくなる。したがってその上限を1%とする。好ましくは0.5%以下とする。
【００２１】
Ｎｉ：2%以下；
Ｎｉは低温靭性を向上させるとともにＣｕを添加した場合に生ずる熱間脆性の改善に有効であるために必要に応じて添加される。しかし、その添加量が2%を超えると溶接性を阻害する上、コスト上昇に繋がる。したがってその上限を2%とする。好ましくは1%以下とする。
【００２２】
Ｃｒ：1%以下；
Ｃｒは耐候性や強度の観点から必要に応じて添加されるが、その含有量が1%を超えると溶接性および靭性を損なう。したがって上限を1%とする。好ましくは0.5%以下とする。
【００２３】
Ｍｏ：1%以下；
Ｍｏは強度上昇のために必要に応じて添加されるが、1%を超えると溶接性および靭性の劣化が生じる。したがってその上限を1%とする。好ましくは0.5%以下とする。
【００２４】
Ｔｉ：0.1%以下；
Ｔｉは強度上昇と溶接部靭性の改善のために必要に応じて添加される。しかし、その含有量が0.1%を超えるとコスト上昇を招く傾向にある。したがって上限を0.1%とする。好ましくは0.05%以下とする。
【００２５】
Ｂ：0.005%以下；
Ｂは焼入れ性を高め強度上昇に寄与するため必要に応じて添加される。しかし、0.005%を超えて添加すると溶接性を害する。したがって上限を0.005%とする。
好ましくは0.003%以下とする。
【００２６】
P_CM≦0.25%
本発明においては溶接性の向上も目的としている。このためP_CMで表される溶接割れ感受性指数を0.25%以下とし、低温割れの抑制を図るものである。好ましくはP_CM≦0.22%とする。
【００２７】
本発明の鋼の成分の残部は実質的にＦeである。残部が実質的にＦeであるとは、本発明の作用効果を無くさない限り、不可避不純物をはじめ、他の微量元素を含有するものが本発明の範囲に含まれ得ることを意味する。
【００２８】
次に製造条件についての限定理由を述べる。
【００２９】
本発明による製造方法は上記組成を有する鋼を加熱する工程と、その後に熱間圧延する工程と、この鋼材を直ちにAr₃点以上の温度域から5℃/s以上の冷却速度で350〜650℃の温度域まで冷却する工程とを備える。なお、上記温度および冷却速度は鋼板表面から板厚中央部にかけての平均温度および平均冷却速度とする。
【００３０】
上記の圧延前の鋼の加熱温度としては特に制限は設けないが、950〜1300℃にすることが望ましい。上記加熱温度を950℃未満にするとＮｂおよびＶの固溶が不十分となる。また、1300℃を超える温度にすると鋼の結晶粒が粗大化するので靭性の確保が困難となる。
【００３１】
上記加熱後の鋼の熱間圧延に際しては特に制限は設けない。但し、オーステナイト再結晶域圧延あるいはオーステナイト未再結晶域圧延のどちらであっても、その仕上温度が後述するAr₃点を超える温度域とする必要がある。
【００３２】
上記圧延後の鋼材の冷却に際しては、熱間圧延後直ちにAr₃点以上の温度域から5℃/s以上の冷却速度で350〜650℃の温度域まで冷却する。Ar₃点は例えば以下の（２）式のような関係式により鋼材の成分組成に基づいて導くことが出来る。（２）式中の元素記号は鋼材中の各成分元素の含有率（質量%）である。
【００３３】
上記冷却開始温度をAr₃点以上とするのは冷却開始時点までにフェライトの生成が生じないようにするためである。冷却開始時点までにフェライトが生じた場合には降伏点の低下が著しい。
【００３４】
冷却速度を5℃/s以上とするのは金属組織をベイナイト主体、あるいはベイナイトとマルテンサイト主体の混合組織とし、鋼材の強度上昇を図るためである。
【００３５】
冷却停止温度を350〜650℃とするのは、この温度域でＮｂとＶの複合添加によるマトリクスの強化と析出強化をバランスさせて鋼材の降伏強度を高めることが出来るためである。
【００３６】
Ar₃(℃)＝910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo…（２）
【００３７】
【実施例】
［実施例１］ＮｂとＶの複合添加の効果を調べるため、組成をＣ：0.10%、Ｓｉ：0.30%、Ｍｎ1.45%、Ｐ：0.010%、Ｓ：0.003%とした鋼（鋼▲１▼）、鋼▲１▼に0.04％のＶを単独添加した鋼（鋼▲２▼）、さらに鋼▲１▼に0.04％のＶと0.02％のＮｂとを複合添加した鋼（鋼▲３▼）を用意した。これらの鋼を1100℃に加熱して板厚30mmの鋼板に圧延し、その後、直ちにAr₃点以上の温度域から冷却し、冷却停止温度を変化させた。これらの鋼板について板厚の４分の１の位置で圧延方向に直角方向に採取したJIS Z 2201の4号試験片により引張試験を行って強度（降伏強度：ＹＳ、引張強度：ＴＳ）を評価した。結果を図1に示す。
【００３８】
図1において横軸は冷却停止温度、縦軸は降伏強度、引張強度を示している。
【００３９】
まず、鋼▲１▼の降伏強度に及ぼす冷却停止温度の影響に注目する。この場合、降伏強度は、いずれの停止温度においても450MPaを上回ることは出来ない。次に、鋼▲２▼で示すV単独添加の降伏強度に注目すると冷却停止温度450℃〜550℃において450MPa以上の降伏強度を有しているがその温度幅は100℃であり安定的に高降伏点鋼材が製造可能とは言い難い。次に、鋼▲３▼に示すさらにNbを添加したＮｂ＋Ｖ複合添加に注目した場合、450MPa以上の高降伏点が確保できる冷却停止温度は350〜650℃までと大幅に広がっている。
【００４０】
以上の結果より、Ｎｂ＋Ｖの複合添加により高降伏点化が達成できる冷却停止温度が広がり、安定的に高降伏点鋼材が製造可能であることがわかった。これは、低い冷却停止温度範囲(例えば350〜450℃)においては、NbとVの複合添加によるマトリクス強化が主として作用し、高降伏点化が達成され、高い冷却停止温度範囲(例えば450〜650℃)においては、NbおよびVの析出強化機構により、高降伏点が得られたものと考えられる。
【００４１】
［実施例２］表1に示す組成を有する鋼を溶製して得られた鋼片を、表2に示す条件に基づいて加熱・圧延・冷却して、板厚20〜100mmの鋼板を製造し、強度・靭性・溶接性を測定した。
【００４２】
強度（降伏強度：ＹＳ、引張強度：ＴＳ）は板厚の４分の１の位置で圧延方向に直角方向に採取したJIS Z 2201の4号試験片により評価した。
【００４３】
靭性は板厚の４分の１の位置で圧延方向と平行方向に採取したJIS Z 2202のVノッチ試験片により評価した。この場合、破面遷移温度で-30℃以下を合格とした。
【００４４】
溶接性（ｙ割れ）はJIS Z 3158に準拠し、雰囲気20℃-60%、予熱温度25℃としたy形溶接割れ試験において割れの生じないものを合格とした。
【００４５】
得られた結果を表2に併せて示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
【表２】

【００４８】
本発明に規定の成分および製造方法を採用した本発明例1〜9の鋼板は、いずれもＹＳは450MPa以上であり、破面遷移温度は-30℃以下、y形溶接割れ試験での割れは認められなかった。このように、本発明方法を用いると高降伏点化が達成され、かつ、靭性および溶接性にも優れた鋼材を製造することができた。
【００４９】
これに対し、VとNbの添加を行わなかった比較例1の鋼板、Vのみ添加しNbを添加しなかった比較例2の鋼板は、いずれも本発明の製造条件を適用しても析出強化が発揮されず、高降伏点化が達成されなかった。
【００５０】
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを本発明の下限に満たない添加量とした比較例3の鋼板は、本発明の製造条件を適用しても、マトリクスの強化と析出強化とのバランスが適性ではないために高降伏点化が達成されなかった。
【００５１】
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを本発明の上限を超える添加量とし、かつ、P_CMが0.25%を超えた比較例4の鋼板は、本発明の製造条件を適用しても、靭性が劣化し、かつ、溶接性も劣っていた。
【００５２】
Ｐ、Ｓを本発明の上限を超える添加量とした比較例5の鋼板、ならびにＶ、Ｎｂを本発明の上限を超える添加量とした比較例6の鋼板は、本発明の製造条件を適用しても、靭性が劣っていた。
【００５３】
冷却停止温度を本発明の下限に満たない温度とした比較例7の鋼板、ならびに本発明の上限を超える温度とした比較例8の鋼板は、ともにマトリクスと析出強化のバランスが適性ではなく高降伏点化が達成されなかった。
【００５４】
冷却開始温度がAr₃点よりも低く、かつ、冷却速度が5℃/sに満たない比較例9の鋼板はフェライトが多量に生成したために高降伏点化が達成されなかった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明を用いると、特殊な工程や多量の合金元素の添加を必要とせずに、優れた靭性と溶接性を兼ね備えた、450MPa以上の高い降伏点を有する高張力鋼材を製造することができる。従って、橋梁、建築物、建産機等に代表されるような溶接構造物の主要部材に対して十分な特性を有する鋼材を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る強度に及ぼす冷却停止温度の影響を示す図である。

Claims

質量%で、
Ｃ：0.03〜0.15%、
Ｓｉ：0.10〜0.50%、
Ｍｎ：0.5〜2.0%、
Ｐ：0.05%以下、
Ｓ：0.02%以下、
Ｎｂ：0.001〜0.10%、
Ｖ：0.001〜0.10%、
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、かつ下記（１）式に示すＰ_CM≦0.25%である鋼を加熱後、熱間圧延し、直ちにAr₃点以上の温度域から5℃/s以上の冷却速度で350〜650℃の温度域まで冷却することを特徴とする450MPa以上の高い降伏点を有する高張力鋼材の製造方法。
Ｐ_CM=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B…（１）
（１）式に示す元素記号は各元素の質量%を表す。