JP4877085B2

JP4877085B2 - 鋼材

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Publication number: JP4877085B2
Application number: JP2007158476A
Authority: JP
Inventors: 敦岡山; 隆之西
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: JP2008308737A

Description

本発明は、靭性に優れた鋼材に関する。

橋梁、造船、建築等で用いられる溶接用鋼や、製管時に溶接施工が必要となるラインパイプ用鋼等の鋼材の溶接において、施工工程の簡略化および靭性を確保するためには、大入熱によって一度で溶接することが望ましい。エレクトロスラグ溶接やサブマージアーク溶接等の大入熱溶接を行った場合、溶接熱影響部（以下「ＨＡＺ」と記す）は、急激な加熱、冷却の熱履歴を受けるため、結晶粒が粗大化しやすく、鋼質劣化の原因となる。このため、大入熱溶接を実施した場合でも、結晶粒の粗大化が起こりにくい鋼材が求められている。

一般的に、熱影響を受けたＨＡＺが熱影響を受けていない母材の靭性を上回るとは考えられないため、ＨＡＺの靭性を改善するためには母材の靭性が高い鋼材が必要である。同時に、急熱された場合でも結晶粒の粗大化を抑制するため、鋼材中の介在物は組成および大きさが適正に調整されている必要がある。

このような要求を踏まえ、大入熱溶接に対応した鋼材を開発すべく、これまで多くの技術が提案されている。これらの提案の中で、靭性改善のために、鋼材に存在する介在物に着目しているものがある。

例えば、特許文献１では、介在物の組成をＣａ−Ｔｉ−Ａｌ−Ｏ系に制御することで溶接継手部靭性の優れた鋼材を得る方法を提案している。しかし、この製造方法では目的の介在物組成に制御するために、Ｔｉ添加、Ａｌ添加、Ｃａ添加、Ａｌ添加といった複雑で時間のかかる処理方法を採用している。

また、特許文献２では、０．１μｍ未満のＡｌ−Ｍｇ系酸化物の個数密度が１００００個／ｍｍ²以上存在する鋼板を提案している。さらに、特許文献３では、０．０１μｍ以下のＴｉ系酸化物の個数密度が２×１０⁷〜５×１０⁹個／ｍｍ³存在する鋼板を提案している。このように、微細酸化物の個数密度を規定したものは他にもいくつか見られるが、微細酸化物を利用した方法は、酸化物の大きさの制御が非常に困難である。しかも、現在の介在物測定技術ではおよそ１．０μｍを境に粒径の測定が極端に困難になるため、サブミクロンの介在物を制御したものでは、その効果を確認する手段も複雑かつ手間のかかるものになっている。

このため、鋼材の靭性を改善するためには、鋼材中の介在物を利用すれば良いことまでは判明しているものの、介在物の組成および粒径を制御する方法は複雑であるため、より簡便に、しかも安定して効果が得られる製造方法の開発が強く求められている。

特開２００１−２８８５０９号公報特開平１０−２６５８９０号公報特開平７−２７８７３８号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、既存の溶製容器を用いて工業的に安定して製造可能で、母材靭性に優れ、かつ鋼中の介在物の組成および粒径が適正に制御された鋼材を提供することをその目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鋼材の靭性を確保すべく、鋼材中に存在する介在物に着目した。すなわち、鋼材が急熱、急冷された場合であっても、介在物の組成および粒径が適正に制御された状態であれば、その介在物を核として微細な粒内フェライトを形成させることによって、靭性の低下を防ぐことが可能であると考えた。また、粗大介在物は母材靭性を低下させる要因となることが予想されるため、粗大介在物を低減することが必要であると考えた。

これを踏まえて、鋼材を工業的に量産するプロセスを考慮しつつ、鋼材の母材靭性を確保し、介在物の組成および分散量を制御する方法について鋭意検討を重ね、以下の手法を考え出した。

高炉から出銑した溶銑を、転炉等を用いる一次精錬によってＣ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ濃度を調整し、転炉からの出鋼流に副原料を投入することでＭｎ濃度を調整し、続いて、環流型（ＲＨ型）真空脱ガス装置においてＡｌ添加および酸素上吹きを伴う環流式の真空脱ガス処理（以下、「環流操作」と記すことがある）を実施することで溶鋼成分、介在物成分および温度の調整を行い、その後この状態でＴｉ添加を行うプロセスで溶製することによって、母材靭性の確保が可能な介在物の組成を調整する。

本発明者らは、このような着想に基づき、溶鋼段階から圧延後の段階までにおいて詳細に調査をした。また、圧延後の鋼材に関しては、母材靭性を調査した。この時、Ｔｉ添加前から鋳造開始までの間の溶鋼において、介在物の主成分であるＴｉ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物の組成、分散状態および分散量について、詳細に検討した。その結果、鋼材中の介在物がＴｉ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物であり、介在物の組成、分散状態および分散量が適正に制御されることで、高い母材靭性を確保できるとの知見を得た。

これにより、本発明の対象とする鋼材については、転炉出鋼から環流型真空脱ガス装置を通して連続鋳造に至る精錬プロセスにおいて、副原料の添加順序を制御することによるＴｉ添加前の介在物組成の規定が最も重要であり、これらの最適順序、最適値を明確化することで、下記の（１）および（２）に示す鋼材を完成させた。

（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．０８％以下、Ｍｎ：１．１〜１．８％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００４％以下、Ｏ（酸素）：０．００１０〜０．００５０％、Ｎ：０．００４％以下、Ｎｂ：０．００１〜０．０２０％、Ａｌ：０．０００３〜０．００３０％、およびＴｉ：０．００６〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物で構成される鋼材であって、直径１．０μｍ以上のＴｉ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｏ系介在物、Ａｌ−Ｏ系介在物およびそれら以外の介在物それぞれの単位面積あたりの個数ｎＴｉＯ、ｎＡｌＯおよびｎＭｘＯが下記（１）〜（４）の条件を満足し、かつ、直径４０．０μｍ以上の介在物の１ｋｇあたりの個数が５００個／ｋｇ以下である鋼材。
（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ＋ｎＭｘＯ）≧０．７・・・（１）
ｎＴｉＯ／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）≧０．７・・・（２）
ｎＴｉＯ：５．０〜５０．０個／ｍｍ² ・・・（３）
ｎＡｌＯ：０．２〜２０．０個／ｍｍ² ・・・（４）
（２）さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０５〜１．５％、Ｍｏ：０．００１〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．０％、Ｖ：０．０１〜０．５％、およびＢ：０．０００１〜０．００２％の１種または２種以上を含有する前記（１）に記載の鋼材。

なお、以下の説明において、特に断らない限り、成分組成を表す含有率「％」は「質量％」を意味するものとする。

また、Ｏ（酸素）の含有率は、鋼中の溶存酸素量および介在物中に含まれる酸素量の総和、すなわち全酸素含有率（Ｔ．［Ｏ］）を意味する。

本発明の鋼材は、既存の溶製容器を用いて工業的に安定して製造可能で、母材靭性に優れ、かつ鋼中の介在物の組成および粒径が適正に制御された鋼材であるため、大入熱溶接を行ってもＨＡＺ靭性に優れる。

本発明の鋼材は、基本的にＣ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．０８％以下、Ｍｎ：１．１〜１．８％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００４％以下、Ｏ（酸素）：０．００１０〜０．００５０％、Ｎ：０．００４％以下、Ｎｂ：０．００１〜０．０２０％、Ａｌ：０．０００３〜０．００３０％、およびＴｉ：０．００６〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物で構成される化学組成を有する鋼材である。

ここで、鋼材中の介在物の組成および分散状態に関して、直径１．０μｍ以上のＴｉ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｏ系介在物、Ａｌ−Ｏ系介在物およびそれら以外の介在物それぞれの単位面積あたりの個数ｎＴｉＯ、ｎＡｌＯおよびｎＭｘＯが下記（１）〜（４）の条件を満足する鋼材である。
（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ＋ｎＭｘＯ）≧０．７・・・（１）
ｎＴｉＯ／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）≧０．７・・・（２）
ｎＴｉＯ：５．０〜５０．０個／ｍｍ² ・・・（３）
ｎＡｌＯ：０．２〜２０．０個／ｍｍ² ・・・（４）
さらに、鋼材中の介在物の分散量に関して、直径４０．０μｍ以上の介在物の１ｋｇあたりの個数が５００個／ｋｇ以下である鋼材である。

本発明の鋼材では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉが必須元素であり、各成分組成範囲とその限定理由を以下に説明する。

（Ａ）鋼材の化学組成
Ｃ：０．０３〜０．１８％
Ｃは、鋼の強度や靭性を得るのに必要な元素である。鋼材としては当然ある程度の母材靭性が求められ、最低限必要な引張り強度および疲労強度を得るには、Ｃの含有率を０．０３％以上とする。ただし、Ｃ含有率が０．１８％を超えると、母材の加工性が悪化する。したがって、Ｃ含有率の適正範囲を０．０３〜０．１８％とする。

Ｓｉ：≦０．０８％
Ｓｉは、鋼の脱酸作用および固溶強化作用を有する元素である。ただし、鋼材中では一部のＳｉがＳｉＯ₂としてＨＡＺに存在すると、ＨＡＺ靭性を低下させる。また、Ｓｉの含有率が高すぎると、脱酸が強く効きすぎてしまう。したがって、Ｓｉ含有率を０．０８％以下とする。

Ｍｎ：１．１〜１．８％
Ｍｎは、鋼の脱酸および焼き入れ性を向上させる元素である。また、鋼材中では一部のＭｎがＭｎＯとして存在し、粒内フェライトの核として作用する。母材靭性を保持し、介在物を形成させるためには、Ｍｎの含有率を１．１％以上とする。ただし、ＭｎＯが過剰に存在すると、母材靭性の低下を招くため、Ｍｎ含有率が１．８％以下であることが必要である。

Ｐ：≦０．０２０％
Ｐは、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる傾向があり、鋼材の母材靭性の低下を引き起こすと同時に、ＨＡＺ靭性にも影響を及ぼす。このため、Ｐの含有率を０．０２０％以下とする。

Ｓ：≦０．００４％
Ｓは、不可避的不純物であり、大量に存在するとＨＡＺ靭性を著しく低下させる元素であるため、０．００４％を超えて存在してはならない。ＨＡＺ靭性の確保のためには、さらに０．００２％以下であることが望ましい。

Ｏ（酸素）：０．００１０〜０．００５０％
Ｏは、粒内フェライトの核となる酸化物の形成に必須の元素であるため、少なくとも０．００１０％は含有されていなければならない。一方、過剰なＯは酸化物の粗大化を招き、逆に母材靭性の低下を招くため、０．００５０％を超えて存在してはならない。母材靭性確保のためには、さらに０．００４０％未満であることが望ましい。

Ｎ：≦０．００４％
Ｎは、鋼中で窒化物を形成して結晶粒界に偏在し、母材およびＨＡＺ靭性の低下を引き起こす元素である。このため、Ｎの含有率を０．００４％以下とする。

Ａｌ：０．０００３〜０．００３０％
Ａｌは、昇温工程で必須の元素であるとともに、酸化物として存在し、粒内フェライトの核となる酸化物を形成するため、少なくとも０．０００３％は含有されていなければならない。ただし、Ａｌを過剰に含有すると母材靭性の維持が可能な介在物組成から外れてしまうため、Ａｌの含有率は０．００３０％を超えてはならない。

Ｔｉ：０．００６〜０．０３０％
Ｔｉは、粒内フェライトの核となる酸化物を形成する重要な元素である。このため、鋼材中に少なくとも０．００６％以上含有している必要がある。ただし、Ｔｉが過剰に含まれていると、鋼材中のＣと反応し、母材靭性の低下を招くＴｉＣを形成してしまうため、Ｔｉの含有率は０．０３０％を超えてはならない。

Ｎｂ：０．００１〜０．０２０％
Ｎｂは、炭化物および窒化物を形成し、鋼材の強度を上げるためにしばしば使用される元素であり、本発明の鋼材でも母材靭性の確保のため、０．００１％以上含有する。ただし、Ｎｂが過剰に含まれていると、靭性低下を引き起こす可能性があるため、Ｎｂ含有率は０．０２０％以下とする。

ところで、本発明の鋼材では、母材をより高強度化させる目的で、母材であるＦｅの一部に代えてＣｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＶおよびＢの１種または２種以上を含有することができる。これらの各元素の含有率は、Ｃｒ：０．０５〜１．５％、Ｍｏ：０．００１〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．０％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｂ：０．０００１〜０．００２％とする。本発明では、後述する組成の異なる介在物の分散量比率を設定することで鋼材の靭性を制御することである一方、これらの各元素は、鋼強度に影響するものの、介在物の組成や分散量比率には上記組成範囲では影響しないためである。

次に、転炉出鋼から環流型真空脱ガス装置を経て連続鋳造に至る精錬プロセスにおいて、鋼材の靭性確保に重要な役割を果たす、転炉による処理の終点から環流型真空脱ガス装置による処理の終点にかけての鋼中の介在物の組成、分散状態および分散量とその制御方法に関する規定について説明する。

（Ｂ）精錬中の溶鋼中介在物の組成および分散状態
本発明では、鋼材の母材靭性の確保のために、介在物の組成および分散状態を適正に調整することが重要である。その手法は以下の通りである。

本発明の鋼材の溶製では、転炉等の精錬容器による脱リンや脱炭等の精錬工程の後、その溶鋼を取鍋上部より注入する出鋼流に副原料を投入することで、Ｍｎ弱脱酸を実施する。この際、Ｓｉ脱酸を実施すると介在物にＳｉが混入してしまい、母材靭性の確保に必要な介在物組成範囲から外れてしまうため、Ｓｉ脱酸は不可とする。これにより、溶鋼中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓの含有率が、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：≦０．０８％、Ｍｎ：１．１〜１．８％、Ｐ：≦０．０２０％、およびＳ：≦０．００４％に調整される。

このような成分組成に調整された溶鋼に対して、環流型真空脱ガス装置を用いてＡｌ添加および酸素上吹きを伴う環流操作を実施する。このときのＡｌ添加量および上吹き酸素量は、上昇させたい溶鋼温度によって適宜調整する。この環流操作により、溶鋼成分は上記成分に加え、ＡｌおよびＯ（酸素）の含有率が、Ａｌ：０．０００３〜０．００３０％、Ｏ：０．００５〜０．０１５％に調整される。

この時点での溶鋼中の介在物の組成は、主成分がＡｌ−Ｍｎ−Ｏ系であることが必要である。介在物組成は、採取したサンプルを底から１０ｍｍの位置で切断して、鏡面加工した後、研磨面の中央部分で観察される１．０μｍ以上の介在物を、走査電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」と記す）およびエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザー（以下、「ＥＤＳ」と記す）を用いて５０個以上測定し、その測定結果で判定できる。Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物は、ＥＤＳによる半定量分析結果（質量％換算）において、得られた構成成分の定量分析結果を酸化物に換算した際、Ａｌ₂Ｏ₃とＭｎＯの和が７５％以上の介在物を指す。

ここで、全介在物のうちの８０％以上の介在物の組成が、質量％で下記（５）の条件を満足している必要がある。
ＭｎＯ／（ＭｎＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃）≧０．４・・・（５）
つまり、全介在物中８０％以上の介在物において、前記条件式（５）に準ずる、酸化物に換算した際の組成比α（＝ＭｎＯ／（ＭｎＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃））が０．４以上であることを満足している必要がある。より好ましくは、０．８≧α≧０．６の範囲にあれば良い。

続いて、溶鋼成分および介在物組成が上記範囲内にある状態でＴｉ添加を行い、介在物組成を最終調整する。このときのＴｉ添加量は、酸素濃淡電池を原理とする酸素濃度プローブ（以下、「ＯＸＰ」と記す）の分析値を元にして、Ｔｉ添加量≧ＯＸＰ値×０．００１５＋０．０１（ｋｇ／ｔｏｎ）を満たす必要がある。

このＴｉ添加により、溶鋼成分は、Ｏ（酸素）の含有率がＯ：０．００１０〜０．００５０％に調整されるとともに、これに加えてＴｉの含有率がＴｉ：０．００６〜０．０３０％に調整される。

こうしたＴｉ添加後の介在物の組成および分散状態に関しては、直径１．０μｍ以上の介在物について、Ｔｉ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｏ系介在物、Ａｌ−Ｏ系介在物、およびそれらＴｉ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｏ系介在物とＡｌ−Ｏ系介在物に該当しない介在物それぞれの単位面積あたりの個数をｎＴｉＯ、ｎＡｌＯおよびｎＭｘＯとした場合、そのｎＴｉＯ、ｎＡｌＯおよびｎＭｘＯが下記（１）〜（４）の条件を満足している必要がある。
（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ＋ｎＭｘＯ）≧０．７・・・（１）
ｎＴｉＯ／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）≧０．７・・・（２）
ｎＴｉＯ：５．０〜５０．０個／ｍｍ² ・・・（３）
ｎＡｌＯ：０．２〜２０．０個／ｍｍ² ・・・（４）
つまり、前記条件式（１）に準ずる、全ての介在物に占めるＴｉ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物とＡｌ−Ｏ系介在物の単位面積当たりでの個数比率β（＝（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ＋ｎＭｘＯ））が０．７以上を満足し、かつ、前記条件式（２）に準ずる、Ｔｉ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物とＡｌ−Ｏ系介在物の単位面積当たりでの個数比率γ（＝ｎＴｉＯ／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ））が０．７以上を満足している必要がある。ただし、前記条件（３）に準じ、ｎＴｉＯが５．０〜５０．０個／ｍｍ²の範囲内にあり、前記条件（４）に準じ、ｎＡｌＯが０．２〜２０．０個／ｍｍ²の範囲内にある必要がある。

このときのｎＴｉＯは、ＥＤＳによる半定量分析結果において、得られた構成成分の定量分析結果を酸化物に換算した際、Ｔｉ₂Ｏ₃≧５０質量％、かつＭｎＯ≦３５質量％、かつＡｌ₂Ｏ₃≦３５質量％で、残部がＭｎＯおよびその他の構成成分の酸化物で構成される介在物の単位面積あたりの個数（個／ｍｍ²）、すなわち個数密度を指す。また、ｎＡｌＯは、ＥＤＳによる半定量分析結果において、得られた構成成分の定量分析結果を酸化物に換算した際、Ａｌ₂Ｏ₃≧７５質量％で、残部がその他の構成成分の酸化物で構成される介在物の単位面積あたりの個数（個／ｍｍ²）、すなわち個数密度を指す。介在物の個数密度は、研磨面の中央部分で観察される１．０μｍ以上の介在物をＳＥＭで５０点以上測定し、ＥＤＳの分析値からＴｉ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物とＡｌ−Ｏ系介在物の判定を行い、測定視野面積と計数した介在物個数の関係から算出できる。その際の測定視野面積は６１００００μｍ²以上とした。個数比率βおよびγが前記（１）〜（４）の条件を満足する介在物の組成および分散状態において、母材靭性の確保が可能となる。

（Ｃ）鋼材中の介在物の分散量
本発明では、鋼材の母材靭性の確保のために、介在物の分散量を適正に調整することが重要である。粗大な介在物が過度に含まれると、母材靭性が低下してしまうからである。このため、鋼材中の介在物分散量として、直径４０．０μｍ以上の介在物の鋼材１．０ｋｇあたりの個数ｎｓ（個／ｋｇ）すなわち個数密度ｎｓが、５００個／ｋｇ以下であることが必要である。

図１は、鋼材１．０ｋｇあたりの直径４０．０μｍ以上の介在物の個数密度ｎｓと母材のシャルピー試験による吸収エネルギーとの関係を示す図である。ここでは、同一の製造ロット内で試験片採取場所を非定常部に段階的に近づけることにより、介在物の個数密度ｎｓを変更した。介在物分散量の調査は、切りだした試験片１．０ｋｇを、電解抽出法の一つであるスライム法によって鋼中の介在物を抽出する手法で行った。抽出した介在物については、ＳＥＭによって観察することで介在物径と個数を算出し、鋼材の溶解重量との関係から個数密度ｎｓを算出した。また、靭性評価のためのシャルピー試験は、同じ箇所から採取した鋼材を加工し、ＪＩＳ４号規格に準拠して−２０℃で５本の試験を行った。図１に示すように、介在物の個数密度ｎｓが５００個／ｋｇ以下である分散量においては、吸収エネルギーは２００Ｊを超え、高い母材靭性の確保が可能となる。

以上説明した鋼材、およびその鋼材の製造方法に関し、以下の実施例からその有効性を明らかにした。

母材靭性に優れた鋼材の溶製、ならびに介在物の組成、分散状態および分散量の有効性を検証するため、溶鋼量で２５０ｔｏｎの容量を有する転炉を用いて一次精錬し、その溶鋼を環流型真空脱ガス装置を用いて環流操作を施し、最終的に連続鋳造を実施する実プロセス溶製試験にて調査した。

２５０ｔｏｎ実プロセス溶製試験において、最終的に得られる鋼材の必須元素の組成は、前記規定のとおり、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：≦０．０８％、Ｍｎ：１．１〜１．８％、Ｐ：≦０．０２０％、Ｓ：≦０．００４％、Ｏ：０．００１０〜０．００５０％、Ｎ：≦０．００４％、Ｎｂ：０．００１〜０．０２０％、Ａｌ：０．０００３〜０．００３０％、Ｔｉ：０．００６〜０．０３０％の範囲である。

転炉から出鋼された溶鋼は、取鍋に保持した状態で環流型真空脱ガス装置まで搬送した。脱ガス装置に到着した後、温度上昇に必要なＡｌを添加し、溶鋼中のＡｌ濃度に見合った量の酸素ガスを真空槽上部から上吹きし、Ａｌの酸化熱を利用して溶鋼を昇温させた。脱ガス装置到着時の溶鋼成分は、前記規定のとおり、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：≦０．０８％、Ｍｎ：１．１〜１．８％、Ｐ：≦０．０２０％、Ｓ：≦０．００４％である。

この際、上吹き酸素量は溶鋼中のＡｌが全て燃焼する以上の酸素量を設定した。酸素ガス上吹き処理後、ＯＸＰで溶存酸素濃度を測定した。初期介在物量および組成調整のため、溶鋼を脱ガス装置内で保持した後、Ｔｉを添加した。酸素ガス上吹き終了後、Ｔｉ添加前後で溶鋼の一部を採取し、鋼中に存在する介在物組成を調査し、環流操作およびＴｉ添加による介在物組成の制御効果を確認した。

Ｔｉ添加前の溶鋼成分は、上記した脱ガス装置到着時の成分範囲の規定に加えて、前記規定のとおり、Ａｌ：０．０００３〜０．００３０％、Ｏ：０．００５〜０．０１５％に調整した。

調査結果を表１〜表４に示す。表１はＴｉ添加前の溶鋼の化学組成を示す。表２はＴｉ添加後の溶鋼の化学組成を示す。表３はＴｉ添加前後の介在物組成の変化を示す。表４はＴｉ添加後の介在物数、粗大介在物数、シャルピー試験結果および総合評価を示す。表４において、スライム法による粗大介在物の調査は、鋳片から１．０ｋｇの鋼材を切りだし、溶解させた残渣上に抽出した介在物をＳＥＭで測定して計数することで実施した。また、靭性評価のためのシャルピー試験は、圧延した鋼材を加工し、ＪＩＳ４号規格に準拠して−２０℃で５本の試験を行い、その平均値を表４に示している。

試験番号１〜９は本発明の範囲に含まれる本発明例を示し、試験番号１０〜１３は本発明の範囲から外れる比較例を示している。

表４から明らかなように、本発明例である試験番号１〜９では、比較例である試験番号１０〜１３と比べて、優れた母材靭性を有する鋼材が得られることが分かる。すなわち、本発明例では、全ての介在物に占めるＴｉ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物とＡｌ−Ｏ系介在物の個数比率βが０．７以上であり、Ｔｉ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｏ系介在物とＡｌ−Ｏ系介在物の個数比率γが０．７以上であり、直径４０．０μｍ以上の介在物の鋼材１．０ｋｇあたりの個数ｎｓが５００個／ｋｇ以下であり、その結果、母材靭性の指標である−２０℃の吸収エネルギーが２００Ｊ以上と優れている。

一方、比較例では、いずれも−２０℃の吸収エネルギーが１００Ｊに達せず、母材靭性が著しく低くなった。これらの原因は、試験番号１０では、介在物の個数比率βが本発明で規定する条件から外れており、試験番号１１では、介在物の個数密度ｎｓが本発明の規定条件から外れており、試験番号１２では、介在物の個数比率γが本発明の規定条件から外れており、試験番号１３では、介在物の個数比率γおよび個数密度ｎｓが本発明の規定条件から外れているためである。また、表２に示すように、試験番号１２では、Ｎの含有率が本発明の規定条件から外れており、試験番号１３では、Ａｌの含有率が本発明の規定条件から外れていることも起因している。さらには、表３に示すように、Ｔｉ添加前の段階において、試験番号１０〜１３では、介在物の組成比αが本発明の規定条件から外れていることも起因している。

本発明によれば、今まで困難であった真空脱ガス装置における介在物の組成および分散量を安価かつ確実に制御することができ、母材靭性に優れ、かつ鋼中の介在物の組成および粒径が適正に制御された鋼材を製造することができる。つまり、大入熱溶接を行ってもＨＡＺ靭性に優れた鋼材を、既存の溶製容器を用いて工業的に安定して製造できる。

鋼材１．０ｋｇあたりの直径４０．０μｍ以上の介在物の個数密度ｎｓと母材のシャルピー試験による吸収エネルギーとの関係を示す図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．０８％以下、Ｍｎ：１．１〜１．８％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００４％以下、Ｏ（酸素）：０．００１０〜０．００５０％、Ｎ：０．００４％以下、Ｎｂ：０．００１〜０．０２０％、Ａｌ：０．０００３〜０．００３０％、およびＴｉ：０．００６〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物で構成される鋼材であって、直径１．０μｍ以上のＴｉ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｏ系介在物、Ａｌ−Ｏ系介在物およびそれら以外の介在物それぞれの単位面積あたりの個数ｎＴｉＯ、ｎＡｌＯおよびｎＭｘＯが下記（１）〜（４）の条件を満足し、かつ、直径４０．０μｍ以上の介在物の１ｋｇあたりの個数ｎｓが５００個／ｋｇ以下であることを特徴とする鋼材。
（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ＋ｎＭｘＯ）≧０．７・・・（１）
ｎＴｉＯ／（ｎＴｉＯ＋ｎＡｌＯ）≧０．７・・・（２）
ｎＴｉＯ：５．０〜５０．０個／ｍｍ² ・・・（３）
ｎＡｌＯ：０．２〜２０．０個／ｍｍ² ・・・（４）
さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０５〜１．５％、Ｍｏ：０．００１〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．０％、Ｖ：０．０１〜０．５％、およびＢ：０．０００１〜０．００２％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の鋼材。