JP5267297B2

JP5267297B2 - 溶接熱影響部の低温靭性に優れた溶接構造用鋼板

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Publication number: JP5267297B2
Application number: JP2009097325A
Authority: JP
Inventors: 和洋福永; 泰水谷; 力雄千々岩; 義之渡部
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: KR20080090574A; US20070193664A1; KR100892385B1; JP2009174059A; JPWO2006009299A1; US7857917B2; EP1777315A1; KR20070027715A; EP1777315A4; TW200940723A; WO2006009299A1; TW200609361A; JP4332554B2; EP1777315B1; TWI327170B

Description

本発明は、溶接性に優れ、しかもHAZの低温靭性に優れた海洋構造物向け高強度厚鋼板に関するものである。また、本発明は、建築、橋梁、造船、建機といった分野にも広く適用できる。

従来、海洋構造物用鋼として用いられている高強度鋼について、溶接性に優れた鋼の製造方法として、熱間圧延後の冷却速度を制御することで溶接性の指標であるＰcmを低減させることができる技術が知られている。またHAZ（Heat Affected Zone）における靱性に優れた鋼の製造方法として、例えば、特許文献１に記載されているように、鋼材にTiを添加することでTi酸化物（以後TiO）を核として粒内フェライト（Intragranular Ferrite;IGF）の生成を促進させる技術が知られている。さらに、特許文献２及び特許文献３などに記載されているように、Ti窒化物（以後TiN）をマトリックスに分散させることで、再熱時のマトリックスの粒成長をピン止め効果によって抑制しHAZ靱性を確保する技術や、特許文献４に記載されているように、マトリックス中に分散させたTi-Mg酸化物は、ピン止め効果により再熱時の粒成長を抑制するだけでなく、IGFの生成促進効果によりフェライトを微細化させ、HAZ靱性を確保するという技術が知られている。しかしながら、上記のHAZ靱性の優れた鋼を製造する技術は、非常に複雑なプロセスを要し、かつ高コストであるという問題がある。

また、TiOあるいはTiNを鋼中に均一に分散させ、HAZ組織を微細化する技術において、最適なTiOおよびTiN粒子の化学成分値や粒子径についても検討が行われている。例えば、特許文献３には、TiとＮの比（Ti／Ｎ）が1.0〜6.0である鋼材において、溶接前の鋼材中に粒子径が0.01〜0.10μｍであるTiＮ粒子を５×10⁵〜１×10⁶個／mm²含有させることで、HAZ靱性の優れた鋼が製造できると記載されている。

しかしながら、特許文献３に記載された技術を用いて狙い通りの粒子を分散させるためには、鋳片の冷却段階である900〜1300℃間にて10分以上の時効処理が必要であると記載されている。このような高温での時効処理は非常に困難であり、かつ熱効率や生産能力の観点からも望ましくない。

一方、特許文献５によると、鋼中にMnSが生成した場合、HAZ組織でMnSを核としてIGFの生成が促進し実効的に結晶粒径が微細化することから、所望の靱性を確保することができる。しかしながら、明確な理由はないものの、実用鋼におけるMn添加量には実際的に上限値が設定されているため、得られるMnS量はIGF生成促進効果を最大限に発揮させるには充分ではない。

また、特許文献６では、TiNおよびMnS生成の相互作用については、TiNはMnSの析出核として機能するとされており、また、これらの析出物を有効に活用するための凝固時の冷却速度を1000〜600℃の範囲で5.0℃／min（約0.08℃／ｓ）以下とすべきとする発明が提案されているが、その理由について定量的には述べられていない。そのため、最適な冷却速度は不明である。

特開平５-171341号公報特公昭55-26164号公報特開2001-164333号公報特開平11-279684号公報特開平７-252586号公報特開平3-264614号公報

そこで、本発明は、複雑な製造法を用いずに低コストにて製造可能であり、かつ、溶接性およびHAZの低温靭性に優れた板厚50mm以上の高強度厚鋼板を提供することを課題とする。

そのような課題を解決する本発明の要旨は、以下の通りである。

（１）質量％で、Ｃ：0.03〜0.12％、Si：0.05〜0.30％、Mn：1.6〜3.0％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.001〜0.015％、Cu＋Ni：0.10％以下、Al：0.001〜0.050％、Ti：0.005〜0.030％、Nb：0.005〜0.10％、Ｎ：0.0038〜0.0060％を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、鋼組織としてベイナイト組織を90％以上有し、ＴｉＮ析出物の粒子径が0.4μm以下であることを特徴とする溶接熱影響部（HAZ）の低温靱性に優れた板厚50mm以上の溶接構造用鋼板。

（２）質量％で、更に、Mo：0.2％以下、Ｖ：0.03％以下、Cr：0.5％以下、Ca：0.0035％以下、Mg：0.0050％以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする（１）記載の溶接熱影響部（HAZ）の低温靱性に優れた板厚50mm以上の溶接構造用鋼板。

本発明によれば溶接によるHAZの結晶粒粗大化を抑制し、極めてHAZ靱性の安定な高水準の鋼板が得られる。

MnおよびTiNの靱性値への影響を模式的に示した図である。

本発明は、前記した課題を解決するために、比較的合金コストの低いMnを多量添加することによって、低コストでかつ強度靱性を確保しながら、TiNのピン止め効果による結晶粒粗大化抑制効果あるいは、MnSによるIGF生成促進効果を複合的に使うことで、優れたHAZ靱性を確保しようとする技術である。

図１は、MnおよびTiNの靱性値への影響について模式的に示したものであるが、Mnの増加に伴い靱性は向上し、特にMn添加量が1.2％以上になるとその効果は著しくなる。しかしながら、Mn添加量が2.5％を超えたところでその効果が飽和し、3.0％を超えると逆に靱性が劣化している。また、高Mn系鋼の鋳造時における冷却速度を制御してTiNを分散させたものについては、すべてのMn領域において靱性が向上する。

上記（１）で示した化学成分の範囲内で、質量％でＣ：0.08％、Si：0.15％、Mn：2.0％、Ｐ：0.008％、Ｓ：0.003％、Al：0.021％、Ti：0.01％、Nb：0.01％、Ｎ：0.005％を含有した鋳片について、熱力学計算を用いて平衡状態にて生成しうるTiN量を予測したところ、体積率（TiNの体積／鋼の体積）で4.08×10^-4であることが分った。Ｒ⁻を結晶粒径、ｒ⁻を析出物の粒子径、ｆを析出物の体積率としたNishizawaの式１、および先の計算にて得られた体積率（4.08×10^-4）を用いると、析出物のピン止め効果によって得られる結晶粒径が、優れた靱性を十分に確保できるといわれている100μｍ以下となるのは、析出物の粒子径が0.4μｍ以下である場合のみであるという結果が得られた。熱的に安定なTiNは、溶接等の高温短時間加熱においても分解せず結晶粒径の粗大化を抑制するため、高いHAZ靱性を得る効果は十分に維持される。

式１によると、結晶粒径100μｍ以下の組織を有する鋳片を得るためには、析出物の粒子径を0.4μｍ以下にする必要がある。そのため、鋳片の冷却速度を0.06℃／ｓ以上、望ましくは0.08℃／ｓ以上、更に望ましくは0.1℃／ｓ以上に制御することが必要となる。板厚の効果により、同一鋳片間でも冷却速度に大きな差異が生じる。特に鋳片表面と鋳片中心部では温度差が大きく、温度履歴もそれぞれ異なる。しかし、冷却速度は一定の範囲にとどまることがわかっている。したがって、鋳片冷却速度を制御することで、従来はTi／Ｎ比でのみ取り決められていたTiNの制御が可能となる。

一方、MnSによるIGF生成促進効果は溶接の際のTiNによる粒成長抑制効果が充分に発揮されなかった場合特に有効である。すなわち、TiNが加熱によって溶解してしまった場合である。本発明鋼には2.0％程度の多量のMnが添加されていること、およびMnSが比較的高温域にて生成する事実から、本発明鋼の溶接温度におけるMnSの生成量は従来量のMnを添加した鋼に比べて増加し、結果的に溶接後の冷却におけるIGFの生成頻度が増大する。このため、実効的にHAZ組織が微細化される。

また、高強度かつ高靱性を有する厚板の製造については様々な方法があげられるが、靱性を確保するためには熱延後に直接焼入れ（DQ）した後に焼戻し（Ｔ）処理を施すDQT法が望ましい。しかしながら、Ｔ処理は一旦冷却した後に再加熱してその温度で一定時間保持する工程のためコストが上昇する。コスト低減の観点からは、可能な限りＴ処理は避けたい。ところが、本発明鋼はＴ処理を施すことなく優れた靱性を確保できるために、コストを上昇させることなく高性能鋼板を製造することができる。ただし、特に靱性を要求される場合は、Ｔ処理を施すことにより、さらに優れた靱性を有する鋼板を得ることができる。

以下に、本発明の限定理由について説明する。まず、本発明鋼板の組成限定理由について説明する。以下の組成についての％は、質量％を意味する。

Ｃは強度を確保するために必要な元素であり、0.03％以上の添加が必要であるが、多量の添加はHAZの靱性低下を招くおそれがあるために、その上限値を0.12％とする。

Siは脱酸剤として用いられ、また固溶強化により鋼の強度を増加させるのに有効な元素であるが、0.05％未満の含有量ではその効果が少なく、一方0.30％を超えて含有させると、HAZ靱性が劣化する。このため、Siは0.05〜0.30％に限定した。なお、さらに望ましい含有量は0.05〜0.25％である。

Mnは、鋼の強度を増加するため高強度化には有効な元素である。またMnはＳと結合してMnSを生成するが、これがIGFの生成核となり溶接熱影響部の微細化を促進することで、HAZ靱性の劣化を抑制する。そのため、所望の強度を維持しつつ、溶接熱影響部の靱性を確保するためには1.2％以上の含有量が必要である。ただし、3.0％を超えるMnを添加すると、逆に靱性が劣化すると言われている。このため、Mnは1.2〜3.0％に限定した。なお、Mn量は1.5〜2.5％が望ましいところ、本発明では、下限を、望ましい範囲内で実施例でも確認されている1.6％とした。

Ｐは、粒界に偏析して鋼の靱性を劣化させるので、できるだけ低減することが望ましいが、0.015％までは許容できるため、0.015％以下に限定した。

Ｓは、主にMnSを形成して鋼中に存在し、圧延冷却後の組織を微細にする作用を有するが、0.015％を超える含有は、板厚方向の靱性・延性を低下させる。このため、Ｓは0.015％以下であることが必須である。また、MnSをIGFの生成核として用い細粒化効果を得るためには、Ｓは0.001％以上の添加が必要である。そのため、Ｓは0.001〜0.015％に限定した。

Cuは従来強度を確保するために有効な元素であるが、熱間加工性の低下をもたらす。これを回避するためにCu添加量とほぼ同量のNiを添加することが従来行われてきた。ところが、Niは、非常にコストの高い元素であるため、Niを多量に添加することは本発明鋼の目的である低コスト化を達成できない要因となりうる。そこで本発明鋼では、Mnにより強度を確保する思想に立ち、CuおよびNiは意図的に添加しないこととした。しかし、スクラップを用いてスラブを製造する場合、それぞれ0.05％程度は不可避的に混入してしまうおそれがあるため、Cu＋Niを0.10％以下に限定した。

Alは、Siと同様に脱酸のため必要な元素であるが、0.001％未満では脱酸が充分に行われず、0.050％を超える過度の添加はHAZ靱性を劣化させる。このため、Alは0.001〜0.050％に限定した。

Tiは、Ｎと結合して鋼中にTiNを形成させるために、0.005％以上の添加が望まれる。ただし、0.030％を超えてTiを添加すると、TiNを粗大化させ、本発明の目的であるTiNによる結晶粒径粗大化抑制効果を低下させるおそれがある。このため、Tiは0.005〜0.030％に限定した。

Nbは、オーステナイトの未再結晶域を拡大して、フェライトの細粒化を促進する効果があるとともに、Nb炭化物を生成し強度の確保をもたらす元素であるため、0.005％以上の含有が必要である。しかしながら、0.10％を超えるNbを添加すると、Nb炭化物によるHAZ脆化が生じやすくなるため、Nbは0.005〜0.10％に限定した。

Ｎは、Tiと結合して鋼中にTiNを形成させるために、0.0025％以上の添加が必要である。ただし、Ｎは固溶強化元素としても非常に大きな効果があるため、多量に添加するとHAZ靱性を劣化するおそれがある。そのため、HAZ靱性に大きな影響を与えずTiNの効果を最大限に得られるように、Ｎの上限を0.0060％とした。なお、本発明では、Ｎの下限を実施例で確認されている0.0038％とした。

Mo、Ｖ、Crは、いずれも焼入れ性向上に有効な元素であり、TiNによる組織細粒化効果を最適化するため、必要に応じ一種または二種以上を選択して含有してもよい。なかでもＶは、TiNとともにVNとして組織微細化効果を最適化することができ、加えて、VNによる析出強化を促進させる効果を有する。さらに、Mo、Ｖ、Crの含有によりＡ_r3点が低下することから、フェライト粒の微細化効果がさらに大きくなることが期待される。また、Caの添加により、MnSの形態が制御でき、低温靱性がさらに向上するため、厳しいHAZ特性を要求される場合はCaを選択して添加できる。さらに、Mgは、HAZにおけるオーステナイトの粒成長を抑制し細粒化させる作用があり、その結果HAZ靱性が向上することから、特にHAZ靱性が厳しい場合にはMgを選択して添加できる。その添加量は、Mo：0.2％以下、Ｖ：0.03％以下、Cr：0.5％以下、Ca：0.0035％以下、Mg：0.0050％以下である。

一方、0.2％を超えるMoおよび0.5％を超えるCrを添加した場合、溶接性や靱性を損ないかつコストも上昇することが考えられ、0.03％を超えるＶを添加した場合、溶接性や靱性を損なうため、これらを上限とした。また、0.0035％を超えるCaの添加は、鋼の清浄度を損ない、水素誘起割れ感受性を高めてしまうので、0.0035％を上限とした。Mgは0.005％を超える添加を行ってもオーステナイト細粒化効果代が小さくコスト上得策ではないため、0.005％を上限とした。

鋼組織を80％以上ベイナイト組織とする理由は、低合金鋼でありながらHAZ靱性を確保しつつ、十分な強度を得るためにはベイナイト組織主体であることが必要であり、それが80％以上であれば達成ができるからである。望ましくは85％以上、さらに望ましくは90％以上がベイナイト組織であることがよい。

次に、本発明鋼板の製造条件について説明する。

鋳造後の鋳片の冷却について、凝固点近傍から800℃までの冷却速度が0.06〜0.6℃／ｓであることが必要である。Nishizawaの式によると、析出物によるピン止め効果により結晶粒径を100μｍ以下に維持するためには、析出物の粒子径が0.4μｍ以下である必要があり、その達成のためには鋳造段階にて0.06℃／ｓ以上の鋳片冷却速度が必要となる。熱的に安定なTiNは、その後の溶接等の高温短時間加熱でも分解することはなく存在するため、溶接などの加熱時においてもピン止め効果が期待でき、HAZ靱性を確保することができる。しかしながら、鋳片冷却速度が大きくなりすぎると、微細析出物の量が増大し、鋳片の脆化を引き起こすことが懸念される。そのため、鋳造後の鋳片の冷却については、凝固点近傍から800℃までの冷却速度を0.06〜0.6℃／ｓとする。なお、0.10〜0.6℃／ｓが好ましい。

鋳片の加熱温度については、1200℃以下の温度であることが必要である。この理由としては、1200℃超の高温側に加熱されることで、凝固時に冷却速度を制御して造り込んだ析出物が再溶解してしまう可能性があるからである。また、相変態を完了させる目的では1200℃で充分であり、そのときに生じると考えられる結晶粒の粗大化も、あらかじめ防ぐことができるからである。

本発明の鋼板を製造するには、未再結晶温度域において累積圧下率で40％以上の熱間圧延を行う必要がある。その理由として、未再結晶温度域における圧下量の増加は、圧延中のオーステナイト粒の微細化に寄与し、結果としてフェライト粒を微細化し機械的性質を向上させる効果があるからである。このような効果は、未再結晶域での累積圧下率が40％以上で顕著になる。

また、鋳片は850℃以上で熱間圧延を完了させた後、800℃以上の温度から５℃／ｓ以上の冷却速度で400℃以下まで冷却する必要がある。800℃以上から冷却する理由として、800℃未満より冷却を開始すると焼入れ性の観点から不利となり、所要の強度が得られない可能性があるからである。また、冷却速度が５℃／ｓ未満では、均一なミクロ組織を有した鋼を得ることが期待できないため、結果的に加速冷却の効果が小さい。また、一般に400℃以下まで冷却すれば変態は充分に完了する。さらに、本発明鋼板においては、５℃／ｓ以上の冷却速度にて400℃以下まで冷却を続けても充分な靱性を確保できるため、特にＴ処理を施さずに鋼板として使用できる。上記の理由により、本発明鋼板の製造条件として、鋼片を850℃以上までに熱間圧延を完了させた後、800℃以上の温度から５℃／ｓ以上の冷却速度で400℃以下まで冷却することを必要とする。

特に高い靱性値が要求され、熱間圧延後に焼戻し処理を施す場合は、400〜650℃の焼戻し温度で行う必要がある。焼戻し処理を行う場合、焼戻し温度が高温になるほど結晶粒成長の駆動力が大きくなるが、650℃を超えると粒成長が顕著になる。また、400℃未満の焼戻し処理では、その効果が充分に得られないことが考えられる。これらの理由により、熱間圧延後に焼戻し処理をする場合は、400〜650℃の焼戻し処理条件にて行うことを必要とする。

次に、本発明の実施例について述べる。

表１の化学成分を有する溶鋼を表２に示す二次冷却速度で鋳造したスラブを、表２にて示す条件にて熱間圧廷を行い鋼板とした後、機械的性質を評価するために各種試験を行った。引張試験片は各鋼板の板厚の１／４ｔ部位からJIS4号試験片を採取し、YS（0.2％耐力）、TS、EIを評価した。母材靱性は各鋼板の板厚１／４ｔより２mmＶノッチ試験片を採取し、−40℃でシャルピー衝撃試験を行い得られる衝撃吸収エネルギー値にて評価した。HAZ靱性は、溶接入熱10kJ／mm相当の再現熱サイクル試験を実施した鋼板を、−40℃でのシャルピー衝撃試験により得られる衝撃吸収エネルギー値によって評価した。なお、表２に示す鋳造時の冷却速度は、凝固実績より計算にて算出した二次冷却時の冷却速度である。また、表３に示すベイナイト分率は、ナイタールにてエッチングした鋼材の組織を光学顕微鏡で観察することによって評価した。便宣的に粒界フェライトおよびMA以外の部分をベイナイト組織とみなした。

表３には、各鋼における機械的性質をまとめたものを示す。鋼１〜22は本発明の例である鋼板について示したものである。表１および表２から明らかなように、これらの鋼板は化学成分と製造条件の各要件を満足しており、表３に示すように、母材特性が優れ、大入熱溶接においても−40℃でのシャルピー衝撃エネルギー値は150J以上と高靱性を有していることがわかる。また、規定範囲内であれば、Mo、Ｖ、Cr、Ca、Mgを添加しても、焼戻し処理を施しても良好な靱性が得られることがわかる。

一方、鋼23〜36は本発明から逸脱した比較例を示したものである。これらの鋼は、それぞれMn量（鋼23，28）、Ｃ量（鋼32，33）、Nb量（鋼24，35）、Ti量（鋼25）、Si量（鋼26）、Al量（鋼34）、Ｎ量（鋼27）、Mo、Ｖ量（鋼29）、Cr量（鋼27）、Ca、Mg量（鋼31）、鋳造時の冷却速度（鋼25）、焼戻し処理（鋼30）、累積圧下率（鋼28、32）、再加熱温度（鋼31）、圧延後の冷却開始温度（鋼36）、ベイナイト分率（鋼32、35）の条件が、発明の鋼の条件あるいは必要な製造条件と異なっているため、HAZ靱性が劣っているといえる。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０５〜０．３０％、
Ｍｎ：１．６〜３．０％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．００１〜０．０１５％、
Ｃｕ＋Ｎｉ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．０５０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、
Ｎ：０．００３８〜０．００６０％
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、鋼組織としてベイナイト組織を９０％以上有し、ＴｉＮ析出物の粒子径が０．４μｍ以下であることを特徴とする溶接熱影響部の低温靱性に優れた板厚５０ｍｍ以上の溶接構造用鋼板。
質量％で、更に、
Ｍｏ：０．２％以下、
Ｖ：０．０３％以下、
Ｃｒ：０．５％以下、
Ｃａ：０．００３５％以下、
Ｍｇ：０．００５０％以下
の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の溶接熱影響部の低温靱性に優れた板厚５０ｍｍ以上の溶接構造用鋼板。