JP6828638B2 - 鋼板および鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に開示される技術を検討した結果、TiとZrとの複合酸化物を生成させるために、TiとZrとを同時に添加し、かつTi量、Zr量およびO量のバランスを最適化しただけでは、HAZ靱性をさらに向上させることは不十分であることが分かった。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、大入熱溶接を行った際のHAZにおいて優れた靱性を有し、かつ、HAZと溶接金属部以外の部分である母材において優れた機械的特性を有する鋼板の提供を課題とするものである。
質量%で、
C :0.01%〜0.20%、
Si:0.02%〜0.50%、
Mn:0.30%〜2.50%、
Ti:0.003%〜0.024%、
B :0.0005%〜0.0050%、
N :0.0010%〜0.0090%、
O :0.0010%〜0.0050%、
Zr:0.0005%〜0.0100%、
Sol.Zr:0%〜0.0020%、
Cu:0.1%〜1.5%、
Ni:0.1%〜3.0%、
Al:0.0055%〜0.0550%、
P :0.050%以下、
S :0.0080%以下、
Nb:0%〜0.035%
Cr:0%〜1.0%、
Mo:0%〜1.00%、
V :0%〜0.10%
Ca+REM:0%〜0.0005%以下、並びに
残部:Fe及び不純物からなる化学組成を有し、
下記式(1)で表されるBFが、0.0005%〜0.0030%であり、
下記式(3)で表される炭素当量Ceq.が、0.35%〜0.50%であり、
圧延方向に垂直な断面の板厚方向の1/4位置の電子線後方散乱回折法(EBSD)を用いた結晶方位解析において、有効結晶粒径が30μm以下であり、
板厚方向の1/4位置のミクロ組織が面積率にして、フェライト分率が20%〜70%、ベイナイト分率が30%〜75%、およびパーライト分率が0%〜5%であり、
下記式(4)で表されるアレスト指数が−10以下であり、
平均組成として、酸化物全体のO量、Ti量、Zr量、およびAl量の測定値から求められる、Ti、ZrおよびAlの元素による単独酸化物と仮定したときの前記Ti、前記Zr、および前記Alの各元素の酸化物の質量換算値の合計に対する、Al酸化物の質量換算値の含有割合が5%〜70%以下、Zr酸化物の質量換算値の含有割合が5%〜70%以下、及びTi酸化物の質量換算値の含有割合の合計が5%〜70%以下の範囲を満足し、円相当径が0.5μm〜10μmの個数密度が10個/mm2以上である酸化物を含有し、
前記酸化物のうち、前記酸化物全体にする個数割合として10%以上が、下記組成Aを有する酸化物Aと、下記組成Bを有する酸化物Bとを有し、前記酸化物Aと前記酸化物Bとは互いに接しており、
組成A:前記各元素の酸化物の質量換算値の合計に対する、Al酸化物の質量換算値の含有割合が0%〜60%以下、Zr酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下、及びTi酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下
組成B:前記各元素の酸化物の質量換算値の合計に対する、Al酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下、Zr酸化物の質量換算値の含有割合が0%〜60%以下、及びTi酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下
前記酸化物AのZr含有量をZr(A)、前記酸化物BのZr含有量をZr(B)としたときの質量比がZr(A)/Zr(B)>1、前記酸化物AのAl含有量をAl(A)、前記酸化物BのAl含有量をAl(B)としたときの質量比がAl(A)/Al(B)<1を満足し、
前記酸化物Aの外周に対する、前記酸化物Aと前記酸化物Bとの接する長さの割合(前記酸化物Aと前記酸化物Bとが接する長さ/前記酸化物Aの外周)が30%〜100%であり、
前記酸化物Bの外周に対する、前記酸化物Bと地鉄とが接する長さの割合(前記酸化物Bと地鉄とが接する長さ/前記酸化物Bの外周)が30%〜100%である鋼板。
板厚が55mm以上であり、溶接熱影響部および溶接金属部以外の部分である、母材の降伏応力が460MPa以上であり、かつアレスト靱性値Kcaが6000N/mm1.5になる温度が−10℃以下である(1)に記載の鋼板。
板厚が55mm〜80mmの場合に、入熱40kJ/mm〜60kJ/mmで大入熱溶接を行ったときに発生する溶接熱影響部を、試験温度−40℃で行うシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが、板厚方向で、板厚の表側、板厚中心の位置(t/2)、及び板厚の裏側のすべての箇所において100J以上であり、かつ、溶接熱影響部および溶接金属部以外の部分である、母材の脆性延性遷移温度が−40℃以下である(1)又は(2)に記載の鋼板。
(1)〜(3)のいずれか1項に記載の鋼板を製造する方法であって、
減圧雰囲気の二次精錬において、AlおよびCの少なくとも1種を溶鋼に添加し、溶鋼中の溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%に調整し、溶存酸素量を調整した後の溶鋼に、Ti、Al、及びZrを、Ti、Al、及びZrの順序で添加した後、Ti、Al、及びZr添加後の溶鋼を鋳造して、鋳片を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程後の鋼片を、1000℃〜1150℃の温度域で加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後の鋼片を、650℃〜850℃の温度域で圧延を開始し、累積圧下率が50%以上、仕上圧延完了から1sec後の温度が圧延開始温度−80℃〜圧延開始温度+80℃となる圧延を実施する圧延工程と、
前記圧延工程後の鋼板を、650℃〜850℃の温度域であるときに水冷を開始し、鋼板表面から5mm位置と板厚方向の1/4位置の冷却速度を3℃/sec〜30℃/secかつ、表面温度が500℃以下の温度域で水冷を停止する冷却工程と、
を有する鋼板の製造方法。
(1)〜(3)のいずれか1項に記載の鋼板を製造する方法であって、
減圧雰囲気の二次精錬において、AlおよびCを溶鋼に添加することなく、溶鋼中の溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%に調整し、溶存酸素量を調整した後の溶鋼に、Ti、Al、及びZrを、Ti、Al、及びZrの順序で添加した後、Ti、Al、及びZr添加後の溶鋼を鋳造して、鋳片を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程後の鋼片を、1000℃〜1150℃の温度域で加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後の鋼片を、650℃〜850℃の温度域で圧延を開始し、累積圧下率が50%以上、仕上圧延完了から1sec後の温度が圧延開始温度−80℃〜圧延開始温度+80℃となる圧延を実施する圧延工程と、
前記圧延工程後の鋼板を、650℃〜850℃の温度域であるときに水冷を開始し、鋼板表面から5mm位置と板厚方向の1/4位置の冷却速度を3℃/sec〜30℃/secかつ、表面温度が500℃以下の温度域で水冷を停止する冷却工程と、
を有する鋼板の製造方法。
さらに、前記冷却工程後の鋼板を、300℃〜600℃の温度に再加熱する熱処理工程を有する(4)又は(5)に記載の鋼板の製造方法。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
しかし、Zrは一般的に鋼板に添加される元素ではなく、Zrが添加された鋼板として、過去に行われた研究は非常に限られたものであった。これまでに、Zrを含有する酸化物(特にZrとTiとを含有する酸化物)を鋼板に分散させた場合、固溶BがHAZ靱性向上に及ぼす効果について検討されたことはない。
以下、これらの新知見について説明する。
本発明者らは、粒内フェライトの核となる酸化物について、個々の酸化物毎に詳細に調査し、HAZ靱性の向上に及ぼす効果について調査検討を行った。
その結果、次の酸化物を含有していることで、HAZ靱性が改善することが判明した。
酸化物は、平均組成として、Ti酸化物、Zr酸化物、及びAl酸化物の質量換算値の合計に対して特定範囲であり、特定の円相当径(円形と仮定したときの円の直径に相当するもの)を有する酸化物を含有する。そして、この酸化物のうち、ZrとTiを主成分とする酸化物Aと、酸化物Aよりも、Zr酸化物の含有量が多く、Al酸化物の含有量が少ない酸化物Bとを有する。この酸化物Aは、酸化物Aの周囲の少なくとも一部(30%以上)が、酸化物Bと接している状態となり、酸化物Bの周囲の少なくとも一部(30%以上)が、地鉄と接する状態となる酸化物である。
Al酸化物の質量換算値の含有割合:5%〜70%
Zr酸化物の質量換算値の含有割合:5%〜70%
Ti酸化物の質量換算値の含有割合:5%〜70%
(各酸化物の下限は、好ましくは10%以上、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは20%以上。各酸化物の下限は、好ましくは65%以下、より好ましくは60%以下、さらに好ましくは55%以下である。)
円相当径が0.5μmより小さいと、粒内フェライトの生成核(IGF核)としての機能が低下する。一方、円相当径が10μmより大きいと、粗大な酸化物自体が破壊の起点として作用する可能性が高まる。そして、円相当径が0.5μm〜10μmである前記の組成を有する酸化物の個数密度が、10個/mm2以上(好ましくは20個/mm2以上、より好ましくは30個/mm2以上、さらに好ましくは50個/mm2以上、最も好ましくは60個/mm2以上)の場合には、Zrを含まない鋼板と比較して、HAZ組織の微細化によりHAZ靱性を改善することが明らかとなった。なお、第一の酸化物の個数密度の上限は特に限定されるものではないが、例えば、200個/mm2以下が挙げられる。
さらに、酸化物AのZr含有量をZr(A)、酸化物BのZr含有量をZr(B)としたときの質量比がZr(A)/Zr(B)>1、酸化物AのAl含有量をAl(A)、酸化物BのAl含有量をAl(B)としたときの質量比がAl(A)/Al(B)<1を満足する。
Zr酸化物の質量換算値の含有割合:15%〜95%
Ti酸化物の質量換算値の含有割合:15%〜95%
Al酸化物の質量換算値の含有割合:0%〜60%
Zr酸化物の質量換算値の含有割合:0%〜60%
Ti酸化物の質量換算値の含有割合:15%〜95%
Al酸化物の質量換算値の含有割合:15%〜95%
HAZ靱性のさらなる向上の点で、上記条件を満足する酸化物Aおよび酸化物Bの個数割合は、20%以上であることが好ましく、30%以上であることがより好ましい。
なお、個数割合は、分析対象とした上記平均組成、円相当径、及び個数密度を満足する酸化物(酸化物1とする)の個数に対する、上記条件を満足する酸化物Aおよび酸化物B(特定酸化物とする)の個数[(酸化物1の個数/特定酸化物の個数)]の百分率で表される。
例えば、SEM/EDX解析を、加速電圧15kV、電流を89μA〜91μAで測定した場合について述べる。O含有量、Ti含有量、Zr含有量、及びAl含有量の質量%の合計を求めて、その合計に対して、O含有量が1.0質量%以上である場合、この介在物を酸化物とする。そして、この酸化物について、下記式(5)〜下記式(7)を用いて、各元素の質量%から、これらの元素による単独酸化物と仮定したときの各元素の酸化物の質量換算値を算出する。
Ti2O3=Ti×3.003・・・(5)
ZrO2=Zr×1.351・・・(6)
Al2O3=Al×3.779・・・(7)
式(5)〜式(7)から求めたTi2O3、ZrO2、およびAl2O3の質量換算値の合計を求め、その合計に対する各元素の酸化物の割合を、酸化物に含まれる各元素の酸化物の含有割合(%)とする。
Ti2O3の含有割合(%)=Ti2O3/(Ti2O3+ZrO2+Al2O3)・・・(8)
ZrO2の含有割合(%)=ZrO2/(Ti2O3+ZrO2+Al2O3)・・・(9)
Al2O3の含有割合(%)=Al2O3/(Ti2O3+ZrO2+Al2O3)・・・(10)
HAZ組織の微細化に寄与するZrを含有する酸化物の条件としては、酸化物中にZrが一定量以上含有する必要がある。一方、酸化物を形成せず鋼板に残存するZr(固溶Zr(固溶Zrを「Sol.Zr」と表記される)は、HAZのみならず鋼板自体の靱性を著しく劣化させるため、鋼板におけるSol.Zrを低減する必要がある。Sol.Zrが少ないほど靱性は改善する傾向にあり、HAZ靱性に優れる鋼板を得るためには、Sol.Zrは0.0020質量%以下に制限することが重要である。より一層のHAZ靱性の改善のためには0.0010質量%以下(より好ましくは0.0005質量%以下)に制限することが好ましい。ここで、Sol.Zrは酸可溶性Zrであって、電解抽出残渣分析法などで測定可能な、鋼板に固溶しているZrに相当する。なお、酸不溶性Zrは、Insol.Zr(式(2)中のInsol.Zr)であり、鋼板中のZr量は、酸可溶性Zrと酸不溶性Zrの合計量である。
鋼板の旧オーステナイト粒界に偏析する固溶Bは、溶接時に粗大な粒界フェライトの生成を抑制し、HAZ靱性を改善する。酸化物中にZrを含有する酸化物を分散させた鋼板では、Zrを含有しない酸化物を分散させた鋼板よりも固溶Bが増加することを見出した。酸化物中にZr酸化物を含有させた鋼板における固溶Bの質量%(BF)は、鋼板に含まれるBの含有量からB窒化物となるBの質量%を引くことで求められる。すなわち、BFは下記式(1)で表される。この値が0.0005%以上(好ましくは0.0010%以上)のとき、固溶BによるHAZ靱性改善効果が得られる。BFが過剰になると、HAZ靱性が劣化する懸念がある。そのため、BFの上限は0.0030%以下とする。好ましくは0.0025%以下、より好ましくは0.0020%以下である。
さらに、BF<0になる場合は、BF=0とし、BF>Bになる場合はBF=Bとする。つまり、BasBNの値が負の値となる場合には、BF=Bとし、BasBNの値がBよりも大きくなる場合には、BF=0とする。
また、BasBN<0になる場合は、BasBN=0とし、BF>Bになる場合はBasBN=Bとする。つまり、BasBNの値が負の値となる場合には、BasBN=0とし、BasBNの値が式(1)中のBよりも大きくなる場合には、BasBN=Bとする。
なお、Sol.Zrは、酸可溶性Zrであって、電解抽出残渣分析法などで測定する鋼板に固溶しているZr含有量(質量%)である。Insol.Zrは、酸不溶性Zrの含有量(質量%)であり、Zr含有量からSol.Zr含有量を引いたものである。また、0≦Insol.Zr≦Zrを満たす。
なお、本実施形態に係る鋼板では、添加したBを全量固溶Bとして活用し、粒界フェライトを抑制する点で、BasBNは、BasBN≦0の関係になることがよい。すなわち、上記の式(2)で表されるBasBNが0%以下であることがよい。
酸化物粒子は溶鋼を脱酸する際に生成する。これを一次酸化物と称する。さらに、鋳造、及び凝固中に溶鋼温度の低下と共にAl、Zr、及びTiを含有する酸化物を生成する。これを二次酸化物と称する。本実施形態では、一次酸化物と二次酸化物のどちらを用いてもかまわない。ただし、鋳造、及び凝固中に溶鋼温度の低下と共に生成する酸化物の方が、溶鋼温度が高温時に生成する一次酸化物よりも微細な粒子が得られるので、二次酸化物を用いることが好ましい。
鋳片の製造過程:転炉→取鍋→二次精錬→連続鋳造の過程において、鋳片に残留する酸化物系介在物は、特に、二次精錬における脱酸開始前の溶鋼中の溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%(好ましい上限は0.0080%以下、より好ましくは0.0050%以下)に制御し、かつ脱酸元素であるTi、Al、及びZrをこの順で添加することで、酸化物の平均粒径が顕著に微細化し、酸化物の個数密度が増大することを知見した。
さらに、この酸化物のうち、酸化物全体にする個数割合として10%以上が、下記条件を満足する酸化物となることを知見した。
ZrおよびTiを含む酸化物Aと、AlおよびTiを含む酸化物Bとを有し、酸化物Aと酸化物Bとは互いに接している。
また、酸化物AのZr含有量Zr(A)と、酸化物BのZr含有量Zr(B)との質量比がZr(A)/Zr(B)>1、酸化物AのAl含有量Al(A)と、酸化物BのAl含有量Al(B)との質量比がAl(A)/Al(B)<1を満足する。
そして、酸化物Aと酸化物Bとが接する長さ/前記酸化物Aの外周の比が30%〜100%であり、酸化物Bと地鉄とが接する長さの割合/酸化物Bの外周)が30%〜100%である。
母材組織は、フェライト、ベイナイトおよびパーライトの混合組織、又はフェライトおよびベイナイトの混合組織である。ところが、フェライトとベイナイトとが混在する組織において、通常の光学顕微鏡による組織観察(以下、「光顕観察」と称する場合がある。)のみでは、基本組織単位を客観的に定義し、そのサイズを測定することは非常に困難である。そこで、本発明者らは、光顕観察に加えて、電子線後方散乱回折法(EBSD:Electron Back Scatter Diffraction pattern)を用いた結晶方位解析を行い、ミクロ組織を解析した。
なお、本明細書中において母材と称する場合、母材は、HAZと溶接金属部以外の部分を示す。
さらに、t/4部のそれぞれの部位毎に、主圧延方向に対して垂直な方向(幅方向)の断面に対し、EBSD法により、500μm×500μmの領域を1μmピッチで測定した。隣接粒との結晶方位差が15°以上の境界を結晶粒界と定義し、結晶粒界に囲まれた領域の円相当径(直径)の加重平均を、それぞれの部位の有効結晶粒径とした。
t/4部のベイナイト分率は、t/4部のパーライト分率とt/4部のフェライト分率以外との残部とした。つまり、t/4部のベイナイト分率と、t/4部のパーライト分率と、t/4部のフェライト分率との合計は、面積率で100%である。
なお、加重平均は以下の方法で求めた。1つの視野にN個の結晶粒があるとし、各結晶粒の面積がA1、A2、A3、・・・Ai、・・・ANがあり、各粒の円相当径(直径)がD1、D2、D3、・・・Di、・・・DNであるとする。その場合、有効結晶粒径(Deff)は下記式(11)により求められる。
なお、t/4部の有効結晶粒径は、本実施形態では、1μm以上の有効結晶粒径を測定した。t/4部の有効結晶粒径は、小さければ小さいほうがよく、下限値としては、特に限定されないが、例えば、5μm以上が挙げられ、さらに1μm以上が挙げられる。
アレスト指数=0.34×t+0.40×vTrs(表)+0.12×NDTT(t/2)・・・(4)
t:板厚(mm)
vTrs(表):鋼板表面5mm部の圧延方向平行のシャルピー衝撃試験における、脆性延性遷移温度[℃]
NDTT(t/2):鋼板の板厚1/2の位置の圧延方向平行のNRL(Naval Research Laboratory)落重試験におけるNDT(Nil−Ductility Transition;無延性遷移)温度[℃]
以下の説明において、各元素の説明における「%」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る。C量が0.01%未満では必要とする強度を確保することができない。しかし、C量が0.20%を超えると、母材、及びHAZ共に靱性を確保することが難しくなる。C量の好ましい下限は0.03%以上、より好ましくは0.05%以上である。C量の好ましい上限は0.15%以下、より好ましくは0.10%以下である。
Siは、鋼板の焼入れ性を高め、鋼板の強度上昇に寄与する。この効果を得るためには0.02%以上のSiを含有させる必要がある。好ましくはSi量を0.05%以上とする。一方で、Siは酸素との反応性も高く脱酸作用を有するため、ZrとTiとを含有する複合酸化物の形成に影響を及ぼす。0.50%を超えてSiを含有させた場合、酸化物の組成が変化し、HAZ組織の微細化が達成されず、HAZ靱性の低下をもたらす。より好ましいSi量の上限は0.40%以下、更に好ましい上限は0.30%以下である。
Mnは、鋼板の焼入れ性を高める効果があり、強度及び靱性の確保に有効な成分である。Mn量が0.30%未満では、焼入れ性の不足によって強度及び靱性が得られない。しかし、2.50%を超えてMnを含有させると、凝固時のMn偏析により中心偏析部の靱性を低下させるとともに、焼入れ性が高まりすぎて母材、HAZともに硬さの増大を招き靱性が劣化する。Mn量の好ましい下限は0.60%以上、好ましい上限は2.00%以下である。
Tiは、Tiの単独酸化物だけでなく、Zrと共に複合酸化物を形成する。そして、特に、この複合酸化物がHAZにおける粒内フェライト生成核として機能して、HAZ組織の微細化に寄与する。この効果を得るためには、Tiを0.003%以上含有させる必要がある。一方で、Tiは窒化物を生成するが、Ti窒化物が多量に生成するとB窒化物の生成量が抑制され、本実施形態で所望する効果が得られなくなる。更に、過剰なTiはTiCを形成し、母材及びHAZの靱性を劣化させる。よって、Ti量の上限を0.024%以下とする必要がある。Ti量の好ましい下限は0.005%以上、好ましい上限は0.020%以下である。
Bは、鋼板において窒素と結合し、ZrとTiとを含有する複合酸化物の周囲にフィルム状のB窒化物を生成する。B量を0.0005%以上にすることにより、HAZにおける粒内フェライト生成能を高め、組織の微細化を通じて靱性の改善に寄与する。また、固溶Bはオーステナイト粒界に偏析することで、粗大な粒界フェライト生成を抑制する。HAZ靱性を更に改善するために、B量は0.0010%以上が好ましい。一方、B量が過剰な場合、強度を高める効果が飽和し、母材、HAZともに靱性劣化の傾向が著しくなる。したがって、B量を0.0050%以下とする。B量の好ましい上限は0.0030%以下、より好ましくは0.0025%以下、さらに好ましくは0.0020%以下である。
Nは、鋼板においてBと結合し、B窒化物を形成させるために必要な元素であり、このためには0.0010%以上のNを含有させる必要がある。一方、N量が過剰な場合、母材及びHAZの靱性劣化を招くため、上限を0.0090%以下とする。N量の好ましい下限は0.0020%以上、好ましい上限は0.0060%以下である。
O(酸素)は、ZrとTiとを含有する複合酸化物の生成に不可欠な元素であり、0.0010%以上のOを含有させる必要がある。しかし、O量が過剰な場合、酸化物が過剰に生成し、鋼板の清浄性を劣化させ母材靱性及び伸び絞り等の延性に悪影響を及ぼす。このためO量の上限を0.0050%以下とする。O量の好ましい下限は0.0015%以上、好ましい上限は0.0040%以下である。
Zrは酸化物の微細分散、固溶Bの増加に不可欠な元素であり、0.0005%以上含有させる必要がある。Zr酸化物、ZrとTiの複合酸化物はHAZにおける粒内フェライト生成核として機能し、HAZ組織の微細化に寄与する。この効果を得るためには、Zrを0.0005%以上にする必要がある。好ましくは0.0010%以上、さらに好ましくは0.0015%以上とする。一方、Zrが過剰な場合、鋳造時にノズル閉塞が発生する可能性があるため、上限を0.0100%以下とする。好ましい上限は0.0050%以下、より好ましくは0.0040%以下である。
Sol.Zrは酸可溶性Zrの意で、鋼板に固溶しているZrを表わす。Sol.Zrの含有量が増えると、HAZ靱性を著しく劣化させるため、その上限を0.0020%以下に制限する必要がある。Sol.Zrの好ましい上限は0.0010質量%以下、より好ましい上限は0.0005質量%以下である。Sol.Zrは少ないほど好ましいため下限は特に規定せず、0%でもよい。Sol.Zrは、電解抽出残渣分析法によって測定することができる。電解抽出残渣分析法は、鋼板を非水溶媒中での電解によって母相を溶解させて、残渣(析出物および介在物)を孔径0.1μm〜0.2μmのフィルター抽出し、分離する方法である。分離後、溶液に含まれるZrの量がSol.Zr量である。なお、Insol.Zrは酸不溶性Zrであり、Insol.Zr量とSol.Zr量を足したものがZr量である。
Cuは、強度及び耐食性を向上させる効果を有するため、Cuを0.1%以上含有させる。より好ましくはCu量を0.2%以上とする。一方、1.5%を超えてCuを含有させても、合金コスト上昇に見合った性能の改善が見られず、鋼板表面割れの原因となる場合がある。好ましくはCu量の上限を1.0%以下とし、より好ましくは0.5%以下とする。
Niは、固溶状態において鋼のマトリックス(生地)の靱性を高める効果がある。Niを含有する効果を得るためには、Niを0.1%以上含有させる。一方、3.0%を超えてNiを含有させても、合金コストの上昇に見合った特性の向上が得られない。好ましくはNi量の上限を2.0%以下、より好ましくは1.0%以下とする。
Alは、重要な脱酸元素であり、下限を0.0055%以上とする。Al量の好ましい下限は0.0060%以上、より好ましくは0.0065%以上、さらに好ましくは0.0070%以上ある。一方、Al量が過剰であると、粗大なクラスター状のアルミナ(Al2O3)系介在物の形成を助長し、母材及びHAZの靱性を劣化させる。そのため、Al量の上限値は0.0550%以下とする。Al量の好ましい上限は0.0500%以下、より好ましくは0.0400%以下、さらに好ましくは0.0300%以下である。
Pは、不純物として鋼板に不可避的に存在する。しかし、P量が0.050%を超えるとオーステナイト粒界に偏析して靱性を低下させるのみならず、溶接時に高温割れを招く原因となる。P量の好ましい上限は0.030%以下、より好ましくは0.010%以下である。P量は少ないほど好ましいため下限は特に規定しないが、製造コストの観点から、0.001%以上であってもよい。
Sは、不純物として鋼板に不可避的に存在する。S量が多すぎると中心偏析部において延伸したMnSが多量に生成するため、母材及びHAZにおける靱性および延性が劣化する。このためS量の上限を0.0080%以下とする。S量の好ましい上限は0.0050%以下、より好ましくは0.0040%以下、さらに好ましくは0.0030%以下である。S量は少ないほど好ましいため下限は特に規定しないが、製造コストの観点から、0.0001%以上であってもよい。
Crは、耐食性を高めるとともに、焼入性を高めることで強度の向上に有用であるので、必要に応じて鋼板に含有させてもよい。Crを含有する効果を有効に得るためには、Crを0.1%以上含有させることが好ましい。一方、1.0%を超えてCrを含有させても、耐食性を向上させる効果が飽和し、また、HAZが硬化して靱性を劣化させる場合がある。好ましくはCr量の上限を0.5%以下とする。
Moは、母材の強度と靱性を向上させる効果があるので、必要に応じて鋼板に含有させてよい。Moを含有する効果を有効に得るためには、Moを0.01%以上含有させることが好ましい。一方、1.00%を超えてMoを含有させると、特にHAZの硬度が高まり、靱性を劣化させる場合がある。好ましくはMo量の上限を0.50%以下、より好ましくは0.30%以下とする。
Nbは、細粒化と炭化物析出により母材の強度及び靱性を向上させるので、必要に応じて鋼板に含有させてよい。Nbを含有する効果を有効に得るためには、Nbを0.005%以上含有させることが好ましい。一方、0.035%を超えてNbを含有させると、効果が飽和するとともに、HAZの靱性を損なう場合がある。より好ましくはNb量の上限を0.025%以下、さらに好ましくは0.015%以下とする。
Vは、主に焼戻し時の炭窒化物析出により母材の強度を向上させる効果があるので、必要に応じて鋼板に含有させてもよい。Vを含有する効果を有効に得るためには、Vを0.01%以上含有させることが好ましい。一方、0.10%を超えてVを含有させると、効果が飽和するとともに、硬度が高まり、靱性劣化を招く場合がある。好ましくはV量の上限を0.05%以下とする。
Ca及びREMは、Alよりも更に優先的に酸素と反応しやすい元素である。所望するZrとTiとを含有する複合酸化物を形成させるために、Ca及びREMの含有量の合計(Ca+REM)を0.0005%以下に制限する。より好ましくはCaが0.0003%未満、かつREMが0.0003%未満で、その含有量の合計が0.0005%以下である。CaとREMは少ないほど好ましいため下限値は特に規定せず、0%でもよい。
なお、Ca及びREMは鋼板において強脱酸元素として作用し、ZrおよびTiの酸化物生成を阻害するため、意図的に含有させず、可能な限り低減することが必要である。
ここで、「REM」とはSc、Y、及びランタノイドの合計17元素の総称であり、REMの含有量はREMのうちの1種または2種以上の元素の合計含有量を指す。
本実施形態に係る鋼板は、下記式(3)により求められる炭素当量Ceq.を、0.35%〜0.50%とする。
Ceq.=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5・・・(3)
ここで、各成分は鋼板中に含有されている各成分の質量%である。含有量が0質量%の元素がある場合には、式(1)中の該当する元素の含有量として0質量%を代入して計算する。
減圧雰囲気の二次精錬において、溶鋼中の溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%に調整し、溶存酸素量を調整した後の溶鋼に、Ti、Al、及びZrを、Ti、Al、及びZrの順序で添加した後、Ti、Al、及びZr添加後の溶鋼を鋳造して、鋳片を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程後の鋼片を、1000℃〜1150℃の温度域で加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後の鋼片を、650℃〜850℃の温度域で圧延を開始し、累積圧下率が50%以上、仕上圧延完了から1sec後の温度が圧延開始温度−80℃〜圧延開始温度+80℃となる圧延を実施する圧延工程と、
前記圧延工程後の鋼板を、650℃〜850℃の温度域であるときに水冷を開始し、鋼板表面から5mm位置と板厚方向の1/4位置の冷却速度を3℃/sec〜30℃/secかつ、表面温度が500℃以下の温度域で水冷を停止する冷却工程と、
を有する。なお、鋳片(鋼片)は、前述の化学組成を有する。
以下、各工程について説明する。
本実施形態に係る鋼板を得るには、前述のように、脱酸開始前の溶存酸素量を制御する。
具体的には、減圧雰囲気の二次精錬において、溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%に調整した溶鋼に、Ti、Al、及びZrの順に添加した後の溶鋼を鋳造する。減圧雰囲気の二次精錬における溶鋼中の溶存酸素量は、AlおよびCのうちの少なくとも1種を添加した後に調整してもよく、AlおよびCを添加することなく調整してもよい。Ti、Al、Zrは単独金属または合金のいずれの形態で添加してもよい。
なお、二次精錬を行う方法は、特に限定されないが、例えば、RH(Ruhrstahl−Heraeus)による方法が挙げられる。
例えば、転炉精錬後に、真空精錬装置または不活性ガス中での精錬装置によって行われる減圧雰囲気下の二次精錬において、溶鋼の溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%の範囲に調整する。その後、Ti、Al、及びZrの順序で添加し、前述の化学組成となるように溶鋼を調整する。そして、連続鋳造等により鋳片(鋼片)を得る。
上記のように、二次精錬において、溶鋼の溶存酸素量を調整する前の溶鋼に、AlおよびCのうちの少なくとも1種を添加してもよく、AlおよびCを添加しなくてもよい。
また、前述の各元素の添加方法については、化学組成が上記条件を満足するように鋼板に含有できる方法であれば、特に限定されるものではない。
まず、上記で説明した所定の化学組成を有する鋼片を1000℃〜1150℃で加熱し、その加熱温度で一定時間保持する。保持時間は微量合金元素(例えば、Nbを含む場合はNb)が均一に固溶すればよく、特に規定はしないが、例えば、30分〜500分の間で行うことがよい。なお、保持時間とは設定した炉温に対して、20℃低い温度に達してから抽出するまでの時間とする。また、加熱温度とはその間の平均温度と定義する。
次に、加熱工程を経た後の鋼片に圧延を行う。まず、加熱で生成したγ粒(オーステナイト粒)を再結晶により効果的に微細化するため、鋼片に粗圧延を行う。粗圧延は、900℃以上の温度域で圧延を行うとよい。
なお、圧延工程における圧下率は、仕上圧延における累積圧下率を表す。累積圧下率とは、所定の温度範囲にある複数パスにおいて、(最初のパスの入側板厚−最後のパスの出側板厚)/最初のパスの入側板厚)×100(%)で表される。
仕上圧延完了後は、板表面温度が650℃〜850℃の温度から水冷を開始し、鋼板表面から5mm位置と1/4位置の冷却速度を3℃/sec〜30℃/sec、かつ、表面温度が500℃以下の温度域で水冷を停止する。
冷却開始温度が650℃以上であると母材強度が確保しやすくなる。仕上圧延を行う温度(仕上圧延温度)が850℃以下であると、仕上圧延温度が高くなりすぎず、母材靱性を確保しやすくなる。
また、鋼板表面から5mm位置と1/4位置の冷却速度が、3℃/sec以上だと母材強度が確保しやすくなる。また、30℃/sec以下であると硬さ分布を制御し得るため、鋼板表面から5mm位置と1/4位置との硬度が過剰とならず、アレスト性が確保しやすくなる。
なお、鋼板表面から5mm位置と1/4位置の冷却速度は、例えば、冷却水量および通板速度等の調整によって制御し得る。上記の冷却速度は、冷却水量、通板速度、鋼板の熱伝導率などから計算によって算出できる。
以上の製造方法により、本実施形態に係る鋼板が得られる。
本実施形態に係る鋼板の好ましい製造方法は、さらに、冷却工程後の鋼板に、300℃〜600℃の温度で再加熱する熱処理工程を有していてもよい。
熱処理工程は、鋼板の強度および靭性を調整するために、冷却工程を経た鋼板に対して、再加熱(焼戻し熱処理)を行う工程である。再加熱温度が300℃以上であると、延性および靭性が改善されやすくなり、600℃以下であると、アレスト性の低下が抑制され得る。熱処理温度の下限は400℃としてもよい。
また、Al酸化物の質量換算値の含有割合が5%〜70%以下、Zr酸化物の質量換算値の含有割合が5%〜70%以下、Ti酸化物の質量換算値の含有割合の合計が5%〜70%以下を満足し、円相当径が0.5μm〜10μmを満足する酸化物の個数密度を示す。
さらに、この酸化物全体に対する特定酸化物の個数割合を示す。
なお、特定酸化物は、酸化物Aと、酸化物Bとが互いに接しており、酸化物AのZr酸化物含有量が、酸化物BのZr酸化物含有量よりも多く、酸化物AのAl酸化物含有量が酸化物BのAl酸化物含有量よりも少なく、酸化物Aと酸化物Bとが接する長さ/酸化物Aの外周が30%〜100%であり、酸化物Bと地鉄とが接する長さの割合/酸化物Bの外周が30%〜100%であることを満足する酸化物を表す。
そして、母材靱性、母材強度、溶接条件(入熱)、アレスト指数、およびHAZ靱性を示す。
なお、表5,6中、「α分率」はフェライトの面積分率を、「B分率」はベイナイトの面積分率を、「P分率」はパーライトの面積分率を、それぞれ表す。
「表下5」は、鋼板表面5mm部を、「t/4」は、板厚方向のt/4部を、それぞれ表す。
鋼は、400トン転炉溶製し、RH(Ruhrstahl−Heraeus)による2次精錬の真空脱ガス処理時に脱酸を行っている。表3、表4に示す値となるように、Ti、Al、及びZr投入前に溶存酸素を調整し、その後、表3、表4に示す添加順序で、Ti、Al、及びZrを添加して脱酸を行った。その後、連続鋳造により280mm〜360mm厚鋳片に鋳造した後、表3、表4に示す条件で、加熱、圧延、及び冷却の各工程を経て、板厚55mm〜80mmの鋼板として製造した。その後、材質調整のため、必要に応じて、熱処理を実施した。熱処理時のテンパー温度は、440℃から570℃の条件で行った。一部の鋼は、溶存酸素を調整する前に、AlおよびCの少なくとも1種を溶鋼に添加した。
得られた鋼板を溶接して、各試験に供した。溶接条件の入熱は、40kJ/mm〜60kJ/mmである。
まず、有効結晶粒径の測定方法について説明する。鋼板の幅中央、鋼板表面5mm部と板厚方向の1/4位置から試験片を採取し、圧延方向と垂直な面を鏡面研磨し、その面をEBSD法により、500μm×500μmの領域を1μmピッチで測定した。隣接粒との結晶方位差が15°以上の境界を結晶粒界と定義し、結晶粒界に囲まれた領域の円相当径(直径)の加重平均を有効結晶粒径とした。加重平均は、前述の式(11)により求めた。
パーライト分率は、鋼板の幅中央、板厚方向の1/4位置から試験片を採取し、圧延方向と垂直な面を鏡面研磨し、ナイタール腐食し、光学顕微鏡を用いて、500倍の倍率で4視野撮影し、各視野のパーライト分率を求め、その平均値をパーライト分率とした。なお、1つの視野の大きさは、200μm×200μmである。また、パーライトは、ナイタール腐食した際、塊状の黒色に見えるものとし、画像解析を行うことによって求めた。
フェライトは、先のEBSD法により測定した測定点同士が第一近接する場合のKAM(Kernel Average Misorientation)値が、1°以下である部分とし、このフェライトの面積分率をt/4部に対して求めた。
ベイナイト分率は、パーライト分率とフェライト分率の残部とした。
Ti2O3=Ti×3.003・・・(5)
ZrO2=Zr×1.351・・・(6)
Al2O3=Al×3.779・・・(7)
表8に各元素の酸化物の質量換算値を示す(表8の全体欄を参照。)。
Ti2O3の含有割合(%)=Ti2O3/(Ti2O3+ZrO2+Al2O3)・・・(8)
ZrO2の含有割合(%)=ZrO2/(Ti2O3+ZrO2+Al2O3)・・・(9)
Al2O3の含有割合(%)=Al2O3/(Ti2O3+ZrO2+Al2O3)・・・(10)
この酸化物の平均組成の計算結果を表9に示す(表9の全体欄を参照。)。
表9に示すように、図1に示す酸化物は、領域Aを構成する酸化物中のZr酸化物の含有量が、領域Bを構成する酸化物中のZr酸化物の含有量に対して1倍を超えている。また、領域Aを構成する酸化物中のAl酸化物の含有量が、領域Bを構成する酸化物中のAl酸化物の含有量に対して1倍未満である。そして、領域Aを構成する酸化物中のAl含有量が、領域Bを構成する酸化物中のAl含有量よりも少ない。
そして、領域Aを構成する酸化物の外周に対する、領域Aを構成する酸化物と領域Bを構成する酸化物とが接する長さの割合が30%〜100%の範囲を満足していた。また、領域Bを構成する酸化物の外周に対する、領域Bを構成する酸化物と地鉄とが接する長さの割合が30%〜100%の範囲を満足していた。
母材強度は、JIS Z 2241(2011)に準拠し、板厚方向の1/4位置で、圧延方向に対して垂直方向から引張試験片を採取した。引張試験片の各2本を試験測定し、その平均値を求めた。引張試験片は、JIS Z 2241(2011)の4号試験片とした。
NRL落重試験は、ASTM E208に準拠して行った。板厚方向の1/2位置(t/2)に脆化ビードを付与できるように、圧延方向に対して平行方向から試験片を採取し、Nil−Ductility Transition(無延性遷移)温度(以下、「NDTT」と称する場合がある)を求めた。
上記の試験により求められた表下5mm位置の脆性延性遷移温度(vTrs)と、板厚方向の1/2位置のNDTTと、板厚とを、前述の式(4)に代入して、アレスト指数を算出した。
そして、NK船級 鋼船規則 K編 材料(2015)に準拠し、U4号試験片を、溶接線方向に対して垂直方向から、板厚の表側から板厚中心方向6mmの位置(表下)、板厚中心の位置(t/2)、板厚の裏側から板厚中心方向6mmの位置(裏下)を中心として、それぞれ3本採取し、フュージョンライン(境界部)に2mmVノッチを加工して作成した。試験は、試験温度−20℃の条件で3回を行い、この平均値からHAZの吸収エネルギー(vE−20)を、表下、t/2、及び裏下のそれぞれの位置について求めた。表下、t/2、及び裏下のそれぞれの位置でのHAZの吸収エネルギー(vE−20)が、それぞれ100J以上のものをHAZ靱性に優れると評価した。
一方、鋼28〜鋼56は、本実施形態に係る鋼板で規定される範囲を外れるものであるため、大入熱溶接を行った際に、優れたHAZ靱性が劣位であった。また、HAZ靱性
に優れていても、HAZと溶接金属部以外の部分である母材における機械的特性が劣位であった。
Claims (6)
- 質量%で、
C :0.01%〜0.20%、
Si:0.02%〜0.50%、
Mn:0.30%〜2.50%、
Ti:0.003%〜0.024%、
B :0.0005%〜0.0050%、
N :0.0010%〜0.0090%、
O :0.0010%〜0.0050%、
Zr:0.0005%〜0.0100%、
Sol.Zr:0%〜0.0020%、
Cu:0.1%〜1.5%、
Ni:0.1%〜3.0%、
Al:0.0055%〜0.0550%、
P :0.050%以下、
S :0.0080%以下、
Nb:0%〜0.035%
Cr:0%〜1.0%、
Mo:0%〜1.00%、
V :0%〜0.10%
Ca+REM:0%〜0.0005%以下、並びに
残部:Fe及び不純物からなる化学組成を有し、
下記式(1)で表されるBFが、0.0005%〜0.0030%であり、
下記式(3)で表される炭素当量Ceq.が、0.35%〜0.50%であり、
圧延方向に垂直な断面の板厚方向の1/4位置の電子線後方散乱回折法(EBSD)を用いた結晶方位解析において、有効結晶粒径が30μm以下であり、
板厚方向の1/4位置のミクロ組織が面積率にして、フェライト分率が20%〜70%、ベイナイト分率が30%〜75%、およびパーライト分率が0%〜5%であり、
下記式(4)で表されるアレスト指数が−10以下であり、
平均組成として、酸化物全体のO量、Ti量、Zr量、およびAl量の測定値から求められる、Ti、ZrおよびAlの元素による単独酸化物と仮定したときの前記Ti、前記Zr、および前記Alの各元素の酸化物の質量換算値の合計に対する、Al酸化物の質量換算値の含有割合が5%〜70%以下、Zr酸化物の質量換算値の含有割合が5%〜70%以下、及びTi酸化物の質量換算値の含有割合の合計が5%〜70%以下の範囲を満足し、円相当径が0.5μm〜10μmの個数密度が10個/mm2以上である酸化物を含有し、
前記酸化物のうち、前記酸化物全体にする個数割合として10%以上が、下記組成Aを有する酸化物Aと、下記組成Bを有する酸化物Bとを有し、前記酸化物Aと前記酸化物Bとは互いに接しており、
組成A:前記各元素の酸化物の質量換算値の合計に対する、Al酸化物の質量換算値の含有割合が0%〜60%以下、Zr酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下、及びTi酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下
組成B:前記各元素の酸化物の質量換算値の合計に対する、Al酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下、Zr酸化物の質量換算値の含有割合が0%〜60%以下、及びTi酸化物の質量換算値の含有割合が15%〜95%以下
前記酸化物AのZr含有量をZr(A)、前記酸化物BのZr含有量をZr(B)としたときの質量比がZr(A)/Zr(B)>1、前記酸化物AのAl含有量をAl(A)、前記酸化物BのAl含有量をAl(B)としたときの質量比がAl(A)/Al(B)<1を満足し、
前記酸化物Aの外周に対する、前記酸化物Aと前記酸化物Bとの接する長さの割合(前記酸化物Aと前記酸化物Bとが接する長さ/前記酸化物Aの外周)が30%〜100%であり、
前記酸化物Bの外周に対する、前記酸化物Bと地鉄とが接する長さの割合(前記酸化物Bと地鉄とが接する長さ/前記酸化物Bの外周)が30%〜100%である鋼板。
(ただし、式(1)中、BasBNは式(2)で表わされる。また、Bは、鋼板に含まれる前記B元素の含有量(質量%)であり0≦BF≦Bの関係を満たす。)
(ただし、式(2)中、0≦BasBN≦Bの関係を満たし、N、Ti、O、及びAlは、鋼板に含まれる前記N、Ti、O、及びAlの各元素の含有量(質量%)であり、Insol.Zrは、酸不溶性Zrの含有量(質量%)であることを表す。)
Ceq.=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5・・・(3)
(ただし、式(3)中のC、Mn、Cu、Ni、Cr、MoおよびVは、鋼板に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。)
アレスト指数=0.34×t+0.40×vTrs(表)+0.12×NDTT(t/2)・・・(4)
(ただし、式(4)中、tは板厚[mm]であり、vTrs(表)は表下5mm位置、圧延方向と平行方向のシャルピー衝撃試験における脆性延性遷移温度[℃]であり、NDTT(t/2)は前記鋼板表面から板厚方向の1/2の位置のNaval Research Laboratory落重試験におけるNil−Ductility Transition(無延性遷移)温度であることを表す。) - 板厚が55mm以上であり、溶接熱影響部および溶接金属部以外の部分である、母材の降伏応力が460MPa以上であり、かつアレスト靱性値Kcaが6000N/mm1.5になる温度が−10℃以下である請求項1に記載の鋼板。
- 板厚が55mm〜80mmの場合に、入熱40kJ/mm〜60kJ/mmで大入熱溶接を行ったときに発生する溶接熱影響部を、試験温度−40℃で行うシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが、板厚方向で、板厚の表側、板厚中心の位置(t/2)、及び板厚の裏側のすべての箇所において100J以上であり、かつ、溶接熱影響部および溶接金属部以外の部分である、母材の脆性延性遷移温度が−40℃以下である請求項1又は請求項2に記載の鋼板。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の鋼板を製造する方法であって、
減圧雰囲気の二次精錬において、AlおよびCの少なくとも1種を溶鋼に添加し、溶鋼中の溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%に調整し、溶存酸素量を調整した後の溶鋼に、Ti、Al、及びZrを、Ti、Al、及びZrの順序で添加した後、Ti、Al、及びZr添加後の溶鋼を鋳造して、鋳片を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程後の鋼片を、1000℃〜1150℃の温度域で加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後の鋼片を、650℃〜850℃の温度域で圧延を開始し、累積圧下率が50%以上、仕上圧延完了から1sec後の温度が圧延開始温度−80℃〜圧延開始温度+80℃となる圧延を実施する圧延工程と、
前記圧延工程後の鋼板を、650℃〜850℃の温度域であるときに水冷を開始し、鋼板表面から5mm位置と板厚方向の1/4位置の冷却速度を3℃/sec〜30℃/secかつ、表面温度が500℃以下の温度域で水冷を停止する冷却工程と、
を有する鋼板の製造方法。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の鋼板を製造する方法であって、
減圧雰囲気の二次精錬において、AlおよびCを溶鋼に添加することなく、溶鋼中の溶存酸素量を質量%で、0.0005%〜0.0100%に調整し、溶存酸素量を調整した後の溶鋼に、Ti、Al、及びZrを、Ti、Al、及びZrの順序で添加した後、Ti、Al、及びZr添加後の溶鋼を鋳造して、鋳片を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程後の鋼片を、1000℃〜1150℃の温度域で加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後の鋼片を、650℃〜850℃の温度域で圧延を開始し、累積圧下率が50%以上、仕上圧延完了から1sec後の温度が圧延開始温度−80℃〜圧延開始温度+80℃となる圧延を実施する圧延工程と、
前記圧延工程後の鋼板を、650℃〜850℃の温度域であるときに水冷を開始し、鋼板表面から5mm位置と板厚方向の1/4位置の冷却速度を3℃/sec〜30℃/secかつ、表面温度が500℃以下の温度域で水冷を停止する冷却工程と、
を有する鋼板の製造方法。 - さらに、前記冷却工程後の鋼板を、300℃〜600℃の温度に再加熱する熱処理工程を有する請求項4又は請求項5に記載の鋼板の製造方法。
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