JP7468814B1 - 高強度極厚鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
I{001}<110>+I{112}<110>+I{332}<113>>5、
I{110}<001>+I{110}<110>+I{001}<010>≦3
を満足し、かつ板厚中心部では、
I{001}<110>+I{112}<110>+I{332}<113>≧3.5
を満足するように集合組織を制御する。これにより脆性亀裂伝播停止特性を高める技術が、特許文献4に開示されている。
なお、降伏強度、vTrsおよびKca値は、後述する実施例に記載の方法で測定できる。
[1] 質量%で、
C:0.040~0.150%、
Si:0.02~0.50%、
Mn:1.00~2.50%、
P:0.020%以下、
S:0.010%以下、
Al:0.010~0.100%、
N:0.0010~0.0100%以下、および
O:0.0100%以下
を含有し、かつ、式(1)で定義されるCeqが0.480~0.560%であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
板厚1/2位置における圧延面での(211)面のX線強度比が1.60以上である集合組織を有し、
面積分率で、ベイナイト相:80~100%およびフェライト相:0~20%からなる混合組織であり、方位差15°以上の粒界に囲まれたベイナイトの結晶粒の平均粒径:20μm以下であり、かつ、板厚1/2位置に残存する最大ポロシティの円相当径:200μm以下である、板厚1/2位置における鋼組織を有し、
板厚が100mm超であり、
板厚1/2位置における降伏強度が390MPa以上であり、板厚1/2位置におけるシャルピー破面遷移温度がvTrs≦-100℃であり、かつ、Kca(-10℃)の値が8400N/mm3/2以上である、高強度極厚鋼板。
Ceq=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(1)
ここで、式(1)におけるC、Mn、Cu、Ni、Cr、MoおよびVは各元素の含有量(質量%)を表し、含有しない元素は含有量を0とする。
[2] 前記成分組成に加えて、質量%で、以下のA群およびB群のうちから選ばれた1群または2群を含有する、[1]に記載の高強度極厚鋼板。
A群:Ti:0.030%以下、Nb:0.050%以下、Cu:2.00%以下、Ni:2.50%以下、およびCr:2.00%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
B群:Mo:0.50%以下、V:0.50%以下、W:0.50%以下、Co:0.50%以下、B:0.0100%以下、Ca:0.0100%以下、Mg:0.0100%以下、およびREM:0.0200%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
[3] 前記集合組織は、板厚1/4位置における圧延面での(110)面のX線強度比が0.90以上であり、
面積分率で、ベイナイト相:80~100%およびフェライト相:0~20%からなる混合組織であり、かつ、方位差15°以上の粒界に囲まれたベイナイトの結晶粒の平均粒径:20μm以下である、板厚1/4位置における鋼組織を有する、[1]または[2]に記載の高強度極厚鋼板。
[4] [1]~[3]のいずれか1つに記載の高強度極厚鋼板の製造方法であって、
前記成分組成を有する鋼素材を、1000~1200℃の加熱温度に加熱し、
次いで、板厚1/2位置における圧延開始温度:(Ar3点+100)℃以上、板厚1/2位置における温度がオーステナイト再結晶温度域での累積圧下率:5.0%以上、板厚1/2位置における温度がオーステナイト未再結晶温度域での累計圧下率:50.0%以上、および板厚1/2位置における圧延終了温度:Ar3点以上となる条件、
かつ、スラブの厚みを350mm以上とし、最終製品の板厚に対するスラブの厚みの比率を表す圧下比:3.25以上4.00未満となる条件で、熱間圧延を施し、
次いで、板厚1/2位置における冷却開始温度:Ar3点以上、板厚1/2位置における温度が700~500℃の温度域での平均冷却速度:2.0℃/s以上、かつ、板厚1/2位置における冷却停止温度:500℃以下となる条件で冷却を施す、高強度極厚鋼板の製造方法。
[5] 前記熱間圧延では、さらに、
板厚1/2位置における温度がオーステナイト再結晶温度域での平均圧下率/パス:3.5%以上とし、
かつ、板厚1/4位置における圧延終了温度:Ar3点以上となる条件で施す、[4]に記載の高強度極厚鋼板の製造方法。
Cは、鋼の焼き入れ性を増加させる作用を有する元素であり、所望の強度を達成するために必要である。本発明では、前記効果を得るためには、C含有量を0.040%以上とする。一方で、C含有量が0.150%を超えると、溶接性が劣化するばかりか、靭性にも悪影響がある。このため、C含有量は、0.040~0.150%の範囲とする。なお、下限について好ましいC含有量は0.050%以上であり、より好ましくは0.055%以上である。また、上限について好ましいC含有量は0.100%以下であり、より好ましくは0.090%以下である。
Siは、脱酸などに必要な成分である。またSiは、粗大な炭化物生成を抑制することで鋼の焼入れ性を増加させる作用を有する元素であり、所望の強度を達成するためにはSiを0.02%以上で含有する。一方、Si含有量が0.50%を超えると鋼の表面性状を損なうばかりか、靭性が極端に劣化する。このため、Si含有量は、0.02~0.50%の範囲とする。なお、下限について好ましいSi含有量は0.050%以上であり、より好ましくは0.10%以上である。また、上限について好ましいSi含有量は0.40%以下であり、より好ましくは0.30%以下である。
Mnは、鋼の焼入れ性を増加させる作用を有する元素であり、所望の強度を発揮するために必要である。前記効果を得るためには、Mn含有量を1.00%以上とする。一方、Mn含有量が多いと、強度が過剰に上がるため、靭性が低下することに加え、合金コストが過度に高くなってしまう。これらの観点から、Mn含有量は2.50%以下とする。なお、下限について好ましいMn含有量は1.50%以上であり、より好ましくは1.65%以上である。また、上限について好ましいMn含有量は2.35%以下であり、より好ましくは2.15%以下である。
P、Sは、鋼中の不可避的不純物である。これらの含有量が多くなると靭性が劣化する。板厚が100mm超の極厚鋼板において、良好な靭性を保つためには、P含有量は0.020%以下、S含有量は0.010%以下に抑制する。なお、P含有量は、0.012%以下が好ましく、0.006%以下がより好ましい。S含有量は、0.006%以下が好ましく、0.002%以下がより好ましい。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、その効果を得るためにAl含有量を0.010%以上にする必要がある。一方、Al含有量が0.100%を超えると、靭性が低下するとともに、溶接した場合に、溶接金属部の靭性が低下する。このため、Al含有量は、0.010~0.100%の範囲とする。なお、下限について好ましいAl含有量は、0.020%以上であり、より好ましくは0.030%以上である。また、上限について好ましいAl含有量は0.070%以下であり、より好ましくは0.040%以下である。
Nは、鋼中のAlと結合し、圧延加工時の結晶粒径を調整し、鋼を強化する。この効果を得るためにはN含有量を0.0010%以上にする必要がある。また、N含有量が0.0100%を超えると靭性が劣化する。このため、N含有量は0.0010~0.0100%の範囲とする。なお、下限について好ましいN含有量は、0.0020%以上であり、より好ましくは0.0025%以上である。また、上限について好ましいN含有量は0.0070%以下であり、より好ましくは0.0055%以下である。
O(酸素)は不可避的不純物として含有される元素であるが、特に低減すべき元素であるため、その含有量を規定する。Oは酸化物を形成し脆性破壊の発生起点となるため、靭性低下とそれに伴う脆性き裂伝播停止特性の低下などの悪影響を及ぼす。そのため、O含有量を0.0100%以下に制限する。O含有量は、0.0050%以下とすることが好ましく、0.0030%以下とすることがより好ましい。一方、O含有量の下限は特に限定されず、0%であってもよい。通常、Oは不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であるため、工業的には0%超であってよい。また、Oを過剰に低減することは精錬コストの高騰を招くため、コストの観点からは、O含有量を0.0009%以上とすることが好ましく、0.0020%以上とすることがより好ましい。
Ceq=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5…(1)
ここで、式(1)におけるC、Mn、Cu、Ni、Cr、MoおよびVは各元素の含有量(質量%)を表し、含有しない元素は含有量を0とする。
本発明の極厚鋼板における焼入性を向上し、かつ、高強度と集合組織の発達に伴う脆性き裂伝播停止特性の向上とを実現するためには、式(1)で表すCeqの値を0.480%以上に調整する。これより鋼板の焼き入れ性が上昇し、冷却速度が最も小さくなる板厚1/2位置であっても鋼組織が全面的にベイナイトとなり、強度向上を得られる。一方、Ceqの値が0.560%を超えると、焼き入れ性過多となり地の組織の強度が過度に上昇し、かつ脆性破壊起点となるMA(マルテンサイト)の生成量が増加する。その結果、溶接性および母材(鋼板)の靭性を確保できなくなる。このためCeqは0.560%以下とする。Ceqの値は、好ましくは0.490%以上とし、より好ましくは0.500%以上とする。またCeqの値は、好ましくは0.540%以下とし、より好ましくは0.530%以下とする。
この基本の成分組成を有し、かつ、上記の式(1)を満足することで、本発明の高強度極厚鋼板は目的とする特性を得られる。
Ti:0.030%以下
Tiは、微量の含有により、窒化物、炭化物、あるいは炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化して母材靭性を向上させる効果を有する。その効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上にすることが好ましい。一方、Ti含有量が0.030%を超えると、母材および溶接熱影響部の靭性が低下を招く場合がある。そのため、Tiを含有する場合には、Ti含有量は0.030%以下とすることが好ましく、0.025%以下とすることがより好ましい。Ti含有量は、0.010%以上とすることがより好ましい。
Nbは、鋼の焼入れ性を増加させると共にオーステナイト域の圧延(熱間圧延)において未再結晶温度域を拡大させる効果を有する。その効果を得るためには、Nb含有量を0.005%以上にすることが好ましい。一方で、Nb含有量が0.050%を超えると、粗大なNbCが析出して、靭性の低下を招く場合がある。そのため、Nbを含有する場合には、Nb含有量は0.050%以下とすることが好ましく、0.040%以下とすることがより好ましい。Nb含有量は、0.010%以上とすることがより好ましい。
Cuは、鋼の焼入れ性を高める元素である。Cuは、圧延後の強度向上に直接寄与する。これとともに、靭性、高温強度、および耐候性などの機能向上のためにCuを含有させることができる。この元素による上記効果を得るためには、Cu含有量を0.01%以上とするのが好ましい。一方、Cu含有量が2.00%を超えると、溶接性、靭性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Cuを含有する場合には、Cu含有量は2.00%以下とすることが好ましく、1.00%以下とすることがより好ましい。Cu含有量は、0.05%以上とすることがより好ましく、0.10%以上とすることがさらに好ましい。
Niは、鋼の焼入れ性を高める元素である。Niは、圧延後の強度向上に直接寄与する。これとともに、靭性、高温強度、および耐候性などの機能向上のためにNiを含有させることができる。この元素による上記効果を得るためには、Ni含有量を0.01%以上とするのが好ましい。一方、Ni含有量が2.50%を超えると、溶接性、靭性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Niを含有する場合には、Ni含有量を2.50%以下とすることが好ましく、2.00%以下とすることがより好ましい。Ni含有量は、0.10%以上とすることがより好ましい。
Crは、鋼の焼入れ性を高める元素である。Crは、圧延後の強度向上に直接寄与する。これとともに、靭性、高温強度、および耐候性などの機能向上のためにCrを含有させることができる。この元素による上記効果を得るには、Cr含有量を0.01%以上とするのが好ましい。一方、Cr含有量が2.00%を超えると、溶接性、靭性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Crを含有する場合には、Cr含有量を2.00%以下とすることが好ましく、1.00%以下とすることがより好ましい。Cr含有量は、0.05%以上とすることがより好ましく、0.10%以上とすることがさらに好ましい。
Mo:0.50%以下
Moは、鋼の焼入れ性を高める元素である。Moは、圧延後の強度向上に直接寄与する。これとともに、靭性、高温強度、および耐候性などの機能向上のためにMoを含有させることができる。この元素による上記効果を得るには、Mo含有量を0.01%以上とするのが好ましい。一方、Mo含有量が0.50%を超えると、溶接性、靭性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Moを含有する場合には、Mo含有量を0.50%以下とすることが好ましく、0.30%以下とすることがより好ましい。Mo含有量は、0.03%以上とすることがより好ましい。
Vは、V(CN)として析出する析出強化によって、鋼の強度を向上させる元素である。この効果は、V含有量を0.001%以上にすることにより発揮される。しかし、V含有量が0.50%を超えると、靭性が低下する場合がある。そのため、Vを含有する場合には、V含有量を0.50%以下とすることが好ましく、0.30%以下とすることがより好ましい。V含有量は、0.005%以上とすることがより好ましく、0.010%以上とすることがさらに好ましい。
Wは、鋼板の強度を向上させる作用を有する元素である。この効果を得るためにはW含有量を0.001%以上とすることが好ましい。一方、W含有量が0.50%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Wを含有する場合には、W含有量を0.50%以下とすることが好ましく、0.30%以下とすることがより好ましい。W含有量は、0.005%以上とすることがより好ましい。
Coは、鋼板の強度を向上させる作用を有する元素である。この効果を得るためにはCo含有量を0.001%以上とすることが好ましい。一方、Co含有量が0.50%を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。そのため、Coを含有する場合には、Co含有量を0.50%以下とすることが好ましく、0.40%以下とすることがより好ましく、0.30%以下とすることがさらに好ましい。Co含有量は、0.005%以上とすることがより好ましい。
Bは、微量で鋼の焼入れ性を高める元素である。しかし、0.0100%を超えてBを含有すると溶接部の靭性を低下させる。そのため、Bを含有する場合には、B含有量は0.0100%以下とすることが好ましく、0.0030%以下とすることがより好ましい。鋼板の強度を向上させるため、B含有量は0.0001%以上とすることが好ましく、0.0005%以上とすることがより好ましく、0.0010%以上とすることがさらに好ましい。
Caは、溶接熱影響部の組織を微細化し、靭性を向上させる。この効果を得るために、Caを含有する場合には、Ca含有量を0.0005%以上とすることが好ましく、0.0020%以上とすることがより好ましい。一方、Ca含有量が0.0100%を超えると、粗大な介在物を形成し、靭性を劣化させる。そのため、Caを含有する場合には、Ca含有量を0.0100%以下とすることが好ましく、0.050%以下とすることがより好ましい。
Mgは、Caと同様、溶接熱影響部の組織を微細化し、靭性を向上させる。この効果を得るために、Mgを含有する場合には、Mg含有量を0.0005%以上とすることが好ましく、0.0020%以上とすることがより好ましい。一方、Mg含有量が0.0100%を超えると、粗大な介在物を形成し、靭性を劣化させる。そのため、Mgを含有する場合には、Mg含有量を0.0100%以下とすることが好ましく、0.0050%以下とすることがより好ましい。
REM(希土類金属)は、Caと同様、溶接熱影響部の組織を微細化し、靭性を向上させる。この効果を得るために、REMを含有する場合には、REM有量を0.0005%以上とすることが好ましく、0.0015%以上とすることがより好ましく、0.0100%以上とすることがさらに好ましい。一方、REM含有量が0.0200%を超えると、粗大な介在物を形成し、靭性を劣化させる。そのため、REMを含有する場合には、REM含有量を0.0200%以下とすることが好ましい。
板厚1/2位置における圧延面での(211)面のX線強度比:1.60以上
板厚が100mm超の極厚鋼板は、脆性き裂伝播停止特性を向上させるためには、板厚1/2位置における圧延面での(211)面のX線強度比を1.60以上とする必要がある。(211)面のX線強度比が1.60未満の場合、脆性亀裂が直進的に進展しやすくなり、その結果、板厚の脆性き裂伝播停止特性が低下する。そのため、板厚1/2位置における圧延面での(211)面のX線強度比を1.60以上とする。脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の(211)面のX線強度比は、1.70以上とすることが好ましく、1.80以上とすることがより好ましい。
本発明では、板厚1/2位置における鋼組織は、面積分率で、ベイナイト相:80~100%およびフェライト相:0~20%からなる混合組織とし、かつ、方位差15°以上の粒界に囲まれたベイナイトの結晶粒の平均粒径:20μm以下とし、かつ、板厚1/2位置(板厚中心部)に残存する最大ポロシティの円相当径:200μm以下とする。
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/2位置におけるベイナイト相の面積分率が80~100%である必要がある。ベイナイト相の面積分率が80%未満の場合、硬質な組織の分率が低下し、かつ(211)面の集合組織が十分に発達しないため、強度および脆性き裂伝播停止特性が低下する。したがって、板厚1/2位置におけるベイナイト相の面積分率を80%以上とする。強度および脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の面積分率は、85%以上とすることが好ましく、90%以上とすることがより好ましい。
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/2位置におけるフェライト相の面積分率が0~20%である必要がある。フェライト相の面積分率が20%超えの場合、硬質な組織の分率が低下し、かつ(211)面の集合組織が十分に発達しないため、強度および脆性き裂伝播停止特性が低下する。したがって、板厚1/2位置におけるフェライト相の面積分率を20%以下とする。強度および脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の面積分率は、15%以下とすることが好ましく、10%以下とすることがより好ましい。
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/2位置におけるベイナイトの結晶粒の平均粒径が20μm以下である必要がある。この平均粒径が20μm超えの場合、粒径粗大化に伴い結晶粒の劈開破面の破面単位が大きくなるため、靭性および脆性き裂伝播停止特性が低下する。したがって、板厚1/2位置における結晶粒の平均粒径を20μm以下とする。靭性および脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の平均粒径は、19μm以下とすることが好ましく、18μm以下とすることがより好ましい。
なお、上記の平均粒径の下限は特に規定しない。圧延能率の観点から、上記の平均粒径は5μm以上とすることが好ましく、10μm以上とすることがより好ましい。
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/2位置に残存する最大ポロシティの円相当径が200μm以下である必要がある。最大ポロシティの円相当径が200μm超えの場合、ポロシティが破壊起点となり靭性が著しく低下する。したがって、板厚1/2位置における残存する最大ポロシティの円相当径は200μm以下とする。靭性をさらに高めるためには、上記の円相当径は、150μm以下とすることが好ましく、100μm以下とすることがより好ましい。なお、上記の円相当径の下限は特に規定しない。圧延能率の観点から、上記の円相当径は25μm以上とすることが好ましく、50μm以上とすることがより好ましく、70μm以上とすることがさらに好ましい。
本発明では、板厚1/4位置における鋼組織は、面積分率で、ベイナイト相:80~100%およびフェライト相:0~20%からなる混合組織であることが望ましい。また、方位差15°以上の粒界に囲まれたベイナイトの結晶粒の平均粒径:20μm以下であることが望ましい。
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/4位置におけるベイナイト相の面積分率が80~100%であることが望ましい。ベイナイト相の面積分率が80%未満の場合、硬質な組織の分率が低下し、かつ(110)面の集合組織が十分に発達しないため、強度および脆性き裂伝播停止特性が低下する。そのため、板厚1/4位置におけるベイナイト相の面積分率を80%以上であることが望ましい。強度および脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の面積分率は、85%以上とすることが好ましく、90%以上とすることがより好ましい。
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/4位置におけるフェライト相の面積分率が0~20%であることが望ましい。フェライト相の面積分率が20%超えの場合、硬質な組織の分率が低下し、かつ(110)面の集合組織が十分に発達しないため、強度および脆性き裂伝播停止特性が低下する。そのため、板厚1/4位置におけるフェライト相の面積分率を20%以下であることが望ましい。強度および脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の面積分率は、15%以下とすることが好ましく、10%以下とすることがより好ましい。
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/4位置におけるベイナイトの結晶粒の平均粒径が20μm以下であることが望ましい。この平均粒径が20μm超えの場合、粒径粗大化に伴い結晶粒の劈開破面の破面単位が大きくなるため、脆性き裂伝播停止特性が低下する。そのため、板厚1/4位置におけるベイナイトの結晶粒の平均粒径が20μm以下であることが望ましい。脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の平均粒径は、19μm以下とすることが好ましく、16μm以下とすることがより好ましい。
[板厚1/4位置における圧延面での(110)面のX線強度比:0.90以上]
板厚が100mm超の極厚鋼板は、脆性き裂伝播停止特性を向上させるためには、板厚1/4位置における圧延面での(110)面のX線強度比を0.90以上とすることが望ましい。(110)面のX線強度比が0.90未満の場合、板厚1/2位置における集合組織との方位差が小さくなり脆性き裂が分散せず直進的に進展しやすくなり、その結果、板厚の脆性き裂伝播停止特性が低下する。そのため、板厚1/4位置における圧延面での(110)面のX線強度比を0.90以上とする。脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、上記の(110)面のX線強度比は、1.00以上とすることが好ましく、1.10以上とすることがより好ましい。
板厚1/2位置における降伏強度:390MPa以上
本発明の高強度極厚鋼板は、板厚の1/2の深さ(すなわち板厚1/2位置)から採取したΦ14mmのJIS 14A号引張試験片を用いて測定した降伏強度が390MPa以上である。コンテナ船及びバルクキャリアー等の船舶は、この曲げ応力に耐え得る高強度かつ厚肉な鋼板母材を使用することが常であり、降伏強度が390MPa未満の場合には、使用に適さない。
板厚1/2位置におけるvTrs:-100℃以下
板厚が100mm超の極厚鋼板は、脆性き裂伝播停止特性を向上させるためには、板厚1/2位置におけるvTrsを-100℃以下とする必要がある。vTrs:-100℃よりも遷移温度が高い場合には、板厚の脆性き裂伝播停止特性が低下する。そのため、本発明の高強度極厚鋼板は、板厚1/2位置におけるvTrsを-100℃以下とする。脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、vTrsを-110℃以下とすることが好ましく、vTrsを-120℃以下とすることがより好ましい。なお、vTrsの下限は特に規定しない。圧延能率の観点から、上記vTrsは-160℃以上とすることが好ましく、-150℃以上とすることがより好ましい。
Kca(-10℃)の値:8400N/mm3/2以上
板厚が100mm超の極厚鋼板は、船体の脆性き裂伝播を防止するために、Kca(-10℃)の値を8400N/mm3/2以上とする必要がある。脆性き裂伝播停止特性をさらに高めるためには、-10℃におけるKca値を9000N/mm3/2以上とすることが好ましい。なお、該Kca値の上限は特に規定しない。圧延能率の観点から、-10℃におけるKca値は25000N/mm3/2以下とすることが好ましく、20000N/mm3/2以下とすることがより好ましい。
まず、上述の成分組成を有する鋼素材を、1000~1200℃の加熱温度に加熱する。
鋼素材の加熱温度が1000℃未満では、加熱温度が低すぎて変形抵抗が高くなり、熱間圧延機への負荷が増大する。そのため、後に続く熱間圧延工程の実施が困難になる。よって、上記の加熱温度を1000℃以上とする。一方、鋼素材の加熱温度が1200℃を超える高温では、オーステナイト粒が粗大化し、その結果、靭性が低下し、所望の脆性亀裂伝播停止特性が得られない。また、鋼板の強度が低下する。さらに、酸化が著しくなって酸化ロスが増大し、歩留りが低下するおそれがある。このような理由から、上記の加熱温度を1200℃以下とする。なお、上記の加熱温度は、1050℃以上が好ましく、1080℃以上がより好ましい。上記の加熱温度は、1150℃以下が好ましく、1130℃以下がより好ましい。
次いで、加熱工程で加熱された鋼素材に、板厚1/2位置における圧延開始温度:(Ar3点+100)℃以上、板厚1/2位置における温度がオーステナイト再結晶温度域での累積圧下率:5.0%以上、板厚1/2位置における温度がオーステナイト未再結晶温度域での累計圧下率:50.0%以上、および板厚1/2位置における圧延終了温度:Ar3点以上となる条件、かつ、スラブの厚みは350mm以上とし、最終製品の板厚に対するスラブの厚みの比率を表す圧下比:3.25以上4.00未満となる条件で、熱間圧延を施す。
上述の加熱工程で加熱された鋼素材を熱間圧延するに際し、板厚1/2位置における熱間圧延を開始する温度が(Ar3点+100)℃未満では、熱間圧延工程終了後の熱延板において再結晶が十分に起こらない。そのため、オーステナイト粒径が細かくならず、靭性が低下する。その結果、所望の脆性亀裂伝播停止特性が得られない。そのため、圧延開始温度は(Ar3点+100)℃以上とする。後述の未再結晶領域において熱間圧延を行う時間を確保する観点からは、圧延開始温度は(Ar3点+150)℃以上とすることが好ましく、(Ar3点+200)℃以上とすることがより好ましい。圧延開始温度の上限は、上述した鋼素材の加熱温度に従えばよい。すなわち、圧延開始温度は、1150℃以下とすることが好ましく、1130℃以下とすることがより好ましい。
Ar3点(℃)=910-273×C-74×Mn-57×Ni-16×Cr-9×Mo-5×Cu …(3)
ここで、式(3)中、各元素記号は該元素の鋼中含有量(質量%)を表し、含有されない元素については0とする。
板厚中心部(板厚1/2位置)の温度がオーステナイト再結晶温度域での累積圧下率を5.0%以上とする熱間圧延を行う。この温度域での累積圧下率が5.0%未満であると、オーステナイトの細粒化が不十分であり、靭性が向上せず、その結果、板厚1/2位置におけるシャルピー破面遷移温度:-100℃以下が達成されない。この温度域での累積圧下率は、好ましくは10%以上であり、より好ましくは15%以上である。
さらに、板厚中心部(板厚1/2位置)の温度がオーステナイト未再結晶温度域にあるときの累積圧下率を50.0%以上とする熱間圧延を行う。この温度域での累積圧下率を50.0%以上とすることにより、オーステナイト相を圧延する時に発達した圧延集合組織が、オーステナイトからベイナイトに変態する。この時に、バリアント選択によって選択された滑り系にそって相変態することで、板厚中心部における圧延面での(211)面のX線強度比が1.60以上となる集合組織を得られる。
熱間圧延工程は、板厚1/2位置における圧延終了温度が、Ar3点(℃)以上の温度で終了する必要がある。熱間圧延に際して鋼板の温度がAr3点(℃)未満となると、フェライトへの相変態が開始し、(211)面のX線強度を高めるベイナイトの分率が低下するため、(211)面のX線強度比が低下する。その結果、優れた脆性亀裂伝播停止特性が得られなくなる。更に、低温ほど変形抵抗が増加するため、熱間圧延機への負荷が大きくなるといった問題が生じる。なお、この圧延終了温度は、後工程の冷却開始温度をAr3点(℃)以上とする観点から、(Ar3点+10)℃以上であることが好ましい。
本発明では、熱間圧延工程終了後の熱延板の厚みが次のようになっていることが重要である。具体的には、スラブの厚みは350mm以上とし、かつ、最終製品の板厚に対するスラブの厚みの比率(圧下比)が3.25以上となるように、熱間圧延工程での圧延を制御する。
具体的には、板厚1/2位置における温度がオーステナイト再結晶温度域での平均圧下率/パス:3.5%以上とし、かつ、板厚1/4位置における圧延終了温度:Ar3点℃以上とする。
板厚中心部(板厚1/2位置)の温度がオーステナイト再結晶温度域での圧延の平均圧下率/パスを3.5%以上とする熱間圧延を行うと、より板厚1/2位置のポロシティを圧着させる効果を得ることができる。この温度域での平均圧下率/パスが3.5%未満であると、ポロシティ圧着に有効な高温での圧延時に十分に圧延応力を付与することができずに、圧延終了時にポロシティが残存しやすくなる。これが破壊起点となって板厚1/2位置におけるシャルピー破面遷移温度:-100℃以下が達成しにくくなる。この温度域での平均圧下率/パスは、好ましくは4.0%以上であり、より好ましくは5.0%以上である。
熱間圧延工程では、板厚1/4における圧延終了温度が、板厚1/4位置でAr3点(℃)以上の温度で終了すると、より脆性亀裂伝播停止特性向上効果を有効に得ることができる。熱間圧延に際して熱延板の板厚1/4位置の温度がAr3点(℃)未満となると、板厚1/4位置で加工フェライトが生成し、(110)面のX線強度を高めるベイナイトの分率が低下するため、板厚1/4位置の(110)面のX線強度比が低下する。その結果、優れた脆性亀裂伝播停止特性が得られなくなる。更に、低温ほど変形抵抗が増加するため、熱間圧延機への負荷が大きくなるといった問題が生じる。なお、この圧延終了温度はAr3点+20)℃以上であることが好ましい。
次いで、熱間圧延工程で熱間圧延された熱延板に、板厚1/2位置における冷却開始温度:Ar3点以上、板厚1/2位置における温度が700~500℃の温度域での平均冷却速度:2.0℃/s以上、かつ、板厚1/2位置における冷却停止温度:500℃以下となる条件で冷却を施す。
上述の熱間圧延工程を経て得られた熱延板に対し、板厚1/2位置における温度がAr3点(℃)以上の温度で冷却を開始する必要がある。冷却開始温度がAr3点(℃)を下回ると、鋼中に多量のフェライトが生成するため、強度を高めることができない。その結果、(211)面のX線強度比が低下し、優れた脆性亀裂伝播停止特性が得られなくなる。そのため、この冷却開始温度はAr3点(℃)以上とする。冷却開始温度は(Ar3点+10)℃以上とすることが好ましく、また(Ar3点+40)℃以下とすることが好ましい。
板厚1/2位置の温度が700℃から冷却停止温度(500℃以下)になるまでの温度域における平均冷却速度が2.0℃/s未満であると、徐冷により鋼中に多量のフェライトが生成するため、ベイナイトの体積率を高めることができない。その結果、(211)面のX線強度比が低下し、優れた脆性亀裂伝播停止特性が得られなくなる。また、強度が低下する。
冷却工程は、板厚1/2位置における温度が500℃以下になるまで行う必要がある。換言すれば、冷却停止温度が500℃以下の温度となるまで行う必要がある。冷却停止温度が500℃を超えると、鋼中に多量のフェライトが生成するため、ベイナイトの面積分率を高めることができない。その結果、(211)面のX線強度比が低下し、優れた脆性亀裂伝播停止特性が得られなくなる。また、強度が低下する。冷却停止温度は、好ましくは450℃以下であり、より好ましくは400℃以下である。一方、冷却停止温度の下限は限定されないが、冷却停止温度が低すぎると鋼板の形状が悪くなる。そのため、冷却停止温度は、好ましくは200℃以上であり、より好ましくは300℃以上である。
得られた高強度極厚鋼板の板厚1/2位置より、試験片の長手軸の方向が圧延方向と垂直となるように、Φ14のJIS 14A号試験片を採取し、JIS Z 2241(2011)の規定に準拠して引張試験を行い、降伏強度(YS)、引張強さ(TS)を測定した。
ここでは、降伏強度が390MPa以上を高強度であると評価した。また、引張強さが570MPa以上を高強度であると評価した。
靭性の評価は、板厚1/2位置のシャルピー破面遷移温度で行った。
得られた高強度極厚鋼板の板厚1/2位置より、試験片の長手軸の方向が圧延方向と平行となるように、JIS4号衝撃試験片を採取し、JIS Z 2242(2005)の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を行って、-40℃~-160℃の範囲におけるシャルピー破面遷移温度(vTrs)を求めた。なお、1試験温度につき3本試験し、3本の脆性破面率の平均値から計算した。
ここでは、vTrs≦-100℃を低温靭性に優れると評価した。
集合組織の評価は、鋼板の板厚1/2位置における(211)面のX線強度比を測定して行った。
得られた高強度極厚鋼板から、板厚1/2位置を板厚中心として板厚1mm、圧延方向と平行な方向に22mm、かつ圧延方向と垂直な方向に25mmとする寸法の板状のサンプルを採取し、該サンプルの表面に平行な面を機械研磨および電解研磨することにより、X線回折用の試験片を用意した。この試験片を用いて、Mo線源を用いたX線回折装置を使用して、X線回折測定を実施し、(211)面のX線強度比を求めた。
得られた高強度極厚鋼板から、板厚1/4位置を板厚中心として板厚1mm、圧延方向と平行な方向に22mm、かつ圧延方向と垂直な方向に25mmとする寸法の板状のサンプルを採取し、該サンプルの表面に平行な面を機械研磨および電解研磨することにより、X線回折用の試験片を用意した。この試験片を用いて、Mo線源を用いたX線回折装置を使用して、X線回折測定を実施し、(110)面のX線強度比を求めた。
[鋼組織]
板厚1/2位置の鋼組織は、次の通り測定した。
圧延方向と垂直な面が観察面となるように、鋼板の幅中央、板厚1/2位置から試料を採取した。試料の寸法は板厚方向に20mm、圧延方向と平行な方向に10mm、かつ圧延方向と垂直な方向に1mmとした。この試料の圧延方向に垂直な面を鏡面研磨した後、ナイタール腐食により現出させた金属組織の光学顕微鏡写真を撮影した。撮影部は板厚1/2位置で倍率は200倍とした。得られた写真から白い塊状として現出した組織をフェライト、残部をベイナイトとして画像解析によって面積分率を計算することによりベイナイト相およびフェライト相の面積分率を評価した。
圧延方向と垂直な面が観察面となるように、鋼板の幅中央、板厚1/4位置から試料を採取した。試料の寸法は板厚方向に20mm、圧延方向と平行な方向に10mm、かつ圧延方向と垂直な方向に1mmとした。この試料の圧延方向に垂直な面を鏡面研磨した後、ナイタール腐食により現出させた金属組織の光学顕微鏡写真を撮影した。撮影部は板厚1/4位置で倍率は200倍とした。得られた写真を画像解析することによりベイナイト相およびフェライト相の面積分率を評価した。
板厚1/2位置のベイナイトの結晶粒の平均粒径は、次の通り測定した。
圧延方向と垂直な面が観察面となるように、鋼板の幅中央、板厚1/2位置から試料を採取した。試料の寸法は板厚方向に20mm、圧延方向と平行な方向に10mm、かつ圧延方向と垂直な方向に1mmとした。この試料の圧延方向に垂直な面を鏡面研磨した後、板厚1/2位置を下記の条件でEBSP解析を行った。得られた結晶方位マップより、隣接する結晶粒との方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた組織の円相当直径を求め、下記の解析領域における円相当直径の平均値を平均有効結晶粒径とした。
(EBSP条件)
・加速電圧:20KV、照射電流:50nA
・ビーム径:50nm
・解析領域:板厚中心の1mm×1mm領域
・ステップサイズ:0.4μm
また、板厚1/4位置のベイナイトの結晶粒の平均粒径は、次の通り測定した。
圧延方向と垂直な面が観察面となるように、鋼板の幅中央、板厚1/4位置から試料を採取した。試料の寸法は板厚方向に20mm、圧延方向と平行な方向に10mm、かつ圧延方向と垂直な方向に1mmとした。この試料の圧延方向に垂直な面を鏡面研磨した後、板厚1/4位置を下記の条件でEBSP解析を行った。得られた結晶方位マップより、隣接する結晶粒との方位差が15°以上の大角粒界で囲まれた組織の円相当直径を求め、下記の解析領域における円相当直径の平均値を平均有効結晶粒径とした。
(EBSP条件)
・加速電圧:20KV、照射電流:50nA
・ビーム径:50nm
・解析領域:板厚中心の1mm×1mm領域
・ステップサイズ:0.4μm
鋼板内部の欠陥の検出には、非破壊で検査できるため超音波探傷が用いられることが多いが、本実施例では正確に欠陥部の状態を確認するために直接観察をおこなって、ポロシティの個数密度を測定した。まず、圧延材の板厚1/2位置において板幅方向に対して平行に観察用のサンプルを1~2断面採取し、鏡面研磨仕上げとした。次いで、作製したサンプルを光学顕微鏡にて観察して写真を撮影した。倍率は400倍とした。得られた写真を画像解析して、存在するポロシティ個々の円相当径を求め、最大ポロシティの円相当径を算出した。
脆性き裂伝播停止特性の評価は、Kca値を求めて行った。
脆性亀裂伝播停止特性を評価するため、温度勾配型標準ESSO試験を行い、-10℃におけるKca値(Kca(-10℃)の値(N/mm3/2))を求めた。
試験体は、得られた高強度極厚鋼板から3本ずつ採取した。試験体のサイズは、全厚×L:500×W:500(mm)とした。3体試験の結果から、Kca値を求めた。
ここでは、Kca(-10℃)の値が8400N/mm3/2以上のものを脆性き裂伝播停止特性に優れると評価した。
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.040~0.150%、
Si:0.02~0.50%、
Mn:1.00~2.50%、
P:0.020%以下、
S:0.010%以下、
Al:0.010~0.100%、
N:0.0010~0.0100%以下、および
O:0.0100%以下
を含有し、かつ、式(1)で定義されるCeqが0.480~0.560%であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
板厚1/2位置における圧延面での(211)面のX線強度比が1.60以上である集合組織を有し、
面積分率で、ベイナイト相:80~100%およびフェライト相:0~20%からなる混合組織であり、方位差15°以上の粒界に囲まれたベイナイトの結晶粒の平均粒径:20μm以下であり、かつ、板厚1/2位置に残存する最大ポロシティの円相当径:200μm以下である、板厚1/2位置における鋼組織を有し、
板厚が100mm超であり、
板厚1/2位置における降伏強度が390MPa以上であり、板厚1/2位置におけるシャルピー破面遷移温度がvTrs≦-100℃であり、かつ、Kca(-10℃)の値が8400N/mm3/2以上である、高強度極厚鋼板。
Ceq=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(1)
ここで、式(1)におけるC、Mn、Cu、Ni、Cr、MoおよびVは各元素の含有量(質量%)を表し、含有しない元素は含有量を0とする。 - 前記成分組成に加えて、質量%で、以下のA群およびB群のうちから選ばれた1群または2群を含有する、請求項1に記載の高強度極厚鋼板。
A群:Ti:0.030%以下、Nb:0.050%以下、Cu:2.00%以下、Ni:2.50%以下、およびCr:2.00%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
B群:Mo:0.50%以下、V:0.50%以下、W:0.50%以下、Co:0.50%以下、B:0.0100%以下、Ca:0.0100%以下、Mg:0.0100%以下、およびREM:0.0200%以下のうちから選ばれた1種または2種以上 - 前記集合組織は、板厚1/4位置における圧延面での(110)面のX線強度比が0.90以上であり、
面積分率で、ベイナイト相:80~100%およびフェライト相:0~20%からなる混合組織であり、かつ、方位差15°以上の粒界に囲まれたベイナイトの結晶粒の平均粒径:20μm以下である、板厚1/4位置における鋼組織を有する、請求項1に記載の高強度極厚鋼板。 - 前記集合組織は、板厚1/4位置における圧延面での(110)面のX線強度比が0.90以上であり、
面積分率で、ベイナイト相:80~100%およびフェライト相:0~20%からなる混合組織であり、かつ、方位差15°以上の粒界に囲まれたベイナイトの結晶粒の平均粒径:20μm以下である、板厚1/4位置における鋼組織を有する、請求項2に記載の高強度極厚鋼板。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載の高強度極厚鋼板の製造方法であって、
前記成分組成を有する鋼素材を、1000~1200℃の加熱温度に加熱し、
次いで、板厚1/2位置における圧延開始温度:(Ar3点+100)℃以上、板厚1/2位置における温度がオーステナイト再結晶温度域での累積圧下率:5.0%以上、板厚1/2位置における温度がオーステナイト未再結晶温度域での累計圧下率:50.0%以上、および板厚1/2位置における圧延終了温度:Ar3点以上となる条件、
かつ、スラブの厚みを350mm以上とし、最終製品の板厚に対するスラブの厚みの比率を表す圧下比:3.25以上4.00未満となる条件で、熱間圧延を施し、
次いで、板厚1/2位置における冷却開始温度:Ar3点以上、板厚1/2位置における温度が700~500℃の温度域での平均冷却速度:2.0℃/s以上、かつ、板厚1/2位置における冷却停止温度:500℃以下となる条件で冷却を施す、高強度極厚鋼板の製造方法。 - 前記熱間圧延では、さらに、
板厚1/2位置における温度がオーステナイト再結晶温度域での平均圧下率/パス:3.5%以上とし、
かつ、板厚1/4位置における圧延終了温度:Ar3点以上となる条件で施す、請求項5に記載の高強度極厚鋼板の製造方法。
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