JP5202031B2 - 溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、橋梁や高層建造物、船舶などの構造物に使用される鋼材に関するものであり、より詳細には、溶接するにあたり、熱影響を受ける部位（以下、「溶接熱影響部」または「ＨＡＺ」ということがある）の靭性を改善した鋼材およびその製法に関するものである。
橋梁や高層建造物、船舶などに使用される鋼材に要求される特性は、近年益々厳しくなっており、とりわけ良好な靭性が求められている。これらの鋼材は、一般的に溶接にて接合されることが多いが、特にＨＡＺは溶接時に熱影響を受けて靭性が劣化しやすいという問題がある。この靭性劣化は溶接時の入熱量が大きくなるほど顕著に現れ、その原因は溶接時の入熱量が大きくなるとＨＡＺの冷却速度が遅くなり、焼入性が低下して粗大な島状マルテンサイトを生成することにあると考えられている。従ってＨＡＺの靭性を改善するには、溶接時の入熱量を極力抑えればよいと考えられる。しかしその一方で、溶接作業効率を高めるうえでは、例えばエレクトロガス溶接、エレクトロスラグ溶接、サブマージ溶接などの溶接入熱量が５０ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接法の採用が望まれる。
大入熱溶接法を採用した場合のＨＡＺ靭性劣化を抑制する鋼材は、既にいくつか提案されている。例えば特許文献１には、鋼材中に微細なＴｉＮを分散再析出させることで、大入熱溶接を行なったときのＨＡＺで生じるオーステナイト粒の粗大化を抑制し、ＨＡＺ靭性の劣化を抑えた鋼材が提案されている。しかし本発明者らが検討したところ、溶接金属が１４００℃以上の高温になると、ＨＡＺのうち特に溶接金属に近接した部位（以下、「ボンド部」ということがある）において溶接時に受ける熱によって上記ＴｉＮが固溶消失してしまい、ＨＡＺ靭性の劣化を抑えることができないことが分かった。
また特許文献２には、母材とＨＡＺの靭性を向上させる技術として、鋼材に含まれる酸化物と窒化物の存在形態を制御することが開示されている。この特許文献２には、ＴｉとＺｒを組み合わせて使用することにより、微細な酸化物と窒化物を生成させて母材とＨＡＺの靭性を向上させることが記載されている。またこうした微細な酸化物と窒化物を生成させるには、製造工程においてＴｉとＺｒをこの順で添加すればよいことが開示されている。しかし本発明者らが検討したところ、ＨＡＺの靭性を更に高めるには、酸化物量を増やせばよいが、上記特許文献２に開示されている技術において酸化物量を増やすためにＴｉやＺｒを多量に添加すると、ＴｉやＺｒなどの炭化物が形成され、鋼材（母材）の靭性が却って低下することが分かった。
ところで本出願人は、溶接時に高温の熱影響を受けた場合でもＨＡＺの靭性が劣化しない鋼材を特許文献３で先に提案している。この鋼材は、Ｌａ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物やＣｅ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物、Ｌａ2Ｏ3−Ｃｅ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物などの複合酸化物を鋼材中に分散させたものであり、この複合酸化物は、溶鋼中では液状で存在するため鋼中に微細分散し、しかも溶接時には熱影響を受けても固溶消失しないため、ＨＡＺの靭性向上に寄与する。上記特許文献３には、上記複合酸化物を生成させるために、溶存酸素量を調整した溶鋼へＬａやＣｅを添加し、次いでＳｉを添加すればよいことを開示している。また特許文献３には、鋼材にＴｉを含有させて鋼材組織中にＴｉＮを析出させることにより、ＨＡＺの靭性が更に高められること、またこうしたＴｉＮを生成させるには、上記複合酸化物が生成した溶鋼へＴｉを添加すればよいことを開示している。
なお、ＨＡＺ靭性の向上を狙った技術ではないが、特許文献４には、鋼材中にＲＥＭとＺｒ等の元素を含有させるとともに、固溶ＲＥＭと固溶Ｚｒを積極的に含有させることによって、水素性の超音波探傷欠陥を防止して厚鋼板の内部品質を向上させるとともに、内部品質の健全性を保つ技術が提案されている。この技術では、安定した固溶量を確保するために、Ａｌ，Ｃａ，Ｔｉ等を複合添加している。
特公昭５５−２６１６４号公報
特開２００３−２１３３６６号公報
特開２００５−４８２６５号公報
特開平８−１２０４０１号公報
本発明者らは、特許文献３として先に開示した技術に対して、上記組成の複合酸化物以外の組成の介在物に注目し、上記特許文献３とは異なる組成の介在物を鋼材中に分散させることによってＨＡＺの靭性を高めることができないかについて検討を重ねた。
本発明の目的は、上記特許文献３で提案した鋼材とは異なる組成の介在物を鋼材中に分散させることによって、ＨＡＺ（溶接熱影響部）の靭性を改善すると共に、このＨＡＺ靭性のバラツキを低減した鋼材およびその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決することのできた本発明に係る鋼材とは、Ｃ：０．０１〜０．２％（「質量％」の意味。以下同じ）、Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２．５％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．０３％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０１％以下（０％を含まない）を含み、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１５％以下（０％を含まない）、およびＡｌ：０．０１％以下（０％を含む）を満足すると共に、更に、ＲＥＭ：０．００１０〜０．１％と、Ｚｒ：０．００１〜０．０５％を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材であり、介在物中にＲＥＭとＺｒを含有すると共に、固溶ＲＥＭ：０．００１０％以下（０％を含む）と、固溶Ｚｒ：０．００１０％以下（０％を含む）を満足する点に要旨を有する。
上記鋼材は、該鋼材に含まれる介在物の組成を測定し、該介在物に含まれる元素のうち、Ｏ，Ｃ，Ｎ，Ｓ以外の元素の存在比をモル換算し、換算後の元素量全体を１モルとしたときに、ＲＥＭのモル分率が０．０５０以上で、Ｚｒのモル分率が０．０４以上であることが好ましい。
前記鋼材は、更に他の元素として、
（１）Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、
（２）Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、
等を含んでも良い。
（１）Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、
（２）Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、
等を含んでも良い。
上記鋼材を製造する際には、トータル酸素量［Ｏ］1を０．００２０〜０．０１５％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭとＺｒを添加して溶鋼の溶存酸素量［Ｏ］2を０．００１０〜０．００３５％の範囲に調整した後、鋳造すればよい。
前記溶存酸素量［Ｏ］2を調整するには、例えば、前記トータル酸素量［Ｏ］1を測定し、このトータル酸素量［Ｏ］1に応じて下記（１）式を満足するようにＲＥＭとＺｒを添加すればよい。但し、（１）式中、［ＲＥＭ］と［Ｚｒ］は、夫々ＲＥＭまたはＺｒの添加量（質量％）であり、［Ｏ］1は、ＲＥＭとＺｒを添加する前の溶鋼のトータル酸素量（質量％）である。
［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］≦１５×［Ｏ］1 ・・・（１）
［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］≦１５×［Ｏ］1 ・・・（１）
本発明によれば、鋼材にＲＥＭとＺｒを複合添加することによって、上記特許文献３で提案した鋼材とは異なる組成の介在物を鋼材中に分散させることができ、この介在物は、１４００℃レベルの高温に達しても鋼材中に固溶消失しないため、小〜中入熱溶接に限らず大入熱溶接を行なっても溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性劣化を防止できる。また、本発明によれば、鋼材に含まれる固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量を極力低減することで、ＨＡＺ靭性のバラツキを抑えることができる。
本発明者らは、上記特許文献３とは異なる組成の介在物を鋼材中に分散させることによってＨＡＺ靭性の向上を達成できないかについて検討を重ねた。その結果、ＲＥＭとＺｒを鋼材に複合添加し、介在物中にＲＥＭとＺｒを含有するように調整すれば、ＨＡＺ靭性を高めることができることを見出した。更に、鋼材に含まれる固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量をできるだけ低減すれば、局所的に靭性が劣化する現象を防止でき、ＨＡＺ靭性のバラツキを抑えることができることを見出し、本発明を完成した。
まず、本発明の鋼材では、介在物中にＲＥＭとＺｒを含有している。介在物中にＲＥＭとＺｒを含有するとは、鋼材中にＲＥＭとＺｒの単独介在物もしくは複合介在物を含有していることを意味する。なお、以下では説明の便宜上、単独介在物と複合酸化物をまとめて「介在物」と呼ぶことがある。
ＲＥＭとＺｒの介在物は、溶接時に熱影響を受けて１４００℃レベルの高温になっても固溶消失しないため、これらの介在物を含有させれば、溶接時のＨＡＺにおいて、オーステナイト粒の粗大化を抑制したり、冷却時における粒内変態を促進することができるため、ＨＡＺ組織を微細化できる。その結果、ＨＡＺの靭性を一段と改善できる。
しかもＲＥＭとＺｒを併用添加して鋼材中に介在物として含有させることにより、鋼材（母材）の靭性劣化の原因となる粗大なＺｒの単独炭化物や粗大なＲＥＭの硫化物の生成を防止でき、結果として母材の靭性劣化を抑えつつＨＡＺの靭性を向上させることができる。即ち、ＲＥＭまたはＺｒを単独で添加する場合は、介在物の個数を増やすためには、ＲＥＭまたはＺｒの添加量を増やさなければならないが、ＲＥＭまたはＺｒの添加量を増やし過ぎるとＲＥＭの単独介在物やＺｒの単独介在物のサイズが大きくなり、却ってＨＡＺ靭性を劣化させる。よってＲＥＭまたはＺｒを単独で添加する場合は、添加量に制限があり、そのためにＲＥＭやＺｒの添加量を増量できず、微細な介在物量も一定以上に増やすことができなかった。従ってＨＡＺ靭性を向上させることができなかった。
これに対し、ＲＥＭとＺｒを含む介在物を鋼材中に含有させれば、ＲＥＭを単独で含有させるか、Ｚｒを単独で含有させる場合よりも鋼材中に含まれる介在物の絶対量を増大させることができるため、ＨＡＺの靭性を一層向上させることができる。
このように鋼材中にＲＥＭとＺｒの介在物を含有させることにより、ＨＡＺの靭性を向上させることができる。従ってＨＡＺの靭性を向上させるには、ＲＥＭとＺｒを積極的に添加して鋼材中に介在物を多く生成させることが望ましいと考えられる。しかしＲＥＭとＺｒの含有量を多くした鋼材を溶接し、ＨＡＺの靭性を複数個所で測定したところ、特に熱影響の大きいボンド部近傍では、局所的に靭性が低下し、測定値がバラつくことが判明した。そこで局所的に靭性が低下した部分の組織を観察したところ、粒界にＲＥＭやＺｒが偏析していることが明らかになった。このＲＥＭやＺｒの偏析を低減すべく検討を重ねたところ、鋼材中の固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量を低減すればよいことを見出した。
即ち、本発明の鋼材は、固溶ＲＥＭ：０．００１０％以下（０％を含む）と、固溶Ｚｒ：０．００１０％以下（０％を含む）を満足することが重要である。鋼材中の固溶ＲＥＭ量が０．００１０％を超えるか、固溶Ｚｒ量が０．００１０％を超えると、溶接時に熱影響を受けたときに、ＲＥＭやＺｒが粒界に偏析して靭性を局所的に低下させる。従って固溶ＲＥＭ量は０．００１０％以下とし、好ましくは０．０００８％以下、より好ましくは０．０００５％以下とする。固溶Ｚｒ量は０．００１０％以下とし、好ましくは０．０００８％以下、より好ましくは０．０００５％以下とする。固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量は、できるだけ低減することがよく、最も好ましくは０％である。
固溶ＲＥＭと固溶Ｚｒの合計は、０．００１５％以下であることが好ましく、より好ましくは０．００１０％以下である。
鋼材に含まれる固溶ＲＥＭ量は、後述する実施例に示すように、ＩＣＰ［Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ；誘導結合プラズマ］−ＭＳ法で分析して算出されるＲＥＭ含有量（トータルＲＥＭ含有量）から、電解抽出とＩＣＰ−ＭＳによって算出される鋼材に含まれる介在物に含有するＲＥＭ量を引くことによって算出すればよい。
また、固溶Ｚｒ量についても同様に、Ｚｒ含有量（トータルＺｒ含有量）から鋼材に含まれる介在物に含有するＺｒ量を引くことによって算出すればよい。
本発明の鋼材について、「介在物中にＲＥＭとＺｒを含有する」とは、（ａ）ＲＥＭの単独介在物とＺｒの単独介在物を含有するか、あるいは（ｂ）ＲＥＭとＺｒを含む複合介在物を含有するか、（ｃ）ＲＥＭの単独介在物とＺｒの単独介在物を含有すると共に、ＲＥＭとＺｒを含む複合介在物を含有することを意味する。
ＲＥＭの単独介在物としては、ＲＥＭの酸化物やＲＥＭの硫化物などの形態が挙げられ、Ｚｒの単独介在物としては、Ｚｒの酸化物やＺｒの炭化物、Ｚｒの窒化物などの形態が挙げられる。ＲＥＭとＺｒの複合介在物としては、ＲＥＭとＺｒを含む酸化物、硫化物、或いは酸硫化物などの形態が挙げられる。なお、これらの介在物は、更に窒化物（例えば、ＴｉＮなど）や他の硫化物（例えば、ＣａＳやＭｎＳなど）と共存した形態であってもよい。
上記鋼材は、該鋼材に含まれる介在物の組成を測定し、該介在物を構成する元素のうち、Ｏ，Ｃ，Ｎ，Ｓ以外の元素の存在比をモル換算し、換算後の元素量全体を１モルとしたときに、ＲＥＭのモル分率が０．０５０以上で、Ｚｒのモル分率が０．０４以上を満足することが好ましい。ＲＥＭのモル分率は０．１０以上であることが好ましく、より好ましくは０．１５以上、更に好ましくは０．２０以上である。一方、Ｚｒのモル分率は０．０８以上であることが好ましく、より好ましくは０．１０以上、更に好ましくは０．１５以上である。
本発明の鋼材は、該鋼材に含まれる介在物の組成を測定し、該介在物を構成する元素のうち、Ｏ，Ｃ，Ｎ，Ｓ以外の元素の存在比をモル換算し、換算後の元素量全体を１モルとしたときに、ＲＥＭとＺｒのモル分率の合計が０．１０以上であるのがよい。合計が０．１０未満では、ＨＡＺの靭性向上に寄与する介在物量が不足し、ＨＡＺの靭性を充分に改善できない。合計は、より好ましくは０．１５以上、更に好ましくは０．２０以上である。
なお、ＲＥＭの介在物とＺｒの介在物以外の残りの介在物の組成は特に限定されないが、例えばＣａＯやＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｎＯ、ＴｉＮ、ＴｉＣであればよい。
鋼材に含まれる介在物の組成は、鋼材の断面を例えば電子線マイクロプローブＸ線分析計（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｘ−ｒａｙ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ；ＥＰＭＡ）で観察し、観察視野内に認められる介在物を定量分析すれば測定できる。ＥＰＭＡの観察は、例えば加速電圧を７ｋＶ，試料電流を０．００３μＡ，観察視野面積を１ｃｍ2とし、介在物の中央部での組成を特性Ｘ線の波長分散分光により定量分析する。分析対象とする介在物の大きさは、最大径が０．２μｍ以上のものとし、分析個数は無作為に選択した１００個とする。
分析対象元素は、Ｏ，Ｃ，Ｎ，Ｓ以外の元素とし、本発明の鋼材の組成を考慮すれば、分析対象元素は、Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃａ，ＲＥＭ（例えば、ＬａとＣｅ）とすればよい。介在物に含まれるＡｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＣａおよびＲＥＭの存在比をモル換算し、換算後の元素量全体を１モルとしたときに、分析対象とする介在物に含まれる各元素のモル分率を算出すればよい。
次に、本発明の鋼材（母材）における成分組成について説明する。本発明の鋼材は、ＲＥＭ：０．００１０〜０．１％とＺｒ：０．００１〜０．０５％を含有するところに特徴がある。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。
ＲＥＭおよびＺｒは、鋼材中にＲＥＭとＺｒの単独介在物もしくは複合介在物を形成してＨＡＺの靭性向上に寄与する元素である。
ＲＥＭは、０．００１０％以上とすべきであり、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００６％以上、更に好ましくは０．０１０％以上である。しかし過剰に添加すると、粗大な介在物（例えば、酸化物など）が生成して母材の靭性が劣化するため、０．１％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０９％以下であり、より好ましくは０．０８％以下とする。
なお、本発明において、ＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｕまでの１５元素）およびＳｃ（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味であり、これらの元素のなかでも、Ｌａ、ＣｅおよびＹよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有することが好ましく、より好ましくはＬａおよび／またはＣｅを含有するのがよい。
Ｚｒは、０．００１％以上とすべきであり、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００５％以上である。しかし過剰に添加すると、粗大なＺｒの炭化物が生成して母材の靭性が劣化するため、０．０５％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３％以下とする。
本発明の鋼材は、ＲＥＭとＺｒを含むほか、基本元素として、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２．５％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．０３％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０１％以下（０％を含まない）を含むものである。このような範囲を定めた理由は以下の通りである。
Ｃは、鋼材（母材）の強度を確保するために欠くことのできない元素であり、０．０１％以上含有させる必要がある。Ｃは、０．０２％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０３％以上とする。しかし０．２％を超えると、溶接時にＨＡＺに島状マルテンサイトが多く生成してＨＡＺの靭性劣化を招くばかりでなく、溶接性にも悪影響を及ぼす。従ってＣは０．２％以下、好ましくは０．１８％以下、より好ましくは０．１５％以下に抑える必要がある。
Ｓｉは、脱酸作用を有すると共に鋼材（母材）の強度向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、０．０２％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．１％以上含有させるのがよい。しかし０．５％を超えると、鋼材（母材）の溶接性や母材靭性が劣化するため、０．５％以下に抑える必要がある。好ましくは０．４５％以下であり、より好ましくは０．４％以下に抑えるのがよい。なお、ＨＡＺに更なる高靭性が求められる場合は、Ｓｉは０．３％以下に抑えるのがよい。より好ましくは０．０５％以下であり、更に好ましくは０．０１％以下である。但し、このようにＳｉ含有量を抑えるとＨＡＺの靭性は向上するが、強度は低下する傾向がある。
Ｍｎは、鋼材（母材）の強度向上に寄与する元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには、０．５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．７％以上、更に好ましくは０．８％以上である。しかし２．５％を超えて過剰に含有させると、ＨＡＺ靭性が劣化すると共に、鋼材（母材）の溶接性が劣化する。従ってＭｎ量は２．５％以下に抑える必要がある。好ましくは２．３％以下であり、より好ましくは２％以下である。
Ｔｉは、鋼材中にＴｉＮなどの窒化物やＴｉ酸化物を生成してＨＡＺの靭性向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｔｉは０．００５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．００７％以上、更に好ましくは０．０１０％以上とする。しかし過剰に添加すると鋼材（母材）の靭性を劣化させるため、０．０３％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０２５％以下であり、より好ましくは０．０２０％以下とする。
Ｎは、窒化物（例えば、ＺｒＮやＴｉＮなど）を析出する元素であり、該窒化物は溶接時にＨＡＺに生成するオーステナイト粒の粗大化を防止してフェライト変態を促進するため、ＨＡＺ靭性を向上させるのに寄与する。こうした効果を有効に発揮させるには、０．００２％以上含有させる。より好ましくは０．００３％以上である。Ｎは多いほどオーステナイト粒の微細化が促進されるため、ＨＡＺの靭性向上に有効に作用する。しかし０．０１％を超えると、固溶Ｎ量が増大して母材の靭性が劣化する。従ってＮは０．０１％以下に抑える必要があり、好ましくは０．００９％以下、より好ましくは０．００８％以下とする。
本発明の鋼材は、上記元素を含むほか、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１５％以下（０％を含まない）およびＡｌ：０．０１％以下（０％を含む）を満足するものである。このような範囲を定めた理由は以下の通りである。
Ｐは、偏析し易い元素であり、特に鋼材中の結晶粒界に偏析して靭性を劣化させる。従ってＰは０．０２％以下に抑制する必要があり、好ましくは０．０１８％以下、より好ましくは０．０１５％以下とする。
Ｓは、Ｍｎと結合して硫化物（ＭｎＳ）を生成し、母材の靭性や板厚方向の延性を劣化させる有害な元素である。従ってＳは０．０１５％以下に抑えるべきであり、好ましくは０．０１２％以下、より好ましくは０．００８％以下、特に０．００６％以下とする。
Ａｌは、脱酸力の強い元素であり、過剰に添加すると酸化物を還元して所望の酸化物を生成し難くなる。従ってＡｌは０．０１％以下に抑える必要があり、好ましくは０．００９０％以下、より好ましくは０．００８０％以下とする。なお、Ａｌは０％であってもよい。
本発明で規定する含有元素は上記の通りであり、残部は鉄および不可避不純物である。該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素（例えば、ＭｇやＡｓ，Ｓｅなど）の混入が許容され得る。
本発明の鋼材は、
（１）ＨＡＺ靭性を向上させるために、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有することや、
（２）鋼材の強度を高めるために、Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有すること、
等も有効である。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。
（１）ＨＡＺ靭性を向上させるために、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有することや、
（２）鋼材の強度を高めるために、Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有すること、
等も有効である。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。
［（１）Ｃａ］
Ｃａは、鋼材のＨＡＺ靭性を向上させる作用を有する元素である。より詳細には、Ｃａは、介在物の形態を制御して（具体的には、ＭｎＳを球状化して）鋼材の異方性を低減する作用を有しており、鋼材の異方性が低減されることで、ＨＡＺ靭性が向上する。こうした効果を有効に発揮させるには、０．０００３％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．０００５％以上、更に好ましくは０．００１％以上である。しかし過剰に添加すると、粗大な酸化物を形成し、ＨＡＺ靭性が却って劣化する。従ってＣａは、０．０１％以下が好ましい。より好ましくは０．００８％以下であり、更に好ましくは０．００５％以下である。
Ｃａは、鋼材のＨＡＺ靭性を向上させる作用を有する元素である。より詳細には、Ｃａは、介在物の形態を制御して（具体的には、ＭｎＳを球状化して）鋼材の異方性を低減する作用を有しており、鋼材の異方性が低減されることで、ＨＡＺ靭性が向上する。こうした効果を有効に発揮させるには、０．０００３％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．０００５％以上、更に好ましくは０．００１％以上である。しかし過剰に添加すると、粗大な酸化物を形成し、ＨＡＺ靭性が却って劣化する。従ってＣａは、０．０１％以下が好ましい。より好ましくは０．００８％以下であり、更に好ましくは０．００５％以下である。
［（２）Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、ＶおよびＢ］
Ｃｕは、鋼材を固溶強化させる元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには、０．０５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．１％以上であり、更に好ましくは０．２％以上である。特に０．６％以上含有させると、固溶強化のほか、時効析出強化も発揮し、大幅な強度向上が可能となる。しかし２％を超えて含有させると、鋼材（母材）の靭性を低下させるため、Ｃｕは２％以下に抑えるのがよい。好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．６％以下とする。
Ｃｕは、鋼材を固溶強化させる元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには、０．０５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．１％以上であり、更に好ましくは０．２％以上である。特に０．６％以上含有させると、固溶強化のほか、時効析出強化も発揮し、大幅な強度向上が可能となる。しかし２％を超えて含有させると、鋼材（母材）の靭性を低下させるため、Ｃｕは２％以下に抑えるのがよい。好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．６％以下とする。
Ｎｉは、鋼材の強度を高めると共に、鋼材の靭性を向上させるのに有効に作用する元素であり、こうした作用を発揮させるには、０．０５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．１％以上であり、更に好ましくは０．２％以上とする。Ｎｉは多いほど好ましいが、高価な元素であるため経済的観点から３．５％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは３．３％以下であり、更に好ましくは３％以下とする。
Ｃｒを添加して強度を高めるには、０．０１％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。しかし３％を超えると溶接性が劣化するため、Ｃｒは３％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは１．５％以下であり、更に好ましくは１％以下とする。
Ｍｏを添加して強度を高めるには、０．０１％以上含有させるのが望ましい。より好ましくは０．０２％以上であり、更に好ましくは０．０３％以上含有させるのが推奨される。但し、１％を超えると溶接性を悪化させるためＭｏは１％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．９％以下であり、更に好ましくは０．８％以下に抑えるのが推奨される。
Ｎｂを添加して強度を高めるには、０．００５％以上含有させるのが好ましい。より好ましくは０．０１％以上であり、更に好ましくは０．０３％以上である。しかし０．２５％を超えると母材の靭性を劣化させるので、Ｎｂは０．２５％以下に抑えるのが好ましい。より好ましくは０．２３％以下であり、更に好ましくは０．２％以下とする。
Ｖを添加して強度を高めるには、０．００５％以上含有させるのが望ましい。より好ましくは０．０１％以上、更に好ましくは０．０３％以上含有させるのがよい。しかし０．１％を超えると溶接性が悪化する共に、母材の靭性が劣化するため、Ｖは０．１％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．０８％以下、更に好ましくは０．０６％以下に抑えるのがよい。
Ｂは、鋼材の強度を高めると共に、溶接時に加熱されたＨＡＺが冷却される過程において鋼中のＮと結合してＢＮを析出し、オーステナイト粒内からのフェライト変態を促進させる。こうした効果を有効に発揮させるには、０．０００３％以上含有させるのが好ましい。より好ましくは０．０００５％以上であり、更に好ましくは０．０００８％以上とする。しかし０．００５％を超えると鋼材（母材）の靭性を劣化させるためＢは０．００５％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．００４％以下であり、更に好ましくは０．００３％以下とするのがよい。
次に、本発明の鋼材を製造するに当たり、好適に採用できる製法について説明する。本発明の鋼材は、固溶ＲＥＭと固溶Ｚｒを所定量以下に低減するために、トータル酸素量［Ｏ］1を０．００２０〜０．０１５％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭとＺｒを添加して溶存酸素量［Ｏ］2を０．００１０〜０．００３５％の範囲に調整した後、鋳造すれば製造できる。
即ち、トータル酸素量［Ｏ］1を適切に制御した溶鋼へ、ＲＥＭとＺｒを複合添加すれば、ＲＥＭとＺｒを介在物の一形態である酸化物として鋼中に生成させることができる。このとき溶鋼に複合添加するＲＥＭ量とＺｒ量を調整することによって、溶鋼の溶存酸素量［Ｏ］2を適切に制御し、この溶鋼を鋳造すれば、鋼材中の固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量を低減できる。
通常、転炉や電気炉で一次精錬された溶鋼中のトータル酸素量［Ｏ］1は、０．０１５％を超えている。この溶鋼にＲＥＭやＺｒを添加すると、溶鋼中の酸素量が多すぎるため、ＲＥＭやＺｒと酸素の反応が激しくなって溶製作業上好ましくない。また、粗大なＲＥＭの酸化物と粗大なＺｒＯ2が生成し、母材靭性自体が劣化する。
そこで本発明では、トータル酸素量［Ｏ］1を従来よりも少なめに調整した溶鋼へＲＥＭとＺｒを添加することによってＲＥＭの介在物としてＲＥＭ酸化物を、Ｚｒの介在物としてＺｒ酸化物、或いはＲＥＭとＺｒの複合介在物としてＲＥＭとＺｒを含む酸化物を生成させることができる。
一方、ＲＥＭとＺｒの介在物のうち、特に、酸化物量を増やす観点からすれば、トータル酸素量［Ｏ］1を調整した溶鋼に、ＲＥＭとＺｒを多量に添加すればよいが、酸化物を形成しない過剰なＲＥＭとＺｒは、鋼材中に固溶する。ところが固溶ＲＥＭや固溶Ｚｒが多くなると、上述したように、ＨＡＺ靭性にバラツキが生じてしまう。
そこで本発明では、溶鋼に添加するＲＥＭ量とＺｒ量を調整することで、ＲＥＭとＺｒを添加した後の溶存酸素量［Ｏ］2を従来よりも多めに調整し、ＲＥＭとＺｒが鋳造中に固溶するのを防止することとした。
ＲＥＭとＺｒを添加する前の上記トータル酸素量［Ｏ］1は、一次製錬後の溶鋼に含まれる通常のトータル酸素量よりも少なく、０．０１５％以下に抑えるべきであり、好ましくは０．０１％以下、より好ましくは０．００８％以下とする。しかし上記トータル酸素量［Ｏ］1を少なくし過ぎて０．００２０％未満になると、酸素量不足になるため、ＲＥＭとＺｒを複合添加しても、ＨＡＺの靭性向上に寄与する酸化物量を確保することができず、しかも酸化物を形成できなかったＲＥＭやＺｒが鋼材中に固溶したり、或いはＺｒが炭化物等を形成して母材の靭性を劣化する。従ってＲＥＭとＺｒを複合添加する前のトータル酸素量［Ｏ］1は、０．００２０％以上に調整することが好ましく、より好ましくは０．００２５％以上である。
上記トータル酸素量［Ｏ］1とは、溶鋼中に含まれる全酸素量（全Ｏ量）を意味し、溶鋼に溶存原子として含まれる酸素量（いわゆるフリー酸素）と酸化物系介在物として存在している酸素量を合わせた全酸素量を意味する。溶鋼に溶存原子として含まれる酸素量は、固体電解質を用いた酸素センサーを用いれば測定できる。トータル酸素量は、一般的な不活性ガス融解−赤外線吸収法などによって測定できる。
溶鋼中のトータル酸素量［Ｏ］1を上記範囲に調整するには、例えばＲＨ式脱ガス精錬装置を用いて脱酸する方法、取鍋加熱式精錬装置や簡易式溶鋼処理設備などを用いて脱酸する方法、溶鋼にＳｉ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ａｌなどの脱酸元素を添加して脱酸する方法等が挙げられる。勿論これらの方法を適宜組み合わせてトータル酸素量［Ｏ］1を調整しても良い。脱酸元素を添加する方法を採用するときは、転炉から取鍋へ出鋼する際に脱酸元素を添加しても構わない。
上記トータル酸素量［Ｏ］1を調整した溶鋼へ、ＲＥＭとＺｒを複合添加する手順は特に限定されず、例えば（ａ）ＲＥＭを添加した後に、Ｚｒを添加してもよいし、（ｂ）Ｚｒを添加した後にＲＥＭを添加してもよいし、（ｃ）ＲＥＭとＺｒを同時に複合添加してもよい。ＲＥＭを複数種類添加する場合は、同時に、或いは別々に添加してもよい。例えば、ＲＥＭとしてＣｅとＬａを用い、Ｃｅ→Ｚｒ→Ｌａの順で添加してもよい。
溶鋼へ添加するＲＥＭやＺｒの形態は特に限定されず、例えば、ＲＥＭとして、純Ｌａや純Ｃｅ，純Ｙなど、或いは純Ｚｒ，更にはＦｅ−Ｓｉ−Ｌａ合金，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｅ合金，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｌａ−Ｃｅ合金などを添加すればよい。また、溶鋼へミッシュメタルを添加してもよい。ミッシュメタルとは、セリウム族希土類元素の混合物であり、具体的には、Ｃｅを４０〜５０％程度，Ｌａを２０〜４０％程度含有している。
上記ＲＥＭとＺｒを複合添加した後は、鋳造直前の上記溶存酸素量［Ｏ］2に影響がでない程度であれば、合金元素を添加して鋼材の成分を調整してもよい。
鋳造直前の上記溶存酸素量［Ｏ］2は０．００１０％以上とする。０．００１０％未満では、酸素量不足になるため、鋳造中にＲＥＭやＺｒが鋼材中に固溶してしまい、ＨＡＺ靭性のバラツキを発生させる原因となる。従って溶存酸素量［Ｏ］2は、０．００１０％以上とし、好ましくは０．００１５％以上である。しかし上記溶存酸素量［Ｏ］2が過剰になると、鋳造中に粗大な酸化物が多く生成し、母材自体の靭性を低下する。従って溶存酸素量［Ｏ］2は、０．００３５％以下に抑えるべきであり、好ましくは０．００３０％以下、より好ましくは０．００２５％以下とする。
上記溶存酸素量［Ｏ］2を０．００１０〜０．００３５％の範囲に制御するには、トータル酸素量［Ｏ］1に応じてＲＥＭとＺｒの添加量を調整すればよく、具体的には、トータル酸素量［Ｏ］1に応じて下記（１）式を満足するようにＲＥＭとＺｒの添加量を決定し、決定されたＲＥＭとＺｒの添加量の範囲で元素を添加すればよい。（１）式中、［ＲＥＭ］と［Ｚｒ］は、夫々ＲＥＭまたはＺｒの添加量（質量％）であり、［Ｏ］1は、ＲＥＭとＺｒを添加する前の溶鋼のトータル酸素量（質量％）である。右辺の係数１５は、実験を繰り返し行なった結果決定した値である。
［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］≦１５×［Ｏ］1 ・・・（１）
但し、鋼材に含まれるＲＥＭ（ｔｏｔａｌ ＲＥＭ）量とＺｒ（ｔｏｔａｌ Ｚｒ）量は、上記成分組成で規定する範囲を満足している必要がある。
［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］≦１５×［Ｏ］1 ・・・（１）
但し、鋼材に含まれるＲＥＭ（ｔｏｔａｌ ＲＥＭ）量とＺｒ（ｔｏｔａｌ Ｚｒ）量は、上記成分組成で規定する範囲を満足している必要がある。
なお、上記トータル酸素量［Ｏ］1に対してＲＥＭやＺｒを多めに添加して上記溶存酸素量［Ｏ］2が０．００１０％を下回った場合には、酸素源として酸化物［例えば、ＭｎＯや鉄酸化物（例えば、ＦｅＯ）］を添加してもよい。
こうして成分調製して得られた溶鋼は、常法に従って連続鋳造してスラブとした後、常法に従って熱間圧延すればよい。
本発明に係る鋼材は、例えば橋梁や高層建造物、船舶などの構造物の材料として使用でき、小〜中入熱溶接はもとより、大入熱溶接においても溶接熱影響部の靭性劣化を防ぐことができる。
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
［実験例１］
溶銑を２４０トン転炉で一次精錬した後、該転炉から取鍋へ出鋼し、成分調整および温度調整しながら二次精錬を行った。
溶銑を２４０トン転炉で一次精錬した後、該転炉から取鍋へ出鋼し、成分調整および温度調整しながら二次精錬を行った。
取鍋では、下記表１に示す脱酸方法で、下記表１に示すトータル酸素量［Ｏ］1に調整しつつ化学成分組成を調整した。トータル酸素量［Ｏ］1は、溶鋼に溶存原子として含まれる酸素量と酸化物系介在物として存在している酸素量を合わせた全酸素量を意味し、溶鋼に溶存原子として含まれる酸素量は、固体電解質を用いた酸素センサーを用いて測定し、トータル酸素量は、一般的な不活性ガス融解−赤外線吸収法によって測定した。なお、下記表１には、トータル酸素量［Ｏ］1の他に、ＲＥＭとＺｒを添加する前の溶鋼の溶存酸素量も併せて示した。
上記トータル酸素量［Ｏ］1に応じて上記（１）式を満足するようにＲＥＭとＺｒの添加量を算出し、ＲＥＭとＺｒを添加して下記表１に示す溶存酸素量［Ｏ］2に調整した。下記表１に、ＲＥＭの添加量［ＲＥＭ］と、Ｚｒの添加量［Ｚｒ］、ＲＥＭとＺｒの添加量の合計（［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］）を示す。また、ＲＥＭとＺｒの添加量の合計とトータル酸素量［Ｏ］1との比（［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］）／［Ｏ］1も併せて示す。
溶存酸素量［Ｏ］2に調整した後、該［Ｏ］2量に影響を及ぼさない程度で化学成分を調整してから鋳造した。
なお、二次精錬にはＲＨ式脱ガス精錬装置等を用いて脱Ｈや脱Ｓなどを行なった。
下記表１において、ＬａはＦｅ−Ｌａ合金の形態で、ＣｅはＦｅ−Ｃｅ合金の形態で、ＲＥＭはＬａを５０％程度とＣｅを２５％程度含有するミッシュメタルの形態で、ＺｒはＺｒ単体で、夫々添加した。下記表１中の空欄は元素を添加していないことを示している。
図１に、ＲＥＭとＺｒを添加する前のトータル酸素量［Ｏ］1と、ＲＥＭとＺｒの添加量の合計との関係をグラフに示す。図１中、○は下記表１のＮｏ．１〜３、５〜８、１０、１２の結果、×は下記表１のＮｏ．１７〜２０の結果を夫々示す。
また下記表２には、成分調整後の鋼材の成分組成（残部は鉄および不可避不純物）を示す。但し、下記表２中の空欄は元素が検出されなかったことを示している。
成分調整後の溶鋼を、連続鋳造機でスラブに鋳造し、該スラブのＤ／４（但し、Ｄはスラブの厚み）位置における横断面からサンプルを切り出した。切り出されたサンプル表面を日本電子製のＥＰＭＡ「ＪＸＡ−８５００Ｆ（装置名）」を用いて１０，０００倍で観察し、最大径が０．２μｍ以上の介在物について成分組成を定量分析した。観察条件は、加速電圧を７ｋＶ，試料電流を０．００３μＡ，観察視野面積を１ｃｍ2，分析個数は無作為に選択した１００個とし、特性Ｘ線の波長分散分光により介在物中央部での成分組成を定量分析した。分析対象元素は、Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃａ，Ｌａ，Ｃｅとし、分析対象とする元素の存在比をモル換算し、換算後の元素量全体を１モルとしたときに、分析対象とする介在物に含まれる各元素のモル分率を算出した。モル分率の算出結果を下記表３に示す。下記表３中の空欄は検出されなかったことを示している。
上記サンプル表面をＥＰＭＡで観察した結果、観察された介在物は、ＲＥＭとＺｒを含む複合介在物が大半であったが、単独介在物としてＲＥＭの介在物やＺｒの介在物も生成していた。
また、鋼材に含まれる固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量は、次の手順で算出した。まず、鋼材に介在物として含まれているＲＥＭ量とＺｒ量を電解抽出法で測定した。電解抽出は、電解液として、メタノール１００ｃｃ中に、トリエタノールアミン２ｃｃとテトラメチルアンモニウムクロライド１ｇを含有する溶液を用い、上記サンプルを５００Ａ／ｍ2以下の電流下で抽出（電気分解）した。これによりマトリックスが溶解すると共に、固溶ＲＥＭと固溶Ｚｒも電解液中へ抽出された。サンプルの大きさは、縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×長さ５ｍｍとした。
次いで、抽出後の電解液をメンブランフィルター（フィルター径は４７ｍｍ、ポアサイズは０．１μｍ）を用いてろ過し、フィルターごと残渣を白金製るつぼに移し、ガスバーナーで加熱して灰化した。次いで、アルカリ融剤（炭酸ナトリウムと四ほう酸ナトリウムの混合物）を加え、再度ガスバーナーで加熱して残渣を融解した。次に、１８体積％塩酸を加えて融解物を溶液化した後、メスフラスコに移し、さらに純水を加えてメスアップして分析液を得た。分析液中のＲＥＭとＺｒ濃度をＩＣＰ−ＭＳ法で測定した。
このようにして求めた介在物に含まれるＲＥＭ量とＺｒ量を、別途通常のＩＣＰ−ＭＳ法で分析したＲＥＭ量（トータルＲＥＭ量）またはＺｒ量（トータルＺｒ量）から引くことにより、固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量を求めた。算出した結果を下記表２に併せて示した。
図２に、鋳造前の溶鋼に含まれる溶存酸素量［Ｏ］2と、鋼材に含まれる固溶ＲＥＭ量または固溶Ｚｒ量との関係をグラフに示す。
次に、溶接時に熱影響を受けるＨＡＺの靭性を評価するために、大入熱溶接を模擬して下記に示す溶接再現試験を行なった。溶接再現試験は、スラブから切り出したサンプルが１４００℃になる様に加熱し、この温度で５秒間保持した後、冷却して行った。冷却は、８００℃から５００℃への冷却時間が３００秒となるように調整した。
冷却後のサンプルの衝撃特性は、Ｖノッチシャルピー試験を行って−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ-40）を測定して評価した。
サンプルは、同一鋼種からＪＩＳ Ｚ２２４２「金属材料のシャルピー衝撃試験方法」に準じて３本ずつ採取し、各サンプルについてｖＥ-40を測定した結果とそれらの平均値を下記表４に示す。ｖＥ-40の平均値が１５０Ｊ以上のものを合格（ＨＡＺ靭性良好）とする。
また、各サンプルについて、ｖＥ-40値の最大値と最小値に基づいて下記基準で靭性のバラツキを評価した。評価結果を下記表４に示す。
［最大値と最小値の評価基準］
○：ＨＡＺ靭性の最大値または最小値が１５０Ｊ以上である。
×：ＨＡＺ靭性の最大値または最小値が１５０Ｊ未満である。
○：ＨＡＺ靭性の最大値または最小値が１５０Ｊ以上である。
×：ＨＡＺ靭性の最大値または最小値が１５０Ｊ未満である。
［総合評価基準］
○：３本測定した結果のうち、最小値が１５０Ｊ以上であり、高いＨＡＺ靭性が安定して確保されている。
△：３本測定した結果のうち、少なくとも１本が１５０Ｊ以上であるが、ＨＡＺ靭性のバラツキが大きく、最小値は１５０Ｊ未満である。
×：３本測定した結果のうち、全てが１５０Ｊ未満である。
○：３本測定した結果のうち、最小値が１５０Ｊ以上であり、高いＨＡＺ靭性が安定して確保されている。
△：３本測定した結果のうち、少なくとも１本が１５０Ｊ以上であるが、ＨＡＺ靭性のバラツキが大きく、最小値は１５０Ｊ未満である。
×：３本測定した結果のうち、全てが１５０Ｊ未満である。
図３に、下記表４に示した各サンプルについて、ＨＡＺ靭性の平均値（図中の○印）と、ＨＡＺ靭性の最大値と最小値の幅をグラフに示す。
以上の結果から、次のように考察できる。上記図１から明らかなように、ＲＥＭとＺｒを添加する前のトータル酸素量［Ｏ］1を０．００２０〜０．０１５％（２０〜１５０ｐｐｍ）に調整した溶鋼に、上記（１）式を満足するようにＲＥＭとＺｒを添加すれば、ＨＡＺ靭性が良好となり、ＨＡＺ靭性のバラツキも少なくなることが分かる。なお、図１に示した直線の式は、（［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］）＝１５×［Ｏ］1である。
表４および図２から明らかなように、鋳造前の溶存酸素量［Ｏ］2を０．００１０〜０．００３５％（１０〜３５ｐｐｍ）の範囲に調整してから鋳造すれば、鋼材に含まれる固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量を所定値以下に低減することができることがわかる。
表４および図３から明らかなように、Ｎｏ．１〜３、５〜８、１０、１２は、本発明で規定する要件を満足する例であり、鋼材の化学成分のうち特にＲＥＭ量とＺｒ量が適切に調整されていると共に、固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量が適切に制御されているため、ＨＡＺ靭性の平均値が１５０Ｊ以上となり、ＨＡＺ靭性に優れている。また、ＨＡＺ靭性のバラツキも少なくなっている。
一方、Ｎｏ．１３〜２１は、本発明で規定する要件から外れる例であり、鋼材の化学成分のうち特にＲＥＭ量またはＺｒ量が本発明で規定する範囲から外れているか、或いは固溶ＲＥＭ量と固溶Ｚｒ量が本発明で規定する範囲から外れているため、ＨＡＺ靭性の平均値が１５０Ｊ未満となり、ＨＡＺ靭性が劣っている。また、ＨＡＺ靭性のバラツキも大きいものが多くなっている。
［実験例２］
上記実験例１で得られたＮｏ．３，Ｎｏ．８，Ｎｏ．１４，Ｎｏ．２０のスラブを、熱間圧延して厚み３０ｍｍの鋼板を得た。
上記実験例１で得られたＮｏ．３，Ｎｏ．８，Ｎｏ．１４，Ｎｏ．２０のスラブを、熱間圧延して厚み３０ｍｍの鋼板を得た。
得られた鋼板の圧延方向に対して垂直な断面について、上記実験例１と同じ条件で介在物の成分組成を定量分析し、分析対象とする介在物に含まれる各元素のモル分率を算出した。観察位置は、鋼板のＤ／４（但し、Ｄは鋼板の厚み）位置とし、観察条件は、観察視野面積を１ｃｍ2とする以外は、上記実験例１と同じ条件とした。モル分率の算出結果を下記表５に示す。下記表５中の空欄は検出されなかったことを示している。
次に、溶接時に熱影響を受けるＨＡＺの靭性を評価するために、大入熱溶接を模擬して下記に示す溶接再現試験を行なった。溶接再現試験は、上記鋼板から切り出した試験片を、全体が１４００℃になる様に加熱し、この温度で５秒間保持した後、冷却して行った。冷却速度は、８００℃から５００℃への冷却時間が３００秒となるように調整した。
冷却後の試験片の衝撃特性は、Ｖノッチシャルピー試験を行って−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ-40）を測定して評価した。各サンプルについてｖＥ-40を測定した結果とそれらの平均値を下記表６に示す。また、上記実験例１と同様にＨＡＺ靭性のバラツキを評価した結果を下記表６に示す。
図４に、下記表６に示した各サンプルについて、ＨＡＺ靭性の平均値（図中の○印）と、ＨＡＺ靭性の最大値と最小値の幅をグラフに示す。
下記表５と下記表６から明らかなように、熱間圧延して得られた鋼板から切り出した試験片の衝撃特性は、スラブから切り出したサンプルの衝撃特性とほぼ同程度であり、熱間圧延してもＨＡＺ靭性は変化しないことが分かる。また、ＨＡＺ靭性のバラツキ易さも、熱間圧延して得られた鋼板とスラブから切り出したサンプルでは同じ傾向を示す。
Claims (6)
- Ｃ ：０．０１〜０．２％（「質量％」の意味。以下同じ）、
Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：２．５％以下（０％を含まない）、
Ｔｉ：０．０３％以下（０％を含まない）、および
Ｎ ：０．０１％以下（０％を含まない）を含み、
Ｐ ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｓ ：０．０１５％以下（０％を含まない）、および
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含む）を満足すると共に、
更に、
ＲＥＭ：０．００１０〜０．１％と、Ｚｒ：０．００１〜０．０５％を夫々含有し、
残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材であり、
介在物中にＲＥＭとＺｒを含有すると共に、
固溶ＲＥＭ：０．００１０％以下（０％を含む）と、
固溶Ｚｒ ：０．００１０％以下（０％を含む）を満足し、
固溶ＲＥＭと固溶Ｚｒの合計：０．００１０％以下を満足することを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。 - 前記鋼材に含まれる介在物の組成を測定し、該介在物に含まれる元素のうち、Ｏ，Ｃ，Ｎ，Ｓ以外の元素の存在比をモル換算し、換算後の元素量全体を１モルとしたときに、ＲＥＭのモル分率が０．０５０以上で、Ｚｒのモル分率が０．０４以上を満足するものである請求項１に記載の鋼材。
- 前記鋼材が、更に他の元素として、
Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）を含むものである請求項１または２に記載の鋼材。 - 前記鋼材が、更に他の元素として、
Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、
Ｖ ：０．１％以下（０％を含まない）、および
Ｂ ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の鋼材を製造する方法であって、
トータル酸素量［Ｏ］1を０．００２０〜０．０１５％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭとＺｒを添加して溶存酸素量［Ｏ］2を０．００１０〜０．００３５％の範囲に調整した後、鋳造することを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製造方法。 - 前記トータル酸素量［Ｏ］1を測定し、このトータル酸素量［Ｏ］1に応じて下記（１）式を満足するようにＲＥＭとＺｒを添加して前記溶存酸素量［Ｏ］2を調整する請求項５に記載の製造方法。
［ＲＥＭ］＋［Ｚｒ］≦１５×［Ｏ］1 ・・・（１）
但し、（１）式中、［ＲＥＭ］と［Ｚｒ］は、夫々ＲＥＭまたはＺｒの添加量（質量％）であり、［Ｏ］1は、ＲＥＭとＺｒを添加する前の溶鋼のトータル酸素量（質量％）である。
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