JP5509945B2 - 溶接熱影響部の靭性に優れた鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、溶接熱影響部の靭性に優れた鋼板で、特に５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱溶接を施した場合に、溶接熱影響部の靭性に優れる、引張強度が５９０ＭＰａ級以上で溶接構造用鋼板として使用可能なものに関する。

建築構造物のボックス柱の組立て溶接に適用されるサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接等では、施工高能率化のため、５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱溶接が施されることがある。一般に、溶接入熱量が大きくなると、溶接熱影響部（以下、ＨＡＺと呼ぶこともある）の組織が粗大化し靭性が低下するため、ＨＡＺ靭性を改善する方法が種種、提案されている。

例えば、特許文献１は引張り強さ５９０ＭＰａ級鋼のＨＡＺ靭性劣化（入熱量５００ｋＪ／ｃｍ程度）を抑制する技術に関し、鋼組成を極低Ｃ化して島状マルテンサイト（ＭＡ）の生成を抑制し、焼入性向上元素であるＭｎ、ＮｉおよびＣｒを適正に含有させてγ粒界でのフェライトの生成を抑え、粒内における変態組織のブロックサイズの微細化を図ることが開示されている。

また、特許文献２は引張り強さ７８０ＭＰａ級鋼のＨＡＺ靭性改善技術（入熱量５００ｋＪ／ｃｍ程度）に関し、鋼組成としてＭｎおよびＮｉ、Ｃｕを積極的に含有し、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ含有量を制限することでベイニテックフェライトを主体とする組織とし、Ｔｉ、Ｎ量を適正化してＴｉＮを高温で安定化させてＨＡＺでのオーステナイト結晶粒の粗大化を防止することが開示されている。

特開２００７−１２６７２５号公報 特開２００６−１１８００７号公報

しかしながら、特許文献１記載の引張り強さ５９０ＭＰａ級鋼はＨＡＺ靭性を改善するために約１％のＮｉの含有を必要とする。Ｎｉは高価な元素であるため、合金コストかかなり嵩み、５９０ＭＰａ級鋼としてはコスト競争力が低い。またＭｎを２％程度と多めに含有するため、スラブの１／２・ｔ位置（ｔ：スラブ厚）でのＭｎの凝固偏析が強く、板厚の１／２位置での靭性が損なわれやすい。

特許文献２記載の引張り強さ７８０ＭＰａ級鋼はＨＡＺ靭性を改善するために約１から２％のＮｉの含有を必要とし、さらに０．２から０．５％のＭｏ含有を必要とする。ＮｉおよびＭｏは高価な元素であるため、合金コストかかなり嵩み、コスト競争力が低い。

またＭｎを２％程度と多めに含有するため、特許文献１と同様にスラブの１／２・ｔ位置でのＭｎの凝固偏析が強く、板厚の１／２位置での靭性が損なわれやすい。

そこで、本発明はコスト競争力が高く、板厚の１／２位置で靭性劣化が生じない大入熱ＨＡＺ靭性に優れた引張り強さ５９０ＭＰａ級以上の鋼板を提供することを目的とする。

本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、以下の知見を得た。
１．引張り強さ５９０ＭＰａ級以上の鋼板において大入熱溶接熱影響部の高靭性を安定して確保するためには、極低Ｃ化してＭＡの生成を抑え、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉなどの焼入れ性を高める元素を含有して変態温度を低下させ全体を均一なベイナイト組織とすることが成分設計指針の基本である。
２．その上で、オーステナイト生成元素（Ｍｎ、Ｎｉなど）とフェライト生成元素（Ｃｒ、Ｓｉなど）の両者を含有し、オーステナイト生成元素量に対してフェライト生成元素量を適正にした成分組成にするとＨＡＺ靱性が向上する。

すなわち、オーステナイト生成元素の他にフェライト安定化元素を含有すると、過度のオーステナイト安定化が緩和され、ベイナイトラス間のＭＡは減少し、ＨＡＺ靱性の優れた領域が現れる。
３．オーステナイト生成元素としてＭｎを主とし、Ｎｉを補助的に用いると合金コストを低下させ、ＨＡＺ靭性の向上にも有効である。

すなわち、Ｍｎは強力なオーステナイト安定化元素であり変態温度を低下させベイナイト変態を促進するが、Ｍｎの単独含有はベイナイトラス間にＭＡを析出させて、ＨＡＺ靱性を低下させる。

ＮｉもＭｎに次ぐ、強力なオーステナイト安定化元素で、変態温度を低下させベイナイト変態を促進するが、その効果がＭｎより小さいため、Ｎｉのみを含有する場合は多量に含有しなければその効果は十分でない。

Ｎｉを単独で多量に含有した場合、ＨＡＺは均一なベイナイト組織となり、またＭｎ含有の場合とは異なりベイナイトラス間に靭性に有害なＭＡの生成がほとんどないため優れたＨＡＺ靭性を得ることができるが、高価なため、多量の含有によって鋼材の合金コストが極めて高くなる。
４．フェライト生成元素としてＣｒを主とし、Ｓｉを補助的に用いることが実際的である。ＣｒはＭｎによる過度のオーステナイト安定化を抑える上で有効である。またＳｉも強力なフェライト生成元素であるが、Ｓｉはセメンタイトの生成を強く抑制するため、過剰に含有するとＭＡの生成を助長するようになる。

本発明は、上記知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．０２５〜０．０５０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．９〜２．３％、Ｃｒ：１．０〜３．９％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含む）、下記（１）〜（３）式を満足し、残部鉄および不可避不純物からなる溶接熱影響部の靱性に優れた鋼板。
記
３．０≦Ｍｎ＋０．７Ｎｉ＋０．４Ｃｒ＋２Ｓｉ≦４．３・・・（１）
Ｍｎ＋０．７Ｎｉ≧１．６・・・（２）
Ｃｒ＋５Ｓｉ≧２．５・・・（３）
各式において、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。

本発明によれば、５００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱溶接等を施した場合にも、優れたＨＡＺ靭性を確保でき、安全性の高い建築構造物等を高能率で製造することができる。さらに近年、高騰しているＮｉやＭｏなどの高価な合金元素の含有が少ないため経済性に優れ、産業上極めて有用である。

本発明に係る鋼板は、ＨＡＺ靱性を向上させ、母材の強度、靭性を確保する観点から成分組成においてオーステナイト生成元素（Ｍｎ、Ｎｉ）とフェライト生成元素（Ｃｒ、Ｓｉ）の含有量と両者のバランスを適正化することを特徴とする。以下、成分限定理由について説明する。説明において％は質量％とする。

Ｍｎ：０．９〜２．３％
Ｍｎは強力なオーステナイト安定化元素で、変態点を低下させて母材の強度を確保するのに有用な元素である。また、ベイナイト変態を促進する元素である。母材の強度を確保するため０．９％以上含有させる。しかしＭｎが過剰になるとＨＡＺが硬くなりすぎ、ＨＡＺ靭性が劣化するようになるので、２．３％以下とする。

Ｎｉ：２．０％以下（０％を含む）
Ｎｉも強力なオーステナイト安定化元素であり、変態点を低下させて母材の強度を確保するのに有用な元素である。また、ベイナイト変態を促進する元素である。しかし高価な元素であるため、本発明ではＭｎの補助として用いる選択元素とし、Ｍｎだけで目的の強度、ＨＡＺ靭性が得られる場合には含有する必要はない。含有する場合にも合金コストの観点から２．０％以下とする。

Ｃｒ：１．０〜３．９％
Ｃｒは焼入れ性を向上させて母材の強度や靭性を確保するのに有用な元素であるとともにフェライト安定化元素であり、Ｍｎ含有によるオーステナイトの過度の安定化を防止しＭＡの発生を抑制するのに有用な元素である。これらの効果を発揮させるため、１．０％以上含有させる。しかし、Ｃｒ量が多くなると、ＨＡＺの硬度が増大してＨＡＺ靭性が劣化するようになるので３．９％以下とする。

Ｓｉ：０．６％以下
Ｓｉは、製鋼時の脱酸に必要な元素であるが、脱酸の目的を達すれば、含有量は少なくとも良い。また強力なフェライト生成元素でありＭｎによるオーステナイトの過度の安定化を抑制してＭＡの生成を抑制するが、セメンタイトの生成を強力に抑制するため、含有量が多くなるとＭＡが増大してＨＡＺ靭性が劣化するようになるので０．６％以下とする。

３．０≦Ｍｎ＋０．７Ｎｉ＋０．４Ｃｒ＋２Ｓｉ≦４．３・・・（１）
Ｍｎ＋０．７Ｎｉ≧１．６・・・（２）
Ｃｒ＋５Ｓｉ≧２．５・・・（３）
（１）〜（３）の各式は、成分組成におけるオーステナイト生成元素であるＭｎ、Ｎｉと、フェライト生成元素であるＣｒ、Ｓｉの含有量のバランスをＨＡＺ靭性の観点から規定するパラメータ式である。オーステナイト生成元素であるＭｎ、Ｎｉの含有量がＭｎ＋０．７Ｎｉ≧１．６を満たし、フェライト生成元素であるＣｒ、Ｓｉの含有量がＣｒ＋５Ｓｉ≧２．５を満たし、且つ、３．０≦Ｍｎ＋０．７Ｎｉ＋０．４Ｃｒ＋２Ｓｉ≦４．３、の場合、良好なＨＡＺ靭性が得られる。

溶接構造用鋼として、鋼板（母材）の強度や靭性等その他の特性を具備させるため、上記以外の成分の含有量を規定する。

Ｃ：０．０２５〜０．０５０％
Ｃは、母材強度の確保、およびγ粒の粗大化を抑制してＨＡＺ靭性を確保するのに必要な元素であり、該効果を発揮させるため、０．０２５％以上含有させる。一方、含有量が多くなるとＭＡが増大してＨＡＺ靭性が劣化するようになるので０．０２５〜０．０５０％とする。

Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、製鋼時の脱酸に必要な元素であるが、脱酸の目的を達すれば、含有量は少なくとも良い。また、含有量が多くなると、アルミナ等の粗大介在物が増加し、母材靭性が劣化する。加えてＭＡが増加し、ＨＡＺ靭性も劣化するようになるため、０．０５％以下とする。

Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉは、Ｎと結合しＴｉＮを形成する元素で、ＴｉＮはＨＡＺのγ粒の成長を抑制しＨＡＺ靭性の向上に寄与する。この効果を発揮させるため、０．００５％以上（好ましくは０．０１０％以上）含有させる。一方、含有量が多くなるとＴｉＮが粗大化し、母材靭性、ＨＡＺ靭性が共に劣化するようになるので、０．０５０％以下とする。

本発明の鋼板は常法により溶製、圧延して製造することが可能である。以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

種々の成分組成の鋼材を溶製しインゴットとした後、１２００℃に加熱し、圧延開始温度１１５０℃、圧延終了温度８５０℃、圧下率８０％、板厚１５ｍｍまで熱間圧延を行いその後空冷した。得られた鋼板について、母材特性（強度、靭性）、ＨＡＺ靭性の評価を行った。

［母材特性］
各鋼板について、圧延方向から丸棒試験片（ＡＳＴＭ−Ｆ型）を採取して、ＪＩＳＺ ２２４１の要領で引張試験を行い、降伏強度（ＹＳ）、引張強度（ＴＳ）、伸び（ＥＬ）を測定した。また、シャルピー衝撃試験をＪＩＳ Ｚ ２２０２のＶノッチ試験片を用いてＪＩＳＺ ２２４２の要領で行い、試験温度０℃での吸収エネルギー（ｖＥ_０）と参考までに脆性破面率を測定した。
［ＨＡＺ靭性］
ＨＡＺ靭性はエレクトロスラグ溶接部の再現熱サイクル試験で評価した。再現熱サイクルは、スキンプレート材（５０ｍｍ厚）とダイアフラム材（５０ｍｍ厚）を組合せ、溶接入熱が５５０ｋＪ／ｃｍのエレクトロスラグ溶接を行った場合のボンド近傍の熱影響部に相当する熱履歴を模擬した。

各鋼板の圧延方向から採取した１２ｍｍ厚さ×１２ｍｍ幅の角棒状試験片に高周波誘導加熱装置により１４００℃で１秒間保持し８００〜５００℃の冷却時間が５１０秒の熱サイクルを施した。その後、各試験片からＪＩＳ Ｚ ２２０２のＶノッチ試験片を３本採取して、ＪＩＳＺ ２２４２の要領でシャルピー衝撃試験を行い、試験温度０℃での吸収エネルギー（ｖＥ_０）を測定した。

本発明範囲は、引張強度が５９０ＭＰａ以上で、吸収エネルギーの３本の平均が７０Ｊ以上で、個々の最低値が５０Ｊ以上とする。表１に供試鋼の成分組成を、表２に母材特性（強度、靭性）を、表３に再現熱サイクルシャルピー衝撃試験結果を示す。

以下の説明において、Ａ＝Ｍｎ＋０．７Ｎｉ、Ｆ＝Ｃｒ＋５Ｓｉとする。試料Ａ１からＡ４はＡの値が本発明の範囲以外の比較例である。また試料Ａ１とＡ２はＡ＋０．４Ｆの値も本発明の範囲外である。試料Ａ５とＡ６は本発明例である。

試料Ａ７からＡ２１はＦまたはＡまたはＡ＋０．４Ｆのいずれかが本発明の範囲外の比較例である。試料Ａ２２からＡ２８は本発明例である。試料Ａ２９はＡ＋０．４Ｆの値が本発明の範囲外の比較例である。試料Ａ３０とＡ３１は本発明例である。試料Ａ３２とＡ３３はＡ＋０．４Ｆの値が本発明の範囲外の比較例である。試料Ａ３４は本発明例である。試料Ａ３５、Ａ３６とＡ３７はＡ＋０．４Ｆの値が本発明の範囲外の比較例である。

試料Ａ１からＡ３はＴＳが５９０ＭＰａ未満で所望の強度が得られていない。試料Ａ４は、ＴＳは十分であるが後述するようにＨＡＺ靭性が劣っている。試料Ａ７からＡ２１は、いずれもＴＳが５９０ＭＰａ未満で所望の強度が得られていない。

試料Ａ２２からＡ３７は、いずれもＴＳが５９０ＭＰａ以上で十分な強度である。しかし、比較例の試料Ａ２９、Ａ３２、Ａ３３、Ａ３５、Ａ３６、Ａ３７は後述するようにＨＡＺ靭性が劣っている。

本発明例はいずれも吸収エネルギーの３本の平均が７０Ｊ以上で、３本の最低値が５０Ｊ以上でＨＡＺ靭性に優れているが、比較例はいずれも本発明外でＨＡＺ靭性に劣っている。

Claims (1)

1. 鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．０２５〜０．０５０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．９〜２．３％、Ｃｒ：１．０〜３．９％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含む）、下記（１）〜（３）式を満足し、残部鉄および不可避不純物からなる溶接熱影響部の靱性に優れた鋼板。
   記
   ３．０≦Ｍｎ＋０．７Ｎｉ＋０．４Ｃｒ＋２Ｓｉ≦４．３・・・（１）
   Ｍｎ＋０．７Ｎｉ≧１．６・・・（２）
   Ｃｒ＋５Ｓｉ≧２．５・・・（３）
   各式において、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。