(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０１０〜０．０６０％（ｗｔ％、以下同じ）、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．２５〜２．５％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｂ：０．０００６〜０．００５０％、Ｃｕ：０．２５％未満、Ｎｂ：０．０３０％以下を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｚｒ：０．０５０％以下、Ｈｆ：０．１０％以下のいずれか１種以上を含有し、Ｎ：０．０１００％以下に制限され、残部Ｆｅ及び不可避不純物よりなり、かつ下記式で定義されるＫＰ（％）及びＫＮ（％）が、ＫＰ≧３．２０、０．０≦ＫＮ≦３．０を満たすことを特徴とする溶接性に優れた高張力鋼板。
ＫＰ＝[Ｍｎ]＋1.5×[Ｃｒ]＋2×[Ｍｏ]
ＫＮ＝（[Ｎ]／14−[Ｔｉ]／48−[Ｚｒ]／91−[Ｈｆ]／178）×10４
ただし、[Ｍｎ]、[Ｃｒ]、[Ｍｏ]、[Ｎ]、[Ｔｉ]、[Ｚｒ]、[Ｈｆ]は各元素の含有量（％）を表す。
【請求項２】
Ｃ：０．０１０〜０．０６０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．２５〜２．５％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｂ：０．０００６〜０．００５０％、Ｃｕ：０．２５〜１．０％、Ｎｂ：０．０１０％未満を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｚｒ：０．０５０％以下、Ｈｆ：０．１０％以下のいずれか１種以上を含有し、Ｎ：０．０１００％以下に制限され、残部Ｆｅ及び不可避不純物よりなり、かつ下記式で定義されるＫＰ（％）及びＫＮ（％）が、ＫＰ≧３．２０、０．０≦ＫＮ≦３．０を満たすことを特徴とする溶接性に優れた高張力鋼板。
ＫＰ＝[Ｍｎ]＋1.5×[Ｃｒ]＋2×[Ｍｏ]
ＫＮ＝（[Ｎ]／14−[Ｔｉ]／48−[Ｚｒ]／91−[Ｈｆ]／178）×10４
ただし、[Ｍｎ]、[Ｃｒ]、[Ｍｏ]、[Ｎ]、[Ｔｉ]、[Ｚｒ]、[Ｈｆ]は各元素の含有量（％）を表す。
【請求項３】
Ｎｉ：３．５％以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載された溶接性に優れた高張力鋼板。
【請求項４】
Ｖ：０．１０％以下含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された溶接性に優れた高張力鋼板。
【請求項５】
Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された溶接性に優れた高張力鋼板。
【請求項６】
Ａｌ：０．２０％以下含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された溶接性に優れた高張力鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば橋梁、ペンストック、タンク、その他の大型構造物に使用される、溶接性に優れた高張力鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼板では、母材強度を確保するとの観点から合金成分を多量に添加するため、小入熱溶接条件で冷却速度の速いＨＡＺが硬化して溶接割れ（低温割れ）が生じやすく、それを防ぐために溶接施工時に１００℃程度の予熱を行う必要がある。この予熱を省略できれば大きく施工効率が上がり、かつコストダウンにもなるため、耐低温割れ性に優れた７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼板が要望されている。
【０００３】
耐低温割れ性の指標として下記式で定義されるＰｃｍ（％）というパラメータが開示され、従来はＰｃｍを制限して耐低温割れ性を改善し、合金成分の添加を制限したことによる母材強度の低下を製造方法の改良により補ってきた。
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋［Ｃｕ］／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｃｒ］／２０＋［Ｍｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５×［Ｂ］
ただし、［Ｃ］〜［Ｂ］は各元素の含有量を表す。
これにより、７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼板において、母材製造時の焼入れにおける冷却速度が比較的速い薄物（≦３４ｍｍ）では予熱フリーを可能にできたが、冷却速度が遅い厚物（≧４０ｍｍ）では予熱フリーと母材強度の確保を両立させることができなかった。また、Ｃｕの析出を利用して母材強度を確保する方法も開示されているが、冷却速度が遅い厚物では十分な母材強度が確保できない。
なお、耐低温割れ性の改善に関する特許文献としては、例えば特開平７−１１３１４０号公報（Ｐｃｍ≦０．２３とし、低Ｃ、低Ｃｕに制限して耐低温割れ性を改善する）、特開昭６１−４４１６１号公報（Ｐｃｍを余り上げずに高Ｃｅｑとし、かつ低Ｃ、Ｂフリーとする）、特開平４−３３３５１６号公報（Ｐｃｍ≦０．２８、Ｂフリーとして耐低温割れ性を改善し、かつＣｕ添加により強度を確保する）、特開平５−１６３５２７号公報（Ｐｃｍに類似の溶接性パラメーターＰを規制し、かつＣｕを添加して強度を確保する）がある。
【０００４】
一方、７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼板において、大入熱溶接時にＨＡＺ靭性が劣化する問題がある。これは、入熱が大きくなるとＨＡＺ部の冷却速度が遅くなり、それに伴いＨＡＺ部の焼入れ性が低下し、粗大な島状マルテンサイトを生成することにより靭性が低下するためである。この問題は厚物、薄物いずれにおいても発生し、実際の溶接施工時に入熱制限（５ｋＪ／ｍｍ以下）が行われ、効率が悪かった。
４９０〜５９０ＭＰａ級では、Ｔｉ添加、酸化物分散などにより大入熱ＨＡＺ靭性の改善がなされてきた。７８０ＭＰａ級以上でも、前記特開平５−１６３５２７号公報、特開昭６１−４４１６１号公報のほか、例えば特開平６−６５６８０号公報（酸化物を含有させ、旧γ粒径を微細化する）、特開平７−２３３４３７号公報（Ｂフリー、Ｐｃｍ≦０．２４、Ｃｅｑ≧０．４５として焼入れ性を向上させる）など、大入熱ＨＡＺ靭性の改善を目的とする発明があるが、いずれも十分ではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、小入熱溶接においてＨＡＺ部は高温に加熱されかつ冷却速度が速いため、硬化して低温割れを起こしやすい。一方、母材は板厚が厚くなるほど冷却速度が遅くなるため、圧延後の焼入れで強度が確保し難くなる。従って、７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼板の厚物では、小入熱溶接時の低温割れを防止するため冷却速度が速い場合に硬くならないようにした上で、鋼板製造時の焼入れ過程において冷却速度が遅い場合にいかに強度を確保するかが課題となる。
また、厚物、薄物いずれにおいても、大入熱溶接においては、ＨＡＺ部の冷却速度が遅くなり、それに伴いＨＡＺ部の焼入れ性が低下し、島状マルテンサイト組織を生成して靭性が低下するが、このＨＡＺ靭性を改善するには、冷却速度が遅い場合にいかに島状マルテンサイト組織の生成を抑制するかが課題となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接性に優れた高張力鋼板は、Ｃ：０．０１０〜０．０６０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．２５〜２．５％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｂ：０．０００６〜０．００５０％、Ｃｕ：０．２５％未満、Ｎｂ：０．０３０％以下を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｚｒ：０．０５０％以下、Ｈｆ：０．１０％以下のいずれか１種以上を含有し、Ｎ：０．０１００％以下に制限され、残部Ｆｅ及び不可避不純物よりなり、かつ下記式で定義されるＫＰ（％）及びＫＮ（％）が、ＫＰ≧３．２０、０．０≦ＫＮ≦３．０を満たすことを特徴とする。
ＫＰ＝[Ｍｎ]＋1.5×[Ｃｒ]＋2×[Ｍｏ]
ＫＮ＝（[Ｎ]／14−[Ｔｉ]／48−[Ｚｒ]／91−[Ｈｆ]／178）×10４
ただし、[Ｍｎ]、[Ｃｒ]、[Ｍｏ]、[Ｎ]、[Ｔｉ]、[Ｚｒ]、[Ｈｆ]は各元素の含有量（％）を表す。
上記高張力鋼板において、Ｃｕ：０．２５％未満含有させる代わりに、Ｃｕ：０．２５〜１％含有させることができる。ただし、その場合は、Ｎｂ：０．０１０％未満とする。
【０００７】
上記高張力鋼板において、上記元素以外に、必要に応じて下記（１）〜（４）に挙げたいずれか１種又は２種以上を含有させてもよい。
（１）Ｎｉを３．５％以下
（２）Ｖを０．１０％以下
（３）Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％
（４）Ａｌ：０．２０％以下
【０００８】
【発明の実施の形態】
さて、４９０〜５９０ＭＰａ級の高張力鋼板では、Ｐｃｍを基本とした成分設計で耐低温割れ性の改善と母材強度の確保を両立させることができたが、７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼板では、Ｐｃｍを基本とした成分設計を行った場合、特に厚物において耐低温割れ性の改善と母材強度の確保を両立させることが困難である。そこで、本発明では、成分設計に当たり、これまで耐低温割れ性の指標とされていたＰｃｍにとらわれず、鋼組織を考慮した成分設計を行った。
【０００９】
本発明の成分設計は、Ｃを極低Ｃに制限した上で、焼入れ性向上元素であるＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏを積極添加し、さらにＢを添加したことがポイントである。これらの成分を適量添加することにより、ベイナイトのＣＣＴ線（図５のＣＣＴ線図を参照）が短時間側、かつ低温度側に移動し、フェライトのＣＣＴ線が長時間側に移動する（いずれも図５の実線→破線）。
従って、従来は、高冷却速度ではマルテンサイト、低冷却速度ではフェライト又は高温ベイナイトを生成するために、硬さの冷却速度感受性が大きく、小入熱溶接時のＨＡＺ部の硬さ低減（耐低温割れ性の改善）と母材強度確保が両立できず、予熱フリーが困難であったが、本発明では、高冷却速度、低冷却速度のいずれでも低温ベイナイトを生成し、硬さの冷却速度感受性が低下し、小入熱溶接時のＨＡＺ部の硬さ低減（耐低温割れ性の改善）と母材強度確保の両立が可能となった。
一方、大入熱溶接の場合、ＨＡＺの冷却速度が遅くなるため、従来、フェライト又は高温ベイナイトを生成し、それに伴い粗大かつ塊状の島状マルテンサイト組織が生成してＨＡＺ靭性が劣化していたが、本発明では、冷却速度が遅くても低温ベイナイトが生成し、しかも極低Ｃであるため生成する島状マルテンサイト組織が微細となり、ＨＡＺ靭性を確保できる。
【００１０】
次に、本発明に係る高張力鋼板の化学成分について個々に説明する。
Ｃ
Ｃを０．０６％以下に制限し、同時に適量のＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＢを添加することで、前記の通り、小入熱溶接時のＨＡＺ部の耐低温割れ性と母材強度確保を両立させ、かつ大入熱溶接時のＨＡＺ靭性を改善できる。Ｃが０．０６０％を超えると高冷却速度側で低温ベイナイトでなくマルテンサイトが生成するようになり、耐低温割れ性が改善されない。一方、０．０１０％未満では必要最小限の母材強度を得ることができない。従って、Ｃの含有量は０．０１０〜０．０６０％、より望ましくは０．０３０〜０．０５５％とする。
【００１１】
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ
これらの元素は焼入れ性を改善する作用をもち、高冷却速度〜低冷却速度で低温ベイナイトを生成させやすくし、前記の通り、極低Ｃとし、同時に適量のＢを添加することで、小入熱溶接時のＨＡＺ部の耐低温割れ性と母材強度確保を両立させ、かつ大入熱溶接時のＨＡＺ靭性を改善できる。しかし、下記式で定義されるＫＰが３．２０未満ではその作用が十分でなく、高温ベイナイト又はフェライトが生成するようになって、７８０ＭＰａ以上の母材強度を得ることができなくなる（後述する図１参照）。ＫＰの望ましい値は４．０以上である。
ＫＰ＝［Ｍｎ］＋１．５×［Ｃｒ］＋２×［Ｍｏ］
また、個別元素でみると、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量が、それぞれ１．２５％、０．１％、０．１％に満たないと焼入れ性を改善する効果が期待できず、母材強度が不足し、それぞれ２．５％、２．０％、１．５％を超えると母材の靭性が劣化する。従って、含有量はそれぞれ１．２５〜２．５％、０．１〜２．０％、０．１〜１．５％とする。より望ましくは、それぞれ１．３〜２．２％、０．３〜１．５％、０．３〜１．３％とする。
【００１２】
Ｂ
Ｂは焼入れ性を改善する作用をもち、低冷却速度で低温ベイナイトを生成させやすくする。そして、前記の通り、極低Ｃとし、同時に適量のＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏを添加することで、小入熱溶接時のＨＡＺ部の耐低温割れ性と母材強度確保を両立させ、かつ大入熱溶接時のＨＡＺ靭性を改善することができる。Ｂが０．０００６％未満であると、焼入れ性を改善する効果が期待できず、母材強度が不足し、０．００５０％を超えるとかえって焼入れ性を低下させ、母材強度が不足する。従って、含有量は０．０００６〜０．００５０％、より望ましくは０．０００７〜０．００３０％とする。
【００１３】
Ｃｕ
Ｃｕは固溶強化及び析出強化によって母材強度を向上させ、また、ＢやＭｎ〜Ｍｏほどではないが焼入れ性を向上させるので、必要に応じて添加することができる。しかし、余り多くなると大入熱溶接時のＨＡＺ靭性を低下させるため、含有量は１．０％以下とするのが望ましい。
Ｎｂ
ＮｂはＮｂＣを形成して大入熱溶接時のＨＡＺ靭性を低下させ、特にＣｕと共存するときその作用が強く出る。このため、Ｃｕ含有量が少ないとき（Ｃｕ：０．２５％未満（０％を含む）のとき）は０．０３０％以下（０％を含む）に制限し、Ｃｕ含有量が比較的多いとき（Ｃｕ：０．２５％以上のとき）は０．０１％未満（０％を含む）に制限する必要がある。
【００１４】
Ｎｉ
Ｎｉは母材靭性を向上させるのに有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。しかし、３．５％を超えるとスケール疵が発生しやすくなるため、含有量は３．５％以下とする。
Ｖ
Ｖは少量の添加により焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高くする効果があり、必要に応じて添加することができる。しかし、０．１％を超えると大入熱溶接時のＨＡＺ靭性を低下させるため、含有量は０．１％以下とする。
【００１５】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ
これらの元素は不純物として含まれるＮを固定する作用をもち、高入熱溶接時のＨＡＺ部でＮが固溶Ｂと結合し、Ｂが消費されてその効果が失われるのを防止する。また、Ｔｉ等の窒化物は大入熱溶接時のＨＡＺ部のγ粒を微細化しＨＡＺ靭性を改善する。そのため、鋼中のＮ含有量に応じて、添加される。その場合、Ｔｉが必ず含まれるように添加しＺｒ、Ｈｆは必要に応じてＴｉとともに添加するのが、より望ましい。しかし、Ｎが多い割りに添加量が少なく下記式で定義されるＫＮが４を超える場合は、Ｂの効果が失われてＨＡＺ靭性が劣化する（後述する図２参照）。また、添加量が多くＫＮが−１未満となると母材の靭性が劣化する。従って、これらの元素を添加する場合は、−１．０≦ＫＮ≦４．０の範囲内とする。より望ましい範囲は、０．０〜３．０である。
ＫＮ＝（[Ｎ]／14−[Ｔｉ]／48−[Ｚｒ]／91−[Ｈｆ]／178）×10４
また、個別元素でみると、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの含有量が、それぞれ０．０３％、０．０５％、０．１０％を超えると母材の靭性が劣化するので、これ以下に制限される。
【００１６】
Ｃａ
ＣａはＭｎＳを球状化するという介在物の形態制御による異方性を低減する効果を有しており、０．０００５％未満ではこのような効果は少なく、また０．００５０％を超える過剰の含有は母材の靭性を劣化させる。従って、Ｃａを添加する場合、その含有量は０．０００５〜０．００５０％とする。
Ａｌ
Ａｌは脱酸元素であるとともに、Ｎを固定し固溶Ｂを増加させることにより、Ｂの焼入れ性を向上させる効果がある。しかし、０．２０％を超える過剰の含有は母材の靭性を劣化させる。従って、Ａｌを添加する場合は０．２０％以下とする。
【００１７】
Ｓｉ
Ｓｉは脱酸材の作用を有する元素であり、含有量が０．０５％未満ではその効果が期待できず０．５０％を超えると溶接性及び母材靭性を劣化させる。従って、Ｓｉの含有量は０．０５〜０．５０％とする。
Ｎ
不純物として含有されるＮはＢと結合して固溶Ｂを減少させ、Ｂの焼入れ性向上効果を阻害し、母材の靭性及び大入熱溶接時のＨＡＺ靭性を低下させる。Ｎの含有量が０．０１００％を超えるとその作用が顕著となり、Ｔｉ等の添加（ＫＮの調整）あるいはＡｌの添加の効果も発揮されない。従って、Ｎの含有量は０．０１００％以下に制限する。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。
表１〜表４に示す組成の鋼を通常の溶製法により溶製してスラブとなし、通常の加熱、熱間圧延、焼入れ処理を行った後、表５〜表６に示す温度で焼戻し処理を行い、同表に示す板厚の高張力鋼板を製造した。
この鋼板に対し、下記要領で母材特性の試験を行い、母材特性に合格したもの全てと合格しなかったものの一部について、さらに溶接性（耐低温割れ性、ＨＡＺ靭性）の試験を行った。
その結果を表５〜表６にあわせて示す。
【００１９】
［母材特性試験］
▲１▼引張試験；各鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を得て、引張試験を行い、０．２％耐力、引張強さを測定した。この実施例では引張強さ≧７８０ＭＰａを合格とした。
▲２▼衝撃試験；各鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギー（ｖＥ−４０）を求めた。この実施例では、ｖＥ−４０≧４７Ｊを合格とした。
【００２０】
［溶接性試験］
▲１▼ＨＡＺ靭性；入熱２０ｋＪ／ｍｍと４０ｋＪ／ｍｍ（サブマージアーク溶接）、及び入熱１００ｋＪ／ｍｍ（エレクトロスラグ溶接）で溶接を行い、前者の場合は図３に示す部位から、後者の場合は図４に示す部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行い、ボンド部の吸収エネルギー（ｖＥ−１０）を求めた。この実施例では、ｖＥ−１０≧４７Ｊを合格とした。なお、板厚３０ｍｍの鋼板は入熱２０ｋＪ／ｍｍまで、板厚５０ｍｍの鋼板は入熱４０ｋＪ／ｍｍまでとした。
▲２▼耐低温割れ性；ＪＩＳ  Ｚ  ３１５８に規定されたｙ形溶接割れ試験方法に基づいて、入熱１．７ｋＪ／ｍｍで被覆アーク溶接を行い、ルート割れ防止予熱温度を測定した。この実施例では、２５℃以下を合格とした。
【００２１】
【表１】
0003620573.tif 000002
【００２２】
【表２】
0003620573.tif 000003
【００２３】
【表３】
0003620573.tif 000004
【００２４】
【表４】
0003620573.tif 000005
【００２５】
【表５】
0003620573.tif 000006
【００２６】
【表６】
0003620573.tif 000007
【００２７】
表５の結果に示されるように、Ｎｏ．１〜２５は、母材特性と耐低温割れ性は全て合格であり、ＨＡＺ靭性も、入熱２０ｋＪ／ｍｍと４０ｋＪ／ｍｍの溶接では、全て合格であった。また、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等を−１．０≦ＫＮ≦４．０の範囲内で添加したＮｏ．１３、１５、１９〜２３は、入熱１００ｋＪ／ｍｍの溶接でも合格であった。
一方、合金組成、ＫＰ値又はＫＮ値のいずれかが規定範囲を外れる比較例は、表６の備考欄に示すように、母材特性が不合格か、母材特性が合格したものでも、耐低温割れ性が劣るか（Ｎｏ．２７）、大入熱溶接時のＨＡＺ靭性が劣る（Ｎｏ．３５〜３７、４５、４７、４８）。
【００２８】
図１は、表５、表６をもとに、母材強度（引張強さ）とＫＰ（＝Ｍｎ＋１．５×Ｃｒ＋２×Ｍｏ）値の関係を示すもので、ＫＰ値が３．２０以上で７８０ＭＰａが得られている。
また、図２は、同じく表５、表６をもとに、入熱１００ｋＪ／ｍｍの溶接後のＨＡＺ靭性（ｖＥ−１０）とＫＮ（＝（Ｎ／１４−Ｔｉ／４８−Ｚｒ／９１−Ｈｆ／１７８）×１０４）値の関係を示すもので、ＫＮ値が−１．０〜４．０の範囲内で４７ｋＪ以上のＨＡＺ靭性（ｖＥ−１０）が得られている。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、母材特性（強度、靭性）に優れ、かつ溶接性（耐低温割れ性、ＨＡＺ靭性）に優れた７８０ＭＰａ級高張力鋼板を得ることができる。また、本発明に係る抗張力鋼板は、高冷却速度、低冷却速度のいずれでも低温ベイナイトを生成し、硬さの冷却速度感受性が低いので、厚物でも均一な組織及び機械的特性を示し、実際の使用に好適な鋼板である。
【図面の簡単な説明】
【図１】母材強度とＫＰ値の関係を示すグラフである。
【図２】ＨＡＺ靭性（ｖＥ−１０）とＫＮ値の関係を示すグラフである。
【図３】サブマージアーク溶接時のボンド靭性の試験片採取位置を示す図である。
【図４】エレクトロスラグ溶接時のボンド靭性の試験片採取位置を示す図である。
【図５】本発明の成分設計の考え方を説明するための模式的なＣＣＴ線図である。
【図１】
0003620573.tif 000008
【図２】
0003620573.tif 000009
【図３】
0003620573.tif 000010
【図４】
0003620573.tif 000011
【図５】
0003620573.tif 000012