(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分として、質量%で、C:0.02〜0.12%、Si:0.5%以下、Mn:1.5〜2.5%、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Al:0.05%以下、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼を、圧延終了温度650℃以上で圧延し、5℃/秒以上の冷却速度で500℃以下の温度まで加速冷却し、その後、鋼板温度が150℃未満の温度まで冷却される前に、450℃以上550℃未満の温度に加熱して10〜600秒間の保持を行うことを特徴とする耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法において、化学成分を、質量%で、C:0.02〜0.12%、Si:0.5%以下、Mn:1.5〜2.5%、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Al:0.05%以下を含有すると共に、Cu:0.5%以下、Ni: 0.5%以下、Cr:0.5%以下、Mo:0.5%以下、Nb:0.05%以下、V:0.1%以下、Ti:0.05%以下の内1種以上を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼としたことを特徴とする耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法。
【請求項３】
加速冷却後の加熱の際、誘導加熱装置を用いて加熱することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法。
【請求項４】
加速冷却後の加熱の際、圧延設備又は冷却設備の内１つ以上の設備と同一のラインに加熱装置を設置して、鋼板を加熱することを特徴とする請求項１ないし３記載の耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械構造用、建築土木用等に用いられる鋼板であって、剪断機で切断してもその切断面に割れが生じない、引張強度が600N/mm2以上の優れた耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延により所定の板厚に圧延された厚鋼板は、冷却床で冷却されてから採寸作業が行われ、採寸された厚鋼板は所定の寸法の幅及び長さに切断される。この切断は、剪断機による切断又はガス切断により行われる。通常、板厚が50mm程度よりも薄い厚鋼板は剪断機により切断され、それを超える場合にはガス切断が行われる。
【０００３】
剪断機には、厚鋼板のトップ部及びボトム部を切断するクロップシャー、耳部を切断するサイドシャー、厚鋼板の幅方向を２分割するスリッター、長さ方向を所定の寸法に切断するエンドシャー等があり、これらの剪断機で構成される切断ラインを通過することにより、所定の寸法の厚鋼板に切断される。
【０００４】
剪断機による切断面の不良には、タレ、カエリ、機械割れ、切込み、段付き等があり、これらが発生した場合、そのままでは成品として使用できず、グラインダー研削等の手入れ若しくは再切断等が必要となり、歩留りの低下や製造コストの上昇を招く。これら切断面不良の対策として様々な提案がなされている。
【０００５】
例えば、鉄鋼便覧第3巻(1)圧延基礎・鋼板（日本鉄鋼協会編、第3版、285頁）には、これら切断面不良は剪断機の設備的な条件で決まる度合が大きいとして、剪断機の設備条件を適正値に管理することが提案されている。また、特開平6-190627号公報には、タレを少なくする方法として、切断線を含むクロップ部を予熱してから剪断機により切断する方法が提案されている。
【０００６】
しかし、機械構造用、建築土木用等に用いられる、引張強度が600N/mm2以上の高強度鋼板では、剪断機の設備条件を適正値に管理しても、発生頻度は少ないものの、切断面には板厚中心部に沿った割れ（以下、「切断割れ」と記す）が発生する場合がある。このような切断割れが発生すると、割れ部を除去する必要が生じるため、歩留りが低下する。更に、切断割れを防止するためには、ガス切断機を用いる必要があり、大幅な生産性の低下を招いていた。
【０００７】
このような剪断機による切断割れの防止、即ち耐切断割れ性の改善を目的として、特開2000-309845号公報には、化学成分を規定した高靭性高強度厚鋼板が提案されている。この技術によると、C含有量、P含有量、S含有量、Pcm値を低く抑え、またCaを添加することにより、剪断機による切断性が大幅に改善されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの従来技術には次の問題点がある。例えば、特開平6-190627号公報記載の技術では、剪断機により切断する前にクロップ部を予熱する必要があり、剪断作業の効率を低下させるという問題がある。また、特開2000-309845号公報記載の技術では、P,Sの極低化やCaの添加が必要であり、製鋼プロセスの長時間化を招き、製造能率を低下させる。また、Pcm値の限定により化学成分が限定されるため、幅広い用途の鋼材に適用することが困難であり、更に素材コストの上昇を招くという問題がある。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、引張強度が600N/mm2以上の高強度鋼板において、剪断機にて切断しても、その切断面に切断割れが発生しない、優れた耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は次の発明により解決される。その発明は、化学成分として、質量%で、C:0.02〜0.12%、Si:0.5%以下、Mn:1.5〜2.5%、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Al:0.05%以下、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼を、圧延終了温度650℃以上で圧延し、5℃/秒以上の冷却速度で500℃以下の温度まで加速冷却し、その後、鋼板温度が150℃未満の温度まで冷却される前に、450℃以上550℃未満の温度に加熱して10〜600秒間の保持を行うことを特徴とする耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法である。
【００１１】
ここで更に、上記の化学成分を含有すると共に、質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.5%以下、Mo:0.5%以下、Nb:0.05%以下、V:0.1%以下、Ti:0.05%以下の内1種以上を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼としたことを特徴とする耐切断割れ性を有する高強度高靭性鋼板の製造方法とすることもできる。
【００１２】
これらの発明は、剪断機による切断割れについて鋭意研究を行った結果、切断割れの原因となる鋼中の拡散性水素が、鋼中の各種の欠陥に固着されないようにするための方法を検討する中で得られた。その結果、熱間圧延後の冷却過程で、鋼板温度が所定の温度以下に低下する前に再度加熱することにより、拡散性水素の各種の欠陥への固着を防止し、かつ除去できるという知見が得られ、それに基づきなされた発明である。以下に本発明の構成要件とその限定理由について説明する。
【００１３】
まず、本発明の化学成分の限定理由について述べる。
【００１４】
C: 0.02〜0.12%
Cは、鋼の強度を確保するため必要な元素であり、0.02%未満では、600N/mm2以上の引張強度が得ることが困難となる。しかし、C含有量が0.12%を超えると、靭性が劣化し、また溶接性の観点からも好ましくない。従って、C量を0.02〜0.12とする。
【００１５】
Si: 0.5%以下
Siは、脱酸に有効な元素であるが、0.5%を超えて添加すると靭性ならびに溶接性が劣化する。従って、Si量を0.5%以下とする。
【００１６】
Mn: 1.5〜2.5%
Mnは、強度ならびに靭性の向上に有効な元素であるが、1.5%未満ではその効果が小さい。一方、2.5%を超えて添加すると、靭性、溶接性が劣化する。従って、Mn量を1.5〜2.5%とする。
【００１７】
P: 0.05%以下
Pは、不純物元素であり、少ない方がよいが、過度の脱Pはコスト上昇を招く。Pの含有量は0.05%が許容できる限度である。従って、Pを0.05%以下とする。
【００１８】
S: 0.005%以下
Sは、不純物元素であり、少ない方がよいが、過度の脱S はコスト上昇を招く。Sの含有量は0.005%が許容できる限度である。従って、S を0.005%以下とする。
【００１９】
Al: 0.05%以下
Alは、脱酸剤として添加するが、0.05%を超えて添加すると靭性を劣化させる。従って、Al量を0.05%以下とする。
【００２０】
本発明では、強度特性に応じて更に次の元素の内1種以上を含有することもできる。以下、それらの添加元素の限定理由について述べる。
【００２１】
Cu: 0.5%以下
Cuは、強度上昇に有効な元素の1つであるが、0.5%を超えると溶接性を阻害する。従って、Cuを添加する場合は0.5%以下とする。
【００２２】
Ni: 0.5%以下
Niは、靱性改善と強度上昇に有効な元素であるが、0.5%を超えるとその効果が飽和し、また、合金コストが上昇する。従って、Niを添加する場合は0.5%以下とする。
【００２３】
Cr: 0.5%以下
Crは、Mnと共に、C含有量が低い場合に十分な強度を得るために有効な元素であるが、0.5%を超えると溶接性に悪影響を及ぼす。従って、Crを添加する場合は0. 5%以下とする。
【００２４】
Mo: 0.5%以下
Moは、靱性の改善と強度の上昇に有効な元素であるが、0.5%を超えるとその効果が飽和すると共に、かえって靭性の劣化を招き、更に溶接性を阻害する。従って、Moを添加する場合は0.5%以下とする。
【００２５】
Nb: 0.05%以下
Nbは、ミクロ組織を微細化して、十分な強度と靭性を得るために有効な元素であるが、0.05%を超えるとその効果が飽和すると共に、かえって靭性を劣化させる。従って、Nbを添加する場合は0.05%以下とする。
【００２６】
V: 0.1%以下
Vは、強度上昇に有効な元素の1つであるが、0.1%を超えると靭性の劣化を招く。従って、Vを添加する場合は0.1%以下とする。
【００２７】
Ti: 0.05%以下
Tiは、ミクロ組織の微細化をもたらし、靭性を改善する効果があるが、0.05%を超えるとかえって靭性の劣化を引き起こす。従って、Tiを添加する場合は0.05%以下とする。
【００２８】
なおこれらの元素の残部については実質的に鉄であり、本発明の作用効果を損なわない限り、不可避的不純物をはじめ、他の微量元素を含有するものが本発明の範囲に含まれていてもよい。
【００２９】
次に製造条件について説明する。
【００３０】
圧延終了温度:  650℃以上
圧延終了温度が低温であるほど、組織が微細化するので靭性が向上する。しかし、圧延終了温度が650℃未満となると、フェライト変態が進行して、圧延後の加速冷却あるいは焼入れの効果が発揮できなくなる。更に、フェライトが加工されるため著しい加工硬化ならびに過度の転位導入により、靭性および耐切断割れ性が劣化する。従って、圧延終了温度を650℃以上とする。
【００３１】
圧延後の冷却速度:  5℃/秒以上
圧延後の鋼板は、変態強化や組織の微細化を目的として加速冷却を行う。その際の冷却速度が5℃/秒未満では、このような加速冷却の効果が得られない。従って、圧延後の冷却速度を5℃/秒以上とする。
【００３２】
冷却終了温度:  500℃以下
冷却終了温度、即ち加速冷却の終了温度は、低温であるほど変態強化により強度が上昇するので、強度レベルに応じて適宜選択することができる。しかし、冷却終了温度が500℃を超える高温の場合、変態の進行が十分でないため高強度が得られなくなる。従って、冷却終了温度を500℃以下とする。
【００３３】
冷却後の加熱開始温度:  150℃以上
加速冷却の終了後の鋼板は、放冷等によりさらに冷却されるが、その際、鋼板温度が150℃未満に冷却される前に加熱（再加熱）を開始する。これは、鋼板が150℃未満に冷却されると、鋼中の拡散性水素が、転位や点欠陥又は結晶粒界等の各種の欠陥に固着されるため、加熱処理において除去されにくくなるためである。従って、冷却後の加熱開始温度を150℃以上とする。
【００３４】
冷却後の加熱条件:  450℃以上550℃未満、10〜600秒保持
冷却後の鋼板は、加熱により拡散性水素を除去する。再加熱温度が450℃未満もしくは保持時間が10秒未満の場合は、拡散性水素の除去が不十分であり、剪断機で切断した場合に切断割れを生じやすくなる。一方、再加熱温度が550℃以上もしくは保持時間が600秒以上の場合は、拡散性水素は十分に除去され、切断割れを生じることはなくなるが、過度の焼戻しによる強度の低下量が大きくなりすぎ、十分な強度が得られない。従って、再加熱の温度を450℃以上550℃未満とし、保持時間を10〜600秒とする。
【００３５】
上記の発明に基づく加熱方法の発明としては、加速冷却後の加熱の際、誘導加熱装置を用いて加熱することを特徴とする鋼板の製造方法とすることもできる。
【００３６】
この発明では、加熱方法として特に誘導加熱装置を用いることにより、鋼板の急速加熱が可能となるので、鋼中の拡散性水素が欠陥等に固着される前に、迅速に加熱除去を行うことができる。
【００３７】
さらにこれらの発明において、加速冷却後の鋼板を加熱する際、圧延設備又は冷却設備の内１つ以上の設備と同一のライン上に加熱装置を設置して、鋼板を加熱することを特徴とする鋼板の製造方法とすることもできる。
【００３８】
この発明では、誘導加熱炉あるいはその他の加熱装置を、圧延設備又は冷却設備と同一ライン上に設置することにより、圧延、冷却終了後、迅速に再加熱処理を行うことができるので、圧延冷却後の鋼板温度の低下を防ぐことができる。その結果、拡散性水素の加熱除去を容易に行うことができ、剪断後の切断割れを大幅に低減することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
発明の実施に当たっては、転炉や電気炉等により溶製された溶鋼を、造塊法や連続鋳造法により凝固させてスラブを得る。その後、熱間圧延により鋼板に加工する。鋼板の熱処理条件が本発明を満たす限り、剪断機による切断性には影響を及ぼさない。従って、熱間圧延までは、種々の鋼板製造条件で製造することができる。
【００４０】
圧延後の冷却については、圧延後直ちにあるいは設備的に不可避な空冷を挟んで、加速冷却あるいは焼入れを行うことが望ましい。冷却によりベイナイト等の低温変態相を生成させ、鋼板の変態強化を図る。
【００４１】
本発明の熱処理により拡散性水素の加熱除去が容易となるメカニズムについては、研究の結果に基づき次のように考えられる。剪断機による切断は、冷間で鋼材を剪断変形させるため、切断面には残留応力が発生する。この残留応力は、高強度材ほど高い値となる。一般に鋼材には微量の水素が含有されており、残留応力の応力場により切断面近傍にに水素が集積することで、切断面に割れが生じる。
【００４２】
このような鋼中の水素は、鋼材を加熱処理することで除去できるが、切断割れの原因となる水素は拡散性水素と呼ばれ、転位や点欠陥又は結晶粒界等の各種の欠陥に固着される。鋼中の水素は、一旦このような各種の欠陥に固着されると、通常の焼戻し程度の低温加熱では十分に除去できなくなる。
【００４３】
この拡散性水素の固着は低温になると顕著となり、その温度の下限は研究の結果150℃であった。そこでこの発明では、急冷後、鋼板温度が150℃未満に低下する前に再加熱することにより、拡散性水素の鋼中の欠陥への固着を防止している。これより、加速冷却の冷却終了温度についても、その下限温度を150℃とする必要があるが、それ以上であれば目標とする強度レベルに応じて任意に設定できる。
【００４４】
次いで、鋼板の加熱においては、温度範囲を比較的狭い範囲に限定することにより、強度を低下させずに鋼中の水素を除去することができる。その結果、加速冷却又は焼入れされた高強度鋼板においても、剪断機により切断した際に切断割れの発生しない鋼板を製造することが可能となる。
【００４５】
加速冷却後の再加熱の手段としては、通常のガス燃焼炉等、冷却後に迅速に加熱することができればよい。特に、誘導加熱炉は、冷却設備に比較的近接して設置することが可能であり、冷却後の鋼板を迅速に加熱する上で好ましい。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。表１に供試鋼の化学成分を示す。これらの鋼は、転炉とRH真空脱ガス装置との組合せにより溶製し、連続鋳造法にてスラブ鋳片とした。この鋳片を熱間圧延にて板厚12〜50mmの鋼板に圧延後、水冷型の加速冷却設備を用いて冷却を行った。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
この時の圧延終了温度及び冷却停止温度を表２に示す。その後、ガス燃焼炉、誘導加熱炉、あるいは冷却設備と同一ライン上に設置した誘導加熱炉（インライン型誘導加熱炉）を用いて、再加熱を行った。これらの再加熱条件を表２に併せて示す。ここで、加熱温度は、ガス燃焼炉の場合は炉内の設定温度、誘導加熱炉の場合は再加熱終了直後の鋼板表面温度である。また、加熱時間は、いずれの場合も、鋼板が加熱炉に装入されてから加熱を終了するまでの在炉時間である。
【００４９】
【表２】
0003709794.tif 000003
【００５０】
得られた鋼板の機械的性質ならびに耐切断割れ性を表２に併記する。引張強度は、全厚試験片を用いた引張試験により測定し、引張強度600N/mm2以上を良好とした。靭性は、板厚中央部から採取したサンプルによるシャルピー衝撃試験により評価し、-20℃における吸収エネルギー（vE-20）が100J以上を良好とした。
【００５１】
また、耐切断割れ性については、再加熱後の鋼板温度が100℃以下まで冷却されてから、剪断機により各鋼板を20箇所切断して試験を行った。試験では、鋼板切断端面を磁粉探傷により調査し、切断割れが認められた切断部（端面）の数を求めた。ここで、1つの端面内に複数の割れが確認できた場合でも、端面としては1つなので、切断割れの発生件数は1とし、すべての切断箇所において切断割れが認められない場合（切断割れ発生数0）を良好とした。
【００５２】
本発明例である鋼板A〜Kは、化学成分、製造条件とも本発明範囲内で製造されており、十分な強度、靭性を有し、かつ、切断端面で割れの発生は認められず耐切断割れ性に優れていることが確認された。これに対し、比較例である鋼板L〜Yは、化学成分、製造条件のいずれか又は双方とも本発明範囲を外れて製造されており、強度、靭性、耐切断割れ性のいずれかの特性が劣っていることが分かる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は、圧延後の鋼板の加速冷却後、鋼板温度が所定の温度以下に低下する前に再加熱することにより、鋼中の水素を欠陥に固着させることなく十分に除去することを可能としている。その結果、切断面近傍に水素が集積しないので、割れの発生を防止することができる。
【００５４】
本発明により、剪断機で切断してもその切断面に切断割れが発生しない、引張強度600N/mm2以上の高強度高靭性鋼板を、安定して製造することが可能となり、歩留り向上、製造コスト削減等の工業上有益な効果がもたらされる。