(57)【要約】  本発明の一態様に係る鋼は、単位質量％で、Ｃ：０．０８〜０．１２％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．５０〜３．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｖ：０．０１０％以下、Ｔｉ：０．０１０％以下、Ｎｂ：０．００５％以下、Ｃｒ：１．００〜２．５０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．７５〜１．６０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ａｌ：０．０２５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％、Ｃａ：０〜０．０１００％、Ｚｒ：０〜０．０１００％、及びＭｇ：０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、Ａｌ含有量とＮ含有量との比が２．６以下であり、Ｍｎ含有量とＮｉ含有量との比が１．５以上、３．０以下である。
2017141425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位質量％で、
Ｃ：０．０８〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ：１．５０〜３．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｖ：０．０１０％以下、
Ｔｉ：０．０１０％以下、
Ｎｂ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１．００〜２．５０％、
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、
Ｎｉ：０．７５〜１．６０％、
Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、
Ａｌ：０．０２５〜０．０５０％、
Ｎ：０．０１００〜０．０２００％、
Ｃａ：０〜０．０１００％、
Ｚｒ：０〜０．０１００％、及び
Ｍｇ：０〜０．０１００％
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、
下記式ａで定義するＹ値が２．６以下であり、
下記式ｂで定義するＺ値が１．５以上、３．０以下である
ことを特徴とする鋼。
Ｙ＝（Ａｌ）／（Ｎ）・・・（ａ）
Ｚ＝（Ｍｎ）／（Ｎｉ）・・・（ｂ）
式中の記号（Ａｌ）、（Ｎ）、（Ｍｎ）、及び（Ｎｉ）は、鋼中の各記号に係る元素の、単位質量％での含有量である。
【請求項２】
単位質量％で、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１００％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０１００％、及び
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１００％
からなる群から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼入れ焼戻し後に、高強度を有し且つ低温靭性に優れる鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー事情の変化にともなって、新たなエネルギー資源を開発しようとの動きが世界の各地で活発化してきている。このような状況下にあって、陸上での開発資源が枯渇するにつれ、海底油田に注目が集まるようになり、石油掘削のリグを用いた開発が、大陸棚付近を中心とする広範囲な地域で行われるようになってきた。特に近年、深海で操業される海底石油掘削用リグに代表される海上構造物が増加しており、大型ハリケーンによる掘削リグへの被害を防止するために、掘削リグ係留用チェーンの高強度化が求められている。チェーンの破断は、リグの倒壊等の重大事故に直結する。重要課題である安全性確保のために、チェーンの高強度化及び高靭性化の両方が指向されてきている。具体的には、引張強さ１２００ＭＰａ以上であり、かつ−２０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ2以上であるチェーンが求められる。【０００３】
このようなチェーンは、φ５０ｍｍ以上の熱間圧延棒鋼を所定長さに切断して、円環状に成形後、突き合わせられた端面をフラッシュバット溶接して製鎖される。フラッシュバット溶接後に、鎖環の中央にスタッドが圧入される場合もある。その後、チェーンに焼入れ焼戻し処理を施すことによって、高強度お及び高靭性をチェーンに付与する。【０００４】
高強度高靭性チェーン用鋼の発明例として、例えば特許文献１〜６等がある。しかしながら、いずれの文献も、引張強さが８００〜１０００ＭＰａであるチェーンの提供を目標としており、鋼の強度を１２００ＭＰａ以上にした場合について検討されていない。近年では、さらなる高強度化がチェーンに求められているが、一般的に、鋼材を高強度化すると鋼材の靭性が低下し、これにより鋼材の衝撃値が低下することが知られている。これら文献で提示されている成分を有する鋼を１２００ＭＰａ以上の強度にした場合、目的とする衝撃値を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特開昭５８−２２３６１号公報
【特許文献２】日本国特開昭５８−９６８５６号公報
【特許文献３】日本国特開昭５９−１５９９７２号公報
【特許文献４】日本国特開昭５９−１５９９６９号公報
【特許文献５】日本国特開昭６２−２０２０５２号公報
【特許文献６】日本国特開昭６３−２０３７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、焼入れ焼戻し後に高強度且つ低温靱性（特に低温での破壊靭性）に優れた鋼を提供することである。具体的には、本発明の課題は、引張強さが１２００ＭＰａ以上となるように焼入れ焼戻しを行った場合に、−２０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上となる鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨は、次の通りである。【０００８】
（１）本発明の一態様に係る鋼は、単位質量％で、Ｃ：０．０８〜０．１２％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：１．５０〜３．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｖ：０．０１０％以下、Ｔｉ：０．０１０％以下、Ｎｂ：０．００５％以下、Ｃｒ：１．００〜２．５０％、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．７５〜１．６０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ａｌ：０．０２５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１００〜０．０２００％、Ｃａ：０〜０．０１００％、Ｚｒ：０〜０．０１００％、及びＭｇ：０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記式ａで定義するＹ値が２．６以下であり、下記式ｂで定義するＺ値が１．５以上、３．０以下である。
Ｙ＝（Ａｌ）／（Ｎ）・・・（ａ）
Ｚ＝（Ｍｎ）／（Ｎｉ）・・・（ｂ）
式中の記号（Ａｌ）、（Ｎ）、（Ｍｎ）、及び（Ｎｉ）は、鋼中の各記号に係る元素の、単位質量％での含有量である。
（２）
上記（１）に記載の鋼は、単位質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．０１００％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０１００％、及びＭｇ：０．０００５〜０．０１００％からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、焼入れ焼戻し後に、引張強さ１２００ＭＰａ以上であり、かつ−２０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上である鋼を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】鋼のＹ値と、焼入れ焼戻し後の鋼の−２０℃での衝撃値との関係を示すグラフである。
【図２】鋼のＺ値と、焼入れ焼戻し後の鋼の−２０℃での衝撃値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者は、高強度で、かつ低温靭性に優れた鋼を実現するために、種々研究を続けたところ、下記の知見を得た。
【００１２】
（Ａ）破壊の起点となりうるセメンタイトの量を減らすためにＣ含有量を低減することは、鋼の低温靭性を改善するために有効である。しかしながら、焼入れ焼戻し後の鋼の引張強さを１２００ＭＰａ以上とするためには、Ｃ含有量を０．０８％未満にすることはできない。
【００１３】
（Ｂ）Ｎｉを鋼に含有させることで、鋼の低温靱性が向上する。しかしながら、この手段のみで鋼の低温靱性を十分に向上させることはできない。
【００１４】
（Ｃ）Ｎｉに加えて、Ａｌ及びＮを適切に含有させることにより、鋼の低温靭性がさらに向上する。Ａｌ及びＮから形成される微細ＡｌＮが、結晶粒を微細化し、Ｎｉによる低温靭性向上効果を促進するからである。この効果を得るためには、Ａｌ含有量を０．０２５％以上とし、Ｎ含有量を０．０１００％以上とする必要がある。
【００１５】
但し、Ａｌ含有量とＮ含有量との比Ｙ（Ｙ＝［Ａｌ］／［Ｎ］）を２．６以下にする必要がある。Ｙの値が２．６超である場合、鋼中のアルミナ系非金属介在物が増加し、かえって低温靭性を低下させる。
【００１６】
（Ｄ）さらに、鋼の低温靱性を十分に向上させるためには、Ｍｎ含有量とＮｉ含有量との比Ｚ（Ｚ＝［Ｍｎ］／［Ｎｉ］）を１．５以上、３．０以下にする必要がある。Ｚの値が１．５未満である場合、残留オーステナイト量が増加し、Ｚの値が３．０超である場合、鋼中に固溶したＭｎの含有量が多くなる。いずれの場合であっても、鋼の低温靭性が不足する。すなわち、上述のようにＮｉは鋼の低温靱性を向上させる効果を有するが、Ｎｉ含有量が過剰である場合、Ｚが１．５未満となって低温靱性を損なうのである。
【００１７】
（Ｅ）また、鋼の低温靱性を十分に向上させるためには、Ｖ、ＮｂおよびＴｉの含有量を制限する必要がある。Ｖ、ＮｂおよびＴｉから生成するＶＮ、ＮｂＣおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）は、鋼の低温靭性を低下させる。
（Ｆ）さらに、鋼の低温靱性を十分に向上させるためには、Ｍｏを含有させる必要がある。Ｍｏは、低温靱性を低下させる原因となるセメンタイトを微細化し、無害化するからである。
【００１８】
以上の知見に基づき、本発明者らは、高い強度と高い低温靭性とを有する構造部品、特にチェーンを製造可能な鋼を見出した。以下に、本実施形態に係る鋼の具体的態様を説明する。なお、本実施形態に係る鋼は、焼入れ焼戻し後に引張強さが１２００ＭＰａ以上且つ−２０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上となる効果を有する鋼であるが、焼入れ焼戻し前の強度及び衝撃値は特に限定されない。以下、特に断りが無い限り、強度及び靱性等の機械的特性を説明する記載は、焼入れ焼戻し後の本実施形態に係る鋼に関する。
【００１９】
以下に、本実施形態に係る鋼の各合金元素の含有量の限定理由について説明する。合金元素の含有量の単位「％」は、質量％を意味する。
【００２０】
Ｃ：０．０８〜０．１２％
Ｃは、鋼の強度を決める重要な元素である。焼入れ焼戻し後に１２００ＭＰａ以上の引張強さを得るために、Ｃ含有量の下限は０．０８％とする。一方、Ｃ含有量が過剰である場合、鋼が過度に高強度となって鋼の靱性が低下する。また、Ｃ含有量が過剰である場合、破壊の起点となるセメンタイトの量が増えて鋼の靭性が著しく低下する。従って、Ｃ含有量の上限を０．１２％とする。Ｃ含有量の上限値は、好ましくは０．１１％である。Ｃ含有量の下限値は、好ましくは０．０９％である。
【００２１】
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは、鋼の強度を確保する作用とともに、脱酸剤としての作用をも有する。Ｓｉ含有量が０．０５％未満である場合、脱酸作用が十分に得られず、鋼中の非金属介在物が増加して、鋼の靭性を低下させる。一方、０．５０％を超えてＳｉを含有させた場合、Ｓｉが鋼の靭性の低下を引き起こす。従って、Ｓｉ含有量を０．０５〜０．５０％とする。Ｓｉ含有量の上限値は、好ましくは０．４０％、０．３０％、または０．２０％である。Ｓｉ含有量の下限値は、好ましくは０．０６％、０．０７％、または０．０８％である。
【００２２】
Ｍｎ：１．５０〜３．００％
Ｍｎは、必要とされる焼入れ性の確保のために必須の成分である。焼入れ焼戻し後の鋼の引張強度を１２００ＭＰａ以上にするために十分な焼入れ性を確保するために、Ｍｎ含有量の下限値は１．５０％とする。一方、Ｍｎ含有量が過剰である場合、鋼の靭性が低下するので、Ｍｎ含有量の上限値は３．００％とする。Ｍｎ含有量の上限値は、好ましくは２．９０％、２．８０％、または２．７０％である。Ｍｎ含有量の下限値は、好ましくは１．７０％、１．９０％、または２．００％である。
【００２３】
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、鋼の製造工程で鋼に混入する不純物であるが、Ｐ含有量が０．０４０％を超えると、鋼の靭性を許容限以上に低下させるので、Ｐの含有量は０．０４０％以下に制限する。Ｐ含有量の上限値は、好ましくは、０．０３０％、０．０２５％、または０．０２０％である。本実施形態に係る鋼は、Ｐを必要としないので、Ｐ含有量の下限値は０％であるが、精錬設備の能力等を考慮すると、Ｐ含有量の下限値を０．００１％、０．００２％、または０．００３％としてもよい。
【００２４】
Ｓ：０．０２０％以下
Ｓは、Ｐと同様に、鋼の製造工程で鋼に混入する不純物であるが、Ｓ含有量が０．０２０％を超えると、Ｓが鋼中に多量のＭｎＳを形成し、鋼の靭性を低下させる。従って、Ｓ含有量は０．０２０％以下に制限する。Ｓ含有量の上限値は、好ましくは、０．０１５％、０．０１２％、または０．０１０％である。本実施形態に係る鋼は、Ｓを必要としないので、Ｓ含有量の下限値は０％であるが、精錬設備の能力等を考慮すると、Ｓ含有量の下限値を０．００１％、０．００２％、または０．００３％としてもよい。
【００２５】
Ｃｒ：１．００〜２．５０％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を増大させる作用がある。十分な焼入れ性を確保して、これにより焼入れ焼戻し後の鋼の引張強度を１２００ＭＰａ以上にするために、Ｃｒ含有量の下限値は１．００％とする。一方、Ｃｒ含有量が過剰である場合、鋼の靭性が低下する。従って、Ｃｒ含有量の上限値は２．５０％とする。Ｃｒ含有量の上限値は、好ましくは２．４０％、２．３０％、または２．２０％である。Ｃｒ含有量の下限値は、好ましくは１．３０％、１．４０％、または１．５０％である。
【００２６】
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％
Ｃｕは、鋼材の焼入れ性および耐食性の向上のために有効な元素である。焼入れ焼戻し後の鋼の引張強度を１２００ＭＰａ以上にするために十分な焼入れ性、及び耐食性を確保するために、Ｃｕ含有量の下限値は０．０１％とする。一方、Ｃｕ含有量が過剰である場合、鋼の靭性が低下する。従って、Ｃｕ含有量の上限値は０．５０％とする。Ｃｕ含有量の上限値は、好ましくは０．４０％、０．３０％、または０．２０％である。Ｃｕ含有量の下限値は、好ましくは０．０２％、０．０３％、または０．０５％である。
【００２７】
Ｎｉ：０．７５〜１．６０％
Ｎｉは、鋼の靭性の向上のために極めて有効な元素であり、焼入れ焼戻し後の本実施形態に係る鋼の高靭性化のために必須の元素である。Ｎｉ含有量が０．７５％未満では、その効果を十分に発揮させることが難しい。一方、Ｎｉ含有量が過剰である場合、残留オーステナイト量が増加するので、かえって低温靭性を低下させる。従って、Ｎｉ含有量の上限値は１．６０％とする。Ｎｉ含有量の上限値は、好ましくは１．５０％、１．３５％、または１．２０％である。Ｎｉ含有量の下限値は、好ましくは０．８０％、０．８５％、または０．９０％である。
【００２８】
Ｍｏ：０．１０〜０．５０％
Ｍｏは、鋼の低温靭性を向上させる効果がある。Ｍｏは、破壊の起点となるセメンタイトを微細化し、無害化する。また、Ｍｏは、マルテンサイト組織のブロックサイズを微細化し、鋼の延性脆性遷移温度を低下させ、これにより脆性破壊を低温でも生じにくくする。Ｍｏ含有量が０．１０％未満である場合、その効果を十分に発揮させることが難しい。一方、Ｍｏ含有量が０．５０％を超える場合、靭性向上効果が飽和する。従って、Ｍｏの含有量を０．１０〜０．５０％とする。Ｍｏ含有量の上限値は、好ましくは０．４７％、０．４５％、または０．４２％である。Ｍｏ含有量の下限値は、好ましくは０．１５％、０．２０％、または０．２５％である。
【００２９】
Ａｌ：０．０２５〜０．０５０％
Ａｌは、脱酸作用に加えて、ＡｌＮとして析出させた場合に金属組織の結晶粒度を調整し、金属組織を細粒化する作用がある。Ａｌ含有量が０．０２５％未満である場合、十分な細粒化効果を得ることができないので、鋼の靭性が低下する。一方、０．０５０％を超えてＡｌを鋼中に含有させると、ＡｌＮの析出量が飽和し、鋼中のアルミナ系非金属介在物が増加して鋼の靭性を低下させる。従って、Ａｌ含有量を０．０２５〜０．０５０％とする。Ａｌ含有量の上限値は、好ましくは０．０４５％、０．０４２％、または０．０４０％である。Ａｌ含有量の下限値は、好ましくは０．０２７％、０．０２９％、または０．０３０％である。
【００３０】
Ｎ：０．０１００〜０．０２００％
Ｎは、Ａｌと結合して、金属組織の結晶粒度の調整のために有効なＡｌＮを析出させる作用がある。Ｎ含有量が０．０１００％未満では、この作用が十分に発揮されない。一方、０．０２００％を超えてＮを鋼中に含有させると、固溶Ｎが増大し、鋼の靭性が低下する。従って、Ｎ含有量を０．０１００〜０．０２００％とする。Ｎ含有量の上限値は、好ましくは０．０１８０％、０．０１７０％、または０．０１６０％である。Ｎ含有量の下限値は、好ましくは０．０１１０％、０．０１２０％、または０．０１３０％である。
【００３１】
Ｖ：０．０１０％以下
Ｔｉ：０．０１０％以下
Ｎｂ：０．００５％以下
本実施形態に係る鋼において、Ｖ、Ｔｉ、及びＮｂの含有量は少ない方が好ましい。Ｖ、ＮｂおよびＴｉから生成するＶＮ、ＮｂＣおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）は、鋼の低温靭性を低下させるからである。本発明者らは、鋼の低温靱性の低下を防ぐためには、Ｖ含有量を０．０１０％以下にし、Ｔｉ含有量を０．０１０％以下にし、Ｎｂ含有量を０．００５％以下にする必要があることを知見した。Ｖ含有量の上限値は、好ましくは０．００９％、０．００７％、または０．００５％である。Ｔｉ含有量の上限値は、好ましくは０．００９％、０．００７％、または０．００５％である。Ｎｂ含有量の上限値は、好ましくは０．００４％、０．００３％、または０．００２％である。
【００３２】
本実施形態に係る鋼において、Ｖ、Ｔｉ、及びＮｂの含有量は少ない方が好ましいので、Ｖ、Ｔｉ、及びＮｂの含有量の下限値は０％である。しかしながら、これら元素が鋼に不純物として混入した場合、これら元素を完全に鋼から取り除くことは、費用対効果を考慮すると好ましくない場合がある。従って、精錬設備の能力及び経済性などを考慮して、Ｖ含有量の下限値を０．００３％、０．００２％、または０．００１％としてもよく、Ｔｉ含有量の下限値を０．００３％、０．００２％、または０．００１％としてもよく、Ｎｂ含有量の下限値を０．００１０％、０．０００９％、または０．０００８％としてもよい。
【００３３】
Ｃａ：０〜０．０１００％、Ｚｒ：０〜０．０１００％、及びＭｇ：０〜０．０１００％以下からなる群から選択される１種以上
本実施形態に係る鋼は、Ｃａ、Ｚｒ、及びＭｇを必要としない。従って、Ｃａ、Ｚｒ、及びＭｇの含有量の下限値は０％である。しかしながら、Ｃａ、Ｚｒ、及びＭｇはいずれも、酸化物を形成し、ＭｎＳの晶出核となり、ＭｎＳを均一微細分散させて鋼の衝撃値を向上させる効果がある。従って、任意元素として、Ｃａを鋼中に０．０００５％以上、０．００１０％以上、または０．００１５％以上含有させても良く、Ｚｒを鋼中に０．０００５％以上、０．００１０％以上、または０．００１５％以上含有させても良く、Ｍｇを鋼中に０．０００５％以上、０．００１０％以上、または０．００１５％以上含有させても良い。一方、Ｃａ、Ｚｒ、及びＭｇそれぞれの含有量が０．０１００％を超えると、過剰量の酸化物及び硫化物等の硬質介在物が生成し、鋼の靭性を低下させる。したがって、Ｃａ、Ｚｒ、及びＭｇそれぞれの上限値は０．０１００％以下とする。Ｃａ含有量の上限値は、好ましくは０．００９０％、０．００７０％、又は０．００５０％であり、Ｚｒ含有量の上限値は、好ましくは０．００９０％、０．００７０％、又は０．００５０％であり、Ｍｇ含有量の上限値は、好ましくは０．００９０％、０．００７０％、又は０．００５０％である。
【００３４】
残部：Ｆｅ及び不純物
本実施形態に係る鋼の合金成分の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石若しくはスクラップ等のような原料、又は製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係る鋼に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００３５】
Ａｌ含有量とＮ含有量との比（Ｙ値）：２．６以下
本実施形態に係る鋼において、Ａｌ含有量とＮ含有量との比（Ｙ値）が、以下の式ａによって定義される。
Ｙ＝（Ａｌ）／（Ｎ）……式ａ
式ａにおいて、括弧が付された記号は、その記号に係る元素の単位質量％での含有量を示す。
【００３６】
ＡｌＮは、結晶粒を微細化して鋼の低温靱性を向上させる効果がある。しかしながら、鋼中のＡｌ含有量とＮ含有量との比（Ｙ値）が２．６を超えると、鋼中のアルミナ系非金属介在物が増加し、鋼が脆化するので、かえって低温靭性が低下する。したがって、Ｙ値を２．６以下とする。Ｙ値の上限値は、好ましくは２．５５、２．５０、または２．４５である。なお、Ｙ値の下限値は特に限定されないが、上述されたＡｌ含有量の下限値及びＮ含有量の上限値を考慮すると、Ｙ値が１．２５未満となることはない。
【００３７】
本発明者らは、以下に説明する実験によって上述の知見を得た。本発明者らは、Ｙ値以外の特徴が全て本実施形態に係る鋼の規定範囲内であり、Ｙ値が異なる種々の鋼に、以下の条件で焼入れ焼戻しを行い、次いで温度−２０℃でのシャルピー衝撃試験を行った。
・焼入れ処理：鋼を９００℃に加熱して３０分保持してから水冷
・焼戻し処理：鋼を１３５℃に加熱して３０分保持してから空冷
これにより本発明者らは、Ｙ値と−２０℃での衝撃値との関係を示すグラフ（図１）を得た。図１に示されるように、Ｙ値が２．６を上回る鋼は、焼入れ焼戻し後に十分な低温靱性を有しなかった。
【００３８】
Ｍｎ含有量とＮｉ含有量との比（Ｚ値）：１．５以上、３．０以下
本実施形態に係る鋼において、Ｍｎ含有量とＮｉ含有量との比（Ｚ値）が、以下の式ｂによって定義される。
Ｚ＝（Ｍｎ）／（Ｎｉ）……式ｂ
式ｂにおいて、括弧が付された記号は、その記号に係る元素の単位質量％での含有量を示す。
【００３９】
上述されたようにＮｉは、鋼の低温靭性を向上させる。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰であり、鋼中のＭｎ含有量とＮｉ含有量との比（Ｚ値）が１．５未満である場合、残留オーステナイト量が増加し、鋼の低温靱性が損なわれる。また、Ｚ値が３．０超である場合、Ｎｉ含有量に対する固溶Ｍｎ含有量が過剰となり、Ｎｉによる低温靱性向上効果が打ち消されて鋼が脆化し、低温靭性が低下する。したがって、Ｚ値を１．５以上、３．０以下とする。Ｚ値の上限値は、好ましくは２．９、２．８、又は２．７である。Ｚ値の下限値は、好ましくは１．６、１．７、又は１．８である。
【００４０】
本発明者らは、以下に説明する実験によって上述の知見を得た。本発明者らは、Ｚ値以外の特徴が全て本実施形態に係る鋼の規定範囲内であり、Ｚ値が異なる種々の鋼に、以下の条件で焼入れ焼戻しを行い、次いで温度−２０℃でのシャルピー衝撃試験を行った。
・焼入れ処理：鋼を９００℃に加熱して３０分保持してから水冷
・焼戻し処理：鋼を１３５℃に加熱して３０分保持してから空冷
これにより本発明者らは、Ｚ値と−２０℃での衝撃値との関係を示すグラフ（図２）を得た。図２に示されるように、Ｚ値が１．５未満または３．０超である鋼は、焼入れ焼戻し後に十分な低温靱性を有しなかった。
【００４１】
なお、鋼中のＡｌＮの個数密度、粒径、及び分散状態などは、鋼に対して行われる熱処理（例えば焼入れ焼戻し等）の条件に応じて変化する。また、Ａｌ及びＮの含有量を上述の如く制御した場合、焼入れ焼戻しの前のＡｌＮの状態にかかわらず、鋼の引張強度を１２００ＭＰａ以上にするために選択された条件下の焼入れ焼戻しの際にＡｌＮが有効に機能して、鋼の靱性を向上させる。すなわち、本実施形態に係る鋼の課題は、引張強度が１２００ＭＰａとなるように鋼に熱処理を行った後に、鋼の−２０℃でのシャルピー衝撃値を７５Ｊ／ｃｍ２以上とすることであるが、ＡｌＮの状態の制御は、本実施形態に係る鋼の課題の解決のために必要とされない。従って、本実施形態に係る鋼において、ＡｌＮの状態は特に規定されない。なお本発明者らは、実験の結果、鋼を８５０〜９００℃に加熱すると、加熱前の鋼の状態に関わらずＡｌＮが好ましく析出し、この状態の鋼を冷却すると、ＡｌＮによって組織が好ましく微細化すると推定している。
【００４２】
本実施形態に係る鋼は、引張強度が１２００ＭＰａ以上となるように焼入れ焼戻しされたとしても、−２０℃でのシャルピー衝撃値を７５Ｊ／ｃｍ２以上に保つことができる。従って、本実施形態に係る鋼は、焼入れ用鋼として用いられることが特に好ましい。
【００４３】
例えば、本実施形態に係る鋼に、９００℃に加熱して３０分保持してから水冷する焼入れ処理を行い、さらに１３５℃に加熱して３０分保持する焼戻し処理を行えば、引張強度が１２００ＭＰａ以上であり、且つ−２０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上である鋼が得られる。この焼入れ焼戻し条件で熱処理された後の本実施形態に係る鋼は、セメンタイトの平均粒径が０．０５μｍ以下であり、マルテンサイトブロックの平均サイズが５．５μｍ以下であり、残留オーステナイトの含有量が５％以下である。本実施形態に係る鋼は、０．０８％以上のＣを含有しているので、この焼入れ焼戻し条件で熱処理された場合、１２００ＭＰａ以上の引張強度を有する。通常であれば、鋼の引張強度を１２００ＭＰａ以上にした場合、低温靱性（特に低温靱性）が損なわれる。しかし、本実施形態に係る鋼は、０．０２５〜０．０５０％のＡｌと、０．０１００〜０．０２００％のＮと、０．１０〜０．５０％のＭｏとを含有しているので、この焼入れ焼戻し条件で熱処理された場合でも、マルテンサイトブロック及びセメンタイトが十分に微細化され、高い低温靱性を有する。また、本実施形態に係る鋼は、０．７５〜１．６０％のＮｉを含有するので、この焼入れ焼戻し条件で熱処理された場合でも、高い低温靱性を有する。過剰量のＡｌ及びＮｉは、低温靱性を損なうおそれがあるが、本実施形態に係る鋼は、Ａｌ含有量とＮ含有量との比率、及びＮｉ含有量とＭｎ含有量との比率が制御されているので、低温靱性が損なわれない。さらに、本実施形態に係る鋼は、Ｖ含有量が０．０１０％以下、Ｔｉ含有量が０．０１０％以下、及びＮｂ含有量が０．００５％以下に制限されているので、この焼入れ焼戻し条件で熱処理された場合でも、介在物の析出が抑制されて高い低温靱性を有する。
【００４４】
なお、上述された条件に従った焼入れ焼戻し処理は、本実施形態に係る鋼の用途の一例に過ぎない。本実施形態に係る鋼には、目的に応じて、任意の条件の熱処理を行うことができる。また、上述された、焼入れ焼戻し条件の一例に基づく熱処理が行われた後の本実施形態に係る鋼の特徴は、本実施形態に係る鋼の技術的範囲を限定するものではない。本実施形態に係る鋼の課題は、引張強度が１２００ＭＰａ以上となるように熱処理を行った後に、−２０℃でのシャルピー衝撃値を７５Ｊ／ｃｍ２以上とすることである。この課題を解決するために、上述のように、化学成分、Ａｌ含有量とＮ含有量との比率、及びＮｉ含有量とＭｎ含有量との比率を制御することが必要とされる。しかし、それ以外の構成、例えば熱処理前のマルテンサイト、セメンタイト、及び残留オーステナイト等の制御は、本実施形態に係る鋼の課題の解決のために必要とされない。
【００４５】
本実施形態に係る鋼は、焼入れ焼戻し後に高い引張強度及び優れた低温靭性を有するので、海底石油掘削リグ係留用チェーン等の材料として用いられた場合、特に優れた効果を発揮することができる。
【実施例】
【００４６】
本発明を実施例によって以下に詳述する。なお、これら実施例は本発明の技術的意義、効果を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。【００４７】
１８０ｋｇ真空溶解炉を用いて、表１に示す化学成分の鋼を溶製及び熱間鍛造して、直径８６ｍｍの丸棒鋼を得た。この丸棒鋼を切断し、９００℃に加熱して３０分保持し、その後水冷することによる焼入れ処理を行い、次に１３５℃に加熱して３０分保持することによる焼戻し処理を行った。この焼入れ条件及び焼戻し条件は、本発明鋼を用いてチェーンを作成する際に推奨される熱処理条件と同じである。この丸棒鋼のＣ断面の１／４Ｄ部（丸棒鋼の表面から丸棒鋼の直径Ｄの約１／４の深さの領域）から、ＪＩＳ１４Ａ号引張試験片３本と、ＪＩＳ４号Ｖノッチシャルピー衝撃試験片４本とを作製した。引張試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して、常温で２０ｍｍ／ｍｉｎの速度にて実施した。シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠して、−２０℃で実施した。【００４８】
さらに、焼入れ焼戻し後の丸棒鋼のＣ断面の１／４Ｄ部から１０ｍｍ角のサンプルを切り出し、ナイタール腐食液を用いてサンプルの断面を腐食させ、走査型電子顕微鏡を用いて倍率５０００倍でサンプルの断面の組織写真を５枚撮影し、これら写真に含まれるセメンタイトの平均粒径を、Ｌｕｚｅｘ（登録商標）を用いた画像解析によって求め、これを丸棒鋼のセメンタイトの平均粒径とした。また、後方散乱電子線回折パターンを用いて結晶方位解析を行い、この解析で得られた、方位差角１５度以上の大角粒界で囲まれた結晶粒の面積重み付け平均円相当径を、丸棒鋼のマルテンサイトブロックの平均粒径とした。さらに、丸棒鋼の残留オーステナイト量をＸ線回折法で測定した。【００４９】
上述の実験の結果を表１−１、表１−２、及び表２に示す。表１−１及び表１−２は、実施例鋼及び比較例鋼の化学成分を示し、表２は、上述の条件で焼入れ焼戻しされた後の実施例鋼及び比較例鋼の引張強さ、衝撃値、セメンタイトの平均粒径、マルテンサイトブロックの平均サイズ、及び残留オーステナイト量を示す。表１−２において、本発明の規定範囲外である値には下線が付されている。【００５０】
【表１−１】
2017141425.tif 000003
【００５１】
【表１−２】
2017141425.tif 000004
【００５２】
【表２】
2017141425.tif 000005
【００５３】
化学成分が本発明の規定範囲内である鋼Ｎｏ．１〜２３の実施例は、上述の条件で焼入れ焼戻しした後に、引張強さ１２００ＭＰａ以上であり、かつ−２０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上であった。鋼Ｎｏ．１〜２３は、上述の条件で焼入れ焼戻しした後に、セメンタイト及びマルテンサイトブロックが微細化されており、且つ残留オーステナイト量が低減されていた。【００５４】
これに対して、比較例Ｎｏ．２４は、Ｃの含有量が不足したので、焼入れ焼戻し後に、必要な引張強さが得られなかった。比較例Ｎｏ．２５は、Ｃの含有量が過剰であったので、焼入れ焼戻し後に過度に高強度となり、低温靭性が不足した。【００５５】
比較例Ｎｏ．２６は、Ｓｉの含有量が過剰であり、比較例２７はＭｎの含有量が過剰であり、比較例３４はＣｒの含有量が過剰であった。これら過剰なＳｉ、Ｍｎ、及びＣｒが鋼の靭性を低下させたので、焼入れ焼戻し後に、比較例２６、２７、及び３４の低温靭性が不足した。【００５６】
比較例Ｎｏ．２８〜３３は、Ｖ、Ｔｉ、及びＮｂのうち１つ以上の含有量が過剰であったので、ＶＮ、ＮｂＣまたはＴｉ（Ｃ，Ｎ）による析出強化によって鋼の靭性が低下し、焼入れ焼戻し後に比較例Ｎｏ．２８〜３３の低温靭性が不足した。【００５７】
比較例Ｎｏ．３５はＮｉの含有量が不足しており、Ｎｉによる低温靭性向上効果が小さいため、低温靭性が不足した。一方、比較例Ｎｏ．３６はＮｉの含有量が多く、焼入れ焼戻し後に残留オーステナイト量が増加したので、焼入れ焼戻し後に低温靭性が不足した。【００５８】
比較例Ｎｏ．３７はＭｏの含有量が不足していたので、焼入れ焼戻し後に、破壊の起点となるセメンタイトが粗大になり、またマルテンサイト組織（ブロックサイズ）が粗大になったので、低温靭性が低かった。【００５９】
比較例Ｎｏ．３８はＡｌの含有量が不足していたので、十分な細粒効果が得られず、焼入れ焼戻し後にマルテンサイト組織（ブロックサイズ）が粗大になり、低温靭性が不足した。【００６０】
比較例Ｎｏ．３９は、Ｎの含有量が過剰であったので、焼入れ焼戻し後に、固溶Ｎ含有量の増大のため低温靭性が不足した。【００６１】
比較例Ｎｏ．４０〜４２は、Ｃａ、ＺｒまたはＭｇの含有量が過剰であったので、これら元素が鋼の靭性を低下させ、焼入れ焼戻し後に低温靭性が不足した。【００６２】
比較例Ｎｏ．４３〜４５、４８、４９は、各合金元素の含有量が規定範囲内であったが、Ｙ値またはＺ値が規定範囲を超えたため、かえって鋼が脆化し、焼入れ焼戻し後に低温靭性が不足した。【００６３】
比較例Ｎｏ．４６、４７は、各合金元素の含有量が規定範囲内であったが、Ｙ値が規定範囲を下回ったので、焼入れ焼戻し後に残留オーステナイト量が増加し、低温靭性が不足した。
【図１】
2017141425.tif 000006
【図２】
2017141425.tif 000007
【国際調査報告】
2017141425.tif 000008
2017141425.tif 000009
2017141425.tif 000010
2017141425.tif 000011