(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.001 wt％以上0.030 wt％未満、
Si：0.60wt％以下、
Mn：0.20〜3.00wt％、
Ni：2.0 wt％以下、
Cu：0.7 〜2.0 wt％および
Al：0.10wt％以下
を含み残部鉄および不可避的不純物からなる鋼素材を、860 ℃以上の温度に加熱そして冷却した後、500 ℃以上800 ℃未満の温度域に再加熱して冷却を行うことを特徴とする90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法。
【請求項２】
Ｃ：0.001 wt％以上0.030 wt％未満、
Si：0.60wt％以下、
Mn：0.20〜3.00wt％、
Ni：2.0 wt％以下、
Cu：0.7 〜2.0 wt％および
Al：0.10wt％以下
を含み残部鉄および不可避的不純物からなる鋼素材を、860 ℃以上の温度に加熱した後、500 ℃以上800 ℃未満の温度域まで冷却して当該温度域に保持し、その後冷却を続行することを特徴とする90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、鋼材が、さらに
Cr：1.0 wt％以下、
Mo：1.0 wt％以下、
Ｗ：0.5 wt％以下、
Ｖ：0.005 〜0.20wt％、
Ti：0.005 〜0.20wt％、
Nb：0.003 〜0.20wt％および
Ｂ：0.0003〜0.0050wt％
の１種または２種以上を含有する組成になる90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２または３において、鋼材が、さらにREM およびCaの１種または２種を0.02wt％以下の範囲で含有する組成になる90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建築、海洋構造物、パイプ、造船、貯槽、土木、建設機械等の分野で使用される、厚みが３０ｍｍ以上、とりわけ５０ｍｍ以上の厚鋼板、鋼帯、形鋼または棒鋼などの鋼材、特に材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい高強度鋼材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚鋼板に代表される肉厚の鋼材は、上記のように、様々な分野で使用され、高強度化や高じん性化などの特性の改善がはかられているが、近年では、これらの特性が厚み方向において均一でありかつ鋼材間でのばらつきも小さいことが、要求されている。
【０００３】
例えば、「鉄と鋼  第７４年（１９８８）第６号」の第１１〜２１頁には、建築物の高層化が進むにつれ、巨大地震に対して建築物の変形により振動エネルギーを吸収し倒壊を防ぐ設計がとられるようになってきたことが報告されている。具体的には、地震発生時に建築物の骨組みを所定形状で崩壊させ、この骨組み材の塑性化によって建物の倒壊を防ぐものである。すなわち、地震発生時に建築物の骨組みが、設計者の意図した挙動を示すことが前提になり、建築物の柱や梁などの鋼材の耐力比を設計者が完全に把握していることが必要である。従って、柱や梁などに用いる鋼板やＨ形鋼などの鋼材は均質であることが不可欠であり、鋼材の強度ばらつきは大きな問題となる。
【０００４】
ここで、建築や造船などに供する鋼材には高張力かつ高じん性が要求されるところから、この種の鋼材は、制御圧延制御冷却法、いわゆるＴＭＣＰ法に従って製造されるのが通例である。しかし、このＴＭＣＰ法によって肉厚の鋼材を製造すると、圧延後の冷却処理における冷却速度が厚み方向あるいは各鋼材間で異なって組織が変化するため、得られた鋼材の厚み方向あるいは各鋼材間で材質のばらつきが発生するのである。材質のばらつきとしては、特に厚鋼板において厚み方向に現れるもののほか、Ｈ形鋼におけるウェブおよびフランジ間での冷却が不均一になってウェブおよびフランジ間に現れるもの、または各ロット間に現れるもの等がある。
【０００５】
そこで、特開平４−２２４６２３号公報では、Ｎｂを添加し、また圧延後の冷却速度を３℃／ｓ以上とするとともに、冷却停止温度の上限を５００  ℃とすることにより、板厚方向の組織をフェライトとベイナイトの混合した組織として、板厚中心部の強度を上昇して板厚方向の硬度差を小さくすることが提案されている。しかしながら、冷却速度を板厚中心部においても３℃／ｓ以上に厳密に制御しなくてはならず、板厚方向に冷却速度分布が生じると、直ちに材質のばらつきとなるため、その製造を厳格に制御する必要があり、工業的規模での製造には不向きであった。
【０００６】
さらに、特開昭６２−１３０２１５号公報には、Ｃｕの析出強化によって強度を確保する一方、熱間圧延後に０．５  ℃／ｓ以上の冷却速度で３００  〜７００  ℃に冷却し、次いで５００  〜６５０  ℃の温度域に一定時間保持した後、室温まで冷却することにより、低温じん性を改善することが、提案されている。しかし、この技術は、低温じん性の改善を目指したものであり、上記した様々な形での材質のばらつきを抑えることによって、近年の構造用鋼などに要求される、材質の均一性を満足することは難しい。
【０００７】
また、上記した分野で使用される鋼材は、溶接施工されるのが通例であるから、溶接部を超音波探傷によって検査する必要がある。この溶接部の斜角探傷を行うに当たり、欠陥部の位置を正確に把握するには、探傷時の圧延方向の音速と圧延方向と直角方向の音速との差が小さいこと、いわゆる音響異方性が小さいことが肝要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記の問題を解消した、すなわち圧延後の冷却速度における制約のない、厚み方向および鋼材間などでの材質ばらつきが少なく、しかも音響異方性の小さい高強度鋼材の製造方法について提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
肉厚の鋼材、その典型例である厚鋼板の材質ばらつきは、冷却工程における、鋼板表面から中心部までの厚み方向冷却速度の大幅な変化あるいは製造条件のばらつきによる冷却速度の変化から、組織変動が発生することに起因している。この組織変動を回避するには、広い冷却速度範囲で均質の組織を得ることが肝要である。
【００１０】
そこで、発明者らは、製造条件が変化しても均質の組織を得る手法に関して、原点に立ち戻って検討を重ねたところ、成分組成を新たに設計し直すことによって、冷却速度の変化にかかわらず厚み方向の組織を一定とした、材質ばらつきの少ない鋼材が得られることを知見するに至った。
【００１１】
すなわち、成分調整によって均質なベイナイト単相組織を得ることによって、冷却速度の変化にかかわらず材質ばらつきを少なくすることが可能になる。一方、この成分組成の鋼は、とくにＴＭＣＰ法を適用すると、加工を受けたオーステナイトから順にベイナイトに変態して変態集合組織が形成されて、得られる鋼材における音響異方性が大きくなるため、上記した用途に供する鋼板では、材質の均一化に併せて、音響異方性を小さくする必要があるところ、この音響異方性については製造工程の工夫によって小さくした。
【００１２】
この発明は、
(1) Ｃ：0.001 wt％以上0.030 wt％未満、Si：0.60wt％以下、Mn：0.20〜3.00wt％、Ni：2.0 wt％以下、Cu：0.7 〜2.0 wt％およびAl：0.10wt％以下を含み残部鉄および不可避的不純物からなる鋼素材を、860 ℃以上の温度に加熱そして冷却した後、500 ℃以上800 ℃未満の温度域に再加熱して冷却を行うことを特徴とする90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法（第１発明）、
(2) Ｃ：0.001 wt％以上0.030 wt％未満、Si：0.60wt％以下、Mn：0.20〜3.00wt％、Ni：2.0 wt％以下、Cu：0.7 〜2.0 wt％およびAl：0.10wt％以下を含み残部鉄および不可避的不純物からなる鋼素材を、860 ℃以上の温度に加熱した後、500 ℃以上800 ℃未満の温度域まで冷却して当該温度域に保持し、その後冷却を続行することを特徴とする90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法（第２発明）、
(3) 第１発明または第２発明において、鋼材が、さらにCr：1.0 wt％以下、Mo：1.0 wt％以下、Ｗ：0.5 wt％以下、Ｖ：0.005 〜0.20wt％、Ti：0.005 〜0.20wt％、Nb：0.003 〜0.20wt％およびＢ：0.0003〜0.0050wt％の１種または２種以上を含有する組成になる90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法（第３発明）、
(4) 第１発明、第２発明または第３発明において、鋼材が、さらにREM およびCaの１種または２種を0.02wt％以下の範囲で含有する組成になる90％以上がベイナイトの組織である材質ばらつきが少なくかつ音響異方性の小さい厚みが30mm以上の高強度鋼材の製造方法（第４発明）、
である。
ここで、上記の材質ばらつきが少ないとは、硬さ、強度および靭性の厚み方向のばらつきが少ないことを意味している。
【００１３】
なお、上記の８６０  ℃以上の温度に加熱する工程に先立って、鋼素材に圧延や鍛造などの成形加工を行うのが普通であり、この成形加工が追加されても所期した特性が得られることは勿論である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明に従う鋼材の各化学成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．００１  ｗｔ％以上０．０３０  ｗｔ％未満
Ｃは、実質上冷却速度に依存せずにベイナイト単相とするために、０．００１  ｗｔ％以上は必要である。しかし、０．０３０  ｗｔ％以上では、ベイナイト組織、とくに後述する、８６０  ℃以上の再加熱後に冷却する工程において生じるベイナイトが、冷却速度に依存して変化し、結果として材質が冷却速度に依存して変化することになるため、０．０３０  ｗｔ％未満とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．６０ｗｔ％以下
Ｓｉは、オーステナイト域からの冷却中にフェライトの析出を促進し、均質なベイナイト変態が生じる冷却速度範囲を狭くし、また溶接部靱性を劣化するため、０．６０ｗｔ％以下の範囲に限定する。なお、脱酸および強度確保のために０．０２ｗｔ％以上添加することが好ましい。
【００１６】
Ｍｎ：０．２０〜３．００ｗｔ％
Ｍｎは、オーステナイト域からの冷却に際して、実質上冷却速度に依存することなしに均質なベイナイト単相組織を得るとともに、延性および強度を確保するために、０．２０ｗｔ％以上は必要であるが、３．００ｗｔ％をこえる含有は、溶接による硬化が著しく高まって溶接熱影響部（ＨＡＺ  ）のじん性を劣化するため、０．２０〜３．００ｗｔ％の範囲とする。
【００１７】
Ｎｉ：２．０  ｗｔ％以下
Ｎｉは、強度および靱性を向上し、またＣｕの添加による熱間加工性の劣化を抑制するのに有効であるが、高価であるため経済性の観点から上限を２．０  ｗｔ％とする。
【００１８】
Ｃｕ：０．７  〜２．０  ｗｔ％
Ｃｕは、析出強化成分として０．７  ｗｔ％以上は必要であるが、２．０  ｗｔ％をこえると靱性の劣化をまねくため、０．７  〜２．０  ｗｔ％の範囲とする。
【００１９】
Ａｌ：０．１０ｗｔ％以下
Ａｌは、０．１００  ｗｔ％をこえると、溶接性が損なわれるため、０．１００  ｗｔ％以下とする。なお、脱酸のため０．０１０  ｗｔ％以上添加することが好ましい。
【００２０】
この発明は、上記の基本組成に成分調整をすることによって、特に成形加工後の冷却速度にほとんど依存しないで、均質な組織、具体的には９０％以上がベイナイトの組織が得られるところに特徴がある。この特徴は、図１に結果を示す実験から、明らかである。
【００２１】
すなわち、この発明に従う成分に調整した鋼（発明例）と、建築材料に用いられる在来の鋼（従来例）とに関して、製造工程における冷却速度を、０．１  〜５０℃／ｓの間で種々に変化させて得た鋼板の引張り強さを調査した結果について、図１に示す。同図から、この発明に従う成分に調整することによって、冷却速度に依存しないで一定した強度が得られることがわかる。特に、従来は予測できないほど広範囲の冷却速度において、Ｙ．Ｓ  およびＴ．Ｓ  値のばらつきが少なくなる。これは、上述のとおり、ＣおよびＳｉ量の制限、そしてＭｎの適量添加が寄与するところである。従って、厚鋼板の厚み方向で冷却速度が変化しても、冷却速度に依存して強度が変化することがなく、厚み方向に材質ばらつきの少ない厚鋼板が得られるのである。
【００２２】
なお、発明例は、Ｃ：０．００７  ｗｔ％、Ｓｉ：０．０６ｗｔ％、Ｍｎ：２．８０ｗｔ％、Ｎｉ：０．７ｗｔ  ％、Ｃｕ：０．９  ｗｔ％およびＡｌ：０．０２９  ｗｔ％を含み、残部鉄および不可避的不純物になる成分組成になり、一方、従来例は、Ｃ：０．１２ｗｔ％、Ｓｉ：０．３  ｗｔ％、Ｍｎ：１．４５ｗｔ％、Ａｌ：０．０２４  ｗｔ％、Ｎｉ：０．２  ｗｔ％、Ｍｏ：０．２  ｗｔ％、Ｔｉ：０．０１３  ｗｔ％であった。そして、同じ製造工程における、冷却速度を変化させて、厚み：５０ｍｍの厚鋼板を多数製造して、それぞれの厚鋼板から採取した試験片にて引張り強さを測定した。
【００２３】
また、この発明においては、上記基本成分に、所定の化学成分を添加することによって、強度やじん性のレベルを自在に制御することができる。このとき、既に獲得した均質な組織は、新たな成分の添加に影響されることが少ないため、材質ばらつきの少ない高強度および／または高じん性の厚鋼板が容易に得られるのである。
【００２４】
すなわち、強度向上をはかるために、Ｃｒ：１．０  ｗｔ％以下、Ｍｏ：１．０  ｗｔ％以下、Ｗ：０．５  ｗｔ％以下、Ｖ：０．００５  〜０．２０ｗｔ％、Ｔｉ：０．００５  〜０．２０ｗｔ％、Ｎｂ：０．００３  〜０．２０ｗｔ％およびＢ：０．０００３〜０．００５０ｗｔ％を、添加することができる。
【００２５】
Ｃｒ：１．０  ｗｔ％以下
Ｃｒは、強度を上昇する効果があるが、０．５  ｗｔ％をこえて添加すると溶接性が劣化するため、１．０  ｗｔ％以下の範囲で添加する。なお、下限は０．０５ｗｔ％とすることが好ましい。
【００２６】
Ｍｏ：１．０  ｗｔ％以下
Ｍｏは、常温および高温での強度を上昇する効果があるが、１．０  ｗｔ％をこえると、溶接性が劣化するため、０．５  ｗｔ％以下の範囲で添加する。なお、下限は、０．０５ｗｔ％未満の添加では強度上昇効果が不十分であるため、０．０５ｗｔ％とすることが好ましい。
【００２７】
Ｗ：０．５  ｗｔ％以下
Ｗは、高温強度を上昇する効果があるが、高価である上、０．５  ｗｔ％をこえると、じん性が劣化するため、０．５  ｗｔ％以下の範囲で添加する。なお、０．０５ｗｔ％未満の添加では強度上昇効果が不十分であるため、添加量は０．０５ｗｔ％以上とすることが好ましい。
【００２８】
Ｖ：０．００５  〜０．２０ｗｔ％
Ｖは、析出強化のために、０．００５  ｗｔ％以上は添加するが、０．２０ｗｔ％をこえて添加しても、その効果が飽和するため、０．２０ｗｔ％を上限とする。
【００２９】
Ｔｉ：０．００５  〜０．２０ｗｔ％
Ｔｉは、ＢＮの析出を抑制してＢ添加による強度向上を助成するものであり、またＡｒ３変態点を下げてオーステナイト域からの冷却においてベイナイト組織の形成に寄与し、強度を向上する。さらに、ＴｉＮ  となって溶接部靱性を向上するのに有効である。これらの効果を得るには０．００５  ｗｔ％以上は必要である。一方、０．２０ｗｔ％をこえると、靱性が劣化するため０．２０ｗｔ％以下とする。
【００３０】
Ｎｂ：０．００３  〜０．２０ｗｔ％
Ｎｂは、析出強化元素として母材強度を向上するとともに、Ａｒ３変態点を下げて低冷却速度域までベイナイト生成範囲を広げる効果を有する。これらの効果を得るには０．００３  ｗｔ％以上は必要であるが、０．２０ｗｔ％をこえて添加しても、その効果が飽和するため、０．２０ｗｔ％を上限とする。
【００３１】
Ｂ：０．０００３〜０．００５０ｗｔ％
Ｂは、０．０００３ｗｔ％以上の添加によって、ベイナイト変態温度を低下して強度を向上する効果を有する。一方、０．００５０ｗｔ％をこえると、ＢＮ等のＢ化合物がオーステナイト粒界に析出してオーステナイト粒界のフェライト析出が促進され、組織の冷却速度依存性が大きくなるため、０．００５０ｗｔ％を上限とする。
【００３２】
また、ＨＡＺ  のじん性向上をはかるために、  ＲＥＭおよびＣａのうちから選んだ少なくとも１種を０．０２ｗｔ％以下で添加することができる。
ＲＥＭ  はオキシサルファイドとなってオーステナイト粒の粒成長を抑制してＨＡＺ  のじん性を向上するが、０．０２ｗｔ％をこえて添加すると鋼の清浄度を損なうため、０．０２ｗｔ％以下とする。なお、０．００１  ｗｔ％未満の添加では上記ＨＡＺ  靱性向上効果が不十分であるため、添加量は０．００１  ｗｔ％以上とすることが好ましい。
【００３３】
Ｃａは、ＨＡＺ  のじん性向上に有効である上、鋼中硫化物の形態制御により板厚方向の材質改善にも有効であるが、０．０２ｗｔ％をこえて添加すると、非金属介在物量を増大させ内部欠陥の原因となるため、０．０２ｗｔ％以下とする。なお、０．０００５ｗｔ％未満の添加では上記効果が不十分であるため、添加量は０．０００５ｗｔ％以上とすることが好ましい。
【００３４】
上記成分組成の鋼板は、上述した基本組成に成分調整をすることによって、均質な組織が得られるため、製造条件を厳密に制御する必要はなく、この種の鋼板を製造する際の通例に従って製造すればよい。とりわけ、オーステナイト状態からの冷却、すなわち鋼スラブに熱間圧延等の成形加工を施した後、８６０  ℃以上の温度に再加熱後の冷却は、この発明で対象とする鋼材の製造において一般的な冷却速度を適用して、均質なベイナイト単相組織を得ることができる。従って、上記冷却は、厳密に管理する必要はなく、空冷または加速冷却のいずれでも可能であるが、８０℃／ｓ以下の範囲で行うことが好ましい。なぜなら、８０℃／ｓをこえる冷却速度で冷却を行うと、ベイナイト・ラス間隔が密になり強度が冷却速度に依存して上昇する傾向が現れるからである。
【００３５】
また、材質ばらつきの抑制に併せて、音響異方性を小さくするには、次に示す製造工程が有利に適合する。
すなわち、上述した基本組成に成分調整した鋼スラブに熱間圧延などの成形加工を施したのち、まず８６０  ℃以上の温度に再加熱して冷却することにより、熱間加工後の冷却過程で形成されたベイナイト組織が再びオーステナイトに変態するため、熱間加工後の冷却過程で形成される変態集合組織は消滅し、続く再加熱後の冷却により、上記したところと同様に均一で、しかも集合組織のないベイナイト組織が形成される。その結果、鋼材の音響異方性は小さくなるのである。
【００３６】
次いで、５００  ℃以上８００  ℃未満の温度域に再加熱して冷却を行うか、または上記８６０  ℃以上の再加熱後の冷却途中に５００  ℃以上８００  ℃未満の温度域に保持することによって、Ｃｕを析出させ、さらにはＮｂおよびＶ等を添加した場合はそれら析出成分を析出させることによって、強度の向上がはかられる。すなわち、再加熱または保持温度が５００  ℃未満では、析出反応が起こり難く、一方８００  ℃以上では、析出成分が溶解状態にあって析出が起こり難い。
【００３７】
【実施例】
表１に示す種々の成分組成に調整した鋼スラブに、１１５０℃加熱後、圧延パス数６パスで圧延終了温度  ８５０℃の条件にて熱間圧延を施して厚さ７０ｍｍの厚鋼板としたのち、表２に示す条件に従う熱処理を施した。なお、この熱処理に供する厚鋼板は、材質が冷却速度に実質上依存しないため、８６０  ℃以上の温度に加熱後の冷却は８０℃／ｓ以下の範囲で行う、いかなる手法でもよいが、この実施例では、発明例１−２を空冷にした以外、冷却速度が板厚方向にばらつき易い水冷にて行った。また、５００  ℃以上８００  ℃未満の再加熱または当該温度域での保持は、全て１８００ｓとした。なお、この発明において、圧延条件は何ら規制されるものではなく、通例に従って圧延を行えばよく、一例として上記条件を採用したに過ぎない。
【００３８】
かくして得られた各鋼板について、引張試験およびシャルピー衝撃試験を行って、その機械的性質を調査するとともに、厚み方向の強度のばらつきを評価するため、鋼板断面の硬さを表面より２ｍｍピッチにて測定して板厚方向の硬さ分布を、荷重１０ｋｇｆ  のビッカース硬さ試験にて調査した。さらに、音響異方性を評価するため、斜角超音波探傷試験における、鋼板の圧延方向とこれと直交する方向との屈折角度差を測定した。
【００３９】
これらの各調査結果を、表３に示すように、発明例による厚鋼板は、いずれも組織が均一になるために厚み方向の硬さのばらつきが極めて小さく、かつ斜角超音波探傷試験における屈折角度差が０．４  °以下と、音響異方性も極めて小さくなった。
【００４０】
これに対して、比較例１は、再加熱温度が８３０  ℃と低いために、加熱時のオーステナイト化が不足して集合組織の消滅が不完全になるところから、音響異方性が発明例と比較して大きくなった。比較例２および比較例８は、再加熱温度がさらに低い７５０  ℃または再加熱なしであるために、加熱時にオーステナイト化が全く起こらない結果、集合組織が消滅しないことから、音響異方性はさらに大きくなった。
【００４１】
比較例３は、２回目の再加熱温度が８００  ℃以上であるために、加熱時にＣｕが固溶して析出しないことから、発明例と比較して強度が低下した。逆に、比較例４は、２回目の再加熱温度が５００  ℃未満であるために、加熱時のＣｕ析出が不十分になることから、発明例と比較して強度が低下した。
【００４２】
比較例５は、Ｃ含有量が多すぎるために鋼組織が冷却速度に依存するところから、板厚方向の硬さ変化が大きく、つまり材質にばらつきが生じた。また、比較例６はＣｕが含有されていないため、発明例と比較して強度が低く、比較例７はＭｎの含有量が低いため、発明例と比較して強度が低い上、鋼組織が冷却速度に依存するところから、板厚方向の硬さ変化が大きく、つまり材質にばらつきが生じた。
【００４３】
【表１】
0003598639.tif 000002
【００４４】
【表２】
0003598639.tif 000003
【００４５】
【表３】
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【００４６】
【発明の効果】
この発明によれば、工業的規模での生産における冷却工程で用いられる、いずれの冷却速度によっても、鋼材の厚み方向あるいは鋼材間で材質のばらつきの極めて少ない、かつ音響異方性の小さい、鋼材を安定して製造できる。なお、この発明は形鋼の分野にも有利に適合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】厚鋼板における冷却速度と強度との関係を示す図である。
【図１】
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