(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：0.05〜0.14％、Ｓｉ：0.01〜0.5％、Ｍｎ：0.5〜1.5％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.005％以下、Ｃｕ：0.30〜0.50％、Ｎｉ：0.15〜0.50％、Ｃｒ：0.30〜0.60％、Ｍｏ：0.05〜0.4％、Ｎｂ：0.015〜0.045％、Ｔｉ：０〜0.030％、Ａｌ：0.005〜0.10％、Ｎ：0.001〜0.007％、およびＢ：下記(a)式で示される範囲、を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記(b)式で定義されるＰcmの値が0.20以下である、引張強さ570MPa以上の靱性が良好で寒冷地における溶接性にすぐれた板厚75mmを超える高張力厚鋼板。
0.0003≦Ｂ(％)≦0.0005＋（Ｃｕ(％)/1000）＋（Ｎｉ(％)/500）              ＋（Ｍｏ(％)/500）              ・・・・・  (a)
Ｐcm＝Ｃ(％)＋（Ｓｉ(％)/30）＋（Ｍｎ(％)/20）＋（Ｃｕ(％)/20）      ＋（Ｎｉ(％)/60）＋（Ｃｒ(％)/20）＋（Ｍｏ(％)/15）      ＋（Ｖ(％)/10）＋5Ｂ(％)                ・・・・・  (b)
【請求項２】
請求項１に記載の化学組成を有する素材を、1050〜1250℃の温度に加熱後圧延して、800〜900℃にて所定の板厚に仕上げて直接焼き入れし、さらに350〜550℃の温度で焼戻し処理を施すことを特徴とする、請求項１に記載の高張力厚鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁、建築物などの大形鉄鋼構造物に用いられる、靱性の良好な溶接性にすぐれた高張力厚鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
引張強さが５７０ＭＰａ以上の鋼板は、橋梁等の鉄鋼構造物に広く用いられている。近年の動向として、施工コストを削減する目的で、これら構造物の構成部品点数低減がはかられ、例えば橋梁などでは、主桁を少なくするような設計が採用される。このためフランジの板厚を増し、従来７５ｍｍ厚程度までであった使用鋼板は、１００ｍｍ厚前後のものが要求されるようになってきている。
【０００３】
しかし、一般に強度をそのまま維持して板厚を厚くしようとすれば、靱性や溶接性のすぐれた鋼板の製造が困難になってくる。これは板厚が厚くなれば強制冷却時の冷却速度が遅くなって、低温変態生成物の形成が不十分となり、焼入れる場合では焼入れ硬さが不十分になるからである。この不十分な焼入れ状態で、強度を確保するために低温での焼戻しをおこなえば、靱性の大きく劣る鋼板になる。一方、遅い冷却速度でも、Ｃ量を増し、焼入れ性向上元素を多く添加すれば、低温変態生成物を形成させる、ないしは十分な焼き入れをおこなわせることは可能である。しかしながら、これらの元素の含有量増加は靱性を低下させる原因となる。
【０００４】
橋梁等の大形鉄鋼構造物の建設においては、施工現場での溶接もおこなわれるため、溶接前の予熱不要の鋼板が求められ、これまでは約２５℃の温度にて溶接割れが発生しない鋼板が適用されてきた。この溶接性に対して、Ｃ量増加やこれら焼入れ性向上元素の増加は、割れ感受性を増すため、板厚が厚く強度の高い鋼板の製造を一層困難にする。さらに、冬季の山間部での工事など、気温が０℃前後の環境で溶接をおこないたい場合があり、０℃ないしはそれ以下の温度においても、溶接割れが発生しない鋼板に対する要望が増しつつある。
【０００５】
従来より、靱性および溶接性にすぐれた高強度の厚鋼板や、その製造方法の技術は数多く公表されている。しかしながら、強度が５７０ＭＰａを超える場合は、厚さが５０ｍｍ程度以下を対象とするものが主であり、強度が高く溶接性にすぐれ、板厚が７５ｍｍを超え、しかも割れ防止予熱温度が低い鋼板となるとほとんど報告されていない。例えば、特開平９−３５９６号公報には、板厚が１００ｍｍまでの、降伏比８０％以下引張強さ５９０ＭＰａ以上の低降伏比型高張力鋼板、およびその製造方法の発明が提示されているが、溶接の割れ防止予熱温度は５０℃以下としている。また、特開平９−１３１４３号公報には、板厚４０〜１００ｍｍを対象とした、溶接性にすぐれ６００ＭＰａ級の鋼板およびその製造方法の発明が開示されている。しかし、実施例から判断される限り、溶接割れ防止予熱温度は２５℃であり、また試験材の板厚は４３〜７５ｍｍの範囲しか示されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、引張強さ５７０ＭＰａ以上で、靱性にすぐれ、かつ溶接割れ防止のための鋼板温度を０℃以下とすることのできる、板厚が７５ｍｍを超える高張力厚鋼板およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、板厚中央部の引張強さが５７０ＭＰａ以上で、溶接時の鋼板温度を０℃以下にすることができ、靱性がすぐれた板厚７５ｍｍ以上の鋼板を得るための組成範囲と、さらにその鋼板を圧延終了後その温度から焼入れる直接焼き入れ法にて製造する方法を調査した。
【０００８】
まず焼入れ焼戻しによる調質鋼を前提とし、成分の検討をおこなった結果は、炭素量を選定し、その上で焼入れ性向上元素を添加することにより、板厚７５ｍｍ以上にて所要強度は十分得ることができた。その強度を得た上で、さらに橋梁等の構造物に必要な鋼の靱性（ｖＴｓ≦−５℃）と、溶接の割れ防止のための鋼板温度を低下できる組成の検討を進めた。割れ防止鋼板温度の目標は、ＪＩＳ規格Ｚ−３１５８の斜めＹ形溶接割れ試験法に基づき、試験片温度を０℃として試験溶接部に割れのないこととした。
【０００９】
溶接の割れ感受性は、次式で示されるＰｃｍの値を低くする必要がある。
【００１０】
Ｐcm＝Ｃ(％)＋（Ｓｉ(％)/30）＋（Ｍｎ(％)/20）＋（Ｃｕ(％)/20）      ＋（Ｎｉ(％)/60）＋（Ｃｒ(％)/20）＋（Ｍｏ(％)/15）      ＋（Ｖ(％)/10）＋5Ｂ(％)                  ・・・・・  (b)
この鋼板組成によるＰcmの値と、割れ防止鋼板温度との関係を調べた結果、鋼板温度を0℃以下にするには、Ｐcmを0.20以下にすればよいことがわかった。そこでＰcmが0.20以下である範囲にて、厚さ100mm前後の鋼板で目標とする強度を得、その上で、十分な靱性を得るための合金成分の検討をさらに進めた結果、次のようなことが明らかになった。
【００１１】
まず、靱性を損なうことなく焼入れ性を向上させるための、強度増加に有意な元素は、ＣｒおよびＣｕであった。そこでこれらの元素は積極的に用いることとした。Ｍｏもよいが、添加量が増すとすると靱性をやや悪くする傾向があったため、多くは添加しないことにした。Ｂは少量の含有で焼き入れ性を大幅に向上させることができ、しかも炭素当量を増さないので、その利用を検討の結果、この板厚の厚い鋼板でも極めて有効であることがわかった。ただし、Ｂの添加は一定量以上含有させれば、その含有量に関わりなくほぼ同じ焼入れ性向上効果が得られるが、量が増すと靱性を劣化させる作用がある。そこでこの作用を抑止する対策を調べた結果、Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏの存在が有効であることがわかった。これらの元素が含有されていることにより、必要含有量よりも過剰にＢが存在していても、靱性を悪くすることがないので、Ｂの含有許容範囲を拡大することができ、Ｂ添加を効果的に利用することができるのである。
【００１２】
これらの検討の中で、焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化を抑止し、さらに析出硬化も期待できるとして、一般に高張力鋼板に多用されるＶの添加が、靱性を劣化させるため好ましくないことがわかった。Ｖは添加元素としてその効果を発揮させる場合、通常０．０５％前後含有させるが、その利点よりも靱性劣化という難点の方が顕著であった。これは、一つには、板厚が厚くなると、焼入れ時の冷却ばかりでなく、焼戻し時の冷却も極めてゆっくりした冷却となり、微細であるべきその析出物が粗大化してしまうためではないかと思われる。そこで、Ｖは添加しないことにした。
【００１３】
Ｖに代わる元素としては、Ｎｂが有効であった。Ｎｂを含有させることにより、強度増加と靱性の向上がもたらされ、とくに圧延終了後その温度から焼入れる直接焼き入れ法において効果的であった。Ｎｂ添加の効果は、焼入れ性向上よりは、結晶粒の微細化と、析出硬化にあると考えられる。すなわち結晶粒の微細化により、強度の向上と靱性の向上が得られ、その上Ｎｂの炭化物や窒化物の微細析出物は、Ｖのそれに比較して凝集や粗大化が起こりにくい。
【００１４】
以上のような検討結果から選定された組成の鋼は、通常の焼入れ焼戻しによる調質熱処理によって、目標とする特性の鋼板を得ることができる。しかしながら、製造工程の合理化の点からは、圧延加工の熱を利用して、圧延後直ちに焼き入れることが望ましい。そこで、この直接焼入れによる製造方法の条件について調査の結果、圧延素材の加熱温度は高めとし、Ａｒ３変態温度直上で圧延を終了して直ちに急冷して焼入れ後、焼戻し温度は通常より低めとすることが、目標とする特性の鋼板を製造するために重要であることがわかった。圧延素材の加熱温度を高くするのは、Ｎｂを圧延前に固溶状態にしておくことが、Ｎｂ添加の効果を十分発揮させるために必要であるからである。また、焼戻し温度は、通常、十分な靱性を得るために高めとすることが必要であるが、Ｖの代わりにＮｂを添加することによって、焼戻し温度を低くして十分な靱性を確保できることがわかったのである。これは、Ｎｂ添加による結晶粒の微細化が効果的に作用したと考えられる。Ｎｂは、その微細析出による結晶粒成長抑止効果もあるが、熱間圧延のパス間での再結晶を抑止し、圧延直後における結晶粒を微細化する効果もあると考えられる。焼戻し温度を低くできることは、同じ強度を得るための鋼の成分の低減、ことにＣ量やＭｎ量を少なくすることができ、これは鋼の靱性や溶接性の改善に有意である。
【００１５】
以上のような知見に基づき、さらにそれぞれの元素の効果的な含有量の範囲限界、および製造条件の範囲を明確にし、本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
【００１６】
(1) 重量％で、Ｃ：0.05〜0.14％、Ｓｉ：0.01〜0.5％、Ｍｎ：0.5〜1.5％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.005％以下、Ｃｕ：0.30〜0.50％、Ｎｉ：0.15〜0.50％、Ｃｒ：0.30〜0.60％、Ｍｏ：0.05〜0.4％、Ｎｂ：0.015〜0.045％、Ｔｉ：０〜0.030％、Ａｌ：0.005〜0.10％、Ｎ：0.001〜0.007％、およびＢ：下記(a)式で示される範囲、を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記(b)式で定義されるＰcmの値が0.20以下である、引張強さ570MPa以上の靱性が良好で寒冷地における溶接性にすぐれた板厚75mmを超える高張力厚鋼板。
【００１７】
0.0003≦Ｂ(％)≦0.0005＋（Ｃｕ(％)/1000）＋（Ｎｉ(％)/500）              ＋（Ｍｏ(％)/500）                ・・・・・  (a)
Ｐcm＝Ｃ(％)＋（Ｓｉ(％)/30）＋（Ｍｎ(％)/20）＋（Ｃｕ(％)/20）      ＋（Ｎｉ(％)/60）＋（Ｃｒ(％)/20）＋（Ｍｏ(％)/15）      ＋（Ｖ(％)/10）＋5Ｂ(％)                  ・・・・・  (b)
(2)上記の組成の素材を1050〜1250℃の温度に加熱後、圧延して800〜900℃にて所定の板厚に仕上げて直接焼き入れし、さらに350〜550℃の温度で焼戻し処理を施すことを特徴とする、上記(1)の高張力厚鋼板の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明鋼板の化学組成、または製造条件の限定理由を以下に説明する。
Ｃの含有量を０．０５〜０．１４％とする。Ｃは鋼の強度を決定するための最も重要な元素である。含有量が０．０５％未満の場合、必要とする５７０ＭＰａ以上の強度を得ることが困難になる。また０．１４％を超える含有は、鋼板の靱性および溶接性が目標を下回る結果となる。したがって、その含有範囲を０．０５〜０．１４％とするが、強度が十分高く、靱性および溶接性のいずれもすぐれた、バランスした性能を得るためには、０．０６〜０．１０％の範囲にあることが望ましい。
【００１９】
Ｓｉの含有は、靱性を悪くすることなく鋼の強度を向上させる効果があり、その含有量を０．０１〜０．５％とする。０．０１％を下回る含有量では効果がなく、０．５％を超える含有は鋼板の表面性状を悪くするからである。
【００２０】
Ｍｎは含有量を０．５〜１．４％とする。ＭｎはＣとともに鋼の強度を確保するために重要である。０．５％未満では鋼の強度が不足し、１．４％を超える場合は、靱性が悪くなる。強度が十分高く、靱性が良好な範囲として好ましいのは、１．０〜１．４％である。
【００２１】
Ｐは鋼の不可避的不純物の一つで、鋼の靱性を劣化させ、溶接性を悪くするので、少なければ少ないほどよい。顕著な悪影響をおよぼさない範囲として、０．０１５％以下とする。
【００２２】
Ｓも不可避的不純物の一つであり、鋼の靱性を著しく劣化させるので、その含有量は少なければ少ないほどよい。顕著な悪影響をおよぼさない範囲として、０．００５％以下とする。
【００２３】
Ｃｕの含有量は０．３０〜０．５０％とする。Ｃｕは溶接性や靱性を大きく損なうことなく、焼入れ性向上により、鋼の強度を増加させることができるので、積極的に利用する。このため、少なくとも０．３０％以上含有させる。しかし、多くなりすぎると靱性に影響が現れるので、上限を０．５０％までとする。
【００２４】
Ｎｉは靱性や溶接性を損なわずに強度を上昇させることができる。ただし、高価であり、その効果を得るにはやや多量の添加が必要なので、使用を抑制したい元素である。しかし、Ｃｕを鋼に添加する場合、Ｃｕによる熱間脆性を抑止する効果があるので、含有させる必要がある。この目的には、Ｃｕ量の１／２から等量程度以上の含有が必要であるので、Ｎｉの含有量は０．１５〜０．５０％とする。
【００２５】
Ｃｒの含有量は０．３０〜０．６０％とする。ＣｒはＣｕと同様溶接性や靱性を損なうことなく、鋼の強度を増加させることができるので、積極的に利用する。その効果を十分発揮させるには、少なくとも０．３０％以上の含有が必要であるが、含有量が増してくると靱性を悪くするので、多くても０．６０％までである。望ましいのは、０．４０〜０．６０％である。
【００２６】
Ｍｏの添加は鋼の強度を向上させ、またＢの添加による靱性の低下を緩和する効果があり、その含有量を０．０５〜０．４％とする。０．０５％未満ではその効果が十分でなく、０．４％を超える含有は、鋼の靱性が低下してくるおそれがあるからである。好ましいのは、０．０５〜０．１５％の含有である。
【００２７】
Ｂは、炭素当量を増すことなく、少量の含有で焼入れ性が向上するので、溶接性の劣化なしに強度を向上させ得る、重宝な元素である。その効果を十分発揮させるには、0.0003％以上の含有があればよい。しかし、より多く含有させてもその効果は飽和して変わらないが、靱性が劣化してくる傾向がある。この靱性劣化の傾向は、Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏの存在により緩和される。そこで、Ｂの含有量範囲を、
0.0003≦Ｂ(％)≦0.0005＋（Ｃｕ(％)/1000）＋（Ｎｉ(％)/500）              ＋（Ｍｏ(％)/500）                ・・・・・  (a)
とする。
【００２８】
Ｎｂの含有量は０．０１５〜０．０４５％とする。Ｎｂの含有は鋼の結晶粒を細かくし、靱性を劣化させずに強度の向上を得ることができる。このような効果を十分得るためには、０．０１５％以上の含有が必要である。しかし多すぎる添加は、靱性の劣化や溶接性の低下を来たすので、多くても０．０４５％までである。望ましいのは、０．０２５〜０．０３５％のせまい範囲に管理することである。
【００２９】
Ｔｉは、添加しなくてもよい。しかし結晶粒を細かくし、Ｎを固定してＢ添加による効果を十分発揮させる効果があるので、必要により添加する。添加する場合その含有量は０．００５〜０．０３０％とするのが望ましい。これは０．００５％を下回る場合、その添加の効果は十分でなく、０．０３０％を超えると鋼の靱性が劣化してくるからである。
【００３０】
Ａｌは製鋼段階における鋼の脱酸のために添加し、その含有範囲は０．００５〜０．１０％とする。０．００５％を下回る含有量の場合、鋳片に欠陥が残存するおそれがある。また多すぎてもその効果は飽和し、鋼の靱性を悪くするようになるので、０．１０％までの含有とする。
【００３１】
Ｎは鋼の不可避的不純物の一つであるが、少量の存在はＡｌやＮｂあるいはＴｉと結合して微細な析出物を形成し、特に溶接部の結晶の粗大化を抑止する効果がある。このためには、少なくとも０．００１％以上の含有が望ましい。しかし、０．００７％を超える含有は鋼の靱性を悪くするので、Ｎの含有量を０．００１〜０．００７％とする。
【００３２】
前出の(b)式で示される溶接の割れ感受性Ｐcmの値は、0.20以下となるよう各成分の量を管理する。Ｐcmの値が0.20を超えると、鋼板温度0℃で割れが発生するからである。
【００３３】
鋼板の熱処理を直接焼入れ法にておこなう場合は、以下の条件にて処理する。熱間圧延する素材鋼の加熱温度は、１０５０〜１２５０℃とする。これは１０５０℃を下回るとＮｂ添加による細粒化効果が十分得られなくなるからである。熱間圧延前にＮｂが十分固溶状態にならなくなるためと思われる。また、１２５０℃を超えて加熱しても得られた鋼板の特性改善には何の効果も認められず、酸化スケールや加熱燃料の損失を増すだけである。好ましい加熱温度は１０５０〜１１６０℃である。
【００３４】
熱間圧延は、所定の板厚に仕上げる終了温度を８００〜９００℃とする。８００℃未満では、変態温度を大きく下回ることになり、十分な焼入れ強度が得られなくなる。また９００℃を超えると、鋼板の靱性が低下するおそれがある。好ましいのは８３０〜８８０℃である。なお、望ましいのは９００℃以下で５０％以上の累積圧下を付与することで、より一層の細粒化および靱性の向上が得られる。
【００３５】
熱間圧延終了後、できる限り時間をおかずに強制冷却する。すなわち焼入れをおこなう。十分な焼入れ強度を得るためには、強制冷却は、水などの冷却媒体が鋼板面全体に均一にあたるようにして、板厚の中心部で１℃／ｓ以上、望ましくは２℃／ｓ以上の冷却速度でおこなうのがよい。なお強制冷却の開始は、多少遅れたとしても、鋼板表面にて７５０℃以上の温度から開始することが望ましい。
【００３６】
焼戻しは３５０〜５５０℃の温度でおこなう。３５０℃未満の温度では靱性が不十分になる。５５０℃を超える温度で焼戻す場合、合金成分等を多く添加すれば強度と靱性を確保することは可能であるが、Ｐｃｍを十分低くすることが困難になってくる。また焼入れが不十分な場合、焼戻し温度を下げることによって強度を確保することは可能であるが、そうすると靱性の劣る鋼となる。したがって、上記成分範囲にて、Ｐｃｍが０．２以下で、所要板厚および強制冷却速度から、十分な焼入れがおこなわれ、かつ３５０〜５５０℃の焼戻し温度にて引張強さが５７０ＭＰａ以上となるように、個々の鋼成分とその量を選定すれば、靱性および溶接性のすぐれた高張力厚鋼板が得られるのである。
【００３７】
【実施例】
表１に示す組成の鋼を鍛造して、厚さ３００ｍｍの圧延素材とし、表２に示す加熱温度、仕上げ温度、および板厚として熱間圧延をおこない、仕上げ圧延後直ちに焼入れを実施し、次いで表２中に示す温度で焼戻しをおこなった。得られた鋼板の板厚中央部より、圧延と直角の方向に試験片を採取して引張り試験をおこない、圧延と平行な方向に試験片を採取してシャルピー衝撃試験をおこなった。また、ＪＩＳ規格Ｚ−３１５８の斜めＹ形溶接割れ試験法に基づき、試験片温度を０℃として溶接試験をおこない、溶接部の割れの有無を調査した。
【００３８】
【表１】
0003584742.tif 000002
【００３９】
【表２】
0003584742.tif 000003
【００４０】
鋼板の評価試験結果を表２に併記する。表１において、鋼記号Ａ〜Ｆは本発明の組成範囲を満足するものであるが、鋼記号Ｇ〜Ｓは、いずれかの組成、またはＰｃｍ値が本発明で規制する範囲を逸脱している。表２において、性能評価の判断基準を、引張強さ５７０ＭＰａ以上、靱性はｖＴｒｓが−５℃以下、溶接性は試験片温度が０℃にて割れの発生がないこととすれば、本発明の有効性は明らかである。
【００４１】
組成が本発明範囲を満足する鋼による試験結果を表２の試験番号１〜１６に示すが、熱間圧延以降の製造条件が不十分な場合、目標性能が得られないことがある。例えば、試験番号３は仕上げ温度、ないしは焼入れ温度が低すぎ、試験番号５では、素材加熱温度が低すぎ、試験番号１３は焼戻し温度が高すぎて、いずれの場合も、十分な強度が得られていない。また、試験番号４は仕上げ温度が高すぎ、試験番号８では加熱温度が高すぎ、試験番号９は焼戻し温度が低すぎて、いずれの場合も強度は十分であるが靱性が劣っている。しかしながら、製造条件が適正である場合、このように鋼組成を限定された鋼は、すぐれた強度、靱性および溶接性を得ることができる。
【００４２】
これに対し、製造条件が十分満足すべき範囲に入っていても、鋼番号Ｇ〜Ｓの化学組成が本発明で規制する範囲を逸脱している場合、表２の試験番号１７〜２９の結果から明らかなように、強度、靱性、または溶接性のいずれもが目標特性を超える鋼板とはならないのである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、板厚中央部の引張強さが５７０ＭＰａ以上、靱性はｖＴｒｓが−５℃以下、溶接性は鋼板温度が０℃にて割れの発生がない、板厚７５ｍｍを超える高強度厚鋼板が得られ、また直接焼き入れ法により、その鋼板を容易に製造することができる。この鋼板は、橋梁など鋼構造物の施工条件を緩和し、その建設コストの低減に効果的に活用できる。