(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.04wt％未満、
Si：0.60wt％以下、
Mn：0.2 〜0.5 wt％および
Al：0.100 wt％以下
を含み、さらに
Cu：0.7 〜2.0 wt％、
Ti：0.01〜0.20wt％、
Nb：0.005 〜0.20wt％および
Ｖ：0.005 〜0.20wt％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部はFeおよび不可避不純物の組成になる鋼スラブに熱間圧延を施し厚さが30mm以上の厚鋼板を製造するに際し、Ａc3〜1350℃の温度に加熱後、Ａr3以上の温度で圧延を終了し、ついで析出処理温度域である 500℃以上Ａr3未満の所定温度まで２℃／ｓ以上50℃／ｓ以下の冷却速度で加速冷却したのち、該所定温度において30ｓ以上等温保持するかまたは当該温度域内において１℃／s 以下の冷却速度で30ｓ以上冷却する析出処理を行い、その後冷却を行うことを特徴とする、引張強さが462MPa以上かつ厚み方向の材質ばらつきの少ないフェライト組織厚鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
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以上の厚鋼板、特に厚み方向の材質ばらつきの少ない厚鋼板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚鋼板は、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、さらに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、この種の鋼板は、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法によって厚鋼材を製造すると、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。
【０００５】
これに対して、特開昭63−179020号公報では、成分、圧下量、冷却速度および冷却終了温度を制御することにより板厚方向の断面硬度差を小さくしているが、板厚が50mmを超える厚鋼板の製造では、板厚方向の冷却速度分布が必然的に生じるため断面硬度差の抑制は極めて難しいところに問題が残る。
【０００６】
【発明が解決しようとする問題点】
この発明は、上記の問題を解消した、厚み方向および鋼材間の材質ばらつきの少ない厚鋼板の製造方法について提案することを、それぞれ目的とする。
【０００７】
【問題を解決するための手段】
厚鋼板の材質ばらつきは、冷却工程における、鋼材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。
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。
【０００８】
すなわち、この発明は、
Ｃ：0.04wt％未満、
Si：0.60wt％以下、
Mn：0.2 〜0.5 wt％および
Al：0.100 wt％以下
を含み、さらに
Cu：0.7 〜2.0 wt％、
Ti：0.01〜0.20wt％、
Nb：0.005 〜0.20wt％および
Ｖ：0.005 〜0.20wt％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部はFeおよび不可避不純物の組成になる鋼スラブに熱間圧延を施し厚さが30mm以上の厚鋼板を製造するに際し、Ａc3〜1350℃の温度に加熱後、Ａr3以上の温度で圧延を終了し、ついで析出処理温度域である 500℃以上Ａr3未満の所定温度まで２℃／ｓ以上50℃／ｓ以下の冷却速度で加速冷却したのち、該所定温度において30ｓ以上等温保持するかまたは当該温度域内において１℃／s 以下の冷却速度で30ｓ以上冷却する析出処理を行い、その後冷却を行うことを特徴とする、引張強さが462MPa以上かつ厚み方向の材質ばらつきの少ないフェライト組織厚鋼板の製造方法。
【０００９】
【作用】
次に、この発明の厚鋼材の各化学成分の限定理由について説明する。
Ｃ：0.04wt％未満
冷却速度に依存せずに鋼材の組織をフェライト主体あるいはフェライト単相とするためには、Ｃ量を0.04  wt％未満、好ましくは 0.02 wt％以下に抑制する必要がある。すなわち、フェライトでのＣの固溶限はおよそ0.02wt％であり、フェライト単相組織とするためには、好ましくは0.02wt％以下に抑制する必要があるが、フェライト体積率90％以上でも、フェライト単相組織と同等の特性・効果を有するため、Ｃ量を0.04wt％未満とした。
【００１０】
Si：0.60wt％以下
Siは、0.6 wt％をこえると、溶接部靭性が劣化するため、0.60wt％以下の範囲とする。なお、脱酸および強度確保のため0.02wt％以上添加することが好ましい。
【００１１】
Mn：0.2 〜0.5 wt％
Mnは、強度確保のため0.2 wt％以上必要であり、一方0.5 wt％を超えると板厚30mm以上の鋼板で板厚全域にわたってフェライト主体組織となりにくいため0.2〜0.5 wt％の範囲に限定する。
【００１２】
Al：0.100 wt％以下
Alは、0.100 wt％を超えると溶接性が損なわれるため、0.100 wt％以下とする。なお、脱酸のためには、0.010 wt％以上添加することが好ましい。
【００１３】
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、製造条件、特に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％以上がフェラ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。
【００１４】
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種々に変化して得た鋼材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安定した強度が得られることがわかる。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。
【００１５】
なお、発明例は、Ｃ：0.019wt％、Si：0.049wt％、Mn：0.4wt％、Cu:1.01wt％およびAl：0.024 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：0.14wt％、Si：0.4 wt％、Mn：1.31wt％、Al:0.024wt％、Nb:0.015wt％およびTi：0.013 wt％を含み、残部鉄および不可避的不純物になる成分組成であった。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：15mm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。
【００１６】
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制御する。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はないため、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。
【００１７】
まず、強度向上をはかるために、析出強化成分として、Cu：0.7 〜2.0 wt％、Ti：0.005 〜0.20wt％、Nb：0.005 〜0.20wt％およびＶ：0.005 〜0.20wt％のうちから選んだ１種または２種以上を添加する。なお、これらの析出強化成分を添加した上で、後述する析出強化処理を施すことが必要になる。
【００１８】
Cu：0.7 〜2.0 wt％
Cuは、析出強化をはかるために添加するが、2.0 wt％をこえるとじん性が急激に劣化し、一方、0.7 wt％未満では析出強化の効果が少ないため、0.7 〜2.0 wt％とする。
【００１９】
Ti：0.005 〜0.20wt％
Tiは、析出強化に加えて、過剰のＣを固定し、またTiN として存在して溶接熱影響部（HAZ）じん性を向上させるために0.005wt％以上は添加する。一方、0.20wt％をこえて添加すると、フェライト単相とすることが困難になるため、0.20wt％を上限とする。
【００２０】
Nb：0.005 〜0.20wt％
Nbは、析出強化に加えて、じん性の向上および過剰のＣを固定するために0.005 wt％以上は添加する。一方、0.20wt％をこえて添加すると、フェライト単相とすることが困難になるため、0.20wt％を上限とする。
【００２１】
Ｖ：0.005 〜0.20wt％
Ｖは、析出強化に加えて、過剰のＣを固定するために0.005 wt％以上は添加するが、0.20wt％をこえて添加すると、フェライト単相とすることが困難になるため、0.20wt％を上限とする。
【００２２】
さらに、強度向上をはかるために、Ni：2.0 wt％以下、Cr：0.5 wt％以下、Mo：0.5 wt％以下およびＷ：0.5 wt％以下のうちから選んだ１種または２種以上を添加することができる。なお、これらの成分は、微量でも効果があるため、下限については適宜設定することができる。
【００２３】
Ni：2.0 wt％以下
Niは、強度および靭性を向上し、またCuを添加した場合には圧延時のCu割れを防止するのに有効であるが、高価である上、過剰に添加するとその効果が飽和するため、2.0 wt％以下の範囲で添加する。なお、0.05％未満の添加では上記の効果が不充分であるため、添加量は0.05wt％以上とすることが好ましい。
【００２４】
Cr：0.5 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、フェライト単相とすることが困難となり、また溶接部靭性が劣化するため、0.5 wt％以下の範囲で添加する。
なお、0.05wt％未満の添加では、強度上昇効果が不充分であるため、添加量は0.05wt％以上とすることが好ましい。
【００２５】
Mo：0.5 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、0.5 wt％をこえると、フェライト単相とすることが困難になり、また溶接部靭性が劣化するため、0.5 wt％以下の範囲で添加する。
なお、0.05wt％未満の添加では、強度上昇効果が不充分であるため添加量は、0.05wt％以上とすることが好ましい。
【００２６】
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、強度上昇効果が不充分であるため添加量は0.05wt％以上とすることが好ましい。
【００２７】
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、フェライト析出核の形成に役立ち、かつ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 靭性向上効果が不充分であるため、添加量は、0.001 wt％以上とすることが好ましい。
【００２８】
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。おな、0.0005wt％未満の添加では、上記効果が不充分であるため添加量は0.0005wt％以上とすることが好ましい。
【００２９】
次に、上述した基本組成に成分調整した鋼スラブを、 Ac3〜1350℃の温度に加熱後、 Ar3以上の温度で圧延を終了し、その後冷却を施す。
【００３０】
すなわち、加熱温度は、Ac3 未満では完全にオーステナイト化することができずに均質化が不十分となり、一方、1350℃をこえると表面酸化が激しくなるため、Ac3 〜1350℃の温度域に加熱することが好ましい。圧延仕上げ温度は、Ar3 以上とすることで組織が微細化し、母材のじん性が良好になる。
【００３１】
ここで、析出強化成分として、Cu：0.7 〜2.0 wt％、Ti：0.005 〜0.20wt％、Nb：0.005 〜0.20wt％およびＶ：0.005 〜0.20wt％のうちから選んだ１種または２種以上を添加した上で、圧延を終了したのち、析出処理温度域である 500℃以上 Ar3未満の所定温度まで50℃／ｓ以下の冷却速度で加速冷却したのち、該所定温度において30ｓ以上等温保持するかまたは当該温度域内において１℃／s 以下の冷却速度で30ｓ以上冷却する析出処理を行って、強度を向上することが肝要である。
【００３２】
すなわち、圧延終了から析出処理温度までの冷却における速度を、50℃／ｓ以下とし、ベイナイト相の析出を抑制する必要がある。
次いで、この加速冷却後、500 ℃以上Ar3 未満の温度範囲で30ｓ以上の等温保持または当該温度域内において１℃／ｓ以下の冷却速度で30ｓ以上冷却する析出処理を行うことにより、Cu, Nb(CN), Ti(CN)およびV(CN) のいずれか１種または２種以上を析出させ、強度上昇が図れる。また、この析出処理により組織の均一化がはかられ、板厚方向の材質ばらつきもさらに軽減される。
【００３３】
ここで、Ar3 以上のオーステナイト域で生成した析出物は低温で変態するフェライト相とは整合しないため析出強化量が小さく、従って十分な強化を得るにはAr3 温度未満で析出処理を行う必要がある。一方、500 ℃未満では析出反応および組織の均一化がともに起こりにくいため、温度範囲を500 ℃以上Ar3 未満とした。また、保持時間を30ｓ以上としたのは、30ｓ未満では十分な析出強化ができないためである。そして、当該温度範囲内で１℃／ｓ以下の冷却速度で30ｓ以上保持することによっても析出強化が得られ、１℃／ｓをこえた冷却速度では十分な析出強化が得られないばかりでなく厚さ方向の均質性も損なわれる。なお、十分に析出強化をさせるためには、0.1 ℃／ｓ以下の冷却速度が望ましい。
【００３４】
その後の冷却は、従来のように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、50℃/sを超える冷却速度で冷却を行うと、ベイナイト相が生成するため、フェライト主体組織とすることができず、一方、0.5 ℃／ｓ未満の冷却速度では、粒径が粗大となり靭性が劣化するため0.5 〜50℃／ｓの範囲で行うことが好ましい。
【００３５】
【実施例】
表１に示す種々の成分組成に調整した鋼スラブを、表２に示す各条件に従う処理を施して、厚さ80mmの厚鋼板を製造した。
かくして得られた各厚鋼板について、引張試験およびシャルピー試験を行って、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調査した。さらに、HAZ の靭性を評価するため、鋼板を1350℃に加熱後800 ℃から500 ℃まで300 ｓで冷却する熱サイクル（500 kJ／cmの入熱量で溶接したときのHAZ の熱履歴に相当）を施してから、シャルピー試験片を採取し、０℃でのシャルピー吸収エネルギーを測定した。なお、フェライト組織の体積率は、400倍で撮影した光学顕微鏡写真より点算法により測定した。これらの調査結果を、表２に併記するように、この発明に従う厚鋼板は、462 MPa 以上の引張強さを有しかつ組織が均一になるため、厚み方向の硬さのばらつきが比較例に比べて、極めて小さいことがわかる。また、析出強化元素を添加し析出強化処理を施すことによって、強度上昇が実現されることもわかる。
【００３６】
【表１】
0003559073.tif 000002
【００３７】
【表２】
0003559073.tif 000003
【００３８】
【発明の効果】
この発明の厚鋼板は、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、フェライト単相組織となる。従って、今後需要増が予想される、厚み方向の材質ばらつきの極めて少ない厚鋼板を、工業的に安定して供給できる。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】厚鋼材における冷却速度と強度との関係を示す図である。
【図１】
0003559073.tif 000004