(57)【要約】【課題】予熱をおこなわなくても、溶接時に低温割れが発生しない耐低温割れ性にすぐれた鋼材の提供。【解決手段】質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、他に要すれば少量のＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ等の合金元素を１種以上含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる鋼材。【選択図】なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、残部が鉄および不純物であることを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。
【請求項２】
質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、さらにＣｕ：０．１〜２．５％、Ｎｉ：０．１〜１０．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ：０．００１〜０．０８％、Ｔｉ：０．００３〜０．３％およびＢ：０．０００２〜０．００５％のうちの１種以上を含有し残部が鉄および不純物であることを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。
【請求項３】
質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、さらにＣａ：０．０００２〜０．００５％およびＭｇ：０．０００２〜０．００５％の1種または２種を含有することを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。
【請求項４】
質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、さらにＣｕ：０．１〜２．５％、Ｎｉ：０．１〜１０．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ：０．００１〜０．０８％、Ｔｉ：０．００３〜０．３％およびＢ：０．０００２〜０．００５％のうちの１種以上と、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％およびＭｇ：０．０００２〜０．００５％の1種または２種を含有することを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建築構造物、機械構造物、海洋構造物、圧力容器、タンク等の高強度鋼構造物に適用される溶接時の耐低温割れ性にすぐれた鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶接鋼構造物が大型化する傾向が顕著となっている。大型化すれば重量低減の要望が強くなり、こうした大型溶接鋼構造物に使用される鋼材に対し、より高強度のものを使用する傾向はますます大きくなってくる。
【０００３】
鋼の溶接施工時の重要な課題の一つに低温割れの防止がある。低温割れは溶接後、溶接部の温度が常温付近に低下してから発生する割れで、溶接される鋼材の強度が高くなるほど発生しやすくなる。この低温割れは、溶接部分での（ａ）マルテンサイトなど割れの起点になる硬化組織の生成、（ｂ）溶接時に浸入した水素（拡散性水素）および（ｃ）拘束度（残留応力）などに強く影響を受けるとされている。
【０００４】
鋼材の強度を高くするためには、一般に焼入れ焼戻しのような熱処理を施すが、この熱処理による強度向上効果をより大きくする目的で、種々の合金元素が添加される。高強度鋼板には、より多くの量の合金元素が添加されているので、溶接後の急冷で焼きが入りやすく、硬化組織を容易に生成し硬度を上昇させる。拡散性水素に対しては、溶接材料にできるだけ低水素のものを使用するなどにより低減できるが、多少の浸入は避けがたい。また拘束度は、溶接形状の工夫などで抑制できるが、高強度になるほど増大する傾向にある。
【０００５】
このような低温割れの対策として、溶接施工前に鋼材の予熱がおこなわれる。予熱することにより、溶接直後の高温からの冷却速度が低下して硬度の上昇が抑止され、浸入水素の拡散による逸散が進行し、熱変形量を減少させて拘束力を低減する、等の効果があると考えられる。低温割れの発生を確実に防止するには、溶接する鋼材の予熱が有効であり、予熱は鋼材の強度が高くなれば必須作業となってくる。
【０００６】
低温割れ防止のための予熱は、強度が６００〜８００ＭＰａの高強度鋼の母材ではその組成にもよるが５０〜１５０℃程度必要である。しかしながら、高温の予熱は溶接施工コストが嵩むばかりか工期が長期化するし、とくに予熱温度が１２５℃を超える場合には、現場の作業環境が著しく劣悪となるので作業者への負担も急激に増加する。
【０００７】
このため、溶接施工前に行う予熱を低くしても低温割れの発生しない高強度鋼が種々提案されている。たとえば、特許文献１には低Ｃ−Ｎｂ−Ｍｏ−Ｔｉ−Ｂ鋼を用い、圧延直後その温度から焼入れをおこなって炭素当量を低くして強度を高くし、溶接熱影響部の硬度上昇を抑制し、予熱温度を低くする鋼板の発明が開示されている。この場合、板厚が２５ｍｍで引張強さが７８０ＭＰａの鋼が例示されているが、より板厚が増した場合、強度の維持や予熱不要が可能かどうか明らかでない。
【０００８】
また、特許文献２や特許文献３にも熱間圧延と圧延直後急冷による高強度鋼板の製造方法の発明が開示されている。これらの圧延条件とその直後の急冷条件との組合せにより高強度の鋼板を得る方法は、金属結晶粒径を微細にして、より少ない合金元素量で強度を上げしかも靱性を向上させる効果がある。これらの発明による鋼板では、合金元素量の低減は溶接熱影響部の硬度上昇を抑制するので予熱温度を低下できるが、予熱なしとするまでには至っていない。
【０００９】
この低温割れを防止する溶接前の鋼材の必要予熱温度は、たとえば非特許文献１等に示されているように、鋼材の化学組成から求まるＰＣＭ値から推測できる。特許文献４には化学組成を適正化してこの値を０．２５％以下にするとともに、熱間圧延の加熱および圧延条件を適正化し、溶接施工時の予熱温度が１００℃以下であっても溶接割れを発生することのない鋼板の製造技術が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５９−１３６４１８号公報
【特許文献２】特開平２−２０５６２９号公報
【特許文献３】特開平９−２６３８２８号公報
【特許文献４】特開２０００−３１９７２６号公報
【非特許文献１】日本金属学会編「金属便覧」改訂６版、丸善株式会社、平成１２年５月３０日、ｐ．１０２３−１０２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
溶接時の低温割れ発生の確実な防止には、予熱をおこなう必要があり、ことに鋼材の強度が高い場合にはこれは必須になる。しかしながら、この予熱作業は被溶接物が大きくなってくると、加熱のための手配作業や昇温時間などに多くの工数および時間が費やされ、溶接施工能率を著しく低下させる。このため、この予熱温度をより低くできる鋼材が種々開発され、高強度鋼とはいっても相対的には強度が低く、厚さも大きくない範囲では、予熱温度が５０℃以下または予熱を要しない予熱フリーの鋼材が得られている。しかしながら、少し強度が高くなり、厚さが増してくると、予熱なしでは必ずしも溶接の低温割れを十分に抑止できているとはいえない状態である。
【００１２】
本発明は、含有する合金成分を制御することにより、このような予熱をおこなわなくても、溶接時に低温割れが発生しない耐低温割れ性にすぐれた鋼材を提供するものである。  
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の要旨は次のとおりである。
（１）質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、残部が鉄および不純物であることを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。
【００１４】
（２）質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、さらにＣｕ：０．１〜２．５％、Ｎｉ：０．１〜１０．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ：０．００１〜０．０８％、Ｔｉ：０．００３〜０．３％およびＢ：０．０００２〜０．００５％のうちの１種以上を含有し残部が鉄および不純物であることを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。
【００１５】
（３）質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、さらにＣａ：０．０００２〜０．００５％およびＭｇ：０．０００２〜０．００５％の1種または２種を含有することを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。
【００１６】
（４）質量％にてＣ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０２〜０．８％、Ｍｎ：０．６〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｏ：０．１〜１０．０％で、さらにＣｕ：０．１〜２．５％、Ｎｉ：０．１〜１０．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ：０．００１〜０．０８％、Ｔｉ：０．００３〜０．３％およびＢ：０．０００２〜０．００５％のうちの１種以上と、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％およびＭｇ：０．０００２〜０．００５％の1種または２種を含有することを特徴とする溶接の耐低温割れ性にすぐれた鋼材。  
【発明の効果】
【００１７】
本発明の鋼材は、溶接作業に先立ってその予熱を施さなくても低温割れを防止できるため、溶接施工の作業能率を大幅に向上させることができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明者らは、より強度の高い鋼材を用い、アーク溶接法により溶接構造物を構築する場合に生じやすい、溶接部の低温割れを抑止するための対策について種々調査を行った。低温割れの対策として母材の予熱は極めて効果的であるが、その十分な実施には多大の工数を要し、時には実施困難な場合がある。そこで、予熱なしか、おこなうとしてもできるだけ低温にする方法について検討した結果、鋼の合金元素の一つとしてＣｏを含有させると低温割れ防止に顕著な効果のあることを見出した。
【００１９】
Ｃｏは、鋼材の強化を目的に含有させる元素が一般にＭｓ点を低下させるのに対し、Ｍｓ点を上昇させるので強度向上の効果は小さい。また、耐熱鋼などで高温強度を向上させる効果から添加される場合もあるが、通常の溶接して用いられる低合金鋼材では、高価であることもあって、ほとんど顧みられることのない元素である。ところが、溶接母材となる鋼材に含有させることにより、低温割れを抑止でき、予熱をおこなわなくても、予熱したと同等の効果が現れるのである。
【００２０】
このような効果の現れる理由については必ずしも明らかではないが、Ｍｓ点が上昇することにより溶接の熱影響部に生成されるマルテンサイト組織中の転位密度が低下し、転位密度の低下は硬さを低下させ変形能を向上させることから、先述の溶接部硬さ低下や残留応力低減をもたらして、割れ発生を抑止するのではないかと思われる。さらに転位密度の低下は金属組織中に吸蔵される水素量を低下させるので、拡散性の水素量を減少させていると推測される。
【００２１】
本発明では、この鋼材中の各元素の質量％で表す含有範囲を、次のように限定する。
Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、鋼材の強度を確保するために、０．０１％以上含有させる。一方、過剰なＣは強度を必要以上に上昇させ、また、炭化物の析出量増加および粗大化を招き、靱性を劣化させるので、上限を０．１５％とする。より良好な靱性を得るためには、０．１％以下とするのが望ましく、さらに好ましくは０．０８％までとする。
【００２２】
Ｓｉ：０．０２〜０．８％
Ｓｉは脱酸作用を有し、鋼材の強度を向上させる元素である。その効果を得るために０．０２％以上含有させる。しかし、過剰なＳｉ添加は、鋼材の靱性低下の原因となるとともに、溶接時の耐割れ感受性を劣化させるので、その上限は０．８％とする。
【００２３】
Ｍｎ：０．６〜３．０％
Ｍｎは、鋼材の強度を向上させる元素である。その効果を得るため、下限を０．６％とする。しかし、多すぎる含有は鋼材およびその溶接熱影響部の靱性低下の原因となり、溶接の耐割れ感受性も劣化させるので、上限は３．０％までとする。靱性および耐割れ感受性をさらに良好にするためには、２．５質量％以下とするのが望ましく、より好ましくは１．７％とまでとするのがよい。
【００２４】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは原料から混入してくる不純物の一つで、鋼材の靱性を劣化させる。顕著な影響を及ぼさない範囲として０．０３％以下にする必要があるが、少なければ少ないほどよい。望ましくは０．０１５％以下である。
【００２５】
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは原料から混入してくる不純物の一つで、鋼の熱間加工性を低下させ、鋼材の靱性を劣化させるので、少なければ少ないほどよい。顕著な害を及ぼさない範囲として０．０３質量％以下にする必要があり。望ましくは０．０１５％以下である。
【００２６】
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００４〜０．０８％
Ａｌは、脱酸剤として重要な元素であり、その効果を発揮させるためには、ｓｏｌ．Ａｌの含有量の下限を０．００４％とする。一方、過剰なＡｌは、粗大な介在物の生成原因となるので、その上限は０．０８％とする。  
Ｎ：０．０１５％以下
Ｎは不純物として混入してくる元素であり、他の元素の存在や製造条件によっては鋼材の強度や靱性を向上させたり、逆に靱性を劣化さたりすることもある。しかしＴｉを含む場合には、ＴｉＮとなって溶接部の細粒化、高靱化の役目を果たすので、０．００１％以上あることが望ましい。ただし、過剰に含む場合は、低合金鋼においては、悪影響をもたらすことが多いので、その含有による影響が顕著でない範囲として０．０１５％以下であることとする。
【００２７】
Ｃｏ：０．１％〜１０．０％
Ｃｏは本発明の鋼板の溶接における耐低温割れ性向上に重要な元素である。このような効果を得るためには、０．１％以上の含有を必要とする。しかしながら、多すぎる含有は改善効果が飽和しむだな含有となるため、多くても１０％までとする。より顕著な効果をもたらす好ましい含有量の下限は１％以上であり、さらに望ましくは２％以上である。
【００２８】
Ｃｕ：０．１〜２．５％
Ｃｕは含まなくても良い。Ｃｕは、焼入れ性向上に加えて析出効果によっても強度向上に寄与するので、高強度を必要とする場合には添加する。含有の効果を得るためには、０．１％以上とするのが望ましい。しかし、２．５％を越える含有は靱性が劣化するので、多くても２．５％以下とする。含有させる場合、望ましいのは０．８％以下であり、より望ましくは０．６％以下である。
【００２９】
Ｎｉ：０．１〜１０．０％
Ｎｉは含まなくてもよい。しかし、Ｎｉは強度を向上させ、靱性を高めるとともに低温割れ性を改善する効果が大きいので、より高靱性とし、割れ性も改善する目的で含有させてもよい。含有させる場合には０．１％以上とし、できれば１．５％以上とすることが望ましい。しかし、多すぎる含有はその量に見合った効果が得られなくなるので、１０．０％以下とするのがよい。
【００３０】
Ｃｒ：０．１〜１．５％
Ｃｒは含まなくてもよい。しかし、Ｃｒは焼入れ性向上に有効なので、鋼材をより高強度にする場合に含有させる。その場合、含有の効果を得るためには０．１％以上とすることが望ましい。しかし、１．５％を超える含有は、溶接時の低温割れを生じやすくなるので、１．５％までとする。
【００３１】
Ｍｏ：０．１〜１．５％
Ｍｏは含まなくてもよい。Ｍｏは、焼入れ性を向上させ強度上昇に有効なので、鋼材をより高強度にする場合に添加する。含有させてその効果を得るには、０．１％以上とするのがよい。しかし、多すぎる含有は低温割れを発生しやすくするので、多くても１．５％までとするのが望ましい。
【００３２】
Ｖ：０．００１〜０．２％
Ｖは含まなくてもよい。Ｖは窒素や炭素と結合して析出硬化により、鋼の強度上昇に有効なので、鋼材をより高強度にしたい場合に０．００１％以上含有させる。しかし、０．２％を超える含有は、低温割れが発生しやすくなるので、多くても０．２％までとする。
【００３３】
Ｎｂ：０．００１〜０．０８％
Ｎｂは含まなくてもよい。Ｎｂは、析出硬化を生じ、強度上昇に有効なので、鋼材をより高強度にする場合には０．００１％以上含有させる。しかし、含有量が多すぎると低温割れを発生しやすくなるので、多くても０．０８％以下とする。
Ｔｉ：０．００３〜０．３％
Ｔｉは含まなくても良い。Ｔｉは窒素と結合して、加熱時の粒粗大化防止により溶接部の靱性を上げるとともに、微量のＢがＢＮとなるのを防ぎ、Ｂ添加による焼入れ性を確保する。その効果を得るために、下限は０．００３％とする。一方、多すぎるＴｉは、炭化物の析出を過剰にして、鋼板母材及び溶接熱影響部の靱性を著しく劣化させるので、その上限は０．３％までとする。
【００３４】
Ｂ：０．０００２〜０．００５％
Ｂは含有させなくてもよい。しかしＢは、微量で焼入れ性を著しく上昇させ、鋼板の高強度化に大きく寄与する。含有させてその効果を得ようとする場合、０．０００２％以上とするの必要がある。ただし過剰のＢ含有は、耐低温割れ性の劣化を生じるので、上限は０．００５％までとする。強度の向上と良好な耐溶接割れ性を確保するためには、０．００５％以下とするのが望ましい。
【００３５】
Ｃａ：０．０００２〜０．００５％
Ｃａは含有させなくてもよい。しかし、含有させると組織を微細化して靭性を高める作用がある。この作用を確実に得るには、Ｃａを０．０００２％以上含有させる。ただし、多すぎる含有はＣａＯなどの介在物量が増し靱性が劣化するので、含有させる場合０．０００５％までとするのがよい。
【００３６】
Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％以下
Ｍｇは含有させなくてもよい。しかし、ＭｇもＣａと同様に組織を微細化して靭性を高める作用を有する。この作用を発揮させるには、Ｍｇの含有量を０．０００２％以上とすることが望ましい。しかし、０．００５％を超えて含有させると、ＭｇＯなどの介在物量が増大し却って靭性が劣化するので、上限は０．００５％までとするのがよい。
【実施例１】
【００３７】
表１に示す化学組成を有する鋼を真空溶解法にて溶製して鋳塊とし、鍛造してスラブを作製した。このスラブを通常の工程にて熱間圧延をおこない、厚さ４５ｍｍの鋼板を製造した。得られた鋼板の板厚圧中心部における強度および衝撃特性を表２に示す。
【００３８】
ＪＩＳ−Ｚ−３１５８にて規定されているｙ形溶接割れ試験方法に基づいて、これらの鋼板から試験板を作製し、溶接をおこなった。表３に溶接条件を示すが、溶接材料は神戸製鋼所（株）製ＬＢ−８０ＵＬを使用した。この溶接材料による溶接金属の化学組成は、一例としてＣ：０．０８％、Ｓｉ：０．５２％、Ｍｎ：１．５％、Ｐ：０．００９％、Ｓ：０．００６％、Ｎｉ：１．９０％、Ｃｒ：０．２８％であるとされている。溶接は室温３０℃、湿度８０％に調整した室内で実施し、試験板の予熱はなしとし、各鋼板に対し３枚の試験板とした。溶接後の試験板は、上記ＪＩＳにて規定される方法に従い表面割れ率および断面割れ率を測定した。結果を表４に示す。
【００３９】
本発明にて規定する組成範囲である鋼記号Ａ１〜Ａ８の試験結果は、予熱なしによる断面割れ率が試験体１〜３のいずれにおいても０％であるか、悪くとも１０％以下に抑えられている。これに対し鋼記号Ｘ１〜Ｘ４は、Ｃｏを含まない点以外は、各々Ａ１〜Ａ４とほぼ同じ成分含有量であるにもかかわらず、割れが発生している。鋼記号Ｘ５〜Ｘ７はＣｏを含有しているが、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎなどの元素が本発明発明にて定める適正量を外れており、割れ率が低く抑えられているものの、割れを無くすことはできていない。
【００４０】
【表１】
2006009071.tif 000002
【００４１】
【表２】
2006009071.tif 000003
【００４２】
【表３】
2006009071.tif 000004
【００４３】
【表４】
2006009071.tif 000005