(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦攪拌接合時の施工性に優れ、かつ摩擦攪拌接合部の強度・靭性に優れた構造用低合金厚鋼材の提供。【解決手段】900℃の平衡状態において体積率で20％以上のフェライト相が生成する組成とし、さらに、100μm２当たり、析出物が10個以上析出した組織であり、Ｃ：0.05〜0.20％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜3.0％、Ｎ：0.001〜0.010％、Al：0.02〜1.0％を含み、かつSi、Alが（Si＋2.5Al）≧1.5を満足するように含み、さらにＶ：0.1〜1.0％、Nb：0.1〜1.0％のうちから選ばれた１種または２種を含有する組成とすることによって、摩擦攪拌接合時の変形抵抗が低下し、摩擦攪拌接合時の施工性が向上するとともに、接合部の組織の粗大化が抑制され、優れた強度、靭性を有する摩擦攪拌接合部を得ることができる構造用低合金厚鋼材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造用低合金厚鋼材であって、
900℃の平衡状態において体積率で20％以上のフェライト相が生成する組成と、
100μm２当たり、析出物が10個以上析出した組織と、
を有し、摩擦攪拌接合部の強度、靭性に優れることを特徴とする摩擦攪拌接合向け構造用低合金厚鋼材。
【請求項２】
前記組成が、質量％で、
Ｃ：0.05〜0.20％、                Si：0.1〜1.0％、
Mn：0.1〜3.0％、                  Ｎ：0.001〜0.010％、
Al：0.02〜1.0％
を含み、かつSi、Alが下記（１）式を満足するように含み、さらにＶ：0.1〜1.0％、Nb：0.1〜1.0％のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合向け構造用低合金厚鋼材。
記
（Si＋2.5Al）≧1.5          ……（１）
ここで、Si、Al：各元素の含有量（質量％）
【請求項３】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：3.0％以下、Ni：5.0％以下、Cr：5.0％以下、Mo：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合向け構造用低合金厚鋼材。
【請求項４】
厚鋼材部材同士を摩擦攪拌接合してなる構造用摩擦攪拌接合継手であって、
前記厚鋼材部材が、請求項１ないし３のいずれかに記載の構造用低合金厚鋼材で構成されてなることを特徴とする構造用摩擦攪拌接合継手。
【請求項５】
前記摩擦攪拌接合してなる摩擦攪拌接合部が、平均粒径：10μm以下の微細なフェライト相からなる組織を有し、降伏強さ：480MPa以上で、シャルピー衝撃試験の試験温度：-30℃における吸収エネルギーvE-30：100Ｊ以上を有する高強度高靭性の摩擦攪拌接合部であることを特徴とする請求項４に記載の構造用摩擦攪拌接合継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造用低合金厚鋼材に係り、とくに摩擦攪拌接合法による接合に好適な、構造用低合金厚鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、成形部材等の鋼製部材を接合して、種々の鋼構造体とするには、主としてアーク溶接が用いられてきた。しかし、アーク溶接では接合部（溶接部）を形成するために、被接合材を溶融させることが必要であり、接合部（溶接部）は高温に晒される。そのため、接合部（溶接部）の組織が粗大化し、靭性が低下しやすいという問題がある。このような問題に対し、アーク溶接法に代えて、摩擦攪拌接合法の適用が検討されるようになってきた。
【０００３】
摩擦攪拌接合法は、部材同士を突き合わせて接合する際に、接合する部材より硬い材質のツールを、接合部（突合せ部）に挿入し、該ツールを回転させながら移動させることにより、該ツールと接合する部材との間に生じる摩擦熱により、接合する部材を軟化させ、ツール回転による材料流動（塑性流動）により部材同士を接合する、接合方法である。
【０００４】
摩擦攪拌接合法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属材料の接合方法として、航空機、船舶、鉄道車両、自動車等の分野で適用が拡大している。これらの低融点金属材料では、従来のアーク溶接法を適用した場合に、接合部で満足できる特性を確保することが難しいことに対し、摩擦攪拌接合法を適用した場合には、満足できる特性を有する接合部を得ることができるとともに、生産性が向上する。
【０００５】
一方、摩擦攪拌接合法の鋼製部材接合への適用は、回転ツールの耐久性の観点から、低融点金属材料への適用ほど、進んでいないが、例えば、特許文献１には、「摩擦攪拌接合用の低合金構造用鋼」についての提案がある。特許文献１に記載された技術では、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計が200℃以上である低合金構造用鋼であれば、摩擦攪拌接合用として好適であるとしている。このような低合金構造用鋼として、質量％で、Ｃ：0.01〜0.20％、Mn：0.1〜3.0％、Ｐ：0.050％以下およびＳ：0.0050％以下を含み、かつSi：0.4〜4.0％、Al：0.3〜3.0％、Ti：0.30〜3.0％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および不可避的不純物の組成になることが好ましいとしている。これにより、摩擦攪拌接合における鋼材の変形抵抗が大幅に低減し、回転ツールの耐久性が向上し、接合速度などの接合条件の制限が緩和されるとしている。
【０００６】
また、特許文献２には、「摩擦攪拌接合法の施工性に優れた高強度高加工性熱延鋼板」が記載されている。特許文献２に記載された技術では、質量％で、Ｃ：0.05〜0.40％、Si：4.0％以下、Mn：0.5〜3.0％、Al：4.0％以下を含有し、かつ（Si＋Al）≧0.5％を満足し残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、初析フェライト主相中に第２相として５％以上の残留オーステナイトを有し、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計が200℃以上である高強度高延性熱延鋼板としている。なお、特許文献２に記載された技術では、上記した組成に加えてさらに、Cr：0.2〜2.0％、Nb：0.003〜0.10％、Ｖ：0.003〜0.10％およびTi：0.003〜0.10％のうちから選んだ１種または２種以上を含有してもよいとしている。これにより、接合部の到達温度付近における、フェライト単相域およびオーステナイト−フェライト２相域を拡大することにより、摩擦攪拌接合における鋼材の変形抵抗が大幅に低減し、回転ツールの耐久性が向上し、接合速度などの接合条件の制限が緩和されるとしている。また、ツールの損耗、破損による交換作業の頻度が抑えられ、施工能率が向上するとしている。
【０００７】
また、特許文献３には、「摩擦攪拌接合法の施工法およびめっき密着性に優れた高強度高延性亜鉛めっき鋼板」が記載されている。特許文献３に記載された技術は、質量％で、Ｃ：0.05〜0.40％、Si：1.5％以下、Mn：0.5〜3.0％、Al：4.0％以下を含有し、かつ（Si＋Al）≧0.5％を満足し残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、初析フェライト主相中に第２相として５％以上の残留オーステナイトを有し、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計が200℃以上である高強度高延性溶融亜鉛めっき鋼板としている。これにより、接合部の到達温度付近における、フェライト単相域およびオーステナイト−フェライト２相域を拡大することにより、摩擦攪拌接合における鋼材の変形抵抗が大幅に低減し、回転ツールの耐久性が向上し、接合速度などの接合条件の制限が緩和されるとしている。また、ツールの損耗、破損による交換作業の頻度が抑えられ、施工能率が向上するとしている。また、めっき密着性を損なわない合金成分とすることでめっき密着性を向上させることができるとしている。
【０００８】
また、特許文献４には、「摩擦攪拌溶接による高強度および高靭性鋼構造体」が記載されている。特許文献４に記載された技術では、２つ以上の構造用部品と、前記部品の接合面同士を接合する摩擦攪拌溶接物を含む鋼構造体であって、出発構造用鋼の化学成分と粒径とを特定範囲に限定し、摩擦攪拌溶接物が、5〜60μmの事前のオーステナイト粒径と、50体積％未満のマルテンサイト-オーステナイト（MA）構成成分とを有する構成とする。これにより、亀裂先端開口変位試験で測定された靭性に優れ、また0℃以下においてシャルピーVノッチ衝撃試験により測定された靭性が40Jを超える摩擦攪拌溶接物となるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2008―31494号公報
【特許文献２】特開2008-255369号公報
【特許文献３】特開2010−90418号公報
【特許文献４】特表2012−509178号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された技術では、摩擦攪拌接合時の変形抵抗を低下でき施工性という観点からは有効であると言えるが、900℃以上の高温度域からフェライト粒が生成しており、接合後の冷却過程でフェライト粒の粗大化を招き、接合部の強度および靭性の低下を招くという問題があった。
【００１１】
また、特許文献３に記載された技術では、特許文献１，２に記載された技術と同様に、摩擦攪拌接合時の変形抵抗を大幅に低減することにより、施工能率が大幅に向上するとしているが、接合部の到達温度付近の高温でフェライトが生成しており、接合後の冷却過程でフェライト粒の粗大化を招き、接合部の強度および靭性の低下を招くという問題があった。
【００１２】
また、特許文献４に記載された技術では、摩擦攪拌溶接物（摩擦攪拌接合部）の靭性が向上するとしているが、摩擦攪拌接合用のツールの損耗、破損について考慮しておらず、摩擦攪拌接合の施工性に問題を残していた。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、摩擦攪拌接合用として施工性に優れ、かつ摩擦攪拌接合部の強度・靭性に優れた構造用低合金厚鋼材を提供することを目的とする。
【００１４】
ここで、本発明が目的とする構造用低合金厚鋼材は、降伏強さYS：480MPa以上、引張強さTS：580MPa以上で、シャルピー衝撃試験の試験温度：-30℃における吸収エネルギーvE-30：100J以上を満足する厚鋼材をいうものとする。また、ここでいう「摩擦攪拌接合部の強度・靭性に優れた」とは、摩擦攪拌接合部が、降伏強さYS：480MPa以上、引張強さTS：580MPa以上で、シャルピー衝撃試験の試験温度：-30℃における吸収エネルギーvE-30：100J以上を満足する場合をいうものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した目的を達成するために、まず、本発明者らは、施工性に及ぼす組織の影響について鋭意検討した。その結果、接合時の温度において、フェライト相の比率が高くなるほど、摩擦攪拌接合時の変形抵抗を低くすることができることに想到し、900℃の平衡状態でフェライト相が体積率で20％以上残留する組織となるように成分調整を行うと、摩擦攪拌接合時における変形抵抗が小さくなり、摩擦攪拌接合時に回転ツールの損傷、破損が少なくなり、摩擦攪拌接合時の施工性が向上することを見出した。なお、ここで、平衡状態におけるフェライト量はThermo-calc（商標名）（Thermo-calc Software AB社製ソフト）を用いて計算するものとする。
【００１６】
摩擦攪拌接合時に20％以上のフェライト相を残留させた組織とすることにより、たしかに摩擦攪拌時の変形抵抗が低減し、摩擦攪拌接合の施工性は向上する。しかし、摩擦攪拌接合部では、摩擦攪拌時に加工により結晶粒が微細化するが、900℃以上の高温に保持され、しかも冷却過程が緩冷であると、フェライト粒の粗大化が生じる。フェライト粒の粗大化は、接合部の強度及び靭性の低下を招く。そこで、フェライト中に微細な析出物を分散させて、ピン止め効果によるフェライトの粗大化を阻止することに思い至った。そして、析出物としては、Nbおよび／またはＶの炭化物および／または窒化物とすることが、析出物の微細分散の観点から好ましいことを知見した。
【００１７】
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成したものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）構造用低合金厚鋼材であって、900℃の平衡状態において体積率で20％以上のフェライト相が生成する組成と、100μm２当たり、析出物が10個以上析出した組織と、を有し、摩擦攪拌接合部の強度、靭性に優れることを特徴とする摩擦攪拌接合向け構造用低合金厚鋼材。
（２）（１）において、前記組成が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.20％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜3.0％、Ｎ：0.001〜0.010％、Al：0.02〜1.0％を含み、かつSi、Alが次（１）式
（Si＋2.5Al）≧1.5          ……（１）
（ここで、Si、Al：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにＶ：0.1〜1.0％、Nb：0.1〜1.0％のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成であることを特徴とする摩擦攪拌接合向け構造用低合金厚鋼材。
（３）（２）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：3.0％以下、Ni：5.0％以下、Cr：5.0％以下、Mo：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする摩擦攪拌接合向け構造用低合金厚鋼材。
（４）厚鋼材部材同士を摩擦攪拌接合してなる構造用摩擦攪拌接合継手であって、前記厚鋼材部材が、（１）ないし（３）のいずれかに記載の構造用低合金厚鋼材で構成されてなることを特徴とする構造用摩擦攪拌接合継手。
（５）（４）において、前記摩擦攪拌接合してなる摩擦攪拌接合部が、平均粒径：10μm以下の微細なフェライト相からなる組織を有し、降伏強さ：480MPa以上で、シャルピー衝撃試験の試験温度：-30℃における吸収エネルギーvE-30：100Ｊ以上を有する高強度高靭性の摩擦攪拌接合部であることを特徴とする構造用摩擦攪拌接合継手。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、摩擦攪拌接合時の施工性に優れ、かつ摩擦攪拌接合部の強度・靭性に優れた構造用低合金厚鋼材を安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、摩擦攪拌接合部の強度、靭性に優れた構造用摩擦攪拌接合継手を容易に製造できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】摩擦攪拌接合の要領を模式的に示す説明図である。
【図２】摩擦攪拌接合時に回転ツールにかかる荷重の測定方向を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明構造用低合金厚鋼材は、900℃の平衡状態において体積率で20％以上のフェライト相が生成する組成と、100μm２当たり、析出物が10個以上析出した組織と、を有する厚鋼材である。なお、ここでいう「厚鋼材」とは、板厚：6mm以上の厚鋼板、肉厚：6mm以上の形鋼、鋼管等を含むものとする。
【００２１】
本発明厚鋼材では、900℃の平衡状態において体積率で20％以上のフェライト相が生成する組成に調整する。なお、ここで、900℃の平衡状態におけるフェライト相の体積率を規定したのは、鉄鋼を摩擦攪拌接合した場合に接合部の温度は、900℃以上になるためである。
【００２２】
これにより、摩擦攪拌接合時の変形抵抗が低減し、摩擦攪拌接合時の施工性が向上する。フェライト相は、オーステナイト相に比較し、すべり系が多いため、塑性変形時の転位同士の干渉が少なく、加工硬化が小さく、したがって、摩擦攪拌接合時の変形抵抗が低くなる。900℃の平衡状態において、体積率でフェライト相が20％未満では、変形抵抗の低減が少なく、所望の施工性向上が得られない。なお、本発明者らは、900℃の平衡状態において上記した量のフェライト相が生成していれば、通常の摩擦攪拌接合の施工であれば、変形抵抗が低減することを確認している。また、900℃の平衡状態におけるフェライト相の体積率の上限は、厚鋼材の母材強度の関係から、80％以下とすることが好ましい。ここで、平衡状態におけるフェライト量はThermo-calc（商標名）（Thermo-calc Software AB社製ソフト）を用いて計算するものとする。
【００２３】
さらに、本発明厚鋼材は、上記した組成と、さらに100μm２当たり、析出物が10個以上析出した組織とを有する。析出物が100μm２当たり10個未満では、析出物の分散による摩擦攪拌接合部における所望の結晶粒粗大化防止効果が期待できなくなる。ここでいう「析出物」は、炭化物、窒化物、炭窒化物あるいはそれらの混合とする。所望の結晶粒粗大化防止効果を十分に確保するためには、析出物は、微細な析出物、すなわち、10nm以上100nm以下の大きさ（粒径）の析出物とすることが好ましい。このような析出物として、本発明では、厚鋼材にNbおよび／またはＶを所定量以上含有させ、微細な析出物を所定量以上析出させることが好ましい。上記した析出物が100μm２当たり10個以上析出した厚鋼材組織とすることにより、摩擦攪拌接合部のミクロ組織をフェライト粒径が10μm以下である組織とすることができ、結晶粒微細化効果による摩擦攪拌接合部の高強度・高靭性化が達成できる。
【００２４】
上記した組織を確保できる厚鋼材の具体的な組成としては、質量％で、Ｃ：0.05〜0.20％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜3.0％、Ｎ：0.001〜0.010％、Al：0.02〜1.0％を含み、かつSi、Alが次（１）式
（Si＋2.5Al）≧1.5          ……（１）
（ここで、Si、Al：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにＶ：0.1〜1.0％、Nb：0.1〜1.0％のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成が挙げられる。以下、組成における質量％は、単に％で記す。
【００２５】
Ｃ：0.05〜0.20％
Ｃは、鋼材の強化に寄与する元素であり、本発明では所望の高強度を確保するために、0.05％以上の含有を必要とする。一方、Ｃはオーステナイトの安定化に寄与する元素であり、0.20％を超える過剰の含有は、オーステナイト相を安定化し、900℃での平衡状態において、所望量のフェライト相の生成を確保することが困難となる。すなわち、摩擦攪拌接合時の温度で、変形抵抗を低減させるまでのフェライト相を生成することが難しくなる。
【００２６】
また、Ｃは、Nb、Ｖ等の炭化物形成元素と結合して、微細な炭化物、すなわち微細な析出物として結晶粒の粗大化防止にも寄与する。このため、Ｃは0.05〜0.20％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.08〜0.15％である。
【００２７】
Si：0.1〜1.0％
Siは、鋼材の強度増加に寄与する元素であり、所望の高強度を確保するために、0.1％以上の含有を必要とする。また、Siはフェライトの安定化に寄与する元素であり、900℃での平衡状態において、所望量のフェライト相の生成を確保するために、有効に寄与する。しかし1.0％を超えて含有すると、厚鋼材の強度が増加しすぎて、厚鋼材の靭性が低下する。このため、Siは0.1〜1.0％の範囲に限定した。
【００２８】
Mn：0.1〜3.0％
Mnは、鋼材の強度増加と靭性向上に寄与する元素であり、本発明では0.1％以上の含有を必要とする。また、Mnは、オーステナイトの安定化に寄与する元素であり、3.0％を超えて過剰に含有すると、900℃での平衡状態において、所望量のフェライト相の生成を確保することが困難となる。このようなことから、Mnは0.1〜3.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.8〜2.0％である。
【００２９】
Ｎ：0.001〜0.010％
Ｎは、窒化物形成元素と結合し、微細な窒化物の形成に不可欠で、結晶粒の粗大化防止に寄与する元素であり、0.001％以上含有する必要がある。一方、0.010％を超えて多量に含有すると、粗大な窒化物が生成し、厚鋼材の靭性を劣化させる。このため、Ｎは0.001〜0.010％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.002〜0.006％である。
【００３０】
Al：0.02〜1.0％
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、0.02％以上の含有を必要とする。また、Alは、フェライトの安定化に寄与する元素であり、Siと同様に、900℃での平衡状態において、所望量のフェライト相の生成を確保するために、有効に寄与する。一方、1.0％を超えて過剰に含有すると、炭化物の析出を抑制し、所望の炭化物個数を確保できない。このため、Alは0.02〜1.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.2〜0.6％である。
さらに、Si、Alは上記した含有の範囲内で、かつ次（１）式
（Si＋2.5Al）≧1.5          ……（１）
（ここで、Si、Al：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含有する。
【００３１】
Si、Alは、フェライトを安定化する元素であり、上記（１）式を満足するようにSi、Alを含有すれば、900℃における所望のフェライト量を確保できる。一方、Si、Alの含有量が（１）式を満足しない場合には、生成するフェライト量が、変形抵抗を低減できる程度まで増加しないため、所望の摩擦攪拌接合の施工性向上を達成できなくなる。
【００３２】
Ｖ：0.1〜1.0％、Nb：0.1〜1.0％のうちから選ばれた１種または２種
Ｖ、Nbはいずれも、炭化物あるいは窒化物、あるいは炭窒化物として微細な析出物を形成し、結晶粒の粗大化防止に寄与する元素であり、本発明では１種または２種を含有する。このような効果を得るためには、Ｖ、Nbともに0.1％以上の含有を必要とする。一方、1.0％を超えて過剰に含有すると、厚鋼材の靭性が低下する。このため、Ｖ：0.1〜1.0％、Nb：0.1〜1.0％の範囲に限定した。
【００３３】
上記した成分が基本の成分であるが、基本の成分に加えて、必要に応じてさらに、選択元素として、Cu：3.0％以下、Ni：5.0％以下、Cr：5.0％以下、Mo：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有してもよい。
【００３４】
Cu：3.0％以下、Ni：5.0％以下、Cr：5.0％以下、Mo：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Cu、Ni、Cr、Moはいずれも、厚鋼材の強度増加に寄与する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上、含有できる。
【００３５】
Cuは、厚鋼材の強度を増加させる元素であり、このような効果を得るためには0.1％以上含有することが好ましい。一方、3.0％を超えて含有すると、厚鋼材が著しく硬化する。このため、含有する場合にはCuは3％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.2〜1.0％である。
【００３６】
Niは、厚鋼材の強度を増加させるとともに、靭性をも向上させる元素であり、このような効果を得るためには0.2％以上含有することが好ましい。また、Niはオーステナイトを安定化する元素であり、5.0％を超えて過剰に含有すると、900℃の平衡状態におけるフェライト量が低下し、変形抵抗の低下度合いが少なくなり、所望の摩擦攪拌接合における施工性の向上が期待できなくなる。このため、含有する場合には、Niは5.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.2〜1.0％である。
【００３７】
また、Crは、厚鋼材の強度を増加させる元素であり、このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。一方、5.0％を超えて含有すると、厚鋼材が著しく硬化する。このため、含有する場合には、Crは5％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.2〜1.0％である。
【００３８】
また、Moは、厚鋼材の強度を増加させる元素であり、このような効果を得るためには0.05％以上含有することが好ましい。一方、1.0％を超えて含有すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、含有する場合には、Moは1.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.1〜0.4％である。
【００３９】
残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。なお、不可避的不純物として、Ｐ、Ｓは厚鋼材の加工性、靭性を低下させるため、極力低減することが好ましいが、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下であれば許容できる。
【００４０】
本発明厚鋼材は、上記した組成を有し、好ましくは、体積率で20〜90％のフェライト相と、残部（第二相）は、ベイナイト、マルテンサイト、パーライトのうちのいずれか、あるいはそれらの混合、からなる組織を有することが好ましい。本発明厚鋼材は、900℃の平衡状態において、体積率で20％以上のフェライト相を残存させることができる組成を有することから、摩擦攪拌接合部の到達温度において変形抵抗を低くすることができ、それにより、摩擦攪拌接合時の施工性を向上できる。そして、さらに、本発明厚鋼材は、厚鋼材同士を、摩擦攪拌接合により接合した場合に、降伏強さYS：480MPa以上、引張強さTS：580MPa以上の高強度を有し、さらにシャルピー衝撃試験の試験温度：-30℃での吸収エネルギーvE-30が100Ｊ以上という高靭性を有する摩擦攪拌接合部を形成することができる厚鋼材である。これは、本発明厚鋼材がNbおよび／またはＶを含有していることにより、多量の微細析出物が分散しており、摩擦攪拌接合時に900℃以上の高温に晒されても、析出物の結晶粒粗大化防止効果により、接合部での結晶粒粗大化を防止できることによる。
【００４１】
なお、上記した特性を有する接合部を得るための摩擦攪拌接合条件は、例えば、次のとおりとする。上記した組成、組織を有する本発明厚鋼材同士を突き合わせて、Ｉ型開先を形成し、多結晶硼素窒化物（PCBN）を素材とする回転ツールを用い、該回転ツールをＩ型開先内に挿入し、ツール先進角度：0〜5°、ツール回転数：100〜500rpm、接合速度：50〜400mm/minの条件で摩擦攪拌接合する。上記した摩擦攪拌接合条件を外れる場合には、摩擦攪拌接合時の温度が低く、あるいは高くなり、所望のフェライト量を確保できず、所望の施工性の向上が得られない。
【００４２】
つぎに、本発明厚鋼材の好ましい製造方法について説明する。上記した組成の溶鋼を、転炉、電気炉、真空溶解炉等の常用の溶製方法で溶製し、常用の鋳造方法で、鋳片とするか、あるいはさらに鋳片に熱間圧延を施し鋼片とし、鋼素材とすることが好ましい。ついで、鋼素材を、加熱温度：1150〜1300℃に加熱したのち、熱間圧延を施し、所定寸法形状の厚鋼材とする。熱間圧延条件については、所望の強度（母材強度）、靭性（母材靭性）を確保できれば、特に限定する必要はない。より高靭性を確保するためには、制御圧延、制御冷却、直接焼入れ等のTMCP処理を施すことが好ましい。
【００４３】
なお、本発明構造用摩擦攪拌接合継手は、上記した好ましい製造方法で製造され、上記した組成、組織を有する厚鋼材部材同士を突き合わせて、Ｉ型開先を形成し、好ましくは上記した摩擦攪拌接合条件で、摩擦攪拌接合して、製造する。
【００４４】
以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。
【実施例】
【００４５】
表１に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、連続鋳造して鋳片とした。さらに、得られた鋳片を、加熱したのち、表２に示す条件で、熱間圧延し、板厚：10mmの厚鋼板とした。なお、熱間圧延終了後、表２に示す条件で、加速冷却を行った。
【００４６】
得られた厚鋼板から、圧延方向に直交する方向（Ｃ方向）が引張方向となるように、JIS 14A号引張試験片（平行部径：6mm）を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性（降伏強さYS、引張強さTS）を求めた。
【００４７】
また、得られた厚鋼板から、圧延方向に直交する方向（Ｃ方向）にＶノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を試験温度：-30℃で実施し、吸収エネルギーを求め靭性を評価した。
【００４８】
また、得られた厚鋼板から、組織観察用試験片を採取し、研磨したのち、腐食液（ナイタール）で腐食し、圧延方向断面を観察面とした。組織観察は、光学顕微鏡（倍率：500倍）を用いて、組織を撮像し、画像解析装置を用いて、その種類を特定し、その体積率を算出した。さらに、走査型電子顕微鏡（倍率：10000倍）を用いて、組織を撮像し、組織中に分散した炭化物、窒化物および炭窒化物（析出物）の大きさ、個数を測定した。なお、析出物の種類を、電子顕微鏡内に組み込まれたエネルギー分散型X線分析装置を用いて、確認しながら、測定した。そして、大きさ（粒径）：10nm以上100nm以下の炭化物、窒化物および炭窒化物（これらを包括して析出物という）の合計個数を算出した。
【００４９】
得られた結果を表３に示す。
【００５０】
【表１】
2018095956.tif 000002
【００５１】
【表２】
2018095956.tif 000003
【００５２】
【表３】
2018095956.tif 000004
【００５３】
表３から、本発明例はいずれも、軟質なフェライト相を摩擦攪拌接合時の高温（900℃）においても残存させるとともに、降伏強さYS：480MPa以上、引張強さTS：580MPa以上で、かつシャルピー衝撃試験の試験温度：-30℃における吸収エネルギーvE-30：100J以上を満足する、高強度高靭性構造用低合金鋼板（構造用厚鋼板）であることがわかる。なお、本発明の範囲を外れると、所望の強度、所望の靭性、所望の組織を確保できなくなる。
【００５４】
ついで、上記した組成、組織を有する厚鋼板について、同一厚鋼板２、２’同士を突き合わせ、Ｉ型開先を形成し、片面１パスの摩擦攪拌接合により継手（摩擦攪拌接合継手）を作製した。なお開先面は、フライス加工のまま程度の表面状態とした。摩擦攪拌接合は、図１に示す接合要領で行った。すなわち、多結晶硼素窒化物（PCBN）を素材とする回転ツール１を用い、該回転ツール１をＩ型開先内に挿入し、ツール先進角度：0°、ツール回転数：250rpm、接合速度：150mm/minの条件で摩擦攪拌し、接合した。
【００５５】
なお、摩擦攪拌接合するに当たり、回転ツールにかかる荷重を、図２に示す３方向について、荷重計を用いて測定した。ここでいう「３方向」とは、接合方向に平行方向（Ｘ方向）、接合方向に直角方向（Ｙ方向）、ツールの軸方向と同一方向（Ｚ方向）とした。なお、荷重は、摩擦攪拌接合中に示された平均荷重を求めた。
【００５６】
得られた結果を表４に示す。
【００５７】
【表４】
2018095956.tif 000005
【００５８】
表４から、（１）式を満足せず本発明の範囲を外れ、900℃の平衡状態におけるフェライト量が0％と低い組成の比較例（継手No.G1、H1）では、回転ツールにかかる荷重はＸ方向で7.35〜7.54kN、Ｙ方向で2.76〜2.84kN、Ｚ方向で36.8〜38.4kNと、大きな負荷が回転ツールにかかっている。一方、本発明例はいずれも、各回転ツールにかかる荷重は比較例に比べて低く、摩擦攪拌接合における施工性に優れていると言える。
【００５９】
つぎに、得られた摩擦攪拌接合継手の接合部から、試験片を採取し、摩擦攪拌接合部の、組織、強度、靭性を調査した。試験方法は次のとおりとした。
【００６０】
得られた継手から、接合部を含む試験片を採取し、接合部が観察面となるように研磨し、腐食液（ナイタール）で腐食して、接合部の組織を観察し、撮像して、その種類を同定し、画像解析して当該組織の体積率を算出した。また、フェライト粒について画像解析装置を用いて、各結晶粒の面積を求め算術平均してフェライトの平均粒面積から、円相当直径を算出し、接合部におけるフェライトの平均結晶粒径とした。
【００６１】
また、得られた継手から、引張方向が接合方向となるように、引張試験片(平行部径：6mmφ)を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性（降伏強さYS、引張強さTS）を求めた。
【００６２】
また、得られた継手から、試験片の長手方向が接合部に直交する方向で、接合部を含みＶノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を試験温度：-30℃で実施し、靭性を評価した。
【００６３】
得られた結果を表５に示す。
【００６４】
【表５】
2018095956.tif 000006
【００６５】
表５から、本発明例では、接合部において微細なフェライト粒を有し、所望の高強度、高靭性の摩擦攪拌接合部となっている。一方、Nb、Ｖを含まない比較例は、いずれも接合部において粗大なフェライト粒となり、所望の高強度および／または高靭性を確保できず、強度および／または靭性が低い摩擦攪拌接合部となっている。
【符号の説明】
【００６６】
１  回転ツール
２、２’  鋼板
３  摩擦攪拌接合部
【図１】
2018095956.tif 000007
【図２】
2018095956.tif 000008