(57)【要約】【課題】大型鋳鋼材においても、液体浸せきなどによる急冷を要する製造方法を経ることなく高い強度と高い靭性を確保することを可能にする。【解決手段】Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｎｉ：２．００〜３．００％、Ｃｒ：０．２０〜０．７０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、を含み、所望によりＶ：０．０５％以下、Ｎ：２０〜１５０ｐｐｍの一方又は両方を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成とする。１０００〜１１００℃で焼鈍、８５０〜９５０℃で焼入れを行い、６１０℃〜６７０℃での焼戻し、さらに所望によりその後、６１０℃未満の応力除去焼鈍を行う。焼入れをはじめとしたオーステナイト化処理時に、液体浸せきによる冷却よりも遅い冷却速度で冷却を行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｎｉ：２．００〜３．００％、Ｃｒ：０．２０〜０．７０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、を含み、その他をＦｅおよび不可避的不純物で構成される組成を有することを特徴とする高強度高靱性鋳鋼材。
【請求項２】
製品質量が１ｔｏｎ以上であることを特徴とする請求項１記載の高強度高靱性鋳鋼材。
【請求項３】
組成成分として、さらに質量％で、Ｖ：０．０５％以下を含むことを特徴とする請求項１記載の高強度高靭性鋳鋼材。
【請求項４】
組成成分として、さらに質量％で、Ｎ：２０〜１５０ｐｐｍを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高強度高靱性鋳鋼材。
【請求項５】
前記不可避不純物中で、Ａｌ：０．０１％未満、Ｔｉ：０．０１％未満、Ｓｎ：０．０２５％以下、Ｐ：０．０１５％未満、Ｓ：０．０１５％未満に規制されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高強度高靭性鋳鋼材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の組成を有し、焼鈍として、１０００〜１１００℃で熱処理を行い、次いで焼入れとして８５０〜９５０℃で熱処理を行い、さらに焼戻しとして６１０℃〜６７０℃での熱処理、または焼戻しとして６１０℃〜６７０℃の熱処理とその後の応力除去焼鈍としての６１０℃未満の熱処理とを行うことを特徴とする高強度高靭性鋳鋼材の製造方法。
【請求項７】
焼入れをはじめとしたオーステナイト化処理時に、液体浸せきによる冷却よりも遅い冷却速度で冷却を行うことを特徴とする請求項６記載の高強度高靭性鋳鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高強度高靭性を要求される鋳鋼材において、特に、最大肉厚が１００ｍｍから３００ｍｍ、製品質量が１ｔｏｎ以上であり、焼入れ、焼準しなどの熱処理時に、水冷あるいは油冷などの液体冷却の適用が困難な複雑形状を有し、さらに溶接も可能な鋳鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接が可能で、高靭性高強度を有する鋳鋼材としては、ＪＩＳ規格に記載されているＳＣＷ４８０あるいはＳＣＷ５５０などが良く知られており、また過去においては特許文献１〜４に示すような鋼材が発明されている。
特許文献１に示される鋼は、プラスチック成形金型用プレハードン鋼であり、所定成分の鋼を熱間加工した後、時効硬化熱処理を行っている。特許文献２に示される鋼材では、鍛造や圧延などの塑性加工を付与して高強度高靭性化を行ったり、焼入れ、焼準し等の熱処理において、水冷あるいは油冷などの冷却効果の高い方法で冷却することで高強度高靭性化を図っている。特許文献３に示される鋼材では、機械的特性を確保するためにオーステナイト化処理時の平均冷却速度を２５０℃／ｍｉｎ程度としており、これは板厚３００ｍｍ程度の大型鋳鋼品に関しては水冷に匹敵する冷却速度である。また、特許文献４では、所定の成分の鋳片を鋳片の凝固温度から１０００℃までの間を０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却する製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−８２８１４号公報
【特許文献２】特公表２００４−５１４０６０号公報
【特許文献３】特開２００１−１８１７８３号公報
【特許文献４】特開２０００−２６９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、鋳鋼材においては、厚肉で複雑形状を有し１ｔｏｎを超えるような大型製品に水冷あるいは油冷を適用することは、冷却時の熱応力による割れの発生、また水蒸気爆発等の安全面の問題などから困難であり、焼入れ、焼準し等の熱処理においては空冷あるいはファン冷却を行うのが通常である。そして、このように冷却速度が遅いと、ＳＣＷ４８０、ＳＣＷ５５０、あるいは各特許文献に記載された成分範囲では、十分な強度、靱性の確保が難しいという問題がある。
【０００５】
この発明は上記のような大型鋳鋼材における高い強度ならびに高い靭性を確保するためになされたものであり、空冷あるいはファン冷却でも十分に高い強度および靭性が得られる鋳鋼材およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明の高強度高靱性鋳鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｎｉ：２．００〜３．００％、Ｃｒ：０．２０〜０．７０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、を含み、その他をＦｅおよび不可避的不純物で構成される組成を有することを特徴とする。
本発明の鋼材では、組成成分として、さらに質量％で、Ｖ：０．０５％以下を含むことができる。また、組成成分として、さらに質量％で、Ｎ：２０〜１５０ｐｐｍを含有することができる。
また、前記不可避不純物中で、Ａｌ：０．０１％未満、Ｔｉ：０．０１％未満、Ｓｎ：０．０２５％以下、Ｐ：０．０１５％未満、Ｓ：０．０１５％未満に規制するのが望ましい。
【０００７】
上記本発明における組成の鋳鋼材は、焼鈍として、１０００〜１１００℃で熱処理を行い、次いで焼入れとして８５０〜９５０℃で熱処理を行い、さらに焼戻しとして６１０℃〜６７０℃での熱処理、さらに所望によりその後の応力除去焼鈍としての６１０℃未満の熱処理を行うことにより製造することができる。この際に、焼入れをはじめとしたオーステナイト化処理時に、液体浸せきによる冷却よりも遅い冷却速度で冷却を行うのが望ましい。該冷却速度の冷却法としては例えば、空冷、ファン冷却が挙げられる。
【０００８】
本発明の鋳鋼材は、特に製品質量が１ｔｏｎ以上に好適であり、さらに、好ましくは５ｔｏｎ以上、より好ましくは１０ｔｏｎ以上であり、さらには、最大肉厚部が１００ｍｍ〜３００ｍｍとなる複雑形状品に好適である。ただし、本発明としては、製品質量、最大肉厚部が上記範囲になるものに限定されるものではない。
【０００９】
以下に、本発明における上記組成の限定理由を示す。
Ｃ：０．１０〜０．２０％
Ｃは強度および焼入れ性を向上させる元素であるが、過剰に添加すると所定の靭性を得ることが難しくなり、また溶接割れ感受性が高くなる。これらを考慮してＣ含有量を０．１０〜０．２０％とする。同様の理由で、望ましい下限は０．１２％、望ましい上限は０．１６％である。
【００１０】
Ｓｉ：０．１０〜０．５０％
Ｓｉは脱酸剤として使用され、焼入れ性を向上させる元素であるが、過剰に添加すると偏析が大きくなり、また非金属介在物が過剰に生成し靭性を低下させるため、含有量を０．１０〜０．５０％とする。同様の理由で、望ましい下限は０．２０、望ましい上限は０．４０％であり、更に望ましい上限は．０．３０％である。
【００１１】
Ｍｎ：０．４０〜１．２０％
Ｍｎは強度および焼入れ性を向上させる元素であるが、０．４０％未満の含有では所定の強度が得られず、一方で１．２０％を越えた含有では強度が高くなりすぎて所定の延靭性が得られなくなり、焼戻脆化が生じる可能性もある。そのため、Ｍｎ含有量を０．４０〜１．２０％とする。同様の理由で、望ましい下限は０．５０％、望ましい上限は１．００％である。
【００１２】
Ｎｉ：２．００〜３．００％
Ｎｉは強度および焼入れ性向上と共に、低温靭性を向上させる効果がある元素である。一方で、過剰添加により逆に強度と靭性を低下させる作用がある他、溶接割れの発生が懸念される。また、高価な元素であるため添加量を抑えることが望ましい。以上を考慮して、Ｎｉ含有量を２．００〜３．００％とする。同様の理由で、望ましい下限は２．２０％、望ましい上限は２．６０％である。
【００１３】
Ｃｒ：０．２０〜０．７０％
Ｃｒは強度および焼入れ性を向上させる元素である。炭化物生成により強度を向上させるため、含有量が少なすぎると所定の強度が得られなくなる。一方で過剰添加により溶接性の低下を引き起こす。そのため、Ｃｒ含有量を０．２０〜０．７０％とする。同様の理由で、望ましい下限は０．４０％、望ましい上限は０．６５％である。
【００１４】
Ｍｏ：０．１０〜０．５０％
Ｍｏは焼入れ性向上と焼戻し脆化を低減させる元素である。一方で過剰添加により溶接性の低下を引き起こす。そのため、Ｍｏ含有量を０．１０〜０．５０％とする。同様の理由で、望ましい下限は０．１５％、望ましい上限は０．２５％である。
【００１５】
Ｖ：０．０５％以下
Ｖは析出硬化によって強度を向上させる元素であるので、所望により含有させる。一方で、溶接性を阻害する元素であると共に過剰添加によって靭性を大きく低下させる。そのため、Ｖを含有する場合、０．０５％以下とする。なお、析出硬化による効果を十分に得るためには０．０２％以上の含有が好ましい。
【００１６】
Ａｌ：０．０１％未満
Ａｌは脱酸材として添加される元素であり、脱酸および熱処理時にＡＩＮを形成しオーステナイト粒の粗大化を防止する効果がある。しかし、鋳鋼においてはＡｌ２Ｏ３による砂疵やロックキャンディなどによる欠陥発生などが問題になるため、できる限り残存量を少なくすることが望ましい。そのため、０．０１％未満が適当である。
Ｔｉ：０．０１％未満
ＴｉはＴｉＮの析出により強度を向上させる元素である。一方で、ＴｉＮの過剰析出により靭性低下を引き起こす。大気鋳込みで製造する大型鋳鋼品ではある程度のＮ含有が不可避であるため、高靭性を確保するためにはできる限りＴｉ量を少なくすることが望ましく、０．０１％未満がより望ましい。
Ｓｎ：０．０２５％以下
Ｓｎは０．０３％以上の添加により靱性を大きく低下させる元素である。高靭性を確保するためには０．０２５％以下にすることが望ましく、０．０１％未満がより望ましい。Ｐ：０．０１５％未満
Ｓ：０．０１５％未満
Ｐ、Ｓは不可避的に含まれる不純物成分であるが、Ｐは結晶粒界を脆化させ、ＳはＭｎなどと結合して介在物を形成し、双方共に機械的性質を低下させる作用がある。機械的性質確保のためにはできる限り残存量を少なくすることが望ましく、０．０１５％未満が適切である。
【００１７】
Ｎ：２０〜１５０ｐｐｍ
Ｎは不可避的に含まれる成分であるが、Ｖなどとの窒化物を形成することで結晶粒の微細化、降伏強度の増加の効果がある。しかし、ＴｉＮの過剰析出により靭性低下を引き起こす恐れがある。機械的性質確保のためには２０〜１５０ｐｐｍの残存量が望ましく、下限５０ｐｐｍ、上限１２０ｐｐｍがより望ましい。
【００１８】
次に、上記組成の鋳鋼材の製造方法について説明する。
焼鈍：１０００〜１１００℃
焼鈍は、鋳造時の鋳型内で発生した応力の除去および凝固時に発生する成分の均質化を目的に行われるもので、少なくとも１０００℃以上に加熱する。しかし１１００℃を超えて加熱すると過剰に結晶粒が粗大化し靭性が低下するため、１０００〜１１００℃の温度範囲に限定する。
焼入れ：８５０〜９５０℃
焼入れおよび焼戻しは、機械的性質を確保するために行う。焼入れではオーステナイト単相状態にするために８５０℃以上にする必要があるが、９５０℃を超えると結晶粒の粗大化が始まり過度に靭性が低下するため８５０〜９５０℃の温度範囲に限定する。
【００１９】
焼戻し：６１０℃〜６７０℃での熱処理または
焼戻し：６１０℃〜６７０℃と応力除去焼鈍：６１０℃未満の熱処理
焼戻しでは、過度に高くすると引張強さが低下することと逆変態によりオーステナイト相が析出すると靭性が低下するため６７０℃以下で行う必要がある。また、過剰に低い温度で行うと強度／靭性バランスが悪くなり靭性が低下するため６１０℃以上で行うことが望ましい。よって焼戻しは６１０〜６７０℃の温度範囲に限定する。
なお、上記した焼鈍、焼入れ、焼戻しでの加熱保持時間は製品の肉厚によって定められるものであるが、十分な効果を出すためには１０時間以上の保持が望ましい。
応力除去焼鈍は、構造溶接や補修溶接時に発生する応力を除去する目的で行われるものであり、所望により追加される。応力除去効果を十分に発揮させるためにはできるだけ高い温度で行うことが必要であるが、焼戻し温度と同等の温度で行うと機械的性質に影響があるため６１０℃未満で行うことが望ましい。また保持時間も溶接量によって定められるものであるが、十分な効果を出すためには４時間以上の保持が望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明の高強度高靱性鋳鋼材によれば、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｎｉ：２．００〜３．００％、Ｃｒ：０．２０〜０．７０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、を含み、その他をＦｅおよび不可避的不純物で構成される組成を有するので、大型鋳鋼材においても、塑性加工を加えず、また焼入れの際に水冷を行うことなく空冷あるいはファン冷却で十分に高い強度および靭性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例において、大型鋳鋼品と同チャージで製造した試験材と、前記試験材から各種機械試験片を採取した位置を示す図である。
【図２】実施例において、表６の結果に基づいた引張強度と吸収エネルギーの関係を示したグラフである。
【図３】実施例において、表７の結果に基づいた引張強度と吸収エネルギーの関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｎｉ：２．００〜３．００％、Ｃｒ：０．２０〜０．７０％、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、を含み、さらに、所望によりＶ：０．０５％以下、Ｎ：２０〜１５０ｐｐｍの一方または両方を含み、その他をＦｅおよび不可避的不純物で構成される組成を有する鋼を用意する。該鋼では、前記不可避不純物中で、Ａｌ：０．０１％未満、Ｔｉ：０．０１％未満、Ｓｎ：０．０２５％以下、Ｐ：０．０１５％未満、Ｓ：０．０１５％未満に規制するのが望ましい。
【００２３】
上記鋼は、常法により鋳造し、鋳鋼材（粗形材）を得ることができ、鋳造方法としては特に限定され得ものではない。最終製品としては、１ｔｏｎ以上の質量を有し、最大肉厚部が１００ｍｍ以上のものに好適に利用することができる。
上記鋳鋼材には、焼鈍として、１０００〜１１００℃で熱処理を行い、次いで焼入れとして８５０〜９５０℃で熱処理を行い、さらに焼戻しとして６１０℃〜６７０℃での熱処理を行い、その後さらに所望により６１０℃未満の応力除去焼鈍を行う。なお、上記熱処理の冷却では、液体浸せきによる冷却よりも遅い空冷、ファン冷却等の冷却速度で冷却を行う。
上記製法により得られる鋳鋼材は、高い強度ならびに高い靭性を有している。
【実施例１】
【００２４】
以下に、本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
表１に示す成分を真空誘導溶解炉（以下ＶＩＭ）にて溶解し、長さ２４０ｍｍ×高さ２５０ｍｍ×幅９０ｍｍの砂型に鋳込んで鋳塊を得た。この鋳塊を長さ８０ｍｍ×高さ１２０ｍｍ×幅３０ｍｍに切断し、切断後の鋳塊を１０５０℃で２０時間保持後、５０℃／時間で冷却して焼鈍を行い、その後８９０℃で２０時間保持後、３００℃／時間で冷却して焼入れを行った。焼入れ時の冷却速度は、大型鋳鋼品の表面から１２５ｍｍ深さの箇所の、ファン冷却での冷却速度を模擬したものである。
【００２５】
さらに、６１０℃で２０時間保持後、５０℃／時間で冷却する焼戻しを行い、さらに６００℃で６時間保持後に７５℃／時間で冷却する焼鈍を行った。該焼鈍は、溶接等によって負荷される残留応力を除去する、応力除去焼鈍を模擬したものである。
【００２６】
熱処理後の前記切断鋳塊から、引張試験片とシャルピー衝撃試験片を作製し、試験に供した。引張試験はＪＩＳ１４号Ａ試験片、シャルピー衝撃試験はＪＩＳ４号試験片で実施した。
また、表１に示した成分の前記大型鋳鋼品と同じチャージで製造した試験材から、引張試験片とシャルピー衝撃試験片を作製し、試験に供した。
【００２７】
【表１】
2011068953.tif 000002
【００２８】
図１には、前記試験材と、前記試験材から前記引張試験片および前記シャルピー衝撃試験片を採取した位置を示す。
前記引張試験片を用いて引張試験を行い、引張強度、０．２％耐力、伸び、絞りを確認した。試験は室温で実施した。
また、前記シャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを確認した。試験は０℃で実施した。
【００２９】
前記鋳塊と前記試験材の試験結果を表２に示す。高強度高靭性を要求される構造材料としてはこの程度の強度および靭性は必要であることから、大型鋳鋼材での各機械的性質の目標は引張強度６２０ＭＰａ以上、吸収エネルギー７５Ｊ以上と判断した。
また、表２の結果から、強度には大きな違いは認めらないが、前記試験材の吸収エネルギーは前記鋳塊と比較して２０Ｊ程度低下することが確認された。そのため、小型試験材での目標値は、引張強度６２０ＭＰａ以上、吸収エネルギー９５Ｊ以上とした。
また、応力除去焼鈍温度は６００℃であるため、焼戻し温度を６１０℃以上と規定した。
【００３０】
【表２】
2011068953.tif 000003
【００３１】
以下に、各成分範囲を決定した試験結果を示す。
Ｖ量を変化させた比較材の成分を表３に示す。表３に示す成分をＶＩＭにて溶解し、長さ２４０ｍｍ×高さ２５０ｍｍ×幅９０ｍｍの砂型に鋳込んで鋳塊を得た。この鋳塊を長さ８０ｍｍ×高さ１２０ｍｍ×幅３０ｍｍに切断し、切断後の鋳塊を１０２０℃で２０時間保持後、５０℃／時間の冷却速度で冷却する焼鈍を行い、その後９１０℃で２０時間保持後、３００℃／時間の冷却速度で冷却する焼入れを行った。さらに、６４０℃で２０時間保持後、５０℃／時間の冷却速度で冷却する焼戻しを行い、その後、６００℃で６時間保持後に７５℃／時間の冷却速度で冷却する応力除去焼鈍を行った。
【００３２】
【表３】
2011068953.tif 000004
【００３３】
前記試験材による試験結果を表４に示す。この結果が示すように、Ｖが少量含まれただけで強度が上昇する反面、靭性が低下する。これはＶによる析出硬化によるものであり、大型鋳鋼材に対してはＶの過剰添加は禁物であることを示している。
【００３４】
【表４】
2011068953.tif 000005
【００３５】
ＭｎおよびＮｉ量を変化させた試験材の成分を表５に示す。表５に示す成分をＶＩＭにて溶解し、長さ２４０ｍｍ×高さ２５０ｍｍ×幅９０ｍｍの砂型に鋳込んで鋳塊を得た。この鋳塊を長さ８０ｍｍ×高さ１２０ｍｍ×幅３０ｍｍに切断し、切断後の鋳塊を１０５０℃で２０時間保持後５０℃／時間で冷却して焼鈍を行い、その後８９０℃で２０時間保持後、３００℃／時間で冷却して焼入れを行った。さらに、６４０℃および６１０℃で２０時間保持後、５０℃／時間で冷却して焼戻しを行い、その後、６００℃で６時間保持後に７５℃／時間で冷却して応力除去焼鈍を行った。
【００３６】
【表５】
2011068953.tif 000006
【００３７】
前記試験材による試験結果を表６に示す。表６の結果に基づいた引張強度と吸収エネルギーの関係を図２に示す。この結果が示すように、約２．５０％以下のＮｉ添加（発明鋼２、３）では強度と靭性が上昇し、２．００〜３．００％のＮｉを添加することで目標の強度と靭性を得ることができる。しかし、３．５０％まで添加する（比較材３、４）と逆に強度、靭性ともに低下しており、過剰添加であると言える。
【００３８】
【表６】
2011068953.tif 000007
【００３９】
Ｍｎについては、前記表４の比較材２と前記表６の発明鋼２および発明鋼３を比較して適切な含有量を推定した。すなわち、約１．８０％のＭｎを添加すると強度が高すぎて所定の靭性が得られない。一方、０．５０％〜ｌ．００％のＭｎを含有する発明鋼２および発明鋼３は目標の強度および靭性を得られている。しかし、これ以上Ｍｎを減らすと強度と靭性のバランスから考えて、目標の強度が得られなくなる。
以上の結果から、Ｎｉの添加量を２．００〜３．００％、Ｍｎの添加量を０．４０〜１．２０％とした。
【００４０】
また、発明鋼３については、冷却速度を５０℃／時間、３００℃／時間および９００℃／時間として焼入れを行った。この５０℃／時間および９００℃／時間の冷却速度は、大型鋳鋼品の表面から１２５ｍｍ深さの箇所の、それぞれ炉内冷却と噴霧冷却による冷却速度を模擬したものである。
発明鋼３を、各種冷却速度で焼入れした試験鋳塊による引張試験およびシャルピー衝撃試験結果を表７に示す。
【００４１】
【表７】
2011068953.tif 000008
【００４２】
図３に、前記表７に示した結果に基づく、引張強度と吸収エネルギーの関係を示す。
発明鋼は焼入れ時の冷却速度が速いほど強度、靭性共に向上する傾向があることが確認された。
炉冷では十分な強度と靭性を確保できないが、ファン冷却および噴霧冷却を行えば十分な強度と靭性を保持することができることが確認された。
【００４３】
以上の結果から、発明鋼１〜３の成分について、前記大型鋳鋼品における焼入れ、焼準しなどの熱処理時に、水冷あるいは油冷などの液体冷却を行わなくても、高強度かつ高靭性の鋼を得られることが確認された。
なお、靭性向上のためには焼戻し温度の上昇が有効であるが、発明鋼１〜３は共析温度が約６９０℃であるため、実機操業においての温度誤差を加味すると６７０℃が焼戻し温度の上限である。試験結果を含めて考えると、焼戻し温度は６１０〜６７０℃が適切である。
【図１】
2011068953.tif 000009
【図２】
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【図３】
2011068953.tif 000011