(57)【要約】【課題】Ｎｉを積極的に添加することなく、熱間圧延中の赤熱脆性を防止し、ＹＰ：２９５ＭＰａ以上、ＴＳ：４９０ＭＰａ以上の強度を備え構造用鋼として好適なＣｕ含有高強度鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．０５％以下、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｍｇ、Ｚｒの１種または２種以上、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片を、１０００〜１１００℃間を平均昇温速度５０℃／ｈ以上で昇温し、１２００〜１３５０℃で且つ該温度範囲で１ｈ以上保持後、１０００℃以上の温度域での累積圧下率を５０％以上、圧延仕上温度７００℃以上で熱間圧延を行い、その後、空冷または１〜８０℃／ｓの平均冷却速度で５００〜６５０℃の温度範囲まで加速冷却する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．０５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片を、１０００〜１１００℃間の平均昇温速度が５０℃／ｈ以上となるように昇温し、最高加熱温度が１２００〜１３５０℃で且つ該温度範囲で１ｈ以上保持した後、熱間圧延を行うことを特徴とするＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
【請求項２】
鋼組成として更に、質量％で、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｗ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．００５〜０．２％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％の１種または２種以上を添加することを特徴とする請求項１記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
【請求項３】
鋼組成として更に、質量％で、Ｔｉ：０．００１〜０．０３％、Ｃａ：０．０００１〜０．００３％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１％の１種または２種以上を添加することを特徴とする請求項１または２記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
【請求項４】
熱間圧延を、１０００℃以上の温度域での累積圧下率を５０％以上、圧延仕上温度７００℃以上で行い、その後、空冷することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
【請求項５】
熱間圧延を、１０００℃以上の温度域での累積圧下率を５０％以上、圧延仕上温度７００℃以上で行い、その後、１〜８０℃／ｓの平均冷却速度で５００〜６５０℃の温度範囲まで加速冷却することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉを積極的に添加することなく、熱間圧延中の赤熱脆性を防止するＣｕ含有高強度鋼材の製造方法に関し、ＹＰ：２９５ＭＰａ以上、ＴＳ：４９０ＭＰａ以上の強度を備え、厚鋼板や形鋼などの構造用鋼材として好適なものの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｃｕ含有鋼は、１０００℃以上に加熱した場合にＦｅが優先的に酸化され、Ｆｅと酸化層の界面で低融点の金属Ｃｕが液化して、Ｆｅ表層のγ粒界へ濃化することで粒界を脆化させ、熱間圧延中に表面割れが生じる（赤熱脆性）。
【０００３】
このような現象の防止には、Ｎｉの添加が有効で、Ｃｕの固溶強化や析出強化を活用して高強度鋼を製造する場合、Ｎｉを概ねＣｕ含有量の半分程度、例えば１質量％Ｃｕ含有鋼の場合には０．５質量％のＮｉ量を添加することが行われている。
【０００４】
近年のスクラップ利用の拡大に伴って、鋼中Ｃｕの含有量は増加する傾向にあることから、希少で高価なＮｉ添加を必要とすることなく赤熱脆性を防止した高強度鋼材の製造方法が確立されれば、地球環境の改善に貢献するところが大きい。
【０００５】
特許文献１は、Ｃｕに起因する鋼材の赤熱脆性の発生を加熱条件の工夫により防止することを特徴とする熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法に関し、１０８０℃以上に加熱された状態において、Ｃｕの濃化速度よりも拡散速度が大きくなるように加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度いずれかを制御して、スケール／地鉄界面に析出するＣｕの一部を地鉄中へ拡散させ、スケール／地鉄界面のＣｕ濃化量を減少させて、Ｃｕ起因の赤熱脆性を抑制させる方法が記載されている。
【０００６】
特許文献２は、鋼材表面に生成したスケールが液体のＣｕを吸収する性質を利用して赤熱脆性を防止するＣｕ含有鋼材の熱間圧延方法に関し、Ｃｕを０．０５〜２．１質量％含有する鋼材を熱間圧延する際、１パス目を１０８０℃以上で、鋼中Ｃｕ濃度に応じた圧下率の軽圧下圧延とすることが記載されている。
【０００７】
特許文献３は、電気炉製鋼により製造されるＣｕ、Ｓｎ含有鋼の熱間割れ防止方法に関し、成分組成として添加したＳｉを表面スケール中へ取り込み、ＳｉＯ２−ＦｅＯ系の低融点酸化物相からなるスケールを形成して、鋼の表面に生成するＣｕ、Ｓｎ融液の析出を防止することで熱間割れを防止することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２２３５２３号公報
【特許文献２】特開２００７−２３７１９４号公報
【特許文献３】特開平６−２９７０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の方法は、加熱炉に酸素濃度制御機能を加える必要があり、実機製造における連続的な加熱炉操業には生産性の観点から適用が困難である。特許文献２記載の方法も圧延によるエネルギー消費と鋼材の温度低下を伴い、省エネルギーの観点から望ましい方法ではない。特許文献３記載の方法は、スクラップからのＳｎが含有される電気炉製鋼材を対象とするものでＳｎを含まないＣｕ含有系高強度鋼の赤熱脆性防止を目的とするものでない。
【００１０】
本発明は、Ｎｉを積極的に添加することなく赤熱脆性を防止することが可能な、厚鋼板や形鋼などの構造用鋼としての特性を備えたＣｕ含有系高強度鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、上記課題を解決するため、Ｃｕ含有鋼の製造条件について鋭意検討し、熱間圧延前の加熱条件の調整と圧延条件の調整により、赤熱脆性を防止し、構造材料として必要な強度・靭性の付与が可能なことを見出した。本発明は、
１．鋼組成が、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．０５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片を、１０００〜１１００℃間の平均昇温速度が５０℃／ｈ以上となるように昇温し、最高加熱温度が１２００〜１３５０℃で且つ該温度範囲で１ｈ以上保持した後、熱間圧延を行うことを特徴とするＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
２．鋼組成として更に、質量％で、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｗ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．００５〜０．２％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％の１種または２種以上を添加することを特徴とする１記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
３．鋼組成として更に、質量％で、Ｔｉ：０．００１〜０．０３％、Ｃａ：０．０００１〜０．００３％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１％の１種または２種以上を添加することを特徴とする１または２記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
４．熱間圧延を、１０００℃以上の温度域での累積圧下率を５０％以上、圧延仕上温度７００℃以上で行い、その後、空冷することを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
５．熱間圧延を、１０００℃以上の温度域での累積圧下率を５０％以上、圧延仕上温度７００℃以上で行い、その後、１〜８０℃／ｓの平均冷却速度で５００〜６５０℃の温度範囲まで加速冷却することを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載のＣｕ含有高強度鋼材の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、厚鋼板や形鋼などの構造用鋼としての特性を備えたＣｕ含有高強度鋼材を、鋼組成にＮｉ添加することなく赤熱脆性を防止して製造することが可能で、産業上、地球環境の観点からも極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】熱間圧延前に、１０００〜１１００℃間の平均昇温速度を約４２℃／ｈ（滞留時間：２．４ｈ）、最高加熱温度１１５０℃（保持時間３ｈ）で加熱して製造された鋼の、スケール界面下をＣｕについてＥＰＭＡ分析した結果を示し、（ａ）はＥＰＭＡ分析画像、（ｂ）は（ａ）の模式図を示す。
【図２】熱間圧延前に、１０００〜１１００℃間を平均昇温速度約８３℃／ｈ（滞留時間：１．２ｈ）、最高加熱温度１１５０℃（保持時間０．５ｈ）で加熱して製造された鋼の、（ａ）はＥＰＭＡ分析画像、（ｂ）は（ａ）の模式図を示す。
【図３】熱間圧延前に、１０００〜１１００℃間を平均昇温速度約８３℃／ｈ（滞留時間：１．２ｈ）、最高加熱温度１２４０℃（保持時間０．５ｈ）で加熱して製造された鋼の、（ａ）はＥＰＭＡ分析画像、（ｂ）は（ａ）の模式図を示す。
【図４】熱間圧延前に、１０００〜１１００℃間を平均昇温速度約８３℃／ｈ（滞留時間：１．２ｈ）、最高加熱温度１３００℃（保持時間０．５ｈ）で加熱して製造された鋼の、（ａ）はＥＰＭＡ分析画像、（ｂ）は（ａ）の模式図を示す。
【図５】熱間圧延前に、１０００〜１１００℃間を平均昇温速度約８３℃／ｈ（滞留時間：１．２ｈ）、最高加熱温度１２４０℃、保持時間１．２ｈで加熱して製造された鋼の、（ａ）はＥＰＭＡ分析画像、（ｂ）は（ａ）の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[成分組成]
本発明により製造されるＣｕ含有高強度鋼材が有すべき成分組成について説明する。なお、以下の説明で％は質量％とする。
Ｃ：０．０１〜０．２５％
Ｃは鋼の強度を高めるのに有用な元素であり、本発明では所望の強度を得るためには０．０１％以上含有する必要がある。一方、０．２５％を超える添加は、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性や溶接性を低下させる。よって、Ｃ含有量は０．０１〜０．２５％の範囲とする。好ましくは０．０３〜０．２０％の範囲である。
【００１５】
Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｓｉは脱酸材として、また鋼の強度を高め、Ｃｕ赤熱脆性防止に対しても有用なため０．０１％以上添加する。一方、Ｓｉは鋼の靭性およびＨＡＺ靭性を低下させるので、上限を１．０％とする。好ましくは、０．１〜０．５％の範囲である。
【００１６】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは鋼の強度を高める有用な元素であり、０．５％以上添加する。しかし、２．０％を超えての添加は鋼の靭性や溶接性を低下させるので、上限を２．０％とした。好ましくは、０．８〜１．６％の範囲である。
【００１７】
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは鋼中に不可避的不純物として存在し、靭性などを低下させる有害な元素である。特に０．０２５％を超えると母材靭性やＨＡＺ靭性を低下させるので、上限を０．０２５％とする。
【００１８】
Ｓ：０．０２５％以下
ＳもＰと同様に不可避的不純物として鋼中に存在し、Ｍｎと結びついてＭｎＳを形成し、靭延性の低下をもたらすため、Ｓの上限は０．０２５％とする。
【００１９】
Ａｌ：０．００１〜０．１％
Ａｌは脱酸材として、０．００１％以上添加する必要がある。しかし、０．１％を超えて添加しても脱酸効果は飽和し、粗大な酸化物が鋼中に存在するようになり、靭性が低下するので、上限を０．１％とする。好ましくは、０．０１〜０．０５％である。
【００２０】
Ｃｕ：０．１〜２．０％
Ｃｕは０．７％程度までは鋼中に固溶し、それ以上では析出して、固溶強化および析出強化により鋼を高強度化する。しかし、０．１％未満ではその効果が小さく、２．０％を超えての添加は、脆化を招くことや赤熱脆性に対して好ましくないため、上限を２．０％とする。好ましくは、０．２〜１．５％の範囲である。
【００２１】
Ｎｉ：０．０５％以下
Ｎｉは、Ｃｕ含有鋼の赤熱脆性を防止し、高強度鋼の低温靭性を向上させるなど極めて有用であるが、高強度鋼の利用拡大に伴い資源枯渇が心配され、高価な元素である。本発明では、積極的な添加は行わず不可避的不純物とし、０．０５％以下に制限する。
【００２２】
以上が本発明の基本成分であるが、更に特性を向上させる場合、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂを１種または２種以上添加することができる。
【００２３】
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂは、構造用鋼として用いられる厚さの厚い、厚肉材の高強度化に対して有効な元素で、Ｃｒ：０．０５％未満、Ｍｏ：０．０１％未満、Ｗ：０．０１％未満、Ｖ：０．００５％未満、Ｎｂ：０．００１％未満、Ｂ：０．０００１％未満ではその効果が小さい。
【００２４】
一方、Ｃｒ：１．０％超え、Ｍｏ：１．０％超え、Ｗ：１．０％超え、Ｖ：０．２％超え、Ｎｂ：０．１％超え、Ｂ：０．００５％超えではＨＡＺ靭性を低下させることから、添加する場合は、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｗ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．００５〜０．２％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％とする。
【００２５】
また、大入熱溶接が適用される場合などのＨＡＺ靭性をより向上させる場合には、Ｔｉ：０．００１〜０．０３％、Ｃａ：０．０００１〜０．００３％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１％を１種または２種以上添加することができる。
【００２６】
Ｔｉ：０．００１％未満、Ｃａ：０．０００１％未満、ＲＥＭ：０．００１％未満、Ｍｇ：０．００１％未満、Ｚｒ：０．００１％未満では、ＨＡＺ靭性向上効果が小さく、Ｔｉ：０．０３％超え、Ｃａ：０．００３％超え、ＲＥＭ：０．０２％超え、Ｍｇ：０．０１％超え、Ｚｒ：０．０１％超えでは、鋼中の清浄性を低下させて延性を阻害する。
【００２７】
そのため、それぞれの元素を添加する場合は、Ｔｉ：０．００１〜０．０３％、Ｃａ：０．０００１〜０．００３％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％、  Ｍｇ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００１〜０．０１％とする。
【００２８】
[製造条件]
本発明では、赤熱脆性防止のため熱間圧延前の加熱条件を規定し、構造用鋼としての強度・靭性を付与するため圧延条件を規定する。以下の説明において温度は鋼片表面での温度（℃）とする。
１．熱間圧延前の加熱条件
熱間圧延前に１０００〜１１００℃間の平均昇温速度が５０℃／ｈ以上となるように昇温した後、最高加熱温度が１２００〜１３５０℃で且つ該温度範囲で１ｈ以上保持する。
【００２９】
鋼片表面において１０００〜１１００℃間を平均昇温速度５０℃／ｈ未満（前記温度範囲の滞留時間２ｈ超え）で昇温すると、Ｆｅとスケールとの界面にＣｕの濃化領域が形成され、その後の加熱によって濃化したＣｕを拡散させることが困難で、赤熱脆性を抑制することが困難となる。そのため、鋼素材表面の温度で１０００〜１１００℃間を平均昇温速度５０℃／ｈ以上（前記温度範囲の滞留時間２ｈ以下）、好ましくは、平均昇温速度６７℃／ｈ以上（前記温度範囲の滞留時間１．５ｈ以下）で加熱する。
【００３０】
その後、鋼片を最高加熱温度：１２００〜１３５０℃で且つ該温度範囲で１ｈ以上保持する。昇温過程の１０００℃〜１１００℃間でＦｅとスケールとの界面に濃化したＣｕをＦｅおよびスケール中へ拡散させるためである。
【００３１】
最高加熱温度が１２００℃以下の場合、Ｃｕの拡散が不十分で、一方、１３５０℃を超えると、スケールが溶解したり、スケールロスが増大して生産性を低下させるため、最高加熱温度は１２００〜１３５０℃とする。
【００３２】
また、１２００〜１３５０℃の温度範囲での保持時間が１ｈ未満ではＣｕの拡散が不十分となるので、１ｈ以上とする。好ましくは、最高加熱温度：１２５０℃〜１３２０℃で且つ該温度範囲で１ｈ以上の保持を行う。
【００３３】
図１〜５に、成分組成が質量％で０．１４％Ｃ−０．３５％Ｓｉ−１．４５％Ｍｎ−１．０％Ｃｕ−０．０１％Ｎｉ系となる鋼を種々の条件で加熱し、Ｆｅ−スケール界面でのＣｕ濃化の状態を調査した結果を示す。加熱は大気中にて行い、Ｆｅ−スケール界面のＣｕの濃化状態をＥＰＭＡにてマッピングした。図において（ａ）はＥＰＭＡ分析結果、（ｂ）は（ａ）の模式図を示す。
【００３４】
図１は１０００〜１１００℃間を平均昇温速度約４２℃／ｈ（滞留時間：２．４ｈ）で加熱し、その後、最高加熱温度１１５０℃で３ｈ保持した場合を示し、界面でのＣｕ濃化が顕著であり、赤熱脆性を生じている。
【００３５】
図２〜４は１０００〜１１００℃間を平均昇温速度約８３℃／ｈ（滞留時間：１．２ｈ）で加熱し、その後、最高加熱温度を１１５０〜１３００℃（保持時間は０．５ｈで一定）と変化させた場合を示す。
【００３６】
図２は最高加熱温度１１５０℃（保持時間０．５ｈ）、図３は最高加熱温度１２４０℃（保持時間０．５ｈ）、図４は最高加熱温度１３００℃（保持時間０．５ｈ）の場合で、これらの図より、高温に加熱するほど界面のＣｕ濃化は軽減するが、いずれの最高加熱温度でも保持時間が０．５ｈでは不十分である。
【００３７】
一方、図５は１０００〜１１００℃間を平均昇温速度約８３℃／ｈ（滞留時間：１．２ｈ）で加熱し、その後、最高加熱温度を１２４０℃で保持時間を１．２ｈとした結果を示し、界面にＣｕ濃化が見られなかった。
【００３８】
２．熱間圧延条件
さらに強度、靭性、延性を生産性よく得るためには、熱間圧延条件は下記を満たすことが好ましい。
【００３９】
鋼片を上記加熱条件で加熱後、１０００℃以上の温度域での累積圧下率が５０％以上、圧延仕上温度が７００℃以上で熱間圧延を行う。加熱時に粗大化したγ粒を再結晶細粒化により微細化し、ミクロ組織を微細化するため、１０００℃以上で累積圧下率を５０％以上とする。１０００℃未満で累積圧下率５０％以上の圧延では再結晶が不十分で、一方、１０００℃以上で累積圧下率が５０％未満においても同様に再結晶が不十分でγ粒が微細化せず、ミクロ組織が粗大で、靭性を低下させる。
【００４０】
構造用鋼として強度を得るため、圧延終了温度は７００℃以上、好ましくは、８００℃以上とし、圧延後、空冷する。圧延終了温度が７００℃未満では、延性が低下し、また、圧延待機時間が長く生産性が低い。
【００４１】
なお、厚さが２０ｍｍを超える厚肉鋼材や、ＹＰ４００ＭＰａ以上の強度とする場合、圧延後、１〜８０℃／ｓの平均冷却速度で冷却停止温度：５００〜６５０℃まで加速冷却してもよい。
【００４２】
平均冷却速度が１℃／ｓ未満では構造用鋼としての強度が得られず、８０℃／ｓを超える平均冷却速度では高強度化の効果は飽和するので、平均冷却速度は１〜８０℃／ｓとする。
【００４３】
冷却停止温度は、６５０℃超えでは、高強度化の効果が小さく、一方、５００℃未満では、延性の低下が顕著となり、また、Ｃｕによる析出強化が少なくなるので、冷却停止温度は５００〜６５０℃の温度範囲とした。
【実施例】
【００４４】
表１に示す成分組成を有する鋼を溶製して圧延素材とし、加熱条件、熱間圧延条件および圧延後の冷却条件を種々変化させて板厚２０〜６５ｍｍの厚鋼板とした。得られた厚鋼板の表面割れを調査し、板厚１／４ｔ部（Ｌ方向）よりＪＩＳ４号引張試験片および２ｍｍＶノッチのシャルピー衝撃試験片を採取し、鋼材の強度、靭性について調べた。シャルピー衝撃試験は遷移温度（℃）を求めた。
【００４５】
表２に試験結果を示す。Ｎｏ．１、４〜７、１０〜１３、１８、２０は本発明例で、表面に赤熱脆性による表面割れが見られることなく、高強度で靭性に優れる鋼材が得られている。また、Ｎｏ．２、１７は、赤熱脆性による表面割れは観察されないが、熱間圧延条件が本発明の好適範囲外のため靭性が低い。一方、比較例であるＮｏ．３、Ｎｏ．８、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１４〜１６、Ｎｏ．１９は本発明範囲外の加熱条件のため、Ｎｏ．２１は成分組成が本発明範囲外のため、いずれも赤熱脆性による表面割れが観察された。
【００４６】
【表１】
2011168843.tif 000002
【００４７】
【表２】
2011168843.tif 000003
【図１】
2011168843.tif 000004
【図２】
2011168843.tif 000005
【図３】
2011168843.tif 000006
【図４】
2011168843.tif 000007
【図５】
2011168843.tif 000008