(57)【要約】【課題】継手疲労強度と制振性能の両方が向上した鋼材を安定して得る。【解決手段】質量％で、０．００１％≦Ｃ≦０．１０％、０．５％≦Ｓｉ≦３．００％、０．０５％≦Ｍｎ≦３．０％、Ｓ≦０．０５％、０．１％≦Ａｌ≦１．０％、０．０５％≦Ｍｏ≦１．０％、０．０４％≦Ｎｂ≦１．０％、０．０００５≦Ｎ≦０．００５を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなり、フェライトの面積率が９０％超であることを特徴とする疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、０．００１％≦Ｃ≦０．１０％、０．５％≦Ｓｉ≦３．００％、０．０５％≦Ｍｎ≦３．０％、Ｓ≦０．０５％、０．１％≦Ａｌ≦１．０％、０．０５％≦Ｍｏ≦１．０％、０．０４％≦Ｎｂ≦１．０％、０．０００５％≦Ｎ≦０．００５％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなり、フェライトの面積率が９０％超であることを特徴とする疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材。
【請求項２】
質量％で、さらに、０．３％≦Ｃｒ≦３．０％を含有することを特徴とする請求項１記載の疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材。
【請求項３】
質量％で、さらに、０．００５％≦Ｔｉ≦１．０％、０．０００１％≦Ｂ≦０．０１％、０．００５％≦Ｖ≦２．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材。
【請求項４】
質量％で、さらに、０．０２％≦Ｐ≦０．２０％、０．１％≦Ｃｕ≦２．０％、０．１％≦Ｎｉ≦５．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の鋼材を少なくとも１箇所用いることを特徴とする疲労強度および制振性に優れた溶接鋼構造物。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか１項に記載の鋼材と、成分及び／又は板厚の異なる鋼材とを予めつなぎ合わせた鋼材を少なくとも１箇所用いることを特徴とする疲労強度および制振性に優れた溶接鋼構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車、建設機械、船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、貯槽、ペンストック等に利用される疲労特性および制振性に優れた溶接構造用鋼材およびそれを用いた溶接鋼構造物にかかわるものであり、さらに詳しくは溶接熱影響部（以下、ＨＡＺという）の軟化を防止してひずみ集中を防いで疲労強度を向上させるとともに、組織・成分の制御により振動エネルギーの損失を増大させて制振性を向上させた溶接構造用鋼板、およびそれを用いた溶接鋼構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、構造用鋼板母材の疲労強度は母材強度の増加につれて増加するが、溶接された継手の疲労強度（以下、継手疲労強度という）は母材強度を上昇させても向上しない。従って、高張力鋼の継手疲労強度は低強度鋼のそれとほぼ同じであり、疲労破壊が問題となる鋼構造物では、高張力鋼を用いても設計強度を上げることができなかった。また、構造部材は繰返し荷重を受けると振動する場合があり、騒音の源となるばかりでなく、振動による面外変形により溶接部に二次応力が発生して疲労破壊を助長するため、低い制振性が疲労強度をさらに低下させる一因となる構造部材もある。
【０００３】
このような状況に対し溶接部の疲労強度を高めるために、種々の方法が検討されており、主な方法としてＨＡＺ組織の微細化、組織強化、析出強化などが提案されている。例えば、特許文献１ではＴｉを添加してＴｉＮを生成させ、これを核としてＨＡＺフェライト粒を微細化させる方法を提案している。また、特許文献２ではＨＡＺ組織をフェライト・ベーナイト混合組織に、特許文献３ではフェライト・マルテンサイト混合組織に、特許文献４ではフェライト・ベーナイト・マルテンサイト混合組織にすることがそれぞれ提案されている。
【０００４】
また析出強化方法としては、特許文献５ではＮｂおよびＭｏを添加してこれらの炭化物を、特許文献６ではＴｉ、ＮｂおよびＣｕを添加してＴｉおよびＮｂの炭化物ならびにＣｕを、それぞれ微細に析出させることによりＨＡＺ軟化を防止する技術が提案している。
【０００５】
一方、制振性の向上を目的としてＡｌ、ＳｉあるいはＣｒを添加してフェライト単相化を狙った技術が特許文献７および特許文献８に、磁化容易方向の結晶粒を増大させる技術が特許文献９にそれぞれ記載されている。
【０００６】
また、特許文献１０に母材の低サイクル疲労特性とエネルギー吸収性能に優れた制振建材用鋼として、フェライトと面積率で１０〜４０％の硬質第２相からなる鋼が開示されている。
【０００７】
しかしながら、継手疲労強度だけでなく制振性をも高める鋼材技術の提案はこれまで見当たらない。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６３−３１７６２５号公報
【特許文献２】
特開平５−２９５４８５号公報
【特許文献３】
特開平４−１３５１０８号公報
【特許文献４】
特開平３−２７７７４０号公報
【特許文献５】
特開平５−１１７８０２号公報
【特許文献６】
特開平６−１４５７９０号公報
【特許文献７】
特開平８−２０９２９２号公報
【特許文献８】
特開平８−１５８０１２号公報
【特許文献９】
特開平９−１０４９５０号公報
【特許文献１０】
特開２０００−８８４３９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来技術のうち、まず組織微細化方法である特許文献１ではＴｉ、Ｂ、Ｎｂの複合添加によるＨＡＺ組織微細化を提唱している。また組織強化方法である特許文献２、特許文献３および、特許文献４では、いずれも組織を規定しており、相対的に軟質なフェライト組織に加えて高強度のベイナイト、マルテンサイトの混合組織を提唱しているが、いずれも制振性は考慮されておらず、むしろ組織の微細化や混合組織化は制振性を低下させる。
【００１０】
また特許文献５ではＮｂおよびＭｏを複合添加して溶接時の入熱によってこれらの炭化物を析出させて、ＨＡＺ軟化を防止することにより継手疲労強度を向上させている。また特許文献６ではＴｉ、Ｎｂ、Ｃｕを添加することにより、ＴｉＣ、ＮｂＣならびにＣｕの析出強化機構を使ってＨＡＺ軟化防止によって継手疲労強度を向上させているが、これらも制振性を向上させるための手段がとられていないため、振動による二次応力の増加やそれに伴う疲労強度低下は避けられない。
【００１１】
また、逆に制振性の向上を狙った技術として、特許文献７ではＡｌ、Ｓｉの添加、また特許文献８ではさらにＣｒを添加した成分により組織のフェライト単相化、および特許文献９ではフェライト粒径の増大が提案されており、これらの中にはさらに静的強度確保のためＮｂやＭｏを添加した実施例が認められるが、必ずしもＮｂおよびＭｏの複合添加がなされておらず、また複合添加がなされている場合でも制振性向上のため粗大化したＨＡＺフェライト粒の軟化を防止するに十分な添加量でなく、制振性と継手疲労特性の両立を狙った本発明とは異なる技術思想である。
【００１２】
また、低サイクル疲労特性とエネルギー吸収性能に優れた制振建材用鋼の提供を目的とした特許文献１０に開示された発明には、実施例中に本発明のＮｂ量、Ｍｏ量と重複するものが記載されているが、本発明とはフェライトの面積率が異なり、さらに何れもＳｉ量及びＡｌ量が本発明の範囲から外れており、目的も母材の疲労特性向上であるのに対し、本発明は継手疲労特性の向上を目的としている点で、本発明とは異なる発明である。
【００１３】
本発明の目的は、継手疲労強度および制振性を向上させた鋼板、およびそれを用いて継手疲労強度および制振性を向上させた溶接鋼構造物を安定して得ようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、０．００１％≦Ｃ≦０．１０％、０．５％≦Ｓｉ≦３．００％、０．０５％≦Ｍｎ≦３．０％、Ｓ≦０．０５％、０．１％≦Ａｌ≦１．０％、０．０５％≦Ｍｏ≦１．０％、０．０４％≦Ｎｂ≦１．０％、０．０００５≦Ｎ≦０．００５を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなり、フェライトの面積率が９０％超であることを特徴とする疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材、
（２）質量％で、さらに、０．３≦Ｃｒ≦３．０を含有することを特徴とする前記（１）記載の疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材、
（３）質量％で、さらに、０．００５％≦Ｔｉ≦１．０％、０．０００１％≦Ｂ≦０．０１％、０．００５％≦Ｖ≦２．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）または（２）記載の疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材、
（４）質量％で、さらに、０．０２％≦Ｐ≦０．２０％、０．１％≦Ｃｕ≦２．０％、０．１％≦Ｎｉ≦５．０％の１種又は２種以上を含むことを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか１項に記載の疲労強度および制振性に優れた溶接構造用鋼材、
（５）前記（１）〜（４）の何れか１項に記載の鋼材を少なくとも１箇所用いることを特徴とする疲労強度および制振性に優れた溶接鋼構造物、
（６）前記（１）〜（４）の何れか１項に記載の鋼材と、成分及び／又は板厚の異なる鋼材とを予めつなぎ合わせた鋼材を少なくとも１箇所用いることを特徴とする疲労強度および制振性に優れた溶接鋼構造物、
にある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１６】
溶接構造物に疲労荷重が負荷されると主に溶接止端から微小な亀裂が発生し、やがてＨＡＺを伝播して破壊に至るため、ＨＡＺを強化する方法が疲労強度向上方法として種々提案されている。主なものは細粒化による強化、フェライト以外の組織による強化、析出による強化などがある。しかしながら、溶接構造物は疲労荷重とともに振動する場合が多く、振動そのものやそれに伴う騒音が発生、振動によって生じる面外変形がもたらす二次応力による疲労強度低下などの諸問題があり、ＨＡＺ強化対策以外の新たな対策が必要となっている。
【００１７】
本発明者はかかる諸課題の解決には振動そのものを低減させることが重要であると考え、制振性と継手疲労強度の両立が可能な技術の検討を行った。まず制振性については、フェライト組織の単相化およびフェライト粒径の粗大化が有効であり、このためＡｌ、Ｓｉの添加（特許文献７）、あるいはＣｒの添加（特許文献８）が有効であるとされている。しかし、フェライト粒径の粗大化はＨＡＺの組織のフェライト化、およびその粗大化を招き、ＨＡＺが軟化するため、上述の継手疲労強度の向上策と相反する特性が要求される。このフェライト組織単相化および粗大化とＨＡＺ軟化防止を両立する方策を検討した結果、ＨＡＺ軟化対策としてベイナイトやマルテンサイトの組織強化や細粒化の技術ではなくＮｂおよびＭｏの析出強化を適用すること、および粗大粒の強化のためにはこれらの元素が通常のＨＡＺ強化よりも多量の添加が必要であることを知見した。
【００１８】
このように本発明の鋼材は制振性を高くするためにＨＡＺが粗粒であるにもかかわらず、ＮｂおよびＭｏの炭化物の析出により、ＨＡＺの軟化を防止していることから、継手疲労強度と制振性の両方に優れている。
【００１９】
次に本発明の鋼材における各成分の限定理由を述べる。
【００２０】
Ｃは多くなると溶接性を損なうのみらず制振性能も劣化するため少なくすることが望ましく、０．１０％以下である必要があるが、鋼材の強度確保のためには、０．００１％以上は必要である
Ｓｉは脱酸剤として重要である以外に重要なフェライトフォーマー且つ固溶体強化元素であるため制振性確保上不可欠であり、かつ靭性上も重要であるため０．５％以上の添加が必要である。一方３．０％を超えるとＳｉＯ２などの介在物の生成をまねき靭性を低下させる。
【００２１】
Ｍｎは安価に強度を上げる元素として有用であり、強度確保のため０．０５％以上は必要であるが３．０％超を添加すると溶接性を損なうので含有量は０．０５〜３．０％とする。
【００２２】
Ｓは製鋼工程で不可避的に鋼材に含まれる不純物であるが、多すぎると溶接性および靭性を損なうので０．０５０％以下とする。
【００２３】
Ａｌは脱酸剤として重要であるほか、制振性と強度を向上させる重要な元素であり、０．１％以上必要であるが、１．０％超を添加するとＡｌ２Ｏ３などの介在物が多くなりすぎ、靭性を低下させるため１．０％を上限とする。
【００２４】
ＮｂはＨＡＺの軟化を防止する効果があり、必須の元素である。０．０４％未満ではＨＡＺの軟化防止効果が無くなるので０．０４％を下限とし、１．０％を超えると加工性が劣化するので１．０％を上限とする。
【００２５】
ＭｏもＮｂとの複合添加においてＨＡＺ軟化を防止する効果があり、必須の元素である。０．０５％未満ではＨＡＺの軟化防止効果が無くなるので０．０５％を下限とし、１．０％を超えると疵の原因となる介在物が多くなるので１．０％を上限とする。
【００２６】
ＮはＮｂおよびＭｏの炭化物の析出に関与し、（Ｎｂ，Ｍｏ）Ｃの析出物にわずかに含まれ強度確保に必要なので、０．０００５％以上含有させる。また０．００５％を超えると熱延段階でＮｂＮが析出し、ＨＡＺ軟化防止に有効なＮｂ量を減らすことになるので上限を０．００５％とする。
【００２７】
Ｃｒはフェライト粒を粗大化する元素であり、制振性向上に有効であるため添加することが好ましい。添加する場合には０．３％以上は必要であるが、過度の添加は極端な粗大化を招いて靭性を低下させるため３．０％を上限とする。
【００２８】
Ｔｉ、Ｂ、Ｖはいずれも固溶強化に有効な元素であり、本発明ではこれらの成分を１種または２種以上含有させることが好ましい。しかし過剰の添加はいずれもＨＡＺの材質を劣化させるのでＴｉは０．００５％以上１．０％以下、Ｂは０．０００１％以上０．０１％以下、Ｖは０．００５％以上２．０％以下とする。
【００２９】
またＰ、Ｃｕ、Ｎｉはいずれも耐食性に有効な元素であり、本発明ではこれらの成分を１種または２種以上含有させることが好ましい。しかし過剰の添加はいずれもＨＡＺの材質を劣化させるのでＰは０．０２％以上０．２％以下、Ｃｕは０．１％以上２．０％以下、Ｎｉは０．１％以上５．０％以下とする。なお、Ｐは製鋼段階で不可避的に０．０２％未満は含まれているので耐食性の向上には０．０２％以上の添加が望ましい。
【００３０】
次に組織の面積率規定理由を述べる。
【００３１】
鋼材の制振性は磁壁が移動する際に生じるヒステリシスループによって振動エネルギーを吸収する機構に基づいているため磁壁を動きやすくする必要があり、そのための組織は単相かつ粗大粒であることが好ましい。したがって制振性向上の観点からはフェライト単相、すなわちフェライト面積率が１００％であることが好ましいが、フェライトの面積率が制振性に及ぼす影響を検討したところ、９０％超であれば良好な制振性が得られることが判明したためフェライト面積率を９０％超とした。
【００３２】
次に本発明の鋼材の製造条件について述べる。
【００３３】
本発明の鋼材は、溶接された場合にＨＡＺにおいてＮｂおよびＭｏの炭化物が析出してＨＡＺ軟化を防止する機構に基づいているため、溶接前、すなわち製造ままではＮｂおよびＭｏが母材に固溶している状態にする必要がある。また制振性の観点から第二相の析出は極力避けることが必要となる。本発明の鋼材のうち熱延鋼板の製造を例にして好ましい製造条件を述べると、まず本発明の成分に調整されたスラブは熱延前にオーステナイト化する必要から１０００〜１２５０℃に加熱する。次に熱間圧延の仕上げ温度を８００〜９５０℃とする。仕上げ温度が８００℃より低いとＮｂおよびＭｏの炭化物が固溶せず、溶接の際に析出するのに必要なＮｂおよびＭｏが固溶状態で残らないためである。さらに巻き取り温度は４００〜６００℃で行い、巻き取りまでの冷却速度は１０℃／秒以上とする。これは巻き取り温度が６００℃を超えると第二相であるパーライトが析出を始めること、また冷却速度が１０℃／秒より遅いと同じく冷却過程でパーライトが析出するためである。
【００３４】
本発明では特に鋼材の形状を規定していないが、薄鋼板、厚鋼板など鋼板に限らず、鋼管、形鋼、棒鋼などでも実施することが可能である。
【００３５】
また溶接方法としては、被覆アーク溶接、ガスシールドアーク溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接のみならず、スポット溶接、プロジェクション溶接などの抵抗溶接、電子ビーム溶接、レーザー溶接、超音波溶接等にも適用可能である。
【００３６】
さらに、本発明の鋼材を構造物の一部又は全部に用いることにより疲労強度を高めた溶接鋼構造物を作成することが可能である。すなわち付加物を溶接するなど疲労破壊の起点となる部分には本発明の鋼材を用い、その他の部分には必ずしも疲労強度の高くない高張力鋼材を用いることにより鋼構造物全体の重量を低減することが可能であり、具体的には例えば本発明の鋼材と他の高張力鋼材をレーザー溶接などの接合方法で予めつなぎ合わせていわゆるテーラードブランク材としておき、成形加工などが施されたのち本発明の鋼材の部分に付加物を溶接することにより、全体として軽量でかつ高疲労強度を有する溶接構造物を得ることが可能である。
【００３７】
【実施例】
表１、表２（表１のつづき）に示す化学組成を持つ板厚２．０ｍｍの薄鋼板を、スラブ加熱温度１０５０〜１１５０℃、熱間圧延仕上げ温度８５０〜９００℃、巻き取り温度４５０〜５５０℃、冷却速度１０〜２０℃／秒、の条件で製作した。制振性については、これより２．０ｍｍ厚×４０ｍｍ幅×４００ｍｍ長さの試験片を採取し、ＪＩＳ　Ｇ０６０２「制振鋼板の振動減衰特性試験方法」に記載の吊り下げ打撃加振法を用いて損失係数（η）を求めた。また継手疲労強度については、これらの鋼材に対してＴＩＧ溶接用材料を用いて重ね隅肉溶接継手を図１に示す寸法で製作し、両振り（応力比―１）での疲労試験における２００万回疲労強度を求め表１の最右欄に応力範囲で示した。
【００３８】
Ｎｏ．１〜１７は本発明鋼材であり、Ｎｏ．１８〜２６は比較鋼材である。Ｎｏ．１〜１７は良好な制振性能（η≧０．０１）および継手疲労特性（≧２４０ＭＰａ）を有している。Ｎｏ．９〜１２は選択元素のうち疲労強度向上元素であるＴｉ、Ｂ、Ｖを含有するため、継手疲労強度が特に向上している。またＮｏ．５、１２、１５〜１７はＣｒを含有しているため高い制振性能を有する。
【００３９】
比較例Ｎｏ．１８〜２０、２４はそれぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌが上限を超えているため、制振性能が悪い。Ｎｏ．２３はＡｌの下限を下回っているため同様に制振性能が悪い。またＮｏ．２１、２２、２５はＭｏ、Ｎｂ、Ｎが範囲外にあるため継手疲労強度が悪い。またＮｏ．１８はＣが多いために、Ｎｏ．２６はＣ、Ｍｎ、Ｎｉなどのオーステナイトフォーマーが範囲内にあるものの多量に添加されているため、フェライト面積率が８０％台になっており、制振性能に劣っている。
【００４０】
【表１】
2004100022.tif 000002
【００４１】
【表２】
2004100022.tif 000003
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の鋼材及び溶接構造物（溶接継手）は、添加元素の最適化により高い継手疲労強度と高い制振性能を有しており、その原理は溶接方法、継手形式などによらず広範囲にわたり適用可能である。従って疲労破壊および振動が問題となる溶接鋼構造物での使用に際し、設計面で特別な配慮を必要とせず高い継手疲労強度および高い制振性能を安定して得ることが可能であり、工業的な価値が極めて高い発明であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における重ね隅肉継手の試験片形状、寸法の説明図である。
【図１】
2004100022.tif 000004