(57)【要約】【課題】プラズマ切断ままでも繰り返し応力が作用する部材として用いることができる鋼材を提供する。【解決手段】Ｃ：０．０１〜０．１６％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．４０〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０４％、Ｐ≦０．０２％、Ｓ≦０．０２％、Ｎ：０．０００５〜０．００６％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼組成を有するとともに、プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍが０．１８以下、疲労強度指数ＦＴＳが３０以上であることを特徴とする鋼材である。プラズマ切断部の疲労特性が優れており、プラズマ切断ままでも繰り返し応力が作用する部材として用いることができる。【選択図】      図３
2004250737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１６％
Ｓｉ：０．１〜１．２％
Ｍｎ：０．４０〜２．０％
Ａｌ：０．００５〜０．０４％
Ｐ  ：≦０．０２％
Ｓ  ：≦０．０２％
Ｎ  ：０．０００５〜０．００６％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、かつ
下記（１）  式により規定されるプラズマ切断部割れ性指数Ｐｍが０．１８以下であり、
かつ、下記（２）式により規定される疲労強度指数ＦＴＳが３０以上であることを特徴とする、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。
Ｐｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０  ・・・・・・・（１）
ＦＴＳ＝７０Ｃ＋１３Ｓｉ＋９Ｍｎ＋６６Ｖ＋１７０Ｎｂ＋６Ｃｕ＋４０００Ｂ・・・・・（２）
【請求項２】
質量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％
Ｃｕ：０．０５〜２．０％
Ｎｉ：０．０５〜２．０％
Ｍｏ：０．０１〜０．６％
Ｎｂ：０．００１〜０．１２％
Ｖ  ：０．００１〜０．１％
Ｃｒ：０．０１〜０．６％
Ｂ：０．０００１〜０．００６％
の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１に記載のプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法に関するものであり、より具体的には、プラズマ切断部の疲労特性に優れることから、例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等に、プラズマ切断ままでも好適に使用することができる鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等に使用される鋼材は、適当な切断法により所望の形状に切断される。このような切断法として、従来から用いられてきたガス切断に比較して数倍以上の高速切断が可能であることから、金属ノズルによる熱的ピンチ効果を利用して形成した高温・高速のプラズマ流を用いるプラズマ切断が近年多用される。このプラズマ切断は切断精度も相当高いことから、プラズマ切断された鋼材は、切断ままで使用される場合がある。
【０００３】
しかしながら、例えば非特許文献１にも記載されているように、プラズマ切断によるプラズマ切断面近傍の冷却速度は大きくなるために切断面近傍の組織が硬化してしまう。このため、プラズマ切断ままの鋼材を繰り返し応力が作用する部材に用いると、硬度が上昇した切断面近傍から疲労亀裂が発生し易くなり、この亀裂が起点となって疲労寿命が低下してしまう。
【０００４】
このため、プラズマ切断された鋼材は、多くの場合、プラズマ切断面近傍に例えば研削等の機械加工を仕上げ加工として行う必要があり、加工コストや加工時間の増加は避けられなかった。
【０００５】
ところで、鋼材の疲労寿命を改善する発明として、ベイナイトと体積率１０％以上の残留オーステナイトとを主相とする複合組織を有する鋼板の表面に後処理としてショットピーニング処理を行って、表層部の残留オーステナイト相を歪誘起変態させることによって、鋼材の疲労特性を改善する発明が、提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案にかかる発明によれば、プラズマ切断された鋼材の切断面を含めて鋼材全体の疲労特性を改善することができる。
【０００６】
また、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法として、鋼材の焼入れ性を増加させ、プラズマ切断部をマルテンサイト化させ、かつ切断部のオーステナイト粒径を２０μｍ以下に規制することにより、プラズマ切断部の疲労限度を３５０ＭＰａ以上に改善させた発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２７１９３０号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０７１７５号公報
【非特許文献１】
「鉄鋼便覧」第３版  日本鉄鋼協会（１９８２）ＩＶ  二次加工・表面処理・熱処理・溶接の第６５１頁（１６・３・４切断部の材質変化）の欄
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の発明によっても、鋼材に後処理を行う必要があるため、加工コストおよび加工時間の増加は避けられない。すなわち、従来には、プラズマ切断ままでも繰り返し応力が作用する部材として用いることができる鋼材は、存在しなかったのである。
【０００９】
また、特許文献２では、その解決方法が開示されているが、焼入れ性を増大させたために、必然的に鋼板の強度が増大してしまうため、構造物設計の際に選択できる強度レベル等の制約が生じる。
【００１０】
ここに、本発明の目的は、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材を提供することである。より具体的には、本発明の目的は、プラズマ切断部の疲労特性に優れることから、例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等の構成部材のうちで繰り返し応力が作用する部材に、プラズマ切断ままでも好適に使用することができる疲労強度が４００ＭＰａ以上の鋼材を提供することである。さらに、本発明の目的はこれらの鋼材の加工コストおよび加工時間を増大することなく、プラズマ切断ままで、プラズマ切断部の疲労強度が４００ＭＰａ以上の鋼材を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、プラズマ切断部を冶金的に解明し、プラズマ切断部における疲労特性を支配する因子を鋭意検討した結果、以下に列記する新規な知見を得て、本発明を完成した。
【００１２】
プラズマ切断部の疲労特性が劣化する原因を究明した結果、
（１）  プラズマ切断時に、切断雰囲気より、切断部から１００μｍ程度の範囲の鋼中に窒素が侵入し、侵窒層が形成されること、
（２）  この侵窒層内では窒素がコットレル雰囲気を形成し鋼の硬さが異常に上昇し、Ｈｖで８００程度となる場合があること（異常硬化部の形成）、
（３）  異常硬化部において、切断後、あるいは応力負荷時に粒界破壊が生じ、その粒界破面部がプラズマ切断部の疲労き裂発生起点となっていること、
を知見し、特許文献２で開示されている鋼板の焼入れ性を上昇させ、プラズマ切断部をマルテンサイト組織化する技術思想は、むしろ、上記の異常硬化部を拡大させ、疲労き裂の発生起点となる粒界破壊部の領域を拡大するため、プラズマ切断部の疲労強度をむしろ低下させてしまうことを知見した。特許文献２では、焼入れ性を上昇すると同時に、プラズマ切断部のオーステナイト粒径を２０μｍ以下に微細化させることを必須としているが、粒界破壊部の破面単位を微細化させる必要性が生じたものと解釈できる。
【００１３】
上記の観察結果により、プラズマ切断部の疲労特性を向上させるためには、窒素の侵入、および切断の急速加熱、急速冷却により形成される異常硬化層の最高硬さを低減させること、異常硬化層の領域を減少させること、の必要性を知見した。以下、本発明においてプラズマ切断部とは、切断面（表面）及び、表面より１００μｍの領域を示す。
【００１４】
本発明では、鋼板のプラズマ切断部割れ性指数Ｐｍを０．１８以下とさせることにより、プラズマ切断面の硬化層部の硬さ上昇を抑制させ、硬さ上昇部で特徴的に観察される粒界割れを防止することにより、プラズマ切断部の高疲労寿命化を図れることを具現化したものである。
【００１５】
プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍを０．１８以下に低減するには、Ｃ量およびＭｎ量をいずれも低減させることが効果的ではあるが、鋼板自体の強度を低下させる。
【００１６】
一方、一般に鋼板母材部の疲労強度は、鋼板の引張強度が増大するにともない向上することが知られている。本発明者らは、鋼板切欠き部における疲労強度が鋼中の化学成分と密接な関係のあることを突き止め、疲労強度指数：ＦＴＳを見いだした。
【００１７】
プラズマ切断部の疲労強度は、この疲労強度指数ＦＴＳの値の増大化と、焼入れ部割れ性指数Ｐｍの低減化を両立するように、鋼板の組成を適切に特定することによって、鋼板強度を確保しつつ、母材およびプラズマ切断部の特性の向上が図れるのである。
【００１８】
上記の知見を用いることにより、切断面に機械加工等の後処理を行わなくとも、プラズマ切断ままで疲労限度強度４００ＭＰａ以上の高疲労特性を有する鋼材を得ることができ、これにより、加工コストおよび加工時間をいずれも短縮できる鋼材を提供できる。
【００１９】
本発明は、質量％で（本明細書においては、特に断りがない限り、「％５」は、「質量％」を意味するものとする。）、Ｃ：０．０１〜０．１６％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｎ：０．４０〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０４％、Ｐ≦０．０２％、Ｓ≦０．０２％、Ｎ：０．０００５〜０．００６％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、
強度確保や継手靭性確保のために、必要に応じて、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜２．０％、Ｎｂ：０．００１〜０．１２％、Ｖ：０．００１〜０．１％、Ｃｒ：０．０１〜０．６％、Ｍｏ：０．０１〜０．６％、Ｂ：０．０００１〜０．００６％の１種または２種以上を含有するものであって、かつ、下記（１）  式により規定されるプラズマ切断部割れ性指数Ｐｍが０．１８以下であること、かつ下記（２）  式により規定される疲労強度指数ＦＴＳが３０以上であることを特徴とするプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材である。
【００２０】
Ｐｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０・・・・・・・・（１）
ＦＴＳ＝７０Ｃ＋１３Ｓｉ＋９Ｍｎ＋６６Ｖ＋１７０Ｎｂ＋６Ｃｕ＋４０００Ｂ・・・・・（２）
但し、（１）  式、（２）  式において、符号Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｂ  ，Ｖ  は、それぞれの元素の含有量の質量％の値を示したものである。
【００２１】
指数Ｐｍは、基本的には溶接部の割れ感受性を示す指標：Ｐｃｍと各元素の係数は同等であるが、Ｐｃｍ指標の式で考慮すべきＢの項がないことが特徴である。これは、プラズマ切断部における割れ指標を検討した結果、プラズマ切断部では窒素の侵入による硬化で割れることが特徴であるが、Ｂは、侵入するＮと容易にＢＮを形成し、むしろ割れを防止する方向に作用することを知見し、プラズマ切断部の割れ指標として、新たに上記（１）式を規定したものである。
【００２２】
疲労強度指数ＦＴＳは、母材部の繰返し応力下での強度特性に寄与する化学成分を重み付けして指数化したものであり、強度上昇に直接関与するＣ，  Ｓｉ，  Ｍｎの他、  Ｎｂ，  Ｖ，  Ｃｕ，  Ｂ等の元素の寄与を定量化して定式化したものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明では、鋼材が熱延鋼板である場合を例にとるが、これは例示であり、本発明は熱延鋼板以外の他の鋼材に対しても、同様に適用される。
【００２４】
以下、本発明にかかるプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材について、図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。なお、以降の説明では、鋼材が熱延鋼板である場合を例にとるが、本発明は熱延鋼板以外の他の鋼材に対しても、同様に適用される。
【００２５】
まず、本発明鋼の組成の限定理由を説明する。なお、以下％は質量％を意味する。
【００２６】
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分として下限を０．０１％とし、また、過剰の添加は、鋼材の溶接性やＨＡＺ靭性などを著しく低下させるので、上限を０．１６％とした。
【００２７】
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸などに必要な成分で、０．１％以上の添加が必要であるが、ＨＡＺの硬化により靭性が低下するのを防止するため上限を１．２％とした。
【００２８】
Ｍｎは、母材の強度、靭性の確保に有効な成分として０．４％以上の添加が必要であるが、溶接部の靭性、割れ性などの許容できる範囲で上限を２．０％とした。
【００２９】
Ｐは、含有量が少ないほど望ましいが、これを工業的に低減させるためには多大なコストがかかることから、０．０２％を上限とした。
【００３０】
Ｓは、含有量が少ないほど望ましいが、これを工業的に低減させるためには多大なコストがかかることから、０．０２％を上限とした。
【００３１】
Ａｌは、重要な脱酸元素であり、下限値を０．００５％とした。また、Ａｌが多量に存在すると、鋳片の表面品位が劣化するため、上限を０．０４％とした。
【００３２】
Ｎは、ＴｉＮとして析出することでＨＡＺ靭性の向上効果があるため、下限を０．０００５％とした。しかしながら固溶Ｎが増大するとＨＡＺ靭性の低下を招くことから０．００６％を上限とした。
【００３３】
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉ窒化物を形成させるため、必要に応じて、０．００５％以上添加する。しかし、固溶Ｔｉ量が増加するとＨＡＺ靭性が低下するため、０．０３％を上限とした。
【００３４】
Ｃｕは、鋼材の強度を向上させるために必要に応じて添加する。０．０５％以上の添加が有効であるが、１％を超えるとＨＡＺ靭性を低下させることから、２．０％を上限とした。
【００３５】
Ｎｉは、鋼材の強度および靭性を向上させるために必要に応じて添加する。０．０５％以上の添加が有効であるが、Ｎｉ量の増加は製造コストを上昇させるので、２．０％を上限とした。
【００３６】
Ｎｂは、焼き入れ性を向上させることにより母材の強度および靭性を向上させるために必要に応じて添加する。０．００１％以上の添加が有効な元素であるが、ＨＡＺ部においては過剰な添加は靭性を著しく低下させるため０．１２％を上限とした。
【００３７】
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＢについてもＮｂと同様な効果を有することから必要に応じて添加する。それぞれ０．００１％、０．０１％、０．０１％、０．０００１％以上の添加が好ましいが、過剰に添加すると焼入れ性が過剰となるため、それぞれ０．１％、０．６％、０．６％、０．００６％を上限とした。
【００３８】
プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍ：０．１８以下の理由を次に示す。
【００３９】
プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍは、本発明者らがプラズマ切断部の割れ性を表示するために規定した特性値である。
【００４０】
図１は、プラズマ切断部割れ指数：Ｐｍと、プラズマ切断部の最高硬さ（Ｈｖ）との関係を示したものである。プラズマ切断部の切断面から鋼板内部に向かって、５ｇｆの微小硬さ計を用いて硬さ分布を測定し、その最高硬さの値（Ｈｖ）を用いたものである。この最高硬さと、前述したプラズマ切断部割れ性指数Ｐｍとの間には、図１に示す相関関係があり、プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍが０．１８以下であれば、切断における熱により形成される硬化組織がマルテンサイト化されても、その最高硬さが５００以上とならないことを知見した。さらに、最高硬さが５００以下の切断部では、粒界破面は確認されていないが、最高硬さが８００程度と高い値を示した切断部では粒界破面が確認された。
【００４１】
プラズマ切断部の疲労特性を評価するためには、室温で繰り返し周波数５Ｈｚ、応力比０．１  、応力振幅  ２００〜５００  Ｎ／ｍｍ２  の軸力片振り引張り荷重制御方式により、５０トン電気油圧式疲労試験機を用いて疲労試験を行った。この軸力疲労試験において、破断繰り返し数が１０７  回となる応力振幅を疲労限度強度Δσｗ（ＭＰａ）として測定した。
【００４２】
図２は、プラズマ切断部の最高硬さＨｖと、プラズマ切断部の疲労限度強度Δσｗを引張強度ＴＳで除した値Δσｗ／ＴＳとの関係を示す。プラズマ切断部の最高硬さが５００以下の場合には、Δσｗ／ＴＳの値が０．６以上と優れているが、最高硬さが５００よりも大きい場合には、粒界破面の形成により疲労発生強度が大幅に低下するため、Δσｗ／ＴＳの値が０．３以下となっている。したがって、Ｐｍを０．１８以下に規定することにより、プラズマ切断部の疲労限度を低下させる粒界破面の発生を阻止することができる。そこで、本発明では、プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍを０．１８以下と限定する。
【００４３】
次に、疲労強度指数を３０以上とする理由について説明する。図３は、種々の化学成分の鋼材を用いて、プラズマ切断部の疲労特性と、ＦＴＳ値の関係を調査した結果である。Ｐｍ値が０．１８以下の成分であれば、ＦＳＴが３０以上となる鋼板では、疲労限度強度Δσｗが４００ＭＰａ以上を確保できることを知見した。一方、Ｐｍ値が０．１８を超える鋼板では、ＦＴＳ値を増加させると疲労限度強度は上昇するものの、本発明の目的であるΔσｗを４００ＭＰａ以上とすることはできない。本発明の鋼材は、上記の鋼組成を有する鋼を溶製し、鋼片あるいは鋳片とした後、加熱し、熱間圧延して所要の形状とした後、冷却して得られる。
【００４４】
本発明では、かかる鋼組成、およびプラズマ切断部割れ性指数Ｐｍを有する鋼を、１２００℃以上の高温に加熱しても、鋼の焼入れ性が抑制されているので、オーステナイト粒の粗大化しても、焼入れ部の割れ性は抑制されているので、鋼加熱温度は特に限定を必要としないが、一般的な母材の靭性の確保の点からは、１２５０℃以下が望ましい。
【００４５】
このようにして加熱した鋼に対し、圧延を行うが、プラズマ切断部の特性は、圧延条件の影響を受けないため、特に限定を必要としない。
【００４６】
このようにして圧延を終了した後についても、プラズマ切断部の特性は、圧延条件の影響を受けないため、特に限定を必要としない。プラズマ切断部の特性以外の特性を作りこむために必要な冷却条件であれば、適用して差し支えなく、所望の機械的性質が得られる。
【００４７】
このようにして、本発明により、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法、より具体的には、プラズマ切断部の疲労特性に優れることから、例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等の構成部材のうちで繰り返し応力が作用する部材に、プラズマ切断ままでも好適に使用することができる鋼材およびその製造方法が提供される。このため、加工コストおよび加工時間をいずれも低減することができる。
【００４８】
【実施例】
次に、本発明を実施例を参照しながらより具体的に説明する。
【００４９】
表１、表２（表１の続き）にそれぞれ示す鋼組成およびプラズマ切断部割れ性指数Ｐｍを有する供試材１〜１６、図４に示す軸力疲労試験片を用いて、プラズマ切断で切断した後、軸力疲労試験機を用いて、軸力疲労試験を行った。なお、試験片は、試験片Ｒ部の板厚断面部をプラズマ切断したままとした試験片とした。そして、この軸力疲労試験において、破断繰り返し数Ｎｆが  １０７回となる応力振幅を疲労限度強度Δσｗ  としてを測定した。その結果を表２（表１のつづき）に併せて示す。なお、表２中の圧延後プロセスで、ＤＱＴとあるのは、圧延後、直ちに２００℃以下まで水冷し、その後４５０〜５００℃で焼戻しするものであり、ＤＱＴ−ＩＩとあるのは、圧延後、直ちに水冷し、３００℃以上で水冷を停止して空冷するものである。
【００５０】
【表１】
2004250737.tif 000003
【００５１】
【表２】
2004250737.tif 000004
【００５２】
表１、表２（表１の続き）における本発明例１〜８は、いずれも、本発明の範囲を満足する本発明例であり、疲労限度強度Δσｗ  が  ４０５〜４６０（Ｎ／ｍｍ２）と極めて高い値を示しており、これらの疲労限度強度Δσｗと引張強度ＴＳとの比も、０．６８〜０．６９と、高い値を示している。
【００５３】
これに対し、表１、表２（表１の続き）における実施例９〜１０は、プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍが本発明の範囲内であり、プラズマ切断部の最高硬さも４２０〜４７０と、５００以下の値を示しているが、ＦＴＳ指数が２２と低いため、疲労限度Δσｗ  が  ３１０〜３３０（ＭＰａ）  と低く、本発明例のように４００（Ｎ／ｍｍ２）以上の値に達していない。
【００５４】
また、比較例１１〜１６は、プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍが本発明の上限を上回っており、プラズマ切断部の最高硬さが５５０〜８９０と、５００以上の値を示している。このため、比較例１３，１５は、ＦＴＳ指数が３０以上であるにも関わらず、疲労限度Δσｗ  が  ２１０〜２２０（Ｎ／ｍｍ２）  と本発明例よりも低い。
【００５５】
比較例１１〜１２，１４、１６は、  焼き入れ部割れ性指数Ｐｍが本発明の上限を上回っており、ＦＴＳ指数が本発明の下限を下回っているため、プラズマ切断部の最高硬さが５５０〜８９０と、５００以上の値を示し、かつ疲労限度Δσｗも  １２０〜１７０（Ｎ／ｍｍ２）  と極めて低値となっている。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明により、プラズマ切断部の疲労特性に優れることから、例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等の構成部材のうちで繰り返し応力が作用する部材に、プラズマ切断ままでも好適に使用することができる鋼材を提供することが可能となった。このため、このような鋼材の加工コストおよび加工時間をいずれも低減することができる。かかる効果を有する本発明の意義は、極めて著しいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ切断部の切断面近傍の最高硬さと、プラズマ切断部割れ性指数Ｐｍとの関係を示す図である。
【図２】プラズマ切断部の切断面近傍の最高硬さと、２０トン電気油圧式疲労試験機で評価した疲労限度強度Δσｗ／引張強度ＴＳとの関係を示す図である。
【図３】２０トン電気油圧式疲労試験機で評価した疲労限度強度Δσｗと、ＦＴＳ値の関係を示す図である。
【図４】プラズマ切断部の疲労限度強度Δσｗを測定するための軸力疲労試験片の形状を示す図である。
【図１】
2004250737.tif 000005
【図２】
2004250737.tif 000006
【図３】
2004250737.tif 000007
【図４】
2004250737.tif 000008