(57)【要約】【課題】４８０ＭＰａ以上の高降伏強度を有し、かつ靭性および溶接性に優れた鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０ｌ〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｎｉ／６０＋Ｖ／１０＋５Ｂで定義される溶接割れ感受性指数が０．２５％以下であり、金属組織が実質的に体積分率で２０％以上８０％以下のフェライトを含むフェライト／ベイナイト混合組織であり、前記フェライトは、平均値で、粒径が２０μｍ以下、ビッカース硬度が１６０以上、ベイナイトとのビッカース硬度比が０．６以上であり、かつ４８０ＭＰａ以上の降伏点を有する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０ｌ〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｎｉ／６０＋Ｖ／１０＋５Ｂで定義される溶接割れ感受性指数が０．２５％以下であり、金属組織が実質的に体積分率で２０％以上８０％以下のフェライトを含むフェライト／ベイナイト混合組織であり、前記フェライトは、平均値で、粒径が２０μｍ以下、ビッカース硬度が１６０以上、ベイナイトとのビッカース硬度比が０．６以上であり、かつ４８０ＭＰａ以上の降伏点を有することを特徴とする優れた溶接性を有する高靭性高降伏点鋼材。
【請求項２】
さらに質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下のうちのいずれか一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の鋼材。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％を含有し、かつＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｎｉ／６０＋Ｖ／１０＋５Ｂで定義される溶接割れ感受性指数が０．２５％以下であり、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼を１０００℃以上１３００℃以下の温度範囲まで加熱し、Ａｒ３点以上の温度域での累積圧下率が５０％以上である圧延を行い、圧延後、Ａｒ３点以上Ａｒ３点−２００℃以下の温度範囲において、冷却速度を４℃／秒未満とし、かつ前記冷却速度を５秒以上保持し、その後、冷却速度５℃／秒以上で３００℃以上６００℃以下の温度範囲まで加速冷却を行い、その後直ちに昇温速度０．５℃／秒以上で５００℃以上Ａｃ１点未満の温度範囲まで再加熱することを特徴とする優れた溶接性を有する高靭性高降伏点鋼材の製造方法。
【請求項４】
前記鋼は、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下のうちのいずれか一種または二種以上をさらに含有することを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接構造物の主要部材を対象とする高い降伏点を有する高靭性高張力鋼材及びその製造方法に関する。より具体的には、橋梁に代表される溶接構造物を対象とする降伏強度が４８０ＭＰａ以上であって優れた溶接性を有する高靭性鋼材及びそのような鋼材の効率的な製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、橋梁に代表される溶接構造物の主要鋼材に高張力鋼が適用される事例が多くなってきている。これは高張力鋼材の使用による設計の合理化、例えば鋼材重量の低減、薄肉化、さらにはこれに伴う溶接における省力化が狙いである。このような高張力鋼材には、例えば、ＪＩＳ　Ｇ　３１０６および道路橋示法書に記載されているＳＭ５７０鋼（８ｍｍ≦板厚≦１００ｍｍ）があり、降伏強度が４５０ＭＰａ以上（降伏点一定鋼）、引張強度が５７０〜７２０ＭＰａ、マイナス５℃のシャルピー吸収エネルギーが４７Ｊ以上、ＰＣＭ（溶接割れ感受性指数）≦０．２８％（板厚≦５０ｍｍ），ＰＣＭ≦０．３０％（５０ｍｍ＜板厚≦１００ｍｍ）と規定されている。また、この他にも耐候性を有するＳＭＡ５７０Ｗ鋼もあり、これについても強度、靭性についてＳＭ５７０鋼と同様の規定がなされている。
【０００３】
一方、米国では近年、従来の橋梁用鋼材より優れた性能を有するＨｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｓｔｅｅｌ（ＨＰＳ）の開発がなされ、ＨＰＳの実橋への適用成果が報告されつつある。ＨＰＳは従来鋼よりも高強度、高靭性、高溶接性であり、かつ耐候性を有する鋼であり、溶接時の予熱省略、或いは予熱低減が可能とされている。例えばＨＰＳは、強度に関してＡＳＴＭ　Ａ７０９　Ｇｒ．７０Ｗ（板厚≦１００ｍｍ）において降伏強度が４８５ＭＰａ以上、引張強度が６２０〜７６０ＭＰａと規定され、低温靭性に関してＡＳＴＭ　Ａ７０９　Ｚｏｎｅ３でマイナス２３℃の吸収エネルギーが４８Ｊ以上と規定されている。このようなＨＰＳを使用することにより、大幅な鋼材重量の低減や建設コストの削減が可能となったことが報告されている。
【０００４】
このように、従来のＳＭ５７０鋼或いはＳＭＡ５７０Ｗ鋼よりもさらに低コストで製造され、かつ改善された降伏強度、靭性、溶接施工性を有する鋼材が求められ、研究が進められている。
【０００５】
これまで、ＳＭ５７０鋼或いはＳＭＡ５７０Ｗ鋼は焼入れ／焼戻しにより製造されてきた。このような技術は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３などに開示されている。
【０００６】
上記の熱処理における焼戻しはオフラインで行われてきたが、製造コスト削減や納期短縮の観点からオンラインでの熱処理を用いることが望ましい。このような技術として、例えば、特許文献４には、圧延後さらに［Ａｒ３点−３０℃］〜［Ａｒ３点−１５０℃］の温度域でレベラー掛けまたは軽圧下処理を施すことでＮｂ，Ｖの析出を促進しつつ、その後、加速冷却することにより高降伏点鋼を得る手法が開示されている。また、特許文献５には、圧延後［Ａｒ３点−７０℃］〜［Ａｒ３点−１５０℃］の温度範囲で２分間以上保持し、この間にＮｂ，Ｖを析出させ、その後に加速冷却することにより高降伏点鋼板を得るプロセスが開示されている。また、特許文献６にはＣｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，ＲＥＭを含有する鋼を圧延後、引き続き３５０〜５００℃の温度域まで加速冷却することにより降伏強度４６ｋｇｆ／ｍｍ２以上を有する鋼材を得る技術が開示されている。
【０００７】
特許文献７には加速冷却装置と同一の製造ライン上に設置された加熱装置を用い、圧延、冷却、焼戻しを連続的に行う方法が開示されている。この技術によれば、冷却により鋼組織をベイナイトまたはマルテンサイト組織とした後に、急速加熱焼戻しを行うことにより過飽和に固溶した炭素を微細なセメンタイトとして析出させることができる。このため、従来の焼入れ／焼戻しプロセスよりも効率的に鋼材を製造することが可能であり、かつ得られる鋼材を強度・靭性に優れたものとすることが可能となる。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６１−１３９６２７号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２０００−４５０４４号公報、
【００１０】
【特許文献３】
特開２００２−４７５３２号公報
【００１１】
【特許文献４】
特開昭６２−８９８１４号公報
【００１２】
【特許文献５】
特開平４−２２１０１５号公報
【００１３】
【特許文献６】
特開昭６３−１６１１１９号公報
【００１４】
【特許文献７】
特許３０１５９２３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した技術には以下のような問題点がある。
【００１６】
例えば、オンラインでの製造法に関して、特許文献４〜６に開示されている技術はいずれも加速冷却ままで高降伏強度を有する鋼を得る手法であるが、このようにして得られた鋼は、焼入れ／焼戻しプロセスを用いて製造した鋼に比べて降伏強度が低い。これは、焼戻し時の析出強化による高降伏強度化を活用できないからである。例えば、特許文献６の実施例で示されている鋼の降伏比は平均で約８１％である。また、特許文献４，５に開示されている技術は、Ｎｂ，Ｖの析出強化を活用することにより高降伏強度化することを狙いとして、Ａｒ３点以下の温度域でレベラー掛け／軽圧下ならびに保持を行うものであるが、これらの公報の実施例で示されている鋼の降伏比は平均でそれぞれ８３％、８４％程度である。
【００１７】
特許文献７に開示されている技術に基づけば、従来の焼入れ／焼戻しプロセスと同様に高降伏強度（降伏比≧約８５％）の鋼を高効率に製造することができる可能性がある。ただし、この技術で得られる鋼の基本的な組織は焼き戻されたベイナイトまたはマルテンサイト組織である。したがって、その実施例が示すように大半の鋼は冷却停止温度が室温と低く、焼戻し時の温度差（焼戻し終了温度−焼戻し開始温度）が大きいために、消費電力などのコスト増に繋がる。
【００１８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、４８０ＭＰａ以上の高降伏強度を有し、かつ靭性および溶接性に優れた鋼材を高効率かつ低コストで提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するべく実験と検討を重ねた結果、従来は低降伏比化に有効な組織であるとされていたフェライト＋ベイナイト組織が、フェライトの細粒化および高強度化を図ることにより、むしろ高降伏強度化（高降伏比化）に最適な組織となることを新たに見出した。さらにフェライトの高強度化の手段としてＮｂ炭窒化物およびＶ炭窒化物の微細析出が有効であること、このため低成分化により溶接施工性が良好であることを見出した。そして、そのような鋼材は、ライン上に配置された加速冷却、加熱設備を駆使して一連の工程で造りこむことにより高効率で得られることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。
【００２０】
本発明の優れた溶接性を有する高靭性高降伏点鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０ｌ〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｎｉ／６０＋Ｖ／１０＋５Ｂで定義される溶接割れ感受性指数が０．２５％以下であり、金属組織が実質的に体積分率で２０％以上８０％以下のフェライトを含むフェライト／ベイナイト混合組織であり、前記フェライトは、平均値で、粒径が２０μｍ以下、ビッカース硬度が１６０以上、ベイナイトとのビッカース硬度比が０．６以上であり、かつ４８０ＭＰａ以上の降伏点を有することを特徴とする。
【００２１】
前記鋼材は、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下のうちのいずれか一種または二種以上をさらに含有することが好ましい。
【００２２】
本発明の優れた溶接性を有する高靭性高降伏点鋼材の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％を含有し、かつＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｎｉ／６０＋Ｖ／１０＋５Ｂで定義される溶接割れ感受性指数が０．２５％以下であり、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼を１０００℃以上１３００℃以下の温度範囲まで加熱し、Ａｒ３点以上の温度域での累積圧下率が５０％以上である圧延を行い、圧延後、Ａｒ３点以上Ａｒ３点−２００℃以下の温度範囲において、冷却速度を４℃／秒未満とし、かつ前記冷却速度を５秒以上保持し、その後、冷却速度５℃／秒以上で３００℃以上６００℃以下の温度範囲まで加速冷却を行い、その後直ちに昇温速度０．５℃／秒以上で５００℃以上Ａｃ１点未満の温度範囲まで再加熱することを特徴とする。
【００２３】
前記鋼は、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下のうちのいずれか一種または二種以上をさらに含有することが好ましい。
【００２４】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２５】
まず、本発明で用いる鋼材の化学成分の限定理由について説明する。以下の説明において「％」で示す単位は全て質量％である。
【００２６】
（１）Ｃ：０．０２〜０．１５％
Ｃは強度確保のために０．０２％以上添加する必要がある。一方、０．１５％を超えて添加すると溶接性を阻害する。したがって、Ｃ含有量は０．０２％以上０．１５％以下に限定する。
【００２７】
（２）Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは脱酸剤として有効であるとともに高強度化にも寄与する。このような効果を得るためには０．０１％以上の添加が必要である。一方、０．５０％を超えて添加すると溶接性、靭性を劣化させる。したがってＳｉ含有量は０．０１％以上０．５０％以下に限定する。
【００２８】
（３）Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは安価に焼入れ性の増加を通じて強度を高めるだけでなく、靭性向上にも寄与する。このような観点からＭｎは０．５％以上必要である。一方、Ｍｎが２．０％を超えると溶接性の劣化に繋がる。したがってＭｎ含有量は０．５％以上２．０％以下に限定する。
【００２９】
（４）Ｐ：０．０５％以下
Ｐは鋼の靭性を劣化させるため、その含有量はできるだけ低いことが望ましい。このためＰ含有量はその上限を０．０５％、好ましくは０．０３％とする。
【００３０】
（５）Ｓ：０．０２％以下
Ｓは多量に添加すると鋼の靭性を低下させるため極力低減することが望ましい。このためＳ含有量はその上限を０．０２％、好ましくは０．０１％とする。
【００３１】
（６）Ｎｂ：０．００５〜０．１０％
Ｎｂは本発明において非常に重要な働きをなす元素であり、再加熱時の析出強化を通じて高降伏強度化をもたらす。この効果を発揮させるためにはＮｂを０．００５％以上添加する必要がある。一方、０．１０％を超えて添加すると靭性が劣化する。したがってＮｂ含有量は０．００５％以上０．１０％以下に限定する。
【００３２】
（７）Ｖ：０．００５〜０．１０％
ＶもＮｂと同様、本発明において重要な働きをなす元素であり、再加熱時の析出強化を通じて高降伏強度化をもたらす。この効果を発揮させるためにはＶを０．００５％以上添加する必要がある。一方、０．１０％を超えて添加すると溶接性および靭性の低下を招く。したがってＶ含有量は０．００５％以上０．１０％以下に限定する。
【００３３】
（８）ＰＣＭ：０．２５％以下
溶接割れ感受性指数は、ＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｎｉ／６０＋Ｖ／１０＋５Ｂ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す）で定義される関係式を用いて鋼材の各成分の含有値を代入して導くことが出来る。
【００３４】
溶接割れ感受性指数ＰＣＭを０．２５％以下として、低合金化により溶接性を向上し、低温割れの抑制を図る。厚肉物ではさらにＰＣＭ≦０．２２％とすることが好ましい。
【００３５】
以上を本発明の基本成分とするが、強度、靭性や溶接性等の調整、耐候性の付与などを目的として、以下に示すＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｂの元素のうち１種または２種以上を添加しても良い。
【００３６】
（９）Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは固溶による強度上昇および耐候性確保のため必要に応じて添加する。しかし、その含有量が１．０％を超えると鋼材の溶接性を損なうとともに鋼材製造時に疵が生じやすくなる。したがって添加する場合は、Ｃｕ含有量の上限を１．０％とする。
【００３７】
（１０）Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは低温靭性を向上させるとともに耐候性やＣｕを添加した場合に生ずる熱間脆性の改善に有効であるため必要に応じて添加する。しかし、その添加量が２．０％を超えると溶接性を阻害する上、コスト上昇に繋がる。したがって添加する場合は、Ｎｉ含有量の上限を２．０％とすることが好ましく、さらに１．０％とすることがより好ましい。
【００３８】
（１１）Ｃｒ：１．０％以下
Ｃｒは耐候性や強度の観点から必要に応じて添加されるが、その含有量が１．０％を超えると溶接性および靭性を損なう。したがって添加する場合は、Ｃｒ含有量の上限を１．０％とする。
【００３９】
（１２）Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは強度上昇のために必要に応じて添加されるが、その含有量が１．０％を超えると溶接性および靭性の劣化が生じる。したがって添加する場合は、Ｍｏ含有量の上限を１．０％とすることが好ましく、さらに０．５％とすることがより好ましい。
【００４０】
（１３）Ｔｉ：０．１％以下
Ｔｉは強度上昇と溶接部靭性の改善のために必要に応じて添加される。しかし、その含有量が０．１％を超えるとコスト上昇を招く傾向にある。したがって添加する場合は、Ｔｉ含有量の上限を０．１％とすることが好ましく、さらに０．０５％とすることがより好ましい。
【００４１】
（１４）Ｂ：０．００５％以下
Ｂは焼入れ性を高め強度上昇に寄与するため、必要に応じて添加する。しかし、その含有量が０．００５％を超えると溶接性を害する。したがって添加する場合は、Ｂ含有量の上限を０．００５％とすることが好ましく、さらに０．００３％とすることがより好ましい。
【００４２】
本発明の鋼材は上記範囲内の各成分を含有するものであって、さらに、金属組織が実質的に体積分率で２０％以上８０％以下のフェライトを含むフェライト／ベイナイト混合組織であり、このフェライトは平均値で、粒径が２０μｍ以下、ビッカース硬度が１６０以上、ベイナイト硬度（ＢＨｖ）に対するビッカース硬度比（αＨｖ／ＢＨｖ）が０．６以上である。
【００４３】
以下、金属組織の限定理由について説明する。
【００４４】
従来から知られているように、低成分鋼の引張強度を５７０ＭＰａ以上とし、高強度鋼とするためにはその金属組織をベイナイト主体とする必要がある。しかし、ベイナイト主体の金属組織とすると、応力−歪曲線がラウンドハウス型となり、低降伏比になりやすい。この金属組織のままで降伏強度を高めようとすると、引張強度の過度の上昇に繋がり、例えばＳＭ５７０鋼の引張強度の基準値を超える可能性がある。
【００４５】
一方、低成分鋼であってもベイナイト中にフェライトが混入すると応力−歪曲線は降伏点型に近づく。そしてフェライトの体積分率を２０％以上にすると、応力−歪曲線は降伏点型となる。但し、一般的にフェライトはベイナイトよりも極度に軟質であるため、フェライト相とベイナイト相との強度差が大きいとフェライト＋ベイナイト混合組織としても応力−歪曲線はラウンドハウス型になりやすく、降伏強度および降伏比が著しく低くなる。そこで、フェライトを細粒化して降伏強度を改善する必要がある。目標の降伏強度とするためにはフェライト粒径を２０μｍ以下とする。これにより降伏強度を改善することが可能となり、さらに良好な靭性をも得ることができる。
【００４６】
さらに高降伏強度化（高降伏比化）するためにはフェライトを高強度化し、ベイナイトの強度に近づける必要がある。ここで、ビッカース硬度比は、フェライトのビッカース硬度（αＨｖ）をベイナイトのビッカース硬度（ＢＨｖ）で除した値（αＨｖ／ＢＨｖ）と定義する。目標とする降伏強度を得るためには、フェライトの硬度αＨｖを１６０以上とし、かつ、ビッカース硬度比（αＨｖ／ＢＨｖ）を０．６以上とする。このようなフェライトとすることで降伏比も高くなり、例えば、８５％以上の降伏比が得られるようになる。
【００４７】
このようにフェライトの硬度およびベイナイトとのビッカース硬度比を上記範囲とすることで、ある程度低い引張強度でも高い降伏強度が得られる。しかしながら、上記のようにフェライトの高強度化を図っても、フェライト量が体積分率で８０％を超えると目標の強度が得られなくなる。以上のことから、金属組織はフェライト／ベイナイト混合組織とし、この混合組織中のフェライト量は実質的に体積分率で２０％以上８０％以下とし、フェライト粒径は２０μｍ以下、フェライト硬度は１６０以上、フェライトとベイナイトとのビッカース硬度比（αＨｖ／ＢＨｖ）は０．６以上とする。
【００４８】
なお、フェライトとベイナイトとの二相組織に、マルテンサイトやパーライトなどの他の金属組織が１種または２種以上混在する場合は、強度低下、靭性劣化が生じる。このため、フェライト相とベイナイト相以外の組織の体積分率は少ない程良いが、トータルの体積分率が１０％以下であればその影響が無視できる。このため、この体積分率範囲内であれば、例えばマルテンサイト、パーライト等の他の金属組織を１種または２種以上含有してもよい。
【００４９】
次に上記の鋼材を得るための製造方法について以下に説明する。
【００５０】
本発明の製造方法は、上記範囲内の成分組成を有する鋼を（ａ）１０００℃以上１３００℃以下の温度範囲まで加熱する工程と、（ｂ）Ａｒ３点以上の温度域での累積圧下率が５０％以上である圧延を行う工程と、（ｃ）圧延後、Ａｒ３点以上、（Ａｒ３点−２００℃）以下の温度範囲において、冷却速度を４℃／秒未満とし、かつ前記冷却速度を５秒以上保持し、その後、冷却速度５℃／秒以上で３００℃以上６００℃以下の温度範囲まで加速冷却を行う工程と、（ｄ）その後直ちに昇温速度０．５℃／秒以上で５００℃以上Ａｃ１点未満の温度範囲まで再加熱する工程とを具備する。
【００５１】
以下、本発明の製造方法の限定理由について述べる。なお、下記温度は板厚方向を通じての平均温度とする。
【００５２】
（ａ）加熱温度：１０００℃以上１３００℃以下の温度範囲
加熱温度が１０００℃未満であるとＮｂおよびＶの固溶が不十分となる。一方、加熱温度が１３００℃を超えると鋼の結晶粒が粗大化するので靭性の確保が困難となる。したがって、加熱温度は１０００℃以上１３００℃以下に限定する。
【００５３】
（ｂ）圧延：Ａｒ３点以上の温度域で累積圧下率５０％以上
圧延によりオーステナイト粒を微細化させて靭性向上を図るとともに、下記の加速冷却におけるベイナイト変態の促進およびフェライト粒の微細化を図る。このために、Ａｒ３点以上の累積圧下率が５０％以上の圧延を行う。Ａｒ３点以上の温度であればオーステナイト再結晶域あるいはオーステナイト未再結晶域のいずれで圧延を行っても構わない。但し、オーステナイト未再結晶域での過度の圧下は機械的特性に対して異方性が生じることから、オーステナイト未再結晶域での累積圧下率は５０％以下とすることが望ましい。
【００５４】
なお、Ａｒ３点は例えば、Ａｒ３（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す）で定義される関係式を用いて鋼材の各成分の含有値を代入して導くことが出来る。
【００５５】
（ｃ）冷却・加速冷却：圧延後、Ａｒ３点以上Ａｒ３点−２００℃以下の温度範囲において、冷却速度を４℃／秒未満とし、かつ前記冷却速度を５秒以上保持し、その後、冷却速度５℃／秒以上で３００℃以上６００℃以下の温度範囲まで加速冷却
冷却中にフェライトを生成させるために、Ａｒ３点以上Ａｒ３点−２００℃以下の温度範囲において、冷却速度を４℃／秒未満とし、かつ、この温度範囲内で冷却速度４℃／秒未満を５秒以上保持する。温度がＡｒ３点を超える場合またはＡｒ３点−２００℃を下回る場合には、冷却速度を４℃／秒未満としてもフェライトが生成しない。またその温度範囲内であっても、冷却速度が４℃／秒を超える場合および／またはこの冷却速度での冷却が５秒以上行われない場合、高降伏強度化のために十分なフェライト量が得られない。したがって、Ａｒ３点以上Ａｒ３点−２００℃以下の温度範囲において、冷却速度を４℃／秒未満とし、この冷却速度を５秒以上保持する。なお、冷却速度は４℃／秒未満であれば一定としても良いし、一定としなくても良い。
【００５６】
また、圧延仕上げ温度からＡｒ３点までの冷却速度は特に規定しない。しかし、製造効率の点からこの温度範囲での冷却速度は５℃／秒以上とすることが望ましい。
【００５７】
次に、上記冷却工程でフェライト変態が完了しないうちに、残りの未変態オーステナイトをベイナイト変態させる。このために、Ａｒ３点−２００℃以上の温度から冷却速度５℃／秒以上で３００℃以上６００℃以下の温度範囲まで加速冷却する。冷却速度が５℃／秒未満である場合および／または冷却停止温度が６００℃を超える場合、ベイナイト変態せずにフェライトやパーライトが生成する。一方、冷却停止温度が３００℃を下回る場合は、靭性に有害な島状マルテンサイトが生成する。したがって、加速冷却は冷却速度５℃／秒以上で３００℃以上６００℃以下の温度範囲まで行うこととする。
【００５８】
上記の冷却・加速冷却工程は加速冷却設備により達成可能である。図１に、フェライト／ベイナイト組織を得るための冷却・加速冷却の手法およびその後の再加熱の手法の一例を示すが、本発明はこれらに限られるものではない。図示するように、例えば板厚２５ｍｍの鋼材を８００℃から４５０℃まで冷却する場合以下のような手順で冷却・加速冷却することができる。
【００５９】
▲１▼まず水冷により冷却速度４０℃／秒で加速冷却し、続いて冷却速度３℃／秒で徐冷し、引き続き水冷により冷却速度４０℃／秒で加速冷却する（水冷→徐冷→水冷）
▲２▼まず水冷により冷却速度４０℃／秒で加速冷却し、続いて冷却速度０．５℃／秒で放冷し、引き続き水冷により冷却速度４０℃／秒で加速冷却する（水冷→放冷→水冷）
▲３▼まず冷却速度３℃／秒で徐冷し、引き続き水冷により冷却速度４０℃／秒で加速冷却する（徐冷→水冷）
▲４▼まず冷却速度０．５℃／秒で放冷し、引き続き水冷により冷却速度４０℃／秒で加速冷却する（放冷→水冷）
以上のように冷却・加速冷却工程を行うことにより鋼材の金属組織をフェライト／ベイナイト組織とすることができる。
【００６０】
（ｄ）再加熱：直ちに昇温速度０．５℃／秒以上で５００℃以上Ａｃ１点未満の温度範囲まで再加熱
本発明の根幹をなす工程である。加速冷却後、直ちに再加熱を行うことで、フェライト中にＮｂ，Ｖの炭窒化物が微細析出し、析出強化が図られる。これと同時に、本工程によりベイナイトの焼戻しがなされ、靭性の向上が図られる。しかも、高強度化されたフェライトの強度が焼戻し軟化したベイナイトの強度に近づき、高降伏強度化（高降伏点化）に繋がる。
【００６１】
昇温速度が０．５℃／秒未満では、再加熱に時間がかかり製造効率の悪化を導くとともに、ベイナイトの過度の軟化やフェライト中の析出物の過剰成長が生じ強度低下や靭性劣化に繋がる。また、再加熱温度が５００℃未満ではＮｂ，Ｖの炭窒化物の析出が十分でない。一方、Ａｃ１点以上では金属組織の一部がオーステナイト化し、島状マルテンサイトが生成するなど組織が不均一となり降伏強度低下や靭性劣化が生じる。したがって、再加熱は、昇温速度０．５℃／秒以上で５００℃以上Ａｃ１点未満の温度範囲まで行うこととする。
【００６２】
上記Ａｃ１点は、例えば、Ａｃ１（℃）＝７２３−１４Ｍｎ＋２２Ｓｉ−４．４Ｎｉ＋２３．３Ｃｒ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す）で定義される関係式を用いて鋼材の各成分の含有値を代入して導くことが出来る。
【００６３】
以下、再加熱工程を図１を参照して説明する。図１中の破線は、加速冷却を４５０℃で終了した後、１分ほど放冷し、昇温速度２５℃／秒で６５０℃まで再加熱し、その後再び放冷する工程を示している。このように上記再加熱工程は、例えば加速冷却後、通常のオフライン焼戻し（ｔｅｍｐｅｒ）のように室温まで放冷することなく、図１の破線で示すように、直ちに再加熱することを特徴としている。
【００６４】
なお、再加熱に関しては、所望の強度・靭性が得られる範囲内で、目標温度での等温保持を行っても良いし、行わなくても良い。さらに、再加熱後は炉冷／放冷／急冷のいずれを選択して冷却しても構わない。
【００６５】
本発明の製造方法においては、加速冷却後に直ちに再加熱を行うため、加速冷却装置と加熱装置は同一ライン上にレイアウトされていること、すなわちオンラインであることが好ましい。加熱方式は昇温速度が達成されれば誘導加熱雰囲気加熱などどのようなものでも構わない。
【００６６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらに限られるものではない。
【００６７】
供試鋼として表１に示す組成を有する鋼を用意した。これらの供試鋼を溶製し、得られた鋼片に所定の圧延、冷却、及びオンラインでの熱処理を施し、板厚１２〜１００ｍｍの鋼板とした。このときの鋼板の製造条件として、加熱温度、Ａｒ３点以上での累積圧下率、圧延仕上げ温度、冷却プロセス、放冷または徐冷を行った温度域、放冷または徐冷時の冷却速度、放冷または徐冷を行った時間、加速冷却の停止温度、加速冷却時の冷却速度、再加熱時の昇温速度、再加熱により達した温度を表２に示す。なお、表２中の冷却プロセスにおける▲１▼〜▲４▼は、図１中のプロセスに対応する。
【００６８】
得られた鋼板の金属組織について以下のような調査を行った。
【００６９】
鋼板の板厚の１／４の位置（板厚２５ｍｍ未満は板厚の１／２の位置）を光学顕微鏡によって観察することにより金属組織を特定するとともに、画像解析装置を用いてフェライト／ベイナイト混合組織中のフェライトの体積分率を求めた。また、ＪＩＳ　Ｇ　０５５２に規定されている切断法に従いフェライト粒径の測定を行った。
【００７０】
さらに、鋼板の板厚の１／４の位置（板厚２５ｍｍ未満は板厚の１／２の位置）において、試験力０．０９８０７Ｎのマイクロビッカース硬度計を用い、フェライト、ベイナイト各々で各１０点のビッカース硬度を測定し、その平均値を求めた。このようにして得られたフェライトのビッカース硬度の平均値をベイナイトのビッカース硬度の平均値で除してビッカース硬度比を求めた。
【００７１】
ベイナイトが得られず、フェライト／マルテンサイト混合組織またはフェライト／パーライト混合組織となった鋼板に関しては、ベイナイトの代わりにマルテンサイトまたはパーライトに対するフェライト分率およびビッカース硬度比を求めた。
【００７２】
これらの結果を表３に示す。
【００７３】
さらに、これらの鋼板について以下のように強度、靭性、溶接性、耐候性についての評価を行った。
【００７４】
強度は、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１に規定されている引張強度試験方法に準拠して、板厚の１／４の位置（板厚２５ｍｍ未満は板厚の１／２の位置）で圧延方向に対して直角方向に採取した丸棒試験片（１４ｍｍφ×ＧＬ５０ｍｍおよび１０ｍｍφ×ＧＬ３５ｍｍ）を用いて評価した。ここでは、上降伏点（ＹＳ）もしくは０．２％耐力が４８０ＭＰａ以上となるものを合格とした。また、得られた引張強度（ＴＳ）が５７０ＭＰａ以上、降伏比（ＹＲ）が８５％以上となるものをそれぞれ合格とした。
【００７５】
靭性は、ＪＩＳ　Ｚ　２２０２に規定されているＶノッチ試験片を板厚の１／４の位置（板厚２５ｍｍ未満は板厚の１／２の位置）で圧延方向と平行方向に採取してシャルピー衝撃試験により評価した。ここでは、延性／脆性破面遷移温度（ｖＴｓ）がマイナス３０℃以下となるものを合格とした。
【００７６】
溶接性は、ＪＩＳ　Ｚ　３１５８の規定に準拠して、温度２０℃、湿度６０％の雰囲気下で予熱温度２５℃としたｙ形溶接割れ試験を行い評価した。ここでは、割れの生じなかったものを合格とした。
【００７７】
耐候性は、表１に示すＤ，Ｆ，Ｊの鋼種を用いて製造した鋼板に関して、板厚の１／４の位置より採取した幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの板状試験片を用い、国内臨界工業地域にて３年間の大気暴露試験を行い評価した。ここでは、片面腐食減量が０．３ｍｍ以下となるものを合格とした。
【００７８】
以上の評価結果を表４、表５に示す。
【００７９】
【表１】
2004107714.tif 000003
【００８０】
【表２−１】
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【００８１】
【表２−２】
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【００８２】
【表３】
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【００８３】
【表４】
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【００８４】
【表５】
2004107714.tif 000008
【００８５】
本発明に規定の成分および製造方法を採用し、また本発明に規定の組織とした実施例１〜７，２３〜２５の鋼板は、いずれも降伏点が４８０ＭＰａ以上、引張強度が５７０ＭＰａ以上、降伏比が８５％以上、延性／脆性破面遷移温度がマイナス３０℃以下であり、ｙ形溶接割れ試験にて割れが認められなかった。加えて、実施例２３〜２５の鋼板に関しては優れた耐候性をも兼ね備えていた。
【００８６】
このように、本発明に規定の成分および組織とすることで、また本発明に規定の製造方法を採用することで、高降伏強度化（高降伏比化）、高靭性化に適した組織を有する鋼材が得られ、しかも低成分系のため溶接性にも優れる鋼材が得られる。また、必要に応じて耐候性も兼ね備えた鋼材を製造することが可能となる。
【００８７】
これに対し比較例８は、ＶとＮｂの添加を行わなかった鋼種Ｋを用いたものであり、比較例９は、Ｖのみを添加しＮｂの添加を行わなかった鋼種Ｌを用いたものである。これらの鋼板は、いずれもＶ，Ｎｂ炭窒化物の析出によるフェライトの強化が図られなかったため、フェライトの硬度が１６０を下回り、ベイナイトとの硬度比が０．６を下回った。このため、比較例８，９の鋼板はいずれも降伏強度、引張強度とも低く、降伏比も低かった。
【００８８】
比較例１０は、Ｃ，Ｓｉ含有量、ＰＣＭ値が本発明の上限を超える鋼種Ｍを用いた鋼板であり、靭性が低く、溶接性が低位にあった。
【００８９】
比較例１１は、Ｐ，Ｓ含有量が本発明の上限を超える鋼種Ｎを用いた鋼板であり、靭性が低かった。
【００９０】
比較例１２は、加熱温度が１３００℃を超え、得られた鋼板のフェライト粒径が２０μｍを超えたものである。この鋼板は、降伏強度および降伏比とも低く、靭性も劣化した。
【００９１】
比較例１３は、圧延後に室温まで放冷し、加速冷却を行わなかったものであり、比較例１４は、室温まで放冷し、加速冷却を行わなかったものである。これらの鋼板はいずれも金属組織がフェライト／パーライト混合組織となり、フェライト分率が８０％を超えた。このため、比較例１３，１４の鋼板はいずれも降伏強度および引張強度が低かった。
【００９２】
比較例１５は、徐冷時間が５秒を下回り、得られた鋼板のフェライト分率が２０％に満たなかったものである。この鋼板は、降伏強度、降伏比ともに低かった。
【００９３】
比較例１６は、放冷を行った温度がＡｒ３点−２００℃を下回ったものであり、比較例１７は、徐冷時の冷却速度が４℃／秒を上回ったものである。これらの鋼板はいずれも金属組織がベイナイト主体であった。このため、比較例１６，１７の鋼板はいずれも降伏強度、降伏比ともに低かった。
【００９４】
比較例１８は、加速冷却の停止温度が３００℃を下回り、得られた鋼板の金属組織がフェライト／マルテンサイト混合組織となり、フェライトとマルテンサイトとの硬度比が０．６を下回ったものである。この鋼板は、降伏強度、降伏比ともに低く、靭性も低かった。
【００９５】
比較例１９は、再加熱時の昇温速度が０．５℃／秒を下回ったものであり、比較例２０は、再加熱を行わなかったものであり、比較例２１は、再加熱温度が５００℃を下回ったものである。これらの鋼板はいずれもフェライトの硬度が１６０未満、ベイナイトとの硬度比が０．６未満であった。このため、比較例１９，２０，２１の鋼板は、降伏強度、降伏比ともに低く、しかもベイナイトの焼戻しが十分になされなかったために靭性も劣った。
【００９６】
比較例２２は、再加熱温度がＡｃ１点以上であり、得られた鋼板の金属組織がベイナイト主体であって島状マルテンサイトが大量に生成した。この鋼板は、降伏強度、降伏比ともに低く、靭性も劣った。
【００９７】
比較例２６は、累積圧下率が５０％に満たなかったものであり、得られた鋼板のフェライト粒径が２０μｍを超えたものである。この鋼板は、降伏強度および降伏比とも低く、靭性も劣化した。
【００９８】
比較例２７は、加速冷却停止温度が６００℃を超え、得られた鋼板の金属組織がフェライト／パーライト混合組織であり、フェライト分率が８０％を超えたものである。この鋼板は、降伏強度、引張強度が低かった。
【００９９】
【発明の効果】
以上示したように本発明に従えば、特殊な工程や多量の合金元素の添加を必要とせずに、４８０ＭＰａ以上の降伏点を有する高張力鋼材を製造することが可能である。また、本発明の鋼材は優れた靭性、溶接性および耐候性をも兼ね備え得る。
【０１００】
さらに、本発明の製造方法はオンラインでの加速冷却−再加熱プロセスであるため、効率的に上記鋼材を生産することが可能である。したがって、橋梁に代表されるような溶接構造物の主要部材に適用するために十分な機械的特性を有する鋼材を短納期で、安価に提供することが出来る。
【０１０１】
以上詳述したように本発明によれば、４８０ＭＰａ以上の高降伏強度を有し、かつ靭性および溶接性に優れた鋼材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却・加速冷却工程および再加熱工程を説明するための熱履歴線図。
【図１】
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