(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．０１〜０．２％（「質量％」の意味。以下同じ）、
Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：２．５％以下（０％を含まない）、および
Ｎ  ：０．０１％以下（０％を含まない）を含み、
Ｐ  ：０．０２％以下（０％を含む）、
Ｓ  ：０．０１５％以下（０％を含む）、および
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含む）を満足すると共に、
更に、
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％およびＣａ：０．０００３〜０．０２％と、
Ｚｒ：０．００１〜０．０５％を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である鋼材であり、且つ
最大径が０．２μｍ以上の介在物を少なくとも１００個分析し、分析介在物に含まれるＡｌ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、及びＲＥＭの各元素濃度と酸素含量を定量し、この酸素含量が５％以上の介在物を前記各元素の酸化物とするとき、
ＲＥＭの酸化物およびＣａＯと、ＺｒＯ2を含有し、
前記酸化物に含まれる前記各分析元素を単独酸化物に換算して個々の酸化物の組成を算出し、この個々の酸化物についての定量結果から酸化物の平均組成を求めたとき、
ＲＥＭの酸化物、ＣａＯ、ＺｒＯ2及びＴｉ酸化物の合計量が６８．８％以上であることを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材。
【請求項２】
前記ＲＥＭの酸化物およびＣａＯの合計が５％以上で、前記ＺｒＯ2が５％以上を満足するものである請求項１に記載の鋼材。
【請求項３】
前記鋼材が、更に他の元素として、Ｔｉ：０．０８％以下（０％を含まない）を含むと共に、酸化物としてＴｉ酸化物を含有するものである請求項１または２に記載の鋼材。
【請求項４】
前記Ｔｉ酸化物が０．３％以上を満足するものである請求項３に記載の鋼材。
【請求項５】
前記鋼材が、更に他の元素として、
Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、
Ｖ  ：０．１％以下（０％を含まない）、および
Ｂ  ：０．００５％以下（０％を含まない）
よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含むものである請求項１〜４のいずれかに記載の鋼材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の鋼材を製造する方法であって、
溶存酸素量を０．００２０〜０．０１０％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａと、Ｚｒを添加することを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製法。
【請求項７】
請求項３〜５のいずれかに記載の鋼材を製造する方法であって、
溶存酸素量を０．００２０〜０．０１０％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａと、ＴｉとＺｒを添加することを特徴とする溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材の製法。
【請求項８】
上記溶存酸素量を調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａとＺｒを添加するに先立って、Ｔｉを添加する請求項７に記載の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁や高層建造物、船舶などに使用される鋼材を溶接するにあたり、熱影響を受ける部位（以下、「溶接熱影響部」または「ＨＡＺ」ということがある）での靭性を改善した鋼材およびその製法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
橋梁や高層建造物、船舶などに使用される鋼材に要求される特性は、近年益々厳しくなっており、とりわけ良好な靭性が求められている。これらの鋼材は、一般的に溶接にて接合されることが多いが、特にＨＡＺは溶接時に熱影響を受けて靭性が劣化しやすいという問題がある。この靭性劣化は溶接時の入熱量が大きくなるほど顕著に現れ、その原因は溶接時の入熱量が大きくなるとＨＡＺの冷却速度が遅くなり、焼入性が低下して粗大な島状マルテンサイトを生成することにあると考えられている。従ってＨＡＺの靭性を改善するには、溶接時の入熱量を極力抑えればよい。その一方で、溶接作業効率を高めるうえでは、例えばエレクトロガスアーク溶接法やフラックス−銅バッキング溶接法などの大入熱溶接法の採用が望まれる。
【０００３】
そこで大入熱溶接法を採用した場合でもＨＡＺ靭性の劣化を抑制する鋼材が既に提案されている。例えば特許文献１には、鋼材中に微細なＴｉＮを分散再析出させることで、大入熱溶接を行なったときのＨＡＺで生じるオーステナイト粒の粗大化を抑制し、ＨＡＺ靭性の劣化を抑えた鋼材が提案されている。しかし本発明者らが検討したところ、溶接金属が１４００℃以上の高温になると、ＨＡＺのうち特に溶接金属に近接した部位（以下、「ボンド部」ということがある）において溶接時に受ける熱によって上記ＴｉＮが固溶消失してしまい、靭性劣化を抑えることができないことが分かった。
【０００４】
一方、特許文献２には、母材とＨＡＺの靭性を向上させる技術として、鋼材に含まれる酸化物と窒化物の存在形態を制御することが開示されている。この文献には、ＴｉとＺｒを組み合わせて使用することにより、微細な酸化物と窒化物を生成させて母材とＨＡＺの靭性を向上させること、こうした微細な酸化物と窒化物を生成させるには、ＴｉとＺｒをこの順で添加すればよいことが開示されている。しかし本発明者らが検討したところ、ＨＡＺの靭性を更に高めるには、酸化物量を増やせばよいことが判明したが、上記特許文献２に開示されている技術において、酸化物量を増やすためにＴｉやＺｒを多量に添加すると、ＴｉやＺｒなどの炭化物を形成し、鋼材（母材）の靭性が却って低下することが分かった。
【０００５】
ところで本発明者らは、溶接時に高温の熱影響を受けた場合でもＨＡＺの靭性が劣化しない鋼材を特許文献３に先に提案している。この鋼材は、Ｌａ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物やＣｅ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物、Ｌａ2Ｏ3−Ｃｅ2Ｏ3−ＳｉＯ2系酸化物などの複合酸化物を鋼材中に分散させたものであり、この複合酸化物は、溶鋼中では液状で存在するため鋼中に微細分散し、しかも溶接時には熱影響を受けても固溶消失しないため、ＨＡＺの靭性を向上させる。そしてこの文献には、上記複合酸化物を生成させるために、溶存酸素量を調整した溶鋼へＬａやＣｅを添加し、次いでＳｉを添加すればよいことを開示している。また、この文献には鋼材にＴｉを含有させて鋼材組織中にＴｉＮを析出させることによってＨＡＺの靭性を更に高めることを開示している。そしてこうしたＴｉＮを生成させるには、上記複合酸化物が生成した溶鋼へＴｉを添加すればよいことを開示している。
【特許文献１】特公昭５５−２６１６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１３３６６号公報
【特許文献３】特開２００５−４８２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、特許文献３として先に開示した技術に対して、上記組成の複合酸化物以外の組成の酸化物に注目し、上記特許文献３とは異なる組成の酸化物を鋼材中に分散させることによってＨＡＺの靭性を高めることができないかについて検討を重ねた。即ち、本発明の目的は、上記特許文献３で提案した鋼材とは異なる組成の酸化物を鋼材中に分散させることによって、ＨＡＺ（溶接熱影響部）の靭性に優れた鋼材およびその製法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記特許文献３で提案した成分系とは異なる組成の鋼材について、溶接熱影響部の靭性を高めるべく検討を重ねてきた。その結果、ＲＥＭおよび／またはＣａと、Ｚｒを鋼材に複合添加することによって、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2が含有するように調整すれば、溶接熱影響部の靭性を高めることができること、またこうした成分系に更にＴｉを複合添加することによって、前記鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、Ｔｉ酸化物を含有するように調整すれば、溶接熱影響部の靭性が一層向上することを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
即ち、上記課題を解決することのできた本発明に係る鋼材とは、Ｃ：０．０１〜０．２％（「質量％」の意味。以下同じ）、Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２．５％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０１％以下（０％を含まない）を含み、Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）、Ｓ：０．０１５％以下（０％を含む）、およびＡｌ：０．０１％以下（０％を含む）を満足すると共に、更に、ＲＥＭ：０．００１〜０．１％および／またはＣａ：０．０００３〜０．０２％と、Ｚｒ：０．００１〜０．０５％を夫々含有し、且つ該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、酸化物としてＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有する点に要旨を有する。
【０００９】
前記鋼材は、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定し、合計を１００％としたときに、ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯの合計が５％以上で、ＺｒＯ2が５％以上を満足することが好ましい。
【００１０】
前記鋼材は、更に他の元素として、Ｔｉ：０．０８％以下（０％を含まない）を含むと共に、前記鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、Ｔｉ酸化物を含有することが好ましく、Ｔｉを含むことによって溶接熱影響部の靭性を一層向上させることができる。前記鋼材がＴｉを含む場合には、全酸化物の組成を測定したときに、酸化物としてＴｉ酸化物が０．３％以上を満足することが好ましい。
【００１１】
前記鋼材は、更に他の元素として、Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素を含むものが好ましく、こうした元素を含有することで母材の強度を高めることができる。なお、前記鋼材の残部は、Ｆｅおよび不可避不純物であってもよい。
【００１２】
本発明に係る鋼材は、例えば溶存酸素量を０．００２０〜０．０１０％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とＺｒを添加すれば製造できる。上記鋼材が特にＴｉを含む場合には、溶存酸素量を０．００２０〜０．０１０％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、ＴｉとＺｒを添加することが好ましい。この場合には、上記溶存酸素量を調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とＺｒを添加するに先立って、Ｔｉを添加することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＲＥＭおよび／またはＣａと、Ｚｒを鋼材に複合添加することによって、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有するように調整しているため、上記特許文献３で提案した鋼材とは異なる組成の酸化物を鋼材中に分散させて溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を改善することができる。特に本発明で規定する上記酸化物は、１４００℃レベルの高温に達しても鋼材中に固溶消失しないため、本発明の鋼材を溶接する際に、小〜中入熱溶接に限らず、大入熱溶接においても溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性劣化を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の鋼材は、合金元素として特にＲＥＭおよび／またはＣａと、Ｚｒを夫々含有するところに特徴があり、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、酸化物としてＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有するところに特徴がある。
【００１５】
まず、本発明の鋼材が含有する酸化物について説明する。本発明の鋼材は、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有するものである。鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有することにより、ＲＥＭやＣａ、Ｚｒを夫々単独添加して酸化物を形成し、ＨＡＺの靭性を改善する場合よりも鋼材に対する各元素の添加量を低減することができる。しかも鋼材中に上記酸化物あるいは複合酸化物を鋼材中に組み合わせて含有させれば、鋼材中に含有する全酸化物の絶対量を増大させることができる。従ってＲＥＭやＣａ、Ｚｒを過剰に添加して鋼材（母材）の靭性劣化の原因となるＲＥＭの硫化物やＣａの硫化物、或いはＺｒの炭化物が生成するのを防止できるため、母材の靭性劣化を抑えつつＨＡＺの靭性を向上させることができる。
【００１６】
また、後記の実施例から明らかなように、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを添加する直前の溶存酸素量を適切に制御すれば、ＲＥＭやＣａ、Ｚｒの添加量をある程度多くしても酸化物を確実に形成させることができるため、ＲＥＭの硫化物やＣａの硫化物、或いはＺｒの炭化物が生成することはない。そしてこうした酸化物は、溶接時に熱影響を受けて１４００℃レベルの高温になっても固溶消失しないため、溶接時のＨＡＺにおいてオーステナイト粒の粗大化を防止することができ、その結果としてＨＡＺの靭性劣化を防止できる。
【００１７】
本発明の鋼材は、（ａ）ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有するか、あるいは（ｂ）ＲＥＭおよび／またはＣａと、Ｚｒを含む複合酸化物を含有するか、（ｃ）ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有すると共に、ＲＥＭおよび／またはＣａと、Ｚｒを含む複合酸化物を含有するものであればよい。ＲＥＭおよび／またはＣａと、Ｚｒを含む複合酸化物とは、例えばＲＥＭとＺｒを含む複合酸化物、ＣａとＺｒを含む複合酸化物、ＲＥＭとＣａとＺｒを含む複合酸化物などが挙げられる。
【００１８】
本発明の鋼材は、上述した酸化物の他に、更にＴｉ酸化物を含有することが好ましい。即ち、前記鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、Ｔｉ2Ｏ3やＴｉ3Ｏ5，ＴｉＯ2を含有するものであればよい。Ｔｉ酸化物を含有することで、鋼材中に分散する酸化物量を更に増大させることができるため、ＨＡＺの靭性を一層向上させることができる。
【００１９】
上記Ｔｉ酸化物は、鋼材中に単独酸化物（Ｔｉ2Ｏ3やＴｉ3Ｏ5，ＴｉＯ2）として含有されていてもよいし、例えば上記複合酸化物（即ち、ＲＥＭとＺｒを含む複合酸化物、ＣａとＺｒを含む複合酸化物、ＲＥＭとＣａとＺｒを含む複合酸化物）に包含されて複合酸化物として含有されていてもよい。
【００２０】
上記鋼材は、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定し、合計を１００％としたときに、ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯの合計が５％以上で、ＺｒＯ2が５％以上を満足することが好ましい。この理由はＨＡＺの靭性向上に寄与する酸化物量を確保するためである。ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯの合計は１０％以上であることが好ましく、より好ましくは１５％以上、更に好ましくは２０％以上である。一方、ＺｒＯ2は１０％以上であることが好ましく、より好ましくは１５％以上、更に好ましくは２０％以上である。
【００２１】
上記鋼材がＴｉ酸化物を含有する場合は、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、Ｔｉ酸化物が０．３％以上を満足することが好ましい。より好ましくは１％以上、更に好ましくは３％以上、特に好ましくは５％以上、最も好ましくは１０％以上である。なお、Ｔｉ酸化物は、鋼材中でＴｉ2Ｏ3やＴｉ3Ｏ5，ＴｉＯ2として存在するが、鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定し、全てのＴｉ酸化物をＴｉ2Ｏ3として換算した値が、上記範囲を満足していればよい。
【００２２】
本発明の鋼材は、該鋼材に含まれる全酸化物の組成を測定したときに、ＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2およびＴｉ酸化物（Ｔｉ2Ｏ3）の合計が５５％以上である。これらの酸化物の合計が５５％未満では、ＨＡＺの靭性向上に寄与する酸化物量が不足し、ＨＡＺの靭性を充分に改善できない。より好ましくは６０％以上、更に好ましくは６５％以上である。
【００２３】
なお、全酸化物の組成の残りの成分は特に限定されないが、例えばＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3、ＭｎＯであればよい。ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3、ＭｎＯ以外の「その他」の成分は５％未満であることが好ましい。
【００２４】
鋼材に含まれる酸化物の組成は、鋼材の断面を例えばＥＰＭＡ（Electron Probe X-ray Micro Analyzer；電子線マイクロプローブＸ線分析計）で観察し、観察視野内に認められる介在物を定量分析すれば測定できる。ＥＰＭＡの観察は、例えば加速電圧を２０ｋＶ，試料電流を０．０１μＡ，観察視野面積を１〜５ｃｍ2とし、介在物の中央部での組成を特性Ｘ線の波長分散分光により定量分析する。
【００２５】
分析対象とする介在物の大きさは、最大径が０．２μｍ以上のものとし、分析個数は少なくとも１００個とする。
【００２６】
分析対象元素は、Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃａ，Ｌａ，ＣｅおよびＯとし、既知物質を用いて各元素のＸ線強度と元素濃度の関係を予め検量線として求めておき、分析対象とする介在物から得られたＸ線強度と前記検量線から分析対象とする介在物に含まれる元素濃度を定量し、酸素含量が５％以上の介在物を酸化物とする。但し、一つの介在物から複数の元素が観測された場合には、それらの元素の存在を示すＸ線強度の比から各元素の単独酸化物に換算して酸化物の組成を算出する。そして本発明の鋼材では、こうして個々の酸化物について得られた定量結果を平均したものを酸化物の平均組成とする。
【００２７】
次に、本発明の鋼材（母材）における成分組成について説明する。本発明の鋼材は、ＲＥＭ：０．００１〜０．１％および／またはＣａ：０．０００３〜０．０２％と、Ｚｒ：０．００１〜０．０５％を含有するところに特徴がある。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。
【００２８】
ＲＥＭ、ＣａおよびＺｒは、鋼材中にＲＥＭの酸化物やＣａＯ、ＺｒＯ2、或いは複合酸化物を形成してＨＡＺの靭性向上に寄与する元素である。本発明の鋼材では、ＲＥＭとＣａは夫々単独で、或いは併用できる。
【００２９】
ＲＥＭは、０．００１％以上含有させるべきであり、好ましくは０．００６％以上、より好ましくは０．０１０％以上である。しかし過剰に添加すると、ＲＥＭの硫化物が生成して母材の靭性が劣化するため、０．１％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０９％以下であり、より好ましくは０．０８％以下とする。なお、本発明において、ＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｎまでの１５元素）およびＳｃ（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味であり、これらの元素のなかでも、Ｌａ、ＣｅおよびＹよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有することが好ましく、より好ましくはＬａおよび／またはＣｅを含有するのがよい。
【００３０】
Ｃａは、０．０００３％以上含有させるべきであり、好ましくは０．０００５％以上、より好ましくは０．０００８％以上である。しかし過剰に添加すると、粗大なＣａの硫化物が生成して母材の靭性が劣化するため、０．０２％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１％以下とする。
【００３１】
Ｚｒは、０．００１％以上含有させるべきであり、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００５％以上である。しかし過剰に添加すると、粗大なＺｒの炭化物が生成して母材の靭性が劣化するため、０．０５％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３％以下とする。
【００３２】
本発明の鋼材は、ＲＥＭおよび／またはＣａと、Ｚｒを含むほか、基本元素として、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２．５％以下（０％を含まない）およびＮ：０．０１％以下（０％を含まない）を含むものである。このような範囲を定めた理由は以下の通りである。
【００３３】
Ｃは、鋼材（母材）の強度を確保するために欠くことのできない元素であり、こうした効果を発揮させるには、０．０１％以上含有させる必要がある。Ｃは、０．０２％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０３％以上とする。しかし０．２％を超えると、溶接時にＨＡＺに島状マルテンサイトを多く生成してＨＡＺの靭性劣化を招くばかりでなく、溶接性にも悪影響を及ぼす。従ってＣは０．２％以下、好ましくは０．１８％以下、より好ましくは０．１５％以下に抑える必要がある。
【００３４】
Ｓｉは、脱酸作用を有すると共に鋼材（母材）の強度向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、０．０２％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．１％以上含有させるのがよい。しかし０．５％を超えると、鋼材（母材）の溶接性や母材靭性が劣化するため、０．５％以下に抑える必要がある。好ましくは０．４５％以下であり、より好ましくは０．４％以下に抑える。なお、ＨＡＺに高靭性が求められる場合には、Ｓｉは０．３％以下に抑えるのがよい。より好ましくは０．０５％以下であり、更に好ましくは０．０１％以下である。但し、このようにＳｉ含有量を抑えるとＨＡＺの靭性は向上するが、強度は低下する傾向がある。
【００３５】
Ｍｎは、鋼材（母材）の強度向上に寄与する元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには、０．５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．７％以上、更に好ましくは０．８％以上含有させるのがよい。しかし２．５％を超えると、鋼材（母材）の溶接性を劣化させるため２．５％以下に抑える必要がある。好ましくは２．３％以下であり、より好ましくは２％以下に抑えるのがよい。
【００３６】
Ｎは、窒化物（例えば、ＺｒＮやＴｉＮなど）を析出する元素であり、該窒化物は溶接時にＨＡＺに生成するオーステナイト粒の粗大化を防止してフェライト変態を促進するため、ＨＡＺの靭性を向上させるのに寄与する。こうした効果を有効に発揮させるには、０．００２％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．００３％以上である。Ｎは多いほどオーステナイト粒の微細化が促進されるため、ＨＡＺの靭性向上に有効に作用する。しかし０．０１％を超えると、固溶Ｎ量が増大して母材の靭性が劣化する。従ってＮは０．０１％以下に抑える必要があり、好ましくは０．００９％以下、より好ましくは０．００８％以下とする。
【００３７】
本発明の鋼材は、上記元素を含むほか、Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）、Ｓ：０．００８％以下（０％を含む）およびＡｌ：０．０１％以下（０％を含む）を満足するものである。このような範囲を定めた理由は以下の通りである。
【００３８】
Ｐは、偏析し易い元素であり、特に鋼材中の結晶粒界に偏析して靭性を劣化させる。従ってＰは０．０２％以下に抑制する必要があり、好ましくは０．０１８％以下、より好ましくは０．０１５％以下とする。
【００３９】
Ｓは、Ｍｎと結合して硫化物（ＭｎＳ）を生成し、母材の靭性や板厚方向の延性を劣化させる有害な元素である。またＳは、ＬａやＣｅと結合してＬａＳやＣｅＳを生成し、酸化物の生成を阻害する。従ってＳは０．０１５％以下に抑えるべきであり、好ましくは０．０１２％以下、より好ましくは０．００８％以下、特に０．００６％以下とする。
【００４０】
Ａｌは、脱酸力の強い元素であり、過剰に添加すると酸化物を還元して所望の酸化物を生成し難くなる。従ってＡｌは０．０１％以下に抑える必要があり、好ましくは０．００９０％以下、より好ましくは０．００８０％以下とする。
【００４１】
本発明の鋼材は、上記元素を含有するものであるが、更に他の元素として、Ｔｉ：０．０８％以下（０％を含まない）を含むことが好ましい。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。
【００４２】
Ｔｉは、鋼材中にＴｉＮなどの窒化物やＴｉ酸化物を生成してＨＡＺの靭性向上に寄与する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｔｉは０．００５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．００７％以上、更に好ましくは０．０１％以上とする。しかし過剰に添加すると鋼材（母材）の靭性を劣化させるため、０．０８％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０７％以下であり、より好ましくは０．０６％以下とする。
【００４３】
本発明の鋼材は、強度を高めるために、Ｃｕ：２％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：３．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．１％以下（０％を含まない）およびＢ：０．００５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、を含有することも有効である。こうした範囲を定めた理由は以下の通りである。
【００４４】
Ｃｕは、鋼材を固溶強化させる元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには、０．０５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．１％以上であり、更に好ましくは０．２％以上である。特に０．６％以上含有させると、固溶強化のほか、時効析出強化も発揮し、大幅な強度向上が可能となる。しかし２％を超えて含有させると、鋼材（母材）の靭性を低下させるため、Ｃｕは２％以下に抑えるのがよい。好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．６％以下とする。
【００４５】
Ｎｉは、鋼材の強度を高めると共に、鋼材の靭性を向上させるのに有効に作用する元素であり、こうした作用を発揮させるには、０．０５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．１％以上であり、更に好ましくは０．２％以上とする。Ｎｉは多いほど好ましいが、高価な元素であるため経済的観点から３．５％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは３．３％以下であり、更に好ましくは３％以下とする。
【００４６】
Ｃｒを添加して強度を高めるには、０．０１％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。しかし３％を超えると溶接性が劣化するため、Ｃｒは３％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは１．５％以下であり、更に好ましくは１％以下とする。
【００４７】
Ｍｏを添加して強度を高めるには、０．０１％以上含有させるのが望ましい。より好ましくは０．０２％以上であり、更に好ましくは０．０３％以上含有させるのが推奨される。但し、１％を超えると溶接性を悪化させるためＭｏは１％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．９％以下であり、更に好ましくは０．８％以下に抑えるのが推奨される。
【００４８】
Ｎｂを添加して強度を高めるには、０．００５％以上含有させるのが好ましい。より好ましくは０．０１％以上であり、更に好ましくは０．０３％以上である。しかし０．２５％を超えると炭化物（ＮｂＣ）が析出して母材の靭性を劣化させるので、Ｎｂは０．２５％以下に抑えるのが好ましい。より好ましくは０．２３％以下であり、更に好ましくは０．２％以下とする。
【００４９】
Ｖを添加して強度を高めるには、０．００５％以上含有させるのが望ましい。より好ましくは０．０１％以上、更に好ましくは０．０３％以上含有させるのがよい。しかし０．１％を超えると溶接性が悪化する共に、母材の靭性が劣化するため、Ｖは０．１％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．０８％以下、更に好ましくは０．０６％以下に抑えるのがよい。
【００５０】
Ｂは、鋼材の強度を高めると共に、溶接時に加熱されたＨＡＺが冷却される過程において鋼中のＮと結合してＢＮを析出し、オーステナイト粒内からのフェライト変態を促進させる。こうした効果を有効に発揮させるには、０．０００３％以上含有させるのが好ましい。より好ましくは０．０００５％以上であり、更に好ましくは０．０００８％以上とする。しかし０．００５％を超えると鋼材（母材）の靭性を劣化させるためＢは０．００５％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．００４％以下であり、更に好ましくは０．００３％以下とするのがよい。
【００５１】
本発明の鋼材は、上記元素を必須成分として含有するものであり、残部はＦｅおよび不可避不純物（例えば、ＭｇやＡｓ，Ｓｅなど）であってもよい。
【００５２】
次に、本発明の鋼材を製造するに当たり、好適に採用できる製法について説明する。本発明の鋼材は、例えば溶存酸素量を０．００２０〜０．０１０％の範囲に調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを添加すれば製造できる。
【００５３】
即ち、溶存酸素量を適切に制御した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加すれば、所定の酸化物を生成させることができる。このとき上記溶存酸素量が０．００２０％未満では、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加しても、酸素量不足になるため、ＨＡＺの靭性向上に寄与する酸化物量を確保することができず、しかも酸化物を形成できなかったＲＥＭやＣａが硫化物を形成したり、Ｚｒが炭化物を形成して母材の靭性を劣化する。上記元素を複合添加する前の溶存酸素量は、０．００２５％以上に調整することが好ましく、より好ましくは０．００３０％以上である。しかし溶存酸素量が０．０１０％を超えていると、溶鋼中の酸素量が多すぎるため、溶鋼中の酸素と上記元素の反応が激しくなって溶製作業上好ましくないばかりか、粗大なＲＥＭの酸化物やＣａの酸化物と、ＺｒＯ2を生成する。従って溶存酸素量は０．０１０％以下に抑えるべきであり、好ましくは０．００８％以下、より好ましくは０．００７％以下とする。
【００５４】
上記ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加した後は、合金元素を添加して鋼材の成分を調整すればよい。
【００５５】
なお、上記溶存酸素量を調整した溶鋼へ上記元素を添加するに当たっては、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加すればよく、例えばＲＥＭとＣａを複合添加する場合には、（ａ）溶存酸素量を調整した溶鋼へＲＥＭとＣａとＺｒを添加した後、合金元素を添加して鋼材の成分を調整してもよいし、（ｂ）溶存酸素量を調整した溶鋼へＲＥＭ（あるいはＣａ）とＺｒを添加した後、Ｃａ（あるいはＲＥＭ）以外の合金元素を添加して鋼材の成分を調整し、次いでＣａ（あるいはＲＥＭ）を添加してもよい。
【００５６】
上記溶存酸素量を調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加する手順は特に限定されず、例えば（ａ）ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を添加した後に、Ｚｒを添加してもよいし、（ｂ）Ｚｒを添加した後に、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を添加してもよいし、（ｃ）ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを同時に複合添加してもよい。ＲＥＭとＣａを複合添加する場合には、（ｄ）ＲＥＭ（あるいはＣａ）を添加した後に、Ｚｒを添加し、次いでＣａ（あるいはＲＥＭ）を添加してもよいし、（ｅ）ＲＥＭとＣａとＺｒを同時に複合添加してもよい。
【００５７】
本発明の鋼材がＴｉを含む場合におけるＴｉの添加順序は特に限定されず、溶存酸素量を調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加した後に、（ａ）鋼材の成分調整する際に併せてＴｉを添加してもよいし、（ｂ）鋼材の成分調整した後に、Ｔｉを添加してもよい。好ましくは溶存酸素量を調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、ＴｉとＺｒを添加するのが好ましい。この場合には、溶存酸素量を調整した溶鋼へ、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とＺｒを添加するに先立って、Ｔｉを添加するのがよい。溶存酸素量を調整した溶鋼へ、Ｔｉを添加すれば、まずＴｉ酸化物を形成するが、Ｔｉ酸化物は溶鋼との界面エネルギーが小さいため、形成されたＴｉ酸化物のサイズは微細になる。次いでＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加することによってＲＥＭの酸化物やＣａＯ、ＺｒＯ2が、上記Ｔｉ酸化物を生成核として成長するため、結果的に粒子の個数が増大し、オーステナイト粒の粗大化抑制効果が大きくなる。
【００５８】
ところで、転炉や電気炉で一次精錬された溶鋼中の溶存酸素量は、通常０．０１０％を超えている。そこで本発明の製法では、ＲＥＭおよびＣａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｚｒを複合添加する前、或いはＴｉを添加する前に、溶鋼中の溶存酸素量を上記範囲に調整する必要がある。溶存酸素量を調整する方法としては、例えばＲＨ式脱ガス精錬装置を用いて真空Ｃ脱酸する方法や、ＳｉやＭｎ，Ｔｉ，Ａｌなどの脱酸性元素を添加する方法などが挙げられ、勿論これらの方法を適宜組み合わせて溶存酸素量を調整しても良い。また、ＲＨ式脱ガス精錬装置の代わりに、取鍋加熱式精錬装置や簡易式溶鋼処理設備などを用いて溶存酸素量を調整しても良い。この場合、真空Ｃ脱酸による溶存酸素量の調整はできないため、溶存酸素量の調整にはＳｉ等の脱酸性元素を添加する方法を採用すれば良い。Ｓｉ等の脱酸性元素を添加する方法を採用するときは、転炉から取鍋へ出鋼する際に脱酸性元素を添加しても構わない。
【００５９】
溶鋼へ添加するＲＥＭやＣａ，Ｚｒ，Ｔｉの形態は特に限定されず、例えば、ＲＥＭとして、純Ｌａや純Ｃｅ，純Ｙなど、或いは純Ｃａ，純Ｚｒ，純Ｔｉ、更にはＦｅ−Ｓｉ−Ｌａ合金，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｅ合金，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃａ合金，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｌａ−Ｃｅ合金，Ｆｅ−Ｃａ合金，Ｎｉ−Ｃａ合金などを添加すればよい。また、溶鋼へミッシュメタルを添加してもよい。ミッシュメタルとは、セリウム族希土類元素の混合物であり、具体的には、Ｃｅを４０〜５０％程度，Ｌａを２０〜４０％程度含有している。但し、ミッシュメタルには不純物としてＣａを含むことが多いので、ミッシュメタルがＣａを含む場合は本発明で規定する範囲を満足する必要がある。
【００６０】
こうして成分調製して得られた溶鋼は、常法に従って連続鋳造してスラブとした後、常法に従って熱間圧延すればよい。
【００６１】
こうして得られた本発明に係る鋼材は、例えば橋梁や高層建造物、船舶などの構造物の材料として使用でき、小〜中入熱溶接はもとより、大入熱溶接においても溶接熱影響部の靭性劣化を防ぐことができる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６３】
実験例１
溶銑を２４０トン転炉で一次精錬した後、該転炉から取鍋へ出鋼し、成分調整および温度調整しながら二次精錬を行った。ここで、取鍋では、下記表１に示す脱酸方法で、下記表１に示す溶存酸素量に調整した。その後、下記表１に示す順序で元素を添加した。次いで必要に応じて残りの合金元素を添加して最終的に下記表２に示す組成に調整した。なお、二次精錬にはＲＨ式脱ガス精錬装置等を用いて脱Ｈや脱Ｓなどを行なった。
【００６４】
下記表１に成分調整の手順、脱酸方法、溶存酸素量を夫々示す。また下記表２には、成分調整後の鋼材の成分組成を示す。なお、下記表１において、ＬａはＦｅ−Ｌａ合金の形態で、ＣｅはＦｅ−Ｃｅ合金の形態で、ＲＥＭはＬａを５０％程度とＣｅを２５％程度含有するミッシュメタルの形態で、ＣａはＮｉ−Ｃａ合金、またはＣａ−Ｓｉ合金、またはＦｅ−Ｃａ圧粉体の形態で、ＺｒはＺｒ単体で、ＴｉはＦｅ−Ｔｉ合金の形態で、夫々添加した。但し、下記表２中「−」は元素を添加していないことを示している。また「未満」は元素を添加していないが不可避的に含まれていたため、定量限界以下の範囲で検出されたことを意味している。
【００６５】
【表１】
0004825057.tif 000002
【００６６】
【表２】
0004825057.tif 000003
【００６７】
成分調整後の溶鋼を、連続鋳造機でスラブに鋳造し、該スラブのＤ／４（但し、Ｄはスラブの厚み）位置における横断面からサンプルを切り出した。切り出されたサンプル表面を島津製作所製「ＥＰＭＡ−８７０５（装置名）」を用いて６００倍で観察し、最大径が０．２μｍ以上の析出物について成分組成を定量分析した。観察条件は、加速電圧を２０ｋＶ，試料電流を０．０１μＡ，観察視野面積を１〜５ｃｍ2，分析個数を１００個とし、特性Ｘ線の波長分散分光により析出物中央部での成分組成を定量分析した。分析対象元素は、Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃａ，Ｌａ，ＣｅおよびＯとし、既知物質を用いて各元素の電子線強度と元素濃度の関係を予め検量線として求めておき、次いで、前記析出物から得られた電子線強度と前記検量線からその析出物の元素濃度を定量した。
【００６８】
得られた定量結果のうち酸素含量が５％以上の析出物を酸化物とし、平均したものを酸化物の平均組成とした。全酸化物の平均組成を下記表３に示した。なお、Ｔｉ酸化物およびＲＥＭの酸化物は、金属元素をＭで表すと、鋼材中にＭ2Ｏ3やＭ3Ｏ5，ＭＯ2の形態で存在するが、全ての酸化物をＭ2Ｏ3に換算し、組成を測定した。また、一つの介在物から複数の元素が観測された場合には、それらの元素の存在を示すＸ線強度の比から各元素の単独酸化物に換算して酸化物の組成を算出した。
【００６９】
上記サンプル表面をＥＰＭＡで観察した結果、観察された酸化物は、ＲＥＭおよび／またはＣａとＺｒを含む複合酸化物、或いは更にＴｉを含む複合酸化物が大半であったが、単独酸化物としてＲＥＭの酸化物、ＣａＯ、ＺｒＯ2、Ｔｉ2Ｏ3も生成していた。
【００７０】
次に、溶接時に熱影響を受けるＨＡＺの靭性を評価するために、大入熱溶接を模擬して下記に示す溶接再現試験を行なった。溶接再現試験は、スラブから切り出したサンプル全体が１４００℃になる様に加熱し、この温度で５秒間保持した後、冷却して行った。冷却速度は、８００℃から５００℃への冷却時間が３００秒となるように調整した。
【００７１】
冷却後のサンプルの衝撃特性は、Ｖノッチシャルピー試験して−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ-40）を測定して評価した。ｖＥ-40が１５０Ｊ以上のものを合格（ＨＡＺ靭性良好）とする。測定結果を下記表３に示す。
【００７２】
【表３】
0004825057.tif 000004
【００７３】
表２〜３から次のように考察できる。Ｎｏ．１〜１４は、本発明で規定する要件を満足する例であり、鋼材にＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2を含有しているため、溶接熱影響部の靭性が良好な鋼材が得られている。特に、Ｎｏ．１０〜１４は、鋼材中にＣｅ2Ｏ3やＬａ2Ｏ3および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2、更にはＴｉ2Ｏ3が生成しているため、溶接熱影響部の靭性が格段に向上している。
【００７４】
一方、Ｎｏ．１５〜２３は、本発明で規定するいずれかの要件を外れる例である。特に、Ｎｏ．１５〜２２は、鋼材にＲＥＭの酸化物および／またはＣａＯと、ＺｒＯ2の何れか一方を含有していないため、溶接熱影響部の靭性が劣っている。Ｎｏ．２３は、Ｍｎ量が本発明で規定する範囲から外れており、また溶存酸素量も少ない。
【００７５】
実験例２
上記実験例１で得られたＮｏ．６，１２，１９のスラブを、熱間圧延して厚み３０ｍｍの鋼板を得た。
【００７６】
得られた鋼板の圧延方向に対して垂直な断面を、島津製作所製「ＥＰＭＡ−８７０５（装置名）」を用いて６００倍で観察し、最大径が０．２μｍ以上の析出物の成分組成を定量分析した。観察条件は、加速電圧を２０ｋＶ，試料電流を０．０１μＡ，観察視野面積を３〜５ｃｍ2，分析個数を１００個とし、特性Ｘ線の波長分散分光により析出物中央部での成分組成を上記実験例１と同じ手順で定量分析した。なお、観察位置は、鋼板のＤ／４（但し、Ｄは鋼板の厚み）位置とした。
【００７７】
得られた定量結果のうち酸素含量が５％以上の析出物を酸化物とし、平均したものを酸化物の平均組成とした。全酸化物の平均組成を下記表４に示した。なお、一つの介在物から複数の元素が観測された場合には、それらの元素の存在を示すＸ線強度の比から各元素の単独酸化物に換算して酸化物の組成を算出した。
【００７８】
ＥＰＭＡで観察した結果、観察された酸化物は、ＲＥＭおよび／またはＣａとＺｒを含む複合酸化物、或いは更にＴｉを含む複合酸化物が大半であったが、単独酸化物としてＲＥＭの酸化物、ＣａＯ、ＺｒＯ2、Ｔｉ2Ｏ3も生成していた。
【００７９】
次に、溶接時に熱影響を受けるＨＡＺの靭性を評価するために、大入熱溶接を模擬して下記に示す溶接再現試験を行なった。溶接再現試験は、上記鋼板から切り出した試験片を、全体が１４００℃になる様に加熱し、この温度で５秒間保持した後、冷却して行った。冷却速度は、８００℃から５００℃への冷却時間が３００秒となるように調整した。
【００８０】
冷却後の試験片の衝撃特性は、Ｖノッチシャルピー試験して−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ-40）を測定して評価した。ｖＥ-40が１５０Ｊ以上のものを合格（ＨＡＺ靭性良好）とする。測定結果を下記表４に示す。
【００８１】
下記表４と上記表３から明らかなように、鋼板から切り出した試験片の衝撃特性は、スラブから切り出したサンプルの衝撃特性とほぼ同程度であり、熱間圧延してもＨＡＺ靭性は変化しないことが分かる。
【００８２】
【表４】
0004825057.tif 000005