(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００６ｍａｓｓ％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、フェライト組織の体積率が９５％以上の金属組織を有し、表層の硬度がＨｖで９５未満であることを特徴とする板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板。
【請求項２】
さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％のうち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に記載の板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板。
【請求項３】
さらに、Ｃａ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成分組成を有するスラブを熱間圧延後、８７０℃以上、９８０℃以下の温度に再加熱して焼入処理を行い、７００℃超え、７３０℃以下の温度で焼戻し処理して表層の硬度をＨｖで９５未満にすることを特徴とする板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成分組成のスラブを熱間圧延後、８７０℃以上の温度から直接焼入れを行い、７００℃超え、７３０℃以下の温度で焼戻し処理して表層の硬度をＨｖで９５未満にすることを特徴とする板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震等による振動のエネルギーを優先的に吸収して鋼構造物の耐震性を向上するためのデバイス（制震ダンパー）に用いる鋼材として好適な２２５±２０Ｎ／ｍｍ2と低く、かつばらつき範囲の狭い降伏強度を有する、板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築構造物の耐震性を向上する方法として、変形能力に優れた低降伏点厚鋼板である、降伏点が低く、そのばらつき範囲が狭い鋼材を地震エネルギーの吸収デバイス（制震ダンパー）として構造物の一部に組み込み、優先的な塑性変形によってエネルギーを吸収する方法が用いられている。また、低降伏点厚鋼板は、近年では高層建築構造物だけでなく、橋梁やプラント設備への適用が検討されており、従来の建築構造物には板厚２５ｍｍ程度までの厚鋼板が用いられていたが、橋梁やプラント設備等の大型構造物にも展開できるように降伏軸力の増大や軸剛性の設計自由度を大きくする為、板厚３０ｍｍ以上の低降伏点厚鋼板が要求されている。
【０００３】
上記のような低降伏点鋼板として、純鉄に近い成分の鋼を焼準処理することにより低降伏点化を実現する技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。しかし、これらはいずれもフェライト粒を粗大にすることにより降伏点を低下させるものであり、Ｃ量自体を０．０１％未満まで低減する必要がある為、製造コストの増大や、粒界強度が低下して粒界破壊が生じ易い為、低温靭性に劣るという問題点があった。制震ダンパーには大地震の際には衝撃的な変形荷重が作用する為、本来の目的である塑性変形前に破壊する可能性があり、制震ダンパー部材に使用される鋼材には、優れた靭性が必要である。
【０００４】
靭性の優れた低降伏点鋼として、Ｃ、Ｔｉ、Ｎ量間の関係を適切に制御することにより、Ｃを極端に低減することなく実効的なＣを低減するとともに、靭性を劣化させる固溶Ｎを低減し、低降伏点化と同時に粗粒フェライト粒でありながら優れた低温靭性を達成する方法が知られている（例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照。）。特許文献３〜特許文献５には、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ等の元素もＣ、Ｎを炭窒化物として固定し、実効的なＣ量を低減する効果を有することが示されている。
【０００５】
また、熱間圧延後に加速冷却を適用することにより、低降伏点と低温靭性を両立させる厚鋼板の製造方法が知られている（例えば、特許文献６参照。）。
【特許文献１】特開平５−３２０７６０号公報
【特許文献２】特開平５−３２０７６１号公報
【特許文献３】特開平１０−１８３２９３号公報
【特許文献４】特開平１１−２２９０７６号公報
【特許文献５】特開２０００−１０９９５３号公報
【特許文献６】特開２０００−２５６７３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献３〜特許文献５に記載の低降伏点鋼では、複数元素の含有量を同時に制御するという点で製鋼工程における負荷、コストが増大するという問題がある。
【０００７】
また、特許文献６に記載の方法では、得られる厚鋼板の板厚は１５〜５０ｍｍ程度とされているが、その実施例での板厚は２５ｍｍであり、板厚が厚いほど靭性が劣化するため、板厚が大きい３０ｍｍ以上の厚鋼板においては靭性が劣化する懸念がある。また延性（伸び値）も５０％程度であり、降伏後の塑性変形能力が制震ダンパー部材としては比較的低いため、更なる優れた延性を有することが望ましい。
【０００８】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、低降伏点化と低温靭性に加えて、高延性を有する板厚３０ｍｍ以上の厚鋼板を、製鋼工程やそれ以降の製造工程で大きな負荷やコストアップなしに実現する、低温靭性（シャルピー破面遷移温度０℃未満）と延性（全伸び７５％以上）に優れた低降伏点厚鋼板およびその製造方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）、Ｃ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００６ｍａｓｓ％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、フェライト組織の体積率が９５％以上の金属組織を有し、表層の硬度がＨｖで９５未満であることを特徴とする板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板。
（２）、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板。
（３）、さらに、Ｃａ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％のうち１種または２種を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板。
（４）、（１）乃至（３）のいずれかに記載の成分組成を有するスラブを熱間圧延後、８７０℃以上、９８０℃以下の温度に再加熱して焼入処理を行い、７００℃超え、７３０℃以下の温度で焼戻し処理して表層の硬度をＨｖで９５未満にすることを特徴とする板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
（５）、（１）乃至（３）のいずれかに記載の成分組成のスラブを熱間圧延後、８７０℃以上の温度から直接焼入れを行い、７００℃超え、７３０℃以下の温度で焼戻し処理して表層の硬度をＨｖで９５未満にすることを特徴とする板厚３０ｍｍ以上の低温靭性と延性に優れた低降伏点厚鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、適切な熱処理条件を設定することにより、全厚試験片における圧延方向（Ｌ方向）、圧延垂直方向（Ｃ方向）において、２２５±２０Ｎ／ｍｍ2の低降伏強度と、０℃未満のシャルピー破面遷移温度、伸び値７５％以上の優れた延性を有する板厚３０ｍｍ以上の厚鋼板が製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
低降伏点鋼の靭性を向上する為には、ＣやＮ等の侵入型元素の含有量を極力少なくして、パーライト等の靭性を劣化させる第２相の生成を抑える方法がある。パーライトは衝撃的な荷重が負荷される際、セメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）とフェライト（α−Ｆｅ）の界面が剥離して破壊の起点となることにより、靭性を低下させる。しかしながら、Ｃの含有量を極端に低減させた場合、合金元素の添加なしではフェライト粒が粗大化し、板厚が厚いほど降伏強度と靭性が顕著に低下してしまう。
【００１２】
また結晶粒を細かくすることにより、靭性を向上させる方法がある。しかしながら、結晶粒の微細化は同時に降伏強度が上昇し、低降伏点の確保が困難となる。
【００１３】
これに対して本発明では、適量のＣを含有させた鋼を適切な条件にて焼入れを行った後、７００℃超え、７３０℃以下の焼戻しを施すことにより、焼戻し前の段階で細粒化が顕著である表層直下部のみを再結晶化させ、軟化させることが可能となる事実を見出し、これにより特別な合金元素の添加なしでも、低降伏強度と優れた低温靭性、さらに優れた延性を同時に達成することが可能となることが明らかとなった。
【００１４】
焼入れの適用は、γ→α変態時の冷却速度の増加をもたらし、適量のＣを含有する鋼のフェライト粒径を微細化することができる。更にパーライト等の第２相の形成を抑制すると共に、第２相及びセメンタイトの大きさを微細化することによってフェライトと第２相、或いはフェライトとセメンタイトの界面からの破壊発生を抑制し、靭性を向上させることができる。
【００１５】
７００℃超え、７３０℃以下の焼戻しの適用は、ＡC1点以下の高温にて処理することにより、上記焼入処理の段階で顕著になった表層部の細粒化部のみを再結晶化させ、軟化させる。これにより、厚鋼板の板厚全体にわたって採取した全厚試験片を用いて測定する、全厚試験片による低降伏強度と高延性の確保が可能となる。
【００１６】
以上のように本発明では、Ｃ含有量の適正化と焼入れによるγ→α変態制御、また焼戻しを組み合わせることにより、低温靭性と高延性に優れた低降伏点厚鋼板を経済的に製造することができる。本発明の鋼板が必要とする特性は、全厚試験片における圧延方向（Ｌ方向）、圧延垂直方向（Ｃ方向）において、２２５±２０Ｎ／ｍｍ2（２０５〜２４５Ｎ／ｍｍ2）の低降伏強度と、０℃未満のシャルピー破面遷移温度を満たす低温靭性、全伸び７５％以上の優れた延性である。
【００１７】
本発明を構成する技術の内、まず鋼板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ｍａｓｓ％である。
【００１８】
Ｃ：０．０２〜０．０６％とする。
Ｃ量の増加はパーライト等の第２相を増加させることによって、強度の上昇と靭性劣化の原因となる。一方、固溶Ｃを極端に少なくすると、合金元素の添加なしではフェライト粒が粗大化し、板厚の厚い厚鋼板の降伏強度と靭性が顕著に低下してしまう。焼入れによるγ→α変態制御によって、むしろＣを強度、靭性の制御の為に積極的に利用することができる。０．０２％未満では、焼入れによってもフェライト粒径が粗大化してしまい、合金元素の添加なしでは２０５Ｎ／ｍｍ2以上の降伏強度と低温靭性を確保することができない。また０．０６％を超えると降伏強度が２４５Ｎ／ｍｍ2を超えてしまい、低降伏点鋼としての特性を確保できない。そこで、Ｃ含有量を０．０２〜０．０６％とする。
【００１９】
Ｓｉ：０．２％以下とする。
Ｓｉは固溶強化によって鋼の強度を上昇させる元素であり、必要に応じて添加することができる。但し、０．２％を超えて添加すると靭性が著しく劣化する為、０．２％以下とする。
【００２０】
Ｍｎ：０．８％以下とする。
Ｍｎは固溶強化とフェライト粒細粒化によって強度を上昇させる元素である。Ｍｎ含有量の適正化により、降伏強度を調整することができる。しかし、０．８％を超えると降伏強度が必要以上に増加してしまう為、０．８％以下とする。
【００２１】
Ａｌ：０．００５〜０．０５％とする。
Ａｌは溶鋼の脱酸材として作用する元素であり、十分な脱酸効果を得る為には０．００５％以上の添加を必要とする。また鋼中の固溶Ｎと結び付いて窒化物を形成し、靭性を改善する効果も有する。一方、０．０５％を超えると鋼の清浄度が低下し、靭性が低下する為、０．００５〜０．０５％の範囲に限定する。
【００２２】
Ｎ：０．００６％以下とする。
鋼中の固溶Ｎは靭性を著しく劣化させる。固溶Ｎの靭性への悪影響を排除する為、０．００６％以下に限定する。
【００２３】
さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｖ：０．００５〜０．０５％、Ｂ：０．００３〜０．００３０％、Ｃｒ：０．０５〜０．３０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％のうち１種または２種以上を含有してもよい。
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒ、Ｚｒは鋼中の固溶Ｎと結び付き、窒化物としてＮを固定する作用を有する元素である。Ｎ固定化により靭性が向上する為、必要に応じて添加することができる。
【００２４】
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒ、Ｚｒのうち１種または２種以上に加えてさらに、またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒ、Ｚｒを含有しない場合に、Ｃａ：０．００５〜０．０５、ＲＥＭ：０．００５〜０．０５％のうち１種または２種を含有してもよい。
Ｃａ、ＲＥＭは、酸硫化物を形成することによって鋼中のＳを固定する作用を有する元素である。Ｓは粒界に偏析して粒界強度を弱めることがあるので、鋼中の固溶Ｓを固定することにより、延性および靭性の向上が期待できる。また、粗大なＭｎＳは、圧延方向に垂直な板面方向（Ｃ方向）、あるいは板厚方向（Ｚ方向）の延性および靭性を劣化させることが知られているが、これらの元素の添加により、粗大なＭｎＳの生成を抑制することができる。このような効果を得るためには、ＣａあるいはＲＥＭを０．００５％以上添加する必要があるが、０．０５％を超えるとＣａ、ＲＥＭ系介在物の量が増加し、かえって靭性が劣化してしまうので、０．００５〜０．０５％の範囲に限定する。
【００２５】
上記以外の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。
【００２６】
次に鋼板のミクロ組織の限定理由について説明する。
【００２７】
ミクロ組織の９５％以上をフェライト組織とする。
フェライト以外の組織からなる第２相は、それ自体が低靭性組織であることに加え、フェライトとの界面において破壊を発生させる為、できる限り第２相の体積率を低減させることが望ましい。第２相の体積率が５％を超えると靭性低下が著しい為、鋼板のミクロ組織は、フェライトの体積率を９５％以上、第２相の体積率を５％未満とする。第２相体積率や、フェライトの体積率（フェライト分率）は、顕微鏡組織写真を用いて点算法、線分法、画像解析等の方法によって測定する。
【００２８】
次に、鋼板の表層の硬度について説明する。
【００２９】
表層の硬度がＨｖで９５ポイント未満とする。
ここで、表層とは鋼板表面から２ｍｍ以内の領域を指し、Ｈｖはビッカ−ス硬さであり、ＪＩＳＺ２２４４（１９９８）に記載の試験荷重４９．０３Ｎでの値である。全厚試験片による低降伏強度（２２５±２０Ｎ／ｍｍ2）と全伸び７５％以上の優れた延性を確保する為には、表層が低硬度であることが重要である。鋼板表面から２ｍｍ以内の表層直下の領域のＨｖ硬度が９５ポイント以上であると、全厚試験片において低降伏強度および高延性を確保できない。
【００３０】
次に鋼材の製造条件について説明する。
【００３１】
熱間圧延後、８７０℃以上、９８０℃以下の温度に再加熱して焼入れを行なう。
上記の化学成分を有する鋼板をオーステナイト温度域に再加熱して焼き入れることによってフェライト粒組織を微細に、かつ整粒化して強度、靭性のばらつきを低減して、得られる特性を安定化する。また板厚３０ｍｍ以上の厚鋼板においても必要な降伏強度と低温靭性を両立することが可能となる。このような効果を得るには、８７０℃以上に加熱してオーステナイト化する必要があるが、加熱温度が９８０℃を超えると粗大粒の混在化に伴う焼入れ後の靭性劣化が顕著となる為、８７０〜９８０℃の範囲に限定する。焼入れ時の板厚中心部での冷却速度は、８７０〜３００℃の範囲で３℃／s以上確保されることが望ましい。
【００３２】
または、熱間圧延後、板厚中心部において８７０℃以上の温度から直接焼入れを行なう。
オーステナイト単相域からの直接焼入れであれば、フェライト粒組織を微細に、かつ整粒化して強度、靭性のばらつきを低減した特性が安定して得られる。また板厚３０ｍｍ以上の厚鋼板においても必要な降伏強度と低温靭性を両立することが可能となる。板厚中心部の温度が８７０℃未満である場合、焼入れ開始前にγ→α変態が開始してしまい、焼入れによるγ→α変態制御効果を得ることができない為、８７０℃以上の焼入れ温度に限定する。また上限温度については、上記と同じ理由により、９８０℃以下であることが望ましい。
【００３３】
７００℃超え、７３０℃以下での焼戻しを行なう。
上記再加熱焼入れ、または直接焼入れによるフェライト結晶粒径の微細化を施した後は、全厚試験片を用いて降伏強度と延性を測定した場合、表層直下部の高硬度部の影響により、そのままでは目標の低降伏強度（２２５±２０Ｎ／ｍｍ2）及び高延性を確保できない。７００℃超え、７３０℃以下の焼戻し処理を実施することにより、表層直下部のみを再結晶化させて硬度をＨｖで９５未満に低下させることにより、低降伏強度と高延性を確保可能である。焼戻し温度が７００℃以下では再結晶化域が不十分であり、降伏強度上限をオーバーしたり、またＬ方向、Ｃ方向の目標降伏強度および延性を同時に確保できない。７３０℃超えでは再結晶化が板厚内部にも及び、結晶粒の粗大化に伴い降伏強度と低温靭性が低下する為、上限は７３０℃に限定する。
【実施例１】
【００３４】
本発明者らは、表１に示す化学成分（鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｑ）を有する３１０ｍｍ厚の連続鋳造スラブを用い、これを１１５０℃に加熱の後、９００℃以上で終了する熱間圧延により、３０〜１１０ｍｍ厚の鋼板（鋼板Ｎｏ．Ａ−１〜Ｑ−１）を製造した。圧延後の焼入れ−焼戻し条件を表２に示す。尚、表中に示す温度は板厚中心部の温度である。
【００３５】
【表１】
0004715473.tif 000002
【００３６】
【表２】
0004715473.tif 000003
【００３７】
得られた鋼板の全厚試験片におけるＣ方向について、一部についてはＬ方向についても、引張特性、シャルピー衝撃特性を測定した。引張特性は、降伏強度（ＹＳ）、引張強度（ＴＳ）、全伸び（Ｅｌ．）を測定した。靭性については、０℃での吸収エネルギー（ｖＥ0℃）と破面遷移温度（ｖＴｒｓ）を測定した。また、表層下２ｍｍの位置でのＨｖ硬度を測定した。さらに、フェライト組織の体積率を画像解析で求めた。結果を表３に示す。引張試験はＪＩＳ  Ｚ２２０１（１９９８）に規定される５号試験片を、シャルピー衝撃試験はＪＩＳ  Ｚ２２０２（１９９８）に規定される２ｍｍＶノッチシャルピー試験片を採用した。
【００３８】
【表３】
0004715473.tif 000004
【００３９】
化学成分が本発明の範囲内であり、本発明方法を用いて製造した本発明例である鋼板は、Ｌ方向、Ｃ方向において２２５±２０Ｎ／ｍｍ2の低降伏強度と、全伸び７５％以上の優れた延性と、０℃でのシャルピー吸収エネルギーが２５０Ｊ以上、破面遷移温度が０℃未満の優れた低温靭性を有していた。一方で、組成や製造方法が本発明の範囲外である比較例の鋼板では、降伏強度、延性、低温靭性のいずれかが劣っていた。
【００４０】
板厚４０ｍｍの鋼板Ｎｏ．Ａ−７〜９について、鋼板断面における硬さ分布を測定した。結果を図１に示す。鋼板Ｎｏ．Ａ−７、８は本発明鋼板であり、表層２ｍｍ以内の硬度がＨｖで９５未満であることが分かる。一方で、焼戻し温度が本発明の範囲外である鋼板Ｎｏ．Ａ−９は、表面から２ｍｍ以内の硬さがＨｖで１００以上であり、Ｌ方向での降伏強度と延性が劣っていた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】鋼板の断面のＨｖ硬さ分布を示すグラフ。
【図１】
0004715473.tif 000005