(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１％〜０．３％、Ｍｎ：１１％〜１３％、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物からなり、正偏析帯及び負偏析帯が存在し、
前記正偏析帯は、面積分率で５０％以上のオーステナイトと残部イプシロンマルテンサイトとを含み、前記負偏析帯は、面積分率で５％未満のイプシロンマルテンサイトとαマルテンサイトとを含み、前記αマルテンサイトの有効結晶粒サイズは３μｍ以下であることを特徴とする溶接性及び溶接部の衝撃靱性に優れた鋼材。
【請求項２】
前記負偏析帯で前記イプシロンマルテンサイト及び前記αマルテンサイトは格子形状を有することを特徴とする請求項１に記載の溶接性及び溶接部の衝撃靱性に優れた鋼材。
【請求項３】
前記鋼材の溶接部の衝撃靱性は、−６０℃で６４Ｊ以上であることを特徴とする請求項１に記載の溶接性及び溶接部の衝撃靱性に優れた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接性及び溶接部の衝撃靱性に優れた鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、国内外の船舶、海洋、建築、及び土木の分野で用いられる構造物を設計するにあたり、高強度特性を有する極厚物鋼の開発が求められている。構造物の設計時に高強度鋼を用いる場合、構造体を軽量化できることによる経済的な利益が得られるだけでなく、鋼板の厚さを薄くできるため加工及び溶接作業の容易性を確保することができる。
【０００３】
しかし、超高強度鋼の場合、溶接時の溶接熱影響部（ＨＡＺ：Ｈｅａｔ  Ａｆｆｅｃｔｅｄ  Ｚｏｎｅ）の微細組織が高強度の低温変態相からなることにより、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の物性、特に靱性が非常に弱くなるという短所がある。このため、構造材の特性上、溶接部の靱性を確保することが非常に重要であるが、引張強度８００ＭＰａ級以上の超高強度鋼では母材及び溶接部の物性をともに確保することは技術的に非常に難しい状況である。
【０００４】
一方、従来の６００ＭＰａ以上の高強度鋼の場合、溶接部の物性を確保するために、ＴｉＮ析出物を用いた溶接熱影響部（ＨＡＺ）の微細組織を微細化したり（特許文献１）、または、Ｏｘｉｄｅ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ技術を用いて溶接熱影響部（ＨＡＺ）に上部ベイナイトの生成を抑制する粒内フェライトの生成を促進させて溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靱性を改善することが提案された（特許文献２）。
【０００５】
しかし、引張強度８００ＭＰａ級以上の超高強度鋼を溶接するとき、溶接熱影響部（ＨＡＺ）は、一般的に針状型フェライトまたはベイナイト組織ではない靱性が非常に低いマルテンサイトのような組織からなる。また、マルテンサイト組織が形成される場合、ＴｉＮ析出物の形成による結晶粒微細化の効果だけでは、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靱性を確保することが難しい。さらに、Ｏｘｉｄｅ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ技術の場合、その効用性に対する疑問が提起されており、その適用可能性は低いと見なすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国公開特許第２００９−００６９８１８号公報
【特許文献２】韓国公開特許第２００２−００９１８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、合金組成及び微細組織を制御することにより、溶接性及び溶接部の物性並びに衝撃靱性を向上させた鋼材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による溶接性及び溶接部の衝撃靱性に優れた鋼材は、重量％で、Ｃ：０．１％〜０．３％、Ｍｎ：１１％〜１３％、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物からなり、正偏析帯及び負偏析帯が存在し、前記正偏析帯は、面積分率で５０％以上のオーステナイトと残部イプシロンマルテンサイトとを含み、前記負偏析帯は、面積分率で５％未満のイプシロンマルテンサイトと残部αマルテンサイトとを含み、前記αマルテンサイトの有効結晶粒サイズは３μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
上記の技術的解決手段は、本発明の特徴をすべて列挙したものではない。本発明の様々な特徴とそれによる長所及び効果は以下の実施形態を参照してより詳細に説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鋼材の合金成分及び微細組織を制御することにより、溶接部の亀裂発生を防止し、衝撃靱性を向上させる効果がある。また、極厚物鋼にも適用可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】発明例１の負偏析帯をＥＢＳＤで撮影した結果を示す写真である。
【図２】発明例３の正偏析帯をＥＢＳＤで撮影した結果を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の発明者らは、従来の問題点を解決するとともに、従来より優れた衝撃靱性を確保するために研究を行った結果、合金設計及び微細組織の面積分率を制御することで衝撃靱性及び溶接性を向上させる方案を創出した。より具体的には、本発明の発明者らは、従来の衝撃靱性に優れたαマルテンサイト及びイプシロンマルテンサイト組織（図１に示すような組織）を有する高マンガン鋼が、実際の製造工程に使用する場合に不均一な分布を有する問題点を解決するために本発明を創出した。
【００１３】
従来、Ｆｅ−１２Ｍｎの異種（ｂｉｎａｒｙ）合金の場合、格子形状の微細組織を有することで非常に優れた強度及び衝撃靱性を確保することができたが、Ｍｎの多量添加による正偏析帯及び負偏析帯の開発とともに、実際の製造工程でＣを排除することができないという問題があった。さらに、このような異種合金を製造する場合、Ｍｎの偏析が非常に激しく、正偏析帯におけるイプシロンマルテンサイトの多量生成及びＣの少量添加による衝撃靱性の低下によって、Ｆｅ−１２Ｍｎの異種成分系では商用化が不可能であった。
【００１４】
そこで、本発明の発明者らは、実際の製造工程と同様にＣ（炭素）を完全に排除できない状況を解決し、また偏析帯の存在により不均一なαマルテンサイト及びイプシロンマルテンサイト組織が形成されるという問題を解決するために研究を行って本発明を創出した。
【００１５】
即ち、Ｃ（炭素）を多量添加することにより、負偏析帯に微細なイプシロンマルテンサイト及びαマルテンサイト組織を確保するとともに、正偏析帯にＣ及びＭｎが濃縮されてオーステナイト及び一部のイプシロンマルテンサイト組織が生成され、３相を有する構造を確保することができる。これにより、溶接熱影響部にも母材と同一の組織を形成して溶接部の物性に優れた鋼材を提供することができる本発明を創出した。
【００１６】
以下、本発明の一態様による溶接性及び溶接部の衝撃靱性に優れた鋼材について詳細に説明する。
【００１７】
本発明の一態様による溶接性及び溶接部の衝撃靱性に優れた鋼材は、重量％で、Ｃ：０．１％〜０．３％、Ｍｎ：１１％〜１３％、残部のＦｅ及びその他の不可避不純物を含み、正偏析帯と負偏析帯が層状に存在し、正偏析帯は、面積分率で５０％以上のオーステナイトと、残部のイプシロンマルテンサイトとを含み、負偏析帯は、面積分率で最大相としてαマルテンサイトと、５％未満（０％を除く）のイプシロンマルテンサイトとを含む。
【００１８】
炭素（Ｃ）：０．１重量％〜０．３重量％
【００１９】
炭素（Ｃ）は、正偏析帯におけるオーステナイトの安定度を向上させる有効成分である。多量のＣが含まれる場合、負偏析帯でイプシロンマルテンサイト及びαマルテンサイトの生成が阻害されるという問題があるため、その上限を０．３重量％に制限する。これに対し、非常に少量の炭素が含まれる場合、正偏析帯で多量のイプシロンマルテンサイトが生成されることにより衝撃靱性が低下するという問題があるため、その下限を０．１重量％に制限する。
【００２０】
マンガン（Ｍｎ）：１１重量％〜１３重量％
【００２１】
マンガン（Ｍｎ）は、本発明で最も重要な構成元素である。本実施形態によれば、微細組織を形成するために、１１重量％以上のＭｎが含まれることが好ましい。その一方で、Ｍｎの含量が多すぎる場合、負偏析帯で多量のイプシロンマルテンサイトが形成されて負偏析帯が組織を粗大化し、イプシロンによって衝撃靱性が低下するという問題があるため、その上限を１３重量％に制限する。
【００２２】
本実施形態の残り成分は鉄（Ｆｅ）である。但し、通常の製造工程では原料または周囲環境から意図しない不純物が不可避的に混入される可能性があるため、これを排除することができない。これらの不純物は、通常の技術者であれば理解されるものであるため、その全ての内容を本明細書中には記載しない。
【００２３】
上述のような合金組成を通じて形成される組織には、正偏析帯と負偏析帯が層状に存在し、負偏析帯にイプシロンマルテンサイト及びαマルテンサイトが格子形状を有する組織が形成される。
【００２４】
負偏析帯は、面積分率で、最大相としてαマルテンサイトと、５％未満のイプシロンマルテンサイトとを有することを特徴とする。本発明の組織は、冷却中に先にイプシロンマルテンサイトが５％未満（０％は除く）生成され、微細組織を微細に切断し、イプシロンマルテンサイト変態が行われない残留オーステナイトからαマルテンサイトが生成されることで、強度及び衝撃に優れた微細組織を確保する。
【００２５】
αマルテンサイトを最大相として確保することにより高強度を得ることができる。また、イプシロンマルテンサイトを５％未満確保することにより、粗大なαマルテンサイトが生成されることを防止することができる。多量のイプシロンマルテンサイトが生成される場合、延性が低いイプシロンマルテンサイトが変形を受けてαマルテンサイトに速やかに変態して応力を発生させる。これにより、クラックが容易に誘発されるという問題があるため、イプシロンマルテンサイトの面積分率は５％未満に制御することが好ましい。また、イプシロンマルテンサイトが生成されない場合、イプシロンマルテンサイトによる旧オーステナイト組織が分割されないことから、αマルテンサイトの組織が粗大になって、衝撃靱性が低下するという問題がある。そのため、イプシロンマルテンサイトが含まれることが好ましい。また、αマルテンサイトは３μｍ以下のサイズを有することを特徴とする。αマルテンサイトの有効結晶粒サイズが３μｍを超えると、衝撃靱性が低下するという問題がある。
【００２６】
また、正偏析帯は、面積分率で５０％以上のオーステナイトと、残部としてイプシロンマルテンサイトとを有することを特徴とする。イプシロンマルテンサイトが５０％を超過すると、イプシロンマルテンサイトが外部応力の集中時に容易にαマルテンサイトに変態することにより延伸率及び衝撃靱性が低下するという問題があるため、イプシロンマルテンサイトの面積分率は５０％未満に制限することが好ましい。
【００２７】
本鋼材の溶接部の衝撃靱性は、−６０℃の温度で６４Ｊ以上であることが好ましい。溶接部の衝撃靱性が、−６０℃の温度で６４Ｊ以上確保することができる理由は、炭素鋼の場合、溶接熱影響部の速い冷却速度によって多量の低温変態相が生成されて衝撃靱性が低下するのに対し、本鋼材の場合、微細組織の特性上冷却速度による影響を受けずに溶接熱影響部で母材と同一の微細組織を確保することが可能であるためである。
【００２８】
また、本発明が提案する鋼材は、正偏析帯に強度等の物理的特性に優れたオーステナイトを最大相として含む組織と、負偏析帯に強度及び衝撃靱性に優れたαマルテンサイトと、イプシロンマルテンサイト組織とが微細に生成された複合組織を確保することにより、高強度であるとともに高靱性を確保することができ、鋼材の微細組織の特性上非常に遅い冷却速度から速い冷却速度まで同一の微細組織が生成されるため極厚物鋼材の製造に適用可能である。
【００２９】
また、本発明が提案する鋼材は、圧延条件とは関係なく０．１℃／秒〜１００℃／秒の冷却速度で常に同一の組織を有し、溶接熱影響部の微細組織も熱の影響とは関係なく常に同一の組織を有するため、溶接熱影響部の物性に優れる。一般的に、マルテンサイト組織を含む炭素鋼の場合、溶接後の応力によって溶接熱影響部に多量の低温クラックが発生する場合が多いが、本発明が提案する鋼材の場合、正偏析帯に多量のオーステナイトが存在し、延性に優れたオーステナイトが低温でマルテンサイト変態による応力を吸収するため溶接性及び低温クラックに対する抵抗性に優れる。
【００３０】
本発明の鋼材を製造する方法は、特に限定されず、通常の方法を用い得る。一実施形態として、上記組成を満たす溶鋼を製造し、これを鋳造してスラブ形態に製造する。本スラブを１１００℃〜１３００℃で再加熱した後、熱間圧延及び冷却する工程を通じて製造する。
【００３１】
以下、実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。但し、以下の実施例は本発明の一例を示してより詳細に説明するためのものであって、本発明の権利範囲を限定するためのものではない。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項とそこから合理的に類推される事項によって決定される。
【実施例】
【００３２】
下記の表１に示す組成を有するスラブを１１５０℃で２時間加熱した後、これを１０００℃で仕上げ熱間圧延し、１℃／秒、１５℃／秒、及び７０℃／秒の冷却速度で冷却を行って鋼材を製造した。その後、各鋼材の微細組織をＥＢＳＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂａｃｋ  ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）及びＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を通じて観察し、イメージ分析（ｉｍａｇｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて相分率を測定し、その結果を表１に示した。また、溶接を行った後、溶接部の衝撃靱性及び亀裂の有無を観察して表１に示した。
【００３３】
【表１】
0006408011.tif 000002
【００３４】
本発明が提案した範囲をすべて満たす発明例１〜３は、本発明が提案した微細組織を確保することにより、優れた靱性及び衝撃靱性を確保することが可能である。図１は、発明例１の負偏析帯をＥＢＳＤで撮影した結果を示す写真である。図１に示すように、αマルテンサイトが格子形状の組織を有することが確認できる。また、イプシロンマルテンサイトは、図１には示されていないが、薄い板状の形態でαマルテンサイト組織の結晶粒界に存在する。これは、αマルテンサイトの生成前に旧オーステナイト結晶粒の内部を格子形態に分割して予め生成されたものである。
【００３５】
図２は、発明例３の正偏析帯をＥＢＳＤで撮影した結果を示す写真である。図２に示すように、明るい領域に該当するオーステナイトの内部に、暗い領域に該当するイプシロンマルテンサイトが板状形態で生成されていることが確認できる。
【００３６】
これに対し、比較例１は、Ｃ及びＭｎの成分範囲が本発明が提案したＣ及びＭｎの成分範囲よりも低い場合であり、Ｃ及びＭｎの成分により負偏析帯にイプシロンマルテンサイトが生成されずに全ての微細組織がαマルテンサイトに変態して組織が非常に粗大となる。さらに、正偏析帯の場合は、多量のイプシロンマルテンサイトが生成されることにより溶接熱影響部の衝撃靱性が非常に低く、負偏析帯に多量の粗大なマルテンサイトが生成されることによって溶接時に低温亀裂が発生したことが確認された。
【００３７】
また、比較例２及び比較例３は、Ｃ及びＭｎの成分範囲が本発明が提案したＣ及びＭｎの成分範囲より高い場合であり、負偏析帯で多量のイプシロンマルテンサイトが生成されて微細組織が粗大となり、衝撃靱性を低下させる。これにより、正偏析帯に多量のオーステナイトが生成されたにも拘わらず溶接熱影響部の衝撃靱性が低下したことが確認された。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術分野の当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で本発明を多様に変更実施することが可能である。
【図１】
0006408011.tif 000003
【図２】
0006408011.tif 000004