(57)【要約】【課題】  大入熱溶接した場合であってもＨＡＺ部靭性に優れた鋼材、具体的にはＨＡＺのボンド付近での最低靭性値をできるだけ引き上げるとともに、靭性の平均値をも改善することのできる鋼材を提供する。【解決手段】  所定の化学成分組成を有する鋼材であり、且つ下記（１）式および（２）式を満足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。１．０≦［Ｔｉ］／［Ｎ］≦３．０                                      ‥（１）−２５≦（−８８００［Ｔｉ］＋７４００［Ｎ］＋４４０００［Ｂ］）≦１２０‥（２）但し、［Ｔｉ］，［Ｎ］および［Ｂ］は、夫々Ｔｉ，ＮおよびＢの含有量（質量％）を示す。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０３０超〜０．１０％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．８０〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００５０〜０．０１２０％およびＢ：０．００１０〜０．００６０％を夫々含有すると共に、Ｃｕ，ＮｉおよびＣｒよりなる群から選ばれる１種以上を、単独では夫々０．１０〜２．０％未満の範囲で合計：４．５％以下含有し、且つ下記（１）式および（２）式を満足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。
１．０≦［Ｔｉ］／［Ｎ］≦３．０                                ‥（１）
−２５(%)≦（-8800［Ｔｉ］＋7400［Ｎ］＋44000［Ｂ］）≦１２０(%)      ‥（２）
但し、［Ｔｉ］，［Ｎ］および［Ｂ］は、夫々Ｔｉ，ＮおよびＢの含有量（質量％）を示す。
【請求項２】
Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．１０％以下（０％を含まない）のいずれかを含むものである請求項１に記載の鋼材。
【請求項３】
Ｚｒ：０．０５％以下（０％を含まない）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】
Ｃａ，Ｍｇおよび希土類元素よりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．００５％以下（０％を含まない）を含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材。
【請求項５】
Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）およびＳ：０．０１％以下（０％を含む）に夫々抑制したものである請求項１〜４のいずれかに記載の鋼材。
【請求項６】
ベイナイト組織分率が７０体積％以上である請求項１〜５のいずれかに記載の鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁、高層建造物、船舶や海洋構造物などの大型構造物に使用される高張力鋼材であって、殊に大入熱溶接時の熱影響部（以下、「ＨＡＺ」と称することがある）での靭性を改善した鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
橋梁、高層建造物、船舶、海洋構造物などの大型構造物に使用される溶接用鋼材に要求される特性は、近年益々厳しくなっており、鋼材自体の靭性は勿論のこと、溶接したときにおけるＨＡＺでの靭性も良好であることが求められている。特に近年では、構造物の大型化に伴い、大断面部材の溶接が不可避となっており、あらゆる分野において溶接施工効率改善という観点から、大入熱溶接が指向されている。
【０００３】
ところが、大入熱溶接を実施した場合には、ＨＡＺのボンド部（溶接金属と母材の境界）付近の組織が粗大化して、良好なＨＡＺ靭性を確保することが困難であるという問題がある。こうしたことから、大入熱溶接法を採用した場合でもＨＡＺ靭性の劣化を抑制し得る鋼材の実現が望まれているのが実状である。
【０００４】
これまでにも鋼材のＨＡＺ靭性を改善する技術が様々提案されている。例えば特許文献１には、酸化物系介在物（Ｔｉ含有酸化物）を活用してＨＡＺ靭性を改善する技術が提案されている。また、特許文献２には、ＴｉＮを活用してＨＡＺ靭性を改善する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１２１６４１号公報  特許請求の範囲等
【特許文献２】特開平０９−１０４９４９号公報  特許請求の範囲等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまで提案されてきた技術では、ＨＡＺ靭性（シャルピー吸収エネルギー）の平均値は改善されたものの、ボンド部付近での靭性バランスが改善されていない場合があり、靭性の最低値を更に向上したいというユーザニーズに対応するには十分でないという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、大入熱溶接した場合であってもＨＡＺ部靭性に優れた鋼材、具体的にはＨＡＺのボンド付近での最低靭性値をできるだけ引き上げるとともに、靭性の平均値をも改善することのできる鋼材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決することのできた溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材とは、：０．０３０超〜０．１０％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．８０〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００５０〜０．０１２０％およびＢ：０．００１０〜０．００６０％を夫々含有すると共に、Ｃｕ，ＮｉおよびＣｒよりなる群から選ばれる１種以上を、単独では夫々０．１〜２．０％未満で合計：４．５％以下含有し、且つ下記（１）式および（２）式を満足する点に要旨を有するものである。
１．０≦［Ｔｉ］／［Ｎ］≦３．０                                  ‥（１）
−２５(%)≦（-8800［Ｔｉ］＋7400［Ｎ］＋44000［Ｂ］）≦１２０(%)        ‥（２）
但し、［Ｔｉ］，［Ｎ］および［Ｂ］は、夫々Ｔｉ，ＮおよびＢの含有量（質量％）を示す。
【０００８】
本発明の鋼材においては、必要に応じて、（Ａ）Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．１０％以下（０％を含まない）のいずれか、（Ｂ）Ｚｒ：０．０５％以下（０％を含まない）、（Ｃ）Ｃａ，Ｍｇおよび希土類元素よりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．００５％以下（０％を含まない）、等を含有させることも有用であり、含有させる成分に応じて本発明の鋼材の特性が更に改善される。また、Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）およびＳ：０．０１％以下（０％を含む）に夫々抑制することも有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、大入熱溶接した場合であっても溶接熱影響部の靭性のバラツキが低減された鋼材を提供することができ、この鋼材は近年の要求に十分対応できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者らは、ＨＡＺのボンド部近傍で吸収エネルギーがばらつく原因について様々な角度から検討した。その結果、ボンド部近傍におけるＨＡＺにおいては、旧オーステナイト粒径（γ半径）がばらつき、これが原因となって組織がばらつくためであることを突き止めた。
【００１１】
これまで提案されてきる技術のうち、酸化物系介在物を活用した技術では、鋼中で酸化物系介在物を形成する温度が高く、酸化物系介在物が粗大化し、これによって介在物の分散密度が疎となるので、γ粒径がばらつくものと考えられた。また、ＴｉＮを活用した技術では、ＴｉＮの高温安定性が乏しいことによって部分的に固溶してしまうので、γ粒径がばらついてしまうものと考えることができた。
【００１２】
そこで本発明者らは、酸化物系介在物ではなく、微細分散することのできるＴｉＮについて、できるだけ高温まで安定化させることを狙って更に検討を重ねた。
【００１３】
その結果、これまでは靭性に悪影響を与えると考えられていたＮを比較的多量に添加し、且つＴｉとＢの添加バランスを適切に制御すれば、ＨＡＺ靭性が改善できること特に靭性最低値を確保できるきことを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
こうした工夫によって、上記の効果が得られた理由については、その全てを解明し得た訳ではないが、おそらく次のように考えることができた。まず高Ｎ化とすることによって、ＴｉＮ生成時の駆動力を増加させ、従来を同様の製造方法を適用しても、ＴｉＮを微細分散させることができるものと考えられる。また、それと同時に、ＮとＴｉとの添加バランスを適切にすることによって、ＴｉＮの高温での安定性を増加させることができたものと考えることができる。しかも、Ｔｉ、ＢおよびＮの添加バランスを適切に制御することによって、溶接後も溶け残ったＴｉＮを核としてＢＮが生成して変態後の組織を微細化できるものと考えることができる。即ち、本発明によれば、高Ｎ化およびＮとＴｉの添加バランスによって、ボンド近傍の旧γ粒径微細化が安定的に達成されてＨＡＺ靭性のバラツキが大幅に改善（低減）できると共に、Ｔｉ，ＢおよびＮの添加バランスによって変態後のγ粒内組織も微細化できてＨＡＺの吸収エネルギーの平均値（以下、「ＨＡＺ靭性の平均値」と呼ぶことがある）も確保できたのである。
【００１５】
本発明の鋼材は、必須成分として、０．０３０超〜０．１０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．８０〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００５０〜０．０１２０％およびＢ：０．００１０〜０．００６０％を夫々含有すると共に、Ｃｕ，ＮｉおよびＣｒよりなる群から選ばれる１種以上を、単独では夫々１．０〜２．０％未満で合計：４．５％以下含有するものであるが、これらの成分の範囲限定理由は次の通りである。
【００１６】
Ｃ：０．０３０超〜０．１０％
Ｃは、鋼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、この効果を有効に発揮させるには、０．０３０％を超えて含有させる必要があり、好ましくは０．０３２％以上含有させるのがよい。しかしながら、Ｃ含有量量が過剰になると、ＨＡＺに有害な島状マルテンサイトが多く生成し、硬化が著しくなると共に、ＨＡＺ靭性の平均値が劣化することになるので０．１０％以下に抑える必要がある。好ましくは０．０９％以下とすることがより推奨される。
【００１７】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、鋼材を固溶強化するのに有効な元素であるが、過剰に含有されるとＨＡＺに島状マルテンサイトが多く生成し、ＨＡＺ靭性の平均値が劣化するので１．０％以下とする必要がある。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１％であり、好ましい上限は０．８％である。
【００１８】
Ｍｎ：０．８０〜２，０％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させる元素であり、鋼材強度、ＨＡＺ靭性の平均値の確保を向上させるのに有効な元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、０．８０％以上含有させる必要があり、好ましくは１．２０％以上含有させるのがよい。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になるとＨＡＺの硬化が著しくなるので、２．０％以下に抑える必要がある。好ましくは１．８％以下とするのがよい。
【００１９】
Ａｌ：０．０１０〜０．１０％
Ａｌは脱酸元素として必要であり、その作用を有効に発揮させるためには、０．０１０％以上含有させる必要があり、好ましくは０．０１５％以上含有させるのがよい。しかし、Ａｌを過剰に含有させるとＳｉと同様にＨＡＺの島状マルテンサイトの生成を助長してＨＡＺ靭性平均値を劣化させるので、０．１０％以下とする必要があり、好ましくは０．０４５％以下とするのがよい。
【００２０】
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％
Ｔｉは、ＴｉＮを形成してＨＡＺのγ粒粗大化を抑制し、ＨＡＺ靭性の安定化に有効に作用する。こうした作用を有効に発揮させるには、０．００５％以上含有させる必要があり、好ましくは０．００８％以上、より好ましくは０．０１０％以上含有させるのがよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、ＴｉＮが粗大化してＴｉＮの個数が減少し、ＨＡＺ靭性が却って劣化させるので、０．０３０％以下に抑えるべきである。好ましくは０．０２５％以下とするのがよい。
【００２１】
Ｎ：０．００５０〜０．０１２０％
Ｎは、ＴｉＮを微細分散させてＨＡＺ靭性の旧γ粒粗大化を抑制し、ＨＡＺ靭性を安定化させるのに有効に作用する元素であり、本発明における最も重要な成分である。こうした作用を有効に発揮させるには、０．００５０％以上含有させる必要がある。Ｎ含量が多いほどγ粒の微細化は促進され、靭性向上に有効であるが、０．０１２０％を超えると靭性に有害な固溶Ｎ量の増大により却ってＨＡＺ靭性の平均値が劣化する。従って、Ｎ含有量は０．０１２０％以下に抑える必要がある。好ましい下限値は０．００５５％であり、好ましい上限値は０．０１０％である。
【００２２】
Ｂ：０．００１０〜０．００６０％
Ｂは、高温時に溶け残ったＴｉＮを核にＢＮとして析出し、ＨＡＺ組織の均一化に有効に作用する成分である。こうした作用を発揮させるためには、Ｂは０．００１０％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｂの含有量が０．００６０％を超えて過剰になると、ＨＡＺ硬化が著しくなり、ＨＡＺ靭性の平均値が劣化することになる。Ｂ含有量の好ましい下限は０．００１２％であり、好ましい上限は０．００５０％である。
【００２３】
Ｃｕ，ＮｉおよびＣｒよりなる群から選ばれる１種以上：単独では夫々１．０〜２．０未満で合計：４．５％以下
これらの元素は、ＨＡＺ組織を微細化させる作用を有し、そのためには１種以上を単独では夫々０．１０％以上含有させる必要がある。しかしながら、いずれかの元素が過剰になって２．０％以上となると、ＨＡＺ硬化が著しくなってＨＡＺ靭性の平均値が劣化することになる。また同様に、単独では２．０％未満であっても合計で４．５％を超えるとＨＡＺ靭性の平均値が劣化することになる。これらの元素の好ましい下限は、単独では夫々０．２０％であり、好ましい上限は単独では夫々１．５％である。合計量の好ましい上限は、３．０％である。
【００２４】
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るが、本発明の目的を達成するためには、ＮとＴｉの添加バランスおよびＴｉ，ＢおよびＮの添加バランスも重要である。即ち、本発明の鋼材においては、下記（１）式および（２）式を満足する必要がある。尚、下記（１）式および（２）式は、実験データを整理して、求められたものである。
１．０≦［Ｔｉ］／［Ｎ］≦３．０                                  ‥（１）
−２５(%)≦（-8800［Ｔｉ］＋7400［Ｎ］＋44000［Ｂ］）≦１２０(%)        ‥（２）
但し、［Ｔｉ］，［Ｎ］および［Ｂ］は、夫々Ｔｉ，ＮおよびＢの含有量（質量％）を示す。
【００２５】
（［Ｔｉ］／［Ｎ］）の値（以下、「ＮＲ値」と呼ぶ）が３．０以下のときに、ＴｉＮの高温安定性が増し、ＨＡＺ靭性が改善されることになる。しかしながら、ＮＲ値が１．０よりも小さくなると、ＴｉＮが粗大化して却ってＨＡＺ靭性バラツキが大きくなる。尚、ＮＲ値の好ましい下限は１．２であり、好ましい上限は２．５である。
【００２６】
（-8800［Ｔｉ］＋7400［Ｎ］＋44000［Ｂ］）の値（以下、「ＩＥ値」と呼ぶ）の適正範囲は、実験的に決定されたものであるが、冶金学的に適正なＴｉ・Ｎ・ＢバランスよりもＴｉが過剰になると［即ち、ＩＥ値が−１２(%)を下回ると］、ＴｉＮが粗大化する傾向があり、γ粒微細化効果が喪失するため、ＨＡＺ靭性の平均値が低下することになる。一方、Ｂ・Ｎが過剰になるときには［即ち、ＩＥ値が１２０(%)を超えると］、種々の要因が考えられて一概には言えないが、ＴｉＮとＢＮの複合析出物の形態が適正であっても、固溶B（フリーＢ）が増大し過ぎるために、ＨＡＺ靭性が低下するものと推定される。尚、ＩＥ値の好ましい下限は−２５(%)であり、好ましい上限は１１０(%)である。
【００２７】
本発明の鋼材は、上記元素を基本的に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、ＡｓやＳｂ）であるが、必要に応じて、（Ａ）Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０５％以下（０％を含まない）およびＶ：０．０５％以下（０％を含まない）のいずれか、（Ｂ）Ｚｒ：０．０５％以下（０％を含まない）、（Ｃ）Ｃａ，Ｍｇおよび希土類元素よりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．００５％以下（０％を含まない）、等を含有させること、或は（Ｄ）Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）およびＳ：０．００８％以下（０％を含む）に夫々抑制することも有用であり、含有する若しくは抑制する成分に応じて本発明の鋼材の特性が更に改善される。これらの作用効果は次の通りである。
【００２８】
Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０５％以下(０％を含まない)およびＶ：０．１０％以下（０％を含まない）のいずれか
これらの元素は鋼材の焼入れ性を高め、ＨＡＺ靭性（平均値を含めて）を改善するのに有効に作用する。こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有されるとＨＡＺ硬化が著しくなってＨＡＺ靭性平均値が却って劣化することになるので、Ｍｏで０．５％以下、Ｎｂで０．０５％以下、Ｖで０．１０％以下にすることが好ましい。尚、好ましい下限はＭｏで０．１％、Ｎｂ，Ｖで０．０１％であり、より好ましい上限はＭｏで０．４％（更に好ましくは０．３５％）、Ｎｂで０．０２５％（更に好ましくは０．０２％）、Ｖで０．０５％（更に好ましくは０．０３０％）である。
【００２９】
Ｚｒ：０．０５％以下（０％を含まない）
Ｚｒは、Ｔｉと同様に窒化物等を形成し、ＨＡＺのγ粒の粗大化を抑制するのに有効に作用する。こうした作用はその含有量が増加するにつれて増大するが、その含有量が過剰になると窒化物が粗大化して個数が減少する傾向を示し、ＨＡＺ靭性のバラツキが増加するので０．０５％以下とすることが好ましい。尚、Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、より好ましい上限は０．０３％である。
【００３０】
Ｃａ、Ｍｇおよび希土類元素よりなる群から選ばれる１種以上：合計で０．００５％以下（０％を含まない）
Ｃａ、Ｍｇおよび希土類元素は、介在物形状の異方性を低減させる作用を有し、ＨＡＺ靭性平均値の改善に有効に作用する。こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させても介在物の粗大化を招き、ＨＡＺ靭性平均値が劣化するので、合計で０．００５％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００４％以下とするのがよい。
【００３１】
Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）およびＳ：０．０１％以下（０％を含む）
ＰおよびＳは、鋼材中の結晶粒界に偏析しやすい不純物元素であり、この偏析によりＨＡＺ靭性を劣化させる。こうした不都合を発生させないためには、Ｐ含有量で０．０２％以下、Ｓで０．０１％以下に夫々抑制することが好ましい。より好ましくはＰ含有量で０．０１％以下、Ｓ含有量で０．００５％以下とすることが推奨される。
【００３２】
本発明の鋼材における化学成分は上記の通りであるが、組織的にはベイナイト分率が７０体積％以上のベイナイト主体のものとすることが好ましい。ベイナイト主体の組織とすることによって、ＨＡＺの組織が均一化することになり、ＴｉＮの効果と併せて、ＨＡＺ靭性のバラツキを一層改善できることになる。
【００３３】
尚、ベイナイト分率を７０体積％以上とするためには、上記化学成分組成を有する鋼材の製造段階において、熱間圧延後におけるの７００〜５００℃の温度範囲を冷却速度を０．６℃／ｓｅｃ以上とすればよい。
【実施例】
【００３４】
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。
【００３５】
下記表１、２に示す化学成分組成を有するＡｌキルド鋼板を溶製し、５０ｍｍまで熱間圧延した。このとき、熱間圧延後の７００〜５００℃の温度範囲における冷却速度を制御し、ベイナイト組織分率を調整した。
【００３６】
【表１】
2005200716.tif 000002
【００３７】
【表２】
2005200716.tif 000003
【００３８】
得られた各鋼板について、引張試験（ＪＩＳ  Ｚ２２４１）に基づいて母材特性（引張強度ＴＳ、降伏点ＹＰ）を求めると共に、下記の方法によってＨＡＺ靭性を評価した。また、ベイナイト分率については、板厚の１／４部について組織観察、画像解析の方法によって測定した。
【００３９】
（ＨＡＺ靭性）
エレクトロスラグ溶接により入熱量８００ｋＪ／ｃｍの１パス大入熱溶接を実施し、ボンド（溶融線）から０．５ｍｍのＨＡＺ部についてＶノッチシャルピー衝撃試験を実施し、−２０℃での吸収エネルギー（ｖＥ-20）を測定して靭性を評価した。このとき、サンプルの個数を５（ｎ＝５）とし、その平均値と最低値を測定した。このｖＥ-20値が高いほど靭性の良好な鋼材と評価できるが、合格基準は平均値で＞１００Ｊ、最低値で＞７０Ｊである。これらの結果（母材特性、ベイナイト分率およびＨＡＺ靭）を、熱間圧延後の冷却速度と共に下記表３、４に示す。
【００４０】
【表３】
2005200716.tif 000004
【００４１】
【表４】
2005200716.tif 000005
【００４２】
これらの結果から、次のように考察できる。まず実験Ｎｏ．１〜２７（表３）のものは、本発明で規定する要件を満足する例であり、ＨＡＺ靭性（平均値および最低値）が良好な鋼材が得られていることが分かる。このうち特に、冷却速度を調整してベイナイト分率を９０体積％以上としたもの（実験Ｎｏ．２２、２３）では、ＨＡＺ靭性のバラツキが低減されていることが分かる。
【００４３】
これに対して、実験Ｎｏ．２８〜４２のものは、本発明で規定する要件のいずれかを欠くものであり、良好なＨＡＺ靭性が得られていないことが分かる。特に、ＮＲ値が規定範囲から外れる実験Ｎｏ．２８、２９のもの、Ｔｉ含有量が規定範囲から外れる実験Ｎｏ．３７、３８のもの、およびＮ含有量が少ない実験Ｎｏ．３９、４０のものでは、ＨＡＺ靭性（ｖＥ0）の平均値は１００Ｊを超えているが、最低値が７０Ｊを確保できていないことが分かる。