(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径１μｍ未満のフェライトコロニー、粒径１μｍ以上１０μｍ以下のフェライト粒およびマルテンサイト／ベイナイトの低温変態生成物の３相複合組織を有し、引張強さが６８０ＭＰａ以上で降伏比が０．５０以上０．８５以下の低降伏比高張力鋼の製造方法であって、重量％でＣ：０．１５％以下，Ｓｉ：０．６％以下，Ｍｎ：２．０％以下，Ｐ：０．０３０％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎ：０．００６０％以下，Ａｌ：０．０１０％以上０．０４０％以下，Ｔｉ：０．０３０％以下（０を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、次式（１）、
【数１】
0004590532.tif 000009
（ただし、式中の元素記号は、その元素の重量％を示す。）で表される溶接割れ感受性指数Ｐcmが０．２８以下である鋼を、Ａc1点以上１２５０℃以下の温度に加熱して、フェライト＋オーステナイトの２相温度領域でオーステナイト分率を５〜５０％とした状態で、次式（２）、
【数２】
0004590532.tif 000010
（ただし、式中のεx,i，εy,i，εz,iは、それぞれｉ番目の加工パスにおけるｘ、ｙ、ｚ成分の塑性歪（真歪）を示す。）で表される累積相当塑性歪εeqが１．４以上となるような塑性加工を施すことを特徴とする低降伏比高張力鋼の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、鋼が上記成分に加えて重量％でＮｂ：０．００５〜０．０６０％，Ｖ：０．０１０〜０．１０％のうちの１種あるいは２種を含むとき、その鋼を１０５０℃以上１２５０℃以下の温度に加熱した後に塑性加工を施すことを特徴とする低降伏比高張力鋼の製造方法。
【請求項３】
塑性加工の後、１℃／ｓ以上の冷却速度で５００℃未満にまで加速冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の低降伏比高張力鋼の製造方法。
【請求項４】
塑性加工の後、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に再加熱する焼き戻し処理を施すことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の低降伏比高張力鋼の製造方法。
【請求項５】
塑性加工の後、冷却を中断して等温保持するか徐冷することにより、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に１時間以上滞留させることを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の低降伏比高張力鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、低降伏比高張力鋼の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、土木・建築、船舶、ラインパイプ等の一般溶接構造用材料として有用で、特殊な添加元素を必要とせず、また焼入・焼戻しの工程を必要としない簡便で経済的な低降伏比高張力鋼の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
一般に、鋼材の降伏比は引張強さが上昇するに連れて加速的に上昇し、例えば引張強さ６８０ＭＰａ以上の鋼では降伏比が９８％となるなど、限りなく１００％に近いものであった。このことは、溶接構造物として低降伏比高を特に必要とする土木・建築構造物および石油天然ガスパイプライン等の構造物の破壊安全性の面において深刻な問題とされており、低降伏比鋼の開発がつとに求められてきた。
【０００３】
これに対して、従来より、種々の合金元素の添加や焼入・焼戻しを基本とする熱処理によって低降伏比を可能とする技術が提案されてきたが、これらの技術では製造コストの増大が避けられず、降伏比の低下にも限界があった。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、土木・建築、船舶、ラインパイプ等の一般溶接構造用材料として有用で、特殊な添加元素を必要とせず、また焼入・焼戻しの工程を必要としない、簡便な低降伏比高張力鋼の製造方法を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【０００６】
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、粒径１μｍ未満のフェライトコロニー、粒径１μｍ以上１０μｍ以下のフェライト粒およびマルテンサイト／ベイナイトの低温変態生成物の３相複合組織を有し、引張強さが６８０ＭＰａ以上で降伏比が０．５０以上０．８５以下の低降伏比高張力鋼の製造方法であって、重量％でＣ：０．１５％以下，Ｓｉ：０．６％以下，Ｍｎ：２．０％以下，Ｐ：０．０３０％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎ：０．００６０％以下，Ａｌ：０．０１０％以上０．０４０％以下，Ｔｉ：０．０３０％以下（０を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、次式（１）、
【０００７】
【数３】
0004590532.tif 000002
【０００８】
（ただし、式中の元素記号は、その元素の重量％を示す。）で表される溶接割れ感受性指数Ｐcmが０．２８以下である鋼を、Ａc1点以上１２５０℃以下の温度に加熱して、フェライト＋オーステナイトの２相温度領域でオーステナイト分率を５〜５０％とした状態で、次式（２）、
【０００９】
【数４】
0004590532.tif 000003
【００１０】
（ただし、式中のεx,i，εy,i，εz,iは、それぞれｉ番目の加工パスにおけるｘ、ｙ、ｚ成分の塑性歪（真歪）を示す。）で表される累積相当塑性歪εeqが１．４以上となるような塑性加工を施すことを特徴とする低降伏比高張力鋼の製造方法を提供する。
【００１１】
そして、第２には、この出願の発明は、上記第１の発明において、鋼が上記成分に加えて重量％でＮｂ：０．００５〜０．０６０％，Ｖ：０．０１０〜０．１０％のうちの１種あるいは２種を含むとき、その鋼を１０５０℃以上１２５０℃以下の温度に加熱した後に塑性加工を施すことを特徴とする低降伏比高張力鋼の製造方法を、第３には、塑性加工の後、１℃／ｓ以上の冷却速度で５００℃未満にまで加速冷却することを特徴とする低降伏比高張力鋼の製造方法を、第４には、塑性加工の後、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に再加熱する焼き戻し処理を施すことを特徴とする低降伏比高張力鋼の製造方法を、第５には、塑性加工の後、冷却を中断して等温保持するか徐冷することにより、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に１時間以上滞留させることを特徴とする低降伏比高張力鋼の製造方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１３】
まず、この出願の発明の方法によって提供される低降伏比高張力鋼は、粒径１μｍ未満のフェライトコロニー、粒径１μｍ以上１０μｍ以下のフェライト粒およびマルテンサイト／ベイナイトの低温変態生成物の３相複合組織を有し、引張強さが６８０ＭＰａ以上で降伏比が０．５０以上０．８５以下である。
【００１４】
この低降伏比高張力鋼においては、粒径１μｍ未満のフェライト粒からなるコロニーが、これまでにない高硬度と低降伏比の両立を実現するための必要条件とされており、この出願の発明によってはじめて提案されるものである。この粒径１μｍ未満のフェライト粒からなるコロニーは、フェライト粒の加工−再結晶を利用して粒径１μｍ未満に微細化されたフェライト粒のコロニーであって、軟鋼におけるパーライトコロニーが降伏比に及ぼすのと類似した効果、つまり鋼材の低降伏比を実現するものである。粒径１μｍ以上１０μｍ以下の比較的大きなフェライト粒は、超微細粒コロニーよりも低い応力で先に降伏するため、材料全体として低い降伏比を実現している。
【００１５】
さらに、この低降伏比高張力鋼は、上記粒径１μｍ未満のフェライトコロニーと粒径１μｍ以上１０μｍ以下のフェライト粒に加えて、マルテンサイト／ベントナイト等の硬質な低温変態生成物を組織に複合化することによって、これまでにない高強度化を実現している。
【００１６】
またこの低降伏比高張力鋼は、現在大量に用いられている溶接溶鋼を出発材料とし、その優れた特性（溶接性と低降伏比）はそのままにして、強度を約２倍の高張力鋼へと造り込むものである。これによって、例えば、構造物の建設コストの大幅な削減をもたらすことや、溶接構造物として低降伏比高張力を特に必要とする土木・建築構造物および石油天然ガスパイプラインの建設技術等が飛躍的に進歩することが期待される。
【００１７】
上記のような低降伏比高張力鋼は、以下のようにして製造することが可能となる。すなわち、この出願の第１の発明が提供する低降伏比高張力鋼の製造方法は、上記の粒径１μｍ未満のフェライトコロニー、粒径１μｍ以上１０μｍ以下のフェライト粒およびマルテンサイト／ベイナイトの低温変態生成物の３相複合組織を有し、引張強さが６８０ＭＰａ以上で降伏比が０．５０以上０．８５以下の低降伏比高張力鋼の製造方法であって、重量％でＣ：０．１５％以下，Ｓｉ：０．６％以下，Ｍｎ：２．０％以下，Ｐ：０．０３０％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎ：０．００６０％以下，Ａｌ：０．０１０％以上０．０４０％以下，Ｔｉ：０．０３０％以下（０を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、次式（１）、
【００１８】
【数５】
0004590532.tif 000004
【００１９】
（ただし、式中の元素記号は、その元素の重量％を示す。）で表される溶接割れ感受性指数Ｐcmが０．２８以下である鋼を、Ａc1点以上１２５０℃以下の温度に加熱して、フェライト＋オーステナイト(α＋γ)の２相温度領域でオーステナイト(γ)分率を５〜５０％とした状態で、次式（２）、
【００２０】
【数６】
0004590532.tif 000005
【００２１】
（ただし、式中のεx,i，εy,i，εz,iは、それぞれｉ番目の加工パスにおけるｘ、ｙ、ｚ成分の塑性歪（真歪）を示す。）で表される累積相当塑性歪εeqが１．４以上となるような塑性加工を施すことを特徴としている。
【００２２】
この出願の発明において出発材料として用いる鋼は、必ずしも特別な添加元素を必要とせず、一般的かつ安価な軟鋼あるいは溶接構造用低合金鋼等が適用できる。具体的には、重量％でＣ：０．１５％以下，Ｓｉ：０．６％以下，Ｍｎ：２．０％以下，Ｐ：０．０３０％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎ：０．００６０％以下，Ａｌ：０．０１０％以上０．０４０％以下，Ｔｉ：０．０３０％以下（０を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いることができる。ただし、予熱なしでの溶接を可能とするために、溶接割れ感受性Ｐｃｍが０．２８以下のものに限定した。
【００２３】
このような鋼を、Ａc1点以上１２５０℃以下の温度に加熱して、α＋γの２相温度領域でγ分率を５〜５０％とする。最終組成として、この出願の発明の特徴である３相複合組織を得るためには、α＋γの２相共存状態で次工程である塑性加工を施すことが重要である。そのためには、塑性加工の前の鋼をＡc1〜Ａc3点の温度範囲に加熱することで、鋼の組織をα＋γの二相状態に調整することができる。また、このときのγ分率は、あとで理由を述べるが、５〜５０％となるようにする。
【００２４】
Ａc1〜Ａc3点の温度範囲への加熱は、鋼を直接Ａc1〜Ａc3点の温度範囲へ加熱してもよいし、一旦、Ａc3点以上に加熱してオーステナイト単相としたあとにＡr3点以下に冷却し、変態によってフェライトを生成させてα＋γの二相状態にしてもよい。また、このような組織においては、フェライトおよびオーステナイトの粒径はできるだけ微細としておくことが望ましい。そのために、オーステナイト再結晶温度範囲で鋼に加工を施してよりオーステナイト粒を微細にすることや、オーステナイト未再結晶温度範囲で加工を施すことにより、続く変態時に微細なフェライトを生成させること等が好適な手段として示される。
【００２５】
さらには、微細かつ均一な最終組織を有する低降伏比高張力鋼を得るために、組成加工を施される前のα＋γの２相組織をできるだけ微細かつ均一にしておくことが望ましい。そこで、粗大化しやすいオーステナイト粒の成長を抑制するために、加熱温度の最終的な値は１２５０℃以下に限定することとした。
【００２６】
このように調整された状態の鋼に対し、上記累積相当塑性歪εeqが１．４以上となるような塑性加工を施す。この出願の発明では、α＋γの２相組織に塑性加工を施すことにより、フェライト部分に動的回復・再結晶を誘起させて超微細フェライト粒コロニーを生成させるとともに、フェライト部分に加わる塑性歪の分布を不均一化させて一部のフェライト粒のみが再結晶後に優先的に成長することを助長させるようにして、粒径１μｍ未満の超微細フェライト粒コロニーおよび１μｍ以上１０μｍ以下のフェライト粒からなる混合組織を生成させている。また、オーステナイト部分については、塑性加工によってＣ（炭素）等のオーステナイト安定化元素が濃縮し、マルテンサイトやベイナイト等の低温変態生成物が生成される。これによって、この出願の発明の低降伏比高張力鋼に特徴的な３相複合組織を実現している。
【００２７】
ここで、フェライト部分に粒径１μｍ未満の超微細粒からなるコロニーを形成させるためには、累積歪量を１．４以上とすることが必要であり、歪量が１．４未満の場合、結晶粒の微細化が不十分となり、１μｍ未満の超微細粒コロニーを生成させることができなくなってしまう。したがって、このような塑性加工は、この出願の発明で最も重要な３相複合組織を造り込むために必須の条件である。
【００２８】
また、１〜１０μｍに成長したフェライト粒は、周囲の超微細フェライト粒コロニー部分と比べて変形しやすいことから降伏比を低下させる機能を持ち、その生成にはオーステナイト相の存在が不可欠である。
【００２９】
塑性加工前のα＋γの２相組織におけるγ分率は、その値が高い程、オーステナイト部分からの硬質の低温変態生成物量が増加し、得られる低降伏比高張力鋼の引張強さを高めることができる。しかしながら、γ分率が５０％を超えると、オーステナイト相への安定化元素の濃化が不十分となるため、その後の冷却時にフェライトあるいはパーライトが生成してしまい、硬質の低温変態生成物を得ることができない。そのため、十分な引張強さを有する低降伏比高張力鋼が得られなくなってしまう。また逆に、γ分率が５％に満たない場合にも、低温変態生成物が少量しか得られないため、十分な引張強さを有する低降伏比高張力鋼が得られない。そのため、塑性加工前のα＋γの２相組織におけるγ分率は、５％以上５０％未満とする。
【００３０】
すなわち、低温変態生成物を生成し、かつ超微細フェライト粒および一部成長したフェライト粒からなる混粒組織を得るためには、γ分率が５〜５０％の２相状態の鋼に、累積相当塑性歪εeqが１．４以上塑性加工を加えることが必要である。
【００３１】
なお、塑性加工終了時の温度については、必ずしもオーステナイト分率が５〜５０％となる２相温度領域である必要はなく、オーステナイト分率が５％未満となる２相温度領域あるいはフェライト温度域でもよい。
【００３２】
以上詳しく述べたように、鋼の組織を３相複合組織に調整する加工熱処理技術によって、焼入・焼戻しによらず、５０〜８０％という広範囲の低降伏比高張力鋼を製造することが可能となった。
【００３３】
この出願の第２の発明が提供する低降伏比高張力鋼の製造方法は、上記第１の発明において、鋼が上記成分に加えて重量％でＮｂ：０．００５〜０．０６０％，Ｖ：０．０１０〜０．１０％のうちの１種あるいは２種を含むとき、その鋼を１０５０℃以上１２５０℃以下の温度に加熱した後に塑性加工を施すようにしている。
【００３４】
この出願の発明の低降伏比高張力鋼に、用途に応じた多様な特性を付与するために、重量％でＮｂ：０．００５〜０．０６０％，Ｖ：０．０１０〜０．１０％のうちの１種あるいは２種の元素を添加することができる。
【００３５】
鋼にＮｂ，Ｖ等を添加すると、鋼中に微細な炭窒化物が析出し、塑性加工による再結晶後のフェライト粒の成長を好適に抑制することができる。しかし、０．０６０％を超過するＮｂや、０．１０％を超過するＶを添加すると、完全にフェライト粒の成長を抑えてしまい、フェライト粒の混粒組織を得ることができなくなってしまう。Ｎｂ：０．００５〜０．０６０％，Ｖ：０．０１０〜０．１０％のうちの１種あるいは２種といった微量のＮｂ，Ｖ元素の添加により、フェライト粒の成長を完全に抑えることなく、一部の粒だけが優先的に成長して微細粒部分との粒径差が拡大するようになり、比較的大きな数μｍ〜１０μｍ程度のフェライト粒と、１μｍ未満の超微細粒との混粒組織を容易に形成させることができるのである。
【００３６】
特にＮｂについては、再結晶抑制の効果が著しく大きいため、温間圧延による塑性加工でのフェライト粒超微細化効果が大きく、また、未再結晶オーズテナイト領域を拡大して加工歪を有効に蓄積するため、組織微細化効果が大きいという利点がある。
【００３７】
ただし、Ｎｂ，Ｖ等を添加する場合には、これらの元素をオーステナイト粒に十分に固溶させて微細な炭窒化物として析出させるために、１０５０℃以上に加熱する必要がある。
【００４０】
この出願の第３の発明が提供する低降伏比高張力鋼の製造方法は、上記第１または第２の発明において、塑性加工の後、１℃／ｓ以上の冷却速度で５００℃未満にまで加速冷却する。
【００４１】
塑性加工後の鋼の冷却については、α＋γの２相領域での塑性加工後に１℃／ｓ以上の冷却速度で加速冷却することによって、未変態オーステナイトをマルテンサイト等の硬質の低温変態生成物にすることができる。これによって、より一層この出願の発明の低降伏比高張力鋼の引っ張り強度を増加させることができ、また、降伏比を低下させることが可能となる。
【００４２】
この出願の第４の発明が提供する低降伏比高張力鋼の製造方法は、上記第１ないし第３いずれかの発明において、塑性加工の後、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に再加熱する焼き戻し処理を施し、この出願の第５の発明が提供する低降伏比高張力鋼の製造方法は、塑性加工の後、冷却を中断して等温保持するか徐冷することにより、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に１時間以上滞留させるようにしている。
【００４３】
この出願の発明においては、鋼の組織を３相複合組織に調整することで、５０〜８０％という広範囲の低降伏比高張力鋼を実現するものであり、焼入・焼戻しの工程は必ずしも必要とはしていない。ただし、塑性加工の後に、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に再加熱する焼き戻し処理を施すことや、冷却を中断して等温保持するか徐冷することにより、４００℃〜Ａc1点の温度範囲に１時間以上滞留させることは、この出願の発明の低降伏比高張力鋼の引っ張り強度をより一層の増加させ、降伏比を低下させるために、効果的な手段として考慮することができる。
【００４４】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００４５】
【実施例】
表１に示した組成の鋼材Ａ〜Ｄを用いて１８ｍｍ角の供試鋼を作製し、表２に示した各種の製造条件で、加熱，塑性加工，冷却，焼戻しを施し、試料Ａ１〜Ｄ１を得た。
【００４６】
【表１】
0004590532.tif 000006
【００４７】
【表２】
0004590532.tif 000007
【００４８】
なお、表２中の加速冷却は冷却速度１０℃／ｓでの冷却である。
（Ａ）  得られた試料の最終組織を観察した結果を表２に、引張試験により得た機械的特性を表３に示した。
【００４９】
【表３】
0004590532.tif 000008
【００５０】
表３より、この出願の発明の方法によって、引張強さが６８０ＭＰａ以上で降伏比が０．５０以上０．８５以下の低降伏比高張力鋼が得られたことが確認された。特に、試料Ａ２では、引張強さが８６５ＭＰａと強い上に、降伏比が０．５６と低く、優れた低降伏比高張力鋼であることが示された。
【００５１】
この出願の発明の低降伏比高張力鋼である試料Ａ１と比較例としての試料Ｂ２についての応力−ひずみ特性を図１に示した。図１より、試料Ｂ２に比べてこの出願の発明の試料Ａ１の方が、引張強さが高いにもかかわらず降伏比が低くなっていることが示された。
（Ｂ）  また、上記試料Ａ１および試料Ｂ２の組織を光学顕微鏡で観察した結果を図２に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を図３に示した。さらに、試料Ａ１のＳＥＭ像（図３のＡ１）における各組織の分布を、図４に模式的に示した。
【００５２】
図２および図３より、比較例である試料Ｂ２については、低温変態生成物組織および１μｍ以上の成長したフェライト粒組織は確認されたものの、フェライト粒組織に超微細フェライト粒が生成されていないことが確認された。また、この出願の発明の低降伏比高張力鋼である試料Ａ１については、図２〜図４より、低温変態生成物組織と、超微細フェライト粒と一部成長したフェライト粒からなる混粒組織とが存在することが確認された。
【００５３】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、土木・建築、船舶、ラインパイプ等の一般溶接構造用材料として有用な低降伏比高張力鋼と、特殊な添加元素を必要とせず、また焼入・焼戻しの工程を必要としないその低降伏比高張力鋼の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における低降伏比高張力鋼試料（Ａ１）および比較例試料（Ｂ２）の応力−ひずみ特性を例示した図である。
【図２】実施例における試料Ａ１および試料Ｂ２の組織を観察した光学顕微鏡像を例示した図である。
【図３】実施例における試料Ａ１および試料Ｂ２の組織を観察したＳＥＭ像を例示した図である。
【図４】試料Ａ１のＳＥＭ像（図３のＡ１）における各組織の分布を模式的に示した図である。
【図１】
0004590532.tif 000011
【図２】
0004590532.tif 000012
【図３】
0004590532.tif 000013
【図４】
0004590532.tif 000014