(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０３％以上、０．０５５％以下、
Ｍｎ：１．０％以上、２．３％以下、
Ｐ  ：０．０２％以下、
Ｓ  ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：０．４％以上、１．５％以下、
Ｎｂ：０．０２％以上、０．０５％以下、
Ｔｉ：０．００５％以上、０．０１５％以下、
Ａｌ：０．００３％以上、０．０８％以下、
Ｂ  ：０．０００５％以上、０．００２０％以下、
Ｎ  ：０．００１５％以上、０．００６０％以下
を含有し、下記に示される溶接割れ感受性指数Ｐｃｍ値が０．１９％以上、０．２２％以下であり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼片または鋳片を、１０００℃以上、１２００℃以下に加熱し、７６０℃以上で圧延を行い、これに引き続き、７００℃以上から冷却速度が８℃／ｓｅｃ以上、８０℃／ｓｅｃ以下となる加速冷却を開始し、室温以上３５０℃以下で該加速冷却を停止することを特徴とする、溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の製造方法。
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋［Ｃｕ］／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｃｒ］／２０＋［Ｍｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５［Ｂ］
ここで、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｂ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの質量％で表した含有量を意味する。
【請求項２】
さらに、質量％で、
Ｓｉ：０．１０％以上、０．４０％以下
を含有することを特徴とする、請求項１に記載の溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の製造方法。
【請求項３】
さらに、質量％で、
Ｍｇ：０．０００５％以上、０．０１％以下、
Ｃａ：０．０００５％以上、０．０１％以下
の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２に記載の溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予熱フリーの溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板を、高価なＮｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕを使用せず、かつ、圧延後の再加熱焼戻し熱処理を必要としない高い生産性と低コストのもとに製造する方法に関するものである。本発明鋼は、建設機械、産業機械、橋梁、建築、造船などの溶接構造物の構造部材として、板厚１２ｍｍ以上４０ｍｍ以下の厚鋼板の形態で用いられるものである。
【背景技術】
【０００２】
建設機械、産業機械、橋梁、建築、造船などの溶接構造部材として用いられる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力鋼板には、母材の高強度・高靭性の両立に加えて、構造部材の高強度化ニーズの増大に伴い、予熱フリーの高溶接性を満足し、かつ、廉価で、短工期で製造可能な７８０ＭＰａ級の厚鋼板が板厚４０ｍｍ程度まで要求されるようになってきた。すなわち、母材高強度・高靭性、小入熱溶接時の予熱フリー化を、廉価成分系で、短工期に加え廉価製造プロセスにて満足する必要がある。
【０００３】
高溶接性を付与した７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の従来の製造方法としては、例えば、特許文献１〜３に開示があるように、鋼板の圧延直後にオンラインで直接焼入れを行い、その後に焼戻し処理を行う、直接焼入れ、焼戻しによる方法がある。
【０００４】
また、圧延後の再加熱焼戻し熱処理を必要としない非調質での７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の製造方法に関しては、例えば、特許文献４〜８に開示があり、いずれも再加熱焼戻し熱処理が省略できる点では製造工期、生産性に優れる製造方法である。このうち、特許文献４〜７に記載の発明は、鋼板の圧延後の加速冷却を途中で停止する、加速冷却−途中停止プロセスによる製造方法に関するものである。また、特許文献８に記載の発明は、圧延後空冷で室温まで冷却する製造方法に関するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平０３−２３２９２３号公報
【特許文献２】特開平０９−２６３８２８号公報
【特許文献３】特開２０００−１６０２８１号公報
【特許文献４】特開２０００−３１９７２６号公報
【特許文献５】特開２００５−０１５８５９号公報
【特許文献６】特開２００４−０５２０６３号公報
【特許文献７】特開２００１−２２６７４０号公報
【特許文献８】特開平０８−１８８８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、例えば、上記特許文献１〜３に記載の発明では、再加熱焼戻し熱処理が必要となるため、製造工期、生産性、製造コストに問題がある。このような従来技術に対しては、再加熱焼戻し熱処理が省略できるいわゆる非調質の製造方法への要求が強い。
【０００７】
非調質の製造方法として、上記特許文献４に記載の発明では、その実施例に記載があるように溶接時に５０℃以上での予熱が必要であり、予熱フリーの高溶接性を満足することができないという問題がある。さらに、特許文献５に記載の発明では、０．６％以上のＮｉ添加が必要なため高価な成分系となり製造コスト上問題がある。特許文献６に記載の発明では、実施例に記載の板厚１５ｍｍまでしか製造できず、４０ｍｍ厚までの板厚要求を満足できない。さらに、板厚１５ｍｍにおいても、Ｃ含有量が少なく継手のミクロ組織が粗粒となり十分な継手低温靭性が得られない問題もある。特許文献７に記載の発明では、実施例に記載があるように１．０％程度のＮｉ添加が必要なため高価な成分系となり製造コスト上問題がある。特許文献８に記載の発明では、実施例に記載の板厚１２ｍｍまでしか製造できず、４０ｍｍ厚までの板厚要求を満足できない。さらに、その圧延条件の特徴としてフェライトとオーステナイトの二相温度範囲で累積圧下率１６〜３０％の圧延を行うため、フェライト粒が粗大化しやすく１２ｍｍ厚の製造においても強度、靭性が低下しやすい問題もある。
【０００８】
以上のように、母材の高強度と高靭性、高溶接性を、高価合金元素のＮｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕを無添加で、かつ、圧延冷却後の再加熱焼戻し熱処理を省略した上で満足可能な、板厚４０ｍｍまでの高張力厚鋼板の製造方法は、需要家の要望が強いにもかかわらず、未だ発明されていないのが現状である。
【０００９】
母材強度７８０ＭＰａ級の厚鋼板では、溶接時の予熱フリー化に及ぼす板厚の影響は非常に大きい。板厚１２ｍｍ未満では、予熱フリー化が比較的容易に達成できる。これは、板厚１２ｍｍ未満であれば、水冷時の鋼板の冷却速度を板厚中心部でも１００℃／ｓｅｃ以上と非常に大きくすることが物理的に可能なことによる。この場合、Ｃや合金元素を多量に添加しなくとも、高冷却速度により硬いマルテンサイトやベイナイト組織が得られ、７８０ＭＰａ級の強度が得られる。そして、合金元素添加量の少ない薄手７８０ＭＰａ鋼では予熱しなくても溶接熱影響部の硬さを低く抑えることができ、予熱フリーでも溶接割れを防止できる。一方で、板厚が厚くなると、水冷時の冷却速度は小さくなる。このため、薄手鋼板と同一成分では焼入れ不足から厚手鋼板の強度は低下し、７８０ＭＰａ級の強度を満足できなくなる。特に、冷却速度が最も小さくなる板厚中心部（１／２ｔ部）での強度低下が顕著である。冷却速度が８℃／ｓｅｃを下回るような板厚４０ｍｍを超える厚手鋼板になると、母材強度確保に合金元素の多量添加が必須となり、溶接予熱フリー化は極めて困難となる。
【００１０】
そこで、本発明は、母材の高強度と高靭性、高溶接性を、高価合金元素のＮｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ無添加で、かつ、圧延冷却後の再加熱焼戻し熱処理を省略した上で満足可能な、具体的には、母材の板厚中心部において、引張強さ７８０ＭＰａ以上、降伏応力６８５ＭＰａ以上、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上で、ｙ割れ試験時の必要予熱温度が２５℃以下を満足可能な、溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級高張力厚鋼板の製造方法を提供することを目的とするものである。ここで、本発明が対象とする鋼板の板厚は、１２ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上述した課題を解決するために、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ無添加の成分系で圧延後直接焼入れによる製造を前提に、母材、溶接継手につき数多くの検討を行った。Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ無添加のＢ添加成分系につき、小入熱溶接時の予熱フリーの実現に向け、添加成分に関する検討を行った結果、Ｃ添加量を０．０３％以上、０．０５５％以下に厳格に規制した上で、Ｐｃｍ値で評価し得る溶接割れ感受性指数を０．２２％以下に規制することで、ｙ割れ試験時の必要予熱温度を２５℃以下とすることができ、予熱フリー化が可能となることがわかった。しかしながら、Ｐｃｍ値０．２２％以下を前提として、板厚４０ｍｍまでの板厚方向全厚に亘る母材強度・靭性を両立することは困難であった。これに対し、Ｂ添加鋼におけるＮｂ、Ｍｎ、Ｃｒ添加量と圧延・冷却条件につき種々検討した結果、Ｎｂ添加量を０．０２％以上、０．０５％以下とした上で、さらに、Ｍｎを１．０％以上、かつ、Ｃｒを０．４％以上添加した上で、Ｐｃｍ値にて０．１９％以上を満足するようにＭｎとＣｒを添加し、７６０℃以上で圧延した直後に７００℃以上から、室温以上３５０℃以下まで冷却速度８℃／ｓｅｃ以上、８０℃／ｓｅｃ以下にて加速冷却することで、板厚４０ｍｍまでの板厚方向全厚に亘る母材強度・靭性の両立、具体的には、引張強さ７８０ＭＰａ以上、降伏応力６８５ＭＰａ以上、−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上を満足可能となることを新規に知見した。
【００１２】
本発明は、以上のような新規知見に基づき成されたものであって、その要旨は次のとおりである。
（１）  質量％で、Ｃ：０．０３％以上、０．０５５％以下、Ｍｎ：１．０％以上、２．３％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｒ：０．４％以上、１．５％以下、Ｎｂ：０．０２％以上、０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５％以上、０．０１５％以下、Ａｌ：０．００３％以上、０．０８％以下、Ｂ：０．０００５％以上、０．００２０％以下、Ｎ：０．００１５％以上、０．００６０％以下を含有し、下記に示される溶接割れ感受性指数Ｐｃｍ値が０．１９％以上、０．２２％以下であり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼片または鋳片を、１０００℃以上、１２００℃以下に加熱し、７６０℃以上で圧延を行い、これに引き続き、７００℃以上から冷却速度が８℃／ｓｅｃ以上、８０℃／ｓｅｃ以下となる加速冷却を開始し、室温以上３５０℃以下で該加速冷却を停止することを特徴とする、溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の製造方法。
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋［Ｃｕ］／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｃｒ］／２０＋［Ｍｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５［Ｂ］
ここで、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｂ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの質量％で表した含有量を意味する。
（２）  さらに、質量％で、Ｓｉ：０．１０％以上、０．４０％以下を含有することを特徴とする、上記（１）に記載の溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の製造方法。
（３）  さらに、質量％で、Ｍｇ：０．０００５％以上、０．０１％以下、Ｃａ：０．０００５％以上、０．０１％以下の１種または２種を含有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の高張力厚鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高強度化ニーズの強い建設機械、産業機械、橋梁、建築、造船などの溶接構造物の構造部材として好適な、溶接予熱フリーの溶接性に優れる引張強さ７８０ＭＰａ級の板厚１２ｍｍ以上４０ｍｍ以下の高張力厚鋼板を、高価なＮｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕを使用せず、かつ、圧延後の再加熱焼戻し熱処理を必要としない高い生産性と低コストのもとに製造することができ、その産業界へもたらす効果は極めて大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明における各成分組成および圧延条件等の製造方法の限定理由を説明する。
【００１５】
Ｃは、母材強度を満足するために０．０３％以上の添加が必要である。添加量が０．０５５％を超えると、溶接時の必要予熱温度が２５℃を超えて予熱フリーを満足できないため、上限値は０．０５５％とする。
【００１６】
Ｍｎは、母材強度・靭性の両立のために、１．０％以上の添加が必要である。２．３％を超えて添加すると中心偏析部において靭性に有害な粗大なＭｎＳが生成する傾向にあり、板厚中心部の母材靭性の低下をもたらす場合があるので、上限を２．３％とする。
【００１７】
Ｐは、母材および継手の低温靭性を低下させるため含有しないことが望ましい。不可避的に混入する不純物元素としての許容値は０．０２％以下である。
【００１８】
Ｓは、母材および継手の低温靭性を低下させるため含有しないことが望ましい。不可避的に混入する不純物元素としての許容値は０．００５０％以下である。
【００１９】
Ｃｒは、母材強度・靭性の両立のために、０．４％以上の添加が必要である。１．５％を超えて添加すると板厚中心部の母材靭性の低下をもたらす場合があるので、上限を１．５％とする。
【００２０】
Ｎｂは、母材の強度・靭性の両立のために、０．０２％以上の添加が必要である。０．０５％を超えて添加すると、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）としての析出Ｃ量が増加し、固溶Ｃ量減少による焼入性低下のため、特に厚手材の板厚中心部において目標とする母材強度が得られない場合があるので、上限を０．０５％とする。
【００２１】
ＴｉとＮは、微細なＴｉＮ粒子を形成し、溶接熱影響部のオーステナイト粒粗大化防止を通して継手靭性を良好にするのに有効である。また、ＴｉはＢ添加鋼の焼入性安定化に一定の効果を有する。これは、固溶Ｎが、ＢＮ形成による固溶Ｂ量減少を通して焼入性低下を招くが、Ｔｉを添加し固溶ＮをＴｉＮとして析出させることで固溶Ｂの焼入性向上効果が安定して得られることによる。これら効果を両立させて得るためには、０．００５％以上のＴｉと０．００１５％以上のＮの添加が必要である。粗大なＴｉＮ粒子による継手低温靭性低下と過剰Ｎによる焼入性低下の両方を抑制するため、Ｔｉ添加量は０．０１５％、Ｎ添加量は０．００６０％を上限とする。
【００２２】
Ｂは、焼入性を高め、母材高強度・高靭性を得るため、０．０００５％以上の添加が必要である。一方、０．００２０％を超えて添加すると焼入性が低下し、良好な継手低温靭性や十分な母材高強度・高靭性が得られない場合があるので、上限を０．００２０％とする。
【００２３】
Ａｌは、通常脱酸元素として添加される範囲の０．００３％以上、０．０８％以下を含有範囲とする。
【００２４】
Ｓｉは、母材強度の確保のために添加しても良い。この効果を得るためには、０．１０％以上の添加が必要である。しかしながら、０．４％を超えて添加すると母材及び継手の靭性が低下するので、その上限を０．４％とする。
【００２５】
ＭｇおよびＣａの１種または２種を添加することにより、硫化物や酸化物を形成して母材靭性および継手靭性を高めることができる。この効果を得るためには、ＭｇあるいはＣａは、それぞれ０．０００５％以上の添加が必要である。しかし、０．０１％を超えて過剰に添加すると粗大な硫化物や酸化物が生成するため、かえって靭性を低下させることがある。したがって、添加量をそれぞれ０．０００５％以上、０．０１％以下とする。
【００２６】
Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕは、合金コストの上昇が僅かである理由により、Ｎｉ、Ｍｏ：０．０５％以下、Ｖ：０．０１％以下、Ｃｕ：０．２％以下で含有してもよい。さらには、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕが、スクラップ原料などから不可避的に混入する場合は、含有していても高コストとはならないため、上記の上限値を超えて含有しても本発明の範囲内である。
【００２７】
溶接割れ感受性指数Ｐｃｍ値は、０．２２％以下にしないと溶接時の予熱をフリーにできないので、その上限を０．２２％以下とする。Ｐｃｍ値が０．１９％未満となると、母材の高強度・高靭性を満足できないので、その下限を０．１９％とする。
【００２８】
ここで、Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋［Ｃｕ］／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｃｒ］／２０＋［Ｍｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５［Ｂ］であり、式中の［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｂ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの質量％で表した含有量を意味する。
【００２９】
次に、成分組成以外の製造方法について述べる。
【００３０】
鋼片または鋳片の加熱温度は、Ｎｂの炭窒化物であるＮｂ（Ｃ，Ｎ）を十分に固溶させるために、１０００℃以上とする必要がある。１２００℃を超えるとオーステナイト粒が粗大化して靭性低下の原因になるため、その上限を１２００℃とする。
【００３１】
圧延温度が７６０℃を下回ると過剰な圧延歪の蓄積により局部的にフェライトが生成し母材の高強度・高靭性が得られない場合があるので、圧延温度の下限を７６０℃に規制する。
【００３２】
圧延後の加速冷却の開始温度は、７００℃未満の場合、局部的にフェライトが生成し、母材の高強度・高靭性が得られない場合があるので、その下限温度を７００℃とする。
【００３３】
加速冷却の冷却速度が８℃／ｓｅｃ未満の場合、局部的にフェライトが生成し、母材の高強度・高靭性が得られないので、その下限値を８℃／ｓｅｃとする。上限は水冷により安定して実現可能な冷却速度である８０℃／ｓｅｃとする。
【００３４】
加速冷却の停止温度が３５０℃より高いと、特に板厚３０ｍｍ以上の厚手材の板厚中心部において、焼入れ不足によるフェライト、上部ベイナイトや島状マルテンサイトの生成量が増加し、母材の高強度が得られないので、停止温度の上限を３５０℃とする。この時の停止温度とは、冷却終了後に鋼板が復熱した時の鋼板表面温度とする。停止温度の下限は室温であるが、鋼板の脱水素の点で、より好ましい停止温度は１００℃以上である。
【実施例】
【００３５】
表１に示す成分組成の鋼を溶製して得られた鋼片を、表２に示す製造条件にて１２〜４０ｍｍ厚さの鋼板とした。これらのうち表２の１−Ａ〜７−Ｅは本発明鋼であり、８−Ｆ〜１９−Ｂは比較例である。表中、下線で示す数字や記号は、成分または圧延条件等の製造条件が特許範囲を逸脱しているか、あるいは特性が下記の目標値を満足していないものである。なお、表１のＮｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕのうち、０％でないものは不可避的不純物元素としての含有量である。
【００３６】
【表１】
0004427521.tif 000002
【００３７】
【表２】
0004427521.tif 000003
【００３８】
これらの鋼板についての母材強度、靭性と、溶接性の評価結果を表２に示す。母材強度は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１に規定の、１Ａ号全厚引張試験片あるいは４号丸棒引張試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に規定の方法で測定した。引張試験片は板厚２０ｍｍ以下では１Ａ号全厚引張試験片を採取し、２０ｍｍ厚超では４号丸棒引張試験片を板厚の１／４部（１／４ｔ部）と板厚中心部（１／２ｔ部）より採取した。母材靭性は、板厚中心部から圧延方向に直角な方向にＪＩＳ  Ｚ  ２２０２に規定の衝撃試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に規定の方法で−２０℃でのシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ−２０）を求めて評価した。溶接性はＪＩＳ  Ｚ  ３１５８に規定の方法で、入熱１．７ｋＪ／ｍｍで被覆アーク溶接を行い、ルート割れ防止に必要な予熱温度を求めて評価した。各特性の目標値はそれぞれ母材降伏応力が６８５ＭＰａ以上、母材引張強さが７８０ＭＰａ以上、母材のｖＥ−２０が１００Ｊ以上、必要予熱温度が２５℃以下とした。
【００３９】
実施例１−Ａ〜７−Ｅは、いずれも母材降伏応力が６８５ＭＰａ以上、母材引張強さが７８０ＭＰａ以上、母材のｖＥ−２０が１００Ｊ以上、必要予熱温度が２５℃以下である。
【００４０】
これに対して、以下の比較例は、母材の降伏応力や引張強さが不足する。すなわち、比較例８−ＦはＣ添加量が少ないため、１０−ＨはＭｎ添加量が少ないため、１２−ＪはＣｒ添加量が少ないため、１５−ＭはＮｂ添加量が多いため、１７−Ａは圧延終了温度が７６０℃を下回るため、１８−Ｂは水冷開始温度が７００℃を下回るため、１９−Ｂは冷却停止温度が３５０℃を上回るため、母材の降伏応力や引張強さが不足する。
【００４１】
また、以下の比較例は、母材靭性が不足する。すなわち、比較例１１−ＩはＭｎ添加量が多いため、１３−ＫはＣｒ添加量が多いため、１４−ＬはＮｂ添加量が少ないため、１５−ＭはＮｂ添加量が多いため、１６−Ａは加熱温度が高いため、母材靭性が不足する。
【００４２】
また、比較例９−ＧはＣ添加量が多いため、１３−ＫはＰｃｍ値が高いため、必要予熱温度が２５℃を上回り、予熱フリーを満足しない。