(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．００１〜０．０１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｏ：０．００１〜０．００５％、Ｎ：０．００４〜０．００７％で０．９×１．３Ｂ≦Ｎ≦１．２×１．３Ｂ（但し、Ｂは含有量（％）とする。）を満足するＮを含有し、且つ、円相当直径が０．５μｍ以上、３μｍ以下のＡｌ２Ｏ３析出物を１×１０３個／ｍｍ２以上含有する残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる低温靭性に優れた溶接構造用鋼。
【請求項２】
Ｃｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％の群から選択された一種または二種以上を含有する請求項１記載の低温靭性に優れた溶接構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋構造物、圧力容器、船舶、橋梁、建築及びライパイプ等の大型溶接構造物に用いられる高張力鋼に関し、特に低温での大入熱溶接ＨＡＺ靭性に優れたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海洋構造物、圧力容器、船舶などの鋼構造物は大型化し、使用鋼材は厚肉化の傾向にある。厚肉材の場合、仮付け溶接等の小入熱溶接時の低温割れや、作業能率を向上させるためのエレクトロガス溶接（ＥＧＷ），サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）等の大入熱溶接による低温靭性の低下が問題とされる場合がある。
【０００３】
そのため、厚肉材の製造においては、小入熱溶接時の低温割れ防止のため、低Ｃｅｑ化、低Ｐｃｍ化するとともに、大入熱溶接ＨＡＺ部の靭性劣化を防止する成分設計が通常行われている。
【０００４】
しかし、最近では構造物によって、−４０℃での低温靭性が要求される場合も見受けられるなど、従来より遥かに成分設計の困難度はましている。
【０００５】
大入熱溶接ＨＡＺ靭性改善方法として、種々の提案がされており、例えば、特公昭５５−２６１６４号公報は、微細なＴｉＮを析出させγ結晶粒の粗大化を抑制することを、特許第２９５００７６号公報は、多量の微細なＡｌ2Ｏ3析出物によりオーステナイトの粗大化を抑制する方法を提案している。
【０００６】
そして、特開昭６１−７９７４５号公報は、Ｔｉ酸化物粒子を核生成サイトとして粒内フェライトを生成させて組織を微細化し、ＨＡＺ靭性を改善する方法を、特開平５−２８７３７４号公報は、Ｃａ酸化物やＣａオキシサルファイドを核として粒内アシキュラーフェライトを生成させ、組織を微細化する方法を提案している。
【０００７】
また、特開平９−２０９５５号公報では、Ｎ量をＴｉ及びＢ量に応じて調整し、ＴｉＮ，ＢＮによりボンド部の靭性を改善する方法が提案されている。
【０００８】
しかしながら、特公昭５５−２６１６４号公報記載の方法では、１４００℃前後となるボンド部で、ＴｉＮの大部分が溶解するため、組織が粗大化し、ボンド部靭性は改善されない。
【０００９】
また、特許第２９５００７６号公報記載の方法でも、高温で長期に保持された場合は、Ａｌ2Ｏ3によってもオーステナイト粒径の粗大化を抑制することは困難である。
【００１０】
特開昭６１−７９７４５号公報記載の方法では、Ｔｉ酸化物を鋼中に微細に分散するために強脱酸元素のＡｌは０．００７％以下と極端に少ない特殊な成分であり、溶解での鋼種編成が複雑となる。
【００１１】
同様に、特開平５−２８７３７４号公報記載の方法は、Ｃａ酸化物を安定に確保するため、Ｏを０．００４０％以下に、強脱酸元素であるＡｌを０．００７％以下に制限するもので、脱酸方法、成分元素の添加などで精密な制御が必要で、更に溶接材料によっては溶接金属部の靭性が低下する問題も懸念される。
【００１２】
特開平９−２０９５５号公報記載の方法では、Ｎ量をＴｉあるいはＢ窒化物として固定される量以上添加するため、加熱温度が１０００〜１２００℃となるＨＡＺが固溶Ｎにより脆化する。
【００１３】
特許第２９３１０６５号公報は、溶接熱影響部におけるＴｉＮが、入熱量５００ｋＪ／ｃｍ〜１０００ｋＪ／ｃｍという超大入熱で高温に長時間曝される状態においても溶解しない寸法、および微細化に必要な個数が得られるよう製造条件を規定し、更に、ＢＮとの相乗効果により溶接ボンド部を含むＨＡＺ全域での低温靭性を改善することを提案している。
【００１４】
しかし、粗大なＴｉＮが、母材や入熱が低下した場合のＨＡＺに残存し、鋼材の清浄性を低下させることが懸念され、また、最近、特に大型化の著しいコンテナ船用として多量の鋼板を製造する場合、鋳片の冷却速度を５℃／分以下とすることは生産性の観点から好ましくない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、現在、生産性を損なうことなく、大入熱溶接のＨＡＺ全域で優れた低温靭性が得られる鋼板製造技術は十分確立されているとは言い難く、特に、構造物の局所脆化をもたらし安全性低下をさせるため好ましくないとされるシャルピー衝撃値変動幅を十分小さくする技術は提供されていない。
【００１６】
本発明は、生産性に優れ、大入熱溶接（４００ｋＪ／ｃｍ以上）のＨＡＺ全域（Ｂｏｎｄ，Ｂｏｎｄ＋１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）での靭性が、−４０℃でのシャルピー衝撃値（ｖＥ−４０）として個々の試験片で、１００Ｊ以上となる溶接構造用鋼を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、先行技術を基に、超大入熱溶接ＨＡＺ靭性に及ぼす成分組成の影響について検討を行った。
【００１８】
その結果、特許第２９３１０６５号は、上述したように超大入熱溶接特有の長い高温滞留時間でも溶解消滅しない粗大ＴｉＮを生成させること、およびＨＡＺにおいて固定されない過剰なＮによりＨＡＺ靭性が劣化するのを防止するためＮ量をＴｉ，Ｂ量との関係において規定することを特徴とするものであるが、その規定されているＴｉ量の範囲内において、鋼板の表面性状や清浄性を考慮してＴｉ添加量を低く抑えた場合、靭性を改善するＢの効果は必ずしも安定して得られず、特に−４０℃のように従来経験されなかった低温の場合では、むしろその焼入れ性向上効果によるものと推測される靭性値の変動が切欠位置によっては観察され、優れた技術ではあるものの、いっそうの靭性改善が必要であることが判明した。
【００１９】
そこで、本発明者等は、鋳造凝固過程の冷却速度を遅くするなどして生産性を阻害することなく粒内フェライト生成による靭性改善効果をより一層向上させる方法について鋭意検討を行い、新たな知見として、常法の鋳造凝固過程で得られるＡｌ2Ｏ3析出物が鋼中に一定寸法で適当量確保された場合、ＴｉＮや、ＢＮの析出核として粗大ＴｉＮとほぼ同じ効果が得られること、およびＡｌ、Ｂ，Ｎ添加量を適正化し、特に、溶接部においてＢと窒化物を形成しない固溶Ｎを十分なＡｌ量によりＡｌＮとして析出させ、固溶Ｎを低減することにより、−４０℃においてもＨＡＺ全域（Ｂｏｎｄ、Ｂｏｎｄ＋１〜５ｍｍ）で変動幅が小さく安定して良好な靭性の得られることを見出した。
【００２０】
本発明は、上記知見を基にさらに検討を加えてなされたものであり、すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．００１〜０．０１％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０４〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３％、Ｏ：０．００１〜０．００５％、Ｎ：０．００４〜０．００７％で０．９×１．３Ｂ≦Ｎ≦１．２×１．３Ｂ（但し、Ｂは含有量（％）とする。）を満足するＮを含有し、且つ、円相当直径が０．５μｍ以上、３μｍ以下のＡｌ２Ｏ３析出物を１×１０３個／ｍｍ２以上含有する残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる低温靭性に優れた溶接構造用鋼。
【００２１】
２．  Ｃｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％の群から選択された一種または二種以上を含有する１記載の低温靭性に優れた溶接構造用鋼。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の成分限定理由について詳細に説明する。
【００２３】
Ｃ
Ｃは、強度を確保するために必要で、その効果を得るため、０．０４％以上添加する。一方、０．１２％を超えて添加すると高炭素島状マルテンサイトが生成し、ＨＡＺ靭性および溶接性が低下するため、０．０４〜０．１２％（０．０４％以上、０．１２％以下）とする。尚、０．０４％未満の場合、強度を確保するため、焼入れ性向上元素を多量に添加しなければならず、生産原価が上昇し、靭性、溶接性が劣化する。
【００２４】
Ｓｉ
Ｓｉは、強度の確保と、製鋼過程における脱酸剤として必要で、その効果を得るため、０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると高炭素島状マルテンサイトが生成しやすくなり、ＨＡＺ靭性が劣化するため、０．０１〜０．５％とする。
【００２５】
Ｍｎ
Ｍｎは、強度を確保するため、０．５％以上添加する。一方、２％を超えると焼入れ性が増大し、溶接性、ＨＡＺ靭性を劣化させるため、０．５〜２％とする。
【００２６】
Ｓ
Ｓは、ＨＡＺ部でのフェライトの核生成サイトとなるＭｎＳを生成するため必要で、０．００１％以上とする。一方、０．０１％を超えると、母材および溶接部の靭性が低下するため、０．００１〜０．０１％とする。
【００２７】
Ｂ
Ｂは、フェライトの核生成サイトとなるＢＮを生成させるため、０．０００５％以上添加する。一方、０．００３％を超えて添加するとＨＡＺ靭性が低下するため、０．０００５〜０．００３％とする。
【００２８】
ｓｏｌ．Ａｌ
ｓｏｌ．Ａｌは、脱酸およびＨＡＺ靭性に有害な固溶Ｎを低減させ、Ａｌ2Ｏ3を生成させるため０．０４％以上とする。一方、０．０８％を超えると、粗大なＡｌ系介在物が生じるようになり、靭性が低下するため、０．０４〜０．０８％とする。
【００２９】
図２は、ＨＡＺ全域でのシャルピー衝撃値（ｖＥ−４０）におよぼすｓｏｌ．Ａｌの影響を示すもので、ｓｏｌ．Ａｌ以外の成分を本発明範囲内として、ｓｏｌ．Ａｌ量のみ、本発明範囲内および本発明範囲外のそれぞれにおいて２種類変化させた鋼を用いた。その結果、本発明鋼ではＨＡＺ全域で安定して優れたシャルピー衝撃試験結果が得られている。尚、試験結果は平均値を示す。
【００３０】
図３は、図２の試験結果において、切欠位置をＨＡＺ＋１ｍｍとしたシャルピー衝撃試験における個々の衝撃値（ｖＥ−４０）と平均値を示すもので、ｓｏｌ．Ａｌ量が本発明範囲外で低い供試鋼の場合、平均値とかけはなれた極めて低い衝撃値が発生する不安定な挙動を示し、局所脆化による安全性が懸念される結果となっている。
【００３１】
ｓｏｌ．Ａｌ量が低い供試鋼の場合、最高加熱温度がボンド部より低いＨＡＺ＋１ｍｍでは、ＡｌＮを形成せず、Ｂとの窒化物とならない固溶Ｎにより、フェライト地組織の靭性劣化が生じたものと思われる。
【００３２】
Ｎ
Ｎは、ＨＡＺにおいてオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、また、フェライトの核生成サイトとなるＢＮを生成させるため０．００４％以上とする。一方、０．００７％を超えると固溶Ｎ量がＡｌ窒化物の形成によっても過剰となり、靭性が低下するため、０．００４〜０．００７％とする。
【００３３】
本発明では、更にＮ量を０．００４〜０．００７％の範囲内において、０．９×１．３Ｂ≦Ｎ≦１．２×１．３Ｂ（Ｂは含有量（％））に規定し、含有するＮの大部分をＢＮとすることが必要である。
【００３４】
Ｏ
鋼中Ｏ量は、ＢＮの析出サイトとなるＡｌ2Ｏ3析出物を十分確保し、また、過剰な添加による粗大介在物の生成を防止するため、０．００１〜０．００５％とする。
【００３５】
Ａｌ2Ｏ3析出物
Ａｌ2Ｏ3析出物は、フェライト析出核となるＢＮを析出させ、ＨＡＺ部を微細フェライト組織とし低温靭性を向上させるため、円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下で、その個数を１×１０3個以上に規定する。尚、本発明でＡｌ2Ｏ3析出物とは、Ａｌ2Ｏ3析出物およびＡｌ2Ｏ3を主体とし、他の酸化物（例えば、ＳｉＯ2、ＣａＯ）も含む複合析出物とする。
【００３６】
図１に、相当円直径が０．５μｍ以上、３μｍ以下のＡｌ2Ｏ3析出物数に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す。供試鋼は、請求項１記載の成分組成を有する本発明鋼と、該発明鋼において、Ｎ量のみまたはｓｏｌ．Ａｌ量のみを本発明範囲外とする比較鋼とした。
【００３７】
その結果、ｓｏｌ．Ａｌ量が本発明範囲内となる鋼では、いずれも円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下となるＡｌ2Ｏ3析出物の個数は１×１０3個以上となるものの、これらのうち、Ｎ量が本発明範囲外となる比較鋼では、−４０℃でのシャルピー衝撃試験結果が不安定となっていた。
【００３８】
Ａｌが本発明の範囲外となる鋼では、円相当直径で０．５μｍ以上、３μｍ以下となるＡｌ2Ｏ3析出物の個数が少なくやはりシャルピー衝撃試験結果が不安定となっていた。
【００３９】
本発明は以上の構成により十分な特性が得られるが、更にその特性を向上させるため、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂの一種又は二種以上を添加することができる。これらの元素を添加する場合、Ｃｕ≦０．５％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ≦０．５％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．０３％とする。
【００４０】
尚、本発明において、「残部が実質的にＦｅ」とは、本発明の作用効果を損なわない範囲で、不可避不純物、他の微量元素を含有することを意味する。
【００４１】
次に製造条件について述べる。本発明では、鋼中に微細なＡｌ2Ｏ3析出物を安定して析出させることが重要あるが，鋳造凝固速度を５℃／分より遅くする必要はなく、溶鋼からの鋳造凝固過程は常法によるものでよい。鋳造凝固後は所要の条件で加熱をした後に、圧延等の加工を施して厚鋼板とする。
【００４２】
鋳片の加熱条件、圧延等の加工条件は、所望する強度に応じて適宜設定すればよく、加速冷却などの水冷操作と組合わせたり、圧延後熱処理を行うことは何等差し支えない。
【００４３】
【実施例】
表１、２に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造法でスラブとした後、１１００〜１２５０℃に加熱し、ＴＭＣＰ，ＤＱ−Ｔなどにより板厚５０〜７０ｍｍの鋼板を製造した。
【００４４】
これらの鋼板について、母材の機械的性質およびエレクトロガスアーク溶接（入熱４００〜５３０ｋＪ／ｃｍ）のＨＡＺ靭性を調査した。ＨＡＺ靭性はシャルピー衝撃試験により、切欠位置をボンド部、ボンド部からＨＡＺ側に１ｍｍ、３ｍｍ，５ｍｍとし、試験温度−４０℃でのシャルピー衝撃値（平均値、個々の値）によって評価した。表示は平均値のみとした。
【００４５】
【表１】
0004599770.tif 000002
【００４６】
【表２】
0004599770.tif 000003
【００４７】
表３、４に製造条件、これらの試験結果を示す。本発明鋼であるＮｏ．１〜１５は、母材の引張強度５１０Ｎ／ｍｍ2以上、−４０℃でのシャルピー衝撃値２００Ｊ以上、ボンド部を含むＨＡＺ全域での−４０℃でのシャルピー衝撃値（平均値）として１００Ｊ以上が得られている。更に、表には示さなかったものの個々の衝撃値の変動幅も小さく、何れの試験結果においても平均値の±２０％以内であった。
【００４８】
一方、Ｎｏ．１６〜３２は比較鋼で、いずれもｓｏｌ．Ａｌおよび／またはＮ量が本発明範囲外でＨＡＺの各位置での衝撃値（平均値）が劣り、また、個々の衝撃値の変動幅も大きく、平均値の±２０％を超えていた。
【００４９】
Ｎｏ．１６〜２１、２３、２５、２７〜３１はＮが本発明範囲外で、ＢおよびＮのバランスが悪く、Ｎｏ．１７，１８，２０〜２２、２４，２６，２８，３２はｓｏｌ．Ａｌ量が本発明範囲外で低い。そのため、これら比較鋼はボンドを含むＨＡＺ全域のいずれかまたは全ての位置で、−４０℃でのシャルピー衝撃値（平均値）が１００Ｊ以下となっている。
【００５０】
【表３】
0004599770.tif 000004
【００５１】
【表４】
0004599770.tif 000005
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、エレクトロガスアーク溶接等の４００ｋＪ／ｃｍ以上の大入熱溶接継手部ＨＡＺ全域で安定して優れた低温靭性となる溶接構造用鋼が得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ2Ｏ3の析出状態に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【図２】ＨＡＺ靭性（ｖＥ−４０の平均値：Ｊ）に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【図３】ＨＡＺ靭性（ｖＥ−４０の個々の衝撃値：Ｊ）に及ぼすｓｏｌ．Ａｌ量の影響を示す図。
【図１】
0004599770.tif 000006
【図２】
0004599770.tif 000007
【図３】
0004599770.tif 000008