(57)【要約】【課題】本発明は、船舶、海洋構造物、橋梁、建設機械、建築物、タンクなど各種溶接構造物に用いられ、繰返し荷重を受けた場合でも良好な耐疲労亀裂伝播特性を示す構造用鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下を含有し、必要に応じてＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂの一種または二種以上を含有する、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を９００℃以上１３００℃以下に加熱後、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、直ちにＡｒ３点以上から冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却したのち、Ｍｓ点＋２００℃〜Ｍｓ点−１００℃の温度範囲で冷却速度４℃／ｓ未満となる冷却を２ｓ以上設けた後、再び２００℃以下まで冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却し、その後直ちに１℃／ｓ以上の昇温速度でＡｃ１点以下まで再加熱し、ミクロ組織が、主としてベイナイトとマルテンサイトの混合組織とする。【選択図】図１
2007039795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を９００℃以上１３００℃以下に加熱後、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、直ちにＡｒ３点以上から冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却したのち、Ｍｓ点＋２００℃〜Ｍｓ点−１００℃の温度範囲で冷却速度４℃／ｓ未満で２ｓ以上冷却後、再び２００℃以下まで冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却し、その後直ちに１℃／ｓ以上の昇温速度でＡｃ１点以下まで再加熱することを特徴とする耐疲労亀裂伝播速度および靭姓に優れた高強度鋼材の製造方法。
【請求項２】
更に、質量％でＣｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有する請求項１に記載の耐疲労亀裂伝播特性および靭性に優れた高強度鋼材の製造方法。
【請求項３】
再加熱後のミクロ組織が、主として、ベイナイトとマルテンサイトの混合組織であることを特徴とする請求項１または２記載の耐疲労亀裂伝播特性および靭性に優れた高強度鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐疲労亀裂伝播特性に優れた高強度鋼材の製造方法に関する。より詳しくは、船舶、海洋構造物、橋梁、建設機械、建築物、タンクなど各種溶接構造物に用いられ、繰返し荷重を受けた場合でも良好な耐疲労亀裂伝播特性を示す構造用鋼材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶、海洋構造物、橋梁、建設機械、建築物、タンクなどの構造物においては設計の合理化や鋼材重量の低減、薄肉化や溶接の省力化を目的として高強度鋼材が適用される事例が多くなってきている。加えて高強度鋼材においては、靭性や溶接性に優れていること、構造安全性を確保するため、耐疲労特性に優れていることが要求される。
【０００３】
溶接構造物において、疲労破壊は、溶接止端部から疲労亀裂が発生し、鋼材中を伝播して破壊するケースが多い。これは、溶接止端部がその形状から応力集中部となりやすいこと、加えて溶接後に引張の残留応力が生じることなどに起因するとされている。
【０００４】
このため、溶接止端部からの亀裂発生を抑制させる手段として、付加溶接を施すなどして形状を改善し応力集中を低減させる技術、ショットピーニングや超音波ピーニングなどで圧縮の残留応力を導入する技術などが広く知られている。
【０００５】
しかし、多数存在する溶接止端部にこのような処理を工業的規模で施すことは不可能に近く、コストの面でも現実的とは言いがたい。そこで、仮に疲労亀裂が発生したとしてもその後の鋼材中の伝播速度を低減させることで疲労寿命を延命させることが重要であり、鋼材自身の疲労亀裂伝播特性を向上させることが産業界から強く要望されている。
【０００６】
高強度鋼材の疲労亀裂伝播特性の向上手法として、例えば、特許文献１には組織がフェライト、パーライト、ベイナイトの１種または２種以上で主に構成され、さらに平均存在間隔２０μｍ以下でかつ平均扁平比５以上の島状マルテンサイトが０．５〜５％の割合で存在する耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板ならびにその製造方法が記載されている。
【０００７】
特許文献２には主としてベイナイト／マルテンサイトからなり、ラス状組織の最小短辺長が１．３μｍ以下、かつ、ベイナイトを含む場合にはその組織中にアスペクト比が５以上である島状マルテンサイトを面積率で５％未満含む鋼材ならびにその製造方法が開示されている。
【０００８】
特許文献３には熱間圧延後に鋼板を５００℃以下まで水冷後、Ａｃ１点＋５０℃〜Ａｃ３点−１０℃の二相域に再加熱して圧延することで、組織を細粒フェライトとベイナイトもしくはマルテンサイトの混合組織とし、疲労強度を向上させる技術が記載されている。
【特許文献１】特開平６−２７１９８５号公報
【特許文献２】特開２００３−３４２６７２号公報
【特許文献３】特開平１０−１６８５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記技術には、種々の問題点が指摘され、例えば、特許文献１の場合、島状マルテンサイトを多量に含むため、これを起点とした脆性破壊が生じやすい可能性があることが懸念される。
【００１０】
特許文献２の場合、基本的にフェライトを含まない硬質層（ベイナイト／マルテンサイト）のみの鋼材であるため軟質相／硬質層を有する鋼材と比べて疲労亀裂伝播速度に劣ることや焼戻し処理を行わない場合には遅れ破壊が生じることなどが懸念される。
【００１１】
特許文献３によれば冷却後に再加熱し圧延する製造工程が煩雑であることから、製造コスト・能率の面で劣る。
【００１２】
従って、本発明はこのような従来技術の課題を解決し、耐疲労亀裂伝播特性に優れ、かつ靭性に優れた高強度鋼材を高能率で製造する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決すべく実験と検討を重ねた。その結果、マトリクスをベイナイトとマルテンサイトの混合組織とすることで高強度、高靭性を確保しつつ、耐疲労亀裂伝播特性が向上することを見出した。
【００１４】
また、そのような組織を有する鋼材は圧延、制御冷却、熱処理を高精度に制御し、かつ一連の工程で造りこむことによって高能率に生産できることを見出した。本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を９００℃以上１３００℃以下に加熱後、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、直ちにＡｒ３点以上から冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却したのち、Ｍｓ点＋２００℃〜Ｍｓ点−１００℃の温度範囲で冷却速度４℃／ｓ未満で２ｓ以上冷却後、再び２００℃以下まで冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却し、その後直ちに１℃／ｓ以上の昇温速度でＡｃ１点以下まで再加熱することを特徴とする耐疲労亀裂伝播速度および靭姓に優れた高強度鋼材の製造方法。
２．更に、質量％でＣｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｂ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有する１に記載の耐疲労亀裂伝播特性および靭性に優れた高強度鋼材の製造方法。
３．再加熱後のミクロ組織が、主として、ベイナイトとマルテンサイトの混合組織であることを特徴とする１または２記載の耐疲労亀裂伝播特性および靭性に優れた高強度鋼材の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、特殊な工程や多量の合金元素の添加を必要とせずに、耐疲労亀裂伝播特性に優れ、かつ、靭性にも優れた高強度鋼材の製造が可能で、船舶、橋梁、建築物に代表されるような溶接構造物の主要部材に対し疲労破壊の安全裕度を拡大できる鋼材が提供可能である。
【００１６】
また、圧延、冷却、再加熱を組み合わせた一連の加工熱処理により製造できるために、上記のような諸特性に優れる鋼材を短納期で、安価に提供することが出来、産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の鋼材の化学成分の限定理由について説明する。以下の説明での％で示す単位は全て質量％である。
Ｃ：０．０２〜０．２５％
Ｃは強度確保のために０．０２％以上の添加が必要である。しかし、０．２５％以上の添加は溶接性を阻害する。したがって０．０２％以上０．２５％以下に限定する。好ましくは０．０２％以上０．２０％以下とする。
【００１８】
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは脱酸剤として有効であるとともに高強度化のためには０．０１％以上必要であるが、０．５０％を越えて添加すると溶接性、靭性を劣化させる。したがって０．０１％以上０．５０％以下に限定する。好ましくは０．０５％以上０．４０％以下とする。
【００１９】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは安価に焼入れ性の増加を通じて強度を高めるだけでなく靭性向上の観点から０．５％以上必要であるが、２．０％を越えると溶接性の劣化に繋がる。したがって０．５％以上２．０％以下に限定する。好ましくは０．５％以上１．８％以下とする。
【００２０】
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは鋼の靭性を劣化させるため、その含有量はできるだけ低いことが望ましい。このため上限を０．０５％とした。好ましくは０．０３％以下とする。
【００２１】
Ｓ：０．０２％以下
Ｓは多量に添加すると鋼の靭性を低下させるため極力低減するのが望ましい。このため、上限を０．０２％とした。好ましくは０．０１％以下とする。
【００２２】
以上を本発明の基本成分とするが、強度、靭性や溶接性等の調整、耐候性の付与などを目的としてＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｂの１種または２種以上を添加しても良い。
【００２３】
Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは固溶による強度上昇効果をもたらすとともに耐候性を向上させる。しかし、その含有量が１．０％を超えると溶接性を損なうとともに鋼材製造時に疵が生じやすくなる。従って、添加する場合はその上限を１．０％とする。好ましくは０．５％以下とする。
【００２４】
Ｎｉ：３．０％以下
Ｎｉは低温靭性を向上させるとともに耐候性やＣｕを添加した場合に生ずる熱間脆性の改善に有効である。しかし、その添加量が３．０％を超えると溶接性を阻害する上、コスト上昇に繋がる。従って、添加する場合はその上限を３．０％とする。好ましくは２．５％以下とする。
【００２５】
Ｃｒ：２．５％以下
Ｃｒは耐候性や強度を向上させる。しかし、その含有量が２．５％を超えると溶接性および靭性を損なう。従って、添加する場合は上限を２．５％とする。好ましくは２．０％以下とする。
【００２６】
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは強度を上昇させる。しかし、その含有量が１．０％を超えると溶接性および靭性の劣化が生じる。従って、添加する場合はその上限を１．０％とする。好ましくは０．５％以下とする。
【００２７】
Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは圧延時のオーステナイト再結晶を抑制し細粒化を図ると同時に、析出を通じた高強度化をもたらす働きを有する。しかし、０．１％以上添加すると靭性が劣化する。従って添加する場合は０．１％以下に限定する。好ましくは０．０５％以下とする。
【００２８】
Ｖ：０．２％
ＶもＮｂと同様、析出により高強度化をもたらす働きを有する。しかし、０．２％以上の添加は溶接性および靭性の低下を招く。従って添加する場合は０．２％以下に限定する。好ましくは０．１％以下とする。
【００２９】
Ｔｉ：０．１％以下
Ｔｉは強度上昇と溶接部靭性を改善する。しかし、その含有量が０．１％を超えるとコスト上昇を招く傾向にある。従って添加する場合は上限を０．１％とする。好ましくは０．０５％以下とする。
【００３０】
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは焼入れ性を高め強度上昇に寄与する。しかし、０．００５％を超えて添加すると溶接性を害する。従って上限を０．００５％とする。好ましくは０．００３％以下とする。
【００３１】
本発明に係る耐疲労亀裂伝播特性および靭性に優れた高強度鋼材の製造方法は上記成分を有する鋼を９００℃以上１３００℃以下に加熱後、Ａｒ３点以上で累積圧下率５０％以上の圧延を行い、直ちにＡｒ３点以上から冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却したのち、Ｍｓ点＋２００℃〜Ｍｓ点−１００℃の温度範囲で冷却速度４℃／ｓ未満で２ｓ以上冷却する。
【００３２】
その後、再び２００℃以下まで冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却し、その後直ちに１℃／ｓ以上の昇温速度でＡｃ１点以下まで再加熱する。なお、上記温度は鋼材表面温度とし、冷却速度は鋼材の厚さ方向での平均値とする。
【００３３】
加熱温度：９００℃以上１３００℃以下
加熱温度を９００℃未満にするとその後の圧延温度が確保できない。また、１３００℃を超える温度にすると鋼の結晶粒が粗大化するので靭性の確保が困難となる。
Ａｒ３点以上における累積圧下率５０％以上
Ａｒ３点以上において累積圧下率５０％以上の圧延を行うことにより旧オーステナイト粒の微細化が図れ、靭性や耐疲労亀裂伝播特性の向上が図れる。圧延温度をＡｒ３点未満にした場合、フェライトが混入し強度が低下する。
また、累積圧下率を５０％未満にすると旧オーステナイト粒の微細化が図れずに所望の特性が得られない。
【００３４】
なお、Ａｒ３点は例えば、Ａｒ３（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の質量％での含有量を表す）で表される関係式により鋼材の成分組成に基づいて導くことが出来る。
【００３５】
Ａｒ３点以上から冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却したのち、Ｍｓ点＋２００℃〜Ｍｓ点−１００℃の温度範囲で冷却速度４℃／ｓ未満で２ｓ以上冷却後、再び２００℃以下まで冷却速度５℃／ｓ以上で加速冷却
圧延後の加速冷却においてベイナイトとマルテンサイト組織を得るための手法として、まずベイナイトを意図的に生成させた後、残部をマルテンサイトとするための冷却手法である。
【００３６】
冷却開始温度がＡｒ３点を下回る場合ならびに冷却速度が５℃／ｓに満たない場合、フェライトが生成し強度低下に繋がる。上記冷却の後、Ｍｓ点＋２００℃〜Ｍｓ点−１００℃の温度範囲で冷却速度４℃／ｓ未満となる冷却を２ｓ以上設けることによりオーステナイトから最初にベイナイトを生成させる。
【００３７】
温度がＭｓ点＋２００℃を超える場合にはフェライトが生成し、Ｍｓ点−１００℃を下回る場合にはベイナイト生成が生じずにマルテンサイトが生成される。その温度範囲において冷却速度が４℃／ｓを超える場合ならびに冷却時間が２ｓに満たない場合にはベイナイトが生成されない。
【００３８】
上記、冷却工程の後、残部をマルテンサイト組織とするために再び５℃／ｓ以上で２００℃以下まで加速冷却する。冷却速度が５℃／ｓ未満の場合ならびに冷却停止温度が２００℃を超える場合には残部がベイナイトとなり、マルテンサイトが導入されない。
【００３９】
なお、上記ベイナイトを生成させるための時間は２ｓ以上あればよく、特にその上限は限定するものではないが、ベイナイト変態の完了を防ぐ目的から、１００ｓ以下とすることが望ましい。
【００４０】
Ｍｓ点は例えば、Ｍｓ（℃）＝５１７−３００Ｃ−３３Ｍｎ−２２Ｃｒ−１７Ｎｉ−１１Ｍｏ−１１Ｓｉ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の質量％での含有量を表す）で表される関係式により鋼材の成分組成に基づいて導くことが出来る。
【００４１】
上記の冷却工程は例えば、圧延終了後に、水冷→徐冷→水冷、水冷→放冷→水冷などの工程を行えばよい。図１は板厚２５ｍｍｔの鋼材（後述の実施例Ｎｏ．１）を水冷→放冷→水冷の方法で８００℃から水冷し、一端水冷を中断して５００℃で１５ｓ放冷した後再び１００℃まで水冷したときの板厚内平均温度と時間を示し、ベイナイトとマルテンサイトの混合組織が得られる。
【００４２】
加速冷却後直ちに１℃／ｓ以上の昇温速度でＡｃ１点未満まで再加熱
直接焼入れ後直ちに再加熱することでマトリクスを焼戻して靭性を向上させる。また、そのような再加熱を高い加熱速度で行うことで、マトリクスの過度の軟化が抑制され強度低下を最小限とすることができ、かつ、マトリクス中には非常に細かい炭化物や析出物が形成されるために、高い靭性を確保出来る。
【００４３】
更に、マトリクスはベイナイト（軟質相）とマルテンサイト（硬質相）から構成されるために、これらの相界面で強度差が生じ、軟質相から硬質相へ亀裂が進展する際に疲労亀裂が遅延することで高い耐疲労亀裂伝播特性が図れる。
【００４４】
昇温速度が１℃／ｓ未満では、再加熱に時間がかかり製造効率の悪化を導くとともに強度低下や靭性劣化が生じる。また、再加熱温度がＡｃ１点以上では一部オーステナイト化し、島状マルテンサイトが生成するなど靭性劣化が生じる。
【００４５】
Ａｃ１点は例えば、Ａｃ１（℃）＝７２３−１４Ｍｎ＋２２Ｓｉ−１４．４Ｎｉ＋２３．３Ｃｒ（但し、元素記号は鋼材中の各元素の質量％での含有量を表す）で表される関係式により鋼材の成分組成に基づいて導くことが出来る。
【００４６】
上図１は、通常のオフラインＴｅｍｐｅｒのように室温まで放冷することなく、直ちに再加熱する場合で、加速冷却を１００℃で終了し、しばらく放冷したのち、６００℃まで２５℃／ｓで再加熱し、再び放冷する工程を示し、非常に短時間（冷却開始から再加熱終了まで１００ｓ未満）で所望の組織が得られ、耐疲労特性のみならず靭性にも優れた鋼材が効率よく生産可能である。
【００４７】
本製造法は加速冷却後に直ちに再加熱を行う技術である。したがって、加速冷却装置と加熱装置は同一ライン上にレイアウトされていることが好ましい。加熱方式は昇温速度が達成されれば誘導加熱、雰囲気加熱などどのようなものでも良く特に規定しない。
【００４８】
また、再加熱は、所望の強度・靭性が得られる範囲内で、目標温度での等温保持を行っても行わなくても良く、さらに再加熱後には炉冷／放冷／急冷のいずれを選択しても良く特に規定しない。
【実施例】
【００４９】
表１に示す組成を有する鋼を溶製して得られた鋼片を表２に示す条件に基づいて板厚１２〜１００ｍｍの鋼板を製造した。これらの鋼板について、下記に示す手順にて、引張強度、靭性、疲労亀裂伝播速度を調査した。得られた結果を表３に示す。
【００５０】
強度は圧延方向に直角方向に採取したＪＩＳ  Ｚ２２０１  １Ａ号の全厚試験片（板厚５０ｍｍ以上は板厚／４位置でのＪＩＳ  Ｚ２２０１  ４号丸棒試験片）により評価した。
【００５１】
靭性は板厚／４位置（板厚２５ｍｍ未満は板厚／２位置）で圧延方向と平行方向に採取したＪＩＳ  Ｚ  ２２０２のＶノッチシャルピー衝撃試験片により評価した。
【００５２】
疲労亀裂伝播速度は圧延直角方向に亀裂が進展するＬ−Ｔ方向に全厚（板厚２５ｍｍを超えるものは２５ｍｍｔまで両面減厚）のＣＴ試験を採取し、応力比０．１、周波数２０Ｈｚ、室温大気中でＡＳＴＭ  Ｅ６４７に準拠して行った。
【００５３】
本発明に規定の成分を採用し、本発明に規定の製造法を採用したＮｏ．１〜Ｎｏ．９の鋼板は、いずれも強度はＴＳで５７０ＭＰａ以上、靭性はシャルピー衝撃試験での延性／脆性破面遷移温度が−３０℃以下、疲労亀裂伝播特性は大気中において△Ｋ＝２０ＭＰａ√ｍのときの疲労亀裂伝播速度が５×１０−８ｍ／ｃｙｃｌｅ以下で、高い耐疲労亀裂伝播特性、高い強度と靭性をも兼ね備えていることがわかる。
【００５４】
これに対し、Ｐ、Ｓが本発明範囲を超えるＮｏ．１０の鋼板は本発明に規定の製造方法としても低い靭性を示している。
【００５５】
Ａｒ３点未満から５℃／ｓ未満の冷却速度で冷却を行ったＮｏ．１１の鋼板は低強度である。また、Ｍｓ点＋２００℃〜Ｍｓ点−１００℃の温度範囲で冷却速度４℃／ｓ未満となる工程を設けなかったＮｏ．１２の鋼板ならびに冷却工程が２ｓを下回るＮｏ．１３の鋼板は疲労亀裂伝播速度が低位にある。冷却工程をＭｓ点＋２００℃を超える温度で行ったＮｏ．１４の鋼板は強度が低い。
【００５６】
また、２回目の冷却速度が５℃／ｓを下回るＮｏ．１５の鋼板は耐疲労亀裂伝播特性が劣位にある。また、加速冷却の後、再加熱を行わなかったＮｏ．１６の鋼板、再加熱温度がＡｃ１点を超えるＮｏ．１７の鋼板は靭性が低い。また、再加熱の際の昇温速度が１℃／ｓを下回るＮｏ．１８の鋼板は強度が低い。
【００５７】
【表１】
2007039795.tif 000003
【００５８】
【表２】
2007039795.tif 000004
【００５９】
【表３】
2007039795.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】圧延後に水冷、放冷、水冷、再加熱を行った場合の板厚平均温度と時間の関係を示す図。
【図１】
2007039795.tif 000006