(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
未再結晶域にて圧延した直後に直接焼入れ、焼戻して製造した直接焼入れ型高張力厚鋼板であって、重量％で、
Ｃ  ：０．０７〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．３０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、
Ｎｉ：１．０〜３．５％、
Ｃｒ：０．１０〜１．０％、
Ｍｏ：０．１０〜１．０％、
Ｖ  ：０．０１〜０．１０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１０％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．００３０％、
Ｎ  ：０．００１０〜０．００７０％
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０３０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２０％、
Ｃａ：０．００１〜０．００８％
を含有し、その他はＦｅおよび不可避的不純物からなり、板厚をｔ（単位：ｍｍ）とした場合の圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが圧延方向の１／２ｔ部よりも（０．５ｔ）ＭＰａ以上高く、圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さのうち圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが最も高く、圧延方向の１／４ｔ部における降伏比が９７．０％よりも大きいことを特徴とする、アレスト性に優れた直接焼入れ型高張力厚鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高張力鋼、特に鋼板母材の脆性き裂伝播停止特性（アレスト性）が要求される溶接構造物用の高張力厚鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接接構造物の大型化に伴い、これらに使用される鋼板に対しても高強度化が要求されてきており、揚水型水力発電所に使用される水圧鉄管（ペンストック）においても、１９９９年にスイスのＣｌｕｅｓｏｎ−Ｄｉｘｅｎｃｅ水力発電所にて世界で初めて９５０Ｎ／ｍｍ２鋼が採用された。しかし、２０００年１１月１３日に発生したＣｌｕｅｓｏｎ−Ｄｉｘｅｎｃｅでの水圧鉄管破壊事故が契機となり、９５０Ｎ／ｍｍ２鋼においても溶接部からの脆性き裂発生特性に加えて、鋼板母材の脆性き裂伝播停止特性（アレスト性）の重要性が、今改めて注目を浴びている。
【０００３】
板厚２５〜１００ｍｍ未満の９５０Ｎ／ｍｍ２鋼については、既に幾つかの発明がある。
例えば、特開昭５９−１００２１４号公報には、鋼板圧延後に板厚に応じた適切な水量密度で速やかに一斉冷却し、次いで焼戻しをすることにより、長手方向および板厚方向の材質が均一であることを特徴とする、厚肉高張力鋼の製造方法が開示されている。
特開昭６３−２６６０２３号公報には、未再結晶域で圧延後１５０秒以内に直接焼入れ、焼戻しを省略することにより低降伏比となることを特徴とする、直接焼入れ法による降伏比９０％以下の高靭性低降伏比高張力鋼板の製造方法が開示されている。
特開平２−１３３５２１号公報には、Ｎｂ添加と２回焼入れによる相乗効果を活用することにより、引張強度９７ｋｇｆ／ｍｍ２以上並びに衝撃遷移温度：−６０℃以下の性能を有することを特徴とする、靭性に優れた調質型高張力鋼板の製造方法が開示されている。
これらの発明によれば９５０Ｎ／ｍｍ２鋼が製造可能であるが、いずれもアレスト性についての記載はなく、これらの鋼板がどのようなアレスト性を有するかは不明である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、炭素当量式が板厚５０ｍｍ以下ではＣｅｑ≦０．５９、Ｐｃｍ≦０．２９、板厚５０ｍｍ超ではＣｅｑ≦０．６２、Ｐｃｍ≦０．３３を満足し、降伏応力８８５Ｎ／ｍｍ２以上、引張強さ９５０〜１１３０Ｎ／ｍｍ２、シャルピー衝撃エネルギー４７Ｊ以上（試験温度は板厚５０ｍｍ以下は−５５℃、板厚５０ｍｍ超は−６０℃）、温度勾配型ＥＳＳＯ試験における０℃でのアレスト靭性値（Ｋｃａ値）が３００Ｎ／ｍｍ２・ｍ１／２以上、好ましくは４００Ｎ／ｍｍ２・ｍ１／２以上の性能を有し、板厚２５〜１００ｍｍ未満のアレスト性に優れた直接焼入れ型高張力厚鋼板を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一般に、脆性き裂伝播停止特性はアレスト靭性値（Ｋca, Crack Arrest Toughness) により評価することができ、アレスト靭性値は母材靭性と相関があることが知られている（ＷＥＳ３００３−１９９０解説）。しかし、同じ母材靭性でもアレスト靭性値にはバラツキが見られ、アレスト性には母材靭性以外の支配因子も影響しているものと推定されるが、これについての知見はほとんどない。
そこで、本発明者らは、温度勾配型ＥＳＳＯ試験によって測定される脆性き裂伝播停止特性と引張特性との関係に着目して、かかる目的を達成すべく種々の検討を行った。
【０００６】
引張特性を評価するための試験片の採取方向と板厚位置については、９５０Ｎ／ｍｍ２鋼はＪＩＳ規格品ではないため、これよりも引張強さが低いＪＩＳ  Ｇ  ３１２８に記載の溶接構造用高降伏点鋼板に基づき、板幅方向の１／４ｔ部から採取する方法が一般的である。
【０００７】
しかし、ペンストックで脆性き裂が伝播し得る方向は板幅方向と想定されることから、本発明者らは脆性き裂によって鋼板が引き裂かれる際の荷重負荷方向である圧延方向の引張特性についても検討を行った。これまでに９５０Ｎ／ｍｍ２鋼の圧延方向の引張特性について検討した例は少なく、わずかに特開平２−１３３５２１号公報、特開平２−１４１５２８号公報に記載されている程度である。また、板厚位置については、板厚が２５〜１００ｍｍ未満と高強度材としては比較的厚いことから、板厚位置における引張特性の影響を確認するため、１／４ｔ部に加え、１／２ｔ部についても調査した。
【０００８】
検討の結果、圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが圧延方向の１／２ｔ部よりも（０．５ｔ）ＭＰａ以上高く、圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さのうち圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが最も高く、あるいはさらに圧延方向の１／４ｔ部における降伏比が９７．０％よりも大きいことを特徴とする直接焼入れ型の９５０Ｎ／ｍｍ２鋼では、ＥＳＳＯ試験によるアレスト性が著しく向上することを見出した。ここで、降伏比は引張強さに対する降伏応力の割合のことである。
【０００９】
図１に、従来材と本発明鋼のＥＳＳＯ試験における脆性き裂の破面形態の模式図を示す。従来材では１／２ｔ部と１／４ｔ部の脆性き裂の長さはほぼ同じで脆性き裂はＵ字型であるが、本発明鋼では１／２ｔ部よりも１／４ｔ部の方が脆性き裂の長さが短く脆性き裂の形態はＶ字型になる。この結果から、本発明鋼では、上記の引張特性を有する場合に、特に表面から１／４ｔ部で脆性き裂の進展が抑制されることによって、アレスト性が向上するものと推測される。
【００１０】
また、本発明鋼は未再結晶域にて圧延した直後に直接焼入れをして製造するため、圧延方向の１／４ｔ部では、圧延で導入された加工歪により引張強度が高くなり、加工歪によって生じた変形帯のため結晶粒径が細粒化して、降伏比も上昇すると考えられる。
以上述べたように、板厚位置における引張強さの差や降伏比が一定の条件を満足した鋼板では、特に板幅方向に伝播する脆性き裂に対して顕著なアレスト効果が現われることを今回初めて知見したため、本発明を出願するに至ったものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、未再結晶域にて圧延した直後に直接焼入れ、焼戻して製造した直接焼入れ型高張力厚鋼板であって、重量％で、
Ｃ  ：０．０７〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．３０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、
Ｎｉ：１．０〜３．５％、
Ｃｒ：０．１０〜１．０％、
Ｍｏ：０．１０〜１．０％、
Ｖ  ：０．０１〜０．１０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１０％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．００３０％、
Ｎ  ：０．００１０〜０．００７０％
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０３０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２０％、
Ｃａ：０．００１〜０．００８％
を含有し、その他はＦｅおよび不可避的不純物からなり、板厚をｔ（単位：ｍｍ）とした場合の圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが圧延方向の１／２ｔ部よりも（０．５ｔ）ＭＰａ以上高く、圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さのうち圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが最も高く、圧延方向の１／４ｔ部における降伏比が９７．０％よりも大きいことを特徴とする、アレスト性に優れた直接焼入れ型高張力厚鋼板である。
【００１２】
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明において、成分範囲を限定する理由は次の通りである。なお、本明細書において、特に断りがない限り、「％」は「重量％」を意味するものとする。
Ｃは、焼入れ性の確保と析出物形成元素として必要であり、最低０．０７％の添加を必要とするが、０．２０％を超えると母材靭性や溶接性が低下するため、Ｃ量は０．０７〜０．２０％とした。
【００１４】
Ｓｉは、脱酸効果および固溶強化元素であり、その効果が期待できる量として最低０．０１％は必要であるが、０．３０％を超えると溶接性を低下させ、また溶接熱影響部に島状マルテンサイト組織を現出させて靭性を著しく低下させるため、Ｓｉ量は０．０１〜０．３０％とした。
【００１５】
Ｍｎは、Ｓを固定して熱間圧延時の粒界割れを防止する効果と焼入れ性を確保する効果があり、最低０．４０％は必要であるが、１．５０％を超えると母材靭性および溶接性を低下させるため、Ｍｎ量は０．４０〜１．５０％とした。
【００１６】
Ｎｉは、焼入れ性とマトリックスの靭性確保のため不可欠な重要元素であり、最低１．０％は必要であるが、３．５％を超えると経済性が大幅に低下するため、Ｎｉ量は１．０〜３．５％とした。
【００１７】
Ｃｒは、焼入れ性を確保する上で必須の元素であり、最低０．１０％添加する必要があるが、１．０％を超えて添加すると溶接性を著しく低下させるため、Ｃｒ量は０．１０〜１．０％とした。
【００１８】
Ｍｏは、析出強化と固溶強化によるマトリックス強化および焼入れ性確保の点から、最低０．１０％添加する必要があるが、１．０％を超えると溶接性と熱間加工性を低下させるため、Ｍｏ量は０．１０〜１．０％とした。
【００１９】
Ｖは、焼入れ性向上と炭窒化物により析出強化のため必須元素であり、最低０．０１％必要であるが、０．１０％超添加すると母材および継手靭性を著しく低下させ、かつ溶接性も損なうため、Ｖ量は０．０１〜０．１０％とした。
【００２０】
Ａｌは、脱酸元素として重要であるばかりでなく、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制する効果があるため、最低０．０１％添加する必要があるが、０．１０％を超えると粗大ＡｌＮの析出を招き、靭性を著しく低下させるため、Ａｌ量は０．０１〜０．１０％とした。
【００２１】
Ｂは、オーステナイト粒界に偏析してフェライトの生成を抑制することによって焼入れ性を確保する重要な元素であるため、最低０．０００３％必要であるが、０．００３０％超添加すると溶接性と靭性が低下するため、Ｂ量は０．０００３〜０．００３０％とした。
【００２２】
Ｎは、ＡｌＮを形成してオーステナイト粒の粗大化を防止するのに必要であり、０．００１０％以上含有する必要があるが、固溶窒素および窒化物は靭性に悪影響を及ぼすため、０．００７０％以下に制御する必要があるため、Ｎ量は０．００１０〜０．００７０％とした。
【００２３】
また、下記元素について、成分範囲を限定する理由は次の通りである。
Ｃｕは、析出強化による強度確保を目的として添加する元素であり、０．０５％以上添加する必要があるが、０．５０％超添加すると母材靭性および溶接性を低下させるため、Ｃｕ量は０．０５〜０．５０％とした。
【００２４】
Ｎｂは、微細析出物としてオーステナイトに存在することにより、オーステナイト粒の細粒化効果やマトリックスの析出強化を目的として添加する元素である。最低０．００５％添加しないとその効果は現われないが、０．０３０％超添加すると母材および継手靭性を低下させるため、Ｎｂ量は０．００５〜０．０３０％とした。
【００２５】
Ｔｉは、高温でも安定な窒化物を形成して、溶接熱影響部の粗粒化を防止することで、溶接部の靭性を向上させる効果を目的として添加する元素である。この効果を得るためには最低０．００５％添加する必要があるが、０．０２０％超添加すると窒化物により母材靭性が大きく低下するため、Ｔｉ量は０．００５〜０．０２０％とした。
【００２６】
Ｃａは、非金属介在物の形態を球状化させることで、母材靭性の向上や異方性の低減を目的として添加する元素である。この効果を得るためには最低０．００１％添加する必要があるが、０．００８％超添加すると介在物の量が増加することで母材靭性が大きく低下するため、Ｃａ量は０．００１〜０．００８％とした。
【００２７】
さらに、機械的特性について限定する理由について示す。ここで引張試験片はＪＩＳ  Ｚ  ２２０１の４号試験片（丸棒）を使用するものとする。
圧延方向の１／４ｔ部と１／２ｔ部の引張強さの差は、従来の９５０Ｎ／ｍｍ２鋼とは異なる本発明の根幹に関わる重要な特徴の１つである。板厚が厚くなるほど直接焼入れ時の１／４ｔ部と１／２ｔ部での冷却速度の差が広がるのに伴い、引張強さの差も大きくなる傾向がある。図２に、１／４ｔ部と１／２ｔ部の引張強さの差を板厚に対する比率で表したものとアレスト靭性値（Ｋｃａ）の関係を示す。板厚が２５〜１００ｍｍまでの範囲では、１／４ｔ部と１／２ｔ部の引張強さの差が０．５ｔ以上の場合に、アレスト性の向上効果が現われるため、圧延方向の１／４ｔ部と１／２ｔ部の引張強さの差は（０．５ｔ）ＭＰａ以上とした。
【００２８】
圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さの関係は、従来の９５０Ｎ／ｍｍ２鋼とは異なる本発明の重要な特徴の１つである。図３に、本発明鋼の圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さの関係についての模式図を示す。従来材は板幅方向の１／４ｔ部の引張強さが最も高く圧延方向の１／２ｔ部の引張強さが最も低い場合が多いが、本発明鋼では圧延方向の１／４ｔ部の引張強さが最も高い。本発明鋼が圧延方向の１／４ｔ部と１／２ｔ部の引張強さの差を確保できる理由は、このように圧延方向の１／４ｔ部の引張強さが最も高いことが影響しており、アレスト性向上効果が現われる条件として、圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが最も高いことを大きな特徴とする。
【００２９】
圧延方向の１／４ｔ部における降伏比は、本発明の重要な特徴の１つである。図４に、圧延方向の１／４ｔ部における降伏比とアレスト靭性値（Ｋｃａ）の関係を示す。４００Ｎ／ｍｍ２・ｍ１／２以上の優れたアレスト性を安定して得るためには、降伏比を９７．０％よりも大きくする必要がある。
【００３０】
また、製造方法について述べる。これまでの試験結果から、スラブを再結晶域に加熱し、未再結晶域にて圧延した後に直接焼入れをし、Ａc1点未満の温度で焼戻しを行った場合に、１／４ｔ部と１／２ｔ部の引張強さの差が０．５ｔ以上で、圧延方向の１／４ｔ部の引張強さが最も高い９５０Ｎ／ｍｍ２鋼が得られるが、再加熱焼入れの場合には上記の特徴を有する９５０Ｎ／ｍｍ２鋼は得ることは出来ないため、製造方法については直接焼入れ型に限定した。
具体的な製造条件の例としては、加熱温度９００〜１０４０℃、仕上温度７５０〜９００℃、焼戻し温度５５０〜６５０℃である。
【００３１】
【実施例】
表１に、本発明鋼および比較鋼の取鍋における化学成分、炭素当量式、Ａｃ１温度を示す。
これらの化学成分を有する鋼塊を９００〜１０４０℃に加熱して、仕上温度７５０〜９００℃で熱間圧延を行い、直接焼入れあるいは再加熱焼入れ後に５５０〜６５０℃で焼戻しを行い、板厚３０〜９５ｍｍの９５０Ｎ／ｍｍ２鋼を製造した。
【００３２】
表３に、スラブ加熱温度、仕上圧延開始温度、焼入れ方法、焼戻し温度、板厚、引張試験結果、衝撃試験結果、ＥＳＳＯ試験結果を示す。
発明鋼Ｆは、圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが圧延方向の１／２ｔ部よりも（０．５ｔ）ＭＰａ以上高く、圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さのうち圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが最も高く、圧延方向の１／４ｔ部における降伏比が９７．０％よりも大きかった鋼板で、Ｋｃａ値が４００Ｎ／ｍｍ２・ｍ１／２以上の特に優れたアレスト性を示した。
比較鋼Ｇ〜Ｊは、いずれも化学成分が本発明の請求範囲外で、焼入れ方法は再加熱焼入れであり、圧延方向の１／４ｔ部における引張強さが圧延方向の１／２ｔ部よりも（０．５ｔ）ＭＰａ以下、圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さのうち最も高いのは板幅方向の１／４ｔ部で、圧延方向の１／４ｔ部における降伏比が９７．０％以下であり、Ｋｃａ値は３００Ｎ／ｍｍ２・ｍ１／２未満であった。
【００３３】
【表１】
0003869735.tif 000002
【００３４】
【００３５】
【表３】
0003869735.tif 000003
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、アレスト性に優れた９５０Ｎ／ｍｍ２級の高張力厚鋼板を提供することが可能であり、その意義は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＥＳＳＯ試験片の脆性き裂の破面形態を示す模式図である。
【図２】  １／４ｔ部と１／２ｔ部の引張強さの差とアレスト靭性値（Ｋｃａ）の関係を示す図である。
【図３】  本発明鋼の圧延方向と板幅方向および１／４ｔ部と１／２ｔ部における４種類の引張強さの関係を示す図である。
【図４】  圧延方向の１／４ｔ部における降伏比とアレスト靭性値（Ｋｃａ）の関係を示す図である。
【図１】
0003869735.tif 000004
【図２】
0003869735.tif 000005
【図３】
0003869735.tif 000006
【図４】
0003869735.tif 000007