(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１６％、
Ｓｉ：０．１〜１％、
Ｍｎ：０．４〜２％、
Ｐ  ：０．０２％以下、
Ｓ  ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０４％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、
Ｎ  ：０．０００５〜０．００６％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、下記（１）式により規定される焼入部割れ指数Ｐｍが０．１８以下である（プラズマ切断面の硬化層部におけるオーステナイト粒径が２０μｍ以下である組織を有する鋼材を除く。）ことを特徴とするプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。
Ｐｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０・・・・・・・（１）
【請求項２】
質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜１％、
Ｎｉ：０．０５〜１．５％、
Ｎｂ：０．００１〜０．１２％、
Ｖ  ：０．００１〜０．１％、
Ｃｒ：０．０１〜０．６％、
Ｍｏ：０．０１〜０．６％、
Ｂ  ：０．０００１〜０．００３％
の１種または２種以上を、さらに含有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材に関するものであり、より具体的には、プラズマ切断部の疲労特性に優れることから、例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等に、プラズマ切断ままでも好適に使用することができる鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等に使用される鋼材は、適当な切断法により所望の形状に切断される。このような切断法として、従来から用いられてきたガス切断に比較して数倍以上の高速切断が可能であることから、金属ノズルによる熱的ピンチ効果を利用して形成した高温・高速のプラズマ流を用いるプラズマ切断が近年多用される。このプラズマ切断は切断精度も相当高いことから、プラズマ切断された鋼材は、切断ままで使用される場合がある。
【０００３】
しかしながら、例えば「鉄鋼便覧第３版VI二次加工・表面処理・熱処理・溶接」６５１頁１６・３・４切断部の材質変化の欄にも記載されているように、プラズマ切断によるプラズマ切断面近傍の冷却速度は大きくなるために切断面近傍の組織が硬化してしまう。このため、プラズマ切断ままの鋼材を繰り返し応力が作用する部材に用いると、硬度が上昇した切断面近傍から疲労亀裂が発生し易くなり、この亀裂が起点となって疲労寿命が低下してしまう。
このため、プラズマ切断された鋼材は、多くの場合、プラズマ切断面近傍に例えば研削等の機械加工を仕上げ加工として行う必要があり、加工コストや加工時間の上昇は否めなかった。
【０００４】
ところで、鋼材の疲労寿命を改善する発明として、特開平６−２７１９３０号公報には、ベイナイトと体積率１０％以上の残留オーステナイトとを主相とする複合組織を有する鋼板の表面に後処理としてショットピーニング処理を行って、表層部の残留オーステナイト相を歪誘起変態させることによって、鋼材の疲労特性を改善する発明が、提案されている。この提案にかかる発明によれば、プラズマ切断された鋼材の切断面を含めて鋼材全体の疲労特性を改善することができる。
【０００５】
また、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法として、特開２００１−１０７１７５号公報には、鋼材の焼入れ性を増加させ、プラズマ切断部をマルテンサイト化させ、かつ切断部のオーステナイト粒径を２０μｍ以下に規制することにより、プラズマ切断部の疲労限度を３５０MPａ以上に改善させた発明が開示されている。
【０００６】
しかし、特開平６−２７１９３０号公報の発明によっても、鋼材に後処理を行う必要があるため、加工コストおよび加工時間の上昇は否めない。すなわち、従来には、プラズマ切断ままでも繰り返し応力が作用する部材として用いることができる鋼材は、存在しなかった。
また、特開２００１−１０７１７５号公報では、その解決方法が開示されているが、焼入れ性を増大させたために、必然的に鋼板の強度が増大してしまうため、構造物設計の際に選択できる強度レベル等の制約が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のようなプラズマ切断における鋼材の問題点を解決し、例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等の構成部材のうちで繰り返し応力が作用する部材に、プラズマ切断ままでも好適に使用することができ、加工コストおよび加工時間を低減できる、プラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材を提供することをその課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、プラズマ切断部における疲労特性を支配する因子を鋭意検討した結果、プラズマ切断部を冶金的に解明するに至った。本発明はかかる知見に基づき完成されたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１６％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．４〜２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０４％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｎ：０．０００５〜０．００６％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、下記（１）式により規定される焼入部割れ指数Ｐｍが０．１８以下である（プラズマ切断面の硬化層部におけるオーステナイト粒径が２０μｍ以下である組織を有する鋼材を除く。）ことを特徴とするプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。
Ｐｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０・・・・・・・（１）
（２）質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．１２％、Ｖ：０．００１〜０．１％、Ｃｒ：０．０１〜０．６％、Ｍｏ：０．０１〜０．６％、Ｂ：０．０００１〜０．００３％の１種または２種以上を、さらに含有することを特徴とする前記（１）に記載のプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材。
【０００９】
【発明の実施の形態】
発明者らは、プラズマ切断部を冶金的に解明し、プラズマ切断部における疲労特性を支配する因子を鋭意検討した結果、以下に列記する新規な知見を得て、本発明を完成した。
▲１▼プラズマ切断時に、切断部の表面から１００μｍ程度の範囲の鋼中に切断雰囲気から窒素が侵入し、侵窒層が形成される。
▲２▼この層内では窒素がコットレル雰囲気を形成し鋼の硬さが異常に上昇し、Ｈｖで８００程度となる場合がある。
▲３▼異常硬化部において、切断後、あるいは応力負荷時に粒界破壊が生じ、その粒界破面部がプラズマ切断部の疲労き裂発生起点となっている。
【００１０】
特開２００１−１０７１７５号公報で開示されている鋼板の焼入れ性を上昇させ、硬化層をマルテンサイト組織化する技術思想は、むしろ、上記の異常硬さ上昇域を拡大させ、疲労き裂の発生起点となる粒界破壊部の領域を拡大するため、プラズマ切断部の疲労強度をむしろ低下させてしまうことを知見した。
特開２００１−１０７１７５号公報では、焼入れ性を上昇すると同時に、プラズマ切断部のオーステナイト粒径を２０μｍ以下に微細化させることを必須としているが、粒界破壊部の破面単位を微細化させる必要性が生じたものと解釈できる。
【００１１】
上記新観察結果により、プラズマ切断部の疲労特性を向上させるためには、窒素の侵入、および切断の急速加熱、急速冷却により形成される異常硬化層の最高硬さを低減させること、異常硬化層の領域を減少させること、の必要性を知見した。
【００１２】
本発明では、鋼板の焼入部割れ指数Ｐｍを０．１８以下とさせることにより、プラズマ切断面の硬化層部の硬さ上昇を抑制させ、硬さ上昇部で特徴的に観察される粒界割れを防止することにより、プラズマ切断部の高疲労寿命化を図れることを具現化したものである。
焼入部割れ指数Ｐｍを０．１８以下に低減するには、Ｃ量およびＭｎ量をいずれも低減させることが効果的ではあるが、鋼板自体の強度を低下させる。そこで、鋼板の組成を適切に特定することによって、鋼板強度を確保しつつ、母材およびプラズマ切断部の特性をいずれも所望の程度に保つことができる。
【００１３】
上記の知見を用いることにより、切断面に機械加工等の後処理を行わなくとも、プラズマ切断ままで高疲労特性を有する鋼材を得ることができ、これにより、加工コストおよび加工時間をいずれも短縮できる鋼材を提供できる。
【００１４】
以下、本発明にかかるプラズマ切断部の疲労特性に優れた鋼材について、図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。なお、以降の説明では、鋼材が熱延鋼板である場合を例にとるが、これは例示であり、本発明は熱延鋼板以外の他の鋼材に対しても、同様に適用される。
【００１５】
まず、本発明鋼の組成の限定理由を説明する。なお、以下％は質量％を意味する。
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分として下限を０．０１％とし、また、過剰の添加は、鋼材の溶接性やＨＡＺ靭性などを著しく低下させるので、上限を０．１６％とした。
【００１６】
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸などに必要な成分で、０．１％以上の添加が必要であるが、ＨＡＺの硬化により靭性が低下するのを防止するため上限を１％とした。
【００１７】
Ｍｎは母材の強度、靭性の確保に有効な成分として０．４％以上の添加が必要であるが、溶接部の靭性、割れ性などの許容できる範囲で上限を２％とした。
【００１８】
Ｐは含有量が少ないほど望ましいが、これを工業的に低減させるためには多大なコストがかかることから、０．０２％を上限とした。
【００１９】
Ｓは含有量が少ないほど望ましいが、これを工業的に低減させるためには多大なコストがかかることから、０．０２％を上限とした。
【００２０】
Ａｌは重要な脱酸元素であり、下限値を０．００５％とした。また、Ａｌが多量に存在すると、鋳片の表面品位が劣化するため、上限を０．０４％とした。
【００２１】
ＴｉはＮと結合してＴｉ窒化物を形成させるために０．００５％以上添加する。しかし、固溶Ｔｉ量が増加するとＨＡＺ靭性が低下するため、０．０３％を上限とした。
【００２２】
ＮはＴｉＮとして析出することでＨＡＺ靭性の向上効果があるため、下限を０．０００５％とした。しかしながら固溶Ｎが増大するとＨＡＺ靭性の低下を招くことから０．００６％を上限とした。
【００２３】
Ｃｕは鋼材の強度を向上させるために０．０５％以上の添加が有効であるが、１％を超えるとＨＡＺ靭性を低下させることから、１％を上限とした。
【００２４】
Ｎｉは鋼材の強度および靭性を向上させるために０．０５％以上の添加が有効であるが、Ｎｉ量の増加は製造コストを上昇させるので、１．５％を上限とした。
【００２５】
Ｎｂは焼き入れ性を向上させることにより母材の強度および靭性を向上させるために０．００１％以上の添加が有効な元素であるが、ＨＡＺ部においては過剰な添加は靭性を著しく低下させるため０．１２％を上限とした。
【００２６】
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＢについてもＮｂと同様な効果を有することから、それぞれ０．００１％、０．０１％、０．０１％、０．０００１％以上の添加が好ましいが、過剰に添加すると焼入れ性が過剰となるため、それぞれ０．１％、０．６％、０．６％、０．００３％を上限とした。
【００２７】
焼入部割れ指数Ｐｍ：０．１８以下の理由を次に示す。焼入部割れ指数Ｐｍは、本発明者らがプラズマ切断部の割れ性を表示するために規定した特性値である。
従来から溶接部焼入れ性を示す指数としてＰｃｍが知られている。この値を用いてプラズマ切断部の硬さと化学成分の関係を調べた結果、特にＢの影響が大きく異なることを見出した。これはプラズマ切断部から侵入するＮがＢと結合してＢＮを形成し硬さが上昇しにくいためであると考えられる。この点を考慮して化学成分と硬さの関係を新たに重回帰した結果（１）式が得られたのである。
【００２８】
図１は、焼入部割れ指数：Ｐｍと、プラズマ切断部の最高硬さとの関係を示したものである。プラズマ切断部の切断面から鋼板内部に向かって、５ｇｆの微小硬さ計を用いて硬さ分布を測定し、その最高硬さの値を用いたものである。この最高硬さと、前述した焼入部割れ指数Ｐｍの間には図１に示す相関関係があり、焼入部割れ指数Ｐｍが０．１８以下であれば、切断における熱により形成される硬化組織がマルテンサイト化されても、その最高硬さが５００以上とならないことを知見した。さらに、最高硬さが５００以下の切断部では、粒界破面は確認されていないが、８００程度と高い値を示した切断部では粒界破面が確認された。
【００２９】
プラズマ切断部の疲労特性を評価するためには、室温で繰り返し周波数５Hz、応力比０．１、応力振幅２００〜５００MPaの軸力片振り引張り荷重制御方式により、５０トン電気油圧式疲労試験機を用いて疲労試験を行った。この軸力疲労試験において、破断繰り返し数が１０7回となる応力振幅を疲労限度強度Δσw（MPa）として測定する。
【００３０】
図２は、プラズマ切断部の最高硬さと、プラズマ切断部の疲労強度を引張強度で除した値Δσw／ＴＳとの関係を示す。プラズマ切断部の最高硬さが５００以下の場合には、Δσw／ＴＳの値が０．６以上と優れているが、５００よりも最高硬さが大きい場合には、粒界破面の形成により疲労発生強度が大幅に低下するため、Δσw／ＴＳの値が０．３以下となっている。したがって、Ｐｍを０．１８以下に規定することにより、プラズマ切断部の疲労限度を低下させる粒界破面の発生を阻止することができる。そこで、本発明では、焼入部割れ指数Ｐｍを０．１８以下と限定する。一方、強度確保のため焼入部割れ指数Ｐｍは０．１以上とすることが好ましい。
【００３１】
Ｐｍが０．２を超える鋼材ではプラズマ切断部の最高硬さは７００以上となり切断面に粒界破面が生成した。この粒界破面から拾う亀裂が容易に発生・伝播するため疲労強度は大きく低下しΔσw／ＴＳの値は０．４以下となっている。
Ｐｍを０．１８以下にするためには、化学成分を調整する。特にＣやＭｎの添加量を抑えつつ強度を確保するためにＮｂやＢを活用する。また、Ｎｉの活用もＰｍの低減には有効である。
【００３２】
本発明の効果は成分調整によるＰｍの限定によって得られるので、本発明鋼の製造方法は特に限定しないが、以下に好ましい製造方法を示す。
（鋼加熱）本発明では、かかる鋼組成、および焼入部割れ指数Ｐｍを有する鋼を、１２００℃以上の高温に加熱しても、鋼の焼入れ性が抑制されているので、オーステナイト粒の粗大化しても、焼入部の割れ性は抑制されているので、鋼加熱温度は特に限定を必要としないが、一般的な母材靭性の確保の点からは、１２５０℃以下が望ましい。
（圧延）このようにして加熱した鋼に対し、圧延を行うが、プラズマ切断部の特性は、圧延条件の影響を受けないため、特に限定を必要としない。
（冷却）このようにして圧延を終了した後についても、プラズマ切断部の特性は、圧延条件の影響を受けないため、特に限定を必要としない。プラズマ切断部の特性以外の特性を作りこむために必要な冷却条件であれば、適用して差し支えなく、所望の機械的性質が得られる。
【００３３】
【実施例】
次に、実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明する。
表１にそれぞれ示す鋼組成および焼入部割れ指数Ｐｍを有する供試材Ｈ１〜Ｈ６、Ｒ１〜Ｒ４、図３に示す軸力疲労試験片を用いて、表２に示す切断条件のプラズマ切断で切断した後、軸力疲労試験機を用いて、軸力疲労試験を行った。そして、この軸力疲労試験において、破断繰り返し数Ｎｆが１０7回となる応力振幅を疲労限度強度Δσwとしてを測定した。
【００３４】
表１における実施例Ｈ１〜Ｈ６は、いずれも、本発明の範囲を満足する本発明例であり、疲労限度強度Δσwが２７７〜３７０MPaを示している。これらの疲労限度強度Δσwと引張強度ＴＳとの比は、０．６３〜０．６８と、高い値を示している。
これに対し、表１における実施例Ｒ１〜Ｒ４は、焼入部割れ指数Ｐｍが本発明の上限を上回っており、プラズマ切断部の最高硬さが５５０〜８９０と、５００以上の値を示している。このため、切断部に粒界破壊部が形成され、疲労限度Δσwが１１０〜１５０MPaと低くなっている。
【００３５】
【表１】
0003771832.tif 000002
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、例えば船舶、海洋構造物、橋梁、建築物、タンクさらには自動車等の構成部材のうちで繰り返し応力が作用する部材に、プラズマ切断ままでも好適で、しかも加工コストおよび加工時間をいずれも低減することができる鋼材が提供できる。したがって、本発明は産業上極めて価値の高い発明であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ切断部の切断面近傍の最高硬さと、焼入部割れ指数Ｐｍとの関係を示す図である。
【図２】プラズマ切断部の切断面近傍の最高硬さと、２０トン電気油圧式疲労試験機で評価した疲労限度強度Δσw／引張強度ＴＳとの関係を示す図である。
【図３】プラズマ切断部の疲労限度強度Δσwを測定するための試験片の形状を示した図である。
【図１】
0003771832.tif 000003
【図２】
0003771832.tif 000004
【図３】
0003771832.tif 000005