JP2000045044A

JP2000045044A - 溶接部靱性の優れた高降伏点鋼材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000045044A
Application number: JP10211155A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Iki; 浩壱岐
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】従来は、550MPa以上の高い降伏強さを有する
とともに溶接部靱性が優れ、大型溶接構造物に好適に使
用できる鋼材を提供できなかった。【解決手段】Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.010 〜0.5
％、Mn：0.3 〜2.0 ％、Ｐ：0.020 ％以下、Ｓ：0.02％
以下、Cu：0.7 〜1.5 ％、Ni：0.3 〜1.5 ％、Mo：0.05
〜0.3 ％、Nb：0.005 〜0.03％以下、Ti：0.005 〜0.03
％、およびsol.Al：0.005 ％以上0.01％未満を有する鋼
組成を有し、550MPa以上の降伏強さを有する溶接部靱性
の優れた高降伏点鋼材である。この組成を有する鋼片
を、950 〜1250℃の温度域に加熱して熱間圧延を行い、
700 ℃以上から1.0 〜50℃/sの冷却速度で室温以上の温
度域まで冷却し、その後に400 〜650 ℃の温度域で焼き
戻しを行うことにより、製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接部靱性の優れ
た高降伏点鋼材およびその製造方法に関する。より具体
的には、本発明は、低温域で使用される海洋構造物、船
舶、ラインパイプ、さらには低温用タンク等の大型溶接
構造物において溶接を行われて使用される高降伏点鋼材
の溶接部靱性を改善するものである。

【０００２】

【従来の技術と課題】例えば、低温の氷海域に設置され
る海洋構造物や低温内容物収容タンク等のような、厳し
い低温環境下で使用される大型溶接構造物では、その安
全性を確保するために、各部の靱性値に多大な注意が払
われている。このような大型溶接構造物において溶接を
行われて使用される鋼材 (以降の説明では、鋼板を例に
とる。) に関しては、従来、最も脆化を生じやすい領域
である溶接部の靱性を良好に確保することが、特に重視
されてきた。

【０００３】また、このような用途に供される鋼板で
は、溶接部における破壊靱性試験 (例えば、き裂開口変
位量をＣＴＯＤ値として測定するＣＴＯＤ試験；英国規
格5762参照。) により評価される脆性破壊特性が優れる
ことも要求される。必要とされる脆性破壊特性は、構造
物の種類や稼働条件等によっても変動するが、例えばメ
キシコ湾や北海地域で使用される鋼板に対しては、近
年、−10℃で0.38mmのＣＴＯＤ値が要求されている。

【０００４】このような用途に供することができる鋼と
して、例えば特開平４−116135号公報には、Ｃ：0.03％
超0.1 ％以下 (以下、本明細書においては特にことわり
がない限り、「％」は「重量％」を意味するものとす
る。) 、Si：0.01〜0.5 ％、Mn：0.2 〜2.0 ％、Ｐ：0.
015 ％以下、Cu：0.7 〜1.5 ％、Ni：3.5 ％以下、Nb：
0.03％以下、Ti：0.005 〜0.03％、Al：0.01％以下、お
よびＮ：0.003 ％超0.008 ％以下およびＢ：0.002 ％以
下を含有し、M-A(島状マルテンサイト) を低減した360M
Pa以上の降伏応力を有する高降伏点鋼が開示されてい
る。

【０００５】また、(i) 特許第2690578 号には、Ｃ：0.
005 〜0.010 ％およびＢ：0.002 ％以下を含有する高降
伏点鋼が、(ii)特公平７−35538 号公報には、Al：0.01
〜0.10％を含有するＢ添加高降伏点鋼が、(iii) 特開昭
62−256915号公報には、Ti：0.03〜0.10％、Al：0.005
〜0.060 ％およびＢ：３〜30％を含有し、Nbを含有しな
い高降伏点鋼が、さらに(iv)特開平６−340923号公報に
は、Cr：1.0 ％以下、Ｖ：0.1 ％以下およびＢ：0.0002
％以下を含有し、Tiを含有しない高降伏点鋼が、それぞ
れ開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者の検
討によれば、これらのいずれの高降伏点鋼によっても、
550MPa以上の降伏点を有するとともに溶接部靱性が優
れ、前述した大型溶接構造物において溶接を行われて使
用されるのに好適な鋼材を提供することはできない。

【０００７】例えば、特開平４−116135号公報により開
示された高降伏点鋼では、母材強度を上昇させるために
Cuの析出硬化を図っている。しかし、鋼に要求される降
伏強さが550MPaとさらに高くなると、Cuの析出硬化のみ
ではこのような高い降伏点を確保することができなくな
り、非常に不均一な溶接部が、前述した所望のＣＴＯＤ
値を確保できなくなる。

【０００８】一方、これらの高降伏点鋼は、Cu等の合金
元素を多量に含有するため、溶接部の低温靱性が劣化し
てしまうという課題もあった。

【０００９】ここに、本発明の目的は、550MPa以上の高
い降伏強さを有するとともに溶接部靱性が優れ、大型溶
接構造物において溶接を行われて使用されるのに好適な
鋼材およびその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するため鋭意検討を重ね、以下に列記する新規な知
見(1) 〜知見(4) を得て、本発明を完成した。

【００１１】(1) Cu時効鋼において、Mo、NbおよびTiを
いずれも所定量複合添加することにより、焼戻し時に、
微細なMo炭化物やNb−Ti炭窒化物がCuの析出を促進し、
Cuを単独添加する場合に比較すると、降伏点を大幅に上
昇できる。

【００１２】(2) Cu時効鋼にMoを添加すると、一部の固
溶元素により焼きが入った組織となり熱影響部が硬化し
て熱影響部の靱性の劣化が懸念される。しかし、Al含有
量を0.01％未満と低Al化することにより、Ｃの拡散が促
進され、Ｃの濃化を抑制できるために、溶接部のM-A(島
状マルテンサイト) を低減することができる。これによ
り、硬化組織を低減でき、溶接部のＣＴＯＤ値を向上す
ることができる。

【００１３】ただし、Alが0.005 ％未満ではSi、Ti等を
添加しても脱酸が十分とならないために、介在物の生成
やピンホールの発生等により、母材や溶接部の靱性が著
しく劣化する。そこで、sol.Alの含有量を、0.005 ％以
上0.01％未満と非常に狭幅に制御する。

【００１４】(3) なお、このようにAl含有量を制御した
状態で、強度向上のためにＢを添加する場合、Ｂ添加量
をできるだけ少なくする必要があり、Ｂ添加量が0.0004
％以上であると、Al含有量を低減してもかえって熱影響
部の焼入れ性が高まり、熱影響部が硬化してしまう。

【００１５】(4) これらの知見の条件を全て満足するこ
とにより、550MPa以上の高い降伏点を有するとともに溶
接部靱性が優れた高降伏点鋼が提供される。

【００１６】ここに、本発明の要旨とするところは、
Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.010 〜0.5％、Mn：0.3 〜2.0
％、Ｐ：0.020 ％以下、Ｓ：0.02％以下、Cu：0.7 〜
1.5 ％、Ni：0.3 〜1.5 ％、Mo：0.05〜0.3 ％、Nb：0.
005 〜0.03％以下、Ti：0.005〜0.03％、およびsol.A
l：0.005 ％以上0.01％未満、必要に応じてＢ：0.0004
％未満を有する鋼組成を有することを特徴とする、550M
Pa以上の降伏強さを有する溶接部靱性の優れた高降伏点
鋼材である。

【００１７】また、別の観点からは、本発明は、上記の
鋼組成を有する鋼片を、950 〜1250℃の温度域に加熱し
て熱間圧延を行い、700 ℃以上から1.0 〜50℃/sの冷却
速度で室温以上の温度域まで冷却し、その後に400 〜65
0 ℃の温度域で焼き戻しを行うことを特徴とする、550M
Pa以上の降伏強さを有する溶接部靱性の優れた高降伏点
鋼材の製造方法である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる高降伏点鋼
材およびその製造方法の実施形態を、詳細に説明する。
なお、以降の説明では、「鋼材」が「鋼板」である場合
を例にとるが、本発明は鋼板以外の鋼材についても同様
に成り立つ。まず、本発明にかかる高降伏点鋼板の組成
を限定する理由を説明する。

【００１９】Ｃ：0.03〜0.10％Ｃは、0.03％以上含有されることにより母材に所定の強
度を与えるが、Ｃ含有量が0.10％を超えると、溶接部の
ＣＴＯＤ特性が劣化する。そこで、本発明では、Ｃ含有
量は0.03％以上0.10％以下と限定する。

【００２０】Si：0.010 〜0.5 ％ Siは、鋼の脱酸材として0.010 ％以上含有するが、0.5
％を超えて含有すると溶接部のＣＴＯＤ特性が劣化す
る。そこで、本発明では、Si含有量は0.010 ％以上0.5
％以下と限定する。

【００２１】Mn：0.3 〜2.0 ％ Mnは、0.3 ％以上含有することにより鋼の強度および靱
性をともに向上させるが、2.0 ％を超えて含有すると溶
接部のＣＴＯＤ特性が劣化する。そこで、本発明では、
Mn含有量は0.3 ％以上2.0 ％以下と限定する。

【００２２】Ｐ：0.020 ％以下、Ｓ：0.02％以下Ｐ、Ｓは、いずれも、鋼の凝固時に偏析し易い元素であ
り、この偏析を通じて溶接部を脆化させてＣＴＯＤ特性
を劣化させる。よって、その含有量はともに低いほうが
望ましいが、これらの低減には相応のコストを必要とす
る。また、Ｐ含有量を0.020 ％以下に、Ｓ含有量を0.02
％以下にそれぞれ抑制することができれば、Ｐ、Ｓそれ
ぞれによる悪影響を軽減して、所望の溶接部のＣＴＯＤ
特性を確保することができる。そこで、本発明では、Ｐ
含有量は0.020 ％以下に、Ｓ含有量は0.02％以下にそれ
ぞれ限定する。

【００２３】Cu：0.7 〜1.5 ％ Cuは、0.7 ％以上含有することにより、析出時効によっ
て、低炭素化に伴う強度の低下を補償することができる
が、1.5 ％を超えて含有しても効果は飽和してコストが
上昇するだけとなる。そこで、本発明では、Cu含有量は
0.7 ％以上1.5％以下と限定する。

【００２４】Ni：0.3 〜1.5 ％ Niは、0.3 ％以上含有することにより、鋼の強度を上昇
させるとともに低温靱性を著しく向上させるが、1.5 ％
を超えて含有しても効果は飽和してコストが上昇するだ
けとなる。そこで、本発明では、Ni含有量は0.3 ％以上
1.5 ％以下と限定する。

【００２５】Mo：0.05〜0.3 ％ Moは、0.05％以上含有することにより、鋼中、特にNbお
よびTiの複合添加鋼中においてその炭化物が焼き戻し時
にCuの析出サイトとして作用して、鋼の強度を顕著に上
昇させる重要な元素である。しかし、Mo含有量が0.3 ％
を超えると、溶接部の靱性が劣化する。そこで、本発明
では、Mo含有量は0.05％以上0.3 ％以下と限定する。

【００２６】Nb：0.005 〜0.03％、Ti：0.005 〜0.03％ Nb、Tiは、ともに、Moと複合添加することにより、Nb−
Ti複合析出物が焼き戻し時にCuの析出サイトとして作用
して、鋼の強度の上昇に非常に有効に作用する、極めて
重要な元素である。

【００２７】Nb、Tiそれぞれの含有量が、いずれも0.00
5 ％未満ではNb−Ti複合析出物が形成されず、一方、0.
03％を超えるとNb−Ti複合析出物が大きくなり過ぎ、焼
き戻し時のCu析出サイトとして作用しなくなる。そこ
で、本発明では、Nb含有量、Ti含有量は、いずれも、0.
005 ％以上0.03％以下と限定する。

【００２８】sol.Al：0.005 ％以上0.01％未満 Alは、鋼の脱酸剤として有効な成分ではあるが、この脱
酸効果はSiやTi等によっても確保することは可能であ
る。また、溶接部のＣＴＯＤ特性を確保するためにはAl
の低減が有効であり、特にMo、NbおよびTiを複合添加し
た場合には、sol.Al含有量を0.01％未満とすることによ
り、島状マルテンサイトの析出を顕著に抑制する。ただ
し、sol.Al含有量が0.005 ％未満では、たとえSiやTi等
を添加しても脱酸不足となリ、酸化物の増加やピンホー
ル生成により母材靱性および溶接部靱性がともに劣化す
る。そこで、本発明では、sol.Al含有量は0.005 ％以上
0.01％未満と限定する。

【００２９】このように、本発明では、sol.Al含有量を
非常に狭幅に管理することにより、高い溶接部靱性を有
する高降伏点鋼板を製造することができる。上記で既に
その効果は得られるが、Ｂを0.0004％未満の範囲で添加
すると、強度確保を図る上でさらに有効である。

【００３０】Ｂ：0.0004％未満Ｂ含有量が0.0004％以上であると、結晶粒界にＢが偏析
し、sol.Al含有量を低減してもかえって熱影響部の焼入
れ性を高め、熱影響部が硬化してしまう。そこで、Ｂを
添加する場合は0.0004％未満とするのが好ましい。

【００３１】上記以外は、Feおよび不可避的不純物であ
るが、このような各含有元素の作用が消失しない範囲
で、上記以外の各種添加元素を含有してもよい。

【００３２】組織本実施形態の高降伏点鋼板は、微細なマルテンサイトあ
るいは下部ベイナイトを有する焼き戻し組織を有する。
粗大な炭化物を伴う上部ベイナイト組織等は有さない。

【００３３】本実施形態の高降伏点鋼板は、高降伏点を
有するとともに、−60℃における板厚中心部の衝撃エネ
ルギが47Ｊ以上であって低温靱性も優れる。また、入熱
が１〜５kJ/mm という小入熱によるサブマージアーク溶
接部で溶接熱影響部のＣＴＯＤ特性が−10℃で0.38mm以
上であり、溶接部靱性も優れる。

【００３４】次に、本実施形態の高降伏点鋼板の製造法
を説明する。上記の鋼組成を有する鋼片を、950 〜1250
℃の温度域に加熱する。加熱温度が950 ℃未満である
と、Nbが十分にマトリックスに固溶せず、後続して行わ
れる熱間圧延においてオーステナイトの再結晶を抑制す
ることができない。このため、組織の微細化が不十分と
なる。一方、加熱温度が1250℃を超えると、加熱時にオ
ーステナイト結晶粒が粗大化し、板厚中心部だけでなく
母材全体の靱性が低下する。そこで、本発明では、鋼片
の加熱温度は、950 ℃以上1250℃以下と限定する。

【００３５】このようにして鋼片を加熱した後に、熱間
圧延を行う。熱間圧延の条件は特に限定を要するもので
はないが、圧延終了温度は700 ℃以上とすることが望ま
しい。圧延終了温度が700 ℃未満であると、鋼の変形抵
抗が上昇するために圧延後の鋼材の形状を目標の形状に
仕上げ難くなる。そこで、本発明では、熱間圧延の終了
温度は、700 ℃以上とすることが望ましい。

【００３６】そして、本発明では、熱間圧延終了後、70
0 ℃以上から1.0 〜50℃/sの平均冷却速度で、室温以上
の温度域まで冷却する。

【００３７】冷却開始温度が700 ℃未満であると、熱間
圧延終了時から冷却開始時までに長時間が経過し、鋼に
よっては冷却時に焼入れ性が低下して、その後のCuによ
る時効硬化によっても所望の強度を確保することができ
なくなるからである。そこで、本発明では、冷却開始温
度は700 ℃以上と限定する。

【００３８】また、平均冷却速度が1.0 ℃/s未満である
と、粗大な炭化物を伴う上部ベイナイト組織等が生成し
易くなり、特に鋼板の中心部における降伏点が550MPa以
上というような良好な強度を確保することができなくな
る。一方、この平均冷却速度が50℃/sを超えると、鋼板
の表層部近傍で焼きが入り易くなり、表層の靱性が低下
する。そこで、本発明では、700 ℃以上から室温以上の
温度域までの平均冷却速度を1.0 ℃/s以上50℃/s以下と
限定する。

【００３９】この冷却における冷却停止温度を、室温
(15℃) 以上の温度域とするのは、冷却停止温度が室温
を下回ると、部分的に焼きが入り過ぎ、局部硬化組織を
生成し、靱性が劣化するからである。そこで、本発明で
は、冷却停止温度を室温以上の温度域と限定する。

【００４０】このようにして冷却を停止した後、鋼板を
加熱して400 〜650 ℃で焼き戻し処理を行い、Cuを析出
させる。焼き戻し温度が400 ℃未満であると、Cuの析出
が不十分となり所望の強度を得られない。一方、焼き戻
し温度が650 ℃超えると、大きな軟化が始まり、所望の
強度を得られなくなる。そこで、本発明では、焼き戻し
温度は400 ℃以上650 ℃以下と限定する。このようにし
て、上述した本発明にかかる高降伏点鋼板が製造され
る。

【００４１】

【実施例】さらに、本発明を実施例を参照しながら、よ
り具体的に説明する。表１に示す組成を有する溶鋼を、
連続鋳造法により幅2000mm、厚さ3000mmの鋳片に鋳造
し、表２に示す加熱温度に加熱して熱間圧延を行い、表
２に示す仕上温度で熱間圧延を終了した。

【００４２】そして、表２に示す水冷開始温度で水冷を
開始し、表２に示す冷却速度で冷却した後、同じく表２
に示す停止温度で冷却を終了した。そして、表２に示す
焼き戻し温度で焼き戻しを行い、表２に示す板厚を有す
る熱延鋼板とした。これらの熱延鋼板に対して、Ｋまた
はレ開先のSAW 入熱３KJ/mm を行うことにより、溶接継
手を作成した。

【００４３】これらの熱延鋼板からなる試料No.1〜試料
No.25 について、YS、Ｖ_E-60、およびＣＴＯＤ値を測定
した。YSおよびＶ_E-60は、母材のt/2 −Ｃ方向での引張
試験、シャルピー衝撃試験を行うことにより測定し、Ｃ
ＴＯＤ値は、垂直溶け込み側溶接部から英国規格5762に
規定された３点曲げCTOD試験片を採取し、−10℃でCTOD
試験を実施した際の限界値として、求めた。

【００４４】結果を表２にあわせて示す。なお、表２お
いては、YS：550MPa以上、Ｖ_E-60：47Ｊ以上、ＣＴＯＤ
値：0.38mm以上を判定基準とした。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】表１および表２において、試料No.1〜試料
No.10 は本発明例であり、試料No.11 〜試料No.25 は比
較例である。

【００４８】試料No.1〜試料No.10 は本発明の範囲を全
て満足するため、YS：550MPa以上、Ｖ_E-60：47Ｊ以上、
ＣＴＯＤ値：0.38mm以上を満足し、大型溶接構造物にお
いて溶接を行われて使用されるのに好適な高降伏点鋼板
が得られたことがわかる。

【００４９】これに対し、試料No.11 は、Ｃ含有量、Mn
含有量およびNi含有量がいずれも本発明の範囲を下回る
ため、YSおよびＶ_E-60がともに低下した。試料No.12
は、Si含有量、Cu含有量およびMo含有量がいずれも本発
明の範囲を下回るため、YSが低下した。

【００５０】試料No.13 は、Nb含有量およびTi含有量が
ともに本発明の範囲を下回るため、YSおよびＶ_E-60がと
もに低下した。試料No.14 は、Nb含有量およびTi含有量
がともに本発明の範囲を上回るため、YS、Ｖ_E-60および
ＣＴＯＤ値がいずれも低下した。

【００５１】試料No.15 は、Ni含有量およびMo含有量が
ともに本発明の範囲を上回るため、ＣＴＯＤ値が低下し
た。試料No.16 は、Mn含有量およびCu含有量がともに本
発明の範囲を上回るため、ＣＴＯＤ値が低下した。

【００５２】試料No.17 は、Ｃ含有量およびSi含有量が
ともに本発明の範囲を上回るため、ＣＴＯＤ値が低下し
た。試料No.18 は、Ｐ含有量およびＳ含有量がともに本
発明の範囲を上回るため、ＣＴＯＤ値が低下した。

【００５３】試料No.19 は、sol.Al含有量が本発明の範
囲を下回るため、Ｖ_E-60およびＣＴＯＤ値がともに低下
した。試料No.20 は、Ｂ含有量が本発明の範囲を上回る
ため、ＣＴＯＤ値が低下した。

【００５４】試料No.21 は、焼き戻し温度が本発明の範
囲を上回るため、YSが低下した。試料No.22 は、焼き戻
し温度が本発明の範囲を下回るため、YSが低下した。試
料No.23 は、冷却速度が本発明の範囲を上回るため、Ｖ
_E-60が低下した。

【００５５】試料No.24 は、加熱温度が本発明の範囲を
上回り、水冷開始温度が本発明の範囲を下回るととも
に、冷却速度が本発明の範囲を下回るため、YSおよびＶ
_E-60がともに低下した。さらに、試料No.25 は、加熱温
度が本発明の範囲を下回るため、YSおよびＶ_E-60がとも
に低下した。

【００５６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
り、550MPa以上の高い降伏強さを有するとともに溶接部
靱性が優れ、大型溶接構造物において溶接を行われて使
用されるのに好適な鋼材を提供することが可能となっ
た。かかる効果を有する本発明の意義は、極めて著し
い。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.01
0 〜0.5 ％、Mn：0.3 〜2.0 ％、Ｐ：0.020 ％以下、
Ｓ：0.02％以下、Cu：0.7 〜1.5 ％、Ni：0.3〜1.5
％、Mo：0.05〜0.3 ％、Nb：0.005 〜0.03％以下、Ti：
0.005 〜0.03％、およびsol.Al：0.005 ％以上0.01％未
満を有する鋼組成を有することを特徴とする、550MPa以
上の降伏強さを有する溶接部靱性の優れた高降伏点鋼
材。
【請求項２】請求項１に記載された鋼組成を有する鋼
片を、950 〜1250℃の温度域に加熱して熱間圧延を行
い、700 ℃以上から1.0 〜50℃/sの冷却速度で室温以上
の温度域まで冷却し、その後に400 〜650 ℃の温度域で
焼き戻しを行うことを特徴とする、550MPa以上の降伏強
さを有する溶接部靱性の優れた高降伏点鋼材の製造方
法。