JP2004360074A - 超大入熱溶接特性に優れた鋼材 - Google Patents

Abstract

【課題】大入熱溶接においても靱性劣化が少なく、溶接構造物の施工コスト低減に寄与できる鋼材を提供する。
【解決手段】
質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｃｕ：０．８超〜２％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ｎ：０．００２〜０．００８％、sol.Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｏ（酸素）：０．００３５％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織のフェライト組織の占める割合が５０％以下である鋼材。
【選択図】なし

Description

本発明は、建築、土木、建設機械、造船、パイプ、タンクおよび海洋構造物などの溶接構造物として使用される超大入熱溶接用鋼材に関するものである。

厚鋼板に代表される溶接構造用鋼材は、上記種々の分野で使用され、高強度化や高靭性化などの特性の改善が図られてきた。

特許文献１には、主にラインパイプに用いる鋼としてＣを０．０３％以下に低減しかつ微量のＢを添加した極低Ｃ−Ｂ添加鋼が開示されおり、Ｃ量の低減により島状マルテンサイトの低減が図られ、溶接部の靱性が向上すること、微量のＢの添加により母材組織をベイナイトとし高強度、高靱性な母材が得られることが示されている。

特許文献２には、材質ばらつきの小さなＭｎ、Ｎｂ量を調整した極低Ｃ−Ｂ添加ベイナイト鋼とその製造方法が開示されている。

特許文献３には、材質のばらつきが少なく、かつ耐疲労特性に優れたＣｕ添加による析出強化を利用した極低Ｃ−Ｂ添加高靭性鋼材とその製造方法が開示されている。

溶接構造物の製作にあたっては溶接施工コスト削減の観点から大入熱溶接の適用が望ましい。上記各公報には、極低Ｃ−Ｂ添加鋼において低Ｃ化による島状マルテンサイトの低減は、溶接部靱性の向上に効果があることが示されているが、いずれも対象は溶接入熱量１００ｋＪ／ｃｍ未満の比較的入熱量の少ない領域に限られており、施工コスト低減に対する寄与は小さいという問題があった。

特開昭５４−１３２４２１号公報 特開平８−１４４０１９号公報 特開平９−２４９９１５号公報報

本発明の課題は、大入熱溶接においても靱性劣化が少なく、溶接構造物の施工コスト低減に寄与できる鋼材を提供することにあり、具体的には母材の特性として降伏応力が４５０ＭＰａ以上または引張り強さが５７０ＭＰａ以上、JIS Z 220２ に規定の幅１０ｍｍのＶノッチシャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験における破面遷移温度（_ＶＴ_Ｓ）が−４０℃以下、溶接ボンドでの吸収エネルギーが−１０℃において１００Ｊ以上の鋼材を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するため種々の実験と検討をおこなった結果、下記の知見を得た。

母材の引張り強さを５７０ＭＰａ以上の強度とし、かつ大入熱溶接した場合の溶接ボンド部の靭性を確保するにはＣｕを０．８％を超えて含有させ析出強化を図るのが有効で、かつフェライト組織分率を５０％以下にするのがよい。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は下記に示す超大入熱溶接性に優れた鋼材にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％以下、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｃｕ：０．８超〜２％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ｎ：０．００２〜０．００８％、sol.Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｏ（酸素）：０．００３５％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織のフェライト組織の占める割合が５０％以下である超大入熱溶接特性に優れた鋼材。

（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｉ：０．２〜２％、Ｃｒ：０．０５〜１％、Ｍｏ：０．０５〜１％、Ｖ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０７％のうちの１種以上を含有する上記（１）に記載の超大入熱溶接特性に優れた鋼材。

本発明によれば、ＴＳが５７０ＭＰａ以上、ＹＳが４５０ＭＰａ以上、JIS Z 2202 に規定の１０ｍｍ幅、Ｖノッチシャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験でのｖＴｓが−４０℃以下で、３００ｋＪ／ｍｍでの溶接時の−１０℃での吸収エネルギーが１００Ｊ以上の鋼が得られ、種々の溶接構造物において優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は全て「質量％」とする。

Ｃ：０．０３〜０．１％
Ｃは、母材の強度確保を目的に含有させる。０．０３％未満では５７０ＭＰａ以上の強度を確保することができない。一方、０．１％を超えると溶融線近傍の溶接熱影響部の靱性が劣化する。したがって、Ｃの含有量は０．０３〜０．１％とした。なお、好ましくは０．０８％以下、さらに望ましくは０．０６％以下である。望ましい下限は０．０４％である。

Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、脱酸剤として添加する元素である。その効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、含有量が増加すると溶接冷却過程において残留γがセメンタイトへ分解する反応を抑制し島状マルテンサイトを増加させるので、溶接部靱性の確保の観点からは含有量は少ない方が望ましく、上限を０．５％とした。好ましい上限は０．３％、さらに好ましくは０．１５％以下である。

Ｍｎ：０．５〜２％
Ｍｎは、母材の強度確保、溶接熱影響部の焼入性の確保に有効で、また脱酸元素としても有効である。０．５％未満では、溶接熱影響部にフェライトが生成し靱性が劣化するので０．５％以上含有させる必要がある。一方、２％を超えると中心偏析による板厚方向での母材特性の不均一や靱性の劣化をもたらす。したがって、Ｍｎの上限は２％とした。

Ｃｕ：０．８超〜２％
Ｃｕは、ε析出物として単独で析出して母材の強度を向上させる効果がある。鋼材に時効処理や冷却途中からの徐冷などの処理を施すことにより前記析出物を析出させることができる。析出したＣｕは母材では強度を向上させ、また溶接熱影響部ではＣｕが再溶解するので硬度過剰となりがちな溶接部の硬度を低減し溶接部の靱性を向上させる効果がある。ε析出物を析出させることによって、効果的に強度を向上させるためには、０．８％を超えるＣｕ量が必要である。しかしながら、２％を超えて含有させると、溶接熱影響部で未固溶の析出物が増加し、靭性が低下するため２％以下とする必要がある。

Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％
Ｔｉは、母材の強度を向上させると同時に、連続鋳造スラブの横ひび割れを防止するのに有効である。また、固溶Ｎと結合することによって形成されるＴｉＮは、加熱時のγ結晶粒の粗大化を抑制し、母材および溶接部の靱性を向上させる効果がある。これらの効果を発揮させるには０．００５％以上含有させる必要がある。しかしながら、０．０２５％を超えて含有させると母材の靱性が劣化するため上限は０．０２５％とした。

Ｎ：０．００２〜０．００８％
Ｎは、Ｔｉと結合してＴｉＮを形成し、加熱時のγ粒の粗大化を抑制し、母材および溶接熱影響部の靱性を改善する。このたには、０．００２％以上含有させることが必要である。しかしながら、Ｂを含有させない場合Ｎが０．００８％を超えると、過剰のＮが組織中に存在し靱性を劣化させる。γ粒の細粒化の観点からは、Ｎ量はＴｉ量の４．３分の１よりもやや多く含有されることが望ましい。

sol.Ａｌ：０．００２〜０．０５％
Ａｌは、脱酸を目的で添加する。その効果を得るには、０．００２％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌ含有が増加するとＳｉと同様、溶接冷却過程において残留オーステナイトがセメンタイトへ分解する反応を抑制し島状マルテンサイトを増加させる。したがって、溶接熱影響部の靱性を確保する観点から含有は少ないほうが望ましが、０．０５％までの量であれば問題がない。望ましい上限は０．０３％、さらに望ましくは０．０１％である。

Ｏ：０．００３５％以下
酸素は、必要により含有させてもよい元素で、含有させれば酸化物を形成することにより溶接熱影響部の組織を微細化する作用がある。この効果は不純物量を超える量でも効果があるが、含有させる場合は０．００１％を超えた量とするのが好ましい。一方、過剰な添加は粗大な酸化物の形成から靱性に悪影響を及ぼすため含有させる場合の上限を０．００３５％とした。

上記の化学組成のＣｕ含有鋼材において、さらに母材の強度を高めたい場合には各鋼材に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＶおよびＮｂのうちの１種以上を含有させるのが有効である。以下、各元素毎に説明する。

Ｎｉ：０．２〜２％
Ｎｉは、靱性劣化を最小限に抑え母材の強度を上昇させるのに有効で、０．２％以上の添加が好ましい。一方、２％を超えて含有させてもコストアップに見合う強度、靱性の改善効果が見られないため、上限を２％とした。

Ｃｒ：０．０５〜１％
Ｃｒは、母材の強度確保を目的として含有させる。そのためには、少なくとも０．０５％含有させる必要がある。一方、１％以上含有させると靱性を劣化させるため、その上限は１％とした。好ましい上限は０．５％以下である。

Ｍｏ：０．０５〜１％
Ｍｏは、母材の強度確保を目的として含有させる。そのためには少なくとも０．０５％含有させる必要がある。一方、１％を超えて含有させた場合は靱性を劣化させるので上限を１％とした。好ましい上限は０．５％である。

Ｖ：０．０１〜０．１％
Ｖは、母材の強度確保を目的として含有させる。そのためには少なくとも０．０１％含有させる必要がある。一方、０．１％を超えて含有させた場合は靱性を劣化させるため、その上限を０．１％とした。好ましい上限は０．０５％以下、さらに好ましくは０．０３％以下である。

Ｎｂ：０．００５〜０．０７％
Ｎｂは母材の強度を上昇させると同時に組織の微細化を通して母材の低温靱性を改善する効果がある。これらの効果を得るには０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．０７％を超えて過剰に含有させると粗大な炭化物、窒化物を形成して靱性を低下させる。したがって、上限は０．０７％とした。強度と靱性のバランスの観点より、好ましい上限は０．０５％、さらに好ましくは０．０３％である。

フェライト組織分率：５０％以下
上述したように、本発明鋼において５７０ＭＰａ以上の強度を確保するためには、上記のような化学組成とし、さらに適切なフェライト組織分率を確保する必要がある。時効析出による強化を図ることができるためにフェライト組織分率は５０％以下でよい。

本発明の鋼材は、金属組織がフェライト組織以外は、ベイナイトまたはマルテンサイト組織である。この場合、靱性改善の理由からベイナイト組織のラスの平均長さは５０μm以下であるのが好ましい。靱性改善の観点からは、ベイナイトラスの長さは短ければ短いほど良く、それを実現するためには一般的には、例えばオーステナイトの未再結晶温度域で強圧下圧延をすればよい。しかしながら、本発明鋼材のように比較的焼入性の低い鋼では、ベイナイトの平均ラス長さを１５μm以下にしようとすると、強圧下圧延によって、同時に初析αの生成頻度を高めることとなり、ベイナイトとマルテンサイトの組織分率が不足する。ベイナイトとマルテンサイトの組織分率が不足すると所望の強度が確保されないため、ベイナイトの平均ラス長さは１５μm以上に調整するのがよい。

表１に示す化学組成を有する３３種の鋼を１８０ｋｇ真空溶解炉を用いて溶製した。表中記号１〜１２は本発明例 、記号Ｘ１〜Ｘ７は比較例である。

これらの各１８０ｋｇ鋼塊を鍛造して厚さ１６０ｍｍの鋼片とした。次いで、表２に示す各温度に加熱して熱間圧延して、各温度で仕上げて冷却した。その後、これらの表に示す６００〜６３０℃の温度範囲で１時間保持して焼戻し熱処理を施し、板厚４０ｍｍの鋼板とした。

このようにして得た各鋼板の板厚中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とJIS Z 2202に規定の幅１０ｍｍのＶノッチシャルピー衝撃試験片をそれぞれ圧延方向と平行な方向で採取し、母材の機械的性質を調査した。また、各鋼板についてナイタルで腐食して組織を現出させた後、光学顕微鏡により２０視野を観察して面積率を求め、フェライト組織分率を調べた。

さらに、各鋼板を大入熱溶接した場合の靭性を調べるため、入熱３００ｋＪ／ｍｍの条件にてエレクトロガスアーク溶接をおこない、溶接ボンド部にノッチを成形できるように上記と同じシャルピー衝撃試験片採取し、溶接部のボンドの吸収エネルギーを測定した。

表２に試験結果をまとめて示す。

なお、母材の強度と靭性の目標はそれぞれＹＳで４５０ＭＰａ以上、ＴＳで５７０ＭＰａ以上、ｖＴｓを−４０℃以下とした。また、シャルピー衝撃試験において溶接ボンド部の吸収エネルギーの目標値は−１０℃で１００Ｊ以上とした。

表２から明らかなように、本発明例１〜１２は全てＴＳで５７０ＭＰａ以上、ＹＳで４５０ＭＰａ以上の強度と−４０℃以下のｖＴｓが得られている。また３００ｋＪ／ｍｍの溶接にて−１０℃でのエネルギーが１００Ｊ以上となった。
成分のいずれかが本発明で規定する範囲から外れた比較例の記号Ｘ１〜Ｘ７は、強度、靭性、溶接性の少なくとも１つが目標に達していなかった。

ＴＳが５７０ＭＰａ以上、ＹＳが４５０ＭＰａ以上、JIS Z 2202 に規定の１０ｍｍ幅、Ｖノッチシャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験でのｖＴｓが−４０℃以下で、３００ｋＪ／ｍｍでの溶接時の−１０℃での吸収エネルギーが１００Ｊ以上の鋼が得られ、種々の溶接構造物に用いることができる。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｃｕ：０．８超〜２％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ｎ：０．００２〜０．００８％、sol.Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｏ（酸素）：０．００３５％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織のフェライト組織の占める割合が５０％以下であることを特徴とする超大入熱溶接特性に優れた鋼材。
2. Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｉ：０．２〜２％、Ｃｒ：０．０５〜１％、Ｍｏ：０．０５〜１％、Ｖ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．０７％のうちの１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の超大入熱溶接特性に優れた鋼材。