JP3579307B2 - 溶接性及び歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、水圧鉄管、圧力容器、ラインパイプ及び海洋構造物等に用いられる60キロ級構造用鋼で、特に曲げなどの冷間加工後においても優れた低温靭性を有する歪時効後の靭性に優れた鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
鋼を冷間で塑性変形すると歪時効脆化と呼ばれる靭性が劣化する現象が生ずる。歪時効脆化に間しては主に自動車ボデイ用の薄鋼板を対象に研究が行なわれてきたが、近年、構造物の信頼性に対する要求が高まり、厚鋼板においても素材段階のみならず加工や不慮の事故などにより塑性変形を受けた後の靭性が問題視されるようになってきた。
【0003】
歪時効脆化を評価する試験として5%の引張り予歪を付与し、250℃で1時間の時効処理後シャルピー試験を行なう歪時効シャルピー試験が知られ、近年、材料評価試験の一つとして要求される事例が増えている。
【0004】
厚鋼板を対象とする歪時効脆化抑制の技術として、特開平5−320820号、特開昭59−182915号及び特開昭56−127760号等があるが、いずれも一般的な600MPa級厚肉鋼板を対象とした技術ではない。
【0005】
特開平5−320820号には引張り強度 400MPa級の球状船首用低降伏点焼入れ鋼が開示されている。鋼材組織を整粒化し、歪時効後の靭性劣化を防止するものであるが、C量が0.002〜0.03%、他の強化元素も殆ど含有されていない成分組成が対象であり、60キロ級鋼に適用することは出来ない。
【0006】
特開昭59−182915号はTMCP型500MPa級鋼での歪時効脆化を抑制する製造方法を開示している。TMCP50キロ鋼を冷間加工した場合、冷間加工後の脆化がフェライト・ベイナイト組織のフェライト相に歪が集中することにより生じることに着目し、フェライト中の固溶N,固溶Cを冷却停止温度の制御により低減させ、フェライト相の脆化を抑制する技術である。このため、室温付近まで冷却され、焼入れ組織となる60キロ級鋼には適用できない。
【0007】
特開昭56−127750号には600MPa級鋼の歪時効脆化抑制技術が記載されているが、本技術はVN析出型の鋼において、0.01%以上のN含有により生ずる歪時効脆化をCaまたはMgの添加により抑制できることを示している。しかし、本技術は、as rollあるいはノルマで製造するVN鋼に限ってその効果を発揮するもので、実施例の鋼もC量が0.12%以上と高く、Pcmも0.25%以上と溶接施工性に劣る鋼が記載され、現在の一般的な需要家の要望に応えるものではない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上、述べたように、溶接施工性に優れた600MPa級厚肉鋼材で塑性変形させた後の脆化を抑制する技術は未だ完成されていない。本発明は、溶接性に優れ、かつ歪時効後にも優れた靭性を有する60キロ級焼入れ焼戻し鋼を提供するものであり、具体的には再加熱処理材と比較して組織が粗く、靭性に劣り、特に塑性変形を受けると著しく靭性が劣化する直接焼入れ焼戻し鋼で、歪時効シャルピー試験の破面遷移温度vTs(aged)がー40℃以下となる60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、直接焼入れ焼戻し鋼について塑性変形をうけた後の靭性劣化の原因、及びその防止技術について鋭意検討を行ない、靭性劣化が以下の図1〜3に示す機構によりもたらされるものであり、その防止には粒界面積の増大が有効なことを見出した。
【0010】
図1は焼入れままのミクロ組織を模式的に示すもので、ミクロ組織は低成分設計:低Pcm,低CeqW(Ceqwesの略)の60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼の場合、オーステナイトの細粒化が困難なため再加熱焼入れ焼戻し材のミクロ組織と比較すると粗いベイナイト組織となる。
【0011】
図2は焼入れ後、焼戻した場合のミクロ組織を示すもので、セメンタイトが粒界に析出する。セメンタイトは焼戻し温度が同じ場合、再加熱材と比較して粒界面積の小さい直接焼入れ材で粗大化する。
【0012】
図3は焼入れ焼戻し鋼に歪を付加した場合の状況を示すもので、セメンタイト周辺に歪が集中するようになる。歪集中は析出したセメンタイトが粗いほど大きくなるため、直接焼入れ焼戻し鋼の歪脆化は再加熱焼入れ焼戻し鋼より大きくなり,その防止にはセメンタイトを微細化させる粒界面積の増大が有効である。以上の知見を基に、本発明者らは粒界面積を増大させる方法について検討を行い、図4に示すように直接焼入れ時、旧オーステナイト粒界に、数μm以下の膜状のフェライトを生成させた場合、実質的に粒界面積が増大し、セメンタイトが微細化すること(図5)及びそのような組織は圧延時のオーステナイトの再結晶を抑制し、変態時にオーステナイト粒界を活性化させるNbの添加,及びフェライト生成元素であるSI,Crの適量添加により得られることを把握し、本発明を完成させたものである。
【0013】
すなわち、本発明は、1.質量%で、C:0.04〜0.09%、Si:0.1〜0.5%、Mn:1.2〜1.8%、Cr:0.1〜0.5%、Nb:0.01〜0.05%、sol.Al:0.002〜0.07%、N:0.001〜0.004%を含み、B≦0.0002%で、残部が実質的にFeからなり、且つPcm≦0.20%、Ceq(WES)≦0.42%、0.50%≦Si+3Cr≦1.25%を満足する溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
但し、Pcm=C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B,Ceq(WES)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14とする。
【0014】
但し、Pcm=C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B,
Ceq(WES)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14とする。
【0015】
2.鋼組成として、更に質量%でMo:0.02〜0.3%、Cu:0.1〜0.6%の一種または二種を含有する1記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破面遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
【0016】
3.鋼組成として、更に質量%でNi:0.1〜0.5%を含有する1又は2記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破面遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
【0017】
4.鋼組成として、更に質量%でV:0.01〜0.08%を含有する1乃至3のいずれかに記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破面遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
【0018】
5.鋼組成として、更に質量%でTi:0.005〜0.02%、Ca:0.001〜0.004%の一種または二種を含有する1乃至4のいずれかに記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破面遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
【0020】
質量%で、P≦0.010%、S≦0.002%としたことを特徴とする1乃至5のいずれかに記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に本発明における成分組成について説明する。
【0022】
C:0.04%以上0.09%以下
Cは所定の強度を確保するため添加する。0.04%未満では厚肉材の場合60キロ級の引張り強度をを確保することが困難で、0.09%を超えると,歪時効後の靭性が劣化するため、0.04%以上0.09%以下添加する。
【0023】
Si:0.1%以上0.5%以下
Siは強力なフェライト生成元素であり、直接焼入れ時、旧オーステナイト粒界に膜状のフェライトを生成させるため添加する。0.1%未満ではその効果が十分でなく、0.5%を超えると効果が飽和し、溶接熱影響部の靭性が著しく劣化するため、0.1%以上0.5%以下添加する。
【0024】
Mn:1.2%以上1.8%以下
Mnは所定の強度を確保するために添加する。1.2%未満では厚肉材の場合60キロ級の引張り強度を確保することが困難で、1.8%を超えると、溶接熱影響部の靭性が著しく劣化するため1.2%以上1.8%以下添加する。
【0025】
Cr:0.1%以上0.5%以下
Crは、強力なフェライト生成元素で直接焼入れにより、旧オーステナイト粒界に膜状のフェライトを生成させるため添加する。0.1%未満では、その効果が不十分で、0.5%を超えると焼入れ性が著しく高まり、膜状フェライトの生成が困難になるため0.1%以上0.5%以下添加する。
【0026】
Nb:0.01%以上0.05%以下
Nbは、圧延時のオーステナイトの再結晶を抑制し、直接焼入れ時のオーステナイト粒界を活性化させ、膜状フェライトの生成を容易とする。また、焼戻し時にNb炭化物として析出し、強度上昇に有効なため添加する。0.01%未満ではそれらの効果が不十分で、0.05%超えでは著しいNb炭化物の析出強化により靭性が劣化するため0.01%以上0.05%以下添加する。
【0027】
sol.Al:0.002%以上0.07%以下
Alは脱酸のため添加する。sol.Al量で0.002%未満の場合、その効果が十分でなく、0.07%を超えて添加すると鋼材の表面疵が発生しやすくなるため、0.002%以上0.07%以下添加する。
【0028】
N:0.001%以上0.004%以下
Nは、圧延加熱時AlあるいはTiと結びつきAlN,TiNを生成し、オーステナイトを微細化させる。0.001%未満ではその効果が十分でなく、0.004%を超えて含有すると焼入れ焼戻し後も固溶Nにより著しい歪時効脆化を生じるため、0.001%以上0.004%以下とする。
【0029】
Pcm≦0.20%、Ceq(WES)≦0.42%
Pcm,Ceq(WES)は、溶接低温割れ性、溶接熱影響部の靭性の指標で、Pcmが0.20%を超えた場合、予熱無しの溶接では低温割れが生じる可能性があり、Ceq(WES)が0.42%を超えた場合、大入熱溶接の熱影響部靭性が著しく劣化するためPcm≦0.20%、CeqWES≦0.42%とする。ここでPcm=C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B,CeqWES=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14とする。
【0030】
本発明では更に以下のパラメータを満足するように成分範囲を規定する。
【0031】
Si+3Cr:0.50%以上1.25%以下
本パラメータは上記成分範囲にある鋼の旧オーステナイト粒界に、膜状のフェライトを生成させうるもので、Si+3Crが0.50%未満の場合、その効果が十分でなく、1.25%を超えると過度の焼入れ性により膜状のフェライトの生成が抑制されるため、0.50%以上1.25%以下とする。図6はその効果を示すもので、本規定により膜状のフェライトの生成が認められる。
【0032】
以上が本発明鋼における基本的な成分組成及びパラメータであるが、所望する特性を向上させるため、Mo,Cu、Ni,V,Ti,Caを単独または複合添加し、更に不可避不純物であるB,P,Sを規制することが可能である。
【0033】
Mo:0.02%以上0.3%以下、Cu:0.1%以上0.6%以下の一種または二種
Moは強度を向上させ、特に厚肉材で有効なため添加する。0.02%未満ではその効果が十分でなく、0.3%を超えると溶接性及び溶接熱影響部の靭性が著しく劣化するため0.02%以上0.3%以下とする。Cuは強度を向上させるため添加する。
【0034】
0.1%未満ではその効果が十分でなく、0.6%を超えて添加するとCu割れの懸念が高まるため0.1%以上0.6%以下とする。
【0035】
Ni:0.1%以上0.5%以下
Niは靭性を向上させるため添加する。0.1%未満ではその効果が十分でなく、0.5%を超えると鋼材コストの上昇が著しいので0.5%以下とする。
【0036】
V:0.01%以上0.08%以下
Vは焼戻し時、炭化物として析出し、強度を向上させるため添加する。0.01%未満ではその効果が十分でなく、0.08%超えでは著しいV炭化物の析出強化により靭性が劣化するため0.01%以上0.08%以下とする。
【0037】
Ti:0.005%以上0.02%以下、Ca:0.001%以上0.004%以下の一種又は二種
Ti、Caは母材靭性並びに溶接熱影響部の靭性を向上させるため添加する。Tiは圧延加熱時あるいは溶接時、TiNを生成しオーステナイト粒径を微細化する。
【0038】
0.005%未満ではその効果が十分でなく、0.02%を超えて添加すると圧延時にTiNbの複合炭化物が析出し、焼戻し時のNb炭化物の析出量が不足するようになり強度低下が生じるため、0.005%以上0.02%以下とする。
【0039】
CaはCa硫化物として鋼中に存在し、圧延加熱時あるいは溶接時、オーステナイト粒径を微細化する。0.001%未満ではその効果が十分でなく、0.004%を超えて添加すると多量のCa硫酸化物により清浄度を著しく劣化させるため、0.001%以上0.004%以下とする。
【0040】
B:0.0002%以下
Bは本発明では不純物元素として扱う。直接焼入れ時、固溶Bとして存在すると旧オーステナイト粒界における膜状フェライトの生成が抑制されるため溶解原料の選別などにより0.0002%以下に規制する。
【0041】
P≦0.010%、S≦0.002%
P,Sは不純物元素で、P≦0.010%、S≦0.002%とした場合、中央偏析が軽減され、板厚中央の靭性及び溶接性を向上させるため規制する。
【0042】
本発明鋼はその製造方法を直接焼入れ焼戻しに限定する。再加熱焼入れ焼戻し処理により、Pcm≦0.20%、CeqWES≦0.42%を満足する組成の板厚30mm以上の厚肉鋼材で60キロ級の引張り強度を得る事は困難であり、直接焼入れ焼戻しにより製造する。
【0043】
【実施例】
表1に実施例に用いた供試鋼の化学成分を示す。(表示しない残部は実質的にFeよりなる。)これらの化学成分を有する250mm厚の鋳片を980〜1100℃に加熱後、28〜80mmに圧延した。圧延後、直ちに、Ar3点以上の温度から直接焼入れし、その後、400〜630℃の範囲で焼戻しを実施した。
【0044】
熱処理後のミクロ組織を、SEMにより250〜600倍で観察し、粒界の膜状フェライトの有無を調べた。機械的特性として強度、靭性および歪時効後の靭性を求めた。引張り試験は1/4tより、採取したJISG14A号(14φ)試験片を用いた試験とした。
【0045】
衝撃試験は1/4tより採取した2mmVノッチシャルピー衝撃試験片を用い試験温度をー100〜0℃とする試験とした。歪時効後の靭性は板状の試験片に、5%引張り予歪を付与し、250℃で1時間の時効処理後、引張方向に2mmVノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、−100〜20℃で試験を行った。
【0046】
溶接性試験は、JISZ3101に準拠する手溶接熱影響部の最高硬さ試験とした。また、溶接熱影響部の靭性を、レ開先継手(溶接条件:入熱30kJ/cmのCO2溶接)より採取した2mmVノッチシャルピー衝撃試験片(ノッチ位置:HAZ1mm、図7に試験片採取要領を示す)で求めた。 表2に各試験結果を示す。溶接熱影響部のシャルピー衝撃試験結果は3本の試験片による結果の最小値を示す。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
【0047】
鋼1〜13のうち、鋼4,7,9,10は請求項1乃至6のそれぞれに記載の発明の何れかを満足する成分組成の実施例鋼、鋼1〜3,6,11は、Bが0.0002%を越えることを除いて、本発明を満足する成分組成の参考鋼で、鋼14〜21はSi+3Crが0.50未満又は1.25超えで請求項1乃至6のそれぞれに記載の発明の何れに対しも、発明の範囲外の成分組成となっている。
【0048】
表2に示すように、鋼1〜13を直接焼入れ焼戻し(DQT)した場合、旧オーステナイト粒界に膜状のフェライトが観察される。これらの鋼材の歪時効後のシャルピー衝撃試験結果は何れも破面遷移温度(vTs)がー40℃以下と良好で、歪時効前のシャルピー衝撃試験結果(表中、通常vTsと記載)と比較してその劣化(表中、劣化度と記載)は0〜15℃と小さい。
【0049】
更にB≦0.0002%とした鋼4,5,7,8,9,10,12,13は劣化が10℃以下と小さく、Bを規制した場合、歪時効による靭性劣化の防止は更に優れたものとなる。一方、鋼14〜21では旧オーステナイト粒界に膜状のフェライトは観察されず、歪時効後のシャルピー衝撃試験結果は何れも破面遷移温度(vTs)がー35℃以上と劣り、劣化度も20〜35℃と大きくなっている。
【0050】
鋼1〜13はPcm≦0.19、CeqW≦0.42と低成分系のため、溶接熱影響部最高硬さはHv300以下、HAZ1mmの溶接熱影響部の靭性が試験温度―40℃で50J以上と優れた耐低温割れ性と溶接部靭性が得られている。又、低成分系にも拘わらず、直接焼入れ焼戻しにより製造されるため、60キロ級の強度が得られている。
【0051】
【表1】
【0052】
【表2】
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、直接焼入れ時に、旧オーステナイト粒界に膜状のフェライトが生成され、実質的な粒界面積が増大されるため、焼戻しにおいて析出するセメンタイトに集中する歪が小さく、歪時効後の靭性に優れると共に、溶接性に優れる60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼の提供が可能で、産業上その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】焼入れ後のミクロ組織を模式的に示す図
【図2】焼入れ焼戻し後のミクロ組織を模式的に示す図
【図3】焼入れ焼戻し後、歪を付加した場合のミクロ組織を模式的に示す図
【図4】旧オーステナイト粒界に、膜状のフェライトが析出している状態を模式的に示した図
【図5】旧オーステナイト粒界に膜状のフェライトが析出した組織の焼戻し後の状態を模式的に示す図
【図6】膜状フェライトの生成に及ぼすSiとCrの影響を示す図
【図7】溶接熱影響部シャルピー衝撃試験の試験片採取位置を示す図
Claims (6)
- 質量%で、C:0.04〜0.09%、Si:0.1〜0.5%、Mn:1.2〜1.8%、Cr:0.1〜0.5%、Nb:0.01〜0.05%、sol.Al:0.002〜0.07%、N:0.001〜0.004%を含み、B≦0.0002%で、残部が実質的にFeからなり、且つPcm≦0.20%、Ceq(WES)≦0.42%、0.50%≦Si+3Cr≦1.25%を満足する溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
但し、Pcm=C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B,Ceq(WES)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14とする。 - 鋼組成として、更に質量%でMo:0.02〜0.3%、Cu:0.1〜0.6%の一種または二種を含有する請求項1記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
- 鋼組成として、更に質量%でNi:0.1〜0.5%を含有する請求項1又は2記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
- 鋼組成として、更に質量%でV:0.01〜0.08%を含有する請求項1乃至3のいずれかに記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
- 鋼組成として、更に質量%でTi:0.005〜0.02%、Ca:0.001〜0.004%の一種または二種を含有する請求項1乃至4のいずれかに記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
- 質量%で、P≦0.010%、S≦0.002%としたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の溶接性及び5%引張予歪後、250℃で1時間の時効処理後の歪時効シャルピー試験による破断遷移温度が−40℃以下である歪時効後の靭性に優れた60キロ級直接焼入れ焼戻し鋼。
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