JP4044470B2 - 低温母材靭性および低温ｈａｚ靭性に優れた高靭性鋼板、並びにその製造方法 - Google Patents
低温母材靭性および低温ｈａｚ靭性に優れた高靭性鋼板、並びにその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温での母材靭性に優れ、且つ溶接性（大入熱ＨＡＺ靭性、耐溶接割れ性）に優れた４９０ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼板（以下、４９０ＭＰａ級以上の鋼板」という）に関するものである。本発明の鋼板は、主として船舶、海洋構造物などの溶接構造物に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
船舶や海洋構造物などに適用される鋼板（厚鋼板）では、高い母材強度と共に、その適用環境から、低温での母材靭性に優れていることが求められる。また、このような分野に適用される鋼板では、溶接性（大入熱ＨＡＺ靭性や耐溶接割れ性）も重要な特性として要求されている。
【０００３】
こうした鋼板において、母材靭性の確保を考慮しつつＨＡＺ（溶接熱影響部）靭性（特に大入熱ＨＡＺ靭性）を高める技術は種々提案されているが、例えば、特許文献１には、ＨＡＺにおける酸化物系介在物のピンニングを利用してオーステナイト粒の微細化を図り、ＨＡＺ靭性を確保する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、固溶Ｂによって粒界フェライトの生成を抑制し、鋼組織をアシキュラーフェライト主体として母材靭性を確保すると共に、ＣａＳやＭｎＳのフェライト核生成能を利用して、ＨＡＺ靭性向上を図る技術が開示されている。
【０００５】
これらの技術は、−２０℃レベルや−４０℃レベルでの母材靭性およびＨＡＺ靭性を確保しているが、最近では、上記分野に適用される鋼板の母材靭性やＨＡＺ靭性では、例えば、−６０℃レベルでの要求も出てきており、特許文献１や特許文献２に開示の鋼板では、こうした要求に十分応え得るものではない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−８９８２５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３５１１４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温（例えば−６０℃）での靭性（母材靭性および大入熱ＨＡＺ靭性）に優れた４９０ＭＰａ以上の強度を有する鋼板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の高靭性鋼板は、Ｃ：０．０１０〜０．０７０％（質量％の意味、以下同じ），Ｓｉ：０．８％以下，Ｍｎ：１．０〜１．９％，Ｎｂ：０．０３２％以下（０％を含む），Ｔｉ：０．００５〜０．１０％，Ｂ：０．０００６〜０．００５０％，Ｎ：０．００２０〜０．０１０％，を満たす鋼からなり、ＫＰ＜２．４を満足すると共に、鋼組織の５０体積％以上がベイナイトであり、且つ平均結晶粒径が８μｍ以下であるところに要旨を有するものであり、低温での靭性（母材靭性および大入熱ＨＡＺ靭性）に優れている。
【０００９】
ここで、上記ＫＰは、下式（１）で表される。
ＫＰ＝［Ｍｎ］＋１．５×［Ｃｒ］＋２×［Ｍｏ］ （１）
《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味する。》。
【００１０】
本発明の高靭性鋼板では、さらに、Ｎｉ：２．０％以下、またはＣｕ：２．０％以下；さらに、Ｃｒ：１．０％以下、またはＭｏ：０．３０％以下、またはＶ：０．１０％以下；さらに、Ａｌ：０．２０％以下；Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下；さらに、Ｃａ：０．００５０％以下；さらに、Ｍｇ：０．００５％以下、またはＲＥＭ（希土類元素）：０．０２％以下、またはＺｒ：０．０５０％以下を含有したり、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下に抑えられている場合も有効であり、これらの成分の種類に応じて高靭性鋼板の特性が更に改善される。このような本発明の高靭性鋼板は、肉厚が５０ｍｍ以上のものでも良好な特性を有するものである。
【００１１】
なお、本発明に係る上記高靭性鋼板の化学組成は、典型的には上記元素の他は残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるが、その他の化学成分についても、本発明の効果を阻害しない範囲内で含有されていてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、特に低温（例えば−６０℃）の母材靭性および大入熱ＨＡＺ靭性に優れる４９０ＭＰａ級以上の鋼板（厚鋼板）を開発すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の如く本発明を完成するに至った。
【００１３】
大入熱ＨＡＺ靭性の確保に当たっては、Ｃを低Ｃに制限した上で、ＨＡＺの組織の微細化に寄与し得るＴｉや、フェライトの核生成サイトを形成し得るＢを適量添加することとし、さらに、ＨＡＺ靭性を比較的劣化させない炭化物非生成元素（Ｍｎや、好ましくはＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒなど）の添加、あるいは微量のＮｂの添加によって母材強度を４９０ＭＰａ以上とした。ところが、上記（１）式で表されるＫＰが特定値を超えると、低温ＨＡＺ靭性が劣化することが判明した。そこで、さらにこのＫＰを制御することで低温ＨＡＺ靭性の確保も達成した。また、低温での母材靭性については、固溶Ｂ量の制御および圧延条件の最適化によって結晶粒の微細化を達成し、これにより、優れた低温母材靭性を確保できた。
【００１４】
固溶Ｂは焼入れ性を高ることから、強度確保には有効であるが、同時に、低Ｃでは結晶粒を粗大化させる作用を有することが判明した。他方、上記の通り、ＢはＨＡＺの高靭化に大きく寄与する元素でもあるため、Ｂの添加量を制限することは好ましくない。そこで、圧延条件を最適化することで、固溶Ｂ量の制御と共に、加工オーステナイトの制御を行い、焼入れ性（すなわち母材強度）、結晶粒の微細化（すなわち母材靭性、特に低温での母材靭性）、および低温ＨＡＺ靭性の全てを高いレベルで確保することに成功した。以下、本発明の鋼板の基本成分および組織について説明する。
【００１５】
Ｃ：０．０１０〜０．０７０％
Ｃは、溶接時におけるＨＡＺ部の耐溶接割れ性と母材強度を両立させ、且つ大入熱ＨＡＺ靭性を改善するために重要な元素である。Ｃが０．０７０％を超えると高冷却速度側で低温変態ベイナイトでなくマルテンサイトが生成するようになり、耐溶接割れ性が改善されない。また、低冷却速度側（大入熱ＨＡＺ）ではマルテンサイトとオーステナイトの複合組織（以下、「ＭＡ」という）が多量に生成するようになり、大入熱ＨＡＺ靭性が改善されない。好ましくは０．０６０％以下、さらに好ましくは０．０５５％以下である。なお、０．０１０％未満では必要最小限の母材強度が得られない。好ましくは０．０２０％以上、さらに好ましくは０．０３０％以上である。
【００１６】
Ｓｉ：０．８％以下
Ｓｉは脱酸剤として有用な元素であるが、０．８％を超えて添加すると溶接性および母材靭性が低下するので、上限を０．８％と規定した。好ましくは０．６％以下、さらに好ましくは０．３％以下である。
【００１７】
Ｍｎ：１．０〜１．９％
Ｍｎは焼入れ改善作用を有すると共に、結晶粒を微細化して母材靭性を改善する効果を有する。ただし、１．９％を超えるとＨＡＺ部の耐溶接割れ性が低下する。好ましくは１．８％以下、さらに好ましくは１．６０％以下である。他方、Ｍｎが１．０％未満では十分な母材強度が得られない。好ましくは１．２０％以上、さらに好ましくは１．３％以上である。
【００１８】
Ｎｂ：０．０３２％以下（０％を含む）
ＮｂはＢとの複合効果により焼入れ性を大幅に改善する作用を有するが、０．０３２％を超えると、結晶粒が粗大化し、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下する。好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０１８％以下である。他方、Ｎｂの添加効果を有効に発揮させるためには、０．００５％以上とすることが好ましく、０．００８％以上とすることがより好ましい。
【００１９】
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％
ＴｉはＮと窒化物を形成してＨＡＺ部のγ粒を微細化すると共に、ＢＮの生成サイトとなり、粒内フェライトの生成を促進し、ＨＡＺ靭性を大幅に改善する効果を有するが、０．００５％未満では、こうした効果が十分に確保できない。好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．００９％以上である。他方、Ｔｉが０．１０％を超えると、ＨＡＺ靭性、母材靭性共に劣化する。好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。
【００２０】
Ｂ：０．０００６〜０．００５０％
Ｂは固溶することにより焼入れ性を改善する作用を有するが、固溶量が多過ぎる場合には却って靭性を損なう。また、ＨＡＺにおいては、ＢＮとなりフェライトの核生成サイトとして働き、ＨＡＺ靭性を向上させる効果を有する。Ｂ量が０．０００６％未満では、Ｂの添加効果が十分に確保できない。好ましくは０．００１０％以上、さらに好ましくは０．００１２％以上である。他方、Ｂ量が０．００５０％を超えると、却って焼入れ性が低下すると共に、母材靭性、ＨＡＺ靭性が劣化する。好ましくは０．００３０％以下、さらに好ましくは０．００２５％以下である。
【００２１】
Ｎ：０．００２０〜０．０１０％
Ｎは、Ｔｉと窒化物を形成してＨＡＺ部のγ粒径を微細化すると共に、Ｂと窒化物を形成してＨＡＺ部のフェライトの生成を促進し、ＨＡＺ靭性を改善する効果を有するが、Ｎ量が０．０１０％を超えると、母材靭性、ＨＡＺ靭性共に劣化する。好ましくは０．００６０％以下である。他方、Ｎ量が０．００２０％未満では、Ｔｉとの窒化物形成によるＨＡＺ靭性改善効果が不十分となる。好ましくは０．００３０％以上である。
【００２２】
ＫＰ＜２．４
ＫＰは、低炭素ベイナイトでのＭＡのでき易さを示す指標であり、ＫＰが２．４以上になると、ＭＡの生成量が多くなり過ぎてＨＡＺ靭性（特に低温ＨＡＺ靭性）が劣化する。ＫＰは、ＨＡＺ靭性改善の観点からは、その値が小さいほど望ましく、例えば２．０以下、より好ましくは１．７以下であることが推奨される。
【００２３】
ベイナイト分率：５０体積％以上
ベイナイトは母材強度を高める上で有効な組織であり、鋼組織のベイナイト分率が高いほど、母材強度は向上する。すなわち、ベイナイト分率が５０体積％未満では、十分な母材強度が確保できない。好ましくは７５体積％以上、より好ましくは９０体積％以上である。なお、本発明でいうベイナイトには、焼戻しされたベイナイト組織も含まれる。
【００２４】
平均結晶粒径：８μｍ以下
上述した通り、鋼板中の平均結晶粒径が小さいほど、母材靭性が良好なものとなる。すなわち、平均結晶粒径が８μｍを超えると、母材靭性が不十分となる。好ましくは６．５μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下である。
【００２５】
なお、本発明でいう「平均結晶粒径」は、鋼板の圧延方向に平行な断面において、ＦＥ−ＳＥＭ−ＥＢＳＰ（電解放出型走査電子顕微鏡を用いた電子後方散乱回折像法）によって測定される値である。具体的には、ＥＢＳＰ解析装置（ＴｅｘＳＥＭ Ｌａｂｏｒａｔｒｉｅｓ社製のＥＢＳＰ解析装置など）をＦＥ−ＳＥＭと組み合わせて用い、傾角（結晶方位差）が１０度以上の境界を結晶粒界として、結晶粒径を決定する。測定条件としては、測定領域は１００μｍ、測定ステップは０．４μｍ間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィテンス・インデックス（Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ）が０．１以下の測定点は解析対象から削除する。このようにして求められる結晶粒径の平均値を算出、本発明の平均結晶粒径とする。なお、結晶粒径が１．２μｍ以下のものについては、測定ノイズと判断し、結晶粒径の平均値計算の対象から除外することとする。
【００２６】
さらに本発明では、種々の特性の向上を目指して、下記の元素を積極的に添加すること、あるいはその含有量を抑制することが推奨される。
【００２７】
Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは母材靭性向上に有用な元素であるが、２．０％を超えて含有させるとＨＡＺ靭性が却って劣化する傾向にあるため、その上限を２．０％とすることが好ましい。より好ましくは１．５％以下、さらに好ましくは０．９％以下である。
【００２８】
Ｃｕ：２．０％以下
Ｃｕは固溶強化および析出強化により母材強度を向上させると共に、焼入れ性向上作用を有する。ただし、２．０％を超えると大入熱ＨＡＺ靭性が低下する傾向にあるため、上限を２．０％とすることが好ましい。より好ましくは１．２％以下、さらに好ましくは０．９％以下である。
【００２９】
Ｃｒ：１．０％以下
Ｃｒは焼入れ性改善により母材強度を向上させる作用を有するが、１．０％を超えるとＭＡの生成量が増えてＨＡＺ靭性が劣化する傾向にあるため、その上限を１．０％とすることが好ましい。より好ましくは０．５％以下、さらに好ましくは０．３％以下である。
【００３０】
Ｍｏ：０．３０％以下
Ｍｏは焼入れ性を改善して母材強度を向上させる作用を有するが、他方、ＨＡＺ靭性を大幅に劣化させる作用も有するため、その上限を０．３０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．１５％以下、さらに好ましくは０．１０％以下である。
【００３１】
Ｖ：０．１０％以下
Ｖは少量の添加により、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高める作用を有するが、０．１０％を超えると母材靭性やＨＡＺ靭性が低下する傾向にあるため、その上限を０．１０％とすることが好ましい。より好ましくは０．０６％以下、さらに好ましくは０．０２％以下である。
【００３２】
Ａｌ：０．２０％以下
Ａｌは有効な脱酸元素であるが、０．２％を超えて含有させると母材靭性やＨＡＺ靭性が低下する傾向にあるため、その上限を０．２０％とすることが好ましい。より好ましくは０．１％以下、さらに好ましくは０．０５％以下である。
【００３３】
Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下
ＰおよびＳは不純物であり、夫々０．０２０％以下、０．０１０％以下に抑えることが好ましい。より好ましくはＰ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下である。
【００３４】
Ｃａ：０．００５０％以下
ＣａはＭｎＳを球状化し、介在物の異方性を低減する効果を有する。この効果を十分に発揮させるためには、Ｃａを０．０００５％以上添加することが好ましい。より好ましくは０．００１％以上である。他方、Ｃａ量が０．００５０％を超えると母材靭性が低下する傾向にあるため、その上限を０．００５０％とすることが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
【００３５】
Ｍｇ：０．００５％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下、Ｚｒ：０．０５％以下
これらの元素はＨＡＺ靭性を向上させる作用を有するが、過剰に含有させると却ってＨＡＺ靭性が劣化する傾向にあるため、Ｍｇ：０．００５％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下、Ｚｒ：０．０５％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｍｇ：０．００３％以下、ＲＥＭ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０３％以下である。なお、本発明の鋼板で含有されることのあるＲＥＭは、周期律表３属に属するスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）およびランタノイド系列希土類元素（原子番号５７〜７１）の元素のいずれをも用いることができる。
【００３６】
上記の化学組成および組織を有する本発明の鋼板は、上記の通り、所謂４９０ＭＰａ級以上の鋼板であり、具体的な母材強度は、後述の実施例で測定される引張強さで４９０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、引張強さがあまり大き過ぎると、伸びが低下傾向にあるため、引張強さの上限は６９０ＭＰａであることが推奨される。
【００３７】
本発明の鋼板を製造するに当たっては、上記の化学組成を有する鋼を用い、上述の組織（ベイナイト分率および平均結晶粒径）を満足するさせるための製造条件を考慮する他は、通常用いられる鋼板（厚鋼板）の製造工程および条件（温度、時間など）を適宜採用すればよい。以下に、上述のベイナイト分率および平均結晶粒径を確保するために好適な製造方法を説明する。
【００３８】
まず、熱間圧延工程（本圧延工程）前に均質化圧延工程を設ける。この均質化圧延工程は、熱間圧延工程において固溶Ｂ量を制御するための前処理工程として設けるものである。この工程では、ＴｉあるいはＮｂに固定されているＮを、できるだけ分解させて、熱間圧延工程においてＢＮを形成させ易くすることで固溶Ｂ量の制御を可能とする。すなわち、熱間圧延工程では、後述するように、鋼板の靭性確保の観点から加熱温度の上限をある程度抑えることが好ましいが、このような温度では、ＴｉやＮｂに固定されているＮを分解させることが困難であるため、熱間圧延工程に先立って設ける均質化圧延工程で、Ｎが分解可能な温度まで鋼板を加熱し、該Ｎを、次の熱間圧延工程の加熱温度域でＢＮを形成し易くなる形態とするのである。このような観点から、均質化圧延工程での加熱温度は１１５０℃以上とすることが好ましい。また、加熱温度の上限は１３５０℃とすることが推奨される。
【００３９】
次に熱間圧延工程であるが、加熱温度を１０５０〜１１５０℃とすることが好ましい。加熱温度が低すぎると、Ｂ，Ｎｂ，Ｔｉが固溶せず、焼入れ性が低下する場合がある。他方、加熱温度が高すぎると、加熱時のγ粒径が粗大化して、靭性を劣化させる場合がある。
【００４０】
熱間圧延時の圧下率は、１０００℃から９００℃まででの累積圧下率（該温度域での圧下前厚みに対する比率、以下同じ）を４０％以上とし、さらに９００℃から７００℃まででの累積圧下率を６０％以上とすることが望ましい。１０００℃から９００℃まででの累積圧下率を４０％以上とすることで、加熱γ粒を再結晶化することができ、γ粒の微細化および異常粒成長抑制が可能となる。また、９００℃から７００℃まででの累積圧下率を６０％以上とすることで、再結晶しないγ粒の扁平度が増加すると共に、γ粒界が湾曲して、ベイナイトの核生成サイトが増加する。その結果、結晶粒が微細化し、良好な母材靭性が確保できるようになる。
【００４１】
熱間圧延の圧延終了温度は、８５０〜７００℃とすることが望ましい。８５０℃以上では圧延で導入されたベイナイトの核生成サイト（γ粒界の湾曲など）が減少し、靭性の劣化を引き起こす傾向にある。また、７００℃以下ではフェライトが生成するため、母材強度が確保できなくなる場合がある。
【００４２】
熱間圧延後の冷却では、冷却速度を３℃／秒以上とすることが好ましく、また、冷却停止温度は５００℃以下が好ましい。冷却速度が３℃／秒未満であったり、冷却停止温度が５００℃を超える場合には、フェライトが多量に生成して母材強度が劣化傾向にあると共に、ベイナイトの核生成駆動力が低いために結晶粒が粗大化し、靭性も劣化する傾向にある。
【００４３】
本発明の鋼板では、焼戻し処理は行わなくてもよいが、焼戻し処理を実施する場合には、焼戻し温度を４００〜６００℃とすることが望ましい。焼戻し温度が４００℃未満では、ＭＡが分解せず、強度低下のみで靭性が向上しないため、焼戻し処理の効果が確保できない。他方、６００℃を超えると、結晶粒が成長して粗大化し、母材靭性が劣化する。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００４５】
表１に示す化学組成の鋼（鋼種番号１〜２９）を通常の溶製法により溶製し、スラブとした後、表２および３に示す条件で均質化圧延、熱間圧延、および焼戻し処理を行い、所定の板厚からなる評価用鋼板（表２の評価用鋼板Ｎｏ．１〜２２、表３の評価用鋼板Ｎｏ．２３〜３９）を製造した。
【００４６】
このようにして得られた評価用鋼板Ｎｏ．１〜３９について、下記の各測定を行った。結果を表４および５に示す。
【００４７】
［母材特性］
引張試験：各評価用鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、引張試験を行うことにより引張強さ（ＴＳ）、０．２％伸長時の耐力（０．２％耐力）、引張伸び（ＥＬ）を測定した。このうち、引張強さについては、４９０ＭＰａ≦ＴＳ＜６９０ＭＰａを合格とした。
【００４８】
衝撃試験：各評価用鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行うことにより延性破面率を求め、破面遷移温度を算出した。破面遷移温度（ｖＴｒｓ）は−８０℃以下を合格とした。
【００４９】
なお、母材特定に合格したものについては、下記の溶接性試験を実施した。
【００５０】
［溶接性］
ＨＡＺ靭性：各評価用鋼板を１４００℃に加熱して５秒保持した後、８００℃から５００℃まで５００秒で冷却する熱サイクル処理（７０ｋＪ／ｍｍの入熱でサブマージアーク溶接したときのＨＡＺの熱履歴に相当）を施した後、板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行うことにより吸収エネルギー（ｖＥ−６０）を測定した。ｖＥ−６０≧７０Ｊを合格とした。
【００５１】
耐溶接割れ性：ＪＩＳ Ｚ ３１５８に記載のｙ形溶接割れ試験法に基づいて、入熱１．７ｋＪ／ｍｍで被覆アーク溶接を行い、ルート割れ防止予熱温度を測定した。２５℃以下を合格とした。
【００５２】
［ベイナイト組織評価］
各評価用鋼板の板厚１／４位置で、圧延方向に平行な断面において、２％ナイタール液（２％硝酸−エタノール液）を用いてエッチングを行い、光学顕微鏡を用いて２００μｍ×１５０μｍの範囲を４００倍で１０箇所写真撮影し、この写真を画像解析装置によって画像解析し、ベイナイト分率を測定した。
【００５３】
［平均結晶粒径測定］
ベイナイト組織評価を実施した箇所と同じ箇所において、ＥＢＳＰ解析装置（ＴｅｘＳＥＭ Ｌａｂｏｒａｔｒｉｅｓ社製）およびＰｈｉｌｉｐｓ社製ＦＥ−ＳＥＭ（電解放出型走査電子顕微鏡）「ＸＬ３０Ｓ−ＦＥＧ」を用いて測定した。傾角が１０度以上の境界を結晶粒界として、結晶粒径を決定した。測定領域は１００μｍ、測定ステップは０．４μｍ間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィテンス・インデックス（Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ）が０．１以下の測定点は解析対象から削除した。また、結晶粒径が１．２μｍ以下のものについては、測定ノイズと判断し、結晶粒径の平均値計算の対象から除外した。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】
【表４】
【００５８】
【表５】
【００５９】
表４および５から、次のように考察できる。評価用鋼板Ｎｏ．３，４，６、１２〜２２は、いずれも化学成分が良好な表１の鋼種番号１〜１２を用いると共に、表４に示すように組織が良好であり、低温母材靭性、低温ＨＡＺ靭性を始めとする各種母材特性および溶接性が良好であった。これに対し、評価用鋼板Ｎｏ．１，２，５，７〜１１，２３〜３９は、表２に示すように製造条件が不適であるために表４に示すように組織が不適であるか（評価用鋼板Ｎｏ．１，２，５，７〜１１）、化学成分が不適な表１の鋼種番号１３〜２９を用いているために表５に示すように組織が不適（評価用鋼板Ｎｏ．２３〜３９）であり、以下の不具合を有している。
【００６０】
Ｎｏ．１の評価用鋼板は熱間圧延前に均質化圧延処理を施していない例、Ｎｏ．２の評価用鋼板は均質化圧延処理時の加熱温度が低い例である。Ｎｏ．５の評価用鋼板は焼戻し温度が高い例である。Ｎｏ．７の評価用鋼板は１０００から９００℃までの累積圧下率が低い例、Ｎｏ．８の評価用鋼板は９００から７００℃までの累積圧下率が低い例である。Ｎｏ．９の評価用鋼板は熱間圧延後の冷却速度が遅い例、Ｎｏ．１０の評価用鋼板は熱間圧延後の冷却停止温度が高い例である。Ｎｏ．１１の評価用鋼板は熱間圧延時の加熱温度が高い例である。これらの評価用鋼板では、平均結晶粒径が大きく、低温母材靭性が劣っており、さらにＮｏ．９および１０の評価用鋼板では、母材強度も劣っている。
【００６１】
Ｎｏ．２３の評価用鋼板はＣ量が少ない例であり、ベイナイト分率が低く、平均結晶粒径が大きい。その結果、母材強度および低温母材靭性が劣っている。Ｎｏ．２４の評価用鋼板はＣ量が多い例であり、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６２】
Ｎｏ．２５の評価用鋼板はＳｉ量が多い例であり、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６３】
Ｎｏ．２６の評価用鋼板はＭｎ量が少ない例であり、ベイナイト分率が低く、平均結晶粒径が大きい。その結果、母材強度および低温母材靭性が劣っている。
【００６４】
Ｎｏ．２７の評価用鋼板はＭｎ量が多い例、Ｎｏ．２８および２９の評価用鋼板はＫＰが高い例、Ｎｏ．３０の評価用鋼板はＣｒ量が好ましい範囲を超えており且つＫＰが大きい例、Ｎｏ．３１の評価用鋼板はＭｏ量が多い例である。これらの評価用鋼板では、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６５】
Ｎｏ．３２の評価用鋼板はＮｂ量が多い例、Ｎｏ．３３の評価用鋼板はＶ量が好ましい範囲を超える例である。これらの評価用鋼板では、平均結晶粒径が大きく、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６６】
Ｎｏ．３４の評価用鋼板はＮｉおよびＣｕが多い例であり、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６７】
Ｎｏ．３５の評価用鋼板はＢ量が少なく、ベイナイト分率が低い例であり、母材強度が劣っている。Ｎｏ．３６の評価用鋼板はＢ量が多く、平均結晶粒径が大きい例であり、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６８】
Ｎｏ．３７の評価用鋼板はＮ量が多い例、Ｎｏ．３９の評価用鋼板はＴｉ量が多い例であり、これらの評価用鋼板では平均結晶粒径が大きく、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。Ｎｏ．３８の評価用鋼板はＴｉ量が少ない例であり、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６９】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、特定の化学組成（特にＫＰ）に加えて、鋼組織のベイナイト分率および平均結晶粒径を特定の範囲とすることで、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性（大入熱ＨＡＺ靭性）に優れた４９０ＭＰａ級以上の鋼板を提供することができた。本発明の鋼板は、例えば、船舶や海洋構造物など、特に低温環境下に曝される構造物（溶接構造物）用途に好適である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温での母材靭性に優れ、且つ溶接性（大入熱ＨＡＺ靭性、耐溶接割れ性）に優れた４９０ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼板（以下、４９０ＭＰａ級以上の鋼板」という）に関するものである。本発明の鋼板は、主として船舶、海洋構造物などの溶接構造物に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
船舶や海洋構造物などに適用される鋼板（厚鋼板）では、高い母材強度と共に、その適用環境から、低温での母材靭性に優れていることが求められる。また、このような分野に適用される鋼板では、溶接性（大入熱ＨＡＺ靭性や耐溶接割れ性）も重要な特性として要求されている。
【０００３】
こうした鋼板において、母材靭性の確保を考慮しつつＨＡＺ（溶接熱影響部）靭性（特に大入熱ＨＡＺ靭性）を高める技術は種々提案されているが、例えば、特許文献１には、ＨＡＺにおける酸化物系介在物のピンニングを利用してオーステナイト粒の微細化を図り、ＨＡＺ靭性を確保する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、固溶Ｂによって粒界フェライトの生成を抑制し、鋼組織をアシキュラーフェライト主体として母材靭性を確保すると共に、ＣａＳやＭｎＳのフェライト核生成能を利用して、ＨＡＺ靭性向上を図る技術が開示されている。
【０００５】
これらの技術は、−２０℃レベルや−４０℃レベルでの母材靭性およびＨＡＺ靭性を確保しているが、最近では、上記分野に適用される鋼板の母材靭性やＨＡＺ靭性では、例えば、−６０℃レベルでの要求も出てきており、特許文献１や特許文献２に開示の鋼板では、こうした要求に十分応え得るものではない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−８９８２５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３５１１４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温（例えば−６０℃）での靭性（母材靭性および大入熱ＨＡＺ靭性）に優れた４９０ＭＰａ以上の強度を有する鋼板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の高靭性鋼板は、Ｃ：０．０１０〜０．０７０％（質量％の意味、以下同じ），Ｓｉ：０．８％以下，Ｍｎ：１．０〜１．９％，Ｎｂ：０．０３２％以下（０％を含む），Ｔｉ：０．００５〜０．１０％，Ｂ：０．０００６〜０．００５０％，Ｎ：０．００２０〜０．０１０％，を満たす鋼からなり、ＫＰ＜２．４を満足すると共に、鋼組織の５０体積％以上がベイナイトであり、且つ平均結晶粒径が８μｍ以下であるところに要旨を有するものであり、低温での靭性（母材靭性および大入熱ＨＡＺ靭性）に優れている。
【０００９】
ここで、上記ＫＰは、下式（１）で表される。
ＫＰ＝［Ｍｎ］＋１．５×［Ｃｒ］＋２×［Ｍｏ］ （１）
《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味する。》。
【００１０】
本発明の高靭性鋼板では、さらに、Ｎｉ：２．０％以下、またはＣｕ：２．０％以下；さらに、Ｃｒ：１．０％以下、またはＭｏ：０．３０％以下、またはＶ：０．１０％以下；さらに、Ａｌ：０．２０％以下；Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下；さらに、Ｃａ：０．００５０％以下；さらに、Ｍｇ：０．００５％以下、またはＲＥＭ（希土類元素）：０．０２％以下、またはＺｒ：０．０５０％以下を含有したり、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下に抑えられている場合も有効であり、これらの成分の種類に応じて高靭性鋼板の特性が更に改善される。このような本発明の高靭性鋼板は、肉厚が５０ｍｍ以上のものでも良好な特性を有するものである。
【００１１】
なお、本発明に係る上記高靭性鋼板の化学組成は、典型的には上記元素の他は残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるが、その他の化学成分についても、本発明の効果を阻害しない範囲内で含有されていてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、特に低温（例えば−６０℃）の母材靭性および大入熱ＨＡＺ靭性に優れる４９０ＭＰａ級以上の鋼板（厚鋼板）を開発すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の如く本発明を完成するに至った。
【００１３】
大入熱ＨＡＺ靭性の確保に当たっては、Ｃを低Ｃに制限した上で、ＨＡＺの組織の微細化に寄与し得るＴｉや、フェライトの核生成サイトを形成し得るＢを適量添加することとし、さらに、ＨＡＺ靭性を比較的劣化させない炭化物非生成元素（Ｍｎや、好ましくはＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒなど）の添加、あるいは微量のＮｂの添加によって母材強度を４９０ＭＰａ以上とした。ところが、上記（１）式で表されるＫＰが特定値を超えると、低温ＨＡＺ靭性が劣化することが判明した。そこで、さらにこのＫＰを制御することで低温ＨＡＺ靭性の確保も達成した。また、低温での母材靭性については、固溶Ｂ量の制御および圧延条件の最適化によって結晶粒の微細化を達成し、これにより、優れた低温母材靭性を確保できた。
【００１４】
固溶Ｂは焼入れ性を高ることから、強度確保には有効であるが、同時に、低Ｃでは結晶粒を粗大化させる作用を有することが判明した。他方、上記の通り、ＢはＨＡＺの高靭化に大きく寄与する元素でもあるため、Ｂの添加量を制限することは好ましくない。そこで、圧延条件を最適化することで、固溶Ｂ量の制御と共に、加工オーステナイトの制御を行い、焼入れ性（すなわち母材強度）、結晶粒の微細化（すなわち母材靭性、特に低温での母材靭性）、および低温ＨＡＺ靭性の全てを高いレベルで確保することに成功した。以下、本発明の鋼板の基本成分および組織について説明する。
【００１５】
Ｃ：０．０１０〜０．０７０％
Ｃは、溶接時におけるＨＡＺ部の耐溶接割れ性と母材強度を両立させ、且つ大入熱ＨＡＺ靭性を改善するために重要な元素である。Ｃが０．０７０％を超えると高冷却速度側で低温変態ベイナイトでなくマルテンサイトが生成するようになり、耐溶接割れ性が改善されない。また、低冷却速度側（大入熱ＨＡＺ）ではマルテンサイトとオーステナイトの複合組織（以下、「ＭＡ」という）が多量に生成するようになり、大入熱ＨＡＺ靭性が改善されない。好ましくは０．０６０％以下、さらに好ましくは０．０５５％以下である。なお、０．０１０％未満では必要最小限の母材強度が得られない。好ましくは０．０２０％以上、さらに好ましくは０．０３０％以上である。
【００１６】
Ｓｉ：０．８％以下
Ｓｉは脱酸剤として有用な元素であるが、０．８％を超えて添加すると溶接性および母材靭性が低下するので、上限を０．８％と規定した。好ましくは０．６％以下、さらに好ましくは０．３％以下である。
【００１７】
Ｍｎ：１．０〜１．９％
Ｍｎは焼入れ改善作用を有すると共に、結晶粒を微細化して母材靭性を改善する効果を有する。ただし、１．９％を超えるとＨＡＺ部の耐溶接割れ性が低下する。好ましくは１．８％以下、さらに好ましくは１．６０％以下である。他方、Ｍｎが１．０％未満では十分な母材強度が得られない。好ましくは１．２０％以上、さらに好ましくは１．３％以上である。
【００１８】
Ｎｂ：０．０３２％以下（０％を含む）
ＮｂはＢとの複合効果により焼入れ性を大幅に改善する作用を有するが、０．０３２％を超えると、結晶粒が粗大化し、母材靭性およびＨＡＺ靭性が低下する。好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０１８％以下である。他方、Ｎｂの添加効果を有効に発揮させるためには、０．００５％以上とすることが好ましく、０．００８％以上とすることがより好ましい。
【００１９】
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％
ＴｉはＮと窒化物を形成してＨＡＺ部のγ粒を微細化すると共に、ＢＮの生成サイトとなり、粒内フェライトの生成を促進し、ＨＡＺ靭性を大幅に改善する効果を有するが、０．００５％未満では、こうした効果が十分に確保できない。好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．００９％以上である。他方、Ｔｉが０．１０％を超えると、ＨＡＺ靭性、母材靭性共に劣化する。好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。
【００２０】
Ｂ：０．０００６〜０．００５０％
Ｂは固溶することにより焼入れ性を改善する作用を有するが、固溶量が多過ぎる場合には却って靭性を損なう。また、ＨＡＺにおいては、ＢＮとなりフェライトの核生成サイトとして働き、ＨＡＺ靭性を向上させる効果を有する。Ｂ量が０．０００６％未満では、Ｂの添加効果が十分に確保できない。好ましくは０．００１０％以上、さらに好ましくは０．００１２％以上である。他方、Ｂ量が０．００５０％を超えると、却って焼入れ性が低下すると共に、母材靭性、ＨＡＺ靭性が劣化する。好ましくは０．００３０％以下、さらに好ましくは０．００２５％以下である。
【００２１】
Ｎ：０．００２０〜０．０１０％
Ｎは、Ｔｉと窒化物を形成してＨＡＺ部のγ粒径を微細化すると共に、Ｂと窒化物を形成してＨＡＺ部のフェライトの生成を促進し、ＨＡＺ靭性を改善する効果を有するが、Ｎ量が０．０１０％を超えると、母材靭性、ＨＡＺ靭性共に劣化する。好ましくは０．００６０％以下である。他方、Ｎ量が０．００２０％未満では、Ｔｉとの窒化物形成によるＨＡＺ靭性改善効果が不十分となる。好ましくは０．００３０％以上である。
【００２２】
ＫＰ＜２．４
ＫＰは、低炭素ベイナイトでのＭＡのでき易さを示す指標であり、ＫＰが２．４以上になると、ＭＡの生成量が多くなり過ぎてＨＡＺ靭性（特に低温ＨＡＺ靭性）が劣化する。ＫＰは、ＨＡＺ靭性改善の観点からは、その値が小さいほど望ましく、例えば２．０以下、より好ましくは１．７以下であることが推奨される。
【００２３】
ベイナイト分率：５０体積％以上
ベイナイトは母材強度を高める上で有効な組織であり、鋼組織のベイナイト分率が高いほど、母材強度は向上する。すなわち、ベイナイト分率が５０体積％未満では、十分な母材強度が確保できない。好ましくは７５体積％以上、より好ましくは９０体積％以上である。なお、本発明でいうベイナイトには、焼戻しされたベイナイト組織も含まれる。
【００２４】
平均結晶粒径：８μｍ以下
上述した通り、鋼板中の平均結晶粒径が小さいほど、母材靭性が良好なものとなる。すなわち、平均結晶粒径が８μｍを超えると、母材靭性が不十分となる。好ましくは６．５μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下である。
【００２５】
なお、本発明でいう「平均結晶粒径」は、鋼板の圧延方向に平行な断面において、ＦＥ−ＳＥＭ−ＥＢＳＰ（電解放出型走査電子顕微鏡を用いた電子後方散乱回折像法）によって測定される値である。具体的には、ＥＢＳＰ解析装置（ＴｅｘＳＥＭ Ｌａｂｏｒａｔｒｉｅｓ社製のＥＢＳＰ解析装置など）をＦＥ−ＳＥＭと組み合わせて用い、傾角（結晶方位差）が１０度以上の境界を結晶粒界として、結晶粒径を決定する。測定条件としては、測定領域は１００μｍ、測定ステップは０．４μｍ間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィテンス・インデックス（Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ）が０．１以下の測定点は解析対象から削除する。このようにして求められる結晶粒径の平均値を算出、本発明の平均結晶粒径とする。なお、結晶粒径が１．２μｍ以下のものについては、測定ノイズと判断し、結晶粒径の平均値計算の対象から除外することとする。
【００２６】
さらに本発明では、種々の特性の向上を目指して、下記の元素を積極的に添加すること、あるいはその含有量を抑制することが推奨される。
【００２７】
Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは母材靭性向上に有用な元素であるが、２．０％を超えて含有させるとＨＡＺ靭性が却って劣化する傾向にあるため、その上限を２．０％とすることが好ましい。より好ましくは１．５％以下、さらに好ましくは０．９％以下である。
【００２８】
Ｃｕ：２．０％以下
Ｃｕは固溶強化および析出強化により母材強度を向上させると共に、焼入れ性向上作用を有する。ただし、２．０％を超えると大入熱ＨＡＺ靭性が低下する傾向にあるため、上限を２．０％とすることが好ましい。より好ましくは１．２％以下、さらに好ましくは０．９％以下である。
【００２９】
Ｃｒ：１．０％以下
Ｃｒは焼入れ性改善により母材強度を向上させる作用を有するが、１．０％を超えるとＭＡの生成量が増えてＨＡＺ靭性が劣化する傾向にあるため、その上限を１．０％とすることが好ましい。より好ましくは０．５％以下、さらに好ましくは０．３％以下である。
【００３０】
Ｍｏ：０．３０％以下
Ｍｏは焼入れ性を改善して母材強度を向上させる作用を有するが、他方、ＨＡＺ靭性を大幅に劣化させる作用も有するため、その上限を０．３０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．１５％以下、さらに好ましくは０．１０％以下である。
【００３１】
Ｖ：０．１０％以下
Ｖは少量の添加により、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高める作用を有するが、０．１０％を超えると母材靭性やＨＡＺ靭性が低下する傾向にあるため、その上限を０．１０％とすることが好ましい。より好ましくは０．０６％以下、さらに好ましくは０．０２％以下である。
【００３２】
Ａｌ：０．２０％以下
Ａｌは有効な脱酸元素であるが、０．２％を超えて含有させると母材靭性やＨＡＺ靭性が低下する傾向にあるため、その上限を０．２０％とすることが好ましい。より好ましくは０．１％以下、さらに好ましくは０．０５％以下である。
【００３３】
Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下
ＰおよびＳは不純物であり、夫々０．０２０％以下、０．０１０％以下に抑えることが好ましい。より好ましくはＰ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下である。
【００３４】
Ｃａ：０．００５０％以下
ＣａはＭｎＳを球状化し、介在物の異方性を低減する効果を有する。この効果を十分に発揮させるためには、Ｃａを０．０００５％以上添加することが好ましい。より好ましくは０．００１％以上である。他方、Ｃａ量が０．００５０％を超えると母材靭性が低下する傾向にあるため、その上限を０．００５０％とすることが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
【００３５】
Ｍｇ：０．００５％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下、Ｚｒ：０．０５％以下
これらの元素はＨＡＺ靭性を向上させる作用を有するが、過剰に含有させると却ってＨＡＺ靭性が劣化する傾向にあるため、Ｍｇ：０．００５％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下、Ｚｒ：０．０５％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｍｇ：０．００３％以下、ＲＥＭ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０３％以下である。なお、本発明の鋼板で含有されることのあるＲＥＭは、周期律表３属に属するスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）およびランタノイド系列希土類元素（原子番号５７〜７１）の元素のいずれをも用いることができる。
【００３６】
上記の化学組成および組織を有する本発明の鋼板は、上記の通り、所謂４９０ＭＰａ級以上の鋼板であり、具体的な母材強度は、後述の実施例で測定される引張強さで４９０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、引張強さがあまり大き過ぎると、伸びが低下傾向にあるため、引張強さの上限は６９０ＭＰａであることが推奨される。
【００３７】
本発明の鋼板を製造するに当たっては、上記の化学組成を有する鋼を用い、上述の組織（ベイナイト分率および平均結晶粒径）を満足するさせるための製造条件を考慮する他は、通常用いられる鋼板（厚鋼板）の製造工程および条件（温度、時間など）を適宜採用すればよい。以下に、上述のベイナイト分率および平均結晶粒径を確保するために好適な製造方法を説明する。
【００３８】
まず、熱間圧延工程（本圧延工程）前に均質化圧延工程を設ける。この均質化圧延工程は、熱間圧延工程において固溶Ｂ量を制御するための前処理工程として設けるものである。この工程では、ＴｉあるいはＮｂに固定されているＮを、できるだけ分解させて、熱間圧延工程においてＢＮを形成させ易くすることで固溶Ｂ量の制御を可能とする。すなわち、熱間圧延工程では、後述するように、鋼板の靭性確保の観点から加熱温度の上限をある程度抑えることが好ましいが、このような温度では、ＴｉやＮｂに固定されているＮを分解させることが困難であるため、熱間圧延工程に先立って設ける均質化圧延工程で、Ｎが分解可能な温度まで鋼板を加熱し、該Ｎを、次の熱間圧延工程の加熱温度域でＢＮを形成し易くなる形態とするのである。このような観点から、均質化圧延工程での加熱温度は１１５０℃以上とすることが好ましい。また、加熱温度の上限は１３５０℃とすることが推奨される。
【００３９】
次に熱間圧延工程であるが、加熱温度を１０５０〜１１５０℃とすることが好ましい。加熱温度が低すぎると、Ｂ，Ｎｂ，Ｔｉが固溶せず、焼入れ性が低下する場合がある。他方、加熱温度が高すぎると、加熱時のγ粒径が粗大化して、靭性を劣化させる場合がある。
【００４０】
熱間圧延時の圧下率は、１０００℃から９００℃まででの累積圧下率（該温度域での圧下前厚みに対する比率、以下同じ）を４０％以上とし、さらに９００℃から７００℃まででの累積圧下率を６０％以上とすることが望ましい。１０００℃から９００℃まででの累積圧下率を４０％以上とすることで、加熱γ粒を再結晶化することができ、γ粒の微細化および異常粒成長抑制が可能となる。また、９００℃から７００℃まででの累積圧下率を６０％以上とすることで、再結晶しないγ粒の扁平度が増加すると共に、γ粒界が湾曲して、ベイナイトの核生成サイトが増加する。その結果、結晶粒が微細化し、良好な母材靭性が確保できるようになる。
【００４１】
熱間圧延の圧延終了温度は、８５０〜７００℃とすることが望ましい。８５０℃以上では圧延で導入されたベイナイトの核生成サイト（γ粒界の湾曲など）が減少し、靭性の劣化を引き起こす傾向にある。また、７００℃以下ではフェライトが生成するため、母材強度が確保できなくなる場合がある。
【００４２】
熱間圧延後の冷却では、冷却速度を３℃／秒以上とすることが好ましく、また、冷却停止温度は５００℃以下が好ましい。冷却速度が３℃／秒未満であったり、冷却停止温度が５００℃を超える場合には、フェライトが多量に生成して母材強度が劣化傾向にあると共に、ベイナイトの核生成駆動力が低いために結晶粒が粗大化し、靭性も劣化する傾向にある。
【００４３】
本発明の鋼板では、焼戻し処理は行わなくてもよいが、焼戻し処理を実施する場合には、焼戻し温度を４００〜６００℃とすることが望ましい。焼戻し温度が４００℃未満では、ＭＡが分解せず、強度低下のみで靭性が向上しないため、焼戻し処理の効果が確保できない。他方、６００℃を超えると、結晶粒が成長して粗大化し、母材靭性が劣化する。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００４５】
表１に示す化学組成の鋼（鋼種番号１〜２９）を通常の溶製法により溶製し、スラブとした後、表２および３に示す条件で均質化圧延、熱間圧延、および焼戻し処理を行い、所定の板厚からなる評価用鋼板（表２の評価用鋼板Ｎｏ．１〜２２、表３の評価用鋼板Ｎｏ．２３〜３９）を製造した。
【００４６】
このようにして得られた評価用鋼板Ｎｏ．１〜３９について、下記の各測定を行った。結果を表４および５に示す。
【００４７】
［母材特性］
引張試験：各評価用鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、引張試験を行うことにより引張強さ（ＴＳ）、０．２％伸長時の耐力（０．２％耐力）、引張伸び（ＥＬ）を測定した。このうち、引張強さについては、４９０ＭＰａ≦ＴＳ＜６９０ＭＰａを合格とした。
【００４８】
衝撃試験：各評価用鋼板の板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行うことにより延性破面率を求め、破面遷移温度を算出した。破面遷移温度（ｖＴｒｓ）は−８０℃以下を合格とした。
【００４９】
なお、母材特定に合格したものについては、下記の溶接性試験を実施した。
【００５０】
［溶接性］
ＨＡＺ靭性：各評価用鋼板を１４００℃に加熱して５秒保持した後、８００℃から５００℃まで５００秒で冷却する熱サイクル処理（７０ｋＪ／ｍｍの入熱でサブマージアーク溶接したときのＨＡＺの熱履歴に相当）を施した後、板厚１／４部位からＪＩＳ４号試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行うことにより吸収エネルギー（ｖＥ−６０）を測定した。ｖＥ−６０≧７０Ｊを合格とした。
【００５１】
耐溶接割れ性：ＪＩＳ Ｚ ３１５８に記載のｙ形溶接割れ試験法に基づいて、入熱１．７ｋＪ／ｍｍで被覆アーク溶接を行い、ルート割れ防止予熱温度を測定した。２５℃以下を合格とした。
【００５２】
［ベイナイト組織評価］
各評価用鋼板の板厚１／４位置で、圧延方向に平行な断面において、２％ナイタール液（２％硝酸−エタノール液）を用いてエッチングを行い、光学顕微鏡を用いて２００μｍ×１５０μｍの範囲を４００倍で１０箇所写真撮影し、この写真を画像解析装置によって画像解析し、ベイナイト分率を測定した。
【００５３】
［平均結晶粒径測定］
ベイナイト組織評価を実施した箇所と同じ箇所において、ＥＢＳＰ解析装置（ＴｅｘＳＥＭ Ｌａｂｏｒａｔｒｉｅｓ社製）およびＰｈｉｌｉｐｓ社製ＦＥ−ＳＥＭ（電解放出型走査電子顕微鏡）「ＸＬ３０Ｓ−ＦＥＧ」を用いて測定した。傾角が１０度以上の境界を結晶粒界として、結晶粒径を決定した。測定領域は１００μｍ、測定ステップは０．４μｍ間隔とし、測定方位の信頼性を示すコンフィテンス・インデックス（Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ）が０．１以下の測定点は解析対象から削除した。また、結晶粒径が１．２μｍ以下のものについては、測定ノイズと判断し、結晶粒径の平均値計算の対象から除外した。
【００５４】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
表４および５から、次のように考察できる。評価用鋼板Ｎｏ．３，４，６、１２〜２２は、いずれも化学成分が良好な表１の鋼種番号１〜１２を用いると共に、表４に示すように組織が良好であり、低温母材靭性、低温ＨＡＺ靭性を始めとする各種母材特性および溶接性が良好であった。これに対し、評価用鋼板Ｎｏ．１，２，５，７〜１１，２３〜３９は、表２に示すように製造条件が不適であるために表４に示すように組織が不適であるか（評価用鋼板Ｎｏ．１，２，５，７〜１１）、化学成分が不適な表１の鋼種番号１３〜２９を用いているために表５に示すように組織が不適（評価用鋼板Ｎｏ．２３〜３９）であり、以下の不具合を有している。
【００６０】
Ｎｏ．１の評価用鋼板は熱間圧延前に均質化圧延処理を施していない例、Ｎｏ．２の評価用鋼板は均質化圧延処理時の加熱温度が低い例である。Ｎｏ．５の評価用鋼板は焼戻し温度が高い例である。Ｎｏ．７の評価用鋼板は１０００から９００℃までの累積圧下率が低い例、Ｎｏ．８の評価用鋼板は９００から７００℃までの累積圧下率が低い例である。Ｎｏ．９の評価用鋼板は熱間圧延後の冷却速度が遅い例、Ｎｏ．１０の評価用鋼板は熱間圧延後の冷却停止温度が高い例である。Ｎｏ．１１の評価用鋼板は熱間圧延時の加熱温度が高い例である。これらの評価用鋼板では、平均結晶粒径が大きく、低温母材靭性が劣っており、さらにＮｏ．９および１０の評価用鋼板では、母材強度も劣っている。
【００６１】
Ｎｏ．２３の評価用鋼板はＣ量が少ない例であり、ベイナイト分率が低く、平均結晶粒径が大きい。その結果、母材強度および低温母材靭性が劣っている。Ｎｏ．２４の評価用鋼板はＣ量が多い例であり、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６２】
Ｎｏ．２５の評価用鋼板はＳｉ量が多い例であり、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６３】
Ｎｏ．２６の評価用鋼板はＭｎ量が少ない例であり、ベイナイト分率が低く、平均結晶粒径が大きい。その結果、母材強度および低温母材靭性が劣っている。
【００６４】
Ｎｏ．２７の評価用鋼板はＭｎ量が多い例、Ｎｏ．２８および２９の評価用鋼板はＫＰが高い例、Ｎｏ．３０の評価用鋼板はＣｒ量が好ましい範囲を超えており且つＫＰが大きい例、Ｎｏ．３１の評価用鋼板はＭｏ量が多い例である。これらの評価用鋼板では、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６５】
Ｎｏ．３２の評価用鋼板はＮｂ量が多い例、Ｎｏ．３３の評価用鋼板はＶ量が好ましい範囲を超える例である。これらの評価用鋼板では、平均結晶粒径が大きく、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６６】
Ｎｏ．３４の評価用鋼板はＮｉおよびＣｕが多い例であり、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６７】
Ｎｏ．３５の評価用鋼板はＢ量が少なく、ベイナイト分率が低い例であり、母材強度が劣っている。Ｎｏ．３６の評価用鋼板はＢ量が多く、平均結晶粒径が大きい例であり、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６８】
Ｎｏ．３７の評価用鋼板はＮ量が多い例、Ｎｏ．３９の評価用鋼板はＴｉ量が多い例であり、これらの評価用鋼板では平均結晶粒径が大きく、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性が劣っている。Ｎｏ．３８の評価用鋼板はＴｉ量が少ない例であり、低温ＨＡＺ靭性が劣っている。
【００６９】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、特定の化学組成（特にＫＰ）に加えて、鋼組織のベイナイト分率および平均結晶粒径を特定の範囲とすることで、低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性（大入熱ＨＡＺ靭性）に優れた４９０ＭＰａ級以上の鋼板を提供することができた。本発明の鋼板は、例えば、船舶や海洋構造物など、特に低温環境下に曝される構造物（溶接構造物）用途に好適である。
Claims (14)
- Ｃ：０．０１０〜０．０７０％（質量％の意味、以下同じ），Ｓｉ：０．８％以下，Ｍｎ：１．３〜１．９％，Ｎｂ：０．０３２％以下（０％を含む），Ｔｉ：０．００５〜０．１０％，Ｂ：０．０００６〜０．００５０％，Ｎ：０．００２０〜０．０１０％，Ａｌ：０．２０％以下，Ｐ：０．０２０％以下，Ｓ：０．０１０％以下，残部：Ｆｅおよび不可避的不純物を満たす鋼からなり、
ＫＰ＜２．４を満足すると共に、
鋼組織の５０体積％以上がベイナイトであり、且つ平均結晶粒径が８μｍ以下であり、残部がフェライト、マルテンサイト、またはマルテンサイトとオーステナイトの複合組織であることを特徴とする低温母材靭性および低温ＨＡＺ靭性に優れた高靭性鋼板。
ただし、
ＫＰ＝［Ｍｎ］＋１．５×［Ｃｒ］＋２×［Ｍｏ］
《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味する。》 - Ｃ：０．０１０〜０．０５５％である請求項１に記載の高靭性鋼板。
- さらに、Ｎｉ：２．０％以下、またはＣｕ：２．０％以下を含有するものである請求項１または２に記載の高靭性鋼板。
- さらに、Ｃｒ：１．０％以下、またはＭｏ：０．３０％以下、またはＶ：０．１０％以下を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の高靭性鋼板。
- さらに、Ｃａ：０．００５０％以下を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の高靭性鋼板。
- さらに、Ｍｇ：０．００５％以下、またはＲＥＭ：０．０２％以下、またはＺｒ：０．０５０％以下を含有するものである請求項１〜５のいずれかに記載の高靭性鋼板。
- 肉厚が５０ｍｍ以上である請求項１〜６のいずれかに記載の高靭性鋼板。
- Ｃ：０．０１０〜０．０７０％，Ｓｉ：０．８％以下，Ｍｎ：１．０〜１．９％，Ｎｂ：０．０３２％以下（０％を含む），Ｔｉ：０．００５〜０．１０％，Ｂ：０．０００６〜０．００５０％，Ｎ：０．００２０〜０．０１０％，Ａｌ：０．２０％以下，Ｐ：０．０２０％以下，Ｓ：０．０１０％以下，残部：Ｆｅおよび不可避的不純物を満たし、且つ、ＫＰ＜２．４を満足する鋼を用い、
１１５０〜１３５０℃の温度で加熱する均質化圧延工程と、
１０５０〜１１５０℃の温度で加熱し、１０００〜９００℃の温度で累積圧下率４０％以上の圧下を加え、９００〜７００℃の温度で累積圧下率６０％以上の圧下を加えた後、８５０〜７００℃の温度で圧延を終了する熱間圧延工程と、
３℃／秒以上の冷却速度で５００℃以下の温度まで冷却する冷却工程と、
を順次包含することを特徴とする高靭性鋼板の製造方法。
ただし、
ＫＰ＝［Ｍｎ］＋１．５×［Ｃｒ］＋２×［Ｍｏ］
《式中、［ ］は各元素の含有量（質量％）を意味する。》 - 前記冷却工程の後に、さらに４００〜６００℃の温度で焼き戻しを行う請求項８に記載の高靭性鋼板の製造方法。
- 前記鋼は、さらに、Ｎｉ：２．０％以下、またはＣｕ：２．０％以下を含有するものである請求項８または９に記載の高靭性鋼板の製造方法。
- 前記鋼は、さらに、Ｃｒ：１．０％以下、またはＭｏ：０．３０％以下、またはＶ：０．１０％以下を含有するものである請求項８〜１０のいずれかに記載の高靭性鋼板の製造方法。
- 前記鋼は、さらに、Ｃａ：０．００５０％以下を含有するものである請求項８〜１１のいずれかに記載の高靭性鋼板の製造方法。
- 前記鋼は、さらに、Ｍｇ：０．００５％以下、またはＲＥＭ：０．０２％以下、またはＺｒ：０．０５０％以下を含有するものである請求項８〜１２のいずれ かに記載の高靭性鋼板の製造方法。
- 肉厚が５０ｍｍ以上である請求項８〜１３のいずれかに記載の高靭性鋼板の製造方法。
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