JP4441295B2

JP4441295B2 - 耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼および溶接用高強度鋼板の製造法

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Publication number: JP4441295B2
Application number: JP2004072438A
Authority: JP
Inventors: 直樹斎藤; 謙治加藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: US20080274008A1; KR100831115B1; WO2005087964A1; EP1734142A4; EP1734142A1; CA2559843A1; JP2005256135A; CN100562597C; KR20060125898A; CA2559843C; CN1926256A

Description

本発明は、耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼および溶接用高強度鋼板の製造法に係るものである。

近年、各種建築構造物や貯槽容器等に、ステンレス鋼の使用が拡大されてきている。しかしながら、スレンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性は優れているものの、高価であると同時に、降伏強度が低く、かつ切削、孔明けなどの機械加工がしにくいなどの欠点がある。近年、耐食性の向上あるいは耐食性と加工性の向上を目的としたＣｒにＡｌを添加した鋼が提案されている（例えば特許文献１〜８）。これらの鋼は、耐食性あるいは耐食性と加工性の向上を図るためになされた技術であり、ある程度有効性が認められるが、一方、粗大なフェライトの生成により溶接熱影響部に割れが発生したり、する場合があり、かつ、切削性などの機械加工性は、あまり改善されていない。
特開平5-279791号公報特開平6-179949号公報特開平6-179950号公報特開平6-179951号公報特開平6-212256号公報特開平6-212257号公報特開平7-3388号公報特開平11-350082 号公報

本発明は、こうした現状に鑑みて、室内環境や、大気中環境において、腐食抵抗が大きくかつ切削性を改善すると同時に、溶接性が良好な低コストで製造可能な鋼板を提供することを目的としている。

本発明者らは上記の目的を達成すべく、結露腐食環境、大気腐食環境、水道水腐食環境、コンクリート腐食環境、海水腐食環境等の腐食環境において優れた耐食性を有する鋼を開発するべく、種々の観点から検討を行った。まず、優れた溶接部靭性と同時に上記の該腐食環境において耐食性を向上させる手段を種々検討した結果、Ｃｒを２〜７％含有する鋼に、Ａｌを０．１〜２％を添加した鋼が上述した多くの腐食環境で非常に優れた耐食性を示すことを見出した。しかしながら、このような鋼はフェライト相変態域が広く、例えば、溶接時に１２００℃以上に加熱されると粗大フェライトが生成し、このために靭性が大きく低下する懸念がある。そこで、発明者らは、多くの実験を重ねた結果、溶接時に起こるフェライト相変態の生成を抑制するための手段として、添加合金元素量との関係を定量化することに成功し、次に示すＴp なる式の範囲を満たす合金添加量の時に、高温域でのフェライトの生成が抑制されることを見出した。

さらに、切削性の改善から、母材組織に着目し、単相組織よりも軟質相と硬質相と適切に混合させることが重要であるとの知見に基づき、熱間圧延後、鋼板空冷中に適切な母材組織を生成させるための合金添加量、Ｔc 式を導入した。すなわち、本発明では、このＴc 式により、切削性を改善できる成分範囲が得られた。

本発明の骨子は、
（１）、質量％で、
Ｃ：０．０３％越え０．３％以下
Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｍｎ：０．１〜３％未満
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．０１％以下
Ｃｒ：２〜７％
Ａｌ：０．１〜２％
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とする鋼において、次式で示されるＴp 値が１１５０以上で、かつ、Ｔc 値が600 以上となる成分を含有することを特徴とする耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼。

（２）、質量％で、
Ｃ：０．０３％越え０．３％
Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｍｎ：０．１〜３％未満
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．０１％以下
Ｃｒ：２〜７％
Ａｌ：０．１〜２％
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、かつ選択的に、
Ｃｕ：０．０１〜５％
Ｎｉ：０．０１〜５％
Ｍｏ：０．００５〜１％
Ｖ：０．００５〜０．１％
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％
Ｃａ：０．０００５〜０．０５％
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％
の１種または２種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とする鋼において、次式で示されるＴp 値が１１５０以上で、かつ、Ｔc 値が600 以上となる成分を含有することを特徴とする耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼。

（３）、前記した（１）または（２）記載の耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼の鋼塊を加熱後、熱間圧延し700 ℃以上の温度から空冷することを特徴とする耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼板の製造法、
（４）、熱間圧延後、Ａｃ ₁ 変態点以下の温度で焼戻しをすることを特徴とする（３）に記載の耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼板の製造法、
である。

本発明は室内環境をはじめとして、結露腐食環境、大気腐食環境、海水腐食環境等の種々の腐食環境において耐食性に優れると同時に、溶接構造物において重要な母材部および溶接熱影響部の靭性に優れる高強度鋼および高強度鋼板の製造法をきわめて低コストで提供することを可能としたものであり、産業の発展に貢献するところ極めて大きい。

（必須含有成分）
Ｃ：Ｃは、強度を改善する元素であると同時に、母材の硬質相の硬さを上昇させ、切削性を改善させることができる元素であるため、０．０３％を越える添加が必要であるが、０．３％を超える添加では、HAZ 部が効果し溶接性を損ねるため、その上限を０．３％とした。

Ｓｉ：Ｓｉは、Ｃｒを２％以上含有する鋼に脱酸剤および強化元素として添加することが有効であるが、含有量が０．０１％未満ではその脱酸効果が充分ではなく、１．０％を超えて含有するとその効果は飽和している上に、かえって溶接熱影響部靭性を低下させるので、含有量の範囲を０．０１％以上１．０％以下に限定する。

Ｃｒ：Ｃｒは、耐食性を確保するために２％以上を含有させることが必要であるが、７％を超えて含有させると、溶接熱影響部靱性などを阻害するので上限を７％とする。

Ａｌ：Ａｌは、本発明において耐食性を確保するためにＣｒと並んで重要な元素であって、Ａｌの含有量は、耐食性を確保する観点から０．１％以上の必要であるが、一方、２％を超えて添加すると固溶して溶接熱影響部靭性阻害するので、その含有量は０．１％以上２％以下に限定する。

Ｍｎ：Ｍｎは本発明においては、主として強度の改善とオーステナイト形成元素として作用し、耐食性の観点から添加されているＣｒおよびＡｌにより助長される粗大フェライトの形成を抑制するために添加される。すなわち、ＣｒおよびＡｌは周知のようにフェライト形成元素であり、これらが多量に添加されると、凝固から室温に至るまで変態を経ずしてフェライト単相組織となり、母材のみならず、溶接熱影響部においても著しく溶接性を阻害する場合がある。そこで、発明者らは、耐食性を損なわずに母材および靭性の改善を目的として、系統的に実験を行った結果、Ｍｎの添加によりそれが回避できることを見出した。その具体的な制約条件は後に述べるが、それによると、Ｍｎ量は０．１％以上添加することが必要であるが、３％以上の添加量では、母材組織が硬化性が上昇するために３％未満の添加とする。

Ｎ：Ｎは、鋼板の多量に添加されると母材および溶接熱影響部の靭性を低下させるので、少ない方が望ましく、上限の含有量は、０．０２％とする。

Ｐ：Ｐは、多量に存在すると靭性を低下させるので少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０３％とする。不可避的に混入する含有量をできる限り少なくするのがよい。

Ｓ：Ｓも多量に存在すると耐孔食性を低下させるので少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０１％とする。ＳもＰと同様に不可避的な混入量をできる限り少なくするのがよい。

さらに、本発明では以下の元素の１種または２種以上をを選択して添加できる。
Ｃｕ、Ｎｉ：Ｃｕ、Ｎｉともに強度を改善するとともに、フェライト生成を抑制する効果があり、特に、Ｎｉは母材および熱影響部の靭性を改善する効果がある。その効果は、いずれも０．０１％以上の添加を必要とするが、いずれも５％を越えて添加されると脆化が生じるために、両者ともに、その限定範囲を０．０１〜５％とする。

Ｍｏ：Ｍｏは、ＣｒおよびＡｌが添加された鋼において、０．０１％以上添加されると、母材の靭性を損なうことなく孔食の発生と成長を抑制する効果が認められるが、１．０％を超えて添加しても効果が飽和するばかりか靭性を低下させるので、その範囲を０．００５％〜１．０％とする。

Ｎｂ：Ｎｂは耐食性を損なわずに強度および靭性を改善する元素であり、その効果は０．００５％から認められるが、０．０５％を越えると溶接熱影響部の靭性低下が顕著になるためにその範囲を０．００５％〜０．０５％とする。

Ｖ：Ｖは、同じく耐食性を損なわずに強度を改善する元素であり、０．００５％以上で効果が認められるが、多量の添加は周知のように靭性を阻害するので、その上限を０．１％とする。

Ｔｉ：Ｔｉは窒化物の生成を通じて高温での結晶粒径の細粒化に寄与する元素であるので、０．００５％以上の添加が必要となるが、０．０３％を越えると、粗大な析出物が生成するために、特に靭性の著しい低下を招く。従って、その範囲を両元素ともに０．００５％〜０．０３％とする。

Ｃａ、Ｍｇ：ＣａおよびＭｇはＣｒおよびＡｌを含有する鋼において、耐食性を改善できる元素である。現在のところその機構には不明点が多いが、両者がそれぞれ５ｐｐｍ以上で耐食性が一層向上し、その量の増大とともに、耐食性の向上が認められるが、５００ｐｐｍを越えて添加すると耐食性向上効果が飽和するばかりではなく、靭性が低下する傾向が明らかとなっており、その添加量を５ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下に限定する。

ＲＥＭ：さらに、本発明では、希土類元素（ＲＥＭ）を適宜添加してもその耐食性を損なわずに、母材および溶接部の特性を改善することが可能である。その添加量は、０．００１％以上を必要とするが、多量の添加は靭性などの阻害するので、その上限を０．１％とする。

さらに本発明では、本発明の骨子となる溶接性の向上および切削性の改善を図るためにＴp 、Ｔc の両式を導入した。

図１は、0.035 ％Ｃ−0.15％Ｓｉ−0.0050Ｎ％の鋼を基本として、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌまた、場合によりＣｕ、Ｎｉ添加した素材に溶接サイクルを与え、その時の変態点と粗大なフェライトの生成挙動を観察した結果である。すなわち、横軸で示すＴp 式が、１１５０以上になると、粗大なフェライト相の生成が抑制されることが分かる。

また、Ｔc 式は、鋼板の冷却中での変態点に関係する式であるが、この式が６００未満になると、圧延後の鋼板空冷中にフェライト組織が生成せず、適切な混合組織が得られない。

なお、本発明鋼は製造するに際して、造塊分塊法あるいは連続鋳造法およびその他の方法で鋼塊として製造し、その後に、熱間圧延あるいは熱間鍛造によって鋼板とし、そのまま空冷するか、場合によっては、熱間圧延後、変態点以下の温度で焼戻しが実施されるのが望ましい。熱間圧延後の空冷は、母材の切削性付与に必要なフェライトを含む混合組織を得るために必要な処理であり、Ｔc 式が６００以上の成分を有する場合、切削性が改善される。また、焼戻しは、鋼板の強度を低下させ、切削性の改善にも効果がある。
このようにして製造された鋼板は、優れた耐食性と切削性を有する溶接用高強度鋼板
として適用が可能である。

表１に示す成分系の鋼を溶製後、その鋼塊を板厚20mm〜50mmの鋼板となるように熱間圧延し、表２に示す製造条件にて適宜、圧延まま、圧延後焼戻し処理、圧延直後水冷し焼戻し処理、あるいは、圧延後再加熱して焼入れおよび焼戻し処理を施した鋼板について、下記の試験を実施した。

(1) 母材引張特性評価
圧延ままの鋼板から、板厚1/2 部−Ｃ方向からJIS4号試験片を採取し、試験を実施した。
(2) 溶接性評価
12mmφの試験片を板厚中央部より切り出し、溶接熱サイクル後［最高加熱温度；140 0 ℃冷却速度：15℃/s］、円周切欠き（10mmφ 0.25mmＶノッチ深さ１mm）試験片を取した後、0 ℃で荷重を増加させていき、破断時の荷重から応力を求めた。その破断応力と材料の降伏強度を比較することで、評価した。
(3) 耐食性評価
試験鋼板から切削により、厚さ５mmの腐食試験を採取し、以下の条件にて試験を実施した。
室内環境：冷暖房設置の室内にて無塗装にて１００日間暴露試験を実施
湿潤環境：20℃に２時間保持後、湿度95％−25℃の環境に４時間保持することを1300 回繰返す。
塩害環境：海岸飛沫帯に試験片を12ケ月間暴露する。
いずれも錆スポットの大きさを評点としてあらわす。
(4) 切削性評価
鋼板表層部下１mmより板厚18mm厚みの鋼板（表面は、機械切削まま）を採取し、市販のハイスドリル（６mmφ）を用い、回転数:890rpm 送り速度:0.1/Rev. 水溶性の切削油を供給しながら貫通孔を明け、工具を変更せずに明けられた孔明け個数を記録していく。◎：200 個超、△：100 〜200 個、Ｘ：100 個未満として、評価する。

表２にその試験の結果を合わせて示す。
Ａ鋼〜Ｋ鋼は、すべて本発明範囲のものである。すなわち、母材の引張強さもすべて、600MPa以上、かつ溶接性として評価した溶接熱影響を模擬した切欠き付丸棒引張試験の結果でも、母材の降伏強さの（０℃）の80％以上の高い破断応力を有しており、かつ、耐食性についても、一部に２mm以下の微小の発錆が観察されたのみであり、すべて良好な特性を示している。さらに、切削性もすべて、200 個以上の孔明けが可能である。

それに反し、Ｌ鋼〜Ｖ鋼は、すべて比較鋼である。すなわち、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、ＵおよびＴ鋼は、本発明範囲の中で添加元素が本発明範囲を逸脱したものである。すなわち、Ｌ鋼およびＵ鋼はそれぞれＣ量が下限および上限をはずれたものであり、いずれも耐食性および溶接性は良好であるが、Ｌ鋼は強度が500MPa以下と低く、Ｕ鋼は溶接性が低下している。Ｖ鋼はＳｉ添加量が発明範囲の上限を超えて添加された場合であり、溶接性が低下している。

さらに、Ｍ鋼は、Ｍｎの上限を逸脱していると同時に、そのためにＴc 値が526 と本発明範囲以下であるために、溶接性および切削性が低下している。Ｎ、Ｏ鋼は、ＰおよびＳが上限を超えて添加されているものであり、両者ともに、溶接性が低い。ＰおよびＱは、ＣｒおよりＡｌ添加量が本発明より低い場合である。この場合は、耐食性が顕著に低下している。Ｒ鋼は、Ａｌ量が上限を超え添加された場合であり、溶接性が低下している。

ＳおよびＴ鋼は、それぞれの合金量は本発明範囲内であるが、溶接性を示すＴp 値および切削性を表すＴc 値がそれぞれ発明範囲を逸脱している場合である。その結果、Ｓ鋼は溶接性が、Ｔ鋼は切削性の低下が認められる。

Ｔp で定義された値とオーステナイト→デルタ・フェライト変態点の関係を示す図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０３％越え０．３％
Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｍｎ：０．１〜３％未満
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．０１％以下
Ｃｒ：２〜７％
Ａｌ：０．１〜２％
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とする鋼において、次式で示されるＴp 値が１１５０以上で、かつ、Ｔc 値が600 以上となる成分を含有することを特徴とする耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼。
質量％で、
Ｃ：０．０３％越え０．３％
Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｍｎ：０．１〜３％未満
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．０１％以下
Ｃｒ：２〜７％
Ａｌ：０．１〜２％
Ｎ：０．０２％以下
を含有し、かつ選択的に、
Ｃｕ：０．０１〜５％
Ｎｉ：０．０１〜５％
Ｍｏ：０．００５〜１％
Ｖ：０．００５〜０．１％
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％
Ｃａ：０．０００５〜０．０５％
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％
ＲＥＭ：０．００１〜０．１％
の１種または２種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とする鋼において、次式で示されるＴp 値が１１５０以上で、かつ、Ｔc 値が600 以上となる成分を含有することを特徴とする耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼。
請求項１または２記載の耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼塊を、加熱後、熱間圧延し700 ℃以上の温度から空冷することを特徴とする耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼板の製造法。
熱間圧延後、Ａｃ ₁ 変態点以下の温度で焼戻しをすることを特徴とする請求項３記載の耐食性および切削性に優れた溶接用高強度鋼板の製造法。