JP4696602B2 - 低温靭性に優れる圧延ｈ形鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧延Ｈ形鋼の製造方法に関し、特に、寒冷地で使用される構造物や架台に用いられ、シャルピ−吸収エネルギ−が−４０℃で２７Ｊ以上の優れた低温靭性が要求される圧延Ｈ形鋼の製造方法として好適なものに関する。
近年、資源開発がシベリア、北極海など寒冷地に移行し、パイプラインや海洋構造物の、ハウジングや架台に適用されるＨ形鋼には、低温靭性に優れた鋼材が求められている。
これらは、溶接接合で組み立てられることから、母材と同様に、溶接熱影響部（HAZ）においても低温で良好な靭性を備えることが求められている。
厚鋼板の強靭化には、制御圧延と加速冷却を併用したTMCPが広く適用されており、形鋼についても材質制御の観点から極めて有効な手段と考えられている。 図２にH形鋼の製造方法を模式的に示す。
加熱炉により鋼素材を再加熱後、穴型圧延、粗ユニバ−サル圧延および仕上ユニバ−サル圧延を経て所望の形状に成形され、加速冷却は、主として仕上ユニバ−サル圧延後、製品形状に成形後に施される。
しかしながら、TMCPを形鋼圧延に適用する場合には、以下のような課題があり、広く普及していない。すなわち、
１成形性を考えた場合、1200℃を超える高温での加熱温度が必要で、制御圧延を行うための待機時間が必要となり、生産性が阻害される。
１成形性を考えた場合、1200℃を超える高温での加熱温度が必要で、制御圧延を行うための待機時間が必要となり、生産性が阻害される。
２ウェブとフランジの板厚が異なるために、両者を加速冷却した場合は、ウェブが過冷されやすく、ウェブ座屈などの形状不良が発生しやすい。
３ウェブ高さ、フランジ幅、ウェブ厚およびフランジ厚の組み合わせに応じた多様なサイズのＨ形鋼を、材質制御と形状制御を両立させながら高能率に製造することは多大な労力を要する。
従って、加速冷却は、概ねフランジ外面からの冷却として形状制御の観点から適用され、ウェブは放冷が主体となっている。材質制御に加速冷却を適用する場合は、形状制御を前提とした上で強度と低温靭性を確保する、複雑な制御が必要となる。
そこで、本発明は、加速冷却を適用しても製造上の制約が少ない、低温靭性に優れる圧延H形鋼の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、加速冷却の適用による製造上の制約を緩和し、-40℃以下の低温靭性を達成する、高能率な圧延H形鋼の製造技術を確立するため、種々検討を行った。
その結果、形鋼のように高温加熱を必要とする場合において、制御圧延を行うことなく、低温靭性を向上させるには、（１）Ｃ量の低減、析出脆化元素を無添加とすること、さらに、（２）固溶Ｎ量を低減することが重要であることを知見した。本発明は、フランジ厚が４０ｍｍ以下で引張強さが４９０ＭＰａ以上の強度グレ−ドの圧延Ｈ形鋼を対象とする。
本発明は得られた知見を基に、更に、圧延および冷却条件を最適化し、強度制御を行うこと加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１ Ｃ：０．０８〜０．１８ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．６ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．２〜１．８ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１８ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１０〜０．００５０ｍａｓｓ％、炭素当量が０．４４％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼素材を１１００〜１３００℃で加熱後、フランジは圧延終了温度９００℃以上、ウェブはＡｒ３温度以下で累積圧下率２０％以上の圧延を圧延終了温度７００℃以上で圧延後、フランジは、Ａｒ３温度以上から冷却速度１℃／ｓ以上で加速冷却後、４５０〜７００℃以下に復熱し、ウェブは放冷することを特徴とする固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
１ Ｃ：０．０８〜０．１８ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．６ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．２〜１．８ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１８ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１０〜０．００５０ｍａｓｓ％、炭素当量が０．４４％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼素材を１１００〜１３００℃で加熱後、フランジは圧延終了温度９００℃以上、ウェブはＡｒ３温度以下で累積圧下率２０％以上の圧延を圧延終了温度７００℃以上で圧延後、フランジは、Ａｒ３温度以上から冷却速度１℃／ｓ以上で加速冷却後、４５０〜７００℃以下に復熱し、ウェブは放冷することを特徴とする固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
２.鋼素材に、更に、Ｃａ：０．００１０〜０．００５０ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００１〜０．００５ｍａｓｓ％、Ｈｆ：０．００１〜０．００５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０ｍａｓｓ％の一種又は二種以上を添加することを特徴とする１記載の固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
３. 鋼素材に更に、Ｃｕ：０．７０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．５０ｍａｓｓ％以下の一種または二種以上を添加することを特徴とする１または２記載の固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
４ 熱間圧延する際、ウェブを水冷しながら少なくとも１回以上圧延を行うことを特徴とする１乃至３の何れか一つに記載の固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
本発明によれば、低温靭性に優れる多様なサイズの圧延Ｈ形鋼を高い生産性で製造することが可能で産業上極めて有用である。
本発明では鋼素材の成分組成、製造条件を規定する。成分組成の％はmass％とする。
［成分組成］
Ｃ：０．０８〜０．１８％
Ｃは、母材強度確保のため、０．０８％以上を必要とする。一方、０．１８％を超えての添加は、母材靭性を低下させるばかりか、溶接性を低下させる。よって、Ｃ量を０．０８〜０．１８％の範囲とする。
Ｓｉ：０．６％以下
Ｓｉは、鋼中に固溶し、母材の強度を上昇させるが、０．６％を超える添加は溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を低下させるため、上限を０．６％とする。
Ｍｎ：１．２〜１．８％
Ｍｎは、ウェブにおいては固溶効果、フランジにおいては焼入れ性向上のために１．２％以上必要であるが、１．８％を超えての添加は溶接性を低下させることから、１．２〜１．８％の範囲とする。
Ｐ：０．０１８％以下
Ｐは鋼中に不可避的に存在し、特に凝固偏析部の靭性に有害である。そのため、極量低いことが望ましいが、経済性を考慮して０．０１８％以下とする。
Ｓ：０．００５％以下
ＳはＭｎＳを形成して、伸びやシャルピ−吸収エネルギ−などの延性を低下させる。特に、低温靭性が求められる本発明においては、シャルピ−の上部棚エネルギ−を高くする必要があり、そのため０．００５％以下とする。
Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
Ａｌは製鋼段階で脱酸材として添加され、その効果を発揮させるためには０．０１０％以上必要である。一方、０．０５０％を超えて添加してもその効果は飽和するので、上限を０．０５０％とする。
Ｎ量：０．００１０〜０．００５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２０％
本発明では、仕上げ圧延、加速冷却後において固溶Ｎ量を０．００３０％以下とするため、溶製後の鋼素材のＮ量を０．００１０〜０．００５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２０％とする。固溶Ｎ量を０．００３０％以下とする限定理由について述べる。
［成分組成］
Ｃ：０．０８〜０．１８％
Ｃは、母材強度確保のため、０．０８％以上を必要とする。一方、０．１８％を超えての添加は、母材靭性を低下させるばかりか、溶接性を低下させる。よって、Ｃ量を０．０８〜０．１８％の範囲とする。
Ｓｉ：０．６％以下
Ｓｉは、鋼中に固溶し、母材の強度を上昇させるが、０．６％を超える添加は溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を低下させるため、上限を０．６％とする。
Ｍｎ：１．２〜１．８％
Ｍｎは、ウェブにおいては固溶効果、フランジにおいては焼入れ性向上のために１．２％以上必要であるが、１．８％を超えての添加は溶接性を低下させることから、１．２〜１．８％の範囲とする。
Ｐ：０．０１８％以下
Ｐは鋼中に不可避的に存在し、特に凝固偏析部の靭性に有害である。そのため、極量低いことが望ましいが、経済性を考慮して０．０１８％以下とする。
Ｓ：０．００５％以下
ＳはＭｎＳを形成して、伸びやシャルピ−吸収エネルギ−などの延性を低下させる。特に、低温靭性が求められる本発明においては、シャルピ−の上部棚エネルギ−を高くする必要があり、そのため０．００５％以下とする。
Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
Ａｌは製鋼段階で脱酸材として添加され、その効果を発揮させるためには０．０１０％以上必要である。一方、０．０５０％を超えて添加してもその効果は飽和するので、上限を０．０５０％とする。
Ｎ量：０．００１０〜０．００５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２０％
本発明では、仕上げ圧延、加速冷却後において固溶Ｎ量を０．００３０％以下とするため、溶製後の鋼素材のＮ量を０．００１０〜０．００５０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２０％とする。固溶Ｎ量を０．００３０％以下とする限定理由について述べる。
図１は、0.14C-0.2Si-1.5Mn鋼を、形鋼圧延をシミュレーションし、1280℃に再加熱後、950℃までに圧延を終了させ（CRなし）、板厚30mmとした後、空冷した場合と加速冷却した場合について、母材靭性を、固溶N量で整理した結果を示す。
固溶N量の増加により、靭性が低下する。特に0.003％を超えると脆化が顕著になり、-40℃の低温靭性を制御圧延なしに確保するためには、固溶N量を0.0030%以下とする必要がある。
固溶Ｎ量を０．００３０％以下とするため、鋼中のＮ量を０．００３０％以下とすることが望ましい。しかし、安定的に鋼中のＮ量を０．００３０％以下とすることは製鋼プロセスを複雑化し、工業的に困難である。
一方、図１に示されるように、NbやVの添加は、固溶Nの固定化に対して有効であるが、炭窒化物を形成して析出脆化を助長し、靭性向上効果を相殺するので、本発明では、NbやV量は無添加（不可避的にそれぞれ0.005%、0.010%まで許容）とする。
Ｔｉは高温でも安定なＴｉＮを形成することで、固溶Ｎ軽減に有効である。しかし、形鋼の製造プロセスは、１２００℃を超える高温での再加熱を必要とするため、再加熱時に微細なＴｉＮが一部固溶し、固溶Ｎ量を増加させる。
従って、本発明では鋼素材において、N量を0.0010〜0.0050%、Ti:0.005〜0.020%とする。Ti量はN量の化学量論比で3.0以上、上限は5.0を超えると固溶TiがTiCとなり脆化するため、Ti/N比3.0〜5.0の範囲とすることが望ましい。尚、本発明でN量は全N量（＝固溶N量＋析出物中N量）とする。
炭素当量（Ceq）:0.44%以下
炭素当量を高くすることは、母材の高強度化に対して有効であるが、逆に母材靭性や溶接性、HAZ靭性の低下させることから、上限を0.44%とする。本発明で炭素当量は下式によるものとする。
炭素当量を高くすることは、母材の高強度化に対して有効であるが、逆に母材靭性や溶接性、HAZ靭性の低下させることから、上限を0.44%とする。本発明で炭素当量は下式によるものとする。
炭素当量（Ｃｅｑ）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
以上が本発明の基本成分組成であるが、溶接条件に応じてＨＡＺ靭性を確保する目的で、Ｃａ：０．００１０〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．００５〜０．０２０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、Ｚｒ：０．００１〜０．００５％、Ｈｆ：０．００１〜０．００５％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％の一種又は二種以上添加することができる。
以上が本発明の基本成分組成であるが、溶接条件に応じてＨＡＺ靭性を確保する目的で、Ｃａ：０．００１０〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．００５〜０．０２０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％、Ｚｒ：０．００１〜０．００５％、Ｈｆ：０．００１〜０．００５％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％の一種又は二種以上添加することができる。
Ca,REM,Mg,Zr,Hfは酸化物あるいは酸硫化物を形成して、HAZ組織を微細化してHAZ靭性を向上させる効果があり、添加する場合は、それぞれ上記の範囲を添加することができる。
更に、Cu:0.70%以下、Ni:1.0％以下、Cr:0.50%以下の一種又は二種以上添加することができる。これらの元素は、溶接性の観点からC量を比較的低く抑えたい場合などに、必要に応じて強度確保の観点から添加する。
Cuは0.7%を超えて添加すると、析出脆化を生じることから、添加する場合は、上限を0.7%とする。
Ｎｉは靭性を低下させることなく強化する有用な元素であるが、極めて高価であることから、添加する場合は、上限を１．０％とする。
Ｃｒは、０．５％を超えて添加すると表面疵（スケ−ル疵）の発生を助長させることから、添加する場合は、上限を０．５％とする。 次に、製造条件について述べる。
［製造条件］
加熱温度：１１００〜１３００℃
圧延時、特に、孔型圧延時の変形抵抗軽減の観点から、加熱温度は１１００℃以上必要である。一方、１３００℃を超えると素材中に存在する微細なＴｉＮの一部が固溶し、固溶Ｎ量を増加させ、母材靭性を低下させる。よって、加熱温度は１１００〜１３００℃の範囲とした。好ましくは、１１８０〜１２８０℃である。
圧延条件：
フランジ：圧延終了温度９００℃以上
フランジを９００℃未満で圧延しようとした場合には、圧延中に待機する必要があり、生産性が著しく阻害される。そのため、フランジの圧延仕上げ温度は９００℃以上とした。
ウェブ：Ａｒ３温度以下で累積圧下率２０％以上、圧延終了温度７００℃以上
一方、ウェブについては、圧延後、形状制御の観点から通常は空冷するが、強度確保を行う必要があるため、Ａｒ３以下のフェライト変態途中の２相域で累積圧下量を２０％以上確保する必要がある。しかし、圧延終了温度が７００℃未満となると、ウェブの座屈が発生するため圧延終了温度の下限を７００℃とした。尚、ウェブについては、圧延パス途中に水冷を少なくとも１回以上形状制御に影響しないように行い、強制的に冷却させると強度を確保しやすいので望ましい。
Ｃｒは、０．５％を超えて添加すると表面疵（スケ−ル疵）の発生を助長させることから、添加する場合は、上限を０．５％とする。 次に、製造条件について述べる。
［製造条件］
加熱温度：１１００〜１３００℃
圧延時、特に、孔型圧延時の変形抵抗軽減の観点から、加熱温度は１１００℃以上必要である。一方、１３００℃を超えると素材中に存在する微細なＴｉＮの一部が固溶し、固溶Ｎ量を増加させ、母材靭性を低下させる。よって、加熱温度は１１００〜１３００℃の範囲とした。好ましくは、１１８０〜１２８０℃である。
圧延条件：
フランジ：圧延終了温度９００℃以上
フランジを９００℃未満で圧延しようとした場合には、圧延中に待機する必要があり、生産性が著しく阻害される。そのため、フランジの圧延仕上げ温度は９００℃以上とした。
ウェブ：Ａｒ３温度以下で累積圧下率２０％以上、圧延終了温度７００℃以上
一方、ウェブについては、圧延後、形状制御の観点から通常は空冷するが、強度確保を行う必要があるため、Ａｒ３以下のフェライト変態途中の２相域で累積圧下量を２０％以上確保する必要がある。しかし、圧延終了温度が７００℃未満となると、ウェブの座屈が発生するため圧延終了温度の下限を７００℃とした。尚、ウェブについては、圧延パス途中に水冷を少なくとも１回以上形状制御に影響しないように行い、強制的に冷却させると強度を確保しやすいので望ましい。
冷却条件
フランジ：Ａｒ３温度以上から冷却速度１℃／ｓ以上の加速冷却を行い、復熱後の温度を４５０〜７００℃以下
圧延後、加速冷却開始温度がＡｒ３温度未満や、冷却速度１℃／ｓ未満では、十分な強度が得られない。冷却後の復熱温度が、７００℃を超える場合についても、十分な強度を得ることはできない。一方、４５０℃を下回る場合には、十分なセルフテンパ−効果が得られず靭性、延性を低下させる。従って、圧延後、Ａｒ３温度以上から冷却速度１℃／ｓ以上の加速冷却を行い、復熱後の温度を４５０〜７００℃以下の冷却条件とする。
ウェブ：放冷
ウェブを圧延後、加速冷却すると、反り曲がりなどの形状制御が不安定となることから、放冷とする。
フランジ：Ａｒ３温度以上から冷却速度１℃／ｓ以上の加速冷却を行い、復熱後の温度を４５０〜７００℃以下
圧延後、加速冷却開始温度がＡｒ３温度未満や、冷却速度１℃／ｓ未満では、十分な強度が得られない。冷却後の復熱温度が、７００℃を超える場合についても、十分な強度を得ることはできない。一方、４５０℃を下回る場合には、十分なセルフテンパ−効果が得られず靭性、延性を低下させる。従って、圧延後、Ａｒ３温度以上から冷却速度１℃／ｓ以上の加速冷却を行い、復熱後の温度を４５０〜７００℃以下の冷却条件とする。
ウェブ：放冷
ウェブを圧延後、加速冷却すると、反り曲がりなどの形状制御が不安定となることから、放冷とする。
表1に示す化学組成を有する鋼素材を溶製し、熱間圧延により、H形鋼を製造した。圧延条件、および得られたH形鋼の機械的性質ならびに固溶N量を表2および表3に示す。尚、固溶N量は、鋼中の全窒素量から窒化物型窒素定量値として求め、全窒素量はJIS G 1228に基づき、窒化物型窒素定量値はJIS A 5523の付属書に基づき導出した。
引張試験片は、ＪＩＳ１Ａ号全厚引張試験片を、フランジについてはフランジ幅１／４部、ウェブについてはウェブ幅１／４部より採取した。シャルピ−衝撃試験片（２ｍｍＶノッチ）については、フランジ幅１／４部の板厚１／４部、ウェブ幅１／４部の板厚１／２部よりそれぞれ採取方向を圧延方向として採取した。
発明例では、引張り強さが490MPa以上、降伏点325MPa以上であり、靭性は-40℃で100J以上が得られている。一方、固溶N量が0.0030%以上の鋼は靭性が低下しており、目標の27Jを満足しなかった。また、高炭素や炭素当量が高い鋼も母材靭性が目標を満足しなかった。
一方、製造方法が本発明範囲を逸脱した場合には、母材性能や形状が目標を満足しなかった。
Claims (4)
- Ｃ：０．０８〜０．１８ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．６ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．２〜１．８ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１８ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１０〜０．００５０ｍａｓｓ％、炭素当量が０．４４％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼素材を１１００〜１３００℃で加熱後、フランジは圧延終了温度９００℃以上、ウェブはＡｒ３温度以下で累積圧下率２０％以上の圧延を圧延終了温度７００℃以上で圧延後、フランジは、Ａｒ３温度以上から冷却速度１℃／ｓ以上で加速冷却後、４５０〜７００℃以下に復熱し、ウェブは放冷することを特徴とする固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
- 鋼素材に、更に、Ｃａ：０．００１０〜０．００５０ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００５〜０．０２０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．００１〜０．００５ｍａｓｓ％、Ｈｆ：０．００１〜０．００５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０ｍａｓｓ％の一種又は二種以上を添加することを特徴とする請求項１記載の固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
- 鋼素材に更に、Ｃｕ：０．７０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．５０ｍａｓｓ％以下の一種または二種以上を添加することを特徴とする請求項１または２記載の固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
- 熱間圧延する際、ウェブを水冷しながら少なくとも１回以上圧延を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の固溶Ｎ量が０．００３０ｍａｓｓ％以下の低温靭性に優れる圧延Ｈ形鋼の製造方法。
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