JP5045073B2 - 低降伏比を有する非調質高張力厚鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、建築構造物の高層化や大スパン化などに伴い、従来より高い強度を有する、例えば、590MPa級高張力鋼材の建築構造物への適用が増加している。
このような問題に対して、二相域熱処理や焼戻し熱処理の省略、すなわち、非調質化が考えられる。例えば、特許文献1には、粗圧延の後に加速冷却を行って、オーステナイト(γ)を過冷却したうえで、フェライト(α)変態を促進するための仕上圧延を行い、さらに仕上圧延後に加速冷却を行うことで軟質相であるαの微細化と軟質相と硬質相の比率を適切に制御して高靭性と低降伏比化を両立させる、低降伏比高張力鋼材の製造方法が開示されている。特許文献1に記載された技術によれば、高価な合金元素の添加や生産性の低い複雑な熱処理を必要とすることなく、低降伏比高張力鋼材が製造できるとしている。
特許文献8、特許文献9、特許文献10に記載された技術は、鋼片にAr3変態点以上で圧延を完了する熱間圧延を施した後、冷却を開始する前に、所定の温度になるまで空冷してフェライトを生成させ、二相域から冷却して、低降伏比化を図る方法である。しかし、このような方法では、僅かな冷却開始温度の違いによっても、フェライト生成率が異なってくるため、材質ばらつきが大きくなる。そのため、実際にこの方法で鋼板を製造する場合には、厳密な冷却開始温度の管理が必要となり、安定製造が困難になるという問題があった。
また、特許文献13に記載された技術では、低C化したため、高強度化を図るために高価な合金元素を多量添加する必要があり、製造コストの高騰を招くという問題がある。またさらに、特許文献13に記載された技術では、冷却停止温度を300℃以下と低温化しているため、冷却停止時の温度が鋼板内で大きくばらつき、鋼板に歪が発生したり、鋼板内に残留応力が発生する場合がある。このため、特許文献13に記載された技術で製造された鋼板では、鋼板をガス切断する時に、いわゆる条切りキャンバーと呼ばれる歪が発生するため、製造条件の厳密な管理を必要とするという問題がある。
mass%で、0.08%C−0.25%Si−1.25%Mn−0.018%P−0.002%Sを基本成分として、Cu、Ni、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Bのうちの1種または2種以上を添加して、炭素当量Ceq(=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)を0.42%と一定にしたスラブに、熱間圧延を施して50mm厚の厚鋼板とし、熱間圧延直後に板厚中心部の温度が580℃になるまでの加速冷却を行い、その後空冷した。得られた鋼板について、板厚1/4位置よりJIS Z 2201の規定に準拠してJIS 4号試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性(引張強さTS、降伏強さYS)を求めた。
図1から、引張強さTS:590MPa以上でかつ降伏比YR:80%以下を確保するためには、Mo+W/2を0.08%以上とする必要があることがわかる。
また、mass%で、0.05%C−0.25%Si−1.25%Mn−0.018%P−0.002%Sを基本成分として、Cu、Ni、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Bのうちの1種または2種以上を添加して、炭素当量Ceqを0.42%と一定にしたスラブに、熱間圧延を施して60mm厚の厚鋼板とし、熱間圧延直後に板厚中心部の温度が620℃になるまでの加速冷却を行い、その後空冷した。得られた鋼板について、板厚1/4位置および板厚1/2位置から、JIS Z2201の規定に準拠して、JIS 4号試験片を採取して、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性(引張強さTS、降伏強さYS)を求めた。得られた引張特性から、降伏比YR(=YS/TS)および板厚1/4位置と板厚1/2位置との、引張強さTSの差ΔTS、および降伏強さYSの差ΔYSを算出した。
図2から、(Mo+W/2)が0.08%以上0.20%以下の範囲で、引張強さTSが590MPa以上、降伏比YRが80%以下でかつ、ΔYS、ΔTSが同時に40MPa以下、となり、低降伏比でかつ板厚方向の材質変動が小さい厚鋼板となることがわかる。
図3から、C量が0.045%以上0.08%以下の範囲に調整することにより、板厚中心部(1/2t)でTS:590MPa以上の強度を確保しつつ、降伏比YRが80%以下でかつ、ΔYS、ΔTSが同時に40MPa以下、となることがわかる。
(1)mass%で、C:0.045〜0.18%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.6〜2.0%、P:0.020%以下、S:0.005%以下、Al:0.1%以下、N:0.0060%以下を含み、さらにMoおよび/またはWを次(1)式
0.08≦ Mo+W/2 ≦0.70 ……(1)
(ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%))
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ次(2)式
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B……(2)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(mass%))
で示される溶接割れ感受性指標Pcmが0.22%以下である組成を有し、板厚方向中央部の組織が、フェライトを主相とし、MA相を含む硬質相を7.6体積%以上20体積%以下含む複合組織であることを特徴とする引張強さ:590MPa以上の高強度と降伏比:80%以下の低降伏比を有する非調質高張力厚鋼板。
0.08≦ Mo+W/2 ≦0.20 ……(1a)
(ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%))
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ前記(2)式で示される溶接割れ感受性指標Pcmが0.22%以下である組成を有し、板厚方向中央部の組織が、フェライトを主相とし、MA相を含む硬質相を7.6体積%以上20体積%以下含む複合組織であることを特徴とする引張強さ:590MPa以上の高強度と降伏比:80%以下の低降伏比を有し、かつ板厚方向の材質変動の小さい非調質高張力厚鋼板。
(4)(1)ないし(3)のいずれかにおいて、前記組成に加えてさらに、mass%で、REM :0.0002〜0.0050%を含有する組成とすることを特徴とする非調質高張力厚鋼板。
(8)(5)ないし(7)のいずれかにおいて、前記鋼素材が、前記組成に加えてさらに、mass%で、REM :0.0002〜0.0050%を含有する組成とすることを特徴とする非調質高張力厚鋼板の製造方法。
まず、本発明の高張力厚鋼板における組成限定理由について記載する。なお、以下、とくにことわらない限り、%はmass%を意味する。
C:0.045〜0.18%
Cは、鋼の強度を向上させる元素であり、本発明では引張強さTS:590MPa以上を確保するために、0.045%以上の含有を必要とする。しかし、0.18%を超えてCを過剰に含有すると低温割れ感受性を増大させる。このため、本発明ではCは0.045〜0.18%の範囲に限定した。なお、0.08%を超える含有は、板厚1/4t位置と板厚1/2t位置での強度差、ΔYS、ΔTSが40MPa以上となる。このため、板厚方向の材質変動が小さいことが要求される使途には、Cは0.045〜0.08%の範囲に限定することが好ましい。
Siは、脱酸剤として作用し、製鋼上0.05%以上の含有を必要とする。一方、0.50%を超えて含有すると母材靭性が低下する。このため、Siは0.05〜0.50%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.10〜0.40%である。
Mn:0.6〜2.0%
Mnは、鋼の焼入れ性の向上を介して、強度を向上させる元素である。このような効果を確保するためには、0.6%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超える含有は、溶接性を著しく低下させる。このため、本発明では、Mnは0.6〜2.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.80〜1.60%である。
Pは、不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であり、鋼の靭性を低下させるため、できるだけ低減することが望ましい。特に、0.020%を超える含有は、著しく靭性を低下させるため、本発明ではPは0.020%以下に限定した。
S:0.005%以下
Sは、不純物として鋼中に不可避的に含有される元素であり、鋼の靭性や板厚方向引張試験における絞りを低下させるため、できるだけ低減することが望ましい。特に、0.005%を超えて含有すると、上記した特性の低下傾向が著しくなる。そのため、Sは0.005%以下に限定した。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、溶鋼の脱酸プロセスにおいて、脱酸剤としてもっとも汎用的に使用される元素であり、0.001%以上含有することが望ましい。一方、0.1%を超える含有は、粗大な酸化物を形成して、鋼板母材の延性を著しく低下させる。このため、Alは0.1%以下に限定した。なお、好ましくは0.020〜0.080%である。
Nは、固溶Nとして存在すると、歪時効後の母材靭性や溶接熱影響部靭性を低下させる。このため、Nは0.0060%以下に限定した。
上記した成分に加えてさらに、本発明では、Moおよび/またはWを含有する。
MoおよびWは、強度を確保しつつ、低降伏比化を図るために、重要な元素であり、本発明では、MoまたはW、あるいはMoおよびWを、次(1)式
0.08≦(Mo+W/2)≦0.70 ……(1)
(ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%))
を満足するように含有する。(Mo+W/2)が0.08%未満では、引張強さTSが590MPa以上、かつ降伏比YRが80%以下を確保することができない。一方、(Mo+W/2)が0.70%を超えるようにMo、Wを含有すると、溶接性が低下するとともに、製造コスト(材料コスト)が高騰する。そのため、Moおよび/またはWは、(Mo+W/2)が0.08〜0.70%の範囲となるように、すなわち(1)式を満足するように、含有するよう規定した。なお、板厚方向の材質変動を小さくすることが要求される使途には、次(1a)式
0.08≦ Mo+W/2 ≦0.20 ……(1a)
(ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%))
を満足するように規定することが好ましい。というのは、(Mo+W/2)が0.20%を超えて大きくなると、板厚1/4t位置と板厚1/2t位置との強度差ΔYS、ΔTSが40MPaを超えて大きくなる。
Pcm は、溶接時の割れ感受性を示す溶接割れ感受性指標であり、次(2)式
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B……(2)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(mass%))
で定義される。なお、(2)式を用いてPcm値を計算する場合、含有されない元素は零として計算するものとする。
Cu、Ni、Cr、V、Nb、Ti、Bはいずれも、鋼板の強度を向上させる元素であり、必要に応じて、選択して1種又は2種以上含有できる。
Cu:0.03〜1%
Cuは、靭性を低下させずに強度を向上させる有効な元素であり、このような効果を得るためには、0.03%以上の含有を必要とする。一方、1%を超える含有は、熱間圧延時に表面疵を多発させる。このため、Cuは0.03〜1%に限定することが好ましい。
Niは、靭性を低下させずに強度を向上させる有効な元素であり、このような効果を得るためには、0.03%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超える含有は、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できず経済的に不利となる。このため、Niは0.03〜2%の範囲に限定することが好ましい。
Crは、合金コストを著しく上昇させることなく、強度を向上させる有効な元素であり、このような効果を得るためには、0.05%以上の含有を必要とする。一方、1%を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Crは0.05〜1%の範囲に限定することが好ましい。
Vは、析出強化により鋼板の強度を向上させる有効な元素であり、このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.1%を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Vは0.01〜0.1%の範囲に限定することが好ましい。
Nb:0.005〜0.1%
Nbは、析出強化により鋼板の強度を向上させる有効な元素であり、このような効果を得るためには、0.005%以上の含有を必要とする。一方、0.1%を超える含有は、溶接性を低下させる。このため、Nbは0.005〜0.1%の範囲に限定することが好ましい。
Tiは、析出強化により鋼板の強度を向上させるとともに、固溶Nを固定し、溶接熱影響部靭性を改善するために有効な元素であり、このような効果を得るためには、0.005%以上の含有を必要とする。一方、0.05%を超えて過剰に含有すると、溶接熱影響部靭性が低下する。このため、Tiは0.005〜0.05%の範囲に限定することが好ましい。
Bは、極微量の含有で焼入れ性を向上させ、それにより鋼板の強度を向上させる有効な元素であり、このような効果を得るためには、0.0002%以上の含有を必要とする。一方、0.0050%を超えて含有すると、溶接性が低下する。このため、Bは0.0002〜0.0050%の範囲に限定することが好ましい。
REMは、Sを固定することにより,MnSの生成を抑制して、板厚方向の絞り特性を改善したり、また、溶接熱影響部靭性を改善する効果を有する。このような効果を得るためには、0.0002%以上の含有を必要とする。一方、0.0050%を超える過剰の含有は、母材靭性を低下させる。したがって、REMは0.0002〜0.0050%の範囲に限定することが好ましい。
本発明の高張力厚鋼板は、上記した組成を有し、さらに、板厚方向中央部の組織が、フェライトを主相とし、20体積%以下の硬質相を含む複合組織を有する。なお、板厚方向中央部とは、表層部分を除く範囲、すなわち板厚の1/4〜1/2の領域をいうものとする。
つぎに、本発明の高張力厚鋼板の製造方法について説明する。
熱間圧延は、圧延終了温度が表面で800〜950℃の範囲の温度となる圧延とする。
熱間圧延の加熱温度は、とくに限定する必要はないが、1050〜1250℃の範囲の温度に加熱することが好ましい。加熱温度が1050℃未満では、変形抵抗が大きくなり、圧延機負荷が増大する。一方、1250℃を超えると、熱間圧延時に表面疵が発生しやすくなる。そのため、加熱温度は1050〜1250℃の範囲の温度とするのが望ましい。
冷却処理は、平均冷却速度で0.5〜50℃/sの範囲の冷却速度で加速冷却し、500〜670℃の範囲の温度で加速冷却を停止する処理とする。
加速冷却の冷却停止温度は、ガス切断時の条切りキャンバーの原因となる残留応力を軽減するためにも、500℃以上の高温とすることが望ましい。加速冷却の冷却停止温度が、500℃未満の温度では、降伏比が80%超えとなる。なお、板厚方向の材質変動を小さくすることが要求される場合には、加速冷却の冷却停止温度は580℃以上とすることが好ましい。一方、670℃を超える温度では、所望の引張強さが確保できない。このため、加速冷却の冷却停止温度は500〜670℃の範囲の温度とした。なお、冷却停止温度は板厚1/2t位置での値とする。
表1に示した組成を有する鋼素材に、表2に示す条件で熱間圧延、および冷却処理(冷却停止後空冷)を施し、表2に示す板厚の厚鋼板とした。
得られた厚鋼板について、組織観察、引張試験、シャルピー衝撃試験、y形溶接割れ試験を実施し、組織、引張特性、靭性、および溶接割れ性を調査した。試験方法は次の通りとした。
得られた厚鋼板から組織観察用試験片を採取し、L方向断面を研磨、ナイタールで腐食し、板厚1/4t位置について、走査型電子顕微鏡で断面組織を5視野以上観察し、撮像して、画像解析により組織分率を求めた。
(2)引張試験
得られた厚鋼板の1/4板厚位置から、JIS Z 2201の規定に準拠して、JIS 4号試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性(降伏強さYS、引張り強さTS、降伏比YR)を求めた。
得られた厚鋼板の1/4板厚位置から、JIS Z 2242の規定に準拠して、Vノッチ試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を実施し、0℃における吸収エネルギーvE0(J)および破面遷移温度vTrs(℃)を求めた。
(4)y形溶接割れ試験
得られた厚鋼板から、JIS Z 3158に準拠して採取したy形溶接割れ試験片を用いて、25℃において、溶接割れ試験を実施し、割れの有無を調査した。
表4に示した組成を有する鋼素材に、表5に示す条件で熱間圧延、および冷却処理(冷却停止後空冷)を施し、表5に示す板厚の厚鋼板とした。
得られた厚鋼板について、組織観察、引張試験、シャルピー衝撃試験、y形溶接割れ試験を実施し、組織、引張特性、靭性、および溶接割れ性を調査した。試験方法は、試験片の採取位置が、板厚1/4位置に加えて板厚1/2位置についても実施した以外は、実施例1と同様とした。
Claims (8)
- mass%で、
C:0.045〜0.18%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、 P:0.020%以下、
S:0.005%以下、 Al:0.1%以下、
N:0.0060%以下
を含み、さらにMoおよび/またはWを下記(1)式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(2)式で示される溶接割れ感受性指標Pcmが0.22%以下である組成を有し、板厚方向中央部の組織が、フェライトを主相とし、MA相を含む硬質相を7.6体積%以上20体積%以下含む複合組織であることを特徴とする引張強さ:590MPa以上の高強度と降伏比:80%以下の低降伏比を有する非調質高張力厚鋼板。
記
0.08≦ Mo+W/2 ≦0.70 ……(1)
ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B……(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(mass%) - mass%で、
C:0.045〜0.08%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、 P:0.020%以下、
S:0.005%以下、 Al:0.1%以下、
N:0.0060%以下
を含み、さらにMoおよび/またはWを下記(1a)式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(2)式で示される溶接割れ感受性指標Pcmが0.22%以下である組成を有し、板厚方向中央部の組織が、フェライトを主相とし、MA相を含む硬質相を7.6体積%以上20体積%以下含む複合組織であることを特徴とする引張強さ:590MPa以上の高強度と降伏比:80%以下の低降伏比を有し、かつ板厚方向の材質変動の小さい非調質高張力厚鋼板。
記
0.08≦ Mo+W/2 ≦0.20 ……(1a)
ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B……(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(mass%) - 前記組成に加えてさらに、mass%で、Cu:0.03〜1%、Ni:0.03〜2%、Cr:0.05〜1%、V:0.01〜0.1%、Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.05%、B:0.0002〜0.0050%のうちの1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1または2に記載の非調質高張力厚鋼板。
- 前記組成に加えてさらに、mass%で、REM :0.0002〜0.0050%を含有する組成とすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の非調質高張力厚鋼板。
- 鋼素材に、熱間圧延と、該熱間圧延後直ちに加速冷却する冷却処理とを施し、厚鋼板とするに当り、前記鋼素材を、mass%で、
C:0.045〜0.18%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、 P:0.020%以下、
S:0.005%以下、 Al:0.1%以下、
N:0.0060%以下
を含み、さらにMoおよび/またはWを下記(1)式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(2)式で示される溶接割れ感受性指標Pcmが0.22%以下である組成を有する鋼素材とし、
前記熱間圧延を、圧延終了温度が表面で800〜950℃の範囲の温度となる熱間圧延とし、
前記冷却処理を、平均冷却速度で0.5〜50℃/sの範囲の冷却速度で加速冷却し、500〜670℃の範囲の温度で加速冷却を停止する処理とすることを特徴とする引張強さ:590MPa以上の高強度と降伏比:80%以下の低降伏比を有する非調質高張力厚鋼板の製造方法。
記
0.08≦ Mo+W/2 ≦0.70 ……(1)
ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B……(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(mass%) - 鋼素材に、熱間圧延と、該熱間圧延後直ちに加速冷却する冷却処理とを施し、厚鋼板とするに当り、前記鋼素材を、mass%で、
C:0.045〜0.08%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、 P:0.020%以下、
S:0.005%以下、 Al:0.1%以下、
N:0.0060%以下
を含み、さらにMoおよび/またはWを下記(1a)式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記(2)式で示される溶接割れ感受性指標Pcmが0.22%以下である組成を有する鋼素材とし、
前記熱間圧延を、圧延終了温度が表面で800〜950℃の範囲の温度となる熱間圧延とし、
前記冷却処理を、平均冷却速度で0.5〜50℃/sの範囲の冷却速度で加速冷却し、580〜670℃の範囲の温度で加速冷却を停止する処理とすることを特徴とする引張強さ:590MPa以上の高強度と降伏比:80%以下の低降伏比を有し、かつ板厚方向の材質変動の小さい非調質高張力厚鋼板の製造方法。
記
0.08≦ Mo+W/2 ≦0.20 ……(1a)
ここで、Mo、W:各元素の含有量(mass%)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B……(2)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(mass%) - 前記鋼素材が、前記組成に加えてさらに、mass%で、Cu:0.03〜1%、Ni:0.03〜2%、Cr:0.05〜1%、V:0.01〜0.1%、Nb:0.005〜0.1%、Ti:0.005〜0.05%、B:0.0002〜0.0050%のうちの1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項5または6に記載の非調質高張力厚鋼板の製造方法。
- 前記鋼素材が、前記組成に加えてさらに、mass%で、REM :0.0002〜0.0050%を含有する組成とすることを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに記載の非調質高張力厚鋼板の製造方法。
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