JP5381828B2 - 母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材とその製造方法 - Google Patents
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一方、近年では、高温でも強度が低下しにくい特性、いわゆる耐火性能を持たせた鋼材が開発され、環境問題や美観の観点から、耐火被覆を使用せずに耐火鋼を用いて鋼構造物を構成する例が登場している。
ここで要求される耐火性能に関しては「新耐火設計法」に基づいて国土交通省により定められており、国土交通省告示333号にその特性が記されている。
中でも特に合金元素としてMoを積極的に利用した成分系の発明が多く開示されており、特許文献1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、13、14、15、16及び22ではMo添加を前提とする成分系が規定されている。
これらMoの添加を前提とした成分系は、火災時の加熱により鋼材中のMoの析出を促し、析出強化による高温強度上昇を狙ったものであり、鋼材の耐火性能を確保する目的において多くの研究者により採用されてきた手法である。
また、鋼材を加速冷却を用いて製造する場合においては、Moの添加により焼入れ性が向上し、母材の室温引張り強度を上昇させる効果もある。
溶接構造物が火災に曝された時、母材及び溶接熱影響部(以下、HAZと記載)の高温降伏強度や高温引張り強度がいずれも充分に確保されている場合においても、HAZに関しては高温での延性(変形能)が著しく低下する場合が存在する。
従って、HAZの高温での延性が確保されている鋼材を開発しなければ、耐火鋼材を利用する溶接構造物の設計が困難となる。
その為、本発明者らはまず、本耐火鋼開発において、HAZの再熱脆化に及ぼす各種合金元素の影響を、実験と解析により詳細に検討した。
また、近年のMoの価格上昇に伴い、これら文献に記載の成分系では合金コストが著しく高くなり、耐火鋼材の市況価格に見合わないという問題も同時に存在する。
以上の様に、従来の耐火鋼開発においてはHAZの再熱脆化に関する追及が不充分であった。
しかし、加速冷却を用いてベイナイト組織を得る方法では、合金成分系の設計によっては、高温降伏強度のみならず室温引張り強度も著しく上昇するという問題がある。
従って、高温降伏強度を追及する際に、加速冷却を使ってやみくもに転位密度の高い鋼材組織を得ようとすると、室温引張り強度が鋼材に要求される上限値を逸脱するか、または逸脱しないまでも上限値に近くなり、実機製造上の材質変動に対する裕度が無くなる、という問題が生じる。
その為、溶接入熱が高い場合でも充分な耐震性を獲得する為に、溶接部の靱性も充分に高く取る必要がある。本発明はこうした課題にも同時に対応し、5kJ/mm以上の入熱が加わった場合の溶接HAZの靱性も獲得すべく、合金元素添加量を最適化する事を前提としている。
更に、建築等の用途に使う鋼材として充分な母材靭性を確保する事も重要である為、本発明では母材靭性の獲得も前提としている。
既に述べた様に、高温降伏強度を獲得する為には、炭化物・窒化物等の析出物を利用する事、結晶粒の微細なフェライト組織を利用する事、または、転位密度の高いベイナイト組織を利用する事が有効であるが、各種析出元素の添加はHAZの再熱脆化を助長する傾向が有り、焼入性向上元素の無差別な添加は室温引張り強度を必要な水準範囲に収められなくするという問題がある。
ここでいう本発明の目標とは、600℃における降伏強度が217MPa以上、室温引張り強さが450MPa以上、650MPa以下、溶接熱影響部を600℃以上に加熱した上で行う引張試験の破断絞り値が25%以上である事、である。
また、Crを積極的に添加する事で、鋼材中の固溶CとCrが結合する事で焼入れ性を低減する効果がある事と、Cr炭化物の析出により高温降伏強度の上昇に寄与する事を新たに知見した。
また、Mn、W、Cu等、自身は炭化物または窒化物を形成せず焼入れ性の向上に寄与する元素も、HAZの旧γ粒界に微細なオーステナイト組織を生成させ、粒界滑りを促進させる事でHAZの再熱脆化を助長する事を知見した。
Crに関しては、Cr炭化物を形成する事で他元素の炭化物析出を抑制する効果がある事、及び、Cr炭化物のサイズが数〜数十nmのクラスター程度に留まる為、HAZの再熱脆化に寄与しにくい事が原因と判明した。
Tiに関しては、Tiの炭化物及び窒化物が粒界・粒内に関わらず析出する為、結果としてHAZの旧γ粒界に析出する他元素の炭化物・窒化物の総量を低減する効果が現れる為であると判明した。
本発明の成分系を、1000℃以下、800℃以上における圧下比を50%以上として800℃以上で熱間圧延を終了し、その後直ちに600℃以下の温度範囲まで2℃/秒以上の冷速で加速冷却する事により、室温引張り強度が450MPa以上、650MPa以下、600℃における母材降伏強度が217MPa以上、及びHAZ部の600℃引張試験における破断絞り値が30%以上という特性を得る事が出来る。
尚、本発明の合金成分範囲で各種合金元素を適宜選択する事で、入熱5kJ/mm以上の大入熱溶接の際のHAZの靱性を確保する事も可能である。
(1) 化学組成が質量%で、
C:0.005%以上、0.050%以下、
Si:0.01%以上、0.50%以下、
Mn:0.50%以上、2.00%以下、
Cr:0.50%以上、2.00%以下、
Ti:0.001%以上、0.030%以下、
Al:0.005%以上、0.10%以下、
N:0.001%以上、0.006%以下、
を含有し、
Mo:0.01%未満、
V:0.03%未満、
B:0.0003%以下、
P:0.02%未満、
S:0.01%未満、
O:0.01%未満
に制限した、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材であって、該鋼材組織の面積率で80%以上が、ベイナイト組織、マルテンサイト組織、またはEBSP(Electron Back Scattering Pattern)法により測定した円相当粒径が20μm以下のフェライト組織のいずれか1種以上で構成されており、残部が円相当径が20μm超のフェライトもしくはMA(マルテンサイト−オーステナイト混合物)組織及び不可避的相であり、室温引張強さが450MPa以上、650MPa以下であり、本鋼材の母材の600℃降伏応力が217MPa以上であり、本鋼材の溶接熱影響部の600℃高温引張の破断絞り値が25%以上であることを特徴とする、母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材。
Nb:0.001%以上、0.10%以下、
Ni:0.01%以上、1.00%以下、
Cu:0.01%以上、0.10%以下、
W:0.01%以上、0.50%以下、
の内1種または2種以上を含有する事を特徴とする、(1)に記載の母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材。
Zr:0.001%以上、0.050%以下、
Mg:0.0005%以上、0.0050%以下、
Ca:0.0005%以上、0.0050%以下、
Y:0.001%以上、0.050%以下、
La:0.001%以上、0.050%以下、
Ce:0.001%以上、0.050%以下、
の内の1種または2種以上を含有する事を特徴とする、(1)または(2)に記載の母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材。
Cは、焼入性向上に有効な元素であり0.005%以上の添加を行うが、0.05%を超えて添加すると、大入熱溶接の際のHAZにおいてマルテンサイト−オーステナイト混合組織(以下、MA組織と記載)の生成を助長しHAZの靭性を著しく劣化させる場合がある事、火災時にHAZの粒界に析出する炭化物の量を増大させHAZの再熱脆化を招く事、及び、室温引張り強度の過剰な上昇を招く事、の為に、その添加範囲を0.005%以上、0.05%以下とする。
Sは、不純物として母材の靭性を著しく低下させ、且つ火災時のHAZの再熱脆化も顕著にする為、添加量を0.010%未満に制限する。
Oは、不純物として母材の靭性を著しく低下させ、且つ火災時のHAZの再熱脆化も顕著にする為、添加量を0.010%未満に制限する。
本発明では、室温引張り強度が450MPa以上、650MPa以下となり、600℃における降伏強度が217MPa以上であり、HAZの再熱脆化が防止され、入熱5kJ/mmの溶接によるHAZでも靱性を確保し、且つ母材靭性を確保する為の必要条件となる成分系を提案しており、該成分を有する鋼片に、温度および圧下量を規定した熱間圧延と加速冷却を適用する事により、これらの特性を全て満たす鋼材を製造する事が可能となる。
50%以上の加工を行う事により、本発明の範囲内において安定的に母材靭性を確保する事が可能となる。
また、圧延または加工の後に、Ar3点以上の温度域から600℃以下の温度範囲まで加速冷却を行うためには、800℃以上で熱間圧延または加工を終了する必要がある。
この焼戻しは400℃以上650℃未満の間で適宜選択して温度を決定する事が可能であり、必要とする材料強度と析出させる合金元素の種類によって決定する事で、本発明の効果を高める。
焼戻しの時間についても同様であり、焼戻し時の組織変化が物質の拡散で支配される時には温度を高くする事と時間を長くする事は同じ効果を与える為、焼戻し温度に応じて5分〜360分の間で決定可能である。
これは、1000℃以上の温度に加熱する事により、各種の合金元素の炭化物もしくは窒化物、例えば、TiC、ZrC、Cr23C6、等を完全にもしくは可能な限り多く固溶させておく事により、熱間圧延後の焼入れ性を調整し実機製造上の安定性を高める事を目的としている。
但し、該加熱温度を1300℃超とすると鋼材表面の酸化スケールの増加が著しくなる為、加熱温度の上限を1300℃に制限する。
以上に述べた様に、化学成分の限定に加えて製造技術の限定を併用する事で、最も歩留まり良く合金添加量も最適化された高温降伏強度に優れた耐火鋼材を提供する事が可能となる。
同時に、本発明の重要な特徴である溶接HAZの600℃引張試験の破断絞り値も25%以上が確保され、HAZの高温延性が確保されている事が分かる。
更に、本発明の実施例の範囲にあるものは、母材及びHAZのシャルピー試験の吸収エネルギーも0℃で27J以上である。
また表3の結果より、本発明の範囲に入らない比較鋼は、室温引張り強度、室温降伏強度、600℃降伏強度、HAZの600℃引張試験の破断絞り値、0℃における母材シャルピー吸収エネルギー、または0℃におけるHAZシャルピー吸収エネルギー、のいずれかが目標を満たさない事が分かる。
Claims (5)
- 化学組成が質量%で、
C:0.005%以上、0.050%以下、
Si:0.01%以上、0.50%以下、
Mn:0.50%以上、2.00%以下、
Cr:0.50%以上、2.00%以下、
Ti:0.001%以上、0.030%以下、
Al:0.005%以上、0.10%以下、
N:0.001%以上、0.006%以下、
を含有し、
Mo:0.01%未満、
V:0.03%未満、
B:0.0003%以下、
P:0.02%未満、
S:0.01%未満、
O:0.01%未満
に制限した、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材であって、該鋼材組織の面積率で80%以上が、ベイナイト組織、マルテンサイト組織、またはEBSP(Electron Back Scattering Pattern)法により測定した円相当粒径が20μm以下のフェライト組織のいずれか1種以上で構成されており、残部が円相当径が20μm超のフェライトもしくはMA(マルテンサイト−オーステナイト混合物)組織及び不可避的相であり、室温引張強さが450MPa以上、650MPa以下であり、本鋼材の母材の600℃降伏応力が217MPa以上であり、本鋼材の溶接熱影響部の600℃高温引張の破断絞り値が25%以上であることを特徴とする、母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材。 - 請求項1に加えて、質量%で、
Nb:0.001%以上、0.10%以下、
Ni:0.01%以上、1.00%以下、
Cu:0.01%以上、0.10%以下、
W:0.01%以上、0.50%以下、
の内1種または2種以上を含有する事を特徴とする、請求項1に記載の母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材。 - 請求項1または2に加えて、質量%で、
Zr:0.001%以上、0.050%以下、
Mg:0.0005%以上、0.0050%以下、
Ca:0.0005%以上、0.0050%以下、
Y:0.001%以上、0.050%以下、
La:0.001%以上、0.050%以下、
Ce:0.001%以上、0.050%以下、
の内の1種または2種以上を含有する事を特徴とする、母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材。 - 請求項1〜3に記載の鋼成分を有する鋼片を、1000℃以上、1300℃以下に加熱した後、熱間加工または熱間圧延を施すにあたり、800℃以上1000℃以下において50%以上の圧延または加工を行い、800℃以上で熱間圧延または加工を終了し、その後Ar3点以上の温度域から600℃以下の温度範囲まで2℃/秒以上の冷速で加速冷却する事を特徴とする、母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材の製造方法。
- 請求項4に記載の製造方法を適用した後、鋼材を400℃以上650℃未満の温度範囲で5分以上、360分以内の焼戻し熱処理を行う事を特徴とする、母材の高温強度及び溶接熱影響部の高温延性に優れた耐火鋼材の製造方法。
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