JP7164718B2 - 優れた低降伏比と低温靭性特性を有する構造用鋼及びその製造方法 - Google Patents

優れた低降伏比と低温靭性特性を有する構造用鋼及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、構造用鋼及びその製造方法に係り、より詳しくは、低温靭性に優れ、降伏比が低く、安定性に優れて海洋構造用などの構造用素材として有利に使用することができる構造用鋼及びその製造方法に関するものである。
最近、海洋構造物の大型化、多機能化（試錐、精製、保管、住居など）に伴い、構造物の安定性確保に対する必要性が増加しており、そのために、降伏強度と引張強度との差が大きい低降伏比（降伏強度／引張強度、ＹＳ／ＴＳ）を有する海洋構造用鋼材が求められている。
降伏比が低いほど破壊が発生するまでの塑性変化時点を遅らせることができ、この過程でエネルギーを吸収して外力及び衝撃による破損、破壊を防止することができる。また、一定量の変形が存在しても崩壊前の補修を可能とすることで、構造物の破損による財産及び人命被害を防止することができる。
従来技術として、特許文献１は低降伏比を確保するために、加速冷却後に焼きならし熱処理を行い、結晶粒内部または結晶粒界に第２相を形成させる鋼材を開示している。具体的には、硬化能を十分高くすることができる成分系と、初期組織をベイナイトにするための加速冷却プロセス、そして焼きならし熱処理プロセスを介して、円相当直径で約２０μｍ以下の大きさのフェライトと、約３μｍ以下の大きさのＭＡ相を母材に全体的に均一に分布させる発明である。特に初期組織を炭化物が内部に存在するベイナイトにすることで、熱処理後に結晶粒界と結晶粒内部にＭＡを均一に分布させることができる。このように、均一に分布して微細なＭＡを介して低降伏比、低温靭性、高延伸率を確保することができる。しかしながら、特許文献１では、低い降伏比を実現することはできるが、硬化能を高めるための成分原価の増加及び熱処理工程の追加による原価の増加という問題がある。
したがって、ＴＭＣＰ工程で低降伏比を実現するための鋼板及びその製造方法に関する開発が求められている。本発明では、このような成分及び製造原価の上昇の問題を成分の最適化及び新しい冷却パターンの導入による組織の微細化によって解決する。
韓国登録特許第１７９９２０２号公報
本発明の目的とするところは、厚さ５０ｍｍ以下の厚鋼板において、降伏強度、低温衝撃靭性及び低降伏比の特性に優れた構造用鋼板及びその製造方法を提供することにある。
一方、本発明の課題は、上述した内容に限定されない。本発明の課題は、本明細書の全体内容から理解することができ、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の付加的な課題を理解するのに何ら困難がない。
本発明の構造用鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．１２％、Ｓｉ：０．０５～０．４％、Ｍｎ：１．０～２．０％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１５～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０２％、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｎ：０．００２～０．００８％、残部はＦｅ及びその他の不可避不純物からなり、微細組織が面積分率で、ポリゴナルフェライトが９０％以上であり、第２相として分節されたパーライトが１０％以下、ＭＡが２％以下であり、上記ポリゴナルフェライトで２０μｍ以上の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが２０～５０％であり、２０μｍ未満の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが４０～７０％であることを特徴とする。
上記構造用鋼は、降伏強度（ＹＳ）３５０ＭＰａ以上、引張強度（ＴＳ）４５０ＭＰａ以上であり、降伏比（ＹＳ／ＴＳ）が８５％以下であることができる。
上記構造用鋼は、延伸率が２０％以上、－４０℃における衝撃靭性が６０Ｊ以上、－６０℃における低温衝撃靭性が１００Ｊ以上であることができる。
上記構造用鋼は、厚さ５０ｍｍ以下の厚鋼板であることができる。
本発明の構造用鋼の製造方法は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．１２％、Ｓｉ：０．０５～０．４％、Ｍｎ：１．０～２．０％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１５～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０２％、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｎ：０．００２～０．００８％、残部はＦｅ及びその他の不可避不純物からなるスラブを１０５０～１１５０℃の温度範囲で再加熱する段階、再加熱した上記スラブを８３０～９７０℃の仕上げ圧延温度で熱間圧延する段階、圧延された鋼板をＡｒ３点以下の１次冷却終了温度まで１０～３０℃／秒の冷却速度で冷却する１次冷却段階、上記１次冷却を終えた後、５～１２秒間維持する維持段階、及び上記維持段階後に３００～５００℃の２次冷却終了温度まで１５～６０℃／秒の冷却速度で冷却する２次冷却段階、を含むことを特徴とする。
上記１次冷却終了温度は６３０～７００℃であることができる。
本発明によると、本発明の構造用鋼は、厚さ５０ｍｍ以下の厚鋼板で０．８５以下の優れた低降伏比の特性、３５０ＭＰａ以上の降伏強度、及び－４０℃における衝撃靭性が６０Ｊ以上の特性を示し、構造用素材として適することができる。
これにより、構造物の安定性を確保することができ、寿命の延長を高めるのに寄与することができ、造船、海洋、建築などの構造用鋼として有利に使用することができる効果がある。
発明例１の微細組織を観察した写真である。 従来の一般的な制御圧延を介して製造された比較例７の微細組織を観察した写真である。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は、いくつかの他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
本発明者らは、従来技術では、低降伏比を確保するために非常に軽い相であるＭＡ（島状マルテンサイト）を利用して、母材とＭＡの硬度差を利用していたが、ＭＡを利用する場合、衝撃靭性の低下を引き起こす可能性がある不利な側面があることを認知し、これを解決するために鋭意研究した。その結果、微細組織をポリゴナルフェライト、ＭＡ及び分節されたパーライト（Ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｐｅａｒｌｉｔｅ）から構成し、これらの面積割合を適宜制御することによって、衝撃靭性の低下なしに低降伏比を確保することができることを確認し、本発明を完成した。
以下、本発明の一実施形態による構造用鋼について詳細に説明する。本発明において、各元素の含有量を示すとき、特に断りのない限り、重量％を意味することに留意する必要がある。また、結晶や組織の割合は、特に断りのない限り、面積を基準とする。
［構造用鋼］
まず、本発明の一実施形態による構造用鋼の成分系について説明する。本発明の一実施形態による構造用鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．１２％、Ｓｉ：０．０５～０．４％、Ｍｎ：１．０～２．０％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１５～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０２％、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｎ：０．００２～０．００８％、残部はＦｅ及びその他の不可避不純物からなる。
Ｃ：０．０５～０．１２％
Ｃは固溶強化を起こし、Ｎｂなどによる炭窒化物として存在して引張強度を確保するための元素である。Ｃが０．１２％を超えて添加される場合、ＭＡ形成を助長するだけでなく、パーライトが生成されて低温における衝撃及び疲労特性を劣化させる可能性がある。これに対し、Ｃ含有量が０．０５％未満の場合、第２相の形成が不利になって降伏比を高めることができるため、Ｃ含有量を０．０５～０．１２％に制限することが好ましい。
Ｓｉ：０．０５～０．４％
Ｓｉは、Ａｌを補助して溶鋼を脱酸する役割を果たし、降伏強度及び引張強度を確保するために必要な元素である。しかし、低温における衝撃及び疲労特性を確保するために、その含有量を０．４％以下に制限する。また、Ｓｉが０．４％を超えて投入される場合には、Ｃの拡散を妨害してＭＡ形成を助長する。一方、Ｓｉを０．０５％未満に除去するためには、製鋼工程での処理時間を大幅に増やす必要があるが、生産性が低下するため、その含有量を０．０５％以上に制限する。したがって、本発明におけるＳｉ含有量を０．０５～０．４％に制限することが好ましい。
Ｍｎ：１．０～２．０％
Ｍｎは、固溶強化による強度増加の効果が大きいため、１．０％以上添加することができる。しかし、２．０％を超えて過度に添加されると、ＭｎＳ介在物の形成、中心部の偏析による靭性の低下を引き起こす虞があるため、上限は２．０％に制限することが好ましい。
Ｐ：０．０１％以下
Ｐは、不純物として粒界偏析を起こし、鋼を脆化させる原因となり得るため、Ｐの上限を０．０１％に制限する必要がある。
Ｓ：０．００３％以下
Ｓは、不純物として主にＭｎと結合してＭｎＳ介在物を形成し、これらは低温靭性を阻害する要因となる。したがって、低温靭性及び低温疲労特性を確保するためには、Ｓを０．００３％以下の範囲に制限する必要がある。
Ａｌ：０．０１５～０．０４％
Ａｌは、鋼の主要な脱酸剤として溶解状態で０．０１５％以上添加される必要がある。また、変形時効時のＮ成分を固定させるために必要な元素であるため、最小０．０１５％以上添加される必要がある。しかし、０．０４％を超えて添加する場合には、Ａｌ２Ｏ３介在物の分率、大きさの増加により低温靭性を低下させる原因となる可能性があり、また、Ｓｉと同様に、母材及び溶接熱影響部のＭＡ相の生成を促進し、低温靭性及び低温疲労特性を低下させる虞がある。したがって、本発明におけるＡｌ含有量は、０．０１５～０．０４％に制限する必要がある。
Ｔｉ：０．００５～０．０２％
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉ窒化物（ＴｉＮ）を形成することで、固溶Ｎ含有量を減少させるため、０．００５％以上添加される必要がある。これらの析出物は、組織の粗大化を抑制して微細化に寄与し、靭性を向上させる役割を果たす。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０２％を超える場合には、析出物の粗大化により破壊の原因となる可能性があり、Ｎと結合できなかった固溶Ｔｉが残留し、Ｔｉ炭化物（ＴｉＣ）を形成して、母材及び溶接部の靭性を低下させる虞がある。したがって、本発明におけるＴｉ含有量は、０．００５～０．０２％に制限する必要がある。
Ｎｂ：０．０１％以下（０％を含む）
Ｎｂは、固溶または炭窒化物を析出することにより、圧延または冷却中の再結晶を抑制して組織を微細にし、強度を増加させる元素である。しかしながら、結晶粒が過度に微細化すると、降伏強度の増加によって低降伏比の確保が困難であるため、添加範囲を０．０１％に制限する必要がある。低降伏比をより確保するためには、Ｎｂを添加しないことが有利であるため、その下限は別途設定しなくてもよい。
Ｎ：０．００２～０．００８％
Ｎは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌなどと共に析出物を形成して再加熱時にオーステナイト組織を微細にし、強度及び靭性の向上に役立つ元素である。しかしながら、過度に含有すると、高温で表面クラックを誘発して析出物を形成し、残留するＮは原子状態で存在して靭性を低下させるため、本発明におけるＮ含有量は、０．００２～０．００８％の範囲に限定することができる。
本発明の高強度構造用鋼において、上述された合金元素以外の残りは鉄（Ｆｅ）成分である。但し、通常の製造過程では、原料または周囲環境から意図しない不純物が不可避に混入する可能性があるため、これを排除することはできない。これらの不純物は、通常の技術者であれば誰でも分かるものであるため、そのすべての内容を詳細に言及しない。但し、一つの非制限的な例として、上記不純物は、Ｍｏ：０．０５％未満、Ｃｒ：０．０５％未満、Ｃｕ：０．０５％未満、Ｎｉ：０．０５％未満含むことができる。
一方、本発明の一実施形態による構造用鋼は、微細組織が面積分率で、ポリゴナルフェライトが９０％以上であり、第２相として分節されたパーライトが１０％以下、ＭＡが２％以下を含むことができる。また、本発明に係る構造用鋼の微細組織は、主にポリゴナルフェライトから構成されており、少量のＭＡ及び分節されたパーライトからなっている。低降伏比及び低温靭性を確保するためにＭＡ量を最小限に抑え、ＭＡよりも僅かに硬い相である分節されたパーライトを適切に分布させることが重要である。
分節されたパーライト（Ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｐｅａｒｌｉｔｅ）は、パーライトとＭＡの中間相として、冷却速度の調節により形成することができる。より詳細には、冷却速度が速いとＭＡが形成され、冷却速度が遅いとパーライトが形成されるが、冷却速度が中間程度であると分節されたパーライトが形成され、本発明では２次冷却での冷却速度の調節により分節されたパーライトを形成させている。また、上記分節されたパーライトは、パーライトとＭＡの中間程度の硬い特性を有する特徴がある。
本発明では、上記第２相の適切な分率により低降伏比及び低温衝撃靭性の特性を得ることを特徴とする。上記第２相の分率が高いと低降伏比の実現が難しく、分率が高いと低温衝撃靭性の低下をもたらすようになる。したがって、本発明においては分節されたパーライトを１０％以下及びＭＡを２％以下に制限し、第２相の分率が５～１１％であることがより好ましい。
また、上記ポリゴナルフェライトは２０μｍ以上の結晶粒サイズを有するポリゴナルフェライトが２０～５０％、２０μｍ未満の結晶粒サイズを有するポリゴナルフェライトが４０～７０％から構成されることができる。ポリゴナルフェライトの結晶粒サイズが小さいほど降伏強度が増加するようになって降伏比が高くなる。したがって、強度と降伏比のバランスを合わせるためには、ポリゴナルフェライトの結晶粒サイズの適正な配分が必要であり、これによって、本発明においては２０μｍ以上の結晶粒サイズを有するポリゴナルフェライトを２０～５０％、２０μｍ未満の結晶粒サイズを有するポリゴナルフェライトを４０～７０％に制限した。
上記成分系及び微細組織の条件を満たす構造用鋼は、降伏強度３５０ＭＰａ以上、－４０℃における衝撃靭性が６０Ｊ以上、降伏比が８５％以下を満たすことができる。また、４５０ＭＰａ以上の引張強度、２０％以上の延伸率、－６０℃における低温衝撃靭性が１００Ｊ以上を満たすことができる。
次に、本発明の他の実施形態による高強度構造用鋼の製造方法について詳細に説明する。
［構造用鋼の製造方法］
本発明の他の一実施形態による構造用鋼の製造方法は、スラブ再加熱－熱間圧延－冷却（１次冷却、維持、２次冷却）の過程から構成されており、各製造段階別の詳細な条件は以下のとおりである。
スラブ再加熱段階
まず、上述した成分系からなるスラブを用意し、上記スラブを１０５０～１１５０℃の温度範囲で再加熱する。再加熱温度が１１５０℃を超える場合には、オーステナイトの結晶粒が粗大化し、靭性が低下する問題が生じる可能性がある。一方、上記再加熱温度が１０５０℃未満である場合には、Ｔｉ、Ｎｂなどが十分固溶しない場合が生じて強度の低下をもたらすことがある。
熱間圧延段階
上記加熱されたスラブをポリゴナルフェライト形成に有利であることができるように、比較的高い温度で圧延を終了する。具体的には、仕上げ圧延終了温度が８３０～９７０℃になるように熱間圧延して厚鋼板を得る。
冷却段階
本発明における熱間圧延後の冷却は、目標組織の実現において非常に重要な工程である。本発明における冷却工程は、通常のＴＭＣＰ圧延での冷却とは異なり、１次冷却－維持－２次冷却の３段階で行われる。
１次冷却はフェライト変態開始温度であるＡｒ３以下を１次冷却終了温度に設定し、冷却速度は最小限に抑えることが好ましい。本発明でＡｒ３以下を１次冷却終了温度に設定する理由は、空冷によりポリゴナルフェライトを形成させるためである。より好ましくは、上記１次冷却終了温度は６３０～７００℃が適正であり、冷却速度は１０～３０℃／秒が適正である。
１次冷却を終えた後、再び冷却を行わずそのまま維持する維持段階を進行する。維持段階では、炭素の拡散を誘発して結晶粒界または結晶粒内で第２相の形成を促進する。より具体的には、５～１２秒を維持することが好ましい。
上記維持段階を終えた後、最後に２次冷却を行う。２次冷却は３００～５００℃の２次冷却終了温度及び最大冷却速度約１５～６０℃／秒の条件で行うことができる。上記２次冷却により、ＭＡ及び分節されたパーライトが形成されることができる。また、低い冷却終了温度により引張強度の上昇を確保することができる。
上述した製造方法によって製造された構造用鋼は、２０μｍ以上の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが２０～５０％、２０μｍ以下の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが４０～７０％である微細組織を有することができる。また、第２相は分節されたパーライトまたはＭＡから構成され、それぞれの分率は１０％以下、２％以下であることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。但し、下記実施例は、本発明を例示して、より詳細に説明するためのものにすぎず、本発明の権利範囲を限定するためのものではない点に留意する必要がある。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項と、それから合理的に類推される事項によって決定されるものであるためである。
下記表１に示した成分組成を有する溶鋼を設けた後、連続鋳造を用いてスラブを製造した。上記スラブを下記表２の製造条件で圧延、冷却工程を介して鋼板を製造した。下記表３には、表２の製造条件で製造された鋼板の微細組織及び機械的物性を測定して記載した。
Figure 0007164718000001
Figure 0007164718000002
Figure 0007164718000003
上記表１における発明鋼Ａ～Ｄは、本発明で規定する成分範囲を満たす鋼板である。一方、比較鋼Ｅ、Ｆは、本発明で規定する成分範囲を満たしていない鋼板であり、比較鋼ＥはＣ含有量超過、比較鋼ＦはＮｂ含有量超過の鋼である。本発明で提示した合金組成及び製造条件をすべて満たす発明例は、降伏強度３５０ＭＰａ、引張強度４５０ＭＰａ以上を確保することができ、母材－６０℃の衝撃靭性が１００Ｊ以上、降伏比が８５％以下であることが分かる。
発明例１～４の場合、成分をすべて満たし、１次冷却－維持－２次冷却プロセスを介して微細組織を制御することによって目標とする低降伏比及び低温靭性を確保した。特に、図１の微細組織を有する発明例１の場合には、Ｎｂを添加しないものとして、より低い降伏比を有することが分かり、これはＮｂ添加によって組織微細化とアシキュラーフェライト組織の形成を抑制し、ポリゴナルフェライトを形成させたためである。
比較例１～３の場合には、成分は満たすものの本発明の製造条件を満たさない実施例であって、いずれも降伏比８５％を超えることが分かる。降伏比が８５％を超える理由は次のとおりである。比較例１は、１次冷却温度をＡｒ３以上で終了した場合として、１次冷却の間フェライト変態が形成されなかったためであり、比較例２は、低温で圧延が行われ、組織の微細化により降伏強度が増加したためである。比較例３は、通常のＴＭＣＰ冷却が適用されて微細アシキュラーフェライト形成により降伏比が上昇したためである。また、比較例３は、主組織がベイナイトであるため、フェライト分率が小さかった。このような通常のＴＭＣＰ冷却で製造された鋼板の微細組織を図２に示した。発明例とは異なってベイナイトの形成及び第２相の不足により降伏比が高くなることが分かる。
比較例４、５の場合、製造条件は満たしたもののＣ及びＮｂ成分が超過したものとして、Ｃ成分が超過された場合には、－４０、－６０℃で衝撃特性が劣化したことが分かり、Ｎｂ成分が超過された場合には、結晶粒の微細化及びベイナイト性の組織の促進により降伏比が上昇するようになった。
以上、実施例を参照して説明したが、当該技術分野における熟練した通常の技術者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で、本発明の多様な修正及び変更が可能であるということを理解することができる。

Claims (5)

  1. 重量％で、Ｃ：０．０５～０．１２％、Ｓｉ：０．０５～０．４％、Ｍｎ：１．０～２．０％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１５～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０２％、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｎ：０．００２～０．００８％、残部はＦｅ及びその他の不可避不純物からなり、
    微細組織が、面積分率で、ポリゴナルフェライト９０％以上、第２相として擬似パーライト１０％以下及びＭＡ２％以下を含み、
    前記ポリゴナルフェライトにおいて、２０μｍ以上の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが２０～５０％であり、２０μｍ未満の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが４０～７０％であることを特徴とする構造用鋼板。
  2. 降伏強度（ＹＳ）が３５０ＭＰａ以上、引張強度（ＴＳ）が４５０ＭＰａ以上であり、降伏比（ＹＳ／ＴＳ）が８５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の構造用鋼板。
  3. 延伸率が２０％以上、－４０℃における衝撃靭性が６０Ｊ以上、－６０℃における低温衝撃靭性が１００Ｊ以上であることを特徴とする請求項１に記載の構造用鋼板。
  4. 前記構造用鋼板は、厚さ５０ｍｍ以下の厚鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の構造用鋼板。
  5. 重量％で、Ｃ：０．０５～０．１２％、Ｓｉ：０．０５～０．４％、Ｍｎ：１．０～２．０％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１５～０．０４％、Ｔｉ：０．００５～０．０２％、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｎ：０．００２～０．００８％、残部はＦｅ及びその他の不可避不純物からなるスラブを１０５０～１１５０℃の温度範囲で再加熱する段階、
    再加熱した前記スラブを８３０～９７０℃の仕上げ圧延温度で熱間圧延する段階、
    圧延された鋼板を６３０～７００℃の１次冷却終了温度まで１０～３０℃／秒の冷却速度で冷却する１次冷却段階、
    前記１次冷却を終えた後、５～１２秒間維持する維持段階、及び
    前記維持段階後、３００～５００℃の２次冷却終了温度まで１５～６０℃／秒の冷却速度で冷却する２次冷却段階を含み、
    微細組織が、面積分率で、ポリゴナルフェライト９０％以上、第２相として擬似パーライト１０％以下及びＭＡ２％以下を含み、
    前記ポリゴナルフェライトにおいて、２０μｍ以上の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが２０～５０％であり、２０μｍ未満の結晶粒大きさを有するポリゴナルフェライトが４０～７０％であることを特徴とする構造用鋼板の製造方法。
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