JPH0543977A - 溶接用低温高靱性鋼の製造方法 - Google Patents

溶接用低温高靱性鋼の製造方法

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JPH0543977A
JPH0543977A JP3228654A JP22865491A JPH0543977A JP H0543977 A JPH0543977 A JP H0543977A JP 3228654 A JP3228654 A JP 3228654A JP 22865491 A JP22865491 A JP 22865491A JP H0543977 A JPH0543977 A JP H0543977A
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Kentaro Okamoto
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Koichi Yamamoto
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は粒内フェライト粒としてのTi酸化
物を均一多量分散することによりHAZ組織を微細化し
てすぐれたHAZ靱性を有する鋼の製造方法を提供す
る。 【構成】 適切な成分範囲の鋼において、溶鋼中の酸素
量を限定した上で、TiとMgを溶鋼中に複合添加する
ことにより凝固後の鋼材中にTiを含有する微細な酸化
物を均一多量に分散させることができる。その結果、溶
接熱影響部の組織が微細化し、大入熱溶接条件も含めて
鋼材のHAZ靱性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は溶接入熱が200kJ/
cm程度の大入熱溶接に至る広範な入熱の溶接において
も良好な溶接熱影響部の低温靱性を有する溶接用低温高
靱性鋼の製造方法にかかわるものである。
【0002】
【従来の技術】近年、海洋構造物、船舶等、大型構造物
の材質に対する要求は安全性確保の点から厳しさを増し
ている。特に母材に比べて材質が劣化する傾向にある溶
接熱影響部の低温靱性の向上が望まれている。一般に鋼
材をサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接など
の溶接入熱の大きい自動溶接を行うと、溶接熱影響部
(以下、HAZと称する)のオーステナイト結晶粒の粗
大化が行われることによりHAZの組織が粗くなり、H
AZ靱性が著しく低下する。HAZ靱性向上のためには
HAZ、特に高温にさらされる融合部(フュージョンラ
イン、以下FLと称する)近傍のHAZ組織を微細化す
る必要がある。従来、以下に示すような種々のHAZ組
織微細化方法が提案さている。例えば、昭和54年6月
発行の「鉄と鋼」第65巻第8号1232頁において
は、TiNを微細析出させることによりHAZのオース
テナイト粒を微細化して、50kgf/mm2級高張力
鋼の大入熱溶接時のHAZ靱性を改善する技術が開示さ
れているが、TiNはFL直近では溶接時に大部分が溶
解し、オーステナイトの粗粒化と固溶Nの増加とにより
HAZ靱性の劣化が避けられないという欠点が存在す
る。ごく最近では、例えば特開昭61−117213号
公報に見られるようにオーステナイトの細粒化によらず
に粒内フェライトを生成させることによりHAZ組織の
微細化を図る技術が開発されている。特に粒内フェライ
トの生成核としてTi酸化物が有効であり、Ti酸化物
は高温にさらされても溶解することがなく、FL直近で
も粒内フェライトの核として働き、組織微細化が可能
で、TiN等を利用した鋼に比較してFL近傍のHAZ
靱性の著しい改善が可能であることが例えば特開昭61
−117245号公報に示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】Ti酸化物を粒内フェ
ライト変態核とした場合はTiNや他の複合炭窒化物等
を核とした場合に比べて高温安定性には優れているが、
酸化物であるため、凝固時にその分散状態が決定される
ため、炭窒化物に比べて分散状態の制御が困難であり、
またTi酸化物の個数自体も現状の製鋼、凝固法におい
てはTiNなどと比べて少ない。さらに、粗大なTi酸
化物ができやすく、その場合には酸化物自身が脆性破壊
の起点となってHAZ靱性劣化を招く。従って、酸化物
を用いた鋼材で安定したHAZ靱性を確保し、一層のH
AZ靱性向上を図るためには粒内フェライトの核となり
得る酸化物を微細、多量且つ均一に分布できる手法が必
要となる。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は鋼中に安定して
微細分散し、且つ粒内フェライトの生成核となる酸化物
の検討を種々行った結果、発明に至ったものであり、そ
の要旨とするところは、重量%で、C:0.02〜0.
18%、Si:0.5%以下、Mn:0.4〜2.0
%、S:0.001〜0.01%、N:0.006%以
下、Al:0.006%以下を基本成分として、必要に
応じてさらに、Cr:1.0%以下、Ni:3.0%以
下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下、Nb:
0.05%以下、Cu:1.5%以下の1種または2種
以上を含有し、不純物としてP:0.015%以下、残
部はFe及び不可避不純物からなる溶鋼中のO量を0.
0020〜0.015%とし、TiとMgをTi:0.
005〜0.020%、Mg:0.001〜0.01%
の範囲で溶鋼中に添加後、凝固させることを特徴とする
溶接用低温高靱性鋼の製造方法にある。
【0005】
【作用】本発明はFL直近の高温にさらされるHAZに
おいても安定に存在し得る酸化物の内で、粒内フェライ
トの生成核として有効に働き、且つ従来のTi酸化物を
利用した鋼以上に鋼中に安定して多量に均一微細分散
し、HAZ靱性を著しく改善することができる酸化物を
含む鋼について種々検討した結果、発明に至ったもので
ある。即ち、Alのような強脱酸元素を実質的に添加せ
ずにTiを溶鋼中に添加し凝固させることによりTiを
含有する酸化物が鋼材中に微細に分散し、HAZ靱性が
向上するが、さらにMgを溶鋼中に添加することにより
Tiを単独に添加する場合以上にTiを含有する酸化物
が多量かつ微細分散し、これにより粒内フェライトの多
量の生成核が確保され、HAZ靱性がいっそう向上す
る。
【0006】図1、図2はC:約0.06%、Si:約
0.05〜0.2%、Mn:約1.4%、Ni:約0.
3%、Cu:約0.3%、Nb:約0.015%、P:
約0.005%、S:約0.0030%、N:約0.0
05%程度の化学成分を有する鋼を真空溶解炉で溶製
し、Al、Ti、Mgの添加前の溶鋼中酸素量を約0.
004%とした上で、溶鋼中にそれぞれ、Al:0.0
4%及びTi:0.005〜0.015%、Ti:0.
005〜0.015%のみ、Ti:0.005〜0.0
15%及びMg:0.0020〜0.010%を添加し
て凝固させた鋼の溶接再現熱サイクル靱性とTiを含有
する酸化物の個数との関係を調べた結果である。いずれ
もAl,Ti,Mg等を添加後、鋳型に鋳込み、重量2
5kgfのインゴットとしたものを、板厚13mmに熱
間圧延して素材とした。素材より採取した試験片にFL
近傍のHAZの受ける熱履歴をシミュレートした溶接再
現熱サイクルを加えた。溶接再現熱サイクル条件は加熱
温度1400℃、保持時間1秒で、800〜500℃ま
での冷却時間(Δ8/5)がサブマージアーク(SAW)
溶接の中入熱溶接に相当する40秒と大入熱溶接に相当
する161秒の2種類とした。溶接再現熱サイクル靱性
(シャルピー試験における50%破面遷移温度:vTr
s)はいずれの冷却条件においても抽出レプリカの透過
型電子顕微鏡観察により求めた粒子径が0.1μm〜2
μmの微細なTiを含有する酸化物個数と良好な相関を
示し、TiとMgを複合添加した鋼はTiを含有する微
細な酸化物個数がAl添加鋼はもちろん、Tiを単独添
加した鋼より多く、その分靱性が向上する。
【0007】以上の実験結果から酸化物を用いた鋼材で
安定したHAZ靱性を確保し、Ti酸化物を利用した鋼
以上の一層のHAZ靱性向上を図るための方法として、
TiとMgを溶鋼中に適切量添加することにより、粒内
フェライトの核となるTiを含有する酸化物を微細、多
量且つ均一に分布できることが明白となった。なお、本
発明における粒内フェライト核となりえるTiを含有す
る酸化物中にはTiとO以外に若干のMgが存在する。
また、鋼中や原料の不純物から微量に他の元素が酸化物
中に含まれることもあるが、本発明法により製造した場
合には粒内フェライト生成能は変化しない。TiとMg
の添加量は以下に述べる理由から溶鋼重量に対し、T
i:0.005〜0.020%、Mg:0.0010〜
0.010%の範囲が好ましい。先ず、Tiは0.00
5%未満では必要な酸化物量を確保できないので、0.
005%以上は必要である。また、Tiは酸化物を形成
する以外に、TiNを形成することによって母材の加熱
オーステナイトの細粒化やHAZのFLから遠い領域で
のオーステナイト細粒化を生じさせ、母材、HAZの靱
性向上に有効であるので、酸化物を形成する量以上に含
有させることが可能であるが、0.020%を超えると
粗大なTiNが形成されたり、析出脆化を生じる恐れが
あるため、0.005〜0.020%の範囲での添加が
好ましい。
【0008】次に、MgはTiと溶鋼中に複合添加する
ことにより、凝固後の鋼材中にTiを含有する酸化物を
多量、均一かつ微細に分散させる上で非常に効果のある
元素であるが、0.0010%以上添加しないと明確に
その効果が現れない。一方、0.010%を超える添加
では粗大な酸化物を生じる恐れがあるため、0.001
〜0.010%の範囲での添加が有効である。溶鋼に添
加するTiとMgは純金属である必要はなく、他の元素
との合金等、一般的に使用される溶解用原料でも問題は
ない。また、TiとMgの添加順序についても極端に添
加の間隔が長くなければどちらが先でも、あるいは同時
に添加しても本発明の効果を損なうものではない。
【0009】さらに本発明の要件は酸化物を形成するこ
とにあるので、TiとMgの添加量に加えて、添加前の
溶鋼中のO濃度が重要である。本発明者らの検討結果よ
れば、Oが0.0020%未満では粒内フェライト生成
に必要なTiを含有する酸化物量が十分に確保できな
い。一方、0.015%を超えるO濃度の溶鋼中にT
i,Mgを添加すると、粗大な酸化物の形成が促進され
て酸化物の個数としては減少する上に、粗大な酸化物は
それ自身が破壊の起点となって靱性に悪影響を及ぼすよ
うになる。従って、TiとMgを添加するときの溶鋼中
のO濃度は、0.0020〜0.015%とする必要が
ある。凝固後の鋼材は何らかの手段により所望の形状、
とするが、鋼材は通常の熱間圧延ままのもの、制御圧延
をしたもの、さらにこれに制御冷却や、制御冷却後焼戻
しを加えたもの、あるいは、焼入れ・焼戻しや焼きなら
し等、いずれの方法によって所望の形状としても該酸化
物のHAZ靱性に対する効果は何ら影響を受けることは
ない。
【0010】次に、本発明鋼の基本成分範囲の限定理由
について述べる。先ず、Cは鋼の強度を向上させる有効
な成分として添加するもので、0.02%未満では構造
溶鋼に必要な強度の確保が困難であり、また、0.18
%を超える過剰の添加は耐溶接割れ性などを著しく低下
させるので、0.02〜0.18%の範囲とした。次
に、Siは母材の強度確保に有効な元素であるが、0.
5%を超える過剰の添加はHAZに高炭素島状マルテン
サイトを生成して靱性を低下させるため、上限を0.5
%とした。また、Mnは母材の強度靱性の確保に必要な
元素であり、最低限0.4%以上添加する必要がある
が、溶接部の靱性、割れ性など許容できる範囲で上限を
2.0%とした。SについてはMnSを形成してフェラ
イト形成を助長する元素であるので、0.001%以上
必要であるが、0.01%を超える過剰の添加は粗大な
A系介在物を形成して母材の延性、靱性の低下と機械的
性質の異方性の増加を招く上から避けるべきであり、従
って、Sは0.01〜0.01%の範囲とした。Nは特
に大入熱溶接時に高炭素島状マルテンサイトを生成して
靱性を低下させるため、上限を0.006%とした。A
lは通常の鋼では脱酸、母材の細粒化、等に必要な元素
であるが、通常アルミキルド程度の添加でも溶鋼酸素量
を著しく低下させ、フェライト生成核となるTiを含有
する酸化物の形成が難しくなるため、上限を0.006
%とした。一方、Pは母材、溶接部とも靱性に悪影響を
及ぼすので、極力低減するべきであり、上限を0.01
5%とした。
【0011】以上が本発明鋼の基本成分であるが、母材
強度の上昇、母材及びHAZ靱性向上の目的で、必要に
応じてCr,Ni,Mo,V,Nb,Cuの1種または
2種以上を含有することができる。先ず、Niは母材の
強度、靱性とHAZの靱性を同時に向上できる極めて有
効な元素であるが、3.0%を超す過剰の添加をすると
焼入性の増加により本発明鋼に必要な粒内フェライトの
形成が抑制され、HAZ靱性が劣化するため、上限を
3.0%とした。次に、Cuは母材強度を高める割には
HAZの硬さ上昇が少ないという点で有効な元素である
が、応力除去焼鈍によるHAZの硬化、靱性劣化の恐れ
があることから、上限を1.5%とした。さらにNb,
V,Cr,Moは焼入性の向上と析出硬化により母材の
強度上昇に有効な元素であるが、上限値を超える添加は
HAZ靱性の劣化を招くので、Nb,V,Cr,Moの
それぞれについて上限を0.05%、0.1%、1.0
%、0.5%とした。次に、本発明の効果を実施例によ
ってさらに具体的に述べる。
【0012】
【実施例】表1に本発明に従って試作した鋼板及び比較
鋼板の化学成分、Tiを含有し、粒子径が0.1〜2.
0μmの酸化物の個数、溶接部の靱性等を示す。ここ
で、No.1〜No.12が本発明鋼であり、No.1
3〜No.18が比較鋼である。本発明鋼、比較鋼とも
圧延により20mm及び30mmの鋼板とした。20m
m材についてはX開先で、電流700A、電圧32V、
溶接速度30cm/min、入熱45kJ/cmの両面
1層1電極潜孤溶接(サブマージアーク溶接)を行っ
た。30mm材についてはY開先で、電流1380A
(L極)、1150A(Ti極)、1040A(T2
極)、電圧36V(L極)、42V(Ti極)、46V
(T2極)、溶接速度45cm/min、入熱194k
J/cmの片面1層3電極サブマージアーク溶接を行
い、いずれも2mmVノッチシャルピー衝撃試験片を、
試験片長手方向が溶接方向に直角で、板表面から7mm
の位置が試験片の中心部となり、溶接金属とHAZの境
界(融合部:FL)からHAZ側に1mm入った位置が
ノッチ位置となり、ノツチが板表面に垂直な面に入るよ
う採取し、−60℃で試験を実施した。表1から明らか
なように、本発明鋼は比較鋼に比べて優れたHAZ靱性
を有し、−60℃の低温でも構造物の安全性確保に十分
なシャルピー試験の吸収エネルギーを示すことが分か
る。即ち、本発明鋼はいずれも粒子径0.1〜2.0μ
mの微細な複合酸化物が多量に鋼中に分散しており、そ
の結果として、入熱40kJ/cmの両面1層溶接だけ
でなく、入熱194kJ/cmの片面1層の大入熱溶接
においてもきわめて優れたシャルピー特性を示してい
る。
【0013】一方、比較鋼のNo.13はAlを実質的
に含有し、且つMgを溶鋼中に添加していないため、酸
化物の個数が少なく、従って、HAZ靱性が劣る。N
o.14,15はAlは含有しておらず、No.13に
比べてHAZ靱性は優れているが、Mgを添加していな
いため、TiとMgの両方を溶鋼中に添加した本発明鋼
に比べてHAZ靱性は劣る。No.16は溶鋼中のO濃
度が本発明の範囲より低いため、TiとMgの両方を添
加しているにもかかわらず酸化物の個数が不十分で、H
AZ靱性のばらつきが大きく、最低値が低い。比較鋼N
o.17はMgの添加量が過剰なため、酸化物の個数も
少なく、粗大な酸化物が存在するため、HAZ靱性は劣
る。No.18は逆にTi添加量が過剰なため、同様に
酸化物個数も少なく、粗大酸化物も多くなるためHAZ
靱性は劣化する。以上の実施例から本発明によれば、2
00kJ/cm程度の大入熱溶接に至るまで極めて優れ
たHAZ靱性が得られることが明白である。
【0014】
【表1A】
【0015】
【表1B】
【0016】1)抽出レプリカを作製し、電子顕微鏡で
20視野撮影し、5000倍の写真から粒子径、個数を
測定。Ti含有の有無はEDX分析により確認 2)N:焼きならし QT:焼入れ−焼戻し TMC
P:制御圧延−制御冷却−焼戻し 3)試験片は溶接線に直角な方向で、試験片の中心部が
鋼板表面から7mmとなる位置より採取。ノッチはFL
からHAZ側に1mmずれた位置に鋼板表面に垂直に導
入。 4)吸収エネルギーの表示は3本の測定値の最小値/平
均値
【0017】
【発明の効果】Ti酸化物を利用してHAZ組織に粒内
フェライトを生成させて組織の微細化を図る技術はHA
Z靱性向上のための優れた技術である。さらに本発明は
溶鋼中にTiとMgを添加することによりTiを含有す
る酸化物の多量且つ均一微細分散を達成できる技術であ
り、その結果として一層のHAZ靱性向上が図れる。従
って、より過酷な使用条件に対しても安全性の高い溶接
構造用鋼を提供することが可能となるものであり、その
効果は極めて顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Tiを含有し、粒子径が0.1〜2.0μmの
酸化物の個数とΔ8/5=40秒の溶接再現熱サイクルを
加えたときのシャルピー特性の関係を示す図、
【図2】Tiを含有し、粒子径が0.1〜2.0μmの
酸化物の個数とΔ8/5=161秒の溶接再現熱サイクル
を加えたときのシャルピー特性の関係を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年9月16日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正内容】
【0006】図1、図2はC:約0.06%、Si:約
0.05〜0.2%、Mn:約1.4%、Ni:約0.
3%、Cu:約0.3%、Nb:約0.015%、P:
約0.005%、S:約0.0030%、N:約0.0
05%程度の化学成分を有する鋼を真空溶解炉で溶製
し、A1、Ti、Mgの添加前の溶鋼中酸素量を約0.
004%とした上で、溶鋼中にそれぞれ、A1:0.0
4%及びTi:0.005〜0.015%、Ti:0.
005〜0.015%のみ、Ti:0.005〜0.0
15%及びMg:0.0020〜0.010%を添加し
て凝固させた鋼の溶接再現熱サイクル靭性とTiを含有
する酸化物の個数との関係を調べた結果である。いずれ
もA1,Ti,Mg等を添加後、鋳型に鋳込み、重量2
5kgfのインゴットとしたものを、板厚13mmに熱
間圧延して素材とした。素材より採取した試験片にFL
近傍のHAZの受ける熱履歴をシミユレートした溶接再
現熱サイクルを加えた。溶接再現熱サイクル条件は加熱
温度1400℃、保持時間1秒で、800〜500℃ま
での冷却時間(Δtがサブマージアーク(SA
W)溶接の中入熱溶接に相当する40秒と大入熱溶接に
相当する161秒の2種類とした。溶接再現熱サイクル
靭性(シャルピー試験における50%破面遷移温度:v
Trs)はいずれの冷却条件においても抽出レプリカの
透過型電子顕微鏡観察により求めた粒子径が0.1μm
〜2μmの微細なTiを含有する酸化物個数と良好な相
関を示し、TiとMgを複合添加した鋼はTiを含有す
る微細な酸化物個数がA1添加鋼はもちろん、Tiを単
独添加した鋼より多く、その分靱性が向上する。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0010
【補正方法】変更
【補正内容】
【0010】次に、本発明鋼の基本成分範囲の限定理由
について述べる。先ず、Cは鋼の強度を向上させる有効
な成分として添加するもので、0.02%未満では構造
用鋼に必要な強度の確保が困難であり、また、0.18
%を超える過剰の添加は耐溶接割れ性などを著しく低下
させるので、0.02〜0.18%の範囲とした。次
に、Siは母材の強度確保に有効な元素であるが、0.
5%を超える過剰の添加はHAZに高炭素島状マルテン
サイトを生成して靭性を低下させるため、上限を0.5
%とした。また、Mnは母材の強度靭性の確保に必要な
元素であり、最低限0.4%以上添加する必要がある
が、溶接部の靱性、割れ性など許容できる範囲で上限を
2.0%とした。SについてはMnSを形成してフェラ
イト形成を助長する元素であるので、0.001%以上
必要であるが、0.01%を超える過剰の添加は粗大な
A系介在物を形成して母材の延性、靭性の低下と機械的
性質の異方性の増加を招く上から避けるべきであり、従
って、Sは0.01〜0.01%の範囲とした。Nは特
に大入熱溶接時に高炭素島状マルテンサイトを生成して
靭性を低下させるため、上限を0.006%とした。A
1は通常の鋼では脱酸、母材の細粒化、等に必要な元素
であるが、通常アルミキルド程度の添加でも溶鋼酸素量
を著しく低下させ、フェライト生成核となるTiを含有
する酸化物の形成が難しくなるため、上限を0.006
%とした。一方、Pは母材、溶接部とも靭性に悪影響を
及ぼすので、極力低減するべきであり、上限を0.01
5%とした。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0015
【補正方法】変更
【補正内容】
【0015】
【表1B】
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】Tiを含有し、粒子径が0.1〜2.0μmの
酸化物の個数とΔt =40秒の溶接再現熱サイク
ルを加えたときのシャルピー特性の関係を示す図、
【図2】Tiを含有し、粒子径が0.1〜2.0μmの
酸化物の個数とΔt =161秒の溶接再現熱サイ
クルを加えたときのシャルピー特性の関係を示す図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 広一 大阪府堺市築港八幡町1番地 新日本製鐵 株式会社堺製鐵所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で C :0.02〜0.18% Si:0.5%以下 Mn:0.4〜2.0% S :0.001〜0.010% N :0.006%以下 Al:0.006%以下 を基本成分とし、不純物としてP:0.015%以下、
    残部はFe及び不可避不純物からなる溶鋼中のO量を
    0.0020〜0.015%とし、TiとMgをTi:
    0.005〜0.020%、Mg:0.001〜0.0
    10%の範囲で溶鋼中に添加後、凝固させることを特徴
    とする溶接用低温高靱性鋼の製造方法。
  2. 【請求項2】 重量%で Cr:1.0%以下 Ni:3.0%以下 Mo:0.5%以下 V :0.1%以下 Nb:0.05%以下 Cu:1.5%以下 の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求
    項第1項記載の溶接用低温高靱性鋼の製造方法。
JP3228654A 1991-08-14 1991-08-14 溶接用低温高靱性鋼の製造方法 Expired - Lifetime JP2940647B2 (ja)

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