JPWO2015093321A1 - H形鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2013年12月16日に、日本に出願された特願2013−259410号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
しかしながら、フランジ厚が100mm以上の極厚H形鋼を圧延によって製造する場合、圧延過程において表面と内部との温度差が大きくなる。本発明者らは、計算機シミュレーションによって検討を行った結果、例えば、フランジ厚125mmのH形鋼を製造する場合、圧延過程において表面と内部との温度差が200℃以上にも達することを見出した。
上述したように、フランジ厚が100mm以上の極厚H形鋼では、表面における圧延終了温度をAr3点以上とすると、板厚内部、特にフランジの長さ方向で表面から1/2の位置、厚さ方向で表面から3/4の位置において、圧延仕上温度が1000℃以上となる。そのため、極厚H形鋼では、低温圧延によるオーステナイト粒の微細化は困難である。
本発明者らは、従来母材の靭性向上に適用されていない、酸化物粒子によるピニング効果を、極厚H形鋼の母材の靭性向上に適用する事を発案した。
具体的には、本発明者らは、熱間圧延工程において、オーステナイト粒径を微細化するのに必要な粒子の種類、サイズ(粒子径)及び密度、並びに望ましい鋼材の化学組成について、詳細に検討を重ねた。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15・・・(式i)
ここで、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは各元素の含有量%で、含有されていない元素は含有量0%とする。
Cr:0.01〜0.50%、
Cu:0.01〜0.30%、
Mo:0.001〜0.30%、
W :0.01〜0.50%、
のうち、1種又は2種以上を含有してもよい。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15・・・(式ii)
靭性及び強度の向上に寄与するNiの含有量を制限した場合であっても、Ceqを制御し、熱間圧延後に加速冷却を施して製造することで、オーステナイト粒界から変態するフェライトの生成が抑制される。その結果、強度評価部位7の組織においてベイナイトの面積率が80%以上とすることができる。
Cは、鋼の高強度化に有効な元素である。この効果を得るため、C含有量の下限を0.05%とする。好ましいC含有量の下限は、0.08%である。一方、C含有量が0.16%を超えると粗大な炭化物が生成し、靭性が低下する。そのため、C含有量の上限を0.16%とする。靭性を向上させるためには、C含有量の上限を0.12%とすることが好ましい。
Siは、脱酸元素であり、強度の向上にも寄与する元素である。これらの効果を得るため、Si含有量の下限を0.01%とする。一方、Si含有量が過剰であると硬質相であるマルテンサイト−オーステナイト混合物(MA)の生成が助長され、靭性が劣化する。そのため、Si含有量の上限を0.50%とする。靭性を確保するためには、Si含有量の上限は、0.30%が好ましく、0.20%がより好ましい。
Mnは、焼入れ性の向上による鋼の高強度化に有効な元素である。この効果を得るため、Mn含有量の下限を0.80%とする。好ましいMn含有量の下限は1.00%である。一方、Mn含有量が2.00%を超えると鋼中に存在するMnSが粗大化し、靭性が低下する。そのため、Mn含有量の上限を2.00%とする。
Niは、鋼材の強度及び靭性を高めるために、極めて有効な元素である。極厚H形鋼の靭性を確保するため、Ni含有量の下限を0.05%とする。好ましいNi含有量の下限は0.10%である。一方で、Niは、高価な元素であり、Ni含有量が0.50%超であると合金コストの上昇を招く。そのため、Ni含有量の上限を0.50%とする。好ましいNi含有量の上限は0.30%である。
Vは、焼入れ性の向上に寄与する元素である。またVは、更には炭窒化物を生成し、組織の微細化及び析出強化にも寄与する元素である。これらの効果を得るため、V含有量の下限を0.01%とする。好ましいV含有量の下限は、0.05%である。一方、V含有量が過剰であると、析出物が粗大化して靭性を損なうことがある。そのため、V含有量の上限を0.20%とする。好ましいV含有量の上限は0.08%である。
Tiは、Ti酸化物を形成しピニングによるオーステナイトの細粒化をもたらす元素であり、靭性向上に有効な元素である。この効果を得るため、Ti含有量の下限を0.005%以上とする。しかし、Ti含有量が0.030%を超えると、粗大なTiCが生成し、靭性が損なわれるので、Ti含有量の上限を0.030%とする。粗大なTiC析出物の生成による靭性の低下をより抑制するために、Ti含有量の上限を0.020%にすることが好ましい。
Nは、TiNやVNを形成することで組織の細粒化や析出強化に寄与する元素である。この効果を得るため、N含有量の下限を0.0010%とする。一方、N含有量が過剰になると、母材の靭性が低下する。そのため、N含有量の上限を0.0100%とする。好ましいN含有量の上限は0.0060%である。
Oは、本実施形態に係るH形鋼中において、Ti酸化物を形成するために必要な元素である。そのため、O含有量の下限を0.0005%とする。一方、O含有量が過剰であると、酸化物が粗大化し、靭性の劣化を招く。そのため、O含有量の上限を0.0100%とする。O含有量の上限は、0.0050%が好ましい。
Alは、溶鋼中でTiよりも優先的にOと結合し、Ti酸化物の生成を阻害する。そのため、Ti酸化物を生成させるためにはAl含有量は少ないほうが好ましい。Alは実質的に含有しないことが好ましいが、工業的な制約を考慮して、許容できるAlの上限を0.005%とする。好ましいAl含有量の上限は0.003%である。
Nbは、通常、組織の微細化や、析出強化、更には焼入れ性の向上に寄与する有用な元素である。しかし、本実施形態に係るH形鋼では、Nbを含有すると、NbCの析出により著しく靭性が低下するという新たな知見が得られている。そのため、Nbは含有しないことが好ましく、Nb含有量の上限を0.010%に制限する。
Bは、通常、微量の添加で焼入れ性の向上に顕著に寄与する元素である。しかし、Ti酸化物を含有する本実施形態に係るH形鋼に含有させた場合、微細なTi酸化物を核としてBNが析出する。このBNは、フェライトの生成核となり、焼入れ性を低下させ、強度を低下させることが、新たに知見されている。したがって、強度確保の観点からB含有量は少ない方が好ましく、B含有量の上限を0.0005%に制限する。
Mgは、溶鋼中でTiよりも優先的にOと結合し、Ti酸化物の生成を阻害する。そのため、Mg含有量は少ない方が好ましい。Mgは実質的に含有しない方が好ましいが、製造工程で混入する場合がある。そのため、工業的な制約を考慮して、Mg含有量の上限を0.0003%としてもよい。
Caは、溶鋼中でTiよりも優先的にOと結合し、Ti酸化物の生成を阻害するので、Caは少ない方が好ましい。Caは実質的に含有しない方が好ましいが、工業的な制約を考慮して、Ca含有量の上限を0.0003%としてもよい。
Crは、焼入れ性を向上させることにより、鋼の高強度化に寄与する元素である。焼入れ性向上の効果を得る場合、0.01%以上のCrを含有させることが好ましく、0.10%以上を含有させることがより好ましい。一方、Cr含有量が0.50%を超えると、MAの生成が助長されたり、Cr炭化物が粗大化することによって靭性が低下したりすることがある。したがって、Cr含有量の上限は0.50%に制限する。より好ましくはCr含有量の上限は0.30%である。
Cuは、焼入れ性の向上と析出強化によって鋼の高強度化に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、0.01%以上のCuを含有させることが好ましく、0.10%以上を含有させることがより好ましい。一方、Cu含有量が過剰であるとMAの生成が助長され、靭性が低下することがある。そのため、Cu含有量の上限を0.30%とする。より好ましいCu含有量の上限は0.20%である。
Moは、焼入れ性を向上させることによって鋼の高強度化に寄与する元素である。この効果を得るためには、0.001%以上のMoを含有させることが好まく、0.01%以上のMo含有させることがより好ましい。一方、Mo含有量が0.30%超であるとMAの生成が助長され靭性が低下することがある。そのため、Mo含有量の上限は0.30%とする。靭性の低下を防ぐにはMo含有量の上限を0.20%とすることがより好ましい。
Wは、Moと同様、焼入性を向上させることによって鋼の高強度化に寄与する元素である。この効果を得るためには、W含有量の下限を0.01%とすることが好ましい。一方、W含有量が0.50%超であるとMAの生成が助長され靭性が低下することがある。そのため、W含有量の上限は0.50%とする。より好ましいW含有量の上限は0.30%である。
本発明では、焼入れ性を高め、ベイナイトを生成させるために、下記(式1)に示す炭素当量Ceqを0.35〜0.50%とする。Ceqが0.35%未満であるとベイナイトの生成が不十分になり、強度及び靭性が低下する。好ましくは、Ceqを0.38%以上とし、より好ましくは0.40%以上とする。一方、Ceqが0.50%を超えると、強度が高くなりすぎて、靭性が低下する。好ましくは、Ceqを0.45%以下とし、より好ましくは、0.43%以下とする。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15・・・(式1)
このような制御を行うことにより上記溶鋼を用いて鋳造された鋼片中に、粒径が0.01〜3.0μmであるTi酸化物が30個/mm2以上の密度で生成する。溶鋼中の酸素濃度、0.0100%を超えると酸化物が粗大化し、靭性が低下するので、0.0100%を上限とする。好ましい上限は0.0080%、より好ましい上限は、0.0060%、更に好ましい上限は、0.0040%である。また、酸素はTi酸化物を形成するために必要な元素であるので、溶鋼中の酸素濃度は0.0005%以上が必要である。
また、得られたH形鋼の図1に示す靭性評価部位8から、シャルピー試験片、オーステナイト粒径の測定に用いる試料、及び透過型電子顕微鏡(TEM)でTi酸化物を観察するためのサンプルを採取した。採取したシャルピー試験片を用いて靭性を評価し、粒径測定用の試料を用いてオーステナイト粒径を測定し、観察用サンプルを用いてTEM観察を行った。t1はウエブの板厚、t2はフランジの板厚、Fはフランジの長さ、Hは高さである。
製造No.35(成分No.29)は、B含有量が過剰であり、強度が低下している。製造No.36(成分No.30)は、Ti添加前の酸素量が過剰であり、靱性が低下している。
2a 粗圧延機
2b 中間圧延機
2c 仕上圧延機
3a 中間圧延機前後面の水冷装置
3b 仕上圧延機後面冷却装置
4 H形鋼
5 フランジ
6 ウエブ
7 強度評価部位
8 靭性評価部位
F フランジ長さ全長
H 高さ
t1 ウエブの板厚
t2 フランジの板厚
Claims (4)
- 質量%で、
C :0.05〜0.16%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.80〜2.00%、
Ni:0.05〜0.50%、
V :0.01〜0.20%、
Ti:0.005〜0.030%、
N :0.0010〜0.0100%、
O:0.0005〜0.0100%
Cr:0〜0.50%、
Cu:0〜0.30%、
Mo:0〜0.30%、
W :0〜0.50%、
を含有し、
Al:0.005%以下、
Nb:0.010%以下、
B:0.0005%以下、
に制限し、残部がFe及び不純物であり;
下記式1によって求められる炭素当量Ceqが0.35〜0.50%であり;
粒径が0.01〜3.0μmであるTi酸化物を30個/mm2以上の密度で有し;
フランジの板厚が100〜150mmであり;
前記フランジの長さ方向で表面から1/6、かつ、厚さ方向で表面から1/4の位置における、ベイナイト面積分率が80%以上であり、降伏強度又は0.2%耐力が450MPa以上であり、引張強度が550MPa以上であり;
前記フランジの前記長さ方向で前記表面から1/2、かつ、前記厚さ方向で前記表面から3/4の位置における、21℃でのシャルピー吸収エネルギーが100J以上であり、オーステナイト粒径の平均が50〜200μmである;
ことを特徴とするH形鋼。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15・・・(式1)
ここで、C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cuは各元素の含有量%で、含有されていない元素は含有量0%とする。 - 質量%で、
Cr:0.01〜0.50%、
Cu:0.01〜0.30%、
Mo:0.001〜0.30%、
W :0.01〜0.50%、
のうち、1種又は2種以上を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載のH形鋼。 - 請求項1又は2に記載のH形鋼の製造方法であって、
溶鋼中の酸素濃度が0.0005〜0.0100%になるように脱酸した後、Tiを添加し、更に、前記溶鋼の成分を、質量%で、C:0.05〜0.16%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.80〜2.00%、Ni:0.05〜0.50%、V:0.01〜0.20%、Ti:0.005〜0.030%、N:0.0010〜0.0100%、O:0.0005〜0.0100%、Cr:0〜0.50%、Cu:0〜0.30%、Mo:0〜0.30%、W:0〜0.50%を含有し、Al:0.005%以下、Nb:0.010%以下、B:0.0005%以下、に制限し、残部がFe及び不純物であり、下記式2によって求められる炭素当量Ceqが0.35〜0.50%となるように調整する精錬工程と;
前記溶鋼を鋳造して鋼片を得る鋳造工程と;
前記鋼片を1100〜1350℃に加熱する加熱工程と;
加熱された前記鋼片を、表面温度が800℃以上となるように熱間圧延を行ってH形鋼を得る熱間圧延工程と;
前記熱間圧延工程後の前記H形鋼を水冷する冷却工程と;
を有し、
前記冷却工程では、表面温度が300〜700℃の温度範囲内に復熱するように水冷条件を制御する
ことを特徴とするH形鋼の製造方法。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15・・・(式2) - 前記溶鋼の前記成分が、質量%で、Cr:0.01〜0.50%、Cu:0.01〜0.30%、Mo:0.001〜0.30%、W:0.01〜0.50%、のうち、1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項3に記載のH形鋼の製造方法。
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