JP4174041B2 - １１５０ＭＰａ以上の引張強さを有する溶接用鋼の製造法 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械、産業機械などの溶接を必要とし、かつ引張強さが1150MPa 以上を有する溶接用鋼板の製造法に関するものである。

高強度鋼、特に強度レベルが780MPa級鋼の製造方法については、一般に、鋼板をオーステナイト域まで加熱し冷却する焼入れ処理（RQ処理）を行い、それを焼き戻すことで、強度靭性を改善する方法が採用される。最近では、加工熱処理技術の発達により、圧延後、直ちに冷却（DQ処理）を行うことで、再加熱後の焼入れを省略する直接焼入れ鋼が適用される場合もある。

例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献７は、RQ処理鋼の例であり合金組成とRQ処理条件を組み合わせることを特徴とする。
特許文献１、特許文献６、特許文献１０および特許文献１１は、DQ処理鋼の例である。いずれも合金組成と加熱−圧延−冷却条件の組み合わせを特徴とする。多くの場合、DQ処理後、焼戻しが施されるが、特許文献１０は、圧延後の水冷ままで使用に耐える鋼板を提供するために、圧延後、直ちに急冷し、鋼板表面温度が400 〜150 ℃の温度域に達した時点で急冷を停止、その後放冷することを特徴とする。
特許文献８および特許文献９は、圧延ままで高強度鋼の製造を可能とするもので、圧延後の冷却速度を制御することでＶおよびＴｉの析出強化を利用することを特徴とする。
なお、焼戻し処理が適用さる場合、多くはＡｃ₁ 点以下の温度で適用されるのが一般的であり、温度条件としては、特許文献１では540 ℃以上、特許文献１０では、500 〜650 ℃などと開示されている。
特開平05-1323 号公報 特開平06-65633号公報 特開平06-145787 号公報 特開平06-346144 号公報 特開平09-31537号公報 特開平09-31538号公報 特開平09-67620号公報 特開平10-88231号公報 特開平10-88232号公報 特開平10-195532 号公報 特開2000-319726 号公報

近年、建設機械の大型化・性能向上の傾向から、部材の軽量化がさらに求められるようになり、その結果、従来使用されてきた780 〜950MPa級の引張強さを超える1150MPa 級鋼の製造が求められている。このような従来レベルを大きく超える高強度でかつ溶接しやすい鋼を提供するためには、従来発明された種々の製造方法では、炭素含有量や合金元素量に制約があり製造が困難である。また、引張強さの確保から合金元素が多量に添加される必要があり、溶接性の大幅な低下が懸念される。

一般に、焼入れされた鋼に焼戻し処理を施す場合、焼き戻し温度の上昇とともに、降伏点および靭性は向上する傾向にあるが、回復により400 ℃以上の温度では引張強さが著しく低下する傾向にある。従って、780MPa程度強度レベルの鋼の製造においては、製造方法の多くは、RQ後およびDQ後の焼戻しにおいては、目的とする強度−靭性を達成するために、合金元素量および焼戻し温度が適宜選択されていた。しかしながら、これらの方法では溶接性を損なわない程度に合金元素量を抑え、1150MPa 以上の引張強さを確保するためには、焼入れ後の焼戻しによる強度の低下をできるだけ小さくすることが必要である。このような場合、従来から、焼戻し時に析出強化をする合金元素（Cr,Mo,Ｖなど）を使用する方法や、焼戻し温度をできるだけ低温化するなどの技術が知られていた。
しかしながら、明瞭な析出強化を発揮させうるためには、多くの場合、550 ℃を超える高い焼戻し温度範囲が必要であり、より高い引張強さを得ようとすると、多量の合金添加が避けられない。

一方、焼戻し温度を低温化は、強度の低下が小さい分だけ強度確保に有利であり、合金元素添加量も低減できる可能性があるが、あまりその温度が低いと0.2 ％耐力得られないために、400 ℃以上の温度が必要である。しかしながら、このような低温での焼戻し温度においても、発明者らの実験によれば、焼入れ時に比べ、硬さが60ポイント程度低下するために、焼戻し後に1150MPa 以上を確保可能とするためには、現状の技術では上記の硬度差を考慮して、初期の焼入れ強度（焼入れ硬さ）を上げておかなければならず、このためには、炭素を多量に添加する必要が生じ、溶接性が著しく損なわれる懸念がある。従って、400 〜550 ℃の比較的低い温度で焼戻した時に、焼入れ時からの引張強さ（硬さ）の低下が小さい手段が必要となる。

本発明は、上記の課題を解決するために、できるだけ少ない合金元素の添加で1150MPa 級以上の引張強さを有する鋼を提供するために、なされた溶接用鋼の製造法であって、その骨子は、
（１）質量％で、
Ｃ ：0.15〜0.20％
Ｓｉ：0.15〜0.50％
Ｍｎ：0.5 〜2.0 ％
Ｐ ：0.02％以下
Ｓ ：0.01％以下
Ｍｏ：0.5 超え、2.0 ％以下
Ｖ ：0.03〜0.1 ％
Ｂ ：0.0003〜0.0030％
Ａｌ：0.01〜0.1 ％
Ｎ ：0.01％以下
を基本成分として含有し、さらに、次式で定義される値がそれぞれ
Ｆ ：0.9 〜2.0
Ｃeq：0.64以下
である鋼を加熱後、熱間圧延を行い、圧延終了後、650 ℃以上から水冷し、400 ℃〜550 ℃の範囲で焼き戻すことを特徴とする1150MPa 級以上の引張強さを有する溶接用鋼の製造法。
Ｆ＝Ｍｏ＋10×Ｖ
Ｃeq＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
（２）質量％で、
Ｃｒ：0.01〜0.5 ％
Ｃｕ：0.01〜0.5 ％
Ｎｉ：0.01〜0.5 ％
Ｎｂ：0.005 〜0.05％
Ｔｉ：0.005 〜0.03％
Ｃａ：0.0005〜0.05％
Ｍｇ：0.0005〜0.05％
ＲＥＭ：0.001 〜0.1 ％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）記載の1150MPa 級以上の引張強さを有する溶接用鋼の製造法、
である。

発明者らは、多くの実験の結果、直接焼入れされた鋼を400 〜550 ℃の比較的低温の焼戻しをする際に、特定の合金元素を組み合わせて添加することで、焼入れ時と焼戻し後 の硬さの差を低減できることを見出した。図１は、その結果を示したもので、基本成分として、0.17％Ｃ−0.27％Si−1.35％Mn−0.025 ％Al−0.0010％Ｂ鋼を含有し、さらにＶ：0.03〜0.07％、Mo：0.04〜1.2 ％の範囲で変化させた鋼を鋳造後、1150℃に加熱し圧延後、760 ℃以上の温度から直ちに焼入れを行い、16mmの鋼板を製造し、引き続き、450 〜500 ℃にて30分間保持する焼戻しを行ったときの焼戻した後の硬さと焼入れ時の硬さとの差をＭｏ＋10×Ｖに対して図示したものである。

図１から明らかなように、低温焼戻し時においてもＶ, Ｍｏの添加により焼入れ時の硬さの低下が小さくなることが分かる。従って、1150MPa 以上の引張強さ（硬さに換算してHv：370 程度）を得るためには、焼入れ時の焼入れ硬さが与えられれば、図１より必要な合金元素添加量を求めることができる。焼入れ時の硬さは、主として、Ｃ量により依存することが知られており、溶接性を損なわない範囲のＣ量の添加（本発明では、0.15〜0.20％）を考慮すると、ΔＨｖは、−55以上であることが必要であるので、添加されるＶ，Ｍｏ量は、Ｍｏ＋10×Ｖ（Ｆ値）で、0.9 以上が必要であることが明らかとなる。

本発明を実施する上で、溶接用鋼材としての強度および靭性さらに、溶接性を確保する上で、合金組成の規定は非常に重要である。
Ｃ：強度を向上させる最も重要な元素であり、焼入れ硬さを確保するためには、0.15％以上の添加が必要であるが、0.20％を超えると、溶接性を著しく損なうので、その上限を0.20％とする。
Ｓｉ：脱酸材および強化元素として作用し、0.15％以上の添加でその効果が認められるが、0.50％を超えて添加すると、靭性を阻害する恐れがあるため、上限を0.5%とする。
Ｍｎ：主として焼入れ性を高め、強度改善元素有効であり、0.5 ％以上の添加が必要であるが、2.0 ％を超えて添加されると、靭性および溶接性が低下する恐れがあるため、その上限を2.0 ％とする。
Ｐ：多量に存在すると靭性を低下させるので少ない方が望ましく、 上限の含有量は0.02％とする。不可避的に混入する含有量をできる限り少なくするのがよい。
Ｓ：多量に存在すると靭性を低下させるので少ない方が望ましく、 上限の含有量は0.01％とする。ＳもＰと同様に不可避的な混入量をできる限り少なくするのがよい。
Ｍｏ：焼入れを改善すると同時に、焼戻し時の析出強化により強度向上に寄与する元素である。0.5 ％を超える添加が必要となるが、2.0 ％を超えて添加されると、溶接性を損なうため、その上限を2.0 ％とする。
Ｖ：焼戻し時の析出強化により強度向上に寄与する元素である。0.03％以上の添加が必要となるが、0.1%を超えて添加されると、靭性を損なうため、その上限を0.1%とする。
Ｂ：フェライトの生成を抑制し焼入れ性を著しく向上させる元素であり、0.0003％以上の添加が必要であるが、0.0030％を超えた添加量では、窒化物を生成し、かえって焼入れ性が低下する傾向があるため、その上限を0.003 ％とする。
Ａｌ：脱酸元素として鋼中に添加され、0.01％以上を必要とするが、0.1 ％を超える添加では、靭性そ阻害する傾向があるため、その上限を0.1 ％とする。
Ｎ：鋼板の多量に添加されると靭性を低下させるので、少ない方が望ましく、上限の含有量は、0.01％以下とする。

以上が本発明にかかる基本成分であるが、さらに、本発明においては、母材の強度を改善する元素として、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＮｂおよびＴｉを、さらに延性や靭性を改善する元素として、Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭの１種または２種以上を添加できる。
Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ：いずれも焼入れ性を向上させ、強度向上に有効な元素であるが、多量の添加は、溶接性を損なうため、0.01％以上、0.5 ％以下の範囲とする。
Ｎｂ、Ｔｉ：母材の結晶粒の微細化により、降伏強度・靭性を改善できる元素であり、いずれも0.005 ％の添加で効果が得られるが、著しい添加は、靭性を損なう恐れがあるため、その添加量を、Ｎｂ：0.005 〜0.05％、Ｔｉ：0.005 〜0.03％の範囲とする。
Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ：これらの元素は、いずれも熱間圧延中の硫化物の展伸による延性の低下を防止する元素として有効であり、それぞれ、Ｃａ、Ｍｇは、0.0005％以上、ＲＥＭは、0.001%以上の添加により効果が発揮されるが、過剰の添加は、硫化物の粗大化と同時に、溶製時に粗大な酸化物を生じる可能性がある。従って、その添加の範囲を、それぞれ、Ｃａ：0.0005〜0.05％、Ｍｇ：0.0005〜0.05％、ＲＥＭ：0.001 〜0.1 ％とする。

以上の成分範囲を基本に、本発明では、さらに、下記、２つの式により成分範囲の制約を設ける。
Ｆ＝Ｍｏ＋10×Ｖ
Ｃeq＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
Ｆ値は、前述したように、低い焼戻し温度の範囲での焼戻しによる強度低下を抑えるのに有効なＶ，Ｍｏの添加量を規定するものであって、本発明の目的である1150MPa 鋼の強度を得るためには、0.9 以上が必要であるが、2.0 を超える添加では、溶接性を損なうため、その範囲を0.9 〜2.0 とする。
Ｃeqは、炭素当量とも呼ばれ、溶接性の指標として知られている。大きいほど溶接時の硬化性が大きく、溶接割れ性が低下するため、小さいほうが好ましい。本発明では、ｚ従来の780MPa級鋼の溶接条件を著しく超えた場合、溶接予熱による環境の著しい劣化とともに、作業効率の低下を招くため、その上限を0.64以下とした。

本発明法においては、上記の成分系を有する鋼片を出発材として、加熱・圧延工程、熱処理を経て製造される。鋼片は、転炉あるいは、電気炉により成分調整され溶製後、連続鋳造法および造塊・分塊法などの工程により、鋼片として製造される。

次に、鋼片を加熱後、熱間圧延により目的とする板厚まで圧延されるが、この時、鋼片の加熱温度および圧延の条件は、通常一般に用いられる条件であれば良い。例えば、鋼片加熱は、1000℃以上1250℃以下、熱間圧延においては、仕上げ温度、仕上げ圧延での累積圧下率が、30％以上で、仕上げ温度が850 ℃以上などである。特に、仕上げ圧延条件においては、結晶粒の細粒化を目的として、制御圧延を施しても本発明には、なんら差し支えがない。

さらに、本発明では圧延後、本鋼板を650 ℃以上の温度から水冷を開始し、室温まで冷却し、その後、400 〜550 ℃での焼戻しを行う。水冷の開始の条件は、適切な焼入れ組織を得るために必要なものであって、650 ℃未満では、水冷により適切な硬化組織（ほぼ100 ％マルテンサイト組織）を得ることができない。従って、下限温度を650 ℃とする。
本発明の焼戻し温度は、焼戻しによる強度の低下を極力抑えるとともに、降伏点および靭性が回復する範囲として設定されており、Ｖ、Ｍｏが所定の量添加された鋼においては、400 ℃以上の温度でその効果が現れるが、550 ℃を超えると析出により、降伏点が上昇するものの、強度の上昇はあまり認められず、靭性が低下する場合もある。そのために、400 〜550 ℃の範囲とする。

次に、本発明の実施例について述べる。
表１に実施例に用いた供試鋼の化学成分を示す。各供試鋼は、造塊分塊法あるいは、連続鋳造法により鋼片として製造されたものであり、表の中で、Ａ〜Ｈ鋼においては、本発明範囲の化学成分を有するもの、Ｉ〜Ｐ鋼は、本発明の化学成分範囲を逸脱して製造されたものである。

表１に示した鋼片を表２に示した製造条件にて鋼板として製造し、母材については、板厚方向1/4tでそれぞれ圧延方向に引張試験および衝撃試験片を採取し、室温の引張強度および-20 ℃での吸収エネルギーを測定した。また、溶接性については、各供試鋼板から20mm厚×300 ×300mm の鋼板を切削加工などで加工し、鋼板中央部にＶ型開先を加工した後、溶接時の変形を阻止するように両端を固定してから、予熱125 ℃で入熱2.3kJ/mmの手溶接を施した。その時の溶接環境は室温で湿度70％であった。その後、72時間経過後、溶接線の中央部（250mm 長さ）について、50mm間隔でマクロ試験片を５個づつ切り出し、溶接熱影響部における割れの有無を観察した。それらの結果を表２に示す。

表２において、鋼１から鋼８については、本発明範囲内でのものである。いずれにおいても、母材の引張強さで1150MPa 以上で靭性も40Ｊ以上の値を示していると同時に、溶接割れも全く認められなかった。
それに対し、鋼９から鋼25は化学成分あるいは、鋼板の製造条件の一方もしくは両方が本発明範囲を逸脱しているものの例である。

まず、鋼９〜鋼14においては、化学成分は発明範囲のものであるが、鋼板の製造条件が発明範囲を満たしていない。すなわち、鋼9 、鋼12は、水冷開始温度が発明範囲である650 ℃以上を満たしておらず、引張強さが1150MPa 以下であると同時に、吸収エネルギーも40J 以下である。
鋼10および鋼14は焼戻し温度がそれぞれ625 、350 ℃であり、本発明範囲を逸脱した例である。すなわち、鋼10は高めにはずれており、引張強さが1150MPa を満たしておらず、鋼14では逆に高めにはずれており、引張強さは高いものの靭性値が12Ｊと極めて低下している。
鋼11は水冷された鋼板について、焼戻しの前に再加熱焼入れ処理を加えた例である。引張強さの低下が認められる。
鋼13は、熱間圧延後、水冷を実施せずに圧延した後、やはり再加熱焼入れ処理およびその後、焼戻し処理を実施した例である。鋼11と同様に引張強さが低い。
次に、鋼15,17,18,19,20,22,23および24はいずれも化学成分のみが本発明範囲を満たしていない例である。すなわち、鋼15および鋼17はＣが本発明範囲の下限および上限をそれぞれ逸脱したものであり、鋼15は引張強さが低く、鋼17は溶接割れ性に劣る。
鋼18はＭｎが本発明範囲の上限を超えて添加された例である。それにより、Ｃeqが0.69と高くなっており、溶接割れ性が劣る。
鋼19および鋼20はＭｏが本発明範囲を満たしていない例である。鋼19はＭｏ量が下限を、鋼20は上限をそれぞれ超えて添加された例であり、鋼19についてはＦ値も、鋼20についてはＦ値およびＣeqも本発明範囲を満たしていない。従って、鋼19では引張強さが低く、鋼20では靭性の低下とともに、溶接割れ性も劣っている。
鋼22はＶが上限値を超えて添加された例である。母材の引張強さは満足するものの、靭性が低い。
鋼23および鋼24はＮｉおよびＣｒが発明範囲の上限を超えて添加された例である。いずれの場合もＣeqも本発明の上限範囲を超えており、溶接割れ性が劣っている。
さらに、鋼16,21 および25は化学成分および製造条件の両者が本発明範囲を満たしていない例である。すなわち、鋼16では製造条件においても水冷をされずに、再加熱焼入れ後、焼戻しをされたものであり、引張強さが所定お1150MPa に及ばない。
鋼21は焼戻し温度が下限を超えて実施されたものである。引張強さが非常に高くなるが、靭性が極めて低い。また、溶接性も劣っている。
最後に鋼25は水冷開始温度が本発明範囲を逸脱した例である。引張強さが1150MPa を満足してない。

本発明は、高価な合金元素を削減し、また溶接時の作業性を低下させることなく、引張強さが1150MPa 以上の強度を有する鋼を提供できる優れた方法であり、鋼板の製造コストの低下、溶接構造物の製造コストの低減、さらに、構造物の安全性の向上など産業上の効果は極めて大きい。

焼戻しによる引張強さ（硬さ）の低下代に対し、Ｍｏ，Ｖ添加の効果を示した図である。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ ：0.15〜0.20％
   Ｓｉ：0.15〜0.50％
   Ｍｎ：0.5 〜2.0 ％
   Ｐ ：0.02％以下
   Ｓ ：0.01％以下
   Ｍｏ：0.5 超え、2.0 ％以下
   Ｖ ：0.03〜0.1 ％
   Ｂ ：0.0003〜0.0030％
   Ａｌ：0.01〜0.1 ％
   Ｎ ：0.01％以下
   を基本成分として含有し、さらに、次式で定義される値がそれぞれ
   Ｆ ：0.9 〜2.0
   Ｃeq：0.64以下
   である鋼を加熱後、熱間圧延を行い、圧延終了後、650 ℃以上から水冷し、400 ℃〜550 ℃の範囲で焼き戻すことを特徴とする1150MPa 級以上の引張強さを有する溶接用鋼の製造法。
   Ｆ＝Ｍｏ＋10×Ｖ
   Ｃeq＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
2. 質量％で、
   Ｃｒ：0.01〜0.5 ％
   Ｃｕ：0.01〜0.5 ％
   Ｎｉ：0.01〜0.5 ％
   Ｎｂ：0.005 〜0.05％
   Ｔｉ：0.005 〜0.03％
   Ｃａ：0.0005〜0.05％
   Ｍｇ：0.0005〜0.05％
   ＲＥＭ：0.001 〜0.1 ％
   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１記載の1150MPa 級以上の引張強さを有する溶接用鋼の製造法。
   

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