JP4310591B2 - 溶接性に優れた高強度鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接性に優れた高強度鋼板の製造方法に関する。より詳しくは、高度の安全性が要求される揚水型発電所の水圧鉄管や氷海域の海洋構造物などの用途に好適な、７８０ＭＰａ以上の引張強さを有する溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の高張力鋼板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、溶接鋼構造物が大型化する傾向が顕著となっている。したがって、こうした大型溶接鋼構造物に使用される厚鋼板に対して要求される強度もますます高くなっている。
【０００３】
高強度鋼板には、十分な焼入れ性を確保するために通常多くの合金元素が添加されているので、溶接すると熱影響部の硬度が上昇してしまう。熱影響部、特に溶接ボンド部の硬度が上昇すると、溶接後に低温割れの発生が誘発される。この低温割れを防止するためには、溶接施工前に予熱を行い、溶接部の冷却速度を低下させて硬度の上昇を防止する方法が有効である。
【０００４】
しかし、高温での予熱は溶接施工コストが嵩むばかりか工期が長期化するし、特に、予熱温度が１５０℃を超える場合には、現場の作業環境が著しく劣悪となるので作業者への負担も急激に増加する。
【０００５】
このため、溶接施工前に行う予熱が１００℃以下の低い温度であっても熱影響部の硬度があまり上昇せず、低温割れを発生しない高強度鋼板、なかでも７８０ＭＰａを超える引張強さ（以下、ＴＳという）を有する高強度鋼板が求められている。
【０００６】
ＴＳが７８０ＭＰａを超える高強度鋼板については、種々の製造方法が提案されている。例えば、特開昭５９−１３６４１８号公報には、特定の化学組成を有する鋼を所謂「圧延後直接焼入れ」した後に焼戻しして高強度鋼を製造する方法が開示されている。しかし、この公報で提案された技術の場合、添加元素による溶接熱影響部の硬化量を示すＰcm値が規定されていないばかりか、熱間圧延後の急冷停止温度も２００℃以下であるため、特に、板厚が３０ｍｍを超えるような厚鋼板の場合には、予熱温度が１００℃以下の低い温度であると必ずしも溶接時の割れが防止できるというものではなかった。
【０００７】
特公平６−２９０４号公報、特開平２−２０５６２９号公報や特開平９−２６３８２８号公報にも「圧延後直接焼入れ」する高強度鋼の製造法が開示されている。しかしながら、これらの公報で提案された技術の場合も、添加元素による溶接熱影響部の硬化量を示すＰcm値が規定されていないばかりか、「圧延後直接焼入れ」での水冷（急冷）停止温度については何ら言及されていない。つまり、溶接時の割れを防止するための予熱温度を低減する配慮がなされていないので、予熱温度が１００℃以下の低い温度であると必ずしも溶接時の割れが防止できるというものではなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、揚水型発電所の水圧鉄管や氷海域の海洋構造物などの用途に好適な、ＴＳが７８０ＭＰａ以上、ＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験における破面遷移温度（VＴS）が−６０℃以下で、しかも溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の高強度鋼板を廉価に製造する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）、（２）に示す溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法にある。
【００１０】
（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｖ：０．０１〜０．０７％、Ｎｂ：０．００５〜０．０６％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．０００５〜０．００２５％、Ｓｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．６％、Ｎｉ：０〜１．２０％、Ｃｒ：０〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．６％、Ａｌ：０〜０．０７％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＮは０．００６％以下で、更に下記Ｅ１式で表されるＰcmの値が０．２５％以下を満足する化学組成の鋼片を、１０００〜１１８０℃の温度域に加熱し、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上となるように熱間圧延した後直ちに急冷し、表面温度が４００〜１５０℃に達した時点でその急冷を停止し、以後室温まで放冷することを特徴とする溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法。
【００１１】
Ｐcm＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（Ｍｎ／２０）＋（Ｃｕ／２０）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｃｒ／２０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）＋５Ｂ・・・Ｅ１
ここで、Ｅ１式中の元素記号は、その元素の含有量（質量％）を表す。
【００１２】
（２）上記（１）に記載の化学組成を有する鋼片を、１０００〜１１８０℃の温度域に加熱し、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上となるように熱間圧延した後直ちに急冷し、表面温度が４００〜１５０℃に達した時点でその急冷を停止し、以後室温まで放冷した後、更に６５０℃以下の温度で焼戻しすることを特徴とする溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法。
【００１３】
本発明でいう「圧下率」とは、圧延による厚さの減少割合をいう。又、熱間圧延後「直ちに」鋼板を急冷するとは、圧延後の鋼板を再加熱することなく水や油などの冷媒によって「圧延後直接焼入れ」することをいう。「放冷」とは、大気中での自然冷却を指す。
【００１４】
以下、上記の（１）、（２）に記載のものをそれぞれ（１）の発明、（２）の発明という。
【００１５】
溶接時の低温割れは、鋼に含有される合金元素量と溶接時に鋼中に侵入する水素量によって決定される。
【００１６】
合金元素の含有量が多い場合には鋼の焼入れ性が向上して、優れた母材強度が得られる反面、溶接熱影響部の硬度が上昇して割れが発生しやすくなる。一方、溶接時に溶接金属や雰囲気から鋼中に侵入する水素が溶接ボンド部に代表されるような応力集中部に集まってポロシティーを形成し、これによって割れが発生するといわれている。
【００１７】
溶接施工現場における溶接雰囲気を変化させることは困難であるので、鋼中への侵入水素量を軽減するためには、溶接材料を十分に乾燥させて水分を蒸発させることが重要であるが、溶接割れを防止するためには高い温度での予熱が必要となる。
【００１８】
本発明者らは、特に、溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない高強度鋼板を廉価に製造する方法に関して種々検討を重ねた。その結果、溶接施工前の鋼板内に含有される水素量を低減することも溶接時の予熱温度の低減に重要な因子となることを知見した。
【００１９】
熱間圧延前の加熱された状態では、鋼の組織は面心立方の結晶構造を有するオーステナイトで構成されている。上記面心立方晶の場合には、マトリックスへの水素の固溶量が極めて大きく多量の水素がとけ込んだ状態になっている。しかし、鋼板が、例えば水冷などの手段で急速に冷却され、その組織がマルテンサイトやベイナイトといった体心立方晶や体心正方晶になった場合には水素の固溶量が急激に減少するため、ガス状の水素がポロシティーを形成し、溶接などの場合には低温割れを引き起こす。この割れを減少させるには鋼板内の水素量を低減する必要があるが、そのためには上記の急冷を室温まで行わずに、水素が十分に拡散して鋼板外に放出できる温度で冷却を停止すればよいことが判明した。なお、前記冷却の停止温度は高い方が水素の放出がより効果的に行われるが、高すぎるとマトリックスの焼入れが不十分となり所望の強度が得られない。したがって、適切な焼入れができ、且つ、水素が放出される温度で冷却を停止するような「圧延後直接焼入れ」とすれば、溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない高強度鋼板を廉価に製造することができる。
【００２０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２２】
（Ａ）鋼板の化学組成
Ｃ：０．０３〜０．１５％
Ｃは、鋼板の強度を確保する目的で添加する。その含有量が０．０３％未満では焼入れ性が不足して所望の７８０ＭＰａのＴＳを確保するのが困難であり、また靱性も劣化する。ＴＳが７８０ＭＰａ以上、ＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験におけるVＴSが−６０℃以下という、強度と靱性を確保する上で、Ｃは０．０３％以上含有させることが必要である。一方、その含有量が０．１５％を超えると、母材の靱性が低下するだけでなく、溶接熱影響部の硬度が上昇して溶接割れ感受性が高くなる。したがって、Ｃの含有量を０．０３〜０．１５％とした。なお、Ｃ含有量の上限は０．１２％とすることが望ましく、０．１０％とすれば一層好ましい。又、Ｃ含有量の下限は０．０６％とすることが望ましい。
【００２３】
Ｍｎ：０．４〜１．５％
Ｍｎは、鋼板の焼入れ性を向上させ、強度を高めるために添加する元素で、その含有量が０．４％未満では所望の強度を確保することが困難となる。一方、１．５％を超えて含有させると、溶接低温割れの発生頻度が高くなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．４〜１．５％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．７〜１．２％とすることが好ましい。
【００２４】
Ｖ：０．０１〜０．０７％
Ｖは、焼戻し軟化抵抗を増大させて、高温での焼戻しを可能とすることにより、強度及び靱性の向上に寄与する。しかし、その含有量が０．０１％未満ではその効果が見られず、一方、０．１％を超えて含有させると靱性が劣化する。したがって、Ｖの含有量を０．０１〜０．０７％とした。なお、Ｖの含有量の上限は０．０５％とすることが望ましい。
【００２５】
Ｎｂ：０．００５〜０．０６％
Ｎｂは、オーステナイトの低温域で微細なＮｂ炭窒化物を形成することによりオーステナイト粒を微細化する。更に、析出したＮｂ炭窒化物は圧延によって加工を受けた未再結晶オーステナイト粒の回復、再結晶を抑制する効果を有しており、母材靱性の確保に有効である。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０６％を超えて含有させると、溶接時の割れ性が劣化してしまう。したがって、Ｎｂの含有量を０．００５〜０．０６％とした。なお、Ｎｂ含有量の上限は０．０３％とすることが望ましい。
【００２６】
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％
Ｔｉは、オーステナイト粒の微細化、固溶Ｎの固定による有効Ｂ量確保のために不可欠な元素である。又、連続鋳造鋳片の横ひび割れを防止する上でもその添加が不可欠である。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果が得られない。一方、０．０３％を超えて含有させると、母材靱性や溶接熱影響部の靱性が著しく損なわれる。したがって、Ｔｉの含有量を０．００５〜０．０３％とした。
【００２７】
Ｂ：０．０００５〜０．００２５％
Ｂは、鋼に微量固溶することで焼入れ性を向上させるので、板厚中心部まで十分な強度を確保することが可能になる。しかし、その含有量が０．０００５％未満では前記の効果が十分には得られず、０．００２５％を超えると母材靱性及び溶接熱影響部靱性の大幅な劣化を招く。したがって、Ｂの含有量を０．０００５〜０．００２５％とした。
【００２８】
Ｓｉ：０〜０．５％
Ｓｉは添加しなくても良い。添加すれば、鋼を脱酸する作用がある。この効果を確実に得るには、Ｓｉは０．０３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると、母材及び溶接熱影響部の硬度を著しく上昇させる島状マルテンサイトの局所的な生成を誘発して靱性の劣化を招く。したがって、Ｓｉの含有量を０〜０．５％とした。なお、Ｓｉ含有量の上限は０．３％とすることが望ましい。
【００２９】
Ｃｕ：０〜０．６％
Ｃｕは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性を向上させて強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｃｕの含有量は０．１５％以上とすることが望ましい。しかし、その含有量が０．６％を超えると強度上昇作用よりも靱性や溶接性を劣化させる作用の方が著しくなってしまう。したがって、Ｃｕの含有量を０〜０．６％とした。なお、Ｃｕ含有量の上限は０．３％とすることが望ましい。
【００３０】
Ｎｉ：０〜１．２０％
Ｎｉは添加しなくても良い。添加すれば、溶接性や靱性、なかでも脆性亀裂伝播停止特性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．４％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｎｉは高価な元素であり、添加することによって鋼板価格の上昇を招くため、経済性の観点からはその含有量を低く抑えることが好ましい。したがって、本発明ではＮｉの含有量を０〜１．２０％とした。経済性の観点からは、Ｎｉ含有量の上限は１．１％とすることが好ましい。
【００３１】
Ｃｒ：０〜０．６％
Ｃｒは添加しなくても良い。添加すれば、主として焼入れ性の向上を通じて鋼板の強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．６％を超えると母材靱性や溶接性の劣化を招く。したがって、Ｃｒの含有量を０〜０．６％とした。
【００３２】
Ｍｏ：０〜０．６％
Ｍｏは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．６％を超えると強度が高くなりすぎて母材靱性が低下するし、溶接性の著しい劣化も招く。したがって、Ｍｏの含有量を０〜０．６％とした。
【００３３】
Ａｌ：０〜０．０７％
Ａｌは添加しなくても良い。添加すれば、脱酸及び組織微細化の作用を有する。この効果を確実に得るには、Ａｌは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０７％を超えると溶接熱影響部の靱性が劣化することに加えて、熱処理を行って組織を微細化させても靱性、なかでも脆性亀裂伝播停止特性の低下を招く。したがって、Ａｌの含有量を０〜０．０７％とした。Ａｌの含有量は０．０３〜０．０５％とすることが望ましい。なお、本発明でいう「Ａｌ」量とは所謂「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）」量を指す。
【００３４】
本発明においては、不純物元素としてのＮの含有量を下記のとおりに制限する。
【００３５】
Ｎ：０．００６％以下
Ｎは母材及び溶接熱影響部の靱性を低下させてしまう。特にその含有量が０．００６％を超えると、母材及び溶接熱影響部の靱性低下が著しい。したがって、Ｎの含有量を０．００６％以下とした。
【００３６】
Ｐcm：０．２５％以下
Ｐcmは溶接部の割れ感受性を表す指数であり、本発明が対象とするＴＳが７８０ＭＰａ以上の鋼の場合には、前記Ｅ１式で表されるＰcmの値が０．２５％以下であれば、溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない。したがって、Ｐcmの値を０．２５％以下とした。なお、Ｐcmの値は０．２４％以下とすることが望ましく、０．２３％以下にすれば一層望ましい。
【００３７】
（Ｂ）鋼板の製造条件
（Ｂ−１）鋼片の加熱温度
鋼片の加熱温度は１０００〜１１８０℃とする。これは、鋼片全体の組織を均一にオーステナイト化するために必要な温度であり、１０００℃未満では加熱時に均一なオーステナイト粒を得ることができない。しかし、１１８０℃を超えて加熱するとオーステナイト粒が著しく大きくなって母材靱性が劣化するため、加熱温度は１１８０℃以下とする必要がある。
【００３８】
（Ｂ−２）熱間圧延
「圧延後直接焼入れ」して組織を微細化するためには未再結晶温度域で適正量の圧下（加工）を加える必要がある。これは、オーステナイトの再結晶温度域で圧下してもオーステナイト粒内に格子欠陥が蓄積されないので、圧延後に急冷しても組織の微細化が生じないからである。又、未再結晶温度域で圧下してもその累積圧下量が少ないと、オーステナイト粒内に蓄積される格子欠陥が少なくなるので、圧延後に急冷しても組織の微細化が生じないからである。
【００３９】
本発明が対象とする前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼の場合、Ｎｂを含有しているのでその未再結晶温度域は９００℃以下であり、この温度域で累積圧下率が５０％以上となる圧下を行った場合に初めて「圧延後直接焼入れ」した組織が微細化できる。したがって、上記（Ｂ−１）項に記載の温度域の温度に加熱した鋼片を熱間圧延して鋼板にするに際して、９００℃以下の温度域での累積圧下率を５０％以上とした。５０％以上の累積圧下を加える未再結晶温度域の下限の温度は、圧延後の急冷で強度を確保する観点から７５０℃とするのがよい。なお、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上でありさえすればよいので、９００℃を超える再結晶温度域での圧下率については特に規定しなくても良い。
【００４０】
（Ｂ−３）「圧延後直接焼入れ」のための急冷
熱間圧延後は直ちに急冷を行うが、その急冷の停止温度を適正に制御することが極めて重要である。被処理材の表面温度が１５０℃未満の場合には、鋼中に含まれる水素が十分には放出されないので、溶接時の低温割れ性が劣化する。鋼中の水素放出の観点からは、急冷を停止する被処理材の表面温度は高い方が良いが、４００℃を超える場合には強度確保に必要なマルテンサイト変態が不十分となり強度が低下すると同時に靱性も劣化してしまう。したがって、被処理材の表面温度が４００〜１５０℃の温度域の温度に達した時点で急冷を停止し、以後室温まで放冷することとした。
【００４１】
なお、既に述べたように、熱間圧延後「直ちに」鋼板を急冷するとは、圧延後の鋼板を再加熱することなく水や油などの冷媒によって「圧延後直接焼入れ」することをいう。又、「放冷」とは、大気中での自然冷却を指す。
【００４２】
既に述べた（Ａ）項、（Ｂ−１）項及び（Ｂ−２）項における規定と本（Ｂ−３）項の規定を満足させることによって、（１）の発明に係る溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法が得られる。
【００４３】
（１）の発明の方法で製造された高強度鋼板には、必要に応じて強度と靱性のバランスを調整するための焼戻しが施される。
【００４４】
（Ｂ−４）焼戻し
「圧延後直接焼入れ」した鋼板に焼戻しを施すことで、優れた強度と靱性のバランスを確保することができる。しかし、この焼戻し温度が６５０℃を超えると強度が著しく低下し、ＴＳで７８０ＭＰａ以上という所望の強度を確保することが困難となる。したがって、（２）の発明においては、焼戻し温度を６５０℃以下とした。
【００４５】
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。
【００４６】
【実施例】
表１、表２に示す化学組成を有する鋼１〜４、鋼６及び鋼８〜１０、鋼Ｘ２〜Ｘ１７及び鋼Ｘ１９を１８０ｋｇ真空溶解炉を用いて溶製した。表１における鋼１〜４、鋼６及び鋼８〜１０は化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例、表１及び表２における鋼Ｘ２〜Ｘ１７及び鋼Ｘ１９は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例である。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
次いで、これらの鋼を通常の方法で厚さ１６０ｍｍの鋼片とした後、表３に記載の各種条件で熱間圧延、直接焼入れ、焼戻しして板厚３３〜５１ｍｍの鋼板とした。
【００５０】
【表３】
【００５１】
このようにして得た各鋼板の板厚中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片をそれぞれ圧延方向と平行な方向に採取し、母材の機械的性質を調査した。
【００５２】
更に、溶接時の低温割れ防止温度をｙ割れ試験によって実施し、割れが発生しない予熱温度を調査した。
【００５３】
表４、表５に試験結果をまとめて示す。なお、母材の強度と靱性の目標はそれぞれＴＳで７８０ＭＰａ以上、VＴSで−６０℃以下とした。又、ｙ型溶接割れ試験における割れ停止予熱温度は１００℃以下を目標とした。
【００５４】
【表４】
【００５５】
【表５】
【００５６】
表４における試験番号１〜４、試験番号６及び試験番号８〜１０は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼を、本発明で規定する条件で製造した場合の結果を示すものである。いずれの場合もＴＳで７８０ＭＰａ以上の強度とVＴSで−６０℃以下の靱性が得られており、しかもｙ型溶接割れ試験における割れ停止予熱温度は高々７５℃で目標を満足している。
【００５７】
表４における試験番号１３〜１８は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼を、本発明で規定する条件から外れた方法で製造した場合の結果を示すものである。被処理鋼の化学組成が本発明で規定する範囲内にあっても、製造条件が本発明の規定から外れているため、強度、靱性、溶接性のいずれかが目標に達していない。
【００５８】
表５における試験番号２０〜３５及び試験番号３７は、成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼を、本発明で規定する条件で製造した場合の結果を示すものである。製造条件が本発明の規定するものであっても、成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れているため、強度、靱性、溶接性の少なくとも１つが目標に達していない。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の方法によって、ＴＳが７８０ＭＰａ以上、ＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験における破面遷移温度（VＴS）が−６０℃以下で、しかも溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板を廉価に製造することが可能である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接性に優れた高強度鋼板の製造方法に関する。より詳しくは、高度の安全性が要求される揚水型発電所の水圧鉄管や氷海域の海洋構造物などの用途に好適な、７８０ＭＰａ以上の引張強さを有する溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の高張力鋼板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、溶接鋼構造物が大型化する傾向が顕著となっている。したがって、こうした大型溶接鋼構造物に使用される厚鋼板に対して要求される強度もますます高くなっている。
【０００３】
高強度鋼板には、十分な焼入れ性を確保するために通常多くの合金元素が添加されているので、溶接すると熱影響部の硬度が上昇してしまう。熱影響部、特に溶接ボンド部の硬度が上昇すると、溶接後に低温割れの発生が誘発される。この低温割れを防止するためには、溶接施工前に予熱を行い、溶接部の冷却速度を低下させて硬度の上昇を防止する方法が有効である。
【０００４】
しかし、高温での予熱は溶接施工コストが嵩むばかりか工期が長期化するし、特に、予熱温度が１５０℃を超える場合には、現場の作業環境が著しく劣悪となるので作業者への負担も急激に増加する。
【０００５】
このため、溶接施工前に行う予熱が１００℃以下の低い温度であっても熱影響部の硬度があまり上昇せず、低温割れを発生しない高強度鋼板、なかでも７８０ＭＰａを超える引張強さ（以下、ＴＳという）を有する高強度鋼板が求められている。
【０００６】
ＴＳが７８０ＭＰａを超える高強度鋼板については、種々の製造方法が提案されている。例えば、特開昭５９−１３６４１８号公報には、特定の化学組成を有する鋼を所謂「圧延後直接焼入れ」した後に焼戻しして高強度鋼を製造する方法が開示されている。しかし、この公報で提案された技術の場合、添加元素による溶接熱影響部の硬化量を示すＰcm値が規定されていないばかりか、熱間圧延後の急冷停止温度も２００℃以下であるため、特に、板厚が３０ｍｍを超えるような厚鋼板の場合には、予熱温度が１００℃以下の低い温度であると必ずしも溶接時の割れが防止できるというものではなかった。
【０００７】
特公平６−２９０４号公報、特開平２−２０５６２９号公報や特開平９−２６３８２８号公報にも「圧延後直接焼入れ」する高強度鋼の製造法が開示されている。しかしながら、これらの公報で提案された技術の場合も、添加元素による溶接熱影響部の硬化量を示すＰcm値が規定されていないばかりか、「圧延後直接焼入れ」での水冷（急冷）停止温度については何ら言及されていない。つまり、溶接時の割れを防止するための予熱温度を低減する配慮がなされていないので、予熱温度が１００℃以下の低い温度であると必ずしも溶接時の割れが防止できるというものではなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、揚水型発電所の水圧鉄管や氷海域の海洋構造物などの用途に好適な、ＴＳが７８０ＭＰａ以上、ＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験における破面遷移温度（VＴS）が−６０℃以下で、しかも溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の高強度鋼板を廉価に製造する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）、（２）に示す溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法にある。
【００１０】
（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｖ：０．０１〜０．０７％、Ｎｂ：０．００５〜０．０６％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．０００５〜０．００２５％、Ｓｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．６％、Ｎｉ：０〜１．２０％、Ｃｒ：０〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．６％、Ａｌ：０〜０．０７％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＮは０．００６％以下で、更に下記Ｅ１式で表されるＰcmの値が０．２５％以下を満足する化学組成の鋼片を、１０００〜１１８０℃の温度域に加熱し、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上となるように熱間圧延した後直ちに急冷し、表面温度が４００〜１５０℃に達した時点でその急冷を停止し、以後室温まで放冷することを特徴とする溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法。
【００１１】
Ｐcm＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（Ｍｎ／２０）＋（Ｃｕ／２０）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｃｒ／２０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）＋５Ｂ・・・Ｅ１
ここで、Ｅ１式中の元素記号は、その元素の含有量（質量％）を表す。
【００１２】
（２）上記（１）に記載の化学組成を有する鋼片を、１０００〜１１８０℃の温度域に加熱し、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上となるように熱間圧延した後直ちに急冷し、表面温度が４００〜１５０℃に達した時点でその急冷を停止し、以後室温まで放冷した後、更に６５０℃以下の温度で焼戻しすることを特徴とする溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法。
【００１３】
本発明でいう「圧下率」とは、圧延による厚さの減少割合をいう。又、熱間圧延後「直ちに」鋼板を急冷するとは、圧延後の鋼板を再加熱することなく水や油などの冷媒によって「圧延後直接焼入れ」することをいう。「放冷」とは、大気中での自然冷却を指す。
【００１４】
以下、上記の（１）、（２）に記載のものをそれぞれ（１）の発明、（２）の発明という。
【００１５】
溶接時の低温割れは、鋼に含有される合金元素量と溶接時に鋼中に侵入する水素量によって決定される。
【００１６】
合金元素の含有量が多い場合には鋼の焼入れ性が向上して、優れた母材強度が得られる反面、溶接熱影響部の硬度が上昇して割れが発生しやすくなる。一方、溶接時に溶接金属や雰囲気から鋼中に侵入する水素が溶接ボンド部に代表されるような応力集中部に集まってポロシティーを形成し、これによって割れが発生するといわれている。
【００１７】
溶接施工現場における溶接雰囲気を変化させることは困難であるので、鋼中への侵入水素量を軽減するためには、溶接材料を十分に乾燥させて水分を蒸発させることが重要であるが、溶接割れを防止するためには高い温度での予熱が必要となる。
【００１８】
本発明者らは、特に、溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない高強度鋼板を廉価に製造する方法に関して種々検討を重ねた。その結果、溶接施工前の鋼板内に含有される水素量を低減することも溶接時の予熱温度の低減に重要な因子となることを知見した。
【００１９】
熱間圧延前の加熱された状態では、鋼の組織は面心立方の結晶構造を有するオーステナイトで構成されている。上記面心立方晶の場合には、マトリックスへの水素の固溶量が極めて大きく多量の水素がとけ込んだ状態になっている。しかし、鋼板が、例えば水冷などの手段で急速に冷却され、その組織がマルテンサイトやベイナイトといった体心立方晶や体心正方晶になった場合には水素の固溶量が急激に減少するため、ガス状の水素がポロシティーを形成し、溶接などの場合には低温割れを引き起こす。この割れを減少させるには鋼板内の水素量を低減する必要があるが、そのためには上記の急冷を室温まで行わずに、水素が十分に拡散して鋼板外に放出できる温度で冷却を停止すればよいことが判明した。なお、前記冷却の停止温度は高い方が水素の放出がより効果的に行われるが、高すぎるとマトリックスの焼入れが不十分となり所望の強度が得られない。したがって、適切な焼入れができ、且つ、水素が放出される温度で冷却を停止するような「圧延後直接焼入れ」とすれば、溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない高強度鋼板を廉価に製造することができる。
【００２０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２２】
（Ａ）鋼板の化学組成
Ｃ：０．０３〜０．１５％
Ｃは、鋼板の強度を確保する目的で添加する。その含有量が０．０３％未満では焼入れ性が不足して所望の７８０ＭＰａのＴＳを確保するのが困難であり、また靱性も劣化する。ＴＳが７８０ＭＰａ以上、ＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験におけるVＴSが−６０℃以下という、強度と靱性を確保する上で、Ｃは０．０３％以上含有させることが必要である。一方、その含有量が０．１５％を超えると、母材の靱性が低下するだけでなく、溶接熱影響部の硬度が上昇して溶接割れ感受性が高くなる。したがって、Ｃの含有量を０．０３〜０．１５％とした。なお、Ｃ含有量の上限は０．１２％とすることが望ましく、０．１０％とすれば一層好ましい。又、Ｃ含有量の下限は０．０６％とすることが望ましい。
【００２３】
Ｍｎ：０．４〜１．５％
Ｍｎは、鋼板の焼入れ性を向上させ、強度を高めるために添加する元素で、その含有量が０．４％未満では所望の強度を確保することが困難となる。一方、１．５％を超えて含有させると、溶接低温割れの発生頻度が高くなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．４〜１．５％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．７〜１．２％とすることが好ましい。
【００２４】
Ｖ：０．０１〜０．０７％
Ｖは、焼戻し軟化抵抗を増大させて、高温での焼戻しを可能とすることにより、強度及び靱性の向上に寄与する。しかし、その含有量が０．０１％未満ではその効果が見られず、一方、０．１％を超えて含有させると靱性が劣化する。したがって、Ｖの含有量を０．０１〜０．０７％とした。なお、Ｖの含有量の上限は０．０５％とすることが望ましい。
【００２５】
Ｎｂ：０．００５〜０．０６％
Ｎｂは、オーステナイトの低温域で微細なＮｂ炭窒化物を形成することによりオーステナイト粒を微細化する。更に、析出したＮｂ炭窒化物は圧延によって加工を受けた未再結晶オーステナイト粒の回復、再結晶を抑制する効果を有しており、母材靱性の確保に有効である。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０６％を超えて含有させると、溶接時の割れ性が劣化してしまう。したがって、Ｎｂの含有量を０．００５〜０．０６％とした。なお、Ｎｂ含有量の上限は０．０３％とすることが望ましい。
【００２６】
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％
Ｔｉは、オーステナイト粒の微細化、固溶Ｎの固定による有効Ｂ量確保のために不可欠な元素である。又、連続鋳造鋳片の横ひび割れを防止する上でもその添加が不可欠である。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果が得られない。一方、０．０３％を超えて含有させると、母材靱性や溶接熱影響部の靱性が著しく損なわれる。したがって、Ｔｉの含有量を０．００５〜０．０３％とした。
【００２７】
Ｂ：０．０００５〜０．００２５％
Ｂは、鋼に微量固溶することで焼入れ性を向上させるので、板厚中心部まで十分な強度を確保することが可能になる。しかし、その含有量が０．０００５％未満では前記の効果が十分には得られず、０．００２５％を超えると母材靱性及び溶接熱影響部靱性の大幅な劣化を招く。したがって、Ｂの含有量を０．０００５〜０．００２５％とした。
【００２８】
Ｓｉ：０〜０．５％
Ｓｉは添加しなくても良い。添加すれば、鋼を脱酸する作用がある。この効果を確実に得るには、Ｓｉは０．０３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると、母材及び溶接熱影響部の硬度を著しく上昇させる島状マルテンサイトの局所的な生成を誘発して靱性の劣化を招く。したがって、Ｓｉの含有量を０〜０．５％とした。なお、Ｓｉ含有量の上限は０．３％とすることが望ましい。
【００２９】
Ｃｕ：０〜０．６％
Ｃｕは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性を向上させて強度を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｃｕの含有量は０．１５％以上とすることが望ましい。しかし、その含有量が０．６％を超えると強度上昇作用よりも靱性や溶接性を劣化させる作用の方が著しくなってしまう。したがって、Ｃｕの含有量を０〜０．６％とした。なお、Ｃｕ含有量の上限は０．３％とすることが望ましい。
【００３０】
Ｎｉ：０〜１．２０％
Ｎｉは添加しなくても良い。添加すれば、溶接性や靱性、なかでも脆性亀裂伝播停止特性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．４％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｎｉは高価な元素であり、添加することによって鋼板価格の上昇を招くため、経済性の観点からはその含有量を低く抑えることが好ましい。したがって、本発明ではＮｉの含有量を０〜１．２０％とした。経済性の観点からは、Ｎｉ含有量の上限は１．１％とすることが好ましい。
【００３１】
Ｃｒ：０〜０．６％
Ｃｒは添加しなくても良い。添加すれば、主として焼入れ性の向上を通じて鋼板の強度を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．６％を超えると母材靱性や溶接性の劣化を招く。したがって、Ｃｒの含有量を０〜０．６％とした。
【００３２】
Ｍｏ：０〜０．６％
Ｍｏは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．６％を超えると強度が高くなりすぎて母材靱性が低下するし、溶接性の著しい劣化も招く。したがって、Ｍｏの含有量を０〜０．６％とした。
【００３３】
Ａｌ：０〜０．０７％
Ａｌは添加しなくても良い。添加すれば、脱酸及び組織微細化の作用を有する。この効果を確実に得るには、Ａｌは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０７％を超えると溶接熱影響部の靱性が劣化することに加えて、熱処理を行って組織を微細化させても靱性、なかでも脆性亀裂伝播停止特性の低下を招く。したがって、Ａｌの含有量を０〜０．０７％とした。Ａｌの含有量は０．０３〜０．０５％とすることが望ましい。なお、本発明でいう「Ａｌ」量とは所謂「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）」量を指す。
【００３４】
本発明においては、不純物元素としてのＮの含有量を下記のとおりに制限する。
【００３５】
Ｎ：０．００６％以下
Ｎは母材及び溶接熱影響部の靱性を低下させてしまう。特にその含有量が０．００６％を超えると、母材及び溶接熱影響部の靱性低下が著しい。したがって、Ｎの含有量を０．００６％以下とした。
【００３６】
Ｐcm：０．２５％以下
Ｐcmは溶接部の割れ感受性を表す指数であり、本発明が対象とするＴＳが７８０ＭＰａ以上の鋼の場合には、前記Ｅ１式で表されるＰcmの値が０．２５％以下であれば、溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない。したがって、Ｐcmの値を０．２５％以下とした。なお、Ｐcmの値は０．２４％以下とすることが望ましく、０．２３％以下にすれば一層望ましい。
【００３７】
（Ｂ）鋼板の製造条件
（Ｂ−１）鋼片の加熱温度
鋼片の加熱温度は１０００〜１１８０℃とする。これは、鋼片全体の組織を均一にオーステナイト化するために必要な温度であり、１０００℃未満では加熱時に均一なオーステナイト粒を得ることができない。しかし、１１８０℃を超えて加熱するとオーステナイト粒が著しく大きくなって母材靱性が劣化するため、加熱温度は１１８０℃以下とする必要がある。
【００３８】
（Ｂ−２）熱間圧延
「圧延後直接焼入れ」して組織を微細化するためには未再結晶温度域で適正量の圧下（加工）を加える必要がある。これは、オーステナイトの再結晶温度域で圧下してもオーステナイト粒内に格子欠陥が蓄積されないので、圧延後に急冷しても組織の微細化が生じないからである。又、未再結晶温度域で圧下してもその累積圧下量が少ないと、オーステナイト粒内に蓄積される格子欠陥が少なくなるので、圧延後に急冷しても組織の微細化が生じないからである。
【００３９】
本発明が対象とする前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼の場合、Ｎｂを含有しているのでその未再結晶温度域は９００℃以下であり、この温度域で累積圧下率が５０％以上となる圧下を行った場合に初めて「圧延後直接焼入れ」した組織が微細化できる。したがって、上記（Ｂ−１）項に記載の温度域の温度に加熱した鋼片を熱間圧延して鋼板にするに際して、９００℃以下の温度域での累積圧下率を５０％以上とした。５０％以上の累積圧下を加える未再結晶温度域の下限の温度は、圧延後の急冷で強度を確保する観点から７５０℃とするのがよい。なお、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上でありさえすればよいので、９００℃を超える再結晶温度域での圧下率については特に規定しなくても良い。
【００４０】
（Ｂ−３）「圧延後直接焼入れ」のための急冷
熱間圧延後は直ちに急冷を行うが、その急冷の停止温度を適正に制御することが極めて重要である。被処理材の表面温度が１５０℃未満の場合には、鋼中に含まれる水素が十分には放出されないので、溶接時の低温割れ性が劣化する。鋼中の水素放出の観点からは、急冷を停止する被処理材の表面温度は高い方が良いが、４００℃を超える場合には強度確保に必要なマルテンサイト変態が不十分となり強度が低下すると同時に靱性も劣化してしまう。したがって、被処理材の表面温度が４００〜１５０℃の温度域の温度に達した時点で急冷を停止し、以後室温まで放冷することとした。
【００４１】
なお、既に述べたように、熱間圧延後「直ちに」鋼板を急冷するとは、圧延後の鋼板を再加熱することなく水や油などの冷媒によって「圧延後直接焼入れ」することをいう。又、「放冷」とは、大気中での自然冷却を指す。
【００４２】
既に述べた（Ａ）項、（Ｂ−１）項及び（Ｂ−２）項における規定と本（Ｂ−３）項の規定を満足させることによって、（１）の発明に係る溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法が得られる。
【００４３】
（１）の発明の方法で製造された高強度鋼板には、必要に応じて強度と靱性のバランスを調整するための焼戻しが施される。
【００４４】
（Ｂ−４）焼戻し
「圧延後直接焼入れ」した鋼板に焼戻しを施すことで、優れた強度と靱性のバランスを確保することができる。しかし、この焼戻し温度が６５０℃を超えると強度が著しく低下し、ＴＳで７８０ＭＰａ以上という所望の強度を確保することが困難となる。したがって、（２）の発明においては、焼戻し温度を６５０℃以下とした。
【００４５】
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。
【００４６】
【実施例】
表１、表２に示す化学組成を有する鋼１〜４、鋼６及び鋼８〜１０、鋼Ｘ２〜Ｘ１７及び鋼Ｘ１９を１８０ｋｇ真空溶解炉を用いて溶製した。表１における鋼１〜４、鋼６及び鋼８〜１０は化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例、表１及び表２における鋼Ｘ２〜Ｘ１７及び鋼Ｘ１９は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例である。
【００４７】
【表１】
【表２】
次いで、これらの鋼を通常の方法で厚さ１６０ｍｍの鋼片とした後、表３に記載の各種条件で熱間圧延、直接焼入れ、焼戻しして板厚３３〜５１ｍｍの鋼板とした。
【００５０】
【表３】
このようにして得た各鋼板の板厚中心部から、ＪＩＳ４号引張試験片とＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片をそれぞれ圧延方向と平行な方向に採取し、母材の機械的性質を調査した。
【００５２】
更に、溶接時の低温割れ防止温度をｙ割れ試験によって実施し、割れが発生しない予熱温度を調査した。
【００５３】
表４、表５に試験結果をまとめて示す。なお、母材の強度と靱性の目標はそれぞれＴＳで７８０ＭＰａ以上、VＴSで−６０℃以下とした。又、ｙ型溶接割れ試験における割れ停止予熱温度は１００℃以下を目標とした。
【００５４】
【表４】
【表５】
表４における試験番号１〜４、試験番号６及び試験番号８〜１０は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼を、本発明で規定する条件で製造した場合の結果を示すものである。いずれの場合もＴＳで７８０ＭＰａ以上の強度とVＴSで−６０℃以下の靱性が得られており、しかもｙ型溶接割れ試験における割れ停止予熱温度は高々７５℃で目標を満足している。
【００５７】
表４における試験番号１３〜１８は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼を、本発明で規定する条件から外れた方法で製造した場合の結果を示すものである。被処理鋼の化学組成が本発明で規定する範囲内にあっても、製造条件が本発明の規定から外れているため、強度、靱性、溶接性のいずれかが目標に達していない。
【００５８】
表５における試験番号２０〜３５及び試験番号３７は、成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼を、本発明で規定する条件で製造した場合の結果を示すものである。製造条件が本発明の規定するものであっても、成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れているため、強度、靱性、溶接性の少なくとも１つが目標に達していない。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の方法によって、ＴＳが７８０ＭＰａ以上、ＪＩＳ４号シャルピー衝撃試験片を用いた衝撃試験における破面遷移温度（VＴS）が−６０℃以下で、しかも溶接施工時の予熱温度が１００℃以下の低い温度であっても割れを発生しない板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板を廉価に製造することが可能である。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｖ：０．０１〜０．０７％、Ｎｂ：０．００５〜０．０６％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．０００５〜０．００２５％、Ｓｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．６％、Ｎｉ：０〜１．２０％、Ｃｒ：０〜０．６％、Ｍｏ：０〜０．６％、Ａｌ：０〜０．０７％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＮは０．００６％以下で、更に下記Ｅ１式で表されるＰcmの値が０．２５％以下を満足する化学組成の鋼片を、１０００〜１１８０℃の温度域に加熱し、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上となるように熱間圧延した後直ちに急冷し、表面温度が４００〜１５０℃に達した時点でその急冷を停止し、以後室温まで放冷することを特徴とする溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法。
Ｐcm＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（Ｍｎ／２０）＋（Ｃｕ／２０）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｃｒ／２０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）＋５Ｂ・・・Ｅ１
ここで、Ｅ１式中の元素記号は、その元素の含有量（質量％）を表す。 - 請求項１に記載の化学組成を有する鋼片を、１０００〜１１８０℃の温度域に加熱し、９００℃以下の温度域での累積圧下率が５０％以上となるように熱間圧延した後直ちに急冷し、表面温度が４００〜１５０℃に達した時点でその急冷を停止し、以後室温まで放冷した後、更に６５０℃以下の温度で焼戻しすることを特徴とする溶接性に優れた板厚３０ｍｍを超えて５０ｍｍ以下の水圧鉄管または海洋構造物用高強度鋼板の製造方法。
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