TWI399444B

TWI399444B - High strength and low temperature toughness, and a method for manufacturing the same

Info

Publication number: TWI399444B
Application number: TW098101792A
Authority: TW
Inventors: Yoshiyuki Watanabe; Ryuji Uemori
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Priority date: 2009-01-17
Filing date: 2009-01-17
Publication date: 2013-06-21
Also published as: TW201028485A

Description

高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼及其製造方法

發明領域

本發明雖作為火災等高溫時之降伏強度維持為目的而以建築構造用耐火鋼為主目標者，但並不限於建築用途，亦可適用於海洋構造物、船舶、橋樑、各種儲槽容器用等廣泛用途之熔接構造用鋼。又，主要對象之鋼板強度之水準為降伏強度為235~475MPa，抗拉強度為400~640MPa，即通常所謂40kg、50公斤鋼之等級。

發明背景

以確保高溫降伏強度為目的之建築用途上所謂耐火鋼，始於特開平2-77523號公報等已揭示有許多技術。但其幾乎皆含有鉬之產品。鉬雖對鋼之高溫降伏強度確保上極為有效之元素，同時也是高價位元素。

但是，日本工業規格(JIS)等所規格化之一般構造用鋼，由於約從350℃降低強度，其容許溫度約成為350℃。即，大廈或辦公大樓、住宅、立體停車場等之建築物使用前述之鋼材時，為要確保火災時之安全性，故被賦與須充分實施耐火被覆之義務；在日本之建築相關各種法令規定，在火災時鋼材溫度不可達到350℃以上。其由於前述鋼材於350℃左右之降伏強度約為常溫之2/3，而低於必要強度之關係。因此，以一般鋼材利用於建造物時，必須實施耐火被覆令火災時鋼材溫度免以達到350℃。

為要省略或減輕該耐火被覆，因此600℃等之高溫拉伸試驗時之高溫降伏強度(以下，未特別註明時，高溫係指600℃，高溫強度為高溫降伏強度)提高之耐火鋼，普遍地被使用。

通常，耐火鋼為維持高溫強度之目的而添加鉬。但是，鉬之市場變化大，亦由於添加量，價格較高於耐火被覆成本之情形多。因此，對於母須添加鉬且便宜之耐火鋼之開發、實用化被期待。

發明概要

本發明之目的，在於獲得母須添加高價的鉬而具優異之高溫強度，同時鋼材的基本性能之一之低溫韌性優異之熔接構造用鋼。因此，藉由限定鋼成分於特定範圍，更對製造方法限定，以提供一種高溫強度優異，抑制熔接裂痕敏感性而確保低溫韌性之耐火鋼，在工業上維持穩定、且低成本之方法。

根據本發明，對於曝露於火災時等高溫環境，亦具有充分降伏強度之熔接構造用鋼，可大量且廉價地供應起見，對於提高種種之廣範用途的熔接鋼構造物之安全性有所助益。

本發明之要點，為要在600℃之高溫強度穩定確保起見，藉由複合添加較微量之碳量及鉻，鈮以替代高價之鉬，利用藉由變態組織強化與鉻或鈮之析出物(碳氮化物)以強化析出。

即，鉬不含有之情形下，發現藉由添加而含有適量之鉻，令鋼之淬火性提高而變態溫度降低，含有雪明碳鐵之硬質組織成為變韌體。

由此，提高常溫及高溫強度之同時，由於基材(matrix)於較低溫變態成為微細之變韌體組織，故於高溫時藉由複合添加鉻及鈮，令鉻及鈮之單獨或複合之碳氮化物物，在該基材中呈極微細地析出，因而發現可確保高溫強度、維持於高水平而完成本發明。

諸如前述，鉬不含有之耐火鋼，其本身極為劃時代之同時，由於不含有淬火性高之鉬，當然可作為熔接構造用鋼之基本性能(強度、韌性)，亦與熔接性或氣體切斷性提高有關。

本發明，由於不僅將鉻、鈮，亦將碳、矽、錳作為為首之各種元素量，及熔接裂痕敏感性組成P_CM予以規定，更藉由製造條件之限定，故不用高價的鉬不僅兼備優異之高溫強度及低溫韌性，且確保了作為熔接構造用鋼之各種使用性能者。其要旨如下。

(1)一種高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼之製造方法，係將鋼材在1000~1300℃之溫度加熱，於800℃以上之溫度結束熱軋後冷却，而該鋼材之成分以質量%計，包含有：碳：0.003~0.05%；矽：0.60%以下；錳：0.6~2.0%；磷：0.020%以下；硫：0.010%以下；鉻：0.20~1.5%；鈮：0.005~0.05%；鋁：0.060%以下；及氮：0.001~0.006%；且作為不純物之鉬限制於0.03%以下，殘餘部分由鐵及不可避免的不純物構成，並且P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B所定義之熔接裂痕敏感性組成P_CM值為0.22%以下。

(2)如第(1)項之高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼之製造方法，其中前述熱軋結束後，從750℃以上之溫度開始加速冷却，而於550℃以下之溫度停止加速冷却。

(3)如第(1)或(2)項之高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼之製造方法，以質量%計，更含有：釩：0.01~0.10%；鈦：0.005~0.025%；鎳：0.05~0.50%；銅：0.05~0.50%；硼：0.0002~0.003%；鎂：0.0002~0.005%；鈣：0.0005~0.004%；REM：0.0005~0.008%之中之任1種或2種以上。

(4)一種高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼，係將鋼材在1000~1300℃之溫度加熱，於800℃以上之溫度結束熱軋後冷却所得者，而該鋼材之成分以質量%計，包含有：碳：0.003~0.05%；矽：0.60%以下；錳：0.6~2.0%；磷：0.020%以下；硫：0.010%以下；鉻：0.20~1.5%；鈮：0.005~0.05%；鋁：0.060%以下；及氮：0.001~0.006%；且作為不純物之鉬限制於0.03%以下，殘餘部分由鐵及不可避免的不純物構成，並且P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B所定義之熔接裂痕敏感性組成P_CM值為0.22%以下。

較佳實施例之詳細說明

說明有關本發明所規定之各合金元素之添加範圍。

碳：0.003~0.05%

碳作為高張力鋼限定於極低之水準。其與其他的成分，同時亦與製造方法具有密切關係。鋼成分之中，碳對鋼材之特性具有最大之影響者。下限為0.003%係為確保強度或令熔接等之熱影響部，維持於不會發生必要以上的軟化之最小值。

碳量過多則淬火性必要以上地昇高，對鋼材之強度與韌性之平衡、熔接性等具不良影響。又，如後述樣，曾有藉由目的之板厚或強度，將加速冷却停止於較低溫之案例，此時，為要抑制鋼材表裏面附近之極端地硬化、或板厚方向之材質變動，將上限作為0.05%。

為要避免由於作業變動或與其他成分之平衡引起之強度降低，下限以0.005%為佳，而以作成0.01%較佳。又，為避免過度之淬火硬化或材質變動，上限以0.04%為佳，更以作成0.03%較佳。

矽：0.60%以下

矽雖係為脫酸而含於鋼中之元素，由於多量添加則熔接性、HAZ韌性劣化，故上限作為0.60%，鋼之脫酸亦由於可用鋁、鈦，以與該等元素之平衡來決定含量即可。但從HAZ韌性、淬火性等之觀點言，則愈低愈佳，不添加亦可。因此，上限亦無妨限制於0.40%、0.20%、0.10%。又，在製鋼工廠製造鋼時，未添加矽而藉由鈦、鋁脫酸時，通常含有0.01%以上之矽。

錳：0.6~2.0%

錳係確保常溫之強度、韌性上不可或缺之元素，其下限為0.6%。以0.8%以上或1.0%以上為佳。但錳量過多則淬火性上昇，不僅令熔接性、HAZ韌性劣化，亦助長連續鑄造板之中心偏析，故上限作為2.0%。以1.8%以下為佳、而較佳為1.6%以下或1.4%以下。

磷：0.020%以下

磷量少則由於具有減少HAZ中的粒界破壞之傾向，故愈少愈佳。含量多則由於母材、熔接部之低溫韌性劣化，故上限作為0.020%。以作成0.015%以下、0.010%以下或0.008%以下較佳。當然不添加亦可。

硫：0.010%以下

硫從母材之低溫韌性之觀點言，愈少愈佳。含量多則令母材、熔接部之低溫韌性劣化，故上限作為0.010%。以作成0.008%以下、0.006%、0004%較佳。當然不添加亦可。

鉻：0.20~1.5%

鉻為本發明中最重要元素之一。為確保高溫強度必須添加鈮及鉻。其藉由鉻之淬火性提高效果令變態溫度降低，由於含有雪明碳鐵之硬質組織成為變韌體，故提高常溫及高溫時之強度，更於高溫時，可利用為藉由鉻之析出物(碳氮化物)之析出強化。

為要獲得該等之效果，鉻含量最低必須為0.20%。以0.35%以上為佳，宜作為0.50%以上、0.8%或1.0%以上較佳。但添加量過多，由於引起母材、熔接部之韌性及熔接性之劣化而損及經濟性，故上限作為1.5%。宜為1.3%以下為佳。

鈮：0.005~0.05%

鈮與鉻皆為本發明中最重要元素。與鉻同樣，為確保高溫強度，可利用為藉由鈮之析出物(碳氮化物)之析出強化。

因此，至少必須0.005%以上。宜為0.010%以上為佳。但是，添加量過多，由於引起熔接部之韌性劣化，故上限作為0.05%。以0.045%以下為佳，更以0.030%以下為佳。又，添加鈮令沃斯田鐵之未再結晶溫度昇高，亦寄望於令熱軋時之控制軋製效果，發揮至最大範圍。

藉由前述之鉻及鈮之複合添加，鉬雖不存在，亦可確保高溫強度。因此，在本發明中，對於鉬之意圖的添加不予實施。又作為不純物之鉬無意圖的混入時，亦限制於0.03%以下。

鋁：0.060%以下

通常，鋁用於脫酸而含於鋼中之元素。由於脫酸亦可由矽或鈦進行，故可與該等元素之平衡以決定用量。但是，鋁量多則不僅鋼之清淨度惡化，於令熔接金屬之韌性劣化，故上限作為0.060%。宜為0.040%以下為佳。其量愈少愈佳，亦可不添加。又，製鋼工廠製造鋼時，雖未藉由鋁脫酸時，通常亦含有0.001%以上之鋁。

氮：0.001~0.006%

氮雖係作為不可避免的不純物而含於鋼中，與鈮結合形成碳氮化合物以增加強度；又，形成氮化鈮如前述樣提高鋼之性質。因此，氮量最低必須為0.001%。宜為0.0015%以上為佳。但是，氮量增加則損及熔接熱影響部韌性、熔接性，在本發明鋼中，其上限為0.006%。宜為0.0045%以下較佳。

其次，說明有關因應需要可含有釩、鈦之添加理由。

釩：0.01~0.10%

釩係與鈮幾乎具有同樣的效果，在本發明中，釩的作用僅作為補充鈮之不足者。但是，釩之效果小於鈮，而亦影響到淬火性，故限定上下限。下限係確實獲得釩添加效果之最少量為0.01%。宜為0.025%以下為佳。上限亦考慮到對後述之熔接裂痕敏感性組成P_CM之影響而作為0.10%。以0.08%以下為佳，更以0.05%以下為佳。

鈦：0.005~0.025%

鈦係期望以提高母材及熔接熱影響部韌性而添加。因為鈦於鋁量少時(例如0.003%以下)，結合氧形成以氧化鈦為主成分之析出物，成為粒內變態肥粒鐵生成之核，提高熔接熱影響部韌性。

再者，鈦與氮結合成為氮化鈦，微細地析出於鋼材中，抑制加熱時r粒之粗大化，有效於軋製組織之細粒化。更存在於鋼材中之微細氮化鈦，在熔接時令熔接熱影響部組織細粒化，以提高韌性。為要獲得該等之效果，鈦最低必須要0.005%。但過多則形成碳化鈦，由於令低溫韌性或熔接性劣化，其上限作為0.025%。以0.020%以下為佳。

其次，說明有關鎳、銅、硼、鎂之添加理由。

在成為基本之成分中，再添加該等元素之主要目的，係為不損及本發明鋼之優異特徵，提高強度、韌性等之特性。因此，其添加量是自應被限制之性質者。

鎳：0.05~0.50%

鎳添加如不過量，不會損及熔接性、熔接熱影響部韌性而提高母材的強度、韌性。為要發揮該等效果，至少必須添加0.05%以上。

另一方面，過量的添加不僅費用高，對熔接性不佳。又，指出鎳添加過多，則在液體氨中引起應力腐蝕裂痕(SCC)之可能性。根據發明人等之研究，添加至1.0%令熔接性或在液體氨中之SCC的劣化不會很大，雖以強度、韌性提高效果較大，但以經濟性為優先，將上限作為0.50%。更以經濟性為優先時，亦可限制於0.35%。

銅：0.05%~0.50%

銅係與鎳幾乎顯示同樣的效果、現象，上限之0.50%熔接性劣化外，由於過量添加令熱軋時發生銅-龜裂成為製造困難而被限制。下限為獲得實質的效果之最小量定為0.05%。以經濟性為優先時，上限可限制於0.30%。

硼：0.0002~0.003%

硼係令沃斯田鐵於粒界偏析，介著抑制肥粒鐵之生成，提高淬火性，有助於強度提高。為要獲得該效果，最低須要0.0002%以上。

但是，添加過多不僅令淬火性提高效果達到飽和，由於可能形成有害於韌性之硼析出物，故上限作為0.003%。宣為0.002%以下為佳。又。如作為桶用鋼等，在有應力腐蝕裂痕之虞的案例中，母材及熔接熱影響部之硬度減低成為要點之情形多【例如，為要防止硫化物應力腐蝕裂痕(SCC)，洛氏硬度必須為HRC≦22(HV≦248)】，此類之案例中，不宜添加令淬火性增大之硼。又，硼雖具有提高前述樣之強度效果，由於添加硼會引起熱影響部韌性等材質劣化之問題，故為避免該等之問題，期望將硼限制於0.0003%以下或不要添加。

鎂：0.0002~0.005%

鎂係於熔接熱影響部抑制沃斯田鐵粒之成長，具細粒化之作用，故可謀求熔接部之強韌化。為要獲得此類效果，鎂須要0.0002%以上。另一方面，添加量增加則因相對於添加量之效果費用縮小，在成本上並非上策，故上限作為0.005%。宜為0.0035%以下為佳。

其次，說明有關鈣或REM之添加理由。

鈣：0.0005~0.004%

REM：0.0005~0.008%

鈣及REM係控制硫化錳之形態，除提高母材之低溫韌性外，降低濕潤硫化氫環境下之氫致裂痕(HIC、SSC、SOHIC)敏感性。為要發揮該等之效果發揮，最低須要0.0005%。

但是，添加量過多，反而令鋼之清淨度惡化，由於要提高母材韌性或濕潤硫化氫環境下之氫致裂痕(HIC、SSC、SOHIC)敏感性，添加量之上限將鈣、REM分別限定於0.004%、0.008%。宜分別為0.003%、0.006%以下為佳。又，為要令鈣及REM發揮幾乎相同的效果，將任1種添加為前述範圍即可，而兩者皆添加亦可。

鋼之各個成分雖經限定，但成分系全體不適當，仍無法得到優異之特性。本發明中，從各元素之含量(質量%)，以下式所定義之熔接裂痕敏感性組成P_CM之值，限定於0.22%以下。

P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

P_CM係表示熔接性之指標，愈低熔接性良好。JIS G 3106「熔接構造用軋製鋼材」中，雖依強度水準或板厚而異，最嚴格者限定為0.24%以下。

根據本發明人等，以廣泛的鋼種實施各種之熔接裂痕試驗，雖在更嚴苛之限制條件、環境條件下，可確實作為防止熔接冷裂痕之條件，將P_CM限定為0.22%以下。又，下限雖未特予限定，從各成分之限定範圍可自行限制。

繼而，說明有關製造條件。

在熱軋之前，加熱溫度限定於1000~1300℃之理由，係保持沃斯田鐵粒於小顆粒，以謀求軋製組織之微細化。1300℃係沃斯田鐵於加熱時，不會發生極端粗大化之上限溫度，加熱溫度超過則沃斯田鐵粒粗大混粒化，令變態後之組織亦粗大化，故鋼之韌性顯著地劣化。

另一方面，加熱溫度過低，則由於板厚不僅難於確保後述之軋製結束溫度，令沃斯田鐵之未再結晶溫度升高，故為要發現析出強化之鈮熔體化之觀點言，將下限作為1000℃。最佳之加熱溫度範圍為1050~1250℃。

經前述樣之條件加熱之鋼材，在800℃以上熱軋結束後冷卻。冷卻方法未特予限制。雖可放置於大氣中冷卻，但藉由從750℃以上之溫度，加速冷却至550℃以下之溫度，更可提高鋼材之特性。

軋製結束溫度低於800℃，則對碳量較少之本發明鋼，令肥粒鐵變態析出，須對肥粒鐵加工(軋製)之虞，故以確保低溫韌性點言是不佳。因此，軋製結束溫度限定於800℃以上。宜為820℃以上為佳。

800℃以上之熱軋結束後，強度較低之所謂40公斤級鋼(例如，JIS規格之SM400、SN400鋼)，雖放置於大氣中冷卻亦能滿足所定之強度。

但是，50公斤級鋼(例如，JIS規格之SM490、SN490鋼)或40公斤鋼，亦由於就板厚變厚狀放置於大氣中之冷卻，令強度之穩定難於確保，故期望於800℃以上之熱軋結束後，從750℃以上之溫度開始加速冷卻。軋製後之加速冷卻，係為更要提高鋼材之特性，且不會損及本發明之優異特徵。

加速冷卻最初係意在提早該變態範圍之冷速而令組織微細化，同時提高強度及韌性所進行者。因此，如不在變態開始前或至少變態結束前開始，實質上不具任何意義。因此，將加速冷卻開始溫度限定於750℃以上。為要獲得其效果上，該加速冷卻必須冷卻至550℃以下之溫度。在超過550℃之溫度，由於加速冷卻時之變態未充分進行，無法充分組織之微細化。因此，加速冷卻之開始溫度以760℃以上為佳，而加速冷卻之停止溫度範圍以520℃以下、300℃以上為佳。

再者，加速冷卻時之冷卻速度，雖依鋼成分或所意圖之強度或低溫韌性水準而異，期望於板厚方向從表面起板厚之¼的位置，實施加速冷卻開始溫度起至550℃之平均冷卻速度作為3℃/秒以上。

再者，對於冷卻後之軋製材料，雖實施附加Ac1溫度以下的回火處理，亦不會損及本發明之優異特徵。為提高材質之板內均勻性，寧可消除冷卻之不均勻性為宜。

實施例

在轉爐-連續鑄造-板厚步驟中，製造各種鋼成分之鋼板(厚度19~100毫米)，調查其材質。

第1表中顯示比較鋼，同時顯示本發明鋼之鋼成分，第2表中顯示鋼板製造條件及各種特性。

根據本發明製造之鋼板(本發明鋼)，皆具有良好特性。相對於此，了解未根據本發明製造之鋼板(比較鋼)，有某些特性較差。

比較鋼11係由於碳量高，故與本發明鋼比較，母材、再現熔接熱影響部(HAZ)，皆低溫韌性差。

比較鋼12係由於未添加鈮，又比較鋼13係由於鉻量低，故兩者之高溫強度低。

比較鋼14係由於碳量低，故高溫強度低。

比較鋼15係由於鉻量高，故母材、再現HAZ，皆韌性差。

比較鋼16係由於鈮量高，故HAZ韌性差。

比較例17-1~3之成分與本發明鋼5相同。但比較鋼17-1由於軋製結束溫度低，結果由於加速冷卻開始溫度無法確保而降低，故常溫、高溫強度皆低。比較鋼17-2係由於加速冷卻開始溫度低，故常溫、高溫強度皆低。比較鋼17-3係由於加速冷卻停止溫度高，故常溫、高溫強度皆低。

比較鋼18係由於各個之元素或製造方法，皆在本發明範圍內，故常溫、高溫強度或韌性等符合於作為490MPa級之所要特性，但由於P_CM高，在熔接性(斜y形熔接裂痕試驗)發生裂痕。

產業之可利用性

根據本發明可提供大量且廉價之高溫強度及低溫韌性優異之熔接構造用鋼。其結果，作為建築構造用可輕減或省略耐火被覆。又，在建築以外之用途上，由於具備強度、韌性等基本性能之外，更具備高溫強度，故作為可能曝露於高溫之熔接構造用鋼，更可提高構造物之安全性。

Claims

一種高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼之製造方法，係將鋼材加熱至1000~1300℃之溫度，於800℃以上之溫度下結束熱軋，之後予以冷卻者；且，該鋼材以質量%計，成分如下：碳：0.003~0.05%；矽：0.60%以下；錳：0.6~2.0%；磷：0.020以下；硫：0.010%以下；鉻：0.20~1.5%；鈮：0.005~0.05%；鋁：0.060%以下；及氮：0.001~0.006%；並且，將作為不純物之鉬限制於0.03%以下，殘餘部分則由鐵及不可避免的不純物構成；又，該鋼材以下式定義之熔接裂痕敏感性組成P_CM值為0.22%以下：P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。
如申請專利範圍第1項之高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼之製造方法，其係在前述熱軋結束後，從750℃以上之溫度開始加速冷卻，且在550℃以下之溫度停止加速冷卻。
如申請專利範圍第1或2項之高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼之製造方法，其以質量%計，更含有：鎳：0.05~0.50%；銅：0.05~0.50%；硼：0.0002~0.003%；鎂：0.0002~0.005%；鈣：0.0005~0.004%；REM：0.0005~0.008%之中之1種或2種以上。
一種高溫強度與低溫韌性優異之熔接構造用鋼，係將鋼材加熱至1000~1300℃之溫度，於800℃以上之溫度下結束熱軋，之後進行冷卻而製得者；且，該鋼材以質量%計，成分如下：碳：0.003~0.05%；矽：0.60%以下；錳：0.6~2.0%；磷：0.020%以下；硫：0.010%以下；鉻：0.20~1.5%；鈮：0.005~0.05%；鋁：0.060%以下；及氮：0.001~0.006%；並且，將作為不純物之鉬限制於0.03%以下，殘餘部分則由鐵及不可避免的不純物構成；又，該鋼材以下式定義之熔接裂痕敏感性組成P_CM 值為0.22%以下：P_CM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。