JP6879323B2 - 疲労特性に優れた厚鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、船舶、海洋構造物、橋梁、建築物等に使用する構造用材料として好適な厚鋼板に関するものである。本発明は、特に、板厚が50mm以上かつ引張強さが490〜720MPaである厚鋼板の疲労特性の改善に有効である。

近年、船舶や海洋構造物、橋梁、建築物等の構造物が大型化していくに連れて、使用される厚鋼板の強度と板厚の増加が求められている。大型の構造物の信頼性および健全性を確保する観点から、疲労破壊を防止するための疲労特性の向上は最も重要な課題の一つであり、溶接部のみならず厚鋼板自体の疲労特性を向上する技術が検討されている。

一般に、厚鋼板の疲労特性に関して、溶接部等の高い応力集中領域が存在しない場合、厚鋼板の強度が高いほど、疲労強度が向上することが知られている。一方で、高強度の厚鋼板では、厚鋼板の組織（以下、母相という）中に存在する介在物等を起点として疲労亀裂が発生し易いことも判明している（非特許文献１参照）。つまり、介在物と母相との界面に生じる応力集中が、疲労亀裂を発生させる原因となっている。

この現象を詳しく研究すると、高強度の厚鋼板が優れた疲労特性を発揮するためには、母相を均一で介在物のない組織とする必要があることが分かる。

しかし、従来の厚鋼板の製造技術、とりわけ板厚50mm以上かつ引張強さ490〜720MPaである厚鋼板の製造技術では、素材となるスラブを連続鋳造する工程にて中心偏析（すなわち合金元素が中心部で濃化する現象）が発生するという問題、および、スラブを圧延する工程にてスラブ表面とスラブ内部の温度や塑性変形量に差が生じるという問題が残されており、その問題を解消する技術は確立されていない。

つまり、従来の技術では、圧延された厚鋼板の板厚方向の中央部にも合金元素の濃化領域が形成されるのを防止できず、その領域にて濃化した合金元素が介在物となって析出し、厚鋼板の疲労特性を劣化させる原因となっている。

村上敬宜著「金属疲労 微小欠陥と介在物の影響」養賢堂出版、１９９３年３月８日

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、優れた疲労特性を有する厚鋼板、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、スラブを連続鋳造する工程で不可避的に発生する中心偏析と、スラブを圧延する工程を経て得られた厚鋼板に残留する合金元素の濃化領域との関係について調査した。その結果、スラブの圧延工程において板厚方向の中央部に加えられる塑性変形が不十分な場合に、スラブの中心偏析に起因する合金元素の濃化領域が厚鋼板にも残留することが分かった。そして、
(a)厚鋼板に残留する合金元素の濃化領域にて介在物が生成される、
(b)その介在物と厚鋼板の母相との界面から疲労亀裂が発生する、
(c)厚鋼板の疲労特性を向上するためには、圧延工程にて合金元素の濃化領域を消滅させる必要がある
ことを見出した。

次に、合金元素の濃化領域を消滅するための圧延技術について詳細に研究した結果、
(d)板厚方向の中央部は圧延工程における塑性変形が加わり難いので、スラブを圧延した後も中心偏析が厚鋼板の板厚方向中央部に合金元素の濃化領域となって残留する
ことが判明し、さらに、
(e)連続鋳造されたスラブに発生する中心偏析を、圧延工程に供する前にスラブの板厚方向中央部から外れた位置に移動させることによって、圧延工程にて十分な塑性変形が合金元素の濃化領域に加わる
ので、合金元素の濃化領域が消滅するという知見を得た。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、連続鋳造によって得られたスラブを熱間圧延することによって製造される厚鋼板であって、スラブの板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面に減厚処理を施してスラブの板厚を減少させた後に、熱間圧延を行なって製造された厚鋼板である。

本発明の厚鋼板においては、連続鋳造によって得られたスラブの板厚Ｔ_CASTED（mm）と、減厚処理を施した後のスラブの板厚Ｔ_PLANED（mm）との差ΔＴ＝Ｔ_CASTED−Ｔ_PLANEDが
ΔＴ≧５mm
を満たすことが好ましい。厚鋼板は、板厚が50mm以上かつ引張強さが490〜720MPaであることが好ましい。

また本発明は、連続鋳造によって得られたスラブを熱間圧延して厚鋼板を製造する厚鋼板の製造方法において、スラブを冷却した後、スラブの板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面に減厚処理を施し、次いでスラブを加熱し、引き続きスラブを熱間圧延する厚鋼板の製造方法である。

本発明の厚鋼板の製造方法においては、連続鋳造によって得られたスラブの板厚Ｔ_CASTED（mm）と、減厚処理を施した後のスラブの板厚Ｔ_PLANED（mm）との差ΔＴ＝Ｔ_CASTED−Ｔ_PLANEDが
ΔＴ≧５mm
を満たすことが好ましい。厚鋼板は、板厚が50mm以上かつ引張強さが490〜720MPaであることが好ましい。

本発明によれば、優れた疲労特性を有する厚鋼板を得ることができる。特に板厚が50mm以上、引張強さが490〜720MPaの厚鋼板においても、疲労特性を向上することができるので、産業上格段の効果を奏する。

連続鋳造によって得られたスラブの板厚Ｔ_CASTEDと、減厚処理を施した後のスラブの板厚Ｔ_PLANEDとを示す断面図である。 疲労試験の試験片を示す斜視図である。

図１は、連続鋳造によって得られたスラブの板厚Ｔ_CASTED（mm）と、減厚処理を施した後のスラブの板厚Ｔ_PLANED（mm）とを示す断面図である。

図１に示すように、連続鋳造によって得られたスラブ１の板厚はＴ_CASTEDである。スラブ１の、板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面に減厚処理を施すことによって、板厚はＴ_PLANEDとなる。以下では、減厚処理を施した後のスラブの符号を３とする。

連続鋳造に起因する中心偏析は、スラブ１の板厚方向の中心線２近辺に発生する。そのスラブ１を圧延工程に供すると、板厚方向の中心線２近辺に塑性変形が加わり難いので、圧延工程を終了した厚鋼板（図示せず）の板厚方向の中心線近辺に合金元素の濃化領域が残存する。

ところがスラブ１を圧延に供する前に減厚処理すると、得られたスラブ３の板厚方向の中心線４は、中心偏析が残留する中心線２とは異なる位置に移動する。そのスラブ３を圧延工程に供すると、板厚方向の中心線４には塑性変形が加わり難いが、中心偏析が残留する中心線２には十分な塑性変形を加えることができる。

したがって圧延工程にて、十分な塑性変形を中心偏析の部位に加えることが可能となり、合金元素の濃化領域を消滅させることができる。こうして介在物の生成を防止し、ひいては疲労亀裂の発生を防止できる。

スラブ１の板厚Ｔ_CASTED（mm）とスラブ３の板厚Ｔ_PLANED（mm）との差ΔＴ（＝Ｔ_CASTED−Ｔ_PLANED）が小さすぎる場合は、スラブ３の中心線４に極めて近い位置に中心偏析が存在することになるので、スラブ３を圧延する工程において塑性変形を中心偏析の部位に加えることが困難になる。そのため、ΔＴは５mm以上（ΔＴ≧５mm）が好ましい。

また、ΔＴが大きすぎる場合は、減厚処理に長時間を要するので、加工コストの上昇を招く。したがって、15mm≧ΔＴ≧５mmが一層好ましい。

本発明によれば、厚鋼板の鋼種や寸法に関わらず、厚鋼板の疲労特性を向上する効果が得られる。特に、板厚50mm以上かつ引張強さ490〜720MPaである厚鋼板では、疲労特性を向上する技術が確立されておらず、本発明を適用することによって多大な効果を発揮することが可能となる。

連続鋳造によって製造した板厚300mmのスラブを用いて、発明の効果を調査した。本調査で利用した圧延機に圧延可能な板厚の制約があったため、まずスラブの両面を80mmずつ切削加工し、板厚140mmの加工スラブを得た。続いて、加工スラブに減厚処理として切削加工および研削加工を施して、板厚120〜140mmの鋼板とし、その鋼板を圧延に供して板厚60mmの鋼板を得た。鋼板を得るにあたって、スラブの中心偏析が、鋼板の板厚方向60mm（すなわち板厚方向の中心線）の位置から種々ずれるように切削および研削した。これを発明例とする。

また比較のために、板厚120mmの鋼板を得るにあたって、加工スラブの板厚方向70mmの位置にある中心偏析が、鋼板の板厚方向60mm（すなわち板厚方向の中心線）の位置に一致するように切削および研削した。これを比較例とする。この比較例の鋼板も、圧延に供して板厚60mmの鋼板を得た。

これらの鋼板から、夫々、疲労試験の試験片（図２参照）を採取し、試験片の長手方向に荷重を繰り返し付与して、試験片が破断するまで疲労試験を行なった。なお、図２中の数値の単位はmmである。試験片は、その長手方向が鋼板の上下両表面に対して平行、かつ鋼板の左右両側面に対して垂直となるように採取した。

疲労試験においては、破断した試験片の破面に現われる模様（いわゆるビーチマーク）によって疲労亀裂の進展挙動を調査するので、応力範囲400MPa（応力比0.1）と応力範囲222MPa（応力比0.5）を2000回ずつ交互に切り替えて荷重を付与した。

疲労試験によって得られた破断寿命のデータを表１に示す。なお破断寿命は、試験片の疲労亀裂の発生から疲労亀裂の進展を経て、破断の最終段階である延性破壊に到るまでの間に、負荷を付与した回数である。

表１から明らかなように、発明例の鋼板は、比較例の鋼板よりも破断寿命が長くなっており、疲労特性が優れていることが分かる。

また、疲労試験によって破断した試験片の破面を観察すると、発明例の鋼板と比較例の鋼板の疲労亀裂は、いずれもスラブの中心偏析領域を起点として発生していた。つまり、スラブの板厚方向の中心線に加わる塑性変形が、鋼板の疲労特性に影響を及ぼしたと考えられる。

１ 連続鋳造によって得られたスラブ
２ スラブ１の板厚方向の中心線
３ 減厚処理を施した後のスラブ
４ スラブ３の板厚方向の中心線

Claims (3)

1. 連続鋳造によって得られたスラブを熱間圧延して厚鋼板を製造する厚鋼板の製造方法において、前記スラブを冷却した後、前記スラブの板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面に、処理後のスラブの板厚方向の中心線が、中心偏析が残留する中心線とは異なる位置となるように減厚処理を施し、次いで前記スラブを加熱し、引き続き前記スラブを前記熱間圧延して前記厚鋼板とすることを特徴とする厚鋼板の製造方法。
2. 前記連続鋳造によって得られた前記スラブの板厚Ｔ_CASTED（mm）と、前記減厚処理を施した後の前記スラブの板厚Ｔ_PLANED（mm）との差ΔＴ＝Ｔ_CASTED−Ｔ_PLANEDが
   ΔＴ≧５mm
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板の製造方法。
3. 前記厚鋼板の板厚が50mm以上かつ引張強さが490〜720MPaであることを特徴とする請求項１または２に記載の厚鋼板の製造方法。

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