JPH01191765A - 微細粒チタン酸化物、硫化物を分散した溶接部靭性の優れた低温用高張力鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶接性の優れた強靭性高張力鋼に係わり、特
に、溶接熱影響部（以下ＨＡＺと称する）の低温靭性の
優れた構造用鋼に関するものである。

（従来の技術） 低合金鋼の溶接部のＨＡＺ靭性は、（１）有効結晶粒の
大きさ（オーステナイト粒径、ミッロ組織）、（２）硬
化相の粒径及び体積分率（炭化物、高炭素マルテンサイ
ト、介在物）、（３）母相の硬さ及び靭性（フェライト
中の固溶Ｃ，Ｎ）等の冶金学要因によって支配されてい
る。

これらの中でＨＡＺ靭性の向上策として、ＨＡＺ部Ｉｌ
織を微細化し、有効結晶粒を細粒化する方法が簡便であ
り、高温で安定な種々の析出物を活用した各種の方法が
提案されている。

例えば、昭和５４年６月発行の鉄と鋼、第６５巻第８号
１２３２真においては、ＴｉＮを微細分散させ、５０　
ｋｇ−ｆ　／龍”高張力鋼の大入熱溶接時のＨＡＺ靭性
を改善する手段がとられている。

しかし、これらの析出物は、大入熱溶接においては大部
分が溶解され、ＨＡＺ部織の粗粒化と固溶Ｎの増加を生
じ、ＨＡＺ靭性を劣化させるという欠点が存在する。

一方、本発明者の一部は、溶鉄のＡｌ脱酸に替わるＴｉ
脱酸により、鋼中にＴｉ酸化物を微細分散させ、溶接時
のＨＡＺ部において、粒内フェライト変態組織（以下［
ＦＰと称する）を発達させることにより、ＨＡＺ靭性を
著しく改善できることを、特開昭６０−２４５７６８号
、特開昭６０−７９７４５号、特開昭６１−１１７２４
５号、特開昭６２−１８４２号公報において示した。

その後、Ｔｉ酸化物含有鋼における、ＨＡＺ部［ｌ織と
靭性の関係を詳細に調べたところ、鋼中のＴｉ酸化物個
数の増加にともないＨＡＺ靭性が向上することが明らか
になった（第１図）。

第１図中の円内模式図は変Ｌｉ＆［ｌ織の特徴を示して
いる。　　（〔Ｓ〕（ｅｆｆ）、　：　１０ｐｐｍ　）
しかし、ある一定の個数以上になると靭性値はもはや向
上せず、一定値をしめすようになる。

この原因を追求したところ、靭性が向上する範囲内では
Ｔｉ酸化物数の増加にともない、ＩＦＰ組Ｖａ量が増加
するが、それ以上の増加によってもＩＦＰ＆Ｉｌ￥８は
増加しないことが判明した。

すなわち、ある一定個数以上のＴｉ酸化物はＩＦＰ核生
成能を持たなくなることを意味している。

この無効のＴｉ酸化物をＩＦＰ核として働かせられれば
、ＨＡＺ部を完全にＩＦＰ組織で覆うことができ、さら
に、ＨＡＺ靭性を飛躍的に向上できる可能性がある。そ
れにはＩＦＰ生成に無効のＴｉ酸化物をＩＦＰ核として
活性化する新しい技術思想の導入が必要であることが判
明した。

（発明が解決しようとする課題） 本発明者らは上記の現状を踏まえ、ＩＦＰを核生成する
、Ｉ　Ｆ　Ｐ　核として有効なＴｉ酸化物粒子の構造を
知るため、電子顕微鏡によりその粒子を詳細に検討した
。

その結果、ＩＦＰ核生成能をもつＴｉ酸化物には、はと
んど全てに詳細なＭｎＳが付着しているのが観察された
。このＭｎＳは１３００℃以上に高温加熱された時、−
旦溶解したＭｎＳが冷却途中で再析出したもので、加熱
状態から直ちに、Ｍｎｓが再析出する温度領域を急冷し
ＭｎＳの付着をまったく生じなくした単独のＴｉ酸化物
は、ＩＦＰ核生成能が極端に低下することが明らかにな
った。

これらの実験事実はｒＦＰの核生成にはＴｉ酸化物の他
にそれへのＭｎＳの析出が極めて重要なことを示してい
る。

従って、Ｔｉ酸化個数を増加させても、ある−定量以上
の個数でＩＦＰの生成量が飽和する理由は、Ｔｉ酸化個
数の増加にともない、ＭｎＳの絶対量が不足し、ＭｎＳ
の未付着のＴｉ酸化物が止じるためと考えられ、鋼中の
Ｔｉ酸化個数に見合った最適なＭｎＳ量を実験により求
めることができれば、ＩＦＰ生成量を増量でき、更に優
れたＨＡＺ靭性を持つ溶接用高張力鋼の開発が可能であ
るとの結論に達し、本発明を成したものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、
その要旨は、重量％でＣ：０゜０２〜０．１８％、Ｓ　
ｉ　＋　０．０３〜０．２５％、Ｍｎ：０．４〜２．０
％、Ｔｉ：０．００５％〜０．０３０％、ＮｊＯ，００
１０〜０．００４０％を含有し、Ａｊ！＜０．００３％
、Ｐ（０，０１５％に制限し、さらに必要に応じＮｉ＜
３．０％、Ｃｕ＜１．５％、Ｎｂ＜０．０５％、Ｖ＜Ｑ
、１％、Ｃｒ＜１．Ｑ％、Ｍｏ＜０．５％、Ｂく０．０
０２％の１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよ
び不可避不燃物からなる主に粒子径が０．１〜３．０／
Ｊ−にあるＭ′ｎを固溶したＴｉｚｏｓ、Ｔｉ、０５の
チタン酸化物を含有する鋼において、チタン酸化物個数
にチタン酸化物に複合析出するＭｎＳ個数を合致するよ
うに、含有チタン酸化物個数によりＳ含有量を以下に示
す式で限定し、最良の溶接部靭性を得ることを特徴とす
る低温用高張力鋼である。

〔Ｓ〕（ｅｆｆ）（ｅ　ｒ　ｆ）＝０．３９　　〔Ｎ〕
−１０±１Ｏ〔Ｓ〕（ｅｆｆ）（ｅｒｒ）：任意のチタ
ン酸化物個数での最適Ｓ含有量（ｐｐｍ）〔Ｎ〕：Ｔｉ
酸化物個数（個／藁１２）以下、本発明について詳細に
説明する。

最初に本発明鋼の基本成分範囲の限定理由について述べ
る。

まず、Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分として、添
加するもので、０．０２％未満では溶接構造用鋼として
必要な強度が得られず、また、０．１８％を超える過剰
の添加は、溶接割れ性、ＨＡＺ靭性などを著しく低下さ
せるので、上限を０．１８％とした。

Ｓｉは母材の強度確保、溶鋼の予備脱酸などに必要であ
るが、０．２５％を超えるとＨＡＺに高炭素マルテンサ
イト（以下Ｍ＊と称する）を生成し、ＨＡＺ靭性を著し
く低下させる。また、０．０３％以下ではＴｉ酸化物の
分散析出に必要な溶鋼の予備脱酸ができないため、ＳＩ
含有量をこの範囲に制限した。

Ｎは含有量が０．００４０％を超えると、Ｍｏが存在し
ない条件でも母相を脆化させＨＡＺ靭性を低下させる。

また、Ｎが０．００１０％以下ではＨＡＺで窒化物を生
成せず、ＩＦＰ組織の生成量が減少しＨＡＺ靭性が低下
する。

Ｍｎは母材の強度、靭性の確保およびＭｎＳの生成には
０．４％以上の添加が必要であるが、溶接部の靭性、割
れ性などの許容できる範囲で上限を２．０％とした。

Ｔｉは、Ｔｉ酸化物とＴｉ窒化物の形成に必須の元素で
あり、ｏ、ｏｏｓ％以下ではＴｉ酸化物とＴｉ窒化物数
が極端に減少し、また０、０３％超の添加は、過剰なＴ
ｉ炭化物の析出をともない、ＨＡＺ硬さを上昇させ、靭
性低下をもたらすため、ｏ、ｏｏｓ％〜０．０３％と制
限した。

Ｐは、凝固偏析による溶接割れ性、靭性などの低下を防
止する上から、極力低減すべきであり、上限を０．０１
５％に制限した。

Ａｌは協力な脱酸元素であり０．００３％以上の添加に
よりＴｉ脱酸により形成されるＴｉ酸化物が形成されな
くなり、ＨＡＺにｒＦＰが形成されず、ＨＡＺ靭性の低
下がもたらされるので、０．００３％以下に制限した。

以上が本発明鋼の基本成分であるが、母材強度の上昇お
よび母材、ＨＡＺの靭性向上の目的で、Ｎｉ５Ｃｕ、Ｎ
ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂの１種または２種以上を含有す
ることができる。

まず、Ｎｉは、母材の強靭性とＨＡＺの靭性を同時に高
める極めて有効な元素であるが、３．０％を超す添加は
、焼き入れ性の増加により、ＩＦＰ組織の形成が抑制さ
れること、Ｍｏが生成されることによりＨＡＺ靭性の低
下をもたらすため、上限を３．０％とした。

Ｃｕは母材の強化のわりには、ＨＡＺの硬化が少なく、
有効な元素であるが、応力除去焼鈍による焼き戻し脆性
、溶接割れ性などを考慮して、上限を１．５％、とした
。

Ｎｂ、■は母材の強靭化、粒界フェライトの生成抑制な
どによるＨＡＺ靭性の改善などに有効であるが、各成分
の上限を超える過剰の添加は、靭性及び硬化性の観点か
ら有害となるため、Ｎｂ、■のそれぞれについて、上限
を０．０５％、０．１％とした。

Ｃｒ、Ｍｏは焼き入れ性の向上と析出硬化により、母材
の強化に有効である。また、ＴＭＣＰのような適切なプ
ロセスを付加することにより、母材の低温靭性の向上に
有効である。しかし、各成分の上限を超える過剰の添加
は、ＨＡＺＵ性および硬化性の観点から有害となるため
、Ｃ「、Ｍ。

の各々について、上限を１．０％、０．５％とした。

Ｂは焼き入れ性の向上による母材強度の上昇と粒界フェ
ライトの成長の抑制によるＨＡＺ靭性の向上が期待され
るが、０．００２％を超える添加は、Ｆ　ｅ寞ｓ　（Ｃ
Ｂ）＆　の析出による靭性低下とＨＡＺの硬化を招くた
め、上限を０．００２％とした。

次に、ＨＡＺにＩＦＰを生成し組織を微細化し、ＨＡＺ
靭性を向上させる基となるＩＦＰ核析出物について以下
に説明する。

ＩＦＰは主に粒子径が０．１％〜３．０μｍにある数％
のＭｎを固溶したＴ　ｉｚ　０３　、Ｔ　ｉｚ　Ｏｓの
チタン酸化物およびこれらの酸化物とＴｔＮ、ＭｎＳの
複合体、Ｔ　ｉ　Ｎ　＋　Ｍ　ｎ　Ｓの複合体から生成
する。

該粒子径が０．１μｍ未満ではＩＦＰ生成効果は極めて
弱く、また、３．０μＩ１１超になるとＩＦＰ生成能は
有するものの、それ自身が破壊の発生箇所となり易くな
り、ＨＡＺ靭性の低下をもたらす。

上記における鋼中のＴｉ酸化物の生成方法は、溶鋼の溶
存酸素濃度をｌθ〜６０ｐｐｍに予備脱酸後、Ｔｉ脱酸
し、かつ、溶鋼を凝固時の冷却速度２０〜４００℃／１
Ｉｌｉｎで鋳造することにより得られる。また、その該
粒子数の制御は凝固時の冷却速度を制御することにより
可能で、急冷はどその粒子数を増加することができる。

次に、本発明の基本となる含有Ｔｉ酸化物個数により、
Ｓ含有量（ｐｐｌｌ）を〔Ｓ〕（ｅｆｆ）　　（ｅ　ｆ
　ｆ）　−０，３９〔Ｎ〕−１０±１０の式で限定する
理由について説明する。

存在する全てのＴｉＭ化物をＩＦＰ生成核として活性化
するには、それらにＭ　ｎ　Ｓを付着させる必要がある
。また、鋼中に生成するＭｎ５Ｉは、はぼＳ量によって
決定されるので、Ｔｉ酸化物個数に合わせてＳ量を調整
し、ＭｎＳをＴｉ酸化物個数に合致するようにするため
に、上記の式で限定した。

なお、この式において、Ｓ量がＴｉ酸化物個数に対し範
囲外で多い場合は、溶接時のＨＡＺ部のオーステナイト
粒界に過剰のＭ　ｎ　Ｓが析出し、それにより、靭性を
悪化させる粗粒Ｍｉ織の粒界フェライトとフェライトサ
イドプレートを生成し、ＨＡＺ靭性を低下させる。

また、ｓｌがＴｉ酸化物個数に対し範囲外で少ない場合
は、ＩＦＰ核として無効な、単独のＴｉ酸化物を形成し
、十分な量のＩＦＰ組織を生成できず、最良の溶接部靭
性を得ることができない。

（実施例） 第１表は、試作鋼の化学成分、Ｔｉ酸化物個数、および
ＨＡＺ靭性値を表したもので°ある。

試作材は圧延により１５■■綱板とし、１２×１２Ｘ６
０ｕの試験片を採取し、溶接再現熱サイクル試験により
ＨＡＺ靭性を評価した。

溶接再現熱サイクル試験は、試験片の中央部を高周波誘
導加熱により１４００℃に急速加熱し、８００℃から５
００℃の冷却時間１６１秒の条件で冷却した。この条件
は溶接入熱量１３０ＫＪ／ａｍに相当し、加熱温度１４
００℃は実際のＨＡＺの溶融線近傍の加熱領域に相当す
る。

さらに靭性はこの試験片から２寵Ｖノ７チ・シャルピー
に加工し、衝撃破面遷移温度（ｖ’ｌ’ｒｓ）および試
験温度−４０℃での吸収エネルギーを求め評価した。

また、酸化物個数は特性Ｘ線元素像をコンピューターに
より画像解析し決定した。なお、Ｔｉ酸化物個数は凝固
時の冷却速度、すなわち、鋼塊厚さを変えて変化させた
。

第１表、第２図に、Ｔｉ酸化物をほとんど含まないもの
から約１５０個／鶴８含むものまで変化させ、その時の
ＨＡＺ靭性に対する最適Ｓ含有量の関係を求めた結果を
示す。

第２図から明らかなように、Ａｌ含有量が制限外で多い
ため、Ｔｉ酸化物をほとんど含まない比較鋼、鋼２３〜
鋼２６はＳ含有量にかかわらず、ｖＴｒｓが高く、靭性
が著しく低下している。また、 Ｔｉ酸化物を約５０個／鶴茸から約１５０個／龍２まで
含むｆ！Ａｌ〜１１でも、その個数により、最適靭性を
示すＳ含有量が異なり、例えば約１００個／寵冨含む鋼
ではＳ盟約３ｏｐｐｍで最良値を示し、約１５０個／■
ｌ！含む鋼ではＳ盟約５０ｐｐｍで最良値を示す。

さらに、これらの最適靭性を示すｓｌとＴｉ酸化物との
関係を調べると、第３図に示す直線関係を持つ。

すなわち、本発明の要件の含有Ｔｉ酸化物個数によりＳ
含有量（ｐｐ＋ｓ）を〔Ｓ〕（ｅｆｆ）　　（ｅ　ｆ　
ｆ）　−０，３９〔Ｎ〕−１０±ｌＯの式で限定した範
囲内にある場合は、はとんどのＴｉ酸化物にＭ　ｎ　Ｓ
が付着し、含有Ｔｉ酸化物個数において、最大のＩＦＰ
生成量が得られ、ＨＡＺ靭性の優れた綱が得られるが、
５ｆｆｉが上記の式で範囲外の比較鋼の鋼２．６〜９．
１１の場合は含有Ｔｉ酸化物個数においての最大の靭性
を得られない。

比較鋼１９〜２２はＡｌ含Ｗｆｆｉが多く制限外で、凝
固時の冷却速度を速めるため６０龍厚に鋳込んだもので
あるが靭性の向上は見られない、また鋼２８．２９はＴ
ｉ含有量が、鋼３０はＮ含有量、６３１はＳｉ含有量が
本発明の制限外であるため、これらの元素以外の成分が
ほぼ同一、製造条件も等しい発明鋼１と比べｖＴｒｓで
２０℃以上も上昇し、靭性が低下する。

即ち、本発明鋼の要′件を総て満たし、さらに最適な合
金設計をすると、綱１３．１４に示されるような一８０
℃でも使用可能な溶接部靭性に優れた低温用鋼材の製造
が可能になる。

（以下余白、次頁へつづく） （発明の効果） ＨＡＺ靭性の向上にはＨＡＺの組織をＩＦＰの生成によ
り実質的に微細化する必要がある。それにより多くのＴ
ｉ酸化物を分散させ、それを核にＩＦＰを生成させるこ
とが効果的である。

しかし、研究の結果、含有するＴｉ酸化物が全てＩＦＰ
核として活用されていない場合があることが判明した。

また、これらのＩ　Ｆ　Ｐ　４１として無効のＴｉ酸化
物を活性化するには、Ｍ　ｎ　Ｓを付着させると効果が
あることが明らかになった。ＭｎＳを増加させるにはＳ
含有量を増やせばよいが、過剰の添加は粒界からのフェ
ライト、フェライトサイドブーレート組織を増加させ、
組織の粗大化により靭性低下を生じる。

そこで、含有するＴｉ酸化物数に見合った、ＭｎＳを付
着させるため、ＨＡＺ靭性が最良値を示す時のＴｉ酸化
物数とＳ含有量の関係式に従い、Ｔｉ酸化物数に見合っ
たＳ量を添加すれば、そのＴ　ｉ酸化物個数で最大の靭
性を得ることが出来る。

当然、Ｔｉ酸化物＋Ｍ　ｎ　Ｓの個数が増えるほど■Ｆ
Ｐ生成量が増加しＨＡＺ靭性も向上する。

本発明により、構造物の安全確保、溶接施工の高能率化
によるコスト低減等、産業上の効果は極めて顕著なもの
である。また、これによりユーザーの厳しい鋼板への低
温靭性特性の要求に対し、十分に保証できる鋼板の製造
が可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図はＴｉ酸化物の個数と破面遷移温度の図表、第２
図はＨＡＺ靭性に及ぼすＳの図表、第３図は最適ｓｉｔ
とｒ＋酸化物個数の図表である。 代理人　弁理士　茶　野　木　立　火 弟１図 Ｔｉ酸化物０個数（ｍｍ−リ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で Ｃ：０．０２〜０．１８％、 Ｓｉ：０．０３〜０．２５％、 Ｍｎ：０．４〜２．０％、 Ｔｉ：０．００５％〜０．０３０％、 Ｎ：０．００１０〜０．００４０％ を含有し、 Ａｌ＜０．００３％、 Ｐ＜０．０１５％に制限し、 残部はＦｅおよび不可避不純物からなる主に粒子径が０
   ．１〜３．０μｍにあるＭｎを固溶したＴｉ＿２Ｏ＿３
   、Ｔｉ＿３Ｏ＿５のチタン酸化物を含有する鋼において
   、チタン酸化物個数にチタン酸化物に複合析出するＭｎ
   Ｓ個数を合致するように、含有チタン酸化物個数により
   Ｓ含有量を以下に示す式で限定し、最良の溶接部靭性を
   得ることを特徴とする低温用高張力鋼。 〔Ｓ〕（ｅｆｆ）＝０．３９〔Ｎ〕−１０±１０〔Ｓ〕
   （ｅｆｆ）：任意のチタン酸化物個数での最適Ｓ含有量
   （ｐｐｍ） 〔Ｎ〕：Ｔｉ酸化物個数（個／ｍｍ＾２） ２、重量％で Ｃ：０．０２〜０．１８％、 Ｓｉ：０．０３〜０．２５％、 Ｍｎ：０．４〜２．０％、 Ｔｉ：０．００５％〜０．０３０％、 Ｎ：０．００１０〜０．００４０％ を含有し、 Ａｌ＜０．００３％、 Ｐ＜０．０１５％ に制限し、さらに Ｎｉ＜３．０％、 Ｃｕ＜１．５％、 Ｎｂ＜０．０５％、Ｖ＜０．１％ Ｃｒ＜１．０％、Ｍｏ＜０．５％ Ｂ＜０．００２％ の１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不可
   避不燃物からなる主に粒子径が０．１〜３．０μｍにあ
   るＭｎを固溶したＴｉ＿２Ｏ＿３、Ｔｉ＿３Ｏ＿５のチ
   タン酸化物を含有する鋼において、チタン酸化物個数に
   チタン酸化物に複合析出するＭｎＳ個数を合致するよう
   に、含有チタン酸化物個数によりＳ含有量を以下に示す
   式で限定し、最良の溶接部靭性を得ることを特徴とする
   低温用高張力鋼。 〔Ｓ〕（ｅｆｆ）＝０．３９〔Ｎ〕−１０±１０ 〔Ｓ〕（ｅｆｆ）：任意のチタン酸化物個数での最適Ｓ
   含有量（ｐｐｍ） 〔Ｎ〕：Ｔｉ酸化物個数（個／ｍｍ＾２）