JPH01219121A - 低温靭性の優れた極厚調質高張力鋼板の製造方法 - 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〕 本発明は焼入れ焼き戻し処理によって製造する低温靭性
の優れた引張り強さが８０ｋｇ　ｆ　／−程度以上の極
厚調質高張力鋼板の製造方法に関わるものである。

［従来の技術］ 近年、海底石油資源の開発が活発に進められているが、
特に最近においては設置される海洋構造物は大型化する
傾向にある。そのため、使用鋼材は厚手化、且つ高強度
化への傾向が強まりつつある。さらに最近の開発海域が
寒冷域に移行しつつあることから、厚手高強度化を達成
した上で、低温靭性を確保することが要求されるように
なってきている。

引張り強さが５０〜６０ｋｇ　ｆ　／−程度の高張力鋼
においては、最近開発された加工熱処理法（ＴＭＣＰ）
によりフェライト−上部ベイナイト組織を微細化し、Ｎ
ｂ、Ｖなどの析出強化元素を活用して強度を確保した上
で、低温靭性の優れた極厚材が開発されつつある。

さらに強度が高くなると、引張り強さが８０ｋｇｆ／−
程度以上の高張力鋼においては、強度を確保するために
は熱間圧延後の再加熱焼入れあるいは圧延後の直接焼入
れにより、焼入れ組織を上部ベイナイトの生成を抑制し
た下部のベイナイトないしはマルテンサイト主体組織に
する必要がある。

一方、靭性の観点からは、下部ベイナイトあるいは下部
ベイナイトとマルテンサイトの混合組織が、上部ベイナ
イト主体組織や１００％マルテンサイト組織に比べて優
れていると従来から言われている。

しかし、これらの組織の混合割合が靭性に対して、望ま
しくはどのようにあるべきかといった定量的な知見はほ
とんど得られておらず、また実際の製造条件下において
、どのようにしたらこのような靭性の優れた組織を得る
ことができるかどうかについても、明確な指針が得られ
ていないのが現状である。

板厚が薄い場合は板厚中心部まで焼入れ時の冷却速度を
高くすることが可能であるため、板厚中心部の組織制御
は容易である。むしろ表層部の冷却速度が早いために、
表層部の組織が１００％マルテンサイト化して靭性劣化
が大きいが、最近は直接焼入れのような加工熱処理法等
を用いることにより表層部の靭性を向上させ、板厚方向
全面にわたって靭性を確保する方法がいくつか提案され
ている。

しかし、板厚が７５〜２００　ａｍ程度の極厚材におい
ては、たとえ可能な限りの強冷却により焼入れを行って
も、板厚中心部の冷却速度は高々数℃／Ｓｅｅのオーダ
ーであるため、冷却速度を太き（変化させることが困難
であり、また直接焼入れ法などによっても、板厚中心部
までは熱間圧延時の加工の影響が及びに（いため、薄手
材における様な靭性向上策はあまり有効でない。

板厚表層部については最表層部を除けば薄手材はどには
冷却速度は大きくなく、また必要に応じて加工熱処理の
効果を用いた靭性向上策もとれるため、一定の靭性を確
保することはそれほど困難ではない。従って、極厚材に
おいては板厚中心部の組織をコントロールすることが困
難なことから、この部位の靭性向上が最も大きな課題と
なる。

極厚調質高張力鋼の製造方法の従来技術としては、特公
昭５Ｂ−５２９７０号公報などに示されるようなものが
あるが、最近は使用環境が苛酷化、多様化しつつあり、
従って低温靭性の要求がますますきびしくなると同時に
、それ以外の種々の特性も要求されるようになってきて
おり、−層の高靭性化をより低コストで、且つ幅広い成
分組成範囲の中で選択で、きる製造方法が必要となって
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は焼入れ焼き戻し処理によって製造される引張り
強さが８０ｋｇ　ｆ　／　ｍＩｉ程度以上で、板厚が７
５〜２００　ｎｕｓ程度の極厚調質高張力鋼板の板厚中
心部の組織を制御することにより、優れた低温靭性を達
成する製造方法を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは高強度鋼における組織と靭性の関係を詳細
に検討した結果、靭性に最も最適な組織は、はぼ上部ベ
イナイトの生成が抑制された（上部ベイナイトの割合が
約１０９６以下）下部ベイナイトとマルテンサイトの混
合組織であり、且つできるだけマルテンサイトの生成は
少ない方が好ましいという結論を得た。

一方、焼入性向上には微量のＢｍ加が有効であることが
知られており、Ｂを有効に使えば高価な合金元素の含有
量を低減することが可能となる。

焼入れ時の冷却速度の早い薄手材ではＢは焼入性に有効
に働き、その分合全元素量の低減が可能であるが、冷却
速度の遅い極厚材では有効に利用することができない難
点があった。

そこで本発明者らは、優れた低温靭性を達成する最適な
組織を得るための鋼材の成分組成を明らかにし、これに
高価な合金元素の含有量を極力減らすための手段として
、極厚材においてもＢを有効に活用できる新しい熱処理
方法を組み合わせることにより、低温靭性の優れた極厚
調質高張力鋼板の製造方法の発明に成功した。

以下、本発明の要旨を詳細に説明する。

本発明において９００〜１０５０℃の温度範囲に加熱し
た後、８００〜８５０℃まで空冷してから１℃／ｓｅｃ
以上の冷却速度で５００℃以下まで強制冷却するのは、
Ｂを焼入性に対して有効に活用するためである。

即ち、後述するように本発明においてはＮｕを０．００
４％以下に限定している。また加熱時にＮを固定すべく
、適量のＡＮ、ＴＩを含有している。

このような条件下では加熱時、あるいは冷却途中におい
て、Ｂが全部Ｎと結び付いて完全に無効化することはな
い。

しかし、Ｂ含有量が少ないと加熱段階でオーステナイト
粒界に偏析して焼入性に寄与するＢｍも少なく、このま
ま直接強制冷却を行うと十分な焼入性が得られない。Ｂ
含有量を増やせば粒界偏析Ｂｆｆｉも増加するが、Ｂの
含ｈ−ｍが増えるとＢ析出物による靭性劣化が大きく、
また溶接熱影響部の硬化性を上げるので好ましくない。

従って、Ｂ含有量は焼入性が保たれる限り、できるだけ
少なくした上で最大限焼入性に有効に用いる必要がある
。

本発明において加熱温度から８００〜８５０℃までを空
冷するのは、この冷却段階において粒内に固溶している
Ｂを粒界に偏析させることにより、焼入性を向上せしめ
るためである。

強制冷却を開始する温度が８５０℃を超えると、冷却中
のＢの粒界への偏析が十分でなく、また８００℃より低
下すると偏析量が多くなりすぎて、Ｂの化合物が析出し
たり、変態を開始したりして、いずれも焼入性向上に不
適であるので、強制冷却開始温度は８００〜８５０℃の
温度範囲とする必要がある。

加熱温度については、加熱温度が９００℃より低いとオ
ーステナイト粒が非常に微細で焼入性が低く、上部ベイ
ナイトの生成を抑制することが難しいのと、場合によっ
ては完全に溶体化せず、未固溶の析出物が存在し、靭性
が劣化するため、また１０５０℃を超えるとオーステナ
イトが粗大化して靭性劣化を生じ、さらにＡＩＩＮが溶
解してＢの有効性が失われるため加熱温度を９００〜１
０５０℃の範囲とした。

強制冷却の終了温度を５００℃以下としたのは、この温
度より高温で冷却を終了すると、場合によっては未変態
のオーステナイトが残っていて以降の放冷あるいは徐冷
により、靭性に悪影響を及ぼす上部ベイナイトが生成す
る可能性があるためである。

以上の方法により厚手材の焼入れにおいて、Ｂを焼入性
向上に最も有効に活用できる。従って、この製造方法を
前提とした上で、最適な組織を得るための合金設計を行
うことが省ａ金の観点からも最もｎ利である。

そこで、本発明者らは第１表に示す成分範囲の供試鋼を
用いて、上記製造条件に適合した条件として、加熱温度
９００℃、強制冷却前冷却速度を板厚１００ｍ＋ｓ程度
の厚手材の板厚中心部の放冷条件に対応する０、２℃／
５ｅａｓ強制冷却段階の冷却速度を、同様に実際の製造
条件の冷却速度に合わせて３℃／ｓｅｅとした熱処理を
施した後、シャルピー試験を行って５０％破面遷移温度
（ｖＴｒｓ）と合金成分量の関係を調べ、靭性に最適な
組織を得るための成分組成の検討を行った。

結果を第１図に示すが、以下の式でパラメターＸにより
、組織形態はほぼ決定されることが分かった。

１／２ Ｘ−［Ｃ（％）　　　　　　　Ｘ　　［１＋０．８４Ｘ
Ｓｉ（％）コ　Ｘ［１＋　４．１０　ｘＭｎ（％）］　
　Ｘ　［１＋０．２７ＸＣｕ（％）］　　ｘ　　［１＋
ｏ、５２ｘＮｉ（％）コ　　　　×［１＋　２．３３　
ｘ　Ｃｒ（％）］　Ｘ　　［１＋３．１４ＸＭｏ（Ｘ）
］ 即ち、Ｘの値が２６から４２の範囲にあれば、組織は上
部ベイナイトの生成がほぼ抑制され、且つ完全なマルテ
ンサイト組織とならず、最適組織である下部ベイナイト
とマルテンサイトの混合組織となる。モしてＮ１ｆｆ１
一定で比較すれば、このパラメター範囲で靭性は最も良
好となる。

Ｎ１含有量が多いほどパラメターＸが大きい領ｈＪ（ｘ
≧２６）ではより高靭性が達成できるが、パラメターＸ
が４２を超えて１００％マルテンサイト組織となると、
焼入れままの靭性は良好でもその後の焼戻しや応力除去
焼鈍による脆化の感受性が極端に大きくなるので、ｘ−
４２を上限とした。

加えて、このパラメター範囲にすることは、Ｎ１含有量
一定条件下で最も優れた靭性を達成することであり、こ
のことは言い替えれば高価なＮ１の含有量を最も少なく
して、高靭性を達成することで、経済上の観点から非常
に効果的である。

Ｎｉ含有量が少なくなると靭性の良好なＸの範囲がせば
まり、Ｘの変化による靭性変化も急激なため問題がある
。Ｎｉ含有量が１％以上なら、第１図に示すようにＸ≧
２６の領域での靭性変化は小さ（、そのレベルも良好で
あるのでＮＩ含有量の下限は１％とした。

このような組成、焼入れにより製造した鋼を、Ａ　ｃ　
１変態点以下の適当な温度で焼き戻しを行って、強度を
必要に応じて調整して使用に洪する。

この際、焼き戻し温度がＡ　Ｃ１変態点を超えると、再
変態して靭性に悪影響を及ぼす組織が出現する恐れがあ
るので、焼き戻し温度はＡ　ｃ　１変態点以下とする。

この条件下では焼き戻し温度を適当に選べは、焼入れま
まより靭性は一層向上する。

Ｂを焼入性に対して最大限活用するための方法、及び最
適な組織を得るための指標としてのパラメターＸの限定
範囲は、以上に述べた理由によるが、各元素の含有範囲
は、それぞれ以下に列挙するような理由により限定され
る。

Ｃは極厚材で強度を確保するために０．０３９６以上必
要であるが、０．２０％超では組織によらず靭性を劣化
せしめ、パラメターＸの値が限定範囲内にあっても、十
分な靭性確保が困難であるので０．０３〜０．２０！ｌ
’６の範囲とした。

Ｓｌは島状マルテンサイトを作り易くする元素で、０．
５０％超ではわずかな上部ベイナイトが存在しても、上
部ベイナイト組織中の島状マルテンサイトのために靭性
が劣化するので靭性に問題があり、一方、０．０５％未
満では脱酸が不十分となり、鋼材の内部欠陥を増加せし
めるため、０，０５〜０．５０％の範囲とした。

Ｍｎは０．５０％未満では強度、靭性確保に問題があり
、３．０％超では焼戻し脆化が顕著となるため、０．５
０〜３．０％の範囲とした。

Ｐは本発明が対象としている高強度鋼では、焼戻し脆化
を抑制する必要性からｏ、ｏｔｏ％以下とした。

ＳはＭｎＳを形成して延性を低下せしめる元素であり、
特に高強度鋼においてその影響が大であるので０．０１
０％以下とした。

ＡｇはＢの焼入性向上効果を阻害するＮをＡｐＮとして
固定して、Ｂの焼入性向上効果を高める効果があるが、
０．０３％未満ではその効果が不十分であり、一方０．
１０％を超えると粗大な析出物となって、靭性に悪影響
を及ぼすので０．０３〜０．１０％の範囲とした。

Ｎｌは前述した理由により下限を１．０％とした。

またＮ１はパラメターＸを介した靭性向上効果の他に、
マトリクス自体の靭性を改善する効果があるので、含有
量が多いほど靭性は向上するが、１０００％超ではその
効果が飽和するのと、微量元素による靭性劣化の感受性
を高めるので、本発明では１０００％を上限とした。

Ｂは微量で焼入性向上に有効な元素であり、本発明の製
造方法によれば最大限焼入性を向上できるが、この条件
においても０．０００５％未満では、固溶Ｂｕの絶対値
が確保できないので焼入性向上が不十分であり、逆に０
．００３０％を超えると、焼入性に対する効果は飽和す
るかわずかに低下する上に、Ｂの化合物の析出により靭
性の劣化が大となるので、０．０００５〜０．００３０
％の範囲とした。

ＮはＢの焼入性効果を阻害する元素であり、本発明の成
分組成、製造方法においては０．００４０％以下とする
必要がある。

Ｃｕ、Ｃｒ　、Ｍｏは本発明においてはいずれもパラメ
ーターＸの式に含まれ、最適組織を得るために一定ＩＡ
Ｌａ有させる必要があるが、いずれもその組織制御に対
する影響の仕方が同様であるので、どれか１種または２
種、さらには３種とも含有させることが可能である。い
ずれも０．０１％未満では含有せしめても組織改善効果
が明確でなく、また１　、　５０９６超になると析出脆
化が顕芹となるので０．０１〜ｌ、５０％の範囲とした
。

以上が本発明の基本成分であるが、本発明においてはこ
の他にＴＩを０．００５〜０．０２０％の範囲で、まｔ
：Ｎｂ、ＶをＮｂ　＋　Ｖ＝０．０１〜０．１０９６ノ
範囲で含有させることができる。

即ち、ＴＩはＡｆｉと同様にＮの固定に有効であす、マ
た加熱時のオーステナイトの粗大化防止に有効であるの
で、成分組成、板厚に応じてＴＩを含有させる。ただし
、０．００５％未満では効果が十分でなく、０．０２０
％超では粗大な析出物を作りやすく逆に靭性を劣化させ
るので、０．００５〜０．０２０％の範囲に限定する。

またＮｂ、Ｖは微量で析出強化が可能で、強度上昇に有
効であるので必要な強度に応じて含有させることが出来
る。

析出強化に対しては、両元素ともほぼ同等な効果を有す
るので、どちらか１種または２種とも含有させることが
可能であるが、ＮｂとＶの含有量の合計が、０．０１％
未満では強度上昇が明確でなく、逆に０．１０％超では
強度上昇に見合う分量上に靭性劣化が大きくなるので、
０．Ｏ１〜０．１０％の範囲にする必要がある。

［実　施　例］ 第２表に本発明により製造した鋼の板厚中心部のシャル
ピー特性（ｖＴｒｓ）を、本発明の限定範囲外の組成、
製造法により製造した比較鋼の結果と対比して示す。

シャルピー試験結果は、焼入れまま及び焼き戻しを行っ
た後の結果を合わせて示した。

Ｎα１〜Ｎα１０が本発明により製造した鋼である。

板厚は１００ｎｏｓと１５０關であり、焼入れ時の平均
冷却速度はおおよそ１〜ｂ さらに板厚が大きくなっても、この程度の板厚では冷却
速度は゛あまり差が無（なる。

本発明法に従ってパラメターＸが２６〜４２に入るよう
にした上で、加熱温度、強制冷却開始温度を適切な範囲
内にして製造すれば、焼入れままでもシャルピー特性は
良好である。６３０℃で焼き戻しを行った後ではさらに
靭性は向上する。

Ｎｉ含有、量の高い鋼Ｎｏ、７は当然非常に高靭性を示
すが、Ｎｌ含有量の低い鋼でも、例えば、鋼魔１．９．
１０においても他の合金元素の組成を調節して、パラメ
ターＸの値を２６〜４２の範囲内とし、Ｂを焼入性に有
効に利用すべく、強制冷却開始温度を８００〜８５０℃
の範囲とすれば、焼入れままのシャルピー特性はｖＴｒ
ｓで一６０℃以下が確保されている。

一方、比較鋼Ｎα１１〜２０は本発明の限定範囲を満足
していないものであり、いずれも本発明に従って製造し
た鋼に比べて靭性が劣っている。

例えば、Ｎａ比１２はパラメターＸの値が限定範囲より
も低いために、板厚中心部の組織が粗い上部ベイナイト
主体組織となり、靭性が劣っている。

４１２はＮｉ含有量が多いので、比較鋼の中では靭性は
良好な方であるが、例えば本発明による鋼Ｎｏ。

８と比較して分るように、Ｎｉ含有量の割にはそれほど
靭性は良くない。

鋼Ｎ（Ｌｉ２．１４はパラメターＸの値は本発明の条件
を満足しているが、Ｎ（Ｌｉ２はＮｉ含有量が少ないた
め、またＮα１４はＮ含有量が多いために靭性はあまり
良くない。鋼Ｎ（Ｌｉ２．１６はパラメーターＸの値が
限定範囲よりも高すぎた条件となっている。Ｘが低すぎ
る鋼Ｎ（Ｌｌｌ、　１２に比べれば焼入れまま、あるい
は焼き戻し後の靭性は良好であるが、パラメターＸがこ
のように高いと板厚中心部においても、１００％マルテ
ンサイト組織となるため、焼き戻し脆性や、応力除去焼
鈍による脆化に対する感受性が高くなるので好ましくな
い。

また、鋼ｋｌＢのようにＮｉ含有量が高くても靭性はそ
れほど向上せず、Ｘの値の低い鋼Ｎｏ、１２の場合と同
様に適切な成分組成、製造法とは言えない。

鋼Ｎｏ、１７〜２０のパラメターＸの値は本発明の条件
を満足しているものの、加熱温度あるいは、強制冷却開
始温度が本発明の限定範囲を満足していないため、パラ
メターＸやＮｌ含有量から期待される靭性値が達成され
ていない。

以上の実施例から本発明範囲を満足しない場合は極厚の
板厚中心部において、優れた靭性を得ることができない
ことは明白である。

＝１３（ Ｃ発明の効果］ 低温靭性の優れた引張り強さが、８０ｋｇ　ｆ　／−程
度以上の極厚調質高張力鋼板を製造するためには、焼入
れ時の冷却速度の遅い板厚中心部における高靭性達成が
必要で、そのためには、この部位の組織を靭性に最適な
上部ベイナイトの割合が１０９６以下の下部ベイナイト
とマルテンサイトの混合組織とする必要がある。

本発明はそのための適切な成分組成範囲、製造方法を明
確にしたもので、本発明によって合金元素及びＢを最も
有効に活用でき、Ｎｉのような高価な合金元素の含有量
を適切に低減した上で、実施例からも明らかなように板
厚中心部において非常に優れた低温靭性を達成でき、産
業上の効果はきわめて顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図はパラメターＸと本発明法による極厚付板厚中心
部の冷却条件をシミュレートした熱処理を付与した試験
材のシャルピー試験の５０％破面温度（ｖＴｒｓ）及び
組織との関係を示す図表である。 第１図 ０　　　２０　　　４０、　６０　　　６０　　　１０
０ツマラメター　× −ｒ＝−糸走ネ市正−を脣 ｌ唱和６３年４月１２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で、 Ｃ０．０３〜０．２０％ Ｓｉ０．０５〜０．５０％ Ｍｎ０．５０〜３．０％ Ｐ０．０１０％以下 Ｓ０．０１０％以下 Ａｌ０．０３〜０．１０％ Ｎｉ１．０〜１０．０％ Ｂ０．０００５〜０．００３０％ Ｎ０．００４％以下 で且つＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏを Ｃｕ０．０１〜１．５０％ Ｃｒ０．０１〜１．５０％ Ｍｏ０．０１〜１．５０％ の範囲で１種または２種以上含み、残部が鉄及び不可避
   不純物よりなり、且つ以下の式で示されるパラメターｘ
   の値が２６から４２である板厚７５〜２００ｍｍの鋼板
   を、９００〜１０５０℃の温度範囲に加熱した後、８０
   ０〜８５０℃まで空冷し、引き続いて１℃／ｓｅｃ以上
   の冷却速度で５００℃以下まで強制冷却し、その後にＡ
   ｃ＿１変態点以下で焼き戻すことを特徴とする低温靭性
   の優れた極厚調質高張力鋼板の製造方法。 ｘ＝〔Ｃ（％）＾１＾／＾２×［１＋０．６４×Ｓｉ（
   ％）］×［１＋４．１０×Ｍｎ（％）］×［１＋０．２
   ７×Ｃｕ（％）］×［１＋０．５２×Ｎｉ（％）］×［
   １＋２．３３×Ｃｒ（％）］×［１＋３．１４×Ｍｏ（
   ％）］ ２、Ｎｂ＋Ｖ＝０．０１〜０．１０％の範囲でＮｂ、Ｖ
   の１種または２種を含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の低温靭性の優れた極厚調質高張力鋼板の
   製造方法。３、Ｔｉ０．００５〜０．０２０％を含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の低温靭性の
   優れた極厚調質高張力鋼板の製造方法。 ４、Ｎｂ＋Ｖ＝０．０１〜０．１０％の範囲でＮｂ、Ｖ
   の１種または２種を含み、且つＴｉ０．００５〜０．０
   ２０％を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の低温靭性の優れた極厚調質高張力鋼板の製造方法。