JPH06100932A - 冷間加工性に優れた極厚高張力鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷間加工性に優れた高張力鋼の製造方法に関
する。 【構成】 重量比にて、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓ
ｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％を基
本成分とし、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｂ，
Ｎｂ，Ｔｉを一種あるいは二種以上含有し、残部が鉄及
び不可避的不純物からなり、これ等の成分による焼入れ
臨界直径Ｄｉ(cal）が２５mm以上である鋼片を９００℃
以上で加熱し、７００℃以上で板厚６０mm以上の範囲で
制御圧延して水冷した後、鋼片の温度が５００℃以上Ａ
ｃ₁ 以下に到達し、表面部と１／２ｔ部の温度差が５０
〜２００℃にある不均一加熱状態で加熱炉から抽出する
焼戻し処理を特徴とする、冷間加工性に優れた極厚高張
力鋼の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建築鋼構造物、建築機
械、海洋鋼構造物、橋梁、圧力容器、溶接鋼管その他の
溶接用構造物に適した冷間加工性に優れた５０kgf/mm²
以上の極厚高張力鋼の製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、建築鋼構造部の柱は便利さと価格
面の優位性から、溶接四面ボックスの代替品として冷間
成形角型鋼管が大々的に使用されだしている。また、建
築鋼構造物は首都圏の過密化により超高層化の傾向にあ
り、そのため建造に際して使用される冷間成形角型鋼管
は極厚小径化でさらに高張力化の傾向にある。

【０００３】そこで、冷間成形角型鋼管の加工率は増大
し、従来材では加工時の表面割れ及び加工硬化による延
性・靭性劣化の問題が生じ、その改善が望まれている。

【０００４】ところで５０kgf/mm² 級極厚鋼材は、焼入
れ焼戻し処理で１／２ｔ部においてはフェライト・パー
ライト組織で５０kgf/mm² を確保している。一方、表面
部から１／４ｔ部においては冷却速度が速いためフェラ
イト・パーライト組織に上部ベーナイト組織を含んだも
のとなり、１／２ｔ部より８〜１５kgf/mm² 高くなって
いる。

【０００５】同様に８０kgf/mm² 級の極厚鋼材では、焼
入れ焼戻し処理で１／２ｔ部においては下部ベーナイト
組織が生成する。一方、表面部から１／４ｔ部において
は冷却速度が速いためマルテンサイト組織あるいは下部
ベーナイト混合組織となり、やはり１／２ｔ部より８〜
１５kgf/mm² 高くなっている。

【０００６】図１は板厚１００mmの従来極厚高張力鋼を
両面から減厚し、板厚方向の強度差が２kgf/mm² 以下で
ある板厚４０mmを用いて、引張強度と冷間曲げ加工によ
る割れ発生限界の関係を求めたものである。これより強
度の上昇に伴い加工率は低下する。従って加工率の上昇
は強度の低下が必要となる。

【０００７】耐摩耗用鋼板の曲げ加工性を上げるため、
従来、特開平０１−４４１９号公報により曲げ加工性に
優れた耐摩耗用鋼板の製造方法が提案されている。これ
は、熱間圧延した鋼板の焼入れに際し、鋼板の片面のみ
を焼入れし、あるいはさらに焼戻しすることにより、鋼
板の厚さ方向に硬度勾配を設けて片面は曲げ加工性に優
れ、片面は耐摩耗性に優れた鋼板としたものである。

【０００８】また耐摩耗用鋼板の曲げ加工性を上げるた
め、特開平０２−３０１５１１号公報により曲げ加工性
に優れた耐摩耗用鋼板の製造方法が提案されている。こ
れは、焼入れを行った鋼板１を５０mm以上の厚さの厚鋼
板２に重ね合わせて焼戻しを行うもので、この方法によ
り鋼板２と接触する鋼板１の面の昇温を押さえ、鋼板の
厚さ方向に硬度勾配を設けて片面は曲げ加工性に優れ、
片面は耐摩耗性に優れた鋼板としたものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開平０１−４４１９
号公報及び特開平０２−３０１５１１号公報は、曲げ加
工性に優れた耐摩耗用鋼板の製造方法としてその効果を
発揮するが、表裏面の強度が異なるため、本発明の目的
とする溶接用構造物の構造材として使用することは困難
である。また、特開平０１−４４１９号公報での片面の
みの焼入れコントロールは非常に困難であり、特開平０
２−３０１５１１号公報での重ね合わせての焼戻しは煩
雑であり、トン当たりの加熱コストも高くなる。

【００１０】本発明は建築鋼構造物、建築機械、海洋鋼
構造物、橋梁、圧力容器、溶接鋼管その他の溶接用構造
物に適する冷間加工性に優れた５０kgf/mm² 以上の極厚
高張力鋼の製造方法を提供することを目的とするもので
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは係る課題を
解決するため加工性に優れた５０kgf/mm² 以上の製造方
法を検討した結果、表面部から１／４ｔ部の強度を１／
２ｔ部と同等とすれば、加工率は５〜１０％程度上昇で
きることを明確にした。

【００１２】そして表面部から１／４ｔ部の強度を１／
２ｔ部と同等とする方法として、焼入れ後の焼戻しの加
熱過程を利用すればよいことを見いだした。焼戻し処理
の加熱過程では極厚化する程板厚表面部と１／２ｔ部と
の間で昇温差が生じるため、加熱過程で途中抽出すれば
表面部は高温焼戻しで１／２ｔ部は低温焼戻しの状態が
得られ、表面部と１／２ｔ部の強度、全板厚を通して均
一な強度が得られる。

【００１３】すなわち本発明の要旨とするところは、重
量比にて、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１
〜０．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％を基本成分とし、
Ｃｕ：０．１〜２．５％、Ｎｉ：０．１〜１０．０％、
Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、
Ｖ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．０１〜０．０
８％、Ｂ：０．０００３〜０．００２０％、Ｎｂ：０．
００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％を
一種あるいは二種以上含有し、残部が鉄及び不可避的不
純物からなり、これ等の成分による焼入れ臨界直径Ｄｉ
(cal）が２５mm以上である鋼片を９００℃以上で加熱
し、仕上げ温度７００℃以上仕上げ板厚６０mm以上で制
御圧延して水冷した後、焼戻し処理において鋼片各部の
温度が５００℃以上Ａｃ₁ 以下に到達し、表面部と１／
２ｔ部の温度差が５０〜２００℃にある不均一加熱状態
で加熱炉から抽出することを特徴とする、冷間加工性に
優れた極厚高張力鋼の製造方法である。但し

【数２】 にある。

【００１４】

【作用】まず、鋼成分を限定した理由について説明す
る。Ｃは強度確保の上から必須元素であり、０．０２％
以下であると他の合金元素を増加しても必要な強度を確
保できない。しかし、０．２０％を超える添加量では高
炭素マルテンサイト組織となり低温靭性が低下する。従
って、その添加量を０．０２〜０．２０％とする。

【００１５】Ｓｉは焼入れ性のみでなく製鋼上脱酸元素
として必要な元素であり、その量が増えると母材靭性、
ＨＡＺ靭性、溶接性を低下させるため、添加量を、０．
０１〜０．５％とする。

【００１６】Ｍｎは焼入れ性を向上させ強度・靭性の確
保のため０．３％以上必要である。しかし、２．０％以
上では溶接性を低下させ、また焼戻し感受性が増すので
靭性が低下する。従って、添加量を０．３〜２．０％と
した。

【００１７】以上が本発明における基本成分で、さらに
必要により以下に示す一種あるいは二種以上の元素を含
有することを特徴とする。まずＣｕは強度・靭性を向上
させる元素として有効であるが、０．１％以下では靭性
向上の効果は見られず、２．５％以上では溶接時に熱間
割れを生じやすくするため、その添加量を０．１〜２．
５％以下とする。

【００１８】Ｎｉは低温靭性を向上させ、焼入れ性を高
めて強度を上昇させる。この効果を得るにはその添加量
は０．１％以上必要であるが、１０％を超えると溶接硬
化性が増し溶接性の低下を招くことと、経済性を損な
う。そこでその添加量を０．１〜１０％とする。

【００１９】Ｃｒは焼入れ性をあげ強度を確保する上で
０．１％以上必要である。一方、３．０％を超えると炭
化物が異常に増加し靭性を低下させる。従って、その添
加量を０．１〜３．０％とする。

【００２０】Ｍｏは焼入れ性と強度を向上させる他焼戻
し脆性を防止する。また未再結晶温度域を拡大して低温
圧延による細粒化効果を助長する。これ等の効果は０．
１％未満では十分に現れない。また、１．５％を超える
と粗大な炭化物を生成して靭性を低下させる他ＨＡＺを
著しく硬化させる。従って、その添加量を０．１〜１．
５％とする。

【００２１】Ｖは焼戻し時に炭・窒化物を生成して析出
硬化により強度を上昇させる。そのため０．００５％以
上の添加が必要であるが、０．０５％を超えるとＨＡＺ
靭性を低下させる。従って、その添加量を０．００５〜
０．０５％とする。

【００２２】Ａｌは脱酸のために必要な元素であると同
時に、加熱時に窒化物を形成してオーステナイト粒を細
粒化する有用な元素である。この効果を得るには添加量
が０．０１％以上必要であり、また０．０８％を超える
と鋼中にＡｌ₂ Ｏ₃ 系のクラスターを多く生じ、溶接時
の割れを生じるので、その量を０．０１〜０．０８％と
する。

【００２３】Ｂは微量添加において焼入れ性向上効果に
よる強度・靭性の向上、合金元素の低減を目的に積極的
に添加する。そのためには０．０００３％以上必要であ
るが０．００２％を超えると靭性の低下をもたらす。従
って、その添加量を０．０００３〜０．００２％とす
る。

【００２４】Ｎｂは０．００５％以上の添加でＭｏと同
じく未再結晶温度域を拡大して低温圧延による細粒化効
果を助長するほか焼戻し時に炭・窒化物を生成して強度
を上昇させる。しかし、０．０５％を超えるとＨＡＺ靭
性を低下させる。従って、その添加量を、０．００５〜
０．０５％とする。

【００２５】Ｔｉはオーステナイト粒及びＨＡＺ組織の
粗大化を防ぎ、母材及びＨＡＺ靭性の向上に有効な元素
であるが、０．００５％未満ではその効果は小さく、
０．０３％を超える添加はＨＡＺ靭性だけでなく母材靭
性まで低下させる。従って、その添加量を０．００５〜
０．０３％とする。

【００２６】上記成分の他に、不可避的不純物元素とし
てＮはＡｌやＴｉと結合して窒化物を形成しオーステナ
イト粒の細粒化に有効であるが、その量が多くなるほど
焼戻し脆化を引き起こし、延性、靭性を低下させるので
上限を０．０１％とする。Ｐ，Ｓなどは靭性を低下させ
る有害な元素であるからその量は少ない方が良く、好ま
しくはＰ≦０．０１％、Ｓ≦０．００５％である。

【００２７】以上が本発明の対象とする鋼の成分である
が、さらに本発明においてこれ等の成分による焼入臨界
直径Ｄｉ(cal）が２５以上（mm）であることを骨子の一
つとしている。Ｄｉ(cal）とは丸棒をできるだけはやく
水冷した時に、中心まで焼きの入る（中心部５０％マル
テンサイト）最大直径の成分回帰計算式を表わすもの
で、（mm）単位で示される。この場合Ｄｉ(cal）が２５
mm未満では、組織がフェライト・パーライトであり５０
kgf/mm² の強度が確保できない。

【００２８】また、上限は特に指定しないが２５０mm超
では板厚全てマルテンサイト組織となり、冷間加工材に
は適さないためＤｉ(cal）は２５〜２５０（mm）が好ま
しい。この場合、

【数３】 であってこの式はＧｒｏｓｓｍａｎ氏が１９７９年９月
２５日、日刊工業新聞社初版発行の「焼入性」の３４頁
５行で提唱した式より導かれたものであり、Ｃ％と結晶
粒度（この場合Ｎγ＝８とした）から決まるＤｉ値に、
各種添加元素の影響力を、各元素の倍数に元素量（重量
％）をかけて求めたものである。

【００２９】次に本発明による製造条件について述べ
る。まず、加熱温度を９００℃以上とするのは、焼入れ
性の低下やＣｕ，Ｎｂなどの析出元素の溶体化が不十分
となり、強度が低下するためである。加熱温度の上限は
特に制限しないが、１２００℃を超えるとγ粒の粗大化
をきたし、母材靭性が低下する。そこで加熱温度は９０
０〜１２００℃が望ましい。

【００３０】仕上げ板厚６０mm以上までの範囲で仕上げ
温度７００℃以上で制御圧延を行って水冷するのは、板
厚６０mm未満では、後説する表面部と１／２ｔ部の温度
差が５０〜２００℃にある不均一加熱状態で加熱炉から
抽出する焼戻し処理が得られなくなるためであり、７０
０℃未満では圧延時の変形抵抗が増大し、圧延が困難と
なる。また、制御圧延後水冷しないと２５μｍ以上と粒
の大きいフェライトとアッパーベイナイトの混合組織と
なり、靭性が低下するためである。

【００３１】次に本発明の最大の骨子である焼戻し処理
について説明する。本発明の焼戻し処理は、加熱過程で
表面部と１／２ｔ部の温度差が５０〜２００℃にある均
一な加熱状態になる前の不均一加熱状態で鋼片を加熱炉
から抽出することが特徴であり、加熱温度の精度を保っ
て可能な限り均一に加熱保定する従来の焼戻し処理と異
なる。

【００３２】すなわち、本発明においては意識的に鋼片
厚み方向に温度差をつけることによって、表面部は高温
焼戻しで１／２ｔ部は低温焼戻しの状態として、制御圧
延後の水冷によって生じた表面部から１／４ｔ部の強度
を低下させ、全板厚を通して均一な強度を得て、冷間加
工性を上昇させるものである。

【００３３】ここで鋼片各部の加熱温度は５００℃に達
しないと、制御圧延・水冷後の組織を十分に回復させ表
面部から１／４ｔ部の強度を低下及び良好な靭性を得る
ことができない。一方、Ａｃ₁ を超えると強度・靭性が
著しく低下する。従って、鋼片各部の加熱温度を５００
℃以上Ａｃ₁ 以下とした。

【００３４】また、表面部と１／２ｔ部の温度差は、５
０℃以上ないと制御圧延・水冷後に生じた表面部から１
／４ｔ部の強度を低下させることが困難である。一方、
２００℃を超えると１／２ｔ部の加熱温度が５００℃で
も表面部はＡｃ₁ を超え、表面部の強度・靭性が著しく
低下する。従って、その温度差を５０〜２００℃とし
た。

【００３５】なお、焼戻し処理における加熱後の冷却条
件であるが、加熱炉から鋼片を抽出後水冷、空冷、炉冷
などで冷却する。焼戻し脆性を極力抑えるためには冷却
速度の大きい水冷が好ましく、目的に応じて種々適用す
る。

【００３６】

【実施例】表１に示す組成を有する鋼を溶製して得た２
４０mm鋳片を、表２に示す種々の条件で加熱後、板厚８
０mmと４０mmに制御圧延後水冷して焼入れ鋼片としたも
のを、さらに焼戻し処理した。これ等について母材の機
械的性質を板厚各部について調査した。その結果を表３
に示す。

【００３７】従来材においては１／２ｔ部に対して表面
から１／４ｔ部の強度差は８〜１２kgf/mm² であり、本
発明で冷間加工性５％上昇に必要な表面部の強度低下は
５kgf/mm² 以上である。そこで、表３に示すように表面
部と板厚１／４ｔ部の加工性５％上昇のための強度差
（以下ΔＴｓ略記；ΔＴｓ＝引張強さ（表面部及び１／
４ｔ部）−引張強さ（１／２ｔ部））の目標を３kgf/mm
² 以下とした。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】まず、比較法の結果は以下の通りである。
No．４，５は制御圧延前の加熱温度と制御圧延後の冷却
が本発明条件に適合していないため、５０kgf/mm² の強
度が達成できず、さらに靭性も低い。

【００４３】No．６，７は焼戻し加熱温度が本発明条件
に適合していないため、６はΔＴｓが２kgf/mm² 以上で
靭性も低く、７は表面部及び１／４ｔ部が１／２ｔ部強
度より低くて靭性も低い。

【００４４】No．８は板厚が４０mmと薄く焼戻しによる
温度差が本発明条件に適合していないため、ΔＴｓが３
kgf/mm² 以上となっている。No．１７，１８は成分が本
発明に適合していないため、１７では５０kgf/mm²の強
度が達成できず、１８では靭性が低い。一方、本発明例
のNo．１，２，３，９，１０，１１，１２，１３，１
４，１５，１６は、ΔＴｓは２kgf/mm² 以下と小さく、
靭性も十分に良好な値を示している。

【００４５】

【発明の効果】本発明による組成範囲及び製造法によ
り、板厚表面部から中心部まで均一強度及び高靭性で、
冷間加工性の優れた極厚高強度鋼の製造が可能となっ
た。また、従来の焼戻しに比べ加熱時間が著しく短縮で
き加熱炉の能力が向上し、加熱コストの低い経済的な加
熱ができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】引張強度と冷間曲げ加工による割れ発生限界の
関係を求めた図表である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にて、 Ｃ ：０．０２〜０．２０％、 Ｓｉ：０．０１〜０．５％、 Ｍｎ：０．３〜２．０％ を基本成分とし、 Ｃｕ：０．１〜２．５％、 Ｎｉ：０．１〜１０．０％、 Ｃｒ：０．１〜３．０％、 Ｍｏ：０．１〜１．５％、 Ｖ ：０．００５〜０．０５％、 Ａｌ：０．０１〜０．０８％、 Ｂ ：０．０００３〜０．００２０％、 Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０３％ を一種あるいは二種以上 残部が鉄及び不可避的不純物からなり、これ等の成分に
   よる焼入れ臨界直径Ｄｉ(cal）が２５mm以上である鋼片
   を９００℃以上で加熱し、仕上げ温度７００℃以上仕上
   げ板厚６０mm以上で制御圧延して水冷した後、焼戻し処
   理において鋼片各部の温度が５００℃以上Ａｃ₁ 以下に
   到達し、表面部と１／２ｔ部の温度差が５０〜２００℃
   にある不均一加熱状態で加熱炉から抽出することを特徴
   とする冷間加工性に優れた極厚高張力鋼の製造方法。但
   し 【数１】