JPH0642979B2 - チタン酸化物を含有する溶接・低温用高張力鋼の製造法 - Google Patents

Description

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

（従来の技術） 低合金鋼の溶接部のＨＡＺ靱性は、(1)有効結晶粒の大
きさ（オーステナイト粒径、ミクロ組織）、(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)母相の硬さ及び靱性（フェライト中の固
溶Ｃ，Ｎ）等の冶金要因によって支配されている。

これらの中でＨＡＺ靱性の向上策として、ＨＡＺ組織を
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
頁においては、ＴｉＮを微細分散させ、50kg・ｆ／mm²
高張力鋼の大入熱溶接時のＨＡＺ靱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組織の粗粒化と固溶Ｎの増加を生
じ、ＨＡＺ靱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Ａ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Ｉ
ＦＰと称する）を発達させることにより、ＨＡＺ靱性を
著しく改善できることを、特開昭60-245768号、特開昭6
0-79745号、特開昭61-117245号、特開昭62-1842号にお
いて示した。

さらに、本発明者らはＴｉ酸化物含有鋼においては鋼中
のＴｉ酸化物個数の増加にともないＨＡＺ靱性が向上す
ることを出願番号63-13613号で明らかにした。しかし、
連続鋳造で溶製すると、スラブ中央部においてＴｉ酸化
物個数が減少し、大入熱ＨＡＺ靱性を確保するために必
要な個数を得られない場合が生じた。

（発明が解決しようとする課題） 連続鋳造における鋼塊中央部のＴｉ酸化物個数の減少は
主にＴｉ酸化物が凝固時に二次脱酸生成物として析出す
るため、徐冷されるスラブ中央部では凝集粗大化するこ
とに原因することが判明した。

スラブ中央部においても必要なＴｉ酸化物個数を確保
し、ＨＡＺ靱性を改善するために、二次脱酸生成物に加
え、溶鋼段階で析出する一時脱酸Ｔｉ酸化物を活用す
る、連続鋳造のモールドでのＴｉ脱酸方法が有効である
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、溶鉄を予備脱酸により溶存酸素を重量％で
0.0030〜0.0100％に溶製し、合金添加による成分調整に
より、Ｃ：0.02〜0.18％、Ｓｉ：0.03〜0.25％、Ｍｎ：
0.4〜2.0％、Ｓ：0.0007〜0.0060％、Ｎ：0.0010〜0.00
40％を含有させ、Ｐ≦0.015％、Ａ≦0.003％に制限
し、Ｃｒ≦1.0％、Ｎｉ≦3.0％、Ｍｏ≦0.5％、Ｖ≦0.1
％、Ｎｂ≦0.05％、Ｂ≦0.002％、Ｃｕ≦1.5％の１種ま
たは２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物か
らなる溶鋼を溶製、さらに、最終脱酸として連続鋳造の
モールドで低融点のTi-Cu、Ti-Ni、Ti-Fe合金のワイヤ
ー、または粒体を添加し、重量％でＴｉ：0.005〜0.030
％を含有させ、スラブ中央部において、主に粒子径が0.
1〜3.0μｍにあるＴｉ酸化物及びＴｉ酸化物とＴｉＮ，
ＭｎＳの複合析出物粒子の合計で40〜170個／mm²を含有
する鋼塊を圧延して製造することを特徴とする溶接部低
温靱性の優れた低温用高張力鋼の製造法である。

（作用） 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靱性などを著しく低下させるので、上限を
0.18％とした。

次に、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％を超えると熱処理組織内に硬化組織
の高炭素マルテンサイト（以下Ｍ^＊と称す）を生成し、
靱性を著しく低下させる。また、0.03％未満ではＴｉ酸
化物の分散に必要な溶鋼の予備脱酸ができないため、Ｓ
ｉ含有量をこの範囲に制限した。

Ｍｎは母材の強度、靱性の確保には0.4％以上の添加が
必要であるが、溶接部の靱性、割れ性などの許容できる
範囲で上限を2.0％とした。

Ｓについては、複合体のＭｎＳを析出させるために0.00
07％以上必要であるが、0.0060％超の過剰の添加は、粗
大な硫化物系介在物を形成し、母材の延性低下と異方性
の増加を招くため、0.0007〜0.0060％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、0.005未満では必要とするＴｉ酸化物とＴｉ窒化物
量が得られず、ＩＦＰ生成量が低減するため0.005％以
上の添加が必要であるが、0.03％超の添加は、過剰なＴ
ｉ炭化物の析出をともない、析出硬化により硬さを上昇
させ、靱性低下をもたらすため、0.03％以下とした。

Ｎは含有量が0.0040％を超えるとＭ^＊が存在しない条件
でも母相を脆化させ、靱性を低下させる。また、Ｎが0.
0010％未満では鋼中にほとんど窒化物を生成せず、ＩＦ
Ｐ組織の生成量が減少し靱性が低下する。

Ｐは、凝固偏析による溶接割れ性、靱性などの低下を防
止する上から、極力低減すべきであり、上限を0.015％
に制限した。

Ａは強力な脱酸元素であり、0.003％以上の添加はＴ
ｉ脱酸により形成されるＴｉ酸化物が形成されなくな
り、ＩＦＰが形成されず、靱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、
及び母材の靱性向上の目的でＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎ
ｂ，Ｂ，Ｃｕ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、母材の強靱性を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、Ｍ^＊が生成さ
れることにおり靱性の低下をもたらすため、上限を3.0
％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、母材の低温靱性の向上に
有効である。しかし、各成分の上限を超える過剰の添加
は、靱性及び硬化性の観点から有害となるため、Ｃｒ，
Ｍｏの各々について、上限を1.0％，0.5％とした。

Ｖ，Ｎｂは母材の強靱化、粒界フェライトの生成抑制な
どによる靱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、靱性及び硬化性の観点から有害
となるため、Ｖ，Ｎｂのそれぞれについて、上限を0.1
％，0.05％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高温熱処理鋼材の靱性向上が
期待されるが、0.002％を超える添加は、Ｆｅ_２３（Ｃ
Ｂ）_６の析出による靱性低下と急冷処理で硬化を招くた
め、上限を0.002％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。

次に、ＨＡＺにＩＦＰを生成し組織を微細化しＨＡＺ靱
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Ｔｉ_２Ｏ_３，Ｔｉ_３Ｏ_５のチタン酸化物及びこ
れらの酸化物とＴｉＮ，ＭｎＳの複合体、ＴｉＮ＋Ｍｎ
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、3.0μｍ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靱性の低下をもたらす。

連続鋳造のスラブ中央部におけるその該粒子数について
は、Ｔｉ酸化物及びＴｉ酸化物とＴｉＮ＋ＭｎＳの複合
体の粒子数が少ないと、大入熱ＨＡＺ部において十分に
ＩＦＰを生成させることが出来ないので、それらの合計
で40個／mm²以上存在させることが必要である。

該粒子数の増加にともないＩＦＰの個数も増加するが、
該粒子数の合計で170個／mm²を超える過剰な存在は、母
材及び溶接部の延性低下を招く傾向があるので、該粒子
数の上限は170個／mm²でなければならない。

上記における本発明の基本となるスラブ中央部でＴｉ酸
化物数を増加させるためには、二次脱酸生成物に加え、
溶鋼段階で析出する一時脱酸Ｔｉ酸化物を活用しなけれ
ばならない。従って、最終脱酸としてのＴｉ添加後、で
きる限り短時間に出鋼、凝固させる必要がある。それに
は連続鋳造においてＴｉをモールド添加する方法が最も
有効であり、その方法について説明する。

連続鋳造のモールドでＴｉ脱酸するには、添加したＴｉ
を溶鋼中に、できる限り短時間に均一拡散させる必要が
ある。それには融点の低いＴｉ合金が有効であり、加工
性、経済性を加味し、選択した結果、Ｔｉ‐Ｃｕ，Ｔｉ
‐Ｎｉ，Ｔｉ‐Ｆｅ合金が優れていることが判明した。

その合金の組成は重量％でＴｉ：40〜60％，残部はＣ
ｕ、Ｔｉ：60〜80％，残部はＮｉ、Ｔｉ：65〜75％，残
部はＦｅからなるもので何れも純Ｔｉに比べ低融点の合
金である。添加はこれらの合金をワイヤー及び粒状に加
工し、連続しモールド添加する方法である。

またＴｉ脱酸前の〔Ｏ〕濃度が0.0100％を超える場合に
は、他の条件を満たしていても、Ｔｉ酸化物が粗粒化し
脆性破壊の起点となり、靱性は向上しない。

以下に実施例によりさらに本発明の効果を示す。

（実施例） 第１表は、試作鋼の化学成分を示し、鋼１〜６まではＴ
ｉ合金によるモールド添加した本発明法によるもので、
鋼７，８は製鋼の真空脱ガス装置内でスポンジＴｉによ
り脱酸する従来法で溶製した比較鋼である。

第２表は添加Ｔｉ合金の組成、添加形状、鋳片厚、スラ
ブ中央部のＴｉ酸化物個数、溶接再現ＨＡＺ靱性を表し
た。なお、Ｔｉ酸化物はＴｉ，Ｏ元素の特性Ｘ線をコン
ピュータにより画像解析処理（ＣＭＡ装置）し求めた。

これらの試作鋼は300mm厚スラブを圧延により50mm鋼板
とし、板厚1/2ｔから12×12×60mmの試験片を採取し、
溶接再現熱サイクル試験によりＨＡＺ靱性を評価した。

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500℃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130
kJ/cmに相当し、加熱温度1400℃は実際のＨＡＺの溶融
線近傍の加熱領域に相当する。さらに靱性はこの試験片
から２mmＶノッチ・シャルピーに加工し、衝撃破面遷移
温度（以下vTrsと称す）を求め評価した。

第２表に示すように、本発明による鋼は鋳片の厚さ中央
部でＴｉ酸化物を40個／mm²以上含み、比較法による鋼
は十数個／mm²に低減し、目的とする40個／mm²以上の粒
子を分散させられない。

従って、本発明法による鋼の溶接再現ＨＡＺ靱性(vTrs)
は比較法による鋼に比べ、向上し、vTrsで20〜40℃低温
側にシフトする。このように低融点Ｔｉ合金をモールド
添加する方法により、300mm厚の厚鋳片の中央部におい
てもその該粒子数が40個／mm²以上になり、優れた大入
熱ＨＡＺ靱性を示す。

即ち、本発明の製造法の要件が総て満たされた時に、第
１表に示される鋼６に示すような連続鋳造による鋼板の
1/2部においてもvTers＝−70℃もの優れた大入熱ＨＡＺ
靱性を持つ低温用鋼材の製造が可能になる。

（発明の効果） 本発明により連続鋳造による厚鋼板の板厚1/2部におい
ても優れた大入熱ＨＡＺ靱性を持つ低温用鋼材の製造が
可能になり、北海のような極低温環境で使用される、海
洋構造物、ラインパイプ、低温容器、等の鋼材に適用が
できる。

その結果、構造物の安全性の確保、溶接性能の向上によ
る経済効果等の産業上の効果は極めて顕著なものがあ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 粟飯原 周二 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新日 本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−1811（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−228643（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−150453（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶鉄を予備脱酸により溶存酸素を重量％で
   0.0030〜0.0100％に溶製し、合金添加による成分調整に
   より、Ｃ：0.02〜0.18％、Ｓｉ：0.03〜0.25％、Ｍｎ：
   0.4〜2.0％、Ｓ：0.0007〜0.0060％、Ｎ：0.0010〜0.00
   40％を含有させ、Ｐ≦0.015％、Ａ≦0.003％に制限
   し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる溶鋼を溶製、
   さらに、最終脱酸として連続鋳造のモールドで低融点の
   Ｔｉ−Ｃｕ，Ｔｉ−Ｎｉ，Ｔｉ−Ｆｅ合金のワイヤー、
   または粒体を添加し、重量％でＴｉ：0.005〜0.030％を
   含有させ、スラブ中央部において、主に粒子径が0.1〜
   3.0μｍにあるＴｉ酸化物及びＴｉ酸化物とＴｉＮ，Ｍ
   ｎＳの複合析出物粒子の合計で40〜170個／mm²を含有す
   る鋼塊を圧延することを特徴とする溶接部低温靱性の優
   れた低温用高張力鋼の製造法。
2. 【請求項２】溶鉄を予備脱酸により溶存酸素を重量％で
   0.0030〜0.0100％に溶製し、合金添加による成分調整に
   より、Ｃ：0.02〜0.18％、Ｓｉ：0.03〜0.25％、Ｍｎ：
   0.4〜2.0％、Ｓ：0.0007〜0.0060％、Ｎ：0.0010〜0.00
   40％を含有させ、Ｐ≦0.015％、Ａ≦0.003％に制限
   し、Ｃｒ＜1.0％、Ｎｉ≦3.0％、Ｍｏ≦0.5％、Ｖ≦0.1
   ％、Ｎｂ≦0.05％、Ｂ≦0.002％、Ｃｕ≦1.5％の１種ま
   たは２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物か
   らなる溶鋼を溶製、さらに、最終脱酸として連続鋳造の
   モールドで低融点のＴｉ−Ｃｕ、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｆ
   ｅ合金のワイヤー、または粒体を添加し、重量％でＴ
   ｉ：0.005〜0.030％を含有させ、スラブ中央部におい
   て、主に粒子径が0.1〜3.0μｍにあるＴｉ酸化物及びＴ
   ｉ酸化物とＴｉＮ，ＭｎＳの複合析出物粒子の合計で40
   〜170個／mm²を含有する鋼塊を圧延することを特徴とす
   る溶接部低温靱性の優れた低温用高張力鋼の製造法。