JP3699624B2 - 溶接熱影響部の靭性に優れた鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶接熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）靭性の優れた鋼材に関するものである。本発明の鋼材は、小入熱溶接から超大入熱溶接までの広範な溶接条件において良好なＨＡＺ靭性を有するので、建築、橋梁、造船、ラインパイプ、建設機械、海洋構造物、タンクなどの各種溶接鋼構造物に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＡＺにおいては、溶融線に近づくほど溶接時の加熱温度は高くなり、特に溶融線近傍の１４００℃以上に加熱される領域では加熱オーステナイト（γ）が著しく粗大化してしまい、冷却後のＨＡＺ組織が粗大化して靭性が劣化する。この傾向は溶接入熱量が大きくなるほど顕著である。
【０００３】
このような問題点を解決する手段として、特開昭６０−２４５７６８号公報、特開昭６０−１５２６２６号公報、、特開昭６３−２１０２３５号公報、特開平２−２５０９１７号公報、特開平１−７３３２０号公報は、粗大なγ粒の内部に、Ｔｉ酸化物やＴｉＮとＭｎＳの複合析出物を核とした粒内変態フェライトを積極的に生成させ、ＨＡＺ靭性の向上を図ってきた。しかしながら、これらの技術によって製造された鋼も、溶接入熱量が２０ｋＪ／ｍｍを超えるような大入熱溶接ＨＡＺにおいては十分な靭性を得ることは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、溶接入熱量が２０ｋＪ／ｍｍを超えるような大入熱溶接においても、良好なＨＡＺ靭性を有する鋼材を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、溶接入熱量が２０ｋＪ／ｍｍを超える大入熱溶接ＨＡＺ靭性の向上を狙いとして、▲１▼加熱γ粒成長抑制、▲２▼適正なＴｉとＮの存在形態について鋭意検討し、新たな金属学的効果を知見して本発明に至った。
【０００６】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【０００７】
（１） 質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．４％以下、
Ｍｎ：０．５〜２％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．００６％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．０１％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．００１％、
Ｏ：０．００１〜０．００４％、
Ｎ：０．００２５〜０．００６％、
さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．００４％、ＲＥＭ：０．０００３〜０．００３％の内の１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学成分を有し、ＭｇとＡｌから成る酸化物を内包する０．０１以上０．５μｍ未満のＴｉＮが１００００個／ｍｍ２以上存在し、さらに、０．５〜５μｍの大きさの酸化物の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌの平均値が０．２以上であって、さらに、質量％を用いて下記の（１）式あるいは（２）式で計算される有効Ｔｉ量が−０．０１％〜＋０．００５％の範囲としたことを特徴とする溶接熱影響部靭性の優れた鋼材。
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ≧０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−２×（Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ）−３．４×Ｎ ・・・（１）
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ＜０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−３．４×Ｎ ・・・（２）
【０００８】
（２） 質量％で、さらに、
Ｃｕ：１．５％以下、
Ｎｉ：１．５％以下、
Ｍｏ：１％以下、
Ｃｒ：１％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｖ：０．０５％以下、
Ｂ：０．００２％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）項記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材。
【００１０】
（３） ＭｇおよびＣａ添加前のスラグ中Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯが１０質量％以下であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材の製造方法。
【００１１】
（４） Ｍｇ、Ｃａ以外の元素を添加した後にＭｇ、Ｃａを添加することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明で知見した新たな金属学的効果について以下に説明する。
【００１３】
まず、加熱γ粒成長抑制について説明する。溶融線近傍ＨＡＺは加熱温度が１４００℃にも及ぶため、炭化物や窒化物が溶解・粗大化することでγ粒界の移動をピンニングする力が著しく低下し、γ粒の成長を避けることはできなかった。そこで、１４００℃以上の高温でも熱的に安定である酸化物によるピンニングによってγ粒成長を抑制することを検討した。その結果、鋼中に微量のＭｇとＡｌを含有させることで、０．０１〜０．１μｍの大きさの従来にない極めて微細なＭｇとＡｌから成る酸化物が多量に生成することを見いだした。さらに、０．０１以上０．５μｍ未満の大きさの微細なＴｉＮがこのＭｇとＡｌから成る酸化物酸化物上に複合析出し、１４００℃以上の高温で従来にない非常に強力なピンニング力を発揮することを明らかにした。なお、ＴｉＮ複合粒子は、０．０１超０．２μｍ以下とすることが好ましい。
【００１４】
このＭｇとＡｌから成る酸化物はＴｉＮとの格子整合性がよいため、ＴｉＮの析出核として有効に作用する。そして、０．０１〜０．１μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物にＴｉＮが複合することでその表面積が増し、より強力なピンニング力が発現される。
【００１５】
図１は溶接冷却時の８００℃から５００℃までの冷却時間が３３０ｓである場合のＨＡＺ靭性に及ぼすγ粒径の影響を示す。この冷却時間は板厚８０ｍｍの鋼板を約７０ｋＪ／ｍｍの溶接入熱量でエレクトロスラグ溶接した場合に相当する。図１からγ粒の細粒化に伴いＨＡＺ靭性が向上する。これは、γ粒の細粒化に伴ってγ粒界から変態する粒界フェライトやフェライトサイドプレートが小さくなり、ＨＡＺ組織が微細化されるためである。このような効果はγ粒径が１５０μｍ以下のときに顕著である。
【００１６】
図２は１４００℃で３０ｓ間保持した場合のγ粒径に及ぼす０．０１以上０．５未満μｍの複合析出ＴｉＮの個数の影響を示す。この加熱条件は、板厚８０ｍｍの鋼板を約７０ｋＪ／ｍｍの溶接入熱量でエレクトロスラグ溶接したときの溶融線近傍ＨＡＺに相当する。図２から複合析出ＴｉＮの個数が１００００個／ｍｍ2未満の場合にはγ粒径が１５０μｍ以上になり、ＨＡＺ組織が十分に微細化されないために良好な靭性は得られない。γ粒成長抑制に有効なこのような複合析出ＴｉＮの分散状態は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｏ、Ｎの量を本発明の範囲に制御することで達成される。
【００１７】
次に、０．５〜５μｍの酸化物組成と、０．０１以上０．５未満μｍの複合析出ＴｉＮの個数との関係について説明する。
【００１８】
図３は、０．５〜５μｍの酸化物組成の内、質量％で表した（Ｃａ＋ＲＥＭ）含有量とＡｌ含有量との比、（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌと０．０１以上０．５未満μｍの複合析出ＴｉＮの個数との関係を示す。ここで、ＲＥＭとは、Ｌａ、Ｃｅなどの希土類金属元素を示す。（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが０．２以上の場合、複合析出ＴｉＮの個数が１００００個／ｍｍ2以上になる。溶鋼中のＡｌが本発明の範囲である場合、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌを上げることによりこのサイズの酸化物中のＭｇが減少し、逆に、０．０１〜０．５μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が増加するためである。
【００１９】
次に各々の化学成分の限定理由について説明する。
【００２０】
Ｃの下限は母材及び溶接部の強度、靭性を確保するための最小量である。しかし、Ｃが多すぎると母材及びＨＡＺの靭性を低下させるとともに溶接性を劣化させるため、その上限を０．２％とする。
【００２１】
Ｓｉは脱酸のために鋼に含有されるが、多すぎると溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化するため、上限を０．４％とする。本発明の脱酸はＴｉだけでも十分可能であり、良好なＨＡＺ靭性を得るためにはＳｉを０．３％以下にするのが望ましい。
【００２２】
Ｍｎは母材及び溶接部の強度、靭性の確保に不可欠であるため下限を０．５％とする。しかし、Ｍｎが多すぎるとＨＡＺ靭性を劣化させたり、スラブの中心偏析を助長し、溶接性を劣化させるため上限を２％とする。
【００２３】
Ｐは本発明鋼において不純物元素であり０．０１５％以下とする。Ｐの低減はスラブ中心偏析の軽減を通じて母材およびＨＡＺの機械的性質を改善し、さらには、ＨＡＺの粒界破壊を抑制する。
【００２４】
Ｓは多すぎると中心偏析を助長したり、延伸したＭｎＳが多量に生成するため、母材およびＨＡＺの機械的性質が劣化する。したがって、上限を０．００６％とする。なお、Ｓｉの下限は０．００２％以上とすることが好ましい。
【００２５】
Ａｌは、γ粒成長のピンニング粒子である複合析出ＴｉＮの析出核である０．０１〜０．１μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数を制御する上で重要である。Ａｌが０．００１％未満の場合、ＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が１００００個／ｍｍ2未満となり、複合析出ＴｉＮの個数が不足することでγ粒が十分に細粒化されず、良好なＨＡＺ靭性が得られない。一方、Ａｌが０．０１％を超える場合、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが１未満となり、０．０１〜０．１μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が１００００個／ｍｍ2未満となり、複合析出ＴｉＮの個数が不足することでγ粒が充分に細粒化されず、良好なＨＡＺ靭性が得られない。
【００２６】
Ｔｉは、ピンニング粒子としての複合析出ＴｉＮの分散状態を制御する上で重要であり、後述する有効Ｔｉ濃度の適正範囲と相俟って狭い範囲に限定されなければならない。Ｔｉが０．００５％未満の場合、ＭｇとＡｌから成る酸化物上に複合析出するＴｉＮの個数が１００００個／ｍｍ2未満となり、ＨＡＺ靭性向上に必要なγ粒成長抑制効果が得られない。一方、Ｔｉが０．０２％を超える場合、有効Ｔｉ量が適正範囲内にあっても実質的にＴｉＣが過剰に生成し、ＨＡＺ靭性が低下する。このため、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％としたが、０．００７〜０．０２％が好ましい。ＴｉＮは厚板圧延でのスラブ加熱時のγ粒成長抑制を通じて母材組織を微細化し、鋼板の強度と靭性を向上させることにも貢献する。
【００２７】
ここで、適正なＴｉとＮの存在形態について説明する。鋼中のＴｉはＯと結合して酸化物を生成し、残りのＴｉはＮと結合してＴｉＮを形成し、さらに残ったＴｉが存在すれば、Ｃと結合してＴｉＣを形成するが、ＴｉＣは析出脆化をもたらす。一方、鋼中のＴｉが酸化物およびＴｉＮとしてすべて消費されれば、Ｔｉと結合できなかった過剰なＮが地鉄中に固溶するが、固溶Ｎもまた脆化をもたらす。このように、酸化物および窒化物として消費された残りのＴｉが存在するか否かによってＴｉとＮの存在形態が異なり、このことが靭性に大きな影響を及ぼす。本発明では、酸化物および窒化物として消費された残りのＴｉ量を「有効Ｔｉ量」として質量％を用いて（１）式および（２）式で定義する。
【００２８】
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ≧０の場合、
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ＜０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−３．４×Ｎ ・・・（２）
【００２９】
（１）式および（２）式の各元素の係数は想定される酸化物および窒化物から化学量論的に決定された値である。１４００℃を超えるような溶融線近傍ＨＡＺでは、ＴｉとＮの存在形態はさらに複雑である。その理由は、溶接加熱時にＴｉＣとＴｉＮの多くが地鉄中に一旦固溶し、固溶したＴｉ、Ｎ、Ｃは溶接冷却時にＴｉＮあるいはＴｉＣとして再析出するとともに、一部は固溶のまま存在するからである。このようなＴｉとＮの存在形態を制御してＨＡＺ靭性の向上を目指すためには、ＴｉとＮの各々の量を規定するとともに、有効Ｔｉ量の概念を用いて他の成分とのバランスを図ることが重要である。図４は溶接入熱量が５０ｋＪ／ｍｍの場合をシミュレートした１４００℃加熱再現ＨＡＺ靭性に及ぼす有効Ｔｉ量の影響を示す。有効Ｔｉ量が−０．０１％〜＋０．００５％の範囲で良好な靭性を示す。すなわち、この範囲がＴｉＣの析出脆化とＮの固溶脆化の両方を回避できる適正な成分範囲であること示している。有効Ｔｉ量が−０．０１％未満の場合は固溶Ｎ量が過剰となり、有効Ｔｉ量が＋０．００５％を超える場合にはＴｉＣ析出量が過剰となり、ＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３０】
このように有効Ｔｉを考慮することにより、さらに良好なＨＡＺ靭性が得られる。
【００３１】
Ｍｇは本発明の特徴的な元素であり、最も重要な役割を有する。Ｍｇを適量含有することで本発明における酸化物の分散状態を達成することができる。Ｍｇが０．０００１％未満の場合、ＴｉＮの析出核であるＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が不足する。一方、酸化物として消費されるＭｇは０．００１％あれば十分であり、これを超えるＭｇは金属学的に何ら効果をもたらさない。Ｍｇは蒸気圧が高くて酸化力が強い非常に活性な元素であることから、必要以上に鋼中に含有させることは製造コストの上昇を招き好ましくない。
【００３２】
Ｏは、ＴｉＮの析出核であるＭｇとＡｌから成る酸化物の個数を確保する上で必要である。Ｏが０．００１％未満の場合、酸化物の個数が不足し、ＨＡＺ靭性が劣化する。一方、Ｏが０．００４％を超える場合、鋼の清浄度が低下して機械的性質が劣化する。
【００３３】
Ｎは、ピンニング粒子である複合析出ＴｉＮの個数を確保する上で必要であり、有効Ｔｉ量の適正範囲と相俟って狭い範囲に限定されなければならない。Ｎが０．００２５％未満の場合、ＴｉＮの個数が確保できない。一方、Ｎが０．００６％を超える場合、有効Ｔｉ量が適正範囲内にあっても実質的に固溶Ｎが過剰となり、ＨＡＺ靭性が低下する。
【００３４】
Ｃａ及び／又はＲＥＭは、ピンニング粒子である複合析出ＴｉＮの析出核として作用する０．０５〜０．５μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数を確保する上で重要である。鋼中のＡｌが０．００１〜０．０１％の場合であって、Ｃａ及び／又はＲＥＭが、それぞれ０．０００５％未満、０．０００３％未満の場合、０．５〜５μｍの酸化物中のＣａ及び／又はＲＥＭの濃度が低くなり、（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが０．２未満となる。このため、０．０５〜０．５μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が減少し、γ粒径が小さくならず、良好なＨＡＺ靭性を得ることができない。一方、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌを０．２以上にするためには、Ｃａが０．００４％以下及び／又はＲＥＭが０．００３％以下であれば十分であり、これを超えて添加してもピンニング効果が飽和する。Ｃａ及びＲＥＭは非常に酸化力が強い活性な元素であることから、必要以上に鋼中に含有させることは製造コストの上昇を招き好ましくない。なお、Ｃａ及びＲＥＭは、その１種又は２種を鋼中に含有させればよい。
【００３５】
続いて、母材の強化元素であるＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂを添加する理由について説明する。
【００３６】
Ｃｕ、Ｎｉは溶接性およびＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼすことなく母材の強度、靭性を向上させる。しかし、それぞれ１．５％を超えると溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３７】
Ｍｏ、Ｃｒは母材の強度、靭性を向上させる。しかし、それぞれ１％を超えると母材靭性、溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３８】
Ｎｂは母材組織の微細化に有効な元素であり、母材の機械的性質を向上させる。しかし０．０５％を超えるとＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３９】
Ｖは母材の強度を向上させる。しかし０．０５％を超えると溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化する。
【００４０】
Ｂは焼き入れ性を高めて母材やＨＡＺの機械的性質を向上させる。しかし０．００２％を超えて添加するとＨＡＺ靭性や溶接性が劣化する。
【００４１】
本発明鋼材は、鉄鋼業の製鋼工程において所定の化学成分に調整し、連続鋳造を行い、鋳片を再加熱した後に厚板圧延によって形状と母材材質を付与することで製造される。必要に応じ、鋼材に各種の熱処理を施して母材の材質を制御することも行われる。鋳片を再加熱することなく、ホットチャージ圧延することも可能である。
【００４２】
本発明で規定した介在物の分散状態は、例えば、以下のような方法で定量的に測定される。０．０１以上５μｍ未満のＭｇとＡｌから成る酸化物とＴｉＮの複合析出物の分散状態は、母材鋼板の任意の場所から抽出レプリカ試料を作製し、これを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１００００〜５００００倍の倍率で少なくとも１０００μｍ2以上の面積にわたって観察し、対象となる大きさの複合析出物の個数を測定し、単位面積当たりの個数に換算する。このとき、ＭｇとＡｌから成る酸化物とＴｉＮの同定は、ＴＥＭに付属のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）による組成分析と、ＴＥＭによる電子線回折像の結晶構造解析によって行われる。このような同定を測定するすべての複合析出物に対して行うことが煩雑な場合、簡易的に次の手順による。まず、四角い形状の析出物をＴｉＮとみなし、対象となる大きさのＴｉＮ中に酸化物が複合しているものの個数を上記の要領で測定する。次にこのような方法で個数を測定した複合析出物のうち少なくとも１０個以上について上記の要領で同定を行い、ＭｇとＡｌから成る酸化物とＴｉＮが複合的に存在している割合を算出する。そして、はじめに測定された複合析出物の個数にこの割合を掛け合わせる。鋼中の炭化物が以上のＴＥＭ観察を邪魔する場合、５００℃以下の熱処理によって炭化物を凝集・粗大化させ、対象となる複合析出物の観察を容易にすることができる。
【００４３】
０．５〜５μｍの酸化物の個数の測定例を示す。母材鋼板の任意の場所から小片試料を切り出し、これを１４００〜１４５０℃で１０分間以上保持することで酸化物以外の０．５〜５μｍの介在物を溶体化させ、その後水冷する。これを鏡面研磨し、光学顕微鏡を用いて１０００倍の倍率で少なくとも１ｍｍ2以上の面積にわたって観察する。対象となる酸化物のうち少なくとも１０個以上についてＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）に付属の波長分散型分光法（ＷＤＳ）を用いて組成を分析し、酸化物の平均組成におけるＣａ、ＲＥＭとＡｌの含有量を質量％で求める。このとき、酸化物組成の分析値に地鉄のＦｅが検出される場合は、分析値からＦｅを除外して酸化物の平均組成を求める。
【００４４】
ＭｇとＣａは酸素との親和力が強く、蒸気圧も高いため、酸化され、酸化物として溶鋼中から除去されたり、蒸発してロスする。そのため添加歩留まりが低い。歩留まりを向上させるためには、酸化ロスと蒸発ロスを極力抑制することが重要である。
【００４５】
酸化ロスを小さくするためには、ＭｇやＣａ添加前の溶鋼中の酸素やスラグ中のＦｅＯ濃度とＭｎＯ濃度を低減することが重要である。本発明の鋼材には、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉなどの脱酸元素が含まれており、これらの元素を添加した後にＭｇやＣａを添加することによって、酸化ロスを小さくすることができる。
すなわち、ＭｇやＣａ以外の元素を添加し、溶鋼中の酸素濃度を低下させるため、ＭｇやＣａの酸化ロスが低減する。
【００４６】
スラグからの酸素供給によってＭｇやＣａが酸化ロスするのを抑制するため、スラグ中のＦｅＯ濃度とＭｎＯ濃度を低減することが有効である。ＭｇやＣａの添加前のスラグ中のＴ．Ｆｅ＋ＭｎＯを質量％で１０％を超えるとＭｇやＣａの歩留まりが著しく低下する。したがって、Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯを１０％以下とする。この値は小さいほど、Ｍｇの酸化ロス防止には有効であり、５％以下が望ましい。
【００４７】
ＭｇやＣａの蒸発ロスを抑制するため、できるだけ精錬工程の末期に添加することが有利である。したがって、精錬工程で他の元素を添加したのちに、添加するのがよい。これは上述のように酸化ロスを抑制することからも有利である。ただし、成分の微調整のため、Ｍｇ、Ｃａ添加後に、Ｍｇ、Ｃａ以外の元素を少量添加しても構わない。
【００４８】
Ｍｇを溶鋼に添加するには、Ｍｇ含有合金、ＭｇＯ含有酸化物の１種もしくは、２種以上を用いる。
【００４９】
Ｍｇ含有合金、ＭｇＯ含有酸化物を溶鋼に添加する方法は、粉状にしたＭｇ合金、ＭｇＯ含有酸化物を不活性ガスを搬送ガスとして取鍋内の溶鋼中に吹き込む方法、塊状のものを取鍋内溶鋼、ＲＨ、ＤＨ等の真空槽内溶鋼に上方添加する方法、粉状のものを例えば鉄で被覆しワイヤ状にしたものを取鍋内溶鋼または／およびタンディッシュ内溶鋼または／およびモールド内溶鋼に添加する方法が考えられる。これらのいずれの方法を用いてもよく、その効果は同等である。さらに、これらの方法を組み合わせてもよい。
【００５０】
ＣａはＣａを含有する合金であれば何を用いても構わない。一般的にはＣａ−Ｓｉ合金が用いられる。
【００５１】
Ｍｇの添加時期は、Ｃａ添加前、Ｃａ添加と同時、Ｃａ添加後のいずれか、または、これらの組み合わせのいずれでもよい。
【００５２】
ＭｇとＣａを同時に添加する場合は、Ｍｇ含有合金または／およびＭｇＯ含有酸化物をＣａ含有合金と混合して添加する方法、ＭｇとＣａの両方を含有する合金を添加する方法のいずれの方法でもよく、その効果は同等である。
【００５３】
【実施例】
（実施例１）
表１に鋼の化学成分と介在物の分散状態を、表２に鋼板の製造条件と機械的性質を示す。
【００５４】
表１のピンニング粒子の個数の測定は、鋼板母材の板厚中心部から抽出レプリカ試料を作製し、これを、３００００倍の倍率で２０００μｍ2の面積にわたってＴＥＭ観察することで行った。また、表１の０．５〜５μｍの大きさの酸化物の個数の測定は、同じく、鋼板母材の板厚中心部から小片を切り出して１４００℃で２０分間保定した後に水冷し、鏡面研磨面を１０００倍の倍率で４ｍｍ2の面積にわたって光学顕微鏡観察することで行った。さらに、ＥＰＭＡ−ＷＤＳによって、０．５〜５μｍの２０個の酸化物について組成を分析し、地鉄（Ｆｅ）の分析値を差し引いて平均組成を求め、（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌの値を求めた。
【００５５】
本発明鋼は溶接入熱量が２０〜１００ｋＪ／ｍｍのエレクトロガス溶接部あるいはエレクトロスラグ溶接部の溶融線において従来にない良好なＨＡＺ靭性を有する。本発明鋼１〜１０は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｏ、Ｎの量を厳密に制御し、有効Ｔｉ量なる概念を用いてＨＡＺにおけるＴｉとＮの存在形態を適正化し、さらに、γ粒成長抑制に有効な酸化物の分散状態を有することで大入熱溶接においても良好なＨＡＺ靭性を達成している。一方、比較鋼１１〜２９は化学成分や酸化物の分散状態が適正でないため、母材およびＨＡＺの機械的性質が劣っている。
【００５６】
鋼１１は、Ｃ量が低すぎるために、鋼１２は、Ｃ量が高すぎるために、母材およびＨＡＺの靭性が劣る。鋼１３は、Ｓｉ量が高すぎるためにＨＡＺ靭性が劣る。鋼１４は、Ｍｎ量が低すぎるために、鋼１５は、Ｍｎ量が高すぎるために、母材およびＨＡＺの靭性が劣る。鋼１６は、Ｐ量が高すぎるために母材およびＨＡＺの靭性が劣る。鋼１７は、Ｓ量が高すぎるために母材およびＨＡＺ靭性が劣る。鋼１８は、Ａｌ量が低すぎるためにＴｉＮの析出核である（Ｍｇ，Ａｌ）酸化物の個数が少なく、γ粒が粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼１９はＡｌ量が高すぎるため、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが小さく、ピンニング粒子の個数が少ないため、ＨＡＺ靭性が劣る。鋼２０は、Ｔｉ量が低すぎるため、ピンニング粒子であるＴｉＮの個数が少なく、ＨＡＺ組織が著しく粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２１は、Ｔｉ量が高すぎるため、有効Ｔｉ量が適正範囲から外れ、ＴｉＣ析出脆化によってＨＡＺ靭性が劣る。鋼２２は、Ｍｇ量が低すぎるため、ＴｉＮの析出核であるＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が少なく、γ粒が粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２３は、ＲＥＭ量が低すぎるため、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが小さく、ピンニング粒子の個数が少ないため、ＨＡＺ靭性が劣る。鋼２４は、Ｏ量が低すぎるため、ＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が少なく、γ粒が粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２５は、Ｏ量が高すぎるため、鋼の清浄度が悪くなり、破壊起点が増えてＨＡＺ靭性が劣る。鋼２６は、Ｎ量が低すぎるため、ピンニング粒子であるＴｉＮの個数が少なく、ＨＡＺ組織が著しく粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２７は、Ｎ量が高すぎるため、有効Ｔｉ量が適正範囲から外れ、固溶Ｎが過剰となりＨＡＺ靭性が劣る。鋼２８と鋼２９は、各々の元素は適正範囲にあるが、有効Ｔｉ量が不適当なため、ＴｉＣ析出脆化あるいは固溶Ｎ脆化によりＨＡＺ靭性が劣る。
【００５７】
【表１】
【００５８】
【表２】
【００５９】
（実施例２）
表１の本発明鋼１の組成の鋼を溶製するに際して、Ｍｇ添加前の取鍋スラグ中のＴ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度を種々変化させた。その時の成品におけるＭｇの歩留まりを図５に示す。Ｍｇの歩留まりは、Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度が低いほど高い。Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度を質量％で１０％以下望ましくは５％以下にすることでＭｇ歩留まりは著しく向上する。
【００６０】
（実施例３）
表１の本発明鋼１の組成の鋼を溶製するに際して、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａの添加時期を変化させた。その時の成品におけるＭｇとＣａの歩留まりを比較した結果を表３に示す。Ｍｇ添加前のスラグ中Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度はいずれも２％であった。
【００６１】
Ｍｇ、Ｃａ以外の元素を添加した後に、ＭｇやＣａを添加した場合には、ＭｇとＣａの両方の歩留まりが１０％以上で良好であるのに対して、Ｍｇ、Ｃａ以外の元素をＭｇやＣａの添加後に添加した場合には、Ｍｇ、Ｃａのいずれかまたは、両方の歩留まりが低い。
【００６２】
【表３】
【００６３】
【発明の効果】
本発明により大入熱溶接においても良好なＨＡＺ靭性を有する鋼材の製造が可能となり、各種の溶接構造物の安全性が格段に向上した。また、本発明鋼を使用することで高能率溶接の適用領域が広がり、溶接施工コストを大幅に低減することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＡＺ靭性に及ぼすγ粒径の影響を示す図である。
【図２】１４００℃加熱γ粒径に及ぼすピンニング粒子個数の影響を示す図である。
【図３】ピンニング粒子個数に及ぼす０．５〜５μｍの大きさの酸化物中（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌの影響を示す図である。
【図４】１４００℃加熱ＨＡＺ靭性に及ぼす有効Ｔｉ量の影響を示す図である。
【図５】Ｍｇの添加歩留まりに及ぼすスラグ中のＴ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度の影響を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は溶接熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）靭性の優れた鋼材に関するものである。本発明の鋼材は、小入熱溶接から超大入熱溶接までの広範な溶接条件において良好なＨＡＺ靭性を有するので、建築、橋梁、造船、ラインパイプ、建設機械、海洋構造物、タンクなどの各種溶接鋼構造物に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＡＺにおいては、溶融線に近づくほど溶接時の加熱温度は高くなり、特に溶融線近傍の１４００℃以上に加熱される領域では加熱オーステナイト（γ）が著しく粗大化してしまい、冷却後のＨＡＺ組織が粗大化して靭性が劣化する。この傾向は溶接入熱量が大きくなるほど顕著である。
【０００３】
このような問題点を解決する手段として、特開昭６０−２４５７６８号公報、特開昭６０−１５２６２６号公報、、特開昭６３−２１０２３５号公報、特開平２−２５０９１７号公報、特開平１−７３３２０号公報は、粗大なγ粒の内部に、Ｔｉ酸化物やＴｉＮとＭｎＳの複合析出物を核とした粒内変態フェライトを積極的に生成させ、ＨＡＺ靭性の向上を図ってきた。しかしながら、これらの技術によって製造された鋼も、溶接入熱量が２０ｋＪ／ｍｍを超えるような大入熱溶接ＨＡＺにおいては十分な靭性を得ることは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、溶接入熱量が２０ｋＪ／ｍｍを超えるような大入熱溶接においても、良好なＨＡＺ靭性を有する鋼材を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、溶接入熱量が２０ｋＪ／ｍｍを超える大入熱溶接ＨＡＺ靭性の向上を狙いとして、▲１▼加熱γ粒成長抑制、▲２▼適正なＴｉとＮの存在形態について鋭意検討し、新たな金属学的効果を知見して本発明に至った。
【０００６】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【０００７】
（１） 質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．４％以下、
Ｍｎ：０．５〜２％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．００６％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．０１％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．００１％、
Ｏ：０．００１〜０．００４％、
Ｎ：０．００２５〜０．００６％、
さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．００４％、ＲＥＭ：０．０００３〜０．００３％の内の１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学成分を有し、ＭｇとＡｌから成る酸化物を内包する０．０１以上０．５μｍ未満のＴｉＮが１００００個／ｍｍ２以上存在し、さらに、０．５〜５μｍの大きさの酸化物の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌの平均値が０．２以上であって、さらに、質量％を用いて下記の（１）式あるいは（２）式で計算される有効Ｔｉ量が−０．０１％〜＋０．００５％の範囲としたことを特徴とする溶接熱影響部靭性の優れた鋼材。
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ≧０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−２×（Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ）−３．４×Ｎ ・・・（１）
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ＜０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−３．４×Ｎ ・・・（２）
【０００８】
（２） 質量％で、さらに、
Ｃｕ：１．５％以下、
Ｎｉ：１．５％以下、
Ｍｏ：１％以下、
Ｃｒ：１％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｖ：０．０５％以下、
Ｂ：０．００２％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）項記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材。
【００１０】
（３） ＭｇおよびＣａ添加前のスラグ中Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯが１０質量％以下であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材の製造方法。
【００１１】
（４） Ｍｇ、Ｃａ以外の元素を添加した後にＭｇ、Ｃａを添加することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明で知見した新たな金属学的効果について以下に説明する。
【００１３】
まず、加熱γ粒成長抑制について説明する。溶融線近傍ＨＡＺは加熱温度が１４００℃にも及ぶため、炭化物や窒化物が溶解・粗大化することでγ粒界の移動をピンニングする力が著しく低下し、γ粒の成長を避けることはできなかった。そこで、１４００℃以上の高温でも熱的に安定である酸化物によるピンニングによってγ粒成長を抑制することを検討した。その結果、鋼中に微量のＭｇとＡｌを含有させることで、０．０１〜０．１μｍの大きさの従来にない極めて微細なＭｇとＡｌから成る酸化物が多量に生成することを見いだした。さらに、０．０１以上０．５μｍ未満の大きさの微細なＴｉＮがこのＭｇとＡｌから成る酸化物酸化物上に複合析出し、１４００℃以上の高温で従来にない非常に強力なピンニング力を発揮することを明らかにした。なお、ＴｉＮ複合粒子は、０．０１超０．２μｍ以下とすることが好ましい。
【００１４】
このＭｇとＡｌから成る酸化物はＴｉＮとの格子整合性がよいため、ＴｉＮの析出核として有効に作用する。そして、０．０１〜０．１μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物にＴｉＮが複合することでその表面積が増し、より強力なピンニング力が発現される。
【００１５】
図１は溶接冷却時の８００℃から５００℃までの冷却時間が３３０ｓである場合のＨＡＺ靭性に及ぼすγ粒径の影響を示す。この冷却時間は板厚８０ｍｍの鋼板を約７０ｋＪ／ｍｍの溶接入熱量でエレクトロスラグ溶接した場合に相当する。図１からγ粒の細粒化に伴いＨＡＺ靭性が向上する。これは、γ粒の細粒化に伴ってγ粒界から変態する粒界フェライトやフェライトサイドプレートが小さくなり、ＨＡＺ組織が微細化されるためである。このような効果はγ粒径が１５０μｍ以下のときに顕著である。
【００１６】
図２は１４００℃で３０ｓ間保持した場合のγ粒径に及ぼす０．０１以上０．５未満μｍの複合析出ＴｉＮの個数の影響を示す。この加熱条件は、板厚８０ｍｍの鋼板を約７０ｋＪ／ｍｍの溶接入熱量でエレクトロスラグ溶接したときの溶融線近傍ＨＡＺに相当する。図２から複合析出ＴｉＮの個数が１００００個／ｍｍ2未満の場合にはγ粒径が１５０μｍ以上になり、ＨＡＺ組織が十分に微細化されないために良好な靭性は得られない。γ粒成長抑制に有効なこのような複合析出ＴｉＮの分散状態は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｏ、Ｎの量を本発明の範囲に制御することで達成される。
【００１７】
次に、０．５〜５μｍの酸化物組成と、０．０１以上０．５未満μｍの複合析出ＴｉＮの個数との関係について説明する。
【００１８】
図３は、０．５〜５μｍの酸化物組成の内、質量％で表した（Ｃａ＋ＲＥＭ）含有量とＡｌ含有量との比、（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌと０．０１以上０．５未満μｍの複合析出ＴｉＮの個数との関係を示す。ここで、ＲＥＭとは、Ｌａ、Ｃｅなどの希土類金属元素を示す。（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが０．２以上の場合、複合析出ＴｉＮの個数が１００００個／ｍｍ2以上になる。溶鋼中のＡｌが本発明の範囲である場合、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌを上げることによりこのサイズの酸化物中のＭｇが減少し、逆に、０．０１〜０．５μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が増加するためである。
【００１９】
次に各々の化学成分の限定理由について説明する。
【００２０】
Ｃの下限は母材及び溶接部の強度、靭性を確保するための最小量である。しかし、Ｃが多すぎると母材及びＨＡＺの靭性を低下させるとともに溶接性を劣化させるため、その上限を０．２％とする。
【００２１】
Ｓｉは脱酸のために鋼に含有されるが、多すぎると溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化するため、上限を０．４％とする。本発明の脱酸はＴｉだけでも十分可能であり、良好なＨＡＺ靭性を得るためにはＳｉを０．３％以下にするのが望ましい。
【００２２】
Ｍｎは母材及び溶接部の強度、靭性の確保に不可欠であるため下限を０．５％とする。しかし、Ｍｎが多すぎるとＨＡＺ靭性を劣化させたり、スラブの中心偏析を助長し、溶接性を劣化させるため上限を２％とする。
【００２３】
Ｐは本発明鋼において不純物元素であり０．０１５％以下とする。Ｐの低減はスラブ中心偏析の軽減を通じて母材およびＨＡＺの機械的性質を改善し、さらには、ＨＡＺの粒界破壊を抑制する。
【００２４】
Ｓは多すぎると中心偏析を助長したり、延伸したＭｎＳが多量に生成するため、母材およびＨＡＺの機械的性質が劣化する。したがって、上限を０．００６％とする。なお、Ｓｉの下限は０．００２％以上とすることが好ましい。
【００２５】
Ａｌは、γ粒成長のピンニング粒子である複合析出ＴｉＮの析出核である０．０１〜０．１μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数を制御する上で重要である。Ａｌが０．００１％未満の場合、ＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が１００００個／ｍｍ2未満となり、複合析出ＴｉＮの個数が不足することでγ粒が十分に細粒化されず、良好なＨＡＺ靭性が得られない。一方、Ａｌが０．０１％を超える場合、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが１未満となり、０．０１〜０．１μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が１００００個／ｍｍ2未満となり、複合析出ＴｉＮの個数が不足することでγ粒が充分に細粒化されず、良好なＨＡＺ靭性が得られない。
【００２６】
Ｔｉは、ピンニング粒子としての複合析出ＴｉＮの分散状態を制御する上で重要であり、後述する有効Ｔｉ濃度の適正範囲と相俟って狭い範囲に限定されなければならない。Ｔｉが０．００５％未満の場合、ＭｇとＡｌから成る酸化物上に複合析出するＴｉＮの個数が１００００個／ｍｍ2未満となり、ＨＡＺ靭性向上に必要なγ粒成長抑制効果が得られない。一方、Ｔｉが０．０２％を超える場合、有効Ｔｉ量が適正範囲内にあっても実質的にＴｉＣが過剰に生成し、ＨＡＺ靭性が低下する。このため、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％としたが、０．００７〜０．０２％が好ましい。ＴｉＮは厚板圧延でのスラブ加熱時のγ粒成長抑制を通じて母材組織を微細化し、鋼板の強度と靭性を向上させることにも貢献する。
【００２７】
ここで、適正なＴｉとＮの存在形態について説明する。鋼中のＴｉはＯと結合して酸化物を生成し、残りのＴｉはＮと結合してＴｉＮを形成し、さらに残ったＴｉが存在すれば、Ｃと結合してＴｉＣを形成するが、ＴｉＣは析出脆化をもたらす。一方、鋼中のＴｉが酸化物およびＴｉＮとしてすべて消費されれば、Ｔｉと結合できなかった過剰なＮが地鉄中に固溶するが、固溶Ｎもまた脆化をもたらす。このように、酸化物および窒化物として消費された残りのＴｉが存在するか否かによってＴｉとＮの存在形態が異なり、このことが靭性に大きな影響を及ぼす。本発明では、酸化物および窒化物として消費された残りのＴｉ量を「有効Ｔｉ量」として質量％を用いて（１）式および（２）式で定義する。
【００２８】
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ≧０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−３．４×Ｎ ・・・（２）
【００２９】
（１）式および（２）式の各元素の係数は想定される酸化物および窒化物から化学量論的に決定された値である。１４００℃を超えるような溶融線近傍ＨＡＺでは、ＴｉとＮの存在形態はさらに複雑である。その理由は、溶接加熱時にＴｉＣとＴｉＮの多くが地鉄中に一旦固溶し、固溶したＴｉ、Ｎ、Ｃは溶接冷却時にＴｉＮあるいはＴｉＣとして再析出するとともに、一部は固溶のまま存在するからである。このようなＴｉとＮの存在形態を制御してＨＡＺ靭性の向上を目指すためには、ＴｉとＮの各々の量を規定するとともに、有効Ｔｉ量の概念を用いて他の成分とのバランスを図ることが重要である。図４は溶接入熱量が５０ｋＪ／ｍｍの場合をシミュレートした１４００℃加熱再現ＨＡＺ靭性に及ぼす有効Ｔｉ量の影響を示す。有効Ｔｉ量が−０．０１％〜＋０．００５％の範囲で良好な靭性を示す。すなわち、この範囲がＴｉＣの析出脆化とＮの固溶脆化の両方を回避できる適正な成分範囲であること示している。有効Ｔｉ量が−０．０１％未満の場合は固溶Ｎ量が過剰となり、有効Ｔｉ量が＋０．００５％を超える場合にはＴｉＣ析出量が過剰となり、ＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３０】
このように有効Ｔｉを考慮することにより、さらに良好なＨＡＺ靭性が得られる。
【００３１】
Ｍｇは本発明の特徴的な元素であり、最も重要な役割を有する。Ｍｇを適量含有することで本発明における酸化物の分散状態を達成することができる。Ｍｇが０．０００１％未満の場合、ＴｉＮの析出核であるＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が不足する。一方、酸化物として消費されるＭｇは０．００１％あれば十分であり、これを超えるＭｇは金属学的に何ら効果をもたらさない。Ｍｇは蒸気圧が高くて酸化力が強い非常に活性な元素であることから、必要以上に鋼中に含有させることは製造コストの上昇を招き好ましくない。
【００３２】
Ｏは、ＴｉＮの析出核であるＭｇとＡｌから成る酸化物の個数を確保する上で必要である。Ｏが０．００１％未満の場合、酸化物の個数が不足し、ＨＡＺ靭性が劣化する。一方、Ｏが０．００４％を超える場合、鋼の清浄度が低下して機械的性質が劣化する。
【００３３】
Ｎは、ピンニング粒子である複合析出ＴｉＮの個数を確保する上で必要であり、有効Ｔｉ量の適正範囲と相俟って狭い範囲に限定されなければならない。Ｎが０．００２５％未満の場合、ＴｉＮの個数が確保できない。一方、Ｎが０．００６％を超える場合、有効Ｔｉ量が適正範囲内にあっても実質的に固溶Ｎが過剰となり、ＨＡＺ靭性が低下する。
【００３４】
Ｃａ及び／又はＲＥＭは、ピンニング粒子である複合析出ＴｉＮの析出核として作用する０．０５〜０．５μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数を確保する上で重要である。鋼中のＡｌが０．００１〜０．０１％の場合であって、Ｃａ及び／又はＲＥＭが、それぞれ０．０００５％未満、０．０００３％未満の場合、０．５〜５μｍの酸化物中のＣａ及び／又はＲＥＭの濃度が低くなり、（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが０．２未満となる。このため、０．０５〜０．５μｍのＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が減少し、γ粒径が小さくならず、良好なＨＡＺ靭性を得ることができない。一方、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌを０．２以上にするためには、Ｃａが０．００４％以下及び／又はＲＥＭが０．００３％以下であれば十分であり、これを超えて添加してもピンニング効果が飽和する。Ｃａ及びＲＥＭは非常に酸化力が強い活性な元素であることから、必要以上に鋼中に含有させることは製造コストの上昇を招き好ましくない。なお、Ｃａ及びＲＥＭは、その１種又は２種を鋼中に含有させればよい。
【００３５】
続いて、母材の強化元素であるＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂを添加する理由について説明する。
【００３６】
Ｃｕ、Ｎｉは溶接性およびＨＡＺ靭性に悪影響を及ぼすことなく母材の強度、靭性を向上させる。しかし、それぞれ１．５％を超えると溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３７】
Ｍｏ、Ｃｒは母材の強度、靭性を向上させる。しかし、それぞれ１％を超えると母材靭性、溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３８】
Ｎｂは母材組織の微細化に有効な元素であり、母材の機械的性質を向上させる。しかし０．０５％を超えるとＨＡＺ靭性が劣化する。
【００３９】
Ｖは母材の強度を向上させる。しかし０．０５％を超えると溶接性およびＨＡＺ靭性が劣化する。
【００４０】
Ｂは焼き入れ性を高めて母材やＨＡＺの機械的性質を向上させる。しかし０．００２％を超えて添加するとＨＡＺ靭性や溶接性が劣化する。
【００４１】
本発明鋼材は、鉄鋼業の製鋼工程において所定の化学成分に調整し、連続鋳造を行い、鋳片を再加熱した後に厚板圧延によって形状と母材材質を付与することで製造される。必要に応じ、鋼材に各種の熱処理を施して母材の材質を制御することも行われる。鋳片を再加熱することなく、ホットチャージ圧延することも可能である。
【００４２】
本発明で規定した介在物の分散状態は、例えば、以下のような方法で定量的に測定される。０．０１以上５μｍ未満のＭｇとＡｌから成る酸化物とＴｉＮの複合析出物の分散状態は、母材鋼板の任意の場所から抽出レプリカ試料を作製し、これを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１００００〜５００００倍の倍率で少なくとも１０００μｍ2以上の面積にわたって観察し、対象となる大きさの複合析出物の個数を測定し、単位面積当たりの個数に換算する。このとき、ＭｇとＡｌから成る酸化物とＴｉＮの同定は、ＴＥＭに付属のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）による組成分析と、ＴＥＭによる電子線回折像の結晶構造解析によって行われる。このような同定を測定するすべての複合析出物に対して行うことが煩雑な場合、簡易的に次の手順による。まず、四角い形状の析出物をＴｉＮとみなし、対象となる大きさのＴｉＮ中に酸化物が複合しているものの個数を上記の要領で測定する。次にこのような方法で個数を測定した複合析出物のうち少なくとも１０個以上について上記の要領で同定を行い、ＭｇとＡｌから成る酸化物とＴｉＮが複合的に存在している割合を算出する。そして、はじめに測定された複合析出物の個数にこの割合を掛け合わせる。鋼中の炭化物が以上のＴＥＭ観察を邪魔する場合、５００℃以下の熱処理によって炭化物を凝集・粗大化させ、対象となる複合析出物の観察を容易にすることができる。
【００４３】
０．５〜５μｍの酸化物の個数の測定例を示す。母材鋼板の任意の場所から小片試料を切り出し、これを１４００〜１４５０℃で１０分間以上保持することで酸化物以外の０．５〜５μｍの介在物を溶体化させ、その後水冷する。これを鏡面研磨し、光学顕微鏡を用いて１０００倍の倍率で少なくとも１ｍｍ2以上の面積にわたって観察する。対象となる酸化物のうち少なくとも１０個以上についてＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）に付属の波長分散型分光法（ＷＤＳ）を用いて組成を分析し、酸化物の平均組成におけるＣａ、ＲＥＭとＡｌの含有量を質量％で求める。このとき、酸化物組成の分析値に地鉄のＦｅが検出される場合は、分析値からＦｅを除外して酸化物の平均組成を求める。
【００４４】
ＭｇとＣａは酸素との親和力が強く、蒸気圧も高いため、酸化され、酸化物として溶鋼中から除去されたり、蒸発してロスする。そのため添加歩留まりが低い。歩留まりを向上させるためには、酸化ロスと蒸発ロスを極力抑制することが重要である。
【００４５】
酸化ロスを小さくするためには、ＭｇやＣａ添加前の溶鋼中の酸素やスラグ中のＦｅＯ濃度とＭｎＯ濃度を低減することが重要である。本発明の鋼材には、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉなどの脱酸元素が含まれており、これらの元素を添加した後にＭｇやＣａを添加することによって、酸化ロスを小さくすることができる。
すなわち、ＭｇやＣａ以外の元素を添加し、溶鋼中の酸素濃度を低下させるため、ＭｇやＣａの酸化ロスが低減する。
【００４６】
スラグからの酸素供給によってＭｇやＣａが酸化ロスするのを抑制するため、スラグ中のＦｅＯ濃度とＭｎＯ濃度を低減することが有効である。ＭｇやＣａの添加前のスラグ中のＴ．Ｆｅ＋ＭｎＯを質量％で１０％を超えるとＭｇやＣａの歩留まりが著しく低下する。したがって、Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯを１０％以下とする。この値は小さいほど、Ｍｇの酸化ロス防止には有効であり、５％以下が望ましい。
【００４７】
ＭｇやＣａの蒸発ロスを抑制するため、できるだけ精錬工程の末期に添加することが有利である。したがって、精錬工程で他の元素を添加したのちに、添加するのがよい。これは上述のように酸化ロスを抑制することからも有利である。ただし、成分の微調整のため、Ｍｇ、Ｃａ添加後に、Ｍｇ、Ｃａ以外の元素を少量添加しても構わない。
【００４８】
Ｍｇを溶鋼に添加するには、Ｍｇ含有合金、ＭｇＯ含有酸化物の１種もしくは、２種以上を用いる。
【００４９】
Ｍｇ含有合金、ＭｇＯ含有酸化物を溶鋼に添加する方法は、粉状にしたＭｇ合金、ＭｇＯ含有酸化物を不活性ガスを搬送ガスとして取鍋内の溶鋼中に吹き込む方法、塊状のものを取鍋内溶鋼、ＲＨ、ＤＨ等の真空槽内溶鋼に上方添加する方法、粉状のものを例えば鉄で被覆しワイヤ状にしたものを取鍋内溶鋼または／およびタンディッシュ内溶鋼または／およびモールド内溶鋼に添加する方法が考えられる。これらのいずれの方法を用いてもよく、その効果は同等である。さらに、これらの方法を組み合わせてもよい。
【００５０】
ＣａはＣａを含有する合金であれば何を用いても構わない。一般的にはＣａ−Ｓｉ合金が用いられる。
【００５１】
Ｍｇの添加時期は、Ｃａ添加前、Ｃａ添加と同時、Ｃａ添加後のいずれか、または、これらの組み合わせのいずれでもよい。
【００５２】
ＭｇとＣａを同時に添加する場合は、Ｍｇ含有合金または／およびＭｇＯ含有酸化物をＣａ含有合金と混合して添加する方法、ＭｇとＣａの両方を含有する合金を添加する方法のいずれの方法でもよく、その効果は同等である。
【００５３】
【実施例】
（実施例１）
表１に鋼の化学成分と介在物の分散状態を、表２に鋼板の製造条件と機械的性質を示す。
【００５４】
表１のピンニング粒子の個数の測定は、鋼板母材の板厚中心部から抽出レプリカ試料を作製し、これを、３００００倍の倍率で２０００μｍ2の面積にわたってＴＥＭ観察することで行った。また、表１の０．５〜５μｍの大きさの酸化物の個数の測定は、同じく、鋼板母材の板厚中心部から小片を切り出して１４００℃で２０分間保定した後に水冷し、鏡面研磨面を１０００倍の倍率で４ｍｍ2の面積にわたって光学顕微鏡観察することで行った。さらに、ＥＰＭＡ−ＷＤＳによって、０．５〜５μｍの２０個の酸化物について組成を分析し、地鉄（Ｆｅ）の分析値を差し引いて平均組成を求め、（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌの値を求めた。
【００５５】
本発明鋼は溶接入熱量が２０〜１００ｋＪ／ｍｍのエレクトロガス溶接部あるいはエレクトロスラグ溶接部の溶融線において従来にない良好なＨＡＺ靭性を有する。本発明鋼１〜１０は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｏ、Ｎの量を厳密に制御し、有効Ｔｉ量なる概念を用いてＨＡＺにおけるＴｉとＮの存在形態を適正化し、さらに、γ粒成長抑制に有効な酸化物の分散状態を有することで大入熱溶接においても良好なＨＡＺ靭性を達成している。一方、比較鋼１１〜２９は化学成分や酸化物の分散状態が適正でないため、母材およびＨＡＺの機械的性質が劣っている。
【００５６】
鋼１１は、Ｃ量が低すぎるために、鋼１２は、Ｃ量が高すぎるために、母材およびＨＡＺの靭性が劣る。鋼１３は、Ｓｉ量が高すぎるためにＨＡＺ靭性が劣る。鋼１４は、Ｍｎ量が低すぎるために、鋼１５は、Ｍｎ量が高すぎるために、母材およびＨＡＺの靭性が劣る。鋼１６は、Ｐ量が高すぎるために母材およびＨＡＺの靭性が劣る。鋼１７は、Ｓ量が高すぎるために母材およびＨＡＺ靭性が劣る。鋼１８は、Ａｌ量が低すぎるためにＴｉＮの析出核である（Ｍｇ，Ａｌ）酸化物の個数が少なく、γ粒が粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼１９はＡｌ量が高すぎるため、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが小さく、ピンニング粒子の個数が少ないため、ＨＡＺ靭性が劣る。鋼２０は、Ｔｉ量が低すぎるため、ピンニング粒子であるＴｉＮの個数が少なく、ＨＡＺ組織が著しく粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２１は、Ｔｉ量が高すぎるため、有効Ｔｉ量が適正範囲から外れ、ＴｉＣ析出脆化によってＨＡＺ靭性が劣る。鋼２２は、Ｍｇ量が低すぎるため、ＴｉＮの析出核であるＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が少なく、γ粒が粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２３は、ＲＥＭ量が低すぎるため、０．５〜５μｍの酸化物中の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌが小さく、ピンニング粒子の個数が少ないため、ＨＡＺ靭性が劣る。鋼２４は、Ｏ量が低すぎるため、ＭｇとＡｌから成る酸化物の個数が少なく、γ粒が粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２５は、Ｏ量が高すぎるため、鋼の清浄度が悪くなり、破壊起点が増えてＨＡＺ靭性が劣る。鋼２６は、Ｎ量が低すぎるため、ピンニング粒子であるＴｉＮの個数が少なく、ＨＡＺ組織が著しく粗大化してＨＡＺ靭性が劣る。鋼２７は、Ｎ量が高すぎるため、有効Ｔｉ量が適正範囲から外れ、固溶Ｎが過剰となりＨＡＺ靭性が劣る。鋼２８と鋼２９は、各々の元素は適正範囲にあるが、有効Ｔｉ量が不適当なため、ＴｉＣ析出脆化あるいは固溶Ｎ脆化によりＨＡＺ靭性が劣る。
【００５７】
【表１】
【表２】
（実施例２）
表１の本発明鋼１の組成の鋼を溶製するに際して、Ｍｇ添加前の取鍋スラグ中のＴ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度を種々変化させた。その時の成品におけるＭｇの歩留まりを図５に示す。Ｍｇの歩留まりは、Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度が低いほど高い。Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度を質量％で１０％以下望ましくは５％以下にすることでＭｇ歩留まりは著しく向上する。
【００６０】
（実施例３）
表１の本発明鋼１の組成の鋼を溶製するに際して、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａの添加時期を変化させた。その時の成品におけるＭｇとＣａの歩留まりを比較した結果を表３に示す。Ｍｇ添加前のスラグ中Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度はいずれも２％であった。
【００６１】
Ｍｇ、Ｃａ以外の元素を添加した後に、ＭｇやＣａを添加した場合には、ＭｇとＣａの両方の歩留まりが１０％以上で良好であるのに対して、Ｍｇ、Ｃａ以外の元素をＭｇやＣａの添加後に添加した場合には、Ｍｇ、Ｃａのいずれかまたは、両方の歩留まりが低い。
【００６２】
【表３】
【発明の効果】
本発明により大入熱溶接においても良好なＨＡＺ靭性を有する鋼材の製造が可能となり、各種の溶接構造物の安全性が格段に向上した。また、本発明鋼を使用することで高能率溶接の適用領域が広がり、溶接施工コストを大幅に低減することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＡＺ靭性に及ぼすγ粒径の影響を示す図である。
【図２】１４００℃加熱γ粒径に及ぼすピンニング粒子個数の影響を示す図である。
【図３】ピンニング粒子個数に及ぼす０．５〜５μｍの大きさの酸化物中（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌの影響を示す図である。
【図４】１４００℃加熱ＨＡＺ靭性に及ぼす有効Ｔｉ量の影響を示す図である。
【図５】Ｍｇの添加歩留まりに及ぼすスラグ中のＴ．Ｆｅ＋ＭｎＯ濃度の影響を示す図である。
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．４％以下、
Ｍｎ：０．５〜２％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．００６％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．０１％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．００１％、
Ｏ：０．００１〜０．００４％、
Ｎ：０．００２５〜０．００６％、
さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．００４％、ＲＥＭ：０．０００３〜０．００３％の内の１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学成分を有し、ＭｇとＡｌから成る酸化物を内包する０．０１以上０．５μｍ未満のＴｉＮが１００００個／ｍｍ２以上存在し、さらに、０．５〜５μｍの大きさの酸化物の（Ｃａ＋ＲＥＭ）／Ａｌの平均値が０．２以上であって、さらに、質量％を用いて下記の（１）式あるいは（２）式で計算される有効Ｔｉ量が−０．０１％〜＋０．００５％の範囲としたことを特徴とする溶接熱影響部靭性の優れた鋼材。
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ≧０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−２×（Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ）−３．４×Ｎ ・・・（１）
Ｏ−０．１７×ＲＥＭ−０．４×Ｃａ−０．６６×Ｍｇ−０．８９×Ａｌ＜０の場合、
有効Ｔｉ量＝Ｔｉ−３．４×Ｎ ・・・（２） - 質量％で、さらに、
Ｃｕ：１．５％以下、
Ｎｉ：１．５％以下、
Ｍｏ：１％以下、
Ｃｒ：１％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｖ：０．０５％以下、
Ｂ：０．００２％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材。 - ＭｇおよびＣａ添加前のスラグ中Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯが１０質量％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材の製造方法。
- Ｍｇ、Ｃａ以外の元素を添加した後にＭｇ、Ｃａを添加することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接熱影響部靭性の優れた鋼材の製造方法。
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