JP4542624B2 - 高強度厚鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械や産業機械の構造部材に用いられ、耐遅れ破壊特性および溶接性に優れ、降伏強度１３００ＭＰａ以上かつ引張強度１４００ＭＰａ以上の高強度で、板厚４．５ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である高強度厚鋼板およびその製造方法に関する。
本願は、２００８年１１月１１日に、日本に出願された特願２００８−２８８８５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、世界的な建設需要を背景に、クレーンやコンクリートポンプ車などの建設機械の生産が伸び続けており、同時にこれらの建設機械の大型化が進んでいる。建設機械の大型化に伴う重量増を抑制するため、構造部材の軽量化ニーズがより高まっており、降伏強度９００ＭＰａないしは１１００ＭＰａ級の高強度鋼へのシフトが進んでいる。最近では、さらに高強度である降伏強度１３００ＭＰａ以上（引張強度１４００ＭＰａ以上）の構造部材用厚鋼板の需要が高まっている。

一般に引張強度が１２００ＭＰａを超えると、水素による遅れ割れが生じる可能性がある。そのため、特に、降伏強度１３００ＭＰａ（引張強度１４００ＭＰａ）級の鋼板に対しては、高い耐遅れ破壊特性が要求される。また、高強度になるほど、曲げ加工性や溶接性などの使用性能面で不利である。したがって、これらの使用性能についても従来の１１００ＭＰａ級高強度鋼に比べて低下しないことが要求される。

降伏強度１３００ＭＰａ級の構造部材用厚鋼板に関する技術開示については、例えば特許文献１において、引張強度が１３７０〜１９６０Ｎ／ｍｍ^２級でかつ耐水素脆化特性も優れた鋼板の製造方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の技術は、厚さ１．８ｍｍの冷延鋼板に関するものであり、７０℃／ｓｅｃ以上の高い冷却速度を前提としており、溶接性について全く考慮されていない。

一方、高強度鋼の耐遅れ破壊特性を向上させる技術として、従来から結晶粒径を微細化する技術が知られている。特許文献２がその技術の例である。しかし、この例では、耐遅れ破壊特性を向上させるために、旧オーステナイト結晶粒径を５μｍ以下にする必要がある。しかしながら、通常の製造プロセスでは、厚鋼板の結晶粒径をこのような大きさまで微細化することは、容易ではない。特許文献２に示される技術は、焼入れ前の急速加熱により旧オーステナイト結晶粒径を微細化する技術である。しかしながら、厚鋼板を急速加熱するためには、特殊な加熱設備が必要となるため、その技術の実現は難しい。また、結晶粒微細化にともない焼入性が低下するため、強度を確保するためには合金元素が余計に必要となる。そのため、溶接性や経済性の観点からも過度の結晶粒微細化は、好ましくない。

耐摩耗性が要求される用途には、降伏強度１３００ＭＰａ級に相当する高強度の鋼材が広く使用されており、耐遅れ破壊特性が考慮された鋼材の例もある。例えば、特許文献３および特許文献４には、耐遅れ破壊特性に優れる耐摩耗鋼が開示されている。特許文献３および特許文献４の引張強度は、それぞれ１４００ＭＰａ〜１５００ＭＰａ、１４５０ＭＰａ〜１６００ＭＰａである。しかしながら、特許文献３および特許文献４のいずれも降伏応力については記載されていない。耐摩耗性に対しては硬さが重要な因子であるため、引張強度は、耐摩耗性に影響する。しかしながら、降伏強度は、耐摩耗性にあまり影響を与えないため、通常、耐摩耗鋼では降伏強度は考慮されない。そのため、これらの文献に記載の鋼材は、建設機械や産業機械の構造部材としては適切でないと考えられる。

特許文献５では、旧オーステナイト粒の伸長化と、急速加熱焼戻しとにより、降伏強度１３００ＭＰａ級の高強度ボルト鋼材の耐遅れ破壊特性を向上させている。しかしながら、急速加熱焼戻しは、通常の厚板の熱処理設備では困難であるため、厚鋼板への適用は難しい。

特許文献６には、鋼の耐候性を高めてボルト部品の遅れ破壊を抑制するために、多量のＮｉを添加する技術が開示されている。しかしながら、必須条件として高価なＮｉを２．３％以上添加するため、コスト面から厚板への適用は実用的ではない。

特許文献７には、生成さびを緻密化して耐遅れ破壊特性を向上させるためにＰとＣｕとを同時添加する技術が開示されている。しかし、Ｐを高めると靭性が低下する傾向がある。したがって、降伏強度１３００ＭＰａ級高強度厚鋼板では、強度と靭性とのバランスを確保することが難しくなるため、この技術は、適用できない。

このように、降伏強度１３００ＭＰａ以上かつ引張強度１４００ＭＰａ以上であって、耐遅れ破壊特性や、曲げ加工性、溶接性などの使用性能を具備した構造部材用高強度厚鋼板（鋼材）を経済的に得るためには、従来の技術では十分ではなかった。

特開平７−９０４８８号公報 特開平１１−８０９０３号公報 特開平１１−２２９０７５号公報 特開平１−１４９９２１号公報 特開平９−２６３８７６号公報 特開２００１−１０７１３９号公報 特開平８−３１１６０１号公報

本発明の目的は、建設機械や産業機械の構造部材に用いられる耐遅れ破壊特性、曲げ加工性および溶接性に優れる降伏強度１３００ＭＰａ以上かつ引張強度１４００ＭＰａ以上の構造部材用高強度厚鋼板およびその製造方法を提供することである。

降伏強度１３００ＭＰａ以上かつ引張強度１４００ＭＰａ以上の高強度を得るための最も経済的な手段は、一定温度からの焼入れ熱処理により鋼材組織をマルテンサイトにすることである。マルテンサイト組織を得るためには、鋼の焼入性と冷却速度とが適切でなければならない。建設機械や産業機械の構造部材として利用される厚鋼板の板厚は、２５ｍｍ以下がほとんどである。板厚２５ｍｍの場合、水冷による焼入れ熱処理時の板厚中心部の平均冷却速度は、通常２０℃／ｓｅｃ以上である。そのため、２０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度においてマルテンサイト組織になる十分な焼入性を有するように鋼材組成を調整する必要がある。本発明におけるマルテンサイト組織は、焼入れ後にほぼフルマルテンサイトとなっていると考えられる組織である。具体的には、マルテンサイト組織分率が９０％以上であり、残留オーステナイトやフェライト、ベイナイトなどマルテンサイト以外の組織分率が１０％未満である。マルテンサイト組織分率が低いと、一定の強度を得るために余分な合金元素が必要となる。

焼入性と強度とを高めるためには、合金元素を多く添加すればよい。しかしながら、合金元素が増加すると溶接性が低下する。発明者は、板厚が２５ｍｍで、旧オーステナイト結晶粒度番号が７から１１であり、かつ降伏強度が１３００ＭＰａ以上かつ引張強度が１４００ＭＰａ以上の種々の鋼板について、ＪＩＳ Ｚ ３１５８に規定されるｙ型溶接割れ試験を実施し、溶接割れ感受性指標Ｐｃｍと、予熱温度との関係を調査した。その結果を図１に示す。溶接施工上の負荷を軽減するためには、できるだけ予熱温度が低いことが望ましい。ここでは、板厚が２５ｍｍの場合に割れ停止予熱温度すなわちルート割れ率が０となる予熱温度が１７５℃以下であることを目標とした。図１から、予熱温度１７５℃で、ルート割れ率が完全に０となるためのＰｃｍは、０．３９％以下であり、このＰｃｍを合金添加量の上限の目安とした。
溶接割れは、予熱温度の影響が大きく、図１には、溶接割れと予熱温度との関係を示している。前述のように１７５℃の予熱温度においてルート割れ率が完全に０となるためには、Ｐｃｍが０．３９％以下であることが必要である。１５０℃の予熱温度においてルート割れ率が完全に０となるためには、Ｐｃｍが０．３７％以下であることが必要である。

また、マルテンサイト組織鋼の耐遅れ破壊特性は、強度に大きく依存する。引張強度が１２００ＭＰａを超えると、遅れ破壊を生じる可能性がある。さらに、高強度になるに従って遅れ破壊に対する感受性が大きくなる。マルテンサイト組織鋼の耐遅れ破壊特性を向上させる手段として、上述のように旧オーステナイト粒径を微細化させる方法がある。しかしながら、結晶粒微細化にともなって焼入性が低下するため、強度を確保するためにはより多量の合金元素が必要となる。そのため、溶接性や経済性の観点から、結晶粒微細化による粒径の下限を定めても良い。例えば、後述する旧オーステナイト粒度番号を１２以下としても良い。

発明者は、結晶粒径を過度に微細化することなく、マルテンサイト組織鋼の耐遅れ破壊特性を向上させる方法について種々の検討を行った。その結果、環境からの侵入水素量を低減させることが耐遅れ破壊特性に非常に有効であることを見出した。この環境からの侵入水素量を大きく低減するためには、鋼材のＣｕ量を増加させることと、Ｐ量を低減することとが効果的であるという重要な知見を得た。Ｃｕ添加とＰ低減による侵入水素量低減の機構は明らかでない。しかしながら、Ｃｕ量を増加させ、Ｐ量を低減することで、鋼材の耐食性が大きく変化することはない。この場合には、耐食性と侵入水素量低減との相関関係は、特に見られない。

耐遅れ破壊特性の評価は、遅れ破壊試験で破断しない水素量の上限値である「限界拡散性水素量」で評価した。この方法は、鉄と鋼、Ｖｏｌ．８３（１９９７）、ｐ４５４に記載されている。具体的には、図２に示す形状の切り欠き付き試験片に、丸棒電解水素チャージにより種々の量の拡散性水素を試料に含有させた後、試料表面にめっき処理を施して水素の逸散を防止した。この試験片に大気中で所定の荷重を負荷して保持し、遅れ破壊が発生するまでの時間を測定した。遅れ破壊試験における負荷応力は、それぞれの鋼材の引張強度の０．８倍とした。図３は、拡散性水素量と遅れ破壊に至るまでの破断時間との関係の一例である。試料中に含まれる拡散性水素量が少なくなるほど遅れ破壊に至るまでの時間が長くなる。また、拡散性水素量がある値以下では、遅れ破壊が発生しなくなる。試験後すみやかに試験片を回収して、ガスクロマトグラフで１００℃／ｈｒの昇温条件で４００℃まで昇温して測定した水素量の積分値を「拡散性水素量」と定義する。また、試験片が破断しなくなる限界の水素量を「限界拡散性水素量Ｈｃ」と定義する。

一方、環境から鋼材に侵入する水素量を評価するため、腐食促進試験を行った。この試験では、５ｍａｓｓ％ＮａＣｌ溶液を用いて、図４に示すサイクルで３０日間乾湿繰り返しを行う。試験後、鋼材中に侵入した水素量を拡散性水素量と同じ昇温条件でガスクロマトグラフを用いて測定した水素量の積分値を「環境から侵入する拡散性水素量ＨＥ」と定義する。

「限界拡散性水素量Ｈｃ」が「環境から侵入する拡散性水素量ＨＥ」よりも相対的に十分高いと、耐遅れ破壊特性が高いと考えられる。
ＨＥに対するＣｕおよびＰの影響を、それぞれ、図５および図６に示す。図５に示すように、Ｃｕ添加によりＨＥが低下する。特に、１．０％を超えるＣｕの添加によってより顕著にＨＥが低下する。また、図６に示すように、Ｐについては、含有量が高いほどＨＥが大きくなる傾向がある。

さらに、発明者は、鋼板の引張強度と旧オーステナイト粒径とが、マルテンサイト組織鋼の耐遅れ破壊特性に及ぼす影響を詳細に検討した。旧オーステナイト粒径は、旧オーステナイト粒度番号により評価した。図７は、Ｃｕを１．２０〜１．５５％、Ｐを０．００２〜０．００４％含有するマルテンサイト組織鋼に対し、引張強度と旧オーステナイト粒径とを変化させてＨｃおよびＨＥを調査した結果である。図７では、Ｈｃ／ＨＥが３より大きい場合に、耐遅れ破壊特性が良好であると評価している。また、Ｈｃ／ＨＥ＞３を○で、Ｈｃ／ＨＥ≦３を×で示している。図７から、耐遅れ破壊特性は、引張強度と旧オーステナイト粒度番号（Ｎγ）とでよく整理されることがわかる。
すなわち、Ｃｕ添加およびＰ低減によりＨＥを低くしながら、引張強度と旧オーステナイト粒径とを一定の範囲に制御することによってＨｃを高くし、Ｈｃ／ＨＥを大きくする。このような制御によって、過度の結晶粒微細化に頼ることなく、耐遅れ破壊特性を確実に向上できることを示している。

具体的には、図７より、引張強度１４００ＭＰａ以上において、Ｈｃ／ＨＥ＞３を確実に満たす（Ｈｃ／ＨＥ≦３となることがない）ためには、以下の（ａ）および（ｂ）の関係を満たしていれば良い。
（ａ） 引張強度が１４００ＭＰａ以上、１５５０ＭＰａ未満の場合は、Ｎγ≧（［ＴＳ］−１４００）×０．００６＋７．０
（ｂ） 引張強度が１５５０ＭＰａ以上、１６５０ＭＰａ以下の場合は、Ｎγ≧（［ＴＳ］−１５５０）×０．０１＋７．９
ここで、［ＴＳ］は、引張強度（ＭＰａ）、Ｎγは、旧オーステナイト結晶粒度番号である。（ａ）、（ｂ）を満たす範囲は、図７中の太線で囲まれた領域で示される。なお、旧オーステナイト結晶粒度番号は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２００５）（ＩＳＯ ６４３）の方法で測定した。すなわち、旧オーステナイト結晶粒度番号は、試料片断面の１ｍｍ^２当りの平均結晶粒数ｍを用いて、Ｎγ＝−３＋ｌｏｇ_２ｍにより算出される。
また、１６５０ＭＰａを超えると曲げ加工性が大きく低下するので、引張強度の上限を１６５０ＭＰａとする。

マルテンサイト組織鋼の強度は、Ｃ量および焼戻し温度の影響を大きく受ける。そのため、降伏強度を１３００ＭＰａ以上、かつ引張強度を１４００ＭＰａ以上、１６５０ＭＰａ以下とするためには、Ｃ量と焼戻し温度とを適切に選択する必要がある。図８および図９は、それぞれ、マルテンサイト組織鋼の降伏強度と引張強度とに対する、Ｃ量および焼戻し温度の影響を示している。
焼戻し熱処理をしない場合、すなわち焼入れたままの状態では、マルテンサイト組織鋼の降伏比は低い。そのため、引張強度は高い反面、降伏強度が低くなる。降伏強度を１３００ＭＰａ以上とするためには、Ｃ量は、およそ０．２４％以上が必要である。しかしながら、このＣ量では引張強度１６５０ＭＰａ以下を満たすことが難しい。
一方、４５０℃以上で焼戻し熱処理されたマルテンサイト組織では、降伏比は増加するが、引張強度が大きく低下する。１４００ＭＰａ以上の引張強度を確保するには、Ｃ量をおよそ０．３５％以上とする必要がある。しかしながら、このＣ量では、溶接性を確保するためにＰｃｍを０．３９％以下とすることは困難である。
マルテンサイト組織鋼を２００℃以上、３００℃以下の低温で焼戻し熱処理することにより、引張強度をあまり低下させないで降伏比を高めることができる。この場合には、上記の降伏強度１３００ＭＰａ以上、かつ引張強度１４００ＭＰａ以上１６５０ＭＰａ以下の条件を満たすことが可能となる。
また、マルテンサイト組織鋼を３００℃超、４５０℃未満程度の温度で焼戻した場合、いわゆる低温焼戻し脆化により靭性が低下する問題がある。しかしながら、焼戻し温度が２００℃以上、３００℃以下であれば、この焼戻し脆化は生じないので、靭性低下は問題とならない。
以上のことから、適切なＣ量と合金元素を含有するマルテンサイト組織鋼を２００℃以上３００℃以下の低温で焼き戻すことにより、靭性低下を伴うことなく降伏比を上昇させることができ、比較的少ない合金元素添加量で、１３００ＭＰａ以上の高い降伏強度と、１４００ＭＰａ以上、１６５０ＭＰａ以下の引張強度を両立させることができるという知見を得るに至った。

本発明では、旧オーステナイト粒径を著しく微細化させる必要はない。しかしながら、上記（ａ）および（ｂ）を満たす旧オーステナイト粒度番号への適度な粒径制御が必要である。発明者は、製造条件等を種々検討した結果、次のような製造方法によって、上記（ａ）および（ｂ）を満たす旧オーステナイト粒度番号のポリゴナルな整粒を容易に、かつ安定して得ることができるという知見を得た。すなわち、鋼板にＮｂを適量添加し、熱間圧延時に適度な制御圧延を行って、焼入前の鋼板に適度な加工歪を導入する。その後、加熱温度をＡ_ｃ３変態点＋２０℃以上、かつ８７０℃以下の範囲で、再加熱焼入れを行う。再加熱温度がＡ_ｃ３変態点の直上では、オーステナイト化が十分でなく混粒組織になって、かえってオーステナイトの平均粒径が小さくなる。そのため、再加熱温度をＡ_ｃ３変態点＋２０℃以上とした。図１０に、焼入れ加熱温度（再加熱温度）と旧オーステナイト粒径との関係の一例を示す。

これらの知見により、降伏強度１３００ＭＰａ以上、かつ引張強度１４００ＭＰａ以上（好ましくは１４００〜１６５０ＭＰａ）で、耐遅れ破壊特性および溶接性に優れる板厚４．５ｍｍ〜２５ｍｍの厚鋼板を得ることができる。
本発明の要旨は、下記のとおりである。

（１）質量％で、Ｃ：０．１８％以上、０．２３％以下、Ｓｉ：０．１％以上、０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以上、２．０％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｕ：０．５％超、３．０％以下、Ｎｉ：０．２５％以上、２．０％以下、Ｎｂ：０．００３％以上、０．１０％以下、Ａｌ：０．０５％以上、０．１５％以下、Ｂ：０．０００３％以上、０．００３０％以下、Ｎ：０．００６％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｂ］を、それぞれ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの濃度（質量％）とした場合に、Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋［Ｃｕ］／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｃｒ］／２０＋［Ｍｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５［Ｂ］により算出される溶接割れ感受性指標Ｐｃｍが０．３９％以下であることを満たす成分組成を有し；Ａ_ｃ３変態点が８５０℃以下であり、マルテンサイト組織分率が９０％以上であり、降伏強度が１３００ＭＰａ以上であり、引張強度が１４００ＭＰａ以上かつ１６５０ＭＰａ以下であり、さらに、引張強度と、試料片断面の１ｍｍ^２当りの平均結晶粒数ｍを用いて、Ｎγ＝−３＋ｌｏｇ_２ｍにより算出される旧オーステナイト結晶粒度番号Ｎγとが、前記引張り強度を［ＴＳ］（ＭＰａ）とした場合に、前記引張強度が１５５０ＭＰａ未満では、Ｎγ≧（［ＴＳ］−１４００）×０．００６＋７．０を満たし、前記引張強度が１５５０ＭＰａ以上では、Ｎγ≧（［ＴＳ］−１５５０）×０．０１＋７．９を満たす；ことを特徴とする高強度厚鋼板。

（２）上記（１）に記載の高強度鋼板では、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．０５％以上、１．５％以下、Ｍｏ：０．０３％以上、０．５％以下、Ｖ：０．０１％以上、０．１０％以下のうちの１種以上を含んでもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の高強度鋼板では、板厚が４．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であってもよい。

（４）上記（１）または（２）に記載の成分組成を有する鋼片または鋳片を１１００℃以上に加熱し；板厚が４．５ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の鋼板となるように、９３０℃以下、８６０℃以上の温度範囲での累積圧下率が３０％以上、６５％以下であり、８６０℃以上で圧延を終了する熱間圧延を行い；冷却後、前記鋼板をＡ_ｃ３変態点＋２０℃以上、かつ８７０℃以下の温度に再加熱し；その後、６００℃から３００℃までの前記鋼板の板厚中心部における平均冷却速度が２０℃／ｓｅｃ以上となる冷却条件で２００℃以下まで加速冷却を行い；さらにその後、２００℃以上、３００℃以下の温度範囲で焼戻し熱処理を行う；ことを特徴とする高強度厚鋼板の製造方法。

本発明によれば、建設機械や産業機械の構造部材に用いられる耐遅れ破壊特性、曲げ加工性および溶接性に優れる降伏強度１３００ＭＰａ以上でかつ引張強度１４００ＭＰａ以上の高強度厚鋼板を経済的に提供することができる。

Ｐｃｍとｙ型溶接割れ試験における割れ停止予熱温度との関係を示すグラフである。 耐水素脆化特性評価用切欠き試験片の説明図である。 拡散性水素量と遅れ破壊に至るまでの破断時間との関係の一例を示すグラフである。 腐食促進試験の、乾湿および温度変化の繰り返し条件を示すグラフである。 Ｃｕ量と環境から侵入する拡散性水素量ＨＥとの関係を示すグラフである。 Ｐ量と環境から侵入する拡散性水素量ＨＥとの関係を示すグラフである。 旧オーステナイト粒度番号、引張強度と、耐遅れ破壊特性との関係を示すグラフである。 マルテンサイト組織鋼のＣ量、焼戻し温度と降伏応力との関係を示すグラフである。 マルテンサイト組織鋼のＣ量、焼戻し温度と引張応力との関係を示すグラフである。 マルテンサイト組織鋼の焼入れ加熱温度と旧オーステナイト結晶粒度番号との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明の鋼成分の限定理由を述べる。

Ｃは、マルテンサイト組織の強度に大きく影響する重要な元素である。本発明において、Ｃ含有量は、マルテンサイト組織分率が９０％以上であるときに、１３００ＭＰａ以上の降伏強度と、１４００ＭＰａ以上、１６５０ＭＰａ以下の引張強度とを得るために必要な量として決定される。Ｃ量の範囲は、０．１８％以上０．２３％以下である。Ｃ量が０．１８％未満では、鋼板は、所定の強度を有さない。また、Ｃ量が０．２３％超では、鋼板の強度が出過ぎるか、加工性が劣化する。強度を安定して確保するために、Ｃ量の下限を０．１９％に、Ｃ量の上限を０．２２％又は０．２１％に制限してもよい。

Ｓｉは、脱酸材および強化元素として作用し、０．１％以上の添加でその効果が認められる。しかしながら、Ｓｉを多く添加するとＡ_ｃ３点（Ａ_ｃ３変態点）が高くなり、また靭性を阻害する恐れもある。そのため、Ｓｉ量の上限を０．５％とする。脱酸、強度および靭性の改善のために、Ｓｉ量の下限を０．１５％または０．２０％に、Ｓｉ量の上限を０．４０％または０．３０％に制限してもよい。

Ｍｎは、焼入性を高め、強度を向上させるために有効な元素であり、かつＡ_ｃ３点を下げる効果もある。そのため、Ｍｎを少なくとも１．０％以上添加する。しかし、Ｍｎ量が２．０％を超えると偏析を助長して靭性や溶接性を阻害することがある。そのため、２．０％をＭｎ添加の上限とする。強度確保と靭性向上等のために、Ｍｎ量の下限を１．１％、１．２％または１．３％に、Ｍｎ量の上限を１．９％、１．８％または１．７％に制限してもよい。

Ｐは、不純物として耐遅れ破壊特性を大きく低下させる有害な元素である。０．０２０％を超えてＰを含有させると、環境からの侵入水素量を増加させるとともに粒界を脆弱化させる。したがって、Ｐ量を０．０２０％以下とすることが必須である。望ましくはＰ量を０．０１０％以下とする。耐遅れ破壊特性をより向上させるため、Ｐ量を０．００８％以下、０．００６％以下または０．００４％以下に制限してもよい。

Ｓは、不可避的不純物として、耐遅れ破壊特性や溶接性を低下させる有害な元素である。したがって、Ｓ量を０．０１０％以下に抑制する。耐遅れ破壊特性や溶接性を向上させるために、Ｓ量を０．００６％以下または０．００３％以下に制限してもよい。

Ｃｕは、環境からの侵入水素量ＨＥを低減させ、耐遅れ破壊特性を向上させる元素である。図５に示すように、０．５％を超えてＣｕを添加することでＨＥが低下する。さらに、１．０％を超えてＣｕを添加することでより顕著にＨＥが低下する。したがって、Ｃｕの添加量は、０．５０％超、望ましくは１．０％超とする。しかし、３．０％を超えてＣｕを添加すると溶接性を低下させることがある。そのため、Ｃｕの添加量は、３．０％以下とする。耐遅れ破壊特性の向上のために、Ｃｕ量の下限を０．７％、１．０％または１．２％に制限してもよい。溶接性向上のために、Ｃｕ量の上限を２．２％、１．８％または１．６％に制限してもよい。

Ｎｉは、焼入性および靭性を向上させる元素である。また、質量％でＣｕ添加量の半分程度以上のＮｉを添加することにより高Ｃｕ添加によるスラブの割れを抑制する効果がある。そのため、Ｎｉを少なくとも０．２５％以上添加する。安定してこの効果を発揮させるため、Ｎｉ量を０．５％以上、０．８％以上または０．９％以上に制限してもよい。しかし、Ｎｉは、高価な元素であるので、添加量は、２．０％以下とする。さらなる価格低減のために、Ｎｉ量を１．６％以下または１．３％以下に制限してもよい。

Ｎｂは、圧延中に微細炭化物を生成して未再結晶温度域を広げて制御圧延効果を高め、焼入れ前の圧延組織に適度な歪を導入する効果がある。また、ピニング効果により焼入れ加熱時のオーステナイト粗大化を抑制する効果がある。そのため、Ｎｂは、本発明における所定の旧オーステナイト粒径を得るために必須の元素である。したがって、Ｎｂを０．００３％以上添加する。これらの効果を安定して得るために、Ｎｂを０．００５％以上、０．００８％以上または０．０１１％以上に制限してもよい。しかし、過剰に添加すると溶接性を阻害することがあるため、添加量は０．１０％以下とする。溶接性の向上のため、０．０５％以下、０．０３％以下または０．０２％以下に制限してもよい。

Ａｌは、焼入性向上に必要なフリーＢを確保するためにＮを固定する目的で０．０５％以上添加する。しかしながら、Ａｌの過剰な添加は、靭性を低下させる場合があるので、Ａｌ量の上限は０．１５％とする。靭性をより向上させるために、Ａｌ量の上限を０．１０％または０．０８％に制限してもよい。

Ｂは、焼入性を高めるために有効な必須元素である。その効果を発揮するには、Ｂ量は、０．０００３％以上必要である。しかしながら、０．００３０％を超えてＢを添加すると、溶接性や靭性を低下させることがある。そのため、Ｂ量は、０．０００３％以上、０．００３０％以下とする。確実な焼入性確保および溶接性や靭性の低下防止のため、Ｂ量の下限を０．０００５％または０．０００８％に、Ｂ量の上限を０．００２１％または０．００１５％に制限してもよい。

Ｎは、過剰に含まれると、靱性を低下させるとともに、ＢＮを形成してＢの焼入性向上効果を阻害する。そのため、Ｎ量を０．００６％以下に抑制する。

以上のような元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼が、本発明の鋼の基本組成である。さらに、本発明では、上記成分の他に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖのうち一種以上を添加することができる。
Ｃｒは、焼入性を向上させ、強度向上に有効である。そのため、Ｃｒを０．０５％以上添加してもよい。しかしながら、Ｃｒを過剰に添加すると靭性を低下させることがある。そのため、Ｃｒの添加は、１．５％以下とする。靭性向上のために、Ｃｒ量を１．０％以下、０．５％以下または０．４％以下に制限してもよい。

Ｍｏは、焼入性を向上させ、強度向上に有効である。そのため、Ｍｏを０．０３％以上添加してもよい。しかしながら、焼戻し温度が低い本発明の製造条件では、析出強化の効果は期待できないため、Ｍｏを多量に添加しても強度向上効果には限りがある。また、Ｍｏは、高価な元素でもあるため、Ｍｏの添加は、０．５％以下とする。必要に応じて、Ｍｏ量の上限を０．３５％または０．２０％に制限してもよい。

Ｖも、焼入性を向上させ、強度向上に有効である。そのため、Ｖを０．０１％以上添加してもよい。しかしながら、焼戻し温度が低い本発明の製造条件では、析出強化の効果は期待できないため、Ｖを多量に添加しても強度向上効果には限りがある。また、Ｖは、高価な元素でもあるため、Ｖの添加は、０．１０％以下とする。必要に応じて、Ｖ量を０．０８％以下、０．０６％以下または０．０４％以下に制限してもよい。

以上の成分範囲の限定に加え、本発明では、上述したように溶接性を確保するため、下記（１）式で示されるＰｃｍが０．３９％以下となるように成分組成を限定する。溶接性をより向上させるために、０．３８％以下または０．３７％以下に制限してもよい。
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋［Ｃｕ］／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｃｒ］／２０＋［Ｍｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５［Ｂ］・・・（１）
ここで、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｂ］は、それぞれ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの質量％である。

さらに、溶接脆化を防止するために、下記（２）式で示される炭素当量Ｃｅｑを０．８０以下としてもよい。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５＋［Ｍｏ］／４＋［Ｖ］／１４・・・（２）

次に、製造方法について述べる。
まず、上記の鋼成分組成の鋼片または鋳片を加熱して熱間圧延を行う。加熱温度は、Ｎｂが十分固溶するように、１１００℃以上とする。
さらに、旧オーステナイト粒度番号７．０以上への適度な粒径制御を行う。そのため、熱間圧延時に適度な制御圧延を行って、焼入れ前の鋼板に適度な加工歪を導入し、焼入れ加熱温度をＡ_ｃ３変態点＋２０℃以上、かつ８７０℃以下の範囲とすることが必要である。

熱間圧延時の制御圧延では、９３０℃以下、８６０℃以上の温度範囲における累積圧下率が３０％以上、６５％以下となるように圧延し、８６０℃以上で圧延を終了して板厚４．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の厚鋼板とする。この制御圧延の目的は、再加熱焼入れ前の鋼板に適度な加工歪を導入することにある。また、制御圧延の上記温度範囲は、Ｎｂが適量含有された本発明鋼の未再結晶温度域である。この未再結晶温度域での累積圧下率が３０％未満では、加工歪が不十分である。そのため、再加熱時のオーステナイトが粗大になる。また、未再結晶温度域での累積圧下率が６５％超であったり、圧延終了温度が８６０℃未満であったりすると、加工歪が過剰になる。この場合には、加熱時のオーステナイトが混粒組織となることがある。そのため、焼入れ加熱温度が下記の適正範囲であっても、旧オーステナイト粒度番号７．０以上の整粒組織が得られないことがある。

熱間圧延後、鋼板を冷却し、Ａ_ｃ３変態点＋２０℃以上、かつ８７０℃以下の温度に再加熱し、その後２００℃以下まで加速冷却する焼入れ熱処理を行う。焼入れ加熱温度は、当然Ａ_ｃ３変態点より高くなくてはならない。しかしながら、加熱温度をＡ_ｃ３変態点の直上とすると、組織が混粒になり適切な粒径制御ができない場合がある。焼入れ加熱温度は、Ａ_ｃ３変態点＋２０℃以上でないと確実にポリゴナルな（等方性の）整粒が得られない。したがって、焼入れ加熱温度を８７０℃以下とするためには、鋼材のＡ_ｃ３変態点は、８５０℃以下であることが必要となる。なお、靭性や耐遅れ破壊特性が低下するため、一部に粗大粒が含まれる混粒組織は、好ましくない。また、焼入れ加熱の際に、特に急速加熱を行う必要はない。なお、幾つかのＡ_ｃ３変態点の計算式が提案されている。しかしながら、本鋼種の成分範囲では計算式の精度が低いため、Ａ_ｃ３変態点を熱膨張測定法などにより実測する。

焼入れ熱処理の冷却では、板厚中心部における６００℃から３００℃までの平均冷却速度が２０℃／ｓｅｃ以上となる条件で、鋼板を２００℃以下まで加速冷却する。この冷却により板厚４．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の鋼板において、組織分率で９０％以上のマルテンサイト組織を得ることができる。板厚中心部の冷却速度は、直接測定できないため、板厚、表面温度、冷却条件から伝熱計算によって計算される。

焼入れたままの状態のマルテンサイト組織は、降伏比が低い。そのため、時効効果によって降伏強度を上昇させることを目的として、２００℃以上、３００℃以下の温度範囲で焼戻し熱処理を行う。焼戻し温度が２００℃未満では、時効効果がなく、降伏強度が増加しない。逆に、焼戻し温度が３００℃を越えると、焼戻し脆化のため靭性が低下する。そのため、焼戻し熱処理は、２００℃以上、３００℃以下とする。焼戻し熱処理の時間は、１５分程度以上あればよい。

表１および表２に示す成分組成を有するＡ〜ＡＦの鋼を溶製して鋼片を得た。これらの鋼片を、表３に示す１〜１４の本発明の実施例と、表５に示す１５〜４６の比較例のそれぞれの製造条件により、板厚４．５〜２５ｍｍの鋼板を製造した。
これらの鋼板について、降伏強度、引張強度、旧オーステナイト粒度番号、マルテンサイト組織分率、溶接割れ性、曲げ加工性、耐遅れ破壊特性、靭性を評価した。表４に１〜１４の本発明の実施例の結果を、表６に１５〜４６の比較例の結果を示している。また、Ａ_ｃ３変態点を実測した。

降伏強度と引張強度とは、ＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定の１Ａ号引張試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定の引張試験により測定した。降伏強度は、１３００ＭＰａ以上を合格、引張強度は、１４００〜１６５０ＭＰａを合格とした。
旧オーステナイト粒度番号は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２００５）の方法で測定し、引張強度と旧オーステナイト粒度番号とが、前記（ａ）、（ｂ）を満たす場合に合格とした。
マルテンサイト組織分率の評価のために、板厚中心部付近から採取したサンプルを用いて、透過型電子顕微鏡により、倍率５０００倍で２０μｍ×３０μｍの範囲を５視野観察した。それぞれの視野におけるマルテンサイト組織の面積を測定し、それぞれの面積の平均値からマルテンサイト組織分率を算出した。この際、マルテンサイト組織は、転位密度が高く、３００℃以下の焼戻し熱処理ではセメンタイトはごくわずかしか生成しない。そのため、マルテンサイト組織をベイナイト組織などと区別できる。
溶接割れ性の評価のために、ＪＩＳ Ｚ ３１５８に規定のｙ型溶接割れ試験で評価を行った。評価に供する鋼板の板厚は、実施例２、４、８、１１を除きすべて２５ｍｍであり、入熱１５ｋＪ／ｃｍのＣＯ_２溶接を行った。試験の結果、予熱温度１７５℃でルート割れ率が０であれば合格と評価した。また、板厚が２５ｍｍ未満の実施例２、４、８、１１の鋼板については、溶接性は同一成分の実施例３、５、７、１２と同じであると考えられるため、ｙ型溶接割れ試験を省略した。

曲げ加工性の評価のために、ＪＩＳ Ｚ ２２４８に規定の方法で、ＪＩＳ１号試験片（試験片の長さ方向を鋼板の圧延方向と垂直な方向とする）を用いて板厚の４倍の曲げ半径（４ｔ）となるように１８０度曲げを行った。曲げ試験後に、湾曲部の外側に裂けきずその他の欠陥が生じない場合を合格とした。
耐遅れ破壊特性の評価のために、それぞれの鋼板の「限界拡散性水素量Ｈｃ」および「環境から侵入する拡散性水素量ＨＥ」を測定した。Ｈｃ／ＨＥが３よりも大きい場合に、耐遅れ破壊特性が良好であると評価した。

靱性の評価のために、ＪＩＳ Ｚ ２２０１ ４号シャルピー試験片を板厚中心部から圧延方向に対して直角に採取し、３本の試験片に対し−２０℃においてシャルピー衝撃試験を行った。それぞれの試験片の吸収エネルギーの平均値を計算し、その平均値が２７Ｊ以上であることを目標とした。なお、板厚が８ｍｍの鋼板（実施例１１）については５ｍｍサブサイズのシャルピー試験片、板厚が４．５ｍｍの鋼板（実施例４）については３ｍｍサブサイズのシャルピー試験片を用いた。サブサイズのシャルピー試験片に対しては、４号シャルピー試験片の板幅であると仮定した場合（すなわち、板幅１０ｍｍ）の吸収エネルギー値が２７Ｊ以上であることを目標値とした。
尚、Ａ_ｃ３変態点は、富士電波工機製Ｆｏｒｍａｓｔｏｒ−ＦＩＩを用いて、２．５℃／分での昇温速度条件で熱膨張測定により測定した。

なお、表１および表２中で下線を付した化学成分（鋼成分組成）、Ｐｃｍ値、Ａ_ｃ３点の数値は、本発明の条件を満たさないことを示す。表３〜６中で下線を付した数値は、本発明の製造条件を満たさないもの、あるいは特性が不十分なものを示している。

表３および表４の本発明の実施例１〜１４においては、前記の降伏強度、引張強度、旧オーステナイト粒度番号、マルテンサイト組織分率、溶接割れ性、曲げ加工性、耐遅れ破壊特性、靭性の目標値をすべて満足している。これに対し、表５および表６の比較例１５〜３４では、表中下線で示す化学成分が本発明により限定された範囲を逸脱している。そのため、比較例１５〜３４では、本発明の製造条件の範囲内にもかかわらず、降伏強度、引張強度、旧オーステナイト粒度番号、マルテンサイト組織分率、溶接割れ性、曲げ加工性、耐遅れ破壊特性、靭性のうち一つ以上で目標値を満たさない。

比較例３５は、鋼成分組成は、本発明範囲内であるが、Ｐｃｍ値が本発明範囲を逸脱しているため、溶接割れ性が不合格である。比較例３６は、鋼成分組成は本発明範囲内であるが、Ａ_ｃ３点が本発明範囲を逸脱しているため、焼入れ加熱温度を低くとれない。そのため、旧オーステナイト結晶粒の微細化が不十分となり、耐遅れ破壊特性が不合格である。比較例３７〜４６では、鋼成分組成、Ｐｃｍ値、Ａ_ｃ３点がいずれも本発明範囲内であるが、本発明の製造条件を満たさない。そのため、降伏強度、引張強度、旧オーステナイト粒度番号、マルテンサイト組織分率、溶接割れ性、曲げ加工性、耐遅れ破壊特性、靭性のうち一つ以上で目標値を満たさない。すなわち、比較例３７は、加熱温度が低く、Ｎｂが固溶しないため、オーステナイトの微細化が不十分である。そのため、比較例３７は、耐遅れ破壊特性が不合格である。比較例３８は、９３０℃以下、８６０℃以上での累積圧下率が低いため、オーステナイトの微細化が不十分である。そのため、耐遅れ破壊特性が不合格である。比較例３９は、焼入れ加熱温度が８８０℃を超えているため、オーステナイトの微細化が不十分である。そのため、耐遅れ破壊特性が不合格である。比較例４０は、６００℃から３００℃までの冷却速度が小さいため、９０％以上のマルテンサイト組織分率が得られない。そのため、降伏強度が低く、不合格である。比較例４１は、焼戻しをしないため、降伏強度が低く、不合格である。比較例４２は、焼戻し温度が３００℃を超えているため、靭性が低く、不合格である。比較例４３は、焼戻し温度が比較例４２よりも高いため、強度が低く、不合格である。比較例４４は、９３０℃以下、８６０℃以上での累積圧下率が高いため、オーステナイトの微細化が不十分である。そのため、比較例４４は、耐遅れ破壊特性が不合格である。比較例４５は、圧延終了温度が低いため、オーステナイトの微細化が不十分である。そのため、比較例４５は、耐遅れ破壊特性が不合格である。比較例４６は、加速冷却終了温度が高いため、焼入れが不足し、９０％以上のマルテンサイト組織分率が得られない。そのため、比較例４６は、引張強度が低く不合格である。なお、比較例４６では、鋼板を３００度まで加速冷却後、２００℃まで空冷し、２５０℃まで焼き戻した。

耐遅れ破壊特性および溶接性に優れる高強度厚鋼板およびその製造方法を提供することができる。

Claims (4)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．１８％以上、０．２３％以下、
   Ｓｉ：０．１％以上、０．５％以下、
   Ｍｎ：１．０％以上、２．０％以下、
   Ｐ：０．０２０％以下、
   Ｓ：０．０１０％以下、
   Ｃｕ：０．５％超、３．０％以下、
   Ｎｉ：０．２５％以上、２．０％以下、
   Ｎｂ：０．００３％以上、０．１０％以下、
   Ａｌ：０．０５％以上、０．１５％以下、
   Ｂ：０．０００３％以上、０．００３０％以下、
   Ｎ：０．００６％以下
   を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｖ］、［Ｂ］を、それぞれ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの濃度（質量％）とした場合に、Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋［Ｃｕ］／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｃｒ］／２０＋［Ｍｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５［Ｂ］により算出される溶接割れ感受性指標Ｐｃｍが０．３９％以下であることを満たす成分組成を有し；
   Ａ_ｃ３変態点が８５０℃以下であり、マルテンサイト組織分率が９０％以上であり、降伏強度が１３００ＭＰａ以上であり、引張強度が１４００ＭＰａ以上かつ１６５０ＭＰａ以下であり、さらに、引張強度と、試料片断面の１ｍｍ^２当りの平均結晶粒数ｍを用いて、Ｎγ＝−３＋ｌｏｇ_２ｍにより算出される旧オーステナイト結晶粒度番号Ｎγとが、前記引張り強度を［ＴＳ］（ＭＰａ）とした場合に、前記引張強度が１５５０ＭＰａ未満では、Ｎγ≧（［ＴＳ］−１４００）×０．００６＋７．０を満たし、前記引張強度が１５５０ＭＰａ以上では、Ｎγ≧（［ＴＳ］−１５５０）×０．０１＋７．９を満たす；
   ことを特徴とする高強度厚鋼板。
2. 質量％で、さらに、
   Ｃｒ：０．０５％以上、１．５％以下、
   Ｍｏ：０．０３％以上、０．５％以下、
   Ｖ：０．０１％以上、０．１０％以下
   のうちの１種以上を含むことを特徴とする、請求項１に記載の高強度厚鋼板。
3. 板厚が４．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の高強度厚鋼板。
4. 請求項１または請求項２に記載の成分組成を有する鋼片または鋳片を１１００℃以上に加熱し；
   板厚が４．５ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の鋼板となるように、９３０℃以下、８６０℃以上の温度範囲での累積圧下率が３０％以上、６５％以下であり、８６０℃以上で圧延を終了する熱間圧延を行い；
   冷却後、前記鋼板をＡ_ｃ３変態点＋２０℃以上、かつ８７０℃以下の温度に再加熱し；
   その後、６００℃から３００℃までの前記鋼板の板厚中心部における平均冷却速度が２０℃／ｓｅｃ以上となる冷却条件で２００℃以下まで加速冷却を行い；
   さらにその後、２００℃以上、３００℃以下の温度範囲で焼戻し熱処理を行う；
   ことを特徴とする高強度厚鋼板の製造方法。

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