JP7506305B2 - High-strength steel plate for large heat input welding - Google Patents
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Description
本発明は、大入熱溶接部の靭性に優れた大入熱溶接用高強度鋼板に関する。 The present invention relates to a high-strength steel plate for high heat input welding that has excellent toughness in high heat input welds.
近年、建築構造物の高層化、無柱空間の拡大に伴い、鉄骨に用いられる厚鋼板は高強度化及び厚手化している。さらに大規模地震が発生しても高い安全性を確保するべく、鋼構造物の耐破壊性に対する要求が高まっている。加えて、工期短縮、建造コスト削減の観点から、高能率な大入熱溶接の適用が一般的となっており、大入熱溶接HAZでの高靱性化要求も高まっている。なお、「大入熱溶接HAZ」とは、大入熱溶接によって形成された溶接熱影響部(Heat Affected Zone、HAZ)のことを意味し、単に、大入熱HAZという場合もある。 In recent years, as architectural structures have become taller and column-free spaces have expanded, the steel plates used in steel frames have become stronger and thicker. Furthermore, there is a growing demand for the fracture resistance of steel structures to ensure high safety even in the event of a large-scale earthquake. In addition, the application of highly efficient high-heat input welding has become common from the perspective of shortening construction periods and reducing construction costs, and there is also a growing demand for high toughness in high-heat input welding HAZ. Note that "high-heat input welding HAZ" refers to the heat affected zone (HAZ) formed by high-heat input welding, and is sometimes simply referred to as high-heat input HAZ.
従来、高強度厚鋼板に上述の大入熱溶接を適用した場合、HAZにおいて良好な靱性を確保することは困難であった。例えば、引張強度780MPa級厚鋼板におけるエレクトロスラグ溶接部のHAZ靱性が非特許文献1及び非特許文献2に示されている。非特許文献1の図6によれば、溶融線(Fusion Line、FL)、FLから1mm(HAZ1)、FLから3mm(HAZ3)、FLから5mm(HAZ5)のノッチ位置におけるシャルピー吸収エネルギーの平均値は40J以下と読み取れる。また、非特許文献2の図3及び図5によれば、FLのノッチ位置におけるシャルピー吸収エネルギーの平均値は50J以下である。
Conventionally, when the above-mentioned high heat input welding is applied to high-strength thick steel plate, it has been difficult to ensure good toughness in the HAZ. For example, the HAZ toughness of electroslag welds in 780 MPa tensile strength thick steel plate is shown in
このような問題に対して、特許文献1では、Si含有量とP含有量とを同時に低減する(以下、それぞれ低Si化、低P化と呼称する場合がある)ことにより、HAZでのMAの生成が抑制され、HAZ靱性が向上する技術が開示されている。この技術によれば、小入熱から大入熱の溶接継手熱影響部において、0℃でのシャルピー吸収エネルギーが平均27J程度以上の靭性を安定して確保することができるとされている。 In response to these problems, Patent Document 1 discloses a technology that simultaneously reduces the Si content and the P content (hereinafter sometimes referred to as "low Si" and "low P", respectively) to suppress the generation of MA in the HAZ and improve HAZ toughness. With this technology, it is said that it is possible to stably ensure toughness with an average Charpy absorbed energy of about 27 J or more at 0°C in the heat-affected zone of a welded joint with low to high heat input.
また、特許文献2では、特許文献1の低Si、低P化に加え、Mnを比較的高濃度に添加することにより、MAを低減できるとしている。さらに特許文献3では、粒子径が0.005~0.5μmの微細硫化物を鋼中に分散させることにより、HAZでのγ粒成長抑制作用を有し、HAZ靱性を顕著に向上させる技術が示されている。
しかし、特許文献1や特許文献2に開示された技術では、近年の耐震性向上のニーズを背景とした、0℃におけるシャルピー吸収エネルギーの平均が100Jといった高いHAZ靱性やさらなる高靱性化を実現することは困難である。極めてP含有量を低減すること(以下、極低P化と呼称する場合がある)で精錬工程の長時間化を招き、製造工期の長期化やコスト増を招く。さらに、特許文献2の技術では、Mn偏析部でのMA生成によるHAZ靱性劣化が避けられず、安定的にHAZ靱性を確保することが困難である。特許文献3で示された硫化物を微細分散させγ粒成長抑制作用によりHAZの有効結晶粒径を微細化し高靱性を得る技術は、MgやCaをppmオーダーで制御する技術が極めて高い要求され、安定製造及び大量製造には適用困難な技術と考えられる。
However, with the techniques disclosed in Patent Document 1 and
このように高強度鋼板において大入熱溶接HAZの靱性が劣化する原因は、脆性破壊起点となるMAの生成や結晶粒の粗大化であることが知られている。近年の鋼板の厚手化による溶接入熱の増大に伴う冷却速度の低下は、結晶粒の粗大化とMAの増加を招き、HAZ靱性確保を一層困難とさせている。
本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、新たな成分設計の指針を提案し、これに基づいて、大入熱溶接用高強度鋼板を提供することを課題とするものである。
It is known that the causes of the deterioration of the toughness of the high heat input welding HAZ in high strength steel plates are the generation of MA which is the initiation point of brittle fracture and the coarsening of crystal grains. The decrease in cooling rate associated with the increase in welding heat input due to the recent increase in thickness of steel plates leads to the coarsening of crystal grains and an increase in MA, making it even more difficult to ensure HAZ toughness.
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has an object to propose a new guideline for component design and, based on this, to provide a high-strength steel plate for large heat input welding.
本発明者らは、大入熱溶接HAZにおける靭性の主要な支配因子である結晶粒径の微細化とMAの低減とに着眼し、鋼板(母材)の高強度化と大入熱溶接HAZの靭性の確保とを両立させるために検討を行った。
その結果、鋼板の焼入れ性を一定以上に高めることにより、HAZの結晶粒が顕著に微細化することがわかった。具体的には、焼入れ倍数DIを17以上とすることで、HAZの結晶粒が顕著に微細化することを見いだした。また結晶粒の微細化に伴いMAも微細化することが確認された。すなわち、焼入れ性を向上させることにより、結晶粒の微細化とMAの微細化がともに達成されることがわかった。
The inventors focused on the refinement of crystal grain size and the reduction of MA, which are the main controlling factors of toughness in high heat input welding HAZ, and conducted studies to achieve both high strength of steel plate (base material) and ensuring toughness of high heat input welding HAZ.
As a result, it was found that the grain size of the HAZ is significantly refined by increasing the hardenability of the steel plate to a certain level. Specifically, it was found that the grain size of the HAZ is significantly refined by setting the hardening factor DI to 17 or more. It was also confirmed that the refinement of the grains is accompanied by the refinement of the MA. In other words, it was found that the refinement of both the grains and the MA can be achieved by improving the hardenability.
一方で、焼入れ性を高めても高靱性な下部ベイナイトは僅かしか生成せず、従来考えられてきた下部ベイナイトの生成による高靱化は望めないことも明らかとなった。これは溶接入熱の増大に伴い冷却速度が低下した影響と考えられ、本発明に伴い明らかとなった新たな知見である。
加えて、焼入れ性を高める元素として、Niが極めて有効であることがわかった。一般的に焼入れ性を高めるとMAの生成量は増加することが知られているが、Niは他の元素に比べてMA生成量をそれほど増加させずに焼入れ性を向上させることができる。具体的にはNiを2.5%以上含有させることで、焼入れ性向上による細粒化効果とMA微細化効果とが得られる。
On the other hand, it was also revealed that even if the hardenability is improved, only a small amount of highly tough lower bainite is formed, and it is not possible to expect high toughness due to the formation of lower bainite as previously thought. This is thought to be due to the effect of a decrease in the cooling rate accompanying an increase in welding heat input, and is a new finding that has become clear through the present invention.
In addition, it was found that Ni is extremely effective as an element for improving hardenability. It is generally known that increasing hardenability increases the amount of MA generated, but Ni can improve hardenability without increasing the amount of MA generated as much as other elements. Specifically, by adding Ni at 2.5% or more, the grain refining effect and the MA refinement effect due to the improvement of hardenability can be obtained.
一方で、Mnによる焼入れ性向上は、MAの生成を大幅に増やす。そのため、鋼中のMnの含有量が増えると、焼入れ性向上による細粒化効果がMAの生成量の増加によって相殺されやすくなる。このため、Mnは1.0%以下に抑制する必要がある。
これらNiとMnとの違いは、ミクロ偏析のしやすさや、セメンタイト生成に及ぼす効果の違いに起因しているものと推察される。
On the other hand, the improvement of hardenability by Mn significantly increases the generation of MA. Therefore, when the Mn content in steel increases, the grain refinement effect due to the improvement of hardenability is easily offset by the increase in the amount of MA generated. For this reason, Mn needs to be suppressed to 1.0% or less.
The difference between Ni and Mn is presumably due to the difference in the ease of microsegregation and the difference in the effect on cementite formation.
また焼入れ性を高めることで、鋼板(母材)の性能が優位となることがわかった。通常、低い焼入れ性で鋼板を製造する際は、熱処理時の二相域加熱温度は高温に、焼戻し温度は低温にならざるを得ない。その場合、鋼板表層の硬度が高くなるとともに、表層と板厚内部との硬度差が大きくなる。これらは、表面割れを誘起したり、加工性の低下を招いたりするため、鋼板表面の硬度は低く、板厚方向の硬度分布は極力平準化することが望まれる。
本発明では、鋼板表面のビッカース硬度320Hv以下、鋼板表面と板厚1/4位置との硬度差を70以下とすることができる。
It was also found that improving hardenability improves the performance of the steel plate (base material). Normally, when manufacturing steel plate with low hardenability, the two-phase heating temperature during heat treatment must be high and the tempering temperature must be low. In that case, the hardness of the steel plate surface increases and the hardness difference between the surface and the inside of the plate becomes large. These can induce surface cracks and reduce workability, so it is desirable to keep the hardness of the steel plate surface low and to make the hardness distribution in the plate thickness direction as uniform as possible.
In the present invention, the Vickers hardness of the steel plate surface can be 320 Hv or less, and the hardness difference between the steel plate surface and the 1/4 position of the plate thickness can be 70 or less.
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。 The present invention was made based on these findings, and its gist is as follows:
[1] 本発明の一態様に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、C:0.08~0.14%、Mn:0.3~1.0%、Ni:2.5~7.0%、Al:0.03~0.100%、Cu:0~2.0%、Cr:0~2.0%、Mo:0~2.0%、Nb:0~0.03%、V:0~0.10%、W:0~1.0%、Ti:0~0.020%、B:0~0.0050%、Ca:0~0.005%、Mg:0~0.005%、REM:0~0.005%、Zr:0~0.005%、Si:0.30%以下、P:0.010%以下、S:0.005%以下、N:0.0060%以下、O:0.0060%以下、残部がFe及び不純物からなり、下記式(1)で計算される焼入れ倍数DI(inch)が17~35であり、下記式(2)で計算される炭素当量CeqWESが0.600%~0.900%であり、下記式(3)で計算される炭素当量CeqIIWが0.750%~1.100%であり、溶接入熱量が70~150kJ/mmの溶接に適用される。
DI(inch)=0.5×fB×C0.5×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(1)
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(2)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(3)
ここで、上記(1)~(3)式中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Cuは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。fBはB量により以下のように定義する。B量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、B量が0.0004%超0.0050%以下のときはfB=1.3とする。
[2] [1]に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Ti:0.003~0.020%を含有してもよい。
[3] [1]又は[2]に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、B:0.0004~0.0050%を含有してもよい。
[4] [1]~[3]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Cu:0.1~2.0%、Cr:0.1~2.0%、Mo:0.1~2.0%からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有してもよい。
[5] [1]~[4]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Nb:0.003~0.03%、V:0.01~0.10%、W:0.10~1.0%からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有してもよい。
[6][1]~[5]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Ca:0.0005~0.005%、Mg:0.0005~0.005%、REM:0.0005~0.005%、Zr:0.0005~0.005%以下からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有してもよい。
[7] [1]~[6]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Pの含有量が0.003~0.010%であってもよい。
[8] [1]~[7]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、鋼板表面を起点として深さ方向に3mmまでの領域において、ビッカース硬度の最大値Hvsが320以下であってもよい。
[9] [1]~[8]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、ビッカース硬度の最大値Hvsと鋼板1/4厚位置におけるビッカース硬度Hvqとの差ΔHvが70以下であってもよい。
[10] [1]~[9]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、降伏強度が630~750MPa、引張強さが780~930MPa、降伏比が85%以下であってもよい。
[11] [1]~[10]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、溶接入熱が70~150kJ/mmの溶接継手において、溶接部のHAZにおける0℃シャルピー吸収エネルギーが平均100J以上であってもよい。
[12] [1]~[11]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、板厚tが40mm以上100mm以下であってもよい。
[13] [1]~[12]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、高層ビルの建築鉄骨ボックス柱用鋼板であってもよい。
[1] A high-strength steel plate for large heat input welding according to one embodiment of the present invention has, in mass%, C: 0.08 to 0.14%, Mn: 0.3 to 1.0%, Ni: 2.5 to 7.0%, Al: 0.03 to 0.100%, Cu: 0 to 2.0%, Cr: 0 to 2.0%, Mo: 0 to 2.0%, Nb: 0 to 0.03%, V: 0 to 0.10%, W: 0 to 1.0%, Ti: 0 to 0.020%, B: 0 to 0.0050%, Ca: 0 to 0.005%, Mg: 0 to 0.005%, REM: 0 to 0.005%, Zr: 0 to 0.005%, The steel sheet has Si: 0.30% or less, P: 0.010% or less, S: 0.005% or less, N: 0.0060% or less, O: 0.0060% or less, with the balance being Fe and impurities, has a hardening multiple DI (inch) calculated by the following formula (1) of 17 to 35, a carbon equivalent CeqWES calculated by the following formula (2) of 0.600% to 0.900%, and a carbon equivalent CeqIIW calculated by the following formula (3) of 0.750% to 1.100%, and is applicable to welding with a welding heat input of 70 to 150 kJ/mm .
DI (inch) = 0.5 x fB x C0.5 x (1 + 0.64 x Si) x (1 + 4.1 x Mn) x (1 + 0.27 x Cu) x (1 + 0.52 x Ni) x (1 + 2.33 x Cr) x (1 + 3.14 x Mo) ... (1)
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ... (2)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 ... (3)
Here, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, and Cu in the above formulas (1) to (3) are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and 0 is substituted for the terms of elements that are not contained. fB is defined as follows depending on the B content: when the B content is 0.0004% or less, fB = 1.0, and when the B content is more than 0.0004% and 0.0050% or less, fB = 1.3.
[2] The high-strength steel plate for large heat input welding according to [1] may contain, by mass%, Ti: 0.003 to 0.020%.
[3] The high-strength steel plate for large heat input welding according to [1] or [2] may contain, by mass%, B: 0.0004 to 0.0050%.
[4] The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of the aspects of [1] to [3] may contain, by mass%, any one or more selected from the group consisting of Cu: 0.1 to 2.0%, Cr: 0.1 to 2.0%, and Mo: 0.1 to 2.0%.
[5] The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of the aspects of [1] to [4] may contain, by mass%, any one or more selected from the group consisting of Nb: 0.003 to 0.03%, V: 0.01 to 0.10%, and W: 0.10 to 1.0%.
[6] The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of [1] to [5] may contain, by mass%, any one or more selected from the group consisting of Ca: 0.0005 to 0.005%, Mg: 0.0005 to 0.005%, REM: 0.0005 to 0.005%, and Zr: 0.0005 to 0.005% or less.
[7] The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of [1] to [6] may have a P content, in mass%, of 0.003 to 0.010%.
[8] The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of [1] to [7] may have a maximum Vickers hardness Hvs of 320 or less in a region extending from the surface of the steel plate to 3 mm in a depth direction.
[9] In the high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of [1] to [8], a difference ΔHv between the maximum Vickers hardness Hvs and the Vickers hardness Hvq at a quarter thickness position of the steel plate may be 70 or less.
[10] The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of [1] to [9] may have a yield strength of 630 to 750 MPa, a tensile strength of 780 to 930 MPa, and a yield ratio of 85% or less.
[11] In the high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of [1] to [10], in a welded joint having a welding heat input of 70 to 150 kJ/mm , the 0°C Charpy absorbed energy in a HAZ of the weld may be an average of 100 J or more.
[12] The high-strength steel plate for large heat-input welding according to any one of [1] to [11] may have a plate thickness t of 40 mm or more and 100 mm or less.
[13] The high-strength steel plate for large heat-input welding according to any one of [1] to [12] may be a steel plate for architectural steel box columns of high-rise buildings.
本発明によれば、新たな成分設計の指針に基づく、大入熱溶接用高強度鋼板を提供することができる。 The present invention provides high-strength steel plates for high heat input welding based on new composition design guidelines.
以下、本発明の一実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板について説明する。まず、本発明を完成するに至った本発明者らの検討結果や、得られた新たな知見について詳述する。 Hereinafter, a high-strength steel plate for large heat input welding according to one embodiment of the present invention will be described. First, the results of the research conducted by the inventors that led to the completion of the present invention and the new findings obtained will be described in detail.
本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板(以下、単に「鋼板」とも称する。)は、焼入れ性を高める合金元素であるC、Mn、Niを含有する。そして、本実施形態に係る鋼板は、鋼を溶製、鋳造して得られた鋼片に熱間圧延を施すことで製造される。しかし、鋼板には、鋳造時の凝固によって凝固組織の界面に形成されたミクロ偏析部が残存しており、さらにこのミクロ偏析部は溶接熱影響のような短時間の加熱では解消されずに、大入熱HAZに局所的に残存したままとなる。この局所的に形成されたミクロ偏析部には、Mn、Niなどの合金元素が濃化している。本発明者らの検討により、MnはNiに比較して、大入熱HAZの冷却時における残留オーステナイトの分解を遅延させ、マルテンサイト・オーステナイト混合相(MA)の増加を招くことが判明した。 The high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment (hereinafter, also simply referred to as "steel plate") contains C, Mn, and Ni, which are alloy elements that enhance hardenability. The steel plate according to this embodiment is manufactured by hot rolling a slab obtained by melting and casting steel. However, in the steel plate, microsegregation formed at the interface of the solidification structure due to solidification during casting remains, and further, this microsegregation is not eliminated by short-term heating such as welding heat effects, and remains locally in the large heat input HAZ. In this locally formed microsegregation, alloy elements such as Mn and Ni are concentrated. The inventors' study has revealed that Mn, compared to Ni, delays the decomposition of retained austenite during cooling of the large heat input HAZ, leading to an increase in the martensite-austenite mixed phase (MA).
大入熱HAZにおいて、ミクロ偏析部の残留オーステナイトが分解せずに室温まで冷却されると、これがMAとなって靱性を劣化させる。そのため、残留オーステナイトの分解遅延を招くMnは、MA生成量の抑制の観点からその含有量を制御することが重要であると考えられる。換言するに、NiはMnよりも大入熱HAZ靭性に及ぼす悪影響が小さいと考えらえるため、鋼中のMnとNiとの含有量の適正化を図ることでMAの生成量を抑制できると考えられる。本発明者らは、Niを含有させて焼入れ性を高めることにより、母材組織が微細化し、MAによる靱性劣化が軽減されることを発見した。 In a high heat input HAZ, if the residual austenite in the microsegregation area is cooled to room temperature without decomposing, it turns into MA, which deteriorates toughness. For this reason, it is considered important to control the content of Mn, which delays the decomposition of the residual austenite, from the viewpoint of suppressing the amount of MA generated. In other words, since Ni is considered to have a smaller adverse effect on the toughness of a high heat input HAZ than Mn, it is considered that the amount of MA generated can be suppressed by optimizing the content of Mn and Ni in the steel. The inventors have discovered that by adding Ni to improve hardenability, the base material structure becomes finer and the deterioration of toughness due to MA is reduced.
また更に、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板では、焼入れ性を確保するため炭素当量CeqWES、CeqIIWの下限を制限し、C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Vの含有量を制御する。一方、焼入れ性を過剰に高めるとHAZ組織はマルテンサイトとなり極端に延性が低下、吸収エネルギーが低下するため、CeqWES、CeqIIWの上限も必要となる。本発明者らの検討の結果、下記(4)式によって求められる炭素当量CeqWESを0.600%~0.900%、下記(5)式によって求められるCeqIIWを0.750%~1.100%、下記(6)式によって求められる焼き入れ性倍数DI(inch)を17~35に制限すれば、大入熱HAZの靭性を確保できることがわかった。 Furthermore, in the high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment, the lower limits of the carbon equivalents CeqWES and CeqIIW are restricted to ensure hardenability, and the contents of C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, and V are controlled. On the other hand, if the hardenability is excessively increased, the HAZ structure becomes martensite, which results in an extremely reduced ductility and reduced absorbed energy, so upper limits of CeqWES and CeqIIW are also required. As a result of the inventors' studies, it was found that the toughness of the large heat input HAZ can be ensured by limiting the carbon equivalent CeqWES calculated by the following formula (4) to 0.600% to 0.900%, the CeqIIW calculated by the following formula (5) to 0.750% to 1.100%, and the hardenability multiple DI (inch) calculated by the following formula (6) to 17 to 35.
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(4)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(5)
DI(inch)=0.5×fB×C0.5× (1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(6)
ここで、上記(4)~(6)式中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Cuは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。fBはB量により以下のように定義する。B含有量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、B含有量が0.0004%超0.0050%以下のときfB=1.3とする。
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ... (4)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 ... (5)
DI (inch) = 0.5 × fB × C 0.5 × (1 + 0.64 × Si) × (1 + 4.1 × Mn) × (1 + 0.27 × Cu) × (1 + 0.52 × Ni) × (1 + 2.33 × Cr) × (1 + 3.14 × Mo) ... (6)
Here, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, and Cu in the above formulas (4) to (6) are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and 0 is substituted for the terms of elements that are not contained. fB is defined as follows according to the B content: when the B content is 0.0004% or less, fB = 1.0, and when the B content is more than 0.0004% and 0.0050% or less, fB = 1.3.
また、本発明者らは、P含有量にも着目した。Pは粒界に偏析しやすく、特に、溶接熱影響部の結晶粒界に偏析すると、粒界割れの原因となるので、大入熱HAZの靱性を安定的に確保するために制限する必要がある。P含有量を低減すれば粒界割れによる大入熱HAZの靭性低下が抑制されるが、その一方で、Pを適度に含有させることにより、大入熱HAZの靭性を一層向上させることができることを見出した。Pを適度に含有させることにより、ベイナイト変態温度の上昇が抑制され結晶粒径が小さくなり、これに伴いHAZの有効結晶粒径が小さくなり、その結果、脆性破壊の発生を一層抑制できるためと推測している。 The inventors also focused on the P content. P is prone to segregation at grain boundaries, and when it segregates at the grain boundaries of the heat-affected zone, it can cause intergranular cracking. Therefore, it is necessary to limit the content of P in order to stably ensure the toughness of the high heat-input HAZ. Reducing the P content suppresses the decrease in toughness of the high heat-input HAZ due to intergranular cracking, but on the other hand, it was found that the toughness of the high heat-input HAZ can be further improved by adding an appropriate amount of P. It is speculated that the increase in the bainite transformation temperature is suppressed and the grain size becomes smaller, which in turn reduces the effective grain size of the HAZ, thereby further suppressing the occurrence of brittle fracture.
以下、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板について説明する。 The high-strength steel plate for high heat input welding according to this embodiment is described below.
まず、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板の化学成分(鋼組成)について説明する。なお、以下の化学成分の説明では、質量%を単に%と表記する。 First, the chemical composition (steel composition) of the high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment will be described. In the following explanation of the chemical composition, mass% will simply be expressed as %.
(C:0.08%以上、0.14%以下)
Cは、鋼の焼入れ性を高めて高強度化に寄与する元素である。そのため、本実施形態ではC含有量は0.08%以上である。しかし、C含有量の過度な増加は、MAやセメンタイトの増加を招き靱性を低下させるため、その上限は0.14%以下である。
(C: 0.08% or more, 0.14% or less)
C is an element that improves the hardenability of steel and contributes to high strength. Therefore, in this embodiment, the C content is 0.08% or more. However, an excessive increase in the C content leads to an increase in MA and cementite, which reduces toughness, so the upper limit is 0.14% or less.
(Si:0.30%以下)
Siは、脱酸や強度のために鋼に含有される場合があるが、MAの生成を促進させる元素でもある。本発明者らが、MAに及ぼすSiの有害性について検討した結果、大入熱HAZのミクロ偏析部におけるMA生成にSiが極めて大きな影響を及ぼすことを確認した。したがって、大入熱HAZの靭性を確保するため、本実施形態ではSi含有量は0.30%以下である。Si含有量は、好ましくは0.25%以下であり、より好ましくは0.20%以下であり、さらに好ましくは0.15%以下である。Siの含有量の下限は特に限定されないが、製造コストの観点からSi含有量は0.01%以上が好ましい。
(Si: 0.30% or less)
Although Si may be contained in steel for deoxidization and strength, it is also an element that promotes the generation of MA. As a result of the inventors' investigation into the harmfulness of Si on MA, it was confirmed that Si has a very large effect on the generation of MA in the microsegregation part of the large heat input HAZ. Therefore, in order to ensure the toughness of the large heat input HAZ, the Si content is 0.30% or less in this embodiment. The Si content is preferably 0.25% or less, more preferably 0.20% or less, and further preferably 0.15% or less. The lower limit of the Si content is not particularly limited, but from the viewpoint of manufacturing costs, the Si content is preferably 0.01% or more.
(Mn:0.3%以上、1.0%以下)
Mnは、鋼の焼入れ性を高めて高強度化に寄与する元素であり、本実施形態ではMnの含有量は0.3%以上である。しかし、Mnの含有量が過度に増加すると、大入熱HAZのMAを増加させ、靱性を著しく劣化させるため、本実施形態ではMn含有量の上限は1.0%以下である。
(Mn: 0.3% or more, 1.0% or less)
Mn is an element that improves the hardenability of steel and contributes to high strength, and in this embodiment, the Mn content is 0.3% or more. However, if the Mn content is excessively increased, it increases MA in the large heat input HAZ and significantly deteriorates toughness, so in this embodiment, the upper limit of the Mn content is 1.0% or less.
(P:0.010%以下)
Pは、靭性に有害な不純物である。P含有量が過剰に増大すると、大入熱HAZで粒界割れを起こし、靭性を著しく劣化させる。従って、本実施形態ではPの含有量は0.010%以下とする。Pの含有量の下限は特に限定されないが、製造コストの観点からPの含有量は0.001%以上であってもよい。一方、Pは適度に含有させることにより、大入熱HAZの焼入れ性を高めて、結晶粒径を細粒化させ、大入熱HAZの靭性を向上させる。従って、本実施形態では0.003~0.010%であることが好ましく、0.004~0.010%であってもよく、0.007~0.010%であってもよい。
(P: 0.010% or less)
P is an impurity that is harmful to toughness. If the P content is excessively increased, grain boundary cracking occurs in the large heat input HAZ, and the toughness is significantly deteriorated. Therefore, in this embodiment, the P content is 0.010% or less. The lower limit of the P content is not particularly limited, but the P content may be 0.001% or more from the viewpoint of manufacturing costs. On the other hand, by adding P appropriately, the hardenability of the large heat input HAZ is improved, the grain size is refined, and the toughness of the large heat input HAZ is improved. Therefore, in this embodiment, the P content is preferably 0.003 to 0.010%, may be 0.004 to 0.010%, or may be 0.007 to 0.010%.
(S:0.005%以下)
Sは、不純物であり、多量に含有すると粗大な介在物を形成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Sの含有量は、大入熱HAZの靱性を安定的に確保するために制限する必要があり、本実施形態ではSは0.005%以下である。Sの含有量の下限は特に限定されないが、製造コストの観点からSの含有量は0.0001%以上であってもよい。
(S: 0.005% or less)
S is an impurity, and if contained in a large amount, it may form coarse inclusions and reduce toughness. Therefore, the content of S needs to be limited in order to stably ensure the toughness of the large heat input HAZ, and in this embodiment, S is 0.005% or less. The lower limit of the content of S is not particularly limited, but from the viewpoint of manufacturing costs, the content of S may be 0.0001% or more.
(Ni:2.5%以上、7.0%以下)
Niは、鋼の焼入れ性を高めて高強度化に寄与する元素であり、同時に、大入熱HAZの靱性を高める元素でもある。また本発明者らの調査から、大入熱HAZでは、NiはMnに比べてMAを生成しにくい特徴があることが分かっている。これらのことから、本実施形態では、Niの含有量は2.5%以上である。一方、Niは高価な元素であり、製造コストの上昇を抑制するという観点から、本実施形態では、Niの含有量は7.0%以下である。
(Ni: 2.5% or more, 7.0% or less)
Ni is an element that improves the hardenability of steel and contributes to high strength, and at the same time, it is also an element that improves the toughness of the large heat input HAZ. Furthermore, from the research of the present inventors, it has been found that Ni has the characteristic of being less likely to generate MA than Mn in the large heat input HAZ. For these reasons, in this embodiment, the Ni content is 2.5% or more. On the other hand, Ni is an expensive element, and from the viewpoint of suppressing an increase in manufacturing costs, in this embodiment, the Ni content is 7.0% or less.
(Al:0.03%以上、0.100%以下)
Alは、脱酸元素として重要であり、またBを添加する際は、AlNを形成してNを固定することで、BNの析出を抑制して、鋼の焼入れ性に有効な固溶Bを確保するために含有させる重要な元素である。この効果を発揮させるため、本実施形態においてAlの含有量は0.03%以上である。一方、破壊起点となり靱性を低下させる粗大なアルミ系酸化物の生成を抑制するという観点から、本実施形態ではAlの含有量は0.100%以下である。
(Al: 0.03% or more, 0.100% or less)
Al is an important deoxidizing element, and when B is added, it forms AlN to fix N, thereby suppressing the precipitation of BN, and is an important element to be contained in order to ensure solute B that is effective for the hardenability of steel. In order to exert this effect, the Al content is 0.03% or more in this embodiment. On the other hand, from the viewpoint of suppressing the generation of coarse aluminum-based oxides that become fracture initiation points and reduce toughness, the Al content is 0.100% or less in this embodiment.
(N:0.0060%以下)
Nは、不純物であり、粗大な窒化物は、母材及び大入熱HAZの靭性を低下させる。粗大な窒化物の形成を防止し、靱性を確保するという観点から、本実施形態では、Nの含有量が0.0060%以下である。また、Bを添加する際は、N量の過剰な増加はBNを生成して焼入れ性向上に寄与する固溶Bを大幅に低下させるおそれもある。そのためNの含有量は少ないほうが望ましいが、製造コストの観点から、Nの含有量は0.0001%以上であってもよい。
(N: 0.0060% or less)
N is an impurity, and coarse nitrides reduce the toughness of the base material and the high heat input HAZ. From the viewpoint of preventing the formation of coarse nitrides and ensuring toughness, the content of N is 0.0060% or less in this embodiment. In addition, when adding B, an excessive increase in the amount of N may significantly reduce the amount of solute B that generates BN and contributes to improving hardenability. Therefore, a small content of N is preferable, but from the viewpoint of manufacturing costs, the content of N may be 0.0001% or more.
(O:0.0060%以下)
Oは、不純物であり、粗大なアルミ系酸化物が大入熱HAZのミクロ偏析部に重畳して存在すると、破壊起点として作用し極めて低い靱性を示す。そのため、本実施形態ではOの含有量は0.0060%以下である。Oの含有量は少ない方が望ましく、0%であってもよいが、製造コストの観点から、本実施形態では、Oの含有量は0.0001%以上であってもよい。
(O: 0.0060% or less)
O is an impurity, and when coarse aluminum-based oxides are present overlapping with the microsegregation portion of the high heat-input HAZ, they act as fracture origins and exhibit extremely low toughness. Therefore, in this embodiment, the content of O is 0.0060% or less. A small content of O is preferable, and it may be 0%, but from the viewpoint of manufacturing costs, in this embodiment, the content of O may be 0.0001% or more.
(炭素当量CeqWES:0.600%以上、0.900%以下)
炭素当量CeqWESは、鋼板(母材)の強度及びHAZの結晶粒径に大きな影響を及ぼす。HAZでの焼入れ性を確保し、結晶粒を細粒化させるため、本実施形態において炭素当量CeqWESは0.600%以上である。一方、炭素当量CeqWESが0.900%を超えるとHAZがマルテンサイトとなり、靱性が低下する。そのため、本実施形態においてCeqWESは0.900%以下である。なお、炭素当量CeqWESは、合金元素の含有量によって下記の(4)式で計算される。
(Carbon equivalent CeqWES: 0.600% or more, 0.900% or less)
The carbon equivalent CeqWES has a large effect on the strength of the steel plate (base material) and the grain size of the HAZ. In order to ensure the hardenability in the HAZ and to refine the grains, the carbon equivalent CeqWES is 0.600% or more in this embodiment. On the other hand, if the carbon equivalent CeqWES exceeds 0.900%, the HAZ becomes martensite and the toughness decreases. Therefore, in this embodiment, CeqWES is 0.900% or less. The carbon equivalent CeqWES is calculated according to the following formula (4) depending on the content of the alloy elements.
CeqWES=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(4)
ここで、式(4)中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Vは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、後述する選択元素Cr、Mo、Vを含有しない場合は各項に0を代入する。
CeqWES=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ... (4)
Here, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, and V in formula (4) are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and when the selective elements Cr, Mo, and V described later are not contained, 0 is substituted for each term.
(炭素当量CeqIIW:0.750%以上、1.100%以下)
炭素当量CeqIIWは、鋼板(母材)の強度及びHAZの結晶粒径に大きな影響を及ぼす。HAZでの焼入れ性を確保し、かつ、結晶粒を細粒化させるため、本実施形態において炭素当量CeqIIWは0.750%以上である。一方、炭素当量CeqIIWが1.100%を超えるとHAZがマルテンサイトとなり、靱性が低下する。そのため、本実施形態においてCeqIIWは1.100%以下である。炭素当量CeqIIWは、合金元素の含有量によって下記の(5)式で計算される。
(Carbon equivalent CeqIIW: 0.750% or more, 1.100% or less)
The carbon equivalent CeqIIW has a large effect on the strength of the steel plate (base material) and the grain size of the HAZ. In order to ensure the hardenability in the HAZ and to refine the grains, the carbon equivalent CeqIIW is 0.750% or more in this embodiment. On the other hand, if the carbon equivalent CeqIIW exceeds 1.100%, the HAZ becomes martensite and the toughness decreases. Therefore, in this embodiment, CeqIIW is 1.100% or less. The carbon equivalent CeqIIW is calculated by the following formula (5) depending on the content of the alloy elements.
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(5)
ここで、式(5)中のC、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、Vは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、後述する選択元素Cr、Mo、Vを含有しない場合は各項に0を代入する。
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 ... (5)
Here, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, and V in formula (5) are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and when the selective elements Cr, Mo, and V described later are not contained, 0 is substituted for each term.
(焼入れ倍数DI:17インチ以上、35インチ以下)
焼入れ倍数DIは、鋼板(母材)の強度及びHAZの結晶粒径に大きな影響を及ぼす。
HAZでの焼入れ性を確保し、結晶粒を細粒化させるため、焼入れ倍数DIを17インチ以上とする。一方、焼入れ倍数DIが35インチを超えるとHAZがマルテンサイトとなり、靱性が低下するので、35インチ以下とする。焼入れ倍数DIは、合金元素の含有量によって下記の(6)式で計算される。
(Hardening factor DI: 17 inches or more, 35 inches or less)
The quenching multiple DI has a significant effect on the strength of the steel plate (base material) and the grain size of the HAZ.
In order to ensure the hardenability of the HAZ and to refine the crystal grains, the hardening factor DI is set to 17 inches or more. On the other hand, if the hardening factor DI exceeds 35 inches, the HAZ becomes martensite and the toughness decreases, so the hardening factor DI is set to 35 inches or less. The hardening factor DI is calculated according to the following formula (6) depending on the content of the alloy elements.
DI(inch)=0.5×fB×C0.5× (1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(6)
ここで、上記(6)式中、B含有量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、B含有量が0.0004%超0.0050%以下のときfB=1.3とする。
DI (inch) = 0.5 × fB × C 0.5 × (1 + 0.64 × Si) × (1 + 4.1 × Mn) × (1 + 0.27 × Cu) × (1 + 0.52 × Ni) × (1 + 2.33 × Cr) × (1 + 3.14 × Mo) ... (6)
In the above formula (6), when the B content is 0.0004% or less, fB = 1.0, and when the B content is more than 0.0004% and 0.0050% or less, fB = 1.3.
本実施形態に係る高強度鋼板の化学成分の残部は、鉄(Fe)及び不純物である。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分であって、本実施形態に係る鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。ただし、不純物のうち、P、S、O及びNについては上述のように上限値を制限する必要がある。また、好ましくは、Pについては上述のように下限値を制限してもよい。 The remainder of the chemical components of the high-strength steel plate according to this embodiment are iron (Fe) and impurities. Impurities refer to components that are mixed in due to raw materials such as ores and scraps and other factors during industrial production of steel, and are acceptable within a range that does not adversely affect the steel according to this embodiment. However, among the impurities, the upper limits of P, S, O, and N must be restricted as described above. Also, preferably, the lower limit of P may be restricted as described above.
本実施形態の高強度鋼板には、鋼板(母材)の強度や靭性を向上させるため、必要に応じて、下記に示す選択元素Cu、Cr、Mo、W、Nb、V、Ti、Bの1種又は2種以上を含有させてもよい。 The high-strength steel plate of this embodiment may contain one or more of the optional elements Cu, Cr, Mo, W, Nb, V, Ti, and B shown below, as necessary to improve the strength and toughness of the steel plate (base material).
(Cu:0%以上、2.0%以下)
Cuは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Cuの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Cuは、溶接性やHAZの靱性に対する悪影響が小さく、母材の強度や靱性を向上させる元素でもある。
そのため、本実施形態では、Cuの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、鋼板の熱間圧延時におけるCuクラックの発生抑制、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Cuの含有量は2.0%以下である。
(Cu: 0% or more, 2.0% or less)
Cu is an element that may be mixed into a steel sheet as an impurity from scrap or the like. However, the lower limit of the Cu content is not particularly limited and may be 0%. Cu also has a small adverse effect on weldability and HAZ toughness, and is an element that improves the strength and toughness of the base material.
Therefore, in this embodiment, the Cu content may be 0.1% or more. However, from the viewpoint of suppressing the occurrence of Cu cracks during hot rolling of the steel sheet and suppressing the deterioration of the toughness and weldability of the large heat input HAZ, the Cu content is 2.0% or less in this embodiment.
(Cr:0%以上、2.0%以下)
Crは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Crの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Crは、母材の強度を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Crの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Crの含有量は2.0%以下である。
(Cr: 0% or more, 2.0% or less)
Cr is an element that may be mixed into a steel sheet as an impurity from scrap or the like. However, the lower limit of the Cr content is not particularly limited and may be 0%. Cr is also an element that improves the strength of the base material. Therefore, in this embodiment, the Cr content may be 0.1% or more. However, from the viewpoint of suppressing deterioration of the toughness and weldability of the high heat input HAZ, in this embodiment, the Cr content is 2.0% or less.
(Mo:0%以上、2.0%以下)
Moは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Moの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Moは、母材の強度及び靱性を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態ではMoの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制、合金コストの上昇抑制の観点から、本実施形態では、Moの含有量は2.0%以下である。
(Mo: 0% or more, 2.0% or less)
Mo is an element that may be mixed into the steel plate as an impurity from scrap or the like. However, the lower limit of the Mo content is not particularly limited and may be 0%. Mo is also an element that improves the strength and toughness of the base material. Therefore, in this embodiment, the Mo content may be 0.1% or more. However, from the viewpoint of suppressing deterioration of the toughness and weldability of the large heat input HAZ and suppressing an increase in the alloy cost, in this embodiment, the Mo content is 2.0% or less.
(Nb:0%以上、0.03%以下)
Nbは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Nbの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Nbは、母材の強度、靱性を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Nbの含有量は0.003%以上であってもよく、0.005%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Nbの含有量は0.03%以下である。好ましくは、Nbの含有量は0.02%以下であり、より好ましくは0.01%以下である。
(Nb: 0% or more, 0.03% or less)
Nb is an element that may be mixed into the steel plate as an impurity from scrap or the like. However, the lower limit of the Nb content is not particularly limited and may be 0%. Nb is also an element that improves the strength and toughness of the base material. Therefore, in this embodiment, the Nb content may be 0.003% or more, or may be 0.005% or more. However, from the viewpoint of suppressing deterioration of the toughness and weldability of the large heat input HAZ, in this embodiment, the Nb content is 0.03% or less. Preferably, the Nb content is 0.02% or less, more preferably 0.01% or less.
(V:0%以上、0.10%以下)
Vは、スクラップ等から不純物として混入する場合がある元素である。しかし、Vの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Vは、母材の強度を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Vの含有量は0.005%以上であってもよく、0.001%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Vの含有量は0.10%以下である。好ましくは、Vの含有量は0.08%以下であり、より好ましくは0.06%以下である。
(V: 0% or more, 0.10% or less)
V is an element that may be mixed in as an impurity from scrap or the like. However, the lower limit of the V content is not particularly limited and may be 0%. V is also an element that improves the strength of the base metal. Therefore, in this embodiment, the V content may be 0.005% or more, or may be 0.001% or more. However, from the viewpoint of suppressing deterioration of the toughness and weldability of the large heat input HAZ, in this embodiment, the V content is 0.10% or less. Preferably, the V content is 0.08% or less, more preferably 0.06% or less.
(W:0%以上、1.0%以下)
Wは、スクラップ等から不純物として混入する場合がある元素である。しかし、Wの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Wは、母材の強度及び靱性を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Wの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制、合金コストの上昇抑制の観点から、本実施形態では、Wの含有量は1.0%以下である。好ましくは、Wの含有量は0.5%以下である。
(W: 0% or more, 1.0% or less)
W is an element that may be mixed in as an impurity from scrap or the like. However, the lower limit of the W content is not particularly limited and may be 0%. W is also an element that improves the strength and toughness of the base material. Therefore, in this embodiment, the W content may be 0.1% or more. However, from the viewpoint of suppressing deterioration of the toughness and weldability of the large heat input HAZ and suppressing an increase in alloy costs, in this embodiment, the W content is 1.0% or less. Preferably, the W content is 0.5% or less.
(Ti:0%以上、0.020%以下)
Tiは、母材の強度上昇や細粒化に有効な元素である。そのため、本実施形態ではTiの含有量は0.003%以上であってもよく、0.005%以上であってもよい。一方、Tiを添加しなくてもよいので、Tiの含有量は0%であってもよい。ただし、粗大なTiNが靱性に悪影響を及ぼすことを抑制する観点から、本実施形態ではTiの含有量は0.020%以下である。
(Ti: 0% or more, 0.020% or less)
Ti is an element effective for increasing the strength of the base material and for refining the grains. Therefore, in this embodiment, the Ti content may be 0.003% or more, or 0.005% or more. On the other hand, since Ti does not need to be added, the Ti content may be 0%. However, from the viewpoint of suppressing the adverse effect of coarse TiN on toughness, the Ti content is 0.020% or less in this embodiment.
(B:0%以上、0.0050%以下)
Bは、炭素当量Ceqを制限しつつ、鋼の焼入れ性を確保するために含有させる重要な元素である。Bは、微量の含有であっても鋼の焼入れ性を顕著に向上させる元素であり、その効果を発揮させるために、Bの含有量は0.0003%以上であってもよく、0.0004%以上であってもよい。一方、と大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化を抑制する観点から、本実施形態ではBの含有量は0.0050%以下である。
(B: 0% or more, 0.0050% or less)
B is an important element contained in order to ensure the hardenability of steel while limiting the carbon equivalent Ceq. Even a small amount of B significantly improves the hardenability of steel, and in order to exert this effect, the content of B may be 0.0003% or more, or may be 0.0004% or more. On the other hand, from the viewpoint of suppressing deterioration of the toughness and weldability of the high heat input HAZ, the content of B in this embodiment is 0.0050% or less.
さらに、本実施形態の高強度鋼板には、介在物の形態を制御するため、必要に応じて、下記に示す選択元素Mg、Ca、REM、Zrの1種又は2種以上を含有させてもよい。 Furthermore, in order to control the morphology of inclusions, the high-strength steel plate of this embodiment may contain one or more of the optional elements Mg, Ca, REM, and Zr shown below, as necessary.
(Ca:0%以上、0.005%以下)
Caは、酸化物や硫化物、酸硫化物を形成して粗大介在物の生成を抑制し、母材及びHAZの靱性を高める元素である。そのため、本実施形態ではCaの含有量は0.0001%以上であってもよく、0.0005%以上であってもよい。ただし、脆性破壊の発生起点として作用する恐れがあるCa系介在物の増加を抑制するという観点から、本実施形態ではCaの含有量は0.005%以下である。好ましくは、Caの含有量は0.004%以下である。なお、Caの含有量は0%であってもよい。
(Ca: 0% or more, 0.005% or less)
Ca is an element that forms oxides, sulfides, and oxysulfides to suppress the generation of coarse inclusions and improve the toughness of the base material and HAZ. Therefore, in this embodiment, the Ca content may be 0.0001% or more, or may be 0.0005% or more. However, from the viewpoint of suppressing an increase in Ca-based inclusions that may act as the initiation point of brittle fracture, the Ca content is 0.005% or less in this embodiment. Preferably, the Ca content is 0.004% or less. The Ca content may be 0%.
(Mg:0%以上、0.005%以下)
Mgは、Caと同様に酸化物や硫化物、酸硫化物を形成して粗大介在物の生成を抑制し、母材及びHAZの靱性を高める元素である。そのため、本実施形態ではMgの含有量は0.0001%以上であってもよく、0.0005%以上であってもよい。ただし、脆性破壊の発生起点として作用する恐れがあるMg系介在物の増加を抑制する観点から、Mgの含有量は0.005%以下である。
好ましくは、Mgの含有量は0.003%以下である。なお、Mgの含有量は0%であってもよい。
(Mg: 0% or more, 0.005% or less)
Mg is an element that, like Ca, forms oxides, sulfides, and oxysulfides to suppress the generation of coarse inclusions and improve the toughness of the base material and HAZ. Therefore, in this embodiment, the Mg content may be 0.0001% or more, or may be 0.0005% or more. However, from the viewpoint of suppressing an increase in Mg-based inclusions that may act as the initiation point of brittle fracture, the Mg content is 0.005% or less.
The Mg content is preferably 0.003% or less. The Mg content may be 0%.
(REM:0%以上、0.005%以下)
REM(希土類元素)とは、Sc、Yの2元素と、La、CeやNdなどのランタノイド15元素の総称を意味する。本実施形態でいうREMとは、これら希土類元素から選択される1種以上で構成されるものであり、以下に説明するREMの含有量とは、希土類元素の含有量の合計量である。
(REM: 0% or more, 0.005% or less)
REM (rare earth element) is a general term for two elements, Sc and Y, and 15 lanthanoid elements, such as La, Ce, and Nd. In this embodiment, REM is composed of one or more elements selected from these rare earth elements, and the content of REM described below is the total content of the rare earth elements.
REMは、CaやMgと同様に、酸化物、硫化物、酸硫化物を形成して粗大介在物の生成を抑制し、母材及びHAZの靱性を高める元素である。そのため、本実施形態ではREMの含有量は0.0001%以上であってもよく、0.0005%以上であってもよい。ただし、脆性破壊の発生起点として作用する恐れがあるREM系介在物の増加を抑制する観点から、本実施形態ではREMの含有量は0.005%以下である。好ましくは、REMの含有量は0.003%以下である。なお、REMの含有量は0%であってもよい。 Like Ca and Mg, REM is an element that forms oxides, sulfides, and oxysulfides to suppress the generation of coarse inclusions and increase the toughness of the base material and HAZ. Therefore, in this embodiment, the REM content may be 0.0001% or more, or may be 0.0005% or more. However, from the viewpoint of suppressing an increase in REM-based inclusions that may act as the initiation point of brittle fracture, in this embodiment, the REM content is 0.005% or less. Preferably, the REM content is 0.003% or less. The REM content may be 0%.
(Zr:0%以上、0.005%以下)
Zrは、CaやMgやREMと同様に、酸化物、硫化物、酸硫化物を形成して粗大介在物の生成を抑制し、母材及びHAZの靱性を高める元素である。そのため、本実施形態ではZrの含有量は0.0001%以上であってもよく、0.0005%以上であってもよい。ただし、脆性破壊の発生起点として作用する恐れがあるZr系介在物の増加を抑制する観点から、本実施形態ではZrの含有量は0.005%以下である。好ましくは、Zrの含有量は0.003%以下である。
なお、Zrの含有量は0%であってもよい。
(Zr: 0% or more, 0.005% or less)
Zr, like Ca, Mg, and REM, is an element that forms oxides, sulfides, and oxysulfides to suppress the generation of coarse inclusions and improve the toughness of the base material and HAZ. Therefore, in this embodiment, the Zr content may be 0.0001% or more, or may be 0.0005% or more. However, from the viewpoint of suppressing an increase in Zr-based inclusions that may act as the initiation point of brittle fracture, the Zr content is 0.005% or less in this embodiment. Preferably, the Zr content is 0.003% or less.
The Zr content may be 0%.
(板厚t:40mm以上、100mm以下)
(降伏強度:630MPa以上、750MPa以下)
(引張強さ:780~930MPa)
(降伏比:85%以下)
本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、特に、高強度で厚手の厚鋼板が必要とされる用途に好適で、特に、溶接施工能率の高い大入熱溶接が施された際に、HAZ靭性の要求レベルが高い用途に好適である。具体的には、高層ビルなどに用いられる建築鉄骨用の四面ボックス柱など、ダイヤフラム溶接HAZ(エレクトロスラグ溶接HAZ)の靱性が要求される高強度厚鋼板に好適である。
(Thickness t: 40mm or more, 100mm or less)
(Yield strength: 630 MPa or more, 750 MPa or less)
(Tensile strength: 780 to 930 MPa)
(Yield ratio: 85% or less)
The high-strength steel plate for large heat input welding according to the present embodiment is particularly suitable for applications requiring high-strength and thick steel plate, particularly for applications requiring a high level of HAZ toughness when large heat input welding with high welding efficiency is performed. Specifically, the high-strength steel plate is suitable for high-strength thick steel plate requiring toughness of diaphragm welding HAZ (electroslag welding HAZ), such as four-sided box columns for architectural steel frames used in high-rise buildings.
建築物の大型化、建造の高能率化、安全性の向上に伴い、溶接構造物用の厚鋼板に対する要求が高度化している。そのため、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、強度の観点から、板厚は40~100mm、降伏強度は630~750MPaであることが好ましい。また、引張強さは780~930MPaであることが好ましい。また、加工性の観点から、降伏比は85%以下であることが好ましい。 As buildings become larger, construction becomes more efficient, and safety is improved, the requirements for thick steel plates for welded structures are becoming more stringent. Therefore, from the viewpoint of strength, the high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment preferably has a plate thickness of 40 to 100 mm and a yield strength of 630 to 750 MPa. In addition, the tensile strength is preferably 780 to 930 MPa. In addition, from the viewpoint of workability, the yield ratio is preferably 85% or less.
更に、建造の高能率化、地震時の破壊に対する安全性向上の観点から、大入熱溶接部のHAZにおけるシャルピー吸収エネルギー(試験温度0℃)の平均値が100J以上であることが好ましい。また、大入熱溶接部のHAZにおけるシャルピー吸収エネルギー(試験温度-20℃)の平均値は27J以上であってもよく、40J以上であってもよい。更に、大入熱溶接部のHAZにおける破面遷移温度(vTrs)が0℃以下であることがより好ましい。大入熱溶接とは、例えば、エレクトロスラグ溶接やサブマージアーク溶接が挙げられる。 Furthermore, from the viewpoint of increasing the efficiency of construction and improving safety against destruction during earthquakes, it is preferable that the average value of the Charpy absorbed energy (test temperature 0°C) in the HAZ of high heat input welds is 100 J or more. The average value of the Charpy absorbed energy (test temperature -20°C) in the HAZ of high heat input welds may be 27 J or more, or may be 40 J or more. Furthermore, it is more preferable that the fracture transition temperature (vTrs) in the HAZ of high heat input welds is 0°C or less. Examples of high heat input welding include electroslag welding and submerged arc welding.
本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、鋼板表面を起点として深さ方向に3mmまでの領域(表層領域と呼称する場合がある)において、ビッカース硬度の最大値Hvsが320以下であることが好ましい。表層領域のビッカース硬度の最大値Hvsが320超である場合、曲げ応力や引張応力が加わった際に亀裂が生じ易くなるためである。
また、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、ビッカース硬度の最大値Hvsと鋼板1/4厚位置におけるビッカース硬度Hvqとの差ΔHvが70以下であることが好ましい。
In the high-strength steel plate for large heat-input welding according to this embodiment, in a region extending from the steel plate surface to a depth of 3 mm (sometimes referred to as a surface layer region), the maximum Vickers hardness Hvs is preferably 320 or less. This is because if the maximum Vickers hardness Hvs of the surface layer region exceeds 320, cracks are likely to occur when bending stress or tensile stress is applied.
In addition, in the high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment, it is preferable that the difference ΔHv between the maximum Vickers hardness Hvs and the Vickers hardness Hvq at the 1/4 thickness position of the steel plate is 70 or less.
次に、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板の製造方法を説明する。 Next, we will explain the manufacturing method for high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment.
本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、鋼を溶製し、鋳造して鋼片を製造し、得られた鋼片に熱間圧延を施して製造される。鋼片の製造方法は限定されず、公知の方法で製造すればよい。例えば、鋼片は、転炉、電気炉等の通常の精錬プロセスで溶製した後、連続鋳造法、造塊-分塊法等の公知の方法で製造される。鋼片は、熱間圧延を施された後、そのまま水冷等の制御冷却を施されるか、又は空冷された後、熱処理を施されてもよい。また、鋼片は、鋼の溶製及び鋳造によって製造された後、そのまま熱間圧延を施されてもよい。ただし、後述するように、鋼片は、好ましくは、鋳造後に冷却され、Ac3以上の温度に再加熱されて、熱間圧延を施される。 The high-strength steel plate for large heat input welding according to the present embodiment is manufactured by melting steel, casting the steel to produce a steel slab, and hot rolling the obtained steel slab. The method for manufacturing the steel slab is not limited, and the steel slab may be manufactured by a known method. For example, the steel slab is melted by a normal refining process such as a converter or an electric furnace, and then manufactured by a known method such as a continuous casting method or an ingot-blooming method. After hot rolling, the steel slab may be directly subjected to controlled cooling such as water cooling, or may be air-cooled and then heat treated. In addition, the steel slab may be directly subjected to hot rolling after being manufactured by melting and casting the steel. However, as described later, the steel slab is preferably cooled after casting, reheated to a temperature of Ac 3 or higher, and hot rolled.
以下、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板の好ましい製造条件について説明する。 The following describes the preferred manufacturing conditions for the high-strength steel plate for high heat input welding according to this embodiment.
上述した化学成分から構成され、連続鋳造法によって製造された厚み200mm以上の鋼片は、一旦、400℃以下に冷却される。その後、鋼片は、900℃以上1250℃以下の温度域に加熱され、熱間圧延を施されて、板厚が40mm以上、100mm以下の鋼板が製造される。鋼板は、必要に応じて各種の熱処理が施される。 A steel slab with a thickness of 200 mm or more, which is made from the above-mentioned chemical components and produced by the continuous casting method, is first cooled to 400°C or less. The steel slab is then heated to a temperature range of 900°C to 1250°C and hot-rolled to produce a steel plate with a thickness of 40 mm or more and 100 mm or less. The steel plate is subjected to various heat treatments as necessary.
連続鋳造後の鋼片は、400℃以下に冷却せずにホットチャージで加熱炉に装入されると、鋳造時に生成した粗大なγ組織が加熱後の鋼片にも残存し、鋼板の組織が十分に微細化せず低温靱性が劣化する場合がある。そのため、連続鋳造後の鋼片は、一旦、400℃以下まで冷却されることが好ましい。 If the steel slab after continuous casting is hot-charged into a heating furnace without being cooled to below 400°C, the coarse gamma structure formed during casting will remain in the steel slab after heating, and the structure of the steel plate may not be sufficiently refined, resulting in a deterioration of low-temperature toughness. For this reason, it is preferable to once cool the steel slab after continuous casting to below 400°C.
鋼片の加熱温度は、鋳造後の鋼片に析出したBNを溶体化するために、好ましくは900℃以上である。加熱された鋼片中のNは、熱間圧延時にAlNとして固定され、BNの生成が抑制される。その結果、鋼板において、鋼の焼入れ性を向上させる固溶Bが十分に確保される。一方、鋼片の加熱温度は、γ粒の粗大化を抑制して、熱間圧延後の金属組織を微細化させて、低温靱性の劣化を抑制するという観点から、1250℃以下であることが好ましい。加熱温度は、より好ましくは1200℃以下である。 The heating temperature of the steel slab is preferably 900°C or higher in order to bring the BN precipitated in the steel slab after casting into solution. The N in the heated steel slab is fixed as AlN during hot rolling, suppressing the formation of BN. As a result, the steel plate is provided with sufficient dissolved B, which improves the hardenability of the steel. On the other hand, the heating temperature of the steel slab is preferably 1250°C or lower from the viewpoint of suppressing the coarsening of γ grains, refining the metal structure after hot rolling, and suppressing the deterioration of low-temperature toughness. The heating temperature is more preferably 1200°C or lower.
なお、熱間圧延後に直接焼入れする場合は、熱間圧延の終了温度(仕上げ温度)は、オーステナイト(γ)単相域、すなわちフェライト変態が開始するAr3変態点以上であることが好ましい。熱間圧延の終了温度は、さらに好ましくは750℃以上、900℃以下である。Ar3変態点(℃)は以下の(7)式によって求めることができる。 In addition, when quenching is performed directly after hot rolling, the end temperature of the hot rolling (finishing temperature) is preferably the austenite (γ) single phase region, i.e., the Ar3 transformation point at which ferrite transformation starts, or higher. The end temperature of the hot rolling is more preferably 750°C or higher and 900°C or lower. The Ar3 transformation point (°C) can be calculated by the following formula (7).
Ar3変態点(℃)=868-396×C+24.6×Si-68.1×Mn-36.1×Ni-20.7×Cu-24.8×Cr+29.1×Mo …(7) Ar3 transformation point (°C) = 868-396 x C + 24.6 x Si-68.1 x Mn-36.1 x Ni-20.7 x Cu-24.8 x Cr + 29.1 x Mo ... (7)
ここで、上記(7)式中のC、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Moは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。 Here, C, Si, Mn, Ni, Cu, Cr, and Mo in the above formula (7) are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and 0 is substituted for the terms of elements that are not contained.
熱間圧延後、空冷あるいは直接焼入れを行い、各種の熱処理を施すことで母材の材質を造り込む。熱間圧延後に空冷する場合は、その後にγ単相域まで再加熱して焼入れし、このときにBの焼入れ効果を発揮させる。一方、熱間圧延後に直接焼入れする場合は、上記のとおり、熱間圧延をγ単相域で終え、引き続く水冷でBの焼入れ効果を発揮させる。このとき、熱間圧延終了時に鋼板の表層部の温度がγ/フェライト(α)の二相域であっても、板厚内部の温度がγ単相域であれば問題はない。 After hot rolling, the steel plate is air-cooled or directly quenched, and various heat treatments are then performed to develop the properties of the base material. If air-cooling is performed after hot rolling, it is then reheated to the gamma single-phase region and quenched, at which point the quenching effect of B is exerted. On the other hand, if quenching is performed directly after hot rolling, as described above, hot rolling is completed in the gamma single-phase region, and the subsequent water cooling exerts the quenching effect of B. In this case, even if the temperature of the surface layer of the steel plate is in the gamma/ferrite (α) two-phase region at the end of hot rolling, there is no problem as long as the temperature inside the plate is in the gamma single-phase region.
これらの焼入れ処理が施された鋼板は、安定的に低い降伏比を得るために、γとフェライト(α)とが共存する二相域への再加熱とこれに続く焼入れ(二相域熱焼入れ)が施される場合がある。ここで二相域とはAc1変態点以上Ac3変態点未満であり、Ac1変態点及びAc3変態点は、それぞれ、以下の(8)式及び(9)式によって求めることができる。 In order to stably obtain a low yield ratio, the steel plate subjected to these quenching treatments may be reheated to a two-phase region where γ and ferrite (α) coexist, followed by quenching (two-phase region quenching). Here, the two-phase region is equal to or higher than the Ac 1 transformation point and lower than the Ac 3 transformation point, and the Ac 1 transformation point and the Ac 3 transformation point can be calculated by the following formulas (8) and (9), respectively.
Ac1変態点(℃)=723+29.1Si-10.7Mn-16.9Ni+6.38W+16.9Cr …(8)
Ac3変態点(℃)=910-203√C+44.7Si-30Mn-400Al-15.2Ni+104V+31.5Mo+13.1W+11Cr+20Cu-700P-400Ti …(9)
ここで、上記(8)式及び(9)式中のSi、Mn、Ni、W、Cr、C、Al、V、Mo、Cu、P、Tiは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。
Ac 1 transformation point (°C) = 723 + 29.1Si - 10.7Mn - 16.9Ni + 6.38W + 16.9Cr ... (8)
Ac 3 transformation point (°C) = 910 - 203√C + 44.7Si - 30Mn - 400Al - 15.2Ni + 104V + 31.5Mo + 13.1W + 11Cr + 20Cu - 700P - 400Ti ... (9)
Here, in the above formulas (8) and (9), Si, Mn, Ni, W, Cr, C, Al, V, Mo, Cu, P, and Ti are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and 0 is substituted for the terms of elements that are not contained.
さらに、鋼板の強度、降伏比、靱性を最終的に調整するために、鋼板には焼戻しが施される場合がある。焼戻しを実施する場合には、焼戻し温度を350~600℃とすることが好ましい。 Furthermore, the steel plate may be tempered to finally adjust the strength, yield ratio, and toughness of the steel plate. When tempering is performed, it is preferable to set the tempering temperature to 350 to 600°C.
ここで、上述した熱間圧延の仕上げ温度、焼入れ温度、二相域焼入れ温度、および焼戻し温度はすべて、板厚方向中心部(板厚内部)での温度を指す。板厚内部の温度は、放射温度計で測定した鋼板表面の温度から、伝熱計算によって求めることができる。 Here, the hot rolling finishing temperature, quenching temperature, two-phase quenching temperature, and tempering temperature mentioned above all refer to the temperature at the center in the plate thickness direction (inside the plate thickness). The temperature inside the plate thickness can be calculated by heat transfer calculations from the temperature of the steel plate surface measured with a radiation thermometer.
以上の製法によって本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板を製造することができる。 The above manufacturing method allows the production of high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment.
本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板によれば、エレクトロスラグ溶接やサブマージアーク溶接など、溶接入熱量が50kJ/mmを超えるような大入熱溶接を施しても良好なHAZ靭性を確保することができる。 The high-strength steel plate for high heat input welding according to this embodiment can ensure good HAZ toughness even when high heat input welding, such as electroslag welding or submerged arc welding, is performed in which the welding heat input exceeds 50 kJ/mm.
また、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、好ましくは、降伏強度が630MPa以上、大入熱溶接部(例えば、エレクトロスラグ溶接部)のHAZにおけるシャルピー吸収エネルギー(試験温度0℃)の平均値が100J以上である高強度鋼板を安定して供給できる。そのため、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は建築鉄骨に好適であり、建築物の高層化や大スパン化の進行を促進させることができる上、さらに建設効率と耐震安全性を高めることができる。 In addition, the high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment can be stably supplied, preferably having a yield strength of 630 MPa or more and an average Charpy absorbed energy (test temperature 0°C) of 100 J or more in the HAZ of a large heat input weld (e.g., an electroslag weld). Therefore, the high-strength steel plate for large heat input welding according to this embodiment is suitable for architectural steel frames, and can promote the progress of taller and larger span buildings, as well as improve construction efficiency and seismic safety.
以下に本発明の実施例を示す。ただし、以下に示す実施例は本発明の一例であり、本発明は以下に説明する実施例に制限されるものではない。 The following is an example of the present invention. However, the following example is merely an example of the present invention, and the present invention is not limited to the example described below.
転炉による鋼の溶製、連続鋳造によって製造された鋼片の厚さは300mmである。なお、鋼片は、連続鋳造後、室温まで冷却されており、1000℃以上、1200℃以下の温度範囲内に再加熱され、熱間圧延が施された。なお、熱間圧延の仕上げ温度は700℃以上、900℃以下である。 The thickness of the steel slab produced by melting steel in a converter and continuous casting is 300 mm. After continuous casting, the steel slab is cooled to room temperature, reheated to a temperature range of 1000°C to 1200°C, and hot rolled. The finishing temperature for hot rolling is 700°C to 900°C.
次に、熱間圧延後の鋼板は、表2-1に示す条件にて熱処理が施された。表2-1において、「焼入れ温度」とは空冷後にγ単相域(Ac3変態点以上)まで再加熱して焼入れした場合の焼入れ温度であり、「二相域焼入れ温度」とは、水冷もしくはγ単相域まで再加熱して焼入れした後に、γ/α2相域(Ac1変態点以上Ac3変態点未満)まで再加熱して焼入れした場合の焼入れ温度を示す。 Next, the hot-rolled steel sheets were subjected to heat treatment under the conditions shown in Table 2-1. In Table 2-1, "quenching temperature" refers to the quenching temperature when the steel sheets are air-cooled, reheated to the γ single-phase region (at least the Ac3 transformation point), and quenched, and "two-phase region quenching temperature" refers to the quenching temperature when the steel sheets are water-cooled or reheated to the γ single-phase region, quenched, and then reheated to the γ/α2 phase region (at least the Ac1 transformation point and less than the Ac3 transformation point).
このようにして製造された厚鋼板から試料が採取され、化学分析が行われた。各厚鋼板の化学成分は表1-1及び表1-2に示されており、板厚は表2-1に示されている。なお、表1-2中に示す炭素当量CeqWES、CeqIIW、DIは、それぞれ下記(10)式、(11)式、(12)式により求めた。 Samples were taken from the steel plates manufactured in this way and chemical analysis was performed. The chemical composition of each steel plate is shown in Table 1-1 and Table 1-2, and the plate thickness is shown in Table 2-1. The carbon equivalents CeqWES, CeqIIW, and DI shown in Table 1-2 were calculated using the following formulas (10), (11), and (12), respectively.
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(10) CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(10)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(11) CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(11)
DI(inch)=0.5×fB×C0.5×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(12) DI (inch) = 0.5 × fB × C 0.5 × (1 + 0.64 × Si) × (1 + 4.1 × Mn) × (1 + 0.27 × Cu) × (1 + 0.52 × Ni) × (1 + 2.33 × Cr) × (1 + 3.14 × Mo) ... (12)
ここで、上記(10)~(12)式中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Cuは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。Bの含有量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、Bの含有量が0.0004%超0.0050%以下のときはfB=1.3とする。 Here, in the above formulas (10) to (12), C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, and Cu are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and 0 is substituted for the terms of elements that are not contained. When the B content is 0.0004% or less, fB = 1.0, and when the B content is more than 0.0004% and 0.0050% or less, fB = 1.3.
<母材の機械的性質>
母材の機械特性の評価、すなわち、引張試験及びシャルピー衝撃試験に用いた試験片は、厚鋼板の板厚の1/4の位置から採取された。
<Mechanical properties of base material>
The test pieces used for evaluation of the mechanical properties of the base material, i.e., the tensile test and the Charpy impact test, were taken from a position corresponding to 1/4 of the plate thickness of the thick steel plate.
引張試験は、JIS Z 2241:2011に準拠し、2本の試験片を用いて行われた。YS(0.2%降伏強度)及びTS(引張強度)は、それぞれ、2本の試験片の平均値である。YR(降伏比)は、TSに対するYSの割合であり、百分率、すなわち、100×(YS/TS)で表される。YR(降伏比)の単位は%である。 The tensile test was performed using two test pieces in accordance with JIS Z 2241:2011. YS (0.2% yield strength) and TS (tensile strength) are the average values of two test pieces. YR (yield ratio) is the ratio of YS to TS, and is expressed as a percentage, i.e., 100 x (YS/TS). The unit of YR (yield ratio) is %.
シャルピー衝撃試験は、JIS Z 2242:2018に準拠し、3本のVノッチ試験片を用いて行われ、吸収エネルギーが測定された。試験温度は0℃である。得られた3本の吸収エネルギーの平均値(相加平均)を、母材の吸収エネルギー(vE0)とした。 The Charpy impact test was conducted in accordance with JIS Z 2242:2018 using three V-notch test pieces, and the absorbed energy was measured. The test temperature was 0°C. The average (arithmetic mean) of the absorbed energies obtained for the three pieces was taken as the absorbed energy of the base material (vE0).
表層硬度Hvsは、鋼板のL断面(圧延方向に並行、板厚面)を機械研磨し、鋼板表面から板厚方向に3mm以内の位置において、JIS Z 2244に準拠したビッカース硬度(測定荷重10kgf)を3点測定し、その平均値を求めた。 Surface hardness Hvs was determined by mechanically polishing the L-section of the steel plate (parallel to the rolling direction, plate thickness surface), measuring the Vickers hardness (measurement load 10 kgf) in accordance with JIS Z 2244 at three points within 3 mm from the steel plate surface in the plate thickness direction, and calculating the average value.
硬度差ΔHvは、下記(13)式にて計算される。なお、Hvqは鋼板のL断面(圧延方向に並行、板厚面)を機械研磨し、鋼板表面から板厚方向に1/4厚位置において、JIS Z 2244に準拠したビッカース硬度(測定荷重10kgf)を3点測定し、その平均値とした。 The hardness difference ΔHv is calculated by the following formula (13). Hvq is calculated by mechanically polishing the L-section of the steel plate (parallel to the rolling direction, plate thickness surface) and measuring the Vickers hardness (measurement load 10 kgf) according to JIS Z 2244 at three points at a position 1/4 thickness from the steel plate surface in the plate thickness direction, and averaging the results.
ΔHv = Hvs - Hvq …(13) ΔHv = Hvs - Hvq ... (13)
<溶接継手のHAZ靭性>
溶接継手のHAZ靱性の評価は、エレクトロスラグ溶接法(ESW)によって作製された各厚鋼板の溶接継手を用いて行われた。
<HAZ toughness of welded joint>
The HAZ toughness of the welded joints was evaluated using welded joints of each thick steel plate prepared by electroslag welding (ESW).
エレクトロスラグ溶接法(ESW)によって、図1に例示されるT字継手が作製された。溶接は1パスで行われ、溶接入熱量が70~150kJ/mmである大入熱溶接が適用された。入熱量は、図1に示すT字継手の溶接全長における入熱量の平均値である。 The T-joint illustrated in Figure 1 was produced using electroslag welding (ESW). Welding was performed in one pass, and high heat input welding with a welding heat input of 70 to 150 kJ/mm was applied. The heat input is the average heat input over the entire weld length of the T-joint shown in Figure 1.
図1のT字継手は、ESWによって次のようにして作製される。まず、厚鋼板からなるスキンプレート1に、間隙をあけて厚鋼板からなるダイヤフラム2をT字状に配置し、さらに前記間隙をスキンプレート1長手方向から挟むようにダイヤフラム2に沿わせて裏当金3、4を配置し、この裏当金3、4により溶接時の溶融スラグと溶融金属が溶接部から流れ出ないように前記間隙を囲む。そして、この間隙内部において、溶融したスラグ浴の中に溶接ワイヤを供給し、主として溶融スラグの抵抗熱によって溶接ワイヤを溶融させ、溶接金属部5を形成することでT字継手が作製される。このT字継手の溶接部において、ダイヤフラム2の板厚中心線に沿ってシャルピー衝撃試験用の試験片7を採取した。具体的には、図1に示すように、溶接金属部5から溶解融線(FL)を超えてスキンプレート1側の溶接熱影響部(HAZ)6を通過してスキンプレート1の内部側に至る部位から試験片7を採取した。スキンプレート1とダイヤフラム2は同鋼種として、板厚は同一とした。
The T-joint in FIG. 1 is fabricated by ESW as follows. First, a
結晶粒径は、FLのHAZ側の結晶粒径である。試験片7のL断面において、FLからHAZ側0.5mmまでの範囲をEBSD(電子線後方散乱回折装置)を用いて結晶方位を測定する。結晶粒径は、結晶粒界を15°大角粒界と定義したとき、円相当直径1μm超の結晶粒の中で、円相当直径が上位0.2%以内の結晶粒の円相当直径を平均した値とする。
The grain size is the grain size on the HAZ side of the FL. In the L cross section of the
dMAは、MA(Martensite-Austenite Constituent)の円相当直径である。結晶粒径を測定した試料と同じ断面でMAを現出させ、円相当直径0.5μm超のMAの中で、円相当直径が上位1%以内のMAの円相当直径を平均した値とする。MAの現出には、レペラーエッチングした後、画像処理により二値化し、MAを測定する方法、EBSDによりオーステナイト相を測定する方法が考えられる。 dMA is the circle equivalent diameter of MA (Martensite-Austenite Constituent). MA is revealed in the same cross section as the sample where the grain size was measured, and the circle equivalent diameter of MA with a circle equivalent diameter of over 0.5 μm is averaged among MA with circle equivalent diameters within the top 1%. Possible methods for revealing MA include measuring the MA by binarizing the image using image processing after Lepera etching, or measuring the austenite phase using EBSD.
図1に示す要領で採取した試験片7に対し、融合部(FL)上にノッチを入れVノッチ試験片とした。各Vノッチ試験片を用いて、0℃及び-20℃で、JIS Z 2242に準拠してシャルピー衝撃試験を行った。3本の試験を行い、吸収エネルギーの平均値(相加平均)を採用した。表2-1及び表2-2に厚鋼板の板厚t、母材の機械的性質、エレクトロスラグ溶接継手のHAZ靭性を示す。なお、「vE0@FL」は、ノッチ位置をFL上とした場合の0℃での試験結果であり、「vE-20@FL」は、ノッチ位置をFL上とした場合の-20℃での試験結果である。
更に、図1に示す要領で採取した試験片7に対し、融合部(FL)上にノッチを入れVノッチ試験片とし、各Vノッチ試験片を用いて、破面遷移温度(vTrs)を測定した。破面遷移温度(vTrs)の評価は、JIS Z 2242:2005に準拠した。
Furthermore, a notch was made on the fusion part (FL) of the
表2-1及び表2-2に示すように、本発明例は、板厚40~100mmの鋼板において、630MPa以上の降伏強度(YS)と、85%以下の降伏比(YR)とを有し、さらにESW継手とした際、0℃で100J以上の優れたHAZ靱性を有していた。また、本発明鋼では、試験温度-20℃とした場合でも、27J以上の非常に優れたHAZ靱性を有していた。 As shown in Tables 2-1 and 2-2, the steel plates of the present invention had a yield strength (YS) of 630 MPa or more and a yield ratio (YR) of 85% or less in a plate thickness of 40 to 100 mm, and when used as an ESW joint, had excellent HAZ toughness of 100 J or more at 0°C. Furthermore, the steel of the present invention had very good HAZ toughness of 27 J or more even at a test temperature of -20°C.
また、P量を0.003~0.010%の範囲にした発明例1~10、12、13は、さらにESW継手とした際に、破面遷移温度(vTrs)が0℃以下となり、より優れたHAZ靱性を有していた。一方、P量を0.002%にした発明例11は、破面遷移温度(vTrs)が僅かに劣った。 In addition, in Examples 1 to 10, 12, and 13, in which the P content was in the range of 0.003 to 0.010%, the fracture appearance transition temperature (vTrs) was below 0°C when used in ESW joints, and they had superior HAZ toughness. On the other hand, Example 11, in which the P content was 0.002%, had a slightly inferior fracture appearance transition temperature (vTrs).
一方、表1-1、表1-2、表2-1及び表2-2に示すように、比較例は化学成分が本発明の範囲から外れているため、母材の機械的性質、ESW継手のHAZ靭性が劣っていた。 On the other hand, as shown in Tables 1-1, 1-2, 2-1 and 2-2, the comparative examples had chemical compositions outside the range of the present invention, and therefore the mechanical properties of the base material and the HAZ toughness of the ESW joints were inferior.
比較例1はNi量が低すぎるために、比較例3はSi量が高すぎるために、HAZ靱性が劣っていた。
比較例2はC量が高すぎるために、また、比較例8はDIが高すぎるために、引張強度が過剰であり、表層硬度及び硬度差が大きく、かつ、HAZ靱性が劣っていた。
比較例4はMn量及びP量が高すぎるためにHAZ靱性が劣っていた。
比較例5はS量及びAl量が高すぎるために、また、比較例6はN量が高すぎ、かつ、CeqWESが低すぎるためにHAZ靱性が劣っていた。
比較例7はCeqWES,CeqIIW及びDIが低すぎるために、また、比較例9はCeqWESが低すぎるために、表層硬度及び硬度差が大きく、かつ、HAZ靱性が劣っていた。
比較例10はC量及びCeqWESが高すぎるために、表層硬度及び硬度差が大きく、かつ、HAZ靱性が劣っていた。
比較例11はAl量が高すぎるために、HAZ靱性が劣っていた。
Comparative Example 1 had poor HAZ toughness because the Ni content was too low, and Comparative Example 3 had poor HAZ toughness because the Si content was too high.
In Comparative Example 2, the C content was too high, and in Comparative Example 8, the DI was too high, so that the tensile strength was excessive, the surface hardness and hardness difference were large, and the HAZ toughness was poor.
Comparative Example 4 had poor HAZ toughness because the Mn and P contents were too high.
Comparative Example 5 had poor HAZ toughness because the S content and Al content were too high, and Comparative Example 6 had a too high N content and too low CeqWES.
In Comparative Example 7, CeqWES, CeqIIW and DI were too low, and in Comparative Example 9, CeqWES was too low, so the surface hardness and hardness difference were large and the HAZ toughness was poor.
In Comparative Example 10, the C content and CeqWES were too high, so that the surface hardness and hardness difference were large and the HAZ toughness was poor.
Comparative Example 11 had poor HAZ toughness because the Al content was too high.
本発明は、鉄鋼業において製造される厚鋼板に適用される。また、本発明は、厚鋼板以外の鉄鋼製品、たとえば形鋼などへ適用することも可能である。本発明を適用した高強度で厚手の厚鋼板は、主に高層建築の鉄骨として使用され、特に、4枚のスキンプレートと内部に配置されたダイヤフラムで概略構成され四面ボックス柱の鉄骨として好適である。四面ボックス柱の各部材の接合では、溶接入熱の大きい、いわゆる大入熱溶接が行われる。例えば、ダイヤフラムをスキンプレートに取り付けるダイヤフラム溶接や、スキンプレートを組み立てる角溶接には、それぞれエレクトロスラグ溶接やサブマージアーク溶接などの高能率な大入熱溶接が適用される。また、本発明に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、橋梁、造船、タンク、海洋構造物、ラインパイプなどの溶接構造物に使用することも可能である。 The present invention is applied to thick steel plates manufactured in the steel industry. The present invention can also be applied to steel products other than thick steel plates, such as shaped steel. The high-strength, thick steel plate to which the present invention is applied is mainly used as the steel frame of a high-rise building, and is particularly suitable as the steel frame of a four-sided box column roughly composed of four skin plates and a diaphragm arranged inside. The joining of each member of the four-sided box column is performed by so-called high heat input welding, which involves a large welding heat input. For example, diaphragm welding for attaching a diaphragm to a skin plate and corner welding for assembling a skin plate are each performed by highly efficient high heat input welding such as electroslag welding and submerged arc welding. The high-strength steel plate for high heat input welding according to the present invention can also be used for welded structures such as bridges, ships, tanks, marine structures, and line pipes.
本発明に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、高強度で厚手の厚鋼板に対して、溶接施工能率の高い大入熱溶接を施し、HAZ靭性の要求レベルが高い場合に好適である。具体的には、本発明に係る高強度鋼板は、降伏強度が630MPa以上、板厚が40~100mm、エレクトロスラグ溶接部(ボックス柱ダイアフラム溶接部)のHAZにおけるシャルピー吸収エネルギー(試験温度0℃)の平均値が100J以上である、大入熱溶接用厚鋼板である。したがって、本発明に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、建築鉄骨四面ボックス柱ダイヤフラム溶接HAZ(エレクトロスラグ溶接HAZ)の靱性が要求される高強度厚鋼板に好適である。 The high-strength steel plate for large heat input welding according to the present invention is suitable for use in high-strength, thick steel plates, where large heat input welding with high welding efficiency is performed, and where a high level of HAZ toughness is required. Specifically, the high-strength steel plate according to the present invention is a thick steel plate for large heat input welding, which has a yield strength of 630 MPa or more, a plate thickness of 40 to 100 mm, and an average value of Charpy absorbed energy (test temperature 0°C) in the HAZ of electroslag welds (box column diaphragm welds) of 100 J or more. Therefore, the high-strength steel plate for large heat input welding according to the present invention is suitable for high-strength thick steel plates requiring the toughness of the four-sided box column diaphragm weld HAZ (electroslag welding HAZ) of steel-framed buildings.
1・・・スキンプレート
2・・・ダイヤフラム
3、4・・・裏当金
5・・・溶接金属部
6・・・溶接熱影響部(HAZ)
7・・・試験片
1: skin plate, 2: diaphragm, 3, 4: backing metal, 5: welded metal part, 6: welded heat affected zone (HAZ),
7. Test piece
Claims (13)
C:0.08~0.14%、
Mn:0.3~1.0%、
Ni:2.5~7.0%、
Al:0.03~0.100%、
Cu:0~2.0%、
Cr:0~2.0%、
Mo:0~2.0%、
Nb:0~0.03%、
V:0~0.10%、
W:0~1.0%、
Ti:0~0.020%、
B:0~0.0050%、
Ca:0~0.005%、
Mg:0~0.005%、
REM:0~0.005%、
Zr:0~0.005%、
Si:0.30%以下、
P:0.010%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0060%以下、
O:0.0060%以下、
残部がFe及び不純物からなり、
下記式(1)で計算される焼入れ倍数DI(inch)が17~35であり、
下記式(2)で計算される炭素当量CeqWESが0.600%~0.900%であり、
下記式(3)で計算される炭素当量CeqIIWが0.750%~1.100%であり、
溶接入熱量が70~150kJ/mmの溶接に適用される、ことを特徴とする大入熱溶接用高強度鋼板。
DI(inch)=0.5×fB×C0.5×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(1)
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(2)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(3)
ここで、上記(1)~(3)式中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Cuは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。Bの含有量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、Bの含有量が0.0004%超0.0050%以下のときはfB=1.3とする。 In mass percent,
C: 0.08 to 0.14%,
Mn: 0.3 to 1.0%,
Ni: 2.5 to 7.0%,
Al: 0.03 to 0.100%,
Cu: 0 to 2.0%,
Cr: 0 to 2.0%,
Mo: 0 to 2.0%,
Nb: 0 to 0.03%,
V: 0 to 0.10%,
W: 0 to 1.0%,
Ti: 0 to 0.020%,
B: 0 to 0.0050%,
Ca: 0 to 0.005%,
Mg: 0 to 0.005%,
REM: 0 to 0.005%,
Zr: 0 to 0.005%,
Si: 0.30% or less,
P: 0.010% or less,
S: 0.005% or less,
N: 0.0060% or less,
O: 0.0060% or less,
The balance is Fe and impurities,
The hardening factor DI (inch) calculated by the following formula (1) is 17 to 35,
The carbon equivalent CeqWES calculated by the following formula (2) is 0.600% to 0.900%,
The carbon equivalent CeqIIW calculated by the following formula (3) is 0.750% to 1.100%,
A high-strength steel plate for large heat input welding , characterized in that it is applicable to welding with a welding heat input of 70 to 150 kJ/mm .
DI (inch) = 0.5 × fB × C 0.5 × (1 + 0.64 × Si) × (1 + 4.1 × Mn) × (1 + 0.27 × Cu) × (1 + 0.52 × Ni) × (1 + 2.33 × Cr) × (1 + 3.14 × Mo) ... (1)
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 ... (2)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 ... (3)
Here, in the above formulas (1) to (3), C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, and Cu are the contents of each element in the steel sheet expressed in mass%, and 0 is substituted for the term of an element that is not contained. When the B content is 0.0004% or less, fB = 1.0, and when the B content is more than 0.0004% and 0.0050% or less, fB = 1.3.
Ti:0.003~0.020%
を含有することを特徴とする請求項1に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 In mass percent,
Ti: 0.003 to 0.020%
The high strength steel plate for large heat input welding according to claim 1, further comprising:
B:0.0004~0.0050%
を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 In mass percent,
B: 0.0004 to 0.0050%
3. The high strength steel plate for large heat input welding according to claim 1, further comprising:
Cu:0.1~2.0%、
Cr:0.1~2.0%、
Mo:0.1~2.0%、
からなる群から選択されるいずれか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1~3の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 In mass percent,
Cu: 0.1 to 2.0%,
Cr: 0.1 to 2.0%,
Mo: 0.1 to 2.0%,
The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of claims 1 to 3, further comprising at least one selected from the group consisting of:
Nb:0.003~0.03%、
V:0.01~0.10%、
W:0.10~1.0%
からなる群から選択されるいずれか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1~4の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 In mass percent,
Nb: 0.003 to 0.03%,
V: 0.01 to 0.10%,
W: 0.10 to 1.0%
The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of claims 1 to 4, further comprising at least one selected from the group consisting of:
Ca:0.0005~0.005%、
Mg:0.0005~0.005%、
REM:0.0005~0.005%、
Zr:0.0005~0.005%以下
からなる群から選択されるいずれか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1~5の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 In mass percent,
Ca: 0.0005 to 0.005%,
Mg: 0.0005 to 0.005%,
REM: 0.0005-0.005%,
The high-strength steel plate for large heat input welding according to any one of claims 1 to 5, further comprising one or more elements selected from the group consisting of Zr: 0.0005 to 0.005% or less.
引張強さが780~930MPa、
降伏比が85%以下であることを特徴とする請求項1~9の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 Yield strength is 630 to 750 MPa,
Tensile strength: 780-930 MPa;
The high strength steel plate for large heat input welding according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the yield ratio is 85% or less.
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