專利名稱：具有高屈服強度的非調質鋼板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種非調質型的鋼板，特別涉及作為建筑構造物或橋梁等大型構造物用途具有有用的高屈服強度的鋼板。
背景技術：
對于作為如上所述的大型構造物用途而使用的鋼板，除了高強度以外，還要求高韌性。為了制造滿足這些特性的鋼板，一般來說在壓延后進行淬火回火的調質處理。但是，該方法中，由于在壓延后需要再次加熱處理工序，因此工期變長，并且成本升高。所以，期望有省略再次加熱處理而實現工期的縮短和成本降低的鋼板的制法，作為近年來呈現出顯著的發展的技術有控制壓延。該技術中，通過適當地控制壓延時的溫度或壓下率等，使晶粒微細化，在被壓延的同時確保鋼的強度和韌性。此種鋼一般來說被稱作非調質鋼。
但是，對于作為橋梁等的原材料使用的大型構造物用的鋼板，還要求高屈服強度化。所以，本發明人等作為提高了母材的韌性，并且提高了屈服強度的非調質鋼板，提出了特開2004-149839號公報的技術。該技術中，通過對鋼的成分組成當中的特別是Nb和B的固溶量進行嚴密地控制，就可以在一定程度上實現鋼板的高韌性化和高屈服強度化。但是，利用所述先行技術所能夠實現的屈服強度為450～500MPa左右，期望進一步的高屈服強度化。

發明內容
本發明是鑒于此種狀況而完成的，其目的在于，提供屈服強度高的非調質鋼板。
本發明人等對于所述特開2004-149839號公報的技術，以實現鋼板的進一步的高屈服強度化為目的，反復進行了深入研究。結果發現，如果嚴密地規定鋼的成分組成，并且將鋼板的金屬組織設為抑制島狀馬氏體的生成的貝氏體，則可以進一步提高鋼板的屈服強度，從而完成了本發明。
即，本發明的所謂非調質鋼板是指，以質量％表示，含有C0.01～0.08％、Si0.05～0.5％、Mn0.5～2.5％、Al0.01～0.07％、Cr0.05～1.5％、Mo0.05～1％、Ti0.005～0.03％、B0.0005～0.003％及N0.002～0.008％，金屬組織為將島狀馬氏體以面積率表示抑制在1％以下(包括0％)的貝氏體。
另外，作為其他的元素，優選含有從由(1)Nb0.005～0.03％(2)V0.005～0.05％(3)Cu0.05～3％(4)Ni0.05～3％(5)Zr0.0005～0.005％、Mg0.0003～0.005％、Ca0.0005～0.005％及REM0.0003～0.003％構成的一組中選擇的1種以上的元素等。而且，剩余部分為Fe及不可避免的雜質。
根據本發明，通過嚴密地規定鋼的成分組成，并且將鋼板的金屬組織設為抑制了島狀馬氏體的生成的貝氏體，就可以提供即使不進行調質處理屈服強度也高的鋼板。


圖1是表示滿足本發明的鋼的成分條件的鋼的鋼中的MA生成量與屈服強度關系的圖表。
圖2是表示對于滿足本發明鋼的成分條件的鋼，改變熱軋后的冷卻速度時的MA生成量的圖表。
具體實施例方式
本發明人等對于所述特開2004-149839號公報中所記載的技術，以實現鋼板的進一步的高屈服強度化為目的，進行了研究。結果表明，如果嚴密地規定鋼的成分組成，并且將鋼板的金屬組織設為貝氏體，則會變為高強度(TS)，而且如果減少在該貝氏體組織中生成的島狀馬氏體量，則可以實現高屈服強度化(高YS化)。首先，對完成本發明的原委進行說明。
本發明人等通過將鋼板的金屬組織設為貝氏體，調制了若干抗拉強度(TS)為相同水平的鋼板，測定了各鋼板的屈服強度(YS)。其結果是，即使是TS為相同水平的鋼板，在YS方面也有偏差。所以，本發明人等對支配鋼板的YS的因素進行了研究，發現鋼板的YS與貝氏體組織中的島狀馬氏體(以下有時將島狀馬氏體稱作MA)的存在率有關系。使用附圖對該情況進行說明。
圖1是表示滿足本發明的鋼的成分條件的鋼的鋼中的MA生成量與屈服強度的關系的圖表。圖1表示了改變鋼中的MA生成量時的YS的變化，鋼中的金屬組織為貝氏體，在該貝氏體組織中生成有島狀馬氏體。而且，點A的TS為701MPa，點B的TS為668MPa，點C的TS為618MPa，TS可以說為相同水平(JIS規格的60キロ鋼水平)。
觀察圖1即可發現，當鋼中的MA生成量減少時，YS有提高的傾向，特別是如果MA生成量達到1％以下，則YS就達到500MPa以上。另一方面，在貝氏體組織中生成很多島狀馬氏體的鋼板的YS降低。本發明人等認為，YS降低的原因是，由于在島狀馬氏體的周邊，位錯被以高密度導入，因此該位錯使YS降低。
如上所述，為了提高非調質鋼板的屈服強度，只要減少貝氏體組織中的MA生成量即可。以下將對本發明進行詳細說明。
首先，對本發明的鋼板的金屬組織進行說明。本發明的鋼板的金屬組織是島狀馬氏體(MA)的生成被抑制在極低水平的貝氏體。通過形成此種貝氏體組織，就可以得到高強度(TS)的鋼板。即，本發明的所謂金屬組織是指以如下的貝氏體為主體的組織，即，在將金屬組織整體以面積率表示設為100％的情況下，貝氏體以外的組織(例如鐵素體)以面積率表示被抑制為小于20％，貝氏體的面積率在80％以上(優選90％以上)。
這樣，本發明中，通過抑制金屬組織當中的MA的生成，就可以防止在MA的周邊高密度地導入位錯，從而可以提高鋼板的YS。另外，通過抑制MA的生成，還可以提高母材的韌性。
在將金屬組織整體的面積設為100％時，所述MA(島狀馬氏體)設為1％以下，優選0.8％以下，更優選0.5％以下。
鋼板的金屬組織是在將樣品進行硝酸乙醇腐蝕后，用光學顯微鏡進行觀察，算出將金屬組織整體設為100％時的貝氏體的面積率。觀察倍率設為100倍即可。金屬組織的觀察位置是在將鋼板的厚度設為t時，設于深度t/4的位置。觀察部位設為3個，平均后算出貝氏體組織的面積率。
MA的面積率是在將樣品進行LePera(レペラ一)腐蝕后，用光學顯微鏡進行觀察，算出將金屬組織整體設為100％時的MA的面積率。觀察倍率設為1000倍即可。金屬組織的觀察位置是在將鋼板的厚度設為t時，設于深度t/4的位置。觀察部位設為3個，平均后算出MA的面積率。
下面，對本發明的鋼板的成分組成進行說明。十分重要的是，本發明的鋼板以質量％表示，含有C0.01～0.08％、Si0.05～0.5％、Mn0.5～2.5％、Al0.01～0.07％、Cr0.05～1.5％、Mo0.05～1％、Ti0.005～0.03％、B0.0005～0.003％及N0.002～0.008％。規定此種范圍的理由如下。
C0.01～0.08％C是為了確保母材的強度(TS和YS)而十分重要的元素，至少必須含有0.01％。優選0.015％以上，更優選0.025％以上。但是，當超過0.08％時，則由于C的擴散量變多，在奧氏體相變時C容易局部地濃化，因此MA的生成量增大，無法提高YS。另外，在熱軋后冷卻時，不生成貝氏體，而容易生成馬氏體，無法獲得令人滿意的母材韌性。基于此種情況，本發明中，將C含量設為0.08％以下。優選0.07％以下，更優選0.055％以下。
Si0.05～0.5％Si是抑制MA的生成量而提高屈服強度的元素。另外Si作為脫氧劑也是有用的元素。為了有效地發揮此種作用，需要含有0.05％以上。優選0.1％以上。但是，當超過0.5％而過多地含有時，則由于會降低母材韌性，因此上限設為0.5％。更優選0.4％以下，進一步優選0.3％以下。
Mn0.5～2.5％Mn是提高淬火性而有助于鋼板的高強度化(高TS化和高YS化)的元素。另外，如本發明中后述所示，由于在熱軋后進行加速冷卻，因此通過提高淬火性可以促進貝氏體相變而抑制C的擴散。由此，就可以抑制C的濃化，抑制MA的生成，從而可以進一步提高鋼板的屈服強度。另外Mn是還具有將貝氏體微細化而提高母材韌性的作用的元素。為了有效地發揮此種作用，需要含有0.5％以上的Mn。優選1％以上，更優選1.2％以上。但是當Mn含量過多而超過2.5％時，則由于淬火性變得過高，使母材韌性顯著地惡化，因此應當抑制在2.5％以下。優選2.25％以下。
Al0.01～0.07％Al作為脫氧劑是有用的元素。另外，Al通過與B并用，而具有進一步提高利用B得到的壓延后的加速冷卻時的淬火性的作用。通過提高淬火性，就可以與所述Mn一樣，抑制MA的生成，進一步提高鋼板的屈服強度。為了有效地發揮此種作用，需要含有0.01％以上。優選0.020％以上。但是，當超過0.07％而過多地含有時，則氧化鋁類非金屬夾雜物量增多，清凈度降低，母材韌性惡化。更優選設為0.06％以下。
Cr0.05～1.5％Cr是提高淬火性而改善鋼板的強度(TS和YS)的元素。另外，通過提高淬火性，與所述Mn相同，可以減少MA的生成量，有助于高屈服強度化。另外，還是增進貝氏體的微細化，有助于母材韌性的提高的元素。為了有效地發揮此種作用，需要含有0.05％以上。優選0.4％以上，更優選0.7％以上。但是，當超過1.5％時，則由于特別是進行大熱量輸入焊接時的HAZ部的耐焊接裂縫性容易變差，因此設為1.5％以下。優選1.2％以下。
Mo0.05～1％Mo是提高淬火性的元素，與所述Cr相同，有助于提高鋼板的強度(TS和YS)，另外還有助于高YS化。通過使之與B同時含有，就可以控制壓延后的冷卻時的淬火性，將母材的強度(TS)和韌性的平衡最佳化。為了發揮此種作用，需要含有0.05％以上。優選的下限值為0.10％。但是，當過多地含有時，則由于HAZ部的耐焊接裂縫性變差，因此以1％作為上限。優選0.8％以下，更優選0.5％以下。
Ti0.005～0.03％Ti容易與N化合而形成氮化物，是在鋼中N的固定方面有用的元素，最終會增加固溶B或固溶Nb。其結果是，可以改善淬火性而提高鋼板的強度(TS和YS)。另外，Ti也與所述Mn一樣，能抑制MA的生成而有助于進一步的高屈服強度化。另外，Ti還起到抑制γ粒子的粗大化，防止母材韌性的惡化的作用。為了有效地發揮此種作用，需要含有0.005％以上。優選0.01％以上。但是，當超過0.03％而過多地含有時，則反而會導致母材韌性的降低，因此設為0.03％以下。優選0.02％以下。
B0.0005～0.003％B是提高淬火性的元素，改善鋼板的強度(TS和YS)。另外，通過提高淬火性，可以像所述Mn一樣減少MA的生成量，可以進一步提高屈服強度。另外，通過使之與Mo同時含有，可以控制壓延后的加速冷卻時的淬火性，將母材的強度(TS)與韌性的平衡最佳化。為了有效地發揮此種作用，B需要含有0.0005％以上。優選0.001％以上。但是，當超過0.003％而過多地含有時，則由于母材韌性變差，因此B含量應當抑制在0.003％以下。優選0.0025％以下。
N0.002～0.008％N與Al或Ti化合而形成氮化物，在由組織的微細化造成的母材韌性的改善方面發揮有效的作用。為了有效地發揮此種作用，需要含有0.002％以上。優選0.003％以上。但是，當過多地含有N時，則由于焊接金屬的韌性變差，母材的淬火性降低，因此N含量需要控制在0.008％以下。優選0.007％以下，更優選0.006％以下。推薦使N含量盡可能少。
本發明的鋼板是含有所述成分的鋼板，另外，根據需要，也可以含有其他的元素。例如，可以含有從由(1)Nb0.005～0.03％(2)V0.005～0.05％(3)Cu0.05～3％(4)Ni0.05～3％(5)Zr0.0005～0.005％、Mg0.0003～0.005％、Ca0.0005～0.005％及REM0.0003～0.003％構成的一組中選擇的1種以上的元素。另外，雖然也可以含有其他的元素，然而通常來說，剩余部分實質上為Fe及不可避免的雜質(例如P或S等)。而且，作為不可避免的雜質，所容許的P和S的量例如為P0.020％以下(包括0％)，S0.010％以下(包括0％)。
Nb0.005～0.03％Nb是通過與Mo、B共同含有，而提高壓延后的加速冷卻時的淬火性的元素，可以提高鋼板的強度(TS和YS)。另外，由于伴隨著淬火性的改善，可以減少MA的生成量，因此可以實現高屈服強度化。另外，通過使之與B同時含有，可以控制壓延后的加速冷卻時的淬火性，將母材的強度(TS)與韌性的平衡最佳化。為了有效地發揮此種作用，推薦含有0.005％以上。更優選0.01％以上。但是，當超過0.03％而過多地含有時，則由于貝氏體粗大化，母材韌性反而降低，因此上限設為0.03％即可。更優選0.025％以下。
V0.005～0.05％V是為了提高母材的強度(TS和YS)而有效地發揮作用的元素。為了有效地發揮此種作用，含有0.005％以上即可。更優選0.01％以上。但是，當過多地含有時，則由于大熱量輸入HAZ韌性降低，因此上限設為0.05％。更優選的上限為0.04％以下。
Cu0.05～3％Cu是為了利用固溶強化及析出強化來提高母材的強度(TS和YS)而有效地發揮作用的元素。為了有效地發揮此種作用，優選含有0.05％以上。更優選0.2％以上。但是，當過多地含有時，則由于大熱量輸入HAZ韌性降低，因此設為3％以下。更優選1％以下，進一步優選0.6％以下，特別優選0.5％以下。
Ni0.05～3％Ni是為了提高母材韌性而有效地發揮作用的元素。為了有效地發揮此種作用，優選含有0.05％以上。更優選0.2％以上。但是，當超過3％而過多地添加時，則由于容易產生麻點，因此上限優選設為3％。更優選2％以下，進一步優選1.5％以下。
從由Zr0.0005～0.005％、Mg0.0003～0.005％、Ca0.0005～0.005％、REM0.0003～0.003％構成的一組中選擇的1種以上的元素由于Zr、Mg及Ca在大熱量輸入焊接后的冷卻時在舊奧氏體粒子內析出ZrO2或MgO、CaO等低熔點氧化物，以其作為核而發生貝氏體相變，因此將貝氏體微細化。是由此來使破壞路徑復雜化，改善大熱量輸入焊接HAZ韌性的元素。另一方面，Ca和REM與在鋼中微量地存在的S化合而形成硫化物，是在改善存在于板厚中央部的S偏析部的收縮和韌性方面有效地發揮作用的元素。
為了有效地發揮此種作用，優選含有0.0005％以上(特別優選0.001％以上)、0.005％以下(特別優選0.003％以下)的Zr；0.0003％以上(特別優選0.001％以上)、0.005％以下(特別優選0.004％以下)的Mg；0.0005％以上(特別優選0.001％以上)、0.005％以下(特別優選0.004％以下)的Ca；0.0003％以上(特別優選0.001％以上)、0.003％以下(特別優選0.01％以下)的REM。
P0.020％以下(包括0％)P是對母材韌性產生影響的元素，當超過0.020％時，則由于母材韌性顯著地變差，因此上限設為0.020％。更優選控制在0.010％以下。
S0.010％以下(包括0％)S也與所述P相同，是對母材韌性產生影響的元素，當含量超過0.010％時，則由于生成粗大的硫化物而使母材韌性惡化，因此將上限設為0.010％。更優選抑制在0.005％以下。
本發明的鋼板例如可以如下所示地制造。即，可以在恰當地控制壓延后，通過恰當地加速冷卻而制造。
控制壓延(熱軋)時的加熱溫度設為1000～1150℃左右。如果將鋼坯加熱為1000℃以上，則由于可以使Nb和B固溶，可以抑制奧氏體粒徑的過度的微細化，因此可以提高淬火性。由此，可以防止由C的擴散造成的局部的C的濃化，可以抑制MA的生成而實現高屈服強度化。更優選加熱為1050℃以上。但是，當加熱溫度超過1150℃時，則由于γ粒子粗大化，母材韌性變差，因此加熱溫度設為50℃以下。更優選1100℃以下。
對于壓延條件雖然只要以任意的壓下量壓延加熱了的鋼坯即可，然而從860℃到壓延結束溫度的壓下量優選設為45～70％。由于通過將從860℃到壓延結束溫度的溫度區域的壓下量抑制在70％以下，就可以防止由奧氏體粒子的重結晶造成的過度的微細化或向奧氏體粒子內導入過多的變形，因此淬火性改善。由此，就可以防止由C的擴散造成的局部的C的濃化，可以抑制MA的生成而實現高屈服強度化。另外，當該溫度區域中的壓下量變得過多時，則由于加工相變被促進，鐵素體析出，不會變為以貝氏體為主體的組織，難以確保母材強度(TS)，因此壓下量的上限優選設為70％。更優選65％以下。但是，當壓下量過小時，由于貝氏體組織粗大化而母材韌性降低，因此壓下量設為45％以上。更優選50％以上。
所述所謂壓下量是指，860℃下的板厚與壓延結束溫度下的板厚的差相對于860℃下的板厚的比例。即，從860℃到壓延結束溫度的溫度區域中的壓下量可以利用下述(1)式算出。
壓下量(％)＝[(860℃下的板厚-壓延結束溫度下的板厚)/860℃下的板厚]×100 …(1)壓延結束溫度設為770～700℃即可。由于通過將壓延結束溫度設為700℃以上，就可以防止向奧氏體粒子內導入過多的變形，因此淬火性改善。由此，就可以防止由C的擴散造成的局部的C的濃化，可以抑制MA的生成而實現高屈服強度化。另外，如果小于700℃，則由于鐵素體相變被促進而使鐵素體析出，因此金屬組織就不會變為貝氏體，難以確保母材強度(TS)。由此，壓延結束溫度推薦設為700℃以上。更優選710℃以上。而且，壓延結束溫度的上限設為770℃。通過在770℃以下結束壓延，就可以促進貝氏體組織的微細化，確保母材韌性。優選750℃以下。
控制壓延后的加速冷卻是從壓延結束溫度到400℃例如在3℃/sec以上的范圍中進行。由于通過在熱軋后進行加速冷卻，就可以防止由奧氏體相變時的C的擴散造成的C的濃化，因此可以抑制MA的生成。由此就可以提高屈服強度。如果要MA較多地生成，則加大冷卻速度即可。更優選5℃/sec以上，進一步優選7℃/sec以上。
使用附圖對該情況進行說明。圖2是表示對于滿足本發明鋼的成分條件的鋼，在將熱軋時的加熱溫度設為1100℃，將從860℃到壓延結束溫度的壓下量設為60％，將壓延結束溫度設為720℃的情況下，改變熱軋后的冷卻速度時的MA生成量的圖表。從圖2中可以看到，如果增大熱軋后的冷卻速度，則MA生成量有減少的傾向。
本發明的制法中，可以制造各種厚度的鋼板，例如可以在厚度為20～100mm(特別是25～80mm)下實現高屈服強度。
本發明的鋼板例如作為建筑構造物或橋梁等大型構造物用的原材料十分有用。
下面，將利用實施例對本發明進行更為詳細的說明，然而下述實施例并不是限定本發明的例子，在能夠適合前述·后述的宗旨的范圍中，也可以進行變更而實施，它們都包含于本發明的技術范圍中。
利用通常的方法熔煉下述表1所示的成分組成的鋼(剩余部分為Fe及不可避免的雜質)，制成了鋼坯后，加熱為1000～1150℃，在下述表2所示的溫度下結束壓延而制造了鋼板。此時，從860℃到壓延結束溫度的溫度區域中的壓下量設為45～70％。然后，從壓延結束后至400℃，以下述表2所示的冷卻速度冷卻。下述表2中，分別表示加熱溫度、從860℃到壓延結束溫度的溫度區域中的壓下量、壓延結束溫度、從壓延結束后到400℃的冷卻速度及鋼板的板厚。
對所得的各鋼板，依照如下的步驟算出了MA的面積率。對所得的各鋼板，從板厚的1/4位置處采取樣品，進行Lapera腐蝕，以光學顯微鏡觀察(倍率1000倍)。觀察視野數設為3個，算出相對于金屬組織整體的面積率。將結果表示于下述表2中。
另外對所得的各鋼板的金屬組織(剩余部分)，從板厚的1/4位置處采取樣品，進行硝酸乙醇腐蝕，以光學顯微鏡觀察(倍率100倍)。觀察視野數設為3個，將結果表示于下述表2中。表2中，B是指本發明中所說的貝氏體，是指當將金屬組織整體設為100％時，貝氏體以面積率表示生成80％以上的組織。但是，以不損害本發明的效果的程度，還含有貝氏體以外的組織(例如鐵素體等)。另一方面，B+F是指當將金屬組織整體設為100％時，作為貝氏體以外的組織，鐵素體以面積率表示生成20％以上的組織。由于鐵素體以面積率表示生成20％以上，因此就無法確保強度(TS和YS)。
然后，對所得的各鋼板進行拉伸實驗和沖擊實驗，以下述的要領評價了母材特性[抗拉強度(TS)、0.2％耐力(YS)及韌性]。
(1)拉伸實驗從各鋼板的板厚1/4位置處采取JIS4號實驗片而進行了拉伸實驗。拉伸實驗中，測定了抗拉強度和0.2％耐力。分別以抗拉強度(TS)在570MPa以上，0.2％耐力(YS)在500MPa以上作為合格。
(2)沖擊實驗從各鋼板的板厚1/4位置處采取JIS4號實驗片而進行了擺錘沖擊實驗，求得塑性斷口率，算出了斷口轉變臨界溫度。將斷口轉變臨界溫度(vTrs)在-60℃以下的情況作為合格(母材韌性良好)。

表2

根據表2可以如下考察。No.1～10為滿足本發明中所規定的要件的鋼板，具有高強度(TS)并且具有高屈服強度(YS)。而且對于沖擊特性(母材韌性)，也很良好。另一方面，No.11～20為不滿足本發明中所規定的要件的鋼板，尤其是屈服強度(YS)低。
權利要求
1.一種非調質鋼板，其特征是，以質量％表示，含有C0.01～0.08％、Si0.05～0.5％、Mn0.5～2.5％、Al0.01～0.07％、Cr0.05～1.5％、Mo0.05～1％、Ti0.005～0.03％、B0.0005～0.003％及N0.002～0.008％，金屬組織為將島狀馬氏體以面積率表示抑制在1％以下(包括0％)的貝氏體。
2.根據權利要求1所述的非調質鋼板，其中，含有Nb0.005～0.03％。
3.根據權利要求1所述的非調質鋼板，其中，含有V0.005～0.05％。
4.根據權利要求1所述的非調質鋼板，其中，含有Cu0.05～3％。
5.根據權利要求1所述的非調質鋼板，其中，含有Ni0.05～3％。
6.根據權利要求1所述的非調質鋼板，其中，含有從由Zr0.0005～0.005％、Mg0.0003～0.005％、Ca0.0005～0.005％及REM0.0003～0.003％構成的一組中選擇的1種以上。
7.根據權利要求1～6中任意一項所述的非調質鋼板，其中，剩余部分為Fe及不可避免的雜質。
全文摘要
本發明提供一種屈服強度高的非調質鋼板。是如下的非調質鋼板，即，以質量％表示，含有C0.01～0.08％、Si0.05～0.5％、Mn0.5～2.5％、Al0.01～0.07％、Cr0.05～1.5％、Mo0.05～1％、Ti0.005～0.03％、B0.0005～0.003％及N0.002～0.008％，金屬組織為將島狀馬氏體以面積率表示抑制在1％以下(包括0％)的貝氏體。
文檔編號C22C38/50GK101089218SQ20061009257
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月16日 優先權日2006年6月16日
發明者今村弘樹 申請人:株式會社神戶制鋼所