專利名稱：：焊接熱影響部的韌性優異的鋼材的制作方法
技術領域：
：本發明涉及在焊接橋梁、高層建筑物和船舶等所使用的鋼材時，將受到熱影響的部位(以下稱為"焯接熱影響部"或"HAZ")的韌性進行了改善的鋼材。
背景技術：
：被使用于橋梁、高層建筑物和船舶等的鋼材所要求的特性，近年來曰益嚴格，要求有特別良好的韌性。這些鋼材一般多以焊接接合，但特別存在的問題是HAZ在焊接時受到熱影響而韌性容易劣化。該韌性劣化在焊接時的線能量越大時體現得越顯著，其原因被認為在于，若焊接時的線能量越大，HAZ的冷卻速度越慢，淬火性降低而生成粗大的島狀馬氏體。因此為了改善HAZ韌性，極力抑制焊接時的線能量即可。而另一方面，在提高焊接作業效率上，期望采用例如氣電焊和焊劑一銅襯墊焊接法等的大線能量焊接法。因此，已經提出有即使在采用大線能量焊接法時也可抑制HAZ韌性的劣化的鋼材。例如在專利文獻1中，提出有一種通過低C化、低Si化和低N化而降低島狀馬氏體的面積率，使HAZ的韌性良好的鋼材。另外在該技術中還公開，通過形成Ti和Zr的氮化物來抑制奧氏體晶粒(y晶粒)的粗大化，并且氮化物粒子作為來自Y晶內的鐵素體相變核發揮作用，還發揮著使HAZ組織微細化的效果。此外在該技術中還公開，含有Ca、REM(稀土類元素)、Mg的微細氧化物和硫脂物分散在鋼中，由此y晶粒的微細化得以實現，并且可以確保強度，能夠使HAZ的韌性提高。然而，本發明者們研究時發現，若焊接金屬達到140(TC以上的高溫，則HAZ之中、特別是接近焊接金屬的部位(以下稱為"熔合部")由于焊接時受到的熱導致上述TiN固溶消失，從而不能抑制韌性劣化。另一方面，在專利文獻2中公開有一種技術，其是通過形成含有Ca3和Mg的氧化物和含有Ca、Cu、Mg等的硫化物(或復合硫化物)，從而實現HAZ的韌性提高。另外，從通過在鋼中形成復合氧化物會使HAZ的韌性良好這一觀點出發，還提出有關于通過使含有REM的氧化物和/或CaO和ZrO的復合氧化物形成，從而改善HAZ的韌性的技術(例如專利文獻35)。若研究至今為止所提出的技術，則能夠判定的是，使復合氧化物分散在鋼中對改善HAZ的韌性極其有用。特別是認為使復合氧化物分散在鋼中，即使在焊接時受到熱影響也不會固溶消失，因此能夠使HAZ的韌性提高。然而，進行大線能量焊接時，期望能夠進一步提高HAZ的韌性的鋼材的實現也是事實。專利文獻1特開2002-194490號公報專利文獻2特開2004-169048號公報專利文獻3特開2007-100213號公報專利文獻4特開2007-247004號公報
發明內容本發明正是在這種狀況下而做，其目的在于，提供一種HAZ(焊接熱影響部)的韌性極其優異的鋼材，其通過適當調整化學成分組成，使鋼材組織中分散適當的復合氧化物，并且，通過使不會因焊接時受到的熱量而消失的TiN分散，從而使HAZ(焊接熱影響部)的韌性極其優異。所謂能夠解決上述課題的本發明的鋼材，具有如下幾點要旨分別含有C:0.020.10%("質量％"的意思。下同)、Si:0.5°/。以下(不含0%)、Mn:1.02.0%、P:0.03%以下(不含0%)、S:0.02%以下(不含0%)、Al:0.05%以下(不含0%)、Ti:0.0050.10%、REM:0.0010.007%、Zr:0.0010.050%、N:0.0020細％、Ca:0.0010.010%禾口0:0週00.015%，并且由下式(1)規定的A值處于5006000的范圍。A值二[Ca]X[N]X108…(1)其中，[Ca]和[N]分別表示Ca和N的含量(質量％)。本發明的鋼材中，作為其他元素優選還含有如下元素之中的l種以上Ni:1.50%以下(不含0%)、Cu:1.50%以下(不含0%)、Cr:1.5%以下(不含0%)、Mo:1.5%以下(不含0%)、Nb:0.25%以下(不含0%)、V:0.10%以下(不含0%)和B:0.005%以下(不含0%)，含有如上元素能夠提高母材的強度。還有，所述鋼材的余量也可以是鐵和不可避免的雜質。根據本發明，通過既保持Ca和N的含量的平衡，又適當調整鋼材的化學成分組成，從而使鋼材組織中分散適當的復合氧化物，并且通過使即使因焊接時受熱也不會消失的TiN分散，能夠實現HAZ(焊接熱影響部)的韌性極其優異的鋼材，這種鋼材在焊接時，不限于小中線能量焊接，即使是大線能量焊接，也能夠防止焊接熱影響部(HAZ)的韌性劣化。具體實施例方式本發明者們以進一步提高了焊接熱影響部的韌性的鋼材的實現為目標而反復研究。其結果發現，如果調整為如下的化學組成，即作為鋼材組織中分散的復合氧化物，為含有REM、Zr和Ti的復合氧化物的形態，并且使即使在焊接時受熱也不會消失這樣的TiN分散，則焊接熱影響部的韌性進一步提高，從而完全本發明。含有REM、Zr和Ti的復合氧化物(以下記為"Ti/REM/Zr復合氧化物")，比起至今為止提出的復合氧化物，更有效地發揮著對Y晶粒的釘扎效果，從而抑制Y晶粒的粗大化。而且本發明的鋼材，在發揮來自這一復合氧化物的效果的同時，還使鋼中分散氮化物粒子(TiN)作為來自Y晶內的的鐵素體相變核有效地發揮作用(即，提高晶內相變能)，由此使HAZ韌性更加優異。可是，關于TiN，己知在通常的鋼材的成分調整之下，如果達到1400。C級的高溫，則在鋼材中固溶消失(專利文獻l)。如此TiN在鋼材中固溶消失時，僅僅使上述這樣的復合氧化物分散，在HAZ韌性的改善效果上存在局限，不能發揮希望的HAZ韌性。這一傾向在低N時顯著。因此，本發明者們就即使達到140(TC級的高溫，在鋼材中也不會固溶消失的狀況進行研究。其結果是，如果含有對應N含量的適當量Ca，則即使在大線能量焊接的高溫下，也能夠保持上述復合氧化物和TiN的共存狀態，能夠確保高水平的HAZ韌性。g卩，使下式(1)所規定的A值為5006000的范圍，如此平衡地含有N含量和C含量，則即使在大線能量5焊接的高溫下，上述復合氧化物和TiN的共存狀態也能夠得以保持。A值^Ca]X[N]X108…(1)其中，[Ca]和[N]分別表示Ca和N的含量(質量％)。上式(1)所規定的A值為500以上時，即使在大線能量焊接的高溫下，TiN也很難消失，提高晶內相變能的效果得到發揮，能夠維持HAZ韌性提高效果。但是，若上述A值超過6000而變得過剩，則TiN、CaO、CaS等的粗大夾雜物生成，HAZ韌性反而劣化。上述A值的優選下限為2000。通過將上式(1)所規定的A值控制在規定的范圍內，即使在大線能量焊接的高溫下TiN也很難消失，關于其理由，認為有可能是由于比起MnS與TiN的整合性更強的CaS生成。本發明的鋼材，含有前述這樣的Ti/REM/Zr復合氧化物，但是這樣的氧化物要通過適當調整Ti、REM和Zr的含量而形成。而且，這種復合氧化物即使在焊接時受到熱影響而達到140(TC級的高溫也不會固溶消失，因此在焊接時的HAZ能夠防止奧氏體晶粒的粗大化，作為其結果是能夠用手HAZ的韌性劣化。在本發明的鋼材中，上述這樣的復合氧化物形成，能夠通過以例如EPMA(ElectronProbeX-rayMicroAnalyzer,電子探針X射線微區分析儀)觀察鋼材的截面，對觀察視野內所確認到的夾雜物進行定量分析而進行確認。接下來，就本發明的鋼材的化學成分組成進行說明。本發明的鋼材，為了使上述這樣的Ti/REM/Zr復合氧化物和TiN分散，需要適當調整構成它們的元素(Ti、REM、Zr、N)，并且，還需要適當調整Ca的含量，而規定其含量以及鋼材的基本成分(C、Si、Mn、P、S、Al、O)的范圍的理由如下。c是用于確保鋼材(母材)的強度而不能欠缺的元素，為了發揮這一效果，需要使之含有0.02%以上。然而若C含量超過0.10%，則焊接時HAZ大量生成島狀馬氏體，不僅招致HAZ的靭性劣化，而且對焊接性也有不利影響。因此C含量需要抑制在0.10M以下。[Si:0.5%以下(不含0%)]Si具有脫氧作用，并且是有助于鋼材(母材)的強度提高的元素。為了有效地發揮這樣的效果，優選使之含有0.02%以上，更優選含有0.05%以上，進一步優選含有0.1%以上。但若Si含量超過0.5。/。，則鋼材(母材)的焊接性和母材韌性劣化，因此需要抑制在0.5%以下。優選抑制在0.45%以下，更優選抑制在0.4%以下。還有，對HAZ要求高韌性時，Si優選抑制在0.3%以下。更優選在0.05%以下，進一步優選在0.01%以下。但是，若如此抑制Si含量，則雖然HAZ的韌性提高，但強度有降低的傾向。Mn是有助于鋼材(母材)的強度提高的元素，為了有效地發揮這一效果，需要使之含有1.0%以上。優選含有1.3%以上。然而若Mn含量過剩，則使鋼材(母材)的焊接性劣化，因此需要抑制在2.0%以下。優選在1.7%以下。P是容易偏析的元素，特別是在鋼材中的晶界偏析而使韌性劣化。因此P需要抑制在0.03。/。以下，優選在0.02%以下，更優選在0.015%以下。〖S:0.02%以下(不含0%)]S與Mn結合而生成硫化物(MnS)，是使母材的韌性和板厚方向的延性劣化的有害的元素。另外S與La和Ce結合而生成LaS和CeS，阻礙氧化物的生成。因此S應該抑制在0.02。/。以下，優選在0.015%以下，更優選在0.008%以下，特別優選在0.006%以下。Al是脫氧力強的元素，若過剩地添加，則會還原氧化物而難以生成期望的氧化物。因此，Al需要抑制在0.05n/。以下，優選在0.03%以下，更優選在0,01%以下。Ti在鋼中生成TiN等氮化物和Ti/REM/Zr復合氧化物，是有助于HAZ的韌性提高的元素。為發有效地發揮這樣的效果，Ti需要含有0.005%以上，優選為0.007%以上，更優選為0.01%以上。但是若過剩地添加，則使鋼材(母材)的韌性劣化，因此應該抑制在0.10%以下。優選在0.07%以下，更優選在0.06%以下。[REM:0.0010.007%]REM(稀土類元素)與Ti和Zr—起形成Ti/REM/Zr復合氧化物，是有助于HAZ的韌性提高的元素。為了有效地發揮這一效果，應該使REM含有0.001%以上，優選為0.002%以上。然而，若過剩地含有，則固溶狀態的REM增加，母材的韌性劣化，因此應該抑制在0.007%以下。優選為0.005%以下。還有在本發明中，所謂REM是含有鑭系元素(從La到Ln的15種元素)以及Sc(鈧)與Y(釔)的意思，這些元素之中，優選含有從La、Ce和Y之中選擇出的1種元素，更優選含有La和/或Ce。Zr與Ti和REM—起形成Ti/REM/Zr復合氧化物，是有助于HAZ的韌性提高的元素。為了有效地發揮這一效果，應該使Zr含量0.001%以上，優選為0.002%以上。但是若過剩地添加，則粗大的Zr的碳化物生成，母材的韌性劣化，因此應該抑制在0.050%以下。優選為0.04%以下，更優選為0.03%以下。N是析出TiN的元素，TiN防止在焊接時HAZ生成的奧氏體晶粒的粗大化(釘扎效果)，并且促進鐵素體相變(晶內相變能)，因此有助于使HAZ的韌性提高。為了有效地發揮這樣的效果，需要使N含有0.002。/。以上，優選為0.004%以上。N越多奧氏體晶粒的微細化越得到促進，因此有效地作用于HAZ的韌性提高。然而，若N含量超過0.010%，則固溶N量增大，母材韌性劣化。因此N需要抑制在0.010。/。以下，優選為0.008%以下。但是，N含量當然需要按照使上述(1)式所規定的A值處于規定的范圍的方式進行調整。Ca抑制高線能量焊接時的TiN的消失，是有效地使來自TiN的韌性提高效果得到發揮的元素。通過含有Ca，即使在低N下也能夠確保韌性提高所需要的TiN。為了有效地發揮這一效果，優選使Ca含有0.00P/。以上。更優選為0.002%以上。但是若過剩地添加，則粗大的CaO和CaS生成，因此需要抑制在0.010%以下。優選為0.009%以下，更優選為0.008%8以下。但是Ca含量與N含量一樣，當然需要按照使上述(1)式所規定的A值處于規定的范圍的方式來進行調整。0是形成晶內相變能優異的Ti/REM/Zr復合氧化物所需要的元素。為了發揮這一效果，需要使0含有0.0010%以上。然而，若0含量變得過剩，則生成粗大氧化物，HAZ韌性反而劣化，因此需要為0.015%以下。還有0含量的優選下限為0.0020%。本發明的鋼材的基本成分如上所述，但根據需要含有Ni:1.50%以下(不含0%)、Cu:1.50%以下(不含0%)、Cr:1.5%以下(不含0%)、Mo:1.5°/。以下(不含0%)、Nb:0.25%以下(不含0%)、V:0.10%以下(不含0%)和B:0.005%以下(不含0%)之中的1種以上的元素也有效，通過含有這些元素，能夠提高鋼材的強度。規定如此范圍的理由如下。Ni對于提高鋼材的強度，并且對于提高鋼材的韌性是有效發揮作用的元素，為了發揮這樣的作用，優選使之含有0.05%以上。更優選為0.1%以上，進一步優選為0.2%以上。雖然Ni越多越優選，但因為其是高價的元素，所以從經濟性的觀點出發優選抑制在1.50%以下，更優選在1.3%以下，進一步優選為1.1%以下。Qi是使鋼材固溶強化的元素，為了有效地發揮這一效果，優選使之含有0.05%以上。更優選為0.1%以上，進一步優選為0.2%以上。特別是若使之含有0.6%以上，除了固溶強化以外，還發揮時效析出強化，可以大幅提高強度。然而，若過剩地含有Cu而使之超過1.50%,則使鋼材(母材)的韌性降低，因此Cu可以抑制在1.50%以下。優選為1.3%以下，更優選1.1%以下。為了添加Cr而提高強度，優選使之含有0.01%以上。更優選為0.02%以上，進一步優選為0.03%以上。然而，若Cr含量過剩，則焊接性劣化，因此優選抑制在1.5%以下。更優選為1.3%以下，進一步優選為1.1%以下。為了添加Mo而提高強度，優選使之含有0.01%以上。推薦更優選為0.02%以上，進一步優選為0.03%以上。但是，若Mo含量過剩，則使焊接性惡化，因此優選在1.5%以下。更優選為1.3%以下，進一步優選為1.0%以下。9為了添加Nb而提高強度，優選使之含有0.005%以上。更優選為0.01%以上，進一步優選為0.03%以上。然而，若Nb含量過剩，則碳化物(NbC)析出而使母材的韌性劣化，因此優選抑制在0.25%以下。更優選為0.23%以下，進一步優選為0.2%以下。為了添加V而提高強度，優選使之含有0.002%以上。更優選為0.01%以上，進一步優選為0.03%以上。然而，若V含量過剩則焊接性惡化，并且母材的韌性劣化，因此V優選為0.10°/。以下。更優選抑制在0.08%以下，進一步優選抑制在0.06%以下。B提高鋼材的強度，并且在焊接時被加熱的HAZ冷卻的過程中與鋼中的N結合而析出BN，使來自奧氏體晶內的鐵素體相變得到促進。為了有效地發揮這一效果，優選使之含有0.0003%以上。更優選為0.0005%以上，進一步優選為0.0008%以上。然而，若B含量過剩，則鋼材(母材)的韌性劣化，因此優選為0.005%以下。更優選為0.004%以下，進一步優選為0.003%以下。本發明的鋼材，含有上述元素作為必須成分，余量也可以是鐵和不可避免的雜質(例如Mg、As和Se等)。當制造本發明的鋼材時，將如上述這樣將調整了化學成分組成的鋼液，遵循常規方法進行連續鑄造而成為板坯后，再遵循常規方法進行熱軋即可。還有，向鋼液添加的REM和Ca、Zr、Ti的形態沒有特別限定，例如作為REM添加純La和純Ce、純Y等即可，或者添加純Ca、純Zr、純Ti，此外添加Fe-Si-La合金、Fe-Si-Ce合金、Fe-Si-Ca合金、Fe-Si-La-Ce合金、Fe-Ca合金、Ni-Ca合金等即可。另外，也可以向鋼液添加混合稀土金屬。所謂混合稀土金屬就是鈰族稀土元素的混合物，具體來說就是含有Ce為4050。/。左右，含有La為2040%左右。如此得到的本發明的鋼材，例如能夠作為橋梁和高層建筑物、船舶等的結構物的材料使用，不用說小中線能量焊接，即使在大線能量焊接中也能夠防止焊接熱影響部的韌性劣化。實施例以下，通過實施例更詳細地說明本發明，但下述實施例并沒有限定本發明的性質，在能夠符合前后述的宗旨的范圍也可以適當變更實施，這些均包含在本發明的技術的范圍內。實施例1調制下述表1、2中顯示化學成分的各種鋼液。還有，在下述表1中，La以Fe-La合金的形態添加，Ce以Fe-Ce合金的形態添加，REM以含有La:50%左右和Ce:25%左右的混合稀土金屬的形態添加，Ca以Ni-Ca合金或Ca-Si合金或Fe-Ca壓粉體的形態添加，Zr以Zr單體添加，Ti以Fe-Ti合金的形態添加。還有，下述表1和表2中"一"表示沒有添加元素。另外數值之前有"<"的意思是，雖然沒有添加該元素，但不可避免地含有，因此在低于定量界限的范圍被檢測出。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>以連續鑄造機將上述鋼液鑄造成板坯，對其進行熱軋而得到厚度3060mm的鋼板。對于各鋼板，為了評價焊接時受到熱影響的HAZ的韌性，模擬大線能量焊接而進行下述所示的焊接再現試驗。焊接再現試驗其進行是將從上述鋼板上切下的試驗片進行加熱，使其整體達到1400°C，在此溫度保持60秒后進行冷卻。使800'C至500。C的冷卻時間為300秒，如此調整冷卻速度。該焊接再現試驗假設是線能量為50kJ/mm的大線能量焊接。冷卻后的試樣的沖擊性，是進行V切口擺錘沖擊試驗，測定一4(TC下的吸收能(vE-4Q)而進行評價。vE-4Q為100J以上的為合格(HAZ韌性良好)。測定結果與A值一起顯示在下述表3中。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>由這些結果可知，No.ll3是滿足本發明規定的要件的例子，能夠得到焊接熱影響部的韌性良好的鋼材。相對于此，No.1430是脫離本發明規定的某一要件的例子，焊接熱影響部的韌性均差。權利要求1.一種焊接熱影響部的韌性優異的鋼材，其特征在于，以質量％計含有C0.02～0.10％、Si0.5％以下但不含0％、Mn1.0～2.0％、P0.03％以下但不含0％、S0.02％以下但不含0％、Al0.05％以下但不含0％、Ti0.005～0.10％、REM0.001～0.007％、Zr0.001～0.050％、N0.002～0.010％、Ca0.001～0.010％和O0.0010～0.015％，并且，由下式(1)規定的A值處于500～6000的范圍，A值＝[Ca]×[N]×108…(1)其中，[Ca]和[N]分別表示Ca和N的質量百分比含量。2.根據權利要求1所述的鋼材，其特征在于，在所述鋼材中，作為其他元素以質量^計還含有從Ni:1.50%以下但不含0%、Cu:1.50%以下但不含0%、Cr:1.5%以下但不含0%、Mo:1.5%以下但不含0%、Nb:0.25%以下但不含0%、V:0.10。/。以下但不含0。/。和B:0.005%以下但不含0%中選擇的一種以上的元素。3.根據權利要求1或2所述的鋼材，其特征在于，余量是鐵和不可避免的雜質。全文摘要提供一種HAZ的韌性極其優異的鋼材，其通過適當調整化學成分組成，使鋼材組織中分散適當的復合氧化物，并且，通過使不會因焊接時受到的熱量而消失的TiN分散，從而使HAZ的韌性極其優異。分別含有C0.02～0.10％、Si0.5％以下(不含0％)、Mn1.0～2.0％、P0.03％以下(不含0％)、S0.02％以下(不含0％)、Al0.05％以下(不含0％)、Ti0.005～0.10％、REM0.001～0.007％、Zr0.001～0.050％、N0.002～0.010％、Ca0.001～0.010％和O0.0010～0.015％，并且由規定的關系式所規定的A值處于500～6000的范圍。文檔編號C22C38/14GK101633993SQ20091015211公開日2010年1月27日申請日期2009年7月14日優先權日2008年7月23日發明者岡崎喜臣,出浦哲史,名古秀德,太田裕己,杉村朋子,杉谷崇申請人:株式會社神戶制鋼所