專利名稱：焊接部韌性優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼及海洋結(jié)構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度鋼及海洋結(jié)構(gòu)件，特別涉及焊接部韌性優(yōu)良的焊接用高強(qiáng)度鋼及海洋結(jié)構(gòu)件。
更具體來說，本發(fā)明涉及在建筑物、土木結(jié)構(gòu)件、建設(shè)機(jī)械、船舶、管道、罐、海洋結(jié)構(gòu)件等中被作為焊接結(jié)構(gòu)件使用的焊接用高強(qiáng)度鋼，特別涉及海洋結(jié)構(gòu)件中所使用的焊接用高強(qiáng)度鋼及海洋結(jié)構(gòu)件，例如涉及屈服強(qiáng)度在420N/mm2以上、板厚在50mm以上的厚壁高強(qiáng)度鋼板及使用了它的海洋結(jié)構(gòu)件。
背景技術(shù)：
近年來，能量需求有逐漸增加的傾向，對于海底石油資源的探索十分活躍。其中所使用的海洋結(jié)構(gòu)件，例如平臺、自升式鉆井平臺逐步大型化，與之相伴，鋼板等所用鋼材逐步厚壁化，因而對于安全性的進(jìn)一步的確保成為重要的課題。
雖然在通常的海洋結(jié)構(gòu)件中，使用屈服應(yīng)力為300～360MPa級的中強(qiáng)度鋼材，然而在如前所述的大型結(jié)構(gòu)件中，有時(shí)要使用強(qiáng)度為460～700MPa級的高強(qiáng)度、板厚超過100mm的極厚高強(qiáng)度鋼材。
另外，近年來海底石油資源的探索地域正在向寒冷地帶或深水區(qū)域移動(dòng)，在這些地域或海域中工作的海洋結(jié)構(gòu)件被暴露于極為嚴(yán)酷的氣象和海洋條件中。
為此，對于在這些海洋結(jié)構(gòu)件中所使用的鋼材，要求有在例如-40℃以下的非常嚴(yán)酷的低溫區(qū)域中的韌性，并且當(dāng)然還要求有焊接性。
另外，從安全性的方面考慮，使用者的檢查基準(zhǔn)也非常嚴(yán)格，對于母材、焊接部，除了以往的擺錘沖擊值的規(guī)定以外，還都要通過規(guī)定在最低使用溫度下的CTOD值來評價(jià)韌性。即，即使在作為對以10mm×10mm的大小切割采樣的微小實(shí)驗(yàn)片的評價(jià)實(shí)驗(yàn)的擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)中獲得了穩(wěn)定的特性的情況下，也經(jīng)常發(fā)生在以結(jié)構(gòu)件的實(shí)際厚度的實(shí)驗(yàn)片來評價(jià)的CTOD特性中無法滿足所需特性的情況，另外，現(xiàn)在被要求有更為嚴(yán)格的CTOD特性。
并不僅限于被像這樣在設(shè)于冰水海域中的海洋結(jié)構(gòu)件中使用的鋼材，對于在比它更為溫和的環(huán)境下使用的用于寒冷地帶的線路管道或船舶、LNG罐等大型焊接結(jié)構(gòu)件中使用的鋼材，也強(qiáng)烈地要求提高焊接熱影響部(以下稱作HAZ)的低溫韌性。
另一方面，為了在-40℃以下的低溫區(qū)域中獲得高韌性，不得不在焊接效率差的低線能量的焊接條件下進(jìn)行焊接。在海洋結(jié)構(gòu)件的建造成本中所占的焊接施工成本較大。降低焊接施工成本的最為直接的方法是，采用能夠?qū)崿F(xiàn)大線能量焊接的高效率焊接法，減少焊接層數(shù)。
所以，現(xiàn)在十分重要的是，對低溫韌性的要求嚴(yán)格的面向寒冷地帶的結(jié)構(gòu)件要考慮HAZ的韌性而進(jìn)行焊接施工成本盡可能低的焊接。
以往為了使鋼材的HAZ的韌性很大地提高，已知低C化是有效的方法，為了彌補(bǔ)由低C化造成的強(qiáng)度降低，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了添加各種合金帶來的高強(qiáng)度化、利用了時(shí)效析出硬化作用的高強(qiáng)度化。例如，在ASTM A710中，公布有利用了Cu的時(shí)效析出硬化作用的鋼，實(shí)施了若干基于此種方法的報(bào)告。
例如，在特公平7-81164號公報(bào)、特開平5-186820號公報(bào)、特開平5-179344號公報(bào)中，提出了焊接部的韌性優(yōu)良的Cu析出型鋼。
但是，在特公平7-81164號公報(bào)中，只不過是評價(jià)了板厚30mm、以焊接線能量40kJ/cm得到的焊接接頭的擺錘沖擊特性，很難認(rèn)為是與大線能量焊接對應(yīng)的材料。
在特開平5-186820號公報(bào)中，提出了添加了0.5～4.0％的Cu的抗拉強(qiáng)度在686MPa以上的高強(qiáng)度鋼，然而對于低溫韌性，由于以擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變溫度表示僅為-30℃，因此難以認(rèn)為可以確保極厚鋼板的低溫CTOD特性。
在特開平5-179344號公報(bào)中，雖然提出了焊接部的擺錘沖擊韌性優(yōu)良的Cu析出型鋼，然而只不過是評價(jià)了以焊接線能量5kJ/mm得到的焊接接頭的擺錘沖擊特性，難以認(rèn)為能夠充分地滿足大線能量焊接時(shí)的結(jié)構(gòu)件的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
這里，本發(fā)明的目的在于，提供一般來說改善了焊接部低溫韌性，特別是改善了HAZ低溫韌性的焊接用高強(qiáng)度鋼。
本發(fā)明人等為了開發(fā)出焊接部韌性優(yōu)良的厚壁高強(qiáng)度鋼板，對鋼成分及其制造方法進(jìn)行了各種的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得到了如下的見解。
(i)以Cu添加鋼作為鋼基，除了調(diào)整N、Al的含量，控制N/Al比。
在高Cu成分材料中，為了改善大線能量HAZ韌性，TiN、Ti(C、N)、AlN等碳氮化物的微細(xì)分散是有效的。所以，在使用高Cu-Ti添加材料進(jìn)行了研究后，發(fā)現(xiàn)了除了N、Al含量的調(diào)整，控制N/Al比的做法的有效性。這是因?yàn)?，?dāng)N/Al比過小時(shí)，則析出粗大的AlN，除了其自身對韌性造成不良影響以外，還會(huì)阻礙TiN的微細(xì)/大量的分散。另一方面，當(dāng)N/Al比過大時(shí)，除了固溶N增加以外，AlN、TiN的分散密度變得稀疏。
(ii)為了提高屈服強(qiáng)度，需要盡可能多地分散微細(xì)的Cu粒子。
(iii)為了確保韌性，特別是確保低溫CTOD特性，需要使Cu粒子在一定程度上粗大化，并且抑制分散量。
(iv)為了使Cu粒子的分散狀態(tài)均勻化，要盡可能抑制時(shí)效處理前階段中的Cu粒子的生成，并且利用時(shí)效處理的條件控制來控制Cu粒子的分散狀態(tài)。
(v)對于Cu粒子的分布狀態(tài)，通過用根據(jù)TEM照片求得的當(dāng)量圓直徑的平均值及平面換算面積率來進(jìn)行整理，就能夠控制強(qiáng)度韌性平衡。
(vi)Cu粒子在鋼中的晶體缺陷(主要是位錯(cuò))上容易生成，當(dāng)位錯(cuò)密度高時(shí)，則Cu粒子的析出就被促進(jìn)。另外，位錯(cuò)上的Cu粒子會(huì)阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，使屈服強(qiáng)度提高。
(vii)鋼中的位錯(cuò)密度可以利用壓延及水冷條件來控制。另外，壓延溫度的降低、總壓下量的增加、水冷開始溫度的上升、冷卻速度的增加、水冷停止溫度的降低都會(huì)增加位錯(cuò)密度。
(viii)將高Cu成分作為鋼基，利用由C、Mn、Mo量的調(diào)整實(shí)現(xiàn)的淬硬性控制，可以實(shí)現(xiàn)大線能量焊接HAZ韌性的穩(wěn)定化。
即，在高Cu成分材料中，越是降低焊接裂縫敏感性指數(shù)Pcm值，則越能夠改善HAZ韌性，由此發(fā)現(xiàn)，低C、低Mn化是有效的。但是，為了確保高強(qiáng)度，需要利用其他元素的填補(bǔ)，通過控制Mo的添加量，就能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)度/韌性的穩(wěn)定化。
本發(fā)明是基于此種見解而構(gòu)成的，其主旨如下所示。
(1)一種高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有C0.01～0.10％、Si0.5％以下、Mn0.8～1.8％、P0.020％以下、S0.01％以下、Cu0.8～1.5％、Ni0.2～1.5％、Al0.001～0.05％、N0.0030～0.0080％、O0.0005～0.0035％，剩余部分為Fe及雜質(zhì)，并且N/Al為0.3～3.0。
(2)根據(jù)所述(1)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Ti0.005～0.03％。
(3)根據(jù)所述(1)或(2)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Nb0.003～0.03％。
(4)根據(jù)所述(1)～(3)中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Mo0.1～0.8％。
(5)根據(jù)所述(1)～(4)中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Cr0.03～0.80％、V0.001～0.05％、B0.0002～0.0020的一種以上。
(6)根據(jù)所述(1)～(5)中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Ca0.0005～0.005％、Mg0.0001～0.005％、REM0.0001～0.01％的一種以上。
(7)根據(jù)所述(1)～(6)中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，對于下述(I)式表示的Pcm在0.25以下，在鋼中分散的長徑在1nm以上的Cu粒子，當(dāng)量圓直徑的平均值為4～25nm，并且平面率換算分布量為3～20％。
Pcm＝C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+5B…(I)(8)一種使用了所述(1)～(7)中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼的海洋結(jié)構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明，雖然不是被特別限定于此，然而利用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)電焊等焊接方法，能夠?qū)崿F(xiàn)如下的高強(qiáng)度鋼的制造，即，可以實(shí)現(xiàn)焊接線能量在300KJ/cm以上的焊接，焊接性優(yōu)良，屈服應(yīng)力在420N/mm2以上。其結(jié)果是，現(xiàn)場焊接施工效率和安全性顯著地提高。另外，可以提供即使在海洋結(jié)構(gòu)件之類的極為嚴(yán)酷的環(huán)境下也能夠使用的高強(qiáng)度鋼。
具體實(shí)施例方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。首先，敘述將本發(fā)明限定為如上所述的鋼組成的理由。而且，本說明書中，表示鋼組成的「％」都是以「質(zhì)量％」表示。
C是為了確保鋼的強(qiáng)度以及在添加Nb、V等時(shí)產(chǎn)生組織微細(xì)化的效果而添加的。如果小于0.01％，則這些效果就不充分。但是，當(dāng)C過多時(shí)，則在焊接部中就會(huì)生成被稱作島狀馬氏體(M-Amartensite-austeniteconstituent)的硬化組織，而使HAZ韌性惡化，并且對母材的韌性及焊接性造成不良影響。所以，C設(shè)為0.10％以下。優(yōu)選0.02～0.08％，更優(yōu)選0.02～0.05％。
Si是在鋼液的預(yù)備脫氧中有效的元素，然而由于不固溶于滲碳體中，因此當(dāng)被大量添加時(shí)，則會(huì)阻礙未變態(tài)奧氏體粒子分解為鐵素體粒子和滲碳體，助長島狀馬氏體的生成?；谶@些理由，Si的添加設(shè)為，鋼中含量在0.5％以下。優(yōu)選0.2％以下，更優(yōu)選0.15％以下。
Mn是為確保強(qiáng)度而必需的元素，并且作為脫氧劑也是有效的元素。為此，Mn的含量需要設(shè)為0.8％以上。但是，Mn的過多的添加將過多地增加淬硬性，使焊接性及HAZ韌性惡化。另外，由于Mn被看作助長中心偏析的元素，因此從抑制中心偏析的觀點(diǎn)考慮，其含量應(yīng)當(dāng)不超過1.8％。所以，Mn的含量設(shè)為0.8～1.8％以下。優(yōu)選0.9～1.5％。
P是不可避免地含有的雜質(zhì)元素，由于是晶界偏析元素，因此成為HAZ的晶界裂縫的原因。另外，為了提高母材韌性、焊接金屬部和HAZ的韌性，并減少鋼坯中心偏析，P的含量設(shè)為0.020％以下。優(yōu)選0.015％以下，更優(yōu)選0.01％以下。
當(dāng)S大量地存在時(shí)，就會(huì)生成成為焊接裂縫起點(diǎn)的MnS單體的析出物。為此，S的含量設(shè)為0.01％以下。優(yōu)選0.008％以下，更優(yōu)選0.005％。
Cu有提高鋼材的強(qiáng)度及韌性的效果，而對于HAZ韌性的不良影響也較少。特別是，由于可望得到時(shí)效處理時(shí)的由ε-Cu析出造成的強(qiáng)度上升效果，因此需要在0.8％以上。但是，當(dāng)Cu含量變高時(shí)，則焊接高溫裂縫敏感性變高，預(yù)熱等焊接施工變得復(fù)雜，因此Cu的含量設(shè)為1.5％以下。優(yōu)選0.9～1.1％。
Ni是為了提高鋼材的強(qiáng)度及韌性，以及提高HAZ韌性而有效的元素。但是，如果在0.2％以下，則沒有這些效果，另外，當(dāng)超過1.5％時(shí)，則由于無法獲得與成本上升相應(yīng)的效果，因此將Ni的含量設(shè)為0.2～1.5％。優(yōu)選0.4～1.2％。
Al是為了脫氧而必需的元素。但是當(dāng)含量變多時(shí)，則特別是在HAZ中韌性容易變差。這是因?yàn)?，容易形成粗大的簇狀的氧化鋁類夾雜物粒子。為此，將Al的含量設(shè)為0.001～0.05％。優(yōu)選0.001～0.03％。更優(yōu)選0.001～0.015％。
N因形成氮化物而有助于組織的細(xì)?；?，然而在過多地添加的情況下，則會(huì)因氮化物的凝聚而使韌性惡化。所以，將N的含量設(shè)為0.003～0.008％。優(yōu)選0.0035～0.0065％。
通過將N/Al比控制為0.3～3.0，就可以實(shí)現(xiàn)大線能量HAZ韌性，特別是接頭CTOD特性的改善。
這是因?yàn)?，?dāng)N/Al比小于0.3時(shí)，則會(huì)析出粗大的AlN，除了其自身對韌性造成不良影響以外，還會(huì)阻礙TiN的微細(xì)/大量的分散。另一方面，當(dāng)N/Al比超過3.0時(shí)，則固溶N增大，除了使HAZ韌性惡化以外，還使AlN、TiN的分散密度變得稀疏。用于進(jìn)一步發(fā)揮效果的優(yōu)選的范圍是0.4～2.5。
O(氧)對于成為鐵素體生成核的氧化物生成十分有效。另一方面，當(dāng)大量地存在時(shí)，則由于純度的惡化變得明顯，因此母材、焊接金屬部及HAZ都難以確保實(shí)用的韌性。所以，將O的含量設(shè)為0.0005～0.0035％。優(yōu)選0.0008～0.0018％。
Ti具有如下的作用，即，生成氮化物而抑制晶粒的粗大化，并且將相變組織微細(xì)化。但是，如果是小于特定量的添加，則無法發(fā)揮所述作用，另外，在大量地添加的情況下，則對母材韌性及焊接部韌性造成不良影響。所以，將Ti的含量設(shè)為0.005～0.03％。優(yōu)選0.007～0.015％。
Nb通過細(xì)?；吞蓟镂龀龆岣吣覆牡膹?qiáng)度及韌性。另一方面，當(dāng)過多地添加時(shí)，則母材的性能提高效果飽和，并且會(huì)明顯地?fù)p害HAZ的韌性。所以，將Nb的含量設(shè)為0.003～0.03％。優(yōu)選0.003～0.015％。
Mo雖然具有確保淬硬性，提高HAZ韌性的效果，然而當(dāng)過多地添加時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致HAZ中的顯著的硬化，使韌性惡化。所以，將Mo的含量設(shè)為0.1～0.8％。優(yōu)選0.1～0.5％。
Cr雖然在增加鋼材的淬硬性，確保強(qiáng)度方面有效，然而如果是微量添加，則無法發(fā)揮提高效果，在過多地添加的情況下，則有使焊接金屬部及HAZ的硬化防止及焊接低溫裂縫敏感性增大的傾向。所以，當(dāng)添加Cr時(shí)，將Cr的含量設(shè)為0.03～0.80％。優(yōu)選0.05～0.60％。
B具有改善淬硬性使強(qiáng)度提高的作用。另一方面，當(dāng)過多地添加時(shí)，則提高強(qiáng)度的效果飽和，母材、HAZ的韌性惡化的傾向都變得明顯。所以，添加B時(shí)，將B的含量設(shè)為0.0002～0.002％。優(yōu)選0.003～0.0015％。
V具有如下的作用，即，生成碳氮化物而抑制晶粒的粗大化，并且將相變組織微細(xì)化。但是，如果是小于特定量的添加，則無法發(fā)揮所述作用，另外，在大量地添加的情況下，則對母材韌性及焊接部韌性造成不良影響。所以，添加V時(shí)，將V的含量設(shè)為0.001～0.05％。優(yōu)選0.005～0.04％。
Ca、Mg、REM是生成成為粒內(nèi)鐵素體的析出核的氧化物、硫化物的元素。另外，還控制硫化物的形態(tài)，使低溫韌性提高。為了獲得此種Ca、Mg、REM的效果，對于Ca的情況，需要含有0.0005％以上，對于Mg、REM的情況，需要含有0.0001％以上。另一方面，對于Ca的情況，當(dāng)超過0.005％時(shí)，對于Mg、REM的情況，當(dāng)超過0.01％時(shí)，則會(huì)生成Ca、Mg類的大型夾雜物或簇而使鋼的純度惡化。所以，添加Ca時(shí)，將Ca的含量設(shè)為0.0005～0.005％，添加Mg、REM時(shí)，將Mg、REM的含量設(shè)為0.0001～0.01％。
另外，本發(fā)明的鋼優(yōu)選以下述(I)式表示的Pcm在0.25以下，并且對于在鋼中分散的長徑在1nm以上的Cu粒子而言，其當(dāng)量圓直徑的平均值為4～25nm，并且平面率換算分布量為3～20％。
Pcm＝C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+5B …(I)Pcm是表示焊接裂縫敏感性的指數(shù)，如果其值在0.25以下，則在通常的焊接施工條件下不會(huì)產(chǎn)生焊接裂縫。所以，Pcm設(shè)為0.25以下。當(dāng)降低Pcm時(shí)，就可以省略焊接時(shí)的預(yù)熱。優(yōu)選0.22以下，更優(yōu)選0.20以下。
下面，對Cu析出物的當(dāng)量圓直徑平均值及平面率換算分布量進(jìn)行敘述。將長徑在1nm以上的Cu粒子作為對象的理由是，小于1nm的粒子對提高強(qiáng)度的幫助較小。對于Cu粒子的長徑的上限，雖然沒有特別限定，然而在平均值為4～25nm的范圍中，不會(huì)出現(xiàn)超過100nm的粒子。而且，雖然Cu粒子的析出形態(tài)近似球狀，然而由于計(jì)測立體形狀并不容易，因此計(jì)測所投影的形狀。
這里，所謂當(dāng)量圓直徑是具有與粒子的投影面積相同面積的圓的直徑，具體來說，利用d＝(4a/pai)a投影面積(nm2)，d當(dāng)量圓直徑(nm)，pai3.14求得。
對于平面率換算分布量，通過將鋼材加工為薄膜狀，對于具有約為0.2微米的厚度的部分實(shí)施TEM觀察，通過對倍率為100000倍的TEM照片測定將在薄膜狀實(shí)驗(yàn)片中立體地分布的Cu粒子平面投影時(shí)的面積率而算出。
這里，對于如上所述地規(guī)定當(dāng)量圓直徑、平面率換算分布量的理由，進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)敘述。
作為海洋結(jié)構(gòu)件中所使用的鋼的特征，由于要耐受由巨大的波浪造成的外力，因此經(jīng)常采用最大板厚接近100mm的極厚高強(qiáng)度鋼，另外，由于今后要在嚴(yán)酷的狀況下使用，因此要求滿足更為嚴(yán)格的CTOD值。
當(dāng)因Cu析出而強(qiáng)度變得過高時(shí)，則CTOD值降低，當(dāng)Cu析出不足時(shí)，則即使CTOD值高，強(qiáng)度也會(huì)不足。
在以往的Cu添加鋼中，由于基本上沒有用于海洋結(jié)構(gòu)件的適用例，沒有嚴(yán)格的CTOD值要求，因此不需要嚴(yán)密地控制此種Cu析出粒子的平均直徑或分布量。
所以，在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，為了取得由Cu析出造成的強(qiáng)度上升和CTOD值的降低的平衡，將Cu析出粒子的平均直徑或分布量如上所述地規(guī)定。
將當(dāng)量圓直徑設(shè)為4～25nm是為了強(qiáng)度與韌性的平衡，將平面率換算分布量設(shè)為3～20％也是為了強(qiáng)度與韌性的平衡。
作為控制Cu粒子直徑、分布量的因素，可以考慮如下的內(nèi)容。
(1)Cu添加量越多，則分布量就越多。對于給粒子直徑造成的影響，如果是恰當(dāng)?shù)奶砑臃秶?，則主要由時(shí)效處理前的組織、時(shí)效處理的溫度及時(shí)間來決定平均粒徑。如果少于恰當(dāng)添加量，則Cu粒子的析出不充分，粒子直徑小，如果較多，則粒子直徑有增大的傾向。
(2)時(shí)效前組織的影響較大，作為時(shí)效前組織優(yōu)選設(shè)為鐵素體及貝氏體主體的微細(xì)的組織。
由于位錯(cuò)或晶體晶界等成為Cu粒子的析出點(diǎn)，因此形成較多地含有此種析出點(diǎn)的組織時(shí)，使Cu粒子直徑變小，使分布量增多。為此就需要恰當(dāng)?shù)乜刂其摰某煞?，并且恰?dāng)?shù)卦O(shè)定壓延條件，其后的水冷條件也需要按照成為鐵素體·貝氏體主體的微細(xì)組織的方式選擇。
(3)時(shí)效處理溫度、時(shí)間是重要的因素。通過利用時(shí)效處理?xiàng)l件來嚴(yán)密地調(diào)整Cu的擴(kuò)散速度、粒子的生長速度，就可以控制為所需的粒子分散狀態(tài)。
只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整所述的3個(gè)因素，來制造本發(fā)明鋼即可，根據(jù)以上的公布內(nèi)容，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本發(fā)明的實(shí)施并不困難。
下面，對本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼的制造方法進(jìn)行說明。
即使是如上所述的鋼成分組成，為了充分地發(fā)揮Cu的析出硬化，另外，為了使厚度在50mm以上的厚壁材料的板厚方向各位置的強(qiáng)度及韌性均勻地高韌化，并且為了提高屈服強(qiáng)度，制造方法必須合適。
直至制鋼工序，只要利用慣用的方法進(jìn)行即可，在本發(fā)明中沒有特別限制。在制鋼工序之后將得到鋼坯，然而從成本降低的觀點(diǎn)考慮，最好利用連續(xù)鑄造法制作鋼坯。
這里，對于鋼坯的加熱、熱軋、冷卻及回火條件進(jìn)行說明。首先，將所述成分組成的鋼坯加熱到900～1120℃，進(jìn)行熱軋。本發(fā)明中，為了獲得高韌性，在厚壁材料的板厚中心部，即使生成上部貝氏體組織，也需要以充分的程度將奧氏體粒子細(xì)?；?，在加熱階段，鋼坯厚壁內(nèi)的奧氏體粒子的細(xì)?；种匾?。如果是小于900℃的較低的溫度，則該固溶化作用不充分，在回火處理中無法期望充分的析出硬化。但是，如果是超過1120℃的加熱溫度，則無法將壓延前的奧氏體粒子細(xì)粒化并保持為整粒，在其后的壓延中，奧氏體粒子也無法被均勻地細(xì)?；Ｋ?，將鋼坯的加熱溫度設(shè)為900～1120℃。優(yōu)選900～1050℃，更優(yōu)選900～1000℃。
在壓延中，最好將900℃以下的總壓下量設(shè)為50％以上。在熱軋后，進(jìn)行如下的淬火處理，即，從Ar1點(diǎn)以上的溫度開始水冷，在600℃以下的溫度停止。這是為了實(shí)現(xiàn)組織微細(xì)化，以及盡可能限制時(shí)效處理前階段中Cu粒子析出。如果是從小于Ar1點(diǎn)的溫度開始的水冷，或者冷卻為空冷，則會(huì)引起加工變形的消失，成為強(qiáng)度和韌性降低的原因。
壓延加工溫度優(yōu)選700℃以上，冷卻開始溫度優(yōu)選680℃～750℃，直至冷卻停止溫度的冷卻速度優(yōu)選1～50℃/s。當(dāng)水冷停止溫度超過600℃時(shí)，則回火處理的析出強(qiáng)化作用就變得不充分。
而且，Ar1點(diǎn)可以利用測定微小實(shí)驗(yàn)片的體積變化的方法來求得。
然后，在熱軋后，被水冷了的鋼在其后根據(jù)需要進(jìn)行加熱，在540℃以上Ac1點(diǎn)以下的溫度下進(jìn)行時(shí)效處理，然后冷卻。
這里，當(dāng)直至?xí)r效溫度都進(jìn)行加熱時(shí)，對直至?xí)r效溫度-100℃的平均加熱速度及直至500℃的平均冷卻速度進(jìn)行控制。因?yàn)樵摃r(shí)效處理是為了使Cu的析出物充分地析出硬化，加熱/冷卻速度的控制是為了使Cu粒子的分散均勻化而實(shí)施的。所以，加熱速度優(yōu)選設(shè)為直至目標(biāo)溫度-100℃的平均加熱速度為5～50℃/分鐘，保持時(shí)間優(yōu)選1小時(shí)以上，冷卻速度優(yōu)選直至500℃的平均冷卻速度為5～60℃/分鐘。
這里，本說明書的將加熱溫度設(shè)為爐內(nèi)氣氛溫度，將加熱后保持時(shí)間設(shè)為爐內(nèi)氣氛溫度下的保持溫度，將壓延結(jié)束溫度及水冷開始/停止溫度設(shè)為鋼材的表層溫度，對再次加熱時(shí)的加熱/冷卻平均速度利用鋼材的厚度1/2位置處的溫度計(jì)算而算出。
在由本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼構(gòu)成大型海洋結(jié)構(gòu)件時(shí)，雖然是利用焊接來組裝板材、管材以及型材等鋼材，然而一般來說被作為鋼板使用。
本說明書中提到「焊接性」優(yōu)良時(shí)，通常來說是指能夠進(jìn)行焊接線能量在300kJ/cm以上的弧焊接，然而作為焊接法，除此以外，也可以是埋弧焊接、涂藥弧焊接等。
這里，作為海洋結(jié)構(gòu)件，不僅是在海底鋪設(shè)的平臺、自升式鉆井平臺，也包含半潛式鉆井平臺(半潛水式石油挖掘鉆井平臺)等，只要是被要求焊接性和低溫韌性的海洋結(jié)構(gòu)件，就沒有特別限制。而且，提到「大型」時(shí)，是指其中所使用的鋼材的厚度在50mm以上的意思。
實(shí)施例本例中，利用連續(xù)鑄造法制作了具有表1及表2的化學(xué)成分的300mm厚的鋼坯。這里，根據(jù)控制板厚中心位置的夾雜物的觀點(diǎn)，在連續(xù)鑄造過程中，不過度地提高鋼水的溫度，對于由鋼水組成決定的凝固溫度，按照使其差在50℃以內(nèi)的方式進(jìn)行控制，另外進(jìn)行了即將凝固前的電磁攪拌、凝固時(shí)的壓下。
表3及表4中表示具有表1及表2所示的化學(xué)成分的鋼坯的加工條件。這里，表3、表4中所示的加工條件是分別具有表1、表2所示的化學(xué)成分的鋼坯的加工條件。
對于300mm厚的鋼坯，在各加熱溫度、各加熱時(shí)間加熱后，進(jìn)行了熱軋之后，從水冷開始溫度至水冷停止溫度，以5℃/s的平均的冷卻速度進(jìn)行冷卻，制成了板厚77mm的鋼板。(對于這些條件，在表3及表4中表示為初期加熱·壓延條件)其后，再次加熱至各時(shí)效溫度，保持了各保持時(shí)間。這里，加熱速度是按照使直至?xí)r效溫度-100℃的平均加熱速度達(dá)到10℃/分鐘的方式控制，冷卻速度是按照使直至500℃的平均冷卻速度達(dá)到10℃/分鐘的方式進(jìn)行控制。(對于這些條件，在表3及表4中表示為時(shí)效處理?xiàng)l件)如此得到的鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)是依照ASTM規(guī)格，從與壓延方向成直角方向的板厚中央采取平行部12.5mm直徑的拉伸實(shí)驗(yàn)片并實(shí)施的。
同樣地，所得的鋼的CTOD實(shí)驗(yàn)是依照BS7448規(guī)格，從與壓延方向成直角的方向采取全厚的3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)片，在-40℃下實(shí)施的。
焊接接頭部是依照BS7448規(guī)格，對進(jìn)行了K坡口加工的鋼板對接部實(shí)施10.0kJ/cm的FCAW焊接(Flux Cored Arc Welding)而得到的。對于如此得到的接頭，按照使CTOD實(shí)驗(yàn)片的疲勞凹口(notch)成為V型坡口的直線部側(cè)的焊接線的方式進(jìn)行加工，對如此得到的實(shí)驗(yàn)片，在-40℃下實(shí)施了CTOD實(shí)驗(yàn)。
另外，為了確認(rèn)對大線能量焊接的適應(yīng)性，對于相同的鋼，進(jìn)行了20°V坡口加工后，進(jìn)行對接，利用線能量為350kJ/cm的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)電焊(EGW)制作了焊接接頭。對于此時(shí)所制作的焊接接頭，實(shí)施了依照ASTM E1290的CTOD實(shí)驗(yàn)。CTOD實(shí)驗(yàn)片按照使疲勞凹口成為焊接線的方式加工，在實(shí)驗(yàn)溫度-10℃下測定了臨界CTOD值。
另外，Cu粒子的當(dāng)量圓直徑的平均值是對在倍率為100000倍的透過型電子顯微鏡(TEM)照片中所觀察到的長徑在1nm以上的各析出物測定當(dāng)量圓直徑，通過對該直徑求得照片中每個(gè)視野的平均值而算出的。而且，為了減少測定的偏差，測定是對鋼材原來厚度的1/4的位置，觀察TEM照片的10個(gè)視野(1個(gè)視野為900×700nm的長方形)，使用了它的平均值。
表1是表示了滿足本發(fā)明中所規(guī)定的化學(xué)成分的供實(shí)驗(yàn)材料的表。將這些供實(shí)驗(yàn)鋼在表3所示的加工條件下制造處理后的材料成為如表5所示Cu粒子的分散狀態(tài)都滿足規(guī)定范圍的材料。由此，所有的供實(shí)驗(yàn)鋼的母材強(qiáng)度、母材CTOD特性、接頭CTOD特性(-40℃及-10℃)都達(dá)到了很高的值。
表2當(dāng)中的No.40是表示了滿足本發(fā)明中所規(guī)定的化學(xué)成分的供實(shí)驗(yàn)材料的編號，No.41～No.60是表示了化學(xué)成分范圍的任意一項(xiàng)都在本發(fā)明中所規(guī)定的范圍外的供實(shí)驗(yàn)材料的編號。將這些供實(shí)驗(yàn)鋼在表4所示的加工條件下制造處理后的材料形成了如表6所示的Cu粒子的分散狀態(tài)。
對于No.40，雖然滿足本發(fā)明中所規(guī)定的化學(xué)組成，然而由于Cu粒子的分散狀態(tài)不滿足規(guī)定范圍，因此母材強(qiáng)度變?yōu)檩^低的值。所以，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)大線能量焊接特性和母材強(qiáng)度，最好滿足本發(fā)明中所規(guī)定的Cu粒子的分散狀態(tài)。
另外，對于No.41～No.60，由于不滿足本發(fā)明中所規(guī)定的化學(xué)組成，因此無法同時(shí)滿足母材強(qiáng)度、母材CTOD特性、接頭CTOD特性(-40℃及-10℃)。


表2]





權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有C0.01～0.10％、Si0.5％以下、Mn0.8～1.8％、P0.020％以下、S0.01％以下、Cu0.8～1.5％、Ni0.2～1.5％、Al0.001～0.05％、N0.003～0.008％、O0.0005～0.0035％，剩余部分為Fe及雜質(zhì)，并且N/Al為0.3～3.0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Ti0.005～0.03％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Nb0.003～0.03％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Mo0.1～0.8％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Cr0.03～0.80％、B0.0002～0.002的一種以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有V0.001～0.05％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，以質(zhì)量％表示，含有Ca0.0005～0.005％、Mg0.0001～0.005％、REM0.0001～0.01％的一種以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼，其特征是，下述(I)式表示的Pcm在0.25以下，對于在鋼中分散的長徑在1nm以上的Cu粒子而言，其當(dāng)量圓直徑的平均值為4～25nm，并且平面率換算分布量為3～20％，Pcm＝C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+5B…(I)。
9.一種使用了權(quán)利要求1～8中任意一項(xiàng)所記載的高強(qiáng)度鋼的海洋結(jié)構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)大熱量焊接且低溫韌性優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼，它被如下構(gòu)成，即，以質(zhì)量％表示，含有C0.01～0.10％、Si0.5％以下、Mn0.8～1.8％、P0.020％以下、S0.01％以下、Cu0.8～1.5％、Ni0.2～1.5％、Al0.001～0.05％、N0.0030～0.0080％、O0.0005～0.0035％，根據(jù)需要，還含有Ti0.005～0.03％、Nb0.003～0.03％、Mo0.1～0.8％的1種或2種，剩余部分為Fe及雜質(zhì)，并且N/Al達(dá)到0.3～3.0。
文檔編號C21D8/02GK1886530SQ20048003499
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者加茂孝浩, 占部健, 中村浩史, 大西一志, 濱田昌彥 申請人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社