焊接热影响部ctod特性优异的高张力厚钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶、海洋结构物、压力容器、压力水管等钢铁结构物中使用的高张力 钢及其制造方法。本发明尤其涉及屈服应力（YS)在420MPa以上、不仅母材的强度、韧性 (toughness)优异、而且多层焊接（multilayer weld)部的低温韧性（CT0D特性）也优异的 高张力厚钢（heavy wall thickness high-strength steel plate)及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 船舶、海洋结构物、压力容器中使用的钢经焊接接合，最终制成所希望形状的结构 物。因此，对这些钢而言，从结构物的安全性的角度考虑，当然要求母材的强度高、韧性优 异，还要求焊接接头部（焊接金属（weld metal)、热影响部（heat-affected zone))的韧性 优异。
[0003] 作为钢韧性的评价标准，一直以来主要使用通过夏比冲击试验得到的吸收能 量。近年来，为了进一步提高评价的可靠性，多使用裂纹尖端张开位移试验（Crack Tip Opening Displacement Test，后面称CTOD试验）。在该试验中，将在韧性评价部形成有疲 劳预裂纹（fatigue precrack)的试验片作三点弯曲，测定临断裂前的裂纹的张开量（塑性 变形量），由此评价脆性断裂（brittle fracture)的产生阻力。
[0004] 由于在CTOD试验中使用疲劳预裂纹，因而当极微小区域成为韧性评价部、存在局 部脆化区时，会有即使在夏比冲击试验中得到良好的韧性、仍会显示低韧性的情况。
[0005] 局部脆化区域容易发生在板厚度较厚的钢等会由于多层堆焊而经受复杂热历程 的焊接热影响部（下面也称HAZ)，接合部（焊接金属与母材的边界）或接合部被再加热成 双相区的部分（在第1循环的焊接中形成粗粒、通过后续的焊道焊接而被加热成铁素体与 奥氏体的双相区的区域。下面称双相区再加热部）会成为局部脆化区。
[0006] 由于接合部被暴露于略低于熔点的高温下，因而奥氏体晶粒会粗大化，并经 过接下来的冷却而容易相变成韧性低的上贝氏体组织，这样，基体（matrix)自身的韧 性低。另外，接合部容易生成魏氏体组织（Widmannstaetten structure)、岛状马氏体 (martensite-austenite constituent MA)等脆化组织，韧性进一步降低。
[0007] 为提高焊接热影响部的韧性，例如将TiN微细地分散在钢中、抑制奥氏体晶粒粗 大化或将TiN用作铁素体相变核之类的技术已实用化。然而，接合部有时会出现被加热到 TiN会溶解的温度区域的情况，焊接部的低温韧性要求越严格，上述作用效果越得不到发 挥。
[0008] 另一方面，专利文献1、专利文献2中公开了如下技术，即通过与Ti 一起复合添加 稀土类元素（REM)、使微细粒子分散在钢中，抑制奥氏体的晶粒生成，提高焊接部的韧性。
[0009] 此外，还提出了使Ti的氧化物分散（其中）的技术、将BN的铁素体核生成能与氧 化物分散进行组合的技术、通过进一步添加 Ca、REM来控制硫化物的形态、从而提高韧性的 技术。
[0010] 但是，这些技术以强度较低、合金元素量少的钢材为对象，当为强度更高、合金元 素量多的钢材时，HAZ组织会成为不含铁素体的组织，因而不能适用。
[0011] 因此，作为容易在焊接热影响部中生成铁素体的技术，专利文献3中公开了一种 主要将Mn的添加量提高至2质量％以上的技术。但是，对于连铸材料而言，Mn容易偏析于 钢坯的中心部，不仅在母材中、即使是在焊接热影响部中，中心偏析部也会硬度增加，成为 断裂的起点，从而引起母材和HAZ的韧性降低。
[0012] 另一方面，在双相区再加热部中，通过双相区再加热，碳会富集在逆相变为奥氏体 的区域，冷却过程中生成包含岛状马氏体的脆弱的贝氏体组织，韧性降低。为此，已公开有 以下技术：通过降低钢中的C量、Si量而抑制岛状马氏体的生成，提高韧性，通过添加 Cu来 确保母材强度（例如专利文献4和5)。这些方法是通过Cu的析出强化来提高强度的方法。 专利文献4中采用了使压延后的冷却速度在0. 1°C /s以下、在该过程中析出Cu粒子的方 法。专利文献4中记载的方法在制造稳定性方面存在问题。此外，在专利文献5中，通过使 N/A1之比为0. 3?3. 0来抑制AlN的粗大化、由固溶N的不良影响引起的韧性劣化。但是， 利用Ti来抑制固溶N会更容易。专利文献：
[0013] 专利文献1 :日本特公平03-053367号公报
[0014] 专利文献2 :日本特开昭60-184663号公报
[0015] 专利文献3 :日本专利第3697202号公报
[0016] 专利文献4 :日本专利第3045856号公报
[0017] 专利文献5 :日本专利第4432905号公报
【发明内容】
[0018] 近年来，随着船舶、海洋结构物、压力容器、压力水管等钢铁结构物的大型化，要求 这些钢铁结构物中使用的钢材的强度更高。这些钢铁结构物中使用的钢材多为例如板厚在 35mm以上的厚钢材，因此，为了确保屈服强度420MPa级或其以上的强度，增加了添加的合 金元素的钢成分类是有利的。然而，如上述那样，难以说对以合金元素量多的高强度钢材为 对象的接合部、双相再加热部的韧性提高进行了充分研宄。
[0019] 因此，本发明旨在提供一种能够良好地用于船舶、海洋结构物、压力容器、压力水 管等钢铁结构物的、屈服应力（YS)在420MPa以上、多层焊接部的焊接热影响部的低温韧性 (CTOD特性）优异的高张力钢板及其制造方法。
[0020] 为了解决上述问题，本发明者进行了深入研宄，根据以下技术思想进行了具体的 成分设计，并由此完成了本发明。
[0021] 1.由于CTOD特性是用钢板整个厚度的试验片来进行评价，因此，成分富集的中心 偏析部会成为断裂的起点。因此，为了提高焊接热影响部的CTOD特性，将容易作为钢板的 中心偏析而富集的元素控制至适当量，抑制中心偏析部的硬化。在钢水凝固时会成为最终 凝固部的钢坯（slab)的中心，C、Mn、P、Ni、Nb与其他元素相比，富集度高，因此，使用中心 偏析部硬度作为指标，控制这些元素的添加量，由此抑制在中心偏析中的硬度。
[0022] 2.为了提高焊接热影响部的韧性，有效利用TiN，在焊接接合部附近抑制奥氏体 晶粒的粗大化。通过将Ti/N控制至适当量，能够使TiN在钢中均匀地微细分散。
[0023] 3.将以硫化物的形态控制为目的而添加的Ca化合物（CaS)的结晶化用于提高焊 接热影响部的韧性。CaS与氧化物相比，会在低温下结晶，因而能够均匀地微细分散。另外， 通过将CaS添加量和添加时的钢水中的溶存氧量控制在适当范围内，即使CaS结晶后也能 确保固溶S，因而在CaS表面上会有MnS析出，形成复合硫化物。在该MnS的周围会形成Mn 的稀薄带，从而进一步促进铁素体相变。
[0024] S卩，本发明是
[0025] 1.焊接热影响部CTOD特性优异的高张力厚钢，其特征在于，具有如下成分组成： 以质量％计含有 C :0· 020 ?0· 080%、Si :0· 01 ?0· 35%、Mn :1· 20 ?2· 30%、P :0· 008% 以下、S :0· 0035% 以下、Al :0· 010 ?0· 060%、Cu :0· 70 ?I. 50%、Ni :0· 40 ?2. 00%、Nb : 0· 005 ?0· 040%、Ti :0· 005 ?0· 025%、N :0· 0020 ?0· 0050%、0 :0· 0030% 以下，满足式 (1)规定的Ceq :0. 520%以下、Ti/N :1. 50?4. 00,并满足式（2)，余部由Fe和不可避免的 杂质组成，钢板的中心偏析部硬度满足式（3)，
[0026] Ceq = [C] + [Mn] /6+ ([Cu] + [Ni]) /15+ ([Cr] + [Mo] + [V]) /5…（1)
[0027] 5. 5 [C]4/3+15 [P] +0· 90 [Μη] +0· 12 [Ni] +7. 9 [Nb] 1/2+0· 53 [Mo]兰 3. 50…（2)
[0028] 这里，[Μ]为元素 M的含量（质量％ )。
[0029] HVmax/HVave彡 1. 35+0. 006/[C] - t/500…（3)
[0030] Hvmax为中心偏析部的维氏硬度最大值，Hvara为除去从表面、背面到板厚的1/4处之 间和中心偏析