专利名称：材质各向异性小低温韧性优异的高张力钢板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抗拉强度为490MPa以上的高张力钢板，特别是涉及一种母材韧性、HAZ韧性优异并且材质各向异性小的高张力钢板。
背景技术：
近年来，对于用于船舶和海洋结构物的钢板，要求是母材强度高、低温韧性以及可焊性(HAZ韧性)优异的高张力钢板。
作为这种钢板，例如在特开平9-111337号公报(专利文献1)中，提出了在低C的条件下，积极地添加与Ti相比伴随析出强化的韧性劣化特别小的Nb，实现由NbC而析出强化，并且提高淬火性的高张力钢板。还有，在特开2000-178645号公报(专利文献2)中，提出了通过削减MnS、TiN的析出量进行净化从而改善韧性，并且通过使奥氏体(γ)晶粒粗大化而由Mn使淬火性提高的高张力钢板。
〔专利文献1〕特开平9-111337号公报〔专利文献2〕特开2000-178645号公报最近，从提高工作精度和提高安全性的观点出发，要求降低材质的各向异性(钢板某部位中的轧制方向(L方向)、轧制垂直方向(C方向)的特性的不同)和材质差异(钢板不同部位的特性的不同)。特别是，由于通过降低材质的各向异性而能够使音响各向异性降低，因此要求材质各向异性低的钢板。这是因为若音响各向异性低，则在UT(超声波探伤)检查时，能够高效率地进行焊接缺陷的检查。
根据上述专利文献中所记载的技术，虽然某种程度可以实现高强度下母材的低温韧性、HAZ性的提高，但是特别是在材质各向异性中没有得到改善。即，在专利文献1的高张力钢板中，Nb被过量地添加，虽然Nb对淬火性有效地发生作用，但是由于Nb是在凝固时容易发生微偏析和巨观偏析的元素，所以存在材质各向异性生成较大、还有在材质中容易产生差异的问题。还有，在专利文献2的钢板中，主要是通过Mn而确保淬火性，但是由于Mn是容易产生微偏析的元素，因此同样也容易产生材质各向异性。还有，若微偏析发生，则在轧制时沿轧制方向延展，容易产生材质各向异性。另一方面，若微偏析发生，则在钢板的顶部、底部或其间的部位，强度、韧性容易产生差异(材质差异)。
本发明鉴于这些问题，其目的在于提供一种低温韧性、HAZ韧性优异，并且材质各向异性被抑制的高张力钢板。
发明内容
本发明的钢成分的设计要点在于，能够得到以无碳贝氏体及/或准多边形铁素体为主体的钢组织，除了将C量限制于低水平外，通过添加有助于细化HAZ组织的Ti，和能够形成铁素体的核生成点的B而确保HAZ韧性，还有通过添加相对不会劣化HAZ韧性的碳化物非生成元素(Mn，根据需要还有Cu、Ni、Cr等)而实现母材的高强度化，还有通过抑制作为硬质相的马氏体和奥氏体混合物(Martensite-Austenite Constituent，以下称作MA)的生成量，并限制KP＝[Mn]+1.5[Cr]+2[Mo]的值，而确保低温韧性。此外，通过以与Nb、Mn、Cu、Ni相比微偏析和巨观偏析较难发生的Ti为主进行使用，而确保淬火性，并由此降低材质各向异性。
即，本发明的高张力钢板，含有满足如下条件的成分在以mass％计，C0.01～0.08％、Si0.8％以下、Mn0.5～1.9％、Ti0.005～0.10％、B0.0006～0.0050％、N0.002～0.010％的范围内，并且在设KP＝[Mn]+1.5[Cr]+2[Mo]、TP＝4[Ti]/[C]([X]表示元素X的含量(mass％))时，满足KP＜2.4、TP＞0.62；此外MA的平均面积率为0.5％以下，旧奥氏体晶粒的平均纵横比(aspect ratio)为1.3以下。所述MA优选为，其当量圆直径为1.0μm以下，平均纵横比为2.0以下。
此外，在上述成分中，可以单独、或复合添加从以下各群任选的元素(1)Nb低于0.030％，并且2[Nb]/[Ti]＜4.0；(2)Ni2.0％以下，Cu2.0％以下的任一种或两种；(3)Cr1.0％以下，Mo0.30％以下，V0.10％以下的任一种以上；(4)Ca0.0050％以下；(5)Mg0.005％以下，REM0.02％以下，Zr0.05％以下的任一种以上。还有作为脱氧元素可以含有0.20％以下的Al，作为杂质P、S，可以设为P0.020％以下、S0.010％以下。
根据本发明的高张力钢板，由于具有使C为低量，特别是使Mn、Cr、Mo满足KP值低于2.4，并且使微偏析和巨观偏析发生困难、淬火性优异的Ti满足TP值超过0.62的组成，并且MA的平均面积率为0.5％以下，旧奥氏体晶粒的平均纵横比为1.3以下，所以能够提供490MPa以上的高强度，并且低温韧性、HAZ韧性优异，以及材质各向异性进而音响各向异性小的高张力钢板。
具体实施例方式
首先，对本发明的高张力钢板的成分限定理由进行说明。单位是mass％。
C0.01～0.08％C是用于同时兼顾焊接时的HAZ的耐焊接裂纹性和母材强度，并改善大热量输入HAZ韧性的重要元素。若C超过0.08％，则在高冷却速度侧没有无碳贝氏体而生成马氏体，耐焊接裂纹性降低。还有，在低冷却速度侧(大热量输入HAZ)中MA大量生成，大热量输入HAZ韧性不能得到改善。C含量可以优选为0.06％以下，进一步优选为0.055％以下。另一方面，在低于0.01％时，母材强度下降。所以可以优选为0.02％以上，进一步优选为0.03％以上。
Si0.8％以下Si是作为脱氧剂有用的元素，但是因为如果超过0.8％添加，则可焊性和母材韧性降低，所以将上限设为0.8％。可以优选为0.6％以下，进一步优选为0.3％以下。
Mn0.5～1.9％Mn具有淬火改善作用，并且具有细化晶粒而改善母材韧性的效果。尤其，如果超过1.9％则HAZ的耐焊接裂纹性降低。可以优选为1.8％以下，进一步优选为1.6％以下。另一方面，在Mn低于0.5％时就不能得到充分的母材强度。所以可以优选为0.8％以上，更优选为1.0％以上，进一步优选为1.2％以上，最佳优选为1.3％以上。
Ti0.005～0.10％Ti作为提高淬火性的元素在本发明中很重要，还有与N形成氮化物而细化HAZ的γ粒，并且成为BN的生成点，促进晶内铁素体的生成，具有大幅改善HAZ韧性的效果。在低于0.005％时，则不能充分地确保此效果。可以优选为0.007％以上，更优选为0.009％以上。另一方面，如果Ti超过0.10％，则HAZ韧性、母材韧性共同劣化。可以优选为0.025％以下，更优选为0.020％以下。关于Ti的淬火性通过TP值的限定理由进行详细说明。
B0.0006～0.0050％B具有通过固溶而改善淬火性的作用，但是在固溶量过多的情况下，相反会有损韧性。还有，在HAZ中，成为BN作为铁素体的核生成点而进行作用，具有提高HAZ韧性的效果。在B的量低于0.0006％时，不能充分地确保B的添加效果。可以优选为0.0010％以上，进一步优选为0.0012％以上。另一方面，如果B的量超过0.005％，相反会降低淬火性，并且母材韧性、HAZ性劣化。可以优选为0.0030％以下，进一步优选为0.0025％以下。
N0.002～0.010％N与Ti形成氮化物而细化HAZ的γ粒径，并且与B形成氮化物而促进HAZ的铁素体的生成，具有改善HAZ韧性的效果。如果N的量超过0.010％，则母材韧性和HAZ韧性共同劣化。还有，由于固溶B量下降而使得强度降低。可以优选为0.0060％以下。另一方面，N的量低于0.002％时，则与Ti形成氮化物而改善HAZ韧性的效果变得不充分。可以优选为0.0030％以上。
Kp＝〔Mn〕+1.5〔Cr〕+2〔Mo〕＜2.4KP是表示低碳贝氏体中的MA的生成容易度的指标，如果KP在2.4以上，则MA的生成量变得过多而使得HAZ韧性(特别是低温HAZ韧性)劣化。从HAZ韧性改善的观点出发，希望KP的值小，可以优选为2.0以下，进一步优选为1.7以下。
TP＝4〔Ti〕/〔C〕＞0.62
〔Ti〕/〔C〕表示奥氏体中的固溶Ti量，即表示由Ti产生的淬火性的指标，通过有效地发挥Ti产生的淬火性，能够改善材质各向异性、材质差异，并且抑制MA的生成。从后述的实施例可知，TP值在0.62以下时，有助于淬火性的固溶Ti量不足，MA的生成量增加，还有材质各向异性变得显著。即，如果固溶Ti量不足，则与Ti相比易偏析的Mn、Cu、Ni、Nb对淬火性发生作用，这些元素的偏析成为起因，易发生材质各向异性和材质差异。
本发明的钢板在以上的基本成分之外，由剩余部Fe和杂质形成。杂质P、S越少越好，P为0.020％以下，可以优选为限于0.010％以下，还有S为0.010％以下，可以优选为限于0.005％以下。还有，Al是对脱氧有效的元素，虽然能够作为钢成分而含有，但是因为超过0.20％则母材韧性和HAZ韧性会有降低的倾向，所以可以限于0.20％以下，优选为0.10％以下，进一步优选为0.05％以下。
此外，在不损害上述基本成分的作用、效果的范围内，可以添加进一步提高特性的元素。例如，可以单独或复合添加从以下各群任选的元素，(1)下述范围的Nb、(2)下述范围的Ni、Cu中的任一种或两种、(3)下述范围的Cr、Mo、V中的任一种以上、(4)下述范围的Ca、(5)下述范围的Mg、REM、Zr中的任一种以上。
Nb低于0.030％，2〔Nb〕/〔Ti〕＜4.0Nb具有改善淬火性的作用，但是在0.030％以上时，则使晶粒粗大化，降低母材韧性以及HAZ韧性。可以优选为0.025％以下，进一步优选为0.018％以下。另一方面，为了有效地发挥Nb的添加效果，优选为0.005％以上，更优选为0.008％以上。此外，如果2〔Nb〕/〔Ti〕为4.0以上，则Nb产生的淬火性比Ti更具支配力，由于凝固时的Nb的巨观偏析、微偏析而使材质差异和材质各向异性变大。为此，设2〔Nb〕/〔Ti〕为低于4.0，可以优选为3.0以下。
Ni2.0％以下Ni是对母材强度和母材韧性的提高有用的元素，但是如果超过2.0％含有，则相反会有劣化HAZ韧性的倾向，所以其上限优选为2.0％。更优选为1.5％以下，进一步优选为0.9％以下。
Cu2.0％以下Cu通过固溶强化以及析出强化而提高母材强度，并且具有提高淬火性的作用。如果超过2.0％则会有大热量输入HAZ韧性下降的倾向，所以其上限优选为2.0％。可以更优选为1.2％以下，进一步优选为0.9％以下。
Cr1.0％以下Cr具有通过改善淬火性而提高母材强度的作用，但是如果超过1.0％则MA的生成量增加会有HAZ韧性劣化的倾向，所以其上限优选为1.0％。可以更优选为0.5％以下，进一步优选为0.3％以下。
Mo0.30％以下Mo改善淬火性具有提高母材强度的作用，但是另一方面，因为具有大幅使HAZ韧性劣化的作用，所以其上限优选为0.30％以下。可以更优选为0.15％以下，进一步优选为0.10％以下。
V0.10％以下V通过少量添加，具有提高淬火性和抗回火软化性的作用，但是如果超过0.10％则会有降低母材韧性和HAZ韧性的倾向，所以其上限优选为0.10％。可以更优选为0.06％以下，进一步优选为0.02％以下。
Ca0.0050％以下Ca使MnS球状化，从而具有降低夹杂物的各向异性的作用。为了充分地发挥此效果，优选添加Ca为0.0005％以上。可以更优选为0.001％以上。另一方面，如果Ca量超过0.0050％则会有母材韧性下降的倾向，因此其上限优选为0.0050％。可以更优选为0.0030％以下。
Mg0.005％以下，REM0.02％以下，Zr0.05％以下这些元素具有提高HAZ韧性的作用，但是如果使其过量含有则相反会有HAZ韧性劣化的倾向，因此，优选为Mg0.005％以下，REM0.02％以下，Zr0.050％以下。更优选为Mg0.003％以下，REM0.01％以下，Zr0.03％以下。还有，本发明的钢板中所含有的REM，可以使用属于元素周期表第三族的钪(Sc)、钇(Y)以及镧系稀土类元素(原子序数51～71)的元素的任一种。
本发明的钢板，具有上述组成，由以无碳贝氏体及/或准多边形铁素体为主的组织构成，另外，还具有一些含有MA的组织，旧γ晶粒的平均纵横比为1.3以下。在旧γ晶粒的纵横比大的情况下，L方向和C方向的组织单位即块状贝氏体(结晶方位相同的无碳贝氏体簇)的尺寸不同，还有贝氏体的方位是非随机地形成，材质各向异性很显著。因此，将旧γ晶粒的平均纵横比设为1.3以下，优选为设为1.2以下。还有，由于MA是粗大的硬质相，所以成为龟裂发生的起点，使母材性能显著地劣化，因此平均设在0.5面积％以下。此外，对MA的低温韧性的影响，除了其量外，还特别与其大小和纵横比有关，MA的平均当量圆直径超过1.0μm、平均纵横比超过2.0，则低温韧性的劣化变得显著。因此，优选为MA的当量圆直径为1.0μm以下，平均纵横比为2.0以下。
接着，对本发明的钢板的推荐制造条件进行说明。本发明的高张力钢板，为了将Ti、B、Nb固溶于奥氏体中，而将钢片加热到1050～1150℃左右后，在基本的再结晶区域进行轧制。由于再结晶温度较大程度地受合金元素中Ti、Nb、B的影响，因此有必要参照这些元素的浓度而设定最终精轧温度FRT。根据本发明者的研究，通过将FRT设定为满足下述式的温度，从而能够得到纵横比为接近于1.0的值。还有，如果基本对于每个轧槽(pass)以100％的再结晶温度进行轧制，则理论上纵横比大致为1。尤其，在下式的右边为低于830℃的情况下，设其为830℃以上。这是因为发现在低于830℃时，会成为部分再结晶温度区域的轧制，由于轧制后剩余的未再结晶粒的影响材质各向异性变大。
FRT(℃)≥(4〔Nb〕+〔Ti〕+20〔B〕)×1000+770在热轧后的冷却时，冷却速度优选为3℃/秒以上，还有冷却停止温度优选为500℃以下。在冷却速度低于3℃/秒、冷却停止温度超过500℃的情况下，作为损害韧性主要原因的MA超过允许范围而生成。具体地说，热轧后可以进行水冷，通过水冷即使板厚为100mm左右，也能够将其冷却速度控制为4℃/秒左右。
在本发明的钢板中，不必一定进行回火处理，但在实施回火处理的情况下，希望将回火温度设为400～600℃。在回火温度低于400℃时，MA不分解，不能期待仅通过降低强度而提高韧性。另一方面，如果超过600℃，则晶粒成长并且粗大化，相反会劣化母材韧性。
在本发明中，作为钢成分，通过使Ti/C、或Nb/Ti最佳化，能够最大限度地发挥Ti的淬火性，并减小MA的量和尺寸。因此，抵消了因轧制温度高所引起的贝氏体晶粒的粗大化的影响，从而能够制造抑制母材的材质各向异性、材质差异的同时，使母材高强度化，兼具优异低温韧性和可焊性的钢板。
如上所述，本发明的钢板，通过在热轧中，对限制了KP值、TP值的所定成分的钢片，积极地进行主要在再结晶温度区域的高温轧制，并进行急冷，从而形成以无碳贝氏体及/或准多边形铁素体为主体的组织，并且形成MA量被尽量抑制，旧γ粒的纵横比近似于1的组织，例如即使板厚为50mm以上的钢板，也能够达到490MPa以上的强度，从而能够使母材韧性、HAZ韧性优异，并降低材质各向异性和材质差异。
接下来，举实施例对本发明进行更具体的说明，但是本发明并不局限于实施例的解释。
〔实施例〕通过通常方法熔炼下述表1所示的化学组成的钢，形成钢锭后，以表2所示的条件进行加热并均热后，通过此表所示的最终精轧温度(FRT)结束热轧，并通过同表所示的冷却速度(表示钢板的板厚平均冷却速度)进行冷却。还有，对一部分的试料，冷却后，进行了在同表所示的回火温度下保持15分钟左右的回火热处理。还有，热轧后，对钢板通过水冷进行冷却，此时的平均冷却速度相对于板厚30mm、50mm、80mm、100mm分别大约为5℃/s、12℃/s、5℃/s、4℃/s，这些值在表3中表示。
对于如此制造而成的试料热轧板，从热轧板厚度的1/4部位采取三个组织观察试验片，在进行光学显微镜观察(倍率400倍)时，发现形成了以无碳贝氏体以及准多边形铁素体为主体，在无碳贝氏体以及准多边形铁素体的界面有MA少许形成的组织。
对所述组织观察试验片通过硝酸乙醇溶液腐蚀后，用SEM(扫描电子显微镜)以倍率1000倍对组织进行拍摄，使用图像解析软件对所拍摄的图像进行解析，求出MA的平均面积分率、平均当量圆直径和平均纵横比。另外，使用光学显微镜以100～400倍对组织进行拍摄，测定旧γ晶粒的尺寸，并求出其平均纵横比。这些测定结果在表2中表示。
还有，通过下述要领进行抗拉试验、冲击试验，调查母材的机械性质。
在各钢板的三个位置(钢板的长度方向的前部、中央部、后部)中沿L方向和C方向，从板厚的1/4部位采取了JIS4号试验片，使用此试验片进行抗拉试验，测定了0.2％屈服强度(YS)、抗拉强度(TS)。还有，冲击试验与抗拉试验片的情况相同，采取了JIS4号试验片，并用其进行摆锤冲击试验，求出-60℃的吸收能量(vE-60)。在本发明钢板的用途中，如果抗拉强度为490MPa以上，vE-60为250J以上，则实用上为合格水平。在表3的YS、TS、vE-60中，表示的是所测定的值中的最小值。
还有，为了评价材料的各向异性，在各采样部位的L方向和C方向的特性差中，求出最大者(各向异性ΔTS、各向异性ΔYS、各向异性ΔvE-60)。还有，为了评价材质差异，而求出不同采样部位间的L方向的特性最大·最小差或C方向的特性最大·最小差，并求出其中较大者(差异性ΔTS、差异性ΔYS、差异性ΔvE-60)。
还有，为评价HAZ韧性，将各钢板加热到1400℃并保持5秒钟后，在500秒内进行了从800℃冷却到500℃的热循环处理(相当于以70kJ/mm的热量输入埋弧焊时的HAZ的热过程)，其后，从板厚1/4部位采取JIS4号试验片，进行摆锤冲击试验，测定了吸收能量(vE-60)。在本发明的钢板用途中，如果HAZ韧性以vE-60计为100J以上，则为实用上合格水平。表3中表示了这些测定结果。
表1
注在钢No.中带有*标的是比较成分，其他为发明成分KP＝[Mn]+1.5[Cr]+2[Mo]，TP＝4[Ti]/[C]，NP＝2[Nb]/[Ti]，minFDT(℃)＝(4[Nb]+[Ti]+20[B])*1000+770
表2
注在试料No.中带有*标的是比较例，其他为发明例
表3
注在试料No.中带有*标的是比较例，其他为发明例从表3，发明例全部抗拉强度均在490MPa以上，母材低温韧性(vE-60)均在250J以上，HAZ韧性(vE-60)均为100J以上，而且AYS≤50MPa、ΔTS≤30MPa、ΔvE-60≤50MPa，材质各向异性和材质差异性均处于良好的范围内。
对此，由于比较例的试料No.5的C量过多，No.8的Si量过多，所以MA量变多，母材韧性、HAZ韧性的劣化显著。还有，由于试料No.9的Mn量过少所以抗拉强度降低。另一方面，由于No.12的Mn量过多，所以抗拉强度较高，但是母材韧性劣化。还有，由于试料No.14的Nb量过多，所以和Ti量的平衡失调，材质各向异性和材质差异性共同恶化。由于试料No.15的Ti量过少，因此特别是材质均衡性较低。另一方面，由于No.18的Ti量过多，因此虽然淬火性得到提高并且能够得到高强度，但是母材韧性和HAZ韧性劣化，还有由于未再结晶粒变多，因此材质各向异性也劣化。还有由于试料No.19和No.22的B量不合适，因此抗拉强度或母材韧性降低。还有，由于试料No.23和26的N量不合适，因此母材韧性和HAZ韧性或抗拉强度恶化。还有，虽然试料No.38、42、45的钢成分适当，但是由于轧制温度较低，因此总而言之，旧γ晶粒的平均纵横比过大，材质各向异性降低。
权利要求
1.一种高张力钢板，其材质各向异性小，低温韧性优异，其特征在于，所含有成分满足如下条件在以mass％计，C0.01～0.08％，Si0.8％以下，Mn0.5～1.9％，Ti0.005～0.10％，B0.0006～0.0050％，N0.002～0.010％的范围中，并且在设KP＝[Mn]+1.5[Cr]+2[Mo]、TP＝4[Ti]/[C]时，满足KP＜2.4、TP＞0.62，其中，[X]表示元素X的百分比含量；此外，马氏体和奥氏体的混合物的平均面积率为0.5％以下，旧奥氏体晶粒的平均纵横比为1.3以下。
2.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，还含有Nb低于0.030％，并且满足2[Nb]/[Ti]＜4.0。
3.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，还含有Ni2.0％以下、Cu2.0％以下中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，还含有Cr1.0％以下、Mo0.30％以下、V0.10％以下中的任一种以上。
5.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，还含有Al0.20％以下。
6.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，还设P0.020％以下、S0.010％以下。
7.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，还含有Ca0.0050％以下。
8.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，还含有Mg0.005％以下、REM0.02％以下、Zr0.05％以下中的任一种以上。
9.根据权利要求1所述高张力钢板，其特征在于，所述马氏体和奥氏体的混合物的平均当量圆直径为1.0μm以下、平均纵横比为2.0以下。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的高张力钢板，其特征在于，板厚为50mm以上。
全文摘要
本发明提供一种高张力钢板，其具有抗拉强度为490MPa以上的高强度，并且母材韧性以及HAZ韧性优异，此外材质各向异性得到抑制。所述钢板，含有在以mass％计，C0.01～0.08％、Si0.8％以下、Mn0.5～1.9％、Ti0.005～0.10％、B0.0006～0.0050％、N0.002～0.010％的范围，并且在KP＝[Mn]+1.5[Cr]+2[Mo]、TP＝4[Ti]/[C]([X]表示元素X的含量(mass％))时，满足KP＜2.4、TP＞0.62的成分；此外MA的平均面积率为0.5％以下，旧奥氏体晶粒的平均纵横比为1.3以下。可以添加Nb，并优选为低于0.030％，2[Nb]/[Ti]＜4.0。
文档编号B21B37/74GK1986862SQ20051013386
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年12月19日
发明者村上昌吾, 畑野等, 冈崎喜臣 申请人:株式会社神户制钢所