抗拉强度为980MPa以上、多层堆焊接头的低温韧性优异的高强度钢板

摘要

本发明提供一种钢板，接头部件HAZ的低温韧性优异，该钢板分别含有：C：0.12～0.16％(质量％的意思。下同)、Si：0.05～0.5％、Mn：0.8～1.2％、Al：0.01～0.07％、Mo：0.5～0.8％、Nb：0.025～0.08％、B：0.0004～0.002％、及Cr：0.2～0.8％和V：0.025～0.06％的至少一方，余量由铁及不可避免的杂质构成，下述(1)式规定的MP值为0.550以上，同时，下述(2)式规定的碳当量Ceq为0.63％以下，具有980MPa以上的抗拉强度。MP值＝(12/[C])×(([Mo]/96)+([Nb]/93))…(1)；Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15…(2)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有在形成多层堆焊接头时该接头部件的热影响区(下面，称为“HAZ”)的低温韧性优异的特性，并且抗拉强度为980MPa以上的高强度钢板。 

作为这样的钢板的用途，举例例如各种建材及各种施工机械。具体来说，举例在压力水管(水压铁管)、无损伤建筑物的建材、挖土机、起重机、铲运机等的在施工现场使用的施工机械等。 

下面，以施工机械为中心进行说明，但是，并不意味着本发明限定于该用途。 

背景技术

在施工现场等使用的大型起重机等的施工机械装载于车辆运送到现场，但是，由于大型的施工机械难以直接运送，所以要将施工机械分解进行运送。为此，要求施工机械的轻量化。另一方面，还需要施工机械要有能够忍受在苛刻的现场作业的强度。另外，由于施工机械多在寒冷地区使用，所以还要求母材与焊接接头部件具有良好的低温韧性。为满足这样的要求，寻求对施工机械来说薄壁，同时具有980MPa级的强度且具有优异的低温韧性的钢板。 

为实现应用于上述用途的钢板的高强度化，需要一定量以上的(例如，0.12质量％以上)的碳。另外，焊接钢板形成焊接接头时，使用多层堆焊(多层堆焊接头)，但是，为确保这样的焊接接头的韧性，碳的含量越少越优选。 

多层堆焊接头部件中，从与接头结构的关系来看，组织上呈现出复杂的样态。即，在多层堆焊接头部件中，已知有，根据其部位，存在有回火组粒HAZ(CG-HAZ)组织、回火细粒HAZ(FG-HAZ)组织及两相区加热HAZ(IR-CGHAZ)组织，在这些组织中IR-CGHAZ组织为最脆化部。即， 认为使焊接接头的低温HAZ韧性良好的基础上，也是改善IR-CGHAZ组织的韧性的最有效手段。 

作为IR-CGHAZ组织成为低韧性(最脆化部)的原因，例举为称为MA(马氏体-奥氏体混合组织)的硬质相的存在。即，认为因为由存在于该组织的晶界的MA裂纹而引起龟裂，所以MA越多，龟裂发生点越多，这就成为了低韧性的原因。 

作为为实现焊接接头的低温韧性优异的钢板技术，曾经提出过各种各样的方案。作为这样的技术，例如在日本·特开平11-236645号中，提出了以下方案：通过含有以MgAl₂O₄为核心、在其周缘具有TiN的MgAl₂O₄-TiN复合粒子，从而改善了超大热量输入焊接的热影响区的韧性的厚钢板。该技术中，将MgAl₂O₄-TiN复合粒子分散于钢中，通过其钉扎的作用，抑制HAZ的γ粒成长，由此提高HAZ韧性的技术。 

另外，日本·特开平10-265893号中提出以下的高强度钢板：以满足碳当量(Ceq)、焊接碎片感受性指数(PcM)、合金元素的固溶度的方式控制钢板的化学成分组成，同时通过将钢中的Nb化合物及奥氏体粒的大小等控制在规定的范围内，板厚方向的均质性、韧性优异，同时各向异性小的高强度钢板。该技术是通过将添加合金元素固溶到过饱和，实现矩阵强化，同时，通过微细的Nb化合物抑制奥氏体结晶粒的粗大化，同时，实现矩阵的强化，由此提高板厚中心部的强度和韧性，同时，确保表面部的高韧性，进一步提供各向异性小的高张力钢板。 

但是，实际情况是即使在这样的技术中，MA依然为残存状态，从减少IR-CGHAZ组织中的MA，改善低温韧性的观点来看，很难说能够充分地发挥改善效果。 

发明内容

因此，本发明是鉴于上述情况而创立的，其目的在于，提供具有980MPa以上的抗拉强度，并且接头部件的HAZ的低温韧性优异的高强度钢板。 

实现所述课题，得到的本发明的钢板分别含有C：0.12～0.16％(质量％的意思。下同)、Si：0.05～0.5％、Mn：0.8～1.2％、Al：0.01～0.07％、 Mo：0.5～0.8％、Nb：0.025～0.08％、B：0.0004～0.002％、及从Cr：0.2～0.8％与V：0.025～0.06％中选择的至少一方，余量由铁及不可避免的杂质构成，下述(1)式规定的MP值为0.550以上，同时，下述(2)式规定的碳当量Ceq为0.63％以下。 

MP值＝(12/[C])×(([Mo]/96)+([Nb]/93))…(1) 

其中，[C]、[Mo]及[Nb]分别表示C、Mo及Nb的含量(质量％)。 

Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15…(2) 

其中，[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]、[Cu]及[Ni]分别表示C、Mn、Cr、Mo、V、Cu及Ni的含量(质量％)。 

本发明的钢板中优选作为其他元素含有Cu：0.5％以下与Ni：2.0％以下的至少一方的实施方式。 

另外，本发明的钢板中，优选的实施方式为作为其他元素含有Ca：0.006％以下与Ti：0.025％以下的至少一方。 

根据本发明，以满足所述(1)式的方式控制C、Mo及Nb的含量，同时，通过将钢板的化学成分组成控制在适当的范围内，可以降低多层堆焊接头的IR-CGHAZ组织上的MA的生成，该接头部件HAZ的低温韧性优异，同时，可以实现抗拉强度为980MPa以上的高强度钢板。这种钢板作为各种建材、建筑机械的原料非常有用。 

附图说明

图1是表示MP值与MA面积率(％)的关系的图表； 

图2是表示MP值与vE-20min的关系的图表。 

具体实施方式

下面，本发明者们为了降低多层堆焊接头的最脆化部即IR-CGHAZ组织上的MA的生成，特别针对化学成分对MA的析出的影响，大范围且详细地反复进行了研究。结果发现了即使是能够确保980MPa以上的高强度及母材韧性的稳定性的C含量(0.12％以上)也能够抑制IR-CGHAZ组织上的MA生成量的成分系，从而可以实现能够确保焊接接头的HAZ的良好的低温韧性的钢板，于是完成了本发明。按照本发明完成的经过，就 本发明的作用效果进行说明。 

在焊接钢板时(焊接加热温度：1350℃以上)，所有的析出物固溶，在接下来的冷却过程中，依次形成析出物。具体来说，首先，如果焊接加热部件的钢材通过焊接热被加热到临近熔点(日文：融点直下)，则奥氏体(以下，简记为γ。)粒粗大化，形成CGHAZ组织。此时，γ粒内的C移动(扩散)，在γ晶界浓缩。而且，如果冷却该焊接加热部件，则浓缩的C通过该晶界被固定，在晶界形成C浓缩带。进而，通过后续的焊接(加热)，形成IR-CGHAZ组织，但是该C浓缩带被两相区加热，在焊接后的冷却过程中，变态为γ粒，进而，通过其后的冷却，引起γ粒的马氏体变态，形成MA。 

鉴于上述MA形成过程，作为抑制MA的策略，认为在γ粒粗大化而形成CGHAZ组织时，抑制C浓缩为γ晶界，即，抑制C向γ晶界移动是有效的。 

作为由此实现的方法，本发明者们认为将焊接加热部件加热到临近熔点，γ粒粗大化时，如果使γ粒内存在容易吸引C的元素，即容易与C形成碳化物的元素，则可以抑制C向γ晶界移动。 

因此，就各元素与C的关系进行了调查，认为Ti、Nb、V、Mo与其他元素相比，是容易与C形成碳化物(TiC、NbC、VC、Mo₂C)的元素(强碳化物形成元素)，对C的捕捉有效。 

但是，在上述γ粒粗大化时，为捕捉C，需要强碳化物形成元素存在于γ粒内，因此，强碳化物形成元素必须作为固溶体存在于母相(Fe)内。具体来说，如果强碳化物形成元素的原子半径及负电性为Fe(母相)和原子半径、以及负电性为同等程度(±15％以内)，则固溶。因此，本发明者们就上述Ti、Nb、V、Mo的原子半径及负电性进行了调查，发现Nb、V、Mo具有与Fe同程度的原子半径及负电性，进行固溶。 

但是，在焊接时的高温下(熔融状态)，为使这些元素不向γ晶界移动，必须要用比Fe更重的元素。具体来说，认为Nb(原子量93)、Mo(原子量96)比Fe(原子量56)重，可以抑制向γ晶界移动，与之相对，V(原子量51)比Fe轻，不能抑制碳化物(VC)的移动。 

根据以上讨论的结果，Nb、Mo与C形成碳化物，抑制C的移动的 比例与Mo的物质量([Mo]/96：[Mo]为Mo的含量(质量％)，96为Mo原子量)和Nb的物质量([Nb]/93：[Nb]为Nb的含量(质量％)，93为Nb原子量)的和([Mo]/96+[Nb]/93)成比例。即([Mo]/96+[Nb]/93)越高，对C的移动抑制效果越高，其结果是MA的析出抑制效果也越高。 

由于上述效果为相对于C的物质量(12/[C]：[C]为C的含量(质量％)、12为C的原子量)的Mo与Nb的物质量的和([Mo]/96+[Nb]/93)的比率越高，C的浓缩抑制效果越高，所以作为MA的形成抑制参数，求得下记(1)式求得的MP值。 

MP值＝(12/[C]×(([Mo]/96)+([Nb]/93))…(1) 

其中，[C]、[Mo]及[Nb]分别表示C、Mo及Nb的含量(质量％)。 

根据C、Mo、Nb的含量规定的MP值越大，析出的MA量越少，但为了将析出的MA量控制在规定量以下，使其发挥优异的低温韧性，需要上述MP值在0.550以上，优选0.570以上，更优选0.590以上。 

由于MP值的上限可以取根据后述的Mo、Nb、C的范围所决定的值，所以没有特别限定。 

进而，本发明的钢板中，为良好地维持低温接头部的韧性，还需要下记(2)式所规定的碳当量Ceq为0.63％以下。如果碳当量超过0.63％，则IR-CGHAZ部件的基体组织硬化，韧性劣化。优选的碳当量为0.62％以下。 

该碳当量Ceq是将给予低湿接头韧性的各元素的影响力换算为碳当量，被利用于各个领域(ASTM规格)。本发明中将这样的碳当量Ceq作为低温接头韧性的判断基准使用。另外，在下记(2)式中，除本发明的钢材的基本成分(C、Mn、及Mo)以外，根据需要包含的Cu及Ni也作为一项包含，但是只有在包括Cu及Ni的情况下，也考虑其量进行计算即可。 

Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15…(2) 

其中，[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]、[Cu]及[Ni]分别表示C、Mn、Cr、Mo、V、Cu及Ni的含量(质量％)。 

本发明的钢板中，通过使上述(1)式规定的MP值为0.550以上，同时使上述(2)式规定的碳当量Ceq为0.63％以下，成为强度及低温接头韧性良好的钢板，但是，不限于仅满足这些关系式，还需要考虑与钢板的化学成分组成的关系。 

下面，就本发明的钢材(母材)中的其他成分组成进行说明。如上述，本发明的钢板即使其化学成分组成被上述(1)式规定的MP值满足规定的范围，如果各种化学成分(元素)的含量没有在恰当的范围内，则也不能实现优异的低温韧性和抗拉强度。因此，本发明的钢板中，在将由恰当量的C、Mo及Nb规定的MP值[上述(1)式]控制在规定范围内的基础上，也需要各种化学成分的量在下面所记载的恰当范围内。这些成分的范围限定理由如下。 

[C：0.12～0.16％] 

C在提高钢板的淬火性，确保强度方面是重要的元素，但是如果其含量过剩，则会使接头韧性劣化，所以需要为0.16％以下。C含量的优选的上限为0.15％。如果从确保焊接性的观点出发，C含量越少越优选，但是，如果不足0.12％，则淬火性反而低下，不能确保强度。C含量的优选的下限为0.13％。 

[Si：0.05～0.5％] 

Si在熔炼钢时作为脱氧剂发挥作用，发挥提升钢的强度的效果。为有效地发挥这样的效果，需要Si的含量在0.05％以上。但是，如果Si的含量过剩，则接头韧性劣化，所以需要在0.5％以下。另外，Si的含量优选的下限为0.15％，优选的上限为0.4％。 

[Mn：0.8～1.2％] 

Mn为发挥提高钢板强度的效果的元素。为有效地发挥这样的效果，需要含有0.8％以上的Mn。优选为0.9％以上。但是，如果Mn的含量过剩超过1.2％，则接头韧性劣化。优选1.1％以下为好。 

[Al：0.01～0.07％] 

Al作为脱氧剂添加，但是如果其含量不足0.01％，则不能充分地发挥出效果，如果含量过剩超过0.07％，则会阻碍钢板上的清洁性。Al含量优选的下限为0.015％，优选的上限为0.065％。 

[Mo：0.5～0.8％、Nb：0.025～0.08％] 

Mo和Nb如上述，与C的亲和力强，另外为向母相(Fe)的固溶元素，为对低温韧性降低发挥高效果的元素。为了发挥这样的效果，需要使其含有0.5％以上的Mo，优选为0.55％以上。另外，需要含有0.025％以上的 Nb，优选为0.035％以上。 

但是，如果含有过剩的Mo、Nb，则会形成巨大的析出物，阻碍焊接性，所以，Mo的含量为0.8％以下，优选为0.75％以下。另外，Nb的含量为0.08％以下，优选为0.07％以下。 

[B：0.0004～0.002％] 

B为通过生成BN，固定对HAZ韧性有影响的固溶N，同时进一步改善低温韧性的元素。为充分地发挥这样的作用效果，需要含有0.0004％以上的B，优选的含量为0.0005％以上。另一方面，如果B过多，则通过过剩的固溶B的作用，于一定方向上形成结晶，HAZ韧性反而劣化。因而，B的含量控制在0.002％以下。优选B的含量为0.0018％以下。 

[Cr：0.2～0.8％及/或V：0.025～0.06％] 

Cr和V均为对析出强化带来的高强度化有效的元素。这些元素可以单独添加也可以并用。由于这样的效果随着这些元素的含量的增加而增大，所以优选Cr含有0.2％以上、V含有0.025％以上。另一方面，如果含有过剩的这些元素，则会招致HAZ韧性的劣化，所以优选分别将Cr控制在0.8％以下、将V控制在0.06％以下。更优选Cr为0.78％以下、V为0.055％以下。 

本发明中规定的含有元素如上述，余量为铁及不可避免的杂质，作为该不可避免的杂质，根据原料、物质材料、制造设备等的状况，容许被带入的元素(例如P、S、N、Sn、As、Pb等)的混入。对于这些杂质中的P、S、N，优选如下述控制。 

[P：0.02％以下] 

作为杂质元素的P由于会引起回火脆化，所以优选尽可能少量。从确保韧性的观点出发，优选P的含量控制在0.02％以下，更优选0.015％以下。但是，在工业上，使钢中的P的含量为0％是很困难的。 

[S：0.01％以下] 

S为引起回火脆化的杂质，优选尽可能少量。从确保韧性的观点出发，优选S的含量控制在0.01％以下，更优选0.005％以下。但是，在工业上，使钢中的S的含量为0％是很困难的。 

[N：0.01％以下] 

N为引起硬化的杂质，优选尽可能少量。从确保韧性的观点出发，优选N的含量控制在0.01％以下，更优选0.006％以下。但是，在工业上，使钢中的N的含量为0％是很困难的。 

另外，进而在本发明的钢板中根据需要可以含有(a)Cu：0.5％以下、及/或Ni：2.0％以下、(b)Ca：0.006％以下、及/或Ti：0.025％以下等，根据含有的成分的种类，改善钢板的特性。 

(a)[Cu：0.5％以下、及/或Ni：2.0％以下] 

Cu和Ni均为对固溶强化带来的高强度化有效的元素。这些元素可以单独添加也可以并用。 

详细而言，Cu是对强度上升有效的元素，优选含有0.2％以上。另一方面，如果其含量过剩，则在热加工时容易产生裂纹，另外，接头韧性也劣化，所以优选为0.5％以下。 

Ni为在提高钢板的强度及韧性方面有效的元素，优选含有0.2％以上。但是，如果Ni的含量过剩，则接头韧性劣化，所以优选为2.0％以下。 

(b)[Ca：0.006％以下、及/或Ti：0.025％以下] 

Ca和Ti均为对提高HAZ韧性有效的元素。这些元素可以单独添加也可以并用。 

详细而言，Ca是通过控制钢中的硫化物的形态，对Z方向(板厚方向)的材质改善有效的元素。但是，如果Ca的含量过剩，则钢中的夹杂物增加，损害钢板的韧性和接头的韧性，所以优选为0.006％以下。另外，为有效地发挥Ca带来的效果，优选的下限为0.001％。 

Ti为在焊接接头的HAZ上与N共同形成析出物，且对通过钉扎而抑制组织的粗大化有效的元素。这样的效果随着其含量的增加而增大，但是，如果含有过剩，则接头韧性劣化，所以优选抑制在0.025％以下。为有效地发挥Ti带来的效果，优选的下限为0.005％。 

如上述本发明中，不仅上述(1)式、(2)式，通过满足钢板的化学成分组分，具有980MPa以上的抗拉强度，并且母材及HAZ部件的低温接头韧性良好。 

特别是，本发明的钢板具有980MPa以上的高强度，但是，即使在具有优选990MPa以上，更优选1000MPa以上的抗拉强度的情况下，也可 以发挥优异的低温接头韧性。 

另外，本发明的钢板(母材)的组织为以(回火)贝氏体为主体(90％以上为贝氏体)的组织。从提高强度和韧性的观点出发，优选为92％以上，更优选为94％以上的贝氏体主体的组织。 

为制造本发明的钢板，使用满足上述成分组分的钢水，依照通常的条件(轧制温度、压下率、淬火温度、回火温度)制成钢板(淬火、回火钢板：QT钢板)即可。本发明涉及一种厚钢板，在该领域中厚钢板是指如JIS所定义的那样，通常板厚为3.0mm以上的钢板。本发明中，即使在将钢板通过多层堆焊而形成焊接接头的情况下，也能够显示高的强度和良好的HAZ韧性。本发明的钢板例如可以作为要求低温接头韧性的结构物的材料使用，不用说小～中热量输入焊接，即使是大热量输入焊接及强度，也能够防止焊接热影响部的低温韧性劣化。 

实施例 

下面，以实施例为例对本发明进行更具体说明，但是，不用说本发明不受下述实施例的限制，在适合前·后所述的宗旨的范围内，当然可以适当地变更、实施，这些中的任何一个都包含于本发明的技术范围内。 

通过通常的真空熔炼法熔炼下述表1所述组成的钢块，相对于该钢块进行热压，制成板厚25mm的热轧制钢板，加热到930℃进行淬火(Q)，加热到500℃进行回火(T)，制造钢板(QT钢板)。另外，对于钢板的组织进行了调查，均为包括90％以上的贝氏体主体的组织。 

使用如上述得到的钢板，通过下述方法评价母材的强度(TS)及韧性(vE-20min)、IR-CGHAZ的韧性(vE-20min)及MA面积率。另外，以下的测定方法中，关于任何一个的钢板，各使用三个试验片，求其最低值。 

[母材的强度(TS)的评价] 

从各钢板的t(板厚)/4部位沿相对于轧制方向为直角的方向采取JISZ2201的四号试验片，以JIS Z2241的要领进行抗拉试验，测定抗拉强度(TS)。然后，将TS在980MPa以上的评价为合格。 

[母材的韧性(vE-20min)的评价] 

从各钢板(母材)的t(板厚)/4部位相对于轧制方向采取JIS Z2242的试验片，评价母材的韧性。以JIS Z2242为依据，在-20℃的条件下进行恰贝氏冲击试验，测定吸收能量(vE-20)。然后，将vE-20的最低值(vE-20min)在47J以上的评价为韧性优异。 

[IR-CGHAZ的韧性(vE-20min)的评价] 

为得到IR-CGHAZ组织，从各钢板(母材)的t(板厚)/4部位采取12.5mm(板厚方向长度)×55mm(宽方向长度)×32mm(轧制方向长度)的试验片，进行下述条件的热循环试验，评价IR-CGHAZ上的韧性。此时，热循环试验是将上述试验片加热到1350℃并保持五秒钟之后，在800～500℃的条件下冷却大约七秒钟，模拟后续焊道的热影响，加热到830℃并保持五秒钟之后，在800～500℃的温度范围内冷却约七秒，由此给予相当于焊接热量输入量为17KJ/cm的热循环。以JIS Z2242为依据，在-20℃下进行恰贝氏冲击试验，测定吸收能量(vE-20)。然后，将vE-20的最低值(vE-20min)在47J以上的评价为IR-CGHAZ的韧性优异。 

[IR-CGHAZ上MA面积率的测定] 

对上述进行了热循环试验的各试验片的中心部位进行平整腐蚀，利用光学显微镜，以倍率：1000倍四视野观察60×80(μm²)的视野后，图像解析该图像数据，算出MA面积率。 

这些结果与淬火温度、回火温度一同表示于下述表2中。 

从表1、2可以进行如下考察(另外，下述No.表示表1、2的实验No.)。No.7～14为满足本发明规定的必要的条件的例子，化学成分组成及MP值在本发明规定的范围内，可以明了在IR-CGHAZ中可以得到，抑制晶界渗碳体析出(面积率不足4％)、低温韧性良好、具有母材的抗拉强度也在980MPa以上的高强度的钢板。 

与此相对，No.1～6不满足本发明规定的必要的条件(化学成分组成、MP值、Ceq值)。 

详细而言，No.1～4为化学成分组成(Mo及/或Nb含量)脱离本发明规定的范围，并且不满足MP值的例子。No.5为碳当量(Ceq)脱离本发明的规定范围之外的示例。No.6为MP值脱离本发明规定范围的例子。 

其中，No.1～4、6均在IR-CGHAZ中，MA的析出量变多(面积率4％以上)、IR-CGHAZ的韧性(vE-20min)变差。另外，虽然No.5为满足MP值而抑制MA生成的物质，但是碳当量差，所以焊接部分的组织硬化，IR-CGHAZ的韧性劣化。 

基于这些结果，将MP值和MA面积率(％)的关系示于图1，将MP值和vE-20min的关系示于图2。从该结果表明，通过将MP值控制在0.550以上，可以降低MA的生成及确保良好的低温韧性。