專利名稱：焊接性優良的鋼制厚壁材料及其制造方法
本申請發明涉及焊接性優良的鋼制厚壁材料及其制造方法。更詳細地說，本申請發明涉及高強度且高韌性，另外焊接性優良的鋼制厚壁材料及其制造方法。
已知細化的鐵素體晶粒對改善鋼的強度和韌性是有效的。對于鋼制棒材、線材、異型材等的厚壁材料，作為組織細化的方法，建議進行孔型熱軋和再結晶處理一系列的工序。由此，與軋制方向成直角的面的整體形成公稱粒徑2μm以下的鐵素體主體組織，可研制出直徑或短邊長5mm以上的鋼制厚壁材料。
另一方面，在焊接時在鋼的焊接熱影響區(HAZ)生成粗大的針狀魏氏鐵素體，并發現晶粒粗大化現象。晶粒粗大化降低焊接熱影響區的韌性。
本申請發明的目的是提供上述鋼制厚壁材料強度和韌性進一步改善的，同時焊接性也改善的鋼制厚壁材料及其制造方法。
解決上述課題，本申請發明提供特征在于直徑或短邊長5mm以上的，粒徑1μm以下的氧化物以10000～100000個/mm2的分散密度均勻分散，并在與軋制方向成直角的面的整體中形成粒徑2μm以下的均勻的鐵素體晶粒的焊接性優良的鋼制厚壁材料(權利要求1)。
另外，本申請發明還提供特征在于在組織中結晶出粒徑1μm以下的氧化物，并以10000～100000個/mm2的分散密度均勻分散后，在400℃以上Ac3以下的溫度區域進行孔型軋制，接著進行再結晶處理，并在與軋制方向成直角的面中形成粒徑2μm以下的均勻的鐵素體晶粒，得到直徑或短邊長5mm以上的焊接性優良的鋼制厚壁材料的制造方法(權利要求2)。
本申請發明的焊接性優良的鋼制厚壁材料的制造方法是將鋼水配置在氧化物熔渣中并過冷，在組織中結晶出粒徑1μm以下的氧化物，并以個/mm2的分散密度均勻地分散(權利要求3)，且該鋼水的化學組成含有C、Si和Mn，含量分別為C材料中碳化物的體積率為20％以下的量，Si0.8％(重量)以下，Mn0.05-3.0％(重量)，同時單獨或以混合體形式含有0.3％(重量)以下的形成氧化物的Ti、Mg或Al中的1種或2種以上，余量為Fe和不可避免的雜質(權利要求4)。


圖1是顯示實施例1鋼制棒材的組織的以圖代替的掃描電子顯微鏡照片。
圖2<a>、<b>分別是顯示實施例1和比較例2構成棒材的再現HAZ熱處理后的組織的以圖代替的掃描電子顯微鏡照片。
本申請發明的焊接性優良的鋼制厚壁材料，顧名思義是鋼制材料，通過一系列孔型熱軋和再結晶處理來制造，是在與軋制方向成直角的面的整體中形成粒徑2μm以下的均勻鐵素體晶粒的直徑或短邊長5mm以上的厚壁材料。其形態可為棒材、線材、異型材等各種形態。
而且，本申請發明的焊接性優良的鋼制厚壁材料，在其組織中粒徑1μm以下的氧化物以10000～100000個/mm2的分散密度均勻地分散。
該粒徑1μm以下的氧化物在軋制加工時在材料內部產生的變形量增加，可將再結晶時產生的鐵素體晶粒確定以2μm以下粒徑細化。鐵素體晶粒細化的鋼制厚壁材料強度高且韌性高。例如，可實現具有抗拉強度660MPa以上的鋼制厚壁材料。規定氧化物粒徑1μm以下是考慮鋼制厚壁材料的強度和韌性的結果。反之，如氧化物粒徑超過1μm，鋼制厚壁材料的強度和韌性受到不良影響。
另外，為使粒徑1μm以下的氧化物在組織中以10000～100000個/mm2的分散密度均勻地分散，在焊接時，在焊接熱影響區(HAZ)以分散的氧化物為核促進鐵素體的生成。可防止晶粒的粗化。抑制粗大針狀的魏氏鐵素體生成，可改善焊接熱影響區(HAZ)的韌性。
由此，本申請發明的焊接性優良的鋼制厚壁材料，與以前產品比較，強度高、韌性高，且具有優良的焊接性。而且改善這樣的特性不必象以前那樣添加Ni(鎳)等強化元素，而是通過使規定粒徑的氧化物以規定的分散密度均勻分散和在與軋制方向成直角的面的整體中形成規定粒徑的鐵素體晶粒來實現，這一點是特別值得一提的。
本申請發明的焊接性優良的鋼制厚壁材料的制造方法如下所述。
即，在組織中結晶出粒徑1μm以下的氧化物，并以10000～100000個/mm2的分散密度均勻分散后，在400℃以上，Ac3以下的溫度區域進行孔型軋制，接著進行再結晶處理，在與軋制方向成直角的面中形成粒徑2μm以下的均勻的鐵素體晶粒，得到直徑或短邊長5mm以上的焊接性優良的鋼制厚壁材料。
進行孔型軋制加工，例如通過有槽軋輥加工從多方向將鋼材加工，也就是進行多軸加工，這對組織細化是有效的，另外，組織細化的工序簡單。
孔型軋制加工時的加工溫度為400℃以上，Ac3以下。其理由是如不到400℃，軋制加工中組織成為單純的鐵素體組織，伸長停止，無等軸化，強度方向性變大，如超過Ac3，軋制加工后的晶粒生長過快，引起組織粗大化、強度和韌性降低兩方面問題。
該孔型軋制，由于連續進行再結晶，在與軋制方向成直角的面中形成粒徑2μm以下的均勻的鐵素體晶粒。
本申請發明的焊接性優良的鋼制厚壁材料的制造方法，首先進行一系列的孔型軋制和再結晶處理，如上所述，在組織中結晶出粒徑1μm以下的氧化物，并以10000～100000個/mm2的分散密度均勻地分散。這種方法經反復思考，發現即使在過程中間利用過冷的方法也是理想的。
即，將鋼水配置在氧化物的熔渣中并過冷的方法。過冷是在熔點以下的溫度保持熔融液的狀態。這時的過冷度最大值為材料熔點的1/5。過冷鋼水的凝固速度比急冷凝固還大，而且為急冷凝固不能達到的凝固速度。其結果，在鋼水中不存在的、由凝固時從固相排到鋼水中的氧生成的二次脫氧生成物，即要分散的氧化物的凝聚可被防止，可抑制結晶的氧化物粒徑的增加。其結果促進氧化物的細化，并且可能高密度分散。在過冷場合得到的氧化物的分散密度為急冷凝固法場合的2倍以上。
具體地說，這樣的過冷使鋼水包在熔渣中，或可使鋼水流入溶渣內。
使用的鋼水中含有C、Si和Mn，含量分別為C材料中的碳化物的體積率為20％以下的量，Si0.8％(重量)以下，Mn0.05-3.0％(重量)，同時單獨或以混合體的形式含有0.3％(重量)以下的形成氧化物的Ti、Mg或Al中的一種或二種以上；，余量為Fe和不可避免的雜質，這構成其化學組成。以上各成分元素的含量的規定基于以下事實。
C(碳)由于在材料中如果滲碳體等碳化物超過20％(體積)，引起韌性降低。因此，材料中碳化物的體積率為20％以下的碳量是理想的。
Si(硅)如果含量超過0.8％(重量)，鋼顯著脆化。
Mn(錳)為了確保強度，0.05％(重量)以上是必要的。如果超過3.0重量％，焊接性嚴重惡化。因此，0.05-3.0％(重量)是理想的。
另外，形成氧化物的Ti(鈦)、Mg(鎂)或Al(鋁)的含量為0.3％(重量)以下是對應氧化物以粒徑1μm、分散密度100000個/mm2在組織中分散場合的量。
當然，以顯現各種特性為目的，在鋼水中可添加上述以外的成分元素。但是，該添加以氧化物粒徑和分散密度，以及軋制加工性等不惡化為前提進行是必要的。
實際上，含有作為氧化物生成元素Ti的鋼水包在多種氧化物構成的熔渣中，由于90K的過冷度，抑制從鋼水表面生成核，使二次脫氧生成物之一的Ti的氧化物以粒徑1μm以下，且50000個/mm2以上的分散密度分散。
下面用實施例更詳細地說明本申請發明的焊接性優良的鋼制厚壁材料及其制造方法。實施例表1
將具有上述表1所示化學組成的鋼埋在SiO2、Al2O3和Na2O構成的混合氧化物粉末或顆粒內，在非氧化氣氛中用感應爐或電阻加熱熔化，使該鋼水包進玻璃狀的混合氧化物的熔渣中，加熱到液相線溫度以上50K。靜置直到一次脫氧生成物吸附在熔渣中。
接著，將靜置的鋼水過冷，在固相線溫度以下60K開始凝固，制造40Φ×60mm的鑄件。
將該鑄件再加熱到1200℃后，通過鍛造加工成30×30×85mm，水冷后，在爐中在640℃保持300秒進行再結晶。此后，進行作為孔型軋制的一道次斷面收縮率約10％的有槽軋輥軋制，接著在爐中在640℃保持300秒進行再結晶處理。重復該孔型軋制和連續進行的再結晶處理直到總斷面收縮率為90％，此后水冷。
然后得到直徑5mm的鋼制棒材(實施例1)。
圖1是顯示由此得到的實施例1的鋼制棒材組織的用圖代替的掃描電子顯微鏡照片。
該圖1的照片是與軋制方向垂直的斷面，即C斷面的像，氧化物以白色，鐵素體+碳化物組織以黑色繪出。氧化物是Ti-Mn-Si的復合氧化物，其分散密度為54000個/mm2。另外，由圖1的照片可確認鐵素體+碳化物組織以平均粒徑0.75μm，從表層到中心大體上均勻地分布。
然后測定該棒材的抗拉強度(TS)、下屈服點(LYS)、均勻延伸率(U.EL)和總延伸率(T.EL)。為了比較，同樣測定氧化物分散密度數百個/mm2，鐵素體+碳化物組織的平均粒徑0.79μm的鋼制棒材(比較例1)。
其結果示于表2表2
從表2可知，實施例1的鋼制棒材抗拉強度(TS)、下屈服點(LYS)都在700MPa以上，與氧化物分散少的比較例1的鋼制棒材相比，可確認強度更高。另外，實施例1的鋼制棒材均勻延伸率(U.EL)為2％以上，總延伸率(T.EL)為10％以上，并可確認具有足夠的韌性。
將實施例1和比較例1的2個鋼制棒材進行焊接性比較。
將棒材分別以100k/s的速度加熱到1400℃后，以50K/s速度冷卻到900℃，再以10K/s的速度冷卻到300℃，再現焊接時產生的熱影響區(HAZ)。其結果顯示為圖2<a>、<b>的掃描電子顯微鏡照片。
實施例1的鋼制棒材中，如圖2<a>圖中箭頭所示，生成韌性優良的多邊形鐵素體。另外，可確認由于氧化物分散，在奧氏體晶粒內生成鐵素體。而且，顯示韌性的脆性斷口遷移溫度為-40℃，可充分確保韌性。
另一方面，在比較例1的鋼制棒材中，如圖2<b>圖中箭頭所示，生成粗大的針狀魏氏鐵素體。可確認該魏氏鐵素體是焊接熱影響區(HAZ)韌性降低的因素。
當然，本申請發明不受以上實施例限制。不用說，鋼制厚壁材料的形態、制造條件等細節有各種形式是可能的。
如以上詳細說明，按照本申請發明，可提供細小氧化物以高密度均勻分散，比強度和韌性高，另外焊接性優良的，具有棒材、線材、異型材等各種形態的鋼制厚壁材料。
權利要求
1．一種焊接性優良的鋼制厚壁材料，其特征在于它是直徑或短邊長5mm以上的鋼制厚壁材料，粒徑1μm以下的氧化物以分散密度10000～100000個/mm2均勻地分散，在與軋制方向成直角的面的整體中形成粒徑2μm以下的均勻的鐵素體晶粒。
2．一種焊接性優良的鋼制厚壁材料的制造方法，其特征在于在組織中結晶出粒徑1μm以下的氧化物，并以分散密度10000～100000個/mm2均勻地分散后，在400℃以上Ac3以下的溫度區域進行孔型軋制，接著進行再結晶處理，在與軋制方向成直角的面中形成粒徑2μm以下的均勻的鐵素體晶粒，得到直徑或短邊長5mm以上的焊接性優良的鋼制厚壁材料。
3．權利要求2記載的焊接性優良的鋼制厚壁材料的制造方法，其特征在于將鋼水配置在氧化物的熔渣中并過冷，在組織中結晶出粒徑1μm以下的氧化物，并以分散密度10000～100000個/mm2均勻地分散。
4．權利要求3記載的焊接性優良的鋼制厚壁材料的制造方法，其特征在于鋼水的化學組成含有C、Si和Mn，含量分別為C材料中的碳化物的體積率為20％以下的量，Si0.8％(重量)，Mn0.05～3.0％(重量)，同時單獨或以混合體的形式含有0.3％(重量)以下的形成氧化物的Ti、Mg和Al中的一種或二種以上，余量為Fe和不可避免的雜質。
全文摘要
提供一種高強度、高韌性且焊接性優良的棒材、線材、異型材等的鋼制厚壁材料。直徑或短邊長為5mm以上,粒徑1μm以下的氧化物以分散密度10000～100000個/mm
文檔編號C22C38/14GK1297063SQ0010266
公開日2001年5月30日 申請日期2000年2月25日 優先權日1999年2月25日
發明者中嶼宏, 鳥冢史朗, 津崎兼彰, 長井壽 申請人:科學技術廳金屬材料技術研究所長代表的日本國, 三菱重工業株式會社