專利名稱：耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材及其制造方法
技術領域：
本發明涉及適合用于船體、土木建筑物、建設機械、水壓鐵管、海洋構造物、管線等要求耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性的焊接構造物等的鋼材及其制造方法。
背景技術：
近年來，焊接構造物大型化的傾向日益顯著，期望高強度化及輕量化。但是，由于在使用高強度鋼時設計應力上升，因此，易于自焊接部產生疲勞破壞，易于自焊接部產生疲勞破壞的改善成為重要的問題。在構造用鋼材等厚鋼板中，通常實施焊接施工，因此，有可能自焊接部產生疲勞龜裂。因而，只要能夠使自焊接部產生、擴展的疲勞龜裂滯留在鋼材中，就有助于延長構造物的疲勞壽命。因此，提出了各種具有疲勞龜裂擴展抑制效果的鋼 材。例如在專利文獻I中提出了一種這樣的技術通過充分利用若是相同的溫度則強度低于奧氏體相的鐵素體相，降低高溫強度來緩和焊接接頭內的焊接殘余應力。即，由于焊接部在焊接之后被驟冷，因此，奧氏體單相的溫度范圍較廣，隨著焊接金屬的熱收縮產生較高級別的殘余應力。因此，在專利文獻I所述的發明中，作為鐵素體生成元素在鋼中含有O. 5 % 2. O %的Al，在800°C 600°C的溫度范圍內生成鐵素體，使低強度的鐵素體塑性變形，從而緩和殘余應力。在專利文獻2中還提出了這樣的技術使抗拉強度490MPa 780MPa的高張力鋼板的焊接熱影響部(HAZ)的組織以貝氏體為主體，抑制自奧氏體晶界生成的晶界鐵素體，從而提高疲勞強度。在該技術中，為了抑制晶界鐵素體的生成，添加O. 0005% O. 01%的B，并且，為了強化含有貝氏體和馬氏體的整個組織，設置碳當量(Ceq)的限定。另一方面，焊接鋼構造物大多在海濱地區、散布有融雪鹽的地區等飄來鹽量較多的環境下，并且在造船領域中，在海水飛沫環境下使用。通常，將耐氣候性鋼材暴露在大氣腐蝕環境中時，在其表面形成有具有保護性的銹層，抑制之后的鋼材腐蝕。因此，耐氣候性鋼材作為不涂裝而能夠裸露地使用的最低維護鋼材用于橋梁等構造物。但是，不僅在海濱地區，而且像即使是在內陸部也散布有融雪鹽、防凍劑的地區那樣飄來鹽量較多的地區中，難以在耐氣候性鋼材的表面形成有具有保護性的銹層，難以發揮抑制腐蝕的效果。因此，在這些地區中，無法使用裸露的耐氣候性鋼材，對普通鋼實施涂裝來使用的普通鋼的涂裝使用是通常情況。但是，在涂裝使用該普通鋼的情況下，由腐蝕導致涂膜劣化，需要約每10年再進行涂裝，因此，維持管理所需的費用非常大。近年來，在飄來鹽量作為NaCl有O. 05mg / dm2 / day (O. 05mdd)以上的地區、例如海濱地區中，利用日本工業標準(JIS)標準化的耐氣候性鋼(JIS G 3114:焊接構造用耐氣候性熱軋鋼材)因產生鱗狀銹、層狀銹等而被腐蝕量較大，因此，無法在無涂裝的情況下使用(參照建設省土木研究所、(公司)鋼材俱樂部、(公司)日本橋梁建設協會與耐氣候性鋼應用于橋梁相關的共同研究報告書(XX) —無涂耐氣候性橋梁的設計 施工要領(改訂版一1993. 3))。這樣，在海濱地區等鹽份較多的環境下，通常對普通鋼材進行涂裝來處理。但是，現狀是建設在河口附近的海濱地區、撒有融雪鹽的山間部等的道路中的橋梁腐蝕顯著，不得不再涂裝。為了這些再涂裝要花費極大的作業量，因此，強烈要求能夠無涂裝地使用的鋼材。最近，開發了一種添加1% 3%左右的Ni而成的Ni系高耐氣候性鋼。但是，可明確在飄來鹽量大于O. 3mdd O. 4mdd的地區中，在僅添加該Ni的情況下，難以應用于能夠無涂裝地使用的鋼材。由于鋼材的腐蝕隨著飄來鹽量增多而變劇烈，因此，從耐腐蝕性和經濟性的方面 考慮，需要基于飄來鹽量而成的耐氣候性鋼材。另外，即使是橋梁，根據使用的場所、部位的不同，鋼材的腐蝕環境也不同。例如，在橫梁外部暴露在降雨、結露水和日照中。另一方面，在橫梁內部雖暴露在結露水中，但不會被雨淋。通常，在飄來鹽量較多的環境中，可以說橫梁內部的腐蝕比橫梁外部劇烈。另外，在道路上撒有融雪鹽、防凍劑的環境中，該鹽被行駛中的車卷起，附著在支承道路的橋梁上，因此，成為嚴酷的腐蝕環境。并且，稍稍遠離海岸的屋檐下等也暴露在嚴酷的鹽害環境下，在該地區中，成為飄來鹽量為Imdd以上的嚴酷的腐蝕環境。為了應對該問題，以往開發了一種防止飄來鹽量較多的環境下的腐蝕的鋼材。例如，在專利文獻3中提出了一種增加鉻(Cr)含有量而成的耐氣候性鋼材，而且，在專利文獻4中提出了一種增加鎳(Ni)含有量而成的耐氣候性鋼材。專利文獻I :日本特開2004 - 211150號公報專利文獻2 :日本特開2003 - 171731號公報專利文獻3 日本特開平9 - 176790號公報專利文獻4 :日本特開平5 — 118011號公報但是，上述提出的具有疲勞龜裂擴展抑制效果的鋼材及具有耐腐蝕性的鋼材如下所述那樣具有問題點。專利文獻I提出的技術為了使鐵素體相在更廣的溫度范圍內存在，將添加高濃度的Al作為必要條件。但是，Al雖有助于鐵素體相生成，但Al是使作為構造用鋼材所要求的基本特性之一的韌性顯著降低的元素。因此，采用該技術，雖然抑制焊接部的殘余應力，能夠期待提高疲勞強度，但是抵抗靜態負荷的韌性本身就不足。不僅從疲勞強度的方面考慮，從抵抗靜態負荷的防脆性破壞的方面考慮，也必須進行構造材料的形狀、尺寸的設計，在專利文獻I提出的技術中，無法平衡地提高強度健全性。在專利文獻2提出的技術中，通過添加能夠在晶界中提高淬透性、高效地抑制晶界鐵素體的B，來抑制晶界鐵素體生成。但是，由于B是降低焊接熱影響部的韌性的元素，因此要注意B的使用。在焊接接頭部中，不僅是抵抗反復載荷的疲勞特性重要，而且由于要防止靜態載荷所導致的脆性破壞，因此確保韌性也是重要的。特別是，構件尺寸的大部分由后者的韌性來決定，對于必要的部分，在進行確認防疲勞破壞的疲勞調查的現狀的疲勞設計體系中，韌性與疲勞特性同樣也是重要的。在該意思中，也考慮到焊接條件、例如焊接線能量變動的情況，可以說僅利用添加B這樣的方法使晶界鐵素體生成和焊接熱影響部韌性同時成立是極為困難的。
另外，上述專利文獻3提出的增加鉻(Cr)的含有量而成的耐氣候性鋼材雖然在一定程度以下的飄來鹽量的區域中能夠改善耐氣候性，但是在超過該程度的嚴酷的鹽份環境下，反而使耐氣候性劣化。在上述專利文獻4提出的增加鎳(Ni)含有量而成的耐氣候性鋼材的情況下，耐氣候性雖一定程度地得到改善，但鋼材自身的成本升高，作為用于橋梁等用途的材料非常昂貴。為了避免這一點，在減少Ni含有量時，耐氣候性沒怎么改善，在飄來鹽量較多的情況下，產生在鋼材表面生成層狀的剝離銹、腐蝕顯著、經不起長期使用這樣的問題。并且，在飄來鹽量較多的環境下使用的焊接鋼構造物中，耐涂裝剝離性成為很大的問題。即，如上述所示，在會有大量的氯化物飄來的海岸環境、散布有融雪劑或防凍劑的環境中，即使實施涂裝，也存在涂裝很快剝離且進行腐蝕這樣的問題，需要每幾年 十幾年實施涂裝的重新涂刷。另外，在實施涂裝的重新涂刷時，作為其前工序，需要在腐蝕了一次的橋梁上組裝腳手架而再次實施噴砂處理，因此要花費極大的成本。而且，在即使再次實施噴砂處理也很難完全除去銹的情況下，即使在無法完全除去銹的鋼材上再次涂裝，涂裝壽命也顯著縮短。耐涂裝剝離性大多情況下取決于包含作為基底的鋼材耐腐蝕性在內的特性。因而，強烈期望延長涂裝的壽命而將補修涂裝間隔拉得較長。即，在需要涂裝的船舶領域、橋梁領域中，產品壽命成本最低化的要求也較高，在考慮到橋梁的產品壽命管理的基礎之上,延長涂裝壽命也是非常重要的。

發明內容
發明要解決的問題本發明即是為了解決該問題而做成的，其目的在于提供并不大量含有Al、B等損害韌性的元素、耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材及其制造方法。在此，上述耐腐蝕性的意思是指高氯化物環境中的耐腐蝕性(包括涂裝不剝離且抑制涂裝缺陷部的腐蝕而維持耐腐蝕性(耐涂裝剝離性)以及無涂裝時的耐氣候性)。用于解決問題的方案本發明人等為了達到上述目的，首先進行了著眼于焊接接頭的疲勞特性與存在于鋼材中的夾雜物的清潔度的相關關系的研究，得知鋼材整個截面的清潔度與接頭疲勞特性之丨司沒有任何相關關系。因此，著眼于變位量較多的鋼材表面，進行更加詳細的調查之后，明確了接頭疲勞特性很大程度依賴于鋼材表面的特性，通過提高鋼材表面的清潔度可提升接頭疲勞特性。更具體地講，將夾雜物分析限定在從鋼板表面沿板厚方向到2mm深度的區域中，針對每個鋼板求出清潔度，調查與接頭疲勞特性的相關關系之后，斷定存在極強的相關關系。作為斷定該相關關系的理由，一般認為是鋼材表面的變位量較大、且易于成為疲勞龜裂的發起端。但是，夾雜物的硬度較高，因此，即使在高應力下也不會變形。另一方面，由于鋼材表面的變位量較大，因此，一般認為在夾雜物與基底組織的界面中產生龜裂，疲勞特性劣 化。因而，夾雜物的清潔度成為問題通常大多是在鋼材的板厚中心部，但關于疲勞特性，鋼材表面的清潔性成為問題。另一方面，本發明人等對飄來鹽量較多的環境下的腐蝕進行研究，結果發現在這樣的環境下，FeCl3溶液的干濕反復是腐蝕的本質條件，在利用Fe3 +的水解使pH降低的狀態下，且通過Fe3 +起到氧化劑的作用而使腐蝕加速。此時的腐蝕反應如下所示。作為陰極反應，主要發生以下反應。Fe3 + +e——Fe2+(Fe3 +的還原反應)而且，除該反應之外，也同時發生以下的陰極反應。2H20 O2 2e — 40H，2H + _h 2e — H2另一方面，相對于上述Fe3 +的還原反應，發生以下的陽極反應。陽極反應Fe — Fe2++ 2e — (Fe的溶解反應)因而，腐蝕的綜合反應如以下(I)式。
2Fe3 + +Fe — 3Fe2+...... (I)式利用上述(I)式的反應生成的Fe2+利用空氣氧化而被氧化成Fe3+，生成的Fe3+再次起到氧化劑的作用，加速腐蝕。此時，Fe2+的空氣氧化的反應速度在低pH環境下通常較慢，但在濃稠氯化物溶液中被加速，易于生成Fe3+。由于是這樣的循環的反應，因此，可明確在飄來鹽量非常多的環境下，始終持續供給Fe3+，鋼的腐蝕加速，耐腐蝕性顯著劣化。本發明人等基于以該鹽份環境中的腐蝕的機理，對各種合金元素對于耐氣候性的影響進行研究，結果得出了下述(a) (C)所示的見解。(a)Sn作為Sn2+溶解，利用2Fe3 + + Sn2+— 2Fe2++ Sn4 +的反應使Fe3 +的濃度降低，從而抑制(I)式的反應。Sn還具有抑制陽極溶解這樣的作用。(b)Cu以往是在飄來鹽量較多的環境中作為耐腐蝕性改善效果的基本的元素，在濕潤時間比較長的環境中顯現耐腐蝕性改善效果。但是，可明確在氯化物濃度更大、PH局部下降這樣的環境下，例如在通過鹽份附著而濕度變化、從而干濕反復并生成β — FeOOH這樣的比較干的環境下，Cu倒是促進腐蝕。(C)這樣，積極地含有Sn且抑制了 Cu含有量的鋼材能夠期待較高的耐腐蝕性。并且，由于耐腐蝕性較高，因此，即使對鋼材進行涂裝，由鋼材腐蝕引起的涂裝剝離也較少，抑制涂裝缺陷部的腐蝕，而也能夠期待涂膜的防腐蝕效果，因此，在涂裝的情況下，能夠期待更高的耐腐蝕性的效果。因而，除耐腐蝕性之外，也具有能夠延長涂裝的壽命、將補修涂裝間隔拉得較長的作用。特別是在船舶領域、橋梁領域中的耐涂裝剝離性的改善中發揮效果。本發明即是基于這樣的見解而完成的，其主旨在于下述(I) (6)所示的耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材、以及下述(7)及(8)所示的耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材的制造方法。(I) 一種耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材，其特征在于，具有這樣的化學組成，即，按質量％計，含有 C :0. 01% O. 14%,Si 0. 04% 0.6%、Mn :0.5% 2.0%、P 0. 01% 以下、S 0. 003% 以下、Cu :小于 O. 2%, B :大于 O. 0007%且 O. 005% 以下、Al :小于O. 05%、N 0. 007%以下、O :0. 003%以下及Sn :0. 03% O. 50%，剩余部分由Fe及雜質構成，且Cu / Sn比為I以下，而且，由下述(I)式求出的Bq值為O. 003以下，由下述(2)式求出的Ceq值為O. 15 O. 35，而且，距表層2mm以內的區域中的氧化物數每I平方mm為5X104個以下。
權利要求
1.一種耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材，其特征在于，具有這樣的化學組成，即，按質量％計，含有 C :0· 01% O. 14%、Si :0· 04% O. 6%、Mn :0· 5% 2. 0%、P :O.01% 以下、S 0. 003% 以下、Cu :小于 O. 2%, B :大于 O. 0007%且為 O. 005% 以下、Al :小于O. 05%、N 0. 007%以下、O :0. 003%以下及Sn :0. 03% O. 50%，剩余部分由Fe及雜質構成，且Cu / Sn比為I以下，而且，由下述(I)式求出的Bq值為O. 003以下，由下述(2)式求出的Ceq值為O. 15 O. 35，而且，距表層2mm以內的區域中的氧化物數每I平方mm為5X104個以下，
2.根據權利要求I所述的耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材，其特征在于， 按質量％計，該鋼材還含有從Mo :1.0%以下、V :0. 1%以下及Nb :0. 1%以下中選擇的I種以上元素。
3.根據權利要求I或2所述的耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材，其特征在于， 按質量％計，該鋼材還含有Ni :1. 5%以下。
4.根據權利要求I 3中任一項所述的耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材，其特征在于， 按質量％計，該鋼材還含有Cr :1. 2%以下。
5.根據權利要求I 4中任一項所述的耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材，其特征在于， 按質量％計，該鋼材還含有Ti :0. 05%以下。
6.根據權利要求I 5中任一項所述的耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材，其特征在于， 按質量％計，該鋼材還含有Ca :0. 003 %以下及Mg :0. 003 %以下中的一種或者兩種。
7.一種耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材的制造方法，其特征在于， 包括下述工序A D，而且，使工序D的冷卻結束后的回熱溫度幅度為70°C以下， 工序A :在滿足下述(3)式的條件下向鋼水中吹入非活性氣體的工序； 工序B :對得到的鋼水進行連續鑄造，得到具有權利要求I 6中任一項所述的化學組成的鋼坯的工序； 工序C :在將得到的鋼坯加熱到900°C 1180°C之后，在精加工溫度為650°C 1000°C的條件下實施熱軋而得到熱軋材料的工序； 工序D :在620°C 500°C的溫度范圍中的平均冷卻速度為5°C /秒 50°C /秒的條件下，將得到的熱軋材料自620°C 950°C的溫度范圍加速冷卻，在500°C以下的溫度范圍中結束冷卻的工序，其中，上述(3)式中的符號的定義如下所述 G1 :吹入到鋼水內的非活性氣體流量(NL / min) H1 :從非活性氣體吹入噴嘴的頂端到鋼水液面的距離(m) ti :非活性氣體吹入時間(min) 51:澆包鋼水量(ton) D1 :澆包內徑(m)。
8.一種耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材的制造方法，其特征在于， 包括下述工序Al D，而且，使工序D的冷卻結束后的回熱溫度幅度為70°C以下， 工序Al :在滿足下述(4)式的條件下對鋼水進行真空精煉處理的工序； 工序B :對得到的鋼水進行連續鑄造，得到具有權利要求I 6中任一項所述的化學組成的鋼坯的工序； 工序C :在將得到的鋼坯加熱到900°C 1180°C之后，在精加工溫度為650°C 1000°C的條件下實施熱軋而得到熱軋材料的工序； 工序D :在620°C 500°C的溫度范圍中的平均冷卻速度為5°C /秒 50°C /秒的條件下，將得到的熱軋材料自620°C 950°C的溫度范圍加速冷卻，在500°C以下的溫度范圍中結束冷卻的工序， G2 XB2 Xh ^55 ⑷ 其中，上述(4)式中的符號的定義如下所述 G2 :鋼水回流所使用的非活性氣體流量(NL / min) D2:浸潰管內徑(m) t2 :真空處理時間(min) 52:燒包鋼水量(ton)。
全文摘要
本發明提供一種耐疲勞龜裂擴展特性和耐腐蝕性優良的鋼材。該鋼材的特征在于，具有這樣的化學組成，即，按質量％計，含有C0.01％～0.14％、Si0.04％～0.6％、Mn0.5％～2.0％、P0.01％以下、S0.003％以下、Cu小于0.2％、B大于0.0007％且為0.005％以下、Al小于0.05％、N0.007％以下、O0.003％以下、及Sn0.03％～0.50％，剩余部分由Fe及雜質構成，且Cu／Sn比為1以下，而且，Bq值為0.003以下，Ceq值為0.15～0.35，而且，距表層2mm以內的區域中的氧化物數每1平方mm為5×104個以下。并且，也可以含有Mo、V、Nb、Ni、Cr、Ti、Ca及Mg中的一種或者兩種以上。
文檔編號C22C38/58GK102639737SQ20118000458
公開日2012年8月15日 申請日期2011年2月4日 優先權日2010年2月18日
發明者上村隆之, 岡口秀治, 幸英昭, 有持和茂, 藤原知哉, 譽田登, 鹿島和幸 申請人:住友金屬工業株式會社