发明内容
当通过降低S量和添加Ca来抑制MnS的延伸时,能够使钢板的抗硫性提高。可是,即使低S化,例如厚壁的钢板和钢管的一部分也有时发生起因于HIC的裂纹。本发明是鉴于这样的实际情况而完成的,其课题是提供抗硫性优异的钢板以及管线管用钢管。
本发明者们为了弄清降低S量、添加了Ca的钢板发生HIC的原因而进行了调查。其结果发现,尽管是将S量降低至8ppm以下并进行了Ca添加的钢板,HIC的起点是延伸至大于50μm的MnS。因此,本发明者们进而对其原因进行研究,最终得出以下结论:由于脱氧不适当,因此Ca变为氧化物、MnS粗大化成为原因。
而且,已知:当为了强化脱氧而添加Al时,容易产生马氏体与奥氏体的混合物(马奥组元;Martensite-Austenite Constituent:MA),特别是在焊接热影响区(HAZ)韧性降低。本发明者们在要求韧性的情况下通过降低Al,添加适量的Si,强化脱氧,成功地抑制了MnS的延伸。
本发明是基于这样的见解完成的,其要旨如下。
(1)一种抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,含有
C:0.01~0.08%、
Si:0.10~0.50%、
Mn:1.00~1.50%、
Ti:0.005~0.030%、
Nb:0.01%以上且小于0.04%、
Ca:0.0010~0.0040%,
且限制为P:0.015%以下、
S:0.0008%以下、
O:0.0020%以下、
Al:0.040%以下,
其余部分由Fe和杂质组成,
而且,Al、Si的含有量[质量%]满足Al≤0.005%且0.25%≤Si,或者满足Al>0.005%且Al+0.1Si≥0.03%,
而且,S、O、Si、Ca的含有量[质量%]满足S/Ca≤0.33、O/Si≤0.005。
(2)根据上述(1)所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,将Al量限制在0.0200%以下。
(3)根据上述(1)或(2)所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,将Al量限制在0.0050%以下。
(4)根据上述(3)所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,Si量为0.25~0.40%。
(5)根据上述(1)~(4)的任一项所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,Nb量为0.01~0.02%。
(6)根据上述(1)~(5)的任一项所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,Ca量为0.0020~0.0040%。
(7)根据上述(1)~(6)的任一项所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,将N限制在0.008%以下。
(8)根据上述(1)~(7)的任一项所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,还含有B:0.0020%以下。
(9)根据上述(1)~(8)的任一项所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,还含有V:0.10%以下。
(10)根据上述(1)~(9)的任一项所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,还含有Mg:0.01%以下、REM:0.05%以下的一方或两方。
(11)根据上述(1)~(10)的任一项所述的抗硫性优异的钢板,其特征在于,以质量%计,还含有
Mo:0.05~0.5%、
Ni:0.05~0.5%、
Cu:0.05~0.5%、
Cr:0.05~0.5%
中的1种或2种以上。
(12)一种抗硫性优异的管线管用钢管,其特征在于,母材由上述(1)~(11)的任一项所述的抗硫性优异的钢板构成。
本发明是降低S量、通过添加适当的脱氧剂来降低O(氧)量,而且通过添加适量的Ca来抑制MnS延伸的发明。根据本发明,能够切实防止钢板和钢管的起因于HIC的裂纹发生。而且,通过降低Al量,能够提高HAZ的韧性。因此,根据本发明,能够提供抗硫性进而HAZ的韧性优异的钢板以及管线管用钢管,本发明在产业上的贡献极为显著。
具体实施方式
将S量设为0.0003%并添加了0.0025%的Ca的钢板中发生的HIC的起点,是在中心偏析部存在的沿轧制方向延伸了的MnS。另外,%意指质量%,以下同样。
如图1所例示,延伸了的MnS的长度超过50μm。另外,该钢板,作为S、Ca以外的主要的成分,含有0.039%的C、0.24%的Si、1.20%的Mn和0.0021%的O(氧),还含有0.006%以下的Al、和0.01%左右的Nb和Ti。
即使这样地降低S量和O量,添加充分量的Ca,在氧量超过0.0020%的情况下,在中心偏析部生成MnS也是不能预想的事。
即,其结果意味着若氧量超过0.0020%,则由Ca产生的对S的固定变得不充分。因此认为只要强化脱氧即可。对于脱氧的强化,添加Al是有效的。另一方面,若添加Al,则由于夹杂物的增加、晶内相变的抑制,担心低温韧性降低。可以认为,由于Al量的增加,特别是在HAZ发生MA,起因于此,低温韧性降低。
因此,本发明者们为了兼备抗硫性和低温韧性,使Si添加量增加而尝试了脱氧的强化。另一方面,Si是使韧性降低的元素,因此关于Si的添加量的上限进行了研究。
具体地讲,通过热轧制而制造含有C:0.01~0.08%、Mn:1.00~1.50%、Ti:0.005~0.030%、Nb:0.01~0.02%,且限制为P:0.015%以下、Al:0.0050%以下,并使Si和Ca的添加量、S量和O量变化的钢板,测定了MnS的长度。
从钢板的与中心偏析部相当的部位(板厚方向的1/2部位)制取试样,利用扫描型电子显微镜(SEM)观察了MnS。测定了在50mm见方的范围的视场存在的沿纵向延伸了的MnS和球状的MnS的长度。测定是对于各钢板在15个部位进行,将测量到的MnS的最大长度作为该钢板的MnS最大长度。
其结果,如图2所示可知,可看到钢板的MnS的最大长度与S/Ca以及O/Si相关。由图2可知,在S/Ca>0.33的场合,即使使O/Si降低,也不能够抑制MnS的延伸化。与此相对,可知:在S/Ca≤0.33的场合,随着O/Si的降低,MnS的延伸化得到显著抑制,当O/Si变为0.005以下时,Mn的最大长度被抑制为20μm以下。
另外,抗硫性与Mn的最大长度具有相关性,若满足S/Ca≤0.33、O/Si≤0.005的话,则可知钢板的MnS的最大长度极被抑制,氢诱发裂纹的裂纹发生面积率(CAR)变为0%。
此外,关于Si量和Al量与抗硫性和HAZ韧性的关系进行了详细研究。具体地讲,利用含有C:0.01~0.08%、Mn:1.00~1.50%、Ti:0.005~0.030%、Nb:0.01%以上且小于0.04%、Ca:0.0010~0.0040%,且限制为P:0.015%以下、S:0.0008%以下、O:0.0020%以下,满足S/Ca≤0.33、O/Si≤0.005,并使Si量和Al量变化的钢板来进行了评价。
钢板通过热轧制而制造,从得到的钢板制取试样,评价了抗硫性和HAZ的韧性。抗硫性在由NACE规定的TM0177-90Method A环境下实施各样品的材质特性调查,测定了裂纹发生面积率(CAR)。另外,HAZ韧性,是从钢板制取试样,实施模拟HAZ热过程的热处理(模拟热循环试验),实施夏比冲击试验来评价。模拟热循环试验是在感应加热至1400℃,将从800℃到500℃的冷却时间设为38秒的条件下进行。夏比冲击试验是根据JISZ 2242来进行。
关于Si量和Al量与HAZ韧性和抗硫性的关系定性地进行说明。首先可知,当Si量为0.25~0.40%、Al量为0.0050%以下的范围(图3的区域1)时,钢板的HAZ韧性和抗硫性极为良好。其次可知,当Si量为0.10~0.50%、Al量为大于0.0200%的范围(图3的区域4)时,虽然抗硫性极为良好,但是HAZ韧性降低一些。
其次可知,当Al量为0.005%以下、Si量大于0.40%且在0.50%以下,以及,Al量大于0.005%且在0.0200%以下、Si量为0.25~0.50%的范围(图3的区域2)时,虽然抗硫性极为良好,但是HAZ韧性稍有降低。另外,得到下述见解,即,为了提高HAZ韧性,优选将Si量的上限设为0.40%以下。另外可知,图3的区域2的HAZ韧性比区域1差,但比区域4优异。
此外可知,在Si量为0.1%以上且小于0.25%、Al量大于0.0050%且在0.02%以下,并且满足Al+0.1Si≥0.03%的范围(图3的区域3),可得到极良好的抗硫性。这意味着在Si量为0.1%以上且小于0.25%、Al量大于0.0050%且在0.02%以下的范围,单位质量%的Al的脱氧能力是Si的脱氧能力的10倍左右。
另外可知,区域3的HAZ韧性比区域1差一些,但比区域2和区域4好一些。关于抗硫性,相比于区域3,区域1、区域2和区域4的优异一些。
另一方面可知,在Al量为0.0050%以下、Si量小于0.25%的范围,以及,Al量大于0.0050%且在0.0200%以下、Si量为0.10%以上且小于0.25%、Al+0.1Si<0.03%的范围,与区域1~4相比,抗硫性劣化。
以下对本发明进行详细说明。
Si在本发明中是最重要的元素,被用作为脱氧剂,另一方面,若过剩地添加的话,则有时损害HAZ韧性。为了确保抗硫性,必须添加0.10%以上的Si。进而,为了降低O量、提高抗硫性,优选添加0.25%以上。另一方面,若过剩地添加Si,则损害韧性,因此将上限设为0.50%以下。为了提高HAZ韧性,优选将Si量的上限设为0.40%以下。
Al是脱氧元素,抑制Ca氧化物的生成,将S作为CaS而固定,因此是有效的元素。若过剩地添加Al,则由于夹杂物生成而损害低温韧性、特别是损害HAZ韧性,因此将含有量限制在0.040%以下。由于HAZ韧性通过Al量的降低而提高,因此将上限设为0.020%以下。进而,为了抑制MA的生成,特别是为了提高HAZ的低温韧性,优选将Al量限制在0.005%以下。
此外,若使Al量降低,则生成Ca氧化物,有时CaS的生成变得不充分。为了抑制Ca氧化物的生成,在Al量为0.005%以下的场合,需要添加0.25%以上的Si。另外,在Al量大于0.005%的场合,需要满足Al+0.1Si≥0.03%。由此,能够提高抗硫性。
由以上的情况来看,Al、Si的含有量[质量%]必须满足Al≤0.005%且0.25%≤Si,或者满足Al>0.005%且Al+0.1Si≥0.03%。
Ca是抑制MnS的生成、提高抗硫性的极为重要的元素。即使降低S量,为了抑制MnS的生成,也需要添加0.0010%以上。从HAZ韧性的观点来看,在降低了Al量的场合,优选添加0.0020%以上的Ca。另一方面,若过剩地添加Ca,则夹杂物粗大化,韧性降低,因此将上限设为0.0040%。
S是随着含有量的增加,促进成为HIC的起点的MnS的生成的杂质,在本发明中,将可容许的含有量的上限设为0.0008%。为了抑制MnS的生成,优选将含有量降低为0.0005%以下。
O是形成为了控制硫化物的形态而添加的Ca的氧化物的杂质,在本发明中,将可容许的含有量的上限设为0.0020%。另外,为了有效地呈现Ca添加的效果、抑制MnS的生成,优选将含有量降低为0.0013%以下。
此外,在本发明中,为了抑制延伸的MnS的生成,必须满足S/Ca≤0.33和O/Si≤0.005。
如前所述,本发明者们发现,当添加Si而强化脱氧时,能够抑制MnS的延伸,其结果,能够抑制HIC的发生。为了最大限度地确保基于该发现的抑制HIC发生的效果,必须将添加的Ca和Si的量(质量%,以下相同)用S和O的量的关系来调整。因此,本发明者们采用了S/Ca和O/Si来作为指标。
Ca如前述那样为了将S作为CaS而固定、抑制MnS的生成,添加0.0010%以上,在降低了Al量的场合添加0.0020%以上,但根据S/Ca来设定为了固定S而添加的Ca的适当量。在本发明中,规定为S/Ca≤0.33,但如果S/Ca>0.33,则Ca量不足,将S作为CaS而固定变得不充分。
Si如前述那样为了充分降低O量以避免生成Ca氧化物,至少添加0.10%以上,优选添加0.25%以上,但将其适当量用O/Si设定。在本发明中,规定为O/Si≤0.005,但如果O/Si>0.005,则Si脱氧变得不充分,添加了的Ca形成氧化物,无助于S的固定。另外,O/Si更优选为小于0.005。
因此,为了最大限度地确保抑制HIC的发生的效果,必须满足S/Ca ≤0.33和O/Si≤0.005这两者。
C是有助于钢的强度提高的元素,必须含有0.01%以上。另一方面,若C大于0.08%,则特别是在中心部形成粗大的碳化物,抗硫性降低,因此将上限设为0.08%。为了提高韧性,优选为0.07%以下。
Mn是提高淬硬性的元素,添加1.00%以上。为了强度和韧性的提高,优选添加1.10%以上。另一方面,若Mn大于1.50%,则中心偏析变得显著,损害抗硫性,因此将上限设定为1.50%。为了抑制中心偏析部的MnS、硬质相的生成,提高抗硫性和韧性,优选Mn为1.40%以下。
Ti是生成碳氮化物、有助于钢的组织的微细化,并且形成成为晶内相变的生成核的氧化物的元素,添加0.005%以上。另一方面,若Ti大于0.030%,则在中心部产生粗大的碳氮化物,使抗硫性降低,因此将上限设为0.030%。优选为0.009~0.021%。
Nb是提供淬硬性,并且生成碳氮化物,有助于钢的组织的微细化的元素,添加0.01%以上。另一方面,若添加0.04%以上的Nb,则HAZ韧性降低,因此使上限小于0.04%。另外,若Nb大于0.02%,则在中心部产生粗大的碳氮化物,有时抗硫性降低,因此优选上限为0.02%。更优选的Nb量的范围为0.012~0.015%。
P是杂质,偏析于中心部,使韧性降低,因此将上限设为0.015%。优选为0.001%以下。
此外,为了提高抗硫性和HAZ韧性,优选限制N量。N是杂质,若过剩地含有,则特别是在中心部产生氮化物,使抗硫性降低,因此优选上限为0.008%以下。另外,为了抑制氮化物的生成、提高HAZ韧性,优选将N量的上限设为0.005%以下。
另外,V是生成碳氮化物,有助于钢的组织的微细化的元素。特别是为了提高强度和HAZ韧性,优选添加0.01%以上的V。可是,若过剩地添加,则产生粗大的氮化物,有时损害HAZ韧性,因此优选上限为0.10%以下。
B是对淬硬性的提高有效的元素。特别是在要求优异的强度的场合,优选添加0.0003%以上。可是,若过剩地含有,则使抗硫性降低,因此优选上限为0.0020%以下。
进而,还可以添加有助于强度和韧性的提高的Mo、Cr、Ni、Cu中的1种或2种以上。为了使钢的强度和韧性提高,优选:Mo、Cr、Ni和Cu分别添加0.05%以上。另外,由于Ni对韧性的提高也有效,因此优选添加0.15%以上。另一方面,若Mo、Cr、Ni和Cu分别添加超过0.5%,则有时损害焊接性,因此均将上限设为0.5%。优选都为0.1~0.4%。
另外,Mo、Cr、Ni、Cu是有助于耐蚀性提高的元素,对抗硫性的提高也有效,但为高价格的元素,因此优选使上限小于0.3%。此外,关于Cr,从焊接热影响区的韧性、现场焊接性的观点来看也优选使上限小于0.3%。
进而,也可以添加对夹杂物的微细化、硫化物的形态的控制有效的Mg、REM的一方或两方。特别是Mg是形成微细的氧化物,抑制焊接热影响区的晶粒的粗大化,提高韧性的元素。可是,若过剩地含有Mg、REM,则产生粗大的夹杂物,有时损害韧性。因此,Mg的含有量的上限优选为0.01%以下,REM的含有量的上限优选为0.05%以下。Mg、REM即使是微量也呈现效果,因此含有量的优选的下限为0.0001%以上。
接着,对本发明的钢板的优选的制造方法进行说明。
用常规方法炼制钢并进行铸造,对得到的钢坯进行加热,进行热轧制,其后,优选进行加速冷却。关于铸造,从生产率的观点考虑优选连铸。
钢坯的加热温度,特别是为了使在铸造时生成的MnS固溶,优选为1100℃以上。另一方面,若加热温度大于1300℃,则有时晶体粒径粗大化,因此加热温度优选为1300℃以下。
热轧制的最终轧制温度小于Ar3相变点时,加工后的铁素体生成,有时韧性降低。另外,由于Ar3相变点根据化学成分和空冷速度而变化,因此优选:从钢坯制取的试样,使用具有大致相同的成分的试样,在实验室实施模拟了热轧制和空冷的加工热处理,进行相变膨胀测定,求出Ar3点。
特别是最终轧制温度的优选的范围为770~950℃。如果使最终轧制温度为770℃以上,则可抑制中心偏析部的C、Mn浓化层的形成、金属组织的硬化相的形成,抗氢诱发裂纹敏感性提高。另外,为了将晶体粒径微细化、提高强度和韧性,优选最终轧制温度为950℃以下。
优选:热轧制后进行加速冷却。加速冷却的开始温度若小于(Ar3相变点-100)℃,则在中心偏析部生成连续的珠光体硬化相,有时促进氢诱发裂纹的扩展。加速冷却优选为水冷。
进而,将钢板成形为管状,电弧焊接缝部,制成钢管。
钢板的成形,优选采用UOE工序进行。另外,从生产率的观点考虑,缝部的电弧焊接优选为埋弧焊接。
实施例
实施例1
熔炼具有表1所示的成分组成的钢,采用连铸法制成钢坯。表1中也记载了S/Ca和O/Si的组成比。将得到的钢坯在表2所示的轧制条件下进行热轧制,进行加速冷却,制造出钢板。
表1如下:
表2
从钢板的板厚的中央部制取试件,使用SEM,对于各钢板,测定各30个部位的存在于50mm见方的范围的视场中的纵向的MnS的长度。在氢诱发裂纹特性调查中,在由NACE规定的TM0177-90方法的A环境中实施各样品的材质特性调查,作为氢诱发裂纹判定基准,裂纹发生面积率(CAR)以0%为合格。结果示于表3。
表3
如表3所示可知,作为全部满足本发明的范围的化学成分的钢编号1~7,CAR小于1%,均得到优异的抗HIC性。另一方面,脱离本发明的范围的钢编号101~105的比较例之中,钢编号101的O/Si高,钢编号102的Si量不足,因此是O量没有降低,O/Si也变高的例子。钢编号103是S/Ca高的例子,钢编号104是Ca量少的例子,钢编号105是S量过剩的例子。这些比较例的钢101~105中,观察到了延伸了的MnS、以及以延伸了的MnS为起点的氢诱发裂纹。
将这些钢板通过UOE工序进行造管,对缝部进行埋弧焊接,制造出钢管。从钢管上与钢板同样地制取样品,测定了CAR。其结果,与表3大致同样地,钢编号1~7的CAR小于1%,钢编号101~105观察到了以延伸了的MnS为起点的氢诱发裂纹。
实施例2
熔炼具有表4所示的成分组成的钢,用连铸法制成钢坯。表4也记载了S/Ca以及O/Si组成比。将得到的钢坯在表2所示的轧制条件下进行热轧制,进行加速冷却,制造出钢板。
表4如下:
MnS的长度测定以及氢诱发裂纹特性调查与实施例1同样地进行。关于HAZ韧性,在模拟热循环试验后制取试件,依据JIS Z 2242进行夏比冲击试验来评价。试件的纵向设为钢板的横向(宽度方向)。另外,模拟热循环试验是在感应加热至1400℃之后,将从800℃到500℃用38秒钟冷却的条件下进行。夏比冲击试验是使试验温度变化来实施,求出50%断口转变温度。结果示于表5。
表5
如表5所示,钢编号11~26的CAR小于1%,HAZ的50%断口转变温度也为0℃以下,抗硫性和HAZ韧性良好。另一方面,钢编号201~210为比较例,抗硫性或HAZ韧性降低。钢编号201的O/Si高,钢编号202的S/Ca高,钢编号203的S量多,虽然HAZ韧性良好,但是MnS延伸化,抗硫性降低。
钢编号204的O量多,虽然HAZ韧性良好,但是抗硫性降低。钢编号206的Al+0.1Si低,钢编号207的Al量和Si量低,因此虽然HAZ韧性良好,但是抗硫性降低。
钢编号207的Si量多,钢编号208的Al量多,因此虽然抗硫性良好,但是HAZ韧性降低。另外,钢编号209是Nb量多,HAZ韧性降低的例子。钢编号210的Ca量少,抗硫性降低。
将这些钢板通过UOE工序进行造管,对缝部进行埋弧焊接,制造出钢管。从钢管上与钢板同样地制取样品,测定了CAR。其结果,与表5大致同样地,钢编号11~26的抗硫性和HAZ区的韧性良好。另一方面,钢编号201~210已被确认抗硫性或HAZ韧性降低。