JP2000001735A - 高温強度および低温靱性に優れた低合金鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温強度、低温靱性、焼入性ともに優
れ、また窒化能にも優れた低合金鋼を得る。 【解決手段】 Ｃ：０．２８〜０．４０％、Ｓｉ：０．
０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜０．８０％、Ｎ
ｉ：１．５〜４．５％、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍ
ｏ：０．４〜１．５％、Ｖ：０．１０〜０．５０％を含
有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるととも
に、結晶粒度番号が０〜５である低合金鋼。所望によ
り、不純物を、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１０
％以下、Ａｌ：０．０１０％以下に規制する。 【効果】 Ｎｉ増量と結晶粒度の規制とにより高温
強度、低温靱性ともに優れた特性が得られ、焼入性も向
上して大型品の製造が容易になる。また、窒化能にも優
れており、大型品の窒化鋼として提供することも可能に
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温強度と低温靱
性に優れており、特に、寒冷地でも使用可能な高温高圧
流体の反応・輸送用超高圧容器・配管に好適な低合金鋼
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高温高圧流体の反応、輸送等に使用され
る高圧容器や高圧パイプには、高温強度が必要とされる
とともに、寒冷地での使用も考慮して低温靭性にも優れ
た特性が要求されており、従来は、これらの要求に従っ
て、使用材料として３Ｃｒ−１ＭｏＶ鋼が採用されてい
る。ところで、近年、パイプ等周辺システムの高効率化
を図る等の理由により、内部媒体圧力の一層の高温、高
圧力化が求められるようになり、それに従ってパイプ等
の材料にも、より高温での強度が必要になってきてお
り、また、低温靱性に関してもより優れた特性が要求さ
れている。このため、近年のパイプ材料に求められる機
械的性質として、 ０．２％Ｙ．Ｓ．（４５０℃）≧８５０ＭＰａ（高温強
度） Ｉ_２ｖ（−４０℃）≧２０Ｊ（低温靭性）の規格が挙げ
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来、上記用
途に用いられている３Ｃｒ−１ＭｏＶ鋼は、高温強度が
高々８００ＭＰａで、靱性値も１０Ｊ程度であるため、
上記要求を満たすことができない。また、近年のパイプ
では、より厚肉形状のものが要求されることもあるが、
従来鋼では、質量効果により冷却速度が小さい場合に焼
入が十分になされず、高温強度、靱性において満足する
特性が得られないという問題もある。

【０００４】本発明は、上記事情を背景としてなされた
ものであり、高温強度、低温靱性ともに従来鋼よりも優
れた特性を有し、また焼入性にも優れていて厚肉形状品
においても上記の優れた特性が得られる低合金鋼を提供
することを目的とする。また、本発明の他の目的は、大
型製品に適用可能な窒化鋼を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の高温強度および低温靱性に優れた低合金鋼
のうち第１の発明は、重量％で、Ｃ：０．２８〜０．４
０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜
０．８０％、Ｎｉ：１．５〜４．５％、Ｃｒ：２．５〜
３．５％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、Ｖ：０．１０〜
０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物か
らなるとともに、結晶粒度番号が０〜５であることを特
徴とする。第２の発明は、第１の発明において、不可避
不純物のうち、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１０
％以下、Ａｌ：０．０１０％以下に規制することを特徴
とする。

【０００６】以下に、本発明の成分を限定した理由を説
明する。 Ｃ：０．２８〜０．４０％ Ｃは鋼の焼入れ性を高めるとともに、焼戻し時に炭窒化
物として二次析出して高温強度を向上させる。しかし、
その含有量が０．２８％未満ではこれらの効果を十分に
得ることができず、一方、０．４０％を越えて含有させ
ると靭性を低下させるので、Ｃ含有量を０．２８〜０．
４０％に限定する。なお、同様の理由で下限を０．２９
％、上限を０．３６％とするのが望ましい。

【０００７】Ｓｉ：０．０５〜０．５０％ Ｓｉは鋼の脱酸のために必須な元素であり、十分な脱酸
効果を得るためには、溶製後に、０．０５％以上含有し
ていることが必要である。一方、０．５０％を越えて含
有すると非金属介在物を増加させ、延靭性の低下を招く
ようになるので、Ｓｉ含有量を０．０５〜０．５０％に
限定する。なお、同様の理由で下限を０．１５％、上限
を０．３５％とするのが望ましい。

【０００８】Ｍｎ：０．０５〜０．８０％ Ｍｎは鋼の焼入れ性を向上させて靭性を高めるのに有効
な元素である。しかしその含有量が０．０５％未満では
上記に関し十分な効果が得られず、一方、０．８０％を
越えて含有させると偏析や非金属介在物の増加により靱
性と高温強度の低下を招くので、Ｍｎ含有量を０．０５
〜０．８０％に限定する。なお、同様の理由で下限を
０．３０％、上限を０．６０％とするのが望ましい。

【０００９】Ｎｉ：１．５〜４．５％ Ｎｉは低温靭性を改善し、また、焼入れ性を高めること
による常温強度及び高温強度向上に有効な元素であり、
これらの作用を得るために１．５％以上の含有が必要で
ある。一方、Ｎｉを４．５％を超えて含有させると、変
態点の低下により、焼入れ後に多量のオーステナイトが
残留して強度、靱性の大幅な低下を招くので、Ｎｉ含有
量を１．５〜４．５％に限定する。なお、同様の理由で
下限を２．０％、上限を４．０％とするのが望ましく、
さらに下限を３．５％とするのが一層望ましい。

【００１０】Ｃｒ：２．５〜３．５％ Ｃｒは焼入れ性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上による
高温強度の増加に有効な元素であり、窒化に際しては、
窒化層への硬さの付与に対し有効に作用する。しかしそ
の含有量が２．５％未満では上記に関し十分な効果が得
られず、一方、３．５％を超えると靭性や被削性の低下
を招くようになるので、Ｃｒの含有量を２．５〜３．５
％に限定する。なお、同様の理由で下限を２．８％、上
限を３．２％とするのが望ましい。

【００１１】Ｍｏ：０．４〜１．５％ Ｍｏは鋼の焼入れ性と焼戻し軟化抵抗を高めることによ
る高温強度の向上を促進させる元素であり、窒化に際し
ては、窒化層への硬さの付与に対し有効に作用する。し
かしその含有量が０．４％未満では上記に関し十分な効
果が得られず、一方、１．５％を越えるとＭｏ炭化物の
過度の析出による靭性の低下を招くため、Ｍｏの含有量
を０．４〜１．５％に限定する。なお、同様の理由で下
限を０．８％、上限を１．２％とするのが望ましい。

【００１２】Ｖ：０．１０〜０．５０％ Ｖは焼戻し時に炭窒化物を形成し、高温強度を高める作
用があり、窒化に際しては、窒化層への硬さの付与に対
し有効に作用する。しかし、含有量が０．１０％未満で
は、上記に関し十分な効果が得られず、また、０．５０
％を超えて含有させると炭窒化物の過剰な析出による靭
性の低下を招くので、Ｖの含有を０．１０〜０．５０％
に限定する。なお、同様の理由で下限を０．１５％、上
限を０．３０％とするのが望ましい。

【００１３】（不可避不純物）本発明鋼は上記成分の他
に、Ｐ、Ｓ、Ａｌ等の不可避不純物を含有するが、特
に、Ｐ、Ｓ、Ａｌについては、以下の理由により含有量
を規制するのが望ましい。 Ｐ：０．０２５％以下 Ｐを多量に含有すると偏析が生じて靭性の劣化をきた
し、さらに熱間割れの発生が促進される。したがって不
純物としてＰは可及的に低減させることが望ましく、特
に０．０２５％以下とするのが望ましい。 Ｓ：０．０１０％以下 Ｓは硫化物を形成して靭性を低下させるので、極力その
含有量を低下させることが望ましく、特に０．０１０％
以下とするのが望ましい。 Ａｌ：０．０１０％以下 Ａｌは低温靱性を劣化させる元素であることから極力低
減させるのが望ましく、特に０．０１０％以下に規制す
るのが望ましい。なお、Ａｌは一般に窒化成分として窒
化用鋼に添加されているが、本発明鋼を窒化用鋼として
使用する場合には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの含有により窒化が
確保されているので、Ａｌを無添加として低温靱性を向
上させることが可能になる。

【００１４】結晶粒度番号（Ｎｏ．０〜５） 本発明鋼では、結晶粒度を５以下とすることにより、優
れた高温強度と低温靱性とが確保される。これは、結晶
粒度番号を５以下にすると焼入れ性が向上し、Ｎｉ増量
の特徴として強度もさることながら低温靭性が大きく向
上し、この効果が結晶粒粗大化による靭性低下を上回る
範囲で低温靭性を改善し、さらに粒度番号を５以下とす
ることにより偏析も低減される。なお、結晶粒度番号が
５を越えた微細粒になると焼入れ性が低下することによ
り、強度及び靭性が低下する。一方、結晶粒度番号が０
未満の粗大粒を有するようになると、粗粒化による低温
靭性低下が顕著になる。したがって結晶粒度番号は０〜
５の範囲とした。なお、同様の理由で、さらに粒度番号
は下限を２、上限を４．５とするのが望ましい。なお、
結晶粒度番号は、比較法により得られるものであり、具
体的にはＪＩＳＧ０５５１の規格により定められてい
る。本発明鋼は、少なくとも焼入前の状態において、上
記結晶粒度番号を有していることが必要であり、さらに
熱処理後においても該結晶粒度番号を有しているのが望
ましい。

【００１５】ところで、従来鋼では、Ｎｉをコンマ数％
以上含有させると、偏析を助長させて靱性の低下を招く
ことが知られている。しかし、本発明者らは上記のよう
に結晶粒度を規制することによりＮｉを多く含むもので
も偏析を招かないことを見出し、本発明をするに至った
ものであり、本発明は、前記したようにＮｉを多く、か
つ適量含むことにより、低温靱性、高温強度、焼入性を
向上させたものである。なお、従来鋼では、靱性の観点
等から結晶粒度としては８前後に設定しているが、従来
鋼において本発明鋼のように結晶粒度を５以下とする
と、低温靱性、高温強度の点において満足する特性を得
ることは困難である。なお、靱性と強度との間には相関
関係があり、熱処理に際し、いずれか一方を重視した条
件に設定すると、他方の特性が低下する。しかし、本発
明鋼では特に低温靱性の向上に顕著な効果があるので、
高温強度を高めるべく焼き戻し温度を従来鋼よりも低温
化させても低温靱性において良好な特性を得ることがで
き、その結果、高温強度、低温靱性ともに優れた特性を
有することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明鋼は、上記組成に従って常
法により溶製することができるものであり、その溶製の
方法については特に限定されない。その後、適宜の熱処
理を施すことにより、上記の結晶粒度を得ることがで
き、通常は、焼準、焼入、焼き戻しの熱処理を施す。例
えば焼準では、９５０〜１０５０℃で、６〜１６時間の
加熱を行い、焼入では、９５０〜９５０℃で１〜５時間
の加熱を行い、焼き戻しでは、５５０〜６２０℃で３〜
２５時間加熱を行うことにより、本発明鋼の結晶粒度が
得られる。上記により得られた低合金鋼は、必要な加工
を施して、容器やパイプ等の形状に成形され、高温高圧
流体の保管に使用したり、反応空間として使用したりす
る。ただし、本発明としては、使用用途が特に上記に限
定されるものではなく、高温強度と低温靱性とが要求さ
れる各種用途に使用することができる。

【００１７】

【実施例】表１に示す供試鋼を常法により溶製し、焼
準、焼入、焼き戻しの熱処理を施して、表２に示す組合
せで、成分と結晶粒度を変えた供試材を得た。結晶粒度
番号は、ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定する比較法によるも
のである。なお、各供試鋼では、焼準条件を変えること
により結晶粒度を変え、その後は、各供試鋼毎に高温強
度を重視した条件で焼入、焼き戻しを行って供試材を得
た。得られた供試材について、４５０℃における高温強
度（０．２％耐力）と、−４０℃におけるシャルピー吸
収エネルギとを測定し、それぞれの結果を表２に示し
た。

【００１８】また、焼入性を評価するため、供試材の一
部（Ｎｏ．１、１０）について、焼入時の冷却速度のみ
を変えた熱処理を施し、該供試材について４５０℃にお
ける高温強度と−４０℃におけるシャルピー吸収エネル
ギの測定を行った。上記の各測定結果は、以下の関係に
おいて図１〜３に図示した。図１では、一部の測定結果
について、結晶粒度番号およびＮｉ含有量とシャルピー
吸収エネルギとの関係を図示した。図２では、各供試材
について高温強度とシャルピー吸収エネルギとの関係を
図示した。図３では、焼入時の冷却速度を変えた場合の
測定結果について、冷却速度とシャルピー吸収エネルギ
との関係を図示した。さらに、本発明鋼の窒化能を調査
するため、供試鋼Ｎｏ．１、２について、ＮＨ_３ガスを
用いて５２０℃×６０ｈｒの条件で窒化を行い、得られ
た窒化鋼について、表面からの距離に応じてそのビッカ
ース硬度を測定し、その硬度分布を図４に示した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】表２および図２に示されるように、本発明
鋼は、その成分および結晶粒度が規制値内にあることに
より低温靱性および高温強度において満足する結果（高
温強度８５０ＭＰａ以上、低温靱性２０Ｊ以上）が得ら
れている。なお、図１、２に示されるように、結晶粒度
番号を５以下とし、かつＮｉ含有量を１．５〜４．５％
の範囲内で多く含有させることにより靱性および高温強
度が向上していることが理解される。一方、結晶粒度が
５を超えるものでは、Ｎｉ含有量を上記範囲内としても
低温靱性の改善はなく、一部のものは低下している。

【００２２】また、図３に示すように、本発明鋼は、焼
入時の冷却速度を小さくしても、高温強度は殆ど変わら
ず、シャルピー吸収エネルギも優れた値を示しており、
優れた焼入性を有している。一方、比較材では、冷却速
度を小さくすることにより両特性が顕著に劣化してお
り、焼入性に劣っている。また、図４に示すように、本
発明鋼を用いて窒化したものでは、表層部が確実かつ良
好に窒化がなされており、本発明鋼は、優れた窒化能を
有していることも明らかになっている。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高温強度
および低温靱性に優れた低合金鋼は、重量％で、Ｃ：
０．２８〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ：０．０５〜０．８０％、Ｎｉ：１．５〜４．５
％、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜１．５
％、Ｖ：０．１０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅお
よび不可避不純物からなるとともに、結晶粒度番号が０
〜５であるので、優れた低温靱性と高温強度とを兼ね備
え、さらに焼入性に優れた材料が得られる。これによ
り、高温高圧用パイプ等のより高い設計要求に応えるこ
とができ、また、肉厚設計の制限が大幅に緩和されて、
大型品の製造も容易になる。また、窒化に際しても良好
な窒化能を示し、大型で良好な特性を有する窒化製品を
得ることが容易になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例について、結晶粒度番号およ
びＮｉ含有量とシャルピー吸収エネルギとの関係を示す
グラフである。

【図２】 同じく、シャルピー吸収エネルギと高温強度
との関係を示すグラフである。

【図３】 同じく、焼入時の冷却速度とシャルピー吸収
エネルギとの関係を示すグラフである。

【図４】 同じく、窒化後の表層の硬さ分布を示すグラ
フである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．２８〜０．４０％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜０．８
   ０％、Ｎｉ：１．５〜４．５％、Ｃｒ：２．５〜３．５
   ％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、Ｖ：０．１０〜０．５０
   ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると
   ともに、結晶粒度番号が０〜５であることを特徴とする
   高温強度および低温靱性に優れた低合金鋼
2. 【請求項２】 不可避不純物のうち、Ｐ：０．０２５％
   以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．０１０％以下
   に規制することを特徴とする請求項１記載の高温強度お
   よび低温靱性に優れた低合金鋼