JP2009185368A - 高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板用母材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高強度で低温靱性に優れ、溶接熱影響部の靱性も良好なクラッド鋼板母材を提供する。
【解決手段】クラッド鋼板母材の組成をＣ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．３０％、Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｉ：０．１０〜０．６０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４５％、Ｃｕ：０．０５〜０．４０％、Ｍｏ：０．０５〜０．４０％、Ｖ：０．０２〜０．０６％、Ｎｂ：０．０３〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％、Ｎ：０．００３０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、前記Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ含有量が０．７０％≦Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ≦１．３０％の範囲内にあるものとする。
【選択図】なし
【解決手段】クラッド鋼板母材の組成をＣ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．３０％、Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｉ：０．１０〜０．６０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４５％、Ｃｕ：０．０５〜０．４０％、Ｍｏ：０．０５〜０．４０％、Ｖ：０．０２〜０．０６％、Ｎｂ：０．０３〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％、Ｎ：０．００３０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、前記Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ含有量が０．７０％≦Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ≦１．３０％の範囲内にあるものとする。
【選択図】なし
Description
この発明は、天然ガス輸送用のパイプラインに好適に使用可能なクラッド鋼板に関連し、圧延後に焼入れ焼戻し（以下調質）を行うことによって製造されるクラッド鋼板母材およびその製造方法に関するものである。
天然ガスは石油エネルギーに比べ大気汚染問題が少ない為、クリーンエネルギーとしてその需要は今後更に増加すると予想されており、天然ガスパイプラインの建設計画は国際的な経済政策として大きく加速されつつある。天然ガスの採掘では、目的とするガスの他に、硫化水素、炭酸ガス、塩素イオン等の腐食性の高いガスが含まれる場合も多く、腐食性の強い環境下での使用に耐えうる鋼管として、優れた耐食性を有するステンレス鋼や高合金鋼と高強度かつ高靭性を有する低合金鋼を接合したクラッド鋼板およびクラッドパイプが使用されている。
クラッド鋼板母材は、Ｃ−Ｍｎ鋼を基本として合金元素の添加バランスおよび圧延後の焼入れ焼戻し（以下調質）熱処理条件の適正化により、ＡＰＩ Ｘ７０ｇｒａｄｅの高強度で優れた低温靭性を持ち、さらに溶接後の溶接部も十分な性能を有するクラッド鋼板が製造可能である（特許文献１等）。一方で近年は陸上のラインパイプを中心に、高圧操業や寒冷地での使用に対する安全性の向上や鋼管肉厚の薄肉化によるプロジェクト開発コストの低減を図るために、更なる高強度材に対するユーザ要求が高まりつつある。安全性および経済性に優れた高強度鋼管に対する需要はクラッド鋼管でも同様であるとともに、ガス田開発技術の向上に伴うガス田の深海化や鋼管敷設方法の多様化など、クラッド鋼管が使用される環境は年々厳しくなっており、更なる高強度高靭性化が要求されている。
高強度鋼管については、例えば、特許文献２に記載されているように、長距離輸送用のラインパイプでは高圧化による輸送効率の向上やパイプ径および肉厚の減少による現地施工能率の向上を図るため、Ｘ１２０ｇｒａｄｅ級の鋼板の製造方法が開発されている。その製造方法は、合金元素の適正化により焼入れ性の向上を図り、制御圧延による未再結晶領域での加工と冷却速度の調整により、目的とする組織および結晶粒度を持った、高強度および強靭性を有する鋼板の製造を可能としている。
クラッド鋼板の製造方法は、母材となる低合金鋼および合せ材となるステンレス鋼などの圧延スラブを粗圧延し、両者を組合わせた後、１２００℃程度に加熱してクラッド化圧延により接合を行う。圧延後は母材の機械的性質を調整するため調質が行われ、所定の材料強度を有するクラッド鋼板が製造される。一方で合せ材については、その耐食性を確保することが重要であるが、粗圧延およびクラッド化圧延時の熱扱いで耐食性を劣化させる炭化物や金属間化合物などが析出する可能性があり、圧延後の焼入れが析出物を固溶させるための溶体化熱処理となることから、焼入れはクラッド鋼板にとって重要な工程である。
ＴＭＣＰは圧延ままで優れた強度、靱性を有する鋼板を製造することが可能な製造プロセスであり、ラインパイプ用鋼板に適用することでＸ８０ｇｒａｄｅ以上の高強度鋼管の製造が可能となる。しかし、クラッド鋼板の場合、圧延ままでは合せ材の耐食性が低下する恐れがあり、上述の通り耐食性を確保するための焼入れ工程が必要不可欠であることから、クラッド鋼板は主に調質を行うことにより製造されている。
特開２００６−３２８４６０号公報
特開２００７−１３１９２５号公報
ＴＭＣＰは圧延ままで優れた強度、靱性を有する鋼板を製造することが可能な製造プロセスであり、ラインパイプ用鋼板に適用することでＸ８０ｇｒａｄｅ以上の高強度鋼管の製造が可能となる。しかし、クラッド鋼板の場合、圧延ままでは合せ材の耐食性が低下する恐れがあり、上述の通り耐食性を確保するための焼入れ工程が必要不可欠であることから、クラッド鋼板は主に調質を行うことにより製造されている。
焼入れ焼戻しによって製造されるクラッド鋼板母材については、特許文献１に開示されているように、合金元素と熱処理条件の適正化によって微細なベイナイト組織を有し、強度および靱性に優れ、かつ溶接熱影響部の結晶粒を粗大化させることなく、溶接熱影響部の靭性も確保した母材が開発されている。しかし、材料強度はＸ８０ｇｒａｄｅ以上の強度には達しておらず、クラッド鋼管の高強度化に対応できるものではない。
この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、微量添加元素の添加量を調整し、固溶強化および析出強化による材料強度の向上、鋼の焼入れ性の向上、結晶粒度の最適化、微細析出物による母材および溶接熱影響部の結晶粒の微細化を図ることによって、Ｘ８０ｇｒａｄｅ以上の高強度でありながら、溶接性を損ねることなく、母材および溶接熱影響部の靱性に優れた、調質によって製造されることを特徴とするクラッド鋼板用の母材および該クラッド鋼板の製造方法を提供することを目的としている。
すなわち、本発明の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材のうち、第一の本発明は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．３０％、Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｉ：０．１０〜０．６０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４５％、Ｃｕ：０．０５〜０．４０％、Ｍｏ：０．０５〜０．４０％、Ｖ：０．０２〜０．０６％、Ｎｂ：０．０３〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％、Ｎ：０．００３０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、前記Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ含有量が０．７０％≦Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ≦１．３０％の範囲内にある組成を有し組織がマルテンサイト組織であることを特徴とする。
第２の本発明の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材は、前記第１の本発明において、下記式（１）の炭素当量が０．３８０≦Ｃｅｑ≦０．４８０、下記式（２）の溶接割れ感受性（ＰＣＭ）がＰＣＭ≦０．２００の範囲内にあることを特徴とする。
式（１）Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５（ｍａｓｓ％）
式（２）ＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０（ｍａｓｓ％）
式（１）Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５（ｍａｓｓ％）
式（２）ＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０（ｍａｓｓ％）
第３の本発明の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材は、前記第１または第２の本発明において、ＴｉとＮの質量比Ｔｉ／Ｎが１．５〜３．０の範囲内にあることを特徴とする。
第４の本発明の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、結晶粒度が、オーステナイト結晶粒度番号で、Ｎｏ．５〜１１の範囲内にあることを特徴とする。
第５の本発明の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材の製造方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかに記載の組成を有するクラッド鋼板母材用合金を溶製して鋼塊とし、圧延後、９００〜１１００℃の範囲のオーステナイト化温度域から焼入れを行いその後、ＡＣ１点以下の５５０〜６５０℃で焼戻しを行うことを特徴とする。
以下に本発明で規定する組成等の限定理由およびその作用について説明する。なお、各含有量はいずれも質量％で表されている。
Ｃ：０．０５〜０．１０％
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な添加元素であるが、含有量が少ないと強度の向上に十分な効果がないため０．０５％以上とした。しかし過剰の含有は溶接性の低下やＨＡＺ靭性を著しく劣化させるため上限を０．１０％とした。
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な添加元素であるが、含有量が少ないと強度の向上に十分な効果がないため０．０５％以上とした。しかし過剰の含有は溶接性の低下やＨＡＺ靭性を著しく劣化させるため上限を０．１０％とした。
Ｓｉ：０．１０〜０．３０％
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸等に効果的な成分であり、その効果を得るためには少なくとも０．１０％以上の含有が必要である。しかしながら過剰な含有は溶接時にＨＡＺ靱性が低下することから上限を０．３０％とした。
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸等に効果的な成分であり、その効果を得るためには少なくとも０．１０％以上の含有が必要である。しかしながら過剰な含有は溶接時にＨＡＺ靱性が低下することから上限を０．３０％とした。
Ｍｎ：１．３０〜１．７０％
Ｍｎは焼入れ性を向上させるとともに、母材の強度及び靱性の向上に有効な成分として１．３０％以上の含有が必要であるが、多量の含有は溶接部の靭性低下や割れを引き起こすため上限値を１．７０％とした。なお、同様の理由で下限を１．４０％、上限を１．６０％とするのが望ましい。
Ｍｎは焼入れ性を向上させるとともに、母材の強度及び靱性の向上に有効な成分として１．３０％以上の含有が必要であるが、多量の含有は溶接部の靭性低下や割れを引き起こすため上限値を１．７０％とした。なお、同様の理由で下限を１．４０％、上限を１．６０％とするのが望ましい。
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは不純物として、含有量が少ないほど望ましいが、工業的に実現可能な０．０１５％を上限とした。
Ｐは不純物として、含有量が少ないほど望ましいが、工業的に実現可能な０．０１５％を上限とした。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは不純物として含有量が少ないほど望ましいが、工業的に実現可能な０．００５％を上限とする。さらに、０．００３％以下とするのが望ましい。
Ｓは不純物として含有量が少ないほど望ましいが、工業的に実現可能な０．００５％を上限とする。さらに、０．００３％以下とするのが望ましい。
Ｎｉ：０．１０〜０．６０％
Ｎｉは母材強度や低温靱性を向上させる有効な添加元素であるが、多量の添加は製造コストの上昇に繋がるため０．１０％を下限、０．６０％を上限とした。なお、同様の理由で下限を０．２５％、上限を０．５０％とするのが望ましい。
Ｎｉは母材強度や低温靱性を向上させる有効な添加元素であるが、多量の添加は製造コストの上昇に繋がるため０．１０％を下限、０．６０％を上限とした。なお、同様の理由で下限を０．２５％、上限を０．５０％とするのが望ましい。
Ｃｒ：０．１０〜０．４５％
Ｃｒは母材の強度及び靱性を向上させるが、含有量が多くなると割れ感受性を高めるため、下限を０．１％、上限を０．４５％とした。なお、同様の理由で上限を０．３５％とするのが望ましい。
Ｃｒは母材の強度及び靱性を向上させるが、含有量が多くなると割れ感受性を高めるため、下限を０．１％、上限を０．４５％とした。なお、同様の理由で上限を０．３５％とするのが望ましい。
Ｃｕ：０．０５〜０．４０
Ｃｕは母材の強度向上に有効であるが、過剰な含有は溶接時の割れ感受性を高めるため、下限を０．０５％、上限を０．４０％とした。なお、同様の理由で下限を０．１０％、上限を０．３０％とするのが望ましい。
Ｃｕは母材の強度向上に有効であるが、過剰な含有は溶接時の割れ感受性を高めるため、下限を０．０５％、上限を０．４０％とした。なお、同様の理由で下限を０．１０％、上限を０．３０％とするのが望ましい。
Ｍｏ：０．０５〜０．４０％
Ｍｏは焼入れ性を向上させるとともに、固溶化熱処理後の母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素であるが、過剰な含有はＨＡＺ部の靱性を損なうため下限を０．０５％、上限を０．４０％とした。なお、同様の理由で下限を０．１０％、上限を０．３０％とするのが望ましい。
Ｍｏは焼入れ性を向上させるとともに、固溶化熱処理後の母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素であるが、過剰な含有はＨＡＺ部の靱性を損なうため下限を０．０５％、上限を０．４０％とした。なお、同様の理由で下限を０．１０％、上限を０．３０％とするのが望ましい。
Ｖ：０．０２０〜０．０６０％
Ｖは鋼の強度を確保するために重要な元素であり、多すぎると靱性値に悪影響を及ぼすことから下限を０．０２０％、上限を０．０６０％とした。なお、同様の理由で下限を０．０３０％、上限を０．０５０％とするのが望ましい。
Ｖは鋼の強度を確保するために重要な元素であり、多すぎると靱性値に悪影響を及ぼすことから下限を０．０２０％、上限を０．０６０％とした。なお、同様の理由で下限を０．０３０％、上限を０．０５０％とするのが望ましい。
Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％
Ａｌは脱酸や結晶粒の微細化に効果的であるが、過剰に添加すると窒化物などを形成し靭性の劣化や鋼塊割れなどの悪影響が懸念されることから、下限値を０．０２０％、上限値を０．０５０％とした。なお、同様の理由で下限を０．０３０％、上限を０．０４０％とするのが望ましい。
Ａｌは脱酸や結晶粒の微細化に効果的であるが、過剰に添加すると窒化物などを形成し靭性の劣化や鋼塊割れなどの悪影響が懸念されることから、下限値を０．０２０％、上限値を０．０５０％とした。なお、同様の理由で下限を０．０３０％、上限を０．０４０％とするのが望ましい。
Ｎｂ：０．０３〜０．１０％
Ｎｂは鋼を溶体化温度に加熱した際に、微細なＮｂ炭化物などが母材に均一分散することによって、オーステナイト粒の粗大化を防止すると共に、結晶粒の微細化や強度の向上に効果的であるため０．０３％以上含有させる。しかし０．１０％を超えると鋼塊に表面疵が生じやすいなどといった製造上の問題が生じるため、０．１０％以下とした。なお、同様の理由で下限を０．０４％、上限を０．０９％、さらに好ましくは０．０８％とするのが望ましい。
Ｎｂは鋼を溶体化温度に加熱した際に、微細なＮｂ炭化物などが母材に均一分散することによって、オーステナイト粒の粗大化を防止すると共に、結晶粒の微細化や強度の向上に効果的であるため０．０３％以上含有させる。しかし０．１０％を超えると鋼塊に表面疵が生じやすいなどといった製造上の問題が生じるため、０．１０％以下とした。なお、同様の理由で下限を０．０４％、上限を０．０９％、さらに好ましくは０．０８％とするのが望ましい。
Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％
Ｔｉは鋼中で微細分散した炭化物や窒化物を生成し、オーステナイト粒を微細化する効果を有する。また、後述するが、Ｎと結合して生成した窒化物が溶接時に溶接熱影響部の結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。その含有量は０．００５％未満では効果が少なく、また０．０２５％を超えると炭化物や窒化物の凝集および粗大化による切り欠き効果により靱性が大きく劣化するため、下限を０．００５％、上限を０．０２５％とした。なお、同様の理由で下限を０．０１０％、上限を０．０２０％とするのが望ましい。
Ｔｉは鋼中で微細分散した炭化物や窒化物を生成し、オーステナイト粒を微細化する効果を有する。また、後述するが、Ｎと結合して生成した窒化物が溶接時に溶接熱影響部の結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。その含有量は０．００５％未満では効果が少なく、また０．０２５％を超えると炭化物や窒化物の凝集および粗大化による切り欠き効果により靱性が大きく劣化するため、下限を０．００５％、上限を０．０２５％とした。なお、同様の理由で下限を０．０１０％、上限を０．０２０％とするのが望ましい。
Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％
Ｃａは耐水素誘起割れ感受性を改善する効果がある他、Ｓなどと化合物をつくりＣａＳとして球状化し酸化物を形成するため衝撃値を向上させる。この効果としては０．００１０％以上の含有が効果的である。しかし、０．００４０％を超えて含有すると鋼塊に表面疵が発生しやすい他、耐水素誘起割れ感受性が劣化したり、粗大介在物を生成したりするため上限を０．００４０％とした。 なお、同様の理由で下限を０．００２０％、上限を０．００３０％とするのが望ましい。
Ｃａは耐水素誘起割れ感受性を改善する効果がある他、Ｓなどと化合物をつくりＣａＳとして球状化し酸化物を形成するため衝撃値を向上させる。この効果としては０．００１０％以上の含有が効果的である。しかし、０．００４０％を超えて含有すると鋼塊に表面疵が発生しやすい他、耐水素誘起割れ感受性が劣化したり、粗大介在物を生成したりするため上限を０．００４０％とした。 なお、同様の理由で下限を０．００２０％、上限を０．００３０％とするのが望ましい。
Ｎ：０．００３０〜０．０１００％
ＮはＴｉと反応しＴｉＮとして鋼中に析出する事で結晶粒の微細化に効果的である。また、固溶温度が高く比較的高温でも安定して存在することから、溶接熱影響部の結晶粒の粗大化を抑制してＨＡＺ靭性の向上に非常に有効である。その添加量は少なすぎると十分な効果が得られないため下限を０．００３０％とした。しかしながら０．０１００％を超えると固溶Ｎが増大しＨＡＺ靭性の低下が起こるので０．０１００％を上限とした。
ＮはＴｉと反応しＴｉＮとして鋼中に析出する事で結晶粒の微細化に効果的である。また、固溶温度が高く比較的高温でも安定して存在することから、溶接熱影響部の結晶粒の粗大化を抑制してＨＡＺ靭性の向上に非常に有効である。その添加量は少なすぎると十分な効果が得られないため下限を０．００３０％とした。しかしながら０．０１００％を超えると固溶Ｎが増大しＨＡＺ靭性の低下が起こるので０．０１００％を上限とした。
Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ：０．７０％以上１．３０％以下
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏの微量添加元素は、焼入れ性の向上、固溶強化および析出強化による材料強度の向上、低温靭性の強化、組織の微細化など、溶接性を損なわず高強度を達成するために重要な添加元素である。本発明で０．７０％≦Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ≦１．３０％とした理由は、０．７０％未満では含有量が少なく、目的とする性能が得られないことから下限値を０．７０％とし、含有量が多くなると強度は向上するが、後述の炭素当量および溶接割れ感受性指数の増加に繋がることから、十分な強度および靱性を発揮でき、かつ溶接性に悪影響を及ぼさない１．３０％を上限値とした。なお、同様の理由で下限を０．９０％、上限を１．２０％とするのが望ましい。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏの微量添加元素は、焼入れ性の向上、固溶強化および析出強化による材料強度の向上、低温靭性の強化、組織の微細化など、溶接性を損なわず高強度を達成するために重要な添加元素である。本発明で０．７０％≦Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ≦１．３０％とした理由は、０．７０％未満では含有量が少なく、目的とする性能が得られないことから下限値を０．７０％とし、含有量が多くなると強度は向上するが、後述の炭素当量および溶接割れ感受性指数の増加に繋がることから、十分な強度および靱性を発揮でき、かつ溶接性に悪影響を及ぼさない１．３０％を上限値とした。なお、同様の理由で下限を０．９０％、上限を１．２０％とするのが望ましい。
Ｔｉ／Ｎ：１．５〜３．０
ＴｉとＮの比を適切にすることで、安定で微細分散したＴｉＮを生成させて、溶接時に母材の熱影響部を細粒化し溶接熱影響部の結晶粒度の粗大化を防止することができるので、所望により、Ｔｉ／Ｎの比を調整する。該比が１．５未満であると、十分な結晶粒微細化の効果が得られず、特に溶接時に溶接熱影響部の結晶粒が粗大化して靭性が大きく低下してしまうという問題が生じる。一方、３．０％を越えてしまうと過剰なＴｉＮの析出およびＴｉＮの粗大化により母材靭性の低下が著しい。そのため上記Ｔｉ／Ｎ比を１．５〜３．０とする。
ＴｉとＮの比を適切にすることで、安定で微細分散したＴｉＮを生成させて、溶接時に母材の熱影響部を細粒化し溶接熱影響部の結晶粒度の粗大化を防止することができるので、所望により、Ｔｉ／Ｎの比を調整する。該比が１．５未満であると、十分な結晶粒微細化の効果が得られず、特に溶接時に溶接熱影響部の結晶粒が粗大化して靭性が大きく低下してしまうという問題が生じる。一方、３．０％を越えてしまうと過剰なＴｉＮの析出およびＴｉＮの粗大化により母材靭性の低下が著しい。そのため上記Ｔｉ／Ｎ比を１．５〜３．０とする。
鋼の焼入れ性を向上させ、目的とする強度および靭性や、その他の特性を与えるために合金元素が添加される。高強度でありながら高靭性を有する鋼板を製造するためには、従来よりも合金元素添加量を増加させる必要があるが、合金元素添加量の増加は、高強度化には有効である一方で、溶接時に熱影響部の硬化を引き起こし、溶接割れの発生や現地溶接作業性の悪化を招くことから、近年は炭素当量（Ｃｅｑ）および溶接割れ感受性指数（ＰＣＭ）による成分範囲の規定がなされているのが一般的である。
従って、高強度化を図りながら溶接性を損なわない、より望ましい成分範囲を以下のように定めた。炭素当量については、０．４８０％を超えると溶接性が低下して実用性に劣るため、良好な溶接性が確保できる０．４８０％以下とした。しかしＸ８０以上の高強度を得るために、合金添加は必要であるので、炭素当量の下限は０．３８０％とした。また、割れ感受性指数も合金元素添加量と共に増加するが、０．２００％を超えると実用性が劣り、使用が困難となるため、０．２００％以下の範囲に限定することとした。
従って、高強度化を図りながら溶接性を損なわない、より望ましい成分範囲を以下のように定めた。炭素当量については、０．４８０％を超えると溶接性が低下して実用性に劣るため、良好な溶接性が確保できる０．４８０％以下とした。しかしＸ８０以上の高強度を得るために、合金添加は必要であるので、炭素当量の下限は０．３８０％とした。また、割れ感受性指数も合金元素添加量と共に増加するが、０．２００％を超えると実用性が劣り、使用が困難となるため、０．２００％以下の範囲に限定することとした。
次に結晶粒度の範囲について説明する。結晶粒の微細化は強度および靭性の向上に有効であるが、調質によって製造される鋼板は、ＴＭＣＰとは異なり結晶粒の微細化は困難であるのが一般的であった。本発明においては、合金元素の添加量を最適化することで、微細析出物を利用して結晶粒の成長を抑制することによって、調質後の結晶粒度番号が５〜１１の非常に微細な結晶粒を有するマルテンサイト組織を得ることが可能である。
次に、本発明の製造方法における条件を説明する。
熱処理温度については、クラッド鋼板として使用される母材および合せ材の組み合わせに対する標準的な熱処理条件である。また、本発明は特殊な設備や方法を使用することなく、一般的なクラッド鋼板の製造方法で製造可能なものである。
熱処理温度については、クラッド鋼板として使用される母材および合せ材の組み合わせに対する標準的な熱処理条件である。また、本発明は特殊な設備や方法を使用することなく、一般的なクラッド鋼板の製造方法で製造可能なものである。
以上説明したように、本発明の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材によれば、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．３０％、Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｉ：０．１０〜０．６０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４５％、Ｃｕ：０．０５〜０．４０％、Ｍｏ：０．０５〜０．４０％、Ｖ：０．０２〜０．０６％、Ｎｂ：０．０３〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％、Ｎ：０．００３０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、前記Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ含有量が０．７０％≦Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ≦１．３０％の範囲内にある組成を有し組織がマルテンサイト組織であることを特徴とするＡＰＩ Ｘ８０ ｇｒａｄｅ以上の高強度であると共に優れた低温靭性と溶接熱影響部での高靭性特性を有する効果がある。
また、本発明の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材の製造方法によれば、上記組成の合金を溶製して鋼塊とし、圧延後、９００〜１１００℃の範囲のオーステナイト化温度域から焼入れを行いその後、ＡＣ１点以下の５５０〜６５０℃で焼戻しを行うので、ＡＰＩ Ｘ８０ｇｒａｄｅ 以上の鋼板の製造可能となり、クラッド鋼管の高強度強靭性化を達成することができる。
クラッド鋼管が高強度強靭性化することによって、安全性の向上に繋がると同時に、鋼管肉厚の減少による材料使用量の削減、運転圧力の増加による効率化、多様な敷設条件および深海化に対応できる。また、高強度でありながら、溶接性も考慮した成分設計が行われているため、溶接熱影響部の低温靱性に優れると共に、炭素当量および割れ感受性指数が低く抑えられているため、現地溶接作業も問題なく実施できる。
以下本発明の実施形態を示す。
本発明のクラッド鋼用母材は、前記した成分範囲に調整され、常法等により溶製することができる。該母材は、使用環境などにより合わせ材の材質が選定され、天然ガスのパイプラインに使用される用途では、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼やＡｌｌｏｙ８２５などの高合金を使用することができる。なお、該母材は、２枚重ねて全厚が１００ｍｍ以下の場合は、２枚重ねで圧延および調質することが可能である。また、本発明ではクラッド圧延時の条件は特に限定されるものではない。
本発明のクラッド鋼用母材は、前記した成分範囲に調整され、常法等により溶製することができる。該母材は、使用環境などにより合わせ材の材質が選定され、天然ガスのパイプラインに使用される用途では、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼やＡｌｌｏｙ８２５などの高合金を使用することができる。なお、該母材は、２枚重ねて全厚が１００ｍｍ以下の場合は、２枚重ねで圧延および調質することが可能である。また、本発明ではクラッド圧延時の条件は特に限定されるものではない。
クラッド圧延後には、９００〜１１００℃の温度範囲に加熱し、オーステナイト化温度域から焼き入れを行う。その後は、ＡＣ１点以下の５５０〜６５０で焼戻しを行うことにより調質を行うことができる。
表１に示す組成（質量％、残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物）の供試鋼５０ｋｇを高周波真空溶解炉を用いて溶解した後、熱間圧延により２５ｍｍまで圧延を行った。圧延後は、合せ材にＳＵＳ３１６Ｌを想定した９８０℃×２ｈの焼入れ、その後５８０℃×２ｈの焼戻しを行った。
母材の性能評価として、引張試験およびシャルピー衝撃試験を実施した。溶接試験は、鋼管製造時の長手溶接を模擬したＳＡＷ溶接を行い、母材の溶接熱影響部の靭性をシャルピー衝撃試験により評価した。
母材の性能評価として、引張試験およびシャルピー衝撃試験を実施した。溶接試験は、鋼管製造時の長手溶接を模擬したＳＡＷ溶接を行い、母材の溶接熱影響部の靭性をシャルピー衝撃試験により評価した。
表２に本発明材および比較材の機械試験結果を示す。発明材はＹ．Ｓ．（０．５％Ｕｎｄｅｒ Ｌｏａｄ）およびＴ．Ｓ．ともにＡＰＩ Ｘ８０以上の強度を有しており、比較材と比べても大幅な強度の向上が図られている。また母材衝撃特性については、−４０℃の試験温度においても安定して１００Ｊ以上のシャルピー吸収エネルギーが得られており、優れた低温靭性を示している。組織はマルテンサイト組織であり、結晶粒度は５〜１１の範囲である。微量添加元素の効果で微細化した結晶粒が優れた低温靱性に寄与していると考えられる。
Claims (5)
- 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．３０％、Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５以下、Ｓ：０．００５以下、Ｎｉ：０．１０〜０．６０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４５％、Ｃｕ：０．０５〜０．４０％、Ｍｏ：０．０５〜０．４０％、Ｖ：０．０２〜０．０６％、Ｎｂ：０．０３〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％、Ｎ：０．００３０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、前記Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ含有量が０．７０％≦Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｍｏ≦１．３０％の範囲内にある組成を有し組織がマルテンサイト組織であることを特徴とする高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材。
- 前記組成において、下記式（１）の炭素当量が０．３８０≦Ｃｅｑ≦０．４８０、下記式（２）の溶接割れ感受性（ＰＣＭ）がＰＣＭ≦０．２００の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材。
式（１）Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５（ｍａｓｓ％）
式（２）ＰＣＭ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０（ｍａｓｓ％） - 前記組成において、ＴｉとＮの質量比Ｔｉ／Ｎが１．５〜３．０の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材。
- 結晶粒度が、オーステナイト結晶粒度番号で、Ｎｏ．５〜１１の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の組成を有するクラッド鋼板母材用合金を溶製して鋼塊とし、圧延後、９００〜１１００℃の範囲のオーステナイト化温度域から焼入れを行いその後、ＡＣ１点以下の５５０〜６５０℃で焼戻しを行うことを特徴とする高強度かつ溶接熱影響部靭性に優れたクラッド鋼板母材の製造方法。
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