JP2009242827A - 耐応力除去焼鈍特性と低温継手靭性に優れた高強度鋼板 - Google Patents

耐応力除去焼鈍特性と低温継手靭性に優れた高強度鋼板 Download PDF

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Abstract

【課題】溶接後に長時間の応力除去焼鈍を施した場合であっても強度低下が少なく、しかもHAZの低温靭性も良好である様な高強度鋼板を提供する。
【解決手段】本発明の高強度鋼板は、化学成分組成を適切に調整すると共に、下記(1)式で規定されるCP値が5.40%以上であると共に、下記(2)式で規定される炭素当量Ceqが0.45%以下である。
CP値=125[Ti]+111[Nb]+60[V]+15[Mo] …(1)
但し、[Ti],[Nb],[V]および[Mo]は、夫々Ti,Nb,VおよびMoの含有量(質量%)を示す。
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+
[Ni])/15 …(2)
但し、[C],[Mn],[Cr],[Mo],[V],[Cu]および[Ni]は、夫々C,Mn,Cr,Mo,V,CuおよびNiの含有量(質量%)を示す。
【選択図】図1

Description

本発明は、溶接後に長時間の応力除去焼鈍(Stress−relief annealing:以下「SR処理」と呼ぶことがある)を施した場合であっても強度低下が少なく、且つ溶接熱影響部(以下、「HAZ」と呼ぶことがある)の低温靭性にも優れた高強度鋼板に関するものである。
近年、大型鋼製圧力容器(タンク)のメーカーでは、コスト低減を目的として、海外向けタンクの組み立ての現地化が進められている。従来では、鋼部材の切断や曲げ加工、組み立て(溶接による組み立て)、一部部材のSR処理(局部熱処理)、および最終組み立てまでを自社工場で行なった後、タンク全体を現地へ輸送するのが一般的であった。
しかしながら、効率を考慮した現地施工化によって、鋼部材の切断や曲げ加工だけを自社工場で行った後、部材単位で材料を輸送し、現地でタンクの組み立て(溶接による組み立て)、一部でなくタンク全体をSR処理するような作業内容に推移しつつある。
こうした推移に伴って、現地での溶接技術の問題と安全性の観点から、SR処理の時間や回数を増やすことが必要になっており、合計で20〜30時間程度のSR処理が施されることを考慮にいれた材料設計が必要になってきている。上記のような長時間のSR処理を行なえば、鋼中の炭化物は凝集粗大化し、それに起因して強度低下が顕著になるという問題が指摘されている。
ところで、制御圧延と制御冷却を組み合わせた圧延法はTMCP法と呼ばれており、低炭素当量でありながら高強度、高靭性、高溶接性を有する鋼材(以下、これを「TMCP鋼」と呼ぶ)を得る方法として広く行われている。そして、TMCP鋼は、造船を中心とした溶接構造物用鋼板から、タンク等の圧力容器用鋼板へとその適用が拡大されつつある。こうしたTMCP鋼を用いて圧力容器用等を構築した場合においても、上記のような長時間のSR処理が行なった場合には、鋼板強度が大幅に低下することがある。
こうした事態に対応するために、SR処理前に高強度とする手段が一般的に採用されるが、過酷なSR処理条件下で高強度とするために、多量に合金元素を含有せざるを得ず、その結果として溶接構造物のHAZ靭性(特に、低温靭性)が劣化するという問題がある。
SR処理による強度低下を極力低減した技術として、例えば特許文献1には、0.26〜0.75%のCrと0.45〜0.60%のMoを基本的に含む「圧力容器用強靱鋼」が提案されている。この技術は、Cr添加によってSR処理後の炭化物の粗大化を抑制し、SR処理後の強度低下を抑制するものである。しかしながら、こうした鋼材においては、Cr含有量が多いので、HAZの低温靭性が低下するという問題は解決されないままである。
また特許文献2には、0.10〜1.00%のCrと0.45〜0.60%のMoを基本的に含む「圧力容器用高強度強靱鋼」も提案されている。この技術では、長時間のSR処理によってFe3Cが粗大なM236に反応することをCrの添加によって抑制するものである。この技術では、比較的広い範囲でCrを含有させることを想定したものであるが、実際にはCr含有量が0.29%以上のものしか示されておらず、HAZの低温靭性が低下することが十分予想される。
特開昭57−116756号公報 特開昭57−120652号公報
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接後に長時間の応力除去焼鈍を施した場合であっても強度低下が少なく(即ち、耐応力除去焼鈍特性が良好な)、しかもHAZの低温靭性(以下、本発明ではこの特性を「低温継手靭性」と呼んでいる)も良好である様な高強度鋼板を提供することにある。
上記課題を解決することのできた本発明に係る高強度鋼板とは、C:0.10〜0.16%(質量%の意味。以下同じ)、Si:0.05〜0.50%、Mn:1.3〜1.9%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.005〜0.025%、Nb:0.005〜0.025%、V:0.005〜0.06%およびMo:0.03〜0.10%を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、下記(1)式で規定されるCP値が5.40%以上であると共に、下記(2)式で規定される炭素当量Ceqが0.45%以下である点に要旨を有するものである。
CP値=125[Ti]+111[Nb]+60[V]+15[Mo] …(1)
但し、[Ti],[Nb],[V]および[Mo]は、夫々Ti,Nb,VおよびMoの含有量(質量%)を示す。
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+
[Ni])/15 …(2)
但し、[C],[Mn],[Cr],[Mo],[V],[Cu]および[Ni]は、夫々C,Mn,Cr,Mo,V,CuおよびNiの含有量(質量%)を示す。
また本発明の高強度鋼板においては、上記基本元素に加えて、必要に応じて、(a)Cr:0.30%以下(0%を含まない)、(b)Cu:0.50%以下(0%を含まない)および/またはNi:0.50%以下(0%を含まない)、(c)Ca:0.0040%以下(0%を含まない)等を含有させることも有用であり、含有される成分の種類に応じて鋼板の特性が更に改善される。
本発明によれば、鋼板の化学成分組成を、上記(1)式および(2)式で表されるCP値および炭素当量Ceqが規定範囲を満足するように制御することによって、SR処理後の強度低下を抑制できると共に低温継手特性にも優れたものとなり、このような高強度鋼板は過酷なSR処理が行われるタンク(圧力容器)等の素材として極めて有用である。
本発明者らは、長時間のSR処理によっても強度低下を招くことなく、低温継手靭性も良好な鋼材の実現を目指して様々な角度から検討した。その結果、化学成分組成を厳密に制御したような鋼板では、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。本発明が完成された経緯にそって本発明の構成および作用効果について説明する。
本発明者は、SR処理による鋼板の強度低下は、Cの状態変化に原因していると考えた。鋼板中において、Cは固溶炭素、微細炭化析出物、或はセメンタイト(Fe3C)として存在し、固溶炭素や微細炭化析出物は強度向上に寄与するが、セメンタイトは粗大であるために、強度への寄与は小さいものと考えられる。即ち、SR処理によりCのセメンタイト中への拡散によって、セメンタイト相の分率(以下、単に「セメンタイト分率」と呼ぶ)が増加し、Cによる強度寄与が損なわれるものと考えられる。
通常の再加熱焼入れ・焼戻しが行われる鋼(以下、「QT鋼」と呼ぶ)において、SR処理時のセメンタイト粗大化抑制による強度低下量抑制技術も存在するが、この様な技術では焼戻し処理によってセメンタイト分率が限界に達しているため、セメンタイト分率抑制技術は適用できない。このため鋼板圧延後、急冷による過冷却によりCを固溶状態に保ち、セメンタイト生成を極力抑制できるTMCP法による製造を実施し、少なくともSR処理前のセメンタイト分率を抑制する必要がある。しかしながら、従来のTMCP鋼はこのようにセメンタイト生成を抑制しても、SR処理によりセメンタイト分率が大きく増加する傾向がある。
そこで、本発明者は、SR処理後の強度確保のためにCを利用するために、TMCP鋼におけるSR処理時のセメンタイト生成を抑制すればよいと着想した。こうした着想に基づいて、SR処理後の強度に及ぼす化学成分の影響について更に検討を進めた。
その結果、低温継手靭性が確保できる低合金成分系であっても、高温・長時間のSR処理中のセメンタイト生成を抑制できることが判明し、上記の様に化学成分組成を厳密に規定することによってSR処理後に十分な強度を確保できると共に、低温継手靭性の低下も招かない高強度鋼板が実現できたのである。
SR処理は、586〜625℃の高温で20〜30時間程度の熱処理が行われるものであるが、こうした過酷な条件下では、多くの析出物は固溶し、Cはセメンタイトに拡散する。しかしながら、Ti,Nb,VおよびMoについては、SR処理時であっても例えばTiC,Nb2C,V2C,Mo2C等の組成のような安定な析出物を形成することにより、Cの拡散を制御し、セメンタイト分率を抑制することが総合熱力学ソフトウエア(「Themo−Calc」、CRC総合研究所から購入可能)によって推測される。
そこで、本発明者は、温度的に平衡な状態における析出物量を、上記Themo−Calcによって計算し、析出物形成割合(即ち炭素の拡散抑制寄与率)を求め、更に非平衡状態に合うように補正を行うと、Cの拡散パラメータとして下記(1)式で規定されるCP値が定められた。そして、このCP値が5.40%以上であれば、Cのセメンタイトへの拡散が抑制され得ることが判明した。但し、いずれの元素も、過剰に含有させると、溶接性を阻害するので、おのずとその上限は存在する(後述する)。
CP値=125[Ti]+111[Nb]+60[V]+15[Mo] …(1)
但し、[Ti],[Nb],[V]および[Mo]は、夫々Ti,Nb,VおよびMoの含有量(質量%)を示す。
本発明の鋼板では、低温継手靭性を良好に維持するために、下記(2)式で規定される炭素当量Ceqが0.45%以下であることも必要である。この炭素当量Ceqは、低温継手靭性に与える各元素の影響力を炭素量に換算したものであり、様々な分野で利用されているものである(ASTM規格)。本発明ではこうした炭素当量Ceqを低温継手靭性の判断基準として利用するものである。尚、下記(2)式には、本発明の鋼材の基本成分(C,Mn,MoおよびV)以外にも必要によって含有されるCr,Cu,Ni等も項として含むものであるが、Cr,CuおよびNiについてはこれらを含む場合に限ってその量も考慮して計算すればよい。
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+
[Ni])/15 …(2)
但し、[C],[Mn],[Cr],[Mo],[V],[Cu]および[Ni]は、夫々C,Mn,Cr,Mo,V,CuおよびNiの含有量(質量%)を示す。
本発明の鋼板では、上記(1)式で規定されるCP値を5.40%以上とすると共に、上記(2)式で規定される炭素当量Ceqを0.45%以下とすることによって、過酷なSR処理を施した後での耐SR特性および低温継手靭性が良好なものとなるのであるが、「過酷なSR処理」とはその時間だけに限らず、温度との関係も考慮する必要がある。本発明では、過酷なSR処理を客観的に判断するための基準として、下記(3)式で規定されるP値が18.8以上となるような条件を想定した。即ち、本発明の鋼板では、下記(3)式で規定されるP値が18.8以上となるような条件でSR処理した場合であっても、耐SR特性および低温継手靭性が良好なものとなるのである。
P値=T(20+logt0) …(3)
但し、T:SR処理加熱温度(K)、t0:SR処理加熱時間(時)
本発明の高強度鋼板においては、C,Si,Mn,Al,Ti,Nb,MoおよびV等の基本成分も適切な範囲に調整する必要がある。これらの成分の範囲を定めた理由は以下の通りである。
[C:0.10〜0.16%]
Cは、鋼板の焼入れ性を向上し、SR処理後に所定の強度を確保する上で重要な元素であるが、その含有量が過剰になると溶接性を損なうので、0.16%以下とする必要がある。溶接性を確保するという観点からするとC含有量は少ないほど好ましいが、0.10%未満となると、焼入れ性の低下によって、SR処理後の強度が確保できなくなる。C含有量の好ましい下限は0.11%であり、好ましい上限は0.13%である。
[Si:0.05〜0.50%]
Siは、鋼を溶製する際に脱酸剤として作用し、強度を上昇させる効果を発揮する。こうした効果を有効に発揮させるには0.05%以上含有させる必要がある。しかしながら、Si含有量が過剰になると溶接性が低下するので、0.50%以下とする必要がある。Si含有量の好ましい下限は0.20%であり、好ましい上限は0.40%である。
[Mn:1.3〜1.9%]
Mnは、鋼板の強度高める効果を発揮する元素である。こうした効果を有効に発揮させるためには、Mnは1.3%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、溶接性が損なわれるので、1.9%を上限とする。Mn含有量の好ましい下限は1.45%であり、好ましい上限は1.60%である。
[Al:0.01〜0.05%]
Alは、脱酸剤として添加されるが、0.01%未満では十分な効果が発揮されず、0.05%を超えて過剰に含有させると鋼板における清浄性を阻害するので0.05%を上限とする。Al含有量の好ましい下限は0.015%である。
[Ti:0.005〜0.025%、Nb:0.005〜0.025%]
TiおよびNbは、セメンタイトへの固溶性が小さく、またCとの親和性が強い。そのため上記のような析出物(炭化物)を形成することによって、セメンタイト分率の増加を抑制する効果を発揮し、鋼材のSR処理後の強度確保に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、いずれも0.005%以上含有させる必要がある。しかしながら、これらの元素含有量が過剰になると、溶接性を阻害するのでいずれも0.025%以下とする必要がある。尚、Ti含有量の好ましい上限は0.020%である。またNb含有量の好ましい下限は0.010%である。
[V:0.005〜0.06%、Mo:0.03〜0.10%]
VおよびMoは、Cとの親和性は強いが、セメンタイトへ固溶する。しかしながら、Nbとの複合添加によってセメンタイトへの固溶性が低下し、V2C,Mo2Cを形成する。これらの析出物は、SR処理時においても安定に存在することによって、セメンタイト分率の増加を抑制する。こうした効果を発揮させるためには、Vで0.005%以上、Moで0.03%以上含有させる必要がある。しかしながら、これらの元素含有量が過剰になると、溶接性を阻害するのでVで0.06%以下、Moで0.10%以下とする必要がある。V含有量の好ましい下限は0.020%であり、好ましい上限は0.050%である。
本発明の高強度鋼板における基本成分は上記の通りであり、残部は鉄および不可避的不純物である。尚、不可避的不純物としては、鋼原料もしくはその製造工程で混入し得るP,S,N,O等が挙げられる。これらの不純物のうち、P,S,Nについては、いずれも溶接性とSR処理後の靭性を低下させるので、Pについては0.020%以下、Sについては0.01%以下、Nについては0.01%に抑制することが好ましい。
本発明の鋼板には、必要に応じて、(a)Cr:0.30%以下(0%を含まない)、(b)Cu:0.50%以下(0%を含まない)および/またはNi:0.50%以下(0%を含まない)、(c)Ca:0.0040%以下(0%を含まない)、等を含有させることも有用であり、含有される成分の種類に応じて鋼板の特性が更に改善される。これらの元素を含有させるときの範囲設定理由は以下の通りである。
[Cr:0.30%以下(0%を含まない)]
Crは、Cの拡散抑制に有効な元素であるが、過剰に含有されると、溶接性を阻害するので0.30%以下とするのがよい。尚、こうした効果を発揮させるための好ましいCr含有量は0.10%以上であり、この含有量に満たない場合には、不可避的不純物扱いとなる。
[Cu:0.50%(0%を含まない)および/またはNi:0.50%以下(0%を含まない)]
これらの元素は、鋼板の焼入れ性を高めるのに有効な元素であるが、過剰に含有させても上記効果が飽和してしまうので、いずれも0.50%以下とすることが好ましい。尚、これらの元素による効果を発揮させるためには、いずれも0.05%程度以上含有させることが好ましいが、この含有量に満たない場合には、不可避的不純物扱いとなる。
[Ca:0.0040%以下(0%を含まない)]
Caは、介在物の制御により鋼板の靭性を向上させるのに有効な元素であるが、過剰に含有されると、上記効果が飽和するので0.0040%以下とするのがよい。尚、こうした効果を発揮させるための好ましいCa含有量は0.0005%以上である。
本発明の高強度鋼板は、化学成分組成、上記(1)式および(2)式で表されるCP値および炭素当量Ceqが規定範囲を満足すれば、SR処理時のセメンタイト生成が抑制され、これによってSR処理後の強度低下が抑えられることになると共に、低温での継手靭性低下を抑制できる。
TMCP法は、基本的に圧延による「オーステナイト状態の制御」と、引き続き実施される「制御されたオーステナイトからの変態の制御」を応用するものであるが、本発明ではセメンタイト分率の増加抑制を強度確保に利用するものであるので、セメンタイトが析出しないAr3変態点以上で圧延し、圧延後の制御冷却によりCの拡散を固溶状態に保ち、セメンタイト生成を最大限に抑制することが好ましい。本発明の鋼板を製造するために条件については、上記圧延温度以外については、通常のTMCP法に従えばよい。
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
下記表1に示す各種化学成分組成において転炉溶製、連続鋳造した鋼塊に対し、Ar3変態点以上の温度で圧延を終了し、その温度から加速冷却し(冷却速度:3〜30℃/秒程度)、各種鋼板を作製した。得られた各鋼板について、615℃で23時間のSR処理(前記(3)式のP値で18.97)を施した。
尚表1には、各鋼種のAr3変態点も示したが、これらの値は下記(4)式に基づいて求めたものである(式中、[ ]は各元素の含有量(質量%)、tは板厚(製品厚:mm)を示す)。
Ar3=910−310[C]−80[Mn]−20[Cu]−15[Cr]−55[Ni]−80[Mo]+0.35(t−8) …(4)
Figure 2009242827
上記の様にして得られた各鋼板を用いて、下記の方法によって低温継手靭性(HAZ靭性)を測定すると共に、SR処理前・後の引張強度TSを下記の方法によって測定し、SR処理前・後の強度低下量(ΔTS)を測定した。
[低温継手靭性(HAZ靭性)]
SR処理後の各鋼板に対して、50kJ/cmの溶接入熱量で被覆アーク溶接による多層肉盛り溶接を実施し、各鋼板のt(t:板厚)/4部位(HAZの幅中央)から、溶接線方向に対して直角の方向にASTM A370−05の試験片を採取し、HAZ靭性を評価した。ASTM A370−05に準拠して、−46℃でシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギー(vE-46)を測定した。このとき各鋼板について、本の試験片について吸収エネルギー(vE-46)を測定し、その平均値を求めた。そしてvE-46の平均値が55J以上のものをHAZ靭性に優れると評価した。
[引張試験]
SR処理前・後の各鋼板のt(t:板厚)/4部位から、圧延方向に対して直角の方向にASTM A370−05(0.500−in.Round Spacimen)試験片を採取して、ASTM A370−05の要領で引張試験を行ない、引張強度(TS)を測定した。そして、SR処理前・後の引張強度の差によって強度低下量(変化量:ΔTS)を測定し、このΔTSが30MPa未満で、SR処理後の引張強度TSが550MPa以上のものを耐SR特性が良好と判定した。
これらの測定結果[SR処理後の引張強度TS(SR後TS)、強度低下量ΔTS、HAZ靭性(vE-46)]を、各鋼板の板厚と共に、下記表2に示す。
Figure 2009242827
これらの結果から次のように考察できる(尚、下記No.は、表2の実験No.を示す)。No.8〜18は、本発明で規定する要件を[化学成分、(1)式および(2)式]を満足するものであり、過酷なSR処理後であっても強度低下量ΔTSを小さくして所定の引張強度TSを確保できると共に、低温継手靭性(HAZ靭性)も良好である。
これに対し、No.1〜7のものでは、本発明で規定するいずれかの要件を満足しないものであり、いずれかの特性が劣化している。具体的には、No.1,2,4〜7のものでは、CP値が本発明で規定する範囲に満たないものであり、それによって強度低下量ΔTSが大きくなって、SR処理後の引張強度TSが低下している。
No.3のものでは、CP値は本発明で規定する範囲を満足するものであり、強度低下量ΔTSは小さいが、炭素当量Ceqが本発明で規定する範囲を超えており、HAZ靭性が劣化したものとなっている。
これらのデータに基づいて、CP値と強度低下量ΔTSの関係を図1に、炭素当量CeqとHAZ靭性(vE-46)の関係を図2に示す。これらの結果から、強度低下量ΔTSを少なくするためには、CP値を5.40(%)以上にすること、良好なHAZ靭性を確保するためには、炭素当量を0.45(%)以下にすることが重要であることが分かる。
CP値と強度低下量ΔTSの関係を示すグラフである。 炭素当量CeqとHAZ靭性(vE-46)の関係を示すグラフである。

Claims (4)

  1. C:0.10〜0.16%(質量%の意味。以下同じ)、Si:0.05〜0.50%、Mn:1.3〜1.9%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.005〜0.025%、Nb:0.005〜0.025%、V:0.005〜0.06%およびMo:0.03〜0.10%を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、下記(1)式で規定されるCP値が5.40%以上であると共に、下記(2)式で規定される炭素当量Ceqが0.45%以下であることを特徴とする応力除去焼鈍後の強度低下が少なく且つ低温継手靭性に優れた高強度鋼板。
    CP値=125[Ti]+111[Nb]+60[V]+15[Mo] …(1)
    但し、[Ti],[Nb],[V]および[Mo]は、夫々Ti,Nb,VおよびMoの含有量(質量%)を示す。
    Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+
    [Ni])/15 …(2)
    但し、[C],[Mn],[Cr],[Mo],[V],[Cu]および[Ni]は、夫々C,Mn,Cr,Mo,V,CuおよびNiの含有量(質量%)を示す。
  2. 更に他の元素として、Cr:0.30%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載の高強度鋼板。
  3. 更に他の元素として、Cu:0.50%以下(0%を含まない)および/またはNi:0.50%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1または2に記載の高強度鋼板。
  4. 更に他の元素として、Ca:0.0040%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の高強度鋼板。
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