JP2018083981A - 鋼板およびラインパイプ用鋼管並びにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
3.0≦[Ca]/[S] (1)
([Ca]−1.25×[S])/[O]≦1.80 (2)
ここで、[Ca]、[S]および[O]はそれぞれ、Ca、SおよびOの含有量(質量%)である。
(1−1.化学成分組成)
本発明に係る鋼板は、C:0.02〜0.15質量%、Si:0.02〜0.50質量%、Mn:0.6〜2.0%、P:0質量%超、0.030質量%以下、S:0質量%超、0.003質量%以下、Al:0.010〜0.080質量%、Ca:0.0003〜0.0060質量%、N:0.001〜0.010質量%、およびO:0質量%超、0.0045質量%以下を含有し、かつ下記(1)式および下記(2)式を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
3.0≦[Ca]/[S] (1)
([Ca]−1.25×[S])/[O]≦1.80 (2)
ここで、[Ca]、[S]および[O]はそれぞれ、Ca、SおよびOの含有量(質量%)である。
上記のように化学成分組成を制御することにより、耐水素誘起割れ性に優れた鋼板を得ることができる。
Cは、母材および溶接部の強度を確保するために必要不可欠な元素であり、0.02質量%以上含有させる必要がある。C量は、好ましくは0.03質量%以上であり、より好ましくは0.04質量%以上である。一方、C量が多すぎるとHAZ靭性と溶接性が劣化する。またC量が過剰であると、HICの起点や破壊進展経路となるNbCや島状マルテンサイトが生成しやすくなる。よってC量は0.15質量%以下とする必要がある。好ましくは0.12質量%以下、より好ましくは0.10質量%以下である。
Siは、脱酸作用を有すると共に、母材および溶接部の強度向上に有効な元素である。これらの効果を得るため、Si量を0.02質量%以上とする。Si量は、好ましくは0.05質量%以上であり、より好ましくは0.15質量%以上である。しかし、Si量が多すぎると溶接性や靭性が劣化する。またSi量が過剰であると、島状マルテンサイトが生じてHICが発生・進展する。よってSi量は、0.50質量%以下に抑える必要がある。Si量は、好ましくは0.45質量%以下、より好ましくは0.35質量%以下である。
Mnは、母材および溶接部の強度向上に有効な元素であり、本発明では0.6質量%以上含有させる。Mn量は、好ましくは0.8質量%以上であり、より好ましくは1.0質量%以上である。しかし、Mn量が多すぎると、MnSが生成されて耐水素誘起割れ性が劣化するだけでなくHAZ靭性や溶接性も劣化する。よってMn量の上限を2.0質量%とする。Mn量は、好ましくは1.8質量%以下であり、より好ましくは1.5質量%以下、さらに好ましくは1.2質量%以下である。
Pは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、P量が0.030質量%を超えると母材やHAZ部の靭性劣化が著しく、耐水素誘起割れ性も劣化する。よって本発明ではP量を0.030質量%以下に抑える。P量は、好ましくは0.020質量%以下、より好ましくは0.010質量%以下である。
Sは、多すぎるとMnSを多量に生成し耐水素誘起割れ性を著しく劣化させる元素であるため、本発明ではS量の上限を0.003質量%とする。S量は、好ましくは0.002質量%以下であり、より好ましくは0.0015質量%以下、更に好ましくは0.0010質量%以下である。この様に耐水素誘起割れ性向上の観点からは少ない方が望ましい。
Alは強脱酸元素であり、Al量が少ないと、酸化物中のCa濃度が上昇、即ち、Ca系介在物が鋼板表層部に形成されやすくなり微細なHICが発生する。よって本発明では、Alを0.010質量%以上とする必要がある。Al量は、好ましくは0.020質量%以上、より好ましくは0.030質量%以上である。一方、Al含有量が多すぎると、Alの酸化物がクラスター状に生成し水素誘起割れの起点となる。よってAl量は0.080質量%以下とする必要がある。Al量は、好ましくは0.060質量%以下であり、より好ましくは0.050質量%以下である。
Caは、硫化物の形態を制御する作用があり、CaSを形成することによってMnSの形成を抑制する効果がある。この効果を得るには、Ca量を0.0003質量%以上とする必要がある。Ca量は、好ましくは0.0005質量%以上であり、より好ましくは0.0010質量%以上である。一方、Ca量が0.0060質量%を超えると、Ca系介在物を起点にHICが多く発生する。よって本発明では、Ca量の上限を0.0060質量%とする。Ca量は、好ましくは0.0045質量%以下であり、より好ましくは0.0035質量%以下、さらに好ましくは0.0025質量%以下である。
Nは、鋼組織中にTiNとして析出し、HAZ部のオーステナイト粒の粗大化を抑制し、さらにフェライト変態を促進させて、HAZ部の靭性を向上させる元素である。この効果を得るにはNを0.001質量%以上含有させる必要がある。N量は、好ましくは0.003質量%以上であり、より好ましくは0.0040質量%以上である。しかしN量が多すぎると、固溶Nの存在によりHAZ靭性がかえって劣化するため、N量は、0.01質量%以下とする必要がある。好ましくは0.008質量%以下であり、より好ましくは0.0060質量%以下である。
O(酸素)は、清浄度向上の観点から低いほうが望ましく、Oが多量に含まれる場合、靭性が劣化することに加え、酸化物を起点にHICが発生し、耐水素誘起割れ性が劣化する。この観点から、O量は0.0045質量%以下とする必要があり、好ましくは0.0035質量%以下、より好ましくは0.0030質量%以下である。
本発明に係る鋼板は、下記(1)式を満足する。
3.0≦[Ca]/[S] (1)
ここで、[Ca]および[S]はそれぞれ、CaおよびSの含有量(質量%)である。
以下に、上記(1)式の技術的意義を説明する。
本発明に係る鋼板は、下記(2)式を満足する。
([Ca]−1.25×[S])/[O]≦1.80 (2)
ここで、[Ca]、[S]および[O]はそれぞれ、Ca、SおよびOの含有量(質量%)である。
以下に、上記(2)式の技術的意義を説明する。
尚、上述のように、PおよびSは、不可避的に含まれる元素(不可避不純物)であるが、その組成範囲について上記のように別途規定している。このため、本明細書において、残部として含まれる「不可避不純物」は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた不可避的に含まれる元素を意味する。
また、本発明に係る鋼板は、上記元素に加えて更に、下記元素を選択的に含有してよく、含有される元素の種類に応じて鋼板の特性がさらに改善される。
Bは、焼入れ性を高め、母材および溶接部の強度を高めるとともに、溶接時に、加熱されたHAZ部が冷却する過程でNと結合してBNを析出し、オーステナイト粒内からのフェライト変態を促進するため、HAZ靭性を向上させる。この効果を得るには、B量を0.0002質量%以上含有させることが好ましい。B量は、より好ましくは0.0005質量%以上であり、更に好ましくは0.0010質量%以上である。しかし、B含有量が過多になると、母材とHAZ部の靭性が劣化したり、溶接性の劣化を招くため、B量は0.005質量%以下とすることが好ましい。B量は、より好ましくは0.004質量%以下、更に好ましくは0.0030質量%以下である。
Vは、強度の向上に有効な元素であり、この効果を得るには0.003質量%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.010質量%以上である。一方、V含有量が0.1質量%を超えると溶接性と母材靭性が劣化する。よってV量は、0.1質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.08質量%以下である。
Cuは、焼入れ性を向上させて強度を高めるのに有効な元素である。この効果を得るにはCuを0.01質量%以上含有させることが好ましい。Cu量は、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.10質量%以上である。しかし、Cu含有量が1.5質量%を超えると靭性が劣化するため、1.5質量%以下とすることが好ましい。Cu量は、より好ましくは1.0質量%以下、更に好ましくは0.50質量%以下である。
Niは、母材および溶接部の強度と靭性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ni量を0.01質量%以上とすることが好ましい。Ni量は、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.10質量%以上である。しかしNiが多量に含まれると、構造用鋼材として極めて高価となるため、経済的な観点からNi量は1.5質量%以下とすることが好ましい。Ni量は、より好ましくは1.0質量%以下、更に好ましくは0.50質量%以下である。
Crは、強度の向上に有効な元素であり、この効果を得るには0.01質量%以上含有させることが好ましい。Cr量は、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.10質量%以上である。一方、Cr量が1.5質量%を超えるとHAZ靭性が劣化する。よってCr量は1.5質量%以下とすることが好ましい。Cr量は、より好ましくは1.0質量%以下、更に好ましくは0.50質量%以下である。
Moは、母材の強度と靭性の向上に有効な元素である。この効果を得るには、Mo量を0.01質量%以上とすることが好ましい。Mo量は、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.10質量%以上である。しかし、Mo量が1.5質量%を超えるとHAZ靭性および溶接性が劣化する。よってMo量は1.5質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは1.0質量%以下、更に好ましくは0.50質量%以下である。
Nbは、溶接性を劣化させることなく強度と母材靭性を高めるのに有効な元素である。この効果を得るには、Nb量を0.002質量%以上とすることが好ましい。Nb量は、より好ましくは0.010質量%以上、更に好ましくは0.020質量%以上である。しかし、Nb量が0.06質量%を超えると母材とHAZの靭性が劣化する。よって、本発明ではNb量の上限を0.06質量%とすることが好ましい。Nb量は、より好ましくは0.050質量%以下、更に好ましくは0.040質量%以下、より更に好ましくは0.030質量%以下である。
Tiは、鋼中にTiNとして析出することで、溶接時のHAZ部でのオーステナイト粒の粗大化を防止しかつフェライト変態を促進するため、HAZ部の靭性を向上させるのに有効な元素である。さらにTiは、脱硫作用を示すため耐HIC性の向上にも有効な元素である。これらの効果を得るには、Tiを0.003質量%以上含有させることが好ましい。Ti量は、より好ましくは0.005質量%以上、更に好ましくは0.010質量%以上である。一方、Ti含有量が過多になると、固溶TiやTiCが析出して母材とHAZ部の靭性が劣化するため、0.03質量%以下とすることが好ましい。Ti量は、より好ましくは0.02質量%以下である。
Mgは、結晶粒の微細化を通じて靭性の向上に有効な元素であり、また脱硫作用を示すため耐HIC性の向上にも有効な元素である。これらの効果を得るには、Mgを0.0003質量%以上含有させることが好ましい。Mg量は、より好ましくは0.001質量%以上である。一方、Mgを過剰に含有させても効果が飽和するため、Mg量の上限は0.01質量%とすることが好ましい。Mg量は、より好ましくは0.005質量%以下である。
REM(希土類元素)は、脱硫作用によりMnSの生成を抑制し耐水素誘起割れ性を高めるのに有効な元素である。このような効果を発揮させるには、REMを0.0002質量%以上含有させることが好ましい。REM量は、より好ましくは0.0005質量%以上、更に好ましくは0.0010質量%以上である。一方、REMを多量に含有させても効果が飽和する。よってREM量の上限は0.02質量%とすることが好ましい。鋳造時の浸漬ノズルの閉塞を抑えて生産性を高める観点からは、REM量を0.015質量%以下とすることがより好ましく、更に好ましくは0.010質量%以下、より更に好ましくは0.0050質量%以下である。尚、本発明において、上記REMとは、ランタノイド元素(LaからLuまでの15元素)とSc(スカンジウム)およびYを意味する。
Zrは、脱硫作用により耐HIC性を向上させるとともに、酸化物を形成し微細に分散することでHAZ靭性の向上に寄与する元素である。これらの効果を発揮させるには、Zr量を0.0003質量%以上とすることが好ましい。Zr量は、より好ましくは0.0005質量%以上、更に好ましくは0.0010質量%以上、より更に好ましくは0.0015質量%以上である。一方、Zrを過剰に添加すると粗大な介在物を形成して耐水素誘起割れ性および母材靭性を劣化させる。よってZr量は0.010質量%以下とすることが好ましい。Zr量は、より好ましくは0.0070質量%以下、更に好ましくは0.0050質量%以下、より更に好ましくは0.0030質量%以下である。
本発明に係る鋼板は、欠陥エコー高さが20%以上である部分の面積率が0.05%以下であり、気泡が鋼板集積帯に残存している場合でも、鋼板集積帯からのHICを抑制できる。
以下、詳細に説明する。
欠陥エコー高さが20%以上である部分の面積率とは、探触子で走査した全面積に対する欠陥エコー高さが20%以上である部分の面積の比率[%]を意味する。
なお、鋼板中の気泡を全て取り除くことは困難であるため、欠陥エコー高さ、および欠陥エコー高さが20%以上である部分の面積率は、通常は0%以上である。
本発明に係る鋼板の製造方法は、上述の化学成分組成を有し、且つスラブ集積帯中の円相当径0.2mm以上の気泡の個数密度が0.15個/cm2以下であるスラブを用いる。当該スラブを用いることにより、耐HIC性に優れた鋼板を製造することができる。
以下、詳細に説明する。
上述のように、鋼板集積帯に残存した気泡には、水素が集積しやすいため、残存した気泡を起点としてHICが発生することがある。そのため、鋼板集積帯中の気泡を低減することにより、耐HIC性の向上を図ることができる。
「スラブ集積帯」は、熱間圧延して得られる鋼板の「鋼板集積帯」に相当する部分であることから、鋼板集積帯中の気泡を低減するための具体的な手段として、スラブ集積帯中の気泡を低減することにより、熱間圧延して得られる鋼板の鋼板集積帯における気泡を低減することが効果的であり、耐HIC性を向上させることができる。
なお、スラブ集積帯中の気泡を全て取り除くことは困難であるため、スラブ集積帯中の気泡の円相当径は、通常は0mm以上であり、スラブ集積帯中の円相当径0.2mm以上の気泡の個数密度は、通常は0個/cm2以上である。
光学顕微鏡を用いて、スラブ集積帯から採取した試験片を観察し、接眼ミクロメーターを用いて気泡の円相当径を測定し、観察視野中における円相当径0.2mm以上の気泡の個数をカウントする。
次に、当該観察視野の面積および円相当径0.2mm以上の気泡の数から、気泡の密度を算出する。
スラブ集積帯中の円相当径0.2mm以上の気泡の個数密度が0.15個/cm2以下であるスラブを鋳造するためには、製鋼工程において、タンディッシュから鋳型へ溶鋼を供給する際のノズル中へ吹込むArガスの量および気泡径を制御することが重要である。
内管径は、75mm以上であることが好ましく、80mm以上であることがより好ましく、110mm以下であることが好ましく、105mm以下であることがより好ましい。
平均気孔径は、35μm以上であることが好ましく、40μmm以上であることがより好ましく、55μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。
背圧は、1.45kgf/cm2以上であることが好ましく、1.5kgf/cm2以上であることがより好ましく、1.75kgf/cm2以下であることが好ましく、1.7kgf/cm2以下であることがより好ましい。
吹き込み量は、5L/t以上であることが好ましく、7L/t以上であることがより好ましく、12L/t以下であることが好ましく、10L/t以下であることがより好ましい。
この範囲でArガスを吹きこむことで、ノズル閉塞が起こりにくく、径が大きいArガスが溶鋼中にふきこまれるため、Arガスの気泡が鋳型内で浮上しやすくなる。その結果、集積帯からArガスの気泡が抜けやすくなるため、集積帯に捕捉されるArガスの気泡を低減することができる。
以下、「温度」は、材料の温度を示す。
上記条件で熱間圧延することにより、板厚内部より板厚表層部が優先的に変形するため、集積帯に捕捉された気泡をより効率的に圧着することができる。
上記条件で冷却することにより、鋼板中央部付近で発生するHICを効果的に抑制することができる。
表2のプロセスについて、「TMCP」は、(1)900℃以上の温度域において、1パス当り20%以下の圧下率で5パス以上圧下することにより、累積圧下率が50%以上となるように熱間圧延を行い、(2)850℃以上、900℃未満の温度域において、累積圧下率が20%以上となり、かつ圧延終了温度が850〜900℃となるように熱間圧延を行い、(3)750〜850℃の冷却開始温度から、10〜50℃/sの平均冷却速度で冷却し、350〜600℃の温度域で停止し、室温まで空冷する方法である。
「QT」は、(1)900℃以上の温度域において、1パス当り20%以下の圧下率で5パス以上圧下することにより、累積圧下率が50%以上となり、かつ圧延終了温度が850℃以上となるように熱間圧延を行い、(2)室温まで空冷した後、(3)850〜950℃の温度に再加熱して焼入れした後、(4)600〜700℃で焼き戻し処理を行う方法である。
厚さ280mmのスラブの表面からスラブの厚さ方向に45〜60mmの位置において、スラブの幅方向(鋳造方向に垂直な方向)に向かってスラブの幅の1/4の位置および1/2の位置の2箇所(スラブ集積帯)から、L断面(スラブの鋳造方向に垂直な面)を含む板厚15mm×幅70mm×長さ15mmの試験片を採取した。エメリー研磨紙(#320〜#1500)を用いてL断面を研磨後、バフ研磨により鏡面仕上げを行った。次に、光学顕微鏡(倍率:5倍)を用いてL断面を観察し、接眼ミクロメーター(倍率:5倍)を用いて気泡の円相当径を測定し、観察視野中における円相当径0.2mm以上の気泡の個数をカウントした。当該観察視野の面積および円相当径0.2mm以上の気泡の数から、気泡の密度を算出した。上記2箇所から得られた密度のうちの最大値を、スラブ集積帯中の円相当径0.2mm以上の気泡の個数密度とした。
鋼板の幅方向(圧延方向に垂直な方向)に向かって鋼板の幅の1/4の位置および1/2の位置の2か所(鋼板集積帯)から、鋼板の板厚に応じて、以下のようにそれぞれ試験片を採取した。
(板厚が30mm以下の鋼板)
上記2つの位置において、当該鋼板の板厚×幅20mm×長さ(圧延方向)100mmの試験片を3つ採取し、合計で6つの試験片を準備した。
(板厚30mmを超える鋼板)
上記2つの位置において、(i)鋼板の表面から当該表面に垂直な方向、(ii)板厚の1/2の位置、および(iii)鋼板の裏面から当該裏面に垂直な方向から、厚さ30mm×幅20mm×長さ100の試験片を採取し、合計で6つの試験片を準備した。
HIC試験は、上記超音波探傷試験で使用した試験片を用いて、NACE standard TM0284−2003に規定された方法に従って行った。詳細には、1atmの硫化水素を飽和させた25℃(5.0%NaCl+0.5%酢酸)水溶液中に96時間浸漬した後、鋼板の板厚に応じて、以下のように各試験片の断面評価(NACE standard TM0284−2003 FiGURE2〜8に従った)を行い、CLRを測定した。ここで、断面とは試験片の厚さ方向と幅方向とで規定される面である。
断面を板厚方向に均等に3分割して、表面側、中央部および裏面側の3つの断面を規定した。表面側の断面でCLRを測定し、その平均値を「表層部のCLR」とした。また、中央部の断面でCLRを測定し、その平均値を「中央部のCLR」とした。
(板厚30mmを超える鋼板)
鋼板の表面から当該表面に垂直な方向から採取した試験片のCLRを測定し、その平均値を「表層部のCLR」とした。また、板厚の1/2の位置より採取した試験片のCLRを測定し、その平均値を「中央部のCLR」とした。
Claims (6)
- C :0.02〜0.15質量%、
Si:0.02〜0.50質量%、
Mn:0.6〜2.0質量%、
P :0質量%超、0.030質量%以下、
S :0質量%超、0.003質量%以下、
Al:0.010〜0.080質量%、
Ca:0.0003〜0.0060質量%、
N :0.001〜0.01質量%、および
O :0質量%超、0.0045質量%以下
を含有し、かつ下記(1)式および下記(2)式を満足し、
残部が鉄および不可避的不純物からなり、
欠陥エコー高さが20%以上である部分の面積率が0.05%以下である鋼板。
3.0≦[Ca]/[S] (1)
([Ca]−1.25×[S])/[O]≦1.80 (2)
ここで、[Ca]、[S]および[O]はそれぞれ、Ca、SおよびOの含有量(質量%)である。 - B :0質量%超、0.005質量%以下、
V :0質量%超、0.1質量%以下、
Cu :0質量%超、1.5質量%以下、
Ni :0質量%超、1.5質量%以下、
Cr :0質量%超、1.5質量%以下、
Mo :0質量%超、1.5質量%以下、
Nb :0質量%超、0.06質量%以下、
Ti :0質量%超、0.03質量%以下、
Mg :0質量%超、0.01質量%以下、
REM:0質量%超、0.02質量%以下、および
Zr :0質量%超、0.010質量%以下
からなる群から選択される1種以上をさらに含有する請求項1に記載の鋼板。 - ラインパイプ用である請求項1または2に記載の鋼板。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の鋼板で形成されたラインパイプ用鋼管。
- 圧力容器用である請求項1〜3のいずれか1項に記載の鋼板。
- 請求項1または2に記載の鋼板の製造方法であって、請求項1または2に記載の化学成分組成を有し、且つスラブ集積帯中の円相当径0.2mm以上の気泡密度が0.15個/cm2以下であるスラブを用いる鋼板の製造方法。
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