JP2018104793A - Ni steel for liquid hydrogen - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide Ni steel for liquid hydrogen having sufficient toughness at liquid hydrogen temperature (-253°C) and yield stress at room temperature of 590 MPa or more and containing Ni.SOLUTION: There is adopted Ni steel for liquid hydrogen containing, by mass%, C:0.030% to 0.070%, Si:0.03% to 0.30%, Mn:0.10% to 0.80%, Ni:12.5% to 15.4%, Mo:0.03% to 0.60%, Al:0.010% to 0.060%, N:0.0015% to 0.0060% and O:0.0007% to 0.0030% and having particle diameter of old austenitic grain of 3.0 μm to 20.0 μm and aspect ratio of 3.0 to 10.0. It may contain an austenite phase of 2.0% to 20.0% by volume fraction and effective crystal grain diameter may be 2.0 μm to 12.0 μm.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、液体水素用Ni鋼、すなわち、液体水素を貯蔵するタンクなど、主に、−253℃付近での用途を対象とする、Niを含有する鋼に関するものである。   The present invention relates to Ni steel for liquid hydrogen, that is, a steel containing Ni mainly intended for use in the vicinity of −253 ° C., such as a tank for storing liquid hydrogen.

近年、クリーンエネルギーとしての液体水素の利用に対する期待が高まっている。液体水素などの液化ガスを貯蔵、運搬するタンクに使用される鋼板には、優れた極低温靭性が求められ、脆性破壊しにくいオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。オーステナイト系ステンレス鋼は十分な極低温靭性を有するが、汎用材の室温での降伏応力は200MPa程度である。   In recent years, expectations for the use of liquid hydrogen as clean energy have increased. An austenitic stainless steel that is required to have excellent cryogenic toughness and is difficult to brittle fracture is used for a steel plate used for a tank for storing and transporting a liquefied gas such as liquid hydrogen. Although austenitic stainless steel has sufficient cryogenic toughness, the yield stress at room temperature of a general-purpose material is about 200 MPa.

強度が不十分なオーステナイト系ステンレス鋼を液体水素タンクに適用する場合、大型化には限界がある。また、鋼材の降伏応力が200MPa程度であると、タンクの大型化に際して板厚を40mm超にする必要があるため、タンク重量の増大や製造コストの増加が問題となる。このような課題に対し、室温での0.2%耐力が450MPaの板厚5mmのオーステナイト系高Mnステンレス鋼が提案されている(例えば、特許文献1、参照)。
また、代表的な液化ガスである液化天然ガス(Liquefied Natural Gas:LNG)用のタンク(LNGタンクと称する場合がある。)には、フェライト系の9%Ni鋼が使用されている。LNGは液体水素に比べて高温であるとはいえ、9%Ni鋼は優れた極低温靭性を有しており、従来から、LNGタンクに適した種々の9%Ni鋼や、7%Ni鋼が提案されている(例えば、特許文献2〜4、参照)。また、9%Ni鋼は、室温での降伏強度を590MPa以上にすることも可能であり、大型のLNGタンクにも適用できる。
When austenitic stainless steel with insufficient strength is applied to a liquid hydrogen tank, there is a limit to enlargement. Further, if the yield stress of the steel material is about 200 MPa, it is necessary to make the plate thickness more than 40 mm when the tank is enlarged, so that an increase in the tank weight and an increase in manufacturing cost become a problem. For such a problem, an austenitic high Mn stainless steel having a thickness of 5 mm and a 0.2% proof stress at room temperature of 450 MPa has been proposed (for example, see Patent Document 1).
Further, a ferritic 9% Ni steel is used for a tank for liquefied natural gas (LNG), which is a typical liquefied gas (sometimes referred to as an LNG tank). Although LNG is hotter than liquid hydrogen, 9% Ni steel has excellent cryogenic toughness, and various types of 9% Ni steel and 7% Ni steel suitable for LNG tanks have been used in the past. Has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 to 4). Moreover, 9% Ni steel can have a yield strength at room temperature of 590 MPa or more, and can be applied to a large LNG tank.

例えば、特許文献2には、5〜7.5%のNiを含有し、室温での降伏応力が590MPaより高く、−233℃でのシャルピー試験での脆性破面率が50%以下である、板厚25mmの低温用鋼が開示されている。特許文献2では、−196℃で安定な残留オーステナイトの体積分率を2〜12%として低温靭性を確保している。   For example, Patent Document 2 contains 5 to 7.5% Ni, the yield stress at room temperature is higher than 590 MPa, and the brittle fracture surface ratio in the Charpy test at −233 ° C. is 50% or less. A steel for low temperature with a plate thickness of 25 mm is disclosed. In Patent Document 2, low temperature toughness is secured by setting the volume fraction of retained austenite stable at −196 ° C. to 2 to 12%.

また、特許文献3には、5〜10%のNiを含有し、室温での降伏応力が590MPa以上で、歪時効後の−196℃での低温靭性に優れた板厚6〜50mmの低温用鋼が開示されている。特許文献3では、残留オーステナイトの体積分率を3%以上、有効結晶粒径を5.5μm以下とし、粒内の組織に適度な欠陥を導入することにより、歪時効後の低温靭性を確保している。   Patent Document 3 contains 5 to 10% Ni, has a yield stress of 590 MPa or more at room temperature, and excellent low temperature toughness at −196 ° C. after strain aging. Steel is disclosed. In Patent Document 3, low volume toughness after strain aging is ensured by setting the volume fraction of retained austenite to 3% or more, the effective crystal grain size to 5.5 μm or less, and introducing appropriate defects into the grain structure. ing.

更に、特許文献4には、7.5〜12%のNiを含有し、母材だけでなく、溶接熱影響部の低温靭性にも優れる、6mm厚の低温用薄物ニッケル鋼板が開示されている。特許文献4では、溶接熱影響部に島状マルテンサイトが生成しないように、Si及びMnの含有量を低減させて、−196℃での低温靭性を確保している。   Furthermore, Patent Document 4 discloses a 6 mm-thick thin nickel steel sheet for low temperature that contains 7.5 to 12% Ni and is excellent not only in the base material but also in the low temperature toughness of the weld heat affected zone. . In Patent Document 4, the contents of Si and Mn are reduced so that island-like martensite is not generated in the weld heat affected zone, and low temperature toughness at −196 ° C. is ensured.

特許第5709881号公報Japanese Patent No. 5709882 特開2014−210948号公報JP 2014-210948 A 特開2011−219849号公報JP 2011-219849 A 特開平3−223442号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-223442

特許文献1に開示されたオーステナイト系高Mnステンレス鋼は、熱膨張係数がフェライト系の9%Ni鋼に比較して大きい。大型の液体水素タンクには、疲労等の問題から、熱膨張係数が小さい9%Ni鋼が有利である。一方、特許文献2〜4に開示された9%Ni鋼や、7%Ni鋼は、本発明者らによる検討では、液体水素温度である−253℃では十分な靭性が得られていない。   The austenitic high Mn stainless steel disclosed in Patent Document 1 has a larger thermal expansion coefficient than that of ferritic 9% Ni steel. For large liquid hydrogen tanks, 9% Ni steel with a small coefficient of thermal expansion is advantageous due to problems such as fatigue. On the other hand, the 9% Ni steel and 7% Ni steel disclosed in Patent Documents 2 to 4 do not have sufficient toughness at the liquid hydrogen temperature of −253 ° C. as studied by the present inventors.

本発明は、このような実情に鑑み、−253℃において十分な靭性を有すると共に、室温での降伏応力が590MPa以上である、Niを含有する極低温用鋼の提供を課題としてなされたものである。   In view of such circumstances, the present invention has been made with an object of providing a cryogenic steel containing Ni having sufficient toughness at −253 ° C. and having a yield stress at room temperature of 590 MPa or more. is there.

本発明者らは、Niの含有量を従来の9%Niよりも高めて14%程度とした鋼の、−253℃における靭性と室温での降伏応力について数多くの検討を実施した。その結果、極低温靭性の確保には、Siの含有量を制限し、Mnの含有量を厳格に制限するとともに、旧オーステナイトの粒径とアスペクト比を最適に制御することが必要であることを見出した。
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
The present inventors conducted a number of studies on the toughness at −253 ° C. and the yield stress at room temperature of steel in which the content of Ni is higher than the conventional 9% Ni and is about 14%. As a result, to secure cryogenic toughness, it is necessary to limit the Si content, strictly limit the Mn content, and to optimally control the grain size and aspect ratio of the prior austenite. I found it.
The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.

(1)本発明の一態様に係る液体水素用Ni鋼は、質量%で、C:0.030%以上、0.070%以下、Si:0.03%以上、0.30%以下、Mn:0.10%以上、0.80%以下、Ni:12.5%以上、15.4%以下、Mo:0.03%以上、0.60%以下、Al:0.010%以上、0.060%以下、N:0.0015%以上、0.0060%以下及びO:0.0007%以上、0.0030%以下を含有し、P:0.008%以下、S:0.0040%以下、Cu:1.00%以下、Cr:1.00%以下、Nb:0.020%以下、V:0.080%以下、Ti:0.020%以下、B:0.0020%以下、Ca:0.0040%以下及びREM:0.0050%以下に制限し、残部がFe及び不純物からなり、旧オーステナイト粒の粒径が3.0μm以上、20.0μm以下、アスペクト比が3.0以上、10.0以下であることを特徴とする。
(2)上記(1)に記載の液体水素用Ni鋼では、体積分率で2.0%以上、20.0%以下のオーステナイト相を含んでもよい。
(3)上記(1)又は(2)に記載の液体水素用Ni鋼では、有効結晶粒径が2.0μm以上、12.0μm以下に制限してもよい。
(4)上記(1)〜(3)の何れか1項に記載の液体水素用Ni鋼では、板厚が、12mm以上、40mm以下、室温での降伏応力が、590MPa以上、710MPa以下、室温での引張強さが、690MPa以上、810MPa以下であってもよい。
(1) Ni steel for liquid hydrogen according to one embodiment of the present invention is mass%, C: 0.030% or more, 0.070% or less, Si: 0.03% or more, 0.30% or less, Mn : 0.10% or more, 0.80% or less, Ni: 12.5% or more, 15.4% or less, Mo: 0.03% or more, 0.60% or less, Al: 0.010% or more, 0 0.060% or less, N: 0.0015% or more, 0.0060% or less and O: 0.0007% or more, 0.0030% or less, P: 0.008% or less, S: 0.0040% Cu: 1.00% or less, Cr: 1.00% or less, Nb: 0.020% or less, V: 0.080% or less, Ti: 0.020% or less, B: 0.0020% or less, Ca: 0.0040% or less and REM: 0.0050% or less, the balance is Fe and impurities, The particle size of the austenite grains is 3.0μm or more, 20.0 .mu.m or less, an aspect ratio of 3.0 or more, and wherein the at 10.0.
(2) The Ni steel for liquid hydrogen described in (1) above may contain an austenitic phase with a volume fraction of 2.0% or more and 20.0% or less.
(3) In the Ni steel for liquid hydrogen described in (1) or (2) above, the effective crystal grain size may be limited to 2.0 μm or more and 12.0 μm or less.
(4) In the Ni steel for liquid hydrogen according to any one of the above (1) to (3), the plate thickness is 12 mm or more and 40 mm or less, the yield stress at room temperature is 590 MPa or more, 710 MPa or less, room temperature The tensile strength at 690 MPa or more and 810 MPa or less may be sufficient.

本発明によれば、液体水素タンク用途として十分な極低温靭性を有すると共に、室温において高い降伏応力を有する液体水素用Ni鋼を提供することが可能になる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide Ni steel for liquid hydrogen which has cryogenic toughness sufficient as a liquid hydrogen tank use, and has a high yield stress at room temperature.

13〜15%程度のNiを含有する鋼(14%Ni鋼と称することがある。)は、9%Ni鋼に比較し、低温靭性を向上させるNiを4〜6%多く含有するため、より低温での靭性確保が期待できる。しかしながら、低温靭性に関して本発明が狙いとする−253℃は、9%Ni鋼の従来の評価温度である−165℃や−196℃より大幅に低温である。そのため、本発明者らは、14%Ni鋼の−253℃における靭性に及ぼす成分含有量や金属組織の影響を明らかにするために数多くの検討を実施した。そして、本発明者らの検討の結果、9%Ni鋼に対して、単にNi量を4〜6%増加しても、−253℃での靭性は不十分な場合があることがわかった。   Steel containing 13 to 15% Ni (sometimes referred to as 14% Ni steel) contains 4 to 6% more Ni that improves low temperature toughness than 9% Ni steel. Ensuring toughness at low temperatures can be expected. However, -253 ° C, which the present invention aims at low temperature toughness, is significantly lower than the conventional evaluation temperatures of 9% Ni steel, -165 ° C and -196 ° C. For this reason, the present inventors have conducted numerous studies in order to clarify the influence of the component content and metal structure on the toughness of 14% Ni steel at −253 ° C. As a result of the study by the present inventors, it was found that the toughness at −253 ° C. may be insufficient even if the Ni content is simply increased by 4 to 6% with respect to 9% Ni steel.

更に、本発明者らは、14%Ni鋼の−253℃における靭性を高める方法を検討した。その結果、特に、(a)Cの含有量を0.030%以上、0.070%以下にすること、(b)Siの含有量を0.03%以上、0.30%以下にすること、(c)Mnの含有量を0.10%以上、0.80%以下にすること、(d)旧オーステナイトの粒径及び形態を制御すること、の4つの条件を同時に満足する必要があることがわかった。更に、(e)オーステナイト相の体積分率を制御することや、(f)有効結晶粒径を制御すること、により、−253℃での低温靭性が一層向上するという知見も得られた。   Furthermore, the present inventors examined a method for increasing the toughness of 14% Ni steel at −253 ° C. As a result, in particular, (a) the C content is 0.030% or more and 0.070% or less, and (b) the Si content is 0.03% or more and 0.30% or less. It is necessary to satisfy the following four conditions simultaneously: (c) the content of Mn is 0.10% or more and 0.80% or less, and (d) the grain size and form of prior austenite are controlled. I understood it. Furthermore, the knowledge that the low temperature toughness at −253 ° C. is further improved by (e) controlling the volume fraction of the austenite phase and (f) controlling the effective crystal grain size was obtained.

以下、本発明について説明する。まず、Ni鋼の成分組成について説明する。なお、含有量の%は、特に説明がない限り、質量%を意味する。   The present invention will be described below. First, the component composition of Ni steel will be described. In addition,% of content means the mass% unless there is particular description.

(C:0.030%以上、0.070%以下)
Cは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、マルテンサイトやオーステナイトの生成にも寄与する。C含有量が0.030%未満では強度が確保できず、粗大なベイナイトなどの生成によって極低温靭性が低下することがあるため0.030%以上を下限とする。好ましいC含有量の下限は0.035%以上である。一方、C含有量が0.070%を超えると、旧オーステナイト粒界にセメンタイトが析出しやすくなり、−253℃で粒界での破壊が起こり、極低温靭性が低下するため、C含有量の上限を0.070%以下とする。好ましいC含有量の上限は0.060%以下、より好ましくは0.050%以下であり、更に好ましくは0.045%以下である。
(C: 0.030% or more, 0.070% or less)
C is an element that increases the yield stress at room temperature and contributes to the formation of martensite and austenite. If the C content is less than 0.030%, the strength cannot be ensured, and the cryogenic toughness may decrease due to the formation of coarse bainite or the like, so 0.030% or more is made the lower limit. The minimum of preferable C content is 0.035% or more. On the other hand, if the C content exceeds 0.070%, cementite is likely to precipitate at the prior austenite grain boundaries, fracture at the grain boundaries occurs at -253 ° C, and the cryogenic toughness decreases. The upper limit is 0.070% or less. The upper limit of the preferable C content is 0.060% or less, more preferably 0.050% or less, and still more preferably 0.045% or less.

(Si:0.03%以上、0.30%以下)
Siは、室温での降伏応力を上昇させる元素である。Si含有量が0.03%未満では室温での降伏応力の向上効果が小さいので0.03%以上を下限とする。好ましいSi含有量の下限は0.05%以上である。一方、Si含有量が0.30%を超えると、旧オーステナイト粒界のセメンタイトが粗大化しやすくなり、−253℃で粒界での破壊が起こり、極低温靭性が低下する。したがって、Si含有量の上限を0.30%以下に制限することは、−253℃での靭性を確保するために、極めて重要である。好ましいSi含有量の上限は0.20%以下、より好ましくは0.15%以下であり、更に好ましくは0.10%以下である。
(Si: 0.03% or more, 0.30% or less)
Si is an element that increases the yield stress at room temperature. If the Si content is less than 0.03%, the effect of improving the yield stress at room temperature is small, so 0.03% or more is made the lower limit. The lower limit of the preferable Si content is 0.05% or more. On the other hand, when the Si content exceeds 0.30%, cementite at the prior austenite grain boundaries tends to be coarsened, and fracture at the grain boundaries occurs at −253 ° C., resulting in a reduction in cryogenic toughness. Therefore, limiting the upper limit of the Si content to 0.30% or less is extremely important in order to ensure toughness at −253 ° C. The upper limit of the Si content is preferably 0.20% or less, more preferably 0.15% or less, and still more preferably 0.10% or less.

(Mn:0.10%以上、0.80%以下)
Mnは、室温での降伏応力を上昇させる元素である。Mn含有量が0.10%未満では強度が確保できず、粗大なベイナイトなどの生成によって極低温靭性が低下することがあるためMn含有量の下限を0.10%以上とする。好ましいMn含有量の下限は0.30%以上である。一方、Mn含有量が0.80%を超えると、旧オーステナイト粒界に偏析したMnや粗大に析出するMnSにより−253℃で粒界での破壊が起こり、極低温靭性が低下する。したがって、Mn含有量の上限を0.80%以下に制限することも、−253℃での靭性を確保するために、極めて重要である。好ましいMn含有量の上限は0.60%以下、より好ましくは0.50%以下である。
(Mn: 0.10% or more, 0.80% or less)
Mn is an element that increases the yield stress at room temperature. If the Mn content is less than 0.10%, the strength cannot be ensured, and the cryogenic toughness may decrease due to the formation of coarse bainite or the like, so the lower limit of the Mn content is 0.10% or more. The minimum of preferable Mn content is 0.30% or more. On the other hand, if the Mn content exceeds 0.80%, Mn segregated at the prior austenite grain boundaries and MnS that precipitates coarsely cause fractures at the grain boundaries at -253 ° C, and cryogenic toughness decreases. Therefore, limiting the upper limit of the Mn content to 0.80% or less is extremely important in order to ensure toughness at -253 ° C. The upper limit of the preferable Mn content is 0.60% or less, more preferably 0.50% or less.

(Ni:12.5%以上、15.4%以下)
Niは、極低温靭性を確保するために必須の元素である。Ni含有量が12.5%未満であると、−253℃での靭性を十分に確保できないため、Ni含有量の下限を12.5%以上とする。好ましいNi含有量の下限は12.8%以上である。しかし、Niは高価な元素であり、15.4%超含有すると経済性を損なうため、Ni含有量の上限を15.4%以下に制限する。
(Ni: 12.5% or more, 15.4% or less)
Ni is an essential element for ensuring cryogenic toughness. If the Ni content is less than 12.5%, the toughness at -253 ° C cannot be sufficiently secured, so the lower limit of the Ni content is 12.5% or more. The lower limit of the preferred Ni content is 12.8% or more. However, Ni is an expensive element, and if it exceeds 15.4%, the economy is impaired, so the upper limit of Ni content is limited to 15.4% or less.

(Mo:0.03%以上、0.60%以下)
Moは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、また、粒界脆化を抑制する効果を有する。Mo含有量が0.03%未満では強度が確保できず、粒界破壊の発生により極低温靭性が低下するためことがあるためMo含有量の下限は0.03%以上とする。好ましいMo含有量の下限は0.05%以上である。しかし、Moは高価な元素であり、0.60%超含有すると経済性を損なうため、Mo含有量の上限は0.60%以下に制限する。
(Mo: 0.03% or more, 0.60% or less)
Mo is an element that increases the yield stress at room temperature and has the effect of suppressing grain boundary embrittlement. If the Mo content is less than 0.03%, the strength cannot be ensured, and the cryogenic toughness may decrease due to the occurrence of grain boundary fracture. Therefore, the lower limit of the Mo content is set to 0.03% or more. The minimum of preferable Mo content is 0.05% or more. However, Mo is an expensive element, and if it exceeds 0.60%, the economy is impaired, so the upper limit of the Mo content is limited to 0.60% or less.

(Al:0.010%以上、0.060%以下)
Alは、主に脱酸に使用される元素であり、また、AlNを形成し、金属組織の微細化や、極低温靭性を低下させる固溶Nの低減にも寄与する。Al含有量が0.010%未満では脱酸の効果や金属組織の微細化効果及び固溶N低減効果が小さいので、Al含有量の下限を0.010%以上とする。Al含有量の下限は0.015%以上が好ましく、より好ましくは0.020%以上である。しかし、Al含有量が0.060%を超えると、−253℃における靭性が低下するため、Al含有量の上限を0.060%以下とする。より好ましいAl含有量の上限は0.040%以下である。
(Al: 0.010% or more, 0.060% or less)
Al is an element mainly used for deoxidation, and also forms AlN, contributing to the refinement of the metal structure and the reduction of solid solution N that lowers the cryogenic toughness. If the Al content is less than 0.010%, the deoxidation effect, the metal structure refinement effect, and the solid solution N reduction effect are small, so the lower limit of the Al content is set to 0.010% or more. The lower limit of the Al content is preferably 0.015% or more, and more preferably 0.020% or more. However, if the Al content exceeds 0.060%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit of the Al content is set to 0.060% or less. A more preferable upper limit of the Al content is 0.040% or less.

(N:0.0015%以上、0.0060%以下)
Nは、窒化物の形成に寄与し、N含有量を0.0015%未満へ低減すると、熱処理時にオーステナイト粒径の粗大化を抑制する微細なAlNが不足し、オーステナイト粒が粗大化して極低温靭性が低下する場合がある。このため、N含有量の下限は、0.0015%以上とし、好ましくは0.0020%以上とする。一方、N含有量が0.0060%を超えると固溶Nが増加したり、AlNが粗大化するため−253℃での靭性が低下する。このため、N含有量の上限は0.0060%以下とし、好ましくは0.0050%以下、より好ましくは0.0040%以下とする。
(N: 0.0015% or more, 0.0060% or less)
N contributes to the formation of nitrides, and when the N content is reduced to less than 0.0015%, there is a shortage of fine AlN that suppresses the coarsening of the austenite grain size during heat treatment, and the austenite grains become coarse, resulting in extremely low temperatures. Toughness may decrease. For this reason, the lower limit of the N content is set to 0.0015% or more, preferably 0.0020% or more. On the other hand, if the N content exceeds 0.0060%, solid solution N increases or AlN coarsens, so the toughness at −253 ° C. decreases. For this reason, the upper limit of the N content is set to 0.0060% or less, preferably 0.0050% or less, more preferably 0.0040% or less.

(O:0.0007%以上、0.0030%以下)
Oは、不純物であり、O含有量は少ないほうが望ましいが、0.0007%未満へのO含有量の低減はコスト上昇を伴う場合があるので0.0007%以上を下限とする。一方、O含有量が0.0030%を超えるとAlのクラスターが増加し、−253℃での靭性が低下する場合があるため、O含有量の上限を0.0030%以下とする。好ましいO含有量の上限は0.0025%以下であり、より好ましくは0.0020%以下、更に好ましくは0.0015%以下とする。
(O: 0.0007% or more, 0.0030% or less)
O is an impurity, and it is desirable that the O content be small. However, since the reduction of the O content to less than 0.0007% may involve an increase in cost, the upper limit is set to 0.0007% or more. On the other hand, when the O content exceeds 0.0030%, Al 2 O 3 clusters increase and the toughness at −253 ° C. may decrease, so the upper limit of the O content is 0.0030% or less. . The upper limit of the preferable O content is 0.0025% or less, more preferably 0.0020% or less, and still more preferably 0.0015% or less.

(P:0.008%以下)
Pは、旧オーステナイト粒界での粒界脆化をもたらし、極低温靭性に有害な元素である。そのため、P含有量は少ないほうが望ましい。P含有量が0.008%を超えると−253℃での靭性が低下する場合がある。したがって、P含有量の上限を0.008%以下に制限する。P含有量の上限は、好ましくは、0.005%以下、より好ましくは、0.004%以下、更に好ましくは、0.003%以下とする。Pは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(P: 0.008% or less)
P is an element that causes grain boundary embrittlement at the prior austenite grain boundaries and is harmful to cryogenic toughness. Therefore, it is desirable that the P content is small. If the P content exceeds 0.008%, the toughness at -253 ° C may be lowered. Therefore, the upper limit of the P content is limited to 0.008% or less. The upper limit of the P content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.004% or less, and still more preferably 0.003% or less. P may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof is not particularly limited, and the lower limit is 0% or more.

(S:0.0040%以下)
Sは、MnSとして脆性破壊の発生起点となる場合があり、極低温靭性に有害な元素である。S含有量が0.0040%を超えると−253℃での靭性が低下する場合があるため、S含有量の上限を0.0040%以下に制限する。S含有量の上限は、好ましくは0.0030%以下、より好ましくは、0.0020%以下、更に好ましくは、0.0010%以下とする。Sは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(S: 0.0040% or less)
S, as MnS, may be a starting point for brittle fracture, and is an element harmful to cryogenic toughness. If the S content exceeds 0.0040%, the toughness at -253 ° C may be lowered, so the upper limit of the S content is limited to 0.0040% or less. The upper limit of the S content is preferably 0.0030% or less, more preferably 0.0020% or less, and still more preferably 0.0010% or less. S may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof is not particularly limited, and the lower limit is 0% or more.

本発明において、以下に説明するCu、Cr、Mo、Nb、V、Ti、B、CaおよびREMについては1種または2種以上を選択的に含有してもよく、含有しなくてもよい。   In the present invention, Cu, Cr, Mo, Nb, V, Ti, B, Ca and REM described below may or may not contain one or two or more selectively.

(Cu:1.00%以下)
Cuは、室温での降伏応力を上昇させる元素であるため、含有してもよい。ただし、Cu含有量が1.00%を超えると−253℃における靭性が低下するため、Cu含有量の上限を1.00%以下とする。Cu含有量の上限は、好ましくは0.70%以下、より好ましくは0.50%以下、更に好ましくは0.30%以下とする。Cuは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Cu含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Cu: 1.00% or less)
Since Cu is an element that increases the yield stress at room temperature, it may be contained. However, if the Cu content exceeds 1.00%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit of the Cu content is set to 1.00% or less. The upper limit of the Cu content is preferably 0.70% or less, more preferably 0.50% or less, and still more preferably 0.30% or less. Cu may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but there is no need to particularly limit the lower limit of the Cu content, and the lower limit is 0% or more.

(Cr:1.00%以下)
Crは、室温での降伏応力を上昇させる元素であるため、含有してもよい。ただし、Cr含有量が1.00%を超えると−253℃における靭性が低下するため、Cr含有量の上限を1.00%以下とする。Cr含有量の上限は、好ましくは0.70%以下、より好ましくは0.50%以下、更に好ましくは0.30%以下とする。Crは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Cr含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Cr: 1.00% or less)
Since Cr is an element that increases the yield stress at room temperature, it may be contained. However, if the Cr content exceeds 1.00%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit of the Cr content is set to 1.00% or less. The upper limit of the Cr content is preferably 0.70% or less, more preferably 0.50% or less, and still more preferably 0.30% or less. Although Cr may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, it is not necessary to particularly limit the lower limit of the Cr content, and the lower limit is 0% or more.

(Nb:0.020%以下)
Nbは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、金属組織の微細化による極低温靭性の向上効果も有するため、含有してもよい。ただし、Nb含有量が0.020%を超えると、−253℃における靭性が低下するため、その上限を0.020%以下とする。Nb含有量の上限は、好ましくは0.015%以下、より好ましくは0.010%以下である。Nbは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Nb含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Nb: 0.020% or less)
Nb is an element that increases the yield stress at room temperature, and may also be contained because it has an effect of improving the cryogenic toughness by refining the metal structure. However, if the Nb content exceeds 0.020%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit is made 0.020% or less. The upper limit of the Nb content is preferably 0.015% or less, more preferably 0.010% or less. Nb may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but there is no need to particularly limit the lower limit of the Nb content, and the lower limit is 0% or more.

(V:0.080%以下)
Vは、室温での降伏応力を上昇させる元素であるため、含有してもよいが、V含有量が0.080%を超えると−253℃における靭性が低下するため、V含有量の上限を0.080%以下とする。V含有量の上限は、好ましくは0.060%以下、より好ましくは0.040%以下である。Vは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、V含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(V: 0.080% or less)
V is an element that increases the yield stress at room temperature, and may be contained. However, if the V content exceeds 0.080%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit of the V content is limited. 0.080% or less. The upper limit of the V content is preferably 0.060% or less, more preferably 0.040% or less. V may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but there is no need to particularly limit the lower limit of the V content, and the lower limit is 0% or more.

(Ti:0.020%以下)
Tiは、TiNを形成し、金属組織の微細化や、極低温靭性を低下させる固溶Nの低減にも寄与するため、含有してもよい。しかし、Ti含有量が0.020%を超えると、−253℃における靭性が低下するため、Ti含有量の上限を0.020%以下とする。好ましいTi含有量の上限は0.015%以下であり、より好ましくは0.010%以下である。Tiは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Ti含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Ti: 0.020% or less)
Ti may form TiN and contribute to the refinement of the metal structure and the reduction of solute N that lowers the cryogenic toughness. However, if the Ti content exceeds 0.020%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit of the Ti content is set to 0.020% or less. The upper limit of the Ti content is preferably 0.015% or less, more preferably 0.010% or less. Ti may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but there is no need to particularly limit the lower limit of the Ti content, and the lower limit is 0% or more.

(B:0.0020%以下)
Bは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、また、BNを形成し、極低温靭性を低下させる固溶Nの低減にも寄与するため、含有してもよい。しかし、B含有量が0.0020%超となると−253℃における靭性が低下するため、B含有量の上限を0.0020%以下とする。B含有量の上限は、好ましくは0.0015%以下であり、より好ましくは0.0012%以下、更に好ましくは0.0010%以下とする。Bは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、B含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(B: 0.0020% or less)
B is an element that increases the yield stress at room temperature, and also forms BN and contributes to the reduction of solid solution N that lowers the cryogenic toughness, so B may be contained. However, if the B content exceeds 0.0020%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit of the B content is set to 0.0020% or less. The upper limit of the B content is preferably 0.0015% or less, more preferably 0.0012% or less, and still more preferably 0.0010% or less. B may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but there is no need to particularly limit the lower limit of the B content, and the lower limit is 0% or more.

(Ca:0.0040%以下)
Caは、熱間圧延により延伸して極低温靭性への有害性が高まりやすいMnSをCaSとして球状化し、極低温靭性を向上させるのに有効であるため、含有してもよい。しかし、Ca含有量が0.0040%を超えると、Caを含有する酸硫化物が粗大化して、−253℃における靭性が低下する。このためCa含有量の上限を0.0040%以下に制限し、好ましくは0.0030%以下とする。Caは、溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Ca含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Ca: 0.0040% or less)
Ca may be contained because it is effective for improving the cryogenic toughness by spheroidizing MnS as CaS, which is easily stretched by hot rolling to increase the harmfulness to the cryogenic toughness. However, if the Ca content exceeds 0.0040%, the Ca-containing oxysulfide becomes coarse, and the toughness at -253 ° C decreases. For this reason, the upper limit of the Ca content is limited to 0.0040% or less, preferably 0.0030% or less. Ca may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but there is no need to particularly limit the lower limit of the Ca content, and the lower limit is 0% or more.

(REM:0.0050%以下)
REM(希土類金属:Rare−Earth Metal)は、Caと同様に、熱間圧延によって延伸して極低温靭性への有害性が高まりやすいMnSをREMの酸硫化物として球状化し、極低温靭性を向上させるのに有効であるため、含有してもよい。しかし、REM含有量が0.0050%を超えるとREMを含有する酸硫化物が粗大化して、−253℃における靭性が低下する。このためREM含有量の上限を0.0050%以下に制限し、好ましくは0.0040%以下に制限する。REMは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、REM含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(REM: 0.0050% or less)
REM (Rare-Earth Metal), like Ca, spheroidizes MnS as REM oxysulfide, which is stretched by hot rolling to increase the harmfulness to cryogenic toughness, and improves cryogenic toughness Since it is effective to make it contain, you may contain. However, when the REM content exceeds 0.0050%, the oxysulfide containing REM becomes coarse and the toughness at −253 ° C. decreases. For this reason, the upper limit of REM content is limited to 0.0050% or less, preferably 0.0040% or less. REM may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the REM content, and the lower limit is 0% or more.

本実施形態に係る極低温用鋼は、上記成分を含有又は制限し、残部が鉄及び不純物を含む。ここで、不純物とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。ただし、本発明においては、不純物のうち、P及びSについては、上述のように、上限を規定する必要がある。   The cryogenic steel according to this embodiment contains or restricts the above components, and the balance contains iron and impurities. Here, the impurity is a component that is mixed due to various factors in the manufacturing process including raw materials such as ore and scrap when industrially manufacturing steel, and does not adversely affect the present invention. It means what is allowed in the range. However, in the present invention, it is necessary to define an upper limit for P and S among impurities as described above.

また、本実施形態に係る極低温用鋼には、上記成分の他に、スクラップ等の副原料からの不純物として以下の合金元素を含有する可能性があるが、鋼材自体の強度、極低温靭性等を一段と改善する目的で含有量を制限することが好ましい。   In addition to the above components, the cryogenic steel according to the present embodiment may contain the following alloy elements as impurities from auxiliary materials such as scrap, but the strength of the steel material itself, cryogenic toughness It is preferable to limit the content for the purpose of further improving the above.

Sbは、極低温靭性を損なうため、Sb含有量の上限は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。   Since Sb impairs cryogenic toughness, the upper limit of Sb content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less. preferable.

Snは、極低温靭性を損なうため、Sn含有量の上限は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。   Since Sn impairs cryogenic toughness, the upper limit of the Sn content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less. preferable.

Asは、極低温靭性を損なうため、As含有量の上限は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。   Since As impairs cryogenic toughness, the upper limit of As content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less. preferable.

また、上記成分の上記効果を十分に発揮させるために、Co、Zn及びW含有量の上限を、それぞれ0.01%以下又は0.005%以下に制限することが好ましい。   Moreover, in order to fully demonstrate the said effect of the said component, it is preferable to restrict | limit the upper limit of Co, Zn, and W content to 0.01% or less or 0.005% or less, respectively.

Sb、Sn、As、Co、Zn及びWの下限を制限する必要はなく、各元素の下限は0%以上である。また、下限の規定がない合金元素(例えば、P、S、Cu、Cr、Mo、Nb、V、Ti、B、Ca、及びREM)が意図的に添加されたとしても、又は不純物としての混入であっても、その含有量が上述した範囲内にあれば、その極低温用鋼(鋼材)は本発明の範囲内と解釈する。   There is no need to limit the lower limit of Sb, Sn, As, Co, Zn and W, and the lower limit of each element is 0% or more. Moreover, even if an alloy element (for example, P, S, Cu, Cr, Mo, Nb, V, Ti, B, Ca, and REM) with no lower limit is intentionally added or mixed as an impurity Even so, if the content is within the above-described range, the cryogenic steel (steel material) is interpreted as being within the scope of the present invention.

次に、本発明のNi鋼の金属組織について説明する。
本発明者らは、−253℃の極低温では、旧オーステナイト粒界で破壊が発生し、靭性が低下しやすいことを新たに見出した。本発明のNi鋼は、熱間圧延を施し、水冷した後、中間熱処理、焼戻しという熱処理を施して製造されるが、ここで述べる旧オーステナイト粒界とは、熱間圧延後、水冷開始前に存在していたオーステナイトの粒界である。この旧オーステナイト粒界にはMn、P、Siが偏析しており、これらの元素が旧オーステナイト粒界の結合力を低下させ、−253℃での旧オーステナイト粒界での破壊が発生すると考えられる。
Next, the metal structure of the Ni steel of the present invention will be described.
The present inventors have newly found that at an extremely low temperature of −253 ° C., fracture occurs at the prior austenite grain boundaries and the toughness tends to decrease. The Ni steel of the present invention is manufactured by hot rolling and water cooling, followed by heat treatment such as intermediate heat treatment and tempering. The former austenite grain boundary described here is after hot rolling and before the start of water cooling. It is a grain boundary of austenite that existed. Mn, P, and Si are segregated in the prior austenite grain boundaries, and these elements are considered to reduce the bonding strength of the prior austenite grain boundaries and cause fracture at the former austenite grain boundaries at -253 ° C. .

なお、中間熱処理時にも新たに旧オーステナイト粒界が生成するが、本発明の中間熱処理の温度は、560℃以上、670℃以下と低く、新たな旧オーステナイト粒界へ拡散するMn、P、Siの量は比較的少ないので、これらの新たな旧オーステナイト粒界からの破壊は比較的起こりにくいと考えられる。このため、熱間圧延、水冷後の旧オーステナイト粒の粒径およびアスペクト比が実質的に重要であり、中間熱処理後や焼戻し後に旧オーステナイト粒の粒径やアスペクト比を測定する場合には、熱間圧延、水冷後の旧オーステナイト粒を測定する必要がある。旧オーステナイト粒界が熱間圧延、水冷後の粒界か、中間熱処理後の粒界かの判断は、その旧オーステナイト粒の粒径が2μm以下の粒径は、中間熱処理後の粒界であると判断する。すなわち、中間熱処理後や焼戻し後に旧オーステナイト粒を測定する場合には、粒径が2μm以下の旧オーステナイト粒を除外して旧オーステナイト粒の粒径やアスペクト比を測定する。   In addition, although a prior austenite grain boundary is newly generated during the intermediate heat treatment, the temperature of the intermediate heat treatment of the present invention is as low as 560 ° C. or more and 670 ° C. or less, and Mn, P, Si diffused to the new prior austenite grain boundary. Since the amount of is relatively small, the breakage from these new prior austenite grain boundaries is considered relatively unlikely. For this reason, the grain size and aspect ratio of the prior austenite grains after hot rolling and water cooling are substantially important, and when measuring the grain size and aspect ratio of the prior austenite grains after intermediate heat treatment and tempering, It is necessary to measure prior austenite grains after hot rolling and water cooling. Whether the prior austenite grain boundary is a grain boundary after hot rolling, water cooling, or a grain boundary after intermediate heat treatment, the grain size of the former austenite grain is 2 μm or less is the grain boundary after the intermediate heat treatment. Judge. That is, when measuring prior austenite grains after intermediate heat treatment or after tempering, the prior austenite grains having a grain size of 2 μm or less are excluded and the grain size and aspect ratio of the prior austenite grains are measured.

本発明者らは、−253℃の極低温で、旧オーステナイト粒界での破壊を抑制する手段について数多くの検討を実施した。その結果、(イ)C含有量を0.070%以下とすること、(ロ)Mn含有量を0.80%以下とすること、(ハ)P含有量を0.008%以下とすること、(ニ)Si含有量を0.30%以下とすること、(ホ)Mo含有量を0.03%以上とすること、(ヘ)旧オーステナイト粒径を20.0μm以下とすること、(ト)旧オーステナイト粒のアスペクト比を10.0以下に抑制すること、の7つの条件を同時に満足した時に、旧オーステナイト粒界での破壊が抑制され、−253℃での靭性が確保できることを見出した。   The inventors of the present invention have made many studies on means for suppressing fracture at the prior austenite grain boundaries at an extremely low temperature of −253 ° C. As a result, (b) the C content is set to 0.070% or less, (b) the Mn content is set to 0.80% or less, and (c) the P content is set to 0.008% or less. (D) Si content is 0.30% or less, (e) Mo content is 0.03% or more, (f) Old austenite particle size is 20.0 μm or less, G) When the seven conditions of suppressing the aspect ratio of prior austenite grains to 10.0 or less are satisfied at the same time, it is found that fracture at the prior austenite grain boundaries is suppressed and toughness at −253 ° C. can be secured. It was.

−253℃の極低温で、旧オーステナイト粒界からの破壊が発生しやすい機構は明確ではないが、−253℃の極低温では焼戻しマルテンサイト組織における転位の移動による応力集中の緩和機構の効果が限られることが挙げられる。また、焼戻しマルテンサイト中のセメンタイトの微細化や、硬質の高Cマルテンサイト及び粗大な介在物などの破壊の起点の生成が抑制された結果、旧オーステナイト粒界が破壊の起点になり易くなった可能性がある。   Although the mechanism at which fracture from prior austenite grain boundaries is likely to occur at an extremely low temperature of −253 ° C. is not clear, at the very low temperature of −253 ° C., the effect of the stress concentration mitigation mechanism due to dislocation movement in the tempered martensite structure It is limited. In addition, the refinement of cementite in tempered martensite and the generation of fracture starting points such as hard high-C martensite and coarse inclusions were suppressed, and as a result, the prior austenite grain boundaries became the starting point of fracture. there is a possibility.

このように、−253℃の極低温では、旧オーステナイト粒界のような、結合力が比較的弱い部分で選択的に破壊が発生しやすくなっていると推定される。したがって、旧オーステナイト粒界の結合力を弱めるようなセメンタイトや、Mn及びPの偏析を抑制することで、旧オーステナイト粒界の結合力の低下を抑制できると考えられる。また、C含有量とSi含有量との増加、及び、旧オーステナイト粒の粗大化は、粒界セメンタイトの粗大化を促進する。したがって、C含有量及びSi含有量の抑制と旧オーステナイト粒径の細粒化とが、−253℃における旧オーステナイト粒界での破壊の抑制に必要となる。   Thus, at an extremely low temperature of −253 ° C., it is presumed that breakage is likely to occur selectively in a portion having a relatively weak bonding force, such as a prior austenite grain boundary. Therefore, it is considered that the decrease in the bonding strength of the prior austenite grain boundaries can be suppressed by suppressing cementite that weakens the bonding strength of the prior austenite grain boundaries and segregation of Mn and P. Moreover, the increase in C content and Si content and the coarsening of prior austenite grains promote the coarsening of grain boundary cementite. Therefore, the suppression of the C content and the Si content and the refinement of the prior austenite grain size are necessary for the suppression of the fracture at the prior austenite grain boundary at -253 ° C.

(旧オーステナイト粒径:3.0μm以上、20.0μm以下)
旧オーステナイト粒径は3.0μm以上、20.0μm以下とする必要がある。旧オーステナイト粒径を3.0μm未満に細粒化するには熱処理の回数を増加させるなど、製造コストの上昇を伴うので、旧オーステナイト粒径の下限を3.0μm以上とする。一方、旧オーステナイト粒径が20.0μmを超えると旧オーステナイト粒界に析出するセメンタイトが粗大となり、また、MnやPの粒界の濃度が上昇する。粗大なセメンタイトの析出や、Mn、Pの濃化は、旧オーステナイト粒界の結合力を弱めて旧オーステナイト粒界での破壊を招いたり、脆性破壊の発生の起点となり、−253℃での極低温靭性を低下させるので、旧オーステナイト粒径の上限を20.0μm以下とする。
(Old austenite particle size: 3.0 μm or more, 20.0 μm or less)
The prior austenite particle size needs to be 3.0 μm or more and 20.0 μm or less. Refinement of the prior austenite grain size to less than 3.0 μm is accompanied by an increase in the manufacturing cost such as increasing the number of heat treatments, so the lower limit of the prior austenite grain size is set to 3.0 μm or more. On the other hand, when the prior austenite grain size exceeds 20.0 μm, cementite precipitated at the prior austenite grain boundaries becomes coarse, and the concentration of Mn and P grain boundaries increases. Precipitation of coarse cementite and enrichment of Mn and P weaken the bond strength of the prior austenite grain boundaries, leading to fracture at the former austenite grain boundaries, or the origin of brittle fracture. Since the low temperature toughness is lowered, the upper limit of the prior austenite grain size is set to 20.0 μm or less.

(旧オーステナイト粒のアスペクト比:3.0以上、10.0以下)
旧オーステナイト粒のアスペクト比とは、圧延方向に平行な面(L面)での旧オーステナイト粒の長さと厚さとの比、すなわち、旧オーステナイト粒の圧延方向長さ:旧オーステナイト粒の板厚方向の厚さ、である。アスペクト比は、未再結晶域での圧延によって旧オーステナイトが扁平化すると大きくなる。アスペクト比が3.0未満であると、未再結晶域での圧延による転位の導入が不十分で、強度を高めることができない。このため、旧オーステナイト粒のアスペクト比の下限は3.0以上とする。一方、アスペクト比が10.0を超えると、過度な未再結晶域圧延によって旧オーステナイト粒径が50μmを超える部分が生じ、極低温靭性が低下することがある。また、圧延方向に沿った旧オーステナイト粒界ではセメンタイトが粗大化しやすく、また、作用する応力が高くなり、破壊が発生しやすくなる。このため、旧オーステナイト粒のアスペクト比の上限を10.0以下とする。
(Aspect ratio of prior austenite grains: 3.0 or more and 10.0 or less)
The aspect ratio of the prior austenite grains is the ratio of the length and thickness of the prior austenite grains in a plane parallel to the rolling direction (L-plane), that is, the length of the prior austenite grains in the rolling direction: the thickness direction of the prior austenite grains Of the thickness. The aspect ratio increases when the prior austenite is flattened by rolling in the non-recrystallized region. If the aspect ratio is less than 3.0, the introduction of dislocations by rolling in the non-recrystallized region is insufficient, and the strength cannot be increased. For this reason, the lower limit of the aspect ratio of the prior austenite grains is set to 3.0 or more. On the other hand, when the aspect ratio exceeds 10.0, a portion where the prior austenite grain size exceeds 50 μm occurs due to excessive non-recrystallization zone rolling, and the cryogenic toughness may be lowered. In addition, cementite tends to be coarsened at the prior austenite grain boundaries along the rolling direction, and the acting stress increases and breakage is likely to occur. For this reason, the upper limit of the aspect ratio of prior austenite grains is set to 10.0 or less.

旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比は、熱間圧延後、水冷した鋼から試料を採取して測定するのが望ましいが、焼戻し後の鋼から試料を採取して測定してもよい。旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比の測定は、板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面として行う。旧オーステナイトの粒径は、観察面をピクリン酸飽和水溶液で腐食して旧オーステナイト粒界を現出させた後、走査型電子顕微鏡(SEM)で1000倍又は2000倍で5視野以上の写真を撮影して測定する。SEM写真を用いて、旧オーステナイト粒界を同定した後に、少なくとも20個の旧オーステナイト粒の円相当粒径(直径)を画像処理により求め、これらの平均値を旧オーステナイトの粒径とする。また、旧オーステナイトのアスペクト比は、粒径の測定と同様にSEM写真を用いて、少なくとも20個の旧オーステナイト粒の、圧延方向の長さと厚み方向の厚さとの比(アスペクト比)を測定し、これらの平均値を旧オーステナイトのアスペクト比とする。なお、焼戻し後の鋼から試料を採取して旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比を測定する場合には、上述のように、粒径が2μm以下の旧オーステナイト粒を除外して旧オーステナイト粒の粒径やアスペクト比を測定する。   The grain size and aspect ratio of prior austenite are preferably measured by collecting a sample from water-cooled steel after hot rolling, but may be measured by collecting a sample from steel after tempering. Measurement of the grain size and aspect ratio of the prior austenite is performed using the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. For the prior austenite particle size, the observation surface was corroded with a saturated aqueous solution of picric acid to reveal the prior austenite grain boundaries, and then a scanning electron microscope (SEM) was used to shoot a photograph of five or more fields at 1000 or 2000 times. And measure. After identifying the prior austenite grain boundaries using SEM photographs, the circle equivalent particle diameter (diameter) of at least 20 prior austenite grains is determined by image processing, and the average value of these is set as the prior austenite grain size. As for the aspect ratio of prior austenite, the ratio (aspect ratio) between the length in the rolling direction and the thickness in the thickness direction of at least 20 prior austenite grains was measured using SEM photographs in the same manner as the grain size measurement. These average values are taken as the aspect ratio of the prior austenite. In the case of measuring the grain size and aspect ratio of the prior austenite by collecting a sample from the tempered steel, as described above, excluding the prior austenite grains having a grain size of 2 μm or less, the grains of the prior austenite grains Measure diameter and aspect ratio.

(オーステナイト相の体積分率:2.0%以上、20.0%以下)
また、−253℃における靭性を一層高めるためには、オーステナイト相を体積分率で2.0%以上含有することが好ましい。そのため、オーステナイト相の体積分率の下限を2.0%以上とすることが好ましい。ただし、このオーステナイト相は旧オーステナイトとは異なり、熱処理後のNi鋼に存在するオーステナイト相であり、体積分率をX線回折法で測定する。−253℃でも安定なオーステナイト相が存在する場合、負荷される応力や歪がオーステナイトの塑性変形によって緩和されるため、靭性が向上すると考えられる。また、オーステナイト相は旧オーステナイト粒界や焼戻しマルテンサイトのブロック境界やラス境界などに、比較的、均一に微細に生成する。すなわち、オーステナイト相は脆性破壊の発生の起点となる可能性が高い硬質相の近傍に存在し、硬質相の周囲への応力や歪の集中を緩和し、脆性破壊の発生の抑制に寄与すると考えられる。更に、体積分率で2.0%以上のオーステナイト相を生成させた結果、脆性破壊の発生の起点となる粗大なセメンタイトも大幅に減少させることができると考えられる。一方、オーステナイト相の体積分率が増加すると、オーステナイト相へのCなどの濃化が不十分になり、−253℃ではマルテンサイトに変態する可能性が高くなる。極低温でマルテンサイトに変態する不安定なオーステナイトは、−253℃での極低温靭性を低下させる場合があるため、オーステナイト相の体積分率の上限は20.0%以下が好ましい。オーステナイト相の体積分率は、焼戻し後の鋼から試料を採取して、X線回折法で測定すればよい。
(Volume fraction of austenite phase: 2.0% or more, 20.0% or less)
In order to further increase the toughness at −253 ° C., it is preferable that the austenite phase is contained in a volume fraction of 2.0% or more. Therefore, it is preferable that the lower limit of the volume fraction of the austenite phase is 2.0% or more. However, this austenite phase is different from old austenite and is an austenite phase present in Ni steel after heat treatment, and the volume fraction is measured by X-ray diffraction. When a stable austenite phase exists even at −253 ° C., it is considered that the toughness is improved because the stress and strain applied are relaxed by plastic deformation of austenite. In addition, the austenite phase is generated relatively uniformly and finely at the prior austenite grain boundaries, the block boundaries of the tempered martensite, the lath boundaries, and the like. In other words, the austenite phase is present in the vicinity of the hard phase, which is likely to be the starting point of brittle fracture, and it is thought that it contributes to the suppression of the occurrence of brittle fracture by alleviating stress and strain concentration around the hard phase. It is done. Furthermore, as a result of generating an austenite phase with a volume fraction of 2.0% or more, it is considered that coarse cementite, which is a starting point of occurrence of brittle fracture, can be greatly reduced. On the other hand, when the volume fraction of the austenite phase increases, the concentration of C or the like into the austenite phase becomes insufficient, and the possibility of transformation to martensite increases at -253 ° C. Unstable austenite that transforms to martensite at a cryogenic temperature may reduce the cryogenic toughness at −253 ° C., so the upper limit of the volume fraction of the austenite phase is preferably 20.0% or less. The volume fraction of the austenite phase may be measured by an X-ray diffraction method by collecting a sample from the tempered steel.

(有効結晶粒径:2.0μm以上、12.0μm以下)
有効結晶粒径は2.0μm以上、12.0μm以下とすることが好ましい。有効結晶粒径は、結晶方位がほぼ同一の領域であり、微細化すると破壊亀裂の伝播の抵抗が大きくなり、靭性が一層向上する。ただし、有効結晶粒径を2.0μm未満にまで細粒化するには熱処理の回数を増加させるなど、製造コストの上昇を伴うので、有効結晶粒径を考慮する場合、有効結晶粒径の下限を2.0μm以上とする。また、有効結晶粒径が12.0μmを超えると、脆性破壊の発生の起点となる硬質相、すなわち、旧オーステナイト粒界や焼戻しマルテンサイト中の粗大なセメンタイトや、粗大なAlN、MnS、アルミナなどの介在物に作用する応力が高まり、−253℃での極低温靭性が低下する場合がある。そのため、有効結晶粒径を考慮する場合、有効結晶粒径の上限を12.0μm以下とする。
(Effective crystal grain size: 2.0 μm or more and 12.0 μm or less)
The effective crystal grain size is preferably 2.0 μm or more and 12.0 μm or less. The effective crystal grain size is a region where the crystal orientation is almost the same. When the crystal grain size is reduced, resistance to propagation of fracture cracks increases, and the toughness is further improved. However, when the effective crystal grain size is reduced to less than 2.0 μm, the number of heat treatments is increased, which increases the manufacturing cost. Is 2.0 μm or more. Further, when the effective crystal grain size exceeds 12.0 μm, the hard phase that causes the occurrence of brittle fracture, that is, coarse cementite in prior austenite grain boundaries and tempered martensite, coarse AlN, MnS, alumina, etc. The stress acting on the inclusions increases, and the cryogenic toughness at −253 ° C. may decrease. Therefore, when considering the effective crystal grain size, the upper limit of the effective crystal grain size is set to 12.0 μm or less.

有効結晶粒径は、焼戻し後の鋼から試料を採取して、板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面として、走査型電子顕微鏡に付属の後方散乱電子線回折パターン法(Electron Back Scatter Diffraction:EBSD)解析装置を用いて測定する。倍率2000倍で5視野以上の観察を行い、15°以上の方位差を有する金属組織の境界を粒界と見なし、この粒界で囲まれた結晶粒を有効結晶粒として、それらの面積から円相当粒径(直径)を画像処理により求め、それらの円相当粒径の平均値を有効結晶粒径とする。
本発明における極低温用鋼の特性は、一例として、板厚は12mm以上、40mm以下、室温での降伏応力は590MPa以上、710MPa以下、引張強さは690MPa以上、810MPa以下であることが好ましい。
The effective crystal grain size is determined by taking a sample from the steel after tempering, and using the plane parallel to the rolling direction (L plane) at the center of the plate thickness as the observation plane, the backscattered electron diffraction pattern attached to the scanning electron microscope It measures using the method (Electron Back Scatter Diffraction: EBSD) analyzer. Observe at least 5 fields of view at a magnification of 2000 times, consider the boundary of the metal structure having an orientation difference of 15 ° or more as a grain boundary, and use the crystal grain surrounded by this grain boundary as an effective crystal grain, from the area to the circle The equivalent particle diameter (diameter) is obtained by image processing, and the average value of the equivalent circle particle diameters is defined as the effective crystal particle diameter.
As an example of the characteristics of the cryogenic steel in the present invention, the plate thickness is preferably 12 mm or more and 40 mm or less, the yield stress at room temperature is 590 MPa or more and 710 MPa or less, and the tensile strength is preferably 690 MPa or more and 810 MPa or less.

次に、本実施形態に係る極低温用鋼の製造方法について説明する。
鋼の溶製方法は、例えば溶鋼温度を1650℃以下として、溶鋼O濃度を0.01%以下、溶鋼S濃度を0.02%以下とした状態で、元素の含有量の調整を行った後、連続鋳造により鋼片を製造する。得られた鋼片を加熱し、熱間圧延を施し、水冷した後、中間熱処理、焼戻しを順次施す熱処理を行う。
Next, a method for manufacturing the cryogenic steel according to this embodiment will be described.
The steel melting method is, for example, after adjusting the element content in a state where the molten steel temperature is 1650 ° C. or less, the molten steel O concentration is 0.01% or less, and the molten steel S concentration is 0.02% or less. Steel slabs are manufactured by continuous casting. The obtained steel slab is heated, hot-rolled, cooled with water, and then subjected to intermediate heat treatment and tempering heat treatment.

以下では、好ましい製造条件について説明する。なお、以下に示す条件は好ましい条件の一例を示すものである。本発明の範囲内である鋼材が得られるのであれば、以下に説明する条件から外れても特に支障はない。   Below, preferable manufacturing conditions are demonstrated. In addition, the conditions shown below show an example of preferable conditions. If a steel material within the scope of the present invention can be obtained, there is no particular problem even if it is outside the conditions described below.

熱間圧延の加熱温度は950℃以上、1180℃以下とすることが好ましい。加熱温度が950℃を下回るとAlNが粗大化し、極低温靭性が低下することがある。加熱温度が1180℃を上回ると加熱時にオーステナイト粒径が粗大となり−253℃での極低温靭性が低下することがある。より好ましい加熱温度の上限は1100℃以下であり、さらに好ましくは1050℃以下である。加熱の保持時間は30分〜180分が望ましい。   The heating temperature for hot rolling is preferably 950 ° C. or higher and 1180 ° C. or lower. When the heating temperature is lower than 950 ° C., AlN becomes coarse and the cryogenic toughness may be lowered. When the heating temperature exceeds 1180 ° C, the austenite grain size becomes coarse during heating, and the cryogenic toughness at -253 ° C may be lowered. The upper limit of the heating temperature is more preferably 1100 ° C. or lower, and further preferably 1050 ° C. or lower. The heating holding time is desirably 30 minutes to 180 minutes.

熱間圧延では、950℃以下での圧下率が50%を下回ると、圧延中のオーステナイトの再結晶によるオーステナイト粒の細粒化が不十分となり、圧延後のオーステナイト粒の一部に粗大な粒が含まれ、極低温靭性が低下する場合がある。そのため、950℃以下での圧下率の下限は50%以上が好ましい。より好ましい圧下率の下限は60%以上であり、さらに好ましくは70%以上である。一方で、950℃以下での圧下率が95%を上回ると、圧延時間が長時間となり、生産性に課題が生じる場合があるので、950℃以下での圧下率の上限は95%以下が好ましい。圧延の再結晶による旧オーステナイト粒の均質な細粒化は本発明の極低温靭性を確保する上で特に重要であり、圧延温度と圧下率の厳格な規制が好ましい。   In hot rolling, if the rolling reduction at 950 ° C. or less is less than 50%, the austenite grains are not sufficiently refined by recrystallization of austenite during rolling, and coarse grains are formed in a part of the austenite grains after rolling. May be included, and the cryogenic toughness may decrease. Therefore, the lower limit of the rolling reduction at 950 ° C. or less is preferably 50% or more. A more preferable lower limit of the rolling reduction is 60% or more, and further preferably 70% or more. On the other hand, if the rolling reduction at 950 ° C. or lower exceeds 95%, the rolling time becomes long, and problems may occur in productivity. Therefore, the upper limit of the rolling reduction at 950 ° C. or lower is preferably 95% or lower. . Homogenous refinement of prior austenite grains by recrystallization of rolling is particularly important for securing the cryogenic toughness of the present invention, and strict regulation of rolling temperature and rolling reduction is preferable.

熱間圧延の終了温度は、650℃を下回ると水冷開始温度が550℃を下回り、後ほど述べるように−253℃での極低温靭性が低下したり、室温での降伏応力が低下する場合がある。また、水冷開始温度が550℃を下回らなくても、旧オーステナイト粒のアスペクト比が大きくなり、−253℃での極低温靭性が低下する場合がある。よって、熱間圧延の終了温度の下限は650℃以上が好ましく、より好ましい熱間圧延の終了温度は700℃以上であり、更に好ましくは740℃以上である。一方で、熱間圧延の終了温度が920℃を上回ると、圧延により導入された転位が回復により減少し、有効結晶粒径が12.0μmを超えて大きくなり極低温靭性が不足したり、室温の降伏応力が不足する場合があるので、熱間圧延の終了温度の上限は920℃以下が好ましい。より好ましい熱間圧延の終了温度の上限は880℃以下である。   When the end temperature of hot rolling falls below 650 ° C., the water cooling start temperature falls below 550 ° C., and as described later, the cryogenic toughness at −253 ° C. may decrease, or the yield stress at room temperature may decrease. . Even if the water cooling start temperature does not fall below 550 ° C., the aspect ratio of the prior austenite grains becomes large, and the cryogenic toughness at −253 ° C. may be lowered. Therefore, the lower limit of the hot rolling end temperature is preferably 650 ° C. or higher, and the more preferable hot rolling end temperature is 700 ° C. or higher, more preferably 740 ° C. or higher. On the other hand, when the end temperature of hot rolling exceeds 920 ° C., dislocations introduced by rolling are reduced by recovery, the effective crystal grain size becomes larger than 12.0 μm, and cryogenic toughness is insufficient. Therefore, the upper limit of the end temperature of hot rolling is preferably 920 ° C. or lower. A more preferable upper limit of the end temperature of hot rolling is 880 ° C. or less.

熱間圧延後は室温付近まで水冷することが好ましい。水冷開始温度は、550℃以上、920℃以下が好ましい。水冷開始温度が550℃を下回ると、粗大なベイナイトが一部に生成する場合がある。この粗大なベイナイトはその後の中間熱処理等の熱処理を行っても比較的粗大なベイナイトとして残存しやすいため、有効結晶粒径を12.0μm以下に制御することが困難となり、−253℃での極低温靭性が低下する場合がある。また、高温で変態したベイナイトを含有するため、室温での降伏応力が低下しやすいことから水冷開始温度の下限を550℃以上とすることが好ましく、より好ましい水冷開始温度の下限は600℃以上である。水冷開始温度の上限は特に規制する必要はなく、熱間圧延の終了後、直ちに水冷を開始してもよい。したがって、熱間圧延の終了温度の好ましい上限である920℃が水冷開始温度の好ましい上限となる。   After hot rolling, it is preferable to perform water cooling to near room temperature. The water cooling start temperature is preferably 550 ° C. or higher and 920 ° C. or lower. When the water cooling start temperature is lower than 550 ° C., coarse bainite may be partially generated. Since this coarse bainite is likely to remain as relatively coarse bainite even after the subsequent heat treatment such as intermediate heat treatment, it becomes difficult to control the effective crystal grain size to 12.0 μm or less. Low temperature toughness may be reduced. In addition, since it contains bainite transformed at high temperature, the lower limit of the water cooling start temperature is preferably 550 ° C. or more because the yield stress at room temperature tends to decrease, and the more preferable lower limit of the water cooling start temperature is 600 ° C. or more. is there. The upper limit of the water cooling start temperature is not particularly limited, and water cooling may be started immediately after the end of hot rolling. Therefore, 920 ° C., which is a preferable upper limit of the end temperature of hot rolling, is a preferable upper limit of the water cooling start temperature.

中間熱処理は、極低温靭性の向上に寄与する有効結晶粒径の細粒化とオーステナイト相の確保に有効であり、加熱温度は560℃以上、670℃以下が好ましい。中間熱処理の加熱温度(中間熱処理温度)が560℃を下回ると、オーステナイト変態が不十分で、また、過度に焼戻された焼戻しマルテンサイトの体積分率が増加し、母材強度が低下する場合がある。また、中間熱処理温度が560℃よりも低くなると、有効結晶粒径が12.0μmを超え、極低温靭性が低下する場合がある。より好ましい中間熱処理温度の下限は610℃以上である。一方で、中間熱処理の温度が670℃を上回ると、過剰にオーステナイト変態が進行する。その結果、オーステナイトの安定化が不十分になり、体積分率で2.0%以上のオーステナイト相を確保することができなくなったり、有効結晶粒径を12.0μm以下に制御できずに極低温靭性が低下することがある。より好ましい中間熱処理温度の上限は650℃以下である。中間熱処理の保持時間は20分〜180分が望ましい。中間熱処理時の冷却方法は、焼戻し脆化を避けるために水冷を行うことが望ましい。   The intermediate heat treatment is effective for reducing the effective crystal grain size contributing to the improvement of the cryogenic toughness and securing the austenite phase, and the heating temperature is preferably 560 ° C. or more and 670 ° C. or less. When the heating temperature of the intermediate heat treatment (intermediate heat treatment temperature) is less than 560 ° C., the austenite transformation is insufficient, the volume fraction of tempered martensite excessively tempered increases, and the base metal strength decreases. There is. On the other hand, when the intermediate heat treatment temperature is lower than 560 ° C., the effective crystal grain size may exceed 12.0 μm, and the cryogenic toughness may decrease. A more preferable lower limit of the intermediate heat treatment temperature is 610 ° C. or higher. On the other hand, when the temperature of the intermediate heat treatment exceeds 670 ° C., the austenite transformation proceeds excessively. As a result, stabilization of austenite becomes insufficient, it becomes impossible to secure an austenite phase with a volume fraction of 2.0% or more, or the effective crystal grain size cannot be controlled to 12.0 μm or less, so that the cryogenic temperature is low. Toughness may decrease. A more preferable upper limit of the intermediate heat treatment temperature is 650 ° C. or less. The holding time of the intermediate heat treatment is desirably 20 minutes to 180 minutes. As a cooling method during the intermediate heat treatment, it is desirable to perform water cooling in order to avoid temper embrittlement.

焼戻しも、オーステナイト相の確保に有効であり、加熱温度は480℃以上、570℃以下が好ましい。焼戻しの加熱温度(焼戻し温度)が480℃を下回ると、オーステナイト相を体積分率で2.0%以上確保することができなくなり、極低温靭性が不足する場合がある。より好ましい焼戻し温度の下限は520℃以上である。一方で、焼戻し温度の上限が570℃を上回ると、室温でのオーステナイト相が体積分率で20.0%を超えてしまい、これを−253℃まで冷却すると一部のオーステナイトが高Cマルテンサイトに変態し、極低温靭性を低下させる場合がある。このため焼戻し温度の上限は好ましくは570℃以下であり、より好ましくは560℃以下である。焼戻しの保持時間は20分〜180分が望ましい。焼戻し時の冷却方法は、焼戻し脆化を避けるために水冷を行うことが望ましい。   Tempering is also effective for securing the austenite phase, and the heating temperature is preferably 480 ° C or higher and 570 ° C or lower. When the tempering heating temperature (tempering temperature) is lower than 480 ° C., the austenite phase cannot be secured in a volume fraction of 2.0% or more, and the cryogenic toughness may be insufficient. A more preferable lower limit of the tempering temperature is 520 ° C. or more. On the other hand, when the upper limit of the tempering temperature exceeds 570 ° C., the austenite phase at room temperature exceeds 20.0% in volume fraction, and when this is cooled to −253 ° C., some austenite becomes high C martensite. May transform to low temperature toughness. Therefore, the upper limit of the tempering temperature is preferably 570 ° C. or less, more preferably 560 ° C. or less. The holding time for tempering is desirably 20 minutes to 180 minutes. As a cooling method during tempering, it is desirable to perform water cooling to avoid temper embrittlement.

以上説明したように本発明によれば、液体水素タンク用途として十分な極低温靭性を有すると共に、室温において高い降伏応力を有する液体水素用Ni鋼を得ることができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain Ni steel for liquid hydrogen having a cryogenic toughness sufficient for a liquid hydrogen tank and having a high yield stress at room temperature.

本発明の液体水素用Ni鋼を液体水素タンクに使用すれば、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、タンク用鋼板の板厚を薄くすることが可能となる。このため、本発明により、液体水素タンクの大型化や軽量化、体積に対する表面積が小さくなることによる防熱性能の向上、タンクの敷地の有効利用や液体水素運搬船の燃費向上などが可能となる。また、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して、本発明の液体水素用Ni鋼は熱膨張係数が小さいため、大型タンクの設計が複雑なものとならずタンク製造コストが低減できる。このように、本発明は産業上の貢献が極めて顕著である。   If the Ni steel for liquid hydrogen of the present invention is used for a liquid hydrogen tank, the steel plate for the tank can be made thinner than the austenitic stainless steel. Therefore, according to the present invention, it is possible to increase the size and weight of the liquid hydrogen tank, improve the heat insulation performance by reducing the surface area with respect to the volume, effectively use the tank site, and improve the fuel efficiency of the liquid hydrogen carrier. In addition, since the Ni steel for liquid hydrogen of the present invention has a small coefficient of thermal expansion compared to austenitic stainless steel, the design of a large tank is not complicated and the tank manufacturing cost can be reduced. As described above, the industrial contribution of the present invention is extremely remarkable.

以下に本発明の実施例を示すが、以下に示す実施例は本発明の一例であり、本発明は以下に説明する実施例に制限されるものではない。   Examples of the present invention will be described below. However, the following examples are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the examples described below.

転炉により鋼を溶製し、連続鋳造により厚さが150mm〜400mmのスラブを製造した。表1、表2に鋼材A1〜A25の化学成分を示す。これらのスラブを加熱し、制御圧延を行い、そのまま水冷し、中間熱処理、焼戻しの熱処理を施して鋼板を製造した。熱間圧延の加熱の保持時間は30〜120分、中間熱処理、焼戻しの熱処理の保持時間は20〜60分とした。鋼板から試料を採取し、金属組織、引張特性、靭性を評価した。   Steel was melted by a converter and a slab having a thickness of 150 mm to 400 mm was manufactured by continuous casting. Tables 1 and 2 show chemical components of the steel materials A1 to A25. These slabs were heated, subjected to controlled rolling, cooled with water as they were, and subjected to intermediate heat treatment and tempering heat treatment to produce steel sheets. The holding time of the hot rolling heating was 30 to 120 minutes, and the holding time of the intermediate heat treatment and tempering heat treatment was 20 to 60 minutes. Samples were taken from the steel plates and evaluated for metal structure, tensile properties, and toughness.

Figure 2018104793
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Figure 2018104793
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旧オーステナイトの粒径は板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面として測定した。旧オーステナイトの粒径は、JIS G 0551に準拠して行った。まず、試料の観察面をピクリン酸飽和水溶液で腐食し、旧オーステナイト粒界を現出させた後、走査型電子顕微鏡で1000倍あるいは2000倍で5視野以上の写真を撮影した。組織写真を用いて、旧オーステナイト粒界を同定した後に、少なくとも20個の旧オーステナイト粒につき円相当粒径(直径)を画像処理により求め、これらの平均値を旧オーステナイトの粒径とした。   The grain size of the prior austenite was measured using the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. The particle size of the prior austenite was performed in accordance with JIS G 0551. First, the observation surface of the sample was corroded with a picric acid saturated aqueous solution to reveal the prior austenite grain boundaries, and then photographs of five fields or more were taken with a scanning electron microscope at 1000 times or 2000 times. After identifying the prior austenite grain boundaries using the structure photograph, the equivalent-equivalent particle diameter (diameter) of at least 20 prior austenite grains was determined by image processing, and the average value of these was used as the prior austenite grain size.

また、本発明鋼では旧オ−ステナイトの粒界が破壊しにくいよう、旧オーステナイト粒径の細粒化やP含有量の抑制などを実施するため、旧オーステナイト粒界を腐食により同定しにくいことがある。このような場合、450℃〜460℃に加熱後、1時間以上保持する熱処理を施した後、上述の方法で旧オーステナイト粒径を測定した。   In addition, in the steel of the present invention, the prior austenite grain boundaries are difficult to identify due to corrosion in order to reduce the prior austenite grain size and to suppress the P content so that the prior austenite grain boundaries are not easily destroyed. There is. In such a case, after heating to 450 ° C. to 460 ° C., a heat treatment for holding for 1 hour or more was performed, and then the prior austenite particle size was measured by the method described above.

また、450℃〜460℃での熱処理を行っても旧オーステナイト粒界の同定が難しい場合は、熱処理後のサンプルからシャルピー試験片を採取し、−196℃で衝撃試験を行い、旧オーステナイト粒界で破壊させたサンプルを使用した。この場合は、圧延方向に平行な面(L面)で破面の断面を作製し、腐食後、走査型電子顕微鏡で板厚中心部の破面断面の旧オーステナイト粒界を同定し、旧オーステナイト粒径を測定した。熱処理によって旧オーステナイト粒界を脆化させると、シャルピー試験時の衝撃荷重で旧オーステナイト粒界に微小なクラックが生じるため、旧オーステナイト粒界が同定しやすくなる。   In addition, when it is difficult to identify the prior austenite grain boundaries even after heat treatment at 450 ° C. to 460 ° C., a Charpy test piece is taken from the heat-treated sample, subjected to an impact test at −196 ° C., and the former austenite grain boundaries. The sample destroyed by using was used. In this case, a cross-section of the fracture surface is prepared by a plane parallel to the rolling direction (L-plane), and after corrosion, the old austenite grain boundary of the fracture surface cross-section at the center of the plate thickness is identified with a scanning electron microscope. The particle size was measured. When the prior austenite grain boundaries are embrittled by heat treatment, minute cracks are generated in the prior austenite grain boundaries due to the impact load during the Charpy test, so that the prior austenite grain boundaries are easily identified.

旧オーステナイト粒のアスペクト比は、上述のようにして同定した旧オーステナイト粒界の長さの最大値(圧延方向の長さ)と、最小値(厚み方向の厚さ)との比として求めた。少なくとも20個の旧オーステナイト粒のアスペクト比を測定し、それらの平均値を旧オーステナイト粒のアスペクト比とした。旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比は、粒径が2μm以下の旧オーステナイト粒を除外して測定した。   The aspect ratio of the prior austenite grains was determined as a ratio between the maximum value (length in the rolling direction) and the minimum value (thickness in the thickness direction) of the length of the prior austenite grain boundary identified as described above. The aspect ratio of at least 20 prior austenite grains was measured, and the average value thereof was taken as the aspect ratio of the prior austenite grains. The particle size and aspect ratio of prior austenite were measured by excluding prior austenite grains having a particle size of 2 μm or less.

オーステナイト相の体積分率は、板厚中心部につき板面に平行なサンプルを採取してX線回折法で測定した。オーステナイト相の体積分率は、X線ピークのオーステナイト(面心立方構造)と焼戻しマルテンサイト(体心立方構造)との積分強度の比から求めた。   The volume fraction of the austenite phase was measured by the X-ray diffraction method by collecting a sample parallel to the plate surface at the center of the plate thickness. The volume fraction of the austenite phase was determined from the ratio of the integrated intensities of the austenite (face centered cubic structure) of the X-ray peak and the tempered martensite (body centered cubic structure).

有効結晶粒径は板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面とし、走査型電子顕微鏡に付属のEBSD解析装置を用いて行った。倍率2000倍で5視野以上の観察を行い、15°以上の方位差を有する金属組織の境界を粒界と見なし、この粒界で囲まれた結晶粒を有効結晶粒として、それらの面積から円相当粒径(直径)を画像処理により求め、それらの円相当粒径の平均値を有効結晶粒径とした。   The effective crystal grain size was measured using an EBSD analyzer attached to the scanning electron microscope with the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. Observe at least 5 fields of view at a magnification of 2000 times, consider the boundary of the metal structure having an orientation difference of 15 ° or more as a grain boundary, and use the crystal grain surrounded by this grain boundary as an effective crystal grain, from the area to the circle The equivalent particle diameter (diameter) was determined by image processing, and the average value of the equivalent circle particle diameters was taken as the effective crystal particle diameter.

強度(降伏応力及び引張強さ)は、圧延方向に平行な方向(L方向)を長手方向とするJIS Z 2241に規定の1A号全厚引張試験片を採取し、JIS Z 2241に規定の方法で室温にて評価した。降伏応力の目標値は590MPa以上、710MPa以下であり、引張強さの目標値は690MPa以上、810MPa以下である。降伏応力は下降伏応力としたが、明瞭な下降伏応力が見られない場合も多く、その場合は降伏応力を0.2%耐力とした。   The strength (yield stress and tensile strength) is a method specified in JIS Z 2241 by collecting a No. 1A full-thickness tensile test piece specified in JIS Z 2241 whose longitudinal direction is parallel to the rolling direction (L direction). At room temperature. The target value of yield stress is 590 MPa or more and 710 MPa or less, and the target value of tensile strength is 690 MPa or more and 810 MPa or less. Although the yield stress was a yield stress, there were many cases where no clear yield stress was observed, in which case the yield stress was 0.2% proof stress.

極低温靭性は、鋼板の板厚が31mm以下では表裏面を各0.5mmずつ研削した全厚のCT試験片を、鋼板の板厚が31mmを超える場合は、板厚中心部から厚さ30mmのCT試験片を、圧延方向に直角の方向(C方向)に採取し、液体水素中(−253℃)にて、ASTM規格E1820−13に規定の除荷コンプライアンス法に従いJ−Rカーブを作成し、J値をKIC値に換算した。極低温靭性の目標値は150MPa・√m以上である。 Cryogenic toughness is a thickness of 30 mm from the center of the plate thickness when the plate thickness of the steel plate exceeds 31 mm. CT specimens were collected in a direction perpendicular to the rolling direction (C direction), and a JR curve was prepared in liquid hydrogen (−253 ° C.) in accordance with the unloading compliance method defined in ASTM standard E1820-13. The J value was converted into a K IC value. The target value of the cryogenic toughness is 150 MPa · √m or more.

表3、表4に表1および表2の鋼材A1〜A25の化学成分を有するスラブを用いて製造した鋼材(製造条件No.1〜30)で製造した鋼材の板厚、製造方法、母材特性、金属組織を示す。   Tables 3 and 4 show steel plate thicknesses, manufacturing methods, and base materials manufactured using steel materials (manufacturing conditions No. 1 to 30) manufactured using slabs having chemical components of steel materials A1 to A25 of Tables 1 and 2. The characteristics and metal structure are shown.

Figure 2018104793
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Figure 2018104793
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表3、表4から明らかな通り、No.1〜14の鋼材は室温での降伏応力、室温での引張強さ及び、−253℃での極低温靭性が、目標値を満足している。
表3の製造条件No.9の鋼材は、熱間圧延時の加熱温度が好ましい範囲の上限であり、オーステナイト相が多くなり、強度と靭性とのバランスがやや劣っている。
製造条件No.10の鋼材は、中間熱処理温度が好ましい範囲より高く、オーステナイト相が少なく、有効結晶粒径が大きくなっており、強度と靭性とのバランスがやや劣っている。
As is apparent from Tables 3 and 4, No. The steel materials 1 to 14 satisfy the target values of yield stress at room temperature, tensile strength at room temperature, and cryogenic toughness at -253 ° C.
Production condition No. in Table 3 In Steel No. 9, the heating temperature during hot rolling is the upper limit of the preferable range, the austenite phase increases, and the balance between strength and toughness is slightly inferior.
Manufacturing condition No. Steel No. 10 has an intermediate heat treatment temperature higher than the preferred range, a small austenite phase, a large effective crystal grain size, and a slightly poor balance between strength and toughness.

これに対して、表4のNo.15の鋼材はC含有量が少なく、No.23はMo含有量が少ないため、いずれの鋼材においても室温での降伏応力及び引張強さが低く、極低温靭性が低下している。
No.18の鋼材はMn含有量が少ないため、極低温靭性が低下している。
No.16、17、19〜22、24の各鋼材は、それぞれ、C含有量、Si含有量、Mn含有量、P含有量、S含有量、Cr含有量、Al含有量が多く、極低温靭性が低下している。
No.25の鋼材は、Nb含有量及びB含有量が多く、旧オーステナイト粒のアスペクト比が大きくなり、また、有効結晶粒径も大きくなり、極低温靭性が低下している。
No.26の鋼材は、Ti含有量及びN含有量が多く、極低温靭性が低下している。
On the other hand, in Table 4, No. Steel No. 15 has a low C content. Since No. 23 has a low Mo content, the yield stress and tensile strength at room temperature are low in any steel material, and the cryogenic toughness is reduced.
No. Since the steel No. 18 has a low Mn content, the cryogenic toughness is lowered.
No. Each steel material of 16, 17, 19-22, 24 has a lot of C content, Si content, Mn content, P content, S content, Cr content, Al content, and cryogenic toughness. It is falling.
No. Steel No. 25 has a high Nb content and B content, an increased aspect ratio of prior austenite grains, an increased effective crystal grain size, and a reduced cryogenic toughness.
No. The steel material No. 26 has a large Ti content and an N content, and the cryogenic toughness is lowered.

No.27〜30の各鋼材は、好ましい範囲から逸脱する製造条件を採用した例である。
No.27の鋼材は、圧延時の加熱温度が高く、旧オーステナイト粒の粒径が大きくなり、また、有効結晶粒径も大きくなり、極低温靭性が低下している。
No.28の鋼材は、950℃以下での圧下率が低く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、また、有効結晶粒径も大きくなり、極低温靭性が低下している。また、旧オーステナイト粒のアスペクト比が小さくなり、室温での降伏応力及び引張強さが低下している。
No.29の鋼材は、圧延終了温度が高く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、また、有効結晶粒径も大きくなり、極低温靭性が低下している。また、旧オーステナイト粒のアスペクト比が小さくなり、室温での降伏応力及び引張強さが低下している。
No.30の鋼材は、熱間圧延の圧延終了温度が低く、旧オーステナイト粒のアスペクト比が大きくなり、極低温靭性が低下している。
No. Each of the steel materials 27 to 30 is an example in which manufacturing conditions deviating from a preferable range are adopted.
No. Steel No. 27 has a high heating temperature during rolling, the grain size of prior austenite grains is increased, the effective crystal grain size is also increased, and the cryogenic toughness is reduced.
No. Steel No. 28 has a low rolling reduction at 950 ° C. or lower, a large prior austenite grain size, a large effective crystal grain size, and low cryogenic toughness. Further, the aspect ratio of the prior austenite grains is reduced, and the yield stress and tensile strength at room temperature are reduced.
No. Steel No. 29 has a high rolling end temperature, a large prior austenite grain size, a large effective crystal grain size, and low cryogenic toughness. Further, the aspect ratio of the prior austenite grains is reduced, and the yield stress and tensile strength at room temperature are reduced.
No. Steel No. 30 has a low rolling end temperature of hot rolling, an aspect ratio of prior austenite grains is increased, and cryogenic toughness is reduced.

Claims (4)

質量%で、
C:0.030%以上、0.070%以下、
Si:0.03%以上、0.30%以下、
Mn:0.10%以上、0.80%以下、
Ni:12.5%以上、15.4%以下、
Mo:0.03%以上、0.60%以下、
Al:0.010%以上、0.060%以下、
N:0.0015%以上、0.0060%以下及び
O:0.0007%以上、0.0030%以下
を含有し、
P:0.008%以下、
S:0.0040%以下、
Cu:1.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0.080%以下、
Ti:0.020%以下、
B:0.0020%以下、
Ca:0.0040%以下及び
REM:0.0050%以下
に制限し、
残部がFe及び不純物からなり、
旧オーステナイト粒の粒径が3.0μm以上、20.0μm以下、アスペクト比が3.0以上、10.0以下であることを特徴とする、液体水素用Ni鋼。
% By mass
C: 0.030% or more, 0.070% or less,
Si: 0.03% or more, 0.30% or less,
Mn: 0.10% or more, 0.80% or less,
Ni: 12.5% or more, 15.4% or less,
Mo: 0.03% or more, 0.60% or less,
Al: 0.010% or more, 0.060% or less,
N: 0.0015% or more, 0.0060% or less and O: 0.0007% or more, 0.0030% or less,
P: 0.008% or less,
S: 0.0040% or less,
Cu: 1.00% or less,
Cr: 1.00% or less,
Nb: 0.020% or less,
V: 0.080% or less,
Ti: 0.020% or less,
B: 0.0020% or less,
Ca: 0.0040% or less and REM: 0.0050% or less,
The balance consists of Fe and impurities,
A Ni steel for liquid hydrogen, wherein the prior austenite grains have a particle size of 3.0 μm or more and 20.0 μm or less and an aspect ratio of 3.0 or more and 10.0 or less.
体積分率で2.0%以上、20.0%以下のオーステナイト相を含有する
ことを特徴とする、請求項1に記載の液体水素用Ni鋼。
2. The Ni steel for liquid hydrogen according to claim 1, comprising an austenite phase having a volume fraction of 2.0% or more and 20.0% or less.
有効結晶粒径が2.0μm以上、12.0μm以下
であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の液体水素用Ni鋼。
3. The Ni steel for liquid hydrogen according to claim 1, wherein an effective crystal grain size is 2.0 μm or more and 12.0 μm or less.
板厚が、12mm以上、40mm以下、
室温での降伏応力が、590MPa以上、710MPa以下、
室温での引張強さが、690MPa以上、810MPa以下
であることを特徴とする、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の液体水素用Ni鋼。
The plate thickness is 12 mm or more and 40 mm or less,
Yield stress at room temperature is 590 MPa or more, 710 MPa or less,
The Ni steel for liquid hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein the tensile strength at room temperature is 690 MPa or more and 810 MPa or less.
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