JP2022505860A - 極低温靭性及び延性に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】極低温靭性及び延性に優れた引張強度７００ＭＰａ級の低温圧力容器用鋼板及びその製造方法を提供する。
【解説手段】本発明の極低温靭性及び延性に優れた低温圧力容器用鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：４．０～５．０％、Ｉｎ：０．００１～０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、鋼の微細組織が１５～８０面積％の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトからなることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、低温用圧力容器、船舶、貯蔵タンク、構造用鋼などに用いられる鋼板及びその製造方法に係り、より詳細には、極低温靭性及び延性に優れた引張強度７００ＭＰａ級の低温圧力容器用鋼板及びその製造方法に関するものである。
低温用高強度厚板鋼材は、焼戻しマルテンサイト（Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）組織、残留オーステナイト（Ｒｅｔａｉｎｅｄ Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）及び焼戻しベイナイト組織の混合組織からなり、かかる鋼材は、施工時の極低温用構造材として用いられることから、極低温靭性及び延性が要求されている。
一方、このように、極低温用高強度構造用鋼材は、優れた極低温靭性及び延性が要求されるが、従来、通常のＮＯＭＡＬＩＺＩＮＧ処理によって製造された高強度熱延鋼材はフェライト及びパーライトの混合組織を有しており、その一例として特許文献１に記載された発明が挙げられる。
特許文献１は、重量％で、Ｃ：０．０８～０．１５％、Ｓｉ：０．２～０．３％、Ｍｎ：０．５～１．２％、Ｐ：０．０１～０．０２％、Ｓ：０．００４～０．００６％、Ｔｉ：０％超過～０．０１％以下、Ｍｏ：０．０５～０．１％、Ｎｉ：３．０～５．０％、残りのＦｅ及びその他の不可避不純物で組成されることを特徴とする５００ＭＰａ級ＬＰＧ用高強度鋼材を開示しており、その鋼組成成分においてＮｉ及びＭｏを添加することを特徴としている。
しかしながら、特許文献１に記載された発明は、通常のＮＯＭＡＬＩＺＩＮＧによって製造された鋼材であるため、たとえ、Ｎｉなどを添加しても、鋼材の極低温靭性及び延性が十分でないという問題がある。
したがって、低温用圧力容器、船舶、貯蔵タンク、構造用鋼などに用いられる高強度厚鋼板において、極低温靭性及び延性に優れた高強度鋼材の開発に対する要求が高まっている。
大韓民国特許公開公報第２０１２－００１１２８９号
本発明の目的とするところは、上記従来技術の問題点を解決するためのものであり、冷却及び熱処理工程を制御することによって製造される鋼材の組織を焼戻しベイナイト及び焼戻しマルテンサイトの混合組織とすることで、引張強度７００ＭＰａ級を確保することができる低温用圧力容器鋼板及びその製造方法を提供することにある。
しかしながら、本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は、下記記載から当業者が明確に理解することができる。
本発明の極低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器鋼板は、
重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：４．０～５．０％、Ｉｎ：０．００１～０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、
鋼の微細組織が１５～８０面積％の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトからなることを特徴とする。
上記Ｉｎを０．０５～０．０８重量％の範囲で含有することが好ましい。
また、本発明の極低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器用鋼板の製造方法は、
重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：４．０～５．０％、Ｉｎ：０．００１～０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる鋼スラブを１０５０～１２５０℃で再加熱する工程、
上記再加熱された鋼板をパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延し、８００℃以上の温度で圧延を終了する熱間圧延工程、
上記熱間圧延された鋼板を熱間圧延した後、３０秒以内に２．５～５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１次冷却する工程、
上記１次冷却された鋼材を６９０～７６０℃で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間中間熱処理した後、２．５～５０℃／ｓｅｃの冷却速度で２次冷却する工程、及び
上記２次冷却された鋼材を６００～６７０℃の区間で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分
［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間焼戻しする工程、を含むことを特徴とする。
上記焼戻し工程で得られた鋼の微細組織は、１５～８０面積分率（％）の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトからなることができる。
本発明によると、本発明の靭性及び延性に優れた低温用圧力容器鋼板は、引張強度７００ＭＰａ級を満たしながら－１５０℃程度の低温で安定して使用が可能であり、さらに、この靭性及び延性に優れた低温用圧力容器鋼板を効果的に提供することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明の低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：４．０～５．０％、Ｉｎ：０．００１～０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる。具体的な鋼組成成分及びその成分の制限事由は以下のとおりであり、以下の鋼組成成分の説明における％は、重量％を意味する。
Ｃ：０．０５～０．１５％
本発明では、鋼板のうちＣ含有量を０．０５～０．１５％の範囲に制限することが好ましい。Ｃ含有量が０．０５％未満の場合には、基地相自体の強度が低下し、０．１５％を超える場合には、鋼板の溶接性を大きく損なうためである。
Ｓｉ：０．２０～０．４０％
Ｓｉは脱酸効果、固溶強化効果及び衝撃遷移温度の上昇効果のために添加される成分であって、このような効果を達成するためには、０．２０％以上添加することが好ましい。しかしながら、０．４０％を超えて添加すると、溶接性が低下し、鋼板表面に酸化皮膜が過度に形成されるため、その含有量を０．２０～０．４０％に制限することが好ましい。
Ｍｎ：０．３～０．６％
ＭｎはＳと共に延伸した非金属介在物であるＭｎＳを形成して、常温延伸率及び低温靭性を低下させるため、０．６％以下に管理することが好ましい。しかしながら、本発明の成分特性上、Ｍｎが０．３％未満になると、適切な強度を確保することが難しいため、Ｍｎ添加量は０．３～０．６％に制限することが好ましい。
Ａｌ：０．００１～０．０５％
ＡｌはＳｉと同様に製鋼工程における強力な脱酸剤の一つであって、０．００１％未満であると、その効果が僅かであり、０．０５％を超えて添加する際には製造原価が増加するため、その含有量を０．００１～０．０５％に限定することが好ましい。
Ｐ：０．０１２％以下
Ｐは低温靭性を損なう元素であるが、製鋼工程で除去するには過度の費用がかかるため、０．０１２％以下の範囲内に管理するのが好ましい。
Ｓ：０．０１５％以下
ＳもＰと同様に低温靭性に悪影響を与える元素であるが、Ｐと同様に製鋼工程で除去するには過度の費用がかかる可能性があるため、０．０１５％以下の範囲内に管理することが好ましい。
Ｎｉ：４．０～５．０％
Ｎｉは低温靭性の向上に最も効果的な元素である。しかしながら、その添加量が４．０％未満であると、低温靭性の低下をもたらし、５．０％を超えて添加すると、製造費用の増加をもたらすため、４．０～５．０％の範囲内で添加することが好ましい。
Ｉｎ：０．００１～０．１％
本発明において、Ｉｎは低融点金属であって、延性を増加させる重要な元素である。しかしながら、その添加量が０．００１％未満であると、添加による効果が期待できず、０．１％を超えて添加すると、連鋳過程で粗大な析出物として現れ、低温靭性を損なう可能性があるため、０．００１～０．１％に制限することが好ましい。
上記Ｉｎは、０．０５～０．０８％の範囲で添加することがより好ましい。
一方、本発明の鋼板は、その鋼の微細組織が２５～８０面積％の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトからなっている。焼戻しベイナイト分率が１５％未満であると、焼戻しマルテンサイトの量が過大になり鋼板の低温靭性が劣化する虞がある。一方、８０％を超えると、目的とする鋼板の強度を確保することが難しくなる。
上述のような鋼組成成分及び微細組織を有する鋼板は、引張強度７００ＭＰａ級を効果的に維持することができるだけでなく、優れた延性及び低温靭性を有することができる。
次に、本発明の優れた延性及び低温靭性を有する低温用圧力容器用鋼板の製造方法を説明する。
本発明に係る圧力容器用鋼材は、本発明で提案する合金組成を満たす鋼スラブを［再加熱－熱間圧延及び冷却－熱処理及び冷却－焼戻し］工程を経て製造することができ、以下では、上記各工程条件について詳細に説明する。
鋼スラブ再加熱
まず、本発明では上述した合金組成を満たす鋼スラブを１０５０～１２５０℃の温度範囲で再加熱することが好ましい。このとき、再加熱温度が１０５０℃未満であると、溶質原子の固溶が困難であり、これに対し、１２５０℃を超えると、オーステナイト結晶粒の大きさが過度に粗大となり、鋼の物性を損なうため好ましくない。
熱間圧延及び１次冷却
続いて、本発明では、上記再加熱された鋼スラブを熱間圧延して熱延鋼板を製造する。このとき、上記熱間圧延は、パス当たりの圧下率５～３０％で行うことが好ましい。
上記熱間圧延時のパス当たりの圧下率が５％未満であると、圧延生産性の低下により製造費用が増加する虞がある。一方、３０％を超えると、圧延機に負荷を発生させ、設備に致命的な悪影響を与える可能性があるため好ましくない。圧延終了は８００℃以上の温度で圧延を終了することが好ましい。８００℃未満の温度まで圧延すると圧延機の負荷をもたらすため好ましくない。
そして、熱間圧延後３０秒以内に２．５～５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１次冷却（水冷）する工程を経る。熱間圧延後冷却する前に３０秒を超えると、鋼板の温度が過度に低くなり、焼入れ性が低くなることで、所望のベイナイト＋マルテンサイト組織を得ることができない。また、その冷却速度が２．５℃／ｓｅｃ未満であると、フェライト組織を得ることができ、５０℃／ｓｅｃを超える冷却速度を得るためには、必要以上の冷却設備を要するため好ましくない。
熱処理及び２次冷却
そして、上記１次冷却された熱延鋼板を一定温度で一定時間の間熱処理することが好ましい。具体的には、上記熱処理は６９０～７６０℃の温度範囲で｛（２．４×ｔ）＋（１０～３０）｝分（ここで、ｔは鋼板の厚さ（単位：ｍｍ）を意味する）の間維持することが好ましい。
上記熱処理時の温度が６９０℃未満であると、固溶溶質元素の再固溶が困難であり、目標とする強度の確保が難しく、一方、その温度が７６０℃を超えると、結晶粒の成長が起こり、低温靭性を損なう虞がある。
上述した温度範囲で熱処理時の維持時間が｛（２．４×ｔ）＋１０｝分未満であると、組織の均質化が難しく、一方、｛（２．４×ｔ）＋３０｝分を超えると、生産性を阻害するため好ましくない。
続いて、本発明では、上記熱処理された熱延鋼板を２．５～５０℃／ｓの冷却速度で常温まで２次冷却（水冷）することが好ましい。
上記冷却時の冷却速度が２．５℃／ｓ未満であると、粗大なフェライト結晶粒が生成する虞があり、上記冷却速度が５０℃／ｓを超えると、過度の冷却設備により経済性が損なわれるため好ましくない。
焼戻し
後続して、本発明では、上記２次冷却された熱延鋼板を６００～６７０℃の区間で｛（２．４×ｔ）＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間焼戻しを実施する。上記焼戻し処理時の温度が６００℃未満であると、微細な析出物の析出が困難であり、目標とする強度の確保が難しく、これに対し、６７０℃を超えると、析出物の成長が起こり、強度及び低温靭性を阻害する虞がある。
上述した温度範囲で焼戻し処理時の維持時間が｛（２．４×ｔ）＋１０｝分未満であると、組織の均質化が難しく、これに対し、｛（２．４×ｔ）＋３０｝分を超えると、生産性を阻害するため好ましくない。
上記焼戻し工程で得られた鋼の微細組織は、１５～８０面積分率（％）の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトからなることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
下記表１のような組成成分を有する鋼スラブをそれぞれ用意した後、これらの鋼スラブを１０５０～１２５０℃の温度範囲で再加熱した。そして、このように再加熱されたそれぞれの鋼板をパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延し、このときの熱間圧延の終了温度は、表２のように制御した。そして、熱間圧延されたそれぞれの鋼板を熱間圧延した後３０秒以内に、表２の条件で１次冷却し、この後、表２の条件で熱処理を実施した。後続して、上記熱処理された熱延鋼板は常温に２次冷却し、続いて、２次冷却された鋼板に表２に示した条件で焼戻しを実施した。
上記のように製造された鋼板に対して降伏強度、引張強度及び低温靭性を評価し、その結果を下記表２に併せて示した。一方、下記表２における低温靭性は、－１５０℃でＶノッチを有する試験片をシャルピー衝撃試験を行って得られたシャルピー衝撃エネルギー値で評価した結果である。そして、引張強度及び降伏強度の測定のための引張試験は、ＡＳＴＭ Ａ２０、Ａ３７０、及びＥ８に基づいて実施した。
Figure 2022505860000001
Figure 2022505860000002
表２におけるＡ＊は熱間圧延の終了温度（℃）、Ｂ＊は１次冷却（水冷）速度（℃／ｓ）、Ｃ＊は熱処理温度（℃）、Ｄ＊は熱処理時間（ｍｉｎ）、Ｅ＊は焼戻し温度（℃）、Ｆ＊は焼戻し時間（ｈｒ）、Ｇ＊は焼戻しベイナイト分率（％）、そしてＨ＊は－１５０℃の衝撃靭性値（Ｊ）を示す。
上記表１及び２に示したように、鋼組成成分及び製造工程の条件が本発明の範囲を満たす発明例１～６の場合には、焼戻し処理後の面積分率で１５～８０％の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイト組織を得ることができ、降伏強度及び引張強度が比較例１～６に比べてそれぞれ約１００ＭＰａ及び８０ＭＰａ程度優れながらも延伸率も１０％以上、－１５０℃の低温靭性も１００Ｊ以上優れることが分かる。
これに対し、鋼組成成分は、本発明の範囲を満たすが、製造工程の条件が本発明の範囲から外れた比較例１及び２と、鋼の製造工程の条件は本発明の範囲内であるが、鋼組成成分が本発明の範囲から外れた比較例２～４は、好ましい微細組織の確保及び所望物性の確保が困難であることが分かる。
さらに、鋼組成成分だけでなく、製造工程の条件が本発明の範囲から外れた比較例５及び６においても、好ましい微細組織の確保及び所望物性の確保が困難であることを確認することができる。
以上で説明したとおり、本発明の詳細な説明では、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変形が可能であることはもちろんである。したがって、本発明の権利範囲は、説明された実施例に限定されてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、これと均等なものによって定められなければならない。

Claims (5)

  1. 重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：４．０～５．０％、Ｉｎ：０．００１～０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、
    鋼の微細組織が１５～８０面積％の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトからなることを特徴とする極低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器鋼板。
  2. 前記Ｉｎを０．０５～０．０８重量％の範囲で含有することを特徴とする請求項１に記載の極低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器鋼板。
  3. 重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：４．０～５．０％、Ｉｎ：０．００１～０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる鋼スラブを１０５０～１２５０℃で再加熱する工程、
    前記再加熱された鋼板をパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延し、８００℃以上の温度で圧延を終了する熱間圧延工程、
    前記熱間圧延された鋼板を熱間圧延した後３０秒以内に２．５～５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１次冷却する工程、
    前記冷却された鋼材を６９０～７６０℃で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間中間熱処理した後、２．５～５０℃／ｓｅｃの冷却速度で２次冷却する工程、及び
    前記２次冷却された鋼材を６００～６７０℃の区間で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間焼戻しする工程、を含むことを特徴とする極低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器用鋼板の製造方法。
  4. 前記焼戻し工程で得られた鋼の微細組織は、１５～８０面積分率（％）の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトからなることを特徴とする請求項３に記載の極低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器用鋼板の製造方法。
  5. 前記Ｉｎを０．０５～０．０８重量％の範囲で含有することを特徴とする請求項３に記載の極低温靭性及び延性に優れた低温用圧力容器鋼板の製造方法。
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