JP2023057907A - 鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1では、Ni:5.0超~10.0%未満と所定量のC、Si、Mn、Alとを含有する、極低温用厚鋼板が開示されている。そして、特許文献1に開示の厚鋼板では、板厚6~50mmに亘り、単位面積当たりの吸収エネルギーvE-196の平均値が1.25J/mm2以上である。
(a)上記した吸収エネルギーの低下は、Mnの濃化域と希薄域との形成により、発生する破面に垂直で圧延面に平行な割れ(ここでは、セパレーションとも呼ぶ)の発生に起因すること。
(b)上記した脆性亀裂発生は、Mn濃化域や、特にそこで生成しやすい不安定なオーステナイト(以下、γとも示す)に由来すること。
(c)吸収エネルギーを安定して高めるには、Mnを0.20%未満に制限し、バンド状に生成するMn濃化域の濃度を下げ、Mn偏析バンド起因のセパレーションの発生を低減すること。
(d)脆性亀裂発生を低減するには、低温域でのシャルピー吸収エネルギーを確保することに加えて、Mn量を制限し、バンド状に生成するMn濃化域の濃度を下げつつ、その発生原因となるγの生成を抑制すること。
[1]質量%で、
C:0.01%以上0.15%以下、
Si:0.01%以上0.50%以下、
Mn:0.05%以上0.20%未満、
Ni:6.0%以上7.5%以下、
Cr:0.01%以上1.00%以下、
Mo:0.01%以上0.50%以下、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0010%以上0.0080%以下および
Al:0.008%以上0.100%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における残留オーステナイトの量が1.7%未満である、鋼板。
Cu:0.40%以下、
Nb:0.05%以下、
V:0.05%以下、
Ti:0.03%以下および
B:0.0030%以下
から選択される1または2以上を含有する、前記[1]に記載の鋼板。
Ca:0.007%以下、
REM:0.010%以下および
Mg:0.070%以下
から選択される1または2以上を含有する、前記[1]または[2]に記載の鋼板。
本発明の鋼板は、所定の成分組成を有する。また、本発明の鋼板の製造に用いる鋼素材も、上記所定の成分組成を有することが好ましい。以下、この成分組成に含まれる各元素について説明する。なお、特に断らない限り、本明細書において、各元素の含有量の単位としての「%」は「質量%」を意味する。
Cは、鋼板の強度を向上させる効果を有する元素である。この効果を得るために、C含有量は0.01%以上とする。好ましくは、0.03%以上である。一方、C含有量が0.15%を超えると、鋼板の極低温靭性が低下する。そのため、C含有量は0.15%以下とする。好ましくは、0.12%以下である。
Siは、鋼板の強度向上に寄与する元素であり、脱酸剤としての作用を有する元素でもある。これらの効果を発現させるために、Si含有量は0.01%以上とする。好ましくは、0.03%以上である。一方、Si含有量が過剰に高くなると、靭性が低下する。そのため、Si含有量は0.50%以下とする。好ましくは、0.30%以下である。
Mnは、鋼の焼き入れ性を高め、鋼板の高強度化に有効な元素である。この効果を得るため、Mnは0.05%以上で添加する。好ましくは、0.10%以上である。一方、Mnを0.20%以上で含有する場合、局所的にオーステナイトが生成する確率が上がり、吸収エネルギー等が低下する場合があるので、0.20%未満に制限する。
Niは、鋼板の極低温靭性の向上に極めて有効な元素である。そのためには、Ni含有量を6.0%以上とする。好ましくは、6.5%以上である。さらに好ましくは、7.0%以上である。一方で、Niは高価な元素であるため、その含有量が高くなるにつれて鋼板コストが高騰する。したがって、本発明においては、Ni含有量を7.5%以下とする。
Crは、極低温靭性を大きく損なうことなく鋼板の強度を向上させることができる元素である。上記の効果を得るには、Cr含有量を0.01%以上とする。好ましくは、0.30%以上である。しかし、Cr含有量が1.00%を超えると、鋼板の極低温靭性が低下する。そのため、Cr含有量は1.00%以下とする。好ましくは、0.80%以下である。
Moは、Crと同様に、極低温靭性を大きく損なうことなく鋼板の強度を向上させることができる元素である。そのためには、Mo含有量を0.01%以上とする。好ましくは、0.10%超である。一方、Mo含有量が0.50%を超えると、極低温靭性がかえって低下する。そのため、Mo含有量は0.50%以下とする。好ましくは、0.30%以下である。より好ましくは、0.25%以下である。
Pは、不可避的不純物であり、鋼板の極低温靭性に悪影響を及ぼす有害な元素である。例えば、鋼板を溶接して溶接構造物とした際に健全な母材および溶接継手を得るためには、Pの含有量を可能な限り低減することが好ましい。そのため、P含有量は0.03%以下に抑制する。また、極低温靭性の観点からは、P含有量は低ければ低いほどよいため、下限は特に限定されず、0%であってもよいが、その場合にも不可避不純物として含有することは許容される。一方、過度の低減はコスト増の原因となるため、コストの観点からは、P含有量の下限を0.001%とすることが好ましい。
Sは、鋼中でMnSを形成し極低温靭性を著しく劣化させるため、0.005%を上限とし、可能なかぎり低減することが望ましい。S含有量は、好ましくは0.002%以下とする。一方、S含有量は低ければ低いほどよいため、下限は特に限定されず、0%であってもよいが、その場合にも不可避不純物として含有することは許容される。
Nは、鋼中で析出物を形成し、その含有量が0.0080%を超えると、母材の靭性低下の原因となる。但し、Nは、AlNを形成することにより母材の細粒化に寄与する元素でもあり、このような効果はN含有量を0.0010%以上とすることにより得られる。したがって、N含有量は0.0010%以上0.0080%以下とする。N含有量は、好ましくは0.0020%以上である。好ましくは、0.0060%以下である。
Alは、脱酸剤に含まれる元素である。Al含有量が0.008%未満では脱酸剤としての効果が乏しい。また、Alは、AlNを形成することにより母材の細粒化に寄与する元素でもある。そのため、Al含有量を0.008%以上とする。好ましくは、0.020%以上とする。一方、Al含有量が0.100%を超えると、鋼の清浄性が損なわれ、靭性、特に極低温でのシャルピー吸収エネルギーが低下する。そのため、Al含有量は、0.100%以下とする。好ましくは、0.050%以下とする。
Cuは、焼入れ性向上により鋼板の強度を高める効果を有する元素である。しかし、Cu含有量が0.40%を超えると、鋼板の極低温靭性が低下することに加え、鋳造後の鋼(スラブ)表面の性状が悪化する。したがって、Cuを添加する場合、Cu含有量を0.40%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.30%以下とする。一方、Cu含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、Cu含有量を0.10%以上とすることが好ましい。
Nbは、析出強化により鋼板の強度を高める有効な元素である。しかし、Nb含有量が過剰に高くなると、鋼板の極低温靭性が低下する。そのため、Nbを添加する場合、Nb含有量を0.05%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.03%以下とする。一方、Nb含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、Nb含有量を0.010%以上とすることが好ましい。
Vは、Nb同様、析出強化により鋼板の強度を高める有効な元素である。しかし、V含有量が過剰に高くなると、鋼板の極低温靭性が低下する。そのため、Vを添加する場合、V含有量を0.05%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.04%以下とする。一方、V含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、V含有量を0.010%以上とすることが好ましい。
Tiは、鋼板を溶接して溶接構造物とする際、母材の機械的特性を低下させることなく溶接部の靭性を高める効果を有する元素である。そのためには、0.003%以上で添加することが好ましい。一方、0.03%を超えると、かえって靭性を低下させることになるため、Tiは0.03%以下の範囲で含有させることが好ましい。
Bは、微量添加で焼入れ性を高める元素である。この効果を有効に発揮させるために、Bを0.0003%以上で含有させることが好ましい。一方、Bの含有量が0.0030%を超えると、靭性が劣化する。このため、Bを含有させる場合は、その含有量を0.0030%以下とすることが好ましい。
Caは、鋼中の介在物の形態を制御することで鋼板の極低温靭性を向上させる効果を有する元素である。しかし、Caが過剰になると、鋼の清浄性を損なって極低温でのシャルピー吸収エネルギー(以下、シャルピー靭性ともいう)を低下させる。そのため、Caを添加する場合、Ca含有量を0.007%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.004%以下とする。一方、Ca含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、0.001%以上とすることが好ましい。
REM(希土類金属)は、Ca同様、鋼中の介在物の形態を制御することで鋼板の極低温靭性を向上させる効果を有する元素である。しかし、REMが過剰になると、鋼の清浄性を損ないシャルピー靭性が低下する。そのため、REMを添加する場合、REM含有量を0.010%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.008%以下とする。一方、REM含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、REM含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
ここで、REMとは、ランタノイドの15元素にYおよびScを合わせた17元素の総称であり、これらの元素を単独でまたは組み合わせて含有させることができる。なお、REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
Mgは、CaやREM同様、鋼中の介在物の形態を制御することで、鋼板の極低温靭性を向上させる作用を有する元素である。しかし、Mgが過剰になると、鋼の清浄性を損ない、シャルピー靭性が低下する。そのため、Mgを添加する場合、Mg含有量を0.070%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.004%以下とする。一方、Mg含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るにはMg含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
本発明の鋼板は、該鋼板の表面から板厚方向に板厚tの1/4の深さ位置(以下、1/4tともいう)における、残留オーステナイト(以下、γとも示す)量が1.7%未満である組織を有する。すなわち、残留γ量が1.7%以上であると、脆性亀裂が発生しやすくなる。
(引張強さ)
鋼板の引張強さの下限は、特に限定する必要はないが、下限を690MPaとすることが好ましい。より好ましくは、720MPa以上とする。一方、引張強さの上限についても特に限定する必要はないが、上限を930MPaとすることが好ましい。より好ましくは、900MPa以下とする。
なお、引張強さは、後述する実施例に記載した方法で測定することができる。
鋼板の靱性値は、特に限定する必要はないが、-196℃におけるシャルピー吸収エネルギー(vE-196℃)が、フルサイズシャルピー衝撃試験において200J以上であることが好ましい。一方、350J以下であることが好ましい。より好ましくは、280J以下である。また、ハーフサイズシャルピー衝撃試験においては、vE-196℃が100J以上であることが好ましい。一方、上限は、200J未満である。より好ましくは、150J以下である。
鋼板の脆性亀裂発生抑性能としては、CTOD試験において、急激な荷重低下が発生することなく、最大荷重点を迎えることが好ましい。
次に、本発明の鋼板を製造する方法について説明する。なお、以下の説明においては、特に断らない限り、温度は板厚中央の温度を指すものとする。板厚中央の温度は、例えば、放射温度計で測定した鋼板の表面温度から、伝熱計算により求めることができる。
すなわち、下記(1)~(4)の工程を順次行うことにより、本発明の鋼板を好適に製造することができる。
(1)鋼素材の加熱
(2)熱間圧延
(3)焼入れ(加速冷却)
(4)焼戻し
まず、上述した成分組成を有する鋼素材を、900℃以上1200℃以下の温度に加熱することが好ましい。鋼素材の製造方法は、とくに限定されないが、例えば、上述した成分組成を有する溶鋼を常法により溶製し、鋳造することにより製造できる。溶製は、転炉、電気炉、誘導炉等、任意の方法により行うことができる。また、鋳造は、生産性の観点から連続鋳造法で行うことが好ましいが、造塊-分解圧延法により行うこともできる。鋼素材としては、例えば、鋼スラブを用いることができる。
ここで、鋼素材の加熱は、鋳造などの方法によって得た鋼素材を一旦冷却した後に行ってもよいし、または、得られた鋼素材を冷却することなく直接、加熱に供してもよい。
[圧下率:870℃以下の累積圧下率が15~75%]
熱間圧延において、870℃以下のオーステナイト未再結晶温度域での、累積圧下率が15%未満であると、組織の微細化が十分におこらず、靭性が低下する。一方、累積圧下率が75%を超えると、下記の仕上げ温度での圧延が困難になる。そのため、870℃以下の累積圧下率を15~75%とする。好ましくは、30~70%である。
[最終圧延終了温度:700~830℃]
熱間圧延において、最終圧延終了温度が700℃未満であると、集合組織起因のセパレーションが発生しやすく、靭性が低下する。一方、最終圧延終了温度が830℃を超えると、未再結晶域での十分な圧下が困難となり、微細な組織が得られず、強度が低下する。なお、熱延鋼板の最終板厚は特に限定されないが、上述したように、6mm以上50mm以下とすることが好ましい。
上記熱間圧延後の熱延鋼板に直接、焼入れを行う。この直接焼入れは、鋼板の1/4tの位置における温度で600℃以下300℃以上の温度域における平均冷却速度が3℃/s以上であることが肝要である。
次いで、焼入れ後の熱延鋼板に対し、焼戻しを施す。焼戻し温度は、550℃以上Ac1点未満とする。焼戻し温度が550℃未満では、焼戻しが不十分でシャルピー靭性が低下する。また、焼戻し温度がAc1点以上になると、強度低下や、不安定なγが生成し、脆性亀裂発生抑制能が低下する。
AC1点(℃)=750.8-26.6×C+17.6×Si-11.6×Mn-22.9×Cu-23×Ni+24.1×Cr+22.5×Mo-39.7×V-5.7×Ti +232.4×Nb-169.4×Al ・・・(1)
ただし、上記(1)式中の元素記号は各元素の含有量(質量%)を表し、当該元素が含有されていない場合は0とする。
まず、表1に示す成分組成を有する溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法によって鋼素材としての鋼スラブ(厚さ:200mm)を製造した。なお、上述した(1)式によって求めたAC1点(℃)を表1に併記する。
各鋼板から、1/4tの位置が観察位置となるように、ミクロ組織観察用の試験片を採取した。この試験片を、圧延方向と垂直な断面が観察面となるよう樹脂に埋め、鏡面研磨した。次いで、ナイタール腐食を実施した後、倍率2000、10000倍の走査型電子顕微鏡で観察して組織の画像を撮影した。得られた画像を解析して、ミクロ組織を同定した。
各鋼板の1/4tの位置から板面に平行にX線回折用試験片を5枚採取し、液体窒素に30分浸漬後、1/4tの位置が測定面となるよう、試験片に研削および化学研磨を施し、X線回折に供した。対称反射X線回折パターンに現れるα-Feの(200)、(211)面、γ-Feの(200)、(220)、(311)面の回折強度を求め、γ-Feの体積率を算出し、5枚の試験片の平均値を求め、残留γ量(体積率)とした。
鋼板の1/4tの位置から、JIS4号引張試験片を採取した。この引張試験片を用い、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施して、鋼板の引張強さ(TS)を評価した。引張強さが690MPa以上であれば、高強度であり合格とした。
鋼板の1/4tの位置から、JIS Z 2202の規定に準拠してVノッチ試験片を採取した。このVノッチ試験片を用い、JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、-196℃におけるシャルピー吸収エネルギー(vE-196℃)を求めた。シャルピー吸収エネルギーは、鋼板の極低温靭性の指標と見なすことができる。シャルピー衝撃試験は、各鋼板の圧延方向の先端側、後端側および中央付近において、圧延方向に沿って3本の試験片を採取し、各試験片について測定を行った。個々の測定結果と平均値を表2に示す。このフルサイズのシャルピー衝撃試験において、各試験片のvE-196℃が200J以上であればシャルピー靭性に優れるものと評価し合格とした。
板厚が15mmの鋼板については板厚tの1/2の深さ位置(1/2t)から、それ以外の鋼板では1/4tの位置からISO 12135に準じた10×10×55mmの試験片を採取し、ISO 12135に準拠して実施した。試験温度は-165℃とした。試験にて不安定破壊(脆性破壊)しなかったものを合格とした。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.01%以上0.15%以下、
Si:0.01%以上0.50%以下、
Mn:0.05%以上0.20%未満、
Ni:6.0%以上7.5%以下、
Cr:0.01%以上1.00%以下、
Mo:0.01%以上0.50%以下、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0010%以上0.0080%以下および
Al:0.008%以上0.100%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における残留オーステナイトの量が1.7%未満である、鋼板。 - 前記成分組成は、さらに、質量%で、
Cu:0.40%以下、
Nb:0.05%以下、
V:0.05%以下、
Ti:0.03%以下および
B:0.0030%以下
から選択される1または2以上を含有する、請求項1に記載の鋼板。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、
Ca:0.007%以下、
REM:0.010%以下および
Mg:0.070%以下
から選択される1または2以上を含有する、請求項1または2に記載の鋼板。 - 請求項1から3のいずれかに記載の成分組成を有する、鋼素材に、870℃以下の累積圧下率が15~75%および最終圧延終了温度が鋼板表面温度で830~700℃である熱間圧延を行って鋼板とした後、該鋼板に、該鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における温度で600℃以下300℃以上の温度域における平均冷却速度が3℃/s以上および冷却終了温度が300℃以下である、焼入れを行って、550℃以上Ac1点未満の温度域に焼戻す、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における残留オーステナイトの量が1.7%未満である、鋼板の製造方法。
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