JP2917236B2 - 低温靱性に優れた９％Ｎｉ鋼の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低温靱性の極めて優れた
９％Ｎｉ鋼の製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エネルギー需要の増大および原子力の安
全性に対する危惧から、クリーンなエネルギー源として
天然ガスの需要が急増している。従って近年ＬＮＧ貯蔵
用タンクの建設が国内外で積極的に推進されており、タ
ンク建造に使用される９％Ｎｉ鋼の需要も増加してい
る。

【０００３】従来タンクの安全性の面から、低温靱性の
優れた９％Ｎｉ鋼の製造法に関しては多くの発明がなさ
れている。その中でもＡｃ１〜Ａｃ３変態点間に加熱焼
き入れし（以降、この熱処理を中間焼入れ処理と呼
ぶ）、その後焼戻す処理を含んだ方法は、低温靱性を極
めて向上できるために多くの方法が提案されている。

【０００４】例えば、特開昭４７−２３３１７号公報に
示すように、中間焼入れ処理後Ａｃ１変態点以下の温度
で焼戻すことを特徴とする９％Ｎｉ鋼の靱性向上法、あ
るいは特開昭５８−７３７１７号公報，特開昭６２−２
０５２２７号公報等に示すように、Ａｃ３変態点以上に
加熱して冷却し、ついで中間焼入れ処理後、Ａｃ１変態
点以下の温度で焼戻すことを特徴とする熱処理法があ
る。

【０００５】また、特開昭４９−１３５８１３号公報，
特開昭６１−２３８９１１号公報，特開昭６０−１３１
９１６号公報，特開昭５６−１５６７１５号公報等に示
すように、熱間圧延後空冷以上の速さで冷却し、その後
中間焼入れ処理を行ない、ついでＡｃ１変態点以下の温
度で焼戻すことを特徴とする９％Ｎｉ鋼の製造法があ
る。

【０００６】さらに中間焼入れ処理を含まない高靱性９
％Ｎｉ鋼の製造法として、特開昭６１−１２７８１３号
公報、あるいは特開昭６１−１２７８１５号公報に示す
ように、加熱圧延を制御することで目的とする低温靱性
を確保しようとしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた技術の中で
は、中間焼入れ処理をした場合、確かに靱性は優れてい
るものの、従来実施されてきた焼入れ，焼戻し処理に比
較して熱処理にかかるコストが大幅に増加することは避
けられない。また特開昭６１−１２７８１３号公報に示
す技術では、鋼片の加熱温度を下げて靱性の向上を図る
場合、鋼片が所定の温度に均一に保持されるまでの時間
が著しく増大するために、生産性を著しく阻害する問題
点がある。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決し、低温靱性
に優れるとともに経済的に９％Ｎｉ鋼を製造する方法を
提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、重量％で
Ｎｉ：７．５〜１０％含有する鋼片を用いて鋼板を製造
するに際し、該鋼片を加熱炉に装入し、鋼片厚みの中心
部の最低温度がＡｃ３変態点に到達した後、Ａｃ３＋３
００℃以下にあって、鋼片表層部との温度差が５０℃以
上３００℃以下にある不均一加熱状態で加熱炉から鋼片
を抽出し、圧延仕上がり温度が鋼板表面において７００
℃以上９５０℃以下である熱間圧延を行なって空冷し、
その後Ａｃ３変態点以上に加熱して冷却する焼入れ処
理、およびＡｃ１変態点以下に加熱して冷却する焼戻し
処理を行なうことを特徴とする低温靱性に優れた９％Ｎ
ｉ鋼の製造法である。

【００１０】また第２の発明は、重量％でＮｉ：７．５
〜１０％含有する鋼片を用いて鋼板を製造するに際し、
該鋼片を加熱炉に装入し、鋼片厚みの中心部の最低温度
がＡｃ３変態点に到達した後、Ａｃ３＋３００℃以下に
あって、鋼片表層部との温度差が５０℃以上３００℃以
下にある不均一加熱状態で加熱炉から鋼片を抽出し、圧
延仕上がり温度が鋼板表面において７００℃以上９５０
℃以下である熱間圧延を行ない、圧延完了後、直ちに３
００℃以下の任意の温度まで急冷し、その後Ａｃ１変態
点以下に加熱して冷却する焼戻し処理を行なうことを特
徴とする強度および低温靱性に優れた９％Ｎｉ鋼の製造
法である。

【００１１】

【作用】本発明者らは低温靱性の優れた９％Ｎｉ鋼の開
発を目的として、その製造法について種々実験した結
果、次のことを知見した。

【００１２】 ９％Ｎｉ鋼の低温靱性は、旧オーステ
ナイト結晶粒径に依存し、圧延前の加熱温度が低いほど
結晶粒は細粒化し、靱性は向上すること。 一度粗大
化した結晶粒も、圧延の条件を考慮すれば細粒化が可能
であること。 靱性の低下は、板厚表層部より板厚中
心部で著しいこと。

【００１３】すなわち低温靱性の改善すべき課題は、ま
さに板厚中心部の靱性の向上を図ることであり、そのた
めには、上記の知見から板厚中心部の結晶粒を細粒化す
ることが極めて重要であると考えられた。

【００１４】板厚中心部の結晶粒を細粒化するには、加
熱時の結晶粒の粗大化を防止するために鋼片の低温加熱
が有効であることは明白である。しかしながら従来の加
熱炉は、鋼片表層部と中心部の温度差をできるだけ小さ
くすることを目的としているために、中心部の温度を低
温に保持しようと思えば加熱炉の設定をその温度に合わ
せねばならず、目的の温度が低温であればあるほど加熱
時間が増大するという問題点がある。

【００１５】本発明者らは、鋼片の加熱過程における鋼
片内部の温度変化を考察し、加熱途中の非定常状態にお
いて、熱伝導により鋼片表層部と中心部に温度差が生じ
ることに着目した。すなわち鋼片中心部の温度が目的と
する温度範囲に加熱されている間に鋼片を抽出すれば、
結晶粒の粗大化を防止でき、しかも加熱時間を大幅に短
縮できることを見出した。また鋼片表層部は中心部より
温度が高い状態にあるが、この場合先に知見した事項か
ら、熱間圧延により結晶粒の細粒化が図れると考えられ
る。

【００１６】本発明は、このような基本思想に基づいて
構成されたものであり、以下さらに本発明の詳細を作用
とともに説明する。

【００１７】本発明法の出発材としては、Ｎｉを７．５
〜１０％含有する９％Ｎｉ鋼を電気炉，転炉等の溶解法
により溶製し、連続鋳造あるいは造塊，分塊したものを
使用する。

【００１８】鋼片を熱間圧延するために加熱する工程に
おいて、まず鋼片の表面から温度が上昇し、熱伝導によ
り鋼片内部に熱が伝播する。本発明の特徴は、その鋼片
の厚みの中心部の最低温度がＡｃ３変態点に到達した
後、Ａｃ３変態点＋３００℃以下にあって、鋼片表層部
との温度差が５０℃以上３００℃以下にあるような、均
一な加熱状態になる前の不均一な加熱状態で加熱炉から
抽出し、圧延を行なうことである。

【００１９】従来鋼片の加熱は、温度の精度を保って可
能な限り鋼片厚み方向に均一に加熱し、その後圧延する
のが常識となっている。例えば現在の鋼片加熱炉の主流
となっている連続加熱炉では、換熱帯，予熱帯，加熱帯
のあとに均熱帯を設けており、鋼片の表層部と中心部と
の温度差を、可能な限り小さくするよう工夫をしてい
る。

【００２０】しかし本発明においては、上記のように意
識的に鋼片の厚み方向に温度差を設けて、圧延直前の鋼
片中心部の温度を低温状態にすることで結晶粒の細粒化
を図ることができる。また表層部近傍は、圧延による再
結晶効果により細粒化させることで、結果として鋼板の
厚み方向の靱性が極めて良好な鋼板の製造が可能にな
る。

【００２１】図１に、種々の加熱条件において鋼片表層
部（表面下５ｍｍ）と中心部の温度差を変化させた時の
鋼板の板厚各位置（○：板厚中心部，●：表層部７ｍ
ｍ）での靱性の変化を示す。実験に用いた鋼材の成分は
下記表１に示す９％Ｎｉ鋼を用いた。

【００２２】

【表１】

【００２３】鋼片は、加熱炉から抽出後仕上げ温度の範
囲が８００℃〜９００℃である圧延を行ない、その後８
１０℃から焼入れ処理，５７０℃で焼戻し処理を行なっ
た。なお鋼片の厚みは２００ｍｍであった。

【００２４】図１から明らかなように、表層部と中心部
の温度差が３００℃以上になると鋼板表面部の温度が高
くなり、オーステナイト結晶粒が粗大するために、図１
の●印に示すように２０ｋｇｆ・ｍ以下に靱性が低下す
る。逆にその温度差が５０℃以下では、鋼片表面から中
心部にかけての温度が高くなるために靱性が低下する。
従って本発明は、鋼片中心部の温度を表層部の温度より
５０〜３００℃の範囲に低温にして熱間圧延を行なうも
のである。

【００２５】また鋼片中心部の温度がＡｃ３変態点以下
では鋳造時の凝固組織が残存し、均一なミクロ組織が得
られず、逆にＡｃ３変態点＋３００℃以上に加熱される
とオーステナイト結晶粒が粗大化し、目的とする良好な
低温靱性が得られない。

【００２６】なお本発明における鋼片内部の温度管理に
は、実測，計算など種々の方法を適用することができ
る。例えば連続加熱炉の鋼片の温度は、一般にコンピュ
ータを利用して一定周期で厚さ方向の一次元熱伝導方程
式を差分法により計算して管理されている。これは実測
値に対する計算誤差は約２０℃以内という良い精度であ
る（神戸製鋼技報／Vol.33 No.4「熱延工場加熱炉の計
算機制御」参照）ので、本発明においても同様の手法を
用いて鋼片中心温度を管理をしてもよい。

【００２７】また簡便には、 Heislerの計算図表 (M.P.
Heisler 著："Temperature Chartsfor Industries and
Constant Heating "Transaction of the American Soci
etyof Mechanical Engineers 1947 April ) によっても
よく、特に後者は鋼片加熱炉がバッチ炉の場合に適する
（適用の一例 W.Trink & M.H.Mawhinney著、鈴木弘、井
田緑朗訳：工場加熱炉（上巻）コロナ社 P420参照）。

【００２８】次に熱間圧延の条件であるが、加熱炉から
鋼片を抽出後、仕上げ温度が７００℃以上、９５０℃以
下であるような圧延を行なう。これは、圧延再結晶によ
る鋼片表層部近傍の結晶粒を細粒にするために必要な温
度規制であって、仕上げ温度が９５０℃を超えると圧延
により期待される細粒化効果が得られず、鋼板表層部の
靱性が低下する。

【００２９】また仕上げ温度が７００℃未満では、圧延
集合組織の発達により機械的性質に異方性が生じるた
め、構造用鋼としては好ましくない。またこの圧延条件
は、仕上げ温度が本発明範囲内であれば、特開昭６１−
１２７８１３号公報に開示されているような制御圧延を
施しても何ら差支えない。

【００３０】熱間圧延後、９％Ｎｉ鋼の靱性をより向上
せしめるために、Ａｃ３変態点以上に加熱し冷却する焼
入れ処理、およびＡｃ１変態点以下に加熱し冷却する焼
戻し処理を行なう。焼入れ処理を施す理由は、微細なマ
ルテンサイト組織を得、後に述べる焼戻し処理と合わせ
て、９％Ｎｉ鋼の低温靭性をより向上せしめるために行
なわれるものであって、Ａｃ３変態点以上に加熱し、冷
却する必要がある。

【００３１】またこの微細なマルテンサイト組織は、熱
間圧延後直ちに急冷しても得られる。この場合、板厚中
心部の冷却速度によっては冷却途中でフェライトが生成
し、好ましいマルテンサイト組織が得られない。また冷
却がマルテンサイト変態の終了温度以下まで十分に行な
われないと、やはり目的とするマルテンサイト組織が得
られない。このために熱間圧延後の冷却は板厚中心部で
１０℃／ｓ以上であることが好ましく、さらに冷却は３
００℃以下まで行なうことが必要である。

【００３２】焼戻し処理は、焼入れ処理で得られたマル
テンサイト組織の転位密度を低下させると同時に、加熱
時に安定なオーステナイトを析出させ、低温靱性を著し
く改善するために行なわれる。従ってその温度は、通常
行なわれるようなＡｃ１変態点以下の温度域である。

【００３３】なお焼入れ処理のための加熱後急冷して得
られるマルテンサイトは、熱間圧延後急冷して得られる
それとほぼ類似のマルテンサイトと考えられる。しかし
ながら一旦オーステナイト化され、回復，再結晶を受け
る前者の製造法に比べ、圧延により導入された転位密度
の高い状態が圧延後の急冷により容易に保持される後者
では、焼戻し処理を行なった後の強度が優れている。

【００３４】次に本発明における成分の限定理由である
が、Ｎｉは靭性の向上，オーステナイトの安定化に著し
く効果があり、ＬＮＧ温度での靱性を確保するためには
７．５％以上の添加が必要であるが、多量に添加しても
その効果が飽和するため１０％を上限とする。

【００３５】Ｎｉ以外の成分は特に限定する必要はない
が、所定の強度を確保するために、Ｃ：０．０４〜０．
１０％，Ｓｉ：０．１０〜０．５０％，Ｍｎ：０．４〜
１．０％，sol.Ａｌ：０．００５〜０．１０％，Ｐ：
０．０１５％以下，Ｓ：０．１０％以下とすることが好
ましい。

【００３６】上記のような製造工程で製造された鋼板
は、板厚方向に均一な鋼組織を有し、優れた低温靱性を
保証することができる。

【００３７】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。

【００３８】表２に示す組成、および表３に示す加熱時
の変態点を有する鋼を溶製して得た鋼片を、表４に示す
種々の製造条件に基づいて板厚３２ｍｍ〜６０ｍｍの鋼
板を製造した。そしてその母材について機械的性質を各
板厚方向について調査した。その結果を表５に示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】

【表５】

【００４３】表５に見られるように、本発明例の鋼（製
造条件 １，２，３，５，７，８，９）の母材の強度と
靱性は板厚方向の差異が小さく、かつ２０ｋｇｆ・ｍ以
上の高い値を示す。特に製造条件 ３，７は、熱間圧延
後急冷した鋼材料であり、降伏強さおよび引張強さが他
の発明例の鋼に比べ高い。

【００４４】これに対し製造条件４，６，１０，１１，
１２は、本発明範囲を逸脱しているものであり、とりわ
け板厚中心部の靱性が著しく低い。

【００４５】その中で製造条件６は、従来一般的に製造
されている条件で製造されており、鋼片の表層部と中心
部の加熱温度差が極めて小さい。この場合加熱中の鋼片
中心部のオーステナイト結晶粒が粗大化するため、板厚
中心部の靭性の低下が認められる。製造条件１１は鋼片
表層部と中心部の加熱温度差が３７℃と小さく、製造条
件６と同様な理由で低温靱性が低い。

【００４６】製造条件１０は鋼片中央部の温度がＡｃ３
変態点以下である場合である。この場合鋼片中央部にお
いて鋳造時の凝固組織が残り、均一なミクロ組織が得ら
れず、その後焼入れ，焼戻し処理を行なっても細粒なミ
クロ組織が得られず、靱性が低下する。

【００４７】製造条件４については、加熱条件は本発明
の範囲内であるものの、圧延の仕上げ温度が本発明範囲
を逸脱している。この場合圧延での細粒化効果が十分得
られず、本発明例の鋼に比較して板厚表面から中心部に
かけての靱性が低い。

【００４８】さらに製造条件１２はスラブ厚が３５０ｍ
ｍと他のものより厚く、鋼片中心部と表層部の温度差が
生じやすい。そのために本製造条件では、両者の温度差
が３３０℃と本発明範囲を逸脱している。従って良好な
靱性が得られていない。

【００４９】

【発明の効果】本発明による組成範囲および製造法によ
り、板厚表層から中心部まで高靱性な９％Ｎｉ鋼の製造
が可能になった。また本発明により、制御圧延などに不
可欠であった低温加熱が、旧来の加熱炉でも可能となっ
て高靱性鋼を製造できるようになり、さらに従来の加熱
法に比較して加熱時間を著しく短縮でき、経済的な加熱
ができるようになって燃料費等を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼片表層部と中心部との温度差を変化させた場
合の鋼板板厚（３２ｍｍ）の板厚表層部と中心部の靱性
に及ぼす影響を示した図面である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−307216（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−127813（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C21D 8/00 - 8/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＮｉ：７．５〜１０％含有する
   鋼片を用いて鋼板を製造するに際し、該鋼片を加熱炉に
   装入し、鋼片厚みの中心部の最低温度がＡｃ３変態点に
   到達した後、Ａｃ３＋３００℃以下にあって、鋼片表層
   部との温度差が５０℃以上３００℃以下にある不均一加
   熱状態で加熱炉から鋼片を抽出し、圧延仕上がり温度が
   鋼板表面において７００℃以上９５０℃以下である熱間
   圧延を行なって空冷し、その後Ａｃ３変態点以上に加熱
   して冷却する焼入れ処理、およびＡｃ１変態点以下に加
   熱して冷却する焼戻し処理を行なうことを特徴とする低
   温靱性に優れた９％Ｎｉ鋼の製造法。
2. 【請求項２】 重量％でＮｉ：７．５〜１０％含有する
   鋼片を用いて鋼板を製造するに際し、該鋼片を加熱炉に
   装入し、鋼片厚みの中心部の最低温度がＡｃ３変態点に
   到達した後、Ａｃ３＋３００℃以下にあって、鋼片表層
   部との温度差が５０℃以上３００℃以下にある不均一加
   熱状態で加熱炉から鋼片を抽出し、圧延仕上がり温度が
   鋼板表面において７００℃以上９５０℃以下である熱間
   圧延を行ない、圧延完了後、直ちに３００℃以下の任意
   の温度まで急冷し、その後Ａｃ１変態点以下に加熱して
   冷却する焼戻し処理を行なうことを特徴とする強度およ
   び低温靱性に優れた９％Ｎｉ鋼の製造法。