JP3714136B2 - 電子ビーム溶接特性および耐サワー性能に優れた鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム溶接性、及び耐サワー性能に優れた鋼に関し、特に原油や天然ガスが対象で耐サワー性能が要求され、円周溶接に電子ビーム溶接を適用した場合に電子ビーム溶接金属および溶接熱影響部の靭性に優れるラインパイプ用鋼に適したものに関する。
【0002】
【従来の技術】
電子ビーム溶接(EBW)は、従来のCO2溶接、サブマージアーク溶接等と比較して溶接能率に優れることから、適用対象が当初の厚鋼板から、最近では原油や天然ガスの輸送に用いられるラインパイプの円周溶接にまで拡大されてきた。
【0003】
この場合、EBWは高エネルギー密度であり、溶接金属の冷却速度が従来の溶接法によるものより遥かに大きいため、溶接金属の硬化による靭性劣化に特に留意しなければならない。
【0004】
又、ラインパイプでは、湿潤硫化水素環境下における硫化水素による水素誘起割れ(HIC)や硫化物応力腐食割れ(SSCC)が問題とされることが多く、EBWが適用されるラインパイプ材は耐サワー性能、およびEB溶接性に優れていることが要求される。
【0005】
EBW溶接金属は、上部ベイナイトや粗大なマルテンサイト主体の組織を呈した場合、靭性が著しく劣化するため、これらの組織の生成を抑制し、下部ベイナイトやフェライト主体の組織としなければならない。マルテンサイトの生成を抑制するため、Al量を低減し、フェライトの生成を促進する方法が検討されている。
【0006】
特開昭63−210235号公報、特開昭64−15321号公報では、Alを低減し、Ti,微量Bを添加し、Ti酸化物、B窒化物からアシキュラーフェライトを生成させ、溶接金属組織を微細化する技術を開示している。特開平5−39538号公報では、40ppm程度までAlを低減し、Ti酸化物、Ti窒化物を析出させ、溶接金属、溶接熱影響部粗粒域において良好な靭性とする技術が開示されている。
【0007】
特開平2−77557号公報、特開平2−77561号公報、特開平2−77562号公報、および特開平2−277743号公報では、C,Nなどの不純物元素が溶接金属中に多く含まれた場合、粗大な炭化物、窒化物の量が増大し、粒内、粒界を脆化させ、PがC,Nの作用を促進することが記載され、EB溶接金属の靭性を向上させるため、C,P,N量を特定範囲に規定した鋼が開示されている。
【0008】
特開平5−39537号公報では、凝固偏析に沿ったマイクロクラック発生による靭性低下を改善するためMn,P,N量を特定範囲に限定した鋼を開示している。特開平5−39538号公報では、粒内、粒界へのP偏析を防止し、更に粒内への偏析を低減させるため、Ti添加を必須とした鋼を開示している。
【0009】
特開平1−34598号公報では、溶接金属でのブローホールなどの欠陥防止のため、母材の酸素量を35ppm以下まで低減し、かつAl量を50ppm未満に低減して溶接金属組織を微細化し、靭性を向上させる技術を開示している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、鋼の成分組成を調整し、EBW溶接金属の靭性を向上させる技術は開示されているが、ラインパイプ用鋼として必要な耐サワー性能を兼ね備えた鋼材に関する提案はない。
【0011】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、耐サワー性能に優れ、且つEBW、レーザ溶接などの高エネルギー密度の溶接による溶接金属及び溶接熱影響部の靭性が良好な鋼を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、耐サワー性能とEBW溶接金属及び溶接熱影響部の靭性に及ぼす鋼材成分組成の影響について詳細に検討を行い、鋼中のC量を0.020〜0.060%とし、Ti量、N量、V量、O量を特定範囲とし、且つCaを添加した場合、耐サワー性能ばかりでなく、EB,レーザ溶接部の靭性も改善することを知見した。
【0013】
本発明は更に、鋼自体の強度・靭性を考慮し、なされたもので、すなわち、本発明は、1.質量%で、C:0.020〜0.060%、Si:0.50%以下、Mn:1.00%超え〜2.00%、P:0.010%以下、S:0.001%以下、sol.Al:0.0050〜0.0300%未満、Ti:0.004〜0.020%、V:0.030〜0.060%、Ca:0.0005〜0.0040%以下、Nb:0.050%以下、N:0.0036〜0.0070%、O:0.0003〜0.0050%、および残部Fe及び不可避的不純物を含有することを特徴とする電子ビーム溶接特性および耐サワー性能に優れた鋼である。
【0014】
2. 鋼成分として、更にCu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下の一種または二種以上を含有する1記載の電子ビーム溶接特性および耐サワー性能に優れた鋼。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における成分組成について詳細に説明する。
【0016】
C:0.020〜0.060%
Cは鋼自体およびEBW溶接金属部の強度を向上させるため、添加する。0.020%未満では溶接金属部の強度確保が困難で、更にNb,Vを添加した場合における析出強化が不十分となるため、0.020%以上とする。
【0017】
一方、0.060%を超えると、溶接金属の靭性が劣化し、加速冷却時の低温変態生成物により、HIC性能が低下するため、0.020〜0.060%(0.020%以上、0.060%以下)とする。
【0018】
Si:0.50%以下
Siは脱酸および鋼板強度を向上させるため添加する。0.50%を超えて含有すると溶接部の靭性が劣化するので、0.50%以下とする。
【0019】
Mn:1.00%超え〜2.00%
Mnは脱酸および鋼板強度を向上させるため添加する。1.00%以下では、その効果が十分でなく、2.00%を超えると溶接金属の靭性が劣化するため、1.00%超え〜2.00%とする。
【0020】
P:0.010%以下
Pは本発明では不可避的不純物として扱う。0.010%を超えて含有すると溶接金属の靭性が劣化するため、0.010%以下とする。
【0021】
S:0.001%以下
Sは本発明では不可避的不純物として扱う。0.001%を超えて含有すると溶接金属、溶接熱影響部の靭性が劣化し、硫黄介在物の増加によりHIC性能が劣化するため、0.001%以下とする。
【0022】
sol.Al:0.0050%〜0.0300%未満
Alは脱酸上、必須の元素であり、sol.Alとして0.0050%以上を必要とする。0.0300%以上を添加すると粗大なAlNを析出し、溶接金属の靭性を低下させるため、0.0050%〜0.0300%未満とする。
【0023】
Ti:0.004〜0.020%
TiはTi2O3などの酸化物として析出し、溶接金属、溶接熱影響部の靭性を向上させる。また、TiNとして析出し、溶接熱影響部の靭性を向上させるので0.004%以上添加する。一方、0.020%を超えて添加すると、TiNが粗大化し、溶接熱影響部の靭性が著しく低下するので、0.04〜0.020%(0.004%以上、0.020%以下)とする。
【0024】
V:0.030〜0.060%
Vは溶接金属部でVNとして析出し、微細なアシュキュラーフェライトの生成核として働き、溶接金属組織の改善により靭性向上に寄与する。0.030%未満では、アシキュラーフェライトの核生成サイトとなるのに十分な量のVNが得られない。一方、0.060%を超えるとVNが粗大化し、溶接金属の靭性を劣化させるようになるので、0.030〜0.060%(0.030%以上、0.060%以下)とする。
【0025】
Ca:0.0005〜0.0040%
Caは硫化物系介在物の形態を制御し、耐HIC性と溶接金属の靭性の両者を向上させる。0.0005%未満ではその効果が得られず、0.0040%を超えると溶接金属の靭性を劣化させるようになるので0.0005〜0.0040%とする。
【0026】
Nb:0.050%以下
Nbは析出強化により、鋼板の強度を上昇させるのに有効なため添加する。0.050%を超えると溶接熱影響部靭性が劣化するので、0.050%以下とする。
【0027】
N:0.0036〜0.0070%
NはTiNおよびVNを生成し、鋼板ならびに溶接金属、溶接熱影響部の靭性を向上させるため、0.0036%以上とする。一方、N量が0.0070%を超えると、TiNが粗大化し、靭性が劣化するので0.0070%以下とする。
【0028】
O:0.0003〜0.0050%
OはTi酸化物を形成し、フェライト生成を促進させるため規定する。0.0003%未満では、Ti酸化物が生成せず、溶接金属および溶接熱影響部の靭性が劣化するため0.0003%以上とし、一方、0.0050%を超えると溶接金属および溶接熱影響部の靭性が劣化するため、0.0003〜0.0050%(0.0003%以上、0.0050%以下)とする。
【0029】
本発明は以上の規定により、十分その作用効果を達成することができるが、更に鋼材の強度を向上させる場合、所望する強度に応じてCu,Ni,Cr,Moの一種または二種以上を添加することができる。
【0030】
Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下
Cu,Ni,Cr,Moは強度を上昇させるため所望する強度に応じて適宜添加する。いずれの元素も0.50%を超えて添加すると溶接熱影響部の靭性を劣化させるため、0.50%以下とする。
【0031】
本発明鋼は上述した成分組成の規定を満足すればその作用効果が得られ、特に鋼材の製造方法の影響をうけないため、製造条件については規定しない。
【0032】
【実施例】
種々の成分の鋼板を連続鋳造―熱間圧延プロセスにより製造後、EBW継手を作製し、溶接金属および溶接熱影響部の靭性および耐サワー性能を確認した。靭性は試験温度―20℃のシャルピー衝撃試験、耐サワー性能はNACETM0284に従いHIC試験を実施した。
【0033】
表1に供試鋼の化学成分および試験結果を示す。靭性は吸収エネルギーが50J以上のものを良好とし、耐HIC性についてはHICが生じなかったものを良好とし、それぞれ表中○印で表示した。鋼板A〜Fは本発明範囲内の成分で、良好なHAZ靭性、溶接金属靭性および耐サワー特性が得られている。
【0034】
一方、鋼板G〜Lは成分組成の何れかが本発明範囲外で比較例となっている。鋼GはCa量が多く、HAZ靭性、溶接金属の靭性は良好であるがHICが生じ、耐サワー性能に劣っている。鋼HはTi量、V量が多く、耐サワー性能は良好であるがHAZ靭性、溶接金属靭性に劣る。
【0035】
鋼IはMn量、S量、Ti量が多く、HAZ靭性、溶接金属靭性および耐サワー性能に劣る。鋼JはC量、N量、Ca量が多く、HAZ靭性、溶接金属靭性および耐サワー性能に劣る。鋼KはSi量、Ni量が多く、sol.Al量が低く、HAZ靭性、溶接金属靭性および耐サワー性能に劣る。鋼LはS量、Ca量、Cu量が多く、sol.Al量が低く、HAZ靭性、溶接金属靭性および耐サワー性能に劣る。
【0036】
【表1】
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればEBW継手の溶接金属および溶接熱影響部の靭性および耐サワー性能に優れた鋼板が得られ、円周溶接にEBWを適用する原油や天然ガスのラインパイプ用として使用が可能で、産業上極めて有用である。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.020〜0.060%、Si:0.50%以下、Mn:1.00%超え〜2.00%、P:0.010%以下、S:0.001%以下、sol.Al:0.0050〜0.0300%未満、Ti:0.004〜0.020%、V:0.030〜0.060%、Ca:0.0005〜0.0040%以下、Nb:0.050%以下、N:0.0036〜0.0070%、O:0.0003〜0.0050%、および残部Fe及び不可避的不純物を含有することを特徴とする電子ビーム溶接特性および耐サワー性能に優れた鋼。
- 鋼成分として、更にCu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下、Mo:0.50%以下の一種または二種以上を含有する請求項1記載の電子ビーム溶接特性および耐サワー性能に優れた鋼。
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