JP3817887B2 - High toughness high strength steel and method for producing the same - Google Patents

High toughness high strength steel and method for producing the same Download PDF

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  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Description

【発明の属する技術分野】
【0001】
本発明は、天然ガスや原油の輸送用ラインパイプ、各種圧力容器等に使用される高張力鋼であって、とくに脆性亀裂伝播停止特性と溶接継手部の特性に優れる引張強さ(TS)900MPa以上の高張力鋼に関する。
【従来の技術】
【0002】
天然ガス、原油等を長距離輸送するパイプラインにおいては、操業圧力の上昇による輸送効率の改善がたえず追求されてきた。操業圧力の上昇に耐えるために、従来の強度グレードのパイプ用鋼材の肉厚を増加させる方法が考えられるが、現地での溶接施工能率を低下させるとともに構造物の重量増加による敷設効率の低下を生じる問題がある。これに対し、パイプ用鋼材を高強度化し肉厚の増大を制限する要求が高まっている。このため、たとえば、近年、米国石油協会(API)においてX80グレード鋼が規格化され実用に供されている。ここに、符号「X80」は、降伏強さ(YS)が80ksi(約551MPa)以上であることを表示する。
【0003】
さらに、このX80グレード鋼の製造技術を基にX100またはX120グレードの高強度鋼まで製造可能であるとの提案がなされている。具体的には、Cuの析出強化を利用したX100〜X120グレード鋼とその製造方法の提案(特開平8−104922号公報、特開平8−209287号公報、特開平8−209288号公報)、およびMnの含有率を高めた鋼とその製造方法の提案(特開平8−209290号公報、特開平8−209291号公報)がなされている。
【0004】
前者のCuの析出強化を利用する鋼材には、溶接部の硬さ減少による優れた現地溶接性と母材の高強度とが確かに備えられる。しかしながら、マトリックス中に分散したCu析出物のために、脆性亀裂伝播停止特性(以下、「アレスト性」という)を十分な程度にまで備えるには不十分である。このアレスト性は、溶接鋼構造物が脆性破壊により瞬時に倒壊するという大事故を防止する観点から、鋼材に対して要求される特性である。
【0005】
一般に、溶接鋼構造物においては、溶接継手部にある程度の欠陥が存在することを当初から見込んでいる。その溶接継手部の欠陥から脆性亀裂が発生しても、母材がその脆性亀裂の伝播を停止できれば大事故にいたることはない。このため、重要な溶接鋼構造物では、溶接継手部に対し脆性破壊発生特性(以下、「発生特性」という)が、また、母材に対しアレスト性が要求される。母材について発生特性が問題とされる場合ももちろんある。発生特性とアレスト性の2つの特性は全く独立の、無関係な性質ではなく、たとえば析出物が整合析出して硬化する場合には両方の性質はともに劣化する。しかし、別の因子、たとえば金属組織の微細化は、発生特性を改善する効果は大きいものの、アレスト性の改善の程度は小さい(ゼロではないが)といった差異がある。この2つの性質を論じる場合、衝撃試験方法によっては、両方の性質を含んだ結果を出す方法があることに注意する必要がある。シャルピー衝撃試験は両方の性質を含んだ結果をもたらすが、発生特性の性質をより多く含むといわれている。アレスト性のみの結果を出すには、後記する実施例で説明するDWTTや、または2重引張試験等の、脆性亀裂の発生部分と脆性亀裂を停止させる部分とが分離した比較的大型の試験片を用いる必要がある。歴史的にはこの2つの性質を区別しないでシャルピー試験等によって得られた性質をもって、「靭性」と呼んでいた。現在でも、通常は、アレスト性および発生特性を含めて靭性と呼ぶ。本明細書においても、とくに断らないかぎり靭性というとき、両方の性質をさす。
【0006】
特開平8−209290号公報等に開示された高Mn鋼では、低コストのMnを多量に含有させることにより焼入性を確保できるため、NiやMoといった高価な合金元素を削減できるメリットがある。しかし、Mnを上昇させ、Niを下げた場合には溶接継手部の発生特性および母材のアレスト性が確保できない場合が生じる。母材のアレスト性が低くい鋼材は、重要な溶接構造物には使用できず、その用途は限定されたものとなる。
【0007】
なお、「溶接継手部特性」というとき、溶接継手部の靭性、とくに“発生特性”と“強度”の両方を含むものとする。「溶接継手部」とは溶接熱影響部(Heat Affected Zone:いわゆる「ボンド」も含む。以下、HAZと記す)および溶接金属の両方をさすのが普通であるが、以後の説明ではとくにことわらないかぎりHAZのみをさす。
【0008】
上記のラインパイプにおいては、近い将来高圧力操業が予定されており、それに備えてアレスト性等も備えたX120グレードの鋼材が要望されている。X120グレード鋼の場合、YSは850MPa以上必要であるが、このときTSは900MPa以上となる。このような高強度のグレードで十分なアレスト性を備えたラインパイプ用鋼材は、これまで実用に供されたことはない。
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、アレスト性および溶接継手部の発生特性に優れるTS900MPa以上の高張力鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。具体的な目標性能を下記に示す。各試験項目の内容および試験の性格、とくにアレスト性を評価するDWTT(Drop Weight Tear Test)の説明は実施例において行う。
【0010】
1.母材性能
TS:900MPa以上(上限はとくに限定しないが 1050MPa程度を上限の目安とする)
アレスト性:DWTT試験で85%FATT (Fibrous Appearance Transition Temperature)が-30℃以下
発生特性:2mmVノッチシャルピー衝撃試験で vE-40≧150J
2.溶接性能
溶接継手部のTS:900MPa以上
発生特性:HAZの2mmVノッチシャルピー衝撃試験で vE-20≧150J
現地溶接性:y開先溶接割れ試験で割れ防止温度が常温以上
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らはTS900MPa以上で、アレスト性に優れ、かつ比較的大きな入熱(3〜10kJ/mm)による溶接継手部特性が優れたTS900MPa以上の高張力鋼を得るために、種々の組成、組織を有する鋼材について鋭意検討を行った結果、下記の事項を確認することができた。
【0012】
a)Niを1.2重量%を超える含有率とすることにより、TS900MPa以上の高張力鋼でありながら優れたアレスト性とHAZ靭性を確保できる。
【0013】
b)化学組成としては、さらに下記の制限が必要である。
【0014】
比較的薄い肉厚の鋼材を対象とするために、焼きの入りすぎ、すなわちマルテンサイトの体積率過大、たとえばマルテンサイト100%を避けるため、Bの有無に応じて炭素当量の上限を設ける。また、強度確保の観点から、Bの有無に応じて炭素当量の下限を設ける。
【0015】
c)さらに母材のアレスト性を向上させるのに下部ベイナイトおよびマルテンサイトの一定比率の混合組織とすることが望ましい。かつ、この混合組織を微細なものとするために、下部ベイナイトの核発生密度が増大するように、加工によって累積される転位密度を高める。そこで、転位密度と良好な対応関係にある旧オーステナイト(以後、「オーステナイト」を「γ」と記す場合がある)粒のアスペクト比を3以上とする。
【0016】
d)中心偏析を軽減し、中心部の靭性を著しく改善するために、下記の(2)式で表されるVsを0.10〜0.42%とする。
【0017】
本発明の要旨は、上記事項を組み合わせ、製造現場での試験を経て完成されたもので下記の高張力鋼およびその製造方法にある。
【0018】
(1)質量%にて、C:0.02〜0.1%、Si:0.6%以下、Mn:0.2〜2.5%、Ni:1.2%超、2.5%以下、Nb:0.01〜0.1%、Ti:0.005〜0.03%、N:0.001〜0.006%、Al:0.1%以下、Cu:0〜0.6%、Cr:0〜0.8%、Mo:0〜0.6%、V:0〜0.1%、Ca:0〜0.006%、残部Feと不可避的不純物からなり、下記条件(a)または(b)のいずれかを満たし、不可避的不純物のうち、Pが0.015%以下、Sが0.003%以下の引張強さ900MPa以上の高張力鋼。
【0019】
(a) さらに、B:0〜0.0004%の範囲にあり、かつ下記(1) の炭素当量Ceqが0.53〜0.7%である。
【0020】
(b) さらに、B:0.0004%超、0.0025%以下を含み、下記(1) の炭素当量Ceqが0.4〜0.58%である。
【0021】
(1):Ceq=C+(Mn/6)+{(Cu+Ni)/15}+{(Cr+Mo+V)/5}
ここで、元素記号は鋼中の含有率(重量%)を表す。
【0022】
(2)金属組織が下記(c)を満たす上記(1)の高張力鋼。
【0023】
(c) マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織が金属組織中で90体積%以上であり、その混合組織のうちで下部ベイナイトが2体積%以上であり、かつ旧γ粒のアスペクト比が3以上である。
【0024】
(3)下記の(2)式で表されるVsが0.10〜0.42%の範囲にある上記(1)の高張力鋼。
【0025】
(2):Vs=C+(Mn/5)+5P−(Ni/10)−(Mo/15)+(Cu/10)
ここで、元素記号は鋼中の含有率(重量%)を表す。
【0026】
(4)上記の (2)式で表されるVsが0.10〜0.42%の範囲にある上記(2)の高張力鋼。
【0027】
(5)鋼鋳片を、1000〜1250℃に加熱後圧延し、γの未再結晶温度域での累積圧下率を50%以上とし、Ar点以上で圧延を終了し、Ar点以上から肉厚中心部の冷却速度10〜45℃/sにて500℃以下に冷却する(2)、または(4)の高張力鋼の製造方法。
【0028】
(6)さらに、Ac点以下での焼戻しを加える上記(5)の製造方法。
【0029】
上記の高張力鋼は主に厚鋼板をさすが、厚鋼板に限定されず熱延鋼板や棒鋼であってもよい。また、上記の高張力鋼は、合金元素を上記の範囲に含むものは全て対象になるばかりでなく、その他に鋼の性能を大きく変化させない性格の周知の元素を微量含む鋼も対象となる。
【0030】
金属組織(c) は、肉厚の表層部、1/4t部および1/2t部のそれぞれの位置での平均値において満足されなければならない。
【0031】
マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織以外の残余の相は、残留γ、上部ベイナイト、その他の相である。残留γが金属組織のうちに含まれる場合には、X線回折プロフィールを解析し、定量化して求めるが、その比率は通常は無視できる程度である。
【0032】
上記のマルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織の体積率を求めるには電子顕微鏡による薄膜透過観察または抽出レプリカ観察を行う。とくに抽出レプリカは、マルテンサイト中または下部ベイナイト中での炭化物(セメンタイト)の析出形態の差異が明瞭に識別でき、かつ局所にかぎらず比較的広い領域にわたって観察できるので有用である。
【0033】
この抽出レプリカを用いて全金属組織中のマルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織の比率の平均値を求めるには、2000倍程度の10〜30視野についての平均をとることが望ましい。薄膜透過観察によれば精密な測定が可能であるが、倍率を高くせざるをえない。このため、1視野の領域が狭いので、平均値をとる視野数は50〜100とすることが望ましい。
【0034】
また、旧γ粒界とは上記混合組織に変態する直前の未再結晶γ粒の粒界をさし、混合組織が主相として生成する場合には(初析フェライトが生成しないかぎり)変態後も明瞭に識別される。同様に、旧γ粒界のアスペクト比も平均値とする。アスペクト比とは、(圧延方向の旧γ粒の長さ(長径))/(板厚方向の旧γ粒の長さ(短径))、をさす。
【0035】
上記(5)における「未再結晶温度域」とは、圧延加工により変形した結晶の再結晶が明瞭に生じない温度域をいう。TS900MPa以上を有する本願発明に係るNb含有鋼の場合、950℃以下の温度域をさす。したがって「未再結晶温度域の累積圧下率」とは、(950℃での板厚−仕上げ板厚)/(950℃での板厚)、をさす。
【発明の実施の形態】
【0036】
つぎに、本発明を上記のように限定した理由について詳述する。以後の説明において高張力鋼は厚鋼板または熱延鋼板を想定しているものとする。
【0037】
1.合金元素
合金元素の含有率を表示する「%」は「質量%」を表示するものとする。
【0038】
C:0.02〜0.1%
Cは強度上昇に有効な元素であり、本発明の範囲の鋼においてTS900MPa以上の強度を得るために0.02%以上とする。一方、0.1%を超えると母材のアレスト性や発生特性を劣化させるだけでなく、現地での溶接施工性を著しく劣化させるため、上限を0.1%とする。強度とアレスト性の両方ともにさらに良好にするには0.04〜0.085%とすることが望ましい。
【0039】
Si:0.6%以下
Siは高い脱酸効果を有する。Siを0にすると脱酸時にAlの損失が大きくなるので、通常は脱酸をおこなって残存する程度、例えば0.01%程度を下限とすることが望ましい。しかし、0.6%を超えるとHAZの靭性を低下させるだけでなく、加工性を劣化させるため上限を0.6%とする。HAZの靭性をさらに良好にするためには、0.3%以下とすることが望ましい。TSを他の元素により十分確保することができれば、0.1%以下にすることが望ましい。
【0040】
Mn:
Mnは強度上昇に有効なので強度を確保するために、0.2%以上とする。一方、2.5%を超えると母材のアレスト性やHAZの発生特性が劣化するため、TS900MPa以上の高強度鋼の場合には、Mnを2.5%以下に制限する。また、過剰なMnは鋳造時の中心偏析を助長し、とくに本願発明が対象とする高強度鋼の場合には、溶接割れや水素性欠陥の原因になるので、2.5%を超えるMnは避けなければならない。
【0041】
また、Mnが1.7%未満に制限されると中心偏析はいちじるしく軽減されるので、中心偏析部に選択的に発生する水素誘起割れ等のおそれが強い環境で使用する場合には、1.7%未満とすることが望ましい。ラインパイプに使用する鋼の場合には、Mn1.7%未満とするほうが、むしろ普通である。それ以外の構造物に使用する場合には、Mn1.7〜2.5%とするほうが経済性の点で有利である。
【0042】
Ni:1.2%超、2.5%以下
Niは強度上昇に有効であると同時に、靱性とくにアレスト性を改善するのに必要である。また、HAZの炭化物の析出形態を制御し、HAZの靭性を向上させるのに特に顕著な効果を発揮する。このためにNiは1.2%を超える範囲とする。一方、2.5%を超えるとラインパイプに用いられる板厚では焼きが入りすぎ下部ベイナイトが生成せず、下部ベイナイトによる金属組織の分割効果が得られなくなる。このため母材靭性が改善されないので2.5%以下とする。
【0043】
Nb:0.01〜0.1%
Nbは加工熱処理におけるγ粒の微細化に有効であり、0.01%以上とする。一方、0.1%を超えるとHAZの靭性が劣化するばかりか現地での溶接施工性を著しく劣化させるため、上限を0.1%とする。母材の金属組織の微細化とHAZ靭性の両方をより良好にするには0.02〜0.05%とするのが望ましい。
【0044】
Ti:0.005〜0.03%
Tiはスラブ加熱時のγ粒の成長阻止に有効であり、0.005%以上とする。特にNb含有鋼においては、Nbによって助長される連続鋳造スラブ表面のひび割れを抑制するのに0.005%以上の微量Tiが有効である。一方、0.03%を超えると、TiNが粗大化しγ粒の微細化効果が消滅するので0.03%以下とする。
【0045】
N:0.001〜0.006%
NはTiと結合してTiNを形成しスラブ再加熱時および溶接時のγ粒の成長を抑制する作用を有する。このような効果を得るために、下限値は0.001%とする。一方、N量の増加はスラブ品質の劣化および固溶Nの増加によるHAZ靱性の劣化を生じるため上限値を0.006%とする。
【0046】
Al:0.1%以下
Alは、脱酸材として溶鋼に添加される。凝固した鋼に含まれるAlは酸化物中のAl以外は、solAlとして固溶Al、AlN等を形成する。このうちAlNは組織の微細化に有効に作用するので、母材靭性を向上させるため0.005%以上含むことが望ましい。しかし、過剰なAlは酸化物等の介在物の粗大化を招き鋼の清浄度を害し、かつHAZの靭性を劣化させるので、その上限を0.1%とする。HAZの良好な発生特性を確保するために好ましい上限値は0.06%、さらに好ましくは0.05%である。
【0047】
Cu:0〜0.6%
Cuは含まなくてもよい。しかし、Cuは強度上昇に有効なので溶接割れの生じ易い環境用にCを低くして強度を確保する鋼の場合には含ませる。0.2%未満では強度上昇の効果が小さいので含ませる場合には0.2%以上とすることが望ましい。一方、0.6%を超えると靭性が劣化するため、上限を0.6%とする。さらに靭性向上を指向する場合には0.4%以下とすることが望ましい。
【0048】
Cr:0〜0.8%
Crは含まなくてもよい。しかし、Crは強度上昇に有効なので溶接性向上のためCを低くしなければならない場合等には含ませる。0.15%未満では効果が十分表れないので含ませる場合には0.15%以上とすることが望ましい。一方、0.8%を超えると靭性が劣化するため、上限を0.8%とする。靭性と強度を均衡させてさらに向上させるためには0.3〜0.7%とすることが望ましい。
【0049】
Mo:0〜0.6%
Moは含まなくてもよい。しかし、強度上昇に有効なので低Cとする場合等には含ませる。0.1%未満では効果が小さいので含ませる場合には0.1%以上とすることが望ましい。一方、0.6%を超えると靭性が劣化するので、上限を0.6%とする。強度と靭性の両方を良好な範囲におさめるには、0.3〜0.5%とすることが望ましい。
【0050】
V:0〜0.1%
Vは含まなくてもよい。しかし、Vは焼入性を大きく高めることなく強度を上昇させるので焼入性を高めずに強度を確保する場合等には含ませる。0.01%未満では効果が小さいので含ませる場合には0.01%以上とすることが望ましい。一方、0.1%を超えると靭性が劣化するので上限を0.1%とする。良好な靭性と強度の両方を備えるためには、0.01〜0.06%とするのが望ましい。
【0051】
Ca:0〜0.006%
Caは含まなくてもよい。しかし、CaはMn、S、O等と硫酸化物を形成しHAZの結晶粒を微細化するので、とくに溶接部の発生特性を向上させる場合には含ませることが望ましい。0.001%未満では効果が小さいので含ませる場合には0.001%以上とすることが望ましい。一方、0.006%を超えると鋼中の非金属介在物が増加し内部欠陥の原因となるので0.006%以下とする。
【0052】
BおよびCeq(焼入性)
肉厚の表層部から中心部にいたる部位で、金属組織(c) を満たすためには焼入性を調整する必要がある。C、Mn、Cu、Ni、Cr、MoおよびVの焼入性に及ぼす効果は、炭素当量Ceqに取り入れられ炭素当量Ceqによって評価される。また、本願発明では、BはCeqに取り入れられていないが、微量で焼入性に大きく寄与するので考慮する。その他の元素のうちではNbが固溶状態で焼入性を向上させるが、通常の加工熱処理により製造する場合、熱間圧延中にNb(CN)の析出が生じNb含有率0.01〜0.1%の範囲で固溶Nb濃度が大きく変動することはない。本発明では全ての鋼が上記の範囲のNbを含むので、本発明のなかで焼入性の変動因子としてNbを別に取り出して考慮する必要はない。また、Siについても焼入性への寄与は小さく、同様なことが言える。
【0053】
Bは0.0004%以下では焼入性を向上させる効果を発揮しないので、Bの焼入性向上効果を確保する場合には、Bは0.0004%を超える含有率とする。一方、0.0025%を超えるとHAZの靭性が著しく劣化するので0.0025%を上限とする。HAZの靭性と焼入性を両方とも十分確保するには0.0005〜0.002%とするのが望ましい。B:0.0004%超、0.0025%以下の場合、焼入性が過大となり焼きの入りすぎた金属組織となることを避けるために、Bの効果を発現させない鋼(「Bフリー鋼」と記す。ただし、B:0〜0.0004%の範囲内にある)よりも、炭素当量を下げる。すなわち、炭素当量Ceqの範囲は0.4〜0.58%とする。Ceqが0.4%未満の場合には、Bの焼入性向上効果が十分に得られたとしても、TS900MPaを確保することができないので、Ceqは0.4%以上とする。一方、Ceqが0.58%を超えるとBの効果と共に焼入性が過大となり、靭性が劣化するので、0.58%以下とする。上記のBとCeqについての条件が、発明(1)における条件(b)である。
【0054】
BはHAZでは焼入性を向上させる効果を有しないので、Ceqが低下した分だけ硬化せず、溶接割れ感受性を低下させる。しかしながら、Bは、マルテンサイトと下部ベイナイトの成長方向の平均長さを大きくし、靭性を低下させる傾向にあるので、溶接割れ感受性を多少高くしてもよいときであって、靭性をきわめて良好なものとする場合にはBフリー鋼とする。すなわち、B:0〜0.0004%の範囲とする。Bフリー鋼の場合には、母材の焼入性を確保するためにCeqは0.53〜0.7%の範囲とする。Ceqが0.53%未満では、焼入性が不足して900MPa以上のTSを確保できず、一方、0.7を超えると焼きが入りすぎアレスト性が劣化するので0.7%を上限とする。Bフリー鋼における、このBとCeqに関する条件が、発明(1)における条件(a) である。
【0055】
Vs:0.10〜0.42%
寒冷地で使用する場合等、きわめて良好な停止特性を得るためには、上記の個々の合金元素の制限に加えて、本発明では中心偏析を軽減する。そのためには、上記(2) で定義されるVsを0.10〜0.42%の範囲内とする。Vsが0.42%を超えると連続鋳造スラブの中心部に強度の中心偏析が生成する。Vsが0.42%を超えた場合、連続鋳造法で製造されると、TS900MPa以上の高張力鋼は中心偏析のために中心部靭性は良好になりにくい。一方、Vsが0.10%未満の場合には、中心偏析は小さいものの、TS900MPa以上を確保しにくくなるので、Vsの下限は0.10%とする。
【0056】
P:0.015%以下、S:0.003%以下
不可避的不純物元素のうち、PやSの含有率は鋼の靱性に著しい影響を及ぼすため、含有率の低減を図る必要がある。Pの低減はスラブの中心偏析を軽減するとともに、粒界が脆いことに起因する脆性破壊が抑制される。SはMnSとなって鋼中に析出し、圧延により延伸し靱性に悪影響を及ぼす。これらの悪影響を抑制するためには、Pは0.015%以下、またSは0.003%以下とする。その他の不可避的不純物は低いことが望ましいが、あまり低下させることはコストの増大を招くので通常のレベルであってもよい。
【0057】
その他の元素:
上記以外に、稀土類元素(La、Ce、Y、Nd等)、Zr、W等が微量含まれてもよい。
【0058】
2.金属組織
上記の化学組成を含む鋼に、前記したように通常の加工熱処理または熱処理を施せば目標性能を備えたTS900MPa以上の高張力鋼が得られる。さらに良好な性能とするために、化学組成の限定だけでなく前記(c)の金属組織を備える高張力鋼とする。
【0059】
2−1)マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織:
母材の強度と靱性をともに優れた性能とするために、金属組織は“マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織”(以下、“混合組織”という)とする。この混合組織は体積率で90%以上とする。ここでいう「下部ベイナイト」とは、ラス状ベイニティックフェライト内部に同フェライトの端面(γ中に一定角を保って成長するラス状ベイニティックフェライトの先端部の面)と60度の角度をなして微細セメンタイトが分散析出した組織をいう。1つのベイニティックフェライト内部の微細セメンタイトの析出面は1つのみである。焼戻マルテンサイトもマルテンサイトラス内部にセメンタイトが析出する組織であるが、4つのバリアントが存在する点で相違する。
【0060】
混合組織を体積率で90%以上とするのは、目標とするアレスト性、すなわちDWTTの85%FATTを−30℃以下とするためである。混合組織の靱性が優れる理由は、焼入れ途中マルテンサイトに先んじて高温側で生成する下部ベイナイトが“壁”となってγ粒を細分し、マルテンサイトのパケット(脆性破壊の破面単位に一致する)の成長を抑制することにある。
【0061】
本発明が対象とする低炭素鋼では脆性破面は塑性変形を伴わないへき開破面とそれを薄く取り囲む塑性変形を伴った延性破面からなり、擬へき開破面と呼ばれる。周囲の延性破面を境界とみてへき開破面の平均的な大きさを「破面単位」といい、破面単位が小さいほど発生特性およびアレスト性は良好である。
【0062】
下部ベイナイトの体積率が2%未満になると、上記した下部ベイナイトの組織の分割効果が得られず、したがって混合組織にともなう組織の微細化が不十分となり、靭性が低下するので2体積%以上とする。一方、マルテンサイトよりも強度が低い下部ベイナイトの比率が高くなりすぎると鋼全体の強度が低下するので、TS900MPa以上の強度を満足するためには下部ベイナイトは75体積%以下とすることが望ましい。
【0063】
2−2)旧γ粒のアスペクト比
さらに、強度を満足する混合組織としたうえで靱性をより一層改善するためには、下部ベイナイトを分散させることが望ましい。このためにはγの未再結晶状態、すなわち圧下により累積した転位が高密度で存在する状態から変態させる。この状態は下部ベイナイトの核生成サイトが高密度で存在する状態である。このため、γ粒界および粒内の多くのサイトから下部ベイナイトを生成させることができる。こうした効果を確実に出現させるために、未再結晶γ(旧γ粒)のアスペクト比(扁平度)を3以上とする。
【0064】
3.製造方法
つぎに製造方法について詳説する。本発明の製造方法は上記の発明(1)または(3)に金属組織(c)を付与する製造方法と位置づけることができる。
【0065】
本製造方法において最も肝要なのは、旧γ粒界のみならず熱間圧延によって導入された集積転位を保存したγの粒内からも下部ベイナイトとマルテンサイトを核生成させることである。
【0066】
(a)熱間圧延
鋳片加熱温度は、加熱時のγ結晶粒の粗大化を防止するために1250℃以下とし、一方、圧延中の結晶粒の微細化および圧延後の析出強化に有効なNbを固溶させるために1000℃以上とする。γ粒内からの下部ベイナイトを核生成させ、かつ下部ベイナイトの成長を抑えるためには高密度の転位が必要であり、そのためにはγの未再結晶温度域で50%以上の圧延を行うことが必須である。一方、γの未再結晶温度域での圧下率が90%を超えると機械的性質の異方性が著しくなるので、未再結晶温度域での圧下率は90%以下とすることが望ましい。
【0067】
圧延仕上げ温度がAr点未満になると、強い圧延集合組織が残り機械的性質に異方性を生じるので、Ar以上の圧延仕上げ温度とする。
【0068】
(b)冷却
靭性を劣化させる上部ベイナイトの生成を抑制するためにはAr点以上から一定の冷却速度で冷却されなければならない。この圧延後の冷却速度は、各組織の比率を適切なものとするために必要であり、鋼板の場合は板厚中心部で、また一般的な鋼材の場合には肉厚中心部で10〜45℃/sの範囲とする。冷却速度が10℃/s未満の場合は上部ベイナイトが生成するか、または下部ベイナイトの比率が75%を超え、強度および靱性、とくにアレスト性が劣化する。一方45℃/sを超えると下部ベイナイトが生成せずマルテンサイトのみの組織となり、靱性、とくにアレスト性が劣化する。
【0069】
冷却停止温度は500℃以下とする。冷却停止温度が500℃を超えると上部ベイナイトが生成し、上記(c) の混合組織が得られないからである。冷却は室温まで行ってもよいが、製鋼段階で水素濃度が高く水素性欠陥の発生の可能性が高い場合は、200℃程度まで冷却し、その後は脱水素のために除冷することが望ましい。または、200℃程度まで冷却し、200℃未満にすることなく脱水素焼鈍炉に挿入するか、または後記する焼戻処理をすることが望ましい。圧延後冷却するプロセスでの水素性欠陥は200℃未満で発生する場合がほとんどだからである。
【0070】
(c)焼戻し
上記の製造方法で製造した鋼をそのまま用いてもよいし、きわめて高いアレスト性が要求される場合にはAc点以下で焼戻しを行う。
【実施例】
【0071】
つぎに実施例により、本発明の効果を説明する。
【0072】
表1および表2は、実験に供した鋼の化学組成を示す。供試鋼は、同表の化学組成の鋼を常法により溶製、鋳造し得られた鋳片を種々の条件で加工熱処理した板厚12〜35mmの厚鋼板である。また、表3にそれぞれの鋼のC eq を示す
【0073】
【表1】

Figure 0003817887
【0074】
【表2】
Figure 0003817887
【0075】
【表3】
Figure 0003817887
【0076】
表4は、加工熱処理(熱間圧延、冷却および焼戻し)の条件を示す一覧表である。前記したように、上記の鋼の未再結晶温度域は950℃以下である。また、Ar点は、500〜600℃の範囲にある。
【0077】
【表4】
Figure 0003817887
【0078】
また、表5はこれらの条件によって製造された厚鋼板の板厚中心部の金属組織をしめす。
【0079】
【表5】
Figure 0003817887
【0080】
これらの鋼板の板厚中心部より試験片を採取し、つぎの試験に供した。
【0081】
母材強度については、引張試験(試験片:JIS Z 2204 4号、試験法:JIS Z 2241)によりYSとTSを求めた。母材の靭性は、2mmVノッチシャルピー衝撃試験(試験片:JIS Z 2202 4号、試験法:JIS Z 2242)およびDWTT試験により行った。
【0082】
DWTT試験はラインパイプの業界ではきわめて一般的に知られているアレスト性評価試験である。ナイフエッジで原厚の試験片にプレスノッチを入れ、落錘または大型ハンマにより衝撃加重を加え、ノッチから脆性亀裂を発生させ破断後の破面を観察し、延性破面から脆性破面に破壊様式が遷移する温度のみで評価する。有効な試験においては、プレスノッチ底から脆性破面が発生するが、その後、延性破面(延性亀裂の伝播には多大のエネルギを要する)に変化し、延性破面が破面全体の85%以上の比率の場合(85%FATT)に、アレスト性がその試験温度においてあると判断する。ノッチ底から脆性亀裂が発生していない場合は有効な試験とされない。このような場合にはノッチ底に浸炭処理等を施し、さらに脆化させノッチ底から脆性亀裂が発生するようにする。本実施例においては、いずれの鋼の場合もプレスノッチしたままのノッチ底から脆性破面が発生していた。
【0083】
一方、2mmVノッチシャルピー衝撃試験は、発生特性を主に評価するがアレスト性も一部に含んだ靭性評価試験といわれている。母材の2mmVノッチシャルピー衝撃試験では、試験温度−40℃における吸収エネルギーを求めた。
【0084】
溶接継手部の靭性試験は、溶接熱サイクル再現試験機により最高加熱温度1350℃、入熱4万J/cm相当の冷却速度で800〜500℃を冷却した試験片から2mmVノッチシャルピー試験片を採取して試験に供し、−20℃の吸収エネルギーによって評価した。上記のとおり、この評価は主に発生特性の評価である。
【0085】
現地溶接性はy開先溶接割れ試験(JIS Z 3158)により評価した。これら溶接割れは化学組成によってほとんど決まり母材の金属組織は影響しないので、加熱温度1150℃、仕上げ温度900℃にて板厚25mmの厚鋼板を表1〜2の鋼について製造した。これら厚鋼板から原厚のy開先溶接割れ試験片を採取して試験に供した。溶接材料は市販の100キロハイテン用手溶接棒とし、1.5cc/100g程度の水素となるよう、温度20℃、湿度75%の大気中に2時間放置した後、入熱1.7kJ/mmの条件でビードを置き、室温に冷却した後、JIS Z 3158にしたがって割れの有無を調査した。
【0086】
表6は、これらの試験結果を示す一覧表である。
【0087】
【表6】
Figure 0003817887
【0088】
比較例である試験番号X1〜X10は、それぞれ鋼の合金元素、C過剰(X1)、Si過剰(X2)、Mn過剰(X3)、Cu過剰(X4)、Ni過少(X5)、Cr過剰(X6)、Mo過剰(X7)、V過剰(X8)、Ti過剰(X9)、Al過剰(X10)であるため、X10を除いて母材の靭性、とくにアレスト性が目標に届かなかった。X10は、靭性は確かに目標値に達しているが、強度が900MPaを満足しなかった。
【0089】
比較例のX11およびX12は、それぞれCeqが過大および過小であるが、X11は靭性が低くかつ溶接割れを生じ、X12は焼入性の不足に起因して強度、靭性ともに低かった。
【0090】
鋼の化学組成は本発明の範囲に入るが、熱間圧延または冷却条件が適切な常法の範囲を外れ、金属組織(c)の範囲を大きく外れる比較例Y1、Y2、Y6およびY10の母材靭性はきわめて不満足な結果となった。
【0091】
これに対して、本発明例ではTS900MPa以上の強度と−40℃でのシャルピー衝撃試験において200J以上の吸収エネルギーが得られた。最大の関心であった、DWTTにおいては85%FATTが−40℃以下となり、きわめて満足すべきアレスト性を示した。さらに、溶接部性能および現地溶接性も良好であった。
【発明の効果】
【0092】
本発明によれば、引張り強さ900MPa以上を具備し、靭性、とくにアレスト性の良好な高張力鋼を得ることができる。その結果、十分な安全性を確保したうえでパイプライン敷設時の施工能率および操業時の輸送効率を飛躍的に改善することが可能となった。BACKGROUND OF THE INVENTION
[0001]
  The present invention is a high-strength steel used for line pipes for transportation of natural gas and crude oil, various pressure vessels, etc., and particularly has a tensile strength (TS) of 900 MPa which is excellent in brittle crack propagation stop characteristics and weld joint characteristics. It relates to the above high-tensile steel.
[Prior art]
[0002]
  In pipelines that transport natural gas, crude oil, etc. over long distances, improvements in transportation efficiency due to increased operating pressure have been continually pursued. In order to withstand the increase in operating pressure, it is conceivable to increase the wall thickness of the conventional strength grade steel for pipes, but it reduces the welding efficiency at the site and lowers the laying efficiency by increasing the weight of the structure. There are problems that arise. On the other hand, the request | requirement which restrict | limits the increase in thickness by making steel materials for pipes high is growing. For this reason, for example, in recent years, X80 grade steel has been standardized and put into practical use at the American Petroleum Institute (API). Here, the symbol “X80” indicates that the yield strength (YS) is 80 ksi (about 551 MPa) or more.
[0003]
  Furthermore, it has been proposed that X100 or X120 grade high-strength steel can be produced based on this X80 grade steel production technology. Specifically, X100 to X120 grade steel using precipitation strengthening of Cu and a method for manufacturing the same (JP-A-8-104922, JP-A-8-209287, JP-A-8-209288), and Proposals have been made on steels with an increased Mn content and methods for producing the same (JP-A-8-209290, JP-A-8-209291).
[0004]
  The former steel material using the precipitation strengthening of Cu is surely provided with excellent on-site weldability and high strength of the base material due to reduced hardness of the welded portion. However, due to Cu precipitates dispersed in the matrix, it is insufficient to provide a brittle crack propagation stopping property (hereinafter referred to as “arrestability”) to a sufficient extent. This arrestability is a characteristic required for steel materials from the viewpoint of preventing a major accident that a welded steel structure collapses instantaneously due to brittle fracture.
[0005]
  Generally, in a welded steel structure, it is expected from the beginning that a certain amount of defects exist in the welded joint portion. Even if a brittle crack occurs due to a defect in the welded joint, a major accident will not occur if the base metal can stop the propagation of the brittle crack. For this reason, in an important welded steel structure, brittle fracture occurrence characteristics (hereinafter referred to as “generation characteristics”) are required for the welded joint, and arrestability is required for the base material. Of course, the occurrence characteristics of the base material may be a problem. The two characteristics of generation characteristics and arrestability are not completely independent and irrelevant characteristics. For example, when the precipitates are cohered and hardened, both properties deteriorate. However, although another factor, for example, refinement of the metal structure has a great effect of improving the generation characteristics, there is a difference that the degree of improvement in arrestability is small (not zero). When discussing these two properties, it should be noted that depending on the impact test method, there are ways to produce results that include both properties. The Charpy impact test produces results that include both properties, but is said to include more of the nature of the generated properties. In order to obtain only arrestability results, comparatively large test pieces in which a brittle crack generation part and a brittle crack stop part are separated, such as DWTT described in Examples described later, or a double tensile test, etc. Must be used. Historically, these two properties were called “toughness” because of the properties obtained by the Charpy test etc. without distinguishing between these two properties. Even now, it is usually called toughness including arrestability and developmental characteristics. In this specification, unless otherwise specified, toughness refers to both properties.
[0006]
  In the high Mn steel disclosed in JP-A-8-209290, etc., hardenability can be secured by containing a large amount of low-cost Mn, so that there is an advantage that expensive alloy elements such as Ni and Mo can be reduced. . However, when Mn is raised and Ni is lowered, the generation characteristics of the weld joint and the arrestability of the base material may not be ensured. Steel materials with low base metal arrestability cannot be used for important welded structures, and their applications are limited.
[0007]
  The term “welded joint property” includes toughness of the welded joint, particularly “generation characteristics” and “strength”. The term “welded joint” refers to both a weld heat affected zone (Heat Affected Zone: so-called “bond”; hereinafter referred to as “HAZ”) and weld metal. Unless otherwise indicated, only HAZ.
[0008]
  In the above-mentioned line pipe, high pressure operation is scheduled in the near future, and an X120 grade steel material having arrestability and the like is demanded. In the case of X120 grade steel, YS needs to be 850 MPa or more, but TS becomes 900 MPa or more at this time. Such a high-strength grade steel with sufficient arrestability has never been put to practical use.
[Problems to be solved by the invention]
[0009]
  An object of the present invention is to provide a high-strength steel of TS900 MPa or more that is excellent in arrestability and generation characteristics of a welded joint, and a method for producing the same. Specific target performance is shown below. The description of the DWTT (Drop Weight Tear Test) for evaluating the content of each test item and the nature of the test, particularly the arrestability, will be given in the examples.
[0010]
  1. Base material performance
  TS: 900 MPa or more (the upper limit is not particularly limited, but the upper limit is approximately 1050 MPa)
  Arrestability: 85% FATT (Fibrous Appearance Transition Temperature) is -30 ℃ or less in DWTT test
  Generation characteristics: 2EV notch Charpy impact test vE-40 ≧ 150J
  2. Welding performance
  Welded joint TS: 900MPa or more
  Occurrence characteristics: HAZ 2mmV notch Charpy impact test vE-20 ≧ 150J
  On-site weldability: Crack prevention temperature above room temperature in y-groove weld cracking test
[Means for Solving the Problems]
[0011]
  In order to obtain TS900 MPa or higher high-tensile steel having a weld joint part property of TS900 MPa or higher, excellent arrestability, and relatively high heat input (3 to 10 kJ / mm), various compositions, As a result of intensive studies on steel having a structure, the following matters were confirmed.
[0012]
  a) By setting Ni to a content exceeding 1.2% by weight, excellent arrestability and HAZ toughness can be ensured while being a high-strength steel of TS900 MPa or more.
[0013]
  b) As a chemical composition, the following restrictions are necessary.
[0014]
  In order to target a relatively thin steel material, an upper limit of the carbon equivalent is set depending on the presence or absence of B in order to avoid excessive firing, that is, an excessive volume ratio of martensite, for example, 100% martensite. Further, from the viewpoint of securing the strength, a lower limit of carbon equivalent is set according to the presence or absence of B.
[0015]
  c) In order to further improve the arrestability of the base material, it is desirable to have a mixed structure of a constant ratio of lower bainite and martensite. And in order to make this mixed structure fine, the dislocation density accumulated by processing is increased so that the nucleation density of the lower bainite is increased. Therefore, the aspect ratio of the prior austenite (hereinafter “austenite” may be referred to as “γ”) grains having a good correspondence with the dislocation density is set to 3 or more.
[0016]
  d) In order to reduce the center segregation and remarkably improve the toughness of the center, the following (2)Vs represented by the formula is set to 0.10 to 0.42%.
[0017]
  The gist of the present invention is a high-strength steel described below and a method for manufacturing the high-strength steel, which have been completed through a combination of the above-described matters and undergoing tests on the manufacturing site.
[0018]
  (1)mass%C: 0.02 to 0.1%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.2 to 2.5%, Ni: more than 1.2%, 2.5% or less, Nb: 0 0.01 to 0.1%, Ti: 0.005 to 0.03%, N: 0.001 to 0.006%, Al: 0.1% or less, Cu: 0 to 0.6%, Cr: 0 -0.8%, Mo: 0-0.6%, V: 0-0.1%, Ca: 0-0.006%, balance Fe and inevitable impurities, the following conditions (a) or (b ) Among the inevitable impurities, P is 0.015% or less, and S is 0.003% or less.
[0019]
  (a) Furthermore, B is in the range of 0 to 0.0004% and(1) formulaHas a carbon equivalent Ceq of 0.53 to 0.7%.
[0020]
  (b) Furthermore, B: more than 0.0004%, 0.0025% or less,(1) formulaHas a carbon equivalent Ceq of 0.4 to 0.58%.
[0021]
      (1): Ceq = C + (Mn / 6) + {(Cu + Ni) / 15} + {(Cr + Mo + V) / 5}
  Here, the element symbol represents the content (% by weight) in the steel.
[0022]
  (2) The high-tensile steel according to (1), wherein the metal structure satisfies the following (c).
[0023]
  (c) The mixed structure of martensite and lower bainite is 90% by volume or more in the metal structure, of which the lower bainite is 2% by volume or more and the aspect ratio of the prior γ grains is 3 or more. is there.
[0024]
  (3) The following(2)The high-tensile steel according to (1), wherein Vs represented by the formula is in the range of 0.10 to 0.42%.
[0025]
      (2): Vs = C + (Mn / 5) + 5P- (Ni / 10)-(Mo / 15) + (Cu / 10)
  Here, the element symbol represents the content (% by weight) in the steel.
[0026]
  (4)above (2)The high-tensile steel according to (2), wherein Vs represented by the formula is in the range of 0.10 to 0.42%.
[0027]
  (5) The steel slab is heated to 1000 to 1250 ° C. and rolled, and the cumulative reduction rate in the non-recrystallization temperature range of γ is 50% or more, Ar3Rolling ends at the point or higher, Ar3The method for producing high-tensile steel according to (2) or (4), wherein cooling is performed to 500 ° C. or less at a cooling rate of 10 to 45 ° C./s at the center of the wall thickness from the point.
[0028]
  (6) Furthermore, Ac1The manufacturing method of said (5) which adds tempering below a point.
[0029]
  The high-tensile steel mentioned above mainly refers to a thick steel plate, but is not limited to a thick steel plate, and may be a hot-rolled steel plate or a bar steel. The above-mentioned high-strength steels are not only applicable to those containing alloy elements in the above-mentioned range, but also to steels containing trace amounts of well-known elements that do not significantly change the performance of the steel.
[0030]
  The metal structure (c) must be satisfied in the average value at the respective positions of the thick surface layer part, 1 / 4t part and 1 / 2t part.
[0031]
  The remaining phases other than the mixed structure of martensite and lower bainite are residual γ, upper bainite, and other phases. When the residual γ is included in the metal structure, the X-ray diffraction profile is analyzed and quantified, and the ratio is usually negligible.
[0032]
  In order to obtain the volume ratio of the mixed structure of martensite and lower bainite, thin film transmission observation or extraction replica observation is performed using an electron microscope. In particular, the extracted replica is useful because the difference in the precipitation form of carbide (cementite) in martensite or lower bainite can be clearly identified and observed over a relatively wide area without being limited to the local area.
[0033]
  In order to obtain the average value of the ratio of the mixed structure of martensite and lower bainite in the total metal structure using this extracted replica, it is desirable to take an average of about 10 to 30 fields of view about 2000 times. Although thin film transmission observation allows precise measurement, the magnification must be increased. For this reason, since the area | region of 1 visual field is narrow, it is desirable to set the number of visual fields which take an average value to 50-100.
[0034]
  The old γ grain boundary refers to the grain boundary of unrecrystallized γ grains immediately before transformation into the above mixed structure. When the mixed structure forms as the main phase (unless pro-eutectoid ferrite is formed), Are also clearly identified. Similarly, the aspect ratio of the old γ grain boundary is also an average value. The aspect ratio refers to (length of old γ grains in rolling direction (major axis)) / (length of old γ grains in thickness direction (minor axis)).
[0035]
  The “non-recrystallization temperature range” in the above (5) refers to a temperature range in which recrystallization of crystals deformed by rolling does not occur clearly. In the case of the Nb-containing steel according to the present invention having TS900 MPa or more, it indicates a temperature range of 950 ° C. or less. Therefore, the “cumulative rolling reduction in the non-recrystallization temperature range” refers to (plate thickness at 950 ° C.−finished plate thickness) / (plate thickness at 950 ° C.).
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0036]
  Next, the reason why the present invention is limited as described above will be described in detail. In the following description, the high-tensile steel is assumed to be a thick steel plate or a hot-rolled steel plate.
[0037]
  1. Alloy elements
  “%” Indicating the alloy element content is"mass%"Is displayed.
[0038]
  C: 0.02-0.1%
  C is an element effective for increasing the strength, and is 0.02% or more in order to obtain a strength of TS900 MPa or more in the steel in the range of the present invention. On the other hand, if it exceeds 0.1%, not only the arrestability and generation characteristics of the base metal are deteriorated, but also the weldability at the site is remarkably deteriorated, so the upper limit is made 0.1%. To further improve both strength and arrestability, 0.04 to 0.085% is desirable.
[0039]
  Si: 0.6% or less
  Si has a high deoxidizing effect. When Si is set to 0, the loss of Al increases during deoxidation. Therefore, it is usually desirable that the lower limit is, for example, about 0.01% to the extent that deoxidation remains. However, if it exceeds 0.6%, not only the toughness of the HAZ is lowered but also the workability is deteriorated, so the upper limit is made 0.6%. In order to further improve the toughness of the HAZ, the content is preferably set to 0.3% or less. If TS can be sufficiently secured by other elements, it is desirable that the TS be 0.1% or less.
[0040]
  Mn:
  Since Mn is effective for increasing the strength, it is set to 0.2% or more in order to ensure the strength. On the other hand, if it exceeds 2.5%, the arrestability of the base metal and the generation characteristics of HAZ deteriorate, so in the case of high strength steel of TS900 MPa or more, Mn is limited to 2.5% or less. Further, excessive Mn promotes center segregation during casting, and particularly in the case of high-strength steel targeted by the present invention, it causes weld cracks and hydrogen defects, so Mn exceeding 2.5% Must be avoided.
[0041]
  Further, when Mn is limited to less than 1.7%, the center segregation is remarkably reduced. Therefore, when used in an environment where there is a strong risk of hydrogen-induced cracking selectively occurring at the center segregation portion, 1. It is desirable to make it less than 7%. In the case of steel used for a line pipe, it is rather normal to make Mn less than 1.7%. When used for other structures, it is more advantageous in terms of economy to make Mn 1.7 to 2.5%.
[0042]
  Ni: more than 1.2%, 2.5% or less
  Ni is effective for increasing strength, and at the same time, is necessary for improving toughness, particularly arrestability. Further, it exerts a particularly remarkable effect in controlling the precipitation form of carbides of HAZ and improving the toughness of HAZ. For this reason, Ni is made a range exceeding 1.2%. On the other hand, if it exceeds 2.5%, the sheet thickness used for the line pipe is excessively baked and lower bainite is not generated, and the effect of dividing the metal structure by the lower bainite cannot be obtained. For this reason, the base metal toughness is not improved, so 2.5% or less.
[0043]
  Nb: 0.01 to 0.1%
  Nb is effective for refining γ grains in the thermomechanical treatment and is set to 0.01% or more. On the other hand, if it exceeds 0.1%, not only the toughness of the HAZ is deteriorated but also the weldability at the site is remarkably deteriorated, so the upper limit is made 0.1%. In order to improve both the refinement of the metal structure of the base metal and the HAZ toughness, it is desirable that the content be 0.02 to 0.05%.
[0044]
  Ti: 0.005 to 0.03%
  Ti is effective in preventing the growth of γ grains during slab heating, and is made 0.005% or more. In particular, in Nb-containing steel, a small amount of Ti of 0.005% or more is effective in suppressing cracks on the surface of a continuously cast slab promoted by Nb. On the other hand, if it exceeds 0.03%, TiN becomes coarse and the effect of refining γ grains disappears, so the content is made 0.03% or less.
[0045]
  N: 0.001 to 0.006%
  N combines with Ti to form TiN, and has the effect of suppressing the growth of γ grains during slab reheating and welding. In order to obtain such an effect, the lower limit is made 0.001%. On the other hand, an increase in the amount of N causes deterioration of slab quality and deterioration of HAZ toughness due to an increase in solid solution N, so the upper limit is made 0.006%.
[0046]
  Al: 0.1% or less
  Al is added to molten steel as a deoxidizing material. Al contained in the solidified steel forms solute Al, AlN, etc. as solAl except for Al in the oxide. Among these, since AlN effectively acts on the refinement of the structure, it is desirable to contain 0.005% or more in order to improve the base material toughness. However, excess Al causes coarsening of inclusions such as oxides, harms the cleanliness of the steel, and deteriorates the toughness of the HAZ, so the upper limit is made 0.1%. In order to ensure good generation characteristics of HAZ, the preferable upper limit value is 0.06%, more preferably 0.05%.
[0047]
  Cu: 0 to 0.6%
  Cu may not be included. However, since Cu is effective in increasing the strength, it is included in the case of steel that secures the strength by lowering C for an environment where weld cracking is likely to occur. If it is less than 0.2%, the effect of increasing the strength is small. On the other hand, if it exceeds 0.6%, the toughness deteriorates, so the upper limit is made 0.6%. Furthermore, when aiming at toughness improvement, it is desirable to set it as 0.4% or less.
[0048]
  Cr: 0 to 0.8%
  Cr may not be included. However, since Cr is effective in increasing the strength, it is included when C must be lowered to improve weldability. If the content is less than 0.15%, the effect is not sufficiently exhibited. On the other hand, if it exceeds 0.8%, the toughness deteriorates, so the upper limit is made 0.8%. In order to further improve the balance of toughness and strength, it is desirable to be 0.3 to 0.7%.
[0049]
  Mo: 0 to 0.6%
  Mo may not be included. However, since it is effective for increasing the strength, it is included in the case of low C. If the content is less than 0.1%, the effect is small. On the other hand, if it exceeds 0.6%, the toughness deteriorates, so the upper limit is made 0.6%. In order to keep both strength and toughness in a favorable range, it is desirable that the content be 0.3 to 0.5%.
[0050]
  V: 0 to 0.1%
  V may not be included. However, V increases the strength without significantly increasing the hardenability, so V is included when securing the strength without increasing the hardenability. If the content is less than 0.01%, the effect is small. On the other hand, if it exceeds 0.1%, the toughness deteriorates, so the upper limit is made 0.1%. In order to provide both good toughness and strength, the content is desirably 0.01 to 0.06%.
[0051]
  Ca: 0 to 0.006%
  Ca may not be contained. However, since Ca forms a sulfate with Mn, S, O, etc. and refines the crystal grains of HAZ, it is desirable to include it particularly when improving the generation characteristics of the weld. If the content is less than 0.001%, the effect is small. On the other hand, if it exceeds 0.006%, nonmetallic inclusions in the steel increase and cause internal defects, so the content is made 0.006% or less.
[0052]
  B and Ceq (hardenability)
  It is necessary to adjust the hardenability in order to fill the metal structure (c) in the portion from the thick surface layer portion to the central portion. The effect on the hardenability of C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo and V is taken into the carbon equivalent Ceq and evaluated by the carbon equivalent Ceq. In the present invention, B is not incorporated in Ceq, but it is considered because it contributes greatly to hardenability in a small amount. Among other elements, Nb improves the hardenability in a solid solution state, but when manufactured by a normal processing heat treatment, Nb (CN) precipitates during hot rolling and the Nb content is 0.01 to 0. In the range of 1%, the solid solution Nb concentration does not vary greatly. In the present invention, since all steels contain Nb in the above range, it is not necessary to take out Nb as a variable factor of hardenability in the present invention. Further, Si contributes little to hardenability, and the same can be said.
[0053]
  When B is 0.0004% or less, the effect of improving the hardenability is not exhibited. Therefore, when the effect of improving the hardenability of B is ensured, the content of B exceeds 0.0004%. On the other hand, if it exceeds 0.0025%, the toughness of the HAZ deteriorates remarkably, so 0.0025% is made the upper limit. In order to sufficiently secure both the toughness and hardenability of the HAZ, the content is preferably 0.0005 to 0.002%. B: In the case of more than 0.0004% and 0.0025% or less, steel that does not exhibit the effect of B in order to avoid excessive hardenability and forming a metal structure that is too hard (“B-free steel”) However, the carbon equivalent is lower than B: in the range of 0 to 0.0004%. That is, the range of carbon equivalent Ceq is 0.4 to 0.58%. When Ceq is less than 0.4%, TS900 MPa cannot be secured even if the effect of improving the hardenability of B is sufficiently obtained, so Ceq is set to 0.4% or more. On the other hand, if Ceq exceeds 0.58%, the effect of B and the hardenability become excessive and the toughness deteriorates, so the content is made 0.58% or less. The above conditions for B and Ceq are the condition (b) in the invention (1).
[0054]
  Since B does not have the effect of improving hardenability in HAZ, it does not harden as much as Ceq is lowered and lowers weld crack sensitivity. However, since B tends to increase the average length in the growth direction of martensite and lower bainite and reduce toughness, the weld crack sensitivity may be slightly increased, and the toughness is extremely good. When it is intended, it shall be B-free steel. That is, B is set to a range of 0 to 0.0004%. In the case of B-free steel, Ceq is set in the range of 0.53 to 0.7% in order to ensure the hardenability of the base material. If Ceq is less than 0.53%, the hardenability is insufficient and a TS of 900 MPa or more cannot be secured. On the other hand, if it exceeds 0.7, the quenching is excessive and the arrestability deteriorates, so 0.7% is the upper limit. To do. The condition regarding B and Ceq in B-free steel is condition (a) in the invention (1).
[0055]
  Vs: 0.10 to 0.42%
  In order to obtain extremely good stopping characteristics, such as when used in a cold region, in addition to the limitations of the individual alloy elements described above, the present invention reduces central segregation. To that end, the above(2) formulaVs defined in the above is within the range of 0.10 to 0.42%. When Vs exceeds 0.42%, strong center segregation is generated at the center of the continuously cast slab. When Vs exceeds 0.42%, when manufactured by a continuous casting method, high-tensile steel of TS900 MPa or more is less likely to have good center toughness due to center segregation. On the other hand, when Vs is less than 0.10%, although center segregation is small, it is difficult to ensure TS900 MPa or more, so the lower limit of Vs is 0.10%.
[0056]
  P: 0.015% or less, S: 0.003% or less
  Among the inevitable impurity elements, the content of P and S has a significant effect on the toughness of steel, so it is necessary to reduce the content. The reduction of P reduces the center segregation of the slab and suppresses brittle fracture caused by the brittle grain boundary. S becomes MnS, precipitates in the steel, stretches by rolling, and adversely affects toughness. In order to suppress these adverse effects, P is 0.015% or less, and S is 0.003% or less. Other unavoidable impurities are desirably low, but if they are reduced too much, the cost increases, so that they may be at a normal level.
[0057]
  Other elements:
  In addition to the above, rare earth elements (La, Ce, Y, Nd, etc.), Zr, W, etc. may be contained in minute amounts.
[0058]
  2. Metal texture
  If the steel containing the above chemical composition is subjected to the usual work heat treatment or heat treatment as described above, a high strength steel of TS900 MPa or more having the target performance can be obtained. In order to further improve the performance, not only the chemical composition but also the high-strength steel having the metal structure (c) is used.
[0059]
  2-1) Mixed structure of martensite and lower bainite:
  In order to achieve both excellent strength and toughness of the base material, the metal structure is assumed to be “mixed structure of martensite and lower bainite” (hereinafter referred to as “mixed structure”). This mixed structure is 90% or more by volume ratio. The term “lower bainite” as used herein refers to the end face of the ferrite inside the lath-shaped bainitic ferrite (the surface of the tip of the lath-shaped bainitic ferrite growing at a constant angle in γ) and an angle of 60 degrees. The structure in which fine cementite is dispersed and precipitated. There is only one precipitation surface of fine cementite inside one bainitic ferrite. Tempered martensite is also a structure in which cementite precipitates in the martensite lath, but is different in that there are four variants.
[0060]
  The reason why the mixed tissue is 90% or more by volume is that the target arrestability, that is, 85% FATT of DWTT is −30 ° C. or lower. The reason why the toughness of the mixed structure is excellent is that the lower bainite formed on the high temperature side prior to martensite during quenching becomes a “wall” and subdivides the γ grains, which matches the martensite packet (the fracture surface unit of brittle fracture). ) To suppress growth.
[0061]
  In the low-carbon steel targeted by the present invention, the brittle fracture surface is composed of a cleaved fracture surface without plastic deformation and a ductile fracture surface with plastic deformation surrounding it thinly, and is called a pseudo-cleavage fracture surface. Taking the surrounding ductile fracture surface as the boundary, the average size of the cleavage fracture surface is called “fracture surface unit”. The smaller the fracture surface unit, the better the generation characteristics and arrestability.
[0062]
  When the volume fraction of the lower bainite is less than 2%, the above-described effect of dividing the structure of the lower bainite cannot be obtained. Therefore, the structure is not sufficiently refined due to the mixed structure, and the toughness is reduced. To do. On the other hand, if the ratio of the lower bainite, which is lower in strength than martensite, becomes too high, the strength of the entire steel decreases. Therefore, in order to satisfy the strength of TS 900 MPa or more, the lower bainite is desirably 75% by volume or less.
[0063]
  2-2) Aspect ratio of old γ grains
  Furthermore, in order to further improve the toughness after obtaining a mixed structure satisfying the strength, it is desirable to disperse the lower bainite. For this purpose, transformation is performed from an unrecrystallized state of γ, that is, a state in which dislocations accumulated by reduction are present at a high density. This state is a state in which the nucleation sites of the lower bainite exist at high density. For this reason, a lower bainite can be produced | generated from (gamma) grain boundary and many sites in a grain. In order to make such an effect appear reliably, the aspect ratio (flatness) of non-recrystallized γ (old γ grain) is set to 3 or more.
[0064]
  3. Production method
  Next, the manufacturing method will be described in detail. The manufacturing method of this invention can be positioned as the manufacturing method which provides metal structure (c) to said invention (1) or (3).
[0065]
  The most important point in this production method is to nucleate lower bainite and martensite not only in the former γ grain boundaries but also in the γ grains in which the accumulated dislocations introduced by hot rolling are preserved.
[0066]
  (A) Hot rolling
  The slab heating temperature is set to 1250 ° C. or less in order to prevent coarsening of γ crystal grains during heating, while solid solution of Nb effective for refinement of crystal grains during rolling and precipitation strengthening after rolling. And 1000 ° C. or higher. In order to nucleate the lower bainite from inside the γ grains and to suppress the growth of the lower bainite, high-density dislocations are necessary. For that purpose, rolling should be performed at 50% or more in the γ non-recrystallization temperature range. Is essential. On the other hand, if the reduction ratio in the non-recrystallization temperature range of γ exceeds 90%, the anisotropy of the mechanical properties becomes remarkable. Therefore, the reduction ratio in the non-recrystallization temperature range is desirably 90% or less.
[0067]
  Rolling finish temperature is Ar3Below the point, a strong rolling texture remains and anisotropy occurs in the mechanical properties.3It is set as the above rolling finishing temperature.
[0068]
  (B) Cooling
  In order to suppress the formation of upper bainite which deteriorates toughness, Ar3It must be cooled at a constant cooling rate from above the point. The cooling rate after rolling is necessary to make the ratio of each structure appropriate. In the case of a steel plate, it is 10 to 10 in the center of the plate thickness, and in the case of a general steel material in the center of the wall thickness. The range is 45 ° C./s. When the cooling rate is less than 10 ° C./s, the upper bainite is generated or the ratio of the lower bainite exceeds 75%, and the strength and toughness, particularly the arrestability are deteriorated. On the other hand, when it exceeds 45 ° C./s, the lower bainite is not generated and the structure is composed only of martensite, and the toughness, particularly the arrestability is deteriorated.
[0069]
  The cooling stop temperature is 500 ° C. or lower. This is because when the cooling stop temperature exceeds 500 ° C., upper bainite is generated, and the mixed structure (c) cannot be obtained. Cooling may be performed up to room temperature, but if the hydrogen concentration is high in the steelmaking stage and the possibility of occurrence of hydrogen defects is high, it is desirable to cool to about 200 ° C. and then remove for dehydrogenation. . Or it is desirable to cool to about 200 degreeC and insert in a dehydrogenation annealing furnace, without making it less than 200 degreeC, or to perform the tempering process mentioned later. This is because hydrogen defects in the process of cooling after rolling mostly occur below 200 ° C.
[0070]
  (C) Tempering
  The steel produced by the above production method may be used as it is, or when extremely high arrestability is required.1Temper below the point.
【Example】
[0071]
  Next, the effects of the present invention will be described with reference to examples.
[0072]
  Tables 1 and 2 show the chemical composition of the steel subjected to the experiment. The test steel is a thick steel plate having a thickness of 12 to 35 mm obtained by subjecting a slab obtained by melting and casting steel having the chemical composition shown in the table to a heat treatment under various conditions.Table 3 shows the C of each steel. eq Indicate.
[0073]
[Table 1]
Figure 0003817887
[0074]
[Table 2]
Figure 0003817887
[0075]
[Table 3]
Figure 0003817887
[0076]
  Table 4These are tables showing conditions for thermomechanical treatment (hot rolling, cooling and tempering). As described above, the non-recrystallization temperature range of the steel is 950 ° C. or lower. Ar3The point is in the range of 500-600 ° C.
[0077]
[Table 4]
Figure 0003817887
[0078]
  Also,Table 5Shows the metal structure at the center of the plate thickness of the thick steel plate manufactured under these conditions.
[0079]
[Table 5]
Figure 0003817887
[0080]
  Test pieces were collected from the center of the plate thickness of these steel plates and used for the next test.
[0081]
  Regarding the base material strength, YS and TS were determined by a tensile test (test piece: JIS Z 2204 No. 4, test method: JIS Z 2241). The toughness of the base material was measured by a 2 mm V notch Charpy impact test (test piece: JIS Z 2202 No. 4, test method: JIS Z 2242) and a DWTT test.
[0082]
  The DWTT test is an arrest evaluation test that is very commonly known in the line pipe industry. A press notch is made in the raw specimen with a knife edge, an impact load is applied with a falling weight or a large hammer, a brittle crack is generated from the notch, the fracture surface after fracture is observed, and the ductile fracture surface is broken into a brittle fracture surface. Evaluate only at the temperature at which the mode transitions. In an effective test, a brittle fracture surface occurs from the bottom of the press notch, but then changed to a ductile fracture surface (which requires a large amount of energy for the propagation of ductile cracks), and the ductile fracture surface is 85% of the entire fracture surface. In the case of the above ratio (85% FATT), it is judged that arrestability exists at the test temperature. If a brittle crack does not occur from the bottom of the notch, it is not considered an effective test. In such a case, carburizing treatment or the like is performed on the bottom of the notch to further embrittle it so that a brittle crack is generated from the notch bottom. In this example, a brittle fracture surface was generated from the bottom of the notch that had been press-notched in any steel.
[0083]
  On the other hand, the 2 mm V notch Charpy impact test is said to be a toughness evaluation test that mainly evaluates the generation characteristics but also includes arrestability. In the 2 mm V notch Charpy impact test of the base material, the absorbed energy at a test temperature of −40 ° C. was determined.
[0084]
  For toughness testing of welded joints, 2 mm V notch Charpy specimens were sampled from specimens cooled to 800-500 ° C. at a maximum heating temperature of 1350 ° C. and a heat input equivalent to 40,000 J / cm using a welding heat cycle reproduction tester. Then, it used for the test and evaluated by the absorbed energy of -20 degreeC. As described above, this evaluation is mainly an evaluation of generation characteristics.
[0085]
  In-situ weldability was evaluated by the y-groove weld cracking test (JIS Z 3158). Since these weld cracks are almost determined by the chemical composition and the metal structure of the base metal is not affected, a steel plate having a thickness of 25 mm was manufactured for the steels shown in Tables 1 and 2 at a heating temperature of 1150 ° C. and a finishing temperature of 900 ° C. Raw thickness y-groove weld crack specimens were collected from these thick steel plates and used for the test. The welding material is a commercially available 100 kg high-tensile hand welding rod, and after leaving it in the atmosphere at a temperature of 20 ° C. and a humidity of 75% so as to be about 1.5 cc / 100 g of hydrogen, heat input is 1.7 kJ / mm. The beads were placed under the conditions described above, cooled to room temperature, and then examined for cracks in accordance with JIS Z 3158.
[0086]
  Table 6Is a list showing these test results.
[0087]
[Table 6]
Figure 0003817887
[0088]
  Test numbers X1 to X10 which are comparative examples are steel alloy elements, C excess (X1), Si excess (X2), Mn excess (X3), Cu excess (X4), Ni excess (X5), Cr excess ( Since X6), Mo excess (X7), V excess (X8), Ti excess (X9), and Al excess (X10), the toughness of the base material, especially arrestability, did not reach the target except for X10. In X10, the toughness certainly reached the target value, but the strength did not satisfy 900 MPa.
[0089]
  In Comparative Examples X11 and X12, Ceq was excessive and excessive, respectively, but X11 had low toughness and weld cracking, and X12 had low strength and toughness due to insufficient hardenability.
[0090]
  Although the chemical composition of the steel falls within the scope of the present invention, the bases of Comparative Examples Y1, Y2, Y6 and Y10, in which the hot rolling or cooling conditions are outside the range of the appropriate conventional method and greatly outside the range of the metal structure (c) The toughness was very unsatisfactory.
[0091]
  On the other hand, in the present invention example, an absorption energy of 200 J or more was obtained in a strength of TS 900 MPa or more and a Charpy impact test at −40 ° C. In DWTT, which was the greatest concern, 85% FATT was −40 ° C. or lower, indicating extremely satisfactory arrestability. Furthermore, the weld performance and on-site weldability were also good.
【The invention's effect】
[0092]
  According to the present invention, it is possible to obtain a high-tensile steel having a tensile strength of 900 MPa or more and excellent toughness, particularly arrestability. As a result, it was possible to dramatically improve the construction efficiency when laying pipelines and the transportation efficiency during operation while ensuring sufficient safety.

Claims (6)

質量%にて、C:0.02〜0.1%、Si:0.6%以下、Mn:0.2〜2.5%、Ni:1.2%超、2.5%以下、Nb:0.01〜0.1%、Ti:0.005〜0.03%、N:0.001〜0.006%、Al:0.1%以下、Cu:0〜0.6%、Cr:0〜0.8%、Mo:0〜0.6%、V:0〜0.1%、Ca:0〜0.006%、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、下記の条件(a)または(b)のいずれかを満たし、当該不可避的不純物のうち、Pが0.015%以下およびSが0.003%以下の引張強さ900MPa以上の高張力鋼。
(a) さらに、B:0〜0.0004%の範囲にあり、かつ下記(1) の炭素当量Ceqが0.53〜0.7%である。
(b) さらに、B:0.0004%超、0.0025%以下を含み、下記(1) の炭素当量Ceqが0.4〜0.58%である。
(1):Ceq=C+(Mn/6)+{(Cu+Ni)/15}+{(Cr+Mo+V)/5}
ここで、元素記号は鋼中の含有率(重量%)を表す。
In mass% , C: 0.02 to 0.1%, Si: 0.6% or less, Mn: 0.2 to 2.5%, Ni: more than 1.2%, 2.5% or less, Nb : 0.01 to 0.1%, Ti: 0.005 to 0.03%, N: 0.001 to 0.006%, Al: 0.1% or less, Cu: 0 to 0.6%, Cr : 0-0.8%, Mo: 0-0.6%, V: 0-0.1%, Ca: 0-0.006%, the balance consists of Fe and inevitable impurities, and the following conditions (a ) Or (b), and among the inevitable impurities, P is 0.015% or less and S is 0.003% or less, and a high strength steel having a tensile strength of 900 MPa or more.
(a) Further, B is in the range of 0 to 0.0004%, and the carbon equivalent Ceq of the following formula (1) is 0.53 to 0.7%.
(b) Further, B includes more than 0.0004% and 0.0025% or less, and the carbon equivalent Ceq of the following formula (1) is 0.4 to 0.58%.
(1) : Ceq = C + (Mn / 6) + {(Cu + Ni) / 15} + {(Cr + Mo + V) / 5}
Here, the element symbol represents the content (% by weight) in the steel.
金属組織が下記(c)を満たす請求項1の高張力鋼。
(c) マルテンサイトと下部ベイナイトの混合組織が金属組織中で90体積%以上であり、その混合組織のうちで下部ベイナイトが2体積%以上であり、かつ旧オーステナイト粒のアスペクト比が3以上である。
The high-tensile steel according to claim 1, wherein the metal structure satisfies the following (c).
(c) The mixed structure of martensite and lower bainite is 90% by volume or more in the metal structure, of which the lower bainite is 2% by volume or more, and the aspect ratio of the prior austenite grains is 3 or more. is there.
下記の(2)式で表されるVsが0.10〜0.42%の範囲にある上記請求項1の高張力鋼。
(2):Vs=C+(Mn/5)+5P−(Ni/10)−(Mo/15)+(Cu/10)
ここで、元素記号は鋼中の含有率(重量%)を表す。
The high-tensile steel according to claim 1, wherein Vs represented by the following formula (2) is in the range of 0.10 to 0.42%.
(2) : Vs = C + (Mn / 5) + 5P- (Ni / 10)-(Mo / 15) + (Cu / 10)
Here, the element symbol represents the content (% by weight) in the steel.
下記の(2)式で表されるVsが0.10〜0.42%の範囲にある上記請求項2の高張力鋼。
(2):Vs=C+(Mn/5)+5P−(Ni/10)−(Mo/15)+(Cu/10)
ここで、元素記号は鋼中の含有率(重量%)を表す。
The high-tensile steel according to claim 2, wherein Vs represented by the following formula (2) is in the range of 0.10 to 0.42%.
(2) : Vs = C + (Mn / 5) + 5P- (Ni / 10)-(Mo / 15) + (Cu / 10)
Here, the element symbol represents the content (% by weight) in the steel.
鋼鋳片を、1000〜1250℃に加熱後圧延し、γの未再結晶温度域での累積圧下率を50%以上とし、Ar点以上で圧延を終了し、Ar点以上から肉厚中心部の冷却速度10〜45℃/sにて500℃以下に冷却する上記請求項2、または4の高張力鋼の製造方法。The steel slab was rolled after heating to 1000 to 1250 ° C., the cumulative reduction rate in the pre-recrystallization temperature zone of γ is 50% or more, and terminates the rolling at Ar 3 point or more, the thickness of three or more points Ar The manufacturing method of the high-tensile steel according to claim 2 or 4, wherein the cooling is performed to 500 ° C or lower at a cooling rate of 10 to 45 ° C / s at the center. さらに、Ac点以下での焼戻しを加える上記請求項5の製造方法。Furthermore, the manufacturing method of the said Claim 5 which adds tempering in Ac 1 point or less.
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