JP4341396B2 - 低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯 - Google Patents
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Description
また、熱延製品に関しては、特許文献2に、低炭素当量に調整されたスラブを、Ar3点以上で圧延したのち、20℃/s以上の冷却速度で速やかに冷却して 250℃以下の温度で巻取る方法が開示されている。
これに対し、熱間圧延機で製造される熱延鋼帯は、比較的大きなスラブからコイル状に製品を巻き取り、造管工程で必要な長さに応じて払い出して鋼管を製造することが可能なため、素材の生産計画に制約がなく、また熱延ラインによっては粗圧延後の複数の中間コイルを継ぎ足して連続圧延をすることも可能なため、生産性が厚肉板よりも高く、結果として厚板製品よりも安く素材を提供することが可能である。さらに、厚板素材を用いるUOE鋼管は、複数回のプレス成型を経て造管されることから、プレスに応じた数のプレスラインが必要であるため、コイルから必要分を払い出すと同時に鋼管に成形される熱延鋼帯を素材とする電縫鋼管に較べて造管コストも高くなる。
このように、安価な鋼管素材を提供するという観点からは、厚板よりも熱延鋼帯の方が有利である。
また、板厚が厚くなればなるほど、表層部と中心部の温度差が拡大するため、板厚方向にわたる冷却速度差に起因した不均一な組織の生成を回避する対策も必要となる。
1.質量%で、
C:0.005 〜0.04%、
Si:0.05〜0.3 %、
Mn:0.5 〜2.0 %、
Al:0.001 〜0.1 %、
Nb:0.001 〜0.1 %、
V:0.001 〜0.1 %、
Ti:0.001 〜0.1 %、
P:0.03%以下、
S:0.005 %以下および
N:0.006 %以下
を含み、かつ
Cu:0.5 %以下、
Ni:0.5 %以下および
Mo:0.5 %以下
のうちから選んだ一種または二種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、次式(1)
Pcm=[%C] +[%Si]/30+([%Mn]+[%Cu])/20 +[%Ni]/60+[%Mo]/7+[%V]/10
--- (1)
但し、[%M] は、M元素の含有量(質量%)
で示されるPcmが0.17以下を満足し、かつ全組織中、主相であるベイニティックフェライトの占める割合が95 vol%以上であることを特徴とする、低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯。
B:0.003 %以下
を含有する組成になることを特徴とする、低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯。
Cr:0.1 %以下および
Ca:0.005 %以下
を含有し、かつ次式 (1)′
Pcm′=[%C]+[%Si]/30+([%Mn]+[%Cu]+[%Cr])/20+[%Ni]/60+[%Mo]/7
+[%V]/10 --- (1)′
但し、[%M] は、M元素の含有量(質量%)
で示されるPcm′が0.17以下を満足することを特徴とする、低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯。
まず、本発明において鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「%」表示は特に断らない限り質量%を意味するものとする。
C:0.005 〜0.04%
Cは、強度確保の面で重要な元素であり、所望強度を確保するためには 0.005%以上の添加が必要であるが、0.04%を超えて多量に添加すると炭素当量の上昇により溶接性が劣化するだけでなく、冷却速度が速い場合にはマルテンサイトを生成し易く、逆に冷却速度が遅い場合にはパーライトを生成し易くなり、いずれにしても鋼の靱性を劣化するおそれがあるので、Cは 0.005〜0.04%の範囲に限定した。
Siは、鋼の脱酸剤として有用であるが、含有量が多くなると電縫溶接時にMn−Si系の非金属介在物を形成して溶接部靱性を劣化させる原因となるため 0.3%を上限とした。一方、下限は、脱酸効果と現在の製鋼技術を勘案して0.05%に定めた。
Mnは、強度確保のために少なくとも 0.5%の添加が必要であるが、多量に添加するとCと同様、靱性および溶接性を劣化させるため 2.0%を上限とした。
Alは、Siと同様、鋼の脱酸剤として有用であるが、多量に添加するとアルミナ系介在物を生成して鋼の物性を劣化する懸念があるため、0.1 %を上限とする。下限は脱酸効果の観点から 0.001%とする。
Nbは、オーステナイト粒の粗大化および再結晶を抑制するため、微細化による高強度化に有効であるが、含有量が 0.001%未満ではその添加効果に乏しく、一方 0.1%を超えると溶接性を劣化させる懸念があるため、Nbは 0.001〜0.1 %の範囲に限定した。
Vは、析出硬化による高強度化に有用な元素であるが、含有量が 0.001%未満ではその効果が十分に得られず、一方 0.1%を超えると溶接性を劣化させるので、Vは 0.001〜0.1 %の範囲に限定した。
Tiは、オーステナイト粒の粗大化を防止して靱性を確保する上で有用なだけでなく、析出強化による強度上昇にも有効に寄与するが、含有量が 0.001%未満ではその添加効果に乏しく、一方 0.1%を超えると溶接性を劣化させるので、Tiは 0.001〜0.1 %の範囲に限定した。
Pは、鋼中に不純物として存在するが、偏析し易い元素で鋼の靱性劣化をもたらすため、0.03%を上限とする。
Sも、P同様、鋼の靱性を劣化させるため、0.005 %を上限とする。
Nも、S,P同様、鋼の靱性を劣化させるため、 0.006%を上限とする。
Cu:0.5 %以下、Ni:0.5 %以下およびMo:0.5 %以下のうちから選んだ一種または二種以上
これらはいずれも、焼入れ性促進元素および強化成分として有用であり、少なくとも0.05%以上含有させることが好ましい。しかしながら、 0.5%を超えて多量に添加すると溶接性および靱性の劣化のみならず、合金コストの上昇を招くため、これらはいずれも 0.5%以下で含有させるものとした。なお、Niは靱性の向上にも有効に寄与するが、多量の添加は溶接部靱性の劣化を招く。
Ca:0.005 %以下
Caは、低温靱性に有害な伸張したMnS介在物をCaSと置き換えることで無害化するために添加するものであるが、0.005 %を超えて含有させるとCa系酸化物がかえって靱性に対して有害化する。従って、Caは、0.005 %以下で含有させることが好ましい。
Crは、微量添加する分には耐食性の向上が期待でき、ライトサワー(軽い酸性ガス)環境下での耐食性の向上に寄与するが、含有量が 0.1%を超えるとかえって耐食性の劣化を招くので、Crは 0.1%以下で含有させることが好ましい。
Bは、強度の向上に有効に元素であり、この目的のためには0.0005%以上含有させることが好ましい。しかしながら、含有量が 0.003%を超えるとその効果は飽和に達するので、Bは 0.003%以下で含有させることが好ましい。
Pcm′=[%C] +[%Si]/30+([%Mn]+[%Cu] +[%Cr])/20 +[%Ni]/60+[%Mo]/7+[%V]/ 10≦0.17
上記したPcmおよびPcm′は、溶接割れ感受性の指標であり、PcmはCrを含有しない場合、Pcm′はCrを含有する場合である。
さて、溶接部の靱性をCTOD試験にて鋭意調査した。このCTOD試験は、厚板の靱性評価に広く用いられている試験方法の一つである。このCTOD試験において、溶接の際にマルテンサイトが多量に生成すると割れ感受性が高くなって試験成績が悪くなることを確認し、溶接部におけるマルテンサイトの生成し易さ、すなわち焼入れ性を示す指標として上記Pcm(Pcm′を含む。以下同じ。)を採用し、このPcm値とCTOD試験結果とを比較したところ、極めて良い相関を示すことが確認された。
同図に示したとおり、靱性が良好とされるCTOD値を0.25mm以上とするためには、Pcm値が0.17以下となるように成分調整すればよいことが分かる。
ベイニティックフェライト:95 vol%以上
鋼組織をベイニティックフェライト主体とするのは、強度と靱性を確保するためである。強度を確保するためには、微細な組織とする必要があり、この観点からはベイニティックフェライトの結晶粒径は10μm 以下程度とすることが望ましい。なお、結晶粒径は公称粒径を用いる。公称粒径は、板厚方向L断面組織写真を用いて、切断法により求めた結晶粒の切片長さの平均を2/(π)1/2 倍して得る。
次に、母材靱性については、単相組織とすることが有効であり、組織中にパーライトや上部・下部ベイナイトおよびマルテンサイトなどの生成は5 vol%未満に抑制する必要がある。また、溶接部靱性については、化学成分で概ね決定することができ、上記したPcm値が0.17以下のベイニティックフェライト単相組織(組織分率:95 vol%以上)であれば、良好な靱性値が得られることが確認された。
なお、ベイニティックフェライトとは、粒内に多くの転位が入った低温変態フェライト組織であり、通常のフェライトであるポリゴナルフェライト(高温で変態した軟質な初析フェライト)とは明瞭に異なるものである。また、ベイニティックフェライトの体積分率は、断面組織写真を画像処理して面積比率を求め、それを体積分率に変換して得る。
低炭素化に伴って強度を確保するために、Nbなどの合金元素の析出による析出強化が使われている。強度を確保するためには、合金元素の析出が有効であるが、多量な析出は靱性を著しく劣化させるので、析出Nb割合は、その上限を80%程度とすることが好ましい。靱性を向上させるには、析出Nb割合は60%以下、より好ましくは30%以下に抑えることが有効である。ただし、強度を確保するためには少なくとも5%は必要である。なお、析出Nb割合は、析出Nb量(mass%)/含有Nb量(mass%)×100 で求めることができる。
上記の好適成分組成に調整した鋼を、転炉などで溶製し、連続鋳造法等でスラブとする。
スラブ加熱温度:1000〜1300℃
鋼板の靱性向上のためには、加熱温度が低い方が結晶粒の微細化が期待できるので望ましいが、1000℃未満になると必要な強度を得られない場合がある他、通常スラブ加熱は1200℃付近で実施されることが多いため、製造チャンスが限定されて非効率となる。一方、1300℃を超えるとオーステナイト粒が粗大化して靱性に不利になるだけでなく、エネルギーロスまたはスケール生成量の増加によって表面性状が悪化する懸念がある。
均質な粒径および組織で圧延を終了するためには、圧延終了温度は(Ar3−50℃)以上とする必要がある。なお、圧延終了温度とは、仕上圧延機の出側での鋼板表面の測定温度値である。この圧延終了温度が、(Ar3−50℃)を下回ると、仕上圧延中に鋼板内部でフェライト変態が生じ、組織が不均一になって、所望の特性を得られない。
本発明では、圧延終了後の空冷中にフェライト変態が起こることで、軟質で粗大なフェライトの生成による強度および靱性の低下を防止するために、圧延終了後直ちに冷却を開始する必要がある。ここに、「直ちに」とは、好ましくは圧延終了後10秒以内に冷却を開始する意味である。
また、仕上圧延終了後の冷却速度は特に限定されるものではないが、この冷却速度があまりに遅いと所望のベイニティックフェライトが得られないおそれがあるので、冷却速度は3℃/s以上程度とすることが望ましい。
巻取り温度が 700℃を超えると、組織の粗大化を招き、著しい靱性の劣化を招く。従って、微細な組織を得ると共に、析出Nb量を本発明の良好なCTOD値を得るために好ましい範囲とするためには、巻取り温度を 700℃以下とすることが好ましい。特に好ましくは 600℃以下、さらに好ましくは 550℃以下である。なお、強度を得るためには析出量を多くすることが必要であるが、250 ℃以下では十分な析出量が得られない。
同図より、析出Nb割合はCTに比例していることが分かる。CTが 700℃を超えると析出Nb割合が80%を超えてしまうので、良好な靱性を得るためにはCTを700 ℃以下とすることが好ましい。特に好ましくは 600℃以下である。
かくして得られた熱延鋼帯の機械的特性および鋼組織について調べた結果を、表2に併記する。
なお、母材および溶接部の靱性は、試験温度:−10℃におけるCTOD試験によって評価した。CTOD試験片の寸法・形状は図3に示したとおりである。また、溶接部試験片は、平板の状態で通電溶接した部分から、試験片の長手方向が溶接線と直角を成すように採取した。そして、 BS 7448に基づいた疲労予亀裂導入およびノッチ外側にクリップゲージを付けた3点曲げ試験により、CTOD値を求めた。ここに、上記のCTOD値が0.25mm以上であれば、靱性は良好といえる。
また、表2中、αB はベイニティックフェライトを、αP はポリゴナルフェライトを、Bはベイナイトを、Pはパーライトを、MAは島状マルテンサイトを意味する。
これに対し、鋼I〜Rはいずれも、成分組成が本発明の適正範囲を外れているため、所望の靱性を確保できていない。
かくして得られた熱延鋼帯の機械的特性、鋼組織および析出Nb割合について調べた結果を、表4に併記する。
これに対し、 No.5 は、巻取温度が 700℃を超えているため、析出Nb割合が高く、またオーステナイト粒の粗大化を招いて、靱性の劣化を引き起こしている。
また、 No.8 は、巻取り温度が低いために、析出Nb割合が低下した上に、MAが析出し、αB の組織割合が低下して、強度および靱性の低下を招いた。
かくして得られた熱延鋼帯の機械的特性、鋼組織および析出Nb割合について調べた結果を、表6に併記する。
これに対し、鋼Yは、PcmおよびCa量が本発明の適正範囲を外れているため、溶接部のCTOD値が低く、またCaの過剰添加により鋼の清浄性が劣化した結果、所望の靱性を得ることができなかった。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.005 〜0.04%、
Si:0.05〜0.3 %、
Mn:0.5 〜2.0 %、
Al:0.001 〜0.1 %、
Nb:0.001 〜0.1 %、
V:0.001 〜0.1 %、
Ti:0.001 〜0.1 %、
P:0.03%以下、
S:0.005 %以下および
N:0.006 %以下
を含み、かつ
Cu:0.5 %以下、
Ni:0.5 %以下および
Mo:0.5 %以下
のうちから選んだ一種または二種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、次式(1)
Pcm=[%C]+[%Si]/30+([%Mn]+[%Cu])/20+[%Ni]/60+[%Mo]/7+[%V]/10
--- (1)
但し、[%M] は、M元素の含有量(質量%)
で示されるPcmが0.17以下を満足し、かつ全組織中、主相であるベイニティックフェライトの占める割合が95 vol%以上であることを特徴とする、低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯。 - 請求項1において、含有Nb量に対する析出Nb割合が5〜80%の範囲を満足することを特徴とする、低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯。
- 請求項1または2において、鋼帯が、さらに質量%で
B:0.003 %以下
を含有する組成になることを特徴とする、低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯。 - 請求項1,2または3において、鋼帯が、さらに質量%で
Cr:0.1 %以下および
Ca:0.005 %以下
を含有し、かつ次式 (1)′
Pcm′=[%C]+[%Si]/30+([%Mn]+[%Cu]+[%Cr])/20+[%Ni]/60+[%Mo]/7
+[%V]/10 --- (1)′
但し、[%M] は、M元素の含有量(質量%)
で示されるPcm′が0.17以下を満足することを特徴とする、低温靱性および溶接性に優れた高強度電縫管用熱延鋼帯。
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