JP4718866B2 - 溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この耐火鋼は、いわゆる400MPa級鋼や490MPa級鋼が主であり、降伏強さ440MPa(45kgf/mm2)以上のいわゆる590MPa級鋼も数例含まれている。
一方、590MPa級鋼を対象とした耐火鋼としては、Moを0.7%以上含むものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
一方、590MPa級鋼を対象とした耐火鋼は、その鋼成分にMoを0.7%以上含むものであるから、ガス切断性が劣り、材料コストも高価になってしまうという問題点があった。また、この耐火鋼では、溶接割れ感受性組成(PCM)を規制しているものの、Moが鋼の焼入れ性を顕著に高めることから、溶接性の観点からもMoの含有量は少ない方がよい。
かつ
PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B
で表される溶接割れ感受性組成PCMが0.25%以下であり、
残部が鉄および不可避不純物からなり、
さらに、最終圧延の鋼板の板厚方向の1/4厚位置におけるポリゴナルフェライトまたは擬ポリゴナルフェライトの面積分率が2%以下であることを特徴とする溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。
かつ、Niの含有量はCuの含有量の1/2以上であり、
さらに、Cr:0.05〜1.0%、V:0.01〜0.06%、B:0.0002〜0.0030%、Ti:0.005〜0.025%、Mg:0.0002〜0.0050%の群から選択された1種または2種以上を含有してなることを特徴とする(1)に記載の溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。
(7) 質量%で、Mn:1.52〜2.00%を含有することを特徴とする(1)記載の溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。
なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
質量%で、C:0.04〜0.14%、Si:0.50%以下、Mn:0.50〜2.00%、P:0.020%以下、S:0.010%以下、Nb:0.01〜0.05%、Mo:0.30%以上0.70%未満、Al:0.060%以下、N:0.0010〜0.0060%を含有し、
かつ
PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B
で表される溶接割れ感受性組成PCMが0.25%以下であり、
残部が鉄および不可避不純物からなり、
さらに、最終圧延の鋼板の板厚方向の1/4厚位置におけるポリゴナルフェライトまたは擬ポリゴナルフェライトの面積分率が10%以下のものである。
Cは、鋼材の特性に最も顕著に効くもので、下限値である0.04%は、強度確保や溶接などの熱影響部が必要以上に軟化することのないようにするための最小量である。しかし、Cの含有量が多すぎると焼入れ性が必要以上に上がり、鋼材が本来有すべき強度、靭性バランス、溶接性などに悪影響を及ぼすため、上限を0.14%とした。
また、このNbは、圧延に先立つ再加熱時の加熱オーステナイトの細粒化にも寄与し、さらに、析出硬化として強度向上効果を有し、Moとの複合添加により高温強度にも寄与するものであるが、過剰に含む場合には、溶接部の靭性劣化を招く。そこで、溶接部の靭性劣化を生じさせないために上限を0.05%とした。
火災時等の高温にさらされる環境においても十分な高温強度を有するためには0.30%以上含有することが必要である。一方、含有量が多すぎると、溶接性やガス切断性を劣化させるので、その上限を0.70%未満に限定した。
さらに、質量%で、Ni:0.05〜1.0%、Cu:0.05〜1.0%を含有し、
かつ、Niの含有量をCuの含有量の1/2以上とし、
さらに、Cr:0.05〜1.0%、V:0.01〜0.06%、B:0.0002〜0.0030%、Ti:0.005〜0.025%、Mg:0.0002〜0.0050%の群から選択された1種または2種以上を含有してなることが好ましい。
なお、Cuを添加する場合、熱間圧延時のCu−クラックを防止するため、Niの含有量を、上記の含有量の範囲内とすると同時に、Cuの含有量の1/2以上とする必要がある。
Nbと同様の効果を発現させるためには最低0.01%含むことが必要である。一方、過剰に含む場合には、溶接部の靭性劣化を招く。そこで、溶接部の靭性劣化を生じさせないために上限を0.06%とした。
なお、タンク用鋼などとして、応力腐食割れが懸念される場合には、母材および溶接熱影響部の硬さの低減がポイントとなることが多く、例えば、硫化物応力腐食割れ(SSC)防止のためには、HRC≦22(HV≦248)が必須とされる。この様な場合、焼入性を増大させるBの添加は好ましくない。
これらの効果を得るためには、Tiは最低0.005%必要である。しかし、多すぎるとTiCを形成し、低温靭性や溶接性を劣化させるので、その上限は0.025%である。
さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.0040%、REM:0.0005〜0.0100%のいずれか1種または2種を含有してなることが好ましい。
CaおよびREMは、MnSの形態を制御し、母材の低温靭性を向上させるほか、湿潤硫化水素環境下での水素誘起割れ(HIC、SSC、SOHIC)感受性を低減させる効果がある。これらの効果を発現させるためには、最低0.0005%含有することが必要である。
本発明の高張力耐火鋼のミクロ組織としては、最終圧延の鋼板の板厚方向の1/4厚位置におけるポリゴナルフェライトまたは擬ポリゴナルフェライトの面積分率を10%以下とする。
なお、本発明では、ミクロ組織は、鋼板の最終圧延方向の板厚断面方向1/4厚位置でのものを指すものとする。
そこで、PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B
で表される溶接割れ感受性組成PCMの値を0.25%以下に限定した。
溶接割れ感受性組成PCMは溶接性を表す指標で、低いほど良好である。本発明鋼においては、溶接割れ感受性組成PCMの値が0.25%以下であれば、優れた高温強度と同時に優れた溶接性を確保することが可能である。
本発明の高張力耐火鋼は、次の(1)、(2)のいずれかの製造方法により作製される。
(1) 本発明の鋼組成を有する鋼片または鋳片を、1100〜1300℃の温度に加熱し、次いで、800〜950℃の温度にて圧延を行った後、この圧延終了時の温度より150℃低い温度または750℃のいずれか高い温度以上の温度にて直接焼入れし、次いで、Ac1以下の温度にて焼き戻し処理を行う方法。
(2) 本発明の鋼組成を有する鋼片または鋳片を、熱間圧延後、放冷し、次いで、900〜950℃の温度に再加熱して焼入れし、次いで、Ac1以下の温度にて焼き戻し処理を行う方法。
本発明の鋼組成を有する鋼片または鋳片を、1100〜1300℃の温度に加熱する。
ここで、圧延に先立つ加熱温度を1100〜1300℃に限定した理由は、加熱時のオーステナイト粒を必要以上に大きくさせず、しかも、圧延組織の微細化を図るためである。1300℃は加熱時のオーステナイトが極端に粗大化しない上限温度であり、加熱温度がこの上限温度を超えると、オーステナイト粒が粗大混粒化し、圧延オーステナイト粒も相対的に粗大となり、その結果、相変態後の金属組織も相対的に粗大となるばかりでなく、粗粒なオーステナイトからの相変態はミクロ組織もベイニティックなものになり易く、鋼の靭性が著しく劣化するからである。一方、加熱温度の下限は、熱間圧延時の制御圧延の効果や析出硬化を発現させるためのNbの溶体化を考慮し、1100℃とした。
ここで、圧延温度を800〜950℃に限定した理由は、950℃を超える温度で圧延を行うと、MoとNbを複合添加しているにもかかわらず、圧延オーステナイトの細粒化が不十分となり、その後、直接焼入れ−焼き戻し処理をおこなっても低温靭性の安定確保が困難となるからであり、一方、800℃を下回ると、板厚にもよるが直接焼入れまでにフェライトが析出し、ミクロ組織の確保が困難となったり、圧延中にNbが析出し、高温強度に寄与しなくなるからである。
ここで、直接焼入れ温度を上記の様に限定した理由は、まず第一に、ミクロ組織の確保を目的としてミクロ組織の制御を行うためで、少なくとも750℃以上でなければならない。しかし、750℃以上であっても、圧延終了温度から150℃を超える温度降下があると、圧延後の回復・再結晶、あるいはNbの析出が起こる可能性が高まり、靭性劣化や高温時を含む強度低下を引き起こす虞があるからである。
よって、直接焼入れの開始温度を圧延終了温度−150℃または750℃のいずれか高い温度以上に限定した。
本発明の鋼組成を有する鋼片または鋳片では、概ね700℃以下であればAc1以下であり、実際の処理温度は、強度などの目的に応じて設定される。
工業生産における熱処理炉の生産性や制御性を考慮すると、焼き戻し処理の温度は450〜650℃程度が好ましい。
なお、これらの圧延温度などは、いずれもモニタリング可能な鋼板表面温度である。
以上により、本発明の高張力耐火鋼を製造することができる。
本発明の鋼組成を有する鋼片または鋳片を、熱間圧延後、放冷する。
ここでは、熱間圧延、放冷の各条件については特に限定しない。その理由は、鋼片または鋳片の金属組織および材質が、その後の再加熱焼入れ−焼き戻し処理により決定されるからである。
この再加熱・焼入の温度は、その冶金的定義上、Ac3以上の温度に加熱する必要がある。
一方、再加熱・焼入の温度が高すぎると、組織が粗大となって低温靭性が劣化する。したがって、再加熱・焼入の上限温度を950℃とした。
次いで、再加熱・焼入した鋼片または鋳片に、Ac1以下の温度にて焼き戻し処理を行う。
この焼き戻し処理の条件等は、上述した製造方法(1)と全く同様である。
以上により、本発明の高張力耐火鋼を製造することができる。
まず、転炉により、表1に示す様々な組成の鋼スラブを溶製し、次いで、表2に示す条件にて各種製造プロセスを行い、表2に示す板厚(50〜100mm)の鋼板を作製した。
ここでは、機械的性質として、降伏強さ、引張強さ、600℃における降伏強さの3点を測定し、降伏強さおよび引張強さから降伏比(降伏強さ/引張強さ(%))を求め、評価した。
降伏強さ及び引張強さについては、圧延方向に直角な方向の板厚中心部から日本工業規格JIS Z 2201「金属材料引張試験片」に規定される4号丸棒引張試験片を採取し、その後、日本工業規格JIS Z 2241「金属材料引張試験方法」に基づいて測定し、評価した。
各特性の目標値は、降伏強さが440MPa以上、破面遷移温度(vTrs)が−40℃以下、600℃における降伏強さが294MPa以上、0℃での吸収エネルギー(vE0)が100J以上とした。
表1に鋼組成を示し、表2に鋼板の製造プロセス及び諸特性を示す。
これに対し、本願発明の組成範囲を逸脱する比較例16〜22は、実施例1〜5、7、9,10、参考例1〜7と比べて、強度、靭性等の基本的特性や高温強度、溶接熱影響部靭性、ガス切断性などに劣っていた。
特に、比較例18では、Cuの含有量に対してNiの含有量が低いため、熱間圧延時にクラックが生じ、製造が困難となった。
また、比較例20では、Cの含有量が高いだけでなく、PCMも高いために、室温での斜めy形溶接割れ試験によりルート割れが発生した。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.04〜0.14%、Si:0.50%以下、Mn:1.46〜2.00%、P:0.020%以下、S:0.010%以下、Nb:0.01〜0.05%、Mo:0.30%以上0.70%未満、Al:0.060%以下、N:0.0010〜0.0060%を含有し、かつ
PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B
で表される溶接割れ感受性組成PCMが0.25%以下であり、
残部が鉄および不可避不純物からなり、
さらに、最終圧延の鋼板の板厚方向の1/4厚位置におけるポリゴナルフェライトまたは擬ポリゴナルフェライトの面積分率が2%以下であることを特徴とする溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。 - さらに、質量%で、Ni:0.05〜1.0%、Cu:0.05〜1.0%を含有し、
かつ、Niの含有量はCuの含有量の1/2以上であり、
さらに、Cr:0.05〜1.0%、V:0.01〜0.06%、B:0.0002〜0.0030%、Ti:0.005〜0.025%、Mg:0.0002〜0.0050%の群から選択された1種または2種以上を含有してなることを特徴とする請求項1記載の溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。 - さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.0040%、REM:0.0005〜0.0100%のいずれか1種または2種を含有してなることを特徴とする請求項1または2記載の溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。
- 前記鋼の降伏強さは、440MPa以上であることを特徴とする請求項1、2または3記載の溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。
- 請求項1ないし4のいずれか1項記載の鋼組成を有する鋼片または鋳片を、1100〜1300℃の温度に加熱し、次いで、800〜950℃の温度にて圧延を行った後、この圧延終了時の温度より150℃低い温度または750℃のいずれか高い温度以上の温度にて直接焼入れし、次いで、Ac1以下の温度にて焼き戻し処理を行うことにより、最終圧延の鋼板の板厚方向の1/4厚位置におけるポリゴナルフェライトまたは擬ポリゴナルフェライトの面積分率が2%以下である高張力耐火鋼を製造することを特徴とする溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼の製造方法。
- 請求項1ないし4のいずれか1項記載の鋼組成を有する鋼片または鋳片を、熱間圧延後、放冷し、次いで、900〜950℃の温度に再加熱して焼入れし、次いで、Ac1以下の温度にて焼き戻し処理を行うことにより、最終圧延の鋼板の板厚方向の1/4厚位置におけるポリゴナルフェライトまたは擬ポリゴナルフェライトの面積分率が2%以下である高張力耐火鋼を製造することを特徴とする溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼の製造方法。
- 質量%で、Mn:1.52〜2.00%を含有することを特徴とする請求項1記載の溶接性およびガス切断性に優れた高張力耐火鋼。
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