JP5059244B1 - Ni添加鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
(1)本発明の一態様に係るNi添加鋼板は、質量%で、C:0.04%以上かつ0.10%以下、Si:0.02%以上かつ0.12%以下、Mn:0.3%以上かつ1.0%以下、Ni:7.5%超かつ10.0%以下、Al:0.01%以上かつ0.08%以下、T・O:0.0001%以上かつ0.0030%以下を含有し、P:0.0100%以下、S:0.0035%以下、N:0.0070%以下に制限し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、板面から深さ方向に板厚の1/4の距離離れた部位のNi偏析比が1.3以下であり、深冷後オーステナイトの量が0.5%以上であり、深冷後オーステナイト不均一指数が3.0以下であり、深冷後オーステナイトの平均円相当径が1μm以下である。
本発明を詳細に説明する。
最初に本発明に至った経緯を説明する。本発明者らは、9%Ni鋼(7.5%超かつ10.0%以下のNiを含む鋼)に高温の二相域熱処理を行うことなく、−160℃程度での耐破壊性能、特にアレスト性を高温での二相域熱処理した鋼材と同等の水準まで向上させる方法を鋭意検討した。
この検討の結果、鋼板内部の合金元素の不均一性が、母材及び溶接継手のアレスト性に大きな影響を与えることが明らかになった。合金元素の不均一性が大きい場合、鋼の母材においては、残留オーステナイトの分布が不均一になり、脆性き裂の伝播を停止する性能(アレスト性)が低下する。鋼の溶接継手においては、溶接の熱影響によって二相域温度に加熱された部位の一部に、硬質のマルテンサイトが島状に密集した状態で生成し、脆性き裂の伝播を停止する性能(アレスト性)が著しく低下する。
そこで、本発明者らは、ミクロ偏析と脆性破壊に対する破壊性能(アレスト性)との関係について検討を行った。その結果、ミクロ偏析は、鋼材の板厚全体に生じるため、母材および溶接熱影響部の組織変化を通じて脆性破壊の伝播停止性能(アレスト性)に大きな影響を与えるという非常に重要な知見が得られた。このミクロ偏析は、凝固の際、デンドライト二次アーム間の残部溶鋼部に合金濃縮部を形成する現象であり、この合金濃縮部は、圧延により引き伸ばされている。本発明者らは、複数回の熱加工処理を所定の条件のもとで実施することにより、母材および溶接継手のアレスト性を大幅に向上することに成功した。
この具体的な条件については、後述する。
図1に、Ni偏析比と板厚に対するき裂突入距離(上述の条件の混成ESSO試験の測定値)の割合との関係を示す。図1に示すように、Ni偏析比が1.3以下であると、亀裂突入距離が板厚の2倍以下になり、溶接継手のアレスト性が優れる。図1の混成ESSO試験に使用した溶接継手は、SMAW(Shield Metal Arc Welding)により次のような条件で作製した。すなわち、3.0〜4.0kJ/cmの入熱量、かつ100℃以下の予熱およびパス間温度の条件の立向き溶接でSMAWを行った。なお、ノッチ位置は、ボンド部である。
したがって、本発明の鋼板は、−160℃程度での耐破壊性能に優れ、造船、橋梁、建築、海洋構造物、圧力容器、タンク、ラインパイプなどの溶接構造物一般に用いることができる。特に、本発明の鋼板は、−160℃程度の極低温での耐破壊性能が要求されるLNGタンクとして使用する場合に有効である。
(第一の実施形態)
最初に、第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)について説明する。この熱加工処理によって、溶質元素の偏析比を低減し、深冷後も安定な残留オーステナイトを鋼中に均一分散させて、母材及び溶接継手のアレスト性を高めることができる。第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)では、高温、かつ長時間の熱処理を行う。本発明者らは、第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)の加熱温度と保持時間との組み合わせがNi偏析比とオーステナイト不均一指数に与える影響を調査した。その結果、1/4t部のNi偏析比が1.3以下であり、かつ深冷後オーステナイト不均一指数が3以下の鋼板を得るためには、1250℃以上の加熱温度で8時間以上保持する必要があることを見出した。よって、第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)の加熱温度は、1250℃以上であり、保持時間は、8時間以上である。なお、加熱温度を1380℃以上、保持時間を50時間にすると、生産性が大幅に低下するため、加熱温度を1380℃以下に制御し、保持時間を50時間以下に制限する。なお、加熱温度を1300℃以上にしたり、保持時間を30時間以上にしたりすると、Ni偏析比とオーステナイト不均一指数とが一層低減する。そのため、加熱温度は、1300℃以上であることが好ましく、保持時間は、30時間以上であることが好ましい。この第1の熱加工処理では、上記鋼成分の鋼片を上記条件で加熱保持後、空冷を行う。この空冷から第2の熱加工処理(熱間圧延および制御冷却処理)に移行する温度が300℃超であると、変態が完了せず材質が不均一になる。そのため、空冷から第2の熱加工処理(熱間圧延および制御冷却処理)に移行する時点の鋼片の表面温度(空冷の終了温度)は、300℃以下である。この空冷の終了温度の下限は、特に制限する必要はない。例えば、空冷の終了温度の下限は、室温であってもよく、−40℃であってもよい。なお、加熱温度は、スラブ表面の温度であり、保持時間は、スラブ表面が設定された加熱温度に到達して3時間経過した後に、加熱温度に保持された時間である。また、空冷は、鋼板の1/4t部の温度が800℃から500℃の間における冷却速度が3℃/s以下の冷却である。この空冷において、800℃超または500℃未満での冷却速度は、特に制限する必要はない。生産性の観点から、空冷の冷却速度の下限は、例えば、0.01℃/s以上であってもよい。
このように、第2の熱加工処理では、第1の熱加工処理後の鋼片を上記加熱温度に加熱し、最終1パス前の温度を上記温度範囲に制御して上記圧下比で熱間圧延を行い、直ちに制御冷却を行う。
このように、第3の熱加工処理では、第2の熱加工処理後の鋼板を上記加熱温度に加熱し、冷却を行う。
以上、第一の実施形態について、説明を行った。
(第二の実施形態)
この第二の実施形態における第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)では、熱処理(加熱)に引き続いて熱間圧延(第1の熱間圧延)を行うことで溶質の均一性を一層高め、耐破壊性能を著しく向上させることができる。ここでは、第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)における加熱温度と、保持時間と、熱間圧延の圧下比と、熱間圧延の圧延温度とを規定することが必要になる。加熱温度と保持時間とに関しては、温度が高いほど、保持時間が長いほど拡散によってNi偏析比が小さくなる。本発明者らは、第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)の加熱温度と保持時間との組み合わせがNi偏析比に与える影響を調査した。その結果、1/4t部のNi偏析比が1.3以下である鋼板を得るためには、1250℃以上の加熱温度で8時間以上保持する必要があることを見出した。よって、第1の熱加工処理の加熱温度は、1250℃以上であり、保持時間は、8時間以上である。なお、加熱温度を1380℃以上、保持時間を50時間以上にすると、生産性が大幅に低下するため、加熱温度を1380℃以下に制限し、保持時間を50時間以下に制限する。なお、加熱温度を1300℃以上にしたり、保持時間を30時間以上にしたりすると、一層Ni偏析比が低減する。そのため、加熱温度は、1300℃以上であることが好ましく、保持時間は、30時間以上であることが好ましい。なお、この保持時間内に熱間圧延が開始されてもよい。
第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)の後、第一の実施形態と同様に、第2の熱加工処理(熱間圧延および制御冷却処理)、第3の熱加工処理(低温二相域処理)が行われる。したがって、第2の熱加工処理(熱間圧延および制御冷却処理)及び第3の熱加工処理(低温二相域処理)の説明を省略する。
以上、第二の実施形態について、説明を行った。
(第三の実施形態)
この第三の実施形態における第2の熱加工処理(熱間圧延および制御冷却処理)では、加熱及び熱間圧延の後制御冷却を行う代わりに、加熱、熱間圧延及び空冷の後再加熱と制御冷却とを行うことができる。生産性の観点からは、熱間圧延後、空冷することが好ましい。本発明者らは、再加熱温度が900℃以下の場合に、組織を微細化することができ、母材の靭性及びアレスト性が優れることを見出した。また、再加熱温度を低下させると、生産性が低下することがある。しかしながら、再加熱温度が780℃以上であれば、生産性を十分確保できる。よって、第三の実施形態では、第2の熱加工処理(熱間圧延および制御冷却処理)の再加熱温度は、780℃以上かつ900℃以下である。この再加熱後、直ちに制御冷却を行う。直ちに制御冷却を行うことにより、焼き入れ組織が生成して、母材の強度を確保できる。また、上述のように、制御冷却が水冷による加速冷却で行われる場合、この水冷を200℃以下で終了すると、より確実に母材の強度を確保することができる。例えば、水冷終了温度の下限は、室温であってもよく、−40℃であってもよい。なお、ここで、「直ちに」という記載について、再加熱の後、150秒以内に加速冷却を開始することが好ましく、120秒以内又は90秒以内に加速冷却を開始することがより好ましい。鋼板の表面温度が変態開始温度Ar3以下になると、鋼板表層近傍の強度又は靭性が低下する懸念がある。このため、鋼板の表面温度がAr3以上の温度から冷却を開始することが好ましい。また、水冷は、鋼板の1/4t部での冷却速度が3℃/s超の冷却である。水冷の冷却速度の上限は、特に制限する必要はない。第2の熱加工処理において、780℃から900℃へ再加熱する前の冷却終了温度(つまり、再加熱を開始する温度)は、特に規定する必要はないが、300℃以下又は200℃以下としてもよい。
この第三の実施形態では、第一の実施形態または第二の実施形態と同様に、第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)を行った後、上記第2の熱加工処理(熱間圧延および制御冷却処理)を行う。さらに、第一の実施形態と同様に、第3の熱加工処理(低温二相域処理)が行われる。したがって、第1の熱加工処理(バンド偏析低減処理)及び第3の熱加工処理(低温二相域処理)の説明を省略する。
以上、第三の実施形態について、説明を行った。
なお、本発明のNi添加鋼板は、図4に概略的に示すような上記実施形態により好適に製造可能であるが、これらの実施形態は、本発明のNi添加鋼板の製造方法の一例を示したに過ぎない。例えば、Ni偏析比、深冷後オーステナイトの量及び平均円相当径、深冷後オーステナイト不均一指数を上述した適切な範囲に制御可能な方法であれば、本発明のNi添加鋼板の製造方法は、特に制限する必要はない。
ここで、混成ESSO試験は、例えば、H.Miyakoshi,N.Ishikura,T.Suzuki and K.Tanaka:Proceedings for Transmission Conf.,Atlanta,1981,American Gas Association,T155−T166のFig.6の混成ESSO試験の概略図に示されるような試験方法である。
Claims (8)
- 質量%で、
C:0.04%以上かつ0.10%以下、
Si:0.02%以上かつ0.12%以下、
Mn:0.3%以上かつ1.0%以下、
Ni:7.5%超かつ10.0%以下、
Al:0.01%以上かつ0.08%以下、
T・O:0.0001%以上かつ0.0030%以下
を含有し、
P:0.0100%以下、
S:0.0035%以下、
N:0.0070%以下
に制限し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、
板面から深さ方向に板厚の1/4の距離離れた部位のNi偏析比が1.3以下であり、深冷後オーステナイトの量が0.5%以上であり、深冷後オーステナイト不均一指数が3.0以下であり、深冷後オーステナイトの平均円相当径が1μm以下である
ことを特徴とするNi添加鋼板。 - さらに質量%で、
Cr:1.5%以下、
Mo:0.4%以下、
Cu:1.0%以下、
Nb:0.05%以下、
Ti:0.05%以下、
V:0.05%以下、
B:0.05%以下、
Ca:0.0040%以下、
Mg:0.0040%以下、
REM:0.0040%以下
のいずれか1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のNi添加鋼板。 - 板厚が、4.5〜80mmであることを特徴とする請求項1または2に記載のNi添加鋼板。
- 質量%で、
C:0.04%以上かつ0.10%以下、
Si:0.02%以上かつ0.12%以下、
Mn:0.3%以上かつ1.0%以下、
Ni:7.5%超かつ10.0%以下、
Al:0.01%以上かつ0.08%以下、
T・O:0.0001%以上かつ0.0030%以下
を含有し、
P:0.0100%以下、
S:0.0035%以下、
N:0.0070%以下
に制限し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を、1250℃以上かつ1380℃以下の加熱温度で8時間以上かつ50時間以下保持した後300℃以下まで空冷する第1の熱加工処理を行い;
前記鋼を900℃以上かつ1270℃以下に加熱し、最終1パス前の温度を660℃以上かつ900℃以下に制御して2.0以上かつ40以下の圧下比で熱間圧延を行い、直ちに冷却を開始して300℃以下まで冷却する第2の熱加工処理を行い;
前記鋼を500℃以上かつ650℃以下に加熱した後冷却する第3の熱加工処理を行う;
ことを特徴とするNi添加鋼板の製造方法。 - 前記鋼が、さらに質量%で、
Cr:1.5%以下、
Mo:0.4%以下、
Cu:1.0%以下、
Nb:0.05%以下、
Ti:0.05%以下、
V:0.05%以下、
B:0.05%以下、
Ca:0.0040%以下、
Mg:0.0040%以下、
REM:0.0040%以下
のいずれか1種以上を含有することを特徴とする請求項4に記載のNi添加鋼板の製造方法。 - 前記第1の熱加工処理では、前記空冷の前に、最終1パス前の温度を800℃以上かつ1200℃以下に制御して1.2以上かつ40以下の圧下比で熱間圧延を行うことを特徴とする請求項4または5に記載のNi添加鋼板の製造方法。
- 前記第2の熱加工処理では、前記熱間圧延の直後に300℃以下まで冷却し、780℃以上かつ900℃以下で再加熱を行うことを特徴とする請求項4または5に記載のNi添加鋼板の製造方法。
- 前記第1の熱加工処理では、前記空冷の前に、最終1パス前の温度を800℃以上かつ1200℃以下に制御して1.2以上かつ40以下の圧下比で熱間圧延を行い、前記第2の熱加工処理では、前記熱間圧延の直後に300℃以下まで冷却し、780℃以上かつ900℃以下で再加熱を行うことを特徴とする請求項4または5に記載のNi添加鋼板の製造方法。
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