JP5069863B2 - 溶接性に優れた490MPa級低降伏比冷間成形鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5
+[Mo]/4+[V])/15 …(1)
但し、[C],[Si],[Mn],[Ni],[Cr],[Mo]および[V]は、夫々C,Si,Mn,Ni,Cr,MoおよびVの含有量(質量%)を示す。
A=(2.16{Cr}+1)×(3.0{Mo}+1)×(1.75{V}+1) …(2)
但し、{Cr},{Mo}および{V}は、夫々Cr,MoおよびVにおける鋼板中の固溶量(質量%)を示す。
Aγ(℃)=887+467[C]+(6445[Nb]−644√[Nb])+
(732[V]−230√[V])+890[Ti]+363[Al]−357[Si]
…(3)
但し、[C],[Nb],[V],[Ti],[Al]および[Si]は、夫々C,Nb,V,Ti,AlおよびSiの含有量(質量%)を示す。
降伏比を低位にするためには、変態後のミクロ組織に転位密度の小さいポリゴナル化したフェライト(αP)を生成させることが有効であり、降伏比を鋼板段階で予め下げておくには、その面積分率を40〜70%の範囲に制御する必要がある。ポリゴナルフェライト相(αP)の面積分率が70%を超えると、厚肉材において目標強度の確保が困難となる。一方、ポリゴナルフェライト相(αP)の面積分率が40%未満となると、降伏比が目標値(85%)を超えてしまうことになる。
転位密度の高い擬ポリゴナルフェライト相(αq)は、強度を上昇させる一方で、可動転位の移動を妨げて降伏比を上昇させるので、できるだけ少ない程よく、面積分率で0〜20%程度とする必要がある。好ましくは0〜15%程度とするのが良い。
鋼板段階におけるマルテンサイト相(M)若しくはマルテンサイト−オーステナイト混合相(M−A相)は、未変態オーステナイトにおけるC,合金元素の偏析の大きい部分がベイナイト変態をせずに、局所的に島状にマルテンサイト相(M)や残留オーステナイト相(γR)となったものである。このうち、マルテンサイト相(M)は引張強さの上昇、降伏比の低減に有効に作用する。また残留オーステナイト(γR)は、外部からの加工歪みによって加工誘起変態を発現させるために、一様伸びδuの増大に有効に作用する。従って、冷間成形鋼管には、降伏比の較低減および一様伸びδuの増大をより促進するために、島状マルテンサイト相(M−A:残留オーステナイトからの変態後のマルテンサイト相Mも含む)を生成させる。島状マルテンサイト相(M−A)の面積分率は、0〜5%程度とするのが良い。島状マルテンサイト相(M−A)の面積分率が5%を超えると、靭性が劣化することになる。この面積分率は、好ましくは0〜4%程度とするのが良い。
島状マルテンサイト相(M−A)の面積分率が5%以下であっても、その形状でアスペクト比(長径/短径)が4.0を超えると、一様伸びδuが増大せず、靭性も劣化することになる。またM−A相は、旧オーステナイト粒界に形成されることから、そのアスペクト比を4.0以下に制御することは、旧オーステナイト粒の展伸度が小さいことの帰結であり、圧延集合組織の形成も微小となることから、鋼管のシーム溶接部(端曲げの無加工部に相当)の音響異方性を小さくすることができる。
Cは最も安価な元素で強度上昇に有効な元素であるが、過剰に含有されると溶接性が著しく低下するため、含有量の上限を0.18%とする。しかしながら、C含有量が0.07%未満になると、強度不足が生じ、それを補うためには、合金元素の添加が必要になるが、これらの合金元素の添加を過多に行うと、降伏比の増加を招くことになるので、好ましくない。この降伏比の増加を抑えつつ目標の強度(引張強さで490MPa以上)を確保するためには、Cは少なくとも0.07%以上含有させる必要がある。尚、母材強度と溶接HAZ靭性の両立の観点から、C含有量の好ましい下限は0.08%であり、好ましい上限は0.16%である。
Siは脱酸のために0.05%以上含有させることが必要であるが、1.0%を超えて過剰に含有させると溶接性並びにHAZ靭性を低下させる。こうしたことから、Si含有量は0.05〜1.0%とする必要がある。尚、Si含有量の好ましい下限は0.10%であり、好ましい上限は0.9%である。
Mnは強度と靭性を共に高める元素として有効である。こうした効果を発揮させるためには、Mnは0.7%以上含有させる必要がある。しかしながらMnを過剰に含有させると、溶接性およびHAZ靭性が著しく劣化するので、上限を1.7%とする。尚、Mn含有量の好ましい下限は1.0%であり、好ましい上限は1.6%である。
Tiは、スラブ加熱時に鋼中で微細なTiNとして存在し、加熱オーステナイト粒の粗大化を防止する効果がある。適正なオーステナイト(γ)再結晶温度域圧延、引き続くγ未再結晶温度Aγ域圧延、および微細なTiN生成との複合効果により、良好な靭性と超音波音響異方性を確保することが可能である。またTiは、直接焼入れ後のQ’処理においても逆変態オーステナイトからTiNをフェライト変態核として、ポリゴナルフェライトの析出を促進させて、降伏比低減、一様神びδuの増大に有効である。こうした効果を発揮させるためには、Ti含有量は0.002%以上とする必要がある。しかしながら、Tiを過剰に含有させてもその効果が飽和するので、その上限を0.025%とする。尚、Ti含有量の好ましい下限は0.008%であり、好ましい上限は0.015%である。
Alは脱酸のために、少なくとも0.005%含有させる必要があるが、過剰に含有させると、非金属介在物が増加して靭性が低下するので、0.1%以下とする必要がある。尚、Al含有量の好ましい下限は0.01%であり、好ましい上限は0.06%である。
NはTiと反応してTiNを生成し、加熱時のオーステナイトの粗大化の防止に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、少なくとも0.001%以上含有させる必要があるが、過剰に含有させると溶接継手部の靭性が劣化するので、0.008%以下とする必要がある。尚、N含有量の好ましい下限は0.002%であり、好ましい上限は0.006%である。
Cr,MoおよびVは、強度を向上させる元素であるが、化合物として析出する場合、析出強化によって降伏比を上昇させ、一方靭性を劣化させることになる。降伏比を低位に保ったまま高強度と高靭性を確保するためには、固溶状態でセメンタイトに正偏析、フェライトに負偏析させることが有効である。こうしたことから、Cr,MoおよびVの含有量を夫々0.6%以下、0.5%以下、0.08%以下とし(いずれも0%を含む)、その固溶量を前記(2)式で規定されるA値で1.1〜2.6の範囲内に制御する必要がある。この成分元素量およびA値が上限を超えると、溶接性を阻害することになる。また、A値が1.1未満になると、鋼管成形後の降伏比が目標値を満足できなくなる。尚、各元素は好ましくはCr:0.3%以下、Mo:0.3%以下、V:0.06%以下とするのが良い。また、A値の好ましい範囲は、1.05〜2.0程度である。
前記(1)式で表わされる炭素当量Ceqは、HAZの硬化性を表す指標であり(例えば、JIS G 3106)、溶接割れ感受性を低減し、y形溶接割れ試験での割れ防止予熱温度を25℃以下とするためには、Ceq値を0.42%以下とする必要がある。一方、引張り強さ490MPa以上を確保するためには、Ceq値は0.34%以上とする必要がある。Ceq値の好ましい下限は0.36%であり、好ましい上限は0.40%である。尚、上記(1)式には、基本成分であるC,Si,Mn,Cr,Mo,V等の他に、必要によって含有される成分(Ni)も式中の項目として含むものであるが、これらの成分は含有されるときにはその含有量も考慮して(1)式の値として計算すればよく、含まれないときにはこれらの含有量を考慮せずに計算すれば良い。
これらの元素は、高価であり、しかも降伏比を上昇させるため、その添加はできるだけ避けることが好ましい。しかし、厚肉鋼板で板厚中心部の強度低下を抑制する作用があるので、微量添加する場合がある。これらの元素を添加する場合には、Cuは0.5%、Niは3.0%を上限として含有させる必要がある。Cu含有量のより好ましい上限は0.3%であり、Niのより好ましい上限は1.5%である。
Nbは強度、靭性を共に向上させる元素として知られているが、熱間圧延後、加速冷却を行った場合、焼入れ性向上元素であるNbを含有させた鋼では、第2相組織のベイナイト量が増加し、しかも軟質のフェライトが生成し難くなる。その結果、降伏比が上昇することになる。こうしたことから、Nbを含有させる場合には、0.015%程度までとすることが好ましい。Nb含有量のより好ましい上限は0.010%程度である。
Caは、非金属介在物の球状化作用を有し、異方性の低減に有効であるが、0.005%を超えて含有させると、介在物の増加によって靭性が劣化することになる。従って、Caを含有させるときには、0.005%以下とすることが好ましい。Ca含有量の好ましい下限は0.0005%であり、より好ましい上限は0.003%である。
希土類元素(以下、「REM」と略記する)は、そのオキシサルファイドとしてTiN共存下でオーステナイト異常成長を抑制してHAZの靭性を向上させる元素であるが、0.02%を超えて過剰に含有されると鋼の清浄度を悪くして内部欠陥を発生させる。REMによる効果を発揮させるためには0.002%以上含有させることが好ましく、より好ましい上限は0.01%である。尚、REMとは、周期律表第3属に属するスカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)およびランタノイド系列希土類元素のいずれも使用できる。
鋼片の加熱温度を1250℃を超える温度とすると、鋼片のオーステナイト粒が急激に粒成長を起こして、変態後の組織が粗大なベイナイト組織となり、鋼板の靭性が著しく低位となる。一方、加熱温度が950℃未満となると、(γ未再結晶化温度Aγ−50℃)未満での累積圧下率が大きくなり、旧オーステナイト粒の過大な細粒化が起こり、降伏点YP、0.2%耐力σ0.2および降伏比YRが大幅に上昇することになる。こうしたことから、鋼片の加熱温度は、950〜1250℃の範囲とする必要がある。この加熱温度は、好ましくは1000℃以上、1150℃以下とするのが良い。
前述の如く、鋼板段階でのマルテンサイト相或はオーステナイトとの混合相の扁平化を抑制するために、γ未再結晶化温度Aγ以下での累積圧下率が60%以下とする必要がある。またこの累積圧下率が60%を超えると、旧オーステナイト粒の過大な細粒化が起こり、降伏比が上昇することになる。尚、上記「圧下率」とは、圧延前・後の鋼板の厚さを夫々t1(mm)およびt2(mm)としたとき、{(t1−t2)/t1}×100(%)で示されるものである。
鋼板のミクロ組織におけるCの均一分散、およびCr,Mo,Vの固溶を図ることと強度を確保することを目的として、圧延後にAr3変態点以上から450℃以下までを加速冷却する必要がある。冷却開始温度がAr3変態点よりも低くなったり、冷却停止温度が450℃よりも高くなったり、冷却速度が4℃/秒未満であったりすれば、変態強化不十分となると共に、Cr,MoおよびVの全固溶が達成されなくなる。このときの冷却速度の上限については、冷却媒体の冷却能の限界という観点から、100℃/秒以下とする必要がある。尚、本発明におけるAr3変態点とは、下記(4)式によって計算される値を採用したものである。
Ar3変態点=910−310[C]−80[Mn]−20[Cu]−15[Cr]−
55[Ni]−80[Mo]+0.35(t−8) …(4)
但し、t:板厚
加速冷却した鋼板を、二相域(α+γ)温度に保持することによって、一旦分散したCがフェライトと逆変態オーステナイトに二相分離されて、フェライトにおけるCの負偏析、オーステナイトにおける正偏析を生起させる。また、加速冷却によって、一旦固溶させたCr,MoおよびVの各元素についても、この二相域保持において、フェライトへの負偏析、オーステナイトへの正偏析を生起させ、降伏比の低減と高強度の確保という相反する課題を解決することができる。二相域での保持温度が730℃未満の場合、および830℃超える場合には、夫々逆変態オーステナイト量、フェライト量が少な過ぎる為に、鋼板段階での降伏比が高くなり、冷間成形鋼管後の降伏比が目標降伏比を満足できなくなる。また二相域温度に保持した後焼入れするのは、逆変態オーステナイトから焼入れにより主相のベイナイト組織と島状マルテンサイト相を析出させるためである。
本発明の冷間成形鋼管では、引張り変形側の降伏比が加工後において85%以下とするために、t/dが10%以下である冷間成形部位を有するものであるが、こうした部位を形成するために、t/dが10%以下の範囲で冷間成形するものである。
二相域焼入れした鋼板の残留応力をなくす為に、選択的に500℃以下で焼戻しを施すことも有効である。このときの焼戻し温度が500℃を超えると、焼入れままで生成されたベイナイト組織中のCが拡散・凝集してパーライトを生成させるために、強度が低下することになる。こうしたことから、焼戻し温度は500℃以下とするが、好ましくは480℃以下とするのが良い。
圧延終了後、圧延済鋼板の先後端に平坦不良を生じた場合においても、直接焼入れ前の熱間矯正によって平坦度が良好となるため、先後端部に対する均一冷却が可能となり、機械的性質が安定し、歩留まりが向上する。こうしたことから、圧延終了後で直接焼入れ前においてオンラインレベラ矯正を行うことが有効である。
曲げ温度(成形温度)は、常温のみならず、本発明の鋼板の材質を損なわない程度(400℃程度)の温度まで許容できることは上述した通りであるが、冷間成形時のスプリングバック等の成形阻害要因を軽減するために、ミクロ組成が変化せず、転位密度が低減できる400℃以下で選択的に成形(温間成形)することも有効である。このときの成形温度が400℃を超えると、Cが拡散して主相のベイナイトの一部がパーライトに変化し始めるため、強度低下を招くことになる。この形成温度の好ましい温度は300℃以下である。
タイプ1:通常の加熱、熱間圧延を行った後、直接焼入れ(DQ)を行い、その後二相域温度(Ac1点以上、Ac3点未満)で熱処理保持後に焼入れ(Q’)または500℃以下まで加速冷却を行った。
鋼管のCr,MoおよびVの固溶量については、各元素の添加量−析出物として析出した各元素量として算定した。析出物として析出したCr、Mo、Vの元素量については、鋼管の外側t/4部の表面に平行な断面において、電解抽出残渣法により、析出元素量を測定した。
材質評価基準としては、鋼管の管軸方向での引張強さTS:490MPa以上、降伏比YR:85%以下、破面遷移温度(vTrs):−20℃以下を目標に設定した。
鋼板のt/4部(tは板厚)からL方向(圧延方向)、および鋼管の外側t/4部の管軸に平行方向(鋼板の主圧延方向に相当)に、JIS Z 2201 4号試験片を採取してJIS Z 2241の要領で引張試験を行ない、鋼板の機械的特性(降伏点YP、引張り強さTS、一様伸びδu)、鋼管の機械的特性(降伏点YP、引張強さTS、降伏比(降伏点/引張強度×100%:YR)を測定した。
鋼管の外側t/4部から管軸に平行方向(鋼板の主圧延方向)に、JIS Z 2202 4号試験片を採取してJIS Z 2242に準拠してシャルピー衝撃試験を行ない、破面遷移温度(vTrs)を測定した。
鋼板段階では、鋼板の主圧延方向のt/4部のミクロ組織を光学顕微鏡で観察し、存在する残留オーステナイトγRについては、50〜100μmに電解研磨した鋼板t/4部のX線回折を行い、α−Fe(200)面とγ―Fe(200)面のピーク強度比から残留オーステナイトγRの存在を確認した。鋼管の管軸に平行方向(鋼板の主圧延方向に相当)の外側t/4部、および鋼板の主圧延方向のt/4部を、ナイタールエッチングしたミクロ組織の写真を画像解析して、フェライトの形態、面積分率、ベイナイトの面積分率等を測定した。島状マルテンサイト相は、圧延方向板厚面の1/4部をレペラ試薬でエッチングしたミクロ組織の写真を画像解析して、面積分率とアスペクト比を測定した。
JIS Z 3158に規定されたy形溶接割れ試験法に従い、入熱量:1.7KJ/mmで炭酸ガス溶接を行ない、ルート割れ防止予熱温度を測定した。25℃以下を合格とした。
入熱量7KJ/mmの両面サブマージアーク溶接(SAW)のシーム溶接を行い(X開先)、外側t/4部から管軸と直角方向にシャルピー衝撃試験片(JIS Z 2204 4号)を採取し、0℃における平均衝撃吸収エネルギーvE0を求めた(3回試験の平均値)。平均vE0が47J以上を合格とした。
Claims (9)
- C:0.07〜0.18%(質量%の意味、以下同じ)、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.7〜1.7%(但し、Mn含有量[Mn]とC含有量[C]の比[Mn]/[C]≦15)、Ti:0.002〜0.025%、sol.Al:0.005〜0.1%およびN:0.001〜0.008%を夫々含有する他、Cr:0.6%以下、Mo:0.5%以下およびV:0.08%以下よりなる群から選ばれる1種または2種以上を含み、下記(1)式で示される炭素当量Ceq値が0.34〜0.42%の範囲内にあると共に、下記(2)式で示されるA値が1.1〜2.6を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる化学成分組成を有する鋼板からなり、且つ当該鋼板のミクロ組織が、40〜70面積%のポリゴナルフェライト相、0〜20面積%の擬ポリゴナルフェライト相、および0〜5面積%で、アスペクト比(長径/短径)が4.0以下の島状マルテンサイト相、残部がベイナイト相から構成され、板厚をt(mm)、外側冷間曲げ直径をd(mm)としたときにt/dが10%以下である冷間成形部位を有するものであることを特徴とする溶接性に優れた490MPa級低降伏比冷間成形鋼管。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5
+[Mo]/4+[V])/15 …(1)
但し、[C],[Si],[Mn],[Ni],[Cr],[Mo]および[V]は、夫々C,Si,Mn,Ni,Cr,MoおよびVの含有量(質量%)を示す。
A=(2.16{Cr}+1)×(3.0{Mo}+1)×(1.75{V}+1) …(2)
但し、{Cr},{Mo}および{V}は、夫々Cr,MoおよびVにおける鋼板中の固溶量(質量%)を示す。 - 更に、Cu:0.5%以下(0%を含まない)および/またはNi:3.0%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載の490MPa級低降伏比冷間成形鋼管。
- 更に、Nb:0.015%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1または2に記載の490MPa級低降伏比冷間成形鋼管。
- 更に、Ca:0.005%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の490MPa級低降伏比冷間成形鋼管。
- 更に、希土類元素:0.02%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜4のいずれかに記載の490MPa級低降伏比冷間成形鋼管。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の冷間成形鋼管を製造するに当り、鋼片を950〜1250℃の温度範囲に加熱し、下記(3)式で示されるオーステナイト未再結晶化温度Aγ(℃)以下での累積圧下率を60%以下(0%を含む)として圧延を終了して鋼板とした後、Ar3変態点以上の温度から450℃以下まで4〜100℃/秒の冷却速度で加速冷却し、次いで730〜830℃の温度範囲に再加熱してから焼入れし、引き続き前記載t/dが10%以下の範囲で冷間成形することを特徴とする溶接性に優れた490MPa級低降伏比冷間成形鋼管の製造方法。
Aγ(℃)=887+467[C]+(6445[Nb]−644√[Nb])+
(732[V]−230√[V])+890[Ti]+363[Al]−357[Si]
…(3)
但し、[C],[Nb],[V],[Ti],[Al]および[Si]は、夫々C,Nb,V,Ti,AlおよびSiの含有量(質量%)を示す。 - 730〜830℃の温度範囲に再加熱してから焼入れした後、前記鋼板を500℃以下で焼戻しを施す請求項6に記載の製造方法。
- 前記圧延を終了した後、加速冷却するに先立ち、オンラインレベラ矯正を行う請求項6または7に記載の製造方法。
- 鋼板温度を400℃以下として冷間成形する請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法。
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