JP5509654B2 - 耐pwht特性および一様伸び特性に優れた高強度鋼板並びにその製造方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Description
X100グレード以上の高強度鋼管または鋼材に対する要求も高まっている。さらに、成形性や耐座屈性の観点から母材部の一様伸び特性も高いほうが望ましい。
耐PWHT特性に優れた高強度鋼管に関する従来技術としては、特許文献1,2に開示されたようなものがある。
さらに、上記特許文献1,2には、近年、成形性や耐座屈性の観点から重要度が高まっている一様伸び特性に関する記載がないが、耐PWHT特性に優れ、高強度で且つ一様伸び特性の良好な鋼管を得るため、その素材となり得る鋼板の開発が望まれている。
[1]C:0.03〜0.07質量%、Si:0.01〜0.5質量%、Mn:1.5〜2.5質量%、Al:0.01〜0.08質量%、Ti:0.005〜0.025質量%、Nb:0.005〜0.025質量%、Mo:0.15〜0.60質量%を含有し、さらに、Cu:1.0質量%以下、Ni:1.0質量%以下、Cr:1.0質量%以下、V:0.10質量%以下の中から選ばれる1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、且つ下記(イ)〜(ハ)の条件を満足する成分組成を有し、
(イ)下記(1)式で表わされるPCM値(質量%):0.19〜0.25
PCM値=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B …(1)
但し、(1)式中の元素記号は各含有元素の質量%を示す。
(ロ)下記(3)式で表されるCeq値と下記(4)式で表されるP値が、下記(2)式を満足する。
9×[Ceq値]+4×[P値]≧4.8 …(2)
Ceq値=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 …(3)
但し、(3)式中の元素記号は各含有元素の質量%を示す。
P値=[Mo]+[Ti]+[Nb]+[V] …(4)
但し、(4)式中の元素記号は各含有元素の原子%を示す。
(ハ)下記(5)式の値:0.6〜1.7
[C]/([Mo]+[Ti]+[Nb]+[V]) …(5)
但し、(5)式中の元素記号は各含有元素の原子%を示す。
鋼中の固溶Mo量が0.1質量%以上であり、島状マルテンサイトの面積率が2%以下であって、ベイナイト相の面積率が90%以上である金属組織を有し、円相当径が10nm以下であって、Ti、Nb、Vの中から選ばれる1種以上の元素とMoとからなる複合炭化物が1μm 2 あたり30個以上分散し、当該複合炭化物(但し、円相当径が10nm超のものを含む)の総析出量が0.03質量%以上であり、引張強度が760MPa以上、降伏強度が690MPa以上の引張り特性と、5%以上の一様伸びを有することを特徴とする耐PWHT特性および一様伸び特性に優れた高強度鋼板。
[3]上記[1]または[2]の成分組成を有する鋼を、1100〜1300℃の温度に加熱し、800℃以下での累積圧下率が70%以上となるように700℃以上の圧延終了温度で熱間圧延した後、700℃以上の温度から20℃/s以上の冷却速度で300℃以上500℃未満の温度まで加速冷却し、その後直ちに、0.5〜10℃/sの昇温速度で550〜700℃の温度まで再加熱することにより、鋼中の固溶Mo量が0.1質量%以上であり、島状マルテンサイトの面積率が2%以下であって、ベイナイト相の面積率が90%以上である金属組織を有し、円相当径が10nm以下であって、Ti、Nb、Vの中から選ばれる1種以上の元素とMoとからなる複合炭化物が1μm 2 あたり30個以上分散し、当該複合炭化物(但し、円相当径が10nm超のものを含む)の総析出量が0.03質量%以上であり、引張強度が760MPa以上、降伏強度が690MPa以上の引張り特性と、5%以上の一様伸びを有する高強度鋼板を得ることを特徴とする耐PWHT特性および一様伸び特性に優れた高強度鋼板の製造方法。
また、本発明の製造方法は、そのような優れた特性を有する高強度鋼板を安定的に製造することができる。
(b)鋼中で析出する種々の析出物について検討した結果、Ti、Nb、Vの1種以上とMoとからなる複合炭化物は、適正な成分バランスの下ではサイズが10nm以下の極めて微細な析出物となり、且つ熱的にも安定である。特に、そのような微細な複合炭化物が鋼中に1μm2あたり30個以上分散し、且つその総析出量が0.03質量%以上であれば、PWHT処理後の強度低下が抑制できる。
(d)さらに、従来よりもNb添加量を低減し、Mo添加量を増加することにより、鋼中の固溶Mo量を0.1質量%以上とすることで、耐PWHT特性を劣化させることなく、従来よりも優れた一様伸び特性が得られる。このような一様伸び特性の向上は、粗大なセメンタイトの析出の抑制によるものである。また、固溶Moの確保による固溶強化がPWHT後の強度低下を抑えるという効果も得られる。
[化学成分]
まず、本発明の高強度鋼板の化学成分について説明する。
・C:0.03〜0.07質量%
Cは、鋼の強度を増加する元素であり、所望の組織を得て、所望の強度、靭性とするためには、0.03質量%以上の含有を必要とする。一方、0.07質量%を超えて含有すると溶接性が劣化し、溶接割れが生じやすくなるとともに、母材靭性および溶接熱影響部靭性(以下「HAZ靭性」という)が低下する。このため、C含有量は0.03〜0.07質量%、好ましくは0.04〜0.06質量%とする。
Siは、脱酸剤として作用し、さらに固溶強化により鋼材の強度を増加させる元素であるが、0.01質量%未満ではその効果がなく、一方、0.5質量%を超えるとHAZ靭性を著しく劣化させる。このため、Si含有量は0.01〜0.5質量%、好ましくは0.05〜0.2質量%とする。
・Mn:1.5〜2.5質量%
Mnは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、強度および靭性を向上させる作用を有する元素であり、1.5質量%以上の含有を必要とするが、2.5質量%を超える含有は、溶接性を劣化させる恐れがある。このため、Mn含有量は1.5〜2.5質量%、好ましくは1.8〜2.0質量%とする。
Alは、製鋼時の脱酸剤として作用し、0.01質量%以上の含有が必要であるが、0.08質量%を超える含有は、靭性の低下を招く。このため、Al含有量は0.01〜0.08質量%、好ましくは0.01〜0.05質量%とする。
・Ti:0.005〜0.025質量%
TiはMoと同様に本発明において重要な元素である。Tiを0.005質量%以上添加することで、Moと複合炭化物を形成し、強度上昇に大きく寄与する。しかし、0.025質量%を超える添加はHAZ靭性および母材靭性の劣化を招く。このため、Ti含有量は0.005〜0.025質量%とする。
Nbは、組織の微細粒化により靭性を向上させるが、Moと複合炭化物を形成し、強度上昇に寄与する。しかし、0.005質量%未満では効果がなく、一方、0.025質量%を超えるとHAZ靭性や母材靱性が劣化したり、Moとの複合炭化物が粗大化しやすくなるため靱性が低下したりする。このため、Nb含有量は0.005〜0.025質量%とする。
・Mo:0.15〜0.60質量%
Moは、本発明において重要な元素であり、0.15質量%以上含有させることで、熱間圧延後冷却時のパーライト変態を抑制しつつ、Ti、Nb、Vとの微細な複合炭化物を形成し、強度上昇に大きく寄与する。同時に、Nb添加量を上記に限定することで、固溶Mo量を0.1質量%以上とすることが可能であり、PWHT後の強度確保に有効である。しかし、0.60質量%を超えるとHAZ靭性の劣化を招く。このため、Mo含有量は0.15〜0.60質量%とする。
・Cu:1.0質量%以下
Cuは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であるが、過剰に添加すると溶接性が劣化するため、添加する場合はその含有量の上限を1.0質量%とする。なお、上記の効果を得るためには、0.01質量%以上添加することが好ましい。
・Ni:1.0質量%以下
Niは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であるが、過剰に添加すると耐PWHT特性が低下するため、添加する場合はその含有量の上限を1.0質量%とする。なお、上記の効果を得るためには、0.01質量%以上添加することが好ましい。
・Cr:1.0質量%以下
CrはMnと同様に低Cでも十分な強度を得るために有効な元素であるが、過剰に添加すると溶接性が劣化するため、添加する場合はその含有量の上限を1.0質量%とする。なお、上記の効果を得るためには、0.01質量%以上添加することが好ましい。
・V:0.10質量%以下
VもNbと同様にMoとともに複合析出物を形成し、強度上昇に寄与するが、過剰に添加すると溶接熱影響部の靭性が劣化するため、添加する場合はその含有量の上限を0.10質量%とする。なお、上記の効果を得るためには、0.01質量%以上添加することが好ましい。
(イ)下記(1)式で表わされるPCM値(質量%):0.19〜0.25
PCM値=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B …(1)
但し、(1)式中の元素記号は各含有元素の質量%を示す。
(ロ)下記(3)式で表されるCeq値と下記(4)式で表されるP値が、下記(2)式を満足する。
9×[Ceq値]+4×[P値]≧4.8 …(2)
Ceq値=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 …(3)
但し、(3)式中の元素記号は各含有元素の質量%を示す。
P値=[Mo]+[Ti]+[Nb]+[V] …(4)
但し、(4)式中の元素記号は各含有元素の原子%を示す。
(ハ)下記(5)式の値:0.6〜1.7
[C]/([Mo]+[Ti]+[Nb]+[V]) …(5)
但し、(5)式中の元素記号は各含有元素の原子%を示す。
上記条件(ロ)において規定するCeq値はPWHT処理前の強度と相関があり、強度の指標として一般に用いられている。同じくP値は、析出強化の指標である。これらCeq値とP値を含む上記(2)式は、実験から求めた回帰式であり、Ceq値とP値が上記(2)式を満足しないと、PWHT処理後API
X100グレードの高強度が得られない。
なお、上記(4)式における元素の原子%での合計量は、鋼に含まれるMo、Ti、Nb、Vの原子数の和と、Fe、Mo、Ti、Nb、Vおよび他の合金元素の全原子数との比で求められるが、Mo、Ti、Nb、Vの質量%での含有量を用いた下記(6)式により求めることもできる。下記(6)式の元素記号は各含有元素の質量%を示す。
(Mo/95.9+Nb/92.91+V/50.94+Ti/47.9)/(100/55.85)×100 …(6)
なお、質量%の含有量を用いる場合は、下記(7)式を用いて計算して、その値を0.6〜1.7とする。下記(7)式の元素記号は各含有元素の質量%である。
(C/12.01)/(Mo/95.9+Nb/92.91+V/50.94+Ti/47.9) …(7)
・Ca:0.0035質量%以下
Caは硫化物系介在物の形態制御による靭性向上に有効な元素であるが、0.0035質量%を超えて添加しても効果が飽和し、却って鋼の清浄度の低下により靭性を劣化させるので、Caを添加する場合は、上記値を上限として添加する。一方、上記のような効果を得るためには、0.0005質量%以上添加することが好ましい。
・REM:0.01質量%以下
REMもまた鋼中の硫化物系介在物の形態制御による靭性向上に有効な元素であるが、0.01質量%を超えて添加しても効果が飽和し、却って鋼の清浄度の低下により靭性を劣化させるので、REMを添加する場合は、上記値を上限として添加する。一方、上記のような効果を得るためには、0.0005質量%以上添加することが好ましい。
Zrは鋼中で炭窒化物を形成し、特に、溶接熱影響部においてオーステナイト粒の粗大化を抑制するピンニング効果をもたらす。しかし、0.03質量%を超えて添加すると、鋼中の清浄度が著しく低下し、靱性が低下するようになるため、Zrを添加する場合は、上記値を上限として添加する。一方、十分なピンニング効果を得るためには、0.0005質量%以上添加することが好ましい。
・Mg:0.01質量%以下
Mgは製鋼過程で鋼中に微細な酸化物として生成し、特に、溶接熱影響部においてオーステナイト粒の粗大化を抑制するピンニング効果をもたらす。しかし、0.01質量%を超えて添加すると、鋼中の清浄度が低下し、靱性が低下するようになるため、Mgを添加する場合は、上記値を上限として添加する。一方、十分なピンニング効果を得るためには、0.0005質量%以上添加することが好ましい。
Bはオーステナイト粒界に偏析し、フェライト変態を抑制することで、特にHAZの強度低下防止に寄与する。しかし、0.0020質量%を超えて添加してもその効果は飽和するため、Bを添加する場合は、上記値を上限として添加する。一方、上記のような効果を得るためには、0.0003質量%以上添加することが好ましい。
上記以外の残部はFe及び不可避的不純物である。不可避的不純物の例として、PおよびSが挙げられる。Pは、含有量が多いと中央偏析が著しく、母材靭性が劣化するため、0.015質量%以下とすることが好ましい。また、Sは、含有量が多いとMnSの生成量が著しく増加し、母材の靭性が劣化するため、0.005質量%以下とすることが好ましい。なお、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、上記以外の成分の含有を拒むものではない。
ここで、固溶Mo量とは、抽出残渣分析により析出Mo(炭化物、複合炭化物など)の量を測定し、鋼板のMo含有量から析出Mo量を引いた値である。
本発明の鋼板の好ましい金属組織と複合炭化物の析出形態は、島状マルテンサイト(M-A constituent)の面積率が2%以下であるベイナイト組織を主体とする金属組織を有し、さらに、円相当径が10nm以下であって、Moを主体とし、Ti、Nb、Vの中から選ばれる1種以上の元素を含む複合炭化物が1μm2あたり30個以上分散し、当該複合炭化物(但し、円相当径が10nm超のものを含む)の総析出量が0.03質量%以上であることである。
ここで、ベイナイト組織を主体とする金属組織とは、ベイナイト相の面積率が90%以上である実質的にベイナイト組織からなる金属組織を意味する。残部組織としては、面積率が2%以下の島状マルテンサイトが許容されるほか、パーライト、マルテンサイト、フェライトなど、ベイナイト以外の金属相が含まれていてもよく、これらベイナイト以外の金属相が合計面積率で10%以下であれば、本発明の効果を発現することができる。
また、複合炭化物の円相当径とは、画像処理により求めた複合炭化物の面積を円の面積に換算した際の当該円の直径である。また、「複合炭化物が1μm2あたり30個以上分散」とは、「組織観察面積1μm2あたり、複合炭化物が30個以上分散」して観察されることを意味する。
なお、以上のような鋼板の金属組織および複合炭化物の析出形態は、鋼板の板厚方向位置にかかわりなく満足する必要があるが、例えば、島状マルテンサイトの面積率については、板厚断面中心位置で走査型電子顕微鏡(倍率2000倍)でランダムに10視野以上観察して面積率を測定し、同定すればよい。また、Mo主体の複合炭化物の析出形態については、板厚断面中心位置で透過型電子顕微鏡(倍率30000倍)でランダムに10視野以上観察し、その析出形態(個々の複合炭化物の面積および複合炭化物の分散密度)を同定すればよい。
以下、本発明の高強度鋼板の製造条件について説明する。
本発明は、加速冷却時のベイナイト変態による変態強化と、加速冷却後の再加熱時に析出する微細炭化物による析出強化を複合して活用するものであり、これにより、合金元素を多量に添加することなく高強度化が可能で、さらにPWHT処理を行なう場合にも、微細炭化物は熱的に安定であるのでPWHT処理時にそのままで維持され、PWHT処理後でもその強度が維持される。
本発明では、例えば、未再結晶オーステナイト域で一定以上の累積圧下を加えた後、オーステナイト単相域から加速冷却を開始し、ベイナイト変態終了温度以下で冷却を停止し、直ちに急速再加熱することにより、変態強化と析出強化を最も有効に複合して活用することが可能となる。なお、未再結晶オーステナイト域の800℃以下での累積圧下率が少ない場合、加工オーステナイトから変態するベイナイトへの蓄積転位の移行が十分でなく、複合炭化物の微細分散化が不十分となり、析出強化量が低下するため、当該温度域での累積圧下率を70%以上とする。また、Ar3点以下の2相域から冷却開始すると、ポリゴナルフェライトが混在し、PWHT処理前の強度低下が大きいため、圧延終了温度はAr3点以上となる700℃以上とし、700℃以上の温度から加速冷却を開始する。
加速冷却後の再加熱において、昇温速度が0.5℃/s未満では、複合炭化物の微細分散が困難となるほか、所定量の固溶Mo量を確保できなくなるおそれがある。一方、昇温速度が10℃/s超では、複合炭化物析出までの時間が短く、PWHT処理前の複合炭化物の析出量が30個未満と少なくなり、PWHT処理前の強度が低下する。また、再加熱温度が550℃未満では、複合炭化物の析出が不十分となる。一方、700℃を超えると、強度が大きく低下する。
この厚鋼板の製造では、加熱したスラブを熱間圧延した後、直ちに水冷型の加速冷却設備を用いて冷却を行い、加速冷却設備と同一ライン上に設置したインライン型の誘導加熱炉またはガス燃焼炉を用いて再加熱を行った。
各鋼板の製造条件を表2に示す。
製造された鋼板の引張特性については、圧延方向と同一方向の全厚試験片を引張試験片として引張試験を行い、強度および伸び特性を測定した。本発明で目標とする強度は、降伏強度690MPa以上、引張強度760MPa以上、一様伸びを5%以上とした。母材靭性については、シャルピー試験を実施し、−10℃でのシャルピー吸収エネルギーが200J以上のものを良好とした。HAZ靭性については、再現熱サイクル装置によって入熱20〜50kJ/cmに相当する熱履歴を加えた試験片を用いてシャルピー試験を行った。−10℃でのシャルピー吸収エネルギーが100J以上のものを良好(○)、100J未満のものを不良(×)とした。
表3において、本発明例であるNo.1〜No.7は、いずれも700℃でのPWHT処理後でも強度低下が50MPa以下であり、降伏強度690MPa以上、引張強度760MPa以上の高強度が維持され、さらに母材靭性およびHAZ靭性も良好であった。また、優れた一様伸び特性も得られている。
比較例であるNo.16〜20は化学成分が本発明の範囲外であるので、PWHT処理前後の強度、靱性、一様伸びのいずれかが劣っている。比較例であるNo.21は、パラメータ[C]/([Mo]+[Ti]+[Nb]+[V])が0.6〜1.7の範囲外であり、PWHT処理前の一様伸びと、PWHT処理後の強度が劣っている。
Claims (3)
- C:0.03〜0.07質量%、Si:0.01〜0.5質量%、Mn:1.5〜2.5質量%、Al:0.01〜0.08質量%、Ti:0.005〜0.025質量%、Nb:0.005〜0.025質量%、Mo:0.15〜0.60質量%を含有し、さらに、Cu:1.0質量%以下、Ni:1.0質量%以下、Cr:1.0質量%以下、V:0.10質量%以下の中から選ばれる1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、且つ下記(イ)〜(ハ)の条件を満足する成分組成を有し、
(イ)下記(1)式で表わされるPCM値(質量%):0.19〜0.25
PCM値=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5×B …(1)
但し、(1)式中の元素記号は各含有元素の質量%を示す。
(ロ)下記(3)式で表されるCeq値と下記(4)式で表されるP値が、下記(2)式を満足する。
9×[Ceq値]+4×[P値]≧4.8 …(2)
Ceq値=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 …(3)
但し、(3)式中の元素記号は各含有元素の質量%を示す。
P値=[Mo]+[Ti]+[Nb]+[V] …(4)
但し、(4)式中の元素記号は各含有元素の原子%を示す。
(ハ)下記(5)式の値:0.6〜1.7
[C]/([Mo]+[Ti]+[Nb]+[V]) …(5)
但し、(5)式中の元素記号は各含有元素の原子%を示す。
鋼中の固溶Mo量が0.1質量%以上であり、島状マルテンサイトの面積率が2%以下であって、ベイナイト相の面積率が90%以上である金属組織を有し、円相当径が10nm以下であって、Ti、Nb、Vの中から選ばれる1種以上の元素とMoとからなる複合炭化物が1μm 2 あたり30個以上分散し、当該複合炭化物(但し、円相当径が10nm超のものを含む)の総析出量が0.03質量%以上であり、引張強度が760MPa以上、降伏強度が690MPa以上の引張り特性と、5%以上の一様伸びを有することを特徴とする耐PWHT特性および一様伸び特性に優れた高強度鋼板。 - さらに、Ca:0.0035質量%以下、REM:0.01質量%以下、Zr:0.03質量%以下、Mg:0.01質量%以下、B:0.0020質量%以下の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐PWHT特性および一様伸び特性に優れた高強度鋼板。
- 請求項1または2に記載の成分組成を有する鋼を、1100〜1300℃の温度に加熱し、800℃以下での累積圧下率が70%以上となるように700℃以上の圧延終了温度で熱間圧延した後、700℃以上の温度から20℃/s以上の冷却速度で300℃以上500℃未満の温度まで加速冷却し、その後直ちに、0.5〜10℃/sの昇温速度で550〜700℃の温度まで再加熱することにより、鋼中の固溶Mo量が0.1質量%以上であり、島状マルテンサイトの面積率が2%以下であって、ベイナイト相の面積率が90%以上である金属組織を有し、円相当径が10nm以下であって、Ti、Nb、Vの中から選ばれる1種以上の元素とMoとからなる複合炭化物が1μm 2 あたり30個以上分散し、当該複合炭化物(但し、円相当径が10nm超のものを含む)の総析出量が0.03質量%以上であり、引張強度が760MPa以上、降伏強度が690MPa以上の引張り特性と、5%以上の一様伸びを有する高強度鋼板を得ることを特徴とする耐PWHT特性および一様伸び特性に優れた高強度鋼板の製造方法。
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