JP5513254B2 - 低温用厚鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
σy,−165℃/σy,RT ・・・・・・(1)式
ここで、σy,−165℃は−165℃における降伏強度[MPa]を、そして、σy,RTは常温における降伏強度[MPa]を、それぞれ表す。
t×exp(Tr3/270000000)≦580 ・・・・・・・・・・(2)式
Ac3点≦Tr ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)式
TOS≦[Tr+50] ・・・・・・・・・・・・・(4)式
ここで、Trは鋼塊の加熱温度(℃)を、tは鋼塊の加熱時間(hr)を、Ac3点はフェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度を、そしてTOSは鋼塊の最高到達温度(℃)を、それぞれ表す。
RH≧3 ・・・・・・・・・・(5)式
このような焼入れを行うことで、圧延後の冷却時の結晶粒の粗大化を防ぐことができ、その後の熱処理でも前組織の引継ぎにより微細な有効結晶粒径を持つ組織が期待できる。
σy,−165℃/σy,RT ・・・・・・(1)式
ここで、σy,−165℃は−165℃における降伏強度[MPa]を、そして、σy,RTは常温における降伏強度[MPa]を、それぞれ表す。
[工程1]鋼塊の加熱温度Tr(℃)と加熱時間t(hr)が、次の(2)式〜(4)式を満足するように鋼塊を加熱する工程。
t×exp(Tr3/270000000)≦580 ・・・・・・・・(2)式
Ac3点≦Tr ・・・・・・・・・・(3)式
TOS≦[Tr+50] ・・・・・・・・・・・・・(4)式
ここで、Trは鋼塊の加熱温度(℃)を、tは鋼塊の加熱時間(hr)を、Ac3点はフェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度を、そしてTOSは鋼塊の最高到達温度(℃)を、それぞれ表す。
[工程2]加熱した鋼塊を圧延し、650℃以上かつ850℃以下の仕上温度にて圧延を終了する工程。
[工程3]圧延後の厚鋼板を焼入温度まで冷却する工程。
[工程4]Ac1以上かつAc3以下の温度から、次の(5)式を満足する冷却速度RH(℃/s)によって焼入する工程。
RH≧3・・・・・・・・・(5)式
[工程5][Ac1点+80℃]以下の温度で焼戻す工程。
[工程1]鋼塊の加熱温度Tr(℃)と加熱時間t(hr)が、次の(2)式〜(4)式を満足するように鋼塊を加熱する工程。
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ここで、Trは鋼塊の加熱温度(℃)を、tは鋼塊の加熱時間(hr)を、Ac3点はフェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度を、そしてTOSは鋼塊の最高到達温度(℃)を、それぞれ表す。
[工程2]加熱した鋼塊を圧延し、650℃以上かつ850℃以下の仕上温度にて圧延を終了する工程。
[工程3’]圧延後の厚鋼板を焼入温度以下まで冷却し、その後、厚鋼板を焼入温度まで再加熱する工程。
[工程4]Ac1以上かつAc3以下の温度から、次の(5)式を満足する冷却速度RH(℃/s)によって焼入する工程。
RH≧3・・・・・・・・・(5)式
[工程5][Ac1点+80℃]以下の温度で焼戻す工程。
C:0.01〜0.12%
Cは、母材の強度確保のために必要な元素である。その含有量が0.01%未満では必要な強度が確保できないだけでなく、FL(Fusion Line)でのラス形成が不十分になってFL近傍のHAZ(Heat Affected Zone)の靭性も低下するので、Cを0.01%以上含有させる必要がある。一方、その含有量が0.12%を超えると、HAZ、なかでもFL近傍のHAZの靭性劣化が著しくなる。したがって、Cの含有量は0.01〜0.12%とする。なお、Cの含有量の好ましい範囲は0.03〜0.09%である。
Siは、脱酸剤として必要な元素である。この効果を得るにはSiを0.01%以上含有させる必要がある。一方、本発明鋼の場合、Siは焼入れままマルテンサイトの焼戻し過程と大いに関連があり、Siの含有量が0.3%を超えると、溶接冷却過程において過飽和に固溶しているマルテンサイト中からのセメンタイトへの分解析出反応を抑制して自己焼戻し(Self-tempering)を遅延させることによって、あるいは島状マルテンサイトを増加させることによって、溶接部の靭性を低下させる。よって、Si含有量は0.01〜0.3%とする。なお、溶接部の靭性向上の観点からは、Si含有量はできるだけ少ない方がよく、好ましい範囲は0.02〜0.15%、より好ましい範囲は0.03〜0.10%である。
Mnは、脱酸剤として、また、母材の強度と靭性確保およびHAZの焼入性確保のために必要な元素である。Mnの含有量が0.4%未満ではこれらの効果が得られないだけでなく、HAZにフェライトサイドプレートが生成してラス形成が不十分になり、溶接部の靭性が低下するので、Mnの含有量は0.4%以上とする。一方、Mnの含有量が2.0%を超えると、中心偏析による板厚方向での母材特性の不均一をもたらす。よって、Mnの含有量は0.4〜2.0%とする。なお、好ましい範囲は0.5〜1.5%、より好ましい範囲は0.6〜1.1%である。
Pは、不純物として鋼中に存在し、粒界に偏析して靭性を低下させる原因となる。Pの含有量が0.05%を超えると、溶接時に高温割れを招くため、Pの含有量を0.05%以下とする。なお、Pの含有量はできるだけ小さくするのがよく、Pの好ましい含有量は0.03%以下である。
Sは、不純物として鋼中に存在し、多すぎると中心偏析を助長したり、脆性破壊の原因となる延伸形状のMnSが多量に生成したりする原因となる。Sの含有量が0.008%以下を超えると、母材およびHAZの機械的性質が劣化する。Sの含有量はできるだけ小さくするのがよいため、下限は特に規定しない。なお、Sの好ましい含有量は0.003%以下である。
Niは低温用鋼として靭性を確保するために必要な最も基本的な元素である。低温用鋼として靭性を確保するためには5.0%を超えるNiの含有量が必要である。Niの含有量が多ければ多いほど高い低温靭性が得られるが、その分コストアップの要因となるので、Niの含有量の上限は8.0%未満とする。したがって、Niの含有量のターゲットは5.0%を超え8.0%未満とする。なお、低温靭性の確保およびコスト抑制の観点から、Ni含有量の好ましい範囲は5.5%を超え8.0%未満であり、より好ましい範囲は6.0%を超え8.0%未満である。
Alは、一般的には脱酸剤として含有させる元素であるが、本発明鋼の場合には、Siと同様に、マルテンサイトの自己焼戻し(Self-tempering)を遅延させる働きを有するため、Alの含有量はできるだけ少ない方が望ましい。しかしながら、Alの含有量が0.002%未満では十分な脱酸効果が得られない。一方、Alの含有量が0.08%を超えて過剰になると、前述したSiと同様に、溶接冷却過程において過飽和にCを固溶したマルテンサイトからのセメンタイトへの分解析出反応を抑制し、溶接部の靭性を低下させる。したがって、Alの含有量は0.002〜0.08%とする。なお、Alの含有量の好ましい範囲は0.005〜0.04%である。
Nは、不純物として鋼中に存在し、固溶Nの増加や析出物の生成を通してHAZ靭性の悪化の原因となるので、HAZ靭性の確保のためにはNの含有量は低い方がよい。Nの含有量が0.005%を超えるとHAZ靭性の悪化が顕著になるため、Nの含有量を0.005%以下とする。なお、Nの好ましい含有量は0.004%以下である。
Cuは、必要に応じて含有させることができる。Cuを含有させると、母材の強度を向上させることができる。しかしながら、この含有量が2.0%を超えると、Ac3点以下の温度に加熱されたHAZの靭性を劣化させるので、Cuの含有量を2.0%以下とする。なお、Cuによる母材の強度向上効果を安定的に発現させるためには、Cuを0.1%以上含有させることが好ましい。より好ましいCuの含有量の範囲は、0.2〜1.3%である。
Crは、必要に応じて含有させることができる。Crを含有させると、耐炭酸ガス腐食性と焼入性を向上させることができる。しかしながら、この含有量が1.5%を超えると、HAZの硬化の抑制が難しくなるだけでなく、耐炭酸ガス腐食性向上効果が飽和するので、Crの含有量を1.5%以下とする。なお、Crによる耐炭酸ガス腐食性と焼入性の向上効果を安定的に発現させるためには、Crを0.05%以上含有させることが好ましい。より好ましいCrの含有量の範囲は、0.1〜1.0%である。
Moは、必要に応じて含有させることができる。Moを含有させると、母材の強度と靱性を向上させる効果がある。しかしながら、この含有量が0.5%を超えると、HAZの硬度が高まり、靱性と耐SSC性を損なうので、Moの含有量を0.5%以下とする。なお、Moによる母材の強度と靱性を向上させる効果を安定的に発現させるためには、Moを0.02%以上含有させることが好ましい。より好ましいMoの含有量の範囲は、0.05〜0.3%である。
Vは、必要に応じて含有させることができる。Vを含有させると、主に焼戻し時の炭窒化物析出により母材の強度を向上させる効果がある。しかしながら、この含有量が0.1%を超えると、母材強度の性能向上効果が飽和し、靱性劣化を招くので、Vの含有量を0.1%以下とする。なお、Vによる母材の強度を向上させる効果を安定的に発現させるためには、Vを0.015%以上含有させることが好ましい。より好ましいVの含有量の範囲は、0.02〜0.08%である。
Bは、必要に応じて含有させることができる。Bを含有させると母材の強度を向上させる効果がある。しかしながら、この含有量が0.005%を超えると、粗大な硼化合物の析出を招いて靭性を劣化させるので、Bの含有量を0.005%以下とする。なお、Bによる母材の強度を向上させる効果を安定的に発現させるためには、Bを0.0003%以上含有させることが好ましい。より好ましいBの含有量の範囲は、0.001〜0.004%である。
Nbは、必要に応じて含有させることができる。Nbを含有させると、組織を微細化して低温靭性を向上させる効果がある。しかしながら、この含有量が0.1%を超えると、粗大な炭化物や窒化物を形成し、靭性を低下させるので、Nbの含有量を0.1%以下とする。なお、Nbによる低温靭性を向上させる効果を安定的に発現させるためには、Nbを0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましいNbの含有量の範囲は、0.02〜0.08%である。
Tiは、必要に応じて含有させることができる。Tiを含有させると、主に脱酸元素として利用するが、Al,Ti,Mnからなる酸化物相を形成させ組織を微細化する効果がある。しかしながら、この含有量が0.1%を超えると、形成される酸化物がTi酸化物、あるいはTi−Al酸化物となって分散密度が低下し、特に小入熱溶接部熱影響部における組織を微細化する能力が失われるので、Tiの含有量を0.1%以下とする。なお、Tiによる組織を微細化する効果を安定的に発現させるためには、Tiを0.02%以上含有させることが好ましい。より好ましいTiの含有量の範囲は、0.03〜0.07%である。
Caは、必要に応じて含有させることができる。Caを含有させると、鋼中のSと反応して溶鋼中で酸硫化物(オキシサルファイド)を形成する。この酸硫化物はMnSなどと異なって、圧延加工で圧延方向に伸びることがないため、圧延後も球状であり、延伸した介在物の先端などを割れの起点とする溶接割れや水素誘起割れを抑制する効果がある。しかしながら、この含有量が0.004%を超えると、靱性の劣化を招くことがあるので、Caの含有量を0.004%以下とする。なお、Caによる溶接割れや水素誘起割れを抑制する効果を安定的に発現させるためには、Caを0.0003%以上含有させることが好ましい。より好ましいCaの含有量の範囲は、0.0005〜0.003%である。
Mgは、必要に応じて含有させることができる。Mgを含有させると、微細なMg含有酸化物を生成するので、γ粒径の微細化に効果がある。しかしながら、この含有量が0.002%を超えると、酸化物が多くなりすぎて延性低下をもたらすことがあるので、Mgの含有量を0.002%以下とする。なお、Mgによるγ粒径の微細化効果を安定的に発現させるためには、Mgを0.0002%以上含有させることが好ましい。より好ましいMgの含有量の範囲は、0.0003〜0.0010%である。
REM(希土類元素)は、必要に応じて含有させることができる。REMを含有させると、溶接熱影響部の組織を微細化し、またSを固定する効果がある。REMを過剰に含有させると、介在物を形成するので清浄度を低下させるが、REMの添加によって形成される介在物は、比較的靱性劣化への影響が小さいため、REMの含有量が0.002%以下であれば含有させても母材の靱性の低下は許容できる。したがって、REMの含有量を0.002%以下とする。なお、REMによる溶接熱影響部の組織の微細化効果とSの固定効果を安定的に発現させるためには、REMを0.0002%以上含有させることが好ましい。より好ましいREMの含有量の範囲は、0.0003〜0.001%である。
B−1.板厚(1/4)t位置の残留γ量が3.0体積%以上であること
厚鋼板中の残留γは厚鋼板の脆性き裂伝ぱ停止特性の向上に寄与する。この結果、低温環境下での靭性の向上効果が期待できる。この効果を得るには鋼中の残留γ量が3.0体積%以上存在することが必要である。残留γ量の上限は特に規定するものではないが、残留γが多く存在しすぎると降伏応力が低下するおそれがあるので、残留γ量は15.0体積%以下とするのが好ましい。より好ましくは10.0体積%以下である。ここで、板厚(1/4)t位置残留γ量を評価するのは、板厚全域の平均的な位置での評価をするためである。
結晶粒界は転位の運動を妨げる。したがって、結晶粒径を小さくし結晶粒界を大きくすることは、降伏点の上昇に直接的に寄与する。このため、板厚(1/4)t位置、すなわち、厚鋼板の表面から1/4の板厚部分の位置での平均有効結晶粒径を5.5μm以下とする必要がある。この粒径が小さいほど脆性き裂発生抑止特性はよくなるため、粒径の下限は規定しない。ただし、本願発明に係る低温用厚鋼板の製造方法により得られる粒径の平均有効結晶粒径はせいぜい2.0μmであるから、この場合、平均有効結晶粒径の下限値は2.0μmとなる。ここで、板厚(1/4)t位置でこの粒径を評価するのは、板厚全域の平均的な位置での評価をするためである。
Ni低減型の厚鋼板に関して、降伏強度試験を低温度で行うと、低温での降伏点は常温での降伏点に比べ上昇する。この上昇度が大きいほど、低温環境下で十分高い靭性を得ることができる。すなわち、常温の降伏点に対して低温環境下での降伏点の比が大きいと、低温環境下で破壊安全性に優れる厚鋼板が得られる。
ここで、σy,−165℃は−165℃における降伏強度[MPa]を、そして、σy,RTは常温における降伏強度[MPa]を、それぞれ表す。
σy,−165℃/σy,RT ・・・・・・(1)式
ここで、σy,−165℃は−165℃における降伏強度[MPa]を、そして、σy,RTは常温における降伏強度[MPa]を、それぞれ表す。」
として、本発明を把握することができる。もちろん、上記の成分の外に、Cu、Cr、Mo、V、B、Nb、Ti、Ca、MgおよびREMうちの1種または2種以上をさらに含有してもよい。
本発明に係る厚鋼板は、以下に示す工程を経て製造することができる。ただし、以下の製造方法に限定されるものではない。
加熱工程は、鋼塊の加熱温度Tr(℃)と加熱時間t(hr)が、次の(2)式〜(4)式を満足するように鋼塊を加熱するのが好ましい。
t×exp(Tr3/270000000)≦580 ・・・・・・・・・・(2)式
Ac3点≦Tr ・・・・・・・・・・(3)式
TOS≦[Tr+50] ・・・・・・・・・・・・・(4)式
ここで、Trは鋼塊の加熱温度(℃)を、tは鋼塊の加熱時間(hr)を、てAc3点はフェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度を、そしてTOSは鋼塊の最高到達温度(℃)を、それぞれ表す。
Ac3点=897.3−271.1×C+43.7×Si−17×Mn+117.8×P+15.95×S−40.8×Cu−22.3×Ni−6.5×Cr+6.5×Mo+65.8×V+145.2×Nb+56.9×Al+88.5×Ti−17968.4×B+121.8×N・・・(6)式
ここで、式中の元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。
熱間圧延工程では、加熱した鋼塊の圧延を行う。具体的には、粗圧延と仕上圧延に分けて圧延すればよい。
冷却工程では、仕上圧延をした圧延後の厚鋼板を冷却する。圧延後の冷却速度は速い方が良い。具体的には、厚鋼板の板厚tの中心部、すなわち、板厚(1/2)t位置での冷却速度を3℃/s以上とすることが好ましい。これは圧延後の冷却時の冷却速度が遅くなることにより、最終組織の有効結晶粒径が粗大化することを防ぐためである。
焼入工程では、再加熱の有無にかかわらず、Ac1点〜Ac3点の温度に加熱して行う。Ac1点以上とすることによって残留γの増加を見込むことができ、Ac3点以下とすることによって組織の粗大化を防止できる。
RH≧3・・・・・・・・・(5)式 なお、焼入処理の方法はスプレー法など手段を問わない。また、冷却停止温度は200℃以下とすることが好ましい。
焼戻し工程では、[Ac1点+80℃]以下の温度で行う。焼戻しは焼入れによって生じたマルテンサイト中の歪みを除去するためである。焼戻しを[Ac1点+80℃]以下の温度で行うのは、焼入れままのマルテンサイト組織を高靭性化することと残留γ量を増加させることができるためである。なお、効果的に歪み除去効果を得るためには、500℃以上とすることが好ましい。
常温における降伏強度YS:590MPa以上、
常温における引張強度TS:690MPa以上、
単位面積あたりのVノッチシャルピー吸収エネルギーvE−196(J/mm2):2.0J/mm2以上。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.01〜0.12%、Si:0.01〜0.3%、Mn:0.4〜2.0%、P:0.05%以下、S:0.008%以下、Ni:5.0%を超え8.0%未満、Al:0.002〜0.08%、N:0.0050%以下を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、常温での降伏強度が590MPa以上であるマルテンサイト組織を主体とする厚鋼板であって、板厚(1/4)t位置での残留γ量が3.0体積%以上であり、かつ平均有効結晶粒径が5.5μm以下であり、次の(1)式で示される値が1.3以上であることを特徴とする耐破壊安全性に優れた低温用厚鋼板。
σy,−165℃/σy,RT ・・・・・・(1)式
ここで、σy,−165℃は−165℃における降伏強度[MPa]を、そして、σy,RTは常温における降伏強度[MPa]を、それぞれ表す。 - Feの一部に代えて、質量%で、Cu:2.0%以下、Cr:1.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下およびB:0.005%以下のうちの1種又は2種以上を含有することを特徴とする、請求項1に記載の耐破壊安全性に優れた低温用厚鋼板。
- Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.1%以下およびTi:0.1%以下のうちの1種又は2種を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の耐破壊安全性に優れた低温用厚鋼板。
- Feの一部に代えて、質量%で、Ca:0.004%以下、Mg:0.002%以下およびREM:0.002%以下のうちの1種又は2種以上を含有することを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の耐破壊安全性に優れた低温用厚鋼板。
- 請求項1から4までのいずれかに記載された化学組成を有する鋼塊に、下記の工程を施すことを特徴とする、請求項1から4までのいずれかに記載の耐破壊安全性に優れた低温用厚鋼板の製造方法。
[工程1]鋼塊の加熱温度Tr(℃)と加熱時間t(hr)が、次の(2)式〜(4)式を満足するように鋼塊を加熱する工程。
t×exp(Tr3/270000000)≦580 ・・・・・・・・(2)式
Ac3点≦Tr ・・・・・・・・・・(3)式
TOS≦[Tr+50] ・・・・・・・・・・・・・(4)式
ここで、Trは鋼塊の加熱温度(℃)を、tは鋼塊の加熱時間(hr)を、Ac3点はフェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度を、そしてTOSは鋼塊の最高到達温度(℃)を、それぞれ表す。
[工程2]加熱した鋼塊を圧延し、650℃以上かつ850℃以下の仕上温度にて圧延を終了する工程。
[工程3]圧延後の厚鋼板を焼入温度まで冷却する工程。
[工程4]Ac1以上かつAc3以下の温度から、次の(5)式を満足する冷却速度RH(℃/s)によって焼入する工程。
RH≧3・・・・・・・・・(5)式
[工程5][Ac1点+80℃]以下の温度で焼戻す工程。 - 請求項1から4までのいずれかに記載された化学組成を有する鋼塊に、下記の工程を施すことを特徴とする、請求項1から4までのいずれかに記載の耐破壊安全性に優れた低温用厚鋼板の製造方法。
[工程1]鋼塊の加熱温度Tr(℃)と加熱時間t(hr)が、次の(2)式〜(4)式を満足するように鋼塊を加熱する工程。
t×exp(Tr3/270000000)≦580 ・・・・・・・・・・(2)式
Ac3点≦Tr ・・・・・・・・・・(3)式
TOS≦[Tr+50] ・・・・・・・・・・・・・(4)式
ここで、Trは鋼塊の加熱温度(℃)を、tは鋼塊の加熱時間(hr)を、Ac3点はフェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度を、そしてTOSは鋼塊の最高到達温度(℃)を、それぞれ表す。
[工程2]加熱した鋼塊を圧延し、650℃以上かつ850℃以下の仕上温度にて圧延を終了する工程。
[工程3’]圧延後の厚鋼板を焼入温度以下まで冷却し、その後、厚鋼板を焼入温度まで再加熱する工程。
[工程4]Ac1以上かつAc3以下の温度から、次の(5)式を満足する冷却速度RH(℃/s)によって焼入する工程。
RH≧3・・・・・・・・・(5)式
[工程5][Ac1点+80℃]以下の温度で焼戻す工程。
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