JP5824401B2 - 耐水素誘起割れ性に優れた鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
C:0.02〜0.20%(質量%の意味。化学成分について以下同じ)、
Si:0.02〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、
P:0.030%以下(0%を含まない)、
S:0.004%以下(0%を含まない)、
Al:0.010〜0.08%、
N:0.001〜0.01%、
Nb:0.002〜0.06%、
Ca:0.0003〜0.0060%、
O:0.0040%以下(0%を含まない)、
REM:0.0002〜0.05%、および
Zr:0.0003〜0.020%を満たし、残部が鉄および不可避不純物であり、
鋼中に含有される幅が1μm以上の介在物の組成において、REM硫化物(RES)とCa硫化物(CaS)の質量比(RES/CaS)が0.05以上であると共に、
介在物中のZr量が5〜60%であり、更に、
介在物中のNb量が5%以下(0%を含む)であるところに特徴を有する。
Ti:0.003〜0.03%、
B:0.0002〜0.005%、
V:0.003〜0.1%、
Cu:0.01〜1.5%、
Ni:0.01〜3.5%、
Cr:0.01〜1.5%、
Mo:0.01〜1.5%、および
Mg:0.0003〜0.005%よりなる群から選択される1種類以上の元素を含んでいてもよい。
溶鋼処理工程において、
Sを0.004%以下にする、Fe濃度が0.1〜10%のスラグを用いた脱硫工程、溶鋼の溶存酸素濃度Ofを、溶鋼のS濃度との比(Of/S)で10以下にする脱酸工程、
Zr、REMおよびCaを、Zr、REM、Caの順に添加するか、またはZrとREMを同時とし次いでCaの順に添加する工程(但し、REM添加からCa添加までの時間を4分以上とする)をこの順で含み、かつ、Ca添加から凝固完了までの時間を200分以内とするところに特徴を有する耐水素誘起割れ性に優れた鋼板の製造方法も含まれる。
[C:0.02〜0.20%]
Cは、母材および溶接部の強度を確保するために必要不可欠な元素であり、0.02%以上含有させる必要がある。好ましくは0.03%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。
Siは脱酸作用を有する上に、母材および溶接部の強度向上に有効である。これらの効果を得るため、Si量を0.02%以上とする。好ましくは0.05%以上であり、より好ましくは0.15%以上である。しかし、Si量が多すぎると溶接性や靭性が劣化する。またSi量が過剰であると、島状マルテンサイトが生じてHICが発生・進展する。よってSi量は、0.50%以下に抑える必要がある。Si量は、好ましくは0.45%以下、より好ましくは0.35%以下である。
Mnは、母材および溶接部の強度向上に有効な元素であり、本発明では0.6%以上含有させる。Mn量は、好ましくは0.8%以上であり、より好ましくは1.0%以上である。しかし、Mn量が多すぎると、MnSを生成し耐水素誘起割れ性が劣化するだけでなくHAZ靭性や溶接性も劣化するため、Mn量の上限を2.0%以下とする。好ましくは1.8%以下であり、より好ましくは1.6%以下である。
Pは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、P量が0.030%を超えると母材、HAZ靭性の劣化が著しく、耐水素誘起割れ性も劣化する。よって本発明ではP量を0.030%以下に抑える。好ましくは0.020%以下、より好ましくは0.010%以下である。
Sは、多すぎるとMnSを多量に生成し耐水素誘起割れ性を著しく劣化させるため、本発明ではS量の上限を0.004%とする。S量は、好ましくは0.003%以下であり、より好ましくは0.0025%以下、更に好ましくは0.0020%以下である。この様に耐水素誘起割れ性向上の観点からは少ない方が望ましいものの、工業的に0.0001%未満とすることは困難であることから、S量の下限はおおよそ0.0001%である。
Alは強脱酸元素であり、Al量が少ないとREMがAlよりも優先的に酸化物となってしまい、所望量のRESを得ることが難しくなる。その結果、RES/CaSを一定以上とすることが困難となる。よって本発明では、Alを0.010%以上とする必要がある。Al量は、好ましくは0.020%以上、より好ましくは0.030%以上である。
Nは、TiNを形成し、このTiNが鋼組織中に析出することで、HAZ部のオーステナイト粒の粗大化を抑制し、さらにフェライト変態を促進させて、HAZ部の靭性を向上させる元素である。この効果を得るには0.001%以上含有させる必要がある。好ましくは0.003%以上であり、より好ましくは0.0040%以上である。しかし、N量が多すぎると、固溶Nの存在によりHAZ靭性がかえって劣化するため、N量は、0.01%以下にする必要がある。好ましくは0.008%以下であり、より好ましくは0.0060%以下である。
Nbは、溶接性を劣化させることなく強度と母材靭性を高めるのに有効な元素である。この効果を得るには、Nb量を0.002%以上とする必要がある。Nb量は、好ましくは0.010%以上、より好ましくは0.020%以上である。しかし、0.06%を超えると、介在物中のNb濃度が高くなる他、母材とHAZの靭性が劣化する。よって本発明ではNb量の上限を0.06%とする。Nb量は、好ましくは0.050%以下、より好ましくは0.040%以下、更に好ましくは0.030%以下である。
Caは、硫化物の形態を制御する作用があり、CaSを形成することによってMnSの形成を抑制する効果がある。この効果を得るには、Ca量を0.0003%以上とする必要がある。好ましくは0.0005%以上であり、より好ましくは0.0010%以上である。一方、Ca量が0.0060%を超えると、形成される硫化物に占めるCaSの割合が増加し、所望のRESが得られ難くなるため、HIC特性が劣化する。よって本発明では、Ca量の上限を0.0060%とする。Ca量は、好ましくは0.005%以下であり、より好ましくは0.0040%以下である。
O(酸素)は、清浄度向上の観点から低いほうが望ましく、Oが多量に含まれる場合、靭性が劣化することに加え、酸化物を起点にHICが発生し、耐水素誘起割れ性が劣化する。この観点から、Oは0.0040%以下とする必要があり、好ましくは0.0030%以下、より好ましくは0.0020%以下である。
REM(希土類元素)は、本発明の最も重要な元素であり、上述の通り、介在物中の組成においてRES/CaS≧0.05を達成させることによって耐水素誘起割れ性向上に大変有効な元素である。このような効果を発揮させるには、REMを0.0002%以上含有させる必要がある。REM量は、好ましくは0.0005%以上、より好ましくは0.0010%以上である。一方、REMを多量に含有させても効果が飽和する。よってREM量の上限を0.05%とする。鋳造時の浸漬ノズルの閉塞をおさえて生産性を高める観点からは、0.03%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.010%以下、更に好ましくは0.0050%以下である。
Zrは、上述の通り、酸化物としてZrO2を形成し、酸化物の熱膨張係数を小さくすることができる。耐水素誘起割れ性を著しく改善させるため介在物中のZr濃度を5%以上とするには、Zr量を0.0003%以上とする必要がある。Zr量は、好ましくは0.0005%以上、より好ましくは0.0010%以上、更に好ましくは0.0015%以上である。一方、Zrを過剰に添加すると、固溶Zrが増加して鋳造中に、上述した図4の比較鋼の複合介在物の様に、Nbとともに酸・硫化物を取り巻くように晶出し、耐水素誘起割れ性を劣化させる。よってZr量は0.020%以下とする必要がある。Zr量は、好ましくは0.010%以下、より好ましくは0.0070%以下、更に好ましくは0.0050%以下である。
Tiは、鋼中にTiNとして析出することで、溶接時のHAZ部でのオーステナイト粒の粗大化を防止しかつフェライト変態を促進するため、HAZ部の靭性を向上させるのに必要な元素である。このような効果を得るには、Tiを0.003%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.005%以上、更に好ましくは0.010%以上である。一方、Ti含有量が過多になると、固溶TiやTiCが析出して母材とHAZ部の靭性が劣化するため、0.03%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.02%以下である。
Bは、焼入れ性を高め、母材および溶接部の強度を高めるとともに、溶接時に、加熱されたHAZ部が冷却する過程でNと結合してBNを析出し、オーステナイト粒内からのフェライト変態を促進するため、HAZ靭性を向上させる。この効果を得るためには、B量を0.0002%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.0005%以上であり、更に好ましくは0.0010%以上である。しかし、B含有量が過多になると、母材とHAZ部の靭性が劣化したり、溶接性の劣化を招くため、B含有量は0.005%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.004%以下、更に好ましくは0.0030%以下である。
Vは、強度の向上に有効な元素であり、この効果を得るには0.003%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.010%以上である。一方、V含有量が0.1%を超えると溶接性と母材靭性が劣化する。よってV量は0.1%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.08%以下である。
Cuは、焼入れ性を向上させて強度を高めるのに有効な元素である。この効果を得るにはCuを0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。しかし、Cu含有量が1.5%を超えると靭性が劣化するため、1.5%以下とすることが好ましい。より好ましくは1.0%以下、更に好ましくは0.50%以下である。
Niは、母材および溶接部の強度と靭性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ni量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。しかしNiが多量に含まれると、構造用鋼材として極めて高価となるため、経済的な観点からNi量は、3.5%以下とすることが好ましい。より好ましくは1.5%以下、更に好ましくは1.0%以下、より更に好ましくは0.50%以下である。
Crは、強度の向上に有効な元素であり、この効果を得るには0.01%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。一方、Cr量が1.5%を超えるとHAZ靭性が劣化する。よってCr量は1.5%以下とすることが好ましい。より好ましくは1.0%以下、更に好ましくは0.50%以下である。
Moは、母材の強度と靭性の向上に有効な元素である。この効果を得るには、Mo量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。しかし、Mo量が1.5%を超えるとHAZ靭性および溶接性が劣化する。よってMo量は1.5%以下とすることが好ましく、より好ましくは1.0%以下、更に好ましくは0.50%以下である。
Mgは、結晶粒の微細化を通じて靭性の向上に有効な元素であり、この効果を得るためには0.0003%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.001%以上である。一方、Mgを、0.005%を超えて含有しても効果が飽和するため、Mg量の上限は0.005%とすることが好ましい。より好ましくは0.0030%以下である。
上記組織の本発明鋼板を得るにあたっては、溶鋼処理工程において、
(A)Sを0.004%以下にする、Fe:0.1〜10%を満たすスラグを用いた脱硫工程、
(B)溶鋼の溶存酸素濃度Ofを、溶鋼のS濃度との比(Of/S)で10以下にする脱酸工程、
(C)Zr、REMおよびCaを、Zr、REM、Caの順に添加するか、またはZrとREMを同時とし次いでCaの順に添加する工程(但し、REM添加からCa添加までの時間を4分以上とする)
をこの順で含み、かつ、Ca添加から凝固完了までの時間を200分以内とする必要がある。
転炉または電気炉にて、溶鋼温度が1550℃以上となるよう溶製した溶鋼に対し、Fe:0.1〜10%を満たすスラグを用い、Sを0.004%以下にする。
スラグ中のCaOが溶鋼中の溶存Sと反応し、CaSに変化することによって溶鋼中のSの低減、即ち、脱硫を十分に行うことができる。よって、スラグ中のCaO濃度を10%以上とすることが、Sを0.004%以下にするための手段として挙げられる。スラグ中のCaO濃度は、好ましくは15%以上、より好ましくは20%以上である。一方、スラグ中のCaOが多過ぎても脱硫が困難となるため、上限は80%程度である。
この工程では、後述するREM添加の前に、溶鋼の溶存酸素濃度Ofを、溶鋼のS濃度との比(Of/S)で10以下にする。
REMとCaの脱硫能を比較すると、REMの脱硫力はCaよりも弱いため、REM添加前にCaを添加すると、CaSに優先してRESを生成させることが困難となる。よって、Ca添加前にREMを添加する必要があり、またRESを十分に生成させるためにはREM添加からCa添加までの時間を4分以上空ける必要がある。REM添加からCa添加までの時間は、好ましくは5分以上、より好ましくは8分以上である。尚、生産性の観点から、REM添加からCa添加までの時間の上限は、おおよそ60分程度となる。
介在物の組成の分析は次のようにして行った。即ち、圧延材の板厚方向断面(板厚×板幅の断面)において、板厚中央部を中心に、島津製作所製EPMA−8705で観察した。詳細には、観察倍率400倍、観察視野約50mm2(板厚中心部が観察視野の中央となるように、板厚方向に7mm、板幅方向に7mm)で3断面観察し、幅が1μm以上の介在物を対象に、特性X線の波長分散分光により介在物中央部での成分組成を定量分析した。
上記EPMAで検出されたSは全て硫化物として存在するものとし、鋼中で硫化物を形成するMn、Mg、Ca、REMへのSの分配割合を以下の仮定から導出して、CaS量とRES量を求めた。
NACE standard TM0284−2003に規定される方法に従って評価した。詳細には、試験片を、1atmの硫化水素を飽和させた25℃(0.5%NaCl+0.5%酢酸)水溶液中に96時間浸漬した。
Claims (5)
- C:0.02〜0.20%(質量%の意味。化学成分について以下同じ)、
Si:0.02〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、
P:0.030%以下(0%を含まない)、
S:0.004%以下(0%を含まない)、
Al:0.010〜0.08%、
N:0.001〜0.01%、
Nb:0.002〜0.06%、
Ca:0.0003〜0.0060%、
O:0.0040%以下(0%を含まない)、
REM:0.0002〜0.05%、および
Zr:0.0003〜0.020%を満たし、残部が鉄および不可避不純物であり、
鋼中に含有される最大投影長さ(長径)に対し垂直な方向における最大長さが1μm以上の介在物の組成において、REM硫化物(RES)とCa硫化物(CaS)の質量比(RES/CaS)が0.05以上であると共に、
介在物中のZr量が5〜60%であり、更に、
介在物中のNb量が5%以下(0%を含む)であることを特徴とする耐水素誘起割れ性に優れた鋼板。 - 更に他の元素として、
Ti:0.003〜0.03%、
B:0.0002〜0.005%、
V:0.003〜0.1%、
Cu:0.01〜1.5%、
Ni:0.01〜3.5%、
Cr:0.01〜1.5%、
Mo:0.01〜1.5%、および
Mg:0.0003〜0.005%よりなる群から選択される1種類以上の元素を含む請求項1に記載の鋼板。 - ラインパイプ用である請求項1または2に記載の鋼板。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の鋼板を用いて製造されるラインパイプ用鋼管。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の鋼板を製造する方法であって、
溶鋼処理工程において、
Sを0.004%以下にする、Fe濃度が0.1〜10%のスラグを用いた脱硫工程、
溶鋼の溶存酸素濃度Ofを、溶鋼のS濃度との比(Of/S)で10以下にする脱酸工程、
Zr、REMおよびCaを、Zr、REM、Caの順に添加するか、またはZrとREMを同時とし次いでCaの順に添加する工程(但し、REM添加からCa添加までの時間を4分以上とする)
をこの順で含み、かつ、Ca添加から凝固完了までの時間を200分以内とすることを特徴とする耐水素誘起割れ性に優れた鋼板の製造方法。
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