JP6728779B2 - 低温用厚鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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C:0.30〜0.65%
Cは、オーステナイトの安定化を通じて、液化ガスタンクなど低温用鋼材に要求される強度を確保するのに有効な元素である。特に、室温における強度を確保するために、C含有量を0.30%以上とする。好ましくはC含有量を0.35%以上とする。一方、Cの含有量が0.65%を超えるとCr炭化物がオーステナイト粒界へ多量析出して、母材の靱性や耐食性、さらには溶接熱影響部の低温靭性が劣化するおそれがある。したがって、C含有量は0.65%以下とする。好ましくは、0.50%以下とする。
Siは、脱酸のために有効な元素であり、また強度上昇に有効な元素である。ただし、0.05%未満では脱酸不足になる可能性があり、Si含有量を0.05%以上とする。好ましくはSi含有量を0.10%以上とする。また、Si含有量が0.30%を超えると延性および靱性の劣化をもたらすおそれがあるため、0.30%以下とする。好ましくは、Si含有量を0.25%以下とする。
Mnは、オーステナイトの安定化を通じて、降伏応力の増加と低温靱性の向上に有効な元素である。ただし、20.00%以下の含有量では降伏応力や低温靭性の低下が生ずるだけでなく、オーステナイトが不安定化し、α’マルテンサイトなどが析出して靭性が劣化するため、Mn含有量を20.00%超とする。好ましくはMn含有量を23.00%以上とする。一方、Mn含有量が30.00%を超えると加工性や溶接性が劣化するため、30.00%以下とする。好ましくはMn含有量を27.00%以下とする。
Niはオーステナイトの安定化と靱性の向上に極めて有効な元素であり、Ni含有量を0.10%以上とする。ただし、3.00%以上のNiを含有させてもその効果は飽和するとともに、α’マルテンサイトが生成しやすくなって、母材強度、溶接部靭性や透磁率が劣化する恐れがあるため、Ni含有量を3.00%未満とする。好ましくはNi含有量を2.00%以下とする。
Crは、オーステナイトを安定化し、耐力を向上させる元素である。本発明では、他の合金元素との関係で、Cr含有量が3.00%以上でこの効果が得られる。好ましくはCr含有量を4.00%以上とする。ただし、Cr含有量が8.00%以上になるとCr炭化物が粒界上に析出しやすくなり、靱性を低下させる。したがって、Cr含有量は8.00%未満とする。好ましくは、Cr含有量を6.00%以下とする。
Alは、鋼の脱酸と結晶粒の微細化による鋼の特性向上の作用を持つ元素である。ただし、0.005%未満では十分な効果が得られないため、Al含有量を0.005%以上とする。好ましくはAl含有量を0.010%以上とする。一方、Al含有量が0.100%を超えると靱性が劣化するため、上限を0.100%以下とする。好ましくは、Al含有量を0.050%以下とする。
P及びSは、ともに熱間加工性を損なう不純物元素である。オーステナイト鋼においては、P及びSの両元素の含有量を同時に低減することにより、単独に低減する場合よりも大きな母材および溶接熱影響部の靭性値の向上効果が得られる。そこで、Pの含有量は0.040%以下、そして、Sの含有量は0.020%以下に制限する。好ましくは、Pの含有量は0.020%以下、Sの含有量は0.003%以下とする。
Nは、オーステナイトの安定化と耐力向上に有効な元素である。オーステナイトの安定化元素としてNはCと同等の効果を有し、粒界析出による靱性劣化などの悪影響を及ぼさず、極低温での強度を上昇させる効果がCよりも大きい。また、Nは窒化物形成元素と共存することによって、鋼中に微細な窒化物を分散させるという効果を有する。これらの効果を発現させるために、Nの含有量を0.0050%以上とする。一方、N含有量が0.0500%以上になると靱性の劣化が著しくなるため、0.0500%未満とする。好ましくは、N含有量を0.0300%以下とする。
Oは、過剰に存在すると粗大な介在物が形成する。介在物個数を増加させ母材の清浄度を低下させ、母材及びHAZ部の靭性を低下させる。よって上限を0.0100%とする。
Cuは、オーステナイトを強化し耐力の上昇に有効であるので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が1.00%を超えると加工性を劣化させるので、Cuを含有させる場合は、その含有量は1.00%以下とし、より好ましくは0.70%以下とする。強度を高めるには、Cu含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
Moは、強度の上昇に効果があるだけでなく、Cr炭化物の粒界析出に起因する靱性劣化を防止したり、鋼の強度を高めたりするのに有効であるので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が1.00%を超えるとその効果は飽和する。よって、Moを含有させる場合は、その含有量は1.00%以下とし、より好ましくは0.80%以下とする。強度を高めるには、Mo含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
Nbは、C及びNと結合して炭窒化物を析出させ、その析出強化によって鋼の耐力を向上させるのに有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が0.500%を超えると靱性が悪化する。よって、Nbを含有させる場合は、その含有量は0.500%以下とし、より好ましくは0.200%以下とする。強度を高めるには、Nb含有量を0.005%以上とすることが好ましく、より好ましくは0.010%以上とする。
Vは、C及びNと結合して炭窒化物を析出させ、その析出強化によって鋼の耐力を向上させるのに有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が0.500%を超えると靱性が悪化する。よって、Vを含有させる場合は、その含有量は0.500%以下とし、より好ましくは0.200%以下とする。強度を高めるには、V含有量を0.010%以上とする。
Tiは、C及びNと結合して炭窒化物を析出させ、その析出強化によって鋼の耐力を向上させるのに有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が0.500%を超えると靱性が悪化する。よって、Tiを含有させる場合は、その含有量は0.500%以下とし、より好ましくは0.300%以下とする。強度を高めるには、Ti含有量を0.005%以上とする。
Bは、オーステナイト粒界に偏析することにより粒界破壊を防止し耐力を向上させる効果を有するので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が0.0010%を超えると靱性が悪化する。よって、Bを含有させる場合は、その含有量は0.0010%以下とする。粒界破壊を抑制するには、B含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。
Caは、介在物の球状化作用をもたらし、靱性を向上させる効果を有するので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が0.0100%を超えると清浄度を悪化させ靱性が失われる。よって、Caを含有させる場合は、その含有量は0.0100%以下とする。靱性を向上させるには、Ca含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。
Mgは、Caと同様に、介在物の球状化作用をもたらし、靱性を向上させる効果を有するので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が0.0100%を超えると清浄度を悪化させ靱性が失われる。よって、Mgを含有させる場合は、その含有量は0.0100%以下とする。靱性を向上させるには、Mg含有量を0.0002%以上とすることが好ましい。
希土類元素(REM)は、Caと同様に、介在物の球状化作用をもたらし、靱性を向上させる効果を有するので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が0.0500%を超えると清浄度を悪化させ靱性が失われる。よって、REMを含有させる場合は、その含有量は0.0500%以下とする。靱性を向上させるには、希土類元素(REM)の含有量を0.0002%以上とすることが好ましく、より好ましくは0.0003%とする。REMを含有させる場合は、LaやCeを主成分とするミッシュメタルを用いてもよい。なお、本発明でいう希土類元素とは、Sc、Y及びランタノイドの合計17元素の総称であり、希土類元素の含有量はこれらの元素の合計含有量を指す。
オーステナイト粒径が50μm以上300μm未満
オーステナイト粒径は母材の強度、靭性に影響を与える。50μmを下回ると結晶粒界が多くなり炭化物析出サイトが増加する。また炭化物析出には結晶粒界へのCrの拡散が必要であり結晶粒径が大きいほど拡散距離が長くなり炭化物析出を抑制できる。γ粒径が300μm以上であるとマトリクスに靭性が低下する。図1にオーステナイト粒径とシャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−196)との関係を示す。
炭化物は靭性に悪影響である。高Mn鋼はオーステナイト相からなるため、いわゆる劈開破壊を生じにくい材質ではあるが、オーステナイトの結晶粒界に析出した炭化物が破壊の起点となりシャルピー特性を低下させる場合がある。水冷材であってもきわめて微細な炭化物が析出している。靭性に悪影響を与えるのは0.2μm以上の炭化物である。異なる製造条件における高Mn鋼の炭化物を評価したところ、靭性が低下するにつれて0.2μmを超える炭化物が増加することが判明した。特に0.2μm以上の炭化物が2000個/mm2を超えることで靭性が低下する。図2に炭化物密度とシャルピー吸収エネルギーの関係を示す。ここで炭化物は走査型電子顕微鏡にて5000倍の視野(15μm×15μm)を20視野観察し、0.2μm以上の炭化物の個数密度を算出し、平均値を鋼材中の炭化物密度とした。
加えて本発明者等は、炭化物の析出、成長が進行しやすい温度域を通過させないような製造プロセスをとることにより炭化物生成、成長を抑制し、炭化物を起点する破壊との相関があることを見出し、適正な条件で熱間圧延を行う必要があることを見出した。適正な条件から外れると、鋼片若しくは鋼塊又は鋼板の表面に割れが生じるので、歩留の低下を招く。したがって、鋼片若しくは鋼塊の圧延前の加熱条件及び圧延条件の厳密な管理が重要である。また高Mn鋼は炭化物形成元素を多く含有しており圧延から冷却にかけて炭化物が析出しやすい。圧延中から炭化物析出温度域で滞留しないことが重要となる。このため炭化物析出抑制のために圧延開始から冷却条件を厳密に管理する必要がある。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.30〜0.65%、Si:0.05〜0.30%、Mn:20.00%を超え30.00%未満、Ni:0.10〜3.00%未満、Cr:3.00%以上8.00%未満、Al:0.005〜0.100%、N:0.0050%以上0.0500%未満を含有し、P:0.040%以下、S:0.020%以下、O:0.0100%以下、に制限し、残部Feおよび不純物からなり、オーステナイト粒径が50μm以上300μm未満で平均円相当径が0.2μm以上の炭化物が2000個/mm2以下であり、常温での降伏強度が400MPa以上、引張強度が800MPa以上、−196℃でのJIS4号シャルピー衝撃吸収エネルギーが100J以上であることを特徴とする低温用厚鋼板。
- Feの一部に代えて、質量%で、Cu:1.00%以下、Mo:1.00%以下、Nb:0.500%以下、V:0.500%以下、Ti:0.500%以下、B:0.0010%以下、Ca:0.0100%以下、Mg:0.0100%以下及びREM:0.0500%以下から選択される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に記載の低温用厚鋼板。
- 請求項1又は2で規定される化学組成を有する鋼片又は鋼塊を、1000℃〜1250℃で加熱後、圧延仕上温度1000〜800℃で熱間圧延を施すとともに、圧延開始から冷却開始までにおいて900-800℃までの滞在時間を100秒以下とし、750〜600℃の温度範囲を冷却速度5℃/sec以上で冷却し、その後、熱処理を施さず、オーステナイト粒径が50μm以上300μm未満で平均円相当径が0.2μm以上の炭化物が2000個/mm 2 以下であり、常温での降伏強度が400MPa以上、引張強度が800MPa以上、−196℃でのJIS4号シャルピー衝撃吸収エネルギーが100J以上の低温用厚鋼板を得ることを特徴とする低温用厚鋼板の製造方法。
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