JP6750572B2 - 母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
[1]低合金鋼を母材とするクラッド鋼板において、前記母材の化学成分が質量%で、C:0.020〜0.100%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.75〜1.80%、P:0.015%以下、S:0.0030%以下、Nb:0.040〜0.100%、Ti:0.005〜0.030%、N:0.0010〜0.0060%、Al:0.070%以下、V:0.010%未満、Ca:0.0005〜0.0040%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、圧延直角方向の応力歪曲線において0.5%以上の降伏伸びを有し、さらに面積分率が2.0%未満の島状マルテンサイトと残部がベイナイト組織からなることを特徴とする母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
[2]さらに、前記母材の化学成分が、質量%で、Cu:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜0.50%、Cr:0.01〜0.50%、Mo:0.01〜0.50%、の中から選ばれる一種または二種以上を含有することを特徴とする[1]に記載の母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
[3]前記クラッド鋼板の合せ材をNi合金とすることを特徴とする[1]または[2]に記載の母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
[4]前記合せ材の化学成分が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.02〜0.50%、Mn:0.02〜0.50%、P:0.010%以下、S:0.0010%以下、Cr:20.0〜23.0%、Mo:8.0〜10.0%、Fe:5.0%以下、Al:0.02〜0.40%、Ti:0.10〜0.40%を含有し、さらに、Nb+Ta:3.15〜4.15%を含有し、残部Ni及び不可避的不純物からなることを特徴とする[3]に記載の母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
[5]前記クラッド鋼板の合せ材の化学成分が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.10〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Ni:38.0〜46.0%、Cr:19.5〜23.5%、Mo:2.50〜3.50%、Cu:1.50〜3.00%、Al:0.01〜0.20%、Ti:0.60〜1.20%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなることを特徴とする[3]に記載の母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
[6][1]〜[5]の何れかに記載のクラッド鋼板の素材を用いて、1050〜1200℃に加熱後、鋼板表面温度が950℃以上での圧下比を2.0以上とし、未再結晶開始温度Tnr以下の温度域において累積圧下率40%以上、圧延終了温度を800℃以上とする条件で熱間圧延する熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程後に、Ar3温度以上から冷却速度5℃/s以上、冷却停止温度500℃未満とする条件で加速冷却する焼入れ工程と、さらに、400〜600℃で焼き戻しする焼き戻し工程とを備えることを特徴とする母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板の製造方法。
C:0.020〜0.100%
Cは鋼の強度を向上させる有効な成分であり、0.020%未満では一般溶接用鋼としては強度が得られないため0.020%以上とする。一方、過剰なCの含有は鋼材ならびに熱影響部の靭性の劣化を招き、また、溶接性の観点からC量の低減が望ましい。このため、C量は0.020〜0.100%とする。なお、溶接性及びHAZ靭性の観点から、好ましくは0.020〜0.080%の範囲である。より好ましくは0.030〜0.080%の範囲である。
Siは製鋼時の脱酸のために添加され、また、母材の強度確保に必要な成分であるため0.10%以上の含有が必要である。一方、0.50%を超えるSiの含有は靭性、加工性に悪影響を及ぼす。このため、Si量は0.10〜0.50%の範囲とする。脱酸の効果と靭性の観点から、好ましくは0.20〜0.40%の範囲である。
Mnは母材の強度及び靭性の確保に有効な成分として、0.75%以上の含有が必要である。一方、1.80%を超えるMnの含有は靭性、溶接性に悪影響を与える。このため、Mn量は0.75〜1.80%の範囲とする。なお、好ましくは、1.00〜1.70%の範囲である。
母材ならびに溶接熱影響部靭性を確保するため、Pを極力低減することが望ましい。しかしながら、過度の脱Pはコスト上昇を招く。このため、P量は0.015%以下とする。好ましくは0.010%以下である。
Sは鋼中不純物として不可避な元素であるものの、低温靭性を確保するために、S量は0.0030%以下とする。好ましくは0.0010%以下である。
Nbは組織の細粒化により靱性を向上させ、さらに固溶Nbの焼入性向上により強度上に寄与する重要な元素である。クラッド鋼板、特に合せ材を難接合性であるNi合金のAlloy625とした場合には、無垢の低合金鋼に比べて、圧延終了温度を高くする必要がある。母材靱性を確保するためには組織の細粒化が重要であり、細粒化させるためには未再結晶域での圧延が重要であることはよく知られている。Nb添加は未再結晶温度域を高温に広げる効果があり、その量が0.040%以上、好ましくは0.050%超とすることにより、クラッド鋼板の接合性を確保しながら母材の靱性を向上することが可能となる。一方、0.100%を超えると溶接熱影響部の靭性を劣化させる。このため、Nb量は0.100%以下とし、0.080%以下であることが好ましく、0.060%以下であることがさらに好ましい。
TiはTiNを形成してスラブ加熱時や溶接熱影響部の粒成長を抑制し、結果としてミクロ組織の微細化をもたらして強度と母材ならびに溶接熱影響部の靭性を改善する効果がある。その含有量は0.005%未満では効果が少ないため、0.005%以上含有させる。また、Tiの含有量が0.030%を超えると、かえって上記効果が得られないのみならず、靭性も劣化させる。したがって、Ti量は0.005〜0.030%の範囲とする。好ましくは、0.010〜0.020%の範囲である。
NはTiNとして析出することで溶接熱影響部靭性の向上に効果がある。しかしながら、Nの含有量が0.0010%未満では効果が薄れるため、下限を0.0010%とする。一方、0.0060%を超えると固溶Nが増大し溶接熱影響部靭性の低下がおこる。TiNの微細析出によるHAZ靭性の向上を考慮し、N量は0.0010〜0.0060%の範囲とする。好ましくは0.0020〜0.0050%の範囲である。
Alは、製鋼過程の脱酸用として重要な元素であるとともに、溶接熱影響部の靭性向上にも効力を有する。しかし、0.070%を超えて含有しても溶接熱影響部の靭性改善効果は飽和するので、Al量は0.070%以下とする。なお、溶接熱影響部の靭性改善効果を得るためには、0.010%以上の含有が好ましい。
Vは、焼入性を高め、強度上昇に寄与する元素である。一方で、母材、HAZのいずれの領域においても著しく硬化して、靱性劣化の原因となる。この靱性劣化はVが0.010%以上含有すると顕著となる。そのため、Vは0.010%未満とする。より好ましくは、0.004%未満であり、工業的に可能なレベルで含有させないことがさらに好ましい。
Caは硫化物系介在物の形態を制御し母材の靭性と溶接熱影響部靭性を改善する効果があるため、0.0005%以上含有する。しかし、0.0040%を超えると効果が飽和し、逆に清浄度を低下させ溶接熱影響部の靭性を劣化させる。このため、Ca量は0.0005〜0.0040%の範囲とする。好ましくは0.0020〜0.0030%の範囲である。
Cuは焼入性元素であり、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の1つである。Cuを含有する場合、0.01%以上であることが好ましい。一方、0.50%を超えて含有すると溶接性を阻害することがある。このため、Cuを含有する場合、Cu量は0.01〜0.50%の範囲とする。より好ましくは、0.10〜0.40%の範囲である。
Niは焼入性元素であり、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の1つである。Niを含有する場合、0.01%以上であることが好ましい。一方、0.50%を超えると効果が飽和し、また、Niの含有は製造コストを上昇させる。このため、Niを含有する場合、Ni量は0.01〜0.50%の範囲とする。より好ましくは、0.10〜0.40%の範囲である。
Crは焼入性元素であり、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の1つである。Crを含有する場合、0.01%以上であることが好ましい。一方、0.50%を超えて含有すると溶接熱影響部靭性を劣化させることがある。このため、Crを含有する場合、Cr量は0.01〜0.50%の範囲とする。より好ましくは、0.05%〜0.35%の範囲である。
Moは焼入性元素であり、母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素である。Moを含有する場合、0.01%以上であることが好ましい。一方、0.50%を超えて含有すると効果が飽和し、また、過剰な含有は溶接熱影響部靭性や溶接性を阻害する。このため、Moを含有する場合、Mo量は0.01〜0.50%の範囲とする。なお、母材強度と靭性の観点から、より好ましくは、0.05〜0.35%の範囲である。
合せ材の種類:Ni合金
Ni合金は、Ni、Cr、Moなどの耐食元素を多く含有していることから、耐食性能に優れている。特に、ラインパイプが使用される特に腐食環境の厳しい難採掘環境では、高温でかつ高硫化水素分圧の環境(サワー環境)であり、その高温サワー環境において耐応力腐食割れ感受性が改善される。したがって、本発明の合せ材としてはNi合金が好ましい。
Cはクラッド鋼板の製造において、圧延の熱履歴で炭化物として粒界に析出し、耐食性を阻害するため多量の含有は避けるべき元素である。0.030%を超えて含有すると、炭化物の析出が促進されて耐食性が劣化するため、C量は0.030%以下とする。好ましくは、0.020%以下である。
Siは製造時の脱酸に有効な成分であり、0.02%以上の含有から効果が発現する。しかしながら、0.50%を超えて含有すると非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Si量は0.02〜0.50%の範囲とする。好ましくは0.02〜0.20%の範囲である。
Mnは脱酸成分として必要な成分であり、0.02%以上の含有から効果が発現する。しかしながら、0.50%を超えて含有すると非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Mn量は0.02〜0.50%の範囲とする。好ましくは0.02〜0.15%の範囲である。
Pは不純物元素であり、クラッド鋼板の接合性確保のため、900℃以上で圧延する際に、粒界に偏析し、耐食性を劣化させる元素である。したがって、P量は0.010%以下とする。好ましくは、0.005%以下である。
SはPと同様で不純物元素であり、クラッド鋼板の接合性確保のため、900℃以上で圧延する際に、粒界に偏析し、耐食性を劣化させる元素である。したがって、S量は0.0010%以下とする。好ましくは、0.0005%以下である。
Crは、金属の表面に保護性の高い酸化物皮膜を形成し、耐孔食性や耐粒界腐食性を向上させる元素である。また、Niとの複合添加によって、サワー環境中での耐応力腐食割れ感受性も改善するため、Niやその他の合金とのバランスも考え、Cr量は20.0〜23.0%の範囲とする。好ましくは21.5〜23.0%の範囲である。
Moは、耐孔食性、耐隙間腐食性を向上させる。また、Niとの複合添加によって、サワー環境中での耐応力腐食割れ感受性も改善するため、Niやその他の合金とのバランスも考え、Mo量は8.0〜10.0%の範囲とする。好ましくは8.5〜10.0%の範囲である。
Feは、原料としてフェロクロム、フェロモリブデン等を用いた場合、不可避的に混入する不純物であり、5.0%を超えるとNi量が低下して耐食性が低下するため、Fe量は5.0%以下とする。好ましくは3.5%以下である。
Alは有効な脱酸元素であり、0.02%以上から効果が発現する。しかしながら、0.40%を超えて含有すると耐応力腐食割れ性が劣化するため、Al量は0.02〜0.40%の範囲とする。好ましくは0.02〜0.25%の範囲である。
TiはCの固定化元素として有効であり、クラッド鋼板製造時の熱履歴で炭化物として析出する。しかしながら、多量に含有すると、クラッド鋼板の接合界面で金属間化合物として析出し、接合性を阻害するため、Ti量は0.10〜0.40%の範囲とする。好ましくは0.10〜0.30%の範囲である。なお、0.10%未満の含有量では、Cの固定が不完全となり、耐食性を劣化する炭化物の析出原因となるため、下限を0.10%以上とする。
NbとTaはCの固定化元素として有効であり、クラッド鋼板製造時の熱履歴で炭化物として析出する。しかし、多量に含有すると低融点の金属間化合物を形成し、熱間加工性が低下するため、Nb+Taは3.15〜4.15%の範囲とする。
Niは高Ni合金の主要元素であり、耐食性を向上させる元素である。特に、サワー環境での耐応力腐食割れ性を著しく改善する。前述したように、CrとMoとの複合添加効果でさらに耐食性は向上する。なお、Ni合金とは、合金成分のうちでNi含有量が最も多い合金をいう。本発明での合せ材1におけるNi量は58%以上とするのが好ましい。
Cはクラッド鋼板の製造において、圧延の熱履歴で炭化物として粒界に析出し、耐食性を阻害するため多量の含有は避けるべき元素である。0.030%を超えて含有すると、炭化物の析出が促進されて耐食性が劣化するため、C量は0.030%以下とする。好ましくは、0.020%以下である。
Siは製造時の脱酸に有効な成分であり、0.05%以上の含有から効果が発現する。しかしながら、0.50%を超えて含有すると非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Si量は0.05〜0.50%の範囲とする。好ましくは0.05〜0.20%の範囲である。
Mnは脱酸成分として必要な成分であり、0.10%以上の含有から効果が発現する。しかしながら、1.00%を超えて含有するとMnS等の非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Mn量は0.10〜1.00%の範囲とする。好ましくは0.10〜0.50%の範囲である。
Pは不純物元素であり、熱間加工性劣化および粒界に偏析することによる耐食性の劣化原因となるため、その含有量は低いほど好ましい。したがって、P量は0.030%以下とする。好ましくは、0.020%以下である。
SはPと同様で不純物元素であり、熱間加工性劣化および粒界に偏析することによる耐食性の劣化原因となるため、その含有量は低いほど好ましい。したがって、S量は0.0050%以下とする。好ましくは、0.0010%以下である。
NiはNi合金の主成分であり耐全面腐食性を改善する。また、Crとの複合添加によってサワー環境中での耐応力腐食割れ感受性を改善する。しかしながら、Ni含有量が38.0%未満では、所望の耐食性能が得られない。一方、Niは高価な元素であるため、46.0%を超えて含有すると、経済的に不利である。したがって、Ni含有量は38.0〜46.0%とする。なお、Ni合金とは、合金成分のうちでNi含有量が最も多い合金をいう。
Crは、金属の表面に保護性の高い酸化物皮膜を形成し、耐孔食性や耐粒界腐食性を向上させる元素である。また、Niとの複合添加によって、サワー環境中での耐応力腐食割れ感受性も改善するため、Niやその他の合金とのバランスも考え、Cr量は19.5〜23.5%の範囲とする。好ましくは21.5〜23.5%の範囲である。
Moは、耐孔食性、耐隙間腐食性を向上させる。また、Niとの複合添加によって、サワー環境中での耐応力腐食割れ感受性も改善するため、Niやその他の合金とのバランスも考え、Mo量は2.50〜3.50%の範囲とする。好ましくは3.00〜3.50%の範囲である。
Cuは耐全面腐食性に有効な元素であり、1.50%以上含有することで、効果が発現する。しかし、3.00%を超えて含有してもその効果が飽和するため、Cu量は1.50〜3.00%の範囲とする。好ましくは1.80〜3.00%の範囲である。
Alは有効な脱酸元素であり、0.01%以上から効果が発現する。しかしながら、0.20%を超えて含有すると耐応力腐食割れ性が劣化するため、Al量は0.01〜0.20%の範囲とする。好ましくは0.10〜0.15%の範囲である。
TiはCの固定化元素として有効であり、耐食性を劣化させるCr炭化物の析出を抑制することが可能となる。そのためには、0.60%以上の含有が必要であるが、多量に含有すると、クラッド鋼板の接合界面で金属間化合物として析出し、接合性を阻害するため、Ti量は1.20%以下とする。好ましくは0.70〜1.20%の範囲である。
次に、本発明の金属組織について説明する。
本発明では、圧延直角方向(C方向)の応力歪曲線において、降伏棚を有し0.5%以上の降伏伸びを有するものとする。応力歪曲線における降伏伸びの定義は、降伏点の不連続部(降伏棚)の長さが降伏伸びである。一般に、鋼板の圧延方向に対して直角な方向(圧延直角方向)が鋼管の管周方向と一致しているため、鋼板の圧延直角方向の引張特性が重要である。応力歪曲線に降伏棚がある場合、拡管による圧延直角方向の引張変形を降伏伸びによって吸収することができ、加工硬化による降伏強度の上昇量が低減できるため、従来の鋼管に比べ管周方向の降伏比を低くすることが可能となる。降伏伸びが0.5%未満では拡管による加工硬化量が大きくなるため、鋼管の降伏比が上昇する。よって、降伏伸びは0.5%以上とし、1.0%以上であることが好ましい。一方、降伏伸びが3.0%を超えると、拡管後も管軸方向の応力歪曲線に長い降伏伸びが残留するため、座屈特性が劣化するため、3.0%以下であることが好ましい。
本発明のNi合金クラッド鋼板の製造方法について以下に述べる。
加熱時に合せ材を十分溶体化するために1050℃以上に加熱する。クラッド鋼の接合性の観点からは、加熱温度は高温である方が好ましい。しかしながら、1200℃を超えて加熱すると、Ni合金の熱間延性が劣化して、圧延中に素材割れが生じる、また、1200℃を超えて加熱すると、母材の結晶粒粗大化によって靭性劣化を招く。よって、耐食性、低温靭性、接合性の観点から、加熱温度は1050〜1200℃の範囲とする。
クラッド鋼は高温域での圧延によって、接合性が確保される。高温域での圧延が重要な理由としては、合せ材であるNi合金と母材である低合金鋼の変形抵抗差が小さくなるため、圧延で理想的な接合界面となる点と、高温域では合せ材と母材との境界で元素相互拡散が進行しやすいためである。特に、Ni合金はオーステナイト系ステンレス鋼より変形抵抗が大きいことから、オーステナイト系ステンレスクラッド鋼板の場合より、高温での大きな圧下比が必要となる。よって、クラッド圧延用組立スラブを作製する段階で、組立スラブ内の真空度が10−4torr以上の高真空を確保できれば、合せ材/母材界面で十分な金属接合を得ることができ、そのためには、950℃以上での圧下比(=(圧延前の板厚)÷(圧延後の板厚))が2.0以上であれば良い。接合性の確保のためには、好ましくは、温度範囲は1000℃以上であり、圧下比は2.5以上である。
母材中のオーステナイト未再結晶温度域において累積圧下率が40%以上の圧延を行うことにより、オーステナイト粒が伸展し、その後の加速冷却で変態生成するベイナイトが微細化し靱性が向上する。圧延仕上温度を800℃未満まで低温化すると、元素拡散の進行が生じにくく接合性の劣化に繋がり、また、合せ材中の炭化物の析出が促進し、耐食性が劣化する。よって、制御圧延は、母材の強度、低温靱性と合せ材の耐食性、クラッド鋼板の接合性を全て確保するために、未再結晶開始温度Tnr以下の温度域において累積圧下率が40%以上とし、圧延終了温度を800℃以上とする。なお、Tnrは以下の式から求める。
Tnr(℃)=174log(Nb×(C+12/14×(N−Ti/3.42)))+1444
ただし、式に示す元素記号は各元素の含有量(質量%)を表す。
冷却開始温度はAr3温度以上とする。圧延終了後、引き続いて加速冷却をフェライト生成量が多くなる温度域から開始すると、フェライト相が混在したベイナイト組織となり、本発明の効果が得られないため、冷却開始温度をAr3温度以上とする。ここで、Ar3温度はフェライト変態が開始する温度であり、下記式により求めることができる。
Ar3(℃)=910−310C−80Mn−20Cu−15Cr−55Ni−80Mo−0.35(t−8)
ただし、式に示す元素記号は各元素の含有量(質量%)を、また、tは板厚(mm)を表す。
焼入れ工程につづいて、焼入れされた鋼板に対して焼き戻しを実施する。焼き戻しの加熱開始温度は特に限定されるものではないが、室温にまで温度が下がってから焼き戻しを開始する必要はなく、たとえば、150℃以下の温度域から焼き戻しを開始することができる。
Claims (4)
- 低合金鋼を母材とするクラッド鋼板において、前記母材の化学成分が質量%で、C:0.020〜0.100%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.75〜1.80%、P:0.015%以下、S:0.0030%以下、Nb:0.040〜0.100%、Ti:0.005〜0.030%、N:0.0010〜0.0060%、Al:0.070%以下、V:0.010%未満、Ca:0.0005〜0.0040%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記クラッド鋼板の合せ材をNi合金とし、前記合せ材の化学成分が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.02〜0.50%、Mn:0.02〜0.50%、P:0.010%以下、S:0.0010%以下、Cr:20.0〜23.0%、Mo:8.0〜10.0%、Fe:5.0%以下、Al:0.02〜0.40%、Ti:0.10〜0.40%を含有し、さらに、Nb+Ta:3.15〜4.15%を含有し、残部Ni及び不可避的不純物からなり、前記母材が圧延直角方向の応力歪曲線において0.5%以上の降伏伸びを有し、さらに面積分率が2.0%未満の島状マルテンサイトと残部がベイナイト組織からなることを特徴とする母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
- 低合金鋼を母材とするクラッド鋼板において、前記母材の化学成分が質量%で、C:0.020〜0.100%、Si:0.10〜0.50%、Mn:0.75〜1.80%、P:0.015%以下、S:0.0030%以下、Nb:0.040〜0.100%、Ti:0.005〜0.030%、N:0.0010〜0.0060%、Al:0.070%以下、V:0.010%未満、Ca:0.0005〜0.0040%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記クラッド鋼板の合せ材をNi合金とし、前記合せ材の化学成分が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.10〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Ni:38.0〜46.0%、Cr:19.5〜23.5%、Mo:2.50〜3.50%、Cu:1.50〜3.00%、Al:0.01〜0.20%、Ti:0.60〜1.20%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記母材が圧延直角方向の応力歪曲線において0.5%以上の降伏伸びを有し、さらに面積分率が2.0%未満の島状マルテンサイトと残部がベイナイト組織からなることを特徴とする母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
- さらに、前記母材の化学成分が、質量%で、Cu:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜0.50%、Cr:0.01〜0.50%、Mo:0.01〜0.50%、の中から選ばれる一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板。
- 請求項1〜3の何れかに記載の化学成分を有する母材および合せ材を重ね合わせたクラッド圧延用組立スラブを用いて、1050〜1200℃に加熱後、鋼板表面温度が950℃以上での圧下比を2.0以上とし、未再結晶開始温度Tnr以下の温度域において累積圧下率40%以上、圧延終了温度を800℃以上とする条件で熱間圧延する熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程後に、Ar3温度以上から冷却速度5℃/s以上、冷却停止温度500℃未満とする条件で加速冷却する焼入れ工程と、さらに、400〜600℃で焼き戻しする焼き戻し工程とを備えることを特徴とする、前記母材が圧延直角方向の応力歪曲線において0.5%以上の降伏伸びを有し、さらに面積分率が2.0%未満の島状マルテンサイトと残部がベイナイト組織からなる、母材が高強度で低温靱性に優れたクラッド鋼板の製造方法。
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