JP6760055B2 - Ni steel for liquid hydrogen - Google Patents

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Description

本発明は、液体水素用Ni鋼、すなわち、液体水素を貯蔵するタンクなど、主に、−253℃付近での用途を対象とする、Niを含有する鋼に関するものである。 The present invention relates to Ni steel for liquid hydrogen, that is, a steel containing Ni, which is mainly intended for use at around -253 ° C., such as a tank for storing liquid hydrogen.

近年、クリーンエネルギーとしての液体水素の利用に対する期待が高まっている。液体水素などの液化ガスを貯蔵、運搬するタンクに使用される鋼板には、優れた極低温靭性が求められ、脆性破壊しにくいオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。オーステナイト系ステンレス鋼は十分な極低温靭性を有するが、汎用材の室温での降伏応力は200MPa程度である。 In recent years, expectations for the use of liquid hydrogen as clean energy have increased. Austenitic stainless steel, which is required to have excellent cryogenic toughness and is resistant to brittle fracture, is used for the steel sheet used for the tank for storing and transporting liquefied gas such as liquid hydrogen. Austenitic stainless steel has sufficient cryogenic toughness, but the yield stress of general-purpose materials at room temperature is about 200 MPa.

強度が不十分なオーステナイト系ステンレス鋼を液体水素タンクに適用する場合、大型化には限界がある。また、鋼材の降伏応力が200MPa程度であると、タンクの大型化に際して板厚を40mm超にする必要があるため、タンク重量の増大や製造コストの増加が問題となる。このような課題に対し、室温での0.2%耐力が450MPaの板厚5mmのオーステナイト系高Mnステンレス鋼が提案されている(例えば、特許文献1、参照)。
また、代表的な液化ガスである液化天然ガス(Liquefied Natural Gas:LNG)用のタンク(LNGタンクと称する場合がある。)には、フェライト系の9%Ni鋼が使用されている。LNGは液体水素に比べて高温であるとはいえ、9%Ni鋼は優れた極低温靭性を有しており、従来から、LNGタンクに適した種々の9%Ni鋼や、7%Ni鋼が提案されている(例えば、特許文献2〜4、参照)。また、9%Ni鋼は、室温での降伏強度を590MPa以上にすることも可能であり、大型のLNGタンクにも適用できる。
When applying austenitic stainless steel with insufficient strength to a liquid hydrogen tank, there is a limit to the increase in size. Further, when the yield stress of the steel material is about 200 MPa, it is necessary to increase the plate thickness to more than 40 mm when increasing the size of the tank, which causes problems such as an increase in tank weight and an increase in manufacturing cost. To solve such a problem, an austenitic high Mn stainless steel having a 0.2% proof stress at room temperature of 450 MPa and a plate thickness of 5 mm has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
Further, a ferrite-based 9% Ni steel is used for a tank (sometimes referred to as an LNG tank) for liquefied natural gas (LNG), which is a typical liquefied gas. Although LNG has a higher temperature than liquid hydrogen, 9% Ni steel has excellent cryogenic toughness, and various 9% Ni steels and 7% Ni steels suitable for LNG tanks have been conventionally used. Have been proposed (see, for example, Patent Documents 2-4). Further, the 9% Ni steel can have a yield strength of 590 MPa or more at room temperature, and can be applied to a large LNG tank.

例えば、特許文献2には、5〜7.5%のNiを含有し、室温での降伏応力が590MPaより高く、−233℃でのシャルピー試験での脆性破面率が50%以下である、板厚25mmの低温用鋼が開示されている。特許文献2では、−196℃で安定な残留オーステナイトの体積分率を2〜12%として低温靭性を確保している。 For example, Patent Document 2 contains 5 to 7.5% Ni, has a yield stress of more than 590 MPa at room temperature, and a brittle fracture surface ratio of 50% or less in a Charpy test at -233 ° C. A low temperature steel having a plate thickness of 25 mm is disclosed. In Patent Document 2, low temperature toughness is ensured by setting the volume fraction of retained austenite stable at -196 ° C to 2 to 12%.

また、特許文献3には、5〜10%のNiを含有し、室温での降伏応力が590MPa以上で、歪時効後の−196℃での低温靭性に優れた板厚6〜50mmの低温用鋼が開示されている。特許文献3では、残留オーステナイトの体積分率を3%以上、有効結晶粒径を5.5μm以下とし、粒内の組織に適度な欠陥を導入することにより、歪時効後の低温靭性を確保している。 Further, Patent Document 3 contains 5 to 10% Ni, has a yield stress of 590 MPa or more at room temperature, and has excellent low temperature toughness at -196 ° C. after strain aging for low temperature of 6 to 50 mm. Steel is disclosed. In Patent Document 3, the volume fraction of retained austenite is 3% or more, the effective crystal grain size is 5.5 μm or less, and appropriate defects are introduced into the structure inside the grain to ensure low temperature toughness after strain aging. ing.

更に、特許文献4には、7.5〜12%のNiを含有し、母材だけでなく、溶接熱影響部の低温靭性にも優れる、6mm厚の低温用薄物ニッケル鋼板が開示されている。特許文献4では、溶接熱影響部に島状マルテンサイトが生成しないように、Si及びMnの含有量を低減させて、−196℃での低温靭性を確保している。 Further, Patent Document 4 discloses a thin nickel steel sheet for low temperature having a thickness of 6 mm, which contains 7.5 to 12% Ni and is excellent not only in the base material but also in the low temperature toughness of the weld heat affected zone. .. In Patent Document 4, the contents of Si and Mn are reduced to ensure low temperature toughness at -196 ° C. so that island-shaped martensite is not generated in the weld heat affected zone.

特許第5709881号公報Japanese Patent No. 5709881 特開2014−210948号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-210948 特開2011−219849号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-219849 特開平3−223442号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-223442

特許文献1に開示されたオーステナイト系高Mnステンレス鋼は、熱膨張係数がフェライト系の9%Ni鋼に比較して大きい。大型の液体水素タンクには、疲労等の問題から、熱膨張係数が小さい9%Ni鋼が有利である。一方、特許文献2〜4に開示された9%Ni鋼や、7%Ni鋼は、本発明者らによる検討では、液体水素温度である−253℃では十分な靭性が得られていない。 The austenitic high Mn stainless steel disclosed in Patent Document 1 has a larger coefficient of thermal expansion than the ferrite-based 9% Ni steel. For a large liquid hydrogen tank, 9% Ni steel having a small coefficient of thermal expansion is advantageous because of problems such as fatigue. On the other hand, the 9% Ni steel and the 7% Ni steel disclosed in Patent Documents 2 to 4 have not obtained sufficient toughness at the liquid hydrogen temperature of -253 ° C. in the study by the present inventors.

本発明は、このような実情に鑑み、−253℃において十分な靭性を有すると共に、室温での降伏応力が460MPa以上である、Niを含有する極低温用鋼の提供を課題としてなされたものである。 In view of such circumstances, the present invention has been made to provide a Ni-containing cryogenic steel having sufficient toughness at -253 ° C. and a yield stress of 460 MPa or more at room temperature. is there.

本発明者らは、Niの含有量を従来の9%Niよりも高めて14%程度とした鋼の、−253℃における靭性と室温での降伏応力について数多くの検討を実施した。その結果、極低温靭性の確保には、Siの含有量を制限し、Mnの含有量を厳格に制限するとともに、旧オーステナイトの粒径とアスペクト比を最適に制御することが必要であることを見出した。本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。 The present inventors have conducted a number of studies on the toughness at -253 ° C. and the yield stress at room temperature of a steel having a Ni content of about 14%, which is higher than that of the conventional 9% Ni. As a result, in order to ensure cryogenic toughness, it is necessary to limit the Si content, strictly limit the Mn content, and optimally control the particle size and aspect ratio of the former austenite. I found it. The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.

(1)本発明の一態様に係る液体水素用Ni鋼は、質量%で、C:0.020%以上、0.070%以下、Si:0.03%以上、0.30%以下、Mn:0.20%以上、0.80%以下、Ni:12.5%以上、15.4%以下、Al:0.010%以上、0.060%以下、N:0.0015%以上、0.0060%以下及びO:0.0007%以上、0.0030%以下を含有し、P:0.008%以下、S:0.0040%以下、Cu:1.00%以下、Cr:1.00%以下、Mo:0.60%以下、Nb:0.020%以下、V:0.080%以下、Ti:0.020%以下、B:0.0020%以下、Ca:0.0040%以下及びREM:0.0050%以下に制限し、残部がFe及び不純物からなり、旧オーステナイト粒の粒径が3.0μm以上、20.0μm以下、アスペクト比が1.0以上、2.9以下であり、−253℃でのK IC 値が150MPa・√m以上であり、室温での降伏応力が460MPa以上であることを特徴とする。
(2)上記(1)に記載の液体水素用Ni鋼では、体積分率で2.0%以上、20.0%以下のオーステナイト相を含んでもよい。
(3)上記(1)又は(2)に記載の液体水素用Ni鋼では、有効結晶粒径が2.0μm以上、12.0μm以下に制限してもよい。
(4)上記(1)〜(3)の何れか1項に記載の液体水素用Ni鋼では、板厚が、12mm以上、40mm以下、室温での降伏応力が、460MPa以上、580MPa以下、室温での引張強さが、560MPa以上、680MPa以下であってもよい。
(1) The Ni steel for liquid hydrogen according to one aspect of the present invention has C: 0.020% or more, 0.070% or less, Si: 0.03% or more, 0.30% or less, Mn in mass%. : 0.20% or more, 0.80% or less, Ni: 12.5% or more, 15.4% or less, Al: 0.010% or more, 0.060% or less, N: 0.0015% or more, 0 .0060% or less, O: 0.0007% or more, 0.0030% or less, P: 0.008% or less, S: 0.0040% or less, Cu: 1.00% or less, Cr: 1. 00% or less, Mo: 0.60% or less, Nb: 0.020% or less, V: 0.080% or less, Ti: 0.020% or less, B: 0.0020% or less, Ca: 0.0040% Below and REM: Limited to 0.0050% or less, the balance is composed of Fe and impurities, the particle size of the old austenite grains is 3.0 μm or more and 20.0 μm or less, and the aspect ratio is 1.0 or more and 2.9 or less. der Ri, K IC values at -253 ° C. is at 150 MPa · √m or higher, the yield stress at room temperature, characterized in der Rukoto least 460 MPa.
(2) The Ni steel for liquid hydrogen described in (1) above may contain an austenite phase having a volume fraction of 2.0% or more and 20.0% or less.
(3) In the Ni steel for liquid hydrogen according to the above (1) or (2), the effective crystal particle size may be limited to 2.0 μm or more and 12.0 μm or less.
(4) The Ni steel for liquid hydrogen according to any one of (1) to (3) above has a plate thickness of 12 mm or more and 40 mm or less, a yield stress at room temperature of 460 MPa or more and 580 MPa or less, and room temperature. The tensile strength at 560 MPa or more and 680 MPa or less may be used.

本発明によれば、液体水素タンク用途として十分な極低温靭性を有すると共に、室温において高い降伏応力を有する液体水素用Ni鋼を提供することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to provide a Ni steel for liquid hydrogen having sufficient cryogenic toughness for use in a liquid hydrogen tank and having a high yield stress at room temperature.

13〜15%程度のNiを含有する鋼(14%Ni鋼と称することがある。)は、9%Ni鋼に比較し、低温靭性を向上させるNiを4〜6%多く含有するため、より低温での靭性確保が期待できる。しかしながら、低温靭性に関して本発明が狙いとする−253℃は、9%Ni鋼の従来の評価温度である−165℃や−196℃より大幅に低温である。そのため、本発明者らは、14%Ni鋼の−253℃における靭性に及ぼす成分含有量や金属組織の影響を明らかにするために数多くの検討を実施した。そして、本発明者らの検討の結果、9%Ni鋼に対して、単にNi量を4〜6%増加しても、−253℃での靭性は不十分な場合があることがわかった。 Steel containing about 13 to 15% Ni (sometimes referred to as 14% Ni steel) contains 4 to 6% more Ni, which improves low temperature toughness, as compared with 9% Ni steel. It can be expected to secure toughness at low temperatures. However, -253 ° C., which is the object of the present invention in terms of low temperature toughness, is significantly lower than the conventional evaluation temperatures of -165 ° C. and -196 ° C. for 9% Ni steel. Therefore, the present inventors have conducted a number of studies to clarify the influence of the component content and the metallographic structure on the toughness of 14% Ni steel at -253 ° C. As a result of the study by the present inventors, it was found that the toughness at -253 ° C. may be insufficient even if the amount of Ni is simply increased by 4 to 6% with respect to 9% Ni steel.

更に、本発明者らは、14%Ni鋼の−253℃における靭性を高める方法を検討した。その結果、特に、(a)Cの含有量を0.020%以上、0.070%以下にすること、(b)Siの含有量を0.03%以上、0.30%以下にすること、(c)Mnの含有量を0.20%以上、0.80%以下にすること、(d)旧オーステナイトの粒径及び形態を制御すること、の4つの条件を同時に満足する必要があることがわかった。更に、(e)オーステナイト相の体積分率を制御することや、(f)有効結晶粒径を制御すること、により、−253℃での低温靭性が一層向上するという知見も得られた。 Furthermore, the present inventors have investigated a method for increasing the toughness of 14% Ni steel at -253 ° C. As a result, in particular, (a) the content of C should be 0.020% or more and 0.070% or less, and (b) the content of Si should be 0.03% or more and 0.30% or less. , (C) The Mn content must be 0.20% or more and 0.80% or less, and (d) the particle size and morphology of the old austenite must be controlled at the same time. I understand. Furthermore, it was also found that the low temperature toughness at -253 ° C. is further improved by (e) controlling the volume fraction of the austenite phase and (f) controlling the effective crystal grain size.

以下、本発明について説明する。まず、Ni鋼の成分組成について説明する。なお、含有量の%は、特に説明がない限り、質量%を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described. First, the composition of Ni steel will be described. In addition,% of content means mass% unless otherwise specified.

(C:0.020%以上、0.070%以下)
Cは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、マルテンサイトやオーステナイトの生成にも寄与する。C含有量が0.020%未満では強度が確保できず、粗大なベイナイトなどの生成によって極低温靭性が低下することがあるため0.020%以上を下限とする。好ましいC含有量の下限は0.025%以上である。一方、C含有量が0.070%を超えると、旧オーステナイト粒界にセメンタイトが析出しやすくなり、−253℃で粒界での破壊が起こり、極低温靭性が低下するため、C含有量の上限を0.070%以下とする。好ましいC含有量の上限は0.060%以下、より好ましくは0.050%以下であり、更に好ましくは0.045%以下である。
(C: 0.020% or more, 0.070% or less)
C is an element that increases the yield stress at room temperature and also contributes to the formation of martensite and austenite. If the C content is less than 0.020%, the strength cannot be ensured, and the cryogenic toughness may decrease due to the formation of coarse bainite or the like. Therefore, the lower limit is 0.020% or more. The lower limit of the preferable C content is 0.025% or more. On the other hand, when the C content exceeds 0.070%, cementite is likely to be precipitated at the old austenite grain boundaries, fracture occurs at the grain boundaries at -253 ° C., and the cryogenic toughness is lowered. The upper limit is 0.070% or less. The upper limit of the preferable C content is 0.060% or less, more preferably 0.050% or less, and further preferably 0.045% or less.

(Si:0.03%以上、0.30%以下)
Siは、室温での降伏応力を上昇させる元素である。Si含有量が0.03%未満では室温での降伏応力の向上効果が小さいので0.03%以上を下限とする。好ましいSi含有量の下限は0.05%以上である。一方、Si含有量が0.30%を超えると、旧オーステナイト粒界のセメンタイトが粗大化しやすくなり、−253℃で粒界での破壊が起こり、極低温靭性が低下する。したがって、Si含有量の上限を0.30%以下に制限することは、−253℃での靭性を確保するために、極めて重要である。好ましいSi含有量の上限は0.20%以下、より好ましくは0.15%以下であり、更に好ましくは0.10%以下である。
(Si: 0.03% or more, 0.30% or less)
Si is an element that increases the yield stress at room temperature. If the Si content is less than 0.03%, the effect of improving the yield stress at room temperature is small, so the lower limit is 0.03% or more. The lower limit of the preferable Si content is 0.05% or more. On the other hand, when the Si content exceeds 0.30%, the cementite at the former austenite grain boundary tends to be coarsened, fracture occurs at the grain boundary at -253 ° C., and the cryogenic toughness is lowered. Therefore, limiting the upper limit of the Si content to 0.30% or less is extremely important for ensuring toughness at -253 ° C. The upper limit of the preferable Si content is 0.20% or less, more preferably 0.15% or less, and further preferably 0.10% or less.

(Mn:0.20%以上、0.80%以下)
Mnは、室温での降伏応力を上昇させる元素である。Mn含有量が0.20%未満では強度が確保できず、粗大なベイナイトなどの生成によって極低温靭性が低下することがあるためMn含有量の下限を0.20%以上とする。好ましいMn含有量の下限は0.30%以上である。一方、Mn含有量が0.80%を超えると、旧オーステナイト粒界に偏析したMnや粗大に析出するMnSにより−253℃で粒界での破壊が起こり、極低温靭性が低下する。したがって、Mn含有量の上限を0.80%以下に制限することも、−253℃での靭性を確保するために、極めて重要である。好ましいMn含有量の上限は0.60%以下、より好ましくは0.50%以下である。
(Mn: 0.20% or more, 0.80% or less)
Mn is an element that increases the yield stress at room temperature. If the Mn content is less than 0.20%, the strength cannot be ensured, and the cryogenic toughness may decrease due to the formation of coarse bainite or the like. Therefore, the lower limit of the Mn content is set to 0.20% or more. The lower limit of the preferable Mn content is 0.30% or more. On the other hand, when the Mn content exceeds 0.80%, Mn segregated at the old austenite grain boundaries and MnS coarsely precipitated cause fracture at the grain boundaries at -253 ° C., resulting in a decrease in cryogenic toughness. Therefore, limiting the upper limit of the Mn content to 0.80% or less is also extremely important for ensuring toughness at -253 ° C. The upper limit of the preferable Mn content is 0.60% or less, more preferably 0.50% or less.

(Ni:12.5%以上、15.4%以下)
Niは、極低温靭性を確保するために必須の元素である。Ni含有量が12.5%未満であると、−253℃での靭性を十分に確保できないため、Ni含有量の下限を12.5%以上とする。好ましいNi含有量の下限は12.8%以上である。しかし、Niは高価な元素であり、15.4%超含有すると経済性を損なうため、Ni含有量の上限を15.4%以下に制限する。
(Ni: 12.5% or more, 15.4% or less)
Ni is an essential element for ensuring cryogenic toughness. If the Ni content is less than 12.5%, sufficient toughness at -253 ° C. cannot be sufficiently ensured, so the lower limit of the Ni content is set to 12.5% or more. The lower limit of the preferable Ni content is 12.8% or more. However, Ni is an expensive element, and if it is contained in excess of 15.4%, economic efficiency is impaired. Therefore, the upper limit of Ni content is limited to 15.4% or less.

(Al:0.010%以上、0.060%以下)
Alは、主に脱酸に使用される元素であり、また、AlNを形成し、金属組織の微細化や、極低温靭性を低下させる固溶Nの低減にも寄与する。Al含有量が0.010%未満では脱酸の効果や金属組織の微細化効果及び固溶N低減効果が小さいので、Al含有量の下限を0.010%以上とする。Al含有量の下限は0.015%以上が好ましく、より好ましくは0.020%以上である。しかし、Al含有量が0.060%を超えると、−253℃における靭性が低下するため、Al含有量の上限を0.060%以下とする。より好ましいAl含有量の上限は0.040%以下である。
(Al: 0.010% or more, 0.060% or less)
Al is an element mainly used for deoxidation, and also contributes to the miniaturization of metal structure and the reduction of solid solution N, which lowers the cryogenic toughness, by forming AlN. If the Al content is less than 0.010%, the deoxidizing effect, the finening effect of the metal structure, and the effect of reducing solid solution N are small, so the lower limit of the Al content is set to 0.010% or more. The lower limit of the Al content is preferably 0.015% or more, more preferably 0.020% or more. However, if the Al content exceeds 0.060%, the toughness at -253 ° C. decreases, so the upper limit of the Al content is set to 0.060% or less. The upper limit of the more preferable Al content is 0.040% or less.

(N:0.0015%以上、0.0060%以下)
Nは、窒化物の形成に寄与し、N含有量を0.0015%未満へ低減すると、熱処理時にオーステナイト粒径の粗大化を抑制する微細なAlNが不足し、オーステナイト粒が粗大化して極低温靭性が低下する場合がある。このため、N含有量の下限は、0.0015%以上とし、好ましくは0.0020%以上とする。一方、N含有量が0.0060%を超えると固溶Nが増加したり、AlNが粗大化するため−253℃での靭性が低下する。このため、N含有量の上限は0.0060%以下とし、好ましくは0.0050%以下、より好ましくは0.0040%以下とする。
(N: 0.0015% or more, 0.0060% or less)
N contributes to the formation of nitrides, and when the N content is reduced to less than 0.0015%, fine AlN that suppresses the coarsening of the austenite particle size during heat treatment is insufficient, and the austenite grains are coarsened to a cryogenic temperature. Toughness may decrease. Therefore, the lower limit of the N content is 0.0015% or more, preferably 0.0020% or more. On the other hand, when the N content exceeds 0.0060%, the solid solution N increases and the AlN becomes coarse, so that the toughness at -253 ° C decreases. Therefore, the upper limit of the N content is 0.0060% or less, preferably 0.0050% or less, and more preferably 0.0040% or less.

(O:0.0007%以上、0.0030%以下)
Oは、不純物であり、O含有量は少ないほうが望ましいが、0.0007%未満へのO含有量の低減はコスト上昇を伴う場合があるので0.0007%以上を下限とする。一方、O含有量が0.0030%を超えるとAlのクラスターが増加し、−253℃での靭性が低下する場合があるため、O含有量の上限を0.0030%以下とする。好ましいO含有量の上限は0.0025%以下であり、より好ましくは0.0020%以下、更に好ましくは0.0015%以下とする。
(O: 0.0007% or more, 0.0030% or less)
O is an impurity, and it is desirable that the O content is small, but reducing the O content to less than 0.0007% may accompany an increase in cost, so 0.0007% or more is set as the lower limit. On the other hand, if the O content exceeds 0.0030%, the clusters of Al 2 O 3 may increase and the toughness at -253 ° C may decrease. Therefore, the upper limit of the O content is set to 0.0030% or less. .. The upper limit of the preferable O content is 0.0025% or less, more preferably 0.0020% or less, still more preferably 0.0015% or less.

(P:0.008%以下)
Pは、旧オーステナイト粒界での粒界脆化をもたらし、極低温靭性に有害な元素である。そのため、P含有量は少ないほうが望ましい。P含有量が0.008%を超えると−253℃での靭性が低下する場合がある。したがって、P含有量の上限を0.008%以下に制限する。P含有量の上限は、好ましくは、0.006%以下、より好ましくは、0.004%以下、更に好ましくは、0.003%以下とする。Pは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(P: 0.008% or less)
P is an element that causes grain boundary embrittlement at the former austenite grain boundaries and is harmful to cryogenic toughness. Therefore, it is desirable that the P content is low. If the P content exceeds 0.008%, the toughness at -253 ° C may decrease. Therefore, the upper limit of the P content is limited to 0.008% or less. The upper limit of the P content is preferably 0.006% or less, more preferably 0.004% or less, still more preferably 0.003% or less. P may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit is 0% or more.

(S:0.0040%以下)
Sは、MnSとして脆性破壊の発生起点となる場合があり、極低温靭性に有害な元素である。S含有量が0.0040%を超えると−253℃での靭性が低下する場合があるため、S含有量の上限を0.0040%以下に制限する。S含有量の上限は、好ましくは0.0030%以下、より好ましくは、0.0020%以下、更に好ましくは、0.0010%以下とする。Sは溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、その下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(S: 0.0040% or less)
S may be the starting point of brittle fracture as MnS, and is an element harmful to cryogenic toughness. If the S content exceeds 0.0040%, the toughness at -253 ° C. may decrease, so the upper limit of the S content is limited to 0.0040% or less. The upper limit of the S content is preferably 0.0030% or less, more preferably 0.0020% or less, still more preferably 0.0010% or less. S may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but the lower limit thereof does not need to be particularly limited, and the lower limit thereof is 0% or more.

本発明において、以下に説明するCu、Cr、Mo、Nb、V、Ti、B、CaおよびREMについては1種または2種以上を選択的に含有してもよく、含有しなくてもよい。 In the present invention, one or more of Cu, Cr, Mo, Nb, V, Ti, B, Ca and REM described below may or may not be selectively contained.

(Cu:1.00%以下)
Cuは、室温での降伏応力を上昇させる元素であるため、含有してもよい。ただし、Cu含有量が1.00%を超えると−253℃における靭性が低下するため、Cu含有量の上限を1.00%以下とする。Cu含有量の上限は、好ましくは0.70%以下、より好ましくは0.50%以下、更に好ましくは0.30%以下とする。Cuは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Cu含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Cu: 1.00% or less)
Since Cu is an element that increases the yield stress at room temperature, it may be contained. However, if the Cu content exceeds 1.00%, the toughness at -253 ° C. decreases, so the upper limit of the Cu content is set to 1.00% or less. The upper limit of the Cu content is preferably 0.70% or less, more preferably 0.50% or less, still more preferably 0.30% or less. Cu may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the Cu content, and the lower limit is 0% or more.

(Cr:1.00%以下)
Crは、室温での降伏応力を上昇させる元素であるため、含有してもよい。ただし、Cr含有量が1.00%を超えると−253℃における靭性が低下するため、Cr含有量の上限を1.00%以下とする。Cr含有量の上限は、好ましくは0.70%以下、より好ましくは0.50%以下、更に好ましくは0.30%以下とする。Crは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Cr含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Cr: 1.00% or less)
Since Cr is an element that increases the yield stress at room temperature, it may be contained. However, if the Cr content exceeds 1.00%, the toughness at -253 ° C. decreases, so the upper limit of the Cr content is set to 1.00% or less. The upper limit of the Cr content is preferably 0.70% or less, more preferably 0.50% or less, still more preferably 0.30% or less. Cr may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the Cr content, and the lower limit is 0% or more.

(Mo:0.60%以下)
Moは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、粒界脆化を抑制する効果も有するため、含有してもよい。ただし、Moは高価な元素であり、Mo含有量が0.60%を超えると経済性を損なうため、Mo含有量の上限を0.60%以下に制限する。Moは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Mo含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Mo: 0.60% or less)
Mo is an element that increases the yield stress at room temperature and may be contained because it also has an effect of suppressing grain boundary embrittlement. However, Mo is an expensive element, and if the Mo content exceeds 0.60%, economic efficiency is impaired. Therefore, the upper limit of the Mo content is limited to 0.60% or less. Mo may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the Mo content, and the lower limit is 0% or more.

(Nb:0.020%以下)
Nbは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、金属組織の微細化による極低温靭性の向上効果も有するため、含有してもよい。ただし、Nb含有量が0.020%を超えると、−253℃における靭性が低下するため、その上限を0.020%以下とする。Nb含有量の上限は、好ましくは0.015%以下、より好ましくは0.010%以下である。Nbは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Nb含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Nb: 0.020% or less)
Nb is an element that increases the yield stress at room temperature, and may be contained because it also has an effect of improving cryogenic toughness by miniaturizing the metal structure. However, if the Nb content exceeds 0.020%, the toughness at -253 ° C. decreases, so the upper limit is set to 0.020% or less. The upper limit of the Nb content is preferably 0.015% or less, more preferably 0.010% or less. Nb may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the Nb content, and the lower limit is 0% or more.

(V:0.080%以下)
Vは、室温での降伏応力を上昇させる元素であるため、含有してもよいが、V含有量が0.080%を超えると−253℃における靭性が低下するため、V含有量の上限を0.080%以下とする。V含有量の上限は、好ましくは0.060%以下、より好ましくは0.040%以下である。Vは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、V含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(V: 0.080% or less)
Since V is an element that increases the yield stress at room temperature, it may be contained, but if the V content exceeds 0.080%, the toughness at -253 ° C decreases, so the upper limit of the V content is set. It shall be 0.080% or less. The upper limit of the V content is preferably 0.060% or less, more preferably 0.040% or less. V may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the V content, and the lower limit is 0% or more.

(Ti:0.020%以下)
Tiは、TiNを形成し、金属組織の微細化や、極低温靭性を低下させる固溶Nの低減にも寄与するため、含有してもよい。しかし、Ti含有量が0.020%を超えると、−253℃における靭性が低下するため、Ti含有量の上限を0.020%以下とする。好ましいTi含有量の上限は0.015%以下であり、より好ましくは0.010%以下である。Tiは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Ti含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Ti: 0.020% or less)
Ti may be contained because it forms TiN and contributes to the miniaturization of the metal structure and the reduction of the solid solution N that lowers the cryogenic toughness. However, if the Ti content exceeds 0.020%, the toughness at -253 ° C. decreases, so the upper limit of the Ti content is set to 0.020% or less. The upper limit of the preferable Ti content is 0.015% or less, more preferably 0.010% or less. Ti may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the Ti content, and the lower limit is 0% or more.

(B:0.0020%以下)
Bは、室温での降伏応力を上昇させる元素であり、また、BNを形成し、極低温靭性を低下させる固溶Nの低減にも寄与するため、含有してもよい。しかし、B含有量が0.0020%超となると−253℃における靭性が低下するため、B含有量の上限を0.0020%以下とする。B含有量の上限は、好ましくは0.0015%以下であり、より好ましくは0.0012%以下、更に好ましくは0.0010%以下とする。Bは溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、B含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(B: 0.0020% or less)
B is an element that increases the yield stress at room temperature, and may be contained because it also contributes to the reduction of solid solution N that forms BN and lowers the cryogenic toughness. However, if the B content exceeds 0.0020%, the toughness at -253 ° C. decreases, so the upper limit of the B content is set to 0.0020% or less. The upper limit of the B content is preferably 0.0015% or less, more preferably 0.0012% or less, and further preferably 0.0010% or less. B may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the B content, and the lower limit is 0% or more.

(Ca:0.0040%以下)
Caは、熱間圧延により延伸して極低温靭性への有害性が高まりやすいMnSをCaSとして球状化し、極低温靭性を向上させるのに有効であるため、含有してもよい。しかし、Ca含有量が0.0040%を超えると、Caを含有する酸硫化物が粗大化して、−253℃における靭性が低下する。このためCa含有量の上限を0.0040%以下に制限し、好ましくは0.0030%以下とする。Caは、溶鋼製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、Ca含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(Ca: 0.0040% or less)
Ca may be contained because it is effective in improving the cryogenic toughness by spheroidizing MnS as CaS, which is easily stretched by hot rolling to increase the harmfulness to the cryogenic toughness. However, when the Ca content exceeds 0.0040%, the acid sulfide containing Ca becomes coarse and the toughness at -253 ° C. decreases. Therefore, the upper limit of the Ca content is limited to 0.0040% or less, preferably 0.0030% or less. Ca may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the Ca content, and the lower limit is 0% or more.

(REM:0.0050%以下)
REM(希土類金属:Rare−Earth Metal)は、Caと同様に、熱間圧延によって延伸して極低温靭性への有害性が高まりやすいMnSをREMの酸硫化物として球状化し、極低温靭性を向上させるのに有効であるため、含有してもよい。しかし、REM含有量が0.0050%を超えるとREMを含有する酸硫化物が粗大化して、−253℃における靭性が低下する。このためREM含有量の上限を0.0050%以下に制限し、好ましくは0.0040%以下に制限する。REMは、溶鋼の製造時にスクラップ等から不純物として混入する場合があるが、REM含有量の下限を特に制限する必要はなく、その下限は0%以上である。
(REM: 0.0050% or less)
Similar to Ca, REM (rare-earth metal) improves ultra-low temperature toughness by spheroidizing MnS, which is easily stretched by hot rolling and is likely to be harmful to ultra-low temperature toughness, as an acid sulfide of REM. It may be contained because it is effective for rolling. However, when the REM content exceeds 0.0050%, the acid sulfide containing REM becomes coarse and the toughness at -253 ° C. decreases. Therefore, the upper limit of the REM content is limited to 0.0050% or less, preferably 0.0040% or less. REM may be mixed as an impurity from scrap or the like during the production of molten steel, but it is not necessary to particularly limit the lower limit of the REM content, and the lower limit is 0% or more.

本実施形態に係る極低温用鋼は、上記成分を含有又は制限し、残部が鉄及び不純物を含む。ここで、不純物とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。ただし、本発明においては、不純物のうち、P及びSについては、上述のように、上限を規定する必要がある。 The cryogenic steel according to the present embodiment contains or limits the above components, and the balance contains iron and impurities. Here, the impurity is a component mixed by various factors in the manufacturing process, including raw materials such as ore and scrap, when steel is industrially manufactured, and does not adversely affect the present invention. Means what is acceptable in the range. However, in the present invention, among impurities, it is necessary to specify the upper limit for P and S as described above.

また、本実施形態に係る極低温用鋼には、上記成分の他に、スクラップ等の副原料からの不純物として以下の合金元素を含有する可能性があるが、鋼材自体の強度、極低温靭性等を一段と改善する目的で含有量を制限することが好ましい。 Further, the cryogenic steel according to the present embodiment may contain the following alloying elements as impurities from auxiliary raw materials such as scrap in addition to the above components, but the strength of the steel material itself and the cryogenic toughness It is preferable to limit the content for the purpose of further improving the above.

Sbは、極低温靭性を損なうため、Sb含有量の上限は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。 Since Sb impairs cryogenic toughness, the upper limit of the Sb content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less. preferable.

Snは、極低温靭性を損なうため、Sn含有量の上限は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。 Since Sn impairs cryogenic toughness, the upper limit of Sn content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less. preferable.

Asは、極低温靭性を損なうため、As含有量の上限は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがより好ましく、0.001%以下であることが最も好ましい。 Since As impairs cryogenic toughness, the upper limit of the As content is preferably 0.005% or less, more preferably 0.003% or less, and most preferably 0.001% or less. preferable.

また、上記成分の上記効果を十分に発揮させるために、Co、Zn及びW含有量の上限を、それぞれ0.01%以下又は0.005%以下に制限することが好ましい。 Further, in order to fully exert the above effects of the above components, it is preferable to limit the upper limit of the Co, Zn and W contents to 0.01% or less or 0.005% or less, respectively.

Sb、Sn、As、Co、Zn及びWの下限を制限する必要はなく、各元素の下限は0%以上である。また、下限の規定がない合金元素(例えば、P、S、Cu、Cr、Mo、Nb、V、Ti、B、Ca、及びREM)が意図的に添加されたとしても、又は不純物としての混入であっても、その含有量が上述した範囲内にあれば、その極低温用鋼(鋼材)は本発明の範囲内と解釈する。 It is not necessary to limit the lower limit of Sb, Sn, As, Co, Zn and W, and the lower limit of each element is 0% or more. Further, even if alloying elements having no lower limit (for example, P, S, Cu, Cr, Mo, Nb, V, Ti, B, Ca, and REM) are intentionally added or mixed as impurities. Even so, if the content is within the above range, the cryogenic steel (steel material) is interpreted as being within the range of the present invention.

次に、本発明のNi鋼の金属組織について説明する。
本発明者らは、−253℃の極低温では、旧オーステナイト粒界で破壊が発生し、靭性が低下しやすいことを新たに見出した。本発明のNi鋼は、熱間圧延を施し、水冷又は空冷した後、再加熱焼入れ、中間熱処理、焼戻しという熱処理を施して製造されるが、ここで述べる旧オーステナイト粒界とは、再加熱焼入れの加熱の時に存在していたオーステナイトの粒界である。この旧オーステナイト粒界にはMn、P、Siが偏析しており、これらの元素が旧オーステナイト粒界の結合力を低下させ、−253℃での旧オーステナイト粒界での破壊が発生すると考えられる。
Next, the metallographic structure of the Ni steel of the present invention will be described.
The present inventors have newly found that at an extremely low temperature of -253 ° C, fracture occurs at the former austenite grain boundaries and the toughness tends to decrease. The Ni steel of the present invention is produced by hot rolling, water-cooling or air-cooling, and then undergoing heat treatments such as reheat quenching, intermediate heat treatment, and tempering. The former austenite grain boundaries described here are reheat quenching. It is the grain boundary of austenite that existed at the time of heating. Mn, P, and Si are segregated at the former austenite grain boundaries, and it is considered that these elements reduce the binding force of the former austenite grain boundaries and cause fracture at the former austenite grain boundaries at -253 ° C. ..

なお、中間熱処理時にも新たに旧オーステナイト粒界が生成するが、本発明の中間熱処理の温度は、560℃以上、670℃以下と低く、新たな旧オーステナイト粒界へ拡散するMn、P、Siの量は比較的少ないので、これらの新たな旧オーステナイト粒界からの破壊は比較的起こりにくいと考えられる。このため、再加熱焼入れ後の旧オーステナイト粒の粒径およびアスペクト比が実質的に重要であり、中間熱処理後や焼戻し後に旧オーステナイト粒の粒径やアスペクト比を測定する場合には、再加熱焼入れ後の旧オーステナイト粒を測定する必要がある。旧オーステナイト粒が再加熱焼入れ後の粒界か、中間熱処理後の粒界かの判断は、その粒径が2μm以下の粒径は中間熱処理後の粒界であると判断する。すなわち、粒径が2μm以下の旧オーステナイト粒を除外して旧オーステナイト粒の粒径やアスペクト比を測定する。 Although old austenite grain boundaries are newly generated during the intermediate heat treatment, the temperature of the intermediate heat treatment of the present invention is as low as 560 ° C. or higher and 670 ° C. or lower, and Mn, P, Si diffused into the new old austenite grain boundaries. Since the amount of these new austenite grains is relatively small, it is considered that destruction from these new austenite grains is relatively unlikely. For this reason, the particle size and aspect ratio of the old austenite grains after reheating and quenching are practically important, and when measuring the grain size and aspect ratio of the old austenite grains after intermediate heat treatment or tempering, reheating and quenching is performed. It is necessary to measure the later austenite grains. When determining whether the old austenite grains are the grain boundaries after reheating and quenching or the grain boundaries after the intermediate heat treatment, it is judged that the grain size of 2 μm or less is the grain boundaries after the intermediate heat treatment. That is, the particle size and aspect ratio of the former austenite grains are measured by excluding the former austenite grains having a particle size of 2 μm or less.

本発明者らは、−253℃の極低温で、旧オーステナイト粒界での破壊を抑制する手段について数多くの検討を実施した。その結果、(イ)C含有量を0.070%以下とすること、(ロ)Mn含有量を0.80%以下とすること、(ハ)P含有量を0.008%以下とすること、(ニ)Si含有量を0.30%以下とすること、(ホ)旧オーステナイト粒径を20.0μm以下とすること、(ヘ)旧オーステナイト粒のアスペクト比を2.9以下に抑制すること、の6つの条件を同時に満足した時に、旧オーステナイト粒界での破壊が抑制され、−253℃での靭性が確保できることを見出した。 The present inventors have conducted a number of studies on means for suppressing fracture at the prior austenite grain boundaries at a cryogenic temperature of -253 ° C. As a result, (a) C content should be 0.070% or less, (b) Mn content should be 0.80% or less, and (c) P content should be 0.008% or less. , (D) Si content should be 0.30% or less, (e) old austenite grain size should be 20.0 μm or less, and (f) aspect ratio of old austenite grains should be suppressed to 2.9 or less. It was found that when the six conditions were satisfied at the same time, the fracture at the old austenite grain boundaries was suppressed and the toughness at -253 ° C could be ensured.

−253℃の極低温で、旧オーステナイト粒界からの破壊が発生しやすい機構は明確ではないが、−253℃の極低温では焼戻しマルテンサイト組織における転位の移動による応力集中の緩和機構の効果が限られることが挙げられる。また、焼戻しマルテンサイト中のセメンタイトの微細化や、硬質の高Cマルテンサイト及び粗大な介在物などの破壊の起点の生成が抑制された結果、旧オーステナイト粒界が破壊の起点になり易くなった可能性がある。 The mechanism by which fracture from the old austenite grain boundaries is likely to occur at the cryogenic temperature of -253 ° C is not clear, but at the cryogenic temperature of -253 ° C, the effect of the stress concentration relaxation mechanism due to the movement of dislocations in the tempered martensite structure is effective. It is limited. In addition, as a result of suppressing the miniaturization of cementite in tempered martensite and the generation of fracture origins such as hard high-C martensite and coarse inclusions, the former austenite grain boundaries are more likely to be the fracture origins. there is a possibility.

このように、−253℃の極低温では、旧オーステナイト粒界のような、結合力が比較的弱い部分で選択的に破壊が発生しやすくなっていると推定される。したがって、旧オーステナイト粒界の結合力を弱めるようなセメンタイトや、Mn及びPの偏析を抑制することで、旧オーステナイト粒界の結合力の低下を抑制できると考えられる。また、C含有量とSi含有量との増加、及び、旧オーステナイト粒の粗大化は、粒界セメンタイトの粗大化を促進する。したがって、C含有量及びSi含有量の抑制と旧オーステナイト粒径の細粒化とが、−253℃における旧オーステナイト粒界での破壊の抑制に必要となる。 As described above, it is presumed that at an extremely low temperature of -253 ° C, fracture is likely to occur selectively in a portion having a relatively weak binding force such as the former austenite grain boundary. Therefore, it is considered that the decrease in the binding force of the former austenite grain boundary can be suppressed by suppressing the segregation of cementite and Mn and P that weaken the binding force of the former austenite grain boundary. Further, the increase in the C content and the Si content and the coarsening of the former austenite grains promote the coarsening of the grain boundary cementite. Therefore, suppression of C content and Si content and fine graining of the old austenite grain size are required to suppress fracture at the old austenite grain boundaries at -253 ° C.

(旧オーステナイト粒径:3.0μm以上、20.0μm以下)
旧オーステナイト粒径は3.0μm以上、20.0μm以下とする必要がある。旧オーステナイト粒径を3.0μm未満に細粒化するには熱処理の回数を増加させるなど、製造コストの上昇を伴うので、旧オーステナイト粒径の下限を3.0μm以上とする。一方、旧オーステナイト粒径が20.0μmを超えると旧オーステナイト粒界に析出するセメンタイトが粗大となり、また、MnやPの粒界の濃度が上昇する。粗大なセメンタイトの析出や、Mn、Pの濃化は、旧オーステナイト粒界の結合力を弱めて旧オーステナイト粒界での破壊を招いたり、脆性破壊の発生の起点となり、−253℃での極低温靭性を低下させるので、旧オーステナイト粒径の上限を20.0μm以下とする。
(Old austenite particle size: 3.0 μm or more, 20.0 μm or less)
The particle size of the old austenite needs to be 3.0 μm or more and 20.0 μm or less. Since reducing the particle size of the old austenite to less than 3.0 μm involves an increase in manufacturing cost such as increasing the number of heat treatments, the lower limit of the particle size of the old austenite is set to 3.0 μm or more. On the other hand, when the particle size of the old austenite exceeds 20.0 μm, the cementite precipitated at the grain boundaries of the old austenite becomes coarse, and the concentrations of the grain boundaries of Mn and P increase. Coarse cementite precipitation and Mn and P concentration weaken the binding force of the former austenite grain boundaries and lead to fracture at the former austenite grain boundaries, or become the starting point for brittle fracture, and the pole at -253 ° C. Since the low temperature toughness is lowered, the upper limit of the old austenite grain size is set to 20.0 μm or less.

(旧オーステナイト粒のアスペクト比:1.0以上、2.9以下)
旧オーステナイト粒のアスペクト比とは、圧延方向に平行な面(L面)での旧オーステナイト粒の長さと厚さとの比、すなわち、旧オーステナイト粒の圧延方向長さ:旧オーステナイト粒の板厚方向の厚さ、である。したがって、旧オーステナイト粒の長さと厚さとが同一である場合がアスペクト比の下限であり、アスペクト比は1.0以上である。更に、本発明では、−253℃での極低温靭性を確保するために、旧オーステナイト粒のアスペクト比を2.9以下とする必要がある。
(Aspect ratio of old austenite grains: 1.0 or more and 2.9 or less)
The aspect ratio of the former austenite grains is the ratio of the length and thickness of the former austenite grains on the plane parallel to the rolling direction (L plane), that is, the length in the rolling direction of the former austenite grains: the plate thickness direction of the former austenite grains. The thickness of. Therefore, the case where the length and the thickness of the old austenite grains are the same is the lower limit of the aspect ratio, and the aspect ratio is 1.0 or more. Further, in the present invention, the aspect ratio of the old austenite grains needs to be 2.9 or less in order to secure the cryogenic toughness at -253 ° C.

アスペクト比が2.9を超えると、旧オーステナイト粒径が20.0μm以下であっても、圧延方向には30μmを超えるような粗大な旧オーステナイト粒界が含まれる確率が高くなるため、旧オーステナイト粒界での破壊が発生しやすくなる。また、アスペクト比は、未再結晶域での圧延によって旧オーステナイトが扁平化すると大きくなる。アスペクト比が2.9を超えると、未再結晶域での圧延による転位の導入が過剰になった結果、その後の再加熱焼入れ及び中間熱処理、焼戻しの後においても、消滅せずに残留している転位の量が過剰となるため、極低温靭性を低下させる。このため、旧オーステナイト粒のアスペクト比の上限を2.9以下とする。 When the aspect ratio exceeds 2.9, even if the grain size of the old austenite is 20.0 μm or less, there is a high probability that a coarse austenite grain boundary exceeding 30 μm is included in the rolling direction. Destruction at grain boundaries is likely to occur. In addition, the aspect ratio increases when the old austenite is flattened by rolling in the unrecrystallized region. When the aspect ratio exceeds 2.9, the introduction of dislocations by rolling in the unrecrystallized region becomes excessive, and as a result, it remains without disappearing even after subsequent reheating quenching, intermediate heat treatment, and tempering. Since the amount of dislocations present is excessive, the cryogenic toughness is reduced. Therefore, the upper limit of the aspect ratio of the old austenite grains is set to 2.9 or less.

旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比は、再加熱焼入れ後の鋼から試料を採取して測定するのが望ましいが、焼戻し後の鋼から試料を採取して測定してもよい。旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比の測定は、板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面として行う。旧オーステナイトの粒径は、観察面をピクリン酸飽和水溶液で腐食して旧オーステナイト粒界を現出させた後、走査型電子顕微鏡(SEM)で1000倍又は2000倍で5視野以上の写真を撮影して測定する。SEM写真を用いて、旧オーステナイト粒界を同定した後に、少なくとも20個の旧オーステナイト粒の円相当粒径(直径)を画像処理により求め、これらの平均値を旧オーステナイトの粒径とする。また、旧オーステナイトのアスペクト比は、粒径の測定と同様にSEM写真を用いて、少なくとも20個の旧オーステナイト粒の、圧延方向の長さと厚み方向の厚さとの比(アスペクト比)を測定し、これらの平均値を旧オーステナイトのアスペクト比とする。焼戻し後の鋼から試料を採取して旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比を測定する場合は、上述のように、粒径が2μm以下の旧オーステナイト粒を除外して旧オーステナイト粒の粒径やアスペクト比を測定する。 The particle size and aspect ratio of the old austenite are preferably measured by collecting a sample from the steel after reheating and quenching, but may be measured by collecting a sample from the steel after tempering. The particle size and aspect ratio of the old austenite are measured by using the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. As for the particle size of the old austenite, after the observation surface is corroded with a saturated aqueous solution of picric acid to reveal the old austenite grain boundaries, a scanning electron microscope (SEM) is used to take a picture of 5 or more fields at 1000 times or 2000 times. And measure. After identifying the former austenite grain boundaries using SEM photographs, the circle-equivalent particle size (diameter) of at least 20 former austenite grains is determined by image processing, and the average value thereof is taken as the particle size of the former austenite. As for the aspect ratio of the former austenite, the ratio (aspect ratio) of at least 20 former austenite grains to the length in the rolling direction and the thickness in the thickness direction is measured by using an SEM photograph in the same manner as the measurement of the particle size. , Let the average value of these be the aspect ratio of the old austenite. When a sample is taken from tempered steel and the particle size and aspect ratio of the former austenite are measured, as described above, the particle size and aspect ratio of the former austenite grains are excluded by excluding the former austenite grains having a particle size of 2 μm or less. Measure the ratio.

(オーステナイト相の体積分率:2.0%以上、20.0%以下)
また、−253℃における靭性を一層高めるためには、オーステナイト相を体積分率で2.0%以上含有することが好ましい。そのため、オーステナイト相の体積分率の下限を2.0%以上とすることが好ましい。ただし、このオーステナイト相は旧オーステナイトとは異なり、熱処理後のNi鋼に存在するオーステナイト相であり、体積分率をX線回折法で測定する。−253℃でも安定なオーステナイト相が存在する場合、負荷される応力や歪がオーステナイトの塑性変形によって緩和されるため、靭性が向上すると考えられる。また、オーステナイト相は旧オーステナイト粒界や焼戻しマルテンサイトのブロック境界やラス境界などに、比較的、均一に微細に生成する。
(Volume fraction of austenite phase: 2.0% or more and 20.0% or less)
Further, in order to further enhance the toughness at -253 ° C., it is preferable to contain the austenite phase at a volume fraction of 2.0% or more. Therefore, it is preferable that the lower limit of the volume fraction of the austenite phase is 2.0% or more. However, unlike the old austenite, this austenite phase is an austenite phase present in Ni steel after heat treatment, and the volume fraction is measured by an X-ray diffraction method. In the presence of an austenite phase that is stable even at -253 ° C, it is considered that the toughness is improved because the applied stress and strain are relaxed by the plastic deformation of the austenite. In addition, the austenite phase is formed relatively uniformly and finely at the former austenite grain boundaries, the block boundary of tempered martensite, and the lath boundary.

すなわち、オーステナイト相は脆性破壊の発生の起点となる可能性が高い硬質相の近傍に存在し、硬質相の周囲への応力や歪の集中を緩和し、脆性破壊の発生の抑制に寄与すると考えられる。更に、体積分率で2.0%以上のオーステナイト相を生成させた結果、脆性破壊の発生の起点となる粗大なセメンタイトも大幅に減少させることができると考えられる。一方、オーステナイト相の体積分率が増加すると、オーステナイト相へのCなどの濃化が不十分になり、−253℃ではマルテンサイトに変態する可能性が高くなる。極低温でマルテンサイトに変態する不安定なオーステナイトは、−253℃での極低温靭性を低下させる場合があるため、オーステナイト相の体積分率の上限は20.0%以下が好ましい。オーステナイト相の体積分率は、焼戻し後の鋼から試料を採取して、X線回折法で測定すればよい。 That is, it is considered that the austenite phase exists in the vicinity of the hard phase, which is likely to be the starting point of the occurrence of brittle fracture, relaxes the concentration of stress and strain around the hard phase, and contributes to the suppression of the occurrence of brittle fracture. Be done. Furthermore, as a result of generating an austenite phase having a volume fraction of 2.0% or more, it is considered that coarse cementite, which is the starting point of brittle fracture, can be significantly reduced. On the other hand, when the volume fraction of the austenite phase increases, the concentration of C and the like in the austenite phase becomes insufficient, and the possibility of transformation to martensite increases at -253 ° C. Unstable austenite, which transforms into martensite at cryogenic temperatures, may reduce cryogenic toughness at -253 ° C. Therefore, the upper limit of the volume fraction of the austenite phase is preferably 20.0% or less. The volume fraction of the austenite phase may be measured by X-ray diffraction after taking a sample from the tempered steel.

(有効結晶粒径:2.0μm以上、12.0μm以下)
有効結晶粒径は2.0μm以上、12.0μm以下とすることが好ましい。有効結晶粒径は、結晶方位がほぼ同一の領域であり、微細化すると破壊亀裂の伝播の抵抗が大きくなり、靭性が一層向上する。ただし、有効結晶粒径を2.0μm未満にまで細粒化するには熱処理の回数を増加させるなど、製造コストの上昇を伴うので、有効結晶粒径を考慮する場合、有効結晶粒径の下限を2.0μm以上とする。また、有効結晶粒径が12.0μmを超えると、脆性破壊の発生の起点となる硬質相、すなわち、旧オーステナイト粒界や焼戻しマルテンサイト中の粗大なセメンタイトや、粗大なAlN、MnS、アルミナなどの介在物に作用する応力が高まり、−253℃での極低温靭性が低下する場合がある。そのため、有効結晶粒径を考慮する場合、有効結晶粒径の上限を12.0μm以下とする。
(Effective crystal grain size: 2.0 μm or more and 12.0 μm or less)
The effective crystal grain size is preferably 2.0 μm or more and 12.0 μm or less. The effective crystal grain size is a region in which the crystal orientations are substantially the same, and when miniaturized, the resistance to propagation of fracture cracks increases and the toughness is further improved. However, reducing the effective crystal grain size to less than 2.0 μm involves an increase in manufacturing costs such as increasing the number of heat treatments. Therefore, when considering the effective crystal grain size, the lower limit of the effective crystal grain size is required. Is 2.0 μm or more. Further, when the effective crystal grain size exceeds 12.0 μm, the hard phase that is the starting point of brittle fracture, that is, coarse cementite in the former austenite grain boundaries and tempered martensite, coarse AlN, MnS, alumina, etc. The stress acting on the inclusions may increase and the cryogenic toughness at -253 ° C may decrease. Therefore, when considering the effective crystal grain size, the upper limit of the effective crystal grain size is set to 12.0 μm or less.

有効結晶粒径は、焼戻し後の鋼から試料を採取して、板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面として、走査型電子顕微鏡に付属の後方散乱電子線回折パターン法(Electron Back Scatter Diffraction:EBSD)解析装置を用いて測定する。倍率2000倍で5視野以上の観察を行い、15°以上の方位差を有する金属組織の境界を粒界と見なし、この粒界で囲まれた結晶粒を有効結晶粒として、それらの面積から円相当粒径(直径)を画像処理により求め、それらの円相当粒径の平均値を有効結晶粒径とする。 The effective crystal particle size is the backscattered electron beam diffraction pattern attached to the scanning electron microscope, with a sample taken from the tempered steel and the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. Measurement is performed using a method (Electron Backscatter Diffraction) analyzer. Observations of 5 visual fields or more are performed at a magnification of 2000 times, the boundary of the metal structure having an orientation difference of 15 ° or more is regarded as a grain boundary, and the crystal grains surrounded by these grain boundaries are regarded as effective crystal grains, and a circle is formed from their area. The equivalent grain size (diameter) is obtained by image processing, and the average value of those circle-equivalent grain sizes is taken as the effective crystal grain size.

本発明における極低温用鋼の特性は、一例として、板厚は12mm以上、40mm以下、室温での降伏応力は460MPa以上、580MPa以下、引張強さは560MPa以上、680MPa以下であることが好ましい。 As an example, the characteristics of the cryogenic steel in the present invention are preferably 12 mm or more and 40 mm or less, the yield stress at room temperature is 460 MPa or more and 580 MPa or less, and the tensile strength is 560 MPa or more and 680 MPa or less.

次に、本実施形態に係る極低温用鋼の製造方法について説明する。
鋼の溶製方法は、例えば溶鋼温度を1650℃以下として、溶鋼O濃度を0.01%以下、溶鋼S濃度を0.02%以下とした状態で、元素の含有量の調整を行った後、連続鋳造により鋼片を製造する。得られた鋼片を加熱し、熱間圧延を施し、水冷又は空冷した後、再加熱焼入れ、中間熱処理、焼戻しを順次施す熱処理を行う。
Next, a method for producing cryogenic steel according to this embodiment will be described.
The method for melting steel is, for example, after adjusting the element content in a state where the molten steel temperature is 1650 ° C. or less, the molten steel O concentration is 0.01% or less, and the molten steel S concentration is 0.02% or less. , Manufacture steel pieces by continuous casting. The obtained steel pieces are heated, hot-rolled, water-cooled or air-cooled, and then reheat-quenched, intermediate heat-treated, and tempered in sequence.

以下では、好ましい製造条件について説明する。なお、以下に示す条件は好ましい条件の一例を示すものである。本発明の範囲内である鋼材が得られるのであれば、以下に説明する条件から外れても特に支障はない。 Hereinafter, preferable manufacturing conditions will be described. The conditions shown below are examples of preferable conditions. As long as a steel material within the scope of the present invention can be obtained, there is no particular problem even if the conditions described below are not met.

熱間圧延の加熱温度は950℃以上、1180℃以下とすることが好ましい。加熱温度が950℃を下回るとAlNが粗大化し、極低温靭性が低下することがある。加熱温度が1180℃を上回ると加熱時にオーステナイト粒径が粗大となり−253℃での極低温靭性が低下することがある。より好ましい加熱温度の上限は1150℃以下であり、さらに好ましくは1100℃以下である。加熱の保持時間は30分〜180分が望ましい。 The heating temperature for hot rolling is preferably 950 ° C. or higher and 1180 ° C. or lower. If the heating temperature is lower than 950 ° C., AlN may become coarse and the cryogenic toughness may decrease. If the heating temperature exceeds 1180 ° C., the austenite particle size becomes coarse during heating, and the cryogenic toughness at -253 ° C. may decrease. A more preferable upper limit of the heating temperature is 1150 ° C. or lower, and even more preferably 1100 ° C. or lower. The heating holding time is preferably 30 minutes to 180 minutes.

熱間圧延では、950℃以下での圧下率が50%を下回ると、圧延中のオーステナイトの再結晶によるオーステナイト粒の細粒化が不十分となり、圧延後のオーステナイト粒の一部に粗大な粒が含まれ、極低温靭性が低下する場合がある。そのため、950℃以下での圧下率の下限は50%以上が好ましい。より好ましい圧下率の下限は60%以上であり、さらに好ましくは70%以上である。一方で、950℃以下での圧下率が95%を上回ると、圧延時間が長時間となり、生産性に課題が生じる場合があるので、950℃以下での圧下率の上限は95%以下が好ましい。圧延の再結晶による旧オーステナイト粒の均質な細粒化は本発明の極低温靭性を確保する上で特に重要であり、圧延温度と圧下率の厳格な規制が好ましい。 In hot rolling, when the rolling reduction at 950 ° C or lower is less than 50%, the austenite grains are not sufficiently finely divided by recrystallization of austenite during rolling, and coarse grains are partly formed in the austenite grains after rolling. May reduce cryogenic toughness. Therefore, the lower limit of the reduction rate at 950 ° C. or lower is preferably 50% or more. The lower limit of the more preferable reduction rate is 60% or more, and more preferably 70% or more. On the other hand, if the reduction rate at 950 ° C or lower exceeds 95%, the rolling time becomes long and productivity may be problematic. Therefore, the upper limit of the reduction rate at 950 ° C or lower is preferably 95% or less. .. Homogeneous granulation of old austenite grains by recrystallization of rolling is particularly important for ensuring the cryogenic toughness of the present invention, and strict regulation of rolling temperature and rolling reduction is preferable.

熱間圧延の終了温度は、650℃を下回ると変形抵抗が大きくなり、圧延機への負荷が増大する。よって、熱間圧延の終了温度の下限は650℃以上が好ましく、より好ましい熱間圧延の終了温度の下限は700℃以上であり、更に好ましくは740℃以上である。一方で、熱間圧延の終了温度が920℃を上回ると、圧延により導入された転位が回復により減少し、有効結晶粒径が12.0μmを超えて大きくなり極低温靭性が不足したり、室温の降伏応力が不足する場合があるので、熱間圧延の終了温度の上限は920℃以下が好ましい。より好ましい熱間圧延の終了温度の上限は880℃以下である。 When the end temperature of hot rolling is lower than 650 ° C., the deformation resistance increases and the load on the rolling mill increases. Therefore, the lower limit of the end temperature of hot rolling is preferably 650 ° C. or higher, and the lower limit of the end temperature of hot rolling is more preferably 700 ° C. or higher, still more preferably 740 ° C. or higher. On the other hand, when the end temperature of hot rolling exceeds 920 ° C., the dislocations introduced by rolling decrease due to recovery, the effective crystal grain size exceeds 12.0 μm, the toughness at extremely low temperature becomes insufficient, or the room temperature Since the yield stress of the hot rolling may be insufficient, the upper limit of the end temperature of hot rolling is preferably 920 ° C. or lower. The upper limit of the more preferable hot rolling end temperature is 880 ° C. or lower.

熱間圧延後の冷却は水冷又は空冷の何れでもよいが、室温付近まで水冷することが好ましい。室温付近まで水冷する場合の水冷開始温度は、550℃以上、920℃以下が好ましい。熱間圧延後、そのまま冷却する場合は、水冷開始温度は、熱間圧延の終了温度以下となる。水冷開始温度を550℃以上にすると、粗大なベイナイトの生成が抑制され、有効結晶粒径をより微細にすることができる。より好ましい水冷開始温度の下限は600℃以上である。水冷開始温度の上限は特に規制する必要はなく、熱間圧延の終了後、直ちに水冷を開始してもよい。したがって、熱間圧延の終了温度の好ましい上限である920℃以下が水冷開始温度の好ましい上限となる。 The cooling after hot rolling may be either water cooling or air cooling, but water cooling to around room temperature is preferable. The water cooling start temperature when water cooling to around room temperature is preferably 550 ° C. or higher and 920 ° C. or lower. When cooling as it is after hot rolling, the water cooling start temperature is equal to or lower than the hot rolling end temperature. When the water cooling start temperature is set to 550 ° C. or higher, the formation of coarse bainite is suppressed, and the effective crystal particle size can be made finer. The lower limit of the more preferable water cooling start temperature is 600 ° C. or higher. The upper limit of the water cooling start temperature does not need to be particularly regulated, and water cooling may be started immediately after the completion of hot rolling. Therefore, 920 ° C. or lower, which is a preferable upper limit of the end temperature of hot rolling, is a preferable upper limit of the water cooling start temperature.

再加熱焼入れは、旧オーステナイトの微細化に有効であり、加熱温度は700℃以上、880℃以下が好ましい。再加熱焼入れの加熱温度(再加熱焼入れ温度)が700℃を下回るとオーステナイトに変態しない部分が一部残り、その未変態オーステナイトの部分は焼入れてもマルテンサイト組織が得られず母材強度が低下したり、有効結晶粒径が粗大化するため極低温靭性が低下したりすることがある。より好ましい再加熱焼入れ温度の下限は720℃以上である。一方で、再加熱焼入れ温度が880℃を上回るとオーステナイト粒径が粗大化するとともに、AlNが粗大化するため極低温靭性が低下することがある。より好ましい再加熱焼入れ温度の上限は860℃以下であり、更に好ましくは840℃以下である。再加熱焼入れの時の保持時間は20分〜180分が望ましい。再加熱焼入れ時の冷却は、200℃以下まで水冷を行うなどの方法を採用することができる。 Reheating quenching is effective for refining old austenite, and the heating temperature is preferably 700 ° C. or higher and 880 ° C. or lower. When the heating temperature of reheating quenching (reheating quenching temperature) falls below 700 ° C, a part that does not transform into austenite remains, and the untransformed austenite part does not have a martensite structure even after quenching, and the strength of the base metal decreases. Or, the effective crystal grain size becomes coarse, so that the austenite toughness may decrease. The lower limit of the more preferable reheating quenching temperature is 720 ° C. or higher. On the other hand, when the reheating quenching temperature exceeds 880 ° C., the austenite particle size becomes coarse and AlN becomes coarse, so that the cryogenic toughness may decrease. A more preferable upper limit of the reheating quenching temperature is 860 ° C. or lower, and even more preferably 840 ° C. or lower. The retention time during reheating and quenching is preferably 20 to 180 minutes. For cooling at the time of reheating and quenching, a method such as water cooling to 200 ° C. or lower can be adopted.

中間熱処理は、極低温靭性の向上に寄与する有効結晶粒径の細粒化とオーステナイト相の確保に有効であり、加熱温度は560℃以上、670℃以下が好ましい。中間熱処理の加熱温度(中間熱処理温度)が560℃を下回ると、オーステナイト変態が不十分で、また、過度に焼戻された焼戻しマルテンサイトの体積分率が増加し、母材強度が低下する場合がある。また、中間熱処理温度が560℃よりも低くなると、有効結晶粒径が12.0μmを超え、極低温靭性が低下する場合がある。より好ましい中間熱処理温度の下限は610℃以上である。一方で、中間熱処理の温度が670℃を上回ると、過剰にオーステナイト変態が進行する。その結果、オーステナイトの安定化が不十分になり、体積分率で2.0%以上のオーステナイト相を確保することができなくなったり、有効結晶粒径を12.0μm以下に制御できずに極低温靭性が低下することがある。より好ましい中間熱処理温度の上限は650℃以下である。中間熱処理の保持時間は20分〜180分が望ましい。中間熱処理時の冷却方法は、焼戻し脆化を避けるために水冷を行うことが望ましい。 The intermediate heat treatment is effective in reducing the effective crystal grain size and securing the austenite phase, which contributes to the improvement of cryogenic toughness, and the heating temperature is preferably 560 ° C. or higher and 670 ° C. or lower. When the heating temperature of the intermediate heat treatment (intermediate heat treatment temperature) is lower than 560 ° C., the austenite transformation is insufficient, the volume fraction of the tempered martensite that has been excessively tempered increases, and the strength of the base metal decreases. There is. Further, when the intermediate heat treatment temperature is lower than 560 ° C., the effective crystal grain size may exceed 12.0 μm and the cryogenic toughness may decrease. The lower limit of the more preferable intermediate heat treatment temperature is 610 ° C. or higher. On the other hand, when the temperature of the intermediate heat treatment exceeds 670 ° C., the austenite transformation proceeds excessively. As a result, the stabilization of austenite becomes insufficient, it becomes impossible to secure an austenite phase of 2.0% or more in volume fraction, or the effective crystal grain size cannot be controlled to 12.0 μm or less, and the cryogenic temperature is extremely low. Toughness may decrease. The upper limit of the more preferable intermediate heat treatment temperature is 650 ° C. or lower. The holding time of the intermediate heat treatment is preferably 20 minutes to 180 minutes. As a cooling method during the intermediate heat treatment, it is desirable to perform water cooling in order to avoid tempering and embrittlement.

焼戻しも、オーステナイト相の確保に有効であり、加熱温度は480℃以上、570℃以下が好ましい。焼戻しの加熱温度(焼戻し温度)が480℃を下回ると、オーステナイト相を体積分率で2.0%以上確保することができなくなり、極低温靭性が不足する場合がある。より好ましい焼戻し温度の下限は520℃以上である。一方で、焼戻し温度の上限が570℃を上回ると、室温でのオーステナイト相が体積分率で20.0%を超えてしまい、これを−253℃まで冷却すると一部のオーステナイトが高Cマルテンサイトに変態し、極低温靭性を低下させる場合がある。このため焼戻し温度の上限は好ましくは570℃以下であり、より好ましくは560℃以下である。焼戻しの保持時間は20分〜180分が望ましい。焼戻し時の冷却方法は、焼戻し脆化を避けるために水冷を行うことが望ましい。 Tempering is also effective in securing the austenite phase, and the heating temperature is preferably 480 ° C. or higher and 570 ° C. or lower. If the tempering heating temperature (tempering temperature) is lower than 480 ° C., the austenite phase cannot be secured at a volume fraction of 2.0% or more, and the cryogenic toughness may be insufficient. The lower limit of the more preferable tempering temperature is 520 ° C. or higher. On the other hand, if the upper limit of the tempering temperature exceeds 570 ° C, the austenite phase at room temperature exceeds 20.0% in volume fraction, and when this is cooled to -253 ° C, some austenite becomes high C martensite. May transform into austenite and reduce cryogenic toughness. Therefore, the upper limit of the tempering temperature is preferably 570 ° C. or lower, more preferably 560 ° C. or lower. The tempering retention time is preferably 20 to 180 minutes. As a cooling method at the time of tempering, it is desirable to perform water cooling in order to avoid tempering embrittlement.

以上説明したように本発明によれば、液体水素タンク用途として十分な極低温靭性を有すると共に、室温において高い降伏応力を有する液体水素用Ni鋼を得ることができる。
本発明の液体水素用Ni鋼を液体水素タンクに使用すれば、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、タンク用鋼板の板厚を薄くすることが可能となる。このため、本発明により、液体水素タンクの大型化や軽量化、体積に対する表面積が小さくなることによる防熱性能の向上、タンクの敷地の有効利用や液体水素運搬船の燃費向上などが可能となる。また、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して、本発明の液体水素用Ni鋼は熱膨張係数が小さいため、大型タンクの設計が複雑なものとならずタンク製造コストが低減できる。このように、本発明は産業上の貢献が極めて顕著である。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a Ni steel for liquid hydrogen having sufficient cryogenic toughness for use in a liquid hydrogen tank and having a high yield stress at room temperature.
If the Ni steel for liquid hydrogen of the present invention is used in a liquid hydrogen tank, the thickness of the steel plate for the tank can be reduced as compared with the austenitic stainless steel. Therefore, according to the present invention, it is possible to increase the size and weight of the liquid hydrogen tank, improve the heat insulating performance by reducing the surface area relative to the volume, effectively use the site of the tank, and improve the fuel efficiency of the liquid hydrogen carrier. Further, since the Ni steel for liquid hydrogen of the present invention has a smaller coefficient of thermal expansion than the austenitic stainless steel, the design of a large tank is not complicated and the tank manufacturing cost can be reduced. As described above, the present invention has an extremely remarkable industrial contribution.

以下に本発明の実施例を示すが、以下に示す実施例は本発明の一例であり、本発明は以下に説明する実施例に制限されるものではない。 Examples of the present invention are shown below, but the examples shown below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the examples described below.

転炉により鋼を溶製し、連続鋳造により厚さが150mm〜400mmのスラブを製造した。表1、表2に鋼材A1〜A24の化学成分を示す。これらのスラブを加熱し、制御圧延を行い、そのまま水冷又は空冷し、再加熱焼入れ、中間熱処理、焼戻しの熱処理を施して鋼板を製造した。熱間圧延の加熱の保持時間は30〜120分、再加熱焼入れ、中間熱処理、焼戻しの熱処理の保持時間は20〜60分とした。鋼板から試料を採取し、金属組織、引張特性、靭性を評価した。 Steel was melted by a converter, and slabs with a thickness of 150 mm to 400 mm were produced by continuous casting. Tables 1 and 2 show the chemical components of the steel materials A1 to A24. These slabs were heated, controlled-rolled, water-cooled or air-cooled as they were, and subjected to reheat quenching, intermediate heat treatment, and tempering heat treatment to produce a steel sheet. The holding time for heating in hot rolling was 30 to 120 minutes, and the holding time for reheating quenching, intermediate heat treatment, and tempering heat treatment was 20 to 60 minutes. Samples were taken from the steel sheet and evaluated for metallographic structure, tensile properties and toughness.

Figure 0006760055
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Figure 0006760055
Figure 0006760055

旧オーステナイトの粒径は板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面として測定した。旧オーステナイトの粒径は、JIS G 0551に準拠して行った。まず、試料の観察面をピクリン酸飽和水溶液で腐食し、旧オーステナイト粒界を現出させた後、走査型電子顕微鏡で1000倍あるいは2000倍で5視野以上の写真を撮影した。組織写真を用いて、旧オーステナイト粒界を同定した後に、少なくとも20個の旧オーステナイト粒につき円相当粒径(直径)を画像処理により求め、これらの平均値を旧オーステナイトの粒径とした。 The particle size of the old austenite was measured with the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. The particle size of the former austenite was determined in accordance with JIS G 0551. First, the observation surface of the sample was corroded with a saturated aqueous solution of picric acid to reveal the old austenite grain boundaries, and then photographs of 5 or more fields of view were taken with a scanning electron microscope at 1000 or 2000 times. After identifying the prior austenite grain boundaries using microstructure photographs, the circle-equivalent particle size (diameter) of at least 20 former austenite grains was determined by image processing, and the average value thereof was taken as the particle size of the former austenite.

また、本発明鋼では旧オ−ステナイトの粒界が破壊しにくいよう、旧オーステナイト粒径の細粒化やP含有量の抑制などを実施するため、旧オーステナイト粒界を腐食により同定しにくいことがある。このような場合、430℃〜460℃に加熱後、1時間以上保持する熱処理を施した後、上述の方法で旧オーステナイト粒径を測定した。 Further, in the steel of the present invention, the former austenite grain boundaries are difficult to identify due to corrosion because the former austenite grain boundaries are made finer and the P content is suppressed so that the grain boundaries of the former austenite are less likely to be destroyed. There is. In such a case, after heating to 430 ° C. to 460 ° C., performing a heat treatment for holding for 1 hour or more, the particle size of the old austenite was measured by the above method.

また、430℃〜460℃での熱処理を行っても旧オーステナイト粒界の同定が難しい場合は、熱処理後のサンプルからシャルピー試験片を採取し、−196℃で衝撃試験を行い、旧オーステナイト粒界で破壊させたサンプルを使用した。この場合は、圧延方向に平行な面(L面)で破面の断面を作製し、腐食後、走査型電子顕微鏡で板厚中心部の破面断面の旧オーステナイト粒界を同定し、旧オーステナイト粒径を測定した。熱処理によって旧オーステナイト粒界を脆化させると、シャルピー試験時の衝撃荷重で旧オーステナイト粒界に微小なクラックが生じるため、旧オーステナイト粒界が同定しやすくなる。 If it is difficult to identify the old austenite grain boundaries even after heat treatment at 430 ° C to 460 ° C, a Charpy test piece is taken from the heat-treated sample and an impact test is performed at -196 ° C to perform an impact test at the old austenite grain boundaries. The sample destroyed in was used. In this case, a cross section of the fracture surface is prepared on a plane parallel to the rolling direction (L plane), and after corrosion, the former austenite grain boundaries of the fracture surface cross section at the center of the plate thickness are identified with a scanning electron microscope, and the former austenite is identified. The particle size was measured. When the former austenite grain boundaries are embrittled by heat treatment, minute cracks are generated in the former austenite grain boundaries due to the impact load during the Charpy test, so that the former austenite grain boundaries can be easily identified.

旧オーステナイト粒のアスペクト比は、上述のようにして同定した旧オーステナイト粒界の長さの最大値(圧延方向の長さ)と、最小値(厚み方向の厚さ)との比として求めた。少なくとも20個の旧オーステナイト粒のアスペクト比を測定し、それらの平均値を旧オーステナイト粒のアスペクト比とした。旧オーステナイトの粒径及びアスペクト比は、粒径が2μm以下の旧オーステナイト粒を除外して測定した。 The aspect ratio of the austenite grains was determined as the ratio between the maximum value (length in the rolling direction) and the minimum value (thickness in the thickness direction) of the length of the austenite grain boundaries identified as described above. The aspect ratios of at least 20 former austenite grains were measured, and the average value thereof was taken as the aspect ratio of the former austenite grains. The particle size and aspect ratio of the former austenite were measured excluding the former austenite grains having a particle size of 2 μm or less.

オーステナイト相の体積分率は、板厚中心部につき板面に平行なサンプルを採取してX線回折法で測定した。オーステナイト相の体積分率は、X線ピークのオーステナイト(面心立方構造)と焼戻しマルテンサイト(体心立方構造)との積分強度の比から求めた。 The volume fraction of the austenite phase was measured by X-ray diffraction method by taking a sample parallel to the plate surface at the center of the plate thickness. The volume fraction of the austenite phase was determined from the ratio of the integrated intensities of the X-ray peak austenite (face-centered cubic structure) and tempered martensite (body-centered cubic structure).

有効結晶粒径は板厚中心部の圧延方向に平行な面(L面)を観察面とし、走査型電子顕微鏡に付属のEBSD解析装置を用いて行った。倍率2000倍で5視野以上の観察を行い、15°以上の方位差を有する金属組織の境界を粒界と見なし、この粒界で囲まれた結晶粒を有効結晶粒として、それらの面積から円相当粒径(直径)を画像処理により求め、それらの円相当粒径の平均値を有効結晶粒径とした。 The effective crystal grain size was determined by using the EBSD analyzer attached to the scanning electron microscope with the plane (L plane) parallel to the rolling direction at the center of the plate thickness as the observation plane. Observations of 5 visual fields or more are performed at a magnification of 2000 times, the boundary of the metal structure having an orientation difference of 15 ° or more is regarded as a grain boundary, and the crystal grains surrounded by these grain boundaries are regarded as effective crystal grains, and a circle is formed from their area. The equivalent grain size (diameter) was determined by image processing, and the average value of those circle-equivalent grain sizes was taken as the effective crystal grain size.

強度(降伏応力及び引張強さ)は、圧延方向に平行な方向(L方向)を長手方向とするJIS Z 2241に規定の1A号全厚引張試験片を採取し、JIS Z 2241に規定の方法で室温にて評価した。降伏応力の目標値は460MPa以上、580MPa以下であり、引張強さの目標値は560MPa以上、680MPa以下である。降伏応力は下降伏応力としたが、明瞭な下降伏応力が見られない場合も多く、その場合は降伏応力を0.2%耐力とした。 For strength (yield stress and tensile strength), take a No. 1A full-thickness tensile test piece specified in JIS Z 2241 with the direction parallel to the rolling direction (L direction) as the longitudinal direction, and use the method specified in JIS Z 2241. Was evaluated at room temperature. The target value of the yield stress is 460 MPa or more and 580 MPa or less, and the target value of the tensile strength is 560 MPa or more and 680 MPa or less. The yield stress was set to the downward yield stress, but in many cases no clear yield stress was observed. In that case, the yield stress was set to 0.2% proof stress.

極低温靭性は、鋼板の板厚が31mm以下では表裏面を各0.5mmずつ研削した全厚のCT試験片を、鋼板の板厚が31mmを超える場合は、板厚中心部から厚さ30mmのCT試験片を、圧延方向に直角の方向(C方向)に採取し、液体水素中(−253℃)にて、ASTM規格E1820−13に規定の除荷コンプライアンス法に従いJ−Rカーブを作成し、J値をKIC値に換算した。極低温靭性の目標値は150MPa・√m以上である。 Cryogenic toughness is a CT test piece with a total thickness obtained by grinding the front and back surfaces by 0.5 mm each when the steel plate thickness is 31 mm or less, and when the steel plate thickness exceeds 31 mm, the thickness is 30 mm from the center of the plate thickness. CT test piece is sampled in the direction perpendicular to the rolling direction (C direction), and a JR curve is created in liquid hydrogen (-253 ° C) according to the unloading compliance method specified in ASTM standard E1820-13. and, by converting the J value in the K IC value. The target value of cryogenic toughness is 150 MPa · √ m or more.

表3、表4に、表1および表2の鋼材A1〜A24の化学成分を有するスラブを用いて製造した鋼材(No.1〜32)の板厚、製造方法、母材特性、金属組織を示す。なお、表3において、No.2、4、6およびNo.14の鋼材は、熱間圧延後の冷却を空冷により行ったため、熱間圧延後の水冷開始温度を「‐」と記載している。 Tables 3 and 4 show the plate thickness, manufacturing method, base material properties, and metallographic structure of the steel materials (No. 1-32) manufactured using the slabs having the chemical components of the steel materials A1 to A24 of Tables 1 and 2. Shown. In Table 3, No. 2, 4, 6 and No. Since the steel material of No. 14 was cooled after hot rolling by air cooling, the water cooling start temperature after hot rolling is described as "-".

Figure 0006760055
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Figure 0006760055
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表3、表4から明らかな通り、No.1〜16の鋼材は室温での降伏応力、室温での引張強さ及び−253℃での極低温靭性が、目標値を満足している。
なお、表3のNo.4の鋼材は、焼戻し温度が好ましい範囲より高いためオーステナイト相が多く、また、再加熱焼入れ温度が好ましい範囲内ではあるが高めであるため、旧オーステナイト粒径が大きめとなり、有効結晶粒径も大きくなり、結果として極低温靭性がやや低くなっている。
No.7の鋼材は、熱間圧延の終了温度が好ましい範囲より高く、有効結晶粒径が大きくなっており、極低温靭性がやや低くなっている。
No.10及び11の各鋼材は、中間熱処理温度が好ましい範囲外であり、オーステナイト相が少なく、極低温靭性がやや低くなっている。
No.12の鋼材は焼戻し温度が好ましい範囲より高いため、オーステナイト相が多くなり、極低温靭性がやや低くなっている。
As is clear from Tables 3 and 4, No. The yield stress at room temperature, the tensile strength at room temperature, and the cryogenic toughness at -253 ° C of the steel materials 1 to 16 satisfy the target values.
No. in Table 3 The steel material of No. 4 has a large amount of austenite phase because the tempering temperature is higher than the preferable range, and the reheat quenching temperature is higher than the preferable range, so that the old austenite particle size is large and the effective crystal particle size is also large. As a result, the cryogenic toughness is slightly low.
No. In the steel material No. 7, the end temperature of hot rolling is higher than the preferable range, the effective crystal grain size is large, and the cryogenic toughness is slightly low.
No. Each of the steel materials 10 and 11 has an intermediate heat treatment temperature outside the preferable range, a small amount of austenite phase, and a slightly low cryogenic toughness.
No. Since the tempering temperature of the steel material 12 is higher than the preferable range, the austenite phase is increased and the cryogenic toughness is slightly low.

これに対して、表4のNo.17の鋼材はC含有量が少なく、No.20の鋼材はMn含有量が少ないため、強度が低く、極低温靭性も低下している。No.18、19、21〜25の各鋼材は、それぞれ、C含有量、Si含有量、Mn含有量、P含有量、S含有量、Cr含有量、Al含有量が多く、極低温靭性が低下している。
No.26の鋼材は、Nb含有量及びB含有量が多く、旧オーステナイト粒のアスペクト比が大きくなり、極低温靭性が低下している。
No.27の鋼材は、Ti含有量及びN含有量が多く、極低温靭性が低下している。
On the other hand, No. in Table 4 The steel material of No. 17 has a low C content, and No. Since the steel material of No. 20 has a low Mn content, its strength is low and its cryogenic toughness is also low. No. Each of the steel materials 18, 19, 21 to 25 has a large C content, Si content, Mn content, P content, S content, Cr content, and Al content, respectively, and the cryogenic toughness is lowered. ing.
No. The steel material of No. 26 has a large Nb content and B content, the aspect ratio of the former austenite grains is large, and the cryogenic toughness is lowered.
No. The steel material of No. 27 has a large Ti content and N content, and the cryogenic toughness is lowered.

No.28〜32の鋼材は、好ましい範囲から逸脱する製造条件を採用した結果、旧オーステナイト粒径またはアスペクト比が本発明範囲から外れ、極低温靭性が低下した例である。
No.28の鋼材は、熱間圧延時の加熱温度が低く、旧オーステナイト粒のアスペクト比が大きくなり、極低温靭性が低下している。
No.29の鋼材は、熱間圧延時の加熱温度が高く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、また、有効結晶粒径も大きくなり、極低温靭性が低下している。
No.30の鋼材は、950℃以下での圧下率が低く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、また、有効結晶粒径が大きくなり、極低温靭性が低下している。
No.31の鋼材は、熱間圧延の終了温度が高く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、また、有効結晶粒径も大きくなり、極低温靭性が低下している。
No.32の鋼材は、再加熱焼入れ温度が高く、旧オーステナイト粒径が大きくなり、また、有効結晶粒径も大きくなり、極低温靭性が低下している。
No. The steel materials 28 to 32 are examples in which the old austenite particle size or aspect ratio deviates from the range of the present invention as a result of adopting manufacturing conditions deviating from the preferable range, and the extremely low temperature toughness is lowered.
No. The steel material of No. 28 has a low heating temperature during hot rolling, a large aspect ratio of old austenite grains, and a low cryogenic toughness.
No. The steel material of No. 29 has a high heating temperature during hot rolling, a large austenite grain size, a large effective crystal grain size, and a low cryogenic toughness.
No. The steel material of No. 30 has a low reduction rate at 950 ° C. or lower, a large austenite grain size, a large effective crystal grain size, and a low cryogenic toughness.
No. The steel material of No. 31 has a high end temperature of hot rolling, a large old austenite grain size, a large effective crystal grain size, and a low cryogenic toughness.
No. The steel material of No. 32 has a high reheating quenching temperature, a large old austenite grain size, a large effective crystal grain size, and a low cryogenic toughness.

Claims (4)

質量%で、
C:0.020%以上、0.070%以下、
Si:0.03%以上、0.30%以下、
Mn:0.20%以上、0.80%以下、
Ni:12.5%以上、15.4%以下、
Al:0.010%以上、0.060%以下、
N:0.0015%以上、0.0060%以下及び
O:0.0007%以上、0.0030%以下
を含有し、
P:0.008%以下、
S:0.0040%以下、
Cu:1.00%以下、
Cr:1.00%以下、
Mo:0.60%以下、
Nb:0.020%以下、
V:0.080%以下、
Ti:0.020%以下、
B:0.0020%以下、
Ca:0.0040%以下及び
REM:0.0050%以下
に制限し、
残部がFe及び不純物からなり、
旧オーステナイト粒の粒径が3.0μm以上、20.0μm以下、アスペクト比が1.0以上、2.9以下であり、−253℃でのK IC 値が150MPa・√m以上であり、室温での降伏応力が460MPa以上であることを特徴とする、液体水素用Ni鋼。
By mass%
C: 0.020% or more, 0.070% or less,
Si: 0.03% or more, 0.30% or less,
Mn: 0.20% or more, 0.80% or less,
Ni: 12.5% or more, 15.4% or less,
Al: 0.010% or more, 0.060% or less,
N: 0.0015% or more and 0.0060% or less and O: 0.0007% or more and 0.0030% or less.
P: 0.008% or less,
S: 0.0040% or less,
Cu: 1.00% or less,
Cr: 1.00% or less,
Mo: 0.60% or less,
Nb: 0.020% or less,
V: 0.080% or less,
Ti: 0.020% or less,
B: 0.0020% or less,
Ca: 0.0040% or less and REM: 0.0050% or less, limited to
The rest consists of Fe and impurities
The particle size of prior austenite grains is 3.0μm or more, 20.0 .mu.m or less, an aspect ratio of 1.0 or more state, and are 2.9 or less, the K IC values at -253 ° C. is 150 MPa · √m or higher, yield stress at room temperature, characterized in der Rukoto least 460 MPa, Ni steel for liquid hydrogen.
体積分率で2.0%以上、20.0%以下のオーステナイト相を含有することを特徴とする、請求項1に記載の液体水素用Ni鋼。 The Ni steel for liquid hydrogen according to claim 1, which contains an austenite phase having a volume fraction of 2.0% or more and 20.0% or less. 有効結晶粒径が2.0μm以上、12.0μm以下であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の液体水素用Ni鋼。 The Ni steel for liquid hydrogen according to claim 1 or 2, wherein the effective crystal particle size is 2.0 μm or more and 12.0 μm or less. 板厚が、12mm以上、40mm以下、
室温での降伏応力が、460MPa以上、580MPa以下、
室温での引張強さが、560MPa以上、680MPa以下
であることを特徴とする、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の液体水素用Ni鋼。
Plate thickness is 12 mm or more, 40 mm or less,
Yield stress at room temperature is 460 MPa or more and 580 MPa or less,
The Ni steel for liquid hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein the tensile strength at room temperature is 560 MPa or more and 680 MPa or less.
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Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5247510A (en) * 1975-10-15 1977-04-15 Natl Res Inst For Metals Ferrite steel having high strength and high toughness for extremely lo w temperature
JPS6059023A (en) * 1983-09-13 1985-04-05 Kawasaki Steel Corp Production of low-yield ratio nickel steel plate having excellent low-temperature toughness
JP5381440B2 (en) * 2009-07-16 2014-01-08 新日鐵住金株式会社 Thick low-temperature steel sheet with excellent arrestability and method for producing the same
JP5494167B2 (en) * 2010-04-14 2014-05-14 新日鐵住金株式会社 Cryogenic steel plate and manufacturing method thereof
JP5673399B2 (en) * 2011-07-06 2015-02-18 新日鐵住金株式会社 Cryogenic steel and method for producing the same
JP6055363B2 (en) * 2013-04-17 2016-12-27 株式会社神戸製鋼所 High strength thick steel plate with excellent cryogenic toughness
JP5880662B2 (en) * 2013-11-08 2016-03-09 新日鐵住金株式会社 Flux-cored wire for gas shielded arc welding, welding method of steel for cryogenic temperature, and manufacturing method of welded joint

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