JPH08209291A - 低降伏比を有する高強度ラインパイプ用鋼 - Google Patents
低降伏比を有する高強度ラインパイプ用鋼Info
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- JPH08209291A JPH08209291A JP7018308A JP1830895A JPH08209291A JP H08209291 A JPH08209291 A JP H08209291A JP 7018308 A JP7018308 A JP 7018308A JP 1830895 A JP1830895 A JP 1830895A JP H08209291 A JPH08209291 A JP H08209291A
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Abstract
50MPa以上(API規格X100超)の超高強度・
低降伏比ラインパイプ用鋼を提供する。 【構成】 低炭素−高Mn−Ni−Mo−Nb−微量T
i系で、そのミクロ組織がマルテンサイト・ベイナイト
と分率にして20〜90%のフェライトの硬軟2相混合
組織からなり、かつフェライト中に50〜100%の加
工フェライトを含有し、5μm以下のフェライト粒径を
有すること。 【効果】 低温靱性、現地溶接性の優れた超高強度・低
降伏比ラインパイプ用鋼(X100超)の製造が可能と
なった。その結果、パイプラインの安全性が著しく向上
すると共に、パイプラインの施工能率、輸送効率の大幅
な向上が可能となった。
Description
強さ(TS)を有する低温靱性・溶接性の優れた超高強
度鋼に関するももので、天然ガス・原油輸送用ラインパ
イプをはじめ、各種圧力容器、産業機械などの溶接用鋼
材として広く使用できる。
パイプラインに使用するラインパイプは、高圧化によ
る輸送効率の向上やラインパイプの外径・重量の低減
による現地施工能率の向上のため、ますます高強度化す
る傾向にある。これまでに米国石油協会(API)規格
でX80(降伏強さ551MPa以上、引張強さ620
MPa以上)までのラインパイプの実用化がされている
が、さらに高強度のラインパイプに対するニーズが強く
なってきた。
は、従来のX80ラインパイプの製造技術(たとえばN
KK技報 No.138(1992), pp24-31、およびThe 7th Offs
horeMechanics and Arctic Engineering(1988), Volume
V, pp179-185)を基本に検討されているが、これではせ
いぜい、X100(降伏強さ689MPa以上、引張強
さ760MPa以上)ラインパイプの製造が限界と考え
られる。パイプラインの超高強度化は強度・低温靱性バ
ランスを始めとして溶接熱影響部(HAZ)靱性、現地
溶接性、継手軟化など多くの問題を抱えており、これら
を克服した画期的な超高強度ラインパイプ(X100
超)の早期開発が要望されている。
充足すべく、強度と低温靱性のバランスが優れ、かつ現
地溶接が容易な引張強さ950MPa以上(API規格
X100超)の超高強度・低降伏比ラインパイプ用鋼を
提供するものである。
が950MPa以上で、かつ低温靱性・現地溶接性、の
優れた超高強度鋼を得るための鋼材の化学成分(組成)
とそのミクロ組織について鋭意研究を行い、新しい超高
強度溶接用鋼を発明するに至った。
i:0.6%以下、Mn:1.8〜2.5%、
P :0.015%以下、S :0.003%以下、
Ni:0.1〜1.0%、Mo:0.35〜0.
60%、 Nb:0.01〜0.10%、Ti:0.
005〜0.030%、Al:0.06%以下、N :
0.001〜0.006%を含有し、必要に応じてさら
に、V :0.10%以下、 Cu:0.7%
以下、Cr:0.8%以下、 Ca:0.0
01〜0.006%の1種または2種以上を含有し、残
部が鉄および不可避的不純物からなり、下記式で定義さ
れるP値が1.9以上、2.8以下の範囲にあり、さら
にそのミクロ組織がマルテンサイト、ベイナイトおよび
フェライトからなり、フェライト分率が20〜90%
で、かつフェライト中に加工フェライトを50〜100
%含有し、フェライト平均粒径が5μm以下であること
を特徴とする低降伏比を有する低温靱性に優れた高強度
ラインパイプ用鋼、および P=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.4
5(Ni+Cu)+Mo+V−1 (2) 前記鋼をAc1 点以下の温度で焼戻し処理してなる
ことを特徴とする低降伏比を有する低温靱性に優れた高
強度ラインパイプ用鋼にある。ここで、フェライト平均
粒径は鋼材の厚み方向に測定したフェライトの平均粒界
間隔と定義する。
る。本発明の特徴は、Ni−Nb−Mo−微量Tiを
複合添加した低炭素・高Mn系(1.8%以上)である
こと、そのミクロ組織が微細なフェライト(平均粒径
が5μm以下で、ある一定量以上の加工フェライトを含
む)とマルテンサイト・ベイナイトの硬軟混合組織から
なることである。
は微細なアシキュラーフェライト組織を有するラインパ
イプ用鋼としてよく知られているが、その引張強さの上
限はせいぜい750MPが限界であった。本基本成分系
で加工フェライトを含む微細フェライトとマルテンサイ
ト・ベイナイトの硬軟混合微細組織を有する高強度ライ
ンパイフ用鋼はまったく存在しない。これはNb−Mo
鋼のフェライトとマルテンサイト・ベイナイト硬軟混合
組織では950MPa以上の引張強さは到底不可能であ
るばかりか、低温靱性や現地溶接性も不十分と考えられ
ていたためである。
おいても化学成分、ミクロ組織を厳密に制御することに
より、超高強度と優れた低温靱性が達成できることを見
いだした。本発明鋼の特徴は、焼戻し処理なしでも優
れた超高強度、低温靱性が得られること、焼入れ・焼
戻し処理鋼に比較して降伏比が低く、鋼管成形性、低温
靱性(シャルピー遷移温度)に著しく優れること、など
が挙げられる(本発明鋼では、鋼板の状態で降伏強さが
低くても、鋼管成形によって降伏強さが上昇し、目的と
する降伏強さを得ることが可能である)。
る。引張強さ950MPa以上の超高強度を達成するた
めには、鋼材のミクロ組織を一定量以上のマルテンサイ
ト・ベイナイトとする必要があり、そのためにはフェラ
イト分率を20〜90%(マルテンサイト・ベイナイト
分率10〜80%)とする必要がある。フェライト分率
が90%を超えると、マルテンサイト・ベイナイト分率
が小さくなりすぎて、目的とする強度は達成出来ない
(フェライト分率はC量にも依存し、C量が0.05%
以上では、実質上フェライトを90%超とすることは困
難である)。本発明鋼において強度、低温靱性上、もっ
とも望ましいフェライト分率は30〜80%である。し
かし、本来フェライトは軟らかいものであり、たとえフ
ェライト分率が20〜90%であっても、加工フェライ
トの割合が少なすぎると、目的とする強度(とくに降伏
強さ)・低温靱性は達成できない。このため、加工フェ
ライトの割合を50〜100%とした。フェライトの加
工(圧延)は転位強化やサブグレイン強化によってフェ
ライトの降伏強さを高めると同時に、後で述べるように
シャルピー遷移温度の改善にも極めて有効である。
も、優れた低温靱性を達成するには不十分である。この
ためには、加工フェライトの導入によるセパレーション
を利用するとともに、フェライト平均粒径を5μm以下
に微細化する必要がある。超高強度鋼においても、加工
フェライト(集合組織)の導入により、シャルピー衝撃
試験などの破面にセパレーションが発生し、破面遷移温
度は飛躍的に低下することがわかった(セパレーション
はシャルピー衝撃試験などの破面に発生する板面に平行
な層状剥離現象で、脆性亀裂先端での3軸応力度を低下
させ、脆性亀裂伝播停止特性を改善すると考えられてい
る)。
することによってフェライト以外のマルテンサイト・ベ
イナイト組織も同時に微細化することができ、遷移温度
の著しい改善や降伏強さの増加が得られることがわかっ
た。
れていたNb−Mo鋼のフェライトとマルテンサイト・
ベイナイト硬軟混合組織の強度・低温靱性バランスの大
幅な向上に成功した。
織を厳密に制御しても目的とする特性を有する鋼材は得
られない。このためにはミクロ組織と同時に化学成分を
限定する必要がある。以下に成分元素の限定理由につい
て説明する。
炭素は鋼の強度向上に極めて有効な元素であり、フェラ
イトとマルテンサイト・ベイナイト硬軟混合組織におい
て目的とする強度を得るためには、最低0.05%は必
要である。また、この量はNb、V添加による析出硬
化、結晶粒の微細化効果の発現や溶接部強度の確保のた
めの最小量でもある。しかしC量が多すぎると母材、H
AZの低温靱性や現地溶接性の著しい劣化を招くので、
その上限を0.10%とした。
であるが、多く添加するとHAZ靱性、現地溶接性を著
しく劣化させるので、上限を0.6%とした。鋼の脱酸
はTiあるいはAlでも十分可能であり、Siは必ずし
も添加する必要はない。
ライトとマルテンサイト・ベイナイトの硬軟混合組織と
し、優れた強度・低温靱性のバランスを確保する上で不
可欠な元素であり、その下限は1.8%である。しか
し、Mn量が多すぎると鋼の焼入性が増加してHAZ靱
性、現地溶接性を劣化させるだけでなく、連続鋳造鋼片
の中心偏析を助長し、母材の低温靱性をも劣化させるの
で上限を2.5%とした。望ましいMn量は1.9〜
2.1%である。
強度を低温靱性や現地溶接性を劣化させることなく向上
させるためである。Ni添加はMnやCr,Mo添加に
比較して圧延組織(とくにスラブの中心偏析帯)中に低
温靱性に有害な硬化組織を形成することが少ないばかり
か、微量のNi添加がHAZ靱性の改善にも有効である
ことが判明した。HAZ靱性上、とくに有効なNi添加
量は0.3%以上である。しかし、添加量が多すぎる
と、経済性だけでなく、HAZ靱性や現地溶接性を劣化
させるので、その上限を1.0%とした。また、Ni添
加は連続鋳造時、熱間圧延時におけるCuクラックの防
止にも有効である。この場合、NiはCu量の1/3以
上添加する必要がある。
せ、目的とする硬軟混合組織を得るためである。また、
MoはNbと共存して制御圧延時にオーステナイトの再
結晶を強力に抑制し、オーステナイト組織の微細化にも
効果がある。このような効果を得るために、Moは最低
0.35%必要である。しかし過剰なMo添加はHAZ
靱性、現地溶接性を劣化させるので、その上限を0.6
%とした。
b:0.01〜0.10%、Ti:0.005〜0.0
30%を含有する。NbはMoと共存して制御圧延時に
オーステナイトの再結晶を抑制して結晶粒を微細化する
だけでなく、析出硬化や焼入性増大にも寄与し、鋼を強
靱化する作用を有する。しかしNb添加量が多すぎる
と、HAZ靱性や現地溶接性に悪影響をもたらすので、
その上限を0.10%とした。
スラブ再加熱時および溶接HAZのオーステナイト粒の
粗大化を抑制してミクロ組織を微細化し、母材およびH
AZの低温靱性を改善する。またAl量が少ない時(た
とえば0.005%以下)、Tiは酸化物を形成し、H
AZにおいて粒内フェライト生成核として作用し、HA
Z組織を微細化する効果も有する。このようなTi添加
効果を発現させるには、最低0.005%のTi添加が
必要である。しかしTi量が多すぎると、TiNの粗大
化やTiCによる析出硬化が生じ、低温靱性を劣化させ
るので、その上限を0.03%に限定した。
で組織の微細化にも効果を有する。しかしAl量が0.
06%を超えるとAl系非金属介在物が増加して鋼の清
浄度を害するので、上限を0.06%とした。脱酸はT
iあるいはSiでも可能であり、Alは必ずしも添加す
る必要はない。
びHAZのオーステナイト粒の粗大化を抑制して母材、
HAZの低温靱性を向上させる。このために必要な最小
量は0.001%である。しかしN量が多すぎるとスラ
ブ表面疵や固溶NによるHAZ靱性の劣化の原因となる
ので、その上限は0.006%に抑える必要がある。さ
らに本発明では、不純物元素であるP,S量をそれぞれ
0.015%以下、0.003%以下とする。この主た
る理由は母材およびHAZの低温靱性をより一層向上さ
せるためである。P量の低減は連続鋳造スラブの中心偏
析を軽減するとともに、粒界破壊を防止して低温靱性を
向上させる。また、S量の低減は制御圧延で延伸化した
MnSを低減して延性、靱性を向上させる効果がある。
目的について説明する。基本となる成分にさらにこれら
の元素を添加する主たる目的は、本発明鋼の優れた特徴
を損なうことなく、強度・低温靱性などの特性の一層の
向上や製造可能な鋼材サイズの拡大をはかるためであ
る。したがって、その添加量は自から制限されるべき性
質のものである。
の効果はNbに比較して弱い。しかし、超高強度鋼にお
けるV添加の効果は大きく、NbとVの複合添加は本発
明鋼の優れた特徴をさらに顕著なものとする。Vはフェ
ライトの加工(熱間圧延)によって歪誘起析出し、フェ
ライトを著しく強化することがわかった。Vの上限はH
AZ靱性、現地溶接性の点から0.10%まで許容で
き、特に0.03〜0.08%の添加が望ましい範囲で
ある。
に、耐食性、耐水素誘起割れ特性の向上にも効果があ
る。またCu析出硬化によって強度を大幅に増加させ
る。しかし過剰に添加すると、析出硬化により母材、H
AZの靱性低下や熱間圧延時にCuクラックが生じるの
で、その上限を0.7%とした。
が、多すぎるとHAZ靭性や現地溶接性を著しく劣化さ
せる。このためCr量の上限は0.8%である。V,C
u,Crのそれぞれの元素添加による材質上の効果が顕
著になる最小量は、それぞれ0.01%、0.1%、
0.1%である。
低温靱性を向上(シャルピー衝撃試験の吸収エネルギー
の増加など)させる。とくに超高強度ラインパイプを主
用途とする本発明鋼では、不安定延性破壊の伝播防止の
ため高シャルピー吸収エネルギーが要求されるので、S
量の低減とCa処理は重要である。
は実用上効果がなく、また0.005%を超えて添加す
るとCaO−CaSが大量に生成して大型クラスター、
大型介在物となり、鋼の清浄度を害するだけでなく、現
地溶接性にも悪影響をおよぼす。このためCa添加量の
上限を0.005%に制限した。なお超高強度鋼では、
S,O量をそれぞれ0.001%、0.002%以下に
低減し、かつESSP=(Ca)〔1−124(O)〕
/1.25Sを0.5≦ESSP≦10.0とすること
がとくに有効である。なお、ESSPとは、有効硫化物
形態制御パラメターの略である。
明では、さらにP=2.7C+0.4Si+Mn+0.
8Cr+0.45(Ni+Cu)+Mo+V−1を1.
9≦P≦2.8に制限する。これはHAZ靭性、現地溶
接性を損なうことなく、目的とする強度・低温靱性バラ
ンスを達成するためである。P値の下限を1.9とした
のは950MPa以上の強度と優れた低温靱性を得るた
めである。また、P値の上限を2.8としたのは優れた
HAZ靱性、現地溶接性を維持するためである。
2は請求項1の鋼をAc1 点以下の温度で焼戻し処理を
行うものである。焼戻し処理によって延性、靱性は適度
に回復する。焼戻し処理はミクロ組織分率など、そのも
のを変えず、本発明の優れた特徴を損なうものではな
い。
溶解(50kg,120mm厚鋼塊)または転炉−連続鋳造
法(240mm厚)で種々の鋼成分の鋳片を製造した。こ
れらの鋳片を種々の条件で厚みが15〜32mmの鋼板に
圧延し、諸機械的性質、ミクロ組織を調査した。(一部
の鋼板については焼戻し処理を付加)。
強さ:TS,シャルピー衝撃試験の−40℃での吸収エ
ネルギー:vE-40 と50%破面遷移温度:vTrs)は圧延
と直角方向で調査した。HAZ靱性(シャルピー試験の
−20℃での吸収エネルギー:vE-20 )は再現熱サイク
ル装置で再現したHAZで評価した(最高加熱温度:1
400℃,800〜500℃の冷却時間〔Δt
800-500 〕:25秒)。また現地溶接性はY−スリッ
ト溶接割れ試験(JIS G3158)においてHAZ
の低温割れ防止に必要な最低予熱温度で評価した(溶接
方法:ガスメタルアーク溶接,溶接棒:引張強さ100
MPa,入熱:0.5kJ/mm,溶着金属の水素量:3cc
/100g)。
従って製造した鋼板は優れた強度・低温靱性バランス、
HAZ靱性および現地溶接性を有する。これに対して比
較鋼は化学成分またはミクロ組織が不適切なため、いず
れかの特性が著しく劣る。
AZのシャルピー吸収エネルギーが低く、かつ溶接時の
予熱温度も高い。鋼10はNiが添加されていないた
め、母材およびHAZの低温靭性が劣る。鋼11はMn
添加量、P値が高すぎるため、母材およびHAZの低温
靭性が悪く、かつ溶接時の予熱温度も著しく高い。鋼1
2はMo添加量が多すぎるため、母材の低温靭性が悪
く、かつ溶接時に予熱を要する。鋼13はNbが添加さ
れていないため、強度不足で、かつフェライト粒径が大
きく母材の靭性が悪い。鋼14はS量が多すぎるため、
母材およびHAZの低温靭性が劣る。鋼15はMo添加
量が少なすぎるため、目標とする強度が達成できない。
鋼16はフェライト分率が小さすぎるため、引張強さは
十分であるが、降伏強さが低すぎる。鋼17は加工フェ
ライト分率が小さすぎるため、強度不足で、かつ母材の
シャルピー遷移温度が劣る。鋼18はフェライト粒径が
大きいため、低温靭性が著しく劣る。鋼19はフェライ
ト分率、加工フェライト分率がともに小さすぎるため、
降伏強さが低く、かつシャルピー遷移温度が劣る。
優れた低降伏比の超高強度ラインパイプ(引張強さ95
0MPa以上、API規格X100超)用鋼が安定して
大量に製造できるようになった。その結果、パイプライ
ンの安全性が著しく向上するとともに、パイプラインの
輸送効率、施工能率の飛躍的な向上が可能となった。
Claims (4)
- 【請求項1】 重量%で、 C :0.05〜0.10%、 Si:0.6%以下、 Mn:1.8〜2.5%、 P :0.015%以下、 S :0.003%以下、 Ni:0.1〜1.0%、 Mo:0.35〜0.60%、 Nb:0.01〜0.10%、 Ti:0.005〜0.030%、 Al:0.06%以下、 N :0.001〜0.006%を含有し、残部が鉄お
よび不可避的不純物からなり、下記式で定義されるP値
が1.9以上、2.8以下の範囲にあり、さらにそのミ
クロ組織がマルテンサイト、ベイナイトおよびフェライ
トからなり、フェライト分率が20〜90%で、かつフ
ェライト中に加工フェライトを50〜100%含有し、
フェライト平均粒径が5μm以下であることを特徴とす
る低降伏比を有する低温靱性に優れた高強度ラインパイ
プ用鋼。 P=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.4
5(Ni+Cu)+Mo+V−1 - 【請求項2】 請求項1記載の成分に加えて、重量%
で、 V :0.10%以下、 Cu:0.7%以下、 Cr:0.8%以下の1種または2種以上を含有するこ
とを特徴とする請求項1記載の低降伏比を有する低温靱
性に優れた高強度ラインパイプ用鋼。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の成分に加えて、
さらに重量%で、 Ca:0.001〜0.006%を含有することを特徴
とする請求項1または2記載の低降伏比を有する低温靱
性に優れた高強度ラインパイプ用鋼。 - 【請求項4】 請求項1,2または3記載の鋼であっ
て、Ac1 点以下の温度で焼戻し処理した鋼からなるこ
とを特徴とする低降伏比を有する低温靱性に優れた高強
度ラインパイプ用鋼。
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