JPH10265847A

JPH10265847A - 高強度高靱性熱延鋼板の製造方法

Info

Publication number: JPH10265847A
Application number: JP7489897A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Sato; 馨佐藤; Masaki Omura; 雅紀大村; Hiroshi Owada; 浩大和田; Takahiko Ogura; 隆彦小倉
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-06
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JP3376850B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ラインパイプ用鋼管等の製造に用いる比較的
安価で降伏強度と靱性に優れた高強度高靱性熱延鋼板の
製造方法を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、
Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．０３０〜
０．０７０％、Ｎｂ：０．０２５〜０．０５０％、Ｖ：
０．０４０〜０．０８０％を含有し、Ｎ：０．００５０
％以下とした鋼を、１１８０℃以上１２５０℃以下の温
度域に８０分以上保持した後、圧延を行うとともに９５
０℃まで１２０秒以内の時間で冷却し、その後７３０〜
８６０℃の温度域で圧延を終了し、次いで平均冷却速度
５℃／ｓｅｃ以上で冷却して５４０〜６３０℃で巻取る
ことを特徴とする高強度高靱性熱延鋼板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ラインパイプ用鋼
管等の製造に用いる高強度高靱性熱延鋼板の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ラインパイプ用鋼管に要求される特性
は、強度、靱性、溶接性、耐食性と多岐にわたる。電縫
溶接法により製造するラインパイプ用鋼管においても同
様である。そのためには、鋼管を製造するための熱延鋼
板自体の特性の確保が必要である。これらの要求特性の
内、強度と靱性は、従来からの多くの例にも見られる様
に、しばしば、両立が困難である。たとえば、強化元素
を含有させると靱性は劣化することが多い。

【０００３】合金元素で強化して高強度・高靱性の熱間
圧延鋼帯を得る方法には、たとえば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ等
の析出強化型元素を合金化し、それらの微細な析出物に
より強化する方法と、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等の、主として
マトリックスを固溶強化する元素を含有させる方法等が
ある。

【０００４】前者の析出物の強化作用を利用する方法で
は、これらの元素を比較的少量、含有させることによ
り、大きな降伏強度の増加が得られる。しかしながら、
強力な炭化物あるいは、窒化物形成元素である、これら
の元素を含有させると、僅かの製造条件の差により、そ
の特性が大きく変化する。

【０００５】たとえば、Ｔｉを含有する溶鋼では、大気
中より侵入したＮがＴｉＮを形成する。この場合のＴｉ
Ｎは比較的大きな析出物となるため、鋼を強化する作用
はほとんどない。したがって、鋼中に侵入するＮ量が多
い場合は、このＴｉＮ析出物の形成により、鋼の強化に
働くＴｉ量が減少するため十分な降伏強度が得られな
い。

【０００６】また、これらの元素の炭化物や窒化物は、
鋼の靱性を劣化させる。上記したような溶解時に鋼中に
生成した比較的大きいＴｉＮも、靱性を劣化させるが、
鋼に固溶した炭化物や窒化物が、微細な析出物となって
析出した場合の靱性への悪影響はさらに大きい。しかも
この悪影響も場合によりその程度が異なる。

【０００７】この様に、析出物による強化作用を利用す
る場合は、僅かな製造条件の差が大きな特性の差になっ
て現れやすく、ほぼ同一の組成の鋼の間の比較や、１つ
の鋼材の中の異なった位置における比較においても、特
性が大きく異なることがしばしば起こる。

【０００８】上記のような欠点を持ってはいるが、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｎｂ等の強化方法によると、比較的安価に高強
度の鋼を得ることが可能なため、たとえば、川崎製鉄技
報誌、第１３巻、第１号、第５３頁〜第６２頁、（１９
８１年発行）に例を見るように、ラインパイプ用電縫溶
接鋼管としても、広く実用化している。

【０００９】特開昭６３−１４５７４５号公報には、Ｎ
ｂを単独添加あるいはさらにＴｉ、Ｖのうち１種以上を
添加した熱延高張力鋼板と、その製造方法が開示されて
いる。この鋼板は、金属組織が、微細フェライトと低温
変態相（ベイナイトとマルテンサイト）の混合組織から
なることが特徴である。

【００１０】特開平１−２７５７１９号公報には、Ｎｂ
を単独添加あるいはさらにＴｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｒ、その
他のうち１種以上を添加した厚鋼板の製造方法が提案さ
れている。製造方法としては、粗圧延と仕上圧延の間で
１０００〜８５０℃の温度領域内に採った７０℃以上に
わたる温度範囲を０．５℃／ｓ以上の冷却速度で急速冷
却している。

【００１１】特開昭６３−２２７７１５号公報には、Ｔ
ｉ、Ｎｂ、Ｖのうち少なくとも１種を含有する鋼による
熱延鋼板の製造方法が提案されている。ここでは、スラ
ブを加熱して粗圧延し、その後冷却の途中で５〜２０秒
の空冷を行い、５００℃以下で巻取ることにより、低降
伏比としている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６３−
１４５７４５号公報記載の技術では、降伏強度が最高４
８ｋｇｆ／ｍｍ²と低い。これは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖを添
加しているにもかかわらず、それらの析出物を強化に積
極的に利用する材質設計は採っていないためと考えられ
る。圧延後、急冷、低温巻取りを行っていることから
は、むしろ冷却途中の析出を抑えることに重点を置いた
材料設計である。

【００１３】この技術では、金属組織を、フェライトと
低温変態相の混合組織とすることで、低降伏比とするこ
とを特徴としている。得られている降伏強度が低いの
は、その結果とも考えられる。また、降伏強度が２５〜
４８ｋｇｆ／ｍｍ²の広い範囲にばらついており、その
ばらつきの発生する理由も明確でない。

【００１４】特開昭６３−２２７７１５号公報に開示さ
れている技術においても、事情は同様であり、靱性は十
分であるが降伏強度は低い。この技術では、圧延後の冷
却の途中で空冷を行うことで、フェライト変態をある程
度促進させ、低温巻取りにより未変態の部分を低温変態
相とすることを特徴としている。従って、この技術によ
る鋼板も混合組織となり、低降伏比となる。その結果、
当然のことながら降伏強度は低い。

【００１５】これらの技術では、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの個々
の元素の作用については注目をしておらず、これらのう
ちどれかが含有されていれば良いとの考え方である。こ
のように、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの炭化物および窒化物の鋼中
における挙動を同一視し、個々の元素を区別することな
く、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの１種、または２種以上含有すると
記述されている例も多い。

【００１６】特開平１−２７５７１９号公報記載の技術
でも、Ｎｂは必須元素であるが、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、その他の元素は１種以上を添加するということであ
る。従って、その内容も殆どがＮｂにＴｉ、Ｖ、Ｎｉ、
Ｃｒ、その他の元素の１つを加えた場合の例についてで
ある。その中で、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖをすべて添加した例
は、０．０２７Ｎｂ−０．０３２Ｖ−０．００１５Ｔｉ
（同公報、第１表、鋼塊種別Ｊ）１種類のみであり、そ
の材質も、降伏強度が４７．０ｋｇ／ｍｍ²と低めであ
る。

【００１７】また、この技術でいう「熱延厚鋼板」と
は、仕上圧延条件として板厚３０〜１００ｍｍと記載さ
れていることから、熱延鋼板のことではなく通常の厚鋼
板のことである。また、強制冷却温度域は全体に低め
で、大部分は下限温度が８５０℃以下を下回っている。
そのため、強制冷却温度域が熱延の仕上圧延の温度域と
一致し、熱延では実施困難であると思われる。

【００１８】上記のように、比較的安価な、高強度・高
靱性のラインパイプ用電縫溶接鋼管の製造に用いる鋼帯
が求められており、特に、降伏強度が５５０ＭＰａ以上
の鋼材への要望が大きいが、従来はこれに答える技術が
開示されていない。

【００１９】この発明は、以上の問題を解決し、比較的
安価で、降伏強度と靱性に優れた高強度高靱性熱延鋼板
の製造方法を提供する。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明は、重量％で、
Ｃ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍ
ｎ：１．３０〜１．７０％、Ａｌ：０．０００５〜０．
１０％、Ｔｉ：０．０３０〜０．０７０％、Ｎｂ：０．
０２５〜０．０５０％、Ｖ：０．０４０〜０．０８０％
を含有し、Ｎ：０．００５０％以下とした鋼を、１１８
０℃以上１２５０℃以下の温度域に８０分以上保持した
後、圧延を行うとともに９５０℃まで１２０秒以内の時
間で冷却し、７３０〜８６０℃の温度域で圧延を終了
し、その後平均冷却速度５℃／ｓｅｃ以上で冷却して５
４０〜６３０℃で巻取ることを特徴とする高強度高靱性
熱延鋼板の製造方法である。

【００２１】この発明は、鋼板の材質目標値を、降伏強
度が常温で５５０ＭＰａ以上、シャルピー衝撃試験の吸
収エネルギーが０℃で２００Ｊ以上として、高強度・高
靱性の熱延鋼板の製造方法を検討を重ねる中で完成され
た。検討は、まず、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ等の炭化物の析出状
態と、降伏強度およびと靱性との関係について行った。

【００２２】その過程で、平均粒径が１０ｎｍ以下の微
細な（Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ）Ｃの析出物が鋼中に存在する場
合に、高い降伏強度と靱性が得られるとの知見を得た。
（以後、この平均粒径が１０ｎｍ以下の微細な析出物
を、（Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ）Ｃと記す。）この（Ｔｉ、Ｖ、
Ｎｂ）Ｃを鋼中に形成させるためには、鋼にＴｉ、Ｎ
ｂ、Ｖの３種の元素を最適な量含有させる必要があり、
さらに、適切な加工・熱履歴を与える必要がある。

【００２３】まず、成分範囲の限定理由について述べ
る。Ｃは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと炭化物を形成して、鋼を強
化する元素である。十分な降伏強度を確保するためには
０．０５％以上含有させる必要が有る。一方、Ｃは溶接
性に有害な元素であり、その悪影響は、０．１１％越え
ると顕著になる。また、スラブの加熱時の炭化物の溶体
化が困難となる。したがって、Ｃ量は０．０５〜０．１
０％の範囲とする。

【００２４】Ｓｉは、溶鋼の脱酸に必要な元素であり、
０．０１％以上含有させることが望ましいが、Ａｌ等の
他の元素によっても代替可能である。一方、０．３５％
を超えて含有させると、鋼の靱性、特に、溶接ＨＡＺ部
の靱性を劣化させる。したがって、Ｓｉ量は０．３５％
以下とする。

【００２５】Ｍｎは、鋼の強度を確保するために必要な
元素である。含有量が１．３０％未満の場合は降伏強度
が不足する。一方、Ｍｎは溶接性に有害な元素であり、
特に、含有量が１．７０％を越えると悪影響が顕著にな
る。したがって、Ｍｎ量は１．３０〜１．７０％の範囲
とする。

【００２６】Ａｌは脱酸に必要な元素である。その量が
０．０００５％未満の場合には、十分な脱酸効果が期待
できない。一方、０．１０％を超えて過剰に含有させる
と、靱性が劣化し、また、連続鋳造時のスラブの表面に
キズが発生しやすい。したがって、Ａｌ量は０．０００
５〜０．１０％とする。

【００２７】Ｔｉは、Ｎｂ、Ｖと共に、（Ｔｉ、Ｖ、Ｎ
ｂ）Ｃを形成して鋼を強化する。十分な降伏強度を確保
するためには、０．０３０％以上のＴｉを含有させる必
要がある。一方、Ｔｉ量が多くなると、ＴｉＮｂＣＮ
（（ＴｉＮｂ）炭窒化物とも言う）の溶体化が困難とな
る。その結果、複合炭化物の析出状態が変化して強度が
低下し、また、靱性も劣化する。これらのＴｉの悪影響
は、０．０７０％を越えると顕著になる。したがって、
Ｔｉ量の範囲は、０．０３０〜０．０７０％とする。

【００２８】ＮｂもＴｉ、Ｖと共に、（Ｔｉ、Ｖ、Ｎ
ｂ）Ｃを形成すが、そのためには０．０２５％以上含有
させる必要がある。一方、Ｎｂ量が多くなるとＴｉＮｂ
ＣＮの溶体化が困難となる。その結果、複合炭化物の析
出状態が変化して強度が低下し、また、靱性も劣化す
る。これらのＮｂの悪影響は、０．０５０％を越えると
顕著になる。したがって、Ｎｂ量の範囲は、０．０２５
〜０．０５０％とする。

【００２９】Ｖも、Ｎｂ、Ｔｉと共に、（Ｔｉ、Ｖ、Ｎ
ｂ）Ｃを形成するが、そのためには０．０４０％以上含
有させる必要がある。一方、Ｖ量が多くなると複合炭化
物の析出状態が変化して強度が低下し、また、靱性も劣
化する。これらのＶの悪影響は、０．０８０％を越える
と顕著になる。したがって、Ｖ量の範囲は、０．０４０
〜０．０８０％とする。

【００３０】次に熱延以降の製造条件について説明す
る。この発明では、熱延開始前の高温の温度域での保持
により、Ｔｉ、Ｎｂの溶体化を行う。溶体化のために
は、１１８０℃以上で８０分以上の保持が必要である。
保持温度が１１８０℃未満では、保持時間を延ばして
も、ＴｉＮｂＣＮの溶体化は困難である。また、１２５
０℃を超える温度で保持すると、オーステナイト粒径が
粗大化する。その結果、熱延による細粒化が困難とな
り、最終的なフェライト粒径の細粒化も達成できない。
良好な靱性を得るためにはフェライト粒径の細粒化が不
可欠であり、このことから、保持温度の上限は１２５０
℃となる。以上より、１１８０℃以上１２５０℃以下の
温度域に８０分以上保持する必要がある。

【００３１】その後、圧延を行うとともに９５０℃まで
の温度域を１２０秒以内で通過させる。圧延の開始時期
は、この温度域の通過を開始する前でも後でもよい。こ
の温度域を通過させる時間は１２０秒以内とする必要が
ある。これより長時間になると、粗大な（０．０５μｍ
以上）ＴｉＮｂＣＮの析出が起こる。その結果、巻取り
時に微細炭化物を析出させるための駆動力が大幅に低下
し、強度上昇が図れなくなる。この温度域の下限である
９５０℃は、上記の粗大なＴｉＮｂＣＮの析出が実質的
に起こらない温度である。

【００３２】圧延の終了温度は、７３０〜８６０℃とす
る。８６０℃を超えている場合は、複合炭化物が粗大に
なり十分な強度が得られず、組織が粗くなるため靱性も
低下する。圧延終了温度が７３０℃より下がると、未再
結晶組織が現れ靱性が低下する。なお、圧延終了温度の
最適温度範囲は、７５０〜７８０℃である。

【００３３】圧延終了後は、５℃／ｓｅｃ以上の平均冷
却速度で冷却する。冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満の場合
は、冷却途中に結晶粒が粗大化して靱性が低下する。ま
た、冷却中に複合炭化物が析出し、この後の巻取りにお
ける微細析出物の量が減少するので、十分な強度が得ら
れなくなる。冷却速度の上限は、特に規定しないが、実
用上は設備能力等から決めればよい。従って、圧延後の
冷却速度を５℃／ｓｅｃ以上とする。

【００３４】次いで、５４０〜６３０℃の温度範囲で巻
取る。巻取り後の熱延鋼板は、コイルの形で、２０℃／
ｈ程度の冷却速度で冷却される。従って、４００℃程度
まで約１０時間をかけて冷却されることになり、その間
に、微細炭化物が析出する。この際、圧延時に鋼中に導
入された転位が析出物の微細化に有効に働き、強度・靱
性共に優れ、また、特性のばらつきの少ない熱延鋼板が
得られる。

【００３５】巻取り温度が６５０℃を超える場合は、析
出する複合炭化物の粒径が大きくなる。また、５５０℃
より下がると、析出量が不足する。従って、巻取り温度
範囲を、５４０〜６３０℃とする。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明の実施においては、まず、
上記した組成の鋼を溶製し、連続鋳造によりスラブとす
る。Ｎの含有量は可能な限り低くする。得られたスラブ
をそのまま、粗圧延、仕上圧延を行なって鋼帯としても
良く、また、スラブを一旦冷却した後、再加熱して上記
の工程をとっても良い。その他、薄鋳片を鋳造し、高温
のまま連続圧延を行なって、鋼帯としても良い。圧延開
始温度は、強度・靱性を確保するためには、１２２０℃
近傍とするのが望ましい。

【００３７】その後、９５０℃まで１２０秒以内で通過
させる。具体的には、この間に圧延を行うので、圧延中
に９５０℃まで冷却することになる。なお、圧延開始温
度が、保持温度の下限１１８０℃より高温である場合
は、この９５０℃までの通過時間を、保持温度の下限１
１８０℃を通過した時点以降の時間とすればよい。

【００３８】圧延は、上記の温度域を通過後も（９５０
℃以下においても）続行する。圧延終了温度は、７６０
℃前後と通常よりやや低温とするのが望ましい。このよ
うに低温仕上げを行うことにより、鋼中に積極的に転位
を導入する。

【００３９】圧延機を出た鋼帯は、冷却ゾーンで空冷又
は水冷により５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し、６
００℃程度に下げて巻取る。冷却速度の上限は特にない
が、実用上は５０℃／ｓｅｃ程度であり、これを超える
と特別な急冷装置が必要となる。巻取り温度は、通常の
熱延鋼帯の製造の場合に比較して、やや高温である。好
ましい巻取り温度範囲は、５７０〜６２０℃である。

【００４０】このようにして製造された鋼帯は、各種溶
接鋼管の製造に使用できる。製造方法については特に制
約はなく、例えば、電縫溶接鋼管等、通常の製管工程を
適用すればよい。

【００４１】

【実施例】表１に発明鋼および比較鋼の化学成分を示
す。この表で、鋼１〜４は発明鋼であり、本発明の規定
する範囲内の化学成分を有する鋼である。鋼５〜８は比
較鋼であり、鋼５はＴｉが過剰、鋼６はＮｂが過剰、鋼
７はＴｉが不足、鋼６はＶが不足している。

【００４２】

【表１】

【００４３】この表１に示した各鋼を、種々の加熱温度
に加熱して保持して粗圧延および仕上圧延を行った。粗
圧延中の冷却条件を調整して、種々の時間で９５０℃ま
で圧延材を冷却した。その結果、粗圧延の後段ないしは
仕上圧延の前段で、９５０℃となった。仕上圧延の終了
温度を７７０±１０℃とし、５６０〜６２０℃で巻き取
った。これらの鋼板について、材質試験として引張試験
およびシャルピー衝撃試験を行った。以上の製造条件お
よび材質試験結果を、表２に示す。

【００４４】

【表２】

【００４５】この表２において、加熱時間と加熱温度
は、保持時間と保持温度のことである。その他、９５０
℃までの冷却というのは９５０℃までの冷却時間（ｓｅ
ｃ）、ＦＴは圧延終了温度（℃）、ＣＴは巻取り温度
（℃）、ＹＳは降伏強度（ＭＰａ）、ＴＳは引張強さ
（ＭＰａ）、ｖＥｏは０℃における吸収エネルギー
（Ｊ）をそれぞれ示す。

【００４６】また、鋼板と鋼の対応は、鋼板の数字が表
１の鋼の番号に対応している。鋼板の英字ａ〜ｄは製造
条件に対応しており、ａは発明の範囲内、ｂは加熱温度
（保持温度）が発明の下限より低い場合、ｃは加熱時間
（保持時間）が発明の下限より短い場合、ｄは９５０℃
までの通過時間（冷却時間）が発明の範囲より長過ぎる
場合をそれぞれ示している。その他の製造条件は、圧延
終了温度、巻取り温度ともに、先に述べた好ましい範囲
内にある。

【００４７】鋼板１ａ，２ａ，３ａ，４ａについては、
いずれも発明の製造条件により製造されており、降伏強
度ＹＳは５５８〜６２９ＭＰａで、目標の５５０ＭＰａ
以上となっている。同様に、０℃における吸収エネルギ
ーｖＥｏは２２１〜２５６Ｊで、目標の２００Ｊ以上を
達成している。

【００４８】鋼板１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂについては、
化学成分は発明の範囲内であるが、保持温度が発明の下
限より低く、いずれも降伏強度ＹＳが４８６〜５３４Ｍ
Ｐａで、目標の５５０ＭＰａより低い。鋼板１ｃ，２
ｃ，３ｃ，４ｃについては、保持時間が発明の下限より
短く、いずれも降伏強度ＹＳが４９７〜５２９ＭＰａ
で、目標の５５０ＭＰａより低い。鋼板１ｄ，２ｄ，３
ｄ，４ｄについては、９５０℃までの冷却時間が発明の
範囲より長過ぎ、いずれも降伏強度ＹＳが４８８〜５２
４ＭＰａで、目標の５５０ＭＰａより低い。

【００４９】鋼板５ａについては、製造条件は発明の範
囲内であるが、原材料の鋼５が前述（表１）のようにＴ
ｉ過剰であり、０℃における吸収エネルギーｖＥｏが１
５１Ｊで、目標の２００Ｊよりかなり低い。鋼板６ａに
ついては、原材料の鋼６が前述（表１）のようにＮｂ過
剰であり、降伏強度ＹＳが５３０ＭＰａで、目標の５５
０ＭＰａより低い。

【００５０】鋼板７ａについては、原材料の鋼７が前述
（表１）のようにＴｉ不足であり、降伏強度ＹＳが５１
４ＭＰａで、目標の５５０ＭＰａより低い。鋼板８ａに
ついては、原材料の鋼８が前述（表１）のようにＶ不足
であり、降伏強度ＹＳが５２８ＭＰａで、目標の５５０
ＭＰａより低い。

【００５１】

【発明の効果】この発明は、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂを適量添加
し、適切な加工・熱履歴を与えることにより、微細な
（Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ）Ｃの析出物を鋼中に存在させてい
る。その結果、強度、靱性ともに優れた高強度高靱性熱
延鋼板の製造が可能となった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小倉隆彦東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．３０〜１．７０％、
Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．０３０〜
０．０７０％、Ｎｂ：０．０２５〜０．０５０％、Ｖ：
０．０４０〜０．０８０％を含有し、Ｎ：０．００５０
％以下とした鋼を、１１８０℃以上１２５０℃以下の温
度域に８０分以上保持した後、圧延を行うとともに９５
０℃まで１２０秒以内の時間で冷却し、７３０〜８６０
℃の温度域で圧延を終了し、その後平均冷却速度５℃／
ｓｅｃ以上で冷却して５４０〜６３０℃で巻取ることを
特徴とする高強度高靱性熱延鋼板の製造方法。