JPS60131950A - 低降伏比を有する耐硫化水素割れ性に優れたラインパイプ用高強度鋼板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、７０９６程度以下の低降伏比で優れた冷開加
工性を有し、且つ靭性及び耐硫化水素割れ性が良好であ
ると共に、５０〜８０　Ｋｙ　ｆ’　／ｍｍ”程度とい
う高強度を示すラインパイプ用鋼板及びその製造方法に
関するものである。

近年、採掘可能な油井が枯渇化してくるにつれて新規油
田開拓に対する要請はまずます高まってきており、それ
に伴ってより苛酷な腐食環境（いわゆるサワー環境）下
での使用にも十分耐え得るラインパイプ（ガス又は原油
輸送用）の需要はますまず増大してきている。そしてこ
の様なラインパイプ用鋼板としては、耐硫化水素割れ性
はもとより、高強度、高靭性と優れた加工性を兼備した
ものが要求されるところから、これまでにも種々の改良
研究が行なわれている。この様な研究成果の１つとして
ＮｂやＶを含む構造用鋼が開発され、既に一部で実用化
されているが、との種の鋼材は降伏比が極めて高く、成
管時にスプリングバックを起こす為成形加工性が悪く、
しかも成管後はバウジンガー効果によって降伏応力が極
端に低下するという問題がある。一方薄肉鋼板において
は、フェライトとマルテンサイトからなる複合組織鋼が
開発され、これは降伏比が低く且つ強度−伸びバランス
が良好であるところから、最近注目を集めている。そこ
でこの種の複合組ｍｔＲをラインパイプ用として使用す
ることも考えられるが、本発明者らが確認実験を行なっ
たところによれば、この種の組織鋼の極限変形能、靭性
及び耐硫化水素割れ性は不十分であり、ラインパイプ用
としては実用化し得ないことが明らかとなった。その理
由は、■マルテンサイトが過飽和のＣを含む硬質相であ
る為加工時の変形に追従しきれないこと、及び■マルテ
ンサイトが耐硫化水素割れ感受性を高めることは周知の
事実であり、マルテンサイトとフェライトの界面及びマ
ルテンサイト内部からボイドが発生し前記諸性能が低下
すること、などが考えられる。他方、低温靭性の優れた
高張力鋼板としてフェライトとベーナイトからなる複合
組織鋼が知られているが、この複合組ｍｆＲは降伏比が
高く、成管加工時にスプリングバックを起こす等加工性
に問題がある。

本発明者らはこの様な状況のもとで、強度及び耐硫化水
素割れ性が良好で且つ低降伏比で加工性にも優れたライ
ンパイプ用鋼板を開発しようとして、その化学成分及び
結晶組織の両面から種々研究を進めてきた。本発明に係
るラインパイプ用銅板はこうした研究の結果完成された
ものであって、その構成は、 Ｃニ０．０２〜０．１　％　（重量９６二以下同じ）Ｓ
ｉ：０．０２〜１．２％ Ｍｎ：０．５〜１．５４ Ａｌ：０．０１〜０．１９６ を含有すると共に、Ｐ：０．０８９６以下、ｓ：ｏ、ｏ
ｏａ％以下に夫々制限され、残部が実質的にＦｅからな
り、その組織がフェライト、ベーナイト及びマルテンサ
イトの８相からなり、ベーナイト面積率が５〜４０％、
マルテンサイト面積率が１〜１０％であるところに要旨
を有するものである。又本発明に係る製造方法の構成は
、上記化学成分を有する連鋳スラグ又は分塊スラグを１
０００−１２００℃に加熱し、その後の熱間圧延に当た
っては、９００℃以下における圧下率を５０５８以下と
し、■熱延仕上温度をＡｒ３点直上とし、熱延終了温度
からＡｒ３〜Ａｒ１点の範囲の温度までを２０℃／Ｓｅ
Ｃ以上の速度で急冷するか、又は■熱延仕上温度をＡｒ
３〜Ａｒ１点の範囲の温度とし、 次いでその温度から２〜２０秒間放冷又は徐冷した後、
１０〜ｂ ℃以下の温度まで冷却して巻取り、前記比率のフェライ
ト・ベーナイト・マルテンサイト８相組織とするところ
に要旨を有するものである。

尚本出願人は先に自動車ホイールディスク用等の素材を
対象とし、フェライト・ベーナイト・マルテンサイ）８
相組織よりなる低降伏比の高強度鋼板を開発し、特開＃
Ｂ５７−７０２５７号として提供し自動車業界等に多大
な貢献をした。しかしこの先願発明においては、油井開
拓の為のラインパイプという特殊な用途はもとより、か
かる用途への適用に当たって欠くことのできない耐硫化
水素割れ性という特性については全く考慮されて＄らず
、本願発明のラインパイプ用鋼材とは異質のものである
。

以下本発明における要件設定の理由を詳細に説明する。

まず鋼材の化学成分を定めた理由を明らかにする０ Ｃ：０．０２〜ｏ、　ｉ　＊ 熱間圧延後にあける第２相（ベーナイト及びマルテンサ
イト）の生成と強度確保の為には少なくとも０．０２％
含有させなければならない。しかし含有量が多すぎると
延性及び靭性が低下する他、溶接性及び熱影響部の靭性
が劣悪になるので０．１％以下に抑えなければならない
。

Ｓｉ：０．０２〜１．２４ 溶鋼の脱酸剤として不可欠の元素であり、又固溶強化能
が大きい為伸びを低下させることなく強度を高めるのに
極めて重要であり、更には清浄なボリゴナルフエライト
の形成を助長する働きを有している。これらの機能を有
効に発揮させる為には０．０２％以上含有させなければ
ならないが、１．２％を越えると靭性や溶接性が明らか
に低下してくる。

Ｍｎ　：　０．５〜１．５　％ 低Ｃ化による強度低下を補い且つ焼入性を高めて鋼板の
高強度化に寄与する他、熱延後のγ−α変態時における
ｒ相を安定化して機械的性質を向上させるのに不可欠の
元素であり、これらの機能を有効に発揮させる為には０
．５％以上含有させなければならない。しかし多すぎる
とバンド状組織が生成し易くなり、更には伸び、加工性
及び溶接性が低下するので１．５％以下に抑えるべきで
ある。

Ｐ：０．０８９６以下 靭性や溶接性を阻害する他、中心偏析を起こして耐硫化
水素割れ性を著しく劣化させる有害元素であるが、０．
０８％以下であれば実質上の問題は生じない。

Ｓ：０．００１１以下 硫化物系介在物を形成し、加工性（特に圧延方向に対し
て直角方向）を低下させると共に、耐硫化水素割れの起
点となる為極力低レベルに抑える必要がある。本発明は
ラインパイプ用に適用される鋼板であって耐硫化水素割
れ性は最も重要な要求性能であるから、必要によりＣａ
処理を行なってＳ系介在物の形状制御を行なうが、ＳＪ
ｉを０．００８％以下にしておけば形状制御を行なわな
くても十分な耐硫化水素割れ性を得ることができる。

ＡＩ：０．０１〜ｏ、ｔ＊ 脱酸剤として不可欠の元素であり、更に組織を微細化し
て靭性を高める作用もあり、０．０１％以上含有させな
ければならない。しかし多ずぎると鍔の清浄度が低下し
耐割れ性や加工性が劣悪になるのでｏ、　１４以下に抑
えるべきである。

本発明網板における必須の構成４分は上記の通りである
が、これらに加えて適量のＣｕＳＮ　１　ＮＣｒ５Ｎｂ
ｓ　Ｔｉｓ　ｎ、ｃａを含有させて物性等を更に軟着す
ることも有効である。以下これらの各元素の効果につい
て説明を加える。

Ｃｕは鋼中への水素の侵入を防止し、弱酸性の腐食環境
における耐食性を高めるのに極めて有効な元素であり、
その効果は０．１９６以上添加することによって有効に
発揮される。しかし１９６を越えると熱間脆性が生じて
くるので注意しなければならない。

Ｃｒｓ　Ｎ　１％　Ｂはともに焼入性を向上させ所望の
組織を得るうえで有効な元素であり、特に本発明の様な
ベーナイト及びマルテンサイトの低温変態生成物を得ら
れ易くする。またＣｒは耐食性を高め、Ｎｉは靭性を高
めると共にＣｕによる脆化を防止する作用も有している
。しかし、それらの添加効果には自ずと限界があり、過
剰に添加すると、Ｃｒ　％　Ｎ　ｌは熱影響部の硬化性
を増し、靭性及び溶接性の低下を招くこと、およびＢは
オーステナイト粒界にＢ　Ｎ　、　Ｂ　−Ｃｏｎ５ｔｉ
ｔｕｅｎｔとして析出しやすくなるため母材および熱影
響部の靭性右よび延性の劣化を招くことになり、また経
済性の面からも好ましくないことがらＣｒ及びＮｉは夫
々１５１５以下、Ｂは０．００６９６以下とすべきであ
る。

Ｎｂ及びＴｉは析出強化元素であり、強度向上に寄与す
るばかりでなく、加熱時のオーステナイト粒度を細粒化
しひいては熱間圧延後のフェライトを細粒化するのに有
効である。またＭｎ等との共存下で熱間圧延後の変態組
織に影響を与え、ベーナイト組織を得やすくすると共に
、溶接熱影響部の硬度低下を防止して軟化抵抗を高める
働きがある。さらに、これらの元素は微細な炭窒化物と
して析出し、劇中の水素トラップサイトとして有効に働
き耐硫化水素割れ性の向上に寄与する。しかし、過剰に
添加すると炭窒化物の粗大化により靭性の低下力よび割
れ発生を招くカそれがあるのでＮｂ及びＴｉは夫々ｏ、
１％以下とすべをである。

Ｃａはｍ中の硫化物系介在物の形態及び組成を変えるの
に極めて有効な元素である。即ち圧延方向に伸長した介
在物を球状化し、延性、靭性を高めると共に異方性を低
減し、耐硫化水素割れ性を一段と高める作用がある。し
かし０．００５％を越えると、Ｃａ系酸化物量が多くな
りすぎて上記緒特性をかえって阻害することになるので
注意しなければならない。

本発明に係る鋼材の化学成分は以上の通りであるが、更
に組織面からの制約としてフェライト−ベーナイト・マ
ルテンサイトの８相組織を有し、且つベーナイト面積率
が５〜４０％、マルテンサイト面積率が１〜１０９６で
なければならない。しかしてベーナイト面積率が５９６
未満では、公知のフェライト・マルテンサイト２相組ｔ
ｔＡ＃Ｉと同様の特性となり、十分な耐硫化水素割れ性
を得ることができず、一方４０９６を越えるとマルテン
サイト導入による降伏比の低下効果が十分に発揮されな
くなる。尚本発明においてベーナイトとはベイナイテイ
ツクフエライト乃至炭化物を内包するベーナイトを含む
。またマルテンサイトは一般に靭性及び耐硫化水素割れ
性にとって有害であるというのが常識となっているが、
その形態及び垣を厳密に規定すれば上記の障害は実質的
に問題とならず逆にプラス効果を示し、降伏比の低下と
いう利点のみを有効に発揮せしめ得ることが明らかきな
った。そしてこうした特長はマルテンサイト面積率を１
〜１０９６の範囲基こ設定することによっ°Ｃ得られる
もので、１９６未満では降伏比を必要程度まで低下させ
ることができず、１ｏ９６を越えると靭性及び耐硫化水
素割れ性が急激に悪化する。この様に適量のマルテンサ
イトが耐硫化水素割れ性にとってプラス効果を発揮する
理由としては、マルテンサイト中に存在する高密度の転
位が水素のトラップサイトとなり、水素割れが緩和され
る為と考えられる。しかしマルテンサイト麗が多くなり
すぎると割れの伝播が助長され、耐硫化水素割れ性が急
激に低下するので、こうした意味からもマルテンサイト
面積率は１〜１０９６にする必要がある。

また割れの伝播を極力抑制するという意味ではマルテン
サイトの粒径は小さい方が好ましく、８μｍ以下にする
ことが望まれる。この８相組織鋼はフェライト・ベーナ
イト鋼に比べて、マルテンサイトの導入により高強度が
与えられているので、強度、靭性及び耐硫化水素割れ性
の全てに優れたラインパイプ用削材となる。尚上記ベー
ナイト及びマルテンサイトがバンド状に生成したものは
耐硫化水素割れ性が悪いので、可能な限り第２相をバン
ド状に生成させず球状化させることが望まれる。

本発明では上記の様な８相組織を板厚方向に均−且つ微
細に分布生成させる必要があるが、その為には原料スラ
ブの加熱温度、熱間圧延条件及び冷却条件等を厳密に調
整しなければならず、この条件を設定したところに本発
明方法の特徴がある。

即ち前記化学成分の連鋳スラブ又は分塊スラブは、熱間
圧延に先立ってまず１０００〜１２００℃に加熱する。

この温度設定は加熱時のγ粒径を微細化し、ひいては熱
間圧延後の組織を微細化するのに不可欠の要件であり、
加熱温度が１２００℃を越えるとｒ粒が急激に粗大化す
る為熱延働冷却後のフェライト、ベーナイト及びマルテ
ンサイトも粗大化し、十分な強度と靭性が得られなくな
る。一方加熱温度が低すぎるとＮｂやＴｉ等の析出強化
元素を含む場合にこれらの固溶屋が不十分となり強度及
び靭性が低下する他、圧延終了温度が低くなって材質劣
化や操業性の低下を招くので、１０００℃を下限に定め
た。

引き続いて行なわれる熱同圧延では、まず９００℃以下
の未再結晶ｒ域での圧下率を５０９６とし、仕上温度を
Ａｒ３〜Ａｒ工点の問又はＡｒ３点直上としなければな
らない。これは未再結晶域で十分な圧下を行なうことに
よって７粒の微細化及び延伸を図り、圧延後の冷却中に
生じる変態組織を徹底して微細均一にする為に不可欠の
要件である。但し熱延仕上温度がＡｒ３〜Ａｒ□点以下
になるとフェライトが加工組織となり、降伏比を高める
ばかりでなく延性も低下するので、その下限は７２０℃
程度とするのがよい。一方仕上温度が高すぎると制御圧
延効果がなくなり、７粒及びその後の変態組織の細粒化
が望めなくなる他、フェライト変態速度が遅くなって未
変態ｒ量も必要以上に多くなる為、望ましくは８６０℃
程度以下とすべきである。

その後銅板は巻取られるが、その間の冷却パターンは仕
上温度に応じて下記■及び■の条件を満たす様に設定し
なければならない。

■仕上温度がＡｒ３点を越える場合は、Ａｒ３〜Ａｒ。

点までを１０℃／ｓｅｃ以上の速度で急冷し、この温度
域で２〜２０秒間の放冷又は徐冷を行なう方法。　・ ■仕上温度をＡｒ　３〜Ａｒ、点とし、この温度で２〜
２０秒間の放冷又は徐冷を行なう方法。

即ちこの冷却条件で特徴付けられるのは、Ａｒ３〜Ａｒ
、点の温度範囲で２〜２０秒間の放冷又は徐冷を行なう
ところにあり、これはフェライト中の固溶炭素を７粒中
に濃縮して７粒を安定化させると共に、固溶炭素の減少
によってフェライト相を清浄化し、延性を改善する他所
型割合の第２相を生成させる為の準備段階として極めて
重要である。

しかしてこの間の放冷又は徐冷時間が２秒未満では、そ
の後の冷却時に第２相量が必要以上に増大し、降伏比が
上昇すると共に延性や耐硫化水素割れ性が乏しくなる。

また２０秒を越えると第２相がパーライト変態を起こし
、前述の様な８相組織及び機械的諸性質が得られなくな
る。尚上記■の方法を採用するときの仕上温度からＡｒ
３〜Ａｒ１点までの冷却速度は、生産性向上の為できる
だけ速い方が好ましく２０℃／　８８０以上に定めた。

上記■、■の放冷又は徐冷後巻取りまでの冷却速度は５
〜ｂ これは、５℃／ｓｅｃ未満ではベーナイト変態が起こり
難く強度への寄与が不十分となる為であり、また４０℃
／ｓｅｃを越えると第２相がすべてマルテンサイト変態
を起こす為、延性、靭性及び耐硫化水素割れ性のすべて
が劣悪になる。又この銅板は６００℃以下の温度で巻取
らなければならず、巻取り温度が５００℃を越えると第
２相がベーナイト若しくはパーライトのいずれか、或は
両者が混在した組織となり、目標とする低降伏比の鋼板
を得ることがＶきなくなる。

尚本発明銅板の製造に当たっては、連鋳スラブ又は分塊
スラブを途中強制冷却及び加熱炉への装入等を行なうこ
となく、熱鋼片状態のまま直接圧延する方法（Ｈｏｔ　
Ｄｉｒｅｃｔ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　）及び熱鋼片状態にか
いて温度降下分だけを加熱する方法（Ｈｏｔ　Ｃｈａｒ
ｇｅ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　）などを採用することもできる
。

本発明は以上の様に構成されており、鋼材の化学成分及
び結晶組織を厳密に規定することによって、低降伏比を
有すると共に靭性、延性及び耐硫化水素割れ性の卓越し
たラインパイプ用高強度網板を提供し得ることになった
。しかもその製造に当たっては加熱、熱間圧延及び冷却
・巻取りの各条件を厳密に設定することによって、高品
質の同鋼板を再現性よく製造し得ることになった。

次に実鹸例を挙げて本発明の構成及び作用効果を一層明
確にする。

実施例１ １６トンの電気炉により溶製した第１表に示す化学成分
のスラブを、第２表に示す条件で加熱処理−制御圧延一
制御冷却一巻取り、を行なって７鱈厚の鋼板を得た。得
られた各鋼板に１９６未満のスキンパスを施した後、機
械的性質及び耐硫化水素割れ性の試験を行なった。尚耐
硫化水素割れ性試験は、厚さ６鰭×幅２０　ｔｍ　Ｘ長
さ６５πｍの試験片を採取して全面研削（ＶＷ仕上げ）
した後、（５９６ＮａＣ１＋　０５％　ＣＨａＣＯＯＨ
）の水溶液に１気圧の硫化水素を飽和させてなる腐食液
中に応力無負荷の状態で９６時間浸漬し、その後各試験
片について６断面の検鏡と超音波探傷器により水素誘起
割れ性を調べることにより行なった。

結果を第２表に一括して示す。

第２表からも明らかな様に、本発明の規定要件を満たす
鋼板は何れも適正なフェライト・ベーナイト・マルテン
サイト８相組織からなり、何れも圧延のままで降伏点伸
びを生ずることなく０．７以下の低降伏比を有して＃す
、延性、靭性及び耐硫化水素割れ性の何れも優れた値を
示している。

これに対し、化学成分のみからすれば規定要件を満たし
ている鋼種りであっても、加熱処理、熱延・冷却条件が
規定範囲を外れるもの（Ｉ板Ｄ１〜Ｄ３）は８相組織の
規定要件を外れて詣り、要求性能を充足するものとは言
えない。即ち鋼種Ｄ１は加熱温度が高すぎると共に熱延
及び冷却条件も適切でない為、フェライト・パーライト
組織となって高強度が得られず、降伏比が高い他耐硫化
水素割れ性も劣悪である。鋼種り、はやはり加熱温度及
び熱延・冷却条件が適切でなくフェライト・マルテンサ
イト２相組織となったもので、降伏比が低く強度−伸び
バランスは良好であるものの、靭性及び耐硫化水素割些
性が極端に悪い。鋼種Ｄ３は制御冷却条件が規定範囲を
外れている為フェライト・ベーナイト２相組織となった
もので、強度、靭性及び耐硫化水素割れ性は良好である
が、降伏比が高い為パイプ成形時に問題となることは明
白である。

実施例２ 第８表に示す化学成分の溶鋼を使用し、実施例１と同様
に溶製及びスラブ処理を行なって７Ｍ厚の鋼板を製造し
、次いで実施例１と同様にして機械的性質及び耐硫化水
素割れ性の試験を行なった。

結果を第４表に一括して示す。

第８表　化学成分（重量％） 結果を第４表に一括して示す。

第４表からＣ，ＭｎＪｌを増加したＷ４Ｒ，Ｔは第２相
ｊ！（特にマルテンサイト、詔よび鋼Ｔでは層状組織の
生成）の増加がみられ、ｍ５（Ｓｉ増）はフェライト＋
マルテンサイト組織およびＳｉによる鋼の脆化がみられ
、ｆＲＵ（Ｐ増）は板厚中心部に生じた成分偏析層、鋼
ｖ（Ｓ増）、ＷＣＡｌ増）は非金属介在物の増加により
鋼の清浄性を害し、これらはいずれも母材＃よび熱影響
部の靭性を劣化させるばかりか硫化水素割れの大きな原
因となり、いずれも所望とする材質が得られず、本発明
鋼に比ベラインパイプ用鋼板に必要な靭性、耐硫化水素
割れ性が劣ることが明白である。

出願人株式会社神戸！＆！銅所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ｔｌ　Ｃ：０．０２〜０．１　％　（東屋％：以下同
   じ）Ｓｉ：０．０２〜１．２％ ｌｄｎ　：　０．５〜１．５９６ Ａｌ：０．０１〜０．１％ を含有すると共に、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．００
   ８％以下に夫々制限され、残部が実質的にＦｅからなり
   、その組織がフェライト、ベーナイト及びマルテンサイ
   トの８相からなり、ベーナイト面積率５〜４０９６、マ
   ルテンサイト面積率１〜１０％であることを特徴とする
   低降伏比を有する耐硫化水素割れ性に優れたラインパイ
   プ用高強度鋼板。 （２１Ｃ：０．０２〜０．１９６ Ｓｉ：０．０２〜１，２％ Ｍｎ　：　０．５〜Ｌ、Ｓ　９６ ＡＩ　：　０．０１−０．１％ を含有すると共に、Ｐ：０．０８％以下、ｓ　：　ｏ、
   ｏｏａ％以下に夫々制限され、残部が実質的にＦ、から
   なる連鋳スラグ又は分塊スラグを、１０００〜１２００
   ℃に加熱し、その後の熱間圧延に当たりでは、９００℃
   以下における圧下率を５０％以上とし、 ■熱延仕上温度をＡｒ３点直上とし、熱延終了温度から
   Ａｒ３〜Ａｒ１点の範囲の温度までを２０℃／　８６０
   以上の速度で急冷するか、又は■熱延仕上温度をＡｒ　
   〜Ａｒ１点の範囲の温度とし、 次いでその温度から２〜２０秒間放冷又は徐冷した後、
   １０〜ｂ ℃以下の温度まで冷却して巻取り、その組織が７エライ
   ト、ベーナイト及びマルテンサイトの８相からなり、ベ
   ーナイト面積率５〜４０％、マルテンサイト面積率１〜
   １０％とすることを＊＊とする低降伏比を有する耐硫化
   水素割れ性に優れたラインパイプ用高強度鋼板の製造方
   法。