JPWO2007080646A1 - 極低温用鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献4には、連続鋳造方法の発明が開示されているにとどまり、9%Ni鋼なみの母材特性を得るための化学成分の設計や製造方法については開示されておらず、母材特性そのものも開示されていない。また、具体的に示されているNi量の最少値は9.08%であり、低Niで9%Ni鋼と同等の母材性能を得る手段は開示されていない。
佐藤ら:「力学的性質の急変部に切欠きをもつ材の塑性変形挙動とき裂開口変位」(溶接学会誌、第52巻、第2号、pp.86−93、(1983))
3Si+5Al+50N≦0.65 ・・・・(a)
Cは、母材の強度確保に寄与する。その含有量が0.01%未満では必要な強度が確保できないだけでなく、FLでのラス形成が不十分になってFL近傍のHAZの靭性も低下する。一方、その含有量が0.12%を超えると、HAZ、なかでもFL近傍のHAZの靭性劣化が著しくなる。よって、C含有量は0.01〜0.12%とする。
Mnは、脱酸剤として、また母材の強度と靭性の確保およびHAZの焼入性確保のために添加する。その含有量が0.4%未満ではこれらの効果が得られないだけでなく、HAZにフェライトサイドプレートが生成してラス形成が不十分になり、溶接部の靭性が低下する。一方、2%を超える過剰なMnは、中心偏析による板厚方向での母材特性の不均一をもたらす。よって、Mn含有量は0.4〜2%とする。より好ましいのは0.4〜1.1%である
Niは極低温用鋼としての靭性確保のために添加する最も基本的な元素である。含有量が多いほど高い低温靭性が得られるが、含有量が多いと経済性を損なう。したがって、本発明ではNi含有量を、5%を超えて7.5%未満とした。低温靭性の確保から、より好ましい下限は5.7%である。
Alは、脱酸剤として作用するが、Siと同様に、マルテンサイトのオートテンパーを遅延させるため、含有量は少ない方が望ましい。しかし、Al含有量が0.002%未満では充分な脱酸効果が得られない。また、Al含有量が0.05%を超えると、前述したSiと同様に、溶接冷却過程において過飽和にCを固溶したマルテンサイトからのセメンタイトへの分解析出反応を抑制し、溶接部の靭性が低下する。よって、Al含有量は0.002〜0.05%とする。
鋼中のNは、析出物の生成を通してHAZ靭性の悪化原因となる。したがって、Nは0.0045%以下でなければHAZの靱性が劣化するのを避けることができない。一方、AlNの形成を通じてHAZ組織の微細化にも効果があるため、0.0015%以上の含有は必要である。よってN含有量は0.0015〜0.0045%とする。
Siは、不純物として鋼中に不可避的に存在するが、含有されれば、脱酸剤として作用する。Si含有量が0.1%を超えた場合には、オートテンパーを遅延させ、溶接冷却過程において過飽和にCを固溶したマルテンサイト中からのセメンタイトへの分解析出反応を抑制する、または島状マルテンサイトを増加させ、溶接部の靭性を低下させる。よって、Si含有量は0.1%以下とする。
Pは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。その含有量が0.05%を超えると、粒界に偏析して靭性を低下させるのみならず、溶接時に高温割れを招く。よって、P含有量は0.05%以下とする必要がある。
Sも不純物として鋼中に不可避的に存在する。その含有量が0.008%を超えると、中心偏析を助長し、延伸したMnSが多量に生成し、母材およびHAZの機械的性質が劣化する。よって、S含有量は0.008%とする必要がある。
第1群・・・Cu:2.0%以下、Cr:1.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下およびB:0.005%以下
第2群・・・Nb:0.1%以下およびTi:0.1%以下
第3群・・・Ca:0.004%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.002%以下。
Cuは、母材の強度確保に有効な元素である。この効果を得るには0.1%以上の含有が望ましい。しかしながら、Cu含有量が2.0%を超えるとAc3変態点以下に加熱すると、HAZの靭性が劣化する。したがって、Cu含有量の上限は2.0%とする。
Crは、耐炭酸ガス腐食性を高め、また焼入性を高めるのに有効な元素である。この効果を得るには0.2%以上の含有が望ましい。しかしながら、Cr含有量が1.5%を超えると、HAZの硬化の抑制が難しくなり、かつ、耐炭酸ガス腐食性を向上させる効果も飽和する。したがって、Cr含有量の上限は1.5%とする。
Moは、母材の強度と靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るには0.02%以上の含有が望ましい。しかしながら、Mo含有量が0.5%を超えると、特にHAZの硬度が高まり、靱性と耐SSC性を損なう。したがって、Mo含有量の上限は0.5%とする。
Vは、主に焼戻し時の炭窒化物析出により母材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るには0.005%以上の含有が望ましい。しかしながら、V含有量が0.1%を超えると、母材強度を向上させる効果が飽和し、靱性劣化を招く。したがって、V含有量の上限は0.1%とする。
Bは、母材の強度確保に有効な元素である。この効果を得るには0.0003%以上の含有が望ましい。しかしながら、B含有量が0.005%を超えると、粗大な硼化物の析出を招いて靭性が劣化する。したがって、B含有量の上限は0.005%とする。
Nbは、鋼の組織を微細化して低温靭性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るには0.005%以上の含有が望ましい。しかしながら、Nbの含有量が0.1%を超えると、粗大な炭化物および窒化物を形成し、靭性が低下する。したがって、Nb含有量の上限は0.1%とする。
Tiは、脱酸剤として有効な元素である。Tiが含有されていると、Al、TiおよびMnからなる酸化物相が形成し、組織の微細化に寄与するピンニング粒子となる。この効果を得るには0.005%以上の含有が望ましい。しかしながら、Ti含有量が0.1%を超えると、形成される酸化物がTi酸化物、あるいはTi−Al酸化物となって分散密度が低下し、特に小入熱溶接部の熱影響部における組織を微細化する能力が失われる。したがって、Ti含有量の上限は0.1%とする。
Caは、鋼中のSと反応して溶鋼中で酸・硫化物(オキシサルファイド)を形成する。この酸・硫化物は、MnSなどと異なり、圧延加工で圧延方向に伸びることがなく圧延後も球状を維持する。この球状介在物により、延伸した介在物の先端などを割れの起点とする溶接割れや水素誘起割れを抑制することができる。この効果を得るには0.0002%以上の含有が望ましい。しかしながら、Ca含有量が0.004%を超えると、靱性の劣化を招く。したがって、Caの含有量を0.004%以下とした。
Mgは、微細なMg含有酸化物を生成し、オーステナイト粒の微細化に有効な元素である。この効果を得るには0.0002%以上の含有が望ましい。しかしながら、Mg含有量が0.005%を超えると、酸化物が多くなりすぎて延性低下をもたらす。したがって、Mg含有量の上限は0.005%とする。
REMは、溶接熱影響部の組織の微細化や、Sの固定に有効な元素である。この効果を得るには0.0005%以上の含有が望ましい。REMの添加によって形成される介在物は、比較的、靱性劣化への影響が小さいため、0.002%以下であれば含有させても母材の靱性の低下は許容できる。したがって、REM含有量の上限は0.002%とする。なお、REMとはランタノイド元素にScおよびYを加えた17種の元素を意味する。
3Si+5Al+50N≦0.65 ・・・・(a)
再現熱サイクル試験後に、抽出残さ法により抽出した残さ中のFe含有量が0.002%以上であれば、鋼を溶接した場合のToe部を含めた溶接熱影響部のCTOD特性は良好となる。残さ中のFe含有量が0.002%未満では、十分にセメンタイトの析出が進行せず、高いCTOD特性を得ることができない。残さ中のFe含有量の上限は定めないが、その含有量が0.05%を超えると、セメンタイトとマトリックスの界面での歪集中により脆性破壊が助長される。このため、残さ中のFe含有量は0.05%以下とすることが好ましい。
(1)常温から1400℃まで40秒で等速昇温、
(2)1400℃で5秒間保持、
(3)1000℃までを23秒で冷却、
(4)800℃までを28秒で冷却、
(5)600℃までを60秒で冷却、
(6)400℃までを130秒で冷却、
(7)150℃までを250秒で冷却し、その後は放冷する。
鋼の組織の細粒化は、組織の受け継ぎを通じてToe部の熱影響組織中のマルテンサイトのテンパー効果を促進する働きを持つ。組織が微細化されているということは、セメンタイトの析出サイトである旧オーステナイト粒界やパケット境界などが多く含まれることを意味する。したがって、組織の微細化は、セメンタイトの析出を促進する働きを有する。加熱温度を低温化することで顕著な微細化傾向が示されるが、低温にしすぎると所望の板厚までの圧延が困難になるだけでなく、析出物の固溶−析出の挙動が滞ることにより強度不足が生じる。つまり、900℃未満では所望の板厚までの圧延が困難で、かつ強度不足が顕著化する。一方、1100℃を超える温度での加熱では、組織の微細化が進まない。このため、スラブは900から1100℃までの温度で加熱する。
組織微細化のためには、オーステナイトの未再結晶域で累積圧下率50%以上の圧延を行う。このような圧延を行うことで、オーステナイト中に微細なサブグレインを形成させることができ、マルテンサイト変態後の組織を微細化することができる。
圧延終了後の冷却は空冷、水冷いずれであってもよい。ここで、冷却開始から少なくとも600℃まで10℃/s以上の冷却速度で冷却すれば、仕上げ圧延で導入された格子欠陥(転位)をより多く維持させることができ、最終的な組織は微細化する。
加速冷却後は、場合により700℃以下の温度で焼戻しを行っててもよい。これにより、強度を調整するとともに、靱性を改善することができる。700℃を超える温度で焼戻しを行うと強度が低下する。
母材組織をさらに微細化させるためには、焼戻しの前にフェライトとオーステナイトの二相域に加熱するのが望ましい。その二相域熱処理は680〜800℃で加熱し、その後、200℃以下まで5℃/sの冷却速度で冷却すればよい。
さらに、各厚鋼板に再現熱サイクル試験を施し、上述した抽出残さ法により残さを抽出して、残さ中のFe含有量を測定した。
特許文献4には、連続鋳造方法の発明が開示されているにとどまり、9%Ni鋼なみの母材特性を得るための化学成分の設計や製造方法については開示されておらず、母材特性そのものも開示されていない。また、具体的に示されているNi量の最少値は9.08%であり、低Niで9%Ni鋼と同等の母材性能を得る手段は開示されていない。
佐藤ら:「力学的性質の急変部に切欠きをもつ材の塑性変形挙動とき裂開口変位」(溶接学会誌、第52巻、第2号、pp.86−93、(1983))
3Si+5Al+50N≦0.65 ・・・・(a)
Cは、母材の強度確保に寄与する。その含有量が0.01%未満では必要な強度が確保できないだけでなく、FLでのラス形成が不十分になってFL近傍のHAZの靭性も低下する。一方、その含有量が0.12%を超えると、HAZ、なかでもFL近傍のHAZの靭性劣化が著しくなる。よって、C含有量は0.01〜0.12%とする。
Mnは、脱酸剤として、また母材の強度と靭性の確保およびHAZの焼入性確保のために添加する。その含有量が0.4%未満ではこれらの効果が得られないだけでなく、HAZにフェライトサイドプレートが生成してラス形成が不十分になり、溶接部の靭性が低下する。一方、2%を超える過剰なMnは、中心偏析による板厚方向での母材特性の不均一をもたらす。よって、Mn含有量は0.4〜2%とする。より好ましいのは0.4〜1.1%である
Niは極低温用鋼としての靭性確保のために添加する最も基本的な元素である。含有量が多いほど高い低温靭性が得られるが、含有量が多いと経済性を損なう。したがって、本発明ではNi含有量を、5%を超えて7.5%未満とした。低温靭性の確保から、より好ましい下限は5.7%である。
Alは、脱酸剤として作用するが、Siと同様に、マルテンサイトのオートテンパーを遅延させるため、含有量は少ない方が望ましい。しかし、Al含有量が0.002%未満では充分な脱酸効果が得られない。また、Al含有量が0.05%を超えると、前述したSiと同様に、溶接冷却過程において過飽和にCを固溶したマルテンサイトからのセメンタイトへの分解析出反応を抑制し、溶接部の靭性が低下する。よって、Al含有量は0.002〜0.05%とする。
鋼中のNは、析出物の生成を通してHAZ靭性の悪化原因となる。したがって、Nは0.0045%以下でなければHAZの靱性が劣化するのを避けることができない。一方、AlNの形成を通じてHAZ組織の微細化にも効果があるため、0.0015%以上の含有は必要である。よってN含有量は0.0015〜0.0045%とする。
Siは、不純物として鋼中に不可避的に存在するが、含有されれば、脱酸剤として作用する。Si含有量が0.1%を超えた場合には、オートテンパーを遅延させ、溶接冷却過程において過飽和にCを固溶したマルテンサイト中からのセメンタイトへの分解析出反応を抑制する、または島状マルテンサイトを増加させ、溶接部の靭性を低下させる。よって、Si含有量は0.1%以下とする。
Pは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。その含有量が0.05%を超えると、粒界に偏析して靭性を低下させるのみならず、溶接時に高温割れを招く。よって、P含有量は0.05%以下とする必要がある。
Sも不純物として鋼中に不可避的に存在する。その含有量が0.008%を超えると、中心偏析を助長し、延伸したMnSが多量に生成し、母材およびHAZの機械的性質が劣化する。よって、S含有量は0.008%とする必要がある。
第1群・・・Cu:2.0%以下、Cr:1.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下およびB:0.005%以下
第2群・・・Nb:0.1%以下およびTi:0.1%以下
第3群・・・Ca:0.004%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.002%以下。
Cuは、母材の強度確保に有効な元素である。この効果を得るには0.1%以上の含有が望ましい。しかしながら、Cu含有量が2.0%を超えるとAc3変態点以下に加熱すると、HAZの靭性が劣化する。したがって、Cu含有量の上限は2.0%とする。
Crは、耐炭酸ガス腐食性を高め、また焼入性を高めるのに有効な元素である。この効果を得るには0.2%以上の含有が望ましい。しかしながら、Cr含有量が1.5%を超えると、HAZの硬化の抑制が難しくなり、かつ、耐炭酸ガス腐食性を向上させる効果も飽和する。したがって、Cr含有量の上限は1.5%とする。
Moは、母材の強度と靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るには0.02%以上の含有が望ましい。しかしながら、Mo含有量が0.5%を超えると、特にHAZの硬度が高まり、靱性と耐SSC性を損なう。したがって、Mo含有量の上限は0.5%とする。
Vは、主に焼戻し時の炭窒化物析出により母材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るには0.005%以上の含有が望ましい。しかしながら、V含有量が0.1%を超えると、母材強度を向上させる効果が飽和し、靱性劣化を招く。したがって、V含有量の上限は0.1%とする。
Bは、母材の強度確保に有効な元素である。この効果を得るには0.0003%以上の含有が望ましい。しかしながら、B含有量が0.005%を超えると、粗大な硼化物の析出を招いて靭性が劣化する。したがって、B含有量の上限は0.005%とする。
Nbは、鋼の組織を微細化して低温靭性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るには0.005%以上の含有が望ましい。しかしながら、Nbの含有量が0.1%を超えると、粗大な炭化物および窒化物を形成し、靭性が低下する。したがって、Nb含有量の上限は0.1%とする。
Tiは、脱酸剤として有効な元素である。Tiが含有されていると、Al、TiおよびMnからなる酸化物相が形成し、組織の微細化に寄与するピンニング粒子となる。この効果を得るには0.005%以上の含有が望ましい。しかしながら、Ti含有量が0.1%を超えると、形成される酸化物がTi酸化物、あるいはTi−Al酸化物となって分散密度が低下し、特に小入熱溶接部の熱影響部における組織を微細化する能力が失われる。したがって、Ti含有量の上限は0.1%とする。
Caは、鋼中のSと反応して溶鋼中で酸・硫化物(オキシサルファイド)を形成する。この酸・硫化物は、MnSなどと異なり、圧延加工で圧延方向に伸びることがなく圧延後も球状を維持する。この球状介在物により、延伸した介在物の先端などを割れの起点とする溶接割れや水素誘起割れを抑制することができる。この効果を得るには0.0002%以上の含有が望ましい。しかしながら、Ca含有量が0.004%を超えると、靱性の劣化を招く。したがって、Caの含有量を0.004%以下とした。
Mgは、微細なMg含有酸化物を生成し、オーステナイト粒の微細化に有効な元素である。この効果を得るには0.0002%以上の含有が望ましい。しかしながら、Mg含有量が0.005%を超えると、酸化物が多くなりすぎて延性低下をもたらす。したがって、Mg含有量の上限は0.005%とする。
REMは、溶接熱影響部の組織の微細化や、Sの固定に有効な元素である。この効果を得るには0.0005%以上の含有が望ましい。REMの添加によって形成される介在物は、比較的、靱性劣化への影響が小さいため、0.002%以下であれば含有させても母材の靱性の低下は許容できる。したがって、REM含有量の上限は0.002%とする。なお、REMとはランタノイド元素にScおよびYを加えた17種の元素を意味する。
3Si+5Al+50N≦0.65 ・・・・(a)
再現熱サイクル試験後に、抽出残さ法により抽出した残さ中のFe含有量が0.002%以上であれば、鋼を溶接した場合のToe部を含めた溶接熱影響部のCTOD特性は良好となる。残さ中のFe含有量が0.002%未満では、十分にセメンタイトの析出が進行せず、高いCTOD特性を得ることができない。残さ中のFe含有量の上限は定めないが、その含有量が0.05%を超えると、セメンタイトとマトリックスの界面での歪集中により脆性破壊が助長される。このため、残さ中のFe含有量は0.05%以下とすることが好ましい。
(1)常温から1400℃まで40秒で等速昇温、
(2)1400℃で5秒間保持、
(3)1000℃までを23秒で冷却、
(4)800℃までを28秒で冷却、
(5)600℃までを60秒で冷却、
(6)400℃までを130秒で冷却、
(7)150℃までを250秒で冷却し、その後は放冷する。
鋼の組織の細粒化は、組織の受け継ぎを通じてToe部の熱影響組織中のマルテンサイトのテンパー効果を促進する働きを持つ。組織が微細化されているということは、セメンタイトの析出サイトである旧オーステナイト粒界やパケット境界などが多く含まれることを意味する。したがって、組織の微細化は、セメンタイトの析出を促進する働きを有する。加熱温度を低温化することで顕著な微細化傾向が示されるが、低温にしすぎると所望の板厚までの圧延が困難になるだけでなく、析出物の固溶−析出の挙動が滞ることにより強度不足が生じる。つまり、900℃未満では所望の板厚までの圧延が困難で、かつ強度不足が顕著化する。一方、1100℃を超える温度での加熱では、組織の微細化が進まない。このため、スラブは900から1100℃までの温度で加熱する。
組織微細化のためには、オーステナイトの未再結晶域で累積圧下率50%以上の圧延を行う。このような圧延を行うことで、オーステナイト中に微細なサブグレインを形成させることができ、マルテンサイト変態後の組織を微細化することができる。
圧延終了後の冷却は空冷、水冷いずれであってもよい。ここで、冷却開始から少なくとも600℃まで10℃/s以上の冷却速度で冷却すれば、仕上げ圧延で導入された格子欠陥(転位)をより多く維持させることができ、最終的な組織は微細化する。
加速冷却後は、場合により700℃以下の温度で焼戻しを行ってもよい。これにより、強度を調整するとともに、靱性を改善することができる。700℃を超える温度で焼戻しを行うと強度が低下する。
母材組織をさらに微細化させるためには、焼戻しの前にフェライトとオーステナイトの二相域に加熱するのが望ましい。その二相域熱処理は680〜800℃で加熱し、その後、200℃以下まで5℃/sの冷却速度で冷却すればよい。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.01〜0.12%、Mn:0.4〜2%、Ni:5%を超えて7.5%未満、Al:0.002〜0.05%、N:0.0015〜0.0045%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物のうちのSiが0.1%以下、Pが0.05%以下、Sが0.008%以下で、かつ、下記の(a)式を満足することを特徴とする極低温用鋼。ただし、(a)式中の元素記号はその元素の含有量(質量%)を示す。
3Si+5Al+50N≦0.65 ・・・・(a) - Feの一部に代えて、さらに質量%で、Cu:2.0%以下、Cr:1.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下およびB:0.005%以下のうちの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に記載の極低温用鋼。
- Feの一部に代えて、さらに、Nb:0.1%以下およびTi:0.1%以下のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の極低温用鋼。
- Feの一部に代えて、さらに、Ca:0.004%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.002%以下のうち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から請求項3までのいずれかに記載の極低温用鋼。
- 常温から1400℃まで40秒で等速昇温し、1400℃で5秒間保持した後、1000℃までを23秒で、800℃までを28秒で、600℃までを60秒で、400℃までを130秒で、150℃までを250秒で冷却し、その後放冷する再現熱サイクル試験後に、抽出残さ法により抽出した残さ中のFe含有量が0.002%以上であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかに記載の極低温用鋼。
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