JPWO2020044421A1 - 鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

板厚中心部の絞り特性に優れた高Ｍｎ鋼板を提供する。Ｃ：０．２０％以上０．７０％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下、Ｍｎ：１５％以上３５％以下、Ａｌ：０．１％以下、Ｃｒ：８．０％以下、Ｎ：０．００１０％以上０．０５００％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．００５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の成分組成とし、引張強度が６００MPa以上かつ−１９６℃における吸収エネルギーが２７Ｊ以上でさらに板厚方向の絞り値が３０％以上とする。

Description

本発明は、液化ガス貯槽用タンク等、極低温環境で使用される構造用鋼に供して好適な、特に板厚中心部特性に優れる鋼板およびその製造方法に関する。
液化ガス貯槽用タンク等の構造物は、その使用環境が極低温となるために、この構造物に熱間圧延鋼板を用いるには、該鋼板の強度のみならず極低温での靱性に優れることが要求される。例えば、液化天然ガスの貯槽に用いる熱間圧延鋼板には、液化天然ガスの沸点である−１６４℃より低い温度域で優れた靱性を確保する必要がある。極低温貯槽用構造物に用いる鋼板の低温靱性が劣ると、該極低温貯槽用構造物としての安全性を維持できなくなる虞があるため、適用される鋼板に対する低温靱性向上の要求は強いものがある。
この要求に対して、従来、極低温で脆性を示さないオーステナイト組織を有するオーステナイト系ステンレス鋼板や９％Ｎｉ鋼板、もしくは５０００系アルミニウム合金が使用されてきた。しかしながら、上述の金属材料は合金コストや製造コストが高いことから、安価で極低温靱性に優れる鋼板への需要がある。そこで、従来の極低温用鋼に代わる新たな鋼板として、比較的安価なオーステナイト安定化元素であるＭｎを多量に添加してオーステナイト組織とした、高Ｍｎ鋼を極低温環境の構造用鋼板として適用することが検討されている。
例えば、特許文献１には、Ｍｎを１５〜３５％、Ｃｕ：５％以下、さらにＣとＣｒを適量添加することによって、被削性および溶熱熱影響部の−１９６℃でのシャルピー衝撃特性を改善した鋼材が開示されている。
また、特許文献２には、Ｃ：０．２５〜０．７５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：２０％を超え３５％以下、Ｎｉ：０．１％以上７．０％未満、Ｃｒ：０．１％以上８．０％未満を添加する低温靱性を改善した高Ｍｎ鋼材が開示されている。
さらに、特許文献３には、Ｃを０．００１〜０．８０％、Ｍｎを１５〜３５％含有し、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭといった元素を添加することによって、母材および溶接部の極低温靱性およびを改善した高Ｍｎ鋼材が開示されている。
特表２０１５−５０８４５２号公報 特開２０１６−８４５２９号公報 特開２０１６−１９６７０３号公報
高Mn鋼は、一般的な炭素鋼に比べ高合金であることから融点が低く、しかも融点近傍における粘性が高いために、炭素鋼に比べて粗大な鋳造欠陥が発生しやすい特徴がある。従って、製品に鋳造欠陥が残存していると、十字継手など鋼板の板厚方向に引張応力が作用する場合に、製品に破断が生じて構造物の崩壊につながるおそれがある。
しかしながら、特許文献１、２および３に記載の鋼材は、強度と低温靱性を達成するための製造コストの観点ならびに上述したオーステナイト鋼材の使用に際して構造物の安全性の観点から重要となる、板厚中心部の絞り特性について言及されておらず、未だ検討の余地があった。
本発明は係る問題に鑑み、板厚中心部の絞り特性に優れた高Ｍｎ鋼板を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解消するために、高Ｍｎ鋼を対象にして、鋼板の成分組成や製造方法などに関して鋭意研究を行ったところ、以下の知見を得るに到った。
（ｉ）高Ｍｎ鋼をベースに、Ｓの含有量を0.005％以下に抑制することにより、MnSの生成量を低減させ、板厚方向の引張特性を改善することができる。
（ii）さらに、熱間仕上圧延において、圧下比３以上で圧延することにより鋳造欠陥を無害化し、かつ最終３パスのうち少なくとも２パスについて、１パス当たりの圧下率を10％以上として鋼板全体の整粒化を図って異常粗大粒の残存を抑制することにより、板厚方向の引張特性を改善することができる。
本発明は、以上の知見にさらに検討を加えてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：０．２０％以上０．７０％以下、
Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下、
Ｍｎ：１５％以上３５％以下、
Ａｌ：０．１％以下、
Ｃｒ：８．０％以下、
Ｎ：０．００１０％以上０．０５００％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．００５％以下
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の成分組成を有し、引張強度が６００MPa以上かつ−１９６℃における吸収エネルギーが２７Ｊ以上でさらに板厚方向の絞り値が３０％以上である鋼板。
ここで、板厚方向の絞り値は、JIS Ｚ3199に準拠した試験にて測定することができる。
２．前記成分組成は、さらに、質量％で、
Ｎｂ：０．００３％以上０．０３０％以下、
Ｖ：０．０１％以上０．１０％以下、
Ｔｉ：０．００３％以上０．０４０％以下および
Ｂ：０．０００３％以上０．０１００％以下
から選択される１種または２種以上を含有する前記１に記載の鋼板。
３．前記成分組成は、さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．０１％以上０．７０％以下、
Ｎｉ：０．０１％以上０．５０％以下、
Ｓｎ：０．０１％以上０．３０％以下、
Ｓｂ：０．０１％以上０．３０％以下、
Ｍｏ：０．０５％以上２．０％以下および
Ｗ：０．０５％以上２．０％以下
から選択される１種または２種以上を含有する前記１または２に記載の鋼板。
４．前記成分組成は、さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００５％以上０．００５０％以下、
Ｍｇ：０．０００５％以上０．０１００％以下および
ＲＥＭ：０．００１０％以上０．０２００％以下
から選択される１種または２種以上を含有する前記１、２または３に記載の鋼板。
５．前記１から４のいずれかに記載の鋼板を製造する方法であって、鋼素材を１０００℃以上１３００℃以下に加熱したのち、熱間圧延を、圧下比：３以上、かつ最終３パスのうちの少なくとも２パスの圧下率が１パス当たり１０％以上にて行う鋼板の製造方法。
本発明によれば、板厚中心部の絞り特性に優れる鋼板を提供することができる。そして、本発明の鋼板を、液化ガス貯槽用タンク等の、極低温環境で使用される鋼構造物に適用すれば、該構造物の安全性向上に大きく寄与し、産業上格段の効果をもたらすことになる。また、既存の材料に比べて安価であるため、経済性に優れる利点もある。
以下、本発明の鋼板について具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
［成分組成］
まず、本発明の鋼板の成分組成と、その限定理由について説明する。なお、成分組成を表す「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
Ｃ：０．２０％以上０．７０％以下
Ｃは、高強度化に有効であり、さらに、安価なオーステナイト安定化元素であり、オーステナイト組織を得るために重要な元素である。その効果を得るためには、Ｃは０．２０％以上の含有を必要とする。一方、０．７０％を超えて含有すると、板厚中心部に偏析し、Ｃｒ炭化物およびＮｂ、Ｖ、Ｔｉ系炭化物の過度な析出を促すため、低温靱性が低下するとともに、絞り値が低下する。このため、Ｃは０．２０％以上０．７０％以下とする。好ましくは０．２５％以上０．６０％以下とする。
Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下
Ｓｉは、脱酸材として作用し、製鋼上必要であるだけでなく、鋼に固溶して固溶強化により鋼板を高強度化する効果を有する。このような効果を得るためには、Ｓｉは０．０５％以上の含有を必要とする。一方、１．０％を超えて含有すると、溶接性および表面性状が劣化する。このため、Ｓｉは０．０５％以上１．０％以下とする。好ましくは０．０７％以上０．５％以下とする。
Ｍｎ：１５％以上３５％以下
Ｍｎは、比較的安価なオーステナイト安定化元素である。本発明では、強度と極低温靱性を両立するために重要な元素である。その効果を得るためには、Ｍｎは１５％以上の含有を必要とする。一方、３５％を超えて含有する場合、極低温靱性を改善する効果が飽和し、合金コストの上昇を招く。また、溶接性、切断性が劣化する。さらに、偏析を助長し、極低温靭性の低下や板厚方向引張特性の劣化、応力腐食割れの発生を引き起こす。このため、Ｍｎは１５％以上３５％以下とする。好ましくは、１８％以上２８％以下の範囲とする。
Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは、脱酸剤として作用し、鋼板の溶鋼脱酸プロセスに於いて、もっとも汎用的に使われる。また、鋼中の固溶Ｎを固定してＡｌＮを形成し固溶Ｎ低減による靱性劣化を抑制する効果を有する。そのためには、０．０１％以上で含有することが好ましい。一方、Ａｌは０．１％を超えて含有すると、溶接時に溶接金属部に拡散して、溶接金属の靭性を劣化させるため、０．１％以下とする。好ましくは０．０７％以下とする。より好ましくは０．０２％以上０．０６％以下とする。
Ｃｒ：８．０％以下
Ｃｒは、高Mn鋼の低温靭性および耐食性向上に必要な元素である。一方でＣｒは、圧延中に窒化物、炭化物、炭窒化物等の形態で析出する場合があり、このような析出物の形成により腐食や破壊の起点となって低温靭性が低下するため、上限を８．０％とする。好ましくはＣｒ量を１．０％以上６．０％以下、より好ましくは１．５％以上５．５％以下の範囲とする。
Ｎ：０．００１０％以上０．０５００％以下
Ｎは、オーステナイト安定化元素であり、極低温靱性の向上に有効な元素である。また、Ｎｂ、ＶおよびＴｉと結合し、窒化物または炭窒化物として微細に析出して、拡散性水素のトラップサイトとして応力腐食割れを抑制する効果を有する。このような効果を得るためには、Ｎを０．００１０％以上で含有する必要がある。一方、０．０５００％を超えて含有すると、過剰な窒化物または炭窒化物の生成を促し、固溶元素量が低下し耐食性が低下するだけでなく、靭性も低下する。このため、Ｎは０．００１０％以上０．０５００％以下とする。好ましくは、Ｎ量を０．００２０％以上０．０２００％以下とする。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、０．０３％を超えて含有すると、粒界に偏析し粒界強度を低下させ、破壊起点となる場合がある。そのため、０．０３％を上限とし、可能なかぎり低減することが望ましい。したがって、Ｐは０．０３％以下とする。Ｐは少ないほど特性が向上するため、好ましくは０．０２５％以下とし、より好ましくは０．０２０％以下とする。なお、０．０００５％未満まで抑制するには、多大な製鋼コストを要することから、経済性の観点からは０．０００５％以上とすることが好ましい。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し低温靭性や板厚方向引張時の絞りを著しく劣化させるため、０．００５％を上限とし、可能なかぎり低減することが望ましい。好ましくは、０．００２％以下とする。なお、０．０００１％未満まで抑制するには、多大な製鋼コストを要することから、経済性の観点からは０．０００１％以上とすることが好ましい。
上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Zr、As などがある。
本発明では、強度および低温靱性をさらに向上させることを目的として、上記の必須元素に加えて、必要に応じて下記の元素を含有することができる。
Ｎｂ：０．００３％以上０．０３０％以下
Ｎｂは、鋼板の強度の向上に有効な元素である。このような効果を得るには、Ｎｂを０．００３％以上で添加することが好ましい。一方、０．０３０％を超えて含有すると、粗大な炭窒化物が析出し、破壊の起点となり板厚方向の引張特性を劣化させることがある。また、析出物が粗大化し、母材靱性を劣化させることがある。このため、Ｎｂを含有する場合は、０．００３％以上０．０３０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．００５％以上、さらには０．００７％以上とする。同様に、より好ましくは、０．０２５％以下、さらには０．０２２％以下とする。
Ｖ：０．０１％以上０．１０％以下
Ｖは、鋼板の強度向上に有効な元素である。このような効果を得るには、Ｖを０．０１％以上で含有することが好ましい。一方、０．１０％を超えて含有すると、粗大な炭窒化物が析出し、破壊の起点となることがある。また、析出物が粗大化し、母材靱性を劣化させることがある。このため、Ｖを含有する場合は、０．０１％以上０．１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０２％以上、さらには０．０３％以上とする。同様に、より好ましくは、０．０９％以下、さらには０．０８％以下とする。
Ｔｉ：０．００３％以上０．０４０％以下
Ｔｉは、窒化物もしくは炭窒化物として析出し、鋼板の強度向上に有効な元素である。このような効果を得るには、Ｔｉを０．００３％以上で含有することが好ましい。一方、０．０４０％を超えて含有すると、析出物が粗大化し、母材靱性を劣化させることがある。また、粗大な炭窒化物が析出し、破壊の起点となることがある。このため、Ｔｉを含有する場合は、０．００３％以上０．０４０％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．００５％以上、さらには０．００７％以上とする。同様に、より好ましくは、０．０３５％以下、さらには０．０３２％以下とする。
Ｂ：０．０００３％以上０．０１００％以下
Ｂは、オーステナイト粒界強度を高める元素であり、極低温靱性向上に有効な元素である。このような効果を得るには、Ｂを０．０００３％以上で含有することが好ましい。一方、０．０１００％を超えて含有すると、粗大なＢ析出物を生成し、靭性が低下する。このため、Ｂは０．０１００％以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、０．００３０％以下である。
さらに、本発明では、必要に応じて下記の元素を含有することができる。
Ｃｕ：０．０１％以上０．７０％以下、Ｎｉ：０．０１％以上０．５０％以下、Ｓｎ：０．０１％以上０．３０％以下、Ｓｂ：０．０１％以上０．３０％以下、Ｍｏ：０．０５％以上２．０％以下、Ｗ：０．０５％以上２．０％以下の１種または２種以上
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、ＭｏおよびＷは、Ｃｒと複合添加することによって、高Ｍｎ鋼の耐食性を向上する元素である。
この効果は、高Ｍｎ鋼において、上記いずれかの元素がＣｒと共存した場合において顕在化し、それぞれ上記した下限値以上で発現する。しかし、いずれの元素も上記した上限値を超えて多く含有させると、溶接性や靱性を劣化させ、コストの観点からも不利になる。
従って、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、ＭｏおよびＷは、上記した範囲で添加することが好ましい。より好ましくは、Ｃｕ量は０．０２％以上０．５０％以下、Ｎｉ量は０．０２％以上０．４０％以下、Ｓｎ量は０．０２％以上０．２５％以下、Ｓｂ量は０．０２％以上０．２５％以下、Ｍｏ量は０．０５％以上１．５０％以下、Ｗ量は０．０５％以上１．５０％以下である。
さらにまた、本発明では、必要に応じて下記の元素を含有することができる。
Ｃａ：０．０００５％以上０．００５０％以下、Ｍｇ：０．０００５％以上０．０１００％以下、ＲＥＭ：０．００１０％以上０．０２００％以下の１種または２種以上
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、ＭｎＳ等の介在物の形態制御に有用な元素であり、必要に応じて含有できる。ここで、介在物の形態制御とは、展伸した硫化物系介在物を粒状の介在物とすることをいう。この介在物の形態制御を介して、板厚方向の引張特性、靭性および耐硫化物応力腐食割れ性を向上させることができる。このような効果を得るためには、ＣａおよびＭｇは０．０００５％以上、ＲＥＭは０．００１０％以上含有することが好ましい。
一方、いずれの元素も多く含有させると、非金属介在物量が増加し、かえって板厚中心部の特性が低下する場合がある。このため、Ｃａを含有させる場合には０．００５０％以下、Ｍｇを含有させる場合には０．０１００％以下、ＲＥＭを含有させる場合には０．０２００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｃａ量は０．００１０％以上０．００４０％以下、Ｍｇ量は０．００１０％以上０．００４０％以下、ＲＥＭ量は０．００２０％以上０．０１５０％以下とする。
以上の成分組成を有する鋼板は、さらに板厚方向の絞り値が３０％以上であることが肝要である。すなわち、板厚方向の絞り値が３０％未満の場合、例えば十字溶接継手部などで破壊が発生し構造物としての健全性が著しく損なわれるためである。
次に、本発明の鋼板の製造条件について説明する。すなわち、本発明の鋼板は、上記した成分組成を有する鋼素材を１０００℃以上１３００℃以下に加熱したのち、熱間圧延を、圧下比：３以上、かつ最終３パスのうちの少なくとも２パスの圧下率が１パス当たり１０％以上にて行うことによって、製造することができる。
なお、以下の説明において、温度「℃」は、板厚中心部における温度を意味するものとする。
［鋼素材の加熱温度：１０００℃以上１３００℃以下］
鋼素材を１０００℃以上に加熱するのは、組織中の析出物を固溶させ、結晶粒径等を均一化するためであり、加熱温度としては、１０００℃以上１３００℃以下とする。加熱温度が900℃未満の場合、析出物が十分に固溶しないため所望の特性が得られない。また、1300℃以上の加熱は結晶粒径の粗大化による材質劣化に加えて、過剰なエネルギーが必要となり生産性が低下するため加熱温度の上限を１３００℃とする。好ましくは１０５０℃以上１２５０℃以下、より好ましくは１１００℃以上１２５０℃以下の範囲である。
なお、鋼素材としては、連続鋳造スラブのほか、造塊スラブやブルームなど定法で製造した素材を用いることができる。
［熱間圧延における圧下比：３以上］
熱間圧延の圧下比が３未満では、鋳造欠陥の圧着によって板厚方向の引張特性の低下を抑制することが難しくなる。さらに、圧延によって再結晶を促進し整粒化を図ることも不十分となり、粗大なオーステナイト粒が残存してしまう結果、強度および靭性などの特性が劣化することから、圧下比を３以上に限定する。好ましくは、圧下比４以上、より好ましくは圧下比５以上とする。なお、圧下比の上限は特に制限する必要はないが、５０以下とすることが好ましい。なぜなら、圧下比が５０を超える場合、機械的特性の異方性が著しく大きくなるためである。
ここで、熱間圧延における圧下比とは、圧延素材の板厚／圧延後の鋼板の板厚で定義される。
［最終３パスのうちの少なくとも２パスの圧下率が１パス当たり１０％以上］
鋼板の材質を最終的に決定する最終３パスのうち、少なくとも２パスについては、１パス当たりの圧下率を１０％以上とすることによって、まず、鋳造欠陥を確実に無害化し、さらに、鋼板全体の整粒化を図ることで異常粗大粒の残存を抑制することが可能となり、板厚方向の引張試験における絞り値が向上する結果、３０％以上の絞り値を確保することができる。
すなわち、最終３パスのうち少なくとも２パスの圧下率を規制するのは、鋳造欠陥を確実に圧着するためである。従って、最終３パスの全てのパスの圧下率をそれぞれ１０％以上とすることが好ましい。一方、最終３パスのうち少なくとも２パスの圧下率が１０％未満であると、鋳造欠陥が残存し板厚中心部の絞り値が低下する。なお、圧下率の上限は特に定める必要はないが、圧延荷重などの設備制約から３０％とすることが好ましい。
［熱間圧延後の冷却］
鋼板の強度および低温靭性など必要な特性を得るために、熱間圧延後水冷等を実施しても良い。
表１に示すＮｏ．１〜２６の鋼を溶製してスラブとした後、表２に示す製造条件により板厚が３０〜５０ｍｍの鋼板とした。かくして得られた試料Ｎｏ．１〜３０の鋼板を、次に示す引張試験に供した。この引張試験の結果を表２に併記する。
Figure 2020044421
Figure 2020044421
板厚方向の引張試験による絞り値は、ＪＩＳ Ｇ３１９９に準拠して評価した。試験片形状はＴｙｐｅＡ試験片を用いた。 また、鋼板表面から板厚の１／４の深さ位置（以下、１／４ｔ部という）から採取した丸棒引張試験片により引張強さを、１／４ｔ部から採取したシャルピー試験片を用い−１９６℃におけるシャルピー吸収エネルギーを３本の平均値として評価した。
本発明に合致する本発明例（試料Ｎｏ．１〜１４）は絞りが３０％以上を満足することを確認した。一方、本発明の範囲を外れる比較例(試料Ｎｏ．１５〜３０)は、引張強度、吸収エネルギーおよび絞りのいずれか一つ以上が本願の請求範囲外となっており、上述の目標性能を満足できない。

Claims (5)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．２０％以上０．７０％以下、
    Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下、
    Ｍｎ：１５％以上３５％以下、
    Ａｌ：０．１％以下、
    Ｃｒ：８．０％以下、
    Ｎ：０．００１０％以上０．０５００％以下、
    Ｐ：０．０３％以下および
    Ｓ：０．００５％以下
    を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の成分組成を有し、引張強度が６００ＭＰａ以上かつ−１９６℃における吸収エネルギーが２７Ｊ以上でさらに板厚方向の絞り値が３０％以上である鋼板。
  2. 前記成分組成は、さらに、質量％で、
    Ｎｂ：０．００３％以上０．０３０％以下、
    Ｖ：０．０１％以上０．１０％以下、
    Ｔｉ：０．００３％以上０．０４０％以下および
    Ｂ：０．０００３％以上０．０１００％以下
    から選択される１種または２種以上を含有する請求項１に記載の鋼板。
  3. 前記成分組成は、さらに、質量％で、
    Ｃｕ：０．０１％以上０．７０％以下、
    Ｎｉ：０．０１％以上０．５０％以下、
    Ｓｎ：０．０１％以上０．３０％以下、
    Ｓｂ：０．０１％以上０．３０％以下、
    Ｍｏ：０．０５％以上２．０％以下および
    Ｗ：０．０５％以上２．０％以下
    から選択される１種または２種以上を含有する請求項１または２に記載の鋼板。
  4. 前記成分組成は、さらに、質量％で、
    Ｃａ：０．０００５％以上０．００５０％以下、
    Ｍｇ：０．０００５％以上０．０１００％以下および
    ＲＥＭ：０．００１０％以上０．０２００％以下
    から選択される１種または２種以上を含有する請求項１、２または３に記載の鋼板。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載の鋼板を製造する方法であって、鋼素材を１０００℃以上１３００℃以下に加熱したのち、熱間圧延を、圧下比：３以上、かつ最終３パスのうちの少なくとも２パスの圧下率が１パス当たり１０％以上にて行う鋼板の製造方法。
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