JP2007119884A - 中温域での強度に優れた高強度高靭性鋼材の製造方法 - Google Patents

中温域での強度に優れた高強度高靭性鋼材の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】常温、中温域において降伏強さが550MPa以上の高強度高靭性鋼板で、特に蒸気配管用高強度高靭性溶接鋼管用途に好適なものの製造方法を提供する。
【解決手段】質量%で、C:0.04〜0.08%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.5〜2%、P:0.02%以下、S:0.002%以下、Mo:0.05〜0.3%、Nb:0.03〜0.07%、Ti:0.02%以下、Al:0.04%以下、REM:0.015%以下、N:0.006%以下、更に、Cu、Ni、Cr、V、Caの1種または2種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を1100〜1200℃に加熱後、900℃以下での累積圧下率が50%以上、かつ圧延終了温度が850℃以下で熱間圧延後、5℃/秒以上の冷却速度にて400〜550℃まで加速冷却した後、直ちに0.5℃/s以上の昇温速度で550〜700℃まで再加熱を行う。
【選択図】なし

Description

本発明は、中温域において降伏強さが550MPa以上の鋼材の製造方法に関し、特に蒸気配管用高強度高靭性溶接鋼管用途に好適なものに関する。
油層からオイルサンドを回収する方法として、露天堀による方法と高温・高圧の蒸気を鋼管により挿入するスチームインジェクション法があるが、露天掘りが適用可能な地域は少なく、多くの地域ではスチームインジェクション法が適用されている。
スチームインジェクション法では、油層内へ300〜350℃の温度域(以下、中温域という)の蒸気を、13MPa前後の高圧で送り込むが、従来、この中温・高圧の蒸気に耐えうるスチームインジェクション用の蒸気輸送鋼管として、特許文献1、特許文献2、特許文献3に示されるAPI X65、70グレード相当の継目無管が使用され、鋼管外径は最大で16インチであった。
特許第1393876号公報 特許第1930910号公報 特開2000−290728号公報
近年のエネルギー需要の増加に伴い、重質油の回収率の向上ならびに敷設コストの低減を目的として、使用される鋼管の大径化ならびに高強度化が要望されている。
そこで、本発明は、APIグレードX80以上の蒸気輸送用高強度高靭性溶接鋼管に要求される、中温域においても降伏強さ550MPa以上(APIグレードX80以上)の鋼板を安価に提供することを目的とする。
本発明者等は高強度大径溶接管における中温域での特性について鋭意検討し、適切なNb量を固溶したNb系鋼に、制御圧延後の加速冷却とその後の再加熱という製造プロセスにおいて、ベイナイト変態途中に再加熱を行うと、加速冷却時のベイナイト変態による強化に加え、再加熱時にベイナイトならびに未変態オーステナイトから析出する微細析出物による析出強化ならびに中温域での転位回復の抑制によって、中温域での強度低下の抑制が可能になるという知見を得た。
すなわち、TiNが存在する場合、Nbが固溶し難くなり、Tiを添加しない場合に比べて加速冷却後の再加熱時の微細なNb炭化物の分散析出が低下し、中温域での強度低下の抑制が困難となるが、式(1)で求められるNbeff.値が0.025%以上の場合にはTi添加の場合においても再加熱時の微細なNb炭化物の分散析出が十分に得られ、中温域での強度低下の抑制が可能になる。
Nbeff.(%)=0.002×(1−25Ti)/(C+0.86N)・・・(1)
Ti,C,N:質量%
また、Nbは鋼中で炭化物を形成する元素であり、NbCの析出により鋼を強化することは従来行われているが、本発明では加速冷却後、再加熱する際の加熱速度を増加して加熱時の析出物の成長を抑制することにより、Nbを基本として含有する炭化物を鋼中に多量に微細析出させ、中温域での強度低下抑制効果を得ている。
そのため、本発明では、従来の工業的に用いられている大気炉での加熱速度よりも高速で加熱することにより、Nbを基本とする炭化物の成長を抑制させ、粒径が10nm未満の極めて微細な析出物を多量に得ている。当該10nm未満の析出物の個数は、たとえば降伏強度が550MPa以上の高強度鋼板とするためには、2×10個/μm以上析出させることが好ましい。
更に、加速冷却後の加熱による微細炭化物の分散析出に先立ち、粒内組織中に多量の転位を導入するため900℃以下での累積圧下率と圧延仕上温度を規定し、圧延ならびに加速冷却の両工程にて粒内の転位を増加させる。
上述したように、本発明は圧延と加速冷却による転位の増加と、加速冷却後の加熱により分散析出する微細炭化物による中温域での転位の回復抑制により、中温域での高強度を確保するもので、すなわち、本発明は、
1. 質量%で、C:0.04〜0.08%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.5〜2%、P:0.02%以下、S:0.002%以下、Mo:0.05〜0.3%、Nb:0.03〜0.07%、Ti:0.02%以下、Al:0.04%以下、REM:0.015%以下、N:0.006%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、(1)式で示されるNbeff.:0.025%以上の鋼を1100〜1200℃に加熱後、900℃以下での累積圧下率が50%以上、かつ圧延終了温度が850℃以下で熱間圧延後、5℃/秒以上の冷却速度にて400〜550℃まで加速冷却した後、直ちに0.5℃/s以上の昇温速度で550〜700℃まで再加熱を行うことを特徴とする、中温域での強度に優れた高強度高靭性鋼板の製造方法。
Nbeff.(%)=0.002×(1−25Ti)/(C+0.86N)・・・(1)
Ti,C,N:質量%
2. 質量%で、C:0.04〜0.08%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.5〜2%、P:0.02%以下、S:0.002%以下、Mo:0.05〜0.3%、Nb:0.03〜0.07%、Ti:0.02%以下、Al:0.04%以下、REM:0.015%以下、N:0.006%以下、更に、Cu:0.5以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.5%以下、V:0.08%以下、Ca:0.0005〜0.004%のうち1種または2種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、(1)式で示されるNbeff.:0.025%以上の鋼を1100〜1200℃に加熱後、900℃以下での累積圧下率が50%以上、かつ圧延終了温度が850℃以下で熱間圧延後、5℃/秒以上の冷却速度にて400〜550℃まで加速冷却した後、直ちに0.5℃/s以上の昇温速度で550〜700℃まで再加熱を行うことを特徴とする、中温域での強度に優れた高強度高靭性鋼板の製造方法。
Nbeff.(%)=0.002×(1−25Ti)/(C+0.86N)・・・(1)
Ti,C,N:質量%
3. 1または2に記載の方法で得られた鋼板を管状に冷間成形し、その突合せ部を溶接することを特徴とする、中温域での強度に優れた高強度高靭性鋼管の製造方法。
本発明によれば、操業の効率化が達成できる、中温域において降伏強さが550MPa以上を有する大径の蒸気輸送用高強度高靭性溶接鋼管の製造可能な原板が安定して得られ、産業上極めて有益である。
本発明に係る鋼板は、厚板ミルや熱延ミルにて製造され、UOE成形、プレスベンド成形、ロール成形などにより冷間成形され、サブマージドアーク溶接などの溶接法により溶接接合されて、高温・高圧の蒸気を輸送するための鋼管として利用される。
以下に、成分組成の限定理由を示す。%は質量%とする。
C:0.04〜0.08%
Cは固溶強化ならびに析出強化により鋼の強度を確保するために必要な元素であり、特に固溶C量の増加と析出物の形成は中温域での強度確保に重要である。0.08%を超える過剰なCの添加は靭性ならびに溶接性の劣化を招くため添加量の上限を0.08%とした。一方、0.04%未満では室温ならびに中温域において所定の強度を確保することが難しくなるため、Cの含有量は0.04〜0.08%とした。
Si:0.05〜0.2%
Siは脱酸のために添加され、0.05%未満では充分な脱酸効果が得られない。一方、0.2%を越えると靱性の劣化を招くため、Siの含有量は0.05〜0.2%とした。
Mn:1.5〜2%
Mnは鋼の強度および靱性の向上に有効な元素で、1.5%未満ではその効果が小さく、また2%を越えると靭性ならびに溶接性が著しく劣化するため、Mnの含有量は1.5〜2%とした。
P:0.02%以下
Pは不純物元素であり靱性を著しく劣化させるため、極力低減することが望ましいが、過度のP低減は製造コストの上昇を招くため、Pの含有量を0.02%以下とした。
S:0.002%以下
Sは不純物元素であり靭性を著しく劣化させるため、極力低減することが望ましい。また、Caを添加してMnSからCaS系の介在物に形態制御を行ったとしても、X80グレードの高強度材の場合には微細に分散したCaS系介在物も靱性劣化の要因となり得るため、Sの含有量を0.002%以下とした。
Mo:0.05〜0.3%
Moは固溶あるいは析出物の形成により室温ならびに中温域での強度上昇に大きく寄与するが、0.05%未満ではその効果が小さく室温ならびに中温域で十分な強度が得られない。一方、0.3%を超えて添加すると靭性ならびに溶接性を劣化させるため、Moの添加量を0.05〜0.3%とした。
Nb:0.03〜0.07%
Nbは本発明において重要な元素であり、炭化物を形成し室温ならびに中温域での強度確保に必要な成分である。また、スラブ加熱時と圧延時の結晶粒の成長を抑制することによりミクロ組織を微細化し、充分な強度と靱性を付与するためにも必要である。その効果は0.03%以上で顕著であり、0.07%を超えるとその効果がほぼ飽和して靭性を劣化させるため、Nbの含有量を0.005〜0.07%とした。
Ti:0.02%以下
TiはTiNを形成してスラブ加熱時や溶接熱影響部の粒成長を抑制し、ミクロ組織の微細化をもたらして靱性を改善する効果があるが、0.02%を越えて添加すると靱性の劣化を引き起こすため、Tiの含有量を0.02%以下とした。
Al:0.04%以下
Alは脱酸剤として添加されるが、0.04%を超えると鋼の清浄性が低下し靱性の劣化を引き起こすため、Alの含有量を0.04%以下とした。
REM:0.015%以下
REMは酸硫化物の形成により組織粗大化を抑制し靭性の向上に寄与するが、0.015%を超えると靭性が劣化するため、REM含有量は0.015%以下に規定する。好ましくは0.001〜0.007%である。
N:0.006%以下
NはTiと共にTiNを形成し、1350℃以上に達する溶接熱影響部の高温域において微細分散することにより、溶接熱影響部の旧オーステナイト粒を細粒化し溶接熱影響部の靭性向上に大きく寄与する。0.006%を超えて添加すると、析出物の粗大化ならびに固溶Nの増加による母材靭性の劣化と、鋼管での溶接金属の靭性劣化を招くため、N含有量は0.006%以下とした。
Nbeff.(%):0.025以上
Nbeff.(%)=0.002×(1−25Ti)/(C+0.86N)・・・(1)
但し、Ti,C,N:質量%
本パラメータ式は上記成分範囲で構成される鋼を中温域で優れた強度を有する鋼とするための重要な因子で、Nbeff.(%)が0.025%未満の場合には冷却後の再加熱時に析出する微細分散炭化物が少なく、強度、特に中温域での強度を確保することが困難であるため、Nbeff.(%)は0.025%以上とした。
本発明は以上の成分組成で優れた特性が得られるが、更に特性を向上させる場合、Cu,Ni,Cr,V,Caの一種または二種以上を添加する。
Cu:0.5%以下
Cuは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の1つであるが、0.5%を超えるCuの含有は溶接性を阻害するため、Cuを添加する場合は0.5%以下とした。
Ni:0.5%以下
Niは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の1つであるが、0.5%を超えると効果が飽和し製造コストの上昇を招くため、Niを添加する場合は0.5%以下とした。
Cr:0.5%以下
Crは強度の上昇に有効な元素の一つであるが、0.5%を超えて添加すると溶接性に悪影響を与えるため、Crを添加する場合は0.5%以下とした。
V:0.08%以下
VはTiと共に複合析出物を形成し、強度上昇に寄与する。しかし、0.08%を超えると溶接熱影響部の靭性が劣化するため、V含有量は0.08%以下に規定する。
Ca:0.0005〜0.004%
Caは硫化物系介在物の形態を制御し靱性を改善するが、0.0005%以上でその効果が現われ、0.004%を超えると効果が飽和し、逆に清浄度を低下させて靱性を劣化させるため、Caを添加する場合は0.0005〜0.004%とした。
次に、製造方法の限定理由について説明する。
加熱温度:1100〜1200℃
熱間圧延に際し、オーステナイト化ならびに炭化物の固溶を十分に進行させ、室温ならびに中温域での十分な強度を得るため、鋼片の加熱温度を1100℃以上とする。
一方、加熱温度が1200℃を超えると、オーステナイト粒の成長が著しく、母材靱性が劣化するため、加熱温度は1100〜1200℃とした。
900℃以下での累積圧下率≧50%、かつ圧延終了温度:850℃以下
本プロセスは本発明の重要な製造条件である。900℃以下での温度域において累積にて圧延を行い、仕上温度を850℃以下とすることにより、オーステナイト粒が伸展し板厚、板幅方向で細粒となると共に、圧延により導入される粒内の転位密度が増加する。
900℃以下での累積圧下率が50%以上で圧延終了温度を850℃以下とすることにより、この効果が顕著に発揮され、強度、特に中温域での強度が上昇し靱性が著しく向上する。
900℃以下での累積圧下率が50%未満あるいは圧延終了温度が850℃を超える場合には、オーステナイト粒の細粒化が十分でなく、粒内の転位の増加量が小さいため、中温域での強度ならびに靭性が劣化するため、900℃以下での累積圧下率は50%以上、かつ圧延終了温度は850℃以下とする。
加速冷却の冷却速度:5℃/s以上
鋼板強度は加速冷却での冷却速度の増加に伴い上昇する傾向を示す。加速冷却時の冷却速度が5℃/s未満の場合、変態組織が高温で変態し、冷却中に転位の回復も進行するため、室温ならびに中温域にて十分な強度を得ることができないため、加速冷却時の冷却速度を5℃/s以上とする。
加速冷却の冷却停止温度:400〜550℃
鋼板強度は加速冷却の冷却停止温度が低下するに従い上昇する傾向を示すが、加速冷却の冷却停止温度が550℃を超える場合、炭化物の成長を促進させ固溶炭素量が低減するため、十分な強度、特に中温域での十分な強度が得られない。
一方、冷却停止温度が400℃未満の場合には、低温変態生成物の析出が顕著になり母材靭性が劣化すると共に、中温域での低温変態生成物の分解により中温域での強度が著しく低下するため、加速冷却の冷却停止温度は400〜550℃とする。
加速冷却後の昇温速度:速度0.5℃/s以上、ならびに再加熱温度:550〜700℃本プロセスは本発明において重要で、室温ならびに中温域での強化に寄与する微細析出物を再加熱時に析出させる。微細析出物を得るためには、加速冷却後直ちに550〜700℃の温度域まで再加熱する必要がある。
再加熱は、冷却後の温度より少なくとも50℃以上昇温することが望ましい。昇温速度が0.5℃/s未満では、目的の再加熱温度に達するまでに長時間を要するため製造効率が悪化し、また析出物が成長するため、微細析出物の分散析出が得られず十分な強度を得ることができない。
再加熱温度が550℃未満ではMoとNbの析出温度域から外れるため十分な析出強化が図れず、一方、700℃を超えると析出物が粗大化し室温ならびに中温域で十分な強度が得られないため、再加熱の温度域を550〜700℃に規定する。
再加熱処理において、特に温度保持時間を設定する必要はない。また、再加熱後の冷却過程でもベイナイト変態と共に析出が進行するため、再加熱後の冷却速度は基本的には空冷とする。
尚、本発明で規定する加速冷却後の昇温速度:速度0.5℃/s以上は、板厚によっては大気炉で達成することが難しく、加熱装置として、鋼板の急速加熱が可能であるガス燃焼炉や誘導加熱装置を用いる事が好ましく、加速冷却を行うための冷却設備の下流側で搬送ライン上に設置するとより好ましい。
誘導加熱装置は均熱炉等に比べて温度制御が容易でありコストも比較的低く、冷却後の鋼板を迅速に加熱できるので特に好ましい。また複数の誘導加熱装置を直列に連続して配置することにより、ライン速度や鋼板の種類・寸法が異なる場合にも、通電する誘導加熱装置の数や供給電力を任意に設定するだけで、昇温速度、再加熱温度を自在に操作することが可能である。
なお、鋼の製鋼方法については特に限定しないが、経済性の観点から、転炉法による製鋼プロセスと、連続鋳造プロセスによる鋼片の鋳造を行うことが望ましい。
鋼管の成型方法は、冷間にて成形することが好ましく、UOE成形、プレスベンド成形、ロール成形などにより成形し、サブマージドアーク溶接等により溶接接合して、溶接鋼管を製造する。鋼管製造後の熱処理は所望する特性に応じて実施すれば良く、特に規定しない。
尚、本発明に係る製造方法で得られる鋼の常温強度は550MPa以上、700MPa以下である。
表1に示す化学成分を有する鋼A〜Oを用いて、種々の製造条件にて作製した鋼板(板厚15〜25mm)を冷間成形後、シーム溶接により、外径610mm×管厚15〜25mmの鋼管を作製した。
鋼板特性について、室温での引張試験はISO 6892に準拠し、全厚のAPI矩形試験片を用いて実施した。350℃での引張試験はISO 783に準拠し、直径8.75mmの丸棒試験片を用いて実施した。
鋼管の強度は、円周方向に引張試験片を採取し、室温ならびに350℃での降伏強度を求めた。室温での引張試験はISO 6892に準拠し、全厚のAPI矩形試験片を用いて実施した。350℃での引張試験はISO 783に準拠し、直径8.75mmの丸棒試験片を用いて実施した。
鋼管の溶接熱影響部シャルピー試験は、入熱約50kJ/cmのSAWにてシーム溶接を行った鋼管を用いて、管厚中央部を中心にノッチ全体が溶接熱影響部となるように溶接ボンド部近接側から円周方向に2mmVノッチのフルサイズ試験片を3本採取し、実施した。試験方法はISO 148に準拠し、試験温度は−20℃ならびに350℃にて行った。なお、−20℃での試験にはアルコールで、350℃での試験では加熱炉を用いて所定の温度に保持した。靭性値は所定の温度でのシャルピー吸収エネルギーの3本の平均値(単位J)で評価した。表2に鋼板の製造条件ならびに鋼板、鋼管の試験結果を併せて示す。
室温ならびに350℃での降伏強度(単位MPa)が550MPa以上で、‐20℃ならびに350℃でのシャルピー吸収エネルギーが100J以上の場合を良好とし、本発明例とした。
化学成分、鋼板製造条件とも本発明範囲内である本発明鋼(1〜12)は鋼板、鋼管の室温ならびに350℃での降伏強度(単位MPa)が550MPa以上を有し、かつ良好な溶接熱影響部靱性が得られている。
一方、化学成分あるいは鋼板製造条件が本発明範囲外である比較鋼(13〜17、19〜25)は、室温あるいは350℃での強度および/または溶接熱影響部靱性が本発明鋼に対して劣っていた。
また、製管後、熱処理(Q−T処理)を施した比較鋼18は、350℃での強度が本発明鋼に対して劣っていた。
Figure 2007119884
Figure 2007119884

Claims (3)

  1. 質量%で、C:0.04〜0.08%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.5〜2%、P:0.02%以下、S:0.002%以下、Mo:0.05〜0.3%、Nb:0.03〜0.07%、Ti:0.02%以下、Al:0.04%以下、REM:0.015%以下、N:0.006%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、(1)式で示されるNbeff.:0.025%以上の鋼を1100〜1200℃に加熱後、900℃以下での累積圧下率が50%以上、かつ圧延終了温度が850℃以下で熱間圧延後、5℃/秒以上の冷却速度にて400〜550℃まで加速冷却した後、直ちに0.5℃/s以上の昇温速度で550〜700℃まで再加熱を行うことを特徴とする、中温域での強度に優れた高強度高靭性鋼板の製造方法。
    Nbeff.(%)=0.002×(1−25Ti)/(C+0.86N)・・・(1)
    Ti,C,N:質量%
  2. 質量%で、C:0.04〜0.08%、Si:0.05〜0.2%、Mn:1.5〜2%、P:0.02%以下、S:0.002%以下、Mo:0.05〜0.3%、Nb:0.03〜0.07%、Ti:0.02%以下、Al:0.04%以下、REM:0.015%以下、N:0.006%以下、更に、Cu:0.5%以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.5%以下、V:0.08%以下、Ca:0.0005〜0.004%のうち1種または2種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、(1)式で示されるNbeff.:0.025%以上の鋼を1100〜1200℃に加熱後、900℃以下での累積圧下率が50%以上、かつ圧延終了温度が850℃以下で熱間圧延後、5℃/秒以上の冷却速度にて400〜550℃まで加速冷却した後、直ちに0.5℃/s以上の昇温速度で550〜700℃まで再加熱を行うことを特徴とする、中温域での強度に優れた高強度高靭性鋼板の製造方法。
    Nbeff.(%)=0.002×(1−25Ti)/(C+0.86N)・・・(1)
    Ti,C,N:質量%
  3. 請求項1または2に記載の方法で得られた鋼板を管状に冷間成形し、その突合せ部を溶接することを特徴とする、中温域での強度に優れた高強度高靭性溶接鋼管の製造方法。
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