JP6123972B2 - 高強度・高靭性鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)オーステナイト未再結晶温度域での累積圧下率や圧延温度を制御するとともに、
(2)冷却停止温度をMs点直上とすることで島状マルテンサイト(Martensite−Austenite constituent、以下、MAとも記載する。)を極力低減したベイナイト主体の組織とすることが可能となり、
(3)さらに冷却停止温度±50℃の温度で保持することにより、ベイナイト中に存在するセメンタイトの平均粒径を0.5μm以下に抑制することが可能となり、
高いシャルピー衝撃吸収エネルギーや優れたDWTT特性を有する高強度・高靭性鋼板が得られることを知見した。
[1]質量%で、C:0.03%以上0.08%以下、Si:0.01%以上0.50%以下、Mn:1.5%以上2.5%以下、P:0.001%以上0.010%以下、S:0.0030%以下、Al:0.01%以上0.08%以下、Nb:0.010%以上0.080%以下、Ti:0.005%以上0.025%以下、N:0.001%以上0.006%以下を含有し、さらにCu:0.01%以上1.00%以下、Ni:0.01%以上1.00%以下、Cr:0.01%以上1.00%以下、Mo:0.01%以上1.00%以下、V:0.01%以上0.10%以下、B:0.0005%以上0.0030%以下から選ばれる1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼板であり、該鋼板の板厚方向の1/2位置における島状マルテンサイトの面積率が3%未満であって、さらに前記鋼板の板厚方向の1/2位置におけるベイナイトの面積率が90%以上であり、前記前記鋼板の板厚方向の1/2位置におけるベイナイト中に存在するセメンタイトの平均粒径が0.5μm以下であるミクロ組織を有する高強度・高靭性鋼板。
[2]前記成分組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.0005%以上0.0100%以下、REM:0.0005%以上0.0200%以下、Zr:0.0005%以上0.0300%以下、Mg:0.0005%以上0.0100%以下から選ばれる1種以上を含有する前記[1]に記載の高強度・高靭性鋼板。
[3]前記[1]または[2]に記載の高強度・高靭性鋼板の製造方法であり、鋼スラブを1000℃以上1250℃以下に加熱し、オーステナイト再結晶温度域において圧延後、オーステナイト未再結晶温度域において累積圧下率60%以上の圧延を行い、(Ar3点+50℃)以上(Ar3点+150℃)以下の温度で圧延を終了し、Ar3点以上(Ar3点+100℃)以下の冷却開始温度から10℃/s以上80℃/s以下の冷却速度にて、Ms点以上(Ms点+100℃)以下の冷却停止温度まで加速冷却をし、さらに冷却停止温度±50℃の温度範囲で50s以上300s未満保持し、その後100℃以下の温度域まで空冷を行う高強度・高靭性鋼板の製造方法。
Cは加速冷却後にベイナイト主体組織を形成し、変態強化による高強度化に有効に作用する。しかしながら、C量が0.03%未満では冷却中にフェライト変態やパーライト変態が生じやすくなるため、所定量のベイナイトが得られず、所望の引張強度(≧625MPa)が得られない場合がある。一方、C量が0.08%を超えて含有すると加速冷却後に硬質なマルテンサイトが生成しやすくなり、母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなったり、DWTT特性が劣ったりする場合がある。したがって、C量は0.03%以上0.08%以下とし、好ましくは0.03%以上0.07%以下とする。
Siは脱酸に必要な元素であり、さらに固溶強化により鋼材の強度を向上させる効果を有する。このような効果を得るためにはSiを0.01%以上含有することが必要であり、0.05%以上含有することが好ましく、0.10%以上含有することがさらに好ましい。一方、Si量が0.50%を超えると溶接性および母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーが低下するため、Si量は0.01%以上0.50%以下とする。なお、鋼管の溶接部の軟化防止および溶接熱影響部の靭性劣化防止の観点から、Si量は0.01%以上0.20%以下とすることが好ましい。
MnはCと同様に加速冷却後にベイナイト主体組織を形成し、変態強化による高強度化に有効に作用する。しかしながら、Mn量が1.5%未満では冷却中にフェライト変態やパーライト変態が生じやすくなるため、所定量のベイナイトが得られず、所望の引張強度(≧625MPa)が得られない場合がある。一方、Mnを2.5%超えて含有すると鋳造時に不可避的に形成される偏析部にMnが濃化し、その部分でシャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなったり、DWTT性能が劣ったりする原因となるため、Mn量は1.5%以上2.5%以下とする。なお、靭性向上の観点から、Mn量は1.5%以上2.0%以下とすることが好ましい。
Pは固溶強化により鋼板の高強度化に有効な元素である。しかしながら、P量が0.001%未満ではその効果が現れないだけでなく、製鋼工程において脱燐コストの上昇を招く場合があるため、P量は0.001%以上とする。一方、P量が0.010%を超えると、靭性や溶接性が顕著に劣る。したがって、P量は0.001%以上0.010%以下とする。
Sは熱間脆性を起こす原因となるほか、鋼中に硫化物系介在物として存在して、靭性や延性を劣らせる有害な元素である。したがって、Sは極力低減するのが好ましく、本発明ではS量の上限は0.0030%とし、好ましくは0.0015%以下とする。下限は特にないが、極低S化は製鋼コストが上昇するため、0.0001%以上とすることが好ましい。
Alは脱酸材として含有する元素である。また、Alは固溶強化能を有するため、鋼板の高強度化に有効に作用する。しかしながら、Al量が0.01%未満では上記効果が得られない。一方、Al量が0.08%を超えると、原料コストの上昇を招くとともに、靭性を劣らせる場合がある。したがって、Al量は0.01%以上0.08%以下とし、好ましくは0.01%以上0.05%以下とする。
Nbは析出強化や焼入れ性増大効果による鋼板の高強度化に有効である。また、Nbは熱間圧延時のオーステナイトの未再結晶温度域を拡大する効果があり、未再結晶オーステナイト域圧延の微細化効果による靭性の向上に有効である。これらの効果を得るために、0.010%以上含有する。一方、Nb量が0.080%を超えると、加速冷却後に硬質なマルテンサイトが生成しやすくなり、母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなったり、DWTT特性が劣ったりする場合がある。また、HAZ部(以下、溶接熱影響部とも記す。)の靭性が著しく劣る。したがって、Nb量は0.010%以上0.080%以下とし、好ましくは0.010%以上0.040%以下とする。
Tiは鋼中で窒化物(主としてTiN)を形成し、特に0.005%以上含有すると窒化物のピンニング効果でオーステナイト粒を微細化する効果があり、母材の靭性確保や溶接熱影響部の靭性確保に寄与する。また、Tiは析出強化による鋼板の高強度化に有効な元素である。これらの効果を得るにはTiを0.005%以上含有する。一方、Tiを0.025%超えて含有すると、TiN等が粗大化し、オーステナイト粒の微細化に寄与しなくなり、靭性向上効果が得られなくなるばかりでなく、粗大なTiNは延性亀裂や脆性亀裂の発生起点となるため、シャルピー衝撃吸収エネルギーが著しく低くなり、DWTT特性が著しく劣る。したがって、Ti量は0.005%以上0.025%以下とし、好ましくは0.008%以上0.018%以下とする。
NはTiと窒化物を形成してオーステナイトの粗大化を抑制し、靭性の向上に寄与する。このようなピンニング効果を得るため、Nを0.001%以上含有する。一方、N量が0.006%を超えると、溶接部、特に溶融線近傍で1450℃以上に加熱された溶接熱影響部でTiNが分解した場合、固溶Nに起因した溶接熱影響部の靭性が劣る場合がある。したがって、N量は0.001%以上0.006%以下とし、溶接熱影響部の靭性に対する要求レベルが高い場合には、N量は0.001%以上0.004%以下とすることが好ましい。
Cu、Cr、Moはいずれも焼入れ性向上元素であり、Mnと同様に低温変態組織を得て、母材や溶接熱影響部の高強度化に寄与する。この効果を得るためには、0.01%以上含有することが必要である。一方、Cu、Cr、Mo量がそれぞれ1.00%を超えると高強度化の効果は飽和する。したがって、Cu、Cr、Moを含有する場合はそれぞれ0.01%以上1.00%以下とする。
Niも焼入れ性向上元素であり、含有しても靭性は劣らないため、有用な元素である。この効果を得るためには0.01%以上含有することが必要である。一方、Niは非常に高価であり、またNi量が1.00%を超えるとその効果が飽和するため、Niを含有する場合は、0.01%以上1.00%以下とする。
Vは炭化物を形成して析出強化による鋼板の高強度化に有効な元素であり、この効果を得るためには0.01%以上含有することが必要である。一方、V量が0.10%を超えると、炭化物量が過剰となり、靭性が劣る場合がある。したがって、Vを含有する場合は0.01%以上0.10%以下とする。
Bはオーステナイト粒界に偏析し、フェライト変態を抑制することで、特に溶接熱影響部の強度低下防止に寄与する。この効果を得るためには0.0005%以上含有することが必要である。一方、B量が0.0030%を超えるとその効果は飽和するため、Bを含有する場合は0.0005%以上0.0030%以下とする。
島状マルテンサイトは硬度が高く、延性亀裂や脆性亀裂の発生起点となるため、島状マルテンサイトの面積率が3%以上ではシャルピー衝撃吸収エネルギーやDWTT特性が著しく低下する。一方、島状マルテンサイトが面積率で3%未満であれば、シャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなったり、DWTT特性が劣ったりはしないため、本発明では板厚方向の1/2位置における島状マルテンサイトの面積率を3%未満に限定する。上記の島状マルテンサイトの面積率は、2%以下であることが好ましい。
ベイナイト相は硬質相であり、変態組織強化によって鋼板の強度を増加させるのに有効であり、ベイナイト主体の組織とすることで、シャルピー衝撃吸収エネルギーやDWTT特性を高位で安定化しつつ、高強度化が可能となる。一方、ベイナイトの面積率が90%未満では、フェライト、パーライト、マルテンサイトおよび島状マルテンサイト等の残部組織の合計面積率が10%以上となり、このような複合組織では、異相界面が延性亀裂や脆性亀裂の発生起点となるため、目標とするシャルピー衝撃吸収エネルギーやDWTT特性が得られない場合がある。したがって、板厚方向の1/2位置におけるベイナイトの面積率は90%以上とし、好ましくは95%以上とする。ここで、ベイナイトとは、ラス状のベイニティックフェライトであって、その内部にセメンタイト粒子が析出した組織をいう。
ベイナイト中のセメンタイトは延性亀裂や脆性亀裂の起点となる場合があり、セメンタイトの平均粒径が0.5μmを超えるとシャルピー衝撃吸収エネルギーが著しく低くなり、DWTT特性が著しく劣る。しかしながら、ベイナイト中のセメンタイトの平均粒径が0.5μm以下では、これらの低下は小さく、目標特性が得られるため、セメンタイトの平均粒径は0.5μm以下とし、好ましくは0.2μm以下とする。
本発明の鋼スラブは、成分のマクロ偏析を防止すべく連続鋳造法で製造することが望ましく、造塊法で製造してもよい。また、
(1)鋼スラブを製造した後、一旦室温まで冷却し、その後再度加熱する従来法
に加え、
(2)冷却せず温片のままで加熱炉に装入し熱間圧延する直送圧延、あるいは
(3)わずかの保熱をおこなった後に直ちに熱間圧延する直送圧延・直接圧延、
(4)高温状態のまま加熱炉に装入して再加熱の一部を省略する方法(温片装入)
などの省エネルギープロセスも問題なく適用することができる。
スラブ加熱保持後、オーステナイト再結晶温度域での圧延を行うことで、オーステナイトが再結晶により細粒化し、母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーやDWTT特性の向上に寄与する。再結晶温度域での累積圧下率は特に規定しないが、50%以上とすることが好ましい。なお、本発明の鋼の成分範囲においては、オーステナイト再結晶の下限温度はおおよそ950℃である。
オーステナイトの未再結晶温度域にて累積で60%以上の圧下を行うことにより、オーステナイト粒が伸展し、特に板厚方向では細粒となり、この状態で加速冷却して得られる鋼のシャルピー衝撃吸収エネルギーやDWTT特性は良好となる。一方、圧下量が60%未満では細粒化効果が不十分となり目標とするシャルピー衝撃吸収エネルギーやDWTT特性が得られない場合がある。したがって、オーステナイトの未再結晶温度域での累積圧下率は60%以上とし、より靭性向上が必要な場合は70%以上とすることが好ましい。
オーステナイトの未再結晶温度域の高累積圧下率での大圧下は、シャルピー衝撃吸収エネルギーやDWTT特性の向上に有効であり、より低温域で圧下することでその効果はさらに増大する。しかしながら、(Ar3点+50℃)未満の低温域での圧延はオーステナイト粒に集合組織が発達し、その後、加速冷却してベイナイト主体組織とした場合、集合組織が変態組織にも一部受け継がれ、この結果、セパレーションが発生しやすくなり、シャルピー衝撃吸収エネルギーが著しく低くなる。一方、(Ar3点+150℃)を超えると、DWTT特性の向上に有効な微細化効果が十分に得られない場合がある。したがって、圧延終了温度は(Ar3点+50℃)以上(Ar3点+150℃)以下とする。
加速冷却の冷却開始温度がAr3点未満では、熱間圧延後、加速冷却開始までの空冷過程において、オーステナイト粒界から初析フェライトが生成し、母材強度が低くなる場合がある。また、初析フェライトの生成量が増加すると、延性亀裂や脆性亀裂の発生起点となるフェライトとベイナイトの界面が増加するため、シャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなり、DWTT特性が劣る場合がある。一方、冷却開始温度が(Ar3点+100℃)を超えると、圧延終了温度も高いため、DWTT特性の向上に有効なミクロ組織微細化効果が十分に得られない場合がある。さらに、冷却開始温度が(Ar3点+100℃)を超えると、圧延終了後、加速冷却開始までの空冷時間がわずかであっても、オーステナイトの回復や粒成長が進行する場合があり、母材靭性が低下する場合がある。したがって、加速冷却の冷却開始温度はAr3点以上(Ar3点+100℃)以下とする。
加速冷却の冷却速度が10℃/s未満では、冷却中にフェライト変態が生じ、母材強度が低下する場合がある。また、フェライトの生成量が増加すると、延性亀裂や脆性亀裂の発生起点となるフェライトとベイナイトの界面が増加するため、シャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなり、DWTT特性が劣る場合がある。一方、80℃/sを超えると、特に鋼板表層近傍ではマルテンサイト変態が生じ、母材強度は上昇するものの、母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーが著しく低くなり、DWTT特性が著しく劣る。したがって、加速冷却の冷却速度は10℃/s以上80℃/s以下とし、20℃/s以上60℃/s以下とすることが好ましい。なお、冷却速度は冷却開始温度と冷却停止温度との差を所要時間で除した平均冷却速度を指す。
加速冷却の冷却停止温度がMs点未満では、マルテンサイト変態が生じ、母材強度は上昇するものの、母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーが著しく低くなり、DWTT特性が著しく劣る場合があり、特に鋼板表層近傍でその傾向は顕著となる。一方、冷却停止温度が(Ms点+100℃)を超えると、冷却停止後の空冷過程で粗大なセメンタイトやベイナイト変態に伴う島状マルテンサイトが生成し、シャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなり、DWTT特性が劣る場合がある。したがって、加速冷却の冷却停止温度はMs点以上(Ms点+100℃以下)とし、Ms点以上(Ms点+60℃以下)とすることが好ましい。
加速冷却後の保持条件は、ベイナイト中に存在するセメンタイトの平均粒径を制御し、高いシャルピー衝撃吸収エネルギーや優れたDWTT性能を得るために適正に制御する必要がある。加速冷却後の保持温度が冷却停止温度−50℃未満では、冷却によって変態生成したベイナイト中に過飽和に固溶している炭素がセメンタイトとして十分に析出できず、母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーが低くなり、DWTT特性が劣る。一方、保持温度が冷却停止温度+50℃を超えると、ベイナイト中のセメンタイトが凝集・粗大化し、母材のシャルピー衝撃吸収エネルギーが著しく低くなり、DWTT特性が著しく劣る。したがって、加速冷却後の保持温度は冷却停止温度±50℃とする。
上記の加速冷却後、または加速冷却して冷却停止温度±50℃の温度範囲で50s以上300s未満保持した後、100℃以下の温度域(室温)まで空冷を行う。
Ar3(℃)=910−310C−80Mn−20Cu−15Cr−55Ni−80Mo
Ms(℃)=550−361C−39Mn−35V−20Cr−17Ni−10Cu−5(Mo+W)+15Co+30Al
上述の圧延工程により製造された本発明の鋼板は高強度ラインパイプの材料として好適に用いられる。本発明の鋼板を用いて高強度ラインパイプを製造するには、UプレスやOプレス等により、あるいは、3点曲げを繰り返すプレスベンド法により、略円筒状に成形し、サブマージアーク溶接等の溶接を行うことで溶接鋼管とし、所定の形状となるように拡管する。このようにして製造された高強度ラインパイプは必要に応じて表面に塗装を行ってもよく、靭性向上などを目的とした熱処理を行ってもよい。
以上により得られた厚鋼板より、API−5Lに準拠した引張方向がC方向となる全厚引張試験片を採取し、引張試験を実施し、降伏強度(YS)、引張強度(TS)を求めた。また、シャルピー衝撃試験は、板厚方向の1/2位置から2mmのVノッチを有する長手方向がC方向となるシャルピー試験片を採取して、−40℃にてASTM A370に準拠したシャルピー衝撃試験を実施し、シャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−40℃)を求めた。さらに、API−5Lに準拠した長手方向がC方向となるプレスノッチ型全厚DWTT試験片を採取し、−40℃で落重による衝撃曲げ荷重を加え、破断した破面の延性破面率(SA−40℃)を求めた。そして、板厚方向の1/2位置から組織観察用試験片を採取し、下記方法にて組織の同定、ベイナイト、島状マルテンサイトおよび残部組織の面積率ならびにセメンタイトの平均粒径を求めた。
鋼板の板厚方向の1/2位置から組織観察用試験片を採取し、L断面(圧延方向に平行な垂直断面)を鏡面研磨し、ナイタールで腐食した後、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて倍率2000倍で無作為に5視野観察し、撮影した組織写真により組織を同定し、ベイナイト、マルテンサイト、フェライト、パーライト等の各相の面積率を画像解析にて求めた。
表3より、No.2〜13の鋼板は、成分組成および製造方法が本発明に適合した発明例であり、母材の引張強度(TS)が625MPa以上、−40℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−40℃)が375J以上でかつ、−40℃でのDWTT試験で得られた延性破面率(SA−40℃)が85%以上となっており、高吸収エネルギーを有する高強度・高靭性鋼板となっている。
以上により得られた厚鋼板に対して、実施例1と同様に、全厚引張試験、シャルピー衝撃試験、プレスノッチ型全厚DWTT試験を実施し、降伏強度(YS)、引張強度(TS)、シャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−40℃)および延性破面率(SA−40℃)を測定した。
得られた結果を表5に示す。
表5から、本発明の製造条件を満たすNo.22〜24、34〜36、39、40の鋼板は、成分組成および製造方法が本発明に適合した発明例であり、母材の引張強度(TS)が625MPa以上、−40℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−40℃)が375J以上でかつ、−40℃でのDWTT試験で得られた延性破面率(SA−40℃)が85%以上となっており、高吸収エネルギーを有する高強度・高靭性鋼板となっている。さらに、No.23およびNo.35は未再結晶温度域の累積圧下率が好適範囲であるため、同じ組成の鋼板の中で、オーステナイトの微細化に起因してシャルピー衝撃吸収エネルギー(vE−40℃)やDWTT特性(SA−40℃)がより高位となっている。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.03%以上0.08%以下、
Si:0.01%以上0.50%以下、
Mn:1.5%以上2.5%以下、
P:0.001%以上0.010%以下、
S:0.0030%以下、
Al:0.01%以上0.08%以下、
Nb:0.010%以上0.080%以下、
Ti:0.005%以上0.025%以下、
N:0.001%以上0.006%以下
を含有し、さらに
Cu:0.01%以上1.00%以下、
Ni:0.01%以上1.00%以下、
Cr:0.01%以上1.00%以下、
Mo:0.01%以上1.00%以下、
V:0.01%以上0.10%以下、
B:0.0005%以上0.0030%以下
から選ばれる1種以上を含有し、
残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼板であり、
該鋼板の板厚方向の1/2位置における島状マルテンサイトの面積率が3%未満であって、さらに前記鋼板の板厚方向の1/2位置におけるベイナイトの面積率が90%以上であり、前記鋼板の板厚方向の1/2位置におけるベイナイト中に存在するセメンタイトの平均粒径が0.5μm以下であるミクロ組織を有する高強度・高靭性鋼板。 - 前記成分組成に加えてさらに、質量%で、
Ca:0.0005%以上0.0100%以下、
REM:0.0005%以上0.0200%以下、
Zr:0.0005%以上0.0300%以下、
Mg:0.0005%以上0.0100%以下
から選ばれる1種以上を含有する請求項1に記載の高強度・高靭性鋼板。 - 請求項1または2に記載の高強度・高靭性鋼板の製造方法であり、
鋼スラブを1000℃以上1250℃以下に加熱し、
オーステナイト再結晶温度域において圧延後、
オーステナイト未再結晶温度域において累積圧下率60%以上の圧延を行い、
(Ar3点+50℃)以上(Ar3点+150℃)以下の温度で圧延を終了し、
Ar3点以上(Ar3点+100℃)以下の冷却開始温度から10℃/s以上80℃/s以下の冷却速度にて、Ms点以上(Ms点+100℃)以下の冷却停止温度まで加速冷却をし、
さらに冷却停止温度±50℃の温度範囲で50s以上300s未満保持し、
その後100℃以下の温度域まで空冷を行う
高強度・高靭性鋼板の製造方法。
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