JP6169025B2 - 耐水素誘起割れ性と靭性に優れた鋼板およびラインパイプ用鋼管 - Google Patents
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Description
C:0.02〜0.15%(%は質量%の意味。以下同じ)、
Si:0.02〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、
P:0.030%以下(0%を含まない)、
S:0.003%以下(0%を含まない)、
Al:0.010〜0.08%、
Ca:0.0003〜0.0060%、
N:0.001〜0.01%、および
O(酸素):0.0045%以下(0%を含まない)を満たし、残部が鉄および不可避不純物からなり、
前記Caと前記Sの比(Ca/S)が2.0以上であり、かつ
板厚方向に表面から深さ5mmまでの領域の最大Ca濃度(Cmax)と該領域の平均Ca濃度(Cave)との比(Cmax/Cave)が1.20以下であるところに特徴を有する。
(a)B:0.005%以下(0%を含まない)、
V:0.1%以下(0%を含まない)、
Cu:1.5%以下(0%を含まない)、
Ni:1.5%以下(0%を含まない)、
Cr:1.5%以下(0%を含まない)、
Mo:1.5%以下(0%を含まない)、および
Nb:0.06%以下(0%を含まない)
よりなる群から選択される1種以上の元素や、
(b)Ti:0.03%以下(0%を含まない)、
Mg:0.01%以下(0%を含まない)、
REM:0.02%以下(0%を含まない)、および
Zr:0.010%以下(0%を含まない)
よりなる群から選択される1種以上の元素を含んでいてもよい。
[C:0.02〜0.15%]
Cは、母材および溶接部の強度を確保するために必要不可欠な元素であり、0.02%以上含有させる必要がある。C量は、好ましくは0.03%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。一方、C量が多すぎるとHAZ靭性と溶接性が劣化する。またC量が過剰であると、HICの起点や破壊進展経路となるNbCや島状マルテンサイトが生成しやすくなる。よってC量は0.15%以下とする必要がある。C量は、好ましくは0.12%以下、より好ましくは0.10%以下である。
Siは、脱酸作用を有する上に、母材および溶接部の強度向上に有効な元素である。これらの効果を得るため、Si量を0.02%以上とする。Si量は、好ましくは0.05%以上であり、より好ましくは0.15%以上である。しかし、Si量が多すぎると溶接性や靭性が劣化する。またSi量が過剰であると、島状マルテンサイトが生じてHICが発生・進展する。よってSi量は、0.50%以下に抑える必要がある。Si量は、好ましくは0.45%以下、より好ましくは0.35%以下である。
Mnは、母材および溶接部の強度向上に有効な元素であり、本発明では0.6%以上含有させる。Mn量は、好ましくは0.8%以上であり、より好ましくは1.0%以上である。しかし、Mn量が多すぎると、MnSが生成されて耐水素誘起割れ性が劣化するだけでなくHAZ靭性や溶接性も劣化する。よってMn量の上限を2.0%以下とする。Mn量は、好ましくは1.8%以下であり、より好ましくは1.5%以下、さらに好ましくは1.2%以下である。
Pは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、P量が0.030%を超えると母材やHAZ部の靭性劣化が著しく、耐水素誘起割れ性も劣化する。よって本発明ではP量を0.030%以下に抑える。P量は、好ましくは0.020%以下、より好ましくは0.010%以下である。
Sは、多すぎるとMnSを多量に生成し耐水素誘起割れ性を著しく劣化させる元素であるため、本発明ではS量の上限を0.003%とする。S量は、好ましくは0.002%以下であり、より好ましくは0.0015%以下、更に好ましくは0.0010%以下である。この様に耐水素誘起割れ性向上の観点からは少ない方が望ましい。
Alは強脱酸元素であり、Al量が少ないと、酸化物中のCa濃度が上昇、即ち、Ca系介在物が鋼板表層部に形成されやすくなり微細なHICが発生する。よって本発明では、Alを0.010%以上とする必要がある。Al量は、好ましくは0.020%以上、より好ましくは0.030%以上である。一方、Al含有量が多すぎると、Alの酸化物がクラスター状に生成し水素誘起割れの起点となる。よってAl量は0.08%以下とする必要がある。Al量は、好ましくは0.06%以下であり、より好ましくは0.05%以下である。
Caは、硫化物の形態を制御する作用があり、CaSを形成することによってMnSの形成を抑制する効果がある。この効果を得るには、Ca量を0.0003%以上とする必要がある。Ca量は、好ましくは0.0005%以上であり、より好ましくは0.0010%以上である。一方、Ca量が0.0060%を超えると、Ca系介在物を起点にHICが多く発生する。よって本発明では、Ca量の上限を0.0060%とする。Ca量は、好ましくは0.0045%以下であり、より好ましくは0.0035%以下、さらに好ましくは0.0025%以下である。
Nは、鋼組織中にTiNとして析出し、HAZ部のオーステナイト粒の粗大化を抑制し、さらにフェライト変態を促進させて、HAZ部の靭性を向上させる元素である。この効果を得るにはNを0.001%以上含有させる必要がある。N量は、好ましくは0.003%以上であり、より好ましくは0.0040%以上である。しかし、N量が多すぎると、固溶Nの存在によりHAZ靭性がかえって劣化するため、N量は、0.01%以下とする必要がある。好ましくは0.008%以下であり、より好ましくは0.0060%以下である。
O(酸素)は、清浄度向上の観点から低いほうが望ましく、Oが多量に含まれる場合、靭性が劣化することに加え、酸化物を起点にHICが発生し、耐水素誘起割れ性が劣化する。この観点から、O量は0.0045%以下とする必要があり、好ましくは0.0030%以下、より好ましくは0.0020%以下である。
Caに対してSが過剰となる場合、板厚中央部を中心にMnSが生成し、MnSを起点にHICが発生する。これを抑制するためにはCa/Sを2.0以上とする必要があり、好ましくは2.5以上、より好ましくは3.0以上である。尚、本発明で規定するCa量とS量からCa/Sの上限は15程度となる。
(a)下記量のB、V、Cu、Ni、Cr、Mo、およびNbよりなる群から選択される1種類以上の元素を含有させて、強度や靭性をより高めることや、
(b)下記量のTi、Mg、REM、およびZrよりなる群から選択される1種類以上の元素を含有させて、HAZ靭性をより高めるとともに、脱硫を促進させ耐HIC性をより改善することができる。以下、これらの元素について詳述する。
Bは、焼入れ性を高め、母材および溶接部の強度を高めるとともに、溶接時に、加熱されたHAZ部が冷却する過程でNと結合してBNを析出し、オーステナイト粒内からのフェライト変態を促進するため、HAZ靭性を向上させる。この効果を得るためには、B量を0.0002%以上含有させることが好ましい。B量は、より好ましくは0.0005%以上であり、更に好ましくは0.0010%以上である。しかし、B含有量が過多になると、母材とHAZ部の靭性が劣化したり、溶接性の劣化を招くため、B含有量は0.005%以下とするのが好ましい。B量は、より好ましくは0.004%以下、更に好ましくは0.0030%以下である。
Vは、強度の向上に有効な元素であり、この効果を得るには0.003%以上含有させることが好ましい。より好ましくは0.010%以上である。一方、V含有量が0.1%を超えると溶接性と母材靭性が劣化する。よってV量は0.1%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.08%以下である。
Cuは、焼入れ性を向上させて強度を高めるのに有効な元素である。この効果を得るにはCuを0.01%以上含有させることが好ましい。Cu量は、より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。しかし、Cu含有量が1.5%を超えると靭性が劣化するため、1.5%以下とすることが好ましい。Cu量は、より好ましくは1.0%以下、更に好ましくは0.50%以下である。
Niは、母材および溶接部の強度と靭性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ni量を0.01%以上とすることが好ましい。Ni量は、より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。しかしNiが多量に含まれると、構造用鋼材として極めて高価となるため、経済的な観点からNi量は1.5%以下とすることが好ましい。Ni量は、より好ましくは1.0%以下、更に好ましくは0.50%以下である。
Crは、強度の向上に有効な元素であり、この効果を得るには0.01%以上含有させることが好ましい。Cr量は、より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。一方、Cr量が1.5%を超えるとHAZ靭性が劣化する。よってCr量は1.5%以下とすることが好ましい。Cr量は、より好ましくは1.0%以下、更に好ましくは0.50%以下である。
Moは、母材の強度と靭性の向上に有効な元素である。この効果を得るには、Mo量を0.01%以上とすることが好ましい。Mo量は、より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.10%以上である。しかし、Mo量が1.5%を超えるとHAZ靭性および溶接性が劣化する。よってMo量は1.5%以下とすることが好ましく、より好ましくは1.0%以下、更に好ましくは0.50%以下である。
Nbは、溶接性を劣化させることなく強度と母材靭性を高めるのに有効な元素である。この効果を得るには、Nb量を0.002%以上とすることが好ましい。Nb量は、より好ましくは0.010%以上、更に好ましくは0.020%以上である。しかし、Nb量が0.06%を超えると母材とHAZの靭性が劣化する。よって、本発明ではNb量の上限を0.06%とすることが好ましい。Nb量は、より好ましくは0.050%以下、更に好ましくは0.040%以下、より更に好ましくは0.030%以下である。
Tiは、鋼中にTiNとして析出することで、溶接時のHAZ部でのオーステナイト粒の粗大化を防止しかつフェライト変態を促進するため、HAZ部の靭性を向上させるのに必要な元素である。さらにTiは、脱硫作用を示すため耐HIC性の向上にも有効な元素である。これらの効果を得るには、Tiを0.003%以上含有させることが好ましい。Ti量は、より好ましくは0.005%以上、更に好ましくは0.010%以上である。一方、Ti含有量が過多になると、Tiの固溶やTiCの析出により母材とHAZ部の靭性が劣化するため、0.03%以下とすることが好ましい。Ti量は、より好ましくは0.02%以下である。
Mgは、結晶粒の微細化を通じて靭性の向上に有効な元素であり、また脱硫作用を示すため耐HIC性の向上にも有効な元素である。この効果を得るためには、Mgを0.0003%以上含有させることが好ましい。Mg量は、より好ましくは0.001%以上である。一方、Mgを、過剰に含有させても効果が飽和するため、Mg量の上限は0.01%とすることが好ましい。Mg量は、より好ましくは0.005%以下である。
REM(希土類元素)は、脱硫作用によりMnSの生成を抑制し耐水素誘起割れ性を高めるのに有効な元素である。このような効果を発揮させるには、REMを0.0002%以上含有させることが好ましい。REM量は、より好ましくは0.0005%以上、更に好ましくは0.0010%以上である。一方、REMを多量に含有させても効果が飽和する。よってREM量の上限は0.02%とすることが好ましい。鋳造時の浸漬ノズルの閉塞を抑えて生産性を高める観点からは、REM量を0.015%以下とすることがより好ましく、更に好ましくは0.010%以下、より更に好ましくは0.0050%以下である。尚、本発明において、上記REMとは、ランタノイド元素(LaからLuまでの15元素)とSc(スカンジウム)およびYを意味する。
Zrは、脱硫作用により耐HIC性の向上に寄与するとともに、酸化物を形成し微細に分散することでHAZ靭性の向上にも寄与する元素である。これらの効果を発揮させるには、Zr量を0.0003%以上とすることが好ましい。Zr量は、より好ましくは0.0005%以上、更に好ましくは0.0010%以上、より更に好ましくは0.0015%以上である。一方、Zrを過剰に添加すると粗大な介在物を形成して耐水素誘起割れ性および母材靭性を劣化させる。よってZr量は0.010%以下とすることが好ましい。Zr量は、より好ましくは0.0070%以下、更に好ましくは0.0050%以下、より更に好ましくは0.0030%以下である。
上記成分組成となるように溶製した後、溶鋼は、取鍋、タンディッシュを経て鋳型に注入されるが、本発明で規定の鋼板表層部を有する鋼板を得るには、上記タンディッシュに溶鋼を注入し連続鋳造を行う工程において、下記(1)〜(3)の全てを満たすことが推奨される。
(1)タンディッシュにおいて、取鍋からの溶鋼注入位置での流路断面積よりも、鋳型への溶鋼注入位置における流路断面積が大きくなるようにする。具体的には、各流路断面積がこの様に設計されたタンディッシュを用いる。
(2)注入ノズルの吐出孔上部から50mm以上の位置からArを0.04〜9.7L(リットル)/t(ton)の流量で吹き込みつつ、鋳造する。
(3)鋳型内溶鋼のメニスカス位置から引き抜き方向に向かって1〜3mの位置の凝固速度を0.26mm/s以下とする。
(1)流路断面積
Ca系介在物は高融点であり、溶鋼との接触角が大きいため凝集合体を形成しやすく粗大な介在物となりやすい。よってこのCa系介在物をタンディッシュ内部で十分に浮上分離させる必要がある。この浮上分離が不十分な場合には、例えば連続鋳造時の湾曲部で上記粗大なCa系介在物が浮上し、表層に集積しやすくなる。タンディッシュ内で上記介在物を十分に浮上分離させるには、タンディッシュ内での溶鋼平均流速を小さくするのがよい。溶鋼平均流速を小さくすることによって、浮上時間を長時間化でき、また取鍋注入時の乱流により浮上分離を促進させることができる。タンディッシュ内での溶鋼平均流速を小さくするには、タンディッシュにおける鋳型への溶鋼注入位置における流路断面積が、取鍋からの溶鋼注入位置での流路断面積よりも大きいタンディッシュを用いる。(鋳型への溶鋼注入位置における流路断面積)/(取鍋からの溶鋼注入位置での流路断面積)で表される比が1.00超であればよいが、上記比は好ましくは1.50以上である。尚、上記比の上限は5.0程度である。
ノズル内の溶鋼が非充満となる吐出孔上部から50mm以上の位置でArを吹込みつつ鋳造を行うことで、ノズルおよび鋳型内でCa系介在物とAr気泡を合体させ浮上分離を促進させることができる。この効果を得るには、Ar流量を0.04L/t以上とするのが好ましい。前記Ar流量は、より好ましくは0.10L/t以上、更に好ましくは0.20L/t以上である。一方、Ar流量が9.7L/tを上回る場合、鋼片表層にAr気泡が残存し、鋼板に欠陥として残存しやすくなる。よってAr流量は、9.7L/t以下とすることが好ましく、より好ましくは9.0L/t以下、更に好ましくは8.0L/t以下である。
一般に、凝固速度が大きい場合は、凝固界面近傍に存在する介在物が界面に取り込まれやすく、凝固速度が小さい場合は、介在物の一部が凝固界面から未凝固の中央部に押し出される。本発明では凝固速度を小さくすることによって、鋼板表層部に介在物が集積しないようにする。具体的には、本発明で対象とする「表面から深さ5mmまでの領域」が凝固する、鋳型内溶鋼のメニスカス位置から引き抜き方向に向かって1〜3mの位置の、凝固速度を0.26mm/s以下とする。凝固速度は好ましくは0.22mm/s以下、より好ましくは0.18mm/s以下である。尚、凝固速度の下限値は、生産性等の観点からおおよそ0.05mm/sとなる。上記凝固速度は、冷却水の水量密度や鋳造速度の制御によって調整することができる。
鋼板の板厚方向に表面から深さ5mmまでの領域のCa濃度の分布を蛍光分光分析により測定した。具体的には、最初に鋼板のスケール層を剥離するため鋼板表面から0.5mmまでを研削し、鋼板の表面に相当する該研削面のCa濃度を測定した。次いで、板厚方向に0.5mm研削してから該研削面のCa濃度測定を行った。これを板厚方向に0.5mmピッチで繰り返し行い、表面から板厚方向に深さ5mmまでの計10断面のCa濃度を測定した。そして10断面におけるCa濃度の最大値をCmax、10断面のCa濃度の平均値をCaveとし、Cmax/Caveを求めた。
HIC試験は、NACE standard TM0284−2003に従って実施・評価した。詳細には、各鋼板の幅方向における1/4W位置と1/2W位置から、それぞれ3本、計6本の試験片(サイズ:板厚×(幅)100mm×(圧延方向)20mm)を採取した。そして該試験片を、1atmの硫化水素を飽和させた25℃の0.5%NaClと0.5%酢酸を含む混合水溶液中に96時間浸漬し、断面評価をNACE standard TM0284−2003 FIGURE3に従って行い、CLR(Crack Length Ratio、試験片幅に対する割れ長さ合計の割合(%)、割れ長さ率)を測定した。そして、前記CLRが3%以下の場合を耐HIC性に優れる(○)と評価し、CLRが3%超の場合を耐HIC性に劣る(×)と評価した。
NACE試験後、試験片の表面直下よりASTM A370に従い、板厚方向5mm×圧延方向10mmのシャルピー試験片を圧延方向に垂直な方向で3本採取し、鋼板の板厚方向にノッチを施した。シャルピー衝撃試験はASTM A370に従い実施し、試験温度は0℃〜80℃まで種々変化させ、脆性破面率が0%でのシャルピー吸収エネルギー、つまりアッパーシェルフエネルギーを求めた。そして、このアッパーシェルフエネルギーが125J以上の場合を靭性に優れると評価した。
Claims (6)
- C:0.02〜0.15%(%は質量%の意味。以下同じ)、
Si:0.02〜0.50%、
Mn:0.6〜2.0%、
P:0.030%以下(0%を含まない)、
S:0.003%以下(0%を含まない)、
Al:0.010〜0.08%、
Ca:0.0003〜0.0060%、
N:0.001〜0.01%、および
O(酸素):0.0045%以下(0%を含まない)を満たし、残部が鉄および不可避不純物からなり、
前記Caと前記Sの比(Ca/S)が2.0以上であり、かつ
板厚方向に表面から深さ5mmまでの領域の最大Ca濃度(Cmax)と該領域の平均Ca濃度(Cave)との比(Cmax/Cave)が1.20以下であることを特徴とする耐水素誘起割れ性と靭性に優れた鋼板。 - 更に他の元素として、
B:0.005%以下(0%を含まない)、
V:0.1%以下(0%を含まない)、
Cu:1.5%以下(0%を含まない)、
Ni:1.5%以下(0%を含まない)、
Cr:1.5%以下(0%を含まない)、
Mo:1.5%以下(0%を含まない)、および
Nb:0.06%以下(0%を含まない)
よりなる群から選択される1種以上の元素を含む請求項1に記載の鋼板。 - 更に他の元素として、
Ti:0.03%以下(0%を含まない)、
Mg:0.01%以下(0%を含まない)、
REM:0.02%以下(0%を含まない)、および
Zr:0.010%以下(0%を含まない)
よりなる群から選択される1種以上の元素を含む請求項1または2に記載の鋼板。 - ラインパイプ用である請求項1〜3のいずれかに記載の鋼板。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の鋼板を用いて製造されるラインパイプ用鋼管。
- 圧力容器用である請求項1〜3のいずれかに記載の鋼板。
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