JP7197699B2 - 水素誘起割れ抵抗性に優れた圧力容器用鋼材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
Cは、基本的な強度を確保するために最も重要な元素であるため、適切な範囲内で鋼中に含有される必要があり、このような添加効果を得るためには、Cは0.2%以上添加することが好ましい。しかし、C含有量が0.3%を超えると、10mmの厚さ未満の鋼材の場合には、空冷過程でフェライト+ベイナイト組織などが形成されて強度や硬度が過度に高くなることがあり、特にMA組織の生成時に、HIC特性も阻害されるため、上記Cは0.2~0.3%の範囲とすることが好ましい。
Siは、置換型元素として固溶強化により鋼材の強度を向上させ、強力な脱酸効果を有しており、清浄鋼の製造に必須な元素であるため、0.05%以上添加されることが好ましい。しかし、0.50%を超える場合には、MA相を生成させ、フェライト基地組織の強度を過度に増大させて、耐HIC特性及び衝撃靭性などに劣化を引き起こすことがある。したがって、上記Siは0.05~0.50%の範囲とすることが好ましい。上記Si含有量の下限は、0.20%であることがより好ましい。
Mnは、固溶強化により強度を向上させ、低温変態相が生成されるように硬化能を向上させる有用な元素である。本発明では、上記効果を十分に得るためには、上記Mnを0.1%以上添加することが好ましい。一方、耐HIC特性を向上させるための引張強度485~620MPa級である従来の鋼材では、上記Mnが1.0~1.4%の範囲で添加されることが一般的である。しかし、Mn含有量が高くなるほど圧延過程でBandedパーライト組織が発達するようになってHIC品質が劣化する。また、製品中心部のMn偏析度も増大し、高温変形抵抗値も急激に増大するため、未再結晶域における最大圧下量の設定に限界が発生する。したがって、本発明では、製品の全厚さ区間でBand形態ではなく、微細なフェライト+パーライト微細組織を生成させるために、上記Mn含有量を0.5%未満に制御することが好ましい。したがって、上記Mn含有量は、0.1%以上~0.5%未満の範囲とすることが好ましい。上記Mn含有量の下限は、0.15%であることがより好ましく、0.2%であることがさらに好ましい。上記Mn含有量の上限は、0.45%であることがより好ましく、0.4%であることがさらに好ましい。
Alは、上記Siと共に製鋼工程で強力な脱酸剤の一つとして、このような効果を得るためには、0.005%以上添加することが好ましい。しかし、その含有量が0.1%を超える場合には、脱酸の結果物として生成される酸化性介在物のうちAl2O3の分率が過度に増加し、大きさが粗大になるだけでなく、精錬中に除去が難しくなる問題があり、酸化性介在物による水素誘起割れ抵抗性が低下するという欠点がある。したがって、上記Alは0.005~0.1%の範囲とすることが好ましい。
Pは、結晶粒界に脆性を誘発したり、粗大な介在物を形成させて脆性を誘発したりする元素であり、脆性割れ伝播抵抗性を向上させるためには、上記P含有量を0.010%以下に制御することが好ましい。
Sは、結晶粒界に脆性を誘発したり、粗大な介在物を形成させて脆性を誘発したりする元素であり、脆性割れ伝播抵抗性を向上させるためには、上記S含有量を0.0015%以下に制御することが好ましい。
Nbは、NbCまたはNb(C、N)の形で析出し、母材の強度を向上させる。また、高温で再加熱する際、固溶されたNbは圧延時にNbCの形で非常に微細に析出され、オーステナイトの再結晶を抑制して組織を微細化させる効果がある。上記効果のために、上記Nbは0.001%以上添加されることが好ましい。但し、0.03%を超える場合には、未溶解のNbがTi、Nb(C、N)の形で生成され、UT不良、衝撃靭性劣化及び耐水素誘起割れ性を阻害させる要因となり得る。したがって、上記Nb含有量は、0.001~0.03%の範囲とすることが好ましい。
Vは、再加熱時にほぼすべてが再固溶されることから、後続する圧延時に析出や固溶による強化効果は僅かであるが、この後のPWHTなどの熱処理過程で非常に微細な炭窒化物として析出して、強度を向上させる効果がある。このような効果を十分に得るためには、上記Vを0.001%以上添加する必要があるが、その含有量が0.03%を超えると、溶接部の強度及び硬度を過度に増加させて圧力容器などで加工する際、表面クラックなどの要因として作用することがある。また、製造原価が急激に上昇して経済的に不利になる。したがって、上記V含有量は、0.001~0.003%の範囲とすることが好ましい。
Tiは、再加熱時にTiNとして析出して母材及び溶接熱影響部の結晶粒成長を抑制し、低温靭性を大きく向上させる成分であって、このような添加効果を得るためには、0.001%以上添加されることが好ましい。しかし、Tiが0.03%を超えて添加されると、連鋳ノズルの目詰まりや中心部の晶出によって低温靭性が減少することがあり、Nと結合して厚さの中心部に粗大なTiN析出物が形成される場合には、水素誘起割れの開始点として作用する虞があるため、上記Ti含有量は、0.001~0.03%の範囲とすることが好ましい。
Crの固溶による降伏及び引張強度を増大させる効果は僅かであるが、後工程である焼戻しや溶接後熱処理(PWHT)の間、セメンタイトの分解速度を抑えることで強度低下を防止する効果がある。上述した効果を得るためには、上記Crを0.01%以上添加することが好ましいが、その含有量が0.20%を超えると、M23C6などのCr-Rich粗大炭化物の大きさ及び分率が増大して衝撃靭性が大きく低下するようになり、製造費用が上昇し、溶接性が低下する問題がある。したがって、上記Cr含有量は、0.01~0.20%の範囲とすることが好ましい。
Moは、Crのように後工程である焼戻しまたは溶接後熱処理(PWHT)の間の強度低下の防止に有効な元素であり、Pなどの不純物の粒界偏析による靭性低下を防止する効果がある。また、フェライト内の固溶強化元素として基地相の強度を増大させる。上述した効果を得るためには、上記Moを0.01%以上添加することが好ましいが、高価の元素として過度に添加する場合には、製造費用が大きく上昇することがあるため、0.15%以下添加することが好ましい。したがって、上記Mo含有量は、0.01~0.15%の範囲とすることが好ましい。
銅(Cu)は、フェライト内の固溶強化により基地相の強度を大きく向上させることができるだけでなく、湿潤硫化水素雰囲気での腐食を抑制する効果があるため、本発明において有利な元素である。上述した効果を十分に得るためには、上記Cuを0.01%以上添加する必要があるが、その含有量が0.50%を超えると、鋼板の表面にスタークラックを誘発する可能性が大きくなり、高価な元素として製造費用が大きく上昇する問題がある。したがって、上記Cu含有量は、0.01~0.50%の範囲とすることが好ましい。
Niは、低温で積層欠陥を増大させて電位の交差スリップ(Cross Slip)を容易にして衝撃靭性を向上させ、硬化能を向上させて強度を増加させるために重要な元素であって、このような効果を得るためには0.05%以上添加されることが好ましい。しかし、上記Niが0.50%を超えて添加すると、硬化能が過度に上昇し、他の硬化能の元素よりも高価な元素であることから製造原価を上昇させる虞があるため、上記Ni含有量は、0.05~0.50%の範囲とすることが好ましい。
Caは、Alによる脱酸後に添加すると、MnS介在物を形成するSと結合してMnSの生成を抑制するとともに、球状のCaSを形成して、水素誘起割れによるクラックの発生を抑制する効果がある。本発明では、不純物として含有されるSを十分にCaSとして形成させるために、上記Caを0.0005%以上添加することが好ましい。但し、0.0040%を超える場合には、CaSを形成して残ったCaがOと結合して粗大な酸化性介在物を生成するようになり、これが圧延時に延伸、破壊されて水素誘起割れを助長する問題がある。したがって、上記Ca含有量は、0.0005~0.0040%の範囲とすることが好ましい。
Claims (5)
- 重量%で、炭素(C):0.2~0.3%、シリコン(Si):0.05~0.50%、マンガン(Mn):0.1%以上0.5%未満、アルミニウム(Al):0.005~0.1%、リン(P):0.010%以下、硫黄(S):0.0015%以下、ニオブ(Nb):0.001~0.03%、バナジウム(V):0.001~0.03%、チタン(Ti):0.001~0.03%、クロム(Cr):0.01~0.20%、モリブデン(Mo):0.01~0.15%、銅(Cu):0.01~0.50%、ニッケル(Ni):0.05~0.50%、カルシウム(Ca):0.0005~0.0040%、残部はFe及びその他の不可避不純物からなり、
面積分率でフェライト:70%以上、残部パーライトである微細組織を有し、
フェライトの平均結晶粒度が5~20μmであり、
厚さが6~100mmであり、引張強度が485~620MPaであり、
水素誘起割れ(HIC)抵抗性の指標である板の長さ方向への水素誘起割れのクラックの長さ比(CLR、%)が0%であり、
前記微細組織は1/4t及び1/2t(t:鋼材厚さ)で測定されたものであることを特徴とする水素誘起割れ抵抗性に優れた圧力容器用鋼材。 - 前記鋼材は、中心部のMn最大濃度が0.6重量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の水素誘起割れ抵抗性に優れた圧力容器用鋼材。
- 請求項1に記載の鋼材の製造方法であって、
重量%で、炭素(C):0.2~0.3%、シリコン(Si):0.05~0.50%、マンガン(Mn):0.1%以上0.5%未満、アルミニウム(Al):0.005~0.1%、リン(P):0.010%以下、硫黄(S):0.0015%以下、ニオブ(Nb):0.001~0.03%、バナジウム(V):0.001~0.03%、チタン(Ti):0.001~0.03%、クロム(Cr):0.01~0.20%、モリブデン(Mo):0.01~0.15%、銅(Cu):0.01~0.50%、ニッケル(Ni):0.05~0.50%、カルシウム(Ca):0.0005~0.0040%、残部はFe及びその他の不可避不純物からなる鋼スラブを1000~1100℃で再加熱する段階、
前記再加熱されたスラブを未再結晶領域の温度である800~950℃でパス当たりの平均圧下率15%以上に熱間圧延して熱延鋼材を得る段階、及び
前記熱延鋼材を常温まで空冷した後に、800~900℃まで加熱してから15~60分間維持して焼きならし熱処理する段階を含むことを特徴とする水素誘起割れ抵抗性に優れた圧力容器用鋼材の製造方法。 - 前記熱間圧延後の熱延鋼材のオーステナイト平均結晶粒度は30μm以下であることを特徴とする請求項3に記載の水素誘起割れ抵抗性に優れた圧力容器用鋼材の製造方法。
- 前記熱延鋼材の厚さが50mm超過100mm以下であり、
前記熱間圧延後の熱延鋼材を400℃以下まで1/4t(t:鋼材厚さ)を基準に5℃/s以上に加速冷却する段階をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の水素誘起割れ抵抗性に優れた圧力容器用鋼材の製造方法。
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