JP7338811B1 - 鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
Description
また、方位差15度以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたときに、円相当径で30μm超の結晶粒の数密度が250個/mm2以下となるように粗大粒の生成を抑制し、上記のフェライトおよび島状マルテンサイト以外の残部を焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイト相とすることにより、低温靭性を達成できる。
さらに、結晶粒につき、平均アスペクト比を2.0未満とすることで、音響異方性の低減も両立できる。
1.質量%で、
C:0.02%以上0.15%以下、
Si:0.01%以上0.50%以下、
Mn:0.05%以上2.50%以下、
Ni:0.5%以上5.0%未満、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下および
N:0.0010%以上0.0080%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物である成分組成を有し、
鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置におけるミクロ組織は、フェライト分率が5~95%、島状マルテンサイト分率が1~30%、残部が焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイトであり、方位差15度以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、該結晶粒の平均アスペクト比が2.0未満であり、該結晶粒のうち円相当径で30μm超の結晶粒の数密度が250個/mm2以下である鋼板。
Al:0.100%以下
Nb:0.1%以下、
Cr:2.00%以下、
Mo:1.0%以下、
Cu:2.0%以下、
V:0.05%以下、
Ti:0.03%以下、
B:0.0030%以下、
Ca:0.007%以下、
REM:0.010%以下および
Mg:0.007%以下
から選択される1種以上を含有する、前記1に記載の鋼板。
前記熱間圧延では、仕上温度を900℃以上とし、
前記第1の加熱保持では、加熱温度をAC3点以上1000℃以下の温度域とし、
前記焼入れでは、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における600℃から300℃までの平均冷却速度を3℃/s以上とし、かつ冷却終了温度を300℃以下とし、
前記第2の加熱保持では、加熱温度をAc1点以上AC3点未満の温度域とし、
前記冷却処理では、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における700℃から500℃までの平均冷却速度を3℃/s以上とし、かつ冷却終了温度を500℃以下200℃以上とする、鋼板の製造方法。
本発明の鋼板は、所定の成分組成を有する。また、本発明の鋼板の製造に用いる鋼素材も、上記所定の成分組成を有することが好ましい。以下、この成分組成に含まれる各元素について説明する。なお、特に断らない限り、本明細書において、各元素の含有量の単位としての「%」は「質量%」を意味する。
Cは、鋼板の強度を向上させる効果を有する元素である。この効果を得るために、C含有量は0.02%以上とする。好ましくは、C含有量は0.03%以上である。一方、C含有量が0.15%を超えると、鋼板の島状マルテンサイト量が多くなり低温靭性が低下する。そのため、C含有量は0.15%以下とする。C含有量は、好ましくは0.12%以下である。
Siは、脱酸剤としての作用を有する元素である。この効果を発現させるために、Si含有量は0.01%以上とする。好ましくは、Si含有量は0.03%以上である。一方、Si含有量が過剰に高くなると、靭性が低下する。そのため、Si含有量は0.50%以下とする。Si含有量は、好ましくは0.30%以下である。
Mnは、鋼の焼き入れ性を高め、鋼板の高強度化に有効な元素である。この効果を得るため、Mn含有量は0.05%以上である。好ましくは、Mn含有量は0.10%以上である。一方、Mnは2.50%を超えると、靭性を劣化させるため、Mn含有量は2.50%以下とする。Mn含有量は、好ましくは2.00%以下である。
Niは、鋼板の低温靭性の向上に有効な元素である。そのためには、Ni含有量を0.5%以上とする。一方で、Niは高価な元素であるため、その含有量が高くなるにつれて鋼板コストが高騰する。したがって、本発明においては、Ni含有量を5.0%未満とする。Ni含有量は、好ましくは0.8%以上であり、また、3.5%以下である。
Pは、不可避的に存在し得る不純物であり、鋼板の低温靭性に悪影響を及ぼす有害な元素である。例えば、鋼板を溶接して溶接構造物とした際に健全な母材および溶接継手を得るためには、Pの含有量を可能な限り低減することが好ましい。そのため、P含有量は0.03%以下に抑制する。また、低温靭性の観点からは、P含有量は低ければ低いほどよいため、下限は特に限定されず、0%であってもよい。一方、過度の低減はコスト増の原因となるため、コストの観点からは、P含有量の下限を0.001%とすることが好ましい。
Sは、鋼中でMnSを形成し低温靭性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。S含有量は、好ましくは0.002%以下とする。一方、S含有量は低ければ低いほどよいため、下限は特に限定されず、0%であってよい。
Nは、鋼中で析出物を形成し、Nの含有量が0.0080%を超えると、母材の靭性低下の原因となる。但し、Nは、AlNを形成することにより母材の細粒化に寄与する元素でもあり、このような効果はN含有量を0.0010%以上とすることにより得られる。したがって、N含有量は0.0010%以上0.0080%以下とする。N含有量は、好ましくは0.0020%以上である。N含有量は、好ましくは0.0060%以下である。
Crは、低温靭性を大きく損なうことなく鋼板の強度を向上させることができる元素である。上記の効果を得るには、Cr含有量を0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.30%以上である。しかし、Cr含有量が2.00%を超えると、鋼板の低温靭性が低下するおそれがある。そのため、Cr含有量は2.00%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.80%以下である。
Moは、鋼の強度向上に寄与する元素であり、所望する強度に応じて任意に含有できる。しかし、Mo含有量が1.0%を超えると、靭性が劣化するおそれがあるため、Moを含有する場合、Mo含有量を1.0%以下とすることが好ましい。なお、Moによる強度向上効果を得るという観点からは、Mo含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、高張力鋼の溶鋼脱酸プロセスにおいて、もっとも汎用的に使われる。前記効果を得るために、Al含有量は0.001%以上とすることが好ましい。Al含有量は、0.010%以上とすることがさらに好ましい。一方、Al含有量が0.100%を超えると、母材の靭性が低下するおそれがある。そのため、Al含有量は0.100%以下とすることが好ましい。Al含有量は0.07%以下とすることがさらに好ましい。
Cuは、高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素であり、所望する強度に応じて任意に含有できる。しかし、Cu含有量が2.0%を超えると、熱間脆性を生じて鋼板の表面性状が劣化するおそれがある。そのため、Cuを含有する場合、Cu含有量は2.0%以下とすることが好ましい。Cu含有量は1.0%以下とすることがさらに好ましい。なお、前記効果を得るために、Cu含有量を0.01%以上とすることが好ましい。さらに、Cu含有量を0.10%以上とすることが好ましく、0.20%以上とすることがより好ましい。
Nbは、鋼の強度向上に寄与する元素であり、所望する強度に応じて任意に含有できる。しかし、Nb含有量が0.1%を超えると、母材靭性が劣化するおそれがあるため、Nbを含有する場合、Nb含有量を0.1%以下とすることが好ましい。なお、Nbによる強度向上効果を得るという観点からは、Nb含有量を0.005%以上とすることが好ましい。
Vは、析出強化により鋼板の強度を高める有効な元素である。しかし、V含有量が過剰に高くなると、鋼板の低温靭性が低下するおそれがあるため、Vを添加する場合、V含有量を0.05%以下とすることが好ましい。より好ましくは、V含有量を0.04%以下とする。一方、V含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、V含有量を0.010%以上とすることが好ましい。
Tiは、鋼板を溶接して溶接構造物とする際、母材の機械的特性を低下させることなく溶接部の靭性を高める効果を有する元素である。そのためには、0.003%以上で添加することが好ましい。一方、0.03%を超えると、かえって靭性を低下させるおそれがあるため、Tiは0.03%以下の範囲で含有させることが好ましい。
Bは、微量添加で焼入れ性を高める元素である。この効果を有効に発揮させるために、Bを0.0003%以上で含有させることが好ましい。一方、Bの含有量が0.0030%を超えると、靭性が劣化するおそれがある。このため、Bを含有させる場合は、その含有量を0.0030%以下とすることが好ましい。
Caは、鋼中の介在物の形態を制御することで鋼板の低温靭性を向上させる効果を有する元素である。しかし、Caが過剰になると、鋼の清浄性を損なって低温でのシャルピー吸収エネルギー(以下、シャルピー靭性ともいう)を低下させるおそれがある。そのため、Caを添加する場合、Ca含有量を0.007%以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ca含有量を0.004%以下とする。一方、Ca含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、0.001%以上とすることが好ましい。
REM(希土類金属)は、Ca同様、鋼中の介在物の形態を制御することで鋼板の低温靭性を向上させる効果を有する元素である。しかし、REMが過剰になると、鋼の清浄性を損ないシャルピー靭性が低下するおそれがある。そのため、REMを添加する場合、REM含有量を0.010%以下とすることが好ましい。より好ましくは、REM含有量を0.008%以下とする。一方、REM含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るには、REM含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
ここで、REMとは、ランタノイドの15元素にYおよびScを合わせた17元素の総称であり、これらの元素を単独でまたは組み合わせて含有させることができる。なお、REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
Mgは、CaやREM同様、鋼中の介在物の形態を制御することで、鋼板の低温靭性を向上させる作用を有する元素である。しかし、Mgが過剰になると、鋼の清浄性を損ない、シャルピー靭性が低下するおそれがある。そのため、Mgを添加する場合、Mg含有量を0.007%以下とすることが好ましい。より好ましくは、Mg含有量を0.004%以下とする。一方、Mg含有量の下限は特に限定されないが、上記の効果を得るにはMg含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
(フェライト分率が5~95%、島状マルテンサイト分率が1~30%、残部が焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイト)
本発明の鋼板は、該鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置におけるミクロ組織において、フェライト分率を5~95%、島状マルテンサイト分率を1~30%、残部を焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイトとする。ミクロ組織における、フェライト分率が5%未満の場合、降伏比が0.80以下を満足しないことになる。一方、フェライト分率が95%超の場合、島状マルテンサイトなど硬質相の分率が低くなり、やはり降伏比が0.80以下を満足しないことになる。また、島状マルテンサイトが1%未満の場合、降伏比が0.80以下を満足しない。一方、島状マルテンサイトが30%超の場合、靭性が悪化する。さらに、残部が焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイトでない場合、例えば焼入れままマルテンサイトやベイナイトの場合、所期する靭性が満足されない。
本発明の鋼板は、該鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置におけるミクロ組織において、方位差15度以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、該結晶粒の平均アスペクト比が2.0未満であり、該結晶粒のうち円相当径で30μm超の結晶粒の数密度が250個/mm2以下である。上記結晶粒の平均アスペクト比が2.0以上では、組織の配向性が高くなる傾向があるため、音響異方性が大きくなる。また、結晶粒のうち円相当径で30μm超の結晶粒の数密度が250個/mm2を超えると、靭性が低下する。円相当径で30μm超の結晶粒の数密度は、好ましくは150個/mm2以下である。
い。
(引張強さ)
鋼板の引張強さは、特に限定する必要はないが、690MPa以上とすることが好ましい。なぜなら、タンクに適用する際の板厚を薄くできるからである。鋼板の引張強さは、より好ましくは、720MPa以上とする。一方、引張強さの上限についても特に限定する必要はないが、1000MPa以下とすることが好ましい。
なお、引張強さは、後述する実施例に記載した方法で測定することができる。
鋼板の降伏比は、特に限定する必要はないが、0.80以下とすることが好ましい。なぜなら、溶接後熱処理に代えて、機械的応力除去が可能になるからである。
鋼板の靱性値は、特に限定する必要はないが、-50℃におけるシャルピー吸収エネルギー(vE-50℃)が、フルサイズシャルピー衝撃試験において100J以上であることが好ましい。鋼板のvE-50℃は、より好ましくは150J以上である。
次に、本発明の鋼板を製造するための方法(製造方法)について説明する。なお、以下の説明においては、特に断らない限り、温度は板厚中央の温度を指すものとする。板厚中央の温度は、例えば、放射温度計で測定した鋼板の表面温度から、伝熱計算により求めることができる。
すなわち、製造方法は、上述した成分組成を有する鋼素材について、熱間圧延を行い、次いで第1の加熱保持を行い、次いで焼入れを行い、次いで第2の加熱保持を行い、次いで冷却処理を行う、鋼板の製造方法である。そして、前記熱間圧延では、仕上温度を900℃以上とし、前記第1の加熱保持では、加熱温度をAC3点以上1000℃以下の温度域とし、前記焼入れでは、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における600℃から300℃までの平均冷却速度を3℃/s以上とし、かつ冷却終了温度を300℃以下とし、前記第2の加熱保持では、加熱温度をAc1点以上AC3点未満の温度域とし、前記冷却処理では、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における700℃から500℃までの平均冷却速度を3℃/s以上とし、かつ冷却終了温度を500℃以下200℃以上とする、ことを特徴とする。かかる条件を具備することにより、本発明の鋼板を好適に製造することができる。
以下、各工程について詳述する。
ここで、鋼素材の加熱は、鋳造などの方法によって得た鋼素材を一旦冷却した後に行ってもよいし、または、得られた鋼素材を冷却することなく直接、加熱に供してもよい。
上述した成分組成を有する鋼素材について、熱間圧延を行い、最終板厚を有する熱延鋼板を得る。熱間圧延では、仕上温度を900℃以上とする。仕上温度を900℃未満とすると、音響異方性が悪化するおそれがある。熱延鋼板の最終板厚は、特に限定されないが、上述したように、6mm以上50mm以下とすることが好ましい。また、熱間圧延の後は、適宜、冷却することができる。上記冷却の方法は、特に限定されないが、空冷、水冷などとすることができる。
上記熱間圧延の後、この熱延鋼板について、オーステナイト域での加熱保持(第1の加熱保持)を行う。そのため、第1の加熱保持では、加熱温度をAC3点以上とする。一方、熱延鋼板の加熱温度が1000℃を超えると、結晶粒が粗大化し、靭性が低下するため、第1の加熱保持では、加熱温度を1000℃以下とする。
上記第1の加熱保持の後の熱延鋼板に対し、焼入れ(すなわち、加速冷却)を行う。この焼入れは、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ(以下、1/4tとも称する)の位置における600℃から300℃までの平均冷却速度が、3℃/s以上であることが肝要である。
次いで、上記の焼入れ後の熱延鋼板について、2相域温度での加熱保持(第2の加熱保持)を行う。第2の加熱保持では、加熱温度をAc1点以上Ac3点未満とする。加熱温度がAc1点未満では、島状マルテンサイトを得られず、低降伏比を達成できない。加熱温度がAc3点以上では、フェライト相が5%未満、また、焼戻しマルテンサイト相が90%超となり、低降伏比を達成できない。
AC1点(℃)=750.8-26.6×C+17.6×Si-11.6×Mn-22.9×Cu-23×Ni+24.1×Cr+22.5×Mo-39.7×V-5.7×Ti+232.4×Nb-169.4×Al ・・・(1)
また、Ac3点は、次の(2)式により求めることができる。
Ac3点(℃)=937.2-436.5×C+56×Si-19.7×Mn-16.3×Cu-26.6×Ni-4.9×Cr+38.1×Mo+124.8×V+136.3×Ti-19.1×Nb+198.4×Al+3315×B ・・・(2)
次いで、冷却処理を行う。この冷却処理では、1/4tの位置における700℃から500℃までの平均冷却速度を3℃/s以上とし、かつ冷却終了温度を500℃以下200℃以上とする。すなわち、上記の平均冷却速度が3℃/s未満では、所望の変態組織を得られず強度靭性が低下する可能性がある。また、冷却停止温度が500℃超では、冷却停止後に生成するベイナイトが主体となり、低温靭性を満足しないおそれがある。また、冷却停止温度が200℃未満では、最終的に所望の焼戻し効果を得られず、靭性が劣化する。
まず、表1に示す成分組成を有する溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法によって鋼素材としての鋼スラブ(厚さ:200mm)を得た。なお、上述した(1)式によって求めたAC1点(℃)、および上述した(2)式によって求めたAc3点(℃)を、表1(および表2)に併記する。
各鋼板から、1/4tの位置が観察位置となるように、ミクロ組織観察用の試験片を採取した。この試験片を、圧延方向と垂直な断面が観察面となるよう樹脂に埋め、鏡面研磨した。次いで、ナイタール腐食を実施した後、倍率5000倍の走査型電子顕微鏡で観察して組織の画像を撮影した。得られた画像を解析して、ミクロ組織分率を同定した。各組織の特定は、それぞれ以下の通りとする。
・焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイト:セメンタイトを含む硬質相
・島状マルテンサイト:セメンタイトを含まない、円相当径1μm以下の硬質相
・焼入れままマルテンサイト:セメンタイトを含まない、円相当径1μm超えの硬質相
・フェライト:上記以外の母相
鋼板の1/4tの位置から、圧延方向と垂直にJIS4号引張試験片を採取した。この引張試験片を用い、JIS Z2241の規定に準拠して引張試験を実施して、鋼板の引張強さ(TS)を評価した。引張強さが690MPa以上であれば、高強度であり合格とした。同様に、引張試験結果から降伏比(YR)も評価し、0.80以下であれば、合格とした。
鋼板の1/4tの位置から、圧延方向と平行にJIS Z2202の規定に準拠してVノッチ試験片を採取した。このVノッチ試験片を用い、JIS Z2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、-50℃におけるシャルピー吸収エネルギー(vE-50℃)を求めた。シャルピー吸収エネルギーは、鋼板の低温靭性の指標と見なすことができる。シャルピー衝撃試験は、各鋼板において3本の試験片(A,B,C)を採取して測定を行った。個々の測定結果を表3に示す。このフルサイズのシャルピー衝撃試験において、各試験片のvE-50℃が100J以上であればシャルピー靭性に優れるものと評価し合格とした。
鋼板の音響異方性を評価するために、JIS Z3060に規定されている横波音速比を評価した。ここで、横波音速比は、横波の振動方向を圧延直交方向(C方向)としたときの音速CSC(m/秒)に対する、横波の振動方向を圧延方向(L方向)としたときの音速CSL(m/秒)の比、CSL/CSCとして定義される値である。その測定結果を表3に示す。CSL/CSCが1.02以下となれば、音響異方性が少ないものと評価し合格とした。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.02%以上0.15%以下、
Si:0.01%以上0.50%以下、
Mn:0.05%以上2.50%以下、
Ni:0.5%以上5.0%未満、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下および
N:0.0010%以上0.0080%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物である成分組成を有し、
鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置におけるミクロ組織は、フェライト分率が5~95%、島状マルテンサイト分率が1~30%、残部が焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイトであり、方位差15度以上の大角粒界で囲まれた領域を結晶粒としたとき、該結晶粒の平均アスペクト比が2.0未満であり、該結晶粒のうち円相当径で30μm超の結晶粒の数密度が250個/mm2以下である鋼板。 - 前記成分組成は、さらに、質量%で、
Nb:0.05%以下、
Al:0.100%以下
Cr:2.00%以下、
Mo:1.0%以下、
Cu:2.0%以下、
V:0.05%以下、
Ti:0.03%以下、
B:0.0030%以下、
Ca:0.007%以下、
REM:0.010%以下および
Mg:0.007%以下
から選択される1種以上を含有する、請求項1に記載の鋼板。 - 請求項1または2に記載の鋼板の製造方法であって、
請求項1または2に記載の成分組成を有する鋼素材について、熱間圧延を行い、次いで第1の加熱保持を行い、次いで焼入れを行い、次いで第2の加熱保持を行い、次いで冷却処理を行う、鋼板の製造方法において、
前記熱間圧延では、仕上温度を900℃以上とし、
前記第1の加熱保持では、加熱温度をAc 3 点以上1000℃以下の温度域とし、
前記焼入れでは、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における600℃から300℃までの平均冷却速度を3℃/s以上とし、かつ冷却終了温度を300℃以下とし、
前記第2の加熱保持では、加熱温度をAc1点以上Ac 3 点未満の温度域とし、
前記冷却処理では、鋼板の表面から板厚方向に板厚の1/4の深さ位置における700℃から500℃までの平均冷却速度を3℃/s以上とし、かつ冷却終了温度を500℃以下200℃以上とする、鋼板の製造方法。
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