JPH07242991A - 溶接性に優れた高靱性クロムモリブデン鋼板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】溶接性と低温靱性に優れた、焼きならし−焼戻
し型のCr−Mo鋼板とその製造方法を提供する。 【構成】(1) Ｃ：0.03〜0.05％未満、Si：0.50〜0.80
％、Mn：0.40〜0.65％、Cu：0.05〜0.50％、Ni：0.05〜
0.50％、Cr：1.00〜1.50％、Mo：0.45〜0.65％、sol.A
l： 0.005〜0.100 ％、Ti： 0.005〜0.030 ％を含み、
不純物中のＰは 0.020％以下、Ｓは 0.015％以下であ
り、主要組織がベイナイトからなり、硬さがＨv で200
以下である溶接性に優れた高靱性Cr−Mo鋼板。 (2)上記成分の素材鋼板を 910〜930 ℃で焼きならし
後、水冷で加速冷却し、次いで焼戻処理を行い、主要組
織をベイナイト、硬さをＨv で200 以下とする溶接性に
優れた高靱性Cr−Mo鋼板の製造方法。 【効果】高靱性、高溶接性を有する焼きならし−焼戻し
型のCr−Mo鋼板を得ることができる。この鋼板では、溶
接施工後の最高硬さがＨv で300 以下であり、溶接施工
後のＳＲ処理は不要である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主としてボイラ、圧力
容器用として使用されるクロムモリブデン鋼板とその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】１・1/4Cr −1/2Mo 鋼板は、石油精製を
はじめとする化学工業プラントや発電プラントにおける
中・高温圧力容器用鋼板として広く用いられている。し
かし、従来の１・1/4Cr −1/2Mo 鋼板は、通常Ｃ含有量
が0.15％程度と高く、かつ、Cr、Mo等の合金元素を比較
的多く含有している。よって、溶接施工を施す際には、
低温割れ防止の観点から通常 150〜350 ℃程度の高温の
予熱が必要となること、高度の溶接技術が必要であるこ
となどから、施工期間の長期化や熱エネルギーの大量消
費等を招き、コスト上昇の一因となっている。

【０００３】また、１・1/4Cr −1/2Mo 鋼板では、高温
強度特性、耐エロージョン性の確保の点から、Si含有量
の範囲を0.50〜0.80％と比較的高めにする必要があるた
め、低温靱性が低下する。そのため各種装置の外気に触
れる部分に、止むを得ず低温靱性の優れた２・1/4Cr −
１Mo鋼板を使用する例が認められる。

【０００４】上記の１・1/4Cr −1/2Mo 鋼板の問題点を
解決するために、多くの研究がなされている。

【０００５】例えば、特開昭58−37157 号公報に示され
るCr−Mo鋼は、Nbの析出硬化を利用して溶接施工後に行
われる応力除去焼鈍時の耐割れ特性を改善したものであ
る。

【０００６】その主要成分は、Si：0.10〜0.80％、Cr：
0.40〜6.00％、Mo：0.40〜1.50％であって１・1/4Cr −
1/2Mo 鋼とは異なる。しかも、実施例によれば、Si含有
量が0.29％以下の場合のみが記載されており、このCr−
Mo鋼は主に低Si側で上記特性の改善が得られるものであ
ると推定される。

【０００７】特公平３−57361 号公報に示されるCr−Mo
鋼板においても同様に、主としてＣ含有量を減少させる
ことで優れた溶接性を確保しているものの、組織がフェ
ライト−パーライト、もしくはフェライト−パーライト
−ベイナイトとなっており、低温靱性向上の点では何ら
考慮がなされていない。

【０００８】特公平３−68100 号公報に示されるCr−Mo
鋼板おいては、溶接割れ感受性組成Ｐ_CMを導入してその
上限を定め、Ｃ含有量を減少して溶接性を向上させると
ともに、強度補償と焼入性向上のためにAlおよびＢの添
加を行っている。しかし、Ｂを必須添加とすることによ
り最高硬さの上昇を招き、特に溶接継手部の硬さが上昇
するという問題がある。

【０００９】特開昭62−89844 号公報および特開昭61−
104055号公報には、前記特公平３−68100 号公報と同様
に、溶接性の改善と靱性の向上を得ることができるCr−
Mo鋼板が示されている。しかし、いずれもAl−Ｂ処理に
よるものであって、その成果は十分ではなく、改善の余
地がある。

【００１０】特開平３−180442号公報には、溶接性およ
び高温(600℃) 強度を確保するためにNbを添加すると同
時に、Nb添加の連続鋳造鋳片や分塊スラブの欠点として
よく知られている鋼片表面のヒビ割れ対策として、低Ｓ
化を図った鉄骨建築構造用Cr−Mo−Nb鋼が示されてい
る。しかし、熱処理方法、鋼の組織および最高硬さなど
が示されておらず、この鋼を圧力容器等に適用すること
ができるかどうかは明らかではない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上の点から、溶接性
および低温靱性に優れた１・1/4Cr −1/2Mo 鋼板とその
製造方法の開発が急務であると考えられる。本発明の目
的は、溶接性および低温靱性に優れた、焼きならし−焼
戻し型のクロムモリブデン鋼板とその製造方法を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
(1) のクロムモリブデン鋼板と(2) のその製造方法にあ
る。

【００１３】(1)重量％で、Ｃ：0.03〜0.05％未満、S
i：0.50〜0.80％、Mn：0.40〜0.65％、Cu：0.05〜0.50
％、Ni：0.05〜0.50％、Cr：1.00〜1.50％、Mo：0.45〜
0.65％、sol.Al： 0.005〜0.100 ％およびTi： 0.005〜
0.030 ％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物から
なり、不純物中のＰは 0.020％以下、Ｓは 0.015％以下
であり、主要組織がベイナイトからなり、硬さがＨv で
200 以下であることを特徴とする溶接性に優れた高靱性
クロムモリブデン鋼板。

【００１４】(2)上記成分の素材鋼板を 910〜930 ℃で
焼きならしした後、水冷による加速冷却を施し、次いで
焼戻し処理を行い、主要組織をベイナイト、硬さをＨv
で 200以下とすることを特徴とする溶接性に優れた高靱
性クロムモリブデン鋼板の製造方法。

【００１５】ここでいう「主要組織」とは、体積率で50
％以上を占める組織部を意味し、組織はベイナイト単相
またはベイナイトが体積率で50％以上と残りがフェライ
トからなる２相のいずれかである。

【００１６】本発明者らは、１・1/4Cr −1/2Mo 鋼板の
製造において、溶接性の改善、靱性の向上を両立させる
べく鋭意研究した結果、次の〜の新知見を得て本発
明を完成させた。

【００１７】溶接性の改善を図るには、Ｃ量を著しく
低減する一方、Ｂを非添加とし、さらに固溶Ｎを低下さ
せるため、微量のTiを添加するのが有効である。

【００１８】靱性の向上を図るには、焼きならし−焼
戻しの熱処理を行う際、焼きならし時に加速冷却 (水
冷) 処理とし、組織をベイナイト化させる必要がある。

【００１９】加速冷却時、十分な焼入れ性を確保する
ため、微量のCu、Niを添加する必要がある。

【００２０】焼きならしの際、過度の加熱はγ粒の粗
大化を生じ、靱性改善に不利であるため、加熱温度の限
定が必要である。

【００２１】硬さをＨv で 200以下に抑制すれば、溶
接部の最高硬さはＨv で 300以下にすることができ、溶
接施工後の応力除去焼鈍を省略することができる。

【００２２】

【作用】まず、本発明のクロムモリブデン鋼およびその
素材鋼の化学組成を、前記のように限定した理由につい
て説明する。％は重量％を意味する。

【００２３】Ｃ：0.03〜0.05％未満 Ｃは、鋼の強度および耐エロージョン性を確保するため
に0.03％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃ含有量
の増加は溶接性および靱性の低下をもたらすため、Ｃ含
有量は0.03％以上を満たして極力低い方が望ましい。所
望の特性を得るためには、Ｃ含有量は0.05％未満で十分
であり、その上限を0.05％未満とした。

【００２４】Si：0.50〜0.80％ Siは鋼の強度の確保、耐酸化性向上のために有効な成分
であり、0.50％以上含有させる。一方、Si含有量が0.80
％を超えると溶接性、靱性が低下するため、その含有量
の上限は0.80％以下とした。

【００２５】Mn：0.40〜0.65％ Mnは鋼の強度、靱性および延性を高めるのに有効な成分
である。これらの効果を得るには、0.40％以上含有させ
る必要がある。一方、Mn含有量が0.65％を超えると溶接
性が低下する。よって、Mn含有量の範囲は0.40〜0.65％
とした。

【００２６】Cu：0.05〜0.50％ Cuは析出強化に有効な成分であり、かつ、耐エロージョ
ン性の向上にも効果を有する。これらの効果を有効に発
揮させるためには、0.05％以上のCu含有量が必要であ
る。一方、0.50％を超えると熱間加工性が低下し割れが
生じやすくなる。

【００２７】よって、Cu含有量の範囲は0.05〜0.50％と
した。

【００２８】Ni：0.05〜0.50％ Niは、Cuの高温下でのオーステナイト粒界への析出に伴
う割れの発生を抑えるために必要な成分である。Cu含有
量が上記の範囲においては、Ni含有量が0.05％以下では
上記の割れ抑制効果が得られない。一方、0.50％を超え
ると割れ抑制効果が飽和する。よって、Ni含有量の範囲
は0.05〜0.50％とした。

【００２９】Cr：1.00〜1.50％ Crは所望の特性を決定するのに重要な成分である。すな
わち、CrはSiと併せて高温における耐酸化性、強度を確
保する作用を有する。Cr含有量が1.00％未満ではこれら
の効果が得られない。一方、1.50％を超えると、これら
の効果が飽和する。よって、Cr含有量の範囲は1.00〜1.
50％とした。

【００３０】Mo：0.45〜0.65％ Moも所望の特性を決定するのに重要な成分である。すな
わち、Moは焼戻し軟化抵抗を高め、高温強度を上昇させ
る作用を有する。Mo含有量が0.45％未満ではこれらの効
果が得られない。一方、0.65％を超えるとこれらの効果
が飽和する。よって、Mo含有量の範囲は0.45〜0.65％と
した。

【００３１】sol.Al： 0.005〜0.100 ％ sol.AlはＮを固定し、また鋼中の酸素を除去するのに有
効な成分である。これらの効果は、sol.Al含有量が0.00
5 ％以上でないと期待できない。一方、sol.Al含有量が
0.100 ％を超えるとスラブの表面割れの原因となること
から、その含有量の上限は0.100 ％とした。

【００３２】Ti： 0.005〜0.030 ％ Tiは、溶接施工時、鋼中のFree（固溶）Ｎを固定し、熱
影響部の硬化を軽減するのに極めて有効な成分である。
この効果はTi含有量が0.005 ％以上でないと得られな
い。一方、Ti含有量が0.030 ％を超えると、逆に溶接継
手部の靱性を低下させる。よって、Ti含有量の範囲は
0.005〜0.030 ％とした。

【００３３】Ｐ： 0.020％以下 Ｐは鋼中に不純物として含有されるが、靱性、溶接性を
損なうばかりでなく、焼戻し脆化感受性を高めるため、
極力低減することが望ましい。しかし、著しい低減はコ
スト上昇を招くため、Ｐ含有量の許容上限として0.020
％とした。

【００３４】Ｓ： 0.015％以下 ＳもＰと同様、鋼中に不純物として含有されるが、鋼の
靱性を著しく損なうため、極力低減することが望まし
い。しかし、著しい低減はコスト上昇を招くため、Ｓ含
有量の許容上限として0.015 ％とした。

【００３５】上記の化学組成を有する本発明のクロムモ
リブデン鋼板の主要組織をベイナイトからなるもの、同
じく硬さをＨv で200 以下とした理由は次のとおりであ
る。

【００３６】ここでいう「主要組織」とは、体積率で50
％以上を占める組織部を意味し、組織はベイナイト単相
またはベイナイトが体積率で50％以上と残りがフェライ
トからなる２相のいずれかである。

【００３７】上記の組織を外れると、望ましい機械的特
性、硬さ、低温靱性および溶接性が得られなくなる。

【００３８】硬さは断面部での硬さを意味し、焼戻し後
の鋼板の硬さがＨv で200 を超えると、JIS Z 3101によ
る溶接施工後の溶接部の最高硬さがＨv で300 を超え、
応力除去焼鈍（以下、ＳＲという）を省略することがで
きなくなる。

【００３９】溶接施工により構造物を組み立てる場合、
内部に残留応力が発生する。従来の１・1/4Cr −1/2Mo
鋼板では、この内部応力を軽減するためにＳＲ処理を施
すことが必須である。この残留応力は溶接熱影響部の硬
化部に集中するため、この硬化部残留応力の軽減、消滅
が可能であるならば、大規模な設備と時間を必要とする
ＳＲ処理を省略することができる。焼戻し後の鋼板の硬
さが断面部において、Ｈv で200 以下であれば、JIS Z
3101による最高硬さ試験による溶接熱影響部の硬化部も
Ｈv で300 以下に維持することができ、著しい応力集中
が生じなくなるので、溶接施工後のＳＲ処理の省略が可
能である。

【００４０】次に、本発明の製造方法を前記の製造工程
と条件に限定した理由について説明する。

【００４１】本発明によりクロムモリブデン鋼を製造す
るには、常法に従い、前記の化学組成を有する鋼片 (ス
ラブ) を製造し、熱間圧延を施して得た素材鋼板を、 9
10〜930 ℃で焼きならしした後、水冷による加速冷却を
施し、次いで焼戻し処理を行えばよい。

【００４２】焼きならしにおいては、γ粒の粗大化を防
ぐため、加熱温度の上限は930 ℃としなければならな
い。加熱温度が910 ℃未満では、オーステナイト化する
のに不十分である。このときの望ましい保持時間は板厚
25mm当り最低１時間である。

【００４３】次いで、強度確保と靱性向上の目的で水冷
を用いて加速冷却を行う。このときの望ましい冷却速度
は400 ℃／min 以上である。

【００４４】冷却終了後、組織安定化と靱性向上の目的
で焼戻し処理を行う。望ましい温度範囲は 650〜730
℃、保持時間は板厚25mm当り１時間である。焼戻し後の
冷却は空冷とするのがよい。

【００４５】上記の加速冷却 (水冷) による焼入れの効
果は、板厚の増加に伴い減少する。

【００４６】したがって、主要組織を安定した高靱性ベ
イナイト組織にするため、本発明方法では適用板厚上限
を100mm とするのが望ましい。

【００４７】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼を電気炉で溶製し、
24トン鋼塊とした。

【００４８】

【表１】

【００４９】本発明例のうち、鋼種１、２は最も典型的
な組成の鋼である。鋼種３はCr含有量が下限の例、鋼種
４はMo含有量が下限の例である。鋼種５はＣ含有量が上
限の例、鋼種６は同じく下限の例である。

【００５０】比較例のうち、鋼種７〜12は従来から知ら
れている組成の鋼である。鋼種７、13はAl−Ｂ処理を施
した低Ｃ型Cr−Mo鋼、鋼種８は通常のＣレベルのJIS SC
MV３−１に対応するCr−Mo鋼である。鋼種９はCu、Niを
添加したJIS SCMV３−２に対応するCr−Mo鋼、鋼種10は
Al−Ｂ処理を施したJIS SCMV３−２に対応するCr−Mo鋼
である。鋼種11はＣ含有量が下限を下まわったもの、鋼
種12は逆にＣ含有量が上限を上まわったものである。

【００５１】得られた前記の鋼塊を常法に従い加熱、分
塊圧延してスラブを製造し、次いでこれらのスラブに熱
間圧延を施して厚さ50mmの素材鋼板とした。

【００５２】これらの鋼板に表２に示す一定同一条件で
熱処理を施して製品鋼板とした後、鋼板からJIS 10号試
験片とJIS ４号試験片を採取し、機械的特性および靱性
を調査した。

【００５３】上記熱処理時の加速冷却速度は 700℃／mi
n 、焼戻しの保持時間は2.0 時間、焼戻し後の冷却は空
冷とした。

【００５４】さらに、焼戻し後の鋼板について金属組織
と硬さの調査、溶接性試験およびJIS Z 3101による溶接
後の最高硬さ測定を行い、硬さ値から溶接施工後のＳＲ
処理省略の可否を判断した。

【００５５】これら各種試験を実施するにあたり、引張
試験特性はJIS G 4109（1987）に定めるSCMV３−１の値
を目標とした。靱性はシャルピー衝撃試験で評価し、低
温下でも十分な吸収エネルギーが得られるように、０℃
での吸収エネルギー値で ２００Ｊ以上を目標とした。
硬さは、溶接施工後のＳＲ省略が可能となる硬さＨｖ
２００以下を目標とした。溶接性は、この硬さおよび斜
めｙ開先溶接割れ試験(JIS Z3158）での割れ防止に必要
な予熱温度で評価し、焼戻し後の鋼板でＨv 200 以下、
溶接後でＨv 300 以下および予熱温度で50℃以下を良好
とした。表２、表３に上記の各試験結果を示す。

【００５６】

【表２】

【００５７】

【表３】

【００５８】次に、鋼種２について板厚の影響を調査す
る試験を行った。表４に、製品板厚を変化させ、熱処理
条件を同一にした場合の、板厚、熱処理条件および機械
的特性、金属組織を示す。

【００５９】

【表４】

【００６０】以上の結果、本発明例ではいずれも目標性
能を満足することが明らかである。

【００６１】比較例においてＣ含有量が高いもの (鋼種
８、９、10、12) 、低Ｃ型ながらAl−Ｂ処理を施したも
の (鋼種７、13) では、いずれも最高硬さが高すぎる。

【００６２】Ｃ含有量が下限以下のもの (鋼種11) では
炭化物の析出が不十分で、かつフェライトが大量に生成
するため、靱性が低い。

【００６３】さらに、鋼種１〜３について加速冷却条件
の影響を調査する試験を行った。表５に、冷却を空冷と
した場合の熱処理条件および機械的特性、金属組織を示
す。

【００６４】

【表５】

【００６５】冷却を空冷とし加速冷却しなかったことに
より、パーライトと粗大なフェライトが生成し、強度、
靱性ともに大きく低下することがわかる。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、高靱性で、かつ高溶接
性を有するとともに、JIS G 4109（1987）に示されるSC
MV３−１と同等の機械的性質を十分満足する、焼きなら
し−焼戻し型のCr−Mo鋼板を得ることができる。この鋼
板では、JIS Z 3101に規定される溶接施工後の最高硬さ
がＨv で300 以下であるので、溶接施工後のＳＲ処理は
不要である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：0.03〜0.05％未満、Si：0.
   50〜0.80％、Mn：0.40〜0.65％、Cu：0.05〜0.50％、N
   i：0.05〜0.50％、Cr：1.00〜1.50％、Mo：0.45〜0.65
   ％、sol.Al： 0.005〜0.100 ％およびTi： 0.005〜0.03
   0 ％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からな
   り、不純物中のＰは 0.020％以下、Ｓは 0.015％以下で
   あり、主要組織がベイナイトからなり、硬さがＨv で20
   0 以下であることを特徴とする溶接性に優れた高靱性ク
   ロムモリブデン鋼板。
2. 【請求項２】重量％で、Ｃ：0.03〜0.05％未満、Si：0.
   50〜0.80％、Mn：0.40〜0.65％、Cu：0.05〜0.50％、N
   i：0.05〜0.50％、Cr：1.00〜1.50％、Mo：0.45〜0.65
   ％、sol.Al： 0.005〜0.100 ％およびTi： 0.005〜0.03
   0 ％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からな
   り、不純物中のＰは 0.020％以下、Ｓは 0.015％以下で
   ある素材鋼板を、 910〜930 ℃で焼きならしした後、水
   冷による加速冷却を施し、次いで焼戻し処理を行い、主
   要組織をベイナイト、硬さをＨv で200 以下とすること
   を特徴とする溶接性に優れた高靱性クロムモリブデン鋼
   板の製造方法。