JP3262972B2 - 低降伏比を有する低温靭性に優れた溶接性高強度鋼 - Google Patents
低降伏比を有する低温靭性に優れた溶接性高強度鋼Info
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Description
張強さ(TS)を有し、降伏比が低く、低温靭性・溶接
性に優れた超高強度鋼に関するもので、原油・天然ガス
輸送用ラインパイプをはじめ、各種圧力容器、産業機械
などの溶接用鋼材として広く使用できる。
て輸送するパイプラインに使用されているラインパイプ
は、(1)高圧化による輸送効率の向上や(2)ライン
パイプの外径・重量の低減による現地施工能率の向上の
ため、ますます高強度化する傾向にある。これまでに米
国石油協会(API)規格でX80(引張強さ620MP
a 以上)までのラインパイプが実用化されているが、さ
らに高強度のラインパイプに対するニーズが強くなって
きた。
究は、従来のX80ラインパイプの製造技術(たとえば
NKK技報 No.138 (1992), pp24-31 およびThe 7th
Offshore Mechanics and Arctic Engineering (1988),
Volume V, pp179-185)を基本に検討されているが、これ
ではせいぜい、X100(引張強さ760MPa 以上)ラ
インパイプが製造限界と考えられる。パイプラインの超
高強度化は強度と低温靭性のバランスをはじめとして溶
接熱影響部(HAZ)靭性、現地溶接性、継手軟化など
多くの問題を抱えており、これらを克服した画期的な超
高強度ラインパイプ(X100超)の早期開発が要望さ
れている。
性のバランスに優れ、かつ現地溶接が容易な引張強さ9
50MPa 以上(API規格X100超)の超高強度・低
降伏比のラインパイプ用鋼を提供するものである。
が950MPa 以上で、かつ降伏比が低く、低温靭性・現
地溶接性に優れた超高強度鋼を得るために鋼材の化学成
分(組成)とそのミクロ組織について鋭意研究を行い、
新しい超高強度溶接用鋼を発明するに至った。
:0.05〜0.10%、 Si:0.6%以
下、Mn:1.7〜2.2%、 P :0.
015%以下、S :0.003%以下、
Ni:0.1〜1.0%、Mo:0.15〜0.50
%、 Nb:0.01〜0.10%、Ti:0.
005〜0.030%、 Al:0.06%以下、B
:0.0003〜0.0020%、N :0.001
〜0.006%、さらに、必要に応じて、選択的に、C
r:0.1〜0.6%、 Cu:0.1〜
1.0%、V :0.01〜0.10%の1種または2
種以上、さらに、必要に応じてCa:0.001〜0.
006%、あるいは、さらに必要に応じてMg:0.0
01〜0.006%、 Y :0.001〜0.01
0%の1種または2種を含有し、残部が鉄および不可避
的不純物からなるとともに、 P=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.4
5(Ni+Cu)+V+2Mo で定義されるP値が2.5以上4.0以下の範囲にあ
り、さらに、そのミクロ組織がマルテンサイト、ベイナ
イトおよびフェライトからなって、フェライト分率が2
0〜90%で、かつフェライト中に加工フェライトを5
0〜100%含有し、フェライト平均粒径が5μm以下
であることを特徴とする低降伏比を有する低温靭性に優
れた溶接性高強度鋼である。
に説明する。本発明の特徴は、(1)Ni−Mo−Nb
−微量Ti−微量Bを複合添加した低炭素・高Mn系で
あること、(2)そのミクロ組織が微細なフェライト
(平均粒径が5μm以下で、一定量以上の加工フェライ
トを含む)とマルテンサイト・ベイナイトの2相混合組
織からなることである。従来より、極低炭素−高Mn−
Nb−(Mo)−(Ni)−微量Ti−微量B鋼はベイ
ナイト・マルテンサイト組織として使用されてきてお
り、比較的高強度を得やすいが、低温靭性の重要な要素
である亀裂の伝播停止特性が劣っており、高圧ラインパ
イプなどには適用できなかった。
Mn−Nb−(Mo)−(Ni)−微量Ti−微量B鋼
においても化学成分、ミクロ組織を厳密に制御すること
により、超高強度と優れた低温靭性が達成できることを
見出した。本発明鋼の特徴は、(1)焼戻し処理なしで
も優れた超高強度、低温靭性が得られること、(2)焼
入れ・焼戻し処理を行った場合と比較して降伏比が低
く、鋼管成形性、低温靭性(シャルピー遷移温度、亀裂
伝播停止特性)に著しく優れていること、などが挙げら
れる。なお本発明鋼では、鋼板の状態で降伏強さが低く
ても、鋼管成形によって降伏強さが上昇し、目的とする
降伏強さを得ることが可能である。
る。引張強さ950MPa 以上の超高強度を達成するため
には、鋼のミクロ組織を一定量以上のマルテンサイト・
ベイナイトとする必要があり、そのためにはフェライト
分率を20〜90%(マルテンサイト・ベイナイト分率
は10〜80%)とする必要がある。フェライト分率が
90%を超えると、マルテンサイト・ベイナイト分率が
小さくなりすぎて、目的とする強度は達成できない。な
お、フェライト分率はC量にも依存し、C量が0.05
%以上では、実質上フェライト分率を90%超とするこ
とは困難である。本発明鋼において強度、低温靭性の面
から、最も望ましいフェライト分率は30〜80%であ
る。しかし、本来フェライトは軟らかいものであり、た
とえフェライト分率が20〜90%であっても、加工フ
ェライトの分率が少なすぎると、目的とする強度(特に
降伏強さ)・低温靭性を達成できない。このため、加工
フェライトの分率を50〜100%とした。フェライト
の加工(圧延)は転位強化やサブグレイン強化によって
フェライトの降伏強さを高める。さらに、後で述べるよ
うに、シャルピー遷移温度の改善にも極めて有効であ
る。
に限定しても優れた低温靭性を達成するには不十分であ
る。このためには、加工フェライトの導入によるセパレ
ーションを利用するとともに、フェライト平均粒径を5
μm以下に微細化する必要がある。超高強度鋼において
も、加工フェライトの導入により、シャルピー衝撃試験
などの破面にセパレーションが発生し、破面遷移温度は
飛躍的に低下することがわかった。なお、セパレーショ
ンはシャルピー衝撃試験などの破面に発生する層状剥離
現象で、脆性亀裂先端での3軸応力度を低下させ、脆性
亀裂伝播停止特性を改善すると考えられている。さらに
フェライト平均粒径を5μm以下とすることによってフ
ェライト以外のマルテンサイト・ベイナイト組織も同時
に微細化することができ、遷移温度の著しい改善や降伏
強さの増加が得られることがわかった。
止特性が十分でなかったベイナイト・マルテンサイト組
織の低炭素−高Mn−Nb−(Mo)−(Ni)−微量
Ti−微量B鋼についてその組織制御を行い、強度・低
温靭性バランスの大幅な向上に成功した。しかしなが
ら、上述のように鋼のミクロ組織を厳密に制御しても目
的とする特性を有する鋼材は得られない。このため、ミ
クロ組織と同時に化学成分を限定する必要がある。以下
に成分元素の限定理由について説明する。
炭素は鋼の強度向上に極めて有効であり、フェライトと
マルテンサイト・ベイナイト2相混合組織において目標
とする強度を得るためには、最低0.05%は必要であ
る。また、この量はNb,V添加による析出効果、結晶
粒の微細化効果の発現や溶接部強度の確保のための必要
最小量でもある。一方、C量が多すぎると母材、HAZ
(溶接熱影響部)の低温靭性や現地溶接性の著しい劣化
を招くので、その上限を0.10%とした。
素であるが、添加量が多いとHAZ靭性、現地溶接性を
著しく劣化させるので、上限を0.6%とした。鋼の脱
酸はAlでもTiでも十分可能であり、Siは必ずしも
添加する必要はない。
ェライトとマルテンサイト・ベイナイト2相混合組織と
し、優れた強度と低温靭性のバランスを確保する上で不
可欠な元素であり、その下限は1.7%である。一方、
Mnが多すぎると鋼の焼入れ性が増してHAZ靭性、現
地溶接性を劣化させるだけでなく、連続鋳造鋼片の中心
偏析を助長し、母材の低温靭性をも劣化させるので、上
限を2.2%とした。
の低温靭性や現地溶接性を劣化させずに向上させるため
である。Ni添加は、MnやCr,Mo添加と比較して
圧延組織(特に連続鋳造鋼片の中心偏析帯)に低温靭性
に有害な硬化組織を形成させることが少ないばかりか、
0.1%以上の微量のNiを添加すれば、HAZ靭性の
改善にも有効であることが判明した(HAZ靭性改善
上、特に有効なNi添加量は0.3%以上である)。一
方、添加量が多すぎると、経済性だけでなく、HAZ靭
性や現地溶接性を劣化させるので、その上限を1.0%
とした。なお、Ni添加は連続鋳造時、および熱間圧延
時におけるCu割れの防止にも有効である。この場合、
NiはCu量の1/3以上添加する必要がある。
上させ、目的とする2相混合組織を得るためである。ま
た、MoはNbと共存して制御圧延時にオーステナイト
の再結晶を抑制し、オーステナイト組織の微細化にも効
果がある。このような効果を得るために、Moは最低で
も0.15%必要である。一方、過剰なMo添加はHA
Z靭性、現地溶接性を劣化させるので、その上限を0.
50%とした。
0.01〜0.10%、Ti:0.005〜0.030
%を含有している。NbはMoと共存して制御圧延時に
オーステナイトの再結晶を抑制し、組織を微細化するだ
けでなく、析出硬化や焼入れ性増大にも寄与し、鋼を強
靭化する。0.01%未満では効果が十分でなく、一
方、Nb添加量が多すぎると、HAZ靭性や現地溶接性
に悪影響をもたらすので、その上限を0.10%とし
た。また、Ti添加は微細なTiNを形成し、スラブ再
加熱時およびHAZのオーステナイト粒粗大化を抑制し
てミクロ組織を微細化し、母材およびHAZの低温靭性
を改善する。さらに、Al量が少ない時(たとえば0.
005%以下)、Tiは酸化物を形成し、HAZにおい
て粒内フェライト生成核として作用して、HAZ組織を
微細化する効果も有する。このようなTiの効果を発現
させるためには、最低0.005%のTi添加が必要で
ある。一方、Ti量が多すぎると、TiNの粗大化やT
iCによる析出硬化が生じ、低温靭性を劣化させるの
で、その上限を0.030%に限定した。
で、組織の微細化にも効果を有する。しかし、Al量が
0.06%を超えると、Al系非金属介在物が増加して
鋼の清浄度を害するので、上限を0.06%とした。脱
酸はTiあるいはSiでも可能であり、必ずしもAlを
添加する必要はない。
の生成を抑制し、粒内からの微細なフェライト生成に寄
与する。さらに、溶接鋼管のシーム溶接に使用されるS
AWのような大入熱溶接のHAZにおいて粒界フェライ
トの生成を抑制してHAZ靭性を改善する。0.000
3%以下では効果がなく、0.0020%を超えて添加
するとB化合物が析出して低温靭性の低下を招くので、
添加範囲を0.0003〜0.0020%とした。
よびHAZのオーステナイト粒粗大化を抑制して母材、
HAZの低温靭性を向上させる。このための必要最低量
は、0.001%である。一方、N量が多すぎると、ス
ラブ表面疵や固溶NによるHAZ靭性の劣化の原因とな
るので、その上限は0.006%に抑える必要がある。
P,Sの含有量をそれぞれ0.015%以下、0.00
3%以下とする。この主たる理由は母材およびHAZの
低温靭性をより一層向上させるためである。P含有量の
低減は連続鋳造スラブの中心偏析を軽減するとともに、
粒界破壊を防止して低温靭性を向上させる。また、S含
有量の低減は熱間圧延で延伸化するMnSを低減して延
靭性を向上させる効果がある。
添加する目的について説明する。以上に述べてきた基本
となる成分に、さらにこれらの元素を添加する主たる目
的は、本発明鋼の優れた特徴を損なうことなく、強度・
靭性の一層の向上や製造可能な鋼材サイズの拡大をはか
るためである。従って、必ずしも含有する必要はなく、
また、その添加量は自ずから制限されるべき性質のもの
である。Crは母材、溶接部の強度を増加させるが、多
すぎるとHAZ靭性や現地溶接性を著しく劣化させる。
このためCr量の上限は0.6%である。
イナイト2相混合組織において、マルテンサイト・ベイ
ナイト相の硬化および析出強化により強度を大幅に増加
させる。さらに、耐食性、耐水素誘起割れ特性の向上に
も効果がある。しかし、過剰に添加すると、析出硬化に
より母材、HAZの靭性が低下し、また熱間加工時にC
u割れが生じるので、その上限を1.0%とした。
の効果はNbに比較して弱い。しかし、超高強度鋼にお
けるV添加の効果は大きく、NbとVの複合添加は本発
明鋼の優れた特徴をさらに顕著なものとする。また、V
は、フェライトの加工(熱間圧延)によって歪誘起析出
し、フェライトを著しく強化することがわかった。上限
はHAZ靭性、現地溶接性の点から0.10%まで許容
できるが、特に0.03〜0.08%の添加が望ましい
範囲である。
低温靭性を向上(シャルピー試験の吸収エネルギーの増
加など)させる。しかし、Ca含有量が0.001%未
満では実用上効果はない。また0.006%を超えて添
加するとCaO−CaSが大量に生成して大型クラスタ
ー、大型介在物となり、鋼の清浄度を害するだけでな
く、現地溶接性にも悪影響をおよぼす。このためCa添
加量の上限を0.006%に制限した。なお超高強度ラ
インパイプでは、S,Oの含有量をそれぞれ0.001
%以下、0.002%以下に低減し、かつESSP=
(Ca)〔1−124(O)〕/1.25(S)を0.
5≦ESSP≦10.0とすることが特に有効である。
が圧延再加熱された時のγ粒の成長を抑制して圧延後の
組織を微細にする作用がある。さらに、溶接熱影響部の
粒成長を抑制してHAZの低温靭性を改善する効果を有
する。添加量が少なすぎるとその効果がなく、一方多す
ぎると粗大な酸化物となり、低温靭性を劣化させるた
め、添加量を、Mg:0.001〜0.006%、Y:
0.001〜0.010%とした。Mg,Yを添加する
場合は、微細分散および歩留りの点からAl含有量を
0.005%以下とするのが望ましい。
明では、さらにP=2.7C+0.4Si+Mn+0.
8Cr+0.45(Ni+Cu)+V+2Moで定義さ
れるP値を2.5≦P≦4.0に制限する。これは、目
的とする強度・低温靭性バランスを達成するためであ
る。P値の下限を2.5としたのは950MPa 以上の強
度と優れた低温靭性を得るためである。また、P値の上
限を4.0としたのは優れたHAZ靭性、現地溶接性を
維持するためである。
溶解(100kg,150mm厚鋼塊)または転炉−連続鋳
造法(240mm厚)で種々の鋼成分の鋳片を製造した。
これらの鋳片を種々の条件で厚みが16〜24mmの鋼板
に圧延し、諸性質、ミクロ組織を調査した。鋼板の機械
的性質(降伏強さ:YS、引張強さ:TS、シャルピー
試験の−40℃での吸収エネルギー:vE-40 と50%
破面遷移温度:vTrs)は圧延と直角方向で調査し
た。また、亀裂伝播停止特性として−100℃でのシャ
ルピー破面でのセパレーション指数S1 (破面上のセパ
レーション長さの総計を破面の面積8×10(mm2 )で
除した値、大きい方が亀裂伝播停止特性に優れている)
を測定した。HAZ靭性(シャルピー試験の−20℃で
の吸収エネルギー:vE-20 )は再現熱サイクル装置で
再現したHAZで評価した(最高加熱温度:1400
℃,800〜500℃の冷却時間〔Δt800-500 〕:2
5秒)。また現地溶接性はYスリット溶接割れ試験(J
IS G3158)においてHAZの低温割れ防止に必
要な最低予熱温度で評価した(溶接方法:ガスメタルア
ーク溶接、溶接棒:引張強さ100MPa 、入熱:0.3
kJ/mm、溶着金属の水素量:3cc/100g金属)。
および2に示す。本発明法に従って製造した鋼板は優れ
た強度・低温靭性バランス、HAZ靭性および現地溶接
性を示す。これに対して比較鋼は化学成分またはミクロ
組織が不適切なため、いずれかの特性が著しく劣ること
が明らかである。
優れた低降伏比の超高強度ラインパイプ(引張強さ95
0MPa 以上、API規格X100超)用鋼が安定して大
量に製造できるようになった。その結果、パイプライン
の安全性が著しく向上するとともに、パイプラインの輸
送効率、施工能率の飛躍的な向上が可能となった。
Claims (4)
- 【請求項1】 重量%で、 C :0.05〜0.10%、 Si:0.6%以下、 Mn:1.7〜2.2%、 P :0.015%以下、 S :0.003%以下、 Ni:0.1〜1.0%、 Mo:0.15〜0.50%、 Nb:0.01〜0.10%、 Ti:0.005〜0.030%、 Al:0.06%以下、 B :0.0003〜0.0020%、 N :0.001〜0.006%を含有し、残部が鉄お
よび不可避的不純物からなるとともに、 P=2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+2Mo で定義されるP値が2.5以上4.0以下の範囲にあ
り、さらに、そのミクロ組織がマルテンサイト、ベイナ
イトおよびフェライトからなって、フェライト分率が2
0〜90%で、かつフェライト中に加工フェライトを5
0〜100%含有し、フェライト平均粒径が5μm以下
であることを特徴とする低降伏比を有する低温靭性に優
れた溶接性高強度鋼。 - 【請求項2】 請求項1記載の成分に加え、重量%で、 Cr:0.1〜0.6%、 Cu:0.1〜1.0%、 V :0.01〜0.10%の1種または2種以上を含
有せしめ、残部が鉄および不可避的不純物からなるとと
もに、 P=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.4
5(Ni+Cu)+V+2Mo で定義されるP値が2.5以上4.0以下の範囲にあ
り、さらに、そのミクロ組織がマルテンサイト、ベイナ
イトおよびフェライトからなって、フェライト分率が2
0〜90%で、かつフェライト中に加工フェライトを5
0〜100%含有し、フェライト平均粒径が5μm以下
であることを特徴とする低降伏比を有する低温靭性に優
れた溶接性高強度鋼。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の成分に加えてさ
らに、重量%で、 Ca:0.001〜0.006%を含有することを特徴
とする請求項1または2記載の低降伏比を有する低温靭
性に優れた溶接性高強度鋼。 - 【請求項4】 請求項1,2または3のいずれかに記載
の成分に加え、さらに、重量%で、 Mg:0.001〜0.006%、 Y :0.001〜0.010%を含有することを特徴
とする請求項1,2または3のいずれかに記載の低降伏
比を有する低温靭性に優れた溶接性高強度鋼。
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