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JPH0931536A - 低温靭性に優れた超高強度鋼板の製造方法 - Google Patents

低温靭性に優れた超高強度鋼板の製造方法

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Publication number
JPH0931536A
JPH0931536A JP18026095A JP18026095A JPH0931536A JP H0931536 A JPH0931536 A JP H0931536A JP 18026095 A JP18026095 A JP 18026095A JP 18026095 A JP18026095 A JP 18026095A JP H0931536 A JPH0931536 A JP H0931536A
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JP
Japan
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less
low temperature
steel
toughness
temperature toughness
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JP18026095A
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Yoshio Terada
田 好 男 寺
Hiroshi Tamehiro
広 博 為
Hitoshi Asahi
日 均 朝
Takuya Hara
卓 也 原
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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  • Heat Treatment Of Strip Materials And Filament Materials (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温靭性、現地溶接性などの諸特性を同時に
達成できるAPI規格X100超のB添加超高強度鋼板
の製造方法。 【解決手段】 低C−高Mn−Nb−B−Ti系鋼を低
温域に加熱して、オーステナイト−フェライト2相域で
制御圧延を行って鋼板を製造する。これにより、低温靭
性、現地溶接性が優れた超高強度ラインパイプ(X10
0超)の製造が可能となった。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、パイプライン施工
能率、輸送効率の向上が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、950MPa以上
の引張強さ(TS)を有する低温靭性および溶接性に優
れた超高強度鋼に関するもので、天然ガス・原油輸送用
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。
【0002】
【従来の技術】原油・天然ガスを長距離輸送するパイプ
ラインに使用するラインパイプは、高圧化による輸送効
率の向上や、薄肉化による現地での溶接能率向上のため
ますます高張力化する傾向にある。これまでに米国石油
協会(API)規格でX80(降伏強さ551MPa以
上、引張強さ620MPa以上)までのラインパイプの
実用化が進行中であるが、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。
【0003】現在、超高強度ラインパイプ製造法の研究
は、従来のX80ラインパイプの製造技術(例えば、N
KK技報 No.138(1992),pp24−31
およびThe 7th Offshore Mechanics and Arctic Engine
ering (1988),Volume V,pp179−
185)を基本に検討されているが、これはせいぜい、
X100(降伏強さ689MPa以上、引張強さ760
MPa以上)ラインパイプの製造が限界と考えられる。
【0004】パイプラインの超高強度化は強度・低温靭
性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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、溶接部およ
び母材の低温靭性、現地溶接性などの諸特性を同時に達
成できる引張強さ950N/mm2 以上(API規格X1
00超)の超高強度ラインパイプ用鋼板の製造技術を提
供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、下記の事項を
その要旨としている。重量%で、C :0.05〜0.
10%、 Si:0.6%以下、Mn:1.7〜
2.5%、 P :0.015%以下、S :
0.003%以下、 Ni:0.1〜1.0
%、Mo:0.15〜0.60%、 Nb:0.0
1〜0.10%、Ti:0.005〜0.030%、
B :0.0003〜0.0020% Al:0.06%以下、 N :0.001
〜0.006%、O :0.003%以下を含有し、必
要に応じて、V:0.01〜0.10%、Cu:0.1
〜0.7%、Cr:0.1〜0.6%、Ca:0.00
1〜0.005%の一種または二種以上を含有し、残部
がFeおよび不可避的不純物からなり、かつP=2.1
C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.45(Ni+
Cu)+2Moが2.5≦P≦4.0を満足する鋼片を
950〜1050℃の温度に再加熱後、800℃以下の
累積圧下量が70%以上、かつAr3点〜Ar1点のフェラ
イト・オーステナイト2相域の累積圧下量が50%以上
で、圧延終了温度が650〜800℃となるように圧延
を行い、その後空冷または10℃秒以上の冷却速度で5
00℃以下任意の温度まで冷却する低温靭性に優れた超
高強度鋼板の製造方法。
【0007】以下に、本発明を詳細に説明する。まず、
本発明の超高強度鋼板の製造方法について述べる。本発
明方法の特徴は、(1)低C−高Mn−Nb−B−Ti
系鋼を、(2)オーステナイトの低温域に加熱後、
(3)オーステナイト−フェライト2相域で厳格に制御
圧延した後、空冷または加速冷却することにより、微細
な加工フェライト+マルテンサイト・ベイナイトの混合
組織とするところにあり、これによって超高強度と優れ
た低温靭性、現地溶接性を同時に達成している。さら
に、加工フェライト+マルテンサイト・ベイナイトの混
合組織は、溶接部の軟化に対しても有効である。
【0008】従来より、低C−高Mn−Nb−微量B−
微量Ti鋼は微細なベイナイト主体の組織を有するライ
ンパイプ用鋼としてよく知られているが、この引張強さ
の上限はせいぜい750MPaが限界であった。さらに
高強度化するためには、(1)C量や合金元素量を増加
させること、(2)900℃以上の高温から焼入れ−焼
戻し処理すること、が必要であるが、母材やHAZの低
温靭性は不十分となる。
【0009】本発明者らは、Nb−B鋼において、化学
成分、加熱・圧延・冷却条件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い
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・焼戻し処理鋼に比較して降伏比が低く、鋼管の成形
性、低温靭性に著しく優れること、などが挙げられる。
また、本発明では、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、目標とする降伏強
さを得ることが可能である。
【0010】すなわち、引張強さ950MPa以上の超
高強度を達成するために、鋼材のミクロ組織を一定量以
上のマルテンサイト・ベイナイトとフェライトの混合組
織として、また加工フェライトを導入して、転位強化、
サブグレイン強化する必要がある。
【0011】さらに、優れた低温靭性を達成するために
は、組織を微細化して、かつ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試験片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。ここ
で、セパレーションとは、衝撃試験時に生ずる板面に平
行な層状剥離現象であり、脆性き裂先端での3軸応力度
を低下させることによって脆性き裂の伝播停止特性を向
上させると考えられている。以上により、従来低温靭性
が劣ると考えられていたNb−B鋼のマルテンサイト・
ベイナイトとフェライト硬軟混合組織の強度・低温靭性
バランスの大幅な向上に成功した。
【0012】次に、本発明の製造条件の限定理由につい
て説明する。本発明方法では、鋼片を950〜1050
℃の温度範囲に再加熱後、800℃以下の累積圧下量が
70%以上、かつAr3点〜Ar1点のフェライト−オース
テナイト2相域の累積圧下量が50〜100%で、圧延
終了温度が650〜800℃となるように圧延を行う。
その後空冷または10℃/秒以上の冷却速度で、500
℃以下任意の温度まで冷却する。
【0013】鋼片(スラブ)の再加熱温度は、950〜
1050℃とする必要がある。これは鋼片の再加熱時の
初期オーステナイト粒を小さく保ち、圧延組織を微細化
するためである。さらに、初期オーステナイト粒が小さ
いほど微細フェライト−マルテンサイトの2相組織化が
起こりやすいからである。1050℃は再加熱時のオー
ステナイト粒が粗大化しない上限の温度である。一方、
加熱温度が低過ぎると合金元素が十分に溶体化されず、
所定の材質が得られない。また、鋼片を均一に加熱する
ために長時間の加熱が必要となること、さらには圧延時
の変形抵抗が大きくなることから、エネルギーコストが
増大して、好ましくない。このため、再加熱温度の下限
を950℃とする。
【0014】再加熱した鋼片は800℃以下の累積圧下
量が70%以上、かつAr3点〜Ar1点のフェライト−オ
ーステナイト2相域の累積圧下量が50〜100%で、
圧延終了温度が650〜800℃となるように圧延しな
ければならない。800℃以下の累積圧下量を70%以
上とする理由は、オーステナイト未再結晶域での圧延を
強化し、変態前のオーステナイト組織の微細化をはか
り、変態後の組織をフェライト−マルテンサイト・ベイ
ナイトの混合組織とするためである。引張強さが950
MPa以上となる超高強度ラインパイプではとくに安全
上、従来にも増して高靭性を必要とするので、その累積
圧下量は70%としなければならない。累積圧下量は大
きいほど望ましく、その上限については限定しない。
【0015】さらに、本発明方法では、フェライト−オ
ーステナイト2相域の累積圧下量を50〜100%と
し、圧延終了温度を650〜800℃とする。これはオ
ーステナイト未再結晶域で細粒化したオーステナイト組
織を一層微細化し、かつフェライトを加工してフェライ
トの強化と衝撃試験時にセパレーションの発生を容易に
するためである。2相域の累積圧下量が50%以下で
は、セパレーションの発生が十分でなく、脆性き裂の伝
播停止特性の向上は得られない。一方、累積圧下量が適
切であっても、その圧延温度が不適切であると優れた低
温靭性は達成できない。圧延終了温度が650℃以下で
は、加工によるフェライトの脆化も顕著となるので、圧
延終了温度の下限を650℃とした。しかし、圧延終了
温度が800℃以上では、オーステナイト組織の微細化
やセパレーション発生が十分でないため、圧延終了温度
の上限を800℃に限定した。
【0016】圧延終了後、鋼板は空冷するかまたは10
℃/秒以上の冷却速度で500℃以下任意の温度まで冷
却する必要がある。本発明鋼では圧延後に空冷してもマ
ルテンサイト・ベイナイトとフェライトの混合組織が得
られるが、さらなる高強度化をはかるために10℃/秒
以上の冷却速度で500℃以下任意の温度まで冷却して
も差し支えない。10℃/秒以上の冷却速度で冷却する
理由は、マルテンサイトの形成などによる変態強化、組
織の微細化を図るためである。冷却速度が10℃/秒以
下であったり、水冷停止温度が500℃以上であると、
変態強化による強度・低温靭性バランスの向上が十分に
期待できない。
【0017】次に、成分元素の限定理由について説明す
る。Cの下限0.05%は母材および溶接部の強度、低
温靭性の確保ならびにNb、V添加による析出硬化、結
晶粒の微細化効果を発揮させるための最小量である。し
かし、C量が多過ぎると低温靭性、現地溶接性や耐サワ
ー性の著しい劣化を招くので、上限を0.10%とし
た。
【0018】Siは、脱酸や強度向上のため添加する元
素であるが、多く添加すると現地溶接性、溶接熱影響部
(HAZ)靭性を劣化させるので、上限を0.6%とし
た。鋼の脱酸はTiあるいはAlのみでも十分であり、
Siは必ずしも添加する必要はない。
【0019】Mnは、強度、低温靭性を確保する上で不
可欠な元素であり、その下限は1.7%、好ましくは
1.8%である。しかし、Mnが多過ぎると鋼の焼入性
が増加して現地溶接性、HAZ靭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、低温靭性も劣
化させるので上限を2.5%とした。
【0020】Niは、低炭素の本発明鋼の強度を低温靭
性や現地溶接性を劣化させることなく向上させるために
添加する。Ni添加はMnやCr、Mo添加に比較して
圧延組織(特にスラブの中心偏析帯)中に低温靭性、耐
サワー性に有害な硬化組織を形成することが少なく、強
度を増加させることが判明した。しかし、添加量が多す
ぎると、経済性だけでなく、現地溶接性やHAZ靭性な
どを劣化させるので、その上限を1.0%、下限は0.
1%とした。Niは連続鋳造時、熱間圧延時におけるC
uクラックの防止にも有効である。この場合、NiはC
u量の1/3以上添加する必要がある。
【0021】Moは、鋼の焼入れ性を向上させるために
添加する。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強力に抑制し、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
めには、Moは最低0.15%必要である。しかし、過
剰なMo添加はHAZ靭性、現地溶接性を劣化させるの
で、その上限を0.6%とした。
【0022】Bは、極微量で鋼の焼入れ性を飛躍的に高
め、本発明において必要不可欠の元素である。後述のP
値において1に相当する、すなわち1%Mnに相当する
効果がある。さらに、BはMoの焼入れ性向上効果を高
めると共に、Nbと共存して相乗的に焼入れ性を増す。
このような効果を得るためには、Bは最低でも0.00
03%必要である。一方、過剰に添加すると、低温靭性
を劣化させるだけでなく、かえってBの焼入れ性向上効
果を消失せしめることもあるので、その上限を0.00
20%とした。
【0023】Nbは、制御圧延において結晶粒の微細化
や析出硬化に寄与し、鋼を強靭化する作用を有する。し
かし、Nbを0.10%以上添加すると、現地溶接性や
HAZ靭性に悪影響をもたらすので、その上限を0.1
0%とした。
【0024】Tiは、微細なTiNを形成し、スラブ再
加熱時および溶接HAZのオーステナイト粒の粗大化を
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。このようなTiN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。しかし、Ti量が多過ぎると、TiNの粗大化やT
iCによる析出硬化が生じ、低温靭性が劣化するので、
その上限は0.030%に限定しなければならない。
【0025】Alは、通常脱酸剤として鋼に含まれる元
素であり、組織の微細化にも効果を有する。しかし、A
l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、Alは必
ずしも添加する必要はない。
【0026】さらに、本発明では、不純物元素である
P、SおよびO量をそれぞれ、0.015%以下、0.
003%以下および0.003%以下とする。この主た
る理由は母材、HAZ靭性の低温靭性をより一層向上さ
せるためである。P量の低減は連続鋳造スラブの中心偏
析を低減し、粒界破壊を防止し低温靭性を向上させる。
また、S量の低減は、延伸化したMnSを低減して、耐
サワー性や延靭性を向上させる効果がある。O量の低減
は、鋼中の酸化物を少なくして、耐サワー性や低温靭性
の改善に効果がある。したがって、P,S,O量は低い
ほど好ましい。
【0027】Nは、TiNを形成してスラブ再加熱時お
よび溶接HAZのオーステナイト粒の粗大化を抑制して
母材、HAZの低温靭性を向上させる。このために必要
な最小量は0.001%である。しかし、多過ぎるとス
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。
【0028】次に、V、Cu、Cr、Caを添加する理
由について説明する。基本となる上述した成分にさらに
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、製造可能な板厚の拡大や母材の
強度・靭性などの特性の向上をはかるためである。した
がって、その添加量は自ら制限されるべき性質のもので
ある。
【0029】Vは、ほぼNbと同様の効果を有するが、
その効果は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。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。下限は0.
01%、その上限は現地溶接性、HAZ靭性の点から
0.10%まで許容できる。
【0030】Cuは、Niとほぼ同様な効果を持つとと
もに、耐食性、耐水素誘起割れ特性の向上にも効果があ
る。また、Cu析出硬化によって強度を大幅に増加させ
る。しかし、過剰に添加すると析出硬化により母材、H
AZの靭性低下や熱間圧延時にCuクラックが生じるの
で、その上限を1.0%、好ましくは0.7%とした。
【0031】Crは、母材、溶接部の強度を増加させる
が、多過ぎると現地溶接性やHAZ靭性を著しく劣化さ
せる。このため、Cr量の上限は0.6%である。C
u、Cr量の下限0.1%は、それぞれの元素添加によ
る材質上の効果が顕著になる最小量である。
【0032】Caは、硫化物(MnS)の形態を制御
し、低温靭性を向上(シャルピー試験における吸収エネ
ルギーの増加など)させる。特に、衝撃試験でのセパレ
ーションを利用する本発明鋼ではシャルピー試験などの
吸収エネルギーは低下する傾向にあるので、Caの添加
は必須である。しかし、Ca量が0.001%以下では
実用上効果がなく、また0.005%を超えて添加する
とCaO−CaSが大量に生成してクラスター、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添加量を0.
001〜0.005%に制限した。なお、超高強度鋼で
はS,O量をそれぞれ0.001%、0.002%以下
に低減し、ESSP=(Ca)〔1−124(O)〕/
125(S)を0.5≦ESSP≦10.0とすること
が特に有効である。
【0033】以上の個々の添加元素の限定に加えて本発
明では、さらにP=2.7C+0.4Si+Mn+0.
8Cr+0.45(Ni+Cu)+2Moを2.5≦P
≦4.0に制限する。これはHAZ靭性、現地溶接性を
損なうことなく、目標とする強度・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9
50N/mm2 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HA
Z靭性、現地溶接性を維持するためである。
【0034】
【発明の実施の形態】以下に、本発明を実施例により説
明する。転炉−連続鋳造法で種々の鋼成分の鋼片から種
々の製造法により鋼板を製造して、諸性質を調査した。
鋼板の機械的性質は、圧延と直角方向で調査した。HA
Z靭性は、入熱5kJ/mm相当の再現熱サイクルを付与し
て調査した(最高加熱温度:1400℃、800〜50
0℃の冷却時間:25秒)。
【0035】また、現地溶接性は、Y−スリット溶接割
れ試験(JIS 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:0.5kJ/mm、溶着金属の水素量:3cc/100
g)。
【0036】本発明の実施例を、比較例と共に、表1に
示す。本発明方法にしたがって製造した鋼板(鋼No.
1〜8)は、優れた強度・低温靭性を有する。これに対
し、比較鋼(鋼No.9〜22)は、化学成分または鋼
板製造条件が適切でなく、いずれかの特性が劣る。
【0037】鋼9は、C量が多過ぎるため、低温靭性
(シャルピー吸収エネルギー、遷移温度)、HAZ靭性
が劣り、かつ溶接時の予熱温度も高い。鋼10は、Mn
量、P値が高過ぎるため、母材およびHAZ靭性が劣
り、かつ溶接時の予熱温度も著しく高い。鋼11は、N
bが添加されていないため、Nb添加鋼よりもやや強度
が低く、シャルピー遷移温度が高く(強度・低温靭性バ
ランスが悪い)、またHAZ靭性も劣る。
【0038】鋼12は、Tiが添加されていないため、
シャルピー遷移温度が高く、HAZ靭性が劣る。鋼13
は、B量が多過ぎるため、低温靭性が劣化する。
【0039】鋼14は、B量が少な過ぎるため、目標と
する強度が達成できない。鋼15は、Mo量が多過ぎる
ために溶接時に予熱を必要とする。
【0040】鋼16は、化学成分は適当であるが、製造
条件中の鋼片再加熱開始温度が高過ぎるため、シャルピ
ー遷移温度が高い。鋼17は、鋼片の再加熱温度が低過
ぎるため、容体化が不十分で強度が低い。鋼18は、9
00℃以下の累積圧下量が少な過ぎるため、低温靭性が
今一歩である。
【0041】鋼19は、オーステナイト−フェライト2
相域での累積圧下量が少な過ぎるため、シャルピー遷移
温度が高い。鋼20は、2相域での圧延がなく圧延終了
温度が高過ぎるため、低温靭性が劣る。鋼21は、圧延
終了温度が低過ぎるため、低温靭性が劣る。鋼22は、
水冷停止温度が高過ぎるため強度が低い。
【0042】
【発明の効果】本発明により低温靭性、現地溶接性が優
れた超高強度の鋼板が安定して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、パイプラインの施工能率、輸送効率の飛躍的
な向上が可能となった。
【0043】
【表1】
【0044】
【表2】
【0045】
【表3】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C22C 38/54 C22C 38/54 (72)発明者 原 卓 也 君津市君津1番地 新日本製鐵株式会社君 津製鐵所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、 C :0.05〜0.10%、 Si:0.6%以
    下、 Mn:1.7〜2.5%、 P :0.015
    %以下、 S :0.003%以下、 Ni:0.1〜
    1.0%、 Mo:0.15〜0.60%、 Nb:0.01〜
    0.10%、 Ti:0.005〜0.030%、 B :0.000
    3〜0.0020% Al:0.06%以下、 N :0.001
    〜0.006%、 O :0.003%以下を含有し、残部がFeおよび不
    可避的不純物からなり、 下記の式で定義されるP値が2.5〜4.0の範囲にあ
    る鋼片を950〜1050℃の温度に再加熱後、800
    ℃以下の累積圧下量が70%以上、かつAr3点〜Ar1
    のフェライト−オーステナイト2相域の累積圧下量が5
    0%以上で、圧延終了温度が650〜800℃となるよ
    うに圧延を行い、その後空冷または10℃/秒以上の冷
    却速度で500℃以下任意の温度まで冷却することを特
    徴とする引張強さが950MPa以上の低温靭性に優れ
    た超高強度鋼板の製造方法。 P=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.4
    5(Ni+Cu)+2Mo
  2. 【請求項2】重量%で、 C :0.05〜0.10%、 Si:0.6%以
    下、 Mn:1.7〜2.5%、 P :0.015
    %以下、 S :0.003%以下、 Ni:0.1〜
    1.0%、 Mo:0.15〜0.60%、 Nb:0.01〜
    0.10%、 Ti:0.005〜0.030%、 B :0.000
    3〜0.0020% Al:0.06%以下、 N :0.001
    〜0.006%、 O :0.003%以下および、V:0.01〜0.1
    0%、Cu:0.1〜0.7%、Cr:0.1〜0.6
    %、Ca:0.001〜0.005%の一種または二種
    以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からな
    り、 下記の式で定義されるP値が2.1〜3.0の範囲にあ
    る鋼片を950〜1050℃の温度に再加熱後、800
    ℃以下の累積圧下量が70%以上、かつAr3点〜Ar1
    のフェライト−オーステナイト2相域の累積圧下量が5
    0%以上で、圧延終了温度が650〜800℃となるよ
    うに圧延を行い、その後空冷または10℃/秒以上の冷
    却速度で500℃以下任意の温度まで冷却することを特
    徴とする引張強さが950MPa以上の低温靭性に優れ
    た超高強度鋼板の製造方法。 P=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+0.4
    5(Ni+Cu)+2Mo
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