| 【発明の名称】 |
高強度高靭性鋼板の製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】村岡 隆二
【氏名】遠藤 茂
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| 【要約】 |
【課題】高価な合金元素の少ない添加量で、低温靭性に優れ、降伏強さが６９０Ｎ／ｍｍ2 以上の鋼板を製造する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０９％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．５〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、Ａｌ：０．０５％以下を含有する鋼を６５０℃以上の圧延終了温度で圧延し、その後、１０℃／秒以上の冷却速度で４００℃以下まで冷却し、次いで、下記の（１）式で定義される焼戻しパラメーターＴＰが０〜２０００の範囲となる条件で焼戻しを行う。但し（１）式において、Ｔ：焼戻し温度（℃）、ｔ：保持時間（秒）、ｒ：加熱速度（℃／秒）である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０９％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．５〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、Ａｌ：０．０５％以下を含有する鋼を６５０℃以上の圧延終了温度で圧延し、その後、１０℃／秒以上の冷却速度で４００℃以下まで冷却し、次いで、下記の（１）式で定義される焼戻しパラメーターＴＰが０〜２０００の範囲となる条件で焼戻しを行うことを特徴とする高強度高靭性鋼板の製造方法。
TP＝(T-300)×[20+5log[(t+(T-300)/r)/3600]]……（１）
但し（１）式において、Ｔ：焼戻し温度（℃）、ｔ：保持時間（秒）（ｔ＞０）、ｒ：加熱速度（℃／秒）である。
【請求項２】 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０９％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．５〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、Ａｌ：０．０５％以下を含有し、更に、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．００３５％のうち１種又は２種以上を含有する鋼を６５０℃以上の圧延終了温度で圧延し、その後、１０℃／秒以上の冷却速度で４００℃以下まで冷却し、次いで、下記の（１）式で定義される焼戻しパラメーターＴＰが０〜２０００の範囲となる条件で焼戻しを行うことを特徴とする高強度高靭性鋼板の製造方法。
TP＝(T-300)×[20+5log[(t+(T-300)/r)/3600]]……（１）
但し（１）式において、Ｔ：焼戻し温度（℃）、ｔ：保持時間（秒）（ｔ＞０）、ｒ：加熱速度（℃／秒）である。
【請求項３】 焼戻し温度Ｔを３５０〜４５０℃、加熱速度ｒを１０℃／秒以上、保持時間ｔを１０〜２４０秒とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高強度高靭性鋼板の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、降伏強さが６９０Ｎ／ｍｍ2 以上である米国石油協会（ＡＰＩ）規格のＸ１００グレード以上の高強度と、優れた靭性とを有する高強度高靭性鋼板の製造方法に関するもので、この鋼板は、天然ガスや原油の輸送用ラインパイプをはじめ、各種圧力容器や産業機械等に使用される。
【０００２】
【従来の技術】近年、天然ガスや原油の輸送用として使用されるラインパイプは、高圧化による輸送効率の向上や薄肉化による現地溶接能率の向上のため、高強度化する傾向にある。これまでに、ＡＰＩ規格でＸ８０グレードまでのラインパイプが実用化されており、更にＸ１００グレードに対する要求が出てきている。
【０００３】このような高強度鋼管用鋼板に関して、特開平７−２９２４１６号公報や特開平８−１９９２９２号公報等が開示されているが、これらではＣｕ、Ｍｏ、Ｎｉ等の高価な合金元素の添加を前提としており、鋼板の製造コストが高いという問題点がある。
【０００４】又、特許第３０１５９２３号には、圧延機及び冷却装置と同一の製造ライン上に加熱装置を設置し、この加熱装置を用いて、圧延、冷却に引き続き、連続的に鋼板の焼戻しを行い、高強度鋼板を製造する方法が開示されている。しかしながら、この技術では、焼戻し時に懸念される鋼材のＤＷＴＴ特性に関しては検討しておらず、ＤＷＴＴ特性に優れた鋼板を必ずしも製造することができないという問題点がある。又、焼戻し後の冷却速度を限定しており、そのための設備が必要になるという問題点もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、高価な合金元素の少ない添加量で、低温靭性に優れ、降伏強さが６９０Ｎ／ｍｍ2 以上の鋼板を製造する方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題を解決するために、熱間圧延の終了後に直ちに加速冷却或いは焼入れして高強度鋼板特に高強度ラインパイプ用鋼板を製造する方法における焼戻し条件に注目し、鋭意検討を重ねた。即ち、後述する実施例の表１に示す鋼種１を用い、熱間圧延に引き続き加速冷却して鋼板を作製し、次いで、焼戻し温度Ｔ、保持時間ｔ及び加熱速度ｒを種々変化させて焼戻しを行い、これら条件のＤＷＴＴ特性並びに強度に及ぼす影響を調査した。その際、焼戻し温度Ｔ、保持時間ｔ及び加熱速度ｒからなる焼戻し条件を下記の（１）式で定義される焼戻しパラメーターＴＰで評価することとした。但し（１）式において、Ｔ：焼戻し温度（℃）、ｔ：保持時間（秒）（ｔ＞０）、ｒ：加熱速度（℃／秒）である。
【０００７】
【数１】
【０００８】図１にその調査結果を示す。図１は、ＤＷＴＴでの延性破面率（−３０℃）及び降伏強さに及ぼす焼戻しパラメーターＴＰの影響を示す図であり、図１から明らかなように、焼戻しパラメーターＴＰが０未満の場合には、焼戻しによる降伏強さの上昇が十分ではなく、降伏強さが６９０Ｎ／ｍｍ2 以上の高強度を得ることができない。一方、焼戻しパラメーターＴＰが２０００を越える場合には、過度の炭化物の析出や粗大化により低温靭性が著しく劣化し、目標の延性破面率８５％を確保することができない。このように、焼戻しパラメーターＴＰを０〜２０００の範囲に制御することで、焼戻し後に降伏強さ６９０Ｎ／ｍｍ2 以上の高強度と優れた低温靭性とを得られるとの知見が得られた。
【０００９】又、過度の炭化物の析出や粗大化を抑制させること並びに生産性を阻害しない範囲内で材質を安定化させることの２点から、前記（１）式を満足しつつ、更に、焼戻し温度Ｔを３５０〜４５０℃、加熱速度ｒを１０℃／秒以上、保持時間ｔを１０〜２４０秒とすることが好ましいとの知見が得られた。
【００１０】本発明は、これら知見に基づきなされたもので、第１の発明による高強度高靭性鋼板の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０９％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．５〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、Ａｌ：０．０５％以下を含有する鋼を６５０℃以上の圧延終了温度で圧延し、その後、１０℃／秒以上の冷却速度で４００℃以下まで冷却し、次いで、前記の（１）式で定義される焼戻しパラメーターＴＰが０〜２０００の範囲となる条件で焼戻しを行うことを特徴とするものである。
【００１１】第２の発明による高強度高靭性鋼板の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．０９％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．５〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０２％、Ａｌ：０．０５％以下を含有し、更に、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．００３５％のうち１種又は２種以上を含有する鋼を６５０℃以上の圧延終了温度で圧延し、その後、１０℃／秒以上の冷却速度で４００℃以下まで冷却し、次いで、前記の（１）式で定義される焼戻しパラメーターＴＰが０〜２０００の範囲となる条件で焼戻しを行うことを特徴とするものである。
【００１２】第３の発明による高強度高靭性鋼板の製造方法は、第１の発明又は第２の発明において、焼戻し温度Ｔを３５０〜４５０℃、加熱速度ｒを１０℃／秒以上、保持時間ｔを１０〜２４０秒とすることを特徴とするものである。
【００１３】以下に、本発明において高強度と優れた低温靭性とを併せ持つ高強度高靭性鋼板の化学成分組成、並びに、圧延条件及び圧延後の冷却条件を上述したように限定した理由を、それぞれの作用と共に説明する。
【００１４】Ｃ：Ｃ含有量が０．０９質量％（以下、単に「％」と表示する）を越えると、母材並びに溶接熱影響部の靭性の劣化を招き、又、溶接性の観点からもＣ含有量は低いほうが望ましく、上限を０．０９％に限定した。一方、０．０３％未満ではＸ１００グレード以上の所定の強度を確保することができない。従って、Ｃ含有量を０．０３〜０．０９％の範囲内に限定した。
【００１５】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸のために添加されるもので、０．０５％未満では十分な脱酸効果が得られない。一方、０．５％を越えると溶接熱影響部の靭性並びに溶接性の劣化を引き起こす。従って、Ｓｉ含有量を０．０５〜０．５％の範囲内に限定した。
【００１６】Ｍｎ：Ｍｎは鋼板の強度及び靭性の向上に有効な成分で、１．５％未満ではその効果が少なく、一方、２．０％を越えると溶接性と溶接熱影響部の靭性とが著しく劣化する。従って、Ｍｎ含有量を１．５〜２．０％の範囲内に限定した。
【００１７】Ｐ：Ｐは不純物元素であり、高強度ラインパイプでは母材並びに熱影響部の靭性を確保するために、Ｐを協力低減することが望ましいが、過度の脱Ｐはコスト上昇を招く。従って、Ｐ含有量を０．０２％以下に限定した。
【００１８】Ｓ：Ｓは不純物元素であり、ＭｎＳを形成して母材並びに溶接熱影響部の靭性を劣化させる。Ｃａを添加してＭｎＳ系介在物からＣａＳ系介在物へと形態制御しても、Ｘ１００グレードの高強度材の場合には、微細に分散したＣａＳ系介在物も靭性低下の要因となり得る。従って、硫化物系介在物の絶対量を少なくするために、Ｓ含有量を０．００５％以下に限定した。
【００１９】Ｎｂ：Ｎｂはスラブの加熱時及び圧延時での結晶粒の成長を抑制し、ミクロ組織を微細化して、ラインパイプとしての十分な靭性を付与する元素として必要である。その効果は０．００５％以上で顕著であり、一方、０．０５％を越えると、その効果が飽和すると共に溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Ｎｂ含有量を０．００５〜０．０５％の範囲内に限定した。
【００２０】Ｔｉ：ＴｉはＴｉＮを形成してスラブ加熱時や溶接熱影響部の結晶粒成長を抑制し、結果としてミクロ組織の微細化をもたらし、靭性を改善する効果がある。その効果は０．００５％以上で顕著であり、一方、０．０２％を越えると逆に靭性の劣化を引き起こす。従って、Ｔｉ含有量を０．００５〜０．０２％の範囲内に限定した。
【００２１】Ａｌ：Ａｌは脱酸剤として添加するが、０．０５％を越えると溶接熱影響部の靭性を劣化させる。従って、Ａｌ含有量を０．０５％以下に限定した。
【００２２】本発明では上記の合金元素の外に、鋼板の強度特性に応じて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及びＣａの群から選択された１種又は２種以上を含有させても良く、以下にその成分の限定理由を述べる。
【００２３】Ｃｕ：Ｃｕは強度上昇に有効な元素の１つであるが、０．５％を越えると溶接性を阻害する。従って、添加する場合には０．５％以下に限定した。
【００２４】Ｎｉ：Ｎｉは靭性改善と強度向上に有効な元素であるが、０．５％を越えるとその効果が飽和する。従って、添加する場合には０．５％以下に限定した。
【００２５】Ｃｒ：ＣｒはＭｎと共に、鋼板のＣ含有量が少なくても十分な強度を得るために有効な元素であるが、０．５％を越えると溶接性に悪影響を及ぼす。従って、添加する場合には０．５％以下に限定した。
【００２６】Ｍｏ：Ｍｏは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の１つであるが、０．３％を越えるとその効果が飽和すると共に、靭性の劣化を招き更に溶接性を阻害する。従って、添加する場合には０．３％以下に限定した。
【００２７】Ｖ：Ｖは強度の上昇に有効な元素の１つであるが、０．０５％を越えると靭性の劣化を招く。従って、添加する場合には０．０５％以下に限定した。
【００２８】Ｃａ：Ｃａは硫化物系介在物の形態を制御して靭性を改善するが、０．０００５％以上でその効果が現れ、一方、０．００３５％を越えると効果が飽和し、逆に清浄度を低下させて靭性を劣化させる。従って、添加する場合には０．０００５〜０．００３５％の範囲内に限定した。
【００２９】次に、製造条件について説明する。
【００３０】圧延終了温度：圧延終了温度が低温であるほど組織の微細化により母材靭性は向上する。しかし、圧延終了温度が６５０℃未満の場合、フェライト変態が進行して、圧延に続いて行う加速冷却又は焼入れの効果がなくなるばかりか、フェライトの加工硬化が著しくなり、靭性が劣化する。従って、圧延終了温度を６５０℃以上に限定した。
【００３１】圧延後の冷却速度：本発明では熱間圧延終了後、直ちに又は設備的に不可避の空冷を挟んで加速冷却或いは焼入れを行う。その際の冷却速度が１０℃／秒未満では、ベイナイト変態等による変態強化や組織の微細化等の加速冷却及び焼入れの効果が得られない。従って、圧延後の冷却速度を１０℃／秒以上に限定した。
【００３２】鋼板の冷却温度：熱間圧延に引き続き行う加速冷却或いは焼入れ時に鋼板を４００℃以下まで冷却（この温度を「冷却停止温度」という）すると、強度上昇に著しい効果のある低温変態生成物が形成され、高強度化が達成される。しかし、鋼板の冷却停止温度が４００℃を越える場合には、この低温変態生成物が生成し難い。従って、加速冷却或いは焼入れ時における鋼板の冷却停止温度を４００℃以下に限定した。
【００３３】本発明では、熱間圧延に引き続いて行う加速冷却或いは焼入れ時での冷却速度及び冷却停止温度を上記の範囲に限定するので、少ない合金元素であっても高強度を有する鋼板を製造することができる。又、本発明では、焼戻し後の鋼板の冷却速度を制御する必要がないので、そのための設備が不要である。
【００３４】
【発明の実施の形態】転炉や電気炉又はこれら精錬炉とＲＨ真空脱ガス装置等の二次精錬炉との組み合せにより上記化学成分組成に溶製された溶鋼を普通造塊法や連続鋳造法により凝固させ、スラブを得る。このスラブを厚板ミルや熱延ミルで熱間圧延して鋼板に加工する。熱間圧延の際、圧延終了温度を６５０℃以上とし、そして、熱間圧延後、圧延して得られた高温の鋼板を、その表面温度が４００℃以下になるまで、１０℃／秒以上の冷却速度で加速冷却又は焼入れする。尚、スラブの加熱温度は特に限定する必要はないが、圧延終了温度が６５０℃以上確保できるように配慮する必要はある。
【００３５】次いで、焼戻しパラメーターＴＰが０〜２０００の範囲内となるように、焼戻し温度Ｔ（℃）、保持時間ｔ（秒）、加熱速度ｒ（℃／秒）を組み合わせて、鋼板の焼戻し処理を実施する。ここで保持時間ｔはｔ＞０とする。その際に、前述したように、焼戻し温度Ｔを３５０〜４５０℃、加熱速度ｒを１０℃／秒以上、保持時間ｔを１０〜２４０秒とすることが好ましい。
【００３６】焼戻し処理は、圧延機及び加速冷却装置と同一の製造ライン上（オンライン）に設けた加熱炉で実施しても良く、又、オフラインに設けた加熱炉で実施しても良い。そして、焼戻し処理の加熱方式は、誘導加熱、通電加熱、赤外線輻射加熱、ガス加熱、強制対流加熱、雰囲気加熱等々、所要の加熱速度が得られるならば、特に限定しない。但し、生産能率等を考慮すれば、オンラインで且つ誘導加熱等の急速加熱を採用することが好ましい。急速加熱を行った場合には、加熱速度がガス加熱に比べて速いので、同じ焼戻し温度Ｔであってもガス加熱に比べて在炉時間を短くすることができ、能率向上が達成される。更に、Ａc1点を越えない範囲内で焼戻し温度Ｔを高くすれば一層在炉時間が短くなり、更なる能率向上が可能となる。
【００３７】このように、鋼板の化学成分組成を限定すると共に、熱間圧延条件、圧延後の冷却条件及び焼戻し条件を限定することで、高価な合金元素を多量に添加することなく、低温靭性に優れ、降伏強さが６９０Ｎ／ｍｍ2 以上の鋼板を安定して製造することが可能となる。
【００３８】
【実施例】表１に示す化学成分組成の鋼種１〜１０を用いて、表２に示す製造条件で鋼板Ａ〜Ｏを作製し、強度とＤＷＴＴ特性を調査した。更に、鋼板Ａ〜Ｏを用いた溶接熱履歴シミュレーションよりシーム溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性も調査した。母材の降伏強さ及び−３０℃でのＤＷＴ試験の延性破面率も表２に併せて示す。母材の強度は、降伏強さが６９０Ｎ／ｍｍ2 以上で良好とし、又、母材の靭性は、−３０℃での延性破面率が８５％以上で良好とした。溶接熱履歴シミュレーションでは溶接入熱５０ｋＪ／ｃｍの加熱・冷却パターンを付与し、この鋼板からシャルピー試験片を採取し、ＨＡＺのシャルピー試験を実施した。ＨＡＺの靭性は、ｖＥ−２０℃で５０Ｊ以上を良好とした。尚、表１中及び表２中で下線を付した数値は本発明の範囲外であることを示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【表２】
【００４１】本発明範囲内の化学成分組成と本発明範囲内の製造条件で作製した鋼板Ａ〜Ｆでは、十分な強度と良好な母材靭性並びにＨＡＺ靭性が得られた。本発明範囲内の化学成分組成と本発明範囲外の製造条件で作製した鋼板Ｇ〜Ｋでは、強度又は母材靭性が十分ではない。本発明範囲外の化学成分組成と本発明範囲内の製造条件で作製した鋼板Ｌ，Ｍでは、母材靭性並びにＨＡＺ靭性が十分ではない。本発明範囲外の化学成分組成と本発明範囲外の製造条件で作製した鋼板Ｎ，Ｏでは、母材靭性並びにＨＡＺ靭性更に強度が十分ではない。
【００４２】
【発明の効果】本発明により、高価な合金元素を多量に添加することなく、低温靭性に優れ、降伏強さが６９０Ｎ／ｍｍ2 以上の鋼板を安定して製造することができ、工業上有益な効果がもたらされる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１２月４日（２０００．１２．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１６２３０
【弁理士】
【氏名又は名称】中濱 泰光
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１７３７１０（Ｐ２００２−１７３７１０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月２１日（２００２．６．２１） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６８３２６（Ｐ２０００−３６８３２６） |
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