JP2004285456A - 強度と低温靱性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】厚肉品においても高い強度と優れた低温靱性を有するＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｃｒ：２．００〜３．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００１５％、Ｎ：０．００５超〜０．０１０％を含有するＣｒ−Ｍｏ鋼を、鍛造後、９００〜９８０℃に加熱後水冷し、６００℃以上Ａｃ１変態点未満で焼戻す。
【効果】強度要求を満足し、極寒冷地の使用に耐えうる低温靭性を確保できる。肉厚２００ｍｍを超え、６００ｍｍに至る極厚鍛鋼品においても肉厚方向で均−な機械的性質が得られ、圧力容器や火力発電用車室などの大型機器の信頼性を大きく向上させる。
【選択図】 なし
【解決手段】Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｃｒ：２．００〜３．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００１５％、Ｎ：０．００５超〜０．０１０％を含有するＣｒ−Ｍｏ鋼を、鍛造後、９００〜９８０℃に加熱後水冷し、６００℃以上Ａｃ１変態点未満で焼戻す。
【効果】強度要求を満足し、極寒冷地の使用に耐えうる低温靭性を確保できる。肉厚２００ｍｍを超え、６００ｍｍに至る極厚鍛鋼品においても肉厚方向で均−な機械的性質が得られ、圧力容器や火力発電用車室などの大型機器の信頼性を大きく向上させる。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は石油精製用圧力容器や火力発電用車室など、高温・高圧環境で使用することを主目的とし、北米やカナダ、中国など寒冷地での使用に耐えるＣｒ−Ｍｏ鋼およびＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法に関するものである。特に製造時の板厚で２００ｍｍ以上の極厚鍛鋼品の製造に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
石油精製圧力容器や火力発電用車室などのように高温・高圧環境で使用される機器の材料には高温強度が高く、また低温での靭性に優れていることが必要とされる。このような観点から、従来、上記用途の材料にはＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖで代表される２．２５Ｃｒ−ｌＭｏ−Ｖ鋼が使用されている。該鋼の成分は、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．３０〜０．６０％、Ｎｉ：０．２５％以下、Ｃｒ：２．０〜２．５％、Ｍｏ：０．９〜１．１％、Ｖ：０．２５〜０．３５％、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｂ：０．００２０％以下、Ｎｂ：０．０７％以下、残部Ｆｅで示すことができる。なお、この材料では製造過程で焼入れがなされており、この焼入れによって所望の強度を確保するとともに低温での安定した靭性を得ている。
【０００３】
また、従来の技術として、例えば特許文献１のＣｒ−Ｍｏ鋼では、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎとＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂを添加し、固溶強化元素であるＭｏ、Ｗ量を調整して高温強度向上を図っている。さらにＮｂとＴｉ、Ｖの複合添加は靭性を著しく低下させることを見出し、Ｎｂを実質的に添加しないで低温靭性の確保を図っている。
【０００４】
また特許文献２では、Ｃｒ量が３％以下、Ｍｏ量が１．５％以下のＣｒ−Ｍｏ鋼で板厚が５０〜２００ｍｍ程度の比較的厚肉材を対象に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗなどを一種あるいは複合添加して粗大な初析フェライトの生成やベイナイト＋マルテンサイトの混合組織の粗大化を抑制して良好な強度と靭性を確保している。
【０００５】
さらに特許文献３および特許文献４のＣｒ−Ｍｏ鋼では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎ、Ｏを添加し、特にＣｕ＋Ｎｉの適正添加により焼入性を確保し、Ｍｏ＋Ｗ量の適正化による高温強度の向上を図り、熱間圧延の際に１０００℃以下の温度で３０％以上の圧下率で圧下を加えることにより析出物を微細に分散させ、オーステナイト粒の粗大化を抑制して靭性を確保している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１７３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４５２８１号公報
【特許文献３】
特開２００１−３３５８３５号公報
【特許文献４】
特開２００１−３３５８３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１で示された鋼は比較的板厚の薄い圧延鋼板を対象としたものであり、板厚で２００ｍｍを超えるような極厚の鍛鋼品などにおいては焼入時にその質量効果によりオーステナイト結晶粒の成長を招き、靭性を低下させる懸念がある。
【０００８】
また特許文献２で示された鋼では、全厚での性能が確保できるのは板厚２００ｍｍ程度までの圧延鋼板であり、それ以上の板厚では微量添加元素の成分バランスを適正化する必要があり、請求項に示す成分範囲で安定した強度と靭性を得ることは難しい。なお、その実施例においてはＮｂ、Ｔｉ、Ｂに関しては二種類の添加に限定されており、これら三元素とＮとのバランスを適正化したものではない。
【０００９】
さらに特許文献３、４の鋼では、適正な加工ひずみを加えることができるのは板厚で２００ｍｍ程度までの圧延鋼板であり、板厚２００ｍｍを超えるような極厚の鍛鋼品に対しては十分な加工ひずみを加えることができず、結晶粒の粗大化、靭性の低下を招く懸念がある。
【００１０】
上記圧力容器や車室などは近年効率化の観点から大容量化、大型化の傾向にあり、また操業条件はより高温・高圧化してきている。このため機器の品質および信頼性の点からは、使用中脆化が少ない極厚材の使用が望まれている。しかしながら肉厚が厚くなると焼入れ時の質量効果によって肉厚中心部で冷却速度が低下して焼入れが十分になされないために均一な機械的性質を得ることが難しくなる。従来使用されている材料では特許文献１〜４に示されるように、その焼入れ性を考慮すると、必要強度および靭性を得るためには肉厚を２００ｍｍ以下に抑えることが必要であり、より肉厚の大きな圧力容器や車室を得ることは困難であるとされている。
【００１１】
これに対し、本願出願人は、先行特許第３３３８２４１号に示すように、成分中にＢとＴｉを複合添加することによって焼入れ性を向上させ、溶接性への悪影響も排除した鋼種を提案している。しかしながらこの鋼種では低温靭性は確保できても、７００℃前後での溶接後熱処理を行った後の０．２％耐力で４００ＭＰａ、引張強度で５８６ＭＰａのＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖの材料規格を満足する高強度を安定して確保することが難しく、設計許容応力の低下に伴って機器の肉厚、重量の増加に繋がっていた。一方でＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖ等で規定されるＶを重量％で０．２５〜０．３５％添加した高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼においては、この０．２％耐力を安定して確保することが可能となったものの、低温靭性は−１８℃で５４Ｊ（４０ｆｔ−ｌｂ）以上の吸収エネルギーを確保するのが精一杯であり、北米やカナダ、中国など極寒冷地における使用にあたっては脆性破壊など機器の信頼性を低下させる懸念があった。またこの鋼種においても溶接後の応力除去焼鈍が重畳されるような、７００℃前後で長時間の焼戻しが行われた場合に強度低下を招き、製造時および現地での溶接後のＰＷＨＴ条件に制約を与えていたため、より長時間の焼戻しを施しても強度低下の少ない材料の開発が必要であった。
【００１２】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖ等で規定される高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼と同等の強度を有しつつ、極寒冷地の使用に耐える低温靭性を厚肉材においても確保することができる、強度と低温靱性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼およびＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の強度と低温靱性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｃｒ：２．００〜３．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００１５％、Ｎ：０．００５超〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の強度と低温靭性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法は、請求項１記載の成分の範囲でＣｒ−Ｍｏ鋼を溶製し、該鋼を鍛造後、９００〜９８０℃のオーステナイト化温度に加熱後水冷して焼入を施し、６００℃以上Ａｃ１変態点未満の温度で焼戻すことを特徴とする。
【００１５】
すなわち、本発明は、鋼中の微量添加元素であるＴｉ、Ｂ、Ｎの成分バランスを検討し、さらに炭窒化物を形成して強度を高め、高温加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制して靭性確保と強度安定化効果があるＮｂを微量添加し、前述Ｔｉ、Ｂ、Ｎを含む四元素の成分バランスを適正化し、本発明に至ったものである。
【００１６】
本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼は石油精製圧力容器や火力発電用車室など高温高圧環境で使用される材料に好適であり、特にＣｒ−Ｍｏ鋼厚肉鍛鋼品の材料に有用である。該Ｃｒ−Ｍｏ鋼は、厚さ２００ｍｍ以上の鍛鋼品に使用するものとして顕著な効果を発揮する。実際に、６００ｍｍ厚さまでの鍛鋼品において顕著な効果を有しており、４００ｍｍ厚さまででより顕著な効果が得られる。
【００１７】
以下本発明における成分の限定範囲について詳細に説明する。
Ｃ：０．１０〜０．２０％
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分であるが、０．１０％未満だと大型鍛鋼品として焼入性が確保できず十分な強度が得られないため０．１０％以上とする。又過剰の添加は鋼材の溶接性やＨＡＺ靭性等を著しく劣化させるため上限を０．２０％とする。なお、同様の理由で上限を０．１５％とするのが望ましい。
【００１８】
Ｓｉ：０．４０％以下
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸等に必要な成分であるが、過剰な添加は高温供用中の焼戻し脆化により靭性を低下させるため上限を０．４０％とした。また、同様の理由で上限を０．１０％とするのが望ましい。
【００１９】
Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは母材の強度及び靭性の確保に有効な成分として０．１０％以上の添加が必要であるが、Ｓｉと同様焼戻し脆化感受性を高め、さらに過剰な添加は溶接割れ感受性を高めるため、上限値を１．００％とした。なお、同様の理由で下限を０．３０％、上限を０．６０％とするのが望ましい。
【００２０】
Ｎｉ：０．０５〜１．００％
Ｎｉは母材の強度及び靭性を向上させるために有効であるが製造コストを上昇させるため０．０５％を下限、１．００％を上限とした。なお、同様の理由で上限を０．２５％とするのが望ましい。
【００２１】
Ｃｒ：２．００〜３．５０％
Ｃｒはこの種の鋼において焼入性、強度を高めるために必要不可欠であり、この作用を得るためには２．００％以上の添加が必要である。逆に過剰な添加は焼戻し脆化感受性を高めるので上限を３．５０％とした。なお、同様の理由で上限を２．５０％とするのが望ましい。
【００２２】
Ｍｏ：０．１０〜１．５０％
Ｍｏは固溶化熱処理による母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素であり０．１０％以上含有させる必要がある。しかし過剰な添加は溶接ＨＡＺ部の靭性を損なうため上限を１．５０％とした。なお、同様の理由で下限を０．９０％、上限を１．１０％とするのが望ましい。
【００２３】
Ｖ：０．１０〜０．４０％
Ｖは鋼の強度を確保するために重要な元素であり、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、多すぎると靭性値に悪影響を及ぼすことから下限を０．１０％、上限を０．４０％とした。なお、同様の理由で下限を０．２５％、上限を０．３５％とするのが望ましい。
【００２４】
Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％
Ｎｂは鋼を溶体化温度に加熱時にオーステナイト粒の粗大化を防止すると共に細粒化の作用があるが、Ｎｂ炭窒化物などが母材に微細に均一に分散し高温強度などを上昇する作用を有するため０．０１０％以上添加する。しかし０．０３０％を超えると鋼塊中心部の共晶炭化物が生成するとともに焼入時に粗大な初析フェライトを生成し、靭性が大きく低下するためここでは０．０３０％以下とした。
【００２５】
Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％
ＴｉはＮｂと同様に固溶化処理後の組織を微細化し後述するＮと結合して結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。その添加量は０．００５％未満では効果が少なく、また０．０１５％を超えると切り欠き効果により靭性が大きく劣化するので、その含有量を０．００５〜０．０１５％とした。
【００２６】
Ｂ：０．０００５〜０．００１５％
Ｂは焼入性を向上させる重要な元素であり、その作用を得るため下限を０．０００５％とする。一方、過度に添加すると溶接割れを招き、溶接性に大きな悪影響を及ぼすので上限を０．００１５％とした。
【００２７】
Ｎ：０．００５超〜０．０１０％
ＮはＴｉＮとして析出する事でＨＡＺ靭性の向上に効果があるが少ないと効果が薄れるため下限を０．００５％超とした。しかしながら０．０１０％を超えると固溶Ｎが増大しＨＡＺ靭性の低下がおこる。Ｔｉの添加量と対応させＴｉの微細析出によるＨＡＺ靭性の向上を考えると０．０１０％を上限とした。
【００２８】
また焼入条件として加熱温度は９００〜９８０℃、冷却方法は水冷とする。加熱温度を９００〜９８０℃とするのは９００℃未満では本鋼に十分な焼入の効果が得られず再結晶が促進されないためであり、また９８０℃を超えると逆に結晶粒の粗大化を招き、靭性の低下に繋がるためである。水冷とするのは板厚で４００ｍｍまでの厚肉鍛鋼品において内部まで所定の機械的性質を得るために十分な冷却速度を与えるためである。また焼戻条件として温度を６００℃以上Ａｃ１変態点未満とするのは６００℃未満では焼戻による材質変化が十分に生じず、またＡｃ１変態点以上では逆変態オーステナイトが生じ、最終的にマルテンサイトに変態して材質に悪影響を及ぼすためである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼は、常法により溶製することができ、前記で規定する組成範囲に調製される。該Ｃｒ−Ｍｏ鋼は、本発明法によりＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の材料として用いることができ、所望の方法により熱間鍛造、冷間鍛造を施すことができる。該鍛造後においては、９００〜９８０℃のオーステナイト化温度に加熱後水冷して焼入を施す。該焼入に際しての加熱方法等も特に限定されるものではなく、適宜の加熱炉によって加熱し、水冷することができる。水冷は、浸漬、噴射等の適宜の方法により行うことができる。要は冷却剤として水を用いるものであればよい。該焼入後には、６００℃以上Ａｃ１変態点未満の温度で焼戻し処理を行う。焼き戻しは、１段の他、多段で行うことも可能である。
【００３０】
【実施例】
以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
表１に示す組成を有する供試材を真空誘導溶解炉により５０ｋｇ丸形鋼塊に溶製し、３５ｍｍ厚さに圧延を行った。調質温度は９６０℃とし、板厚４００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した冷却速度で加速冷却を施し、その後７００℃で２６ｈｒおよび７ｈｒの焼戻しを行った。なお、表１に示すように、本発明鋼は、微量成分Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ｎのバランスをコントロールして添加されていることを示している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
上記により得られた供試材に対し、室温引張強度および０．２％耐力を測定し、その結果を図１に示した。その結果、図１に示すように７００℃で２６ｈｒの焼戻しを行っても比較材に比べて同等かそれ以上の優れた室温引張強度を示し、ＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖの規格である０．２％Ｙ．Ｓ．≧４１５ＭＰａ、Ｔ．Ｓ．：５８５／７６０ＭＰａの強度要求を十分満足することを確認した。
【００３３】
次に、上記供試材に対し、−４０℃におけるシャルピー衝撃試験を行った。
図２は７００℃で７ｈｒの焼戻しを施したときの母材の−４０℃における衝撃試験結果を示すものである。発明材は比較材に比べて高い靭性を有しており、ｖＥ−４０℃で１５０Ｊ以上の吸収エネルギーを示している。これはＴｉ、Ｂ、Ｎ及びＮｂの適正添加量の効果による焼入性の確保、微細炭窒化物の生成による強度向上、結晶粒微細化による靭性安定化などの複合的な効果によるものと考えられる。
【００３４】
次に表１に示す組成を有する鋼のうち、Ｎｏ．２とＮｏ．５について真空誘導溶解炉により５０ｋｇ丸形鋼塊に溶製し、３５ｍｍ厚さに圧延を行った。調質温度は９５０℃とし、板厚６００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した冷却速度で加速冷却を施し、６７０℃で１０時間焼戻した。その後に、繰返しＳＲを想定した長時間焼戻しを施したときの室温強度の低下量を測定した。発明材と比較材の比較結果を図３に示した。本発明材は長時間焼戻しを施しても強度低下の程度が小さいことを示しており、例えば７００℃×２６ｈｒのＰＷＨＴを施した場合、比較材に比べて約３０ＭＰａの強度の向上が図れることが明らかとなった。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼によれば、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｃｒ：２．００〜３．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００１５％、Ｎ：０．００５超〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法によれば、上記成分の範囲でＣｒ−Ｍｏ鋼を溶製し、鍛造後、９００〜９８０℃のオーステナイト化温度に加熱後水冷して焼入を施し、６００℃以上Ａｃ１変態点未満の温度で焼戻すので、７００℃前後のＰＷＨＴを施した後においてもＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖで規定される強度要求を満足する母材強度を維持しつつ、北米やカナダ、中国など極寒冷地の使用に耐えうる低温靭性を確保することが可能となる。特に−４０℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーで１００Ｊ以上を安定して確保できるようになり、機器の信頼性が向上する。さらにこれまでの技術では難しかった肉厚２００ｍｍを超え、６００ｍｍに至るような極厚鍛鋼品においても肉厚方向で均−な機械的性質を得ることができ、圧力容器や火力発電用車室などの大型機器の信頼性を大きく向上させ、産業上きわめて有効である。また通常の焼入焼戻により製造され、追加熱処理を必要としないためエ程の長期化と製造コストの抑制に繋がる。また上述の強度要求を満足することにより設計許容応力を高く取ることができ、容器の肉厚低減、軽量化に繋がるメリットがある。また７００℃前後での長時間焼戻しを施しても強度低下の程度が小さく、従来材に比べて強度向上が可能となるため、製造時や現地工事、あるいは補修溶接後など複数のＰＷＨＴに対応できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明材と比較材を９６０℃でオーステナイト化後板厚４００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した加速冷却を施し、７００℃で２６時間の焼戻しを施したときの室温引張強度を示すグラフである。
【図２】本発明材と比較材を９６０℃でオーステナイト化後板厚４００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した加速冷却を施し、７００℃で７時間の焼戻しを施したときの−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーを示すグラフである。
【図３】本発明材と比較材を９５０℃でオーステナイト化後板厚６００ｍｍの肉厚中央位置を模擬した加速冷却を施し、６６０℃で１０時間焼戻した後、６９５〜７１０℃の温度で種々の時間焼戻したときの焼戻しパラメータと強度の低下量との関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
この発明は石油精製用圧力容器や火力発電用車室など、高温・高圧環境で使用することを主目的とし、北米やカナダ、中国など寒冷地での使用に耐えるＣｒ−Ｍｏ鋼およびＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法に関するものである。特に製造時の板厚で２００ｍｍ以上の極厚鍛鋼品の製造に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
石油精製圧力容器や火力発電用車室などのように高温・高圧環境で使用される機器の材料には高温強度が高く、また低温での靭性に優れていることが必要とされる。このような観点から、従来、上記用途の材料にはＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖで代表される２．２５Ｃｒ−ｌＭｏ−Ｖ鋼が使用されている。該鋼の成分は、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．３０〜０．６０％、Ｎｉ：０．２５％以下、Ｃｒ：２．０〜２．５％、Ｍｏ：０．９〜１．１％、Ｖ：０．２５〜０．３５％、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｂ：０．００２０％以下、Ｎｂ：０．０７％以下、残部Ｆｅで示すことができる。なお、この材料では製造過程で焼入れがなされており、この焼入れによって所望の強度を確保するとともに低温での安定した靭性を得ている。
【０００３】
また、従来の技術として、例えば特許文献１のＣｒ−Ｍｏ鋼では、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎとＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂを添加し、固溶強化元素であるＭｏ、Ｗ量を調整して高温強度向上を図っている。さらにＮｂとＴｉ、Ｖの複合添加は靭性を著しく低下させることを見出し、Ｎｂを実質的に添加しないで低温靭性の確保を図っている。
【０００４】
また特許文献２では、Ｃｒ量が３％以下、Ｍｏ量が１．５％以下のＣｒ−Ｍｏ鋼で板厚が５０〜２００ｍｍ程度の比較的厚肉材を対象に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗなどを一種あるいは複合添加して粗大な初析フェライトの生成やベイナイト＋マルテンサイトの混合組織の粗大化を抑制して良好な強度と靭性を確保している。
【０００５】
さらに特許文献３および特許文献４のＣｒ−Ｍｏ鋼では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎ、Ｏを添加し、特にＣｕ＋Ｎｉの適正添加により焼入性を確保し、Ｍｏ＋Ｗ量の適正化による高温強度の向上を図り、熱間圧延の際に１０００℃以下の温度で３０％以上の圧下率で圧下を加えることにより析出物を微細に分散させ、オーステナイト粒の粗大化を抑制して靭性を確保している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１７３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４５２８１号公報
【特許文献３】
特開２００１−３３５８３５号公報
【特許文献４】
特開２００１−３３５８３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１で示された鋼は比較的板厚の薄い圧延鋼板を対象としたものであり、板厚で２００ｍｍを超えるような極厚の鍛鋼品などにおいては焼入時にその質量効果によりオーステナイト結晶粒の成長を招き、靭性を低下させる懸念がある。
【０００８】
また特許文献２で示された鋼では、全厚での性能が確保できるのは板厚２００ｍｍ程度までの圧延鋼板であり、それ以上の板厚では微量添加元素の成分バランスを適正化する必要があり、請求項に示す成分範囲で安定した強度と靭性を得ることは難しい。なお、その実施例においてはＮｂ、Ｔｉ、Ｂに関しては二種類の添加に限定されており、これら三元素とＮとのバランスを適正化したものではない。
【０００９】
さらに特許文献３、４の鋼では、適正な加工ひずみを加えることができるのは板厚で２００ｍｍ程度までの圧延鋼板であり、板厚２００ｍｍを超えるような極厚の鍛鋼品に対しては十分な加工ひずみを加えることができず、結晶粒の粗大化、靭性の低下を招く懸念がある。
【００１０】
上記圧力容器や車室などは近年効率化の観点から大容量化、大型化の傾向にあり、また操業条件はより高温・高圧化してきている。このため機器の品質および信頼性の点からは、使用中脆化が少ない極厚材の使用が望まれている。しかしながら肉厚が厚くなると焼入れ時の質量効果によって肉厚中心部で冷却速度が低下して焼入れが十分になされないために均一な機械的性質を得ることが難しくなる。従来使用されている材料では特許文献１〜４に示されるように、その焼入れ性を考慮すると、必要強度および靭性を得るためには肉厚を２００ｍｍ以下に抑えることが必要であり、より肉厚の大きな圧力容器や車室を得ることは困難であるとされている。
【００１１】
これに対し、本願出願人は、先行特許第３３３８２４１号に示すように、成分中にＢとＴｉを複合添加することによって焼入れ性を向上させ、溶接性への悪影響も排除した鋼種を提案している。しかしながらこの鋼種では低温靭性は確保できても、７００℃前後での溶接後熱処理を行った後の０．２％耐力で４００ＭＰａ、引張強度で５８６ＭＰａのＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖの材料規格を満足する高強度を安定して確保することが難しく、設計許容応力の低下に伴って機器の肉厚、重量の増加に繋がっていた。一方でＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖ等で規定されるＶを重量％で０．２５〜０．３５％添加した高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼においては、この０．２％耐力を安定して確保することが可能となったものの、低温靭性は−１８℃で５４Ｊ（４０ｆｔ−ｌｂ）以上の吸収エネルギーを確保するのが精一杯であり、北米やカナダ、中国など極寒冷地における使用にあたっては脆性破壊など機器の信頼性を低下させる懸念があった。またこの鋼種においても溶接後の応力除去焼鈍が重畳されるような、７００℃前後で長時間の焼戻しが行われた場合に強度低下を招き、製造時および現地での溶接後のＰＷＨＴ条件に制約を与えていたため、より長時間の焼戻しを施しても強度低下の少ない材料の開発が必要であった。
【００１２】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖ等で規定される高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼と同等の強度を有しつつ、極寒冷地の使用に耐える低温靭性を厚肉材においても確保することができる、強度と低温靱性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼およびＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の強度と低温靱性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｃｒ：２．００〜３．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００１５％、Ｎ：０．００５超〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の強度と低温靭性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法は、請求項１記載の成分の範囲でＣｒ−Ｍｏ鋼を溶製し、該鋼を鍛造後、９００〜９８０℃のオーステナイト化温度に加熱後水冷して焼入を施し、６００℃以上Ａｃ１変態点未満の温度で焼戻すことを特徴とする。
【００１５】
すなわち、本発明は、鋼中の微量添加元素であるＴｉ、Ｂ、Ｎの成分バランスを検討し、さらに炭窒化物を形成して強度を高め、高温加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制して靭性確保と強度安定化効果があるＮｂを微量添加し、前述Ｔｉ、Ｂ、Ｎを含む四元素の成分バランスを適正化し、本発明に至ったものである。
【００１６】
本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼は石油精製圧力容器や火力発電用車室など高温高圧環境で使用される材料に好適であり、特にＣｒ−Ｍｏ鋼厚肉鍛鋼品の材料に有用である。該Ｃｒ−Ｍｏ鋼は、厚さ２００ｍｍ以上の鍛鋼品に使用するものとして顕著な効果を発揮する。実際に、６００ｍｍ厚さまでの鍛鋼品において顕著な効果を有しており、４００ｍｍ厚さまででより顕著な効果が得られる。
【００１７】
以下本発明における成分の限定範囲について詳細に説明する。
Ｃ：０．１０〜０．２０％
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分であるが、０．１０％未満だと大型鍛鋼品として焼入性が確保できず十分な強度が得られないため０．１０％以上とする。又過剰の添加は鋼材の溶接性やＨＡＺ靭性等を著しく劣化させるため上限を０．２０％とする。なお、同様の理由で上限を０．１５％とするのが望ましい。
【００１８】
Ｓｉ：０．４０％以下
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸等に必要な成分であるが、過剰な添加は高温供用中の焼戻し脆化により靭性を低下させるため上限を０．４０％とした。また、同様の理由で上限を０．１０％とするのが望ましい。
【００１９】
Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは母材の強度及び靭性の確保に有効な成分として０．１０％以上の添加が必要であるが、Ｓｉと同様焼戻し脆化感受性を高め、さらに過剰な添加は溶接割れ感受性を高めるため、上限値を１．００％とした。なお、同様の理由で下限を０．３０％、上限を０．６０％とするのが望ましい。
【００２０】
Ｎｉ：０．０５〜１．００％
Ｎｉは母材の強度及び靭性を向上させるために有効であるが製造コストを上昇させるため０．０５％を下限、１．００％を上限とした。なお、同様の理由で上限を０．２５％とするのが望ましい。
【００２１】
Ｃｒ：２．００〜３．５０％
Ｃｒはこの種の鋼において焼入性、強度を高めるために必要不可欠であり、この作用を得るためには２．００％以上の添加が必要である。逆に過剰な添加は焼戻し脆化感受性を高めるので上限を３．５０％とした。なお、同様の理由で上限を２．５０％とするのが望ましい。
【００２２】
Ｍｏ：０．１０〜１．５０％
Ｍｏは固溶化熱処理による母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素であり０．１０％以上含有させる必要がある。しかし過剰な添加は溶接ＨＡＺ部の靭性を損なうため上限を１．５０％とした。なお、同様の理由で下限を０．９０％、上限を１．１０％とするのが望ましい。
【００２３】
Ｖ：０．１０〜０．４０％
Ｖは鋼の強度を確保するために重要な元素であり、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、多すぎると靭性値に悪影響を及ぼすことから下限を０．１０％、上限を０．４０％とした。なお、同様の理由で下限を０．２５％、上限を０．３５％とするのが望ましい。
【００２４】
Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％
Ｎｂは鋼を溶体化温度に加熱時にオーステナイト粒の粗大化を防止すると共に細粒化の作用があるが、Ｎｂ炭窒化物などが母材に微細に均一に分散し高温強度などを上昇する作用を有するため０．０１０％以上添加する。しかし０．０３０％を超えると鋼塊中心部の共晶炭化物が生成するとともに焼入時に粗大な初析フェライトを生成し、靭性が大きく低下するためここでは０．０３０％以下とした。
【００２５】
Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％
ＴｉはＮｂと同様に固溶化処理後の組織を微細化し後述するＮと結合して結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。その添加量は０．００５％未満では効果が少なく、また０．０１５％を超えると切り欠き効果により靭性が大きく劣化するので、その含有量を０．００５〜０．０１５％とした。
【００２６】
Ｂ：０．０００５〜０．００１５％
Ｂは焼入性を向上させる重要な元素であり、その作用を得るため下限を０．０００５％とする。一方、過度に添加すると溶接割れを招き、溶接性に大きな悪影響を及ぼすので上限を０．００１５％とした。
【００２７】
Ｎ：０．００５超〜０．０１０％
ＮはＴｉＮとして析出する事でＨＡＺ靭性の向上に効果があるが少ないと効果が薄れるため下限を０．００５％超とした。しかしながら０．０１０％を超えると固溶Ｎが増大しＨＡＺ靭性の低下がおこる。Ｔｉの添加量と対応させＴｉの微細析出によるＨＡＺ靭性の向上を考えると０．０１０％を上限とした。
【００２８】
また焼入条件として加熱温度は９００〜９８０℃、冷却方法は水冷とする。加熱温度を９００〜９８０℃とするのは９００℃未満では本鋼に十分な焼入の効果が得られず再結晶が促進されないためであり、また９８０℃を超えると逆に結晶粒の粗大化を招き、靭性の低下に繋がるためである。水冷とするのは板厚で４００ｍｍまでの厚肉鍛鋼品において内部まで所定の機械的性質を得るために十分な冷却速度を与えるためである。また焼戻条件として温度を６００℃以上Ａｃ１変態点未満とするのは６００℃未満では焼戻による材質変化が十分に生じず、またＡｃ１変態点以上では逆変態オーステナイトが生じ、最終的にマルテンサイトに変態して材質に悪影響を及ぼすためである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼は、常法により溶製することができ、前記で規定する組成範囲に調製される。該Ｃｒ−Ｍｏ鋼は、本発明法によりＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の材料として用いることができ、所望の方法により熱間鍛造、冷間鍛造を施すことができる。該鍛造後においては、９００〜９８０℃のオーステナイト化温度に加熱後水冷して焼入を施す。該焼入に際しての加熱方法等も特に限定されるものではなく、適宜の加熱炉によって加熱し、水冷することができる。水冷は、浸漬、噴射等の適宜の方法により行うことができる。要は冷却剤として水を用いるものであればよい。該焼入後には、６００℃以上Ａｃ１変態点未満の温度で焼戻し処理を行う。焼き戻しは、１段の他、多段で行うことも可能である。
【００３０】
【実施例】
以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
表１に示す組成を有する供試材を真空誘導溶解炉により５０ｋｇ丸形鋼塊に溶製し、３５ｍｍ厚さに圧延を行った。調質温度は９６０℃とし、板厚４００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した冷却速度で加速冷却を施し、その後７００℃で２６ｈｒおよび７ｈｒの焼戻しを行った。なお、表１に示すように、本発明鋼は、微量成分Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ｎのバランスをコントロールして添加されていることを示している。
【００３１】
【表１】
上記により得られた供試材に対し、室温引張強度および０．２％耐力を測定し、その結果を図１に示した。その結果、図１に示すように７００℃で２６ｈｒの焼戻しを行っても比較材に比べて同等かそれ以上の優れた室温引張強度を示し、ＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖの規格である０．２％Ｙ．Ｓ．≧４１５ＭＰａ、Ｔ．Ｓ．：５８５／７６０ＭＰａの強度要求を十分満足することを確認した。
【００３３】
次に、上記供試材に対し、−４０℃におけるシャルピー衝撃試験を行った。
図２は７００℃で７ｈｒの焼戻しを施したときの母材の−４０℃における衝撃試験結果を示すものである。発明材は比較材に比べて高い靭性を有しており、ｖＥ−４０℃で１５０Ｊ以上の吸収エネルギーを示している。これはＴｉ、Ｂ、Ｎ及びＮｂの適正添加量の効果による焼入性の確保、微細炭窒化物の生成による強度向上、結晶粒微細化による靭性安定化などの複合的な効果によるものと考えられる。
【００３４】
次に表１に示す組成を有する鋼のうち、Ｎｏ．２とＮｏ．５について真空誘導溶解炉により５０ｋｇ丸形鋼塊に溶製し、３５ｍｍ厚さに圧延を行った。調質温度は９５０℃とし、板厚６００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した冷却速度で加速冷却を施し、６７０℃で１０時間焼戻した。その後に、繰返しＳＲを想定した長時間焼戻しを施したときの室温強度の低下量を測定した。発明材と比較材の比較結果を図３に示した。本発明材は長時間焼戻しを施しても強度低下の程度が小さいことを示しており、例えば７００℃×２６ｈｒのＰＷＨＴを施した場合、比較材に比べて約３０ＭＰａの強度の向上が図れることが明らかとなった。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼によれば、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｃｒ：２．００〜３．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００１５％、Ｎ：０．００５超〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、本発明のＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法によれば、上記成分の範囲でＣｒ−Ｍｏ鋼を溶製し、鍛造後、９００〜９８０℃のオーステナイト化温度に加熱後水冷して焼入を施し、６００℃以上Ａｃ１変態点未満の温度で焼戻すので、７００℃前後のＰＷＨＴを施した後においてもＡＳＴＭ Ａ３３６Ｆ２２Ｖで規定される強度要求を満足する母材強度を維持しつつ、北米やカナダ、中国など極寒冷地の使用に耐えうる低温靭性を確保することが可能となる。特に−４０℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーで１００Ｊ以上を安定して確保できるようになり、機器の信頼性が向上する。さらにこれまでの技術では難しかった肉厚２００ｍｍを超え、６００ｍｍに至るような極厚鍛鋼品においても肉厚方向で均−な機械的性質を得ることができ、圧力容器や火力発電用車室などの大型機器の信頼性を大きく向上させ、産業上きわめて有効である。また通常の焼入焼戻により製造され、追加熱処理を必要としないためエ程の長期化と製造コストの抑制に繋がる。また上述の強度要求を満足することにより設計許容応力を高く取ることができ、容器の肉厚低減、軽量化に繋がるメリットがある。また７００℃前後での長時間焼戻しを施しても強度低下の程度が小さく、従来材に比べて強度向上が可能となるため、製造時や現地工事、あるいは補修溶接後など複数のＰＷＨＴに対応できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明材と比較材を９６０℃でオーステナイト化後板厚４００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した加速冷却を施し、７００℃で２６時間の焼戻しを施したときの室温引張強度を示すグラフである。
【図２】本発明材と比較材を９６０℃でオーステナイト化後板厚４００ｍｍ水冷時の肉厚中央位置を模擬した加速冷却を施し、７００℃で７時間の焼戻しを施したときの−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーを示すグラフである。
【図３】本発明材と比較材を９５０℃でオーステナイト化後板厚６００ｍｍの肉厚中央位置を模擬した加速冷却を施し、６６０℃で１０時間焼戻した後、６９５〜７１０℃の温度で種々の時間焼戻したときの焼戻しパラメータと強度の低下量との関係を示すグラフである。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｃｒ：２．００〜３．５０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．１０〜０．４０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００１５％、Ｎ：０．００５超〜０．０１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする強度と低温靱性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼。
- 請求項１記載の成分の範囲でＣｒ−Ｍｏ鋼を溶製し、該鋼を鍛造後、９００〜９８０℃のオーステナイト化温度に加熱後水冷して焼入を施し、６００℃以上Ａｃ１変態点未満の温度で焼戻すことを特徴とする強度と低温靭性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼鍛鋼の製造方法。
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