JP7366246B2 - 極低温横膨張に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法 - Google Patents

極低温横膨張に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、極低温横膨張に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法に係り、詳しくは、極低温横膨張特性に優れた引張強度７００ＭＰａ級低温圧力容器用鋼板で、低温用圧力容器、船舶、貯蔵タンク、構造用鋼などに用いられる極低温横膨張に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法に関する。
低温用高強度厚板鋼材料は、残留オーステナイト（ｒｅｔａｉｎｅｄ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）、焼戻しマルテンサイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）組織、焼戻しベイナイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｂａｉｎｉｔｅ）組織からなる３相混合組織で構成され、施工時にそれ自体が極低温用構造材として用いられる必要があるため、優れた強度及び極低温横膨張特性が求められている。
一方、通常のノルマライジング（ＮＯＭＡＬＩＺＩＮＧ）処理によって製造された高強度熱延鋼材は、フェライトとパーライトの混合組織を有する。これに対する従来技術の一例として、特許文献１に記載された発明が挙げられる。上記特許文献１に記載された発明は、重量％で、Ｃ：０．０８～０．１５％、Ｓｉ：０．２～０．３％、Ｍｎ：０．５～１．２％、Ｐ：０．０１～０．０２％、Ｓ：０．００４～０．００６％、Ｔｉ：０％超過～０．０１％以下、Ｍｏ：０．０５～０．１％、Ｎｉ：３．０～５．０％、及び残部Ｆｅとその他の不可避不純物からなることを特徴とする５００ＭＰａ級ＬＰＧ用高強度鋼材を提示しており、その鋼組成成分にＮｉ及びＭｏを添加することを特徴としている。
特許文献１に記載された発明は、通常のノルマライジング（ＮＯＭＡＬＩＺＩＮＧ）によって製造された鋼材であるため、Ｎｉなどを添加しても鋼材の極低温横膨張特性が十分でないという問題がある。したがって、低温用圧力容器、船舶、貯蔵タンク、構造用鋼などに用いられる高強度厚鋼板において、極低温横膨張特性に優れた高強度鋼材の開発に対する要求が台頭している。
韓国公開特許第２０１２－００１１２８９号公報
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためのものであり、冷却及び熱処理工程を制御することによって製造される鋼材の組織を残留オーステナイト（ｒｅｔａｉｎｅｄ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）、焼戻しマルテンサイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）組織、焼戻しベイナイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｂａｉｎｉｔｅ）を含む３相混合組織で制御することで、引張強度７００ＭＰａ級を確保することができる低温用圧力容器鋼板及びその製造方法を提供することにその目的がある。
しかしながら、本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は、以下の記載から当業者が明確に理解することができる。
本発明は、
重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：４．５～５．５％、Ｍｏ：０．２～０．４％、Ｐｄ：０．００１～０．１５％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
鋼微細組織が面積分率で０．５～５．０％の残留オーステナイト、２５～８５％の焼戻しベイナイト、及び残部焼戻しマルテンサイトを含む強度と極低温横膨張特性に優れた低温用圧力容器鋼板に関するものである。
また、本発明は、
重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：４．５～５．５％、Ｍｏ：０．２～０．４％、Ｐｄ：０．００１～０．１５％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼スラブを１０５０～１２５０℃で再加熱する工程、
再加熱された鋼スラブをパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延し、８００℃以上の温度で圧延を終了する熱間圧延工程、
熱間圧延された熱延鋼板を空冷した後、空冷された鋼板を８５０～９２０℃の温度範囲で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間加熱してから、１５０℃以下に水冷する工程、
水冷された鋼板を６９０～７６０℃で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間に中間熱処理してから、１５０℃以下に水冷する工程、及び
水冷された鋼板を６００～６６０℃の区間で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間に焼戻し工程、を含む強度及び極低温横膨張特性に優れた低温用圧力容器鋼板の製造方法に関するものである。
上記焼戻し工程で得られた鋼微細組織は、面積分率で０．５～５．０％の残留オーステナイト、２５～８５％の焼戻しベイナイト、及び残部焼戻しマルテンサイトを含む。
上述のような構成の本発明は、引張強度７００ＭＰａ級を満たしながら－１５０℃程度の低温で安定して使用可能な強度及び横膨張特性に優れた低温用圧力容器鋼板を効果的に提供することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明の引張強度及び横膨張特性に優れた低温用圧力容器鋼板について説明する。
本発明の鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：４．５～５．５％、Ｍｏ：０．２～０．４％、Ｐｄ：０．００１～０．１５％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるが、その具体的な鋼板の成分及びその成分の制限理由は以下のとおりである。なお、以下において「％」は、特に断りのない限り「重量％」を意味する。
・Ｃ：０．０５～０．１５％
本発明の鋼板は、Ｃを０．０５～０．１５％の範囲で添加することが好ましい。Ｃ含有量が０．０５％未満である場合には、基地相の自体強度が低下し、０．１５％を超過する場合には、鋼板の溶接性を大きく損なうためである。より好ましくは、Ｃ含有量を０．０８～０．１０％の範囲に制限する。
・Ｓｉ：０．２０～０．４０％
Ｓｉは、脱酸効果、固溶強化効果及び衝撃遷移温度上昇効果のために添加される成分であり、このような添加効果を達成するためには０．２０％以上添加することが好ましい。しかし、０．４０％を超過して添加すると溶接性が低下し、鋼板表面に酸化皮膜が過度に形成されるため、その添加量を０．２０～０．４０％に制限することが好ましい。より好ましくは、Ｓｉ含有量を０．２５～０．３０％の範囲に制限する。
・Ｍｎ：０．３～０．６％
Ｍｎは、Ｓとともに延伸された非金属介在物であるＭｎＳを形成して常温延伸率及び低温靭性を低下させるため、０．６％以下に管理することが好ましい。しかしながら、本発明の成分特性上、Ｍｎが０．３％未満になると適切な強度を確保することが困難であるため、Ｍｎの添加量は０．３～０．６％に制限することが好ましい。より好ましくは、Ｍｎ含有量を０．５～０．６％の範囲に制限する。
・Ａｌ：０．０２～０．１０％
Ａｌは、Ｓｉとともに製鋼工程において強力な脱酸剤の一つであり、０．０２％未満添加する際には、その添加による効果が僅かであり、０．１０を超えて添加する際には、製造原価が上昇するため、その含有量を０．０２～０．１０％に限定することが好ましい。
・Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは、低温靭性を損なう元素であるが、製鋼工程で除去するために過度の費用がかかるため、０．０１５％以下の範囲内に管理することが好ましい。
・Ｓ：０．０１５％以下
ＳもＰとともに低温靭性に悪影響を与える元素であるが、Ｐと同様に製鋼工程で除去するためには過度の費用がかかるため、０．０１５％以下の範囲内に管理することが適切である。
・Ｎｉ：４．５～５．５％
Ｎｉは、低温靭性の向上に最も効果的な元素である。しかし、その添加量が４．５％未満であると低温靭性の低下を招き、５．５％を超過して添加すると製造費用の上昇をもたらすため、４．５～５．５％の範囲内に添加することが好ましい。より好ましくは、Ｎｉ含有量を４．８～５．２％の範囲に制限する。
・Ｍｏ：０．２～０．４％
Ｍｏは、焼入性及び強度向上に非常に重要な元素であり、０．２％未満添加されると、その添加による効果が期待できず、０．４％を超えると、高価であることから非経済的であるため、０．４％以下に制限することが好ましい。より好ましくは、Ｍｏ含有量を０．２５～０．３０％の範囲に制限する。
・Ｐｄ：０．００１～０．１５％
本発明において、Ｐｄは、延性及び電性が良い金属として横膨張特性を増加させるための重要な元素である。しかし、その添加量が０．００１％未満であると、添加による効果が期待できず、０．１５％を超えると、高価元素であることから非経済的であるため、０．１５％以下に制限することが好ましい。より好ましくは、Ｐｄ含有量を０．０５～０．１０％の範囲に制限する。
一方、本発明の鋼板は、面積％で、０．５～５．０％の残留オーステナイト、２５～８５％の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトを含む鋼微細組織を有する。
焼戻しベイナイトの分率が２５％未満であると、焼戻しマルテンサイトの量が過多になって鋼板の低温靭性が劣化することがある。これに対し、８５％を超えると、目標とする鋼板の強度を確保することが難しい可能性がある。
残留オーステナイトの面積分率が０．５％以下であると低温靭性、すなわち、横膨張特性を損なうことがあり、５．０％以上を超えると強度を低下させるため、０．５～５．０％の範囲に限定することが好ましい。
上述したような鋼組成成分と微細組織を有する本発明の鋼板は、引張強度７００ＭＰａ級を効果的に維持できるのみならず、極低温においても優れた横膨張特性を有することができる。
次に、本発明の鋼板の製造方法を説明する。
本発明の鋼板の製造方法は、上記組成の鋼スラブを１０５０～１２５０℃で再加熱する工程、上記再加熱された鋼スラブをパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延し、８００℃以上の温度で圧延を終了して熱延鋼板を製造する熱間圧延工程。上記製造された熱延鋼板を空冷した後、空冷された鋼板を８５０～９２０℃の温度範囲で加熱してから、１５０℃以下に水冷する工程、上記水冷された鋼板を６９０～７６０℃で中間熱処理してから、１５０℃以下に水冷する工程、及び上記水冷された鋼板を６００～６６０℃の区間で焼戻し工程、を含む。すなわち、本発明の圧力容器用鋼材は、上述した合金組成を満たす鋼スラブを［再加熱－熱間圧延及び冷却－熱処理及び冷却－焼戻し］工程を経て製造することができ、以下では、上記それぞれの工程条件について詳細に説明する。
［鋼スラブ再加熱］
まず、上述した合金組成を満たす鋼スラブを１０５０～１２５０℃の温度範囲で再加熱することが好ましい。このとき、再加熱温度が１０５０℃未満であると、溶質原子の固溶が難しく、これに対し、１２５０℃を超えると、オーステナイトの結晶粒の大きさが非常に粗大になって鋼の物性を損なうため、好ましくない。
［熱間圧延及び冷却］
続いて、本発明では、上記再加熱された鋼スラブをパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延し、８００℃以上の温度で圧延を終了する熱間圧延を行う。
上記熱間圧延時のパス当たりの圧下率が５％未満であると、圧延生産性の低下で製造費用が上昇する問題があるのに対し、３０％を超えると圧延機に負荷を発生させて設備に致命的な悪影響を及ぼすことがあるため、好ましくない。そして、圧延は８００℃以上の温度で終了することが好ましい。８００℃以下の温度まで圧延を行うと、圧延機の負荷をもたらすことができるためである。そして、上記製造された熱延鋼板は空冷される。
［熱処理］
続いて、本発明では上記空冷された熱延鋼板を８５０～９２０℃の温度で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間加熱して１５０℃以下に水冷する。
上記水冷前加熱温度が８５０℃未満ではオーステナイト化が行われず、９２０℃を超える温度で加熱すると結晶粒の大きさが非常に粗大になって靭性を阻害することがある。
そして、上述したように圧延された鋼板を一定温度で一定時間の間、熱処理することが好ましいが、具体的には、上記空冷された熱延鋼板を８５０～９２０℃の区間の温度範囲で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間加熱した後、１５０℃以下に水冷する。
［中間熱処理］
そして、本発明では上記水冷された鋼板を６９０～７６０℃の温度範囲で｛（２．４×ｔ）＋（１０～３０）｝分（ここで、ｔは鋼板厚さ（単位：ｍｍ）を意味する）の間維持する中間熱処理を行った後、１５０℃以下に水冷する。
上記熱処理時の温度が６９０℃未満であると、固溶溶質元素の再固溶が難しくなって目標とする強度の確保が困難であり、一方、その温度が７６０℃を超えると結晶粒成長が起こって低温靭性を損なうおそれがある。
また、上述した温度範囲で熱処理時の維持時間が｛（２．４×ｔ）＋１０｝分未満であると組織の均質化が難しく、これに対し、｛（２．４×ｔ）＋３０｝分を超えると生産性を阻害するため、好ましくない。
［焼戻し］
続いて、本発明では上記冷却された熱延鋼板を６００～６７０℃の区間で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間焼戻す。上記焼戻し処理時の温度が６００℃未満であると、微細な析出物の析出が難しくなって目標とする強度の確保が困難であり、６７０℃を超えると析出物の成長が起こって強度及び低温靭性を阻害するおそれがある。
そして、上述した温度範囲で焼戻し処理時の維持時間が｛（２．４×ｔ）＋１０｝分未満であると組織の均質化が難しく、これに対し、｛（２．４×ｔ）＋３０｝分を超えると生産性を阻害するため、好ましくない。
一方、上記焼戻し工程を介して、面積％で、０．５～５．０％の残留オーステナイト、２５～８５％の焼戻しベイナイト及び残部焼戻しマルテンサイトを含む鋼微細組織を有する本発明の引張強度及び横膨張特性に優れた低温用圧力容器鋼板が得られる。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。
（実施例）
表１のような組成成分を有する鋼スラブをそれぞれ用意した後、これらの鋼スラブを１０５０～１２５０℃の温度範囲で再加熱した。そして、上記再加熱された鋼板をパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延して熱延鋼板をそれぞれ製造した。次いで、このように製造された熱延鋼板を空冷した後、空冷された熱延鋼板を表２に示した条件で、熱処理、中間熱処理及び焼戻しを行って圧力容器の鋼板を製造した。この時の熱処理時間、中間熱処理時間及び焼戻し時間は、鋼種ａは８０分、鋼種ｂは１０５分、そして鋼種ｃは１４０分に一定に維持した。
上記のように製造された鋼板の微細組織中の焼戻しベイナイトと残留オーステナイト組織の相分率をイメージアナライザー（ＩＭＡＧＥ ＡＮＡＬＹＺＥＲ）を用いて測定し、表２に示した。この時、鋼板の測定部位はｔ／４地点である。また、上記製造された鋼板について降伏強度、引張強度及び横膨張特性を評価し、その結果を表２に示した。なお、表２において横膨張特性は、－１５０℃でＶノッチを有する試験片をシャルピー衝撃試験を行って得た横膨張値で評価した結果値を示したものである。そして、引張応力などは引張試験基準であるＡＳＴＭ Ａ２０及びＡＳＴＭ Ｅ８によって測定した結果を示したものである。
Figure 0007366246000001
Figure 0007366246000002
表１及び２に示したように、鋼組成成分及び製造工程の条件が本発明の範囲を満たす発明例１～６の場合、焼戻し処理後の面積分率で１５～８０％の焼戻しベイナイトと残部焼戻しマルテンサイト組織が得られることを確認することができる。よって、降伏強度及び引張強度が比較例１及び２に比べて約１００ＭＰａ程度優れながらも延伸率も１０％以上、－１５０℃低温横膨張も１．５ｍｍ以上優れることが分かる。
以上で説明したとおり、本発明の詳細な説明では、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変形が可能であることはもちろんである。したがって、本発明の権利範囲は、説明された実施例に限定されてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、これと均等なものによって定められなければならない。

Claims (2)

  1. 重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：４．５～５．５％、Ｍｏ：０．２～０．４％、Ｐｄ：０．００１～０．１５％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
    鋼組織が面積分率で０．５～５．０％の残留オーステナイト、２５～８５％の焼戻しベイナイト、及び残部が焼戻しマルテンサイトからなる強度と極低温横膨張特性に優れたことを特徴とする低温用圧力容器鋼板。
  2. 重量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．２０～０．４０％、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：４．５～５．５％、Ｍｏ：０．２～０．４％、Ｐｄ：０．００１～０．１５％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼スラブを１０５０～１２５０℃で再加熱する工程、
    前記再加熱された鋼スラブをパス当たり５～３０％の圧下率で熱間圧延し、８００℃以上の温度で圧延を終了する熱間圧延工程、
    前記熱間圧延された熱延鋼板を空冷した後、空冷された鋼板を８５０～９２０℃の温度範囲で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間加熱してから、１５０℃以下に水冷する工程、
    前記水冷された鋼板を６９０～７６０℃で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間中間熱処理してから、１５０℃以下に水冷する工程、及び
    前記水冷された鋼板を６００～６６０℃の区間で｛２．４×ｔ＋（１０～３０）｝分［ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する］の間焼戻し工程を含み、
    前記焼戻し工程で得られた鋼板は、面積分率で０．５～５．０％の残留オーステナイト、２５～８５％の焼戻しベイナイト、及び残部が焼戻しマルテンサイトからなる組織を有することを特徴とする強度及び極低温横膨張特性に優れた低温用圧力容器鋼板の製造方法。
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