JP7622839B2 - 鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、靭性および耐食性に優れた高強度鋼板、特に低温かつ液体アンモニア環境下で使用されるタンクなどの構造用部材に好適な、低温靱性および耐液体アンモニア応力腐食割れ性に優れた高強度鋼板およびその製造方法に関するものである。
近年のエネルギー需要の増加に伴い、エネルギー輸送船による液化ガスの輸送が盛んに行われている。エネルギー輸送船の効率的な運用のため、タンクにはＬＰＧだけでなく液体アンモニアが共に運搬される場合がある。
ここで、液化アンモニアを取り扱う炭素鋼製の配管、貯槽、タンク車、ラインパイプなどにおいては、液体アンモニアによる応力腐食割れ（以下、アンモニアＳＣＣ（Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ）を引き起こすことが知られている。このため、液体アンモニア環境下で使用される鋼材に対しては、アンモニアＳＣＣ感受性の低い鋼材の適用や、アンモニアＳＣＣを抑制するエンジニアリング措置が講じられてきた。
例えば、アンモニアＳＣＣの発生については、材料の強度と相関があることが知られており、炭素鋼の使用にあたっては、４４０ＭＰa以下の降伏強度（ＹＳ）に制御することで、アンモニアによる応力腐食割れの回避が図られている。その一方で、近年のタンク大型化、鋼材使用量の削減の観点から、鋼板の高強度化の要求が高まっている。
また、ＬＰＧや液体アンモニアといった液化ガスは低温で輸送されるため、これらの液化ガスの貯蔵用タンクに使用される鋼板は、優れた低温靱性が要求される。
前述したような、液化ガス貯蔵用タンクに必要な、低温靱性と強度範囲とを満たすための技術が、特許文献１および２に開示されている。これらの文献に記載の技術では、熱間圧延後冷却した厚鋼板を数回熱処理する、あるいは熱間圧延後水冷した厚鋼板を数回熱処理という方法にて、高い低温靱性および所定の強度特性を実現している。
特開平１０－１４０２３５号公報 特開平１０－１６８５１６号公報
しかしながら、上記の特許文献１および２に記載された方法では、複数回の熱処理を行う必要があり、そのための設備やエネルギーにかかるコストが大きいという経済的な問題があった。
本発明は、上記の問題を解決し、エネルギー輸送船において液化ガスの収容に使用される貯蔵用タンク等に供する、耐アンモニアＳＣＣ性および低温靭性に優れる高強度の鋼板並びにその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために、ＴＭＣＰプロセスを用いて、鋼板の低温靱性、強度特性に対する各種要因について、鋭意検討を重ねた。その結果、鋼板に対し、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ等の元素を所定量以上で添加し、前記鋼板の板厚の１／２位置におけるフェライト組織およびベイナイト組織の合計体積率が６０％以上となるように鋼板の金属組織（ミクロ組織）を制御すれば、所望の低温靱性および強度特性の達成に有効に寄与し得ることを見出した。
さらに、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｂ、Ｓｎ等の元素を所定量以上で添加し、前記鋼板の表面から１．０ｍｍ深さの位置における硬さをＨｖ３００以下に制御することで、液体アンモニア環境下での耐ＳＣＣ性が得られ、従来技術のようなコストがかかる熱処理を省略できることを知見した。
本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：０．０１０～０．２００％、
Ｓｉ：０．０１～０．５０％、
Ｍｎ：０．５０～２．５０％、
Ａｌ：０．０６０％以下、
Ｎ：０．００１０～０．０１００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下および
Ｏ：０．０１００％以下
を含有し、さらに、
Ｃｕ：０．０１～０．５０％、
Ｃｒ：０．０１～１．００％、
Ｓｂ：０．０１～０．５０％および
Ｓｎ：０．０１～０．５０％
のうち１種または２種以上を含有し、以下の式（１）によって求められるＣＲ値が０．７０以上であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を有する鋼板であって、
前記鋼板の表面から１．０ｍｍ深さの位置における硬さがＨｖ３００以下である硬さ特性と、
前記鋼板の板厚の１／２位置において、ベイナイト組織の体積率が２０％以上で、かつフェライト組織およびベイナイト組織の合計体積率が６０％以上である金属組織と、を有する、鋼板。
ＣＲ＝２．３[Ｃｕ]＋２．８[Ｃｒ]＋７．３[Ｓｂ]＋３．６[Ｓｎ]・・・式（１）
ただし、[Ｘ]はＸ元素の鋼中含有量（質量％）を示す。
２．前記成分組成が、さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０１～２．００％、
Ｍｏ：０．０１～０．５０％および
Ｗ：０．０１～１．００％
のうちから選ばれる１種以上を含有する、前記１に記載の鋼板。
３．前記成分組成が、さらに、質量％で、
Ｖ：０．０１～１．００％、
Ｔｉ：０．００５～０．１００％、
Ｃｏ：０．０１～１．００％、
Ｎｂ：０．００５～０．１００％、
Ｂ：０．０００１～０．０１００％、
Ｃａ：０．０００５～０．０２００％、
Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％および
ＲＥＭ：０．０００５～０．０２００％
のうちから選ばれる１種以上を含有する、前記１または２に記載の鋼板。
質量％で、
Ｃ：０．０１０～０．２００％、
Ｓｉ：０．０１～０．５０％、
Ｍｎ：０．５０～２．５０％、
Ａｌ：０．０６０％以下、
Ｎ：０．００１０～０．０１００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下および
Ｏ：０．０１００％以下
を含有し、さらに、
Ｃｕ：０．０１～０．５０％、
Ｃｒ：０．０１～１．００％、
Ｓｂ：０．０１～０．５０％および、
Ｓｎ：０．０１～０．５０％
のうち１種または２種以上を含有し、以下の式（１）によって求められるＣＲ値が０．７０以上であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を有する鋼素材について、圧延終了温度をＡｒ３変態点以上として熱間圧延を行い、次いで、Ａｒ３変態点以上の冷却開始温度から６００℃以下の冷却停止温度までの冷却を行う、鋼板の製造方法であって、
前記冷却では、鋼板の表面から１．０ｍｍ深さの位置における冷却速度を１５０℃／ｓ以下とし、かつ、鋼板の板厚の１／２位置における冷却速度を１０℃／ｓ以上とする、鋼板の製造方法。
ＣＲ＝２．３[Ｃｕ]＋２．８[Ｃｒ]＋７．３[Ｓｂ]＋３．６[Ｓｎ]・・・式（１）
ただし、[Ｘ]はＸ元素の鋼中含有量（質量％）を示す。
５．前記鋼素材の成分組成が、さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０１～２．００％、
Ｍｏ：０．０１～０．５０％および
Ｗ：０．０１～１．００％
のうちから選ばれる１種以上を含有する、前記４に記載の鋼板の製造方法。
６．前記鋼素材の成分組成が、さらに、質量％で、
Ｖ：０．０１～１．００％、
Ｔｉ：０．００５～０．１００％、
Ｃｏ：０．０１～１．００％、
Ｎｂ：０．００５～０．１００％、
Ｂ：０．０００１～０．０１００％、
Ｃａ：０．０００５～０．０２００％、
Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％および
ＲＥＭ：０．０００５～０．０２００％
のうちから選ばれる１種以上を含有する、前記４または５に記載の鋼板の製造方法。
本発明によれば、低温靭性すなわち低温での耐衝撃特性、および耐アンモニアＳＣＣ性に優れ、低温かつ液体アンモニア環境下で使用されるタンクなどの構造用部材に好適な高い強度を有する鋼板を安価な工程で提供することができる。
以下に、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の成分（元素）の含有量を表す「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味する。
（１）成分組成について
以下、鋼板の成分組成（化学成分）について説明する。
Ｃ：０．０１０～０．２００％
Ｃは、本発明に従う冷却によって製造される鋼板の強度を高めるために最も有効な元素である。かかる効果を得るため、Ｃ含有量を０．０１０％以上に規定する。さらに、他の合金元素の含有量を少なくし、より低コストで製造するという観点からは、Ｃ含有量は０．０１３％以上とすることが好ましい。一方、Ｃ含有量が０．２００％を超えると鋼板の靭性および溶接性の劣化を招く。従って、Ｃ含有量を０．２００％以下に規定する。さらに、Ｃ含有量は、靭性および溶接性の観点から、０．１７０％以下とすることが好ましい。
Ｓｉ：０．０１～０．５０％
Ｓｉは、脱酸のため添加する。かかる効果を得るため、Ｓｉ含有量を０．０１％以上に規定する。さらに、０．０３％以上とすることが好ましい。一方、Ｓｉ含有量が０．５０％を超えると鋼板の靭性や溶接性の劣化を招く。従って、Ｓｉ含有量を０．５０％以下に規定する。さらに、Ｓｉ含有量は、靭性および溶接性の観点から、０．４０％以下とすることが好ましい。
Ｍｎ：０．５０～２．５０％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を増加させる作用を有する元素であり、本発明のように高強度を満足するためには添加が必要になる重要な元素の１つである。かかる効果を得るため、Ｍｎ含有量を０．５０％以上に規定する。さらに、他の合金元素の含有量を少なくし、より低コストで製造するという観点からは、Ｍｎ含有量は０．７０％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｎ含有量が２．５０％を超えると、鋼板の靭性や溶接性が低下することに加えて、合金コストが過度に高くなってしまう。従って、Ｍｎ含有量を２．５０％以下に規定する。さらに、Ｍｎ含有量は、靭性および溶接性の低下をより一層抑制する観点から、２．３０％以下とすることが好ましい。
Ａｌ：０．０６０％以下
Ａｌは、脱酸剤として作用するとともに、結晶粒を微細化する作用を有する元素である。かかる効果を得るためには、Ａｌ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ａｌ含有量が０．０６０％を超えると、酸化物系介在物が増加して清浄度が低下すると共に、靭性の劣化が懸念される。従って、Ａｌ含有量を０．０６０％以下に規定する。さらに、Ａｌ含有量は、靭性劣化をより一層防止する観点から、０．０５０％以下とすることが好ましい。
Ｎ：０．００１０～０．０１００％
Ｎは、組織の微細化に寄与し、鋼板の靭性を向上させる。かかる効果を得るため、Ｎ含有量を０．００１０％以上に規定する。好ましくは、０．００２０％以上である。一方、Ｎ含有量が０．０１００％を超えると、かえって靭性の低下を招く。従って、Ｎ含有量を０．０１００％以下に規定する。さらに、Ｎ含有量は、靭性や溶接性の低下をより一層抑制する観点から、０．００８０％以下とすることが好ましい。なお、Ｎは、Ｔｉが存在する場合には、そのＴｉと結合して、ＴｉＮとして析出し得る。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、粒界に偏析することによって靱性や溶接性を低下させるなど、悪影響を及ぼす。そのため、Ｐ含有量は、できる限り低くすることが望ましいが、０．０２０％以下であれば許容できる。一方、Ｐ含有量の下限は特に限定されず、０％であってよいが、過剰の低減は精錬コストの高騰を招くため、コストの観点からはＰ含有量を０．０００５％以上とすることが好ましい。
Ｓ：０．０１００％以下
Ｓは、ＭｎＳ等の硫化物系介在物として鋼中に存在し、破壊の発生起点となって鋼板の靭性を低下させるなど、悪影響を及ぼす元素である。そのため、Ｓ含有量は、できる限り低くすることが望ましいが、０．０１００％以下であれば許容できる。一方、Ｓ含有量の下限は特に限定されず、０％であってよいが、過剰の低減は精錬コストの高騰を招くため、コストの観点からはＳ含有量を０．０００５％以上とすることが好ましい。
Ｏ：０．０１００％以下
Ｏは、酸化物を形成し、破壊の発生起点となり、鋼板の靭性を低下させるなど、悪影響を及ぼす元素であることから、０．０１００％以下に制限する。Ｏ含有量は、０．００５０％以下とすることが好ましく、０．００３０％以下とすることがより好ましい。一方、Ｏ含有量の下限は特に限定されず、０％であってよいが、過剰の低減は精錬コストの高騰を招くため、コストの観点からはＯ含有量を０．００１０％以上とすることが好ましい。
Ｃｕ：０．０１～０．５０％、Ｃｒ：０．０１～１．００％、Ｓｂ：０．０１～０．５０％およびＳｎ：０．０１～０．５０％のうち１種または２種以上、かつ式（１）によって求められるＣＲ値が０．７０以上
Ｃｕ、Ｃｒ、ＳｂおよびＳｎは、耐アンモニアＳＣＣ性向上のために本発明では特に重要な元素である。そのため、本発明では、このうちの１種または２種以上を上記の量で含有し、かつ以下の式（１）によって求められるＣＲ値が０．７０以上である必要がある。
ＣＲ＝２．３[Ｃｕ]＋２．８[Ｃｒ]＋７．３[Ｓｂ]＋３．６[Ｓｎ]・・・式（１）
ただし、[Ｘ]はＸ元素の鋼中含有量（質量％）を示す。
すなわち、Ｃｕ、Ｃｒ、ＳｂおよびＳｎは、液体アンモニア環境中において、速やかに保護性のある腐食生成物を形成し、応力腐食割れが抑制される。かかる効果を得るため、Ｃｕを添加する場合にはＣｕ含有量を０．０１％以上に、Ｃｒを添加する場合にはＣｒ含有量を０．０１％以上に、Ｓｂを添加する場合にはＳｂ含有量を０．０１％以上に、また、Ｓｎを添加する場合には、Ｓｎ含有量を０．０１％以上に、それぞれ限定する必要がある。
また、上記ＣＲ値の算出式は、各元素の含有量から、耐アンモニアＳＣＣ性を推定するために考案された式であり、上記ＣＲ値が高いほど耐アンモニアＳＣＣが向上する。そして、上記ＣＲ値を０．７０以上とすることで、液体アンモニア環境中において応力腐食割れを抑制することが可能となる。
一方、Ｃｕ、Ｃｒ、ＳｂおよびＳｎを過剰に添加すると、溶接性や靱性が劣化し、また合金コストの観点からも不利になる。従って、Ｃｕ含有量を０．５０％以下に、Ｃｒ含有量を１．００％以下に、Ｓｂ含有量を０．５０％以下に、また、Ｓｎ含有量を０．５０％以下に、それぞれ限定する。好ましくは、Ｃｕ含有量は０．４０％以下、Ｃｒ含有量は０．８０％以下、Ｓｂ含有量は０．４０％以下、また、Ｓｎ含有量は０．４０％以下である。また、上記ＣＲ値の上限は、特に限定されないが、ＣＲ値が７．００を超えると、その効果が飽和するとともに、上記元素の過剰な添加は価格の高騰を招くため、７．００程度が好ましい。
本発明の鋼板の成分組成において、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。ただし、上記成分組成は、必要に応じて、以下に記載する元素を含有することができる。
Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ｍｏ：０．０１～０．５０％、およびＷ：０．０１～１．００％のうちから選ばれる１種以上
Ｎｉ、ＭｏおよびＷは、耐アンモニアＳＣＣ性を一層向上させる元素であり、これらのうちの１種以上を含有させることができる。かかる効果を得るため、Ｎｉを含有させる場合には、Ｎｉ含有量を０．０１％以上に、Ｍｏを含有させる場合には、Ｍｏ含有量を０．０１％以上に、また、Ｗを含有させる場合には、Ｗ含有量を０．０１％以上に、それぞれ調整するのが好ましい。一方、Ｎｉ含有量を過剰に含有させると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。また、ＭｏおよびＷを過剰に添加すると、溶接性や靱性が劣化し、合金コストの観点からも不利になる。従って、Ｎｉ含有量を２．００％以下に、Ｍｏ含有量を０．５０％以下に、また、Ｗ含有量を１．００％以下に、それぞれ調整するのが好ましい。より好ましくは、Ｎｉ含有量を１．５０％以下に、Ｍｏ含有量を０．４０％以下に、また、Ｗ含有量を０．８０％以下に、それぞれ調整する。
Ｖ：０．０１～１．００％
Ｖは、鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。かかる効果を得るため、Ｖを添加する場合には、Ｖ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。一方、Ｖ含有量が１．００％を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。従って、Ｖを添加する場合には、Ｖ含有量を１．００％以下とするのが好ましい。より好ましくは、Ｖ含有量の下限が０．０５％であり、上限が０．５０％である。
Ｔｉ：０．００５～０．１００％
Ｔｉは、窒化物の形成傾向が強く、Ｎを固定して固溶Ｎを低減する作用を有する元素であり、任意に添加することができる。また、Ｔｉは、母材および溶接部の靭性を向上させることができる。これらの効果を得るため、Ｔｉを添加する場合には、Ｔｉ含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。さらに、０．００７％以上とすることがより好ましい。一方、Ｔｉ含有量が０．１００％を超えると、かえって靭性が低下する。従って、Ｔｉを添加する場合には、Ｔｉ含有量を０．１００％以下とするのが好ましい。さらに、Ｔｉ含有量は、０．０９０％以下とすることがより好ましい。
Ｃｏ：０．０１～１．００％
Ｃｏは、鋼板の強度を向上させる作用を有する元素であり、任意に添加することができる。かかる効果を得るため、Ｃｏを添加する場合には、Ｃｏ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。一方、Ｃｏ含有量が１．００％を超えると、溶接性の劣化や合金コストの上昇を招く。従って、Ｃｏを添加する場合には、Ｃｏ含有量を１．００％以下とするのが好ましい。より好ましくは、Ｃｏ含有量の下限が０．０５％であり、上限が０．５０％である。
Ｎｂ：０．００５～０．１００％
Ｎｂは、炭窒化物として析出することで旧オーステナイト粒径を小さくし、靭性を向上させる効果を有する元素である。かかる効果を得るため、Ｎｂを添加する場合には、Ｎｂ含有量を０．００５％以上とする。さらに、０．００７％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｂ含有量が０．１００％を超えるとＮｂＣが多量に析出し、靭性が低下する。従って、Ｎｂを添加する場合には、Ｎｂ含有量を０．１００％以下とするのが好ましい。さらに、０．０６０％以下とすることがより好ましい。
Ｂ：０．０００１～０．０１００％
Ｂは、微量の添加でも焼入れ性を著しく向上させる作用を有する元素である。すなわち、鋼板の強度を向上させることができる。かかる効果を得るため、Ｂを添加する場合には、Ｂ含有量を０．０００１％以上とするのが好ましい。一方、Ｂ含有量が０．０１００％を超えると溶接性が低下する。従って、Ｂを添加する場合には、Ｂ含有量を０．０１００％以下とするのが好ましい。より好ましくは、Ｂ含有量の下限が０．００１０％であり、上限が０．００３０％である。
Ｃａ：０．０００５～０．０２００％
Ｃａは、Ｓと結合し、圧延方向に長く伸びるＭｎＳ等の形成を抑制する作用を有する元素である。すなわち、Ｃａを添加することにより、硫化物系介在物が球状を呈するように形態制御し、溶接部等の靭性を向上させることができる。かかる効果を得るために、Ｃａを添加する場合には、Ｃａ含有量を０．０００５％以上とするのが好ましい。一方、Ｃａ含有量が０．０２００％を超えると、鋼の清浄度が低下する。清浄度の低下は、靭性の低下を招く。従って、Ｃａを添加する場合、Ｃａ含有量を０．０２００％以下とするのが好ましい。より好ましくは、Ｃａ含有量の下限が０．００２０％であり、上限が０．０１００％である。
Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％
Ｍｇは、Ｃａと同様、Ｓと結合し、圧延方向に長く伸びるＭｎＳ等の形成を抑制する作用を有する元素である。すなわち、Ｍｇを添加することにより、硫化物系介在物が球状を呈するように形態制御し、溶接部等の靭性を向上させることができる。かかる効果を得るために、Ｍｇを添加する場合には、Ｍｇ含有量を０．０００５％以上とするのが好ましい。一方、Ｍｇ含有量が０．０２００％を超えると、鋼の清状度が低下する。清浄度の低下は、靭性の低下を招く。従って、Ｍｇを添加する場合には、Ｍｇ含有量を０．０２００％以下とするのが好ましい。より好ましくは、Ｍｇ含有量の下限が０．００２０％であり、上限が０．０１００％である。
ＲＥＭ：０．０００５～０．０２００％
ＲＥＭ（希土類金属）は、ＣａやＭｇと同様、Ｓと結合し、圧延方向に長く伸びるＭｎＳ等の形成を抑制する作用を有する元素である。すなわち、ＲＥＭを添加することにより、硫化物系介在物が球状を呈するように形態制御し、溶接部等の靭性を向上させることができる。かかる効果を得るために、ＲＥＭを添加する場合には、ＲＥＭ含有量は０．０００５％以上が好ましい。一方、ＲＥＭ含有量が０．０２００％を超えると、鋼の清状度が低下する。清浄度の低下は、靭性の低下を招く。従って、ＲＥＭを添加する場合、ＲＥＭ含有量は０．０２００％以下が好ましい。より好ましくは、ＲＥＭ含有量の下限が０．００２０％であり、上限が０．０１００％である。
（２）硬さ特性および金属組織について
本発明の鋼板は、上記成分組成を有することに加えて、鋼板の表面から１．０ｍｍ深さの位置（本発明において１．０ｍｍ位置ともいう）の硬さがＨｖ３００以下である硬さ特性を有する。
さらに、本発明の鋼板は、前記鋼板の板厚の１／２位置（本発明において板厚の１／２の深さの位置を意味する。以下、単に１／２位置または板厚中心部ともいう）において、ベイナイト組織（以下、単にベイナイトともいう）の体積率が２０％以上で、かつフェライト組織（以下、単にフェライトともいう）およびベイナイトの合計体積率が６０％以上である金属組織を有する。
鋼板の硬さ特性および金属組織を上記のように限定する理由を、以下に説明する。
［１．０ｍｍ位置における硬さがＨｖ３００以下］
１．０ｍｍ位置における硬さは、Ｈｖ３００以下とする。鋼板の極表層、具体的には鋼板の表面から１．０ｍｍ位置に高硬度領域が存在すると、液体アンモニア環境中での応力腐食割れが助長されてしまう。そこで、本発明の鋼板では、１．０ｍｍ位置における硬さをＨｖ３００以下として硬さ特性を調整することで、優れた耐アンモニアＳＣＣ性を確保することができる。なお、１．０ｍｍ位置における硬さの下限は、特に限定されないが、Ｈｖ１３０程度が好ましい。
ここで、上記硬さは、０．５ｍｍ位置におけるビッカース硬さを複数箇所（例えば、１００点）測定して算出することができる。
［１／２位置において、ベイナイトの体積率が２０％以上、かつフェライトおよびベイナイトの合計体積率が６０％以上］
１／２位置における組織は、ベイナイトの体積率が２０％以上、かつフェライトおよびベイナイトの合計体積率が６０％以上である必要がある。フェライトが過剰に生成した場合、強度あるいは靭性の低下を招く。また、フェライトおよびベイナイトの合計体積率が６０％未満であると、これ以外の組織、すなわち島状マルテンサイト組織、マルテンサイト組織、パーライト組織およびオーステナイト組織の体積分率が増加することになり、十分な強度あるいは靭性が得られずに、機械特性を満足することができない。なお、フェライトおよびベイナイトの合計体積率は１００％であって良い。
ここで、前記フェライトは、焼戻しを受ける前の冷却過程で生成したフェライトを意味し、前記ベイナイトは、焼戻しを受ける前の冷却過程で生成したベイナイトを意味する。また、板厚中心部でのミクロ組織を規定するのは、板厚中心部でのミクロ組織が、かかる板厚中心部の強度特性に影響を与えるためであり、また、かかる板厚中心部の強度特性が、鋼板全体の強度に影響を与えるためである。
体積率で４０％以下を占める残部組織は、パーライト組織およびオーステナイト組織の他、マルテンサイト組織が含まれていてもよい。残部組織における各組織の分率は特に限定する必要はないが、残部組織はパーライト組織であることが好ましい。
なお、各種ミクロ組織の体積率は、後述の実施例に記載した方法で測定することができる。
（３）製造条件について
本発明における製造方法は、Ｃ：０．０１０～０．２００％、Ｓｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｎ：０．５０～２．５０％、Ａｌ：０．０６０％以下、Ｎ：０．００１０～０．０１００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１００％以下およびＯ：０．０１００％以下を含有し、さらに、Ｃｕ：０．０１～０．５０％、Ｃｒ：０．０１～１．００％、Ｓｂ：０．０１～０．５０％およびＳｎ：０．０１～０．５０％のうち１種または２種以上を含有し、かつ前記式（１）によって求められるＣＲ値を０．７０以上とし、加えて、必要に応じ、Ｎｉ：０．０１～２．００％、Ｍｏ：０．０１～０．５０％およびＷ：０．０１～１．００％のうちから選ばれる１種以上並びに／またはＶ：０．０１～１．００％、Ｔｉ：０．００５～０．１００％、Ｃｏ：０．０１～１．００％、Ｎｂ：０．００５～０．１００％、Ｂ：０．０００１～０．０１００％、Ｃａ：０．０００５～０．０２００％、Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％およびＲＥＭ：０．０００５～０．０２００％のうちから選ばれる１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を有する鋼素材について、加熱し熱間圧延を行った後、本発明に従う所定の冷却を行うものである。以下に、鋼板の製造条件の限定理由について説明する。
まず、鋼素材の製造条件は、特に限定する必要はないが、例えば、上述した成分組成を有する溶鋼を、転炉等の公知の溶製方法で溶製し、連続鋳造法等の公知の鋳造方法にて、所定寸法のスラブ等の鋼素材とすることが好ましい。なお、造塊－分解圧延法により、所定寸法のスラブ等の鋼素材としても何ら問題はない。
かようにして得られた鋼素材は、冷却することなく直接熱間圧延するか、あるいは再度加熱してから熱間圧延する。かかる熱間圧延は、圧延終了温度をＡｒ３変態点の温度（以下、単にＡｒ３変態点という）以上として行う。熱間圧延に次いで、Ａｒ３変態点以上の冷却開始温度から６００℃以下の冷却停止温度までの冷却を所定条件で行う。
鋼素材の加熱温度（熱間圧延に供する際の温度）は特に限定されないが、加熱温度が低すぎると変形抵抗が高くなって、熱間圧延機への負荷が増大し、熱間圧延が困難になるおそれがある。一方、１３００℃を超える高温になると、酸化が著しくなって酸化ロスが増大し、歩留りが低下するおそれが増える。このような理由から、加熱温度は、９５０℃以上１３００℃以下にすることが好ましい。
（熱間圧延）
［圧延終了温度：Ａｒ３変態点以上］
本発明では、上記温度に加熱後、熱間圧延を開始して、Ａｒ3変態点以上で当該熱間圧延を終了する。
圧延終了温度がＡｒ3変態点未満となると、フェライトが生成し、生成したフェライトが加工の影響を受けるため、靭性が悪化することになる。さらには、熱間圧延機への負荷が大きくなる。従って、熱間圧延における圧延終了温度は、Ａｒ3変態点以上とする。好ましくは、熱間圧延における圧延終了温度は、Ａｒ3変態点＋１０℃以上の温度である。一方、圧延終了温度が９５０℃を超えると、組織が粗大化し靭性が劣化するおそれがあるため、圧延終了温度は、９５０℃以下であることが好ましい。
ここで、Ａｒ3変態点は、次式で求めることが可能である。
Ａｒ3（℃）＝９１０－３１０×Ｃ－８０×Ｍｎ－２０×Ｃｕ－１５×Ｃｒ－５５×Ｎｉ－８０×Ｍｏ
ただし、各元素は当該元素の鋼中含有量（質量％）を示す。
（冷却）
［冷却開始温度：Ａｒ３変態点以上］
次に、熱間圧延後の鋼板について、Ａｒ3変態点以上の冷却開始温度からの冷却を行う。冷却開始温度がＡｒ3変態点未満では、フェライトが過剰に生成し、強度不足を招く。そのため、冷却開始温度はＡｒ3変態点以上とする。
［冷却停止温度：６００℃以下］
本発明では、熱間圧延終了後に、６００℃以下の任意に設定した冷却停止温度まで、所定条件で冷却を行うことにより、板厚中心部にてフェライトおよびベイナイトを所定の体積率にすることができる。ここで、冷却停止温度が６００℃を超えると、フェライト組織やパーライト組織が過剰に生成して、強度不足を招くおそれがある。従って、冷却停止温度は６００℃以下に規定する。かかる冷却停止温度の下限は、特に限定されないが、冷却停止温度が過度に低くなると、島状マルテンサイトの組織の体積率が多くなりすぎてしまい、靭性が低下する。そのため、冷却停止温度は、２００℃以上とすることが好ましい。
なお、上記冷却停止温度は、鋼板の１／２位置における温度である。
［１．０ｍｍ位置における冷却速度：１５０℃／ｓ以下］
上記冷却において、１．０ｍｍ位置における冷却速度が１５０℃／ｓを超えると、かかる１．０ｍｍ位置における硬さがＨｖ３００超となって、耐アンモニアＳＣＣ性が劣化する。従って、１．０ｍｍ位置における冷却速度を１５０℃／ｓ以下に規定する。
一方、かかる冷却速度の下限は、特に限定されないが、冷却速度が過度に小さくなるとフェライト組織やパーライト組織が過剰に生成して強度不足や靭性の劣化を招くおそれがある。そのため、これをより確実に防ぐ観点からは、上記冷却速度を５０℃／ｓ以上とすることが好ましい。
なお、冷却停止期間を含む間欠的な冷却による制御冷却により、上記冷却速度を制御することができる。また、１．０ｍｍ位置における温度は、物理的に直接測定することは困難である。しかし、放射温度計にて測定された冷却開始時の表面温度と目標の冷却停止時の表面温度とをもとに、例えばプロセスコンピューターを用いて差分計算を行うことにより、板厚断面内の温度分布、特には１．０ｍｍ位置における温度を、をリアルタイムに求めることができる。
［１／２位置における冷却速度：１０℃／ｓ以上］
１／２位置における冷却速度を１０℃／ｓ以上で行う冷却は、高強度で高靱性の鋼板を得るために不可欠なプロセスであり、高い冷却速度で冷却することで変態強化による強度上昇効果が得られる。かかる効果を得るため、本発明に従う冷却時の１／２位置における冷却速度を、１０℃／ｓ以上に規定する。上記冷却速度が１０℃／ｓ未満では、フェライト、パーライトが過剰に生成し、十分な強度が得られない。従って、板厚１／２位置における冷却速度を１０℃以上に規定する。
一方、かかる冷却速度の上限は、特に限定されないが、冷却速度が過度に大きくなると島状マルテンサイトの体積率が多くなりすぎてしまい、靭性の劣化を招くおそれがある。そのため、１／２位置における冷却速度は、８０℃／ｓ以下とすることが好ましい。
なお、冷却停止期間を含む間欠的な冷却による制御冷却により、上記冷却速度を制御することができる。また、１／２位置における温度は、物理的に直接測定することは困難である。しかし、放射温度計にて測定された冷却開始時の表面温度と目標の冷却停止時の表面温度とをもとに、例えばプロセスコンピューターを用いて差分計算を行うことにより、板厚断面内の温度分布、特には１／２位置における温度を、リアルタイムに求めることができる。
１．０ｍｍ位置における冷却速度、および１／２位置における冷却速度は、例えば、冷却開始温度、水量などを複合的に調節することで、それぞれ変化し得る。
上記した成分組成を有する鋼素材を、上記した製造条件に従って製造することによって、本発明に従う成分組成ならびに硬さ特性および金属組織を有する鋼板を得ることができる。かくして得られた鋼板は、優れた強度特性と靭性とを具えることになる。ここで、優れた強度特性とは、降伏強さＹＳ（降伏点があるときは降伏点ＹＰ、ないときは０．２％耐力σ0.2）：３６０ＭＰａ以上および引張強さ（ＴＳ）：４９０ＭＰa以上である。また、優れた靭性とは、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠するｖＴｒｓが－３０℃以下である。
なお、本発明に従う製造方法では、本明細書に記載のない項目は、いずれも常法を用いることができる。
表１に示す成分組成の鋼（鋼種Ａ～ＡＨ、残部はＦｅおよび不可避的不純物）を連続鋳造法によりスラブとし、これを用いて板厚３０ｍｍの厚鋼板（Ｎｏ．１～４４）とした。次いで、表２に示す条件で、熱間圧延、冷却を順次行い、鋼板を得た。得られた鋼板について、板厚の１／２位置における金属組織の組織分率の測定、鋼板表面から１．０ｍｍ位置における硬さの測定、強度特性および靭性の評価、耐アンモニアＳＣＣ性の評価をそれぞれ実施した。各試験方法は次のとおりである。また、これらの結果を、表２に併記する。
［１／２位置における金属組織の組織分率］
各鋼板から１／２位置（板厚中心部）が観察面となるように、サンプルを採取した。次いで、かかるサンプルを鏡面研磨し、さらにナイタール腐食をした後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲を倍率：５００～３０００倍で撮影した。そして、撮影された像について、画像解析装置を用いて解析することによって、ミクロ組織の面分率（金属組織の組織分率）を求めた。ミクロ組織の異方性が小さい場合、面分率は体積率に相当するため、本発明では面分率を体積率と見なした。
なお、本実施例において、サンプルの金属組織の分率を求める際の判別は、次のとおりに行った。すなわち、上述の撮影された像において、ポリゴナル状のフェライトをフェライト（表２におけるＦ）と判別し、また細長く成長したラス状のフェライトを有し、円相当径で０．０５μｍ以上の炭化物を含む組織をベイナイト（表２におけるＢ）と判別した。
［１．０ｍｍ位置における硬さ］
各鋼板の圧延方向に直角な断面について、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して、１．０ｍｍ位置において１００点のビッカース硬さ（ＨＶ１０）を測定し、その最大値を求めた。
［強度特性］
各鋼板の全厚から、圧延方向に直角かつ板厚方向に直角の方向にＪＩＳ Ｚ ２２０１の１Ｂ号試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に記載の要領で引張試験を行い、降伏強さＹＳ（降伏点があるときは降伏点ＹＰ、ないときは０．２％耐力σ0.2）および引張強さ（ＴＳ）を測定した。そして降伏強さが３６０ＭＰａ以上、引張強さが４９０ＭＰa以上のものを、強度特性に優れた鋼板と評価した。
［靭性］
各鋼板の表面側から１ｍｍ削った部位から、圧延方向にＪＩＳ Ｚ ２２０２のＶノッチ試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の要領でシャルピー衝撃試験を行い、ｖＴｒｓ（破面遷移温度）を測定した。そして、かかるｖＴｒｓが－３０℃以下のものを、靭性に優れた鋼板と評価した。
［耐アンモニアＳＣＣ性］
耐アンモニアＳＣＣ性は、試験溶液で４点曲げ試験を実施し、腐食を促進させるため定電位アノード電解した促進試験により評価した。
具体的には、以下の手順で実施した：
鋼板表面から、５ｍｍ厚×１５ｍｍ×１１５ｍｍの試験片を採取して、アセトン中で超音波脱脂を５分間行い、４点曲げにより各鋼板の実際の降伏強さの１００％ＹＳの応力を負荷した。かかる４点曲げの試験片を試験セルに設置し、カルバミン酸アンモニウム１２．５ｇと液体アンモニア１Ｌとを混合した溶液を充填した後、ポテンショスタットにより、試験片に＋２．０Ｖ ｖｓ Ｐｔが流れるように制御し、室温（２５℃）で浸漬した。１６８時間の浸漬後に、割れが認められない場合を、耐アンモニアＳＣＣ性が「良」と判定し、また割れが発生した場合を、耐アンモニアＳＣＣ性が「不良」と判定した。
Figure 0007622839000001
Figure 0007622839000002
Figure 0007622839000003
表１および２から分かるように、発明例（Ｎｏ．１～２６）は、いずれも、３６０ＭＰａ以上の降伏強度ＹＳと４９０ＭＰａ以上の引張強度ＴＳとをもち、ｖＴｒｓが－３０℃以下であり低温での靭性に優れ、かつ耐アンモニアＳＣＣ性にも優れた鋼板が得られている。
一方、Ｎｏ．２７～３１は、成分組成が本発明の範囲内であるものの、製造方法が本発明の範囲外であるため、所望の金属組織または硬さ特性が得られていない。その結果、降伏強度ＹＳ、引張強度ＴＳ、低温での靱性、あるいは耐アンモニアＳＣＣ性のいずれかが劣っている。
また、Ｎｏ．３２～４４は、鋼の成分組成が本発明の範囲外であるため、降伏強度ＹＳ、引張強度ＴＳ、低温での靱性、あるいは耐アンモニアＳＣＣ性のいずれかが劣っている。なお、本発明では、鋼の成分組成は、そのまま鋼板の成分組成と考えてよい。

Claims (6)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．０１０～０．２００％、
    Ｓｉ：０．０１～０．５０％、
    Ｍｎ：０．５０～２．５０％、
    Ａｌ：０．０６０％以下、
    Ｎ：０．００１０～０．０１００％、
    Ｐ：０．０２０％以下、
    Ｓ：０．０１００％以下および
    Ｏ：０．０１００％以下
    を含有し、さらに、
    Ｃｕ：０．０１～０．５０％、
    Ｃｒ：０．０１～１．００％、
    Ｓｂ：０．０１～０．５０％および
    Ｓｎ：０．０１～０．５０％
    のうち１種または２種以上を含有し、以下の式（１）によって求められるＣＲ値が０．７０以上であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を有する鋼板であって、
    前記鋼板の表面から１．０ｍｍ深さの位置における硬さがＨｖ３００以下である硬さ特性と、
    前記鋼板の板厚の１／２位置において、ベイナイト組織の体積率が２０％以上で、かつフェライト組織およびベイナイト組織の合計体積率が６０％以上である金属組織と、を有する、鋼板。
    ＣＲ＝２．３[Ｃｕ]＋２．８[Ｃｒ]＋７．３[Ｓｂ]＋３．６[Ｓｎ]・・・式（１）
    ただし、[Ｘ]はＸ元素の鋼中含有量（質量％）を示す。
  2. 前記成分組成が、さらに、質量％で、
    Ｎｉ：０．０１～２．００％、
    Ｍｏ：０．０１～０．５０％および
    Ｗ：０．０１～１．００％
    のうちから選ばれる１種以上を含有する、請求項１に記載の鋼板。
  3. 前記成分組成が、さらに、質量％で、
    Ｖ：０．０１～１．００％、
    Ｃｏ：０．０１～１．００％、
    Ｎｂ：０．００５～０．１００％、
    Ｂ：０．０００１～０．０１００％、
    Ｃａ：０．０００５～０．０２００％、
    Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％および
    ＲＥＭ：０．０００５～０．０２００％
    のうちから選ばれる１種以上を含有する、請求項１または請求項２に記載の鋼板。
  4. 質量％で、
    Ｃ：０．０１０～０．２００％、
    Ｓｉ：０．０１～０．５０％、
    Ｍｎ：０．５０～２．５０％、
    Ａｌ：０．０６０％以下、
    Ｎ：０．００１０～０．０１００％、
    Ｐ：０．０２０％以下、
    Ｓ：０．０１００％以下および
    Ｏ：０．０１００％以下
    を含有し、さらに、
    Ｃｕ：０．０１～０．５０％、
    Ｃｒ：０．０１～１．００％、
    Ｓｂ：０．０１～０．５０％および、
    Ｓｎ：０．０１～０．５０％
    のうち１種または２種以上を含有し、以下の式（１）によって求められるＣＲ値が０．７０以上であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を有する鋼素材について、圧延終了温度をＡｒ３変態点以上として熱間圧延を行い、次いで、Ａｒ３変態点以上の冷却開始温度から６００℃以下の冷却停止温度までの冷却を行う、鋼板の製造方法であって、
    前記冷却では、鋼板の表面から１．０ｍｍ深さの位置における冷却速度を１５０℃／ｓ以下とし、かつ、鋼板の板厚の１／２位置における冷却速度を１０℃／ｓ以上とする、前記鋼板の表面から１．０ｍｍ深さの位置における硬さがＨｖ３００以下である硬さ特性と、前記鋼板の板厚の１／２位置において、ベイナイト組織の体積率が２０％以上で、かつフェライト組織およびベイナイト組織の合計体積率が６０％以上である金属組織と、を有する、鋼板の製造方法。
    ＣＲ＝２．３[Ｃｕ]＋２．８[Ｃｒ]＋７．３[Ｓｂ]＋３．６[Ｓｎ]・・・式（１）
    ただし、[Ｘ]はＸ元素の鋼中含有量（質量％）を示す。
  5. 前記鋼素材の成分組成が、さらに、質量％で、
    Ｎｉ：０．０１～２．００％、
    Ｍｏ：０．０１～０．５０％および
    Ｗ：０．０１～１．００％
    のうちから選ばれる１種以上を含有する、請求項４に記載の鋼板の製造方法。
  6. 前記鋼素材の成分組成が、さらに、質量％で、
    Ｖ：０．０１～１．００％、
    Ｃｏ：０．０１～１．００％、
    Ｎｂ：０．００５～０．１００％、
    Ｂ：０．０００１～０．０１００％、
    Ｃａ：０．０００５～０．０２００％、
    Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％および
    ＲＥＭ：０．０００５～０．０２００％
    のうちから選ばれる１種以上を含有する、請求項４または請求項５に記載の鋼板の製造方法。
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