JPH062904B2 - 高強度低合金鋼極厚鋼材の製造方法 - Google Patents

高強度低合金鋼極厚鋼材の製造方法

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JPH062904B2
JPH062904B2 JP59256275A JP25627584A JPH062904B2 JP H062904 B2 JPH062904 B2 JP H062904B2 JP 59256275 A JP59256275 A JP 59256275A JP 25627584 A JP25627584 A JP 25627584A JP H062904 B2 JPH062904 B2 JP H062904B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は高温圧力容器に使用されるMo系、Cr-Mo系低合
金鋼極厚鋼材の高温強度(特にクリープ強度)を高める
ための製造方法に係わるものである。
(従来技術及び問題点) Mo系、Cr-Mo系低合金耐熱鋼は、そのすぐれた高温強
度、耐水素侵食性等から化学工業、石油化学、石油精製
などの高温高圧の反応容器に広く使用されている。とこ
ろで最近の高温反応容器は、効率向上のため大型化、高
温化、高圧化の動きがあり、これに伴なって装置の厚み
がますます厚くなる傾向がある。モノブロックで製作す
る場合、極厚化は板厚中心部の冷速の低下を招き、強
度、靱性の低下をもたらす。また壁厚の増大は応力除去
焼鈍時間を長く必要とすることになり、この点からも強
度低下につながる。
このような事情から、これまでの成分系に対して壁厚の
極度の増大を招かないための高温強度の上昇、定期検査
時の圧力テストによる脆性破壊を防止するための高靱性
及び耐焼もどし脆化性など強度、靱性面からの新たな配
慮が必要となる。
また、従来の操業温度にくらべて、反応効率を高めるた
めの高温化の動きは、これまでの鋼よりより一層耐水素
侵食性が高く、且つクリープ強度の高い鋼を要求してい
る。このような高温化に対応しうる鋼としては、たとえ
ば3Cr-1Mo鋼が水素侵食の点で538℃まで耐えるとさ
れているが、高温強度が低いという欠点がある。
即ち従来から知られているCr-Mo系低合金鋼としては、
特開昭50−130621号公報あるいは特開昭55−
41961号公報などにより知られている鋼があるが、
これらはいずれも高温で充分な強度を保証できず、鋼材
成分のみで前記の如き問題点を解決するには達していな
い。
(問題点を解決するための手段、作用) 本発明者等は前述したようなこれまでの低合金耐熱鋼よ
り一層の強度上昇を図るため種々実験を繰り返した結
果、適量のV,Nb,Ti等の強化元素を添加した鋼を用
い、特定の温度域で熱間加工を行い、次いでオフライン
焼入−焼戻しをしたものは強度、靱性が共に向上すると
いう知見を得て、特願昭59−207763号(特開昭
61−87818号)として特許出願した。そしてひき
つづき研究を進めるうち、この先願発明と同等もしくは
それ以上の高強度、高靱性の低合金高極厚鋼材を低コス
トで製造できるという知見を得て、本発明を完成したも
のである。
即ち本発明は、重量%でC0.05〜0.20%、Si
0.01〜0.80%以下、Mn0.2〜1.5%、C
r0.2〜5.0%、Mo0.4〜1.5%、V0.0
1〜0.35%、Nb,Tiの1種又は2種合計で0.
01〜0.12%、Sol.Al0.01〜0.1%を
含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼塊或い
はスラブ、またはこれに更に、B0.0003〜0.0
02%、N0.005%以下含有し、残部Feおよび不
可避不純物からなる鋼塊或いはスラブを1100〜12
80℃に加熱後、800〜1050℃での圧下比(加工
前厚/仕上り厚)が1.2以上となる熱間加工を行い、
次いで直ちに800℃以上の温度から直接焼入れし、し
かるのち焼戻しを行なうことを特徴とする高強度低合金
鋼極厚鋼材の製造方法である。
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明において極厚鋼材とは100mm超の板厚範
囲のものを指す。これは、先にも述べた化学工業、石油
精製等の用途において装置の大型化又は高圧化によって
従来の100mm以下の厚みにくらべて増大している所か
ら、上記のような板厚範囲のものを対象としたものであ
る。
次に本発明法の対象とする鋼の各成分を前記の如く定め
た限定理由について述べる。
Cは強度保持上必要であるが、0.20%を超すと溶接
性ならびに靱性を損なうので上限を0.20%とし、下
限はこれ未満では溶接後熱時に高いテンパーパラメータ
を採用した時強度の保持が困難なため0.05%とし
た。ここでテンパーパラメータ(T.P.)とはT.
P.=T(20+logt)で求めるものである。但しT:温
度(K)、t=時間(hour)である。
Siは脱酸剤として0.01%以上添加されるものであ
るが、強度向上にも効果がある元素である。しかし0.
8%超になると溶接性、靱性に悪影響がでるので0.0
1〜0.80%とした。
Mnは脱酸のためのみでなく、強度保持にも必要な成分
である。しかし1.5%を超すと靱性の点から好ましく
ないので上限を1.5%とし、下限は極厚材の強度保証
の点から0.2%とした。
Crは耐酸化性、耐水素侵食性ならびに強度の点から
0.2%以上必要であるが、5%を超えて添加すると溶
接性に対して問題が生ずるので0.2〜5%とした。
Moは著しく高温強度を高める元素であるが、0.4%
未満では効果が極端に低下し、1.5%を超しても効果
の増大はほとんどない上に溶接性に悪影響を及ぼすの
で、上限を1.5%、下限を0.4%とした。
Vは焼きもどし軟化抵抗を著しく高めるため0.01%
以上は必要で、Moと同様に高温強度の向上に顕著な効
果のある元素であるが、0.35%を超えて添加すると
溶接性に決定的な悪影響を与えるため0.01〜0.3
5%とした。
次にNb,Tiは結晶粒を微細化し、強度も向上する元素で
あるが、その量は単独又は合計で0.01%未満では効
果がなく、また0.12%を超すと却ってクループ強度
が低下するので、上限を0.12%、下限を0.01%
と定めた。
Sol・Alは靱性の向上に有効な元素であるが、0.01
%未満では効果が弱く、0.10%を超すと熱間加工性
に悪影響を与えるので、上限を0.10%、下限を0.
01%とした。
以上が本発明による鋼の基本成分であるが、板厚が極端
に厚くなると焼入性を考慮した成分系が必要となる。
Bは極厚材で焼入の際の冷却速度が極度に遅くなった場
合にフェライトの析出を防止し、ベイナイト組織を確保
するのに有効な元素であるが、0.0003%未満では
Al量を如何に多量にしても後述するN量を如何に下げて
も焼入性に効果がない。また0.0020%超では偏折
のため加工性、溶接性に悪影響があるので、上限を0.
0020%、下限を0.0003%とした。
Nは上述のごく微量のBで焼入性を確保するためにAlの
添加とともにその量を低く抑えることが有効であるが、
0.005%以下にすることによって微量Bの効果がは
じめて現れるてくるので、0.005%以下に抑えるこ
とにした。
以上が本発明による製造方法の適用対象鋼であるが、こ
の鋼を用いて高温強度を高め、かつ靱性も同様に確保す
るための製造方法について以下に述べる。
まず、鋼塊あるいはスラブは通常の製鋼手段で溶製し、
連続鋳造又は普通造塊で鋳塊にするが、そのあと熱間圧
延に先立つ加熱は、NbC,TiCをオーステナイト中に固溶
させその後の析出によって強化を期待するためには、1
100℃以上の加熱とすることが必要である。しかし、
1280℃を超えて加熱すると結晶粒の粗大化が始ま
り、最終成品の靭性に悪影響がでるので、加熱温度の上
限を1280℃、下限を1100℃とした。
次に、熱間加工とはこの場合鋳造、リング圧延、ロール
圧延等を指す。
この熱間加工に於て、温度範囲800〜1050℃にて
圧下比(加工前厚/仕切り厚)1.2以上の熱間加工を
施こす理由は、極厚鋼板の板厚中心部まで十分な加工を
施こし、それによって中心部まで結晶粒の微細化を図
り、靱性の向上を図ったものである。
熱間加工の下限温度は、後の冷却開始温度800℃確保
のため800℃以上とする。又、1050℃以上では高
温のため熱間加工による細粒化効果が失われる。
圧下比(加工前厚/仕切り厚)が1.2未満では板厚中
心部まで十分な加工がなされず、細粒化が不十分となり
靱性の向上が望めない。しかして圧下比は800〜10
50℃における熱間加工回数の合計圧下比で良く、でき
るだけ大きい方が細粒化にとって好ましい。
上記の熱間加工後直ちに800℃以上の温度から直接焼
入れすることが、先に述べた鋼成分および熱間加工条件
を生かし、前記先願発明と同等ないしはそれ以上の高強
度高靱性を備えた低合金鋼極厚鋼材を製造する本発明の
ポイントである。しかして焼入れ開始温度が800℃未
満の場合、固溶したV,Nb,Ti等の強化元素が一部析出
し、強化に寄与しなくなるので800℃以上とした。
次に、焼戻しは均質で優れた強度、靱性を得るために行
うものであり、通常のCr-Mo鋼の焼戻し(例えば625
〜700℃×30分以上保持)と同様に行なうものであ
る。
以下に本発明の効果を実施例についてさらに具体的に述
べる。
(実施例) 第1表に供試鋼の化学組成を示す。供試鋼は高周波炉で
溶解、造塊を行い、その後鍛造で60t×100w×2
00lの形状の素材といたものである。また、第2表に
熱間加工及び冷却条件と冷却速度、その冷却速度に対応
する実鋼板での相当板厚、T(20+logt)で計算されるテ
ンパーパラメータ、諸特性、すなわち常温、高温引張特
性、クリープ破断特性、0℃の衝撃値vE0を示す。
なお、常温引張りはJIS4号高温引張り、クリープ破
断試験はJIS標準試験片を用いて行った。
第2表において、NO.1,3,6,7,8,11,1
2,14,15,16,18,19,21,22,24
は比較例、NO.2,4,9,10,13,17,20,
23は本発明例である。
NO.1〜NO.7は3Cr−1Mo系鋼に関するもので、NO.1
は通常工程材、すなわち熱間加工後いったん常温まで冷
却し、その後再加熱して950℃より焼入れ処理したも
ので、強度及びクリープ破壊強度のいずれも充分な強度
が得られていない。NO.3は加熱温度が本発明の要件を
満さないもので、結晶粒が粗大化し靱性の劣化が大き
い。NO.6は熱間加工の圧下比が本発明の要件を満さな
いもので、靱性値が低い。NO.7は熱間加工後の直接焼
入温度が低すぎるため常温、高温のいずれの強度及びク
リープ破断強度も低い。
一方、NO.2,4,5は本発明の要件を満す範囲内で製
造されたもので、いずれもクリープ破断強度が高くかつ
高強度、高靱性を示し、優れた材質となっている。
次に、NO.8〜NO.11は1・1/4C′r-1/2Mo鋼に関するもの
である。NO.8は通常工程材、すなわち熱間加工後いっ
たん常温まで冷却し、その後再加熱して930℃より焼
入れ処理したもので、充分な強度が得られていない。N
O.11は熱間加工後の直接焼入温度が低いため十分な強度
が得られていない。
NO.9は本発明の要件を満す範囲で製造されたものであ
り、強度、靱性ともに高水準であり、かつクリープ破断
強度も高い。NO.10も本発明の要件を満す範囲で製造さ
れたもので、圧下比が下限ぎりぎりのため靱性値がやや
低目であるが、強度並びにクリープ破断強度は高い値で
ある。
次に、NO.12〜NO.15はMn−Mo系鋼にかかるものである。
NO.12は通常工程材、すなわち熱間加工後いったん通常
まで冷却し、900℃に再加熱して焼入れ処理したもの
で、充分な強度が得られていない。NO.14は加熱温度が
本発明の要件を満さないもので、細粒化が不充分で靭性
値が低い値となっている。NO.15は熱間加工後の直接焼
入温度が本発明の要件を満さないため、充分な強度が得
られていない。
これに対し、NO.13は本発明の要件を満す範囲内で製造
されたもので、強度、靭性はもとより、クリープ破断強
度も高水準となっている。
次にNO.16〜NO.18は1・1/4Cr−1/2Mo鋼に関す
るものである。NO.16は通常工程材、すなわち熱間加
工後いったん常温まで冷却し、930℃に再加熱して焼
入れ処理したもので、強度及びクリープ破断強度が低
く、かつ靭性も低い。NO.18は熱間加工後の直接焼入
れ温度が本発明の要件を満さないため十分な強度が得ら
れていない。NO.17は本発明の要件を満す範囲で製造
されたものであり、強度、靭性ともに高くかつクリープ
破断強度も高い。
次に、NO.19〜NO.24は、2・1/4Cr−1Mo系鋼
に関し、NO.19、NO.22は通常工程材、すなわち熱間
加工後いったん常温まで冷却し夫々930℃、980℃
に再加熱して焼入れ処理したもので、強度が低く、クル
ープ破断強度も低い。NO.21、NO.24は熱間加工後の
直接焼入温度が本発明の要件を満さないため充分な強度
が得られないことのほかクリープ破断強度も低い。
NO.20、NO.23は本発明の要件を満して製造されたも
のであり、強度、靭性ともに高水準であり、かつクリー
プ破断強度も高い。
(発明の効果) 以上の如く、本発明の製造法によれば従来の製造法に比
し、一段とクリープ破断強度、高温強度が高く、靭性と
のバランスのとれた鋼材が得られる。したがって、高温
高圧装置の大型化、高温化に対応でき、装置の軽量化に
好都合であるばかりでなく、熱間加工後直接焼入れする
方法であり、従来の如く熱間加工後一旦常温まで冷却し
焼入温度に再加熱する必要がないので、低コストでかつ
製造工期の短縮が可能である等、産業上効果の大きい発
明である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乙黒 ▲靖▼男 神奈川県相模原市淵野辺5−10―1 新日 本製鐵株式会社第二技術研究所内 (72)発明者 橋本 勝邦 神奈川県相模原市淵野辺5−10―1 新日 本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−76020(JP,A) 特開 昭57−210915(JP,A) 特開 昭55−131126(JP,A) 特開 昭57−79117(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%でC:0.05〜0.20%、 Si:0.01〜0.80%、 Mn:0.2〜1.5%、 Cr:0.2〜5.0%、 Mo:0.4〜1.5%、 V:0.01〜0.35%、 Nb,Tiの1種又は2種合計で0.01〜0.12
    %、 Sol.Al:0.01〜0.1% を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼塊或
    いはスラブを1100〜1280℃に加熱後、800〜
    1050℃での圧下比(加工前厚/仕上り厚)が1.2
    以上となる熱間加工を行い、次いで直ちに800℃以上
    の温度から直接焼入れし、しかるのち焼戻しを行なうこ
    とを特徴とする高強度低合金鋼極厚鋼材の製造方法。
  2. 【請求項2】重量%でC:0.05〜0.20%、 Si:0.01〜0.80%、 Mn:0.2〜1.5%、 Cr:0.2〜5.0%、 Mo:0.4〜1.5%、 V:0.01〜0.35%、 Nb,Tiの1種又は2種合計で0.01〜0.12
    %、 Sol.Al:0.01〜0.1% を含有し、更に B:0.0003〜0.002% N:0.005%以下 を含み、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼塊或い
    はスラブを1100〜1280℃に加熱後、800〜1
    050℃での圧下比(加工前厚/仕上り厚)が1.2以
    上となる熱間加工を行い、次いで直ちに800℃以上の
    温度から直接焼入れし、しかるのち焼戻しを行なうこと
    を特徴とする高強度低合金鋼極厚鋼材の製造方法。
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