JPH08193240A - 耐焼戻し脆性に優れた鋼材及びその製造方法 - Google Patents

耐焼戻し脆性に優れた鋼材及びその製造方法

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JPH08193240A
JPH08193240A JP9117895A JP9117895A JPH08193240A JP H08193240 A JPH08193240 A JP H08193240A JP 9117895 A JP9117895 A JP 9117895A JP 9117895 A JP9117895 A JP 9117895A JP H08193240 A JPH08193240 A JP H08193240A
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solid solution
steel
ppm
steel material
embrittlement resistance
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JP9117895A
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Hidesato Mabuchi
秀里 間渕
Yukio Tomita
幸男 冨田
Tadashi Koseki
正 小関
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 P、Sb、As等の不純物の粒界偏析を防止
して耐焼戻し脆性に優れた鋼材を提供する。 【構成】 C、Si、Mn、P、S、N、Oを含有する
鋼において、REM、Y、Zrの一種又は二種以上を5
〜200ppm含有することを特徴とする耐焼戻し脆性
に優れた鋼材。この鋼材に必要に応じてAl、Ti、C
aの一種又は二種以上を含有させることにより、固溶R
EM、固溶Y、固溶Zrの一種又は二種以上を1〜50
ppm固溶状態で存在させる。これらの鋼材は必要に応
じてCu、Ni、Cr、Mo、W、Nb、V、Ta、B
の一種又は二種以上を含有し得る。前記鋼材を製造する
に際して、Si、Mn、Alの一部による弱脱酸後にA
l、Ti、Caの一種又は二種以上を添加し、次いでR
EM、Y、Zrの一種又は二種以上を添加することを特
徴とする耐焼戻し脆性に優れた鋼材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は耐焼戻し脆性に優れた低
合金鋼及びその製造方法に関するものである。詳しくは
圧延、鍛造、鋳造によって製造される低合金鋼の熱処理
時の脆化及びその鋼材を用いての圧力容器、化学容器、
橋梁、機械部品、海洋構造物等の構造物への鋼材加工時
における溶接後熱処理(及び曲げ加工物の焼戻し、応力
除去焼鈍等)による脆化又は高温使用時の使用中脆化の
抑制に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年化学技術の進歩に従い、化学反応容
器、圧力容器等は次第に大型化される傾向にあり、又使
用される環境も益々過酷なものになっている。従って、
鋼材に要求される性質、就中、焼戻し脆性の抑制に対す
る要求は鋼材の厚肉化に伴う溶接後熱処理(応力除去焼
鈍)の長時間化、使用温度の高温化により極めて厳しく
なり、その対策が困難になっているのが実状である。
【0003】焼戻し脆性、水素脆性を抑制する従来の技
術としては特開昭55−91962号公報、特開昭56
−58952号公報、特開昭57−29553号公報に
記載の提案がある。又、固溶REM、固溶Y、固溶Zr
を添加する従来技術としては特願平6−198830号
による提案がある。特開昭55−91962号公報記載
の提案は、Ni系調質鋼に固溶メタリックAlを0.1
5%以上含有させ、粒界におけるSiと固溶Alとのサ
イトコンペティションにより耐焼戻し脆性と耐水性脆性
の改善を図るものである。
【0004】特開昭56−58952号公報記載の提案
は、特定成分の低合金鋼に、Zr又はCaの鋼中Sによ
って消費される量以上の限定量を含有させることにより
耐焼戻し脆性を改善するものである。特開昭57−29
553号公報記載の提案は、特定成分の低合金鋼にCa
を20〜100ppm含有させることにより耐焼戻し脆
性を改善するものである。
【0005】特願平6−198830号における提案
は、特定成分の低合金鋼にREM、Y又はZrを添加し
てそれらの固溶量を限定することにより水素性欠陥の発
生を抑制して鋼材の内部品質を改善するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】特開昭55−9196
2号公報には固溶メタリックAlによってNi系調質鋼
の焼戻し脆性が改善されるという記載はあるものの、R
EM、Y、Zrに関する技術の開示が全くないばかり
か、固溶REM、固溶Y、固溶Zrが焼戻し脆性を改善
する記載は全くない。従って、前記課題を解決する技術
思想は全く含まれておらず、前記課題はそのまま取り残
されているのが実状である。
【0007】特開昭56−58952号公報にはZr又
はCaの鋼中Sによって消費される量以上の限定量によ
り低合金鋼の耐焼戻し脆性が改善される記載があるもの
の、REM、Yに関する技術の開示は全くないばかり
か、Zrに関してもO、NによるZrの消費を補償する
思想が欠落しており、且つ固溶REM、固溶Y、固溶Z
rが低合金鋼の耐焼戻し脆性を改善するという記載は全
くない。従って、前記課題を解決する技術思想は全く含
まれておらず、前記課題はそのまま取り残されているの
が実状である。
【0008】特開昭57−29553号公報にはCaに
よって低合金鋼の耐焼戻し脆性が改善される記載はある
ものの、REM、Y、Zrに関する技術の開示が全くな
いばかりか、固溶REM、固溶Y、固溶Zrが耐焼戻し
脆性を改善する記載は全くない。従って、前記課題を解
決する技術思想は全く含まれておらず、前記課題はその
まま取り残されているのが実状である。
【0009】特願平6−198830号にはREM、
Y、Zrの鋼中S、O、Nによって消費される量以上の
限定量により低合金鋼の内分品質が改善される記載はあ
るものの、耐焼戻し脆性に関する技術の開示は全くない
ばかりか、REM、Y、Zrの消費に関してもO、Nに
よる消費を補償するO及びNの限定が特許請求の範囲に
なく固溶量を厳密に制御する思想は不十分であり、且つ
固溶REM、固溶Y、固溶Zrが低合金鋼の耐焼戻し脆
性を改善する記載は全くない。従って、前記課題を解決
する技術思想は全く含まれておらず、前記課題はそのま
ま取り残されているのが実状である。
【0010】本発明は前記した低合金鋼における耐焼戻
し脆性及び耐水素脆性を大幅に向上するとともに、さら
に焼戻し脆性に関するP等不純物やSiの成分制約を緩
和して成分設計の自由度を大きくすることを目的とす
る。
【0011】
【発明が解決するための手段】本発明者等が低合金鋼の
焼戻し脆性について仔細に調査したところ、鋼中に固溶
するREM、Y、Zrの固溶量と耐焼戻し脆性は極めて
深い関係を有するとともに水素脆性をも改善することを
新たに知見するに至った。本発明の要旨とするところは
下記のとおりである。
【0012】(1)重量%で、C:0.02〜0.40
%、Si:0.01〜0.60%、Mn:0.30〜
2.0%、P≦0.025%、S≦0.010%、N≦
0.0060%、O≦0.0035%を含有し、さら
に、REM:5〜200ppm、Y:5〜200ppm
及びZr:5〜200ppm%の一種又は二種以上を含
有し、残部はFe及び不可避的不純物からなることを特
徴とする耐焼戻し脆性に優れた鋼材。
【0013】(2)重量%で、Al:0.010〜0.
20%、Ti:0.005〜0.08%及びCa:0.
001〜0.05%の一種又は二種以上を含有し、固溶
REM:1〜50ppm、固溶Y:1〜50ppm及び
固溶Zr:1〜50ppmの一種又は二種以上が鋼中に
固溶状態で存在することを特徴とする前項1記載の耐焼
戻し脆性に優れた鋼材。
【0014】(3)重量%で、Cu:0.05〜2.0
%及びNi:0.05〜10.0%の一種又は二種及び
/又はCr:0.05〜10.0%、Mo:0.05〜
2.0%、W:0.05〜3.0%、Nb:0.005
〜0.10%及びV:0.01〜0.40%の一種又は
二種以上及び/又はB:3〜30ppmを含有すること
を特徴とする前項1又は2記載の耐焼戻し脆性に優れた
鋼材。
【0015】(4)重量%で、Ta:0.005〜0.
40%を含有することを特徴とする前項1、2又は3の
いずれか1項に記載の耐焼戻し脆性に優れた鋼材。 (5)前項2、3又は4のいずれか1項に記載の成分を
有する鋼を製造するに際して、出鋼時におけるSi若し
くはMnを添加する弱脱酸、又はAlの一部を添加する
弱脱酸後直ちに又は当該弱脱酸に引き続く二次精錬でA
l、Ti、Caの一種又は二種以上を添加した後にRE
M、Y、Zrの一種又は二種以上を添加し、鋳造後に熱
間加工することを特徴とする耐焼戻し脆性に優れた鋼材
の製造方法。
【0016】
【作用】本発明者等が低合金鋼の焼戻し脆性の影響に関
して仔細に調査したところ、化学成分の種類によっては
鋼中における存在状態と低合金鋼の耐焼戻し脆性及び耐
水素脆性との間に密接な関係を有することを見出した。
即ち、Fe−P−X系(X:REM、Y、Zrを指す)
ではランタノイド系を中心とする希少金属Xは鋼中で強
い窒化物、硫化物、酸化物を形成するが、鋼中にメタリ
ックな状態で固溶していると、固溶XとPを中心とする
P、As、Sb等の不純物との間に相互作用が働いて、
これら不純物の粒界偏析が抑制される結果、低合金鋼の
耐焼戻し脆性及び耐水素脆性を著しく向上するととも
に、逆に同程度の焼戻し脆性とする場合にはP、As、
Sb等の不純物やSiの成分制約を緩和することが可能
になることを知見した。
【0017】ここで、Fe−P−X系希少金属の鋼中に
おけるメタリックな状態の固溶量は(1)式による。 固溶X=トータルX−XasX酸化物−XasX窒化物−XasX硫化物(O xysulphideを含む) (1) 以下に本発明を詳細に説明する。
【0018】Cは0.02%未満では強度を満足せず、
0.40%超では母材靱性を損なうために0.02〜
0.40%と限定した。溶接性が必要とされる時には
0.02〜0.20%が好ましい。Siは脱酸上0.0
1%以上必要で、0.60%超では靱性(母材、継手)
を損なうために0.01〜0.60%と限定した。耐焼
戻し脆性の要求が厳しい時には、0.01〜0.20%
に制約することが好ましい。
【0019】Mnは強度上0.30%以上必要で2.0
%超では低温靱性、溶接性を損なうために0.30〜
2.0%と限定した。P、S、N、O等の不純物は低け
れば低いほど好ましく、Pは0.025%以下、Sは
0.01%以下、Nは0.0060%以下、Oは0.0
035%以下に限定される。特に、希少金属が熱間圧延
後にFe−P−X系で鋼中にメタクリックな状態で固溶
するためにはS、Oは低いほど望ましく、Sは0.00
5%以下、Oは0.0020%以下が好ましい。
【0020】REMは固溶REM量を1ppm以上確保
するために5ppm以上とし、200ppm超では介在
物による清浄度や溶接金属の溶接反応性を損なうため
に、5〜200ppmに限定した。尚、REMはLa、
Ce等のランタノイド元素の総称でそれらを複合してい
るが、La又はCeを単独添加してもその効果は全く変
わらない。
【0021】Yは固溶Y量を1ppm以上確保するため
に5ppm以上とし、200ppm超では介在物による
清浄度や溶接金属の溶接反応性を損なうために、5〜2
00ppmに限定した。Zrは固溶Zr量を1ppm以
上確保するために5ppm以上とし、200ppm超で
は介在物による清浄度や溶接金属の溶接反応性を損なう
ために、5〜200ppmに限定した。
【0022】固溶REMはFe−P−REM系でP等不
純物との間に相互作用が働くために1ppm以上必要
で、50ppm超ではREM炭化物による母材靱性を損
なうために、1〜50ppmに限定した。固溶YはFe
−P−Y系でP等不純物との間に相互作用が働くために
1ppm以上必要で、50ppm超ではY炭化物による
母材靱性を損なうために、1〜50ppmに限定した。
【0023】固溶ZrはFe−P−Zr系でP等不純物
との間に相互作用が働くために1ppm以上必要で、5
0ppm超ではZr炭化物による母材靱性を損なうため
に、1〜50ppmに限定した。(1)式による希少金
属の鋼中におけるメタリックな状態の固溶量を安定して
確保するには、先に述べた如くS、N、O等の不純物は
低いほど好ましいが、Ca、Ti、Al等を複合添加す
ると一層効果的となる。
【0024】Alは脱酸上重要な元素であるがSiやT
iによっても脱酸が行われるので、X(希少金属)の酸
化を防止して固溶Xを1ppm以上効果的に確保するた
めに0.010%以上とし、0.20%超では介在物に
よる清浄度や溶接金属の溶接反応性を損なうために、
0.010〜0.20%に限定した。CaはCaS(O
xysulphideを含む)を形成して固溶X(希少
金属)を1ppm以上効果的に確保するために0.00
1%以上とし、0.05%超では介在物による清浄度や
溶接金属の溶接反応性を損なうために、0.001〜
0.05%に限定した。
【0025】Tiは鋼の凝固時にTiNを形成して固溶
X(希少金属)を1ppm以上安定して確保するために
0.005%以上とし、0.08%超ではTiC析出に
より継手靱性を損なうために、0.005〜0.08%
に限定した。C、Si、Mnの含有量は目的とする用途
に応じて、所定の製法(圧延ままや熱処理又はTMC
P)で必要特性(強度及び低温靱性等)から板厚を考慮
して成分設計される。高温特性や溶接性等の特別な特性
が必要な場合には上記元素の他にCu、Ni、Cr、M
o、W、Nb、V、Bの必要量を適宜品質設計して添加
するが、以下にその限定理由を述べる。
【0026】Cuは低温靱性向上のためCeq低減を目
的としてC、Si、Mnに置換して0.05%以上添加
されるが、2.0%超では熱間脆性を助長し等量のNi
添加が必要となるとともに溶接性を損なうために0.0
5〜2.0%に限定した。Niは低温靱性向上のためC
eq低減を目的としてC、Si、Mnに置換して0.0
5%以上添加されるが、10.0超ではその効果が飽和
するために、0.05〜10.0%に限定した。
【0027】Crは焼入性向上による強度確保のため、
さらには高温強度等の特性向上のために0.05%以上
添加されるが、10.0%超ではその効果が飽和するた
めに、0.05〜10.0%に限定した。Moは焼入性
向上による強度確保さらには高温強度等の特性向上のた
めに0.05%以上添加されるが、2.0%超ではその
効果が飽和するために、0.05〜2.0%に限定し
た。
【0028】Wはクリープ強度を向上するには0.05
%以上必要で、3.0%超ではその効果が飽和するため
に、0.05〜3.0%に限定した。Nbは強度向上及
び結晶粒制御のために0.005%以上添加されるが、
0.10%超では溶接性、低温靱性が損なわれるため
に、0.005〜0.10%に限定した。
【0029】Vは強度向上及び高温強度の特性向上のた
めに0.01%以上添加されるが、0.40%超では溶
接性、低温靱性が劣化するために、0.01〜0.40
%に限定した。Taは強度向上及びクリープ等の高温強
度向上のために0.005%以上添加されるが、0.4
0%超では溶接性が損なわれるために、0.005〜
0.40%に限定した。
【0030】Bは特に極厚鋼材の高強度化に有効な元素
で、焼入れ性向上による強度確保のために3ppm以上
添加されるが、30ppm超では低温靱性が劣化するた
めに、3〜30ppmに限定した。固溶X(X:RE
M、YまたはZr)を所定量得るには、鋼中に含有され
るO、N、Sから(1)式により計算される固溶Xが正
となるように、トータルXを鋼中に添加しXの固溶温度
以上に再加熱後、鍛造又は圧延等の通常の熱間加工を行
う。尚、鋳造は鋼塊又は連続鋳造による制限はなくいず
れでも良く、鋼の熱処理の有無、熱処理方法による制限
もなく一般的な方法でよい。
【0031】さらに、希少金属の安定した固溶量を確保
するには、前述した如くAl、Ca、Ti等を複合添加
するのが好ましいが、出鋼時におけるSi+Mn又はS
i+Mn+Alの一部による弱脱酸後直ちに又は当該弱
脱酸に引き続く真空脱ガス又は取鍋精錬等の二次精錬で
Al、Ti、Caの一種又は二種以上を添加した後に、
REM、Y、Zrの一種又は二種以上を添加すると希少
金属の酸化物形成はAlにより抑制され、硫化物形成は
Caにより抑制され、窒化物形成はTiにより抑制され
るために一層効果的になる。
【0032】
【実施例】表1に実施例の化学成分を示す。A〜F、K
が本発明例であり、G〜Iが比較例である。詳しくは、
本発明例Aは請求項1記載の発明であり、本発明例Bは
請求項2記載の発明である。又、本発明例C〜Eは請求
項2に対応した請求項3記載の発明であり、本発明例F
は請求項1に対応した請求項3記載の発明であり、本発
明例Kは請求項2に対応した請求項4記載の発明であ
る。一方、比較例G、H.Iは希少金属の添加がなく、
本発明例A、E、Fにそれぞれ対応する比較例である。
【0033】又、本発明例Kは請求項5記載の製造方法
による発明である。即ち、鋼Kは出鋼時のSi、Mnに
よる弱脱酸に引き続くRH脱ガス時において成分調整を
目的としたSi、Mnの微量添加を行うとともにAl、
Ti、Caの必要量全量を複合添加した後にREMを添
加しているために、他の本発明例よりも添加量に比べた
希少金属の固溶量(歩留)が極めて高くなっている。
【0034】表2に実施例の材質を示す。表1に記載の
成分を有する低合金鋼を従来公知の方法で溶製し200
mm厚のスラブを製造した後に、1250℃に再加熱し
て厚板圧延により50mm厚に圧延を行った。その後、
所定の鋼板熱処理を行った厚板から採取した試験片を用
いて引張り試験(JIS4号)及び衝撃試験(JIS4
号)を行った。一方、脆化処理は鋼A、B、Gには45
0℃で45時間の応力除去焼鈍(SR)を行い、鋼C〜
F、K、H〜Iには480℃で1000時間の溶接後熱
処理(PWHT)を行った。
【0035】これらの脆化処理を行った厚鋼板から採取
した試験片を用いて衝撃試験(JIS4号)及び水素脆
化試験(WOL)を行った。表2より本発明鋼は比較鋼
よりも衝撃試験における脆化度(ΔFATT)が1/2
以下と極めて優れているとともにSi≦0.020%に
制約すれば脆化は全く認められない。さらに、長時間の
PWHTを行った後の耐水素脆性(K1SCC)も優れてい
ることが分かる。即ち、本発明に従い希少金属を固溶状
態で含有させることによりΔFATT及びK1S CCを改善
するとともに、Al、Ti、Caと複合添加することに
より希少金属を効果的に固溶状態で含有させることがで
きる。従って、本発明によれば、低合金鋼の耐焼戻し脆
性、耐水素脆性(耐遅れ破壊特性)を向上することがで
きるとともに、同一の品質水準を狙うならば脆化の原因
となるP等の不純物やSiの成分制約の緩和が可能とな
る。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】
【発明の効果】以上詳述した如く、本発明に従いFe−
P−X系(RX:EM又はY、Zr等の希少金属)の鋼
材において、Xを鋼中にメタリックな固溶状態で含有さ
せると、鋼中に過飽和に固溶されたXとPを中心とする
P、As、Sb等の不純物との間に相互作用が働いてこ
れら不純物の粒界偏析が抑制される結果、耐焼戻し脆性
及び耐水素脆性を大幅に向上させることができ、かくし
て大型構造物の安全設計の厳格化、地球環境問題の深刻
化に伴う脆化基準の厳格化に対応することが可能になる
とともに、同一の脆化基準の要求に対しては不純物やS
i等の成分制約の緩和が可能となる。
【0039】従って、本発明により大型構造物の信頼性
向上はもとより省資源、省エネルギー的価格競争力の向
上とともに工期的非価格競争力の向上をもたらすことが
できるので、本発明が産業界に与える工業的ならびに経
済的利益はきわめて顕著なものがあるといえる。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 C:0.02〜0.40%、Si:0.01〜0.60
    %、Mn:0.30〜2.0%、P≦0.025%、S
    ≦0.010%、N≦0.0060%、O≦0.003
    5%を含有し、 さらに、REM:5〜200ppm、Y:5〜200p
    pm及びZr:5〜200ppm%の一種又は二種以上
    を含有し、 残部はFe及び不可避的不純物からなることを特徴とす
    る耐焼戻し脆性に優れた鋼材。
  2. 【請求項2】 重量%で、 Al:0.010〜0.20%、Ti:0.005〜
    0.08%及びCa:0.001〜0.05%の一種又
    は二種以上を含有し、 固溶REM:1〜50ppm、固溶Y:1〜50ppm
    及び固溶Zr:1〜50ppmの一種又は二種以上が鋼
    中に固溶状態で存在することを特徴とする請求項1記載
    の耐焼戻し脆性に優れた鋼材。
  3. 【請求項3】 重量%で、Cu:0.05〜2.0%及
    びNi:0.05〜10.0%の一種又は二種及び/又
    はCr:0.05〜10.0%、Mo:0.05〜2.
    0%、W:0.05〜3.0%、Nb:0.005〜
    0.10%及びV:0.01〜0.40%の一種又は二
    種以上及び/又はB:3〜30ppmを含有することを
    特徴とする請求項1又は2記載の耐焼戻し脆性に優れた
    鋼材。
  4. 【請求項4】 重量%で、Ta:0.005〜0.40
    %を含有することを特徴とする請求項1、2又は3のい
    ずれか1項に記載の耐焼戻し脆性に優れた鋼材。
  5. 【請求項5】 請求項2、3又は4のいずれか1項に記
    載の成分を有する鋼を製造するに際して、出鋼時におけ
    るSi若しくはMnを添加する弱脱酸、又はAlの一部
    を添加する弱脱酸後直ちに又は当該弱脱酸に引き続く二
    次精錬でAl、Ti、Caの一種又は二種以上を添加し
    た後にREM、Y、Zrの一種又は二種以上を添加し、
    鋳造後に熱間加工することを特徴とする耐焼戻し脆性に
    優れた鋼材の製造方法。
JP9117895A 1994-11-18 1995-04-17 耐焼戻し脆性に優れた鋼材及びその製造方法 Withdrawn JPH08193240A (ja)

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Cited By (15)

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