JPH11302776A - 耐サワ−性に優れた高強度鋼板およびその製造法 - Google Patents

耐サワ−性に優れた高強度鋼板およびその製造法

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JPH11302776A
JPH11302776A JP14469298A JP14469298A JPH11302776A JP H11302776 A JPH11302776 A JP H11302776A JP 14469298 A JP14469298 A JP 14469298A JP 14469298 A JP14469298 A JP 14469298A JP H11302776 A JPH11302776 A JP H11302776A
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好男 寺田
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隆 澤井
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐サワ−性と優れたHAZ靱性を有するAP
I規格X60以上の高強度鋼板およびその製造法を提供
すること。 【解決手段】 低C−低Mn−Nb−Ti系を基本に
S,Mg,CaおよびO量を厳格に制限した鋼片を制御
圧延した後、加速冷却することにより鋼板を製造する。 【効果】 HAZ靱性、耐HIC性に優れた高強度鋼板
(X60以上)の製造が可能となった。その結果、パイ
プラインの安全性が著しく向上した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は耐水素誘起割れ(H
IC)性および耐硫化物応力腐食割れ(SSC)性の優
れた耐サワ−パイプライン用高強度鋼板(米国石油協会
(API)規格X60以上の強度、厚み40mm以下)
およびそのの製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】寒冷地、オフショア−における原油、天
然ガス輸送用大径ラインパイプに対しては高強度ととも
に優れた低温靱性、現地溶接性が要求される。さらに近
年、海水の注入による原油・ガス井戸のサワ−化や劣質
資源の開発にともなって、パイプラインのサワ−化が進
行し、HIC,SSCに対する優れた抵抗(耐サワ−
性)が求められるようになった。
【0003】従来、優れた耐サワ−性を有するラインパ
イプは、(1)鋼の高純化、介在物の低減、(2)硫化
物系介在物のCa添加による形態制御、(3)連続鋳造
(CC)時の軽圧下による中心偏析軽減、(4)圧延後
の加速冷却によるミクロ組織制御などの技術を駆使して
製造されてきた(たとえば特公昭63−1369号公
報、特開昭62−112722号公報、特開昭61−1
24555号公報、特公平7−5968号公報)。
【0004】しかし、さらなる高強度化にともなう合金
元素量の増加および極厚化にともなう溶接入熱量の上昇
により、これらの鋼の溶接熱影響部(HAZ)の低温靱
性は必ずしも十分ではなくなってきた。特公平7−59
68号公報では耐サワ−性とHAZ靱性の改善を目的と
した鋼板の製造法が開示されているが、この場合、Al
量が0.004%以下であるため溶鋼中の溶存酸素量が
高くなり脱硫反応が起こりにくい。この結果、精錬工程
における脱硫処理時間が増加するために製造コストの面
で問題があった。また極厚化にともない溶接入熱量が上
昇した場合にはこの鋼でも良好なHAZ靱性を得ること
ができなくなっている。このため従来の耐サワ−ライン
パイプよりも格段にHAZ靱性の優れた耐サワ−ライン
パイプの開発が強く望まれていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は耐サワ−性の
優れたAPI規格5L−X60以上の高強度を有する鋼
板およびその製造法を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、重量%
で、C:0.02〜0.08%、Si:0.5%以下、
Mn:0.8〜1.5%、P:0.010%以下、S:
0.001%以下、Nb:0.01〜0.05%、T
i:0.005〜0.03%、Al:0.02〜0.0
5%、Mg:0.005〜0.03%、Ca:0.00
1〜0.004%、N:0.001〜0.005%、
O:0.001〜0.003%にさらに必要に応じて、
Ni:0.1〜1.0%、Cu:0.1〜1.0%、C
r:0.1〜1.0%、Mo:0.1〜1.0%、V:
0.01〜0.10%、REM:0.0005〜0.0
05%の一種または二種以上を含有し、かつ1.0≦
〔Ca〕(1−124〔O〕)/1.25〔S〕≦7.
0を満足する残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼
板。
【0007】および重量%で、C:0.02〜0.08
%、Si:0.5%以下、Mn:0.8〜1.5%、
P:0.010%以下、S:0.001%以下、Nb:
0.01〜0.05%、Ti:0.005〜0.03
%、Al:0.02〜0.05%、Mg:0.005〜
0.03%、Ca:0.001〜0.004%、N:
0.001〜0.005%、O:0.001〜0.00
3%に、さらに必要に応じて、Ni:0.1〜1.0
%、Cu:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0
%、Mo:0.1〜1.0%、V:0.01〜0.10
%、REM:0.0005〜0.005%の一種または
二種以上を含有し、かつ1.0≦〔Ca〕(1−124
〔O〕)/1.25〔S〕≦7.0を満足する残部が鉄
および不可避的不純物からなる鋼片を1050〜125
0℃の温度範囲に加熱して、950℃以下の累積圧下量
60%以上、圧延終了温度750〜900℃で圧延を行
なった後、ただちに冷却速度3〜40℃/秒で350〜
600℃まで水冷、その後放冷すること、である。
【0008】以下に本発明について詳細に説明する。本
発明の特徴は、(1)低C−低Mn−Nb−Ti系を基
本にS,Mg,CaおよびO量を厳格に制限した鋼およ
びこの鋼を、(2)制御圧延した後、加速冷却するとこ
ろにあり、これによって耐サワ−性と優れたHAZ靱性
を同時に達成できることにある。C,Mn,P量を低減
することにより、CCスラブの中心偏析を改善し、HI
Cの発生・伝播を防止できる。またS,Mg,Caおよ
びO量を厳格に制限することにより、HICの発生起点
となりうるMnSの生成を防止するとともに、Mg添加
するによりCa系介在物を微細化することができ、良好
な耐サワ−性を得ることができる。
【0009】また低合金鋼のHAZ靱性は、(1)結晶
粒のサイズ、(2)高炭素島状マルテンサイト(M*
)、上部ベイナイト(Bu)などの硬化相の分散状
態、(3)粒界脆化の有無、(4)元素のミクロ偏析な
ど種々の冶金学的要因に支配される。なかでもHAZの
結晶粒のサイズおよびM* は低温靱性に大きな影響を与
えることが知られている。本発明ではMgの添加により
Mgを含む微細な酸化物やその酸化物とTiNなどの炭
窒化物との複合体を鋼中に生成させることによりHAZ
におけるオ−ステナイト(γ)粒の粗大化を抑制してH
AZ靱性を向上させる。とくに極厚化した場合、必然的
に溶接入熱量が増加して、HAZにおけるγ粒の粗大化
およびその後の冷却速度が遅くなるためHAZ組織は粗
大化し、HAZ靱性は劣化する。しかし、このような場
合でもMgを含む微細な酸化物やその酸化物とTiNな
どの炭窒化物との複合体の作用によりHAZにおけるγ
粒の粗大化が著しく抑制され、良好なHAZ靱性を得る
ことができる。
【0010】すなわち、本発明におけるMgの役割り
は、(1)Caと同様にSをMgSとして固定し、HI
Cに有害なMnSの生成を防止すること、(2)Ca系
介在物を微細に分散させること、(3)HAZにおいて
Mgを含む酸化物等によりγ粒の粗大化を抑制し、HA
Z靱性を向上させることにある。前述した通り、Mgは
耐サワ−性を改善する効果とHAZ靱性を向上させる効
果がある。Caを添加してMnSの生成を抑制した耐サ
ワ−鋼においてはCaSやCaOなどのCa系介在物が
生成する。しかしながらCaOなどのCa系酸化物は粗
大化しやすく、粗大化した酸化物はHICの発生起点と
なるためCa系酸化物の微細化が必須であった。
【0011】そこで本発明者らは鋭意検討した結果、M
gを添加することによりCa系酸化物を微細に分散でき
るとともに、Mgを含む微細な酸化物がTiNなどの炭
窒化物の生成サイトとして働き、TiNが微細に分散す
ることにより良好なHAZ靱性が得られるとともに優れ
た耐HIC性が得られることを見いだした。これらの効
果を発揮させるためには0.005%以上のMg添加量
が必要である。また多すぎるとMg系酸化物が増加し、
低温靱性を劣化させるとともに耐HIC性も劣化させる
のでその上限を0.03%に限定した。
【0012】本発明では、不純物元素であるS量を0.
001%以下とし、かつCaを添加して、1.0≦〔C
a〕(1−124〔O〕)/1.25〔S〕≦7.0と
する。SはMnS系介在物を形成し、MnSは圧延で伸
長してHICの発生起点となる。これを防止するために
は、介在物の絶対量を低減するとともに、硫化物の形態
を制御して圧延で延伸化し難いCaS(−O)としなけ
ればならない。そこで、S量を0.001%以下とし、
Caを0.001〜0.004%添加し、Caによる硫
化物の形態制御を十分に行うため、〔Ca〕(1−12
4〔O〕)/1.25〔S〕で表されるESSP値を
1.0以上とした。しかしESSP値が大きすぎると、
Ca系介在物が増加し、HICの発生起点となるので、
その上限を7.0とした。
【0013】上記に関連してO量を0.003%以下に
限定した。これはHICの発生起点となる酸化物系介在
物を低減して、Ca、Mgで硫化物の形態制御を行うた
めである。O量の下限0.001%はTiNの生成サイ
トとなる微細な酸化物を生成させるための最小値であ
る。優れた耐サワ−性を得るためにはさらにC,Mn,
P量を限定する必要がある。この理由はCCスラブの中
心偏析を改善し、HICの発生・伝播を防止するためで
ある。X60以上の高強度鋼では必然的にC量が高くな
るが、C量の増加はCCスラブの凝固時の中心偏析帯に
おけるMn,Pの偏析を強め、硬化組織の生成を助長し
て耐サワ−性を著しく劣化させる。
【0014】これを防止するためC量の上限は0.08
%としなければならない。C量の下限0.02%は強度
・低温靱性を確保するための最小量である。C量の低減
に加えて、さらにMn,P量を低減することは中心偏析
を軽減、すなわち硬化組織の生成抑制に有効である。こ
のためMn,P量の上限をそれぞれ1.5%、0.01
0%に限定した。Mn量の下限0.8%は母材・溶接部
の強度を確保するための最小値である。一方、P量は低
いほど耐サワ−性は向上する。
【0015】本発明鋼では必須の元素としてNb:0.
01〜0.05%、Ti:0.005〜0.030%を
含有する。Nbは制御圧延において結晶粒の微細化や析
出硬化に寄与し、鋼を強靱化する作用を有する。しかし
Nbを0.05%以上添加すると、現地溶接性やHAZ
靱性に悪影響をもたらすので、その上限を0.05%と
した。またTi添加は微細なTiNを形成し、スラブ再
加熱時および溶接HAZのγ粒の粗大化を抑制してミク
ロ組織を微細化し、母材およびHAZの低温靱性を改善
する。このようなTiNの効果を発現させるためには、
最低0.005%のTi添加が必要である。しかしTi
量が多すぎると、TiNの粗大化やTiCによる析出硬
化が生じ、低温靱性が劣化するので、その上限は0.0
3%に限定しなければならない。
【0016】つぎに、その他元素の限定理由について説
明する。Siは脱酸や強度向上のため添加する元素であ
るが、多く添加すると現地溶接性、HAZ靱性を劣化さ
せるので、上限を0.5%とした。鋼の脱酸はAlのみ
でも十分であり、Siは必ずしも添加する必要はない。
Alは脱酸元素として鋼に含まれ、本発明ではAlを添
加することにより鋼中酸素濃度を低下させて、その後の
脱硫反応を促進させる効果がある。Al量が少なすぎる
と脱硫反応が遅れ、精錬工程における処理時間が長くな
り、製造コストが高くなるので、その下限を0.02%
とした。一方、Al量が0.05%以上になるとAl系
非金属介在物が増加して鋼の清浄度を害するので、その
上限を0.05%とした。
【0017】NはTiNを形成してスラブ再加熱時およ
び溶接時のγ粒の粗大化を抑制して母材、HAZの低温
靱性を向上させる。このために必要な最小量は0.00
1%である。しかし多すぎるとスラブ表面疵や固溶Nに
よるHAZ靱性劣化の原因となるので、その上限は0.
005%に抑える必要がある。つぎに選択元素であるN
i,Cu,Cr,Mo,V,REMを添加する理由につ
いて説明する。基本となる成分に、さらに、これらの元
素を添加する主たる目的は本発明により得られる鋼板の
優れた特徴を損なうことなく、強度・低温靱性などの特
性向上を図るためである。したがって、その添加量は自
ら制限される性質のものである。
【0018】Niを添加する目的は低炭素の本発明鋼の
強度を低温靱性や現地溶接性を劣化させることなく向上
させるためである。Ni添加はMnに比較して、圧延組
織(とくにスラブの中心偏析帯)中に低温靱性、耐サワ
−性に有害な硬化組織を形成することが少なく、強度を
増加させる。しかし、添加量が多すぎると経済性だけで
なく、現地溶接性やHAZ靱性などを劣化させるので、
その上限を1.0%とした。Niは連続鋳造時、熱間圧
延時におけるCuクラックの防止にも有効である。
【0019】Cuは0.1%以上でNiとほぼ同様にH
AZ靱性に大きな影響をおよぼすことなく、強度・低温
靱性を向上させるほか、耐食性、耐水素誘起割れ特性の
向上にも効果がある。またCu析出硬化によって強度を
大幅に増加させる。しかし過剰に添加すると析出硬化に
より母材、HAZの靱性低下や熱間圧延時にCuクラッ
クが生じるので、その上限を1.0%とした。CrはM
nに比較してCCスラブにおいても中心偏析し難く、低
温靱性や耐サワ−性を損なうことなく強度を増加させる
のに有効である。この効果を発揮させるためには0.1
%以上の添加が必要である。しかし多すぎると現地溶接
性やHAZ靱性を著しく劣化させる。このためCr量の
上限は1.0%とした。
【0020】MoもCrと同様にMnに比較してCCス
ラブにおいても中心偏析し難く、低温靱性や耐サワ−性
を損なうことなく強度を増加させるのに有効な元素であ
る。このような効果を得るためには、Moは最低0.1
%必要である。しかし過剰なMo添加はHAZ靱性、現
地溶接性を劣化させるので、その上限を1.0%とし
た。VはほぼNbと同様の効果を有し、ミクロ組織の微
細化による低温靱性の向上や焼入れ性の増大、析出硬化
による高強度化などに効果がある。しかし、添加量が多
すぎると現地溶接性やHAZ靱性の劣化を招くので、そ
の上限を0.10%とした。V添加量の下限は、前述の
効果を発揮するための最小量である。REMはCaと同
様にMnSの形態制御に効果がある。この効果を発揮さ
せるためには0.0005%以上の添加が必要である。
また添加量が多すぎるとREM系酸化物が増加し、耐H
IC性を劣化させるためにその上限の値を0.005%
とした。
【0021】上記のような本発明により得られる鋼板に
おいて母材の低温靱性を改善するためには、さらに鋼板
製造法が適切でなければならない。このため鋼片(スラ
ブ)の再加熱、圧延、冷却条件を限定する必要がある。
まず再加熱温度を1050℃〜1250℃の範囲に限定
する。再加熱温度はNb析出物を固溶させ、かつ圧延終
了温度を確保するために1050℃以上としなければな
らない(望ましい再加熱温度は1150〜1200℃で
ある)。しかし再加熱温度が1250℃を超えると、γ
粒が著しく粗大化し圧延によっても完全に微細化できな
いため、優れた低温靱性が得られない。このため再加熱
温度の上限を1250℃とした。
【0022】さらに950℃以下の累積圧下量を60%
以上、圧延終了温度を750〜900℃としなければな
らない(望ましくはAr3 変態点以上)。これは再結晶
域圧延で微細化したγ粒を低温圧延によって延伸化し、
結晶粒の徹底的な微細化をはかって低温靱性を改善する
ためである。累積圧下量が60%未満ではγ組織の延伸
化が不十分で、微細な結晶粒が得られない。また圧延終
了温度が900℃以上では、たとえば累積圧下量が60
%以上でも微細な結晶粒は達成できない。しかし圧延終
了温度が低下し、(γ+α)2相域から水冷すると組織
の制御が困難となり、耐HIC性や強度・低温靱性の劣
化を招くので、圧延終了温度の下限を750℃とした。
【0023】圧延後、鋼板を加速冷却することが必須で
ある。加速冷却は中心偏析を含めたミクロ組織の改善に
有効で、低温靱性を損なわずに強度の増加、耐HIC性
の向上を可能にする。加速冷却の条件としては圧延後、
ただちに冷却速度3〜40℃/秒で350℃以上600
℃以下の温度まで冷却、その後空冷しなければならな
い。冷却速度が遅すぎたり、冷却停止温度が高すぎると
加速冷却の効果が十分に得られず、適正なミクロ組織を
得ることができない。一方、冷却速度が大きすぎたり、
停止温度が低すぎると硬化組織が生成して低温靱性や耐
HIC性が大幅に劣化する。
【0024】なお、この鋼を製造後、焼戻し、脱水素な
どの目的でAc1 変態点以下の温度で再加熱熱処理して
も本発明の特徴を損なうものではない。また省エネルギ
−などを目的としてCCスラブを加熱炉にホットチャ−
ジ、圧延してもよい。本発明は厚板ミルに適用すること
がもっとも好ましいが、ホットコイルにも適用できる
(この場合、圧延冷却後の鋼板は巻き取られ、冷却され
る)。また、この方法で製造した鋼板は低温靱性に優れ
ているので、寒冷地におけるパイプラインのほか圧力容
器などにも適用できる。
【0025】
【実施例】つぎに本発明の実施例について述べる。転炉
−連続鋳造−厚板工程で表1に示す種々の鋼成分の鋼板
(厚み16〜38mm)を表2に示す種々の製造条件に
より製造し、その強度、低温靱性、HAZ靱性および耐
HIC性を調査し、その結果を表2に示す。本発明にし
たがって製造した鋼板(本発明鋼)はすべて良好な特性
を有する。これに対して本発明によらない比較鋼は化学
成分または鋼板製造条件が適切でなく、強度、低温靱
性、HAZ靱性、耐HIC性のいずれかの特性が劣る。
【0026】
【表1】
【0027】
【表2】
【0028】鋼13はC量が高すぎるため、母材・HA
Z靱性、耐HIC性が劣る。鋼14はMn量が高すぎるた
め、耐HIC性が劣る。鋼15はP量が高すぎるため、
耐HIC性が劣る。鋼16はS量が高すぎるため、耐H
IC性が劣る。鋼17はNbを含有していないため、母
材の強度、靱性が悪い。鋼18はTiを含有していない
ため、母材・HAZ靱性が悪い。鋼19はMgを含有し
ていないため、HAZ靱性、耐HIC性が劣る。鋼20
はMg量が高すぎるため、母材・HAZ靱性、耐HIC
性が劣る。鋼21はCaが添加されていないため、かつ
硫化物の形態制御を表すESSP値が0となるため、耐
HIC性が劣る。
【0029】鋼22はESSP値が1.0以上を満足し
ないため、耐HIC性が劣る。鋼23はESSP値が
7.0以下を満足しないため、耐HIC性が劣る。鋼2
4〜鋼28の成分は本発明鋼と同様であるが、製造条件
が適当でないために母材強度、低温靱性あるいは耐HI
C性が劣る。鋼24はスラブ再加熱温度が低く、母材強
度が低い。鋼25は950℃以下の累積圧下量が少ない
ため、低温靱性が劣る。鋼26は圧延終了温度が低いた
め、低温靱性、耐HIC性が劣る。鋼27は圧延後の冷
却速度が遅いため、強度が低く、耐HIC性が劣る。鋼
28は水冷停止温度が低いため、耐HIC性が劣る。
【0030】
【発明の効果】以上述べたように、本発明により耐サワ
−性の優れた高強度パイプライン用鋼を安価に大量生産
することが可能となった。その結果、パイプラインの安
全性が著しく向上した。
【図面の簡単な説明】
【図1】両面潜弧溶接部からのシャルピ−試験片の採取
位置を示す図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 C :0.02〜0.08%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.8〜1.5%、 P :0.010%以下、 S :0.001%以下、 Nb:0.01〜0.05%、 Ti:0.005〜0.03%、 Al:0.02〜0.05%、 Mg:0.005〜0.03%、 Ca:0.001〜0.004%、 N :0.001〜0.005%、 O :0.001〜0.0 03%を含有し、 かつ、1.0≦〔Ca〕(1−124〔O〕)/1.2
    5〔S〕≦7.0を満足する残部が鉄および不可避的不
    純物からなる耐サワ−性に優れた高強度鋼板。
  2. 【請求項2】 重量%で、 C :0.02〜0.08%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.8〜1.5%、 P :0.010%以下、 S :0.001%以下、 Nb:0.01〜0.05%、 Ti:0.005〜0.03%、 Al:0.02〜0.05%、 Mg:0.005〜0.03%、 Ca:0.001〜0.004%、 N :0.001〜0.005%、 O :0.001〜0.003%に、 必要に応じて、 Ni:0.1〜1.0%、 Cu:0.1〜1.0%、 Cr:0.1〜1.0%、 Mo:0.1〜1.0%、 V:0.01〜0.10%、 REM:0.0005〜0.005%の一種または二種
    以上を含有し、かつ、1.0≦〔Ca〕(1−124
    〔O〕)/1.25〔S〕≦7.0を満足する残部が鉄
    および不可避的不純物からなる耐サワ−性に優れた高強
    度鋼板。
  3. 【請求項3】 重量%で、 C :0.02〜0.08%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.8〜1.5%、 P :0.010%以下、 S :0.001%以下、 Nb:0.01〜0.05%、 Ti:0.005〜0.03%、 Al:0.02〜0.05%、 Mg:0.005〜0.03%、 Ca:0.001〜0.004%、 N :0.001〜0.005%、 O :0.001〜0.003%を含有し、 かつ、1.0≦〔Ca〕(1−124〔O〕)/1.2
    5〔S〕≦7.0を満足する残部が鉄および不可避的不
    純物からなる鋼片を1050〜1250℃の温度範囲に
    加熱して、950℃以下の累積圧下量60%以上、圧延
    終了温度750〜900℃で圧延を行なった後、ただち
    に冷却速度3〜40℃/秒で350〜600℃まで水
    冷、その後放冷することを特徴とする耐サワ−性に優れ
    た高強度鋼板の製造法。
  4. 【請求項4】 重量%で、 C :0.02〜0.08%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.8〜1.5%、 P :0.010%以下、 S :0.001%以下、 Nb:0.01〜0.05%、 Ti:0.005〜0.03%、 Al:0.02〜0.05%、 Mg:0.005〜0.03%、 Ca:0.001〜0.004%、 N :0.001〜0.005%、 O :0.001〜0.003%、 に必要に応じて、 Ni:0.1〜1.0%、 Cu:0.1〜1.0%、 Cr:0.1〜1.0%、 Mo:0.1〜1.0%、 V:0.01〜0.10%、 REM:0.0005〜0.005%の一種または二種
    以上を含有し、かつ、1.0≦〔Ca〕(1−124
    〔O〕)/1.25〔S〕≦7.0を満足する残部が鉄
    および不可避的不純物からなる鋼片を1050〜125
    0℃の温度範囲に加熱して、950℃以下の累積圧下量
    60%以上、圧延終了温度750〜900℃で圧延を行
    なった後、ただちに冷却速度3〜40℃/秒で350〜
    600℃まで水冷、その後放冷することを特徴とする耐
    サワ−性に優れた高強度鋼板の製造法。
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