JPS63317624A - 耐水素誘起割れ性にすぐれた鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、耐水素誘起割れ性にすぐれた鋼材に関し、
とくに硫化水素を含む湿潤環境で使用されるラインパイ
プ用鋼や油井管などの用途で要請される、耐水素誘起割
れ性を、とくにＭｎを１．２重量％以上で含有する場合
にもことに著しく向上させる、鋼組成に関連して組織の
改善を図った耐水素誘起割れ性にすぐれた鋼材の製造方
法を提案しようとするものである。

近年、硫化水素を含む原油や天然ガスの輸送に用いられ
るラインプイプや油井管などにおいて、いわゆる水素誘
起割れに起因する漏洩あるいは破壊事故例が報告されこ
の種の鋼材の耐水素誘起割れ性が重要な問題となってい
る。

この水素誘起割れの発生機構については近年多くの研究
がなされ次の様な機構であることが明らかにされている
。

すなわち、水素誘起割れは綱の腐食反応によって発生し
た水素が鋼中に侵入し、この鋼中に侵入した水素が鋼中
の非金属介在物と地鉄との界面に集積ガス化して、この
ガス圧によって割れが発生するものである。

また非金属介在物のうちでも介在物先端のノツチ効果に
よる応力集中が生じ易いＭｎＳなどのＡ系介在物が水素
誘起割れに対してもっとも有害であり、また偏析部に生
ずる帯状のマルテンサイトやベイナイトなどの低温変態
異常組織（以下異常組織と略す。）が最も割れの伝播し
易い組織であることが知られている。

（従来の技術） 以上のことから水素誘起割れの対策として従来行なわれ
ている方法は、鋼に侵入する水素量を低減させる方法、
割れの伝播し易い異常組織を低減する方法および割れの
起点となるＡ系介在物を分散、球状化する方法の三つに
大別できる。

（発明が解決しようとする課題） これらのうち最も有効なものが、ＣａあるいはＲＥＭ添
加による介在物の分散、球状化であるが、Ｍｎが１．２
０重量％以上の高Ｍｎｌ材では異常組織が発達するため
、上記の対策だけでは不充分であり、低Ｐ化あるいは偏
析軽減対策さらには熱処理など、異常組織を低減させる
対策を同時に行なう必要があり製造コストの上昇は避け
られなかった。

（課題を解決するための手段） 発明者らは前記従来技術の欠点を克服し、低コストで、
耐水素誘起割れ性に優れた高Ｍｎ１ａｌ材を得るために
研究を行なった結果、以下の新しい知見を得た。

すなわち、従来のフェライト・パーライト鋼ではＭｎ量
が多くなるほど偏析部に異常組織が発達し易く、ビッカ
ース硬さ３５０以上のものが多（なって割れ感受性が高
くなるのに反し、Ｃが０．０８重量％以下の高Ｍｎ１ｌ
材でとくに均一な微細フェライト・ベイナイト鋼とした
場合は、中央の偏析部でもビッカース硬さ３５０以下の
組織となり、耐水素誘起割れ性が著しく向上することで
ある。

これは低Ｃ化することにより生成するベイナイト自体の
硬さが低下するこ左および均一にベイナイトが生成する
成分系にすることによって低温変態時に偏析部に拡散す
るＣが周辺のベイナイトにとらえられて少なくなり、偏
析部に生ずるベイナイトあるいは島状マルテンサイトの
Ｃ含有量が通常のフェライト・パーライトａの偏析部に
生ずるものよりも著しく少なくなるためである。

この発明は以上の新しい知見にもとづき、Ｃ０，０８重
量％以下でかつ低Ｓ化のもとにＣａ添加することによっ
て充分な介在物の分散・球状化を行なった鋼スラブを、
９００℃以上１３５０℃以下の温度に加熱した後、（Ａ
ｒｓ　＋　１５０℃）以上の温度で累積圧下率が５０％
以上９５％以下となるように圧延を施し、引続いて（Ａ
ｒｓ＋１５０℃）以下でかつＡｒ、点以上の未再結晶オ
ーステナイト域の温度範囲内で累積圧下率が５０％以上
９５％以下となるように圧延し、次いでＡｒ３点以下で
かつ（Ａｒ＋　　１００℃）以上のオーステナイトとフ
ェライトとの二相域の温度範囲内で累積圧下率が１０％
以上９２％以下となるように圧延し、その後空冷あるい
は水冷して、結晶粒径５μｍ未満のフェライトと微細ベ
イナイトと島状マルテンサイトおよび微細加工フェライ
トを主体とした、いわゆる微細フェライト・ベイナイト
組織とすることによって、綱の耐水素誘起割れ性を著し
く向上し得ることを究明した。

以下の鋼組成は、各成分系列を通して上記の基礎的知見
に従う共通の目的に適合し、成分系毎に個々の特性をそ
れぞれさらに充実させ得る。

１、　　Ｃ：　０．０８重量％以下、Ｓｔ　：　０．０
１〜０．５０重量％、Ｍｎ　：　１．２０〜３．００重
量％、Ｐ　：　０．０２０重量％以下、Ｓ　：　０．０
０３重量％以下、Ｃａ　：　０．００１〜０．０１０重
看％およびＡｌ１：０．０１〜０．１０重量％を含有し
、残部実質的にＰｅからなる成分組成。

２．１の成分組成を基本としてざらにＣｕ　：　０．１
５〜０．６０重量％、Ｎｉ　：　０．１０〜０．６０重
量％およびＣｒ：０．１０〜３．０重量％のうちから選
ばれた少なくとも１種を含有する成分組成。

３、　同じくさらにＭｏ　：　０．０１〜１．０重量％
、Ｎｂ　：　０．０１〜０．１５重量％、Ｖ　：　０．
０１〜０．１５重量％、およびＺｒ　：　０．０１〜０
．１５重量％のうちから選ばれた少な（とも一種を含有
する成分組成。

４、同じ（さらにＢ　：　０．０００５〜ｏ、ｏｏｓ重
量％又はＢ　：　０．０００５〜０．００５重量％およ
びＴｉ　：　０．０１〜０．１０重量％を含有する成分
組成。

５、　同じくさらにＣｕ　：　０．１５〜０．６０重量
％、Ｎｉ　：　０．１０〜０．６０重量％およびＣｒ　
：　０．１０〜３．０重量％のうちから選ばれた少なく
とも１種ならびにＭｏ　：　０．０１〜１．０重量％、
Ｎｂ　：　０．０１〜０．１５重量％、Ｖ　：　０．０
１〜０．１５重量％およびＺｒ　：　０．０１〜０．１
５重量％のうちから選ばれた少なくとも１種を含有する
成分組成。

６、　同じくさらにＣｕ　：　０．１５〜０．６０重量
％、Ｎｉ　：　０．１０〜０．６０重量％およびＣｒ　
：　０．１０〜３．０重量％のうちから選ばれた少なく
とも１種ならびにＢ：０．０００５〜０．００５重量％
またはＢ　：　０．０００５〜０．００５重量％および
Ｔｉ　：　０．０１〜０．１０重量％を含有する成分組
成。

７、　同シ＜すらニＦＩｏ　：　０．０１〜１．０重量
％、Ｎｂ　：　０．０１〜０．１５重量％、Ｖ　：　０
．０１〜０．１５重量％およびｚｒ：０．０１〜０．１
５重量％のうちから選ばれた少なくとも１種、ならびに
Ｂ　ｊ　Ｏ，０００５〜０．００５重量％またはＢ　：
　０．０００５〜０．００５重量％およびＴｉ　：　０
．０１〜０．１０重量％を含有する成分組成。

８、　同じくさらにＣｕ　：　０．１５〜０．６０重量
％、Ｎｉ　：　０．１０〜０．６０重量％およびＣｒ　
：　０．１０〜３．０重量％のうちから選ばれた少なく
とも１種と、Ｍｏ　：　０．０１〜１．０重量％、Ｎｂ
　：　０．０１〜０．１５重量％、Ｖ：０．０１〜０．
１５重量％およびＺｒ　：　０．０１〜０．１５重量％
のうちから選ばれた少なくとも１種ならびにＢ：０．０
００５〜０．００５重量％またはＢ　：　０．０００５
〜０．００５重量％およびＴｉ　：　０．０１〜０．１
０重量％を含有する成分組成。

発明者らの研究によれば水素誘起割れ感受性を低下させ
るには、偏析部に生ずる異常組織の硬さをビッカース硬
さで３５０以下になるようにすることが非常に有効であ
るが、ここにＣを０．０８％以下にした上で組織を均一
微細フェライトベイナイトとすることによって上記した
各成分系を通して偏析部に生ずるベイナイトあるいは島
状マルテンサイトの硬さを３５０以下とすることができ
た。

次に低Ｓ化の下でＣａ添加により介在物を分散・球状化
して割れの起点を低減し、同時に前述した割れの伝播組
織となる異常組織の硬さを下げることにより鋼材の耐水
素誘起割れ性を著しく向上させる。

上記した三段階の圧延を経たあとは、単に空冷または水
冷による冷却処理に供するだけで、その冷却速度に影響
されることなく結晶粒径５μｍ未満のフェライトと微細
ベイナイトと島状マルテンサイト及び微細加工フェライ
トを主体とする組織、すなわち微細フェライト・ベイナ
イト組織が得られる。

（作　用） 次にこの発明の成分限定理由について述べる。

ｃ　：　ｏ、ｏｓ重量％以下（簡単のため以下単に％で
示す。） 鋼の強度を向上させる元素であるが０．０８％を越える
と、偏析部に生じるベイナイトあるいは島状マルテンサ
イトの硬さがビッカース硬さで３５０以上となり耐水素
誘起割れ性を劣化させるので、０．０８％以下に限定し
た。

Ｓｔ　：　０．０１〜０．５０％ 脱酸上必要な元素であるが０．０１％未満ではその効果
がなく　０．５０％を越えると鋼の靭性をそこなうので
０．０１〜０．５０％の範囲に限定した。

Ｍｎ　：　１．２０〜３．００％ 強度を向上させる元素であり、またと（に均一微細フェ
ライトベイナイト組織を得るためにも必要であって、１
．２０％未満では、所定の組織、強度を得るのがむずか
しく　３．００％を越えると綱の靭性に悪影響を与える
ので１．２０％〜３．００％の範囲に限定した。

Ｐ　：　０．０２０％以下 Ｐは偏析し易く、組織・硬さの不均一を発生させる原因
となり、また靭性も劣化させるので少ない方が望ましい
が、低Ｐ化することは製造コストを上昇させるので、こ
の発明に悪影響を与えない上限である０、０２０％以下
に限定した。

Ｓ　：　０．００３％以下 Ｓは０．００３％を越えるとＣａを添加しても介在物の
分散・球状化による耐水素誘起割れ性向上の効果が充分
に得られないので０．００３％以下に限定した。

Ｃａ　：　０．００１〜０．０１０％ Ｃａ添加による介在物の分散・球状化のためには少なく
とも０．００１％を必要とするが０．０１０％を越えて
添加するとＣａ系介在物を増加させかえって耐水素誘起
割れ性に悪影響を与えるので０．００１〜０．０１０％
の範囲に限定した。

八ｆ：０．０１〜０６１０％ 脱酸上必要であり、またＣａの歩留りを向上させる元素
であるが、０．０１％未満ではその効果がなく０．１０
％を越すと結晶粒の粗大化を引き起して材質を劣化させ
るなど好ましくないので０．０１〜０．１０％の範囲に
限定した。

以上の如きＣ，Ｓｉ、　Ｍｎ、　　Ｐ、　　Ｓ、　Ｃａ
および八！、の限定成分範囲をもってこの発明が有利に
適用される基本組成とするが以下の各成分についてもそ
の限定範囲で基本組成に期待したと同一の口約の下にそ
の一層の発展をもたらす。

Ｃｕ　：　０．１５〜０．６０％ Ｃｕは耐食性の向上を主目的として０．６０％以下含有
させるが耐水素誘起割れ性の向上にも効果があり、ここ
に０．１５％未満では効果が少なく　０．６０％を越す
と熱間加工性をそこなうので０．１５〜０．６０％の範
囲とした。

Ｎｉ：０．１〜０．６％ Ｎｉも耐食性の向上を主目的として０．６％以下含有さ
せるが、靭性の向上にも効果があり、とくにＣｕを０．
２％以上で含有する場合はＣｕによる脆化を防ぐために
も寄与し、ここに０．１０〜０．６０％を含有する必要
があるので０．１０〜０．６０％に限定した。

Ｃｒ　：　０．１０〜３．０％ Ｃｒもまた耐食性向上を主目的として３．０％以下含有
させるが、強度・靭性の向上にも効果があり、ここに０
．１０％未満ではその効果がなく、また３、０％を越す
と加工性に悪影響を与えるため０．１０〜３．０％の範
囲に限定した。

ここに上記のＣｕ、　ＮｉおよびＣｒはそれらの各成分
範囲において同効である。

Ｍｏ　：　０．０１〜１．００％ ＭＯは焼入れ性、強度の向上に１．００％以下で効果が
あるが０．０１％未満ではその効果が少なく　１．００
％を越す多量の添加は靭性を劣化させるおそれがあるの
で０８０１〜１．００％の範囲とした。

Ｎｂ、　　ＶおよびＺｒ　：　０．０１〜０．１５％Ｎ
ｂ、　　ＶおよびＺｒは０．１５％以下でＭＯとほぼ同
様な効果があり、ＭＯについてのべたのと同じ理由によ
り、ソレソれＮｂ　：、０．０１〜０．１５％、Ｖ　：
　０．０１〜０．１５％、Ｚｒ　：　０．０１〜０．１
５％の範囲に限定した。

Ｂ　：　０，０００５〜０．００５％ Ｂは焼入性を向上させる元素でＯ，００５％以下で効果
があるが０．０００５％未満では効果が少＜、０．００
５％を越すと靭性をそこなうのでｏ、ｏｏｏｓ〜０．０
０５％の範囲に限定した。

Ｔｉ　：　０．０１〜０．１％ ＴｉはＢと共存してその効果をより有効化する作用に加
えて、強度の向上および耐食性の向上にも寄与する。Ｔ
ｉは０．０１％未満では、Ｂとの共存作用は不充分な一
方、０．１０％を越すと靭性を劣化させるので、０．０
１〜０．１０％の範囲におけるＢとの併用は、上記Ｂ単
独の場合と同効である。

次にこの発明の鋼材に施される加工処理工程の限定理由
を述べる。

まずスラブ加熱温度は９００℃以上でないと実際上圧延
が困難であるため９００℃以上とするが、いたずらにス
ラブ加熱温度を高めるとδ相あるいは液相の出現により
圧延時の熱間割れが生じ好ましくない。このような熱間
割れを防ぐため、通常の圧延では、スラブ加熱温度をＡ
１点（１４００℃）以下としているが、Ａ１点が成分あ
るいは偏析によって変動することを考慮して１３５０℃
を上限とした。

この発明では、微細フェライトおよび微細ベイナイト組
織を必須要件とするが、これらの微細粒子を生成させる
ためには、オーステナイト結晶粒径を２０μｍ以下にす
る必要があり、このためには、９００　”Ｃ以上の温度
に加熱した鋼のスラブに対する（Ａｒｚ＋１５０℃）以
上の高温再結晶オーステナイト域における累積圧下率が
、５０％以上であることがまず必要であり、これ以下で
は微細フェライトベイナイト組織が得られない。

また、この領域での累積圧下率が９５％を越えることは
（Ａｒａ＋１５０℃）からＡｒ、までの未再結晶オース
テナイト域および八ｒ３から（Ａｒｚ　　１００℃）の
令頁域の圧延での適正な量の圧下を困難とするので、上
限を９５％とした。

次に（Ａｒｓ　＋　１５０℃）からＡｒｓまでの未再結
晶オーステナイト域において５０％以上の圧延を施すこ
とによってベイナイトならびに島状マルテンサイトの生
成を促進し、Ａｒ３から（Ａｒ３　１００℃）までの（
γ＋α）二相域での１０％以上の圧延によって微細フェ
ライト・ベイナイト組織を得ることができる。

ここに（Ａｒ＋　＋　１５０℃）からＡｒ３までの未再
結晶域の圧延が５０％未満で不充分な場合、偏析部以外
でのベイナイトマルテンサイトの生成が遅れるため、偏
析部にＣが拡散し偏析部に、いわゆる異常組織を生成し
、耐水素誘起割れ性を劣化させる。

また、この領域での累積圧下率が９５％を越えることは
（Ａｒｘ＋１５０℃）以上の高温再結晶オーステナイト
域およびＡｒ、から（Ａｒ＋　　１００℃）の領域の圧
延での適正な量の圧下を困難とするので、上限を９５％
とした。

さらにＡｒ３から（Ａｒｚ　　１００℃）の領域の圧延
が１０％未満でも残留オーステナイトの変態が遅れるた
め少量の異常組織の生成が起きると同時にフェライト粒
度を５μｍ未満に充分細かくすることができないため鋼
の靭性が得られ難く、そして（Ａｒ３−１００℃）以下
の低温圧延を行なうと鋼の靭性をそこなうおそれがある
。

また、この領域での累積圧下率が９２％を越えることは
、（Ａｒｓ＋１５０℃）以上の高温再結晶オーステナイ
ト域および（Ａｒ＋　＋　１５０℃）からＡｒｓまでの
未再結晶オースナイト域の圧延での適正な量の圧下を困
難とするので、上限を９２％とした。

以上の理由によりこの発明では前述の如く圧延条件を限
定する。

上記圧延段階を経たのちの冷却については、すでに触れ
たように、空冷又は水冷を施すことにより、所望の微細
フェライト・ベイナイト組織が得られる。

（実施例） 発明者らはＣ，Ｍｎレベルの異なる４種類の低Ｃ高Ｍｎ
ｌをベースにこの発明による耐水素誘起割れ性向上を明
らかにする試験を行なった。

（表１）に試験に供した試料の化学成分を示す。

１〜２４鋼はすべてこの発明で限定した圧延条件を満足
する圧延を施した微細フェライトベイナイト鋼でありこ
れらのうち１〜２０鋼は圧延後空冷、２１〜２４鋼は圧
延後５００℃までシャワー水冷を行なった。なお８八〜
８Ｄは８鋼と同じ成分のものを圧延条件のみ変化させ、
圧延条件の影響を見たものである。

（表２）に供試鋼の圧延条件および機械的性質を示す。

耐水素誘起割れを評価する方法としては、ＢＰテスト条
件（Ｈ，Ｓ飽和人工海水中９６時間浸漬、液ｐＨ約５．
２）とＮＡＣＥ条件（ｕｇｓ飽和０．５％酢酸＋５％食
塩水中９６時間浸漬、液ｐＨ約３．０）の２条件の試験
を用いた。

試験片は最も偏析が大きいと考えられる連鋳スラブの幅
中心部に相当する位置より第１図に示す如（圧延方向に
採取した。

第２図に試験片の形状を示す。

割れの判定は各試験液中に無負荷状態で９６時間浸漬し
た後第３図に示すように試験片毎に３断面各鋼種３本づ
つ計９断面を検鏡（１０倍）して行なった。

（表３）に試験結果および試料の中央偏析部のビッカー
ス高度（５０ｇ　）の最大値を示す。

これかられかるようにＣ量が０．０８％以下の微細フェ
ライト・ベーナイト鋼でかつ充分な介在物の分散・球状
化を行ったこの発明の各供試鋼はすぐれた耐水素誘起割
れ性を示すがＣａが０．００１０％未満あるいはＳ量が
０．００３％を越える試料１〜４．９゜１０、１４．１
５．２１、および２２の各比較鋼は耐水素誘起割れ性が
劣る。

またＣが０．０８％を越える試料１６．１７鋼は偏析部
のビッカース硬さが３５０以上となるため充分な耐水素
誘起割れ性が得られない。

また８−Ａ〜Ｂ−Ｄ鋼の如くこの発明の圧延条件を満足
しない場合はビッカース硬さ３５０以上の異常組織が生
成するため、充分な耐水素誘起割れ性は得られない。

（発明の効果） 以上の結果からこの発明によって耐水素誘起割れ性にす
ぐれた鋼材が得られることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は板材からの試験片採取要領を示す説明図、 第２図は水素誘起割れ試験片の斜視図、第３図は水素誘
起割れ検鏡要領の説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．０８重量％以下、 Ｓｉ：０．０１〜０．５０重量％、 Ｍｎ：１．２０〜３．００重量％、 Ｐ：０．０２０重量％以下、 Ｓ：０．００３重量％以下、 Ｃａ：０．００１〜０．０１０重量％、およびＡｌ：０
   ．０１〜０．１０重量％ を含有する組成の鋼スラブに、 ９００℃以上１３５０℃以下の温度で加熱した後、（Ａ
   ｒ＿３＋１５０℃）以上の温度での累積圧下率が５０％
   以上９５％以下となる圧延 引続き（Ａｒ＿３＋１５０℃）以下でかつＡｒ＿３点以
   上の未結晶オーステナイト域の温度範囲内での累積圧下
   率が５０％以上９５％以下となる圧延Ａｒ＿３点以下で
   かつ（Ａｒ＿３−１００℃）以上のオーステナイトとフ
   ェライトとの二相域の温度範囲内での累積圧下率が１０
   ％以上９２％以下となる圧延 と、その後の空冷または水冷による冷却処理とを施して
   、結晶粒径５μｍ未満のフェライトと微細ベイナイトと
   島状マルテンサイトおよび微細加工フェライトを主体と
   する組織を得る ことを特徴とする、耐水素誘起割れ性にすぐれた鋼材の
   製造方法。