JP4105380B2

JP4105380B2 - 優れた靭性をもつ、超高強度、溶接性の、本質的に硼素を含まない鋼

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Publication number: JP4105380B2
Application number: JP2000504300A
Authority: JP
Inventors: ジェイオングクー; マイケルジェイルートン; ナラシムハラオヴィバンガル; クリフォードダブリューピーターセン; 博為広; 均朝日; 卓也原; 好男寺田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: EP1025271A4; EP1025271A1; CA2295586C; BR9811059A; DE69832088T2; CA2295586A1; ES2251096T3; JP2001511481A; DE69832088D1; RU2215813C2; US6224689B1; CN1087357C; UA57798C2; WO1999005334A1; EP1025271B1; CN1265711A; ATE307912T1; KR100375085B1; KR20010022331A; AU8667498A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、優れた靭性を有する超高強度、溶接性鋼板並びにこれから製造したラインパイプに関するものである。より詳しくは、本発明は該ラインパイプの残部に対する、そのHAZの強度損失が最小化される、超高強度、高靭性、溶接性、低合金ラインパイプ鋼並びに該ラインパイプのプリカーサーとしての鋼板の製法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
明細書の以下の説明において、種々の用語が定義される。便宜的に、語彙用語解説を図面の簡単な説明の前に与える。
一般的に、工業的に使用されている最大の降伏強さを持つラインパイプは、約550 MPa(80 ksi)なる降伏強さを示す。より高強度のラインパイプ鋼は、例えば約690 MPa(100 ksi)までの強度のものが市販品として入手できるが、我々の知る範囲においては、パイプラインの製造のために、工業的に使用されてはいない。更に、クー&ルートン(Koo & Luton)の米国特許第5,545,269号、同第5,545,270号および同第5,531,842号に記載されているように、少なくとも約830 MPa(120 ksi)の降伏強さ、および少なくとも約900 MPa(130 ksi)の引張り強さを有する優れた強度の鋼を、ラインパイプ用のプリカーサーとして製造することが実用的であることが分かっている。クー&ルートンによって米国特許第5,545,269号に記載された該鋼の強度は、鋼の化学的構成(chemistry)と加工技術とのバランスによって達成され、結果として実質的に均一な微小構造が生成され、該微小構造は、主として微粉砕され、調質されたマルテンサイトおよびベイナイトを含み、二次的にε-銅およびバナジウム、ニオブおよびモリブデンのある種の炭化物または窒化物もしくは炭窒化物の析出物によって硬化される。
【０００３】
米国特許第5,545,269号において、クー&ルートンは、高強度鋼の製法を記載しており、該方法において、該鋼は、最終的な熱間圧延温度から、400℃(752°F)程度の温度まで、少なくとも20℃/秒(36°F/秒)、好ましくは約30℃/秒(54°F/秒)なる速度で急冷し、主としてマルテンサイトおよびベイナイト微小構造を生成している。更に、所定の微小構造および性質を達成するためには、該クー&ルートンによる発明は、該鋼板を付随的な加工工程によって二次的に硬化手順に付す必要があり、該付随的な加工工程は、該水冷された鋼板を、その変態点Ac₁、即ち加熱中にオーステナイトの生成が始まる温度を越えない温度にて、ε-銅およびバナジウム、ニオブおよびモリブデンのある種の炭化物または窒化物もしくは炭窒化物の析出を生じるのに十分な時間、調質(焼戻し)する工程を含む。この後‐急冷焼入れの付随的な段階は、該鋼板のコストの更なる増加を招く。従って、該焼入れ段階を不要にし、しかも依然として所定の機械的特性を達成する、該鋼の加工方法を提供することが望ましい。更に、該焼入れ段階は、該所定の微小構造を生成しおよび所定の諸特性を達成するための、該二次的な硬化段階として必要ではあるが、0.93を越える降伏歪対引張り強さの比に導く。好ましいパイプライン設計の観点から、約0.93未満の該降伏歪対引張り強さの比を維持し、かつ高い降伏歪および引張り強さを維持することが望ましい。
【０００４】
長距離に渡り原油および天然ガスを搬送するために、通常達成できる以上に高い強度をもつパイプラインに対する需要がある。この需要は、(i) より高いガス圧の使用により輸送効率を高め、かつ(ii) 壁の厚みおよび外径を減じることにより、材料並びに敷設コストを減じるべきであるという要件によって導かれる。
結局、本発明の目的は、低コスト、低合金、超高強度鋼板を製造するための、鋼組成物および加工用代替品、並びにこれから製造したラインパイプを提供することにあり、ここで該高強度特性は、二次的な硬化を達成するための焼入れ段階を必要とすることなしに得られる。更に、本発明のもう一つの目的は、ラインパイプ用の高強度鋼板を提供することにあり、これはパイプラインの設計に適しており、その降伏歪対引張り強さの比は、約0.93未満である。
【０００５】
最も高い強度をもつ鋼、即ち約550 MPa(80 ksi)を越える降伏強さをもつ鋼に関連する問題は、溶接後の該HAZの軟化である。該HAZは、局所的な相転移を生ずる可能性があり、あるいは溶接によって誘発される熱サイクル中に、アニーリングを起こす可能性があり、これは、母材に比して大幅な、即ち約15%までまたはそれ以上の、該HAZの軟化に導く。超高強度鋼は、830 MPa(120 ksi)またはそれ以上の降伏強さをもつように製造されているが、これら鋼は一般的に、ラインパイプに必要とされる靭性に欠けており、またラインパイプに必要とされる溶接性に関する要件を満足しない。というのは、このような物質が、比較的高いPcm(溶接性を表すための周知の工業用語である)、一般的には約0.35を越えるPcmをもつからである。
結局、本発明のもう一つの目的は、ラインパイプ用のプリカーサーとしての、低合金、超高強度鋼板を提供することにあり、該鋼板は、少なくとも約690 MPa(100 ksi)の降伏強さ、少なくとも約900 MPa(130 ksi)の引張り強さおよび低温、即ち約‐40℃(-40°F)までの用途に対して十分な靭性を有し、しかも一貫した製品の性能を維持し、かつ溶接により誘発される熱サイクル中の、該HAZにおける強度の損失を最小限にする。
【０００６】
本発明の更なる目的は、ラインパイプに必要とされる靭性並びに溶接性および約0.35未満のPcmを有する、超高強度鋼を提供することにある。溶接性との関連で広く利用されているが、溶接性を表すのに使用されているもう一つの工業的用語であるPcmおよびCeq(炭素当量)両者は、母材中に硬質の微小構造を生成する該鋼の性質に関連する手引きを与えるという意味で、鋼の硬化性をも反映している。本明細書で使用するPcmは以下のように定義され: Pcm = wt% C + wt% Si/30 + (wt% Mn + wt% Cu + wt% Cr)/20 + wt% Ni/60 + wt% Mo/15 + wt% V/10 + 5 (wt% B)、またCeqは以下のように定義される: Ceq = wt% C + wt% Mn/6 + (wt% Cr + wt% Mo + wt% V)/5 + (wt% Cu + wt% Ni)/15。
【０００７】
【発明の開示】
米国特許第5,545,269号に記載されているように、この特許に記載の条件下では、超高強度鋼の最終的な圧延に伴う、400℃(752°F)に満たない温度(好ましくは、周囲温度)までの水冷工程は、空冷により置き換えるべきではないことが分かった。というのは、このような条件下では、空冷は、オーステナイトのフェライト/パーライト凝集体への変態を生じ、該鋼の強度の劣化をきたす可能性があるからである。
このような鋼の水冷を、400℃(752°F)以上で終了することは、この冷却中に不十分な変態硬化を生じ、結果として該鋼の強度を減じる恐れがある。
米国特許第5,545,269号に記載された方法により製造された鋼板においては、例えば約400℃〜約700℃(752〜1292°F)の範囲内の温度まで、所定期間再加熱することによって、該水冷後に調質して、該鋼板全体に渡る均一な硬化を達成し、かつ該鋼の靭性を改善する。該シャルピーV-ノッチ衝撃テストは、鋼の靭性を測定するための周知のテストである。このシャルピーV-ノッチ衝撃テストを利用して得ることのできる測定値の一つは、所定の温度における鋼サンプルの破壊の際に吸収されるエネルギー(衝撃エネルギー)、例えば‐40℃(‐40°F)における衝撃エネルギー(vE_-40)である。
【０００８】
米国特許第5,545,269号に記載された発展に引き続き、高い靭性をもつ超高強度鋼は、コストのかさむ最終的な調質段階を必要とすることなしに、製造できることを見出した。この望ましい結果は、該鋼の特定の化学的構成に依存して、特定の温度範囲での急冷を中断することにより達成されることが分かっている。この際に、支配的に微粉砕された低ベイナイト、微粉砕されたラス状マルテンサイト、またはこれらの混合物を含む微小構造が、該中断された冷却温度において、あるいはその後の室温までの空冷の際に成長する。また、この新たな加工工程の順序が、これまでに達成可能であった以上に、より一層高い強度および靭性を有する、鋼板が得られるという驚くべき、かつ予想外の結果を与えることも分かった。
本発明の上記の目的と一致して、本明細書において中断直接冷却(Interrupted Direct Quenching; IDQ)と呼ぶ加工法を提供し、該方法においては、所定の化学的構成を持つ低合金鋼板を、熱間圧延の終了時点において、適当な流体、例えば水で、適当な冷却停止温度(Quench Stop Temperature; QST)まで急冷することにより、急速に冷却し、次いで周囲温度まで空冷して、支配的に微粉砕された低ベイナイト、微粉砕されたラス状マルテンサイト、またはこれらの混合物を含む微小構造を生成している。本発明の説明の際に使用する用語「急冷または冷却(quenching)」とは、任意の手段によって促進された冷却を意味し、従って該鋼の周囲温度までの空冷とは対照的に、該鋼の冷却速度を増大する傾向をもつものとして選択された流体が利用される。
【０００９】
本発明は、鋼板を提供し、該鋼板は、IDQと呼ばれる該部分的急冷工程、これに伴う空冷段階に対して、硬化をもたらす、冷却速度およびQSTパラメータの変化に適応する能力を持ち、結果として該完成された鋼板中に、支配的に微粉砕された低ベイナイト、微粉砕されたラス状マルテンサイト、またはこれらの混合物を含む微小構造を生成する。5〜20 ppm程度の少量の硼素を添加することが、低炭素、低合金鋼の硬化性に大きな作用を持つことは、当分野において周知である。かくして、鋼への硼素の添加は、過去において硬質相、例えばマルテンサイト相を、低濃度の化学的成分を含む低合金鋼、即ち低コスト化のために低炭素当量(Ceq)の、優れた溶接性をもつ、高強度鋼内に生成するために効果的に利用されている。しかしながら、この少量の硼素添加の一貫した調節は、容易には達成されない。技術的により進歩した鋼‐製造設備およびノウハウを必要とする。本発明は、硼素の添加されたまたは未添加の、ある範囲に及ぶ鋼化学的構成を提供し、これらは該IDQ技術により加工して、該所定の微小構造および特性を得ることを可能とする。
【００１０】
本発明によれば、鋼の化学的構成と加工技術との間の釣り合いが達成され、結果として少なくとも約690 MPa(100 ksi)、より好ましくは少なくとも約760 MPa(110 ksi)およびより一層好ましくは少なくとも約830 MPa(120 ksi)の降伏強さ、および好ましくは約0.93未満、より好ましくは0.90未満およびより一層好ましくは少なくとも約0.85未満の降伏歪対引張り強さの比を有する、高強度鋼板の製造を可能とし、該鋼板からラインパイプを製造できる。これら鋼板において、ラインパイプ用途のために溶接した後、該HAZにおける強度の損失は、該母材鋼の強度に対して約10％未満、好ましくは約5％未満である。付随的に、ラインパイプの製造に適したこれら超高強度、低合金鋼板は、好ましくは少なくとも約10mm(0.39インチ)、より好ましくは少なくとも約15mm(0.59インチ)、より一層好ましくは少なくとも約20mm(0.79インチ)の厚みを有する。その上、これら超高強度、低合金鋼板は、添加硼素を含まないか、あるいは特定の目的にとっては、約5 ppm〜約20 ppm、好ましくは約8 ppm〜約12 ppmの範囲内の添加硼素を含有する。該ラインパイプ製品の性能は、実質上一定に維持され、また一般的には水素により促進される亀裂を発生しない。
【００１１】
好ましい鋼製品は、好ましくは微粉砕された低ベイナイト、微粉砕されたラス状マルテンサイト、またはこれらの混合物を含む、実質的に均一な微小構造を有する。好ましくは、該微粉砕されたラス状マルテンサイトは、自己調質(auto-tempered) 微粉砕ラス状マルテンサイトを含む。本発明の説明および特許請求の範囲において使用する用語「支配的にまたは主として(predominantly)」とは、少なくとも約50体積%を意味する。該微小構造の残部は、付随的な微粉砕された低ベイナイト、付随的な微粉砕されたラス状マルテンサイト、上部ベイナイト、またはフェライトを含むことができる。より好ましくは、該微小構造は、少なくとも約60体積%乃至約80体積%の微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイト、またはその混合物を含む。より一層好ましくは、該微小構造は、少なくとも約90体積%の微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイト、またはその混合物を含む。
該低ベイナイトおよび該ラス状マルテンサイト両者は、バナジウム、ニオブおよびモリブデンの炭化物または炭窒化物の析出物により付随的に硬化される可能性がある。これら析出物、特にバナジウムを含む析出物は、同様に該変態点Ac₁を越えない温度に加熱された領域における、転位密度の任意の実質的な減少を防止することにより、または該変態点Ac₁を越える温度に加熱された領域内の、析出硬化の誘発により、あるいはこれら両者により、HAZの軟化を最小化するのに役立つ可能性がある。
【００１２】
本発明の鋼板は、通常の様式で鋼スラブを調製することによって製造でき、一態様においては鉄および指定された重量%での以下の合金元素を含み: 0.03-0.10%の炭素(C)、好ましくは0.05-0.09%のC; 0-0.6%の珪素(Si); 1.6-2.1%のマンガン(Mn); 0-1.0%の銅(Cu); 0-1.0%のニッケル(Ni)、好ましくは0.2-1.0%のNi; 0.01-0.10%のニオブ(Nb)、好ましくは0.03-0.06%のNb; 0.01-0.10%のバナジウム(V)、好ましくは0.03-0.08%のV; 0.3-0.6%のモリブデン(Mo); 0-1.0%のクロム(Cr); 0.005-0.03%のチタン(Ti)、好ましくは0015-0.02%のTi; 0-0.06%のアルミニウム(Al)、好ましくは0.001-0.06%のAl; 0-0.006%のカルシウム(Ca); 0-0.02%の希土類金属(REM); 0-0.006%のマグネシウム(Mg)、かつCeq ≦0.7であり、かつPcm ≦ 0.35であることにより特徴付けられる。
【００１３】
あるいはまた、上記の化学的構成は変更され、かつ0.0005-0.0020wt%の硼素(B)、好ましくは0.0008-0.0012wt%のBを含み、および該Moの含有率は0.2-0.5wt%である。
本発明の本質的に硼素を含まない鋼について、Ceqは、好ましくは約0.5を越え、かつ約0.7未満の値である。本発明の硼素含有鋼については、Ceqは、好ましくは約0.3を越え、かつ約0.7未満の値である。
更に、周知の不純物、窒素(N)、燐(P)および硫黄(S)は、本発明の鋼において最小化することが好ましいが、幾分かのNの存在は、以下に説明するように、粒界成長‐阻害性窒化チタン粒子を生成するために望ましい。好ましくは、このNの濃度は、約0.001〜約0.006wt%であり、該Sの濃度は、約0.005wt%を越えず、より好ましくは約0.002wt%を越えず、また該Pの濃度は約0.015wt%を越えない。この化学的構成において、該鋼は、添加硼素が存在しないことから、本質的に硼素を含まないものであるか、その硼素濃度が好ましくは約3 ppm未満、より好ましくは約1 ppm未満であるか、あるいは該鋼は、上記のように添加硼素を含む。
【００１４】
本発明によれば、支配的に微粉砕された低ベイナイト、微粉砕されたラス状マルテンサイトまたはこれらの混合物を含む、微小構造を有する、超高強度鋼を製造するための好ましい方法は、鋼スラブを、実質的に全てのバナジウムおよびニオブの炭化物および炭窒化物を溶解するのに十分な温度まで加熱し、該スラブを圧下して、オーステナイトが結晶化する第一の温度範囲にて、１以上の熱間圧延パスにおいて、プレートを形成し、T_nr温度、即ちそれ以下においてオーステナイトが再結晶化しない温度以下で、かつ変態点Ar₃、即ちこの温度にて冷却中にオーステナイトがフェライトへと変態を開始する温度以上の第二の温度範囲にて、１以上の熱間圧延パスにおいて該プレートを更に圧下し、この最終的な圧延プレートを、少なくとも変態点Ar₁程度に低い温度、即ちオーステナイトのフェライトまたはフェライトとセメンタイトへの変態が、冷却中に完了する温度まで、好ましくは約550℃〜約150℃(1022-302°F)、およびより好ましくは約500℃〜約150℃(932-302°F)の範囲の温度まで、急冷し、該急冷を停止し、および該急冷されたプレートを周囲温度まで空冷する、諸工程を含む。
【００１５】
該T_nr温度、該Ar₃変態点、および該Ar₁変態点各々は、該鋼スラブの化学的構成に依存し、また実験により、あるいは適当な方法を利用した計算により容易に決定される。
本発明の第一の好ましい態様による超高強度、低合金鋼は、好ましくは少なくとも約900 MPa (130 ksi)、より好ましくは少なくとも約930 MPa (135 ksi)の引張り強さを示し、支配的に微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトまたはこれらの混合物を含む微小構造を有し、かつ更にセメンタイトの微細な析出物、および場合によりより一層微細に粉砕された、バナジウム、ニオブおよびモリブデンの炭化物または炭窒化物の析出物をも含む。好ましくは、該微粉砕ラス状マルテンサイトは、自己調質微粉砕ラス状マルテンサイトを含む。
【００１６】
本発明の第二の好ましい態様に従う、超高強度低合金鋼は、好ましくは少なくとも約900 MPa (130 ksi)、より好ましくは少なくとも約930 MPa (135 ksi)の引張り強さを示し、微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトまたはこれらの混合物を含む微小構造を有し、かつ更にセメンタイトの微細な析出物、および場合によりより一層微細に粉砕された、バナジウム、ニオブおよびモリブデンの炭化物または炭窒化物の析出物をも含む。好ましくは、該微粉砕ラス状マルテンサイトは、自己調質微粉砕ラス状マルテンサイトを含む。
以下本発明をその好ましい態様に関連して説明するが、本発明は、これらに制限されないことを理解するであろう。逆に、本発明は上記の特許請求の範囲により規定された如き、本発明の精神並びに範囲内に含まれる、全ての変更、改良並びに等価物を包含するものである。
【００１７】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の一局面によれば、鋼スラブを以下のようにして加工する: 即ち、バナジウムおよびニオブの炭化物および炭窒化物の実質的全てを溶解するのに十分な、実質的に均一な温度、好ましくは約1000℃〜約1250℃(1832-2282°F)の範囲、より好ましくは約1050℃〜約1150℃(1922-2102°F)の範囲の温度にて加熱し、該スラブの第一の熱間圧延により、好ましくは約20%〜約60%(厚みで)なる圧下度まで処理して、オーステナイトが再結晶化する第一の温度範囲内で、1以上のパスでプレートを形成し、第二の熱間圧延により、該第一の温度範囲よりも幾分低い、オーステナイトが再結晶化しない温度であり、かつ該Ar₃変態点以上である、第二の温度範囲内で、1以上のパスにおいて、好ましくは約40%〜約80%(厚みで)なる圧下度まで処理し、この圧延処理したプレートを、少なくとも約10℃/秒(18°F/秒)、好ましくは少なくとも約20℃/秒(36°F/秒)、より好ましくは少なくとも約30℃/秒(54°F/秒)、より一層好ましくは少なくとも約35℃/秒(63°F/秒)なる速度にて、該Ar₃変態点よりも低い温度から、少なくとも該Ar₁変態点程度に低い急冷停止温度(QST)、好ましくは約550℃〜約150℃(1022-302°F)の範囲、およびより好ましくは約500℃〜約150℃(932-302°F)の範囲の温度まで急冷することによって硬化し、該急冷を停止し、かつ該鋼板を周囲温度まで空冷して、該鋼が、支配的に微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトまたはその混合物にまで、完全に変態することを容易にする。
【００１８】
当業者には理解されるであろうように、本明細書で使用する用語「厚みにおける%減衰率(圧下率)」とは、圧下に掛ける前の該鋼スラブまたはプレートの、厚みにおける%減衰率を意味する。本発明を限定することのない、例示のみの目的で、約25.4cm(10インチ)の鋼スラブを、第一の温度範囲で、約50%圧下され(減衰率50%)、即ち厚み約12.7 cm(5インチ)まで圧下し、次いで第二の温度範囲において、約80%(減衰率80%)、即ち厚み約2.54 cm(1インチ)まで圧下することができる。
例えば、図１を参照すると、本発明に従って加工した鋼板は、(以下において更に詳細に説明するように)指示した温度範囲にて、制御された圧延10に付され、次いで該鋼は、急冷開始点14から、急冷停止温度(QST)16に達するまで、急冷12を受ける。急冷を停止した後、該鋼を周囲温度まで空冷18し、該鋼板の、支配的に微粉砕低ベイナイト(低ベイナイト領域20)、微粉砕ラス状マルテンサイト(マルテンサイト領域22)またはその混合物への変態を容易化する。上部ベイナイト領域24およびフェライト領域26は、回避される。
【００１９】
超高強度鋼は、当然のことながら、種々の特性が要求され、またこれら特性は、合金元素と熱機械的な処理との組み合わせにより達成され、一般的に該鋼の化学的性状における僅かな変化が、該生成物の特性における大きな変化に導く可能性がある。種々の合金元素の役割、および本発明におけるその濃度の好ましい限界を以下に与える。
炭素は、該微小構造が何であれ、鋼および溶接部におけるマトリックスの強化をもたらし、しかも主として微細な鉄炭化物(セメンタイト)、ニオブの炭窒化物[Nb(C,N)]、バナジウムの炭窒化物[V(C,N)]、およびMo₂C(炭化モリブデンの一形態)の、粒子または析出物の形成を通して、これらが十分に小さくかつ十分な数である場合には、析出物の強化をもたらす。更に、熱間圧延中に、Nb(C,N)析出物は、一般的にオーステナイトの再結晶化を遅らせ、しかも粒界の成長を阻害し、結果としてオーステナイト粒子の改善をもたらし、かつ降伏歪および引張り強さ両者の改善並びに低温靭性(例えば、シャルピーテストにおける衝撃エネルギー)の改善に導く。炭素は、また硬化性、即ち冷却中の該鋼内に、より硬いかつ強力な微小構造を形成する能力をも高める。一般的に、炭素含有率が、約0.03wt%未満であった場合、これら強化作用は、達成されない。該炭素含有率が約0.10wt%を越える場合、該鋼は、一般的に現場溶接後に低温亀裂を生じ易く、また該鋼板およびその溶接HAZにおける靭性の低下を招き易い。
【００２０】
マンガンは、本発明に必要とされる該微小構造を形成する上で必須であり、該微小構造は、微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトまたはその混合物を含み、かつ強度と低温靭性との間の良好な釣り合いをもたらす。この目的にとって、マンガンの下限は、約1.6wt%に設定される。一方その上限は、約2.1wt%に設定される。というのは、約2.1wt%を越えるマンガン含有率は、連続的に鋳造される鋼中に、センターライン偏析を促進する傾向があり、また該鋼の靭性の劣化に導く可能性がある。更に、高いマンガン含有率は、鋼の該硬化性を過度に増強する傾向があり、従って溶接部の熱の影響を受ける領域の靭性を低下することによって、現場溶接性を低下する傾向がある。
珪素は、脱酸および強度の改善の目的で添加される。その上限は、約0.6wt%に設定され、過剰な珪素含有率に起因する可能性のある、該熱の影響を受ける領域(HAZ)の現場溶接性および靭性の大幅な劣化を回避する。珪素は、脱酸のために常に必要とされる訳ではない。というのは、アルミニウムまたはチタンも同一の機能を果たすことができるからである。
【００２１】
ニオブは、該鋼の圧延処理された微小構造の粒子の改善を促進するために添加され、これは強度および靭性両者を改善する。熱間圧延中のニオブ炭窒化物析出物は、再結晶化を遅らせ、かつ粒界の成長を阻害し、結果としてオーステナイト結晶の改善手段を与える。これは、また最終的な冷却中に、Nb(C,N)の形成を通して、付随的な強化をもたらす可能性がある。モリブデンの存在下で、ニオブは、制御された圧延中のオーステナイトの再結晶化を抑制することによって該微小構造を効果的に改善し、しかも析出による硬化をもたらし、かつ硬化性の増強に寄与することによって、該鋼を強化する。硼素の存在下において、ニオブは相乗的に硬化性を改善する。このような効果を得るためには、少なくとも約0.01wt%のニオブを添加することが好ましい。しかし、約0.10wt%を越えるニオブの添加は、一般的に該鋼の溶接性およびHAZの靭性にとって有害であり、従ってその最大値は約0.10wt%であることが好ましい。より好ましくは、約0.03wt%〜約0.06wt%のニオブを添加する。
【００２２】
チタンは、微粉砕窒化チタン粒子を形成し、スラブを再加熱する際の、オーステナイト結晶の粗粒化を抑制することによって、該微小構造の改善に寄与する。更に、窒化チタン粒子の存在は、溶接部の該熱により影響を受ける領域の、粗粒化を阻害する。従って、チタンは、該母材金属および溶接により熱の影響を受ける領域両者の、低温靭性を改善するのに役立つ。チタンは、窒化チタンとして遊離の窒素を固定するので、窒化硼素の形成による、窒素の焼入れ性に及ぼす有害な作用を阻害する。この目的で添加すべきチタンの量は、窒素の量(重量基準)の少なくとも約3.4倍であることが好ましい。アルミニウム含有率が低い場合(即ち、約0.005重量%未満)、チタンは、酸化物を形成し、該酸化物は溶接部の該熱により影響を受ける領域内に、粒子内フェライト形成の核として作用し、結果としてこれら領域中の該微小構造を改善する。これらの目的を達成するためには、少なくとも約0.005重量%のチタンを添加することが好ましい。その上限は、約0.03重量%に設定される。というのは、過度に高いチタン含有率は、該窒化チタンの粗粒化および炭化チタン誘発性析出硬化を招き、これら両者は低温靭性を劣化する。
【００２３】
銅は、母材金属および溶接部の該HAZの強度を増すが、過度の銅の添加は、該熱に影響される領域の靭性および現場溶接性を著しく劣化する。従って、銅添加量の上限は、約1.0重量%に設定される。
ニッケルは、現場溶接性および低温靭性を損なうことなしに、本発明により調製した低炭素鋼の諸特性を改善するために添加される。マンガンおよびモリブデンとは対照的に、ニッケルの添加は、該鋼板の低温靭性にとって有害な硬化された微小構造成分をあまり生成しない傾向がある。0.2重量%を越える量でのニッケルの添加は、該溶接部の熱に影響される領域の靭性の改善において有効であることが明らかにされている。ニッケルは、一般的に有利な元素であるが、ニッケルの含有率が約2重量%を越える場合には、ある環境において硫化物応力割れを促進する傾向がある。本発明に従って調製した鋼については、ニッケル含有率の上限は、約1.0重量%に設定される。というのは、ニッケルがコスト高な合金化元素であり、また該溶接部の熱に影響される領域の靭性を劣化する可能性があるからである。ニッケルの添加は、また連続的鋳造および熱間圧延中の、銅により誘発される表面割れを防止するのに有効である。この目的で添加すべきニッケルの量は、銅含有率の約1/3倍を越える量であることが好ましい。
【００２４】
アルミニウムは、一般的に脱酸の目的で、これら鋼に添加される。また、アルミニウムは、鋼の微小構造の改善においても有効である。アルミニウムは、また粗い粒状HAZ領域における遊離の窒素の除去により、HAZの靭性を与える上で重要な役割を演じることができ、該HAZ領域において、溶接の熱はTiNの部分的な溶解を可能とし、これにより窒素を遊離する。このアルミニウムの含有率が高すぎると、即ち該含有率が約0.06重量%を越えると、Al₂O₃(酸化アルミニウム)型の介在物を形成する傾向があり、この介在物は該鋼およびそのHAZの靭性にとって有害である可能性がある。脱酸は、チタンまたは珪素の添加により達成でき、アルミニウムは必ずしも添加する必要はない。
バナジウムは、ニオブの効果と同様であるが、それ程顕著ではない効果を持つ。しかし、超高強度鋼へのバナジウムの添加は、ニオブとの組み合わせで添加された場合には、顕著な効果をもたらす。ニオブとバナジウムとの組み合わせの添加は、本発明の鋼の優れた諸特性を更に高める。その好ましい添加量の上限は、溶接部の該熱に影響される領域の靭性、従って現場での溶接性の観点から約0.10重量%であるが、その特に好ましい範囲は、約0.03〜約0.08重量％である。
【００２５】
モリブデンは、該鋼の焼入れ性を改善し、結果として該所定の低ベイナイト微小構造の形成を促進する目的で添加される。該鋼の焼入れ性に及ぼすモリブデンの影響は、硼素‐含有鋼において特に顕著である。モリブデンをニオブと共に添加した場合、モリブデンは制御された圧延中のオーステナイトの再結晶化を一層抑制し、結果としてオーステナイトの微小構造の改善に寄与する。これら効果を達成するためには、本質的に硼素を含まないおよび硼素を含有する鋼に添加すべきモリブデンの量は、夫々少なくとも約0.3重量％および少なくとも約0.2重量％であることが好ましい。その上限は、本質的に硼素を含まないおよび硼素を含有する鋼に対して、好ましくは夫々約0.6重量%および約0.5重量%である。というのは、過剰量のモリブデンの使用は、現場での溶接の際に生成する、該熱に影響される領域の靭性を劣化させ、従って現場での溶接性を低下するからである。
【００２６】
クロムは、一般的に直接急冷の際の、該鋼の焼入れ性を高める。一般的に、これは、また腐食並びに水素により促進される割れに対する抵抗性を改善する。モリブデンの場合と同様に、過剰量、即ち約1.0重量%を越える量でのクロムの使用は、現場での溶接後に低温割れを起こす傾向があり、また該鋼およびそのHAZの靭性を劣化する傾向がある。従って、好ましいその最大値は約1.0重量%とされる。
窒素は、スラブの再加熱中の、オーステナイトの粗粒化および溶接部の該熱に影響される領域における粗粒化を、窒化チタンの形成によって抑制する。従って、窒素は、これら母材金属および溶接部の該熱に影響される領域両者の低温靭性を改善するのに寄与する。この目的に対する最低の窒素含有率は、約0.001重量%である。その上限は、好ましくは約0.006重量%に維持される。というのは、窒素の過度の使用は、スラブ表面欠陥の発生率を増大し、かつ該効果的な硼素の焼入れ性を減じてしまう。また、遊離窒素の存在は、溶接部の該熱に影響される領域の靭性における劣化をきたす。
【００２７】
カルシウムおよび希土類金属 (REM)は、一般的に硫化マンガン(MnS)介在物の形状を制御し、かつ低温靭性(例えば、該シャルピーテストにおける衝撃エネルギー)を改善する。少なくとも約0.001重量%のCaまたは少なくとも約0.001重量%のREMは、望ましくは該硫化物の形状を調節する。しかし、カルシウム含有率が約0.006重量%を越える場合、あるいはREM含有率が約0.02重量%を越える場合、大量のCaO-CaS(酸化カルシウム‐硫化カルシウムとして)またはREM-CaS(希土類金属‐硫化カルシウムとして)が生成され、また大きなクラスターおよび大きな介在物に転化される可能性があり、これらは該鋼の清浄性を阻害するのみならず、現場での溶接に悪影響を及ぼす。好ましくは、該カルシウム濃度は、約0.006wt%に制限され、またREM濃度は、約0.02wt%に制限される。超高強度ラインパイプ鋼においては、硫黄含有率を約0.001wt%以下に減じ、かつ酸素含有率を約0.003wt%以下、好ましくは約0.002wt%以下に減じ、一方でESSP値を好ましくは約0.5を越え、かつ約10未満に維持することが、靭性および溶接性両者を改善する上で特に有効であり得る。ここで、ESSPとは、鋼中の硫化物介在物の形状‐制御に関する指標であり、以下の関係式：ESSP = (wt% Ca)[1‐124(wt% O)]/1.25(wt% S)によって定義される。
【００２８】
マグネシウムは、一般的に微細に分散された酸化物粒子を形成し、これは結晶粒の粗粒化を抑制し、および/または該HAZにおける粒子内フェライトの形成を促進し、結果として該HAZの靭性を改善することを可能とする。このMgの添加が有効であるためには、少なくとも約0.0001wt%のMgとすることが望ましい。しかしながら、このMg含有率が約0.006wt%を越えた場合、粗い酸化物が形成され、該HAZの靭性は劣化する。
【００２９】
約0.0005wt%〜約0.0020wt%(5 ppm〜20 ppm)の範囲の、少量での硼素の低炭素鋼(炭素含有率約0.3wt%未満)への添加は、有力な強化成分、ベイナイトまたはマルテンサイトの形成を促進し、かつ該鋼を高温から周囲温度まで冷却する際に、軟質のフェライトおよびパーライト成分の形成を遅らせることによって、該鋼の焼入れ性を大幅に改善することを可能にする。約0.002wt%を越える量での硼素の使用は、Fe₂₃(C,B)₆(硼窒化鉄として)を含む脆性化粒子の形成を促進する可能性がある。従って、硼素の上限は、約0.0020wt%であることが好ましい。焼入れ性に対する最大の効果を得るためには、硼素濃度は、約0.0005wt%〜約0.0020wt%(5 ppm〜20 ppm)の範囲であることが望ましい。上記の観点から、硼素を、高価な合金添加剤の代替品として使用して、鋼板の厚み全体に渡る微小構造上の均一性を高めることが可能である。硼素は、また該鋼の焼入れ性を改善する上で、モリブデンおよびニオブ両者の有効性を高める。従って、硼素の添加は、低Ceq鋼組成を使用して、高いベースプレート強度の達成を可能とする。鋼に添加された硼素は、優れた溶接性と高い強度との組み合わせおよび低温割れに対する抵抗性の達成を可能とする。また、硼素は粒界強度を高め、結果として水素によって促進される粒子間割れに対する抵抗性を高めることも可能である。
【００３０】
図１に模式的に示した、本発明の該熱機械的処理の第一目標は、実質的に再結晶化されていないオーステナイト粒子から変態により形成された、支配的に微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトまたはこれらの混合物を含み、かつ好ましくは微細なセメンタイトの分散物をも含む、微小構造を生成することにある。該低ベイナイトおよびラス状マルテンサイト成分は、より一層微細に分散されたMo₂C、V(C,N)およびNb(C,N)またはその混合物によって、付随的に硬化でき、また幾つかの場合には硼素を含むことも可能である。該微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトおよびこれらの混合物を含むこの微細な微小構造は、高い強度および良好な低温靭性を持つ物質を与える。所定の微小構造を得るためには、該鋼スラブ中の加熱されたオーステナイト粒子を、まず微細なサイズのものとし、第二に変形かつ偏平化して、該オーステナイト粒子の全体としての厚みの寸法を更に一層小さなものとし、例えば好ましくは約5-20μ未満とし、第三にこれら偏平化されたオーステナイト粒子を、高密度の転位およびせん断バンド(bands)で満たす。これら界面は、該鋼板が、熱間圧延の完了後に、冷却された際に、該変態相(即ち、該低ベイナイトおよびラス状マルテンサイト)の成長を制限する。本発明の該処理の第二目標は、該プレートを該急冷停止温度まで冷却した後に、十分なMo、VおよびNbを実質的に固溶体に維持し、結果的に該Mo、VおよびNbを、該ベイナイト変態中に、あるいは該鋼の強度を高めかつ維持するための溶接熱サイクル中に、Mo₂C、V(C,N)およびNb(C,N)として析出可能とすることにある。
【００３１】
熱間圧延前の該鋼スラブの再加熱温度は、該Mo、VおよびNb固溶体を最大とし、一方で該鋼の連続鋳造中に形成されるTiN粒子の溶解を防止し、かつ熱間圧延前の該オーステナイト粒子の粗粒化を防止するのに十分に高くすべきである。本発明の該鋼組成に関するこれら目標両者を達成するためには、熱間圧延前の該再加熱温度は、少なくとも約1000℃(1832°F)、かつ約1250℃(2282°F)以下とすべきである。好ましくは、該スラブは、実質的に該スラブ全体、好ましくは該スラブ全体の温度を、所定の該再加熱温度まで上げる適当な手段、例えば該スラブを一定時間炉内に維持することによって、再加熱される。本発明の範囲内の、任意の鋼組成に対して使用すべき具体的な再加熱温度に関連して、当業者は、実験によりあるいは適当なモデルを使用した計算によって容易に決定することができる。更に、実質的に該スラブ全体、好ましくは該スラブ全体の温度を、所定の該再加熱温度まで上げるために必要な、該炉の温度および再加熱時間についても、当業者は、標準的な工業的刊行物を参照することによって容易に決定することができる。
【００３２】
本発明の範囲内の、任意の鋼組成に関連して、該再結晶化範囲と、非‐再結晶化範囲との間の境界を規定する温度、即ちT_nr温度は、該鋼の化学的性状、およびより具体的には圧延前の再加熱温度、炭素濃度、ニオブ濃度および該圧延パスで与えられた圧下量に依存する。当業者は、各鋼組成に対するこの温度を、実験によりあるいはモデル計算によって決定できる。
該スラブの実質的全体に適用される該再加熱温度を除き、本発明の加工法を説明する際に参照される以下の温度は、該鋼表面で測定された温度である。該鋼の表面温度は、例えば光高温計の使用により、あるいは鋼の表面温度を測定するのに適した任意の他のデバイスによって測定できる。ここで言う急冷(冷却)温度とは、該鋼板の厚みの中心部、または実質的に中心部における温度であり、また該急冷停止温度(QST)とは、急冷を停止した後の、該プレート表面において到達した最高のまたは実質的に最高の温度である。というのは、熱は該プレートの厚み中央部分から伝達されるからである。所定の加速冷却速度を達成するために必要な、温度並びに冷却用流体の流量については、当業者は、標準的な工業的刊行物を参照することにより決定できる。
【００３３】
該オーステナイト粒子の粒径を微細にすることに加えて、本発明の該熱間圧延条件は、該オーステナイト粒子での転位バンドの形成を通して、転位密度の増加をもたらし、結果として該圧延の完了後の該冷却中に、該変態生成物、即ち該微粉砕低ベイナイトおよび微粉砕ラス状マルテンサイトのサイズの制限によって、該微小構造の更なる改善に導く。該再結晶化温度内での、該圧延による圧下率が、ここに記載した範囲以下に低下し、かつ該非‐再結晶化温度範囲内での、該圧延による圧下率が、ここに記載した範囲を越えて増大する場合、該オーステナイト粒子は、一般的に粒径の微細化が不十分であって、粗いオーステナイト粒子を与え、結果として該鋼の強度および靭性両者を低下させ、かつ高い水素により促進される割れを生じ易くなる。他方、該再結晶化温度内での、該圧延による圧下率が、ここに記載した範囲を越えて増大し、かつ該非‐再結晶化温度範囲内での、該圧延による圧下率が、ここに記載した範囲以下に低下する場合、該オーステナイト粒子中の転位バンドの形成および転位亜構造(substructures)は、該鋼が、該圧延の完了後に冷却される場合には、該変態生成物の十分な改善を与えるためには、不十分である。
【００３４】
該圧延の完了後、該鋼を、好ましくはほぼ該Ar₃変態点を越えかつ該Ar₁変態点を越えない温度、即ちオーステナイトのフェライトまたはフェライト+セメンタイトへの変態が冷却中に完了する温度にて終端する温度、好ましくは約550℃(1022°F) を越えない温度およびより好ましくは約500℃(932°F)を越えない温度から、急冷処理に付す。一般的には水冷が利用されるが、この急冷を実施するために、任意の適当な流体を使用することができる。圧延と急冷との間の持続的な空冷は、本発明では一般的に利用しない。というのは、これは、典型的なスチールミルにおける、該圧延および冷却工程を通しての、物質の正常な流れを妨害するからである。しかし、適当な温度範囲で該急冷サイクルを遮断し、次いで該急冷した鋼を、その最終的な状態にまで、周囲温度にて空冷することによって、特に有利な微小構造成分が得られ、該圧延工程の中断も、その結果としての該圧延ミルの生産性にも殆ど影響を与えないことが分かった。
【００３５】
該熱間圧延しかつ冷却された鋼板は、従って最終的な空冷処理に付され、該空冷処理は、該Ar₁変態点を越えない温度、好ましくは約550℃(1022°F) を越えない温度およびより好ましくは約500℃(932°F)を越えない温度にて開始する。この最終的な冷却処理は、該鋼の靭性を改善するための処理であり、該微粉砕低ベイナイトおよび微細に分散されたセメンタイト粒子を含む、微粉砕ラス状マルテンサイト微小構造全体に渡り、実質的に均一に、十分な析出を可能とすることによって行われる。付随的に、該急冷停止温度および該鋼組成に依存して、より一層微細に分散されたMo₂C、Nb(C,N)およびV(C,N)析出物が形成され、これらは強度を高める可能性がある。
【００３６】
ここに記載した方法によって作成した鋼板は、比較的低い炭素濃度にもかかわらず、高い強度および高い靭性を示し、しかも該プレートの全厚み方向における微小構造の高い均一性を持つ。例えば、このような鋼板は、一般的に少なくとも約830 MPa(120 ksi)の降伏強さ、少なくとも約900 MPa(130 ksi)の引張り強さ、および少なくとも約120ジュール(90フィート-ポンド)の靭性(-40℃(-40°F)にて測定、例えばvE_-40)を示し、これらはラインパイプ用途に適した特性である。更に、該熱に影響される領域(HAZ)の軟化傾向は、V(C,N)およびNb(C,N)析出物の存在により、およびその溶接中の付随的な形成によって低下される。更に、該鋼の水素により促進される割れに対する感受性が、顕著に低下する。
【００３７】
鋼中の該HAZは、該溶接により誘発される熱サイクル中に発生し、該溶接による溶融ラインから約２-５mm(0.08-0.2インチ)に及ぶ可能性がある。このHAZにおいて、例えば約1400℃〜約700℃(2552-1292°F)の温度勾配が形成され、これは高温から低温までの、一般的に以下の軟化現象が発生する領域を包含し、該軟化現象とは、高温調質反応による軟化およびオーステナイト化および低速冷却による軟化である。低温、即ち約700℃(1292°F)において、バナジウムおよびニオブ並びにその炭化物または炭窒化物が存在し、これにより該高い転位密度および亜構造を維持することによって軟化を防止し、もしくは実質的に最小化し、一方約850-950℃(1562-1742°F)の高温においては、付随的にバナジウムおよびニオブの炭化物または炭窒化物が形成されて、該軟化を最小化する。この溶接により誘発される熱サイクル中のこの正味の効果は、該HAZにおける強度の損失が、該母材鋼に対して、約10%未満、好ましくは約5%未満であることにある。即ち、該HAZの強度は、該母材鋼強度の少なくとも約90%、好ましくは該母材鋼強度の少なくとも約95%である。該HAZにおける強度の維持は、主として約0.06wt%を越える全バナジウムおよびニオブ濃度によるものであり、および好ましくは全バナジウムおよびニオブ各々は、該鋼中に約0.03wt%を越える濃度で存在する。
【００３８】
当分野において周知であるように、ラインパイプはプレートから周知のU-O-E法によって形成され、該方法においては、プレートをU-字(「U」)型に成形し、次いでO-型(「O」)に成形し、シーム溶接した後のこのO型材を、約１%膨張させる(「E」)。該成形並びに膨張は、付随する加工硬化作用と共に、該ラインパイプの高い強度をもたらす。
【００３９】
【実施例】
以下の実施例は、上記本発明を例示するのに役立つ。
IDQ 加工の好ましい態様 :
本発明によれば、好ましい微小構造は、支配的に微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトまたはこれらの混合物で構成される。具体的には、強度と靭性との最高の組み合わせおよびHAZ軟化抵抗性に対して、より好ましい微小構造は、主として、セメンタイト粒子に加えて、Mo、V、Nbまたはその混合物を含む微細かつ安定な合金炭化物によって強化された、微粉砕低ベイナイトで構成される。これら微小構造の具体的な例を以下に示す。
【００４０】
微小構造に及ぼす、急冷停止温度の作用
1) 十分な硬化性をもつ硼素含有鋼: 約20℃/秒〜約35℃/秒(36-63°F/秒)なる範囲の急冷速度で、IDQ加工した鋼の微小構造は、主として組成上のパラメータ、例えば炭素当量(Ceq)および該急冷停止温度(QST)によって決定される、該鋼の硬化性により支配される。本発明の鋼板にとって好ましい厚みをもつ鋼板に対して、十分な硬化性を備えた、即ち約0.45を越え、かつ約0.7未満のCeqを有する硼素含有鋼は、IDQ加工に特に適しており、該加工では所定の微小構造(好ましくは、支配的に微粉砕低ベイナイトを含むもの)を形成し、所定の機械的特性を得るための、拡大された加工窓を設ける。これら鋼に対するこのQSTは、極めて広い範囲、好ましくは約550℃〜約150℃(1022-302°F)の範囲内であり得、依然として所定の微小構造を生成し、かつ所定の特性を与える。これら鋼が、低QST、即ち約200℃(392°F)でIDQ加工された場合、生成する微小構造は、支配的に自己‐調質されたラス状マルテンサイトである。該QSTを約270℃(518°F)に高めた場合、該微小構造は、該自己調質されたセメンタイト析出物の僅かな粗粒化を除けば、約200℃(392°F)でIDQ加工された場合と殆ど変わらない。約295℃(563°F)のQSTで加工したサンプルの微小構造は、ラス状マルテンサイト(主画分)と低ベイナイトとの混合物の存在を示した。しかし、該ラス状マルテンサイトは、有意に自己調質性を示し、これは十分に成長した、自己調質セメンタイト析出物を示す。
【００４１】
図５を参照すると、約200℃(392°F)、約270℃(518°F)および約295℃(563°F) のQSTで加工した上記鋼の微小構造は、図５の顕微鏡写真52で示されている。再度図２のAおよびBを参照すると、図２のAおよびBは、約295℃(563°F) のQSTにおける広範なセメンタイト粒子の存在を明らかにする、明視野および暗視野顕微鏡写真を示す。ラス状マルテンサイトにおけるこれらの特徴は、その降伏強さの幾分かの低下に導く可能性があるが、図２のAおよびBに示した鋼の強度は、依然としてラインパイプ用途にとって十分なものである。さて、図３および図５を参照すると、該QSTが、約385℃(725°F)なるQSTに増大するにつれて、該微小構造は、図3および図5の顕微鏡写真54に示すように、支配的に低ベイナイトを含む。明視野透過型電子顕微鏡(図3)は、低ベイナイトマトリックスにおいて特徴的なセメンタイト析出物を示す。この例の合金において、該低ベイナイト微小構造は、熱に暴露した際の優れた安定性によって特徴付けられ、溶接部の、微粉砕された、変態点下および変態点内の熱により影響される領域(HAZ)においてさえ、軟化に対して抵抗性を示す。このことは、Mo、VおよびNbを含有する型の極めて微細な合金炭窒化物の存在によって説明できる。図4のAおよびBは夫々、約10nm未満の径をもつ炭化物の存在を示す、明視野および暗視野透過型電子顕微鏡写真である。これら微細な炭化物粒子は、降伏強さにおける有意な増加を与えることができる。
【００４２】
図５は、好ましい化学的態様に係わる該硼素含有鋼の一つについて行った、該微小構造および特性の概要を示す。各データ点下の数値は、該当するデータ点について使用した、℃で表したQSTである。この特定の鋼においては、該QSTが500℃(932°F)を越えて、例えば約515℃(959°F)に上昇した場合に、該支配的な微小構造成分は、図5の顕微鏡写真56に示すように、上部ベイナイトとなる。正味の結果は、靭性との釣り合いの利点なしに、強度が実質的に低下することである。本実施例においては、かなりの量の上部ベイナイトおよび特に支配的な上部ベイナイト微小構造が、良好な強度と靭性との組み合わせを無効にしているはずである。
【００４３】
2. 低化学成分含有率の硼素含有鋼: 低化学成分含有率(約0.5未満かつ約0.3以上のCeq)の硼素含有鋼を、IDQ加工して、本発明の鋼板にとって好ましい厚みをもつ鋼板を得る場合、得られる微小構造は、変動する量の初析および共析フェライトを含む可能性があり、これらは低ベイナイトおよびラス状マルテンサイト微小構造よりも、一層柔軟な相である。本発明の強度に関する目標を満足するためには、これら軟質相の全量を約40%未満にする必要がある。この範囲内で、フェライト含有IDQ加工した硼素含有鋼は、約200℃(392°F)のQSTによる、低含有率硼素含有鋼について図5に示したように、高い強度レベルにおいて、幾分魅力ある靭性を与える可能性がある。この鋼は、フェライトと自己調質性ラス状マルテンサイトとの混合物によって特徴付けられ、後者のマルテンサイトは、図5の顕微鏡写真58に示すように、このサンプル中において支配的な相である。
【００４４】
3. 十分な硬化性を有する本質的に硼素を含まない鋼: 本発明の本質的に硼素を含まない鋼は、硼素含有鋼と比較して、同一レベルの硬化性を達成するためには、他の合金元素のより高い含有率を必要とする。従って、好ましくはこれら本質的に硼素を含まない鋼は、効率よく加工して、本発明の鋼板にとって好ましい厚みをもつ鋼板に許容される微小構造および諸特性を獲得するためには、高いCeq、好ましくは約0.5よりも大きく、約0.7よりも小さいCeqによって特徴付けられる。図6は、好ましい化学的態様(四角)に従う、本質的に硼素を含まない鋼について行った機械的特性の測定値を示し、これらを本発明の硼素含有鋼(丸)について実施した、機械的特性の測定値と比較する。各データ点に付した番号は、該当するデータ点に対して使用したQST (単位:℃)を表す。微小構造特性の観測は、本質的に硼素を含まない鋼について行った。534℃なるQSTにおいて、該微小構造は、支配的なフェライトであり、これは析出物+上部ベイナイトおよび双晶マルテンサイトを含んでいた。
【００４５】
461℃なるQSTにおいて、該微小構造は、支配的に上部ベイナイトおよび低ベイナイトであった。428℃なるQSTにおいて、該微小構造は、支配的に析出物を含む低ベイナイトであった。380℃および200℃なるQSTにおいて、該微小構造は、支配的に析出物を含むラス状マルテンサイトであった。この実施例において、実質的な量の上部ベイナイトおよび特に支配的な上部ベイナイト微小構造は、良好な強度と靭性との組み合わせを得るためには、回避すべきであることが分かった。更に、極めて高いQSTも回避すべきである。というのは、フェライトと双晶マルテンサイトとの混合微小構造は、良好な強度と靭性との組み合わせを与えないからである。該本質的に硼素を含まない鋼を、約380℃(716°F)なるQSTにてIDQ加工した場合には、得られる微小構造は、図7に示すように、支配的にラス状マルテンサイトである。その明視野透過型電子顕微鏡写真は、高い転位含有率を有する、微細で平行なラス状構造を示し、これによってこの構造の高い強度が導かれる。この微小構造は、高強度および高靭性の観点から望ましいものと考えられる。
【００４６】
しかし、該微小構造の靭性は、等価なIDQ急冷停止温度(QSTs)において、あるいは実際には約200℃(392°F)程度の低いQSTにおいて、本発明の硼素含有鋼において得られた、支配的に低ベイナイト微小構造を使用して達成されたものと、同定度に高いものではないことは、注目に値する。該QSTが約428℃(802°F)まで増大するにつれ、該微小構造は、支配的にラス状マルテンサイトからなるものから、支配的に低ベイナイトからなるものへと急激に変化する。428℃(802°F)なるQSTまでIDQ加工された、(本明細書の表2に従う)鋼「D」の透過型電子顕微鏡写真である図8は、低ベイナイトフェライトマトリックス中の、特徴的なセメンタイト析出物の存在を示す。本実施例の合金において、該低ベイナイト微小構造は、熱に暴露した際の優れた安定性によって特徴付けられ、溶接部の、該微粉砕されかつ変態点下および変態点内の熱に影響される領域(HAZ)においてさえ、軟化に抵抗する。このことは、Mo、VおよびNbを含有する型の、極めて微細な合金炭窒化物の存在により説明できる。
【００４７】
該QST温度が、約460℃(860°F)まで上げられた場合、支配的な低ベイナイトの微小構造は、上部ベイナイトおよび低ベイナイトの混合物からなる構造により置き換えられる。予想されるように、より高いQSTは、強度の低下をもたらす。この強度の低下は、上部ベイナイトのかなりの体積分率での存在に帰せられる靭性の降下により達成される。図9に示された、明視野透過型電子顕微鏡写真は、(本明細書の表2による)例示の鋼「D」のある領域を示し、該領域は、約461℃(862°F)なるQSTにより、IDQ加工された領域である。この顕微鏡写真は、上部ベイナイトラスを示し、これは該ベイナイトフェライトラスの界面部におけるセメンタイト板状晶(platelets)により特徴付けられる。
【００４８】
更に高いQST、例えば534℃(993°F)においては、得られる微小構造は、フェライトを含む析出物と双晶マルテンサイトとの混合物からなる。図10のAおよびBに示した、明視野透過型電子顕微鏡写真は、約534℃(993°F)なるQSTにより、IDQ加工した、(本明細書の表2に示す)例示鋼「D」のある領域からとったものである。この検体においては、かなりの量の析出物含有フェライトが、脆弱な双晶マルテンサイトと共に生成された。その最終的な結果は、靭性における釣り合いの利益なしに、該強度が実質的に低下することにある。
本発明の許容される特性に関連して、本質的に硼素を含まない鋼は、該所定の構造並びに特性を達成するのに適したQST範囲、好ましくは約200℃〜約450℃(392-842°F)を与える。約150℃(302°F)以下では、該ラス状マルテンサイトは、最適の靭性を得るには強力すぎ、一方約450℃(842°F)以上では、該鋼は、まず極めて多量の上部ベイナイトを生成し、段階的に増大する量のフェライトを、有害な析出物と共に生成し、また最終的に双晶マルテンサイトを形成し、これはこれらサンプルにおいて貧弱な靭性を導く。
【００４９】
これら本質的に硼素を含まない鋼における、この微小構造の特徴は、これら鋼においてさほど望ましいものではない、連続的冷却による変態特性に起因する。添加硼素の不在下において、フェライトの核生成は、硼素含有鋼における程には、効率よく抑制されない。結果として、高いQSTにおいては、有意な量のフェライトが、まず変態中に形成され、残りのオーステナイトへの炭素の分配が生じ、引き続きこの残りのオーステナイトが、高炭素含有率の双晶マルテンサイトに変態する。第二に、該鋼中に添加硼素が存在しない場合には、上部ベイナイトへのこの変態は、同様に抑制されず、その結果望ましくない上部および低ベイナイト微小構造の混合物を与え、該微小構造は不十分な靭性を有する。それにもかかわらず、スチールミルにより、一貫して硼素含有鋼を製造するための専門技術がない場合には、このIDQ加工技術を有効に利用して、例外的な強度および靭性を持つ鋼を製造できるが、上記ガイドラインは、特に該QSTに関連して、これら鋼を加工する際に利用する。
【００５０】
本発明に従って加工した鋼スラブは、好ましくは圧延して微小構造に所定の効果を誘発する前に、適当な再加熱処理に付される。再加熱処理は、該オーステナイト中に、Mo、VおよびNbの該炭化物および炭窒化物を実質的に溶解する目的のために役立ち、かくしてこれら元素は、後に鋼を加工する際に、より望ましい形状、即ち急冷前に並びに冷却および溶接の際に、オーステナイトまたはオーステナイト変態生成物中の微細な析出物として、再度析出させることができる。本発明においては、再加熱は、約1000℃(1832°F)〜約1250℃(2282°F)、好ましくは約1050℃〜約1150℃(1922-2102°F)の範囲内の温度にて行われる。該合金設計および該熱機械的加工は、強力な炭窒化物形成体、具体的にはニオブおよびバナジウムに関して、以下のバランスを達成するように調整される:
【００５１】
・これら元素の約1/3が、急冷前にオーステナイト中に有利に析出する。
・これら元素の約1/3が、急冷後に冷却する際に、オーステナイトの変態生成物中に有利に析出する。
・これら元素の約1/3が、有利に、該HAZ中での析出のために利用できる、固溶体に維持され、かくして550MPa(80 ksi)を越える降伏強さをもつ鋼において観測される正常な軟化を改善する。
上記実施例に係わる鋼の製造において使用した、圧延スケジュールを、以下の表1に与える。
【００５２】
【表１】
表１

【００５３】
該鋼を、該最終的な圧延温度から、急冷停止温度まで、冷却速度35℃/秒(63°F)にて急冷し、次いで周囲温度まで空冷した。このIDQ加工により、支配的に微粉砕低ベイナイト、微粉砕ラス状マルテンサイトまたはその混合物を含む、所定の微小構造を得た。
【００５４】
再度図６を参照すると、本質的に硼素を含まない(破線によって接続された一連の下部のデータ点)鋼D(表２)、並びに所定の少量の硼素を含む(平行線間の、一連の上部データ点)鋼HおよびI(表２)を、900MPa(135ksi)を越える引張り強さおよび120ジュール(90フィート‐ポンド)を越える、-40℃(-40°F)における靭性、例えば120ジュール(90フィート‐ポンド)を越えるvE_-40を達成するように、処方し、かつ製造することができる。各例において、得られる物質は、支配的に微粉砕ベイナイトおよび/または微粉砕ラス状マルテンサイトによって特徴付けられる。「534」なる番号 (該当するサンプルについて使用した℃で表された該急冷停止温度を示す) が付されたデータ点によって示されるように、プロセスパラメータが、本発明の方法の範囲外である場合には、得られる微小構造(析出物を含むフェライト＋上部ベイナイトおよび/または双晶マルテンサイトまたはラス状マルテンサイト)は、本発明の鋼の望ましい微小構造ではなく、またその引張り強さまたは靭性もしくはその両者は、ラインパイプ用途用の所定の範囲以下にある。
本発明に従って処方した鋼の例を、以下の表2に示す。「A」〜「D」として示された鋼は、本質的に硼素を含まない鋼であり、一方「E」〜「I」として示された鋼は、添加硼素を含むものである。
【００５５】
【表２】
表２: 実験的な鋼の組成

【００５６】
【表３】
表２(続き)

【００５７】
本発明の方法により加工した鋼は、ラインパイプ用途に適しているが、これに制限されない。このような鋼は、その他の用途、例えば構造用の鋼としても適したものであり得る。
以上本発明を1以上の好ましい態様によって説明してきたが、その他の態様も、上記特許請求の範囲に示された、本発明の範囲から逸脱することなしに、実施できるものと理解すべきである。
【００５８】
用語の解説
Ac ₁ 変態点：オーステナイトが、加熱中に形成し始める温度。
Ar ₁ 変態点：オーステナイトの、フェライトまたはフェライト＋セメンタイトへの変態が、冷却中に完了する温度。
Ar ₃ 変態点：オーステナイトが、冷却中にフェライトへの変態を開始する温度。
セメンタイト：炭化鉄
Ceq (炭素当量)：溶接性を表すのに使用される、周知の工業用語であり、Ceq = (wt% C + wt% Mn/6 + (wt% Cr + wt% Mo + wt% V)/5 + (wt% Cu + wt% Ni)/15
ESSP：鋼中の硫化物介在物の形状‐制御に関連する指標であり、ESSP = (wt% Ca)[1 124(wt% O)]/1.25(wt% S)
Fe ₂₃ (C,B) ₆：硼炭化鉄の一形態
HAZ：熱により影響される領域
IDQ：中断直接急冷
低化学含有率 (lean chemistry)：Ceqが約0.50未満
Mo ₂ C：炭化モリブデンの一形態
Nb(C,N)：ニオブの炭窒化物
【００５９】
Pcm：溶接性を表すのに使用される、周知の工業用語であり、Pcm = (wt% C + wt% Si/30 + (wt% Mn + wt% Cu + wt% Cr)/20 + wt% Ni/60 + wt% Mo/15 + wt% V/10 + 5(wt% B))
支配的：本発明を説明するのに使用されるこの用語は、少なくとも約50体積%を意味する。
急冷：本発明を説明するのに使用されるこの用語は、任意の手段による加速冷却を意味し、これによれば、空冷とは対照的に、該鋼の冷却速度を高める傾向をもつために選択される、流体が使用される。
急冷 ( 冷却 ) 速度：該プレートの厚みの中央または実質的に中央部における冷却速度。
急冷停止温度 (QST)：熱は、該プレートの厚みの中央部から伝導するので、急冷を停止した後の、該プレート表面上で到達する最高の、または実質的に最高の温度。
REM：希土類金属
T _nr 温度：それ以下では、オーステナイトが再結晶化を行わない温度。
V(C,N)：バナジウムの炭窒化物
VE _-40：-40℃(-40°F)において、シャルピーV-ノッチ衝撃テストにより測定された衝撃エネルギー。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工段階を模式的に示す図であり、種々の微小構造形成成分のオーバーレイが、経過加工時間と加工温度との特定の組み合わせと関連付けられている。
【図２】図２のAおよびBは、夫々約295℃(563°F)なる急冷停止温度を使用して加工した鋼の、支配的な自己調質性ラス状マルテンサイトの微小構造を示す、明視野および暗視野透過型電子顕微鏡写真を示し、ここで図2のBは、該マルテンサイトラス内の、十分に成長したセメンタイト析出物を示す。
【図３】約385℃(725°F) なる急冷停止温度を使用して加工した鋼の、支配的な低ベイナイトの微小構造を示す、明視野透過型電子顕微鏡写真である。
【図４】図４のAおよびBは、夫々約385℃(725°F) なるQSTを使用して加工した鋼の、明視野および暗視野透過型電子顕微鏡写真を示し、ここで図４のAは、支配的に低ベイナイトの微小構造を示し、図４のBは、粒径約10nmのMo、VおよびNb炭化物粒子の存在を示す。
【図５】表2に示された硼素含有鋼、ここでは「H」および「I」(丸)、および表2に示されたより低硼素含有率の鋼、ここでは「G」(四角)の特定の化学的処方についての、靭性および引張り強さの相対値に及ぼす、急冷停止温度の効果を示す、プロットおよび透過型電子顕微鏡写真を含む、合成図である。ここで、該鋼は全て本発明によるものである。ジュール単位の、-40℃(-40°F)におけるシャルピー衝撃エネルギー、(vE_-40)は、縦軸に、またMPa単位の引張り強さは、横軸に与えられている。
【図６】表2に示された硼素含有鋼、ここでは「H」および「I」(丸)、および表2に示された実質的に硼素を含まない鋼、ここでは「D」(四角)の特定の化学的処方についての、靭性および引張り強さの相対値に及ぼす、急冷停止温度の効果を示すプロットである。ここで、該鋼は全て本発明によるものである。ジュール単位の、-40℃(-40°F)におけるシャルピー衝撃エネルギー、(vE_-40)は、縦軸に、またMPa単位の引張り強さは、横軸に与えられている。
【図７】サンプル鋼「D」(本明細書の表2による)内の、転位を受けたラス状マルテンサイトを示す、明視野透過型電子顕微鏡写真であり、該サンプル鋼は、約380℃(716°F)の急冷停止温度を使用して、IDQ加工に付された。
【図８】サンプル鋼「D」(本明細書の表2による)の、支配的に低ベイナイトの微小構造のある領域を示す、明視野透過型電子顕微鏡写真であり、該サンプル鋼は、約428℃(802°F)の急冷停止温度を使用して、IDQ加工に付された。低ベイナイトに特徴的な、一方向的に整列されたセメンタイトの板状晶を、該ベイナイトラス内に見ることができる。
【図９】サンプル鋼「D」(本明細書の表2による)の、上部ベイナイトを示す、明視野透過型電子顕微鏡写真であり、該サンプル鋼は、約461℃(862°F)の急冷停止温度を使用して、IDQ加工に付された。
【図１０】図10のAは、サンプル鋼「D」(本明細書の表2による)内の、フェライトにより包囲されたマルテンサイト領域(中央部)を示す、明視野透過型電子顕微鏡写真であり、該サンプル鋼は、約534℃(993°F)の急冷停止温度を使用して、IDQ加工に付された。微細な炭化物の析出物が、該フェライト/マルテンサイト界面に隣接する領域中の該フェライト内に観測できる。また、図10のBは、サンプル鋼「D」(本明細書の表2による)内の、高炭素含有率の双晶マルテンサイトを示す、明視野透過型電子顕微鏡写真であり、該サンプル鋼は、約534℃(993°F)の急冷停止温度を使用して、IDQ加工に付された。

Claims

引張り強さ少なくとも900 MPa、-40℃にて、シャルピーV-ノッチ衝撃テストによって測定した靭性少なくとも120ジュールを有し、かつ再結晶化されていないオーステナイト粒子から変態された、微細な下部ベイナイトおよび微細なラス状マルテンサイトまたはこれら混合物からなる調質されていない微小構造を有し、かつ鉄および指定された重量%で示される量の以下の添加物:0.03wt%〜0.072wt%のC; 1.6wt%〜2.1wt%のMn; 0.01wt%〜0.10wt%のNb; 0.01wt%〜0.10wt%のV; 0.3wt%〜0.6wt%のMo; 0.005wt%〜0.03wt%のTi、0.6wt%以下のSi、1.0wt% 以下の Cr 、 0.35wt ％以下の Ni 及び 0.06wt% 以下の Alを含み、残部が不可避的不純物からなり、バナジウムおよびニオブの全濃度が0.06wt%を越えることを特徴とし、かつ更に0.5≦Ceq≦0.7（ここで、Ceq = wt% C + wt% Mn/6 + (wt% Cr + wt% Mo + wt% V)/5 + (wt% Cu + wt% Ni)/15である）およびPcm≦0.35（ここで、Pcm = wt% C + wt% Si/30 + (wt% Mn + wt% Cu + wt% Cr)/20 + wt% Ni/60 + wt% Mo/15 + wt% V/10 + 5 (wt% B)である）であることを特徴とする、低合金の、硼素を含まない鋼。
更に、1.0wt%以下のCuをも含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
更に、セメンタイトの微細な析出物をも含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
更に、バナジウム、ニオブおよびモリブデンの炭化物または炭窒化物の析出物をも含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
バナジウムおよびニオブの各濃度が、0.03wt%を越える、請求項4記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
該微小構造が、主として微細な下部ベイナイトを含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
少なくとも10mmの厚みを有する、平板形状にある、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
該鋼が、0.05wt%〜0.072wt%のCを含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
該鋼が、0.2wt%〜0.35wt％のNiを含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
該鋼が、0.03wt%〜0.06wt%のNbを含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
該鋼が、0.03wt%〜0.08wt%のVを含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
該鋼が、0.015wt%〜0.02wt%のTiを含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。
該鋼が、0.001wt%〜0.06wt%のAlを含む、請求項1記載の低合金の、硼素を含まない鋼。