(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.05〜0.20wt％、Si：0.80wt％以下、Mn：1.00wt％以下、Cr：1.00〜3.50wt％、Mo：0.40〜1.50wt％、Ｎ：0.0200wt％以下、Al：0.005〜0.050wt％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる鋼片を、950〜1100℃に加熱し、再結晶温度域における累積圧下率が40％以上の条件で圧延し、直ちに500℃以下の温度に焼き入れ後、室温まで冷却し、その後600℃以上の温度で焼もどすことを特徴とする強度と靱性に優れる圧力容器用Cr−Mo鋼の製造方法。
【請求項２】
Ｃ：0.05〜0.20wt％、Si：0.80wt％以下、Mn：1.00wt％以下、Cr：1.00〜3.50wt％、Mo：0.40〜1.50wt％、Ｎ：0.0200wt％以下、Al：0.005〜0.050wt％を含み、かつCu：0.50wt％以下、Ni：0.50wt％以下、Ｂ：0.0003〜0.0030wt％、Ｖ：0.05〜0.40wt％、Nb：0.003〜0.050wt％、Ti：0.003〜0.015wt％、Ca：0.0005〜0.0100wt％、REM：0.0005〜0.0200wt％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる鋼片を、950〜1100℃に加熱し、再結晶温度域における累積圧下率が40％以上の条件で圧延し、直ちに500℃以下の温度に焼き入れ後、室温まで冷却し、その後600℃以上の温度で焼もどすことを特徴とする強度と靱性に優れる圧力容器用Cr−Mo鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、圧力容器用鋼の製造方法に関するもので、とくに強度と靱性に優れるＣｒ−Ｍｏ鋼の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｒ−Ｍｏ鋼は、耐水素侵食性や高温強度に優れているために、石油精製プラント、化学プラントなどの高温高圧水素雰囲気下で使用される圧力容器用材料として多用されている。
これらのプラントは、近年、効率化の観点から、より高温高圧化の条件で操業される傾向にある。このため、Ｃｒ−Ｍｏ鋼には、一層高い強度が要求されるようになってきた。また、安全操業の観点から、圧力容器の脆性破壊を防止するべく、より高い靱性が要求されるようにもなってきた。なお、この靱性に関しては、圧力容器の定期点検で実施される耐圧試験が常温で行われることから、高温の操業温度のみならず常温での特性も必要である。
このように、圧力容器用に使用されるＣｒ−Ｍｏ鋼は、その使用環境の変化によって、従来よりも一層、強度、靱性に優れた材質が必要とされるようになってきた。
【０００３】
ところで、Ｃｒ−Ｍｏ鋼の製造方法において、従来から一般的に知られている各種の再加熱処理（焼入れ、焼なまし、焼きならし）法を適用すると、細粒で良好な靱性は得られるものの、十分な強度が得られないという問題があった。
そこで、強度を向上させるための試みが、これまでにもいくつか行われてきた。例えば、熱間圧延後に直接焼入れを行う、いわゆる直接焼入れ法が、特公平１−２９８５３号公報および特公平２−９６４７号公報に開示されている。この直接焼入れ法は、再加熱工程を含まない熱処理方法であるので、省エネルギーの上からは勿論のこと、生産性、経済性の上からも多くの利点を有する製造技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の直接焼入れ法では、上記再加熱熱処理法に比べて、鋼の高強度化は図られるものの、圧延後組織の結晶粒が粗大であるため、靱性が低いという問題があった。さらに、この方法では、結晶粒が粗大であることに起因して、焼もどし脆化感受性が高く、使用中の脆化も懸念されていた。
このように、従来の再加熱熱処理法あるいは直接焼入れ法によるＣｒ−Ｍｏ鋼の製造技術では、いずれも、高強度かつ高靱性の材質が得られず、また焼もどし脆化感受性が小さい材質のものが得られないという問題があった。
【０００５】
この発明は、上述した従来のＣｒ−Ｍｏ鋼の材質上の問題に鑑み開発されたものであり、強度および靱性について有利に改善したＣｒ−Ｍｏ鋼の製造方法を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
さて発明者らは、上記の目的を達成すべく、成分組成、熱間圧延および直接焼入れの条件が強度および靱性に及ぼす影響について鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得るに到った。
▲１▼直接焼入れ材の結晶粒度を微細化することによって、靱性の向上および焼もどし脆化感受性の低減を図ることができる。
▲２▼加熱温度を従来の直接焼入れ法の加熱温度（１１００℃以上）よりも低くし、しかも再結晶温度域において４０％以上の圧下を付与することによって、再加熱処理材よりも細粒の組織が得られる。
▲３▼加熱温度を、再加熱熱処理法（再加熱温度は、一般に９００〜９５０℃）より高くすることによって、Ｃｒ  ，Ｍｏ  ，Ｖ  ，Ｎｂ  ，Ｔｉなどの合金元素の固溶、拡散が促進され、焼もどし軟化抵抗が増加し、高い強度が得られる。ただし、これらの合金元素の含有量が少ない場合には、加熱温度上昇による高強度化の効果は小さい。
【０００７】
この発明は、上記の知見に立脚するものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
１）Ｃ：0.05〜0.20wt％、Si：0.80wt％以下、Mn：1.00wt％以下、Cr：1.00〜3.50wt％、Mo：0.40〜1.50wt％、Ｎ：0.0200wt％以下、Al：0.005〜0.050wt％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる鋼片を、950〜1100℃に加熱し、再結晶温度域における累積圧下率が40％以上の条件で圧延し、直ちに500℃以下の温度に焼き入れ後、室温まで冷却し、その後600℃以上の温度で焼もどすことを特徴とする強度と靱性に優れる圧力容器用Cr−Mo鋼の製造方法。
【０００８】
２）Ｃ：0.05〜0.20wt％、Si：0.80wt％以下、Mn：1.00wt％以下、Cr：1.00〜3.50wt％、Mo：0.40〜1.50wt％、Ｎ：0.0200wt％以下、Al：0.005〜0.050wt％を含み、かつCu：0.50wt％以下、Ni：0.50wt％以下、Ｂ：0.0003〜0.0030wt％、Ｖ：0.05〜0.40wt％、Nb：0.003〜0.050wt％、Ti：0.003〜0.015wt％、Ca：0.0005〜0.0100wt％、REM：0.0005〜0.0200wt％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる鋼片を、950〜1100℃に加熱し、再結晶温度域における累積圧下率が40％以上の条件で圧延し、直ちに500℃以下の温度に焼き入れ後、室温まで冷却し、その後600℃以上の温度で焼もどすことを特徴とする強度と靱性に優れる圧力容器用Cr−Mo鋼の製造方法。
【０００９】
【作用】
次に、この発明において、上記要旨構成のとおりに限定した理由について説明する。
Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ％
Ｃは，強度確保に有効な元素であり、少なくとも０．０５ｗｔ％の含有が必要である。一方、０．２０ｗｔ％を超えて過剰に含有した場合には、溶接性の劣化が大きくなるので、０．０５〜０．２０ｗｔ％、好ましくは０．１０〜０．１６ｗｔ％とする。
【００１０】
Ｓｉ：０．８０ｗｔ％以下
Ｓｉは、強度の増加に有効であるが、０．８０ｗｔ％を超えて過剰に含有すると焼もどし脆化感受性を高めるとともに溶接性を低下させるので、０．８０ｗｔ％以下、好ましくは０．７０ｗｔ％以下とする。
【００１１】
Ｍｎ：１．００ｗｔ％以下
Ｍｎは、強度を高めるのに有効な元素であるが、添加量が多過ぎると焼もどし脆化感受性を高め、溶接性を低下させるので、１．００ｗｔ％以下、好ましくは０．８０ｗｔ％以下とする。
【００１２】
Ｃｒ：１．００〜３．５０ｗｔ％
Ｃｒは、高温強度、耐酸化性および耐水素侵食性の向上に有効な元素であり、少なくとも１．００ｗｔ％以上の添加が必要である。一方、３．５０ｗｔ％を超えて添加すると、溶接性、クリープ強度を低下させるので、１．００〜３．５０ｗｔ％の範囲に限定する。
【００１３】
Ｍｏ：０．４０〜１．５０ｗｔ％
Ｍｏは、耐水素侵食性、高温強度とくにクリープ強度の向上に有効な元素であり、その効果を発揮させるためには０．４０ｗｔ％以上の添加が必要である。一方、１．５０ｗｔ％を超えて添加すると、その効果が飽和し、不経済であるとともに、溶接性を低下させるので、０．４０〜１．５０ｗｔ％の範囲に限定する。なお、好ましい添加範囲は０．５０〜１．５０ｗｔ％である。
【００１４】
Ｎ：０．０２００ｗｔ％以下
Ｎは、靱性に悪影響を及ぼす元素であり、とくに０．０２００ｗｔ％を超えて含有すると靱性が急激に低下する。また、Ｎ量が多くなると、Ｂを添加した鋼では、ＢＮを形成してＢの焼入れ性を低下させ、Ｔｉ添加鋼ではＴｉＮを形成し、低温加熱でのＴｉの固溶（Ｔｉによる析出強化）を妨げることになるので、Ｎ量は０．０２００ｗｔ％以下、好ましくは０．００６０ｗｔ％以下とする。
【００１５】
Ｃｕ：０．５０ｗｔ％以下
Ｃｕは、焼入れ性の向上、靱性の改善に有効な元素であるが、０．５０ｗｔ％を超えて添加すると、焼もどし脆化感受性を増大させるので０．５０ｗｔ％以下、好ましくは０．３０ｗｔ％以下とする。
【００１６】
Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下
Ｎｉは、焼入れ性の向上、靱性の改善に有効な元素であるが、０．５０ｗｔ％を超えて添加すると、焼もどし脆化感受性を増大させるので０．５０ｗｔ％以下、好ましくは０．３０ｗｔ％以下とする。
【００１７】
Ｂ：０．０００３〜０．００３０ｗｔ％
Ｂは、焼入れ性を向上させ、強度、靱性をともに向上させるのに有用な元素である。これらの添加効果を発揮させるためには、０．０００３ｗｔ％以上の添加が必要であるが、０．００３０ｗｔ％を超えて添加しても焼入れ性はかえって低下し、とくに靱性が低下するので、０．０００３〜０．００３０ｗｔ％、好ましくは０．０００５〜０．００１５ｗｔ％の範囲とする．
【００１８】
Ｖ：０．０５〜０．４０ｗｔ％
Ｖは、焼もどし時および溶接後熱処理時に安定な炭化物を析出し、常温および高温の強度を向上させ、耐水索侵食性を高める元素である。これらの効果を発揮させるためには、少なくとも０．０５ｗｔ％の添加量が必要である。一方、０．４０ｗｔ％を超えて過剰に添加しても、その効果は飽和する傾向にあり、そのうえ靱性および溶接性を低下させるので、０．０５〜０．４０ｗｔ％、好ましくは０．１０〜０．３５ｗｔ％とする。
【００１９】
Ｎｂ：０．００３  〜０．０５０  ｗｔ％
Ｎｂは、焼もどし時および溶接後熱処理時に安定な炭化物を析出し、常温および高温における強度を向上させ、耐水索侵食性を高める元素である。これらの効果を発揮させるためには、少なくとも０．００３ｗｔ％の添加量が必要である。一方、０．０５０ｗｔ％を超えて過剰に添加しても、その効果は飽和する傾向にあり、その上靱性および溶接性を低下させるので、０．００３〜０．０５０ｗｔ％、好ましくは０．００５〜０．０２５ｗｔ％とする。
【００２０】
Ｔｉ：０．００３  〜０．０１５  ｗｔ％
Ｔｉは、焼もどし時および溶接後熱処理時に安定な炭化物を析出し、常温および高温における強度を向上させ、耐水索侵食性を高める元素である。これらの効果を発揮させるためには、少なくとも０．００３ｗｔ％の添加量が必要である。一方、０．０１５ｗｔ％を超えて過剰に添加しても、その効果は飽和する傾向にあり、その上靱性および溶接性を低下させるので、０．００３〜０．０１５ｗｔ％、好ましくは０．００８〜０．０１２ｗｔ％とする。
【００２１】
Ａｌ：０．００５  〜０．０５０  ｗｔ％
Ａｌは、鋼の脱酸のために、また１１００℃以下の加熱における粗粒化抑制に有効な元素であり、これらの効果を発揮させるためには、０．００５ｗｔ％以上の添加が必要である。一方、０．０５０ｗｔ％を超えて過剰に添加するとクリープ強度を低下させる。したがって、Ａｌの添加量は０．００５〜０．０５０ｗｔ％、好ましくは０．０１０〜０．０２５ｗｔ％の範囲とする．
【００２２】
Ｃａ：０．０００５〜０．０１００ｗｔ％
Ｃａは、耐応力除去焼鈍割れ性および靱性を高めるのに有用な元素であり、これらの効果を発揮させるためには、０．０００５ｗｔ％以上の添加が必要である。一方、これらの元素を過剰に添加すると鋼の清浄度を悪くし靱性をかえって低下させる。したがって、Ｃａの添加量は０．０００５〜０．０１００ｗｔ％、好ましくは０．００１０〜０．００５０ｗｔ％とする。
【００２３】
ＲＥＭ  ：０．０００５〜０．０２００ｗｔ％
ＲＥＭ（希土類元素）は、耐応力除去焼鈍割れ性および靱性を高めるのに有用な元素であり、これらの効果を発揮させるためには、０．０００５ｗｔ％以上の添加が必要である。一方、これらの元素を過剰に添加すると鋼の清浄度を悪くし靱性をかえって低下させる。このため、ＲＥＭの添加量は０．０００５〜０．０２００ｗｔ％、好ましくは０．００１０〜０．００８０ｗｔ％とする。
【００２４】
なお、不純物元素としてのＰ，Ｓの含有量は低いほどよいが、Ｐは焼もどし脆化を抑制するうえから０．０１５ｗｔ％以下、Ｓは良好な靱性を確保するうえから０．００８ｗｔ％以下に低減するのが望ましい。
【００２５】
上記のような化学組成を有するる鋼を、転炉または電気炉で溶製した後、必要に応じて取鍋精錬や真空脱ガス処理を施し、造塊−分塊法あるいは連続鋳造法で鋼片にする。この鋼片を加熱したのち、熱間圧延および直接焼入れを施すことにより製造する。以下に、この発明に従う製造方法について説明する。
・加熱温度：  ９５０〜１１００℃
加熱温度が、９５０℃未満ではＣｒ，Ｍｏ  ，Ｖの固溶、拡散が十分に行われないので、良好な焼入性と高い焼もどし軟化抵抗が得られない。また、９５０℃未満では、Ｎｂ，Ｔｉの析出強化作用も発揮されない。このため、十分な強度を確保するためには、再加熱熱処理法より高い、９５０℃以上の加熱が必要である。一方、１１００℃を超える温度で加熱すると、γ粒が粗大化し過ぎ、圧延工程で十分に微細化（再加熱熱処理材よりも細粒に）できなくなり靱性が低下する。したがって、加熱温度は９５０〜１１００℃、好ましくは１０３０〜１１００℃とする。
【００２６】
・再結晶温度域における累積圧下率：４０％以上
加熱されたスラブは複数パスの圧下により熱間圧延される。９５０〜１１００℃で加熱された鋼のγ粒は幾分粗大化しているので、靱性、耐焼もどし脆化の向上のためには、γ粒径を再加熱熱処理時のそれよりも小さくすることが効果的有である。その効果は、再結晶温度域において、累積圧下率：４０％以上の圧下付与で得られる。
したがって、再結晶域での累積圧下率は、４０％以上、好ましくは４５％以上とする。
【００２７】
・冷却条件：５００℃以下の温度に焼き入れ後、室温まで冷却
圧延後の焼入れは、噴水による強冷が望ましく、加速冷却設備などによる能率的な焼入れが好ましい。冷却停止温度は、低いと微細な焼入れ組織が得られるのに対し、５００℃を超えると粗大な組織を形成し、強度、靱性を低下する。
したがって、冷却停止温度は５００℃以下、好ましくは４５０℃以下とする。また、焼入れ後、室温まで冷却するのは、変態を完全に終了させてから焼もどしを行いうことにより、良好な強靱性を得るためである。
【００２８】
・焼もどし温度：６００℃以上
均質で優れた靱性を得るために、焼入れ後に焼もどし処理を行う。この目的を達成するためには、焼もどし温度を６００℃以上とする必要がある。なお、好ましい焼もどし温度は、６２５〜７２５℃がよい。
【００２９】
【実施例】
・実施例１
表１に示す化学組成からなるスラブを、表２に示す条件で、加熱、熱間圧延、、直接焼入れ（水冷）を行い、室温まで冷却した後、焼もどしを行った。また、比較のために、一部のものについては、上記直接焼入れに代わり、圧延後空冷−再加熱焼入れの処理を行った。これら焼入れ処理後に、６９０℃で２４時間保持の条件で焼もどし処理を行った。
【００３０】
【表１】
0003620098.tif 000002
【００３１】
【表２】
0003620098.tif 000003
【００３２】
得られた試験材について、室温での引張特性、シャルピー衝撃特性およびＧＥタイプのステップクーリング処理（焼もどし脆化特性測定のための加速熱処理）後の脆化量△ｖＴｒｓを調査した。これらの試験結果を表２に併せて示す。
また図１は、これらのデータから、室温における引張強さ（ＴＳ）と破面遷移温度（ｖＴｒｓ）との関係プロットしたものである。図１において、●印が発明法、○印が比較法でそれぞれ製造した材料の特性である。
【００３３】
表２あるいは図１から、この発明法にしたがって製造したＣｒ−Ｍｏ鋼は、直接焼入れ条件が不適切な比較法よりも靱性に優れ、再加熱焼入れによる比較法よりも強度が高いことがわかる。さらに、この発明法にしたがって製造したＣｒ−Ｍｏ鋼は、直接焼入れ条件が不適切な比較法によるものよりも△ｖＴｒｓが小さく、焼もどし脆化感受性が小さいことがわかる。
なお、Ｃｒ、Ｍｏ含有量が過少である鋼（Ｆ）では、直接焼入れ条件が適正であっても、機械的性質の向上はほとんど認められないこと、また、Ｍｎ含有量が過多である鋼（Ｇ）は、直接焼入れ条件が適正であっても、△ｖＴｒＳが大きく、焼もどし脆化感受性が大きいことがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
かくしてこの発明によれば、強度、靱性に優れ、焼もどし脆化感受性が小さいＣｒ−Ｍｏ鋼を、直接焼入れ法により製造することが可能となる。
したがって、この発明によれば、より高温高圧の水素雰囲気下で使用される圧力容器用材料を、省エネルギー工程で効率的に製造できるので、極めて大きな工業的寄与がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】室温における引張強さ（ＴＳ）と破面遷移温度（ｖＴｒｓ）との関係を示すグラフである。
【図１】
0003620098.tif 000004