(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１２０ｋｓｉの降伏強度を有する高強度低合金鋼を製造する方法であって、
（ａ）すべての炭窒化バナジウムおよび炭窒化ニオブを溶解するのに十分な温度まで鋼ビレットを加熱する工程と、
（ｂ）オーステナイトが再結晶する第一の温度領域に、前記ビレットを一回以上通して圧下し、平板を作製する工程と、
（ｃ）オーステナイト再結晶温度未満で、かつＡr3変態点を超える第二の温度領域に、前記平板を一回以上通して更に圧下する工程と、
（ｄ）前記更に圧延された平板を、Ａr3を超える温度から４００℃以下の温度まで水冷却する工程と、からなり、
その際、前記高強度低合金鋼は、合計濃度が０．１重量％以上のニオブおよびバナジウムを含むことを特徴とする高強度低合金鋼の製造方法。
【請求項２】
工程（ａ）の温度は、１１５０〜１２５０℃の範囲である請求の範囲１項記載の方法。
【請求項３】
工程（ａ）の圧下率が、３０〜７０％であり、工程（ｃ）の圧下率が４０〜７０％である請求の範囲１項記載の方法。
【請求項４】
水冷却された平板を、Ａr1遷移点以下の温度で、ε−銅、並びにバナジウム、ニオブ及びモリブデンの炭化物または炭窒化物を析出させるに十分な時間をかけて焼き戻しを行う請求の範囲１項記載の方法。
【請求項５】
焼き戻し工程は、４００〜７００℃の範囲の温度で行われる請求の範囲４項記載の方法。
【請求項６】
水冷却工程は、少なくとも２０℃／秒の速度で行われる請求の範囲１項記載の方法。
【請求項７】
前記板をラインパイプに成形すると共に１〜３％膨張させる請求の範囲１項記載の方法。
【請求項８】
前記鋼は、０．３〜１．０％のＣｒを含有する請求の範囲１記載の方法。
【請求項９】
バナジウムとニオブ濃度が各々０．０４重量％以上である請求の範囲１記載の方法。
【請求項１０】
主たる相として、ε−銅、ならびにバナジウム、ニオブ、およびモリブデンの炭化物、窒化物、または炭窒化物の析出物を含有するマルテンサイト／ベイナイト相からなる、少なくとも１２０ｋｓｉの降伏強度を有する高強度低合金鋼であって、バナジウムとニオブの合計濃度が、０．１重量％以上であることを特徴とする高強度低合金鋼。
【請求項１１】
少なくとも１０ｍｍの厚さを持つ板状である請求の範囲１０項記載の高強度低合金鋼。
【請求項１２】
更なる量のバナジウムとニオブは、固溶体中に存在する請求の範囲１０項記載の高強度低合金鋼。
【請求項１３】
バナジウムとニオブ濃度が各々０．０４重量％以上である請求の範囲１２項記載の高強度低合金鋼。
【請求項１４】
０．３〜１．０％のＣｒを含有する請求の範囲１０項記載の高強度低合金鋼。
【請求項１５】
溶接後のＨＡＺ強度が母材金属の強度の９５％以上である請求の範囲１３項記載の高強度低合金鋼。
【請求項１６】
溶接後のＨＡＺ強度が母材金属の強度の９８％以上である請求の範囲１３項記載の高強度低合金鋼。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、優れた溶接性、熱影響部（HAZ）強度、および低温靱性を有する高強度鋼板ラインパイプに関する。より詳細には、本発明は、HAZの強度がラインパイプの残りの部分の強度と実質的に同じ二次硬化性を有する高強度低合金ラインパイプ鋼、および該ラインパイプの前駆材料である平板の製造方法に関する。
従来技術
現在、市販のラインパイプの最大降伏強度は、約80ksiである。実験的には強度がもっと大きい、例えば約100ksiまでの鋼が作製されているが、こうした鋼をラインパイプとして安全に使用できる前にいくつかの解決すべき問題が残る。こうした問題の一つは、鋼の成分としてホウ素が使用されることである。ホウ素により材料の強度を増大させることができるが、ホウ素を含有する鋼は加工が難しく、製品にばらつきを生じたり、応力腐蝕割れ感受性が増大したりする。
強力鋼、すなわち降伏強度が約80ksiを超える鋼におけるもう一つの問題は、溶接後のHAZの軟化である。溶接によって生じる熱サイクルの間、HAZは局部相転移または焼きなましを受けるため、HAZは母材と比べて顕著な軟化、すなわち約15%以上になる軟化が起こる。
従って、本発明の目的は、製品の品質のばらつきをなくし、溶接によって生じる熱サイクルの間、HAZの強度の低下を実質的になくすか、または少なくとも減少させ、しかも周囲温度および低温において十分な靱性を有する、厚さが少なくとも10mm、好ましくは15mm、より好ましくは20mmで、降伏強度が少なくとも約120ksi、かつ引張強度が少なくとも約130ksiであるラインパイプ用の低合金超強力鋼を製造することである。
本発明の更なる目的は、多岐にわたる焼きもどしパラメータ（例えば時間や温度など）に適応させるために製造業者が利用し易い独特な二次硬化レスポンスを有する鋼を提供することである。
発明の概要
本発明によって鋼の化学特性と加工技術とをバランスさせることができるようになるために、指定最小降伏強度（SMYS）が≧100ksi、好ましくは≧110ksi、より好ましくは≧120ksiである強力鋼の製造が可能となり、こうした鋼からラインパイプを作製することができるとともに、溶接後においてHAZの強度はラインパイプの残りの部分の強度と実質的に同じレベルに保たれる。更に、本発明の高強度低合金鋼にはホウ素が含まれず、すなわちホウ素の量が5ppm未満、好ましくは1ppm未満、最も好ましくはゼロであり、ラインパイプ製品の品質にはばらつきがなく、応力腐蝕割れに対して過度な感受性を呈することもない。
好ましい鋼製品は、主として微粒焼きもどしマルテンサイトおよびベイナイトから成る実質的に均一なミクロ構造を有し、ε−銅、ならびにバナジウム、ニオブおよびモリブデンの炭化物または窒化物または炭窒化物の析出物によって二次硬化させることができる。これらの析出物、特にバナジウムは、おそらくは、変態点Ａc1以下の温度まで加熱された領域において転位の消失を防ぐことによって、または変態点Ａc1を超える温度まで加熱された領域において析出硬化を起こすことによって、またはそれらの両方によって、HAZの軟化を最小限に抑える。
本発明の鋼板は、通常の方法で鋼ビレットを作製することによって製造され、以下の化学組成（重量%で）を有する。
0.03〜0.12% C、好ましくは0.05〜0.09% C
0.10〜0.50% Si
0.40〜2.0% Mn
0.50〜2.0% Cu、好ましくは0.6〜1.5% Cu
0.50〜2.0% Ni
0.03〜0.12% Nb、好ましくは0.04〜0.08% Nb
0.03〜0.15% V、好ましくは0.04〜0.08% V
0.20〜0.80% Mo、好ましくは0.3〜0.6% Mo
0.30〜1.0% Cr、水素を含有する雰囲気に対して好ましい
0.005〜0.03% Ti
0.01〜0.05% Al
Pcm≦0.35
バナジウム＋ニオブの合計≧0.1%
残りはFeおよび副次的な不純物である。
その他に、周知の不純物であるN、P、およびSの量を最小限に抑えるが、以下に説明するように、若干のNは粒子成長抑制用の窒化チタン粒子を調製するうえで好ましい。N濃度は約0.001〜0.01%、Sは0.01%以下、Pは0.01%以下が好ましい。この化学組成においては、ホウ素の添加はなく、ホウ素濃度≦5ppm、好ましくは1ppm未満であるという点で、本発明の鋼にはホウ素が含まれないと言える。
図面の説明
図1は、鋼板の引張強度（ksi、縦軸）を焼きもどし温度（℃、横軸）に対してプロットしたものである。この図はまた、ε−銅、ならびにモリブデン、バナジウムおよびニオブの炭化物および炭窒化物の析出に関連した硬化／強化の加成効果を模式図で示している。
図2は、合金A2の焼入したままの平板の粒状ベイナイトミクロ構造を示す明視野透過電子顕微鏡写真である。
図3は、合金A1の焼入したままの平板のラスマルテンサイトミクロ構造を示す明視野透過電子顕微鏡写真である。
図4は、焼入および600℃、30分間の焼きもどしを行った合金A2から得られた明視野透過電子顕微鏡写真である。焼入したままの転位が、焼きもどしの後も実質的に保持されることから、このミクロ構造の顕著な安定性が示唆される。
図5は、焼入および600℃、30分間の焼きもどしを行った合金A1から得られた析出物の高倍率暗視野透過電子顕微鏡写真であり、複雑な混合析出を示している。最も粗い球状粒子はε−銅であると識別され、それより細かい粒子は（V, Nb）（C, N）型である。細かい針状物は（Mo, V, Nb）（C, N）型であり、これらの針状物は、転位のうちのいくつかを飾って固定する。
図6は、3キロジュール/mmの熱を供給した際のA1（四角形）およびA2（三角形）に関して、鋼の溶接熱影響部（HAZ）を横切る方向を横軸にとって微小硬さ（ビッカース硬さ値VHNを縦軸にとる）をプロットしたものである。また、比較のために、より低い強度の市販ラインパイプ鋼X100の典型的な微小硬さもプロットする（点線）。
鋼ビレットを次のように処理する。実質的にすべて、好ましくはすべての炭窒化バナジウムおよび炭窒化ニオブを溶解するのに十分な温度、好ましくは1100〜1250℃の範囲の温度までビレットを加熱する。オーステナイトが再結晶する第一温度領域を一回以上通過させて圧下率30〜70%となるまでビレットに第一熱間圧延を施し、平板を作製する。第一温度より幾分低めで、オーステナイトが再結晶せず、Ar3変態点より高い第二温度領域を一回以上通過させて第二熱間圧延を行い、圧下率40〜70%とする。少なくとも20℃／秒、好ましくは少なくとも約30℃／秒の速度で水による焼入を行ってＡr3変態点以上の温度から400℃以下の温度まで急冷し、圧延された平板を硬化させる。硬化された圧延板の焼きもどしをＡc1遷移点以下の温度で十分な時間をかけて行い、少なくとも一つ以上のε−銅、ならびにバナジウム、ニオブおよびモリブデンの炭化物または窒化物または炭窒化物を析出させる。
発明の詳細な説明
高強度鋼には、必然的に種々の性質が要求されるが、こうした性質は、元素と熱力学的処理とを組み合わせることによって生み出される。例えば、鋼の化学組成を少し変化させることによって、製品の性質を大きく変えることができる。種々の合金元素の役割および本発明におけるそれらの濃度の好ましい限界値を以下に示す。
炭素は、ミクロ構造のいかんにかかわらず、すべての鋼および溶接品のマトリックス強化を行い、更に、Nb（C, N）、V（C, N）、およびMo2Cの小粒子または析出物が十分に細かく、かつ多数存在する場合には、主としてこれら小粒子または析出物の形成によって析出強化を行う。その他、熱間圧延中のNb（C, N）析出には、再結晶化を遅らせ、粒子成長を防止する働きがあるため、オーステナイト微粒化の手段となるとともに、強度および低温靱性の両方が改良される。炭素はまた、焼入性、すなわち鋼の冷却によってより硬くより強いミクロ構造を形成する能力、を助長する。炭素の含有量が0.03%未満の場合には、こうした強度増大効果は得られない。炭素の含有量が0.12%を超えると、鋼は現場溶接時に低温割れを起こし易くなり、鋼板およびその溶接HAZの靱性が低下する。
マンガンは、鋼および溶接品のマトリックス強化剤であり、これはまた、焼入性に大きく寄与する。要求される高い強度を達成するためには最低0.4%の量のMnが必要である。炭素と同じように、マンガンの含有量が多すぎると鋼板および溶接品の靱性に悪影響が生じ、更に現場溶接時の低温割れを引き起こすので、Mnの上限値は2.0%である。この上限値はまた、連続的に鋳造されたラインパイプ鋼中のひどいセンターライン偏析を防止するためにも必要であり、この偏析は水素誘起割れ（HIC）を引き起こす要因にもなっている。
ケイ素は、脱酸を目的として常に鋼に添加されるが、この役割を果たすには少なくとも0.1%が必要である。強力フェライト固溶体強化にも必要である。Siの量が多くなると、HAZ靱性は悪影響を受け、その量が0.5%を超えるとHAZ靱性は許容できないレベルになる。
ニオブは、鋼の圧延ミクロ構造の微粒子化を促進するために添加され、これによって強度および靱性の両方が改良される。熱間圧延中の炭窒化ニオブの析出には、再結晶化を遅らせ、粒子成長を防止する働きがあるため、オーステナイト微粒化の手段となる。ニオブは、Nb（C, N）析出物形成によって焼きもどし時の強度を更に強化する。しかしながら、ニオブが多すぎると、溶接性およびHAZ靱性が悪影を受けるため、最大でも0.12%である。
チタンは、少量添加した場合、TiNの微粒子を形成するのに有効であり、この微粒子は、圧延構造の微粒化に寄与できるとともに、鋼のHAZの粒子粗大化の防止剤として作用することもできる。こうして靱性が改良される。Ti/N比を3.4とし、遊離の窒素がTiと結合してTiN粒子が形成されるようにチタンの添加量を設定する。また、Ti/N比を3.4にすると、鋼ビレットの連続鋳造中に細かく分散されたTiN粒子が確実に形成される。この微粒子は、オーステナイトの後続の再加熱および熱間圧延の間、粒子成長を防止する働きをする。チタン多すぎると、粗いTi（C, N）粒子が形成されるため、鋼および溶接品の靱性が劣化する。0.005%未満のチタン含有率では、十分に細かい粒子サイズは得られず、0.03%を超えると、靱性の劣化を引き起こす。
銅は、鋼マトリックス中に細かい銅粒子を形成することによって圧延後の鋼の焼きもどし時に析出強化を行うために添加される。銅はまた、耐食性および耐HIC性にとっても有用である。銅が多すぎると、過度の析出硬化および靱性の劣化を招く。また、銅を多くすると、鋼は熱間圧延中の表面割れを起こし易くなるため、最大でも2.0%である。
ニッケルは、熱間圧延中の表面割れを起こす銅の有害な作用を打ち消すために添加される。ニッケルはまた、鋼およびそのHAZの靱性にも有用である。ニッケルは一般的には有用な元素であるが、添加量が2%を超えると、硫化物応力割れを促進する傾向がある。このため、最大添加量は2.0%に制限される。
アルミニウムは、脱酸を目的としてこうした鋼に添加される。この目的のためには少なくとも0.01%のAlが必要である。アルミニウムはまた、HAZ靱性を付与するうえで重要な役割を果たすが、この役割は、溶接熱によりTiNが部分的に溶解し窒素が遊離される粗粒子HAZ領域中の遊離窒素を除去することによって達成される。アルミニウム含有率が高すぎると、すなわち0.05%を超えると、Al2O3型の介在物を形成する傾向を呈し、この介在物は鋼およびそのHAZの靱性に悪影響を与える。
バナジウムは、焼きもどし時の鋼およびその溶接後の冷却時のHAZの中に細かいVC粒子を形成することによって析出強化を起こすために添加される。バナジウムをオーステナイトに溶解すると、焼入性に関して大変有用な効果を示す。従って、強力鋼のHAZ強度を維持するうえでバナジウムは有効である。過剰のバナジウムがあると、現場溶接時に冷温割れを引き起こすうえに、鋼およびそのHAZの靱性を劣化させるので、上限は0.15%である。
モリブデンは、直接焼入時の鋼の焼入性を増大させ、その結果、強いマトリックスミクロ構造が形成されるとともに、Mo2CおよびNbMo炭化物の粒子を形成することによって、焼きもどし時の析出強化を行う。過剰のモリブデンがあると、現場溶接時に低温割れを起こすとともに、鋼およびそのHAZの靱性を劣化させるので、最大でも0.8%である。
クロムもまた、直接焼入時の焼入性を増大させる。クロムは耐食性および耐HIC性を向上させる。特に、鋼表面にCr2O3に富んだ酸化膜を形成することによって水素の進入を防止するうえでクロムは好ましい。クロム含有率が0.3%未満だと、鋼表面に安定なCr2O3膜を設けることはできない。モリブデンの場合と同じように、過剰のクロムがあると、現場溶接時に低温割れを起こすとともに、鋼およびそのHAZの靱性を劣化させるので、最大でも1.0%である。
窒素は、鋼製造中、鋼の中に混入して残存することを防ぐことはできない。本発明の鋼においては、窒素が少量であれば細かいTiN粒子を形成するうえで有用であり、この粒子は熱間圧延時の粒子成長を防止するので、圧延された鋼およびそのHAZの微粒化が促進される。必要な容積分率のTiNを形成するには、少なくとも0.001%のNが必要である。しかしながら、窒素が多すぎると、鋼およびそのHAZの靱性が劣化するので、Nの最大含有率は0.01%である。
降伏強度が120ksi以上の高強力鋼が製造されてはいるが、これらの鋼は、ラインパイプに必要な靱性および溶接性の要件を満足していない。というのは、こうした材料は、比較的高い炭素当量、すなわち、本明細書中に記載した0.35よりも大きいPcmを有するからである。
熱力学的処理の第一の目標は、焼きもどしされたマルテンサイトおよびベイナイトの十分に細かいミクロ構造を達成することであり、このミクロ構造は、ε−Cu、Mo2C、V（C, N）およびNb（C, N）の更に細かく分散された析出物によって二次的に硬化される。焼きもどしされたマルテンサイト／ベイナイトの細かいラスは、材料に高い強度および良好な低温靱性を提供する。従って、第一に、加熱されたオーステナイト粒子のサイズを細かく、例えば≦20ミクロンとし、第二に、変形させて平らにし、オーステナイト粒子の貫通厚寸法を更に小さく、例えば≦8〜10ミクロンとし、第三に、平らになったオーステナイト粒子を、高い転位密度および剪断力のバンドで満たす。こうすると、熱間圧延完了後に鋼ピレットを冷却した場合、変態相の形成に必要な潜在的核生成サイトの密度が高くなる。第二の目標では、ビレットが室温まで冷却された後、実質的に固溶体中の状態で十分なCu、Mo、V、およびNbを保持することによって、焼きもどし処理中にCu、Mo、V、およびNbを利用してε−Cu、Mo2C、Nb（C, N）、およびV（C, N）を析出させることである。従って、ビレットを熱間圧延する前の再加熱温度は、鋼の連続鋳造中に形成されるTiN粒子の溶解を妨げ、それによって熱間圧延前のオーステナイト粒子の粗大化を妨げながら、Cu、V、Nb、およびMoの溶解度を最大にするという要件を満足しなければならない。本発明の鋼組成物においてこれらの目標を達成するためには、熱間圧延前の再加熱温度が1100℃未満であってはならないと同時に、1250℃を超えてもならない。本発明の範囲内にあるあらゆる鋼組成物において使用される再加熱温度は、実験、または適切なモデルを用いた計算のいずれかによって容易に決定される。
これら二つの温度領域の境界、すなわち再結晶領域と非再結晶領域との境界を規定する温度は、圧延前の加熱温度、炭素濃度、ニオブ濃度、および圧延処理時の圧下率に依存する。この温度は、実験、またはモデル計算のいずれかによって各鋼組成物に対して決定することができる。
こうした圧延条件を利用すると、オーステナイト粒子のサイズが細かくなると同時に、オースイナイト粒子中の変形バンドの生成によって転位密度が増大し、これによって圧延が完了した後の冷却中の変態生成物の核形成に必要な変形オーステナイト内の潜在的サイトの密度が最大となる。再結晶温度範囲内で圧下率が減少すると同時に、非再結晶温度範囲内で圧下率が増大する場合には、オーステナイト粒子が十分に微細化されず、その結果、粗いオーステナイト粒子が生じるために、強度および靱性はいずれも減少するとともに応力腐蝕割れ感受性が増大する。一方、再結晶温度範囲内で圧下率が増大すると同時に、非再結晶温度範囲内で圧下率が減少する場合には、オーステナイト粒子中の変形バンドおよび転位部分構造の形成が不適当なものとなり、圧延が完了した後の鋼の冷却時の変態生成物の十分な微粒化ができなくなる。
仕上げ圧延の後、水による焼入を行い、鋼をAr3変態温度以上の温度から400℃以下の終了温度まで冷却する。空気冷却は利用できない。なぜなら、空気冷却するとオーステナイトがフェライト／パーライトに変態し、強度の劣化を招くからである。更に、空気冷却中にCuが析出して過時効となり、焼きもどし時の析出強化が実際上無効化する。
水冷却を400℃を超える温度で終了すると、冷却中の変態硬化が不十分となり、そのために鋼板の強度が減少する。
熱間圧延および水冷却された鋼板は、次に焼きもどし処理にかけられる。この処理は、Ac1変態点以下の温度で行われる。この焼きもどし処理は、鋼の靱性を改良し、ε−Cu、Mo2C、Nb（C, N）、およびV（C, N）のミクロ構造全体にわたって実質的に均一に十分な析出を起こさせて強度を増大させることを目的に行われる。従って、この二次強化は、ε−Cu、Mo2C、V（C, N）、およびNb（C, N）析出物の組合せた効果によって達成される。ε−CuおよびMo2Cに起因する最大硬化は、450℃〜550℃の温度範囲で起こり、一方、V（C, N）／Nb（C, N）に起因する硬化は、550℃〜650℃の温度範囲で起こる。これらの析出物種を利用して二次硬化を達成すると、マトリックス組成およびミマロ構造の変化による影響を最小限に抑える硬化レスポンスが得られ、平板全体にわたって均一な硬化が得られる。更に、二次硬化レスポンスの温度範囲が広いため、鋼の強化が焼きもどし温度にそれ程敏感ではない。従って、少なくとも10分間、好ましくは少なくとも20分間、例えば30分間、約400℃を超え約700℃未満の温度、好ましくは500〜650℃の温度において鋼を焼きもどしする必要がある。
上述の方法によって作製された鋼板は、比較的低い炭素濃度にもかかわらず、大きい強度と強い靱性を呈するとともに、鋼の厚さ方向全体にわたり高い均一性を示す。その他に、熱影響部の軟化傾向は、溶接中のV（C, N）およびNb（C, N）の析出物の存在およびその析出物の更なる形成によって減少する。更に、水素誘起割れに対する鋼の感受性は著しく減少する。
HAZは、溶接によって生じる熱サイクル中に増大し、溶接融解ラインから2〜5mmにわたって広がる。この領域は、例えば、約700℃から約1400℃の温度勾配を呈し、低温部から高温部へ次のような軟化現象、すなわち、高温焼きもどし反応による軟化とオーステナイト化および徐冷による軟化が起こる部分を包含する。第一の該部分においては、バナジウムおよびニオブならびにそれらの炭化物または窒化物が存在するために高い転位密度および部分構造が保持され、これにより軟化が防止されるか、または実質的に最小限に抑えられる。第二の該部分においては、バナジウムおよびニオブの炭窒化物の析出物が更に生成し、軟化を最小限に抑える。溶接によって生じる熱サイクル中の本質的な効果は、HAZがラインパイプ中の残りの母材鋼の強度を実質的にすべて保持することである。強度の損失は、母材鋼の強度に対して約10%未満、好ましくは約5%未満、より好ましくは約2%未満である。すなわち、溶接後のHAZの強度は、母材金属の強度の少なくとも約90%、好ましくは母材金属の強度の少なくとも約95%、より好ましくは母材金属の強度の少なくとも約98%である。HAZの強度が保持されるのは、主にバナジウム＋ニオブの濃度が≧0.1%であることに起因しているが、鋼中のバナジウムおよびニオブの存在量はそれぞれ≧0.4%であることが好ましい。
ラインパイプは周知のU-O-E法によって平板から成形されるが、この方法では、平板をU型に成形し、次にO型に成形し、次にこのO型を1〜3%膨張させる。この成形および膨張は、付随する加工硬化作用によってラインパイプに最高の強度を付与する。
実施例の説明
以下の実施例は、上述の本発明を具体的に説明するためのものである。
次の化学組成で表される各合金の500ポンドの加熱体を真空誘導溶解し、インゴットを鋳造し、厚さ100mmのスラブに鋳造加工し、更に以下に説明するような熱間圧延を施して、性質のキャラクタリゼーションを行った。表1に、合金A1およびA2の化学組成（重量%）を示す。
0003990724.tif 000002
鋳造したままのインゴットに対して圧延前に適切な再加熱を施し、ミクロ構造に所望の効果を誘起させる必要がある。再加熱は、Mo、NbおよびVの炭化物および炭窒化物をオーステナイトに実質的に溶解させるという目的で行われ、こうした溶解を行うことによって、これらの元素を後続の鋼加工処理でより望ましい形態で析出させることができるようになる。すなわち、焼入前ならびにオースイナイト変態生成物の焼きもどしおよび溶接においてオーステナイト中に細かい析出を起こさせることができるようになる。本発明においては、1100〜1250℃の範囲の温度で、具体的には合金A1は1240℃で、合金A2は1160℃でそれぞれ2時間再加熱を行う。合金デザインおよび熱力学的処理は、強力な炭窒化物形成剤、特にニオブおよびバナジウムに関して、次のバランスが得られるように調節されたものである。
・これらの元素の約三分の一が、焼入の前にオーステナイト中で析出する。
・これらの元素の約三分の一が、焼入に続く焼きもどしの際にオーステナイト変態生成物中で析出する。
・これらの元素の約三分の一を固溶体中に保持し、HAZ中での析出に利用して、降伏強度が80ksiを超える鋼に見られる通常の軟化を改善する。
100mm厚の矩形の初期スラブの熱力学的圧延スケジュールを、合金A1について表2に示す。合金A2に対する圧延スケジュールも同様であるが、再加熱温度は1160℃とした。
0003990724.tif 000003
仕上げ圧延温度から室温まで30℃／秒の冷却速度で鋼を急冷した。この冷却速度により、主としてベイナイトおよび／またはマルテンサイトから成る、より好ましくは100%ラス（lath）マルテンサイトから成る所望の焼入したままのミクロ構造が得られた。
一般に、時効に伴い、鋼は軟化し、焼入したままの硬度および強度を失うが、この強度損失の程度は、鋼の特定の化学組成による変項である。本発明の鋼においては、ε−銅、VC、NbC、Mo2Cの細かい析出が組合わさって、強度／硬度のこうした自然損失が実質的になくなるか、または顕著に改善される。
400〜700℃の範囲の様々な温度で30分間焼きもどしを行い、次に水による焼入または空気冷却、好ましくは水による焼入を行って室温まで冷却した。
析出物によって得られる複合二次硬化のデザインは鋼の強度に反映されるが、この様子を合金A1について図1に模式的に示す。この鋼は、焼入したままの硬度および強度は高いが、連続的に減少する点線で示されるように、二次硬化析出物が存在しない場合には、400〜700℃の時効温度範囲において容易に軟化を起こす。実線は、この鋼の実測された性質を表している。この鋼の引張強度は、400〜650℃の広い温度範囲にわたって時効に対する感応性をほとんど示さない。この広い時効範囲において種々の温度領域で生成され最大となるε−Cu、Mo2C、VC、NbCの析出によって強化が行われるが、この析出により強度が蓄積されて、強力な炭化物形成剤を含まない普通炭素鋼および低合金マルテンサイト鋼の時効にともなって通常見られる強度の損失を補う。炭素量およびPcm値が小さい合金A2においても、合金A1と類似の挙動を示したが、強度レベルは、すべての処理条件においても合金A1のものよりも低かった。
焼入したままのミクロ構造の例を図2および３に示すが、これらの図は、これらの合金のそれぞれについて主として粒状のベイナイトおよびマルテンサイトミクロ構造を表している。合金A1において合金化率を高めて焼入性を増大させるとラスマルテンサイト構造が得られたが、一方、合金A2は主として粒状のベイナイトであることが特徴であった。注目すべきことに、600℃での焼きもどしの後においてすら、いずれの合金も図4に示すように優れたミクロ構造安定性を示し、転位部分構造の回復は無視できるほどであって、セル／ラス／粒子の成長はほとんど起こらなかった。
500〜650℃の範囲で焼きもどしを行うと、最初に、ε−銅析出物、Mo2Cおよび（Nb, V）C型の球状および針状タイプの析出物の形態で、二次硬化析出が観察された。これらの析出物の粒子サイズは10〜150Åの範囲であった。析出物をはっきりとさせるように選択的に撮影した非常に高倍率の透過電子顕微鏡写真が、析出物暗視野像として図5に示されている。
周囲温における引張特性データを、周囲温および低温における靱性と共に表3にまとめてある。合金A1は本発明の最小目標引張強度を凌駕し、合金A2の結果はこの判定基準を満たすことは明らかである。
周囲温および-40℃において、ASTM規格E23に従って長手方向および横方向のサンプルを用いて、Vノッチ付シャルピー衝撃靱性試験を行った。すべての焼きもどし条件下、合金A2は、-40℃において200ジュールをはるかに超えるより高い衝撃靱性を呈した。合金A1もまた、優れた衝撃靱性を示し、その強度は極めて大きく、-40℃において100ジュールを超え、好ましくは-40℃において鋼靱性≧120ジュールであった。
平板溶接試験で作製した実験用単一ビードから得られた微小硬さデータを、本発明の鋼について、市販のより低い強度のラインパイプ鋼X100の比較データと共に図6にプロットする。実験溶接は、3kJ/mmの熱供給の下で行い、溶接されたHAZを横切る方向に硬度プロフィルが示されている。本発明に従って作製された鋼は、HAZの軟化に対して著しい耐性を示し、その軟化は母材金属の硬度に対して約2%未満であった。これとは対照的に、鋼A1と比べて母材金属の強度および硬度がはるかに小さい市販のX100では、HAZにおいて約15％という、相当な軟化が観測された。
HAZにおける母材金属強度を保持するのは、母材金属強度が増大するにつれて一層困難になることが周知であることから、こうした市販品との差異は更に際立つものとなる。本発明の高強度HAZは、溶接熱供給が約1〜5キロジュール／mmの範囲にあるときに得られる。
0003990724.tif 000004
【図１】
0003990724.tif 000005
【図２】
0003990724.tif 000006
【図３】
0003990724.tif 000007
【図４】
0003990724.tif 000008
【図５】
0003990724.tif 000009
【図６】
0003990724.tif 000010