特許 7441858 鋼、棒鋼およびそれらの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-21

(45)【発行日】2024-03-01

(54)【発明の名称】鋼、棒鋼およびそれらの製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20240222BHJP

   C22C 38/54 20060101ALI20240222BHJP

   C21D 8/06 20060101ALI20240222BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301Y

C22C38/54

C21D8/06 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021568979

(86)(22)【出願日】2020-05-25

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-28

(86)【国際出願番号】 CN2020092113

(87)【国際公開番号】W WO2020238851

(87)【国際公開日】2020-12-03

【審査請求日】2021-11-18

(31)【優先権主張番号】201910451727.4

(32)【優先日】2019-05-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】514216801

【氏名又は名称】バオシャン アイアン アンド スティール カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100136629

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 光宜

(74)【代理人】

【識別番号】100080791

【弁理士】

【氏名又は名称】高島 一

(72)【発明者】

【氏名】チャン、ジュン

(72)【発明者】

【氏名】チャオ、スーシン

(72)【発明者】

【氏名】ガオ、ジアチアン

(72)【発明者】

【氏名】ワン、ウェイ

【審査官】川村 裕二

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－００９３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２０６９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１４１６９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１０６２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１５９４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５０９１３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３８／００－３８／６０

Ｃ２１Ｄ １／００－１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量パーセントで次の化学組成を含む鋼であり、
Ｃ：０．１５～０．２５％と、Ｓｉ：０．１０～０．５０％と、Ｍｎ：０．６０～１．５０％と、Ｃｒ：０．３０～１．２０％と、Ｍｏ：０．２０～０．８０％と、Ｎｉ：２．００～４．００％と、Ｎｂ：０～０．１０％と、Ｂ：０．００１０～０．００５０％と、Ｖ：０を超え０．１２％以下と、Ｔｉ：０．００３～０．０６％と、Ａｌ：０．０１～０．０８％と、残部のＦｅと、不可避不純物とからなり；鋼の微細構造が焼き戻しされたマルテンサイトおよび焼き戻しされたベイナイトである、鋼。

【請求項2】

０＜Ｃｕ≦０．３０％および０＜Ｃａ≦０．００５％、あるいは０＜Ｃａ≦０．００５％をさらに含む、請求項１に記載の鋼。

【請求項3】

前記不可避不純物が、以下の少なくとも１つを満たす、請求項１に記載の鋼：
Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．００３％、Ｈ≦０．０００２％、Ｎ≦０．０１５０％、およびＯ≦０．００３０％。

【請求項4】

前記鋼が、９５０ＭＰａ以上の降伏強度、１１５０ＭＰａ以上の引張強度、７５Ｊ以上の－２０℃でのシャルピー衝撃エネルギーＡｋｖ、１５％以上の伸び率、および５５％以上の破壊後の面積の減少率を有する、請求項１に記載の鋼。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の鋼から作製された棒鋼。

【請求項6】

前記棒鋼は、１８０ｍｍ以下の直径である、請求項５に記載の棒鋼。

【請求項7】

請求項５または６に記載の棒鋼の製造方法であって：
製錬および鋳造をする工程；
加熱する工程；
鍛造または圧延する工程；
焼入れする工程：ここで、前記焼入れ工程中のオーステナイト化温度は８４０～１０５０℃であり、次いで、オーステナイト化後に水焼入れする工程；および
焼き戻しする工程：ここで、前記焼き戻し温度は５００～６５０℃であり、次いで、前記焼き戻し後に空冷または水冷する工程
を含む、方法。

【請求項8】

前記加熱プロセス中の加熱温度が１０５０～１２５０℃である、請求項７に記載の製造方法。

【請求項9】

仕上げ圧延温度または仕上げ鍛造温度が８００℃以上である、請求項７に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超高強度を持つ鋼材料およびその製造方法に関する。特に、超高強度を有する低温鋼、棒鋼、およびそれらの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

発明の背景
超高強度・靭性の低温棒鋼は、沖合プラットフォーム、安全性の高い機械、構造部品の係留チェーンの製造に使用され得る。深海での海洋資源の開発に伴い、沖合プラットフォームはより大きくなり、構造と機能がより複雑になり、沖合プラットフォームの係留チェーンに対する要求も高まっている。沖合プラットフォーム係留チェーンの動作環境は、高い引張荷重、波の動きによる海水からの衝撃、海水による侵食、微生物による腐食のために過酷である。

【0003】

大規模な沖合プラットフォームの係留チェーン用の鋼は、より高い強度と、より高い衝撃靭性を必要とする。現在、大規模沖合プラットフォームの係留チェーン用鋼材のグレードは、主にＲ３、Ｒ３Ｓ、Ｒ４、Ｒ４Ｓ、Ｒ５であり、それらの引張強度は、それぞれ、６９０ＭＰａ、７７０ＭＰａ、８６０ＭＰａ、９６０ＭＰａ、１０００ＭＰａである。

【0004】

これに基づいて、超高強度の低温延性鋼を得ることが望まれる。現在、中国および海外での高強度延性鋼の研究は、一般に、適切な化学成分を選択し、制御された圧延および制御された冷却または焼入れおよび焼き戻しプロセスを使用して、機械的特性の要件を満たす高強度延性鋼を製造することによって行われている。しかし、高強度鋼の製造に制御圧延および制御冷却プロセスを採用した場合、圧延および冷却プロセスのパラメータを制御することは困難であり、鋼の機械的特性の全体的な均一性に影響を及ぼす。高強度鋼を焼入れ焼き戻し法で製造する場合、合金元素と炭素の含有量を最適化することで鋼の焼入れ性が向上し、鋼は、冷却プロセスでマルテンサイト構造を形成する。マルテンサイトは、ｂｃｃ格子がｃ軸に沿って伸びるＦｅ原子の体心立方格子に、炭素を溶解することによって形成される正方格子である。このような構造は、高い強度と硬度を持っている。主に、マルテンサイトを含む高強力鋼は、１０００Ｊ／ｍｏｌまでの高いひずみ貯蔵エネルギーと高い転位密度のため、通常、低温衝撃エネルギーが低くなる。しかし、マルテンサイト系高張力鋼は、高密度転位とサブ結晶粒界を持っているため、延伸プロセスで微小亀裂などの微小欠陥が発生すると、破断してすぐに破損し、伸び率が低くなる。

【0005】

例えば、中国特許出願公開第ＣＮ１０３６６７９５３Ａ（公開日２０１４年３月２６日）の名称「環境亀裂感受性が低く、超耐久性を有する海洋の係留チェーン鋼とその調製方法」は、環境亀裂感度が少なく、超高耐久性を有する海洋の係留チェーン鋼、およびその調製方法を開示している。この特許に開示されている技術的解決策によれば、鋼の組成は、質量パーセントで以下の成分を含む：Ｃ：０．１２～０．２４、Ｍｎ：０．１０～０．５５、Ｓｉ：０．１５～０．３５、Ｃｒ：０．６０～３．５０、Ｍｏ：０．３５～０．７５、Ｎ≦０．００６、Ｎｉ：０．４０～４．５０、Ｃｕ≦０．５０、Ｓ≦０．００５、Ｐ：０．００５～０．０２５、Ｏ≦０．００１５、Ｈ≦０．０００１５、残部のＦｅと不可避不純物。

【0006】

別の例として、「高性能海洋係留チェーン鋼およびその製造方法」という名称の中国特許出願公開ＣＮ第１０１５１９７５１号（公開日２００９年９月２日）は、高性能海洋係留チェーン鋼およびその製造方法を開示している。この特許に開示されている技術的解決策によれば、鋼の組成は、重量パーセントで以下を含む：Ｃ：０．１６～０．２７、Ｍｎ：０．４０～１．０５、Ｓｉ：０．１５～０．５０、Ｃｒ：１．２５～２．５０、Ｍｏ：０．２０～０．６０、Ａｌ：０．０１～０．０６、Ｎ：０．００４～０．０１５、Ｓ≦０．００５、Ｐ≦０．０１５、残部のＦｅと不可避不純物。このような係留チェーン鋼の全体的な機械的特性は次のとおりである。引張強度σｂ≧１０００ＭＰａ、伸び率δ≧１５％、破壊後の面積の減少率ψ≧５５％、－２０℃での衝撃エネルギーＡｋｖ≧８０Ｊ、降伏－強度比σｓ／σｂ≦０．９２。

【発明の概要】

【0007】

本開示の目的の１つは、１１５０ＭＰａの引張強度および低温で良好な靭性と伸び率を達成することができる超高強度を有する低温延性鋼を提供することである。本開示の鋼は、沖上プラットフォーム、自動車および機械的構造物用の係留チェーンなど、高強度および靭性材料が必要とされる用途に適している。

【0008】

上記の目的を達成するために、本開示は、質量パーセントで以下の化学組成を含む超高強度を有する低温延性鋼を提供する。

【0009】

Ｃ：０．１５０～０．２５０％、Ｓｉ：０．１０～０．５０％、Ｍｎ：０．６０～１．５０％、Ｃｒ：０．３０～１．２０％、Ｍｏ：０．２０～０．８０％、Ｎｉ：２．００～４．００％、Ｎｂ：０～０．１０％、Ｂ：０．００１０～０．００５０％、Ｖ：０～０．１２％、Ｔｉ：０．００３～０．０６％、Ａｌ：０．０１～０．０８％、残部のＦｅと、不可避不純物。

【0010】

本開示による超高強度の低温延性鋼に関して、各化学元素の設計原理は以下の通りである。

【0011】

炭素（Ｃ）：本開示による超高強度の低温延性鋼については、焼入れ性を向上させるためにＣが鋼に添加される。このことにより、鋼は、焼入れおよび冷却プロセス中に、高硬度の低温相変態構造を形成することができる。それによって鋼の強度を向上させる。また、Ｃの質量百分率を上げると、マルテンサイト相および下部ベイナイト相などの硬質相の比率が高くなる。このようにして、鋼の硬度を上げることはできるが、靭性は低下する。ただし、Ｃの質量百分率が低すぎると、マルテンサイトや下部ベイナイトなどの低温相変態構造の量が少なくなり、高い引張強度が得られない。これに基づいて、本開示による超高強度の低温延性鋼中のＣの質量百分率は、０．１５０から０．２５０％に制御される。

【0012】

シリコン（Ｓｉ）：本開示の技術的解決策において、Ｓｉは、代用として鋼中のＦｅ原子を置換し、転位の動きを妨げ、鋼の強度の改善に有益である。Ｓｉは、フェライト中のＣの拡散能力を低下させる可能性がある。したがって、適切な量のＳｉのおかげで、焼き戻し中の粗い炭化物の形成および転位での析出を防ぐことができる。しかし、Ｓｉの質量パーセントが高いと、鋼の低温での衝撃靭性が低下する可能性がある。これに基づいて、本開示による超高強度の低温延性鋼中のＳｉの質量百分率は、０．１０～０．５０％に制御される。

【0013】

マンガン（Ｍｎ）：本開示による超高強度の低温延性鋼に関して、Ｍｎは残留オーステナイトの安定化元素である。鋼に存在するＭｎは、主に固溶体の形態である。鋼の焼入れプロセスで、Ｍｎは拡散型相変態を抑制し、鋼の焼入れ性を改善し、高強度の低温相変態構造を形成する可能性がある。ただし、Ｍｎの質量パーセントが高すぎると、より多くの残留オーステナイトが形成され、鋼の降伏強度が低下する可能性がある。さらに、マンガン含有鋼は過熱に敏感であるため、Ｍｎの質量パーセントが高すぎると、焼入れプロセスでの加熱中にオーステナイト結晶粒が成長する可能性がある。Ｍｎは、結晶粒界での有害元素の偏析を促進し、鋼の焼き戻し脆性の傾向を高める可能性がある。したがって、本開示の技術的解決策では、Ｍｎを０．６０～１．５０質量％の量で添加して、鋼の焼入れ性を改善すると同時に、過剰な残留オーステナイトの形成を防ぎ、鋼の過熱感受性を低減する。

【0014】

クロム（Ｃｒ）：本開示による超高強度の低温延性鋼に関して、Ｃｒの添加は、γからαへの相変態の駆動力を低下させ、相変態中の炭化物の核形成および成長を防止し、拡散型相変態を抑制し、鋼の焼入れ性を向上させ、焼き入れされたマルテンサイト構造を形成し、より高い強度の鋼を得る。ただし、焼き入れプロセスでＣｒ炭化物が完全に溶解しないと、オーステナイト結晶粒の成長が抑制される場合がある。また、Ｃｒの質量分率が高すぎると、粗大な炭化物が形成され、低温衝撃性能が低下する。したがって、本開示による超高強度の低温延性鋼中のＣｒの質量百分率は、鋼の強度および低温衝撃性能を確保するために、０．３０～１．２０％に制御される。

【0015】

モリブデン（Ｍｏ）：本開示の技術的解決策において、Ｍｏはフェライト形成元素であり、焼入れプロセス中に鋼中にベイナイトおよびマルテンサイトを形成することによって鋼の焼入れ性を促進すると思われる。焼入れ速度が速く、焼き戻し温度が低い場合、Ｍｏは主に固溶体の形で鋼に存在し、固溶性の現象をさらに強化する。鋼をより高い温度で焼き入れすると、微細な炭化物が形成され、鋼の強度が向上する場合がある。Ｍｏの炭化物は安定しており、成長しにくいため、結晶粒を微細化することができる。
ただし、Ｍｏは貴金属合金元素であるため、大量のＭｏを添加するとコストが上昇する可能性がある。したがって、本開示の技術的解決策では、靭性と溶接性能のバランスを達成するために、Ｍｏの質量百分率を０．２０～０．８０％に制御する。

【0016】

ニッケル（Ｎｉ）：本開示による超高強度を有する低温延性鋼に関して、Ｎｉは固溶体の形態で鋼中に存在する。特に、この実施形態で設計された組成系では、Ｎｉは、鋼の積層欠陥エネルギーを低減し、転位移動抵抗を低減し、鋼マトリックスの靭性を改善し、低い温度衝撃性能を改善するために、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｍｎの面心立方格子の形態で存在する。また、Ｎｉはオーステナイト化元素であるため、Ｎｉ含有量が多すぎると、鋼中の残留オーステナイト含有量が高くなり、鋼の強度が低下する可能性がある。これに基づいて、本開示による超高強度の低温延性鋼中のＮｉの質量百分率は、鋼の低温衝撃靭性および強度を確保するために、２．００～４．００％に制御される。

【0017】

ニオブ（Ｎｂ）：本開示の技術的解決策において、Ｎｂは、鋼の再結晶を抑制するために鋼に添加される。Ｎｂは、溶質原子の代わりとして鋼に含まれている。Ｎｂ原子はＦｅ原子よりもサイズが大きいため、転位線で分離しやすく、転位運動に強い引きずり効果をもたす。一方、ＮｂＣやＮｂＮなどの侵入型の中間相は鋼中のＮｂによって形成される可能性があり、再結晶プロセス中の転位のピン止めとサブ結晶粒境界の移動を妨げ、結晶粒を効果的に微細化する。Ｎｂ含有量が高すぎると、高温焼き戻し条件下で粗いＮｂＣ粒子が形成され、鋼の低温衝撃エネルギーが劣化する可能性がある。したがって、他の合金元素の制御と併せて、本開示による超高強度の低温延性鋼中のＮｂの質量百分率は、鋼の機械的特性を確保するために０～０．１０％に制御される。

【0018】

ホウ素（Ｂ）：本開示による超高強度を有する低温延性鋼に関して、Ｂは、凝固プロセスと鋳造構造を変化させ、溶鋼と反応して微粒子を形成する。これは、凝固プロセスで非自発的な核生成コアになり、それによって核生成エネルギーが減少し、核生成速度が増加する。一方、Ｂは鋼の表面活性元素であり、固体結晶核の表面に吸収されやすいため、結晶成長に必要な原子の供給を妨げて結晶成長を防ぎ、同時に鋼の焼入れ性を大幅に向上させる。したがって、Ｂは鋳放した構造を精製し、デンドライトと局所的な偏析を減らし、鋼の均一性と焼入れ性を向上させることができる。これに基づいて、本開示の技術的解決策において、Ｂの質量パーセントは、０．００１０～０．００５０％に制御される。

【0019】

バナジウム（Ｖ）：本開示による超高強度の低温延性鋼に関して、ＶはＣとＶＣ（炭化バナジウム）を形成する。微細なＶＣは、ある程度転位を妨げる可能性がある。一方、ＶＣの溶解温度が高いため、粒界の移動を効果的に防止し、結晶粒を微細化し、鋼の強度を向上させることができる。焼入れ温度が高い条件下で、ＣとＶの両方の質量パーセントが高いと、粗いＶＣ粒子が生成され、鋼の衝撃性能が低下する可能性がある。したがって、本開示で添加される他の合金元素の量を考慮して、本開示の技術解決策でのＶの質量パーセントは、鋼の機械的特性を確保するために０～０．１２％に制御される。

【0020】

チタン（Ｔｉ）：本開示による超高強度を有する低温延性鋼に関して、Ｔｉは、鋼中でＣまたはＮと化合物を形成することができる。ＴｉＮの形成温度は１４００℃以上である。ＴｉＮは通常、液相またはδフェライトから析出してオーステナイト結晶粒の微細化を実現する。Ｔｉの質量百分率が高すぎると、粗いＴｉＮ析出が形成され、衝撃特性と疲労特性が低下する。また、焼き戻しプロセスにおいて、Ｔｉの質量百分率が高すぎると、低温衝撃エネルギーの変動範囲が大きくなる。これに基づいて、本開示による超高強度の低温延性鋼中のＴｉの質量百分率は、０．００３～０．０６％に制御される。

【0021】

アルミニウム（Ａｌ）：本開示による超高強度を有する低温延性鋼に関して、Ａｌは、鋼の精錬中に微細なＡｌＮ沈殿物を形成し、これは、その後の冷却におけるオーステナイト結晶粒の成長を阻害し、その結果、オーステナイト結晶粒の微細化を実現し、低温での鋼の靭性を向上させる。しかしながら、Ａｌの質量百分率が高すぎる場合、それは大きなＡｌ酸化物の形成をもたらし、鋼の許容できない超音波欠陥検出での結果をもたらすであろう。さらに、硬くて粗いＡｌ酸化物の介在物は、鋼の疲労特性を低下させる可能性がある。これに基づいて、本開示による超高強度の低温延性鋼中のＡｌの質量百分率は、鋼の靭性を改善するために０．０１～０．０８％に制御される。

【0022】

要約すると、本開示による超高強度の低温延性鋼に採用された化学組成系は、鋼の強度、低温衝撃靭性、伸び率を確保するために、相変態および微細構造に対する様々な合金元素の影響を十分に利用した。その結果、化学組成系として、引張強さ１１５０ＭＰａで、高柔軟性・強靭性のバランスの取れた高強度鋼が得られた。

【0023】

さらに、本開示による超高強度の低温延性鋼は、０から０．３０％の量のＣｕおよび／または０から０．００５％の量のＣａをさらに含む。上記の技術的解決策では、鋼にＣｕを添加して、焼き戻しプロセス中に微細なナノスケールのε－Ｃｕ析出物を形成し、鋼の強度を向上させる。一方、一定量のＣｕを添加すると、鋼の耐食性が向上する場合がある。ただし、Ｃｕの融点が低いことを考慮すると、Ｃｕの質量百分率が高すぎると、加熱・オーステナイト化のプロセスでＣｕが結晶粒界に集中し、粒界が弱くなり割れが発生する。これに基づいて、本開示による超高強度を有する低温延性鋼のいくつかの好ましい実施形態では、Ｃｕの量は、０＜Ｃｕ≦０．３０％に制御される。

【0024】

さらに、いくつかの実施形態では、含有物のサイズおよび形態を改善するために、Ｃａを０．００５質量％以下の量で鋼に添加して、ＣａＳを形成することができる。結果、鋼の低温衝撃靭性を改善する。

【0025】

さらに、本開示による超高強度の低温延性鋼において、不可避不純物は、以下のうちの少なくとも１つである：Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．００３％、Ｈ≦０．０００２％、Ｎ≦０．０１５０％、Ｏ≦０．００３０％。

【0026】

リン（Ｐ）：鋼中のＰは、結晶粒界で分離し、結晶粒界の結合エネルギーを低下させ、鋼の低温衝撃特性を劣化させる可能性がある。ＰとＭｎの共存は、鋼の焼き戻し脆性を悪化させる可能性がある。結晶粒界に偏析したＰは、衝撃荷重を受けると鋼の粒界破壊を引き起こし、大きな劈開面を形成し、鋼が衝撃を受けるときに吸収されるエネルギーを減少させる可能性がある。したがって、Ｐの質量百分率は、Ｐ≦０．０１５％に制御され、超高強度の低温延性鋼の低温衝撃靭性が確保される。

【0027】

硫黄（Ｓ）：δフェライトおよびオーステナイトへのＳの溶解度は低い。Ｓは、溶鋼の凝固中に偏析し、多くの硫化物介在物を形成する。これは、鋼の超音波欠陥検出性能と低温衝撃性能に悪影響を及ぼす。自由切削鋼にＳを添加して形成されたＣａＳは、鋼の切削性能を向上させる。本開示による超高強度の低温延性鋼において、Ｓの質量百分率を制御する際の主な考慮事項は、粗硫化物の衝撃特性へのダメージを防ぐことである。鋼の良好な低温衝撃特性を確保するために、本開示による超高強度を有する低温延性鋼中のＳの質量パーセントは、Ｓ≦０．００３％に制御される。

【0028】

水素（Ｈ）：Ｈは、欠陥に蓄積し、鋼の刃状転位の静水圧下で水素脆化を形成するであろう。本開示による超高強度の低温延性鋼は、引張強度が１１００ＭＰａ以上であるため、転位密度が高く、サブ結晶粒界を有する。Ｈの質量百分率が高すぎると、鋼の焼入れ、焼き戻しの熱処理後に多くのＨ原子が欠陥に蓄積する。Ｈ原子が集中すると、水素分子が形成され、鋼は、後で破壊される。本開示による超高強度の低温延性鋼を沖合プラットフォーム係留チェーンにした場合、高強度係留チェーンが海水の腐食により作業条件で遅延破壊に遭遇する可能性が高いことを考慮すると、係留チェーンへのＨの浸透は、沖合プラットフォームの安全性を危険にさらす。したがって、本開示の技術的解決策では、Ｈの質量百分率はＨ≦０．０００２％に制御される。

【0029】

窒素（Ｎ）：Ｎは、鋼中でＡｌＮまたはＴｉＮを形成し、オーステナイトの結晶粒を微細化する。しかし、Ｎの質量百分率の増加は、欠陥でのその濃縮の増加につながり、粗い窒化物の析出物を形成するため、鋼の低温衝撃エネルギーが影響を受ける。これに基づいて、本開示の技術的解決策では、Ｎの質量パーセントはＮ≦０．０１５０％に制御される。

【0030】

酸素（Ｏ）：鋼中のＡｌと一緒のＯは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯなどを形成するであろう。本開示の技術的解決策では、鋼の構造の均一性および低温衝撃エネルギーを確保するために、Ｏの質量パーセントがＯ≦０．００３０％に制御される。

【0031】

さらに、本開示による超高強度の低温延性鋼において、鋼の微細構造は、焼き戻しされたマルテンサイトおよび焼き戻しされたベイナイトである。

【0032】

さらに、本開示による超高強度の低温延性鋼において、鋼は、９５０ＭＰａ以上の降伏強度、１１５０ＭＰａ以上の引張強度、７５Ｊ以上の－２０℃未満でのシャルピー衝撃エネルギーＡｋｖ、１５％以上の伸び率、５５％以上の破壊後の面積の減少率を有する。

【0033】

同様に、本開示の別の目的は、超高強度を有する低温延性の棒鋼を提供することである。棒鋼は、最大１１５０ＭＰａの引張強度、優れた低温靭性および伸び率を備えており、沖合プラットフォームの係留チェーン、自動車、機械構造物など、高強度および靭性の材料が必要な用途に適している。

【0034】

上記の目的を達成するために、本開示は、超高強度を有する前述の低温延性鋼から作製された超高強度を有する低温延性棒鋼を提供する。

【0035】

さらに、本開示による低温延性棒鋼は、直径が１８０ｍｍ以下である。

【0036】

また、本開示の別の目的は、超高強度の低温延性棒鋼の製造方法を提供することである。この方法により、超高強度の低温延性棒鋼を作製することができる。超高強度の低温延性棒鋼は、１１５０ＭＰａの引張強度、良好な低温靭性および伸び率を有し、沖合オフショアプラットフォーム用の係留チェーン、自動車および機械構造物など、高強度および靭性材料が必要とされる用途に適している。

【0037】

上記の目的を達成するために、本開示は、以下の工程を含む、上記の超高強度を有する低温延性棒鋼の製造方法を提供する：
製錬および鋳造する工程；
加熱する工程；
鍛造または圧延する工程；
焼入れする工程、ここで、前記焼入れする工程中のオーステナイト化温度は８４０～１０５０℃であり、次いで、オーステナイト化後に水の焼入れをする工程；および
焼き戻しする工程、ここで、前記焼き戻し温度は５００～６５０℃であり、次いで、前記焼き戻し後に空冷または水冷する工程。

【0038】

本開示の技術的解決策によれば、焼入れプロセスにおいてオーステナイト化温度を約８４０～１０５０℃に制御する理由は以下の通りである。プロセス中に、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｌなどが形成元素である炭化物と、Ｍｏの炭化物とは、完全にまたは部分的に溶解する。一方、溶けていない炭窒化物は、オーステナイトの結晶粒界にピン留めしてオーステナイト結晶粒が粗くなりすぎるのを防ぎ、それによって焼入れ後の結晶粒の精錬化を達成し、鋼の強度と靭性を改善する。その後の冷却プロセスでは、オーステナイトに溶解した合金元素が鋼の焼入れ性を改善し、マルテンサイトがより細かくなり、結果としての高強度の低温延性棒鋼の超高強度と優れた靭性をもたらす。

【0039】

鋳造プロセスは、ダイカストまたは連続鋳造によって実施できることに留意すべきである。

【0040】

超高強度の焼入れされた低温延性棒鋼は、５００～６５０℃で焼き戻しの熱処理を受ける。これは、焼入れプロセス中に、鋼が下部ベイナイトと高い欠陥密度を有するマルテンサイト構造とを形成し、その結果、高い内部ひずみ貯蔵と不均一な内部応力分布が生じるためである。高温焼き戻しプロセス中に、Ｎｂ、Ｖは、Ｃ、Ｎと一緒に微細な炭化物を形成する。一方、ＣｒとＭｏは、また、高温焼き戻しプロセス中に微細な炭化物の析出物を形成するため、鋼の靭性に合わせて強度が向上する。また、高密度転位の消滅と小角粒界運動により鋼の微細構造がより均一になり、低温焼入れ後の低伸び率が向上する。本開示で定義される焼き戻し温度範囲内で、鋼の良好な靭性および柔軟性を確保することができ、鋼の内部ひずみを効果的に低減することができ、これにより、高性能Ｒ６の沖合プラットフォーム係留チェーンの製造など、棒鋼のプロセスおよび使用が容易になる。

【0041】

また、本開示の製造方法において、加熱プロセスにおける加熱温度は、１０５０～１２５０℃である。

【0042】

上記の技術的解決策では、加熱温度は１０５０～１２５０℃に設定される。これは、加熱プロセスで、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉの炭窒化物、Ｃｒ、Ｍｏの炭化物がオーステナイトに完全にまたは部分的に溶解するためである。その後の圧延または鍛造および焼入れプロセスで、Ｎｂ、Ｖ、およびＴｉは微細な炭窒化物を形成し、オーステナイトの粒界を固定し、鋼の圧延構造を微細化する。さらに、オーステナイトに溶解したＣｒとＭｏは、鋼の焼入れ性を向上させることができる。オーステナイトに溶解したＣｒとＭｏは、焼入れ中のマルテンサイトの焼入れ性を向上させることができる。

【0043】

また、本開示の製造方法において、仕上げ圧延温度または仕上げ鍛造温度は、８００℃以上１２００℃以下である。

【0044】

上記の技術的解決策において、８００℃以上の仕上げ圧延温度または仕上げ鍛造温度の条件下で、鋼は、再結晶およびひずみ誘起析出を受け、それにより、微細化されたベイナイトおよび微細な炭窒化物が析出マルテンサイトの多相マトリックス構造を形成し、鋼の性能がさらに向上する。温度が１２００℃を超えると、鋼表面に深刻な酸化物層が発生する。鍛造プロセスでの酸化物層の侵入は、表面の品質に影響を及す。

【0045】

従来技術と比較して、本開示による超高強度の低温延性鋼、超高強度の低温延性棒鋼、およびその製造方法は、以下の利点および有益な効果を有する。

【0046】

本開示による超高強度の低温延性鋼に採用されている化学組成系は、鋼の強度、低温衝撃靭性および伸び率を確保するため、相変態および微細構造に対する様々な合金元素の影響を十分に利用し、その結果、引張強さ１１５０ＭＰａを有し、超高靭性・強靭性のバランスの取れた高強度鋼を実現する。

【0047】

さらに、本開示による超高強度の低温延性鋼は、１１５０ＭＰａの引張強度を有する。圧延または鍛造された超高強度の低温延性棒鋼の焼入れプロセス後に焼き戻しプロセスを適用することは、微細な炭化物が析出する焼き戻しマルテンサイトと焼き戻しベイナイトとのマトリックス構造を形成するのに役立ち、鋼の内部応力を排除し、構造の良好な均一性を提供する。

【0048】

さらに、合理的な設計および組成の広いプロセス幅および超高強度を有する低温延性鋼の製造方法は、棒または鋼板の大量商業生産を達成するであろう。

【図面の簡単な説明】

【0049】

【図1】図１は、光学顕微鏡下での実施例４による超高強度の低温延性棒鋼の金属組織の構造を示す。

【図2】図２は、走査型電子顕微鏡下での実施例４による超高強度を有する低温延性棒鋼の金属組織の構造を示す。

【発明を実施するための形態】

【0050】

本開示の実施形態は、図面および例と併せて以下でさらに説明される。しかしながら、説明および描写は、本開示の技術的解決策を過度に制限することを意図するものではない。

【0051】

実施例１～６

【0052】

実施例１～６による超高強度を有する低温延性棒は、以下の工程によって製造される。

【0053】

表１に列挙された化学組成に基づく製錬および鋳造。ここで、製錬の工程は、転炉製鋼または巡回製鋼を採用することができ、連続鋳造スラブに鋳造する。

【0054】

鋳造スラブを１０５０～１２５０℃に加熱し、その温度を１．５時間以上保持する。

【0055】

表２に示されるパラメータに基づく鍛造または圧延。

【0056】

焼入れ：焼入れプロセスのオーステナイト化温度は８４０～１０５０℃であり、オーステナイト化後に水で焼入れする。

【0057】

焼き戻し：焼き戻し温度は５００～６５０℃であり、焼き戻し後に空冷または水冷する。

【0058】

鍛造または圧延後に空冷または徐冷を採用できることに留意すべきである。

【0059】

表１は、実施例１～６による超高強度を有する低温延性棒における各化学元素の質量パーセントを列挙している。
表１（重量％、残部のＦｅと、Ｐ、Ｓ、Ｈ、ＮおよびＯを除く他の不可避不純物）

【0060】

【表1】

【0061】

表２は、実施例１～６による超高強度を有する低温延性棒の特定のプロセスパラメータを列挙している。

【0062】

当業者は、棒鋼の直径などの特徴に従って、棒鋼が均一に加熱されるように、保持時間、加熱時間、および焼き戻し時間を決定して、コア部分が棒鋼の表面と同じ温度に達するようにし得る。

【0063】

【表2】

【0064】

次に、実施例１～６の超高強度を有する低温延性棒を性能試験に供した。直径の異なる丸鋼の試験結果を以下の表３に示す。

【0065】

【表3】

【0066】

表３によれば、本開示による実施例は、９５０ＭＰａ以上の降伏強度、１１５０ＭＰａ以上の引張強度、－２０℃未満のシャルピー衝撃エネルギーＡｋｖが７５Ｊ以上、１５％以上の伸び率、５５％以上の破壊後の面積の減少率を有する。したがって、超高強度の低温延性棒は、良好な強度、低温での靭性、および柔軟性を有すると結論付けることができる。

【0067】

図１は、光学顕微鏡下での実施例４による超高強度の低温延性棒鋼の金属組織の構造を示す。図２は、走査型電子顕微鏡下での実施例４による超高強度の低温延性棒鋼の金属組織の構造を示している。

【0068】

図１と図２を組み合わせると、実施例４による超高強度の低温延性棒鋼の微細構造は、焼き戻しマルテンサイトと焼き戻しベイナイトであることが分かる。

【0069】

要約すると、本開示による超高強度の低温延性鋼に採用された化学組成系は、相変態および微細構造に対する様々な合金元素の影響を十分に利用して、鋼の強度、低温衝撃靭性、伸び率を確保する。その結果、引張強さ１１５０ＭＰａ、超高靭性・強柔軟性のバランスの取れた高強度鋼が実現する。

【0070】

さらに、本開示による超高強度の低温延性鋼は、１１５０ＭＰａの引張強度を有する。
圧延または鍛造された超高強度の低温延性棒鋼に対して、焼入れプロセス後に焼き戻しプロセスを適用すると、微細な炭化物が析出する焼き戻しマルテンサイトと焼き戻しベイナイトとのマトリックス構造を形成するのに役立ち、鋼の内部応力を排除し、構造の良好な均一性を提供する。

【0071】

さらに、合理的な設計および組成の広いプロセス幅および超高強度を有する低温延性鋼の製造プロセスは、棒または鋼板の大量商業生産を達成するであろう。

【0072】

本開示の保護範囲における先行技術の部分は、本明細書に与えられた実施形態に限定されないことに留意されたい。以前の特許文書、以前の刊行物、以前の出願などを含むがこれらに限定されない、本開示の解決策と矛盾しないすべての先行技術は、すべて、本開示の保護範囲に含めることができる。

【0073】

さらに、本開示における技術的特徴の組み合わせは、特許請求の範囲に記載された組み合わせまたは特定の実施例に記載された組み合わせに限定されない。本明細書に記載されているすべての技術的特徴は、互いに矛盾しない限り、任意の方法で自由に組み合わせることができる。

【0074】

上記の実施形態は、本開示の特定の例にすぎないことにも留意されたい。明らかに、本開示は、そのような特定の実施形態に過度に限定されるべきではない。当業者によって本開示から直接または容易に導き出すことができる変更または修正は、本開示の保護範囲内にあることが意図されている。

【図1】

【図2】