低合金鋼的制作方法

低合金鋼的制作方法
【專利摘要】一種低合金鋼，按質量％計，C：0.01～0.15％、Si：3％以下、Mn：3％以下、B：0.005～0.050％和Al：0.08％以下，余量由Fe和雜質組成，作為雜質的N為0.01％以下、P為0.05％以下、S為0.03％以下和O為0.03％以下。該低合金鋼的HAZ對于濕潤硫化氫環境下應力腐蝕開裂等因氫引起的脆化具有優異的耐性。
【專利說明】低合金鋼

【技術領域】
[0001]本發明涉及低合金鋼。

【背景技術】
[0002]海底油田開發中，為了在從設置于海底的油井或天然氣井到海上的平臺之間、或者在從平臺到陸上的精制基地之間輸送原油或天然氣，使用被稱為立管、出油管、干管等的鋼管。另一方面，隨著世界性的化石燃料的枯竭，含有大量具有腐蝕性的硫化氫的油田的開發逐漸興起。在輸送從這種含有腐蝕性氣體的油田中開采的原油或天然氣的鋼管中，有時發生由被稱為氫致開裂(HIC:Hydrogen Induced Cracking、以下稱之為“HIC”)和硫化物應力腐蝕開裂(SSC =Sulfide Stress Cracking、以下稱為“SSC”)的腐蝕反應產生的氫引起脆化造成破壞。迄今已經提出了許多從改善HIC耐性和SSC耐性的觀點出發而開發的鋼。
[0003]例如，專利文獻I中提出了基本上不含N1、Cu和Ca且通過規定制造時的熱歷程和熱處理條件而具備優異的HIC耐性的鋼。另外，專利文獻2中提出了由于必須添加Cr、Ni和Cu而具有HIC耐性和SSC耐性的鋼。此外，專利文獻3中提出了通過將C、T1、N、V和O量規定在特定的范圍內而提高HIC耐性和SSC耐性的鋼。
[0004]順便一提，鋪設由這些鋼形成的鋼管等、使用這些鋼來組裝結構物時，通常進行焊接施工。然而，例如非專利文獻I中所記載的那樣，公知的是SSC感受性隨著硬度的增大而增大。鋼受到焊接的加熱時，在所謂的焊接熱影響部(以下，HAZ:Heat Affected Zone)出現發生硬化的部分。其結果，在很多情況下，無論怎樣提高鋼自身的HIC耐性和SSC耐性，也得不到作為焊接結構物而言實用上充分的性能。
[0005]因此，近年來如專利文獻4中記載的那樣，提出了如下的高強度鋼:通過減低C和Mn量，同時添加0.5%以上的Mo，從而抑制焊接熱影響部的硬化，使母材和HAZ兼顧HIC耐性和SSC耐性。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開平5-255746號公報
[0009]專利文獻2:日本特開平6-336639號公報
[0010]專利文獻3:日本特開2002-60894號公報
[0011]專利文獻4:日本特開2010-24504號公報
[0012]非專利文獻
[0013]非專利文獻1:小若正倫，金屬的腐蝕損傷和防蝕技術(金屬O腐食損傷i防食技術)，1983年8月25日，株式會社AGNE發行，198頁，


【發明內容】

[0014]發明要解決的問題
[0015]專利文獻4的發明中，需要昂貴的元素Mo。
[0016]本發明的目的是不需要很大成本地提供HAZ在濕潤硫化氫等環境下等的耐氫脆特性優異的低合金鋼。
[0017]用于解決問題的方案
[0018]本發明人等為了優化能夠提高焊接熱影響部(HAZ:Heat Affected Zone、以下稱為“HAZ ”)的耐氫脆特性的化學組成，進行了調查研究。
[0019]對于HAZ的氫脆感受性增高的理由考慮如下。即，鋼暴露于含有硫化氫的腐蝕環境中時，腐蝕反應造成氫侵入到鋼中。該氫是可以在鋼的晶格中自由移動的所謂擴散性氫。該氫集聚于屬于晶格中的一種缺陷的位錯、空位等，使鋼脆化。HAZ是經歷焊接的熱歷程而被加熱至高溫、并迅速冷卻的淬火狀態的組織，與經過調質的母材相比，能夠捕獲氫的位錯、空位等高密度存在。結果認為，HAZ的氫脆感受性高于母材。
[0020]反復深入研究，結果可知為了提高HAZ的氫脆感受性，積極地含有B、具體而言含有0.005~0.050%的B是極其有效的。其原因考慮如下。即，B與氫同樣地由于原子半徑小，因此存在于晶格中，可以在晶格中移動。而且，B趨向于在晶格缺陷中偏析而穩定地存在。因此認為，在含有大量B的鋼中，可以防止氫向被導入HAZ中的位錯、空位集聚，可以抑制脆化。
[0021]本發明是基于這種認識而做出的，其要旨為下述的⑴~(5)。
[0022](I) 一種低合金鋼，按質量％計，C:0.01~0.15%, S1:3%以下、Mn:3%以下、B:0.005~0.050%和Al:0.08%以下，余量由Fe和雜質組成，作為雜質的N為0.01%以下、P為0.05%以下、S為0.03%以下和O為0.03%以下。
[0023](2)根據上述⑴的低合金鋼，按質量％計含有合計為1.5%以下的選自Cr、Mo、Ni和Cu中的一種以上來代替一部分Fe。
[0024](3)根據上述⑴或(2)的低合金鋼，按質量％計含有合計為0.2%以下的選自T1、V和Nb中的一種以上來代替一部分Fe。
[0025](4)根據上述⑴~(3)的任一低合金鋼，按質量％計含有合計為0.05%以下的Ca和/或Mg來代替一部分Fe。
[0026](5)根據上述⑴~⑷的任一低合金鋼，其中，B含量滿足下述式⑴，
[0027]0.005XHv/300+0.0023 ( B (I)
[0028]其中，上述式中的“Hv”是HAZ中的維氏硬度的最大值，“B”是B含量(質量％)。
[0029]發明的效果
[0030]根據本發明，獲得了 HAZ對于濕潤硫化氫環境下應力腐蝕開裂等因氫引起的脆化具有優異的耐性的低合金鋼。該低合金鋼最適合作為原油或天然氣的輸送用鋼管的原材料。

【具體實施方式】
[0031]以下說明本發明的低合金鋼的化學組成的范圍及其限定理由。在以下的說明中，關于含量的是指“質量％”。
[0032]C:0.01 ~0.15%
[0033]C對于提高鋼的淬透性而提高強度來說是有效的元素。為了獲得該效果，需要含有0.01 %以上。然而，其含量超過0.15%時，淬火狀態的硬度過于增大，使HAZ硬化，因此提高了 HAZ的氫脆感受性。因此，C含量設定為0.01~0.15%。C含量的下限優選為0.02%，更優選為0.03%。C含量優選為0.12%以下，更優選低于0.10%。
[0034]S1:3% 以下
[0035]Si對于脫氧來說是有效的元素，過度含有時導致韌性的降低。因此，Si含量設定為3%以下。Si含量優選為2%以下。對下限沒有特別規定，但減低Si含量，脫氧效果下降，使鋼的純度劣化，過度減低導致制造成本增高。因此，Si含量優選為0.01%以上。
[0036]Mn:3% 以下
[0037]Mn與Si同樣對于脫氧來說是有效的元素，另外還是提高鋼的淬透性而有助于提高強度的元素。然而，過量含有時，導致HAZ的顯著硬化，提高了耐氫脆感受性。因此，Mn含量設定為3%以下。對下限沒有特別規定，獲得Mn強度提高效果的情況下，優選含有0.2%以上。下限更優選為0.4%，上限優選是2.8 %。
[0038]B:0.005 ~0.050%
[0039]B是構成本發明基本認識的元素。如上所述，B在HAZ中占據位錯、空位等氫的集聚點，因此對于提高耐氫脆特性來說是有效的元素。此外，B還在鋼材制造時在晶界偏析而間接性提高淬透性，有助于強度提高。為了獲得這些效果，需要含有0.005%以上的B。另一方面，過量含有時，HAZ中硼化物大量析出，基質與硼化物的界面起著氫的集聚點的作用，反而導致脆化。因此，B含量設定為0.005~0.050%。B的下限優選為0.006%，更優選為
0.008% ο B的上限優選為0.045%，更優選為0.040%。
[0040]其中，HAZ的硬度增大時，位錯密度增大，因此為了獲得充分的耐氫脆特性，優選根據HAZ的最高硬度來調整B含量的下限。即，為了獲得充分的耐氫脆特性，B含量與HAZ的維氏硬度的最大值的關系優選滿足下述式(I)的范圍。
[0041]0.005XHv/300+0.0023 ^ B (I)
[0042]其中，上述式中的“Hv”是HAZ中的維氏硬度的最大值，“B”是指B含量(質量％)。其中，HAZ的維氏硬度的最大值是根據JIS Z2244通過將試驗力設定為98.07N的維氏硬度試驗而求出的值。
[0043]Al:0.08% 以下
[0044]Al對于脫氧來說是有效的元素，即使過量含有，其效果也達到飽和，還會導致韌性的降低。因此，Al含量設定為0.08%以下。含量優選為0.06%以下。對下限沒有特別規定，過度減低無法充分獲得脫氧效果，使鋼的純度劣化，并且導致制造成本的增大。因此，優選含有0.001 %以上的Al。本發明的Al含量是指酸可溶的Al (所謂“sol.Al”)。
[0045]本發明的低合金鋼含有上述各元素，余量由Fe和雜質組成。雜質是指在工業上制造鋼材時從礦石、廢料等原料以及其他因素混入的成分。在雜質當中，關于下述元素，其含量必須嚴格限制。
[0046]N:0.01% 以下
[0047]N作為雜質在鋼中存在，形成微細的碳氮化物時導致脆化，固溶的情況下仍會使韌性降低。因此，需要將其含量限制在0.01%以下。其含量優選為0.008%以下。對下限沒有特別規定，但過度減低導致制造成本的顯著增大。因此，N含量的下限優選為0.0001%。
[0048]P:0.05% 以下
[0049]P作為雜質存在于鋼中，HAZ中在晶界偏析，導致韌性的降低。因此，將其含量限制在0.05%以下。對下限沒有規定，過度的減低導致制造成本的顯著增大。因此，P含量的下限優選為0.001%。
[0050]S:0.03% 以下
[0051]S與P同樣地作為雜質存在于鋼中，在鋼材中形成硫化物，其與基質的界面作為氫的集聚點起作用，提高氫脆感受性，另外還導致HAZ韌性的降低。因此，比P更嚴格地將其含量限制在0.03%以下。對下限沒有特別規定，但過度的減低導致制造成本的顯著增大。因此，S含量的下限優選為0.0001 %。
[0052]O:0.03% 以下
[0053]O作為雜質在鋼中存在，大量含有時，生成大量的氧化物，使加工性、延性劣化。因此，需要設定為0.03%以下，優選的是0.025%以下。沒有必要特別設定下限，但過度的減低導致制造成本的顯著增大。因此，優選設為0.0005%以上。
[0054]本發明的低合金鋼可以含有下述各元素來代替一部分Fe。
[0055]選自Cr、Mo、Ni和Cu中的一種以上:合計為1.5%以下
[0056]這些元素均提高淬透性而有助于提高強度，因此可以含有。然而，其含量過剩時，有可能導致HAZ的顯著硬化，提高氫脆感受性。因此，含有這些元素中的一種以上時，將其含量合計設定為1.5%以下。另外，下限優選為0.02%、進一步優選為0.05%。上限優選為1.2%。
[0057]選自T1、V和 Nb中的一種以上:合計為0.2%以下
[0058]這些元素是形成微細的碳氮化物、有助于提高強度的元素，同時對于穩定地補充擴散性氫、減低氫脆開裂感受性很有效果，因此可以含有。然而，其含量過剩時，碳氮化物的生成變得過剩，有可能使韌性降低。因此，含有這些元素中的一種以上時，將其含量合計設定為0.2%以下。另外，下限優選為0.001 %、進一步優選為0.003%。上限優選為0.15%。
[0059]Ca和/或Mg:合計為0.05%以下
[0060]這些元素均改善鋼的熱加工性，因此可以含有。然而，其含量過剩時，與氧鍵合、使純度顯著降低，反而有可能使熱加工性劣化。因此，含有這些元素中的一種以上時，將其含量合計設定為0.05%以下。另外，下限優選為0.0005%、進一步優選為0.001%。上限優選為 0.03%。
[0061]實施例1
[0062]為了確認本發明的效果，進行下述的實驗。即，將具有表1所示化學組成的壁厚12mm的低合金鋼板機械加工成12mm見方、長度10mm而制作試驗材。對該試驗材賦予HAZ模擬焊接熱循環，即通過高頻感應加熱加熱至HAZ硬化顯著的溫度1350°C、3秒鐘之后驟冷。使用該試驗材進行下述試驗。
[0063]<拉伸試驗>
[0064]按照JIS Z2241,從所得試驗材中采集平行部直徑6mm、平行部長度1mm的圓棒拉伸試驗片，進行常溫下的拉伸試驗。
[0065]〈維氏硬度試驗〉
[0066]按照JIS Z2244，露出所得試驗材的截面，進行試驗力為98.07N的維氏硬度試驗，測定維氏硬度。
[0067]< 耐 SSC 試驗 >
[0068]從所得試驗材中采集厚度2mm、寬度10mm、長度75mm的試驗片,通過按照歐洲腐蝕聯合會(European Federat1n of Corros1n)規定的EFC16的4點彎曲試驗來評價SSC耐性。試驗如下:對所采集的試驗片施加相當于通過4點彎曲從拉伸試驗導出的0.2%彈性極限應力的50%的應力，然后在使Iatm硫化氫氣體飽和的常溫(24°C )的5%食鹽+0.5%醋酸水溶液中浸潰336小時，調查有無SSC的發生。而且，在作為SSC環境的進一步嚴格的4°C的5%食鹽+0.5%醋酸水溶液中進行同樣的試驗。另外，將不發生SSC的試驗片視為合格，將發生SSC的試驗片視為不合格。
[0069]這些試驗結果示于表2中。
[0070][表 I]
[0071]

【權利要求】
1.一種低合金鋼，其特征在于，按質量％計，C:0.01~0.15%,S1:3%以下、Mn:3%以下、B:0.005~0.050%和Al:0.08%以下，余量由Fe和雜質組成， 作為雜質的N為0.01%以下、P為0.05%以下、S為0.03%以下和O為0.03%以下。
2.一種低合金鋼，其特征在于，按質量％計，C:0.01~0.15%,S1:3%以下、Mn:3%以下、B:0.005 ~0.050%和 Al:0.08% 以下， 選自下述(A)~(C)所示的元素組中的一種以上的元素， 余量由Fe和雜質組成， 作為雜質的N為0.01%以下、P為0.05%以下、S為0.03%以下和O為0.03%以下， ⑷選自Cr、Mo、Ni和Cu中的一種以上:合計為1.5%以下； (B)選自T1、V和Nb中的一種以上:合計為0.2%以下； (C)Ca和/或Mg:合計為0.05%以下。
3.根據權利要求1或2所述的低合金鋼，其中，B含量滿足下述式(I)， . 0.005XHv/300+0.0023 ≤ B (1) 其中，上述式中的“Hv”是HAZ中的維氏硬度的最大值，“B”是B含量(質量％ )。
【文檔編號】C22C38/00GK104053803SQ201280066918
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年12月17日 優先權日:2012年1月12日
【發明者】平田弘征, 小林憲司, 大村朋彥, 河野佳織, 富松宏太, 小川和博 申請人:新日鐵住金株式會社