JP2007197757A - 耐食性と母材靭性に優れた船舶用高張力鋼材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の船舶用鋼材は、C:0.01〜0.2%(質量%の意味、以下同じ)、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.01〜2%、Al:0.05〜0.5%、Cu:0.010〜1.5%、Cr:0.010〜1%を夫々含有する他、P:0.02%以下(0%を含まない)およびS:0.01%以下(0%を含まない)に夫々抑制され、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、フェライト平均結晶粒径が19.0μm以下を満たすものである。
【選択図】なし
Description
Cは、材料の強度確保のために必要な元素である。船舶の構造部材としての最低強度、即ち概ね400MPa程度(使用する鋼材の肉厚にもよるが)を得るには、0.01%以上含有させる必要がある。しかし、0.2%を超えて過剰に含有させると靱性、溶接性が劣化する。こうしたことから、C含有量の範囲は0.01〜0.2%とした。尚、C含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.04%以上とするのが良い。また、C含有量の好ましい上限は0.18%であり、より好ましくは0.17%以下とするのが良い。
Siは、脱酸と強度確保のために必要な元素であり、0.01%に満たないと構造部材としての最低強度を確保できない。しかし、0.5%を超えて過剰に含有させると溶接性、HAZ靭性が劣化する。尚、Si含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.05%以上、更に好ましくは0.1%以上である。また、Si含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.4%以下である。
MnもSiと同様に脱酸および強度確保のために必要な元素であり、0.01%に満たないと構造部材としての最低強度を確保できない。しかし、2%を超えて過剰に含有させると靱性が劣化する。尚、Mn含有量の好ましい下限は0.05%であり、より好ましくは0.1%以上、更に好ましくは0.3%以上とするのが良い。また、Mn含有量の好ましい上限は1.8%であり、より好ましくは1.6%以下とするのが良い。
上述したように、Alには鋼表面に安定な酸化物防食皮膜を形成する効果がある。Al含有量が少ないと、腐食溶解したAl3+イオンが海水中に飛散して鋼材表面に堆積されず、防食皮膜が形成されない。Cr酸化物との共存下で十分な防食効果を発揮させるには、Alを0.05%以上含有させる必要がある。通常の鋼材であれば、Al含有量が0.10%を超えると溶接部の靭性がやや低下するなど溶接性の点で問題があったが、本発明の鋼材のようにC,Si,P,Sを適正範囲とすることによって、Al含有量が0.1%超〜0.5%の範囲であっても従来鋼と同等の溶接性を確保することができる。しかしながら、Al含有量が0.5%を超えると、溶接性を害することになる。こうしたことから、Al含有量の範囲は0.05〜0.5%とした。尚、Al含有量の好ましい下限は0.06%であり、より好ましくは0.07%以上、更に好ましくは0.08%以上とするのが良い。また、Al含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.4%以下、更に好ましくは0.35%以下とするのが良い。
Cuは、耐食性向上に大きく寄与する緻密な表面錆皮膜の形成に有効な元素である。また、Cuを含有させることによって形成される緻密な錆皮膜と、Al酸化物とCr酸化物が共存する安定な酸化物防食皮膜とが母材の保護性を相乗的に高めて、優れた耐食性が発揮される。こうした効果を発揮させるには、0.010%以上含有させることが必要である。しかしCuを過剰に含有させると、溶接性や熱間加工性が劣化することから1.5%以下とすることが好ましい。尚、Cuを含有させるときの好ましい下限は0.05%である。また、好ましい上限は1.3%であり、より好ましくは1%以下である。
Crは、Alと同様に鋼表面に安定な酸化物皮膜を形成して鋼材を防食する効果を発揮する。本発明では上述のように、Al酸化物とCr酸化物を共存させることによって、鋼材の耐食性が飛躍的に向上するが、こうした効果を発揮させるには、0.010%以上含有させる必要がある。しかしながら、過剰に含有させると溶接性が劣化することから、1%以下とする必要がある。尚、Cr含有量の好ましい下限は0.05%であり、より好ましくは0.1%以上である。また好ましい上限は0.9%であり、より好ましくは0.8%以下である。
Pは靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り含有量を抑えることが好ましい。P含有量の許容される上限は0.02%であり、これを超えると船舶用鋼材としての溶接性を確保できない。こうしたことから、P含有量は0.02%以下とした。尚、P含有量の好ましい上限は0.018%であり、より好ましくは0.015%以下である。
SもPと同様に靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り含有量を抑えることが好ましい。S含有量の許容される上限は0.01%であり、これを超えると船舶用鋼材としての溶接性を確保できない。こうしたことから、S含有量は0.01%以下とした。尚、S含有量の好ましい上限は0.008%である。
Ni,CoおよびTiは、いずれも耐食性向上に有効な元素である。このうちNiおよびCoは、耐食性向上に大きく寄与する緻密な表面錆被膜の形成に有効な元素であり、こうした効果を発揮させるには、いずれの元素を含有させる場合にも0.01%以上とすることが好ましい。しかし過剰に含有させると、溶接性や熱間加工性が劣化し、大幅なコストアップも招くことから、Niは2%以下、Coは1%以下とすることが好ましい。Niを含有させるときのより好ましい下限は0.05%であり、更に好ましくは0.1%以上である。Coを含有させるときのより好ましい下限は0.015%であり、更に好ましくは0.03%以上である。Niのより好ましい上限は1.5%であり、更に好ましくは1%以下である。また、Coのより好ましい上限は0.8%であり、更に好ましくは0.6%以下である。
CaおよびMgは、溶解することによってpH上昇作用を示し、鉄の溶解が起こっている局部アノードにおいて、加水分解反応によるpH低下を抑制して腐食反応を抑制し、耐食性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果は、いずれの元素を含有させる場合にも0.0005%以上とすることによって有効に発揮される。しかし過剰に含有させると、加工性および溶接性が劣化するため、Ca、Mgそれぞれの上限は0.02%とすることが好ましい。これらの元素を含有させるときのより好ましい下限は0.001%であり、より好ましい上限は0.015%であり、更に好ましくは0.01%以下である。
Seは、腐食の溶解反応が起こっているサイトのpH低下を抑制して腐食反応を抑制し、耐食性を向上させる作用を発揮する元素である。こうした作用により局部的なpH変化が起こりにくくなるため、腐食均一性が向上する。特に、物質移動が制限され、局所的なpH低下の生じやすい「すきま部」において、上記効果(局部腐食抑制効果)が有効に発揮される。こうした環境で要求される耐食性を確保するには、Seの含有量を0.005%以上とすることが好ましい。しかしながら、0.5%を超えて過剰に含有させると加工性と溶接性が劣化する。尚、Se含有量のより好ましい下限は0.008%であり、更に好ましくは0.010%以上とするのが良い。また、Se含有量のより好ましい上限は0.45%であり、更に好ましくは0.4%以下とするのが良い。
SbおよびSnは、Cu,Ni,Ti等による生成錆緻密化作用や、Se,Ca,Mg等によるpH低下作用を助長して耐食性を向上させる元素である。こうした作用を発揮させるには、いずれの元素を含有させる場合にも0.01%以上とすることが好ましい。しかし、過剰に含有させると加工性と溶接性が劣化することから、Sb、Snのいずれを含有させる場合にも0.5%以下とすることが好ましい。これらの元素を含有させるときのより好ましい下限はいずれも0.02%であり、より好ましい上限は0.4%である。
船舶への適用部位によっては更なる高強度化の必要な場合があるが、これらの元素は強度をより向上させるのに有効な元素である。このうちBは、焼入性を向上させて強度を高めるのに有効な元素であり、該効果を発揮させるには、0.0001%以上含有させることが好ましい。しかし0.01%を超える過剰のBを含有させると、母材靭性が劣化するため好ましくない。Vにより強度向上を図るには、0.003%以上含有させることが好ましいが、0.1%を超えて過剰に含有させると鋼材の靭性劣化を招くため好ましくない。またNbにより強度を高めるには0.003%以上含有させることが有効であるが、0.05%を超えて過剰に含有させると鋼材の靭性劣化を招くため好ましくない。尚、これらの元素のより好ましい下限は、Bについては0.0003%、Vについては0.005%、Nbについては0.005%である。またより好ましい上限は、Bについては0.009%、Vについては0.07%、Nbについては0.045%である。
(1)プロセスコンピュータにおいて、加熱開始から加熱終了までの雰囲気温度、在炉時間に基づき、鋼片の表面から裏面までの板厚方向の任意の位置の加熱温度を算出する。
(2)上記算出した加熱温度を用い、圧延中の圧延パススケジュールやパス間の冷却方法(水冷あるいは空冷)のデータに基づいて、板厚方向の任意の位置の圧延温度を差分法など計算に適した方法を用いて算出しつつ、圧延を実施する。
(3)鋼板表面温度は、圧延ライン上に設置された放射型温度計を用いて実測する(ただし、プロセスコンピュータ上においても計算を実施する)。
(4)粗圧延開始時、粗圧延終了時および仕上圧延開始時にそれぞれ実測した鋼板表面温度を、プロセスコンピュータ上の計算温度と照合する。
(5)粗圧延開始時、粗圧延終了時および仕上圧延開始時の計算温度と上記実測温度の差が±30℃以上の場合は、実測表面温度と計算表面温度が一致する様に再計算し、プロセスコンピュータ上の計算温度とする。
(6)上記計算温度の補正を行って、t/4部位の仕上圧延終了温度を求める。
フェライト平均結晶粒径は下記の様にして測定した。
(i)圧延方向に並行で且つ鋼板表面に対して垂直な、鋼板表裏面を含む板厚断面を観察できるよう上記鋼板からサンプルを採取する。
(ii)湿式エメリー研磨紙(#150〜#1000)での研磨、またはそれと同等の機能を有する研磨方法(ダイヤモンドスラリー等の研磨剤を用いた研磨等)により、観察面の鏡面仕上を行う。
(iii)研磨されたサンプルを、3%ナイタール溶液を用いて腐食し、フェライト組織の結晶粒界を現出させる。
(iv)t(板厚)/4部位において、現出させた組織を100倍あるいは400倍の倍率で写真撮影し(本実施例では6cm×8cmの写真として撮影)、画像解析装置に取り込む。前記写真の領域は、100倍の場合は600μm×800μm、400倍の場合は150μm×200μmに相当し、画像解析装置への取り込みは、いずれの倍率の場合も、領域の合計が1mm×1mm以上となるよう取り込む(即ち、100倍の場合は上記写真を少なくとも6枚、400倍の場合は上記写真を少なくとも35枚取り込む)。
(v)画像解析装置において、一つの粒界に囲まれた領域と同等の面積を有する円に換算し、換算された円の直径をフェライト円相当粒径と定義する。
(vi)画像解析装置に取り込んだ全領域において上記フェライト円相当粒径を求め、その平均値をフェライト平均結晶粒径とする。
[引張特性の評価]
各鋼板のt/4部位から、圧延方向に対して直角の方向にJIS Z 2201の4号試験片を採取して、JISZ 2241の要領で引張試験を行ない、引張強度(TS)を測定した。そして、YPが355MPa以上でかつTSが490MPa以上のもの(YP:355MPa級鋼材の船級規格値)を、高張力であり、船舶用鋼材としての引張特性を具備していると評価した。
各鋼板のt/4部位からJIS Z 2202のVノッチ試験片を採取して、JISZ 2242の要領でシャルピー衝撃試験を行い、破面遷移温度(vTrs)を測定した。そして、vTrsが−40℃以下のものを、母材靭性に優れる[船級Eグレード鋼材規格値(−20℃で55J以上)を安定して確保できる]と評価した。
[試料の調製]
上記鋼板を切断し、表面研削を行って、最終的に100×100×25(mm)の大きさの試験片を作製した(試験片A)。試験片Aの外観形状を図3に示す。
電気防食が作用しないバラストタンク内の上部などの湿潤の大気雰囲気を模擬して、海塩粒子を付着させて湿潤状態に保持する腐食試験を行った(腐食試験A)。具体的には、兵庫県加古川市にて採取した実海水7.5mLをほぼ均一に試験面に滴下して、乾燥させた試験片を温度:50℃、湿度:95%RHの恒温恒湿試験槽内に水平に設置して腐食させた。試験時間は6ヶ月間であり、1ヶ月毎に実海水5.0mLを追加で試験面に滴下した。この試験では、前記試験片Aを用いて耐全面腐食性、腐食均一性を評価し、前記試験片Bを用いて耐すきま腐食性を評価した。
(a)試験片Aについては、試験前後の重量変化を平均板厚減少量D-ave(mm)に換算し、試験片5個の平均値を算出して、各供試材の全面腐食性を評価した。また、触針式三次元形状測定装置を用いて試験片Aの最大侵食深さD-max(mm)を求め、平均板厚減少量[D-ave(mm)]で規格化して(即ち、D-max/D-aveを算出して)、腐食均一性を評価した。尚、試験後の重量測定および板厚測定は、クエン酸水素二アンモニウム水溶液中での陰極電解法[JIS K8284]により鉄錆等の腐食生成物を除去してから行った。
(b)試験片Bについては、すきま部(接触面)の目視観察を行ってすきま腐食発生の有無を調べ、すきま腐食が認められる場合には、上記陰極電解法により腐食生成物を除去し、触針式三次元形状測定装置を用いて最大すきま腐食深さD-crev(mm)を測定し、耐すきま腐食性を評価した。
(c)塗装処理を施した試験片C(カット傷付き)については、カット傷に垂直方向の塗膜膨れ幅をノギスで測定し、試験片5個の最大値を最大膨れ幅と定義し、この最大膨れ幅で塗装腐食性を評価した。
Claims (7)
- C:0.01〜0.2%(質量%の意味、以下同じ)、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.01〜2%、Al:0.05〜0.5%、Cu:0.010〜1.5%、Cr:0.010〜1%を夫々含有する他、P:0.02%以下(0%を含まない)およびS:0.01%以下(0%を含まない)に夫々抑制され、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、フェライト平均結晶粒径が19.0μm以下であることを特徴とする耐食性と母材靭性に優れた船舶用高張力鋼材。
- Crの含有量[Cr]とAlの含有量[Al]の比の値([Cr]/[Al])が1〜15である請求項1に記載の船舶用高張力鋼材。
- 更に、Ni:2%以下(0%を含まない)、Co:1%以下(0%を含まない)およびTi:0.1%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有する請求項1または2に記載の船舶用高張力鋼材。
- 更に、Ca:0.02%以下(0%を含まない)および/またはMg0.02%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の船舶用高張力鋼材。
- 更に、Se:0.5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の船舶用高張力鋼材。
- 更に、Sb:0.5%以下(0%を含まない)および/またはSn:0.5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜5のいずれかに記載の船舶用高張力鋼材。
- 更に、B:0.01%以下(0%を含まない)、V:0.1%以下(0%を含まない)およびNb:0.05%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有する請求項1〜6のいずれかに記載の船舶用高張力鋼材。
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