JP2019519675A - 強化された耐摩耗性高マンガン鋼のための現場での異種金属溶接技術 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年5月2日に出願された米国仮特許出願第62/330,405号の利益および優先権を主張するものであり、この仮特許出願の開示内容は、全体が参照により本明細書に援用される。
本開示は、溶接金属の分野に関する。より具体的には、本開示は、低炭素鋼部品を、強化された耐摩耗性を有する高マンガン(Mn)鋼部品に接合するのに必要な溶接金属を製造するための材料および方法に関する。
採掘作業(オイルサンド鉱業を含む)における配管系は、液体またはスラリー中の硬い岩と砂粒子との混合物を、処理プラントに輸送し、瓦礫を採掘領域または貯蔵領域に循環させるのに使用される。現在のスラリー水力輸送パイプは、典型的に、低炭素の、パイプライングレードの鋼(例えば、API仕様5L X65またはX70グレード鋼)から作製される。これらのパイプは、かなりの磨損/侵食摩耗および腐食を受け、これは、壁損失を引き起こし、頻繁な修理および交換につながる。したがって、これらの配管系は、採掘プロジェクトの多大な運転コストの要因であることが多い。改良された侵食/磨耗/腐食耐性を有するパイプ材料を開発する大きな経済的誘因がある。
特定の態様において、本明細書の記載は、例えば、低炭素鋼部品(又はローカーボンスチールコンポーネント(low carbon steel components))を、侵食耐性高Mn鋼部品(例えば、高Mg鋼スラリーパイプまたは他のソイルサンド部品(又はソイルサンドコンポーネント(soil sands components)))に接合(又はジョイント)するのに十分な強度および靱性(又はタフネス)を達成する溶接金属および使用方法を提供する。本開示は、その用途に好適な溶接微細構造(又はウェルドミクロストラクチャー(weld microstructures))および機械的特性(又はメカニカルプロパティー(mechanical properties))をもたらす、溶接金属化学(又はウェルドメタルケミストリー(weld metal chemistries))、溶接プロセス(又はウェルディングプロセス(welding processes))、および溶接(又はウェルディング(welding))の実施(又はプラクティス(practices))の制御を提供する。
約0.1〜約0.4重量%の炭素、
約15.0〜約25.0重量%のマンガン、
約2重量%〜約8重量%のクロム、
約2重量%以下のモリブデン、
約3〜10.0重量%のニッケル、
約1.0重量%以下のケイ素、
約200ppm以下の硫黄、および
約200ppm以下のリン
を含み、残余(又は残余物又はバランス(balance))は、Feである(例えば、約70%)。
別の実施形態において、溶接金属特性(又はウェルドメタルプロパティ(weld metal properties))(例えば、強度または靱性)を強化する(又は高める)ために加えられ得る他の元素は、約0.7重量%以下のチタンである。
約0.1〜0.3重量%の炭素、
約18.0〜22.0重量%のマンガン、
約3.5〜6.5重量%のクロム、
約1.5重量%未満のモリブデン、
約5.5〜8.5重量%のニッケル、
約0.4〜0.8重量%のケイ素、
約150ppm未満の硫黄、および
約0.7重量%以下のチタン(例えば、約0.15〜約0.45重量%のチタン)
の少なくとも1つを含む。
特定の実施形態において、オーステナイト相は、硬質α’−マルテンサイトに変態し得、歪みを加えると、微細双晶化を起こし得る。
特定の実施形態において、高Mn鋼および低炭素鋼を接合(又はジョイント)する溶接を提供するためのシステムは、消耗品ワイヤ電極およびガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源を含む。
特定の実施形態において、消耗品ワイヤ電極は、
約0.1重量%〜約0.4重量%の範囲の炭素、
約15重量%〜約25重量%の範囲のマンガン、
約2重量%〜約8重量%の範囲のクロム、
約2重量%以下の量のモリブデン、
約3〜約10重量%の量のニッケル、
約1.0重量%以下の量のケイ素、
約150ppm以下の量の硫黄、
約200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス(balance))
を含む。
ガスメタルアーク溶接電源は、約2.5kJ/mm以下の溶接入熱を生成する。
約0.1〜0.3重量%の炭素、
約18.0〜22.0重量%のマンガン、
約3.5〜6.5重量%のクロム、
約1.5重量%未満のモリブデン、
約5.5〜8.5重量%のニッケル、
約0.4〜0.8重量%のケイ素、
約150ppm未満の硫黄、および
約0.15〜0.45重量%のチタン
の少なくとも1つを含む。
特定の実施形態において、この方法は、許容され得る溶接性を提供するように、粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性の制御を可能にする溶接装置およびパラメータを用いて、本明細書中に記載されるような溶接金属を適用することを含む。溶接金属化学(又はウェルドメタルケミストリー(weld metal chemistry))、溶接継ぎ手形状(又はウェルドジョイントジオメトリー(weld joint geometry))、および溶接入熱(又はウェルディングインプット(welding input))は、凝固割れ(又はソリディフィケーションクラッキング(solidification cracking))に対する脆弱性(又は感受率(susceptibility))を確実に減少させ、侵食耐性高Mn鋼ベースメタルおよび低炭素鋼ベースメタルにおける溶接金属および熱影響部(HAZ)靱性(又は熱影響ゾーン(HAZ)タフネス(heat affected zone (HAZ) toughness))の著しい低下を防ぐように制御される。好ましい実施形態において、本開示の溶接金属は、オーステナイト結晶粒(又はオーステナイトグレイン(austenite grains))を含む微細構造(又はミクロストラクチャー(microstructure))を有する。
溶接される高Mn鋼ベースおよび(溶接される)低炭素鋼ベース、ならびに溶接用溶加材(又は溶接用充填金属又はウェルディングフィラーメタル(welding filler metal))を提供すること(又は工程又はステップ)、および
溶接用溶加材(又はウェルディングフィラーマテリアル(welding filler material))を溶融および冷却して、溶着物(又はウェルドデポジット(weld deposit))を生成すること(又は工程またはステップ)
を含む。
特定の実施形態において、溶接用溶加材(welding filler metal)は、
約0.1重量%〜約0.4重量%の範囲の炭素、
約15重量%〜約25重量%の範囲のマンガン、
約2重量%〜約8重量%の範囲のクロム、
約2重量%以下の量のモリブデン、
約10重量%以下の量のニッケル、
約1.0重量%以下の量のケイ素、
約100ppm以下の量の硫黄、
約200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス(balance))
を含む。
以下の詳細な説明の節において、本開示の特定の実施形態は、好ましい実施形態に関連して説明される。しかしながら、以下の説明が、本開示の特定の実施形態または特定の使用に特有である程度に、これは、あくまでも例示のためであることが意図され、例示的な実施形態の説明を提供するに過ぎない。本開示は、後述される特定の実施形態に限定されず、むしろ、それは、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる全ての代替例、変更、および均等物を含む。
延性:破壊前にかなりの塑性変形を受ける材料の能力の尺度を意味し得るが、決してこれに限定されず;それは、伸び率(% EL)または面積減少率(% AR)として表され得る。
一態様において、本明細書は、最近のガスメタルアーク溶接(GMAW)プロセスを用いて適用されるオーステナイト溶接金属(又はオーステナイトウェルドメタル(austenitic weld metal))を提供する。これにより、溶接金属およびベースメタル熱影響部の両方において好適な強度、好適な低温靱性を同時に達成することが可能な、侵食耐性高Mn鋼部品を低炭素鋼部品に溶接するのに有用なオーステナイト微細構造、および低い欠陥率を有する溶接物が製造される。本開示の実施形態は、良好な溶接性を得るが、これは、良好な溶接プール流動性、アーク安定性(「滑らかな」アーク)、ベースメタルとの接合部における溶接プールの良好な濡れ性、および良好なビード溶け込み形状を含む一連の特性を指し、これらは全て、溶接欠陥を減少させることを目的としている。
新規なDMW−HMS溶接金属は、侵食耐性HMS部品(スラリーパイプを含む)を低炭素鋼部品に接合するのに必要な強度および靱性を提供することができる。これらの特性要件を満たすのに必要な微細構造は、溶接金属化学および溶接プロセスパラメータの適切な制御によって達成される。
新規なDMW−HMS溶接金属は、侵食耐性HMSを低炭素鋼に接合するのに必要な溶接性を提供することができる。この溶接性は、溶接金属化学、溶接プロセスパラメータ、および溶接継ぎ手設計の適切な制御によって達成される。
本開示の別の実施形態によれば、本開示の溶接金属を適用するためのシステムが提供される。このシステムは、溶接装置およびパラメータを用いて、許容される溶接性を提供するように、溶接アーク安定性ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性を制御し得る。高Mn鋼および低炭素鋼を接合するための溶接を提供するためのシステムは、消耗品ワイヤ電極およびガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源を含む。消耗品ワイヤ電極は、上述される溶接金属を含む。例えば、ワイヤ電極は、約0.1重量%〜約0.4重量%の範囲の炭素、約15重量%〜約25重量%の範囲のマンガン、約2.0重量%〜約8.0重量%の範囲のクロム、約2.0重量%以下の量のモリブデン、約10重量%以下の量のニッケル、約0.70重量%以下の量のケイ素、約100ppm以下の量の硫黄、約200ppm以下の量のリン、および鉄を含む残余を含む。ガスメタルアーク溶接電源は、約2.5kJ/mm以下の溶接入熱を生成する。別の実施形態において、溶接入熱は、約0.6kJ/mm(約15kJ/インチ)〜約1.0kJ/mm(約25kJ/インチ)の範囲である。
一態様によれば、本開示は、高マンガン鋼ベースメタル(又はハイマンガンスチールベースメタル(high manganese steel base metal))を低炭素鋼ベースメタル(又はローカーボンスチールベースメタル(low carbon steel base metals))に接合(又はジョイント)する(joining)ための溶接組成物(又はウェルディング組成物又はウェルディングコンポジション(welding composition))を提供し、当該組成物は、
0.1重量%〜0.4重量%の範囲の炭素、
15重量%〜25重量%の範囲のマンガン、
2.0重量%〜8.0重量%の範囲のクロム、
2.0重量%以下の量のモリブデン、
10重量%以下の量のニッケル、
0.7重量%以下の量のケイ素、
100ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス(balance))
を含み、
溶接物(又はウェルドメント(weldment))は、オーステナイト微細構造(又はオーステナイトミクロストラクチャー(austenitic microstructure))を含む。
炭素は、0.1〜0.3重量%であり、
マンガンは、18.0〜22.0重量%であり、
クロムは、3.5〜6.5重量%であり、
モリブデンは、1.5重量%未満の量であり、
ニッケルは、5.5〜8.5重量%であり、
ケイ素は、0.4〜0.8重量%であり、
硫黄は、150ppm未満の量であり、そして/または
好ましい範囲である0.15〜0.45重量%のチタン
を含む。
上記消耗品ワイヤ電極は、
0.1重量%〜0.4重量%の範囲の炭素、
15重量%〜25重量%の範囲のマンガン、
2.0重量%〜8.0重量%の範囲のクロム、
2.0重量%以下の量のモリブデン、
10重量%以下の量のニッケル、
0.7重量%以下の量のケイ素、
200ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス(balance))
を含む溶接物(又はウェルドメント(weldment))
を生成し、
上記ガスメタルアーク溶接電源は、2.5kJ/mm以下の溶接入熱(又はウェルディングヒートインプット(welding heat input))を生成する。
炭素が、0.1〜0.3重量%であり、
マンガンが、18.0〜22.0重量%であり、
クロムが、3.5〜6.5重量%であり、
モリブデンが、1.5重量%未満の量であり、
ニッケルが、5.5〜8.5重量%であり、
ケイ素が、0.4〜0.8重量%であり、
硫黄が、150ppm未満の量であり、そして/または
好ましい範囲である0.15〜0.45重量%のチタン
を含む。
溶接される高Mn鋼ベース(又はハイMnスチールベース(high Mn steel base))および(溶接される)低炭素鋼ベース(又はローカーボンスチールベース(low carbon steel base))と、溶接用溶加材(又は溶接用充填金属又はウェルディングフィラーメタル(welding filler metal))とを提供すること(又は工程又はステップ)と、
上記溶接用溶加材(又はウェルディングフィラーマテリアル(welding filler material))を溶融(又はメルティング(melting))および冷却(又はクーリング(cooling))して、溶着物(又はウェルドデポジット(weld deposit))を生成すること(又は工程又はステップ)と
を含み、
上記溶接用溶加材(welding filler metal)は、
0.1重量%〜0.4重量%の範囲の炭素、
15重量%〜25重量%の範囲のマンガン、
2.0重量%〜8.0重量%の範囲のクロム、
2.0重量%以下の量のモリブデン、
10重量%以下の量のニッケル、
0.7重量%以下の量のケイ素、
100ppm以下の量の硫黄、
100ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余(又は残余物又はバランス(balance))
を含む。
溶着物(又はウェルドデポジット(weld deposit))は、溶接したままの状態で、60ksiを超える降伏強度を有し、そして/または、
溶着物は、溶接したままの状態で、70ksiを超える極限引張強さを有する。
溶着物は、溶接したままの状態で、−29℃で27Jを超えるCVNを有し、そして/または
ベースメタルの熱影響部(又は熱影響ゾーン(heat affected zone))は、溶接後、−29℃で27Jを超えるCVNを有する。
Claims (15)
- 高マンガン鋼ベースメタルを低炭素鋼ベースメタルに接合するための溶接組成物であり、
前記組成物が、
0.1重量%〜0.4重量%の範囲の炭素、
15重量%〜25重量%の範囲のマンガン、
2.0重量%〜8.0重量%の範囲のクロム、
2.0重量%以下の量のモリブデン、
10重量%以下の量のニッケル、
0.7重量%以下の量のケイ素、
100ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含み、溶接物が、オーステナイト微細構造を含む、組成物。 - 0.7重量%以下の量のチタンをさらに含む、請求項1に記載の組成物。
- 炭素は、0.1〜0.3重量%であるか、
マンガンは、18.0〜22.0重量%であるか、
クロムは、3.5〜6.5重量%であるか、
モリブデンは、1.5重量%未満の量であるか、
ニッケルは、5.5〜8.5重量%であるか、
ケイ素は、0.4〜0.8重量%であるか、
硫黄は、150ppm未満の量であるか、
好ましい範囲である0.15〜0.45重量%のチタン、または
それらの組合せ
の少なくとも1つである、請求項1または2に記載の金属の組成物。 - 前記オーステナイト微細構造が、硬質α’−マルテンサイトに変態し、歪みを加えると微細双晶化を起こす、請求項1〜3のいずれか1項に記載の組成物。
- 高マンガン鋼および低炭素鋼を接合するための溶接を提供するためのシステムであり、
前記システムが、消耗品ワイヤ電極と、ガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源とを含み、
前記消耗品ワイヤ電極が、
0.1重量%〜0.4重量%の範囲の炭素、
15重量%〜25重量%の範囲のマンガン、
2.0重量%〜8.0重量%の範囲のクロム、
2.0重量%以下の量のモリブデン、
10重量%以下の量のニッケル、
0.7重量%以下の量のケイ素、
200ppm以下の量の硫黄、
200ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む溶接物を生成し、
前記ガスメタルアーク溶接電源が、2.5kJ/mm以下の溶接入熱を生成する、
システム。 - 前記溶接物が、0.7重量%以下の量のチタンを含む、請求項5に記載のシステム。
- 前記溶接物は、
炭素が、0.1〜0.3重量%であるか、
マンガンが、18.0〜22.0重量%であるか、
クロムが、3.5〜6.5重量%であるか、
モリブデンが、1.5重量%未満の量であるか、
ニッケルが、5.5〜8.5重量%であるか、
ケイ素が、0.4〜0.8重量%であるか、
硫黄が、150ppm未満の量であるか、
好ましい範囲である0.15〜0.45重量%のチタン、または
それらの組合せ
の少なくとも1つを含む、請求項5または6に記載のシステム。 - 前記溶接入熱が、0.6〜1.0kJ/mmの範囲である、請求項6または7に記載のシステム。
- 侵食/腐食耐性高Mn鋼の溶着物を製造する方法であり、
溶接される高Mn鋼ベースおよび溶接される低炭素鋼ベース、ならびに溶接用溶加材を提供することと、
前記溶接用溶加材を溶融および冷却して、溶着物を生成することと
を含み、
前記溶接用溶加材が、
0.1重量%〜0.4重量%の範囲の炭素、
15重量%〜25重量%の範囲のマンガン、
2.0重量%〜8.0重量%の範囲のクロム、
2.0重量%以下の量のモリブデン、
10重量%以下の量のニッケル、
0.7重量%以下の量のケイ素、
100ppm以下の量の硫黄、
100ppm以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む、方法。 - 溶融が、2.5kJ/mm以下の溶接入熱を前記溶接用溶加材に提供することを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの鋼ベースメタルが、溶接される部分を含み、前記部分が、25°を超える開先を含み、
前記少なくとも2つの金属が、少なくとも1つの高Mn鋼および少なくとも1つの低炭素鋼を含む、
請求項9または10に記載の方法。 - 前記溶着物が、溶接したままの状態で、前記低炭素鋼ベースメタルおよび/または前記高Mn鋼ベースメタルの降伏強度を超える降伏強度を有する、請求項9〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶着物が、溶接したままの状態で、60ksiを超える降伏強度を有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、70ksiを超える極限引張強さを有するか、または
それらの組合せ、
の少なくとも1つである、請求項9〜12のいずれか1項に記載の方法。 - 溶着物が、溶接したままの状態で、−29℃で27Jを超えるCVNを有するか、
前記ベースメタルの熱影響部が、溶接後、−29℃で27Jを超えるCVNを有するか、または
それらの組合せ
の少なくとも1つである、請求項9〜13のいずれか1項に記載の方法。 - 前記高Mnベースメタルが、侵食/腐食耐性高Mn鋼である、請求項9〜14のいずれか1項に記載の方法。
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