JP3365269B2 - 耐溶接高温割れ性に優れたインバー合金 - Google Patents

耐溶接高温割れ性に優れたインバー合金

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐溶接高温割れ性
に優れたインバー合金に関する。
【0002】
【従来の技術】近年のエネルギー源の多様化、及びクリ
ーンエネルギーの重要性が求められている現在、天然ガ
スの使用量は増加の一途をたどっている。天然ガスは−
162℃という極低温で液化した後輸送、保管され、一
般に液化天然ガス(LNG)と呼ばれている。このLN
G輸送船及び陸上貯蔵用低温基地にはいくつかの構造形
式があるが、現在ではその多くがメンブレン構造を採用
している。
【0003】このメンブレン方式を適応する場合の材料
としては、従来オーステナイト系ステンレス鋼が用いら
れてきた。オーステナイト系ステンレス鋼製メンブレン
においてはLNG液面の上下動により生じる熱膨張、収
縮を、コルゲーションと呼ばれる特殊な形状の部材の曲
げ変形と平板部の僅かな旋回によって緩和している。
【0004】一方、Fe−Ni系インバー合金はLNG
温度である−162℃のような極低温から室温にかけて
非常に小さい線膨張係数を有することから、上記のよう
なコルゲーション構造を要することなく施工することが
できる。このため、Fe−Ni系インバー合金を適応し
たメンブレンの施工においては、材料費を含むトータル
コストを大幅に低減することが可能となる。
【0005】しかしながら、Fe−Ni系インバー合金
は使用状態で完全オーステナイト系であるために、オー
ステナイト系合金特有の溶接高温割れが生じやすいこと
が大きな欠点となっている。Fe−Ni系インバー合金
においては2つのタイプの溶接高温割れが存在する。こ
れらは一般に凝固割れ、及び再熱割れと呼ばれている。
凝固割れは図1に示すように溶接金属Aの凝固時に発生
する割れであるのに対し、再熱割れは図2に示すように
多層溶接、あるいは補修溶接時に後続パスの熱影響を受
けた先行パス内の溶接金属において発生する割れであ
る。一般の施工にあたっては補修溶接は必須であること
から、凝固割れのみならず再熱割れの発生も重要な問題
となる。従来よりFe−Ni系インバー合金の割れは図
2に示した再熱割れが問題になることが多いのが実状で
ある。
【0006】従って、物理的性質(低線膨張係数)や機
械的性質を損なうことなく、耐溶接高温割れ性、特に耐
再熱割れ性が改善されたLNG用Fe−Ni系インバー
合金が嘱望され、特公昭56−45989号公報、特公
昭57−35260号公報、及び特公平3−49979
号公報等の技術が提案されているが、十分な性能(耐溶
接高温割れ性)とは言い難い点もあった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前述したように、Fe
−Ni系インバー合金は溶接時に高温割れを発生しやす
いが、この現象は、溶融金属の凝固過程もしくは溶接金
属の再加熱冷却過程において材料が高温脆化を起こすた
めであると言われており、その冶金的支配因子として、
合金中におけるP及びS等の不純物元素が挙げられてい
る。
【0008】このような背景をもとに、Fe−Ni系イ
ンバー合金の溶接高温割れを防止するための研究が行わ
れてきた。例えば、特開昭56−44749号公報に
は、P,S量を可能な限り低減すること、特開平昭58
−100661号公報にはP,SならびにO,N量を低
減することが、耐溶接高温割れ性に対して有効である旨
が開示されている。
【0009】しかしながら、上記した先行技術による合
金では、溶接条件によっては依然として溶接部における
高温割れを完全に抑制することはできない。本発明の目
的は、このような問題を解決するために、機械的性質、
物理的性質(低線膨張特性)を損なうことなく、耐溶接
高温割れ性を改善したFe−Ni系インバー合金を提供
することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明は以下に示す手段を用いてい
る。 (1)本発明の合金は、重量%で、C:0.001〜
0.05%と、Si:0.01〜0.25%と、Mn:
0.01〜0.5%と、P≦0.005%と、S≦0.
001%と、Ni:30〜45%と、Al:0.001
〜0.05%と、Mg:0.0002〜0.01%と、
N≦0.003%と、B≦0.0003%と、O≦0.
003%と、残部がFe及び不可避的不純物よりなり、
且つMg%/Al%≧0.2を満足することを特徴とす
る、耐溶接高温割れ性に優れたインバー合金である。
【0011】(2)本発明の合金は、合金成分として、
重量%でさらに、Cr≦0.1%、Co≦0.1%、C
u≦0.1%、及びMo≦0.5%のうちの1種または
2種以上を含有することを特徴とする、上記(1)に記
載の耐溶接高温割れ性に優れたインバー合金である。
【0012】(3)本発明の合金は、合金成分として、
重量%でさらに、Ca≦0.01%、Zr≦0.01
%、及びTi≦0.01%のうちの1種または2種以上
を含有することを特徴とする、上記(1)または(2)
に記載の耐溶接高温割れ性に優れたインバー合金であ
る。
【0013】
【発明の実施の形態】これまでの知見では、溶接高温割
れは、溶接金属凝固時に凝固樹枝状晶間に不純物元素が
濃化することによって生じると言われており、特にP,
Sを低減させることが有効であるとされてきたが、本発
明者らは前記元素の影響を詳細に検討する一方、介在物
の存在形態と高温割れの関係について鋭意研究を行い、
P,S,Bをはじめとする不純物元素を低減することに
加え、Mgを添加し、且つMg%/Al%の値を0.2
以上とするようにして、介在物の溶接金属内の粒界上生
成を抑制し、合金の物理的性質、機械的性質を損なうこ
となく溶接高温割れを防止することが可能な耐溶接高温
割れ性に優れたインバー合金を見出し、本発明を完成さ
せた。
【0014】すなわち、本発明は合金組成を下記範囲に
限定することにより、機械的性質、物理的性質(低線膨
張特性)を損なうことなく、耐溶接高温割れ性を改善し
たFe−Ni系インバー合金を提供することができる。
【0015】以下に本発明の合金の成分添加理由、成分
限定理由について説明する。 (1)成分組成範囲 C:0.001〜0.05% Cは母材強度を確保する目的で添加される。しかしなが
ら、0.001%未満ではその効果は得られず、一方
0.05%を越えた添加では溶接高温割れを助長する。
このため、C添加量は0.001〜0.05%である。
【0016】Si:0.01〜0.25% Siは脱酸元素として添加される元素である。しかしな
がら、0.01%未満であるとその効果が損なわれ、ま
た添加量が0.25%を越えると溶接部の靭性が低下す
るとともに、Si基の粗大介在物が生成し、溶接高温割
れを助長する。このため、Siの添加量は0.01〜
0.25%である。
【0017】Mn:0.01〜0.5% Mnは脱酸元素として添加される。しかしながら、0.
01%未満ではその効果が小さく、一方0.5%を越え
た添加ではMnSを析出することにより耐溶接高温割れ
性に悪影響を及ぼす。このため、Mn添加量は0.01
〜0.5%である。
【0018】P≦0.005% Pは不純物として鋼中に必然的に含有される元素である
が、0.005%越えの添加では溶接高温割れ、特に凝
固割れを助長する。このため、Pの添加量は0.005
%以下である。
【0019】S≦0.001% Sは本発明において重要な元素の1つである。Sは不純
物として鋼中に必然的に含有される元素であるが、0.
001%を越えて含有した場合、溶接金属の樹枝状晶間
に偏析し再熱割れを助長する。このため、Sの添加量は
0.001%以下である。 Ni:30〜45% Niは低線膨張を確保するためには必須の元素である。
この特性を確保するため、Niの添加量は30〜45%
である。
【0020】N≦0.003% Nは母材強度の確保のため微量添加されるが、AlやB
との結合力が強く、特に溶接金属の樹枝状晶間に偏析し
ているBと結合し、ボロンナイトライド(BN)を生成
することにより再熱割れ性を助長する。このため、Nの
添加量は0.003%以下である。
【0021】Al:0.001〜0.05% Alは本発明において重要な元素の1つである。Alは
脱酸剤として添加される元素であるが、0.001%未
満ではその効果が不十分であり、0.05%越えでは粗
大な酸化物を生成し、清浄度を劣化させ、極低温靭性を
低下させるとともに、溶接金属内のオーステナイト粒界
に偏析し、耐再熱割れ性を著しく低下させる。このため
Alの添加量は0.001〜0.05%である。
【0022】Mg:0.0002〜0.01% Mgは本発明において重要な元素の1つである。Mgは
酸素との結合力が強いことから脱酸剤として添加させる
元素である。さらにMgはAl酸化物の凝集粗大化を抑
制し、Al−Mg複合酸化物を微細分散させる効果を有
する。この現象は溶接金属のオーステナイト粒界に割れ
の起点となる粗大酸化物の生成を抑制することに繋が
り、耐溶接高温割れ性を著しく向上させる。このAl酸
化物の凝集粗大化を抑制させる効果は0.0002%未
満の添加では顕著ではなく、0.01%越えの添加では
合金の清浄度を著しく損なうとともに、本合金の必須特
性である低線膨張係数特性をも損なうおそれがある。従
ってMgの添加量は0.0002〜0.01%である。
【0023】O≦0.003% 合金中のOは通常Al,Mg等の元素と結合して酸化物
を形成する。このような酸化物の存在は合金の清浄度を
劣化させるとともに、極低温靭性を低下させる。このた
めO含有量は0.003%以下である。
【0024】B≦0.0003% Bは本発明においては不純物として扱う。極微量の添加
によっても溶接時の樹枝状晶界面においてBNの析出を
起こし、再熱割れを助長する。このため、本発明におい
てその量は厳しく限定する必要がある。すなわちB含有
量は0.0003%以下である。
【0025】Mg%/Al%≧0.2 本発明者らは溶接高温割れと介在物の関係について鋭意
検討を行った結果、溶接金属のオーステナイト粒界上に
生成した酸化物が割れの起点となることを明らかにし
た。このため、Mg%/Al%バランスを種々変化させ
ることにより酸化物の形態制御を行った結果、Mg%/
Al%を適当な比率に制御することにより介在物の凝集
粗大化を抑制し、耐溶接高温割れ性を向上させる効果が
あることを見出した。この効果はMg%/Al%比が
0.2以上の場合にのみ有効である。従って本発明合金
ではMg%/Al%≧0.2である。
【0026】また本発明では、上記元素の他に下記の1
種または2種以上の元素を添加した場合も所定の効果を
得ることができる。 Cr≦0.1%、Co≦0.1%、Cu≦0.1%、M
o≦0.5% これらの元素は固溶強化により合金の強度を上昇させる
ことを目的として添加される元素であり、これらを添加
した場合においても溶接高温割れに及ぼす影響は小さ
い。ただし、多量の添加においては本合金の特徴である
低線膨張特性を劣化させる。従って、Cr≦0.1%、
Co≦0.1%、Cu≦0.1%、Mo≦0.5%の範
囲で添加させることができる。
【0027】Ca≦0.01%、Zr≦0.01%、T
i≦0.01% これらの元素はいずれも脱酸、脱硫作用を有しており、
少なくとも1種以上を添加することにより耐溶接高温割
れ性を向上させることができる。しかしながら、多量添
加した場合には逆に溶接金属の粒界脆化を促進するとと
もに、合金の清浄度を著しく劣化させる。従ってこれら
元素の添加量はCa≦0.01%、Zr≦0.01%、
Ti≦0.01%である。以下に本発明の実施例を挙
げ、本発明の効果を立証する。
【0028】
【実施例】表1に示す化学成分を有する合金(No.1
〜12:本発明合金、No.13〜24:比較合金)を
溶製し、熱延、焼鈍の各工程を経て、供試体を調整し
た。ここで、供試体No.1〜12は本発明範囲内の化
学成分組成を有する合金であり、供試体No.13〜2
4はその化学成分の少なくとも1つが本発明範囲外の化
学成分組成を有する比較合金である。
【0029】これらの供試体に対して図3に示すように
クロスビード方式のバレストレイン試験を実施し、溶接
高温割れ性を評価した。即ち、上記供試体より、板厚1
0mmの試験体を採取し、この試験体に入熱20kJ/
cmの条件によりTIG溶接を行い、第一ビードを形成
する。次いで、第一ビードと同じ条件で、第一ビードと
直行する方向に第二ビードのTIG溶接を行う。そし
て、第二ビードの溶接が第一ビード中央まで進行した時
に、試験体に対し、約2%の曲げ歪みを急激に付与す
る。試験終了後、室温まで冷却された試験体より、図3
中点線で示す位置で切断し、その割れを光学顕微鏡にて
観察する。切断位置Aでは凝固割れ長さを、切断位置B
の第一ビード内で再熱割れ長さを測定、評価した。
【0030】表2にクロスビード型のバレストレイン試
験により溶接高温割れ長さを測定した結果を示す。比較
合金No.13〜24は、各々B量、P量、S量、O
量、Mg%/Al%比が本発明の範囲を外れるものであ
る。P添加量の多い比較合金No.13〜15において
は凝固割れが顕著に発生し、S,B,O,Mg%/Al
%比が本発明範囲外である比較合金No.16〜24に
おいては、先行ビード内に再熱割れが発生しており、耐
溶接高温割れ性が劣っていることが明らかである。 こ
れに対し、本発明合金No.1〜12は凝固割れ、再熱
割れともに全く発生しておらず、耐溶接高温割れ性に優
れていることがわかる。
【0031】なお、本発明による合金の室温での引張特
性(0.2 %耐力、引張強さ、伸び)、30〜100 ℃までの
平均熱膨脹係数は本実施例の本発明合金No.1で以下
の如くである。 ・引張特性:0.2 %耐力=200MPa、引張強さ=4
00MPa、伸び=30%、・平均熱膨脹係数=1.0
〜2.0×10-6/℃
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、合金中の化学成分を選定、添加量を制御する
ことにより、耐溶接高温割れ性に優れたLNG用Fe−
Ni系インバー合金を提供することができ、工業上優れ
た効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】溶接凝固割れの発生位置を示した図。
【図2】溶接再熱割れの発生位置を示した図。
【図3】本発明の実施例に係るバレストレイン試験方
法、及び高温割れ観察位置を示した図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−61341(JP,A) 特開 平4−157136(JP,A) 特開 昭60−177164(JP,A) 特開 昭53−83921(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:0.001〜0.05%
    と、Si:0.01〜0.25%と、Mn:0.01〜
    0.5%と、P≦0.005%と、S≦0.001%
    と、Ni:30〜45%と、Al:0.001〜0.0
    5%と、Mg:0.0002〜0.01%と、N≦0.
    003%と、B≦0.0003%と、O≦0.003%
    と、残部がFe及び不可避的不純物よりなり、且つMg
    %/Al%≧0.2を満足することを特徴とする、耐溶
    接高温割れ性に優れたインバー合金。
  2. 【請求項2】 合金成分として、重量%でさらに、Cr
    ≦0.1%、Co≦0.1%、Cu≦0.1%、及びM
    o≦0.5%のうちの1種または2種以上を含有するこ
    とを特徴とする、請求項1に記載の耐溶接高温割れ性に
    優れたインバー合金。
  3. 【請求項3】 合金成分として、重量%でさらに、Ca
    ≦0.01%、Zr≦0.01%、及びTi≦0.01
    %のうちの1種または2種以上を含有することを特徴と
    する、請求項1または2に記載の耐溶接高温割れ性に優
    れたインバー合金。
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