JP3845366B2 - 溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、母材強度および溶接部靭性に優れた高耐食性鋼に係り、さらに詳しくは、結露腐食環境下もしくは室内環境で使用される各種容器、真空容器、低温熱交換機、浴室部材など、さらに、大気中腐食環境下で使用される橋梁、支柱、トンネル補強材、建築内外装材、屋根材、建具など、さらに各種鉄筋構造物、支柱等のコンクリート腐食環境、さらに船舶、橋梁、杭、矢板、海洋構造物等の海水腐食環境等の、腐食環境と利用形態において優れた耐食性と良好な母材および溶接熱影響部靭性を有する鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平5-279791号
【特許文献２】
特開平6-179949号
【特許文献３】
特開平6-179950号
【特許文献４】
特開平6-179951号
【特許文献５】
特開平6-212256号
【特許文献６】
特開平6-212257号
【特許文献７】
特開平7-3388号
【特許文献８】
特開平11-350082 号
【０００３】
高温湿潤腐食環境、結露腐食環境、大気腐食環境、水道水腐食環境、土壌腐食環境、コンクリート腐食環境、海水腐食環境等の腐食環境で使用される鋼は、何らかの防食対策を併用することが多い。近年、信頼性の向上、製造・施工々程の簡素化、メンテナンスフリー化、省資源、等の観点から、鋼素地の耐食性向上を目的とした、Ｃｒ含有鋼やステンレス鋼の使用が増大している。しかしながら、従来の技術では、耐食性の向上は素材コストの上昇を招来し、経済性の観点から、現実的な対策とはならない場合が多く、また、オーステナイト系の場合には強度も低いために適用用途が制限される場合もある。
【０００４】
上記の例に見られるように、一般にＣｒをある程度含有する鋼では腐食環境が厳しくなると局部腐食が発生し易く、これに対する手段として腐食に対する抵抗を向上させるためには、さらにＣｒあるいはＭｏの含有量を増加させるのが極めて一般的な技術的手段であった。
【０００５】
近年、特開平5-279791号公報、特開平6-179949号公報、特開平6-179950号公報、特開平6-179951号公報、特開平6-212256号公報、特開平6-212257号公報、特開平7-3388号公報、さらに、特開平11-350082 号公報などにおいて、耐食性の向上あるいは耐食性と加工性の向上を目的としたCrにAlを添加した鋼が提案されている。これらの鋼は、耐食性あるいは耐食性と加工性の向上にはある程度有効と認められるが、母材部および溶接熱影響部の靭性に劣り、溶接構造物への適用に際し大きな妨げとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、こうした現状に鑑みて、結露腐食環境、大気腐食環境、水道水腐食環境、海水腐食環境等の腐食環境における腐食抵抗が大きくかつ溶接熱影響部靭性に優れた低コストの鋼を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の目的を達成すべく、結露腐食環境、大気腐食環境、水道水腐食環境、コンクリート腐食環境、海水腐食環境等の腐食環境において優れた耐食性を有する鋼を開発するべく、種々の観点から検討を行った。まず、優れた溶接部靭性と同時に上記の該腐食環境において耐食性を向上させる手段を種々検討した結果、Ｃｒを４〜９％含有する鋼に、Ａｌを０．１〜５％を添加した鋼が上述した多くの腐食環境で非常に優れた耐食性を示すことを見出した。しかしながら、このような鋼はフェライト相変態域が広く、例えば、溶接時に１２００℃以上に加熱されると粗大フェライトが生成し、このために靭性が大きく低下する懸念がある。そこで、発明者らは、多くの実験を重ねた結果、溶接時に起こるフェライト相変態の生成を抑制するための手段として、添加合金元素量との関係を定量化することに成功し、次に示すＴp なる式の範囲を満たす合金添加量の時に、高温域でのフェライトの生成が抑制されることを見出した。
【０００８】
その骨子は、
（１）質量％で、
Ｃ ：０．０３％以下
Ｓｉ ：０．０１〜３．０％
Ｍｎ ：１.３４〜３％未満
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０１％以下
Ｃｒ ：４〜９％
Ａｌ ：０．１〜５％
Ｎ ：０．０２％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であり、かつ次式で示されるＴp 値が１１５０以上でかつ１４００以下となることを特徴とする溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼。
Ｔp＝1601−（34%Cr + 287%Al）+（33%Mn + 60%Cu + 107%Ni）
【０００９】
（２）質量％で、
Ｃ ：０．０３％以下
Ｓｉ ：０．０１〜３．０％
Ｍｎ ：１ . ３４〜３％未満
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０１％以下
Ｃｒ ：４〜９％
Ａｌ ：０．１〜５％
Ｎ ：０．０２％以下
を含有し、さらに、
Ｃｕ ：０．０５〜１０％
Ｎｉ ：０．０５〜１０％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であり、かつ次式で示されるＴ p 値が１１５０以上でかつ１４００以下となることを特徴とする溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼。
Ｔ p ＝ 1601 −（ 34%Cr + 287%Al ） + （ 33%Mn + 60%Cu + 107%Ni ）
（３）質量％で、
Ｍｏ ：０．０１〜１％
Ｖ ：０．００５〜０．１％
Ｎｂ ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉ ：０．００５〜０．０３％未満
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であることを特徴とする（１）または（２）記載の溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼。
【００１０】
（４）質量％で、
Ｃａ ：０．０００５〜０．０５％
Ｍｇ ：０．０００５〜０．０５％
ＲＥＭ ：０．００１〜０．１％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であことを特徴とする（１）または（２）または（３）記載の溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼。
【００１１】
【発明の実施の形態】
Ｃ： Ｃは、強度を改善する元素であるが、一定以上の添加は母材および溶接熱影響部の靭性低下を招くので、その添加量の上限を０．０３％とした。
【００１２】
Ｓｉ： Ｓｉは、Ｃｒを２％以上含有する鋼に脱酸剤および強化元素として添加することが有効であるが、含有量が０．０１％未満ではその脱酸効果が充分ではなく、３．０％を超えて含有するとその効果は飽和している上に、かえって溶接熱影響部靭性を低下させるので、含有量の範囲を０．０１％以上３．０％以下に限定する。
【００１３】
Ｃｒ: Ｃｒは、耐食性を確保するために４％以上を含有させることが必要であるが、９％を超えて含有させてもコストを増すばかりか、やはり母材、溶接熱影響部の靭性を損なうので上限の含有量は９％とする。
【００１４】
Ａｌ: Ａｌは、本発明において耐食性を確保するためにＣｒと並んで重要な元素であって、Ａｌの含有量は、耐食性を確保する観点から０．１％以上の必要であるが、一方、５％を超えて添加するとフェライト相変態の温度範囲が極めて広くなるので、その含有量は０．１％以上５％以下に限定する。
【００１５】
Ｍｎ: Ｍｎは本発明においては、主として強度の改善とオーステナイト形成元素として作用し、耐食性の観点から添加されているＣｒおよびＡｌにより助長される粗大フェライトの形成を抑制するために添加される。すなわち、ＣｒおよびＡｌは周知のようにフェライト形成元素であり、これらが多量に添加されると、凝固から室温に至るまで変態を経ずしてフェライト単相組織となり、母材のみならず、溶接熱影響部においても著しく靭性が低下する場合がある。そこで、発明者らは、耐食性を損なわずに母材および靭性の改善を目的として、系統的に実験を行った結果、Ｍｎの添加によりそれが回避できることを見出した。その具体的な制約条件は後に述べるが、それによると、Ｍｎ量は１ . ３４％以上添加することが必要であるが、３％以上の添加では、硬化性が上昇するために３％未満の添加とする。
【００１６】
Ｎ： Ｎは、鋼板の多量に添加されると母材および溶接熱影響部の靭性を低下させるので、少ない方が望ましく、上限の含有量は、０．０２％とする。
【００１７】
Ｐ: Ｐは、多量に存在すると靭性を低下させるので少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０３％とする。不可避的に混入する含有量をできる限り少なくするのがよい。
【００１８】
Ｓ: Ｓも多量に存在すると耐孔食性を低下させるので少ない方が望ましく、上限の含有量は０．０１％とする。ＳもＰと同様に不可避的な混入量をできる限り少なくするのがよい。
【００１９】
さらに、本発明では以下の元素を選択して添加できる。
Ｃｕ、Ｎｉ： Ｃｕ、Ｎｉともに強度を改善するとともに、フェライト生成を抑制する効果があると同様に特に、Ｎｉは母材および熱影響部の靭性を改善する効果がある。その効果は、いずれも０．０５％以上の添加を必要とするが、いずれも５％を越えて添加されると脆化が生じるために、両者ともに、その限定範囲を０．０５〜１０％とする。
【００２０】
Ｍｏ： Ｍｏは、ＣｒおよびＡｌが添加された鋼において、０．０１％以上添加されると、母材の靭性を損なうことなく孔食の発生と成長を抑制する効果が認められるが、１．０％を超えて添加しても効果が飽和するばかりか靭性を低下させるので、その範囲を０．０１％〜１．０％とする。
【００２１】
Ｎｂ： Ｎｂは耐食性を損なわずに、強度および靭性を改善する元素であり、その効果は０．００５％から認められるが、０．０５％を越えると溶接熱影響部の靭性低下が顕著になるためにその範囲を０．００５％〜０．０５％とする。
【００２２】
Ｖ： Ｖは、同じく耐食性を損なわずに、強度を改善する元素であり、０．００５％以上で効果が認められるが、多量の添加は周知のように靭性を阻害するので、その上限を０．１％とする。
【００２３】
Ｔｉ： Ｔｉは窒化物の生成を通じて高温での結晶粒径の細粒化に寄与する元素であり、耐食性を損なわずに、特に溶接熱影響部の靭性を向上することができる。その効果は両者ともに０．００５％以上から認められるが、０．０３％を以上の添加では炭化物が多量に析出するために、母材および溶接熱影響部の靭性をかえって阻害する。従って、その範囲を０．００５％〜０．０３％未満とする。
【００２４】
Ｃａ、Ｍｇ： ＣａおよびＭｇはＣｒおよびＡｌを含有する鋼において、耐食性を改善できる元素である。現在のところその機構には不明点が多いが、いずれも５ｐｐｍ以上で耐食性の向上が認められるが、５００ｐｐｍを越えて添加すると耐食性向上効果が飽和するばかりではなく、靭性が低下する傾向が明らかとなっており、その添加量を５ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下に限定する。
【００２５】
ＲＥＭ： さらに、本発明では、希土類元素（ＲＥＭ）を適宜添加してもその耐食性を損なわずに、母材および溶接部の特性を改善することが可能である。その添加量は、０．００１％以上を必要とするが、多量の添加は靭性などの阻害するので、その上限を０．１％とする。
【００２６】
さらに本発明では、本発明の骨子となる溶接部の靭性の向上を図るために、ＴP 式を導入した。図１は、0.015%C-0.15%Si-0.0050% の鋼を基本として、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌまた、場合によりＣｕ，Ｎｉ添加した素材に溶接サイクルを与え、その時のＡ₄ 変態点と粗大なフェライトの生成挙動を観察した結果である。すなわち、横軸で示すＴp 式が、１１５０以上になると、粗大なフェライト相の生成が抑制されることが分かる。しかしながら、過剰に合金元素を添加していくと、硬化組織が形成されようになるために、おのずと上限があり、実験からそれを１４００とした。従って、Ｔp 式の範囲を１１５０以上１４００以下とした。
【００２７】
本発明鋼は、使用するに際して、例えば造塊分塊法あるいは連続鋳造法およびその他の方法で鋼塊として製造した後に、熱間圧延あるい熱間鍛造によって鋼板として製造された後、そのまま鋼板として使用されるか、もしくは鋼管（電縫管、シームレス管など）、型鋼などの使用者の意図により任意の形状に加工・溶接して製品として製造しても良く、その他のプロセスも含めてコストや既存製造設備の制約等によって最適な製品製造工程を選択することができ、どの製造工程を選択したとしても、本発明鋼が製造できればよい。さらに、適切な強度を得るためや、靭性をさらに向上させるために、熱間圧延後、焼入れ焼戻し処理、焼準処理を施してもよい。さらに、近年用いられている加工熱処理法を適用しても何ら差し支えない。
【００２８】
本発明鋼は高温湿潤腐食環境、結露腐食環境、大気腐食環境、水道水腐食環境、土壌腐食環境、コンクリート腐食環境、海水腐食環境、これらの腐食環境が複合した様々な腐食環境に適用することができる。
【００２９】
【実施例】
表１に示す成分系の鋼を溶製後、板厚15mmの鋼板となるように熱間圧延を行い、一部のものについては、熱処理を施し、下記の試験を実施した。
(1) 溶接熱影響部の靱性評価試験
母材および溶接熱サイクル後［最高加熱温度;1400 ℃ 冷却速度：15℃/s］の衝撃試験を実施し、それぞれ遷移温度を求め、［母材の遷移温度］−［熱サイクル後の遷移温度］（△vTrsとする）を求めた。
(2) 腐食試験
試験鋼板から切削により、厚さ５mmの腐食試験を採取し、以下の条件にて試験を実施した。
室内環境：冷暖房設置の室内にて無塗装にて１００日間暴露試験を実施
湿潤環境：−20℃に２時間保持後、湿度95％−25℃の環境に４時間保持することを1300回繰返す。いずれも錆スポットの大きさを評点としてあらわす。
塩害環境：海岸飛沫帯に試験片を17ヶ月間暴露する。
【００３０】
表２にその試験の結果を示す。Ａ鋼〜Ｋ鋼は、すべて本発明範囲のものであり、溶接熱影響部の靱性は、ΔvTrsの評価にて±１５℃の範囲であり、靱性の低下が少ない。また、耐食性についても、一部に２mm以下の微小の発錆が観察されたのみであり、すべて良好な特性を示している。
【００３１】
それに反し、Ｌ鋼〜Ｒ鋼は、すべて比較鋼である。すなわち、Ｌ、Ｍ、Ｎ鋼は、本発明範囲の中で、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ量の上限をはずれたものであり、いずれも耐食性はほぼ良好であるが、溶接熱影響部の靱性低下が大きい。Ｏ鋼はＣｒの範囲が下限にはずれたもので、耐食性の低下が著しいことが分かる。Ｐ鋼は、Ａｌ量が上限を超えているもので、そのために、Ｔp 値も非常に低い値となっているために、溶接熱影響部の靱性が低下している。さらに、ＱおよびＲ鋼は、いずれも各元素は本発明範囲ではあるが、Ｔp 値がそれぞれ本発明範囲を逸脱している。従って、溶接熱影響部の靱性が低下している。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は結露腐食環境をはじめとして、室内環境、大気腐食環境、海水腐食環境等の種々の腐食環境において耐食性に優れるばかりでなく、溶接構造物において重要な溶接熱影響部の靭性に優れる鋼を低コストで提供することを可能としたものであり、産業の発展に貢献するところ極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ₄ 変態点の計算値（Ｔｐ値）と実測されたＡ₄ 変態点との関係及びδフェライトの有無を説明する図である。

Claims (4)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０３％以下
   Ｓｉ ：０．０１〜３．０％
   Ｍｎ ：１.３４〜３％未満
   Ｐ ：０．０３％以下
   Ｓ ：０．０１％以下
   Ｃｒ ：４〜９％
   Ａｌ ：０．１〜５％
   Ｎ ：０．０２％以下
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であり、かつ次式で示されるＴp 値が１１５０以上でかつ１４００以下となることを特徴とする溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼。
   Ｔp ＝1601 −（34%Cr + 287%Al）+ （33%Mn + 60%Cu + 107%Ni）
2. 質量％で、
   Ｃ ：０．０３％以下
   Ｓｉ ：０．０１〜３．０％
   Ｍｎ ：１ . ３４〜３％未満
   Ｐ ：０．０３％以下
   Ｓ ：０．０１％以下
   Ｃｒ ：４〜９％
   Ａｌ ：０．１〜５％
   Ｎ ：０．０２％以下
   を含有し、さらに、
   Ｃｕ ：０．０５〜１０％
   Ｎｉ ：０．０５〜１０％
   の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であり、かつ次式で示されるＴ p 値が１１５０以上でかつ１４００以下となることを特徴とする溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼。
   Ｔ p ＝ 1601 −（ 34%Cr + 287%Al ） + （ 33%Mn + 60%Cu + 107%Ni ）
3. 質量％で、
   Ｍｏ ：０．０１〜１％
   Ｖ ：０．００５〜０．１％
   Ｎｂ ：０．００５〜０．０５０％
   Ｔｉ ：０．００５〜０．０３％未満
   の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であることを特徴とする請求項１または２記載の溶接熱影響部靭性に優れた耐食鋼。
4. 質量％で、
   Ｃａ ：０．０００５〜０．０５％
   Ｍｇ ：０．０００５〜０．０５％
   ＲＥＭ ：０．００１〜０．１％
   の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の溶接熱影響部靱性に優れた耐食鋼。

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