JP4763468B2 - 耐食性および疲労亀裂進展抵抗性に優れた船舶用鋼材 - Google Patents
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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)を得るためには、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(溶接熱影響部)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%以上とするのが良く、更に好ましくは0.1%以上であり、好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%以下とするのが良い。
MnもSiと同様に脱酸および強度確保のために必要であり、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は表面に安定な酸化物防食皮膜を形成する効果がある。Al含有量が少なくなると、腐食溶解したAl3+イオンは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ことになる。Cr酸化物との共存下で十分な防食効果を発揮させるためには、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%までの範囲であっても従来鋼と同様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%を超えて過剰になると、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を形成するの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酸化物とが共存する安定な酸化物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とになる。こうした効果を発揮させるためには、Cu含有量は0.01%以上とすることが必要であるが、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含有量の好ましい下限は0.05%であり、好ましい上限は1.3%であり、より好ましくは1.0%以下である。
CrはAlと同様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ことになるのであるが、こうした効果を発揮させるためには、0.01%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%以上であり、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%までであり、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は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%までであり、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を形成するのに有効な元素である。こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、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、Niについては2%以下、Coについては1%以下とすることが好ましい。Niを含有させるときの好ましい下限は0.001%であり、より好ましくは0.05%以上で、更に好ましくは0.1%以上である。またCoを含有させるときの好ましい下限は0.01%であり、より好ましくは0.03%以上、更に好ましくは0.05%以上である。またより好ましい上限は、Ni:1.5%以下(更に好ましくは1.0%以下)、Co:0.8%以下(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ける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、耐食性向上に有効な元素である。こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、いずれも0.02%を超えて過剰に含有させると加工性と溶接性とを劣化させることになる。CaおよびMgを含有させるときの好ましい下限は0.0005%であり、より好ましくは、0.001%以上とするのが良く、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Seを含有させることによって、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作用がある。また、物質移動が制限されている局所的なpH低下が起こり易い「すきま部」においては、上記した理由によってその効果(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向上効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、0.5%を超えて過剰に含有させると加工性と溶接性とを劣化させることになる。尚、Seを含有させるときの好ましい下限は0.005%であり、より好ましくは0.008%以上とするのが良く、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0.40%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。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、いずれも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ことになる。これらの元素を含有せるときの好ましい下限は、いずれも0.01%であり、より好ましくは0.02%以上とするのが良く、より好ましい上限は0.40%である。
船舶用鋼材では、適用する部位によってはより高強度化が必要な場合があるが、これらの元素は強度向上に必要な元素である。このうちBは焼入性を向上して強度向上に有効であるが、0.01%を超えて過剰に含有させると母材靭性が劣化するため好ましくない。Vは、強度向上に有効であるが、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ことになるので好ましくない。Nbは、強度向上に有効であるが、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ことになる。尚、これらの元素の好ましい下限は、Bについては0.0001%、より好ましくは0.003%以上、Vについては0.003%、より好ましくは0.005%以上、Nbについては0.003%、より好ましくは0.005%以上である。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。
Ar3=868−369・[C]+24.6・[Si]−68.1・[Mn]−36.1・[Ni]−20.7・[Cu]−24.8・[Cr]+190・[V] …(1)
Ar1=630.5+51.6・[C]+122.4・[Si]−64.8・[Mn] …(2)
Ac1=723−14・[Mn]+22・[Si]−14.4・[Ni]+23.3・[Cr] …(3)
Ac3=908−223.7・[C]+30.49・[Si]−34.3・[Mn]+37.92・[V]−23.5・[Ni] …(4)
但し、[C],[Si],[Mn],[Ni],[Cu],[Cr]および[V]は、夫々C,Si,Mn,Ni,CuおよびVの含有量(質量%)を示す。
1.プロセスコンピュータを用い、加熱開始から加熱終了までの雰囲気温度や在炉時間に基づいて鋼片の表面から裏面までの任意の位置(例えば、t/4位置)の加熱温度を算出する。
2.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における圧延温度を計算しつつ圧延を実施する。
3.鋼板の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。但し、プロセスコンピュータでも理論値を計算しておく。
4.粗圧延開始時、粗圧延終了時、仕上げ圧延開始時にそれぞれ実測した鋼板の表面温度を、プロセスコンピュータから算出される計算温度と照合する。
5.計算温度と実測温度の差が±30℃以上の場合は、計算表面温度が実測温度と一致するように再計算してプロセスコンピュータ上の計算温度とし、±30℃未満の場合は、プロセスコンピュータから算出された計算温度をそのまま用いる。
6.上記算出された計算温度を用い、制御対象としている領域の圧延温度を管理する。
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)。また、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。この試験には、前記試験片Aおよび試験片Bを用いて、耐全面腐食性、腐食均一性および耐すきま腐食性を評価した。
熱間圧延材を切断し、ASTM E647に準拠し、コンパクト型試験片を用いて、疲労亀裂進展試験を実施することによって、疲労亀裂進展速度を求めた。この際、下記(5)式によって規定されるパリス則が成り立つ安定成長領域ΔK=20(MPa・√m)での値を代表値として評価した。尚、疲労亀裂進展速度の評価、基準については、通常の鋼材が4〜6×10−5mm/cycle(ΔK=20のとき)程度の進展速度であることから、3.5×10−5mm/cycle以下を基準とした。
da/dn=C(ΔK)m …(5)
但し、a:亀裂長さ,n:繰り返し数,C,m:材料、荷重等の条件で決まる定数を夫々示す。
硬質相のビッカース硬さHv1、および軟質相のビッカース硬さHv2を、10gfのマイクロビッカース硬度計を用いて測定し、各5点の平均値を求め、硬さ比(Hv1/Hv2)を計算した。
(a)鋼材の圧延方向と平行な方向で切断し、板厚の表裏面部を含むサンプルを準備した。
(b)♯150〜♯1000までの湿式エメリー研磨紙若しくはそれと同等の機能を有する研磨方法を用いて研磨し、ダイヤモンドスラリー等の研磨材を用いて鏡面仕上げを施した。
(c)研磨されたサンプルを、3%ナイタール溶液(腐食液)を用いて腐食し、軟質相の結晶粒界を現出させた。
(d)現出させた組織を100倍若しくは400倍の倍率で写真撮影し(6cm×8cmの写真として撮影)、画像解析装置に取り込んだ(100倍では600μm×800μm、400倍では150μm×200μmに相当)。この取り込みに当っては、いずれの倍率においても、1mm×1mmに相当する枚数(100倍では少なくとも6枚の視野、400倍では35枚分の視野)を取り込んだ。
(e)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円相当軟質相の粒径と定義した。
(f)全ての視野について測定された値の平均値を平均円相当軟質相粒径として算出した。
Claims (5)
- C:0.01〜0.2%(質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.01〜0.5%、
Mn:0.01〜2%、
Al:0.06〜0.5%、
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)に夫々抑制し、
残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
Crの含有量[Cr]とAlの含有量[Al]の比の値([Cr]/[Al])が1〜15であり、
軟質相と硬質相とからなる複合組織であり、
軟質相は、フェライト、焼戻しベイナイトおよび焼戻しマルテンサイトよりなる群から選ばれる1種以上で、
硬質相は、ベイナイトおよび/またはマルテンサイト(島状マルテンサイトを含む)であり、且つ
硬質相のビッカース硬さHv1と軟質相のビッカース硬さHv2の比(Hv1/Hv2)が1.5〜5.0であり、
軟質相の粒径が円相当直径で20μm以下であることを特徴とする耐食性および疲労亀裂進展抵抗性に優れた船舶用鋼材。 - 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に記載の船舶用鋼材。 - 更に、
Ca:0.02%以下(0%を含まない)および/または
Mg:0.02%以下(0%を含まない)を含有する請求項1または2に記載の船舶用鋼材。 - 更に、
Se:0.5%以下(0%を含まない)を含有し、且つ、
Sb:0.5%以下(0%を含まない)または
Sn:0.5%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1〜4のいずれかに記載の船舶用鋼材。
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