JP5379463B2 - Ｌｎｇ球形タンク用高強度アルミニウム合金の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はＡｌ-Ｍｇ-Ｍｎ-Ｃｒ-Ｃｕ系非熱処理型アルミニウム合金の製造方法に関するものであり、より詳細には成分を最適化することにより、粒界腐食性を大きく低下させること無く強度に優れたＬＮＧ球形タンク用アルミニウム合金を得るものである。
ＬＮＧ球形タンク用合金としては５０８３に代表されるようにＡｌ-Ｍｇ-Ｍｎ-Ｃｒ系合金が用いられている。５０８３合金はアルミニウム合金中非熱処理型合金としては高強度，高耐食性を有しており、ＬＮＧ球形タンク以外にも船舶，車両，低温用タンク，圧力容器などの溶接構造用に用いられている。
ＬＮＧ球形タンクは大容量化にともない大型化の要求があるが現行の規格値（ＴＳ：２７５ ＭＰａ以上，ＹＳ：１２７ＭＰａ以上）では板厚の増加が必要となりタンク重量も増加する問題がある。このため高強度化によるタンク重量の軽減の必要性がある。高強度化の方針としては現行の５０８３材では膜応力に対する許容応力の計算から引張り強度を向上することが有効であることが分かっている。
しかしながら本Ａｌ-Ｍｇ系合金でさらに高強度化を図り軽量化を実施するためには、Ｍｇの添加が有効であることが知られているものの、同時に耐ＳＣＣ（応力腐食割れ）特性を含む一般耐食性が低下することが知られている。特に本系合金は船舶あるいはＬＮＧタンク用として用いられることも多くＳＣＣの発生は安全上大きな問題となる。
このため高Ｍｇ含有合金の粒界に生じるβ相（Ａｌ３Ｍｇ２）を低減する目的でＺｎの添加が提案されており、例えば特許文献１ではＺｎを０．４〜０．９％添加することで粒界のβ相の体積分率を下げることで耐ＳＣＣ性ならびに耐層状腐食性の向上を図っている。
しかしながら特許文献１ではＺｒが０．０５〜０．２５％添加され強度上昇および溶接時の耐亀裂性を向上させる旨の効果が挙げられているが、Ａｌ-Ｍｇ合金は熱間圧延時に再結晶しやすい合金であり、再結晶にともないＡｌ-Ｚｒ系析出物（Ａｌ３Ｚｒ）とマトリックスの界面は非整合となることが知られている。非整合界面にはその後に析出するβ相やＺｎを多く含有する場合に形成されるＭｇＺｎ２などの析出物が生成しやすくなる。またＺｎの添加によって粒界のβ相の体積分率を下げる効果が挙げられているが、Ｚｎの添加量が増加するとβ相に変わってＡｌ-Ｚｎ-Ｍｇ系化合物やＭｇＺｎ２などの金属間化合物が粒界に現れるため粒界腐食性の大きな効果は得られにくいことがわかった。
このため本発明ではさらに機械的特性および耐食性におよぼす成分の影響についてさらに精査を行った。
特許第３２６２２７８号公報
本発明はＡｌ-Ｍｇ-Ｍｎ-Ｃｒ-Ｃｕ系アルミニウム基合金において、粒界腐食性を大きく低下させることなく、高強度なＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金を得るものである。
上記課題を解決する為に、請求項１においては、Ｍｇ：５．０〜６．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ），Ｍｎ：０．５〜１．０％，Ｃｒ：０．０５〜０．２５％，Ｃｕ：０．０５〜０．５％を含み、不純物としてのＳｉを０．２５％未満，Ｆｅを０．２５％未満にそれぞれ規制し、残部Ａｌおよびその他の不可避不純物とよりなるアルミニウム合金鋳塊に、均質化処理として４６０〜５４０℃で１〜２４ｈｒの加熱を行った後、４００℃以上で熱間圧延を開始し、熱間圧延により所定の板厚とし、３４０〜４２０℃の温度で１ｈｒ以上の焼鈍を行う、ＴＳ（引張強度）が３２０ＭＰａ以上であるＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金の製造方法であることを規定する。
請求項２においては、Ｍｇ：５．０〜６．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ），Ｍｎ：０．５〜１．０％，Ｃｒ：０．０５〜０．２５％，Ｃｕ：０．０５〜０．５％を含み、不純物としてのＳｉを０．２５％未満，Ｆｅを０．２５％未満にそれぞれ規制し、残部Ａｌおよびその他の不可避不純物とよりなるアルミニウム合金鋳塊に、均質化処理として４６０〜５４０℃で１〜２４ｈｒの加熱を行った後、４００℃以上で熱間圧延を開始し、熱間圧延により所定の板厚とするに際し、熱間圧延終了温度を３４０℃以上とすることで焼鈍処理を省略することを特徴とする、ＴＳ（引張強度）が３２０ＭＰａ以上であるＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金の製造方法であることを規定する。
請求項３においては、請求項１，２記載のアルミニウム合金鋳塊にさらにＺｎ：０．０５〜０．３５％を含有させたＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金の製造方法であることを規定する。
粒界腐食性を大きく低下させることなく、高強度なＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金を得ることができる。
以上の検討結果から本発明の限定理由について述べる。
まず合金組成の限定理由について述べる。
Ｍｇは本系合金においてアルミニウムに固溶し強度を高める元素である。その添加量は５．０％未満では本発明の目標強度が得られず、６．０％を超えると工業的に製造する際に熱間圧延割れが生じやすくなり困難となる。
Ｍｎは鋳造時に強制固溶されたＭｎが均質化処理および熱間圧延工程で微細なＡｌ-Ｍｎ系化合物を形成し分散強化として強度向上に寄与し、同時に本系合金においては再結晶粒微細化として働く。その添加量は０．５％未満では十分ではなく、１．０％を超えるとその効果は飽和するとともに凝固時に巨大な金属間化合物を生成しやすくなる。
Ｃｒはマトリックス中に微細な金属間化合物を形成し、結晶粒径の微細化として作用する。その効果は０．０５％未満では不十分であり、０．２５％を超えるとＭｎ同様凝固時に巨大な金属間化合物を生成しやすくなる。
ＣｕはＭｇ同様にアルミニウムに固溶し強度を高める働きがある。さらにはＡｌ-Ｍｇ系合金で耐食性を劣化させる粒界のβ相（Ａｌ３Ｍｇ２）の一部がＡｌＭｇＣｕ系化合物に変化することで粒界のβ相を分断し粒界耐食性を向上させる働きがある。その効果は０．０５％未満では十分ではなく、０．５％を超えるとその効果は飽和すると同時に熱間圧延性を劣化させる。
ＺｎはＣｕ同様Ａｌ-Ｍｇ系合金の粒界β相（Ａｌ３Ｍｇ２）の一部をＡｌＺｎＭｇ系化合物に置換し、粒界腐食性を改善する働きがある。その効果は０．０５％未満では十分ではなく、０．３５％を超えると効果が飽和すると同時に逆に優先的に腐食しやすくなる。
Ｆｅ，Ｓｉは工業的なアルミニウム合金中に不可避的に含有される不純物元素であるが、いずれも０．２５％未満であれば特性を損なうものではない。
また、特に規定するものではないが一般的に鋳造時の結晶粒微細化の目的でＴｉＢ２を含んだ微細化剤がＴｉ量で０．０１〜０．１５％程度添加される。
上記以外は、Ａｌとその他の不可避不純物とよりなる。
次に製造条件について述べる。
均質化処理は凝固時に生じた成分のミクロ偏析を改善すると同時に、Ｍｎ，Ｃｒなどをアルミニウム中に微細・均一に分散させる目的がある。その温度は４６０〜５４０℃が望ましく、保持時間は工業的には１ｈｒ以上２４ｈｒ以下であれば十分その目的は達成される。また特に規定するものではないがＡｌ-Ｍｇ系合金の均質化処理時にはβ相の溶融温度である４５０℃より低い温度で保持を行い、十分に固溶・拡散させた後に昇温を続ける２段あるいは多段の加熱パターンが用いられることも多い。
熱間圧延温度に関しては工業的に均一に圧延加工ができる温度を選択する必要がある。４００℃未満では変形抵抗が増加し圧延荷重が高くなりすぎるため板幅の広い材料の圧延が困難となる。特に上限温度に関しては規定するものではないが、融点に近い高温ではマトリックスに比べて結晶粒界が脆弱となるため熱間圧延時に割れが発生することがある。このため４４０〜５２０℃で熱間圧延を開始することが好ましい。
ＬＮＧ球形タンク用材料は球形タンクに組上げるために曲げ加工が行われるため、完全焼き鈍し状態（いわゆるＯ材調質）で製造される。最終焼鈍の条件としては３４０〜４２０℃で１ｈｒ以上の保持を行えば所望の特性が得られる。
また球形タンク用材料は板厚が２０ｍｍ以上の熱間圧延板が用いられており、熱間圧延終了時の温度が３４０℃以上の場合は自己熱により最終焼鈍を実施した場合と同様に完全焼き鈍し材と同等の機械的特性が得られるため改めて最終焼鈍を実施しなくても所望の特性が得られる。
表１に示す１１種類のＡｌ-Ｍｇ系合金をＤＣ鋳造にてｔ７０ｘｗ２００ｘＬ１８０ｍｍの鋳塊を作製し、続いて表２に示す製造条件にて均質化処理および熱間圧延を行い最終板厚２０ｍｍの板材を作製した。これら板材に完全焼き鈍し処理（Ｏ材調質）として３６０℃×２ｈｒの焼鈍処理を行った。
得られた板材の特性評価として、圧延方向直角（ＬＴ）方向よりφ６ｍｍの丸棒引張り試験片を採取し、機械的特性を調査した。また耐食性評価としてＡＳＴＭ Ｇ６７に準拠して粒界腐食試験を行い重量減少量を測定した。
表３に特性評価結果を示すが、これより本発明では引張り強度がいずれも３２０ＭＰａ以上の高強度が得られており、かつ粒界腐食性も十分な結果が得られている。またＮｏ．１１も高い強度が得られているが粒界腐食性の劣化が認められている。
Claims (3)
- Ｍｇ：５．０〜６．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ），Ｍｎ：０．５〜１．０％，Ｃｒ：０．０５〜０．２５％，Ｃｕ：０．０５〜０．５％を含み、不純物としてのＳｉを０．２５％未満，Ｆｅを０．２５％未満にそれぞれ規制し、残部Ａｌおよびその他の不可避不純物とよりなるアルミニウム合金鋳塊に、均質化処理として４６０〜５４０℃で１〜２４ｈｒの加熱を行った後、４００℃以上で熱間圧延を開始し、熱間圧延により所定の板厚とし、３４０〜４２０℃の温度で１ｈｒ以上の焼鈍を行うことを特徴とする、ＴＳ（引張強度）が３２０ＭＰａ以上であるＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金の製造方法。
- Ｍｇ：５．０〜６．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ），Ｍｎ：０．５〜１．０％，Ｃｒ：０．０５〜０．２５％，Ｃｕ：０．０５〜０．５％を含み、不純物としてのＳｉを０．２５％未満，Ｆｅを０．２５％未満にそれぞれ規制し、残部Ａｌおよびその他の不可避不純物とよりなるアルミニウム合金鋳塊に、均質化処理として４６０〜５４０℃で１〜２４ｈｒの加熱を行った後、４００℃以上で熱間圧延を開始し、熱間圧延により所定の板厚とするに際し、熱間圧延終了温度を３４０℃以上とすることで焼鈍処理を省略することを特徴とする、ＴＳ（引張強度）が３２０ＭＰａ以上であるＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金の製造方法。
- さらにＺｎ：０．０５〜０．３５％を含有することを特徴とする請求項１または２記載のＬＮＧ球形タンク用高強度アルミニウム合金の製造方法。
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