JP6079165B2 - 溶接部靭性に優れた高靭性高耐食性Ni合金クラッド鋼板及びその製造方法 - Google Patents
溶接部靭性に優れた高靭性高耐食性Ni合金クラッド鋼板及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
10×C+5×P+50×S≦0.25・・・・・(1)
ここで、元素記号は各元素の含有量(質量%)を表す。
Ti/N = 2.0〜3.5・・・・・(2)
ここで、元素記号は各元素の含有量(質量%)を表す。
Nb/C = 0.2〜2.0・・・・・(3)
ここで、元素記号は各元素の含有量(質量%)を表す。
以下、本発明における母材の成分組成を規定した理由を説明する。なお、成分%は、特に記載が無い限り全て質量%を意味する。
Cは鋼の強度を向上させる有効な成分であり、0.030%未満であると一般溶接用鋼材としての強度が得られないため0.030%以上の含有を必要とする。しかし、0.10%を超える含有は母材ならびに熱影響部の靭性の劣化を招き、また、溶接性の観点からC量の低減が望ましいためC量は0.030〜0.10%の範囲とする。なお、溶接性及びHAZ靭性の観点から、好ましくは0.030〜0.08%の範囲とする。
Siは製鋼時の脱酸のために添加され、また、母材の強度確保に必要な成分であるため0.10%以上の含有が必要である。一方、0.30%を超えて含有すると溶接熱影響部の靭性と溶接性の劣化を引き起こすため、Si量は0.10〜0.30%の範囲とする。なお、脱酸の効果及びHAZ靭性の観点から、好ましくは0.13〜0.20%の範囲である。
Mnは母材の強度及び靭性の確保に有効な成分として1.30%以上の含有が必要であるが、1.80%を超えて含有すると溶接部の靭性を劣化させ、溶接割れを助長するため、Mn量は1.30〜1.80%の範囲とする。なお、母材靭性およびHAZ靭性の観点から、好ましくは1.40〜1.70%の範囲である。
母材ならびに溶接熱影響部靭性を確保するため、Pを極力低減することが望ましいが、過度の脱Pはコスト上昇を招くためP量は0.015%以下とする。
Sは鋼中不純物として不可避な元素であるが、0.003%を超えると溶接部靭性が損なわれるのでS量は0.003%以下とする。
Vは本発明において、最も注目すべき元素であり、できるだけ少ないことが必要である。従来、Vは、VC、VN等の微細析出物による析出強化を意図して積極的に添加されてきた。しかし、本発明のクラッド鋼の製造過程に、850℃以上に加熱して焼入れを実施する工程がある場合、母材中のVC、VN等の微細析出物は加熱した時に解離して固溶する。
本発明のC含有範囲においては、VC、VN等の微細析出物は低い温度で鋼中へ固溶する性質があるからである。従って、添加されたVは、焼入れ加熱時に微細析出物として存在しなくなるので、焼入れ性元素として作用し、母材、HAZのいずれの領域においても著しく硬化して、靭性劣化の原因となる。この靭性劣化はVを0.010%以上含有すると顕著となる。そのため、V量は0.010%未満とする。より好ましくは、0.004%未満であり、工業的に可能なレベルで含有させないことがさらに好ましい。
Alは、脱酸剤として有効な元素であるが、0.040%を超えて含有すると靭性が劣化するため、上限を0.040%とする。好ましくは0.015%未満である。
NはTiNとして析出することでHAZ靭性の向上に効果があるが、Nの含有量が0.0030%未満では効果が薄れるため下限を0.0030%とする。しかしながら0.010%を超えると固溶Nが増大しHAZ靭性の低下がおこる。よってN量は0.0030〜0.010%の範囲とする。好ましくは0.0030〜0.0060%の範囲である。
Moは焼入れ熱処理後の母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素であるが、0.05%未満ではその効果が得られないため0.05%以上を含有させることが好ましい。また、0.50%を超えて含有すると効果が飽和し、また、過剰な含有は溶接熱影響部靭性や溶接性を阻害するため、Moを含有する場合は、Mo量は0.05〜0.50%の範囲とすることが好ましい。なお、母材強度とHAZ靭性の観点から、さらに好適には、0.08〜0.20%の範囲である。
Niは母材の強度及び靭性を向上させるために有効であり、0.01%以上含有することが好ましい。しかし、0.50%を超えて含有すると効果が飽和し、Niの含有は製造コストを上昇させるため、Niを含有する場合は、Ni量は0.01〜0.50%の範囲とすることが好ましい。さらに好適には、0.01〜0.30%の範囲である。
Crは母材の強度及び靭性を向上させるために有効であり、0.01%以上を含有することが好ましい。しかし、0.50%を超えて含有するとHAZ靭性を低下させることがあるため、Crを含有する場合は、Cr量は0.01〜0.50%の範囲とすることが好ましい。さらに好適には、0.01〜0.30%の範囲である。
Cuは靭性の改善と強度の上昇に有効であり、0.01%以上含有することが好ましい。一方、0.50%を超えて含有すると溶接性を阻害することがある。従って、Cuを含有する場合は、Cu量は0.01〜0.50%の範囲とすることが好ましい。さらに好適には、0.01〜0.30%の範囲である。
Nbは、NbCを生成することで結晶粒の細粒化に効果があり、本発明のように焼入焼戻処理した母材、およびHAZの靭性向上に寄与するので、0.010%以上の含有が好ましい。しかし、0.060%を超えるとその効果が認められないだけでなく、鋼片に表面庇が生じやすい。従って、Nbを含有する場合は、0.010〜0.060%の範囲とすることが好ましい。さらに好適には、0.025〜0.050%の範囲である。
TiはTiNを形成してスラブ加熱時や溶接熱影響部の粒成長を抑制し、結果としてミクロ組織の微細化をもたらして靭性を改善する効果がある。その効果を発揮するには0.005%以上の含有が好ましい。しかし、0.020%を超えると溶接熱影響部靭性の劣化を引き起こす。従って、Tiを含有する場合は、0.005〜0.020%の範囲とすることが好ましい。さらに好適には、0.010〜0.016%の範囲である。
Caは硫化物系介在物の形態を制御し溶接熱影響部靭性を改善し,また、それに伴いMnSの形態制御に効果があり、衝撃値を向上させる。また、耐水素誘起割れ感受性を改善する。この効果を発揮するには0.0010%以上の含有が好ましい。しかし、0.0040%を超えると効果が飽和し、逆に清浄度を低下させ溶接熱影響部靭性を劣化させる。従ってCaを含有する場合は0.0010〜0.0040%とすることが好ましい。さらに好適には、0.0020〜0.0030%の範囲である。
Ti及びNは、上記のようにTiNを生成してHAZの靱性を改善するのに重要な元素であり、該効果を充分に発揮するためには両元素の含有量の相関関係も重要となる。すなわち、質量%比で、Ti/Nが2.0未満であると結晶粒が粗大化し、靱性値が大きく低下することがある。また、Ti/Nが3.5を超えると同様の理由により靭性値が低下することがある。したがって、Ti/Nは2.0〜3.5の範囲とすることが好ましい。
Nb、Cは、NbCを生成することで結晶粒の細粒化に効果があり、本発明のように焼入焼戻処理時には靭性向上に寄与する。しかし、その効果はNb/Cが0.2以上で発揮され、Nb/Cが2.0を超えると効果が認められない。したがって、質量%比で、Nb/Cは0.2〜2.0の範囲とすることが好ましい。より好ましくは0.3〜1.9の範囲である。さらに好ましくは0.3〜1.8の範囲である。
以下、本発明における合わせ材は、Cが0.020%以下のNi合金であれば良いが、更に好適な成分組成として以下のように規定した。なお、成分%は、特に記載が無い限り全て質量%を意味する。
Cはクラッド鋼板の製造において、圧延および熱処理工程の熱履歴で炭化物として粒界に析出し、耐食性を阻害するため多量の含有は避けるべき元素である。0.020%を超えて含有すると、耐食性が劣化するため、C量は0.020%以下とする。好ましくは、0.017%以下である。
Siは脱酸成分として必要な成分である。しかしながら、0.50%を超えて含有すると非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Si量は0.50%以下とする。好ましくは0.20%以下である。なお、脱酸材としては0.02%以上から効果が発現する。
Mnは脱酸成分として必要な成分である。しかしながら、0.50%を超えて含有すると非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Mn量は0.50%以下とする。好ましくは0.15%以下である。なお、脱酸材としては0.02%以上から効果が発現する。
Pは不純物元素であり、クラッド鋼板の接合性確保のため、900℃以上で圧延する際に、粒界に偏析し、耐食性を劣化させる元素である。したがって、P量は0.010%以下とする。好ましくは、0.005%以下とする。
SはPと同様で不純物元素であり、クラッド鋼板の接合性確保のため、900℃以上で圧延する際に、粒界に偏析し、耐食性を劣化させる元素である。したがって、S量は0.0010%以下とする。好ましくは、0.0005%以下とする。
Crは、金属の表面に保護性の高い酸化物皮膜を形成し、耐孔食性や耐粒界腐食性を向上させる元素である。また、Niとの複合添加によって、サワー環境中での耐応力腐食割れ感受性も改善するため、Niやその他の合金とのバランスも考え、Cr量は20.0〜23.0%の範囲とする。
Moは、耐孔食性、耐隙間腐食性を向上させる。また、Niとの複合添加によって、サワー環境中での耐応力腐食割れ感受性も改善するため、Niやその他の合金とのバランスも考え、Mo量は8.0〜10.0%の範囲とする。
Feは、フェロクロム、フェロモリブデン等を用いた場合、不可避的に混入する不純物であり、5.0%を超えるとNi量が低下して耐食性が低下するため、Fe量は5%以下とする。好ましくは3.5%以下である。
Alは有効な脱酸元素であるが、0.40%を超えて含有すると耐応力腐食割れ性が劣化するため、Al量は0.40%以下とする。好ましくは0.25%以下である。なお、脱酸材としては0.02%以上から効果が発現する。
TiはCの固定化元素として有効であり、クラッド鋼板製造時の熱履歴で炭化物として析出する。しかしながら、多量に含有すると、クラッド鋼板の接合界面で金属間化合物として析出し、接合性を阻害するため、Ti量は0.40%以下とする。好ましくは0.30%以下である。
NbとTaはCの固定化元素として有効であり、クラッド鋼板製造時の熱履歴で炭化物として析出する。しかし、多量に含有すると低融点の金属間化合物を形成し、熱間加工性が低下するため、Nb+Taは3.15〜4.15%の範囲とする。
上記した合わせ材の成分の残部はNiおよび不可避的不純物である。Niは耐食性を向上させる元素であり、特に、サワー環境での耐応力腐食割れ性を著しく改善する。前述したように、CrとMoとの複合添加効果でさらに耐食性は向上する。
本発明のクラッド鋼に用いる母材と合わせ材は、前記した成分範囲に調整され、常法等により溶製することができる。クラッド圧延を行うために、事前にクラッドスラブを組み立てる。クラッド鋼板の最終板厚が25mm以下の場合は、母材/合わせ材/合わせ材/母材の順番で重ね合わせ、母材と合わせ材の間には接合性確保のためにNiフォイルを挿入し、高真空に引きながら、端部の四周溶接を行う、サンドイッチ方式のスラブ形態をとる。
クラッド鋼板は固相拡散接合によって接合される。よって、高温の方が接合界面での拡散が起こり、接合性が向上するため、スラブ加熱温度は1050℃以上が好ましい。しかしながら、1225℃以上では本発明の合わせ材は無延性となるため、最適加熱温度範囲は1050〜1225℃とする。より好ましい温度範囲は1100〜1200℃である。
本発明のクラッド鋼板は、通常のステンレスやNi合金に比べて、非常に変形抵抗が高いため、通常のステンレスクラッド鋼板より接合性の確保が難しい。高温の方が接合界面での拡散が起こり、また、合わせ材の再結晶や部分再結晶が起こることで、接合性が向上するため、圧延終了温度は通常のステンレスクラッド鋼より高い900℃以上とする。圧延終了後は空冷以上の速度で冷却すれば、合わせ材の耐食性は確保可能である。
本発明のクラッド鋼板は、通常のステンレスやNi合金に比べて、非常に変形抵抗が高いため、通常のステンレスクラッド鋼板より接合性の確保が難しい。そのため、通常のステンレスクラッド鋼板より圧下比を高くすることで、合わせ材表面の新生金属面の現出や母材と合わせ材の圧着を促進するため、圧下比は5以上とする。
上記により得られたクラッド鋼板は、焼入れ処理のため、850〜950℃の温度範囲に加熱する。加熱温度が850℃未満では十分な母材強度が確保できず、950℃を超えると母材の靭性が劣化する。したがって、焼入れ処理のため、850〜950℃の範囲に加熱する。さらに好ましくは、900〜930℃の範囲である。焼入れ処理の時間はクラッド鋼板の板厚にもよるが、10〜30分とすることが好ましい。しかし、高温長時間の保持は合わせ材中に析出物が生成するため、10分より短時間としても良い。焼入れ処理後の冷却方法としては、水冷、油冷(例えば冷却速度2℃/s以上)により行うことができる。
次いで、650℃未満の温度に加熱し、焼戻し処理を行う。650℃以上ではDWTT特性が劣化するので、650℃未満とする。さらに、焼戻し処理温度は、好ましくは500〜600℃の範囲である。なお、焼戻し加熱時間は5〜35分とするのがよい。
上記一連の熱処理により、クラッド鋼板の母材組織を微細化することができる。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.020%以下、Si:0.50%以下、Mn:0.50%以下、P:0.010%以下、S:0.0010%以下、Cr:20.0%〜23.0%、Mo:8.0%〜10.0%、Fe:5.0%以下、Al:0.40%以下、Ti:0.40%以下を含有し、さらに、Nb+Taを3.15〜4.15%含有し、残部がNi及び不可避的不純物からなるNi合金を合わせ材とし、質量%で、C:0.030〜0.10%、Si:0.10〜0.30%、Mn:1.30〜1.80%、P:0.015%以下、S:0.003%以下、V:0.010%未満、Al:0.040%以下、N:0.0030〜0.010%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を母材としたことを特徴とする溶接部靱性に優れた高靱性高耐食性Ni合金クラッド鋼板。
- 母材として、さらに、質量%で、Mo:0.05〜0.50%、Ni:0.01〜0.50%、Cr:0.01〜0.50%、Cu:0.01〜0.50%、Nb:0.010〜0.060%、Ti:0.005〜0.020%、Ca:0.0010〜0.0040%の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の溶接部靱性に優れた高靱性高耐食性Ni合金クラッド鋼板。
- 合わせ材として、さらに、C、PおよびSが下記式(1)を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載の溶接部靭性に優れた高靭性高耐食性Ni合金クラッド鋼板。
10×C+5×P+50×S≦0.25・・・・・(1)
ここで、元素記号は各元素の含有量(質量%)を表す。 - 母材として、Tiを含有する場合は、さらに、TiおよびNが下記式(2)を満たすことを特徴とする請求項2または3に記載の溶接部靭性に優れた高靭性高耐食性Ni合金クラッド鋼板。
Ti/N = 2.0〜3.5・・・・・(2)
ここで、元素記号は各元素の含有量(質量%)を表す。 - 母材として、Nbを含有する場合は、さらに、NbおよびCが下記式(3)を満たすことを特徴とする請求項2乃至4の何れかに記載の溶接部靭性に優れた高靭性高耐食性Ni合金クラッド鋼板。
Nb/C = 0.2〜2.0・・・・・(3)
ここで、元素記号は各元素の含有量(質量%)を表す。 - 請求項1乃至5の何れかに記載の成分組成を有する母材と合わせ材とからなるクラッド鋼の素材を用いて圧延後、焼入れ温度を850〜950℃として加熱して焼入れし、その後、650℃未満で焼戻しを行うことを特徴とする溶接部靭性に優れた高靭性高耐食性Ni合金クラッド鋼板の製造方法。
- 請求項1乃至5の何れかに記載の成分組成を有する母材と合わせ材とからなるクラッド鋼の素材を用いて、1050〜1225℃の範囲に加熱し、圧下比を5以上とし、クラッド鋼板の表面温度で、900℃以上で圧延を終了後、焼入れ温度を850〜950℃として加熱して焼入れし、その後、650℃未満で焼戻しを行うことを特徴とする溶接部靭性に優れた高靭性高耐食性Ni合金クラッド鋼板の製造方法。
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