JP6978613B2 - 極低温用高強度溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Description
30C+0.5Mn+Ni+0.8Cr+1.2Si+0.8Mo ≧ 25 …(式1)、
O/S ≧ 1 …(式2)
を満足し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、オーステナイトの体積率が95%以上であり、前記オーステナイトの結晶粒径が20〜200μmであり、前記オーステナイトの結晶粒界における炭化物被覆率が50%以下である極低温用高Mn鋼材であるとしている。特許文献1に記載された高Mn鋼材では、結晶粒界に生成する炭化物が破壊の起点や亀裂の伝播の経路とならないように、オーステナイト粒径を適切なサイズに制御し、さらに合金元素の添加量やバランス、さらにはS量、O量を適正に調整し、Mg、Ca、REMを添加することにより、オーステナイト粒径を適正に調整し、熱影響部の結晶粒径の粗大化の抑制をも可能にできると、している。
希釈率(%)=100×{(第1層の溶接金属に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(該ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)}/{(該鋼材に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(該ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)} ……(1)
で定義される該多層溶接金属部における第1層の溶接金属への該鋼材の希釈率が35〜60%となるように、前記ガスメタルアーク溶接の溶接条件を調整することを特徴とする極低温用高強度溶接継手の製造方法。
Cは、オーステナイト相を安定化させる作用を有する、安価で、重要な元素である。このような効果を得るためには、0.10%以上の含有を必要とする。一方、0.70%を超えて含有すると、Cr炭化物が過度に生成され、極低温衝撃靱性が低下する。このため、Cは0.10〜0.70%の範囲に限定した。好ましくは、0.20〜0.60%である。
Siは、脱酸剤として作用するとともに、鋼中に固溶して固溶強化により鋼材の高強度化に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.05%以上の含有を必要とする。一方、1.00%を超えて含有すると、溶接性が低下する。このため、Siは0.05〜1.00%の範囲に限定した。好ましくは、0.07〜0.50%である。
Mnは、オーステナイト相を安定化させる作用を有する、比較的安価な元素であり、本発明では、高強度と優れた極低温靱性を両立するために重要な元素である。このような効果を得るためには、18%以上の含有を必要とする。一方、30%を超えて含有しても、極低温靱性を向上させる効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、経済的に不利となる。また、30%を超えて多量に含有すると、溶接性、切断性の低下を招くとともに、偏析を助長し、応力腐食割れの発生を助長する。このため、Mnは18〜30%の範囲に限定した。好ましくは、18〜28%である。
Pは、不純物として、粒界に偏析し、応力腐食割れの発生起点となる元素であり、本発明では、可能なかぎり低減することが望ましいが、0.030%以下であれば許容できる。このため、Pは0.030%以下に限定した。好ましくは、0.028%以下であり、さらに好ましくは0.024%以下である。一方、Pを0.002%未満と極端に低減するには、長時間の精錬を必要とし、精錬コストが高騰する。このため、経済的な観点からは、Pは0.002%以上とすることが好ましい。
Sは、鋼中では、硫化物系介在物として存在し、鋼材、溶接金属の延性、極低温靭性を低下させる。このため、Sは可能なかぎり低減することが望ましいが、0.0070%以下であれば許容できる。好ましくは0.0050%以下である。一方、Sを0.0005%未満と極端に低減するには、長時間の精錬を必要とし、精錬コストが高騰する。このため、経済性の観点から、Sは0.0005%以上とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として作用し、鋼材の溶鋼脱酸プロセスにおいて、もっとも汎用的に使われる元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.07%を超えて含有すると、溶接時にAlが溶接金属部に混入して、溶接金属の靭性を低下させる。このため、Alは0.07%以下の範囲に限定した。好ましくは、0.02〜0.06%である。
Crは、オーステナイト相を安定化させ、極低温靱性の向上および鋼材強度の向上に有効に寄与する元素である。また、微細結晶域を形成させるために効果的な元素である。このような効果を得るためには、Crを2.5%以上の含有を必要とする。一方、7.0%を超えて含有すると、Cr炭化物が生成し、極低温靭性および耐応力腐食割れ性が低下する。このため、Crは2.5〜7.0%の範囲に限定した。好ましくは3.5〜6.5%である。
Nは、オーステナイト相を安定化する作用を有する元素であり、極低温靱性の向上に有効に寄与する。このような効果を得るためには、Nは0.0050%以上の含有を必要とする。一方、0.0500%を超えて含有すると、窒化物または炭窒化物が粗大化し、極低温靭性が低下する。このため、Nは0.0050〜0.0500%の範囲に限定した。好ましくは0.0060〜0.0400%である。
O(酸素)は、鋼中では酸化物系介在物として存在し、鋼材の極低温靱性を低下させる。このため、O(酸素)はできるだけ低減することが好ましいが、0.0050%以下であれば許容できる。このため、O(酸素)は0.0050%以下の範囲に限定した。好ましくは、0.0045%以下である。一方、O(酸素)を0.0005%未満と極端に低減するには、長時間の精錬を必要とし、精錬コストが高騰する。このため、経済性の観点から、O(酸素)は0.0005%以上とすることが好ましい。
Mo、V、Wはいずれも、オーステナイト相の安定化に寄与するとともに、鋼材の強度向上、極低温靭性の向上にも寄与する元素であり、必要に応じて1種または2種以上選択して含有することができる。このような効果を得るためには、Mo、V、Wをそれぞれ0.001%以上含有する必要がある。一方、Mo、V、Wがそれぞれ2.0%を超えて含有すると、粗大な炭窒化物が増加し、破壊の起点となり、極低温衝撃靭性が低下する。このため、含有する場合には、Mo:2.0%以下、V:2.0%以下、W:2.0%以下に限定することが好ましい。より好ましくは、Mo:0.003〜1.7%、V:0.003〜1.7%、W:0.003〜1.7%であり、さらに好ましくはMo:1.5%以下、V:1.5%以下、W:1.5%以下である。
REMは、介在物の形態制御を介し、鋼材の靭性向上、さらには延性、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる作用を有する元素であり、また、Bは、粒界に偏析し、鋼材の靭性向上に寄与する作用を有する元素であり、必要に応じて選択して1種または2種を含有できる。
Cは、固溶強化により、溶接金属の強度を上昇させる作用を有するとともに、オーステナイト相を安定化させ、溶接金属の極低温衝撃靭性を向上させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.2%以上の含有を必要とする。一方、0.8%を超えて含有すると、炭化物が析出し,極低温衝撃靭性が低下し、さらに、溶接時の高温割れが生じやすくなる。そのため、Cは0.2〜0.8%の範囲に限定した。好ましくは、0.3〜0.7%である。
Siは、脱酸剤として作用し、Mnの歩留りを高めるとともに、溶融金属の粘性を高める作用を有し、ビード形状を安定的に保持し、スパッタの発生を低減する効果を有する。そのような効果を得るためには、0.15%以上の含有を必要とする。一方、0.90%を超えて含有すると、溶接金属の極低温衝撃靭性の低下を招く。また、Siは、凝固時に偏析し、凝固セル界面に液相を生成して、耐高温割れ性を低下させる。そのため、Siは0.15〜0.90%の範囲に限定した。好ましくは0.20〜0.70%である。
Mnは、安価に、オーステナイト相を安定化する元素であり、本発明では17.0%以上の含有を必要とする。Mnが17.0%未満では、溶接金属中にフェライト相が生成し,極低温衝撃靭性の著しい低下を招く。一方、28.0%を超えて含有すると、凝固時に過度のMn偏析が発生し、高温割れを誘発する。そのため、Mnは17.0〜28.0%の範囲に制限した。好ましくは18.0〜23.0%である。
Pは、溶接金属中では、不純物として、結晶粒界に偏析し、高温割れを誘発する元素であり、本発明では、できるだけ低減することが好ましいが、0.03%以下であれば、許容できる。そのため、Pは0.03%以下に限定した。一方、過度の低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Pは0.003%以上に調整することが好ましい。
Sは、溶接金属中では硫化物系介在物MnSとして存在する。MnSは、破壊の発生起点となり、極低温衝撃靭性を低下させるため、本発明ではできるだけ低減することが好ましいが、0.03%以下であれば、許容できる。そのため、Sは0.03%以下に限定した。一方、過度の低減は、精練コストの高騰を招くため、Sは0.001%以上に調整することが好ましい。
Niは、オーステナイト粒界を強化するとともに、オーステナイト相を安定化させて、溶接金属の極低温衝撃靭性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上の含有を必要とする。しかし、Niは高価な元素であり、10.0%を超える含有は、経済的に不利となる。そのため、Niは0.01〜10.0%の範囲に限定した。好ましくは、0.02〜2.0%の範囲である。
Crは、極低温ではオーステナイト相を安定化させる元素として作用し、溶接金属の極低温衝撃靭性の向上に寄与する。また、Crは、溶接金属の強度を向上させる作用も有する。また、Crは、溶融金属の液相線温度を高めて、高温割れの発生を抑制する作用を有する。さらに、Crは、溶接金属の耐食性を高めるのにも有効に作用する。このような効果を得るためには0.4%以上の含有を必要とする。一方、4.0%を超えて含有すると、Cr炭化物が生成し、極低温衝撃靭性の低下を招くとともに、さらに、ワイヤ伸線時の加工性が低下する。そのため、Crは0.4〜4.0%の範囲に限定した。好ましくは、1.0〜3.0%である。
Moは、固溶強化により強度を増加させる元素であり、そのような効果を得るためには0.02%以上含有することが好ましい。一方、2.5%を超えて多量に含有すると、炭化物が析出し、熱間加工性が低下し、ワイヤの伸線加工など、ワイヤの製造性が低下する。そのため、Moは0.02〜2.5%の範囲に限定した。好ましくは、0.05〜2.0%である。
Alは、脱酸剤として作用するとともに、溶融金属の粘性を高め、ビード形状を安定的に保持し、スパッタの発生を低減する重要な作用を有する。また、Alは、溶融金属の液相線温度を高め、溶接金属の高温割れ発生の抑制に寄与する。このような効果は、0.005%以上の含有で顕著となるため、0.005%以上含有することが好ましい。一方、0.1%を超えて含有すると、溶融金属の粘性が高くなりすぎて、逆に、スパッタの増加や、ビードが広がらず融合不良などの欠陥が増加する。そのため、Alは0.1%以下の範囲に限定した。好ましくは0.005〜0.04%である。
Nは、不可避的に混入する元素であり、0.12%を超えて含有すると、窒化物を形成し、極低温衝撃靱性が低下する。そのため、Nは0.12%以下に限定した。一方、Nは、Cと同様に、溶接金属の強度向上に有効に寄与するとともに、オーステナイト相を安定化し、溶接金属の極低温衝撃靱性を安定的に向上させるため、一定量以上含有させることが好ましい。このような効果は、0.003%以上の含有で顕著となるため、0.003%以上含有させることが好ましい。
O(酸素)は、不可避的に混入する元素であり、溶接金属中で、Al系酸化物やSi系酸化物を形成し、凝固デンドライドの核として作用したり、凝固組織の粗大化を抑制するピニングとして寄与するため、一定量以上含有することが好ましい。このような効果は、0.005%以上の含有で著しくなるため、0.005%以上含有させることが好ましい。一方、0.04%を超える多量の含有は、酸化物が粗大化する。そのため、O(酸素)は0.04%以下の範囲に限定した。好ましくは0.01〜0.03%である。
V、Ti、Nbはいずれも、炭化物形成元素であり、炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上を含有できる。
まず、上記した鋼材組成を有する極低温用高強度高Mn含有鋼材を用意する。そして、用意した鋼材同士が所定の開先形状を形成するように、開先加工を行う。形成する開先形状については、特に限定する必要はなく、溶接鋼構造物用として常用されているV形開先、Y形開先等が例示できる。
ついで、上記開先加工された鋼材同士を、上記したワイヤ組成を有するソリッドワイヤを用いて、溶接して多層溶接金属を形成し、溶接継手とする。
ガスメタルアーク溶接は、「ガスシールドアーク溶接」とも称されており、一般に、溶接材料(溶加材)を電極として用いる「溶極式」(消耗電極式)とタングステン等の非消耗電極を用いる「非溶極式」(非消耗電極式)とに大別することができる。本発明では、特に限定されないが、所望の強度および極低温衝撃靭性を達成する観点から、前記ソリッドワイヤ(溶接材料)を電極として用いる「溶極式」(消耗電極式)で行うことが好ましい。
通常、多層溶接では、溶接金属は、鋼材起因の溶接金属(溶湯)と溶接材料起因の溶接金属(溶湯)が混り合って形成される。とくに、多層溶接金属部の第1層では、溶接金属に占める鋼材起因の溶接金属(溶湯)の割合が高くなり、溶接金属の特性を考慮するうえで、重要になる。このため、本発明では、第1層の溶接金属における鋼材の溶け込み度合(希釈率)が所定の範囲となるように調整して、溶接を行うこととした。
希釈率(%)=100×{(第1層の溶接金属に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)}/{(鋼材に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)} ……(1)
第1層溶接金属への鋼材の希釈率が35%未満では、溶接金属への鋼材の溶け込みが少なすぎて、溶接金属中のMn、Cr含有量が減少するため、凝固組織(デンドライト)が疎になり、耐溶接割れ性や極低温衝撃靭性は向上するが、溶接金属の強度が低下しすぎる。一方、鋼材の希釈率が高くなると、Mn、Crを多く含む凝固組織(デンドライト)となり、デンドライトが密になり、溶接金属強度が増加するが、溶接割れが発生しやすくなる。とくに、鋼材の希釈率が60%を超えて高くなりすぎると、溶接割れが発生したり、極低温衝撃靱性が低下するなどの問題がある。このため、溶接金属の第1層における鋼材の希釈率は、35〜60%の範囲に限定した。
例えば、予め、実際に溶接する鋼材で、実際に使用する開先形状に近い模擬試験材を作製し、実際に使用する溶接材料を用い、溶接入熱量を変化させて、1パスの試験溶接を100mm以上実施し、第1層を模した溶接金属を得る。得られた溶接金属の中央部でその組成をEPMA等で分析し、希釈率を算出することにより、所望の鋼材の希釈率が達成できる溶接条件(入熱量)を決定しておくことが好ましい。なお、板厚12mm以下の鋼材では、上記した所望の鋼材の希釈率を確保するためには、入熱:2.5kJ/mm以下とすることが好ましい。
上記した鋼材組成を有する溶鋼を、転炉、電気炉等、常用の溶製方法で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法等の、常用の鋳造方法により、所定寸法のスラブ等の鋼素材とする。溶製に際しては、真空脱ガス炉等による2次精錬を実施してもよいことは言うまでもない。得られた鋼素材を、さらに、加熱し、熱間圧延およびその後の冷却を施して、所定寸法の鋼材を得る。その際、鋼素材を加熱温度:1100〜1300℃の範囲の温度で加熱し、仕上圧延終了温度:790〜980℃で熱間圧延を終了し、直ちに冷却等を施すことにより、極低温衝撃靭性に優れた鋼材を得ることができる。また、鋼材特性の調整のために、さらに、焼鈍処理等の熱処理を行ってもよいことは言うまでもない。
本発明で使用するソリッドワイヤでは、常用の溶接用ソリッドワイヤの製造方法がいずれも適用できる。例えば、上記したワイヤ組成を有する溶鋼を、電気炉、真空溶解炉等、常用の溶製方法で溶製し、所定形状の鋳型等に鋳造して鋼塊を得る鋳造工程と、得られた鋼塊を、所定温度に加熱する加熱工程と、加熱された鋼塊に、熱間圧延を施し、所定形状の鋼素材(棒状)とする熱延工程と、を順次行い、ついで、得られた鋼素材(棒状)を複数回の冷間圧延(冷間伸線加工)と必要に応じて焼鈍を施して、所望寸法のワイヤとする冷延工程を行う、ことが好ましい。なお、焼鈍は、焼鈍温度:1000〜1200℃で均熱することが好ましい。
また、表2に示す組成(ワイヤ組成)の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、鋳造して鋼塊を得た。得られた鋼塊を、加熱炉で1200℃に加熱し、熱間圧延を施し棒状の鋼素材を得た。得られた棒状の鋼素材にさらに、焼鈍を挟んで複数回の冷間圧延を施し、溶接用ソリッドワイヤ(1.2mmφ)を得た。
希釈率(%)=100×{(溶接金属に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)}/{(鋼材に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)} ……(1)
を用いて、希釈率を算出した。ここで、成分元素としては、Mnを用いた。求めた希釈率を表3に示す。
引張試験は、室温で各3本の試験片にて実施し、得られた降伏応力YSの値(0.2%耐力)の平均値で、当該溶接金属の強度を評価した。また、シャルピー衝撃試験は、試験温度:−196℃で各3本の試験片にて実施し、吸収エネルギーvE-196を求め、その平均値で、当該溶接金属の極低温衝撃靭性を評価した。
得られた結果を表3に示す。
Claims (3)
- 極低温用高強度高Mn含有鋼材同士をソリッドワイヤを用いてガスメタルアーク溶接し、多層溶接金属部を形成する極低温用高強度溶接継手の製造方法であって、
該極低温用高強度高Mn含有鋼材が、質量%で、
C:0.10〜0.70%、
Si:0.05〜1.00%、
Mn:18〜30%、
P:0.030%以下、
S:0.0070%以下、
Al:0.01〜0.07%、
Cr:2.5〜7.0%、
N:0.0050〜0.0500%、および
O(酸素):0.0050%以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材組成を有し、
該ソリッドワイヤが、質量%で、
C:0.2〜0.8%、
Si:0.15〜0.90%、
Mn:17.0〜28.0%、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下、
Ni:0.01〜10.0%、
Cr:0.4〜4.0%、
Mo:0.02〜2.5%、
Al:0.1%以下、
N:0.12%以下、および
O(酸素):0.04%以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなるワイヤ組成を有し、かつ該ソリッドワイヤのMnおよびCrの含有量が、それぞれ該鋼材のMnおよびCrの含有量より少なく、
下記(1)式で定義される該多層溶接金属部における第1層の溶接金属への該鋼材の希釈率が35〜60%となるように、前記ガスメタルアーク溶接の溶接条件を調整することを特徴とする極低温用高強度溶接継手の製造方法。
記
希釈率(%)=100×{(第1層の溶接金属に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(該ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)}/{(該鋼材に含まれる成分元素の含有量:質量%)−(該ソリッドワイヤに含まれる成分元素の含有量:質量%)} ……(1) - 前記極低温用高強度高Mn含有鋼材が、前記鋼材組成に加えてさらに、質量%で、Mo:2.0%以下、V:2.0%以下、W:2.0%以下のうちから選ばれた1種または2種以上、および/または、REM:0.0010〜0.0200%およびB:0.0005〜0.0020%のうちから選ばれる1種または2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の極低温用高強度溶接継手の製造方法。
- 前記ソリッドワイヤが、前記ワイヤ組成に加えてさらに、質量%で、V:1.0%以下、Ti:1.0%以下およびNb:1.0%以下のうちから選ばれた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に記載の極低温用高強度溶接継手の製造方法。
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