JP7385831B2 - 溶接継手及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[1]鋼材同士を溶接接合してなる溶接継手であって、
前記鋼材は、質量%で、Mnを15.0%以上、Crを2.5%以上含有する高Mn鋼材であり、かつ
前記溶接継手の溶接熱影響部は、該溶接熱影響部に存在する炭化物の楕円近似の長軸長さの平均が0.50μm以下であり、該炭化物のアスペクト比の平均が5.0以下であり、炭化物として析出しているCrが、鋼材全体に対する質量%で、800質量ppm以下であり、
かつ結晶粒界のCr欠乏層が、幅:800nm以下で、該Cr欠乏層のCr欠乏量が前記鋼材の母相Cr含有量を基準として1.5質量%以下である組織を有することを特徴とする溶接継手。
[2]前記高Mn鋼材が、質量%で、
C:0.10~0.70%、 Si:0.05~1.0%、
Mn:15.0~30.0%、 Cr:2.5~7.0%、
Al:0.01~0.07%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、オーステナイト相を基地相とする組織と、を有する高Mn鋼材であることを特徴とする[1]に記載の溶接継手。
[3]前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:0.3%以下、Ca:0.010%以下のうちの1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする[2]に記載の溶接継手。
[4]鋼材同士を溶接して溶接継手とするにあたり、
前記鋼材が、[2]または[3]に記載された組成を有する高Mn鋼材であり、
前記鋼材が板厚10mmを超える鋼材である場合には、前記溶接の溶接入熱量が1パス3.0kJ/mm以下、あるいは前記鋼材が板厚10mm以下の鋼材である場合には、前記溶接の溶接入熱量が1パス2.0kJ/mm以下、であることを特徴とする溶接継手の製造方法。
[5]前記鋼材の板厚が、15mm未満であることを特徴とする[4]に記載の溶接継手の製造方法。
[6]前記溶接継手の溶接熱影響部は、該溶接熱影響部に存在する炭化物の楕円近似の長軸長さの平均が0.50μm以下であり、該炭化物のアスペクト比の平均が5.0以下であり、炭化物として析出しているCrが、鋼材全体に対する質量%で、800質量ppm以下であり、
かつ結晶粒界のCr欠乏層が、幅:800nm以下で、該Cr欠乏層のCr欠乏量が前記鋼材の母相Cr含有量を基準として1.5質量%以下である組織を有することを特徴とする[4]または[5]に記載の溶接継手の製造方法。
Cは、安価なオーステナイト安定化元素であり、本発明では重要な元素である。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、低温靱性が低下する。このため、Cは0.10~0.70%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは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、Siは0.05%以上の含有を必要とする。一方、1.0%を超えて含有すると、溶接性が低下する。このため、Siは0.05~1.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.07~0.5%である。
Mnは、比較的安価なオーステナイト安定化元素であり、本発明では、母材強度の増加と極低温靱性の向上に寄与する重要な元素である。このような効果を得るために、Mnは15.0%以上の含有を必要とする。一方、30.0%を超えて含有すると、極低温靱性を改善する効果が飽和し、含有量に見合う効果を期待できなくなり、合金コストの高騰を招くとともに、溶接線から離れた位置の溶接熱影響部で極低温靭性が低下する場合がある。また、溶接性、切断性の低下を招く。さらに、Mnは偏析を助長し、応力腐食割れの発生を助長する。このため、Mnは15.0%以上好ましくは30.0%以下の範囲に限定した。なお、より好ましくは18.0~28.0%である。
Crは、適量の含有で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母材強度の増加に有効に寄与する元素である。また、Crは、微細結晶域の形成に効果的に寄与する元素である。このような効果を得るためには、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炭化物が多量に生成し、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%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは3.5~6.5%である。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、溶鋼の脱酸プロセスにおいてもっとも汎用的に使われる脱酸剤である。このような効果を得るためには、Al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0.01~0.07%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.010~0.070%、さらに好ましくは0.020~0.060%である。
Caは、鋼中の介在物の形態制御や硫化物形成による固溶S低減を介して、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、0.0002%以上含有することが好ましい。一方、0.010%を超えて含有すると、介在物そのものが粗大化し、逆に低温靱性の低下を招く。このため、含有する場合には、Caは0.010%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.0005~0.0050%である。
不可避的不純物として、本発明では、P:0.030%以下、S:0.010%以下、N:0.050%以下、O:0.0050%以下に調整することが好ましい。
上記した高Mn鋼組成を有する溶鋼を、転炉、電気炉等の、常用の溶製方法で溶製し、ついで、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。なお、真空脱ガス炉を用いて、二次精錬を行ってもよい。得られた鋼素材は、ついで、通常の熱間圧延等の鋼材製造プロセスにより、加工されて所定寸法の鋼材とされる。また、圧延後に、必要に応じて、加熱・冷却等の熱処理を行い、所望の強度、低温靱性等の特性を満たす鋼材となるように、調整してもよい。なお、本発明では、所望の鋼材特性が満足できれば、上記した製造方法に限定されない。
炭化物として析出しているCr:800質量ppm以下
炭化物は、溶接熱影響部においては高温からの冷却過程で、粒界に優先的に形成される。この粒界の炭化物は、低温における破壊進行過程において、炭化物/母相の界面から、あるいは炭化物内部からクラック(き裂)を発生する。そのため、この粒界の炭化物は、溶接熱影響部の低温靱性を評価するうえで重要になる。炭化物の析出量が少ないほど粒界の特性は向上するが、溶接熱影響部においては炭化物の析出を完全に抑制することは困難である。炭化物の析出量が、炭化物として析出しているCrで、鋼材全量に対する質量%で、800質量ppmを超えて多くなると、粒界の破壊起点が増加するため、低温靱性が低下する。このため、炭化物として析出しているCrで、鋼材全量に対する質量%で、800質量ppm以下に限定した。なお、好ましくは600質量ppm以下である。
析出した各炭化物を楕円近似して、それぞれの長軸長さ、短軸長さを求め、その長軸長さの平均値を、炭化物の大きさ(サイズ)と定義する。また、各炭化物の長軸長さと短軸長さの比を求め、その平均値を炭化物のアスペクト比とする。
溶接継手の溶接熱影響部では、溶接線からの距離に応じて熱履歴が相違し、その違いにより粒界の炭化物形成やCr欠乏層形成に違いが生じる。粒界のCr濃度は、粒界近傍での変形に影響を与えるため、粒界Cr欠乏層の幅が大きく、かつ母相Cr含有量との差であるCr欠乏層のCr欠乏量が大きいほど、粒界近傍の強度が低下して、粒界近傍の変形特性に影響を与え、低温靱性が低下する。本発明では、上記した粒界Cr欠乏層の幅および粒界Cr欠乏層のCr欠乏量を、同時に満足することが肝要となる。
鋼材同士を溶接して溶接継手とする。溶接に際しては、鋼材に開先を付して溶接することが好ましい。開先としては、通常の、レ型、X開先、Y開先等がいずれも適用できる。なお、本発明では、溶接材料、溶接方法については、とくに限定しないが、溶接熱影響部の炭化物の形態等を調整する必要があり、溶接入熱量を限定する。
(1)引張試験
得られた各鋼板より、JIS 5号引張試験片を採取し、JIS Z 2241(1998)の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性(降伏強さ、引張強さ、伸び)を調査した。
(2)衝撃試験
得られた各鋼板の板厚1/2位置で、圧延方向と垂直な方向から、JIS Z 2202(1998)の規定に準拠して、シャルピー衝撃試験片(Vノッチ)を採取し、JIS Z 2242(1998)の規定に
準拠して、シャルピー衝撃試験を実施し、衝撃特性(吸収エネルギー)を求めた。試験温度は、-196℃とし、各鋼板について試験片3本とした。なお、板厚12mm鋼板では、フルサイズ(10mm)の試験片を、板厚8mmおよび板厚6mm鋼板では、ハーフサイズ(5mm)の試験片を採取した。
(3)溶接熱影響部の衝撃試験
溶接熱影響部各位置(溶接線(ボンド部)から3mm、6mm、9mmの各位置)がノッチ位置となるように、シャルピー衝撃試験片(Vノッチ)を採取し、JIS Z 2242(1998)の規定に準拠して、
シャルピー衝撃試験を実施し、吸収エネルギーを求めた。試験温度は-196℃とし、各鋼板について試験片3本とした。なお、板厚12mm鋼板では、フルサイズ(10mm)の試験片を、板厚8mmおよび板厚6mm鋼板では、ハーフサイズ(5mm)の試験片をそれぞれ採取した。
(4)溶接熱影響部の組織解析
溶接熱影響部各位置から分析用サンプルを採取し、抽出残渣分析を行った。分析用サンプルを10%アセチルアセトン溶液中で電解抽出し、得られた抽出残渣について、ICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光分析により析出物中のCr量を定量分析した。Crは、炭化物中に一定量含有されるため、残渣の析出物中のCr量を分析すれば、精度よく炭化物析出量を評価できる。
チ)を採取し、JIS Z 2242(1998)の規定に準拠して、シャルピー衝撃試験を実施し、吸収エネルギーを求めた。試験温度は-196℃とし、各溶接金属から試験片3本とした。板厚12mm鋼板では、フルサイズ(10mm)の試験片を、板厚8mmおよび板厚6mm鋼板では、ハーフサイズ(5mm)の試験片をそれぞれ採取した。また、溶接継手の溶接金属中央位置から引張試験片(平行部:6mmφ)を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、溶接金属部の引張特性(0.2%耐力、引張強さ)を求めた。
Claims (4)
- 鋼材同士を溶接接合してなる溶接継手であって、
前記鋼材は、質量%で、
C:0.10~0.70%、 Si:0.05~1.0%、
Mn:15.0~30.0%、 Cr:2.5~7.0%、
Al:0.01~0.07%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、オーステナイト相を基地相とする組織と、を有する高Mn鋼材であり、かつ
前記溶接継手の溶接熱影響部は、該溶接熱影響部に存在する炭化物の楕円近似の長軸長さの平均が0.50μm以下であり、該炭化物のアスペクト比の平均が5.0以下であり、炭化物として析出しているCrが、鋼材全量に対する質量%で、800質量ppm以下であり、
かつ結晶粒界のCr欠乏層が、幅:800nm以下で、該Cr欠乏層のCr欠乏量が前記鋼材の母相Cr含有量を基準として1.5質量%以下である組織を有することを特徴とする溶接継手。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:0.3%以下、Ca:0.010%以下のうちの1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の溶接継手。
- 鋼材同士を溶接して溶接継手とするにあたり、
前記鋼材が、質量%で、
C:0.10~0.70%、 Si:0.05~1.0%、
Mn:15.0~30.0%、 Cr:2.5~7.0%、
Al:0.01~0.07%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、オーステナイト相を基地相とする組織と、を有し、板厚が15mm未満である高Mn鋼材であり、
前記鋼材が板厚10mmを超える鋼材である場合には、前記溶接の溶接入熱量が1パス3.0kJ/mm以下、あるいは前記鋼材が板厚10mm以下の鋼材である場合には、前記溶接の溶接入熱量が1パス2.0kJ/mm以下、であり、
得られた前記溶接継手の溶接熱影響部は、該溶接熱影響部に存在する炭化物の楕円近似の長軸長さの平均が0.50μm以下であり、該炭化物のアスペクト比の平均が5.0以下であり、炭化物として析出しているCrが、鋼材全量に対する質量%で、800質量ppm以下であり、
かつ結晶粒界のCr欠乏層が、幅:800nm以下で、該Cr欠乏層のCr欠乏量が前記鋼材の母相Cr含有量を基準として1.5質量%以下である組織を有する
ことを特徴とする溶接継手の製造方法。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.5%以下、Ni:0.3%以下、Ca:0.010%以下のうちの1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項3に記載の溶接継手の製造方法。
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