JP7423852B1 - Fe-Ni合金、合金管、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
0.15≦Si+Cr≦0.40 ・・・・・・(1)
0.003≦2×Al+Ti≦0.017 ・・・(2)
の関係式を満たすことを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、より防錆性に優れる合金製品を与えることができるのである。
Al≧Ti ・・・・・・(3)
であり、かつ、Mo:0.01~0.10%、Co:0.01~0.25%、W:0.01~0.05%、B:0.0001~0.0010%の1種又は2種以上を含むことを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、より防錆性に優れる合金製品を与えることができるのである。
0.15≦Si+Cr≦0.40 ・・・・・・(1)
0.003≦2×Al+Ti≦0.017 ・・・(2)
Al≧Ti ・・・・・・・・・・・・(3)
を満たし、かつ、質量%で、Mo:0.01~0.10%、Co:0.01~0.25%、W:0.01~0.05%、B:0.0001~0.0010%の1種又は2種以上を含むことが好ましい。関係式(3)では、緻密で密着性の良い表面酸化皮膜を形成させるために有用なAl及びTiの含有量について、溶接時の溶け込み性や割れ感受性の低下をも防止すべく規定している。また、Mo、Co、W、Bの含有量については、詳細は後述するが、本実施例におけるFe-Ni合金としての品質や製造性を向上させる任意添加元素としてそれぞれが規定されている。なお、これら元素量の関係式において、元素記号はその元素の含有量を質量%で表した数値の意味である。
次に、所定のFe-Ni合金からなる素材板を用意し、素材板から切り出した溶接試験板による溶接性試験と、素材板を溶接加工して得た溶接管による防錆性試験について説明する。
図1に示す合金1~18、及び、合金101~118の各成分組成の合金からなる素材板を用意した。詳細には、スクラップやNi母合金などの原材料を電気炉に投入して溶解し、AOD(Argon Oxygen Decarburization)及び/又はVOD(Vacuum Oxygen Decarburization)にて酸素吹精し脱炭させた。その後、Alと石灰石を投入してCr還元し、さらに石灰石と蛍石を投入し、合金溶湯上にCaO-SiO2-Al2O3-MgO-F系スラグを形成させ、脱酸、脱硫した。その後、合金溶湯を連続鋳造機にて鋳造しスラブとし、これを熱間圧延して厚さ20mm×幅2000mm×長さ10000mmの圧延板とした。圧延板は、を960℃×10min熱処理した後に、冷却槽で水冷し、酸洗あるいは研磨によって表面の酸化皮膜を除去し、溶接管用素材となる素材板を製造した。この素材板の一部は、切り出して後述する溶接性試験に供した。
次いで、図2に示す実施例1~18、及び、比較例1~18の溶接管を製造した(例えば、実施例1では、図1に示す合金1を用い上記した製造方法で得られた素材板に対して、同様に、図1に示す合金1からなる溶加材を用いて溶接を行った溶接管であることを示している)。素材板は、幅785mm×長さ10000mmに切断し、幅方向の端部を機械加工してU開先またはX開先を設け、外径276.4mm×長さ10000mmの管状に成形した。そして、所定の溶加材を用い、プラズマ及びTIG溶接機で最大25KJ/cmの縦シーム溶接により溶接管とした。
溶接性試験は、素材板から溶接試験板を切り出して、バレストレイン試験によって耐溶接高温割れ性を評価し、溶接部の性状観察により健全性を評価した。
バレストレイン試験では、素材板の一部を切り出して機械加工し、厚さ10mm×長さ120mm×幅50mmのバレストレイン試験用溶接試験板を切り出し、ダブルビード方式のバレストレイン試験によって凝固割れ及び再熱割れを観察した。詳細には、TIG溶接により第1ビードを入熱25kJ/cmの条件で形成し、次いで、同じ入熱条件で第1ビードとラップするように第2ビードを形成した。第2ビードを形成する途中で、試験片に対して2~5%相当の曲げ歪みを急激に与え、生じた割れをマイクロスコープにより観察して割れ長さを測定し、第2ビードに形成された全ての割れの長さを合算した総割れ長さを測定した。一方、再熱割れについて、第1ビードの再熱部付近に発生する総割れ長さを測定した。
溶接部の性状観察では、溶け込み深さと溶接ビード幅を測定し、溶接部の性状の健全性について評価した。素材板の一部を切り出して、厚さ10mmの溶接部観察用溶接試験板に加工し、溶接電流200A、溶接線150mmのTIGビードオン溶接を行った。溶接部を切断してその断面のマクロ組織を観察し、ビードの溶け込み深さをマイクロスコープで測定し、溶け込み深さが板表面から3.0mm以上であれば優良と評価して「◎」、2.5mm以上3.0mm未満であれば良と評価して「○」、2.0mm以上2.5mm未満であれば可と評価して「△」、2.0mm未満であれば不可と評価して「×」を図2のそれぞれの欄に記した。
防錆性試験では、純水噴霧試験、工場内暴露試験、表面酸化皮膜の調査を行い、溶接管の防錆性を評価した。
溶接管の防錆性について純水噴霧試験にて評価した。例えば、ステンレス鋼の防錆性の評価方法としては塩水噴霧試験が知られているが、図1に示した如きFe-Ni合金の防錆性では、錆の発生が多く、試験材毎の差異を明確にしづらいと予想された。そこで、塩水噴霧試験の試験液を純水に替えた「純水噴霧試験」を行った。試験液を蒸留水とした以外はJISに規定された塩水噴霧試験と同様である。つまり、試験温度を50℃とし、2時間噴霧+1時間休止を1サイクルとして3サイクルの噴霧サイクルの後、噴霧試験片を観察し防錆性を評価した。噴霧試験片には、溶接管を厚さ約20mm×幅25mm×長さ10mmに切り出して用いたが、表面酸化皮膜の有無の比較評価のため、溶接施工後、上記したような焼鈍熱処理を行って表面酸化皮膜を形成させた試験片と、さらに酸洗し表面酸化皮膜を除去した試験片とを用意した。なお、酸化皮膜を形成するための焼鈍熱処理の保持温度(熱処理温度)と保持時間は図2に示した通りである。
更に、暴露試験によっても溶接管の防錆性を評価した。表面酸化皮膜を形成させた溶接管と表面酸化皮膜を除去した溶接管とのそれぞれについて、工場の製品置き場で20日間保管して錆の発生を観察し防錆性を評価した。使用した工場の製品置き場は、風雨環境にさらされないものの湿度管理等が行われていない通常の製造工場内の製品置き場である。錆の発生の観察は、目視で行った。外周側は直接目視し、内周側はカメラを通して目視し、観察面積500×500mmの範囲で錆個数を測定し、その合計を求めた。錆個数が100個以下であれば優良と評価して「◎」、100個を越えて150個以下であれば良と評価して「〇」、150個を越えて200個以下であれば可と評価して「△」、200個越であれば不良と評価して「×」を図2のそれぞれの欄に記した。
さらに、焼鈍熱処理ままの溶接管についての表面酸化皮膜を観察し、防錆性を評価した。焼鈍熱処理後の溶接管から表面酸化皮膜の断面を含む皮膜観察試料を切り出し、FE-SEMに付属のEDS(エネルギー分散型分光法)にて表面酸化被膜の組成、密着性、及び、厚さについて観察した。皮膜観察試料の調製による表面酸化皮膜の剥離、脱落を防止するために、小片とした皮膜観察試料にCuメッキを施し、観察予定位置より5mm程度離れた位置で断面を切り出し、埋め込み後、観察予定位置まで研磨した。研摩は湿式のみで行い、細かな砥粒の研磨紙を選択し、ゆっくり丁寧に作業した。研磨断面を1000μm長さに渡って観察し、表面酸化皮膜の剥離無しであれば優良と評価して「◎」、剥離部分が15μm未満であれば良と評価して「〇」、剥離部分が15μm以上30μm未満であれば可と評価して「△」、これよりも広い範囲で剥離を生じたのであれば不良と評価して「×」を図2のそれぞれの欄に記した。また、表面酸化皮膜の厚さが、2~30μmの範囲であれば良と評価して「〇」、その中でも5~20μmとなっていたものを優良と評価して「◎」、2~30μmの範囲外を不良と評価して「×」を図2のそれぞれの欄に記した。
図2に示すように、実施例1~18の溶接性試験では、凝固割れ、再熱割れを生じず、あるいは軽微であり、ビード形状、溶け込み性にも優れていて、溶接部の健全性については全て「可」以上の評価であった。S、Pの含有量を低減した上で、更に、Ca、Mg及びCuの含有量を適正化することによって、このような優れた結果を得られたと考えられる。また、実施例1~18の防錆性試験及び皮膜の観察では、焼鈍熱処理によって良好な表面酸化被膜が形成され、防錆性について全て「可」以上の評価を得た。Si、Cr、Al及びTiの含有量を制御することにより表面酸化皮膜を適正に形成させ、優れた結果を得られたと考えられる。なお、純水噴霧試験及び工場内暴露試験の両者において、表面酸化皮膜を除去した場合、いずれにおいても不良の評価となった。このことからも、表面酸化皮膜が優れた防錆性を得るために必要である。
図4に示すように、溶接試験板及び溶加材に互いに異なる合金を選択した場合について、a~dの溶接試験を行った。その結果、溶接試験板a~dのいずれにおいても溶接部に割れが発生し、安定したビードを得られなかった。
図5に示すように、素材板及び溶加材に互いに異なる合金を選択した溶接管について、a~oの防錆性試験、つまり、焼鈍熱処理の保持温度、保持時間を変化させた場合の防錆性の評価を行った。その結果、例えば、保持温度が高すぎる(k、n参照)と酸化皮膜が厚くなり過ぎ、剥離あるいはポーラスを生じて錆びの発生が多くなった。また、保持温度が低すぎると(j、o参照)、表面酸化皮膜が薄く不完全となって、製造工程に起因する小さなキズでも錆が発生してしまうなど、防錆性を低下させていた。
Claims (10)
- 質量%で、
C :0.020~0.040%、
Si:0.10~0.30%、
Mn:0.25~0.45%、
P:0.0025~0.0050%、
S:0.0001~0.0012%、
Ni:35.5~36.5%、
Cr:0.03~0.22%、
Cu:0.01~0.10%、
Al:0.0005~0.010%、
Ti:0.0005~0.010%、
N :0.0005~0.0050%、
Mg:0.0003~0.0020%、
Ca:0.0003~0.0015%
を含有し、残部をFe及び不可避的不純物とした成分組成を有することを特徴とするFe-Ni合金。 - 前記成分組成は、
0.15≦Si+Cr≦0.40 ・・・・・・(1)
0.003≦2×Al+Ti≦0.017 ・・・(2)
の関係式を満たすことを特徴とする請求項1記載のFe-Ni合金。 - 前記成分組成は、
Al≧Ti ・・・・・・(3)
であり、かつ、
Mo: 0.01~0.10%、
Co: 0.01~0.25%、
W:0.01~0.05%、
B:0.0001~0.0010%
の1種又は2種以上を含むことを特徴とする請求項1記載のFe-Ni合金。 - 前記成分組成は、
Al≧Ti ・・・・・・(3)
であり、かつ、
Mo: 0.01~0.10%、
Co: 0.01~0.25%、
W:0.01~0.05%、
B:0.0001~0.0010%
の1種又は2種以上を含むことを特徴とする請求項2記載のFe-Ni合金。 - 溶接管であって、請求項1乃至4のうちの1つに記載のFe-Ni合金からなることを特徴とするFe-Ni合金管。
- Fe及びSi、Mn、Crからなる複合酸化物からなり2~30μmの厚さの表面酸化皮膜を有することを特徴とする請求項5記載のFe-Ni合金管。
- 溶接管であって、溶接部とともに、請求項1乃至4のうちの1つに記載のFe-Ni合金からなることを特徴とするFe-Ni合金管。
- Fe及びSi、Mn、Crからなる複合酸化物からなり2~30μmの厚さの表面酸化皮膜を有することを特徴とする請求項7記載のFe-Ni合金管。
- 請求項1乃至4のうちの1つに記載のFe-Ni合金からなる板材を用意し、前記板材を管状に加工し溶接して溶接管とし、750~900℃に加熱保持し、Fe及びSi、Mn、Crからなる複合酸化物からなる2~30μmの厚さの表面酸化皮膜を与えることを特徴とするFe-Ni合金管の製造方法。
- 請求項1乃至4のうちの1つに記載のFe-Ni合金からなる板材及び溶加材を用意し、前記板材を管状に加工し前記溶加材を用いて溶接して溶接管とし、750~900℃に加熱保持し、Fe及びSi、Mn、Crからなる複合酸化物からなる2~30μmの厚さの表面酸化皮膜を与えることを特徴とするFe-Ni合金管の製造方法。
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JP2023192465A JP7423852B1 (ja) | 2023-11-10 | 2023-11-10 | Fe-Ni合金、合金管、及びその製造方法 |
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