JP7460761B2 - 合金材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
ここに、ΔC、ΔNb、ΔTaの式を明示する。なお、Taを含まない場合には、Taの項に0を代入する。
ΔC=C-Nb/7.7-Ta/15
ΔNb=Nb-7.7C
ΔTa=Ta-15C
T0≦T1-2
ただし、T0は前記合金材のキュリー温度(℃)であり、T1は前記合金材を900℃で1分均熱した後、600~300℃の温度域における平均冷却速度が0.2℃/sとなる条件で冷却した後の合金材のキュリー温度(℃)である。
化学組成が、質量%で、
C:0.010~0.10%、
Si:0.10%を超え0.50%以下、
Mn:0.05~0.50%、
P:0.015%以下、
S:0.0015%以下、
Cr:0.005~0.50%、
Ni:34.5~37.0%、
Cu:0.005~1.0%、
Co:0.005~0.50%、
Mo:0.001~0.50%、
Al:0.0001~0.050%、
Nb:0.001~1.0%、
N:0.010%以下、
O:0.0060%以下、
Ti:0.0200%以下、
Zr:0.0200%以下、
Hf:0.0200%以下、
V:0.500%以下、
W:1.000%以下、
Sn:0.050%以下、
Zn:0.0020%以下、
Pb:0.0010%以下、
Ta:0~1.0%、
B:0~0.010%、
Ca:0~0.0050%、
Mg:0~0.0030%、
REM:0~0.050%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
下記の(1)式、(2)式、(3)式および(4)式を満たし、
降伏応力が240MPa以上であり、
板厚が3.0mm以上である、合金材。
T0≦T1-2 (1)
C-Nb/7.7-Ta/15≦0.045 (2)
Nb-7.7C≦0.30 (3)
Ta-15C≦0.30 (4)
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)であり、T0は前記合金材のキュリー温度(℃)であり、T1は前記合金材を900℃で1分均熱した後、600~300℃の温度域における平均冷却速度が0.2℃/sとなる条件で冷却した後の合金材のキュリー温度(℃)である。
C:0.010~0.10%
Cは、高強度化に有効である。このため、C含有量は、0.010%以上とする。C含有量は、0.015%以上とするのが好ましく、0.020%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Cの過剰な含有は、熱間加工性を劣化させ、また、熱膨張特性に悪影響を及ぼす。このため、C含有量は、0.10%以下とする。C含有量は、0.08%以下とするのが好ましく、0.06%以下とするのがより好ましい。
Siは、後述するMnと同様、合金溶製時の脱酸剤として必要な元素である。このため、Si含有量は、0.10%超とする。Si含有量は、0.15%以上とするのが好ましく、0.20%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Siを過剰に含有させると、膨張特性に悪影響が生じる。このため、Si含有量は、0.50%以下とする。Si含有量は、0.40%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。
Mnは、上述したSiと同様、合金溶製時の脱酸剤として必要な元素である。また、Mnは、熱間加工性を劣化させるSをMnSとして固定する効果も有する。このため、Mn含有量は、0.05%以上とする。Mn含有量は、0.10%以上とするのが好ましく、0.15%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Mnを過剰に含有させると、膨張特性に悪影響が生じる。このため、Mn含有量は、0.50%以下とする。Mn含有量は、0.40%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。
Pは、凝固割れ感受性、溶接割れ感受性を著しく高める不純物元素である。このため、P含有量は、0.015%以下とする。P含有量は、極力低減するのが好ましいが、Pの極端な制限は製造コストを増加させる。このため、P含有量は、0.001%以上とするのが好ましい。
Sは、熱間加工性を劣化させる不純物元素である。このため、S含有量は、0.0015%以下とする。S含有量は、極力低減するのが好ましいが、Sの極端な制限は製造コストを増加させる。このため、S含有量は、0.0001%以上とするのが好ましい。
Crは、ステンレス鋼の溶製設備または原料より混入する元素であり、熱膨張特性に悪影響を生じさせる。このため、Cr含有量は、0.50%以下とする。Cr含有量は、0.40%以下とするのが好ましい。一方、Crを過剰に低減しようとすると、溶製コストが増加する。このため、Cr含有量は、0.005%以上とする。
Niは、合金の自発体積磁歪を高めて、熱膨張係数を低下するのに有効な元素である。このため、Ni含有量は、34.5%以上とする。Ni含有量は、35.0%以上とするのが好ましい。しかしながら、Niを過剰に含有させると、製造コストが増加する。このため、Ni含有量は、37.0%以下とする。
Cuは、ステンレス鋼の溶製設備または原料より混入する元素であり、熱膨張特性に悪影響を生じさせる。このため、Cu含有量は、1.0%以下とする。Cu含有量は、0.7%以下とするのが好ましく、0.5%以下とするのがより好ましい。一方、Cuを過剰に低減しようとすると、溶製コストが増加する。このため、Cu含有量は、0.005%以上とする。
Coは、ステンレス鋼の溶製設備または原料より混入する元素である。また、過剰に含有させると、合金コストが増加する。このため、Co含有量は、0.50%以下とする。Co含有量は、0.40%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。一方、Coを過剰に低減しようとすると、溶製コストが増加する。このため、Co含有量は、0.005%以上とする。
Moは、ステンレス鋼の溶製設備または原料より混入する元素であり、熱膨張特性に悪影響を生じさせる。このため、Mo含有量は、0.50%以下とする。Mo含有量は、0.40%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。一方、Moを過剰に低減しようとすると、溶製コストが増加する。このため、Mo含有量は、0.001%以上とする。
Alは、脱酸のために有効な元素である。このため、Al含有量は、0.0001%以上含有とする。Al含有量は、0.0003%以上とするのが好ましく、0.0005%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Alを過剰に含有させると、熱膨張特性に悪影響が生じる。このため、Al含有量は、0.050%以下とし、0.040%以下とするのが好ましい。
Nbは、強度を向上させる元素であるとともに、溶接時の溶接金属の割れを防止して、溶接施工性を向上させる元素である。このため、Nb含有量は、0.001%以上とする。Nb含有量は、0.010%以上とするのが好ましく、0.015%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Nbを過剰に含有させると、熱間加工性が低下し、熱膨張特性に悪影響が生じる。このため、Nb含有量は、1.0%以下とする。Nb含有量は、0.7%以下とするのが好ましく、0.5%以下とするのがより好ましい。
Nは、熱間加工性を劣化させる不純物元素である。このため、N含有量は、0.010%以下とする。N含有量は、極力低減するのが好ましいが、Nの極端な制限は溶製コストを増加させる。このため、N含有量は、0.001%以上とするのが好ましい。
Oは、熱膨張特性に悪影響を及ぼす不純物元素である。このため、O含有量は、0.0060%以下とする。O含有量は、極力低減するのが好ましいが、Oの極端な制限は溶製コストを増加させる。このため、O含有量は、0.0005%以上とするのが好ましい。
Zr:0.0200%以下
Hf:0.0200%以下
V:0.500%以下
W:1.000%以下
Sn:0.050%以下
Zn:0.0020%以下
Pb:0.0010%以下
Ti、Zr、Hf、V、W、Sn、Zn、およびPbは、熱膨張特性に悪影響を及ぼす不純物元素であるので、その含有量は低いことが好ましい。このため、Ti含有量は、0.0200%以下とする。Zr含有量は、0.0200%以下とする。Hf含有量は、0.0200%以下とする。V含有量は、0.500%以下とする。W含有量は、1.000%以下とする。Sn含有量は、0.050%以下とする。Zn含有量は、0.0020%以下とする。Pb含有量は、0.0010%以下とする。なお、これらの元素は、含有されないこともある。
Taは、Nbと同様に、強度を向上させる元素であるとともに、溶接時の溶接金属の割れを防止して、溶接施工性を向上させる元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Taを過剰に含有させると、熱間加工性が低下し、熱膨張特性に悪影響が生じる。このため、Ta含有量は、1.0%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ta含有量は、0.01%以上とするのが好ましい。
Bは、熱間加工性を向上させる元素であるので、含有させてもよい。しかしながら、Bを過剰に含有させると、熱膨張特性に悪影響が生じる。このため、B含有量は、0.010%以下とする。C、Nb含有量が、それぞれ0.04%以下、0.15%以下の場合は、Bを含有させなくてもよい。一方、上記効果を得るためには、B含有量は、0.0001%以上とするのが好ましい。B含有量は、0.0003~0.0030%の範囲とするのが好ましい。
Mg:0~0.0030%
REM:0~0.050%
Ca、MgおよびREMは、いずれも合金材の熱間加工性を向上させるので、含有させてもよい。しかしながら、これらの元素を過剰に含有させると、却って熱間加工性を低下させ、合金の清浄性を低下させる場合がある。このため、Ca含有量は、0.0050%以下とする。Mg含有量は、0.0030%以下とする。REM含有量は、0.050%以下とする。一方、上記効果を発現するためには、Ca含有量は、0.0005%以上とするのが好ましい。Mg含有量は、0.0003%以上とするのが好ましい。REM含有量は、0.001%以上とするのが好ましい。
ΔC≦0.045 (2)
ΔNb≦0.30 (3)
ΔTa≦0.30 (4)
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)である。
合金材は、下記の(1)式を満たす必要がある。
T0≦T1-2 (1)
ただし、T0は前記合金材のキュリー温度(℃)であり、T1は前記合金材を900℃で1分均熱した後、600~300℃の温度域における平均冷却速度が0.2℃/sとなる条件で冷却した後の合金材のキュリー温度(℃)である。
本合金材では、CおよびNbを含有させており、合金中に微細なNbCが析出する。粗大なNbCは、共晶融解による溶接割れ感受性を助長するおそれがあるので、合金材中に析出するNbCの平均直径(円相当直径)は、1μm以下であることが好ましい。なお、本合金材では、微細なNbCの分散が合金板の強度を上昇させる作用を有する。このため、NbCは微細なほど好ましい。しかしながら、NbCの平均直径が0.002μm未満になると合金板の強度向上効果が十分に得られない。このため、NbCの平均直径は、0.002μm以上とするのが好ましい。NbCの平均直径は、合金のNb、C含有量、鋳造時の冷却速度、熱間圧延の加熱温度、圧延温度、板厚およびその後の冷却速度や、熱処理の昇温速度、均熱温度、均熱時間などにより変化し、一般的にはCとNbの含有量が多いほど、熱間圧延の加熱温度が低いほど、熱処理の均熱時間が長いほど、その平均直径が大きくなる傾向にある。NbCの平均直径は、抽出レプリカ法や薄膜による透過電子顕微鏡による組織観察を行い、測定することができる。
本合金材では、降伏応力は、240MPa以上とする。降伏応力が、240MPa未満であると、溶接構造物として十分な強度が得られず、溶接施工の際に、十分な自由度を得にくくなる。このため、本合金材の降伏応力は、240MPa以上とする。降伏応力は、260MPa以上とするのがより好ましい。なお、降伏応力の上限は、特に限定しないが、本合金材の場合、通常、450MPa以下となることが多い。なお、本合金材において降伏応力は、JIS Z 2241:2011に準拠して、引張試験を行った際の0.2%耐力とする。
本合金材では、板厚は、3.0mm以上とする。板厚が、3.0mm未満であると、溶接施工の際に、十分な自由度を得にくくなる。このため、板厚は、3.0mm以上とする。板厚は、4.0mm以上とするのが好ましく、6.0mm以上とするのがより好ましい。なお、板厚の上限は、特に限定しないが、溶接施工性を考慮し、80mm以下とするのが好ましい。
合金材を得るための製造方法については、以下記載の条件で製造するのが好ましい。滅間圧延の際の条件については、特に、限定しない。通常の溶製条件により得た鋳塊を通常の熱延条件により圧延して製造することができる。熱延条件としては、例えば、Nb、Cが固溶する1050~1250℃に加熱後、合金材の再結晶温度である900~1100℃の温度域、もしくは900~700℃の未再結晶温度域にかけて圧延することが挙げられる。圧下率は、目的とする強度その他の条件に応じて決めればよい。
肉厚48mmの17kg扁平鋼塊または肉厚110mmの50kg角鋼塊の表層部より8mmφ×110mmLの平滑高温引張試験片を採取した。高周波加熱により試験片中央部の14mmL部分を1180℃で30秒加熱し、900℃まで降温して10秒保持した後、20mm/sの速度で引張破断させ、断面収縮率:絞り(%)を測定した。その結果を表1に示す。絞りは、60%以上という条件を満たす場合を良好として評価した 。
得られた熱延合金材から機械加工により板厚3mm×幅5mm×長さ1mmの寸法の合金片を切り出し、表面をエメリー湿式#600仕上げにより表面加工層を除去して試験片Aとした。
JIS Z 2241:2011に準拠して、常温(20℃±15℃)、大気中にて引張試験を実施して、引張強さTS(MPa)および降伏応力YS(MPa)を求めた。YSが240MPa以上である場合を良好として評価した。なお、降伏応力は、0.2%耐力とした。
得られた熱延合金板の板厚中心部から径3mm×長さ15mmの形状の試験片を採取し、押棒式熱膨張計を用いて室温から-170℃までの平均線膨張係数を求めた。平均線膨張係数は、1.5x10-6/K以下である場合を良好として評価した。
Claims (4)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.010~0.10%、
Si:0.10%を超え0.50%以下、
Mn:0.05~0.50%、
P:0.015%以下、
S:0.0015%以下、
Cr:0.005~0.50%、
Ni:34.5~37.0%、
Cu:0.005~1.0%、
Co:0.005~0.50%、
Mo:0.001~0.50%、
Al:0.0001~0.050%、
Nb:0.001~1.0%、
N:0.010%以下、
O:0.0060%以下、
Ti:0.0200%以下、
Zr:0.0200%以下、
Hf:0.0200%以下、
V:0.500%以下、
W:1.000%以下、
Sn:0.050%以下、
Zn:0.0020%以下、
Pb:0.0010%以下、
Ta:0~1.0%、
B:0~0.010%、
Ca:0~0.0050%、
Mg:0~0.0030%、
REM:0~0.050%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
下記の(1)式、(2)式、(3)式および(4)式を満たし、
降伏応力が240MPa以上であり、
板厚が3.0mm以上である、合金材。
T0≦T1-2 (1)
C-Nb/7.7-Ta/15≦0.045 (2)
Nb-7.7C≦0.30 (3)
Ta-15C≦0.30 (4)
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)であり、T0は前記合金材のキュリー温度(℃)であり、T1は前記合金材を900℃で1分均熱した後、600~300℃の温度域における平均冷却速度が0.2℃/sとなる条件で冷却した後の合金材のキュリー温度(℃)である。 - 請求項1に記載の合金材の製造方法であって、
前記合金材に行う熱処理における冷却工程が、
合金材の板厚をt(mm)とするとき、35℃以下である冷却水の水量密度(m3/m2・分)が[0.11ln(t)+0.02]以上となるように前記合金材に噴射する、
合金材の製造方法。 - 請求項1に記載の合金材の製造方法であって、
前記合金材を熱間加工した後の冷却工程が、
合金材の板厚をt(mm)とするとき、35℃以下である冷却水の水量密度(m3/m2・分)が[0.11ln(t)+0.02]以上となるように前記合金材に噴射する、
合金材の製造方法。 - 請求項1に記載の合金材の製造方法であって、
請求項2または3の工程後、常温の降伏応力の上昇が3MPa以上、50MPa以下の値となる条件でレベラー矯正を行う、
合金材の製造方法。
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