JPH1018000A - 低温靭性に優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバー合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】物理的性質（低熱膨張特性）や機械的性質を阻
害することなく、耐高温割れ性を改善し、溶接部の低温
靭性に優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバー合金を提供する。 【解決手段】本発明の溶接部の低温靭性に優れたＦｅ−
Ｎｉ系アンバー合金は、重量％でＮｉ：30〜45％と、
Ｓ：0.003 ％以下と、Ｐ：0.007 ％以下と、Ｏ：0.004
％以下と、Ｓｂ：0.001 〜0.1 ％と、Ｓｎ：0.07％以下
と、Ａｌ：0.006〜0.03％と、Ｎ：0.003 ％以下と、
（Ｓ％＋0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ％）：0.02％以
下とを含有し、かつ清浄度：0.019 ％以下であることを
特徴とする、溶接部の低温靭性に優れた合金である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は特に液化天然ガス
（ＬＮＧ）の運搬・貯蔵用メンブレンタンク素材等に用
いられる、溶接部の低温靭性に優れたＦｅ−Ｎｉ系アン
バー合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エネルギー源の多様化に伴い、天
然ガスが脚光を浴びており、その需要量は全世界的に増
加の一途をたどっている。天然ガスの輸送と貯蔵に際し
ては、−160 ℃といった極低温での液体状態が選ばれる
ため、一般に液化天然ガス（ＬＮＧ）と呼ばれている。
このＬＮＧの海上輸送船及び陸上貯蔵用低温容器には、
それぞれ、いくつかの構造形式があるが、近年の大容量
化の傾向に伴いＬＮＧ船は独立タンク方式からメンブレ
ン方式へ、陸上貯蔵タンクも二重殻構造を持つ金属製タ
ンクから半地下式のメンブレンタンクに移行する傾向が
ある。

【０００３】そして、これらのメンブレン用材料とし
て、ＬＮＧの液面の上下によって生ずる熱膨張、収縮を
緩和するためと溶接部デザインを簡略化して施工性を上
げるために、低熱膨張率を有するＦｅ−Ｎｉ系アンバー
合金が用いられている。

【０００４】しかしながら、このアンバー合金は使用状
態で完全オーステナイトであるため、オーステナイト鋼
特有の溶接高温割れが生じやすい点が大きな欠点となっ
ている。すなわち、メンブレン材の溶接施工時に溶接継
ぎ目や熱影響部に亀裂が発生しやすく、特にこれらの亀
裂をふさぐための補修溶接時に新たなミクロ割れが熱影
響部に発生するため、タンクのリークを完全に防止し得
ないばかりか、溶接部の靭性が低下するといった問題も
懸念されていた。

【０００５】従って、物理的性質（低熱膨張特性）や機
械的性質を阻害することなく、耐高温割れ性を改善し、
溶接部の靭性の優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバー合金が嘱望
されていたのである。

【０００６】前述したように、一般にオーステナイト高
合金は溶接時に高温割れを生じやすいが、この現象は凝
固冷却過程あるいは、再加熱冷却過程で材料が高温脆化
を起こして大幅な延性低下を招くからであり、その冶金
的な原因としてＰ及びＳ等の不純物元素の存在が挙げら
れている。

【０００７】このような観点から、オーステナイト高合
金の溶接高温割れ防止対策として、なるべくＰ及びＳ量
を低減すること、及び合金中の非金属介在物の総量を0.
05％以下に低減する特開昭56-44749といった技術が開示
されている。しかし、ここに開示された溶接条件は比較
的ゆるやかである。すなわち、溶接電流（Ｉ）200A，同
電圧（Ｖ）12V ，溶接速度（ｖ）10cm/min. であり、こ
れより、溶接入熱（Ｈ）は、Ｈ＝（Ｉ×Ｖ／ｖ）×0.06
＝14.4kJ/cm である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者ら
は、詳細な検討の結果、特開昭56-44749の技術による合
金では、厳しい溶接条件（例えば溶接入熱18kJ/cm ）で
は、依然として溶接部及びＨＡＺ（熱影響部）での靭性
の劣化がしばしば経験されたのである。

【０００９】本発明の目的は、物理的性質（低熱膨張特
性）や機械的性質を阻害することなく、耐高温割れ性を
改善し、溶接部の低温靭性に優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバ
ー合金を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明は以下に示す手段を用いてい
る。 （１）本発明の溶接部の低温靭性に優れたＦｅ−Ｎｉ系
アンバー合金は、重量％でＮｉ：30〜45％と、Ｓ：0.00
3 ％以下と、Ｐ：0.007 ％以下と、Ｏ：0.004 ％以下
と、Ｓｂ：0.001 〜0.1 ％と、Ｓｎ：0.07％以下と、Ａ
ｌ：0.006 〜0.03％と、Ｎ：0.003 ％以下と、（Ｓ％＋
0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ％）：0.02％以下とを含
有し、かつ清浄度：0.019 ％以下であることを特徴とす
る、溶接部の低温靭性に優れた合金である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者は、Ｐ，Ｓ等の不純物元
素の量を低減するとともに、非金属介在物の量を低減し
て、物理的性質（低熱膨張特性）や機械的性質を阻害す
ることなく、耐高温割れ性を改善し、溶接部の低温靭性
の優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバー合金について鋭意研究を
重ねた。

【００１２】その結果、耐高温割れ性を本質的に改善
し、溶接部の靭性を向上させるためにはＰ，Ｓ，Ｏ，Ｓ
ｎ，Ｎの不純物元素の単独量を低減し、JIS Ｇ 0555 に
基づく清浄度の上限を規定して非金属介在物の量を低減
した上で、かつＰ，Ｓ，Ｏ，Ｓｎの総量を特定値以下に
制御することが有効であり、また靭性の本質的な改善の
ためにはＳｂ及びＡｌを特定値に制御することが有効で
あるという知見が得られた。

【００１３】この知見に基づき、本発明者は、Ｐ，Ｓ，
Ｏ，Ｓｎ，Ｎの不純物元素の単独量を低減し、JIS Ｇ 0
555 に基づく清浄度の上限を規定して非金属介在物の量
を低減した上で、かつＰ，Ｓ，Ｏ，Ｓｎの総量を特定値
以下とすること、及びＳｂ及びＡｌを特定値に制御する
ようにして、物理的性質（低熱膨張特性）や機械的性質
を阻害することなく、耐高温割れ性を改善し、溶接部の
低温靭性の優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバー合金を見出だ
し、本発明を完成した。

【００１４】すなわち、本発明は合金組成及び清浄度を
下記範囲に限定することにより、物理的性質（低熱膨張
特性）や機械的性質を阻害することなく、耐高温割れ性
を改善し、溶接部の低温靭性の優れたＦｅ−Ｎｉ系アン
バー合金を得ることができる。

【００１５】以下に本発明の合金の成分添加理由、成分
限定理由、及び清浄度限定理由について説明する。 （１）成分組成範囲 Ｎｉ：本合金の熱膨張率を支配する元素であるが、30％
未満もしくは45％を超えると所要の熱膨張特性が得られ
ないため、その範囲を30〜45％にする。

【００１６】Ｐ：本合金の高温割れ性に対して有害な元
素であり、0.007 ％を超えると、溶接時の冷却過程にお
いてオーステナイト粒界で低融点のリンの化合物が生成
され粒界が脆化するため、本発明で意図する溶接性が得
られず、粒界の微小な割れによって靭性も劣化する。従
って、その上限を0.007 ％にする。

【００１７】Ｓ：本合金の高温割れ性に対して特に有害
な元素であり、0.003 ％を超えると、溶接時の冷却過程
においてオーステナイト粒界でＭｎＳが生成され粒界が
脆化するため、本発明で意図する溶接性が得られず、粒
界の微小な割れによって靭性も劣化する。従って、その
上限を0.003 ％にする。

【００１８】Ｏ：本合金において非金属介在物を低減す
るため特に制御されねばならない有害な元素であり、0.
004 ％を超えると介在物が本合金中で多くなり、溶接時
の冷却過程においてオーステナイト粒界で低融点の酸化
物が生成され粒界が脆化するため、本発明で意図する溶
接性が得られず、粒界強度の低下により靭性も劣化す
る。従って、その上限を0.004 ％にする。

【００１９】Ｓｎ：本合金にあっては溶製時に鉄源から
不可避的に混入する元素であり、高温割れ性に対して有
害な元素である。0.07％を超えると溶接時の冷却過程に
おいてオーステナイト粒界で低融点の化合物が生成され
粒界が脆化するため、本発明で意図する溶接性が得られ
ず、粒界強度の低下により靭性も劣化する。従って、そ
の上限を0.07％にする。

【００２０】Ｎ：本合金の高温割れ性に対して有害な元
素であり、0.003 ％を超えると本合金で脱酸剤として用
いるＡｌと反応してＡｌＮを生成し、粒界に存在するＡ
ｌＮにより粒界脆化が引き起こされ、本発明で意図する
溶接性が得られず、靭性も劣化する。従って、その上限
を0.003 ％にする。

【００２１】（Ｓ％＋0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ
％）：図１に靭性値と（Ｓ％＋0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2
×Ｓｎ％）量の関係を示す（清浄度は本発明範囲内）。
同図より明らかなように、（Ｓ％＋0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋
0.2 ×Ｓｎ％）量が0.02％以下でシャルピー衝撃試験に
よる吸収エネルギーが増大している。これより、（Ｓ％
＋0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ％）量は0.02％以下と
定める。

【００２２】Ｓｂ：鋼板製造時の熱処理時で本合金の表
面及び粒界に偏析して酸化を抑制し、粒界及び粒内での
微小な酸化物の生成を抑制することを通じて靭性を向上
させる有効な元素であるが、0.001 ％未満では靭性の向
上効果がみられず、一方、0.1 ％を超えると逆に表面硬
化し、靭性が劣化する。従って、その範囲を0.001 〜0.
1 ％にする。 Ａｌ：脱酸剤として添加されるべき必須な元素である
が、0.006 ％未満ではＯが本発明の上限値の0.004 ％を
超え、酸化物系介在物が本合金中で多くなり、一方、0.
03％を超えると逆に酸化物系介在物が多くなるため本発
明で意図する溶接性が得られず、粒界強度の低下により
靭性も劣化する。

【００２３】従って、その範囲を0.006 〜0.03％にす
る。 （２）清浄度規定範囲 清浄度は本合金の靭性をより良好なレベルとするために
は制御が必須の特性であり、それはJIS Ｇ 0555 に従っ
て測定されるものである。図２に靭性値の増加分と清浄
度の関係を示す（（Ｓ％＋0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓ
ｎ％）量は本発明範囲内で一定、靭性値の基準はｄｔ＝
0.019 ％の材料）。同図より明らかなように、清浄度が
0.019 ％以下でシャルピー衝撃試験による吸収エネルギ
ーが増大している。なお、清浄度が0.019 ％を超えると
合金中に非金属介在物が多くなり、靭性が低下すること
が確認された。よって、本発明における清浄度の規定範
囲は0.019 ％以下と定める。

【００２４】上記の成分組成範囲、及び清浄度規定範囲
に調整することにより、物理的性質（低熱膨張特性）や
機械的性質を阻害することなく、耐高温割れ性を改善
し、溶接部の低温靭性の優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバー合
金を得ることができる。

【００２５】なお、本発明においては定めないが、Ｓ
ｉ，Ｃはそれぞれ0.18％以下、0.03％以下の範囲での混
入は許容される。また、本合金においては必要に応じて
Ｍｎ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｂの1.0 ％以
下の添加やＨｆ，Ｔａ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｂ，Ｔｉの0.1 ％
以下を添加しても本発明の効果を何等阻害するものでは
ない。以下に本発明の実施例を挙げ、本発明の効果を立
証する。

【００２６】

【実施例】表１に本発明合金（No.1〜5)及び比較合金
（No.6〜14) の化学成分及び清浄度と、その各材料の溶
接割れ性及び靭性を示す。各合金は電気炉溶製鋼を炉外
精錬により成分調整し、得られた鋼塊を分塊−熱延−冷
延−焼鈍の工程により最終製品とした。なお、溶接割れ
性はＴＩＧ方式のシーム溶接にて、溶接入熱18kJ/cmの
従来技術の合金（特開昭56-44749）よりも厳しい溶接条
件で溶接を行い、溶接試験後の溶着部と熱影響部の微視
組織について光学顕微鏡で観察した結果（割れの本数）
を示す。靭性値は上記した溶接部のシャルピー衝撃試験
を室温及び、−196 ℃にて行うことにより求めた。

【００２７】合金No.1〜5 の材料は本発明による合金
（本発明例）であるが、溶接割れは見られず、後述する
比較材に比べて溶接割れ性に優れており、更には、靭性
も比較材に比べて高い値を示している。本発明例の中で
も、合金No.1〜4 の各材料はNo.5に比べて（Ｓ％＋0.5
×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ％）量がより好ましいレベル
まで低減された材料であり、靭性値がより優れている。
また、合金No.3,4の各材料はNo.1,2に比べて清浄度（d
t）がより低いレベルまで低減されたものであり、No.1,
2に比べて靭性値がより高い値を示していることは明ら
かである。

【００２８】これらに対して、合金No.6〜9,No.12 の各
材料はそれぞれ、Ｓ量，Ｐ量，Ｏ量，Ｓｎ量，Ｎ量が本
発明規定値を超えるものであり、本発明例に比較して溶
接割れ性及び靭性が劣っている。特に、合金No.8は清浄
度も本発明規定値を超えるものであるが、検出された介
在物の大部分は酸化物系の介在物であり、この合金でＯ
量が多いこととの対応が見られた。この合金No.8はＡｌ
量も本発明規定値未満となっていることから、脱酸が不
十分となり、Ｏ量が本発明規定値を超えたものと考えら
れる。合金No.10,11はそれぞれ、Ｓｂ量が本発明規定値
未満のもの、本発明規定値を超えるものであり、いずれ
も本発明例に比較して溶接割れ性及び靭性が劣ってい
る。合金No.14 はＡｌが本発明規定値を超えるものであ
り、清浄度が本発明規定値を超えており、本発明例に比
較して溶接割れ性及び靭性が劣っている。合金No.13 は
（Ｓ％＋0.5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ％）量が本発明
規定値を超えるものであり、本発明例に比較して溶接割
れ性及び靭性が劣っている。

【００２９】以上より、本発明で意図する溶接割れ性及
び靭性を得るためには、本発明で特徴とするＰ，Ｓ，
Ｏ，Ｓｎ，Ｎ及び非金属介在物の量を低減した上で、Ｓ
ｂ量、Ａｌ量を特定範囲内とし、かつＰ，Ｓ，Ｏ，Ｓｎ
の総量を特定値以下とすることが必要であることが理解
される。

【００３０】なお、本発明による合金の室温での引張特
性（0.2 ％耐力、引張強さ、伸び）、ビッカース硬度、
30〜100 ℃までの平均熱膨脹係数はそれぞれ以下のとお
りであり、所要の性能を有していることを確認した。 ・引張特性：0.2 ％耐力＝240 〜340 N/mm² 、引張強さ
＝430 〜550 N/mm² 、伸び＝30〜45％、 ・ビッカース硬度（Ｈｖ）＝130 〜180 、 ・平均熱膨脹係数＝0.5 〜2.0 ×10^-6/ ℃

【００３１】

【表１】

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、合金組成を特定し、か
つ清浄度を0.019 ％以下に抑えることにより、物理的性
質（低熱膨張特性）や機械的性質を阻害することなく、
耐高温割れ性を改善し、溶接部の低温靭性の優れたＦｅ
−Ｎｉ系アンバー合金を提供することができる。特に従
来より厳しい溶接条件においても溶接部の靭性は、従来
技術による合金（特開昭56-44749）に比べ大幅に向上し
ている。

【００３３】本合金は、液化天然ガス（ＬＮＧ）の運搬
・貯蔵用メンブレンタンク素材に用いることができ、そ
の溶接部の信頼性を飛躍的に高めるなど、工業上極めて
有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る靭性値と（Ｓ％＋0.
5 ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ％）量の関係を示す図。

【図２】本発明の実施の形態に係る靭性値と清浄度（d
t）の関係を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲積 透 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 木村 秀途 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 崎山 哲雄 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 高野 俊夫 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 日下 武夫 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 山下 洋 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＮｉ：30〜45％と、Ｓ：0.003
   ％以下と、Ｐ：0.007 ％以下と、Ｏ：0.004 ％以下と、
   Ｓｂ：0.001 〜0.1 ％と、Ｓｎ：0.07％以下と、Ａｌ：
   0.006 〜0.03％と、Ｎ：0.003 ％以下と、（Ｓ％＋0.5
   ×Ｐ％＋Ｏ％＋0.2 ×Ｓｎ％）：0.02％以下とを含有
   し、かつ清浄度：0.019 ％以下であることを特徴とする
   溶接部の低温靭性に優れたＦｅ−Ｎｉ系アンバー合金。