JP2006002192A - 溶接用超高純度フェライト系鉄合金とその溶接方法および溶接構造物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 Crを15〜70mass%、C,N,SおよびOを合計量で100mass ppm以下含有し、あるいはさらに、Wを10mass%以下、および/または、Tiを0.01〜0.2mass%、Nbを0.05〜0.2mass%含有する超高純度フェライト系鉄合金を、溶接後、900〜1300℃の温度範囲で熱処理して組織変化のない溶接部を得る。
【選択図】 図3
Description
Crを59.5mass%含有し、C,N,SおよびOの合計量が80.7mass ppmであり、残部が実質的にFeからなる超高純度フェライト系鉄合金(超高純度60Cr−Fe)を、超高真空溶解炉を用いて溶製し、鋳造して10kgの鋳塊とした後、この鋳塊を1250℃に加熱後、熱間圧延して、板厚30mmの板状鋼材とした。この鋼材から、幅100mm×長さ200mm×板厚20mmの試験片を2枚採取し、これらの試験片の長さ方向を突き合わせて電子ビーム溶接(EBW)し、溶接継手を製作した。この溶接継手を溶接線に垂直に、50mm間隔で切断し、熱処理用の試験片を作製した。また、同様の要領で、代表的なフェライト系鉄合金であるSUS430についても、溶接継手を製作し、熱処理用の試験片を作製した。次に、これらの試験片を、Arガス雰囲気下で、1050℃の温度で60minの熱処理を施し、熱処理前と熱処理後の試験片について、組織観察および硬さの測定を行った。組織観察は、試験片断面を研磨し、王水で腐食して、金属組織を出現させた後、光学顕微鏡を用いて25〜500倍で観察した。また、硬さの測定は、JIS Z 2244(またはJIS Z 2251)に準拠し、母材部と溶接部(溶接金属、溶接熱影響部)を含む溶接部近傍部の板厚中央部における硬さの分布を、マイクロビッカース硬度計を用いて200μm間隔で測定した。
以上の結果から、本発明の溶接用フェライト系鉄合金は、急熱・急冷を伴う電子ビーム溶接によっても溶接熱影響部が出現せず、また、溶接後の熱処理により溶接金属が母材と同等の特性を有するものとなることがわかった。本発明は、上記知見に基き開発したものである。
Cr:15〜70mass%
Crは、本発明のフェライト系鉄合金において、耐食性を向上する最も重要な元素であり、15〜70mass%の範囲で含有する必要がある。Cr含有量が15mass%未満では、耐食性向上効果が得られない。一方、Crは高いほど耐食性の向上効果が期待できるが、70mass%を超えるCrの添加は、靭性が低下するとともに、コスト上昇に見合うだけの耐食性の向上が得られない。なお、優れた耐食性を得るためには、Crは好ましくは25mass%以上、より好ましくは30mass%以上とするのがよい。
C,N,SおよびOは、鋼中に不可避的不純物として混入してくる元素である。これらの元素は、他の元素と炭窒化物、硫化物および酸化物等を形成し、粒界や粒内に析出して、靭性や加工性、耐食性の低下を引き起こすだけでなく、溶接した時の溶接熱影響部の形成に大きく関与し、靱性や耐応力腐食割れ性を著しく劣化させる。特に、これらの元素の合計量が100mass ppm以下を超えると悪影響が顕著となるため、C,N,SおよびOは、合計で100mass ppm以下に制限する必要がある。好ましくは、50mass ppm以下、より好ましくは、30mass ppm以下である。
W,Mo:単独または複合して10mass%以下
W,Moは、高温強度を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。本発明のフェライト系鉄合金は優れた高温強度を有するが、より優れた高温強度を得るためには、1mass%以上添加することが好ましい。しかし、10mass%を超えて添加した場合には、靭性の低下を招くため、10mass%以下に制限する。W,Moの効果を有効に活かすには、好ましくは3〜6mass%の範囲で添加するのがよい。
NbおよびTiは、フェライト系鉄合金の靭性を高める元素であり、必要に応じて添加することができる。この効果を発現させるためには、それぞれ0.01mass%以上添加することが好ましい。一方、NbおよびTiは、0.2mass%を超えて添加すると、金属間化合物を形成して靭性を低下させるので、添加量の上限はそれぞれ0.2mass%とするのが好ましい。また、NbおよびTiを同時に添加する場合には、合計で0.01mass%以下に制限するのが好ましい。なお、NbおよびTiは、CおよびNと炭窒化物を形成するが、C,Nが上記範囲内に制御されていれば、これら炭窒化物による悪影響は抑えることができる。
本発明の超高純度フェライト系鉄合金は、溶接ままでも溶接熱影響部がなく、さらにその後、適切な熱処理を施すことにより、溶接金属の組織が消失して母材組織と同じとなり、その結果、溶接部は、母材金属とほぼ同等の物理的、化学的特性を有するものとなる。そのような均一化効果を得るための溶接後の熱処理は900〜1300℃の温度で行うことが好ましい。900℃未満では、組織の均一化に要する時間が長時間となり、好ましくない。一方、1300℃を超えると、結晶粒が粗大化し、強度、靭性の低下を招く。好ましくは950〜1200℃、より好ましくは1000〜1200℃の温度範囲である。
それぞれの試験材から、溶接線が引張試験片の引張方向に対して垂直で、溶接部が引張試験片の標点間のほぼ中央部に位置するようにJIS Z 2201に準拠する引張試験片を採取し、JIS Z 2241に準拠して引張試験を行い、0.2%耐力、引張強さ、伸びおよび絞りを測定した。なお、参考として、各鋼種の母材からも同様の試験片を採取し、引張試験を行った。
それぞれの試験材および母材から、JIS Z 2202に規定された2mmVノッチ標準試験片を切り出し、室温、大気中でJIS Z 2242に準拠して衝撃試験を行い、シャルピー吸収エネルギーおよび破断面の脆性破面率を測定した。なお、溶接部の試験片は、溶接線がVノッチの部位となるように採取した。
耐食性は、硫酸腐食試験により評価した。試験は、それぞれの試験材および母材から切り出した幅20mm×長さ20mm×厚さ3mmの試験片を、70℃の温度に保持した70%の硫酸溶液中に24hr浸漬して腐食減量を測定し、1時間当たり単位面積当たりの腐食減量を測定し評価した。なお、溶接した試験材からは、溶接部をほぼ中央部に含むよう、試験片を採取した。
耐応力腐食割れ性は、低歪速度試験(SSRT試験:Slow Strain Rate Technique)により評価した。引張試験片は、平行部が3mm×3mm×20mmの寸法のものを、溶接部を中央に含むように、溶接方向に垂直方向に採取し、この試験片を、歪速度 1.6×10-5/secで引張試験し、得られた最大荷重、破断伸びおよび破面観察により、割れ感受性を評価した。なお、上記引張試験は、温度300℃、加圧力10MPaの加圧温水中で、溶存酸素量250〜300ppb、Cl濃度100ppmの応力腐食割れが発生しやすい腐食環境下で行った。
引張特性について見ると、本発明の超高純度フェライト系鉄合金(35Cr-Fe、60Cr-Fe)は、溶接ままの特性は、母材のそれと比較して若干低下するが、溶接後の熱処理により回復し、ほぼ母材と同じ強度、伸びが得られている。これは、溶接後の熱処理により、溶接金属の組織が母材とほぼ同じものとなったためと考えられる。これに対して、比較鋼であるSUS430は、溶接後の引張延性は大きく劣化しており、その後の熱処理によっても完全に回復していない。また、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーについても全く同様の傾向がある。なお、超高純度60Cr-Feの伸びとシャルピー吸収エネルギーが超高純度35Cr-Feより低い理由は、Cr含有量が多いことによる。
Claims (5)
- Crを15〜70mass%含有するフェライト系鉄合金において、C,N,SおよびOの合計含有量を100mass ppm以下に抑えることにより、溶接部に熱影響部が出現しないようにしたことを特徴とする溶接用超高純度フェライト系鉄合金。
- 上記成分組成に加えてさらに、WおよびMoを単独で、または複合して10mass%以下含有することを特徴とする請求項1に記載の溶接用超高純度フェライト系鉄合金。
- 上記成分組成に加えてさらに、Ti:0.01〜0.2mass%およびNb:0.01〜0.2mass%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の溶接用超高純度フェライト系鉄合金。
- 請求項1〜3に記載の超高純度フェライト系鉄合金を溶接した後、900〜1300℃の温度範囲で熱処理して、組織変化のない溶接部を得ることを特徴とする溶接方法。
- 請求項1〜3に記載の超高純度フェライト系鉄合金を溶接した後、その溶接箇所を900〜1300℃の温度範囲で熱処理して、組織変化のない溶接継手を設けてなることを特徴とする溶接構造物。
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JP2010100894A (ja) * | 2008-10-23 | 2010-05-06 | Kenji Abiko | 再処理装置用超高純度鉄合金 |
JP2010121210A (ja) * | 2008-10-23 | 2010-06-03 | Kenji Abiko | 水素貯蔵容器用高純度鉄合金および水素貯蔵容器 |
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2004
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