JP4616181B2 - 大入熱溶接時のhaz靱性および耐食性に優れた船舶用鋼材 - Google Patents
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Cは、材料の強度確保のために必要な元素である。船舶の構造部材としての最低強度、即ち概ね400MPa程度(使用する鋼材の肉厚にもよるが)を得るためには、0.01%以上含有させる必要がある。しかし0.2%を超えて過剰に含有させると、靱性、溶接性が劣化する。こうしたことから、C含有量の範囲は0.01〜0.2%とした。尚、C含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.04%以上とするのが良い。また、C含有量の好ましい上限は0.18%であり、より好ましくは0.17%以下とするのが良い。
Siは脱酸と強度確保のための必要な元素であり、0.01%に満たないと構造部材としての最低強度を確保できない。しかし、0.5%を超えて過剰に含有させると溶接性、HAZ靱性が劣化する。尚、Si含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.05%以上、さらに好ましくは0.10%以上とするのが良い。また、Si含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%以下とするのが良い。
MnもSiと同様に脱酸および強度確保のために必要であり、0.01%に満たないと構造部材としての最低強度を確保できない。しかし、2%を超えて過剰に含有させると靱性が劣化する。尚、Mn含有量の好ましい下限は0.05%であり、より好ましくは0.10%以上、さらに好ましくは0.3%以上とするのが良い。また、Mn含有量の好ましい上限は1.80%であり、より好ましくは1.60%以下とするのが良い。
上述したように、Alは表面に安定な酸化物防食皮膜を形成する効果がある。Al含有量が少なくなると、腐食溶解したAl3+イオンは海水中に飛散して鋼材表面に堆積されず、防食皮膜が形成されないことになる。Cr酸化物との共存下で充分な防食効果を発揮させるためには、Alは0.05%以上含有させる必要がある。通常の鋼材であれば、Al含有量が0.10%を超えると溶接部の靭性がやや低下するなど溶接性の点で問題があったが、本発明の鋼材のようにC、Si、P、Sを適正範囲とすることによって、Al含有量が0.10%超〜0.5%までの範囲であっても従来鋼と同等の溶接性を確保することができる。しかしながら、Al含有量が0.5%を超えて過剰になると、溶接性を害することになる。こうしたことから、Al含有量の範囲は0.05〜0.5%とした。尚、Al含有量の好ましい下限は0.06%であり、より好ましくは0.07%以上、さらに好ましくは0.08%以上とするのが良い。また、Al含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%以下、さらに好ましくは0.35%以下とするのが良い。
Cuは、耐食性向上に大きく寄与する緻密な表面錆皮膜を形成するのに有効な元素である。また、Cuを含有させることによって形成される緻密な錆皮膜とAl酸化物とCr酸化物とが共存する安定な酸化物防食皮膜とが母材の保護性を相乗的に高めて、優れた耐食性が発揮されることになる。こうした効果を発揮させるためには、0.010%以上含有させることが必要であるが、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性が劣化することから、1.5%以下とすることが好ましい。尚、Cuを含有させるときの好ましい下限は0.05%であり、好ましい上限は1.3%であり、より好ましくは1.0%以下とするのが良い。
Crは、Alと同様に表面に安定な酸化物皮膜を形成して、鋼材を防食する効果を発揮する。本発明では上述のように、Al酸化物とCr酸化物を共存させることによって、鋼材の耐食性が飛躍的に向上することになるのであるが、こうした効果を発揮させるためには、Crを0.010%以上含有させる必要がある。しかしながら、過剰に含有させると溶接性が劣化することから、Cr量は1%以下とする必要がある。尚、Cr含有量の好ましい下限は0.05%であり、より好ましくは0.10%以上とするのが良い。Cr含有量の好ましい上限は0.9%であり、より好ましくは0.8%以下とするのが良い。
Tiは、耐食性向上に大きく寄与する表面錆被膜を緻密化して、その環境遮断性を向上させると共に、すきま内部における腐食を抑制して、耐すきま腐食性も向上させる元素である。またTiは窒化物を形成することにより、溶接時におけるHAZでのγ粒の粗大化を防止するピンニング効果も発揮する。こうした耐食性およびHAZ靱性を確保するためには、0.005%以上含有させることが好ましい。しかし0.030%を超えて過剰に含有させると、固溶Tiが増えすぎて、HAZ靱性を劣化させることになる。Tiを含有させるときのより好ましい下限は0.008%であり、より好ましい上限は0.025%である。
Nは、Tiと共にTiNを形成してピンニング効果を発揮することで、HAZ靱性を向上させる。N量が0.003%未満では、TiNの生成量が不充分であり、HAZ靱性の向上効果が小さい。一方、0.015%を超えると、固溶Nが増えすぎて、かえってHAZ靱性が劣化する。Nを含有させるときのより好ましい下限は0.004%であり、より好ましい上限は0.010%である。
Pは、靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り含有量を抑えることが好ましい。P含有量の許容される上限は0.02%までであり、これを超えると船舶用鋼材としての溶接性を確保できない。こうしたことから、P含有量は0.02%以下とした。尚、P含有量の好ましい上限は0.018%であり、より好ましくは0.015%以下とするのが良い。
Sも、Pと同様に靭性や溶接性を劣化させる元素であり、可能な限り含有量を抑えることが好ましい。S含有量の許容される上限は0.01%までであり、これを超えると船舶用鋼材としての溶接性を確保できない。こうしたことから、S含有量は0.01%以下とした。尚、S含有量の好ましい上限は0.008%である。
NiおよびCoは、耐食性向上に大きく寄与する緻密な表面錆被膜を形成するのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、いずれも0.01%以上含有させることが好ましいが、過剰に含有させると溶接性や熱間加工性が劣化し、さらには大幅なコストアップとなることから、Niについては2%以下、Coについては1%以下とすることが好ましい。Ni量の下限は、より好ましくは0.05%、さらに好ましくは0.10%であり、その上限は、より好ましくは1.5%、さらに好ましくは1.0%である。である。Co量の下限は、より好ましくは0.015%、さらに好ましくは0.03%であり、その上限は、より好ましくは0.8%、さらに好ましくは0.6%である。
CaおよびMgは、溶解することによってpH上昇作用を示し、鉄の溶解が起こっている局部アノードにおける加水分解反応によるpH低下を抑制して、腐食反応を抑制し、耐食性向上に有効な元素である。こうした効果は、いずれも0.0005%以上含有させることによって有効に発揮されるが、0.02%を超えて過剰に含有させると加工性と溶接性とを劣化させることになる。これらのより好ましい下限は0.0010%である。またこれらのより好ましい上限は0.015%であり、さらに好ましくは0.010%以下とするのが良い。
Seは、腐食の溶解反応が起こっているサイトのpH低下を抑制して、腐食反応を抑制し、耐食性を向上させる作用を発揮する元素である。こうしたSeを含有させることによって、局部的なpH変化が起こりにくくなるため、腐食均一性を向上させる作用がある。また物質移動が制限されて、局所的なpH低下が起こりやすい「すきま部」においては、上記した理由によって、その効果(局部腐食抑制効果)が有効に発揮される。こうした環境で要求される耐食性を確保するためには、Seの含有量は0.005%以上とすることが好ましい。しかしながら、0.5%を超えて過剰に含有させると加工性と溶接性が劣化する。尚、Se含有量のより好ましい下限は0.008%であり、更に好ましくは0.010%以上とするのが良い。また、Se含有量のより好ましい上限は0.45%であり、更に好ましくは0.40%以下とするのが良い。
SbおよびSnは、Cu、Ni、Ti等による生成錆緻密化作用や、Se、Ca、Mg等によるpH低下作用を助長して、耐食性を向上させる元素である。こうした作用を発揮させるためには、いずれも0.01%以上含有させることが好ましいが、過剰に含有させると加工性と溶接性が劣化することから、0.5%以下とすることが好ましい。これらの元素のより好ましい下限はいずれも0.02%であり、より好ましい上限は0.40%である。
船舶用鋼材では適用する部位によって、より高強度化が必要な場合があるが、B、VおよびNbは強度向上に有効な元素である。このうちBは、0.0001%以上含有させることによって焼入性が向上して強度向上に有効であるが、0.01%を超えて過剰に含有させると母材靭性が劣化するため好ましくない。Vは、0.003%以上含有させることによって強度向上に有効であるが、0.1%を超えて過剰に含有させると鋼材の靭性劣化を招くことになるので好ましくない。Nbは、0.003%以上含有させることによって強度向上に有効であるが、0.05%を超えて過剰に含有させると鋼材の靭性劣化を招くことになる。尚、これらの元素のより好ましい下限は、Bについては0.0003%、Vについては0.005%、Nbについては0.005%である。またより好ましい上限は、Bについては0.0090%、Vについては0.07%、Nbについては0.045%である。
以下の表1に示す化学成分組成の鋼を、通常の溶製法により溶製した後、溶鋼を連続鋳造機で直接スラブにし、これを熱間圧延に供して各種鋼板を製造した。この際、1500℃から1000℃までの冷却速度(表4中で「冷却速度」と記載)を変えて溶鋼を凝固させることにより、単位面積あたりのTiN系介在物の個数(表4中で「TiN系介在物」と記載)を変化させた。この冷却速度は、連続鋳造機の冷却水量や冷却方法を変えることにより調整した。このようにして得た鋼板を切断および表面研削して、以下の耐食性および溶接性評価のための試験片を作成した。
上記のようにして得た鋼板から、100×100×25(mm)の大きさの試験片を作製した(試験片A)。試験片Aの外観形状を図1に示す。
(腐食試験A)
電気防食が作用しないバラストタンク内の上部などの湿潤大気雰囲気を模擬して、海塩粒子を付着させて湿潤状態に保持する腐食試験を行った。具体的には、兵庫県加古川市にて採取した実海水7.5mLをほぼ均一に試験面に滴下して、乾燥させた試験片を温度:50℃、湿度:95%RHの恒温恒湿試験槽内に水平に設置して腐食させた。試験時間は6ヶ月間であり、1ヶ月毎に実海水5.0mLを追加で試験面に滴下した。この試験には、前記試験片Aおよび試験片Bを用いて、耐全面腐食性、腐食均一性および耐すきま腐食性を評価した。
原油タンク内の上甲板の腐食環境を模擬して、温度を50℃に保持した試験槽内に試験片を水平に設置して、組成:5vol%O2−10vol%CO2−0.01vol%SO2−0.3vol%H2Sの腐食性ガスを1L/min通気させて、試験片を腐食させた。このとき、試験槽内は常時水蒸気飽和状態となるように湿度は98%RH以上に制御して、湿潤状態を保持した。試験時間は6ヶ月間である。この試験には、1ヶ月毎に実海水5.0mLを追加で試験面に滴下した。この試験には、前記試験片Aおよび試験片Cを用いて、耐全面腐食性、腐食均一性および塗装腐食性を評価した。
上記のようにして得た鋼板から、50(mm)の厚みの試験片Dを作成した。この試験片の単位面積あたりのTiN系介在物の個数を以下のようにして計測し、またHAZ靱性を評価するため、溶接性試験に供した。
試験片DをTEMおよびTEMに付属するEDXで観察することにより、TiN系介在物の個数を計測した。具体的には観察倍率6万倍および観察視野1.5μm×1.5μmでのTEMにより、試験片の表面から深さ方向へt/4(表面から12.5mm)の位置を観察し、その位置で存在する介在物の中で、EDXによりTiおよびNを、それぞれ0.3%以上含有するTiN系介在物を確認し、その個数を測定して、単位面積(mm2)あたりの個数を計算して求め、5つの計測箇所からTiN系介在物の個数の平均値を求めた。結果を表4に示す。
試験片Dを、1400℃に加熱して50秒保持した後、800℃から500℃までを400秒で冷却する熱サイクルに供した後(入熱60kJ/mmのエレクトロガスアーク溶接におけるボンド部に相当)、JIS4号試験片を3本採取した。このJIS4号試験を用いて、−40℃でのVシャルピー衝撃試験を行い、3本の吸収エネルギー(vE-40)の平均値を求めた。結果を表4に示す。この溶接性試験では、vE-40が55J以上のものがHAZ靱性に優れると評価した。
Claims (4)
- C:0.01〜0.2%(質量%の意味、以下同じ)、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.84〜2%、Al:0.05〜0.5%、Cu:0.010〜1.5%、Cr:0.010〜1%、Ti:0.005〜0.030%、N:0.003〜0.015%を夫々含有する他、P:0.02%以下(0%を含まない)およびS:0.01%以下(0%を含まない)に夫々抑制するとともに、
Ni:0.10〜2%、Co:1%以下(0%を含まない)、Ca:0.0005〜0.02%、およびMg:0.02%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
Crの含有量[Cr]とAlの含有量[Al]の比の値([Cr]/[Al])が1〜15であり、
単位面積あたりのTiN系介在物の個数が、1.0×108(個/mm2)以上であることを特徴とする耐食性および大入熱溶接時のHAZ靱性に優れた船舶用鋼材。 - 更に、Se:0.5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1に記載の船舶用鋼材。
- 更に、Sb:0.5%以下(0%を含まない)および/またはSn:0.5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1または2に記載の船舶用鋼材。
- 更に、B:0.01%以下(0%を含まない)、V:0.1%以下(0%を含まない)およびNb:0.05%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の船舶用鋼材。
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