JP4638956B2 - 溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
これは、環境問題を考慮し、鋼材を耐火被覆無しで用いるようにする、「新耐火設計法」に基づいて国土交通省が取り決めている特性であり、国土交通省告示333号(2004年)に基づく性能に準ずるものである。
こうした耐火性能を備える鋼材については、従来、各方面において研究開発が実施されている。
特に、600℃程度の温度を対象に高温強度を確保すべく、焼き入れ性の向上を図ってBを添加する特許文献4(特開平07−286233号公報)に記載の発明の例や、あるいは、γ相安定化元素であるCu、Mn等を添加した特許文献5(特許第3635208号公報)に記載の発明の例等が挙げられる。
このため、構造物としての設計が困難となり、その結果、耐火構造としては、鋼材が十分な高温強度を持っている場合であっても、不適切な構造体になることは明白である。
このような従来の耐火鋼材は、高温強度を高める目的でMoやBを添加する点にあって、何れも600℃の温度においては、粒界析出するMo炭化物又はB窒化物の形成能が高い元素であることによるものである。
Crを含有しない鋼材に、Crを徐々に添加して行き、添加量が0.5%を超えると、組織がベイナイト変態しやすくなり、材料強度が向上する。これは、焼入れ性の向上による結果だが、同時に、ベイナイト組織は旧γ粒界を明瞭に残すため、該旧γ粒界での脆化が顕在化しやすくなり、再熱脆化が生じやすくなると考えられている。
このような現状の下で、本発明者等は鋭意研究を行なった。その結果、上記再熱脆化現象が鋼材の変態点と関係することを知見した。
[SRS]=4Cr[%]−5Mo[%]−10Ni[%]−2Cu[%]−Mn[%]
で定義して導入し、数値で定量的に合金設計指標を限定することとした。
この問題に対しては、制御冷却によって補完することが可能であることが、本発明者等の研究によって明らかとなった。即ち、下記の1)あるいは2)のような方法とすることにより、高温における析出強化と合わせ、高温における強度発現を実現できることを見出した。
これら、本発明における規定は、必ずしも実際の工業規格に定められたものではなく、設計計算で推定される値であり、安全率を含んだ目安である。いずれも下限は設定されるが、上限値は無い。
[1] 室温強度400〜600N/mm2級の耐火鋼材であって、質量%で、C:0.010%以上0.05%未満、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.80〜2.00%、Cr:0.50%以上2.00%未満、V:0.03〜0.30%、Nb:0.01〜0.10%、N:0.001〜0.010%、Al:0.005〜0.10%、を含有し、Ni、Cu、Mo、Bの各々の含有量を、Ni:0.10%未満、Cu:0.10%未満、Mo:0.10%以下、B:0.0003%未満に制限し、さらに、不純物成分であるP、S、Oの各々の含有量を、P:0.020%未満、S:0.0050%未満、O:0.010%未満に制限し、残部鉄及び不可避的不純物からなる鋼成分を有し、前記鋼成分をなす元素のうち、Cr、Mo、Ni、Cu及びMnの各元素が、下記(1)式で表される関係を満たすことを特徴とする、溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材。
4Cr[%]−5Mo[%]−10Ni[%]−2Cu[%]−Mn[%]>0 ・・・(1)
{但し、上記(1)式において、各元素濃度の単位は質量%とする}
[3] さらに、質量%で、Mg:0.0005〜0.005%、Ca:0.0005〜0.005%、Y :0.001〜0.050%、La:0.001〜0.050%、Ce:0.001〜0.050%のうちの1種又は2種以上を含有することを特徴とする、上記[1]又は[2]に記載の溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材。
[5] 当該鋼材組織中において、ベイナイト又はマルテンサイトの光学顕微鏡組織占有率が20%以上とされ、焼入れ組織からなることを特徴とする、上記[1]〜[4]の何れかに記載の耐再熱脆化性と靭性に優れた耐火鋼材。
[6] 当該鋼材中に、Nb、V、Cr、Ti又はZrのうちの1種以上からなる炭化物又は窒化物が、2個/μm2以上の密度で析出されていることを特徴とする、上記[1]〜[5]の何れかに記載の耐再熱脆化性と靭性に優れた耐火鋼材。
4Cr[%]―5Mo[%]―10Ni[%]―2Cu[%]―Mn[%]>0 ・・・(1)
{但し、上記(1)式において、各元素濃度の単位は質量%とする}
まず、本発明を実施するにあたって規定した基本となる鋼の化学成分範囲の限定理由について説明する。なお、以下の説明において、各元素の添加量は全て質量%で表す。
Cは、鋼材の焼入れ性向上に有効な元素であって、同時に炭化物を形成するために必須の元素である。鋼材中において、最低でも600℃の温度で安定な炭化物を析出させるためには、Cを0.010%以上添加する必要がある。また、Cを0.05%以上添加すると、大入熱溶接HAZにおいて、多くの残留オーステナイトあるいは析出炭化物を形成し、HAZにおいてボンド靱性を著しく劣化させる場合があるので、その添加範囲を0.010%以上0.05%未満に規定した。溶接入熱がさらに大きくなる場合を考慮すれば、C含有量は少ない方が好適で、Cを0.015%以上または0.020%以上に制限してもよい。また、ボンドの靭性向上のため、Cを0.040%以下に制限してもよい。
Siは、脱酸元素であるとともに、焼入れ性の向上にも寄与する元素であるが、少なくとも0.01%以上を添加しないとその効果が発現しない。一方、Siを0.50%超で添加した場合、Siは残留オーステナイトの安定性を高め、特にHAZの靱性を低下させる元素であることから、その添加範囲を0.01〜0.50%に規定した。脱酸を確実におこなうため、Siを0.05%以上、0.10%以上または0.15%以上に制限してもよい。また、HAZの靭性向上のため0.45%以下または0.40%以下に制限してもよい。
Mnは、γ相安定化元素であり、焼入れ性の向上に寄与するが、本発明のようなCrを含有する鋼材においては、Mnを0.80%以上で添加しないと上記効果が発現しない虞がある。また、2.0%を超えてMnを添加すると、Ac1変態点の低下が著しく、600℃への再熱時、粒界偏析を伴うHAZでは再熱時に局部的なα→γ変態を生じて著しい粒界強度の低下を来すことや、炭化物の粒界析出を促進して析出脆化を生じ、耐再熱脆化性が、再現熱サイクルHAZ相当の組織の高温引張り試験時の絞り値で判断して15%以下となってしまうことから、その添加範囲を0.80〜2.0%に限定した。Mnの焼き入れ性効果をより活用するために、Mnを0.90%以上、1.05%以上または1.20%以上に制限してもよい。また、Ac1変態点の低下等を防止するため、1.80%以下または1.60%以下に制限してもよい。
Crは、0.50%以上の添加で、鋼材の焼入れ性を高める効果が得られる。また。炭素との親和力もあり、Nb、VあるいはTiといったCとの親和力の極めて高い元素が粗大化するのを抑制する効果も有する。加えて、状態図の形態そのものを、鉄−炭素系の共析型からγループ型へと変え、変態点を上げる顕著な効果を、特に粒界において発揮する。しかしながら、2.00%を超えてCrを添加すると、鋼材特性上の弊害はとくに無いものの、製鋼上の課題、即ち不純物除去時間の延長によって溶鋼温度が精錬中に低下してしまい、鋳造性を悪化させ、ひいては製造時のコスト上昇を招くため、添加上限を2.00%に限定した。
なお、本発明では、VあるいはSiを多く添加する場合には、Crの添加量を、より好ましくは0.50〜1.50%に制御する必要がある。ただし、Crの添加は製鋼精錬時の溶鋼温度を下げる場合があるためまたコスト上昇を抑えるため、Crを1.80%以下、1.50%以下または1.40%以下に制限してもよい。また、焼入れ性を高めるために、Crを0.75%以上または1.00%以上に制限してもよい。
Vは、粒内に微細分散しやすい炭化物を形成し、高温耐力向上に極めて有効である。その効果は0.03%以上の添加で発現し、また、0.30%を超えて添加すると粒界析出と粗大化が著しく、耐再熱脆化性を悪化させるため、添加範囲を0.03〜0.30%に限定した。ただし、焼き戻しの工程において、V炭化物は粒界析出する傾向があることから、Vを0.25%以下または0.20%以下に制限してよい。また、高温耐力向上のため、Vを0.05%以上または0.08%以上に制限してもよい。
Nbは、炭素と短時間に結合してNbCとして析出し、室温時の強度及び高温強度の向上に寄与する。同時に、鋼材の焼入れ性を顕著に高め、転位密度の向上にも寄与するとともに、制御冷却による鋼材強度向上効果を高める。しかしながら、Nbの添加量が0.01%未満では上記効果が見られず、また、0.10%を超えて添加すると粒界へのNbC粗大析出が生じて再熱脆化を引き起こし、高温での溶接継手の不安定破壊を助長する虞があるため、その添加範囲を0.01〜0.10%に限定した。Nbによる強度向上効果をより活用するため、Nbを0.02%以上、0.03%以上または0.04%以上に制限してもよい。また、再熱脆化をさけるために、Nbを0.08%以下または0.06%以下に制限してもよい。
Nは、本発明においては積極的に添加するのではなく、粗大窒化物を生成しないために制御すべき元素である。しかしながら、Nは、微量の添加であれば炭化物よりも化学的に安定であることから、炭窒化物として析出し、高温耐力向上に寄与する場合がある。このため、Nの添加量は、工業的下限として0.001%に規定し、また、添加量の上限としては、粗大窒化物の生成を抑制するために0.010%に規定した。高温耐力向上のため、Nを0.080%以下または0.060%以下に制限してもよい。
Alは、鋼材の脱酸およびAlN生成による細粒化に必要な元素であり、特にCrを含有する鋼材においては、精錬中にCrが酸化することによって鋼材に添加し難くなるのを防止するため、主要な脱酸元素として添加する。このような、Al単独で溶鋼中の酸素濃度を制御できる効果は、0.005%以上の添加によって得られることから、Alの下限値は0.005%とした。一方、Al含有量が0.10%を超えると、粗大な酸化物クラスターを形成し、鋼材の靱性を損なう場合があることから、上限値を0.10%に規定した。より確実に脱酸およびAlN生成による細粒化のため、Alを0.010%以上、0.015%以上または0.020%以上に制限してもよい。また、粗大な酸化物クラスター形成による鋼材の靱性低下を防止するために、Alを0.08%以下または0.06%以下に制限してもよい。
Cu:0.10%未満
Mo:0.10%以下
B :0.0003%未満
Ni、Cu、Mo、Bは、何れも焼入れ性向上に有効であるが、以下に述べるように含有量が制限される。
同様に、火災後の溶接継手の再熱脆化を防止する観点からは、Mo及びBを含有することは好ましくなく、例え、不純物として混入することも避ける必要があることから、本発明者等は、厳密な含有量制限を実験的に明らかにした。
また、同様に、本発明鋼材にBを添加した場合の600℃におけるSR絞り値の関係を図2のグラフに示す。Bは、僅か0.0003%の添加から、SR絞り値を15%以下に低下せしめることがわかる。
S:0.0050%未満
O:0.010%未満
P、S、Oは、それぞれ不純物として鋼材自体の靭性に甚大な影響を及ぼし、且つ火災時の再熱脆化にも影響するため、実験的に確認した含有上限として、それぞれP:0.020%未満、S:0.0050%未満、O:0.010%未満に制限した。より靭性改善をはかるために、Pを0.015%未満または0.010%未満に、Sを0.004%未満または0.003%未満に、Oを0.0050%未満または0.0030%未満に制限してもよい。
Ti:0.005%超0.050%以下
Zr:0.002〜0.010%
Ti及びZrは、炭化物および窒化物形成元素であり、これらを添加することで析出強化に用いることができる。本発明において析出強化能を発揮するには、Tiでは0.005%超の添加が必要であり、また、0.050%を超えて添加すると粗大な炭化物が粒界析出し、耐再熱脆化性を劣化させるため、その添加範囲を0.005%超0.050%以下に限定した。また、Zrは、Tiと全く同様の理由から0.002〜0.010%に限定した。以上の2つの選択元素の内、1種又は2種以上を選択添加することができる。
Ca:0.0005〜0.005%
Y :0.001〜0.050%
La:0.001〜0.050%
Ce:0.001〜0.050%
上述したようなSの制限とMn添加量から、本発明の鋼材では、中心偏析部におけるMnSの生成は基本的には少ないものの、大量生産時においては、必ずしも皆無とすることはできない。そこで、硫化物が鋼材の靭性に与える影響を低減するため、硫化物形態制御元素の添加が可能であり、同時に本発明の効果をさらに高めることができる。
これらの元素の添加量は、何れも下限値未満では上記効果が発現せず、また、添加上限を超えると、粗大酸化物クラスターを生成して鋼材の不安定破壊を生じる可能性があることから、上記範囲にそれぞれ限定した。なお、MgおよびCaは0.003%以下に、Y、LaおよびCeは0.020%以下に制限してもよい。
一般に、環境温度の上昇に伴って鋼材の高温強度に対する組織強化の寄与が減少することが良く知られている。これは、環境温度の上昇に伴って組織回復(転位の上昇運動に伴う合一消滅や拡散現象の促進等)が進行するためである。このため、高温強度の発現には、室温において材料が有する内部応力(転位強化又は析出強化等の材料強化因子のうちの支配機構によって概略決定される、材料の変形抵抗)の維持が重要である。
本発明の耐火鋼材においては、鋼材のフェライト相中の転位密度が、1010/m2以上とされていることが好ましい。鋼材のフェライト相中の転位密度がこの範囲であれば、高温強度特性に優れた耐火鋼材が得られる。
従って、耐火鋼材が高温に曝される前の状態、即ち火災の発生前の常温環境において、高温でも充分に強度を発現できるような転位を導入した状態でなければならない。
具体的には、まず、試験片素材を10mm×10mm×2mmに切断加工後、主面を鏡面研磨した後、化学研磨又は電解研磨によって鏡面研磨表面を50μm以上溶削する。そして、この試料をX線回折装置に設置し、前記研磨主面に、Cr−Kα又はCu−Kα特性X線を入射して、背面反射X線回折法により、α−Fe(110)、(211)及び(220)面の回折線の測定を行う。Cr−Kα又はCu−Kα特性X線は、それぞれ近接するKα1線及びKα2線からなる。このため、Rachingerの方法(下記参考文献2を参照)によって、それぞれの結晶面の回折ピークにおいて、近接するKα2線回折ピーク高さを差し引いて、Kα1線回折ピーク半価幅を評価した。この回折ピーク半価幅は、結晶内の平均歪みεに比例するため、Williamson−Hall法(下記参考文献3を参照)により、回折ピーク半価幅からεを求めることができる。
さらに、平均歪みεから、下記参考文献1に記載(p.396-399)の(10)式:{ρ=14.4ε2/b2}を用いて、転位密度ρ(個/m2)が求められる。ここで、前式中のbは、バーガースベクトルの大きさ(=0.248×10−9m)である。
(2)参考文献2:Guinier,A、高良和武ら訳「X線結晶学の理論と実際 改訂3版」理学電機(1967),p.406
(3)参考文献3:G.K.Williamson and W.H.Hall, Acta Metall.,1(1953),p.22
本発明の耐火鋼材は、鋼材組織中において、ベイナイト又はマルテンサイトの光学顕微鏡組織占有率が20%以上とされた焼入れ組織であることが好ましい。鋼材組織中におけるベイナイト又はマルテンサイトの組織占有率がこの範囲であれば、上記規定の転位密度を有する鋼材とすることが可能となる。鋼材組織中におけるベイナイト又はマルテンサイトの組織占有率が20%未満だと、上記鋼材のフェライト相中の転位密度(10 10 /m2以上)が得られ難い。
本発明の耐火鋼材は、Nb、V、Cr、Ti又はZrのうちの1種以上からなる炭化物又は窒化物が、鋼材中に2個/μm2以上の密度で析出されていることが好ましい。本発明では、上述のような炭化物又は窒化物からなり、高温強度発現のための転位移動障害である析出物が上記範囲の密度で鋼材中に析出され、好適な分散状態で転位に介在している状態とすることにより、高温耐力の向上効果が確実に得られる。鋼材中における上記炭化物又は窒化物の密度が2個/μm2未満だと、上述のような高温耐力向上効果が得られ難くなる。
以下に、本発明の溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材の製造方法について、その限定理由を説明する。
具体的には、制御冷却工程による冷却処理を、当該鋼材の表面温度が350〜600℃となる温度領域で停止し、その後、放冷することにより、全く同一ではないものの、概略同一効果を得ることの出来る工程、即ち、制御冷却−途中停止及び放冷する工程とすることにより、生産性をより向上させることができる。
製鋼工程において溶鋼の脱酸・脱硫と化学成分を制御し、連続鋳造によって下記表2に示す化学成分組成のスラブを作製した。そして、表3に示す各製造条件により、スラブを再加熱して厚板圧延することで所定の板厚とした後、各条件による熱処理を施すことにより、耐火鋼材のサンプルを作製した。
加えて、表2の鋼番号1〜4に示す鋼成分の素材を用いて、フランジ厚21mmのH形鋼を表6に示す圧延条件で作製した。
上記方法によって作製した耐火鋼材の各サンプルについて、以下のような評価試験を行った。
まず、引張特性及びシャルピー衝撃特性については、上記耐火鋼材の各サンプルの板厚1/2部−圧延長手(L)方向から各試験片を採取して測定して評価した。
YS(RT) :室温の引張り耐力
YS(600) :温度600℃における高温引張り耐力
YR :室温の降伏耐力/引張り強さの比を100%指標にて示した値
vE0-B :鋼材の0℃におけるシャルピー吸収エネルギー
vE0-W :5〜6kJ/mm入熱相当の溶接再現HAZのシャルピー吸収エネルギー
圧延後冷却速度:圧延終了後、800−500℃通過時の平均冷却速度または800−水冷停止温度までの平均冷却速度
SR絞り :溶接継手相当の熱サイクルを付与した後に、600℃にて高温引張り試験を実施した際の破断絞りの値
表2及び表3に示す鋼番号1〜41は本発明鋼であり、600℃が火災想定温度となる耐火鋼材の実施例である。表3に示す機械的特性の測定結果のように、いずれの鋼も、室温耐力が235N/mm2以上の場合は117N/mm2を、また、室温耐力が325N/mm2以上の場合は162N/mm2以上であることが明らかであり、必要とする高温特性を満足するとともに、母材および溶接継手ともに0℃で27J以上であることから、本発明鋼である鋼番号1〜41の耐火鋼材は、鋼材の靱性及び継手靱性が必要性能を満たしていることが明らかである。
Claims (9)
- 室温強度400〜600N/mm2級の耐火鋼材であって、
質量%で、
C :0.010%以上0.05%未満、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.80〜2.00%、
Cr:0.50%以上2.00%未満、
V :0.03〜0.30%、
Nb:0.01〜0.10%、
N :0.001〜0.010%、
Al:0.005〜0.10%、
を含有し、
Ni、Cu、Mo、Bの各々の含有量を、
Ni:0.10%未満、
Cu:0.10%未満、
Mo:0.10%以下、
B :0.0003%未満
に制限し、
さらに、不純物成分であるP、S、Oの各々の含有量を、
P :0.020%未満、
S :0.0050%未満、
O :0.010%未満
に制限し、残部鉄及び不可避的不純物からなる鋼成分を有し、
前記鋼成分をなす元素のうち、Cr、Mo、Ni、Cu及びMnの各元素が、下記(1)式で表される関係を満たすことを特徴とする、溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材。
4Cr[%]−5Mo[%]−10Ni[%]−2Cu[%]−Mn[%]>0 ・・・(1)
{但し、上記(1)式において、各元素濃度の単位は質量%とする} - さらに、質量%で、
Ti:0.005%超0.050%以下、
Zr:0.002〜0.010%
のうちの1種又は2種を含有することを特徴とする、請求項1に記載の溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材。 - さらに、質量%で、
Mg:0.0005〜0.005%、
Ca:0.0005〜0.005%、
Y :0.001〜0.050%、
La:0.001〜0.050%、
Ce:0.001〜0.050%
のうちの1種又は2種以上を含有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材。 - さらに、当該鋼材のフェライト相中の転位密度が、1010/m2以上であることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材。
- 当該鋼材組織中において、ベイナイト又はマルテンサイトの光学顕微鏡組織占有率が20%以上とされ、焼入れ組織からなることを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の耐再熱脆化性と靭性に優れた耐火鋼材。
- 当該鋼材中に、Nb、V、Cr、Ti又はZrのうちの1種以上からなる炭化物又は窒化物が、2個/μm2以上の密度で析出されていることを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載の耐再熱脆化性と靭性に優れた耐火鋼材。
- 請求項1〜3の何れか1項に記載の鋼成分を有する鋼片を、1150〜1300℃の温度に加熱した後、熱間加工又は熱間圧延を施し、該熱間加工又は熱間圧延を800℃以上の温度で終了し、その後、温度500℃までの間で、当該鋼材の各部位における冷却速度が2℃/秒以上となるように加速冷却し、該加速冷却を当該鋼材の表面温度が350〜600℃となる温度領域で停止し、その後、放冷することを特徴とする、耐再熱脆化性と靭性に優れた耐火鋼材の製造方法。
- 請求項1〜3の何れか1項に記載の鋼成分を有する鋼片を、1150〜1300℃の温度に加熱した後、熱間加工又は熱間圧延を施し、該熱間加工又は熱間圧延を800℃以上の温度で終了し、その後、温度500℃までの間で、当該鋼材の各部位における冷却速度が2℃/秒以上となるように加速冷却し、該加速冷却を鋼材の表面温度が100℃以下で且つ室温以上となる温度領域で停止し、その後、放冷することにより、当該鋼材組織中において、ベイナイト又はマルテンサイトの光学顕微鏡組織占有率が20%以上となる焼入れ組織を得ることを特徴とする、耐再熱脆化性と靭性に優れた耐火鋼材の製造方法。
- 請求項7又は8に記載の製造方法を適用した後、当該鋼材を400℃〜750℃の温度範囲で、5分以上360分以内の時間で焼戻すことにより、Nb、V、Cr、Ti又はZrのうちの1種以上からなる炭化物又は窒化物を、当該鋼材中に2個/μm2以上の密度で析出させることを特徴とする、溶接継手部の耐再熱脆化性と靱性に優れた耐火鋼材の製造方法。
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