JP5655358B2 - 耐海水腐食性に優れた鋼材 - Google Patents
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1)Crには、耐海水腐食性を改善する効果があり、鋼材中のCr含有量が増加するにつれて鋼材の耐全面腐食性が向上すること。
2)鋼材中のCr含有量を高くし、更に局部腐食を抑制して、腐食形態を全面腐食とすることにより、耐海水腐食性が改善されること。
4)鋼中に粗大な炭化物が存在すると、この炭化物がカソードとして作用して腐食の起点となり、局部腐食を招来すること。
5)2〜9%Cr鋼では、Cr含有量が多くなるに伴い、M3C系のみならずM23C6系、M 7C3系の粗大炭化物(Mは主としてCr,Fe)が生成し、これら炭化物がカソードとして作用して腐食の起点となり、局部腐食を招来するものと推測されること。
6)鋼中のC含有量を低減し、腐食の起点となる炭化物の体積率を低減することにより、耐局部腐食性が改善すること。また、炭化物のサイズと分散状態が、耐局部腐食性を左右すること。
8)鋼中に存在する炭化物の微細化・分散化を図るうえでは、鋼にNbを含有させ、微細なNbCを析出させることが有効であること。
9)鋼中にMn、Vを所定量含有させ、粗大炭化物を構成するFeの一部をMn、Vで置換することにより、粗大炭化物が微細化すること。
11)上記歪の導入に伴い、表層の硬さが上昇すること。
(1)質量%で、
C :0.005%以上0.15%以下、 Si:0.10%以上0.60%以下、
Mn:0.40%以上1.8%以下、 P :0.03%以下、
S :0.02%以下、 N :0.01%以下、
Al:0.01%以上0.30%以下、 Nb:0.01%以上0.30%以下、
Cr:2.0%以上9.0%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成と、フェライト相が組織全体に対する面積率で80%以上である組織とを有し、表層の硬さが150 Hv以上250 Hv以下であることを特徴とする、耐海水腐食性に優れた鋼材。
まず、本発明鋼材の成分組成の限定理由について説明する。なお、以下の成分組成を表す%は、特に断らない限り質量%を意味するものとする。
C :0.005%以上0.15%以下
Cは、腐食環境下においてカソードサイトとなり易いCr炭化物やCr複合炭化物(例えば、(Fe,Cr,Mn)23C6、(Fe,Cr,Mn)7C3、(Fe,Cr,Mn) 3C)などの生成を抑制する目的で、その含有量を極力低減することが好ましい。C含有量が0.15%を超えると、鋼組織を局部腐食の低減化に有効なフェライト相とすることができず、鋼が硬質化するとともに溶接性が低下する。また、C含有量が増加するにつれて、局部腐食の起点となる炭化物の体積率が増加する。一方、C含有量は低いほど好ましいが、過度な低減はコスト上昇を招く。したがって、C含有量は0.005%以上0.15%以下とする。なお、Cは鋼を強化する元素であるため、鋼材に求められる強度との兼ね合いもあるが、C含有量は0.02%以上0.10%以下とすることが好ましく、0.03%以上0.07%以下とすることがより好ましい。
Siは、固溶強化元素であり、高強度化に有効な元素であるとともに、脱酸剤としても作用する。このような効果を得るためには、0.10%以上含有させる必要がある。なお、好ましくは0.20%以上である。一方、Si含有量が0.60%を超えると、靭性が低下する。このため、Si含有量は0.10%以上0.60%以下とする。なお、鋼の強度および脱スケール性の観点からは、0.50%以下とすることが好ましい。
Mnは、炭化物(例えば、(Fe,Cr)3C)中のFeやCrの一部と置換し、炭化物を微細に変化させる元素である。例えば、炭化物がFe3C(セメンタイト)である場合、Mn含有量の増加に伴いFe3C中のFeの一部がMnに置換して(Fe,Mn)3Cとなり、炭化物の形態が微細に変化する。このような効果を得るためには0.6%以上含有させることが好ましい。一方、Mn含有量が1.8%を超えると、鋼が硬質化して加工性を損なうとともに、耐食性を低下させるMnSを生成し、耐食性(耐局部腐食性)を損なう。本発明において、Mn含有量は0.40%以上1.8%以下とする。なお、好ましくは0.6%以上1.8%以下、より好ましくは0.7%以上1.2%以下である。
Pは、耐食性(耐全面腐食性・耐局部腐食性)に悪影響を及ぼす元素である。また、粒界偏析に伴う2次加工脆性を招来し、加工性を低下させる元素である。そのため、本発明ではPを極力低減することが好ましく、0.03%以下とする。なお、好ましくは0.01%以下である。
Sは、Pと同様、耐食性(耐全面腐食性・耐局部腐食性)に悪影響を及ぼす元素である。また、Sは、鋼中にMnSとして存在し、海水腐食環境下において腐食の起点となる。特に、本発明のようにCrを含有する鋼において、MnSは局部腐食(孔食)の起点となるため、Sを極力低減することが好ましい。したがって、S含有量は0.02%以下とする。なお、好ましくは0.005%以下である。
Nは、Crと結合してCrNなどの窒化物として析出し、耐食性(耐全面腐食性)に有効な固溶Cr濃度を実質的に低下させ、耐海水腐食性を劣化させる有害な元素である。また、Nは鋼の靭性を低下させる元素でもある。更に、N含有量が0.01%を超えると、鋼組織を局部腐食の低減化に有効なフェライト相とすることができず、鋼が硬質化するとともに、溶接性が低下する。したがって、N含有量は0.01%以下とする。なお、好ましくは0.005%以下である。一方、N含有量は低いほど好ましいが、過度な低減は精錬コストの上昇を招くため、その下限値は0.001%程度とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、その効果を確実に得るためにAl含有量は0.01%以上とする。一方、0.30%を超える含有は、溶接性を低下させるとともに、酸化物系介在物を増加させて表面性状を低下させるおそれもある。したがって、Al含有量は0.01%以上0.30%以下とする。好ましくは、0.02%以上0.05%以下である。
Nbは、本発明において重要な元素のひとつである。本発明のようなCr含有鋼にNbを含有させると、Crに優先してNbが鋼中のCと結合し、微細なNb炭化物(NbC)が析出する。その結果、粗大なCr炭化物およびCr複合炭化物の析出が大幅に抑制され、Crを積極的に含有させた低合金鋼において、耐局部腐食性が飛躍的に向上する。また、微細なNbCの析出に伴い、鋼の靭性も向上する。Nb含有量が0.01%未満である場合、上記した効果を十分に発現することができない。一方、Nb含有量が0.30%を超えると、上記した効果が飽和するとともに、鋼の硬質化を招き、加工性が低下する。したがって、Nb含有量は0.01%以上0.30%以下とする。好ましくは0.02%以上0.04%以下である。
Crは、本発明の課題を解決するうえで必要不可欠な元素である。Crは耐海水腐食性のうち、耐全面腐食性の向上に極めて有効な元素である。また、Crは、中性塩化物環境下において耐食性(耐候性)に寄与する他の元素(Ni、Moなど)に比して安価であり且つ安定調達が可能な元素でもある。そのため、NiやMoの含有を極力控えて Crを積極的に含有させた鋼材について、局部腐食を抑制することができれば、耐全面腐食性に優れ且つコスト面でも有利な鋼材が得られる。そして、このような鋼材は、海洋構造物のミニマムメンテナンス化、延いてはライフサイクルコスト(LCC)の向上に多大な貢献をもたらすものと考えられる。
V:0.05%以上0.50%以下
Vは、Mnと同様、炭化物中のFeの一部と置換し、炭化物の形態を微細に変化させる元素である。このような効果を得るためには0.05%以上含有させることが好ましい。一方、V含有量が0.50%を超えると、鋼が硬質化して加工性を損なうとともに、耐食性(耐局部腐食性)向上効果が飽和する。したがって、V含有量は0.05%以上0.50%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.10%以上0.20%以下である。
Cu:0.5%以下、Ni:1.0%以下、Mo:0.5%以下、W:0.5%以下、Sn:0.3%以下、Sb:0.3%以下
Cu、Ni、Mo、W、Sn、Sbは何れも、局部腐食の進行を抑制するうえで有効に作用する元素である。鋼に局部腐食が発生した場合において、これらの元素は、孔食(局部腐食)の起点となっているアノード部の溶解を抑制する有効な元素である。このような効果を得るためには、それぞれの含有量を、Cu:0.10%以上、Ni:0.10%以上、Mo:0.05%以上、W:0.05%以上、Sn:0.05%以上、Sb:0.05%以上とすることが好ましい。一方、それぞれの含有量が、Cu:0.5%超、Ni:1.0%超、Mo:0.5%超、W:0.5%超、Sn:0.3%超、Sb:0.3%超となると、その効果が飽和するとともに、加工性や製造性の低下を招くおそれがある。したがって、それぞれCu:0.5%以下、Ni:1.0%以下、Mo:0.5%以下、W:0.5%以下、Sn:0.3%以下、Sb:0.3%以下に限定した。
本発明の鋼材は、フェライト相が組織全体に対する面積率で80%以上である組織を有し、表層の硬さが150 Hv以上250 Hv以下である。
本発明においては、鋼材の耐局部腐食性を改善するうえで、フェライト相の形成が必須となる。
本発明範囲の組成を有する鋼材では、フェライト単相組織、フェライト相とパーライト相との混合組織、ベイナイト相、マルテンサイト相、あるいはこれらの混合組織等、種々の組織となり得る。ここで、同じ組成を有する鋼材を同じ海水腐食環境下に曝した場合であっても、鋼材に生じる局部腐食の腐食量(孔食の深さ)は、鋼材の組織によって大きく異なる。そして、本発明者らの検討によれば、耐局部腐食性は、鋼材の組織をフェライト相とした場合に、局部腐食の腐食量(孔食の深さ)が最も低い値を示し、鋼材の耐局部腐食性を改善するうえでは組織をフェライト相主体とすることが有効である。なお、フェライト相の結晶粒径は、微細であるほど炭化物が微細分散化されるので、耐局部腐食性改善に有利に作用する。
また、結晶粒径は、耐海水腐食性、特に耐局部腐食性の観点からは微細であるほうが好ましく、結晶粒度6.0以上、更には結晶粒度7.0以上であることが好ましい。
本発明においては、鋼材の表層に歪を導入し、鋼材の表層の硬さを150 Hv以上250 Hv以下とする。
本発明においては、上記したように鋼の組成および組織を適正化することで、炭化物を微細化・分散化し、鋼の耐局部腐食性を改善している。しかし、本発明では、鋼材の表層において更なる局部腐食対策を講じることにより、海水腐食環境下における更なる耐食性の向上を図るものとする。
荷重 : 200gf
荷重負荷時間: 30s
試験片の厚さ: 1mm以上
測定箇所 : 板面
なお、本発明において規定された組成および組織を有する鋼材では、歪導入前の硬さは上述した条件での硬さ測定で概ねHv:100〜130であり、鋼材の断面硬さ分布の一例を図1に示す。図1から、表層から500μm程度までの硬さが、板厚中央部より増加していることがわかる。
本発明においては、所望の組織(フェライト相:組織全体に対する面積率で80%以上)および表層硬さ(150 Hv以上250 Hv以下)を有する鋼材が得られる限りその製造方法については特に限定されないが、その一例を以下に記す。
鋼素材の溶製方法は特に限定されず、転炉、電気炉等、公知の溶製方法を採用することができる。また、溶製後、偏析等の問題から連続鋳造法によりスラブ(鋼素材)とするのが好ましいが、造塊−分塊圧延法、薄スラブ連鋳法等、公知の鋳造方法でスラブとしても良い。なお、鋳造後にスラブを熱間圧延するにあたり、加熱炉でスラブを再加熱した後に圧延しても良いし、所定温度以上の温度を保持している場合には、スラブを加熱することなく直送圧延しても良い。
<ブラスト処理による歪の導入>
投射粒子の大きさ(平均):φ0.4〜1.0mm
投射粒子の噴射速度:30〜100m/s
投射粒子噴射ノズル先端から鋼材表面までの距離:300〜1000mm
投射時間:1〜60s
投射粒子の投射密度:60〜200kg/m2
得られた鋼板から幅15mm×長さ15mmの試験片を採取し、試験片の圧延方向断面を機械的に研磨し、ナイタールで腐食した後、走査型電子顕微鏡(SEM)で倍率:100倍にて撮影した組織写真(SEM写真)を用い、画像解析装置によりフェライト相、フェライト相以外の組織の種類、および、それらの面積率を求めた。
得られた鋼板から、80mm×100mmの試験片を採取し、裏面および周囲の端面部をタールエポキシ樹脂によりシールして防食処理後、腐食試験片とした。自然海水中に、各種の腐食試験片を完全に浸漬させ、腐食試験を行った。試験期間(自然海水中に腐食試験片を完全に浸漬させた状態に保持した期間)は、1.0年とした。試験終了後、腐食試験片に生じた錆を落とし、最大10点平均孔食深さを測定した。
得られた結果を表3に示す。
Claims (4)
- 質量%で、
C :0.005%以上0.15%以下、 Si:0.10%以上0.60%以下、
Mn:0.40%以上1.8%以下、 P :0.03%以下、
S :0.02%以下、 N :0.01%以下、
Al:0.01%以上0.30%以下、 Nb:0.01%以上0.30%以下、
Cr:2.0%以上9.0%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成と、フェライト相が組織全体に対する面積率で80%以上である組織とを有し、表層の硬さが150 Hv以上250Hv以下であることを特徴とする、耐海水腐食性に優れた鋼材。 - 前記組成に加えてさらに、質量%でV:0.05%以上0.50%以下を含有し、且つ、Mn:0.6%以上1.8%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の鋼材。
- 前記組成に加えてさらに、質量%でCu:0.5%以下、Ni:1.0%以下、Mo:0.5%以下、W:0.5%以下、Sn:0.3%以下、Sb:0.3%以下のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の鋼材。
- 請求項1ないし3の何れかに記載の鋼材を用いて建造された海洋構造物。
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