JPH03232946A - 圧力容器用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、種々の環境中で優れた強度、靭性。

耐食性等を発揮する圧力容器用鋼に関するものである。

〈従来の技術〉 近年、産業分野の多岐に亘る目覚ましい技術革新を背景
として、様々な環境下で非常に多くの種類の圧力容器が
使用されるようになってきた。そして、圧力容器の需要
増に伴ってその設計・製作には一段と厳しい注意が払わ
れるようになり、現在では日本工業規格（Ｊ　Ｉ　Ｓ）
や米国機械学会規格（ＡＳＭＥ）等においても圧力容器
に係る多くの規格が設けられるに至っている。

しかしながら、上記各規格は何れも室温又は中・高温の
大気中での使用を想定したものであって、容器の内容物
が腐食性物質である場合にはそれを考慮してステンレス
鋼等の耐食性材料が適用されることは言うまでもないも
のの、基本的には圧力容器に適用される材料の規定も前
記想定条件に沿ったものに止まっていた。

もっとも、圧力容器の使用圧力増大や軽量化と言った最
近の要求に伴って容器材料にも高強度化の波が打ち寄せ
ており、現在では例えばＪＩＳのＧ３２０４に「圧力容
器用調質型合金鋼鍛鋼品」として規定された高強度鋼や
ＡＳＭＥのｒＢｏｉｌｅｒ＆　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅ
ｓｓｅｌ　Ｃｏｄｅ　５ｅｃｔｉｏｎＩ［Ｊに５Ａ−７
２３として規定された高強度鋼が圧力容器用材料の代表
的なものとなっている。なお、該圧力容器用高強度鋼の
特徴は基本的には何れも化学成分組成のみにあり、中炭
素マルテンサイト組織の強度を利用し、焼入性確保のた
め圧力容器の胴部肉厚に応じて合金元素を添加したもの
である。ただ、このとき十分な靭性を得るためＪＩＳで
は焼戻し温度が６１０℃以上に、またＡＳＭＢでは焼戻
し温度が５４０℃以上と規定され、更に熱処理時の保持
時間はＪＩＳ及びＡＳＭＢ共に厚さ１１に対して１．２
分以上と定められている。

一方、最近、潜水夫の酸素ボンベや潜水調査船のガス貯
・蔵容器等の如き海水中で使用される圧力容器の需要が
目立って増える傾向にあり、大気中とは異なった環境に
適用する圧力容器用材料に対する検討も盛んに行われて
いる。勿論、これまでも海水中にて比較的低圧の下で使
用される圧力容器の需要は多かったが、このような容器
材料にはＣ：０．２５〜０．３０％（以降、成分割合を
示ず％は重量％とする） Ｓｉ　：　０．１０〜０．３５％、　　Ｍｎ　：　０．
６５％以下。

Ｐ：０．０５％以下、　　　ｓ：ｏ、ｏ５％以下Ｃｒ：
２．５〜３．５％、　　　　Ｍｏ　：　０．３０〜０．
７０％Ｆｅ及び不可避不純物：残部 なる化学成分組成で、 降伏強さ：　７０ｋｇｆ／ｍｆｆｌ（６８６ＭＰａ）以
上引張強さ：　８５ｋｇｆ／ｎｉ（８３３ＭＰａ）以上
伸び＝１５％以上５　絞り：２５％以−ト。

０°Ｃシャルピー衝撃値：６０Ｊ／ｃ己以上と言った機
械的性質を有する鋼材が一般に適用されてきた。

しかし、適用圧力増大や一層の軽量化を自損してこのよ
うな圧力容器用鋼の強度向上を図ろうとすると靭性が不
足し、靭性を満足させようとすると今度は強度不足を来
たすとの不都合を免れ得す、上記従来の圧力容器用高強
度鋼では最近の要求性能を満足できないとの結論を出さ
ざるを得なかった。

そこで、海水中での用途に更に強度の高い圧力容器用ａ
（例えば前記ＡＳＭＥ（７）ＳＡ−７２３材）の適用も
検討されたが、既述の如くこれらの材料は海水中での使
用が考慮されていないために高強度域（ａ、＞　１２５
ｋｇｆ／ｍｍ２（１ｍｍ２（１２２５では遅れ破壊を生
じる危険性があり、やはり海水中での用途に適しないこ
とが確認されたのみであった。

このように、海水中で使用する実用的な圧力容器用材料
を考えた場合、従来の圧力容器用鋼は使用圧力を高める
ために強度を上げると靭性劣化や遅れ破壊と言った不利
を招くので不適当であり、結局、最近の要望に十分応え
得る“海水中で用いられる高圧力容器”の材料として適
切な実用的圧力容器材料は無いと言わざるを得なかった
。

そこで、本発明の目的は、最近の高圧化・軽量化要求に
対処できる十分な強度と靭性を有することは勿論、海水
に対する優れた耐食性及び耐遅れ破壊性をも示し、海水
中での使用に十分満足できる実用的な圧力容器用鋼を提
供することに置かれた。

く課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上記目的を達成すべくなされた数多くの
実験結果を踏まえ、まず“海水中で用いられる圧力容器
”に対する最近の要望に応えるには、 ａ）強度：現行の圧力容器を１５％以上軽量化するのに
必要な強度 ｂ）靭性：現行圧力の１．４倍の圧力下でも脆性破壊し
ない靭性。

Ｃ）耐遅れ破壊性：海水中で遅れ破壊を生じることがな
い。

ｄ）耐食性：海水中での耐食性が現行材を下回らない。

との特性を備えた圧力容器用鋼材の開発が欠かせないと
の結論に達した。そして、このような認識に立って研究
を続けた本発明者等は、海水中での使用に主眼を置いた
場合には、これまで定量的に把握されていなかった脆性
破壊を確実に防ぐための“破壊靭性値”の考え方を圧力
容器用鋼材に導入することが特に重要である点を明らか
にし、更に研究を重ねた結果、以下に示すような新しい
知見を得ることができた。

即ち、鋼の化学成分組成に工夫を凝らすと、その鍛練比
や熱処理条件（焼入れ・焼戻し条件）によって 降伏強さ：　９５ｋｇｆ／ｎｏ（（９３０ＭＰａ）以上
。

引張強さ：　１２５ｋｇｆ／ｒｎＩＡ（１２２５ＭＰａ
）以下。

伸び：１５％以上。

絞り＝４０％以上 ０°Ｃシャルビ衝撃値：　６０　Ｊ／ｃＪ以上。

０°Ｃ平面歪破壊靭性値： ３５５　ｋｇｆ／ｍｕ””（１１０ＭＰａ５）以上。

結晶粒度ニア以上 なる特性の確保が可能であり、しかも海水中での耐食性
も先に述べた従来鋼を上回るものが得られることを見出
したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、 ７ ［圧力容器用鋼を ｃ　：　０．２５〜０．４０％、　　Ｓｉ　：　０．１
０〜０．４０％Ｍｎ　：　０．３０〜１．２０％、　　
　ｐ：ｏ、ｏ１ｏ％以下Ｓ　：　ｏ、ｏｉｏ％以下、　
　　Ｎｉ　：　２．０〜３．０％。

Ｃｒ　：　０．８０〜１．５０％、　　Ｍｏ　：　０．
３０〜０．８０％Ｖ　：　０．０１５〜０．２０％、　
ｓｏｌ、　Ａｊ！　：　０．０１５〜０．０６０％。

Ｎ　：　０．００６〜０．０１５％ を含むと共に（但し、Ｎｉ＋Ｃｒ≦４．０％）、残部が
実質的にＦｅから成る成分組成に構成することによって
、降伏強さ：　９５ｋｇｆ／−以上 引張強さ：　１２５ｋｇｆ／−以下。

伸び：１５％以上、　　絞り：４０％以上。

０℃シャルビ衝撃値：６０Ｊ／ｃＪ以上０℃平面歪破壊
靭性値：　３５５ｋｇｆ／ｍ””以上結晶粒度ニア以上 の機械的及び冶金的性質を示し、かつ優れた耐食性及び
耐遅れ破壊性を備え得るようにした点」に特徴を有する
ものである。

次に、本発明において鋼の各成分含有割合を前記の如く
に限定した理由をその作用と共に説明する。

く作用〉 Ｃはマルテンサイト組織における主要強度支配元素であ
り、圧力容器用鋼としての所要強度を確保するには０．
２５％以上の添加が必要である。一方、Ｃ含有量が０．
４０％を超えると靭性を損なうようになることから、Ｃ
含有量は０．２５〜０．４０％と定めた。

Ｎｉ Ｓｉは鋼の脱酸と焼入性確保の観点から０．１０％以上
の添加が必要であるが、同時にＳｉは粒界及び母相の靭
性を低下させるので含有量の上限を０．４０％と定めた
。

Ｍｎ Ｍｎには鋼の脱酸、脱硫及び焼入性を向上させる作用が
あるが、その含有量が０．３０％未満では前記作用によ
る所望の効果が得られず、一方、１．２０％を超えて含
有させると非金属介在物が残留する恐れが生じることか
ら、Ｍｎ含有量は０．３０〜１．２０％と定めた。

Ｐ、及びＳ Ｐ及びＳは何れも鋼の清浄度を下げる有害な不純物元素
であり、特に遅れ破壊の抵抗性を改善するためにもその
含有量を極力低く抑えることが望ましい。しかし、Ｐ及
びＳ含有量を余りに低く抑えることは経済的ではないの
で、この観点から何れの含有量も上限を０．０１０％と
定めた。

Ｎｉ Ｎｉは鋼の靭性を損なうことなく焼入性を改善する作用
を有しているが、その含有量が２．０％未満では所望の
焼入れ性を確保することができず、方、経済性と添加効
果の点より上限を定め、Ｎｉ含有量は２．０〜３．０％
と限定した。

Ｃｒ Ｃｒは、Ｎｉと同様の作用に加えて耐食性の改善作用を
も有しているが、その含有量が０．８０％未満では前記
作用による効果が十分でなく、一方、経済性と添加効果
の点より上限を定め、Ｃｒ含有量については０．８０〜
１．５０％と限定した。

なお、この場合にＮｉ含有量とＣｒ含有量の総和が０ ４．０％を超えると破壊靭性値が低下し始めることから
、ｒＮｉ＋ｃｒ≦４．０％」と限定した。

Ｍ。

Ｍｏには鋼の焼入性及び靭性を改善する作用があり、特
にＰの有害性を抑えて耐遅れ破壊性を向上するのに有効
な元素である。しかし、その含有量が０．３０％未満で
は前記作用による所望の効果が期待できず、一方、経済
性と添加効果の観点より上限を定め、Ｍｏ含有量は０．
３０〜０．８０％と限定した。

■ ■は鋼の降伏点を上昇させる作用を有するが、その含有
量が０．０１５％未満では前記作用による所望の効果が
得られず、一方、０．２０％を超えて含有させると靭性
低下を招くことから、■含有量については０．０１５〜
０．２０％と定めた。

ｓｏｆ、ＡＩ！ Ａｌは鋼の脱酸及び結晶粒微細化に効果を有し、耐遅れ
破壊性を改善する作用があるが、ｓｏｌ、Ａｌｌ含有量
が０．０１５％未満では前記作用による効果が十分でな
く、一方、０．０６０％を超えて含有させると非金属介
在物が残留する恐れがあるため、ｓｏｌ、Ａｌ含有量は
０．０１５〜０．０６０％と定めた。

ＮにはＡｆｉと化合物を作って結晶粒を微細化する作用
があるが、その含有量が０．００６％未満であると前記
作用による所望の効果が得られず、一方、０．０１５％
を超えて含有させると粗大な八βＮが残留するようにな
って上記効果を減じることから、Ｎ含有量は０．００５
〜０．０１５％と定めた。

なお、本発明に係る圧力容器用鋼は 降伏強さ：　９５ｋｇｆ／−以上。

引張強さ：　１２５ｋｇｆ／−以下。

伸び：１５％以上、　　絞り：４０％以上０℃シャルビ
衝撃値：５ＱＪ／ｃｍ以上。

０℃平面歪破壊靭性値：　３５５ｋｇｆ／璽１３／２以
上結晶粒度ニア以上 なる機械的及び冶金的性質の確保を狙いとしたものであ
るが、その理由は次の通りである。

且獣１侭ニレｉ〕 圧力容器は、基本的には胴部での発生応力（σ）２ が材料の降伏強さ（σｙ）より十分低くなるよう設計さ
れる。また胴部板厚（１）は であり、同じ使用圧力及び大きさの容器であれば高い降
伏強さを有する材料を用いることにより板厚を小さくし
、軽量化することができる。そして、材料の降伏強さが
９５　ｋｇｆ／ｍｍ”（９３０ＭＰａ）以上であれば、
現在の軽量化要求に十分対処することが可能である。

■鷹１濾−りｊ〕 引張強さが１２５　ｋｇｆ／ｍｆｆｌ（１２２５ＭＰａ
）を超える鋼材を海水中で使用すると使用中に遅れ破壊
が発生する恐れがある。そのため、引張強さは１２５ｋ
ｇｆ／−以下に調整するのが良い。

び、　　、　びシャルビ 伸び、絞り及びシャルビ衝撃値については現行材の実績
値以上とすれば圧力容器として十分に満足できる性能が
確保できることから、その値である「伸び二１５％以上
」、「絞り２４０％以上」。

「０℃シャルビ衝撃値：６０Ｊ／ｃＪ以上」を基準値３ とした。

破壊靭性値 圧力容器において脆性破壊が発生しない条件は、如何な
る場合も １（＜ｋｌｃ が成立することである。なお、ｋは で表わされ、応力或いは欠陥が大きくなるほど大きくな
る。Ｋが最大となるのはａ（欠陥の大きさ）が板厚を貫
通する時であり、この場合においても、脆性破壊さえし
なければ内容物が漏洩して内圧が低下するので破局的な
破壊に至らない。そして、本発明では海水中で使用する
圧力容器の要望条件をσ＝　４３ｋｇｆ／−（４２０Ｍ
Ｐａ）、　ｔ＝　２０　ｖｎｒと把握したことからｋ　
ｍｍｘ＝　３５５　ｋｇｆ／ｎ＋””（１１０ＭＰａＦ
石）となり、そのためこれを材料の必要破壊靭性値の下
限とした。

４ 詰ＪＨｄ友度 遅れ破壊に対する感受性は同一の引張強さを有する鋼で
も異なり、その要因の一つに結晶粒度がある。そして、
一般に同一化学成分組成の鋼であれば結晶粒が微細にな
るほど遅れ破壊に対する抵抗力は増す。ただ、引張強さ
が１２５ｋｇｆ／−以下の鋼については結晶粒度が７以
上であれば十分な耐遅れ割れ性を示すため、これを基準
値とした。

ところで、次に示すものは、本発明鋼に上記機械的性質
の目標値を達成するための標準的な鍛練比並びに熱処理
条件である。

鍛練比：３以上。

焼入れ：８２０〜９２０°Ｃの温度域に肉厚１■当り３
０分以上保持してから焼入 れする 焼戻し；５６０〜６３０°Ｃにて焼戻す。

続いて、本発明の効果を実施例により更に具体的に説明
する。

〈実施例〉 実施例　１ まず、第１表に示す化学成分組成の４種類の鋼塊を溶製
し、次いで鍛練比：９．３の熱間鍛造を施して供試材を
製作した。

なお、第１表中、比較鋼Ｉとは低炭素鋼でＮｉ添加量の
多いもの、比較鋼■とは高炭素鋼でＮｉ添加量の少ない
もの、比較鋼■とは従来鋼である。

次に、この供試材を９１０℃に加熱して２時間保持した
後、油焼入れした。そして、該供試材を５つの試験片に
切断し、各々５００〜６６０℃までの異なる温度で５時
間の焼戻し処理を施した。

そして、上記処理終了後の各試験片について降伏強さ（
σｙ）＋　引張強さ（σい及び破壊靭性値（＋＋＋ｃ）
を調査し、その結果を第１図に示した。ここで、引張試
験はＪＩＳＺ２２４１に、衝撃試験はＪＩＳ　Ｚ２２４
２に、そして破壊靭性試験はＡＳＴＭのＥ３９９にそれ
ぞれ従って実施した。

第１図に示される結果からも明らかなように、本発明に
係る圧力容器用鋼は十分に満足できる機械的性質を有す
るのに対して、化学成分組成が本発明の規定から外れて
いる比較鋼では、何れも圧力容器用としての最近の機械
的性質要求値を全てに亘って十分に示さないことが分か
る。

次に、前記本発明鋼と比較鋼■とを耐海水腐食試験（Ａ
ＳＴＭの０３１）に供し、その結果を第２表に示した。

第２表に示される結果から明らかなように、実際上問題
となり、しかも腐食量の大きい乾湿繰り返し腐食は、本
発明鋼では腐食量が０．８５５ｇであったのに対して、
比較鋼■では２．１６３ｇと大きかったことが確認でき
る。

更に、本発明鋼をｋ　＋　＝　３００　ｋｇｆ／ｍｍ”
２にて４０００時間の遅れ破壊試験に供したが、この条
件では遅れ破壊が発生せず、十分良好な耐遅れ破壊性能
を有することが分かった。

実施例　２ この例では、化学成分組成のバラツキによる影響を調査
するため、“本発明にて規定する範囲内で化学成分組成
の異なる数種の鋼塊”及び“比較鋼の鋼塊”をそれぞれ
２種類溶製し、供試材を製作した。なお、これら鋼塊の
化学成分組成は第３表に示される通りであった。

次いで、これらの鋼塊を鍛練比：４．８で熱間鍛造し、
本発明鋼については９１０℃に加熱して２時間保持した
後“油焼入れ”及び“６１０℃で５時間の焼戻し処理”
を、比較網については９００℃に２時間加工後“油焼入
れ”及び“６２０℃で５時間の焼戻し処理”をそれぞれ
施した。

そして、上記各処理の後、各鋼材について機械的性質の
調査及び耐食性試験を行ったが、この結果を第４表に示
す。

第４表に示される結果からも明らかなように、本発明鋼
では実施例１の場合と同様に十分満足できる機械的性質
及び耐食性能を有しているのに対して、化学成分組成が
本発明の規定から外れている比較鋼では何れも特性に劣
ることが分かる。

上述の試験結果からも、本発明に従うと海水中において
も十分満足できる性能を発揮する圧力容器用網が実現さ
れることを確認できる。

なお、本発明鋼は海水中で使用される圧力容器そのもの
だけではなく　容器の付帯設備（バルブ。

配管類等）にも適用することができ、更に淡水中太気中
の類似機器にも利用できることは勿論である。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、本発明によれば、圧力容器製品の
使用圧力を一段と高めたり軽量化することが可能で、し
かも遅れ破壊等の懸念を一掃し得る圧力容器用鋼を提供
することができ、潜水夫向は酸素ボンベや潜水調査船用
空気容器等、海水中で使用される各種圧力容器の性能向
上にも大きく寄与し得るなど、産業上極めて有用な効果
がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例で得られた鋼材の焼戻し温度と機械的
性質との関係を、本発明対象鋼と比較鋼とで対比したグ
ラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量割合にて Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０
   ％、Ｍｎ：０．３０〜１．２０％、Ｐ：０．０１０％以
   下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：２．０〜３．０％、
   Ｃｒ：０．８０〜１．５０％、Ｍｏ：０．３０〜０．８
   ０％、Ｖ：０．０１５〜０．２０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０
   ．０１５〜０．０６０％、Ｎ：０．００６〜０．０１５
   ％ を含むと共に（但し、Ｎｉ＋Ｃｒ≦４．０％）、残部が
   実質的にＦｅから成り、オーステナイト結晶粒度が７以
   上の圧力容器用鋼。