JPS61139648A - 強度及び溶接性に優れた低炭素極厚鋼板 - 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】 所業上の利用分野 この発明はボイラーなどの圧力容器などに使用される極
厚鋼板に関し、特に焼ならし時の板厚中心部の８００〜
４００℃間の平均冷却速度が１０３−以下となるような
厚みを有する極厚鋼板において強度と溶接性とを同時に
改善する技術に関するものである。

従来の技術 周知のようにボイラー等の圧力容器は極厚鋼板を溶接し
て得られる。このような極厚鋼板は、薄肉の鋼板と比較
して焼ならし後の冷却速度が遅くなり、特に板厚の中心
部では冷却速度が著しく小さくなり、そのため所要の強
度を得にくいのが通常である。そこでこのような極厚鋼
板において所要の強度を確保し、また焼もどし処理やＳ
Ｒ（応力除去焼鈍）処理後でも所要の強度を確保するた
め、従来のボイラー用極厚鋼板は多量のＣ（炭素）を含
有させておくのが一般的であった。

ところで厚板の溶接においては、溶接割れ防止のために
溶接前に予熱作業を必要とするが、特にボイラー等の製
造の際には使用される鋼材が極厚であるため予熱作業に
多大な労力と時間およびエネルギーを消費する。そして
特に前述のととくＣ含有量の高い極厚鋼板では高い予熱
温度を必要とするため、予熱作業に要するエネルギーコ
ストが著しく高くなる問題があった。また前述のよりな
Ｃ含有量の高い極厚鋼板の場合、充分と思われる程度の
予熱を行っても、往々にして溶接割れが発生し、その手
直し作業を行なわざるを得ない場合があった。さらに、
Ｃ含有量の高い従来の極厚鋼板の場合、溶接部の充分な
延性、靭性が得難く、特に大入熱溶接の場合には靭性の
劣化が大きい欠点があり、そこで溶接能率向上のために
入熱量５０　ｋＪ／ｒｒｎ以上のサブマージアーク溶接
やエレクトロスラグ溶接などの大入熱溶接を行なっても
充分な溶接部靭性を確保できる材料が望まれ゛る。

上述のようなＣ含有量の高い従来のボイラー月極厚肉鋼
板の欠点を解消するため、Ｃ含有量を低くすると同時に
、低Ｃ化による強度低下を補なうために析出強化やＢお
よびＡｌの複合添加（例えば特公昭５７−１９７３１号
、あるいは特公昭５７−２３７３９号）により強度向上
を図る方法が提案されている。

発明が解決すべき問題点 前述のようにＣ含有量を少なくすること自体は、確かに
溶接前の予熱温度の低下に効果があり、捷た溶接部靭性
の確保に効果があるが、それらの効果を充分に発揮させ
るためには、Ｃ含有量を従来の通常のボイラー用極厚鋼
板の場合よりも著しく低下させる必要があり、その場合
低Ｃ化に伴なう強度低下は著しく大きくなる。しかるに
前記提案の如（Ｂ−Ａｌの添加などによって強度低下を
補なう方法では、Ｃ量低域による強度低下に見合う程度
の強度向上を図ることは実際には困難であった。

すなわちこの種の極厚鋼板の場合、ｃｏ、ｏｔ重量％あ
たりの強度増加分は１．２〜１．３　ｋｇｆ／ｍｄにも
達するから、低Ｃ化による強度低下分をＢ−Ａｌ添加に
よって補なおうとする場合、得るべき強度との兼ね合い
から、実際には低下させ得るＣ量に限界があり、したが
って予熱温度の低下などの溶接性改善にも限界があるの
が実情であり、また大入熱溶接時における溶接部靭性の
改善にも限界があった。

さらに、近年ますます高温高圧力化の傾向にあるボイラ
ーに対しては、設計上、より高強度の鋼板を使用するこ
とが望まれているが、現状では従来よりも一層高強度化
を図ると同時に溶接性も満たすことは困難な状況にある
。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、母材強
度を従来鋼よりも一層高めると同時に、溶接性を改善し
て溶接前の予熱温度を充分に低下させ得るようになし、
しかも大入熱溶接時における溶接部靭性も充分に改善し
た極厚向の鋼板を提供することを目的とするものである
。

問題点を解決するための手段 本発明者等は前述のよ゛うな従来の極厚鋼板の欠点を解
消するべく、種々実験を繰返した結果、焼ならし時の板
厚中心部の８００〜４００℃間の平均冷却速度がｌＯシ
ル−下となるような板厚を有する極厚鋼板においては、
ＣｒとＢもしくはＶとを併用し、さらに適量のＮｂを添
加することによって、母材強度を従来鋼以上に高めるこ
とおよび予熱温度の低下という相反する課題を達成し得
ることを見出した。そしてまた、適量のＴｉ　、もしく
はＲＥＶ（希土類元素）、するいはＣａを添加すること
によって、前記特性に加うるに大入熱溶接部靭性の向上
をも図り得ることを見出し、この発明の完成に至ったの
である。

具体的には、本願の第１発明の極厚鋼板は、Ｃ００１２
〜０．２２チ（重量％、以下同じ）、Ｓｉ０、４０　％
以下、Ｍｎ　０．８〜１．５０　Ｔｏ　ｓ　Ａｌ０．Ｏ
ｌ〜０．１０％、Ｃｒ　　０．４〜０．８％、Ｍｏ　　
０．ｌ＝０．３チ、Ｎｂ０．００５〜０．０４０チを含
み、かつ０．０３〜Ｏｌチの■もしくは０．０００３〜
０．００１５チのＢのうちの少なくとも１種を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、さらに下記
式で規定されるＰＣＭの値が０．３３　％以下であるこ
とを特徴とするものである。

Ｐｃｗ　＝　（％　Ｃ）　＋］賃「［％Ｓｉ）＋−７（
％Ｍｎ：］＋−、５−（％Ｃｕ）また本願の第２発明の
極厚鋼板は、前記第１発明で規定する成分のほか、０．
５％以下のＣｕ　。

０．５％以下のＮｉのうちの少なくとも１ｍを含有する
ものである。

さらに本願の第３発明の極厚鋼板は、前記第１発明で規
定する成分のほか、　Ｔｉ　　０．００２〜０．０２０
％、希土類元素０．０　Ｏ３〜０．０５０％、、Ｃａ　
　０．、ＯＯ０１〜０．０１００　％のうちから選ばれ
た１種または２種以上を含有するものである。

そしてまた本願の第４発明の極厚鋼板は、前記第２発明
で規定する成分のほか、Ｔｉ　、希土類元素、Ｃａのう
ちの１種または２種以上を第３発明の場合と同様に含有
するものである。

発明の詳細な説明 以下この発明の低炭素極厚鋼板についてさらに詳細に説
明する。

この発明において対象とする鋼板は、焼ならし時、にお
ける板厚中心部の８００〜４００℃間における冷却速度
がｌＯ°Φ−以下となるような板厚の極厚鋼板である。

具体的には、例えば約６０１１１１程度以上のものが対
象となる。このように板厚中心部の８００〜４００℃間
の平均冷却速度が１０′ウー以下の場合、従来鋼ではフ
ェライト＋パーラ（ｌＯ） イトの組織となるかあるいは４部ペイナイトの混在する
組織となるのに対し、ＣｒとＶもしくはＢを併用し、さ
らにＮｂを添加したこの発明の鋼では、炭化物が微細に
分散したベイナイト□主体の組織が得られ、その結果従
来鋼よりも低Ｃ化しても従来鋼より高い母材強度が得ら
れるのである。さらにこの発明の鋼では、炭素当債は従
来鋼とほぼ同程度であるにもかかわらず、低温割れの発
生し易い小人熱溶接時におけるボンド部および溶接熱影
響部の硬さが従来鋼より低くなるという特徴を有し、そ
の結果溶接施工時の予熱温度を従来鋼より低くしても溶
接割れの発生を防止できるのである。そしてまた、Ｔｉ
　、　ＲＥＶ　、　Ｃａの１種以上の添加によって大入
熱溶接時の溶接ポンド部のオーステナイト粒の成長を抑
制し、ボンド部の組織を細粒化して溶接部靭性を向上さ
せることができるのである。

次にこの発明の鋼の成分限定理由を説明する。

Ｃ：Ｃ含有量が０．２２％を越えれば、従来鋼より溶接
時の予熱温度を低下させることが不可能となり、一方Ｃ
含有量が０．１２４未満となれば所定の強度を確保する
ことが困難となる。したがってＣは０．１２〜０．２２
　％の範囲内とした。

Ｓｉ　：　Ｓｉは一般に強度を保持するために必要であ
るが、０．４％を越えれば靭性を劣化させるから、０．
４チ以下に限定した。

Ｍｎ　：　Ｍｎは溶接性を害さずに強度を向上させるの
に有効であるが、０８チ未満の場合は強度確保が不充分
であり、逆に１．５０％を越えれば靭性が低下して好ま
しくなく、シたがって０．８〜１．５０チの範囲とした
。

ｈｔ　：　ｈｔは通常の製鋼過程において脱酸剤として
有効な元素であり、また組織を微細化して靭性を向上さ
せる作用を果たす。このような作用はｏ、ｏｚ％未満で
は顕著ではなく、一方０．１　％を越えれば逆に靭性を
害するから０．０１〜０．１０　％の範囲に限定した。

Ｃｒ　：　Ｃｒはこの発明の鋼において重要な元素であ
って、ＢもしくはＶと併せて添加することにより低Ｃ化
による強度低下を補うことができる。すなわち、Ｂ添加
処理あるいはＶ添加処理だけでは、溶接性を充分に改善
するだけの低Ｃ化による強度低下を補うことが困難であ
り、ＢもしくはＶとＣｒとを併用することによってはじ
めて充分に強度低下を補うことができるのである。この
ようなＣｒの効果は、０４チ未満では不充分であり、逆
に０．８チを越えれば溶接性を害することとなるから、
０、４〜０．８チの範囲に限定した。

Ｍｏ　：　Ｍｏは強度確保に必要な元素であるが、０．
１％未満ではその効果が顕著ではなく、逆に０．３チを
越えて添加すれば靭性を害するから、０．１〜０，３チ
の範囲に限定した。

Ｎｂ：Ｎｂは鋼組織を細粒化する作用および析出硬化作
用によって母材強度を従来鋼以上に高めるために添加す
るものであり、Ｎｂ添加によってボイラー設計時に許容
応力をより高くすることが可能となる。゛シ゛かしなが
らＮｂがｏ、ｏｏｓｓ’未満ではその効果が少なく、一
方０．０４０　Ｓを越えて添加すれば溶接性を害するか
ら、０．００５〜ｏ、　０４０−の範囲内に限定した。

■およびＢ：これらはこの発明の鋼において重要な元素
であって、いずれか一方または双方をＣｒと併せて添加
することによυ、低Ｃ化による強度低下を補う。■が強
度に及ぼす影響は０．０３４未満では顕著でなく、一方
ＶがＯ３１チを越えれば溶接性に悪影響を及ぼすから、
■の添加量は０．０３〜０゜ｌチの範囲に限定した。ま
たＢはその添加量が０．　ＯＯＯ３％未満では強度上昇
の効果が充分に発揮されず、一方Ｂが０．００１５％を
越えれば溶接性に悪影響を及ぼすから、Ｂの添加量は０
．０００３〜０．００１５％の範囲に限定した。

第１発明の合金成分元素は以上の通りであって、その残
部はＦｅおよび不可避的不純物とすれば良いが、第２発
明の場合は前記各成分のほかＣｕ″！！、たは／および
Ｎｉを添加し、一方策３亮明の場合は前□記各成分のほ
かＴｉ　、　ＲＥＭ　、　Ｃａの１種以上を添加し、さ
らに第４発明ではこれらの両者を添加する。次にこれら
の成分元素の限定理由について説明する。

Ｃｕ　、　Ｎｉ　：　ＣｕおよびＮｉ′はそれぞれ焼入
性増大作用と固溶強化作用に基づき、靭性を害さずに強
度を向上させるのに有効であシ、シたがって本願の第２
発明および第４発明においていずれか一方もしくは双方
を必須成分として添加する。但しＣｕは０．５　％を越
えれば熱間加工性を害するとともに溶接割れ感受性を高
めるので、０．５％以下に限定した。またＮｉは高価な
元素であるから、との種の鋼材におけるコストの面から
０．５　％以下に限定した。

Ｔｉ　：　Ｔｉは前述のように溶接部靭性の改善に有効
な元素であり、その効果を発揮させるために最適なＴｉ
量は鋼中Ｎ量に影響され、Ｔｉ量）Ｊ比で約１．５〜３
．５の範囲内が適切である。通常の素意的規模での製鋼
におけるＮ量の最低値は０．０Ｏ１５％程度であるから
Ｔ１の下限値は０．００２％とした。また過大なＮ量は
溶接金属や溶接ボンド部の靭性に悪影響を及ぼすことか
らＮｔは０．００７（ｌ程度以下に抑える必要があり、
そのＮ量との関係からＴｉ量の上限は０．０２チとした
。

ＲＥＭ　：　ＲＥＭは硫−酸化物を形成してそれが微細
に分散し、大入熱溶接時に熱影響部の粗粒化を抑制する
作用があるが、この効果は０．００３１未満では不充分
であり、一方０．０５０％を越えれば鋼材の内部性状を
害するから、０．００３〜０．０５０％の範囲に限定し
た。

Ｃａ　：　Ｃａも硫−酸化物を形成して大入熱溶接時に
熱影響部の粗粒化を抑制する作用があるが、この効果は
ｏ、ｏｏｏｔ９６未満では不充分であり、一方０．０Ｉ
Ｏ％を越えれば鋼材の内部性状を害するから、ｏ、ｏ　
ｏ　ｏ　ｔ−ｏ、ｏ　ｔ　ｏ％の範囲に限定した。

なおＴｉ　、　ＲＥＭ　、　Ｃａはいずれか１種を単独
添加しても溶接部靭性向上に効果があるが、単独添加の
場合Ｔｉの添加が最も効果があり、さらにＴｉとＲＥＭ
または／およびＣａを複合添加すればより一層その効果
が大きくなる。

この発明の索においては、上述のように各元素の成分範
囲を限定するとともに、従来鋼よりも溶接施工時の予熱
温度を低下させるために溶接割れ感受性組成として知ら
れるＰＣＭ値を０．３３　％以下とする必要がある。

実　　　施　　　例 以下にこの発明の実施例を従来鋼と比較して記す。

第１表に示す本発明組成範囲内の鋼Ａ−Ｕおよび従来鋼
Ｖ−Ｘについて、焼ならし４焼もどし一応力除去焼鈍処
理を行ない、引張試験およびシャルピー衝撃試験を実施
して引張り強さくＴＳ）および０℃における吸収エネル
ギー値（ｖＥｏ　）を調べた。また同様に焼ならし４焼
もどし処理を行った同じ鋼Ａ−Ｕ：Ｖ−Ｘの板厚２０１
ｆｉｌの試験片について、低水素系溶接棒を用いて斜め
Ｙ型溶接割れ試験を行ない、割れ阻止温度を調べた。さ
らに同様な焼ならし４焼もどし処理を行った同じ鋼Ａ〜
Ｕ；ｖ−Ｘについて、溶接入熱量１０００ｋＪ／ｆＷ１
のエレクトロスラグ溶接のボンド部に相当する再現熱サ
イクルを与えた後、そのままの状態のもの、および６２
５℃Ｘ　２１　ｈｒの応力除去焼鈍（ＳＲ）を行なった
ものに対し、それ・ぞれシャルピー衝撃試験を行なって
０℃における衝撃吸収エネルギー（ｖＥｏ　）を調べた
。それらの結果を第１．表中に併せて示す。なお第１表
中に示すように焼ならし時における板厚中心部における
８００〜４００℃間の冷却速度はいずれもｌＯ′い以下
である。また第１表に示される名調のうち、Ａ−Ｑおよ
びＴ。

Ｕ　Ｆｉ、Ａ８ＴＭ規格のＡ２９９に準する本発明鋼で
あり、鋼Ｖ、Ｗはそれに対応する従来鋼、また鋼Ｒ，Ｓ
はＪＩＳ規格の５Ｂ４９に準する本発明鋼であり、鋼Ｘ
はそれに対応する従来鋼である。

第１表から明らかなように本発明鋼のＡ−ＱおよびＴ、
Ｕは従来鋼のＶ、Ｗと比較して、また本発明鋼のＲ，Ｓ
は従来鋼のＸと比較していずれも強度が向上しており、
また母材靭性も優れている。

しかも斜めＹ型溶接割れ試験における割れ阻止温度、し
たがって溶接割れを防止するために必要な予熱温度も、
本発明鋼では従来鋼と比較して５０〜１００℃低丁して
いることが明らかである。さらに大入熱溶接部の靭性も
、従来鋼の場合には溶接のまま相当の場合はもちろんの
こと、溶接後ＳＲ処理相当の場合も低い値しか示さず、
そのため従来鋼では、エレクトロスラグ溶接等の大入熱
溶接を行なった場合溶接部の靭性を良好にするためには
焼ならし処理を必要とすることとなる。これに対し本発
明鋼では、溶接後ＳＲ処理相当のものでは溶接の一！ま
相当のものと比較して著しく靭性が向上しており、した
がって大入熱溶接の場合も焼ならし処理は不要であゆ、
通常の５０　ｋＪ／４−ｒｎ程度までの溶接入熱量の場
合と同様な応力除去焼鈍だけで足りることが明らかであ
る。

発明の効果 以上の説明で明らかなようにこの発明の極厚鋼板は、溶
接性が優れていて、溶接割れ防止のために必要な予熱の
温度を従来よりも格段に低くすることができ、その結果
予熱作業に要するエネルギーコストや時間を従来よりも
大幅に削減でき、しかも強度は従来の極厚鋼板より優れ
ているため、ボイラー等の設計時における許容応力を高
くすることが可能である。さらにこの発明の極厚鋼板は
大入熱溶接の場合の溶接部の靭性、延性にも優れるため
、大入熱溶接の適用によって溶接の高能率化を図り得る
など、従来の極厚鋼板と比較して格段に優れた長所を有
するものである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ０．１２〜０．２２％（重量％、以下同じ）、
   Ｓｉ０．４０％以下、Ｍｎ０．８〜１．５０％、Ａｌ０
   ．０１〜０．１０％、Ｃｒ０．４〜０．８％、Ｍｏ０．
   １〜０．３％、Ｎｂ０．００５〜０．０４０％を含み、
   かつ０．０３〜０．１％のＶもしくは０．０００３〜０
   ．００１５％のＢのうちの少なくとも１種を含有し、残
   部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、さらに下記式
   で規定されるＰ＿Ｃ＿Ｍの値が０．３３％以下であるこ
   とを特徴とする強度及び溶接性に優れた低炭素極厚鋼板
   。 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝〔％Ｃ〕＋１／３０〔％Ｓｉ〕＋１／２０
   〔％Ｍｎ〕＋１／２０〔％Ｃｕ〕＋１／６０〔％Ｎｉ〕
   ＋１／２０〔％Ｃｒ〕＋１／１５〔％Ｍｏ〕＋１／１０
   〔％Ｖ〕＋５〔％Ｂ〕
2. （２）Ｃ０．１２〜０．２２％、Ｓｉ０．４０％以下、
   Ｍｎ０．８〜１．５０％、Ａｌ０．０１〜０．１０％、
   Ｃｒ０．４〜０．８％、Ｍｏ０．１〜０．３％、Ｎｂ０
   ．００５〜０．０４０％を含み、かつ０．０３〜０．１
   ％のＶもしくは０．０００３〜０．００１５％のＢのう
   ちの少なくとも１種と、０．５％以下のＣｕもしくは０
   ．５％以下のＮｉのうちの少なくとも１種とを含有し、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、さらに下記
   式で規定されるＰ＿Ｃ＿Ｍの値が０．３３％以下である
   ことを特徴とする強度及び溶接性に優れた低炭素極厚鋼
   板。 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝〔％Ｃ〕＋１／３０〔％Ｓｉ〕＋１／２０
   〔％Ｍｎ〕＋１／２０〔％Ｃｕ〕＋１／６０〔％Ｎｉ〕
   ＋１／２０〔％Ｃｒ〕＋１／１５〔％Ｍｏ〕＋１／１０
   〔％Ｖ〕＋５〔％Ｂ〕
3. （３）Ｃ０．１２〜０．２２％、Ｓｉ０．４０％以下、
   Ｍｎ０．８〜１．５０％、Ａｌ０．０１〜０．１０％、
   Ｃｒ０．４〜０．８％、Ｍｏ０．１〜０．３％、Ｎｂ０
   ．００５〜０．０４０％を含み、かつ０．０３〜０．１
   ％のＶもしくは０．０００３〜０．００１５％のＢのう
   ちの少なくとも１種と、Ｔｉ０．００２〜０．０２０％
   、希土類元素０．００３〜０．０５０％、Ｃａ０．００
   ０１〜０．０１００％のうちの１種または２種以上とを
   含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、さ
   らに下記式で規定されるＰ＿Ｃ＿Ｍの値が０．３３％以
   下であることを特徴とする強度及び溶接性に優れた低炭
   素極厚鋼板。 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝〔％Ｃ〕＋１／３０〔％Ｓｉ〕＋１／２０
   〔％Ｍｎ〕＋１／２０〔％Ｃｕ〕＋１／６０〔％Ｎｉ〕
   ＋１／２０〔％Ｃｒ〕＋１／１５〔％Ｍｏ〕＋１／１０
   〔％Ｖ〕＋５〔％Ｂ〕
4. （４）Ｃ０．１２〜０．２２％、Ｓｉ０．４０％以下、
   Ｍｎ０．８〜１．５０％、Ａｌ０．０１〜０．１０％、
   Ｃｒ０．４〜０．８％、Ｍｏ０．１〜０．３％、Ｎｂ０
   ．００５〜０、０４０％を含み、かつ０．０３〜０．１
   ％のＶもしくは０．０００３〜０．００１５％のＢのう
   ちの少なくとも１種と、０．５％以下のＣｕもしくは０
   ．５％以下のＮｉのうちの少なくとも１種と、Ｔｉ０．
   ００２〜０．０２０％、希土類元素０．００３〜０．０
   ５０％、Ｃａ０．０００１〜０．０１００％のうちの１
   種または２種以上とを含有し、残部がＦｅおよび不可避
   的不純物よりなり、さらに下記式で規定されるＰ＿Ｃ＿
   Ｍの値が０．３３％以下であることを特徴とする強度及
   び溶接性に優れた低炭素極厚鋼板。 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝〔％Ｃ〕＋１／３０〔％Ｓｉ〕＋１／２０
   〔％Ｍｎ〕＋１／２０〔％Ｃｕ〕＋１／６０〔％Ｎｉ〕
   ＋１／２０〔％Ｃｒ〕＋１／１５〔％Ｍｏ〕＋１／１０
   〔％Ｖ〕＋５〔％Ｂ〕