JPWO2020138490A1 - 溶接構造物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
PREN=Cr+3.3Mo+16N・・・(1)
Tα=1455−13.6Cr+22.7Ni−11.2Mo+2.1Mn+781.8N≧1330・・・(2)
溶接金属は特に冷却速度が大きいため、オーステナイト相が再析出し得る時間が限られるだけでなく、局所的な成分低下を考慮する必要があり、更に靭性を確保する点から、Ni量を適宜増量する必要があるという観点から、本発明者ら鋭意検討を行った。
その結果、溶接熱影響部及び溶接金属のオーステナイト量の下限をそれぞれ15%とした場合であっても、鋼材及び溶接金属のN量が下記式(3)を満たすように組成を調整することによって、二相ステンレス鋼の強度、耐食性の向上に有効に作用することを、本発明者らは見出した。
N≧(0.08Cr+0.08Mo−0.06Ni−1.21)/0.6×0.15…(3)
C:0.001〜0.050%、
Si:0.05〜0.80%、
Mn:0.10%〜2.00%、
Cr:21.50〜26.00%、
Ni:3.00〜7.00%、
Mo:0.50〜2.50%、
N:0.100〜0.250%、
Al:0.003〜0.050%、
を含有し、
Oは0.0060%以下、
Pは0.050%以下、
Sは0.0050%以下に制限し、
かつ下記式(1)で定義されるPREN値が28.0以上で、
残部がFe及び不純物からなる二相ステンレス鋼母材と、
溶接金属及び熱影響部とを含む溶接部とを備える溶接構造物であって、
前記溶接金属は、
質量%で、
C:0.001〜0.060%、
Si:0.05〜0.80%、
Mn:0.10%〜3.00%、
Cr:21.50〜28.00%、
Ni:4.00〜10.00%、
Mo:1.00〜3.50%、
N:0.080〜0.250%、
Al:0.001〜0.100%、
を含有し、
Oは0.150%以下、
Pは0.050%以下、
Sは0.0200%以下に制限し、
かつ下記式(1)で定義されるPREN値が30.0以上で、
残部がFe及び不純物からなり、
前記二相ステンレス鋼母材のオーステナイト量は30〜70面積%、前記溶接金属及び溶接熱影響部のオーステナイト量はそれぞれ15〜70面積%であって、
前記溶接部及び前記二相ステンレス鋼母材を含む孔食試験片の50℃で測定したJIS G0577 A法による孔食電位が0.30V vs SSE以上であることを特徴とする溶接構造物。
PREN=Cr+3.3Mo+16N・・・(1)
ただし、式(1)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。
(2)前記二相ステンレス鋼母材の成分が式(2)を満たし、且つ前記二相ステンレス鋼母材及び前記溶接金属のN量が式(3)を満足し、
更に前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有する場合、前記二相ステンレス鋼母材のクロム窒化物析出温度TNが1010℃以下であり、前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有しない場合、前記二相ステンレス鋼母材のクロム窒化物析出温度TNが980℃以下であることを特徴とする(1)に記載の溶接構造物。
Tα=1455−13.6Cr+22.7Ni−11.2Mo+2.1Mn+781.8N≧1330・・・(2)
N≧(0.08Cr+0.08Mo−0.06Ni−1.21)/0.6×0.15・・・(3)
ただし、式(2)、(3)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。
(3)クロム窒化物析出温度TNは、下記推定式(4)又は式(5)であることを特徴とする、(2)に記載の溶接構造物。
8Cr−20Ni+30Mo+50Si−10Mn+550N+730(前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有する場合)・・・(4)
8Cr−20Ni+30Mo+50Si−10Mn+550N+700(前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有しない場合)・・・(5)
ただし、式(4)、(5)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。
(4)前記二相ステンレス鋼母材及び前記溶接金属のうち少なくとも1つは、更に
Nb:0.005〜0.150%
Ti:0.003〜0.020%
Ta:0.005〜0.200%、
Zr:0.001〜0.050%
Hf:0.001〜0.080%
Sn:0.005〜0.100%、
W:0.01〜1.00%
Co:0.01〜1.00%
Cu:0.01〜3.00%
V:0.010〜0.300%
B:0.0001〜0.0050%
Ca:0.0005〜0.0050%
Mg:0.0005〜0.0050%
REM:0.005〜0.050%
のうち1種または2種以上を含有していることを特徴とする(1)乃至(3)のうちいずれかに記載の溶接構造物。
(5)前記二相ステンレス鋼母材の組成を有する熱延用素材を、下記式(6)で示す圧減比が3.0以上、かつ下記式(7)で示す1050℃以下の圧下率が30%以上となるように熱間圧延し、TN+20℃以上1100℃以下で5分以上熱処理して、前記二相ステンレス鋼母材を製造することを特徴とする、(1)乃至(4)のうちいずれかに記載の溶接構造物の製造方法。
熱延用素材の厚さ/二相ステンレス鋼母材の厚さ・・・(6)
(1050℃以下に到達した時の厚さ−二相ステンレス鋼母材の厚さ)/1050℃以下に到達した時の厚さ×100・・・(7)
(6)前記溶接金属は、溶加棒を使用するガスシールドアーク溶接またはタングステンアーク溶接を用いて形成され、下記式(8)で定義される溶接入熱量Qが5,000J/cm以上50,000J/cm以下、下記式(9)で定義される母材希釈率Dが50%以下の溶接条件で形成されたことを特徴とする(5)に記載の溶接構造物の製造方法。
Q=[溶接電流(A)]×[溶接電圧(V)]÷[溶接速度(cm/s)]・・・(8)
D=[二相ステンレス鋼母材の溶融体積]/[全溶接金属体積]×100・・・(9)
以下に、まず本発明の溶接構造物を構成する二相ステンレス鋼母材の組成及び組織の限定理由について説明する。なお本明細書において特に断りのない限り成分に関する%は質量%を表す。
Cは、ステンレス鋼の耐食性を確保するために、0.050%以下の含有量に制限する。0.050%を越えて含有させると熱間圧延時にCr炭化物が生成して、耐食性、靱性が劣化する。好ましくは、0.030%以下であり、さらに好ましくは0.025%以下にするとよい。
一方、ステンレス鋼のC量を低減するコストの観点から0.001%を下限とする。
一方、0.80%を超えて含有させると靱性が劣化する。そのため、0.80%以下にする。好ましくは0.50%以下、さらに好ましくは0.40%以下にするとよい。
一方、Mnはステンレス鋼の耐食性を低下する元素であるので、Mnを2.00%以下にするとよい。好ましくは1.80%以下、さらに好ましくは1.50%以下にするとよい。
一方で、Crを、26.00%を超えて含有させるとフェライト相分率が増加し靭性及び溶接部の耐食性を阻害する。このためCrの含有量を26.00%以下とした。好ましくは25.00%以下、さらに好ましくは24.50%以下にするとよい。
一方、Niは高価な合金であり、省合金型二相ステンレス鋼を対象とした本発明鋼ではコストの観点より7.00%以下の含有量に制限する。好ましくは6.50%以下、さらに好ましくは6.00%以下にするとよい。
一方、Moは高価であるとともに、金属間化合物析出を促進する元素であり、本発明鋼では熱間圧延時の析出を抑制する観点と経済的観点からMo含有量は少ない方が好ましいので2.50%以下とする。好ましくは2.00%未満、さらに好ましくは1.80%以下、より好ましくは1.50%以下にするとよい。
一方、固溶限度はCr含有量に応じて高くなるが、本発明鋼においては0.250%超含有させるとCr窒化物を析出して靭性及び耐食性を阻害するようになる。そのため、N含有量を0.250%以下とした。好ましくは0.230%以下、さらに好ましくは0.200%以下にするとよい。
一方、AlはNとの親和力が比較的大きな元素であり、過剰に添加するとAlの窒化物を生じてステンレス鋼の靭性を阻害する。その程度はN含有量にも依存するが、Alが0.050%を超えると靭性低下が著しくなるためその含有量を0.050%以下にするとよい。好ましくは0.040%以下、より好ましくは0.030%以下にするとよい。
本発明の溶接構造物を構成する二相ステンレス鋼母材の化学組成において、残部は、Fe及び不純物である。ここで、不純物とは、前記鋼母材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、当該鋼に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。主な不純物としては、P、S、Oが挙げられるが、これに限定されず、他の元素も不純物として含有されうる。
河川の淡水、汽水等の自然水の環境下では、微生物の活動により二相ステンレス鋼の自然電位が高くなる。自然電位が高い環境下ではCr濃度の僅かな低下であっても耐食性に大きな影響を及ぼす。このため、本発明鋼が適用される環境下では、二相ステンレス鋼を溶接してCr窒化物が析出した場合、Cr窒化物周囲のCr欠乏層が孔食の起点となる。
PREN=Cr+3.3Mo+16N・・・(1)
ただし、式(1)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。
次に、本発明における溶接構造物に形成される溶接金属の成分組成の限定理由を以下に説明する。なお、以下に示す「%」は、特に説明がない限り「質量%」を意味するものとする。
Cは耐食性に有害であるが、強度の観点からある程度の含有が好ましいため、C含有量は0.001%以上である。また、その含有量が0.060%超では溶接のままの状態及び再熱を受けるとCはCrと結合してCr炭化物を析出し、耐粒界腐食性及び耐孔食性が著しく劣化するとともに、溶接金属の靱性、延性が著しく低下するため、その含有量を0.001〜0.060%に限定した。
但し、その含有量が3.50%を越えるとシグマ相など脆い金属間化合物を生成して溶接金属の靱性が低下するため、下限を1.00とし、上限を3.50%に制限する。好ましくは2.00%以上で、3.00%以下にするとよい。
本発明の溶接構造物に形成される溶接金属の化学組成において、残部は、Fe及び不純物である。ここで、不純物とは、前記鋼母材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、当該鋼に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。主な不純物としては、P、S、Oが挙げられるが、これに限定されず、他の元素も不純物として含有されうる。
河川の淡水、汽水等の自然水の環境下では、微生物の活動により二相ステンレス鋼の自然電位が高くなる。自然電位が高い環境下ではCr濃度の僅かな低下であっても耐食性に大きな影響を及ぼす。このため、本発明鋼が適用される環境下では、二相ステンレス鋼を溶接してCr窒化物が析出した場合、Cr窒化物周囲のCr欠乏層が孔食の起点となる。本発明者らは、溶接構造物の二相ステンレス鋼溶接部のオーステナイト量が15面積%未満となるか、70面積%超となる場合、SUS316Lを下回る耐食性となることを明らかにした。
さらに、本発明の溶接構造物を構成する二相ステンレス鋼母材及び溶接金属(以下、単に「本発明の溶接構造物の母材及び溶接金属」ともいう。)は、以下の元素のうち1種または2種以上を必要に応じて0%以上含有することができる。もっとも、これらの元素をいずれも含有しなくとも本発明の目的は達成できる。
一方、Nbが0.150%を越えて含有させるとNbの窒化物が多量に析出し、靱性を阻害するようになることから、その含有量を0.150%以下と定めた。好ましくは0.090%以下、さらに好ましくは0.070%以下、より好ましくは0.050%以下にするとよい。
なお、Nbは高価な元素であるが、品位の低いスクラップに含有されるNbを積極的に利用することで、ステンレス溶解原料コストを安価にすることができる。このような方法により、Nb含有鋼の溶解コストの低減を図ることが好ましい。
ここでREMはLaやCe等のランタノイド系希土類元素の含有量の総和とする。
本発明において、二相ステンレス鋼母材の成分は以下の式(2)を満たすことが好ましい。
Tα=1455−13.6Cr+22.7Ni−11.2Mo+2.1Mn+781.8N≧1330・・・(2)
Tαは二相ステンレス鋼母材を加熱した際に、オーステナイトが消失しフェライト単相となる温度(以下、「フェライト単相化温度」という。単位は℃である。)を推定する成分式である。このフェライト単相化温度が低いと、溶接時に長時間フェライト単相域に晒されることになり、フェライト相の粗大化が助長され、溶接熱影響部の靭性が低下する。実験の結果、Tαが1320℃を下回ると極端に熱影響部の靭性が低下することを見出したため、1330℃以上とした方が好ましい。より好ましくは1340℃以上である。
この式は、サーモカルク社の熱力学計算ソフト「Thermo−Calc 」(登録商標) を用いた平衡計算により求め、実験により修正した。
本発明において、二相ステンレス鋼母材及び溶接金属のN量は、以下の式(3)を満たすことが好ましい。
N≧(0.08Cr+0.08Mo−0.06Ni−1.21)/0.6×0.15・・・(3)
ただし、式(3)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。
クロム窒化物は、CrとNが結合した析出物であり、二相ステンレス鋼においては立方晶のCrNまたは六方晶のCr2Nがフェライト粒内もしくはフェライト粒界に析出することが多い。これらのクロム窒化物が生成すると、衝撃特性を低下させるとともに、析出にともなって生成するクロム欠乏層により耐食性が低下する。
(1) 10mm厚の供試鋼を、熱延後一旦1050℃×20分の熱処理を行ったのち800〜1100℃の任意の温度で20分間均熱処理を行い、その後5秒以内に水冷を行う。
(2) 冷却後の供試鋼表層を#500研磨する。
(3) 3g試料を分取し、室温の非水溶液(3%マレイン酸と、1%テトラメチルアンモニウムクロライドとを含み、残部がメタノール)中で電解(100mV定電圧)してマトリックスを溶解する。
(4) 0.2μm穴径のフィルターで残渣(すなわち、析出物)を濾過し、析出物を抽出する。
(5) ICPを用いて、残渣の化学組成を分析し、前記残渣に含有されるクロム含有量(質量%)を求める。この残渣中のクロム含有量をクロム窒化物の析出量の指標とする。
(6) (1)の均熱処理温度を種々変化させ、残渣中のクロム含有量が0.03%以下となる均熱処理温度のうちの最低温度をTNとする。
8Cr−20Ni+30Mo+50Si−10Mn+550N+730(二相ステンレス鋼母材がNbを含有する場合)・・・(4)
8Cr−20Ni+30Mo+50Si−10Mn+550N+700(二相ステンレス鋼母材がNbを含有しない場合)・・・(5)
ただし、式(4)、(5)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。
次に、本発明の溶接構造物の製造方法について説明する。
[二相ステンレス鋼母材の製造方法]
熱延用素材の厚さ/本発明の溶接構造物の二相ステンレス鋼母材の厚さ・・・(6)
(1050℃以下に到達した時の厚さ−本発明の溶接構造物の二相ステンレス鋼母材の厚さ)/1050℃以下に到達した時の厚さ×100・・・(7)
なお、「1050℃以下に到達した時の厚さ」とは、熱間圧延中に前記熱延用素材の表面温度を逐次測定し、1050℃以下に到達した際の厚さを測定して求める。
本発明では、優れた靱性と海水環境下での耐食性を有する溶接部を形成するために溶接金属を形成する際の溶接条件について以下のように限定するのが好ましい。
Cr、Moを含有する二相ステンレス鋼は、約700℃〜900℃の温度域に保持されると、靭性に有害なシグマ相などの脆い金属間化合物が析出し、耐食性、靱性が著しく低下する。また、同様に耐食性、靭性に有害なCr窒化物は、約600℃から800℃の温度域で析出する。溶接金属は、凝固後の冷却過程において900℃〜600℃を通過する時間が長くなると、シグマ相もしくはCr窒化物が多量に析出する。また、多層パス溶接により形成された溶接金属では、前層パスが後続パスによる熱サイクルを受け、600℃〜900℃の温度域となる時間が長くなる場合も同様である。
Q(J/cm)=[溶接電流(A)]×[溶接電圧(V)]÷[溶接速度(cm/s)]・・・(8)
本発明では、溶接金属の耐食性及びオーステナイト量を確保するために、溶接金属は、二相ステンレス鋼母材に対して、Mo含有量及びNi含有量、PRENの少なくとも1種が高いことが好ましい。しかしながら、母材による希釈率が高すぎると、適正な溶加棒を使用しても母材の混合が大きく、狙いの成分を得難くなる。つまり溶接条件として、溶接時の母材希釈率は、50%以下に限定するのが好ましい。母材希釈率Dは、以下の式で定義される。
D=[二相ステンレス鋼母材の溶融体積]/[全溶接金属体積]×100・・・(9)
本発明の溶接構造物は、溶接金属及び熱影響部とを含む溶接部について50℃で測定したJIS G0577 A法による孔食電位が0.30V vs SSE以上になる。このように、本発明の溶接構造物は、汽水環境においてSUS316Lと同等以上の耐食性を有する。
本発明の溶接構造物を構成する二相ステンレス鋼母材は、JIS Z 2202に規定されたシャルピー衝撃試験方法により測定されたシャルピー衝撃値が、−20℃で100J/cm2以上である。
また、本発明の溶接構造物の溶接熱影響部及び溶接金属は、JIS Z 2202に規定されたシャルピー衝撃試験方法により測定されたシャルピー衝撃値が、いずれも−20℃で50J/cm2以上である。
11a 鋼母材
11b 鋼母材
12 溶接金属12
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.001〜0.050%、
Si:0.05〜0.80%、
Mn:0.10%〜2.00%、
Cr:21.50〜26.00%、
Ni:3.00〜7.00%、
Mo:0.50〜2.50%、
N:0.100〜0.250%、
Al:0.003〜0.050%、
を含有し、
Oは0.0060%以下、
Pは0.050%以下、
Sは0.0050%以下に制限し、
かつ下記式(1)で定義されるPREN値が28.0以上で、
残部がFeおよび不純物からなる二相ステンレス鋼母材と、
溶接金属及び熱影響部とを含む溶接部とを備える溶接構造物であって、
前記溶接金属は、
質量%で、
C:0.001〜0.060%、
Si:0.05〜0.80%、
Mn:0.10%〜3.00%、
Cr:21.50〜28.00%、
Ni:4.00〜10.00%、
Mo:1.00〜3.50%、
N:0.080〜0.250%、
Al:0.001〜0.100%、
を含有し、
Oは0.150%以下、
Pは0.050%以下、
Sは0.0200%以下に制限し、
かつ下記式(1)で定義されるPREN値が30.0以上で、
残部がFeおよび不純物からなり、
前記二相ステンレス鋼母材のオーステナイト量は30〜70面積%、前記溶接金属及び溶接熱影響部のオーステナイト量はそれぞれ15〜70面積%であって、
前記溶接部及び前記二相ステンレス鋼母材を含む孔食試験片の50℃で測定したJIS G0577 A法による孔食電位が0.30V vs SSE以上であることを特徴とする溶接構造物。
PREN=Cr+3.3Mo+16N・・・(1)
ただし、式(1)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。 - 前記二相ステンレス鋼母材の成分が式(2)を満たし、且つ前記二相ステンレス鋼母材及び前記溶接金属のN量が式(3)を満足し、
更に前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有する場合、前記二相ステンレス鋼母材のクロム窒化物析出温度TNが1010℃以下であり、前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有しない場合、前記二相ステンレス鋼母材のクロム窒化物析出温度TNが980℃以下であることを特徴とする、請求項1に記載の溶接構造物。
Tα=1455−13.6Cr+22.7Ni−11.2Mo+2.1Mn+781.8N≧1330・・・(2)
N≧(0.08Cr+0.08Mo−0.06Ni−1.21)/0.6×0.15・・・(3)
ただし、式(2)、(3)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。 - クロム窒化物析出温度TNは、下記推定式(4)又は式(5)であることを特徴とする、請求項2に記載の溶接構造物。
8Cr−20Ni+30Mo+50Si−10Mn+550N+730(前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有する場合)・・・(4)
8Cr−20Ni+30Mo+50Si−10Mn+550N+700(前記二相ステンレス鋼母材がNbを含有しない場合)・・・(5)
ただし、式(4)、(5)中における元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示し、含有していない場合は0を代入する。 - 前記二相ステンレス鋼母材及び前記溶接金属のうち少なくとも1つは、更に
Nb:0.005〜0.150%
Ti:0.003〜0.020%
Ta:0.005〜0.200%、
Zr:0.001〜0.050%
Hf:0.001〜0.080%
Sn:0.005〜0.100%、
W:0.01〜1.00%
Co:0.01〜1.00%
Cu:0.01〜3.00%
V:0.010〜0.300%
B:0.0001〜0.0050%
Ca:0.0005〜0.0050%
Mg:0.0005〜0.0050%
REM:0.005〜0.050%
のうち1種または2種以上を含有していることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載の溶接構造物。 - 前記二相ステンレス鋼母材の組成を有する熱延用素材を、下記式(6)で示す圧減比が3.0以上、かつ下記式(7)で示す1050℃以下の圧下率が30%以上となるように熱間圧延し、TN+20℃以上1100℃以下で5分以上熱処理して、前記二相ステンレス鋼母材を製造することを特徴とする、請求項1乃至4のうちいずれか1項に記載の溶接構造物の製造方法。
熱延用素材の厚さ/二相ステンレス鋼母材の厚さ・・・(6)
(1050℃以下に到達した時の厚さ−二相ステンレス鋼母材の厚さ)/1050℃以下に到達した時の厚さ×100・・・(7) - 前記溶接金属は、溶加棒を使用するガスシールドアーク溶接またはタングステンアーク溶接を用いて形成され、下記式(8)で定義される溶接入熱量Qが5,000J/cm以上50,000J/cm以下、下記式(9)で定義される母材希釈率Dが50%以下の溶接条件で形成されたことを特徴とする、請求項5に記載の溶接構造物の製造方法。
Q=[溶接電流(A)]×[溶接電圧(V)]÷[溶接速度(cm/s)]・・・(8)
D=[二相ステンレス鋼母材の溶融体積]/[全溶接金属体積]×100・・・(9)
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