JPS5914538B2 - 応力除去焼なまし割れ感受性の低い鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鋼材もしくは溶接継手部等の応力除去焼なまし
割れ（以下ＲＳＲ割れ」と略記する）を防止するために
鋼中不純物制御を行なった鋼に関するものである。

応力除去焼な甘し処理を必要とする部材は鍛鋼品、鋳鋼
品、機械加工部品、ボイラー、圧力容器、溶接継手部、
肉盛クラツド等広汎であり、鋼材の化学組成もＳｓ＋
ＭｎｔＮｉ＋ ＣｒｔＭＯｒＶ＋ Ｎｂ，Ｃｕその他の
合金元素を含む低炭素鋼または中炭素鋼と多岐多様であ
るが、しばしばこの処理に伴なってＳＲ割れが発生して
鋼材もしくは溶接構造物等の製造上大きな問題となって
いる。

ＳＲ割れはその発生時期が製造工程の最終段階に当って
おり、しかもその発生個所が鋼材の深部であるような場
合には部分的修復は不可能である。従来、ＳＲ割れを事
前に防止するための研究は盛んに行なわれており、その
一つの方向として溶接人熱量セ予熱温度等の影響を検討
することによって製造工程を改善してＳＲ割れを防止し
ようという試みがある。

他方、鋼材の化学組成の影響を検討することによってＳ
Ｒ割れ感受性の低い鋼材を開発しようという試みも盛ん
に行なわれている。後者の主流はＳＲ割れ感受性におよ
ぼす個々の合金元素の影響を解明することを目的として
おり、これ等の研究の結果から二次硬化元素の結晶粒内
析出あるいは炭化物の結晶粒界析出がＳＲ割れの原因で
あると言われて来た。しかしながら多岐多様の鋼材にお
ける個々の合金元素の影響は必ずしも画一的普遍的なも
のではなく、上記の析出物があれば必然的にＳＲ割れを
起すわけではない。逆に、上記の析出物が生じないよう
に成分設計しても必ずしもＳＲ割れが防止されるとは限
らない。さらに、鋼材の用途によってはその化学組成を
構成している゛合金元素濃度を大幅に改訂することが許
されない場合が多く、このようなＳＲ割れ防止策は全く
無力である。本発明は、ＳＲ割れ感受性に不純物が影響
をおよぼす可能性があるという従来の研究とは全く別の
観点に立って種々研究を進めた結果として得られた下記
の新発見に基づいている。

すなわち、ＳＲ割れした鋼材の粒界破面をオージエ電子
分析法によって調べた結果、第１図に示すように、破面
近傍にＳ（いおう）の顕著な偏析が認められた。この第
１図は鋼種Ａ３のＳＲ割れ破面から深さ方向のＳ（いお
う）の分布状態を示したものである。縦軸はオージエ電
子スペクトルにおけるＳ（いおう）の強度と鉄の強度と
の比であってＳ（いおう）の濃度に対応する。横軸はＳ
Ｒ割れ破面をスパッタリングによって掘った深さであり
、フルスケールが約５０Ａの程度である。この偏析の深
さは高々数＋Ａの程度であり、しかも破面から結晶粒内
に向って濃度が単調に減少していることから、この偏析
しているＳ（いおう）は介在物としてではなく固溶状態
で分布していることが明白である。次に、このような固
溶状態のＳ（いおう）の結晶粒界への偏析を除去するた
めに、製鋼工程においてＣｅ（セリウム）を添加した効
果を第２図に示す。すなわち、第２図は後述の第１表お
よび第２表に示す鋼種Ａ３およびＧに溶接熱履歴再現処
理を施した後、６１０℃で約４０ｋ１ｍｍ２の初期応力
を負荷して定歪拘束保持したときの応力緩和特性と鋼種
Ａ３の破断時間を示したものである。

図から明らかなように、Ｃｅ（セリウム）を添加しない
鋼種Ａ３は短時間でＳＲ割れを起すのに対して、Ｃｅ（
セリウム）を添加した鋼種Ｇ１はＳＲ割れを起さず、長
時間の応力除去焼な１し処理によって十分に応力緩和す
る。これ等の発見からして、固溶状態のＳ（いおう）の
粒界偏析がＳＲ割れの原因になっていることが明白であ
る。なおここで付言すべきことは、ＳＲ割れの形態は延
性粒界破壊であるので、固溶状態のＳ（いおう）の粒界
偏析がＳＲ割れを起す効果は不純物の粒界偏析が焼もど
し脆化を起す効果とは全く異質のものであるということ
である。本発明は上述の新発見にもとづいて、固溶状態
のＳ（いおう）の粒界偏析を抑制し、ＳＲ割れ感受性の
低い鋼の成分系を見出したものである。

・次に本発明の限定理由についてのべる。Ｃ（炭素）
は鋼の強化のために０．０５％は必要であるが、溶接性
及び加工性が劣化するために上限を０．５％とした。Ｓ
ｉ（硅素）は鋼の脱酸及び強化のために添加されるもの
で、０．１０％以上は必要であるが多すぎると靭性及び
溶接性が劣化するので１．０楚を上限とした。Ｍｎ（マ
ンガン）は鋼の脱酸材として、また強度及び焼入性を付
与するために添加されるものであるが、製鋼作業上の因
難性及び加工性の点から３．０％を上限とした。Ｓ（い
おう）及びこれを固定するための元素は本発明の特徴を
なすものである。第１表鋼種Ｂに示したように鋼中の全
Ｓ（いおう）量が０。００２％以下であればＳＲ割れを
防止出来ることが明らかとなった。

したがって本発明が目的とするＳＲ割れ防止には全Ｓ（
いおう）量を０．００２％以下にとどめることが有効で
ある。Ｓ（いおう）を０．００２％以下に低減するため
には、例えばＣａＣ２処理、取鍋精錬法等、スラグを添
加して精錬する方法が用いられるが、いかなる工程を用
いてＳ（いおう）を低減しても差支えない。しかしなが
ら鋼中に含１れる全Ｓ（いおう）量が０．００２％を越
える鋼材でも、その鋼材もしくは溶接構造物の製造工程
における熱履歴を経た後１でＳ（いおう）が鋼中で安定
に固定されていて、前述のとおり０．００２％を超える
固溶状態のＳ（いおう）が生じなければ、ＳＲ割れを起
さない。第１表の鋼種Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉある
いはＫは製鋼工程においてＭｇ（マグネシウム）Ｔｅａ
（カルシウム），Ａｌ（アルミニウム），Ｙ（イットリ
ウム）， Ｃｅ（セリウム），Ｔｉ（チタン），Ｚｒ（
ジルコニウム），あるいはＨｆ（ノ・フニウム）を微量
添加したものであり、これ等の元素の微量添加によって
ＳＲ割れは防止されることが明らかである。これ等の元
素はいずれも強い硫化物形成元素であり、これ等の元素
の添加によって鋼中に含有される全Ｓ（いおう）量が低
減されるか、あるいは硫化物もしくはＳ（いおう）を含
む複化合物としてＳ（いおう）が安定に固定されること
がＳＲ割れの防止のために必要である。これ等の元素の
硫化物はいずれも溶鋼中においてもその溶解度が極めて
小であるから、その原子当量分のＳ（いおう）が硫化物
となり、残余が固溶状態のＳ（いおう）として存在する
ことが期待されるが、より確実を期すためには鋼中に残
存するＳ（いおう）量に対してこれらの元素が鋼中に残
存する量がそれぞれＭｇ（マグネシウム）の場合には３
．０倍以上、Ｃａ（カルシウム）の場合には１．５倍以
上、ＡＩ（アルミニウム）の場合には６．０倍以上、Ｙ
（イットリウム）の場合には６。０倍以上、Ｃｅ（セリ
ウム）の場合には９．０倍以上、Ｔｉ（チタン）の場合
には６．０倍以上、Ｚｒ（ジルコニウム）の場合には６
．０倍以上、あるいはＨｆ（ハフニウム）の場合には６
。

０倍以上であることが好ましい。

ここで固溶状態のＳ（いおう）の量の算定は次式による
ものとする。Ｘ（％＋一（Ｍｇ／３．０＋Ｃａ／１．５
＋ＡＡＡ．Ｏ＋Ｙ／６．０・＋Ｃｅ／９。

０＋Ｔｉ／６．０＋Ｚｒ／／６．０＋Ｈｆ／Ｅ．Ｏ）固
溶状態のＳ量（イ）＝鋼中Ｓ量（イ）一Ｋ（％左辺が負
になるときは零とみなす。

これ等の元素を鋼中に添加する方法としては、粉粒状の
添加物をガスと共に溶鋼へ注入する方法、添加物を内蔵
するカプセルを鋳型中に固定する方法、あるいは添加物
を内蔵するワイヤーを溶鋼中へ送り込む方法等が用いら
れるが、いかなる方法で添加しても差支えない。

ただし、これ等の元素をあまり過剰に添加し過ぎると添
加元素自体の有害な影響が無視出来なくなるので、Ｓ（
いおう）を０．０５％以下含有する鋼においては上記元
素の含有量は０．５％以下に限定すべきである。なお、
これ等の元素はフエロアロイやシリコンカルシウム等の
複合物として添加しても差支えなく、１たこれ等の元素
の２種以上を複合添加しても差支えない。複合添加の場
合には鋼中に残存する量（イ）として（Ｍｇ／３．０＋
Ｃａ／１．５＋Ａｌｌ／６，０＋Ｙ／６．０＋Ｃｅ／９
．０＋Ｔｉ／６。

０＋Ｚｒ／ ６．０＋Ｈｆ／６．０）が０．１％以下に
限定されるべきであり、壕た上記の量が鋼中に残存する
Ｓ（いおう）量（ハ）以上であることが好１しい。

１た本発明の効果は溶接熱影響部の主なる金属組織がマ
ルテンサイト、ペイナイトあるいはこれらの混合組織で
ある場合に生じるものであり、また本発明による鋼の用
途は主としてボイラー、圧力容器、溶接構造物などであ
るので、その際に要求される強度、靭性及び焼入性をみ
たすために必要に応じてＮｉ（ニッケル）５％以下、Ｃ
ｒ（クロム）３％以下、ＭＯ（モリブデン）３％以下、
Ｖ（バナジウム）１％以下、Ｎｂ（ニオブ）１％以下、
Ｃｕ（銅）１％以下の一種または二種以上を添加するこ
とが出来る。

Ｎｉは主として鋼材の靭性を向上させるためにしばしば
添加されるが、Ｎｉ量が５％を越える現用鋼においては
通常応力除去焼なまし割れが生じない。Ｃｒは主として
鋼材の強度を高めるためにしばしば添加されるが、Ｃｒ
量が３％を越える鋼においては通常応力除去焼な１し割
れが生じない。ＭＯ，Ｖ＆よびＮｂは主として鋼材の強
度を高めるためにしばしば添加されるが、これ等の元素
は高価であるので、ＭＯは３％以下に、Ｖは１％以下に
、およびＮｂは１％以下に限定される。Ｃｕは鋼材の強
度を高めるため、および／一【たは耐食性を向上させる
ためにしばしば添加されるが、添加量が多過ぎると溶接
施工の際に既に割れを生じ易いので１％以下に限定され
る。本発明の実施例を第１表，第２表に示した。

またＭｇ，Ｃａ，ＡｌｔＹｙｃｅ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆを
添加した場合の以下の方法によって算定したＸおよび固
溶Ｓの値も表中に記載した。Ｘ％）＝ （Ｍｇ／３．０
＋Ｃａ７’ １．５＋Ａｌｌ／６．０＋Ｙ／６．０＋
Ｃｅ／９．０＋Ｔｉ／６．０＋Ｚｒ／６．０＋Ｈｆ／６
．０）固溶状態のＳ量（イ）＝鋼中Ｓ量（イ）一Ｘ＠左
辺が負になるときは零とみなす。

Ｕ〕 以上説明したように本発明によればＳＲ割れを防止する
ことができ、従ってその効果は極めて太きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼種Ａ３についてＳ（いおう）の相対オージエ
電子強度とＳＲ割れ破面からの深さとの関係を示す図表
、第２図は鋼種Ａ３とＧ１について定歪拘束の負荷応力
と６１０℃における応力除去焼な１し時間との関係を示
す図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．１０〜１．０
   ％、Ｍｎ：３％以下に、Ｃｒ：３％以下、Ｍｏ：３％以
   下、Ｖ：１％以下、Ｎｂ：１％以下、Ｃｕ：１％以下の
   一種または二種以上を含み、残余が実質的にＦｅで、か
   つ溶接熱影響部の主な金属組織がマルテンサイト、ベイ
   ナイトあるいはこれらの混合組織からなり、応力除去焼
   なまし処理の際に割れを生じ易い鋼において、更にＳを
   ０．００２％以下に抑制した応力除去焼なまし割れ感受
   性の低い鋼。 ２ Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．１０〜１．０
   ％、Ｍｎ：３％以下に、Ｃｒ：３％以下、Ｍｏ：３％以
   下、Ｖ：１％以下、Ｎｂ：１％以下、Ｃｕ：１％以下の
   一種または二種以上とＮｉ：５％以下を含み、残余が実
   質的にＦｅで、かつ溶接熱影響部の主な金属組織がマル
   テンサイト、ベイナイトあるいはこれらの混合組織から
   なり、応力除去焼なまし処理の際に割れを生じ易い鋼に
   おいて、更にＳを０．００２％以下に抑制した応力除去
   焼なまし割れ感受性の低い鋼。 ３ Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．１０〜１．０
   ％、Ｍｎ：３％以下に、Ｃｒ：３％以下、Ｍｏ：３％以
   下、Ｖ：１％以下、Ｎｂ：１％以下、Ｃｕ：１％以下の
   一種または二種以上を含み、残余が実質的にＦｅで、か
   つ溶接熱影響部の主な金属組織がマルテンサイト、ベイ
   ナイトあるいはこれらの混合組織からなり、応力除去焼
   なまし処理に際し割れを生じ易い鋼において、更にＭｇ
   、Ｃａ、Ａｌ、Ｙ、Ｃｅ、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの一種
   または二種以上をそれぞれが０．５％以下でかつ（Ｍｇ
   ／３．０＋Ｃａ／１．５＋Ａｌ／６．０＋Ｙ／６．０＋
   Ｃｅ／９．０＋Ｔｉ／６．０＋Ｚｒ／６．０＋Ｈｆ／６
   ．０）が０．１％をこえない範囲で添加することにより
   鋼中の固溶状態のＳを０．００２％以下に抑制した応力
   除去焼なまし割れ感受性の低い鋼。 ４ Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．１０〜１．０
   ％、Ｍｎ：３％以下に、Ｃｒ：３％以下、Ｍｏ：３％以
   下、Ｖ：１％以下、Ｎｂ：１％以下、Ｃｕ：１％以下の
   一種または二種以上とＮｉ：５％以下を含み、残余が実
   質的にＦｅで、かつ溶接熱影響部の主な金属組織がマル
   テンサイト、ベイナイトあるいはこれらの混合組織から
   なり、応力除去焼なまし処理に際し割れを生じ易い鋼に
   おいて、更にＭｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｙ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｚｒ
   およびＨｆの一種または二種以上をそれぞれが０．５％
   以下でかつ（Ｍｇ／３．０＋Ｃａ／１．５＋Ａｌ／６．
   ０＋Ｙ／６．０＋Ｃｅ／９．０＋Ｔｉ／６．０＋Ｚｒ／
   ６．０＋Ｈｆ／６．０）が０．１％をこえない範囲で添
   加することにより鋼中の固溶状態のＳを０．００２％以
   下に抑制した応力除去焼なまし割れ感受性の低い鋼。