JPS6242986B2

JPS6242986B2 -

Info

Publication number: JPS6242986B2
Application number: JP5698983A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Okada; Mamoru Matsuo; Sotaro Sekida
Original assignee: Sky Aluminium Co Ltd
Current assignee: Sky Aluminium Co Ltd
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1983-03-31
Publication date: 1987-09-10
Also published as: JPS59182940A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は液化天然ガス（以下LNGと記す）
の輸送用あるいは貯蔵用のタンクなどの溶接構造
物に使用されるAl−Mg基のアルミニウム合金に
関し、特に厚さ80mm以上の極厚肉材として使用さ
れる極低温特性の優れたAl−Mg基溶接構造用ア
ルミニウム合金を提供するものである。周知のようにAl−Mg基合金、特にJIS5083系合
金は溶接性、耐食性、低温特性などが優れ、安定
した特性を有するため、LNG輸送船用タンク、
LNG貯蔵用タンク、そのほか各種車両や船舶等
の溶接構造物に広く使用されている。最近ではこ
のような溶接構造物はますます大型化される傾向
にあり、そのため溶接構造物に使用されるAl−
Mg基合金材料としても厚肉のものが要求される
ようになり、例えばモス型LNGタンカーに積載
される球形タンクの赤道部には厚さ200mm前後の
厚板が使用されるようになつている。ところで上述のようなLNG用の球形タンクの
赤道部用の厚肉材料としては、その構造上、素材
の板厚方向の機械的特性、すなわち延性、靭性、
疲労特性が重視され、特に極低温のLNGを収容
する関係から、極低温におけるこれらの機械的特
性が優れていることが要求される。この発明は厚さ80mm以上の極厚肉材において、
現材料以上に極低温での板厚方向の機械的特性が
充分でしかもその安定性が高いAl−Mg系の溶接
構造用アルミニウム合金を提供することを目的と
するものである。本発明者等は上述の目的を達成すべく、Al−
Mg系合金、特にJIS5083系のAl−Mg−Mn系合金
の厚板における極低温での板厚方向の機械的特性
を改善するべく種々実験・検討を行なつたとこ
ろ、この種の合金の板厚方向の極低温での機械的
特性には、内部に晶出した第２相化合物が大きな
影響を及ぼすことが判明した。すなわち、前述の
ような厚肉の板材の製造、特に大型構造物用の大
寸法でしかも厚肉板材の製造においては厚肉かつ
大型の鋳塊が必要とされる。しかるにこの種の合
金の鋳塊鋳造に広く使用されているDC鋳造法に
おいては鋳塊の肉厚が増すにつれて凝固時の冷却
速度が低下して、鋳塊の内部組織が粗大化し、晶
出化合物も粗大化する傾向がある。特にJIS5083
系合金においてはAl−Fe−Mn系の共晶化合物お
よびAl−Mg−Si系の共晶化合物が厚さ方向中央
部を挾む両側の部分、より正確には板厚をｔとし
て厚さ中央部を挾む両側ｔ／８の位置近傍（すな
わち表皮から3t／８の位置近傍）で粗大化する傾
向があり、このような粗大晶出物は板厚80mm程度
以上の厚板の場合圧延においても充分に微細化、
分散されない。またこのような晶出化合物は粒界
近傍に分布する。したがつて粒界が脆化する極低
温においては化合物による切欠き効果でクラツク
の生成が促進されて粒界に沿つて伝播するため破
壊のエネルギーの低下を招き易い。特に板厚方向
の破壊では粒界が強く関与するため、極低温にお
ける強度、延性、靭性は室温と比較して前述のよ
うな晶出化合物の分布の影響を受け易い。実際に
板厚方向の破断の位置も化合物分布が粗大な領
域、すなわち表皮から3t／８の位置近傍に集中す
ることが確認されている。一方疲労クラツクの伝
播においても応力拡大係数の変動量△Ｋが高い領
域では、主クラツクと化合物で生成した微細クラ
ツクとの連結によりクラツクの伝播が促進される
ため、やはり化合物分布の影響は無視できない。したがつて極低温における板厚方向の機械的特
性を向上、安定化させるためには、素材中の晶出
化合物の分布数を減らすこと、および晶出化合物
の微細化、分散化を図ることが望ましいが、厚板
の場合には総圧延率で制約があるため、前述のよ
うに微細化、分散化を圧延以降の工程で図ること
は困難である。そこで本発明者等は素材の組成面
から共晶化合物の主要成分であるMn、Fe、Siの
量を制限することにより晶出化合物の分布量、大
きさを抑制することを与え、さらに詳細な研究を
重ねた結果、FeおよびMnの合計量を0.80重量％
未満、Fe単独を0.20重量％未満、Siを0.10％未満
に抑制し、それによつて圧延方向に垂直な断面に
おける第２相化合物の分布量をいずれの断面にお
いても面積率で1.6％以下に規制するとともに、
最大径100μｍ以上の第２相化合物の数が最大径
１μｍ以上の全化合物数の0.3％以下となるよう
にすることによつて極低温における機械的特性を
向上させ得ることを見出し、この発明をなすに至
つたのである。したがつてこの発明の溶接構造用アルミニウム
合金は、Mg4〜5.5重量％、Mn0.4〜0.80重量％、
Cr0.05〜0.35重量％、Ti0.005〜0.2重量％を含有
しかつ残部不可避的不純物およびAlよりなるア
ルミニウム合金において、Mnと不可避的不純物
としてのFeとの合計量を0.80重量％未満、Feの
単独量を0.20重量％未満、不可避的不純物として
のSiを0.10重量％未満にそれぞれ抑制し、かつ圧
延方向に垂直な断面における第２相化合物の分布
量を、その断面のいずれの部分においても面積率
で1.6％とし、しかも最大径100μｍ以上の第２相
化合物の数が最大径１μｍ以上の全化合物数の
0.3％以下としたことを特徴とするものである。以下この発明をさらに詳細に説明する。まず合金の成分限定理由について説明する。 Mnはこの発明で対象とする5083系合金に必須
の成分であつて、強度向上およびFeによる耐食
性低下防止に役立つが、0.40重量％未満では充分
な強度が得られない。しかしながらMnが0.80重
量％を越えれば化合物の粗大化が顕著となるか
ら、0.40〜0.80重量％の範囲とする。 Siはこの種の合金に通常は不可避的不純物とし
て含まれるものであるが、その含有量が0.10重量
％以上となればMg₂Siの晶出化合物が多くなつて
材料の均一性の面で好ましくなく、特に極低温で
の板厚方向の機械的特性の安定化および向上を図
る上で好ましくなく、したがつて0.10重量％未満
に限定した。 FeはMnとAl−Fe−Mn系の化合物を形成す
る。この化合物はこの発明で対象とする系の合金
の第２相化合物の大半を占めるため、Mn量との
バランスを考慮してその量を制御する必要があ
る。本発明者等は詳細な実験の結果、Feの単独
量を0.20重量％未満に抑制すると同時にFeとMn
の合計量を0.80重量％未満に抑制することによつ
て第２相化合物の晶出量およびその大きさを、こ
れらが極低温における板厚方向の機械的特性に悪
影響を及ぼさない程度に抑制し得ることを見出し
た。したがつてFeを0.20重量％未満、Fe＋Mnの
合計量を0.80重量％未満に制限した。このほかの成分は従来の5083系の合金とほぼ同
様である。すなわちMgは5083系合金に必須の成
分であつて加工硬化による強度向上の役割を果た
すが、4.0重量％未満では充分な強度が得られ
ず、一方5.5重量％を越えれば加工性が著しく低
下するから、4.0〜5.5重量％とする。またCrは
Mnと同様に強度向上および耐食性低下防止に役
立つが、0.05重量％未満ではそれらの効果が期待
できず、一方0.35重量％を越えれば延性を損うか
ら、0.05〜0.35重量％とする。Tiは鋳塊組織の微
細化及び晶出化合物の微細化、分散化に寄与する
が、0.005重量％未満ではその効果が期待でき
ず、一方0.2重量％を越えればコスト面から、ま
た鋳造性の面から好ましくないから、0.005〜
0.20重量％とした。さらにこの発明の合金におい
ては不可避的不純物として、前述の如くFe、Si
のほか、Cuが含まれることがある。Cuは可及的
に少ないことが望ましいが、0.15重量％までは許
容される。Cuが0.15重量％を越えれば耐食性が
害される。上述のようにFe、Si、Mnを抑制することによ
つて、第２相化合物の分散晶出量および大きさを
極低温における板厚方向の機械的特性に実質的に
影響がない程度に制御することができるのである
が、第２相化合物の晶出量および大きさは具体的
には次の条件を満足させることが必要である。す
なわち、分布量については、圧延方向に垂直な断
面における第２相化合物の晶出量がその断面のい
ずれの部分においても面積率で1.6％以下となる
ことが必要である。ここで面積率で1.6％以下と
は、化合物が300個程度（250〜350個）認められ
る視野で観察した場合における視野面積に対する
視野内の総晶出化合物面積の百分率で1.6以下で
あることを意味する。なお実際には前述のように
板厚中心から面側ｔ／８の位置付近の晶出量が最
も多いから、その位置で観察した結果が面積率で
1.6％以下であれば充分である。一方第２相化合
物の大きさについては、最大径100μｍ以上の化
合物の数が最大径１μｍ以上の全化合物数の0.3
％以下とすることが必要である。この場合も板厚
中心から両側ｔ／８の位置付近の化合物が最も粗
大となるから、その位置で観察して100μｍ以上
の化合物数が0.3％以下であれば充分である。なお前述のようにFe、Siの含有量を規制する
ためには、Al地金等の溶解原料として純度の高
いものを選択して使用すれば良い。以下に実施例に基いて更に具体的に説明する。実施例第１表の試料番号１〜９に示すような成分を含
有する厚さ500mm以上の大型鋳塊をDC鋳造によつ
て得、これを510〜540℃において10〜15時間加熱
後熱間圧延して厚さ200mmの超厚板を得た。得ら
れた超厚板の第２相化合物の分散状況および室
温、極低温（−196℃）における板厚方向の機械
的性質を調べた結果を第２表、第３表に示す。な
お第２表における第２相化合物分散状況は、表皮
から3t／８の位置（板厚中央から両側へｔ／８の
位置）の晶出量が最も多くかつ最も粗大であつて
しかも極低温の引張試験の破断位置もその付近に
集中するところから、圧延方向と垂直な断面にお
ける表皮から3t／８の位置で化合物が300程度認
められる視野を５視野観察し、その平均値で表記
した。

【表】

【表】これらの表から明らかなように、Feが0.20重
量％以上の素材（試料番号７〜９）、Siが0.10重
量％以上の素材（試料番号８）においては、第２
相化合物の晶出量が多くしかも粗大化合物の割合
が高く、これらの場合には極低温での延性（伸び
δ）が室温の場合よりも低い。これはアルミニウ
ム材料本来の特性に反するものであり、粗大な第
２相化合物が影響しているものと思われる。また
Feが0.20重量％未満でしかもSiが0.10重量％未満
であるがFe＋Mn合計量が0.80重量％以上の素材
（試料番号６）の場合、粗大化合物の割合は依然
として高く、極低温での特性も室温と同程度であ
るが、未だ充分ではない。一方、Fe0.20重量％未満、Si0.10重量％未満で
しかもFe、Mnの合計量が0.80重量％未満の素材
（試料番号１〜５）では第２相化合物の晶出量が
少なくしかも粗大化合物の割合も少なく、この場
合には極低温での延性が室温での延性よりも格段
に高くなつており、アルミニウム材料本来の特性
が確保されていることが明らかである。そして特
にFe0.10重量％未満でしかもSi0.10重量％未満の
場合（試料番号１〜２）には、第２相化合物の晶
出量が極めて少なくしかも粗大化合物の割合も著
しく少なく、この場合極低温での機械的特性、特
に延性が著しく優れていることが明らかである。以上の各試料１〜９においてFe、Mn量が板厚
方向延性に及ぼす影響を第１図に示す。第１図に
おいて〇印は極低温における伸びが室温における
伸びよりも優れている場合を示し、●印は極低温
における伸びが室温における伸び以下の場合を示
す。第１図から、極低温における延性を良好にす
るためには、Fe2.0％未満、Fe＋Mn0.80％未満の
両者の条件が必要となることが明らかである。さらに上記各試料のうち、試料番号２、４、
６、９について−196℃の極低温における疲労ク
ラツク伝播試験を行ない、応力拡大係数の変動分
△Ｋ＝40Kg・mm⁻〓における１サイクル当りの疲
労クラツク伝播長さを調べたところ、第４表に示
す結果が得られた。但し疲労クラツク伝播試験片は、ASTM規格
（E399＆647）で示されたＳ−ＴのCT試験片、即
ち切欠を板厚方向に直角な面内に圧延方向と直角
方向に入れたCT試験片で且つその切欠位置を表
皮から3t／８の位置としたものであり、又応力比
Ｒは0.5とした。

【表】第４表から、この発明の成分範囲内の試料２、
４は、Fe＋Mn合計量が過剰な試料６、Fe、Siが
ともに過剰な試料９と比較して、疲労クラツクの
伝播に対する抵抗が高いことが明らかである。以上の説明で明らかなようにこの発明の溶接構
造用アルミニウム合金は、厚さ80mm程度以上の厚
板において極低温での板厚方向の機械的特性、特
に延性や疲労クラツク伝播に対する抵抗が高く、
したがつてLNG用のタンク等、各種大型構造物
に使用した場合に現材料以上に安全性の高い材料
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は素材中のFe、Mn含有量が板厚方向延
性に及ぼす影響を示す相関図である。

Claims

【特許請求の範囲】１ Mg4〜5.5重量％、Mn0.4〜0.80重量％、
Cr0.05〜0.35重量％、Ti0.005〜0.2重量％を含有
しかつ残部が不可避的不純物およびAlよりなる
溶接構造用アルミニウム合金において、 Mnと不純物成分としてのFeとの合計含有量が
0.80重量％未満、Feの単独含有量が0.20重量％未
満、不純物成分としてのSiの含有量が0.10重量％
未満にそれぞれ規制され、かつ圧延方向に垂直な
断面における第２相化合物の分布量が面積率でそ
の断面のいずれの部分においても1.6％以下であ
り、しかも最大径100μｍ以上の第２相化合物の
数が最大径１μｍ以上の全化合物数の0.3％以下
であることを特徴とする、厚さ80mm以上の極厚肉
材で使用される極低温での板厚方向の機械的特性
が優れた溶接構造用アルミニウム合金。