特許ウォッチ

公開番号2025130176
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-08
出願番号2024027168
出願日2024-02-27
発明の名称溶接継手およびその製造方法
出願人JFEスチール株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類C22C 38/00 20060101AFI20250901BHJP(冶金;鉄または非鉄合金;合金の処理または非鉄金属の処理)
要約【課題】低温靭性に優れ、液化アンモニアによる応力腐食割れを抑制し、570MPa以上の引張強度を有する溶接継手およびその製造方法の提供。
【解決手段】母材と、溶接金属と、溶接熱影響部とを有する溶接継手であり、母材および溶接金属は、夫々特定範囲の化学組成を有し、
母材の表面から板厚方向に1/4厚から3/4厚までにおけるベイナイト組織の面積分率が90%以上であり、
母材の表面から板厚方向に1mmの位置におけるビッカース硬さが230以下であり、
溶接熱影響部におけるビッカース硬さが230以下であり、
溶接金属におけるビッカース硬さがHVW以下(HVW=260-100×Ni)であり、
母材および溶接継手の引張強度が570MPa以上であり、
母材および溶接金属のシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが-40℃で47J以上である、溶接継手。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
母材と、溶接金属と、溶接熱影響部とを有する溶接継手であり、
前記母材は、質量％で、
Ｃ：０．０５～０．０９％、
Ｓｉ：０．０１～０．５５％、
Ｍｎ：１．００～１．９５％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ａｌ：０．００１～０．０６０％、
Ｎｂ：０．００６～０．０６０％、
Ｎ：０．００１～０．００６％
を含有し、かつ下記式（１）で表されるＰｃｍが０．１５～０．２０を満足し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、
前記溶接金属は、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０１～０．５５％、
Ｍｎ：１．００～１．９５％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ａｌ：０．００１～０．０６０％、
Ｔｉ：０．００６～０．０３０％、
Ｂ：０．０００６～０．００６０％、
Ｎ：０．００１～０．００６％、
Ｏ：０．０１００～０．０５００％
を含有し、
さらに、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：０．５０％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｍｏ：０．８０％以下、
Ｎｂ：０．０８％以下、
Ｖ：０．０８％以下、
Ｃａ：０．００６％以下、
Ｍｇ：０．００６％以下
から選ばれる１種以上を含有し、かつ下記式（１）で表されるＰｃｍが０．１７～０．２５を満足し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、
前記母材の表面から板厚方向に１／４厚から３／４厚までにおけるベイナイト組織の面積分率が９０％以上であり、
前記母材の表面から板厚方向に１ｍｍの位置におけるビッカース硬さが２３０以下であり、
前記溶接熱影響部におけるビッカース硬さが２３０以下であり、
前記溶接金属におけるビッカース硬さが下記式（２）で表わされるＨＶＷ以下であり、
前記母材および溶接継手の引張強度が５７０ＭＰａ以上であり、
前記母材および前記溶接金属のシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが－４０℃で４７Ｊ以上である、溶接継手。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５×Ｂ・・・式（１）
ＨＶＷ＝２６０－１００×Ｎｉ・・・式（２）
式（１）で、元素記号は、母材においては、母材に含まれる各元素の含有量（質量％）を示し、溶接金属においては、溶接金属に含まれる各元素の含有量（質量％）を示し、母材および溶接金属の夫々において含有しない元素は０とする。
式（２）で、Ｎｉは、溶接金属に含まれるＮｉ含有量（質量％）を示し、含有しない場合は０とする。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記母材が、さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：０．３０％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｍｏ：０．５０％以下、
Ｖ：０．０８％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、
Ｂ：０．００３０％以下、
Ｃａ：０．００６％以下、
Ｍｇ：０．００６％以下
から選ばれる１種以上を含有する、請求項１に記載の溶接継手。
【請求項３】
請求項１または２に記載の母材の化学組成を有するスラブを熱間圧延するに際し、１０００～１２５０℃に加熱し、
９３０℃以下での累積圧下率が５０％以上となる圧延をおこなった後、
Ａｒ３点＋１０℃以上の温度で熱間圧延を終了し、
Ａｒ３点以上の加速冷却開始温度で、厚鋼板表面の６８０℃から６００℃までにおける平均冷却速度が２０～８０℃／ｓとなる加速冷却を開始し、
１００℃以上６００℃以下である加速冷却停止温度で加速冷却を停止することにより厚鋼板とし、前記厚鋼板を母材として溶接することで溶接継手を得る、溶接継手の製造方法。
【請求項４】
前記加速冷却の停止後ただちに、または、前記加速冷却の停止後、前記厚鋼板を室温まで冷却した後に５００～６８０℃の温度に焼き戻すことで厚鋼板を得る、請求項３に記載の溶接継手の製造方法。
【請求項５】
前記厚鋼板に対して、
質量％で
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０１～０．５５％、
Ｍｎ：１．００～２．２０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ａｌ：０．００１～０．０６０％、
Ｔｉ：０．００６～０．０６０％、
Ｂ：０．０００６～０．００６０％、
を含有し、
あるいはさらに、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｒ：１．００％以下、
Ｍｏ：１．００％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｖ：０．０５％以下、
Ｃａ：０．００６％以下、
Ｍｇ：０．００６％以下
から選ばれる１種以上を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する溶接ワイヤを用いて溶接することで前記溶接継手を得る、請求項３に記載の溶接継手の製造方法。
【請求項６】
前記厚鋼板に対して、
質量％で
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０１～０．５５％、
Ｍｎ：１．００～２．２０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ａｌ：０．００１～０．０６０％、
Ｔｉ：０．００６～０．０６０％、
Ｂ：０．０００６～０．００６０％、
を含有し、
あるいはさらに、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｒ：１．００％以下、
Ｍｏ：１．００％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｖ：０．０５％以下、
Ｃａ：０．００６％以下、
Ｍｇ：０．００６％以下
から選ばれる１種以上を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する溶接ワイヤを用いて溶接することで前記溶接継手を得る、請求項４に記載の溶接継手の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、アンモニアや硫化水素を貯蔵するためのタンク、圧力容器などの溶接性および耐応力腐食割れ性が求められる溶接構造物に用いられる高強度厚鋼板を用いた溶接継手とその製造方法に関する。
続きを表示（約 3,700 文字）【背景技術】
【０００２】
今後、カーボンニュートラル対応でアンモニア燃料の利用拡大が進み、その利用拡大のためには大型タンクの設置が必要となる。大型タンクを製造するためには、高強度な厚鋼板や溶接継手を用いる必要があり、５７０ＭＰａ級（ＳＭ５７０など）や６１０ＭＰａ級（ＳＰＶ４９０など）の厚鋼板などの使用が検討されている。一方で、液化アンモニアを貯蔵するタンクに低合金鋼を適用した場合、応力腐食割れが発生することが知られており、適用拡大の阻害要因となっている。
【０００３】
そこで、液化アンモニアによる応力腐食割れに強い鋼板に関する検討が行われている。例えば、特許文献１では、鋼中のＣ量を低減し、Ｔｉ量やＮ量を最適に制御することでＴＳ：５７０ＭＰａ以上の強度と－４０℃における低温靭性、さらには溶接熱影響部の靭性に優れる鋼板を製造する方法が開示されている。
特許文献２では、鋼中のＣ量を低減し、低降伏比を実現しながら４００Ｎ／ｍｍ
２
級以上の引張強さを有する鋼板を製造する方法が開示されている。
また、特許文献３では、鋼中のＣ量を低減し、加速冷却を適用することで鋼板表層の硬さ上昇を低減しながら５３０～６１０Ｎ／ｍｍ
２
の引張強さを有する鋼板を製造する方法が開示されている。
また、特許文献４では、鋼板表面に脱炭層を生成させることにより、６０ｋｇｆ／ｍｍ
２
級高張力を有しつつ、優れた耐応力腐食割れ性能を確保した鋼板の製造方法が開示されている。
また、特許文献５では、鋼板表面に軟化処理を行い、表層硬度をビッカース硬度で１９０以下にさせることにより優れた耐応力腐食割れ性能を確保した鋼板が開示されている。
特許文献６および７では、鋼板のフェライト組織分率や結晶粒径を最適に制御し、降伏強度を４４０ＭＰａ以下に制御することで耐応力腐食割れ性能を確保した鋼板の製造方法が開示されている。
特許文献８では、鋼板の表層の硬さを２１０以下に抑えつつ、鋼板板厚中央のフェライト組織分率を最適化することで耐応力腐食割れ性能を確保した鋼板の製造方法が開示されている。
特許文献９では、鋼板の表層の組織形態を最適化しつつ、鋼板板厚中央のフェライト組織分率を最適化することで耐応力腐食割れ性能を確保した鋼板の製造方法が開示されている。
特許文献１０では、鋼板１／４厚位置でのフェライトなどの組織形態を最適化することで鋼板の降伏比を下げ、液化アンモニア運搬用タンクに好適な鋼板の製造方法が開示されている。
また、特許文献１１では、鋼板の焼入れもしくは直接焼入れ時に２段階で水冷することで軟質なフェライト組織を生成させ優れた耐応力腐食割れ性能を確保した鋼板の製造方法が開示されている。
また、特許文献１２では、鋼板の表面に鋼中Ｃ量およびＭｎ量の低い合わせ材を鋳込みクラッドもしくは肉盛溶接により接合することにより優れた耐応力腐食割れ性能を確保したクラッド鋼板の製造方法が開示されている。
特許文献１３では、溶接熱影響部の降伏強度が４５ｋｇｆ／ｍｍ
２
以下になる合わせ材を接合することにより得られる、優れた耐応力腐食割れ性能を確保した鋼板の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００１－１１５２３３号公報
特開平１１－１３１１７８号公報
特開平１０－１９５５３３号公報
特開昭６１－２７９６３１号公報
特開昭５０－０８５５１６号公報
特許第７３２３０９０号公報
特許第７３２３０９１号公報
特許第７３２３０８８号公報
国際公開第２０２１／１０６３６８号
特開２０２１－８８７５３号公報
特開昭６２－１５６２２８号公報
特開昭５７－１４９４２５号公報
特開昭５０－０８５５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１～４に記載の方法は、強度が５９０ＭＰａ級までである鋼板を対象としており、厚鋼板での優れた耐応力腐食割れ性を確保できるが、実際にタンクを製造する際に溶接継手を作製した際の、溶接熱影響部および溶接金属の耐応力腐食割れ性を確保する方法については開示されていない。
また、特許文献５では、母材や溶接金属の低温靭性については、一切考慮されていない。
特許文献６～１０に記載の方法は、軟質なフェライト組織を鋼板中に含有することを前提としており、本発明で対象とする５７０ＭＰａ級の高強度鋼板を製造することができない場合があり、また、溶接熱影響部および溶接金属の耐応力腐食割れ性を確保する方法についても開示されていない。
特許文献１１では、２段階冷却を適用するが、特殊な水冷設備を必要し、溶接熱影響部および溶接金属の耐応力腐食割れ性を確保する方法についても開示されていない。
特許文献１２では、鋳込みクラッドもしくは肉盛溶接を行う必要があり、特殊な設備が必要であることや、生産性に問題があり、また、溶接熱影響部および溶接金属の耐応力腐食割れ性を確保する方法についても開示されていない。
特許文献１３では、溶接熱影響部の応力腐食割れを抑制することができるが、大型タンクを製造するためにクラッド母材を高強度化するための圧延および熱処理条件を選択した場合、合わせ材の溶接前の硬さが高くなり、溶接熱影響部以外の応力腐食割れ性能を抑制できない。
【０００６】
また、応力腐食割れの対策としてステンレス鋼板やステンレス鋼板を合せ材としたクラッド鋼板を用いることもできるが、低合金鋼板を用いる場合に比べて著しく高コストになるといった問題がある。
【０００７】
以上のように、これまでに提案された方法では、特殊な設備を必ずしも必要とはせずに、５７０ＭＰａ級以上の強度クラスの溶接継手の母材、溶接熱影響部および溶接金属の耐応力腐食割れ性を確保する技術（液化アンモニアによる応力腐食割れを抑制する技術）については開示されていなかった。
【０００８】
本発明は、低温靭性に優れ、液化アンモニアによる応力腐食割れを抑制し、５７０ＭＰａ以上の引張強度を有する溶接継手およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
ここで、低温靭性に優れるとは、ＪＩＳＺ２２４２：２０１８に準拠し、母材（厚鋼板）および溶接金属のシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーが－４０℃で４７Ｊ以上であることを指す。
また、液化アンモニアによる応力腐食割れを抑制するとは、溶接金属の余盛を除去し、溶接継手表面から板厚方向の５ｍｍの位置までの位置で５ｍｍ厚の４点曲げ用の試験片として、４点曲げの背側中心が溶接金属になるもの、溶接熱影響部になるもの、母材になるものの３条件で加工し、２０Ｌステンレス製オートクレープ内でＮＨ
３
＋ＣＯ
２
＋Ｏ
２
系、アノード電流１０Ａ／ｍ
２
、試験期間１か月で行い、３条件全てで割れが発生せずに、耐応力腐食割れ性に優れることを指す。
また、５７０ＭＰａ以上の引張強度を有するとは、ＪＩＳＺ２２４１：２０２２に準拠し、母材（厚鋼板）の引張強度が５７０ＭＰａ以上であり、かつ、ＪＩＳＺ３１２１：２０１３に準拠し、溶接継手の引張強度が５７０ＭＰａ以上であることを指す。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。まず、低合金鋼で液化アンモニア応力腐食割れの発生およびその後の進展を抑制するための条件を検討した結果、液化アンモニアが触れる面での鋼板のビッカース硬さを２３０以下にする必要があることがわかった。さらに、溶接を行った際の溶接熱影響部においてもビッカース硬さを２３０以下にする必要があることがわかった。
一方で、溶接金属については、含有するＮｉの量に応じて耐応力腐食割れ性が変化することが明らかになり、具体的には、２６０－１００×Ｎｉとして表されるＨＶＷ以下に溶接金属のビッカース硬さを抑えることが必要であることがわかった。
また、鋼材の降伏強度を４４０ＭＰａ以下に抑えることも液化アンモニア応力腐食割れを抑制するために有効とされているが、液化アンモニアが触れる面での鋼板のビッカース硬さが２３０を超えている場合は、割れが発生することがわかった。
（【００１１】以降は省略されています）

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