JP2006272432A

JP2006272432A - ９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP2006272432A
Application number: JP2005098157A
Authority: JP
Inventors: Manabu Mizumoto; 学水本; Masao Umeki; 正夫梅木; Kentaro Iwatate; 健太郎岩立
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】ＬＮＧ貯蔵タンク用９％Ｎｉ鋼の溶接に使用されるＮｉ基合金の溶接に係わり、高強度・高靱性で、耐割れ性及び耐ブローホール性に優れる溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を提供する。
【解決手段】９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒において、Ｎｉ基合金を心線とし、心線と被覆剤の一方または両方の含有量についての質量％の下式に示す心線質量％換算で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．０７〜０．６％、Ｍｎ：１〜４％、Ｎｉ：６０〜７５％、Ｃｒ：１６〜１８％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、ＮｂおよびＴａの１種または２種の合計：１．０〜３．５％、Ｗ：０．００５〜０．５０％を含むことを特徴とする。
心線質量％換算＝心線中の含有量％＋被覆剤中の配合比％×被覆率％／１００
【選択図】図３

Description

本発明は、主にＬＮＧ貯蔵タンクの建造に用いられる９％Ｎｉ鋼の溶接に使用される被覆アーク溶接棒に係り、高強度・高靱性で、耐割れ性および耐ブローホール性に優れる溶接金属が得られる９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒に関するものである。

ＬＮＧ貯蔵タンクには、低温靭性の優れたフェライト系合金鋼の９％Ｎｉ鋼が多く使用されている。溶接には極低温での靭性の良好なＮｉ基合金系の溶接材料が多く用いられ、被覆アーク溶接棒としては、Ｎｉ以外にＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ等の合金成分を添加したものが主に使用されている。

近年、ＬＮＧ貯蔵タンクの大型化に伴い、要求スペックが高強度・高靱化され、従来技術により提供されていた被覆アーク溶接棒では、要求性能を十分に満足することができなかった。

例えば特開２０００−２６３２８５号公報（特許文献１）に、Ｎｉ基合金の心線を用い、Ｃｕを添加させることで、薄板の溶接においても強度が高く、且つ靱性の高い被覆アーク溶接棒が提案されている。しかし、Ｃｕ添加による高強度・高靱化の手法は、引張強さの確保はできるものの靱性にばらつきが生じやすく、−１９６℃における衝撃性能が要求スペックを満足しないことがしばしばあった。

また、特開平１０−２７７７７７号公報（特許文献２）には、Ｎｉ−Ｃｒ基心線を用い、脱酸剤および合金剤を適正化することで耐気孔性および機械性能が優れる被覆アーク溶接棒が提案されている。しかし引張強さが低く、近年の要求スペックを満足しないという課題があった。
特開２０００−２６３２８５号公報特開平１０−２７７７７７号公報

本発明は、高強度・高靱性の溶接金属が得られ、耐割れ性および耐ブローホール性に優れる９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために合金成分について種々検討を行った結果、特に溶接金属中のＣ、Ｎｂ＋ＴａおよびＷが溶接金属の機械的性質に大きな影響を及ぼすことを見出した。各成分と機械的性質の関係を図１、図２および図３に示す。図１および図２に示すようにＣ、Ｎｂ＋Ｔａは、増加に従い引張強さが大幅に向上する傾向が認められた。しかし一方で、靱性が大幅に劣化するため、目標性能を得るためには、引張強さと靱性のバランスが取れた添加量にすることが必要である。しかしＣ、Ｎｂ＋Ｔａ量は、極少量で機械的性質を左右し、使用する原材料のロット差や、溶接棒の製造ばらつきにより、安定した高強度・高靱性の性能を得ることは困難であった。

そこで本発明者らは第三の元素として、Ｗの影響について詳細調査を行った。その結果、図３に示すように靱性を劣化させずに引張強さを向上できることに着目し、Ｃ、Ｎｂ＋Ｔａと共に、Ｗを適正量添加することで高強度・高靱性を安定して得られることを見出した。

本発明は以上の知見によりなされたもので、その要旨とするところは次の通りである。
９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒において、Ｎｉ基合金を心線とし、心線と被覆剤の一方または両方の含有量についての質量％の下記（１）式に示す心線質量％換算で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．０７〜０．６％、Ｍｎ：１〜４％、Ｎｉ：６０〜７５％、Ｃｒ：１６〜１８％、Ｍｏ：１．０〜３．５％、ＮｂおよびＴａの１種または２種の合計：１．０〜３．５％、Ｗ：０．００５〜０．５０％を含み、残部は金属酸化物、金属炭酸塩、金属弗化物、合金剤および脱酸剤の１種以上、ならびにＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする。
心線質量％換算＝心線中の含有量％＋被覆剤中の配合比％×被覆率％／１００
・・・・・（１）

本発明の９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒によれば、高強度・高靱性の溶接金属が得られ、かつ耐割れ性および耐ブローホール性に優れるなど、高品質の溶接部が得られる。

本発明は、心線および被覆剤の各成分それぞれの単独の効果および共存による相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分の添加理由および分量の限定理由を述べる。なお以下に述べる各成分量の％とは心線質量％換算のことをいい、心線と被覆剤の一方または両方の含有量の質量％に対し次式で計算される。但し、同式中の被覆剤中の配合比とは被覆剤全質量に対する割合を意味し、さらに被覆率とは溶接棒全質量に対して被覆剤の占める割合を意味する。
心線質量％換算＝心線中の含有量％＋被覆剤中の配合比％×被覆率％／１００

Ｃは、引張強さを確保する目的で添加する。Ｃが０．０５％未満では引張強さが低く、一方、０．２０％を超えて添加すると靱性が低くなる。従って、Ｃは０．０５〜０．２０％にする必要がある。

Ｓｉは、溶接金属の耐気孔性を向上させるために添加する。０．０７％未満ではその効果が十分に得られず、ブローホールが発生しやすい。一方、０．６％を超えて添加すると、耐割れ性が劣化する。従って、Ｓｉは０．０７〜０．６％にする必要がある。

Ｍｎは、溶接金属の耐割れ性を向上させるために添加する。Ｍｎが１％未満であると、耐割れ性が劣化する。一方、４％を超えて添加すると靭性が劣化する。従って、Ｍｎは１〜４％にする必要がある。

Ｎｉは、溶接金属を構成する主元素であり、安定したオーステナイト組織を形成させ極低温での引張性能および靱性を確保するため、母材の希釈を考慮して６０％以上必要である。一方、高強度・高靱性を得るためにＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ＋Ｔａ、Ｗ等を添加するので、上限を７５％とすることが好ましい。従って、Ｎｉは６０〜７５％にする必要がある。

Ｃｒは、引張強さを確保する目的で添加する。Ｃｒが１６％未満では引張強さが低い。一方、１８％を超えて添加すると靱性が低くなる。従って、Ｃｒは１６〜１８％にする必要がある。

Ｍｏは、引張強さを向上させる目的で添加する。Ｍｏが１．０％未満では引張強さが低い。一方、３．５％を超えて添加すると靱性が劣化する。従って、Ｍｏは１．０〜３．５％にする必要がある。

ＮｂおよびＴａの１種または２種は、引張強さを向上させる目的で添加する。ＮｂおよびＴａの１種または２種の合計が１．０％未満では引張強さが低い。一方、３．５％を超えて添加すると靱性が劣化する。従って、ＮｂおよびＴａの１種または２種の合計は１．０〜３．５％にする必要がある。

Ｗは、靱性を劣化させずに引張強さを改善する目的で添加する。Ｗを０．５０％を超えて添加するとその効果が飽和し、引張強さの改善がない。また原材料として高価であることから、低コスト化を考慮して、Ｗは０．５０％以下にすることが望ましい。一方、Ｗが０．００５％未満であると安定した引張性能および靭性が得られない。従って、Ｗは０．００５〜０．５０％とする。

以上、本発明の９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒の構成要件の限定理由を述べたが、残部はＦｅおよび不可避的不純物の他に成分として、溶接作業性および強度の調整として被覆アーク溶接棒の心線質量％換算で、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｋ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ等の金属酸化物を合計で２〜７％、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、Ｌｉ_２ＣＯ_３、ＢａＣＯ_３等の金属炭酸塩を合計で６〜１２％、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２，ＡｌＦ_３、ＬｉＦ、Ｋ_２ＳｉＦ_６等の弗化物を合計で１〜１０％、およびＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ等の脱酸剤ないし合金剤、Ｃｕ等の合金剤をそれぞれ２％以下の範囲で、これらの１種以上を添加できる。また、不可避不純物であるＰおよびＳは靭性および耐割れ性からできるだけ低いことが好ましい。

被覆アーク溶接棒の製造方法について言及すると、心線と配合・混合した被覆剤を準備してから被覆剤に固着剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加しながら湿式混合を行い、心線周囲に被覆剤を塗装し、さらに塗装後１５０〜４５０℃で約１〜３時間の乾燥・焼成を行うことにより製造することができる。

表１に示す化学成分のＮｉ基合金鋼心線に表２および表３に示す組成の被覆剤を被覆し、本発明例および比較例の９％Ｎｉ鋼用溶接用被覆アーク溶接棒を試作した。心線寸法は直径４．０ｍｍ、長さ３５０ｍｍを用いた。

各試験は、表４に示す成分の９％Ｎｉ鋼を母材として用いた。溶着金属性能は、ＪＩＳＺ３２２５に従い、引張試験および衝撃試験（表４に示す母材Ｂ１を使用）を行った。評価は、引張強さ：６９０ＭＰａ以上、−１９６℃における吸収エネルギー（ｖＥ−１９６℃）で６０Ｊ以上を良好とした。

耐割れ性の調査は、９％Ｎｉ鋼（表４に示す母材Ｂ２を使用）に図４に示す溝形状を形成し、ストロングバックにより拘束を行い、溶接電流１４０Ａ，溶接速度１５ｃｍ/ｍｉｎで試験ビード１を横向姿勢で５００ｍｍ溶接し、ビード表面から約１ｍｍずつ３回研削して浸透探傷試験を行い、割れの有無を判定した。

耐ブローホール性の調査は、図４に示す耐割れ性試験と同一の母材および開先条件にて溶接を行い、溶接部のＸ線透過試験を実施し、ＪＩＳＺ３１０６の等級分類にて判定し、１類を良好とした。なお、溶着金属試験および耐ブローホール性の調査の溶接電流は１００〜１５０Ａで実施した。それらの結果を表５および表６にまとめて示す。

表５および表６のうち溶接棒Ｎｏ．１〜１０が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１１〜２０は比較例である。
本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜１０は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＮｂとＴａの合計およびＷ量が適正であるので、引張強さおよび吸収エネルギーが高く、耐割れ性に優れ、また耐ブローホール性も優れるなど極めて満足な結果であった。

比較例のうち溶接棒Ｎｏ．１１は、Ｃが高いので吸収エネルギーが低かった。また、Ｓｉが低いので耐ブローホール性も悪かった。
また溶接棒Ｎｏ．１２は、Ｃが低いので引張強さが低かった。また、Ｓｉが高いので割れが生じた。

溶接棒Ｎｏ．１３は、Ｃｒが高いので吸収エネルギーが低かった。また、Ｍｎが低いので割れが生じた。
また溶接棒Ｎｏ．１４は、Ｃｒが低いので引張強さが低かった。また、Ｍｎが高いので吸収エネルギーも低かった。

溶接棒Ｎｏ．１５は、Ｍｏが高いので吸収エネルギーが低く、溶接棒Ｎｏ．１６は、Ｍｏが低いので引張強さが低かった。
また溶接棒Ｎｏ．１７は、ＮｂとＴａの合計が高いので、吸収エネルギーが低く、溶接棒Ｎｏ．１８は、ＮｂとＴａの合計が低いので引張強さが低かった。
また溶接棒Ｎｏ．１９は、Ｎｉが低いので、吸収エネルギーが低く、溶接棒Ｎｏ．２０は、Ｗが低いので引張強さが低かった。

溶着金属のＣ量と機械的性質の関係を示す図である。溶着金属のＮｂとＴａの合計量と機械的性質の関係を示す図である。溶着金属のＷ量と機械的性質の関係を示す図である。本発明の実施例に用いた溶接試験板を示す図である。

Claims

９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒において、Ｎｉ基合金を心線とし、心線と被覆剤の一方または両方の含有量についての質量％の下記（１）式に示す心線質量％換算で、
Ｃ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０７〜０．６％、
Ｍｎ：１〜４％、
Ｎｉ：６０〜７５％、
Ｃｒ：１６〜１８％、
Ｍｏ：１．０〜３．５％、
ＮｂおよびＴａの１種または２種の合計：１．０〜３．５％、
Ｗ：０．００５〜０．５０％
を含み、残部は金属酸化物、金属炭酸塩、金属弗化物、合金剤および脱酸剤の１種以上、ならびにＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする９％Ｎｉ鋼用被覆アーク溶接棒。
心線質量％換算＝心線中の含有量％＋被覆剤中の配合比％×被覆率％／１００
・・・・・（１）