МЕТАЛЛ СВАРНОГО ШВА, ОБЛАДАЮЩИЙ ВЫСОКОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОДОРОДНОМУ ОХРУПЧИВАНИЮ
WELD METAL WITH HIGH RESISTANCE TO HYDROGEN EMBRITTLEMENT

Область техники
Данное изобретение относится к металлу сварного шва с пониженной подверженностью водородному охрупчиванию, применяемому для сварных конструкций.
Предшествующий уровень техники
Когда сваривают высокопрочную сталь, температура предварительного нагрева между проходами должна строго контролироваться, с точки зрения предотвращения холодного растрескивания металла на участке сварного шва, что снижает эффективность операции. В последние годы, прочность сталей, применяемых для сварных конструкций, стала выше, и потребность в более высокой прочности возросла также в отношении металлов сварных швов (например, сталь HT780: высокий предел прочности на разрыв порядка 780 МПа).
Такое увеличение прочности имеет тенденцию к снижению сопротивления холодному растрескиванию, и необходимо повышать сопротивление холодному растрескиванию. В частности, поскольку дуговая сварка в защитном газе с применением электродной проволоки с флюсовым сердечником имеет превосходную применимость для сварки, имеется потребность в технологии, обеспечивающей сопротивление холодному растрескиванию в металле сварного шва, сформированного данным методом сварки.
Предполагают, что холодное растрескивание, описанное выше, обусловлено сегрегацией диффундирующего водорода на границах зерен, что уменьшает прочность на границах зерен (на это далее в данном документе делается ссылка как на «водородное охрупчивание»), и для повышения сопротивления холодному растрескиванию важно то, каким образом уменьшить диффузию водорода.
В связи с вышеизложенным, для повышения сопротивления холодному растрескиванию металла сварного шва необходимо сделать более низкой подверженность металла сварного шва водородному охрупчиванию, и различные методы были предложены в связи с этим.
Например, Патентный документ 1 описывает метод диспергирования карбида Mo (Mo-содержащего карбида) с высокой способностью к связыванию водорода в металле сварного шва, посредством чего предотвращается холодное растрескивание. Однако, поскольку для этой технологии необходимо применять специфический метод сварки с применением дуговой сварки под флюсом, выполняемой со стороны внутренней стенки после приведения стальных материалов в соприкосновение, он является, как правило, неприменимым для сварки сталей.
Кроме того, Патентный документ 2 описывает метод предотвращения холодного растрескивания сварных соединений посредством диспергирования сложного оксида Si-Mn-Ti-Al, который эффективен для связывания диффузионного водорода в металле сварного шва, посредством чего предотвращается холодное растрескивание в сварных соединениях. Однако уровень прочности, предполагаемый в этом методе, составляет 588,4 МПа или более в показателях предела прочности на разрыв, и невозможно сказать, что достаточная прочность может быть обеспечена.
Патентный документ 3 предлагает метод повышения сопротивления холодному растрескиванию посредством уменьшения количества диффузионного водорода, а также регулирования надлежащим образом прочности и компонентов химического состава. Однако, поскольку на достаточный уровень прочности оказывают влияние компоненты, практическое применение этого метода также ограничено.
В то же время предложен метод повышения сопротивления холодному растрескиванию вследствие поглощения диффузионного водорода в металле сварного шва посредством добавления V и формирования тонких (мелкодисперсных) карбидов, связывая посредством этого углерод в металле сварного шва (например, Патентные документы 4 и 5), метод придания одновременно низкотемпературной ударной вязкости, условного предела текучести и сопротивления растрескиванию посредством определенного регулирования компонентов флюса (например, Патентные документы 6 и 7), и подобное. Наряду с тем, что каждый из методов, описанных выше, предназначен для повышения сопротивления холодному растрескиванию, поскольку количество водорода в металле сварного шва может, возможно, быть увеличено посредством различных факторов при реальной операции сварки, необходимо увеличивать устойчивость к водородному охрупчиванию при более базовом подходе.
Кроме того, Патентный документ 8 также предлагает метод придания прочности и сочетаемой с ней ударной вязкости посредством точного регулирования формы оксидов, содержащих Ti, Si, и подобное и образования тонких игольчатых ферритовых структур на оксидах в качестве центров зародышеобразования. Однако этот метод не принимает во внимание сопротивление холодному растрескиванию.
Список ссылок
Патентные документы
Патентный документ 1: Выложенная заявка на патент Японии № 2005-40816
Патентный документ 2: Выложенная заявка на патент Японии № 2001-348649
Патентный документ 3: Выложенная заявка на патент Японии № H11-147196
Патентный документ 4: Выложенная заявка на патент Японии № H08-257785
Патентный документ 5: Патент Японии № 3208556
Патентный документ 6: Выложенная заявка на патент Японии № 2010-274304
Патентный документ 7: Выложенная заявка на патент Японии № 2008-87043
Патентный документ 8: Выложенная заявка на патент Японии № 2010-115701
Сущность изобретения
Техническая проблема
Данное изобретение сделано при принятии во внимание ситуаций, описанных выше, и предназначено для предоставления металла сварного шва, обладающего высокой устойчивостью к водородному охрупчиванию даже при высокой прочности и не подверженного холодному растрескиванию.
Решение проблемы
2
Металл сварного шва в соответствии с данным изобретением, способный решить проблемы, описанные выше, имеет признак, заключающийся в том, что металл сварного шва, сформированный дуговой сваркой в защитном газе с применением электродной проволоки с флюсовым сердечником, содержит: C: 0,02-0,12% (означает «масс.%», что является тем же самым здесь и далее в данном документе для компонентов химического состава), Si: 0,1-0,80%, Mn: 0,9-2,5%, Ni: 0,20-3,5%, Mo: 0,05-1,50%, Ti: 0,040-0,15%, V: 0,05-0,60%, N: 0,015% или менее (не включая 0%) и O: 0,030% или более, соответственно, остальное - железо и сопутствующие примеси, при этом частицы Ti-содержащего оксида, содержащие 20% или более Ti и имеющие эквивалентный диаметр окружности от 0,15 до 1,0 мкм, присутствуют в количестве 5000/мм или более, и количество V в расчете на общую массу металла сварного шва, присутствующего в виде соединения в металле сварного шва, составляет 0,002% или более, и, кроме того, средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащего карбида, присутствующего в металле сварного шва, составляет 15 нм или менее.
«Соединение» означает соединения, такие как нитрид и карбонитрид, в дополнение к карбиду. Кроме того, V-содержащий карбид означает VC, а также карбиды, содержащие другие элементы (например, Ti, Nb и Mo) в суммарном количестве примерно 25 ат.% или менее. «Эквивалентный диаметр окружности» означает диаметр предполагаемой окружности, охватывающей площадь, равную площади оксидных частиц или V-содержащего карбида, присутствующих на поверхности, наблюдаемой с помощью оптического микроскопа или просвечивающим электронным микроскопом (TEM).
В металле сварного шва по данному изобретению по меньшей мере один элемент из 2,0% или менее Cr (не включая 0%), 0,15% или менее Nb (не включая 0%), 1,0% или менее Cu (не включая 0%), 0,020% или менее Al (не включая 0%), 0,10% или менее Zr (не включая 0%) и 0,0050% или менее B (не включая 0%) предпочтительно содержится в качестве других элементов, в случае которых характеристики металла сварного шва дополнительно улучшены, в соответствии с видом содержащихся элементов.
Преимущества данного изобретения
В соответствии с данным изобретением, поскольку численная плотность частиц Ti-содержащего оксида заданного размера, количество V, присутствующего в качестве соединения в металле сварного шва, размер V-содержащего карбида, присутствующего в металле сварного шва, и подобное надлежащим образом регулируются наряду с компонентами химического состава, может быть обеспечен металл сварного шва, обладающий высокой устойчивостью к водородному охрупчиванию.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематический пояснительный вид, иллюстрирующий форму кромки при образовании металла сварного шва.
Фиг. 2 представляет собой схематический пояснительный вид, иллюстрирующий место для отбора образца в виде круглого стержня.
Фиг. 3 представляет собой график, показывающий тепловой цикл (зависимость между временем и температурой), который имитирует цикл с промежуточным перегревом.
Фиг. 4 представляет собой пояснительный вид, иллюстрирующий конфигурацию образца для испытания при выполнении испытания на растяжение.
Фиг. 5 представляет собой пояснительный вид, иллюстрирующий форму образца при измерении окклюдированного количества водорода.
Описание вариантов осуществления
Авторы данного изобретения провели исследования при различных подходах в отношении средств для улучшения устойчивости к водородному охрупчиванию в высокопрочном металле класса HT780 сварного шва, сформированного дуговой сваркой в защитном газе с применением электродной проволоки с флюсовым сердечником. В результате было найдено, что устойчивость к водородному охрупчиванию повышается посредством вызывания действия V-содержащего карбида в качестве места связывания диффузионного водорода, присутствующего в подходящей форме и очищающего структуру посредством формирования игольчатого феррита на оксидах в качестве центров зародышеобразования, чтобы выполнить данное изобретение.
2
А именно, было найдено, что устойчивость к водородному охрупчиванию повышается в металле класса HT780 сварного шва посредством регулирования содержания компонентов металла сварного шва до заданных интервалов, обеспечения присутствия частиц Ti-содержащего оксида, содержащих 20% или более Ti и имеющих эквивалентный диаметр окружности от 0,15 до 1,0 мкм, в количестве 5000/мм или более, и установления количества V в расчете на общую массу металла сварного шва, присутствующего в виде соединения в металле сварного шва (далее в данном документе иногда называемого как «количество соединения типа V») до 0,002% или более и, кроме того, регулирования среднего эквивалентного диаметра окружности V-содержащего карбида, присутствующего в металле, до 15 нм или менее.
Для повышения устойчивости к водородному охрупчиванию эффективным является уменьшение количества диффузионного водорода. Наряду с тем, что было известно до настоящего времени, что наличие V-содержащего карбида эффективно для уменьшения количества диффузионного водорода, поскольку затруднена его преципитация надлежащим образом в металле сварного шва, особенно в состоянии после сварки, невозможно сказать, что V-содержащий карбид был использован эффективным образом. В связи с вышеизложенным, авторы данного изобретения провели исследование в отношении компонентов сварочных материалов и условий сварки с точки зрения промотирования преципитации V-содержащего карбида и добились успеха в диспергировании V-содержащего карбида эффективным образом в отношении снижения подверженности водородному охрупчиванию посредством регулирования как тех, так и других надлежащим образом. Основания для установления таких составляющих факторов описаны ниже.
2
[Число частиц Ti-содержащего оксида, содержащих 20% или более Ti и имеющих эквивалентный диаметр окружности от 0,15 до 1,0 мкм: 5000/мм или более]
2
2
2
2
2
2
Поскольку частицы Ti-содержащего оксида, содержащие 20% или более Ti и имеющие эквивалентный диаметр окружности от 0,15 до 1,0 мкм, действуют как центры зародышеобразования для внутрикристаллитного преобразования, это значительным образом улучшает структуру и эффективно снижает подверженность водородному охрупчиванию. Для того, чтобы обеспечить такой эффект, необходимо, чтобы их число составляло 5000/мм или более. Число частиц Ti-содержащего оксида составляет предпочтительно 8000/мм или более (более предпочтительно 9000/мм или более). Наряду с тем, что верхний предел для числа частиц Ti-содержащего оксида не ограничен особым образом, он составляет предпочтительно 40000/мм или менее, более предпочтительно 30000/мм или менее (еще более предпочтительно 20000/мм или менее). Размер частиц Ti-содержащего оксида в качестве объекта измерения определяют как 0,15-1,0 мкм в расчете на эквивалентный диаметр окружности, поскольку действие в качестве центра зародышеобразования для внутрикристаллитного преобразования ухудшается, если эквивалентный диаметр окружности меньше чем 0,15 мкм, и, с другой стороны, внутрикристаллитное преобразование происходит при более высокой температуре, что ухудшает прочность, если присутствует большое число частиц больше чем 1,0 мкм.
[Количество соединения типа V в металле сварного шва: 0,002% или более]
Если количество связанного в соединение V меньше чем 0,002%, то количество V-содержащего карбида как места захватывания/связывания диффузионного водорода становится недостаточным. Количество соединения типа V составляет предпочтительно 0,003% или более (более предпочтительно 0,005% или более). Кроме того, предпочтительный верхний предел количества соединения типа V составляет 0,05% или менее и, более предпочтительно, 0,03% или менее (еще более предпочтительно 0,02% или менее).
[Средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащих карбидов, присутствующих в металле сварного шва: 15 нм или менее]
Даже когда количество соединения типа V обеспечено, как описано выше, если средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащих карбидов превышает 15 нм, то не может быть предоставлен достаточный эффект захватывания, поскольку частицы V-содержащего карбида становятся более крупными, и число частиц V-содержащего карбида меньше. Средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащих карбидов, присутствующих в металле сварного шва составляет предпочтительно 12 нм или менее и, более предпочтительно, 10 нм или менее.
Далее описываются компоненты химического состава в металле сварного шва по данному изобретению. В металле сварного шва по данному изобретению важным фактором является также регулирование надлежащим образом компонентов химического состава, и причинами для определения интервалов являются те, что описаны ниже.
[C: от 0,02% до 0,12%]
C является важным элементом для обеспечения прочности металла сварного шва, и для того, чтобы обеспечить такой эффект, необходимо включать C в количестве 0,02% или более. Его содержание составляет предпочтительно 0,04% или более и, более предпочтительно, 0,06% или более. Однако, когда содержание C превышает 0,12%, прочность чрезмерно возрастает, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию (устойчивость к водородному охрупчиванию ухудшается). Предпочтительный верхний предел содержания C составляет 0,10% и, более предпочтительно, 0,08% или менее.
[Si: от 0,1% до 0,80%]
Si является раскисляющим элементом и обеспечивает рафинирование металла сварного шва. Для того чтобы обеспечить такой эффект, необходимо, чтобы содержание Si составляло 0,1% или более. Его содержание составляет предпочтительно 0,25% или более и, более предпочтительно, 0,28% или более. Однако если содержание Si является чрезмерным, то, поскольку преобразование межзеренных границ на оксиде в качестве центра зародышеобразования сдерживается, и подверженность водородному охрупчиванию становится более высокой, необходимо ограничивать содержание Si до 0,80% или менее. Его ограничивают предпочтительно до 0,7% или менее и, еще более предпочтительно, до 0,5% или менее.
[Mn: от 0,9% до 2,5%]
Mn является элементом, необходимым для обеспечения прочности металла сварного шва, и он должен содержаться при 0,9% или более для предоставления такого эффекта. Его содержание составляет предпочтительно 1,2% или более и, более предпочтительно, 1,5% или более. Однако если он содержится при более чем 2,5%, это увеличивает подверженность водородному охрупчиванию вследствие чрезмерного повышения прочности. Его содержание составляет предпочтительно 2,2% или менее и, более предпочтительно, 2,0% или менее.
[Ni: от 0,20% до 3,5%]
Ni является элементом, необходимым для обеспечения прочности металла сварного шва, и он должен содержаться при 0,20% или более для предоставления такого эффекта. Его содержание составляет предпочтительно 0,5% или более и, более предпочтительно, 1,0% или более. Однако если он содержится при более чем 3,5%, это увеличивает подверженность водородному охрупчиванию вследствие чрезмерного повышения прочности. Его содержание составляет предпочтительно 3,0% или менее и, более предпочтительно, 2,8% или менее.
[Mo: от 0,05% до 1,50%]
Mo является элементом, необходимым для обеспечения прочности металла сварного шва, и необходимо, чтобы он содержался при 0,05% или более для предоставления такого эффекта. Его содержание составляет предпочтительно 0,10% или более и, более предпочтительно, 0,2% или более. Однако если он содержится при более чем 1,50%, это увеличивает подверженность водородному охрупчиванию вследствие чрезмерного повышения прочности. Его содержание составляет предпочтительно 1,0% или менее и, более предпочтительно, 0,50% или менее.
[Ti: от 0,040% до 0,15%]
Ti является элементом, который эффективен для повышения устойчивости к водородному охрупчиванию посредством формирования оксида в качестве центра зародышеобразования для внутрикристаллитного преобразования, чтобы улучшить структуру. Необходимо, чтобы он содержался при 0,040% или более для предоставления такого эффекта. Его содержание составляет предпочтительно 0,050% или более и, более предпочтительно, 0,055% или более. Однако если он содержится при более чем 0,15%, это увеличивает подверженность водородному охрупчиванию вследствие чрезмерного повышения прочности. Его содержание составляет предпочтительно 0,12% или менее и, более предпочтительно, 0,08% или менее.
[V: от 0,05% до 0,60%]
V является элементом, эффективным для повышения устойчивости к водородному охрупчиванию посредством формирования V-содержащего карбида, действующего в качестве места захватывания диффузионного водорода. Необходимо, чтобы он содержался при 0,05% или более для предоставления такого эффекта. Его содержание составляет предпочтительно 0,1% или более и, более предпочтительно, 0,15% или более. Однако если он содержится при более чем 0,60%, это чрезмерно повышает прочность, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
[N: 0,015% или менее (не включая 0%)]
N является неизбежно вводимым элементом и эффективен для повышения прочности металла сварного шва. Однако если он содержится в избытке, это вызывает увеличение подверженности водородному охрупчиванию вследствие чрезмерного повышения прочности. В связи с вышеизложенным, необходимо устанавливать содержание N при 0,015% или менее. Его содержание составляет предпочтительно 0,010% или менее и, более предпочтительно, 0,006% или менее. В промышленных масштабах затруднено снижение содержания N до 0%.
[ОO: 0,030% или более]
O является элементом, эффективным для повышения устойчивости к водородному охрупчиванию посредством формирования оксида в качестве центра зародышеобразования для внутрикристаллитного преобразования, чтобы улучшить структуру. Необходимо, чтобы он содержался при 0,030% или более для предоставления такого эффекта. Его содержание составляет предпочтительно 0,035% или более и, более предпочтительно, 0,040% или более. Наряду с тем, что верхний предел содержания O не ограничен особым образом, он составляет предпочтительно 0,10% или менее (более предпочтительно 0,080% или менее), поскольку чрезмерное содержание оказывает нежелательное действие на ударную вязкость.
Включенные элементы, определенные в данном изобретении, являются теми, что описаны выше, и остаток включает железо и сопутствующие примеси. В качестве сопутствующих примесей, допускается внедрение элементов (например, P, S и Sn), переносимых в зависимости от исходных материалов, материалов оборудования, производственного оборудования и подобного. Однако, поскольку такие примеси обычно сегрегируют на границах зерен, что снижает прочность на межзеренных границах и промотирует холодное растрескивание, предпочтительно ограничивать, в частности, содержание P до 0,02% или менее (не включая 0%) и S до 0,025% или менее (не включая 0%), соответственно. Другие сопутствующие примеси, иные, чем те, что описаны выше, составляют предпочтительно 0,010% или менее в сумме (не включая 0%).
В металл сварного шва в соответствии с данным изобретением предпочтительно дополнительно включают другие элементы, такие как
(a) один или несколько элементов, выбранных из группы, состоящей из 2,0% или менее (не включая 0%) Cr, 0,15% или менее (не включая 0%) Nb и 1,0% или менее (не включая 0%) Cu,
(b) 0,020% или менее (не включая 0%) Al и/или 0,10% или менее (не включая 0%) Zr и (c) 0,0050% или менее (не включая 0%) B, и характеристики металла сварного шва дополнительно улучшаются в зависимости от вида включенных элементов. Причины установления указанных интервалов включения таких элементов описаны ниже.
[Один или несколько элементов, выбранных из группы, состоящей из 2,0% или менее (не включая 0%) Cr, 0,15% или менее (не включая 0%) Nb и 1,0% или менее (не включая 0%) Cu]
Cr, Nb и Cu являются элементами, эффективными для повышения прочности металла сварного шва. Среди них, Cu действует эффективным образом также для обеспечения ударной вязкости при низких температурах. Однако если такие элементы содержатся в избытке, они увеличивают подверженность водородному охрупчиванию вследствие чрезмерного повышения прочности. В связи с вышеизложенным, предпочтительно ограничивать Cr до 2,0% или менее (более предпочтительно 1,5% или менее и, еще более предпочтительно, 1,0% или менее), Nb до 0,15% или менее (более предпочтительно 0,10% или менее и, еще более предпочтительно, 0,08% или менее), или Cu до 1,0% или менее (более предпочтительно 0,5% или менее и, еще более предпочтительно, 0,2% или менее), соответственно. Предпочтительные нижние пределы для предоставления эффекта составляют 0,05% или более для Cr и 0,01% или более для Nb, и 0,05% или более для Cu (содержание каждого из этих элементов меньше чем 0,01% при уровне содержания сопутствующей примеси).
[Al: 0,020% или менее (не включая 0%) и/или Zr: 0,10% или менее (не включая 0%)]
Как Al, так и Zr, являются сильными раскисляющими элементами и эффективны для очистки металла сварного шва. Однако если они содержатся в чрезмерном количестве, оксиды в качестве центров зародышеобразования для внутрикристаллитного преобразования уменьшаются, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию вследствие роста структуры. В связи с вышеизложенным, их содержание предпочтительно ограничивается 0,020% или менее (более предпочтительно 0,018% или менее) для Al и 0,10% или менее (более предпочтительно 0,06% или менее) для Zr, соответственно. Предпочтительный нижний предел для предоставления эффекта составляет 0,01% или более (уровень содержания сопутствующей примеси составляет менее чем 0,01%).
[B: 0,0050% или менее (не включая 0%)]
B является элементом для повышения прочности посредством подавления формирования феррита на межзеренных границах первичного аустенита. Однако если B содержится в избытке, прочность увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. В связи с вышеизложенным, содержание B предпочтительно ограничивается 0,0050% или менее (более предпочтительно 0,0030% или менее). Предпочтительный нижний предел для предоставления эффекта составляет 0,0010% или более (уровень содержания сопутствующей примеси составляет менее чем 0,0008%).
Для металла сварного шва по данному изобретению, наряду с тем, что компоненты проволоки и условия сварки не ограничиваются особым образом, пока металл сварного шва формируется дуговой сваркой в защитном газе с применением электродной проволоки с флюсовым сердечником, предпочтительные интервалы наличествуют для достижения определенного варианта осуществления.
В свете вышеописанного, предпочтительными компонентами проволоки (сварочного материала) являются, например, те, что удовлетворяют изложенным ниже требованиям. А именно:
в расчете на общую массу проволоки с внешней оболочкой, содержащей стальной материал и флюс,
(a) количество Ti, присутствующего в форме металла, оксида и других формах, (общее количество Ti) составляет от 2,5 до 4,5% (масс.%),
(b) количество Al, присутствующего в форме металла, оксида и других формах, (общее количество Al) составляет 0,10% (масс.%) или более,
(c) количество Al, присутствующего в форме металла, (общее количество Al) составляет от 0,01 до 0,05% (масс.%) или более,
(d) количество Zr, присутствующего в форме металла, оксида и других формах, (общее количество Zr) составляет 0,035% (масс.%) или более, и
(e) количество Mg, присутствующего в форме металла, (количество металлического Mg) составляет 0,4% (масс.%) или более, и
(f) соотношение [(Mn + Ti)/Si] между количеством Si (общим количеством Si), присутствующим в форме металла, оксида и других формах, и количеством Mn+Ti (общим количеством Mn и общим количеством Ti) удовлетворяет следующему выражению (l):
(Mn+Ti)/Si>10,0 (1).
Отсутствует особая необходимость в ограничении других компонентов. Однако излишне указывать, что их содержание должно регулироваться таким образом, чтобы удовлетворять определенным интервалам для компонентов металла сварного шва.
Требования с (a) по (e) определены для регулирования количества соединения V и среднего эквивалентного диаметра окружности V-содержащих карбидов. Если они находятся вне указанных интервалов, то количество соединения V и диаметр частиц V-содержащего карбида не могут более регулироваться в пределах установленных интервалов. Хотя механизмы этого не являются очевидными в настоящее время, они, предположительно, могут быть такими, как указано ниже.
Для преципитации V-содержащих карбидов в большом количестве и мелкодисперсным образом, эффективным является тонкое диспергирование частиц второй фазы в качестве их сердцевины. Согласно оценкам, поскольку карбид Ti подобен V-содержащему карбиду в отношении кристаллической структуры и стабилен при более высокой температуре, карбид формируется мелкодисперсным образом перед тем, как V-содержащий карбид в ходе охлаждения при сварке образует зародыши для преципитации V-содержащего карбида при более низкой температуре. Соответственно, для получения V-содержащего карбида в заданной форме необходимо обеспечить формирование Ti в качестве карбида. Однако, поскольку Ti является раскисляющим элементом и в основном закрепляется в виде оксида, считают, что Ti частично восстанавливается с образованием карбидов Ti посредством регулирования содержания Al, Zr, Mg и подобного, обладающих более сильным раскислительным действием, до вышеуказанных интервалов [требования с (b) по (e)].
С точки зрения обеспечения карбида Ti необходимо, чтобы было обеспечено по меньшей мере 2,5% или более количества Ti в целом, и большее общее количество Ti является предпочтительным. Однако если количество превышает 4,5%, содержание в металле сварного шва превышает заданный интервал. Кроме того, когда содержание металлического Al превышает 0,05%, частицы Ti-содержащего оксида, способствующие улучшению структуры, не могут больше быть получены в соответствии с заданным количеством [требования (a), (c)].
Требование (f) предназначено для регулирования частиц Ti-содержащего оксида, который способствует улучшению структуры. Когда соотношение компонентов является удовлетворительным, заданные частицы Ti-содержащего оксида формируются, и бейнитная структура улучшается вследствие внутрикристаллитного преобразования на частицах Ti-содержащего оксида в качестве центров зародышеобразования. Кроме того, посредством установления соотношения более чем 10,0, [соотношение (1)], частицы Ti-содержащего оксида диспергируются при высокой плотности и достигается дополнительное улучшение структуры, что также приводит к увеличению устойчивости к водородному охрупчиванию.
2
В качестве условий сварки для формирования металла сварного шва, предпочтительно устанавливать количество подводимой теплоты при 2,5 кДж/мм или менее и использовать газовую смесь, содержащую 20% (об.%) CO при Ar как защитного газа в качестве остальной части. Если количество подводимой теплоты превышает 2,5 кДж/мм, скорость охлаждения при сварке снижается, и эквивалентный диаметр окружности V-содержащих карбидов превышает установленный верхний предел. Кроме того, состав защитного газа устанавливают с целью регулирования формы оксидов для улучшения структуры. В данном изобретении, сварку выполняют посредством применения электродной проволоки с флюсовым сердечником, и степень заполнения флюсом используемой проволоки обычно составляет примерно от 10 до 20%.
Пример
Данное изобретение описывается более конкретно посредством примеров, однако представленные ниже примеры не ограничивают данное изобретение, и изобретение может быть осуществлено на практике с помощью подходящих модификаций, находящихся в пределах, соответствующих его сущности, описанной выше и в представленной ниже части описания, и любая из модификаций включена в технический интервал данного изобретения.
Металлы сварного шва изготавливали посредством представленных ниже процедур с применением электродных проволок с флюсовым сердечником (сварочного материала), компоненты химических составов которых представлены в приведенных ниже Таблицах 1 и 2 при диаметре проволоки 1,2 мм и степени заполнения флюсом 13,5%, и оценивали различные характеристики (предел прочности на разрыв, подверженность водородному охрупчиванию). В Таблицах 1 и 2, каждая из ячеек содержащая «-» показывает отсутствие добавления (отсутствие включения). В Таблицах 1 и 2 количества Mn, Si, Ti и Zr показывают общее количество Mn, общее количество Si, общее количество Ti и общее количество Zr, соответственно, и количество Mg представляет количество металлического Mg.
[Изготовление металла сварного шва]
Пластину из стали SM490A изготавливали в форме канавки, проиллюстрированной на Фиг. 1, и дуговую сварку в защитном газе выполняли при указанных ниже условиях сварки, чтобы изготовить металлы сварного шва.
(Условия сварки)
2
Защитный газ: Газовая смесь 20 об.% CO - 80 об.% Ar
Ток - напряжение - скорость сварки: 270 А - 29 В - от 3,0 до 4,5 мм/с.
Условие подводимой теплоты
(a) 1,74 кДж/мм (270 А - 29 В - 4,5 мм/с);
(b) 2,37 кДж/мм (270 А - 29 В - 3,3 мм/с);
(c) 2,61 кДж/мм (270 А - 29 В - 3,0 мм/с).
Температура предварительного нагрева - между проходами: от 105 до 150°C.
Метод ламинирования: 3 слоя, 13 проходов.
Образцы в виде круглого стержня диаметром 5 мм отбирали из конечного прохода приготовленных металлов сварных швов (место отбора образца проиллюстрировано на Фиг. 2) и подвергали термическому циклу, моделирующему цикл с промежуточным перегревом. Фиг. 3 показывает тепловой цикл, моделирующий цикл с промежуточным перегревом (зависимость между временем и температурой). Приведенные ниже Таблицы 3 и 4 показывают компоненты химических составов для каждого из приготовленных металлов сварного шва наряду с используемыми сварочными материалами и условиями для подводимой теплоты. В Таблицах 3 и 4 каждая из ячеек, содержащая «<» показывает количество примесей (меньше, чем уровень содержания таких примесей).
Из образцов после термообработки отбирали образцы для испытания на растяжение и образцы для измерения окклюдированного количества водорода (образец для измерения окклюдированного количества водорода). Фиг. 4 иллюстрирует форму образца для испытания на растяжение, и Фиг. 5 иллюстрирует форму образца для измерения окклюдированного количества водорода, соответственно. Подверженность водородному охрупчиванию оценивали при использовании образцов с помощью представленного ниже метода.
[Оценка подверженности водородному охрупчиванию]
-1
Использовали образцы для измерения окклюдированного количества водорода, полученные, как описано выше, и выбирали условие загрузки водорода, чтобы предоставить диффузионный водород в количестве от 1,5 до 3,0 млн. Принятые при этом условия загрузки описаны ниже.
2
4
Водный раствор: (0,5 моль/л или 2,5 моль/л HSO) + 1 г/л KSCN, (30 г/л NaCl + 1 г/л KSCN);
2
2
2
Плотность тока: 0,1 А/дм, 1,0 А/дм, 5,0 А/дм;
Время насыщения: 24 часа.
Кроме того, количество диффузионного водорода определяли как количество водорода, высвобождающегося вплоть до 300°C при скорости повышения температуры 12°C/мин посредством применения термодесорбционного спектрометра, включающего квадрупольный масс-спектрометр (производства компании Nichiden Anelva Corp.).
4
2
2
4
2
4
После выполнения насыщения водородом образцов для испытания на растяжение при условиях, описанных выше, применяли плакирование цинком для предотвращения удаления водорода при указанных ниже условиях. Водный раствор: (350 г/л ZnSO·7HO)+(20,6 г/л HSO (97%))+60 г/л NaSO)
Температура ванны: 60°C;
2
Плотность тока: 50 А/дм;
Время плакирования: 3 мин.
-3
-6
0
h
Испытание методом медленной деформации (SSRT) выполняли при скорости ползуна 5,0×10 мм/мин (скорость деформации: 6,94×10/с) и образцы, имеющие индекс подверженности водородному охрупчиванию S (%), вычисленный посредством приведенного ниже выражения (2), менее чем 60%, оценивали как превосходные в отношении подверженности водородному охрупчиванию, при обозначении удлинения при разрыве материала, ненасыщенного водородом, как E и удлинения при разрыве материала, загруженного водородом, как E:
h
0
S=(1-E/E)× 100(%) (2)
[Оценка предела прочности на разрыв]
Образцы для испытания на растяжение в соответствии с JIS-Z2202 отбирали из металлов сварных швов, изготовленных посредством применения 45° V-образного края на листе стали SM490A толщиной 20 мм при указанных ниже условиях сварки (сварочные материалы представлены в Таблице 1 и 2), и проводили испытания на растяжение, и те, что имели предел прочности на разрыв выше чем 780 МПа оценивали как хорошие.
(Условия сварки)
2
Защитный газ: газовая смесь 20 об.% CO - 80 об.% Ar.
Ток - напряжение - скорость сварки: 270 А - 29 В - 4,5 мм/с.
Количество подводимой теплоты: 1,74 кДж/мм.
Температура предварительного нагрева - между проходами: от 105 до 150°C.
Метод ламинирования: 8 слоев, 17 проходов.
Численную плотность частиц Ti-содержащего оксида, содержащих 20% или более Ti и имеющих эквивалентный диаметр окружности от 0,15 до 1,0 мкм, количество соединения типа V в металле сварного шва и средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащих карбидов, присутствующих в металле сварного шва измеряли указанным ниже методом.
[Измерение численной плотности частиц Ti-содержащего оксида]
После отбора образцов в виде круглых стержней, каждый из которых имел диаметр 5 мм, из конечного прохода металлов сварных швов, изготовленных для испытания методом медленной деформации (SSRT) (см. предшествующий раздел в отношении «изготовления металла сварного шва»), и зеркальной полировки диаметрально срезанного поперечного сечения, делали фотографические изображения для 2 полей зрения посредством оптического микроскопа при 1000-кратном увеличении. Частицы оксида с эквивалентным диаметром окружности от 0,15 до 1,0 мкм выбирали с помощью программного обеспечения для анализа изображений («Image-Pro Plus», производства компании Media Cybernetics Co.) и анализировали состав в центральной части сфотографированного оксида с помощью энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии (SEM-EDS). Среди обнаруженных элементов, величины, полученные анализом, для Ti (масс.%) нормализовали с помощью суммы для величин, полученных анализом, для Si, S, Ti, Mn, Al, Zr и Mg (масс.%), чтобы вычислить содержание Ti (масс.%), содержащегося в частицах оксида, и рассчитать численную плотность для частиц оксида, содержащих 20% или более Ti и имеющих эквивалентный диаметр окружности от 0,15 до 1,0 мкм.
[Количество соединения типа V в металле сварного шва]
После отбора образцов в виде круглых стержней, каждый из которых имел диаметр 5 мм и длину 30 мм, из конечного прохода металлов сварных швов, изготовленных для испытания методом медленной деформации (SSRT) (см. предшествующий раздел в отношении «изготовления металла сварного шва»), подвергания их электролитической экстракции с помощью раствора метанола с 10 об.% ацетилацетона и 1 об.% хлорида тетраметиламмония и фильтрования его посредством фильтра, имеющего размер пор фильтрующей среды 0,1 мкм, чтобы получить остатки, полученные остатки подвергали атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP), чтобы определить количество соединения типа V.
[Средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащего карбида, присутствующего в металле сварного шва]
2
Образцы в виде круглого стержня, каждый из которых имел диаметр 5 мм, отбирали из конечного прохода металлов сварных швов, изготовленных для испытания методом медленной деформации (SSRT) (см. предшествующий раздел в отношении «изготовления металла сварного шва»), приготавливали экстракционные реплики образцов для просвечивающей электронной микроскопии (TEM) от диаметрально срезанного поперечного сечения и делали фотографические изображения для одного поля зрения посредством оптического микроскопа при 300000-кратном увеличении. Затем, для сфотографированных V-содержащих карбидов измеряли эквивалентные диаметры окружности для всех частиц, имеющих площадь 10 нм или более посредством программного обеспечения для анализа изображений («Image-Pro Plus», производства компании Media Cybernetics Co.), чтобы вычислить среднюю величину. Наблюдаемые частицы соединения подвергали элементному анализу с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), связанной с просвечивающей электронной микроскопией (TEM), чтобы оценить V-содержащие карбиды.
Представленные ниже Таблицы 5 и 6 показывают результаты измерения, а именно, индекс подверженности водородному охрупчиванию S, предел прочности на разрыв, численную плотность частиц Ti-содержащего оксида, количество соединения типа V и средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащих карбидов.
Таблица 5
Испытание №
Частицы Ti-содержащего оксида (число/мм<sup>2</sup>)
Количество соединения типа V (масс.%)
Средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащего карбида (нм)
Индекс подверженности водородному охрупчиваниюS (%)
Предел прочности на разрыв (МПа)
1
12072
0,013
7
45
858
2
8779
0,009
5
25
805
3
14857
0,009
6
20
810
4
13591
0,008
6
40
854
5
12072
0,006
5
20
807
6
15195
0,009
6
25
865
7
15702
0,012
6
10
949
8
13253
0,007
5
25
958
9
16715
0,017
8
35
879
10
11818
0,015
8
30
816
11
6922
0,009
9
55
842
12
15702
0,002
9
55
825
13
13000
0,011
5
25
916
14
7429
0,015
6
40
918
15
15026
0,011
7
30
807
16
7851
0,016
9
55
973
17
17137
0,011
11
55
949
18
7682
0,006
6
45
837
19
19585
0,013
7
10
791
20
11650
0,004
5
45
839
21
13507
0,009
6
45
947
22
13591
0,013
7
45
966
23
6162
0,003
5
55
970
24
14942
0,002
3
45
841
25
14435
0,015
11
55
873
26
9370
0,016
14
50
950
Таблица 6
Испытание №
Частицы Ti-содержащего оксида (число/мм<sup>2</sup>)
Количество соединения типа V (масс.%)
Средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащего карбида (нм)
Индекс подверженности водородному охрупчиваниюS (%)
Предел прочности на разрыв (МПа)
27
13507
0,013
6
45
951
28
17474
0,002
6
55
834
29
14942
0,011
5
10
827
30
6585
0,014
8
45
899
31
6500
0,017
8
40
870
32
12494
0,017
16
80
819
33
19331
0,001
7
80
812
34
12831
0,001
7
80
771
35
4052
0,012
7
70
822
36
6838
0,001
6
75
775
37
13760
0,001
5
65
770
38
20935
0,000
6
85
761
39
10974
0,016
8
65
985
40
3208
0,012
6
80
979
41
15195
0,004
5
65
990
42
4052
0,008
7
80
982
43
4727
0,010
5
65
1025
44
4896
0,001
11
95
795
45
20091
0,018
13
75
990
46
2617
0,000
3
95
986
47
12072
0,015
9
85
1121
48
4390
0,010
7
80
1073
49
16461
0,008
6
85
1150
50
4812
0,013
7
75
991
51
4052
0,012
6
70
827
52
4390
0,011
8
80
818
53
12240
0,013
7
70
982
Принимая во внимание результаты, описанные выше, можно полагать следующее (приведенные ниже №№ представляют №№ в Таблицах с 3 по 6). №№ 1 по 31 являются примерами, удовлетворяющими требованиям, определенным в данном изобретении. Поскольку численная плотность частиц Ti-содержащего оксида и структура V-содержащего карбида (количество соединения типа V и средний эквивалентный диаметр окружности) надлежащим образом отрегулированы наряду с компонентами химического состава, то получают металлы сварных швов с высокой прочностью и высокой устойчивостью к водородному охрупчиванию.
С другой стороны, №№ 32 по 53 являются примерами, находящимися за пределами требований, определенных в данном изобретении, в которых по меньшей мере одна из характеристик из предела прочности на разрыв и устойчивости к водородному охрупчиванию ухудшена.
№ 32 является примером, в котором условия для подводимой теплоты при сварке не являются подходящими, и средний эквивалентный диаметр окружности V-содержащих карбидов увеличен, что увеличивает и подверженность водородному охрупчиванию (устойчивость к водородному охрупчиванию ухудшена). № 33 представляет собой пример, в котором общее количество Al в сварочном материале является недостаточным. Количество соединения типа V в металле сварного шва уменьшено, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 34 представляет собой пример, в котором содержание Ni в металле сварного шва и количество металлического Al в сварочном материале являются недостаточными. Количество соединения типа V в металле сварного шва уменьшено, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию и снижает предел прочности на разрыв. № 35 представляет собой пример, в котором количество металлического Al в сварочном материале является чрезмерным. Численная плотность Ti-содержащих частиц в металле сварного шва уменьшена, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 36 представляет собой пример, в котором содержание Mn в металле сварного шва и количество металлического Mg в сварочном материале являются недостаточными. Количество соединения типа V в металле сварного шва уменьшено, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию и снижает предел прочности на разрыв. № 37 представляет собой пример, в котором содержание Mo в металле сварного шва и количество металлического Zr в сварочном материале являются недостаточными. Количество соединения типа V в металле сварного шва уменьшено, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию и снижает предел прочности на разрыв.
№ 38 является примером, в котором содержание O и количество соединения типа V в металле сварного шва уменьшены. Подверженность водородному охрупчиванию становится выше, и предел прочности на разрыв уменьшен. № 39 представляет собой пример, в котором содержание O в металле сварного шва является чрезмерным. Предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 40 представляет собой пример, в котором содержание Si в металле сварного шва является чрезмерным [(Ti + Mn/Si) сварочного материала также уменьшено]. Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. № 41 представляет собой пример, в котором содержание Mn в металле сварного шва является чрезмерным. Предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 42 представляет собой пример, в котором содержание Ni в металле сварного шва является чрезмерным, и (Ti + Mn/Si) сварочного материала также уменьшено. Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, и предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. № 43 представляет собой пример, в котором содержание Mo в металле сварного шва является чрезмерным [(Ti + Mn/Si) сварочного материала также уменьшено]. Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида также уменьшена, и предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 44 представляет собой пример, в котором содержание Ti в металле сварного шва является недостаточным (общее количество Ti в сварочном материале уменьшено). Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. № 45 представляет собой пример, в котором содержание Ti в металле сварного шва является чрезмерным. Предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 46 представляет собой пример, в котором содержание Si в металле сварного шва является чрезмерным, и содержание V является недостаточным [(Ti + Mn/Si) сварочного материала также уменьшено]. Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, количество соединения типа V в металле сварного шва уменьшено, и предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. № 47 представляет собой пример, в котором содержание V в металле сварного шва является чрезмерным. Предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 48 представляет собой пример, в котором содержание Cr в металле сварного шва является чрезмерным. Кроме того, поскольку (Ti + Mn/Si) сварочного материала также уменьшено, численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. № 49 представляет собой пример, в котором содержание Nb в металле сварного шва является чрезмерным. Предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 50 представляет собой пример, в котором содержание Cu в металле сварного шва является чрезмерным [(Ti + Mn/Si) сварочного материала также уменьшено]. Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. № 51 представляет собой пример, в котором содержание Al в металле сварного шва является чрезмерным. Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
№ 52 представляет собой пример, в котором содержание Zr в металле сварного шва является чрезмерным. Численная плотность частиц Ti-содержащего оксида уменьшена, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию. № 53 представляет собой пример, в котором содержание B в металле сварного шва является чрезмерным. Предел прочности на разрыв увеличивается чрезмерным образом, что увеличивает подверженность водородному охрупчиванию.
Наряду с тем, что данное изобретение было описано конкретно и со ссылками на конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные изменения и модификации могут быть добавлены без отклонения от сущности и объема данного изобретения.
Данная заявка основана на заявке на патент Японии, зарегистрированной 8 апреля 2011 г. (заявке на патент Японии № 2011-086727), содержание которой включено в данный документ для сведения.
Применяемость в производственных условиях
Металл сварного шва по данному изобретению применим для сварных конструкций и может снижать подверженность водородному охрупчиванию.