HY-80

HY-80 は、高張力、高降伏強度、低合金 鋼です。海軍用途、特に米国の原子力潜水艦計画の耐圧殻の開発のために開発され、現在でも多くの海軍用途で使用されています。その強度対重量比は高く評価されています。^[要出典]

「HY」鋼は、高い降伏強度（永久塑性変形に抵抗する強度）を持つように設計されています。HY-80には、HY-100とHY-130があり、80、100、130はそれぞれksi（80,000 psi、100,000 psi、130,000 psi）単位の降伏強度を示します。HY-80とHY-100はどちらも溶接可能なグレードですが、HY-130は一般に溶接不可能であると考えられています。HY鋼の処理中に時間/温度を正確に制御できる現代の鋼製造方法により、製造コストがより経済的になりました。^[1] HY-80は、溶接可能であることを補うために、耐食性が良好で、成形性も良好であると考えられています。^[1] HY-80鋼を使用する場合は、微細構造の変化、歪み、応力集中を考慮して、溶接プロセス、フィラーメタルの選択、ジョイント設計を慎重に検討する必要があります。

より深く潜れる潜水艦を求める声から、改良された鋼材の開発が必要になった。ソナーによる探知を避けるため、潜水艦は理想的には音速層深度より少なくとも100メートル下で活動する。^[2]第二次世界大戦の潜水艦は、全深度が100メートルを超えることはめったになかった。原子力潜水艦の開発により、ディーゼルエンジン用の空気供給が水面から独立し、主に水上巡航潜水艦として活動するのではなく、深海での隠密活動に集中できるようになった。原子炉の出力増加により、船体の大型化と高速化が可能になった。ソナーの発達により、潜望鏡深度からの目視観測に頼るのではなく、深海での効率的な探査が可能になった。これらすべての要因により、より強力な耐圧殻用の改良鋼材の必要性が高まった。

潜水艦の船体の強度は、降伏強度だけでなく疲労強度によっても制限されます。^[3]船体は深海で押しつぶされないほど十分に強い必要があることは明らかですが、潜水艦の寿命中に何百回もの潜水が繰り返される影響^[i]を考えると、疲労強度も重要です。十分な疲労耐性を持たせるには、鋼鉄が常に耐久限界以下で動作するように船体を設計する必要があります。つまり、深海での圧力による応力が、無期限のサイクルで疲労強度よりも低いままであるということです。

^第二次世界大戦後の米国の潜水艦は、通常型、原子力型ともに、初期の艦隊潜水艦に比べて設計が改良されていた。鋼材も改良され、「HY-42」と同等のものとなった。 [2]この構造の潜水艦には、 USS ノーチラスやスケート級などがあり、これらは当時の従来型の船体形状を持つ初の原子力潜水艦であった。後のスキップジャック級は、新しいアルバコア「ティアドロップ」船体形状ではあったが、これら初期の鋼材も使用していた。これらの潜水艦の通常の運用深度は約700フィート（210メートル）、圧壊深度は1,100フィート（340メートル）であった。米国船舶局は、船舶および潜水艦の建造用に高強度鋼材を開発するための研究プログラムを実施した。試験中、1910年にカーネギー鋼が開発し、デッキ保護に一般的に使用されていた均質なクルップ型装甲鋼である特殊処理鋼（STS）の変種に、炭素とニッケルの改良とモリブデンの添加が行われ、「低炭素STS」として知られるようになった。この鋼は、すべての望ましい特性の最良の組み合わせを示した。低炭素STSはHY-80の前身となり、^[6] 1953年に小型ディーゼル研究用潜水艦USS アルバコアの建造に初めて使用された。アルバコアは、その名を冠した涙滴型の船体形状を試験し、これがその後の米国の原子力艦クラスのパターンを形成した。^[7]

潜水艦の運用深度は極秘であるが、鋼鉄の強度に関する知識のみから、その限界圧壊深度を概算で計算することができる。より強度の高いHY-80鋼鉄では、この深度は1,800フィート（550メートル）に増加し、HY-100では2,250フィート（690メートル）の深度に達した。^[2]

HY-80鋼を使用した最初の量産型潜水艦はパーミット級だった。これらの潜水艦の通常運用深度は1,300フィートと伝えられており、これは鋼の限界圧壊深度のおよそ3分の2に相当した。^{[2]この級の先導艇である} USS スレッシャーは1963年に事故で失われた。当時、この原因不明の事故は原因について多くの論争を引き起こし、使用された新しいHY-80鋼は、特に溶接割れが沈没の原因であるという説から疑念を持たれた。^{[8] [9] [10]}

HY-100鋼は、より深く潜れるシーウルフ級に導入されたが、先行するHY-80ロサンゼルス級の2隻、USS アルバニー（1987年）とUSS トピーカ（1988年）ではHY-100構造が試験的に採用されていた。USSシーウルフの通常作戦深度は「800フィート以上」と公式に主張されている。報告されているスレッシャーの作戦深度に基づくと、 シーウルフの通常作戦深度は公式の数字の約2倍であると推測できる。 ^{[2] [著作権侵害? ] [信頼できない情報源? ]}

HY-100も溶接割れの問題に悩まされた。シーウルフの建造は1991年に遅れ、船体建造の約15%、つまり2年分の作業が中止された。^{[8]後に解決されたものの、これらの追加費用（およびソ連崩壊後の平和配当）が、計画されていた}シーウルフ潜水艦29隻をわずか3隻に減らす要因となった。^[11]

溶接部の最終的な微細構造は、材料の組成と、母材、熱影響部 (HAZ)、溶融部 (FZ) によって異なる、材料が受けた熱サイクルに直接関係します。材料の微細構造は、材料/溶接部の機械的特性、溶接性、耐用年数/性能に直接関係します。HY-80 鋼の使用を検討する場合は、合金元素、溶接手順、溶接部設計をすべて調整して考慮する必要があります。

HY-80 および HY-100 は、以下の米国軍事仕様でカバーされています。

• ミルS-16216 ^[12]
• ミルS-21952 ^[13]

合金の含有量は、板材の厚さによって若干異なります。板が厚くなると、接合部での応力集中が増し、溶接性が悪化するため、合金組成範囲がより制限されます。^[14]

炭素 – 材料のピーク硬度を制御し、マルテンサイト形成に必要なオーステナイト安定剤^[15]です。HY-80はマルテンサイトを形成しやすく、マルテンサイトのピーク硬度はその炭素含有量に依存します。HY-80はFCC材料であり、オーステナイト系ステンレス鋼などのFCC材料よりも炭素がより容易に拡散します。

ニッケル – HY-80 の靭性と延性を高め、オーステナイト安定剤としても機能します。

マンガン – 鋼中の不純物を除去し（最も一般的には硫黄を固定するために使用される）、また、針状フェライトの核形成に必要な酸化物を形成する。針状フェライトは、優れた降伏強度と靭性を促進するため、HY-80鋼には望ましい。^[16]

シリコン - 針状フェライトの核生成点を洗浄および提供する役割を果たす酸化物形成物質。

クロム – フェライト安定剤であり、炭素と結合して炭化クロムを形成し、材料の強度を高めます。

アンチモン、スズ、ヒ素は共晶を形成し、局所的な融点を低下させる可能性があるため、組成に含まれると潜在的に危険な元素です。これは、電気アーク炉(EAF) プロセスでの鋼鉄製造におけるスクラップの使用増加に伴い、ますます大きな問題となっています。

許容される合金含有量の正確な範囲は、シートの厚さによって若干異なります。ここでの数値は、3 インチ (76 mm) 以上の厚いシートの場合であり、組成はより制限されます。

さらに別の鋼であるHY-130にも、合金元素としてバナジウムが含まれています。^[17] HY-130の溶接は、同等の性能を発揮できるフィラー材料の入手が困難なため、より制限されていると考えられています。^[17]

HIC またはHAC - 水素誘起または水素アシスト割れは、HY-80 鋼で対処しなければならない溶接性の実際の懸念事項です。水素脆化は、HY-80 のすべての条件下で高いリスクがあり、AWS 法ではゾーン 3 に分類されます。^[19] HAC/HIC は、溶融ゾーンまたは熱影響ゾーンのいずれかで発生する可能性があります。^[20]前述のように、HAZ と FZ はどちらもマルテンサイトの形成の影響を受けやすいため、HAC/HIC のリスクがあります。溶融ゾーン HIC/HAC は適切なフィラー メタルを使用して対処できますが、HAZ HIC/HAC は予熱と溶接手順で対処する必要があります。HY-80 鋼で溶接する場合は、常に低水素の実施が推奨されます。^[21]

HY-80 は、焼戻しされていないマルテンサイトが形成されるため、自生溶接は不可能です。 ^[21]針状フェライトの核形成を促進する酸化物を形成する合金材料を導入するには、フィラー金属を使用する必要があります。^[21] HAZ は依然として懸念事項であり、適切な予熱と溶接手順で冷却速度を制御する必要があります。HAZ では、冷却速度が遅いと急速な冷却速度と同じくらい有害になる可能性があります。急速な冷却により焼戻しされていないマルテンサイトが形成されますが、予熱が高すぎることや、予熱と溶接手順による高入熱の組み合わせによって冷却速度が非常に遅くなると、HAZ に形成される炭素濃度が高くなり、非常に脆いマルテンサイトが発生する可能性があります。^[21]

拡散性水素を拡散させ、冷却温度勾配を減らすために、予熱を考慮する必要があります。^[22] 冷却速度が遅いほど、マルテンサイト形成の可能性が低くなります。予熱温度が十分に高くない場合、冷却温度勾配が急になりすぎて、脆い溶接部が形成されます。^[22] マルチパス溶接では、降伏強度を維持し、割れを防ぐために、パス間温度の最小値と最大値が必要です。^[22] 予熱温度とパス間温度は、材料の厚さによって異なります。

通常、HY-80はAWS ER100S-1溶接ワイヤで溶接されます。ER100S-1は、前述の溶接中の希釈効果を助けるために、炭素とニッケルの含有量が低くなっています。^[23] フィラーメタルの重要な機能は、針状フェライトの核形成です。 針状フェライトは酸化物の存在下で形成され、フィラーメタルの組成によって、これらの重要な核形成部位の形成が増加する可能性があります。^[24]

溶接プロセスの選択は、溶接の影響を受ける領域に大きな影響を与える可能性があります。入熱によって HAZ と溶融ゾーンの微細構造が同様に変化する可能性があり、溶接金属/HAZ の靭性が HY-80 溶接物の重要な考慮事項/要件です。厚板では一般にマルチパス溶接が必要であり、パスを追加すると以前に堆積した溶接金属が変化する可能性があるため、プロセスを選択する際には溶接物全体を考慮することが重要です。さまざまな方法 ( SMAW、GMAW、SAW ) が材料の破壊靭性に大きな影響を与える可能性があります。^[1]たとえば SAW は、一般に入熱が高いため、以前の溶接パスを焼き入れする可能性があります。HY-80 溶接物の詳細な硬度プロファイルは、プロセスによって異なります (勾配は大幅に異なります) が、硬度のピーク値はさまざまなプロセス間で一定です。^[1]これは HAZ と溶接金属の両方に当てはまります。

母材と溶接部の複合材の組成の違いを考慮すると、不均一な膨張と収縮による潜在的な歪みが生じることは当然予想されます。この機械的効果により残留応力が生じ、溶接直後や負荷がかかった状態での使用中にさまざまな故障を引き起こす可能性があります。HY-80 鋼では、歪みのレベルは溶接入熱のレベルに比例し、入熱が高いほど歪みのレベルも高くなります。HY-80 は、一般的な ABS グレード DH-36 よりも面内溶接収縮が少なく、面外歪みも少ないことがわかっています。^[25]

HY-80 鋼の試験は、破壊評価と非破壊評価の 2 つのカテゴリに分けられます。シャルピー V ノッチから爆発バルジまで、さまざまな破壊テストを実行できます。完成した溶接部を稼働前に検査するには破壊テストは実用的ではないため、この場合はNDEが適しています。非破壊評価には、目視検査、X 線検査、超音波検査、磁性粒子検査、渦電流検査など、多くの技術や方法が含まれます。

これらの鋼の最大引張強度は、降伏強度に次ぐものと考えられています。特定の値を満たす必要がある場合は、注文ごとに指定されます。

ノッチ靭性は、既存のノッチからのさらなる引き裂きに抵抗する鋼の能力である引裂抵抗の尺度です。通常は、引裂抵抗と降伏強度の比である引裂降伏比として評価されます。 ^{[26] [27] [28] [29]}

HY-80の鍛造鋼は、米国のアルセロール・ミッタル社^{[30] 、} HY-80の鍛造品と鋳造品はシェフィールド・フォージマスターズ社^[32]、HY80の鋳造品は英国のグッドウィン・スチール・キャスティングス社^{[33]などで生産されている。}