JP2019130591A - 溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】クリープ破断強度および耐応力緩和割れ性の両方に優れたオーステナイト系耐熱合金の溶接継手を提供する。【解決手段】化学組成が、質量％で、C≦0.009%、Si≦2.0%、Mn≦3.0%、P≦0.040%、S≦0.0100%、O≦0.01%、Cr：25.0-38.0%、Ni：40.0-60.0%、W：3.0-10.0%、Ti：0.01-1.20%、N≦0.020%、Al≦0.30%、B：0.0001-0.01%、Zr：0.0001-0.50%、Ca：0-0.010%、Mg：0-0.050%、REM：0-0.100%、Co：0-1.0%、Cu：0-1.0%、Mo：0-1.0%、V：0-0.5%、Nb：0-0.5%、残部：Feおよび不純物である母材と、C≦0.18%、Si≦2.0%、Mn≦3.0%、P≦0.040%、S≦0.0100%、O≦0.02%、Cr：20.0-38.0%、Ni：40.0-60.0%、MoおよびWの合計：3.0-13.0%、Ti：0.01-1.50%、N≦0.20%、Al≦1.5%、B：0.0001-0.01%、Zr：0.0001-0.50%、Ca：0-0.010%、Mg：0-0.050%、REM：0-0.100%、Co：0-1.0%、Cu：0-1.0%、V：0-0.5%、Nb：0-0.5%、残部：Feおよび不純物である溶接金属と、を含む、溶接継手。【選択図】 なし

Description

本発明は、溶接継手に係り、特に、オーステナイト系耐熱合金の溶接継手に関する。

近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラなどでは運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められており、過熱器管および再熱器管の材料として使用されるオーステナイト系耐熱合金には、より優れたクリープ破断強度を有することが求められている。

このような技術的背景のもと、種々のオーステナイト系耐熱合金に関する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、表面加工を施して３３０ＨＶ以上となる塑性加工硬化層を表面に形成させた後、その硬化した表面部分に対して、十分な再結晶を生じさせるとともに再結晶粒内または粒界にＣｒ炭化物を分散して析出させるための局部的な加熱処理を施して、耐粒界腐食性と耐応力腐食割れ性を高めた、オーステナイト系合金構造物とその製造法が開示されている。

また、特許文献２には、結晶粒の微細化を行うとともに、結晶粒界に析出するＳを抑制することにより、熱間加工性を向上させた、高Ｎｉ、高Ｃｒステンレス鋼が開示されている。特許文献３には、Ｎｉ基合金製品が提案されている。このＮｉ基合金製品は、Ｗを活用して高温強度を高めるとともに、有効Ｂ量を管理することにより、熱間加工性を改善するとともに溶接割れを防止した、特に大型製品として好適なオーステナイト系耐熱合金製品である。

さらに、特許文献４には、Ｃｒ、ＴｉとＺｒの活用によりα−Ｃｒ相を強化相としてクリープ強度を高めた、オーステナイト系耐熱合金ならびに、その合金からなる耐熱耐圧部材およびその製造方法が提案されている。特許文献５には、多量のＷを含有させるとともにＡｌとＴｉとを活用して、固溶強化とγ’相の析出強化によって強度を高めた、Ｎｉ基耐熱合金が提案されている。

そして、特許文献６および７には、熱間加工時の割れ性に優れ、厚肉、大型高温部材として好適に用いることのできる、オーステナイト系耐熱合金部材が提案されている。特許文献８には、ＨＡＺの液化割れおよびＨＡＺの脆化割れをともに防止できるとともに、溶接施工中に発生する溶接作業性に起因した欠陥も防止でき、さらに、高温でのクリープ強度にも優れるオーステナイト系耐熱合金が提案されている。

また、これらのオーステナイト系耐熱合金を構造物として使用する場合、溶接により組み立てるのが一般的である。溶接により組み立てる際に使用するオーステナイト系耐熱合金用溶接材料として、ＡＷＳ Ａ５．１４−２００５ ＥＲ ＮｉＣｒＣｏＭｏ−１が知られている。

さらに、特許文献９〜１２には、種々のオーステナイト系耐熱合金用溶接材料が提案されている。

特許文献９には、高強度を有する酸化物分散強化型合金と耐熱合金との溶接に使用される溶接材料であって、Ｍｏ、Ｎｂなどの固溶強化元素を積極的に含有させることにより、強度向上を図った、酸化物分散強化型合金用溶接材料が提案されている。

特許文献１０には、ＭｏおよびＷによる固溶強化ならびにＡｌおよびＴｉによる析出強化硬化を活用して高強度化を図った、オーステナイト系耐熱合金用溶接材料が提案されている。特許文献１１には、ＮｂとＷを含有させて、溶接時の凝固割れとクリープ強度の両立を図った、オーステナイト系耐熱合金用溶接材料が提案されている。

特許文献１２では、溶接時に優れた耐高温割れ性を有するＮｉ基耐熱合金用溶接材料と、それを用いてなる溶接中の耐高温割れ性、高温での長時間使用中の耐応力緩和割れ性、および良好なクリープ強度を有する溶接金属、および降温強度に優れたＮｉ基耐熱合金の母材とからなる溶接継手を提供している。

特開２０００−２６５２４９号公報 特開２００２−８０９４２号公報 特開２０１１−６３８３８号公報 国際公開第２００９／１５４１６１号 国際公開第２０１０／０３８８２６号 特開２０１４−３４７２５号公報 特開２０１４−１４５１０９号公報 特開２０１０−１５０５９３号公報 特開平１０−１９３１７４号公報 国際公開第２０１０／０１３５６５号 特開２００８−２０７２４２号公報 特開２０１３−９４８２７号公報

過熱器管および再熱器管の材料として使用されるオーステナイト系耐熱合金には、より優れたクリープ破断強度を有するとともに、溶接後熱処理時または使用時に問題となる応力緩和割れを回避できる優れた耐応力緩和割れ性を有することも求められる。一般に、より優れたクリープ破断強度および耐応力緩和割れ性の両方を得ることは困難であり、特許文献１〜１２のいずれにおいても、上述の課題解決には至っておらず、改善の余地が残されている。

本発明は上記の問題を解決し、クリープ破断強度および耐応力緩和割れ性の両方に優れたオーステナイト系耐熱合金の溶接継手を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の溶接継手を要旨とする。

（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００９％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ｃｒ：２５．０〜３８．０％、
Ｎｉ：４０．０〜６０．０％、
Ｗ：３．０〜１０．０％、
Ｔｉ：０．０１〜１．２０％、
Ｎ：０．０２０％以下、
Ａｌ：０．３０％以下、
Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００１〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０５０％、
ＲＥＭ：０〜０．１００％、
Ｃｏ：０〜１．０％、
Ｃｕ：０〜１．０％、
Ｍｏ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜０．５％、
Ｎｂ：０〜０．５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である母材と、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１８％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．０２％以下、
Ｃｒ：２０．０〜３８．０％、
Ｎｉ：４０．０〜６０．０％、
ＭｏおよびＷから選択される１種以上の合計：３．０〜１３．０％、
Ｔｉ：０．０１〜１．５０％、
Ｎ：０．２０％以下、
Ａｌ：１．５％以下、
Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００１〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０５０％、
ＲＥＭ：０〜０．１００％、
Ｃｏ：０〜１．０％、
Ｃｕ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜０．５％、
Ｎｂ：０〜０．５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である溶接金属と、を含む、
溶接継手。

（２）前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１０％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０５０％、および
ＲＥＭ：０．０００１〜０．１０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）に記載の溶接継手。

（３）前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃｏ：０．０１〜１．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、および
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）または（２）に記載の溶接継手。

（４）前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０００１〜０．００９％、
を含有する、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の溶接継手。

本発明のオーステナイト系耐熱合金の溶接継手は、耐応力緩和割れ性と長時間クリープ破断強度との両方に優れる。

本発明者らは前記した課題を解決するために、オーステナイト系耐熱合金の耐応力緩和割れ性とクリープ破断特性とを詳細に調査した結果、以下の知見を得るに至った。

一般的に、優れたクリープ破断強度を得るためには、所定量以上のＣを含有させることにより、粒界の析出強化を行う必要があると考えられている。しかしながら、多量のＣを含有させると、炭化物による粒内析出強化に伴い粒界弱化が生じることとなり、応力緩和割れが生じる原因となる。すなわち、耐応力緩和割れ性とクリープ破断特性との間には、いわゆるトレードオフの関係が存在することとなる。

そこで、本発明者らが上記の問題を解決するために検討した結果、α−Ｃｒ相およびＮｉ_３Ｔｉといった析出物を活用することにより、Ｃ含有量を低減したとしても優れたクリープ破断強度を確保することが可能になることを見出した。そして、Ｃ含有量を低減することにより、炭化物の粒内析出強化によって相対的に発生する粒界弱化が抑制され、耐応力緩和割れ性を向上させることが可能になる。

本発明は上記知見に基づいてなされたものである。本発明に係る溶接継手は、以下に説明する化学組成を有する母材と溶接金属とからなる。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。

１．母材の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。

Ｃ：０．００９％以下
Ｃは、一般的には、オーステナイトを安定にするとともに粒界に微細な炭化物を形成し、高温でのクリープ破断強度を向上させる元素であることが知られている。しかしながら、本発明においては、Ｃ含有量が過剰になると耐応力緩和割れ性の低下を招く。このため、Ｃ含有量は０．００９％以下とする。Ｃ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００５％以下であるのがより好ましい。

なお、Ｃ含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｃ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００５％以上であるのがより好ましく、０．０００８％以上であるのがさらに好ましい。

Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、靱性およびクリープ破断強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量は２．０％以下とする。Ｓｉ含有量は１．５％以下であるのが好ましく、１．０％以下であるのがより好ましく、０．５％以下であるのがさらに好ましい。

なお、Ｓｉ含有量について特に下限を設ける必要はない。しかし、Ｓｉ含有量を極端に低減すると、脱酸効果が十分に得られず合金の清浄度が大きくなって清浄性が劣化する。また、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果も得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。

Ｍｎ：３．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有するだけでなく、オーステナイトの安定化にも寄与する元素である。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靱性およびクリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎ含有量は３．０％以下とする。Ｍｎ含有量は２．８％以下であるのが好ましく、２．５％以下であるのがより好ましい。

なお、Ｍｎ含有量についても特に下限を設ける必要はない。しかし、Ｍｎ含有量を極端に低減すると、脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を劣化させる。また、熱間加工性が劣化するだけでなく、オーステナイト安定化効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｍｎ含有量は０．００５％以上とするのが好ましく、０．０１０％以上とするのがより好ましい。

Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、不純物として合金中に含有され、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性を著しく低下させ、さらに、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。

なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．０００８％以上とするのがより好ましい。

Ｓ：０．０１００％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれ、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性を著しく低下させ、さらに、長時間のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｓ含有量は０．０１００％以下とする。Ｓ含有量は０．００８０％以下であるのが好ましく、０．００５０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｓ含有量は可能な限り低減することが好ましい。

Ｏ：０．０１％以下
Ｏ（酸素）は、不純物として合金中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、さらに靱性および延性の劣化を招く。このため、Ｏ含有量は０．０１％以下とする。Ｏ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００５％以下であるのがより好ましい。

なお、Ｏ含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．０００８％以上とするのがより好ましい。

Ｃｒ：２５．０〜３８．０％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。また、α−Ｃｒ相として析出し、クリープ破断強度の向上にも寄与する。上記の効果を得るためには、Ｃｒ含有量を２５．０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が３８．０％を超えると、高温でのオーステナイトの安定性が劣化してクリープ破断強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２５．０〜３８．０％とする。Ｃｒ含有量は２５．５％以上であるのが好ましく、２６．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｒ含有量は３７．５％以下であるのが好ましく、３７．０％以下であるのがより好ましい。

Ｎｉ：４０．０〜６０．０％
Ｎｉは、オーステナイトを得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保するために必須の元素である。また、Ｎｉ_３Ｔｉとして析出し、クリープ破断強度の向上にも寄与する。上述のＣｒ含有量の範囲において、上記したＮｉの効果を十分に得るためには、Ｎｉ含有量を４０．０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量に含有させるとコストの増大を招く。したがって、Ｎｉ含有量は４０．０〜６０．０％とする。Ｎｉ含有量は４１．０％以上であるのが好ましく、４２．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｎｉ含有量は５８．０％以下であるのが好ましく、５６．０％以下であるのがより好ましい。

Ｗ：３．０〜１０．０％
Ｗは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ破断強度の向上に大きく寄与する元素である。その効果を十分に発揮させるためには、Ｗ含有量を３．０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても効果は飽和し、却ってクリープ破断強度を低下させる。さらに、Ｗは高価な元素であるため、過剰に含有させるとコストの増大を招く。したがって、Ｗ含有量は３．０〜１０．０％とする。Ｗ含有量は３．５％以上であるのが好ましく、４．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｗ含有量は９．５％以下であるのが好ましく、９．０％以下であるのがより好ましい。

Ｔｉ：０．０１〜１．２０％
Ｔｉは、Ｎｉ_３Ｔｉとして粒内に析出し、高温でのクリープ破断強度に寄与する。その効果を得るためには、Ｔｉ含有量を０．０１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になるとＮｉ_３Ｔｉとして多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。したがって、Ｔｉ含有量は０．０１〜１．２０％とする。Ｔｉ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｔｉ含有量は１．００％以下であるのが好ましく、０．８０％以下であるのがより好ましい。

Ｎ：０．０２０％以下
Ｎは、オーステナイトを安定にするのに有効な元素であるものの、過剰に含有されると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出してクリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量は０．０２０％以下とする。Ｎ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのがより好ましい。

なお、Ｎ含有量について特に下限を設ける必要はない。しかし、Ｎ含有量を極端に低減すると、オーステナイトを安定にする効果が得難くなるだけでなく、製造コストも大きく増加する。そのため、Ｎ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．０００８％以上とするのがより好ましい。

Ａｌ：０．３０％以下
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、Ａｌ含有量が過剰になると合金の清浄性が著しく劣化して、熱間加工性および延性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．３０％以下とする。Ａｌ含有量は０．２０％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。

なお、Ａｌの含有量について特に下限を設ける必要はない。しかし、Ａｌ含有量を極端に低減すると、脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を逆に劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ａｌ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましい。Ａｌの脱酸効果を安定して得るとともに、良好な清浄性を確保するためには、Ａｌ含有量は０．００１％以上とするのがより好ましい。

Ｂ：０．０００１〜０．０１％
Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析して粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ破断強度を向上させるのに必要な元素である。加えて、耐応力緩和割れ性の向上にも寄与する。これらの効果を得るためにはＢ含有量を０．０００１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、溶接性が劣化することに加えて、熱間加工性が劣化する。したがって、Ｂ含有量は０．０００１〜０．０１％とする。Ｂ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。また、Ｂ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００６％以下であるのがより好ましい。

Ｚｒ：０．０００１〜０．５０％
Ｚｒは、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｚｒは、粒界強化元素であり、高温でのクリープ破断強度向上に寄与し、さらに、クリープ延性の向上にも寄与する。この効果を得るためにはＺｒ含有量を０．０００１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．５０％を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０．０００１〜０．５０％とする。Ｚｒ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．４０％以下であるのが好ましい。

Ｃａ：０〜０．０１０％
Ｃａは、Ｓと化合物を形成してマトリックス中のＳ量を低減し、熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａ含有量が過剰になると、Ｏと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００８０％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ｃａ含有量は０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましく、０．０００３％以上とするのがさらに好ましい。

Ｍｇ：０〜０．０５０％
Ｍｇは、Ｃａと同様にＳと化合物を形成してマトリックス中のＳ量を低減し、熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇ含有量が過剰になると、Ｏと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｍｇ含有量は０．０５０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．０４５％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ｍｇ含有量を０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましく、０．０００３％以上とするのがさらに好ましい。

ＲＥＭ：０〜０．１００％
ＲＥＭは、Ｃａと同様にＳと化合物を形成してマトリックス中のＳ量を低減し、熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭ含有量が過剰になると、Ｏと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、ＲＥＭ含有量は０．１００％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、ＲＥＭ含有量を０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましく、０．０００３％以上とするのがさらに好ましい。

なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭ含有量は、ＲＥＭのうちの１種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように調整してもよい。

Ｃｏ：０〜１．０％
Ｃｏは、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｃｏは、Ｎｉと同様オーステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ破断強度の向上に寄与する。そのため、Ｃｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、Ｃｏを過剰に含有させると大幅なコスト増を招く。したがって、Ｃｏ含有量は１．０％以下とする。Ｃｏ含有量は０．８％以下であるのが好ましい。一方、上記の効果を得たい場合は、Ｃｏ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。

Ｃｕ：０〜１．０％
Ｃｕは、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｃｕは、ＮｉおよびＣｏと同様オーステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ破断強度の向上に寄与する。そのため、Ｃｕを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合には熱間加工性の低下を招く。したがって、Ｃｕ含有量は１．０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．８％以下であるのが好ましい。一方、上記の効果を得たい場合は、Ｃｕ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。

Ｍｏ：０〜１．０％
Ｍｏは、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ破断強度を向上させる作用を有する。そのため、Ｍｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、却ってクリープ破断強度の低下を招く。したがって、Ｍｏ含有量は１．０％以下とする。Ｍｏ含有量は０．８％以下であるのが好ましい。一方、上記の効果を得たい場合は、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。

Ｖ：０〜０．５％
Ｖは、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｖは、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ破断強度を向上させる作用を有する。そのため、Ｖを含有させてもよい。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。したがって、Ｖ含有量は０．５％以下とする。Ｖ有量は０．４％以下であるのが好ましい。一方、上記の効果を得たい場合は、Ｖ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。

Ｎｂ：０〜０．５％
Ｎｂは、Ｖと同様にＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ破断強度向上に寄与する。そのため、Ｎｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。したがって、Ｎｂ含有量は０．５％以下とする。Ｎｂ有量は０．４％以下であるのが好ましい。一方、上記の効果を得たい場合は、Ｎｂ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。

上記のＣｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＶおよびＮｂは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種以上の複合的に含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、４．０％であってもよい。

本発明の母材の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。Ｆｅは安価な原料であるため、０．１％〜２０％含まれることが好ましい。また、ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

２．溶接金属の化学組成
本発明の溶接継手において、溶接金属は、
質量％で、
Ｃ：０．１８％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．０２％以下、
Ｃｒ：２０．０〜３８．０％、
Ｎｉ：４０．０〜６０．０％、
ＭｏおよびＷから選択される１種以上の合計：３．０〜１３．０％、
Ｔｉ：０．０１〜１．５０％、
Ｎ：０．２０％以下、
Ａｌ：１．５％以下、
Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００１〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０５０％、
ＲＥＭ：０〜０．１００％、
Ｃｏ：０〜１．０％、
Ｃｕ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜０．５％、
Ｎｂ：０〜０．５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である化学組成を有する。

なお、本発明において、溶接金属の化学組成とは、溶接継手における初層部の化学組成を指すものとする。

上記のうちでも、Ｃ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．１５％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、１．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、１．８％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量は０．０３０％以下、Ｓ含有量は０．００８％以下、Ｏ含有量は０．００８％以下であるのが好ましい。

また、Ｃｒ含有量は２０．５％以上であるのが好ましく３２．５％以下であるのが好ましい。Ｎｉ含有量は４０．５％以上であるのが好ましく、５９．５％以下であるのが好ましい。ＭｏおよびＷから選択される１種以上の合計含有量は６．５％以上であるのが好ましく、１２．５％以下であるのが好ましい。Ｔｉ含有量は０．０６％以上であるのが好ましく、１．３０％以下であるのが好ましい。

さらに、Ｎ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．１６％以下であるのが好ましい。Ａｌ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、１．４％以下であるのが好ましい。Ｂ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましく、０．００９％以下であるのが好ましい。Ｚｒ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．４０％以下であるのが好ましい。

Ｃａ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．００８０％以下であるのが好ましい。Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０４５％以下であるのが好ましい。ＲＥＭ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましく、０．０８０％以下であるのが好ましい。

Ｃｏ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．８％以下であるのが好ましい。Ｃｕ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．８％以下であるのが好ましい。Ｖ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．４％以下であるのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．４％以下であるのが好ましい。

なお、上記の溶接金属の化学組成は、溶接時における母材と溶接材料との流入割合で決定される。以下に、本発明に係る溶接継手を製造するのに用いられる溶接材料の好適な化学組成について説明する。

３．溶接材料の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。

Ｃ：０．０６〜０．１８％
Ｃは、溶接後の溶接金属中のオーステナイトを安定化させる作用を有するとともに、微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる効果を有する元素である。さらには、溶接凝固中にＣｒと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。しかしながら、Ｃ含有量が過剰であると、炭化物が多量に析出するため、却ってクリープ強度および延性を低下させるおそれがある。したがって、Ｃ含有量は０．０６〜０．１８％であるのが好ましい。Ｃ含有量は０．０７％以上であることがより好ましく、０．０８％以上であることがさらに好ましい。また、Ｃ含有量は０．１６％以下であることがより好ましく、０．１４％以下であることがさらに好ましい。

Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、溶接材料の製造時において脱酸に有効であるとともに、溶接後の溶接金属の高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、靭性およびクリープ強度の低下を招くおそれがある。そのため、Ｓｉの含有量は１．０％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．８％以下であることがより好ましく、０．６％以下であることがさらに好ましい。

なお、Ｓｉの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が充分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。

Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接材料の製造時において脱酸に有効な元素である。また、Ｍｎは、溶接後の溶接金属中のオーステナイトの安定化にも寄与する。しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靭性およびクリープ延性の低下も生じるおそれがある。そのため、Ｍｎの含有量は２．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎの含有量は１．８％以下であることがより好ましく、１．５％以下であることがさらに好ましい。

なお、Ｍｎの含有量についても特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が充分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、オーステナイト安定化効果が得難くなり、さらに製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。

Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、高温で長時間使用した後の溶接金属のクリープ延性を低下させる。そのため、Ｐ含有量は０．０４０％以下であるのが好ましい。Ｐの含有量は０．０３０％以下であることがより好ましく、０．０２０％以下であることがさらに好ましい。

なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０００５％以上であることが好ましく、０．０００８％以上であることがより好ましい。

Ｓ：０．０１００％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、Ｓは、溶接金属において長時間使用中に柱状晶粒界に偏析して脆化を招き、応力緩和割れ感受性を高める。そのため、Ｓ含有量は０．０１００％以下であるのが好ましい。Ｓ含有量は０．００８０％以下であることがより好ましく、０．００５０％以下であることがさらに好ましい。

なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上であることが好ましく、０．０００２％以上であることがより好ましい。

Ｏ：０．０１％以下
Ｏ（酸素）は、不純物として溶接材料中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、製造性の劣化を招くおそれがある。そのため、Ｏ含有量は０．０１％以下であるのが好ましい。Ｏ含有量は０．００８％以下であることがより好ましく、０．００５％以下であることがさらに好ましい。

なお、Ｏの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏの含有量は、０．０００５％以上であることが好ましく、０．０００８％以上であることがより好ましい。

Ｎｉ：４０．０〜６０．０％
Ｎｉは、溶接後の溶接金属中のオーステナイトを安定化させるのに有効な元素であり、長時間使用時のクリープ強度を確保する元素である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、小規模製造の溶接材料においても、多量に含有させるとコストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量は４０．０〜６０．０％であるのが好ましい。Ｎｉ含有量は４０．５％以上であることがより好ましく、４１．０％以上であることがさらに好ましい。また、Ｎｉ含有量は５９．５％以下であることがより好ましく、５９．０％以下であることがさらに好ましい。

Ｃｒ：２０．０〜３３．０％
Ｃｒは、溶接後の溶接金属の高温での耐酸化性および耐食性確保のために有効な元素である。また、Ｃｒは、微細な炭化物またはＣｒが富化したｂｃｃ相を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。さらに、溶接中にＣと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。しかしながら、Ｃｒの含有量が３３．０％を超えると、上記のＮｉ量範囲において高温でのオーステナイトの安定化が劣化してクリープ強度の低下を招くおそれがある。したがって、Ｃｒ含有量は２０．０〜３３．０％であるのが好ましい。Ｃｒ含有量は２０．５％以上であることがより好ましく、２１．０％以上であることがさらに好ましい。また、Ｃｒ含有量は３２．５％以下であることがより好ましく、３２．０％以下であることがさらに好ましい。

ＭｏおよびＷの１種以上の合計：６．０〜１３．０％
ＭｏおよびＷは、溶接金属においてマトリクスに固溶し、または、微細な金属間化合物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。しかしながら、これらの元素を過剰に含有させても効果は飽和し、却ってクリープ強度を低下させるおそれがある。さらに、ＭｏおよびＷは高価な元素であるため、過剰に含有させるとコストの増大を招く。そのため、ＭｏおよびＷから選択される１種以上の合計含有量は６．０〜１３．０％であるのが好ましい。合計含有量は６．５％以上であることがより好ましく、７．０％以上であることがさらに好ましい。また、合計含有量は１２．５％以下であることがより好ましく、１２．０％以下であることがさらに好ましい。

Ｔｉ：０．０５〜１．５０％
Ｔｉは、溶接金属中に微細な炭窒化物として、さらに、Ｎｉとの金属間化合物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招くおそれがある。そのため、Ｔｉ含有量は０．０５〜１．５０％であるのが好ましい。Ｔｉ含有量は０．０６％以上であることがより好ましく、０．０７％以上であることがさらに好ましい。また、Ｔｉ含有量は１．３０％以下であることがより好ましく、１．１０％以下であることがさらに好ましい。

Ｎ：０．１８％以下
Ｎは、溶接金属中のオーステナイトを安定化させ、クリープ強度を向上させるとともに、固溶して引張強さの確保に寄与する元素である。しかしながら、過剰に含有されると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出してクリープ延性および靭性の低下を招くおそれがある。そのため、Ｎ含有量は０．１８％以下であるのが好ましい。Ｎ含有量は０．１６％以下であることがより好ましく、０．１４％以下であることがさらに好ましい。

なお、Ｎの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させるとオーステナイトを安定にする効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｎの含有量は、０．０００５％以上であることが好ましく、０．０００８％以上であることがより好ましい。

Ａｌ：１．５％以下
Ａｌは、溶接材料の製造時において脱酸に有効な元素である。また、溶接金属において微細な金属間化合物相を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ａｌの含有量が過剰になると合金の清浄性が著しく劣化して、溶接材料の熱間加工性および延性が低下するため、製造性が低下するおそれがある。加えて、溶接金属中で多量の金属間化合物相を形成し、高温で長時間使用した際の応力緩和割れ感受性を著しく高めるおそれがある。そのため、Ａｌ含有量は１．５％以下であるのが好ましい。Ａｌ含有量は１．４％以下であることがより好ましく、１．３％以下であることがさらに好ましい。

なお、Ａｌの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が充分に得られず合金の清浄性が却って劣化するとともに、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ａｌ含有量は０．０００５％以上であることが好ましく、０．００１％以上であることがより好ましい。

Ｂ：０〜０．００５％
Ｂは、溶接金属のクリープ強度の向上に有効な元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｂの含有量が過剰になると、溶接中の凝固割れ感受性が著しく高くなる。そのため、Ｂ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。Ｂ含有量は０．００４％以下であることがより好ましく、０．００３％以下であることがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ｂの含有量を０．０００１％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。

Ｎｂ：０〜０．５％
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与するため、含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招くおそれがある。そのため、Ｎｂ含有量は０．５％以下であるのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．４８％以下であることがより好ましく、０．４５％以下であることがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ｎｂ含有量を０．０１％以上とすることが好ましく、０．０３％以上とすることがより好ましい。

上記溶接材料の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

４．製造方法
本発明の溶接継手の母材の製造方法については特に制限はないが、例えば、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造することができる。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。

さらに上記の工程の後、部位ごとの金属組織および機械的性質のばらつきを抑制し、高いクリープ破断強度を保持するために、１１００〜１２５０℃の温度範囲まで加熱して保持する最終熱処理を施してもよい。加熱保持後は、母材を水冷することが望ましい。

また、溶接継手の製造方法についても特に制限はない。上記の母材に対して溶接を施すことによって製造される。溶接方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、被覆アーク溶接などを用いることができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有するオーステナイト系耐熱合金（母材１〜１８およびＡ〜Ｄ）を実験室溶解してインゴットを作製した。そして、上記インゴットに対して熱間での鍛造および圧延による成形を行った後、最終熱処理を施し、各合金からそれぞれ２つの試験材を得た。そのうちの１つは、厚さ１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍであり、１つは厚さ３２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍとした。

さらに、表２に示す化学組成を有する合金（溶接材料ＸおよびＹ）を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間での鍛造、圧延および機械加工により、外径１．２ｍｍの溶接ワイヤを作製した。

上記厚さ１５ｍｍの試験材には、その長手方向に角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した後、上述した溶接材料を用いてＴＩＧ溶接により開先内に多層溶接を行い、溶接継手を作製した。

そして、上記の溶接継手において、溶接金属の初層部の化学組成の測定を行った。各溶接継手の溶接金属の化学組成を表３に示す。

その後、溶接継手から溶接金属が平行部の中央となるようにＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に記載される直径６ｍｍ、標点距離３０ｍｍの丸棒クリープ破断試験片を採取して、７００℃、１６０ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２７１（２０１０）に準拠して行った。なお、クリープ破断時間が、２０００ｈ以上となるものを合格（○）とし、２０００ｈ未満のものを不合格（×）とした。

一方、厚さ３２ｍｍの溶接母材用合金板には、複雑な溶接部形状における厳しい応力状態を再現するため、ＪＩＳ Ｚ ３１５８（１９９３）に記載のｙ型溶接割れ試験片に準拠した試験片を機械加工により作製し、ＴＩＧ溶接により開先に単層溶接を行い、溶接継手を作製した。

得られた溶接継手に７００℃×５００時間の時効熱処理を行い、次の試験に供した。上記溶接継手の各５か所から採取した試料の横断面を鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡により検鏡し、溶接熱影響部における割れの有無を調査した。そして、５個のすべての試料で割れのない溶接継手を「○」とし、５個の試料のうち少なくとも１個の試料に割れが認められた場合「×」とした。

それらの結果を表４にまとめて示す。

表４に示すように、Ｃ含有量が本発明の規定範囲内である母材１〜１８を用いた試験Ｎｏ．１〜１８の溶接継手は、クリープ破断強度および耐応力緩和割れ性ともに良好な結果を示した。これに対して、Ｃ含有量が規定範囲を外れる母材Ａ〜Ｄを用いた試験Ｎｏ．１９〜２２の溶接継手は、十分な耐応力緩和割れ性が得られなかった。

本発明のオーステナイト系耐熱合金の溶接継手は、耐応力緩和割れ性と長時間クリープ破断強度との両方に優れる。このため、本発明の溶接継手は、発電用ボイラの過熱器管、再熱器管等の材料としてのみならず、主蒸気管、再熱蒸気管等の大径、厚肉の高温部材として使用されるのに好適である。

Claims (4)

1. 化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．００９％以下、
   Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、
   Ｐ：０．０４０％以下、
   Ｓ：０．０１００％以下、
   Ｏ：０．０１％以下、
   Ｃｒ：２５．０〜３８．０％、
   Ｎｉ：４０．０〜６０．０％、
   Ｗ：３．０〜１０．０％、
   Ｔｉ：０．０１〜１．２０％、
   Ｎ：０．０２０％以下、
   Ａｌ：０．３０％以下、
   Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
   Ｚｒ：０．０００１〜０．５０％、
   Ｃａ：０〜０．０１０％、
   Ｍｇ：０〜０．０５０％、
   ＲＥＭ：０〜０．１００％、
   Ｃｏ：０〜１．０％、
   Ｃｕ：０〜１．０％、
   Ｍｏ：０〜１．０％、
   Ｖ：０〜０．５％、
   Ｎｂ：０〜０．５％、
   残部：Ｆｅおよび不純物である母材と、
   化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．１８％以下、
   Ｓｉ：２．０％以下、
   Ｍｎ：３．０％以下、
   Ｐ：０．０４０％以下、
   Ｓ：０．０１００％以下、
   Ｏ：０．０２％以下、
   Ｃｒ：２０．０〜３８．０％、
   Ｎｉ：４０．０〜６０．０％、
   ＭｏおよびＷから選択される１種以上の合計：３．０〜１３．０％、
   Ｔｉ：０．０１〜１．５０％、
   Ｎ：０．２０％以下、
   Ａｌ：１．５％以下、
   Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
   Ｚｒ：０．０００１〜０．５０％、
   Ｃａ：０〜０．０１０％、
   Ｍｇ：０〜０．０５０％、
   ＲＥＭ：０〜０．１００％、
   Ｃｏ：０〜１．０％、
   Ｃｕ：０〜１．０％、
   Ｖ：０〜０．５％、
   Ｎｂ：０〜０．５％、
   残部：Ｆｅおよび不純物である溶接金属と、を含む、
   溶接継手。
2. 前記母材の化学組成が、質量％で、
   Ｃａ：０．０００１〜０．０１０％、
   Ｍｇ：０．０００１〜０．０５０％、および
   ＲＥＭ：０．０００１〜０．１００％、
   から選択される１種以上を含有する、
   請求項１に記載の溶接継手。
3. 前記母材の化学組成が、質量％で、
   Ｃｏ：０．０１〜１．０％、
   Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
   Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
   Ｖ：０．０１〜０．５％、および
   Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
   から選択される１種以上を含有する、
   請求項１または請求項２に記載の溶接継手。
4. 前記母材の化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．０００１〜０．００９％、
   を含有する、
   請求項１から請求項３までのいずれかに記載の溶接継手。