JP3900086B2

JP3900086B2 - 溶接材料及び溶接金属

Info

Publication number: JP3900086B2
Application number: JP2003020094A
Authority: JP
Inventors: 弘征平田; 和博小川
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP2004230410A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接材料及び溶接金属に関し、より詳しくは、ボイラ、化学装置などの耐熱、耐圧配管部材用低合金耐熱鋼の溶接に使用される溶接材料及び溶接された部材の溶接金属に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ、化学装置などの耐熱、耐圧配管に用いられる高温材料としては、数％のＣｒを含む「低合金耐熱鋼」、９〜１２％のＣｒを含む「高Ｃｒフェライト系耐熱鋼」、１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼に代表される「オ−ステナイト系ステンレス鋼」などがよく知られている。これらの鋼のうちでも、２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼に代表される低合金耐熱鋼は安価であるため、使用環境に応じて多量に使用されている。
【０００３】
低合金耐熱鋼は、一般に焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイトなどのいわゆる「フェライト系組織」からなるが、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼に比べて高温強度が低いし、オ−ステナイト組織からなる鋼に比べても高温強度が低い。このため、近年は、数％のＣｒを含有する低合金鋼をベ−スに合金元素量を調整することによって、大きな高温強度の確保が可能となる低合金耐熱鋼の開発が盛んに行われ、例えば、特許文献１〜３には、Ｗ、ＶやＮｂなどの強化元素を積極的に活用した高強度低合金耐熱鋼が開示されている。
【０００４】
上記の新しい高強度低合金耐熱鋼をボイラ、化学装置など溶接構造物の素材として使用するためには溶接施工を行う必要があり、このため、例えば、特許文献４〜７に、Ｗ、ＶやＮｂを含む共金系の溶接材料が開示されている。
【０００５】
低合金耐熱鋼が厚肉溶接構造部材の素材としてとして用いられる場合、溶接部の継手性能を確保するために、溶接後熱処理が施されるのが一般的である。この溶接後熱処理の目的は、残留応力の緩和や除去、靱性など溶接部の性能回復、及び水素割れの防止などである。
【０００６】
しかし、非特許文献１に示されているように、低合金耐熱鋼の溶接部の継手には、溶接後熱処理の過程中に、溶接熱影響部にいわゆる「再熱割れ」が発生しやすく、特に、Ｗ、ＶやＮｂなどの合金元素を含有する高強度低合金耐熱鋼の場合には、再熱割れ感受性が極めて高いので、溶接熱影響部における「再熱割れ」だけではなく、溶接金属においても、再熱割れが発生することがある。
【０００７】
前述の特許文献４に開示されている溶接材料は、低合金鋼ベースの耐熱鋼の溶接における溶接時の予熱及び溶接後熱処理が不要となるように本発明者らが開発したものであり、Ｃ、Ｎｉ、Ｏ（酸素）、Ｓ及びＳｉの含有量を適正範囲内に調整したうえで、Ｗ、Ｖ及びＮｂを添加することでその目的を達した溶接材料である。すなわち、溶接後熱処理時の再熱割れについて配慮した溶接材料ではなかった。
【０００８】
特許文献５に開示されている溶接ワイヤは、溶接後熱処理を行っても十分な高温強度と靱性を有する溶接部が得られる技術ではあるものの、溶接後熱処理時の再熱割れについては全く記述がなく、したがって、再熱割れに対する十分な配慮がなされた技術とは言い難い。なお、この文献中の実施例は、板厚が１６ｍｍの母材を溶接するものでしかなく、したがって、板厚が１６ｍｍを超えるような厚肉部材の溶接における、溶接後熱処理過程中の再熱割れに対して配慮された技術でないことは明らかである。
【０００９】
又、特許文献６及び７に開示されている溶接ワイヤは、いずれもワイヤ中の合金元素量を調整することにより、再熱割れを防止する技術ではあるものの、板厚が１６ｍｍを超えるような厚肉部材の溶接に使用する場合、これらの溶接ワイヤによる耐再熱割れ性の改善効果は、必ずしも十分ではなかった。
【００１０】
このため、たとえ特許文献４〜７で提案された溶接材料を用いても、前述のように、特に、溶接構造物の肉厚が１６ｍｍを超えるような厚肉の場合には、溶接後熱処理を施すとその過程中に、再熱割れが生じる場合があったのである。
【００１１】
【特許文献１】
特開平２−２１７４３８号公報
【特許文献２】
特開平３−８７３３２号公報
【特許文献３】
特開平１０−８１９４号公報
【特許文献４】
特許第２６２２５１６号公報
【特許文献５】
特開平１０−２７２５９２号公報
【特許文献６】
特開２００１−３２１９８６号公報
【特許文献７】
特開２００２−１３７０８７号公報
【非特許文献１】
社団法人日本高圧力技術協会応力焼鈍（ＳＲ）委員会編：「溶接後熱処理基準とその解説」，（１９９４．９．２６），ｐ．１０、２２〜２３、１００、１５０、［日刊工業新聞社］
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、高強度低合金耐熱鋼の厚肉溶接構造物、なかでも肉厚が１６ｍｍを超える厚肉溶接構造物の溶接において、溶接後熱処理しても再熱割れを生じない十分な再熱割れに対する抵抗性（以下、再熱割れに対する抵抗性を耐再熱割れ性という）を有し、且つ、その溶接構造物の使用時に優れた高温強度及び靱性を有する溶接金属とそのような溶接金属を形成するための溶接材料とを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す溶接材料及び（５）〜（８）に示す溶接金属にある。
【００１４】
（１）質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．２５％を超えて２％まで、Ｃｒ：２〜３％、Ｍｏ：０．４％を超えて０．８％まで、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０３％以下及びＯ（酸素）：０．０５％以下、並びに下記▲１▼式及び▲２▼式を満足する量のＷを含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
【００１５】
０．７％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．２％・・・▲１▼、
０．４≦Ｍｏ／Ｗ≦１．８・・・▲２▼。
【００１６】
ここで、▲１▼式及び▲２▼式における元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
【００１７】
（２）上記（１）に記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｔｉ：０．００２〜０．０１５％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
【００１８】
（３）上記（１）又は（２）に記載の成分に加えて、更に、下記（ａ）と（ｂ）に記載の少なくともいずれかの元素を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
（ａ）質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、（ｂ）質量％で、ＣａもしくはＭｇをそれぞれ０．０００５〜０．００５％、又は、ＣａとＭｇを合計で０．０００５〜０．００５％。
【００１９】
（４）上記（１）から（３）までのいずれかに記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｃｕ：０．０１〜０．５％及びＣｏ：０．０１〜０．５％の１種以上を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
【００２０】
（５）質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．２５％を超えて２％まで、Ｃｒ：２〜３％、Ｍｏ：０．４％を超えて０．８％まで、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０３％以下及びＯ（酸素）：０．０５％以下、並びに下記▲１▼式及び▲２▼式を満足する量のＷを含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。
【００２１】
０．７％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．２％・・・▲１▼、
０．４≦Ｍｏ／Ｗ≦１．８・・・▲２▼。
【００２２】
ここで、▲１▼式及び▲２▼式における元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
【００２３】
（６）上記（５）に記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｔｉ：０．００２〜０．０１５％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。
【００２４】
（７）上記（５）又は（６）に記載の成分に加えて、更に、下記（ａ）と（ｂ）に記載の少なくともいずれかの元素を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。
【００２５】
（ａ）質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、（ｂ）質量％で、ＣａもしくはＭｇをそれぞれ０．０００５〜０．００５％、又は、ＣａとＭｇを合計で０．０００５〜０．００５％。
【００２６】
（８）上記（５）から（７）までのいずれかに記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｃｕ：０．０１〜０．５％及びＣｏ：０．０１〜０．５％の１種以上を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。
【００２７】
以下、上記（１）〜（４）の溶接材料に係る発明及び（５）〜（８）の溶接金属に係る発明をそれぞれ（１）〜（８）の発明という。
【００２８】
なお、「溶接金属」とは、溶接中に母材の一部と溶接材料が溶融混合し、凝固した部分を指す。但し、本発明でいう「溶接金属」の化学組成は、「溶接金属」の肉厚中央部における値をいう。
【００２９】
ここで、上記（１）〜（４）の発明に係る溶接材料を使用して溶接が施される部材（換言すれば、溶接構造物の母材）、又は、溶接構造物の母材に溶接が施されて上記（５）〜（８）の発明に係る溶接金属が形成される際のその母材は、高強度低合金耐熱鋼である。具体的には、Ｗ、Ｖ及びＮｂ等を含む高強度低合金耐熱鋼であり、その形状は、板状、棒状や管状など溶接接合に供することができさえすればどのような形状でも構わない。
【００３０】
本発明者らは、前記した目的を達成するために、Ｗ、Ｖ及びＮｂ等を含有する高強度低合金耐熱鋼を溶接した後で溶接後熱処理を行い、溶接部に発生する再熱割れに及ぼす析出物や残留応力の影響について詳細に検討した。その結果、次に示す[1]〜[3]の事項が明らかになった。
【００３１】
[1] 再熱割れは、凝固時の柱状晶境界に発生し、割れ破面には溶融痕は認められないものの、破面上にはＮの顕著な濃化が生じている。
【００３２】
[2] 溶接後熱処理後の母材粒界には粗大なＣｒ炭化物が認められるのに対し、溶接金属では粒界及び粒界近傍の粒内にＶやＮｂの微細な炭窒化物が認められ、Ｃｒ炭化物はほとんど認められない。
【００３３】
[3] 母材がＷを含む場合にはＷを含まない場合に比べて、後熱処理によって溶接残留応力が緩和し難い。
【００３４】
上記[1]〜[3]から、下記[4]及び[5]の知見が得られた。
【００３５】
[4] 溶接金属の凝固時、柱状晶境界にＮの偏析が生じるために、溶接後熱処理の早い時期に粒界及び粒界近傍では微細なＶやＮｂの炭窒化物がＣｒの炭化物よりも先に析出し、この微細なＶやＮｂの炭窒化物による粒界と粒内との大きな相対的強度差によって、再熱割れが生じる。
【００３６】
[5] Ｗを含有する高強度低合金耐熱鋼を溶接する場合には、溶接残留応力が溶接後熱処理によって緩和され難く、特に、溶接構造物が肉厚１６ｍｍを超えるような厚肉の場合には、高い引張残留応力が長時間存在することとなるので、再熱割れに対する感受性が極めて高くなる。
【００３７】
そこで、肉厚が１６ｍｍを超えるような厚肉の溶接構造物においても、溶接後熱処理時の耐再熱割れ性を確保するために更なる検討を行った結果、下記 [6]に示す知見が得られた。
【００３８】
[6] Ｍｏ及びＷの含有量範囲を最適化することに加え、Ｖ及びＮｂの含有量範囲を調整することにより、粒界及び粒界近傍でのＶやＮｂの微細な炭窒化物の早期析出を抑制することが可能になって、粒界にＣｒ炭化物を優先的に析出させることができ、更に、後熱処理によって溶接残留応力を早期に緩和することができる。
【００３９】
前記（１）〜（８）の発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の溶接材料（前記（１）〜（４）の溶接材料）及び溶接金属（前記（５）〜（８）の溶接金属）に含まれる各成分元素の作用効果とその含有量の限定理由について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００４１】
ここで、本発明の溶接材料を使用して溶接が施される溶接構造物の母材の化学組成、又は、溶接構造物の母材に溶接が施されて本発明の溶接金属が形成される際のその母材の化学組成は、溶接材料の化学組成と類似しているため、溶接金属の化学組成も溶接材料の化学組成とほとんど同じになる。したがって、以下においては、溶接材料と溶接金属とを区別せずに説明する。
【００４２】
Ｃ：
Ｃは、オ−ステナイト形成元素として作用し、δ−フェライトの生成を抑制して溶接金属の靱性を確保するのに有効な元素である。Ｃには、粒界上にＣｒ炭化物を生成させて耐再熱割れ性を高めるとともに、粒内に微細炭化物を生成して強度を高める作用もある。しかし、その含有量が０．００５％未満では前記の効果が得られない。一方、Ｃの過剰の添加は、溶接金属の硬さ上昇を招いて溶接低温割れに対する感受性を大きくし、特にその含有量が０．１％を超えると溶接低温割れに対する感受性が著しく大きくなる。したがって、Ｃの含有量を０．００５〜０．１％とした。なお、Ｃの含有量は０．０１〜０．０９％とすることが好ましく、０．０２〜０．０８％であれば一層好ましい。
【００４３】
Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸作用を有するほか、耐酸化性、耐高温腐食性を高める作用を有する。こうした効果を得るためには、Ｓｉの含有量は０．０５％以上とする必要がある。しかし、Ｓｉの過剰の添加はＮの凝固偏析を促進して耐再熱割れ性を低下させるとともに、高温での長時間使用時に靱性の低下を招く。特に、その含有量が０．８％を超えると、耐再熱割れ性の低下及び高温での長時間使用時の靱性低下が著しくなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．０５〜０．８％とした。Ｓｉの含有量は０．０８〜０．７％とすることが好ましく、０．１〜０．６％であれば一層好ましい。
【００４４】
Ｍｎ：
Ｍｎは、脱酸作用を有するほか、Ｎの活量を下げてＮの凝固偏析を抑制する作用も有する。こうした効果はＭｎの含有量が０．１％以上で得られる。しかし、Ｍｎを過剰に含むと高温、長時間使用後の強度低下及び靱性低下を招き、特に、Ｍｎの含有量が２％を超えると、高温、長時間使用後の強度低下及び靱性低下が著しくなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．１〜２％とした。Ｍｎの含有量は、望ましくは、０．２〜１．８％、更に望ましくは、０．３〜１．６％とするのがよい。
【００４５】
Ｐ：
Ｐは、鋼中の不可避不純物であり、多量に含まれると溶接時に凝固割れが生じるし、粒界に偏析して溶接後熱処理時の再熱割れ感受性を高めてしまう。特に、Ｐの含有量が０．０２％を超えると、溶接時に凝固割れの発生が著しく多くなるし、溶接後熱処理時の再熱割れ感受性も極めて大きくなる。このため、Ｐの含有量を０．０２％以下とした。なお、Ｐの含有量は０．０１８％以下とすることが好ましい。Ｐの含有量は低ければ低いほど好ましい。
【００４６】
Ｓ：
Ｓは、Ｐと同様に鋼中の不可避不純物であり、多量に含まれると溶接時に凝固割れを生じさせるし、粒界に偏析して溶接後熱処理時の再熱割れ感受性を高めてしまう。特に、Ｓの含有量が０．０１％を超えると、溶接時に凝固割れの発生が著しく多くなるし、溶接後熱処理時の再熱割れ感受性も極めて大きくなる。このため、Ｓの含有量を０．０１％以下とした。Ｓの含有量は０．００８％以下とすることが好ましい。Ｓの含有量は低ければ低いほど好ましい。
【００４７】
Ｎｉ：
Ｎｉは、オ−ステナイト生成元素であり、耐再熱割れ性を高めるためにＮの含有量を後述のように低くする場合、δ−フェライトの生成を抑えて組織の安定性を高め、靱性を確保するために０．２５％を超える含有量を必要とする。しかし、Ｎｉは高温使用中の延性を低下させ、特に、その含有量が２％を超えると、高温使用中の延性低下が著しくなる。したがって、Ｎｉの含有量を０．２５％を超えて２％までとした。Ｎｉの含有量は０．２５％を超えて１．８％までとすることが望ましく、０．２５％を超えて１．５％までとすれば更に望ましい。
【００４８】
Ｃｒ：
Ｃｒは、低合金耐熱鋼に高温での耐酸化性、耐高温腐食性及び高温強度を確保させるのに有効な元素である。Ｃｒは、溶接金属の凝固時にＮの凝固偏析を抑制するとともに、溶接後熱処理時に粒界へのＣｒ炭化物の析出を促進することで、耐再熱割れ性を高めるのにも有効な元素である。これらの効果を得るためには、Ｃｒの含有量は２％以上必要である。しかし、Ｃｒの過剰の添加は、δ−フェライトの生成を助長するとともに、高温での使用中に炭化物の粗大化をきたすので、強度及び靱性の低下を招く。特に、Ｃｒの含有量が３％を超えると、強度及び靱性の低下が著しくなる。したがって、Ｃｒの含有量を２〜３％とした。Ｃｒの含有量は、望ましくは、２〜２．８％、更に望ましくは、２〜２．６％とするのがよい。
【００４９】
Ｍｏ：
Ｍｏは、マトリックス（素地）を固溶強化するとともに炭化物として析出し、クリープ強度の確保に寄与する。更に、Ｐとの親和力が強く溶接後熱処理時に粒界に偏析するＰの量を低減させるため、再熱割れ感受性の低減にも有効な元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｏの含有量は多い方がよいので、０．４％を超えて含有させるものとする。しかし、Ｍｏの過剰の添加は長時間使用後の靱性の低下を招き、特に、Ｍｏの含有量が０．８％を超えると、長時間使用後の靱性の低下が著しくなる。したがって、Ｍｏの含有量を０．４％を超えて０．８％までとした。なお、溶接金属のクリープ強度を確保し、溶接後熱処理時の残留応力の緩和を促進させて耐再熱割れ性を高めて再熱割れを防止するために、Ｍｏは後述するＷとともに複合添加して前記の▲１▼式及び▲２▼式を満足させる必要がある。
【００５０】
Ｖ：
Ｖは、微細な炭化物及び炭窒化物を形成し、クリープ強度の確保に寄与する。この効果を得るためには、Ｖの含有量は０．０５％以上とする必要がある。しかし、Ｖの過剰の添加は、溶接後熱処理時に粒界及び粒界近傍の粒内での微細なＶ炭窒化物の早期析出を招いて粒界と粒内との相対的強度差を大きくし、再熱割れの発生を助長することとなる。更に、Ｖの過剰の添加は、高温での使用中に、炭化物の急速な凝集、粗大化を招くため、却ってクリープ強度の低下をきたすことにもなる。特に、Ｖの含有量が０．３％を超えると、再熱割れの発生が著しくなるし、クリープ強度の低下も大きくなる。したがって、Ｖの含有量を０．０５〜０．３％とした。Ｖの含有量は０．１０〜０．２８％とすることが好ましく、０．１２〜０．２６％であれば一層好ましい。
【００５１】
Ｎｂ：
Ｎｂは、Ｖと同様に微細な炭化物及び炭窒化物を形成し、クリープ強度の確保に寄与する。この効果を得るためには、Ｎｂの含有量は０．０１％以上とする必要がある。しかし、Ｎｂの過剰の添加は、溶接後熱処理時に粒界及び粒界近傍の粒内での微細なＮｂ炭窒化物の早期析出を招いて粒界と粒内との相対的強度差を大きくし、再熱割れの発生を助長することとなる。特に、Ｎｂの含有量が０．０８％を超えると、再熱割れの発生が著しくなる。したがって、Ｎｂの含有量を０．０１〜０．０８％とした。Ｎｂの含有量は、望ましくは、０．０１〜０．０７％、更に望ましくは、０．０１〜０．０６％とするのがよい。
【００５２】
Ｎ：
Ｎは、溶接金属の凝固時に粒界に偏析し、溶接後熱処理時に粒界及び粒界近傍の粒内での微細なＮｂやＶの炭窒化物の早期析出を招いて粒界と粒内との相対的強度差を大きくし、再熱割れの発生を助長することとなる。特に、Ｎの含有量が０．０１５％を超えると、Ｖ及びＮｂの含有量を上述の範囲に規制しても再熱割れの発生が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．０１５％以下とした。Ｎの含有量は０．０１２％以下とすることが好ましく、０．０１％以下であれば一層好ましい。Ｎの含有量は低ければ低いほど好ましい。
【００５３】
Ａｌ：
Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、過剰に添加すると清浄度が低下して加工性が損なわれ、更に、高温強度の低下が生じる。特に、Ａｌの含有量が０．０５％を超えると、加工性の低下と高温強度の低下が著しくなる。そのため、Ａｌの含有量を０．０５％以下とした。望ましくは、０．０２５％以下であり、更に望ましくは、０．０２％以下である。なお、ＳｉやＭｎなど他の元素で十分脱酸できる場合にはＡｌは添加する必要はないが、Ａｌによる脱酸効果を確実に得るには、０．００１％以上の含有量とするのがよい。
【００５４】
Ｏ（酸素）：
Ｏは鋼中不純物元素であり、溶接中にも外部から混入して、主に酸化物として存在し、加工性、強度及び靱性の低下を招く。特に、Ｏの含有量が０．０５％を超えると、加工性、強度及び靱性の低下が著しくなる。したがって、Ｏの含有量を０．０５％以下とした。望ましくは、０．０４５％以下、更に望ましくは０．０４％以下である。Ｏの含有量は低ければ低いほど好ましい。
【００５５】
Ｗ：
Ｗは、マトリックスを固溶強化するとともに炭化物を生成してクリープ強度の確保に寄与する。前記の効果は、Ｍｏと複合添加した場合に大きく現れ、特に「Ｍｏ＋０．５Ｗ」で０．７％以上含有させると、極めて顕著な効果が得られる。しかし、ＭｏとＷはいずれも高価な元素であり、多量の添加は材料コストの上昇を招くので、「Ｍｏ＋０．５Ｗ」で１．２％までの含有とするのがよい。したがって、本発明においては「Ｍｏ＋０．５Ｗ」の値を０．７〜１．２％、すなわち前記▲１▼式を満たすように規定した。なお、「Ｍｏ＋０．５Ｗ」の値は０．８〜１．１％とすることが望ましい。
【００５６】
Ｗは強度確保に有効な元素であるものの、既に述べたように、Ｗを含有する高強度低合金耐熱鋼の場合には溶接後熱処理を施しても残留応力が緩和され難く、このため再熱割れに対する感受性が大きい。クリープ強度、特に溶接金属のクリープ強度を確保し、溶接後熱処理時の残留応力の緩和を促進させて耐再熱割れ性を高めて再熱割れを防止するためには、上記の「Ｍｏ＋０．５Ｗ」の値を所定の範囲に調整する、つまり▲１▼式を満足させることに加えて、▲２▼式を満足させる必要がある。
【００５７】
すなわち、「Ｍｏ／Ｗ」の値が小さいと溶接後熱処理を施しても高い引張残留応力が長時間存在することとなって再熱割れに対する感受性が高くなる。したがって、耐再熱割れ性の確保という点からは「Ｍｏ／Ｗ」の値を大きくするほどよいので、下限を０．４とした。一方、「Ｍｏ／Ｗ」の値が１．８を超える場合には、「Ｍｏ＋０．５Ｗ」に関する▲１▼式が満たされても、十分なクリープ強度、特に溶接金属のクリープ強度を確保できない。したがって、本発明においては、「Ｍｏ／Ｗ」の値を０．４〜１．８、すなわち前記▲２▼式を満たすように規定した。なお、「Ｍｏ／Ｗ」の値は０．５〜１．７とすることが望ましい。
【００５８】
前記（１）の発明に係る溶接材料及び（５）の発明に係る溶接金属は、上記のＣからＷまでの元素と、残部がＦｅ及び不純物からなるものである。
【００５９】
前記（２）の発明に係る溶接材料及び（６）の発明に係る溶接金属は、溶接金属のクリープ強度を一層高めることを目的として、上記（１）の発明又は（５）の発明におけるＦｅの一部に代えて、次に述べる量のＴｉを含有させたものである。
【００６０】
Ｔｉ：
Ｔｉは、添加すれば、微細窒化物を形成し、溶接金属のクリープ強度の確保に寄与する。この効果を得るには、Ｔｉは０．００２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０１５％を超えると靱性の極端な低下を招く。したがって、Ｔｉを添加する場合には、その含有量を０．００２〜０．０１５％とするのがよい。添加する場合のより望ましいＴｉの含有量は０．００５〜０．０１２％である。
【００６１】
前記（３）の発明に係る溶接材料及び（７）の発明に係る溶接金属は、耐再熱割れ性を一層高めることを目的として、上記（１）もしくは（２）の発明、又は、（５）もしくは（６）の発明におけるＦｅの一部に代えて、（ａ）０．０００５〜０．０１％のＢ、並びに（ｂ）それぞれ０．０００５〜０．００５％のＣａもしくはＭｇ、又は、合計で０．０００５〜０．００５％のＣａとＭｇ、から選択される少なくともいずれかの元素を含有させたものである。
【００６２】
上記のＢ並びに、Ｃａ及びＭｇのいずれの元素も耐再熱割れ性を高める作用を有するので、これらの元素は、以下に述べる（ａ）と（ｂ）の範囲内で単独で含有させてもよいし、（ａ）と（ｂ）を複合してして含有させてもよい。
【００６３】
（ａ）Ｂ：
Ｂは、添加すれば、フリ−Ｂとして粒界に偏析するため、ＮやＰ、Ｓの粒界への偏析が抑制されて粒界固着力が増大し、耐再熱割れ性が高まる。この効果を得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０１％を超えると高温強度の低下を招く。したがって、Ｂを添加する場合には、その含有量を０．０００５〜０．０１％とするのがよい。添加する場合のより望ましいＢの含有量は０．０００８〜０．００８％であり、更に望ましいＢの含有量は０．００１〜０．００６％である。
【００６４】
（ｂ）Ｃａ、Ｍｇ：
Ｃａ及びＭｇはＳとの親和力が大きいため、添加すれば、Ｓの粒界偏析を抑制して、耐再熱割れ性を高める。この効果を得るには、ＣａとＭｇはそれぞれを単独で添加する場合にはいずれも０．０００５％以上含有させるのがよく、ＣａとＭｇを複合添加する場合には合計で０．０００５％以上含有させるのがよい。しかし、ＣａとＭｇをそれぞれを単独で添加する場合には含有量が０．００５％を超えると、又、ＣａとＭｇを複合添加する場合には合計の含有量が０．００５％を超えると、鋼の清浄度が低下する。したがって、Ｃａ及びＭｇのうちの１種又は２種を添加する場合には、ＣａもしくはＭｇをそれぞれ０．０００５〜０．００５％、又は、ＣａとＭｇを合計で０．０００５〜０．００５％含有させるのがよい。Ｃａ及びＭｇのうちの１種又は２種を添加する場合、ＣａもしくはＭｇをそれぞれ０．００１〜０．００４％、又は、ＣａとＭｇを合計で０．００１〜０．００４％の含有させるのが一層よい。
【００６５】
前記（４）の発明に係る溶接材料及び（８）の発明に係る溶接金属は、δ−フェライトの生成を抑えて組織の安定性を一層高めることを目的として、上記（１）から（３）までの発明のいずれかにおけるＦｅの一部に代えて、又は、（５）から（７）までの発明のいずれかにおけるＦｅの一部に代えて、０．０１〜０．５％のＣｕ及び０．０１〜０．５％のＣｏのうちの１種又は２種を含有させたものである。
【００６６】
上記のＣｕ及びＣｏはいずれもδ−フェライトの生成を抑えて組織の安定性を高める作用を有するので、ＣｕとＣｏは、以下に述べる範囲内でそれぞれを単独で含有させてもよいし、複合して含有させてもよい。
【００６７】
Ｃｕ：
Ｃｕは、添加すれば、δ−フェライト相の生成を抑え、組織の安定性を高める作用を有する。この効果を得るには、Ｃｕは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると、高温、長時間使用中の延性低下を招く。したがって、Ｃｕを添加する場合には、その含有量を０．０１〜０．５％とするのがよい。添加する場合のより望ましいＣｕの含有量は０．０３〜０．４％である。
【００６８】
Ｃｏ：
Ｃｏは、添加すれば、δ−フェライト相の生成を抑え、組織の安定性を高める作用を有する。この効果を得るには、Ｃｏは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると、靱性の著しい低下を招く。したがって、Ｃｏを添加する場合には、その含有量を０．０１〜０．５％とするのがよい。添加する場合のより望ましいＣｏの含有量は０．０２〜０．４５％であり、更に一層望ましいＣｏの含有量は０．０３〜０．４％である。
【００６９】
以上述べたように、本発明に係る溶接材料及び溶接金属は、高強度低合金耐熱鋼の厚肉溶接構造物、なかでも肉厚が１６ｍｍを超える厚肉溶接構造物の溶接において、後熱処理しても再熱割れを生じない十分な耐再熱割れ性を確保した点に特徴を有するものである。
【００７０】
したがって、本発明に係る溶接材料は高強度低合金耐熱鋼の厚肉溶接構造物、なかでも肉厚が１６ｍｍを超える厚肉溶接構造物の溶接材料として好適であり、又、本発明に係る溶接金属は、厚肉の高強度低合金耐熱鋼、なかでも肉厚が１６ｍｍを超える厚肉の高強度低合金耐熱鋼を溶接して形成された溶接構造物の溶接金属として、従来の溶接金属にはみられない優れた特性（つまり、良好なクリープ強度や靱性だけではなく耐再熱割れ性にも優れるという特性）を有している。
【００７１】
前記（１）〜（４）の発明に係る溶接材料は、厚肉の高強度低合金耐熱鋼、なかでも肉厚が１６ｍｍを超える厚肉の高強度低合金耐熱鋼の溶接に使用される通常の溶接方法に用いることができる。例えば、前記（１）〜（４）の発明に係る溶接材料である「溶接ワイヤ」を使用したガスシールドアーク溶接に、又は、前記溶接材料である「溶接ワイヤ」を芯線として、炭酸塩、蛍石、ＳｉＯ₂ 及びＴｉＯ₂ などからなる被覆剤を塗布した溶接棒を用いる被覆アーク溶接に、又は、前記溶接材料である「溶接ワイヤ」とＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ及びＭｇＯなどからなるフラックスを組み合わせることにより行うサブマージ溶接などに適用できる。
【００７２】
前記（５）〜（８）の発明に係る溶接金属は、溶接方法によらず、その溶接金属に含まれる各成分元素が前記（５）〜（８）に記載される規定を満たすものであればよい。
【００７３】
上述の成分規定を満たす前記（５）〜（８）の発明に係る溶接金属は、厚肉の高強度低合金耐熱鋼、なかでも肉厚が１６ｍｍを超える厚肉の高強度低合金耐熱鋼を通常の方法で溶接して溶接後熱処理を施す場合にも、溶接金属における再熱割れの発生を完全に抑制することができる。そして、この溶接金属は、既に述べた成分規定を満たす前記（１）〜（４）の発明に係る溶接材料を使用すれば容易に得られる。
【００７４】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【００７５】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する高強度低合金耐熱鋼板を母材とし、表２、３に示す化学組成を有する溶接材料を使用して種々の方法で溶接を行い、溶接後熱処理を行った後に溶接金属部を含む各種の試験片を切り出して、それぞれの試験片を用いて性能調査を実施した。
【００７６】
【表１】

【００７７】
【表２】

【００７８】
【表３】

【００７９】
母材は、温度が５５０℃、負荷応力が２０６ＭＰａの試験条件下でのクリープ破断時間が５００時間の板厚４０ｍｍの高強度低合金耐熱鋼板であり、前記表１に示す化学組成を有するインゴットに、通常の方法で熱間での鍛造及び圧延、並びに熱処理を行い、厚さ４０ｍｍの鋼板に仕上げたものである。
【００８０】
使用した溶接材料としての溶接ワイヤは２８種類で、前記表２、３に示す化学組成を有するインゴットに通常の方法で熱間での鍛造と圧延、熱処理及び冷間での線引加工を行って、外径１．２ｍｍ又は４．０ｍｍに仕上げた線材である。
【００８１】
性能調査の実施に際し、先ず、図１に示したＵ型の開先加工を施した母材１の四周を、図２に示すように拘束板２に拘束溶接して拘束溶接試験体Ａを作製した。図２において、符号３は拘束溶接部を示している。
【００８２】
次いで、前記の開先に対してＴＩＧ溶接又はサブマージ溶接による多層溶接を行った。
【００８３】
すなわち、２５０℃で予熱した後、外径１．２ｍｍの溶接ワイヤを用いたＴＩＧ溶接により、平均入熱を２５ｋＪ／ｃｍとして多層溶接した。又、２５０℃で予熱した後、外径４．０ｍｍの溶接ワイヤと、ＳｉＯ₂ が３０％、ＣａＯが１５％、ＭｇＯが１５％及びＡｌ₂Ｏ₃が４０％からなるフラックスとを用いて、サブマージ溶接により、平均入熱を５０ｋＪ／ｃｍとして多層溶接した。なお、図２における符号４は、多層溶接における試験ビードを示すものである。
【００８４】
上記の各条件で溶接した溶接部継手にはいずれも、７１５℃で５時間の溶接後熱処理を施した。
【００８５】
このようにして得た溶接継手の溶接金属肉厚中央部から機械加工により化学分析用試料を採取し、溶接金属の化学成分分析を行った。又、各溶接部の横断面を５断面現出して光学顕微鏡により２００倍の倍率で溶接金属内の再熱割れの有無を検鏡し、溶接金属における耐再熱割れ性の評価を行った。
【００８６】
表４〜７に、前記のＴＩＧ溶接又はサブマージ溶接による多層溶接で得られた溶接金属の化学分析結果を、表８に、耐再熱割れ性の評価結果を示す。なお、表４〜７には、溶接ワイヤとその寸法を併記した。表８の「耐再熱割れ性」欄における符号「○」は調査した５断面の全てに再熱割れが認められなかったことを、符号「×」は調査した５断面のうちの少なくとも１断面に再熱割れが認められたことを示す。なお、いずれの試験番号の継手においても、溶接熱影響部に再熱割れは発生していなかった。
【００８７】
【表４】

【００８８】
【表５】

【００８９】
【表６】

【００９０】
【表７】

【００９１】
【表８】

【００９２】
次いで、表８に示す耐再熱割れ性の評価が「○」であった溶接部について、そのクリープ特性について評価した。試験は、溶接継手の肉厚中央部から溶接金属が試験片の中央部となるように図３に示すクリープ試験片を採取して、温度が５５０℃で負荷応力が２０６ＭＰａの試験条件下でのクリープ破断時間を調査した。図３における符号５は溶接金属を指す。なお、溶接部のクリープ破断時間は、母材の平均クリープ破断時間である５００時間の７０％以上を目標とし、その場合に溶接部のクリープ特性が良好と判断した。
【００９３】
又、溶接金属にノッチを持つ幅１０ｍｍのＶノッチ衝撃試験片（つまり、ノッチ部全体が溶接金属にある幅１０ｍｍのＶノッチ衝撃試験片）を採取し、０℃でシャルピー衝撃試験を行って吸収エネルギーを求め、靱性を評価した。吸収エネルギーは実用上十分な４０Ｊ以上を目標とし、その場合に溶接部の靱性が良好と判断した。
【００９４】
表８に、クリープ破断時間及び０℃での吸収エネルギーを併せて示す。
【００９５】
表２〜８から、次のことが明らかである。
【００９６】
すなわち、本発明例の溶接材料である溶接ワイヤを使用し、更に、溶接金属の化学組成が本発明で規定する範囲内にある試験番号１〜１７の場合、溶接後熱処理後に再熱割れが認められず優れた耐再熱割れ性を有しており、溶接金属のクリープ特性及び靱性はいずれも良好である。
【００９７】
これに対して、化学組成として「Ｍｏ／Ｗ」の値が１．８を上回り、本発明で規定する範囲から外れた比較例の溶接材料である溶接ワイヤを使用した試験番号１８、１９の場合、溶接金属における「Ｍｏ／Ｗ」の値も１．８を上回り、溶接部のクリープ破断時間は、母材のクリープ破断時間の７０％に達していない。
【００９８】
化学組成としてＮｉの含有量が本発明で規定する範囲から低めに外れた比較例の溶接材料である溶接ワイヤを使用した試験番号２０、２１の場合、溶接金属におけるＮｉの含有量も本発明で規定する範囲から低めに外れたため、δ−フェライトが生成し、０℃での吸収エネルギーは４０Ｊを下回り、溶接金属の靱性は低いものである。
【００９９】
化学組成としてＶの含有量が本発明で規定する範囲から高めに外れた比較例の溶接材料である溶接ワイヤを使用した試験番号２２、２３の場合、溶接金属におけるＶの含有量も本発明で規定する範囲から高めに外れたため、多量のＶ炭窒化物が生成し、溶接金属に再熱割れが発生した。
【０１００】
化学組成としてＮの含有量が本発明で規定する範囲から高めに外れた比較例の溶接材料である溶接ワイヤを使用した試験番号２４の場合、溶接金属におけるＮの含有量も本発明で規定する範囲から高めに外れたため、Ｎの凝固偏析が生じ、粒界及び粒界近傍の粒内に微細なＮｂやＶの炭窒化物が多量に生成したので、溶接金属に再熱割れが発生した。
【０１０１】
化学組成における「Ｍｏ＋０．５Ｗ」の値が本発明で規定する範囲から低めに外れるとともに、「Ｍｏ／Ｗ」の値が本発明で規定する範囲から高めに外れた比較例の溶接材料である溶接ワイヤを使用した試験番号２５、２６の場合、溶接金属における「Ｍｏ＋０．５Ｗ」の値及び「Ｍｏ／Ｗ」の値もそれぞれ本発明で規定する範囲から低めと高めに外れたため、溶接部のクリープ破断時間は、母材のクリープ破断時間の７０％に達していない。
【０１０２】
化学組成における「Ｍｏ＋０．５Ｗ」の値が本発明で規定する範囲から高めにに外れた比較例の溶接材料である溶接ワイヤを使用した試験番号２７、２８の場合、溶接金属における「Ｍｏ＋０．５Ｗ」の値も本発明で規定する範囲から高めに外れたため、材料コストが高いにも拘わらず、０℃での吸収エネルギーは４０Ｊを下回り、溶接金属の靱性は低いものである。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明の溶接金属は肉厚が１６ｍｍを超える厚肉であっても耐再熱割れ性、クリープ特性及び靱性に優れており、本発明の溶接金属を有する溶接継手は十分な継手性能を有する。この溶接金属は、本発明の溶接材料を使用して溶接すれば容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接母材の開先形状を示す図である。
【図２】拘束溶接試験体を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】実施例で採取したクリープ試験片の形状を示す図である。
【符号の説明】
Ａ：拘束溶接試験体、
１：母材、
２：拘束板、
３：拘束溶接部、
４：多層溶接における溶接ビード、
５：溶接金属。

Claims

質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．２５％を超えて２％まで、Ｃｒ：２〜３％、Ｍｏ：０．４％を超えて０．８％まで、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０３％以下及びＯ（酸素）：０．０５％以下、並びに下記▲１▼式及び▲２▼式を満足する量のＷを含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
０．７％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．２％・・・▲１▼
０．４≦Ｍｏ／Ｗ≦１．８・・・▲２▼
ここで、▲１▼式及び▲２▼式における元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
請求項１に記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｔｉ：０．００２〜０．０１５％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
請求項１又は２に記載の成分に加えて、更に、下記（ａ）と（ｂ）に記載の少なくともいずれかの元素を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
（ａ）質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、
（ｂ）質量％で、ＣａもしくはＭｇをそれぞれ０．０００５〜０．００５％、又は、ＣａとＭｇを合計で０．０００５〜０．００５％
請求項１から３までのいずれかに記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｃｕ：０．０１〜０．５％及びＣｏ：０．０１〜０．５％の１種以上を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接材料。
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．２５％を超えて２％まで、Ｃｒ：２〜３％、Ｍｏ：０．４％を超えて０．８％まで、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０３％以下及びＯ（酸素）：０．０５％以下、並びに下記▲１▼式及び▲２▼式を満足する量のＷを含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。
０．７％≦Ｍｏ＋０．５Ｗ≦１．２％・・・▲１▼
０．４≦Ｍｏ／Ｗ≦１．８・・・▲２▼
ここで、▲１▼式及び▲２▼式における元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
請求項５に記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｔｉ：０．００２〜０．０１５％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。
請求項５又は６に記載の成分に加えて、更に、下記（ａ）と（ｂ）に記載の少なくともいずれかの元素を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。
（ａ）質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、
（ｂ）質量％で、ＣａもしくはＭｇをそれぞれ０．０００５〜０．００５％、又は、ＣａとＭｇを合計で０．０００５〜０．００５％
請求項５から７までのいずれかに記載の成分に加えて、更に、質量％で、Ｃｕ：０．０１〜０．５％及びＣｏ：０．０１〜０．５％の１種以上を含み、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする溶接金属。