JP6638552B2 - オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料 - Google Patents
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このような要求を満たす材料として、従来、多量の窒素を含有させた種々のオーステナイト系耐熱鋼(以下、多量の窒素を含有させたオーステナイト系耐熱鋼を「高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼」とも称する)が開発されてきた。
また、特許文献2にも、Nを0.1%〜0.35%およびCrを22%超〜30%未満とするともに、不純物を特定の条件に規定した高温強度と耐食性に優れる高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
これら高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を使用した構造物とする場合、溶接により組み立てるのが一般的である。そのため、これら高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するための溶接材料も種々提案されてきた。
特許文献5には、Nを0.20%〜0.40%含有するととともに、必要に応じてCuを1%〜4%含有させ、かつ不純物としてのPとSとの合計を0.02%以下に制限した高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度と溶接性を両立することが開示されている。
そのため、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の開発も、母材の開発と平行して求められており、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適な溶接材料が待望されていた。
(a) 溶接材料中の窒素量を低減することにより、溶接中に生じる割れの感受性が高まる。
(b) 溶接中に発生した割れは、溶接金属の凝固の最終過程で発生する、いわゆる凝固割れ、ならびに多層溶接における後続パスの再熱により発生する、いわゆる延性低下割れである。
(c) 低窒素化により溶接金属の柱状晶境界の形状が、より平滑になるとともに、柱状晶境界に存在する共晶炭窒化物量が減少する。
すなわち、溶接材料中の窒素の含有量が高い場合、溶接金属の凝固に伴い、TiおよびNbなど、CおよびNと親和力の強い合金元素が、固相から液相に排出されて濃化する。さらに、溶接金属の凝固が進行すると、これらの元素(Ti、Nb、C、及びN)から構成される炭窒化物と基質との共晶反応が生じる。そのため、液相が早く消失するとともに、最終層の柱状晶境界は複雑となる。
本発明は、以上の検討を重ねることにより完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
C:0.06%〜0.14%、
Si:0.1%〜0.5%、
Mn:0.1%〜0.8%、
P:0.008%以下
S:0.003%以下、
Cu:2%〜4%、
Ni:12%〜16%、
Cr:16.5%〜19.5%、
W:2%〜4.5%、
Ti:0.05%〜0.35%、
Nb:0.05%〜0.35%、
N:0.001%〜0.01%未満、
Al:0.08%以下、
O:0.08%以下
を含み、残部がFeおよび不純物からなるオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
V:0%〜0.35%、
Co:0%〜2%、
Mo:0%〜2%、
B:0%〜0.005%、
Ca:0%〜0.02%、
Mg:0%〜0.02%、
REM:0%〜0.06%
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。ただし、「超」および「未満」等の断りがある場合は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値の少なくとも一方として含まないことを意味する。
本発明において、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成を限定する理由は次のとおりである。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。
C(炭素)は、オーステナイト組織を安定にするとともに微細な炭化物を形成し、高温使用中の溶接金属のクリープ強度を向上させる。さらに、Cは、溶接金属の凝固過程において、Ti、及びNbなどと結合して共晶炭化物を形成し、液相の早期消失を促し、凝固割れ感受性を低減する。また、Ti、及びNbなどの共晶炭化物は、延性低下割れ感受性の低下にも寄与する。これらの効果を十分に得るために、Cは0.06%以上含有する必要がある。しかしながら、Cが過剰に含有された場合、溶接金属中に炭化物が多量に存在するため、延性が低下する。そのため、C含有量の上限は0.14%以下とする。C含有量の望ましい範囲は0.07%〜0.13%、さらに望ましい範囲は0.08%〜0.12%である。
Si(ケイ素)は、脱酸作用を有するとともに、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。その効果を得るために、Siは、0.1%以上含有する必要がある。しかしながら、Siが過剰に含有された場合には、組織の安定性が低下して、靱性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Si含有量の上限は0.5%以下とする。Si含有量の望ましい範囲は0.12%〜0.48%、さらに望ましい範囲は0.15%〜0.45%である。
Mn(マンガン)は、Siと同様、脱酸作用を有する。また、Mnは、溶接金属のオーステナイト組織を安定にし、クリープ強度の向上に寄与する。これらの効果を得るために、Mnは、0.1%以上含有させる必要がある。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、クリープ延性の低下も生じる。そのため、Mn含有量の上限は0.8%以下とする。Mn含有量の望ましい範囲は0.15%〜0.75%、さらに望ましい範囲は0.2%〜0.7%である。
P(リン)は不純物として溶接材料中に含まれ、溶接時の凝固割れ感受性を高める元素である。本発明の溶接材料における窒素含有量の範囲において、これを安定して防止するためには、Pの含有量に上限を設けて0.008%以下とする必要がある。P含有量は、望ましくは0.007%以下、さらに望ましくは0.006%以下である。なお、P含有量は可能な限り低減することが望ましいが、P含有量の極度の低減は溶接材料の製造コストの増大を招く。そのため、P含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.0008%以上である。
S(硫黄)は、Pと同様に不純物として溶接材料中に含まれ、溶接時の凝固割れ感受性を高めるとともに、後続パスの再熱による延性低下割れ感受性も高める元素である。本発明の溶接材料における窒素含有量の範囲において、これらを安定して防止するためには、Sの含有量にも上限を設けて0.003%以下とする必要がある。S含有量は、望ましくは0.0025%以下、さらに望ましくは0.002%以下である。なお、S含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は溶接材料の製造コストの増大を招く。そのため、S含有量の望ましい下限は0.0001%以上、さらに望ましい下限は0.0002%以上である。
Cu(銅)は、オーステナイト組織の安定性を高めるとともに、使用中に微細に析出して、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与する。その効果を得るために、Cuは、2%以上含有する必要がある。しかしながら、Cuが過剰に含有された場合、延性の低下を招く。そのため、Cu含有量の上限は4%以下とする。Cu含有量の望ましい範囲は2.3%〜3.8%、さらに望ましい範囲は2.5%〜3.5%である。
Ni(ニッケル)は、長時間使用時の溶接金属のオーステナイト組織の安定性を高め、クリープ強度の向上に寄与する。その効果を十分に得るために、Niは12%以上含有させる必要がある。しかしながら、Niは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ni含有量は、上限を設けて16%以下とする。Ni含有量の望ましい範囲は12.5%〜15.5%、さらに望ましい範囲は13%〜15%である。
Cr(クロム)は、溶接金属の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、Crは、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。十分にその効果を得るために、Crは16.5%以上の含有が必要である。しかしながら、Cr含有量が19.5%を超えると、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。したがって、Cr含有量は16.5%〜19.5%とする。Cr含有量の望ましい範囲は17%〜19%、さらに望ましい範囲は17.5%〜18.5%である。
W(タングステン)は、マトリックスに固溶もしくは微細な金属間化合物相を形成して溶接金属の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。その効果を十分に発揮させるために、Wは少なくとも2%以上の含有が必要である。しかしながら、Wは、高価な元素であるため、Wの過剰の含有はコストの増大を招くとともに、効果が飽和する。そのため、W含有量の上限は4.5%以下とする。W含有量の望ましい範囲は2.2%〜4.3%であり、さらに望ましい範囲は2.5%〜4%である。
Ti(チタン)は、微細な炭窒化物を形成して、溶接金属の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。その効果を得るために、Tiは0.05%以上の含有が必要である。しかしながら、Ti含有量が過剰になると、多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ti含有量の上限は、0.35%以下とする必要がある。Ti含有量の望ましい範囲は0.08%〜0.32%であり、さらに望ましい範囲は0.1%〜0.3%である。
Nb(ニオブ)は、Tiと同様、微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属の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。その効果を十分に得るために、Nbは0.05%以上の含有が必要である。しかしながら、Nb含有量が過剰になると、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。そのため、Nb含有量の上限は0.35%以下とする必要がある。Nb含有量の望ましい範囲は0.08%〜0.32%であり、さらに望ましい範囲は0.1%〜0.3%である。
N(窒素)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶または窒化物として析出し、高温強度の向上に寄与する。その効果を少なからず得るために、Nは、0.001%以上含有する必要がある。しかしながら、Nが0.01%以上含有されると、多量の窒化物が析出して、靱性の低下を招く。そのため、N含有量は0.001%〜0.01%未満とする。N含有量の望ましい範囲は0.002%〜0.009%であり、さらに望ましい範囲は0.003%〜0.008%である。
Al(アルミニウム)は、脱酸剤として製造時に溶接材料に含有される。しかしながら、多量のAlを含有すると清浄性が劣化し、溶接材料の製造時に熱間加工性が低下する。そのため、Al含有量の上限は0.08%以下に制限する必要がある。Al含有量の上限は、望ましくは0.06%以下、さらに望ましくは0.04%以下である。なお、Al含有量の下限は特に設ける必要はないが、Al含有量の極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Al含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
O(酸素)は、不純物として溶接材料中に含まれる。しかしながら、O(酸素)の含有量が過剰になると製造時に熱間加工性が低下するとともに、靱性および延性の劣化を招く。このため、O(酸素)の含有量の上限は、0.08%以下に制限する必要がある。O(酸素)含有量の上限は、望ましくは0.06%以下、さらに望ましくは0.04%以下である。なお、O(酸素)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(酸素)の含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.0008%以上である。
なお、本明細書中において、「不純物」とはオーステナイト系耐熱合金を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップまたは製造環境などから混入する成分であり、意図的に含有させたものではない成分を指す。
V(バナジウム)は、NbおよびTiと同様、微細な炭窒化物を形成し、溶接金属のクリープ強度に寄与するため必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Vは、過剰に含有すると、多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Vを含有する場合、V含有量の上限は0.35%以下とする。V含有量の上限は、望ましくは、0.32%以下、さらに望ましくは0.3%以下である。なお、Vを含有する場合、V含有量の望ましい下限は0.01%以上、さらに望ましい下限は、0.03%以上である。
Co(コバルト)は、NiおよびCuと同様、オ−ステナイト生成元素であり、溶接金属のオーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与するため含有してもよい。しかしながら、Coは、極めて高価な元素であるため、過剰の含有は大幅なコスト増を招く。そのため、Coを含有する場合、Co含有量の上限は2%以下とする。Co含有量の上限は、望ましくは、1.8%以下、さらに望ましくは、1.5%以下である。なお、Coを含有する場合、Co含有量の望ましい下限は0.01%以上、さらに望ましい下限は0.03%以上である。
Mo(モリブデン)は、Wと同様、マトリックスに固溶して溶接金属の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ので含有してもよい。しかしながら、Moは、過剰に含有すると組織安定性を低下させ、逆にクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Moは高価な元素であるため、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Moを含有する場合、Mo含有量の上限は2%以下とする。Mo含有量の上限は、望ましくは1.5%以下、さらに望ましくは1.2%以下である。なお、Moを含有する場合、Mo含有量の望ましい下限は0.01%以上、さらに望ましい下限は0.03%以上である。
B(ホウ素)は炭化物を微細に分散させることにより、溶接金属のクリープ強度を向上させるとともに、粒界を強化して靭性の向上にも寄与する元素である。しかしながら、Bは、過剰に含有すると、溶接中の凝固割れ感受性を高める。そのため、Bを含有する場合、B含有量の上限は0.005%以下とする。B含有量の上限は、望ましくは0.003%以下、さらに望ましくは0.002%以下である。なお、Bを含有する場合、B含有量の望ましい下限は0.0003%以上、さらに望ましい下限は0.0005%以上である。
Ca(カルシウム)は、溶接材料の製造時に熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Caの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Caを含有する場合、Caの含有量の上限は0.02%以下とする。Ca含有量の上限は、望ましくは0.015%以下、さらに望ましくは0.01%以下である。なお、Caを含有する場合、Ca含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
Mg(マグネシウム)は、Caと同様、溶接材料の製造時に熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Mgの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Mgを含有する場合、Mg含有量の上限は0.02%以下とする。Mg含有量の上限は、望ましくは0.015%以下、さらに望ましくは0.01%以下である。なお、Mgを含有する場合、Mg含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
REM(希土類元素)は、CaおよびMgと同様、溶接材料の製造時に熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、REMの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのためREMの含有量の上限は、0.06%以下とする。REMを含有する場合、REM含有量の上限は、望ましくは0.04%以下、さらに望ましくは0.03%以下である。なお、REMを含有する場合、REM含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
板材(1):板厚12mm、幅50mm、長さ100mm
板材(2):板厚4mm、幅200mm、長さ500mm
さらに、板材(2)を用い、機械加工により、2mm角、500mm長さのカットフィラーを作製した。
上記の板材(1)の長手方向に、角度30°、ルート面(ルートフェイス)1mmのV開先を加工した後、市販の鋼板(JIS G 3160(2008)に規定のSM400B、厚さ25mm、幅150mm、長さ200mm)上に、被覆アーク溶接棒(JIS Z3224(1999)に規定の「DNiCrFe−3」)を用いて、四周を拘束溶接した。
その後、同組成(例えば、符号Aの化学組成からなる板材(1)と同じ化学組成)のカットフィラーを用いて、シールドガスをArとした手動ティグ溶接により開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。なお、溶接に際しては、入熱を9kJ/cm〜15kJ/cmとした。
その後、得られた溶接継手の5か所から採取した試料の横断面を鏡面研磨、及び腐食し、光学顕微鏡により検鏡して、溶接金属における割れの有無を調査した。
検鏡の結果、溶接金属に割れの認められなかった溶接継手を「合格」、5個の試験片のうち、一つでも割れが認められたものを「不合格」とした。
耐溶接割れ性の評価のうち、割れが「合格」であった溶接継手については、残りの溶接継手から溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取した。そして、700℃、196MPaの条件でクリープ破断試験を行い、この条件で目標とされる破断時間が500時間を超えるものを「合格」とし、500時間以下であるものを「不合格」とした。
表2に、上記各試験の評価結果を併せて示す。
これに対して、窒素の含有量が低い符号Fの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接金属に割れは発生しなかったものの、クリープ強度が目標をわずかに下回った。Pの含有量が本発明の範囲を超える符号Gの溶接材料を用いた溶接継手では、溶接金属に凝固割れと判断される割れが発生した。Sの含有量が本発明の範囲を超える符号Hの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接金属中に延性低下割れと判断される割れが発生した。また、PとSとの含有量が本発明の範囲を超える符号Iの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接金属に凝固割れ、及び延性低下割れと判断される割れが発生した。
このように、本発明の要件を満足する溶接材料を用いた溶接継手は、耐溶接割れ性に優れるとともに、クリープ強度をも満足することが分かる。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.06%〜0.14%、
Si:0.1%〜0.5%、
Mn:0.1%〜0.8%、
P:0.008%以下
S:0.003%以下、
Cu:2%〜4%、
Ni:12%〜16%、
Cr:16.5%〜19.5%、
W:2%〜4.5%、
Ti:0.05%〜0.35%、
Nb:0.05%〜0.35%、
N:0.001%〜0.01%未満、
Al:0.08%以下、
O:0.08%以下
を含み、残部がFeおよび不純物からなるオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。 - 合金成分としてのFeに代えて、質量%で、下記の1種または2種以上の元素を含有する請求項1に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
V:0%〜0.35%、
Co:0%〜2%、
Mo:0%〜2%、
B:0%〜0.005%、
Ca:0%〜0.02%、
Mg:0%〜0.02%、
REM:0%〜0.06%
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