JPH06142980A

JPH06142980A - 高温強度の優れたオーステナイト鋼用溶接材料

Info

Publication number: JPH06142980A
Application number: JP4322403A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ogawa; 和博小川; Yoshiatsu Sawaragi; 義淳椹木; Shigeru Matsumoto; 茂松本; Toshihiko Mizuta; 俊彦水田
Original assignee: Sumikin Welding Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumikin Welding Industries Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1994-05-24
Anticipated expiration: 2012-06-18
Also published as: JP2622530B2

Abstract

(57)【要約】【目的】１８−８系をベースとする高温高強度オース
テナイト鋼の溶接において、溶接金属に母材に匹敵する
高温強度を与える。溶接凝固割れを防ぐ。溶融金属の流
動性を良くし、溶接作業性を高める。【構成】重量％でＣ：0.０５〜0.２％、Ｓｉ：0.１〜
0.５％、Ｍｎ：0.５〜５％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎ
ｉ：６〜３０％、Ｃｕ２〜５％、Ａｌ：0.０３以下、Ｍ
ｏ：0.３〜３％以下、Ｎ：0.０７〜0.３５％、Ｐ：0.０
１５％以下、Ｎｂ：0.１〜1.３％、Ｓ：0.００２〜0.０
１５％を含む鋼を溶接材料とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温強度の優れたオー
ステナイト鋼の溶接に使用される溶接材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高温で使用される発電用ボイ
ラ、化学反応装置等には、主として１８−８系のオース
テナイト系ステンレス鋼が使用されてきた。しかし、例
えばボイラ等では、最近のエネルギー効率の改善要求の
高まりから、運転条件が非常に苛酷化しており、１８−
８系のオーステナイト系ステンレス鋼よりも更に高温強
度の高い材料が要求されるようになった。

【０００３】このような要求に対し、Ｃｒ量およびＮｉ
量を高めたボイラ用の新材料は多く開発されている。し
かし、それらは性能的には問題がないものの、経済的に
は１８−８系のオーステナイト系ステンレス鋼に比べて
非常に高コストとなる。そこで、１８−８系のオーステ
ナイト系ステンレス鋼をベースとしてこれにＣｕ，Ｎ
ｂ，ＮおよびＢを添加することにより高温強度の改善を
図ったオーステナイト鋼が、特開昭６２−７０５５３号
公報および特開昭６２−１３３０４８号公報に提示され
ている。

【０００４】この１８−８系ベースの高温高強度オース
テナイト鋼は、ＣｒおよびＮｉの増量によらずに高温強
度を高めているので経済性が良く、高強度化による薄肉
化と合わせて、溶接構造物の製造コスト低減に大きな効
果を発揮するものと期待されている。そして、この鋼を
溶接するための溶接材料としては、母材をそのまま線材
加工したものや、例えばＪＩＳＤＮｉＣｒ−３等の高
Ｎｉ合金用材料が考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高温高強度
オーステナイト鋼の母材をそのまま線材加工した溶接材
料により得られる溶接金属は、母材に比べ性能が劣る。
なぜなら、母材は溶製後、圧延等の熱間加工や熱処理に
より組織の調整を受けて高い高温強度を付与されるのに
対し、溶接金属は通常、凝固のままの組織で使用される
ため、母材と同一の組成では母材と同等の高温強度を得
ることができないのである。

【０００６】また、オーステナイト組織では、本質的に
溶接高温割れが発生しやすく、溶接金属では特に凝固時
に発生する凝固割れが問題となる。

【０００７】さらに、母材をそのまま線材加工した溶接
材料では、溶融池の溶湯の流動性が不足し、これによる
溶接作業性の低下は溶接欠陥の誘発原因となる。

【０００８】従って、母材をそのまま線材加工した溶接
材料では、満足のいく溶接品質が得られない。

【０００９】一方、高Ｎｉ合金用の溶接材料は高価であ
り、経済性の点で好ましくない。

【００１０】本発明の目的は、凝固組織のままで優れた
高温強度が得られる上に、凝固割れが少なく、更には溶
接作業性および経済性も良好なオーステナイト鋼用溶接
材料を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは１８−８系
ベースの高温高強度オーステナイト鋼の溶接に適した安
価な溶接材料を開発することを目的として種々の調査研
究を行った結果、高温強度の改善、凝固割れ対策、溶接
作業性の改善の３点につき次の知見を得た。

【００１２】凝固のまま溶接金属の高温強度を改善する
ためには、Ｎｂ，Ｎを添加し、ＮｂＣ，ＮｂＣｒＮの析
出により凝固組織の微細化を図るのが有効である。ここ
で微量のＴｉを添加し、ＴｉＮを生成させれば、凝固組
織の微細化は更に促進される。Ｍｏの添加による固溶強
化も高温強度の改善に有効である。また、Ｍｎを適量添
加すれば、溶接中のＮの減少を抑えて、Ｎの固溶強化を
安定なものとすることができる。

【００１３】凝固割れ対策については、Ｐ量およびＳ量
の規制とＭｏの添加とにより、凝固時に形成される低融
点の共晶の生成を抑え、割れ感受性を低下させる。

【００１４】溶接作業性を改善するためには、Ｓおよび
Ｓｉを適量に調整することにより、溶融金属の粘性を低
下させると共に表面張力を低減させて、湯流れを良くす
るのが有効である。

【００１５】本発明は上記知見に基づきなされたもの
で、重量％でＣ：0.０５〜0.２％、Ｓｉ：0.１〜0.５
％、Ｍｎ：0.５〜５％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｉ：６
〜３０％、Ｃｕ２〜５％、Ａｌ：0.０３以下、Ｍｏ：0.
３〜３％以下、Ｎ：0.０７〜0.３５％、Ｐ：0.０１５％
以下、Ｎｂ：0.１〜1.３％、Ｓ：0.００２〜0.０１５％
と、更に必要に応じてＢ：0.０１％以下、Ｔｉ：0.００
５〜0.２％、Ｔａ：２％以下の１種または２種以上を含
み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特
徴とする高温強度の優れたオーステナイト鋼用溶接材料
を要旨とする。

【００１６】

【作用】以下に本発明のオーステナイト鋼用溶接材料に
おける合金元素の作用および限定理由を述べる。

【００１７】Ｃ：高温での引張強さおよびクリープ強度
の向上に寄与する。0.０５％未満では強度が低く、0.２
％超では炭化物が多量に生成して延性の低下を招く。従
って、0.０５〜0.２％とした。

【００１８】Ｓｉ：溶融金属の流動性を高めるのに有効
であり、そのために0.１％以上を必要とする。しかし、
一方では固溶強化元素として添加しているＮの固溶度を
低下させる作用があり、0.５％を超えないようにする必
要がある。従って、0.１〜0.５％とした。

【００１９】Ｍｎ：固溶強化元素として添加しているＮ
の固溶度を高めるのに有効であり、そのために0.５％以
上を必要とする。しかし、過剰の添加は脆化を招く。従
って、0.５〜５％とした。

【００２０】Ｃｒ：耐酸化性等の鋼の耐食性改善に必要
な元素であり、１５％以上を必要とする。しかし、多量
の添加は、その自体が経済性を低下させるだけでなく、
相安定性確保のために多量のＮｉも必要とし、経済性を
著しく損なう。従って、１５〜２２％とした。

【００２１】Ｎｉ：安定なオーステナイト組織を得るた
めに不可欠であるが、Ｃｒ量を抑えているので比較的低
量にでき、６〜３０％とした。

【００２２】Ｃｕ：高温に加熱されるとマトリックス中
に微細分散析出して高温強度（クリープ強度）を高め
る。しかし、２％未満ではその効果が小さい。逆に、過
剰の添加は延性の低下を招く。そのため、２〜５％とし
た。

【００２３】Ａｌ：脱酸剤として使用されるが、過剰の
添加は溶接金属中に介在物として残存し、クリープ延性
の低下を招くため、0.０３％以下とした。

【００２４】Ｍｏ：Ｃｕとの複合添加により、マトリッ
クスを固溶強化すると共に、Ｃｕ析出相との相乗作用に
より高温強度を向上させ、0.３％以上で溶接金属の強度
確保に寄与する。しかし、過剰の添加は耐高温腐食性の
劣化を招く。従って、0.３〜３％とした。

【００２５】Ｎ：固溶強化およびＮｂＮ，ＮｂＣｒＮと
しての析出強化により引張強度やクリープ強度の向上に
寄与するが、0.０７％未満ではその効果が小さい。ただ
し、過剰の添加はブローホール等の溶接欠陥の原因とな
る。従って、0.０７〜0.３５％とした。

【００２６】Ｐ：溶接高温感受性を高める元素であり、
少ないほど良いが、極端な制限は経済性の低下を招くた
め、0.０１５％以下とした。

【００２７】Ｓ：溶融金属の流動性を良くし、溶接作業
性の改善に寄与するため、0.０２％以上を必要とする。
しかし、溶接高温割れには悪影響を及ぼす。そのため0.
００２〜0.０１５％とした。

【００２８】Ｎｂ：ＮｂＮ，ＮｂＣｒＮおよびＮｂＣと
して析出し、凝固組織の微細化および析出強化により、
クリープ強度および高温引張強度の確保に寄与する。0.
１％未満ではその効果が小さく、過剰の添加は溶接高温
割れの点から有害である。従って、0.１〜1.３％とし
た。

【００２９】Ｂ：炭化物の分散強化および粒界の強化に
よるクリープ強度の向上のために添加してもよい。しか
し、過剰の添加は溶接高温割れ感受性を増大させる。従
って、0.０１％以下とした。

【００３０】Ｔｉ：析出強化元素として添加してもよ
い。即ち、ＴｉはＮとの親和力が強く、ＴｉＮとして析
出して凝固組織を微細化することにより、高温強度の確
保に寄与する。しかし、0.００５％未満ではその効果が
小さく、また、ＴｉＮの析出が過剰になると固溶Ｎによ
る強化の効果を減殺する。そのため0.００５〜0.２％と
した。

【００３１】Ｔａ：固溶強化元素として添加してもよ
い。しかし、過剰の添加は経済性を損なうので、２％以
下とした。

【００３２】なお、本発明の溶接材料が有効な母材は、
７００℃×３０００ｈクリ−プ破断強度が１２〜１４ｋ
ｇｆ／ｍｍ²程度の１８−８系ベース鋼であり、具体的
には例えば特開昭６２−７０５５３号公報および特開昭
６２−１３３０４８号公報に開示されているような主要
合金成分が１５〜２０％Ｃｒ，６〜１８％Ｎｉ，１５〜
４％Ｃｕ，0.１〜1.５％Ｎｂ，0.０２〜0.３％Ｎ程度の
高温高強度オーステナイト鋼である。

【００３３】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例と対比させて説
明する。

【００３４】母材として、表１に示す化学組成のオース
テナイト鋼を用いて、溶接材料の性能比較を行った。こ
の母材は、１８−８系のオーステナイトステンレス鋼を
ベースとして、これにＣｕ，Ｎｂ，Ｎ，Ｂを添加してそ
の高温強度を７００℃×３０００ｈクリープ破断強度で
１3.５ｋｇｆ／ｍｍ²に引き上げたものである。溶接材
料は、表２に示す化学組成を有し、いずれも実験室にて
真空溶製後、外径２ｍｍの線材に加工したものである。

【００３５】比較試験では、まず、図１に示す開先を設
けた母材１，１を、図２に示すように、鋼板からなる拘
束板２上に拘束溶接した。次いで、その開先に対して供
試溶接材料により多層溶接を行った。３は拘束溶接部、
４は開先に対する試験溶接部を示している。拘束溶接に
より、開先に対する溶接の際に熱応力が生じて割れが発
生しやすくなる。溶接はＴＩＧ法を用い、その条件は溶
接電流１５０Ａ、溶接電圧１８Ｖ、溶接速度１０ｃｍ／
min とした。

【００３６】溶接後、裏波ビードの形成状況を目視によ
り調査した。また、機械加工により図３に示す側曲げ試
験片を採取し、これを板厚の２倍の曲げ半径（１０ｍ
ｍ）で１８０度曲げて、溶接金属５における溶接高温割
れの有無を調べた。また、図４に示す継手クリープ試験
片によりクリープ試験を行った。クリープ試験では、母
材での破断時間が約３０００時間となる７００℃、１3.
５ｋｇｆ／ｍｍ²の条件で試験を行い、溶接金属５の破
断時間を調べた。結果を表３に示す。○は溶接高温割れ
なし、×は割れ発生を示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】本発明の溶接材料であるＡ１〜Ａ１３は、
いずれも破断時間が母材の９０％以上を示す高温高強度
の溶接継手を作製できる。しかも、その材料は溶接高温
割れを発生させず、裏波形成能も良好である。これに対
し、Ｐ，Ｓ，Ｎｂが本発明範囲外のＢ１〜Ｂ３は、溶接
割れを発生させる。Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｎが不足するＢ
４〜Ｂ７は、母材に匹敵する高温強度を得ることができ
ない。Ｓｉ，Ｓが少ないＢ８は溶湯の流動性が悪く、溶
接作業性を低下させる。

【００４２】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明のオーステ
ナイト鋼溶接材料は、高Ｎｉ合金用材料に比して高価元
素の使用量が少なく低コストである。それにもかかわら
ず、母材に匹敵する高温強度を溶接金属に与え、且つ、
耐凝固割れ性および溶接作業性に優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接試験に用いた開先の形状を示す図である。

【図２】溶接試験で作成した継手の形状を示す図であ
る。

【図３】継手から採取した側曲げ試験片の形状を示す図
である。

【図４】継手から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】

１母材２拘束板３拘束溶接部４開先に対する試験溶接部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本茂兵庫県尼崎市扶桑町１番17号住金溶接工業株式会社内 (72)発明者水田俊彦兵庫県尼崎市扶桑町１番17号住金溶接工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ：0.０５〜0.２％、Ｓｉ：0.
１〜0.５％、Ｍｎ：0.５〜５％、Ｃｒ：１５〜２２％、
Ｎｉ：６〜３０％、Ｃｕ２〜５％、Ａｌ：0.０３以下、
Ｍｏ：0.３〜３％以下、Ｎ：0.０７〜0.３５％、Ｐ：0.
０１５％以下、Ｎｂ：0.１〜1.３％、Ｓ：0.００２〜0.
０１５％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物から
なることを特徴とする高温強度の優れたオーステナイト
鋼用溶接材料。
【請求項２】重量％でＣ：0.０５〜0.２％、Ｓｉ：0.
１〜0.５％、Ｍｎ：0.５〜５％、Ｃｒ：１５〜２２％、
Ｎｉ：６〜３０％、Ｃｕ２〜５％、Ａｌ：0.０３以下、
Ｍｏ：0.３〜３％以下、Ｎ：0.０７〜0.３５％、Ｐ：0.
０１５％以下、Ｎｂ：0.１〜1.３％、Ｓ：0.００２〜0.
０１５％と、更にＢ：0.０１％以下、Ｔｉ：0.００５〜
0.２％、Ｔａ：２％以下の１種または２種以上を含み、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴と
する高温強度の優れたオーステナイト鋼用溶接材料。