JPS6268693A - 高温用溶接構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 未発明は十−ステナイト系鋼を耐熱性に優れた溶着金属
で溶接して成る高温用溶接構造物に関し、更に詳しくは
、超高圧・高温の水法気雰囲気ドで使用するタービン構
成部材として有用な高温用溶接構造物に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ オーステナイト系鋼は耐食性が優れているので腐食性環
境下で多用Ｓれている。またこの鋼は。

フェライト系鋼に比べて機械的性質の温度依存性が小さ
いので、強度の点からみてその使用限界温度は高い。す
なわち、高温特性が良好である。

更には、この鋼は溶接性が優れていて溶接時の予熱及び
後熱が不要になり各種の溶接構造物用の材料としてその
用途は拡大している。

しかしながら、このオーステナイト系鋼に厚板又は拘束
度大の継手を溶接すると、用いた溶着金属から成る溶接
部及び熱影響部に溶接割れ（高温割れ）を起し易い。こ
の溶接割れは、溶接棒（溶接金属）と母材の化学！ｌ成
、溶接法、被覆剤の種類、１ｍ手の形状、拘束度などの
因子によって影１５を受けるのが、とりわけ溶接金属の
組織が均一なオーステナイト相になると割れの多発する
ことが知られている。このオーステナイト系鋼溶接時の
溶着金属の割れを防止するためには、その組成を変えた
り、ある種の元素を添加してフェライト相を析出させて
いる。フェライト相が析出した２相組織の場合は溶接割
れが極めて少ないからである。

つまり、従来からオーステナイト系鋼の溶接には、母材
の種類により、２０％Ｃｒ−１０％Ｎｌ系。

１８％Ｃｒ−１２％Ｎｉ−２％Ｈａ系、１８％Ｃｒ−９
％Ｎｉ−Ｎｂ系。

１９％Ｃｒ−９％Ｎｉ−Ｔｉ系などのオーステナイト鋼
心線を用いた被覆アーク溶接、サブマージドアーク溶接
、イナートガスアーク溶接（旧ＧおよびＴＩＧ）などの
方法が適用されているが、これは得られた溶着金属の組
織の中に　４〜１２％のフェライト相が析出して溶接割
れが防止されるからである。

しかしながら、オーステナイト相中に数％析出したフェ
ライト相は、溶着金属の耐食性を低下させるとともに、
高温下における使用中にシグマ相に変化して溶接部の脆
化を招く。しかも、フェライト相を含む溶着金属は、加
熱−冷却の反復により熱疲労が加速され、また、高温下
における長時間使用時のクリープ破断強度、クリープ破
断伸びなどの特性が母材のそれよりも低下する。

このようなことから、高温下で使用するオーステナイト
系鋼の溶接構造物の製造に用いる溶着金属は、フェライ
ト相を含むことのない均一なオーステナイト相であり、
かつ溶接割れを起さないものであることが必要とされる
。

ところで、石油や石炭を燃料とする火力発毛プラントに
おいてはその熱効率を向ヒさせるために、蒸気条件の一
層の高温、高圧化が進められていて、それに対応できる
ターヒン構成用部材の開発は強く要請されている。

従来、このような部材としてはＣｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｖ　
Ｑｆ４のようなマルテンサイテト系鋼が汎用されてきた
が、しかし、この材料は高温強度のへで不充分であるた
め、最近はより高温強度特性に優れるオーステナイト系
鋼が使用されはじめている。

とくに、溶接構造体であるケーシングは、ハス圧力によ
る負荷を受けるため、高圧の洗気条件下の使用に耐える
ためには、高温下における強度。

延性が優れかつ溶接割れを起さない溶着金属で溶接され
ていることが望ましい。

また、各種の化学プラントにおいても上記と同様の理由
により高温高圧の環境下にあっても強度的に耐性を有す
る溶接構造物が求められる。

このように、溶接構造物の使用環境がより過酷な方向に
移行している中で、溶着金属として前記したフェライト
相を含まない完全なオーステナイト相から成り、溶接性
、＃熱性に優れたもので溶接した高温用溶接構造物の開
発が求められている。

［発明の目的］ 本発明は−に記要請に応え、溶接性、高温下における強
度１通性に優れた高温用溶接構造物の提供を目的とする
。

［発明の概要コ 本発明の溶接構造物は、Ｃｒ、　ＮｉおよびＮを含有す
るオーステナイト系鋼と、Ｃ０，０２ｔａ％以上０．１
２重量％以下、　Ｓｉ　０．１重量％以」二１，５重付
％以下、　Ｍｎ　０．２重量％以上２．０重量％以下、
　Ｎ　ｏ、１１毛１％以上０．３重量％以下、　Ｎｉ　
８重寸％以上１４重φ％以下、Ｃｒ１５重量％以上２０
東着％以下、　Ｖ　Ｏ，０１重４％以上　０．３重量％
以下、にｏ２．０１賃％より大３．５重量％以下を必須
成分とし残部が実質的にＦｅである溶着金属との溶接体
であることを特徴とする。

本発明の構造物は、Ｃｒ、　ＮｉおよびＮを含有するオ
ーステナイト系鋼を上記した組成の溶着金属で溶接して
成るものである。

本発明にがかる溶着金属において、Ｃはオーステナイト
相を安定化して溶着金属を強化するとともに、溶接割れ
の減少のために有効な元素であり４少なくとも０．０２
ｆｆｉ　ｌｉｔ％は必要である。しかし、過剰に添加す
ると溶接時に偏析を生じ、溶接部の機械的性質、耐食性
を劣化されるので一ヒ限を０．１２毛−ｆ１％とする。

クリープ破断強度、クリープ破断伸び、絞りを向１−せ
しめるという観点からすると０．０４重量％以上０．０
８重工形以下にすることが望ましい。

Ｓｉは溶接時の脱酸剤として作用する元素で少なくとも
　ａ、１３ｚ砥％は必要であるが、しかし、過剰に添加
すると溶接、１７１れを起こしやすくなるので１−限を
　１．５料量％とする。望ましくは０．１〜０．９重量
％とすることが良いが、さらに望ましくは０．３〜０７
重量％重量る。

Ｍｎは８１回様に溶接時の脱酸剤として作用するととも
に、オーステナイト相生成元素としてオーステナイト相
を安定化させるために有効な元素で少なくとも　Ｑ、：
）毛ｉ％は必要である。しかし、多量に添加すると耐酸
化性などの耐食性を害するので上限を　２．０重積％と
する。望ましくは（１，５〜０．９屯縫％である。

Ｎはオーステナイト相を安定化するとともに十−ステナ
イト相中に固溶したり、または窒化物を形成したりして
溶ｎ金屈の耐力やクリープ破断強度を向上させるために
有効な元素であり、０．１１！１！量％は必要である。

しかし過剰に添加すると溶接時にピンホールやブローホ
ールを形成するとともに粒界に窒化物を形成してクリー
プ破断強度やクリープ破断伸び、絞り、さらには靭性を
害することになるので上限を　０．３重量％とする。特
に溶接構造物ではピンホール、ブローホールは極力避け
ることが必要であるため望ましくは０，１１〜０．２毛
量％とすることが好適である。

Ｎ１は溶着金属の組織をオーステナイト化すると同時に
耐食性、溶接性を向上するために必須な元素で少なくと
も　８重量％は必要である。しかし、過剰に添加すると
溶接割れを助長しやすくなるので上限を１４重量％とす
る。オーステナイト相の安定化、クリープ破断強度、ク
リープ破断伸び、絞りの観点からすると　８．５〜１３
重量％とすることか望ましい。

Ｃ［は室温、高温下における強度を高めるとともに、耐
食性、＃酸化性を向とさせるために必要な元素であり１
５重重量以上は必要である。しかし、多量に添加すると
高温下で長時間使用したときシグマ相を生成して靭性を
害すること、およびフェライト相を形成してオーステナ
イト単相を得難くすることからして上限を２０重量％と
する。Ｎｌ量とのバランスおよびＮの含有を容易にする
ことを考慮すると１６〜１８．５重量％とすることが望
ましい。

■は本発明において特に重要な元素であって、オーステ
ナイト相中に固溶したり、ＮやＣと作用して微細な析出
物を形成してクリープ破断強度。

クリープ破断伸び、絞りを向上させるために必要な元素
であり、０．０１玉賃％以上必要である。

しかし、過剰に添加すると偏析を生じクリープ破断強度
、クリープ破断伸び、絞りを低１８せることがら」１限
を　０．３重罎％とする。高温下における機械的性質を
考慮すると０．０５〜０．３毛砥％とすることが望まし
いが、さらにクリープ破断絞りの観点からすると０．０
５〜０．２５ｍ−ｆｉ％とすることが望ましい。

阿０は溶着金属のクリープ破断伸び、絞りを向上させる
とともに溶接割れの減少に有効な元素で少なくとも　：
）　、　Ｑ　、Ｒ＞−％を超えることが必要である。

しかし、過剰に添加するとフェライト相を生成したり偏
析を生じたりして高温特性を低下させるので１−限を　
３．５＋’［φ％とする３　２．２〜２，８毛量％とす
ることが望ましい。そしてＦｅは実質的に残部を構成す
るバランス成分である。

この溶着金属において、そのクロム当；正、ニッケル当
ψをそれぞれａ％、ｂ％としたとき、　ａ、　ｂはＱ、
７９Ｘ　ａ＋ｂ≧３１％、　　１．１×ａ−ｂ≦　８．
８％、　ｂ≦２０％の関係を満足することが望ましい。

０．７９×ａ＋ｂが３１％より小ぎい場合には、溶着金
属のクリープ破断強度が低下し、また１、１×ａ−ｂが
８．８％より大きい場合は溶着金属中にフェライト相が
析出しはじめ均一なオーステナイト組織が得がたくなる
。更にｂが２０％より大きくなるとその溶着金属のクリ
ープ破断強度は著しく低下するからである。

なお、この場合のａ、　ｂはそれぞれ、各配合成分）借
との関係では、ａ＝　　（％Ｏｒ）　＋　　１．２Ｘ　
　（％Ｓｉ）＋　（５×ａ）　＋　　５Ｘ　　（％ｖ）
、　　ｂ＝　　（％Ｎｉ）　＋　３０Ｘ（％Ｃ）＋　２
５．７Ｘ　　（％Ｎ）＋　　０．５Ｘ　　（５×ａ）で
計算される値である。

本発明の溶着金属は、以下の組成をもって必須とするが
、更に、Ｎｂ、　Ｔｉ、　Ｂ、　Ｗを含有したものであ
ってもよい。ここで、Ｎｂはクリープ破断強度を向上さ
せ、二次クリープ速度を抑えるために有効な元素であり
、０．０１重量％以上の添加が望ましいが、過剰の添加
は局部的にフェライト相を生成させたり、溶接時に偏析
を生じ靭性やクリープ破断強度、クリープ破断伸び、絞
りを低下させることからして上限を　０．３重量％とす
る。偏析、高温特性を考慮すると０．０２〜０゜１５重
重量とすることがよく、さらに望ましくは０．０５〜０
．１重量％である。

Ｔｉはクリープ破断強度を向上させるために有効な元素
で０．００２重量％以上の添加が望ましいが、過剰の添
加は偏析を生じクリープ破断伸びや絞りを低下させるの
で上限を　０．３重量％とする。高温特性の観点からす
ると０．０２〜０．１５重量％とすることが望ましい。

日はクリープ破断強度を向上させるとともに三次クリー
プにおける伸びを向上させるために有効な元素であり０
．０００５重量％以上の添加が望ましいが、過剰に添加
すると粒界を脆弱にするので上限を０．０１重量％とす
る。さらに望ましくは　０．００３〜０．００７重量％
である。

Ｗはオーステナイト相中に固溶して、クリープ破断強度
を向上させるために有効な元素であり　１０重量％以北
の添加が望ましいが、過剰に添加すると溶接性を害する
ので上限を　３．０重量％とする。更に望ましくは　１
．５〜２．５毛針％である。

このＮｂ、　Ｔｉ、　Ｂ、　Ｗを更に含有して成る溶着
金属においても、そのクロム当量ａ％、ニッケル、ｊ７
ｆｆｌｂ％に関しては、前記したと同様の関係を満足し
ていることが好ましい。

なお、そのときのａは、　ａ＝　　（％Ｃｒ）　＋　　
１．２Ｘ（％Ｓｉ）　　＋　　　（％阿ｏ）　　＋　　
　５Ｘ　　　（％ｖ）＋　　　ｏ、ｓｘ　　　（％１ｆ
ｂ）＋　　１．５Ｘ　　（％Ｔｉ）　＋４０Ｘ　　（％
Ｂ）＋０．７５Ｘ　　（％料。

ｂはｂ＝　（％Ｎｉ）　＋３０Ｘ　（％Ｃ）＋　２５．
７ｘ　（％Ｎ）＋Ｏ，Ｓ　Ｘ　　（％Ｍｏ）の式に基づ
いて計算される数値である。

溶着金属にはＰ、　Ｓ、　ＡＭなどが不純物として不可
避的に混入するが、これら不純物は粒界を脆弱にするの
みならず溶接割れを助長するのでその混入を極力避ける
べきである。これら不純物の総量は０．０５重量％以下
に抑制されることが望ましい。

本発明構造物における溶接対象である十−ステナイト鋼
は、ＣＯ，０４〜０．０８重軟％、　Ｓｉ　０．３〜０
．７重量％、　Ｍｎ　ｏ、’ｉ−０，９重廣％、　Ｎ　
Ｏ，１１〜０．２　ｉＩ＜：ｉ％、Ｎｉ　　８．５〜１
３．５ｆｆ重量％、Ｃｒ　　　１８〜１８．５重量％。

Ｖ　Ｏ，０５〜０．３５重量％、　Ｍｏ　１．５〜３．
０重量％、そして残部が実質的にＦｅから成るもの、ま
たは、上記組成に加えＮｂ、　Ｔｉ、　Ｂ、　Ｗの群か
ら選ばれる少なくとも　１種をそれぞれ０．０２〜０．
１５重量％、　０．０２〜０．１５重呈％、　　０．０
０３〜０．００７重量％、　１〜３重量０６含有して成
るものである。

［発明の実施例］ 実施例１〜１８ （１）溶着金属の調製 高周波誘導溶解炉を用いて溶製した鋼を伸線加工し、径
４ｍｍφの溶接棒としたのち、肉盛溶接を行なって：５
１表に示した組成の各種溶着金属を調製した。肉盛溶接
は、母材（ＳＯ３３１６）に設けた幅２０ｍｍ深さ２０
ａ＋ｍの溝の中に溶接電流　１５０−１７ＯＡ。

溶接電圧２５〜３５Ｖで７層２１バス行なった。なお、
溶着金属の化学分析は母材からの希釈がない部分を取り
だして行なった。比較例１は、重版の溶接棒Ｙ３１６　
（ＳＵＳ３１６用）から得られたものに相当する。

これら各溶着金属の各特性評価、Ｘ線回折による主体凶
相の決定を行なった。また、７００℃。

１８ｋｇ／ｍｍ２の条件でクリープ破断試験を行ない破
断時間（ｈｒ）、破断伸び（％）、破断絞り　（％）を
Ｊ１１定した。さらに　Ｔ形溶接割れ試験により割れ率
（％）を測定して溶接割れの程度を評価した。以上の結
果を一括して第１表に示した。

表の結果から明らかなように、未発明にかかる溶着金属
は組織中にフェライト（α）を含まない均＝−なオース
テナイト（γ）組織であるにもかかわらず、フェライト
を含ませることで溶接割れの防１１ユ効果を発現してい
る従来の５ＵＳ３１６鋼用溶看金１ｚル（比較例１）と
同程度の割れ率を示し、溶接割れを起こしにくいことが
わかる。また、クリープ破断時間は比較試料に比べ大幅
に長くなっており、優れた高温強度を示すことがわかる
。

（２）溶接構Ｗ物の製作 第２表に２ｉ（シた組成のＡ：５ＩＪＳ３１８．　Ｂ：
改良５ＩＪＳ３１６のオーステナイトｍを構の田川とし
て用姪した。

第２表 この構造用鋼を、実施例１０．実施例１７．比較例１の
溶着金属を用いて溶接継手とした。溶接継手は、板厚２
０ｍｍの同種の構造用鋼を開先角度６０度。

ルート間隔２ｍｍ、　Ｘ形開先による突合わせ溶接で製
作した。得られた溶接継手から試験片を採取し、　７０
０°Ｃ９１８ｋｇ／１Ｉｌｆｆ１２の条件下でクリープ
破断試験を行ないその結果を第３表に示した。

表の結果から明らかなように、本発明による溶着金属お
よび構造用鋼改良５Ｏ３３１８（Ｎを含む）により製作
した溶接継手は、従来方法により製作した溶接継手（比
較例構造物４）に比ヘク’）−７’ＥｌｆｆＭ時間が大
幅に長くなっている。また比較例構造物１．３に示すよ
うに溶着金属として本発明に係る溶着金属を用いても構
造用鋼として従来の５ＯＳ３１Ｂ（Ｎを含まない）を使
用した場合には破断位置は構造用鋼にあり、強度は溶着
金属が高いことを示している。

さらに、構造用鋼として改良５ＵＳ３１Ｂ（Ｎを含む）
を用いても溶着金属が従来材の場合（比較例構造物２）
には溶着金属の位置で破断し、溶着金属より改良５Ｕ３
３１８の方が強いことがわかる。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明の溶接構造物は優
れた高温特性を備えていて、タービン構成部材とりわけ
蒸気タービンのケーシングに適用して有用でありその工
業的価値は大である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、クロム、ニッケルおよび窒素を含有するオーステナ
   イト系鋼と、炭素０．０２重量％以上０．１２重量％以
   下、ケイ素０．１重量％以上１．５重量％以下、マンガ
   ン０．２重量％以上２．０重量％以下、窒素０．１１重
   量％以上０．３重量％以下、ニッケル８重量％以上１４
   重量％以下、クロム１５重量％以上２０重量％以下、バ
   ナジウム０．０１重量％以上０．３重量％以下、モリブ
   デン２．０重量％より大３．５重量％以下を必須成分と
   し残部が実質的に鉄である溶着金属との溶接体であるこ
   とを特徴とする高温用溶接構造物。 ２、該溶着金属におけるクロム当量をａ％、ニッケル当
   量をｂ％としたとき、ａ、ｂはそれぞれ０．７９×ａ＋
   ｂ≧３１％、１．１×ａ−ｂ≦８．８％、ｂ≦２０％の
   関係を満足する数である特許請求の範囲第１項記載の高
   温用溶接構造物。 ３、該溶着金属における、炭素、ケイ素、マンガン、窒
   素、ニッケル、クロム、バナジウム、モリブデン量をそ
   れぞれ％Ｃ、％Ｓｉ、％Ｍｎ、％Ｎ、％Ｎｉ、％Ｃｒ、
   ％Ｖ、％Ｍｏと表示したとき、該溶着金属のクロム当量
   ａ％、ニッケル当量ｂ％がそれぞれ、 ａ＝（％Ｃｒ）＋１．２×（％Ｓｉ）＋（％Ｍｏ）＋５
   ×（％Ｖ）、 ｂ＝（％Ｎｉ）＋３０×（％Ｃ）＋２５．７×（％Ｎ）
   ＋０．５×（％Ｍｏ） で示される特許請求の範囲第２項記載の高温用溶接構造
   物。 ４、該溶着金属が炭素０．０４重量％以上０．０８重量
   ％以下、ケイ素０．３重量％以上０．７重量％以下、マ
   ンガン０．５重量％以上０．９重量％以下、窒素０．１
   １重量％以上０．２重量％以下、ニッケル８．５重量％
   以上１３．５重量％以下、クロム１６重量％以上１８．
   ５重量％以下、バナジウム０．０５重量％以上０．２５
   重量％以下、モリブデン２．２重量％より大２．８重量
   ％以下を必須成分とし残部が実質的に鉄である特許請求
   の範囲第１〜第３項のいずれかに記載の高温用溶接構造
   物。 ５、該溶着金属が、炭素０．０２重量％以上０．１２重
   量％以下、ケイ素０．１重量％以上１．５重量％以下、
   マンガン０．２重量％以上２．０重量％以下、窒素０．
   １１重量％以上０．３重量％以下、ニッケル８重量％以
   上１４重量％以下、クロム１５重量％以上２０重量％以
   下、バナジウム０．０１重量％以上０．３重量％以下、
   モリブデン２．０重量％より大３．５重量％以下を必須
   成分とし、更にニオブ０．０１重量％以上０．３重量％
   以下、チタン０．００２重量％以上０．３重量％以下、
   ボロン０．０００５重量％以上０．０１重量％以下、タ
   ングステン１．０重量％以上３．０重量％以下の少なく
   とも１種を含有し、残部が実質的に鉄である特許請求の
   範囲第１項又は第２項記載の高温用溶接構造物。 ６、該溶着金属における、炭素、ケイ素、マンガン、窒
   素、ニッケル、クロム、バナジウム、モリブデン、ニオ
   ブ、チタン、ボロン、タングステンの量をそれぞれ％Ｃ
   、％Ｓｉ、％Ｍｎ、％Ｎ、％Ｎｉ、％Ｃｒ、％Ｖ、％Ｍ
   ｏ、％Ｎｂ、％Ｔｉ、％Ｂ、％Ｗと表示したとき、該溶
   着金属のクロム当量ａ％、ニッケル当量ｂ％がそれぞれ
   、 ａ＝（％Ｃｒ）＋１．２×（％Ｓｉ）＋（％Ｍｏ）＋５
   ×（％Ｖ）＋０．５×（％Ｎｂ）＋１．５×（％Ｔｉ）
   ＋４０×（％Ｂ）＋０．７５×（％Ｗ）、 ｂ＝（％Ｎｉ）＋３０×（％Ｃ）＋２５．７×（％Ｎ）
   ＋０．５×（％Ｍｏ） で示される特許請求の範囲第５項記載の高温用溶接構造
   物。 ７、該溶着金属が、炭素０．０４重量％以上０．０８重
   量％以下、ケイ素０．３重量％以上０．７重量％以下、
   マンガン０．５重量％以上０．９重量％以下、窒素０．
   １１重量％以上０．２重量％以下、ニッケル８．５重量
   ％以上１３．５重量％以下、クロム１６重量％以上１８
   ．５重量％以下、バナジウム０．０５重量％以上０．２
   ５重量％以下、モリブデン２．２重量％より大２．８重
   量％以下を必須成分とし、更にニオブ０．０２重量％以
   上０．１５重量％以下、チタン０．０２重量％以上０．
   １５重量％以下、ボロン０．００３重量％以上０．００
   ７重量％以下、タングステン１．０重量％以上３．０重
   量％以下の少なくとも１種を含有し、残部が実質的に鉄
   である特許請求の範囲第５項又は第６項記載の高温用溶
   接構造物。 ８、該溶接体が、タービン構成部材である特許請求の範
   囲第１項記載の高温用溶接構造体。 ９、該タービン構成部材がケーシングである特許請求の
   範囲第８項記載の高温用溶接構造体。