JPWO2012157542A1 - 溶接材料および溶接継手 - Google Patents
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Abstract
Description
5≦Ni≦Cr−14 ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
該溶接材料の化学組成が、質量%で、C:0.02%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Cr:26〜50%、N:0.15%以下、P:0.02%以下、S:0.002%以下およびNi:下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
5≦Ni≦Cr−14 ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
2×Nb+V≦1 ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
質量%で、C:0.02%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Cr:26〜50%、N:0.15%以下、P:0.02%以下、S:0.002%以下およびNi:下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はFeおよび不純物からなる溶接材料を用いてなる溶接金属とからなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
5≦Ni≦Cr−14 ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
2×Nb+V≦1 ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
本発明の溶接継手の母材となるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、質量%で、C:0.02%以下、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.01〜2%、Cr:24〜26%、Ni:18〜22%、Mo:0.10%を超えて0.50%未満、N:0.04%を超えて0.15%以下、P:0.02%以下およびS:0.002%以下、ならびにNb:0.30%以下およびV:0.40%以下の1種または2種を含有し、残部がFeおよび不純物からなる。
Cは、鋼の脱酸および強度確保の目的で用いられる。しかしながら、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。したがって、Cの含有量を0.02%以下とした。C含有量は0.015%以下とすることが好ましい。なお、鋼の脱酸および強度確保と炭化物析出とを考慮すると、Cの含有量は、0.005%以上、0.010%以下とすることがより好ましい。
Siは、鋼の脱酸の目的で用いられる。本発明鋼では、その含有量を0.01%以上とする。ただし、Siを過剰に含有すると介在物の生成を促すので、その含有量は低い方が望ましく、0.01〜0.5%とした。Siは、0.15%以上、0.3%以下の含有量とすることが好ましい。
Mnは、鋼の脱酸およびオーステナイト相の安定に有効な元素で、0.01%以上の含有量でその効果が得られる。一方、MnはSとともに硫化物を形成し、その硫化物は非金属介在物となる。さらに、Mnは、鋼材が溶接される際には溶接部の表面に優先的に濃化して鋼材の耐食性を低下させる。したがって、Mnの含有量を0.01〜2%とした。望ましいMnの含有量の下限は0.30%であり、より望ましいMnの含有量の下限は0.40%である。また、望ましいMnの含有量の上限は0.80%である。
Crは、鋼の耐食性を保つために不可欠な元素である。Crの含有量が24%未満では十分な耐食性が得られない。一方、本発明鋼の想定される使用環境では、Crは26%までの含有量であれば十分であり、26%を超えると、加工性の低下を招き、さらに、実用鋼としての価格およびオーステナイト相安定の面から問題がある。したがって、Cr含有量を24〜26%とした。
Niは、オーステナイト相を安定させ耐食性を維持するために重要な元素である。耐食性の観点から、18%以上のNi含有量が必要である。一方、Crの含有量が24〜26%である本発明においては、Niの含有量が多くなって22%を超えると溶接性の低下を招く。このため、溶接性の観点から、Ni含有量の上限を22%とした。
Moは、鋭敏化抑制作用を有し、0.10%を超える含有量で効果が得られる。しかしながら、Moの含有量が多くなって0.50%以上になっても前記の効果は飽和するので、コストが嵩むばかりである。このため、Moの含有量を0.10%を超えて0.50%未満とした。なお、Mo含有量の好ましい上限は0.40%である。
Nは、本発明において重要な元素である。Nを含有させることによって鋼の強度を高めることができ、さらに、Nの含有量を高めることで、Cを粒内に固定するNbおよび/またはVの炭窒化物を形成するだけでなく、Crを粒内にて固定できる窒化物を形成することで鋭敏化を抑制することができる。こうした効果を得るには、0.04%を超えるN含有量が必要である。しかしながら、Nの含有量が過剰になって、特に0.15%を超えると、粒内だけではなく粒界からのCr窒化物の析出も促進して耐粒界腐食性を低下させる。したがって、Nの含有量を0.04%を超えて0.15%以下とした。N含有量の好ましい下限は0.05%であり、より好ましくは0.07%である。また、好ましい上限は0.13%である。
Pは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に0.02%を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でCrを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にPを0.02%を超えて含む場合には、Pの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。したがって、Pの含有量は0.02%以下に制限する必要がある。なお、Pの含有量は0.015%以下とすることが好ましい。
Sは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に0.002%を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でCrを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にSを0.002%を超えて含む場合には、Sの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。したがって、Sの含有量は0.002%以下に制限する必要がある。なお、Sの含有量は0.001%以下とすることが好ましい。
NbおよびVも本発明において重要な元素であり、これらの元素の1種または2種を含有させることによってNbまたはVの炭窒化物の析出を促進する。NbおよびVの両方を含有させる場合には、Cr(Nb、V)Nの析出も促進するので、Cr(Nb、V)Nならびに一部NbおよびVの1種以上が固溶したCr2Nの両窒化物を粒内析出させることができ、CおよびCrの粒内固溶量を低減させて鋭敏化を抑制することができる。
上記母材を溶接する際に用いる本発明の溶接材料は、質量%で、C:0.02%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Cr:26〜50%、N:0.15%以下、P:0.02%以下、S:0.002%以下およびNi:下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はFeおよび不純物からなる化学組成を有することを特徴とする。
5≦Ni≦Cr−14 ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
Cは、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。さらに、Cはオーステナイト安定化元素であるため、溶接材料中のC含有量を出来る限り低くするのが良い。したがって、溶接材料中のCの含有量を0.02%以下とした。C含有量は0.015%以下とすることが好ましい。
Siは、溶接時における脱酸の目的で用いられる。さらに、Siはフェライトの安定性の向上にも有効な元素である。しかしながら、Siを過剰に含有させると溶接金属での凝固割れ感受性を増大させるので、Si含有量を2%以下とした。Si含有量は1.5%以下とすることが好ましい。なお、溶接時における脱酸の目的からは、Si含有量を0.15%以上とすることが好ましい。
Mnは、脱酸および高強度の目的で含有させる。しかしながら、含有量が過剰になるとオーステナイトを安定化してフェライトの晶出を抑制するため、上限を設けMnの含有量を2%以下とした。Mn含有量は1%以下とすることが好ましい。なお、脱酸および高強度の目的からは、Mn含有量を0.2%以上とすることが好ましい。
Crは、耐食性を保つために不可欠な元素である。本発明の溶接材料は、Cr含有量が母材と同じ、または高いことを特徴とする。加えてCrはフェライト安定化元素であり、含有量が多いほど溶接割れ防止には有効である。以上のことから、26%以上のCr含有量が必要である。一方、含有量が多くなって、特に50%を超えると、溶接材料の伸線加工性の低下を招く。したがって、Crの含有量を26〜50%とした。Cr含有量は27%以上とすることが好ましく、40%以下とすることが好ましい。
Nは、強度および耐食性を向上させるために有効な元素である。しかしながら、オーステナイト安定化元素であるため、過剰に含有させると溶接割れ感受性が増大する。したがって、Nの含有量を0.15%以下とした。好ましくは0.1%以下であり、より好ましくは0.08%以下である。なお、Nの含有量は強度および耐食性を安定的に向上させるためには、0.03%以上とすることが好ましい。
Pは不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。したがって、Pの含有量は0.02%以下とした。好ましくは0.015%以下である。
SもPと同様に不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。したがって、Sの含有量を0.002%以下とした。好ましくは0.001%以下である。
Niは、組織安定性や耐食性を向上させる元素である。一方、Niは強力なオーステナイト安定化元素であり、溶接割れ感受性を増大させる。しかしながら、Ni含有量に上限を設け、Cr含有量との関係で前記の式(I)を満たせば、溶接割れを抑制できる。なお、Ni含有量の過度の低減は、積層欠陥エネルギーの低下による耐鋭敏化特性の劣化を引き起こし、かつ組織安定性または強度の低下を招くことから、下限値を5%とすることが好ましい。
Moは、鋭敏化抑制作用を有するので、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、Mo含有量が多くなって1%を超えると高温時にシグマ相の析出を誘発する。このため、Moを含有させる場合の量を1%以下とした。Mo含有量のより好ましい上限は0.5%である。なお、Moによる効果を安定して得たい場合は、0.10%以上含有させるのが好ましく、0.15%以上含有させるのがより好ましい。
NbおよびVは、Cr系窒化物を形成することによる鋭敏化抑制作用を有するので、必要に応じてNbおよびVの一方または両方を含有させても良い。しかしながら、NbおよびVの含有量がそれぞれ0.5%および1%を超えてCr系窒化物を多量に析出させると、粒内強化が促進されて溶接金属での再熱割れ感受性が著しく増大する。また、NbおよびVの両方を含有させる場合には、2×Nb+Vで計算される値が1%を超えると、溶接金属での再熱割れ感受性の増大が著しくなる。このため、NbおよびVの両方を含有させる場合には、下記の式(II)を満足させる必要がある。なお、式(II)の左辺の好ましい上限は0.7%である。Nbおよび/またはVによる上記の効果を安定して得たい場合は、式(II)の左辺の下限値を0.1%とすることが好ましく、0.15%とすることがより好ましい。
2×Nb+V≦1 ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
REMは、SまたはPといった再熱割れ感受性を増大させる元素を粒内に固定する作用を有する。そのため、溶接金属での再熱割れ抑制効果を得るために必要に応じてREMを含有させても良い。しかしながら、REMの含有量が過剰になり、特に0.05%を超えると、溶接金属での凝固割れ感受性を増大させる。そのため、含有させる場合のREMの量を0.05%以下とした。より好ましいREM含有量の上限は0.03%である。REMによる効果を安定して得たい場合は、0.01%以上含有させることが好ましく、0.015%以上含有させるのがより好ましい。
前記1に記載の化学組成の母材と上記2に記載の化学組成を有する溶接材料とを用いてなる溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料との流入割合で決定される。したがって、本発明の溶接継手において、溶接金属の初層部は、質量%で、C:0.02%以下、Si:0.06〜1.6%、Mn:0.08〜2%、Cr:24.5〜45%、Ni:12〜25%、Mo:0.1〜0.9%、N:0.035〜0.15%、P:0.02%以下およびS:0.002%以下ならびにNb:0.005〜0.3%およびV:0.005〜0.3%の1種または2種を含有し、残部はFeおよび不純物からなる化学組成を有する。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.02%以下、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.01〜2%、Cr:24〜26%、Ni:18〜22%、Mo:0.10%を超えて0.50%未満、N:0.04%を超えて0.15%以下、P:0.02%以下およびS:0.002%以下、ならびにNb:0.30%以下およびV:0.40%以下の1種または2種を含有し、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に用いられる溶接材料であって、
該溶接材料の化学組成が、質量%で、C:0.02%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Cr:26〜50%、N:0.15%以下、P:0.02%以下、S:0.002%以下およびNi:下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
5≦Ni≦Cr−14 ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。 - 溶接材料の化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、さらにMo:1%以下、Nb:0.5%以下、V:1%以下およびREM:0.05%以下のうちの1種または2種以上を含有し、かつ下記の式(II)を満足することを特徴とする請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
2×Nb+V≦1 ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。 - 質量%で、C:0.02%以下、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.01〜2%、Cr:24〜26%、Ni:18〜22%、Mo:0.10%を超えて0.50%未満、N:0.04%を超えて0.15%以下、P:0.02%以下およびS:0.002%以下、ならびにNb:0.30%以下およびV:0.40%以下の1種または2種を含有し、残部がFeおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼からなる母材と、
質量%で、C:0.02%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Cr:26〜50%、N:0.15%以下、P:0.02%以下、S:0.002%以下およびNi:下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はFeおよび不純物からなる溶接材料を用いてなる溶接金属とからなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
5≦Ni≦Cr−14 ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。 - 溶接材料の化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、さらにMo:1%以下、Nb:0.5%以下、V:1%以下およびREM:0.05%以下のうちの1種または2種以上を含有し、かつ下記の式(II)を満足することを特徴とする請求項3に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
2×Nb+V≦1 ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。 - 沸騰水型原子力発電プラントのPLR配管またはシュラウド等の炉心材料として使用することを特徴とする請求項3または請求項4に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
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