CN101495662A - 奥氏体系不锈钢焊接接头以及奥氏体系不锈钢焊接材料 - Google Patents

奥氏体系不锈钢焊接接头以及奥氏体系不锈钢焊接材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供奥氏体系不锈钢焊接接头以及奥氏体系不锈钢焊接材料。该奥氏体系不锈钢焊接接头以质量％计含有C：0.05～0.25％、Si：2％以下、Mn：0.01～3％、P：0.05～0.5％、S：0.03％以下、Cr：15～30％、Ni：6～55％、sol.Al：0.001～0.1％以及N：0.03％以下，剩余部分由Fe以及杂质组成，且满足式子“(Cr+1.5×Si+2×P) /(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)≥1.388”，其中，该奥氏体系不锈钢焊接接头的蠕变强度高且具有经济性，还具有优异的焊接性。因此，作为钢管、钢板等、在要求有高温强度和耐腐蚀性的用途中自不必说、还能够广泛应用于要求有焊接性的用途中。另外，上述式中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。

Description

奥氏体系不锈钢焊接接头以及奥氏体系不锈钢焊接材料
技术领域
本发明涉及一种奥氏体系不锈钢焊接接头以及奥氏体系不锈钢焊接材料。详细而言，涉及这样的奥氏体系不锈钢焊接接头以及奥氏体系不锈钢焊接材料：作为钢管、钢板等能够广泛应用于要求有高温强度和耐腐蚀性的用途中自不必说的，并且虽含有0.05％以上这样较高量的P，但仍具有优异的焊接性。
背景技术
以往，在高温环境下所使用的锅炉、化学成套设备等中，一直使用JIS为SUS304H、SUS316H、SUS321H、SUS347H、SUS310S等的奥氏体系不锈钢。
但是近年，随着锅炉等的蒸汽条件逐渐高温高压化，对使用材料的要求性能变得严格，由于在以往使用的奥氏体系不锈钢中有高温强度明显不足的状况，因此希望开发高温强度更优异的、经济性的钢。
作为奥氏体系不锈钢的高温强度、特别是蠕变(creep)强度的改善方法，析出碳化物是有效的，并可以采用利用M23C6或NbC等碳化物强化的强化机构。另外，通过添加Cu而在蠕变中微细析出的Cu相也被利用于提高蠕变强度。
但是，用于析出碳化物的C的含量的增加会导致耐腐蚀性的变差，另外利用碳化物强化的强化元素都很昂贵，并且大量添加Cu会使热加工性、焊接性以及蠕变延展性下降，因此利用碳化物强化的强化元素以及Cu的含量也有限制。
另一方面，公知原本作为杂质元素的P有助于M23C6碳化物的微细化，并有利于提高蠕变强度，例如，在专利文献1、专利文献2中提出了含有P的奥氏体(系)不锈钢。
即、在专利文献1中公开了这样一种奥氏体不锈钢：将P的含量控制在特定范围内、且与C的量相对应地调整Ti和Nb的量，从而提高了蠕变断裂强度。
另外，在专利文献2中公开了这样一种奥氏体系不锈钢：抑制铁素体相的生成，该铁素体相的相对于蠕变变形的抵抗力明显低于奥氏体相，并且含有特定量的P从而利用磷化物的析出强化作用来防止蠕变断裂特性的变差。
专利文献1：日本特开昭62-243742号公报
专利文献2：日本特开平3-153847号公报
上述专利文献1以及专利文献2所公开的使P的含量增加的技术会导致焊接性下降。即、P含量的增加、尤其是含有大于0.05％那样的大量的P、特别在接近焊接凝固过程的结束期、主要在膜状液相存在于晶界的阶段中，会明显诱发因凝固收缩或热收缩施加的应变为焊接金属的变形能以上时而产生的裂纹(以下称为“焊接凝固裂纹”)。因而，特别是含有大于0.05％那样的大量的P时，受到来自焊接性这一观点的限制，因此在专利文献1以及专利文献2所公开的奥氏体(系)不锈钢的情况下，未必能够说明充分活用了P的提高蠕变强度的效果。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供由蠕变强度高且经济性的、并由焊接性优异的母材以及焊接金属构成的、P的含量高的奥氏体系不锈钢焊接接头以及奥氏体系不锈钢焊接材料。
本发明人关于蠕变强度高且经济性的、并含有高浓度的P的奥氏体系不锈钢，以防止焊接凝固裂纹从而使其具有良好的焊接性为目的实施了各种研究。
另外，焊接凝固裂纹如上所述，是焊接凝固过程中的存在于树枝状晶体(dendrite)间的液相在呈膜状地残留到低温区的情况下、无法承受所施加的应力而产生的裂纹。
然后，因P含量的增加而使焊接凝固裂纹敏感性增大、即焊接凝固裂纹的增多是由于如下缘故：P在凝固过程中的液相中明显变浓而使液相的凝固结束温度大幅降低，因此液相残留到更低温区。
因此，为了降低因作为杂质元素而含有的P导致焊接凝固裂纹的产生，进行了各种研究，例如，公知的有如日本特表2003-535213号公报的段落0030以及0031所公开的那样，在使化学组成平衡以使初相形成为铁素体凝固的情况下能够抑制焊接凝固裂纹。
另外，在“不锈钢的焊接第1版(作者：西本和俊、夏目松吾、小川和博、松本长，发行年：平成13年，发行方：产报出版)”的第87～88页详细记载了用于充分利用δ铁素体来抑制焊接凝固裂纹的机理，并说明了在铁素体形成为初晶的凝固模式、即“FA模式”的情况下，利用δ铁素体向奥氏体转化的相变而使液相分割，从而能够实现抑制焊接凝固裂纹。
与此相对，本发明人以与上述文献不同的想法为基础，在各种奥氏体系不锈钢焊接金属中详细调查了在初相之后结晶的相的结晶动作，该想法为：在初相之后结晶的相(例如，在以“FA模式”凝固的情况下为奥氏体)的结晶毕竟对抑制焊接凝固裂纹是有效的。
结果得知，首先，不仅是在凝固模式为上述的铁素体形成为初晶的“FA模式”的情况下、而且在作为奥氏体形成为初相的凝固模式的“AF模式”的情况下，在初相之后结晶的相为从焊接凝固过程中的液相中央部结晶、成长的分离共晶型，是可控制的。
因此，本发明人有了如下想法：若通过对在初相结晶后结晶出的奥氏体或δ铁素体的结晶时刻进行控制以使该结晶时刻提前，通过分割呈膜状残留的液相来分割裂纹产生的传播方向，则不只是在凝固模式为“FA模式”的情况下、在“AF模式”的情况下也能够抑制焊接凝固裂纹敏感性随着P含量的增加而增大、即、能够抑制焊接凝固裂纹的增多。
另外，在含有0.05％以上的P的情况下，不能忽略P对凝固模式的影响。
因此，制作出能够预测不锈钢的凝固模式的、考虑了P的影响的显微偏析计算模型。
然后，根据该显微偏析计算模型制作凝固模式为“AF模式”或“FA模式”的、具有各种化学成分组成的奥氏体系不锈钢，并研究了焊接凝固裂纹敏感性。
结果得知，在凝固模式为“FA模式”的情况下自不必说、在凝固模式为“AF模式”的情况下，在将初相之后结晶的相的结晶时刻提前时，即使在含有0.05％以上的P的情况下也能够抑制焊接凝固裂纹。
因此，本发明人接着在含有0.05％以上的P的奥氏体系不锈钢中，使C、Si、Mn、S、Cr、Ni、sol.Al以及N的含量进行各种变化，从而进一步进行了详细的研究。
结果得知，在C：0.05～0.25％、Si：2％以下、Mn：0.01～3％、P：0.05～0.5％、S：0.03％以下、Cr：15～30％、Ni：6～55％、sol.Al：0.001～0.1％以及N：0.03％以下、且剩余部分为Fe和杂质的奥氏体系不锈钢的情况下，在设计成分以满足下述式(1)、并对在初相之后结晶的相的结晶时刻进行控制时，能够可靠且稳定地抑制焊接凝固裂纹。
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)≥1.388…式(1)。
另外，式(1)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
本发明人也进一步研究了含有Nd、Cu、Mo、W、B、V、Nb、Ti、Ta、Zr、Hf、Co、Ca以及Mg来代替上述奥氏体系不锈钢中的Fe的一部分的情况。
结果得知，在含有从下述第1组～第3组中选出的至少1种来代替Fe的一部分的奥氏体系不锈钢的情况下，在设计成分以满足下述式(2)、并对在初相之后结晶的相的结晶时刻进行控制时，能够可靠且稳定地抑制焊接凝固裂纹。
第1组：Nd：0.5％以下；
第2组：Cu：3％以下、Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、B：0.03％以下、V：1.5％以下、Nb：1.5％以下、Ti：2％以下、Ta：8％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第3组：Ca：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种；
(Cr+1.5×Si+2×Nb+Ti+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+Cu+5×P)≥1.388…式(2)。
另外，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
本发明是根据上述见解而完成的，其主旨在于提供下述(1)以及(2)所示的奥氏体系不锈钢焊接接头、和(3)以及(4)所示的奥氏体系不锈钢焊接材料。
(1)一种奥氏体系不锈钢焊接接头，其特征在于，以质量％计，含有C：0.05～0.25％、Si：2％以下、Mn：0.01～3％、P：0.05～0.5％、S：0.03％以下、Cr：15～30％、Ni：6～55％、sol.Al：0.001～0.1％以及N：0.03％以下，剩余部分由Fe以及杂质组成，且满足下述式(1)：
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)≥1.388…式(1)。
另外，式(1)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
(2)根据上述(1)所述的奥氏体系不锈钢焊接接头，其特征在于，以质量％计还含有从下述第1组～第3组中选出的至少1种来代替Fe的一部分，且满足下述式(2)：
(Cr+1.5×Si+2×Nb+Ti+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+Cu+5×P)≥1.388…式(2)。
另外，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
第1组：Nd：0.5％以下；
第2组：Cu：3％以下、Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、B：0.03％以下、V：1.5％以下、Nb：1.5％以下、Ti：2％以下、Ta：8％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第3组：C a：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种。
(3)一种奥氏体系不锈钢焊接材料，其特征在于，以质量％计，含有C：0.05～0.25％、Si：2％以下、Mn：0.01～3％、P：0.05～0.5％、S：0.03％以下、Cr：15～30％、Ni：6～55％、sol.Al：0.001～0.1％以及N：0.03％以下，剩余部分由Fe以及杂质组成，且满足下述式(1)：
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)≥1.388…式(1)。
另外，式(1)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
(4)根据上述(3)所述的奥氏体系不锈钢焊接材料，其特征在于，以质量％计还含有从下述第1组～第3组中选出的至少1种来代替Fe的一部分，且满足下述式(2)：
(Cr+1.5×Si+2×Nb+Ti+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+Cu+5×P)≥1.388…式(2)。
另外，(2)式中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
第1组：Nd：0.5％以下；
第2组：Cu：3％以下、Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、B：0.03％以下、V：1.5％以下、Nb：1.5％以下、Ti：2％以下、Ta：8％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第3组：Ca：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种。
以下，分别将上述(1)以及(2)所示的奥氏体系不锈钢焊接接头、和(3)以及(4)所示的奥氏体系不锈钢焊接材料的发明称作“本发明(1)”～“本发明(4)”。另外，有时总称为“本发明”。
本发明的奥氏体系不锈钢焊接接头的P的含量虽高，但是作为钢管、钢板等、在要求有高温强度和耐腐蚀性的用途中自不必说、还能够广泛应用在要求有焊接性的用途中。另外，本发明的奥氏体系不锈钢焊接材料最适合用于制作上述奥氏体系不锈钢焊接接头。
附图说明
图1是表示实施例的蠕变断裂试验所用的试验片的形状的图。
具体实施方式
下面，详细说明本发明的焊接接头以及焊接材料中的成分元素的限定理由。另外，在以下说明中，各元素的含量的“％”是指“质量％”。
C：0.05～0.25％
C是为了确保在高温环境下使用时必要的拉伸强度以及蠕变强度方面有效且重要的元素。在本发明的奥氏体系不锈钢中，在C的含量未达到0.05％以上时，不能发挥上述效果，无法获得所需的高温强度。但是，即使C的量大于0.25％，只通过增加固溶化状态中的未固溶碳化物量也不会有助于提高高温强度。另外，会使韧性等机械性能、耐腐蚀性变差。因此，将C的含量设为0.05～0.25％。另外，优选C的含量大于0.06％且在0.2％以下，更优选为0.07～0.15％。
Si：2％以下
Si在熔炼奥氏体系不锈钢时具有脱氧作用，并且有效提高耐氧化性以及耐水蒸气氧化性等。在需要上述效果时，最好含有0.1％以上的Si。但是，在Si的含量大于2％时，促进σ相等的金属互化物相的析出，并因高温时的组织稳定性的变差而导致韧性、延展性下降。并且，在奥氏体相完全凝固的情况下，焊接凝固裂纹敏感性变得非常大，从而使焊接凝固裂纹增多。因而，将Si的含量设在2％以下。另外，更优选Si的含量为1％以下。
Mn：0.01～3％
Mn是除了能够抑制作为杂质在奥氏体系不锈钢中含有的S造成的热加工脆性之外，还能够有效获得熔炼时的脱氧效果的元素，为了获得上述效果，必须至少含有0.01％以上的Mn。但是，在Mn的含量大于3％时，促进σ相等的金属互化物相的析出，并因高温时的组织稳定性的变差而导致韧性、延展性下降。因而，将Mn的含量设为0.01～3％。另外，更优选Mn的含量为0.05～2％，进一步优选为0.1～1.5％。
P：0.05～0.5％
P是本发明中重要的元素，有助于碳化物的微细析出，为了提高本发明的奥氏体系不锈钢的蠕变强度，P的含量必须在0.05％以上。但是，在P的含量过多时，蠕变延展性下降，特别是在P的含量大于0.5％时，蠕变延展性明显下降。因而，将P的含量设为0.05～0.5％。另外，更优选P的含量为0.06～0.3％，进一步优选大于0.08％且在0.2％以下。
S：0.03％以下
S是在熔炼奥氏体系不锈钢时从原料等混入进来的杂质元素，在S的含量变多时，导致耐腐蚀性下降，并且使热加工性和焊接性变差，特别是在S的含量大于0.03％时，耐腐蚀性明显下降、热加工性和焊接性明显变差。因而，将S的含量设在0.03％以下。另外，优选尽可能减少S的含量，因此更优选在0.01％以下，最优选在0.005％以下。
Cr：15～30％
Cr是用于确保耐氧化性、耐水蒸气氧化性、耐高温腐蚀性等的重要的元素，并且有助于形成Cr系碳化物、提高蠕变强度。为了获得上述效果，必须含有15％以上的Cr。另外，Cr的含量越多耐腐蚀性越优异，但是在Cr的含量大于30％时，奥氏体组织变得不稳定从而易于生成σ相等的金属互化物、α-Cr相，因此，产生韧性、高温强度变差。因而，将Cr的含量设为15～30％。另外，更优选Cr的含量为18～28％。
Ni：6～55％
Ni是为了确保稳定的奥氏体组织而必须的元素，Ni的必要最少含量由在奥氏体系不锈钢中含有的Cr、Mo、W、Nb等铁素体生成元素、Mn、C、N等奥氏体生成元素的含量来决定。在本发明中必须含有15％以上的Cr，在Ni的含量相对于该Cr的量不足6％的情况下，难以形成奥氏体单相组织，并且高温下的长时间使用使奥氏体组织变得不稳定，导致σ相等的脆化相析出，从而使高温强度、韧性明显变差。另一方面，即使Ni的含量大于55％，其效果饱和，有损经济性。因而，将Ni的含量设为6～55％。另外，在含有大量Ni的情况下，有时凝固模式为“A模式”、即形成奥氏体单相下的凝固，不能满足上述式(1)，因此优选Ni的含量为6～30％，更优选为8～25％。
sol.Al：0.001～0.1％
Al在熔炼奥氏体系不锈钢时具有脱氧作用。为了发挥该效果，作为sol.Al(“酸可溶性Al”)必须含有0.001％以上的Al。但是，在作为sol.Al的Al的含量大于0.1％时，高温下使用会促进σ相等的金属互化物的析出，使韧性、延展性、高温强度下降。因而，将sol.Al的含量设为0.001～0.1％。另外，更优选sol.Al的含量为0.005～0.05％，进一步优选为0.01～0.03％。
N：0.03以下
在N的含量大于0.03％时，使热加工性下降，因此将N的含量设在0.03％以下。另外，N的含量越少越好，更优选在0.02％以下，进一步优选在0.015％以下。
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)的值：1.388以上
在含有上述范围的C到N的元素，且剩余部分为由Fe以及杂质组成的奥氏体系不锈钢满足“(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)”的值在1.388以上、即满足式(1)的情况下，对在初相之后结晶的相的结晶时刻进行控制，从而能够可靠且稳定地抑制焊接凝固裂纹。
根据上述理由，规定了本发明(1)的奥氏体系不锈钢焊接接头以及本发明(3)的奥氏体系不锈钢焊接材料含有上述范围的C到N的元素，且剩余部分由Fe以及杂质组成，且满足上述式(1)。
另外，本发明(1)的奥氏体系不锈钢焊接接头以及本发明(3)的奥氏体系不锈钢焊接材料根据需要还能够选择性地含有
第1组：Nd：0.5％以下；
第2组：Cu：3％以下、Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、B：0.03％以下、V：1.5％以下、Nb：1.5％以下、Ti：2％以下、Ta：8％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第3组：Ca：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种的各组合的元素中的一种以上。即、也可以添加、含有上述第1组～第3组的组合的元素中的一种以上为任意元素。
下面，说明上述的任意元素。
第1组：Nd：0.5％以下
作为第1组元素的Nd具有提高蠕变延展性的作用，特别在含有0.05％以上这样的较高量的P的本发明的奥氏体系不锈钢中，有效获得良好的蠕变延展性。为了可靠地获得上述效果，Nd的含量最好在0.001％以上。但是，在Nd的含量大于0.5％时，导致氧化物等夹杂物增加。因而，将添加时Nd的含量设在0.5％以下。另外，优选Nd的含量为0.001～0.5％。更优选Nd的含量为0.001～0.2％。进一步优选Nd的含量在0.005％以上且不足0.1％。
第2组：Cu：3％以下、Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、B：0.03％以下、V：1.5％以下、Nb：1.5％以下、Ti：2％以下、Ta：8％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下以及Co：5％以下的1种或2种以上
由于作为第2组的元素的Cu、Mo、W、B、V、Nb、Ti、Ta、Zr、Hf以及Co具有提高蠕变强度的作用，因此为了获得该效果也可以添加、含有上述元素。下面，详细说明第2组的元素。
Cu：3％以下
在高温条件下使用Cu时，Cu作为微细的Cu相与奥氏体母相整合析出，并具有大幅提高蠕变强度的作用。为了可靠地获得上述效果，C u的含量最好在0.01％以上。但是，在Cu的含量变多、特别是在大于3％时，会导致热加工性、焊接性以及蠕变延展性下降。因而，将添加时Cu的含量设在3％以下。另外，优选C u的含量为0.01％～3％。Cu的含量的上限更优选为2.0％，进一步优选为0.9％。
Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下
Mo以及W是有效提高蠕变强度以及高温强度的元素。为了获得上述效果，优选在分别单独添加Mo和W的情况下，将两者的含量分别设在0.05％以上，在复合添加两元素的情况下，将两者含量设为Mo+(W/2)在0.05％以上。但是，在单独添加两者的情况下Mo以及W的含量分别大于5％以及10％时、或在复合添加两者的情况下Mo和W的含量为Mo+(W/2)大于5％时，上述效果饱和从而增大成本，并且诱发生成σ相等的金属互化物，导致组织稳定性以及热加工性变差。因而，将添加时Mo以及W的含量设为Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下。另外，优选在分别单独添加Mo和W的情况下，Mo的含量为0.05～5％，另外W为0.05～10％，另一方面，优选在复合添加两元素的情况下，两者的含量为Mo+(W/2)：0.05～5％。由于Mo以及W是铁素体形成元素，因此为了使奥氏体组织稳定，更优选Mo以及W的含量分别不足4％。
B：0.03％以下
B存在于碳氮化合物中而促进在高温条件下使用时的碳氮化合物的微细分散析出，并且B单体存在于晶界中而强化晶界，并抑制晶界滑移，从而改善蠕变强度以及高温强度。为了可靠地获得这样的效果，B的含量最好在0.0005％以上。但是，在B的含量大于0.03％时，会导致焊接性下降。因而，将添加时B的含量设在0.03％以下。另外，优选B的含量为0.0005～0.03％。更优选B的含量为0.001～0.1％。进一步优选B的含量为0.001～0.005％。
V：1.5％以下
V是碳化物形成元素，有效提高蠕变强度以及高温强度。为了可靠地获得该效果，V的含量最好在0.02％以上。但是，在V的含量大于1.5％时，会导致以韧性为首的机械性能大幅变差。因而，将添加时V的含量设在1.5％以下。另外，优选V的含量为0.02～1.5％。更优选V的含量为0.04～1％。
Nb：1.5％以下
Nb是碳化物形成元素，有效提高蠕变强度以及高温强度。为了可靠地获得该效果，Nb的含量最好在0.05％以上。但是，在Nb的含量大于1.5％时，会导致以韧性为首的机械性能大幅变差。因而，将添加时Nb的含量设为1.5％以下。另外，优选Nb的含量为0.05～1.5％。更优选Nb的含量为0.05～0.6％。
Ti：2％以下
Ti是碳化物形成元素，有效提高蠕变强度以及高温强度。为了可靠地获得该效果，Ti的含量最好在0.005％以上。但是，在Ti的含量大于2％时，会导致以韧性为首的机械性能大幅变差。因而，将添加时Ti的含量设为2％以下。另外，优选Ti的含量为0.005～2％。更优选Ti的含量为0.05～1％。
Ta：8％以下
Ta也是碳化物形成元素，有效提高蠕变强度以及高温强度。为了可靠地获得该效果，Ta的含量最好在0.01％以上。但是，在Ta的含量大于8％时，会导致以韧性为首的机械性能大幅变差。因而，将添加时Ta的含量设为8％以下。另外，优选Ta的含量为0.01～8％。更优选Ta的含量为0.01～7％。进一步优选Ta的含量为0.05～6％。
Zr：1％以下
Zr主要有助于强化晶界，提高蠕变强度。为了可靠地获得该效果，Zr的含量最好在0.0005％以上。但是，在Zr的含量大于1％时，会导致机械性能、焊接性变差。因而，将添加时Zr的含量设在1％以下。另外，优选Zr的含量为0.0005～1％。更优选Zr的含量为0.01～0.8％。进一步优选Zr的含量为0.02～0.5％。
Hf：1％以下
Hf也主要有助于强化晶界，提高蠕变强度。为了可靠地获得该效果，Hf的含量最好在0.0005％以上。但是，在Hf的含量大于1％时，会导致机械性能、焊接性变差。因而，将添加时Hf的含量设在1％以下。另外，优选Hf的含量为0.0005～1％。更优选Hf的含量为0.01～0.8％。进一步优选Hf的含量为0.02～0.5％。
Co：5％以下
Co与Ni同样使奥氏体组织稳定，并有助于提高蠕变强度。为了可靠地获得该效果，Co的含量最好在0.05％以上。但是，即使Co的含量大于5％，上述效果饱和，只会降低经济性。因而，将添加时Co的含量设为5％以下。另外，优选Co的含量为0.05～5％。
另外，能够只含有上述Cu、Mo、W、B、V、Nb、Ti、Ta、Zr、Hf以及Co中任意1种、或复合含有2种以上。
由于作为第3组元素的Ca以及Mg具有提高热加工性的作用，因此为了获得该效果也可以添加、含有上述元素。下面，详细说明第3组元素。
Ca：0.05％以下
Ca具有提高热加工性的作用。为了可靠地获得该效果，优选Ca的含量在0.0001％以上。但是，在Ca的含量大于0.05％时，形成氧化物系夹杂物，反而使热加工性下降，延展性也会变差。因而，将添加时Ca的含量设为0.05％以下。另外，优选Ca的含量为0.0001～0.05％。更优选Ca的含量为0.001～0.02％。进一步优选Ca的含量为0.001～0.01％。
Mg：0.05％以下
Mg也具有提高热加工性的作用。为了可靠地获得该效果，优选Mg的含量在0.0001％以上。但是，在Mg的含量大于0.05％时，形成氧化物系夹杂物，反而使热加工性下降，延展性也会变差。因而，将添加时Mg的含量设为0.05％以下。另外，优选Mg的含量为0.0001～0.05％。更优选Mg的含量为0.001～0.02％。进一步优选Mg的含量为0.001～0.01％。
另外，能够只含有上述Ca以及Mg中任意1种、或复合含有2种。
(Cr+1.5×Si+2×Nb+Ti+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+Cu+5×P)的值：1.388以上
在含有从上述第1组～第3组中选出的至少1种来代替上述本发明(1)的奥氏体系不锈钢焊接接头以及本发明(3)的奥氏体系不锈钢焊接材料的Fe的一部分的奥氏体系不锈钢的(Cr+1.5×Si+2×Nb+Ti+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+Cu+5×P)的值在1.388以上、即满足式(2)的情况下，对在初相之后结晶的相的结晶时刻进行控制，能够可靠且稳定地抑制焊接凝固裂纹。
根据上述理由，规定了本发明(2)的奥氏体系不锈钢焊接接头以及本发明(4)的奥氏体系不锈钢焊接材料含有从上述第1组～第3组中选出的至少1种来代替上述本发明(1)的奥氏体系不锈钢焊接接头以及本发明(3)的奥氏体系不锈钢焊接材料的Fe的一部分，且满足上述式(2)。
本发明(1)以及本发明(2)的奥氏体系不锈钢焊接接头能够利用TI G焊接、MI G焊接等各种焊接方法来制作。然后，能够采用本发明(3)以及本发明(4)的奥氏体系不锈钢焊接材料作为制作该奥氏体系不锈钢焊接接头时所用的焊接材料。
下面，利用实施例进一步具体说明本发明，但是本发明并不限定于该实施例。
实施例
采用高频加热真空炉溶解作为具有表1所示的化学组成的奥氏体系不锈钢的钢1～12以及钢A～D之后，铸造成钢锭。
表1中的钢1～12是化学组成在本发明所规定的范围内的钢。另一方面，表1中的钢A～D是化学组成在本发明所规定的条件之外的比较例的钢。
另外，在锅炉的热交换所用的奥氏体系不锈钢管中，如以JI S G3463所规定的那样地、P的含量被限定在0.040％以下。因此，表1中的钢A的P含量的0.03％相当于锅炉的热交换所用的普通的奥氏体系不锈钢的P的含量。
表1
采用通常的方法热锻造所获得的各钢锭之后，以1200℃实施固溶化热处理，制作出对接部实施了1.5mm的60°V形坡口加工的厚12mm、宽50mm以及长150mm的拘束焊接裂纹试验用试验片和对接部实施了1.5mm的60°V形坡口加工的厚4mm、宽100mm以及长100mm的可变拘束(trans-varestrain)试验片。
使用上述那样获得的奥氏体系不锈钢的拘束焊接裂纹试验用试验片，对该试验片周围进行拘束焊接，利用TI G焊接以焊接电流150A、焊接电压12V、焊接速度10cm/min的条件、对对接部分进行无填料焊接，测量出焊道表面裂纹率、即相对于拘束焊接裂纹试验片的焊道长度的凝固裂纹产生率。
另外，为了更详细地评价各奥氏体系不锈钢的凝固裂纹敏感性，使用上述可变拘束试验片，以焊接电流100A、焊接电压15V、焊接速度15cm/min、附加应变2％的条件进行可变拘束试验，测量出最大裂纹长度。另外，利用以往用作耐热用的奥氏体系不锈钢焊接金属的可变拘束试验评价出的最大裂纹长度为1mm以下。因而，一般认为利用可变拘束试验评价出的最大裂纹长度为1mm以下的奥氏体系不锈钢对焊接凝固裂纹具有优异的耐性。
并且，预先使用利用各奥氏体系不锈钢的母材制作出的外径1.2mm的焊接材料(焊条)、利用TIG焊接以焊接电流165A、焊接电压15V、焊接速度10cm/min的条件进行多层堆焊，选取图1所示形状的试验片以700℃、147MPa的条件进行蠕变断裂试验，也对焊接接头的蠕变断裂时间进行了调查。另外，由于在TIG焊接的情况下基本上不发生稀释，因此焊接金属的化学组成与母材相同。
表2总结上述各试验的结果，并表示上述式(1)或式(2)的左边的值，另外在表2中，将蠕变断裂时间不足1000小时的试验结果表示为“×”、将蠕变断裂时间在1000小时以上的试验结果表示为“○”。
表2
表2
Figure A20078002790300231
从表2得知，在满足本发明所规定的条件的钢1～12的情况下，虽然含有0.09～0.29％这样较高值的P，但是拘束焊接裂纹试验中的焊道表面裂纹率为0，即、在焊接金属中完全没有产生裂纹、而且可变拘束试验中的最大裂纹长度也在1mm以下，并具有良好的焊接性。并得知在上述钢1～12的情况下，蠕变断裂时间在1000小时以上、且具有优异的蠕变特性。
与此相对，在本发明所规定的条件之外的比较例的钢A～D的情况下，焊接性或蠕变特性差。
即、在钢A的情况下，由于P的含量低到0.03％，因此拘束焊接裂纹试验中的焊道表面裂纹率为0，即、在焊接金属中完全没有产生裂纹、而且可变拘束试验中的最大裂纹长度也在1mm以下，并具有良好的焊接性，但是蠕变断裂时间未达到1000小时，蠕变特性差。
在钢B～D的情况下，虽然蠕变断裂时间在1000小时以上且蠕变特性优异，但是由于未满足上述式(2)，因此在拘束焊接裂纹试验中，在焊接金属中产生裂纹，而且可变拘束试验中的最大长度也大于1mm且焊接性差，不适合实用。
工业实用性
本发明的奥氏体系不锈钢焊接接头虽然P的含量高，但是作为钢管、钢板等、高温强度与耐腐蚀性自不必说，能够广泛应用于要求焊接性的用途中。另外，本发明的奥氏体系不锈钢焊接材料最适合用于制作上述奥氏体系不锈钢焊接接头。

Claims (4)

1.一种奥氏体系不锈钢焊接接头，其特征在于，
以质量％计含有C：0.05～0.25％、Si：2％以下、Mn：0.01～3％、P：0.05～0.5％、S：0.03％以下、Cr：15～30％、Ni：6～55％、sol.Al：0.001～0.1％以及N：0.03％以下，剩余部分由Fe以及杂质组成，且满足下述式(1)：
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)≥1.388…式(1)
另外，式(1)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
2.根据权利要求1所述的奥氏体系不锈钢焊接接头，其特征在于，
以质量％计，还含有从下述第1组～第3组中选出的至少1种来代替Fe的一部分，且满足下述式(2)：
(Cr+1.5×Si+2×Nb+Ti+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+Cu+5×P)≥1.388…式(2)
另外，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量；
第1组：Nd：0.5％以下；
第2组：Cu：3％以下、Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、B：0.03％以下、V：1.5％以下、Nb：1.5％以下、Ti：2％以下、Ta：8％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第3组：C a：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种。
3.一种奥氏体系不锈钢焊接材料，其特征在于，
以质量％计含有C：0.05～0.25％、Si：2％以下、Mn：0.01～3％、P：0.05～0.5％、S：0.03％以下、Cr：15～30％、Ni：6～55％、sol.Al：0.001～0.1％以及N：0.03％以下，剩余部分由Fe以及杂质组成，且满足下述式(1)：
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)≥1.388…式(1)
另外，式(1)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
4.根据权利要求3所述的奥氏体系不锈钢焊接材料，其特征在于，
以质量％计，还含有从下述第1组～第3组中选出的至少1种来代替Fe的一部分，且满足下述式(2)：
(Cr+1.5×Si+2×Nb+Ti+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+Cu+5×P)≥1.388…式(2)
另外，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量；
第1组：Nd：0.5％以下；
第2组：Cu：3％以下、Mo：5％以下以及W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、B：0.03％以下、V：1.5％以下、Nb：1.5％以下、Ti：2％以下、Ta：8％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第3组：Ca：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种。
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