CN101583733A - 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。母材以及焊接金属以质量％计含有C：0.3％、Si：2％以下、Mn：0.01～3.0％、P：大于0.04％且在0.3％以下、S：0.03％以下、Cr：12～30％、Ni：6～55％、稀土类元素：大于0.2％且在0.6％以下、sol.Al：0.001～3％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虽然P的含量高且进行完全奥氏体凝固，但是耐焊接凝固裂纹性优异。因此，可以广泛应用于要求有焊接施工的用途中。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是自不必说的，并且虽含有大于0.04％的较高量的P，但仍具有优异的耐焊接凝固裂纹性。
背景技术
奥氏体系不锈钢例如像JIS G 4304(2005)所规定的SUS304、以及SUS316、SUS310S等那样地是将Cr以及Ni作为主要元素的耐腐蚀性优异的材料。
但是，现状是在任意一种奥氏体系不锈钢中构成元素的含量都设有限制，特别是作为杂质元素的P通常被限制在0.045％以下。另外，作为其焊接所用的焊接材料，例如在JIS G4316(1991)中，奥氏体系焊接用不锈钢线材的P被限制在更低的0.030％以下。
另一方面，在以高浓度含有原本作为杂质元素的P时，公知会有助于M23C6碳化物的微细化所引起的析出固化，提高蠕变强度。
因此，例如在专利文献1～3中提出了一种含有较高浓度P的技术。
即、在专利文献1中公开了通过含有0.05～0.40％的P从而利用P的析出固化促进作用显著提高高温强度的“阀用耐热钢的改进”。
另外，在专利文献2中公开了在将C的含量设在0.01％以下的极低碳的奥氏体不锈钢中含有0.03～0.08％的P的“蠕变强度优异的奥氏体不锈钢”。
另外，在专利文献3中公开了一种含有0.05～0.30％的P的高温强度优异的“奥氏体系不锈钢”。
这样，在含有高浓度的P时，可以有助于M23C6碳化物的微细化，并提高蠕变强度。
但是，特别是像SUS310S那样的进行完全奥氏体凝固的奥氏体系不锈钢中的P含量的增加会导致焊接性下降。即、特别是在接近焊接凝固过程的结束期、主要是在结晶晶界中存在膜状的液相的阶段，使在因凝固收缩或热收缩而施加的应变在焊接金属的变形能量以上的情况下所产生的裂纹(以下、称作“焊接凝固裂纹”。)显著增多。
因此，特别是在进行完全奥氏体凝固的奥氏体系不锈钢的情况下，含有大量的P受到从确保焊接性的观点出发的限制，例如在非专利文献1中说明了应该严格限制P的含量。
专利文献1所公开的技术虽然较适合用在排气阀、断流阀等中，但没有任何关于因含有大量的P而使焊接凝固裂纹敏感性显著增大的记载。因而，用作必须进行焊接的钢材是非常困难的，特别是无法用作进行完全凝固的那样的奥氏体系不锈钢材。
另外，在专利文献2中，只记载了为了不影响焊接性而将P的含量的上限设为0.08％，对于应该注意的初晶奥氏体凝固特别是进行完全奥氏体凝固的那样的奥氏体系不锈钢的焊接凝固裂纹敏感性的降低完全没有记载。因而，尤其无法将专利文献2所公开的奥氏体不锈钢用作进行完全奥氏体凝固的那样的奥氏体系不锈钢材。
专利文献3所公开的技术的确可以作为钢管、钢板、棒钢、铸钢品、锻钢品等而广泛用于要求高温强度和耐腐蚀性的用途中。但是，关于伴随进行完全奥氏体凝固的那样的奥氏体系不锈钢中的高P化而产生的焊接凝固裂纹的研究并不充分。因而，在将专利文献3所公开的奥氏体系不锈钢用作进行完全奥氏体凝固那样的奥氏体系不锈钢材的情况下，并非一定可以确保优异的耐焊接凝固裂纹性。
专利文献1：日本特公昭37-17113号公报
专利文献2：日本特开昭62-267454号公报
专利文献3：WO 2006/106944号公报
非专利文献1：Y.Arata、F.Matsuda and S.Katayama：Transactions of JWRI、Vol.6-1(1977)pp105-116
发明内容
本发明的目的在于提供即使P含量较高、且进行完全奥氏体凝固、焊接性尤其耐焊接凝固裂纹性仍然优异的奥氏体系不锈钢焊接接头和奥氏体系不锈钢焊接材料。
虽然公知以往通过提高蠕变强度等可以对钢铁材料的特性产生良好的影响，但本发明人为了显著加强焊接凝固裂纹敏感性而以高浓度含有其含量受到抑制的P，且对于进行完全奥氏体凝固的奥氏体系不锈钢，以防止焊接凝固裂纹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，进行了各种用于减少由作为杂质而含有的P导致产生的焊接凝固裂纹的研究，由于P在奥氏体中基本不会固溶，所以进行初晶奥氏体凝固的情况自不必说、甚至在以完全奥氏体的方式进行凝固的情况下也会显著加强焊接凝固裂纹敏感性。
因此，特别是在进行完全奥氏体凝固的不锈钢中设有对P含量的限制，例如，在作为上述进行完全奥氏体凝固的奥氏体系不锈钢的代表钢种的基于JIS G 4304(2005)规定的SUS310S中，实际情况是P的含量被限制在0.045％以下，其焊接所用的焊接材料考虑到焊接凝固裂纹性、在JIS G4316(1991)中被限制在更低的0.030％以下。
但是，如上所述，公知P是使蠕变强度等提高的元素，因此在能降低进行完全奥氏体凝固的不锈钢的凝固裂纹敏感性的情况下，可以大大有助于确保例如作为在高温环境下使用的锅炉、以及化学设备的材料而被采用的奥氏体系不锈钢的显著高功能化、即优异的高温强度以及组织稳定性等。
因此，本发明人对于降低含有高浓度P、并进行完全奥氏体凝固的奥氏体系不锈钢的焊接凝固裂纹敏感性的可能性进行了调查。
首先，本发明人对于这样一种元素进行了研究：在将因在焊接凝固过程中未固溶在奥氏体中而在液相中明显变浓的P固定为磷化物、并使该磷化物自液相中结晶时，即使是在进行凝固裂纹敏感性最高的完全奥氏体凝固的情况下，该元素也可以使对凝固裂纹敏感性产生较大影响的液相提前消失，与P的亲和力强、固定P的能力高。
结果得出这样的见解：稀土类元素(以下也称作“REM”。)是与P的亲和力较强的元素、即是P固定化能力非常高的元素。
另外，“REM”是指Sc、Y以及镧系元素总共17种元素的总称。
因此，本发明人接下来制作出考虑了磷化物的结晶的显微偏析计算模型，对为了使对于P的凝固裂纹敏感性的不良影响无害化而所需要的REM的含量进行了预测。
结果判断出，若REM的含量在大于0.2％且在0.6％以下的范围中时，有时可以促进液相的提前结晶，降低凝固裂纹敏感性。
另外，上述REM的含量是指REM中的1种或2种以上的元素的总含量。
因此，本发明人进一步制作出各种实际上以质量％计含有0.1％的P的进行完全奥氏体凝固的奥氏体系不锈钢，对于在改变了REM的含量的情况下的焊接凝固裂纹敏感性进行了详细调查。
结果判断出，在通过满足包括P的影响在内的下述式(1)或式(2)而进行完全奥氏体凝固地进行了成分设计的高P的奥氏体系不锈钢的情况下，若含有通过数值计算而预测到的“大于0.2％且在0.6％以下”这样适量的REM，则即使在进行完全奥氏体凝固时含有0.1％这样较高量的P的情况下也能够抑制焊接凝固裂纹的产生。
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)＜1.388…式(1)
(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)
在此，式(1)以及式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
本发明是基于上述见解而完成的，其要旨在于提供下述(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，母材以及焊接金属以质量％计，含有C：0.3％以下、Si：2％以下、Mn：0.01～3.0％、P：大于0.04％且在0.3％以下、S：0.03％以下、Cr：12～30％、Ni：6～55％、稀土类元素：大于0.2％且在0.6％以下、sol.Al：0.001～3％以及N：0.3％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)。
在此，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组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替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)
在此，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
第1组：Mo：5％以下、W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、Ti：3％以下、Nb：1.5％以下、Ta：8％以下、V：1.5％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下、B：0.03％以下、Cu：3％以下、以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第2组：Ca：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：0.3％以下、Si：2％以下、Mn：0.01～3.0％、P：大于0.04％且在0.3％以下、S：0.03％以下、Cr：12～30％、Ni：6～55％、稀土类元素：大于0.2％且在0.6％以下、sol.Al：0.001～3％以及N：0.3％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)。
在此，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组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替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)
在此，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量。
第1组：Mo：5％以下、W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、Ti：3％以下、Nb：1.5％以下、Ta：8％以下、V：1.5％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下、B：0.03％以下、Cu：3％以下、以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第2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”。
本发明所说的“稀土类元素(REM)”是指Sc、Y以及镧系元素总共17种元素的总称，REM的含量是指REM中的1种或2种以上的元素的总含量。
本发明的奥氏体系不锈钢焊接接头虽然P的含量高、且进行完全奥氏体凝固，由于能够抑制焊接凝固裂纹的产生，因此可以广泛应用在要求有焊接施工的用途中。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。
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：0.3％以下
C是用于稳定奥氏体的元素，也具有提高拉伸强度、蠕变强度的作用。但是，在C的含量过多、特别是大于0.3％时，会增大焊接凝固裂纹敏感性并且导致耐腐蚀性的显著变差。因而，将C的含量设在0.3％以下。
为了确保C对上述奥氏体的稳定化作用和提高拉伸强度、蠕变强度的作用，优选将C含量的下限设为0.05％。
另外，在要求具有优异的耐腐蚀性的情况下，可以通过减少C的含量来提高耐晶界腐蚀性，从而即使在高温度区域也可以使用，因此在高温区域使用且要求高耐腐蚀性的情况下，优选降低C含量的上限。
因而，从奥氏体的稳定化、确保拉伸强度、蠕变强度、确保良好的耐腐蚀性这样的观点出发，优选C含量大于0.06％且在0.25％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，并且是有效提高耐氧化性以及耐水蒸气氧化性等的元素。为了获得上述效果，最好含有0.1％以上的Si。但是，在Si的含量过多、特别是在大于2％时，会使焊接凝固裂纹敏感性显著增大，并且由于Si是用于稳定铁素体的元素，从而难以稳定地进行完全奥氏体凝固而形成奥氏体单相组织。因而，将Si的含量设在2％以下。另外，优选Si的含量在1％以下。
Mn：0.01～3％
Mn是用于稳定奥氏体的元素，并且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，还是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，并且在高温环境下使用的情况下，发生因高温下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：大于0.04％且在0.3％以下
公知P是用于使焊接凝固裂纹敏感性显著增大的元素，特别是在进行完全奥氏体凝固的情况下其影响更加明显。因此，以往对P的含量设有限制，但在含有大于0.04％的P时，有助于碳化物的微细析出，可以获得例如提高在高温环境下使用的情况下的蠕变强度等、提高材料特性的效果。
另外，在本发明中，通过含有后述的量的REM可以排除导致完全奥氏体凝固下的焊接凝固裂纹感受性增大的P的不良影响，但若P的含量过多、特别是在大于0.3％时，不能避免蠕变延展性的下降等不良影响。
因而，将P的含量设成大于0.04％且在0.3％以下。另外，P的优选含量是大于0.05％且在0.25％以下，更优选的含量是大于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：12～30％
Cr是用于在奥氏体系不锈钢的表面形成薄的氧化保护膜而确保耐氧化性、耐水蒸气氧化性、耐高温腐蚀性等的必须的元素。为了获得上述效果，必须含有12％以上的Cr。另外，Cr的含量越多耐腐蚀性越优异，但由于Cr是用于稳定铁素体的元素，在其含量大于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，因此韧性、高温强度变差。因而，将Cr的含量设为12～30％。另外，Cr的优选含量为15～28％，更优选Cr的含量为18～26％。
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12％以上的Cr，在Ni的含量相对于该Cr的量不足6％的情况下，难以进行完全奥氏体凝固而形成奥氏体单相组织。另一方面，在Ni的含量大于55％的情况下，由于难以在奥氏体中固溶的P在液相中明显变浓，因此导致焊接凝固裂纹敏感性的增大。因而，将Ni的含量设为6～55％。另外，Ni的优选含量为10～40％，更优选的含量为大于15％且在30％以下。
REM：大于0.2％且在0.6％以下
REM在本发明中是最重要的元素之一。由于REM与P的亲和力大，因此即使含有大于以往设有限制的量的P的情况下，也可以与在焊接凝固过程中在液相中变浓的P结成一体而结晶为磷化物，促进液相提前消失，从而显著降低焊接凝固裂纹敏感性。
为了在如上所述的P的含量范围内发挥上述REM的效果，必须含有大于0.2％的量的REM。另一方面，在REM的含量大于0.6％时，因REM磷化物的结晶而使液相的提前消失效果显著降低，反而增大焊接凝固裂纹敏感性，而且因REM磷化物的结晶量的增加而导致热加工性的显著下降。
因而，将REM的含量设为大于0.2％且在0.6％以下。另外，REM的优选含量为大于0.3％且在0.6％以下。
sol.Al：0.001～3％
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3％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0.001～3％。另外，更优选sol.Al的含量为0.005～2％，进一步优选为0.01～1％。
N：0.3以下
N是用于稳定奥氏体的元素，具有提高蠕变强度的作用。但是，在N的含量过多时，使热加工性以及冷加工性下降，特别是在大于0.3％时，热加工性以及冷加工性显著降低。因而，将N的含量设在0.3％以下。另外，N的优选含量是在0.1％以下，进一步优选在0.03％以下。
(Cr+1.5×Si+2×P)/(Ni+0.31×Mn+22×C+14.2×N+5×P)的值：小于1.388
在含有上述范围的从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)”的值小于1.388、即满足式(1)的情况下，即使在进行完全奥氏体凝固而形成奥氏体单相组织的情况下，也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的母材以及焊接金属含有上述范围的从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)。
根据同样的理由，规定了本发明(3)的奥氏体系不锈钢焊接材料含有上述范围的从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根据需要还可以含有从下述第1组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替其母材以及焊接金属的Fe的一部分，并且本发明(3)的奥氏体系不锈钢焊接材料根据需要也可以含有从下述第1组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替其Fe的一部分；
第1组：Mo：5％以下、W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、Ti：3％以下、Nb：1.5％以下、Ta：8％以下、V：1.5％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下、B：0.03％以下、Cu：3％以下、以及Co：5％以下的1种或2种以上；
第2组：Ca：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种。
即、也可以含有上述第1组以及第2组的组合中的元素的1种或2种以上为任意元素。
下面，说明上述的任意元素。
第1组：Mo：5％以下、W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、Ti：3％以下、Nb：1.5％以下、Ta：8％以下、V：1.5％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下、B：0.03％以下、Cu：3％以下、以及Co：5％以下的1种或2种以上
由于作为第1组的元素的Mo、W、Ti、Nb、Ta、V、Zr、Hf、B、Cu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含有上述元素。下面，详细说明第1组的元素。
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。Mo还具有提高耐点腐蚀性的作用。为了可靠地获得上述效果，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，在复合含有两元素的情况下，将两者含量设为Mo+(W/2)在0.05％以上。但是，在单独含有两者的情况下Mo以及W的含量分别大于5％以及10％时、或在复合含有两者的情况下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，并且由于Mo以及W是用于稳定铁素体的元素，因此诱发生成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％。
另外，如上所述，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，更优选在分别单独地含有Mo和W的情况下的含量为Mo在0.05％以上且小于4％、并且W为0.05％以上且小于4％。
Ti：3％以下
Ti是碳化物形成元素，且是有效提高高温强度的元素。Ti也具有通过固定C而提高晶界耐腐蚀性的作用。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3％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3％以下。另外，优选添加时的Ti的含量为0.005～3％，更优选为0.01～2％。添加时的Ti的含量最优选为0.05～1％。
Nb：1.5％以下
Nb是碳化物形成元素，且是有效提高高温强度的元素。Nb也具有通过固定C而提高晶界耐腐蚀性的作用。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％，更优选为0.05～1％。添加时的Nb的含量最优选为0.05～0.6％。
Ta：8％以下
Ta也是碳化物形成元素，有效提高高温强度。Ta也具有通过固定C而提高晶界耐腐蚀性的作用。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，优选添加时Ta的含量为0.01～8％，更优选为0.01～7％。添加时的Ta的含量最优选为0.05～6％。
V：1.5％以下
V是碳化物形成元素，有效提高高温强度。V也具有通过固定C而提高晶界耐腐蚀性的作用。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％，更优选为0.04～1％。
Zr：1％以下
Zr主要有助于强化晶界，提高高温强度。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，优选添加时的Zr的含量为0.0005～1％，更优选为0.01～0.8％。添加时的Zr的含量最优选为0.02～0.5％。
Hf：1％以下
Hf也主要有助于强化晶界，提高高温强度。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，优选添加时的Hf的含量为0.0005～1％，更优选为0.01～0.8％。添加时的Hf的含量最优选为0.02～0.5％。
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，从而提高高温强度并且改善蠕变强度。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，优选添加时的B的含量为0.0005～0.03％，更优选为0.001～0.01％。添加时的B的含量最优选为0.001～0.005％。
Cu：3％以下
Cu用于稳定奥氏体，且在高温条件下使用Cu时，Cu作为微细的Cu相与奥氏体母相整合析出，具有大幅提高高温强度的作用。为了可靠地获得上述效果，Cu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，将例如从节省原料成本的方面出发以稳定奥氏体等来确保更大的高温强度为目的而添加Cu来代替Ni时的Cu的含量设在3％以下。另外，优选添加时的Cu的含量为0.01％～3％。添加时的Cu的含量的上限更优选为2％，最优选为0.9％。
Co：5％以下
Co与Ni、以及Cu同样使奥氏体组织稳定，有助于提高高温强度。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，优选添加时的Co的含量为0.05～5％。
另外，能够只含有上述Mo、W、Ti、Nb、Ta、V、Zr、Hf、B、Cu以及Co中任意1种、或复合含有2种以上。
由于作为第2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含有上述元素。下面，详细说明第2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0.0005％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，优选添加时的Ca的含量为0.0005～0.05％，更优选为0.001～0.02％。最优选添加时的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0.0005％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，优选添加时的Mg的含量为0.0005～0.05％，更优选为0.001～0.02％。最优选添加时的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：小于1.388
在含有从上述第1组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替上述本发明(1)的奥氏体系不锈钢焊接接头的母材以及焊接金属的Fe的一部分、并且代替本发明(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)”的值小于1.388、即满足式(2)时，即使在进行完全奥氏体凝固而形成奥氏体单相组织的情况下，也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组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替本发明(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TIG焊接、MIG焊接等各种焊接方法来制作。
另外，根据所采用的焊接方法和焊接条件，选择可获得上述焊接金属的组成的组成材料作为制作上述奥氏体系不锈钢焊接接头时所用的焊接材料。
在采用TIG焊接情况下，由于焊接材料的组成实质上是可以与焊接金属的组成相同的，因此例如最好使用本发明(3)的奥氏体系不锈钢焊接材料作为制作本发明(1)的奥氏体系不锈钢焊接接头时所用的焊接材料，另外最好使用本发明(4)的奥氏体系不锈钢焊接材料作为制作本发明(2)的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1～9以及钢A～E之后，铸造成钢锭。
表1中的钢1～9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～E是化学组成在本发明所规定的条件之外的比较例的钢。
Figure A20078004981300221
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厚4mm、宽100mm以及长100mm的可变拘束(trans-varestrain)试验片。
另外，钢C以及钢D由于含有大于本发明所规定的值的过量的Nd，因此热加工性较低，在进行热锻造时产生许多裂纹而无法选取试验片。这是因为，由于Nd的含量过多而使大量的NdP过早地结晶，无法获得液相的提前消失效果，相反使凝固裂纹敏感性增大，或者是因为NdP未结晶而是重复进行Nd单独的偏析，从而固液共存温度范围显著增大，凝固裂纹敏感性增大。并且，进行上述的热锻造时所产生的裂纹是由低熔点晶界的融解、即P的显著的晶界偏析而导致产生的凝固裂纹，一般认为没有必要用于焊接试验、且凝固裂纹敏感性非常高，难以用作实用钢。
使用上述那样获得的各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。另外，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的条件对对接部分进行填充焊接(fillerwelding)。
表2表示相对于拘束焊接裂纹试验片的焊接焊道长度的凝固裂纹产生率的测量结果。在此，由于在TIG焊接的情况下基本上没有发生稀释，因此焊接金属的化学组成与母材是相同的。
另外，如上所述，钢C以及钢D在进行热锻造时产生裂纹而无法选取试验片。因此，不能实施拘束焊接裂纹试验，所以在表2的“拘束焊接裂纹试验中的焊道表面裂纹率”栏中表示为“-”。
表2
Figure A20078004981300241
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，利用作为进行完全奥氏体凝固的奥氏体系不锈钢的SUS310S的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具有优异的耐凝固裂纹性。
表2总结表示可变拘束试验中的最大裂纹长度。
另外，如上所述，钢C以及钢D在进行热锻造时产生裂纹而无法选取试验片，因此不能实施可变拘束试验。所以在表2的“可变拘束试验中的最大裂纹长度”栏中表示为“-”。
从表2得知，在满足本发明所规定的条件的钢1～9的情况下，虽然含有较高值的P且进行完全奥氏体凝固，但是由于含有适量的REM并且满足式(1)或式(2)，因此可变拘束试验中的最大裂纹长度都在1mm以下，并且在拘束焊接裂纹试验中没有产生裂纹，具有良好的焊接性。
与此相对，在本发明所规定的条件之外的比较例的钢A、钢B以及钢E的焊接性较差。
即、在钢A的情况下，由于Nd的含量低到0.13％，因此无法促进NdP的结晶。因而，虽然拘束焊接裂纹试验中的焊道表面裂纹率为0，但可变拘束试验中的最大裂纹长度大于1mm。
在钢B的情况下，Nd的含量低到0.035％，而且并未满足式(2)的条件。因此，不能促进NdP的结晶，所以虽然并未进行完全的奥氏体凝固，但是可变拘束试验中的最大裂纹长度大于1mm，而且拘束焊接裂纹试验中的焊道表面裂纹率为100％，遍及整个焊道长度地产生了裂纹。
在钢E的情况下，虽然满足式(2)的条件，但是P的含量高而不含Nd。因此，焊接凝固裂纹敏感性非常高，可变拘束试验中的最大裂纹长度大于1mm，而且拘束焊接裂纹试验中的焊道表面裂纹率为100％，遍及整个焊道长度地产生了裂纹。
另外，如上所述，钢C以及钢D因为含有大于本发明所规定的值的过量的Nd，因此热加工性低。这是因为由于Nd的含量过多而使大量的NdP过早地结晶，无法获得液相的提前消失效果，相反使凝固裂纹敏感性增大，或者是因为NdP未结晶而是重复进行Nd单独的偏析，从而固液共存温度范围显著增大，凝固裂纹敏感性增大，难以用作实用钢。
工业实用性
本发明的由母材以及焊接金属构成的奥氏体系不锈钢焊接接头虽然P的含量高且进行完全奥氏体凝固，但是由于具有优异的耐焊接凝固裂纹性，因此能够广泛应用于要求焊接施工的用途中。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，母材以及焊接金属以质量％计，含有C：0.3％以下、Si：2％以下、Mn：0.01～3.0％、P：大于0.04％且在0.3％以下、S：0.03％以下、Cr：12～30％、Ni：6～55％、稀土类元素：大于0.2％且在0.6％以下、sol.Al：0.001～3％以及N：0.3％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)
在此，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组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替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)
在此，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量，
第1组：Mo：5％以下、W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、Ti：3％以下、Nb：1.5％以下、Ta：8％以下、V：1.5％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下、B：0.03％以下、Cu：3％以下、以及Co：5％以下的1种或2种以上
第2组：Ca：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：0.3％以下、Si：2％以下、Mn：0.01～3.0％、P：大于0.04％且在0.3％以下、S：0.03％以下、Cr：12～30％、Ni：6～55％、稀土类元素：大于0.2％且在0.6％以下、sol.Al：0.001～3％以及N：0.3％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)
在此，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组以及第2组中选出的1种或2种以上的元素来代替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)
在此，式(2)中的元素符号表示该元素的以质量％计的含量，
第1组：Mo：5％以下、W：10％以下且Mo+(W/2)：5％以下、Ti：3％以下、Nb：1.5％以下、Ta：8％以下、V：1.5％以下、Zr：1％以下、Hf：1％以下、B：0.03％以下、Cu：3％以下、以及Co：5％以下的1种或2种以上
第2组：Ca：0.05％以下以及Mg：0.05％以下的1种或2种。
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