JP2006289405A - 耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温強度だけでなく、極めて良好な靭性や耐高温脆化特性にも優れた溶接金属を得ることが可能な耐火構造用鋼に使用するガスシールドアーク溶接ワイヤを提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎｉ：１〜３％、Ｎ：０．００１〜０．０１５％を含有し、Ｃｒ：０．０１％未満、Ｏ：０．０１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下に制限し、さらに、Ｍｏ：０．０１〜２％、Ｗ：０．０１〜２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．００５〜０．５％、および、Ｔａ：０．００５〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、かつ、（１）式で示されるＴ値が０以上であり、（２）式で示されるＮｂ当量（Ｎｂｅｑ．）が０．０５〜０．５％であり、残部が不可避不純物およびＦｅからなる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、建築や橋梁等の各種構造物の建造に適用される、耐火性能に優れた耐火構造用鋼（以下、耐火鋼ということもある）のガスシールドアーク溶接ワイヤに関し、特に、７００〜８００℃での高温耐力および伸び（耐高温脆化特性）に優れ、かつ低温靭性に優れた溶接金属を形成するためのガスシールドアーク溶接ワイヤに関するものである。

従来、建築物などに使用される鋼材は、火災時の鋼構造物の安全性を確保するために、火災時の鋼材表面温度が３５０℃以下で使用するように耐火基準で定められており、鋼材表面にロックウールなどの耐火被覆をすることが必要であった。しかし、建築鋼構造物の建設において鋼材表面の耐火被覆施工に要する費用の低減、その施工工程の省略、さらには景観上の点からも、耐火被覆施工を完全に省略したいという要求は非常に高まっている。

このような背景を踏まえ、昭和６２年の防耐火総プロの成果を受けて（３８条認定により）、鋼材の耐火性能を考慮した建築鋼構造物の設計が可能となり、鋼材の高温耐力と、実際の建築鋼構造物に加わっている荷重とを考慮して耐火被覆施工の必要性を決定し、場合によっては無耐火被覆で鋼材を使用することも可能となった。

こうした状況から、６００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる耐火性能に優れた鋼材（以下、６００℃耐火鋼という場合もある）が開発された（例えば特許文献１、参照）。その後、現在までに、７００℃あるいは８００℃での高温降伏強度を保証する耐火性能に優れた鋼材（７００℃耐火鋼あるいは８００℃耐火鋼という場合もある）も提案されている（例えば特許文献２、３、参照）。

一方、建築鋼構造物を建設する場合の鋼材同士の接合には溶接が多く用いられる。耐火鋼を用いた建築鋼構造物も溶接構造が主であり、各々の鋼構造物の耐火強度に応じてその溶接部においても同等以上の耐火強度を有することが必要となる。
従来、６００℃耐火鋼の溶接する際に優れた耐火性能を有する溶接部を得るためのアーク溶接ワイヤ、溶接棒、フラックスなどの溶接材料が多数提案されている（例えば特許文献４〜１２、参照）。

しかし、８００℃耐火鋼用の溶接材料としては、近年、８００℃耐火鋼のサブマージアーク溶接方法およびそのための溶接ワイヤとフラックスが提案されている（例えば特許文献１３、参照）が、サブマージアーク溶接以外の例えば、ＣＯ２溶接やＡｒとＣＯ２の混合ガスをシールドガスとするＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接等のガスシールドアーク溶接ワイヤとして、十分な耐火性能を満足する溶接金属が得られるようなものはなかった。

このため、７００〜８００℃耐火鋼用の溶接ワイヤやこれを用いたガスシールドアーク溶接技術の開発が望まれていた。

また、上記８００℃耐火鋼のサブマージアーク溶接方法（例えば特許文献１３、参照）を含むガスシールドアーク溶接では、８００℃での高温耐火性能を確保するために、鋼材中、および、この鋼材を溶接するための溶接材料中には、靱性に対して有害な元素、例えばＭｏ、Ｎｂ、Ｖ等の合金元素を多く含有するため、溶接継手に形成される溶接金属の靱性は、０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）で２７Ｊ程度と低いという問題があった。最近の鋼構造物の安全性重視傾向から、建築鋼構造物の溶接部においても、０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）で７０Ｊ以上の高い靭性、さらには１００Ｊ以上の極めて高い靱性が要求される可能性も出てきている。

また、７００〜８００℃での耐火性能を向上するためにＭｏ、Ｎｂ、Ｖ等の合金元素を多量に含有した溶接金属では、７００℃前後において溶接金属の粒界が脆化して延性が極端に低下する高温脆化あるいは再熱脆化の問題も生じやすい。このため、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ等の合金元素を多量に含有した従来の耐火鋼用の溶接材料を用いて溶接する場合には、溶接金属の高温脆化感受が高くなり、７００〜８００℃での建築構造物において十分な安全性を確保することに限界があった。

以上のように、７００〜８００℃耐火鋼のガスシールドアーク溶接材料として、７００〜８００℃での高温耐力を維持しつつ、０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）で７０Ｊ以上、さらには、１００Ｊ以上の優れた靱性を有し、かつ７００〜８００℃において溶接金属の高温脆化を抑制できる溶接金属が得られるようなものはない現状にある。

特開平２−７７５２３号公報 特開平９−２０９０７７号公報 特開平１０−６８０１５号公報 特開平２−５２１９６号公報 特開平２−２１７１９５号公報 特開平２−２０５２９８号公報 特開平２−２７４３９４号公報 特開平２−６３６９８号公報 特開平２−２７４３９４号公報 特開平２−７５４９４号公報 特開平２−２００３９３号公報 特開平２−２６８９９４号公報、 特開２００３−３１１４７７号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、耐火性に優れた耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接において、７００〜８００℃での高温耐力を維持しつつ、０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）で７０Ｊ以上、さらには、１００Ｊ以上の優れた靱性を有し、かつ７００〜８００℃での耐高温脆化特性に優れた溶接金属が得られる耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤを提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するものであって、その発明の要旨は以下の通りである。

（１） 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎｉ：１〜３％、Ｎ：０．００１〜０．０１５％を含有し、Ｃｒ：０．０１％未満、Ｏ：０．０１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下に制限し、さらに、Ｍｏ：０．０１〜２％、Ｗ：０．０１〜２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．００５〜０．５％、および、Ｔａ：０．００５〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、かつ、下記（１）式で示されるＴ値が０以上であり、下記（２）式で示されるＮｂ当量（Ｎｂｅｑ．）が０．０５〜０．５％であり、残部が不可避不純物およびＦｅからなることを特徴とする耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。
Ｔ値＝３０−３３．５［Ｃ％］＋１７．５［Ｓｉ％］−１６．９［Ｍｎ％］−１３２．［Ｎｉ％］−８．８［Ｃｕ％］＋１２．２［Ｍｏ％］＋６．０［Ｗ％］・・・（１）
Ｎｂｅｑ．＝［Ｎｂ％］＋［Ｖ％］／５＋［Ｍｏ％］／１０＋［Ｗ％］／１０＋［Ｔａ％］／５ ・・・（２）
但し、上記［Ｃ％］、［Ｓｉ％］、［Ｍｎ％］、［Ｎｉ％］、［Ｃｕ％］、［Ｎｂ％］、［Ｖ％］、［Ｍｏ％］、［Ｗ％］、［Ｔａ％］は、それぞれ、溶接ワイヤ中に含有する各元素の質量％を示す。

（２） 質量％で、さらに、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ｃｏ：０．０１〜６％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、および、Ｂ：０．０００５〜０．０１５％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。

（３） 質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。

（４）質量％で、前記Ｃｒを０．００４％以下に制限することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。

本発明によれば、８００℃までの耐火性に優れた耐火構造用鋼に使用するガスシールドアーク溶接ワイヤに関し、高温強度とともに、極めて良好な靭性や耐高温脆化特性の優れた溶接金属を得ることが可能なガスシールドアーク溶接ワイヤを提供することが可能となり、産業上の効果は極めて大きい。

建築鋼構造物の耐火設計では、ボイラなどの圧力容器用耐熱鋼のように５００〜６００℃程度の高温かつ高圧環境下で長時間連続して使用する際の高温強度は要求されず、火災継続時間内の比較的短時間に鋼構造物が崩壊しないだけの高温強度が維持できればよい。例えば、８００℃耐火鋼では、一般に、８００℃の温度、３０分程度の保持時間での高温降伏強度が確保できれば十分利用できると考えられている。

従来の６００℃耐火鋼の設計では、高温時の降伏強度が常温時の降伏強度の２／３以上となるように性能を定めていた。しかし、一般に鉄骨構造物の実設計範囲が常温降伏強度下限の０．２〜０．４倍であることを勘案し、常温時の降伏強度は常温降伏強度下限比０．４以上であれば使用できるとの考えに基づき、８００℃耐火鋼の設計では常温降伏強度に対する下限比０．４以上を考慮し、８００℃降伏強さの目標値が設定されている。すなわち８００℃降伏強さの目標値は４００ＭＰａ鋼で９４ＭＰａ、４９０ＭＰａで１３０ＭＰａとしている。

また、鉄骨構造物の実設計において、鉄骨柱の溶接部は作用応力が小さい位置に設けられる。本発明者らの検討の結果、溶接部に形成される溶接金属の８００℃での降伏強さの目標値は、母材の８００℃降伏強さの１／２、例えば４９０ＭＰａ鋼を使用する場合には、溶接金属の８００℃での降伏強さの目標は７０ＭＰａ程度とすることで十分であることを確認した。また、発明者らは、同様の根拠により溶接金属の７００℃での降伏強さ目標は２２０ＭＰａ程度とすることで十分であることを確認した。

そこで、発明者らは、７００〜８００℃での高温耐火構造用鋼をガスシールドアーク溶接する際に、７００℃、８００℃の降伏強さが各々２２０ＭＰａ以上、７０ＭＰａ以上の高温強度を有し、かつ、０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）で１００Ｊ以上の靭性を有し、さらに、高温で負荷応力や溶接残留応力による高温脆化割れを生じない程度の耐高温脆化性を有する溶接金属を得るためのガスシールドアーク溶接ワイヤについて詳細な実験に基づいて検討した。

種々の化学組成の溶接ワイヤを用いて後述する実施例と同じ７００℃耐火構造用鋼板をガスシールドアーク溶接し、図1に示す開先形状の継手を作製した。ガスシールドアーク溶接は、板厚１６ｍｍの鋼板１間に角度２０°、間隔７ｍｍで開先２を設け、鋼板１の裏面に配置された厚み１６ｍｍ、幅４０ｍｍの裏当金３とで形成された空間を、ＡｒにＣＯ２を２０％混合したシールドガスを用いて入熱３０ｋＪ／ｃｍの溶接条件で溶接を行った。図２に示す溶接継手に形成された溶接金属の位置、方向から丸棒の高温引張試験片４、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片５をそれぞれ採取した。引張試験は７００℃および８００℃で、また、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験は０℃でそれぞれ試験を行い、溶接金属の耐火特性（降伏強度、ここでは０．２％耐力を降伏強度とする）、耐高温脆化特性（引張試験の伸び、絞り値）、靱性（２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギー：ｖＥ０）を評価した。

先ず、溶接金属の高温降伏強度の評価結果から、溶接ワイヤを用いて溶接金属中にＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、および、Ｔａのうちの１種または２種以上を適正量含有させることで、溶接金属の７００〜８００℃での高温降伏強度が向上することを確認した。また、上記元素はいずれも溶接金属の高温降伏強度に対して類似の作用、効果を有し、溶接金属の高温強度に対するそれぞれの元素の効果は下記（２）式で定義されるＮｂ当量（Ｎｂｅｑ．）で統一的に整理されることがわかった。
Ｎｂｅｑ．＝［Ｎｂ％］＋［Ｖ％］／５＋［Ｍｏ％］／１０＋［Ｗ％］／１０＋［Ｔａ％］／５ ・・・（２）
但し、上記［Ｎｂ％］、［Ｖ％］、［Ｍｏ％］、［Ｗ％］、［Ｔａ％］は、それぞれ、溶接ワイヤ中に含有する各元素の質量％を示す。

図３に溶接ワイヤのＮｂ当量（上記（２）式で定義されるＮｂｅｑ．）と溶接金属の７００℃高温引張試験における０．２％耐力（降伏強度）との関係を示す。
図３から、溶接金属の７００℃における０．２％耐力（降伏強度）は溶接ワイヤのＮｂ当量の増加にともなって向上する。溶接金属の７００℃における０．２％耐力を、確実に目標の２２０ＭＰａ以上とするためには、溶接ワイヤのＮｂ当量を０．０５％以上とする必要がある。

なお、図３では、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量による溶接金属の７００℃における０．２％耐力への影響を確認するために、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量を０．０１％未満、０．０１〜０．１％、０．１％超の場合で溶接金属の高温強度を層別している。溶接ワイヤ中のＣｒ含有量が０．１％を超える程度の範囲で、Ｃｒは溶接金属の７００℃における０．２％耐力にほとんど影響しないことが判る。

なお、本発明者らは、溶接金属の８００℃における０．２％耐力（降伏強度）とＮｂ当量との関係についても同様な試験を行い、図３と同様に、溶接ワイヤのＮｂ当量が０．０５％以上であれば、溶接金属の８００℃における０．２％耐力の目標である７０ＭＰａ以上を確実に達成できることを確認している。

これらの検討結果から、本発明では、溶接金属の７００〜８００℃における０．２％耐力（降伏強度）の目標を達成するために、溶接ワイヤのＮｂ当量（上記（２）式で定義されるＮｂｅｑ．）の下限値を０．０５％と限定した。

また、本発明者らは、溶接ワイヤのＮｂ当量（上記（２）式で定義されるＮｂｅｑ．）による溶接金属の耐高温脆化特性への影響について検討した。

図４に溶接ワイヤのＮｂ当量と溶接金属の７００℃高温引張試験における絞り値（耐高温脆化特性の指標）の関係を示す。

図４から溶接ワイヤのＮｂ当量（上記（２）式で定義されるＮｂｅｑ．）が増加するほど７００℃高温引張試験における溶接金属の絞り値は低下する。溶接金属の７００℃高温引張試験における絞り値が１０％未満となると、溶接金属が高温に再熱されたときに溶接金属中に割れが生じる可能性があることから、本発明では、確実に溶接金属の高温での脆化を抑制するため、溶接ワイヤのＮｂ当量の上限を０．５％に制限した。

また、本発明者らは、溶接ワイヤ中のＣｒおよびＮｉの含有量による溶接金属の靭性（２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギー：ｖＥ０）への影響について検討した。

図５に溶接ワイヤ中のＣｒおよびＮｉの含有量と溶接金属の靭性（２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギー：ｖＥ０）の関係を示す。

図５から、溶接金属の靭性は溶接ワイヤ中のＮｉ含有量の増加にともなって向上し、逆にＣｒ含有量の増加にともなって低下する。特に溶接ワイヤ中にＣｒが０．００１％以上含有すると、溶接金属の靭性は著しく低下する。なお、前述したように溶接ワイヤ中のＣｒ含有量が０．０１〜０．１％の場合には、溶接金属の７００℃における０．２％耐力（降伏強度）の低下は見られず（図３、参照）、少なくとも溶接ワイヤ中のＣｒが０．００１％程度では溶接金属の高温降伏強度に影響はない。

これらの検討結果から、本発明では、上述したように７００℃での高温降伏強度を確保（図３、参照）しつつ、溶接金属の靭性の目標である、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギー（ｖＥ０）で１００Ｊ以上を確実に達成するために、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量を０．０１％未満（実質的にＣｒを含有しない程度）に制限し、かつ溶接ワイヤ中のＮｉ含有量の下限を１％とした。

従来の耐火鋼用の溶接材料では、溶接金属の高温強度を発現するために溶接ワイヤ中のＣｒは他の合金元素とともに必須元素としていたが、本発明者らの上記検討結果から、溶接ワイヤ中のＣｒは、７００〜８００℃での高温降伏強度にはほとんど影響せず、０．０１％以上含有すると溶接金属の靱性が大きく劣化する元素であることが明らかになった。これらの知見から、本発明は、溶接金属の７００〜８００℃での高温降伏強度と０℃の靭性の両者を満足させるために、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量を０．０１％未満に制限し、かつＮｉ含有量を１％以上含有させことを必須要件とする。なお、溶接金属の０℃の靭性をより高めるためには、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量は０．００４％以下とすることがより好ましい。

上述の通り、溶接ワイヤ中のＮｉは、溶接金属の７００〜８００℃での高温降伏強度維持しつつ、靭性を高めるために有効な元素であり、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量が多いほど溶接金属の０℃での靭性は向上する。しかし、Ｎｉは溶接金属の変態点を低下させる元素であるため、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量が３％を超えるような過度な添加は、７００〜８００℃で溶接金属の逆変態オーステナイトを生成させ、高温強度を低下させる。したがって、本発明において、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量の上限は３％と規定した。

また、本発明では、溶接ワイヤ中に上記Ｎｉ以外に、溶接金属の変態点に影響を与える合金元素を含有させる必要がある。本発明者らは、特に溶接金属の変態点に影響を与える溶接ワイヤ中の合金元素と、７００〜８００℃での逆変態オーステナイト生成による溶接金属の高温強度低下との関係について検討した。

その結果、７００〜８００℃での逆変態オーステナイト生成による溶接金属の高温強度低下の影響度は、溶接ワイヤの下記（１）式で定義される、加熱変態点と対応するパラメターＴ値で整理でき、溶接ワイヤのＴ値を−１０以上とすることで上記逆変態オーステナイト生成による溶接金属の高温強度低下は抑制できることを知見した。
Ｔ値＝３０−３３．５［Ｃ％］＋１７．５［Ｓｉ％］−１６．９［Ｍｎ％］−１３２．［Ｎｉ％］−８．８［Ｃｕ％］＋１２．２［Ｍｏ％］＋６．０［Ｗ％］・・・（１）
但し、上記［Ｃ％］、［Ｓｉ％］、［Ｍｎ％］、［Ｎｉ％］、［Ｃｕ％］、［Ｍｏ％］、［Ｗ％］は、それぞれ、溶接ワイヤ中に含有する各元素の質量％を示す。

本発明者らの検討結果から、溶接ワイヤのＴ値が０未満になると、溶接継手あるいは溶接鋼構造物が７００〜８００℃に加熱された場合に溶接金属中に逆変態オーステナイトが生成して高温強度が顕著に低下することを確認した。

したがって、本発明では、７００〜８００℃で溶接金属中に逆変態オーステナイトが生成し、高温強度が低下することを確実に抑制するために、上記（１）式で定義される、溶接ワイヤのＴ値を０以上に規定した。

以上が本発明において、溶接金属の７００〜８００℃での高温降伏強度、０℃での靭性、耐高温脆化特性を同時に良好に維持するために必須とすべき要件の限定理由である。
本発明では、かかる本発明の効果を安定して十分に発揮させるためには、上記必須要件の限定に加えて、溶接ワイヤ中の成分組成および各成分元素の含有量を以下に示す理由で限定する必要がある。

以下に本発明の溶接ワイヤ中に含有させる各成分元素の含有量の限定理由を詳細に説明する。なお、以下に示す「％」は特に説明がない限り、「質量％」を意味するものとする。

Ｃは、溶接金属の室温および高温での降伏強度を高めるために溶接ワイヤ中に０．０１％以上含有する。一方、０．２％を超えて溶接ワイヤ中に含有されると、溶接金属の靭性が劣化するため好ましくない。そのため、本発明においては溶接ワイヤ中のＣ含有量を０．０１〜０．２％に限定する。

Ｓｉは、固溶強化により溶接金属の室温および高温での強度向上に有効である。また、上記（１）式で定義されるＴ値を高め、７００℃以上での溶接金属の高温強度確保に有効である。また、脱酸元素としても有効で、溶接金属中のＯ量を低減する効果を有して、靭性を向上させる。これらの効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中にＳｉを０．１％以上含有させる必要がある。ただし、１％を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属の靭性を大きく劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量を０．１〜１％に限定する。

Ｍｎは、脱酸効果に関してＳｉと同様の作用を有し、溶接ワイヤに０．５％以上含有させれば、靭性向上に有効である。ただし、溶接金属の高温強度に向上には有効ではなく、２．５％を超えて過剰に含有させると、溶接金属の硬さが過大となって靭性を劣化させる恐れがある。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量を０．５〜２．５％に限定する。

Ａｌは脱酸元素であり、Ｓｉと同様、溶接金属中のＯ低減、清浄度向上に効果があるが、効果を発揮するためには溶接ワイヤ中に０．００１％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に０．１％を超えて過剰に含有させると、溶接金属中に粗大な酸化物を形成して、この粗大酸化物が靱性を著しく劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量を０．００１〜０．１％とする。

Ｎｉは、前述したように、耐火特性を有する溶接金属を得るための溶接ワイヤにおいて、高い溶接金属靭性を得ようとすると、溶接ワイヤに１％以上含有させることが必須である。一方、３％を超えると、靭性は安定して良好なレベルは得られるものの、ワイヤのコストが高くなるため、好ましくなく、また、溶接金属の加熱変態点が低下して、上記（１）式で定義されるＴ値を０以上に確保することが容易でなくなるため、高温強度確保が困難となる。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を１〜３％に限定する。

Ｎは、溶接金属中でＴｉＮ等の安定な窒化物を形成して、多層盛溶接において再加熱される領域で加熱オーステナイト粒径を微細化するため、溶接ワイヤ中に０．００１％以上含有させることが好ましい。ただし、０．０１５％を超えて過剰に含有させると、溶接金属中の固溶Ｎ量が増加して靱性を著しく劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮ含有量を０．００１〜０．０１５％に限定する。

Ｃｒは、一般的には高温強度を高める元素であるが、７００〜８００℃の溶接金属の高温強度に対してはほとんど効果がない一方、溶接金属の靭性を大きく劣化させる。このため、７００〜８００℃耐火鋼のガスシールドアーク溶接における溶接金属特性において、Ｃｒは不純物元素であり、ワイヤ中のＣｒ量は極力低減することが好ましい。本発明においては、靭性の低下が許容できる観点から、０．０１％未満に制限するが、好ましくは、０．００４％以下に制限する。

Ｏは、溶接ワイヤとしては不純物元素であり、多量に存在すると、溶接ワイヤの製造性を阻害する。また、溶接金属のＯ含有量を過剰に増加させて、溶接金属の延性、靱性を劣化させるため、好ましくない。本発明においては、溶接ワイヤの製造性、溶接金属の材質劣化を生じない範囲として、ワイヤ中のＯ含有量の上限を０．０１％に制限する。
Ｐは不純物元素であり、溶接金属の靱性を阻害するため極力低減する必要があるが、溶接ワイヤ中の含有量が０．０２％以下では靱性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＰ含有量は０．０２％以下とする。

Ｓも不純物元素であり、溶接金属中に過大に存在すると靱性と延性とをともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。溶接ワイヤ中の含有量が０．０１％以下では靱性、延性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＳ含有量は０．０１％以下とする。

Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａは、溶接金属の耐火特性（高温降伏強度）を高める上で有効な元素である。これらの元素は同様の作用効果を有するため、溶接ワイヤ中に、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、および、Ｔａのうちの１種または２種以上を以下の含有量で含有させる。なお、これらの元素を選択的にワイヤ中に含有させる場合には、溶接金属の耐火特性（高温降伏強度）を確実に向上させるために、上記（２）式で定義されるＮｂ当量が０．０５％以上となるように含有させる必要がある。また、こらＲのうち、Ｍｏ、Ｗは、溶接金属の変態点に影響を与える元素のため、溶接金属中の逆変態オーステナイト生成による高温強度低下を抑制するために、上記（１）式で定義されるＴ値を０以上となるように含有させる必要がある。

Ｍｏは、固溶状態および析出状態で溶接金属の高温強度を高める基本元素であり、耐火特性向上に有効な元素である。Ｍｏを高温強度向上のために溶接ワイヤ中に含有させる場合には、効果を明確に発揮させるために０．０１％以上必要であるが、２％を超えて含有させると常温強度が高くなりすぎ、また、溶接金属靭性も低下させる場合があるため、溶接ワイヤにＭｏを含有させる場合には、０．０１〜２％の範囲とする。

Ｗも、Ｍｏと同様、固溶強化および析出強化により高温強度を高めることが可能な元素である。高温強度に対する効果、靭性への悪影響の程度もＭｏとほぼ同程度であるため、本発明において、溶接ワイヤにＷを含有させる場合には、０．０１〜２％の範囲とする。

Ｎｂは、主としてＮｂの炭窒化物が分散することによる析出強化あるいは分散強化機構により高温強度を高め、７００〜８００℃の高温での耐火特性確保に有効である。Ｎｂを高温強度向上のために溶接ワイヤ中に含有させる場合には、確実に高温強度向上効果を発揮するために０．００５％以上含有させる必要がある。ただし、Ｎｂは靭性を顕著に劣化させる元素でもあり、０．１％を超えて過剰に溶接ワイヤに含有させると、溶接金属の靭性劣化が許容できなくなるため、好ましくない。また、高温脆化も助長するようになるため、本発明においては、溶接ワイヤにＮｂを含有させる場合には、０．００５〜０．１％の範囲とする。

Ｖも、Ｎｂと同様、主として析出物の分散により高温強度を発現する元素である。Ｖを高温強度向上のために溶接ワイヤ中に含有させる場合には、確実に高温強度向上効果を発揮するために０．００５％以上含有させる必要がある。ただし、０．５％を超えて過剰に溶接ワイヤに含有させると、溶接金属の靭性劣化が大きくなるため、本発明においては、溶接ワイヤにＶを含有させる場合には、０．００５〜０．５％の範囲とする。

Ｔａも、Ｎｂ、Ｖと同様、主として析出物の分散により高温強度を発現する元素である。Ｔａを高温強度向上のために溶接ワイヤ中に含有させる場合には、確実に高温強度向上効果を発揮するために０．００５％以上含有させる必要がある。ただし、０．５％を超えて過剰に溶接ワイヤに含有させると、溶接金属の靭性劣化が大きくなるため、本発明においては、溶接ワイヤにＴａを含有させる場合には、０．００５〜０．５％の範囲とする。

以上が本発明における溶接ワイヤの化学組成に関する基本要件であるが、溶接金属の機械的性質を調整するために、上記成分に加えて、溶接ワイヤ中に、さらに、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｔｉ、および、Ｂのうちの１種または２種以上を以下の含有量で含有させることができる。

Ｃｕは、溶接ワイヤがめっきされて使用される場合には不可避的にワイヤに含有される。また、Ｃｕは溶接金属の強度向上には有効な元素であり、溶接ワイヤに含有させる場合には、効果を発揮させるためにワイヤ中に０．０１％以上含有させる。ただし、過剰に含有させると、溶接金属の靭性の劣化や耐高温脆化性の劣化を招くため好ましくない。めっきとして含有される場合、あるいは強度向上のために意図的に含有する場合とも、溶接金属の靭性の劣化や耐高温割れ性の劣化を生じない上限として、本発明においては、ワイヤ中のＣｕ含有量の上限は１．５％とする。

Ｃｏは、溶接金属のベイナイト〜マルテンサイト組織において、極端に変態点が低下することを抑制することで、強度の調整、残留オーステナイトの生成抑制を介した降伏応力の確保に有効な元素である。溶接ワイヤにＣｏ含有させる場合には、効果を確実に発揮するためには溶接ワイヤ中に０．０１％以上含有させる必要がある。一方、６％を超えて含有させても効果が飽和し、製造コストが過大となるため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＣｏを含有させる場合はその範囲を０．０１〜６％とする。

Ｔｉは、溶接金属中で脱酸元素としても有効であり、固溶Ｎを固定して固溶Ｎの靱性への悪影響を緩和できるため、また、さらにはＴｉＮを形成して多層盛溶接において再加熱される領域で加熱オーステナイト粒径を微細化するため、０．００５％以上溶接ワイヤ中に含有させると靱性向上に効果を発揮する。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が０．３％を超えて過剰になると、粗大な酸化物の形成に起因した靱性劣化、過度な析出強化による靱性劣化が生じる可能性が大となるため、本発明においては、溶接ワイヤにＴｉを含有させる場合、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量を０．００５〜０．３％とする。

Ｂは、微量で焼入性を高めて溶接金属の高強度化に有効な元素である。溶接ワイヤにＢを含有させる場合、焼入性向上効果を明確に発揮するために、溶接ワイヤ中に０．０００５％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中の含有量が０．０１５％を超えると、溶接金属の高温割れ感受性が高まり、また、高温脆化（再熱脆化）も生じるため、さらに、靭性も劣化する恐れが大となるため、本発明においては、Ｂを用いる場合には、溶接ワイヤ中の含有量を０．０００５〜０．０１５％に限定する。

本発明では、溶接金属の延性、靭性を調整する目的で、上記成分に加えて、さらに、ワイヤ中にＣａ、Ｍｇ、および、ＲＥＭのうちの１種または２種以上を以下の含有量で含有させることができる。

Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭはいずれも溶接金属中の硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して延性および靭性向上に有効である。いずれもその効果を発揮するための下限の含有量は、溶接ワイヤ中の含有量でいずれも０．０００２％である。一方、過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗大化を生じ、延性、靭性の劣化を招くため、また、溶接ビード形状の劣化、溶接性の劣化の可能性も生じるため、上限を溶接ワイヤ中の含有量でいずれも０．０１％とする。

なお、以上の溶接ワイヤの化学組成は最終のワイヤ形態での値であり、該化学組成が本発明を満足していれば、溶接ワイヤが、ソリッドワイヤでも、鋼製外皮の中に金属または合金、フラックス等の粒状または粉状原料で充填されたワイヤであっても本発明の効果を損なうものではない。

また、本発明の溶接ワイヤは、ガスシールドアーク溶接に対して有効であり、ＴＩＧ、ＭＩＧ、ＭＡＧ溶接あるいはＣＯ_２溶接用の溶接ワイヤに適用可能である。さらに、溶接条件についても特に限定する必要はなく、小入熱から大入熱、１パス溶接、多層盛溶接いずれであっても本発明の効果は損なわれない。ただし、溶接入熱に関しては極端に大きいと本発明のワイヤでも靱性を確保することが容易でなくなるため、好ましくは１００ｋＪ／ｃｍ以下とする。

本発明の溶接ワイヤが対象とする鋼種は、当然、耐火構造用鋼であるが、ガスシールドアーク溶接で、入熱が１００ｋＪ／ｃｍを超えるような極端な大入熱溶接であれば、その鋼板からの希釈による影響は許容範囲内であるため、使用する鋼板の組成は特に限定する必要はない。たとえ、耐火構造用鋼以外の鋼板を用いて溶接を行っても、溶接金属に関しては目的とする耐火用途を満足する特性を確実に達成できる。

本発明の効果を実施例によりさらに詳細に説明する。

表１に示す化学組成を有する板厚１６ｍｍの７００〜８００℃耐火鋼を用い、図１に示すように、鋼板１間に、角度２０°、間隔７ｍｍの開先２を設け、継手に供した。鋼板１の開先部の裏面に厚み１６ｍｍ、幅４０ｍｍの裏当金３を配置し、開先部を表２に示す溶接条件で、Ａｒに５％ＣＯ_２を混合したシールドガスを用いてガスシールドアーク溶接し、溶接継手を作製した。このガスシールドアーク溶接で使用した溶接ワイヤの化学組成を表３に示し、これらの溶接ワイヤにより溶接継手に形成した溶接金属の機械的特性の測定結果を表４に示す。

表３および表４において、ワイヤ番号ＷＡ１〜ＷＡ１０は本発明の化学組成を満足している溶接ワイヤであり、ワイヤ番号ＷＢ１〜ＷＢ１３は本発明の要件を満足していない比較の溶接ワイヤである。

図２に示す溶接継手に形成された溶接金属の位置から高温引張試験片４と２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片５を採取し、それぞれの試験に供した。引張試験の試験温度は７００℃および８００℃とし、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験は０℃で試験を行った。

試験結果を表４に示す。引張試験は繰り返し数２、２ｍｍＶノッチシャルピー繰り返し数３で、いずれも平均値を表４に示している。

表４に示されるように、継手ＪＡ１〜ＪＡ１０は本発明の溶接ワイヤを用いて作製した継手の溶接金属の機械的性質であり、継手ＪＢ１〜ＪＢ１３は本発明を満足していない比較例の溶接ワイヤを用いて作製した継手の溶接金属の機械的性質である。

表４に示すように、本発明例の継手ＪＡ１〜ＪＡ１０はいずれも、高温強度は０．２％耐力で、７００℃では２３０ＭＰａ超、８００℃では１１０ＭＰａ超と、本発明が目標とする、７００℃で２２０ＭＰａ以上、８００℃で７０ＭＰａ以上、の要求を十分満足している。また、高温での脆化は高温引張試験の延性値に反映されるが、本発明例においては、７００℃、８００℃とも引張試験の絞り値は十分高く高温脆化も生じていない。さらに、靭性も０℃の吸収エネルギーが全て１００Ｊ超の高いレベルが得られている。すなわち、本発明による溶接継手においては、溶接金属の特性は高温強度、靭性、耐高温脆化、いずれも極めて良好なレベルが達成されることが明らかである。

一方、比較例の継手ＪＢ１〜ＪＢ１３は本発明の要件を満足していないため、少なくとも高温強度、靭性、耐高温脆化特性のいずれの特性が本発明に比べて極端に劣っている。

すなわち、継手ＪＢ１は、耐火特性（高温強度）を発現する元素が溶接ワイヤに含有されていないため、高温強度が低い。

継手ＪＢ２は、高温強度を発現する元素であるＭｏ、Ｎｂ、Ｖ等は含有されているが、Ｎｂ当量としての含有量が過小であるため、十分な高温強度が達成されていない。

継手ＪＢ３は、溶接ワイヤのＮｂ当量が過大であるため、高温強度は十分高いものの、靱性の劣化が著しい。また、高温での絞り値も低く、高温脆化が生じる可能性が大である。

継手ＪＢ４は、溶接ワイヤの組成から計算されるＴ値が０未満であるため、７００℃以上で逆変態オーステナイトが生じ、高温強度が本発明に比べて低い。

継手ＪＢ５は、溶接ワイヤ中のＣ量が過大であるため、溶接金属のＣ量も過大となり、靱性が十分でない。

継手ＪＢ６は、溶接ワイヤ中のＭｏ量が過大であるため、溶接金属のＭｏ量も過大となり、靱性が低い。

継手ＪＢ７は、溶接ワイヤ中のＮｂ量が過大であるため、溶接金属のＮｂ量も過大となり、靱性が十分でない。また、高温引張試験での絞り値も低く、耐高温脆化特性に劣るため、好ましくない。

継手ＪＢ８は、溶接ワイヤ中のＶ量が過大であるため、溶接金属のＶ量も過大となり、靱性が十分でない。

継手ＪＢ９は、溶接ワイヤ中にＣを実質的に含有しており、Ｃｒ以外が同様の本発明の溶接ワイヤによる溶接金属に比べて靱性が十分でない。

継手ＪＢ１０は、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量が過小であるため、靱性が劣る。

継手Ｂ１１は、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量が過大であるため、Ｔ値が０未満となっており、高温強度が本発明に比べて低い。

継手Ｂ１２は、溶接ワイヤ中のＮｉが過小な上に、Ｃｒを過大に含有しておるため、溶接金属の靱性が大幅に劣化している。

継手Ｂ１３は、溶接ワイヤ中のＮｉが過大な上に、Ｃｒを過大に含有しているため、高温強度、靱性が両方とも本発明比べて劣る。

以上の実施例から、本発明の溶接ワイヤによれば、７００℃〜８００℃までの耐火性に優れた耐火構造用鋼に使用するガスシールドアーク溶接において、高温強度が十分高い上に、靭性や耐高温脆化特性にも優れた溶接金属を得ることが可能であることが明らかである。

実施例に用いた溶接継手の開先形状を示す模式図である。 溶接継手からの高温引張試験および２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片の採取要領を示す模式図である。 溶接ワイヤのＮｂ当量と溶接金属の７００℃における０．２％耐力（降伏強度）との関係を示す図である。 溶接ワイヤのＮｂ当量と溶接金属の７００℃における絞り値との関係を示す図である。 溶接ワイヤのＮｉ量と溶接金属の０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーとの関係を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 開先金
３ 裏当金
４ 高温引張試験片
５ ２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎｉ：１〜３％、Ｎ：０．００１〜０．０１５％を含有し、Ｃｒ：０．０１％未満、Ｏ：０．０１％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下に制限し、さらに、Ｍｏ：０．０１〜２％、Ｗ：０．０１〜２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．００５〜０．５％、および、Ｔａ：０．００５〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、かつ、下記（１）式で示されるＴ値が０以上であり、下記（２）式で示されるＮｂ当量（Ｎｂｅｑ．）が０．０５〜０．５％であり、残部が不可避不純物およびＦｅからなることを特徴とする耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。
   Ｔ値＝３０−３３．５［Ｃ％］＋１７．５［Ｓｉ％］−１６．９［Ｍｎ％］−１３２．［Ｎｉ％］−８．８［Ｃｕ％］＋１２．２［Ｍｏ％］＋６．０［Ｗ％］・・・（１）
   Ｎｂｅｑ．＝［Ｎｂ％］＋［Ｖ％］／５＋［Ｍｏ％］／１０＋［Ｗ％］／１０＋［Ｔａ％］／５ ・・・（２）
   但し、上記［Ｃ％］、［Ｓｉ％］、［Ｍｎ％］、［Ｎｉ％］、［Ｃｕ％］、［Ｎｂ％］、［Ｖ％］、［Ｍｏ％］、［Ｗ％］、［Ｔａ％］は、それぞれ、溶接ワイヤ中に含有する各元素の質量％を示す。
2. 質量％で、さらに、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ｃｏ：０．０１〜６％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、および、Ｂ：０．０００５〜０．０１５％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。
3. 質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。
4. 質量％で、前記Ｃｒを０．００４％以下に制限することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐火構造用鋼のガスシールドアーク溶接ワイヤ。

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