CN102947047B - 奥氏体系耐热钢用焊接材料及使用该焊接材料而成的焊接金属和焊接接头 - Google Patents

奥氏体系耐热钢用焊接材料及使用该焊接材料而成的焊接金属和焊接接头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在焊接时具有优异的耐热裂纹性的奥氏体系耐热钢用焊接材料，该奥氏体系耐热钢用焊接材料具有如下的化学成分：含有C：大于0.05％且小于等于0.18％、Si≤0.5％、Mn≤1.5％、Ni：40％～50％、Cr：20％～25％、W：大于8.0％且小于等于13.0％、Ti：0.01％～0.2％、N：大于0.03％且小于等于0.20％以及Al≤0.01％，并且，根据需要含有Nb＜0.60％，其余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的O、P和S分别为O≤0.02％、P≤0.008％和S≤0.005％。本发明能够提供一种通过使用上述焊接材料而具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属。并且，能够提供一种由通过使用上述焊接材料而具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属和具有高温下的优异的蠕变强度的母材构成的焊接接头。

Description

奥氏体系耐热钢用焊接材料及使用该焊接材料而成的焊接金属和焊接接头
技术领域
本发明涉及一种奥氏体系耐热钢用焊接材料及使用该焊接材料而成的焊接金属和焊接接头。具体地讲，涉及一种适于焊接奥氏体系耐热钢的焊接材料及使用该焊接材料而得到的焊接金属和焊接接头，该奥氏体系耐热钢是应用在发电用锅炉等在高温下所使用的设备中的奥氏体系耐热钢。
背景技术
近年来，从减少环境负担的观点出发在全球范围推进在发电用锅炉等中使运转条件高温、高压化，而且，也要求在发电用锅炉等中所使用的材料具有更加优异的高温强度。
作为满足这种要求的材料，例如在专利文献1中提出了一种奥氏体系的耐热钢，通过使其含有大量的W，从而在700℃以上的高温区内具有优异的蠕变强度。
在将奥氏体系的耐热钢用作构造物的情况下，通常利用焊接进行组装。此时，有时将母材直接用作焊接材料。此外，有时也使用AWS A5.14－2005E RNiCrCoMo－1等高Ni合金用焊接材料进行焊接。
但是，由奥氏体系耐热钢构成的焊接金属通常在焊接时的热裂纹敏感性较高，有时需要防止该状况的产生。上述“在焊接时的热裂纹”包括“凝固裂纹”和“失塑裂纹”。
并且，母材在熔炼之后，经过利用轧制及热处理对组织进行的调整来确保高温强度，与此相对，焊接金属在大多数情况下以凝固状态的组织来进行使用。因此，若将母材直接用作焊接材料，则有可能会产生在焊接时无法获得充分的耐热裂纹性的状况、难以获得与母材相同的蠕变强度等机械特性的情况。
此外，对于高Ni合金用的焊接材料而言，虽然其蠕变强度优异，但因为昂贵所以从经济性的观点出发并不理想，而且，在成分与被焊接材料差异较大的情况下，有时也无法获得充分的耐焊接热裂纹性。
另一方面，在专利文献2中提出了一种有效地利用Nb、Ti的共晶碳化物使防止焊接时的热裂纹和蠕变强度兼顾的、高温强度优异的奥氏体系耐热钢用焊接材料。
但是，对于在高温下使用的由奥氏体系耐热钢构成的焊接构造物，除了焊接时的热裂纹以外，会产生因在高温下长时间使用而在焊接部产生裂纹这样的问题。
例如，在非专利文献1和非专利文献2中指出，在18Cr－8Ni系的奥氏体系耐热钢的焊接部，由于长时间加热，而在焊接热影响区（以下，称作“HAZ”。）产生了晶间裂纹（日文：粒界割れ）。
在这些非专利文献中，作为影响HAZ的晶间裂纹的因素，暗示有M23C6、Nb C等碳化物。
在非专利文献3中指出，在Ni基耐热合金的HAZ，在焊后热处理过程中产生了晶间裂纹，并且，暗示了除γ’相的析出会影响晶间裂纹以外，S的晶界偏析（日文：粒界偏析）也会影响晶间裂纹。
此外，在非专利文献4中，对防止18Cr－8Ni－Nb系的奥氏体系耐热钢焊接部在长时间加热时在HAZ产生晶间裂纹的对策进行了研究。而且，提出了通过运用适当的焊后热处理而减少焊接残留应力的做法对防止裂纹是有效的这样的从焊接工艺的方面来考虑的对策。
如上所述，虽然很早以前就已知在长时间使用奥氏体系耐热钢时在HAZ产生了裂纹这样的现象，但是，近年来，伴随着为了使材料高强度化而含有多种合金元素，在焊接金属中也存在有在长时间加热时产生裂纹变得明显化的倾向。
但是，对于在长时间使用过程中在焊接部产生的裂纹，还未完全弄清其机制，并且，也未确定裂纹对策，特别是未确定从焊接金属的材料方面考虑的裂纹的对策。
在上述的专利文献2中公开的由高强度奥氏体系耐热钢构成的焊接金属其焊接时的耐热裂纹性极其优异。但是，对于在近年来的苛刻的使用条件下，在长时间使用过程中产生的裂纹（以下，称作“应力松弛裂纹”。）而言，仍存在一些应该改善的余地。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004－3000号公报
专利文献2：日本特开2008－207242号公报
非专利文献
非专利文献1：R.N.Younger等：Journal of The lron andSteel lnstitute，October（1960），p.188
非专利文献2：R.N.Younger等：British Welding Journal，December（1961），p.579
非专利文献3：井川等：焊接学会志，第47卷（1978）第10号，P.679
非专利文献4：内木等：石川岛播磨技报，第15卷（1975）第2号，p.209
发明内容
发明要解决的问题
本发明即是鉴于上述现状而做成的，其目的在于，提供一种在焊接时具有优异的耐热裂纹性的奥氏体系耐热钢用焊接材料，提供一种使用该焊接材料而成的、具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属。并且，本发明的目的还在于，提供一种由使用该焊接材料而成的焊接金属和具有高温下的优异的蠕变强度的母材构成的焊接接头。
用于解决问题的方案
本发明人为了解决上述问题，首先对在高温下长时间使用过程中在焊接金属中产生的应力松弛裂纹进行了详细的调查。其结果，明确了下述事项（a）～（c）。
（a）应力松弛裂纹产生在焊接金属的柱状晶界处。
（b）裂纹断口缺乏延性，在断口上确认到P、S的偏聚（日文：濃化），特别是S的偏聚较为明显。
（c）在裂纹部附近的显微组织中，在晶粒内大量地析出了微细的碳氮化物和金属间化合物。
根据上述明确事项（a）～（c），本发明人得出了以下的结论（d）～（f）。
（d）应力松弛裂纹是由于焊接残留应力和外部应力作用于由P和S、特别是S在焊接时的凝固过程中和在凝固之后的高温下的加热过程中偏析导致变弱的晶界上而开裂的。
（e）在晶粒内微细析出大量的碳氮化物和金属间化合物的情况下，由于晶粒内的变形能力降低，因此产生向晶界面的应力集中，通过与晶界变弱之间的重叠作用，从而容易产生裂纹。
（f）在非专利文献3中就HAZ中的类似的裂纹对上述机制给出了启示。而且，在非专利文献3中表明了，为了减少使晶界变弱的S或者固定使晶界变弱的S而含有Ca和Mg的做法对防止该裂纹是有效的。但是，焊接金属通常以凝固状态的组织来进行使用，并且，能够预想到与以热处理等调质处理后的母材为原料的HAZ现象不同，因此，在非专利文献3中提出的HAZ中的裂纹对策能够直接应用于应力松弛裂纹的可能性较小。具体地讲，在上述非专利文献3中提出的Ca和Mg由于其与氧的亲和力非常强，因此在焊接过程中容易形成氧化物。因而，在焊接金属中对S的固定有效地发挥作用的Ca和Mg的量会受到焊接条件的影响。因此，难以稳定地获得利用Ca和Mg来固定S的效果。并且，由于杂质元素的极端减少会导致制钢成本的大幅增加，因此难以应用于大量生产的工业产品。
因此，本发明人为了防止应力松弛裂纹，进一步进行了详细的研究。其结果，明确了通过以下的（g）和（h）能够降低对应力松弛裂纹的敏感性。
（g）将在晶界中偏析而使晶界变弱的、焊接金属中的S和P的含量限制在特定的范围内。
（h）将作为微细碳化物或者金属间化合物析出而导致晶粒内变形阻力增大的元素，具体地讲，将Ti和Nb的含量限制在特定的范围内。
但是还明确了，即使采取上述（g）和（h）的对策，也未能完全防止应力松弛裂纹。此外，由于未能充分地有效利用析出强化效果，因此没有获得期望的良好的蠕变强度。
因此，本发明人进一步进行了研究，其结果明确了，通过含有高浓度的W，能够使防止应力松弛裂纹和确保期望的良好的蠕变强度兼顾。一般认为，其理由是依据以下的（i）和（j）。
（i）W的含量的增加会使S在高温下长时间使用过程中的晶界偏析能量降低，减轻S向晶界的偏聚，从而会间接地抑制晶界变弱。
（j）W作为固溶强化元素有助于提高蠕变强度，该情况与析出微细的碳氮化物和金属间化合物的情况相比，晶粒内的变形能力的降低程度较小。
但是明确了，在含有高浓度的W的情况下，虽然能够防止在高温下长时间使用过程中在焊接金属中产生的应力松弛裂纹，但在焊接过程中的凝固裂纹敏感性却反而增大。
因此，本发明人为了防止焊接过程中的凝固裂纹，进一步进行了研究。其结果，获得了下述见解（k）。
（k）通过将Cr和C的含量控制在特定的范围内，具体地讲，在以质量％计含有20％～25％的Cr的情况下，通过使C的含量大于0.05％且小于等于0.18％，能够防止焊接过程中的凝固裂纹。
根据观察焊接金属的组织的结果，一般认为，其理由是依据以下的（1）。
（1）在将C和Cr的含量控制在特定的范围内的情况下，在焊接金属的凝固过程中C主要与Cr相结合，而产生（Cr、M）23C6和奥氏体的共晶凝固。其结果，由于凝固时液相提前消失，因此能够防止焊接过程中的凝固裂纹。
此外，能够确认到，将上述的C和Cr的含量管理在适当范围内的做法对防止焊接过程中的失塑裂纹也是有效的。
根据上述事项，获得了如下这样的见解：作为奥氏体系耐热钢用焊接材料，以质量％计，以Cr：20％～25％和Ni：大于40％且小于等于50％的合金为基础，含有C：大于0.05％且小于等于0.18％和W：大于8.0％且小于等于13.0％，由此，能够实现确保焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下的长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及期望的良好的蠕变强度。
而且，能够获得由通过使用该奥氏体系耐热钢用焊接材料而具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属和高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材构成的焊接接头。
在通过使用该焊接材料来获得焊接接头时，若将以质量％计含有Ni：40％～50％、Cr：20％～25％、W：6.0％～10.0％的、高温强度优异的奥氏体系耐热钢用作母材，则在母材中也能够确保优异的蠕变强度，因此，优选的是，将上述奥氏体系耐热钢用作母材。用作母材的高温强度优异的奥氏体系耐热钢可以是具有与本发明的焊接材料相同的化学成分的奥氏体系耐热钢，也可以与其不同。
另外，优选的是，将如下的奥氏体系耐热钢用作上述母材，该奥氏体系耐热钢高温强度优异，以质量％计，含有C：0.04％～0.12％、Si：0.5％以下、Mn：1.5％以下、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Ni：40％～50％、Cr：20％～25％、W：6.0％～10.0％、Mo：0.2％以下、Nb：大于等于0.05％且小于0.60％、Ti：0.02％～0.20％、N：0.02％以下、B：0.005％以下以及Al：0.04％以下，其余部分由Fe和杂质组成。
另外，作为其余部分的“Fe和杂质”中的“杂质”是指在工业上生产焊接材料或耐热钢时，由于制造工序的各种原因而主要从矿石或者废料等这样的原料中混入的成分。
本发明即是基于上述见解而完成的，其主要内容在于下述（1）和（2）所示的焊接材料、（3）所示的焊接金属以及（4）～（6）所示的焊接接头中。
（1）一种奥氏体系耐热钢用焊接材料，其特征在于，该奥氏体系耐热钢用焊接材料具有如下的化学成分：以质量％计，含有C：大于0.05％且小于等于0.18％、Si：0.5％以下、Mn：1.5％以下、Ni：40％～50％、Cr：20％～25％、W：大于8.0％且小于等于13.0％、Ti：0.01％～0.2％、N：大于0.03％且小于等于0.20％以及Al：0.01％以下，其余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的O、P和S分别为O：0.02％以下、P：0.008％以下以及S：0.005％以下。
（2）根据上述（1）所述的奥氏体系耐热钢用焊接材料，其特征在于，以质量％计，含有Nb：小于0.60％来代替Fe的一部分。
（3）一种使用上述（1）或（2）所述的奥氏体系耐热钢用焊接材料而成的焊接金属。
（4）一种焊接接头，其特征在于，由高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材和上述（3）所述的焊接金属构成。
（5）根据上述（4）所述的焊接接头，其特征在于，高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材以质量％计含有W：6.0％～10.0％、Ni：40％～50％以及Cr：20％～25％。
（6）根据上述（4）所述的焊接接头，其特征在于，高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材以质量％计含有C：0.04％～0.12％、Si：0.5％以下、Mn：1.5％以下、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Ni：40％～50％、Cr：20％～25％、W：6.0％～10.0％、Mo：0.2％以下、Nb：大于等于0.05％且小于0.60％、Ti：0.02％～0.20％、N：0.02％以下、B：0.005％以下以及Al：0.04％以下，其余部分由Fe和杂质组成。
发明的效果
采用本发明，能够提供一种在焊接时具有优异的耐热裂纹性的奥氏体系耐热钢用焊接材料，此外，能够提供一种通过使用该焊接材料而具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属。并且，能够提供一种由通过使用该焊接材料而具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属和具有高温下的优异的蠕变强度的母材构成的焊接接头。
具体实施方式
在本发明中，限定奥氏体系耐热钢用焊接材料的化学成分的理由如下。另外，在以下说明中，各元素的含量的“％”是指“质量％”。
C：大于0.05％且小于等于0.18％
C是奥氏体形成元素，是对提高高温使用时的奥氏体组织的稳定性有效的元素。并且，在本发明中，C是对防止焊接时的热裂纹较为重要的元素。即，C在凝固过程中主要与Cr相结合，生成共晶碳化物，使液相提前消失，并且，使最后凝固区的组织为（Cr、M）23C6和奥氏体的层状组织。其结果，液相的残留形态从面状变为点状，并且，抑制了向特定面的应力集中，因此，能够防止凝固裂纹。并且，C会使作为杂质的偏析位点的最后凝固界面的面积增大，因此，也有助于防止焊接过程中的失塑裂纹和降低高温使用过程中的应力松弛裂纹的敏感性。在后述的本发明的Cr的含量的范围内，为了充分地获得上述效果，需要含有大于0.05％的C。但是，在过量地含有C的情况下，在凝固过程中未形成碳化物的过量的C会在高温使用过程中作为碳化物而微细析出，反而使应力松弛裂纹敏感性增大。因此，使C的含量大于0.05％且小于等于0.18％。C的含量的期望的下限是0.06％，期望的上限是0.15％。
Si：0.5％以下
Si是作为脱氧剂而含有的元素，但在焊接金属凝固时会在柱状晶界偏析出来，使液相的熔点降低，使凝固裂纹的敏感性增大。因此，需要使Si的含量为0.5％以下。优选的是，使Si的含量为0.3％以下。但是，过度减少Si的含量的话，无法充分地获得脱氧效果，钢的洁净度会变大而洁净性会降低，并且，会导致生产成本增加。因此，虽然未对Si的含量的下限进行特别设定，但最好为0.01％。只要至少含有0.01％的Si，就能够获得脱氧效果。更加期望的Si的含量的下限为0.02％。
Mn：1.5％以下
Mn与Si相同，是作为脱氧剂而含有的元素。Mn通过降低焊接金属中N的活度来抑制来自电弧气氛中的N的飞散，从而有助于确保强度。但是，在过量地含有Mn的情况下会导致脆化，因此，需要使Mn的含量为1.5％以下。优选的是，使Mn的含量为1.2％以下。虽然未对Mn的含量的下限进行特别设定，但最好为0.01％。只要至少含有0.01％的Mn，就能够获得上述的效果。更加期望的Mn的含量的下限为0.02％。
Ni：40％～50％
Ni是对获得奥氏体组织有效的元素，并且，是确保长时间使用时的组织稳定性、获得充分的蠕变强度所必须的元素。为了获得该效果，需要使Ni的含量为40％以上。但是，Ni是昂贵的元素，大于50％地大量地含有Ni会导致成本增加。因此，使Ni的含量为40％～50％。Ni的含量的期望的下限为40.5％，期望的上限为48.5％。Ni的含量的更加期望的下限为41％，更加期望的上限为46％。
Cr：20％～25％
Cr是确保高温下的耐氧化性和耐腐蚀性所必须的元素。Cr在凝固过程中与C相结合，生成共晶碳化物，防止焊接过程中的凝固裂纹和失塑裂纹，并且，还具有降低高温使用过程中的应力松弛裂纹敏感性的作用。为了获得这些效果，需要含有20％以上的Cr。但是，若Cr的含量过量而超过25％，则高温下的组织的稳定性会变差，而导致蠕变强度降低。因此，使Cr的含量为20％～25％。Cr的含量的期望的下限为20.5％，期望的上限为24.5％。Cr的含量的更加期望的下限为21％，更加期望的上限为24％。
W：大于8.0％且小于等于13.0％
W是固溶在基体中而较大程度地有助于提高在超过700℃的高温下的蠕变强度的元素。此外，W通过使S的晶界偏析能量降低，减轻S在焊后热处理和高温使用过程中向晶界的偏聚来抑制晶界变弱，间接地有助于防止应力松弛裂纹。为了充分地确保上述效果而使高温使用过程中的耐应力松弛裂纹性和蠕变强度兼顾，在与构成本发明的其它的元素之间的关系中，需要使W的含量大于8.0％。但是，即使过量地含有W，其效果也会饱和，而且反而会使韧性和蠕变强度降低。并且，W是昂贵的元素，大于13.0％地大量地含有W会导致成本增加。因此，使W的含量大于8.0％且小于等于13.0％。W的含量的期望的下限为8.2％，期望的上限为12.8％。W的含量的更加期望的下限为8.5％，更加期望的上限为12.5％。
Ti：0.01～0.2％
Ti作为微细的碳氮化物在晶粒内析出，有助于提高高温下的蠕变强度。为了获得该效果，需要使Ti的含量为0.01％以上。但是，若Ti的含量过量、大于0.2％，则会大量地析出，明显提高晶粒内的变形阻力，使高温使用过程中的应力松弛裂纹敏感性增大。因此，使Ti的含量为0.01％～0.2％。Ti的含量的期望的下限为0.03％，期望的上限为0.15％。
N：大于0.03％且小于等于0.20％
N是奥氏体形成元素，是对提高高温下使用时的奥氏体组织的稳定性有效的元素。并且，N也是固溶在基体中而有助于提高抗拉强度的元素。为了获得上述的效果，需要使N的含量大于0.03％。但是，若N的含量过量、大于0.20％，则在长时间使用过程中会作为氮化物大量地析出而明显提高晶粒内的变形阻力，使高温使用过程中的应力松弛裂纹敏感性增大，并且，会成为焊接时产生气孔的原因。因此，使N的含量大于0.03％且小于等于0.20％。N的含量的期望的下限为0.05％，期望的上限为0.18％。N含量的更加期望的下限为0.07％，更加期望的上限为0.17％。
Al：0.01％以下
Al是作为脱氧剂而含有的元素，但若大量地含有Al，会明显损害洁净性，使焊接材料的加工性和焊接金属的延性变差。因此，需要使Al的含量为0.01％以下。期望的是，使Al的含量为0.008％以下。下限为杂质含量的程度即可。
本发明的奥氏体系耐热钢用焊接材料之一具有如下的化学成分：含有上述从C到Al的元素，其余部分由Fe和杂质组成，将作为杂质的O、P和S的含量分别限制在如下所述的范围内。
O：0.02％以下
O作为杂质而存在，在大量地含有O的情况下，会使焊接材料的加工性和焊接金属的延性降低。因此，需要使O的含量为0.02％以下。期望的是，使O的含量为0.015％以下。
P：0.008％以下
P是作为杂质而含有的元素，是在焊接金属凝固时使最后凝固区的熔点降低，使凝固裂纹敏感性明显增大，并且在高温使用过程中引起晶界脆化而导致耐应力松弛裂纹性降低的元素。因此，需要使P的含量为0.008％以下。期望的是，使P的含量为0.006％以下。
S：0.005％以下
S与P相同，是作为杂质而含有的元素，是在焊接金属凝固时使最后凝固区的熔点降低，使凝固裂纹敏感性增大的元素。并且，是在高温使用过程中在晶粒晶界偏析、偏聚，明显提高应力松弛裂纹敏感性的元素。因此，需要使S的含量为0.005％以下。期望的是，使S的含量为0.003％以下。
本发明的奥氏体系耐热钢用焊接材料的另一材料具有如下的化学成分：含有小于0.60％的Nb来代替作为上述其余部分的“Fe和杂质”中的Fe的一部分。
以下，对作为任意元素的Nb的作用效果和其含量的限定理由进行说明。
Nb：小于0.60％
Nb与Ti相同，是作为微细的碳氮化物在晶粒内析出，有助于提高高温下的蠕变强度的元素。因此，根据需要也可以含有Nb。但是，若Nb的含量过量达到0.60％以上，则会导致碳氮化物的大量析出或者微细的金属间化合物的析出，明显提高晶粒内的变形阻力，使高温使用过程中的应力松弛裂纹敏感性增大。因此，在含有Nb的情况下，使Nb的量小于0.60％。期望的是，在含有Nb的情况下，使Nb的量为0.50％以下。
另一方面，为了稳定地获得上述的Nb的效果，期望的是，在含有Nb的情况下，使Nb的量为0.01％以上，更加期望的是，使Nb的量为0.05％以上。若在含有Nb的情况下使Nb的量为0.10％以上，则极为理想。
以上，对本发明的奥氏体系耐热钢用焊接材料的化学成分进行了详细地描述，该焊接材料在焊接时具有优异的耐热裂纹性。而且，使用该焊接材料，能够获得具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属。并且，使用该焊接材料，能够获得由具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属和具有高温下的优异的蠕变强度的母材构成的焊接接头。
另外，在使用本发明的奥氏体系耐热钢用焊接材料来获得焊接接头时，若将含有W：6.0％～10.0％、Ni：40％～50％以及Cr：20％～25％的、高温强度优异的奥氏体系耐热钢用作母材，则母材在700℃以上的高温区内也会具有优异的延性和蠕变强度，因此，优选的是，将上述奥氏体系耐热钢用作母材。用作母材的高温强度优异的奥氏体系耐热钢可以是具有与本发明的奥氏体系耐热钢用焊接材料相同的化学成分的奥氏体系耐热钢，也可以与其不同。
在此，对在将高温强度优异的奥氏体系耐热钢用作母材的情况下，优选的是，该母材含有上述的W：6.0％～10.0％、Ni：40％～50％以及Cr：20％～25％的理由进行详细的说明。
W：6.0％～10.0％
W与焊接金属中的W相同，是固溶在基体中而较大程度地有助于提高在超过700℃的高温下的蠕变强度的元素。母材与以凝固的状态直接使用的焊接金属不同，其能够通过热处理来实现均质化，更易于获得该效果。因此，对于母材而言，优选的是，其含有W，W的含量为6.0％以上即可。但是，W是昂贵的元素，会导致成本增加，因此，期望的是，在含有W的情况下，使W的含量为10.0％以下。母材中的W的含量的更加期望的下限为7.0％，更加期望的上限为9.8％。母材中的W的含量更进一步期望的下限为7.5％，更进一步期望的上限为9.5％。
Ni：40％～50％
Ni与焊接金属中的Ni相同，是对获得奥氏体组织有效的元素，并且，是对确保长时间使用时的组织稳定性、获得充分的蠕变强度有效的元素。为了获得该效果，对于母材而言，优选的是，其含有Ni，对于Ni的含量而言，优选的是，使其与在焊接金属中的Ni的含量相同，为40％以上。另一方面，Ni是昂贵的元素，会导致成本增加，因此，期望的是，在含有Ni的情况下，使Ni的含量为50％以下。母材中的Ni的含量的更加期望的下限为40.5％，更加期望的上限为48.5％。母材中的Ni的含量的更进一步期望的下限为42％，更进一步期望的上限为47％。
Cr：20％～25％
Cr与焊接金属中的Cr相同，是对确保母材的高温下的耐氧化性和耐腐蚀性有效的元素。为了获得与焊接金属同等的效果，对于母材而言，优选的是，其含有Cr，对于Cr的含量而言，优选的是，使其为20％以上。但是，若Cr的含量过量，则会使高温下的组织的稳定性变差，导致蠕变强度降低。因此，期望的是，在含有Cr的情况下，使Cr的含量为25％以下。母材中的Cr的含量的更加期望的下限为20.5％，更加期望的上限为24.5％。母材中的Cr的含量的更进一步期望的下限为21％，更进一步期望的上限为24％。
对于高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材而言，更加优选的是，除含有上述范围的W、Ni和Cr以外，还含有以下所述的含量的元素，其余部分由Fe和杂质组成。
C：0.04％～0.12％
C与焊接金属中的C相同，是奥氏体形成元素，是对提高高温使用时的奥氏体组织的稳定性有效的元素。母材与以凝固的状态直接使用的焊接金属不同，其能够通过热处理来实现均质化，更易于获得该效果，此外，无需针对防止焊接裂纹的对策。因此，对于母材而言，优选的是，其含有C，C的含量为0.04％以上即可。但是，若C的含量过量，则会在高温下的使用过程中生成粗大的碳化物，反而会导致蠕变强度降低。因而，期望的是，在含有C的情况下，使C的含量为0.12％以下。母材中的C的含量的更加期望的下限为0.05％，更加期望的上限为0.10％。
Si：0.5％以下
Si具有脱氧作用。但是，若Si的含量过量，则会使韧性下降。因而，期望的是，在母材含有Si的情况下，使Si的含量为0.5％以下，更加优选的是，使其为0.4％以下。但是，若Si的含量过度减少，则无法充分地获得脱氧效果，钢的洁净度变大而洁净性降低，并且，会导致生产成本增加。因此，虽然未对母材中的Si的含量的下限进行特别设定，但最好为0.01％。只要至少含有0.01％的Si，就能够获得脱氧效果。更加期望的Si的含量的下限为0.02％。
Mn：1.5％以下
Mn与Si相同，具有脱氧作用。但是，若Mn的含量过量，则会导致脆化。因此，期望的是，在母材含有Mn的情况下，使Mn的含量为1.5％以下，更加优选的是，使其为1.2％以下。虽然未对母材中的Mn的含量的下限进行特别设定，但最好为0.01％。只要至少含有0.01％的Mn，就能够获得脱氧效果。更加期望的Mn的含量的下限为0.02％。
P：0.03％以下
P是作为杂质而含有的元素，若P的含量过量，则会导致蠕变延性下降。母材与焊接金属的情况不同，无需针对防止焊接裂纹的对策，而且，极度地减少P的含量会导致制钢成本明显增加。因此，期望的是，使母材中的P的含量为0.03％以下，更加优选的是，使其为0.02％以下。
S：0.01％以下
S与P相同，是作为杂质而含有的元素，若S的含量过量，则会导致蠕变延性下降。母材与焊接金属的情况不同，无需针对防止焊接裂纹的对策，而且，极度地减少S的含量会导致制钢成本明显增加。因此，期望的是，使母材中的S的含量为0.01％以下，更加优选的是，使其为0.008％以下。
Mo：0.2％以下
Mo与W相同，是固溶在基体中而有助于提高在超过700℃的高温下的蠕变强度的元素。因此，对于母材而言，优选的是，其含有Mo。但是，Mo是昂贵的元素，并且也是使相稳定性降低的元素，因此，期望的是，在含有Mo的情况下，使Mo的含量为0.2％以下。母材中的Mo的含量的期望的下限为0.02％。
Nb：大于等于0.05％且小于0.60％
Nb是作为微细的碳氮化物在晶粒内析出，有助于提高高温下的蠕变强度的元素，对于在高温使用过程中与焊接金属相比应力松弛裂纹敏感性较低的母材，为了实现高强度化，可以积极地进行有效的利用。因此，对于母材而言，优选的是，其含有Nb，对于Nb的含量而言，优选的是，使其为0.05％以上。但是，若Nb的含量过量，则会大量地生成碳氮化物，导致韧性下降。因而，期望的是，在含有Nb的情况下，使Nb的含量小于0.60％。母材中的Nb的含量的更加期望的下限为0.10％，更加期望的上限为0.50％。
Ti：0.02％～0.20％
Ti是作为微细的碳氮化物在晶粒内析出，有助于提高高温下的蠕变强度的元素，对于在高温使用过程中与焊接金属相比应力松弛裂纹敏感性较低的母材，为了实现高强度化，可以积极地进行有效的利用。因此，对于母材而言，优选的是，其含有Ti，对于Ti的含量而言，优选的是，使其为0.02％以上。但是，若Ti的含量过量，则会大量地生成碳氮化物，导致韧性下降。因此，期望的是，在含有Ti的情况下，使Ti的含量为0.20％以下。母材中的Ti的含量的更加期望的下限为0.05％，更加期望的上限为0.15％。
N：0.02％以下
N是对稳定奥氏体相有效的元素，是固溶在基体中对提高抗拉强度有效的元素，另一方面，N也会使热加工性明显降低。因此，在母材中，与焊接金属相比，最好严格地管理N的含量的上限，优选的是，使N的含量为0.02％以下。母材中的N的含量的更加期望的上限为0.01％。
B：0.005％以下
B是通过在高温下的使用过程中在晶界中偏析而强化晶界，并且使晶界碳化物微细弥散，从而对提高蠕变强度有效的元素。因此，对于母材而言，优选的是，其含有B。但是，若B的含量过量，则会使HAZ的液化裂纹敏感性升高。因此，期望的是，在含有B的情况下，使B的含量为0.005％以下。母材中的B的含量的期望的下限为0.0002％。
Al：0.04％以下
Al具有脱氧作用，但若Al的含量过量，则会明显损害洁净性，降低制造母材时的加工性。但是，在母材中，无需担心会像焊接金属的情况下那样在焊接过程中生成氧化物而使洁净性进一步降低。因此，期望的是，在含有Al的情况下，使Al的含量为0.04％以下。母材中的A1的含量的更加期望的上限为0.03％。
以下，通过实施例更加具体地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。
实施例
由将具有表1所示的化学成分的材料实验室熔化并铸造而成的铸锭，通过热锻、热轧、热处理以及机械加工，制作成板厚为12mm、宽度为50mm、长度为100mm的板材，作为焊接母材用板材。
并且，由将具有表2所示的化学成分的符号A～F的材料实验室熔化并铸造而成的铸锭，通过热锻、热轧以及机械加工，制作成外径为1.2mm、长度为1000mm的焊接材料（焊丝）。
表1
表2
在上述焊接母材用板材的长度方向上，加工出角度为30°、钝边厚度为1mm的V型坡口，之后，将JIS Z3224（1999）所规定的“DNiCrFe－3”用作焊条，在厚度为25mm、宽度为200mm、长度为200mm的SM400B的JlS G 3160（2008）所规定的市售的钢板上，在四周进行了拘束焊接。
之后，使用上述的符号A～F的焊接材料，利用TIG焊接以9kJ／cm～15kJ／cm的输入热量在坡口内进行多层焊接，对各符号的焊接材料，每种焊接材料制作了两个焊接接头。
在各符号的焊接接头中，一个焊接接头在焊接之后直接用于接下来的试验，剩下的另一个焊接接头在进行700℃×500小时的时效热处理之后用于接下来的试验。
即，对于各符号，对从保持焊接后的状态的焊接接头和进行了时效热处理后的焊接接头的各五个位置提取的试样的横截面进行了镜面研磨、腐蚀，之后，利用光学显微镜进行检查，对焊接金属中的裂纹的有无进行了调查。另外，将在全部五个试样中没有裂纹的焊接接头视为“合格”。
并且，从检查结果中未在焊接金属中发现裂纹的、保持焊接后的状态的焊接接头中，以焊接金属为平行部的中央的方式提取圆棒蠕变断裂试验片，在母材板材的目标断裂时间达到约1000小时的700℃、147MPa的条件下进行蠕变断裂试验，将母材发生断裂的试验片视为“合格”。
在表3中表示上述各试验的结果。
表3的“裂纹观察结果”栏中的“○”表示在全部五个试样中没有裂纹的“合格”的焊接接头。另一方面，“×”表示在五个试样中的至少一个试样中发现了裂纹。
此外，“蠕变断裂试验结果”栏中的“○”表示母材发生了断裂的“合格”的焊接接头。另一方面，“×”表示母材未发生断裂。焊接材料符号E的“－”表示由于在从保持焊接后的状态的焊接接头所提取的试样的焊接金属中发现了裂纹，因此未进行蠕变断裂试验。
表3
根据表3可明确，在使用化学成分在本发明所规定的范围内的符号A～C的焊接材料进行焊接得到的焊接接头的焊接金属中，时效热处理中的应力松弛裂纹和焊接过程中的热裂纹均未产生，并且，具有较高的蠕变强度。
与此相对，在使用化学成分在本发明所规定的范围之外的符号D～F的焊接材料进行焊接得到的焊接接头的焊接金属中，发现了时效热处理中的应力松弛裂纹和焊接过程中的热裂纹中的至少一种裂纹的产生。
即，对于使用W和Nb的含量在本发明所规定的范围之外的符号D的焊接材料进行焊接得到的焊接接头而言，在晶粒内过量地生成了含有Nb的碳氮化物和金属间化合物，晶粒内的变形阻力较高，并且未能获得减轻S向晶界偏聚的效果，因此，在时效热处理过程中产生了应力松弛裂纹。
对于使用C的含量低至0.02％、低于在凝固过程中生成充分的共晶碳化物所需的含量的符号E的焊接材料进行焊接得到的焊接接头而言，在焊接过程中产生了热裂纹。
对于使用W的含量在本发明所规定的范围之外的符号F的焊接材料进行焊接得到的焊接接头而言，在时效热处理过程中产生了应力松弛裂纹，并且也不满足蠕变强度。
如以上所述可知，在使用了具有本发明所规定的范围内的化学成分的焊接材料的情况下，成为具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属。
产业上的可利用性
采用本发明，能够提供一种在焊接时具有优异的耐热裂纹性的奥氏体系耐热钢用焊接材料，此外，能够提供一种通过使用该焊接材料而具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属。并且，能够提供一种由通过使用该焊接材料而具有焊接过程中的耐热裂纹性、在高温下长时间使用过程中的耐应力松弛裂纹性以及良好的蠕变强度的焊接金属和具有高温下的优异的蠕变强度的母材构成的焊接接头。

Claims (6)

1.一种奥氏体系耐热钢用焊接材料，其特征在于，
该奥氏体系耐热钢用焊接材料具有如下的化学成分：以质量％计，含有C：大于0.05％且小于等于0.18％、Si：0.5％以下、Mn：1.5％以下、Ni：40％～50％、Cr：20％～25％、W：大于8.0％且小于等于13.0％、Ti：0.01％～0.2％、N：大于0.03％且小于等于0.20％以及Al：0.01％以下，其余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的O、P和S分别为O：0.02％以下、P：0.008％以下以及S：0.005％以下。
2.根据权利要求1所述的奥氏体系耐热钢用焊接材料，其特征在于，
在所述化学成分中，W：8.2％～13.0％，以质量％计，含有Nb：小于0.60％来代替Fe的一部分。
3.一种焊接金属，其使用权利要求1或权利要求2所述的奥氏体系耐热钢用焊接材料而形成。
4.一种焊接接头，其特征在于，
由高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材和权利要求3所述的焊接金属构成。
5.根据权利要求4所述的焊接接头，其特征在于，
高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材以质量％计含有W：6.0％～10.0％、Ni：40％～50％以及Cr：20％～25％。
6.根据权利要求4所述的焊接接头，其特征在于，
高温强度优异的奥氏体系耐热钢的母材以质量％计含有C：0.04％～0.12％、Si：0.5％以下、Mn：1.5％以下、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Ni：40％～50％、Cr：20％～25％、W：6.0％～10.0％、Mo：0.2％以下、Nb：大于等于0.05％且小于0.60％、Ti：0.02％～0.20％、N：0.02％以下、B：0.005％以下以及Al：0.04％以下，其余部分由Fe和杂质组成。
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