CN109070280A - 焊接结构构件 - Google Patents

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Abstract

一种高浓度的硫酸凝结的环境下的耐腐蚀性优异的焊接结构构件，其母材的化学组成以质量％计为C≤0.05％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、P≤0.04％、S≤0.01％、Ni：12.0～27.0％、Cr：15.0％以上且小于20.0％、Cu：大于3.0％且为8.0％以下，Mo：大于2.0％且为5.0％以下，Nb≤1.0％、Ti≤0.5％、Co≤0.5％、Sn≤0.1％、W≤5.0％、Zr≤1.0％、Al≤0.5％、N＜0.05％、Ca≤0.01％、B≤0.01％、REM≤0.01％、余量：Fe和不可避免的杂质，焊接金属的化学组成以质量％计为C≤0.10％、Si≤0.50％、Mn≤3.5％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cu≤0.50％、Ni：51.0～69.0％、Cr：14.5～23.0％、Mo：6.0～17.0％、Al≤0.40％、Ti+Nb+Ta≤4.90％、Co≤2.5％、V≤0.35％、W≤4.5％、余量：Fe和不可避免的杂质。

Description

焊接结构构件
技术领域
本发明涉及焊接结构构件。
背景技术
在火力发电用、产业用等的锅炉中，作为其燃料，使用石油、煤炭等化石燃料。化石燃料包含硫(S)，因此，燃烧时会在废气中生成硫氧化物(SOx)。废气的温度降低时，SOx会与气体中的水分反应而成为硫酸。由此，在处于露点温度以下的构件表面结露，产生腐蚀(硫酸露点腐蚀)。同样地，各种产业中使用的烟气脱硫装置中，在包含SOx的废气流动的情况下，如果其温度降低，则也产生硫酸露点腐蚀。以往，为了防止硫酸露点腐蚀，将废气温度保持为150℃以上。
然而，从近年来的能源需求增大和能源有效利用的观点出发，为了尽量有效地回收热能，例如有将来自换热器的废气温度降低至硫酸的露点以下的动向，开始要求对于硫酸具有耐性的材料。
国际公开第99/009231号(专利文献1)中，作为在高浓度的硫酸凝结的环境(在50～100℃的温度下浓度40～70％的硫酸结露的环境)下的耐腐蚀性优异且具有良好的热加工性的奥氏体系不锈钢，公开了以下奥氏体系不锈钢，其以质量％计包含C：0.05％以下，Si：1.0％以下，Mn：2.0％以下，P：0.04％以下，S：0.01％以下，Ni：12～27％、Cr：15～26％、Cu：大于3.0％且为8.0％以下，Mo：大于2.0％且为5.0％以下，Nb：1.0％以下，Ti：0.5％以下，W：5.0％以下，Zr：1.0％以下，Al：0.5％以下，N：小于0.05％、Ca：0.01％以下，B：0.01％以下，稀土元素：总计为0.01％以下，余量由Fe和不可避免的杂质组成。
日本特开平4-346638号公报(专利文献2)中，作为热加工性优异的耐硫酸露点腐蚀不锈钢，公开了以下不锈钢，其以质量计含有C：0.050％以下，Si：1.00％以下，Mn：2.00％以下，P：0.050％以下，S：0.0050％以下，Ni：8.0～30％、Cr：15～28％、Mo：大于3％且为7％以下，Cu：大于2％且为5％以下，N：0.05～0.35％、B：大于0.0015％且为0.010％以下，O为60ppm以下，且合金中的Cu、Mo、B和O的含量具有10000×B/(Mo+Cu+1000×O)＝1.5～10.0的关系。
日本特开2001-107196号公报(专利文献3)中，作为在硫酸环境下表现出良好的耐腐蚀性的耐焊接裂纹性优异的奥氏体钢焊接接头，公开了具有由以下化学组成构成的焊接金属部的奥氏体钢焊接接头，所述焊接金属部以质量％计、包含C：0.08％以下，Mn：3％以下，P：0.02％以下，Ni：4～75％、Cr：15～30％、Al：0.5％以下，N：0.1％以下，O(氧)：0.1％以下，总计为0.1～5％的Nb、Ta、Ti和Zr中的至少1种以上、总计为0～20％的Mo或W中的任一者或两者、Co：0～5％、V：0～0.25％、B：0～0.01％、Ca：0～0.01％、Mg：0～0.01％、REM：0～0.01％，进而满足式“Si≤0.15(Nb+Ta+Ti+Zr)+0.25”的Si为0～8％以下，并且含有满足式“Cu≤1.5(Nb+Ta+Ti+Zr)+4.0”的Cu、满足式“S≤0.0015(Nb+Ta+Ti+Zr)+0.003”的S，余量实质上由Fe组成，Ni、Co和Cu的总含量满足式“Ni+Co+2Cu≥25”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第99/009231号
专利文献2：日本特开平4-346638号公报
专利文献3：日本特开2001-107196号公报
发明内容
发明要解决的问题
具有专利文献1和2中记载的化学组成的奥氏体系不锈钢单体在硫酸环境下表现出良好的耐腐蚀性。然而，在使用这样的奥氏体系不锈钢材的焊接结构构件的情况下，有时会产生在母材与焊接金属的界面推进腐蚀的异种金属腐蚀。
另外，如果为具备具有专利文献3中记载的化学组成的焊接金属的奥氏体钢焊接接头，则在硫酸环境下会表现出良好的耐腐蚀性、耐焊接裂纹性优异。然而，即使为具有该文献中提出的焊接金属的奥氏体钢焊接接头，根据母材的化学组成的不同，有时也会产生异种金属腐蚀。
如此，以往，没有对在母材与焊接金属之间产生的异种金属腐蚀进行研究的例子。
本发明的目的在于，提供具备能够抑制在母材与焊接金属之间产生的异种金属腐蚀的奥氏体系不锈钢材接头的焊接结构构件。
用于解决问题的方案
本发明人等为了达成上述目的而反复进行了深入研究，结果获得了下述见解。
(a)在高浓度的硫酸凝结的环境下，为了对奥氏体系不锈钢赋予良好的耐腐蚀性，通过含有超过3.0％的Cu、含有超过2.0％的Mo、含有15.0～20.0％的Cr、将N的含量管理为低于0.05％来调整形成于钢材表面的钝化覆膜的组成是重要的。
(b)一般而言，已知Mo与Cr一起在钢材表面形成致密的钝化覆膜，对钢材赋予良好的耐腐蚀性。然而，如上所述，焊接结构构件被暴露于腐蚀环境时，会产生异种金属接触腐蚀的问题。此处，焊接结构构件中，在焊接金属表面也会形成氧化覆膜，该氧化覆膜只要为致密的钝化覆膜即可，但如果焊接金属中的Mo含量为大于0.10％且小于6.0％的范围，则在焊接金属部的表面形成的钝化覆膜会包含不稳定的Mo的氧化覆膜，并且会妨碍Ni和Cu向覆膜的富集，在高浓度的硫酸凝结的异种金属接触腐蚀环境下的耐腐蚀性劣化。相对于此，在焊接金属中的Mo含量超过6.0％的情况下，在焊接金属表面会形成含有Cr和Mo的稳定的钝化覆膜，因此，焊接金属的耐腐蚀性变得优异。因此，将母材中的Mo含量管理至大于2.0％且为5.0％以下、并且将焊接金属中的Mo含量管理为6.0％以上是重要的。
(c)异种金属接触腐蚀与通常的腐蚀不同，贱的(电位低的)金属的电位会变高，因此，Fe和Cr的熔解加速。奥氏体系不锈钢的母材中包含规定量的Co和/或Sn的情况下，在这样的异种金属接触腐蚀环境下，可以降低Fe和Cr的熔解速度，可以飞跃性地改善异种金属接触腐蚀环境中的耐腐蚀性。
本发明是基于上述见解而作出的，以下述发明为主旨。
一种焊接结构构件，其为具备奥氏体系不锈钢材接头的焊接结构构件，
所述焊接结构构件的母材的化学组成以质量％计为
C：0.05％以下、
Si：1.0％以下、
Mn：2.0％以下、
P：0.04％以下、
S：0.01％以下、
Ni：12.0～27.0％、
Cr：15.0％以上且小于20.0％、
Cu：大于3.0％且为8.0％以下、
Mo：大于2.0％且为5.0％以下、
Nb：0～1.0％、
Ti：0～0.5％、
Co：0～0.5％、
Sn：0～0.1％、
W：0～5.0％、
Zr：0～1.0％、
Al：0～0.5％、
N：小于0.05％、
Ca：0～0.01％、
B：0～0.01％、
稀土元素：总计为0～0.01％、
余量：Fe和不可避免的杂质，
焊接金属的化学组成以质量％计为
C：0.10％以下、
Si：0.50％以下、
Mn：3.5％以下、
P：0.03％以下、
S：0.03％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：51.0％以上且69.0％以下、
Cr：14.5～23.0％、
Mo：6.0～17.0％、
Al：0.40％以下、
选自Nb、Ta和Ti中的1种以上：总计为4.90％以下、
Co：2.5％以下、
V：0.35％以下、
W：4.5％以下、
余量：Fe和不可避免的杂质。
发明的效果
根据本发明，在奥氏体系不锈钢材接头中，可以抑制母材与焊接金属之间产生的异种金属腐蚀，因此，在高浓度的硫酸凝结的环境(在50～100℃的温度下浓度40～70％的硫酸结露的环境)下的耐腐蚀性优异。因此，作为在这样的环境下使用的焊接结构构件是最合适的。奥氏体系不锈钢材接头是指例如奥氏体系不锈钢管接头。
具体实施方式
以下，对本发明的焊接结构构件进行详细说明。以下的说明中，关于含量的“％”是指“质量％”。
1.母材的化学组成
以下，对母材的化学组成进行详细说明。
C：0.05％以下
C是对提高强度有效的元素。然而，C会与Cr结合在晶界形成Cr碳化物，使耐晶界腐蚀性降低。因此，其含量设为0.05％以下。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.002％。在需要提高强度的情况下，超过0.03％地含有为宜。然而，在优先确保耐腐蚀性的情况下，C的含量低者为宜，期望设为0.03％以下。
Si：1.0％以下
Si可以不添加，如果添加，则具有脱氧作用。然而，其含量超过1.0％时，会加剧热加工性的降低，在含有超过3.0％的Cu的情况下，在工业规模上加工为制品变得极为困难。因此，Si含量设为1.0％以下。为了确实地得到该效果，优选含有0.05％以上。需要说明的是，在出于提高热加工性的目的而将Al含量极度降低的情况下，优选含有0.1％以上的Si而使脱氧作用充分进行。
Mn：2.0％以下
Mn可以不添加，如果添加，则有将S固定提高热加工性、且使奥氏体相稳定化的作用。然而，即使超过2.0％地含有其效果也是饱和的，仅会导致成本越发增加。因此，将Mn的含量设为2.0％以下。为了确实地得到上述效果，Mn优选设为0.1％以上的含量。
P：0.04％以下
P会使热加工性和耐腐蚀性劣化，因此，其含量越低越好，特别是超过0.04％时，“高浓度的硫酸凝结的环境”下的耐腐蚀性的劣化变明显。因此，将P的含量设为0.04％以下。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.003％。
S：0.01％以下
S为使热加工性劣化的元素，其含量最好尽量少。特别是超过0.01％时，会导致热加工性的明显劣化。因此，将S的含量设为0.01％以下。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.0001％。
Ni：12.0～27.0％
Ni具有使奥氏体相稳定化的作用、且还具有提高“高浓度的硫酸凝结的环境”中的耐腐蚀性的作用。为了充分确保上述效果，需要含有12.0％以上量的Ni。然而，即使超过27.0％地含有其效果也是饱和的。进而，Ni为昂贵的元素，因此，成本变得极高，缺乏经济性。因此，将Ni的含量设为12.0～27.0％。需要说明的是，为了在“高浓度的硫酸凝结的环境”中确保充分的耐腐蚀性，优选含有超过15.0％的量的Ni，如果含有超过20.0％的量的Ni则更优选。
Cr：15.0％以上且小于20.0％
Cr为对确保奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性有效的元素。特别是将N限制为后述的含量的奥氏体系不锈钢中，与后述的量的Cu和Mo一起含有15.0％以上的Cr、优选16.0％以上的Cr时，在“高浓度的硫酸凝结的环境”下可以确保良好的耐腐蚀性。然而，如果大量含有Cr，则即使在降低N含量、复合添加了Cu和Mo的奥氏体系不锈钢的情况下，前述环境中的耐腐蚀性也会反而劣化，另外，还会出现加工性的降低。特别是Cr含量超过26.0％时，前述环境中的奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性劣化变明显。另外，为了提高复合添加有Cu和Mo的奥氏体系不锈钢的热加工性、使工业规模上的制品加工容易，优选使Cr的含量小于20.0％，因此，将Cr的含量设为15.0％以上且小于20.0％。
Cu：大于3.0％且为8.0％以下
Cu是为了确保硫酸环境中的耐腐蚀性而必须的元素。通过与规定量的Cr和后述的量的Mo一起含有大于3.0％的Cu，在“高浓度的硫酸凝结的环境”下，可以对使N为后述的含量的奥氏体系不锈钢赋予良好的耐腐蚀性。与Cu和Mo复合添加的Cu的含量越多，则耐腐蚀性提高效果越大，因此，Cu优选设为大于3.5％的含量，更优选设为大于4.0％的含量，如果设为大于5.0％的含量则更优选。需要说明的是，通过增加Cu的含量，前述环境中的耐腐蚀性提高，但热加工性降低，特别是Cu的含量大于8.0％时，即使使N为后述的含量也会出现热加工性的明显劣化。因此，Cu的含量设定至大于3.0％且为8.0％以下。
Mo：大于2.0％且为5.0％以下
Mo是对于确保奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性有效的元素。特别是与规定量的Cr和Cu一起含有大于2.0％的量的Mo时，在“高浓度的硫酸凝结的环境”下，可以对包含规定量的N的奥氏体系不锈钢赋予良好的耐腐蚀性。然而，大量含有Mo时，热加工性会降低，特别是Mo的含量大于5.0％时，即使使N为规定的含量也会出现热加工性的明显劣化。因此，Mo的含量设定至大于2.0％且为5.0％以下。需要说明的是，为了在“高浓度的硫酸凝结的环境”中确保充分的耐腐蚀性，优选含有大于3％的量的Mo。
Nb：0～1.0％
Nb可以不添加，如果添加，则具有将C固定而提高耐腐蚀性、尤其是耐晶界腐蚀性的作用。然而，其含量超过1.0％时，即使在使N为规定的含量的情况下，也会生成氮化物，耐腐蚀性反而降低，另外，还会导致热加工性的劣化。因此，将Nb的含量设为0～1.0％。为了确实地得到上述效果，Nb优选设为0.02％以上的含量。
Ti：0～0.5％
Ti可以不添加，如果添加，则与Nb同样地具有将C固定而提高耐腐蚀性、尤其是耐晶界腐蚀性的作用。然而，其含量超过0.5％时，即使在使N为规定的含量的情况下，也会生成氮化物，耐腐蚀性反而降低，另外，还会导致热加工性的劣化。因此，Ti的含量设为0～0.5％。为了确实地得到上述效果，Ti优选设为0.01％以上的含量。
Co：0～0.5％
Sn：0～0.1％
如前所述，异种金属接触腐蚀与通常的腐蚀不同，贱的(电位低的)金属的电位会变高，因此，Fe和Cr的熔解加速。Co和Sn为在这样的异种金属接触腐蚀环境下可以降低Fe和Cr的熔解速度、能够飞跃性地改善异种金属接触腐蚀环境下的耐腐蚀性的元素。因此，含有这些元素中的一种以上为宜。在Co为0.01％以上、Sn为0.001％以上时上述效果变显著。但是，这些元素的含量过量的情况下会使制造性降低，因此，Co的上限设为0.5％、Sn的上限设为0.1％。
W：0～5.0％
W可以不添加，如果添加，则具有提高在“高浓度的硫酸凝结的环境”下的耐腐蚀性的作用。然而，即使超过5.0％地含有W，其效果也是饱和的，仅会导致成本越发增加。因此，W的含量设为0～5.0％。为了确实地得到上述效果，W优选设为0.1％以上的含量。
Zr：0～1.0％
Zr可以不添加，如果添加，则具有提高在“高浓度的硫酸凝结的环境”下的耐腐蚀性的作用。然而，即使超过1.0％地含有Zr，其效果也是饱和的，仅会导致成本越发增加。因此，Zr的含量设为0～1.0％，为了确实地得到上述效果，Zr优选设为0.02％以上的含量。
Al：0～0.5％
Al可以不添加，如果添加，则具有脱氧作用。然而，Al的含量超过0.5％时，即使为使N为规定的含量的奥氏体系不锈钢，热加工性也会降低。因此，将Al含量设为0～0.5％。Al含量的下限可以为不可避免的杂质的范围。但是，Al具有脱氧作用，因此，在将前述Si的含量抑制为极低的情况下，优选含有0.02％以上来使脱氧作用充分进行。需要说明的是，在含有0.05％以上的Si的情况下，为了充分发挥脱氧作用，也优选将Al的含量设为0.01％以上。
N：小于0.05％
N以往出于奥氏体组织的稳定化、提高对点蚀、间隙腐蚀等“局部腐蚀”的耐性的目的而积极地添加。然而，在本发明作为对象的“高浓度的硫酸凝结的环境”下，N的含量为0.05％以上时，含有大于3.0％的Cu、大于2.0％的Mo以及15.0％以上且小于20.0％的Cr的奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性反而会降低。进而，即使在使Cu和Mo的含量的上限分别为8.0％、5.0％的情况下，如果N的含量为0.05％以上，则热加工性也会降低。因此，为了对奥氏体系不锈钢赋予“高浓度的硫酸凝结的环境”下的耐腐蚀性和热加工性，将N的含量设为小于0.05％。需要说明的是，N含量越低越好。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.0005％。
Ca：0～0.01％
Ca可以不添加，如果添加，则具有与S结合而抑制热加工性的降低的效果。然而，其含量超过0.01％时，钢的清洁度会降低，成为利用热制造时产生瑕疵的原因。因此，Ca的含量设为0～0.01％。为了确实地得到上述效果，Ca优选设为0.0005％以上的含量。更优选Ca的含量的下限为0.001％。
B：0～0.01％
B可以不添加，如果添加，则具有改善热加工性的效果。然而，B的大量添加会促进Cr-B化合物向晶界的析出，导致耐腐蚀性的劣化。特别是B的含量超过0.01％时，会引起明显的耐腐蚀性的劣化。因此，B的含量设为0～0.01％。为了确实地得到上述效果，B优选设为0.0005％以上的含量。更优选B的含量的下限为0.001％。
稀土元素：总计为0～0.01％
稀土元素可以不添加，如果添加，则具有提高热加工性的作用。然而，其含量总计超过0.01％时，钢的清洁度会降低，会成为热制造时产生瑕疵的原因。因此，将稀土元素的含量设为总计0.01％以下。为了确实地得到上述效果，优选将稀土元素的含量设为总计0.0005％以上。需要说明的是，稀土元素为Sc、Y和镧系元素总计17种元素的总称。
母材的化学组成以规定的范围分别含有上述各元素，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.焊接金属的化学组成
接着，对焊接金属的化学组成进行详细说明。
C：0.10％以下
C是使作为基质的奥氏体相稳定的元素。然而，过度地添加时，会由于焊接热循环而生成Cr碳氮化物，导致耐腐蚀性的劣化，且成为强度降低的原因。进而，C会与在晶界中偏析的Si和基质中的Fe发生反应，生成低熔点化合物，使再热裂纹敏感性增大。因此，C含量设为0.10％以下。优选的上限为0.03％。需要说明的是，优选C含量尽量低，但极度的降低会导致成本上升，因此，其下限可以为0.005％。
Si：0.50％以下
Si是作为脱氧剂添加的，但焊接金属凝固时会在晶界中偏析，与C和基质的Fe发生反应生成低熔点化合物，成为多层焊接时的再热裂纹的原因。因此，Si含量设为0.50％以下。需要说明的是，Si含量越低越好，在包含对脱氧而言充分的Al、Mn等的情况下，并不需要必须添加。在需要得到脱氧效果的情况下，可以含有0.02％以上。
Mn：3.5％以下
Mn是作为脱氧剂而添加的，使作为基质的奥氏体相稳定。然而，过度地添加时，在高温且长时间的使用中会促进金属间化合物的生成，导致脆化。因此，Mn含量设为3.5％以下。优选的上限为2.0％。需要说明的是，下限无需特别限定。另外，关于Mn，在利用其他元素(Si、Al)充分进行脱氧的情况下，其含量可以为0％。
P：0.03％以下
P为不可避免的杂质，焊接时，于焊接金属凝固时在最终凝固部偏析，使残留液相的熔点降低，产生凝固裂纹。因此，P含量设为0.03％以下。优选的上限为0.015％。需要说明的是，P含量只要在制造成本上没有问题就越低越好。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.003％。
S：0.03％以下
S是与上述P同样的不可避免的杂质，焊接时，于焊接金属凝固时形成低熔点的共晶物，产生凝固裂纹，且在晶界偏析，使晶界的固着力降低，成为再热裂纹发生的原因。因此，S含量设为0.03％以下。优选的上限为0.015％。需要说明的是，S含量只要在制造成本上没有问题就越低越好。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.0001％。
Cu：0.50％以下
Cu是对提高高浓度的硫酸环境下的耐腐蚀性有效的元素。然而，含有超过0.50％时，会使最终凝固的液相的熔点降低，产生凝固裂纹。另外，Cu在凝固时在晶界偏析，使晶界的固着力降低，导致多层焊接时的再热裂纹。因此，Cu含量设为0.50％以下。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.01％。
Ni：51.0％以上且69.0％以下
Ni是使作为基质的奥氏体相稳定化、且为了确保在包含高浓度的硫酸的环境中的耐腐蚀性所必须的元素。然而，过度的添加会提高焊接裂纹敏感性，且Ni是昂贵的元素，因此，会导致成本上升。因此，Ni含量设为51.0％以上且69.0％以下。
Cr：14.5～23.0％
Cr是对用于确保高温下的耐氧化性和耐腐蚀性而言有效的元素，是为了确保在包含高浓度的硫酸的环境中的耐腐蚀性所必须的元素。为了确保充分的耐氧化性和耐腐蚀性，需要为14.5％以上。然而，过度的添加反而会使耐腐蚀性劣化，且会使加工性明显劣化。因此，Cr含量设为14.5～23.0％。
Mo：6.0～17.0％
对于Mo，以往认为是添加时对提高高浓度的硫酸环境下的耐腐蚀性有效的元素，但在使用具有前述的化学组成的母材的接头的情况下，在焊接金属中包含大于0.10％且小于6.0％的范围的Mo时，在形成于母材表面的钝化覆膜与形成于焊接金属表面的钝化覆膜之间会产生电位差，异种金属腐蚀变得容易进行。因此，如果将焊接金属中的Mo含量管理为6.0％以上，则可以形成充分的Mo的覆膜，可以改善耐腐蚀性。另一方面，焊接金属中的Mo含量过量的情况下，会导致在使用中生成碳化物、金属间化合物，成为耐腐蚀性和韧性裂化的原因。因此，Mo的含量设为6.0～17.0％。
Al：0.40％以下
Al是作为脱氧剂添加的，但大量包含时，会在焊接中生成熔渣，使焊接金属的熔液流动和焊缝的均匀性劣化，使焊接施工性明显降低。另外，会缩小形成深熔的焊接条件区域。因此，Al含量需要设为0.40％以下。优选的上限为0.30％、更优选的上限为0.20％。Al越少越好，可以为0％。但是，过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.001％。
选自Nb、Ta和Ti中的1种以上：总计为4.90％以下
Ti、Nb和Ta将焊接金属中的C以碳化物的形式固定，另外，不仅会形成包含S的氧化物，提高晶界的固着力，还会使碳化物结晶，使晶界的形状复杂，使S、Cu的晶界偏析分散，防止多层堆焊时的再热裂纹。然而，在选自Nb、Ta和Ti中的1种以上的总含量超过4.90％的情况下，会导致碳化物的粗大化，造成韧性的劣化，且会使加工性劣化。因此，选自Nb、Ta和Ti中的1种以上的总含量设为4.90％以下。该总含量的下限优选设为2.0％。
Co：2.5％以下
Co可以不添加，如果添加，则与Ni同样地是使奥氏体相稳定化、且对提高在高浓度的硫酸环境下的耐腐蚀性有效的元素。然而，Co与Ni相比是非常昂贵的元素，大量添加会导致成本上升。因此，Co含量设为2.5％以下。优选的上限为2.0％、更优选的上限为1.5％。上述效果在0.5％以上时变显著。
V：0.35％以下
V可以不添加，如果添加，则是对提高高温强度有效的元素。然而，过度的添加会使大量的碳氮化物析出，导致靭性的降低。因此，V含量设为0.35％以下为宜。上述效果在0.05％以上时变显著。
W：4.5％以下
W可以不添加，如果添加，则是对提高高浓度的硫酸环境下的耐腐蚀性有效的元素。然而，其含量超过4.5％时，不仅其效果饱和，而且反而会导致使用中生成碳化物、金属间化合物，成为耐腐蚀性和韧性劣化的原因。W含量设为4.5％以下。上述效果在1.0％以上时变显著。
焊接金属的化学组成以规定的范围分别含有上述各元素、余量为Fe和不可避免的杂质。
3.焊接材料的化学组成
作为用于将具有上述化学组成的母材焊接而得到具有上述化学组成的焊接金属的焊接材料，可以使用具有下述的化学组成的材料。
即，该焊接材料可以使用具有如下化学组成的材料：
C：0.08％以下、
Si：2.0％以下、
Mn：3.2％以下、
P：0.02％以下、
S：0.02％以下、
Ni：4.0～69.0％、
Cr：15.0～30.0％、
Al：0.5％以下、
选自Nb、Ta和Ti中的1种以上：总计为4.90％以下、
Mo：6.0～17.0％
W：0～4.5％
Co：0～5.0％、
Cu：0～8.0％、
V：0～0.25％、
B：0～0.01％、
Ca：0～0.01％、
Mg：0～0.01％、
稀土元素：总计为0～0.01％、
余量：Fe和不可避免的杂质。
各元素的限定理由如下所述。
C：0.08％以下
为了对焊接金属赋予充分的性能，C含量优选0.08％以下。下限可以为0％，但用于得到上述效果的优选的下限为0.002％。
Si：2.0％以下
Si的含量超过2.0％时，会使焊接材料制造时的热加工性明显劣化，且会增大焊接金属中的Si含量、使再热裂纹敏感性增加，因此，优选2.0％以下。下限可以为0％，但用于得到上述效果的优选的下限为0.02％。
Mn：3.2％以下
Mn的含量超过3.2％时，会使焊接材料制造时的热加工性劣化，且在焊接时会导致大量的烟雾产生，因此，优选3.2％以下。下限可以为0％，用于得到上述效果的优选的下限为0.01％。
P：0.02％以下
P为不可避免的杂质，焊接时，于焊接金属凝固时在最终凝固部偏析，使残留液相的熔点降低，产生凝固裂纹，因此，优选0.02％以下。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.003％。
S：0.02％以下
S的含量超过0.02％时，会使焊接材料制造时的热加工性劣化，且会增大焊接金属中的S含量、使凝固裂纹敏感性和再热裂纹敏感性增加，因此，优选0.02％以下。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.0001％。
Ni：4.0～69.0％
Ni是用于使作为基质的奥氏体相稳定化、并确保在包含高浓度的硫酸的环境中的耐腐蚀性所必须的元素。然而，过度的添加会提高焊接裂纹敏感性，且Ni为昂贵的元素，因此会导致成本上升。因此，设为4.0～69.0％。但是，优选为满足Ni+Co+2Cu≥25的量。
Cr：15.0～30.0％
为了对焊接金属赋予充分的耐再热裂纹性，Cr含量优选15.0～30.0％。
Al：0.5％以下
Al是作为脱氧剂添加的，但大量含有时，会在焊接中生成熔渣，使焊接金属的熔液流动和焊缝的均匀性劣化，使焊接施工性明显降低。因此，Al优选0.5％以下。下限可以为0％，但过度的降低会导致制造成本的上升，因此，实用的下限为0.01％。
选自Nb、Ta和Ti中的1种以上：总计为4.90％以下
Ti、Nb和Ta将焊接金属中的C以碳化物的形式固定，另外，不仅会形成包含S的氧化物，提高晶界的固着力，还会使碳化物结晶，使晶界的形状复杂，使S、Cu的晶界偏析分散，防止多层多层堆焊时的再热裂纹。然而，焊接金属中，在选自Nb、Ta和Ti中的1种以上的总含量超过4.90％的情况下，会导致碳化物的粗大化，造成韧性的劣化，且使加工性劣化。因此，也需要限制焊接材料中的它们的总含量，具体而言，选自Nb、Ta和Ti中的1种以上的总含量设为4.90％以下为宜。其总含量的下限优选设为2.0％。
Mo：6.0～17.0％
对于Mo，以往认为是添加时对提高高浓度的硫酸环境下的耐腐蚀性有效的元素，但在使用具有前述化学组成的母材而得到的接头的情况下，焊接金属中包含大于0.10％且小于6.0％的范围的Mo时，在形成于母材表面的钝化覆膜与形成于焊接金属表面的钝化覆膜之间会产生电位差，异种金属腐蚀变得容易进行。因此，如果将焊接金属中的Mo含量管理为6.0％以上，则可以形成充分的Mo的覆膜，可以改善耐腐蚀性。另一方面，焊接金属中的Mo含量过量的情况下，会导致在使用中生成碳化物、金属间化合物，成为耐腐蚀性和韧性裂化的原因。因此，Mo的含量设为6.0～17.0％。
W：0～4.5％
W如果包含在焊接金属中，则是对提高高浓度的硫酸环境下的耐腐蚀性有效的元素，因此，可以包含在焊接材料中。然而，其含量超过4.5％时，不仅其效果饱和，而且反而会导致在使用中生成碳化物、金属间化合物，成为耐腐蚀性和韧性劣化的原因。因此，W含量设为0～4.5％为宜。上述效果在1.0％以上时变显著。
Co：0～5.0％
Co可以不含有，但为了对焊接金属赋予所需的性能，包含时的含量优选5.0％以下。
Cu：0～8.0％
Cu可以不含有，包含的情况下，其含量超过8.0％时，会使焊接材料制造时的热加工性明显降低，因此，包含时的含量优选8.0％以下。
V：0～0.25％
V可以不含有，但为了对焊接金属赋予所需的性能，包含时的含量优选0.25％以下。
B：0～0.01％
B可以不含有，但为了对焊接金属赋予所需的性能，包含时的含量优选0.01％以下。
Ca：0～0.01％
Mg：0～0.01％
稀土元素：总计为0～0.01％
Ca、Mg和稀土元素均可以不含有，但为了对焊接金属赋予所需的性能，包含时的各元素的含量均优选0.01％以下。
4.焊接接头的制造方法
本发明的上述焊接接头例如可以通过以TIG法、MIG法等为代表的气体屏蔽弧焊接法、覆盖弧焊接法、潜弧焊接法等焊接方法来制造。其中，使用TIG法为宜。
实施例1
制造具有表1所示的各种化学组成的、50kg的铸锭，通过热锻和热轧，由该铸锭得到厚度11mm的钢板。对该钢板实施固溶化热处理(1100℃×30分钟)，形成300mmL×50mmW×10mmt的板材。
[表1]
对板材的一端进行坡口加工后，以对接二张板材的状态实施TIG焊接，得到焊接接头。焊接材料使用具有表2所示的化学组成的材料。另外，将通过荧光X射线分析法分析焊接金属部的化学组成的结果示于表3。
[表2]
表2
[表3]
从所得焊接接头采集在中央包含焊接金属部的腐蚀试验片(10mmL×70mmW×3mmt)，实施腐蚀试验。
腐蚀试验如下：将腐蚀试验片浸渍于保持为100℃的50％H2SO4液中336小时，由质量减少算出腐蚀速度(试验片整体的腐蚀速度)。另外，测定母材与焊接金属部的界面处的腐蚀减厚(最大值)。另一方面，从上述焊接接头的母材和熔化金属部切出试验片(7mmL×7mmW×2mmt)，在保持为100℃的50％H2SO4液中测定腐蚀电位，算出电位差(熔化金属部的腐蚀电位-母材的腐蚀电位)。将它们的结果示于表4。
[表4]
表4
如表4所示那样，比较例1～3的母材的化学组成不在本发明中限定的范围内，比较例4～8的焊接金属的化学组成(特别是Mo含量)不在本发明所规定的范围内。其结果，所有比较例的母材与焊接金属的电位差均大，耐腐蚀性均发生了劣化。相对于此，实施例1～11的母材与焊接金属的电位差均小，均具备良好的耐腐蚀性。特别是母材中包含Co或Sn的实施例8和9具备更良好的耐腐蚀性。
产业上的可利用性
根据本发明，在奥氏体系不锈钢材接头中，可以抑制在母材与焊接金属之间产生的异种金属腐蚀，因此，在高浓度的硫酸凝结的环境(在50～100℃的温度下浓度40～70％的硫酸结露的环境)下的耐腐蚀性优异。由此，作为在这样的环境下使用的焊接结构构件是最合适的。

Claims (2)

1.一种焊接结构构件，其为具备奥氏体系不锈钢材接头的焊接结构构件，所述焊接结构构件的母材的化学组成以质量％计为
C：0.05％以下、
Si：1.0％以下、
Mn：2.0％以下、
P：0.04％以下、
S：0.01％以下、
Ni：12.0～27.0％、
Cr：15.0％以上且小于20.0％、
Cu：大于3.0％且为8.0％以下、
Mo：大于2.0％且为5.0％以下、
Nb：0～1.0％、
Ti：0～0.5％、
Co：0～0.5％、
Sn：0～0.1％、
W：0～5.0％、
Zr：0～1.0％、
Al：0～0.5％、
N：小于0.05％、
Ca：0～0.01％、
B：0～0.01％、
稀土元素：总计为0～0.01％、
余量：Fe和不可避免的杂质，
焊接金属的化学组成以质量％计为
C：0.10％以下、
Si：0.50％以下、
Mn：3.5％以下、
P：0.03％以下、
S：0.03％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：51.0％以上且69.0％以下、
Cr：14.5～23.0％、
Mo：6.0～17.0％、
Al：0.40％以下、
选自Nb、Ta和Ti中的1种以上：总计为4.90％以下、
Co：2.5％以下、
V：0.35％以下、
W：4.5％以下、
余量：Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的焊接结构构件，其中，所述母材的化学组成以质量％计含有
Co：0.01～0.5％、和/或
Sn：0.001～0.1％。
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