JP2000117485A - 粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料及び粉体プラズマ肉盛溶接金属 - Google Patents
粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料及び粉体プラズマ肉盛溶接金属Info
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Abstract
盛溶接用粉末材料を提供する。 【解決手段】 C;0.06〜0.15%(重量%,以
下同じ)、Si;0.2〜1.0%、Mn;0.2〜
1.0%、Cr;17〜30%、Nb;0.6〜1.5
%、Ni;0.5%以下を含み、残部がFe及び不可避
的不純物からなることを特徴とする粉体プラズマ肉盛溶
接用粉末材料。
Description
業用回収ボイラの火炉管、火炉壁パネル等の耐食、耐磨
耗などの目的で粉体プラズマ肉盛溶接を行う際に使用す
る粉末材料及び粉体プラズマ肉盛溶接金属に関する。
のスメルトによる腐食環境下で耐食性、耐磨耗性の観点
から、炭素鋼管が複数組み合わさった火炉管パネルの肉
盛溶接を行うべき部材表面に18%Crの肉盛溶接材料
が用いられている。この肉盛材料としては、従来、18
%Cr被覆アーク溶接棒及び18%Crガスシールドア
ーク溶接ワイヤ(以下、MAG溶接ワイヤ)が使用され
ている。
装置の基本構成を示す図である。すなわち、タングステ
ン電極1とノズル2間にパイロットアーク電源が、ま
た、タングステン電極1と被溶接材である母材との間に
直流電源が接続されている。ノズル1の外側には中間ノ
ズル3が、また、中間ノズル3の外側には外ノズル4が
配置されている。タングステン電極1とノズル2との間
にはプラズマガス(例えばArガス)が、ノズル2と中
間ノズル3との間には肉盛溶接用の粉末材料が送給ガス
(例えばArガス)とともに、また、中間ノズル3と外
ノズル4との間にはシールドガス(例えばArガス)が
供給された状態で、ノズルと母材との間にプラズマアー
クを発生させることにより、供給された粉末材料を溶融
して母材上に溶接金属として溶着させるものである。
ている状況を示す図である。すなわち、炭素鋼管(例え
ば、JIS STB410)とこれに対向配置したプラ
ズマ溶接トーチ6間にプラズマアークを発生させ、順次
供給された粉末材料を溶融して溶融池7を形成する。プ
ラズマ溶接トーチ6を暫時移動することで、溶融池7は
凝固して溶接金属を形成するというものである。粉体プ
ラズマ肉盛溶接の特徴は以下の通りである。すなわち、
被覆アーク溶接及びMAG溶接法の溶着量は最大3kg
/1hr程度であるが、粉体プラズマ肉盛溶接法を用い
ることにより最大4〜6kg/1hrの容溶量を達成で
きる。このように粉体プラズマ肉盛溶接法を用いること
により高能率な溶接が実現できる。 また、粉体プラズ
マ肉盛溶接法は現状のMAG溶接法に比べ母材との希釈
率が小さいため、肉盛溶接金属におけるCr量の低下を
抑えることができる。またブローホール、融合不良等の
溶接欠陥が少ないため高品質な溶接金属が得られる。
高濃度及び高温度化のため、ますます厳しい腐食環境に
ある。現状の18%Cr肉溶接部の一部では、スメルト
による腐食、磨耗によって火炉管の減肉が激しいため、
より耐食性に優れた肉盛溶接材料の開発が必要となって
いる。17〜30%のCr量を含有する粉末溶接材料を
用いてプラズマ肉盛溶接を行うと、スメルトによる火炉
管の減肉速度を遅くし、長寿命化を達成できるものと推
測される。複数の炭素鋼管を組み合わせたパネルに溶接
する場合には火炉壁内側にのみ肉盛溶接を行うため、溶
接入熱による歪みが生じる。したがって溶接後のパネル
には応力除去焼鈍が施される。しかし、工場内での搬送
及び一部加工による曲げ応力を考慮すれば、応力除去焼
鈍後の曲げ特性の他に溶接ままの曲げ特性の良好な溶接
材料の開発が必要である。
火炉壁パネル等の耐食、耐磨耗などの目的で行われる肉
盛溶接において、高能率溶接法である粉体プラズマ肉盛
溶接法を用い耐食性及び曲げ特性に優れる粉体プラズマ
肉盛溶接用粉末材料を提供するものである。
重ねた結果、C;0.06〜0.15%、Si;0.2
〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;17〜3
0%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以下を
含み、残部がFe及び不可避的不純物からなるプラズマ
肉盛溶接用粉末材料を用いた溶接金属が耐食性及び曲げ
特性に優れることを知見した。本願発明は、基本的には
17〜30%のCrを含有するが、回収ボイラの腐食減
肉量は熱負荷及び運転条件によって、またボイラ内の位
置においても変わるため、腐食減肉の激しい箇所には耐
食性を重視してCr含有量の多い材料(以下、25Cr
系材料と言うことがある)を用い、また、比較的腐食減
肉の厳しくない箇所にはCr含有量の少ない材料(以
下、18Cr系材料と言うことがある)を用いることに
よりコストの低減を図ることができる。
6〜0.15%、Si;0.2〜1.0%、Mn;0.
2〜1.0%、Cr;23〜30%、Nb;0.6〜
1.5%、Ni;0.5%以下を含み、残部がFe及び
不可避的不純物からなることを特徴とし、また、18C
r系材料は、C;0.06〜0.15%、Si;0.2
〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;17〜2
3%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以下を
含み、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特
徴とする。なお、本願発明の粉末材料は、上記組成を有
する合金粉末のみからなる場合に限らず、各構成元素の
金属粉末の混合、複数の元素の合金粉末の混合等、最終
的に上記組成となる金属粉末、合金粉末の組合せであれ
ば、特に限定されるものではない。また、本願発明の粉
末材料は、通常、63〜500μm程度の粒径に調整し
て粉体プラズマ肉盛溶接に供されるが、この粒径が本願
発明を限定するものではない。
成とその限定理由について説明する。CはNbC、Ti
C等の炭化物を形成して溶接金属の結晶粒の微細化を図
る目的で不可避な元素である。Cの量が0.06%未満
では溶接金属の強度が乏しくなるため、0.06%以上
含有することにした。しかし、多すぎると溶接金属組織
が著しく硬化するので0.15%以下とする。なお、C
の好ましい範囲は、0.06〜0.12%である。Si
は脱酸の目的で含有される元素であり、0.2%未満で
は十分な脱酸効果が得られない。しかし、多すぎると溶
着金属の靱性を劣化させるので1.0%以下に抑える必
要がある。なお、好ましいSiの量は、0.3〜0.8
%である。
ある元素である。しかし、0.2%未満では脱酸の効果
が十分に得られず、また、多すぎると組織が硬化し靱性
が低下するので1.0%以下に抑えなければならない。
なお、好ましいMnの量は0.3%〜0.8%である。
基本成分である。前述の通り、本願発明では、17〜3
0%の範囲でCrを含むことを許容するが、腐食減肉の
激しい箇所には耐食性を考慮して23〜30%のCrを
含有する25Cr系材料を、また、比較的腐食減肉の少
ない箇所にはコスト及び母材との希釈率も考慮して17
〜23%のCrを含有する18Cr系材料を用いること
が推奨される。なお、25Cr系材料においては、Cr
含有量が27%を超えても耐食性がそれに見合うだけ向
上しないことから、Cr含有量を23〜17%とするこ
とが望ましい。さらに、18Cr系材料においては、よ
りコストを重視しする場合には、Crの上限を20%と
することが望ましい。
成元素である。Crが17〜30%の範囲では、Niを
過剰に加えるとマルテンサイト組織が生じ、組織が硬化
して曲げ特性が得られない。よって、0.5%以下とし
た。
物(炭化物)を形成し、溶接金属の結晶粒を100μm
以下と微細化する。結晶粒の微細化により良好な曲げ特
性、靱性を得ることができる。NbとCの比が8〜10
(Nb/C=8〜10)において、C;0.06〜0.
15%の範囲に対応するNbの量は0.48〜1.5%
であるが、Nbが0.6%未満の場合、溶接金属の結晶
粒が微細化できず、良好な曲げ特性、靱性を得ることが
できない。また1.5%以上のNbを添加すると、多く
のCが炭化物として析出してしまうため、溶接金属中の
Cが減少し、溶接金属の強度が乏しくなる。また、Cと
結合しなかった余剰のNbが溶接金属中に存在すること
になり、この余剰Nbが曲げ特性を阻害する。また、N
bは溶接作業性(溶融池の湯流れ、アークの安定性等)
と関係があり、1.5%を越えて添加した場合には、著
しく溶接作業性が低下する。以上の理由により、Nbの
含有量は、0.6〜1.5%とする。なお、好ましいN
bの量は、0.7〜1.3%である。
0.03〜0.15%、Ti;0.08〜0.18%の
1種又は2種を含有することができる。
晶粒の微細化に寄与する。ただし、Alが0.03%未
満では溶接金属の結晶粒が粗大化し、良好な曲げを特性
を得ることができない。一方、0.15%を越えると、
溶融池中のスラグが多く、湯流れが悪くなって溶接作業
性を悪化させる。したがって、0.03〜0.15%と
した。
Nbとともに結晶粒の微細化に寄与する。しかし、Ti
が0.08%未満では溶接金属の結晶粒が粗大化し、良
好な曲げ特性を得ることができない。一方、Tiが0.
18%を越えると、溶融池中のスラグが多く、湯流れが
悪くなって溶接作業性を悪化させる。したがって、0.
08〜0.18%とした。なお、後述の実施例にて示さ
れているように、AlとTiは複合添加することによ
り、その効果が顕著になるので、添加する場合には複合
添加することが望ましい。
材料を用いた溶接金属は、C;0.06〜0.15%、
Si;0.2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、C
r;17〜30%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;
0.5%以下を含み、残部がFe及び不可避的不純物か
らなる組成を有し、結晶粒径が100μm以下と微細で
あるため、耐食性に優れるとともに、曲げ特性にも優れ
る。
明する。なお、以下の実施例は、表1に示す化学組成を
有する炭素鋼管(材質STB410、外径φ63.5m
m、管厚6.3mm)に、表2に示す条件で種々の化学
組成を有する合金粉末材料を粉体プラズマ溶接を施し、
肉盛溶接後の溶接作業性評価及び表曲げ試験(曲げ特
性)の評価を行った。なお、合金粉末材料はガスアトマ
イズ法により得た。
ト形状、スラグの剥離性、スパッタの発生状況の各項目
について評価し、総合的に良好な溶接作業性を持つ場合
を○、それ以外の良好でない場合を×とした。表曲げ試
験は図3に示す形状の試験片を切り出し、図4に示すよ
うに、JISZ 2248「金属材料曲げ試験方法」に
基づき、溶接金属が引張側になるように表曲げ試験を行
った。 なお、ここでは溶接後の熱応力、火炉管パネル
搬送時の曲げ応力、さらに火炉底部でのパネルの曲げ加
工等を考慮して、溶接ままで曲げ角度60゜以上を合格
とした。
末材料(粒径63〜500μm)を用いて上記に従って
粉体プラズマ肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表
3に合わせて示す。
材は本願発明の規定要件を満たす実施例であり、溶接作
業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得られている。こ
れに対し、No.1−6〜No.1−13は本願発明の
いずれかの規定要件を欠く比較例である。またNo.1
−14は後述する腐食試験に用いたSUS304比較母
材、No.1−15は従来の18Cr肉盛材料(MAG
溶接ワイヤの全溶着金属成分)である。
と本願発明の上限を超えているため、溶接金属組織が著
しく硬化しており、曲げ特性が乏しい。No.1−7
は、Siの含有量が1.40%と本願発明の上限を超え
ているために靱性が低下し、曲げ特性が乏しい。No.
1−8は、Mnの含有量が1.51%と本願発明の上限
を超えているため、溶接金属組織が硬化して靱性が低下
するので、曲げ特性が乏しい結果となっている。
満足する結果となったが、Cr含有量が低いので、後述
する腐食試験において目標とする耐食性が得られていな
い。No.10及びNo.1−11はNiの含有量が本
願発明の上限を超えており、組織が著しく硬化し、良好
な曲げ特性を有しない。No.1−12はNbの含有量
が0.42%と本願発明の下限値を下回っており、結晶
粒が粗大化して良好な曲げ特性が得られない。No.1
−13は逆にNbの含有量が1.70%と本願発明の上
限を超えており、溶接中のヒュームが大量に発生すると
ともに溶接作業性が著しく低下した。
14及び1−15について腐食試験及び希釈率の評価を
行った。腐食試験は、図5に示すように、るつぼ内の粉
砕スメルト中に供試材を浸漬し、試験ガス(1%SO2
−2%O2−15%CO2−N2bal)を400℃で1
00時間流し、その後の腐食減肉量を測定した。また、
希釈率は、図6に示すように、供試材の断面における母
材上の溶接金属の面積aと母材中に拡散した溶接金属の
面積bとの和に対する面積bの割合として求めた。
材との希釈により一層肉盛溶接金属のCr量は低下し、
No.1−1及びNO.1−3はそれぞれCr量が1
4.6%、16.0%となった。従来の18Cr肉盛材
料であるNo.1−15は、MAG溶接法のため、粉体
プラズマ肉盛溶接法よりも希釈率が大きくなり、1層肉
盛溶接金属のCr量は14.0%となった。
o.1−3の腐食減肉量は、従来の18Cr溶接材料と
ほぼ同等の耐食性を有している。なお、腐食減肉量はC
r量にのみ依存、その他の元素を増減させても腐食減肉
量は変化しないことが確認されており、したがって、以
後の実施例においてAl,Tiの添加を行っているもの
があるが、これら元素の添加により耐食性は変化がない
ものと判断している。
た粉体プラズマ肉盛溶接材料を提供するものであり、そ
の結果として回収ボイラの火炉蒸発管の肉盛溶接施工に
おいて高能率化を達成できるとともに、従来のMAG溶
接法に比べ希釈率が小さく高品質な肉盛溶接施工が行え
るため、スメルトによる火炉管の減肉速度を遅くし、長
寿命化を達成できる。
末材料(粒径63〜500μm)を用いて粉体プラズマ
肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表5に合わせて
示す。表5のNo.2−1〜No.2−5の供試材は本
願発明の規定要件を満たす実施例であり、溶接作業性及
び曲げ特性ともに良好な結果が得られている。これに対
し、No.2−6はAlの含有量が本願発明の下限を下
回ったため結晶粒が著しく粗大化し、良好な曲げ特性が
得られない。また、No.2−7はAlが上限を超えて
おり、溶融池の湯流れが悪くなり、したがって溶接作業
性が悪い。
末材料(粒径63〜500μm)を用いて粉体プラズマ
肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表6に合わせて
示す。表6のNo.3−1〜No.3−5の供試材は本
願発明の規定要件を満たす実施例であり、溶接作業性及
び曲げ特性ともに良好な結果が得られている。これに対
し、No.3−6はTiが上限を超えており、スラグ量
が多く溶融池の湯流れが悪くなり、したがって溶接作業
性が悪い。
末材料(粒径63〜500μm)を用いて粉体プラズマ
肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表7に合わせて
示す。表7のNo.4−1〜No.4−5の供試材は本
願発明の規定要件を満たす実施例であり、すべて表曲げ
角度は180゜であり、優れた曲げ特性を示した。
び実施例3(Tiのみ添加)とを比較すれば、Al及び
Tiを複合添加したほうがそれぞれ単独で添加した場合
に比べて表曲げ試験において良好な曲げ角度が得られる
ことがわかる。No.4−6はAlが上限を超えてお
り、溶融池の湯流れが悪くなり、したがって溶接作業性
が悪かった。No.4−8はTiが上限を超えており、
スラグ量が多く溶融池の湯流れが悪くなり、したがって
溶接作業性が悪かった。
末材料(粒径63〜500μm)を用いて粉体プラズマ
肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表8に合わせて
示す。また、いくつかの供試材については、実施例1と
同様の腐食試験及び希釈率の評価を行った。表8のN
o.5−1〜No.5−5の供試材は本願発明の規定要
件を満たす実施例であり、溶接作業性及び曲げ特性とも
に良好な結果が得られている。これに対しNo.5−6
〜No.5−13は本願発明のいずれかの規定要件を欠
く比較例である。またNo.5−14は腐食試験に用い
たSUS310比較母材、No.5−15はSUS30
4比較母材、NO.5−16は従来の18Cr肉盛材料
(MAG溶接ワイヤの全溶着金属成分)である。
より一層肉盛溶接金属のCr量は低下し、No.5−1
及びNo.5−3の一層肉盛溶接金属はCr量がそれぞ
れ21.2%、22.0%となった。表9より本願発明
材のNo.5−1及びNo.5−3の一層肉盛溶接金属
はSUS310(25Cr−20Ni)の比較母材とほ
ぼ同等の耐食性を有しており、No.5−16の従来の
18Cr溶接材料の溶接金属と比べ優れた耐食性を有し
ている。
その他の元素を増減させても腐食減肉量は変化しないこ
とが確認されており、したがって、以後の実施例におい
てAl,Tiの添加を行っているものがあるが、これら
元素の添加により耐食性は変化がないものと判断してい
る。
た粉体プラズマ肉盛溶接材料を提供するものであり、そ
の結果として回収ボイラの火炉蒸発管の肉盛溶接施工に
おいて高能率化を達成できるとともに、従来のMAG溶
接法に比べ希釈率が小さく高品質な肉盛溶接施工が行え
る。また現状の18Cr肉盛材料よりも耐食性に優れて
いるためスメルトによる火炉管の減肉速度を遅くし、長
寿命化を達成できる。
粉末材料(粒径63〜500μm)を用いて粉体プラズ
マ肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表10に合わ
せて示す。表10のNo.6−1〜NO.6−5の供試
材は本願発明の規定要件を満たす実施例であり、溶接作
業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得られている。こ
れに対し、No.6−6はAlの含有量が本願発明の下
限を下回っており、結晶粒が著しく粗大化し、良好な曲
げ特性が得られない。No.6−7はAlが上限をこえ
ており、溶融池の湯流れが悪くなり、したがって溶接作
業性が悪い。
粉末材料(粒径63〜500μm)を用いて粉体プラズ
マ肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表11に合わ
せて示す。表11のNo.7−1〜No.7−5の供試
材は本願発明の規定要件を満たす実施例であり、溶接作
業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得られている。こ
れに対し、No.7−6はTiが上限を超えており、ス
ラグ量が多く溶融池の湯流れが悪くなり、したがって溶
接作業性が悪い。
粉末材料(粒径63〜500μm)を用いて粉体プラズ
マ肉盛を実施した。各評価、試験の結果を表12に合わ
せて示す。表12のNo.8−1〜No.8−5の供試
材は本願発明の規定要件を満たす実施例であり、すべて
表曲げ角度は180度であり、優れた曲げ特性を示し
た。
び実施例7(Tiのみ添加)とを比較すれば、Al及び
Tiを複合添加したほうがそれぞれ単独で添加した場合
に比べて表曲げ試験において良好な曲げ角度が得られる
ことがわかる。
溶融池の湯流れが悪くなり、したがって溶接作業性が悪
かった。
スラグ量が多く溶融池の湯流れが悪くなり、したがって
溶接作業性が悪かった。
耐食性及び曲げ特性に優れる粉体プラズマ肉盛溶接金属
を得ることができる。
図。
状を示す図。
領を示す図。
示す図。
希釈率の求め方を示す図。
Claims (10)
- 【請求項1】 C;0.06〜0.15%(重量%,以
下同じ)、Si;0.2〜1.0%、Mn;0.2〜
1.0%、Cr;17〜30%、Nb;0.6〜1.5
%、Ni;0.5%以下を含み、残部がFe及び不可避
的不純物からなることを特徴とする粉体プラズマ肉盛溶
接用粉末材料。 - 【請求項2】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;17〜
23%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以下
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなることを
特徴とする粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。 - 【請求項3】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;17〜
23%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以
下、Al;0.03〜0.15%を含み、残部がFe及
び不可避的不純物からなることを特徴とする粉体プラズ
マ肉盛溶接用粉末材料。 - 【請求項4】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;17〜
23%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以
下、Ti;0.08〜0.18%を含み、残部がFe及
び不可避的不純物からなることを特徴とする粉体プラズ
マ肉盛溶接用粉末材料。 - 【請求項5】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;17〜
23%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以
下、Al;0.03〜0.15%、Ti;0.08〜
0.18%を含み、残部がFe及び不可避的不純物から
なることを特徴とする粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材
料。 - 【請求項6】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;23〜
30%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以下
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなることを
特徴とする粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。 - 【請求項7】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;23〜
30%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以
下、Al;0.03〜0.15%を含み、残部がFe及
び不可避的不純物からなることを特徴とする粉体プラズ
マ肉盛溶接用粉末材料。 - 【請求項8】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;23〜
30%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以
下、Ti;0.08〜0.18%を含み、残部がFe及
び不可避的不純物からなることを特徴とする粉体プラズ
マ肉盛溶接用粉末材料。 - 【請求項9】 C;0.06〜0.15%、Si;0.
2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;23〜
30%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%以
下、Al;0.03〜0.15%、Ti;0.08〜
0.18%を含み、残部がFe及び不可避的不純物から
なることを特徴とする粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材
料。 - 【請求項10】 C;0.06〜0.15%、Si;
0.2〜1.0%、Mn;0.2〜1.0%、Cr;1
7〜30%、Nb;0.6〜1.5%、Ni;0.5%
以下を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
結晶粒径が100μm以下であることを特徴とする粉体
プラズマ肉盛溶接金属。
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