JP2012101273A - 溶接用Ni基合金ソリッドワイヤ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Cr:27:0乃至31.5質量%、Ti:0.50乃至0.90質量%、Nb:0.40乃至0.70質量%、Ta:0.10乃至0.30質量%、C:0.010乃至0.030質量%、及びFe:5.0乃至11.0質量%を含有し、Al:0.10質量%以下、N:0.020質量%以下、Zr:0.005質量%以下、P:0.010質量%以下、S:0.0050質量%以下、Si:0.50質量%以下、Mn:1.00質量%以下に規制し、残部はNi及び不可避的不純物である組成を有するソリッドワイヤである。
【選択図】図1
Description
Crの含有量は、ASTM B163,B166等に規定されるUNS N06690材の成分範囲である27.0乃至31.0質量%、及びASME SFA 5.14 ERNiCrFe−7、ERNiCrFe−7Aで規定される28.0乃至31.5質量%の双方を満足する範囲として、27.0乃至31.5質量%とする。
Ni合金中のTiは固溶強化元素であり、引張強度の向上に有効である。また、溶接時の再熱又は溶接後熱処理(PWHT)を受けると、γ’相又はNi3Tiの析出による強化が機能するため、引張強度に対して極めて有効である。また、TiはC(炭素)と結合しやすく、Cr23C6及びCr7C3等のCr炭化物の粒界析出に起因した粒界腐食を抑制する効果がある。更に、TiはN(窒素)と結合しやすく、溶接時の溶融金属内で晶出するTiNが凝固核となることで、凝固組織の結晶サイズが微細となり、更に引張強度を高める。一方、TiはO(酸素)と結合しやすいため、溶接時のシールドが不完全であると、溶融金属中のTiが大気中のOと酸化物を形成してスラグとして浮上し、溶接ビードの表面に固着し、多パス溶接時の融合不良欠陥の原因となるので、より好ましくは0.50乃至0.90質量%添加する。
Ni合金中のNbは固溶強化元素であり、引張強度及びクリープ破断強度の向上に有効である。特に、一定のCと共存すると、結晶粒内及び粒界にNbCが析出し、引張強度が更に向上する。また、Tiと同様にCと結合しやすく、Cr23C6及びCr7C3等の粒界析出による粒界腐食を抑制する効果がある。一方で、凝固偏析により粒界に濃化したNbは低融点の金属間化合物(Ni3Nb)又はラーベス相を形成するため、溶接時の凝固割れ又は再熱割れの原因となる。このため、Nbは0.40乃至0.70質量%の範囲で添加する。
Ni合金中のTaは固溶強化元素であり、引張強度及びクリープ破断強度の向上に有効である。一定のCが共存すると、結晶粒内及び粒界にTaCが析出し、引張強度が向上する。特に、Taは高温下において、Nbよりも炭化物を形成しやすいため、微量の添加により、引張強度を向上させることができ、また酸化物の形成能が低いため、溶接時にスラグになりにくいので、Taを0.10質量%以上添加する。一方、過剰のTaの添加は、低融点の金属間化合物(Ni2Ta)を形成させるため、Taの添加量は0.30質量%以下とする。
Ti、Nb、Taを同時に添加すると、Ti、Nb、Taの100nm以下の微細な複合炭化物が粒界に析出し、各成分を単独で添加する場合よりも、再熱割れを効果的に抑制できる。このため、Ti、Nb、Taは必ず全ての元素を複合添加する。なお、仮に、これらの3元素を複合添加したとしても、前述の個々の元素の添加量が夫々規定される下限値未満であるか、又は上限値を超えると、所望の特性を発揮しなくなる。従って、本発明においては、これらの3元素を複合添加することが重要であるのに加えて、各元素の個別の添加量も前述の所定範囲の適切な量にすることが、極めて重要である。これらの3元素を複合添加する場合に、特に、これらの元素が合計で1.20質量%以上含まれると、引張強さを620N/mm2以上にすることができるので、より好ましい。Ti、Nb、Taの合計添加量は、各元素の個別の添加量上限値の和である1.90質量%以下である。
Ni合金中のCは固溶強化元素であり、引張強度及びクリープ破断強度の向上に有効である。しかし、Crと結合して粒界近傍にCr欠乏層が形成され、耐粒界腐食性を低下させるので、Cは0.030質量%を超えて添加しない。一方、Ti、Nb、Taを意図的に添加する本発明においては、炭化物の粒界析出が耐割れ性及び引張強度向上には不可欠であるため、0.010%以上のCが含有することが必要である。特に、Ti、Nb、Taの合計が1.20質量%以上の場合は、Cは0.015質量%以上添加することが必要である。
Ni合金に固溶したFeは、引張強度を向上させるため、5.0質量%以上を添加する。しかし、Feは低融点のラーベス相Fe2Nbとして粒界に析出し、多パス溶接時の再熱により、再溶融して粒界の再熱液化割れの原因となる。このため、Feは11.0質量%以下とする。
Ni合金に対して、Alの固溶強化の効果が小さく、引張強度を向上させないばかりか、溶融金属の凝固時に粒界偏析し、凝固割れの原因となる。AlはO(酸素)と結合しやすいため、溶接時のシールドが不完全であると、溶融金属中のAlが大気中のOと酸化物を形成してスラグとして浮上し、溶接ビードの表面に固着し、多パス溶接時の融合不良欠陥原因となる。このため、Alは意図的な添加を行わず、0.10質量%以下、好ましくは0.05質量%以下に規制する。
Ni合金中のNは固溶強化元素であるが、Cと比較してその効果は小さい。Tiを含む成分系においては、TiNを生成してTiを消耗し、炭化物の生成を妨げてしまうため、Nは0.020質量%以下に制限することが必要である。一方で、溶接時の溶融金属内で晶出したTiNが凝固核となることで、凝固組織の結晶サイズが微細となり、引張強度を高める効果があるので、特にTi、Nb、Taの合計が1.20質量%以上の場合には、Nを0.002質量%以上添加すると良い。
Ni基合金中のZrは、微量添加により粒界の強度を向上させ、熱間圧延性を良好にする効果があり、ワイヤの加工を容易にすることができると一般的にいわれている。しかし、本発明においては、Zrは積極的には添加しない。一方で、Zrは融点が高い複合酸化物として溶接ワイヤ中に介在物として分散して残留するため、微量の添加であっても、溶接時に溶融金属表面に浮上し、ビード表面にスラグとして固着して、多パス溶接時の融合不良欠陥原因となる。このため、本発明においては、Zrは意図的に添加することはなく、0.005質量%以下に規制する。
MgはNi基合金に対して固溶しにくい一方で、粒界割れの原因となるSと結合しやすいため、微量添加すると、粒界でS化合物を形成して、Sを無害化する効果があり、熱間圧延での加工性を改善できる。このため、Mgは0.0005質量%以上添加することが好ましい。しかし、Mgは大気中のOと反応して酸化物を形成し、スラグとして浮上して、融合不良の原因となるので、Mgを添加する場合は、0.015質量%以下とする。
Coは炉内で中性子照射により半減期の長い同位体Co60に変化し、放射線源となるため、Coは0.05質量%以下に規制することが好ましい。
Ca系の伸線潤滑剤を用いずに伸線加工を行うと、Caを0.002質量%以下にすることができ、スラグの発生が低減され、良好な作業性を得ることができる。
P及びSは溶接金属の凝固時に粒界に偏析して、凝固割れの原因となる。このため、P及びSは夫々0.010質量%以下及び0.0050質量%以下とする。
ASME SFA 5.14 ERNiCrFe−7, ERNiCrFe−7Aで規定される範囲として、Siは0.50質量%以下、Mnは1.00質量%以下とする。
図1に示すように、ASTM A533B CL.1の母材1の上に、5層の肉盛溶接2を行った。溶接条件は、溶接電流が200A、溶接電圧が11V、溶接速度が60mm/分、ワイヤ送給速度が9g/分である。なお、母材の厚さは50mm、肉盛溶接の深さは15mm、底部の幅は85mmである。そして、形成した溶接金属の表面について、スラグの発生量を目視にて評価した。また、溶接ビード表面に対して垂直方向に10mm厚の曲げ試験片5枚を切り出し、曲げ半径が約50mmの条件で曲げ加工を施した断面について、浸透探傷試験を施して、割れの発生頻度を評価した。
2:肉盛溶接
3:被溶接材
4:部分
Claims (2)
- Cr:27:0乃至31.5質量%、Ti:0.50乃至0.90質量%、Nb:0.40乃至0.70質量%、Ta:0.10乃至0.30質量%、C:0.010乃至0.030質量%、及びFe:5.0乃至11.0質量%を含有し、Al:0.10質量%以下、N:0.020質量%以下、Zr:0.005質量%以下、P:0.010質量%以下、S:0.0050質量%以下、Si:0.50質量%以下、Mn:1.00質量%以下に規制し、残部はNi及び不可避的不純物である組成を有することを特徴とする溶接用Ni基合金ソリッドワイヤ。
- Ti+Nb+Ta:総量で1.20乃至1.90質量%、Al:0.05質量%以下、C:0.015乃至0.030質量%、N:0.002乃至0.020質量%、Mg:0.0005乃至0.015質量%、Co:0.05質量%以下、Ca:0.002質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の溶接用Ni基合金ソリッドワイヤ。
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