JP2012187619A - 耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の化学成分組成を有し、大きさに応じた酸化物の個数を制御すると共に、下記式で規定されるA値が5.0以下である。A値=(100×[C]−6×[insol.Cr]−2×[insol.Mo]−24×[insol.V]−13×[insol.Nb])×([Mo]−[insol.Mo])但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insol.V]は、応力除去焼鈍後において化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。
【選択図】なし
Description
A値=(100×[C]−6×[insol.Cr]−2×[insol.Mo]−24×[insol.V]−13×[insol.Nb])×([Mo]−[insol.Mo])
…(1)
但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insol.V]は、応力除去焼鈍後において溶接金属中に化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。
A値=(100×[C]−6×[insol.Cr]−2×[insol.Mo]−24×[insol.V]−13×[insol.Nb])×([Mo]−[insol.Mo])
…(1)
但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insol.V]は、応力除去焼鈍後において溶接金属中に化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。
Cは、溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。C含有量が0.05%よりも低いと、所定の強度が得られない。しかしながら、C含有量が過剰になると、炭化物の粗大化を招くことで、靭性低下の原因となるので0.15%以下とする。C含有量の好ましい下限は0.07%以上であり、より好ましくは0.09%以上であり、好ましい上限は0.13%以下、より好ましくは0.12%以下である。
Siは、溶接時の作業性を良好にする上で有効な元素である。Si含有量が0.1%を下回ると、溶接作業性が劣化する。しかしながら、Si含有量が過剰になると、強度の過大な上昇、またはマルテンサイト等の硬質組織増加をもたらし、靭性低下を招くので、0.50%以下とする。尚、Si含有量の好ましい下限は0.15%以上であり、より好ましくは0.17%以上であり、好ましい上限は0.40%以下、より好ましくは0.32%以下である。
Mnは、溶接金属の強度を確保する上で有効な元素であり、その含有量が0.6%を下回ると、室温での強度が低下するほか、耐SR割れ性にも悪影響を及ぼす。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、高温強度を低下させるので、1.30%以下とする必要がある。尚、Mn含有量の好ましい下限は0.8%以上であり、より好ましくは1.0%以上であり、好ましい上限は1.2%以下、より好ましくは1.15%以下である。
Cr含有量が1.8%よりも低くなると、旧γ粒界にフィルム状の粗大セメンタイトが析出するようになり、耐SR割れ性が劣化する。しかしながら、Cr含有量が過剰になると、炭化物粗大化を招くことで靭性低下の原因となるので、3.0%以下とする必要がある。尚、Cr含有量の好ましい下限は1.9%以上であり、より好ましくは2.0%以上であり、好ましい上限は2.8%以下、より好ましくは2.6%以下である。
Moは、溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。Mo含有量が0.80%よりも低いと、所定の強度が得られない。しかしながら、Mo含有量が過剰になると、強度の過大な上昇により靭性を低下させるとともに、SR焼鈍後の固溶Moの増加をもたらし、ステップクーリング時に微細Mo2Cが析出することで耐焼戻し脆化特性が劣化するので、1.20%以下とする必要がある。尚、Mo含有量の好ましい下限は0.9%以上であり、より好ましくは0.95%以上であり、好ましい上限は1.15%以下、より好ましくは1.1%以下である。
Vは、炭化物(MC炭化物:Mは炭化物形成元素)を形成して、溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。V含有量が0.25%を下回ると、所定の強度が得られない。しかしながら、V含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.50%以下とする必要がある。尚、V含有量の好ましい下限は0.27%以上であり、より好ましくは0.30%以上であり、好ましい上限は0.45%以下、より好ましくは0.40%以下である。
Nbは、炭化物(MC炭化物)を形成して、溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。Nb含有量が0.010%を下回ると、所定の強度が得られない。しかしながら、Nb含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.050%以下とする必要がある。尚、Nb含有量の好ましい下限は0.012%以上であり、より好ましくは0.015%以上であり、好ましい上限は0.040%以下、より好ましくは0.035%以下である。
Nは、溶接金属のクリープ強度を確保する上で有用な元素であるが、N含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.025%以下とする必要がある。尚、上記効果を発揮させる上で好ましい下限は、0.004%以上(より好ましくは0.005%以上)であり、好ましい上限は0.020%以下(より好ましくは0.018%以下)である。
Oは、酸化物を形成し、組織微細化に寄与することで靭性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、0.020%以上含有させる必要がある。しかしながら、O含有量が過剰になって0.060%を超えると、粗大な酸化物が増加し、脆性破壊の起点となることでかえって靭性は低下する。尚、O含有量の好ましい下限は0.025%以上(より好ましくは0.028%以上)であり、好ましい上限は0.050%以下(より好ましくは0.045%以下)である。
CuおよびNiは、組織微細化による靭性向上に有効な元素である。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、強度が過大となって靭性が低下するので、CuまたはNiの含有量は、夫々1.0%以下とすることが好ましい。より好ましくは、夫々0.8%以下、更に好ましくは0.5%以下である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、いずれも0.05%以上(より好ましくは0.1%以上)である。
Bは、粒界からのフェライト生成を抑制し、溶接金属の強度を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、B含有量が過剰になると、耐SR割れ性を低下させるので、0.0050%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.0040%以下(更に好ましくは0.0025%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.0005%以上(より好ましくは0.0010%以上)である。
Wは、溶接金属の強度を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、W含有量が過剰になると、粒界に析出する炭化物を粗大化させ、靭性に悪影響を及ぼすので、0.50%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.3%以下(更に好ましくは、0.2%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.08%以上(より好ましくは0.1%以上)である。
Alは、脱酸剤として有効な元素である。しかしながら、Al含有量が過剰になると、酸化物粗大化を招き靭性に悪影響を及ぼすので、0.030%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.020%以下(更に好ましくは、0.015%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.001%以上(より好ましくは0.0012%以上)である。
Tiは、溶接金属の強度を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、Ti含有量が過剰になると、MC炭化物の析出強化が促進されることによる粒内強化の著しい上昇をもたらし、耐SR割れ性を低下させるので、0.020%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.015%以下(更に好ましくは、0.012%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.005%以上(より好ましくは0.008%以上)である。
17/9×([Ca]/[Al2O3])≧0.015 …(2)
但し、[Ca]、[Al2O3]は、夫々ボンドフラックスに含まれる金属Ca、Al2O3の濃度(質量%)である。
[母材組成(質量%)]
C:0.12%、Si:0.23%、Mn:0.48%、P:0.004%、S:0.005%、Cu:0.04%、Al:<0.002%、Ni:0.08%、Cr:2.25%、Mo:0.99%、V:0.004%、Ti:0.002%、Nb:0.005%(残部:鉄および不可避的不純物)
溶接方法:サブマージアーク溶接(SAW)
母材板厚:25mm
開先角度:10°(V字型)
ルート間隔:25mm
溶接姿勢:下向き
ワイヤ径:4.0mmφ(ワイヤ組成は下記表1、2に示す)
入熱条件(AC−ACタンデム)
ア)2.4kJ/mm(L:440A−25V/T:480A−27V,10mm/秒)
イ)2.6kJ/mm(L:480A−25V/T:500A−28V,10mm/秒)
ウ)3.7kJ/mm(L:580A−30V/T:600A−32V,10mm/秒)
エ)4.8kJ/mm(L:440A−25V/T:480A−27V,5mm/秒)
オ)5.2kJ/mm(L:480A−25V/T:500A−28V,5mm/秒)
但し、L:Leading wire(先行電極)、T:Trailing wire
(後行電極)
予熱−パス間温度:180〜260℃
積層方法:1層2パス(計6層)
組成A(質量%) SiO2:8%、Al2O3:14%、MgO:31%、CaF2:27%、CaO:10%、Ca:0.13%、その他(CO2、AlF3等):10%
組成B(質量%) SiO2:8%、Al2O3:14%、MgO:31%、CaF2:27%、CaO:10%、Ca:0.08%、その他(CO2、AlF3等):10%
溶接方法:被覆アーク溶接(SMAW)
母材板厚:20mm
開先角度:20°(V字型)
ルート間隔:19mm
溶接姿勢:下向き
心線径:5.0mmφ(被覆剤の組成は下記表7に示す)
入熱条件
カ)2.1kJ/mm(210A−27V,2.7mm/秒)
キ)2.3kJ/mm(215A−27V,2.5mm/秒)
ク)2.7kJ/mm(215A−27V,2.2mm/秒)
ケ)3.0kJ/mm(220A−27V,2.0mm/秒)
コ)3.2kJ/mm(225A−28V,2.0mm/秒)
予熱−パス間温度:180〜260℃
積層方法:1層2パス(計8層)
組成a(質量%) C:0.09%、Si:0.15%、Mn:0.49%、Cu:0.04%、Ni:0.03%、Cr:2.31%、Mo:1.10%(残部:鉄および不可避的不純物)
組成b(質量%) C:0.08%、Si:0.18%、Mn:0.50%、Cu:0.03%、Ni:0.03%、Cr:2.28%、Mo:1.22%(残部:鉄および不可避的不純物)
(SR焼鈍処理)
得られた溶接金属に、SR焼鈍処理として705℃で8時間の熱処理を実施した。SR焼鈍処理は、供試材を加熱し、供試材の温度が300℃を超えると、昇温速度が毎時55℃(55℃/時)以下となるように加熱条件を調整し、供試材の温度が705℃に到達するまで加熱した。そして、705℃で8時間保持した後、供試材の温度が300℃以下になるまで、冷却速度が55℃/時以下となるように供試材を冷却した。尚、このSR焼鈍処理において、供試材の温度が300℃以下の温度域では、昇温速度および冷却速度は規定しない。
SR焼鈍処理後の供試材に脆化促進処理としてのステップクーリングを実施した。図1は、温度を縦軸にとり、時間を横軸にとって、ステップクーリング処理条件を示すグラフである。図1に示すように、ステップクーリングは、供試材を加熱し、供試材の温度が300℃を超えると、温度上昇が毎時50℃(50℃/時)以下となるように加熱条件を調整して、供試材の温度を593℃に到達するまで加熱し、その温度で1時間保持する。その後、同様の要領で、538℃で15時間、524℃で24時間、496℃で60時間保持するが、これらの冷却段階においては毎時5.6℃の温度で試験片が冷却される様に調整する。更に、496℃で保持された試験片を、毎時2.8℃(2.8℃/時)で冷却して468℃とし、この温度で100時間保持する。そして、供試材の温度が300℃以下となるまで、温度降下が毎時28℃(28℃/時)以下となる様に供試材を冷却する。尚、このステップクーリング処理において、SR焼鈍処理と同様に、供試材の温度が300℃以下の温度域では、昇温速度および冷却速度は規定しない。
(円相当直径が1μm超の酸化物の個数、および円相当直径が2μm超の酸化物の個数)
上記で705℃×8時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の最終パス中央部を鏡面研磨し、倍率:1000倍で0.037μm2の画像を4枚撮影し、撮影した酸化物のサイズ、個数密度を画像解析ソフト(「Image−Pro Plus」 Media Cybernetics社製)により算出し、円相当直径が1μm超または円相当直径が2μm超の酸化物を選択したうえで(円相当直径が2μm超の酸化物の個数は、円相当直径が1μm超の酸化物の個数にも含まれる)、それらの個数を算出した。
705℃×8時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中心部を、10体積%アセチルアセトン−1体積%テトラメチルアンモニウムクロライド−メタノール溶液により電解抽出し、フィルター孔径:0.1μmのフィルターで濾過して残渣を得た後、この残渣をICP発光分析にかけ、化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの含有量を求めた。
705℃×32時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚表面から10mm深さの位置より、図2に基づき溶接線方向に引張試験片(JIS Z3111 A2号)を採取し、室温(25℃)において、JIS Z 2241の要領で、引張強度TSを測定した。引張強度TS>600MPaを強度に優れると評価した。
705℃×8時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中央部より、図3に基づき溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片(JIS Z3111 4号Vノッチ試験片)を採取し、JIS Z 2242の要領で、シャルピー衝撃試験を実施し、3回の吸収エネルギーの平均値が54Jとなる温度vTr54を測定した。vTr54が−50℃以下のときに靭性に優れると評価した。また705℃×8時間のSR焼鈍処理後にステップクーリングを施した溶接金属について、同様の要領で、吸収エネルギーの平均値が54Jとなる温度vTr’54を測定した。vTr’54が−50℃以下のときに靭性に優れると評価した。
上記で測定したvTr54とvTr’54の差ΔvTr54が5℃以下のときに[ΔvTr54=vTr’54−vTr54≦5℃]、耐焼戻し脆化特性靭性に優れると評価した。尚、ΔvTr54が負の値となる場合には、「0℃」として表示した。これは、焼戻脆化がほとんど生じない優れた溶接金属である。
溶接金属の最終パス(原質部)より、スリットサイズ=0.5mmのリング割れ試験片を下記に基づき採取した。625℃×10時間のSR焼鈍処理を施し、試験片6個(観察面3×試験数2)とも、ノッチ底部近傍に割れが発生しなかった場合を耐SR割れ性に優れる(評価○)と評価し、割れが発生した場合を耐SR割れ性に劣る(評価×)と評価した。
SAWで溶接金属を形成したときに用いた各種溶接ワイヤ(W1〜44)の化学成分組成を、比[(Mo/(V+Nb)]の値と共に、下記表1、2に示す。また形成された溶接金属の化学成分組成を、溶接条件(溶接ワイヤNo.入熱条件、使用フラックス、予熱−パス間温度)およびA値と共に、下記表3、4に示す。更に、各溶接金属の評価特性結果[各大きさの酸化物個数、引張強度TS、靭性(vTr54、vTr’54)、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)、耐SR割れ性]を下記表5、6に示す。
SMAWで溶接金属を形成したときに用いた各種被覆剤の化学成分組成を、下記表7に示す(被覆剤No.B1〜24)。また形成された溶接金属の化学成分組成を、溶接条件(被覆剤No.入熱条件、心線種類、予熱−パス間温度)およびA値と共に、下記表8に示す。更に、各溶接金属の評価特性結果[各大きさの酸化物個数、引張強度TS、靭性(vTr54、vTr’54)、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)、耐SR割れ性]を下記表9に示す。
Claims (7)
- C :0.05〜0.15%(「質量%」の意味。以下同じ)、
Si:0.1〜0.50%、
Mn:0.6〜1.30%、
Cr:1.8〜3.0%、
Mo:0.80〜1.20%、
V :0.25〜0.50%、
Nb:0.010〜0.050%、
N :0.025%以下(0%を含まない)、
O :0.020〜0.060%を夫々含有し、
残部が鉄および不可避的不純物からなり、
円相当直径で1μm超の酸化物が1mm2当り2000個以下であると共に、円相当直径で2μm超の酸化物が1mm2当り100個以下であり、且つ下記(1)式で規定されるA値が5.0以下であることを特徴とする耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属。
A値=(100×[C]−6×[insol.Cr]−2×[insol.Mo]−24×[insol.V]−13×[insol.Nb])×([Mo]−[insol.Mo])
…(1)
但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insol.V]は、応力除去焼鈍後において溶接金属中に化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。 - 更に他の元素として、Cu:1.0%以下(0%を含まない)および/またはNi:1.0%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載の溶接金属。
- 更に他の元素として、B:0.0050%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1または2に記載の溶接金属。
- 更に他の元素として、W:0.50%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の溶接金属。
- 更に他の元素として、Al:0.030%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜4のいずれかに記載の溶接金属。
- 更に他の元素として、Ti:0.020%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜5のいずれかに記載の溶接金属。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の溶接金属を備えた溶接構造体。
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