JP2015062910A - オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料 - Google Patents
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Abstract
Description
Fn1=Ni+0.31Mn+22C+14.2N+Cu−Cr−1.5Si−2Nb・・・(1)、
Fn2=Cu−10C−(Nb/10)・・・(2)。
残部がFeおよび不純物とからなり、
下記の(1)式および(2)式で表されるFn1およびFn2が、それぞれ、40≧Fn1≧−2およびFn2≧1.3であり、
不純物としてのP、SおよびOがそれぞれ、P:0.03%以下、S:0.02%以下およびO:0.02%以下である化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。
Fn1=Ni+0.31Mn+22C+14.2N+Cu−Cr−1.5Si−2Nb・・・(1)
Fn2=Cu−10C−(Nb/10)・・・(2)
ただし、(1)式および(2)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
[1]:Mo:5%以下、Co:5%以下およびW:1.5%以下
[2]:V:0.3%以下、Ti:0.3%以下およびTa:1%以下
[3]:B:0.01%以下
[4]:Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下およびREM:0.1%以下
Cは、オーステナイト組織を安定化する作用を有する。しかしながら、Cは、溶接凝固割れ感受性を増大させ、しかも、溶接金属においては、Crと結合して、後続溶接の熱サイクルにより主に粒界にてCr炭化物として析出し、粒界鋭敏化を生じて耐ポリチオン酸SCC性の低下を招き、特にその含有量が0.02%を超えると、耐ポリチオン酸SCC性の低下が著しくなる。したがって、Cの含有量は0.02%以下にする必要がある。C含有量のさらなる低減は耐ポリチオン酸SCC性の点からより好ましいが、強度確保の点からは、C含有量の下限は、好ましくは0.005%である。
Siは、脱酸作用を有し、さらに、耐食性の向上にも有効な元素である。しかし、Siの過剰の含有はオーステナイト組織の安定性を低下させて、組織安定性の低下を招くとともに、溶接金属においては凝固時に柱状晶境界に偏析して液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める。したがって、Siの含有量を2%以下とする。Siの含有量は、望ましくは1.5%以下、さらに望ましくは1.0%以下である。なお、Siの含有量には、特に下限を設ける必要はないが、極端な低下は脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Si含有量の下限は、望ましくは0.01%、さらに望ましくは0.05%である。
Mnは、脱酸作用を有し、さらに、オーステナイト組織を安定化するのにも有効な元素である。さらにMnは、溶融金属中のNの溶解度を大きくすることで、高温強度の上昇に寄与する。しかしながら、Mnの過剰の含有は延性の低下を招く。したがって、Mnの含有量を10%以下とする。Mnの含有量は、望ましくは8%以下、さらに望ましくは6%以下である。なお、Mnの含有量には、特に下限を設ける必要はないが、極端な低下は脱酸効果およびオーステナイト組織安定化の効果が十分に得られない。そのため、Mn含有量の下限は、望ましくは0.1%、さらに望ましくは0.5%である。Mn含有量の下限は、0.8%であれば極めて望ましい。
Niは、安定なオーステナイト組織を得るために必須の元素であり、その効果を十分に得るためには、10%以上の含有量が必要である。しかしながら、Niは高価な元素であるため多量の含有はコストの増大を招くとともに、溶融金属中のNの溶解度を小さくする。そのためNi含有量の上限は40%とする。Ni含有量の下限は、望ましくは14%、さらに望ましくは15%である。また、Ni含有量の上限は、望ましくは30%、さらに望ましくは25%である。
Crは、使用環境下での耐食性を確保するために必須の元素であり、その効果を十分に得るためには、15%以上の含有量が必要である。しかしながら、Cr含有量が高すぎると、オーステナイト組織の安定性が低下し、高温強度が低下する。そのためCr含有量の上限は25%とする。Cr含有量の下限は、望ましくは16%、さらに望ましくは17%である。また、Cr含有量の上限は、望ましくは22%、さらに望ましくは20%である。
Cuは、安定なオーステナイト組織を得るために有効な元素であると同時に、鋼中に微細に析出して高温強度(クリープ強度)を高める効果がある。これらの効果を得るには、1.5%以上のCuを含有する必要がある。しかしながら、Cuは粒界に偏析しやすいため、Cuの過剰の含有は熱間加工性や溶接性の低下を招く。したがって、Cuの含有量は1.5〜5%とする。Cu含有量の下限は、望ましくは2%、さらに望ましくは2.5%である。また、Cu含有量の上限は、望ましくは4.5%、さらに望ましくは4%である。
Alは、SiおよびMnと同様、脱酸作用を有する。しかし、Alを過剰に含有した場合、多量の窒化物を形成して、延性の低下を招く。このため、Alの含有量を0.05%未満とする。Alの含有量は、望ましくは、0.04%以下、さらに望ましくは0.03%以下である。なお、Alの含有量には、特に下限を設ける必要はないが、極端な低下は脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Al含有量の下限は、望ましくは0.001%、さらに望ましくは0.002%である。
Nbは、本発明において重要な元素であり、MX系炭窒化物またはZ相として析出し、優れた耐ポリチオン酸SCC性を発現させる作用を有する。また、上述した析出物は高温強度(クリープ強度)の向上にも有効である。さらに、適正量のNとともにNbを含有させれば、MX系炭窒化物およびZ相が凝固末期に共晶晶出して凝固の進行が加速するので、耐ポリチオン酸SCC性を確保しつつ、凝固割れ感受性も低減することができる。これらの効果を得るには、0.2%以上のNb含有量が必要である。しかしながら、Nbの含有量が過剰になると、溶接金属において、凝固時に柱状晶境界に偏析して液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める。したがって、耐ポリチオン酸SCC性および高温強度の確保と、凝固割れの防止のために、Nbの含有量を0.2〜1.0%とする。Nb含有量の下限は、望ましくは0.25%、さらに望ましくは0.3%である。また、Nb含有量の上限は、望ましくは0.9%、さらに望ましくは0.8%である。
Nは、基質中に固溶して、また、NbとともにZ相の微細なCr系窒化物を形成して、高い強度を得るために必須の元素である。さらに、適正量のNbとともにNを含有させれば、MX系炭窒化物およびZ相が凝固末期に共晶晶出して凝固の進行が加速するので、耐ポリチオン酸SCC性を確保しつつ、凝固割れ感受性も低減することができる。こうした効果を十分に得るためには0.1%を超えるN含有量が必要である。しかし、Nを過剰に含有すると、粒界でのCr系窒化物の析出を誘発することで却って耐ポリチオン酸SCC性の低下を招き、また凝固中に粗大なZ相の共晶窒化物を晶出して凝固割れ感受性も逆に高くなり、さらにはブローホールの生成も誘発する。そのため、N含有量の上限を0.45%とする。N含有量の下限は、望ましくは0.18%、さらに望ましくは0.20%である。また、N含有量の上限は、望ましくは0.42%、さらに望ましくは0.40%である。
CからNまでの各元素の含有量が、上述した範囲にあっても、前記の(1)式で表されるFn1が−2を下回る場合には、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料を用いて得られる溶接金属の組織安定性が低下するため、十分な時効特性が得られない。また、40を超えるFn1の増加は経済性を劣化させるため、Fn1について、40≧Fn1≧−2であることとした。Fn1は、−1以上、30以下であることが望ましい。
また、CからNまでの各元素の含有量が、上述した範囲にあっても、前記の(2)式で表されるFn2が1.3を下回る場合には、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料は、優れた耐ポリチオン酸SCC性と高温強度を同時に得ることができない。したがって、Fn2について、Fn2≧1.3であることとした。Fn2は、1.5以上、4.0以下であることが望ましい。
Pは、不純物として含まれ、製造時の熱間加工性を阻害するとともに、溶接金属においては凝固時に液相の融点を低下させ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Pの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招くため、0.03%以下とする。P含有量の上限は、望ましくは0.025%、さらに望ましくは0.02%である。
Sは、Pと同様、不純物として含まれ、製造時の熱間加工性を阻害するとともに、溶接金属においては凝固時に液相の融点を低下させ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Sの含有量はPと同様に可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招くため、上限は0.02%とする。S含有量の上限は、望ましくは0.015%、さらに望ましくは0.01%である。
Oは、不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、製造時の熱間加工性の低下、さらには靱性および延性の劣化を招く。そのため、Oの含有量は0.02%以下とする必要がある。O含有量の上限は、望ましくは0.015%、さらに望ましくは0.01%である。
Moは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Moは、基質中に固溶して高温強度、なかでもクリープ強度を高める。Moには、粒界でのCr系炭化物の析出を抑制して耐ポリチオン酸SCC性を高める効果もある。このため、これらの効果を得るためにMoを含有させてもよい。しかしながら、Moの過剰の含有は、組織安定性の低下を招くとともに、高価な元素であるため、経済性の低下も招く。したがって、含有させる場合のMo量の上限を5%とする。Mo含有量の上限は、望ましくは4%、さらに望ましくは3%である。
Coは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Coは、Niと同様にオーステナイト組織を安定化して鋼の高温強度を高める。このため、この効果を得るためにCoを含有させてもよい。しかしながら、Coは高価な元素であるため、過剰の含有は、経済性の低下を招く。したがって、含有させる場合のCo量の上限を5%とする。Co含有量の上限は、望ましくは3%、さらに望ましくは1%である。
Wは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Wは、Moと同様に基質中に固溶して高温強度、なかでもクリープ強度を高める。このため、この効果を得るためにWを含有させてもよい。しかしながら、Wは高価な元素であるため、過剰の含有は、経済性の低下を招くし、Moとは異なって、却って高温強度の低下をきたし、さらに耐ポリチオン酸SCC性の改善効果も小さい。したがって、含有させる場合のW量の上限を1.5%とする。W含有量の上限は、望ましくは1.2%、さらに望ましくは1.0%である。
Vは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Vは、基質中に固溶またはZ相として析出し、高温強度を向上させる。このため、この効果を得るためにVを含有させてもよい。しかしながら、Vの過剰の含有は、炭窒化物を多量析出させ、延性の低下を招く。したがって、含有させる場合のV量の上限を0.3%とする。V含有量の上限は、望ましくは0.25%、さらに望ましくは0.2%である。
Tiは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Tiは、基質中に固溶またはMX系炭窒化物として析出し、高温強度を向上させる。このため、この効果を得るためにTiを含有させてもよい。しかしながら、Tiの過剰の含有は、粗大な窒化物を生成して、延性の低下を招く。したがって、含有させる場合のTi量の上限を0.3%とする。Ti含有量の上限は、望ましくは0.25%、さらに望ましくは0.2%である。
Taは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Taは、基質中に固溶またはZ相として析出し、高温強度を向上させる。このため、この効果を得るためにTaを含有させてもよい。しかしながら、Taの過剰の含有は、経済性の低下を招く。したがって、含有させる場合のTa量の上限を1%とする。Ta含有量の上限は、望ましくは0.6%、さらに望ましくは0.5%である。
Bは、粒界に偏析して粒界炭化物を微細分散させて高温強度(クリープ強度)を高める作用を有する。このため、この効果を得るためにBを含有させてもよい。しかしながら、B含有量の増加は粒界でのCr系炭化物の析出を促進して各種耐食性の低下を招き、また溶接金属においては凝固中の粒界に偏析して凝固割れ感受性も高める。したがって、含有させる場合のB量の上限を0.01%とする。B含有量の上限は、望ましくは0.005%、さらに望ましくは0.003%である。
Caは、熱間加工性向上および溶接金属における凝固割れ感受性低減作用を有する。このため、これらの効果を得るためにCaを含有させてもよい。しかしながら、Caの含有量が過剰になるとOと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合のCa量の上限を0.01%とする。Ca含有量の上限は、望ましくは0.007%、さらに望ましくは0.005%である。
Mgは、Caと同様、熱間加工性向上および溶接金属における凝固割れ感受性低減作用を有する。このため、これらの効果を得るためにMgを含有させてもよい。しかしながら、Mgの含有量が過剰になるとOと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合のMg量の上限を0.01%とする。Mg含有量の上限は、望ましくは0.007%、さらに望ましくは0.005%である。
REMも、熱間加工性向上および溶接金属における凝固割れ感受性低減作用を有する。このため、これらの効果を得るためにREMを含有させてもよい。しかしながら、REMの含有量が過剰になるとOと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合のREM量の上限を0.1%とする。REM含有量の上限は、望ましくは0.06%、さらに望ましくは0.05%である。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.02%以下、Si:2%以下、Mn:10%以下、Ni:10〜40%、Cr:15〜25%、Cu:1.5〜5%、Al:0.05%以下、Nb:0.2〜1.0%およびN:0.1%を超えて0.45%以下と、
残部がFeおよび不純物とからなり、
下記の(1)式および(2)式で表されるFn1およびFn2が、それぞれ、40≧Fn1≧−2およびFn2≧1.3であり、
不純物としてのP、SおよびOがそれぞれ、P:0.03%以下、S:0.02%以下およびO:0.02%以下である化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。
Fn1=Ni+0.31Mn+22C+14.2N+Cu−Cr−1.5Si−2Nb・・・(1)、
Fn2=Cu−10C−(Nb/10)・・・(2)。
ただし、(1)式および(2)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。 - 請求項1に記載のオーステナイト系溶接材料のFeの一部に代えて、下記の[1]〜[4]から選択される1種以上の元素を含有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。
[1]:Mo:5%以下、Co:5%以下およびW:1.5%以下
[2]:V:0.3%以下、Ti:0.3%以下およびTa:1%以下
[3]:B:0.01%以下
[4]:Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下およびREM:0.1%以下
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