JP2015205288A - 強度、靭性および耐sr割れ性に優れた溶接金属 - Google Patents
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Abstract
Description
3.0≦13×[C]+[Cr]+160×[B]≦4.0・・・(1)
(i)C:0.06〜0.10%、Si:0.4〜0.6%、Mn:0.5〜1.0%、Cr:1.8〜3.0%、Mo:0.8〜1.2%、Ti:0.02〜0.08%、B:0.002%以下(0%を含む)、N:0.005〜0.01%、O:0.03〜0.07%を含有し、残部:鉄および不可避不純物であり、且つ、Cの含有量[C]、Crの含有量[Cr]、およびBの含有量[B]が下式(1)を満足する。
3.0≦13×[C]+[Cr]+160×[B]≦4.0・・・(1)
以下、各成分について説明する。
Cは、溶接金属の強度および靱性を確保するために不可欠な元素である。更にCは、旧オーステナイト粒界の強度を確保するために有用な元素である。これらの作用を有効に発揮させるため、C量の下限を0.06%以上とする。好ましくは0.07%以上、より好ましくは0.075%以上である。ただし、Cを過剰に添加すると、マルテンサイトなどの硬質組織が増加し、靭性が劣化するため、C量の上限を0.10%以下とする。好ましくは0.09%以下、より好ましくは0.08%以下である。
Siは、脱酸作用により溶接金属を清浄にし、歩留まった場合は固溶強化させ、強度の向上に寄与する元素である。また、旧オーステナイト粒界に析出する炭化物の成長速度を遅らせる作用を有しており、靱性、および耐SR割れ性の向上に有効である。これらの作用を有効に発揮させるため、Si量の下限を0.4%以上とする。好ましくは0.41%以上、より好ましくは0.42%以上である。ただし、Siを過剰に添加すると、旧オーステナイト粒界に局所的に粗大な炭化物が生成し、不純物の偏析と共に、粒界脆化を助長し、耐SR割れ性が劣化する。マルテンサイトなどの硬質組織が増加し、靭性が劣化するため、Si量の上限を0.6%以下とする。好ましくは0.5%以下、より好ましくは0.48%以下である。
Mnは、溶接金属の強度および靭性を確保するのに有用な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Mn量の下限を0.5%以上とする。好ましくは0.6%以上、より好ましくは0.7%以上である。ただし、Mnを過剰に添加すると、焼入れ性の増大と共に、不純物の偏析による粒界脆化を助長するため、Mn量の上限を1.0%以下とする。好ましくは0.95%以下、より好ましくは0.9%以下である。
Crは、Cr−Mo系耐熱鋼の基本成分の一つであり、高温での強度確保に有用である。このような作用を有効に発揮させるため、Cr量の下限を1.8%以上とする。好ましくは2.0%以上、より好ましくは2.1%以上である。ただし、Crを過剰に添加すると、旧オーステナイト粒界に析出する粗大な炭化物の増加を招くほか、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界の強度向上に有用なC量を確保することができず、耐SR割れ性が劣化する。そのため、Cr量の上限を3.0%以下とする。好ましくは2.8%以下、より好ましくは2.5%以下である。
Moは、Crと同様、Cr−Mo系耐熱鋼の基本成分の一つであり、強度の確保に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Mo量の下限を0.8%以上とする。好ましくは0.85%以上、より好ましくは0.9%以上である。ただし、Moを過剰に添加すると、焼入れ性の増大と共に、旧オーステナイト粒界に析出する微細析出物M2Cの生成によって靱性が劣化するため、Mo量の上限を1.2%以下とする。好ましくは1.1%以下、より好ましくは1.0%以下である。
Tiは、脱酸作用により溶接金属を清浄にし、歩留まった場合は旧オーステナイト粒内に析出する微細析出物(MC、M2C)を形成する元素であり、溶接金属の強度確保に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Ti量の下限を0.02%以上とする。好ましくは0.03%以上、より好ましくは0.04%以上である。ただし、Tiを過剰に添加すると、MC量の増加によって強度の過度な上昇を招き、靱性が低下し、SR割れを助長するため、Ti量の上限を0.08%以下とする。好ましくは0.075%以下、より好ましくは0.07%以下である。
Bは、溶接時に旧オーステナイト粒界に偏析して、粗大炭化物の生成やB以外の元素の旧オーステナイト粒界への偏析に影響を及ぼす元素である。B量を過剰に添加すると、旧オーステナイト粒界に析出する粗大炭化物の生成を助長すると共に、旧オーステナイト粒界に偏析するC量が確保されず、C添加による上記効果が有効に発揮されない。そのため、B量の上限を0.002%以下とする。Bは、出来るだけ少ない方がよく、好ましくは0.0015%以下、より好ましくは0.0010%以下である。
Nは、旧オーステナイト粒内に析出する微細析出物(MC、M2C)に固溶して、溶接金属の靱性確保に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、N量の下限を0.005%以上とする。好ましくは0.006%以上、より好ましくは0.0065%以上である。ただし、Nを過剰に添加すると、強度の過度な上昇を招き、かえって靱性が低下するため、N量の上限を0.01%以下とする。好ましくは0.009%以下、より好ましくは0.008%以下である。
Oは、酸化物を形成して、組織の微細化による靭性の向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、O量の下限を0.03%以上とする。好ましくは0.04%以上、より好ましくは0.045%以上である。ただし、Oを過剰に添加すると、合金元素が多量に酸化物として消費されるため、靱性が低下するため、O量の上限を0.07%以下とする。好ましくは0.06%以下、より好ましくは0.055%以下である。
ここで、[C]、[Cr]、[B]はそれぞれ、Cの含有量、Crの含有量、Bの含有量を意味する。
更に本発明では、上記「13×[C]+[Cr]+160×[B]」で表されるr値が上式(1)の範囲を満足することが必要である。上記r値は、690℃近傍の高温下でのSR割れ、および、SR割れが発生し易い600℃近傍でのSR割れの両方を防止し得るパラメータとして、本発明者らによって設定されたものである。本発明者らの基礎実験によれば、上記r値を構成するC、Cr、およびBはいずれも、旧オーステナイト粒界に生成する炭化物に影響する元素であることが分かった。そこで、これらをバランス良く添加すれば、旧オーステナイトル粒界に析出する炭化物のサイズを適切に制御することができるとの観点に立ち、更に多くの実験を重ねた結果、上式(1)を導出した。後記する実施例で実証したように、溶接金属を構成する各成分の含有量をそれぞれ制御するだけでは所望とする耐SR割れ性は得られず、各成分の適切な制御に加えて、r値を適切に制御することによって初めて、所望とする耐SR割れ性が得られる。
Pは、不純物として旧オーステナイト粒界に偏析し、SR割れを助長するため、その上限を0.01%以下にすることが好ましい。Pは少なければ少ない程良く、好ましくは0.009%以下、より好ましくは0.008%以下である。
Sは、不純物として旧オーステナイト粒界に偏析し、SR割れを助長するため、その上限を0.010%以下にすることが好ましい。Sは少なければ少ない程良く、好ましくは0.009%以下、より好ましくは0.008%以下である。
NbおよびVは、いずれも、旧オーステナイト粒内に析出する微細な炭化物(MC)を増大させ、SR割れを助長するため、その上限をそれぞれ、0.03%以下にすることが好ましい。Nb量の好ましい上限は0.02%以下であり、より好ましくは0.015%以下である。また、V量の好ましい上限は0.025%以下であり、より好ましくは0.02%以下である。
次に、上記の溶接金属を得る方法について説明する。
C:0.07〜0.12%(より好ましくは0.08%以上、0.10%以下)、Si:0.55〜0.8%(より好ましくは0.6%以上、0.7%以下)、Mn:0.5〜1.2%(より好ましくは0.7%以上、1.1%以下)、Cr:1.9〜3.0%(より好ましくは2.0%以上、2.8%以下)、Mo:0.8〜1.2%(より好ましくは0.9%以上、1.0%以下)、Ti:0.02〜0.15%(より好ましくは0.04%以上、0.12%以下)、B:0.002%以下(より好ましくは0.001%以下)、N:0.005〜0.01%(より好ましくは0.006%以上、0.009%以下)、残部:鉄および不可避不純物
(フラックス入りワイヤおよび母材)
まず、ワイヤとして、表1に示すフラックス入りワイヤW1〜W28(ワイヤ径はすべて1.2mm)を用意した。フラックス入りワイヤ中のフラックスの充填率は、約13〜15%である。なお、表1中のNbについて、W25(Nb量=0.039%)を除くワイヤ中のNb量は、いずれも、ワイヤ中に不純物として混入する程度の量である。同様にVについて、W26(V量=0.078%)を除くワイヤ中のV量は、いずれも、ワイヤ中に不純物として混入する程度の量である。
上記のフラックス入りワイヤを用い、ガスシールドアーク溶接によって上記鋼板1を突合せ溶接した。詳細な溶接条件は、以下に示すとおりである。
溶接電流 :270A
アーク電圧:30〜32V
溶接速度 :30cm/min
溶接姿勢 :下向き
シールドガスの組成および流量:CO2100%、25L/min
予熱・パス間温度:17.5±15℃
積層方法:6層12パス
溶接後、SR焼鈍処理として、690℃で1時間の熱処理を行なった。
(溶接金属の組成)
SR処理後の溶接金属の組成は、図2に示すように、溶接金属の中央部分について調べた。
図3に示すように溶接金属の中央部分から、溶接線方向に引張試験片(JIS Z3111 A1号)を採取し、引張試験を実施した。引張試験片は3本ずつ採取し、これらの平均値を引張強度(TS)、降伏応力(YS)とした。
図4に示すように溶接金属の中央部分から、溶接線に対して垂直方向にシャルピー衝撃試験片(JIS Z3111 4号)を採取し、シャルピー衝撃試験を実施して、0℃での吸収エネルギーを測定した。シャルピー衝撃試験片は3本ずつ採取し、これらの平均値をシャルピー衝撃値(vE0)とした。
耐SR割れ性の評価は、溶接ままの鋼板から、以下のようにして円筒試験片を採取し、リング割れ試験を実施して行なった。
・625℃で10時間の加熱、その後炉冷(通常条件下でのSR処理)
・690℃で1時間の加熱、その後炉冷(高温条件下でのSR処理)
2 裏当金
3 溶接金属
Claims (4)
- 質量%で、
C :0.06〜0.10%、
Si:0.4〜0.6%、
Mn:0.5〜1.0%、
Cr:1.8〜3.0%、
Mo:0.8〜1.2%、
Ti:0.02〜0.08%、
B :0.002%以下(0%を含む)、
N :0.005〜0.01%、
O :0.03〜0.07%
を含有し、残部:鉄および不可避不純物であり、且つ、
Cの含有量[C]、Crの含有量[Cr]、およびBの含有量[B]が下式(1)を満足することを特徴とする溶接金属。
3.0≦13×[C]+[Cr]+160×[B]≦4.0・・・(1) - 質量%で、更に、P:0.01%以下(0%を含まない)、S:0.010%以下(0%を含まない)に抑制されたものである請求項1に記載の溶接金属。
- 質量%で、更に、Nb:0.03%以下(0%を含まない)、およびV:0.03%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含有する請求項1または2に記載の溶接金属。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の溶接金属を含む溶接構造体。
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