JP2017148820A - 溶接用Ni基合金ソリッドワイヤおよびNi基合金溶接金属 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】溶接用Ni基合金ソリッドワイヤは、Cr、Ti、Nb、C、S、Mn、Feを所定量含有し、かつMo+W、P、Si、Al、Ca、B、Mg、Zr、Co、O、H、Nを所定量に抑制し、かつ(Ti+Nb)/Cが所定量であり、残部がNiおよび不可避的不純物である組成を有する。
【選択図】なし
Description
溶接用Ni基合金ソリッドワイヤ(以下、ワイヤと称す)は、Cr:27.0〜31.5質量%、Ti:0.80〜2.40質量%、Nb:0.30〜2.40質量%、C:0.020〜0.040質量%、S:0.0005〜0.0030質量%、Mn:0.20〜1.00質量%、Fe:5.0〜11.0質量%を含有し、かつMo+W:0.5質量%以下、P:0.0100質量%以下、Si:0.50質量%以下、Al:0.20質量%以下、Ca:0.005質量%以下、B:0.005質量%以下、Mg:0.010質量%以下、Zr:0.005質量%以下、Co:0.10質量%以下、O:0.015質量%以下、H:0.003質量%以下、N:0.015質量%以下に抑制し、かつ(Ti+Nb)/Cが80〜150であり、残部がNiおよび不可避的不純物である組成を有する。
(Cr:27.0〜31.5質量%)
Crは、溶接金属表面にCr2O3の被膜を形成し不動態化するため、耐食性には欠かせない成分である。よって、Cr量は27.0質量%以上とし、好ましくは29.0質量%以上である。Crが過剰になると粒界上のCr炭化物が粗大化しやすく、延性低下割れ感受性が高まる。よって、Cr量は31.5質量%以下とし、好ましくは31.0質量%以下である。
Tiは、Ni母相に固溶するだけでなく、炭窒化物やγ′相(Ni3Ti)として析出して、溶接金属の引張強度を向上させる。特に、γ′相はマトリックスと微細に整合析出して転位の運動を抑えるため、Tiは引張強度向上には極めて有効な成分である。また、TiがCと結合することでCr炭化物の粒界析出を抑制するため、粒界腐食や応力腐食割れの防止に有効である。さらに、TiはNと結合して粒内、粒界に析出して引張強度を向上させる。よって、Ti量は0.80質量%以上とし、好ましくは0.90質量%以上である。一方、過剰のTiは、PWHTにおいて、多量のγ′相を析出して溶接金属の脆化を促進する。また、過剰のTiは、酸化して溶融プール中にスケールとして浮上し、溶接ビード表面に固着してスラグを形成する。溶接時には不活性ガスの適用により溶融プールを大気からシールドするが、Ti量が過剰であるとスラグ発生を完全に抑制することができなくなる。よって、Ti量は2.40質量%以下とし、好ましくは1.80質量%以下である。
Nbは、母相に固溶するだけでなく、MC型の炭窒化物やγ′′相(Ni3Nb)としてマトリックスに対して整合析出して溶接金属の引張強度を向上させる。γ′′相の析出はγ′相よりも遅いため、PWHTによる脆化度合は小さい。粒界に析出した微細なNb炭化物は、粗大なCr23C6、Cr7C3等のCr炭化物の粒界析出を抑制し、移動粒界のピンニングにより蛇行粒界を形成して、粒界すべりを抑制するため、延性低下割れに対して有効である。また、Nbは、Crよりも優先的にCと結合することでCr炭化物の粒界析出に起因した粒界腐食を抑制する。よって、Nb量は0.30質量%以上とし、好ましくは0.40質量%以上である。
Cは、凝固過程においてTi、Nbと結合してMC、M6C、M23C6等の炭化物として粒界に析出し、粒界すべりを抑制して延性低下割れを防止し、かつ析出強化により引張強度を向上させる。炭素鋼(母材)上の肉盛溶接金属中のCが低いと、PWHTにおいて母材から溶接金属へのC拡散が進行して、浸炭・脱炭層が厚くなり、例えば側曲げ試験を行った場合に、ボンド近傍において微小な開口欠陥が無数に発生する。そこで、ワイヤに0.020質量%以上、好ましくは0.025質量%以上のCを含有させれば、C拡散が抑制され、側曲げ試験において欠陥の発生がなくなる。一方、過剰なCは、Ti、Nbと結合していない余剰分のフリーCがCrと結合して、Cr23C6、Cr7C3等のCr炭化物が粒界に析出して、粒界近傍に炭化物欠乏層を形成し、粒界腐食や応力腐食割れの原因となる。よって、C量は0.040質量%以下、好ましくは0.035質量%以下である。
Sは溶接金属の凝固時に粒界に偏析して濃化し、低融点化合物を生成するため、凝固割れ、再熱液化割れや延性低下割れの原因となる。よって、S量は0.0030質量%以下とし、好ましくは0.0018質量%以下である。ただし、S量が低すぎると、溶融金属の濡れ性が低下して、なじみが悪くなり溶接ビード形状が劣化するので、S量は0.0005質量%以上とし、好ましくは0.0006質量%以上である。
Mnは、溶製工程で脱酸原料として利用されるほか、有害なSと結合して熱間加工性を良くする効果がある。よって、Mn量は0.20質量%以上とし、好ましくは0.47質量%以上である。一般的に、Mn原料自体は、S濃度が高いため、Mnを含有すると比例してS濃度の上昇を招き、高温割れの原因となる。よって、Mn量は1.00質量%以下とし、好ましくは0.60質量%以下である。
Feは、Ni基合金中に固溶して、ワイヤ製造時の熱間加工性を向上させる。よって、Fe量は5.0%質量以上とし、好ましくは8.2質量%以上である。一方、過剰のFeは溶接時の高温割れ感受性を高める。よって、Fe量は11.0質量%以下とし、好ましくは9.0質量%以下である。
Mo、Wは、マトリックスへの固溶強化およびM6Cの析出により溶接金属の引張強度を向上させるが、微量の含有では効果が小さく多量に含有すると溶接金属中で凝固偏析により粒界やデンドライト界面に濃化するため、PWHTによりσ相などの金属間化合物を生成して、溶接金属の延性と靭性が損なわれる。さらに、炭素鋼である母材上の肉盛溶接金属中にMo、Wが含まれるとPWHT過程において、母材から溶接金属に向かったC拡散が進行して、浸炭・脱炭層の形成が促進されてボンド近傍が脆化し、側曲げ試験における開口欠陥を発生させてしまう。よって、Mo量とW量との合計量である(Mo+W)は0.5質量%以下とし、好ましくは0.3質量%以下である。また、Mo+Wの下限値は0.1質量%が好ましい。
Pは溶接金属の凝固時に粒界に偏析して濃化し、低融点化合物を生成するため、凝固割れ、再熱液化割れや延性低下割れの原因となる。よって、P量は0.0100質量%以下とし、好ましくは0.0080質量%以下である。
Siは、溶融金属の湯流れを良くする効果があるが、凝固割れを促進し、金属間化合物の生成を促進して脆化する。よって、Siは、意図的に含有させないが、一般的に入手できる原材料から不可避に入る分を考慮し、Si量は0.50質量%以下、好ましくは0.22質量%以下である。
Alは、溶製時の脱酸剤として使用される。Alは、溶接金属中ではγ′相として母相に整合析出して強化するため、引張強度を向上することができ、特にPWHTによるその効果は顕著である。しかし、Alは、拘束度が高い継手においてPWHTすると、発生した熱応力によって微小な割れを引き起こすほか、靭性が著しく低下する。また、Alは、溶接ビード表面に酸化物として固着して、スラグ巻き込みの原因となる。よって、Al量は0.20質量%以下とし、好ましくは0.10質量%以下である。また、Al量の下限値は0.02質量%であることが好ましい。
Caは、溶接ビード表面に酸化物として固着して、スラグ巻き込みの原因となる。また、Caは、MIG溶接時にアークを不安定化させ、溶接欠陥の原因となる。よって、Ca量は、ワイヤ製造時の伸線潤滑剤としてワイヤ表面に残留するCaも含み、0.005質量%以下とし、好ましくは0.002質量%以下である。
B、Mg、Zrは、粒界に偏析して粒界を強化し、ワイヤ製造時の熱間加工性を改善する効果があるが、過剰に含有すると粒界に低融点化合物を形成して、溶接時の高温割れ感受性を高める。また、Mg、Zrは、酸化しやすく、スラグとなって溶接ビード表面に固着してスラグ巻き込みの原因となる。よって、B量、Mg量、Zr量は、それぞれ0.005質量%以下、0.010質量%以下、0.005質量%以下とし、好ましくはそれぞれ0.001質量%以下、0.007質量%以下、0.003質量%以下である。また、Mg量の下限値は0.002質量%であることが好ましい。
Coは、Niに完全固溶して強化するが、炉内で中性子照射により半減期の長い同位体60Coに変化して放射線源となるので、意図的な含有は行わない。よって、Co量は0.10質量%以下、好ましくは0.01質量%以下である。
Oは、ワイヤ中に微小な酸化物系介在物として含まれるが、溶接金属にそのまま移行して酸化化物系介在物として分散する。溶接金属を機械加工で仕上げると、加工表面に介在物が欠陥として現れる。よって、O量は0.015質量%以下とし、好ましくは0.007質量%以下である。
ワイヤ中のHは、溶接金属にそのまま移行し、主に粒界に偏析する。粒界偏析したHは、溶接金属が引張変形を受けた際に、粒界の結合力を弱めて、変形伸びを低下させてしまう。よって、H量は、0.003質量%以下とし、好ましくは0.001質量%以下である。
Nは、溶接金属中のブローホールの原因となる。よって、N量は0.015質量%以下とし、好ましくは0.006質量%以下である。
上述の通り、本発明のワイヤでは、Cを0.020〜0.040質量%含有する。凝固過程で Ti、Nb等の元素と結合しなかったフリーなCは、肉盛溶接後のPWHTにおいて、Crと結合して粒界析出し、粒界近傍の耐食性を低下させて粒界腐食や応力腐食割れの原因となる。そのため、ワイヤ中のTi、Nb量は、その絶対値を規定するだけでは不十分であり、例えばTiとNbの総量に対してC量が大きすぎると、余剰なCによってCr炭化物析出による耐食性の劣化が生じる。よって、Ti量とNb量との合計量とC量との比である(Ti+Nb)/Cは80以上とし、好ましくは88以上である。逆にC量が小さすぎると、フリーなTi、NbがPWHT中に金属間化合物を形成して、溶接金属の脆化程度が大きくなる。よって、(Ti+Nb)/Cは150以下とし、好ましくは110以下である。
残部は、Niおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、V、Cu等であり、本発明の効果を妨げない範囲で、それぞれ0.10、0.15質量%以下、合計で0.2質量%以下で含有されている。そして、V、Cu等については、前記した所定の含有量を超えなければ、不可避的不純物として含有される場合だけでなく、積極的に含有される場合であっても、本発明の効果を妨げない。
また、前記した上限値のみで規定している抑制元素としての(Mo+W)、P、Si、Al、Ca、B、Mg、Zr、Co、O、H、Nについては、不可避的不純物として含まれていてもよい。
真空溶解炉においてNi合金インゴットを溶製した後、鍛造及び圧延を経て、伸線加工を行い、表1に示す成分組成の直径が1.2mmのワイヤを製造した。
溶接金属2の表面に対して垂直方向に10mm厚の曲げ試験片を5枚切り出した。前記曲げ試験片を用いて、JIS Z 2248:2014に準じて、曲げ半径が約50mmの条件で曲げ加工を施した。曲げ加工後の断面について、浸透探傷試験を施して、割れの発生頻度を評価した。耐割れ性は、曲げ試験片の5断面について、割れ個数をカウントし、1断面あたりの平均割れ個数が5個未満かつボンド部に欠陥がない場合をA(優れている)、平均割れ個数が5個以上もしくはボンド部に欠陥が発生している場合をB(劣っている)と評価した。
溶接金属4からJIS Z 3111:2015に準じた引張試験片(A1号試験片)を1本切り出した。前記引張試験片を用いて、JIS Z 3111:2015に準じて引張強度試験を行った。室温引張強度は、平均値で650MPa以上をA(優れている)、650MPa未満をB(劣っている)と評価した。なお、TSはTensile Strengthの略、AWはAs Weldの略である。
溶接金属4にPWHTに相当する600℃の熱処理を施した。熱処理後の溶接金属4からJIS Z 3111:2015に準じた引張試験片(A1号試験片)を1本切り出した。前記引張試験片を用いて、JIS Z 3111:2015に準じて引張試験を行った。伸びの平均値が35%以上をA(延性に優れ、脆化において優れている)、35%未満をB(延性が劣り、脆化において劣っている)と評価した。
肉盛溶接で形成された溶接金属2から試験片を切り出し、JIS G 0572:2006に準じて腐食試験を行った。耐食性は、腐食減量1.5g/m2・hr以下の場合をA(優れている)、1.5g/m2・hrを超える場合をB(劣っている)と評価した。
総合判定は、耐割れ性、TS(AW)、PWHT後の引張延性、および耐食性の全てがA(優れている)との評価である場合に○(合格)とし、いずれかにB(劣っている)との評価がある場合に×(不合格)とした。
(溶接作業性)
肉盛溶接の際に溶接ビード表面に付着するスラグの発生量を、目視にて観察した。溶接作業性は、スラグ発生量がわずかな場合をA(優れている)、少ない場合をB(良好である)、多い場合をC(劣っている)と評価した。
また、比較例(B1〜B10)は、溶接作業性については、A(優れている)またはB(良好である)であった。
2、4 溶接金属
5 裏当材
Claims (2)
- Cr:27.0〜31.5質量%、
Ti:0.80〜2.40質量%、
Nb:0.30〜2.40質量%、
C:0.020〜0.040質量%、
S:0.0005〜0.0030質量%、
Mn:0.20〜1.00質量%、
Fe:5.0〜11.0質量%
を含有し、かつ
Mo+W:0.5質量%以下、
P:0.0100質量%以下、
Si:0.50質量%以下、
Al:0.20質量%以下、
Ca:0.005質量%以下、
B:0.005質量%以下、
Mg:0.010質量%以下、
Zr:0.005質量%以下、
Co:0.10質量%以下、
O:0.015質量%以下、
H:0.003質量%以下、
N:0.015質量%以下
に抑制し、かつ
(Ti+Nb)/Cが80〜150であり、残部がNiおよ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。 - 請求項1に記載の溶接用Ni基合金ソリッドワイヤを用いて作製されたことを特徴とするNi基合金溶接金属。
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