JP2017202495A - オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料 - Google Patents
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このような要求を満たす材料として、従来、多量の窒素及び多量のニッケルを含有させた種々のオーステナイト系耐熱鋼(以下、多量の窒素及び多量のニッケルを含有させたオーステナイト系耐熱鋼を「高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼」とも称する)が開発されてきた。
また、特許文献2には、Nを0.1%〜0.30%、Niを22.5%〜32%、及びCrを20%〜27%に加え、強化元素としてWを0.4%〜4%、及びNbを0.20%〜0.60%含む、高温強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
さらに、特許文献3には、Nを0.05%超〜0.3%、Niを15%超〜55%、及びCrを20%超〜28%未満とするともに、Nbを0.1%〜0.8%、Vを0.02〜1.5%、及びWを0.05%〜10%含有する、クリープ特性と熱間加工性に優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
(a) 高温での使用初期に、溶接金属の靭性が低下する。溶接金属中に含まれるNb量の増加およびS量の増加とともに、その傾向が顕著となる。
(b) 衝撃試験後の溶接金属の破面は柱状晶境界である。
(c) 溶接金属中には微細な炭窒化物が多量に析出している。
本発明は、以上の検討を重ねることにより完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
C:0.06%〜0.14%、
Si:0.2%〜0.6%、
Mn:0.1%〜1.2%、
P:0.01%以下、
S:0.003%以下、
Ni:28%〜35%、
Cr:20%〜24%、
W:2%〜4.5%、
Nb:0.05%〜0.35%、
V:0.05%〜0.35%、
N:0.1%〜0.35%、
Al:0.08%以下、
O:0.08%以下
を含み、残部がFeおよび不純物からなるオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
Ti:0%〜0.25%、
Cu:0%〜4%、
Co:0%〜2%、
Mo:0%〜2%
B:0%〜0.005%
Ca:0%〜0.02%
Mg:0%〜0.02%
REM:0%〜0.06%
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。ただし、「超」および「未満」等の断りがある場合は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値の少なくとも一方として含まないことを意味する。
本発明において、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成を限定する理由は次のとおりである。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。
C(炭素)は、オーステナイト組織を安定にするとともに微細な炭化物を形成し、高温使用中の溶接金属のクリープ強度を向上させる。これらの効果を十分に得るために、Cは0.06%以上含有する必要がある。しかしながら、Cが過剰に含有された場合、溶接金属中に炭化物が多量に存在するため、延性および靱性が低下する。そのため、C含有量の上限は0.14%以下とする。C含有量の望ましい範囲は0.07%〜0.13%である。さらに望ましくは0.08%〜0.12%である。
Si(ケイ素)は、脱酸作用を有するとともに、溶接金属の高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。その効果を得るために、Siは、0.2%以上含有する必要がある。しかしながら、Siが過剰に含有された場合には、組織の安定性が低下して、靱性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Si含有量の上限は0.6%以下とする。Si含有量の望ましい範囲は0.22%〜0.58%、さらに望ましい範囲は0.25%〜0.55%である。
Mn(マンガン)は、Siと同様、脱酸作用を有する。また、Mnは、溶接金属のオーステナイト組織を安定にし、クリープ強度の向上に寄与する。これらの効果を得るために、Mnは、0.1%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mn含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、クリープ延性の低下も生じる。そのため、Mn含有量の上限は1.2%以下とする。Mn含有量の望ましい範囲は0.15%〜1.1%、さらに望ましい範囲は0.2%〜1.0%である。
P(リン)は不純物として溶接材料中に含まれ、溶接時の凝固割れ感受性を高める元素である。そのため、Pの含有量に上限を設けて0.01%以下とする。P含有量は、望ましくは0.008%以下、さらに望ましくは0.006%以下である。なお、P含有量は可能な限り低減することが望ましいが、P含有量の極度の低減は溶接材料の製造コストの増大を招く。そのため、P含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.0008%以上である。
S(硫黄)は、Pと同様に、不純物として溶接材料中に含まれ、高温での使用初期に溶接金属の柱状晶境界に偏析して靭性を低下させる。さらに、溶接時の凝固割れ感受性をも高める。これらを安定して抑制するためには、Sの含有量にも上限を設けて0.003%以下とする必要がある。S含有量は、望ましくは0.0025%以下、さらに望ましくは0.002%以下である。なお、Sの含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は溶接材料の製造コストの増大を招く。そのため、S含有量の望ましい下限は0.0001%以上、さらに望ましい下限は0.0002%以上である。
Ni(ニッケル)は、長時間使用時の溶接金属のオーステナイト組織の安定性を高め、クリープ強度の向上に寄与する。その効果を十分に得るために、Niは28%以上含有させる必要がある。しかしながら、Niは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ni含有量は、上限を設けて35%以下とする。Ni含有量の望ましい範囲は28.5%〜34.5%、さらに望ましい範囲は29%〜34%である。
Cr(クロム)は、溶接金属の高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。また、Crは、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。十分にその効果を得るために、Crは20%以上の含有が必要である。しかしながら、Cr含有量が24%を超えると、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。したがって、Crの含有量は20%〜24%とする。Cr含有量の望ましい範囲は20.5%〜23.5%、さらに望ましい範囲は21%〜23%である。
W(タングステン)は、マトリックスに固溶して溶接金属の高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。その効果を十分に発揮させるために、Wは少なくとも2%以上の含有が必要である。しかしながら、Wは、高価な元素であるため、Wの過剰の含有はコストの増大を招くとともに、効果が飽和する。そのため、W含有量の上限は4.5%以下とする。W含有量の望ましい範囲は2.2%〜4.3%であり、さらに望ましい範囲は2.5%〜4%である。
Nb(ニオブ)は、炭素および窒素との親和力が強く、微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属の高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。その効果を十分に得るために、Nbは0.05%以上の含有が必要である。しかしながら、Nbの含有量が過剰になると、高温での使用初期の析出量が増加し、靱性の低下を招く。そのため、Nb含有量の上限は0.35%以下とする必要がある。Nb含有量の望ましい範囲は0.08%〜0.32%であり、さらに望ましい範囲は0.1%〜0.3%である。
V(バナジウム)は、Nbと同様、微細な炭窒化物を形成するが、Nbに比べて、炭素および窒素との親和力が弱い。このため、Vは溶接金属の使用初期の靭性にNbほど影響を与えることなく、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与する。この効果を得るために、Vは、0.05%以上の含有が必要である。しかしながら、Vを過剰に含有すると多量に析出するとともに、析出物の粗大化が著しくなり、クリープ強度および延性の低下を招く。そのため、V含有量の上限は0.35%以下とする必要がある。V含有量の望ましい範囲は、0.08%〜0.32%、さらに望ましい範囲は0.1%〜0.3%である。
N(窒素)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶状態または窒化物として析出した状態で、高温強度の向上に寄与する。その効果を少なからず得るために、Nは、0.1%以上含有する必要がある。しかしながら、Nが0.35%を超えて含有されると、多量の窒化物が析出して、靱性の低下を招く。そのため、Nの含有量は0.1%〜0.35%とする。N含有量の望ましい範囲は0.12%〜0.32%であり、さらに望ましい範囲は0.15%〜0.3%である。
Al(アルミニウム)は、製造時に脱酸剤として溶接材料に含有される。しかしながら、多量のAlを含有すると、清浄性が劣化し、溶接材料の製造時に熱間加工性が低下する。そのため、Al含有量は0.08%以下とする必要がある。Al含有量の上限は、望ましくは0.06%以下、さらに望ましくは0.04%以下である。なお、Al含有量の下限は特に設ける必要はないが、Al含有量の極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Al含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
O(酸素)は、不純物として溶接材料中に含まれる。しかしながら、O(酸素)の含有量が過剰になると製造時に熱間加工性が低下するとともに、靱性および延性の劣化を招く。このため、O(酸素)含有量の上限は、0.08%以下とする必要がある。O(酸素)の含有量は、望ましくは0.06%以下、さらに望ましくは0.04%以下である。なお、O(酸素)の含有量について特に下限を設ける必要はないが、O(酸素)の含有量の極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、O(酸素)の含有量の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.0008%以上である。
なお、本明細書中において、「不純物」とはオーステナイト系耐熱合金を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップまたは製造環境などから混入する成分であり、意図的に含有させたものではない成分を指す。
Ti(チタン)は、NbおよびVと同様、微細な炭窒化物を形成して、溶接金属の高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。その効果を得るために、Tiを含有する場合、Tiは0.01%以上の含有が望ましい。Ti含有量は、より望ましくは、0.03%以上であり、さらに望ましくは0.05%以上である。しかしながら、Ti含有量が過剰になると、Nbと同様に使用初期に多量に析出し、靱性の低下を招く。そのため、Tiを含有する場合、Ti含有量の上限は、0.25%以下とする。Ti含有量の上限は、望ましくは0.23%以下、さらに望ましくは、0.2%以下である。
Cu(銅)は、オーステナイト組織の安定性を高めるとともに、使用中に微細に析出して、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Cuを過剰に含有すると、延性の低下を招くため、Cu含有量の上限は4%以下とする。Cuを含有する場合、Cu含有量の上限は、望ましくは、3.8%以下、さらに望ましくは、3.5%以下である。なお、Cuを含有する場合の望ましい下限は0.01%以上、さらに望ましい下限は0.03%以上である。
Co(コバルト)は、NiおよびCuと同様、オーステナイト生成元素であり、溶接金属のオーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Coは、極めて高価な元素であるため、Coの過剰の含有は大幅なコスト増を招く。そのため、Coを含有する場合、Co含有量の上限は2%以下とする。Co含有量の上限は、望ましくは、1.8%以下、さらに望ましくは、1.5%以下である。なお、Coを含有する場合の望ましい下限は0.01%以上、さらに望ましい下限は0.03%以上である。
Mo(モリブデン)は、Wと同様、マトリックスに固溶して溶接金属の高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する元素である。しかしながら、Moは、過剰に含有すると組織安定性を低下させ、逆にクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Moは高価な元素であるため、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Moを含有する場合、Mo含有量の上限は2%以下とする。Mo含有量の上限は、望ましくは1.5%以下、さらに望ましくは1.2%以下である。なお、Moを含有する場合の望ましい下限は0.01%以上、さらに望ましい下限は0.03%以上である。
B(ホウ素)は炭化物を微細に分散させることにより、溶接金属のクリープ強度を向上させるとともに、粒界を強化して靭性の向上にも寄与する元素である。しかしながら、Bは、過剰に含有すると、溶接中の凝固割れ感受性を高める。そのため、Bを含有する場合、B含有量の上限は0.005%以下とする。B含有量の上限は、望ましくは、0.003%以下、さらに望ましくは、0.002%以下である。なお、Bを含有する場合の望ましい下限は0.0003%以上、さらに望ましい下限は0.0005%以上である。
Ca(カルシウム)は、溶接材料の製造時に熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Caの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Caを含有する場合、Caの含有量の上限は0.02%以下とする。Caの含有量の上限は、望ましくは0.015%以下、更に望ましくは0.01%以下である。なお、Caを含有する場合の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
Mg(マグネシウム)は、Caと同様、溶接材料の製造時に熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Mgの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Mgを含有する場合、Mgの含有量の上限は0.02%以下とする。Mgの含有量の上限は、望ましくは0.015%以下、更に望ましくは0.01%以下である。なお、Mgを含有する場合の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
REM(希土類元素)は、CaおよびMgと同様、溶接材料の製造時に熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、REMの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、REMを含有する場合、REMの含有量の上限は、0.06%以下とする。REMの含有量の上限は、望ましくは0.04%以下、更に望ましくは0.03%以下である。なお、REMを含有する場合の望ましい下限は0.0005%以上、さらに望ましい下限は0.001%以上である。
板材(1):板厚12mm、幅50mm、長さ120mm
板材(2):板厚4mm、幅200mm、長さ500mm
さらに、板材(2)を用い、機械加工により、2mm角、500mm長さのカットフィラーを作製した。
上記の板材(1)の長手方向に、角度30°、ルート厚さ1mmのV開先を加工した後、市販の鋼板(JIS G 3160(2008)に規定のSM400B、厚さ25mm、幅150mm、長さ200mm)上に、被覆アーク溶接棒(JIS Z3224(1999)に規定の「DNiCrFe−3」)を用いて、四周を拘束溶接した。
その後、同組成(例えば、符号Aの化学組成からなる板材(1)と同じ化学組成)のカットフィラーを用いて、シールドガスをArとした手動ティグ溶接により開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。なお、溶接に際しては、入熱を9kJ/cm〜15kJ/cmとした。
得られた溶接継手を長手方向に半分に切断し、高温での使用初期を模擬した700℃で300時間の時効熱処理を行った。その後、溶接金属にノッチを加工した2mmVノッチ フルサイズシャルピー衝撃試験片を3本採取し、20℃で衝撃試験を実施した。
そして、3本の試験片の吸収エネルギーの個値がすべて27J以上のものを「合格」、3本のうち1本でも吸収エネルギーが27J未満であったものを「不合格」とした。
シャルピー衝撃試験の結果が「合格」であった溶接継手については、残りの溶接したままの溶接継手から、溶接金属を平行部中央とした丸棒クリープ破断試験片を採取した。そして、700℃、177MPaの条件でクリープ破断試験を行い、この条件で目標とされる破断時間が500時間を超えるものを「合格」とし、500時間以下であるものを「不合格」とした。
表2に、上記各試験の結果を併せて示す。
これに対して、符号Fの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接材料のNb含有量が本発明の範囲を超えているため、時効熱処理後の靭性が目標を下回った。また、S含有量が本発明の範囲を超える符号Gの溶接材料を用いた溶接継手も同様に、時効熱処理後の靭性が目標を下回った。N含有量が本発明の範囲を下回った符号H、及びVを含有していない符号Iの溶接材料を用いた溶接継手は、時効熱処理後の靭性は問題ないものの、クリープ破断時間が目標を満足しなかった。
このように、本発明の要件を満足する溶接材料を用いた溶接継手は、時効熱処理後の靭性に優れるとともに、クリープ強度をも満足することがわかる。これによって、本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適な溶接材料となり得ることが分かる。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.06%〜0.14%、
Si:0.2%〜0.6%、
Mn:0.1%〜1.2%、
P:0.01%以下、
S:0.003%以下、
Ni:28%〜35%、
Cr:20%〜24%、
W:2%〜4.5%、
Nb:0.05%〜0.35%、
V:0.05%〜0.35%、
N:0.1%〜0.35%、
Al:0.08%以下、
O:0.08%以下
を含み、残部がFeおよび不純物からなるオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。 - 合金成分としてのFeに代えて、質量%で、下記の1種または2種以上の元素を含有する請求項1に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
Ti:0%〜0.25%、
Cu:0%〜4%、
Co:0%〜2%、
Mo:0%〜2%、
B:0%〜0.005%、
Ca:0%〜0.02%、
Mg:0%〜0.02%、
REM:0%〜0.06%
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