JP2020131289A - 高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】軟質組織であるδフェライトの発生を抑制し、これにより、靱性を向上させるとともに、耐割れ性及び高温強度が良好である溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料を提供する。【解決手段】高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｎ及びＯをそれぞれ所定範囲で含有し、かつ、Ｎｉ及びＰをそれぞれ所定範囲で制限するともに、Ｃｒ：８．０質量％以上９．５質量％以下、Ｍｏ：０．０２質量％以上０．２０質量％以下で含有し、更に、Ｃｕ：０．０５質量％未満に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。【選択図】なし
Description
本発明は、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の溶接に適した溶接材料に関する。
発電用ボイラー及びタービン並びに各種耐熱耐圧鋼管は、高温高圧の条件下で使用されることから、高温強度、特にクリープ性能が優れていることを要求される。高Ｃｒフェライト系耐熱鋼はこのような要求に対して開発されたものであり、これに使用される溶接用ワイヤも各施工方法において既に多くの提案がなされている。
例えば、特許文献１には、高温クリープ強度（高温強度）及び靱性が優れた溶接金属を得ることができるとともに、溶接作業性が優れ、かつ、線材の製造時における熱間割れの発生を抑制することができる溶接ワイヤが開示されている。
しかし、上記特許文献１においては、溶接金属の靱性に悪影響を及ぼすフェライトの析出を抑制するため、適正量のＣｕを含有させているものの、Ｃｕの添加により溶接金属の耐割れ性が低下してしまうことから、高温強度、靱性及び耐割れ性のすべてが良好な溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料の開発が要求されている。
本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、軟質組織であるδフェライトの発生を抑制し、これにより、靱性を向上させるとともに、耐割れ性及び高温強度が良好である溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、
Ｃ：０．０１質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０２質量％以上０．９０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．２０質量％以下、
Ｓ：０．０００５質量％以上０．０１５質量％以下、
Ｃｏ：０．５０質量％以上５．００質量％以下、
Ｃｒ：８．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｍｏ：０．０２質量％以上０．２０質量％以下、
Ｖ：０．０５質量％以上０．９０質量％以下、
Ｎｂ：０．００５質量％以上０．１００質量％以下、
Ｗ：１．００質量％以上５．００質量％以下、
Ｎ：０．０２質量％以上０．０４質量％以下、
Ｏ：０．００１質量％以上０．０１５質量％以下を含有し、
Ｃｕ：０．０５質量％未満、
Ｎｉ：１．２０質量％以下、
Ｐ：０．０１５質量％以下であり、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
Ｃ：０．０１質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０２質量％以上０．９０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．２０質量％以下、
Ｓ：０．０００５質量％以上０．０１５質量％以下、
Ｃｏ：０．５０質量％以上５．００質量％以下、
Ｃｒ：８．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｍｏ：０．０２質量％以上０．２０質量％以下、
Ｖ：０．０５質量％以上０．９０質量％以下、
Ｎｂ：０．００５質量％以上０．１００質量％以下、
Ｗ：１．００質量％以上５．００質量％以下、
Ｎ：０．０２質量％以上０．０４質量％以下、
Ｏ：０．００１質量％以上０．０１５質量％以下を含有し、
Ｃｕ：０．０５質量％未満、
Ｎｉ：１．２０質量％以下、
Ｐ：０．０１５質量％以下であり、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
また、上記Ｎｉは０．０５質量％以上１．２０質量％以下であることが好ましい。
また、上記高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、さらに、Ｂ：０．００５質量％以上０．０１５質量％以下を含有し、Ａｌ：０．０１５質量％以下、Ｔｉ：０．０１５質量％以下であることが好ましい。
本発明によれば、軟質組織であるδフェライトの発生を抑制し、これにより、靱性を向上させるとともに、耐割れ性及び高温強度が良好である溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。
一般的に、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の溶接により得られた溶接金属においては、軟質組織であるδフェライトが生成されやすく、これが溶接金属の靱性を低下させるため、δフェライトの生成を抑制する効果を有する元素（例えばＣｕ）を適切な含有量でワイヤ中に含有させることが、溶接金属の靱性の向上に効果的である。
しかし、本発明者らは、Ｃｕの添加により溶接金属の耐割れ性が低下することに着目し、溶接材料の金属成分の種類及びその含有量について鋭意研究した結果、靱性の向上に寄与するが、耐割れ性を低下させるＣｕ含有量を低減する代わりに、靱性の低下に影響があるδフェライトを生成する元素であるＭｏ及びＣｒの含有量を適切に調整することにより、高温強度、靱性及び耐割れ性のすべてが良好な溶接金属を得ることができることを見出した。
以下、本実施形態に係る高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料について、その成分添加理由及び組成限定理由を詳細に説明する。
［高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料の組成］
本実施形態に係る高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、以下の元素を必須として含有し、又は、任意成分として含有し得る。なお、本実施形態に係る高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料が、溶接ワイヤ（ソリッドワイヤ）として用いられる場合には、以下に示す各成分の含有量は、ワイヤ全質量あたりの含有量を意味する。
本実施形態に係る高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、以下の元素を必須として含有し、又は、任意成分として含有し得る。なお、本実施形態に係る高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料が、溶接ワイヤ（ソリッドワイヤ）として用いられる場合には、以下に示す各成分の含有量は、ワイヤ全質量あたりの含有量を意味する。
＜Ｃ：０．０１質量％以上０．１５質量％以下＞
Ｃは、溶接金属中において炭化物として析出してクリープ強度を確保するために必要不可欠の元素である。
Ｃ含有量が０．０１質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＣ含有量は０．０１質量％以上とし、好ましくは０．０２質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上とする。
一方、Ｃはオーステナイト生成元素でもあるため、Ｃ含有量が０．１５質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下するため、溶接後熱処理時にオーステナイト変態が生じ、その結果、クリープ強度が低下し、また高温割れの感受性も高くなる。したがって、溶接材料中のＣ含有量は０．１５質量％以下とし、好ましくは０．１３質量％以下、より好ましくは０．１１質量％以下とする。
Ｃは、溶接金属中において炭化物として析出してクリープ強度を確保するために必要不可欠の元素である。
Ｃ含有量が０．０１質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＣ含有量は０．０１質量％以上とし、好ましくは０．０２質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上とする。
一方、Ｃはオーステナイト生成元素でもあるため、Ｃ含有量が０．１５質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下するため、溶接後熱処理時にオーステナイト変態が生じ、その結果、クリープ強度が低下し、また高温割れの感受性も高くなる。したがって、溶接材料中のＣ含有量は０．１５質量％以下とし、好ましくは０．１３質量％以下、より好ましくは０．１１質量％以下とする。
＜Ｓｉ：０．０２質量％以上０．９０質量％以下＞
Ｓｉは、溶接金属の溶融時に脱酸剤として作用して、溶接金属中の酸素含有量を低減して衝撃性能の向上に寄与する元素である。また、Ｓｉは溶接金属の溶融時にその溶融金属の界面張力を低下させて、融合不良及びオーバーラップ等の溶接欠陥を低減する効果も有する。
Ｓｉ含有量が０．０２質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＳｉ含有量は０．０２質量％以上とし、好ましくは０．０４質量％以上、より好ましくは０．０６質量％以上とする。
一方、Ｓｉはフェライト生成元素であるため、Ｓｉ含有量が０．９０質量％を超えると、溶接金属中にフェライトが残留することとなり、その靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＳｉ含有量は０．９０質量％以下とし、好ましくは０．７０質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下とする。
Ｓｉは、溶接金属の溶融時に脱酸剤として作用して、溶接金属中の酸素含有量を低減して衝撃性能の向上に寄与する元素である。また、Ｓｉは溶接金属の溶融時にその溶融金属の界面張力を低下させて、融合不良及びオーバーラップ等の溶接欠陥を低減する効果も有する。
Ｓｉ含有量が０．０２質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＳｉ含有量は０．０２質量％以上とし、好ましくは０．０４質量％以上、より好ましくは０．０６質量％以上とする。
一方、Ｓｉはフェライト生成元素であるため、Ｓｉ含有量が０．９０質量％を超えると、溶接金属中にフェライトが残留することとなり、その靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＳｉ含有量は０．９０質量％以下とし、好ましくは０．７０質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下とする。
＜Ｍｎ：０．２０質量％以上１．２０質量％以下＞
Ｍｎは、溶接金属の溶融時に脱酸剤として作用し、更にその強度及び靱性を確保するという観点から必要不可欠の元素である。
Ｍｎ含有量が０．２０質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＭｎ含有量は０．２０質量％以上とし、好ましくは０．３０質量％以上、より好ましくは０．４０質量％以上とする。
一方、Ｍｎはオーステナイト生成元素であるため、Ｍｎ含有量が１．２０質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。したがって、溶接材料中のＭｎ含有量は１．２０質量％以下とし、好ましくは１．００質量％以下、より好ましくは０．８０質量％以下とする。
Ｍｎは、溶接金属の溶融時に脱酸剤として作用し、更にその強度及び靱性を確保するという観点から必要不可欠の元素である。
Ｍｎ含有量が０．２０質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＭｎ含有量は０．２０質量％以上とし、好ましくは０．３０質量％以上、より好ましくは０．４０質量％以上とする。
一方、Ｍｎはオーステナイト生成元素であるため、Ｍｎ含有量が１．２０質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。したがって、溶接材料中のＭｎ含有量は１．２０質量％以下とし、好ましくは１．００質量％以下、より好ましくは０．８０質量％以下とする。
＜Ｓ：０．０００５質量％以上０．０１５質量％以下＞
Ｓは、溶接金属の溶融時にその溶融金属の界面張力を低下させて、融合不良及びアンダーカット等の溶接欠陥の発生を防止する効果を有する元素であり、溶接作業性の向上効果を発揮する。
Ｓ含有量が０．０００５質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＳ含有量は０．０００５質量％以上とし、好ましくは０．０００７質量％以上、より好ましくは０．００１質量％以上とする。
一方、Ｓは高温割れ感受性を高める元素であるため、Ｓ含有量が０．０１５質量％を超えると、溶接金属に高温割れが発生する。したがって、溶接材料中のＳ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１２質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
Ｓは、溶接金属の溶融時にその溶融金属の界面張力を低下させて、融合不良及びアンダーカット等の溶接欠陥の発生を防止する効果を有する元素であり、溶接作業性の向上効果を発揮する。
Ｓ含有量が０．０００５質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＳ含有量は０．０００５質量％以上とし、好ましくは０．０００７質量％以上、より好ましくは０．００１質量％以上とする。
一方、Ｓは高温割れ感受性を高める元素であるため、Ｓ含有量が０．０１５質量％を超えると、溶接金属に高温割れが発生する。したがって、溶接材料中のＳ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１２質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
＜Ｃｏ：０．５０質量％以上５．００質量％以下＞
Ｃｏは、オーステナイト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすフェライトの生成を抑制する効果を有する。
Ｃｏ含有量が０．５０質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＣｏ含有量は０．５０質量％以上とし、好ましくは１．００質量％以上、より好ましくは１．５０質量％以上、さらに好ましくは２．００質量％以上、特に好ましくは２．５０質量％以上とする。
一方、ＣｏはＮｉと同様、過剰に含有されていると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。したがって、溶接材料中のＣｏ含有量は５．００質量％以下とし、好ましくは４．５０質量％以下、より好ましくは４．００質量％以下、さらに好ましくは３．５０質量％以下とする。
Ｃｏは、オーステナイト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすフェライトの生成を抑制する効果を有する。
Ｃｏ含有量が０．５０質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＣｏ含有量は０．５０質量％以上とし、好ましくは１．００質量％以上、より好ましくは１．５０質量％以上、さらに好ましくは２．００質量％以上、特に好ましくは２．５０質量％以上とする。
一方、ＣｏはＮｉと同様、過剰に含有されていると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。したがって、溶接材料中のＣｏ含有量は５．００質量％以下とし、好ましくは４．５０質量％以下、より好ましくは４．００質量％以下、さらに好ましくは３．５０質量％以下とする。
＜Ｃｒ：８．０質量％以上９．５質量％以下＞
Ｃｒは、本実施形態に係る溶接材料が使用対象とされる、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼に含有される主要合金元素である。また、Ｃｒは、溶接金属の耐酸化性、耐食性及び強度等を確保するために必要不可欠な元素である。
Ｃｒ含有量が８．０質量％未満では、上記溶接金属の特性を十分に確保することができない。したがって、溶接材料中のＣｒ含有量は８．０質量％以上とし、好ましくは８．１質量％以上とし、より好ましくは８．２質量％以上とする。
一方、Ｃｒはフェライト生成元素であるが、上述の通り、本実施形態ではフェライトの生成を抑制する効果を有するＣｕ含有量を低減しているため、Ｃｒ含有量も適切量にまで制限して、溶接金属の靱性の低下を抑制する必要がある。Ｃｒ含有量が９．５質量％を超えると、溶接金属中にフェライトが析出して靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＣｒ含有量は９．５質量％以下とし、好ましくは９．３質量％以下とし、より好ましくは９．２質量％以下とする。
Ｃｒは、本実施形態に係る溶接材料が使用対象とされる、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼に含有される主要合金元素である。また、Ｃｒは、溶接金属の耐酸化性、耐食性及び強度等を確保するために必要不可欠な元素である。
Ｃｒ含有量が８．０質量％未満では、上記溶接金属の特性を十分に確保することができない。したがって、溶接材料中のＣｒ含有量は８．０質量％以上とし、好ましくは８．１質量％以上とし、より好ましくは８．２質量％以上とする。
一方、Ｃｒはフェライト生成元素であるが、上述の通り、本実施形態ではフェライトの生成を抑制する効果を有するＣｕ含有量を低減しているため、Ｃｒ含有量も適切量にまで制限して、溶接金属の靱性の低下を抑制する必要がある。Ｃｒ含有量が９．５質量％を超えると、溶接金属中にフェライトが析出して靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＣｒ含有量は９．５質量％以下とし、好ましくは９．３質量％以下とし、より好ましくは９．２質量％以下とする。
＜Ｍｏ：０．０２質量％以上０．２０質量％以下＞
Ｍｏ、は鋼中における固溶強化元素であり、溶接金属中に固溶してその強度を向上させる効果を有する。
Ｍｏ含有量が０．０２質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＭｏ含有量は０．０２質量％以上とし、好ましくは０．０３質量％以上とし、より好ましくは０．０４質量％以上とする。
一方、Ｍｏはδフェライトを生成する元素であるが、上述の通り、本実施形態ではフェライトの生成を抑制する効果を有するＣｕ含有量を低減しているため、Ｍｏ含有量も適切量にまで制限して、溶接金属の靱性の低下を抑制する必要がある。Ｍｏ含有量が０．２０質量％を超えると、溶接金属中にフェライトが析出して靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＭｏ含有量は０．２０質量％以下とし、好ましくは０．１５質量％以下とし、より好ましくは０．１２質量％以下とする。
Ｍｏ、は鋼中における固溶強化元素であり、溶接金属中に固溶してその強度を向上させる効果を有する。
Ｍｏ含有量が０．０２質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＭｏ含有量は０．０２質量％以上とし、好ましくは０．０３質量％以上とし、より好ましくは０．０４質量％以上とする。
一方、Ｍｏはδフェライトを生成する元素であるが、上述の通り、本実施形態ではフェライトの生成を抑制する効果を有するＣｕ含有量を低減しているため、Ｍｏ含有量も適切量にまで制限して、溶接金属の靱性の低下を抑制する必要がある。Ｍｏ含有量が０．２０質量％を超えると、溶接金属中にフェライトが析出して靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＭｏ含有量は０．２０質量％以下とし、好ましくは０．１５質量％以下とし、より好ましくは０．１２質量％以下とする。
＜Ｖ：０．０５質量％以上０．９０質量％以下＞
Ｖは、鋼中における析出強化元素であり、溶接金属中に炭窒化物として析出してその強度を向上させる効果を有する。
Ｖ含有量が０．０５質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＶ含有量は０．０５質量％以上とし、好ましくは０．０８質量％以上、より好ましくは０．１０質量％以上とする。
一方、Ｖ含有量が０．９０質量％を超えると、溶接金属の強度が強くなり過ぎて靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＶ含有量は０．９０質量％以下とし、好ましくは０．７５質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下、さらに好ましくは０．３０質量％以下とする。
Ｖは、鋼中における析出強化元素であり、溶接金属中に炭窒化物として析出してその強度を向上させる効果を有する。
Ｖ含有量が０．０５質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＶ含有量は０．０５質量％以上とし、好ましくは０．０８質量％以上、より好ましくは０．１０質量％以上とする。
一方、Ｖ含有量が０．９０質量％を超えると、溶接金属の強度が強くなり過ぎて靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＶ含有量は０．９０質量％以下とし、好ましくは０．７５質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下、さらに好ましくは０．３０質量％以下とする。
＜Ｎｂ：０．００５質量％以上０．１００質量％以下＞
Ｎｂは、鋼中における析出強化元素であり、溶接金属中に炭窒化物として析出してその強度を向上させる効果を有する。
Ｎｂ含有量が０．００５質量％未満では、上記析出強化の効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＮｂ含有量は０．００５質量％以上とし、好ましくは０．０１０質量％以上、より好ましくは０．０２０質量％以上とする。
一方、Ｎｂ含有量が０．１００質量％を超えると、溶接金属の強度が強くなり過ぎて靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＮｂ含有量は０．１００質量％以下とし、好ましくは０．０９質量％以下、より好ましくは０．０８質量％以下、さらに好ましくは０．０７質量％以下とする。
Ｎｂは、鋼中における析出強化元素であり、溶接金属中に炭窒化物として析出してその強度を向上させる効果を有する。
Ｎｂ含有量が０．００５質量％未満では、上記析出強化の効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＮｂ含有量は０．００５質量％以上とし、好ましくは０．０１０質量％以上、より好ましくは０．０２０質量％以上とする。
一方、Ｎｂ含有量が０．１００質量％を超えると、溶接金属の強度が強くなり過ぎて靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＮｂ含有量は０．１００質量％以下とし、好ましくは０．０９質量％以下、より好ましくは０．０８質量％以下、さらに好ましくは０．０７質量％以下とする。
＜Ｗ：１．００質量％以上５．００質量％以下＞
Ｗは、鋼中における固溶強化元素であり、溶接金属中に固溶してその強度を向上させる効果を有する。
Ｗ含有量が１．００質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＷ含有量は１．００質量％以上とし、好ましくは１．１０質量％以上、より好ましくは１．２０質量％以上とする。
一方、Ｗはフェライト生成元素でもあるため、５．００質量％を超えて含有されると、溶接金属中にフェライトが析出して靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＷ含有量は５．００質量％以下とし、好ましくは４．２０質量％以下、より好ましくは３．６０質量％以下とする。
Ｗは、鋼中における固溶強化元素であり、溶接金属中に固溶してその強度を向上させる効果を有する。
Ｗ含有量が１．００質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＷ含有量は１．００質量％以上とし、好ましくは１．１０質量％以上、より好ましくは１．２０質量％以上とする。
一方、Ｗはフェライト生成元素でもあるため、５．００質量％を超えて含有されると、溶接金属中にフェライトが析出して靱性が劣化する。したがって、溶接材料中のＷ含有量は５．００質量％以下とし、好ましくは４．２０質量％以下、より好ましくは３．６０質量％以下とする。
＜Ｎ：０．０２質量％以上０．０４質量％以下＞
Ｎは、鋼中において固溶強化の効果を発揮するとともに、Ｎｂ及びＶと結合して窒化物として析出して、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与する元素である。また、Ｎは、δフェライトの生成を抑制する元素でもある。本実施形態では、耐割れ性の低下を抑制するべくＣｕ含有量を低減しているため、δフェライトの生成を抑制する効果を有するＮを、溶接材料中に所定量以上の含有量で含有させることが効果的である。
Ｎ含有量が０．０２質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＮ含有量は０．０２質量％以上とし、好ましくは０．０２１質量％以上とする。
一方、Ｎは強力なオーステナイト生成元素であり、Ｎ含有量が０．０４質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。したがって、溶接材料中のＮ含有量は０．０４質量％以下とし、好ましくは０．０３８質量％以下、より好ましくは０．０３５質量％以下とする。
Ｎは、鋼中において固溶強化の効果を発揮するとともに、Ｎｂ及びＶと結合して窒化物として析出して、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与する元素である。また、Ｎは、δフェライトの生成を抑制する元素でもある。本実施形態では、耐割れ性の低下を抑制するべくＣｕ含有量を低減しているため、δフェライトの生成を抑制する効果を有するＮを、溶接材料中に所定量以上の含有量で含有させることが効果的である。
Ｎ含有量が０．０２質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＮ含有量は０．０２質量％以上とし、好ましくは０．０２１質量％以上とする。
一方、Ｎは強力なオーステナイト生成元素であり、Ｎ含有量が０．０４質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。したがって、溶接材料中のＮ含有量は０．０４質量％以下とし、好ましくは０．０３８質量％以下、より好ましくは０．０３５質量％以下とする。
＜Ｏ：０．００１質量％以上０．０１５質量％以下＞
Ｏは、溶接金属の溶融時にその溶融金属の界面張力を低下させて、融合不良及びオーバーラップ等の溶接欠陥の発生を防止する効果を有する元素であり、溶接作業性の向上効果を発揮する。
Ｏ含有量が０．００１質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＯ含有量は０．００１質量％以上とし、好ましくは０．００１５質量％以上、より好ましくは０．００２０質量％以上とする。
一方、Ｏ含有量が０．０１５質量％を超えると、溶融金属の界面張力が低くなりすぎて、ビード外観が不良になり、更に溶融金属中に脱酸生成物が多量に生じて、溶接金属中に残留してその靱性を劣化させる。したがって、溶接材料中のＯ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１４質量％以下、さらに好ましくは０．０１３質量％以下、特に好ましくは０．０１２質量％以下とする。
Ｏは、溶接金属の溶融時にその溶融金属の界面張力を低下させて、融合不良及びオーバーラップ等の溶接欠陥の発生を防止する効果を有する元素であり、溶接作業性の向上効果を発揮する。
Ｏ含有量が０．００１質量％未満では、上記効果を十分に得ることができない。したがって、溶接材料中のＯ含有量は０．００１質量％以上とし、好ましくは０．００１５質量％以上、より好ましくは０．００２０質量％以上とする。
一方、Ｏ含有量が０．０１５質量％を超えると、溶融金属の界面張力が低くなりすぎて、ビード外観が不良になり、更に溶融金属中に脱酸生成物が多量に生じて、溶接金属中に残留してその靱性を劣化させる。したがって、溶接材料中のＯ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１４質量％以下、さらに好ましくは０．０１３質量％以下、特に好ましくは０．０１２質量％以下とする。
＜Ｃｕ：０．０５質量％未満（０質量％を含む）＞
Ｃｕは、オーステナイト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすδフェライトの生成を抑制する効果を有する。
Ｃｕ含有量が０．０５質量％以上であると、溶接金属の耐割れ性が劣化するとともに、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。本実施形態では、δフェライトの生成を促進するＭｏ及びＣｒの含有量を適切に調整しているため、Ｃｕ含有量を低減したとしても、靱性の低下を抑制しつつ、溶接金属の耐割れ性を向上させることができる。したがって、溶接材料中のＣｕ含有量は０．０５質量％未満とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以下とする。
Ｃｕは、オーステナイト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすδフェライトの生成を抑制する効果を有する。
Ｃｕ含有量が０．０５質量％以上であると、溶接金属の耐割れ性が劣化するとともに、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。本実施形態では、δフェライトの生成を促進するＭｏ及びＣｒの含有量を適切に調整しているため、Ｃｕ含有量を低減したとしても、靱性の低下を抑制しつつ、溶接金属の耐割れ性を向上させることができる。したがって、溶接材料中のＣｕ含有量は０．０５質量％未満とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以下とする。
＜Ｎｉ：１．２０質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすフェライトの生成を抑制する効果を有する。
Ｎｉ含有量が１．２０質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。本実施形態では、δフェライトの生成を促進するＭｏ及びＣｒの含有量を調整しているため、溶接材料中に所定量以上のＮｉが含有されない場合であっても、溶接金属の所望の靱性を十分に確保することができる。したがって、溶接材料中のＮｉ含有量は１．２０質量％以下とし、好ましくは１．００質量％以下、より好ましくは０．９０質量％以下とする。
なお、溶接金属の靱性をより高めるためには、溶接材料中のＮｉ含有量は０．０５質量％以上とすることが好ましい。
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすフェライトの生成を抑制する効果を有する。
Ｎｉ含有量が１．２０質量％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ強度が低下する。本実施形態では、δフェライトの生成を促進するＭｏ及びＣｒの含有量を調整しているため、溶接材料中に所定量以上のＮｉが含有されない場合であっても、溶接金属の所望の靱性を十分に確保することができる。したがって、溶接材料中のＮｉ含有量は１．２０質量％以下とし、好ましくは１．００質量％以下、より好ましくは０．９０質量％以下とする。
なお、溶接金属の靱性をより高めるためには、溶接材料中のＮｉ含有量は０．０５質量％以上とすることが好ましい。
＜Ｐ：０．０１５質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｐは、高温割れを高める元素であり、溶接金属の形成過程におけるような凝固温度範囲及びその直下の温度では、特に割れを発生させやすいため、Ｐ含有量を制限する必要がある。また、本実施形態においては、Ｐ同様に高温割れ感受性を高めるＳを積極的に添加しているため、この点も考慮する必要がある。したがって、溶接材料中のＰ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
Ｐは、高温割れを高める元素であり、溶接金属の形成過程におけるような凝固温度範囲及びその直下の温度では、特に割れを発生させやすいため、Ｐ含有量を制限する必要がある。また、本実施形態においては、Ｐ同様に高温割れ感受性を高めるＳを積極的に添加しているため、この点も考慮する必要がある。したがって、溶接材料中のＰ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
＜Ｂ：０．００５質量％以上０．０１５質量％以下＞
本実施形態に係る溶接材料は、さらに任意成分として、Ｂ：０．００５質量％以上０．０１５質量％以下を含有することが好ましい。
Ｂは、鋼中において結晶粒界の炭化物の粗大化を抑制するため、Ｂを含有させることにより溶接金属のクリープ強度をより一層向上させることができる。
Ｂ含有量が０．００５質量％以上であれば、上記効果を効果的に得ることができる。したがって、溶接材料中のＢは０．００５質量％以上とすることが好ましく、０．００６質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｂ含有量が０．０１５質量％以下であれば、溶接金属の強度が強くなりすぎて、そのために靱性が低下することを効果的に抑制できる。したがって、溶接材料中にＢを含有させる場合には、Ｂ含有量は０．０１５質量％以下であり、好ましくは０．０１３質量％以下、より好ましくは０．０１２質量％とする。
本実施形態に係る溶接材料は、さらに任意成分として、Ｂ：０．００５質量％以上０．０１５質量％以下を含有することが好ましい。
Ｂは、鋼中において結晶粒界の炭化物の粗大化を抑制するため、Ｂを含有させることにより溶接金属のクリープ強度をより一層向上させることができる。
Ｂ含有量が０．００５質量％以上であれば、上記効果を効果的に得ることができる。したがって、溶接材料中のＢは０．００５質量％以上とすることが好ましく、０．００６質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｂ含有量が０．０１５質量％以下であれば、溶接金属の強度が強くなりすぎて、そのために靱性が低下することを効果的に抑制できる。したがって、溶接材料中にＢを含有させる場合には、Ｂ含有量は０．０１５質量％以下であり、好ましくは０．０１３質量％以下、より好ましくは０．０１２質量％とする。
＜Ａｌ：０．０１５質量％以下（０質量％を含む）＞
本実施形態に係る溶接材料は、さらに任意成分としてＡｌが含有される場合には、Ａｌ：０．０１５質量％以下に規制することが好ましい。
Ａｌは、溶接金属の溶融時に強力な脱酸剤として作用する元素である。
Ａｌ含有量が０．０１５質量％以下であれば、脱酸が過剰となり、溶接金属の強度が強くなりすぎて、靱性が低下することを効果的に抑制できる。したがって、溶接材料中のＡｌ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
本実施形態に係る溶接材料は、さらに任意成分としてＡｌが含有される場合には、Ａｌ：０．０１５質量％以下に規制することが好ましい。
Ａｌは、溶接金属の溶融時に強力な脱酸剤として作用する元素である。
Ａｌ含有量が０．０１５質量％以下であれば、脱酸が過剰となり、溶接金属の強度が強くなりすぎて、靱性が低下することを効果的に抑制できる。したがって、溶接材料中のＡｌ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
＜Ｔｉ：０．０１５質量％以下（０質量％を含む）＞
本実施形態に係る溶接材料は、さらに任意成分としてＴｉが含有される場合には、Ｔｉ：０．０１５質量％以下に規制することが好ましい。
Ｔｉは、フェライト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすフェライトを溶接金属中に析出させる。更に、ＴｉはＮｂ及びＶと同様に強力な炭化物形成元素であり、Ｃと結合して針状の炭化物となって溶接金属中に析出する。この形態の炭化物は溶接金属の靱性を著しく低下させるので、Ｔｉ含有量を制限する、具体的には、Ｔｉ含有量が０．０１５質量％以下とすることが効果的である。したがって、溶接材料中のＴｉ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
本実施形態に係る溶接材料は、さらに任意成分としてＴｉが含有される場合には、Ｔｉ：０．０１５質量％以下に規制することが好ましい。
Ｔｉは、フェライト生成元素であり、靱性に悪影響を及ぼすフェライトを溶接金属中に析出させる。更に、ＴｉはＮｂ及びＶと同様に強力な炭化物形成元素であり、Ｃと結合して針状の炭化物となって溶接金属中に析出する。この形態の炭化物は溶接金属の靱性を著しく低下させるので、Ｔｉ含有量を制限する、具体的には、Ｔｉ含有量が０．０１５質量％以下とすることが効果的である。したがって、溶接材料中のＴｉ含有量は０．０１５質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下、より好ましくは０．００８質量％以下とする。
＜残部＞
本実施形態に係る溶接材料の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｚｒがある。
なお、本実施形態に係る溶接材料は、Ｆｅ含有量が溶接材料の全質量に対し、７５質量％以上とすることが好ましく、７８質量％以上とすることがより好ましい。
本実施形態に係る溶接材料の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｚｒがある。
なお、本実施形態に係る溶接材料は、Ｆｅ含有量が溶接材料の全質量に対し、７５質量％以上とすることが好ましく、７８質量％以上とすることがより好ましい。
［溶接材料について］
本実施形態の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、周知の製造方法により、例えば、溶加棒、ガスタングステンアーク溶接用のフィラーワイヤ、及び被覆アーク溶接用の溶接棒の芯線等に加工することができる。また、本実施形態の溶接材料は、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を溶接する場合に、ティグ溶接、マグ溶接及びサブマージアーク溶接のうちいずれの溶接においても使用することができる。
本実施形態の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、周知の製造方法により、例えば、溶加棒、ガスタングステンアーク溶接用のフィラーワイヤ、及び被覆アーク溶接用の溶接棒の芯線等に加工することができる。また、本実施形態の溶接材料は、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を溶接する場合に、ティグ溶接、マグ溶接及びサブマージアーク溶接のうちいずれの溶接においても使用することができる。
なお、本実施形態に係る溶接材料を使用して溶接した場合において、得られる溶接金属中の各成分の含有量が、本実施形態に係る溶接材料における各元素の含有量の範囲内であれば、上記で説明した本実施形態の効果を得ることができる。
以下、発明例及び比較例を挙げて本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
［ワイヤの製造］
下記表１に示す成分組成（残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物）を有する鋼塊を溶製し、これに熱間圧延及び冷間伸線を施して、直径１．６ｍｍの溶接ワイヤを製作した。なお、表１に示す各化学成分の含有量は、ワイヤ全質量あたりの含有量（質量％）である。
下記表１に示す成分組成（残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物）を有する鋼塊を溶製し、これに熱間圧延及び冷間伸線を施して、直径１．６ｍｍの溶接ワイヤを製作した。なお、表１に示す各化学成分の含有量は、ワイヤ全質量あたりの含有量（質量％）である。
［溶接］
次に、上記溶接ワイヤを使用して、軟鋼の鋼板に対してバタリングを行い、開先加工した後に、開先内を自動ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ：Ｇａｓ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）した。その後、７４０〜７６０℃の温度で溶接後熱処理（ＰＷＨＴ：Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を実施した。溶接条件を以下に示す。
次に、上記溶接ワイヤを使用して、軟鋼の鋼板に対してバタリングを行い、開先加工した後に、開先内を自動ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ：Ｇａｓ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）した。その後、７４０〜７６０℃の温度で溶接後熱処理（ＰＷＨＴ：Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を実施した。溶接条件を以下に示す。
（溶接条件）
母材の板厚：１２ｍｍ
開先角度、形状：４５°、Ｖ型
ルート間隔：６．５ｍｍ
ワイヤ径：１．６ｍｍ
電流：２２０〜２４０Ａ／２３０Ａ
電圧：１０〜１２Ｖ／１１Ｖ
溶接速度：８〜１０ｃｍ／ｍｉｎ
ガスの種類、流量：１００％Ａｒ、２５リットル／ｍｉｎ
ワイヤ送給量：８ｇ／ｍｉｎ
予熱・パス間温度：２５０〜３００℃
積層法：６〜７層９〜１３パス
母材の板厚：１２ｍｍ
開先角度、形状：４５°、Ｖ型
ルート間隔：６．５ｍｍ
ワイヤ径：１．６ｍｍ
電流：２２０〜２４０Ａ／２３０Ａ
電圧：１０〜１２Ｖ／１１Ｖ
溶接速度：８〜１０ｃｍ／ｍｉｎ
ガスの種類、流量：１００％Ａｒ、２５リットル／ｍｉｎ
ワイヤ送給量：８ｇ／ｍｉｎ
予熱・パス間温度：２５０〜３００℃
積層法：６〜７層９〜１３パス
［評価］
更に、下記表２に示す温度及び時間でのＰＷＨＴ後の溶接金属について、次の各種試験を行い、溶接金属の高温強度、靱性及び耐割れ性を評価するとともに、金属組織を観察した。各種試験の評価結果を下記表２に併せて示す。
更に、下記表２に示す温度及び時間でのＰＷＨＴ後の溶接金属について、次の各種試験を行い、溶接金属の高温強度、靱性及び耐割れ性を評価するとともに、金属組織を観察した。各種試験の評価結果を下記表２に併せて示す。
＜高温強度＞
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ＪＩＳ Ｚ３１１１に準じて６５０℃での高温引張試験を実施し、０．２％耐力（０．２％ＹＳ）を測定した。なお、得られた値が２８０ＭＰａ以上のものを評価：◎（優良）、２５０ＭＰａ以上２８０ＭＰａ未満のものを評価：〇（良）、２５０ＭＰａ未満のものを評価：×（不良）とした。
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ＪＩＳ Ｚ３１１１に準じて６５０℃での高温引張試験を実施し、０．２％耐力（０．２％ＹＳ）を測定した。なお、得られた値が２８０ＭＰａ以上のものを評価：◎（優良）、２５０ＭＰａ以上２８０ＭＰａ未満のものを評価：〇（良）、２５０ＭＰａ未満のものを評価：×（不良）とした。
＜靱性＞
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準じて２０℃でシャルピー衝撃試験を実施することにより、吸収エネルギーｖＥ（Ｊ）を測定し、靱性を評価した。なお、測定により得られた吸収エネルギーが６０Ｊ以上のものを評価：◎（優良）、２７Ｊ以上６０Ｊ未満のものを評価：〇（良）、２７Ｊ未満のものを評価：×（不良）とした。
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準じて２０℃でシャルピー衝撃試験を実施することにより、吸収エネルギーｖＥ（Ｊ）を測定し、靱性を評価した。なお、測定により得られた吸収エネルギーが６０Ｊ以上のものを評価：◎（優良）、２７Ｊ以上６０Ｊ未満のものを評価：〇（良）、２７Ｊ未満のものを評価：×（不良）とした。
＜耐割れ性＞
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ミクロ組織観察で割れの有無を確認することにより、耐割れ性を評価した。なお、ミクロ組織観察により、割れが無かったものを合格とした。
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ミクロ組織観察で割れの有無を確認することにより、耐割れ性を評価した。なお、ミクロ組織観察により、割れが無かったものを合格とした。
＜金属組織＞
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ミクロ組織観察における最終パスの原質部でδフェライトの面積率を測定することで金属組織の健全性を評価した。δフェライトの面積率が２％未満のものをδフェライト無しと判断し、合格とした。一方、δフェライトの面積率が２％以上のものをδフェライト有りと判断し、不合格とした。
ＰＷＨＴ後の溶接金属について、ミクロ組織観察における最終パスの原質部でδフェライトの面積率を測定することで金属組織の健全性を評価した。δフェライトの面積率が２％未満のものをδフェライト無しと判断し、合格とした。一方、δフェライトの面積率が２％以上のものをδフェライト有りと判断し、不合格とした。
表１及び２に示すように、発明例１〜６は、溶接材料（ワイヤ）中の全ての化学成分の含有量が本発明の範囲内であるため、これらのワイヤを使用して溶接した結果、δフェライトの発生が抑制され、靱性、耐割れ性及び高温強度のいずれもが良好である溶接金属を得ることができた。
一方、比較例１、３及び４は、ワイヤ中のＭｏ含有量及びＮ含有量が本発明範囲の下限未満であるため、発明例と比較して高温強度が低下した。
また、比較例２は、ワイヤ中のＭｏ含有量及びＮ含有量が本発明範囲の下限未満であって、高温強度を向上させるＢ含有量が本発明の好ましい範囲の上限を超えているため、高温強度の低下は抑制されたが、靱性が低下した。
さらに、比較例５〜７は、ワイヤ中のＭｏ含有量が本発明範囲の上限を超えているため、溶接金属中にδフェライトが析出して靱性が劣化するとともに、耐割れ性が低下した。
以上詳述したように、本発明によれば、軟質組織であるδフェライトの発生を抑制し、これにより、靱性を向上させるとともに、耐割れ性及び高温強度が良好である溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料を提供することができる。
Claims (3)
- Ｃ：０．０１質量％以上０．１５質量％以下、
Ｓｉ：０．０２質量％以上０．９０質量％以下、
Ｍｎ：０．２０質量％以上１．２０質量％以下、
Ｓ：０．０００５質量％以上０．０１５質量％以下、
Ｃｏ：０．５０質量％以上５．００質量％以下、
Ｃｒ：８．０質量％以上９．５質量％以下、
Ｍｏ：０．０２質量％以上０．２０質量％以下、
Ｖ：０．０５質量％以上０．９０質量％以下、
Ｎｂ：０．００５質量％以上０．１００質量％以下、
Ｗ：１．００質量％以上５．００質量％以下、
Ｎ：０．０２質量％以上０．０４質量％以下、
Ｏ：０．００１質量％以上０．０１５質量％以下を含有し、
Ｃｕ：０．０５質量％未満、
Ｎｉ：１．２０質量％以下、
Ｐ：０．０１５質量％以下であり、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料。 - 前記Ｎｉは０．０５質量％以上１．２０質量％以下である、請求項１に記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料。
- さらに、Ｂ：０．００５質量％以上０．０１５質量％以下を含有し、
Ａｌ：０．０１５質量％以下、
Ｔｉ：０．０１５質量％以下である、請求項１又は２に記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用溶接材料。
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