JP2021049583A - 厚肉鋼材のアーク溶接用の高クロムクリープ抵抗性溶接金属 - Google Patents

厚肉鋼材のアーク溶接用の高クロムクリープ抵抗性溶接金属 Download PDF

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Abstract

【課題】 厚肉鋼材のアーク溶接用の高クロムクリープ抵抗性溶接金属を提供する。【解決手段】 鋼溶接金属組成物は、１０．７５〜１２．００重量％のクロム、０．０９〜０．１３重量％の炭素、０．２〜０．５重量％のマンガン、０．１〜０．３重量％のケイ素、０．２〜０．７重量％のニッケル、０．１〜０．５重量％のモリブデン、０．８〜１．２重量％のコバルト、０．０３〜０．０８重量％のニオブ、０．８〜１．２重量％のタングステン、０．３〜０．８重量％の銅、０．１０〜０．１５重量％のバナジウム、０．０１〜０．０５重量％のチタン、０．００５〜０．０１０重量％のホウ素、０．００５〜０．０１５重量％の窒素を含むことが可能であり、鋼溶接金属組成物の残部が鉄及び不可避の不純物である。アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法も記載される。高クロムクリープ抵抗性鋼溶接金属組成物を製造する消耗アーク放電溶接電極も記載される。【選択図】図１

Description

高クロムクリープ抵抗性鋼溶接金属組成物が提供される。アーク放電溶接プロセスによって加工物上に高クロムクリープ抵抗性鋼溶接金属組成物を堆積させる方法も提供される。高クロムクリープ抵抗性鋼溶接金属組成物を製造する消耗アーク放電溶接電極も提供される。
マルテンサイト高クロム鋼材料は、発電産業又は化学及び石油化学産業において広く使用されている。特に、マルテンサイト高クロム鋼は、プレート、パイプ、鍛造品及び鋳造構成部品を含めて厚肉部材において使用されている。ボイラーヘッダー、配管、バルブ及びケーシングのこれらの構成部品は、高い作業温度と、それと同時に生じる圧力負荷を受ける。高クロム鋼の構成及び修理はアーク溶接を広範囲に使用し、そして溶接継手は、母材鋼の酸化／腐食抵抗及びクリープ強度に適合しなければならない。高クロム、マルテンサイト厚肉アーク溶接部材は、通常、マルテンサイト焼戻し及び残余応力除去のために溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を受け、それによって、継ぎ目の延性が回復し、そしてクリープ強化炭化物／炭窒化物の最も適切な組合せが形成される。
高温での適用のために、約９重量％のクロム含有量を有する鋼組成物が広く使用されてきた。しかしながら、これらの組成物では、６２０℃より高い温度で蒸気雰囲気中、不十分な酸化抵抗性が生じ、それによって、それらの適用温度範囲は有意に制限される。特に、熱輸送を伴う化石燃料ボイラー構成部品において、酸化物スケールは断熱材として作用し、それによって鋼温度が増加し、従って、対応する構成部品の寿命が低下する。さらに、酸化物スケールは、作動間に剥離した場合、次に続く蒸気を運搬する構成部品上に浸食損傷を引き起こすであろう。剥離した酸化物スケールは閉鎖を引き起こし得、しばしば蒸気流を妨げ、局所的加熱及び壊滅的破損をもたらし得る。
高クロム含有量、すなわち、９重量％より多いクロムの含有は、良好な蒸気酸化抵抗のために欠くことができない。約１１〜１２％のクロム含有量は、現在、６５０℃までの作業温度を可能にすると見なされており、これによって発電所効率が有意に引き上げられている。しかしながら、そのようなクロム含有量は、Ｚ相形成に関する推進力を増加させる。Ｚ相は急速に粗大化し、それによって、周囲の強化ＭＸ沈殿物を消費する複合窒化物であり、主に９〜１２％Ｃｒ鋼のクリープ強度に寄与する（Ｍはニオブ又はバナジウムであり、且つＸは炭素又は窒素である）。高クロム含有量も炭化クロム沈殿物の粗大化速度を増加させる。ＭＸ及び炭化クロム沈殿物の微細構造安定作用の喪失の両方とも、マルテンサイト（Ｃｒ＞１１％を有する）高クロム熱抵抗性鋼グレードの長期のクリープ破断強度の低下の原因となる。
高温材料のクリープ挙動及びクリープ特性の低下は、高温応力下、長期間作動するよう設計された構成部品及び構造の寿命を制限する。クリープは、高温で最もしばしば生じる、加荷重下での材料の時間依存性変形である。材料の構造変化は、通常、クリープを促進し、続いて、粒間クリープ損傷の出現速度を加速させる。クリープは、弱化しない場合、破裂をもたらし、そして構成部品の寿命に有意な影響を与える。
高い作業温度、酸化及び腐食抵抗性並びにクリープ強度を必要とする鋼部材を溶接するために使用可能であるマルテンサイト鋼組成物中でのクロム含有量の制限の観点において、電力工学的用途で厚肉溶接構成のために使用される高クロム鋼が必要とされている。
高クロムクリープ抵抗性鋼溶接金属組成物が提供される。アーク放電溶接プロセスによって加工物上に高クロムクリープ抵抗性鋼溶接金属組成物を堆積させる方法も提供される。
一実施形態において、鋼溶接金属組成物は、１０．７５〜１２．００重量％のクロム（Ｃｒ）、０．０９〜０．１３重量％の炭素（Ｃ）、０．２〜０．５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．１〜０．３重量％のケイ素（Ｓｉ）、０．２〜０．７重量％のニッケル（Ｎｉ）、０．１〜０．５重量％のモリブデン（Ｍｏ）、０．８〜１．２重量％のコバルト（Ｃｏ）、０．０３〜０．０８重量％のニオブ（Ｎｂ）、０．８〜１．２重量％のタングステン（Ｗ）、０．３〜０．８重量％の銅（Ｃｕ）、０．１０〜０．１５重量％のバナジウム（Ｖ）、０．０１〜０．０５重量％のチタン（Ｔｉ）、０．００５〜０．０１０重量％のホウ素（Ｂ）及び０．００５〜０．０１５重量％の窒素（Ｎ）を含んでなり；鋼溶接金属組成物の残部は鉄（Ｆｅ）及び不可避の不純物である。
別の実施形態において、アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法は、ａ）アーク放電によって消耗電極を少なくとも部分的に融解し、そして融解した鋼溶接金属組成物を加工物上に堆積させることと；ｂ）前記融解した鋼溶接金属組成物を冷却及び固化して、堆積された鋼溶接金属組成物を加工物上に形成することと；ｃ）堆積された鋼溶接金属組成物を７４０〜７６０℃の温度で熱処理することとを含んでなり、鋼溶接金属組成物が、１０．７５〜１２．００重量％のＣｒ、０．０９〜０．１３重量％のＣ、０．２〜０．５重量％のＭｎ、０．１〜０．３重量％のＳｉ、０．２〜０．７重量％のＮｉ、０．１〜０．５重量％のＭｏ、０．８〜１．２重量％のＣｏ、０．０３〜０．０８重量％のＮｂ、０．８〜１．２重量％のＷ、０．３〜０．８重量％のＣｕ、０．１０〜０．１５重量％のＶ、０．０１〜０．０５重量％のＴｉ、０．００５〜０．０１０重量％のＢ及び０．００５〜０．０１５重量％の（Ｎ）を含んでなり；鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である。
本発明の特定の実施形態は、特定の部品の物理的形態及び部品の配列であってよく、その好ましい実施形態は本明細書において説明され、そしてその一部を形成する添付の図面において例示されるであろう。
アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法の代表的且つ非限定的な実施形態の工程系統図である。
本発明の一実施形態は、種々の消耗物によって堆積される鋼溶接金属組成物を含み得る。消耗物を堆積させるために、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）法及びそれらの組合せなどの種々の溶接プロセスが使用されてよい。鋼溶接金属組成物は、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）及び潜在的な追加要素を含んでなる。
本発明の別の実施形態は、極端に長い期間において良好なクリープ特徴を示し、且つ高い使用温度に意図される鋼溶接金属組成物を含み得る。この組成物は、強度、強靭性などを含む、優れた酸化及び腐食抵抗性をさらに示す。本開示の鋼溶接金属組成物は、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）による使用に意図されている。本鋼溶接金属組成物は、クリープ抵抗性であり、且つ構造が高温において連続使用を受ける発電産業又は化学及び石油化学産業において使用され得る、高いクロム含有量を有する溶接構造、例えば、厚肉部材中に含まれ得る。
本明細書に記載される定義及び方法は、本発明の実施形態をより良好に定義するため、そして実施形態の実施において当業者を導くために提供される。別途記載がない限り、用語は、関連技術の技術者によって、従来の使用に従って理解されるであろう。
別途示されない限り、本明細書及び関連請求項において使用される成分の量、反応条件などを表す全ての数値は、全ての例において、「約」という用語によって修飾されると理解されるべきである。従って、それと反対に示されない限り、次に続く明細書及び関連請求項において明らかにされた数値パラメーターは近似値であり、これは、本発明の実施形態によって得られるように求められる所望の特性次第で変動し得る。少なくとも、そして特許請求の範囲への等価物の教義の適用を限定する試みとしてではなく、それぞれの数値パラメーターは、少なくとも報告された有効数字の数値に関して、そして通常の切上げ技術を適用することによって解釈されるべきである。
いくつかの実施形態において、（特に特定の追従する請求項に関連して）特定の実施形態の記載に関連して使用される特定の「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」及び「ｔｈｅ」という用語及び類似の用途は、別途特に注記されない限り、単数及び複数の両方を含むように解釈されることができる。いくつかの実施形態において、「又は（ｏｒ）」という用語は、請求項を含めて本明細書で使用される場合、別途明示されない限り、「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」を意味するように使用され、選択肢のみを参照するか、又は選択肢が相互排他的である。
「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」という用語は、非制限的な連結動詞である。「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」などのこれらの動詞の１つ又は複数のいずれの形態又は時制も非制限的である。例えば、１つ又は複数のステップを「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」か、「有する（ｈａｓ）」か又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」いずれの方法も、それらの１つ又は複数のステップのみを有することに制限されず、そして他の記載されていないステップも含むことが可能である。同様に、１つ又は複数の特徴を「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」か、「有する（ｈａｓ）」か又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」いずれの組成物又はデバイスも、それらの１つ又は複数の実施形態のみを有することに制限されず、そして他の記載されていない実施形態も含むことが可能である。
本明細書に記載される全ての方法は、本明細書中で別途明示されない限り、又は文脈上明白に否定されない限り、いずれかの適切な順番で実行可能である。本明細書の特定の実施形態に関して提供される、いずれかの及び全ての例、又は例示的用語（例えば、「など（ｓｕｃｈ ａｓ）」）の使用は、本発明のより良好な例示のみを意図し、別途請求される本発明の範囲を制限するものではない。明細書中の用語は、請求されない要素が本発明の実施に欠くことができないことを示していると解釈されるべきではない。
本明細書中に開示される別の要素又は実施形態のグループ化は、制限するものとして解釈されない。各グループ員は、個々に、又は本明細書に見出されるグループ又は他の要素の他の員とのいずれかの組合せで記載され、且つ請求されることが可能である。グループの１つ又は複数の員が、便宜上又は特許性の理由のため、グループに含まれるか、又はそれから削除されることができる。そのようないずれかの包含又は削除が生じる場合、本明細書は、変性としてグループを含有すると見なされ、従って、添付の請求項において使用される全てのＭａｒｋｕｓｈグループの記載を完全に達成する。
実施形態を詳細に説明したが、添付の請求項において定義される本発明の実施形態の範囲を逸脱することなく、修正、変形及び同等の実施形態が可能であることは明らかであろう。さらに、実施形態の全ての例が、非限定的な実施例として提供されることは理解されるべきである。
実施形態の追加的な特徴及び要素は、添付の記載及び特許請求の範囲を参照することによって、より良好に理解されるであろう。
鋼溶接金属組成物
クロム：
マルテンサイトの安定化によって鋼のクリープ破断強度を改善するためにクロムは不可欠な要素であり、且つ鋼に満足なレベルの熱腐食（酸化）抵抗性を与えるためにも添加される。クロムは持続的高温酸化抵抗性に関して安定な酸化物スケールの形成において不可欠な要素であるため、クロムは炭化物の形成の主要成分でもあり、またマトリックス中に溶解している。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のクロム含有量は１０．７５〜１２．００重量％であってよい。そのような含有量によって、アーク溶接の実際的に興味深い、いずれの冷却速度においても融解状態からの冷却時に鋼のマルテンサイト構造が得られる。
炭素：
炭素をＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ｎ及びＮｂと組み合わせて、炭化物／炭窒化物相を形成し、これによって、高温における長期曝露下での極小構造安定性の増加によって、改善された高温クリープ強度が得られる。炭素含有量の増加によって、高温使用に関する適用性は減少する。さらに、高い量の炭素によって炭化物／炭窒化物の体積分率は増加し、鋼の延性は減少し、そして硬度は望ましくないレベルまで増加し、それによって、成形性及び溶接性は低下する。従って、濃度が低過ぎる炭素によって、マトリックスは炭化物が少ない状態のままとなり、そして過剰量の炭化物形成要素によって、Ｌａｖｅｓ及びＺ相などの望ましくない相の形成が導かれる可能性がある。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物の炭素含有量は０．０９〜０．１３重量％であってよい。
マンガン：
マンガンは有効な脱酸素要素である。それによって融解の間に熱成形性が改善されて、そしてリン及び硫黄などの不純物の除去が容易となる。マンガンは硫黄と結合し、フェライト形成を減少させる。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のマンガン含有量は０．２〜０．５重量％であってよい。
ケイ素：
ケイ素は脱酸化剤であり、溶接性を改善して、そして蒸気酸化に対する抵抗性を増加させる。高濃度のケイ素は、高温強度及び特にクリープ破断強度を減少させる。またケイ素は、優先的には粒子境界において分離し、強靭性を減少させる。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のケイ素含有量は０．１〜０．３重量％であってよい。
ニッケル：
ニッケルはマルテンサイト構造を安定化させ、そしてフェライトの形成を抑制する。しかしながら、それは強靭性を改善し、ニッケル含有量が高いほどクリープ抵抗性が減少する。さらに、ニッケル含有量の増加は費用面での有意な影響を有する。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のニッケル含有量は０．２〜０．７重量％であってよい。
モリブデン：
モリブデンは、固体溶液及び沈殿強化の要因であり、且つクリープ破断強度を改善する。モリブデンは、フェライト安定化要素でもある。モリブデンの添加は慎重に制御されなければならない。高含有量のモリブデンは強靭性を悪化させて、そして高温環境での使用寿命の間のフェライト含有量の増加を引き起こし得る。さらに、高濃度のモリブデンは効果的に均質化することが困難である可能性があり、このことは、化学的性質の位置の制御を得る能力を抑制する。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のモリブデン含有量は０．１〜０．５重量％であってよい。
コバルト：
コバルトは、鋼中のオーステナイト安定化要素であり、そして低温度で有害なデルタフェライトの保留を制限することにおいて有用である。それは、固体溶液強化によって、クリープ破断強度を増加させる。低濃度のコバルトは、焼戻し軟化に対する抵抗性を強化する効果を有する。逆に、高い量のコバルトは、高温作動間に金属間の相の強化された沈殿のため、脆化を誘発し得る。高濃度のＣｏは均質化することが困難である可能性があり、このことは、化学的性質の位置の制御を得る能力を抑制する。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のコバルト含有量は０．８〜１．２重量％であってよい。
ニオブ：
ニオブは炭素（及び窒素）と結合して、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）などの微細沈殿物が形成される。これは、クリープ破断強度を改善するために効果的である。さらに、ニオブリッチの沈殿物は鋼粒子構造を改善し、そしてオーステナイトの粒子がオーステナイト化熱処理の間に過度に粗大化するのを防ぐように補助する。添加されるニオブの量が少なすぎる場合、沈殿物の体積分率は低く、そして気付かれる効果は最小である。しかしながら、ニオブ含有量を増加させることによって他の窒化物の沈殿が抑制され得、クリープ破断抵抗性に関して効率的なバナジウム沈殿物が減少し、マトリックス中の炭素が消費され、それによって、マルテンサイトラス数密度、並びにＭ２３Ｃ６などの他の炭化物沈殿物の数密度は減少し、そして長期クリープ破断抵抗性が減少し得る。さらに、高いニオブ含有量は一次炭化物形成を促進する可能性があり、その径は過度に大きい可能性があり、それによって使用中の極小構造上の損傷が促進される。高濃度のニオブは均質化することが困難である可能性があり、このことは、化学的性質の位置の制御を得る能力を抑制する。少量で添加されたニオブは窒化バナジウム中に溶解可能であり、従って、窒化バナジウムの安定性を改善することができる。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のニオブ含有量は０．０３〜０．０８重量％であってよい。
タングステン：
タングステンは溶液強化剤である。タングステンは炭化物中に組み込まれ、そしてクリープ強度強化及び長期安定性に寄付する。しかしながら、この要素は高価であり、そして高い量は、鋼製造及び鋳造プロセスの間の強い分離を導き得、そして有意な脆化を導く金属間層の形成をもたらし得る。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のタングステン含有量は０．８〜１．２重量％であってよい。
銅：
銅はオーステナイト安定剤であり、且つクエンチ後にマルテンサイト構造を効果的に安定させるために添加されてよい。銅は有害なデルタフェライトを抑制し、そして置換によるマトリックス強化、並びに銅リッチＦＣＣ相の形態での沈殿物強化を提供し得る。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物の銅含有量は０．３〜０．８重量％であってよい。
バナジウム：
バナジウムは炭素（及び窒素）と結合して、微細分散沈殿物が形成される。これは、長期間高温で安定であり、且つ長期クリープ特性を改善するために効果的である。高い量のバナジウムはフェライトの形成を増加させ、そして炭化物の他の形態の生成を減少させる傾向がある。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のバナジウム含有量は０．１０〜０．１５重量％であってよい。
チタン：
チタンは炭化物を形成し、そして溶接金属のクリープ破断特徴の改善に寄与し得る。高いチタン含有量は炭化物の沈殿を促進し、そして粒子間強度を劇的に増加させ、それによって、溶接金属の応力除去亀裂抵抗性を減少させる。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のチタン含有量は０．０１〜０．０５重量％であってよい。
ホウ素：
ホウ素は、炭化物の粗大化を抑制することによって、炭化物沈殿物を安定化させる。またホウ素は境界において分離し、境界を強化し、高温におけるクリープ抵抗性を強化する。高い量のホウ素は、鋼内でのホウ素の適切な分散のために、より高いオーステナイト化温度の使用を必要とし、これは次いで、粒径の増加を導き、それによって粗大化窒化ホウ素相の形成によって、延性及び強靭性などの機械的特性が低下する。さらに、高い量のホウ素は熱加工性に悪影響を与える。特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物のホウ素含有量は０．００５〜０．０１０重量％であってよい。
鋼溶接金属組成物の成分は上記されており、そして残余又は残部としては鉄及び不可避の不純物が含まれる。不可避の不純物としては、原材料、再原料及び製造設備を含む、条件次第で溶接金属中に捕捉されことが可能である要素（例えば、Ｐ、Ｓなど）が含まれてよい。
一実施形態において、鋼溶接金属組成物は、約１１重量％のＣｒを含んでなっていてよく、且つ６５０℃までにおいて優れた酸化及び腐食特性を有し得る。加えて、鋼溶接金属組成物は、クリープ強化沈殿物の分解を遅らせるために、極端に低い窒素含有量（約０．０１５０重量％未満）を有する。より特に、鋼溶接金属組成物は、極端に長いクリープ寿命（例えば１０００００時間）において十分なクリープ強度を保証するように、窒素制御含有量によって設計される。さらに、特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、既存のクロム含有マルテンサイト鋼を超える短期静的引張特性を有する。
別の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、約１０．８５〜約１１．５０重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２〜約０．４重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．２〜約０．５重量％のＮｉ、約０．２〜約０．４重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０７重量％のＮｂ、約０．９〜１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００６〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり得；鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である。
別の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、約１０．９５〜約１１．２５重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２５〜約０．３５重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．３５〜約０．４５重量％のＮｉ、約０．２５〜約０．３５重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０６重量％のＮｂ、約０．９〜約１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００７〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり得；鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である。
別の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、１１．０重量％のクロム、０．１１重量％の炭素、０．３重量％のマンガン、０．２重量％のケイ素、０．４重量％のニッケル、０．３重量％のモリブデン、１．０重量％のコバルト、０．０５重量％のニオブ、１．０重量％のタングステン、０．５重量％の銅、０．１２重量％のバナジウム、０．０３重量％のチタン、０．００８重量％のホウ素及び０．０１５０重量％のＮを含んでなり得；鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である。
別の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、７４０〜７６０℃の熱処理後に焼戻しマルテンサイト微細構造を有する。別の実施形態において、鋼溶接金属組成物は炭化物／炭窒化物を有していてもよく、且つデルタフェライトの存在は、７４０〜７６０℃の熱処理後に抑制され得る。
加えて、別の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、高温においてクリープ抵抗性である。特に、一実施形態において、鋼溶接金属組成物は、６５０℃の温度で、１１０ＭＰａにおいて少なくとも２０００時間、９０ＭＰａにおいて少なくとも３０００時間、７０ＭＰａにおいて少なくとも５０００時間及び５５ＭＰａにおいて少なくとも６５００時間の一軸クリープ強度を有する。
より特に、特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、６５０℃の温度で、１１０ＭＰａにおいて少なくとも２３００時間、９０ＭＰａにおいて少なくとも３２００時間、７０ＭＰａにおいて少なくとも５５００時間及び５５ＭＰａにおいて少なくとも７０００時間の一軸クリープ強度を有する。
より特に、特定の実施形態において、鋼溶接金属組成物は、６５０℃の温度で、１１０ＭＰａにおいて２３２３時間、９０ＭＰａにおいて３３５６時間、７０ＭＰａにおいて５６５９時間及び５５ＭＰａにおいて少なくとも７０００時間の一軸クリープ強度を有する。そのようなものとして、特定の実施形態において、溶接金属組成物のクリープ抵抗性は、９重量％のみのＣｒを含んでなる既存の組成物に等しいか、又はそれを超える。
一実施形態において、鋼溶接金属組成物は、２０℃で少なくとも２７Ｊの衝撃強靭性を有する。そのようなものとして、一実施形態において、鋼溶接金属組成物の衝撃強靭性は、ＡＮＳＩ、ＡＳＭＥ、ＥＰＲＩ、ＥＮ、ＴＵＶコード、標準及び推奨法に設定された適用可能な必要条件を超える。
鋼溶接金属組成物を堆積させる方法
別の実施形態において、図１に示すように、アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法１００が提供される。一実施形態において、この方法は、アーク放電によって消耗電極を少なくとも部分的に融解し、融解した鋼溶接金属組成物を加工物上に堆積させるステップ１０２と；前記融解した鋼溶接金属組成物を冷却及び固化して、堆積された鋼溶接金属組成物を加工物上に形成するステップ１０４と；低温度まで冷却し、マルテンサイトが完全に変換した後、堆積された鋼溶接金属組成物を７４０〜７６０℃の温度で熱処理するステップ１０６とを含み、鋼溶接金属組成物が、約１０．８５〜約１１．５０重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２〜約０．４重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．２〜約０．５重量％のＮｉ、約０．２〜約０．４重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０７重量％のＮｂ、約０．９〜１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００６〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり；鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である。
別の実施形態において、アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法が提供される。一実施形態において、この方法は、アーク放電によって消耗電極を少なくとも部分的に融解し、融解した鋼溶接金属組成物を加工物上に堆積させることと；前記融解した鋼溶接金属組成物を冷却及び固化して、堆積された鋼溶接金属組成物を加工物上に形成することと；低温度まで冷却し、マルテンサイトが完全に変換した後、堆積された鋼溶接金属組成物を７４０〜７６０℃の温度で熱処理することとを含み、鋼溶接金属組成物が、約１０．９５〜約１１．２５重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２５〜約０．３５重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．３５〜約０．４５重量％のＮｉ、約０．２５〜約０．３５重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０６重量％のＮｂ、約０．９〜約１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００７〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり；鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である。
別の実施形態において、アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法が提供される。一実施形態において、この方法は、アーク放電によって消耗電極を少なくとも部分的に融解し、融解した鋼溶接金属組成物を加工物上に堆積させることと；前記融解した鋼溶接金属組成物を冷却及び固化して、堆積された鋼溶接金属組成物を加工物上に形成することと；低温度まで冷却し、マルテンサイトが完全に変換した後、堆積された鋼溶接金属組成物を７４０〜７６０℃の温度で熱処理することとを含み、鋼溶接金属組成物が、１１．０重量％のクロム、０．１１重量％の炭素、０．３重量％のマンガン、０．２重量％のケイ素、０．４重量％のニッケル、０．３重量％のモリブデン、１．０重量％のコバルト、０．０５重量％のニオブ、１．０重量％のタングステン、０．５重量％の銅、０．１２重量％のバナジウム、０．０３重量％のチタン、０．００８重量％のホウ素及び０．０１５０重量％の窒素を含んでなり；鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である。
特定の実施形態において、この方法は、加工物を選択することも含み得る。特定の実施形態による方法において、鋼溶接金属組成物は、７４０〜７６０℃の熱処理後に焼戻しマルテンサイト微細構造を有する。別の実施形態において、鋼溶接金属組成物は炭化物／炭窒化物を有していてもよく、且つデルタフェライトの存在は、７４０〜７６０℃の熱処理後に抑制され得る。
加えて、特定の実施形態による方法において、鋼溶接金属組成物は、６５０℃の温度で、１１０ＭＰａにおいて少なくとも２０００時間、９０ＭＰａにおいて少なくとも３０００時間、７０ＭＰａにおいて少なくとも５０００時間及び５５ＭＰａにおいて少なくとも６５００時間の一軸クリープ強度を有する。
より特に、特定の実施形態による方法において、鋼溶接金属組成物は、６５０℃の温度で、１１０ＭＰａにおいて少なくとも２３００時間、９０ＭＰａにおいて少なくとも３２００時間、７０ＭＰａにおいて少なくとも５５００時間及び５５ＭＰａにおいて少なくとも７０００時間の一軸クリープ強度を有する。
より特に、特定の実施形態による方法において、鋼溶接金属組成物は、６５０℃の温度で、１１０ＭＰａにおいて２３２３時間、９０ＭＰａにおいて３３５６時間、７０ＭＰａにおいて５６５９時間及び５５ＭＰａにおいて少なくとも７０００時間の一軸クリープ強度を有する。
特定の実施形態による方法において、鋼溶接金属組成物は、２０℃で少なくとも２７Ｊの衝撃強靭性を有する。
鋼溶接金属組成物を堆積させる方法は、いずれのアーク溶接法も含み得る。例えば、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）法及びそれらの組合せが使用されてよい。
溶接条件及び溶接材料成分は、当該技術分野において既知の方法に従って適切に制御され得る。
一実施形態において、上記条件下で堆積された鋼溶接金属組成物は、極端に長い期間及び高い使用温度における有利なクリープ特徴、並びに衝撃強靭性、酸化抵抗性、腐食抵抗性及び強度を含む他の有利な特徴を示す。さらに、そのような溶接金属を含む溶接構造を得ることができる。
消耗アーク放電溶接電極
一実施形態において、ＳＭＡＷ（ＭＭＡ）法のための消耗アーク放電溶接被覆電極が提供される。消耗アーク放電溶接被覆電極は、鋼金属コアと、金属粉末、フェロアロイ、酸化物、スラグ生成剤、結合剤、押出成形助剤、フラクシング成分、気体生成剤及び脱酸素剤を含有する外部コーティングとを含んでなり、これらは、電極が、約１０．８５〜約１１．５０重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２〜約０．４重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．２〜約０．５重量％のＮｉ、約０．２〜約０．４重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０７重量％のＮｂ、約０．９〜１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００６〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり、鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である鋼溶接金属組成物を製造するような量で存在する。
別の実施形態において、ＦＣＡＷ法のための消耗アーク放電溶接ワイヤー電極が提供される。消耗アーク放電溶接ワイヤー電極は、外部鋼金属シースと、金属粉末、フェロアロイ、酸化物、スラグ生成剤、結合剤、フラクシング成分、気体生成剤及び脱酸素剤を含んでなるシースによって包囲されたコアとを含んでなり、これらは、ワイヤー電極が、約１０．８５〜約１１．５０重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２〜約０．４重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．２〜約０．５重量％のＮｉ、約０．２〜約０．４重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０７重量％のＮｂ、約０．９〜１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００６〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり、鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である鋼溶接金属組成物を製造するような量で存在する。
別の実施形態において、約１０．８５〜約１１．５０重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２〜約０．４重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．２〜約０．５重量％のＮｉ、約０．２〜約０．４重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０７重量％のＮｂ、約０．９〜１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００６〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり、鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である組成物を有する鋼から製造される、ＧＭＡＷ法のための消耗アーク放電溶接ワイヤー電極が提供される。
別の実施形態において、約１０．８５〜約１１．５０重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２〜約０．４重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．２〜約０．５重量％のＮｉ、約０．２〜約０．４重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０７重量％のＮｂ、約０．９〜１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００６〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり、鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である組成物を有する鋼から製造される、ＧＴＡＷ法のための消耗アーク放電溶接ワイヤー又はロッドが提供される。
別の実施形態において、ＳＡＷ法のための凝集化フラックスと組み合わせて使用される消耗アーク放電溶接ワイヤー電極が提供される。消耗アーク放電溶接ワイヤー電極及びフラックスの組合せは、固体又はフラックスコア鋼金属ワイヤーと、ケイ酸塩、酸化物、炭酸塩、フルオライト、金属粉末、フェロアロイを含有する凝集化フラックスとを含んでなり、これらは、ワイヤー電極及びフラックスの組合せが、約１０．８５〜約１１．５０重量％のＣｒ、約０．１０〜約０．１２重量％のＣ、約０．２〜約０．４重量％のＭｎ、約０．１５〜約０．２５重量％のＳｉ、約０．２〜約０．５重量％のＮｉ、約０．２〜約０．４重量％のＭｏ、約０．９〜約１．１重量％のＣｏ、約０．０４〜約０．０７重量％のＮｂ、約０．９〜１．１重量％のＷ、約０．４〜約０．７重量％のＣｕ、約０．１１〜約０．１３重量％のＶ、約０．０２〜約０．０４重量％のＴｉ、約０．００６〜約０．００９重量％のＢ及び約０．００５〜０．０１５重量％のＮを含んでなり、鋼溶接金属組成物の残部は鉄及び不可避の不純物である鋼溶接金属組成物を製造するような量で存在する。
１つ又は複数の例示的な実施形態が本明細書に提示された。明白にするために、本出願において、物理的実施の全ての特徴が記載又は示されているわけではない。本発明の特徴を組み込む物理的実施形態の展開において、実施によって、又は時間によって変動する、システム関連、ビジネス関連、政府関連及び他の制約との適合性などの開発者の目的を達成するために、多数の実施に特定の決定がなされなければならないことは理解される。開発者の努力は時間のかかるものであるが、そのような努力は、それにもかかわらず、当業者の通常の作業であろう。
本方法は、様々な構成要素又はステップを「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」ことに関して本明細書に記載されるが、本方法は、様々な構成要素又はステップ「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」か、又は「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）」ことも可能である。
本発明の実施形態のより良好に理解することを促進するために、次の実施例が提供される。次の実施例が実施形態の範囲を制限するか、又は定義するものとして理解されるべきではない。
次の非制限的な実施例は、本発明の実施形態をさらに例示するために提供される。次の実施例に開示された技術は、本発明者が、本発明の実施形態の実施において良好に作用することを見出したアプローチであり、従って、その実施のためのモードの例を構成するものとして考えることができることは、当業者に認識されるべきである。しかしながら、当業者は、本発明の実施形態に関して、本発明の実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく、開示された特定の実施形態の特徴又は要素に関して多くの変更が可能であり、且つ同様又は類似の結果がなお得られることを認識するべきである。
実施例１
溶接金属の化学組成を表１に示す（量は重量％で示される）。
Figure 2021049583
直径４ｍｍ低水素被覆電極及び２５０℃の予熱／パス間温度を使用して、ＳＭＡＷ法によって、組成物を溶接し、そしてＡＷＳ ５．５標準的幾何構造に適合する加工物上に堆積させた。
堆積させた融解組成物を冷却させて、そして加工物上で固体化させた。室温まで冷却したら、堆積させた鋼溶接金属組成物を４時間７４０℃の温度で熱処理し、次いで、室温まで冷却した。
溶接金属組成物は次の特性を有した：
（ＰＷＨＴ後）焼戻しされた組成物の構造：マルテンサイト炭化物及び炭窒化物
種々の応力条件下での一軸クリープ強度
Figure 2021049583
一軸（短期間）引張強度は、現在確立された９重量％Ｃｒ鋼に関して設定された最小必要条件を満たすことが見出された。鋼溶接金属組成物の衝撃強靭性は、２０℃において＞２７Ｊであると測定された（ＡＮＳＩ、ＡＳＭＥ、ＥＰＲＩ、ＥＮ、ＴＵＶコード、標準及び推奨法に設定された適用可能な必要条件を超える）。
上記の特定の実施形態は、本明細書の教示の利点を有する、当業者に明らかである、異なるが同等の様式で修正及び実施されてよいため、これらの実施形態は例示目的のみである。さらに、下記特許請求の範囲において記載されるもの以外、本明細書に示される構成又は設計の詳細に対する制限は意図されない。従って、上記で開示されたが特定の例示的な実施形態は変更、組合せ又は修正されてもよいことは明白である。本明細書に実例として開示される実施形態は、本明細書に特に開示されていないいずれかの要素及び／又は本明細書に開示されたいずれかの任意選択的な要素の不在下で適切に実施されてもよい。また、特許権所有者によって別途明示的に、又は明らかに定義されない限り、特許請求の範囲中の用語は、それらの明白且つ通常の意味を有する。
本発明を導いた研究は、贈与契約ＲＦＳＲ−ＣＴ−２０１４−０００３２の下、Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｕｎｉｏｎ’ｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｕｎｄ ｆｏｒ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ（ＲＦＣＳ）リサーチプログラムからの資金を受けたものである。
１００ アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法
１０２ アーク放電によって消耗電極を少なくとも部分的に融解し、融解した鋼溶接金属組成物を加工物上に堆積させるステップ
１０４ 融解した鋼溶接金属組成物を冷却及び固化して、堆積された鋼溶接金属組成物を加工物上に形成するステップ
１０６ 室温まで冷却し、マルテンサイトが完全に変換した後、堆積された鋼溶接金属組成物を７４０〜７６０℃の温度で熱処理するステップ

Claims (20)

  1. １０．７５〜１２．００重量％のＣｒ、
    ０．０９〜０．１３重量％のＣ、
    ０．２〜０．５重量％のＭｎ、
    ０．１〜０．３重量％のＳｉ、
    ０．２〜０．７重量％のＮｉ、
    ０．１〜０．５重量％のＭｏ、
    ０．８〜１．２重量％のＣｏ、
    ０．０３〜０．０８重量％のＮｂ、
    ０．８〜１．２重量％のＷ、
    ０．３〜０．８重量％のＣｕ、
    ０．１０〜０．１５重量％のＶ、
    ０．０１〜０．０５重量％のＴｉ、
    ０．００５〜０．０１０重量％のＢ、及び
    ０．００５〜０．０１５重量％のＮ
    を含んでなる鋼溶接金属組成物であって、前記鋼溶接金属組成物の残部が鉄及び不可避の不純物である、鋼溶接金属組成物。
  2. Ｃｒの含有量が１１重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  3. Ｍｎの含有量が０．２５〜０．３５重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  4. Ｎｉの含有量が０．３５〜０．４５重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  5. Ｍｏの含有量が０．２５〜０．３５重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  6. Ｃｏの含有量が０．９〜１．１重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  7. Ｎｂの含有量が０．０４〜０．０７重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  8. Ｗの含有量が約０．９〜１．１重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  9. Ｃｕの含有量が０．４〜０．７重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  10. Ｖの含有量が０．１１〜０．１３重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  11. Ｔｉの含有量が０．０２〜０．０４重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  12. Ｂの含有量が０．００６〜０．００９重量％である、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  13. 前記鋼溶接金属組成物が、７４０〜７６０℃の熱処理後に焼戻しマルテンサイト微細構造を有する、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  14. 前記鋼溶接金属組成物が、６５０℃の温度で、５５ＭＰａにおいて少なくとも７０００時間の一軸クリープ強度を有し、且つ／又は前記鋼溶接金属組成物が、２０℃で少なくとも２７Ｊの衝撃強靭性を有する、請求項１に記載の鋼溶接金属組成物。
  15. ＳＭＡＷ（ＭＭＡ）法のための消耗アーク放電溶接被覆電極であって、
    請求項１に記載の鋼溶接金属組成物を前記電極が製造するような量で存在する、
    鋼金属コアと、
    金属粉末、フェロアロイ、酸化物、スラグ生成剤、結合剤、押出成形助剤、フラクシング成分、気体生成剤及び脱酸素剤を含有する外部コーティングと
    を含んでなる、消耗アーク放電溶接被覆電極。
  16. ＦＣＡＷ法のための消耗アーク放電溶接ワイヤー電極であって、
    請求項１に記載の鋼溶接金属組成物を前記ワイヤー電極が製造するような量で存在する、
    外部鋼金属シースと、
    金属粉末、フェロアロイ、酸化物、スラグ生成剤、結合剤、フラクシング成分、気体生成剤及び脱酸素剤を含んでなる、前記シースによって包囲されたコアと
    を含んでなる、消耗アーク放電溶接ワイヤー電極。
  17. 請求項１に記載の組成物を有する鋼から製造される、ＧＭＡＷ及び／又はＧＴＡＷ法のための消耗アーク放電溶接ワイヤー又はロッド。
  18. ＳＡＷ法のための凝集化フラックスと組み合わせて使用される消耗アーク放電溶接ワイヤー電極であって、
    請求項１に記載の鋼溶接金属組成物をワイヤー及びフラックスの組合せが製造するような量で存在する、
    固体又はフラックスコア鋼金属ワイヤーと、
    ケイ酸塩、酸化物、炭酸塩、フルオライト、金属粉末、フェロアロイを含有する凝集化フラックスと
    を含んでなる、消耗アーク放電溶接ワイヤー電極。
  19. アーク放電溶接プロセスによって加工物上に鋼溶接金属組成物を堆積させる方法であって、
    ａ）アーク放電によって消耗電極を少なくとも部分的に融解し、融解した鋼溶接金属組成物を加工物上に堆積させることと；
    ｂ）前記融解した鋼溶接金属組成物を冷却及び固化して、堆積された鋼溶接金属組成物を前記加工物上に形成することと；
    ｃ）前記堆積された鋼溶接金属組成物を７４０〜７６０℃の温度で熱処理することと
    を含んでなり、前記鋼溶接金属組成物が、
    １０．７５〜１２．００重量％のＣｒ、
    ０．０９〜０．１３重量％のＣ、
    ０．２〜０．５重量％のＭｎ、
    ０．１〜０．３重量％のＳｉ、
    ０．２〜０．７重量％のＮｉ、
    ０．１〜０．５重量％のＭｏ、
    ０．８〜１．２重量％のＣｏ、
    ０．０３〜０．０８重量％のＮｂ、
    ０．８〜１．２重量％のＷ、
    ０．３〜０．８重量％のＣｕ、
    ０．１０〜０．１５重量％のＶ、
    ０．０１〜０．０５重量％のＴｉ、
    ０．００５〜０．０１０重量％のＢ；及び
    ０．００５〜０．０１５重量％のＮ
    を含んでなり、前記鋼溶接金属組成物の残部が鉄及び不可避の不純物である、方法。
  20. 前記堆積された鋼溶接金属組成物が、溶接後熱処理後に焼戻しマルテンサイト微細構造を有する、請求項１９に記載の方法。
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