JP2619079B2 - 高温でのクリープ破断延性や強度及び耐脆化性の優れたNi―Crオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料 - Google Patents

高温でのクリープ破断延性や強度及び耐脆化性の優れたNi―Crオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料

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JP2619079B2 JP1306672A JP30667289A JP2619079B2 JP 2619079 B2 JP2619079 B2 JP 2619079B2 JP 1306672 A JP1306672 A JP 1306672A JP 30667289 A JP30667289 A JP 30667289A JP 2619079 B2 JP2619079 B2 JP 2619079B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、高温におけるクリープ破断延性や強度及び
耐脆化性の優れたNi−Crオーステナイト系ステンレス鋼
溶接材料に関するものである。
(従来の技術) 現在開発が進められている高速増殖炉の構造材料に
は、SUS304,SUS316等のオーステナイト系ステンレス鋼
が使用されるが、これらの構造材料は、クリープ温度領
域で使用される。高速増殖炉の構造材料に負荷される主
要応力は、温度変動にともなう熱応力である。この熱応
力による残留応力が、高温運転時にクリープにより緩和
される過程が構造材料に繰り返し加えられることから、
クリープ疲労特性が重要視される。ところで、このクリ
ープ疲労特性は、クリープ破断延性と相関関係があるこ
とが明らかにされており、高速増殖炉の構造材料に使用
されるステンレス鋼は、クリープ破断延性が優れている
ことが要求される。このようなステンレス鋼として、本
発明者等はクリープ破断延性の優れた316系のステンレ
ス鋼厚板を発明した(特開昭62−23346号公報参照)。
しかしながら、高速増殖炉は大型の溶接構造物である
ため、その溶接金属部に対してもクリープ破断延性に優
れていることが要求される。これまでの高温用溶接材料
は、たとえばSUS Y316では、クリープ中に炭化物が析出
し十分なクリープ破断延性が得られない、あるいは炭素
含有量の低いSUS Y316L系では、クリープ破断延性は優
れるがクリープ破断強度が低く、いずれも高速増殖炉の
構造用として十分とは言えないものであった。さらにこ
れらの溶接材料では、溶接時の高温割れを防止するため
導入されたδ−フェライト相から、脆化相であるシグマ
相が析出し、靭性低下をまねく傾向にある。
(発明が解決しようとする課題) このように、従来のSUS Y316あるいはSUS Y316L系の
溶接材料は、クリープ破断延性、あるいはクリープ破断
強度の何れかの点、及び耐脆化性の点で高速増殖炉の構
造材料として不十分なものである。この原因は、SUS Y3
16系については、鋼中に存在するCが、高温での使用中
にδ−フェライトとオーステナイト相の界面に炭化物と
して析出すること、及びδ−フェライト相からシグマ相
が析出することに関係している。すなわち、界面に析出
する炭化物は界面脆化を引き起こし、延性低下あるいは
クリープ破断強度の劣化原因となり、またSUS Y316L系
では強化元素であるC量が低いため、クリープ破断延性
が十分でない。さらに、δ−フェライト相から容易にシ
グマ相が析出するため靭性が低下するという問題点があ
った。
本発明は、このような問題点を解決し、高温でのクリ
ープ破断延性や強度及び耐脆化性の優れたオーステナイ
ト系ステンレス鋼溶接材料を提供するものである。
(課題を解決するための手段) 本発明は、以上のような課題を解決するためになされ
たものであって、その要旨とするところは、 (1)重量%で、C:0.030%以下、Si:1.0%以下、Mn:3.
0%以下、P:0.01〜0.07%、Cr:14.0〜20.0%、Ni:6.0〜
10.0%(ただし、10.0%を除く)、Mo:2.0〜3.0%、Al:
0.04%以下、N:0.06〜0.18%を含有し、残部は実質的に
Feからなる溶接材料であり、かつ該溶接材料によって得
られる溶接金属物におけるδ−フェライト量が、下記式
1によって求められる容積%で、1〜12%の範囲になる
ように前記溶接材料の成分を構成することを特徴とする
高温でのクリープ破断延性や強度に優れ、かつ高温での
耐脆化性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接材
料。
δ−フェライト量=−70.29+3.2×Creq−0.031 ×(Nieq+15.661×Creq/Nieq−0.0208 ×Creq×Nieq ……(1) [但し、Creq=Cr+Mo+0.5×Si、 Nieq=Ni+0.5×Mn+30×(C+N)] (2)重量%で、C:0.030%以下、Si:1.0%以下、Mn:3.
0%以下、P:0.01〜0.07%、Cr:14.0〜20.0%、Ni:6.0〜
10.0%(ただし、10.0%を除く)、Mo:2.0〜3.0%、Al:
0.04%以下、N:0.06〜0.18%、さらにW:3.0%以下を含
有し、残部は実質的にFeからなる溶接材料であり、かつ
該溶接材料によって得られる溶接金属物におけるδ−フ
ェライト量が、下記式1によって求められる容積%で、
1〜12%の範囲になるように前記溶接材料の成分を構成
することを特徴とする高温でのクリープ破断延性や強度
に優れ、かつ高温での耐脆化性の優れたオーステナイト
系ステンレス鋼溶接材料。
δ−フェライト量=−70.29+3.2×Creq−0.031 ×(Nieq+15.661×Creq/Nieq−0.0208 ×Creq×Nieq ……(1) [但し、Creq=Cr+Mo+0.5×W+1.5×Si、 Nieq=Ni+0.5×Mn+30×(C×N)] にある。
(作用) 以下本発明の要件を特定した技術的根拠について説明
する。
発明者は、溶接金属部の高温でのクリープ破断延性と
強度に対する、化学成分およびδ−フェライト量につい
て系統的な調査を行った。第1図(A)と(B)にクリ
ープ破断特性に対するCとN量の影響(試験温度は550
℃)を示す。(A)図から低C化することにより、クリ
ープ破断延性が向上しクリープ破断強度が低下すること
がわかる。一方、Nについては、(B)図に示すよう
に、Cが0.05%存在する場合は、N量とともにクリープ
破断強度は増加するが、クリープ破断延性は低下する。
これに対し、Cが0.01%と低い系ではN量とともにクリ
ープ破断強度は向上するが、クリープ破断延性は低下し
ない。すなわち、強化元素をCからNに変えることによ
り、クリープ破断強度、クリープ破断延性ともに優れた
溶接材料の開発の可能性が見出された。
第2図は、このようなクリープ破断特性の優れた低C
−高N系(0.01%C−0.08%N−8%Ni−16%Cr−2.1M
o)の溶接金属部のクリープ破断特性に対するPの影響
を示したものである。Pを添加することにより、クリー
プ破断強度、クリープ破断延性がともに向上することが
わかる。
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接施工上の問題と
して、高温割れがあり、この対策として、通常溶接金属
にδ−フェライトを導入することが行われている。この
δ−フェライトは、先に述べたように、クリープ亀裂の
伝播径路となることからクリープ破断特性への影響が考
えられる。第3図は、クリープ破断特性に対するδ−フ
ェライト量の影響を示したもので、クリープ破断特性に
対して、δ−フェライト量に最適値が存在することがわ
かる。すなわち、従来型の0.06%C−0.02%N系では、
クリープ中に炭化物の析出が生じることから、δ−フェ
ライトの影響が顕著であるが、クリープ破断延性が改善
された0.01%C−0.11%N系においても、やや変化量は
小さいものの、やはり最適δ−フェライト量が存在す
る。
以上の調査結果から、従来材並のクリープ破断強度を
有するクリープ破断延性の優れた溶接材料の可能性を見
出したわけであるが、クリープ破断延性を損なわずに、
更にクリープ破断強度を高めるための検討を行った。ク
リープ破断延性を損なわずに強化する方法としては、固
溶強化が最適であり、その代表元素としてNを利用した
が、0.18%以上では析出するため他の元素を考える必要
がある。
本発明者らは、さらに固溶強化能が高くかつ溶解度の
大きい元素としてWを選定し、その効果について調査し
た。第4図はその結果を示したもので、0.01%C−0.07
%N−9%Ni−16%Cr−2.1%Mo系にWを添加すること
によりクリープ破断強度が向上することがわかる。しか
し、多量に添加するとクリープ破断延性が低下するが、
これはWを含む金属間化合物が析出することに起因して
いる。
以下に本発明における各成分の限定理由を述べる。
先ず本発明の成分系において、Cは有効な強化元素で
はあるが、δ−フェライトとオーステナイト相の界面に
炭化物として析出するため、高温長時間使用後のクリー
プ破断特性などの高温の機械的性質を損なう元素でもあ
る。このような観点から、C量は0.030%以下と定めた
が、とくに高いクリープ破断延性が要求される場合は0.
020%以下とすることが望ましい。
次に、Siは脱酸材として必要であるが、1.0%を超え
て過剰に存在すると高温割れ感受性を高めるのでこの値
を上限とした。
Mnは、脱酸元素であると同時に、鋼中のSを固定する
ことから熱間加工性を向上させる効果を有するが、3%
を超えるとクリープ破断強度を低下させるのでこの値を
上限とした。
Pは、高温保持中にリン化物として結晶粒内に析出し
強化作用を有し、さらに相界面を強化する作用もあるこ
とから、クリープ破断延性の点から効果的な元素である
が、その効果は0.01%より生じることから下限を0.01%
とした。しかし、過剰の添加は溶接性および熱間加工性
を著しく損なうことから、その上限を0.07%とした。な
お、特にクリープ破断延性が必要とされる場合は、P量
を0.02%以上とすることが望ましい。
Niは、オーステナイト生成元素として必須の元素であ
り、δ−フェライト量を所定の範囲に制御するために、
フェライト生成元素であるCr量に対し成分平衡上、式1
により調整される元素であるが、クリープ破断特性を劣
化させるσ−相、χ−相の析出を抑制する効果を有する
ことから、6%以上とした。10%以上の添加は、δ−フ
ェライト量制御に必要なCr量を添加させる結果、全体の
合金量を大幅に高めることになり、溶接性を損なうこと
から、上限を10%とした。
Crは、耐酸化性を高める元素であり、そのためには14
%以上を必要とするが、20%を超えると高温長時間加熱
中にδ−フェライト相からシグマ相の析出が促進され、
シグマ相による脆化を引き起こすことから、上限を20%
とした。
Moは、固溶強化作用を有する元素であるが、2.0%未
満では不十分であり、また3.0%超では高温長時間加熱
による脆化を起こすことから、上限を3.0%とした。
Alは、強力な脱酸元素であるが、0.04%を超えて添加
されると、高温長時間加熱により鋼中のNと結合しAlN
を形成し、クリープ破断延性を損なうことから、上限を
0.04%とした。
Nは、オーステナイト系ステンレス鋼において固溶限
が大きく、かつ強力な固溶強化作用を有する元素であ
る。その作用は0.06%より顕著となることから、下限を
0.06%とした。また、0.18%超のN添加は高温使用中に
窒化物の析出を引き起こすことから、0.18%を上限とし
た。
以上が本発明における基本成分系であるが、本発明に
おいては、さらに高強度化を図るためWを所定の範囲で
含有せしめることが有効である。すなわち、WはMoと同
様に固溶強化作用を有し、かつ固溶限も大きいことか
ら、クリープ破断延性を損なうことなくクリープ破断強
度を増加させることができる元素である。しかし3.0%
を超えると、高温使用中に金属間化合物の析出を引き起
こしクリープ破断延性を低下させることから、この値を
上限とした。
以上の化学成分の他に、δ−フェライト量に関しては
クリープ破断延性を確保するためおよび溶接時の高温割
れを防止するため最低1%が必要である。一方、δ−フ
ェライトを12%を超えて含有するとクリープ破断延性を
損なうことから上限を12%とした。
本発明におけるδ−フェライト量の算出は式1によ
る。式1の計算に用いる各成分濃度は溶接材料中の濃度
を適用する。本発明の溶接材料は組成が溶接材料に近い
母材に適用し、また、母材組成が溶接金属組成にほとん
ど影響しない溶接手段で溶接するので、溶接金属組成は
溶接材料組成でほぼ反映できる。
以下に本発明の効果を実施例に基づいてさらに具体的
に示す。
(実 施 例) 第1表は本発明溶接材料と比較溶接材料と母材の化学
成分を示す。第2表は溶接条件とδ−フェライトの実測
値を示す。δ−フェライト実測値は溶接材料の組成から
算出した値とほぼ近い値である。第3表は第1表の鋼に
ついて550℃の引張特性とクリープ破断特性を示したも
のである。これら特性調査結果から明らかなように、本
発明溶接材料は比較材に比べ高温長時間使用後のクリー
プ破断強度およびクリープ破断延性が優れたものであ
る。
(発明の効果) 以上述べた如く本発明溶接材料は、従来の溶接材料に
比して優れたクリープ破断特性を有する材料となってお
り、クリープ領域で使用される高温構造物用の溶接材料
として工業的に極めて有効なものである。
【図面の簡単な説明】 第1図(A),(B)はクリープ破断特性に対するCと
N量の影響を示す図、第2図はクリープ破断特性に対す
るP量の影響を示す図、第3図はクリープ破断特性に対
するδ−フェライト量の影響を示す図、第4図はクリー
プ破断特性に対するW量の影響を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷野 満 神奈川県川崎市中原区井田1618 新日本 製鐵株式会社第一技術研究所内 (72)発明者 小松 肇 神奈川県川崎市中原区井田1618 新日本 製鐵株式会社第一技術研究所内 (72)発明者 田下 正宣 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町1―1―1 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 高鍋 清志 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町1―1―1 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 川口 聖一 兵庫県高砂市荒井町新浜2―1―1 三 菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 今田 武彦 兵庫県高砂市荒井町新浜2―1―1 三 菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特許2555292(JP,B2)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、C:0.030%以下、Si:1.0%以
    下、Mn:3.0%以下、P:0.01〜0.07%、Cr:14.0〜20.0
    %、Ni:6.0〜10.0%(ただし、10.0%を除く)、Mo:2.0
    〜3.0%、Al:0.04%以下、N:0.06〜0.18%を含有し、残
    部は実質的にFeからなる溶接材料であり、かつ該溶接材
    料によって得られる溶接金属物におけるδ−フェライト
    量が、下記式1によって求められる容積%で、1〜12%
    の範囲になるように前記溶接材料の成分を構成すること
    を特徴とする高温でのクリープ破断延性や強度に優れ、
    かつ高温での耐脆化性の優れたオーステナイト系ステン
    レス鋼溶接材料。 δ−フェライト量=−70.29+3.2×Creq−0.031 ×(Nieq+15.661×Creq/Nieq−0.0208 ×Creq×Nieq ……(1) [但し、Creq=Cr+Mo+0.5×Si、 Nieq=Ni+0.5×Mn+30×(C+N)]
  2. 【請求項2】重量%で、C:0.030%以下、Si:1.0%以
    下、Mn:3.0%以下、P:0.01〜0.07%、Cr:14.0〜20.0
    %、Ni:6.0〜10.0%(ただし、10.0%を除く)、Mo:2.0
    〜3.0%、Al:0.04%以下、N:0.06〜0.18%、さらにW:3.
    0%以下を含有し、残部は実質的にFeからなる溶接材料
    であり、かつ該溶接材料によって得られる溶接金属部に
    おけるδ−フェライト量が、下記式1によって求められ
    る容積%で、1〜12%の範囲になるように前記溶接材料
    の成分を構成することを特徴とする高温でのクリープ破
    断延性や強度に優れ、かつ高温での耐脆化性の優れたオ
    ーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。 δ−フェライト量=−70.29+3.2×Creq−0.031 ×(Nieq+15.661×Creq/Nieq−0.0208 ×Creq×Nieq ……(1) [但し、Creq=Cr+Mo+0.5×W+1.5×Si、 Nieq=Ni+0.5×Mn+30×(C×N)]
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