JP2722893B2

JP2722893B2 - 高Ｃｒ高Ｎオーステナイト鋼用溶接材料

Info

Publication number: JP2722893B2
Application number: JP26297591A
Authority: JP
Inventors: 和博小川; 義淳椹木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1998-03-09
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JPH0569187A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温強度に優れた高Ｃ
ｒ高Ｎのオーステナイト鋼に使用される溶接材料に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高温で使用される発電用ボイ
ラ、化学反応装置等には、主として、１８−８系のオー
ステナイトステンレス鋼が使用されてきた。しかし、最
近のボイラ等での運転条件の苛酷化（高温化，高圧化）
に伴い、１８−８系よりも更に高温強度が高く、耐食性
に優れた材料が必要とされるようになった。このような
要求に応えるために開発されたものとして、高Ｃｒ高Ｎ
を特徴とするオーステナイト鋼があり、例えば特開昭５
７−１６４９７２号公報および特開昭５９−６４７５２
号公報には、高Ｃｒで、Ｎ，Ｎｂ，Ｂを添加することに
より、高温強度および耐食性の改善を図ったオーステナ
イト鋼が開示されている。

【０００３】そして、このような高Ｃｒ高Ｎオーステナ
イト鋼に対する溶接材料としては、母材をそのまま線材
加工したものや、高Ｎｉ合金用のもの（例えばＪＩＳ
ＤＮｉＣｒ−３）が考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高Ｃｒ高Ｎ
オーステナイト鋼の溶接では、母材は溶製後、圧延、熱
処理により組織の調整を受けて高温強度の確保が図られ
るのに対し、溶接金属は殆どの場合、凝固ままの組織で
使用される。そのため、溶接金属は、母材に比べ高温強
度を高めることが本質的に容易でない。

【０００５】また、オーステナイト組織では、本質的に
溶接高温割れが発生しやすく、溶接金属では、特に、凝
固時に発生する凝固割れが問題となる。その上、この種
鋼材の高温強度を高めるために添加される一部の成分
は、溶接高温割れに悪影響を与え、その防止を一層困難
にしている。そのため、母材をそのまま線材に加工した
溶接材料では、次のような問題が残る。

【０００６】例えば、母材の高温強度改善に有効なＢ
は、溶接金属の溶接高温割れ感受性を高める。また、溶
接高温割れ感受性の低減には、Ｎｉ量を減じてδフェラ
イトを数％晶出させることが有効であるが、このδフェ
ライトは高温での使用中にシグマ相へ変態して脆化の原
因になるため、δフェライトの晶出は抑えなければなら
ない。そして、このような条件下で、高温強度改善に有
効なＮｂを添加すると、割れ感受性は更に上昇する。

【０００７】従って、母材をそのまま線材に加工した溶
接材料では、溶接金属に優れた高温強度および耐溶接高
温割れ性を付与することは困難であった。また、高Ｎｉ
合金用は、高価であり、経済性の点で好ましくない。

【０００８】本発明の目的は、溶接金属に優れた高温強
度および耐溶接高温割れ性を付与する低コストな高Ｃｒ
高Ｎオーステナイト鋼用溶接材料を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するために、凝固組織のままで高温強度を確保する
方法について検討した。その結果、高Ｎが有効であるこ
とを確認する一方、母材の高温強度改善に有効なＢは、
凝固組織では有効性がなく、その排除により溶接高温割
れ感受性が低減されることを知見した。また、適量のＭ
ｏの添加も、溶接高温割れ感受性を増大させることな
く、高温強度を高め得るとの知見も得た。他方、溶接高
温割れ感受性の低減に有効なδフェライトの晶出を抑え
た条件下で、高温強度の確保に必要なＮｂを添加した場
合の割れ感受性の顕著な上昇に対しては、Ｐ，Ｓの規制
とＭｇの添加が効果的な抑止策になり、その結果、Ｎｂ
を極端に制限する必要のなくなることを知見した。

【００１０】本発明は以上の知見を基にして、高温強度
および耐高温割れ性の優れた溶接材料を完成させたもの
で、重量％でＣ０．０３〜０．１％，Ｓｉ０．５％以
下，Ｍｎ８％以下，Ｎｂ０．２５〜０．７％，Ｃｒ２３
〜２８％，Ｎ０．１５〜０．３５％，Ａｌ０．５％以
下，Ｍｇ０．００３〜０．０２％，Ｎｉ（＊）％以上３
０％以下と、更に必要に応じてＭｏ０．５〜１．５％を
含み、かつ不純物としてのＰ，ＳがＰ＜０．０１％およ
びＰ＋Ｓ＜０．０２％を満足し、残部がＦｅおよび不可
避不純物からなる高Ｃｒ高Ｎオーステナイト鋼用溶接材
料を要旨とする。＊＝｛１．１（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ）−３０（Ｃ＋Ｎ）−
０．５Ｍｎ−８．２｝（Ｍｏを含まない場合）｛１．１（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ）−３０（Ｃ＋Ｎ）
−０．５Ｍｎ−８．２｝（Ｍｏを含む場合）

【００１１】

【作用】以下に、本発明における成分限定の理由につい
て述べる。

【００１２】Ｃ：高温での引張強さおよびクリープ強度
の向上に寄与する。しかし、過度の添加は、溶接高温割
れを助長する。そのため、0.０３〜0.１％とした。

【００１３】Ｓｉ：脱酸剤として添加されるが、過度の
添加は凝固割れ感受性を高めるので、0.５％以下とし
た。

【００１４】Ｍｎ：脱酸剤として添加されるが、Ｓを固
定するため、溶接高温割れ感受性の低減にも寄与する。
ただし、過度の添加は、クリープ強度を損なう。そのた
め、８％以下とし、望ましくは0.５〜６％である。

【００１５】Ｃｒ：高温強度、耐酸化性、耐食性の確保
のために必要であるが、過度の添加は熱間加工性を損な
う。そのため、２３〜２８％とした。

【００１６】Ｎｉ：オーステナイト組織の安定化、高温
強度の確保のために必須であるが、δフェライトを晶出
させる。δフェライトは、溶接高温割れ感受性を低下さ
せるが、その一方で、高温使用中での脆化の原因にな
る。本発明の溶接材料では、脆化を防ぐために、δフェ
ライトを晶出させないようにし、そのために、Ｎｉは
｛１．１〔Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ（Ｍｏを含まない場
合はＭｏ＝０）〕−３０（Ｃ＋Ｎ）−０．５Ｍｎ−８．
２｝％以上とした。ただし、Ｎｉは高価な元素であるの
で、多量の添加は経済性を損なうので、３０％以下とし
た。

【００１７】Ｎｂ：炭窒化物を微細析出させることによ
り、高温強度の向上に寄与する。しかし、過度の添加
は、溶接高温割れ感受性を低下させ、特に、δフェライ
トを晶出させない条件下では、この割れ感受性に大きく
影響する。そこで、０．２５〜０．７％とした。

【００１８】Ａｌ：脱酸剤として添加されるが、多く添
加してもその効果は飽和するため、0.５％以下とし、望
ましくは0.０１〜0.３％である。

【００１９】Ｍｇ：溶接高温割れ感受性低減および線材
加工時の熱間加工性改善に有効である。ただし、過度の
添加は、溶接金属中の介在物を増加させるため好ましく
ない。そのため、０．００３〜０．０２％とした。

【００２０】Ｎ：溶接金属の高温強度の確保に不可欠で
ある。即ち、Ｎは凝固組織のマトリックス中に固溶して
これを強化すると共に、一部は窒化物として析出するこ
とにより析出強化を行う。しかし、過度の添加は、高温
での使用中に多量の窒化物を析出させて脆化の原因とな
る。そのため、0.１５〜0.３５％とした。

【００２１】Ｍｏ：凝固ままの組織のマトリックス中に
固溶して高温強度を高めることができる。しかし、0.５
％未満ではその効果が小さく、1.５％超ではその効果が
飽和してしまうばかりか、相安定性の確保のために、よ
り多くのＮｉが必要となる。従って、Ｍｏを添加する場
合は、これを0.５〜1.５％とした。なお、Ｍｏを添加す
ると、Ｎ量が0.１５〜0.２０％程度でも充分な高温強度
が確保される。Ｍｏを添加しない場合は、Ｎは0.２０％
以上とするのがよい。

【００２２】Ｐ，Ｓ：凝固特に低融点の共晶物を生成
し、溶接高温割れを発生させるので、Ｐ＜0.０１％でか
つＰ＋Ｓ＜0.０２％とする。これにより、Ｎｂの添加に
伴う溶接高温割れ感受性を抑えることができ、Ｎｂ添加
鋼であっても、充分な溶接性が確保され、Ｎｂの添加に
よる高温強度の確保も容易になる。

【００２３】なお、本発明の溶接材料が対象とする母材
は、主要合金成分がＣｒ２０〜２５ｗｔ％、Ｎｉ１８〜
２５ｗｔ％、Ｃ0.０２〜0.１ｗｔ％、Ｎ0.１５〜0.３ｗ
ｔ％、Ｎｂ0.２〜0.８ｗｔ％、Ｂ0.００２〜0.００６ｗ
ｔ％のオーステナイト鋼である。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の実施例を比較例と対比させて
説明する。

【００２５】母材として、表１に示す化学組成の高強度
オーステナイト鋼を用いて、溶接材料の性能比較を行っ
た。この母材は、高Ｃｒで、且つＮ，Ｎｂ，Ｂを含み、
その６５０℃での１０⁵ ｈ強度は、約１０ｋｇｆ／ｍｍ
²と、ＳＵＳ３１０の約７ｋｇｆ／ｍｍ²に比べて1.４
倍に引き上げられている。溶接材料は、表２に示す１６
種類とし、いずれも、実験室にて真空溶製後、外径２ｍ
ｍの線材に加工することにより作製した。

【００２６】比較試験では、まず、図１に示す開先を設
けた母材１，１を、図２に示すように、鋼板からなる拘
束板２上に拘束溶接した。次いで、その開先に対して供
試溶接材料により多層溶接を行った。３は拘束溶接部、
４は開先に対する試験溶接部を示している。拘束溶接に
より、開先に対する溶接の際に熱応力が生じて割れが発
生しやすくなる。溶接はＴＩＧ法を用い、その条件は溶
接電流１５０Ａ、溶接電圧１８Ｖ、溶接速度１０ｃｍ／
ｍｉｎとした。

【００２７】溶接後、機械加工により図３に示す側曲げ
試験片を採取し、これを板厚の２倍の曲げ半径（１０ｍ
ｍ）で１８０度曲げて、溶接金属５における溶接高温割
れの有無を調べた。また、図４に示す継手クリープ試験
片によりクリープ試験を行った。クリープ試験では、母
材での破断時間が約３０００時間となる６００℃、２２
ｋｇｆ／ｍｍ²の条件で試験を行い、溶接金属５の破断
時間を調べた。そして、母材破断時間の８０％を良否の
判定基準として、これに達しないものをクリープ強度不
足とした。結果を表３に示す。溶接高温割れ○は割れな
し、×は割れ発生を示し、クリープ強度○は強度充分、
×は強度不足を示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】本発明の溶接材料であるＡ１〜Ａ７は、い
ずれも、高Ｎ、Ｎｂ添加により、Ｂの排除にもかかわら
ず、溶接金属に良好なクリープ強度を与え、かつ、Ｂの
排除、ＰおよびＳの規制、Ｍｇの添加により良好な耐溶
接高温割れ性を与える。これに対し、Ｐ量、Ｓ量の高い
Ｂ１およびＢ２、Ｎｂが極端に多いＢ３、Ｂの添加され
たＢ８では、溶接高温割れが発生した。また、Ｃ量の低
いＢ４、Ｎ量の低いＢ５およびＢ８、Ｎｂ量の低いＢ
６、Ｍｏ量およびＮ量の低いＢ７では、クリープ強度が
不足した。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の高Ｃｒ高Ｎオーステナイト鋼用溶接材料は、高Ｃｒ高
Ｎ鋼材であるので、高Ｎｉ合金用溶接材に比して安価で
ある。また、母材に匹敵する優れた高温強度を溶接金属
に与え、しかも、溶接高温割れ感受性が低減されている
ので、溶接金属での割れを防ぐ。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接試験に用いた開先の形状を示す図である。

【図２】溶接試験で作成した継手の形状を示す図であ
る。

【図３】継手から採取した側曲げ試験片の形状を示す図
である。

【図４】継手から採取したクリープ試験片の形状を示す
図である。

【符号の説明】

１母材２拘束板３拘束溶接部４開先に対する試験溶接部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ０．０３〜０．１％，Ｓｉ
０．５％以下，Ｍｎ８％以下，Ｎｂ０．２５〜０．７
％，Ｃｒ２３〜２８％，Ｎ０．１５〜０．３５％，Ａｌ
０．５％以下，Ｍｇ０．００３〜０．０２％，Ｎｉ
｛１．１（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ）−３０（Ｃ＋Ｎ）−０．
５Ｍｎ−８．２｝％以上３０％以下を含み、かつ不純物
としてのＰ，ＳがＰ＜０．０１％およびＰ＋Ｓ＜０．０
２％を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる
高Ｃｒ高Ｎオーステナイト鋼用溶接材料。
【請求項２】重量％でＣ０．０３〜０．１％，Ｓｉ
０．５％以下，Ｍｎ８％以下，Ｎｂ０．２５〜０．７
％，Ｃｒ２３〜２８％，Ｎ０．１５〜０．３５％，Ａｌ
０．５％以下，Ｍｇ０．００３〜０．０２％，Ｎｉ
｛１．１（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ）−３０（Ｃ＋Ｎ）
−０．５Ｍｎ−８．２｝％以上３０％以下，Ｍｏ０．５
〜１．５％を含み、かつ不純物としてのＰ，ＳがＰ＜
０．０１％およびＰ＋Ｓ＜０．０２％を満足し、残部が
Ｆｅおよび不可避不純物からなる高Ｃｒ高Ｎオーステナ
イト鋼用溶接材料。