JP2797973B2

JP2797973B2 - 耐高温酸化性に優れた高強度ステンレス鋼溶接材料

Info

Publication number: JP2797973B2
Application number: JP18706394A
Authority: JP
Inventors: 和博小川; 義淳椹木; 秀樹宇野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH0847794A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐高温酸化性とクリー
プ強度の優れたオーステナイト系ステンレス鋼を溶接す
るのに好適な、耐高温酸化性に優れた高強度ステンレス
鋼溶接材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼は、いわゆる湿潤環境での
耐食性だけでなく、 900〜1100℃の高温での耐酸化性に
も優れた特性を有することが知られている。一般に高温
での優れたクリープ強度も併せて期待する場合には、オ
ーステナイト系ステンレス鋼が多く用いられている。

【０００３】例えば、SUS 304 に代表される18Cr−８Ni
系、SUS 310Sを代表とする25Cr−20Ni系、Alloy 800 と
して知られる20Cr−32Ni鋼などの高Cr−高Ni鋼がある。
高Si化により高温特性の向上を図ったステンレス鋼とし
ては、AISI 302B 、JIS XM15J1、AISI 314などの鋼が知
られている。その他、高温特性を改善したステンレス鋼
が、特開昭52−4418号、特公昭53−43370 号、同54−12
890 号、同54−33207号、同56−17424 号、同56−25507
号、同57−16187 号、同57−42701 号、同57−54543
号、同57−59299 号、同58−2268号、同58−42264 号、
特開昭59−185763号、同60−92454 号、同63−69949
号、同63−213643号、同63−69950 号、同63−69951
号、同63−157840号、同63−213643号、特公昭64−8695
号および特開平１−159351号の各公報に示されている。

【０００４】これらの特許における高温特性の改善は、
Si含有量の増加により達成されるものが多く、その他、
Mo、Cu、Ｎ、Ti、Nbなどの元素を添加することにより達
成されるものもある。

【０００５】これらの材料を溶接構造物として使用する
際に必要となる溶接材料は、JIS に規定されているSUS
308 、SUS 310S用のＹ308 、Ｙ310 または高Si含有のス
テンレス鋼溶接材料、もしくはNi合金の溶接材料が用い
られている。

【０００６】特開昭59−153870号公報には、Cu含有量と
Ni bal. 値を限定した、溶接割れ感受性の低いオーステ
ナイトステンレス鋼が示されており、この材料を溶接材
料として用いることが可能性として考えられる。

【０００７】特開昭61−103698号公報には、高温クリー
プの破断強さと破断伸びがともに優れたオーステナイト
ステンレス鋼溶接用ワイヤが示されている。特開平５−
220594号公報には、Nb、Zrなどを含有し、優れたクリー
プ特性を有する高Crオーステナイト系ステンレス鋼溶接
用の新しい溶接材料が示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】900 〜1100℃での耐高
温酸化性と高温クリープ強度を併せもつオーステナイト
系ステンレス鋼の溶接材料として、前述の材料を用いた
場合の性能上の問題点を表１に比較対照して示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】表１において、二重丸印は優れているこ
と、丸印は良好であること、三角印はやや劣ること、ば
つ印は劣ることを意味する。

【００１１】表１に示すように、従来の材料では、耐高
温酸化性、耐時効脆化性およびクリープ強度の全ての必
要性能を満足し、かつ良好な耐溶接割れ性を得ることは
困難である。さらに、高Ni合金は高価なNiを多く使用す
るため経済性の面からも問題である。また、特開昭61−
103698号および特開平５−220594号の各公報に示される
溶接材料の使用温度範囲は 550〜650 ℃近傍であり、90
0 ℃以上の温度における耐高温酸化性には問題がある。

【００１２】本発明の目的は、耐時効脆化性、耐溶接高
温割れ性およびクリープ強度とともに、耐高温酸化性に
優れたステンンレス鋼溶接材料を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の耐
高温酸化性に優れた高強度ステンレス鋼溶接材料にあ
る。

【００１４】重量％で、Ｃ：0.05〜0.15％、Si:0.1〜0.
6 ％、Mn:0.5〜２％、Cr：20〜30％、Ni：５〜15％、
Ｎ:0.1〜0.3 ％、Ｂ:0.001〜0.007 ％、La＋Ce：0.01〜
0.1 ％およびAl：0.01〜0.2 ％を含有し、さらにMo：２
％以下、Ｗ：２％以下およびTa：２％以下のうちの一種
もしくは二種以上を含み、残部はFeおよび不可避的不純
物からなり、不純物中のＰは0.012 ％以下、Ｓは0.005
％以下であり、かつ下記式で表されるNi bal. 値が−
１〜３％を満たすことを特徴とする耐高温酸化性に優れ
た高強度ステンレス鋼溶接材料。

【００１５】 Ni bal. ＝Ni＋0.5Mn ＋30（Ｃ＋Ｎ）−1.1(Cr＋Mo＋1.5Si)＋8.2 ・・・上記においてMo、ＷおよびTaは、いずれも無添加でもよ
い。これらを積極的に添加する場合の下限は、Moで0.5
％、Ｗで１％およびTaで１％とするのが望ましい。

【００１６】本発明の溶接材料の特性に係わる組成設計
思想の特徴は、次の (a)〜(d) のとおりである。

【００１７】(a)耐高温酸化性耐溶接高温割れ性確保の観点から、従来、耐酸化性を確
保するために添加されているSiの含有量を抑制し、代わ
りにCrを適正量含有させるとともに、LaおよびCeを複合
して含有させる。

【００１８】(b)耐時効脆化性低Si化とCr含有量の適正化に加え、Ni bal. 値をある適
正範囲に維持し、Ni含有量をこれによっても規制する。

【００１９】(c)クリープ強度Ｎを適正量含有させる。しかし、溶融凝固組織では母材
に比べて強度低下が発生しやすいため、必要により、M
o、ＷおよびTaのうちから一種以上を選んで適正量含有
させ、固溶強化を図る。

【００２０】(d)耐溶接高温割れ性低Si化に加え、ＰおよびＳ含有量の抑制、さらにはNi b
al. 値をある適正範囲に維持し、Ni含有量をこれによっ
ても規制する。

【００２１】

【作用】以下、本発明のステンンレス鋼溶接材料の化学
組成を、前記のように定めた理由について説明する。％
は重量％を意味する。

【００２２】Ｃ：0.05〜0.15％Ｃは、オーステナイト組織の安定化を促進するととも
に、クリープ強度を高めるのに有効な元素である。Ｃ含
有量が0.05％未満では、これらの効果が得られない。一
方、0.15％を超えると熱間加工性が阻害される。よっ
て、Ｃ含有量の範囲は0.05〜0.15％とした。

【００２３】Si： 0.1〜0.6 ％ Siは脱酸のために有効な元素であるが、その含有量の増
加とともに耐溶接高温割れ性およびクリープ強度の劣化
が著しくなる。その許容限界が0.6 ％であるのでで、Si
含有量は0.6 ％以下とした。好ましいのは0.4 ％以下で
ある。ただし、その含有量が0.1 ％未満で過少な場合に
は、溶接施工性が劣化するので、下限は0.1 ％とした。

【００２４】Mn： 0.5〜２％ Mnは、脱酸とともにオーステナイト組織の安定化のため
に有効な元素である。

【００２５】しかし、Mn含有量が２％を超えると耐酸化
性を劣化させるので、その上限は２％とした。一方、0.
5 ％未満では溶融凝固時に溶接材料に含まれていたＮが
放出され、溶接金属中のＮが低下してクリープ強度の低
下を招くので、その下限は０．５％とした。

【００２６】Ｃｒ：20〜30％ Crは耐酸化性、耐高温摩耗性およびクリープ強度を向上
させるのに有効な元素である。しかし、Cr含有量が20％
未満ではこれらの効果が得られない。一方、30％を超え
ると、オーステナイトの安定化を阻害するとともに、熱
間加工性を劣化させる。よって、Cr含有量の範囲は20〜
30％とした。望ましいのは21〜25％である。

【００２７】Ni：５〜15％ Niは、オーステナイト組織の安定化および耐酸化性とク
リープ強度の向上において重要な元素である。しかし、
Ni含有量が５％未満では、それらの効果が少ない。一
方、15％を超えると溶接性が阻害される。よって、Ni含
有量の範囲は５〜15％とした。好ましいのは７〜13％で
ある。さらに、Ni含有量は後述するNibal.値の範囲によ
っても規制される。

【００２８】Ｎ： 0.1〜0.3 ％Ｎは、オーステナイト組織の安定化とともに、クリープ
強度の向上に有効な元素である。しかし、Ｎ含有量が0.
1 ％未満では、クリープ強度の向上が得られない。一
方、0.3 ％を超えると熱間加工性が阻害される。よっ
て、Ｎ含有量の範囲は 0.1〜0.3 ％とした。

【００２９】Ｂ:0.001〜0.007 ％Ｂは、クリープ強度および熱間加工性の向上に有効な元
素である。これらの効果はＢ含有量が0.001 ％以上で顕
著となる。しかし、0.007 ％を超えると耐溶接高温割れ
性が阻害される。よって、Ｂ含有量の範囲は 0.001〜0.
007 ％とした。

【００３０】La＋Ce：0.01〜0.1 ％ LaおよびCeは、耐酸化性および耐高温摩耗性の向上に有
効な元素である。しかし、LaとCeの合計含有量が0.01％
未満では、これらの効果が得られない。一方、0.1 ％を
超えると熱間加工性および溶接施工性が阻害される。よ
って、LaとCeの含有量はその合計で0.01〜0.1 ％とし
た。

【００３１】なお、LaとCeはミッシュメタルとして添加
されるため、両者の割合は限定されない。

【００３２】Al：0.01〜0.2 ％ AlはLaとCeの添加効果を発揮させるための脱酸成分とし
て0.01％以上含有させる必要がある。しかし、Al含有量
が0.2 ％を超えると溶接性を悪化させるので、その上限
は0.2 ％とした。好ましい上限は0.10％である。

【００３３】Ｐ：0.012 ％以下Ｐは、耐溶接高温割れ性およびクリープ強度の両面か
ら、その含有量が少ないほど望ましい不可避不純物であ
る。しかし、溶製上の困難性と経済性を考慮してその上
限は0.012 ％とした。望ましいのは0.01％以下である。

【００３４】Ｓ：0.005 ％以下ＳはＰと同様に、耐溶接高温割れ性およびクリープ強度
を阻害する不可避不純物であり、その含有量は少ないほ
ど望ましい。しかし、溶製上の困難性と経済性を考慮し
て、その上限は0.005 ％とした。

【００３５】本発明の溶接材料は、上記の各成分の他
に、さらに次のNi bal. 値を満たす必要がある。

【００３６】Ni bal. 値：−１〜３％このNi bal. 値は、下記の式で表されるものである。

【００３７】 Ni bal. ＝Ni＋0.5Mn ＋30（Ｃ＋Ｎ）−1.1(Cr＋Mo＋1.5Si)＋8.2 ・・この値は冶金学的にはオーステナイト組織の安定性を示
すものであるが、−１％未満では、高温でσ相などの金
属間化合物が析出しやすくなり、耐時効脆化性およびク
リープ強度を低下させる。一方、３％を超えると耐溶接
高温割れ性を悪化させる。よって、高温特性および溶接
性の両面から上記式で表されるNibal.値の範囲を−１
〜３％とした。望ましいのは０〜２％である。

【００３８】本発明の溶接材料は、上記の各成分の他
に、さらに次に述べるMo、ＷおよびTaのうちから一種も
しくは二種以上を選んで含有させることができる。

【００３９】Mo：２％以下 Moは、常温および高温の強度を向上させるのに有効な元
素である。これらの効果を得るために積極的に含有させ
る場合の下限は、0.5 ％とするのが望ましい。

【００４０】しかし、２％を超えて過剰に含有させると
脆化を招く。

【００４１】Ｗ：２％以下ＷはMoと同様に、常温および高温の強度を向上させるの
に有効な元素である。

【００４２】これらの効果を得るために積極的に含有さ
せる場合の下限は、１％とするのが望ましい。しかし、
２％を超えて過剰に含有させると脆化を招く。

【００４３】Ta：２％以下 Taは、常温および高温の強度を向上させるのに有効な元
素である。これらの効果を得るために積極的に含有させ
る場合の下限は、１％とするのが望ましい。しかし、２
％を超えて過剰に含有させると脆化を招く。

【００４４】上記の三種類の元素のうちから一種を選ん
で単独添加する場合には、その含有量が過剰になると脆
化を招くため強度の向上に限界があるが、二種以上を選
んで複合添加する場合には、脆化を招くことなく、さら
なる強度向上が可能である。

【００４５】

【実施例】表２に示す化学組成を有する板厚40mmの耐高
温酸化性高強度ステンレス鋼板に図１に示す形状の溶接
開先を設けた。

【００４６】

【表２】

【００４７】この供試鋼板は、下記の諸特性を有してい
るものである。

【００４８】耐高温酸化性：1000℃、24時間×５サイク
ルの耐高温酸化性試験で酸化減量が５mg/cm²以下耐摩耗性：700 ℃、３時間の人造硅砂吹付け試験で減肉
深さが13μm 以下高温強度：900 ℃、付加応力２kgf/mm²でクリープ破断
時間が2000時間以上次に、表３に示す化学組成の溶接材料（外径２mmの線
材）を用いて、下記の条件でＴＩＧ溶接して溶接継手を
作製し、後述する評価試験を行った。

【００４９】溶接電流：150 Ａ溶接電圧：16Ｖ溶接速度：８ｃｍ／ｍｉｎ

【００５０】

【表３】

【００５１】溶接継手の評価には、図２〜図５に示す試
験片を用いた。図２は高温酸化試験用、図３は時効脆化
試験用（シャルピー衝撃試験用ＪＩＳ４号試験片）、
図４は側曲げ試験用および図５はクリープ試験用であ
る。

【００５２】高温酸化試験は、1100℃の大気中で24時間
加熱を５回繰り返した後、酸化減量を測定し、５mg/cm²
以下を良好とした。耐時効脆化試験は、溶接金属に900
℃、3000時間の熱処理を加えた後０℃でシャルピー衝撃
試験を行い、衝撃値が２kgf/cm²を超えたものを良好と
した。

【００５３】クリープ強度は、900 ℃、付加応力２kgf/
mm²でクリープ破断時間が1600時間( 母材の80％ )を超
えたものを、溶接高温割れは、溶接継手の側曲げ試験で
180度曲げを行い、溶接高温割れが認められなかったも
のを、それぞれ合格とした。

【００５４】以上の試験結果を表４に示す。

【００５５】

【表４】

【００５６】表３および表４に示すように、比較例B1の
ようにSi含有量が高い材料では、耐高温酸化性に優れる
が、溶接高温割れが発生し、耐時効脆化性に劣ってい
る。低Si含有量であってもNi bal. 値が高すぎる比較例
B2では、溶接高温割れが生じ、逆にNi bal. 値が低すぎ
る比較例B3では耐時効脆化性が劣っている。

【００５７】La＋Ceの含有量が過少な比較例B4では、耐
高温酸化性が不十分となる。Ｎ含有量が過少な比較例B5
およびＢ含有量が過少な比較例B6では、他の特性が良好
であってもクリープ強度が不足する。比較例B7では、Mo
含有量が過剰であるため耐時効脆化性に劣る。

【００５８】一方、本発明で定める条件を満たす本発明
例A1〜A9では、いずれの特性も良好である。Mo、Ｗおよ
びTaのうちの二種以上を複合して含有させた場合では、
特にクリープ強度に優れている。

【００５９】

【発明の効果】本発明のステンレス鋼溶接材料は、良好
な耐時効脆化性および耐溶接高温割れ性に加えて、優れ
た耐高温酸化性およびクリープ強度を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】供試鋼板の溶接開先の形状を示す図である。

【図２】溶接継手の評価に用いた高温酸化試験用の試験
片を示す図である。

【図３】溶接継手の評価に用いた時効脆化試験用の試験
片を示す図である。

【図４】溶接継手の評価に用いた側曲げ試験用の試験片
を示す図である。

【図５】溶接継手の評価に用いたクリープ試験用の試験
片を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−142980（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−80941（ＪＰ，Ａ) 特公平７−75790（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭52−8776（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 35/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.05〜0.15％、Si:0.1〜0.
6 ％、Mn:0.5〜２％、Cr：20〜30％、Ni：５〜15％、
Ｎ:0.1〜0.3 ％、Ｂ:0.001〜0.007 ％、La＋Ce：0.01〜
0.1 ％およびAl：0.01〜0.2 ％を含有し、さらにMo：２
％以下（無添加でもよい）、Ｗ：２％以下（無添加でも
よい）およびTa：２％以下（無添加でもよい）のうちの
一種もしくは二種以上を含み、残部はFeおよび不可避的
不純物からなり、不純物中のＰは0.012 ％以下、Ｓは0.
005 ％以下であり、かつ、下記式で表されるNibal.値
が−１〜３％を満たすことを特徴とする耐高温酸化性に
優れた高強度ステンレス鋼溶接材料。 Ni bal. ＝Ni＋0.5Mn ＋30（Ｃ＋Ｎ）−1.1(Cr＋Mo＋1.5Si)＋8.2 ・・・