JP2797981B2

JP2797981B2 - 高強度オーステナイト鋼溶接材料およびその製造方法

Info

Publication number: JP2797981B2
Application number: JP23239194A
Authority: JP
Inventors: 和博小川; 潤之仙波
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH0871784A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電用ボイラ、化学反
応装置などの高温強度が要求される用途に使用されるオ
ーステナイト鋼を溶接するための溶接材料およびその製
造方法に関する。

【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
テナイト系ステンレス鋼が使用されてきた。しかし、例
えばボイラ等では、最近のエネルギー効率の改善要求の
高まりから、運転条件が非常に苛酷化しており、１８−
８系のオーステナイト系ステンレス鋼よりも更に高温強
度の高い材料が要求されるようになった。

【０００３】このような要求に対し、Ｃｒ量およびＮｉ
量を高めたボイラ用の新材料は多く開発されている。し
かし、それらは性能的には問題がないものの、経済的に
は１８−８系のオーステナイト系ステンレス鋼に比べて
非常に高コストとなる。そこで、１８−８系のオーステ
ナイト系ステンレス鋼をベースとしてこれにＣｕ，Ｎ
ｂ，ＮおよびＢを添加することにより高温強度の改善を
図ったオーステナイト鋼が、特開昭６２−１３３０４８
号公報により提示されている。

【０００４】この１８−８系ベースの高強度オーステナ
イト鋼は、ＣｒおよびＮｉの増量によらずに高温強度を
高めているので経済性が良く、高強度化による薄肉化と
合わせて、溶接構造物の製造コスト低減に大きな効果を
発揮するものと期待されている。

【０００５】一方、このようなオーステナイト鋼を溶接
するための溶接材料としては、その母材をそのまま溶接
材料として使用すること、高Ｎｉ合金用の溶接材料を使
用することが通常考えられる。しかし、高Ｎｉ合金用の
溶接材料は高価である。また後で詳しく説明するが、高
温で高強度のオーステナイト鋼をそのまま溶接材料とし
て使用しても溶接金属に母材と同等の性能を与えること
ができない。

【０００６】そこで例えば、オーステナイト鋼にＶ，Ｎ
を共存させ、更に、Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｖ，Ｂを複
合添加することにより、高クリープ強度の溶接金属を得
る比較的低コストな溶接材料が、特開昭６３−３０９３
９２号公報に開示されている。

【０００７】また、高Ｎｉ合金用の溶接材料が高価なこ
と、母材をそのまま溶接材料として用いた場合に溶接金
属の性能が母材より劣ることなどを考慮して、オーステ
ナイト鋼にＮｂ，Ｎを添加し、ＮｂＣ，ＮｂＣｒＮの析
出により凝固組織の微細化を図ることにより、凝固のま
まの溶接金属に高い高温強度を付与する溶接材料が、特
開平６−１４２９８０号公報に開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６２−１３３０
４８号公報に示されているような高温で高強度のオース
テナイト鋼は、高Ｎｉ合金より安価であるが、これをそ
のまま溶接材料に使用すると、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て
いるのに対し、溶接金属は殆どの場合、凝固のままの組
織で使用されるため、溶接金属の高温強度を高めること
が本質的に困難である。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】特開昭６３−３０９３９２号公報に開示さ
れている溶接材料では、クリープ強度を確保するための
成分設計に関連して、ＴｉとＮｂ，ＶとＮｂが複合添加
される。ＴｉとＮｂ，ＶとＮｂの複合添加は溶接高温割
れ感受性を高めるので、この溶接材料では溶接高温割れ
が問題になる。クリープ強度についても、長時間域まで
考慮すると、６００〜７００℃の温度域においては必ず
しも高いクリープ強度を得ることができない。

【００１２】特開平６−１４２９８０号公報に開示され
ている溶接材料では、Ｔｉ，Ｖ、特にＶを使用しないの
で、溶接金属の溶接高温割れ感受性は比較的低い。高温
での強度も優れるが、６５０℃での１０⁵時間クリープ
強度は約１０ｋｇｆ／ｍｍ²が限界であり、これより高
い高温強度の母材に使用した場合は、溶接部でクリープ
強度が不足する。そのため、溶接高温割れ感受性を抑え
たままで更に高い高温強度を確保することが必要にな
る。

【００１３】また、いずれの溶接材料についても、クリ
ープ強度を高めるためにＣｕが添加されているために、
熱間加工性が悪く、溶接材料とするための線材加工が容
易でなく、仮に高温強度が優れたものであって、熱間加
工で割れが生じ、線材に加工できない場合も考えられ
る。

【００１４】本発明の目的は、溶接高温割れ感受性を高
めずに溶接金属に高い高温強度を付与し、且つ熱間加工
性が良好な高強度オーステナイト鋼溶接材料を提供する
ことにある。

【００１５】本発明の他の目的は、その溶接材料を熱間
加工で割れを生じることなく製造し得る溶接材料の製造
方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】特開昭６２−１３３０４
８号公報に開示されているような高温強度の優れたオー
ステナイト鋼の溶接においては、溶接高温割れ感受性を
高めずに、溶接金属の高温強度を高めることが必要であ
る。この手段として、本発明者らは高Ｎ化、Ｃｕ添加、
Ｗ添加に加えて、高温での使用時にLaves 相等の金属間
化合物が微細分散するように合金設計しておくのが有効
なことを種々の実験から知見した。

【００１７】高Ｎ化は固溶強化およびＮｂＣｒＮとして
微細析出することによる強化により、溶接金属の高温強
度を高める。Ｃｕ添加は析出強化により溶接金属の高温
強度を高める。Ｗ添加は固溶強化により高温強度を高め
ると共に、Laves 相等の生成源となる。そして、これら
の強化の相乗と、高温での使用時にLaves 相等の金属間
化合物を微細分散させることによる強化とにより、耐溶
接高温割れ性低下の原因となるＴｉ, Ｖを添加すること
なく、溶接金属のクリープ強度を著しく向上させること
が可能となる。

【００１８】更に、ここで重要な高温での使用時に金属
間化合物を微細分散させ、これをクリープ強度向上に有
効に寄与させることについては、金属組織のオーステナ
イト形成ポテンシャルを適正にコントロールすることが
必要であることも判明した。具体的には次式にて合金成
分、主にＮｉ量を規制することにより、これが実現され
る。 −８≦Ａ_P≦２Ａ_P＝Ｎｉ＋0.５Ｍｎ＋３０（Ｃ＋Ｎ）−1.１（Ｃｒ＋
1.５Ｓｉ＋Ｍｏ＋0.５Ｗ）

【００１９】これらを実現した溶接材料は、耐溶接高温
割れ性および溶接金属の高温強度に優れ、溶接金属の高
温強度については、６５０℃での１０⁵時間クリープ強
度が１０ｋｇｆ／ｍｍ²を超えることも可能であり、特
開平６−１４２９８０号公報に記載された溶接材料を凌
ぐ。その理由としては、Ｗ添加によりLaves 相を生成さ
せた上で、Ａ_P値の適正化によりＷ含有の微細Laves 相
を析出させることにより、その析出強化がクリープ強度
の向上に有効に寄与することが考えられる。

【００２０】また、溶接材料とするために必要な熱間加
工性の改善については、次のような事実が判明した。ク
リープ強度確保のために必須元素として添加されるＣｕ
が鋼中のＯと結合して、低融点相を生じる。Ｃｕと共に
Ｎを必須元素としているために、熱間変形抵抗が増大す
る。その結果、鋼塊から丸棒鋼および粗線材に熱間加工
する過程で割れが生じる。この対策として、Ｏ量を低く
すると共にＣａを添加して、Ｃｕによる低融点相の生成
を抑えることが有効なことを本発明者らは知見した。

【００２１】更に、そのような溶接材料を製造する際の
適正な熱間加工条件も、本発明者らによる調査から判明
した。

【００２２】本発明の溶接材料は、重量％でＣ：0.０３
〜0.１３％、Ｓｉ：0.１〜0.５％、Ｍｎ：0.６〜６％、
Ｃｒ：２０〜２４％、Ｎｉ：６〜２１％、Ｎｂ：0.０１
〜0.７％、Ｍｏ：0.５〜1.５％、Ｗ：１〜３％、Ｃｕ１
〜４％、Ｎ：0.２〜0.４％、Ａｌ：0.５％以下、Ｃａ：
0.００２〜0.０２％、Ｍｇ：0.０２％以下、Ｏ：0.０１
％以下、Ｐ：0.０１％以下、Ｐ＋Ｓ：0.０２％以下と、
更に必要に応じてＢ：0.０１％以下を含み、 −８≦Ａ_P≦２Ａ_P＝Ｎｉ＋0.５Ｍｎ＋３０（Ｃ＋Ｎ）−1.１（Ｃｒ＋
1.５Ｓｉ＋Ｍｏ＋0.５Ｗ）を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする。

【００２３】本発明の溶接材料の製造方法は、上記成分
組成の素材を１１００℃〜１２５０℃にて鍛造後、１０
５０〜１２５０℃にて外径６ｍｍ以上の粗線材に熱間圧
延し、更に４０％以下の冷間加工と１０００〜１２５０
℃での熱処理とを繰り返して線材に加工することを特徴
とする。

【００２４】

【作用】以下に本発明における条件限定理由について述
べる。

【００２５】〔溶接材料の成分〕Ｃ：高温での引張強さ、クリープ強度の向上に寄与す
る。ただし、過剰の添加は、炭窒化物として析出し強度
の低下を招く。そのため、0.０３〜0.１３％とした。好
ましくは0.０４〜0.１２％、更に好ましくは0.０５〜0.
１０％である。

【００２６】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、0.１〜0.５％とし
た。

【００２７】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、過度の添加は脆化を招く。そのため0.６〜６％
とした。

【００２８】Ｃｒ：高温強度、耐酸化性、耐食性の確保
のために不可欠の元素であるが、過度の添加は熱間加工
性を損なう。そのため、２０〜２４％とした。

【００２９】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不可欠であり、６〜２１％とした。
６％未満では溶接金属にフェライト相が生成し、使用中
に有害なシグマ相の析出を促進することにより、クリー
プ強度の低下を招く。一方２１％を超えると溶接高温割
れ感受性の増大を招く。

【００３０】そして、Ｎｉ量を６〜２１％とした上で、
Ａ_Pが−８〜２となるように、主にＮｉ量を調整する。
これはＮｉ量の調整が高温強度を向上させる上で重要な
ポイントとなるからである。

【００３１】Ａ_Pを−８〜２とすることにより高温での
使用中に金属間化合物（Γ相）が微細析出し、クリープ
強度を向上させる。Ａ_Pが−８未満では高温での使用中
に粗大な金属間化合物の析出成長が進み、結果としてク
リープ強度の低下を招く。一方、２を超えると高温でオ
ーステナイト相が安定となり、金属間化合物の微細析出
によるクリープ強度の向上が期待できなくなる。Ａ_Pの
下限としては−６以上が望ましく、−４以上が更に望ま
しい。またその上限としては１以下が望ましく、０以下
が更に望ましい。

【００３２】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。そのため、0.０１〜0.７％とした。

【００３３】Ｗ：固溶強化と高温で使用中に微細な金属
間化合物（Γ相) を析出させることとにより、クリープ
強度の向上に寄与する。ただし過度の添加は、金属間化
合物の粗大化を促進し、かえってクリープ強度を低下さ
せる。そのため、１〜３％とした。

【００３４】Ａｌ：脱酸剤として使用されるが、過剰の
添加は溶接金属中に介在物として残存し、クリープ延性
の低下を招くため、0.０３％以下とした。

【００３５】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、0.０２％以下とした。

【００３６】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炭窒化物を析出させて脆化の原因と
なる。そのため、0.２〜0.４％とした。

【００３７】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
緩和してしまうばかりか、耐食性の低下を招く。従っ
て、Ｍｏを添加する場合は、その量を0.５〜1.５％とし
た。

【００３８】Ｃｕ：高温引張強さ、クリープ強さに有効
に寄与する。Ｃｕ富化相として微細析出するためであ
る。効果を十分に発揮させるため、１％以上とする。過
剰の添加は延性の低下を招くため、４％以下とする。

【００３９】Ｂ：粒界に偏析して、粒界の強度を高める
ため、クリープ強度の向上に有効である。ただし、溶接
高温割れを助長するため、添加する場合は0.０１％以下
とする。

【００４０】Ｐ，Ｓ：凝固時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，Ｂの添
加に伴う溶接高温割れ感受性を抑えることができ、Ｎ
ｂ，Ｂ添加鋼であっても、十分な溶接性が確保され、Ｎ
ｂ，Ｂの添加による高温強度の確保も容易になる。

【００４１】Ｏ：Ｃｕ添加を必須としているため、Ｃｕ
と結合して低融点共晶を形成し、熱間加工時に割れ性を
生じる原因になる。そのため、0.００７％以下として、
ビレットから線材への加工性を確保する。

【００４２】Ｃａ：クリープ強度を損なわずにＯを固定
して、熱間加工時に発生する割れを防ぐ。しかし、過剰
の添加は溶接時の溶接アークの不安定を誘発し、結果と
して溶接欠陥が生じやすくなる。そのため、0.００２〜
0.０２％とした。

【００４３】〔溶接材料の製造条件〕製造プロセスとし
ては、まず鋳塊を熱間鍛造により丸棒とし、さらにこれ
を熱間圧延により粗線材となす。

【００４４】鍛造温度は１１００〜１２５０℃とする。
１１００℃未満では、結晶粒内の変形抵抗が結晶粒界の
強度を上回り、粒界割れを生ずる。一方、１２５０℃を
超えると、粒界が一部液化し、割れを生ずる。

【００４５】熱間圧延温度は１０５０℃〜１２５０℃と
する。理由は鍛造温度の場合と同じであるが、圧延では
粒界割れが生じにくいため、下限が５０℃低くなってい
る。

【００４６】熱延後の外径は６ｍｍ以上とする。６ｍｍ
未満になると外表面の冷却が早くなり、上述の下限温度
を保持することが困難となる。

【００４７】熱延後は、所定の外径の線材を得るため冷
間圧延により外径を減ずるが、加工硬化による破断を防
ぐため、加工度は４０％以下とする。加工硬化した線材
に対しては、熱処理により軟化処理を行うが、１０００
℃未満ではその効果は小さく、１２５０℃を超えると表
面の酸化が著しくなるので、熱処理温度は１０００〜１
２５０℃とする。

【００４８】

【実施例】以下に本発明の実施例を示し、比較例と対比
することにより、本発明の効果を明らかにする。

【００４９】母材として、表１に示す化学組成のオース
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、２２Ｃｒで、且つＣｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｂ
を含み、その７００℃での１０0,０００時間（１０⁵時
間）クリープ強度が９ｋｇｆ／ｍｍ²である。溶接材料
は、表２および表３に示す６種類とし、いずれも実験室
にて真空溶製後、外径２ｍｍの線材に加工することによ
り作製した。

【００５０】比較試験では、まず、図１に示すように、
所定の開先４を設けた管母材１，１を、鋼からなる拘束
棒２に拘束溶接した。３は拘束溶接部である。次いで、
その開先４に対して供試溶接材料により多層溶接を行っ
た。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。溶接にはＴＩＧ法を用
いた。

【００５１】溶接後、機械加工により図２（Ａ）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
（１０ｍｍ）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２（Ｂ）に示す試
験片により高温引張試験およびクリープ試験を行った。

【００５２】クリープ試験では、母材での破断時間が約
３０００時間となる７００℃、１６ｋｇｆ／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○は前述の判定基準を超えているこ
とを示し、×は強度不足を示す。

【００５３】Ａ１〜Ａ７は本発明の成分条件を満足す
る。これらの溶接材料は良好な耐溶接高温割れ性および
クリープ強度を示した。これに対し、本発明の成分条件
を満足しないものでは、Ｂ３，Ｂ４のように溶接割れが
生じたり、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ５〜Ｂ７のようにクリープ強
度が不足した。また、Ｂ８，Ｂ９のように線材に加工で
きない場合もある。

【００５４】

【表１】

【００５５】

【表２】

【００５６】

【表３】

【００５７】表２および表３に示した鋼Ａ１，Ａ２，Ｂ
７，Ｂ８につき、重量１５０ｋｇ、外径約３００ｍｍの
鋳塊を真空溶製し、加熱炉にて所定の温度に４時間保持
後、外径６０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。更に得られた
丸棒を加熱炉にて２時間保持後、熱間圧延により所定の
外径に線材加工した。各工程において目視により割れの
有無を調査した。結果を表４に示す。

【００５８】

【表４】＊印は本発明範囲外

【００５９】ＷＢ１〜ＷＢ３に示すように、本発明の範
囲外の鍛造条件、圧延条件では割れが生じた。ＷＢ４，
５のように、本発明の鍛造条件、圧延条件内であって
も、化学組成が発明範囲外であれば割れを生じる。これ
に対し、ＷＡ〜ＷＡ４のように、本発明の範囲内の化学
組成、鍛造条件、圧延条件を満足するものは、割れが生
ずることなく、良好に線材加工することができた。

【００６０】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の溶接材料
は、耐溶接高温割れ性を犠牲にすることなく溶接金属に
とりわけ優れた高温強度を付与する。しかも、この種の
溶接材料に欠除しがちな熱間加工性に優れる。

【００６１】また、本発明の溶接材料の製造方法は、線
材に加工するための熱間加工での割れを防ぐことによ
り、製品化を図る上での障害を取り除き、高性能な製品
を市場に提供し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接試験で用いた拘束溶接の説明図である。

【図２】継手から採取した試験片の説明図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ：0.０３〜0.１３％、Ｓｉ：
0.１〜0.５％、Ｍｎ：0.６〜６％、Ｃｒ：２０〜２４
％、Ｎｉ：６〜２１％、Ｎｂ：0.０１〜0.７％、Ｍｏ：
0.５〜1.５％、Ｗ：１〜３％、Ｃｕ１〜４％、Ｎ：0.２
〜0.４％、Ａｌ：0.５％以下、Ｃａ：0.００２〜0.０２
％、Ｍｇ：0.０２％以下、Ｏ：0.０１％以下、Ｐ：0.０
１％以下、Ｐ＋Ｓ：0.０２％以下を含み、 −８≦Ａ_P≦２Ａ_P＝Ｎｉ＋0.５Ｍｎ＋３０（Ｃ＋Ｎ）−1.１（Ｃｒ＋
1.５Ｓｉ＋Ｍｏ＋0.５Ｗ）を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする高強度オーステナイト鋼溶接材料。
【請求項２】請求項１に記載の成分に加えて、更に
Ｂ：0.０１％以下を含むことを特徴とする高強度オース
テナイト鋼溶接材料。
【請求項３】請求項１または２に記載の高強度オース
テナイト鋼溶接材料を製造する方法であって、素材を１
１００℃〜１２５０℃にて鍛造後、１０５０〜１２５０
℃にて外径６ｍｍ以上の粗線材に熱間圧延し、更に４０
％以下の冷間加工と１０００〜１２５０℃での熱処理と
を繰り返して線材に加工することを特徴とする溶接材料
の製造方法。