JP3009658B2 - 高Ｃｒ鋼材用溶接材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発電用ボイラ、ター
ビンや化学プラント等に使用される高Ｃｒ鋼材用溶接材
料に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在までに開発されている高Ｃｒ鋼材用
溶接材料は溶接金属の靱性が小さく、非消耗電極ガスシ
ールドアーク溶接（Gas Tungsten-Arc Welding: 以下Ｇ
ＴＡＷと略称する）または消耗電極ガスシールドアーク
溶接（Gas Metal-Arc Welding:以下ＧＭＡＷと略称す
る）による溶接部はその靱性確保のため７４０〜７６０
℃での溶接後熱処理が施されている。

【０００３】溶接後熱処理として７４０〜７６０℃とい
う高い温度を採用できない２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼な
どの低Ｃｒ鋼材とともに組み込まれた高Ｃｒ鋼材の場合
には、先に高Ｃｒ鋼材に７４０〜７６０℃の溶接後熱処
理を施した後、さらに２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼と一体
にして７００〜７３０℃の溶接後熱処理が施されてい
る。

【０００４】そこで本出願人は、先に、２段階の熱処理
が必要という問題点を解消し、ＧＴＡＷ及びＧＭＡＷに
おいて、高Ｃｒ鋼材についても２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ
鋼と同様に７００〜７３０℃での溶接後熱処理を可能に
し、それによって生産工程の短縮と熱エネルギの節約を
可能とする高Ｃｒ鋼材用高靱性溶接材料を提案した（特
開平８−２９０２９０号公報）。すなわち、上記提案の
溶接材料は、高Ｃｒ鋼材の非消耗電極ガスシールドアー
ク溶接又は消耗電極ガスシールドアーク溶接用溶接材料
であって、化学成分が重量％でＣ：０．１％以下、Ｓ
ｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．
０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：８〜１３％、
Ｎｉ：０．７５％以下、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｖ：０．
１８〜０．２５％、Ｔａ：０．０５〜０．３％、Ｂ：
０．００２〜０．００５％を含有し、残部がＦｅからな
ることを特徴とする高Ｃｒ鋼材用高靱性溶接材料であ
る。

【０００５】このものは、それまでの従来の溶接材料に
おいてクリープ破断強度を強めるために添加されていた
Ｎｂに替えてＴａを添加するとともに、適量のＢを添加
して結晶粒界を強化し、長時間側のクリープ破断強度と
靱性を高めたものである。そしてこれにより、従来別々
の温度で２回に分けて実施していた溶接後熱処理が１回
ですむようになり、工数の短縮と省エネルギ化を可能と
したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、火力発電プラン
トの熱効率の向上を目的に従来の高Ｃｒ鋼材の成分を基
本に、Ｗ，ＮさらにはＣｏを添加することで、より温度
特性の良い材料が開発され実用に供されつつある。しか
しながら、これらの材料成分を基本にした共金溶接材料
及び基本成分のＮｂに替えてＴａを添加し、適量のＢを
添加した共金系溶接材料では、溶接金属の靱性が著しく
低下し、溶接後熱処理温度が７００〜７３０℃では靱性
の回復が不十分で２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼とともに組
み込まれた上記高Ｃｒ鋼の場合、その高Ｃｒ鋼の構造物
を７４０〜７６０℃の溶接後熱処理を施し、一方、２・
１／４Ｃｒ−Ｍｏ鋼の構造物を７００〜７３０℃の溶接
後熱処理を施す。その後、上記高Ｃｒ鋼構造物と２・１
／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の構造物を異材溶接し、その異材溶
接部を７００〜７３０℃で局部的に溶接後熱処理を施す
か、又は、上記高Ｃｒ鋼の構造物を７４０〜７６０℃で
溶接後熱処理を施し、その後上記高Ｃｒ鋼の構造物を２
・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の構造物と異材溶接し、上記高
Ｃｒ鋼構造物と２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼構造物を１体
の構造物とした後、７００〜７３０℃の溶接後熱処理を
施す必要があった。したがって、本発明は一度の溶接後
熱処理、すなわち、２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の溶接後
熱処理（７００〜７３０℃）を施すことで、上記高Ｃｒ
鋼溶接部の靱性の向上が十分図れる高Ｃｒ鋼材用溶接材
料を提供することを目的とする。これにより、上記高Ｃ
ｒ鋼構造物と２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の構造物を一体
の構造物として仕上げ、その後、１回の溶接後熱処理
（７００〜７３０℃）を施すことで健全な構造物とする
ことができる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】高温高強度用鋼材である
９Ｃｒ〜１２Ｃｒ鋼材料に対して、高強度、高靱性の溶
接部を得るには、フェライトの析出を抑えると共に結晶
粒を微細にすることが有効であり、このような観点から
種々の検討をした結果、Ｃｕ及びＴａを適量添加し、Ｎ
を極力抑えることで可能であることを見出し、該知見に
基いて本発明を完成するに至った。

【０００８】すなわち、本発明の高Ｃｒ鋼材用溶接材料
は下記の構成（１）〜（３）よりなるものである。 （１）重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：
０．３％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．０２
％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：８〜１３％、Ｍ
ｏ：０．５〜３％、Ｎｉ：０．７５％以下、Ｖ：０．１
５〜０．３％、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｔａ：０．０５
〜０．３％、Ｗ：０．１〜２．５％、Ｃｕ：０．０１〜
０．７５％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｂ：０．００２〜
０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下及びＯ：０．０１
％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からな
ることを特徴とする高Ｃｒ鋼材用溶接材料。（以下、本
発明材１という） （２）上記（１）に記載の材料において、Ｗを添加せ
ず、Ｗが不可避的不純物の量としてなることを特徴とす
る高Ｃｒ鋼材用溶接材料。（以下、本発明材２という） （３）重量％で、さらにＣｏ：０．１〜３％添加したこ
とを特徴とする上記（１）又は（２）のいずれかに記載
の高Ｃｒ鋼材用溶接材料。（以下、本発明材２にＣｏを
添加したものを本発明材３、本発明材１にＣｏを添加し
たものを本発明材４という） 以下、本発明材１〜４の
各成分の作用・効果及び組成範囲の限定理由について述
べる。

【０００９】（本発明材１） Ｃ：０．０３〜０．１２％ Ｃは、強度の保持と焼入れ性確保のため０．０３％を下
限値とするが、含有量が多すぎると溶接性が悪くなるの
で上限値は０．１２％とし、０．０３〜０．１２％の範
囲とした。

【００１０】Ｓｉ：０．３％以下 Ｓｉは、脱酸剤として添加されるものであり、Ｓｉ含有
量が多くなり過ぎると靱性を低下させるので０．３％以
下とした。

【００１１】Ｍｎ：０．２〜１．５％ Ｍｎは、脱酸作用及び強度保持上も必要な成分であり、
０．２％未満では十分な効果が得られず、一方１．５％
を超えると靱性が低下するので、０．２〜１．５％の範
囲とした。

【００１２】Ｐ：０．０２％以下 Ｐは、溶接性及び高温長時間クリープ強度に対して有害
な不純物であるので０．０２％以下とした。下限を設け
ないのは、低Ｐ化は性能向上には有効であるが、コスト
アップを考慮したためである。

【００１３】Ｓ：０．０１％以下 Ｓは、溶接性及び高温長時間クリープ強度に対して有害
な不純物であるので０．０１％以下とした。下限を設け
ないのは、低Ｓ化は性能向上には有効であるが、コスト
アップを考慮したためである。

【００１４】Ｃｒ：８〜１３％ Ｃｒは、耐酸化性及び高温強度を増大させる元素である
が、余り多くなりすぎると溶接性が低下するとともに高
温（５５０〜６５０℃）での使用中に脆化を超す恐れが
あるので、使用目的と溶接性を考慮して８〜１３％の範
囲とした。

【００１５】Ｍｏ：０．５〜３％ Ｍｏは、クリープ強度向上に有効な元素であるが、０．
５％未満では効果が少なく、３％を超えると熱間加工性
及び靱性が低下するので、０．５〜３％の範囲とした。

【００１６】Ｎｉ：０．７５％以下 Ｎｉは、δフェライト生成を抑制し、靱性を安定化する
のに有効な元素であるが、添加量が多すぎると硬度上昇
に伴う加工性の劣化が著しく、また長時間側でのクリー
プ強度を低下させるので、０．７５％以下とした。

【００１７】Ｖ：０．１５〜０．３％ Ｖは、クリープ強度改善に有効な元素であるが、０．１
５％未満では効果が少なく、０．３％を超えると溶接性
が阻害されるので０．１５〜０．３％の範囲とした。

【００１８】Ｎｂ：０．０１％以下 Ｎｂの添加は、クリープ特性改善のために不可欠の元素
であるが、この溶材は、Ｎｂの替わりにＴａを添加する
ことで、Ｔａの炭化物（ＴａＣ）の析出による組織の微
細化によりクリープ特性の改善を計っていることと、Ｎ
ｂの添加は靱性を低下させるので、不可避的不純物とし
て入ってくるＮｂを０．０１％以下に抑えた。

【００１９】Ｔａ：０．０５〜０．３％ Ｔａの添加は、本発明の特徴の一つである。従来、本発
明におけるような高Ｃｒ鋼には、高温強度を高めるた
め、Ｔａと類似の性質を有するＮｂが用いられていた
が、本発明では不可避的に混入されるＮｂは別として、
Ｎｂに替えてＴａを添加することによりＮｂを積極的に
添加した場合に比較して結晶粒が微細になり、靱性が向
上する。量的には０．０５％未満では、靱性にバラツキ
が生じ安定性に欠け、クリープ破断強度の向上に効果が
なく、また、０．３％を超えると炭化物が粗大化し、高
温長時間側でのクリープ強度が低下するとともに延性も
低下するので、０．０５〜０．３％の範囲とした。

【００２０】Ｗ：０．１〜２．５％ Ｗ添加鋼用の溶接材料及び（Ｗ，Ｃｏ）添加鋼の溶接材
料の場合、Ｗは、Ｍｏと同様、固溶体強化元素として、
クリープ特性の改善に最も寄与する。しかしながら、
０．１％以下では効果がなく、また、２．５％以上の添
加は、溶接金属の靱性を低下させるので、０．１〜２．
５％の範囲とした。

【００２１】Ｃｕ：０．０１〜０．７５％ Ｃｕは、フェライトの析出を抑えるが０．０１％以下で
は効果がなく、また過剰の添加は溶接金属の靱性を劣化
させるので、０．０１〜０．７５％の範囲とした。

【００２２】Ａｌ：０．０３％以下 Ａｌは、多量に含有されると溶接時の溶融金属の湯流れ
を悪くし、ビード外観を損なうので、これを防ぐために
Ａｌは無添加とし、不可避的不純物として入ってくるＡ
ｌを０．０３％以下に抑えた。

【００２３】Ｂ：０．００２〜０．００５％ Ｂは、クリープ破断強度の向上に効果のある元素である
が、０．００２％未満では顕著な効果がなく、０．００
５％を超えると溶接割れが発生する恐れがあるため、
０．００２〜０．００５％の範囲とした。

【００２４】Ｎ：０．０１５％以下 Ｎの添加は、微細窒化物の析出によるクリープ特性の改
善に有効であるが、この溶材は微細ＴａＣの析出による
クリープ特性の改善を計っているので、Ｎを添加すると
ＴａがＮと反応して窒化物（ＴａＮ）になり、炭化物
（ＴａＣ）の析出を抑えクリープ特性の改善効果を損な
うのでＮを無添加とし、不可避的不純物として入ってく
るＮを０．０１５％以下に抑えた。

【００２５】Ｏ：０．０１％以下 Ｏは、酸化物として溶接金属に残り、靱性の低下やクリ
ープ特性の劣化を招くので、極力抑えることが望ましい
ので、不可避的不純物として入ってくるＯを０．０１％
以下に抑えた。

【００２６】（本発明材２）本発明材２におけるＷ以外
の成分は本発明材１と同じであるが、Ｗを積極的に添加
せず、不可避的不純物量としても実用的に十分使用可能
な高Ｃｒ鋼材用溶接材料となる。

【００２７】（本発明材３及び４）本発明材３は本発明
材２の成分に、また、本発明材４は本発明材１の成分
に、さらにＣｏ：０．１〜３％添加したもので、Ｃｏは
フェライトの生成を抑制し靱性を安定化する作用を有す
る。また、Ｗ、Ｍｏと同様、固溶体強化元素としてクリ
ープ特性の向上に大きく寄与する。しかしながら、添加
量が多すぎると硬度上昇に伴う加工性の劣化が著しくな
る。０．１％以下ではフェライト生成の抑制とクリープ
特性の向上に効果がなく、３％以上の添加では加工性の
劣化が大きくなり、かつクリープ特性の向上にも効果が
ないので、Ｃｏは０．１〜３％の範囲にした。

【００２８】（作用）高温・高強度用鋼材である９Ｃｒ
〜１２Ｃｒ鋼材料に対して、Ｃｕ及びＴａを適量添加し
Ｎを極力抑えることにより、（Ｗ，Ｃｏ）無添加鋼、Ｗ
添加鋼、Ｃｏ添加鋼及び（Ｗ，Ｃｏ）添加鋼用の高強
度、高靱性の溶接材料が得られる。

【００２９】

【実施例】（実施例１）（表１）に示す化学成分（但
し、Ｃｏは不可避的不純物）の溶接材料を製造し、ティ
グ溶接を行った後、７４０℃で６時間の溶接後熱処理を
行ったなものと、７１５℃で１時間の溶接後熱処理を行
ったものの溶接金属の靱性を調査した。その結果を（表
２）に示す。ティグ溶接は溶接材料を直径１．２ｍｍの
ワイヤに線引きしたものを使用し、自動ティグ溶接機に
より、（表３）に示す条件で行った。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】（表１）において、Ａ〜Ｅは市販の従来
材、Ｆ〜Ｌは本発明材、Ｍ〜Ｑは比較材である。溶接部
の評価は、２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の溶接後熱処理条
件（７００〜７３０℃）で本発明材の高Ｃｒ鋼溶接金属
の靱性が十分に出ることが条件となるので、溶接試験の
溶接母材としては、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼を溶接母材として
使用した。図１は溶接部の断面を示すものであって、
（１）は被溶接材である９Ｃｒ〜１Ｍｏ系の鋼材であ
り、その化学組成はＣｒ：８．４３％、Ｍｏ：０．９９
％、Ｃ：０．１％、Ｓｉ：０．３９％、Ｍｎ：０．４
％、Ｎｉ：０．１％、Ｎｂ：０．０８％、Ｖ：０．２２
％及びＮ：０．０５１％であり、残部が不可避的に含ま
れる不純物及びＦｅである。厚さは１９ｍｍ：開先角度
は４５°であり、２２回に分けて多層溶接した。（２）
は裏当板であり、（３）は溶着金属である。また、（１
−１）及び（２−１）は供試溶接材料によるバタリング
溶接部を示す。

【００３４】（表２）は得られた試料について２ｍｍＶ
ノッチシャルピー衝撃試験法により、溶着金属の靱性を
調べたものである。試験温度は０℃とした。表２の結果
から、本発明材は溶接後熱処理条件が７４０℃×６時間
及び７１５℃×１時間のいずれの場合にも、５０Ｊ／ｃ
ｍ² 以上であるのに対し、従来材では、溶接後熱処理条
件が７４０℃×６時間でも５０Ｊ／ｃｍ² 以下であり、
比較材では、溶接後熱処理条件が７１５℃×１時間にな
ると５０Ｊ／ｃｍ² 以下となる。従って、本発明材は、
非常に靱性の良い材料であると言える。

【００３５】（実施例２〜４）（表４）に示す化学成分
の溶接材料（本発明材２，３のＷ量は不可避的不純物
量、本発明材２のＣｏは不可避的不純物量）を製造し、
ティグ溶接を行った後、７４０℃で６時間の溶接後熱処
理を行ったものと、７１５℃で１時間の溶接後熱処理を
行ったものの、溶着金属の靱性を調査した。その結果を
（表５）に示す。ティグ溶接は、溶接材料を直径１．２
ｍｍのワイヤに線引きしたものを使用し、自動ティグ溶
接機により、（表３）に示す条件で行った。

【００３６】

【表４】

【００３７】

【表５】

【００３８】（表４）において、Ｒ−１〜Ｒ−３、Ｓ−
１〜Ｓ−４、Ｔ−１〜Ｔ−４は本発明材である。Ｕ−１
は比較材として製作したが、直後１．２ｍｍのワイヤに
線引きした時点で、ワイヤが切断あるいは、き裂が発生
したため、ティグ溶接には供しなかった。溶接部の材
料、開先形状、溶接層数等は図１と同様とした。

【００３９】（表５）は、得られた試料について２ｍｍ
Ｖノッチシャルピー衝撃試験法により溶着金属の靱性を
調べたものである。試験温度は０℃とした。表５の結果
から、実施例２から実施例４の本発明溶接材料の溶着金
属は、溶接後熱処理条件が７４０℃×６時間及び７１５
℃×１時間のいずれの場合にも５０Ｊ／ｃｍ² 以上であ
り、非常に靱性の良い材料であると言える。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、高温用高Ｃｒ鋼材料に
おいて、より十分な靱性を有する高Ｃｒ鋼材用溶接材料
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高Ｃｒ鋼の溶接部の断面模式図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 宣彦 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 石原 岩見 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 久毛 光繁 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 高津 玉男 静岡県浜北市中瀬7800番地 日本ウェル ディング・ロッド株式会社 技術研究所 内 (72)発明者 稲見 孝 福岡県福岡市南区玉川町12番３号 日本 ウェルディング・ロッド株式会社 福岡 営業所内 (56)参考文献 特開 平８−290290（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−239584（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−267190（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−57683（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/23,35/30

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、
   Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：
   ０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：８〜１３
   ％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｎｉ：０．７５％以下、Ｖ：
   ０．１５〜０．３％、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｔａ：
   ０．０５〜０．３％、Ｗ：０．１〜２．５％、Ｃｕ：
   ０．０１〜０．７５％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｂ：
   ０．００２〜０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下及び
   Ｏ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的
   不純物からなることを特徴とする高Ｃｒ鋼材用溶接材
   料。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の材料において、Ｗを添
   加せず、Ｗが不可避的不純物の量としてなることを特徴
   とする高Ｃｒ鋼材用溶接材料。
3. 【請求項３】 重量％で、さらにＣｏ：０．１〜３％添
   加したことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記
   載の高Ｃｒ鋼材用溶接材料。