JP3222113B2 - 高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料、該材料からなるテイグ溶接棒、サブマージアーク溶接棒、溶接用ワイヤ及び被覆アーク溶接棒 - Google Patents
高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料、該材料からなるテイグ溶接棒、サブマージアーク溶接棒、溶接用ワイヤ及び被覆アーク溶接棒Info
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Description
に使用されるボイラチューブ、配管及び弁等の機器の溶
接に使用される溶接材料に関するものである。
熱効率に大きく影響するが、我が国の場合、1967年
以降に建設された45万KW級以上の発電所では、圧
力:246Kg/cm2、温度:538〜566°Cの
超臨界圧蒸気条件が採用されてきた。しかし、石油危機
を契機として1970年以来、蒸気の圧力温度条件を更
に高めて発電効率を向上させる超々臨界圧発電所の建設
が行なわれるようになった。これが可能となったのは、
9Cr−2Mo鋼や改良型9Cr−1Mo鋼のように、
高価なNiを含有しないフェライト系耐熱鋼が開発され
たことによる。
ップ:316Kg/cm2×566°C、第2ステッ
プ:316Kg/cm2×593°C、第3ステップ:
352Kg/cm2×649°Cと漸次、高温高圧化が
計られる計画になっている。しかし、現実的には、第2
ステップから第3ステップに移行する過程で、例えば、
621°Cレベル等の中間的な温度条件が採用される気
運にある。
て、現在では改良型9Cr−1Mo鋼(鍛鋼:米国材料
・試験協会[ASTM]規格:F91,鋳鋼規格:C1
2A)を適用することで第2ステップまでの発電所が建
設されている。しかしながら、この9Cr−1Mo鋼の
使用限界温度は、600°C程度であるため、超々臨界
圧発電所においては、この鋼を600°C以下の温度範
囲で使用しなければならず、600°C以上の蒸気条件
中使用できるフェライト鋼の研究・開発が進められてい
る。
ベルで改良型9Cr−1Mo鋼を使用するのに必要なク
リープ強度を向上させるためには、改良型9Cr−1M
o鋼におけるMo鋼のMo量を0.5重量%程度に引下
げて、その代わりにWを1.8重量%程度添加した鋼が
優れていることが判明した。
(JIS規格)のようなオーステナイト系鋼と比較して
も、650°Cまでの高温強度が大きく、しかもNiを
含有しないため、安価であるという特徴を有している。
本鋼種は、米国機械学会(以下、「ASME」と称す)
のコードケース2179において規格化されており、継
目なし(Seamless)9Cr−2W鋼の化学成分が重量%
で、C:0.07〜0.13、Mn:0.30〜0.6
0、Si≦0.50、P≦0、020、S≦0.01
0、Cr:8.50〜9.50、Mo:0.30〜0.
60、W:1.50〜2.00、Ni≦0.40、V:
0.15〜0.25、Nb:0.04〜0.09、N:
0.03〜0.07、Al≦0.040、B:0.00
1〜0.006となっている。この鋼種は、継目なしチ
ューブ及びパイプ材について規定されたもので、化学成
分には、Nが最大0.07重量%まで含有されている。
しては、現在のところ一般に、Mn及びNiを高めた高
Mn系鋼材が使用されており、その化学成分は、重量%
で、C:0.08、Mn:1.63、Si:0.32、
P:0.007、S:0.002、Cr:8.99、M
o:0.49、W:1.41、Ni:0.56、V:
0.31、Nb:0.06となっている。
Mn系鋼材は、クリープ強度が上述した母材の9Cr−
2W鋼より劣るという欠点があった。
いては、1)高温強度の中で、主としてクリープ強度が
基材と同等であること、並びに延性や靭性が高いことと
いう機械的性質の要求がある他に、2)溶接施工性に優
れていることという製造性の問題を解決する必要があ
る。
は、機械的性質を良好に維持するために、溶接部にδフ
ェライトが生成しないようにしてクリープ強度を高める
適切な元素を添加すること、また、溶接性を良好に維持
するために、溶接に際して割れ等の欠陥の発生を防止す
ると共に、ブローホール(気泡)の発生を防止するため
に適切な元素を制限しなければならないという課題があ
った。。
めに、9Cr−2W鋼に相当する高温強度を維持しなが
ら健全な溶接部が得られる、超々臨界発電所のような6
00°C以上の蒸気条件で使用可能なボイラチューブ、
配管及び機器の耐圧部等の溶接に使用される溶接材料を
提供することを目的とする。
に、本発明の主たる局面によると、高Crフェライト系
耐熱鋼用溶接材料は、化学成分が重量%で、C:0.0
6〜0.12、Si:0.28〜0.50、Mn:0.
18〜0.30未満、Cr:8.0〜9.5、Mo:
0.38〜0.50未満、W:1.50〜1.94、
V:0.15〜0.25、Nb:0.04〜0.08、
B:0.004〜0.006、N:0.030〜0.0
38、Ni:0.40〜0.60、Co:0.25〜
1.50、Al:0.02以下であり、前記Cr、C及
びCo以外の前記化学成分が前記各範囲内の平均値とな
った場合に、該Cr、C及びCoが 14Cr−220C−7Co≦100 の関係式を満足することを特徴としている。
は、さらに、重量%で、化学成分Ce:0.02〜0.
10を含有するのが好ましい。また、前記各高Crフェ
ライト系耐熱鋼用溶接材料を、テイグ溶接棒、サブマー
ジ(潜孤)アーク溶接棒、溶接用ワイヤ等等に適用する
こともできる。
接材料に、さらに、前記各化学成分以外からなるアーク
安定剤、スラグ生成剤あるいは粘結剤の内の少なくとも
一つを含む被覆剤を加えて、被覆アーク溶接棒等に適用
することも好ましい。
ような化学成分にすると、材料生成過程においてδフェ
ライトが抑制され、クリープ強度等が低下しなくなると
共に、割れやブローホールの発生を防止し、高温強度を
維持しながら健全な溶接部が得られる。
加することにより、溶接部表面に生じる酸化物を固定し
て、剥離しずらくすることができる。従って、剥離して
形成される薄片による溶接部および機器の侵食の促進も
防止することができる。
熱鋼用溶接材料を例えば超々臨界圧発電所のような高温
高圧条件で使用される耐圧部等の溶接に使用するテイグ
溶接棒、サブマージアーク溶接棒、溶接用ワイヤ、ある
いは該溶接材料に、さらにアーク安定剤等の被覆材を加
えて被覆アーク溶接棒に適用すると、高温強度及び耐圧
性に優れているため、信頼性の高い溶接部や装置等が得
られる。
フェライト系耐熱鋼用溶接材料の各化学成分の割合の選
択の根拠について述べる。
炉によって、種々の化学成分の鋼を溶解して、Φ310
×110mmの円板状試験体を鋳造し、9Cr−2W鋼
の化学成分とδフェライト量との関係、並びにブローホ
ールの発生について検討した。δフェライトが抑制でき
れば、クリープ強度等が低下しなくなり、高温強度を維
持しながら耐圧性に優れた材料が得られるからである。
が極めて少なく、クリープ強度の大きな溶接用材料を製
作して、溶接施工試験、並びに鋼材の高温強度を決定す
る基礎となるクリープ試験を行なって、本発明に係る高
Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料を完成した。
る。9Cr系鋼のδフェライト量は、一般に、Cr当量
(Creq)で表されるが、Cr当量は、鋼の化学成分
をフェライト生成元素とオーステナイト生成元素とに分
類し、これらの元素のフェライト及びオーステナイト生
成能力を、一定の比率で表して合計したもので、種々の
実験式が提案されているが、本試験では、Cr当量とし
て以下の式(1)を適用した。 Creq%=(14Cr+6Si+5Mo十8W+18V+90Nb+54Al) −220(C+N)−20Ni−6Mn−7Co−146・・・(1) この式(1)で、前のカッコ内の元素がフェライト生成
元素であり、後のマイナス記号(−記号)の元素がオー
ステナイト生成元素である。
当量%との関係を、9Cr−2W鋼及び9Cr−2W−
Co鋳鋼について求めたが、その試験結果を図1に示
す。この図に示すように、Cr当量とδフェライトとの
関係は、式(2)で良く表される。
に機械的性質を劣化させないCr当量(δフェライト:
3%以下とする)は、式(2)を用いて計算すると、−
37.7%以下であることがわかる。
鍛造処理を受けないので、溶接時にブローホール等の欠
陥が発生すると、その欠陥は、そのまま製品に残留して
しまう。従って、溶接材料については、鋼中のN含有量
を、特に厳密に管理する必要がある。Nの含有量が多い
と、ブローホールを発生し易くなるためである。図2
は、Cr含有鋼の溶鋼が凝固する場合におけるN許容量
を示している。この図に示すように、9%Cr鋼がブロ
ーホールを生成することなく凝固できるN含有量の上限
値は、0.05%である。
発明に係る高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料用の鋼
を製造するため、化学成分の割合を以下のように選定し
た。
(窒化バナジュウム)及びNbN(窒化ニオブ)とな
り、600〜650°Cのクリープ強度を引上げる元素
である。Nが0.01%の場合には、VNが十分生成さ
れないため、クリープ強度は向上しない。しかし、Nが
0.02%の場合でも、Vが0.15〜0.25%であ
れば、クリープ強度は向上する。一方、前述のように、
ブローホールの発生を防止するという観点から、溶接材
料におけるNの最大含有量は、0.038%とする必要
がある。このためNの含有量の範囲は、0.030〜
0.038%とする。
て600°C以上での使用を可能にすると共に、マトリ
ックス(以下、「基地」と称す)をマルテンサイト化す
ることにより、Cと結合して強固な炭化物を生成し、高
温強度を高める上から重要な元素である。一方、溶接材
料では気泡の発生を防止するために、Siを0.25%
以上添加する。このSiは、Crと同様に耐酸化作用が
あるため、Si量に相当するだけCrを低減しても耐酸
化性は維持できる。例えば、Si:0.1%、Cr:9
%の鋼の耐酸化性は、Si:0.3%、Cr:8.0%
の鋼と同等である。このため、Crの下限値を8.0%
とし、上限値は、9.5%とする。従って、Crの成分
範囲は、8.0〜9.5%とする。
ン)は、本鋼中に固溶してクリープ強度を向上させるの
に有効であるが、その効果は、Mo当量=Mo+1/2
Wにおいて、Mo当量が1.5%の時に最も良好とな
る。しかし、Wを2%以上添加しても、それ以上クリー
プ強度は増加しないので、Mo:0.38〜0.50%
未満、W:1.50〜1.94%とする。
(窒化バナジュウム)を生成し、クリープ強度を著しく
向上させる。しかし、V量が0.15%以下の場合では
VNの析出は少なく、Cr2Nが析出してクリープ強度
が向上しない。一方、V量が0.25%の場合には、N
量が0.06%まではVNとして結合するためクリープ
強度は向上するが、それ以上添加しても強度は増加しな
い。このためVの添加量は、0.15〜0.25%とす
る。
る場合には、微細なNb(C,N)(ニオブの炭窒化
物)を生成し、VNとの相乗効果によってクリープ強度
を向上させるが、多量に含まれる場合には、本鋼中に固
溶しないNb(C,N)を生成してVNの析出量を低下
させたり、Nb(N,C)が凝集粗大化したりしてクリ
ープ強度を低下させる。そのため、Nb含有量は、0.
04〜0.08%とする。
イト組織を形成し、また、Cr、Mo、V及びNbと結
合して炭化物を生成して、本鋼の高温強度を高める上か
ら重要であるが、多量に含まれると延靭性が低下すると
共に、溶接性も低下する。しかし、式(1)に示すよう
に、Cは、AC3変態点以上の高温でオーステナイトを生
成する能力が最も大きい元素であるので、上限値を0.
12%とし下限値を0.06%とする。すなわち、式
(1)において、Cr、C、Co以外の化学成分が平均
値を取った場合に、δフェライトが3%以下となる条件
式は、式(3)で表される。
Co:1.50(最大値)となった場合に、C≧0.0
55%となるので、これよりCの下限値を0.06%と
する。従って、C量は、0.06〜0.12%とする。
の脱酸材として用いられ、ブローホールの発生を防止す
るのに必須の元素であり、また、製品使用時は製品の高
温酸化を防止する。ここで、溶接材料ではブローホール
の発生を防止するために、Si量の下限値を0.28%
とする。一方、Siは、溶接部の基地の硬度を高めるた
め、多量にSiを添加すると溶接性を低下させる。ま
た、Siは、製品使用時における炭化物の分解凝集を促
進してクリープ強度を低下させる。従って、Si量は、
0.28〜0.50%とする。
除去する効果があり、また、S(サルファ)と結合して
MnSという化合物を生成し、Sが鋼の強度に及ぼす悪
影響を防止する効果があるが、Mnはオーステナイト生
成元素でもあり、δフェライトの生成を抑制する。しか
し、Mnを多量に含む場合には、炭化物の分解凝集を促
進しクリープ強度を低下させる。このため、Mnは、
0.18〜0.30%未満とする。
能の大きな元素であるため、δフェライトの生成を抑制
するが、この元素を添加するとオーステナイト化が始ま
る温度であるAC1変態点がNi量1%当たり30°C低
下する。C量0.1%程度を含有する9Cr鋼のAC1変
態点は、820〜840°Cであり、焼戻温度はAC1変
態点以下に設定されるので、あまり多量にNiを添加す
ると、焼戻温度が低くなり過ぎる。また、Ni量を1%
以上添加すると炭化物の分解凝集を促進してクリープ強
度を低下させる。なお、溶接性については、Ni量が
0.6%以上含有されると、溶接時のワレを促進する。
このため、Niの成分範囲を、0.40〜0.60%と
する。
オーステナイト生成元素である。Coを添加すると、式
(1)に従ってδフェライトが減少するため、Cの下限
値を低減させることができる。CoのAC1変態点への影
響は、Co量1%当たり5°C低下するものであり、N
iよりもはるかに小さい。また、Coは、炭素と結合し
て炭化物を生成するために、鋼のクリープ強度を向上す
る。しかし、Coを多量に添加すると、逆に炭化物の分
解凝集を促進してクリープ強度を低下させるようにな
る。従って、Coの成分範囲は、0.25〜1.50%
とする。
素であり、溶接部のマルテンサイト化を促進するが、多
量に含有すると溶接性が低下してしまう。従って、B量
を0.004〜0.006%とする。
最も優れた元素であるが、多量に含ませると炭化物の分
解凝集を促進してクリープ強度を低下させるので、上限
値を0.02%とする。
であるが、Alと同様に酸化され易い金属であり、脱酸
材としても作用する。しかし、このCeの酸化物は、主
として結晶粒界に介在し、製品の表面に生じる酸化物で
ある主としてCrを主体とする酸化物を固定し剥離しず
らくする効果がある。このため、製品表面の酸化物がプ
ラントの起動停止によって剥離しずらくなり、剥離して
形成される薄片による機器の侵食の促進も防止すること
ができる。また、Cr酸化物を固定することにより、C
rの耐酸化効果を高める。このようなCeによる効果
は、重量%で0.02%から現れるが、材料内部に多量
に含有されると、Ce自体が酸化を促進するところか
ら、その上限値を0.10%とする。その結果、Ceの
成分範囲を、0.02〜0.10%とする。
フェライト系耐熱鋼用溶接材料としての9Cr−2W溶
接材料鋼の化学成分組成を、重量%で、C:0.06〜
0.12、Si:0.28〜0.50、Mn:0.18
〜0.30未満、Cr:8.0〜9.5、Mo:0.3
8〜0.50未満、W:1.50〜1.94、V:0.
15〜0.25、Nb:0.04〜0.08、B:0.
004〜0.006、N:0.030〜0.038、N
i:0.40〜0.60、Co:0.25〜1.50、
Al:0.02以下と選定した。
%で0.02〜0.10%添加した高Crフェライト系
耐熱鋼用溶接材料も選定した。
溶接材料として、上記の説明から明らかにされた化学成
分を有する鋼材について、容量1トンの高周波電気炉に
よって、Φ310mm×120mmの単量100Kgの
試験体を、A、B、C及びDの4ヒート溶製し、この試
験体から3.2〜4Φのテイグ溶接棒を製作した。な
お、この明細書の発明の詳細な説明の最後に添付した表
1に、製作した溶接棒の化学成分を示す。
に示すような150巾×150長さ×20厚さの9Cr
−2W鋼母材を溶接し、これよりASME第9章第2条
(Sec IX, Article 2)に規定する溶接継手の引張試験
片、衝撃試験片、溶接施工性確認試験片(Weld Procedu
re Qualification Tests)を加工して、溶接性試験を実
施した。
付した表2〜表4に、各試験結果を示す。これらの表か
ら分かるように、各ヒートから製作した溶接棒で溶接し
た試験片は、総ての規格値を満足した。すなわち、本発
明の溶接性及び機械的性質が良好であることが実証され
た。
してクリープ試験を行なった、図4に、従来から使用さ
れている高Mn系溶接棒と本発明材とのクリープ破断強
度を比較して示す。この図4において、横軸は、ランソ
ン・ミラー(Larson-Miller)パラメータであり、T
は、クリープ試験温度の絶対温度(°K)、tは、破断
時間(h)である。また、縦軸は、クリープ破断応力
(MPa)を示し、各線分が上方に位置するほどクリー
プ破断強度が大きいことを表している。
のクリープ破断強度は、9Cr−2Wの母材と同等の強
度を示し、従来から本鋼種の溶接に適用されてきた前述
の高Mn系鋼の溶接材料に比べて、はるかに大きな値を
示した。
験において、Ceを0.04%添加した場合の酸化物の
剥離は、Ceを含まない場合に比べて顕著に減少した。
による高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料により、材
料生成過程においてδフェライトが抑制され、クリープ
強度等が低下しなくなると共に、割れやブローホールの
発生を防止しることにより、高温強度を維持しながら耐
圧性に優れた健全な溶接材料及び溶接部が得られる。
することにより、製品表面に生じる酸化物を固定して、
剥離しずらくすることができる。従って、剥離して形成
される薄片による溶接部や機器の侵食の促進も防止する
ことができる。
熱鋼用溶接材料を例えば超々臨界圧発電所のような高温
高圧条件で使用される耐圧部等の溶接に使用するテイグ
溶接棒、サブマージアーク溶接棒、溶接用ワイヤ、ある
いは該溶接材料に、さらにアーク安定剤等の被覆材を加
えて被覆アーク溶接棒に適用すると、高温強度及び耐圧
性に優れているため、信頼性の高い溶接部や装置等が得
られる。
とδフェライトとの関係を示す図である。
る。
図である。
び従来の高Mn溶接棒のクリープ破断強度を比較した図
である。
Claims (6)
- 【請求項1】 化学成分が重量%で、C:0.06〜
0.12、Si:0.28〜0.50、Mn:0.18
〜0.30未満、Cr:8.0〜9.5、Mo:0.3
8〜0.50未満、W:1.50〜1.94、V:0.
15〜0.25、Nb:0.04〜0.08、B:0.
004〜0.006、N:0.030〜0.038、N
i:0.40〜0.60、Co:0.25〜1.50、
Al:0.02以下であり、前記Cr、C及びCo以外
の前記化学成分が前記各範囲内の平均値となった場合
に、該Cr、C及びCoが 14Cr−220C−7Co≦100 の関係式を満足する高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材
料。 - 【請求項2】 さらに、重量%で、化学成分Ce:0.
02〜0.10を含有する請求項1に記載の高Crフェ
ライト系耐熱鋼用溶接材料。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載の高Cr
フェライト系耐熱鋼用溶接材料からなるテイグ溶接棒。 - 【請求項4】 請求項1または請求項2に記載の高Cr
フェライト系耐熱鋼用溶接材料からなるサブマージアー
ク溶接棒。 - 【請求項5】 請求項1または請求項2に記載の高Cr
フェライト系耐熱鋼用溶接材料からなる溶接ワイヤ。 - 【請求項6】 請求項1または請求項2に記載の高Cr
フェライト系耐熱鋼用溶接材料に、さらに、前記各化学
成分以外からなるアーク安定剤、スラグ生成剤あるいは
粘結剤の内の少なくとも一つを含む被覆材を含有する被
覆アーク溶接棒。
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- 1999-03-25 JP JP08122299A patent/JP3222113B2/ja not_active Expired - Lifetime
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