JP3367824B2 - フェライト系耐熱鋼用溶接材料 - Google Patents
フェライト系耐熱鋼用溶接材料Info
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Description
れる蒸気発生器,ボイラ等の熱交換器など、特に500
℃以上の高温環境下で使用される高強度フェライト系耐
熱鋼の溶接に好適な溶接材料に関する。 【0002】 【従来の技術】ボイラ,化学工業,原子力用などの高温
耐熱耐圧部材としては、オーステナイト系ステンレス
鋼,Cr含有量が9〜12%の高Crフェライト鋼,2
・1/4Cr−1Mo鋼に代表される低Crフェライト
鋼,炭素鋼などがあるが(以下、合金成分の含有量はす
べて重量%を意味する)、これらは対象部材の使用温
度,圧力,使用環境などに応じ、かつ経済性を考慮して
選択されている。フェライト系耐熱鋼はオーステナイト
系ステンレス鋼に比べ、CrおよびNi元素の含有量が
少ないため安価であるという特徴がある。近年、経済性
の観点からフェライト鋼の研究開発が盛んに行われ、高
強度のフェライト鋼が開発されているが、それに見合う
特性を有する溶接材料の開発は遅れている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は溶接後
の溶接金属が既存の高強度フェライト系耐熱鋼と同等以
上の高温強度を有し、かつ靱性に優れた溶接材料を提供
しようとするものである。 【0004】 【課題を解決するための手段】本発明は従来添加元素と
して用いられていなかったRe元素を添加した組成を有
する溶接材料であって、重量%で、C:0.03〜0.
12%、Si:0.1〜0.7%、Mn:0.1〜1
%、P:0.002〜0.025%、S:0.001〜
0.015%、Cr:0.8〜3%、Ni:0.01〜
1%、Mo:0.1〜3%、V:0.01〜0.5%、
W:0.1〜3%、Nb:0.01〜0.2%、Re:
0.1〜1.5%、Al:0.003〜0.05%、
B:0.0001〜0.01%、N:0.003〜0.
03%を含み残部は鉄および不可避的不純物からなる高
温強度と靱性に優れたことを特徴とする高強度フェライ
ト系耐熱鋼用溶接材料を提供するものである。以下に各
成分の作用とその含有量の選定理由を説明する。 【0005】 【発明の実施の形態】CはCr,Fe,W,V,Nbと
結合して炭化物を形成し高温強度に寄与するとともに、
それ自身がオーステナイト安定化元素として組織を安定
化する。0.03%未満では炭化物析出が不十分でクリ
ープ破断強度が低く、また、0.12%を越える場合は
炭化物が過剰析出して溶接金属が著しく硬化し衝撃特性
が悪化する。また、溶接作業性もCの添加量に比例して
悪くなるため、Cの適正含有量は0.03〜0.12%
である。 【0006】Siは脱酸剤として働き0.7%を越える
と靱性が著しく低下し、強度に対しても有害である。S
iの含有量は0.1〜0.7%とする。 【0007】Mnは組織の安定化に有効であるが、0.
1%未満では十分な効果が得られず、1%を越えると溶
接金属を硬化させる。よってMnの含有量は0.1〜1
%とする。 【0008】P,Sはいずれも靱性、加工性に有害な元
素で、Sが極微量であっても粒界やCr2 O3 スケール
皮膜を不安定にし、強度、靱性低下の原因となるから、
許容範囲内でもできるだけ少ないほうがよい。不可避な
含有量として、Pは0.002〜0.025%、Sは
0.001〜0.015%とした。 【0009】Crは耐熱鋼の耐酸化性、高温腐食性の点
から不可欠な元素であり、その含有量が0.8%未満で
は十分な耐酸化性、高温腐食性が得られない。一方3%
を越えて添加すると、むしろ強度と靱性を損ない経済性
の観点からも不利となる。従って、Crの含有量は0.
8〜3%とする。 【0010】Niはオーステナイト安定化元素であり、
かつ靱性改善に寄与するが、その含有量が1%を越える
と高温クリープ強度を損なう。また経済性を鑑みても大
量添加は不利である。従ってNiの含有量は0.01〜
1%とする。 【0011】Moはクリープ強度の向上に有効である
が、0.1%以下では十分な効果が得られず、3%を越
えると高温で金属間化合物が析出し靱性が低下するだけ
でなく、強度に対しても効果がなくなる。従って、0.
1〜3%とした。 【0012】VはC,Nと結合してV(C,N)等の微
細析出物を形成する。この析出物は高温での長時間クリ
ープ強度の向上に大きく寄与するが、0.01%未満で
は十分な効果が得られず、0.5%を越える場合にはか
えってクリープ強度と靱性を損なう。よって、Vの適正
含有量は0.01〜0.5%である。 【0013】Wは固溶強化および微細炭化物析出強化元
素としてクリープ強度の向上に有効であり、特にMoと
の複合添加により、さらにクリープ強度を高めることが
できる。0.1%未満では効果がなく、3%を越えると
鋼を硬化させ溶接作業性も損なうため、0.1〜3%の
範囲とする。 【0014】NbはVと同様C,Nと結合してNb
(C,N)を形成しクリープ強度に寄与する。特に60
0℃以下の比較的低温では著しい強度改善効果を示す。
また、溶接金属の組織を微細化する効果もあり、適量で
あれば靱性改善にも効果がある。0.01%未満では上
記の効果が得られず、また0.2%を越える場合は未固
溶NbCが増えクリープ強度と靱性を損なう。従って、
Nb含有量は0.01〜0.2%が適当である。 【0015】Reの添加は本発明ワイヤ成分の特徴であ
り、添加量に比例してクリープ強度を高めることを見い
だした。これは固溶強化によるものであるが、重要なこ
とは同様の働きをするMoやWと同時添加しても、さら
にクリープ強度が増すことである。よって、経済性を考
え0.1〜1.5%とするのが適当である。 【0016】Alは脱酸素元素として必須であり、含有
量として0.003%以下では効果がなく、0.05%
を越える場合はクリープ強度を損なうため、Alの含有
量は0.003〜0.05%とする。 【0017】Bは極微量の添加により炭化物の分散、安
定化させる効果がある。0.0001%未満ではその効
果が小さく、0.01%を越えると加工性を損なうか
ら、Bの添加はその含有量を0.0001〜0.01%
の範囲にするのがよい。 【0018】NはV,Nbとの炭窒化物形成に必要で
0.003%未満ではその効果がない。しかしながら、
0.03%を越える場合は組織が微細化するとともに窒
化物が粗大化し強度と靱性を損なう。よってNの含有量
は0.03%以下とし0.003〜0.03%とする。 【0019】 【実施例】厚さ:20mmの2.25Cr−1Mo鋼,
2.25Cr−0.1Mo−1.6W−V−Nb鋼,9
Cr−1Mo−V−Nb鋼で図1に示すような開先(被
溶接材1の厚さt=20mm、開先角度θ=20o 、裏
当材2使用でルートギャップL=20mm)を形成し、
表1に示す成分組成のワイヤ径:1.6mmの溶接ワイ
ヤを用い、表2に示す母材との組合わせと、表3に示す
溶接条件でTIG溶接した。得られた溶接金属に715
℃、2時間の後熱処理をした後、溶接金属のクリープ破
断強度と衝撃特性を調査するため、溶接金属よりクリー
プ破断試験片とシャルピー衝撃試験片を採取した。クリ
ープ破断試験は試験温度を650℃とし、応力は70M
Paおよび100MPaとした。シャルピー衝撃試験は
0℃にて2mmVノッチ試験片にて、ノッチ位置を溶接
金属中央として衝撃試験を実施した。また、溶接時に溶
接作業性について評価した。表2に試験結果を併せて示
す。表2における溶接作業性の記号中、◎は既存の溶接
材料より優れているものを、○は既存の溶接材料と同等
のものを、△は既存の溶接材料より少し劣っているもの
を、×は既存の溶接材料より悪いものを示す。 【0020】 【表1】 【0021】 【表2】【0022】 【表3】 【0023】ワイヤT1〜T9はいずれも本発明の要件
を満たしており、溶接金属はベイナイト単相組織となっ
た。溶接作業性は既存の溶接材料と同等以上であり、試
験結果より、後熱処理後のクリープ破断特性は近年開発
された高強度フェライト鋼の強度をも越えている。ま
た、衝撃特性についても、吸収エネルギーで150J以
上と高強度と靱性を兼ね備えた溶接材料であることが確
認された。 【0024】ワイヤT10〜T19は比較例を示す。ワ
イヤT10は通常の耐熱鋼用として使用されている2.
25Cr−1Mo系ワイヤの例であり、T11は9Cr
−1Mo−V−Nb系ワイヤの例である。T12〜T1
9はワイヤの成分を本発明範囲外としたものである。 【0025】T10の衝撃特性は他の比較例よりは良好
であるが、本発明ワイヤに比べ衝撃特性、クリープ破断
特性とも著しく劣っている。T11はクリープ破断特性
は他の比較例よりは良好であるが衝撃特性が悪く溶接作
業性がT10に比べ劣っていた。 【0026】T12はT10にWを添加したものである
が、NbやRe元素を含有しないため、T10よりクリ
ープ破断特性はわずかに改善されたのみである。T13
はNiの添加量を本発明ワイヤのNi量の上限より多く
したものであるが、T11を除く他の比較例よりは衝撃
特性は改善されるものの、他の比較例よりもクリープ破
断特性は劣化している。T14はMo量が本発明ワイヤ
のMo量の上限を越えたものであって、溶接金属の硬さ
が著しく硬化し、吸収エネルギーが著しく低く、衝撃特
性はとうてい本発明ワイヤのそれに対して著しく悪い。
T15はN量が本発明ワイヤのN量の上限を越えるもの
であって、溶接金属にブローホールが発生するとともに
衝撃特性に乏しい。T16は本発明ワイヤのC量より低
いもので、溶接作業性は良好であったが、溶接金属の組
織がフェライトとベイナイトの二相組織となり、クリー
プ破断特性が本発明のそれに比し悪い。また、衝撃特性
もT10より劣っている。 【0027】T17はMo,W,V,NbおよびReな
ど、クリープ破断特性を改善する元素が添加されている
が、Cr量が本発明ワイヤのCr量の上限を越えてお
り、溶接金属中にフェライトが生成し衝撃特性が悪い。
また、溶接作業性もT11と同様に悪いものであった。
T18はReを本発明ワイヤのRe量の上限を越えて、
大量に添加したものである。クリープ破断特性は改善さ
れているが、溶接作業性が悪く、衝撃特性も低い。T1
9はC量が本発明ワイヤのC量の上限を越えて添加され
ており、溶接時に割れが発生した。溶接金属も著しく硬
化し、衝撃特性も劣っている。 【0028】 【発明の効果】本発明溶接材料は従来の2.25Cr−
1Mo系および9〜12Cr鋼用溶接ワイヤと比較し
て、高温でのクリープ強度を著しく高めたものであり、
靱性および作業性などの特性にも優れている。各種発電
用ボイラ、化学圧力容器などに使用される低Crフェラ
イト系耐熱鋼を溶接する際に本発明の溶接材料を使用す
ることにより、溶接継手の信頼性を大幅に向上すること
ができる。
状を示す図。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 重量%で、C:0.03〜0.12%、
Si:0.1〜0.7%、Mn:0.1〜1%、P:
0.002〜0.025%、S:0.001〜0.01
5%、Cr:0.8〜3%、Ni:0.01〜1%、M
o:0.1〜3%、V:0.01〜0.5%、W:0.
1〜3%、Nb:0.01〜0.2%、Re:0.1〜
1.5%、Al:0.003〜0.05%、B:0.0
001〜0.01%、N:0.003〜0.03%を含
み残部は鉄および不可避的不純物からなる高温強度と靱
性に優れたことを特徴とするフェライト系耐熱鋼用溶接
材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15931496A JP3367824B2 (ja) | 1996-06-20 | 1996-06-20 | フェライト系耐熱鋼用溶接材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15931496A JP3367824B2 (ja) | 1996-06-20 | 1996-06-20 | フェライト系耐熱鋼用溶接材料 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH106079A JPH106079A (ja) | 1998-01-13 |
JP3367824B2 true JP3367824B2 (ja) | 2003-01-20 |
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ID=15691096
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15931496A Expired - Fee Related JP3367824B2 (ja) | 1996-06-20 | 1996-06-20 | フェライト系耐熱鋼用溶接材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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Families Citing this family (2)
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CA2875644C (en) | 2012-06-22 | 2017-06-06 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Duplex stainless steel |
-
1996
- 1996-06-20 JP JP15931496A patent/JP3367824B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH106079A (ja) | 1998-01-13 |
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