JP4476018B2 - 改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、発電用ボイラー及びタービン等の各種耐熱耐圧配管に使用される改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用の溶接ワイヤに関し、特に、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼をサブマージアーク溶接（Submerged Arc Welding：ＳＡＷ）及びティグ（Tungsten Inert Gas：ＴＩＧ）溶接する際に使用される改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤに関する。
改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼（以下、Ｍｏｄ．９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼ともいう）は、９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼にＮｂ及びＶを添加したものであり、例えば、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials：米国材料試験協会）規格／ＡＳＭＥ（American Society of Mechanical Engineers：米国機械協会）規格に規定されたＳＡ３８７Ｇｒ．９１及びＳＡ２１３Ｇｒ．Ｔ９１、ＥＮ規格（European standards：欧州規格）に規定されたＸ１０ＣｒＭｏＶＮｂ９−１、並びに火力技術規準に規定された火ＳＴＢＡ２８、火ＳＴＰＡ２８、火ＳＣＭＶ２８及び火ＳＦＶＡＦ２８がある。従来、これらのＭｏｄ．９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼を溶接するための溶接ワイヤ等の溶接材料について、耐割れ性、クリープ破断強度及び靱性を向上させるため、成分設計の面から様々な工夫が図られている（例えば、特許文献１乃至９参照）。
例えば、特許文献１に記載の溶接ワイヤは、良好な耐割れ性、クリープ破断強度及び靱性を得るため、Ｃ含有量を０．０３０乃至０．０６５質量％と低めにすると共に、Ｎｂ及びＶとＣとの原子比（（Ｎｂ＋Ｖ）／Ｃ）を０．３５乃至０．２６に調節している。また、脱酸及び強度保持のためにＭｎを添加すると共に、靱性向上及び高温高圧環境下で長時間使用される場合の脆化軽減のためにＮｉを添加している。更に、特許文献１には、溶接後熱処理（Post Weld Heat Treatment：ＰＷＨＴ）温度が７４０℃である実施例が開示されている。
特許文献２には、良好な耐粒界割れ性を得るために、Ｌｉ化合物を添加したフラックスを使用するサブマージアーク溶接方法が開示されている。この溶接方法では、溶接ワイヤに脱酸及び強度保持のためにＭｎを添加すると共に、高温高圧環境下で長時間使用される場合の脆化軽減のためにＮｉを添加している。更に、特許文献２には、ＰＷＨＴ温度が７４０℃である実施例が開示されている。
特許文献３に記載の溶接ワイヤは、ガスシールドアーク溶接用の溶接ワイヤであり、良好な耐割れ性、クリープ破断強度及び靱性を得るために、Ｃ含有量を低めにし、且つＮｂ含有量及びＶ含有量を最適化している。また、脱酸及び強度保持のためにＭｎを添加すると共に、高温高圧環境下で長時間使用される場合の脆化軽減のためにＮｉを添加している。更に、特許文献３には、ＰＷＨＴ温度が７４０℃である実施例が開示されている。
特許文献４には、良好な耐粒界割れ性を得るために、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量を０．０５質量％以下に規制すると共に、フラックス中のＳｉＯ２含有量を５質量％以下に規制したサブマージアーク溶接方法が開示されている。この溶接方法では、溶接ワイヤに脱酸及び強度保持のためにＭｎを添加すると共に、高温高圧環境下で長時間使用される場合の脆化軽減のためにＮｉを添加している。更に、特許文献４には、ＰＷＨＴ温度が７４０℃である実施例が開示されている。
特許文献５及び６に記載の溶接ワイヤは、良好なクリープ破断強度を得るために、Ｗを添加し、且つＷ含有量とＭｏ含有量との関係を最適化している。また、脱酸及び強度保持のためにＭｎを添加すると共に、高温高圧環境下で長時間使用される場合の脆化軽減のためにＮｉを添加している。更に、特許文献５及び６には、ＰＷＨＴ温度が７５０℃である実施例が開示されている。
特許文献７及び８に記載の溶接材料は、優れた高温強度、高温耐食性及び靱性を得るために、Ｎｉ及びＣｕを複合添加している。また、Ｓを固定して溶接割れ及びクリープ脆化といったＳの有害性を抑制するためにＭｎを添加すると共に、マトリクスの靱性向上及びδ−フェライトの残留を抑制して靱性を確保するためにＮｉを添加している。更に、特許文献７及び８には、ＰＷＨ温度が７４０℃である実施例が開示されている。
特許文献９に記載の溶接ワイヤは、良好なクリープ破断強度及び靱性を得るために、Ｍｎ含有量、Ｎｉ含有量及びＮ含有量を最適化している。また、強度の確保及び粗大フェライトの生成を抑制するためにＭｎを添加すると共に、粗大フェライトの生成を抑制して靱性を安定化させるためにＮｉを添加している。更に、特許文献９には、ＰＷＨＴ温度が７４０℃である実施例が開示されている。
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。クリープ破断強度及び靱性を改善するためのアプローチは、施工条件の面からもなされている。具体的には、ＰＷＨＴ温度の高温化であり、この方法は、特に海外の施工で実施されている。電気工作物に関する日本国内の法令（火力技術規準）では、Ｍｏｄ．９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼等の高Ｃｒフェライト鋼のＰＷＨＴ温度は７６０℃以下と定められているため、日本国内の施工では、熱処理炉の温度ばらつきを考慮してＰＷＨＴ温度の狙いを７４０乃至７５０℃とし、実体温度が７６０℃を超えないように配慮するケースが多い。一方、諸外国の法規、例えば、ＡＳＭＥ規格ではＰＷＨＴ温度は母材のＡｃ１変態点までとされており、厳密に７６０℃以下に制限する規定はない。
このため、諸外国の溶接施行では、クリープ破断強度及び靱性の改善を目的としてＰＷＨＴ温度を７６０℃狙いとし、実体温度が７８０℃まで上がりうるＰＷＨＴが施される場合があるが、その場合、溶着金属のＡｃ１変態点が問題となる。具体的には、ＰＷＨＴが溶着金属のＡｃ１変態点を超える温度で行われると、溶着金属は相変態を起こし、クリープ破断強度が著しく劣化する危険性がある。また、最近の知見では、ＰＷＨＴ温度が溶着金属のＡｃ１変態点を超えなくても、極めて直近の温度であればクリープ破断極度が劣化するとの報告もある。
このような背景からＡＷＳ（American Welding Society：米国溶接協会）規格及びＥＮ規格では、溶着金属のＡｃ１変態点を高めることを目的として、溶接材料のＭｎ及びＮｉの総含有量を１．５質量％以下に規制する動きがある。Ｍｎ及びＮｉの総含有量とＡｃ１変態点とは負の相関関係にあり、Ｍｎ及びＮｉの総含有量を低減することによって溶着金属のＡｃ１変態点を上げることができるが、特許文献１乃至９に開示されているように、Ｍｎ及びＮｉには靱性を確保し、向上させる効果があるため、単純に溶接材料におけるＭｎ及びＮｉの総含有量を規制してＰＷＨＴ温度を高温化しても、靱性の改善は図れないという問題点がある。また、特許文献１乃至９に記載されている溶接材料は、ＰＷＨＴ温度を７６０℃以上にする場合については考慮されておらず、ＰＷＨＴ温度が溶着金属のＡｃ１変態点を超えた場合、溶着金属が相変態を起こして、クリープ破断強度が著しく劣化する虞がある。このため、ＰＷＨＴ温度が７６０℃以上の場合にも使用可能で、良好な靱性が得られるＭｏｄ．９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤが求められている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ＰＷＨＴ温度を７６０℃以上にしてもクリープ破断強度が低下せず、良好な靱性が得られる改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤを提供することを目的とする。
本願発明に係る改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤは、Ｃ：０．０７０乃至０．１５０質量％、Ｓｉ：０．１５質量％を超え且つ０．３０質量％以下、Ｍｎ：０．３０質量％以上で且つ０．８５質量％未満、Ｎｉ：０．３０乃至１．２０質量％、Ｃｒ：８．００乃至１３．００質量％、Ｍｏ：０．３０乃至１．４０質量％、Ｖ：０．０３乃至０．４０質量％、Ｎｂ：０．０１乃至０．１５質量％及びＮ：０．０１６乃至０．０５５質量％を含有し、Ｍｎ及びＮｉの総量を１．５０質量％以下に規制すると共に、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％未満、Ｔｉ：０．０１０質量％以下、Ａｌ：０．１０質量％未満、Ｂ：０．００１０質量％未満、Ｗ：０．１０質量％未満、Ｃｏ：１．００質量％未満及びＯ：０．０３質量％以下に規制し、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。
本発明においては、Ｍｎ及びＮｉの総量を１．５０質量％以下に規制すると共にＣｏ含有量を１．００質量％未満に規制しているため、ＰＷＨＴ温度が７６０℃以上であっても、クリープ破断強度が低下しない。また、靱性に影響を及ぼすＭｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの含有量を最適化すると共に、靱性を劣化させるＡｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃ及びＯの含有量を規制しているため、靱性が良好になる。
この改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤは、Ｎｉ含有量を０．４０乃至１．００質量％、Ｍｏ含有量を０．８０乃至１．１０質量％、Ｃｕ含有量を０．１０質量％以下、Ａｌ含有量を０．０５質量％未満にしてもよい。これにより、靱性及びクリープ破断強度が向上する。
本発明によれば、Ｍｎ及びＮｉの総含有量及びＣｏ含有量を規制しているため、ＰＷＨＴ温度が７６０℃以上の場合におけるクリープ破断強度の低下を防止することができると共に、靱性に影響するＭｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの含有量を最適化し、且つ靱性を劣化させるＡｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃ及びＯの含有量を規制しているため、優れた靱性を得ることができる。
以下、本発明に係る改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤについて具体的に説明する。本発明者等は前述の課題を解決するために、ワイヤ成分と靱性の関係について検討を行った結果、以下の知見を得た。即ち、Ｍｎ及びＮｉは夫々靱性に対して最適な含有量があり、更にＭｎ及びＮｉの総含有量が０．６０乃至１．５０質量％のとき、最も良好な靱性が得られることを見出した。また、本発明者等は、靱性に悪影響を及ぼすδ−フェライトの残留を抑制するには、フェライト生成元素の添加量を規制する必要があることを見出した。例えば、Ｍｎ含有量、Ｎｉ含有量並びにＭｎ及びＮｉの総含有量を規制した場合、フェライト生成元素の中でも特に、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ及びＷを規制する必要がある。
また、Ｃｕは溶接金属におけるδ−フェライトの残留を抑制する効果はあるが、過度に添加すると溶接金属の脆化を引き起こし、靱性を低下させる。更に、Ｃｏは溶接金属におけるδ−フェライトの残留を抑制して靱性を改善する効果は高いが、過度に添加するとＡｃ１変態点を低下させ、クリープ破断強度を低下させてしまう。更にまた、Ｎはクリープ破断強度を向上させる効果及び溶接金属におけるδ−フェライトの残留を抑制する効果がある。しかしながら、Ｎを添加することで靱性改善効果を得るためには、Ｎを大量に添加する必要があり、Ｎを大量に添加すると、ブローホールの発生を引き起こす。更にまた、Ｔｉ及びＢは夫々微細炭化物及び硼化物として析出して靱性を著しく損なうため、これらの含有量は規制する必要がある。
以下、本発明の改良９Ｃｒ−Ｍｏ鋼用溶接ワイヤにおける化学組成の数値限定理由について説明する。
Ｃ：０．０７０乃至０．１５０質量％
Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂと結合して各種炭化物を析出し、クリープ破断強度を向上させる効果がある。但し、Ｃ含有量が０．０７０質量％未満の場合、十分な効果が得られない。一方、Ｃを過剰に添加すると、具体的には、Ｃ含有量が０．１５０質量％を超えると、耐割れ性が劣化する。よって、Ｃ含有量は０．０７０乃至０．１５０質量％とする。
Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂと結合して各種炭化物を析出し、クリープ破断強度を向上させる効果がある。但し、Ｃ含有量が０．０７０質量％未満の場合、十分な効果が得られない。一方、Ｃを過剰に添加すると、具体的には、Ｃ含有量が０．１５０質量％を超えると、耐割れ性が劣化する。よって、Ｃ含有量は０．０７０乃至０．１５０質量％とする。
Ｓｉ：０．１５質量％を超え０．３０質量％以下
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、溶着金属中の酸素量を低減して溶接金属の靱性を改善する効果がある。但し、Ｓｉ含有量が０．１５質量％以下ではその効果が得られない。一方、Ｓｉはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ｓｉ含有量が０．３０質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｓｉ含有量は０．１５質量％を超え０．３０質量％以下とする。
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、溶着金属中の酸素量を低減して溶接金属の靱性を改善する効果がある。但し、Ｓｉ含有量が０．１５質量％以下ではその効果が得られない。一方、Ｓｉはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ｓｉ含有量が０．３０質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｓｉ含有量は０．１５質量％を超え０．３０質量％以下とする。
Ｍｎ：０．３０質量％以上で０．８５質量％未満、Ｎｉ：０．３０乃至１．２０質量％、Ｍｎ＋Ｎｉ：総量で１．５０質量％以下
Ｍｎは脱酸剤として作用し、溶着金属中の酸素量を低減して靱性を改善する効果がある。また、Ｍｎ及びＮｉはオーステナイト生成元素であり、いずれも溶接金属におけるδ−フェライトの残留による靱性劣化を抑制する効果がある。但し、Ｍｎ含有量が０．３０質量％未満の場合又はＮｉが０．３０質量％未満である場合は、これらの効果は得られず靱性が劣化する。一方、Ｍｎ含有量が０．８５質量％以上の場合及びＮｉ含有量が１．２０質量％を超えた場合は、溶接金属の靱性が劣化する。更に、Ｍｎ及びＮｉの総含有量が１．５０質量％を超えた場合は、溶接金属の靱性が劣化すると共に溶着金属のＡｃ１変態点が低下してクリープ破断強度が低下する。よって、Ｍｎ含有量は０．３０質量％以上で０．８５質量％未満、Ｎｉ含有量は０．３０乃至１．２０質量％とし、且つＭｎ及びＮｉの総含有量を１．５０質量％以下に規制する。なお、Ｎｉ含有量は０．４０乃至１．００質量％とすることがより好ましい。これにより、靱性がより向上する。
Ｍｎは脱酸剤として作用し、溶着金属中の酸素量を低減して靱性を改善する効果がある。また、Ｍｎ及びＮｉはオーステナイト生成元素であり、いずれも溶接金属におけるδ−フェライトの残留による靱性劣化を抑制する効果がある。但し、Ｍｎ含有量が０．３０質量％未満の場合又はＮｉが０．３０質量％未満である場合は、これらの効果は得られず靱性が劣化する。一方、Ｍｎ含有量が０．８５質量％以上の場合及びＮｉ含有量が１．２０質量％を超えた場合は、溶接金属の靱性が劣化する。更に、Ｍｎ及びＮｉの総含有量が１．５０質量％を超えた場合は、溶接金属の靱性が劣化すると共に溶着金属のＡｃ１変態点が低下してクリープ破断強度が低下する。よって、Ｍｎ含有量は０．３０質量％以上で０．８５質量％未満、Ｎｉ含有量は０．３０乃至１．２０質量％とし、且つＭｎ及びＮｉの総含有量を１．５０質量％以下に規制する。なお、Ｎｉ含有量は０．４０乃至１．００質量％とすることがより好ましい。これにより、靱性がより向上する。
Ｃｒ：８．００乃至１３．００質量％
Ｃｒは、本発明の溶接ワイヤが対象としているＭｏｄ．９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の主要元素であり、耐酸化性、高温強度を確保するために不可欠な元素である。但し、Ｃｒ含有量が８．００質量％未満であると、耐酸化性及び高温強度が不十分になる。一方、Ｃｒはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ｃｒ含有量が１３．００質量％を超えると、δ−フェライトの残留を引き起こし、靱性が劣化する。よって、Ｃｒ含有量は８．００乃至１３．００質量％とする。これにより、優れた耐酸化性及び高温強度が得られる。
Ｃｒは、本発明の溶接ワイヤが対象としているＭｏｄ．９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の主要元素であり、耐酸化性、高温強度を確保するために不可欠な元素である。但し、Ｃｒ含有量が８．００質量％未満であると、耐酸化性及び高温強度が不十分になる。一方、Ｃｒはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ｃｒ含有量が１３．００質量％を超えると、δ−フェライトの残留を引き起こし、靱性が劣化する。よって、Ｃｒ含有量は８．００乃至１３．００質量％とする。これにより、優れた耐酸化性及び高温強度が得られる。
Ｍｏ：０．３０乃至１．４０質量％
Ｍｏは固溶強化元素であり、クリープ破断強度を向上させる効果がある。但し、Ｍｏ含有量が０．３０質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｍｏはフェライト生成元素であるため、過剰に添加すると、具体的には、Ｍｏを含有量が１．４０質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｍｏ含有量は０．３０乃至１．４０質量％とする。なお、Ｍｏ含有量は０．８０乃至１．１０質量％とすることがより好ましい。これにより、クリープ破断強度及び靱性が向上する。
Ｍｏは固溶強化元素であり、クリープ破断強度を向上させる効果がある。但し、Ｍｏ含有量が０．３０質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｍｏはフェライト生成元素であるため、過剰に添加すると、具体的には、Ｍｏを含有量が１．４０質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｍｏ含有量は０．３０乃至１．４０質量％とする。なお、Ｍｏ含有量は０．８０乃至１．１０質量％とすることがより好ましい。これにより、クリープ破断強度及び靱性が向上する。
Ｖ：０．０３乃至０．４０質量％
Ｖは、析出強化元素であり、炭窒化物として析出してクリープ破断強度を向上させる効果がある。但し、Ｖ含有量が０．０３質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｖはフェライト生成元素でもあり、過剰に添加すると、具体的には、Ｖ含有量が０．４０質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｖ含有量は０．０３乃至０．４０質量％とする。
Ｖは、析出強化元素であり、炭窒化物として析出してクリープ破断強度を向上させる効果がある。但し、Ｖ含有量が０．０３質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｖはフェライト生成元素でもあり、過剰に添加すると、具体的には、Ｖ含有量が０．４０質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｖ含有量は０．０３乃至０．４０質量％とする。
Ｎｂ：０．０１乃至０．１５質量％
Ｎｂは、固溶強化及び窒化物として析出してクリープ破断強度の安定化に寄与する元素である。但し、Ｎｂ含有量が０．０１質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｎｂはフェライト生成元素でもあり、過剰に添加すると、具体的には、Ｎｂ含有量が０．１５質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｎｂ含有量は０．０１乃至０．１５質量％とする。
Ｎｂは、固溶強化及び窒化物として析出してクリープ破断強度の安定化に寄与する元素である。但し、Ｎｂ含有量が０．０１質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｎｂはフェライト生成元素でもあり、過剰に添加すると、具体的には、Ｎｂ含有量が０．１５質量％を超えると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。よって、Ｎｂ含有量は０．０１乃至０．１５質量％とする。
Ｎ：０．０１６乃至０．０５５質量％
Ｎは、固溶強化及び窒化物として析出してクリープ破断強度の安定化に寄与する元素である。但し、Ｎ含有量が０．０１６質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｎを過剰に添加すると、具体的には、Ｎ含有量が０．０５５質量％を超えると、ブローホールが発生する。よって、Ｎｂ含有量は０．０１乃至０．１５質量％とする。
Ｎは、固溶強化及び窒化物として析出してクリープ破断強度の安定化に寄与する元素である。但し、Ｎ含有量が０．０１６質量％未満であると、十分なクリープ破断強度が得られない。一方、Ｎを過剰に添加すると、具体的には、Ｎ含有量が０．０５５質量％を超えると、ブローホールが発生する。よって、Ｎｂ含有量は０．０１乃至０．１５質量％とする。
Ｐ：０．０１０質量％以下
Ｐは高温割れ感受性を高める元素である。Ｐ含有量が０．０１０質量％を超えると高温割れが発生する。よって、Ｐ含有量は０．０１０質量％以下に規制する。
Ｐは高温割れ感受性を高める元素である。Ｐ含有量が０．０１０質量％を超えると高温割れが発生する。よって、Ｐ含有量は０．０１０質量％以下に規制する。
Ｓ：０．０１０質量％以下
Ｓは高温割れ感受性を高める元素である。Ｓ含有量が０．０１０質量％を超えると高温割れが発生する。よって、Ｓ含有量は０．０１０質量％以下に規制する。
Ｓは高温割れ感受性を高める元素である。Ｓ含有量が０．０１０質量％を超えると高温割れが発生する。よって、Ｓ含有量は０．０１０質量％以下に規制する。
Ｃｕ：０．５０質量％未満
Ｃｕは靱性を劣化させる元素である。通電性及び送給性を改善するため、ワイヤ表面にＣｕめっきを施す場合があるが、前述したように、Ｃｕを過剰に添加すると、具体的には、Ｃｕ含有量が０．５０質量％以上になると、溶接金属の脆化を引き起こし、靱性を低下させる。よって、めっき分も含めたワイヤ全量あたりのＣｕ含有量は、０．５０質量％未満に規制する。なお、Ｃｕ含有量は０．１０質量％以下に規制することがより好ましい。これにより、靱性が向上する。
Ｃｕは靱性を劣化させる元素である。通電性及び送給性を改善するため、ワイヤ表面にＣｕめっきを施す場合があるが、前述したように、Ｃｕを過剰に添加すると、具体的には、Ｃｕ含有量が０．５０質量％以上になると、溶接金属の脆化を引き起こし、靱性を低下させる。よって、めっき分も含めたワイヤ全量あたりのＣｕ含有量は、０．５０質量％未満に規制する。なお、Ｃｕ含有量は０．１０質量％以下に規制することがより好ましい。これにより、靱性が向上する。
Ｔｉ：０．０１０質量％以下
Ｔｉは微細な炭化物として析出し、溶着金属を硬化させて溶接金属の靱性を著しく低下させる。具体的には、Ｔｉ含有量が０．０１０質量％を超えると、靱性が劣化する。よって、Ｔｉは０．０１０質量％以下に規制する。
Ｔｉは微細な炭化物として析出し、溶着金属を硬化させて溶接金属の靱性を著しく低下させる。具体的には、Ｔｉ含有量が０．０１０質量％を超えると、靱性が劣化する。よって、Ｔｉは０．０１０質量％以下に規制する。
Ａｌ：０．１０質量％未満
Ａｌはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ａｌ含有量が０．１０質量％以上になると、溶接金属の靱性に悪影響を及ぼすδ−フェライトを残留させる。よって、Ａｌ含有量は０．１０質量％未満に規制する。なお、Ａｌ含有量は０．０５質量％未満に規制することがより好ましい。これにより、靱性が向上する。
Ａｌはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ａｌ含有量が０．１０質量％以上になると、溶接金属の靱性に悪影響を及ぼすδ−フェライトを残留させる。よって、Ａｌ含有量は０．１０質量％未満に規制する。なお、Ａｌ含有量は０．０５質量％未満に規制することがより好ましい。これにより、靱性が向上する。
Ｂ：０．００１０質量％未満
Ｂは炭硼化物及び硼化物として析出し、溶着金属を硬化させて溶接金属の靱性を著しく低下させる。具体的には、Ｂ含有量が０．００１０質量％以上では、靱性が劣化する。よって、Ｂ含有量は０．００１０質量％未満に規制する。
Ｂは炭硼化物及び硼化物として析出し、溶着金属を硬化させて溶接金属の靱性を著しく低下させる。具体的には、Ｂ含有量が０．００１０質量％以上では、靱性が劣化する。よって、Ｂ含有量は０．００１０質量％未満に規制する。
Ｗ：０．１０質量％未満
Ｗはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ｗ含有量が０．１０質量％以上になると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性を劣化させる。よって、Ｗ含有量は０．１０質量％未満に規制する。
Ｗはフェライト生成元素であり、過剰に添加すると、具体的には、Ｗ含有量が０．１０質量％以上になると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性を劣化させる。よって、Ｗ含有量は０．１０質量％未満に規制する。
Ｃｏ：１．００質量％未満
Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を抑制して溶接金属の靱性を改善する効果があるが、過剰に添加すると、具体的には、Ｃｏ含有量が１．００質量％以上になると、溶着金属のＡｃ１変態点が低下してクリープ破断強度が劣化する。よって、Ｃｏ含有量は１．００質量％未満に規制する。
Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を抑制して溶接金属の靱性を改善する効果があるが、過剰に添加すると、具体的には、Ｃｏ含有量が１．００質量％以上になると、溶着金属のＡｃ１変態点が低下してクリープ破断強度が劣化する。よって、Ｃｏ含有量は１．００質量％未満に規制する。
Ｏ：０．０３質量％以下
Ｏは溶着金属中に酸化物として残存して溶接金属の靱性を劣化させる。具体的には、Ｏ含有量が０．０３質量％を超えると、残存酸化物が増加して靱性が劣化する。よって、Ｏ含有量は０．０３質量％以下に規制する。
Ｏは溶着金属中に酸化物として残存して溶接金属の靱性を劣化させる。具体的には、Ｏ含有量が０．０３質量％を超えると、残存酸化物が増加して靱性が劣化する。よって、Ｏ含有量は０．０３質量％以下に規制する。
また、本発明の溶接ワイヤをサブマージアーク溶接等の方法で溶接する場合、その電流極性は、溶着金属の化学成分、機械的性能及び溶接作業性に大きな影響を及ぼす。例えば、直流逆極性（以下、ＤＣＥＰという。）は交流（ＡＣ）と比べて、溶着金属中の酸素量が増加し、溶接金属の靱性が劣化しやすい。また、ＤＣＥＰは、磁気吹きが起こりやすく、スラグ巻き及び融合不良が発生しやすい。本発明の溶接ワイヤにおいて、このような問題点を解決し、良好か機械的性能を得るためには、ＣａＦ２：１０乃至６０質量％、ＣａＯ：２乃至２５質量％、ＭｇＯ：：１０乃至５０質量％、Ａｌ２Ｏ３：２乃至３０質量％、ＳｉＯ２：総量で６乃至３０質量％を含有するフラックスと組み合わせて使用することが好ましい。
以下、本発明の改良９Ｃｒ−Ｍｏ鋼用溶接ワイヤと組み合わせて使用されるフラックスにおける化学組成の数値限定理由について説明する。
ＣａＦ ２ ：１０乃至６０質量％
ＣａＦ２はスラグの塩基度を高めて溶着金属中の酸素量を低減し、溶接金属の靱性を改善する効果がある。また、ＣａＦ２は、スラグの融点を下げ、その流動性を高めるため、ビード形状を整える効果もある。但し、フラックス中のＣａＦ２含有量が１０質量％未満であると、その効果が得られない。また、フラックス中のＣａＦ２含有量が６０質量％を超えると、スラグの流動性が過度となり、ビード形状を著しく損なう。よって、フラックス中のＣａＦ２含有量は、１０乃至６０質量％とすることが好ましい。
ＣａＦ２はスラグの塩基度を高めて溶着金属中の酸素量を低減し、溶接金属の靱性を改善する効果がある。また、ＣａＦ２は、スラグの融点を下げ、その流動性を高めるため、ビード形状を整える効果もある。但し、フラックス中のＣａＦ２含有量が１０質量％未満であると、その効果が得られない。また、フラックス中のＣａＦ２含有量が６０質量％を超えると、スラグの流動性が過度となり、ビード形状を著しく損なう。よって、フラックス中のＣａＦ２含有量は、１０乃至６０質量％とすることが好ましい。
ＣａＯ：２乃至２５質量％
ＣａＯは、塩基性成分であり、前述のＣａＦ２と同様に溶着金属中の酸素量を低減して、溶接金属の靱性を改善する効果がある。また、ＣａＯは、スラグの粘性を調節してビード形状を整える効果もある。但し、フラックス中のＣａＯ含有量が２質量％未満であると、これらの効果が得られない。また、フラックス中のＣａＯ含有量が２５質量％を超えると、かえって溶着金属中の酸素量を増大させて、溶接金属の靱性を低下させてしまう。よって、フラックス中のＣａＯ含有量は、２乃至２５質量％とすることが好ましい。
ＣａＯは、塩基性成分であり、前述のＣａＦ２と同様に溶着金属中の酸素量を低減して、溶接金属の靱性を改善する効果がある。また、ＣａＯは、スラグの粘性を調節してビード形状を整える効果もある。但し、フラックス中のＣａＯ含有量が２質量％未満であると、これらの効果が得られない。また、フラックス中のＣａＯ含有量が２５質量％を超えると、かえって溶着金属中の酸素量を増大させて、溶接金属の靱性を低下させてしまう。よって、フラックス中のＣａＯ含有量は、２乃至２５質量％とすることが好ましい。
ＭｇＯ：１０乃至５０質量％
ＭｇＯは塩基性成分であり、ＣａＦ２と同様に溶着金属中の酸素量を低減して、溶接金属の靱性を改善する効果がある。また、ＭｇＯは、スラグの粘性を調節して、ビード形状を整える効果もある。但し、フラックス中のＭｇＯ含有量が１０質量％未満であると、これらの効果が得られない。また、フラックス中のＭｇＯ含有量が５０質量％を超えると、かえって溶着金属中の酸素量を増大させて、溶接金属の靱性を低下させてしまう。よって、フラックス中のＭｇＯ含有量は、１０乃至５０質量％とすることが好ましい。
ＭｇＯは塩基性成分であり、ＣａＦ２と同様に溶着金属中の酸素量を低減して、溶接金属の靱性を改善する効果がある。また、ＭｇＯは、スラグの粘性を調節して、ビード形状を整える効果もある。但し、フラックス中のＭｇＯ含有量が１０質量％未満であると、これらの効果が得られない。また、フラックス中のＭｇＯ含有量が５０質量％を超えると、かえって溶着金属中の酸素量を増大させて、溶接金属の靱性を低下させてしまう。よって、フラックス中のＭｇＯ含有量は、１０乃至５０質量％とすることが好ましい。
Ａｌ ２ Ｏ ３ ：２乃至３０質量％
Ａｌ２Ｏ３はスラグの融点を高めてその流動性を調節し、ビード形状を整える効果がある。但し、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が２質量％未満であると、その効果が得られない。また、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が３０質量％を超えると、スラグの焼き付きが生じ、ビード外観を損なう。よって、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量は、２乃至３０質量％とすることが好ましい。
Ａｌ２Ｏ３はスラグの融点を高めてその流動性を調節し、ビード形状を整える効果がある。但し、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が２質量％未満であると、その効果が得られない。また、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が３０質量％を超えると、スラグの焼き付きが生じ、ビード外観を損なう。よって、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量は、２乃至３０質量％とすることが好ましい。
Ｓｉ及びＳｉＯ ２ ：総量で６乃至３０質量％
ＳｉＯ２はスラグの粘性を高めて、ビード形状を整える効果がある。但し、フラックス中のＳｉＯ２含有量が６質量％未満では、その効果が得られない。一方、ＳｉＯ２は、アーク中で還元されて溶着金属に含有されるため、ＳｉＯ２を過剰に添加すると還元Ｓｉ量が増加し、溶着金属におけるδ−フェライト残留による靱性低下の原因になる。これは、フラックス中に脱酸剤として適宜添加されるＳｉも同様である。このため、フラックス造粒時に固着剤として使用する水ガラス中のＳｉＯ２も含めて、フラックス中のＳｉ及びＳｉＯ２を制限する必要がある。よって、フラックス中のＳｉ及びＳｉＯ２の総含有量は、ＳｉＯ２換算で６乃至３０質量％とすることが好ましい。
ＳｉＯ２はスラグの粘性を高めて、ビード形状を整える効果がある。但し、フラックス中のＳｉＯ２含有量が６質量％未満では、その効果が得られない。一方、ＳｉＯ２は、アーク中で還元されて溶着金属に含有されるため、ＳｉＯ２を過剰に添加すると還元Ｓｉ量が増加し、溶着金属におけるδ−フェライト残留による靱性低下の原因になる。これは、フラックス中に脱酸剤として適宜添加されるＳｉも同様である。このため、フラックス造粒時に固着剤として使用する水ガラス中のＳｉＯ２も含めて、フラックス中のＳｉ及びＳｉＯ２を制限する必要がある。よって、フラックス中のＳｉ及びＳｉＯ２の総含有量は、ＳｉＯ２換算で６乃至３０質量％とすることが好ましい。
これらの必須成分は、単独物質、これらの成分を含有する化合物、鉱石及び溶融フラックス等の形態で添加することができる。例えば、ＣａＦ２は蛍石、ＣａＯは石灰及び溶融フラックス、ＭｇＯはマグネシアクリンカー及び溶融フラックス、Ａｌ２Ｏ３はアルミナ及び溶融フラックス、ＳｉＯ２はカリ長石、ソーダ長石及び溶融フラックス等を添加してもよい。また、このフラックスには、上記必須成分の他に、合金成分及び溶接作業性を調節するために、合金粉末、酸化物及び弗化物を適宜添加することができる。更に、本発明の溶接ワイヤにおける不可避的不純物とは、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｃａ及びＭｇ等を示す。
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の第１実施例として、下記表１及び表２に示す組成の溶接ワイヤを使用し、下記表３に示す組成で、厚さが２０ｍｍ、開先角度が４５℃、ルートギャップが１３ｍｍである供試鋼板を、下記表４に示す条件でサブマージアーク溶接し、溶接金属の靱性及びクリープ破断強度について評価した。また、下記表５には、組み合わせフラックスの組成を示す。組み合わせフラックスは、固着剤に水ガラスを使用して造粒し、５００乃至５５０℃で１時間焼結した後、１０×４８メッシュの粒度がフラックス全質量あたり７０質量％以上になるようにした。なお、下記表１及び表２における残部はＦｅ及び不可避的不純物である。
以下、各項目の評価方法について説明する。先ず、選別のために、溶接後に放射線透過試験（ＪＩＳ規格 Ｚ３１０４）を行った。そして、その結果がＪＩＳ１類のものを良好として、７６０℃で２時間ＰＷＨＴを行った後、クリープ破断試験及びシャルピー衝撃試験を行った。クリープ試験は、試験片をＪＩＳ規格Ｚ２２７３の直径６．０ｍｍとし、試験条件は６５０℃で、８６ＭＰａとした。また、シャルピー衝撃試験は、試験片をＪＩＳ規格Ｚ３１１１４とし、試験温度２０℃とした。また、クリープ破断試験及び衝撃試験の試験片は、夫々、板厚中央部分の溶接金属中央部から採取した。各試験の評価基準は、放射線透過試験は、ＪＩＳ１類を良好（○）、ＪＩＳ１類以外を不良（×）とした。また、クリープ破断試験は、破断時間が１０００時間以上のものを良好（○）、１０００時間未満のものを不良（×）とした。更に、シャルピー衝撃試験は、ｖＥ２０℃の平均が４０Ｊ以上のものを良好（○）、４０Ｊ未満のものを不良（×）とした。下記表７及び表９にその結果をまとめて示す。また、下記表６及び８には、溶着金属の化学成分を示す。
次に、本発明の第２実施例として、上記表２に示す実施例Ｎｏ．Ｗ４３乃至Ｗ４８及びＷ５５乃至Ｗ６０のワイヤを、直径が１．６ｍｍになるま伸線加工し、上記表３に示す組成で、厚さが１２ｍｍ、開先角度が４５℃、ルートギャップが６ｍｍである供試鋼板を、下記表１０に示す条件でＴＩＧ溶接し、前述の第１実施例と同様の方法及び条件で溶接金属の靱性及びクリープ破断強度について評価した。その結果を下記表１１にまとめて示す。
上記表６及び表７に示すように、比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１は、Ｃ含有量が本発明の範囲より少ないため、強度不足となり、クリープ破断時間が所定の性能満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２は、Ｃ含有量が本発明の範囲を超えているため、照射線等化試験において、高温割れが発生した。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ３は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲より少ないため、溶着金属が脱酸不足になり、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ４は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ５は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲より少ないため、溶着金属が脱酸不足になり、且つ溶接金属中にδ−フェライトが残留したため、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ６は、Ｍｎ含有量並びにＭｎ及びＮｉの総含有量が本発明の範囲を超えているため、溶着金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。また、靱性も所定の性能を満足しなかった。
比較例ワイヤＮｏ．Ｗ７は、Ｐ含有量が本発明の範囲を超えているため、放射線透過試験において、高温割れが発生した。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ８は、Ｓ含有量が本発明の範囲を超えているため、放射線透過試験において、高温割れが発生した。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ９は、Ｃｕ含有量が本発明の範囲を超えているため、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１０は、Ｎｉ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、溶接金属にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１１は、Ｎｉ含有量及びＭｎ及びＮｉの総含有量が本発明の範囲を超えているため、溶着金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。また、靱性も所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１２は、Ｃｏ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶着金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。
比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１３は、Ｃｒ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、強度不足となり、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１４は、Ｃｒ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１５は、Ｍｏ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、強度不足となり、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１６は、Ｍｏ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１７は、Ａｌ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１８は、Ｔｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の強度が著しく大きくなり、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ１９は、Ｎｂ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、強度不足となり、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２０は、Ｎｂ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。
比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２１は、Ｖ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、強度不足となり、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２２は、Ｖ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２３は、Ｗ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２４は、Ｂ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属中にδ−フェライトが残留して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２５は、Ｎ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、強度不足となり、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２６は、Ｎ含有量が本発明の範囲を超えているため、放射線透過試験においてブローホールが発生した。
比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２７は、Ｏ含有量が本発明の範囲を超えているため、溶着金属中の酸素量が増加して、靱性が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ２８は、Ｍｎ及びＮｉの総含有量が本発明の範囲を超えているため、溶着金属のＡｃ１変態点が低下して、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。また、靱性も所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．２９は、Ｃｕ含有量が本発明の範囲を超えているため、靱性が所定の性能を満足しなかった。また、Ｎｂ含有量が本発明の範囲より少ないため、強度不足となり、クリープ破断時間が所定の性能を満足しなかった。比較例ワイヤＮｏ．Ｗ３０は、Ｎｉ含有量並びにＭｎ及びＮｉの総含有量が本発明の範囲を超えているため、靱性が所定の性能を満足しなかった。また、溶着金属のＡｃ１変態点が低下しており、本発明の範囲を超える量のＮｂを添加しても、クリープ判断時間が所定の性能を満足しなかった。
一方、上記表８及び表９に示すように、実施例ワイヤＮｏ．Ｗ３１乃至６０は、成分組成が本発明の範囲内であるため、７６０℃で２時間ＰＷＨＴを行っても、靱性及びクリープ破断時間が所定の性能を満足していた。特に、ワイヤＮｏ．４９乃至６０は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＡｌがより好ましい範囲であるため、靱性及びクリープ破断強度が優れていた。また、上記表１１に示すように、ワイヤＮｏ．Ｗ４３乃至Ｗ４８、並びに、ワイヤＮｏ．Ｗ５５乃至Ｗ６０は、ＴＩＧ溶接においても所定の性能を満足していた。特に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＡｌがより好ましい範囲であるＮｏ．Ｗ５５乃至Ｗ６０のワイヤは、靱性及びクリープ破断強度が極めて優れていた。
Claims (5)
- Ｃ：０．０７０乃至０．１５０質量％、Ｓｉ：０．１５質量％を超え且つ０．３０質量％以下、Ｍｎ：０．３０質量％以上で且つ０．８５質量％未満、Ｎｉ：０．３０乃至１．２０質量％、Ｃｒ：８．００乃至１３．００質量％、Ｍｏ：０．３０乃至１．４０質量％、Ｖ：０．０３乃至０．４０質量％、Ｎｂ：０．０１乃至０．１５質量％及びＮ：０．０１６乃至０．０５５質量％を含有し、Ｍｎ及びＮｉの総量を１．５０質量％以下に規制すると共に、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％未満、Ｔｉ：０．０１０質量％以下、Ａｌ：０．１０質量％未満、Ｂ：０．００１０質量％未満、Ｗ：０．１０質量％未満、Ｃｏ：１．００質量％未満及びＯ：０．０３質量％以下に規制し、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改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤ。
- Ｎｉ含有量が０．４０乃至１．００質量％であることを特徴とする請求項１に記載の改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤ。
- Ｍｏ含有量が０．８０乃至１．１０質量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤ。
- Ｃｕ含有量が０．１０質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤ。
- Ａｌ含有量が０．０５質量％未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤ。
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