JP5671364B2 - クリープ特性に優れた溶接金属 - Google Patents
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Description
A値=([V]/51+[Nb]/93)/{[V]×([Cr]/5+[Mo]/2)}×104 …(1)
但し、[V],[Nb],[Cr]および[Mo]は、夫々溶接金属中のV,Nb,CrおよびMoの含有量(質量%)を示す。
A値=([V]/51+[Nb]/93)/{[V]×([Cr]/5+[Mo]/2)}×104 …(1)
但し、[V],[Nb],[Cr]および[Mo]は、夫々溶接金属中のV,Nb,CrおよびMoの含有量(質量%)を示す。
Cは、炭化物を形成する有用な元素である。C含有量が0.05%よりも低いと、溶接金属中に存在する粒界のうち、炭化物が存在する長さの割合が25%を下回ることになる。しかしながら、C含有量が過剰になると、炭化物の粗大化を招くことで、靭性低下の原因となるので0.20%以下とする。C含有量の好ましい下限は0.07%であり、より好ましくは0.09%以上であり、好ましい上限は0.15%、より好ましくは0.13%以下である。
Siは、溶接時の作業性を良好にする上で有効な元素である。Si含有量が0.10%を下回ると、溶接作業性が劣化する。しかしながら、Si含有量が過剰になると、強度の過大な上昇、またはマルテンサイト等の硬質組織増加をもたらし、靭性低下を招くので、0.50%以下とする。尚、Si含有量の好ましい下限は0.15%であり、より好ましくは0.17%以上であり、好ましい上限は0.40%、より好ましくは0.32%以下である。
Mnは、溶接金属の強度を確保する上で有効な元素であり、その含有量が0.60%を下回ると、室温での強度が低下するほか、耐SR割れ性にも悪影響を及ぼす。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、高温強度を低下させるので、1.3%以下とする必要がある。尚、Mn含有量の好ましい下限は0.8%であり、より好ましくは1.0%以上であり、好ましい上限は1.2%、より好ましくは1.15%以下である。
Crは、炭化物(主にM23C6炭化物)を形成する有用な元素である。Cr含有量が1.8%よりも低くなると、溶接金属中に存在する粒界のうち、炭化物が存在する長さの割合が25%を下回ることになる。しかしながら、Cr含有量が過剰になると、炭化物粗大化を招くことで靭性低下の原因となるので、3.0%以下とする必要がある。尚、Cr含有量の好ましい下限は1.9%であり、より好ましくは2.0%以上であり、好ましい上限は2.8%、より好ましくは2.6%以下である。
Moは、炭化物(主にM6C炭化物)を形成する有用な元素である。Mo含有量が0.8%よりも低いと、溶接金属中に存在する粒界のうち、炭化物が存在する長さの割合が25%を下回ることになる。しかしながら、Mo含有量が過剰になると、炭化物粗大化を招くことで靭性低下の原因となるので、1.5%以下とする必要がある。尚、Mo含有量の好ましい下限は0.9%であり、より好ましくは0.95%以上であり、好ましい上限は1.2%、より好ましくは1.1%以下である。
Vは、炭化物(MC炭化物)を形成して、クリープ破断特性を向上する上で有用な元素である。V含有量が0.25%を下回ると、クリープ破断特性が劣化する。しかしながら、V含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.50%以下とする必要がある。尚、V含有量の好ましい下限は0.27%であり、より好ましくは0.30%以上であり、好ましい上限は0.45%、より好ましくは0.40%以下である。
Nbは、炭化物(MC炭化物)を形成して、クリープ破断特性を向上する上で有用な元素である。Nb含有量が0.010%を下回ると、クリープ破断特性が劣化する。しかしながら、Nb含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.050%以下とする必要がある。尚、Nb含有量の好ましい下限は0.012%であり、より好ましくは0.015%以上であり、好ましい上限は0.040%、より好ましくは0.035%以下である。
Nは、MC炭化物に溶け込み、MC炭化物の微細粒子数を増加させることで、クリープ破断特性向上に寄与する。しかしながら、N含有量が過剰になると、MC炭化物の粗大化を招き、クリープ破断特性に悪影響を及ぼすので、0.025%以下とする必要がある。尚、上記効果を発揮させる上で好ましい下限は、0.005%(より好ましくは0.008%以上)であり、好ましい上限は0.020%(より好ましくは0.015%以下)である。
Oは、酸化物を形成し、組織微細化に寄与することで靭性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、0.020%以上含有させる必要がある。しかしながら、O含有量が過剰になって0.060%を超えると、粗大酸化物が増加し、脆性破壊の起点となることでかえって靭性は低下する。尚、O含有量の好ましい下限は0.025%(より好ましくは0.028%以上)であり、好ましい上限は0.050%(より好ましくは0.045%以下)である。
CuおよびNiは、組織微細化による靭性向上に有効な元素である。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、組織を著しく微細化させ、クリープ破断特性を低下させるので、CuまたはNiの含有量は、夫々0.5%以下とすることが好ましい。より好ましくは、夫々0.4%以下、更に好ましくは0.3%以下である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、いずれも0.02%以上(より好ましくは0.03%以上)である。
Wは、炭化物を形成し、クリープ破断特性の向上に寄与する元素である。しかしながら、W含有量が過剰になると、粒界に析出する炭化物を粗大化させ、靭性に悪影響を及ぼすので、0.50%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.3%以下(更に好ましくは、0.2%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.08%以上(より好ましくは0.1%以上)である。
Bは、粒界に生成しやすい炭化物であるM23C6に溶け込み、この炭化物を微細化することで、溶接金属中に存在する粒界のうち、炭化物が存在する長さを向上させ、耐クリープ破断特性の改善に寄与する元素である。しかしながら、B含有量が過剰になると、耐SR割れ性を低下させるので、0.005%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.004%以下(更に好ましくは0.0025%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.0005%以上(より好ましくは0.0010%以上)である。
Alは、脱酸剤として有効な元素である。しかしながら、Al含有量が過剰になると、酸化物粗大化を招き靭性に悪影響を及ぼす大化させ、靭性に悪影響をおよぼすので、0.030%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.020%以下(更に好ましくは、0.015%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.01%以上(より好ましくは0.012%以上)である。
Tiは、MC炭化物を形成し、クリープ破断特性の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ti含有量が過剰になると、MC炭化物の析出強化が促進されることによる粒内強化の著しい上昇をもたらし、耐SR割れ性を低下させるので、0.020%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.015%以下(更に好ましくは、0.012%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.005%以上(より好ましくは0.008%以上)である。
[母材組成(質量%)]
C:0.12%、Si:0.23%、Mn:0.48%、P:0.004%、S:0.005%、Cu:0.04%、Al:<0.002%、Ni:0.08%、Cr:2.25%、Mo:0.99%、V:0.004%、Ti:0.002%、Nb:0.005%(残部:鉄および不可避的不純物)
溶接方法:サブマージアーク溶接(SAW)
母材板厚:25mm
開先角度:10°(V字型)
ルート間隔:25mm
溶接姿勢:下向き
ワイヤ径:4.0mmφ(ワイヤ組成は下記表1、2に示す)
入熱条件(AC−ACタンデム)
ア)2.4kJ/mm(L:440A−25V/T:480A−27V,10mm/秒)
イ)2.6kJ/mm(L:480A−25V/T:500A−28V,10mm/秒)
ウ)3.7kJ/mm(L:580A−30V/T:600A−32V,10mm/秒)
エ)4.8kJ/mm(L:440A−25V/T:480A−27V,5mm/秒)
オ)5.2kJ/mm(L:480A−25V/T:500A−28V,5mm/秒)
但し、L:Leading wire(先行電極)、T:Trailing wire
(後行電極)
予熱−パス間温度:180〜260℃
積層方法:1層2パス(計6層)
組成A(質量%) SiO2:6%、Al2O3:18%、MgO:35%、CaF2:20%、CaO:11%、その他(CO2、Ca、AlF3等):10%
組成B(質量%) SiO2:8%、Al2O3:14%、MgO:31%、CaF2:27%、CaO:10%、その他(CO2、Ca、AlF3等):10%
溶接方法:被覆アーク溶接(SMAW)
母材板厚:20mm
開先角度:20°(V字型)
ルート間隔:19mm
溶接姿勢:下向き
心線径:5.0mmφ(被覆剤の組成は下記表7に示す)
入熱条件
カ)2.1kJ/mm(210A−27V,2.7mm/秒)
キ)2.3kJ/mm(215A−27V,2.5mm/秒)
ク)2.7kJ/mm(215A−27V,2.2mm/秒)
ケ)3.0kJ/mm(220A−27V,2.0mm/秒)
コ)3.2kJ/mm(225A−28V,2.0mm/秒)
予熱−パス間温度:180〜260℃
積層方法:1層2パス(計8層)
組成a(質量%) C:0.09%、Si:0.15%、Mn:0.49%、Cu:0.04%、Ni:0.03%、Cr:2.31%、Mo:1.10%(残部:鉄および不可避的不純物)
組成b(質量%) C:0.05%、Si:0.2%、Mn:0.45%、Cu:0.04%、Ni:0.02%、Cr:1.39%、Mo:0.55%(残部:鉄および不可避的不純物)
(円相当直径が0.40μm以上の炭化物の平均円相当径:0.85μm未満)
705℃×32時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の最終パス中央部よりレプリカTEM観察用試験片を採取し、7500倍にて13.3×15.7μmの視野を有する画像を4枚撮影した。画像解析ソフト(「Image−Pro Plus」 Media Cybernetics社製)により、円相当直径:0.40μm以上の炭化物を選択したうえで、それらの平均円相当直径(炭化物の円相当直径合計を個数で割った値)を算出した。
705℃×32時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の最終パス中央部よりレプリカTEM観察用試験片を採取し、7500倍にて13.3×15.7μmの視野を有する画像を4枚撮影した。画像解析ソフト(「Image−Pro Plus」 Media Cybernetics社製)により、以下の方法で炭化物形態の解析を行った。
(2)上記直線Aiと交わる円相当直径が0.40μm以上の炭化物を選定する(前記図1C)。
(3)直線Ai上で隣接する炭化物の外接四角形の中心を直線Bi(i=1,2,3…m、m:直線の総本数)で結び(図1D)、各直線Biと交差する炭化物の長さCi(i=1,2,3…k)を算出した上で(図1E)、「(C1〜Ckの合計値)÷(直線B1〜Bmの合計長さ)×100」を、溶接金属中に存在する粒界のうち、炭化物が存在する長さの割合(粒界炭化物割合)と定義する。
705℃×32時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚表面から10mm深さの位置より、図2に基づき溶接線方向に引張試験片(JIS Z3111 A2号)を採取し、540℃において、JIS Z 2241の要領で、引張強度TSを測定した。引張強度TS>400MPaを強度(高温強度)に優れると評価した。
705℃×8時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中央部より、図3に基づき溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片(JIS Z3111 4号Vノッチ試験片)を採取し、JIS Z 2242の要領で、−30℃での吸収エネルギーvE-30を測定した。3回の測定の平均値が54Jを超えたときに靭性に優れると評価した。
溶接金属の最終パス(原質部)より、スリットサイズ=0.5mmのリング割れ試験片を下記に基づき採取した。625℃×10時間のSR焼鈍処理を施し、試験片6個(観察面3×試験数2)とも、ノッチ底部近傍に割れが発生しなかった場合を耐SR割れ性に優れる(評価○)と評価し、割れが発生した場合を耐SR割れ性に劣る(評価×)と評価した。
705℃×32時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中央部より、図5に基づき溶接線方向に標点距離:30mm、6.0mmφのクリープ試験片を採取し、540℃で210MPaの条件でクリープ試験を実施し、破断時間を測定した。破断時間が1000時間を超える場合を耐クリープ破断特性に優れると評価した。
SAWで溶接金属を形成したときに用いた各種溶接ワイヤ(W1〜47)の化学成分組成を、比([Mn]/[Cr])の値と共に、下記表1、2に示す。また形成された溶接金属の化学成分組成を、溶接条件(溶接ワイヤNo.入熱条件、使用フラックス、予熱−パス間温度)およびA値と共に、下記表3、4に示す。更に、各溶接金属の評価特性結果(炭化物平均円相当直径、粒界炭化物割合、引張強度TS、靭性(vE-30)、耐SR割れ性、耐クリープ破断特性)を下記表5、6に示す。
SMAWで溶接金属を形成したときに用いた各種被覆剤の化学成分組成を、(S+SiO2量)および比([Mn]/[Cr])の値と共に、下記表7に示す(被覆剤No.B1〜20)。また形成された溶接金属の化学成分組成を、溶接条件(被覆剤No.、入熱条件、心線種類、予熱−パス間温度)およびA値と共に、下記表8に示す。更に、各溶接金属の評価特性結果(炭化物平均円相当直径、粒界炭化物割合、引張強度TS、靭性(vE-30)、耐SR割れ性、耐クリープ破断特性)を下記表9に示す。
Claims (6)
- C :0.05〜0.20%(「質量%」の意味。以下同じ)、
Si:0.10〜0.50%、
Mn:0.60〜1.3%、
Cr:1.8〜3.0%、
Mo:0.8〜1.5%、
V :0.25〜0.50%、
Nb:0.010〜0.050%、
N :0.025%以下(0%を含まない)、
O :0.020〜0.060%、
Al:0.030%以下(0%を含まない)を夫々含有し、
残部が鉄および不可避的不純物からなり、
下記(1)式によって規定されるA値が200以上であり、且つ溶接金属に含まれる円相当直径で0.40μm以上の炭化物の平均円相当直径が0.85μm未満であると共に、溶接金属中に存在する粒界のうち炭化物が存在する部分の長さの割合が、粒界の全長さの25%以上であることを特徴とするクリープ特性に優れた溶接金属。
A値=([V]/51+[Nb]/93)/{[V]×([Cr]/5+[Mo]/2)}×104 …(1)
但し、[V],[Nb],[Cr]および[Mo]は、夫々溶接金属中のV,Nb,CrおよびMoの含有量(質量%)を示す。 - 更に他の元素として、Cu:0.5%以下(0%を含まない)および/またはNi:0.5%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載の溶接金属。
- 更に他の元素として、W:0.50%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1または2に記載の溶接金属。
- 更に他の元素として、B:0.005%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の溶接金属。
- 更に他の元素として、Ti:0.020%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜4のいずれかに記載の溶接金属。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の溶接金属を備えた溶接構造体。
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