JP6244267B2 - 肉盛溶接体 - Google Patents
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Description
母材は、本実施形態の肉盛溶接体の用途において、通常使用されている母材を用いることができ、具体的には、前述した成分組成を有する鋼材が用いられる。このような成分組成を有する鋼としては、2.25Cr−1Mo鋼、2.25Cr−1Mo−V鋼及び9Cr−1Mo−V鋼などの高温強度及び長期信頼性に優れた耐熱鋼が挙げられる。
<Ni:9〜11質量%>
Niは、ステンレス鋼として必須の元素の1つであり、オーステナイト相を安定化させる効果がある。しかしながら、溶接金属のNi含有量が9質量%未満の場合、オーステナイト相を維持できない場合がある。一方、溶接金属のNi含有量が11質量%を超えると、製造コストの増加を招き、また、溶接金属中のフェライト相を過度に減少させてしまうこともある。よって、溶接金属のNi含有量は9〜11質量%とする。
Crは、耐食性を向上させる元素であり、ステンレス鋼として必須の元素の1つである。しかしながら、溶接金属のCr含有量が18質量%未満の場合、ステンレス鋼としての基本的な耐食性を発揮することが難しくなり、また、21質量%を超えると、溶接金属中のフェライト相を維持できず高温割れもたらす場合がある。よって、溶接金属のCr含有量は18〜21質量%とする。
Nbは溶接金属中の炭素を固定してステンレス鋼の耐食性を向上させる元素のひとつである。しかしながら、溶接金属のNb含有量が0.1質量%未満の場合炭素を固定が不十分となり、1質量%を超えると固溶Nbが増加してフェライト量を過度に増加させてしまう場合がある。よって、溶接金属のNb含有量は0.1〜1質量%とする。
Cは、Crと結合して化合物を形成する元素である。そして、溶接金属のC含有量が0.08質量%を超えると、固溶Cr量が局部的に減少し、耐食性の低下を招く。よって、溶接金属のC含有量は0.08質量%以下に規制する。なお、Cは、溶接材料やフラックスに含まれており、積極的に添加しなくても溶接金属に含有される元素である。C含有量を過度に低下させるためには、多大なコストが伴うため、費用対効果の観点から、C含有量は0.005質量%以上とすることが好ましい。
Siは、従来からσ相の形成を促進させる元素とされており、Si含有量が1.0質量%を超えると、溶接金属が脆化することがある。よって、溶接金属のSi含有量は1.0質量%以下に規制する。ただし、Siは、湯流れ性の確保の観点からも若干量含んでいることが望ましく、Si含有量は0.1質量%以上であることが好ましく、より好ましくは0.15質量%以上である。
Mnは、本発明の一部の効果を得るために重要な元素であり、上記数式3を満たす溶接金属においてMn含有量を0.9質量%以下に規制することにより、溶接金属で発生する割れを抑制することができる。なお、溶接金属の延性改善の観点から、Mn含有量は0.8質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.7質量%以下である。ただし、溶接金属のMn含有量を過度に低下させることは、コスト増加をもたらすため、Mn含有量は0.2質量%以上とすることが好ましい。
Moは、耐食性を向上させる元素であるが、本発明はMoを含む母材を対象としているため、母材の希釈に伴い溶接金属がMoを含有してしまい、Mo含有量が0.75質量%を超えると、溶接金属が脆化しやすくなる。よって、溶接金属のMo含有量は0.75質量%以下に規制する。ただし、溶接金属Mo含有量を過度に低下させることは、コスト増加をもたらすため、Mo含有量は0.05質量%以上とすることが好ましい。
Vは、フェライトを強く安定化させる元素であり、V含有量が0.15質量%を超えると、溶接金属中のフェライトが過度に増加してしまう。よって、溶接金属のV含有量は0.15質量%以下に規制する。
Pは、不可避不純物であり、P含有量が0.04質量%を超えると、溶接金属に溶接割れが発生しやくすなる。よって、溶接金属のP含有量は0.04質量%以下に規制する。
Sは、不可避的不純物であり、S含有量が0.03質量%を超えると、溶接金属が脆化する。よって、溶接金属のS含有量は0.03質量%以下に規制する。
Cuは、不可避的不純物であり、Cu含有量が0.75質量%を超えると、溶接金属が過度に硬化してしまう場合がある。よって、溶接金属のCu含有量は0.75質量%以下に規制する。
Nは、不可避不純物のひとつであり、溶接金属のN含有量が0.08質量%を超えると、窒化物を形成することでCrの固溶量を減少させてしまう。よって、溶接金属のN含有量は0.08質量%以下に規制する。
溶接金属おける上記以外の成分、即ち、残部は、Fe及び不可避的不純物である。ここで、不可避的不純物としては、前述したP、S、Cu及びNの他に、Sn、Pb、Sb、As、Se、Zn、Ca、Al、Mg、Ti、Zr、Y、Ta、Hf、Sc、Co及びAgなどが挙げられ、溶接金属にこれらの成分が含まれていても、本発明の効果には影響しない。
溶接金属の延性は、Mn含有量を0.9質量%以下とした上で、溶接金属を上記数式3を満足する組成とすることで改善することができる。上記数式3を満足する組成にすることで、より高温のPWHTを経た後、曲げ変形で生じる凝固組織中に存在するフェライト相での亀裂発生を抑制することができる。
母材及び溶接金属の成分組成を前述した範囲にしても、肉盛溶接体の耐割れ性を十分に向上させることができるとは限らない。特に、高温のPWHTを行った肉盛溶接体の場合、母材と溶接金属の接合界面領域における延性が低下し、曲げ変形に伴ってこの領域で亀裂が発生することがある。
次に、本実施形態の肉盛溶接体の形成方法について説明する。本実施形態の肉盛溶接体は、前述した組成の母材を、例えばSAW(サブマージアーク溶接)やESW(エレクトロスラグ溶接)により、肉盛溶接することにより形成することができる。なお、溶接方法は、SAW及びESWに限定されるものではなく、前述した組成の溶接金属成分を得られる方法であればよく、各種溶接方法を適用することができる。
母材は、下記表1のNo.A〜Mに示す成分組成の鋼材を、溶解・鋳造、鍛造加工によって作製し、1020〜1060℃で焼入処理を行った後、670〜775℃で焼戻し処理を行うことにより作製した。なお、下記表1に示す母材成分組成における残部は、Fe及び不可避的不純物である。また、No.A〜H,J〜Mの母材は本発明の範囲内の組成を有するが、No.Iの母材はC含有量が本発明の範囲を外れた比較例である。
上記表1に示すNo.A〜Mの各母材の表面に、75mm幅の帯状電極を用いたESW(エレクトロスラグ溶接)方式の肉盛溶接によって、厚さが約5mmの肉盛溶接金属を形成した。溶接条件は、電流を1400A、溶接速度を18cm/分、1層盛りとした。そして、溶接後に、PWHTとして775℃の温度条件で32時間の熱処理を実施し、評価用の溶接試験体とした。
評価は、前述した方法で作製した溶接試験体を、母材部分の厚さが10mm、溶接方向に対して垂直な方向の幅が70mmとなるように粗切断し、更に溶接方向が試験片の板厚方向となるようスライス加工を行ったものを機械研磨して、後述する厚さの曲げ試験片を作製した。この曲げ試験片の寸法は、縦70mm、横15mm、厚さ3mmであり、横15mmのうち5mmが肉盛溶接金属の部分である。
Claims (1)
- 母材の表面に溶接金属が肉盛溶接された肉盛溶接体であって、
前記母材は、C:0.07〜0.12質量%、Cr:2.0〜10質量%、Mo:0.5〜1.5質量%、V:0.05〜0.5質量%及びNb:0.01〜0.2質量%を含有すると共に、Si:0.6質量%以下、Mn:1質量%以下、P:0.04質量%以下、S:0.02質量%以下、Cu:0.3質量%以下、Ni:0.6質量%以下及びN:0.1%質量以下に規制され、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、
前記溶接金属は、Ni:9〜11質量%、Cr:18〜21質量%及びNb:0.1〜1質量%を含有すると共に、C:0.08質量%以下、Si:1.0質量%以下、Mn:0.9質量%以下、P:0.04質量%以下、S:0.03質量%以下、Cu:0.75質量%以下、Mo:0.75質量%以下、V:0.15質量%以下及びN:0.08質量%以下に規制され、残部がFe及び不可避不純物からなり、Cr含有量(質量%)を[Cr]、Mo含有量(質量%)を[Mo]、Si含有量(質量%)を[Si]、Nb含有量(質量%)を[Nb]、Mn含有量(質量%)を[Mn]、Ni含有量(質量%)を[Ni]、C含有量(質量%)を[C]としたとき、下記数式(A)を満たす組成を有し、
前記溶接金属のCr含有量(質量%)を[Crw]、前記母材のCr含有量(質量%)を[Crm]、前記溶接金属のC含有量(質量%)を[Cw]、前記母材のC含有量(質量%)を[Cm]としたとき、下記数式(B)を満たす肉盛溶接体。
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