JP6257454B2 - 肉盛溶接金属及び機械構造物 - Google Patents

Description

本発明は、肉盛溶接金属及びこの肉盛溶接着金属を備えた機械構造物に関する。より詳しくは、帯状電極などの溶接材料を用いた肉盛溶接によって形成された肉盛溶接金属及び機械構造物に関する。

石油精製や化学プラントの分野では、Ｃｒ−Ｍｏ鋼やフェライト系ステンレス鋼製の圧力容器が使用されている。これらＣｒ−Ｍｏ鋼及びフェライト系ステンレス鋼は、高温環境にも耐えうる高温特性を有しているが、耐食性は十分とはいえない。そこで、一般に、これらの材料を用いた圧力容器では、耐食性の確保を目的として、内面に肉盛溶接が施されている。

このような目的の場合、肉盛溶接金属としては、ＣｒやＮｉを高濃度で含有する耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。しかしながら、Ｃｒを高濃度で含有しているステンレス鋼は、熱の影響を受けてＦｅとＣｒから構成される脆化相（σ相）が形成されやすく、溶接後に熱処理を行うと、溶接金属が脆化（σ脆化）するという問題がある。

肉盛溶接金属が脆化すると、高温環境下で機器を使用している際に、熱応力の影響を受けて亀裂が発生する可能性があるため、肉盛溶接金属の脆化抑制は、圧力容器の安定稼動や長期信頼性を確保する上で重要な課題となっている。また、近年、圧力容器の耐熱性向上のために溶接後熱処理の温度が高くなる傾向があり、高温・高圧型の圧力容器では、肉盛溶接金属の脆化が顕在化すると考えられる。

従来、耐食性を向上を目的として、溶鋼を急冷凝固して得た厚さ１ｍｍ以下の鋼帯であって、σ相を含まないオーステナイト相とフェライト相からなる高クロム二相ステンレス鋼溶接材料素材が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、製造時の熱間加工により生じる溶接材料のσ脆化を抑制するためのものであり、溶接施工後及び溶接後熱処理で生じる溶接金属のσ脆化を抑制する技術ではない。

一般に、オーステナイト系ステンレス鋼材は、フェライト相が存在すると、Ｃｒが濃化してσ相が形成されやすくなる。σ相の形成を抑制するには、Ｃｒ濃度を下げるか又はＮｉ濃度を増加させるなどして、オーステナイト相の安定化、即ち、形成されるフェライト相の量を減少させる方法が有効である。また、Ｓｉの低減やＣの増加もオーステナイト相の安定化に有効である。

そこで、従来、ステンレス鋼材のフェライト量を制限することで、σ脆化を回避する技術が提案されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載の耐熱用オーステナイト系ステンレス鋼では、Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ−｛Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋３０(Ｃ＋Ｎ)｝を特定の範囲にすることにより、耐σ脆化性向上を図っている。

特開平３−１１４６９３号公報 特開平８−２３９７３７号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術は、溶接金属では高温割れ（凝固割れ）を防止する観点から、凝固オーステナイト相に一定量のフェライト相を形成させる必要がある。このため、特許文献２に記載されているようなオーステナイト安定化元素の増加やフェライト形成元素の低減は、溶接金属のσ脆化の抑制には適用することが難しい。

更に、従来技術によれば、肉盛溶接金属においてσ相を低減するには、σ相の構成元素であるＣｒやσ相形成を促進する元素であるＳｉの含有量を低減することが有効であると考えられるが、これらの元素を低減すると、溶接金属の耐食性が劣化する虞がある。

そこで、本発明は、耐食性を劣化させることなく、耐脆化性に優れ、高温環境に長期間曝されても、割れや剥離が生じにくい肉盛溶接金属及び機械構造物を提供することを主目的とする。

本発明に係る肉盛溶接金属は、Ｎｉ：９〜１１質量％、Ｃｒ：１８〜２１質量％、Ｎｂ：０．１〜１質量％、Ｓｉ：０．０５〜１質量％、Ｍｏ：０．１１〜０．７５質量％を含有すると共に、Ｃ：０．０８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、Ｖ：０．１５質量％以下、Ｎ：０．０８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り、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］、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］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、下記数式１を満たすものである。

本発明に係る機械構造物は、前述した肉盛溶接金属を備えたものである。

本発明によれば、耐食性に必要なＣｒ含有量を確保しながら、溶接後熱処理の後に生じる脆化を抑制することができるため、高温環境に長期間の晒されても肉盛溶接金属における割れや割れに伴う剥離を軽減することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本発明者は、高温環境における耐食性の向上を目的としてステンレス鋼からなる帯状電極が溶接された肉盛溶接金属について鋭意実験検討を行った結果、以下に示す知見を得た。本発明者は、溶接金属に含有される成分を一定の範囲とした場合、溶接金属の脆化はＭｎ濃度に強く依存しており、Ｍｎ量の低減がσ相の抑制に繋がることを見出した。

また、ＣｒやＳｉもその含有量を低減すればσ脆化が抑制できる傾向がみられるが、Ｃｒ量やＳｉ量の低減は、フェライト相が減少し、溶接割れが発生しやすくなるという懸念がある。これに対して、Ｍｎはオーステナイトを安定化させる元素であるため、Ｍｎ量を低減すると、σ脆化を抑制しながらフェライト相を増加又は維持することが可能となる。このように、本発明者は、Ｓｉ量やＣｒ量の低減といった従来の知見とは異なる方法で、溶接金属のσ相を抑制できることを見出し、本発明に至った。

即ち、本実施形態の肉盛溶接金属は、Ｎｉ：９〜１１質量％、Ｃｒ：１８〜２１質量％、Ｎｂ：０．１〜１質量％及びＳｉ：０．０５〜１質量％を含有すると共に、Ｃ：０．０８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、Ｖ：０．１５質量％以下、Ｎ：０．０８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範囲において、下記数式３を満たす組成となっている。このような成分組成部することにより、溶接熱処理後の靭性が良好な溶接金属が得られる。

ここで、上記数式３における［Ｃｒ］はＣｒ含有量（質量％）、［Ｓｉ］はＳｉ含有量（質量％）、［Ｎｂ］はＮｂ含有量（質量％）、［Ｍｎ］はＭｎ含有量（質量％）、［Ｎｉ］はＮｉ含有量（質量％）、［Ｃ］はＣ含有量（質量％）である。

次に、本実施形態の肉盛溶接金属に含有される各成分の数値限定理由について説明する。

［Ｎｉ：９〜１１質量％］
Ｎｉは、オーステナイト相を安定化させる作用がある元素である。Ｎｉ含有量が９質量％未満の場合、オーステナイト相を維持することができない。一方、Ｎｉ含有量が過剰になり１１質量％を超えると、コストの増加を招く。よって、Ｎｉ含有量は９〜１１質量％とする。なお、Ｎｉ含有量は、オーステナイト相の安定化の観点から、９．５質量％以上が好ましく、より好ましくは１０質量％以上である。また、コスト削減の観点から、Ｎｉ添加量はできるだけ少なくすることが望ましい。具体的には、Ｎｉ含有量は、１０．７質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは１０．５質量％以下である。

［Ｃｒ：１８〜２１質量％］
Ｃｒは、肉盛溶接金属としての基本的な特性を付与するために必須な元素であり、特に、肉盛溶接金属が優れた耐食性を示すために必須な成分である。しかしながら、Ｃｒ含有量が１８質量％未満の場合、肉盛溶接金属に要求される耐食性が得られない。一方、Ｃｒ含有量が過剰になり２１質量％を超えると、肉盛溶接金属の耐脆化性が低下する。よって、Ｃｒ含有量は１８〜２１質量％とする。なお、Ｃｒ含有量は、耐食性向上の観点から、１８．５質量％以上とすることが好ましく、より好ましくは１９質量％以上である。また、耐脆化性向上の観点からは、Ｃｒ含有量は２０．５質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは２０質量％以下である。

［Ｎｂ：０．１〜１質量％］
Ｎｂは、鋼中の炭素を固定してＣｒ欠乏層の形成を抑制し、Ｃｒの耐食性への寄与を向上させる作用がある。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．１質量％以下の場合、これらの効果が得られない。一方、Ｎｂ量が増えすぎると溶接金属の脆化を招くため、Ｎｂ含有量は１質量％以下とする。なお、Ｎｂ含有量は、耐食性向上の観点から、０．３質量％以上とすることが好ましく、Ｃの固定に十分な量を確保するためにＣ含有量の８倍以上とすることがより好ましい。また、耐脆化性向上の観点からは、Ｎｂ含有量は、０．９質量％以下にすることが好ましく、より好ましくは０．８質量％以下である。

［Ｓｉ：０．０５〜１質量％］
Ｓｉは、脱酸作用をもたらし、湯流れ性を改善する効果があり、更に耐酸化性や耐食性を向上させる元素でもある。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．０５質量％未満の場合、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｓｉは、溶接金属を脆化させる作用もあり、過剰に含有すると耐脆化性が低下し、本発明の効果が損なわれため、Ｓｉ含有量は１質量％以下に規制する。

なお、脱酸作用向上などの観点から、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。また、耐脆化性向上の観点からは、Ｓｉ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０．６質量％以下である。

［Ｃ：０．０８質量％以下］
Ｃは、耐食性を向上させる作用を持つＣｒを炭化物として固定し、炭化物周囲に腐食の起点となるＣｒ欠乏層を形成してしまう。そこで、本実施形態の肉盛溶接金属では、良好な耐食性を維持するため、Ｃ含有量を０．０８質量％以下に規制する。なお、耐食性向上の観点から、Ｃ含有量は、０．０６質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０４質量％以下である。

［Ｍｎ：０．９質量％以下］
Ｍｎは、本発明の効果を得るために最も重要な元素であり、上記数式２を満足するＣｒ含有量及びＮｉ含有量の範囲において、できるだけＭｎ量を低減することによって溶接金属の脆化を軽減することができる。具体的には、Ｍｎ含有量が０．９質量％を超えると、溶接金属の脆化軽減効果が十分に得られない。

なお、耐脆化性向上の観点から、Ｍｎ含有量は０．８質量％以下に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。一方、溶接金属中のＭｎ量を極端に低減するには製造コスト増加が伴うため、費用対効果の観点から、Ｍｎ含有量は０．２質量％以上とすることが好ましい。

［Ｃｕ：０．７５質量％以下（０％を含まない）］
Ｃｕは、不可避的不純物であるが、過剰に含有すると溶接金属が析出強化され硬化してしまうため、０．７５質量％以下に規制する。なお、Ｃｕ含有量は、析出強化抑制の観点から、０．０６質量％以下にすることが好ましく、より好ましくは０．０５質量％以下である。

［Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）］
Ｓも、不可避的不純物であるが、その含有量が増加すると、溶接金属が著しく脆化するため、０．０３質量％以下に規制する。なお、Ｓ含有量は、耐脆化性向上の観点から、０．０２質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０１５質量％以下である。

［Ｐ：０．０４質量％以下（０％を含まない）］
Ｐも、不可避的不純物であるが、その含有量が増加すると、溶接割れが発生しやすくなるため、０．０４０質量％以下に規制する。なお、Ｐ含有量は、耐溶接割れ性向上の観点から、０．０３０質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０２０質量％以下である。

［Ｖ：０．１５質量％以下（０％を含まない）］
Ｖも、不可避的不純物であるが、その含有量が増加すると、溶接金属中のフェライトが過度に増加して、耐食性の低下を招くため、０．１５質量％以下に規制する。なお、耐食性向上の観点から、Ｖ含有量は、０．１０質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０５０質量％以下である。

［Ｎ：０．０８質量％以下（０％を含まない）］
Ｎも、不可避的不純物あるが、その含有量が増加すると、ＣｒＮ化合物を形成して耐食性を担う固溶Ｃｒ濃度を低下させてしまうことがあるため、０．０８質量％以下に規制する。なお、耐食性向上の観点から、Ｎ含有量は、０．０６質量％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０５質量％以下である。

［残部］
本実施形態の肉盛溶接金属に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Ｃｕ、Ｓ及びＰの他に、原料又はフラックス、施工雰囲気に由来するＳｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｚｎ、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ａｇなどが挙げられ、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。

ただし、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｓｅ及びＺｎなどの低融点金属は、含有量が多くなると溶接割れを誘発するため、低濃度に抑えることが望ましい。また、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｃａ及びＭｇも、粗大な窒化介在物や酸化介在物を形成して機械的性質を低下させる元素であるため、低濃度に抑えることが望ましい。

［Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋２．５Ｍｎ−０．２Ｎｉ＋３０Ｃ≦２１．５］
Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣは、本実施形態の肉盛溶接金属の靭性に影響を及ぼす元素であり、上記数式３に示す関係は、Ｍｎ低減の作用を有効に得るために必要な条件である。そして、これらの元素の含有量が、上記数式３を満たさない場合、Ｍｎを低減した効果が十分に得られず、高温化された溶接後熱処理を経た場合に靭性に優れた肉盛溶接金属が得られない。

本実施形態の肉盛溶接金属は、前述した各成分に加えて、Ｍｏを０．７５質量％以下の範囲で含有することができる。その場合、肉盛溶接金属の成分組成は、下記数式４を満たす必要がある。なお、下記数式４における［Ｍｏ］は、Ｍｏ含有量（質量％）である。

［Ｍｏ：０．７５質量％以下］
Ｍｏは、Ｃｒと同様の作用があるため、耐食性の調整を目的として、必要に応じて添加される。ただし、Ｍｏ量が過剰になると、本発明の効果を大きく損なうほど溶接金属の耐脆化性が低下する。このため、Ｍｏを添加する場合は、その含有量を０．７５質量％以下に規制する。なお、耐脆化性向上の観点から、Ｍｏ含有量は、０．４以下とすることが好ましく、より好ましくは０．３質量％以下である。なお、Ｍｏを過度に低減するには製造コストの増加を伴うため、費用対効果の観点から、Ｍｏ含有量は０．０５質量％以上とすることが好ましい。

［Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋２．５Ｍｎ−０．２Ｎｉ＋３０Ｃ≦２１．５］
Ｍｏも、本実施形態の肉盛溶接金属の靭性に影響を及ぼす元素である。このため、肉盛溶接金属がＭｏを含有する場合は、前述した数式３にＭｏ含有量を加えた上記数式４に示す関係を満たす必要がある。そして、上記数式４も、Ｍｎ低減の作用を有効に得るために必要な条件であり、これらの元素の含有量が、上記数式４を満たさない場合、Ｍｎを低減した効果が十分に得られず、靭性に優れた肉盛溶接金属が得られない。

［形成方法］
次に、本実施形態の肉盛溶接金属の形成方法について説明する。本実施形態の肉盛溶接金属は、例えば帯状電極肉盛溶接材料を用いたＳＡＷ（サブマージアーク溶接）やＥＳＷ（エレクトロスラグ溶接）により形成することができるが、これら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。

また、使用する帯状電極肉盛溶接材料は、広い面積を効率良く施工するため幅１５ｍｍ以上であることが好ましく、連続的な溶接材料の供給を円滑に行うため肉厚は０．８ｍｍ以下ものを使用することが好ましい。このような帯状電極は、例えば、溶解で得られた鋼塊に対して、圧延加工と光輝焼鈍を行うことにより作製することができ、表面が過度に酸化していない金属光沢のある箔帯であればよい。

また、本実施形態の肉盛溶接金属を形成する際に用いる溶接材料は、溶接金属の成分に相当する組成とすることができるが、溶接中に酸化して消費されやすいＣｒやＮｂは、予め濃度を高めておくことにより、目的の成分が得られやすくなることもある。また、施工時に用いるフラックス中に原料を添加することにより、溶接金属の成分を調節することも可能である。

前述した方法及び材料で肉盛溶接される母材、即ち、本実施形態の肉盛溶接金属が形成される母材は、特に限定されるものではないが、Ｃｒ−Ｍｏ鋼材やフェライト系ステンレス鋼材が好適である。これらの材料からなる部材の表面に、本実施形態の肉盛溶接金属を形成することにより、高温環境で長期間使用後も肉盛溶接金属の割れや剥離が少ない機械構造物を実現することができる。その結果、高温機器の安定稼動が実現できると共に、補修やメンテナンスの省略によるコストダウンが可能となる。なお、本実施形態の肉盛溶接金属が形成される機械構造物としては、例えば高温での腐食が問題となる石油精製用の圧力容器などが挙げられる。

以上詳述したように、本実施形態の肉盛溶接金属は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｖ及びＮの含有量を特定の範囲にすると共に、Ｍｎ含有量を０．９質量％以下に規制し、かつ（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋２．５Ｍｎ−０．２Ｎｉ＋３０Ｃ）を２１．５以下にしているため、耐食性に必要なＣｒ量を減らしたり、Ｓｉ量やフェライト量を低減したり、高価なＮｉを増量したりすることなく、溶接熱処理後の脆化を従来よりも抑制することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、成分組成が異なる帯状電極を使用して肉盛溶接を行い、得られた肉盛溶接金属の靭性を評価した。

＜溶接金属の形成方法＞
その際、帯状電極は、実施例及び比較例の各肉盛溶接金属の化学成分に相当する３０ｋｇインゴットを溶解・鋳造し、熱間鍛造加工、熱延加工、冷間圧延加工及び光輝焼鈍を行った後、スリット加工することにより製造した。また、帯状電極のサイズは、幅７５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍとした。この帯状電極を用いて、ＥＳＷ（エレクトロスラグ溶接）によって、電流１４００Ａ、溶接速度１８ｃｍ／分の条件で、９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｖ鋼からなる母材に１層施工し、これに７５０℃で３２時間の溶接後熱処理を行って肉盛溶接金属を得た。

＜評価方法＞
次に、実施例及び比較例の各溶接金属から、機械加工によって長さ５５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの板材を作製し、長さ５５ｍｍ×２．５ｍｍの面において、長さ２２．５ｍｍの位置にノッチ深さ２ｍｍ、ノッチ底半径１ｍｍのＵ字型ノッチを形成して、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験片を得た。

そして、この試験片を用いて、０℃の温度条件下で、シャルピー衝撃試験片を行った。その結果、１０Ｊ以上であったものを合格とした。

下記表１に実施例及び比較例の溶接金属の成分組成及び評価結果を示す。なお、溶接に用いた帯状電極の成分は、下記表１に示す各溶接金属の成分とほぼ同等である。また、下記表１に示す溶接金属の成分組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。更に、下記表１に示すＮｏ．１〜１０の溶接金属が本発明の実施例であり、Ｎｏ．１１〜２０が比較例である。

上記表１に示すように、本発明の範囲内の成分組成を有するＮｏ．１〜１０の溶接金属は、シャルピー衝撃値が１０Ｊ以上であり、靭性が優れていた。これに対して、数式２を満足しないＮｏ．１１、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７〜２０の溶接金属、及び数式２は満足しているが、Ｍｎ含有量が本発明の範囲から外れているＮｏ．１２、Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１６の溶接金属は、シャルピー衝撃値が１０Ｊ未満となり、靭性が劣っていた。

以上の結果から、本発明によれば、耐食性に影響するＣｒ含有量を低減しなくても、高靭性で耐脆化性に優れた肉盛溶接金属が得られることが確認された。

Claims (2)

1. Ｎｉ：９〜１１質量％、
   Ｃｒ：１８〜２１質量％、
   Ｎｂ：０．１〜１質量％、
   Ｓｉ：０．０５〜１質量％、
   Ｍｏ：０．１１〜０．７５質量％
   を含有すると共に、
   Ｃ：０．０８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、
   Ｖ：０．１５質量％以下、
   Ｎ：０．０８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り、
   Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］、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］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、下記数式（Ａ）を満たす肉盛溶接金属。
   [Cr]+[Mo]+1.5×[Si]+0.5×[Nb]+2.5×[Mn]−0.2×[Ni]+30×[C]≦21.5 … (A)
2. 請求項１に記載の肉盛溶接金属を備えた機械構造物。