JP6338028B2 - フェライト系耐熱鋼用溶接材料、フェライト系耐熱鋼用溶接継手及びフェライト系耐熱鋼用溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Description
0.5≦Cr+6Si+1.5W+11V+5Nb+10B−40C−30N−4Ni−2Co−2Mn≦10.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
(B)溶接金属の化学組成において、F1=Cr+6Si+1.5W+11V+5Nb+10B−40C−30N−4Ni−2Co−2Mnと定義する。F1が10.0以下であれば、δフェライトの形成が抑制され、溶接金属中δフェライトの面積率が0.5%以下となる。
(C)Sは、溶接中や溶接後熱処理の過程で偏析し、粒界の固着力を低下させる。そこで、S含有量を0.003質量%以下とする。これにより溶接金属の靭性が高まる。
0.5≦Cr+6Si+1.5W+11V+5Nb+10B−40C−30N−4Ni−2Co−2Mn≦10.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
第1群:Cu:0.05〜1.00%、
第2群:Ti:0.02〜0.30%、
第3群:Ca:0.001〜0.050%、Mg:0.001〜0.050%、及び希土類元素:0.001〜0.10%以下
本実施形態のフェライト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、溶接金属のδフェライト生成を抑制し、溶接金属の主たる組織をマルテンサイト組織とする。Cはさらに、高温使用時に微細な炭化物(M23C6炭化物)を生成し、クリープ強度を高める。C含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、粗大な炭化物が多量に析出し、溶接金属の靭性が低下する。したがって、C含有量は0.06〜0.10%である。C含有量の好ましい下限は0.07%である。C含有量の好ましい上限は0.09%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Siはさらに、溶接金属の耐水蒸気酸化特性を高める。Si含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下するとともに、クリープ延性も低下する。したがって、Si含有量は0.1〜0.4%である。Si含有量の好ましい下限は0.25%である。Si含有量の好ましい上限は0.35%である。
マンガン(Mn)は、Siと同様に鋼を脱酸する。Mnはさらに、溶接金属の組織のマルテンサイト化を促進する。Mn含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、溶接金属においてクリープ脆化が発生しやすくなる。したがって、Mn含有量は0.3〜0.7%である。Mn含有量の好ましい下限は、0.4%である。Mn含有量の好ましい上限は0.6%である。
燐(P)は不純物である。Pは溶接金属の靭性を低下する。したがって、P含有量は0.01%以下である。P含有量の好ましい上限は0.008%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストの観点から、P含有量の好ましい下限は0.0005%である。
硫黄(S)は不純物である。SはBを含有する溶接金属中の旧オーステナイト粒界及びラス界面に偏析し、粒界及びラス界面の固着力を低下する。そのため、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Sの含有量は0.003%以下である。S含有量の好ましい上限は0.002%未満であり、さらに好ましくは0.0015%未満である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、効果及び材料コストの観点から、S含有量の好ましい下限は0.0002%である。
コバルト(Co)は、δフェライトの生成を抑制し、マルテンサイト組織を得るのに有効である。母材と異なり、溶接金属は調質処理がされないため、上記効果を十分に得るためのCo含有量の下限は2.6%である。一方、Co含有量が高すぎれば、かえってクリープ強度が低下し、クリープ延性も低下する。さらに、Coは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Co含有量は2.6〜3.4%である。Co含有量の好ましい下限は2.8%である。Co含有量の好ましい上限は3.3%である。
ニッケル(Ni)は、δフェライトの生成を抑制し、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Niはさらに、溶接金属の靭性を高める。Ni含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ni含有量が高すぎれば、クリープ延性が低下する。さらに、Niは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Ni含有量は0.01〜1.10%である。Ni含有量の好ましい下限は0.04%である。Ni含有量の好ましい上限は1.00%である。
クロム(Cr)は、溶接金属の耐水蒸気酸化性及び耐食性を高める。Crはさらに、高温での使用中に炭化物として析出し、クリープ強度を高める。Cr含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、炭化物の安定性が低下して、クリープ強度が低下する。Cr含有量が高すぎればさらに、δフェライトの生成が促進され、靭性が低下する。したがって、Cr含有量は8.5〜9.5%である。Cr含有量の好ましい下限は8.7%である。Cr含有量の好ましい上限は9.3%である。
タングステン(W)は、マトリックスに固溶、又は、金属間化合物として長時間使用中に析出し、溶接金属の高温でのクリープ強度を高める。W含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、W含有量が高すぎれば、多量の析出物が生成する。さらに、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下する。したがって、W含有量は2.5〜3.5%である。W含有量の好ましい下限は2.7%である。W含有量の好ましい上限は3.3%である。
モリブデン(Mo)は本発明の溶接材料においては、不純物である。Moは、マトリックスに固溶して、溶接金属のクリープ強度を高める。しかしながら、Moは凝固偏析しやすく、Wを含有する金属間化合物及び炭化物の長時間安定性を低下する。したがって、Mo含有量はなるべく低い方が好ましく、0.01%未満である。
ニオブ(Nb)は、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。Nb含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Nb含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出し、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。さらに、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Nb含有量は0.02〜0.08%である。Nb含有量の好ましい下限は0.03%である。Nb含有量の好ましい上限は0.07%である。
バナジウム(V)はNbと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。V含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、V含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出し、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。さらに、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下する。したがって、V含有量は、0.1〜0.3%である。V含有量の好ましい下限は0.15%である。V含有量の好ましい上限は0.25%である。
タンタル(Ta)はNb及びVと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。Ta含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ta含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出し、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。したがって、Ta含有量は、0.02〜0.08%である。Ta含有量の好ましい下限は0.03%である。Ta含有量の好ましい上限は0.07%である。
ホウ素(B)は、焼入れ性を高め、溶接金属においてマルテンサイト組織を得るのに有効である。Bはさらに、高温での使用中に炭化物を旧オーステナイト境界及びマルテンサイトラス境界に微細分散させ、組織の回復を抑制し、クリープ強度を高める。B含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、B含有量が高すぎれば、マルテンサイト変態時にマルテンサイトラスが急激に伸長し、破壊単位が大きくなる。さらに、δフェライトの生成が促進される。そのため、溶接金属の靭性が極度に低下する。したがって、B含有量は、0.007〜0.015%である。B含有量の好ましい下限は0.009%である。B含有量の好ましい上限は0.012%である。
窒素(N)は、高温での使用中に微細な窒化物として粒内に微細に析出し、クリープ強度を高める。Nはさらに、δフェライトの生成を抑制する。N含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、溶接金属の凝固時に粗大な窒化物が晶出し、溶接金属の靭性が低下する。したがって、N含有量は、0.005〜0.020%である。N含有量の好ましい下限は0.008%である。N含有量の好ましい上限は0.015%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、清浄性が低下し、溶接材料の加工性及び溶接金属の靭性が低下する。さらに、溶接金属のクリープ強度が低下する。したがって、Al含有量は、0.03%以下である。Al含有量の好ましい上限は0.01%である。製造コストを考慮すれば、Al含有量の好ましい下限は0.001%である。本明細書において、Al含有量はsol.Al(酸可溶Al)を意味する。
酸素(O)は、不純物である。O含有量が高すぎれば、溶接材料の加工性及び溶接金属の靭性が低下する。したがって、Oの含有量は0.02%以下である。O含有量の好ましい上限は0.01%である。効果と製造コストを考慮すれば、O含有量の好ましい下限は、0.001%である。
上述の溶接材料はさらに、次の第1群〜第3群から選択される1種又は2種以上の元素を含有してもよい。以下、これらの元素について詳述する。
Cu:0〜1%
銅(Cu)は、任意元素であり含有されなくてもよい。含有される場合、Cuは、マルテンサイト組織の生成に有効である。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、溶接金属のクリープ延性が低下する。したがって、Cu含有量は、0〜1%である。Cu含有量の好ましい上限は0.8%である。Cu含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.2%である。
Ti:0〜0.3%
チタン(Ti)は、任意元素であり含有されなくてもよい。含有される場合、Tiは、Nb、V、及びTaと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。しかしながら、Ti含有量が高すぎれば、溶接中に粗大な窒化物として晶出したり、高温での使用中に粗大な窒化物として多量に析出して、溶接金属の靭性を低下する。したがって、Ti含有量は0〜0.3%である。Ti含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは、0.05%である。
Ca:0〜0.05%、
Mg:0〜0.05%、及び、
希土類元素(REM):0〜0.1%
カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、及び希土類元素(REM)は、任意元素であり含有されなくてもよい。含有される場合、これらの元素は、溶接材料製造時の熱間加工性を高める。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、これらの元素が酸素と結合し、溶接金属の清浄性を低下する。この場合、溶接金属の熱間加工性を低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.05%であり、Mg含有量は0〜0.05%であり、REM含有量は0〜0.1%である。Ca含有量、及びMg含有量の好ましい下限はそれぞれ0.001%であり、さらに好ましくはそれぞれ0.002%である。Ca含有量、及びMg含有量の好ましい上限はそれぞれ0.02%である。REM含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.003%である。REM含有量の好ましい上限は0.06%である。
上記化学組成はさらに、式(1)を満たす。
0.5≦Cr+6Si+1.5W+11V+5Nb+10B−40C−30N−4Ni−2Co−2Mn≦10.0 (1)
F1=Cr+6Si+1.5W+11V+5Nb+10B−40C−30N−4Ni−2Co−2Mn、と定義する。F1は、クリープ強度及びδフェライト量の指標である。具体的には、F1が低すぎれば、十分なクリープ強度が得られず、クリープ強度が低い。一方、F1が高すぎれば、δフェライトの生成量が増加して、溶接金属の組織中のδフェライトの面積率が0.5%を超える。この場合、溶接金属の靭性が低下する。したがって、F1は0.5〜10.0である。F1の好ましい下限は1.0である。F1の好ましい上限は9.0である。
本発明のフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、周知の製造方法により製造される。溶接材料はたとえば、溶加棒、ガスタングステンアーク溶接用のフィラーワイヤ、被覆アーク溶接用の溶接棒の芯線等に加工される。
溶接材料の組織は主に焼き戻しマルテンサイト組織からなるが、組織中のδフェライトの面積率は0.5%以下である必要がある。δフェライトの面積率が高い場合、つまり、δフェライト量が多い場合、溶接材料の高温での加工時に、変形能の異なる組織が混在する。その結果、加工性が低下する。さらに、本発明の溶接材料を用いて得られる溶接金属のδフェライトの面積率を0.5%以下とすれば、高い靭性が得られる。これらの効果を安定して得るための、δフェライトの面積率の好ましい上限は0.3%であり、さらに好ましくは0.1%である。
本発明のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、後述のフェライト系耐熱鋼を母材として溶接すれば、溶接金属と、フェライト系耐熱鋼の母材とを備えた溶接継手が製造される。この溶接継手は優れたクリープ強度及び靭性を有する。以下、溶接継手の母材及び溶接金属について詳述する。
母材は、フェライト系耐熱鋼からなる。母材の化学組成は、次の元素を含有する。
クロム(Cr)は、溶接材料における場合と同様に、母材の高温での耐水蒸気酸化性及び耐食性を高める。Crはさらに、高温での使用中に炭化物として析出し、母材のクリープ強度を高める。Cr含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Cr含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Cr含有量が高すぎれば、炭化物の安定性が低下して母材のクリープ強度が低下する。したがって、Cr含有量は、8〜10%である。Cr含有量の好ましい下限は8.5%である。Cr含有量の好ましい上限は9.5%である。
コバルト(Co)は、母材の組織をマルテンサイト組織にして、クリープ強度を高めるのに有効である。Co含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Co含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Co含有量が高すぎれば、母材のクリープ強度及びクリープ延性が低下する。さらに、Coは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Co含有量は、2〜4%である。Co含有量の好ましい下限は2.5%であり、Co含有量の好ましい上限は3.5%である。
タングステン(W)は、溶接材料における場合と同様に、母材のマトリックスに固溶したり、金属間化合物として長時間使用中に析出したりして、高温でのクリープ強度を高める。W含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、W含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、W含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、W含有量は、W:2〜4%である。W含有量の好ましい下限は2.5%である。W含有量の好ましい上限は3.5%である。
ホウ素(B)は、溶接材料における場合と同様に、焼入れ性を高め、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Bはさらに、高温での使用中に炭化物を旧オーステナイト境界、マルテンサイトラス境界に微細分散して、組織の回復を抑制し、クリープ強度を高める。B含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、B含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、B含有量が高すぎれば、溶接金属の場合と同様に、靭性が低下する。したがって、B含有量は、0.005〜0.020%である。B含有量の好ましい下限は0.007%である。B含有量の好ましい上限は0.015%である。
炭素(C)は、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Cはさらに、高温使用時に微細な炭化物を生成し、母材のクリープ強度を高める。C含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、C含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、C含有量が高すぎれば、クリープ強度向上の効果が飽和する。したがって、C含有量は、0.04〜0.12%である。C含有量の好ましい下限は0.06%である。C含有量の好ましい上限は0.10%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Siはさらに、母材の耐水蒸気酸化特性を高める。Si含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Si含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Si含有量が高すぎれば、母材のクリープ延性及び靭性が低下する。したがって、Si含有量は、0.05〜0.60%である。Si含有量の好ましい下限は0.10%である。Si含有量の好ましい上限は0.40%である。
マンガン(Mn)は、Siと同様に、鋼を脱酸する。Mnはさらに、母材の組織をマルテンサイトにする。Mn含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Mn含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Mn含有量が高すぎれば、クリープ脆化が発生しやすくなる。したがって、Mn含有量は、0.1〜0.8%である。Mn含有量の好ましい下限は0.2%である。Mn含有量の好ましい上限は0.7%である。
燐(P)は、不純物である。P含有量が高すぎれば、クリープ延性が低下する。したがって、P含有量は0.02%以下である。P含有量の好ましい上限は0.018%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストを考慮すれば、P含有量の好ましい下限は0.0005%である。
硫黄(S)は、不純物である。S含有量が高すぎれば、クリープ延性が低下する。したがって、S含有量は0.01%以下である。S含有量の好ましい上限は0.005%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストを考慮すれば、P含有量の好ましい下限は0.0002%である。
ニオブ(Nb)及びタンタル(Ta)は、溶接材料における場合と同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。Nb及び/又はTa含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、これらの元素の含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Nb及び/又はTa含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。したがって、Nb及び/又はTaの合計含有量は0.02〜0.18%である。Nb及び/又はTaの総含有量の好ましい下限は0.05%である。Nb及び/又はTaの総含有量の好ましい上限は0.12%である。
バナジウム(V)はNb及びTaと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。V含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、V含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、V含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。したがって、V含有量は、0.05〜0.40%である。V含有量の好ましい下限は0.10%である。V含有量の好ましい上限は0.30%である。
ネオジム(Nd)は母材のクリープ延性を改善する。Nd含有量が低すぎれば、この効果が得られない。溶接中にスラグとして減少する心配のない母材においては、Ndの上記効果を有効に活用できる。一方、Nd含有量が高すぎれば、熱間加工性が低下する。したがって、Nd含有量は、0.01〜0.06%である。Nd含有量の好ましい下限は0.02%である。Nd含有量の好ましい上限は0.05%である。
窒素(N)は、高温での使用中に微細な窒化物として粒内に微細に析出し、クリープ強度を高める。N含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、N含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、N含有量が高すぎれば、窒化物が粗大化して、クリープ延性が低下する。したがって、N含有量は、0.002〜0.025%である。N含有量の好ましい下限は0.005%である。N含有量の好ましい上限は0.015%である。
アルミニウム(Al)は、溶接材料における場合と同様に、鋼を脱酸する。しかしながら、Al含有量が高すぎれば、母材の清浄性が低下して加工性が低下する。Al含有量が高すぎればさらに、クリープ強度が低下する。したがって、Al含有量は、0.03%以下である。Al含有量の好ましい上限は0.01%である。製造コストを考慮すれば、Al含有量の好ましい下限は、0.001%である。本明細書において、Al含有量はsol.Al(酸可溶Al)を意味する。
酸素(O)は、溶接材料における場合と同様に不純物である。O含有量が高すぎれば、母材の加工性が低下する。したがって、O含有量は0.02%以下である。O含有量の好ましい上限は0.01%である。材料コストを考慮すれば、O含有量の好ましい下限は0.001%である。
Ni:0〜0.4%
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Niは、マルテンサイト組織を得るのに有効である。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがってNi含有量は0〜0.4%である。Ni含有量の好ましい上限は0.2%である。Ni含有量の好ましい下限は0.05%あり、さらに好ましくは、0.1%である。
溶接金属は、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて後述する方法で溶接することにより形成される。本発明の溶接金属は、優れたクリープ強度及び靭性を有する。溶接金属の化学組成は、溶接金属中のどの部位においても、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成で記載した各元素含有量の範囲内である。
溶接後の溶接金属の組織は、主としてマルテンサイトからなる。溶接金属の組織中のδフェライトの面積率は0.5%以下である必要がある。δフェライトの面積率が高い場合、つまり、δフェライト量が多い場合、割れ発生の起点が増加し、靭性が低下する。本発明の溶接金属の組織中のδフェライトの面積率は0.5%以下と低い。そのため、溶接金属は高い靭性を有する。δフェライトの面積率の好ましい上限は0.3%であり、さらに好ましくは0.1%である。
上述の溶接継手の製造方法は、上記母材に対して上記フェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて溶接する工程(溶接工程)と、溶接後の溶接金属に対して熱処理を実施する工程(熱処理工程)とを備える。以下、各工程について詳述する。
上述の母材に対して溶接を実施して溶接金属を形成する。母材の形状は特に限定されない。母材は鋼板であってもよいし、鋼管であってもよい。
ガスタングステンアーク溶接において、溶接入熱が低すぎれば、母材の寸法形状によっては、融合不良が生じやすくなる。溶接入熱が低すぎればさらに、冷却速度が大きくなりすぎて、マルテンサイトラスの成長が促進される。この場合、破壊単位が大きくなり、溶接金属の靭性が低下する。一方、溶接入熱が高すぎれば、Bを含有する本発明の溶接材料では、凝固割れが発生する。したがって、溶接入熱は6〜20kJ/cmである。溶接入熱の好ましい下限は8kJ/cmである。溶接入熱の好ましい上限は18kJ/cmである。溶接入熱範囲がこの条件を満たせば、優れた靭性が得られやすい。
溶接金属を形成した後、溶接金属に対して熱処理を実施する。熱処理により、溶接金属の硬さを低下して靭性を高める。例えば、溶接金属部を含む溶接部に、バンドヒーター及びインダクションヒーター等の熱処理装置を配置して、熱処理を実施する。又は、溶接構造物全体を加熱炉内で加熱する。熱処理における熱処理温度、及び、その熱処理温度での保持時間(熱処理時間)は次のとおりである。
熱処理時間:母材の厚さ25.4mm当たり、0.5〜4.0時間
母材の単位厚さは、溶接施工基準等で規定されることの多い、25.4mm(1インチ)とした。熱処理温度が低すぎる場合、又は、母材の単位厚さ当たりの熱処理時間が短すぎれば、マルテンサイト組織の焼戻しが不十分となり、十分な靭性が得られない。一方、熱処理温度が高すぎれば、溶接金属の一部がオーステナイト変態温度を超え、靭性が低下する。また、母材の単位厚さあたりの熱処理時間が長すぎれば、焼戻しが過剰となりクリープ強度が低下する。したがって、熱処理温度は740〜780℃であり、熱処理時間は母材の厚さ25.4mm当たり0.5〜4.0時間である。ここで、母材の厚さは、母材が鋼板の場合は板厚であり、鋼管の場合は肉厚である。熱処理時間の好ましい下限は、母材の厚さ25.4mm当たり1.0時間であり、好ましい上限は3.0時間である。熱処理温度及び熱処理時間がこの条件を満たせば、たとえば、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて製造した溶着金属のクリープ破断時間を3000時間以上とすることができ、かつ、優れた靭性が得られやすい。
表1に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。溶鋼を用いて、インゴットを製造した。
表2に示す化学組成を有する溶鋼を製造し、溶鋼を用いてインゴットを製造した。インゴットに対して熱間鍛造、熱間圧延及び機械加工して、直径2.4mmのフィラーワイヤを製造した。製造されたフィラーワイヤを溶接材料とした。
上述のフィラーワイヤから、断面ミクロ試験片を採取した。このミクロ試験片を、上述の溶接材料でのδフェライト量の面積率と同様の方法で、研磨、腐食して、組織を現出した。任意の5視野を100倍で観察して、δフェライトの面積率を求めた。
上記の母材の長手方向に、角度30°、ルート厚さ1mmのV開先を加工した。一対の母材のV開先同士を突き合わせ、上述の溶接材料を用いて、溶接を実施した。具体的には、シールドガスをArとしたガスタングステンアーク溶接により、溶接材料を開先内に積層溶接して溶接金属を形成し、表3に示す各試験番号の溶接継手を製造した。溶接時における初層溶接の入熱、及び積層溶接の入熱は、表3に示すとおりであった。
上記溶接継手とは別個に、各試験番号において、表3に示す母材の板材上に、表3に示す溶接材料を用いて、シールドガスをArとしたガスタングステンアーク溶接を用いて、表3に示す積層溶接入熱にて、12mm厚さとなるまで多層溶接した。これにより全溶着金属を作製した。
製造された溶接継手から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片(継手試験片という)を採取した。さらに、全溶着金属からも、丸棒クリープ破断試験片(溶接試験片という)を採取した。各試験片に対して、母材の目標クリープ破断時間が約3000時間となる650℃、147MPaの試験条件で、溶接継手及び全溶着金属の丸棒クリープ破断試験片に対してクリープ破断試験を実施した。試験の結果より、下記の評価でクリープ強度判定を行った。継手試験片が母材(HAZ)で破断し、かつ溶金試験片のクリープ破断時間が5000時間以上のものを「良」とした。継手試験片が母材(HAZ)で破断し、かつ溶金試験片のクリープ破断時間が3000時間以上、5000時間未満となるものを「可」とした。継手試験片において溶接金属部分で破断するか、又は溶金試験片のクリープ破断時間が3000時間を下回るものを「不合格」とした。
上述の溶接継手から、溶接金属にノッチを加工した、フルサイズのVノッチシャルピー衝撃試験片(ノッチ深さ2mm)を3本採取した。各試験片に対して、0℃にて、JIS Z2242(2005)に準拠したシャルピー衝撃試験を実施した。試験結果に基づいて、次のとおり靭性判定を行った。3本の試験片のシャルピー衝撃試験個値が全て27Jを超えるものを「良」、3本のうち少なくとも1本のシャルピー衝撃試験個値が27Jを下回るが、平均値で27Jを満足するものを「可」、及び、3本の平均値が27Jを下回るものを「不合格」とした。
上述の全溶着金属から、断面ミクロ試験片を採取した。全溶着金属から採取したミクロ試験片を上述の方法により研磨、腐食して、組織を現出した。任意の5視野を100倍で観察して、δフェライトの面積率を求めた。
表3に、上記各試験の結果を併せて示す。
Claims (8)
- 質量%で、
C:0.06〜0.10%、
Si:0.1〜0.4%、
Mn:0.3〜0.7%、
P:0.01%以下、
S:0.003%以下、
Co:2.6〜3.4%、
Ni:0.01〜1.10%、
Cr:8.5〜9.5%、
W:2.5〜3.5%、
Mo:0.01%未満、
Nb:0.02〜0.08%、
V:0.1〜0.3%、
Ta:0.02〜0.08%、
B:0.007〜0.015%、
N:0.005〜0.020%、
Al:0.03%以下、
O:0.02%以下、
Cu:0〜1%、
Ti:0〜0.3%、
Ca:0〜0.05%、
Mg:0〜0.05%、及び、
希土類元素:0〜0.1%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)を満たす化学組成を有するフェライト系耐熱鋼用溶接材料。
0.5≦Cr+6Si+1.5W+11V+5Nb+10B−40C−30N−4Ni−2Co−2Mn≦10.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接材料であってさらに、質量%で、下記の第1群〜第3群から選択される1種又は2種以上の元素を含有する、フェライト系耐熱鋼用溶接材料。
第1群:Cu:0.05〜1.00%、
第2群:Ti:0.02〜0.30%、
第3群:Ca:0.001〜0.050%、Mg:0.001〜0.050%、及び希土類元素:0.001〜0.10%以下 - 請求項1又は請求項2に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接材料であって、
δフェライトの面積率は0.5%以下である、フェライト系耐熱鋼用溶接材料。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の化学組成を有する溶接金属と、
フェライト系耐熱鋼からなる母材とを備え、
前記母材は、質量%で、
Cr:8〜10%、
Co:2〜4%、
W:2〜4%、及び、
B:0.005〜0.020%を含有する化学組成を有する、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。 - 請求項4に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接継手であって、
前記母材の化学組成は、質量%で、
C:0.04〜0.12%、
Si:0.05〜0.60%、
Mn:0.1〜0.8%、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
Co:2〜4%、
Ni:0〜0.4%、
Cr:8〜10%、
W:2〜4%、
Nb及び/又はTa:合計で0.02〜0.18%、
V:0.05〜0.40%、
B:0.005〜0.020%、
Nd:0.01〜0.06%、
N:0.002〜0.025%、
Al:0.03%以下、及び、
O:0.02%以下を含有し、残部がFe及び不純物からなる、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。 - 請求項5に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接継手であって、
前記母材は、
Ni:0.05〜0.4%を含有する、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。 - 請求項4〜請求項6のいずれか1項に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接継手であって、
前記溶接金属中のδフェライトの面積率は0.5%以下である、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。 - 質量%で、Cr:8〜10%、Co:2〜4%、W:2〜4%、及びB:0.005〜0.020%を含有する化学組成を有するフェライト系耐熱鋼からなる母材に対して、請求項1又は請求項2に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、溶接入熱6〜20kJ/cmでガスタングステンアーク溶接を実施して溶接金属を形成する工程と、
前記母材に形成された前記溶接金属に対して、740〜780℃の熱処理温度で前記母材の厚さ25.4mm当たり0.5〜4.0時間の熱処理を実施する工程とを備える、フェライト系耐熱鋼用溶接継手の製造方法。
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