JP6384611B2 - オーステナイト系耐熱合金及び溶接構造物 - Google Patents
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Description
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、微細な炭化物を形成して高温使用中のクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、0.04%以上含有する必要がある。しかしながら、Cを過剰に含有すると、炭化物が多量に析出し、耐SIPH割れ性が低下する。そのため、上限は0.15%とする。C含有量の下限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.06%である。C含有量の上限は、好ましくは0.13%であり、さらに好ましくは0.12%である。
シリコン(Si)は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性及び耐酸化性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、0.05%以上含有する必要がある。しかしながら、Siを過剰に含有すると、組織の安定性が低下して、靱性及びクリープ強度の低下を招く。そのため、上限は1%とする。Si含有量の下限は、好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.1%である。Si含有量の上限は、好ましくは0.5%であり、さらに好ましくは0.35%である。
マンガン(Mn)は、Siと同様、脱酸作用を有する。Mnはまた、オーステナイト組織の安定化に寄与する。この効果を十分に得るためには、0.3%以上含有する必要がある。しかしながら、Mnを過剰に含有すると、合金の脆化を招き、さらに、クリープ延性が低下する。そのため、上限は2.5%とする。Mn含有量の下限は、好ましくは0.4%であり、さらに好ましくは0.5%である。Mn含有量の上限は、好ましくは2%であり、さらに好ましくは1.5%である。
リン(P)は、不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Pはさらに、長時間使用後のクリープ延性を低下させる。そのため、P含有量には上限を設けて0.04%以下とする。P含有量の上限は、好ましくは0.035%、さらに好ましくは0.03%である。P含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、P含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0008%である。
硫黄(S)は、Pと同様に不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Sはさらに、長時間使用中に結晶粒界に偏析して脆化を招き、耐SIPH割れ性を大きく低下させる元素である。本実施形態の化学組成の範囲においてこれらを防止するためには、S含有量を0.0015%以下にする必要がある。S含有量の上限は、好ましくは0.0012%、さらに好ましくは0.001%である。S含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、S含有量の下限は、好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%である。
銅(Cu)は、オーステナイト組織の安定にするとともに、使用中に微細に析出してクリープ強度の向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、2%以上含有する必要がある。しかしながら、Cuを過剰に含有すると、熱間加工性の低下を招く。そのため、上限は4%とする。Cu含有量の下限は、好ましくは2.3%であり、さらに好ましくは2.5%である。Cu含有量の上限は、好ましくは3.8%であり、さらに好ましくは3.5%である。
ニッケル(Ni)は、長時間使用時のオーステナイト相の安定性を確保するために必須の元素である。本実施形態のCr、W含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Niを11%以上含有する必要がある。しかしながら、Niは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は16%とする。Ni含有量の下限は、好ましくは12%であり、さらに好ましくは13%である。Ni含有量の上限は、好ましくは15.5%であり、さらに好ましくは15%である。
クロム(Cr)は、高温での耐酸化性及び耐食性の確保のために必須の元素である。Crはまた、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。本実施形態のNi含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Crを16%以上含有する必要がある。しかしながら、Crを過剰に含有すると、高温でのオーステナイト相の組織安定性が劣化してクリープ強度が低下する。そのため、上限は20%とする。Cr含有量の下限は、好ましくは16.5%であり、さらに好ましくは17%である。Cr含有量の上限は、好ましくは19.5%であり、さらに好ましくは19%である。
タングステン(W)は、マトリックスに固溶することに加え、有害な金属間化合物相であるシグマ相の生成を遅延させるとともに、微細なラーベス相として析出し、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に大きく寄与する。この効果を十分に得るためには、2%以上含有する必要がある。しかしながら、Wを過剰に含有すると、粒内の変形抵抗が高くなって耐SIPH割れ性が低下するとともに、クリープ強度が低下する場合がある。さらに、Wは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は5%とする。W含有量の下限は、好ましくは2.2%であり、さらに好ましくは2.5%である。W含有量の上限は、好ましくは4.8%であり、さらに好ましくは4.5%である。
ニオブ(Nb)は、微細な炭窒化物として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、0.1%以上含有する必要がある。しかしながら、Nbを過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出して耐SIPH割れ性が低下するとともに、クリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は0.8%とする。Nb含有量の下限は、好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.15%である。Nb含有量の上限は、好ましくは0.7%であり、さらに好ましくは0.65%である。
チタン(Ti)は、Nbと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、0.05%以上含有する必要がある。しかしながら、Tiを過剰に含有すると、析出部が多量になって耐SIPH割れ性が低下するとともに、クリープ延性及び靱性が低下する。そのため、上限は0.35%とする。Ti含有量の下限は、好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.12%である。Ti含有量の上限は、好ましくは0.32%であり、さらに好ましくは0.3%である。
窒素(N)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、マトリックスに固溶して、又は窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、0.001%以上含有する必要がある。しかしながら、Nを過剰に含有すると、短時間使用時には固溶によって、長時間使用中には多量の微細窒化物が粒内に析出することによって、粒内変形抵抗が高くなり、耐SIPH割れ性が低下する。さらに、クリープ延性及び靱性が低下する。そのため、上限は0.015%とする。N含有量の下限は、好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.004%である。N含有量は、上限の観点では、好ましくは0.015%未満であり、さらに好ましくは0.012%以下であり、さらに好ましくは0.01%以下である。
ボロン(B)は、粒界炭化物を微細に分散させることによってクリープ強度を向上させるとともに、粒界に偏析して粒界を強化する。この効果を十分に得るためには、0.0005%以上含有する必要がある。しかしながら、Bを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱サイクルによって溶融境界近傍の溶接熱影響部にBが多量に偏析して粒界の融点が低下し、液化割れ感受性が高くなる。そのため、上限は0.01%とする。B含有量の下限は、好ましくは0.0008であり、さらに好ましくは0.001%である。B含有量の上限は、好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.006%である。
アルミニウム(Al)は、脱酸作用を有する。しかしながら、Alを過剰に含有すると、合金の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.03%とする。Al含有量の上限は、好ましくは0.025%であり、さらに好ましくは0.02%である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Al含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。なお、本発明においては、Alは酸可溶Al(sol.Al)を意味する。
酸素(O)は、不純物として合金中に含まれ、溶接中の溶け込み深さを増大する効果を有する。しかしながら、Oを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するとともに、靱性や延性が劣化する。そのため、上限は0.02%とする。O含有量の上限は、好ましくは0.018%であり、さらに好ましくは0.015%である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、O含有量の下限は、好ましくは0.0005%、さらに好ましくは0.0008%である。
スズ(Sn)は、溶融池から蒸発してアークの電流密度を増大させることによって、溶接時の溶け込み深さを増大させる効果を有する。Snを少しでも含有すればこの効果が得られるが、0.001%以上含有すれば、この効果が顕著に得られる。しかしながら、Snを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱影響部の液化割れ感受性及び使用中のSIPH割れ感受性が高くなる。そのため、上限は0.02%とする。Sn含有量の下限は、さらに好ましくは0.0015%であり、さらに好ましくは0.002%である。Sn含有量の上限は、好ましくは0.018%であり、さらに好ましくは0.015%である。
第1群に属する元素は、Vである。Vは、析出強化によって合金のクリープ強度を向上する。
バナジウム(V)は、NbやTiと同様、炭素又は窒素と結合して微細な炭化物又は炭窒化物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。Vを少しでも含有すればこの効果が得られる。しかしながら、Vを過剰に含有すると、析出物が多量になって耐SIPH性及びクリープ延性が低下する。そのため、上限は0.5%とする。V含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。V含有量の上限は、好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.4%である。
第2群に属する元素は、Co及びMoである。これらの元素は、合金のクリープ強度を向上する。
コバルト(Co)は、NiやCuと同様にオーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。Coを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Coは極めて高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は2%とする。Co含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Co含有量の上限は、好ましくは1.8%であり、さらに好ましくは1.5%である。
モリブデン(Mo)は、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。Moを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Moを過剰に含有すると、粒内の変形抵抗が高くなって耐SIPH割れ性が低下するとともに、有害な金属間化合物相であるシグマ相の生成を促進し、クリープ強度が低下する場合がある。さらに、Moは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は5%とする。Mo含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Mo含有量の上限は、好ましくは4.8%であり、さらに好ましくは4.5%である。
第3群に属する元素はCa、Mg、及びREMである。これらの元素は、合金の熱間加工性を改善する。
カルシウム(Ca)は、製造時の熱間加工性を改善する。Caを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Caを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.02%とする。Ca含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Ca含有量の上限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.005%である。
マグネシウム(Mg)は、Caと同様、製造時の熱間加工性を改善する。Mgを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Mgを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.02%とする。Mg含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Mg含有量の上限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.005%である。
希土類元素(REM)は、CaやMgと同様、製造時の熱間加工性を改善する。REMを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、REMを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.2%とする。REM含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。REM含有量の上限は、好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.1%である。
結晶粒度番号:2.0番以上7.0番未満
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、結晶粒径がASTM E112に規定される結晶粒度番号で2.0番以上7.0番未満である組織を有する。
上記で作製した板の長手方向に沿って、図1に示す開先加工を施した。開先加工を施した板同士を突き合わせ、ガスタングステンアーク溶接法によって、各代符につき2継手ずつ、突き合わせ溶接を行って溶接継手を作製した。溶接は、溶加材料を用いず、入熱量は5kJ/cmとした。
初層のみ溶接した上記の溶接継手を、JIS G 3106(2008)に規定のSM400B相当の市販の鋼板(厚さ30mm、幅200mm、長さ200mm)の上に、JIS Z 3224(2010)に規定の被覆アーク溶接棒ENi6625を用いて四周を拘束溶接した。その後、JIS Z 3334(2011)に規定のSNi6625該当のティグワイヤを用いて、入熱10〜15kJ/cmでTIG溶接により開先内に積層溶接を行って、各代符につき2継手ずつ溶接継手を作製した。
耐溶接割れ性試験で合格した溶接ままの溶接継手から、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を採取した。母材の目標破断時間が約1000時間となる700℃、186MPaの条件でクリープ破断試験を行った。母材破断し、かつ、その破断時間が母材の破断時間の90%以上(すなわち、900時間以上)となるものを「合格」とした。
性能評価結果を表2に示す。表2には、各代符のオーステナイト系耐熱合金の結晶粒度番号を併せて示す。
Claims (4)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.04〜0.15%、
Si:0.05〜1%、
Mn:0.3〜2.5%、
P :0.04%以下、
S :0.0015%以下、
Cu:2〜4%、
Ni:11〜16%、
Cr:16〜20%、
W :2〜5%、
Nb:0.1〜0.8%、
Ti:0.05〜0.35%、
N :0.001〜0.015%、
B :0.0005〜0.01%、
Al:0.03%以下、
O :0.02%以下、
Sn:0〜0.02%、
V :0〜0.5%、
Co:0〜2%、
Mo:0〜5%、
Ca:0〜0.02%、
Mg:0〜0.02%、
REM:0〜0.2%、
残部:Fe及び不純物であり、
結晶粒径がASTM E112に規定される結晶粒度番号で2.0番以上7.0番未満である組織を有する、オーステナイト系耐熱合金。 - 請求項1に記載のオーステナイト系耐熱合金であって、
前記化学組成が、質量%で、
Sn:0.001〜0.02%
を含有する、オーステナイト系耐熱合金。 - 請求項1又は2に記載のオーステナイト系耐熱合金であって、
前記化学組成が、質量%で、下記の第1群から第3群までのいずれかの群から選択される1種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱合金。
第1群 V :0.01〜0.5%
第2群 Co:0.01〜2%、Mo:0.01〜5%
第3群 Ca:0.0005〜0.02%、Mg:0.0005〜0.02%、REM:0.0005〜0.2% - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系耐熱合金を備える、溶接構造物。
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