JP6515276B2 - High strength ferritic heat resistant steel structure and method of manufacturing the same - Google Patents

High strength ferritic heat resistant steel structure and method of manufacturing the same Download PDF

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Description

本発明は、高強度フェライト系耐熱鋼構造体およびその製造方法に関し、例えば、高温で長期に亘って応力が負荷される鋼構造体、特に、発電プラント、化学プラントなどの部材に使用される高強度フェライト系耐熱鋼の溶接継手及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a high-strength ferritic heat-resistant steel structure and a method for producing the same, for example, a steel structure subjected to stress at high temperatures for a long period of time, in particular, high for use in members such as power plants and chemical plants. The present invention relates to a welded joint of high strength ferritic heat resistant steel and a method of manufacturing the same.

地球温暖化の防止は喫緊の課題であり、エネルギー資源を有効に活用するための技術開発は極めて重要である。特に、エネルギー資源の中でも化石燃料や核燃料を電気エネルギーに変換する電力プラント、具体的には石炭火力発電プラント、天然ガス直接燃焼式火力発電プラント、原子力発電プラントでは、エネルギー資源の寿命の問題もあり、発電効率(エネルギーの変換効率)を更に改善する必要性に迫られている。また、石油精製プラントや石炭ガス化プラントでも、製造効率の改善が必要とされている。
しかし、現状、例えば、火力発電の効率は40〜50%で停滞しており、今後、二酸化炭素の排出増加を抑制するために、さらなる発電の高効率化が求められている。
The prevention of global warming is an urgent issue, and technological development to effectively utilize energy resources is extremely important. In particular, among energy resources, power plants that convert fossil fuels and nuclear fuels into electrical energy, specifically, coal-fired power plants, natural gas direct-fired thermal power plants, and nuclear power plants, have problems with the life of energy resources. There is a need to further improve power generation efficiency (energy conversion efficiency). In addition, improvement of production efficiency is also required for petroleum refining plants and coal gasification plants.
However, at present, for example, the efficiency of thermal power generation has stagnated at 40 to 50%, and in order to suppress the increase of carbon dioxide emissions, further higher efficiency of power generation is required.

また、上記のような発電プラントに限らず、各プラントにおける熱効率は、プラントの操業温度と圧力でほぼ決定し、特に発電プラントでは、発電機のタービンを駆動させる蒸気の温度が高いほど、エネルギーの変換効率が上昇する。   Moreover, the thermal efficiency in each plant is substantially determined by the operating temperature and pressure of the plant as well as the above-mentioned power plant, and particularly in the power plant, the higher the temperature of the steam that drives the turbine of the generator, Conversion efficiency increases.

現在、石炭火力発電所の蒸気温度は、620℃であるが、この蒸気温度を100℃上昇させると約5%、200℃上昇させると約10%の効率向上を期待することができる。しかし、発電機のタービンを駆動させる蒸気の温度を高めるには、タービンの部材だけでなく、熱交換器や配管に使用される耐熱鋼の性能を向上させなければならない。   At present, the steam temperature of the coal-fired power plant is 620 ° C. However, if the steam temperature is increased by 100 ° C., the efficiency can be expected to be improved by about 5% and by 200 ° C. by about 10%. However, in order to raise the temperature of the steam that drives the generator's turbine, it is necessary to improve the performance of heat resistant steel used not only in the turbine components but also in the heat exchangers and piping.

耐熱鋼に要求される性能のうち、クリープ特性は重要であり、数十年間、プラントを稼働させることができるように、長期に亘ってクリープ破断しないことが必要である。
クリーム特性を向上させた耐熱鋼としてこれまでに、600℃を使用温度の上限として、9%Crフェライト系耐熱鋼の研究開発が行われ、原子力保安院の定める火力発電設備の技術解釈では火STBA28や火STBA29などの高温用フェライト系耐熱鋼が開発され、実用化されている。これらフェライト系耐熱鋼は熱膨張率が低く、熱応力起因のクリープ疲労破壊や配管部材の変形に対する耐久性が有り、しかも溶接性施工性において、一般の鉄鋼材料と変わらない点が特徴である。また、これらフェライト系耐熱鋼の合金含有量は、より高温で使用されるオーステナイト系耐熱鋼と比較して少なく、その分経済性にも優れている点は工業的な観点から魅力的である。
Of the performance requirements for heat resistant steels, creep properties are important and require long-term creep rupture so that the plant can be operated for several decades.
As a heat resistant steel with improved cream properties, research and development of 9% Cr ferritic heat resistant steel has been conducted up to this point with 600 ° C. as the upper limit of operating temperature. High-temperature ferritic heat-resistant steels such as STBA 29 have been developed and put to practical use. These ferritic heat-resistant steels have a low coefficient of thermal expansion, have resistance to creep-fatigue failure due to thermal stress and deformation of piping members, and are characterized in that they have the same weldability and workability as ordinary steel materials. In addition, the alloy content of these ferritic heat resistant steels is smaller than that of austenitic heat resistant steels used at higher temperatures, and the point of being excellent in economy as well is attractive from an industrial viewpoint.

しかしながら、これらフェライト系耐熱鋼における鉄の原子構造はBCC(体心立法格子)であるために格子定数が大きく、その分高温において強度が低い。また鋼中の原子拡散もオーステナイト系耐熱鋼に比較して速いため、組織回復も早くなることから、クリープ強度がオーステナイト系耐熱鋼に比較して低い事が材料特性としての課題である。
これらのことから近年では、クリープ破断強度が高いフェライト系耐熱鋼の開発に対する期待が高まっており、オーステナイト系耐熱鋼を代替するフェライト系耐熱鋼の開発が進められている。
However, since the atomic structure of iron in these ferritic heat resistant steels is BCC (body-centered lattice), the lattice constant is large, and the strength is low at high temperature. Further, since the atomic diffusion in the steel is faster as compared with the austenitic heat-resistant steel, the structure recovery is also faster, so that the creep strength is lower than the austenitic heat-resistant steel, which is a problem as material characteristics.
From these reasons, in recent years, expectations for the development of a ferritic heat-resistant steel having high creep rupture strength are increasing, and development of a ferritic heat-resistant steel replacing the austenitic heat-resistant steel is being promoted.

フェライト系耐熱鋼の金属組織は、転位密度が高いマルテンサイトやベイナイトであり、600℃を超える高温でのクリープ特性を向上させるためには、その高転位密度を有する組織のクリープ回復抑制が重要になる。このようなフェライト系耐熱鋼においては、高温では鋼中の原子の拡散が速いものの、鋼中の析出物が転位の移動の抑制に有効に作用する。そのため、高温での転位の移動、即ちクリープ変形を効果的に抑制する目的で、フェライト系耐熱鋼においては、主に鋼中に安定な析出物を導入するための成分設計及び製造方法の確立が追及されてきた。   The metallographic structure of ferritic heat resistant steel is martensite or bainite with high dislocation density, and in order to improve the creep characteristics at high temperatures exceeding 600 ° C, it is important to suppress creep recovery of the structure with high dislocation density. Become. In such a heat resistant ferritic steel, although the diffusion of atoms in the steel is fast at high temperatures, the precipitates in the steel effectively act to suppress the movement of dislocations. Therefore, for the purpose of effectively suppressing dislocation movement at high temperatures, that is, creep deformation, in ferritic heat resistant steel, establishment of component design and manufacturing method for introducing stable precipitates into steel is important. It has been pursued.

ただし、こうした技術開発は、耐熱鋼を発電プラントの構成部材として考える際、いわゆる「母材」としてのクリープ特性向上を主たる目的として実施されたものがほとんどであり、「溶接継手」のクリープ強度向上にまで留意したものは多くない。
例えば先述の火STBA/STPA28や火STBA29/火STPA29等の9%Cr高強度フェライト系耐熱鋼の許容応力が規格に規定されているが、その許容応力は母材のクリープ特性と高温強度でほぼ決まっている。
However, when such heat resistance steel is considered as a component of a power plant, most of these technological developments have been carried out mainly for the purpose of improving creep characteristics as a so-called "base material", and creep strength improvement of "welded joints" There are not many things to be aware of.
For example, although the allowable stress of a 9% Cr high strength ferritic heat resistant steel such as the above-mentioned fire STBA / STPA 28 or fire STBA29 / Fire STPA 29 is specified in the standard, the allowable stress is approximately the creep characteristics and high temperature strength of the base material. It is decided.

フェライト系耐熱鋼は、出発組織に低温変態組織(主にベイナイトまたはマルテンサイト)を用いる場合、室温で安定なα相と高温で安定なγ相の間に相変態する温度、いわゆる変態点を有する。この変態点が高密度の転位を内包する高強度の低温変態組織生成に寄与する。しかし一方で、変態点そのものは鋼材の組織の大きな変化(結晶格子を形成する原子の並び替え)を伴うことから、変態点を跨ぐ熱履歴を受けた耐熱鋼の組織は、元々高いクリープ強度を与えるために導入した初期の調質組織とは大きく異なることになる。   A heat resistant ferritic steel has a so-called transformation point at which temperature transformation occurs between a stable α phase at room temperature and a stable γ phase at high temperature when a low temperature transformation structure (mainly bainite or martensite) is used as the starting structure. . This transformation point contributes to the formation of a high strength, low temperature transformation structure including high density dislocations. However, since the transformation point itself is accompanied by a large change in the structure of the steel (reordering of atoms forming the crystal lattice), the structure of the heat-resistant steel subjected to the thermal history across the transformation point originally has high creep strength. It will be very different from the initial tempering organization introduced to give.

この現象の影響を最も強く受けるのが溶接継手の熱影響部(以降、本発明ではHAZと称する)の組織である。HAZと溶接金属の融合部は1500℃以上の高温であり、ここから母材に向かって熱影響が及ぶとき、溶接金属からの距離に応じた部位毎の最高到達温度(最高加熱温度)で変化する組織の連続体となる。すなわちHAZは、最高加熱温度が室温から1500℃まで変化する際に生じる金属組織が溶接金属からの距離に応じて連続するといった組織構成を有している。ただし、この組織は、最高加熱温度による保持時間が数秒という短時間であるために特徴的で、溶接金属に近い側から「粗粒HAZ(以下、粗粒域または細粒HAZ域とも言う)」、「細粒HAZ(以下、細粒域とも言う)」、「二相域HAZ(以下二相域とも言う)」に大きく分類される。
図1に、溶接継手のHAZを含む各部位と、組織構成をこの分類に従って示す。図1に示すように、溶接金属1と母材5との間にHAZが形成され、このHAZは、溶接金属1側より順に、粗粒域HAZ2、細粒域HAZ3、二相域HAZ4の順で構成される。
The structure of the heat-affected zone (hereinafter referred to as HAZ in the present invention) of the welded joint is most strongly affected by this phenomenon. The fusion of HAZ and weld metal is at a high temperature of 1500 ° C or higher, and when there is a thermal effect from here toward the base material, it changes with the maximum achieved temperature (maximum heating temperature) for each part according to the distance from the weld metal Form a continuum of That is, HAZ has a texture such that the metallographic structure produced when the maximum heating temperature changes from room temperature to 1500 ° C. is continuous depending on the distance from the weld metal. However, this structure is characterized by the fact that the holding time at the maximum heating temperature is as short as a few seconds, and from the side close to the weld metal, "coarse-grained HAZ (hereinafter, also referred to as coarse-grained area or fine-grained HAZ area)" , "Fine-grained HAZ (hereinafter, also referred to as fine-grained area)", "two-phase area HAZ (hereinafter, also referred to as two-phase area)".
FIG. 1 shows each part including the HAZ of the welded joint and the tissue configuration according to this classification. As shown in FIG. 1, HAZ is formed between the weld metal 1 and the base metal 5, and this HAZ is in the order of coarse grain area HAZ2, fine grain area HAZ3, and two phase area HAZ4 in this order from the weld metal 1 side. It consists of

HAZの各部位の内、「細粒域」にてクリープ損傷が生じ、溶接継手から破壊する現象を「Type IV損傷」と呼称されており、当該Type IV損傷は、フェライト系耐熱鋼構造体において未だ解決されておらず、その解決が近年の課題とされている。すなわち、Type IV損傷は、母材はクリープ環境にあって、健全に使用できる時間、温度条件であるにもかかわらず、溶接継手のみがクリープ変形して破壊に至る、溶接継手特有の破壊現象である。
最近では、この現象が従来材料(既に規格に登録されて許容応力が決定している材料)で生じることが必然である事が経験的に判明している。そのことから、溶接継手まで含めて安全に運用するための「溶接継ぎ手クリープ強度低減係数」と言われる、クリープ強度の安全係数が提案される状況にまでなっている。
Among various parts of HAZ, creep damage occurs in the “fine grain area”, and the phenomenon of fracture from the welded joint is called “Type IV damage”, and the Type IV damage occurs in the ferritic heat resistant steel structure. It has not been solved yet, and the solution is regarded as a problem in recent years. That is, Type IV damage is a fracture phenomenon unique to welded joints, in which only the welded joints creep and result in failure despite the base material being in a creep environment, and the temperature and time conditions being able to be used properly. is there.
Recently, it has been empirically found that it is inevitable that this phenomenon occurs in conventional materials (materials that have already been registered in standards and whose allowable stress has been determined). From that, it is in a situation where a safety factor of creep strength, which is called “weld joint creep strength reduction factor” for safe operation including welding joints, is proposed.

特開2008−214753号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2008-214753 特開2008−248385号公報JP 2008-248385 A 特開2008−266785号公報JP 2008-266785 A 特開2008−266786号公報JP 2008-266786 A 特開2009−293063号公報JP, 2009-293063, A 特開2010−7094号公報JP, 2010-7094, A 特開2001−003120号公報JP, 2001-003120, A

このType IV損傷は、実用化されている全てのフェライト系耐熱鋼で発生し不可避とされており、その発生機構は種々議論がなされている。
溶接前における細粒HAZとなる領域は、元々母材と同じ組織を有しているフェライト系耐熱鋼であるが、この領域は溶接によって、変態点直上の温度に数秒間曝されるHAZの熱サイクルを受ける。また溶接による熱によって、母相そのものはα→γ変態を生じ、α相とγ相のCの固溶限度の差から、元々粗大に析出していた炭化物(フェライト系耐熱鋼では主にM23C6型炭化物)以外の炭化物はγ相に瞬時に再固溶する。しかし、特に細粒HAZにおいては、粗大に析出していた炭化物の数十パーセントは、縮小はするものの未固溶のまま残存する事がType IV損傷の最大の原因であると考えられている。
通常、溶接後の継手には、溶接後熱処理(応力除去焼鈍、SR処理とも称される)が施される。その熱処理温度が焼戻し温度と数十度しか違わない高温である場合には、前述の未固溶のまま残留した炭化物は固溶した炭素とともに、炭化物形成元素の新たな析出核となり、結果として熱サイクルにより粗大化すると同時に、微細炭化物の析出機会を減少させる。つまり、溶接前に析出していた粗大炭化物が未固溶のまま残存することは、いわゆる炭化物による「析出強化能」を喪失してしまうことによるものであることを、本発明者らは研究の結果知見した。
This Type IV damage is generated and unavoidable in all of the heat resistant ferritic steels that have been put into practical use, and the generation mechanism has been variously discussed.
The area that becomes fine grain HAZ before welding is a ferritic heat-resistant steel that originally has the same structure as the base material, but this area is heat of HAZ that is exposed to the temperature immediately above the transformation point for several seconds by welding. Receive a cycle. Also, due to the heat from welding, the matrix itself undergoes α → γ transformation, and due to the difference in solid solution limit of α phase and γ phase C, carbides originally precipitated coarsely (mainly M 23 for ferritic heat resistant steels) Carbides other than C 6 -type carbides are instantly redissolved in the γ phase. However, particularly in fine-grained HAZ, it is thought that the largest cause of Type IV damage is that several tens of percent of coarsely precipitated carbides are shrunk but remain undissolved.
Usually, the welded joint is subjected to post-weld heat treatment (also called stress relief annealing, SR treatment). If the heat treatment temperature is a high temperature different from the tempering temperature by only a few tens of degrees, the carbide remaining in the solid solution state as described above becomes a new precipitation nucleus of the carbide forming element together with the solid solution carbon, resulting in heat At the same time as the cycle coarsens, it reduces the chance of precipitation of fine carbides. That is, the inventors of the present invention have studied that coarse carbides which were precipitated before welding remain undissolved, because the so-called carbides cause loss of "precipitate strengthening ability". The results were found.

したがって、前述のような変態点を有し、炭素を含有させて炭化物を析出させる事によってクリープ破断強度を高めている耐熱鋼においては、Type IV損傷は不可避である事が理解できる。つまり、Type IV損傷は、炭化物を利用したクリープ強化を図る耐熱鋼であればいずれの鋼種でも起こり得るものであり、高Cr高に限ること無く、低Cr耐熱鋼でも生じる現象である。換言すれば、炭化物による析出強化能をクリープ強化に適用していないフェライト系耐熱鋼は皆無と言って良いことから、Type IV損傷をフェライト系耐熱鋼で防止することは極めて困難であるとも言える。   Therefore, it can be understood that Type IV damage is unavoidable in a heat-resistant steel which has the above-mentioned transformation point and in which the creep rupture strength is enhanced by containing carbon and precipitating carbide. That is, Type IV damage is a heat-resistant steel that can be creep-reinforced using carbide, and can occur with any steel type, and is a phenomenon that occurs with low Cr heat-resistant steel without being limited to high Cr and high. In other words, it can be said that it is extremely difficult to prevent Type IV damage with a ferritic heat resistant steel, since it is safe to say that there is no ferritic heat resistant steel that does not apply precipitation strengthening ability by carbide to creep strengthening.

Type IV損傷の原因として従来は、Type IV損傷が細粒域で発生することから「細粒域における強度の軟化」と考えられたり、結晶粒径が小さいことによって生じる「焼入れ性の低下」による転位強化の喪失とも考えられたりしていた時期があった。しかし、「細粒域」は、「二相域」もしくは「二相域」近傍母材よりも室温の強度が高いことが詳細な研究の結果明らかとなっており、これらの仮説は現在支持されていない。また「焼き入れ性の低下」の有無については確証が得られていないものの、長時間のクリープ強度を支配する強化因子は転位では無く析出物であるとの理解が一般的で有り、この考え方から細粒組織であるが故のクリープ強度低下機構に根拠が示されていない。すなわち、これらの仮説にType IV損傷の直接の原因たる根拠を求めることが出来ていない。
さらに、クリープ強度と結晶粒径の関係は、粒界のみが変形できるオーステナイト系耐熱鋼では逆比例することが実験的にも知られているが、組織が均一に変形できるフェライト系耐熱鋼では相関が無いことが知られている。したがって「細粒域」を生成しない溶接熱影響部の創出、または「細粒域」が生じがたいフェライト系耐熱鋼を仮に提示できたとしても、炭化物のHAZ熱サイクルによる粗大化が防止できなければ、Type IV損傷を完全に防止することは困難であるとの結論に至った。
As a cause of Type IV damage, conventionally, Type IV damage is considered to be "softening of strength in fine grained area" because it occurs in fine grained area, or "deterioration of hardenability" caused by small crystal grain size There was a time when it was thought that it was also a loss of dislocation strengthening. However, it has become clear as a result of detailed research that the “fine grained area” has higher room temperature strength than the “two-phase area” or “two-phase area” near base material, and these hypotheses are currently supported Not. Moreover, although no confirmation has been obtained as to the presence or absence of “deterioration in hardenability”, it is generally understood that the strengthening factor that governs the long-term creep strength is not dislocation but precipitation. The ground mechanism is not shown for the creep strength reduction mechanism due to the fine grain structure. That is, these hypotheses have not been able to determine the direct cause of Type IV injury.
Furthermore, it is known experimentally that the relationship between creep strength and grain size is inversely proportional to austenitic heat resistant steels that can only deform grain boundaries, but correlation is made to ferrite based heat resistant steels that can be deformed uniformly. It is known that there is no. Therefore, even if it is possible to create a weld heat-affected zone that does not generate a "fine-grained area" or to display a ferritic heat-resistant steel where a "fine-grained area" is unlikely to occur, coarsening of carbides by the HAZ thermal cycle must be prevented. It came to the conclusion that it is difficult to completely prevent Type IV injury.

特許文献1〜4には、こうした細粒域の生成を従来のフェライト系耐熱鋼で防止することを目的として、Bを50ppm以下含有する鋼管全体に対し、溶接前に熱処理(短時間の焼準し処理)を実施し、Type IV損傷防止を可能とする技術が開示されている。
当該技術は、溶接前の短時間焼準し処理によって残留γをマルテンサイトラスまたはベイナイト粒界に残存させて、溶接時の再加熱においてこれらの成長および合体を促し、溶接の前の母材において高温で生成していた旧γ粒を再現する「組織メモリー効果」を活用した技術である。
この技術では、細粒域の生成防止は完全に達成されるとともに、短時間焼準し処理によって前記炭化物を完全固溶してしまうことから、確かにType IV損傷を完全防止できる技術ではある。しかし、溶接前の開先を含む部材(ほとんどの場合長さ10m超の鋼管)全体に高温の熱処理を施すための炉が必要となるため、現地での施工が困難である。さらに、鋼管全体を加熱することによって製品である鋼管の変形が生じるリスク、さらには再加熱のための時間、工程負荷が大きいことが課題となり、現地施工に関しては現実的な解決策になっていない。
In Patent Documents 1 to 4, heat treatment prior to welding is applied to the entire steel pipe containing 50 ppm or less of B for the purpose of preventing the formation of such fine grained area with the conventional ferritic heat resistant steel. Technology to perform type IV treatment and make it possible to prevent Type IV damage.
The technique leaves residual .gamma. At martensite laths or bainite grain boundaries by a short time normalizing treatment before welding to promote their growth and coalescence in reheating at welding, and high temperatures in the base metal before welding It is a technology that makes use of the "tissue memory effect" that reproduces the old gamma particles that were generated in.
In this technology, the prevention of the formation of fine grain areas is completely achieved, and since the carbide is completely dissolved by short-time normalizing and treatment, it is a technology that can completely prevent Type IV damage. However, since the furnace for heat-processing high temperature to the whole member (a steel pipe more than 10 m in length in most cases) containing a groove before welding is needed, construction in the field is difficult. Furthermore, the risk of deformation of the product steel pipe by heating the entire steel pipe, the time for reheating, and the large process load become problems, and it has not become a practical solution for on-site construction .

一方で、同じ「組織メモリー効果(以下、単にメモリー効果とも称する)」で有りながら、残留γの成長および合体を必要としない鋼材成分を用いる鋼管の提案が特許文献5および6に開示されている。
しかしながら、特許文献5及び6に記載の技術は、100ppmを超える高濃度のBを添加することで生じる剪断型α→γ変態式のメモリー効果を発揮させる技術で知られている。また、特許文献5及び6に記載の技術は、母材の旧γ粒を高温で再現する点は前記した特許文献1〜4に記載の技術と同一であり、細粒域を生じさせない技術であることから、Type IV損傷を生じないと考えられてきた。
On the other hand, Patent Documents 5 and 6 disclose the proposal of a steel pipe using a steel material component which does not require the growth and coalescence of residual γ while having the same “texture memory effect (hereinafter, also simply referred to as memory effect)”. .
However, the techniques described in Patent Documents 5 and 6 are known as techniques for exerting a memory effect of shear type α → γ transformation which is generated by adding B at a high concentration exceeding 100 ppm. Further, the techniques described in Patent Documents 5 and 6 are the same as the techniques described in Patent Documents 1 to 4 described above in that old gamma grains of the base material are reproduced at high temperatures, For some reason, it has been considered not to cause Type IV damage.

しかし、特許文献5及び6に記載のような高B含有鋼の場合は「細粒域の生成防止」は図られるものの、細粒域相当部位では、炭化物の短時間での再固溶に伴う部分固溶と再析出を通じた「炭化物の粗大化」が回避できていない。特許文献5および6に記載の技術は、結晶組織こそ母材同等で有り、かつメモリー効果によって炭化物の析出位置が大角粒界のままである点から、完全に再結晶して細粒域を生成し、さらに粗大化する炭化物の析出位置が新たに生成する結晶粒界とは無関係な位置である従来のフェライト系耐熱鋼に比較するとType IV損傷の発生は軽減(遅延)される効果は認められる。従って、引用文献5および6に記載のような高B含有鋼の場合は、数万時間までの試験ではType IV損傷は発生せず、母材と同等のクリープ強度が得られる。しかし、さらに長時間のクリープ環境下では、炭化物の粗大化が先行している分、HAZのクリープ強度の低下は避けることが出来ないことも、長時間のクリープ試験結果、特に3万時間以上のクリープ試験結果から明らかとなった。   However, in the case of a high B content steel as described in Patent Documents 5 and 6, although "the prevention of formation of fine grained area" is achieved, in the area equivalent to the fine grained area, it is accompanied by the dissolution of carbide in a short time. "Coarsening of carbides" through partial solution and reprecipitation can not be avoided. The techniques described in Patent Documents 5 and 6 completely recrystallize to form a fine grain region in that the crystal structure is equivalent to that of the base material and the precipitation position of the carbide remains the large angle grain boundary by the memory effect. In addition, the effect of reducing (delaying) the occurrence of Type IV damage is observed when compared to the conventional ferritic heat-resistant steels in which the precipitation position of the coarsening carbide is unrelated to the newly formed grain boundaries. . Therefore, in the case of a high B-containing steel as described in Patent Documents 5 and 6, Type IV damage does not occur in tests up to several tens of thousands of hours, and creep strength equivalent to that of the base material can be obtained. However, in a long-term creep environment, the decrease in creep strength of HAZ can not be avoided because the coarsening of the carbide precedes, and as a result of the long-term creep test, particularly, it is more than 30,000 hours It became clear from the creep test results.

なお、これらの方法以外に、溶接した鋼管を、溶接構造体全体の再熱処理(焼準し−焼戻し)にて母材と同等な組織とする技術が特許文献7に記載されている。この方法は溶接金属も含めて熱処理をすることで継手の強度の不均一を解消することが狙いでもあるが、特許文献1に記載の熱処理炉よりも大型の炉が必要であり、現地での施工性は低い。さらには溶接後の構造体全てを一緒に再熱処理、特に再焼準すことは現実的に不可能で有り、また莫大なコスト上昇が避けがたく、どうしても部分的な熱処理となり、必ずType IV損傷が発生する部位を、例えばボイラの中に、何カ所か残すことになる。すなわち、大型炉を必要とする特許文献7に記載のような技術は、Type IV損傷対策の技術としては不完全と言わざるを得ない。   In addition, the technique of making the structure equivalent to a base material by the reheat processing (normalization-tempering) of the welded steel pipe is described in patent document 7 other than these methods. Although this method is also aimed at eliminating the uneven strength of the joint by heat treatment including the weld metal, a furnace larger than the heat treatment furnace described in Patent Document 1 is required, and The workability is low. Furthermore, it is practically impossible to reheat all the structures after welding together, especially renormalization, and it is inevitable that a huge cost increase will be inevitable, so it will be a partial heat treatment by all means, and must always be Type IV damage. In the boiler, for example, there are several places where a portion of That is, the technology as described in Patent Document 7 requiring a large-sized furnace can not but be said to be incomplete as a technology for countermeasure against Type IV damage.

すなわち、現地施工性に優れ、完全にType IV損傷を生起しない、低温変態組織を有するフェライト系耐熱鋼構造体は未開発であり、またこれまでに、Type IV損傷の防止技術は提案されていなかった。   That is, a ferritic heat-resistant steel structure having a low temperature transformation structure which is excellent in on-site workability and does not completely cause Type IV damage has not been developed, and no technology for preventing Type IV damage has been proposed so far. The

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、溶接継手熱影響部(HAZ)で生起するType IV損傷の確実な防止を可能とする、優れたクリープ特性ならびに靭性を備えた高強度フェライト系耐熱鋼構造体およびその製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has high creep properties and toughness that enables reliable prevention of Type IV damage that occurs in the weld joint heat affected zone (HAZ). It is an object of the present invention to provide a high strength ferritic heat resistant steel structure and a method of manufacturing the same.

本発明は、本発明者らによる上記の新たな知見を基にしてなされたものであり、その要旨は、以下のとおりである。   The present invention has been made based on the above-mentioned new findings by the present inventors, and the gist thereof is as follows.

[1]板厚5mm以上の母材、溶接熱影響部、溶接金属から構成される高強度フェライト系耐熱鋼構造体であって、
前記母材の組成が、質量%で
C:0.01〜0.12、
Si:0.02〜0.45、
Mn:0.20〜0.60、
Cr:8.0〜12.0、
W:2.00〜7.50、
Nb:0.02〜0.10、
Ta:0.10〜1.00、
V:0.10〜0.50、
N:0.003〜0.015、
B:0.008〜0.050、
Co:0.50〜3.00、
Nd:0.005〜0.05
を含有し、
Mo≦0.030、
Ni≦0.10、
Cu<0.05、
Al≦0.005、
P≦0.020、
S≦0.010、
O≦0.010
に制限し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり
記溶接熱影響部の大角粒界上に析出するM23C6系炭化物(MはCr,Fe,Wを合計して、70%以上)およびTaCの円相当粒径の平均値が300nm以下、前記大角粒界上に析出したM23C6系炭化物およびTaCの表面間距離が、粒子種類に関係なくHAZにおいて150nm以下で、前記M23C6系炭化物および前記TaCによる前記大角粒界の被覆率が40%以上であることを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
[2] さらに、前記母材の組成が、質量%で、
Ti:0.005〜0.15%、
Zr:0.005〜0.15%
の内、1種または2種を含有することを特徴とする上記[1]に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
[3] さらに、母材の組成が、質量%で、
Ca:0.0003〜0.0050%、
Mg:0.0003〜0.0050%、
Y :0.0100〜0.0500%、
Ce:0.0100〜0.0500%、
La:0.0100〜0.0500%
の内、1種または2種以上を含有することを特徴とする上記[1]または[2]に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
[1] A high-strength ferritic heat-resistant steel structure comprising a base material having a thickness of 5 mm or more, a welding heat affected zone, and a weld metal,
The composition of the base material is, by mass%, C: 0.01 to 0.12,
Si: 0.02 to 0.45,
Mn: 0.20 to 0.60,
Cr: 8.0 to 12.0,
W: 2.00 to 7.50,
Nb: 0.02 to 0.10,
Ta: 0.10 to 1.00,
V: 0.10 to 0.50,
N: 0.003 to 0.015,
B: 0.008 to 0.050,
Co: 0.50 to 3.00,
Nd: 0.005 to 0.05
Contains
Mo ≦ 0.030,
Ni ≦ 0.10,
Cu <0.05,
Al ≦ 0.005,
P ≦ 0.020,
S ≦ 0.010,
O ≦ 0.010
And the balance consists of Fe and unavoidable impurities ,
Before SL (the M and total Cr, Fe, and W, 70% or more) M 23 C 6 type carbides precipitated in large angle grain boundaries on the weld heat affected zone and the average value of equivalent circle diameter of the TaC is 300nm or less the large angle surface distance of M 23 C 6 type carbides and TaC precipitated in the grain boundary on the at 150nm or less in the Ku H AZ relation to the particle type, the large angle grain by the M 23 C 6 type carbides and the TaC A high-strength ferritic heat-resistant steel structure characterized in that the area coverage is at least 40%.
[2] Furthermore, the composition of the base material is, by mass%,
Ti: 0.005 to 0.15%,
Zr: 0.005 to 0.15%
The high-strength ferritic heat-resistant steel structure according to the above [1], which contains one or two of them.
[3] Furthermore, the composition of the base material is, by mass%,
Ca: 0.0003 to 0.0050%,
Mg: 0.0003 to 0.0050%,
Y: 0.0100 to 0.0050%,
Ce: 0.0100 to 0.0050%,
La: 0.0100 to 0.0050%
Among the above, the high-strength ferritic heat-resistant steel structure according to the above [1] or [2], which contains one or more of them.

[4]上記[1]〜[3]の何れか一項に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体の製造方法であって、
上記[1]〜[3]の何れか一項に記載の組成の鋼片を900℃〜1100℃に加熱し、熱間圧延して板厚5mm以上の鋼板とし、
次いで、該鋼板を開先加工して、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以下の部位、かつ前記耐熱鋼構造体の幅または長さの50%以下である部位を1000℃以上、1100℃以下の温度で、下記の式(1)で決定される板厚対応熱処理時間Ts以上、かつ30分以上となるように局部加熱して保持し、放冷し、
次いで、前記開先を溶接した後、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以内の部位を、720℃以上760℃以下の温度帯に加熱して、該温度に1時間以上保持した後、放冷することを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体の製造方法。
Ts=30×(t/25)1.2 +26 ・・・・・・・・・・・・・(1)
ただし、tは母材の板厚(mm)、Tsは溶接前の開先の加熱設定温度(1000℃〜1100℃)における加熱時間の総和(分)である。なお、tは5mm以上とする。
[4] A method for producing the high strength ferritic heat resistant steel structure according to any one of the above [1] to [3],
The steel piece of the composition according to any one of the above [1] to [3] is heated to 900 ° C. to 1100 ° C. and hot rolled to form a steel plate having a thickness of 5 mm or more,
Then, the steel sheet is subjected to groove processing, and a portion of 20 mm or more and 100 mm or less in the direction orthogonal to the weld line from the position where the groove surface contacts the base material surface, and the width or length of the heat resistant steel structure The portion which is 50% or less of the above is locally heated and maintained at a temperature of 1000 ° C. or more and 1100 ° C. or less so as to be a heat treatment time Ts or more for 30 mm or more determined by the following equation (1) And let it cool down,
Next, after welding the groove, the region between 20 mm and 100 mm is heated to a temperature zone of 720 ° C. or more and 760 ° C. or less in the direction perpendicular to the weld line from the position where the groove face contacts the base material surface. A method for producing a high-strength ferritic heat-resistant steel structure, characterized in that the temperature is maintained for 1 hour or more and then allowed to cool.
Ts = 30 × (t / 25) 1.2 +26 (1)
However, t is a plate thickness (mm) of a base material, and Ts is a total (minute) of heating time at a heating set temperature (1000 ° C. to 1100 ° C.) of a groove before welding. In addition, t shall be 5 mm or more.

本発明によれば、溶接継手のクリープ破断強度を低下させるType IV損傷を確実に防止し、優れたクリープ特性ならびに靭性を備えた高強度フェライト系耐熱鋼構造体およびその製造方法を提供できる。特に、本発明によれば、10万時間クリープ破断強度が母材と同等であるフェライト系耐熱鋼構造体が得られる。   According to the present invention, it is possible to provide a high-strength ferritic heat-resistant steel structure having excellent creep properties and toughness, and a method of manufacturing the same, while reliably preventing Type IV damage that reduces creep rupture strength of welded joints. In particular, according to the present invention, a ferritic heat-resistant steel structure having a creep rupture strength equivalent to that of a base material for 100,000 hours can be obtained.

図1は、溶接継手の熱影響部を含む各部位と、各組織を説明するための継手の概略断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional schematic view of each portion including a heat-affected zone of a welded joint and a joint for describing each structure. 図2は、溶接熱影響部の組織モデルと粒界の析出物による被覆率の計測方法を説明するための、大角粒界近傍の断面概略図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view in the vicinity of a large angle grain boundary for explaining a structure model of a weld heat affected zone and a method of measuring a coverage by precipitates of grain boundaries. 図3は、M23C6型炭化物固溶を目的とした溶接界先への溶接前熱処理の条件と、当該条件が及ぼす炭化物の存在形態への影響を示すグラフである。Figure 3 is a graph showing a condition of the pre-weld heat treatment to the welding field destination for the purpose M 23 C 6 type carbide solid solution, the effects on the existence form of carbides where the conditions on. 図4は、炭化物固溶を目的とした溶接前熱処理の時間と板厚の関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the time and heat treatment before welding for the purpose of solid solution of carbide. 図5は、炭化物固溶を目的とした溶接前熱処理の温度と溶接継手び熱影響部の靱性の関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the temperature of heat treatment before welding for the purpose of solid solution with carbide and the toughness of the welded joint and the heat affected zone. 図6は、溶接継手の溶接前突き合わせ状況と各部名称、および溶接前熱処理の付与範囲を説明するための、継手の概略斜視図である。FIG. 6 is a schematic perspective view of the joint for explaining the welding pre-welding butting state and part name of the welded joint, and the application range of the heat treatment before welding. 図7は、溶接継手試験体の、700℃、1千時間促進クリープ破断試験時のクリープ破断強度と溶接後熱処理温度の関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the creep rupture strength and the heat treatment temperature after welding at a temperature of 700 ° C. for 1000 hours in a creep test of a weld joint test body. 図8は、溶接熱影響部における大角粒界上のM23C6型炭化物およびTaCの平均粒径(円相当直径の平均値)と溶接後熱処理温度の関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the average grain size (average value of equivalent circle diameters) of M 23 C 6 type carbides and TaC on the large angle grain boundaries in the weld heat affected zone and the heat treatment temperature after welding. 図9は、大角粒界上に析出したM23C6型炭化物およびTaCの平均粒径と、M23C6型炭化物およびTaCの粒子表面間距離の関係を示すグラフである。Figure 9 is a graph showing an average particle size of the M 23 C 6 type carbide and TaC precipitated in high angle grain boundaries on the relationship of the particle surface distance of M 23 C 6 type carbide and TaC. 図10は、溶接熱影響部における大角粒界上のM23C6型炭化物とTaCによる大角粒界被覆率と溶接後熱処理温度の関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the coverage of the large angle grain boundary with M 23 C 6 type carbide and TaC on the large angle grain boundary in the weld heat affected zone and the heat treatment temperature after welding. 図11は、実験室における、熱間圧延時の熱間圧延試験機のロール反力と圧延時の鋼板表面温度並びに鋼板の状態の関係を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the roll reaction force of the hot rolling tester at the time of hot rolling, the surface temperature of the steel sheet at the time of rolling, and the state of the steel sheet in a laboratory.

まず、本発明をするに至った、本発明者らの検討結果、ならびに当該検討結果より得られた新たな知見について説明する。
なお、本発明のフェライト系耐熱鋼構造体とは、母材、溶接熱影響部、溶接金属から構成されるものであって、その形状は特に限定せず、管状や板状であって構わない。また、構造体の形状が管状である場合は長さが200mm以上のもの、板状である場合は、長さもしくは幅が200mm以上であるものに好適である。
First, the examination results of the present inventors and the new findings obtained from the examination results that led to the present invention will be described.
The heat resistant ferritic steel structure of the present invention is composed of a base material, a heat affected zone and a weld metal, and the shape is not particularly limited, and may be tubular or plate-like. . In addition, when the shape of the structure is tubular, the length is preferably 200 mm or more, and when it is plate-shaped, the length or width is preferably 200 mm or more.

本発明の課題であるType IV損傷の防止のために必要な技術は、Type IV損傷の根本原因である炭化物の部分固溶を通じたHAZ熱サイクルによる粗大化を完全に防止することである。そのために本発明では、構造体自体にType IV損傷が発生しがたい化学成分となるよう、成分設計上の措置を極力講じるとともに、溶接継手の開先の近傍部分に対し、溶接前に熱処理を施すとともに当該処理の条件を限定して適用する。   A necessary technique for the prevention of Type IV damage, which is the subject of the present invention, is to completely prevent the coarsening due to the HAZ thermal cycle through partial solution of carbide which is the root cause of Type IV damage. Therefore, in the present invention, in order to make the structure itself a chemical component in which Type IV damage is not likely to occur, measures for component design are taken as much as possible, and heat treatment is performed on the vicinity of the groove of the weld joint before welding. Apply and apply the conditions of the treatment concerned.

以下に、本発明の根幹を成す技術を、本発明者らの検討結果(実験結果)と当該検討結果より得られた新たな知見と共に説明する。なお、下記に示す実験結果は、以下のごとく作製した試験片を用いて得られたものである。
まず実験室で、300kgの鋼材容量を有する高周波誘導加熱式真空溶解炉にて表1に示した化学成分(mass%)の鋼材を溶解して鋳造し、300kg重量の鋼塊とした。その後、この鋼塊を大気雰囲気の電気炉で1220℃に再加熱して後60分間炉中で保持し、その後熱間圧延実験装置で30mm厚みの鋼板試験片に熱間圧延した。熱間圧延は900℃以上の温度で終了して、その後放冷した。得られた鋼板試験片はその後、770℃で2時間焼戻し、この段階でラスマルテンサイト構造を有すること、M23C6型炭化物とTaを主体とする炭化物(TaC)が析出していることを、光学顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電解抽出残渣定量分析法にて確認した。析出物の種類は透過電子顕微鏡に付属したEDX分析装置(エネルギー分散型X線分析)、および電解抽出残渣のX線回折による反射ピークのパターン解析で実施した。
ここで、「M23C6型炭化物」におけるMは、Cr,Fe,Wを合計して70%以上であるものである。
Hereinafter, the technology forming the basis of the present invention will be described together with the examination results (experimental results) of the present inventors and new findings obtained from the examination results. In addition, the experimental result shown below is obtained using the test piece produced as follows.
First, in a laboratory, a steel material having a chemical component (mass%) shown in Table 1 was melted and cast in a high frequency induction heating vacuum melting furnace having a steel material capacity of 300 kg to form a 300 kg weight steel ingot. Thereafter, the steel ingot was reheated to 1220 ° C. in an electric furnace in air atmosphere and then held in the furnace for 60 minutes, and then hot rolled to a steel plate test piece of 30 mm thickness by a hot rolling test apparatus. The hot rolling was completed at a temperature of 900 ° C. or higher and then allowed to cool. The obtained steel plate test piece is then tempered at 770 ° C. for 2 hours, and at this stage, it has a lath martensite structure, that M 23 C 6 type carbide and carbide (TaC) mainly composed of Ta are precipitated. Optical microscope, transmission electron microscope, scanning electron microscope, and electrolytic extraction residue quantitative analysis. The types of precipitates were determined by EDX analyzer (energy dispersive X-ray analysis) attached to a transmission electron microscope and pattern analysis of reflection peaks by X-ray diffraction of electrolytic extraction residue.
Here, M in “M 23 C 6 type carbide” is a total of 70% or more in total of Cr, Fe and W.

なお、M23C6型炭化物とTaCによる粒界被覆率は、倍率1万倍の走査型電子顕微鏡観察像と薄膜の透過電子顕微鏡像によって、大角粒界上の析出物の長さ占有率によって決定した。すなわち、粒界被覆率の2次元観察結果が、3次元の粒界(境界)面状の面積占有率にほぼ等しいと仮定し、測定値をそのまま使用した。 The grain boundary coverage by M 23 C 6 carbides and TaC is determined by the length occupancy of precipitates on large-angle grain boundaries by a scanning electron microscope observation image at a magnification of 10,000 times and a transmission electron microscope image of a thin film. Were determined. That is, it was assumed that the two-dimensional observation result of the grain boundary coverage was almost equal to the area occupancy of the three-dimensional grain boundary (boundary) plane, and the measured value was used as it is.

図2に、溶接熱影響部の組織モデルと粒界の析出物による被覆率の計測方法を説明するための、大角粒界近傍の断面概略図を示す。なお、図2中のL〜Lは、各析出物(析出物A〜C)の長さを示し、La及びLbは、大角粒界長さを示す。
「粒界被覆率」は、図2に示すように、大角粒界7上の析出物長さの総和(図2では、L〜Lまでの総和、)を大角粒界長さの総和(La+Lb)で除した値で有り、完全に被覆されている場合は100%となり、全く被覆していない場合を0%と判断するパラメータである。
「粒界被覆率」は、まず1万倍の電子顕微鏡観察により、大角粒界上に析出した粒子を、エネルギー分散型X線分光分析(EDX)または同じく1万倍の薄膜透過型電子顕微鏡解析における透過電子線回折パターン解析によってM23C6型炭化物またはTaCと判断出来る析出物を特定する。そして、その粒子が大角粒界を被覆する長さを測定し、当該測定を、少なくとも1試料あたり5視野、1合金あたり5個以上の試験片を採取して行い、合計25試料以上のその場観察、または電子顕微鏡写真の解析によって求めることができる。
The cross-sectional schematic of the large angle grain boundary vicinity is shown in FIG. 2 for demonstrating the structure model of a welding heat affected zone, and the measuring method of the coverage by the precipitate of a grain boundary. Incidentally, L 1 ~L 9 of FIG. 2, the length of each precipitate (precipitate A through C), La and Lb represents a large angle grain boundary length.
The "grain boundary coverage" is, as shown in FIG. 2, the sum of precipitate lengths on the large angle grain boundary 7 (the sum of L 1 to L 9 in FIG. 2) as the sum of large angle grain boundaries. It is a value divided by (La + Lb), 100% when completely covered, and 0% when it is not covered at all.
The “grain boundary coverage” is an electron dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis of particles deposited on large angle grain boundaries by a 10,000 × electron microscopic observation or a thin film transmission electron microscope analysis of 10,000 × The precipitate which can be judged as M 23 C 6 type carbide or TaC by transmission electron diffraction pattern analysis in Then, the length of the particles covering the large angle grain boundary is measured, and the measurement is performed by collecting at least 5 fields of view per sample, 5 or more test pieces per alloy, and a total of 25 samples or more in total It can be determined by observation or analysis of an electron micrograph.

また、前記大角粒界上の析出物表面間距離については、前記顕微鏡観察によって得られた析出物の観察結果から、画像上で粒子間隔を図2に示す要領で測定し、その間隔は粒子が境界面上に正方形分布をしていると仮定して、簡易に下記式(2)として近似した。   Further, the inter-particle surface distance on the large angle grain boundary is measured on the image in the manner shown in FIG. 2 from the observation result of the precipitate obtained by the above-mentioned microscopic observation, and the inter-particle distance It assumed that square distribution was carried out on the boundary surface, and it approximated easily as following formula (2).

λave=1.4[lave−[dave ・・・・・ (2) λ ave = 1.4 [l s ] ave − [d s ] ave (2)

(2)式は本発明において実際に粒界線上の粒子間隔と粒界面上の粒子間隔(何れも表面間距離)を実測して得た実験式である。ここで、[laveは平均粒子中心間距離(nm)、[daveは粒子の平均直径(nm)である。λaveが平均粒子表面間距離(nm)となる。 The equation (2) is an empirical equation obtained by actually measuring the particle spacing on the grain boundary line and the particle spacing on the grain interface (both are the distance between the surfaces) in the present invention. Here, [l s ] ave is the mean particle center-to-center distance (nm), and [d s ] ave is the mean particle diameter (nm). λ ave is the average particle surface distance (nm).

また、溶接するに際し、得られた上記30mm厚みの鋼板試験片の片幅を200mmとした溶接開先の加工してある試験片対を機械加工で作製した。開先角度は片側22.5°、開先対として45°のV開先を形成した。突き合わせのルート(以降、ルートを突き合わせた点を含む、板幅方向の中心線を称して開先中心とも言う)は1mmとし、入熱量を約1kJ/mmとし、溶接速度約10cm/分の速度で、30〜35パスを盛り上げて溶接継手を形成した。全長400mmの開先を複数準備して、その継手特性を評価し、また溶接熱影響部の組織観察を解析した。クリープ試験は平行部直径6mm、並行部長さ30mm、全長70〜86mmのクリープ試験片にて評価した。なお、溶接金属には市販のNi基合金である表2に記載のインコロイ800(登録商標)を適用し、溶接金属からの破断を発生させないようにオーバーマッチ継手とし、HAZの特性評価が確実に出来るようにした。   Moreover, when welding, the test piece pair processed into the welding groove which made the piece width | variety of the said 30-mm-thick steel plate test piece obtained 200 mm was produced by machining. The bevel angle was 22.5 ° on one side, and a V bevel having 45 ° was formed as a bevel pair. The butt root (hereinafter referred to as the center of the sheet width direction including the point where the root was butt and the groove center) is 1 mm, the heat input is about 1 kJ / mm, and the welding speed is about 10 cm / min Then, 30 to 35 passes were raised to form a welded joint. A plurality of grooves with a total length of 400 mm were prepared, their joint characteristics were evaluated, and the structure observation of the weld heat affected zone was analyzed. The creep test was evaluated using creep test pieces having a diameter of 6 mm in parallel, a length of 30 mm in parallel, and a total length of 70 to 86 mm. Incoloy 800 (registered trademark) described in Table 2 which is a commercially available Ni-based alloy is applied to the weld metal, and an overmatch joint is formed so as not to cause breakage from the weld metal, and the HAZ characteristic evaluation is surely performed. I was able to do it.

Figure 0006515276
Figure 0006515276

Figure 0006515276
Figure 0006515276

(溶接前熱処理)
本発明においては、炭化物の部分固溶による炭化物の粗大化を防止する目的で、溶接前に、溶接継手の溶接熱影響部となる部位(HAZ部相当部位)に析出している炭化物を、溶接直前に実施する、Type IV損傷防止のための熱処理で完全に再固溶しておき、炭化物の固溶、析出反応自体を抑制する。
これを目的とした溶接前の熱処理は、開先を1000〜1100℃の温度に、板厚中心が30分以上、目的とする温度となるように保持することである。保持時間は板厚との関数になるが、溶接部はかならずしも平坦な板どうしの接合になるとは限らないので、これを定式化することは難しい。よって、事前に同一形状の鋼板(化学組成は本発明の範囲である必要はない)においてその板厚中心部相当部位に熱電対を埋め込み、部材全体を加熱して、同部位が30分以上、目的とする温度となるような加熱装置の温度パターンを決定しておけば良い。
なお、以降ではこの溶接直前に実施する、Type IV損傷防止のための熱処理を「溶接前熱処理」ともいう。
(Heat treatment before welding)
In the present invention, for the purpose of preventing coarsening of carbides due to partial solid solution of carbides, prior to welding, welding is performed on carbides deposited on a portion (a portion corresponding to HAZ portion) to be a weld heat affected zone of a welded joint. Immediately after the heat treatment for Type IV damage prevention, the solid solution is completely resolubilized to suppress the solid solution of carbide and the precipitation reaction itself.
The heat treatment before welding aimed at this purpose is to hold the groove at a temperature of 1000 to 1100 ° C., so that the center of the plate thickness becomes a target temperature for 30 minutes or more. Although the holding time is a function of the plate thickness, it is difficult to formulate the weld since the weld does not always result in the joining of flat plates. Therefore, a thermocouple is embedded in a steel plate of the same shape (the chemical composition does not have to be within the scope of the present invention) in advance at a portion corresponding to the central portion of the plate thickness, and the entire member is heated. The temperature pattern of the heating device may be determined so as to achieve the target temperature.
In the following, the heat treatment for preventing Type IV damage, which is performed immediately before this welding, is also referred to as "pre-welding heat treatment".

図3は溶接前熱処理における最高加熱温度保持時間と最高加熱温度保持温度が及ぼす炭化物形態への影響を示す図である。当該試験は50mm角、10mm厚みの鋼版試験片の一部カット品を複数用意して、各種温度、時間だけ熱処理し、その後断面を切断加工して透過電子顕微鏡組織観察で炭化物の析出有無を確認した。図中の「●」は熱処理後、放冷した後に試験片中に分解途中で未固溶のまま残留したM23C6型炭化物およびTaCを認めた例、「○」は炭化物全てが固溶し全く観察されなかった場合である。「□」はM23C6型炭化物を認めたが、母材と同じ形態で有り、かつ分解固溶途上では無い安定なM23C6型炭化物が見られた例である(ただし、析出量は少なく、クリープ破断強度を向上させるほどに多くは無かった。今回の例では0.3個/μmでしか無く、この炭化物によって発生するクリープ強度の変形抵抗は8〜10MPaと極めて少ないことを粒子密度からのしきい応力値の理論計算により確認した)。 FIG. 3 is a view showing the influence of the highest heating temperature holding time and the highest heating temperature holding temperature in heat treatment before welding on the form of carbides. In this test, a plurality of partially cut steel plate test pieces of 50 mm square and 10 mm thickness are prepared, heat-treated only for various temperatures and times, and then cut and processed for cross section, and the presence or absence of precipitation of carbides by transmission electron microscopic structure observation confirmed. “●” in the figure is an example in which M 23 C 6 type carbide and TaC remained undissolved in the middle of decomposition in the specimen after heat treatment and cooling after being allowed to cool, “○” is solid solution of all carbides The case was not observed at all. “□” indicates M 23 C 6 type carbides, but it is an example where stable M 23 C 6 type carbides having the same form as the base metal and not undergoing decomposition solid solution were found (however, precipitation amount In this example, it is only 0.3 pieces / μm 2 , and the deformation resistance of the creep strength generated by this carbide is extremely small at 8 to 10 MPa. Confirmed by theoretical calculation of threshold stress value from particle density).

別途、前述の熱処理を実施した溶接継手においてクリープ試験を行ったところ、上記各炭化物の形態の中で、Type IV損傷を誘引する析出物形態は「●」で示した分解途中で未固溶のまま残留した炭化物だけであり、その他の形態、または炭化物が観察されない場合はType IV損傷を発生しないことが明らかとなった。すなわち、溶接前熱処理において、1000℃以上の温度で少なくとも30分、なおかつ式(1)で規定される必要な時間以上保持することにより、分解途中で未固溶のまま残留するM23C6型炭化物およびTaCは全く観察されなくなり、すべて分解して再固溶することが可能であることが分かった。
なお、1000℃以下の温度帯ではM23C6型炭化物およびTaCが観察されるものの未固溶炭化物ではなく、高温まで分解固溶しない、熱力学的に安定な炭化物(平衡析出炭化物)であると考えられる。すなわち、今回の実験により、必要な時間に満たない熱処理では、母鋼板で焼戻し処理時に析出していたM23C6型炭化物およびTaCを、実質的には完全に再固溶できない事が分かった。
Separately, when a creep test was carried out in a welded joint subjected to the above-mentioned heat treatment, among the forms of the above-mentioned carbides, the precipitate form which induces Type IV damage is not dissolved during the decomposition shown by “●”. It was revealed that the remaining carbide alone was not generated in the other form or in the case where no carbide was observed. That is, in the heat treatment before welding, the M 23 C 6 type which remains undissolved in the middle of decomposition by holding at least 30 minutes at a temperature of 1000 ° C. or more for at least 30 minutes and longer than necessary time It was found that carbides and TaC were not observed at all, and it was possible to decompose and re-solidify all.
In the temperature range of 1000 ° C. or less, M 23 C 6 type carbide and TaC are not solid but not solid carbides, but thermodynamically stable carbides (equilibrium precipitation carbides) that do not decompose and solid solution to high temperatures. it is conceivable that. That is, according to the experiment, it was found that the M 23 C 6 type carbide and TaC precipitated at the time of tempering treatment of the base steel plate can not be substantially completely re-dissolved by the heat treatment which does not satisfy the necessary time. .

また、図3に示すグラフより、未固溶炭化物はType IV損傷発生の原因となる事から、最高加熱温度を1000℃〜1100℃の温度範囲内とし、この最高加熱温度で30分以上保持するという熱処理条件は必須条件となることがわかる。ただし、当該溶接前熱処理の最高加熱温度が1100℃を超える場合は、本発明の範囲内の耐熱鋼は急激にγ粒の粒径を増大させることから、靱性低下を来たし、溶接熱影響部での靱性低下が問題となる。   Also, according to the graph shown in FIG. 3, since the non-solid solution carbide causes Type IV damage, the maximum heating temperature is kept within the temperature range of 1000 ° C. to 1100 ° C., and maintained at this maximum heating temperature for 30 minutes or more It can be seen that the heat treatment conditions of the above are essential conditions. However, when the maximum heating temperature of the heat treatment before welding exceeds 1100 ° C., the heat-resistant steel within the scope of the present invention rapidly increases the grain size of γ grains, resulting in a decrease in toughness and Toughness is a problem.

なお、溶接前熱処理における保持時間と板厚の関係は下記の式(1)で決定する板厚対応熱処理時間Tsよりも長時間で、かつ30分以上となるように局部加熱して保持する必要がある。この処理によって初めて、Type IV損傷の要因となる、短時間熱影響時に生じる炭化物の未固溶残留を通じた粗大化が防止できる程に、溶接前の段階でM23C6型炭化物およびTaCを再固溶させてしまうことが可能となる。なお、下記の式(1)は耐熱鋼への適用を想定していることから、最低板厚は3mmを想定している。 In addition, the relationship between the holding time and the plate thickness in the heat treatment before welding needs to be heated locally and held so as to be 30 minutes or more for a longer time than the plate thickness corresponding heat treatment time Ts determined by the following equation (1) There is. Only by this treatment, M 23 C 6- type carbides and TaC are re-reformed at a stage prior to welding to such an extent that coarsening through non-solid solution of carbides generated during a short heat effect can be prevented which causes Type IV damage. It is possible to cause solid solution. In addition, since the following formula (1) assumes application to heat-resistant steel, the minimum board thickness assumes 3 mm.

Ts=30×(t/25)1.2 +28 ・・・・・・・・・・ (1) Ts = 30 × (t / 25) 1.2 +28... (1)

図4に板厚tと溶接前熱処理温度保持時間の関係を示す。図中の曲線は式(1)で表される境界線であり、溶接前熱処理を施す際は、当該曲線よりも上方の保持時間となるよう条件を決定する。   FIG. 4 shows the relationship between the thickness t and the heat treatment temperature holding time before welding. The curve in the figure is the boundary represented by the equation (1), and when heat treatment before welding is performed, the condition is determined so that the retention time above the curve is obtained.

図5は溶接前熱処理の温度と溶接熱影響部の0℃における靱性(Charpy吸収エネルギー)の関係を示す図である。なお本実験では、溶接前熱処理の温度はグラフに示すように種々変化させ、板厚15mm、熱処理時間(保持時間)は60分で統一した。Charpy衝撃試験はJIS Z2242に記載の方法に従い、10mm角、45°の2mmVノッチを板長さ方向に加工した全長55mmの試験片を、板厚中心位置より採取し、吸収エネルギーを室温で測定した。ノッチは、溶接継手金属と溶接熱影響部の界面が、板厚中心の線と交わる点(境界面を基準とした板厚中心位置)を目安とし、板厚方向と水平になる様に加工した。1100℃を超えて溶接前熱処理を実施した溶接継ぎ手の熱影響部靱性は目標とする27Jよりも低くなることが明らかである。   FIG. 5 is a view showing the relationship between the temperature of heat treatment before welding and the toughness (Charpy absorbed energy) at 0 ° C. of the heat affected zone at welding. In this experiment, the temperature of the heat treatment before welding was variously changed as shown in the graph, and the plate thickness was 15 mm, and the heat treatment time (holding time) was unified at 60 minutes. The Charpy impact test was carried out according to the method described in JIS Z2242 by collecting a test piece of 55 mm in total length obtained by processing a 10 mm square, 45 mm 2 mm V notch in the plate length direction from the thickness center position and measuring absorbed energy at room temperature. . The notch is processed so that it is horizontal to the plate thickness direction with the point at which the interface between the weld joint metal and the weld heat affected zone intersects the line at the plate thickness center (plate thickness center position with reference to the interface). . It is clear that the heat affected zone toughness of the welded joint subjected to the pre-weld heat treatment above 1100 ° C. is lower than the target 27 J.

以上より、本発明における溶接前熱処理は、1000℃〜1100℃の温度範囲で、上記の式(1)で決定する板厚対応熱処理時間Tsよりも長時間で、かつ30分以上となるように局部加熱して保持することが重要である。
なお、溶接前熱処理における保持時間の延長については制限が無く、対象とする鋼材の板厚に応じて適宜決定して良いが、開先の高温酸化によるダメージ回避の観点から、実質的には最長5時間が限度である。
From the above, the heat treatment before welding in the present invention is performed in the temperature range of 1000 ° C. to 1100 ° C. for 30 minutes or more longer than the heat treatment time Ts determined by Equation (1) above. Local heating and holding is important.
Note that there is no limitation on the extension of the holding time in the heat treatment before welding, and it may be appropriately determined according to the thickness of the target steel material, but it is substantially the longest from the viewpoint of avoiding damage due to high temperature oxidation of the groove. 5 hours is the limit.

以上述べた本発明者らの検討結果より、上記条件での溶接前熱処理を実施することで、溶接熱サイクルが付与された段階における炭化物は、細粒域相当熱サイクル温度における短時間加熱で分解固溶するものについて、溶接継手の開先においては予め存在せず、当然ながら続く溶接後熱処理において未固溶炭化物の粗大化がおきる可能性が全くなくなる。なお、M23C6型炭化物の析出は溶接後熱処理で初めて生じることとなる。
したがって、Bを0.008%以上添加した本発明範囲内の耐熱鋼では細粒組織も生じないことから、HAZにおいて母材と同等の組織構造を有する上に炭化物の熱サイクルによる粗大化を回避した析出状態が得られることになる。
From the examination results of the present inventors described above, by performing the heat treatment before welding under the above conditions, the carbides at the stage where the welding heat cycle is applied are decomposed by the short time heating at the fine grain area equivalent heat cycle temperature. The solid solution does not exist in advance in the groove of the welded joint, and naturally, there is no possibility that coarsening of undissolved carbides will occur in the subsequent post-welding heat treatment. Incidentally, precipitation of the M 23 C 6 type carbides so that the resulting first time in the heat treatment after welding.
Therefore, in the heat-resistant steel of the present invention range in which B is added by 0.008% or more, fine grain structure is not generated, and therefore, in HAZ, coarse structure due to thermal cycle of carbide is avoided while having the same structure structure as the base material. Precipitation state is obtained.

次に、溶接前熱処理の付与の方法について説明する。
前記溶接前熱処理は、本発明においては溶接開先の近傍部分にのみ付与することが重要である。図6に、溶接継手の溶接前突き合わせ状況と各部名称、および溶接前後の熱処理付与範囲を説明するための継手の概略斜視図を示す。
具体的には、溶接前熱処理は、図6に示したように溶接開先面12から片側20mm〜100mm以内の部位のみに付与する。
Next, a method of applying heat treatment before welding will be described.
In the present invention, it is important to apply the heat treatment before welding only to the vicinity of the welding groove. FIG. 6 is a schematic perspective view of the joint for explaining the butting condition before welding and the names of each part of the welded joint, and the heat treatment application range before and after welding.
Specifically, as shown in FIG. 6, the heat treatment before welding is applied only to a portion within 20 mm to 100 mm on one side from the welding groove surface 12.

熱処理の付与方法につては、熱処理が局部加熱であり、かつ現地施工性の向上を意図したものであることから、「高周波誘導加熱」、「通電加熱」、バンドヒーター等の抵抗発熱帯(開先とは通電しないような絶縁体で保護してあるものに限る)の直接巻き付け、または被覆によって実施することができる。これら加熱方法は何れも、ボイラ建設現地において容易に開先加熱を実施出来る機能を有するという観点で選択しているが、熱処理の付与方法については、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択してよい。   As for the method of applying heat treatment, since the heat treatment is local heating and intended to improve the on-site workability, resistance heating bands such as “high frequency induction heating”, “electric current heating”, and a band heater (open It can be carried out by direct winding or coating (limited to those protected by an insulator which is not electrically conductive). All these heating methods are selected from the viewpoint of having a function capable of easily performing the groove heating at the boiler construction site, but the method of applying the heat treatment is appropriately selected within the range that does not impair the effects of the present invention. You may

また、熱処理の加熱範囲を、溶接開先面12から片側20mm〜100mm、かつ構造体の長さまたは幅の50%以下の範囲と限定する。このような範囲とした理由は、溶接開先の中心から母材へ向かっての溶接熱影響部の幅(HAZ幅)外縁は、通常のアーク溶接を用いる限り数十mmしかなく、100mmを超える事が実質的に無いことによる。また本発明の高強度フェライト系耐熱鋼構造体は、溶接する際、最大でも数万kJ/mmまでの溶接入熱しか用いないため、実質的にHAZ幅は極厚部材であっても溶接金属幅を含めて30mm以下である例がほとんどである。したがって熱処理の加熱範囲は、加熱装置の出力、取り扱いの簡便さに応じてさらに縮減する方が工程上好ましく、80mm以下とすることが更に好ましい。より更に好ましくは50mm以下である。
なお、溶接前熱処理を施すと残留γが生成する。当該残留γは、部材の変形や割れを誘引することから、その生成量が少なければ少ないほどよい。この観点から、溶接前熱処理の施工範囲は、構造体の長さまたは幅の50%以下の範囲内に留めることとする。
Further, the heating range of the heat treatment is limited to a range of 20 mm to 100 mm on one side from the weld groove surface 12 and 50% or less of the length or width of the structure. The reason for this range is that the width (HAZ width) outer edge of the weld heat-affected zone from the center of the weld groove to the base material is only a few tens of mm when using ordinary arc welding and exceeds 100 mm It is because there is substantially no thing. Further, since the high-strength ferritic heat-resistant steel structure of the present invention uses only a welding heat input of up to several tens of thousands of kJ / mm when welding, the weld metal is substantially even if the HAZ width is an extremely thick member Most of the cases are 30 mm or less including the width. Therefore, the heating range of the heat treatment is preferably further reduced according to the output of the heating apparatus and the ease of handling, in view of the process, and it is further preferable to set it to 80 mm or less. Still more preferably, it is 50 mm or less.
When heat treatment before welding is performed, residual γ is generated. Since the residual γ induces deformation and cracking of the member, the smaller the amount of generation, the better. From this point of view, the application range of the heat treatment before welding is limited to 50% or less of the length or width of the structure.

なお、溶接金属の占める幅が大きい場合、あるいは溶接入熱が大きい時に、溶接熱影響部幅の位置が、溶接熱影響部幅の位置が開先中心から片側20mmを超えた部位に位置してしまうことがある。つまり、溶接前熱処理の加熱範囲として溶接開先面12と母材の表面が接する(交わる)位置(符号13)から20mm未満の範囲のみを加熱した場合、当該溶接前熱処理が溶接熱影響部の細粒域相当部位に届かず、結果としてType IV損傷を発生する場合がある。そのため、溶接前熱処理の加熱範囲の下限値として溶接開先面12から20mm以内と限定する。なお、溶接前熱処理の加熱範囲が、溶接開先面12と母材の表面が接する(交わる)位置(符号13)から100mmを超えても、本発明の効果を享受できるが、このような場合、広い幅を簡易な熱処理装置によって熱処理する必要性が生じること、および実質的に直径200mmを僅かに超える程度の鋼管や鋼部材であれば、これが全体加熱と同様の効果および、後述する局部加熱による効果が実質的に得られなくなることと、熱処理時間が長くなること等、施行コストの観点から溶接前熱処理の加熱範囲は、溶接開先面13から100mm以下とする。
なお、図6中の符号14は、溶接前熱処理を付与すべき最低幅を示し、符号15は、当該熱処理を付与すべき最高幅を示す。
When the width occupied by the weld metal is large or when the welding heat input is large, the position of the weld heat affected zone width is located at a position where the position of the weld heat affected zone width exceeds 20 mm on one side from the groove center There are times when That is, when only the range of less than 20 mm is heated from the position (reference numeral 13) where the weld groove surface 12 and the surface of the base material contact (intersect) as the heating range of heat treatment before welding, the heat treatment before welding is the welding heat affected zone It may not reach the area corresponding to the fine grained area, and as a result, Type IV damage may occur. Therefore, the lower limit value of the heating range of the heat treatment before welding is limited to within 20 mm from the welding groove surface 12. The effect of the present invention can be achieved even if the heating range of the heat treatment before welding exceeds 100 mm from the position (reference numeral 13) where the weld groove surface 12 and the surface of the base material contact (intersect) If it is necessary to heat-treat a wide width by a simple heat-treatment apparatus, and if it is a steel pipe or steel member substantially having a diameter slightly larger than 200 mm, the same effect as total heating and local heating described later The heating range of the heat treatment before welding is set to 100 mm or less from the weld groove surface 13 from the viewpoint of the implementation cost, such as the effect of the heat treatment time being not substantially obtained and the heat treatment time becoming long.
In addition, the code | symbol 14 in FIG. 6 shows the minimum width which should give the heat processing before welding, and the code | symbol 15 shows the maximum width which should give the said heat processing.

以上説明したような、熱処理条件および熱処理付与方法によって、Type IV損傷の原因となるM23C6型炭化物の粗大化は十分に防止可能な状態とすることが出来る。 Above-described as, the heat treatment conditions and the heat treatment method for imparting coarsening of M 23 C 6 type carbide, which causes, Type IV damage can be sufficiently prevented state.

(溶接後熱処理および金属組織)
次に、本発明に係る高強度フェライト系耐熱鋼構造体の金属組織ならびに溶接後熱処理について説明する。
本発明の溶接後熱処理とは、開先を溶接した後に開先面から母材に向かって、20mm以上100mm以内、かつ構造体の長さまたは幅の50%以下の部位を720℃以上760℃以下に加熱して、該温度に1時間以上保持する処理である。
(Post-weld heat treatment and metallographic structure)
Next, the metallographic structure and heat treatment after welding of the high strength ferritic heat resistant steel structure according to the present invention will be described.
The post-weld heat treatment of the present invention refers to a portion of 20 mm or more and 100 mm or less and 50% or less of the length or width of the structure from 720 ° C. or more to 760 ° C. It is a process which heats below and hold | maintains to this temperature for 1 hour or more.

溶接後熱処理(以降、PWHTとも記す)は通常、(母材の焼戻し温度−20)℃以下の温度にて、板厚に応じた時間だけ付与することが一般的であるが、母材と同じクリープ破断強度を発揮させるためにはM23C6型炭化物およびTaCの析出状態を母材と同等に制御する必要がある。好ましくは溶接後熱処理温度が溶接前の母材の焼戻し温度と同等である事だが、溶接後熱処理は同時に溶接金属も加熱する。 Post-weld heat treatment (hereinafter also referred to as PWHT) is generally applied at a temperature of (tempering temperature of base material-20) or less and for a time corresponding to the plate thickness, but it is the same as the base material In order to exhibit creep rupture strength, it is necessary to control the precipitation state of M 23 C 6 type carbide and TaC to the same level as the base material. Preferably, the heat treatment temperature after welding is equal to the tempering temperature of the base material before welding, but the heat treatment after welding simultaneously heats the weld metal.

溶接金属は通常、溶接により得られる凝固ままの組織が継手のクリープ強度向上を図れるよう、特に溶接金属の高温強度低下を避けるために、溶接後熱処理の温度を(母材の焼戻し温度−20℃)以下の溶接後熱処理温度とすることを前提とした合金設計となっている。つまり、溶接金属の合金は、母材よりも高温強度が高くなりやすい化学成分を選択する。ただし、母材の化学成分は10万時間後のクリープ破断強度を向上させるために最適化されたものであるから、初期の高温強度を重視した溶接金属は、継ぎ手全体として規格の許容応力に影響しない範囲(破断強度の平均値−5%以内の値を有する)でクリープ強度が低いことが一般的である。すなわち、高温でPWHTを実施する事は溶接金属の軟化を促進し、溶接金属のクリープ破断強度の低下を誘引する懸念が高い。したがって、母材の焼戻し条件と同一の溶接後熱処理を付与することは、継手としてのクリープ強度の観点の両方から好ましくない。また、焼戻し温度が低すぎる場合においてもHAZの析出状態は母材と同等にはならず、クリープ強度が低下してしまう。   The weld metal is usually subjected to a post heat treatment temperature (tempering temperature of the base material of −20 ° C. so that the as-solidified structure obtained by welding can improve the creep strength of the joint, in particular to avoid a decrease in the high temperature strength of the weld metal. ) The alloy design is based on the following post-welding heat treatment temperature. That is, the alloy of the weld metal selects a chemical component that tends to have a higher high temperature strength than the base material. However, since the chemical composition of the base material is optimized to improve the creep rupture strength after 100,000 hours, the weld metal which emphasizes the initial high temperature strength affects the allowable stress of the standard as a whole joint. It is general that the creep strength is low in the non-range (having a value within the average value of breaking strength-5%). That is, carrying out PWHT at high temperature promotes the softening of the weld metal and is likely to cause a decrease in the creep rupture strength of the weld metal. Therefore, it is not preferable from both of the viewpoints of creep strength as a joint to apply the same post-welding heat treatment as the tempering condition of the base material. In addition, even when the tempering temperature is too low, the precipitation state of HAZ is not equal to that of the base material, and the creep strength is lowered.

そこで、本発明では溶接後熱処理の温度を厳格に限定し、金属組織、特に析出物を制御することで、この課題を解決することとした。
本発明者らは、溶接継手のクリープ破断強度を向上させるために、溶接熱影響部におけるM23C6型炭化物ならびにTaCの析出形態を検討した。その結果、M23C6型炭化物およびTaCの円相当粒径の平均値が300nm以下であり、M23C6型炭化物およびTaCによる大角粒界の被覆率が40%以上であり、かつ大角粒界上に析出したM23C6系炭化物およびTaCの表面間距離が、粒子種類に関係なく溶接後熱処理後のHAZにおいて150nm以下とする必要である事を見いだした。
なお、本発明における「大角粒界」とは、隣接する結晶方位が<110>共通回転軸まわりで比較して、相対的に15°以上となる結晶の境界または粒界のことを示す。
Therefore, in the present invention, the temperature of the heat treatment after welding is strictly limited, and the metal structure, in particular, the precipitates are controlled to solve this problem.
The present inventors examined the precipitation morphology of M 23 C 6 type carbides and TaC in the weld heat affected zone in order to improve the creep rupture strength of the welded joint. As a result, the average equivalent circular particle diameter of M 23 C 6 type carbide and TaC is 300 nm or less, the coverage of large angle grain boundary with M 23 C 6 type carbide and TaC is 40% or more, and large angle grain It has been found that the inter-surface distance of M 23 C 6- based carbides and TaC precipitated on the boundary is required to be 150 nm or less in HAZ after heat treatment after welding regardless of the particle type.
In the present invention, the "large angle grain boundary" refers to a crystal boundary or grain boundary in which adjacent crystal orientations are relatively 15 ° or more as compared around the <110> common rotation axis.

すなわち、本発明では、溶接後熱処理を、760℃以下、かつ720℃以上の温度範囲にて1時間以上保持する。これにより、耐熱鋼構造体の長さまたは幅の50%以下の部位において、残留オーステナイトの面積率を0.2%以下とし、析出物を前述の所望の形態とさせることができる。   That is, in the present invention, the heat treatment after welding is held at a temperature range of 760 ° C. or less and 720 ° C. or more for one hour or more. Thereby, the area ratio of retained austenite can be made 0.2% or less in a portion of 50% or less of the length or width of the heat resistant steel structure, and the precipitate can be made into the desired form described above.

本発明の範囲内の成分を有する溶接継手の700℃、1千時間クリープ破断強度(650℃、10万時間クリープ試験相当の簡易温度加速クリープ試験条件)と溶接後熱処理温度の関係を図7に示す。なお、溶接後熱処理温度での保持時間は図7に示すグラフでは1時間とした。
図7のグラフに示す通り、溶接後熱処理温度(PWHT温度)が760℃超であると、溶接継手のクリープ破断強度が低下し、特に溶接金属破断(図中●)が頻発することが解る(PWHT温度が高すぎる例)。
Figure 7 shows the relationship between the heat treatment temperature after welding and the 700 ° C, 1000 hour creep rupture strength (650 ° C, simplified temperature accelerated creep test equivalent to a 100,000 hour creep test) of a welded joint having components within the scope of the present invention. Show. The holding time at the heat treatment temperature after welding was one hour in the graph shown in FIG.
As shown in the graph of FIG. 7, when the heat treatment temperature after welding (PWHT temperature) exceeds 760 ° C., the creep rupture strength of the welded joint is reduced, and in particular, it is understood that the weld metal fractures (● in the figure) frequently occur ( PWHT temperature too high)

図8は溶接継手の熱影響部におけるM23C6型炭化物およびTaCの円相当粒径の平均値(以下、M23C6型炭化物およびTaCの平均粒径とも記す。)とPWHT温度の関係を示すグラフである。なお、PWHT温度での保持時間は図8に示すグラフでは1時間〜4時間としたが、保持時間の変化によるM23C6型炭化物およびTaCの平均粒径への影響はほとんど無かったため、図中では保持時間ごとに整理をしていない。
図8から明らかなように、PWHT温度が760℃を超えると、M23C6型炭化物とTaCを合わせた平均粒径は300nmを超えて粗大化し、クリープ破断強度が低下してType IV損傷が発生することがわかる。なお、変態点以下での熱処理では、結晶組織、特に大角粒の大きさはほとんど変化しないことから、同時に粒界上の析出物による被覆率にも影響がある。
FIG. 8 shows the relationship between the PWHT temperature and the average value of the equivalent circular particle sizes of M 23 C 6 type carbides and TaC in the heat affected zone of the welded joint (hereinafter also referred to as the average particle sizes of M 23 C 6 type carbides and TaC) Is a graph showing Although the holding time at the PWHT temperature was 1 hour to 4 hours in the graph shown in FIG. 8, the change in the holding time hardly affected the average grain size of M 23 C 6 type carbide and TaC, so We do not organize every holding time in the inside.
As apparent from FIG. 8, when the PWHT temperature exceeds 760 ° C., the average particle size of the combined M 23 C 6 type carbide and TaC becomes coarser than 300 nm, the creep rupture strength decreases, and the Type IV damage becomes It turns out that it occurs. In the heat treatment below the transformation point, the crystal structure, particularly the size of the large-angle grains, hardly changes, and at the same time, the coverage by precipitates on grain boundaries is also affected.

図9は前記大角粒界上のM23C6型炭化物ないしはTaCの粒子相互の表面間距離と平均粒径との関係を示すグラフである。なお図9は、PWHT温度を740℃、保持時間を1時間として検討した結果である。
図9から明らかなように、M23C6型炭化物とTaCの種別を問わず、その平均粒径が300nm以下の場合に粒子表面間距離は150nm以下となる事がわかる。すなわち、溶接後熱処理温度が760℃以下の場合には、M23C6型炭化物とTaCを合わせた平均粒径は300nm以下となり、前記大角粒界上の粒子表面間距離は150nm以下となる事がわかる。しかしながら、平均粒径が300nmを超える場合は、粒子表面間距離は150nmを超え、このとき長時間におけるクリープ変形の際の溶接継手の粒界析出物による強化が期待出来なくなり、Type IV損傷が発生する。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the inter-surface distance between particles of M 23 C 6 type carbide or TaC on the large angle grain boundary and the average particle diameter. In addition, FIG. 9 is the result of having considered PWHT temperature as 740 degreeC, and holding time being 1 hour.
As apparent from FIG. 9, regardless of the type of M 23 C 6 type carbide and TaC, it is understood that the distance between particle surfaces is 150 nm or less when the average particle diameter is 300 nm or less. That is, when the heat treatment temperature after welding is 760 ° C. or less, the average particle diameter of the M 23 C 6 type carbide and TaC is 300 nm or less, and the particle surface distance on the large angle grain boundary is 150 nm or less I understand. However, when the average particle size exceeds 300 nm, the distance between particle surfaces exceeds 150 nm, and at this time, reinforcement by intergranular precipitates of the welded joint can not be expected during creep deformation in a long time, and Type IV damage occurs Do.

また、PWHT温度が720℃以下の場合にも、クリープ破断強度は低下する。その理由は、熱影響部の焼戻しが不十分となって、以下に述べるM23C6型炭化物とTaCの前記大角粒界占有率が40%を超えないためである(すなわちType IV損傷した例)。
図10には溶接継手の熱影響部における前記大角粒界上に析出した析出物(M23C6型炭化物とTaC)による粒界被覆率とPWHT温度の関係を示すグラフである。なお、PWHT温度での保持時間は図10に示すグラフでは1時間とした。
図10から明らかなように、PWHT温度が720℃未満の場合は、明らかに粒界被覆率が40%未満となる事がわかる。この場合、必然的にType IV損傷が継手に発生する。一方で、PWHT温度が760℃以上では、M23C6型炭化物とTaCの粗大化が加速されることによりかえって粒界被覆率は低下し、40%未満となり、Type IV損傷がが発生することもわかる。
The creep rupture strength also decreases when the PWHT temperature is 720 ° C. or less. The reason is that tempering of the heat affected zone is insufficient, and the above-mentioned large angle grain boundary occupancy of M 23 C 6 type carbide and TaC described below does not exceed 40% (ie, Type IV damaged example ).
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the grain boundary coverage by the precipitates (M 23 C 6 type carbide and TaC) deposited on the large angle grain boundaries in the heat affected zone of the welded joint and the PWHT temperature. The holding time at the PWHT temperature was one hour in the graph shown in FIG.
As apparent from FIG. 10, when the PWHT temperature is less than 720 ° C., the grain boundary coverage is clearly less than 40%. In this case, Type IV damage inevitably occurs in the joint. On the other hand, when the PWHT temperature is 760 ° C. or higher, the grain boundary coverage decreases rather than 40% due to accelerated coarsening of M 23 C 6 type carbide and TaC, and Type IV damage occurs. I also understand.

なお、PWHTの時間は、M23C6型炭化物およびTaCが粒界析出し、なおかつ電子顕微鏡観察によってその円相当直径が300nm以下、前記大角粒界(境界)上の被覆率が40%以上となるように決定すれば良いが、継手の残留応力除去の目的を当該熱処理は有することから、最低でも1時間以上とする。 As for the time of PWHT, M 23 C 6 type carbide and TaC are precipitated at grain boundaries, and the equivalent circle diameter is 300 nm or less according to electron microscopic observation, and the coverage on the large angle grain boundary (boundary) is 40% or more. However, since the heat treatment has the purpose of relieving residual stress of the joint, it is at least 1 hour or more.

なお、一般には鋼板の板厚tの関数で施工条件を定めることが有り、必要PWHT時間(TP)は、
TP≧(t/25+1)×60分、・・・・・・・・・・・・・(c)
にて概略決定される。
本発明もおおよそこの式に従うことが可能である。しかし、あまりに長時間の熱処理は施工コストの増大を招くことから、最長168時間(1週間)とすることが好ましい。
Generally, the construction conditions may be determined by the function of the thickness t of the steel plate, and the required PWHT time (TP) is
TP ((t / 25 + 1) x 60 minutes ... (c)
The outline of the
The present invention can also roughly follow this formula. However, it is preferable to set the heat treatment for a maximum of 168 hours (one week) because heat treatment for too long time causes an increase in construction cost.

ここで大角粒界上の析出物の円相当粒径は次のごとくして求めた。
まず、溶接後熱処理を施した後の試験片の断面組織を走査型電子顕微鏡で観察し、次いで、フェライト組織を構成する粒界構造をより詳細にEBSP(電子線後方散乱回折パターン解析装置)にて観察した。その中で、隣接する結晶方位差が15°以上で、なおかつ隣接結晶方位間の<110>共通回転軸回りの角度が、マルテンサイト変態時に選択される、ブロック粒界特有の回折角、すなわち54°と60°、および16°のものを画像処理して「ブロック粒界(大角粒界)」と決定し、その大角粒界上に析出する、M23C6型炭化物およびTaCの結晶構造と同じ電子線回折パターンを有する析出物のみを特定した。そして、それら析出物の10000倍の電子顕微鏡写真を元に、断面上の粒子の直径を写真上で決定した。
10000倍の画像写真は一つの継手の熱影響部で5視野以上を観察し、その粒子全てについて析出物の断面積を測定し、これが全て円であると仮定して、面積から逆算して円相当直径とした。
Here, the equivalent circle particle size of the precipitate on the large angle grain boundary was determined as follows.
First, the cross-sectional structure of the test piece after heat treatment after welding is observed with a scanning electron microscope, and then the grain boundary structure constituting the ferrite structure is made more detailed in EBSP (electron beam backscattering diffraction pattern analyzer) I observed it. Among them, a block grain boundary specific diffraction angle, that is, the angle around the <110> common rotation axis between the adjacent crystal orientations and having an adjacent crystal orientation difference of 15 ° or more, ie 54 Image processing of °, 60 °, and 16 ° is determined as "block grain boundary (large angle grain boundary)", and the crystal structure of M 23 C 6 type carbide and TaC precipitated on the large angle grain boundary Only the precipitates having the same electron diffraction pattern were identified. Then, based on an electron micrograph of 10000 times of the precipitates, the diameter of particles on the cross section was determined on the photograph.
Image picture of 10000 times observed five or more views in the heat affected zone of one joint, measure the cross-sectional area of the precipitate for all the particles, and assume that this is all a circle. Equivalent diameter.

本発明の最大の特徴は、既に述べた「溶接熱サイクルによるHAZにおける炭化物の粗大化の完全防止を目的とした溶接前熱処理」と当該熱処理効果を発揮する本化学成分の組み合わせである。そのうちでも最も重要な溶接前熱処理の適用において、特許文献1〜4に記載の技術との最大の相違点は、「局部加熱」に限定していることにある。この「局部加熱」の適用の効果は既に記載したが、「溶接部材の全体加熱」よりも「局部加熱」がクリープ強度において有利であることがもう一つの特徴である。
「局部加熱」がクリープ強度において有利である理由を以下に詳述する。
The greatest feature of the present invention is the combination of the aforementioned "pre-welding heat treatment for the purpose of completely preventing the coarsening of carbides in HAZ by welding heat cycle" and the present chemical components which exert the heat treatment effect. Among the most important pre-welding heat treatment applications, the greatest difference from the techniques described in Patent Documents 1 to 4 lies in the limitation to “local heating”. Although the effect of the application of this "local heating" has already been described, it is another feature that "local heating" is more advantageous in creep strength than "total heating of the welding member".
The reasons why "local heating" is advantageous in creep strength are discussed in more detail below.

特許文献1〜4に記載の技術は「溶接前熱処理」を、溶接部材、例えば鋼管(熱交換器の場合は定尺12m)全体に対し、溶接の開先加工後に行う。このとき、全鋼管中に残留γが生成してしまう。
このような大型部材ではどうしても製鋼一貫工程で製造した鋼材における材質不均一は完全には払拭できない。電炉製鋼法後に鍛造工程を適用する場合ではさらに顕著で、例えば、本発明で添加するWやV等の元素は、その濃度が高濃度となる偏析部分が存在する。
つまり、このような偏析部分を有する部材を全体加熱して残留γを生成した後に、溶接した継手での細粒域生成を防止し、かつM23C6型炭化物およびTaCの粗大化を防止できたとしても、その後のPWHTもまた、溶接後の部材全体に実施しなければ、溶接熱影響を受けていない母材は、母材中のB濃度が高いために、溶接後熱処理程度の低温短時間熱処理では残留γを完全に分解できず、残留γを残したままの組織となってしまうからである。
The techniques described in Patent Documents 1 to 4 perform “heat treatment before welding” on the entire welding member, for example, a steel pipe (12 m in the case of a heat exchanger) after groove processing of welding. At this time, residual γ is generated in all the steel pipes.
With such a large-sized member, the material nonuniformity in the steel material manufactured by the steelmaking consistent process can not be completely wiped off. In the case where the forging process is applied after the electric furnace steelmaking method, it is more remarkable. For example, elements such as W and V added in the present invention have segregated portions where the concentration is high.
That is, after forming a residual γ by heating the whole of the member having such a segregated portion, it is possible to prevent the formation of fine grained area in the welded joint and to prevent the coarsening of M 23 C 6 type carbide and TaC. Even if the subsequent PWHT is not carried out for the entire part after welding, the base metal which is not affected by the welding heat has a high B concentration in the base metal, so the low temperature short of heat treatment after welding This is because the residual heat treatment can not be completely decomposed by the heat treatment for a long time, resulting in a structure in which the residual light remains.

もし、鋼材全体の残留γを完全に分解したい場合は、9%以上の高Cr鋼においては、760℃以上で少なくとも2時間以上の熱処理を行って十分な偏析元素の拡散を生じさせなければならないことが、本発明者らの研究によって明らかとなった。ところが、既に述べたごとく、母材の焼戻し温度よりも低い760℃でのPWHTを鋼材全体に実施する場合、残留γの完全分解は実現しない可能性を残すこととなる。
すなわち、「溶接部材の全体加熱」の場合は、溶接後熱処理も全体加熱となり、母材に残留γが残存する事を回避しようとすれば、極めて限定された高い焼戻し温度とPWHT温度を選択する必要がある。しかしながら、実際のPWHT施工装置の加熱能力は、温度の精度が±20℃であるのが実態であり、厳格な温度管理には必ずしも対応していない。
このことから、部材全体に対し溶接前熱処理を行う場合、現地施工性までを考慮すると、母材の残留γの存在可能性を完全には否定できない。すなわち残留γが少なからず存在するまま、このような鋼材を高温機器(例えばボイラ等)に適用すると、残留γ起因の変形や割れが生じるおそれがある。
If it is desired to completely decompose the residual γ of the entire steel material, in a high Cr steel of 9% or more, heat treatment must be performed at 760 ° C. or more for at least 2 hours to cause sufficient diffusion of segregated elements to occur. It became clear by our studies. However, as described above, when PWHT is performed on the entire steel material at 760 ° C., which is lower than the tempering temperature of the base material, complete decomposition of the residual γ may not be realized.
That is, in the case of "total heating of the welding member", the heat treatment after welding is also total heating, and in order to avoid the residual γ remaining in the base material, the extremely limited high tempering temperature and PWHT temperature are selected. There is a need. However, the actual heating capacity of the PWHT installation apparatus is that the temperature accuracy is ± 20 ° C., and it does not necessarily correspond to strict temperature control.
From this, when heat treatment before welding is performed on the entire member, the possibility of the residual γ of the base material can not be completely denied in consideration of the on-site workability. That is, when such a steel material is applied to a high-temperature device (for example, a boiler or the like) with a considerable amount of residual γ present, deformation or cracking due to the residual γ may occur.

ボイラ等の高温圧力機器の使用温度は、現在600℃程度であるから、残留γの分解には時間がかかり、場合によっては数千時間を要すると考えられる。この間、使用環境において残留γはフェライトと炭化物に徐々に変態していくことで熱膨張を生じる。この局部的な熱膨張は当然、部材の変形、または割れを誘引することから、残留γの存在は許容されていない。つまり、残留γが存在する可能性のある材料は実環境に適用できない場合がある。   Since the working temperature of high-temperature pressure equipment such as a boiler is about 600 ° C. at present, decomposition of residual γ takes time, and in some cases, it is considered to require several thousand hours. During this time, residual γ is gradually transformed into ferrite and carbide in the use environment to cause thermal expansion. Since this local thermal expansion naturally induces deformation or cracking of the member, the presence of residual γ is not permitted. That is, materials that may have residual γ may not be applicable to the real environment.

これに対して、「局部加熱」の場合は、母材の残留γ生成は全くない。また、溶接継手の開先面から100mm以内の部位のみを加熱することから、当該部位に残留γの生成の可能性が生じるが、加熱範囲が狭いために温度制御は極めて容易で有り、全体加熱の場合に比較して遙かに残留γの存在確率は小さい。また、仮に僅かに残留するγがあったとしても、開先面から片側100mm以内の範囲にのみ存在するのであるから、熱膨張の影響を残留γの無い母材部位でも担保することでその影響を著しく軽減できる。   On the other hand, in the case of "local heating", there is no residual γ formation of the base material. Moreover, since only a portion within 100 mm from the grooved surface of the weld joint is heated, there is a possibility of generation of residual γ at the portion, but temperature control is extremely easy because the heating range is narrow, and overall heating The probability of existence of residual γ is much smaller than in the case of. In addition, even if there is a slight residual γ, since it exists only within 100 mm from one side of the groove surface, the effect of thermal expansion is ensured by securing the base metal portion without residual γ Can be significantly reduced.

このことは、溶接線が例えば管軸に対して垂直の、いわゆる「周溶接継ぎ手」において顕著である。
一方、溶接線が管軸に対して平行な場合は発電用ボイラの配管等で見られるが、これは大直径の鋼管となり、350〜700mmの直径があるとすると周長さは1100〜2200mmと大きく、このうち片側100mm、最大で200mmの部位に熱膨張がおきたとしても、前述したように他の部位(例えば母材等)での膨張応力緩和が容易である。また、溶接前熱処理幅を実際の溶接熱影響部幅を考慮して狭くする場合は、さらに影響を減ずることが可能となる。
しかしながら、片側100mmを超えた広い領域を局部加熱しようとすると、本発明が想定している高周波誘導加熱やバンドヒーター等の簡易熱処理では多くの電力が必要となってコスト的に問題があること、また広い範囲を再加熱するがために、加熱プロセスの時間が長くなること等の点で不利である。さらに、実部材の大きさが200mm程度である場合、例えば直径200mmの鋼管を加熱するのであれば結局全体加熱と同意の溶接後熱処理を実施する事になる。その結果、本発明の簡便性が失われると共に、残留γが溶接熱影響部外で生じた場合には、使用中の変態進行による以上膨張もしくは変形や熱応力起因の破壊が懸念される事態となる。
This is noticeable in so-called "round weld joints" where the weld line is perpendicular, for example, to the tube axis.
On the other hand, when the weld line is parallel to the tube axis, it can be seen in the piping of the boiler for power generation, etc., but this is a large diameter steel pipe, and if there is a diameter of 350 to 700 mm, the circumferential length will be 1100 to 2200 mm. Even if thermal expansion occurs in a portion of 100 mm on one side and 200 mm at the maximum among them, as described above, it is easy to relieve the expansion stress in another portion (for example, base material). When the heat treatment width before welding is narrowed in consideration of the actual welding heat affected zone width, the influence can be further reduced.
However, when attempting to locally heat a wide region exceeding 100 mm on one side, a large amount of power is required in the simplified heat treatment such as high frequency induction heating or a band heater assumed by the present invention, which causes a cost problem. In addition, reheating of a wide range is disadvantageous in that the time of the heating process is prolonged. Furthermore, when the size of the actual member is about 200 mm, for example, if a steel pipe having a diameter of 200 mm is heated, a post-welding heat treatment, which agrees with the entire heating, is eventually performed. As a result, the simplicity of the present invention is lost, and when residual γ occurs outside the heat affected zone, there is a concern that expansion or deformation due to the progress of transformation during use or destruction due to thermal stress may occur. Become.

本発明においては、溶接前熱処理の溶接継手を含む部材に占める施工幅(長さ)の割合が構造体の幅または長さの50%を超える場合に、母材に生成する残留γの影響が現れ、残留γの生成量が0.2体積%という軽微な場合でも、クリープ条件における残留γの分解によって生起する熱応力割れのために、クリープ寿命が短くなり、結果としてクリープ破断強度が低下する事になる。換言するに、構造体の体積の50%以上の部位において、金属組織における残留γの面積率が0.2%以下であれば、残留γ起因の熱膨張による変形へ割れを防止できる。なお、残留γの面積率が0.2%以下である部位は広ければ広いほどよく、構造体の体積の100%であることが好ましいことは言うまでもない。   In the present invention, the influence of residual γ formed on the base material when the ratio of the construction width (length) to the member including the welded joint of heat treatment before welding exceeds 50% of the width or length of the structure. Even when the amount of residual γ produced is as small as 0.2% by volume, the creep life is shortened due to the thermal stress cracking caused by the decomposition of the residual γ under creep conditions, and the creep rupture strength is consequently reduced. It will be a thing. In other words, if the area ratio of the residual γ in the metal structure is 0.2% or less at 50% or more of the volume of the structure, cracking can be prevented due to the thermal expansion caused by the residual γ. Needless to say, the wider the region where the area ratio of the residual γ is 0.2% or less, the better, and it is preferably 100% of the volume of the structure.

一方で、一般的に、「局部加熱」による熱処理はいかなる場合でも、共通の「中間温度加熱帯(中間温度域)」の問題を有する。すなわち、目標とする温度に、対象とする部位のみを加熱すると、その範囲に隣接した部位では、目標温度よりも低い温度帯に加熱される中間温度域が生成し、目的とする組織や効果が現出しない部位が生じる可能性と、低温部位で特殊な組織変化を生じる可能性を常に考慮しておく必要がある。   On the other hand, in general, heat treatment by "local heating" always has the problem of a common "intermediate temperature heating zone (intermediate temperature range)". That is, when only the target part is heated to the target temperature, an intermediate temperature range heated to a temperature zone lower than the target temperature is generated in the part adjacent to the target area, and the target tissue and effect are It is always necessary to take into account the possibility of non-emerging sites and the possibility of producing special tissue changes at cold sites.

しかし、本発明の場合には、この点の問題が生起しない点がもう一つの特徴である。
すなちわ、溶接前熱処理を1000〜1100℃で実施した場合、その隣接部位は1000℃以下の温度帯に再加熱される。このような場合では、炭化物の不完全固溶が生じる可能性も考えられる。しかし、炭化物の不完全固溶は、溶接熱影響のような僅か数秒間だけ加熱されるような場合、つまり炭化物の分解再固溶に必要な時間が十分に与えられない場合にのみ生じるのであって、相変態さえ生じれば、本発明のように十分な分解固溶の時間が与えられるときは、γ相の炭素の固溶限がα相に比較して遙かに大きいことから、炭化物の分解固溶は完了することとなり、不完全固溶炭化物は生じないのである。したがって、本発明に係る溶接前熱処理は、中間温度域における炭化物の粗大化の懸念が無いことが特徴である。
However, in the case of the present invention, another feature is that this problem does not occur.
That is, when the heat treatment before welding is performed at 1000 to 1100 ° C., the adjacent portion is reheated to a temperature range of 1000 ° C. or less. In such a case, the possibility of incomplete solid solution of carbide may also be considered. However, incomplete solution of carbides occurs only when heating is performed for only a few seconds, such as the effect of welding heat, that is, when the time necessary for solution and dissolution of carbides is not sufficiently given. If, as long as phase transformation occurs, sufficient time for decomposition and solid solution is given as in the present invention, the solid solution limit of carbon in the γ phase is much larger than that in the α phase, so The dissolution and dissolution of C. is completed, and incomplete solution carbide does not occur. Therefore, the heat treatment before welding according to the present invention is characterized in that there is no concern of coarsening of carbides in the intermediate temperature range.

なお、組織の細粒化は中間温度域で生じることは従来鋼であれば十分にあり得るが、本発明に係る耐熱鋼は、B濃度が高く、細粒域が生じない剪断型のα→γ変態が生じることで細粒化しないことにより、結晶組織についても、母材と同等になる事が理論的に明らかである。   It should be noted that in the case of conventional steels, it may be sufficient that the refinement of the structure occurs in the intermediate temperature range, but the heat-resistant steel according to the present invention has a high B concentration and does not produce fine grain areas. It is theoretically clear that the grain structure becomes equivalent to that of the base material also by not grain refining due to the occurrence of γ transformation.

溶接後熱処理を局部的に実施する事については、応力除去焼鈍の目的からは中間温度域について考慮する必要が無く、母材と同等な組織の粒界にM23C6型炭化物およびTaCを析出させる処理としては、溶接熱影響を受けていない母材部分までを含んで熱処理を実施する関係上、限定した溶接後熱処理温度を厳守さえすれば、全く問題ないことが同様に明らかである。 With regard to performing post-weld heat treatment locally, it is not necessary to consider the intermediate temperature range for the purpose of stress relief annealing, and M 23 C 6 type carbide and TaC are precipitated at grain boundaries of a structure similar to that of the base material. It is also apparent that there is no problem at all if the temperature after heat treatment after welding is strictly adhered to, since heat treatment is carried out as far as the heat treatment is carried out including the base metal portion which is not affected by the welding heat.

すなわち、本発明の化学成分と溶接前熱処理においては、中間温度域の加熱について考慮する必要がなく、「局部加熱」による溶接前熱処理を実施することが有効で、かつ技術として「局部加熱」を実施する事で「全体加熱」に対して残留γの影響を軽減できる点で望ましく、コストの面でも有利であって、総括的に優れている。   That is, in the chemical composition of the present invention and heat treatment before welding, it is not necessary to consider heating in the intermediate temperature range, it is effective to carry out heat treatment before welding by "local heating", and "local heating" This method is desirable in that it can reduce the influence of residual γ on "overall heating", and is advantageous in cost and comprehensively excellent.

なお本発明に係る構造体は、溶接前熱処理の施行幅または長さが、構造体の幅または長さの50%以下であることを特徴とするが、溶接前熱処理を施した部位は以下のようにして見分けることができる。
「溶接前熱処理の施行幅または長さ」よりも「溶接後熱処理の施行幅または長さ」が小さい場合、得られた構造体には、M23C6型炭化物が析出していない領域が存在することになる。そのため、M23C6型炭化物が析出していない領域が存在する場合は、当該領域が、溶接前熱処理が施されたか否かの境界と判断できる。
一方、溶接前熱処理を施していない部位に溶接後熱処理を施しても、M23C6型炭化物による粒界被覆率を40%以上まで向上させることができない。したがって、「溶接前熱処理の施行幅または長さ」よりも「溶接後熱処理の施行幅または長さ」が大きい場合は、溶接前熱処理が施された否かの境界は、M23C6型炭化物による粒界被覆率が40%以上であるか否かで判断できる。
なお、M23C6型炭化物の有無やM23C6型炭化物による粒界被覆率は、上記のように、電子顕微鏡観察または薄膜透過型電子顕微鏡解析における透過電子線回折パターン解析によって確認できる。
The structure according to the present invention is characterized in that the applied width or length of the heat treatment before welding is 50% or less of the width or length of the structure, but the portion subjected to the heat treatment before welding is the following It can be identified in the same way.
In the case where the “execution width or length of heat treatment after welding” is smaller than the “width or length of heat treatment before welding”, the obtained structure has a region where M 23 C 6 type carbides are not precipitated It will be done. Therefore, when there is a region in which the M 23 C 6 type carbide is not precipitated, it can be determined that the region is a boundary as to whether or not the heat treatment before welding is applied.
On the other hand, the grain boundary coverage by M 23 C 6 type carbide can not be improved to 40% or more even if heat treatment after welding is applied to a portion not subjected to heat treatment before welding. Therefore, in the case where the “execution width or length of heat treatment after welding” is larger than the “width or length of heat treatment before welding”, the boundary indicating whether or not the heat treatment before welding is performed is M 23 C 6 type carbide It can be judged by whether or not the grain boundary coverage by B is 40% or more.
Incidentally, the grain boundary coverage by the presence or M 23 C 6 type carbide of the M 23 C 6 type carbide, as described above, can be confirmed by transmission electron diffraction pattern analysis in electron microscopy or thin film transmission electron microscopic analysis.

次に、本発明の耐熱鋼の化学成分について述べる。なお、各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。   Next, the chemical components of the heat resistant steel of the present invention will be described. In addition, "%" of content of each element means "mass%."

C:0.01〜0.12%
Cは、炭化物を生成し、焼入れ性を高める元素である。本発明では、クリープ破断強度を向上させるために、C量を0.01%以上とする。析出強化能を高めるには、0.05%以上のCを添加することが好ましい。一方、C量が多すぎると、析出物が粗大になり、粒界の占有率が低下するため、C量を0.12%以下とする。また、C量が過剰であると、粒界に生成した炭化物が粗大化し、クリープ破断強度を低下させることがあるため、C量を0.10%以下にすることが好ましい。
C: 0.01 to 0.12%
C is an element that forms carbides and enhances the hardenability. In the present invention, in order to improve creep rupture strength, the amount of C is made 0.01% or more. In order to enhance the precipitation strengthening ability, it is preferable to add 0.05% or more of C. On the other hand, if the amount of C is too large, the precipitates become coarse and the occupation ratio of grain boundaries decreases, so the amount of C is made 0.12% or less. Further, if the amount of C is excessive, carbides formed in grain boundaries may be coarsened, which may lower the creep rupture strength. Therefore, the amount of C is preferably made 0.10% or less.

N:0.003〜0.015%
Nは、窒化物を形成する元素であり、VNを析出させて初期のクリープ強度を向上させるのに有効な元素である。この効果を享受するために、Nを0.003%以上を含有させる。また、耐火物等から混入するAlがNと結合し、VN生成のためのN量を十分に確保できない場合がある。このような場合を考慮すると、N量は0.005%以上が好ましい。しかし、N量が0.015%を超えると、BNが析出する場合があるため、上限を0.015%とする。また、Nは、中性子の照射により放射化して鋼を脆化させる元素であることから、耐熱鋼を原子力発電のプラント等に使用する際には、N量を0.010%以下にすることが好ましい。
N: 0.003 to 0.015%
N is an element that forms a nitride, and is an element effective to precipitate VN and improve the initial creep strength. In order to receive this effect, N is contained 0.003% or more. In addition, Al mixed from a refractory or the like may combine with N, and the amount of N for producing VN may not be sufficiently secured. In consideration of such a case, the amount of N is preferably 0.005% or more. However, if the N content exceeds 0.015%, BN may precipitate, so the upper limit is made 0.015%. Further, since N is an element which is activated by neutron irradiation to embrittle the steel, when the heat resistant steel is used in a nuclear power plant etc., the amount of N may be made 0.010% or less. preferable.

B:0.008〜0.050%
Bは、固溶状態(粒界に偏析した状態を含む)では鋼材の焼入れ性を高めて、転位密度の高いマルテンサイト組織、下部ベイナイト組織を生成させる元素である。本発明では、Bは、炭化物、金属間化合物に固溶して熱的な安定性を高め、これら析出物の粗大化を遅延させるか、あるいは硼化物として析出し、析出強化能を高める極めて重要な元素である。クリープ破断強度の向上にはBを0.008%以上添加する必要があり、0.012%以上の添加が好ましい。一方、Bを過剰に添加すると、溶接性が劣化することから、B量は0.050%以下とすることが必要である。溶接入熱を大きくする必要がある場合は、B量を0.017%以下にすることが好ましい。より好ましいB量は0.015%以下である。
B: 0.008 to 0.050%
B is an element that enhances the hardenability of the steel material in a solid solution state (including a state of being segregated at grain boundaries) and forms a martensitic structure and a lower bainite structure having a high dislocation density. In the present invention, B dissolves in carbides and intermetallic compounds to increase the thermal stability, delays the coarsening of these precipitates, or precipitates as a boride to increase the precipitation strengthening ability. Element. In order to improve creep rupture strength, B needs to be added at 0.008% or more, and addition of 0.012% or more is preferable. On the other hand, if B is added excessively, the weldability deteriorates, so the B content needs to be 0.050% or less. When it is necessary to increase welding heat input, it is preferable to make B amount into 0.017% or less. A more preferable B amount is 0.015% or less.

V:0.10〜0.50%
Vは、Nと結合して窒化物を生成する元素であり、粒内にNbCに整合して複合析出する。本発明では、クリープ破断強度を高めるために、0.10%以上のVを添加する。析出強化の効果を高めるには、0.15%以上のVの添加が好ましく、0.17%以上のVの添加がより好ましい。一方、0.50%を超えるVを添加すると、粗大なVCが析出して靱性に影響するため、V量を0.50%以下とする。靱性を高めるためには、V量を0.40%以下にすることが好ましく、より好ましいV量は0.35%以下である。
V: 0.10 to 0.50%
V is an element that combines with N to form a nitride, and composite precipitates in the grains in alignment with NbC. In the present invention, V of 0.10% or more is added to enhance creep rupture strength. In order to enhance the effect of precipitation strengthening, the addition of 0.15% or more of V is preferable, and the addition of 0.17% or more of V is more preferable. On the other hand, when V exceeding 0.50% is added, coarse VCs precipitate to affect the toughness, so the V amount is made 0.50% or less. In order to enhance the toughness, the V amount is preferably 0.40% or less, and more preferably 0.35% or less.

Si:0.02〜0.45%
Siは脱酸元素であり、0.02%以上を添加する。脱酸の効果を高めるためには、0.10%以上のSiを添加することが好ましい。また、Siは、耐酸化性の向上にも有効であり、0.20%以上を添加することがより好ましい。一方、0.45%を超えるSiを添加すると、Siを含む酸化物が脆性破壊の起点となって靭性を損なうことがある。また、過剰なSiの添加は、固溶しているWのサイトに置換してFeWの析出を促進し、クリープ破断強度が低下する場合があるため、Si量は0.45%以下とする。靭性を高めるには、Si量は0.40%以下が好ましく、0.35%以下がより好ましい。
Si: 0.02 to 0.45%
Si is a deoxidizing element, and 0.02% or more is added. In order to enhance the effect of deoxidation, it is preferable to add 0.10% or more of Si. Moreover, Si is also effective in improving the oxidation resistance, and it is more preferable to add 0.20% or more. On the other hand, when Si is added in excess of 0.45%, an oxide containing Si may become a starting point of brittle fracture and impair toughness. In addition, excessive addition of Si substitutes for the site of solid solution W to promote the precipitation of Fe 2 W, which may lower the creep rupture strength. Do. In order to enhance the toughness, the amount of Si is preferably 0.40% or less, more preferably 0.35% or less.

Mn:0.20〜0.60%
Mnは脱酸剤であり、本発明では0.20%以上を添加する。脱酸が不十分であると靱性が低下するため、0.35%以上のMnを添加することが好ましい。一方、Mnは、オーステナイト生成元素であり、転位の易動度を上げて局部的に組織回復を加速させるため、過剰に添加するとクリープ特性が劣化する。本発明では、クリープ強度を確保するために、Mnを0.60%以下とする。クリープ破断強度を更に高めるには、Mn量を0.55%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.50%未満とする。
Mn: 0.20 to 0.60%
Mn is a deoxidizer, and 0.20% or more is added in the present invention. It is preferable to add 0.35% or more of Mn because the toughness decreases if the deoxidation is insufficient. On the other hand, Mn is an austenite-forming element, and the mobility of dislocations is increased to locally accelerate the recovery of the structure. Therefore, if it is added excessively, the creep characteristics deteriorate. In the present invention, in order to secure creep strength, Mn is made 0.60% or less. In order to further increase the creep rupture strength, the Mn content is preferably 0.55% or less, more preferably less than 0.50%.

Cr:8.0〜12.0%
Crは、鋼材の焼入れ性を高め、炭化物として鋼材を析出強化させる重要な元素である。650℃以上の高温で高いクリープ破断強度を得るには、Crを主体としたM23型炭化物の量を確保し、粗大化を促進させ、かつ、過剰な粗大化を抑制することが必要であり、本発明では、8.0%以上を添加する。耐水蒸気酸化特性を考慮すると、8.5%以上のCrを添加することが好ましい。一方、Crを過剰に添加すると、650℃の温度ではM23型炭化物の粗大化が加速し、クリープ特性が劣化するため、Cr量を12.0%以下とする。Cr量を10.5%以下とすることが好ましく、より好ましいは9.20%以下である。
Cr: 8.0 to 12.0%
Cr is an important element that enhances the hardenability of steel materials and causes precipitation strengthening of steel materials as carbides. In order to obtain high creep rupture strength at high temperatures of 650 ° C. or higher, it is necessary to secure the amount of M 23 C 6 type carbide mainly composed of Cr, promote coarsening, and suppress excessive coarsening. In the present invention, 8.0% or more is added. In consideration of the anti-steam oxidation property, it is preferable to add 8.5% or more of Cr. On the other hand, excessive addition of Cr accelerates coarsening of the M 23 C 6 type carbide at a temperature of 650 ° C. and creep characteristics deteriorate, so the amount of Cr is made 12.0% or less. The amount of Cr is preferably 10.5% or less, more preferably 9.20% or less.

W:2.00〜7.50%
Wは、Feとの金属間化合物を形成し、クリープ特性の向上に寄与する元素である。2.00%以上のWを添加すると、長期間の使用中に金属間化合物が析出し、クリープ破断強度に大きく寄与する。また、粒界への析出密度を向上させるために2.5%以上のWの添加が好ましく、2.7%以上のWの添加がより好ましい。一方、Wを過剰に添加すると、FeW型金属間化合物(Laves相)の粗大化が速くなるため、W量を7.50%以下とする。Laves相の粗大化を抑制するには、W量を7.0%以下にすることが好ましく、6.5%以下がより好ましい。
W: 2.00 to 7.50%
W is an element that forms an intermetallic compound with Fe and contributes to the improvement of creep characteristics. When 2.00% or more of W is added, intermetallic compounds are precipitated during long-term use, which greatly contributes to creep rupture strength. Moreover, in order to improve the precipitation density to the grain boundary, addition of 2.5% or more of W is preferable, and addition of 2.7% or more of W is more preferable. On the other hand, when W is added excessively, the coarsening of the Fe 2 W type intermetallic compound (Laves phase) becomes faster, so the W amount is made not more than 7.50%. In order to suppress the coarsening of the Laves phase, the W content is preferably 7.0% or less, more preferably 6.5% or less.

Nb:0.02〜0.10%
Nbは炭化物を生成する元素であり、粒内に析出してクリープ破断強度の向上に寄与する。NbC型炭化物がVNと複合析出すれば、転位の動きを効果的に抑制することができるので、比較的短時間のクリープ強度を維持するためにはNb量を0.02%以上とする。また、NbCによる粒内析出強化能を向上させるには0.03%以上のNbの添加が好ましく、0.04%以上のNbの添加がより好ましい。一方、0.10%を超えてNbを添加すると粗大なNbCとして析出し、靱性を損なうことから、Nb量を0.10%以下とする。NbCを微細に析出させるには、Nb量を0.08%以下にすることが好ましく、0.07%以下がより好ましい。
Nb: 0.02 to 0.10%
Nb is an element that forms a carbide, and precipitates in the grains to contribute to the improvement of the creep rupture strength. If NbC type carbide and NN complex precipitate with VN, the movement of dislocation can be effectively suppressed, so in order to maintain the creep strength in a relatively short time, the Nb content is made 0.02% or more. Moreover, in order to improve the intragranular precipitation strengthening ability by NbC, addition of 0.03% or more of Nb is preferable, and addition of 0.04% or more of Nb is more preferable. On the other hand, when Nb is added in excess of 0.10%, it precipitates as coarse NbC and loses toughness, so the Nb amount is made 0.10% or less. In order to precipitate NbC finely, it is preferable to make the amount of Nb 0.08% or less, more preferably 0.07% or less.

Ta:0.10〜1.00%
TaはNbと同様に炭化物を生成する元素である。TaCは、NbCよりは熱力学的に不安定である事から、あまり高温では析出せず、主にフェライト域、すなわち変態点以下の温度で析出する。このため、Taの体拡散律速支配による析出が主体となり、析出位置はNbCとは異なり、粒界と粒内の双方になる。このうち、粒界に析出するTaCはM23C6型炭化物と同様に、Laves相と共に不連続析出して粒界被覆率を高める効果を有する。すなわち、本発明の中核となる添加元素である。従来の溶接継ぎ手における施工手順を取る限りにおいてはTaCの粒界析出によって、本発明範囲内の鋼はType IV損傷に対する抵抗は従来鋼よりも改善されているが、完全にこれを抑制できるほどには安定な析出物では無く、長時間のクリープ試験で他の炭化物同様粗大化する。
Taを炭化物として析出強化に活用するためには0.10%の添加が必要で有り、好ましくは0.15%を添加する。また、粒界析出強化を最大限に活用する長時間クリープ破断強度を、靱性等の特性を別の技術で向上させてでも発揮させたい場合には0.20%以上の添加が好ましい。
なお、Taの大量添加は熱間加工性の著しい低下を来す。これは粒界でのTaCの粗大析出が原因で有り、これを回避する目的から最大添加量を1.00%とする。材料の高温強度が比較的小さい場合は熱間加工時に加工割れを生じる可能性が有ることから、C添加量が低めの場合は、Ta量は0.70%以下が好ましく、さらに好ましくは0.50%以下である。
Ta: 0.10 to 1.00%
Ta, like Nb, is an element which forms carbides. Since TaC is thermodynamically unstable than NbC, it does not precipitate at a very high temperature, but mainly precipitates in the ferrite region, that is, at a temperature below the transformation point. For this reason, the precipitation based on the body diffusion limited control of Ta becomes the main, the precipitation position differs from NbC, and it becomes both the grain boundary and the inside of the grain. Among them, TaC deposited at grain boundaries has the effect of discontinuously depositing together with the Laves phase to increase the grain boundary coverage, similarly to M 23 C 6 type carbides. That is, it is an additive element that is the core of the present invention. Intergranular precipitation of TaC improves the resistance to Type IV damage of steels within the scope of the present invention over conventional steels as long as the construction procedure in conventional weld joints is taken, but it is possible to completely suppress this. Is not a stable precipitate and coarsens like other carbides in long-term creep test.
In order to utilize Ta as carbides for precipitation strengthening, 0.10% of addition is required, and preferably 0.15% is added. In addition, when it is desired to exhibit long-term creep rupture strength which makes the best use of grain boundary precipitation strengthening and improve characteristics such as toughness by another technique, addition of 0.20% or more is preferable.
In addition, a large amount of addition of Ta causes a marked decrease in hot workability. This is due to coarse precipitation of TaC at grain boundaries, and in order to avoid this, the maximum addition amount is made 1.00%. If the high temperature strength of the material is relatively small, processing cracking may occur during hot working. Therefore, when the amount of C added is relatively low, the amount of Ta is preferably 0.70% or less, more preferably 0. 50% or less.

Co:0.50〜3.00%
Coは、オーステナイト安定化元素であり、焼入れ性を向上させ、靱性を高める元素である。Coは変態点を変化させない唯一の元素であり、本発明者らは転位の易動度を低下させるというCoの効果も知見した。本発明では、クリープ破断強度を高め、フェライト相(δフェライト)の生成を抑制するために、0.50%以上のCoを添加する。Co量は、これら効果を高めるために、0.7%以上が好ましく、より好ましくは1.0%以上を添加する。一方、Coは、σ相の析出を促すことから、Co量を3.0%以下とする。Co量は2.5%以下が好ましく、より好ましくは2.3%以下である。また、原子力発電プラントなど、中性子が照射される環境では、Coが放射化するとともに、中性子照射脆化により靱性が損なわれることがあるため、このような場合は、Co量を1.50%以下にすることが好ましい。
Co: 0.50 to 3.00%
Co is an austenite stabilizing element, and is an element that improves the hardenability and enhances the toughness. Co is the only element that does not change the transformation point, and the present inventors have also found the effect of Co to reduce the dislocation mobility. In the present invention, 0.50% or more of Co is added to increase creep rupture strength and to suppress formation of a ferrite phase (δ ferrite). In order to enhance these effects, the amount of Co is preferably 0.7% or more, more preferably 1.0% or more. On the other hand, Co promotes the precipitation of the σ phase, so the amount of Co is made 3.0% or less. The amount of Co is preferably 2.5% or less, more preferably 2.3% or less. In an environment where neutrons are irradiated, such as nuclear power plants, Co may be activated and toughness may be impaired by neutron irradiation embrittlement. In such a case, the amount of Co is 1.50% or less. It is preferable to

Nd:0.005〜0.05%
NdはMnと結合して、例えば鋼中介在物として靱性に極めて有害な影響を及ぼすMnSの生成を防止する事の出来る元素である。また、粒界に集積しやすく、Sの粒界偏析を緩和して、粒界割れや再熱脆化の防止にも有効となる元素でもある。本発明では、Ndが粒界に集積すると共に、本発明が目的とする粒界被覆率の向上に際して、M23C6型炭化物の析出、FeW型Laves相の析出の際に不純物によってCrやFeが例えば硫化物や燐化物の形で消費されない、という効果を有する。この効果は粒界析出するTaについても同様に作用する。すなわち、Ndも本発明の効果を高める上で重要な元素である。
このような粒界の不純物偏析緩和効果は、Ndを0.005%以上添加することで発現する。粒界偏析しやすい元素であるSおよびPの濃度が比較的高い場合には、0.010%以上添加することが好ましい。更に好ましくは0.015%以上を添加する。
なお、Ndを高濃度で添加すると、NdSを形成して、かえって粒界脆化を助長する場合があるとこから、その添加上限を0.05%とする。また、NdOの生成によって靱性が低下するような高酸素濃度の場合には、0.045%以下の添加が好ましい。
Nd: 0.005 to 0.05%
Nd is an element that can be combined with Mn to prevent the formation of MnS that extremely adversely affects toughness, for example, as inclusions in steel. It is also an element which is easy to be accumulated in grain boundaries and which is effective in preventing grain boundary segregation and reheat embrittlement by alleviating grain boundary segregation of S. In the present invention, when Nd is accumulated at grain boundaries and the grain boundary coverage intended by the present invention is improved, precipitation of M 23 C 6- type carbides and precipitation of Fe 2 W-type Laves phase cause impurities due to impurities Cr. And Fe is not consumed, for example, in the form of sulfide or phosphide. This effect also works on Ta precipitated at grain boundaries. That is, Nd is also an important element in enhancing the effect of the present invention.
Such an effect of alleviating impurity segregation at grain boundaries is manifested by adding Nd of 0.005% or more. In the case where the concentration of S and P, which are elements that easily cause grain boundary segregation, is relatively high, it is preferable to add 0.010% or more. More preferably, 0.015% or more is added.
When Nd is added at a high concentration, NdS is formed, which may rather promote intergranular embrittlement. Therefore, the upper limit of addition is made 0.05%. In the case of a high oxygen concentration where the toughness is lowered by the formation of NdO, the addition of 0.045% or less is preferable.

本発明では、スクラップなどの冷鉄源や、耐火物から不純物として混入するMo、Ni、Cu、Alの含有量を以下の範囲に制限する。   In the present invention, the content of cold iron source such as scrap and Mo, Ni, Cu and Al mixed as impurities from a refractory is limited to the following range.

Mo:0.030以下
Moは、FeWや炭化物M23に一部固溶し、また同時にMoC、MoC型の炭化物を生成させ、析出物の粗大化を促進し、長期のクリープ特性に悪影響を及ぼすため、含有量を0.05%以下に制限する。Moを主体とする硼化物は粗大化しやすく、クリープ破断強度を低下させるので、Mo量を0.03%以下と制限することが好ましい。また、Moは、中性子照射により放射化して鋼を脆化させる元素であることから、原子力発電プラント等に使用する際には、Mo量を0.01%以下に制限することがより好ましい。
Mo: 0.030 or less Mo partially dissolves in Fe 2 W and carbide M 23 C 6 and at the same time forms carbides of the Mo 2 C and Mo 6 C types and promotes the coarsening of precipitates, The content is limited to 0.05% or less in order to adversely affect long-term creep characteristics. It is preferable to limit the Mo content to 0.03% or less because borides mainly composed of Mo tend to coarsen and reduce creep rupture strength. Moreover, since Mo is an element which is activated by neutron irradiation to embrittle steel, it is more preferable to limit the amount of Mo to 0.01% or less when used in a nuclear power plant or the like.

Ni:0.10%以下
Niは、靭性の向上や、オーステナイトの安定化に有効な元素であるが、転位の易動度を高め、クリープ破断強度を著しく低下させることから、本発明ではその含有量を制限する。本発明では、長時間のクリープ破断強度の低下を抑制するため、Ni量を0.10%以下に制限する。クリープ特性を高めるには、Niの含有量は、0.05%以下に制限することがより好ましく、更に好ましくは0.03%以下に制限する。
Ni: 0.10% or less Ni is an element effective for improving toughness and stabilizing austenite, but it increases the mobility of dislocations and significantly reduces the creep rupture strength. Limit the amount. In the present invention, the amount of Ni is limited to 0.10% or less in order to suppress a decrease in creep rupture strength for a long time. In order to enhance the creep characteristics, the content of Ni is more preferably limited to 0.05% or less, still more preferably to 0.03% or less.

Cu:0.05%未満
Cuは、オーステナイトの安定化に有効な元素であるが、本発明のように焼準し−焼戻しにて製造する場合は、鋼中にε−Cu(金属Cu)として単独で析出する。熱間加工時に1100℃以上に加熱されると、鉄が選択的に酸化され、Cuが粒界に集まった場合には局部的な低融点金属集積帯が形成され、粒界剥離割れを誘引する(赤熱脆性)ことがある。このように、本発明では、Cuは、オーステナイトの安定化への寄与が小さく、熱間加工性が低下することから、Cu量を0.05%未満に制限する。製造性を高めるには、Cuの含有量は、0.03%以下に制限することがより好ましく、更に好ましくは0.01%以下に制限する。
Cu: less than 0.05% Cu is an element effective for the stabilization of austenite, but when it is produced by normalizing-tempering as in the present invention, it is used as ε-Cu (metallic Cu) in steel It precipitates alone. When heated to 1100 ° C or higher during hot working, iron is selectively oxidized, and when Cu gathers at grain boundaries, a local low melting point metal accumulation zone is formed, which induces intergranular delamination cracking. (Red-hot brittle) may occur. Thus, in the present invention, Cu has a small contribution to the stabilization of austenite, and the hot workability is reduced, so the amount of Cu is limited to less than 0.05%. In order to enhance the manufacturability, the content of Cu is more preferably limited to 0.03% or less, still more preferably 0.01% or less.

Al:0.005%以下
Alは、本発明ではNと結合し、VNによる析出強化を阻害し、粒内強化の効果を低下させるため、その含有量を0.005%以下と制限する。微量のAlによってクリープ破断強度が低下するため、Al量は、0.003%以下に制限することが好ましく、0.002%以下に制限することがより好ましい。
Al: 0.005% or less Al binds to N in the present invention, inhibits precipitation strengthening by VN, and reduces the effect of intragranular strengthening, so the content thereof is limited to 0.005% or less. Since the creep rupture strength is reduced by a small amount of Al, the Al content is preferably limited to 0.003% or less, more preferably 0.002% or less.

また、本発明においては、P、S、Oは不純物であることから、含有量を以下のように制限する。   Further, in the present invention, since P, S and O are impurities, the content is limited as follows.

P:0.020%以下
Pは、粒界に偏析し、粒界破壊を助長して靱性を低下させるため、含有量を0.020%未満に制限する。
P: 0.020% or less P segregates at grain boundaries, promotes intergranular fracture and lowers toughness, so the content is limited to less than 0.020%.

S:0.010%以下
Sは、Mnと結合し、粗大なMnSの形成による靱性の低下を防止するため、含有量を0.010%未満に制限する。
S: 0.010% or less S combines with Mn to limit the content to less than 0.010% in order to prevent the decrease in toughness due to the formation of coarse MnS.

O:0.010%以下
Oは、脆性破壊の起点となる酸化物のクラスターを形成し、靭性を低下させるため、含有量を0.010%未満に制限する。
O: 0.010% or less O forms an oxide cluster that is a starting point of brittle fracture and reduces the toughness, so the content is limited to less than 0.010%.

本発明では、必要に応じて、Nを固定するために、Ti、Zrの一方又は両方を添加することができる。   In the present invention, if necessary, one or both of Ti and Zr can be added to fix N.

Ti:0.005〜0.15%
Tiは、Bに比べてNとの親和力が極めて強い元素である。TiNの形成によってBNの析出を抑制し、炭化物の粗大化を抑制するBの効果を高めるために、Tiを0.005%以上添加することが好ましい。より好ましくは、Ti量を0.010%以上とする。一方、Tiを過剰に添加すると、粗大なTiCが析出し、靭性が低下することがあるため、添加量を0.15%以下とすることが好ましい。より好ましいTi量は0.10%以下であり、更に好ましい上限は0.08%以下である。
Ti: 0.005 to 0.15%
Ti is an element having a very high affinity for N compared to B. In order to suppress the precipitation of BN by the formation of TiN and enhance the effect of B to suppress the coarsening of carbides, it is preferable to add Ti in an amount of 0.005% or more. More preferably, the amount of Ti is made 0.010% or more. On the other hand, when Ti is added excessively, coarse TiC precipitates and toughness may decrease, so the addition amount is preferably made 0.15% or less. A more preferable Ti amount is 0.10% or less, and a still more preferable upper limit is 0.08% or less.

Zr:0.005〜0.15%
Zrは、Tiよりも更にNとの親和力が強く、Bの効果を高めるために、0.005%以上を添加することが好ましい。より好ましくは0.015%のZrを添加する。一方、Zrを過剰に添加すると、粗大な酸化物が生じて、靭性を損なうことがあるため、添加量を0.15%以下にすることが好ましい。靱性の安定という観点からは、より好ましいZr量は0.10%以下であり、更に好ましいZr量は0.08%以下である。
Zr: 0.005 to 0.15%
Zr has a stronger affinity for N than Ti, and in order to enhance the effect of B, it is preferable to add 0.005% or more. More preferably, 0.015% of Zr is added. On the other hand, excessive addition of Zr results in formation of coarse oxides, which may impair toughness. Therefore, the addition amount is preferably made 0.15% or less. From the viewpoint of stability of toughness, the more preferable amount of Zr is 0.10% or less, and the more preferable amount of Zr is 0.08% or less.

更に、本発明では酸化物や硫化物などの介在物の形態を制御するため、Ca、Mg、Y、Ce、Laの1種又は2種以上を添加することが好ましい。   Furthermore, in the present invention, in order to control the form of inclusions such as oxides and sulfides, it is preferable to add one or more of Ca, Mg, Y, Ce and La.

Ca、Mg:0.0003〜0.0050%
Y、Ce、La:0.0100〜0.0500%
Ca、Mg、Y、Ce、Laは、硫化物の形態制御に用いられる元素であり、MnSによる熱間加工性や靭性の低下を抑制するために、1種又は2種以上を添加することが好ましい。特に、板厚中心部において圧延方向に延伸したMnSの生成を防止するため、それぞれ、CaとMgは0.0003%以上、Y,Ce,Laは0.010%以上添加することが好ましい。一方、Ca、Mg、Y、Ce、Laは、強力な脱酸元素でもあり、過剰に添加すると酸化物のクラスターが生成し、靱性を低下させることがあるため、それぞれ、Ca,Mgについては0.0050%以下、Y,Ce,Laについては0.0500%以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ca,Mgは0.0040%以下、Y,Ce,Laは0.0300%以下であり、Y,Ce,Laは、更に好ましくは0.0200%以下とする。
Ca, Mg: 0.0003 to 0.0050%
Y, Ce, La: 0.0100 to 0.0050%
Ca, Mg, Y, Ce, La are elements used to control the morphology of sulfides, and one or more of them may be added to suppress the decrease in hot workability and toughness due to MnS. preferable. In particular, in order to prevent the formation of MnS stretched in the rolling direction at the center of the plate thickness, it is preferable to add Ca and Mg at 0.0003% or more, and Y, Ce and La at 0.010% or more. On the other hand, Ca, Mg, Y, Ce and La are also strong deoxidizing elements, and when added in excess, oxide clusters may be formed to lower the toughness, so 0 for Ca and Mg, respectively. It is preferable to set the content to not more than .0050% and to not more than 0.0050% for Y, Ce, and La. More preferably, Ca, Mg is 0.0040% or less, Y, Ce, La is 0.0300% or less, and Y, Ce, La is more preferably 0.0200% or less.

上述してきた本実施形態及び他の実施形態においては、上記した元素以外の残部は実質的にFeからなり、不可避不純物をはじめ、本発明の作用効果を害さない元素を微量に添加することができる。   In the present embodiment and the other embodiments described above, the balance other than the above-described elements substantially consists of Fe, and it is possible to add a trace amount of elements that do not harm the effects of the present invention, including unavoidable impurities. .

次に、本発明の構造体の製造方法における、熱間加工方法について説明する。
具体的には、上述した化学組成を有する鋼片を900℃〜1100℃に加熱し、熱間圧延して板厚5mm以上の鋼板とする。その後は、上述したような条件にて、溶接前熱処理および溶接、そして溶接後熱処理を施すことで、本発明の構造体を製造できる。
Next, a hot working method in the method of manufacturing a structure of the present invention will be described.
Specifically, a steel piece having the above-described chemical composition is heated to 900 ° C. to 1100 ° C. and hot-rolled to form a steel plate having a thickness of 5 mm or more. After that, the structure of the present invention can be manufactured by applying a heat treatment before welding and welding, and a heat treatment after welding under the conditions as described above.

本発明はTaを含有するすることを特徴とする。Taは既に述べたごとく粒界に析出して粒界被覆率を向上させ、長時間のクリープ変形において粒界移動後に析出物列として材料のクリープ強度向上に寄与する。また、この性質がType IV損傷の防止にも有効に作用し、M23C6型炭化物とともに粗大化を防止することで、溶接熱影響部を完全に母材同等にすることができるのである。ただし、Taは高温、特に熱間圧延の予加熱(通常1100〜1300℃)において窒化物として析出する性質がある。したがってTaを多く含有する材料においてはTaNの粒界析出による熱間加工割れ(圧延割れ)を防止するための注意が必要である。この現象は本発明の開発段階で初めて知見された。
従来、Taを添加することで熱間加工性が低下するという知見は全く得られていない。そこで、熱間加工性を確実に確保するために、熱間圧延前の最高加熱温度を1100℃以下に低下させて、TaNの粗大化を防止することとした。一方で熱間圧延前の加熱温度の低下は鋼材の圧延中の強度を上昇させて、圧延終了時のロール反力を高める。このため、熱間圧延そのものが困難になり、場合によっては熱間圧延が出来ない(ミル剛性が追従できず、圧下出来ない)という事態を生じる。従って、熱間圧延終了温度の管理も重要である。
The present invention is characterized by containing Ta. As described above, Ta precipitates at grain boundaries to improve the grain boundary coverage, and contributes to the improvement of creep strength of the material as precipitate series after grain boundary movement in long-term creep deformation. Moreover, this property also works effectively to prevent Type IV damage, and by preventing coarsening together with the M 23 C 6 type carbide, the weld heat affected zone can be made completely equivalent to the base metal. However, Ta has the property of precipitating as a nitride at high temperatures, particularly at preheating (usually 1100 to 1300 ° C.) of hot rolling. Therefore, in a material containing a large amount of Ta, care must be taken to prevent hot working cracking (rolling cracking) due to grain boundary precipitation of TaN. This phenomenon was first found at the development stage of the present invention.
Heretofore, it has not been found at all that the addition of Ta lowers the hot workability. Therefore, in order to ensure the hot workability, the maximum heating temperature before hot rolling is lowered to 1100 ° C. or less to prevent the coarsening of TaN. On the other hand, the reduction of the heating temperature before the hot rolling raises the strength during rolling of the steel material and raises the roll reaction force at the end of the rolling. For this reason, the hot rolling itself becomes difficult, and in some cases, the situation that the hot rolling can not be performed (the mill stiffness can not follow and can not be reduced) occurs. Therefore, management of the hot rolling end temperature is also important.

図11は、本発明範囲内の組成を有する鋼片において、熱間圧延温度と熱間圧延時の鋼板の状態を模式的に説明するための図(グラフ)であり、縦軸には計測されるロール反力、横軸には熱間圧延時の各圧下パス後の鋼板表面温度を示し、グラフ中には、鋼板の表面の状態(熱間加工割れ有り●、割れ無し○、熱間加工割れ有り(熱間圧延不可)×)を示した。
熱間圧延時の温度は900℃から1100℃の場合に、鋼板表面に割れが発生せず、1100℃よりも高い場合に加工割れ(TaNの粒界析出脆化)が生じ、900℃よりも低い場合には圧延が出来ずに試験が中断に至ることがわかる。すなわち、熱間圧延で製造する際に、抽出温度を1100℃以下、圧延終了温度を900℃以上とする必要があることがわかる。この範囲を逸脱する温度となる場合は、鋼板を冷却するか(圧延を待機する)または加熱炉で再加熱する必要があることがわかる。
なお、図11は実験室規模の小型熱間圧延機で実施した結果で有り、ロール反力の絶対値は実機製造装置との関係を持たないが、ロール直径と板幅、板厚を実機に整合させ、同時にミル剛性との比を実機に合わせてあることから、圧延条件におけるロール反力は最大反力に対する比として、実機の熱間加工割れを再現できる機能を備えている。この比からは、高温圧延(1100℃以上)においては最大ロール反力の80%で鋼板が割れており、ミル剛性が原因では無いことと、低温では100%を超える場合がある事から、ミル能力を超える圧延負荷によって熱間圧延が出来なかったと解釈できる。
FIG. 11 is a diagram (graph) for schematically explaining the hot rolling temperature and the state of the steel plate at the time of hot rolling in a steel slab having a composition within the range of the present invention, and the vertical axis is measured Shows the surface temperature of the steel sheet after each rolling pass at the time of hot rolling on the horizontal axis, and in the graph, the state of the surface of the steel sheet (with hot working cracks ●, no cracks ○, hot working Cracked (not hot-rolled) ×) was shown.
When the temperature during hot rolling is 900 ° C. to 1100 ° C., no cracking occurs on the surface of the steel plate, and if it is higher than 1100 ° C., working cracking (grain boundary precipitation embrittlement of TaN) occurs, more than 900 ° C. When it is low, it can be understood that the test can not be performed because the rolling can not be performed. That is, when manufacturing by hot rolling, it turns out that it is necessary to make extraction temperature 1100 ° C or less and end temperature of rolling 900 ° C or more. If the temperature deviates from this range, it is understood that it is necessary to cool the steel plate (stand by for rolling) or to reheat it in the heating furnace.
Note that FIG. 11 shows the results of a small scale hot rolling machine of laboratory scale, and the absolute value of the roll reaction force has no relation with the actual machine manufacturing apparatus, but the roll diameter, the plate width and the plate thickness Since the ratio to the rigidity of the mill is matched to the actual machine at the same time, the roll reaction force under rolling conditions has a function capable of reproducing the hot working crack of the actual machine as a ratio to the maximum reaction force. From this ratio, the steel plate is cracked at 80% of the maximum roll reaction force in high temperature rolling (1100 ° C or more), and the mill rigidity is not the cause, and it may exceed 100% at low temperature. It can be interpreted that the hot rolling could not be performed due to the rolling load exceeding the capacity.

以上、本実施形態に係る高強度フェライト系耐熱鋼構造体およびその製造方法について説明してきたが、本発明において、開先形状は特に限定せずとも本発明の効果は十分に発揮できる。すなわち、本実施形態で説明した「V開先」のほか、「X開先」、「I開先」、「K開先」など、用途やサイズ等によって適宜選択してよい。   As mentioned above, although the high strength ferritic heat resistant steel structure concerning this embodiment and its manufacturing method were explained, in the present invention, the effect of the present invention can fully be exhibited, without limiting the groove shape in particular. That is, in addition to the "V groove" described in the present embodiment, the "X groove", "I groove", "K groove", etc. may be appropriately selected depending on the application, size, and the like.

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
なお、以下に示す実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。また本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.
The conditions in the following examples are one condition example adopted to confirm the practicability and effects of the present invention, and the present invention is not limited to this one condition example. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the scope of the present invention.

表3、4に示す化学成分を有する鋼を、電気炉による溶解、または銑鋼一貫工程を有する製造プロセスにより、溶解−鋳造してインゴットとなした。続いてこのインゴットを、表5に示す圧延前予加熱温度に予熱後、表5に示す熱間加工終了温度にて、熱間圧延または熱間鍛造によって必要な形状である鋼管または鋼板の形状に熱間加工した。その後、1000℃〜1180℃の温度範囲にて「焼準し」して鋼中にマルテンサイト組織を形成し、続いて720℃〜760℃の温度範囲にて1時間以上焼戻すことにより組織を「焼戻しマルテンサイト」単相とし、同時に材料を軟化させた後に、鋼管または鋼板を焼戻し温度以下の温度に再加熱して実施する熱間加工あるいは冷間での加工を施して所望する最終形状を得た。表5に得られた構造体の最終形状(「鋼管」または「鋼板」)を示す。   Steels having the chemical components shown in Tables 3 and 4 were melted and cast into ingots by melting with an electric furnace or by a manufacturing process having a molten steel consistent process. Subsequently, this ingot is preheated to a pre-rolling pre-rolling temperature shown in Table 5 and then formed into a steel pipe or steel plate having a required shape by hot rolling or hot forging at a hot working finish temperature shown in Table 5 Hot processed. Thereafter, "normalizing" at a temperature range of 1000 ° C. to 1180 ° C. to form a martensitic structure in the steel, and subsequently tempering at a temperature range of 720 ° C. to 760 ° C. for 1 hour or more. "Tempered martensite" single phase and simultaneously soften the material, then apply heat or cold working to reheat the steel pipe or steel plate to a temperature below the tempering temperature to obtain the desired final shape Obtained. Table 5 shows the final shape (“steel pipe” or “steel plate”) of the obtained structure.

これら加工の終了した鋼管または鋼板に溶接開先を加工し、表5に記載の条件で「溶接前熱処理」した。使用した開先はV開先で、開先面の角度は片側15°、ルートの突合せ部は厚み1mmとした。
その後に、溶接入熱量を約0.5〜5.0kJ/mmとし、GTAW(タングステン電極を用いたガスシールド方式被覆アーク溶接)またはSMAW(手棒式被覆アーク溶接),SAW(被覆アーク溶接)を用いて溶接した。
続けて表5に示した条件で溶接後熱処理を継手に実施した。なお、溶接金属にはインコロイ800(登録商標)Ni基合金を用いた。
The welding groove was processed into the steel pipe or steel plate which these processing completed, and "the heat treatment before welding" was performed on the conditions of Table 5. The groove used was V-groove, and the angle of the groove surface was 15 ° on one side, and the abutment portion of the route was 1 mm in thickness.
After that, the welding heat input is about 0.5 to 5.0 kJ / mm, and GTAW (gas shield system coated arc welding using tungsten electrode) or SMAW (hand bar type coated arc welding), SAW (coated arc welding) Welded using
Subsequently, post weld heat treatment was performed on the joint under the conditions shown in Table 5. Incoloy 800 (registered trademark) Ni-based alloy was used as the weld metal.

溶接継手のクリープ特性を測定する目的で、平行部直径6mm、平行部長さ30mmのツバ付き丸棒試験片を、溶接継手の熱影響部が平行部内に存在するように、溶接方向と垂直な方向で、鋼管または鋼板の板厚方向と垂直な方向から採取して、700℃1千時間のクリープ試験(本発明の溶接継手の曝される想定環境である650℃、10万時間相当のクリープ試験とほぼ等価な組織変化を材料に与えると想定する条件)を実施した。   In order to measure the creep properties of welded joints, a flanged round bar test piece with a diameter of 6 mm in parallel and a length of 30 mm in parallel is oriented perpendicular to the welding direction so that the heat-affected zone of the welded joint is in the parallel. In a direction perpendicular to the thickness direction of the steel pipe or steel plate, and subjected to a creep test at 700 ° C. for 1 thousand hours (a creep test equivalent to 100,000 hours corresponding to 650 ° C., an assumed environment to which the welded joint of the present invention is exposed Conditions were assumed to give the material a structural change substantially equivalent to

また、同様に母鋼ではJIS Z2242に記載の2mmVノッチCharpy衝撃試験を、10mm角,55mm長さの試験片中央部に45°のV開先を施したものについて、室温で実施した。母鋼には構造体として加工するための目安として、室温にて27J以上の吸収エネルギーが必要とされることから、そのしきい値を27Jとした。結果を表6にBCH(J)として示す。
なお、溶接継手の溶接熱影響部界面の靱性評価のために、母鋼と同様にJIS Z2242に記載の方法と試験片形状に従い、試験片を板厚中心位置より採取し、吸収エネルギーを室温で測定した。ノッチは、溶接継手金属と溶接熱影響部の界面が、板厚中心の線と交わる点(境界面を基準とした板厚中心位置)を目安とし、板厚方向と水平になる様に加工した。しきい値は、火力発電用部材の加工時の割れが発生しない最低吸収エネルギーとされる、20℃、27Jとした。結果を表6にWCH(J)として示す。
Similarly, for a base steel, a 2 mm V-notch Charpy impact test described in JIS Z2242 was carried out at room temperature on a 10 mm square, 55 mm long test piece with a 45 ° V groove. Since the base steel requires an absorbed energy of 27 J or more at room temperature as a standard for processing as a structure, its threshold value is 27 J. The results are shown in Table 6 as BCH (J).
In addition, in order to evaluate the toughness of the weld heat affected zone interface of a welded joint, according to the method and test piece shape described in JIS Z2242 as in the case of the base steel, the test piece is sampled from the thickness center position and the absorbed energy at room temperature It was measured. The notch is processed so that it is horizontal to the plate thickness direction with the point at which the interface between the weld joint metal and the weld heat affected zone intersects the line at the plate thickness center (plate thickness center position with reference to the interface). . The threshold value was set to 20 ° C., 27 J, which is the minimum absorbed energy at which cracking does not occur during processing of the thermal power generation member. The results are shown in Table 6 as WCH (J).

また、母鋼の特性については、溶接継手の場合と同じ形状のクリープ試験片を、溶接しない鋼から、平行部が全て母鋼の組織となるように、溶接開先を形成しない部位より採取して、溶接継手と同一の試験条件にてクリープ試験を実施して評価している。母鋼は650℃10万時間で80MPa以上のクリープ強度を有する事が、700℃1千時間の温度加速クリープ試験で確認できているので、母鋼のクリープ強度のしきい値は80MPaとした。 結果を表6にBCR(MPa)として示した。   In addition, for the properties of the base steel, creep test specimens of the same shape as in the case of the welded joint are taken from the non-welded steel from the part where the weld groove is not formed so that all parallel parts have the structure of the base steel. The creep test is conducted and evaluated under the same test conditions as the welded joint. The fact that the base steel has a creep strength of 80 MPa or more at 650 ° C. for 100,000 hours can be confirmed by the temperature accelerated creep test at 700 ° C. for 1,000 hours, so the creep strength threshold value of the base steel was 80 MPa. The results are shown in Table 6 as BCR (MPa).

さらに、構造体の残留γ量をX線回折ピーク高さ検量線法によって測定した。なお、開先より溶接線に直交する方向に向かって、溶接金属、HAZ、母材を含むよう10点測定し、5点以上、すなわち鋼管の長さまたは鋼板の幅の50%以上の部位で残留γの量が0.2体積%以下の場合を良好なものとして判断した。
結果を表6にRAAとして示す。表中の「○」は良好、「×」は不良であったことを示す。
Furthermore, the residual γ amount of the structure was measured by the X-ray diffraction peak height calibration curve method. In addition, 10 points are measured to include the weld metal, HAZ, and base material in the direction perpendicular to the weld line from the groove, and 5 points or more, that is, 50% or more of the length of the steel pipe or the width of the steel plate The case where the amount of residual γ was 0.2% by volume or less was judged as good.
The results are shown in Table 6 as RAA. "(Circle)" in a table | surface shows that it was favorable and "x" was defect.

溶接後熱処理をした後、溶接線に対し垂直な断面で切断し、メタルフロー腐食を行い、HAZを現出した。HAZから、鋼試料を採取し、電子顕微鏡用試料に加工した後、走査型電子顕微鏡を用いて粒界のM23C6系炭化物およびTaCの占有率(被覆率)を測定した。この場合のM23C6系炭化物およびTaCの特定は、EDX(電子線散乱型X線分光分析装置)および電解抽出残渣のX線回折による反射ピークのパターン解析で実施した。また、走査型電子顕微鏡観察の前に、あらかじめ粒界の隣接結集粒同士の角度をEBSD(電子線後方散乱回折装置)にて解析しておき、M23C6系炭化物およびTaCによる被覆率を測定している粒界が大角粒界、特に110共通回転軸周りの角度が60゜、54゜であることを確認した。今回の試験では16゜の粒界がほとんど確認できなかったためである。 After heat treatment after welding, it was cut at a cross section perpendicular to the weld line and metal flow corrosion was performed to reveal HAZ. After taking a steel sample from HAZ and processing it into a sample for electron microscopy, the occupancy (coverage) of M 23 C 6 system carbides and TaC at grain boundaries was measured using a scanning electron microscope. In this case, the specification of M 23 C 6 system carbides and TaC was carried out by pattern analysis of reflection peaks by X-ray diffraction of EDX (electron beam scattering X-ray spectrometer) and electrolytic extraction residue. In addition, before observation with a scanning electron microscope, the angles of adjacent conglomerates in the grain boundary are previously analyzed by EBSD (electron beam backscattering diffractometer), and the coverage by M 23 C 6 system carbide and TaC is It was confirmed that the grain boundaries being measured were large angle grain boundaries, in particular, the angles around the 110 common rotation axis were 60 ° and 54 °. This is because the 16 ° grain boundaries could hardly be confirmed in this test.

また、前記大角粒界上の析出物間距離については、前記顕微鏡観察によって得られたM23C6系炭化物およびTaCの観察結果から、画像上で粒子間隔を図2に示す要領で測定し、その間隔は粒子が境界面上に正方形分布をしていると仮定して、簡易に下記式(2)として近似した。 Further, the inter-precipitate distance on the large angle grain boundary is measured on the image in the manner shown in FIG. 2 from the observation result of the M 23 C 6 system carbide and TaC obtained by the above-mentioned microscopic observation, The distance was approximated easily as the following formula (2), assuming that the particles had a square distribution on the boundary surface.

λave=1.4[lave−[dave ・・・・・ (2)
ここで、[laveは平均粒子中心間距離(nm)、[daveは粒子の平均直径(nm)である。λaveが平均粒子表面間距離(nm)となる。
λ ave = 1.4 [l s ] ave − [d s ] ave (2)
Here, [l s ] ave is the mean particle center-to-center distance (nm), and [d s ] ave is the mean particle diameter (nm). λ ave is the average particle surface distance (nm).

表7には本願発明の骨子となる、溶接熱影響部の前記大角粒界上に析出したM23C6系炭化物およびTaCの円相当平均粒径R(nm)、前記大角粒界上の同析出物による長さ占有率P(%)、同析出物の前記大角粒界上における粒子表面間距離DP(nm)、溶接継手の700℃1千時間のクリープ強度と母材のクリープ破断強度(BCR)の比を100分率にて%で表してCRHAZとして示した。CRHAZは理論的には100%を超えないが、温度加速試験の精度の関係から100%を超える場合も推定値のばらつきの範囲としてあり得る。 Table 7 shows the essence of the present invention, the circle equivalent average particle diameter R (nm) of M 23 C 6 system carbide and TaC deposited on the large angle grain boundary of the welding heat affected zone, the same on the large angle grain boundary Length occupancy ratio P (%) by precipitate, distance DP between particles surface on the large angle grain boundary of the same precipitate (nm), creep strength of weld joint at 700 ° C for 1 hour and creep rupture strength of base material ( The ratio of BCR) is expressed as CRHAZ, expressed as% at 100%. Although CRHAZ theoretically does not exceed 100%, it may be possible as a range of variation of estimated values if it exceeds 100% because of the accuracy of the temperature accelerated test.

なお、本願発明では本願発明の効果が発揮されていることを判定するに際して、溶接継手の温度促進クリープ試験(700℃1千時間の、650℃10万時間相当クリープ試験を称して温度促進クリープ試験ともいう)結果が、ASME規格、ASTM規格等が定める母材のクリープ強度の許容ばらつき範囲である5%を下回らないことを目安とした。
なお、実際にはクリープ破断試験片の破面観察も同時に実施し、Type IV損傷発生有無も同時に確認したが、前記判定基準で合格となる、溶接継手のクリープ破断強度の温度促進クリープ試験における強度が母材のクリープ破断試験強度の5%以内である場合、Type IV損傷が発生していないことを確認した。すなわち、HAZ外縁に沿って、クリープボイドの連結した低延性破面が生成していないことを確認した。
また、表5に、溶接継手に施した溶接前熱処理の条件(施工した溶接開先中心からの片側の幅または長さ、熱処理温度、熱処理時間)および溶接後熱処理条件(溶接後熱処理温度、後熱処理時間)を記載した。さらに、熱間圧延条件(圧延前予加熱温度、熱間加工終了温度)についても記載した。
In the present invention, when it is judged that the effect of the present invention is exhibited, temperature-accelerated creep test of weld joint (temperature-promoted creep test in the name of creep test equivalent to 650 ° C. for 100,000 hours at 700 ° C. for one thousand hours) It is also considered that the result does not fall below 5% which is the allowable variation range of the creep strength of the base material specified by ASME standard, ASTM standard or the like.
In addition, although the fracture surface observation of the creep rupture test piece was actually carried out simultaneously and the occurrence of Type IV damage was also confirmed at the same time, the strength in the temperature accelerated creep test of the creep rupture strength of the welded joint which passes the above judgment criteria. When it was within 5% of the creep rupture test strength of the base material, it was confirmed that Type IV damage did not occur. That is, it was confirmed that a creep void connected low ductility fracture surface was not generated along the HAZ outer edge.
In Table 5, the conditions for heat treatment before welding applied to welded joints (width or length of one side from the center of the welded groove, heat treatment temperature, heat treatment time) and heat treatment conditions after welding (heat treatment temperature after welding, after) The heat treatment time was described. Furthermore, the hot rolling conditions (pre-rolling preheating temperature, hot working finish temperature) are also described.

表8、9には、比較鋼の化学成分を、表10、11にはその溶接継手製造条件と溶接前熱処置条件、溶接後熱処理条件、熱間加工条件(圧延前予加熱温度、熱間加工終了温度)を表5と同様に示した。
なお、表3、4に示した化学成分の本発明鋼の細粒HAZにおいて前記大角粒界上に観察されたM23C6系炭化物の化学組成の内、Mの構成は、実質的に70%以上がCr,Fe,Wからなっていることを、別途溶接継手の評価用クリープ試験片作成の際に透過電視顕微鏡観察用試験片も採取して、1万倍の倍率にてEDX分析(エネルギー分散型X線分析器)とあわせて確認した。この組成は本発明に係る溶接後熱処理条件を満たさない場合には逸脱する場合があって、特にMnを主体とするM23C6系炭化物を生成してしまうと、その粗大化が著しく早いことから、溶接継手のクリープ破断強度が低下してしまうため、留意すべき点である。
Tables 8 and 9 show the chemical components of the comparative steels, and Tables 10 and 11 show the weld joint manufacturing conditions and the heat treatment conditions before welding, the heat treatment conditions after welding, the hot working conditions (preheating temperature before rolling, hot The processing end temperature) is shown as in Table 5.
Of the chemical compositions of the M 23 C 6 -based carbides observed on the large angle grain boundaries in the fine grain HAZ of the present invention steel having the chemical components shown in Tables 3 and 4, the constitution of M is substantially 70 %, At the time of preparing a creep test piece for evaluation of a welded joint separately that at least 1% consists of Cr, Fe, W, a test piece for TEM observation is also collected, and EDX analysis (magnification of 10,000 times) ( It confirmed together with the energy dispersive X-ray analyzer. This composition may deviate when the post-welding heat treatment conditions according to the present invention are not satisfied, and in particular, when M 23 C 6- based carbides mainly composed of Mn are formed, their coarsening is extremely fast. Therefore, it should be noted that the creep rupture strength of the welded joint is lowered.

表12には、表6と同様に、母材のクリープ破断強度BCR(MPa)、溶接継手溶接熱影響部界面のクリープ試験前のシャルピー吸収エネルギーWCH(J)、母材のシャルピー吸収エネルギーBCH(J)、構造体の残留γ量の評価結果RAAを示した。表13には、表7と同様に、溶接熱影響部の大角粒界上に析出したM23C6系炭化物の円相当平均粒径R(nm)、大角粒界上の同析出物による長さ占有率(被覆率)P(%)、溶接継手の700℃1千時間のクリープ強度と母材のクリープ破断強度の比を100分率にて%で表してCRHAZとして示した。 In Table 12, similarly to Table 6, the creep rupture strength BCR (MPa) of the base material, the Charpy absorbed energy WCH (J) before the creep test of the weld heat affected zone interface of the welded joint, the Charpy absorbed energy BCH of the base material J) An evaluation result RAA of the residual γ amount of the structure is shown. In Table 13, as in Table 7, the circle equivalent average particle diameter R (nm) of M 23 C 6- based carbides precipitated on the large angle grain boundaries of the weld heat affected zone, the length by the same precipitate on the large angle grain boundaries The percentage of area occupancy (coverage) P (%), the ratio of the creep strength of a weld joint at 700 ° C. for 1 thousand hours to the creep rupture strength of a base metal in 100%, is shown as CRHAZ.

比較溶接継手の内、51は母鋼のC濃度が0.01%以下と不十分で、母鋼自体のクリープ強度が低下した例であり、52はCが0.12%を超えて含有したため,M23C6型炭化物の電視顕微鏡観察における円相当直径が300nmを超えて粗大化したため、鋼のクリープ破断強度が、溶接継手も含めて低下した例である。 Among the comparative weld joints, 51 is an example in which the C concentration of the base steel is insufficient as 0.01% or less and the creep strength of the base steel itself is lowered, and 52 is because C contained over 0.12%. This is an example in which the creep rupture strength of the steel, including the welded joint, is lowered because the equivalent circle diameter in the electromicroscopy observation of the M 23 C 6 type carbides is coarsened to exceed 300 nm.

53はSiの添加量が0.02%よりも低く、脱酸が不十分となって、粗大な酸化物のクラスターが生成し母鋼ならびに溶接継手の靱性が低下した例であり、54はSi添加量が過剰となり、FeWの析出が促進されて母鋼のクリープ強度が低下した例である。 53 is an example in which the addition amount of Si is lower than 0.02%, deoxidation is insufficient, coarse oxide clusters are formed, and the toughness of the base steel and the weld joint is lowered, and 54 is Si This is an example in which the addition amount is excessive, the precipitation of Fe 2 W is promoted, and the creep strength of the base steel is lowered.

55はMnの添加量が不足し、脱酸が不十分となって酸化物のクラスターが母鋼に生成し、母鋼の靱性が低下した例であり、56はMn添加量が過多となって母鋼のクリープ強度が低下した例である。   55 is an example in which the addition amount of Mn is insufficient, deoxidation is insufficient and oxide clusters are formed in the base steel, and the toughness of the base steel is lowered, and 56 is excessive addition of Mn This is an example in which the creep strength of the base steel decreases.

57、58はそれぞれ不純物元素であるPとSを本願発明の範囲を超えて含有したため、何れも母鋼のクリープ強度が低下した例である。
59は不純物としてのNi含有量が過多となり、母鋼のクリープ強度が低下した例である。
60は不純物としてのCu含有量が過多となり、母鋼の熱間加工時に赤熱脆性を生じ、靱性が低下した例である。
Since 57 and 58 contained the impurity elements P and S, respectively, beyond the scope of the present invention, they are both examples in which the creep strength of the base steel is lowered.
No. 59 is an example where the content of Ni as an impurity is excessive and the creep strength of the base steel is lowered.
No. 60 is an example in which the Cu content as an impurity is excessive, causing red shortness during hot working of the base steel, and the toughness being lowered.

61はCoの添加量が不足し、δフェライト面積率が過度に上昇してしまい、母鋼の靱性を損なうと共に、クリープ強度が低下した例であり、62はCo添加量が過多となって、σ相が至る所に析出し、母鋼と溶接継手の靱性が低下した例である。   61 is an example in which the addition amount of Co is insufficient, the δ ferrite area ratio rises excessively, and the toughness of the base steel is impaired, and the creep strength decreases, and 62 is an excessive addition of Co, This is an example where the sigma phase precipitates everywhere and the toughness of the base steel and the welded joint is reduced.

63はCrの添加量が不足し、M23C6型炭化物の生成量が不足して母鋼のクリープ強度が低下し、同時にHAZの前記大角粒界上における析出物の被覆率が低下した例であり、64は逆にCr添加量が過多となって、M23C6型炭化物の粗大化が促進されたため、母鋼のクリープ強度が低下した例である。 No. 63 is an example in which the amount of addition of Cr is insufficient, the generation amount of M 23 C 6 type carbides is insufficient, and the creep strength of the base steel is lowered, and at the same time the coverage of precipitates on the large angle grain boundary of HAZ is lowered. In contrast, 64 is an example in which the creep strength of the base steel is lowered because the Cr addition amount is excessive to promote coarsening of the M 23 C 6 type carbide.

65は本願発明で意図的に添加を回避するべきMoが不可避的に不純物として混入し、その含有量が本発明の上限値を超えたため、炭化物の生成と成長が加速されて粗大化が進行した結果、母鋼のクリープ破断強度が低下した例である。   In the present invention 65, Mo, which should be intentionally avoided in the present invention, is inevitably mixed as an impurity, and the content thereof exceeds the upper limit of the present invention, so the formation and growth of carbides are accelerated and coarsening progresses As a result, this is an example in which the creep rupture strength of the base steel is lowered.

66は本発明の特徴であるWの含有量が不足し、母鋼のクリープ強度が不足した例であり、67はW添加量が過多となってFeWの粗大化が促進され、母鋼のクリープ強度が低下した例である。 66 is an example in which the content of W, which is a feature of the present invention, is insufficient and the creep strength of the base steel is insufficient, and 67 is an excessive addition of W to promote coarsening of Fe 2 W, and the base steel Is an example in which the creep strength of

68はNb添加量が本発明の下限値未満となり、NbCによる析出強化が有効に作用せず、母鋼のクリープ強度が低下した例であり、69はNb量が本発明の上限値を超えたため、NbCの粗大析出が生じて同様に析出強化が機能せず、母鋼のクリープ強度が低下した例である。   68 is an example in which the Nb addition amount is less than the lower limit of the present invention, the precipitation strengthening by NbC does not work effectively, and the creep strength of the base steel decreases, and 69 is because the Nb amount exceeds the upper limit of the present invention Also, this is an example in which coarse precipitation of NbC occurs and the precipitation strengthening does not function in the same manner, and the creep strength of the base steel decreases.

70はV添加量が不足してVNによる析出強化が不十分となり、母鋼のクリープ強度が低下した例であり、71はV添加量が過多となって粗大なVNが析出し、母鋼の靱性が低下した例である。   70 is an example where the V addition amount is insufficient and the precipitation strengthening by VN is insufficient, and the creep strength of the base steel decreases, and 71 is that the V addition amount is excessive and coarse VN precipitates, and the base steel This is an example in which the toughness is reduced.

72は本発明で前記大角粒界上に析出してType IV防止と母鋼のクリープ強度向上に効果を発揮するTaが不足し、母鋼のクリープ破断強度が低下すると共に、HAZの前記大角粒界の析出物による粒界被覆率が40%未満となって、Type IV損傷を発生した例である。一方、73はTa添加量が過多となって、粒界でのTaCが粗大化してしまい、熱間加工性が低下し、加工割れを生じたため、鋼板試験片が作成できなかった例である。   In the present invention, 72 is precipitated on the large angle grain boundaries and insufficient in Ta which exerts an effect on Type IV prevention and creep strength improvement of the base steel, and the creep rupture strength of the base steel decreases and the large angle grain of HAZ This is an example in which the grain boundary coverage by precipitates in the world is less than 40% and Type IV damage occurs. On the other hand, 73 is an example in which a steel plate test piece can not be produced because the amount of added Ta is excessive and the TaC at grain boundaries is coarsened, the hot workability is lowered, and the working crack is generated.

74はNd添加量が不足して、不純物偏析緩和効果の発揮が不十分となり、HAZの靭性が低下した例であり、一方75はNd添加量が過多となり、NdSを形成し、母鋼ならびにHAZの靱性が低下した例である。   74 is an example in which the addition of Nd is insufficient and the effect of alleviating impurity segregation is insufficient, and the toughness of HAZ is lowered. On the other hand, 75 is excessive in Nd addition to form NdS, and base steel and HAZ Is an example where the toughness of

76、77はそれぞれTiあるいはZrの添加量が本発明の上限値を超えたため、何れも粗大なTiCおよびZrを析出、または晶出して母鋼およびHAZの靱性が低下した例である。
78、79はそれぞれCaおよびMgの添加量が過多となり、それぞれCaOあるいはMgOが生成して、何れも母鋼およびHAZの靱性が低下した例である。
80、81、82はそれぞれY,Ce,Laの添加量が過多となり、全て酸化物クラスターが生成して母鋼のおよびHAZ靱性が低下した例である。
76 and 77 because the amount of Ti or Zr exceeds the upper limit of the present invention, respectively, both precipitated coarse TiC and Zr 2 O 3, or mother steel and HAZ toughness are examples of reduced was crystallized .
78 and 79 are examples in which the addition amounts of Ca and Mg are excessive and CaO or MgO is generated, respectively, and the toughness of the base steel and the HAZ is reduced.
In the examples 80, 81, and 82, the addition amounts of Y, Ce, and La are excessive, respectively, and all the oxide clusters are formed to reduce the base steel and the HAZ toughness.

83は本発明の不純物であるAlが製鋼工程中の耐火物より混入したために上限値を超え、母鋼のクリープ強度が低下した例である。   83 is an example in which the upper limit was exceeded and the creep strength of the base steel decreased because Al, which is an impurity of the present invention, was mixed in from the refractory during the steel making process.

84はNの添加量が不足したために、窒化物であるVNの析出量が減少し、母鋼のクリープ強度が低下した例であり、85はN量が過多となったため、BNが析出し、本発明の重要な構成元素であるBによる強化が達成されず、クリープ強度が低下すると共に、局部熱処理した継手の熱処理幅外縁でType IV損傷が発生した例である。なおこのType IV損傷は、局部熱処理を本発明の規定量以下の低N鋼に適用した場合に問題が生じることを示す例でもある。したがって、表6中のHAZの前記大角粒界被覆率Pと、継手/母材のクリープ破断強度比CRHAZは、本例に限って局部熱処理幅外縁の結果を示してある。   84 is an example in which the precipitation amount of nitride, VN, is reduced due to the insufficient addition amount of N, and the creep strength of the base steel is decreased. Since 85 is an excessive amount of N, BN is precipitated, This is an example where reinforcement by B, which is an important constituent element of the present invention, is not achieved and creep strength is lowered and Type IV damage occurs at the heat treatment width edge of a locally heat treated joint. This Type IV damage is also an example showing that a problem occurs when the local heat treatment is applied to a low N steel of a specified amount or less according to the present invention. Therefore, the above-mentioned large-angle grain boundary coverage P of HAZ and the creep rupture strength ratio CRHAZ of the joint / base material in Table 6 show the results of the local heat treatment width outer edge only in this example.

86は不純物であるOが本発明の上限値を超えたために、多くの酸化物クラスターが生成し、母鋼の靱性が低下した例である。
87はクリープ強度向上に必要なBの添加量が少なく、母鋼のクリープ強度が低下した例、88はBが過多となり、溶接中に溶接金属が高温割れを生じたため、溶接そのものができなかった例である。
86 is an example in which many oxide clusters are formed and the toughness of the base steel is lowered because the impurity O exceeds the upper limit of the present invention.
No. 87 was an example where the amount of B required to improve creep strength was small and the creep strength of the base steel decreased, 88 was too much B, and weld metal itself could not be welded because weld metal high temperature cracking occurred during welding It is an example.

89は圧延前加熱温度が900℃未満となり、必然的に圧延終了温度も900℃未満となり、熱間加工性が低下し、加工割れを生じたため、鋼板試験片が作成できなかった例であり、90は圧延前加熱温度が1100℃を超えて高温化したためにTaNの粒界での粗大化が著しく、熱間圧延時に加工割れを生じ、鋼板が作成できなかった例である。
91は圧延前熱処理温度が本発明範囲ではあったが、圧延終了温度が本発明の下限値900℃を下回ったため、900℃以下の圧延で鋼板表面に割れが発生し、鋼板が作成できなかった例である。
In Example 89, the heating temperature before rolling is less than 900 ° C., and the rolling finish temperature is inevitably less than 900 ° C., and the hot workability is lowered to cause working cracks, so that the steel plate test piece can not be prepared. 90 is an example in which the pre-rolling heating temperature was raised to over 1100 ° C., so coarsening at the grain boundaries of TaN was remarkable, and working cracks occurred during hot rolling, and a steel plate could not be produced.
In 91, although the heat treatment temperature before rolling was in the range of the present invention, since the rolling completion temperature was lower than the lower limit of 900 ° C. of the present invention, cracking occurred on the steel plate surface by rolling at 900 ° C. or less. It is an example.

92は溶接前熱処理温度が本誌発明温度範囲よりも低く、十分な炭化物の分解固溶が溶接前の継手において実現せず、HAZにおけるM23C6型炭化物の平均粒径が300nmを超えると共に、大角粒界上の析出物間隔が150nmを超えてしまい、Type IV損傷が発生して継手のクリープ破断強度は母鋼のクリープ破断強度よりも低下した例である。一方93は、溶接前熱処理温度が高すぎたために、溶接熱影響部が全てδフェライトとマルテンサイトの二相組織となり、溶接継手のクリープ強度が低下し、同時に溶接継手の靱性も低下した例である。 No. 92 has a heat treatment temperature before welding lower than the temperature range according to the present invention, and sufficient dissolution and dissolution of carbides is not realized in the joint before welding, and the average particle diameter of M 23 C 6 type carbides in HAZ exceeds 300 nm, This is an example in which the precipitate spacing on the large angle grain boundary exceeds 150 nm, Type IV damage occurs, and the creep rupture strength of the joint is lower than the creep rupture strength of the base steel. On the other hand, 93 was an example where the heat treatment temperature before welding was too high, so all the weld heat affected zone had a two-phase structure of δ ferrite and martensite, and the creep strength of the welded joint decreased and at the same time the toughness of the welded joint also decreased. is there.

94は溶接前熱処理時間が短く、十分な炭化物の分解固溶が溶接前の継手において実現せず、HAZにおけるM23C6型炭化物の平均粒径が300nmを超えると共に、大角粒界上の析出物間隔が150nmを超えてしまい、HAZの前記大角粒界における析出物による粒界被覆率も低下した結果、Type IV損傷が発生して継手のクリープ破断強度は母鋼のクリープ破断強度よりも低下した例である。 The heat treatment time before welding 94 is short, sufficient carbide decomposition and dissolution is not realized in the joint before welding, and the average grain size of M 23 C 6 type carbides in HAZ exceeds 300 nm, and precipitation on large angle grain boundaries Distance between objects exceeds 150 nm and the grain coverage by precipitates at the large angle grain boundary of HAZ is also reduced. As a result, Type IV damage occurs and the creep rupture strength of the joint is lower than the creep rupture strength of the base steel Example.

95は溶接前熱処理の温度と時間は適正であったが、施行幅が20mm以下となり、HAZの外縁は十分に高い温度まで加熱されなかった(すなわち、1000℃未満)ため、炭化物が未固溶のまま残留する部位が継手に存在し、未固溶炭化物の溶接熱影響部が受けた熱履歴による粗大化が生じて、大角粒界上の析出物間隔が150nmを超えてしまい、Type IV損傷が発生し、継手のクリープ強度が低下した例である。このとき、M23C6型炭化物とTaCの平均粒径は300nmを超え、また前記大角粒界の析出物による粒界被覆率は40%に達しなかった。
96は溶接前熱処理の施工幅が片側290mmと大きく本発明を超えて、対象となる直径500mmの鋼管を結果的に全体加熱した例である。この時、母材部分も含めて全て溶接前熱処理されたことにより、部材の全組織は再度焼き入れられ、続く溶接後熱処理を実施はしたものの、残留オーステナイトが一部に残留し、母鋼の靱性が一部低下した例である。なお、96は管軸方向と平行なシーム溶接部を有する鋼管のシーム溶接における、溶接前熱処理の施工幅が広すぎて、結果鋼管全体を熱処理した場合と同等に扱うことができる例である。
Although the temperature and time of the heat treatment before welding were appropriate, the working width was 20 mm or less, and the outer edge of the HAZ was not heated to a sufficiently high temperature (that is, less than 1000 ° C.). The remaining portion remains as it is in the joint, and coarsening occurs due to the heat history of the weld heat affected zone of the non-solid solution carbide, and the precipitate spacing on the large angle grain boundary exceeds 150 nm, Type IV damage In this example, the creep strength of the joint is reduced. In this case, the average particle size of the M 23 C 6 type carbide and TaC is greater than 300 nm, also the grain boundary coverage by the high angle grain boundary precipitates did not reach 40%.
In the example 96, the width of the heat treatment before welding is as large as 290 mm on one side and beyond the present invention, resulting in the overall heating of the target steel pipe of 500 mm in diameter. At this time, the entire structure of the member is re-quenched by pre-welding heat treatment including the base material portion, and the post-welding heat treatment is subsequently performed, but retained austenite remains partially, and the base steel This is an example in which the toughness is partially reduced. In addition, in the seam welding of a steel pipe having a seam welded portion parallel to the axial direction of the pipe, the application width of the heat treatment before welding is too wide in the seam welding of the steel pipe having a seam welded portion parallel to the axial direction.

97は溶接後熱処理温度が720℃以下と低く、M23C6型炭化物によるHAZの粒界被覆率が40%に満たず、大角粒界上の析出物間隔が150nmを超えてしまい、Type IV損傷が発生して、継手のクリープ強度が母鋼に対して低下した例であり、98は溶接後熱処理温度が760℃を超えたため、HAZのM23C6型炭化物の電視顕微鏡観察における平均直径が300nmを超えてしまい、大角粒界上の析出物間隔が150nmを超えてしまい、粒界上の析出密度も減少して粒界被覆率は40%に満たなかったため、同様にType IV損傷が発生して、継手のクリープ強度が母鋼に対して低下した例である。 The heat treatment temperature after welding is as low as 720 ° C. or less, the grain boundary coverage of HAZ with M 23 C 6 type carbide is less than 40%, and the precipitate spacing on the large angle grain boundary exceeds 150 nm. In the example where damage occurred and the creep strength of the joint decreased with respect to the base steel, 98 is the average diameter in the electromicroscopy observation of the M 23 C 6 type carbide of HAZ because the heat treatment temperature after welding exceeds 760 ° C. Is larger than 300 nm, the precipitate spacing on the large angle grain boundary is greater than 150 nm, and the precipitation density on the grain boundary is also reduced, and the grain boundary coverage is less than 40%. It is an example which generate | occur | produced and the creep strength of the joint fell with respect to the base steel.

99は溶接後熱処理時間が短く、溶接継手に高い残留応力が残り、溶接金属から侵入した水素が残留応力の高い部位に集中し、溶接の翌日に溶接継手からの多数の割れが生成しており(水素遅れ破壊が発生した)、結果的に溶接開先を形成できなかった例である。   The heat treatment time after welding 99 is short, high residual stress remains in the welded joint, hydrogen invading from the weld metal is concentrated in the high residual stress area, and many cracks from the welded joint are generated the day after welding. This is an example in which a weld groove could not be formed as a result (hydrogen delayed fracture occurred).

100は、鋼管の連結の際の周溶接に本技術を適用した例であるが、溶接前に連結する鋼管全てに熱処理を実施した結果、母材中に残留γが多量に残存し、0.2%を大きく超えたため、母材の推定クリープ破断強度の低下と、母材靱性の低下を同時に招いたため、溶接構造体として適用できなかった例である。   Although 100 is an example which applied this art to circumference welding at the time of connection of steel pipes, as a result of performing heat treatment to all the steel pipes connected before welding, a large amount of residual gamma remains in a base material, 0. This is an example in which it can not be applied as a welded structure, since the reduction of the estimated creep rupture strength of the base material and the reduction of the base material toughness are simultaneously caused because the value largely exceeds 2%.

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1 溶接金属
2 粗粒域、または粗粒域HAZ
3 細粒域、または細粒域HAZ
4 二相域、または二相域HAZ
5 母材、または母材部あるいは母鋼
7 大角粒界
12 溶接開先面
13 溶接開先面と母材表面の交点(または線)
14 溶接前熱処理を付与すべき最低幅
15 溶接前熱処理を付与すべき最大幅
1 Weld metal 2 coarse grained area or coarse grained area HAZ
3 fine grain area or fine grain area HAZ
4 Two-phase area or two-phase area HAZ
5 Base metal, or base metal part or base steel 7 Large angle grain boundary 12 Weld groove surface 13 Intersection (or line) of weld groove surface and base material surface
14 Minimum width for heat treatment before welding 15 Maximum width for heat treatment before welding

Claims (4)

板厚5mm以上の母材、溶接熱影響部、溶接金属から構成される高強度フェライト系耐熱鋼構造体であって、
前記母材の組成が、質量%で
C:0.01〜0.12、
Si:0.02〜0.45、
Mn:0.20〜0.60、
Cr:8.0〜12.0、
W:2.00〜7.50、
Nb:0.02〜0.10、
Ta:0.10〜1.00、
V:0.10〜0.50、
N:0.003〜0.015、
B:0.008〜0.050、
Co:0.50〜3.00、
Nd:0.005〜0.05
を含有し、
Mo≦0.030、
Ni≦0.10、
Cu<0.05、
Al≦0.005、
P≦0.020、
S≦0.010、
O≦0.010
に制限し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり
記溶接熱影響部の大角粒界上に析出するM23C6系炭化物(MはCr,Fe,Wを合計して、70%以上)およびTaCの円相当粒径の平均値が300nm以下、前記大角粒界上に析出したM23C6系炭化物およびTaCの表面間距離が、粒子種類に関係なくHAZにおいて150nm以下で、前記M23C6系炭化物および前記TaCによる前記大角粒界の被覆率が40%以上であることを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
A high-strength ferritic heat-resistant steel structure composed of a base material with a thickness of 5 mm or more, a welding heat affected zone, and a weld metal,
The composition of the base material is, by mass%, C: 0.01 to 0.12,
Si: 0.02 to 0.45,
Mn: 0.20 to 0.60,
Cr: 8.0 to 12.0,
W: 2.00 to 7.50,
Nb: 0.02 to 0.10,
Ta: 0.10 to 1.00,
V: 0.10 to 0.50,
N: 0.003 to 0.015,
B: 0.008 to 0.050,
Co: 0.50 to 3.00,
Nd: 0.005 to 0.05
Contains
Mo ≦ 0.030,
Ni ≦ 0.10,
Cu <0.05,
Al ≦ 0.005,
P ≦ 0.020,
S ≦ 0.010,
O ≦ 0.010
And the balance consists of Fe and unavoidable impurities ,
Before SL (the M and total Cr, Fe, and W, 70% or more) M 23 C 6 type carbides precipitated in large angle grain boundaries on the weld heat affected zone and the average value of equivalent circle diameter of the TaC is 300nm or less the large angle surface distance of M 23 C 6 type carbides and TaC precipitated in the grain boundary on the at 150nm or less in the Ku H AZ relation to the particle type, the large angle grain by the M 23 C 6 type carbides and the TaC A high-strength ferritic heat-resistant steel structure characterized in that the area coverage is at least 40%.
さらに、前記母材の組成が、質量%で、
Ti:0.005〜0.15%、
Zr:0.005〜0.15%
の内、1種または2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
Furthermore, the composition of the base material is, by mass%,
Ti: 0.005 to 0.15%,
Zr: 0.005 to 0.15%
The high-strength ferritic heat-resistant steel structure according to claim 1, wherein one or two of them are contained.
さらに、母材の組成が、質量%で、
Ca:0.0003〜0.0050%、
Mg:0.0003〜0.0050%、
Y :0.0100〜0.0500%、
Ce:0.0100〜0.0500%、
La:0.0100〜0.0500%
の内、1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
Furthermore, the composition of the base material is, by mass%,
Ca: 0.0003 to 0.0050%,
Mg: 0.0003 to 0.0050%,
Y: 0.0100 to 0.0050%,
Ce: 0.0100 to 0.0050%,
La: 0.0100 to 0.0050%
The high-strength ferritic heat-resistant steel structure according to claim 1 or 2, wherein one or more of them are contained.
請求項1〜3の何れか一項に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体の製造方法であって、
請求項1〜3の何れか一項に記載の組成の鋼片を900℃〜1100℃に加熱し、熱間圧延して板厚5mm以上の鋼板とし、
次いで、該鋼板を開先加工して、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以下の部位、かつ前記耐熱鋼構造体の幅または長さの50%以下である部位を1000℃以上、1100℃以下の温度で、下記の式(1)で決定される板厚対応熱処理時間Ts以上、かつ30分以上となるように局部加熱して保持し、放冷し、
次いで、前記開先を溶接した後、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以内の部位を、720℃以上760℃以下の温度帯に加熱して、該温度に1時間以上保持した後、放冷することを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体の製造方法。
Ts=30×(t/25)1.2 +26 ・・・・・・・・・・・・・(1)
ただし、tは母材の板厚(mm)、Tsは溶接前の開先の加熱設定温度(1000℃〜1100℃)における加熱時間の総和(分)である。なお、tは5mm以上とする。
It is a manufacturing method of the high strength ferritic heat resistant steel structure according to any one of claims 1 to 3,
The steel piece of the composition as described in any one of Claims 1-3 is heated to 900 degreeC-1100 degreeC, and it hot-rolls, and sets it as a steel plate of 5 mm or more in plate thickness,
Then, the steel sheet is subjected to groove processing, and a portion of 20 mm or more and 100 mm or less in the direction orthogonal to the weld line from the position where the groove surface contacts the base material surface, and the width or length of the heat resistant steel structure The portion which is 50% or less of the above is locally heated and maintained at a temperature of 1000 ° C. or more and 1100 ° C. or less so as to be a heat treatment time Ts or more for 30 mm or more determined by the following equation (1) And let it cool down,
Next, after welding the groove, the region between 20 mm and 100 mm is heated to a temperature zone of 720 ° C. or more and 760 ° C. or less in the direction perpendicular to the weld line from the position where the groove face contacts the base material surface. A method for producing a high-strength ferritic heat-resistant steel structure, characterized in that the temperature is maintained for 1 hour or more and then allowed to cool.
Ts = 30 × (t / 25) 1.2 +26 (1)
However, t is a plate thickness (mm) of a base material, and Ts is a total (minute) of heating time at a heating set temperature (1000 ° C. to 1100 ° C.) of a groove before welding. In addition, t shall be 5 mm or more.
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