JP6638551B2 - オーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手 - Google Patents

Description

本発明は、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手に関する。

近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラ等では運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められている。過熱器管および再熱器管に使用される材料には、より優れた高温強度、耐食性等の特性を有することが求められている。
このような要求を満たす材料として、従来、多量の窒素を含有させた種々のオーステナイト系耐熱鋼（以下、多量の窒素を含有させたオーステナイト系耐熱鋼を「高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼」とも称する）が開発されてきた。

例えば、特許文献１には、Ｎを０．１％〜０．３５％およびＣｒを２２％超〜３０％未満とするとともに、特定の金属組織を規定した高温強度と耐食性に優れる高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
また、特許文献２にも、Ｎを０．１％〜０．３５％およびＣｒを２２％超〜３０％未満とするともに、不純物を特定の条件に規定した高温強度と耐食性に優れる高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
これらの高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼は、一般には、溶接金属を有する溶接構造物として使用される。そのため、溶接構造物として、これらの高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を活用し得る溶接金属についても種々提案されてきた。

例えば、特許文献３には、Ｎｂを０．５％〜３．５％およびＮを０．１％〜０．３５％含有させるとともに、Ｍｏを０．２％〜１．８％含有させた高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、高温強度、耐食性、及び溶接時の耐溶接割れ性を満足することが開示されている。

特許文献４には、Ｎｂを０．８％〜４．５％およびＮを０．１％〜０．３５％含有させるとともに、Ｃ量をＮｂ量により調整した高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、溶接時の耐溶接割れ性の改善が図れ、かつ、高温強度と耐食性を両立することが開示されている。

特許文献５には、Ｎｂを０．１５％〜１．５％、Ｗを０．５％〜３％、およびＮを０．１％〜０．３５％含む高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、高温強度に優れることが開示されている。

特許第４４２４４７１号公報 特許第４９４６７５８号公報 特許第３３２９２６２号公報 特許第３９１８６７０号公報 特許第３３２９２６１号公報

ところで、これらの高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼は、確かに優れた高強度、耐食性等の特性を満足する。しかしながら、高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼は、多量の窒化物を析出するため、時効後の靭性が乏しい。それに加え、長時間使用中に窒化物が成長し、使用条件によってはクリープ強度の低下が生じる場合がある。そのため、窒素の含有量が低いオーステナイト系耐熱鋼（以下、「低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼」とも称する）の場合でも、高強度を達成し得るオーステナイト系耐熱鋼の開発も進められている。

これら低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼も溶接構造物として使用され、その際に、Ｎｉ基合金用溶接金属を有する溶接構造物として溶接することが可能である。しかしながら、Ｎｉ基合金は、クリープ強度には優れるものの、高価であることから経済性の観点で好ましくない。加えて、Ｎｉ基合金の成分が、母材の成分と大きく異なる場合には、十分な耐溶接高温割れ性（具体的には、耐凝固割れ性）が得られない場合がある。
そのため、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を活用し得る溶接金属についても母材と同様に必要とされている。したがって、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る溶接金属、及びそれを有する溶接継手の開発が待望されていた。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る、耐溶接高温割れ性（具体的には、延性低下割れ）に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手を提供することを目的とする。

本発明者らは、溶接金属の窒素量を低減した場合の課題の有無を検討するため、質量％で、Ｃ：０．０６％〜０．１４％、Ｓｉ：０．１％〜０．８％、Ｍｎ：０．１％〜１．８％、Ｃｕ：２％〜４％、Ｎｉ：１２％〜１６％、Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、Ｗ：２％〜４．５％、Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、Ｎｂ：０．０５％〜０．５％を含有させた溶接金属を作製し、種々検討を行った。その結果、必要な強度は得られるものの、以下に述べる課題があることが判明した。
（ａ） 溶接金属に、溶接後の補修を模擬した溶接を施すと、溶接金属中の窒素量を低減した場合、溶接中、元の溶接金属に生じる割れの感受性が高まる。
（ｂ） 割れは、補修の溶接熱サイクルの影響により，その溶融境界から少し離れた位置に生じた、いわゆる延性低下割れである。
（ｃ） 溶接金属の組織は、低窒素化により、柱状晶境界の形状が平滑になる傾向があるとともに、柱状晶境界に存在する共晶炭窒化物量が減少する。
（ｄ） 溶接金属の割れ破面の詳細調査の結果、破面上にはＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎのいずれか１種以上の濃化が検出された。

上記（ａ）〜（ｄ）の判明事項から、本発明者らは、次の結論に至った。
すなわち、溶接金属中の窒素の含有量が高い場合、溶接金属の凝固に伴い、液相にＴｉ及びＮｂなど、Ｃ及びＮと親和力の強い合金元素が排出されて濃化し、これらの元素から構成される炭窒化物と基質との共晶反応が高温から生じる。そのため、最終層の柱状晶境界は複雑となる。

一方、溶接金属中の窒素を低減した場合、共晶反応が低温まで起こらない。そのため、柱状晶境界は平滑となり、単位体積あたりの境界面積が減少する。
その結果、溶接金属中の窒素を低減した場合、粒界固着力を低下させるＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの柱状晶境界への偏析が大きくなる。さらに、溶接金属に対し、補修溶接を模擬した熱サイクルによる熱応力が作用した場合、形状的に粒界すべりが生じやすくなるため、延性低下割れ感受性が高まると考えられた。

そこで、本発明者らは、上記の割れの防止策について検討した。その結果、溶接金属中に不純物として含有するＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎ量を、所定の関係式（式（１） ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％）を満足するように管理することで、上記の割れの防止が可能であることが明らかとなった。
本発明は、以上の検討を重ねることにより完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。

＜１＞ 質量％で、
Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．８％、
Ｍｎ：０．１％〜１．８％、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｃｕ：２％〜４％、
Ｎｉ：１２％〜１６％、
Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、
Ｗ：２％〜４．５％、
Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎｂ：０．０５％〜０．５％、
Ｎ：０．００１％〜０．０１５％、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ：０．０８％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、
かつ、不純物としてのＳ、Ｓｎ、ＰｂおよびＺｎが下記式（１）を満足するオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
式（１） ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％
（式（１）中、［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｐｂ］、及び［％Ｚｎ］は、不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの含有量（質量％）を表す。）

＜２＞ 合金成分としてのＦｅに代えて、質量％で、下記の１種または２種以上の元素を含有する＜１＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
Ｖ：０％〜０．３５％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｍｏ：０％〜２％、
Ｂ：０％〜０．００５％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％

＜３＞ ＜１＞または＜２＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属とオーステナイト系耐熱鋼の母材とからなる溶接継手。

＜４＞ 前記母材が、質量％で、
Ｃ：０．０４％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５％〜１％、
Ｍｎ：０．３％〜２．５％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２％〜４％、
Ｎｉ：１１％〜１６％、
Ｃｒ：１６％〜２０％、
Ｗ：２％〜５％、
Ｎｂ：０．１％〜０．８％、
Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎ：０．００１％〜０．０１５％、
Ｂ：０％〜０．０１％、
Ａｌ：０．０３％以下、
Ｏ：０．０２％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる＜３＞に記載の溶接継手。

本発明によれば、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る、耐溶接高温割れ性（具体的には、延性低下割れ）に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手が提供される。

以下、本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手の一実施形態について、説明する。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。ただし、「超」および「未満」等の断りがある場合は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値の少なくとも一方として含まないことを意味する。

＜溶接金属＞
本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、質量％で、Ｃ：０．０６％〜０．１４％、Ｓｉ：０．１％〜０．８％、Ｍｎ：０．１％〜１．８％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｃｕ：２％〜４％、Ｎｉ：１２％〜１６％、Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、Ｗ：２％〜４．５％、Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、Ｎｂ：０．０５％〜０．５％、Ｎ：０．００１％〜０．０１５％、Ａｌ：０．０８％以下、Ｏ：０．０８％以下を含有し、残部としてＦｅおよび不純物からなる。
そして、不純物としてのＳ、Ｓｎ、ＰｂおよびＺｎが下記式（１）を満足する。
式（１） ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％（ただし、［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｐｂ］、及び［％Ｚｎ］は、不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの含有量（質量％）を表す。）

なお、本明細書中において、「不純物」とはオーステナイト系耐熱合金を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップまたは製造環境などから混入する成分であり、意図的に含有させたものではない成分を指す。

本発明において、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属の化学組成を限定する理由は次のとおりである。
なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

（Ｃ：０．０６％〜０．１４％）
Ｃ（炭素）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる。さらに、Ｃは、溶接金属の凝固過程において、Ｔｉ、及びＮｂなどと結合して共晶炭化物を生成する。Ｔｉ、及びＮｂなどの共晶炭化物は、補修溶接時の延性低下割れ感受性の低下にも寄与する。これらの効果を十分に得るために、Ｃは、０．０６％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が過剰である場合、溶接金属中に炭化物が多量に存在するため、延性が低下する。そのため、Ｃ含有量の上限は０．１４％以下とする。Ｃ含有量の望ましい範囲は０．０７％〜０．１３％、さらに望ましい範囲は０．０８％〜０．１２％である。

（Ｓｉ：０．１％〜０．８％）
Ｓｉ（ケイ素）は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。その効果を得るために、Ｓｉは、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰である場合には、組織の安定性が低下して、靭性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限は０．８％以下とする。Ｓｉ含有量の望ましい範囲は０．１２％〜０．７％、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．６％である。

（Ｍｎ：０．１％〜１．８％）
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト組織を安定にし、クリープ強度の向上に寄与する。これらの効果を得るために、Ｍｎは、０．１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、クリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎ含有量の上限は１．８％以下とする。Ｍｎ含有量の望ましい範囲は０．１５％〜１．２％、さらに望ましい範囲は０．２％〜１．０％である。

（Ｐ：０．０２５％以下）
Ｐ（リン）は、不純物として溶接金属に含まれ、クリープ延性を低下させる元素である。このため、Ｐ含有量の上限は、０．０２５％以下とする必要がある。Ｐ含有量の上限は、望ましくは０．０２３％以下、さらに望ましくは０．０２％以下である。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。

（Ｃｕ：２％〜４％）
Ｃｕ（銅）は、オーステナイト組織の安定性を高めるとともに、使用中に微細に析出して、クリープ強度の向上に寄与する。その効果を得るために、Ｃｕは、２％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃｕ含有量が過剰である場合、延性の低下を招くため、Ｃｕ含有量の上限は４％以下とする。Ｃｕ含有量の望ましい範囲は２．３％〜３．８％、さらに望ましい範囲は２．５％〜３．５％である。

（Ｎｉ：１２％〜１６％）
Ｎｉ（ニッケル）は、長時間使用時のオーステナイト組織の安定性を高め、クリープ強度に寄与する。その効果を十分に得るために、Ｎｉは、１２％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量は、上限を設けて１６％以下とする。Ｎｉ含有量の望ましい範囲は１２．５％〜１５．５％、さらに望ましい範囲は１３％〜１５％である。

（Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％）
Ｃｒ（クロム）は、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。また、Ｃｒは、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。十分にその効果を得るために、Ｃｒは、１６．５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が１９．５％を超えると、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は１６．５％〜１９．５％とする。Ｃｒ含有量の望ましい範囲は１７％〜１９％、さらに望ましい範囲は１７．５％〜１８．５％である。

（Ｗ：２％〜４．５％）
Ｗ（タングステン）は、マトリックスに固溶もしくは微細な金属間化合物相を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。その効果を十分に発揮させるために、Ｗは、２％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｗは、高価な元素であるため、Ｗの過剰の含有はコストの増大を招く。また、Ｗを過剰に含有しても効果が飽和する。そのため、Ｗ含有量の上限は４．５％以下とする。Ｗ含有量の望ましい範囲は２．２％〜４．３％であり、さらに望ましい範囲は２．５％〜４％である。

（Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％）
Ｔｉ（チタン）は、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。その効果を得るために、Ｔｉは、０．０５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量の上限は、０．３５％以下とする必要がある。Ｔｉ含有量の望ましい範囲は０．０８％〜０．３２％であり、さらに望ましい範囲は０．１２％〜０．３％である。

（Ｎｂ：０．０５％〜０．５％）
Ｎｂ（ニオブ）は、Ｔｉと同様、微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属の高温でのクリープ強度および引張強さの向上に有効である。さらに、Ｎｂは、補修溶接時の延性低下割れ感受性の低減にも寄与する。その効果を十分に得るために、Ｎｂは０．０５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量の上限は０．５％以下とする。Ｎｂ含有量の望ましい範囲は０．０８％〜０．４５％であり、さらに望ましい範囲は０．１２％〜０．４％である。

（Ｎ：０．００１％〜０．０１５％）
Ｎ（窒素）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶または窒化物として析出し、高温強度の向上に寄与する。その効果を少なからず得るために、Ｎは、０．００１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎが０．０１５％を超えて含有されると、多量の窒化物が析出して、靭性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量は０．００１％〜０．０１５％とする。Ｎ含有量の望ましい範囲は０．００２％〜０．０１２％であり、さらに望ましい範囲は０．００３％〜０．０１％である。

（Ａｌ：０．０８％以下）
Ａｌ（アルミニウム）は、母材の製造時に脱酸剤として含有され、溶接材料の製造時にも脱酸剤として含有される。その結果として、溶接金属にＡｌが含有される。しかしながら、多量のＡｌを含有すると延性が低下する。このため、Ａｌ含有量の上限は０．０８％以下に制限する必要がある。Ａｌ含有量の上限は、望ましくは０．０６％以下、さらに望ましくは０．０４％以下である。なお、Ａｌ含有量の下限は特に設ける必要はないが、Ａｌ含有量の極端な低減は、製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上であり、さらには望ましい下限は０．０００８％以上である。

（Ｏ：０．０８％以下）
Ｏ（酸素）は、不純物として溶接金属中に含まれる。しかしながら、Ｏ（酸素）含有量が過剰になると、靭性および延性の劣化を招く。このため、Ｏ（酸素）含有量の上限は０．０８％以下に制限する必要がある。Ｏ（酸素）含有量の上限は、望ましくは０．０６％以下、さらに望ましくは０．０４％以下である。なお、Ｏ（酸素）の含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ（酸素）含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。

（Ｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎ：［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％）
これら元素は、不純物として溶接金属中に含まれ、補修溶接時の延性低下割れ感受性を高める元素である。本発明者らは、上述の窒素含有量の範囲において、種々実験した結果、Ｓは偏析エネルギーが大きいため、粒界偏析しやすく、延性低下割れを起こす影響度が、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎに比べて、２倍もあることを知見した。
そこで、延性低下割れを安定して防止するためには、式（１）（［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝）で求められる値を０．００３０％以下とする必要がある。式（１）の値は、望ましくは０．００２５％以下、さらに望ましくは０．００２０％以下である。なお、これらの不純物（Ｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎ）は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、式（１）で求められる値の望ましい下限は０．０００１％以上、さらに望ましい下限は０．０００２％以上である。

本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は上述の各元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成のものである。

本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、合金成分としてのＦｅに代えて、質量％で、Ｖ：０％〜０．３５％、Ｃｏ：０％〜２％、Ｍｏ：０％〜２％、Ｂ：０％〜０．００５％、Ｃａ：０％〜０．０２％、Ｍｇ：０％〜０．０２％、ＲＥＭ：０％〜０．０６％の１種または２種以上の元素を含有してもよい。下記に、各成分について説明する。

（Ｖ：０％〜０．３５％以下）
Ｖ（バナジウム）は、ＮｂおよびＴｉと同様、微細な炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｖは、過剰に含有すると、多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖを含む場合、Ｖ含有量の上限は０．３５％以下とする。Ｖ含有量の上限は、望ましくは、０．３２％以下、さらに望ましくは０．３％以下である。なお、Ｖを含有する場合、Ｖ含有量の望ましい下限は０．０１％以上、さらに望ましい下限は、０．０３％以上である。

（Ｃｏ：０％〜２％）
Ｃｏ（コバルト）は、ＮｉおよびＣｕと同様オーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｃｏは、極めて高価な元素であるため、過剰に含有すると材料の大幅なコスト増を招く。そのため、Ｃｏを含む場合、Ｃｏ含有量の上限は２％以下とする。Ｃｏ含有量の上限は、望ましくは、１．８％以下、さらに望ましくは、１．５％以下である。なお、Ｃｏを含有する場合、Ｃｏ含有量の望ましい下限は０．０１％以上、さらに望ましい下限は０．０３％以上である。

（Ｍｏ：０％〜２％）
Ｍｏ（モリブデン）は、Ｗと同様、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する元素であるので、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｍｏは過剰に含有すると組織安定性を低下させ、逆にクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Ｍｏは高価な元素であるため、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｍｏを含む場合、Ｍｏ含有量の上限は２％以下とする。Ｍｏ含有量の上限は、望ましくは、１．５％以下、さらに望ましくは、１．２％以下である。なお、Ｍｏを含有する場合、Ｍｏ含有量の望ましい下限は０．０１％以上、さらに望ましい下限は０．０３％以上である。

（Ｂ：０％〜０．００５％）
Ｂ（ホウ素）は、炭化物を微細に分散させることにより、クリープ強度を向上させるとともに、粒界を強化して、補修溶接時の割れ感受性の低下および靭性の向上にも寄与する元素である。しかしながら、Ｂは過剰に含有すると、補修溶接時の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂを含む場合、Ｂの含有量の上限は０．００５％以下とする。Ｂの含有量の上限は、望ましくは、０．００３％以下、さらに望ましくは、０．００２％以下である。なお、Ｂを含有する場合の望ましい下限は０．０００３％以上、さらに望ましい下限は０．０００５％以上である。

（Ｃａ：０％〜０．０２％）
Ｃａ（カルシウム）は、熱間変形能を向上させる効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｃａの過剰の含有は、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｃａの含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｃａを含む場合、Ｃａの含有量の上限は、望ましくは０．０１５％以下、更に望ましくは０．０１％以下である。なお、Ｃａを含有する場合の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。

（Ｍｇ：０％〜０．０２％）
Ｍｇ（マグネシウム）は、Ｃａと同様、熱間変形能を向上させる効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｍｇの過剰の含有は、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｍｇの含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｍｇを含む場合、Ｍｇ含有量の上限は、望ましくは０．０１５％以下、更に望ましくは０．０１％以下である。なお、Ｍｇを含有する場合の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。

（ＲＥＭ：０％〜０．０６％）
ＲＥＭ（希土類元素）は、ＣａおよびＭｇと同様、熱間変形能を向上させる効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、ＲＥＭの過剰の含有は、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、ＲＥＭを含む場合、ＲＥＭ含有量の上限は、０．０６％以下とする。ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０４％以下、更に望ましくは０．０３％以下である。なお、ＲＥＭを含有する場合、ＲＥＭ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。

なお、「ＲＥＭ」とはＳｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ＲＥＭは、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるように、ミッシュメタルの形で含有させてもよい。

＜溶接継手＞
本発明の溶接金属と、オーステナイト系耐熱鋼の母材とにより、耐溶接高温割れ性に優れた溶接継手が得られる。溶接継手は、具体的には、継手部の溶接金属と、溶接金属を挟むオーステナイト系耐熱鋼からなる二つの母材とを有する。
なお、溶接継手の具体的形状、溶接継手を得るための溶接の具体的態様（溶接姿勢）は特に限定されず、例えば、鋼管に開先加工した後に突合せ溶接する場合、厚板に開先加工した後に突合せ溶接する場合などに適用すればよい。
以下、溶接継手を構成する母材について説明する。

＜母材＞
以上、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼溶接金属の化学組成について詳述したが、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼溶接金属を有する溶接継手を得る際に、その母材は下記の化学組成であることが望ましい。

母材の望ましい化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０４％〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５％〜１％、Ｍｎ：０．３％〜２．５％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｃｕ：２％〜４％、Ｎｉ：１１％〜１６％、Ｃｒ：１６％〜２０％、Ｗ：２％〜５％、Ｎｂ：０．１％〜０．８％、Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、Ｎ：０．００１％〜０．０１５％、Ｂ：０％〜０．０１％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｏ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
以下、その望ましい理由について述べる。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

（Ｃ：０．０４％〜０．１５％）
Ｃは、オーステナイト組織を安定にするとともに微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる。Ｃ含有量が０．０４％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物が多量に析出し、クリープ延性および靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量の上限は０．１５％以下とすることがよい。Ｃ含有量の望ましい範囲は０．０５％〜０．１３％、さらに望ましい範囲は０．０６％〜０．１２％である。

（Ｓｉ：０．０５％〜１％）
Ｓｉは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。Ｓｉ含有量が０．０５％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合には組織の安定性が低下して、靭性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限は１％以下とすることがよい。Ｓｉ含有量の望ましい範囲は０．０８％〜０．８％、さらに望ましい範囲は０．１％〜０．５％である。

（Ｍｎ：０．３％〜２．５％）
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト組織の安定化に寄与する。Ｍｎ含有量が０．３％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、クリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎ含有量の上限は２．５％以下とすることがよい。Ｍｎ含有量の望ましい範囲は０．４％〜２％、さらに望ましい範囲は０．５％〜１．５％である。

（Ｐ：０．０４％以下）
Ｐは、不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。さらに、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｐ含有量は０．０４％以下に制限することがよい。Ｐ含有量の上限は、望ましくは０．０３５％以下、さらに望ましくは０．０３％以下である。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。

（Ｓ：０．００２％以下）
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。そのため、Ｓ含有量は０．００２％以下に制限すると、これらを防止し得る。Ｓ含有量の上限は、望ましくは０．００１８％以下、さらに望ましくは０．００１５％以下である。なお、Ｓ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量の望ましい下限は０．０００１％以上、さらに望ましい下限は０．０００２％以上である。

（Ｃｕ：２％〜４％）
Ｃｕは、オーステナイト組織の安定性を高めるとともに、使用中に微細に析出して、母材のクリープ強度の向上に寄与する。Ｃｕ含有量が２％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合、熱間加工性の低下を招くため、Ｃｕ含有量の上限は４％以下とすることがよい。Ｃｕ含有量の望ましい範囲は２．３％〜３．８％、さらに望ましい範囲は２．５％〜３．５％である。

（Ｎｉ：１１％〜１６％）
Ｎｉは、長時間使用時のオーステナイト組織の安定性を確保し、クリープ強度を確保するための元素である。Ｎｉ含有量が１１％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量の上限は１６％以下とすることがよい。Ｎｉ含有量の望ましい範囲は１２％〜１５．５％、さらに望ましい範囲は１３％〜１５％である。

（Ｃｒ：１６％〜２０％）
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のための元素である。また、Ｃｒは、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。Ｃｒ含有量が１６％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰である場合、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は１６％〜２０％とすることがよい。Ｃｒ含有量の望ましい範囲は１６．５％〜１９．５％、さらに望ましい範囲は１７％〜１９％である。

（Ｗ：２％〜５％）
Ｗは、マトリックスに固溶もしくは微細な金属間化合物相を形成して高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。Ｗ含有量が２％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても、その効果は飽和するか、場合によってはクリープ強度を低下させる。さらに、Ｗは高価な元素であるため、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｗ含有量の上限は５％以下とすることがよい。Ｗ含有量の望ましい範囲は２．２％〜４．８％であり、さらに望ましい範囲は２．５％〜４．５％である。

（Ｎｂ：０．１％〜０．８％）
Ｎｂは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。Ｎｂ含有量が０．１％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招く。このため、Ｎｂ含有量の上限は０．８％以下とすることがよい。Ｎｂ含有量の望ましい範囲は０．１２％〜０．７％であり、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．６％である。

（Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％）
Ｔｉは、Ｎｂと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。Ｔｉ含有量が０．０５％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、多量に析出して、クリープ延性および靭性の低下を招く。このため、Ｔｉ含有量の上限は０．３５％以下とすることがよい。Ｔｉ含有量の望ましい範囲は０．０８％〜０．３２％であり、さらに望ましい範囲は０．１２％〜０．３％である。

（Ｎ：０．００１％〜０．０１５％）
Ｎは、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶または窒化物として析出し、高温強度の向上に寄与する。Ｎ含有量が０．００１％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｎが過剰に含有されると、長時間使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出して、クリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量の上限は０．０１５％以下とすることがよい。Ｎ含有量の望ましい範囲は０．００２％〜０．０１２％であり、さらに望ましい範囲は０．００４％〜０．０１％である。

（Ｂ：０％〜０．０１％）
Ｂは、粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ強度を向上させるとともに、粒界に偏析して粒界を強化するのに有効な元素であるため、必要に応じて含有しても良い。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、溶接中の熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量の上限は、０．０１％以下とすることがよい。Ｂ含有量の上限は、望ましくは０．００８％以下、さらに望ましくは、０．００６％以下である。Ｂを含有する場合、Ｂ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。

（Ａｌ：０．０３％以下）
Ａｌは、母材の製造時に脱酸剤として含有される。しかしながら、多量のＡｌを含有すると鋼の清浄性が劣化し、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．０３％以下に制限することがよい。Ａｌ含有量の上限は、望ましくは０．０２５％以下、さらに望ましくは０．０２％以下である。なお、Ａｌ含有量の下限は特に設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの増大を招くため、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。

（Ｏ：０．０２％以下）
Ｏ（酸素）は、不純物として合金中に含まれ、過剰に含有すると熱間加工性が低下するとともに、靭性および延性の劣化を招く元素である。このため、Ｏ（酸素）含有量は０．０２％以下に制限することがよい。Ｏ（酸素）含有量の上限は、望ましくは０．０１８％以下、さらに望ましくは０．０１５％以下である。なお、Ｏ（酸素）含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ（酸素）含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。

上記に、母材の主要元素について説明したが、母材には、さらに、必要に応じて、Ｍｏ：０．０１％〜２．０％，Ｖ：０．０１％〜０．４％，Ｎｄ：０．００１％〜０．１０％を含んでもいてもよい。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

表１に示す化学組成を有する材料（残部はＦｅおよび不純物である）を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板材（板材（１））を作製した。板材（１）は溶接用母材とした。
さらに、表２に示す化学組成を有する材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚４ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍの板材（板材（２））を作製した。板材（２）から、機械加工により、２ｍｍ角、５００ｍｍ長さのカットフィラーを作製した。

［耐溶接割れ性試験］
上記の板材（１）の長手方向に、角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した後、表２のカットフィラーを用いて、シールドガスをＡｒとした手動ティグ溶接により、開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。なお、溶接に際しては、入熱を９ｋＪ／ｃｍ〜１５ｋＪ／ｃｍとした。
この溶接継手の溶融線上の長さ３０ｍｍの範囲に、角度６０°、深さ４ｍｍの溝を加工した後、市販の鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１６０（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ、厚さ２５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍ）上に、被覆アーク溶接棒（ＪＩＳ Ｚ ３２２４（１９９９）に規定の「ＤＮｉＣｒＦｅ−３」）を用いて、四周を拘束溶接した。
そして、加工溝内に元溶接金属を作製したものと同じカットフィラーを用いて、補修溶接を模擬した溶接を行った。なお、溶接に際しては、入熱を１５ｋＪ／ｃｍとした。
最終的に得られた溶接継手の模擬補修溶接を施していない部分（元溶接金属）から切粉を採取し、化学分析を行った。表３にその結果を示す。

また、模擬補修溶接を施した部分の３か所から採取した試料の横断面を鏡面研磨、腐食し、光学顕微鏡により検鏡し、模擬補修溶接の溶融境界近傍の元溶接金属中における割れの有無を調査した。検鏡の結果、割れの認められなかった溶接金属を「合格」、３個の試験片のうち、一つでも割れが認められたものを「不合格」とした。

［クリープ破断試験］
耐溶接割れ性試験の評価のうち、割れが「合格」であった溶接継手の残部の模擬補修溶接を施していない部分から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取した。そして、７００℃、１９６ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、その破断時間が母材の目標破断時間のおよそ８０％である５００時間を超えるものを「合格」とし、５００時間以下であるものを「不合格」とした。
表４に、上記各試験の評価結果を併せて示す。

表４から、化学組成が本発明で規定する範囲にある符号Ａ１〜Ａ３およびＢ１〜Ｂ３の溶接金属を有する溶接継手は、補修溶接の熱影響を受けた溶接金属中に割れは発生せず、かつ母材の目標破断時間の８０％以上を満足することが明らかである。
これに対して、符号Ａ４、Ａ５、Ｂ４およびＢ５の溶接金属を有する溶接継手では、［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝の値が０．００３０％を超えたため、補修溶接の熱影響を受けた溶接金属中に延性低下割れが発生した。このように本発明の要件を満足する溶接金属は、耐割れ性に優れるとともに、溶接構造物として必要なクリープ強度をも満足しているため、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分活用し得ることが分かる。

本発明を活用すれば、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する際に、その性能を十分活用できる溶接金属と、それを有する耐溶接割れ性と使用性能に優れた溶接継手とを提供できる。そのため、本発明の溶接金属とそれを有する溶接継手は、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を発電用ボイラ等、高温で使用される機器に適用される溶接構造物を構成する溶接金属とそれを有する溶接継手として有用である。

Claims (4)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
   Ｓｉ：０．１％〜０．８％、
   Ｍｎ：０．１％〜１．８％、
   Ｐ：０．０２５％以下、
   Ｃｕ：２％〜４％、
   Ｎｉ：１２％〜１６％、
   Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、
   Ｗ：２％〜４．５％、
   Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、
   Ｎｂ：０．０５％〜０．５％、
   Ｎ：０．００１％〜０．０１５％、
   Ａｌ：０．０８％以下、
   Ｏ：０．０８％以下
   を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、
   かつ、不純物としてのＳ、Ｓｎ、ＰｂおよびＺｎが下記式（１）を満足するオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
   式（１） ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％
   （式（１）中、［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｐｂ］、及び［％Ｚｎ］は、不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの含有量（質量％）を表す。）
2. 合金成分としてのＦｅに代えて、質量％で、下記の１種または２種以上の元素を含有する請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
   Ｖ：０％〜０．３５％、
   Ｃｏ：０％〜２％、
   Ｍｏ：０％〜２％、
   Ｂ：０％〜０．００５％、
   Ｃａ：０％〜０．０２％、
   Ｍｇ：０％〜０．０２％、
   ＲＥＭ：０％〜０．０６％
3. 請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属とオーステナイト系耐熱鋼の母材とからなる溶接継手。
4. 前記母材が、質量％で、
   Ｃ：０．０４％〜０．１５％、
   Ｓｉ：０．０５％〜１％、
   Ｍｎ：０．３％〜２．５％、
   Ｐ：０．０４％以下、
   Ｓ：０．００２％以下、
   Ｃｕ：２％〜４％、
   Ｎｉ：１１％〜１６％、
   Ｃｒ：１６％〜２０％、
   Ｗ：２％〜５％、
   Ｎｂ：０．１％〜０．８％、
   Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、
   Ｎ：０．００１％〜０．０１５％、
   Ｂ：０％〜０．０１％、
   Ａｌ：０．０３％以下
   Ｏ：０．０２％以下、
   を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる請求項３に記載の溶接継手。