JP7376767B2 - フェライト系耐熱鋼異材溶接継手およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、フェライト系耐熱鋼異材溶接継手およびその製造方法に関する。
近年、火力発電では熱効率を高めるために、蒸気条件の高温高圧化が進められている。将来的には６５０℃、３５０気圧という超々臨界圧条件での操業が計画されている。フェライト系耐熱鋼は、オーステナイト系耐熱鋼およびＮｉ基耐熱鋼に比べて安価である。フェライト系耐熱鋼はさらに、熱膨張係数が小さいという耐熱鋼としての利点を有する。そのため、フェライト系耐熱鋼は、高温高圧環境において広く利用されている。
また、フェライト系耐熱鋼は溶接されて、溶接継手として構造物に利用される場合がある。この場合、溶接継手の溶接熱影響部（以下、「ＨＡＺ」という）のクリープ強度が低下し得る。そこで、特許文献１～３では、ＨＡＺでのクリープ強度低下を抑制したフェライト系耐熱鋼が提案されている。
特許文献１に開示されたフェライト系耐熱鋼は、Ｂを０．００３～０．０３質量％含有することにより、ＨＡＺでの細粒化を抑える。これにより、ＨＡＺでのクリープ強度低下が抑制される。特許文献２および３に開示されたフェライト系耐熱鋼は、多量のＢを含有するとともに、溶接入熱またはＢ含有量に応じてＣ含有量を調整する。これにより、ＨＡＺでの強度低下を抑制するとともに、溶接時の液化割れが抑制される。
多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼を溶接する場合、一般的に溶接材料を使用する。溶接時に使用する溶接材料として、例えば、特許文献４には、Ｂを０．０００５％～０．００６％含有し、かつ（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｎｉ＋Ｃｏ）を所定の範囲に調整することにより、クリープ強度と靭性の両立を図ったフェライト系耐熱鋼用溶接材料が提案されている。
また、特許文献５には、任意でＢを０．０００５％～０．００６％含有するとともに、（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｎｉ＋Ｃｏ）および（０．５×Ｃｏ＋０．５×Ｍｎ＋Ｎｉ）に加えて、Ｃｒ当量を調整することにより、クリープ強度と靭性の両立を図ったフェライト系耐熱鋼用溶接材料が提案されている。
さらに、特許文献６にはＢ：０．００７％～０．０１５％を含有するとともに、（Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ－４０Ｃ－３０Ｎ－４Ｎｉ－２Ｃｏ－２Ｍｎ）を所定の範囲に調整することにより、優れたクリープ強度と靭性を両立するフェライト系耐熱鋼用溶接材料が開示されている。
ところで、これら多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼の溶接には、安定して優れたクリープ強度が得られるため、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料が用いられることがある。また、フェライト系耐熱鋼とステンレス鋼またはＮｉ基合金とを溶接する場合がある。しかしながら、このような多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼を含む異材溶接を行う場合において、溶接金属に凝固割れが発生する場合がある。
本発明は上記の問題を解決し、高いクリープ強度に加えて、優れた耐凝固割れ性を有するフェライト系耐熱鋼異材溶接継手およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手およびその製造方法を要旨とする。
（１）フェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とが、溶接金属を介して異材溶接されたフェライト系耐熱鋼異材溶接継手であって、
前記フェライト系耐熱鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～１０．０％、
Ｃｏ：２．０～４．０％、
Ｍｏ＋Ｗ：合計で２．０～４．０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０．０２～０．１８％、
Ｖ：０．０５～０．４０％、
Ｂ：０．００５～０．０２０％、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ：０．００２～０．０２５％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｎｉ：０～０．４％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～０．３０％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記フェライト系耐熱鋼、前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金、および前記溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量が下記（ｉ）式を満足する、
フェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
０．１×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２≦［％ＢＷＭ］≦０．００５ ・・・（ｉ）
但し、（ｉ）式中の［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＷＭ］は溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量（質量％）である。
前記フェライト系耐熱鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～１０．０％、
Ｃｏ：２．０～４．０％、
Ｍｏ＋Ｗ：合計で２．０～４．０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０．０２～０．１８％、
Ｖ：０．０５～０．４０％、
Ｂ：０．００５～０．０２０％、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ：０．００２～０．０２５％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｎｉ：０～０．４％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～０．３０％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記フェライト系耐熱鋼、前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金、および前記溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量が下記（ｉ）式を満足する、
フェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
０．１×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２≦［％ＢＷＭ］≦０．００５ ・・・（ｉ）
但し、（ｉ）式中の［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＷＭ］は溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量（質量％）である。
（２）前記溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｗ：０～６．０％、
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｆｅ：０．０１～５．００％、
Ｂ：０．００５％以下、
Ａｌ：１．８０％以下、
Ｎ：０．３０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
上記（１）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｗ：０～６．０％、
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｆｅ：０．０１～５．００％、
Ｂ：０．００５％以下、
Ａｌ：１．８０％以下、
Ｎ：０．３０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
上記（１）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
（３）前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の化学組成が、質量％で、
Ｎｉ：５．０～７０．０％、および
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、を含む、
上記（１）または（２）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
Ｎｉ：５．０～７０．０％、および
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、を含む、
上記（１）または（２）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
（４）前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０２～１．００％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：５．０～７０．０％、
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、
Ｃｏ：０～４．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｍｏ：０～２．０％、
Ｗ：０～８．０％、
Ｎｂ：０～１．０％、
Ｖ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～１．０％、
Ｂ：０～０．００６％、
Ａｌ：１．００％以下、
Ｎ：０～０．３０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０５％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
上記（３）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０２～１．００％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：５．０～７０．０％、
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、
Ｃｏ：０～４．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｍｏ：０～２．０％、
Ｗ：０～８．０％、
Ｎｂ：０～１．０％、
Ｖ：０～１．０％、
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Ｂ：０～０．００６％、
Ａｌ：１．００％以下、
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Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０５％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
上記（３）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
（５）フェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とを、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料で多層異材溶接する多層溶接工程を備えるフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法であって、
前記フェライト系耐熱鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～１０．０％、
Ｃｏ：２．０～４．０％、
Ｍｏ＋Ｗ：合計で２．０～４．０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０．０２～０．１８％、
Ｖ：０．０５～０．４０％、
Ｂ：０．００５～０．０２０％、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ：０．００２～０．０２５％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｎｉ：０～０．４％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～０．３０％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記多層溶接工程において、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融した前記フェライト系耐熱鋼、および前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の合計面積と、溶接金属の面積との比が、前記フェライト系耐熱鋼、および前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金に含まれるＢ含有量との関係において、下記（ii）式を満足する条件で初層溶接を行う、
フェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦－６５×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２＋１．２・・・（ii）
但し、（ii）式中の［ＳＢＭ］は溶融したフェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金の合計面積、［ＳＷＭ］は溶接金属の面積であり、［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）である。
前記フェライト系耐熱鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～１０．０％、
Ｃｏ：２．０～４．０％、
Ｍｏ＋Ｗ：合計で２．０～４．０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０．０２～０．１８％、
Ｖ：０．０５～０．４０％、
Ｂ：０．００５～０．０２０％、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ：０．００２～０．０２５％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｎｉ：０～０．４％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～０．３０％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記多層溶接工程において、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融した前記フェライト系耐熱鋼、および前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の合計面積と、溶接金属の面積との比が、前記フェライト系耐熱鋼、および前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金に含まれるＢ含有量との関係において、下記（ii）式を満足する条件で初層溶接を行う、
フェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦－６５×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２＋１．２・・・（ii）
但し、（ii）式中の［ＳＢＭ］は溶融したフェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金の合計面積、［ＳＷＭ］は溶接金属の面積であり、［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）である。
（６）前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の化学組成が、質量％で、
Ｎｉ：５．０～５０．０％、および
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、を含む、
上記（５）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
Ｎｉ：５．０～５０．０％、および
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、を含む、
上記（５）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
（７）前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０２～１．００％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：５．０～７０．０％、
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、
Ｃｏ：０～４．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｍｏ：０～２．０％、
Ｗ：０～８．０％、
Ｎｂ：０～１．０％、
Ｖ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～１．０％、
Ｂ：０～０．００６％、
Ａｌ：１．００％以下、
Ｎ：０～０．３０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０５％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
上記（６）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０２～１．００％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：５．０～７０．０％、
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、
Ｃｏ：０～４．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｍｏ：０～２．０％、
Ｗ：０～８．０％、
Ｎｂ：０～１．０％、
Ｖ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～１．０％、
Ｂ：０～０．００６％、
Ａｌ：１．００％以下、
Ｎ：０～０．３０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０５％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
上記（６）に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
（８）前記Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：１６．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～０．８０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｔｉ：０～１．００％、
Ｆｅ：０～６．００％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．００２～１．８００％、
Ｏ：０．０２０％以下、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
上記（５）から（７）までのいずれかに記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：１６．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～０．８０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｔｉ：０～１．００％、
Ｆｅ：０～６．００％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．００２～１．８００％、
Ｏ：０．０２０％以下、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
上記（５）から（７）までのいずれかに記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
本発明によれば、高いクリープ強度に加えて、優れた耐凝固割れ性を有するフェライト系耐熱鋼異材溶接継手を得ることが可能になる。
本発明者らが溶接金属における耐凝固割れ性を改善する方法について検討を重ねた結果、以下の知見を得るに至った。
Ｂはクリープ強度の向上に不可欠な元素であるが、その一方で、耐凝固割れ性を悪化させる元素でもある。多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼とステンレス鋼またはＮｉ基合金とを、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて溶接する場合、フェライト系耐熱鋼中に含まれるＢが溶接金属中に流入することにより、溶接金属での耐凝固割れ性の低下を招く。
そのため、多層異材溶接する際に、特に初層溶接時の溶接条件を適切に管理し、フェライト系耐熱鋼から溶接金属中に流入するＢの量を制限することで、溶接金属中のＢ含有量を低減することが可能となる。そして、その結果、溶接金属での凝固割れの発生を抑制することができる。
本発明は上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
１．全体構成
図１は、本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の溶接部における一方向に垂直な断面（以下、「横断面」ともいう。）の一例を示す概略図である。図１に示すように、フェライト系耐熱鋼異材溶接継手１０は、フェライト系耐熱鋼１と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金２とが、一方向に延びる溶接金属３を介して異材溶接されたものである。
図１は、本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の溶接部における一方向に垂直な断面（以下、「横断面」ともいう。）の一例を示す概略図である。図１に示すように、フェライト系耐熱鋼異材溶接継手１０は、フェライト系耐熱鋼１と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金２とが、一方向に延びる溶接金属３を介して異材溶接されたものである。
２．フェライト系耐熱鋼の化学組成
本発明に係るフェライト系耐熱鋼は以下に示す化学組成を有する。各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
本発明に係るフェライト系耐熱鋼は以下に示す化学組成を有する。各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０４～０．１２％
炭素（Ｃ）は、マルテンサイト組織を得るのに有効な元素である。Ｃはさらに、高温使用時に微細な炭化物を生成し、母材のクリープ強度を高める。Ｃ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃ含有量が高すぎると、クリープ強度向上の効果が飽和する。したがって、Ｃ含有量は０．０４～０．１２％である。Ｃ含有量は０．０６％以上であるのが好ましく、０．１０％以下であるのが好ましい。
炭素（Ｃ）は、マルテンサイト組織を得るのに有効な元素である。Ｃはさらに、高温使用時に微細な炭化物を生成し、母材のクリープ強度を高める。Ｃ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃ含有量が高すぎると、クリープ強度向上の効果が飽和する。したがって、Ｃ含有量は０．０４～０．１２％である。Ｃ含有量は０．０６％以上であるのが好ましく、０．１０％以下であるのが好ましい。
Ｓｉ：０．０５～０．６０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する効果を有する。Ｓｉはさらに、母材の耐水蒸気酸化特性を高める。Ｓｉ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｓｉ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｓｉ含有量が高すぎると、母材のクリープ延性および靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５～０．６０％である。Ｓｉ含有量は０．１０％以上であるのが好ましく、０．４０％以下であるのが好ましい。
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する効果を有する。Ｓｉはさらに、母材の耐水蒸気酸化特性を高める。Ｓｉ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｓｉ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｓｉ含有量が高すぎると、母材のクリープ延性および靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５～０．６０％である。Ｓｉ含有量は０．１０％以上であるのが好ましく、０．４０％以下であるのが好ましい。
Ｍｎ：０．１０～０．８０％
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様に、鋼を脱酸する効果を有する。Ｍｎはさらに、母材の組織のマルテンサイト化を促進する。Ｍｎ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｍｎ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、クリープ脆化が発生しやすくなる。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０～０．８０％である。Ｍｎ含有量は０．２０％以上であるのが好ましく、０．７０％以下であるのが好ましい。
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様に、鋼を脱酸する効果を有する。Ｍｎはさらに、母材の組織のマルテンサイト化を促進する。Ｍｎ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｍｎ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、クリープ脆化が発生しやすくなる。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０～０．８０％である。Ｍｎ含有量は０．２０％以上であるのが好ましく、０．７０％以下であるのが好ましい。
Ｐ：０．０２０％以下
リン（Ｐ）は、不純物として鋼中に含まれる元素である。Ｐ含有量が高すぎると、クリープ延性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０２０％以下である。Ｐ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、なるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストの観点から、Ｐ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましい。
リン（Ｐ）は、不純物として鋼中に含まれる元素である。Ｐ含有量が高すぎると、クリープ延性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０２０％以下である。Ｐ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、なるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストの観点から、Ｐ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましい。
Ｓ：０．０１０％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物として鋼中に含まれる元素である。Ｓ含有量が高すぎると、クリープ延性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１０％以下である。Ｓ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、なるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストの観点から、Ｓ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましい。
硫黄（Ｓ）は、不純物として鋼中に含まれる元素である。Ｓ含有量が高すぎると、クリープ延性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１０％以下である。Ｓ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、なるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストの観点から、Ｓ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましい。
Ｃｒ：８．０～１０．０％
クロム（Ｃｒ）は、母材の高温での耐水蒸気酸化性および耐食性を高める。Ｃｒはさらに、高温での使用中に炭化物として析出し、母材のクリープ強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃｒ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃｒ含有量が高すぎると、炭化物の安定性が低下して母材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は８．０～１０．０％である。Ｃｒ含有量は８．５％以上であるのが好ましく、９．５％以下であるのが好ましい。
クロム（Ｃｒ）は、母材の高温での耐水蒸気酸化性および耐食性を高める。Ｃｒはさらに、高温での使用中に炭化物として析出し、母材のクリープ強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃｒ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃｒ含有量が高すぎると、炭化物の安定性が低下して母材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は８．０～１０．０％である。Ｃｒ含有量は８．５％以上であるのが好ましく、９．５％以下であるのが好ましい。
Ｃｏ：２．０～４．０％
コバルト（Ｃｏ）は、母材の組織をマルテンサイト組織にして、クリープ強度を高めるのに有効である。Ｃｏ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃｏ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃｏ含有量が高すぎると、母材のクリープ強度およびクリープ延性が低下する。さらに、Ｃｏは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は２．０～４．０％である。Ｃｏ含有量は２．５％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
コバルト（Ｃｏ）は、母材の組織をマルテンサイト組織にして、クリープ強度を高めるのに有効である。Ｃｏ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃｏ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃｏ含有量が高すぎると、母材のクリープ強度およびクリープ延性が低下する。さらに、Ｃｏは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は２．０～４．０％である。Ｃｏ含有量は２．５％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
Ｍｏ＋Ｗ：合計で２．０～４．０％
モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶、または、金属間化合物として長時間使用中に析出し、高温でのクリープ強度を高める。Ｍｏおよび／またはＷの含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、これらの元素の含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｍｏおよび／またはＷの含有量が高すぎると、上記効果が飽和する。したがって、ＭｏおよびＷの合計含有量は、２．０～４．０％である。ＭｏおよびＷの合計含有量は２．５％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶、または、金属間化合物として長時間使用中に析出し、高温でのクリープ強度を高める。Ｍｏおよび／またはＷの含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、これらの元素の含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｍｏおよび／またはＷの含有量が高すぎると、上記効果が飽和する。したがって、ＭｏおよびＷの合計含有量は、２．０～４．０％である。ＭｏおよびＷの合計含有量は２．５％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０．０２～０．１８％
ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）は、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。Ｎｂおよび／またはＴａの含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、これらの元素の含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｎｂおよび／またはＴａの含有量が高すぎると、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度およびクリープ延性が低下する。したがって、ＮｂおよびＴａの合計含有量は０．０２～０．１８％である。ＮｂおよびＴａの合計含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１２％以下であるのが好ましい。
ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）は、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。Ｎｂおよび／またはＴａの含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、これらの元素の含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｎｂおよび／またはＴａの含有量が高すぎると、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度およびクリープ延性が低下する。したがって、ＮｂおよびＴａの合計含有量は０．０２～０．１８％である。ＮｂおよびＴａの合計含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１２％以下であるのが好ましい。
Ｖ：０．０５～０．４０％
バナジウム（Ｖ）はＮｂおよびＴａと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。Ｖ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｖ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｖ含有量が高すぎると、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度およびクリープ延性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０５～０．４０％である。Ｖ含有量は０．１０％以上であるのが好ましく、０．３０％以下であるのが好ましい。
バナジウム（Ｖ）はＮｂおよびＴａと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。Ｖ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｖ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｖ含有量が高すぎると、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度およびクリープ延性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０５～０．４０％である。Ｖ含有量は０．１０％以上であるのが好ましく、０．３０％以下であるのが好ましい。
Ｂ：０．００５～０．０２０％
ホウ素（Ｂ）は、焼入れ性を高め、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Ｂはさらに、高温での使用中に炭化物を旧オーステナイト境界、マルテンサイトラス境界に微細分散して、組織の回復を抑制し、クリープ強度を高める。Ｂ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｂ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｂ含有量が高すぎると、靱性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０．００５～０．０２０％である。Ｂ含有量は０．００７％以上であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのが好ましい。
ホウ素（Ｂ）は、焼入れ性を高め、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Ｂはさらに、高温での使用中に炭化物を旧オーステナイト境界、マルテンサイトラス境界に微細分散して、組織の回復を抑制し、クリープ強度を高める。Ｂ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｂ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｂ含有量が高すぎると、靱性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０．００５～０．０２０％である。Ｂ含有量は０．００７％以上であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのが好ましい。
Ａｌ：０．０３０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する効果を有する。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎると、母材の清浄性が低下して加工性が低下する。Ａｌ含有量が高すぎるとさらに、クリープ強度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０３０％以下である。Ａｌ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましい。製造コストを考慮すると、Ａｌ含有量は０．００１％以上であるのが好ましい。本明細書において、Ａｌ含有量はｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）を意味する。
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する効果を有する。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎると、母材の清浄性が低下して加工性が低下する。Ａｌ含有量が高すぎるとさらに、クリープ強度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０３０％以下である。Ａｌ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましい。製造コストを考慮すると、Ａｌ含有量は０．００１％以上であるのが好ましい。本明細書において、Ａｌ含有量はｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）を意味する。
Ｎ：０．００２～０．０２５％
窒素（Ｎ）は、高温での使用中に微細な窒化物として粒内に微細に析出し、クリープ強度を高める。Ｎ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｎ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｎ含有量が高すぎると、窒化物が粗大化して、クリープ延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００２～０．０２５％である。Ｎ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのが好ましい。
窒素（Ｎ）は、高温での使用中に微細な窒化物として粒内に微細に析出し、クリープ強度を高める。Ｎ含有量が低すぎると、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｎ含有量は、溶接金属の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｎ含有量が高すぎると、窒化物が粗大化して、クリープ延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００２～０．０２５％である。Ｎ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのが好ましい。
Ｏ：０．０２０％以下
酸素（Ｏ）は、不純物として鋼中に含まれる元素である。Ｏ含有量が高すぎると、母材の加工性が低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０２０％以下である。Ｏ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましい。製造コストを考慮すると、Ｏ含有量は０．００１％以上であるのが好ましい。
酸素（Ｏ）は、不純物として鋼中に含まれる元素である。Ｏ含有量が高すぎると、母材の加工性が低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０２０％以下である。Ｏ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましい。製造コストを考慮すると、Ｏ含有量は０．００１％以上であるのが好ましい。
Ｎｄ：０～０．０６％
ネオジム（Ｎｄ）は母材のクリープ延性を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｄ含有量が高すぎると、熱間加工性が低下する。したがって、Ｎｄ含有量は０～０．０６％である。Ｎｄ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｎｄ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。
ネオジム（Ｎｄ）は母材のクリープ延性を改善するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｄ含有量が高すぎると、熱間加工性が低下する。したがって、Ｎｄ含有量は０～０．０６％である。Ｎｄ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｎｄ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。
Ｎｉ：０～０．４％
ニッケル（Ｎｉ）は、マルテンサイト組織を得るのに有効であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎると、上記効果が飽和する。したがって、Ｎｉ含有量は０～０．４％である。Ｎｉ含有量は０．２％以下であるのが好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｎｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）は、マルテンサイト組織を得るのに有効であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎると、上記効果が飽和する。したがって、Ｎｉ含有量は０～０．４％である。Ｎｉ含有量は０．２％以下であるのが好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｎｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。
Ｃｕ：０～１．０％
銅（Ｃｕ）は、ＣｏおよびＮｉと同様、マルテンサイト組織の生成に有効であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕ含有量が高すぎると、クリープ延性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０～１．０％である。Ｃｕ含有量は０．８％以下であるのが好ましく、０．６％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｃｕ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。
銅（Ｃｕ）は、ＣｏおよびＮｉと同様、マルテンサイト組織の生成に有効であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕ含有量が高すぎると、クリープ延性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０～１．０％である。Ｃｕ含有量は０．８％以下であるのが好ましく、０．６％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｃｕ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１％以上であるのがより好ましい。
Ｔｉ：０～０．３０％
チタン（Ｔｉ）は、Ｎｂ、ＴａおよびＶと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎると、炭窒化物が多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。したがって、Ｔｉ含有量は０～０．３０％である。Ｔｉ含有量は０．２０％以下であるのが好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｔｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０４％以上であるのがより好ましい。
チタン（Ｔｉ）は、Ｎｂ、ＴａおよびＶと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度の向上に寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎると、炭窒化物が多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。したがって、Ｔｉ含有量は０～０．３０％である。Ｔｉ含有量は０．２０％以下であるのが好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｔｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０４％以上であるのがより好ましい。
Ｃａ：０～０．０５０％
カルシウム（Ｃａ）は、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎると、Ｃａが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｃａ含有量は０～０．０５０％である。Ｃａ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｃａ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
カルシウム（Ｃａ）は、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎると、Ｃａが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｃａ含有量は０～０．０５０％である。Ｃａ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｃａ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
Ｍｇ：０～０．０５０％
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇ含有量が高すぎると、Ｍｇが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｍｇ含有量は０～０．０５０％である。Ｍｇ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇ含有量が高すぎると、Ｍｇが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｍｇ含有量は０～０．０５０％である。Ｍｇ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。上記効果を得たい場合は、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
本発明の母材の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
３．溶接金属の化学組成
上述のように、多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼とステンレス鋼またはＮｉ基合金とを、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて溶接する場合においても、溶接金属での凝固割れの発生を抑制するためには、フェライト系耐熱鋼から溶接金属中に流入するＢの量を制限する必要がある。
上述のように、多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼とステンレス鋼またはＮｉ基合金とを、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて溶接する場合においても、溶接金属での凝固割れの発生を抑制するためには、フェライト系耐熱鋼から溶接金属中に流入するＢの量を制限する必要がある。
そのため、具体的には、溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量は、質量％で、０．００５％以下に制限する。一方、溶接金属中のＢ含有量を、フェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量との関係において極端に低く制限した場合には、融合不良または裏波不良等の溶接欠陥が生じる可能性が高くなる。
以上の観点から、本発明においては、溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量は、フェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量との関係において、下記（ｉ）式を満足する。
０．１×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２≦［％ＢＷＭ］≦０．００５ ・・・（ｉ）
但し、（ｉ）式中の［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＷＭ］は溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量（質量％）である。
０．１×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２≦［％ＢＷＭ］≦０．００５ ・・・（ｉ）
但し、（ｉ）式中の［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＷＭ］は溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量（質量％）である。
また、溶接金属全体の化学組成については、特に制限はないが、溶接金属におけるクリープ強度の向上の観点からは、溶接金属は、
質量％で、
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｗ：０～６．０％、
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｆｅ：０．０１～５．００％、
Ｂ：０．００５％以下、
Ａｌ：１．８０％以下、
Ｎ：０．３０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｎｉおよび不純物である化学組成を有することが好ましい。
質量％で、
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｗ：０～６．０％、
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｆｅ：０．０１～５．００％、
Ｂ：０．００５％以下、
Ａｌ：１．８０％以下、
Ｎ：０．３０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｎｉおよび不純物である化学組成を有することが好ましい。
上記のうちでも、Ｃ含有量は０．０１～０．１５０％であるのが好ましく、Ｓｉ含有量は０．０３～１．００％であるのが好ましく、Ｍｎ含有量は０．０５～３．５０％であるのが好ましく、Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、Ｓ含有量は０．００７％以下であるのが好ましい。
また、Ｃｒ含有量は１０．０～２３．０％であるのが好ましく、Ｍｏ含有量は０．００１～１０．０％であるのが好ましく、Ｃｏ含有量は０．００１～１３．０％であるのが好ましく、Ｃｕ含有量は０．００１～３．０％であるのが好ましく、Ｗ含有量は０．００１～５．０％であるのが好ましい。
また、Ｎｂ、Ｖ、ＴｉおよびＴａの合計含有量は、０．０１～４．００％であるのが好ましく、Ｆｅ含有量は０．０２～４．５０％であるのが好ましく、Ｂ含有量は０．００３％以下であるのが好ましく、Ａｌ含有量は１．５０％以下であるのが好ましく、Ｎ含有量は０．２０％以下であるのが好ましい。
また、Ｏ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましく、Ｎｄ含有量は０．０００１～０．０５％であるのが好ましく、Ｃａ含有量は０．０００１～０．０３０％であるのが好ましく、Ｍｇ含有量は０．０００１～０．０３０％であるのが好ましい。
なお、上記の溶接金属の化学組成は、溶接時における母材（フェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金）と溶接材料との流入割合で決定される。以下に、本発明に係る溶接継手を製造するのに用いられるステンレス鋼またはＮｉ基合金、および溶接材料の好適な化学組成について説明する。
４．ステンレス鋼またはＮｉ基合金の化学組成
上述のように、本発明のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手は、上述した化学組成を有するフェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とが異材溶接されたものである。ステンレス鋼またはＮｉ基合金の化学組成については特に制限はなく、例えば、質量％で、Ｎｉ：５．０～７０．０％、およびＣｒ：１５．０～３０．０％、を含むものが挙げられる。
上述のように、本発明のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手は、上述した化学組成を有するフェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とが異材溶接されたものである。ステンレス鋼またはＮｉ基合金の化学組成については特に制限はなく、例えば、質量％で、Ｎｉ：５．０～７０．０％、およびＣｒ：１５．０～３０．０％、を含むものが挙げられる。
ステンレス鋼またはＮｉ基合金の化学組成の化学組成について説明する。各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０４～０．１２％
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには、Ｃを０．０４％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、高温での使用中に粗大な炭化物を生成し、却ってクリープ強度を低下させるおそれがある。そのため、Ｃ含有量は０．１２％以下とすることが好ましい。Ｃ含有量は０．０６％以上であるのが好ましく、０．１０％以下であるのが好ましい。
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには、Ｃを０．０４％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、高温での使用中に粗大な炭化物を生成し、却ってクリープ強度を低下させるおそれがある。そのため、Ｃ含有量は０．１２％以下とすることが好ましい。Ｃ含有量は０．０６％以上であるのが好ましく、０．１０％以下であるのが好ましい。
Ｓｉ：０．０２～１．００％
Ｓｉは、脱酸作用を有するため、０．０２％以上含有させることが好ましい。Ｓｉ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。しかしながら、過剰に含有させると靭性を低下させるおそれがあるため、Ｓｉ含有量は１．００％以下とすることが好ましい。Ｓｉ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、０．８％以下であるのが好ましい。
Ｓｉは、脱酸作用を有するため、０．０２％以上含有させることが好ましい。Ｓｉ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。しかしながら、過剰に含有させると靭性を低下させるおそれがあるため、Ｓｉ含有量は１．００％以下とすることが好ましい。Ｓｉ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、０．８％以下であるのが好ましい。
Ｍｎ：０．０２～４．００％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有するため、０．０２％以上含有させることが好ましい。Ｍｎ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。しかしながら、過剰に含有させると脆化を招くおそれがあるため、Ｍｎ含有量は４．００％以下とすることが好ましい。Ｍｎ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、３．０％以下とすることが好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有するため、０．０２％以上含有させることが好ましい。Ｍｎ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。しかしながら、過剰に含有させると脆化を招くおそれがあるため、Ｍｎ含有量は４．００％以下とすることが好ましい。Ｍｎ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、３．０％以下とすることが好ましい。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、不純物として含まれ、Ｐ含有量が過剰となるとクリープ延性の低下を招くとともに、溶接熱影響部の耐液化割れ性を低下させるおそれがある。そのため、Ｐ含有量は０．０４０％以下とすることが好ましい。Ｐ含有量は０．０３５％以下であることがより好ましい。なお、Ｐ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｐ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。
Ｐは、不純物として含まれ、Ｐ含有量が過剰となるとクリープ延性の低下を招くとともに、溶接熱影響部の耐液化割れ性を低下させるおそれがある。そのため、Ｐ含有量は０．０４０％以下とすることが好ましい。Ｐ含有量は０．０３５％以下であることがより好ましい。なお、Ｐ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｐ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、Ｐと同様、不純物として含まれ、Ｓ含有量が過剰となるとクリープ延性の低下を招くとともに、溶接熱影響部の耐液化割れ性を低下させる。そのため、Ｓ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましく、０．００５％以下とすることがより好ましい。なお、Ｓ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｓ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましい。
Ｓは、Ｐと同様、不純物として含まれ、Ｓ含有量が過剰となるとクリープ延性の低下を招くとともに、溶接熱影響部の耐液化割れ性を低下させる。そのため、Ｓ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましく、０．００５％以下とすることがより好ましい。なお、Ｓ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｓ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましい。
Ｎｉ：５．０～７０．０％
Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であるとともに、長時間使用時の組織安定性を確保し、クリープ強度を得るためにも有効な元素である。その効果を得るためには、Ｎｉを５．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、過剰な含有はコストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量は７０．０％以下とすることが好ましい。Ｎｉ含有量は７．０％以上であるのが好ましく、６０．０％以下であるのが好ましい。
Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であるとともに、長時間使用時の組織安定性を確保し、クリープ強度を得るためにも有効な元素である。その効果を得るためには、Ｎｉを５．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、過剰な含有はコストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量は７０．０％以下とすることが好ましい。Ｎｉ含有量は７．０％以上であるのが好ましく、６０．０％以下であるのが好ましい。
Ｃｒ：１５．０～３０．０％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素であるため、１５．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰となると、高温使用中のオーステナイト組織の安定性が劣化し、クリープ強度が低下するおそれがある。そのため、Ｃｒ含有量は３０．０％以下とすることが好ましい。Ｃｒ含有量は１６．０％以上であるのが好ましく、２８．０％以下であるのが好ましい。
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素であるため、１５．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰となると、高温使用中のオーステナイト組織の安定性が劣化し、クリープ強度が低下するおそれがある。そのため、Ｃｒ含有量は３０．０％以下とすることが好ましい。Ｃｒ含有量は１６．０％以上であるのが好ましく、２８．０％以下であるのが好ましい。
Ｃｏ：０～４．０％
Ｃｏは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、Ｎｉ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元素であるので含有させてもよい。しかしながら、極めて高価な元素であるため、Ｃｏを過剰に含有させると大幅にコストを増大させる。そのため、Ｃｏ含有量は４．０％以下とすることが好ましい。また、Ｃｏ含有量は３．５％以下とすることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ｃｏは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、Ｎｉ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元素であるので含有させてもよい。しかしながら、極めて高価な元素であるため、Ｃｏを過剰に含有させると大幅にコストを増大させる。そのため、Ｃｏ含有量は４．０％以下とすることが好ましい。また、Ｃｏ含有量は３．５％以下とすることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ｃｕ：０～４．０％
Ｃｕは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温使用時に溶接金属のオーステナイト組織の安定性を保つことに寄与するとともに、Ｃｕ富化相として析出し、クリープ強度を得るのに有効な元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、過剰に析出し、脆化を招く。そのため、Ｃｕ含有量は４．０％以下とすることが好ましい。また、Ｃｕ含有量は３．６％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｃｕ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ｃｕは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温使用時に溶接金属のオーステナイト組織の安定性を保つことに寄与するとともに、Ｃｕ富化相として析出し、クリープ強度を得るのに有効な元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、過剰に析出し、脆化を招く。そのため、Ｃｕ含有量は４．０％以下とすることが好ましい。また、Ｃｕ含有量は３．６％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｃｕ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ｍｏ：０～２．０％
Ｍｏは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有させると、オーステナイト組織の安定性を低下させて、クリープ強度の低下を招く。そのため、Ｍｏ含有量は２．０％以下とすることが好ましい。また、Ｍｏ含有量は１．５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量は０．３％以上であるのが好ましい。
Ｍｏは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有させると、オーステナイト組織の安定性を低下させて、クリープ強度の低下を招く。そのため、Ｍｏ含有量は２．０％以下とすることが好ましい。また、Ｍｏ含有量は１．５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量は０．３％以上であるのが好ましい。
Ｗ：０～８．０％
Ｗは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、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大きく寄与する元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても、上記効果は飽和し、場合によってはクリープ強度を低下させるおそれがある。さらに、Ｗは高価な元素であるため、Ｗを過剰に含有させるとコストの増大を招く。そのため、Ｗ含有量は８．０％以下とすることが好ましい。また、Ｗ含有量は７．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｗ含有量は１.０％以上であるのが好ましい。
Ｗは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、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大きく寄与する元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても、上記効果は飽和し、場合によってはクリープ強度を低下させるおそれがある。さらに、Ｗは高価な元素であるため、Ｗを過剰に含有させるとコストの増大を招く。そのため、Ｗ含有量は８．０％以下とすることが好ましい。また、Ｗ含有量は７．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｗ含有量は１.０％以上であるのが好ましい。
Ｎｂ：０～１．０％
Ｎｂは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂを過剰に含有させると、窒化物として多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。また、Ｎｂ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．１％以上であるのが好ましい。
Ｎｂは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂを過剰に含有させると、窒化物として多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。また、Ｎｂ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．１％以上であるのが好ましい。
Ｖ：０～１．０％
Ｖは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、Ｎｂと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｖを過剰に含有させると、窒化物として多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。また、Ｖ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｖ含有量は０．１％以上であるのが好ましい。
Ｖは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、Ｎｂと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｖを過剰に含有させると、窒化物として多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。また、Ｖ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｖ含有量は０．１％以上であるのが好ましい。
Ｔｉ：０～１．０％
Ｔｉは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、ＮｂおよびＶと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有させると、窒化物として多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。また、Ｔｉ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量は０．１％以上であるのが好ましい。
Ｔｉは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、ＮｂおよびＶと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有させると、窒化物として多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。また、Ｔｉ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量は０．１％以上であるのが好ましい。
Ｂ：０～０．００６％
Ｂは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温での使用中に粒界に析出して粒界を強化するとともに、粒界炭化物を微細分散させることによって、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、溶接熱影響部の液化割れ性を低下させる。そのため、Ｂ含有量は０．００６％以下とすることが好ましい。また、Ｂ含有量は０．００５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．００１％以上であるのが好ましい。
Ｂは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温での使用中に粒界に析出して粒界を強化するとともに、粒界炭化物を微細分散させることによって、クリープ強度を向上させる元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、溶接熱影響部の液化割れ性を低下させる。そのため、Ｂ含有量は０．００６％以下とすることが好ましい。また、Ｂ含有量は０．００５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．００１％以上であるのが好ましい。
Ａｌ：１．００％以下
Ａｌは、母材の製造時に脱酸材として含有されるが、多量に含まれる場合には、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１．００％以下とすることが好ましい。Ａｌ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、Ａｌ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ａｌ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。
Ａｌは、母材の製造時に脱酸材として含有されるが、多量に含まれる場合には、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１．００％以下とすることが好ましい。Ａｌ含有量は０．８％以下であることがより好ましい。なお、Ａｌ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ａｌ含有量は０．０１％以上であるのが好ましい。
Ｎ：０～０．３０％
Ｎは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、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ため、含有させてもよい。しかしながら、Ｎを過剰に含有させると、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含有量は０．３０％以下とすることが好ましい。また、Ｎ含有量は０．２５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましい。
Ｎは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、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ため、含有させてもよい。しかしながら、Ｎを過剰に含有させると、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含有量は０．３０％以下とすることが好ましい。また、Ｎ含有量は０．２５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましい。
Ｏ：０．０２０％以下
Ｏは、不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、加工性を低下させる。そのため、Ｏ含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｏ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのがより好ましい。なお、Ｏ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｏ含有量は０．００２％以上であるのが好ましい。
Ｏは、不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、加工性を低下させる。そのため、Ｏ含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｏ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのがより好ましい。なお、Ｏ含有量に下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｏ含有量は０．００２％以上であるのが好ましい。
Ｎｄ：０～０．０５％
Ｎｄは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温でのクリープ延性の改善に寄与する元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｎｄを過剰に含有させると、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、延性を低下させる。そのため、Ｎｄ含有量は０．０５％以下とすることが好ましい。また、Ｎｄ含有量は０．０４５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｎｄ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。
Ｎｄは、ステンレス鋼またはＮｉ基合金中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温でのクリープ延性の改善に寄与する元素であるため、含有させてもよい。しかしながら、Ｎｄを過剰に含有させると、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、延性を低下させる。そのため、Ｎｄ含有量は０．０５％以下とすることが好ましい。また、Ｎｄ含有量は０．０４５％以下であることがより好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｎｄ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。
Ｃａ：０～０．０５０％
Ｃａは、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎると、Ｃａが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｃａ含有量は０．０５０％以下とすることが好ましい。Ｃａ含有量は０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｃａ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
Ｃａは、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎると、Ｃａが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｃａ含有量は０．０５０％以下とすることが好ましい。Ｃａ含有量は０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記効果を得たい場合には、Ｃａ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
５．溶接材料の化学組成
本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手を製造するに際に用いられる溶接材料の化学組成については特に制限は設けないが、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料を用いることが好ましい。Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料の好適な化学組成について説明する。各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手を製造するに際に用いられる溶接材料の化学組成については特に制限は設けないが、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料を用いることが好ましい。Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料の好適な化学組成について説明する。各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．００５～０．１８０％
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、溶接金属の高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためにはＣを０．００５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、炭化物として多量に析出し、クリープ延性および高温での耐食性を低下させるおそれがある。そのため、Ｃ含有量は０．１８０％以下とすることが好ましい。Ｃ含有量は０．００８％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１５０％以下であるのが好ましく、０．１２０％以下であるのがより好ましい。
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、溶接金属の高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためにはＣを０．００５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、炭化物として多量に析出し、クリープ延性および高温での耐食性を低下させるおそれがある。そのため、Ｃ含有量は０．１８０％以下とすることが好ましい。Ｃ含有量は０．００８％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１５０％以下であるのが好ましく、０．１２０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．０２～１．２０％
Ｓｉは、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の耐水蒸気酸化特性に有効な元素である。その効果を得るためには、Ｓｉを０．０２％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、溶接金属の凝固割れ感受性を増大させるおそれがあるため、Ｓｉ含有量は１．２０％以下とすることが好ましい。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は１．００％以下であるのが好ましく、０．８０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉは、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の耐水蒸気酸化特性に有効な元素である。その効果を得るためには、Ｓｉを０．０２％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、溶接金属の凝固割れ感受性を増大させるおそれがあるため、Ｓｉ含有量は１．２０％以下とすることが好ましい。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は１．００％以下であるのが好ましく、０．８０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎ：０．０２～４．００％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の高温での組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには０．０２％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると脆化を招くおそれがあるため、Ｍｎ含有量は４．００％以下とすることが好ましい。Ｍｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．０８％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は３．５０％以下であるのが好ましく、３．００％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の高温での組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには０．０２％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると脆化を招くおそれがあるため、Ｍｎ含有量は４．００％以下とすることが好ましい。Ｍｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．０８％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は３．５０％以下であるのが好ましく、３．００％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に凝固割れ感受性を増大させるとともに、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｐの含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｐ含有量は０．０１８％以下とするのがより好ましく、０．０１６％以下とするのがさらに好ましい。なお、Ｐ含有量は少なければ少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料コストを極端に増大させる。そのため、Ｐ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
Ｐは、不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に凝固割れ感受性を増大させるとともに、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｐの含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｐ含有量は０．０１８％以下とするのがより好ましく、０．０１６％以下とするのがさらに好ましい。なお、Ｐ含有量は少なければ少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料コストを極端に増大させる。そのため、Ｐ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に凝固割れ感受性を増大させるとともに、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましい。Ｓ含有量は０．００８％以下とするのがより好ましく、０．００５％以下とするのがさらに好ましい。なお、Ｓ含有量は少なければ少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００２％以上であるのがより好ましい。
Ｓは、Ｐと同様に不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に凝固割れ感受性を増大させるとともに、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０１０％以下とすることが好ましい。Ｓ含有量は０．００８％以下とするのがより好ましく、０．００５％以下とするのがさらに好ましい。なお、Ｓ含有量は少なければ少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００２％以上であるのがより好ましい。
Ｃｒ：１６．０～２５．０％
Ｃｒは、溶接金属の高温での耐水蒸気酸化性および耐食性に有効な元素である。また、高温での使用中に炭化物として析出し、クリープ強度の向上にも寄与する。これらの効果を得るためには、１６．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、高温での組織安定性を低下させてクリープ強度が低下するおそれがあるため、Ｃｒ含有量は２５．０％以下とすることが好ましい。Ｃｒ含有量は１６．５％以上であるのが好ましく、１７．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｒ含有量は２４．５％以下であるのが好ましく、２４．０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｒは、溶接金属の高温での耐水蒸気酸化性および耐食性に有効な元素である。また、高温での使用中に炭化物として析出し、クリープ強度の向上にも寄与する。これらの効果を得るためには、１６．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有すると、高温での組織安定性を低下させてクリープ強度が低下するおそれがあるため、Ｃｒ含有量は２５．０％以下とすることが好ましい。Ｃｒ含有量は１６．５％以上であるのが好ましく、１７．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｒ含有量は２４．５％以下であるのが好ましく、２４．０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｏ：０～１２．０％
Ｍｏは、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、マトリックスに固溶し、溶接金属の高温でのクリープ強度確保に寄与する元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、高温での組織安定性を低下させ、クリープ強度をかえって低下させる。そのため、Ｍｏ含有量は１２．０％以下とすることが好ましい。Ｍｏ含有量は１１．５％以下であることがより好ましく、１１．０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｍｏは、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、マトリックスに固溶し、溶接金属の高温でのクリープ強度確保に寄与する元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、高温での組織安定性を低下させ、クリープ強度をかえって低下させる。そのため、Ｍｏ含有量は１２．０％以下とすることが好ましい。Ｍｏ含有量は１１．５％以下であることがより好ましく、１１．０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｃｏ：０～１５．０％
Ｃｏは、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、溶接金属の高温での組織を安定化し、クリープ強度を向上させるのに有効な元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、クリープ強度およびクリープ延性がかえって低下する。加えて、非常に高価な元素であるため、材料コストを増大させる。そのため、Ｃｏ含有量は１５．０％以下とすることが好ましい。Ｃｏ含有量は１４．５％以下であることがより好ましく、１４．０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｃｏは、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、溶接金属の高温での組織を安定化し、クリープ強度を向上させるのに有効な元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、クリープ強度およびクリープ延性がかえって低下する。加えて、非常に高価な元素であるため、材料コストを増大させる。そのため、Ｃｏ含有量は１５．０％以下とすることが好ましい。Ｃｏ含有量は１４．５％以下であることがより好ましく、１４．０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｃｕ：０～０．８０％
Ｃｕは、Ｃｏと同様、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、溶接金属の高温での組織を安定化し、クリープ強度を向上させるのに有効な元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、クリープ延性がかえって低下する。そのため、Ｃｕ含有量は０．８０％以下とすることが好ましい。Ｃｕ含有量は０．６０％以下であることがより好ましく、０．５０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｃｕ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｃｕは、Ｃｏと同様、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、溶接金属の高温での組織を安定化し、クリープ強度を向上させるのに有効な元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、クリープ延性がかえって低下する。そのため、Ｃｕ含有量は０．８０％以下とすることが好ましい。Ｃｕ含有量は０．６０％以下であることがより好ましく、０．５０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｃｕ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％
ＮｂおよびＴａは、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与するため一方または両方を含有させてもよい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、かえってクリープ強度およびクリープ延性の低下を招くおそれがある。そのため、ＮｂおよびＴａの合計含有量は４．５０％以下であることが好ましい。ＮｂおよびＴａの合計含有量は４．２０％以下であることがより好ましく、４．００％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、ＮｂおよびＴａの合計含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
ＮｂおよびＴａは、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与するため一方または両方を含有させてもよい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、かえってクリープ強度およびクリープ延性の低下を招くおそれがある。そのため、ＮｂおよびＴａの合計含有量は４．５０％以下であることが好ましい。ＮｂおよびＴａの合計含有量は４．２０％以下であることがより好ましく、４．００％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、ＮｂおよびＴａの合計含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｔｉ：０～１．００％
Ｔｉは、ＮｂおよびＴａと同様、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与するため含有させてもよい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、かえってクリープ強度およびクリープ延性の低下を招くおそれがある。そのため、Ｔｉ含有量は１．００％以下であることが好ましい。Ｔｉ含有量は０．９０％以下であることがより好ましく、０．８０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｔｉは、ＮｂおよびＴａと同様、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与するため含有させてもよい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、かえってクリープ強度およびクリープ延性の低下を招くおそれがある。そのため、Ｔｉ含有量は１．００％以下であることが好ましい。Ｔｉ含有量は０．９０％以下であることがより好ましく、０．８０％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であることがより好ましい。
Ｆｅ：０～６．００％
Ｆｅは、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、溶接材料の製造時に熱間での変形能を改善する効果を有するため、含有させてもよい。しかしながら過剰に含有する場合、合金の熱膨張係数が大きくなるとともに、耐水蒸気酸化性も劣化するおそれがある。そのため、Ｆｅ含有量は６．００％以下であることが好ましい。Ｆｅ含有量は５．５０％以下であることがより好ましく、５．００％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｆｅ含有量は０．０１％以上であることが好ましく、０．０２％以上であることがより好ましい。
Ｆｅは、溶接材料中に必ずしも含有されなくてもよいが、溶接材料の製造時に熱間での変形能を改善する効果を有するため、含有させてもよい。しかしながら過剰に含有する場合、合金の熱膨張係数が大きくなるとともに、耐水蒸気酸化性も劣化するおそれがある。そのため、Ｆｅ含有量は６．００％以下であることが好ましい。Ｆｅ含有量は５．５０％以下であることがより好ましく、５．００％以下であることがさらに好ましい。上記の効果を得たい場合には、Ｆｅ含有量は０．０１％以上であることが好ましく、０．０２％以上であることがより好ましい。
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは、高温での溶接金属組織安定性を高めるのに有効な元素であるが、過剰に含有する場合、高温での使用中に多量の窒化物の析出を招き、靭性および延性を低下させるため、０．０５０％以下とすることが好ましい。Ｎ含有量は０．０３０％以下とするのがより好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。Ｎ含有量の下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、０．０００５％以上であることが好ましく、０．００１％以上であることがより好ましい。
Ｎは、高温での溶接金属組織安定性を高めるのに有効な元素であるが、過剰に含有する場合、高温での使用中に多量の窒化物の析出を招き、靭性および延性を低下させるため、０．０５０％以下とすることが好ましい。Ｎ含有量は０．０３０％以下とするのがより好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。Ｎ含有量の下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、０．０００５％以上であることが好ましく、０．００１％以上であることがより好ましい。
Ａｌ：０．００２～１．８００％
Ａｌは、Ｎｉと結合して金属間化合物として粒内に微細に析出し、溶接金属のクリープ強度向上に貢献する。この効果を得るためには、０．００２％以上含有させることが好ましい。一方で、過剰に含有すると金属間化合物相の過剰な析出を招き、靭性を低下させる。そのため、Ａｌ含有量は１．８００％以下とすることが好ましい。Ａｌ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。また、Ａｌ含有量は１．６００％以下であるのが好ましく、１．５００％以下であるのがより好ましい。
Ａｌは、Ｎｉと結合して金属間化合物として粒内に微細に析出し、溶接金属のクリープ強度向上に貢献する。この効果を得るためには、０．００２％以上含有させることが好ましい。一方で、過剰に含有すると金属間化合物相の過剰な析出を招き、靭性を低下させる。そのため、Ａｌ含有量は１．８００％以下とすることが好ましい。Ａｌ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。また、Ａｌ含有量は１．６００％以下であるのが好ましく、１．５００％以下であるのがより好ましい。
Ｏ：０．０２０％以下
Ｏは、不純物として含有されるが、多量に含まれる場合には、溶接金属の延性を低下させる。そのため、Ｏ含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｏ含有量は０．０１５％以下とするのがより好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。Ｏ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
Ｏは、不純物として含有されるが、多量に含まれる場合には、溶接金属の延性を低下させる。そのため、Ｏ含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｏ含有量は０．０１５％以下とするのがより好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。Ｏ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
６．溶接継手の製造方法
本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手は、フェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とを、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料で多層異材溶接する多層溶接工程を備える方法により製造される。
本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手は、フェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とを、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料で多層異材溶接する多層溶接工程を備える方法により製造される。
ここで、多層溶接工程において、初層溶接時の溶接条件を、フェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量に応じて適切に管理することによって、フェライト系耐熱鋼から溶接金属中に流入するＢの量を制限し、溶接金属中のＢ含有量を上述の範囲とすることが可能となる。
具体的には、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融したフェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金の合計面積と、溶接金属の面積との比が、フェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量との関係において、下記（ii）式を満足する条件で初層溶接を行うことが好ましい。
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦－６５×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２＋１．２・・・（ii）
但し、（ii）式中の［ＳＢＭ］は溶融したフェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金の合計面積、［ＳＷＭ］は溶接金属の面積であり、［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）である。
但し、（ii）式中の［ＳＢＭ］は溶融したフェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金の合計面積、［ＳＷＭ］は溶接金属の面積であり、［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）である。
本発明者らは、Ｂの含有量が異なる種々のフェライト系耐熱鋼母材を用いて試験を行い、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］と凝固割れ発生有無との関係を調査した結果、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］が［－６５×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２＋１．２］以下の場合に、凝固割れを抑制できることを実験的に導き出した。
比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］が［－６５×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２＋１．２］以下であれば、初層溶接中に母材からＢが溶接金属に流入しても、最終凝固部の残留液相中に濃化するＢ量が少なくなるため、凝固温度の低下が抑えられると考えられる。これにより、初層溶接金属における凝固割れが抑制される。
フェライト系耐熱鋼母材の溶融を抑えることが、安定した凝固割れの抑制に有効である一方、極端に母材の溶融を抑えた場合、融合不良または裏波不良等の溶接欠陥が生じやすくなる。そして、これを抑制するためには、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］が０．１以上となるよう初層溶接を管理することが有効である。比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］は０．２以上とするのが好ましい。
比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］は、初層溶接時の溶接条件、例えば、溶接入熱、溶接材料の供給速度、開先形状、ギャップ、溶接方法およびシールドガス種等を適正に管理することにより所定の範囲とすることができる。
また、［ＳＢＭ］および［ＳＷＭ］は、以下の通り求められる。すなわち、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面を現出する。例えば、現出した横断面は、図２に示すような断面となる。この横断面について、溶接金属（初層溶接金属）３の面積［ＳＷＭ］および元の開先形状から溶融した溶融したフェライト系耐熱鋼１、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金２の合計面積［ＳＢＭ］を、画像解析により求めることができる。
なお、横断面の現出は、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部における定常部、すなわち、アークスタート部およびクレーター部を除く、溶接ビードが安定して形成された箇所を切断することにより行う。
横断面の画像解析は、具体的には以下のようにして行う。前述の現出した溶接部横断面の画像データから溶接金属３部分、すなわち、面積［ＳＷＭ］に相当する領域を他の領域とは識別するために色分けする。また、画像データ上で開先加工時の幾何学情報から、フェライト系耐熱鋼１、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金２における初層溶接時に溶融した部分、すなわち、面積［ＳＢＭ］に相当する領域を同様に他の領域と識別するために色分けする。そして、それぞれ色分けされた領域の面積を市販の画像解析処理ソフトを用いて測定する。
７．用途
本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手を有する溶接構造物は、例えば発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いられる。なお、高温で使用される溶接構造物の例としては、例えば石炭火力発電プラント、石油火力発電プラント、ごみ焼却発電プラントおよびバイオマス発電プラント等のボイラ用配管、石油化学プラントにおける分解管等が挙げられる。ここで、本実施形態における「高温での使用」とは、例えば３５０～７００℃（さらには４００～６５０℃）の環境で使用される態様が挙げられる。
本発明に係るフェライト系耐熱鋼異材溶接継手を有する溶接構造物は、例えば発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いられる。なお、高温で使用される溶接構造物の例としては、例えば石炭火力発電プラント、石油火力発電プラント、ごみ焼却発電プラントおよびバイオマス発電プラント等のボイラ用配管、石油化学プラントにおける分解管等が挙げられる。ここで、本実施形態における「高温での使用」とは、例えば３５０～７００℃（さらには４００～６５０℃）の環境で使用される態様が挙げられる。
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。
表１に示す化学組成を有する鋼種Ａ～Ｅの材料を実験室にて溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延により成形、焼き入れ、焼き戻しの熱処理を行った後、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの板材に加工し、溶接母材１（フェライト系耐熱鋼）用として作製した。また、表２に示す化学組成を有する鋼種ＦおよびＧの材料を同様の工程で異材側の溶接母材２（ステンレス鋼）用として作製した。
上記の溶接母材１および溶接母材２を用いて、長手方向に図３のＵ開先を加工した後、突き合わせ、表３に示す化学組成を有する外径１．２ｍｍの溶材Ｎｏ．１～３のＮｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて、シールドガスをＡｒとした自動ガスタングステンアーク溶接より初層溶接し、表４に示す４５種の溶接継手をそれぞれ２つずつ作製した。なお、溶接に際しては、表４に示すように、入熱を６～１０ｋＪ／ｃｍ、溶接材料の供給速度を０．８～１３．３ｍｍ／ｓと種々変化させた。
得られた２つの溶接継手のうち１つを用い、溶接金属表面について浸透探傷試験を行い、割れの有無を確認した。その後、溶接部の横断面を前述の方法により現出し、初層溶接後の溶接部横断面における、溶融した母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］を画像処理により測定し、その比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］を求めた。さらに、裏波形成の有無を目視にて観察し、浸透探傷試験にて割れの指示模様がなく、かつ裏波が形成されている溶接継手を「合格」とした。
得られた２つの溶接継手のうち、もう１つについて、入熱６ｋＪ／ｃｍ、溶接材料の供給速度を８．３ｍｍ／ｓとして、自動ガスタングステンアーク溶接により積層溶接した。そして、溶接部の横断面を現出して鏡面研磨し、ビレラ試薬（ピクリン酸１ｇ、塩酸５ｍｌ、エタノール１００ｍｌ）にて３０秒から２分程度腐食した。その後、光学顕微鏡による観察から初層部を特定し、溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量である［％ＢＷＭ］を測定した。また、溶接金属全体の化学組成を測定した結果を表５に示す。
さらに、合格した溶接継手符号のうち、いくつかについては、溶接継手から溶接金属を平行部中央に有する丸棒クリープ試験片を採取した。そして、６５０℃、１２７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、破断時間が１０００時間を超えるものを「合格」とした。［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］、［％ＢＷＭ］、および試験結果を併せて表６に示す。
試験Ｎｏ．１～４、７～１０、１２～１５、１７～２０、２６～２９、３６～３９、４１～４５は、本発明の規定を全て満たすため、浸透深傷試験および裏波観察、クリープ試験において良好な結果を示した。
試験Ｎｏ．６、１１、１６、３１、３２、および３３では、初層溶接金属におけるＢ含有量が０．００５を上回り、さらに、（ii）式を満足しなかったため、溶接金属割れが生じた。
試験Ｎｏ．３０では、溶接金属中のＢ含有量が、溶接母材１および溶接母材２に含まれるＢ含有量から算出される値よりも低く、（ｉ）式を満足しなかったため、裏波不良となった。また、試験Ｎｏ．５および４０では、（ｉ）式を満足しないことに加え、［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］が０．１を下回ったため、裏波不良となった。
試験Ｎｏ．２４では、溶接母材１に含まれるＢ含有量が規定範囲より少ないため、クリープ破断試験において不合格となった。
本発明によれば、高いクリープ強度に加えて、優れた耐凝固割れ性を有するフェライト系耐熱鋼異材溶接継手を得ることが可能になる。
１．フェライト系耐熱鋼
２．ステンレス鋼またはＮｉ基合金
３．溶接金属
１０．フェライト系耐熱鋼異材溶接継手
２．ステンレス鋼またはＮｉ基合金
３．溶接金属
１０．フェライト系耐熱鋼異材溶接継手
Claims (3)
- フェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とが、溶接金属を介して異材溶接されたフェライト系耐熱鋼異材溶接継手であって、
前記フェライト系耐熱鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～１０．０％、
Ｃｏ：２．０～４．０％、
Ｍｏ＋Ｗ：合計で２．０～４．０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０．０２～０．１８％、
Ｖ：０．０５～０．４０％、
Ｂ：０．００５～０．０２０％、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ：０．００２～０．０２５％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｎｉ：０～０．４％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～０．３０％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記フェライト系耐熱鋼、前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金、および前記溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量が下記（ｉ）式を満足し、
前記溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｗ：０～６．０％、
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｆｅ：０．０１～５．００％、
Ｂ：０．００５％以下、
Ａｌ：１．８０％以下、
Ｎ：０．３０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｎｉおよび不純物であり、
前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０２～１．００％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：５．０～７０．０％、
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、
Ｃｏ：０～４．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｍｏ：０～２．０％、
Ｗ：０～８．０％、
Ｎｂ：０～１．０％、
Ｖ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～１．０％、
Ｂ：０～０．００６％、
Ａｌ：１．００％以下、
Ｎ：０～０．３０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０５％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
フェライト系耐熱鋼異材溶接継手。
０．１×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２≦［％ＢＷＭ］≦０．００５ ・・・（ｉ）
但し、（ｉ）式中の［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＷＭ］は溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量（質量％）である。 - フェライト系耐熱鋼と、ステンレス鋼またはＮｉ基合金とを、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料で溶接金属を介して多層異材溶接する多層溶接工程を備えるフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法であって、
前記フェライト系耐熱鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～１０．０％、
Ｃｏ：２．０～４．０％、
Ｍｏ＋Ｗ：合計で２．０～４．０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０．０２～０．１８％、
Ｖ：０．０５～０．４０％、
Ｂ：０．００５～０．０２０％、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ：０．００２～０．０２５％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｎｉ：０～０．４％、
Ｃｕ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～０．３０％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１２％、
Ｓｉ：０．０２～１．００％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：５．０～７０．０％、
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、
Ｃｏ：０～４．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｍｏ：０～２．０％、
Ｗ：０～８．０％、
Ｎｂ：０～１．０％、
Ｖ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～１．０％、
Ｂ：０～０．００６％、
Ａｌ：１．００％以下、
Ｎ：０～０．３０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０５％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記フェライト系耐熱鋼、前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金、および前記溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量が下記（ｉ）式を満足し、
前記溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：８．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～４．０％、
Ｗ：０～６．０％、
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｔｉ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｆｅ：０．０１～５．００％、
Ｂ：０．００５％以下、
Ａｌ：１．８０％以下、
Ｎ：０．３０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｎｄ：０～０．０６％、
Ｃａ：０～０．０５０％、
Ｍｇ：０～０．０５０％、
残部：Ｎｉおよび不純物であり、
前記多層溶接工程において、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融した前記フェライト系耐熱鋼、および前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金の合計面積と、溶接金属の面積との比が、前記フェライト系耐熱鋼、および前記ステンレス鋼または前記Ｎｉ基合金に含まれるＢ含有量との関係において、下記（ii）式を満足する条件で初層溶接を行う、
フェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
０．１×（［％Ｂ ＢＭ１ ］＋［％Ｂ ＢＭ２ ］）／２≦［％Ｂ ＷＭ ］≦０．００５ ・・・（ｉ）
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦－６５×（［％ＢＢＭ１］＋［％ＢＢＭ２］）／２＋１．２・・・（ii）
但し、（ｉ）式中の［％Ｂ ＢＭ１ ］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％Ｂ ＢＭ２ ］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）、［％Ｂ ＷＭ ］は溶接金属の初層部に含まれるＢ含有量（質量％）であり、（ii）式中の［ＳＢＭ］は溶融したフェライト系耐熱鋼、およびステンレス鋼またはＮｉ基合金の合計面積、［ＳＷＭ］は溶接金属の面積であり、［％ＢＢＭ１］はフェライト系耐熱鋼に含まれるＢ含有量（質量％）、［％ＢＢＭ２］はステンレス鋼またはＮｉ基合金に含まれるＢ含有量（質量％）である。 - 前記Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５～０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２～１．２０％、
Ｍｎ：０．０２～４．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：１６．０～２５．０％、
Ｍｏ：０～１２．０％、
Ｃｏ：０～１５．０％、
Ｃｕ：０～０．８０％、
Ｎｂ＋Ｔａ：合計で０～４．５０％、
Ｔｉ：０～１．００％、
Ｆｅ：０～６．００％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．００２～１．８００％、
Ｏ：０．０２０％以下、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
請求項２に記載のフェライト系耐熱鋼異材溶接継手の製造方法。
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