JP7469635B2 - Ｆｅ基合金管および溶接継手 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｆｅ基合金管および溶接継手に関する。
化学プラント、発電プラントおよびエネルギー輸送機器では、比較的安価で、良好な高温強度、および耐食性を有するＦｅ基合金が用いられている。例えば、特許文献１～３には、高温強度および耐食性を高めたＦｅ基合金が開示されている。
プラント機器の中には、溶接により部材同士を組み立てて製造するものがある。その一例として、加熱器が挙げられる。加熱器は、複数の加熱器管を備えるものであり、製造の際には、管同士を突合せ溶接することで、組み立てられる。そして、溶接後、加熱器管を高温で使用する際に、管の内面側のビード近傍、すなわち溶接熱影響部で、応力緩和割れと呼ばれる割れが発生することがある。
応力緩和割れは、溶接熱影響部に残存する残留応力に起因して生じると考えられている。そこで、残留応力を除去し応力緩和割れを抑制するために、溶接後に熱処理が行われることが一般的である。しかしながら、溶接後の熱処理は、工程を増加させるため、製造コストの増加に繋がる。また、プラント機器の構造および溶接を行う箇所によっては、溶接後の熱処理を効果的に行うことができない場合がある。
以上を踏まえ、本発明は、上記の課題を解決し、溶接後の熱処理を行うことなく、管の内面側ビード近傍に生じる割れを抑制しうるＦｅ基合金管および溶接継手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Ｆｅ基合金管および溶接継手を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４０～０．１００％、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
Ｍｎ：０．６０～１．６０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１～０．００１５％、
Ｎｉ：２９．５～３５．５％、
Ｃｕ：０．０１～０．７５％、
Ｃｏ：０．０１～１．００％、
Ｃｒ：１９．０～２３．０％、
Ｍｏ：０．０１～１．００％、
Ｔｉ：０．１０～０．６０％、
Ｎ：０．００１０～０．０１５０％、
Ａｌ：０．１０～０．６０％、
Ｏ：０．０００４～０．０１５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式を満足する、Ｆｅ基合金管。
０．００１０≦Ｓ＋２Ｏ≦０．０２８０ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、Ｆｅ基合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合はゼロとする。
Ｃ：０．０４０～０．１００％、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
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Ａｌ：０．１０～０．６０％、
Ｏ：０．０００４～０．０１５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式を満足する、Ｆｅ基合金管。
０．００１０≦Ｓ＋２Ｏ≦０．０２８０ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、Ｆｅ基合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合はゼロとする。
（２）前記Ｆｅ基合金管の管端部から軸方向に５０ｍｍの位置までの領域において、下記（ii）式で算出される最大肉厚差Ｄｗが、下記（iii）および（iv）式を満足する、上記（１）に記載のＦｅ基合金管。
Ｄｗ＝ＤＭＡＸ－Ｄｍｉｎ ・・・（ii）
Ｄｗ／ＤＭＡＸ×１００≦２０ ・・・（iii）
Ｄｗ≦１．６ ・・・（iv）
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
ＤＭＡＸ（ｍｍ）：最大肉厚
Ｄｍｉｎ（ｍｍ）：最小肉厚
Ｄｗ＝ＤＭＡＸ－Ｄｍｉｎ ・・・（ii）
Ｄｗ／ＤＭＡＸ×１００≦２０ ・・・（iii）
Ｄｗ≦１．６ ・・・（iv）
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
ＤＭＡＸ（ｍｍ）：最大肉厚
Ｄｍｉｎ（ｍｍ）：最小肉厚
（３）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｓｎ：０．０３０％以下を含有する、上記（１）または（２）に記載のＦｅ基合金管。
Ｓｎ：０．０３０％以下を含有する、上記（１）または（２）に記載のＦｅ基合金管。
（４）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｗ：１．００％以下、
Ｖ：０．４０％以下、
Ｎｂ：０．４０％以下、
Ｔａ：０．４０％以下、
Ｃａ：０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０１００％以下、
Ｂ：０．０１００％以下、および
ＲＥＭ：０．０８００％以下、
から選択される一種以上を含有する、上記（１）～（３）のいずれかに記載のＦｅ基合金管。
Ｗ：１．００％以下、
Ｖ：０．４０％以下、
Ｎｂ：０．４０％以下、
Ｔａ：０．４０％以下、
Ｃａ：０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０１００％以下、
Ｂ：０．０１００％以下、および
ＲＥＭ：０．０８００％以下、
から選択される一種以上を含有する、上記（１）～（３）のいずれかに記載のＦｅ基合金管。
（５）上記（１）～（４）のいずれかに記載のＦｅ基合金管を用いた溶接継手。
本発明によれば、溶接後の熱処理を行うことなく、管の内面側ビード近傍に生じる割れを抑制しうるＦｅ基合金管および溶接継手を得ることができる。
本発明者は、Ｆｅ基合金管の応力緩和割れについて検討を行い、以下の（ａ）～（ｃ）の知見を得た。
（ａ）管を高温で使用した際に生じる割れは、ビード止端部近傍の溶接熱影響部で発生しやすい。この理由は、以下のメカニズムによる。溶接の際、溶融した金属が凝固することで、溶接熱影響部において残留応力が蓄積されやすくなる。この結果、管を高温で使用する際に、蓄積された残留応力が解放され、割れが発生する。
（ｂ）上記の割れは、結晶粒界において特に発生しやすい。本発明者らが、割れが発生した破面を観察したところ、結晶粒界において、Ｓが濃化していることを明らかになった。これは、Ｓが、偏析エネルギーが高い元素であるためである。加えて、Ｓは、溶接熱サイクルおよび高温での使用の際に、拡散により結晶粒界に偏析し、結晶粒界において結合力を低下させる。
Ｓの濃化は、その含有量が高い程、生じやすくなることから、割れを抑制する上で、Ｓ含有量を低減するのが望ましいようにも思える。その一方、Ｓは、ビードを安定的に形成させ、割れ等の溶接欠陥を低減させる効果を有する。この理由は、Ｓが、溶接中に溶融池内の内向きの対流を強くし、アークからの熱を深さ方向に輸送し、ビードを安定的に形成させるためである。そこで、Ｓの濃化を抑制しつつも、安定的なビードを形成させるため、Ｓと同様、安定的なビードの形成に寄与するＯと、Ｓとを、所定量含有させるのが好ましい。
（ｃ）また、割れは、ビードの突合せ部の左右の段差（以下、「ビードの不整」と記載する。）が大きくなると発生しやすくなる。この場合、溶接による残留応力の分布が不均一となり、局部的な応力集中が生じやすくなる。そして、ビードの止端部および溶接熱影響部における残留応力が大きくなる。この結果、割れが生じやすくなる。
ところで、加熱器管等に用いられるＦｅ基合金管では、肉厚のばらつきを無くすことは工業的には困難である。したがって、ビードの不整に起因する割れを抑制するために、管において肉厚差、具体的には最大肉厚と最小肉厚の差を低減するのが望ましい。
本発明は上記の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．Ｆｅ基合金管の化学組成
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。
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：０．０４０～０．１００％
Ｃは、組織安定性と高温強度とを向上させる効果を有する。このため、Ｃ含有量は、０．０４０％以上とする。Ｃ含有量は、０．０５０％以上とするのが好ましく、０．０６０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃを、過剰に含有させると、溶接熱サイクルにより、Ｃｒと結合して、溶接熱影響部の結晶粒界において炭化物を形成する。この結果、上記結晶粒界近傍にＣｒ欠乏層を生じさせ、耐食性を低下させる。このため、Ｃ含有量は、０．１００％以下とする。Ｃ含有量は、０．０９０％以下とするのが好ましく、０．０８０％以下とするのがより好ましい。
Ｃは、組織安定性と高温強度とを向上させる効果を有する。このため、Ｃ含有量は、０．０４０％以上とする。Ｃ含有量は、０．０５０％以上とするのが好ましく、０．０６０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃを、過剰に含有させると、溶接熱サイクルにより、Ｃｒと結合して、溶接熱影響部の結晶粒界において炭化物を形成する。この結果、上記結晶粒界近傍にＣｒ欠乏層を生じさせ、耐食性を低下させる。このため、Ｃ含有量は、０．１００％以下とする。Ｃ含有量は、０．０９０％以下とするのが好ましく、０．０８０％以下とするのがより好ましい。
Ｓｉ：０．１０～１．００％
Ｓｉは、製造時において脱酸効果を有する。また、高温での耐食性の向上に有効である。このため、Ｓｉ含有量は、０．１０％以上とする。Ｓｉ含有量は、０．１５％以上とするのが好ましく、０．２０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓｉを、過剰に含有させると、合金の組織安定性を低下させるとともに、溶接時に熱影響部の液化割れ感受性を少なからず高める。また、安定的に内面側のビードが形成しにくくなる場合がある。このため、Ｓｉ含有量は、１．００％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．９０％以下とするのが好ましく、０．８０％以下とするのがより好ましい。
Ｓｉは、製造時において脱酸効果を有する。また、高温での耐食性の向上に有効である。このため、Ｓｉ含有量は、０．１０％以上とする。Ｓｉ含有量は、０．１５％以上とするのが好ましく、０．２０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓｉを、過剰に含有させると、合金の組織安定性を低下させるとともに、溶接時に熱影響部の液化割れ感受性を少なからず高める。また、安定的に内面側のビードが形成しにくくなる場合がある。このため、Ｓｉ含有量は、１．００％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．９０％以下とするのが好ましく、０．８０％以下とするのがより好ましい。
Ｍｎ：０．６０～１．６０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸効果を有する。また、組織安定性を高める効果も有するとともに、安定的に内面側のビードを形成するのに少なからず寄与する。このため、Ｍｎ含有量は、０．６０％以上とする。Ｍｎ含有量は、０．７０％以上とするのが好ましく、０．８０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｍｎを、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。このため、Ｍｎ含有量は、１．６０％以下とする。Ｍｎ含有量は、１．５５％以下とするのが好ましく、１．５０％以下とするのがより好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸効果を有する。また、組織安定性を高める効果も有するとともに、安定的に内面側のビードを形成するのに少なからず寄与する。このため、Ｍｎ含有量は、０．６０％以上とする。Ｍｎ含有量は、０．７０％以上とするのが好ましく、０．８０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｍｎを、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。このため、Ｍｎ含有量は、１．６０％以下とする。Ｍｎ含有量は、１．５５％以下とするのが好ましく、１．５０％以下とするのがより好ましい。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物として鋼中に含まれ、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性を著しく高める。このため、Ｐ含有量は、０．０３０％以下とする。Ｐの含有量は、０．０２８％以下とするのが好ましく、０．０２５％以下とするのがより好ましい。Ｐ含有量は、可能な限り低減することが好ましいが、過度の低減により、製造コストが増加する。このため、Ｐ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましく、０．００２％以上とするのがより好ましい。
Ｐは、不純物として鋼中に含まれ、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性を著しく高める。このため、Ｐ含有量は、０．０３０％以下とする。Ｐの含有量は、０．０２８％以下とするのが好ましく、０．０２５％以下とするのがより好ましい。Ｐ含有量は、可能な限り低減することが好ましいが、過度の低減により、製造コストが増加する。このため、Ｐ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましく、０．００２％以上とするのがより好ましい。
Ｓ：０．０００１～０．００１５％
Ｓは、溶接熱サイクルおよび高温での使用中に、溶接熱影響部の結晶粒界に偏析し、粒界を弱化させる。この結果、高温での使用中に、管の内面側ビード近傍の結晶粒界に割れを生じさせる。このため、Ｓ含有量は、０．００１５％以下とする。Ｓ含有量は、０．００１２％以下とするのが好ましく、０．００１０％以下とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過度の低減は、製造コストを著しく増加させる。加えて、本発明の合金管においては、ＳはＯとともに、溶接時に内面側ビードの形成能を高めるのに寄与する。このため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましく、０．０００３％以上とするのがさらに好ましい。なお、Ｓは、後述のＯとの間で（ｉ）式を満足する必要がある。
Ｓは、溶接熱サイクルおよび高温での使用中に、溶接熱影響部の結晶粒界に偏析し、粒界を弱化させる。この結果、高温での使用中に、管の内面側ビード近傍の結晶粒界に割れを生じさせる。このため、Ｓ含有量は、０．００１５％以下とする。Ｓ含有量は、０．００１２％以下とするのが好ましく、０．００１０％以下とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過度の低減は、製造コストを著しく増加させる。加えて、本発明の合金管においては、ＳはＯとともに、溶接時に内面側ビードの形成能を高めるのに寄与する。このため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましく、０．０００３％以上とするのがさらに好ましい。なお、Ｓは、後述のＯとの間で（ｉ）式を満足する必要がある。
Ｎｉ：２９．５～３５．５％
Ｎｉは、組織安定性を高め、高温強度を向上させる効果を有する。また、塩化物環境下で、耐応力腐食割れ性を向上させる効果を有する。このため、Ｎｉ含有量は、２９．５％以上とする。Ｎｉ含有量は、２９．７％以上とするのが好ましく、３０．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎｉは、高価な元素であるため、過剰に含有させると、製造コストが増加する。このため、Ｎｉ含有量は、３５．５％以下とする。Ｎｉ含有量は、３５．３％以下とするのが好ましく、３５．０％以下とするのがより好ましい。
Ｎｉは、組織安定性を高め、高温強度を向上させる効果を有する。また、塩化物環境下で、耐応力腐食割れ性を向上させる効果を有する。このため、Ｎｉ含有量は、２９．５％以上とする。Ｎｉ含有量は、２９．７％以上とするのが好ましく、３０．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎｉは、高価な元素であるため、過剰に含有させると、製造コストが増加する。このため、Ｎｉ含有量は、３５．５％以下とする。Ｎｉ含有量は、３５．３％以下とするのが好ましく、３５．０％以下とするのがより好ましい。
Ｃｕ：０．０１～０．７５％
Ｃｕは、組織安定性を高め、高温強度の向上に有効であるとともに、塩化物環境下で耐食性を向上させる効果を有する。このため、Ｃｕ含有量は、０．０１％以上とする。Ｃｕ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｕを、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。このため、Ｃｕ含有量は、０．７５％以下とする。Ｃｕ含有量は、０．７０％以下とするのが好ましく、０．６０％以下とするのがより好ましく、０．５０％以下とするのがさらに好ましい。
Ｃｕは、組織安定性を高め、高温強度の向上に有効であるとともに、塩化物環境下で耐食性を向上させる効果を有する。このため、Ｃｕ含有量は、０．０１％以上とする。Ｃｕ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｕを、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。このため、Ｃｕ含有量は、０．７５％以下とする。Ｃｕ含有量は、０．７０％以下とするのが好ましく、０．６０％以下とするのがより好ましく、０．５０％以下とするのがさらに好ましい。
Ｃｏ：０．０１～１．００％
Ｃｏは、組織安定性を高め、高温強度の向上に有効である。このため、Ｃｏ含有量は、０．０１％以上とする。Ｃｏ含有量は、０．０２％以上とするのが好ましく、０．０３％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｏは、非常に高価な元素であるため、過剰に含有させると、製造コストが著しく増加する。このため、Ｃｏ含有量は、１．００％以下とする。Ｃｏ含有量は、０．９０％以下とするのが好ましく、０．８０％以下とするのがより好ましい。
Ｃｏは、組織安定性を高め、高温強度の向上に有効である。このため、Ｃｏ含有量は、０．０１％以上とする。Ｃｏ含有量は、０．０２％以上とするのが好ましく、０．０３％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｏは、非常に高価な元素であるため、過剰に含有させると、製造コストが著しく増加する。このため、Ｃｏ含有量は、１．００％以下とする。Ｃｏ含有量は、０．９０％以下とするのが好ましく、０．８０％以下とするのがより好ましい。
Ｃｒ：１９．０～２３．０％
Ｃｒは、高温および常温での耐食性を向上させる効果を有する。このため、Ｃｒ含有量は、１９．０％以上とする。Ｃｒ含有量は、１９．２％以上とするのが好ましく、１９．５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒを、過剰に含有させると、組織安定性が低下し、強度も低下する。このため、Ｃｒ含有量は、２３．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、２２．８％以下とするのが好ましく、２２．５％以下とするのがより好ましい。
Ｃｒは、高温および常温での耐食性を向上させる効果を有する。このため、Ｃｒ含有量は、１９．０％以上とする。Ｃｒ含有量は、１９．２％以上とするのが好ましく、１９．５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒを、過剰に含有させると、組織安定性が低下し、強度も低下する。このため、Ｃｒ含有量は、２３．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、２２．８％以下とするのが好ましく、２２．５％以下とするのがより好ましい。
Ｍｏ：０．０１～１．００％
Ｍｏは、基質に固溶して高温強度を高める効果を有する。このため、Ｍｏ含有量は、０．０１％以上とする。Ｍｏ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｍｏを、過剰に含有させると、組織安定性が低下し、強度も低下する。また、Ｍｏは、高価な元素であるため、製造コストが増加する。このため、Ｍｏ含有量は、１．００％以下とする。Ｍｏ含有量は、０．９０％以下とするのが好ましく、０．８０％以下とするのがより好ましい。
Ｍｏは、基質に固溶して高温強度を高める効果を有する。このため、Ｍｏ含有量は、０．０１％以上とする。Ｍｏ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｍｏを、過剰に含有させると、組織安定性が低下し、強度も低下する。また、Ｍｏは、高価な元素であるため、製造コストが増加する。このため、Ｍｏ含有量は、１．００％以下とする。Ｍｏ含有量は、０．９０％以下とするのが好ましく、０．８０％以下とするのがより好ましい。
Ｔｉ：０．１０～０．６０％
Ｔｉは、炭化物を形成し、高温強度の向上に寄与する。また、Ｔｉは、Ｃｒ炭化物の生成を抑制し、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、Ｔｉ含有量は、０．１０％以上とする。Ｔｉ含有量は、０．２０％以上とするのが好ましく、０．３０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｔｉを、過剰に含有させると、Ｔｉの炭化物および炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。このため、Ｔｉ含有量は、０．６０％以下とする。Ｔｉ含有量は、０．５５％以下とするのが好ましく、０．５０％以下とするのがより好ましい。
Ｔｉは、炭化物を形成し、高温強度の向上に寄与する。また、Ｔｉは、Ｃｒ炭化物の生成を抑制し、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、Ｔｉ含有量は、０．１０％以上とする。Ｔｉ含有量は、０．２０％以上とするのが好ましく、０．３０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｔｉを、過剰に含有させると、Ｔｉの炭化物および炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。このため、Ｔｉ含有量は、０．６０％以下とする。Ｔｉ含有量は、０．５５％以下とするのが好ましく、０．５０％以下とするのがより好ましい。
Ｎ：０．００１０～０．０１５０％
Ｎは、組織安定性を高め、高温強度の向上に寄与する。このため、Ｎ含有量は、０．００１０％以上とする。Ｎ含有量は、０．００２０％以上とするのが好ましく、０．００３０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎを、過剰に含有させると、窒化物が析出し、延性が低下する。このため、Ｎ含有量は、０．０１５０％以下とする。Ｎ含有量は、０．０１３０％以下とするのが好ましく、０．０１００％以下とするのがより好ましい。
Ｎは、組織安定性を高め、高温強度の向上に寄与する。このため、Ｎ含有量は、０．００１０％以上とする。Ｎ含有量は、０．００２０％以上とするのが好ましく、０．００３０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎを、過剰に含有させると、窒化物が析出し、延性が低下する。このため、Ｎ含有量は、０．０１５０％以下とする。Ｎ含有量は、０．０１３０％以下とするのが好ましく、０．０１００％以下とするのがより好ましい。
Ａｌ：０．１０～０．６０％
Ａｌは、脱酸効果を有し、高温での耐酸化性の向上にも寄与する。このため、Ａｌ含有量は、０．１０％以上とする。Ａｌ含有量は、０．２０％以上とするのが好ましく、０．３０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ａｌを、過剰に含有させると、Ａｌが酸素と結合することで、表面の清浄性が低下する。この結果、熱間加工性が低下する。また、安定的に内面側のビードが形成しにくくなる場合がある。このため、Ａｌ含有量は、０．６０％以下とする。Ａｌ含有量は、０．５８％以下とするのが好ましく、０．５５％以下とするのがより好ましい。
Ａｌは、脱酸効果を有し、高温での耐酸化性の向上にも寄与する。このため、Ａｌ含有量は、０．１０％以上とする。Ａｌ含有量は、０．２０％以上とするのが好ましく、０．３０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ａｌを、過剰に含有させると、Ａｌが酸素と結合することで、表面の清浄性が低下する。この結果、熱間加工性が低下する。また、安定的に内面側のビードが形成しにくくなる場合がある。このため、Ａｌ含有量は、０．６０％以下とする。Ａｌ含有量は、０．５８％以下とするのが好ましく、０．５５％以下とするのがより好ましい。
Ｏ：０．０００４～０．０１５０％
Ｏは、一般に、不純物として鋼中に含まれる元素であるが、本発明の合金管においては、Ｓとともに、溶接時に内面側ビードの形成能を高める効果を有する。このため、Ｏ含有量は、０．０００４％以上とする。Ｏ含有量は、０．０００６％以上とするのが好ましく、０．０００８％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｏを、過剰に含有させると、管の内面側ビードが垂れ下がって、凸形状となりやすい。この結果、安定的なビードを形成させにくくなる。また、熱間加工性も低下する。このため、Ｏ含有量は、０．０１５０％以下とする。Ｏ含有量は、０．０１２０％以下とするのが好ましく、０．０１００％以下とするのがより好ましい。
Ｏは、一般に、不純物として鋼中に含まれる元素であるが、本発明の合金管においては、Ｓとともに、溶接時に内面側ビードの形成能を高める効果を有する。このため、Ｏ含有量は、０．０００４％以上とする。Ｏ含有量は、０．０００６％以上とするのが好ましく、０．０００８％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｏを、過剰に含有させると、管の内面側ビードが垂れ下がって、凸形状となりやすい。この結果、安定的なビードを形成させにくくなる。また、熱間加工性も低下する。このため、Ｏ含有量は、０．０１５０％以下とする。Ｏ含有量は、０．０１２０％以下とするのが好ましく、０．０１００％以下とするのがより好ましい。
上述したように、ＳおよびＯは、管内面側のビードの形成に効果的に寄与することから、本発明に係るＦｅ基合金では、Ｓ含有量とＯ含有量との関係式である下記（ｉ）式を満足する必要がある。
０．００１０≦Ｓ＋２Ｏ≦０．０２８０ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、Ｆｅ基合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合はゼロとする。
但し、上記式中の元素記号は、Ｆｅ基合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合はゼロとする。
ＳおよびＯは、表面活性元素であり、溶接中に溶融池内の内向きの対流を強くする作用を有する。そして、溶接熱を深さ方向に輸送することで、内面側ビードを安定的に形成させる効果を有するが、（ｉ）式中辺値が、０．００１０％未満であると、この効果を得ることができない。このため、（ｉ）式中辺値は、０．００１０％以上とする。（ｉ）式中辺値は、０．００１２％以上とするのが好ましく、０．００１５％以上とするのがより好ましい。
一方、（ｉ）式中辺値が、０．０２８０％を超えると、溶融金属の表面張力が小さくなり、垂れ下がりが生じる。この結果、ビードが凸形状となり、余盛高さが高くなる。そして、止端部に応力集中しやすくなり、高温での使用する際に、Ｆｅ基合金管の割れ感受性が高まる。このため、（ｉ）式中辺値は、０．０２８０％以下とする。（ｉ）式中辺値は、０．０２６０％以下とするのが好ましく、０．０２４０％以下とするのがより好ましい。
化学組成において、上記元素に加え、さらにＳｎを以下に示す範囲において、含有させてもよい。
Ｓｎ：０．０３０％以下
Ｓｎは、溶け込み深さを増大させ、内面側ビードの形成能を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｎを、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。また、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｓｎ含有量は、０．０３０％以下とする。Ｓｎ含有量は、０．０２０％以下とするのが好ましく、０．０１０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｓｎ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましく、０．００２％以上とするのがより好ましく、０．００３％以上とするのがさらに好ましい。
Ｓｎは、溶け込み深さを増大させ、内面側ビードの形成能を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｎを、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。また、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｓｎ含有量は、０．０３０％以下とする。Ｓｎ含有量は、０．０２０％以下とするのが好ましく、０．０１０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｓｎ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましく、０．００２％以上とするのがより好ましく、０．００３％以上とするのがさらに好ましい。
化学組成において、上記元素に加え、さらにＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂおよび、ＲＥＭから選択される一種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。各元素の限定理由について説明する。
Ｗ：１．００％以下
Ｗは、基質に固溶し高温強度を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｗを、過剰に含有させると、組織安定性を低下させる。また、Ｗは、高価な元素であるため、製造コストが増加する。そのため、Ｗ含有量は、１．００％以下とする。Ｗ含有量は、０．８０％以下とするのが好ましく、０．６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｗ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｗは、基質に固溶し高温強度を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｗを、過剰に含有させると、組織安定性を低下させる。また、Ｗは、高価な元素であるため、製造コストが増加する。そのため、Ｗ含有量は、１．００％以下とする。Ｗ含有量は、０．８０％以下とするのが好ましく、０．６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｗ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｖ：０．４０％以下
Ｖは、炭素と結合して炭化物を形成し、高温強度を向上させる効果を有する。また、Ｃｒ炭化物の生成を抑制する。この結果、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖを、過剰に含有させると、Ｖの炭化物および炭窒化物が、多量に析出し、延性が低下する。そのため、Ｖ含有量は、０．４０％以下とする。Ｖ含有量は、０．３５％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｖ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｖは、炭素と結合して炭化物を形成し、高温強度を向上させる効果を有する。また、Ｃｒ炭化物の生成を抑制する。この結果、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖを、過剰に含有させると、Ｖの炭化物および炭窒化物が、多量に析出し、延性が低下する。そのため、Ｖ含有量は、０．４０％以下とする。Ｖ含有量は、０．３５％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｖ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｎｂ：０．４０％以下
Ｎｂは、Ｖと同様、炭素と結合して炭化物を形成し、高温強度を向上させる効果を有する。また、Ｃｒ炭化物の生成を抑制する。この結果、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂを、過剰に含有させると、Ｎｂの炭化物および炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。さらに、溶接割れ感受性も高まる。そのため、Ｎｂ含有量は、０．４０％以下とする。Ｎｂ含有量は、０．３５％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｎｂ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｎｂは、Ｖと同様、炭素と結合して炭化物を形成し、高温強度を向上させる効果を有する。また、Ｃｒ炭化物の生成を抑制する。この結果、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂを、過剰に含有させると、Ｎｂの炭化物および炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。さらに、溶接割れ感受性も高まる。そのため、Ｎｂ含有量は、０．４０％以下とする。Ｎｂ含有量は、０．３５％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｎｂ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｔａ：０．４０％以下
Ｔａも、Ｖ、Ｎｂと同様、炭素と結合して炭化物を形成し、高温強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔａを、過剰に含有させると、Ｔａの炭化物が多量に析出し、延性が低下する。そのため、Ｔａ含有量は、０．４０％以下とする。Ｔａ含有量は、０．３５％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｔａ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｔａも、Ｖ、Ｎｂと同様、炭素と結合して炭化物を形成し、高温強度を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔａを、過剰に含有させると、Ｔａの炭化物が多量に析出し、延性が低下する。そのため、Ｔａ含有量は、０．４０％以下とする。Ｔａ含有量は、０．３５％以下とするのが好ましく、０．３０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｔａ含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、０．０２％以上とするのがより好ましい。
Ｃａ：０．０１００％以下
Ｃａは、熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａを、過剰に含有させると、Ｃａが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させる。この結果、却って、熱間加工性が低下する。そのため、Ｃａ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｃａ含有量は、０．００８０％以下とするのが好ましく、０．００６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃａ含有量は、０．００１０％以上とするのが好ましく、０．００２０％以上とするのがより好ましい。
Ｃａは、熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａを、過剰に含有させると、Ｃａが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させる。この結果、却って、熱間加工性が低下する。そのため、Ｃａ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｃａ含有量は、０．００８０％以下とするのが好ましく、０．００６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃａ含有量は、０．００１０％以上とするのが好ましく、０．００２０％以上とするのがより好ましい。
Ｍｇ：０．０１００％以下
Ｍｇは、Ｃａと同様、熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇ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る。この結果、却って、熱間加工性が低下する。そのため、Ｍｇ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｍｇ含有量は、０．００８０％以下とするのが好ましく、０．００６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｇ含有量は、０．００１０％以上とするのが好ましく、０．００２０％以上とするのがより好ましい。
Ｍｇは、Ｃａと同様、熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇ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る。この結果、却って、熱間加工性が低下する。そのため、Ｍｇ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｍｇ含有量は、０．００８０％以下とするのが好ましく、０．００６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｇ含有量は、０．００１０％以上とするのが好ましく、０．００２０％以上とするのがより好ましい。
Ｂ：０．０１００％以下
Ｂは、高温で粒界に偏析して、粒界を強化し、熱間加工性を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを、過剰に含有させると、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｂ含有量は、０．００８０％以下とするのが好ましく、０．００６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｂ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましく、０．０００５％以上とするのがより好ましい。
Ｂは、高温で粒界に偏析して、粒界を強化し、熱間加工性を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを、過剰に含有させると、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量は、０．０１００％以下とする。Ｂ含有量は、０．００８０％以下とするのが好ましく、０．００６０％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｂ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましく、０．０００５％以上とするのがより好ましい。
ＲＥＭ：０．０８００％以下
ＲＥＭは、ＣａおよびＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭ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る。この結果、却って熱間加工性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量は、０．０８００％以下とする。ＲＥＭ含有量は、０．０６００％以下とするのが好ましく、０．０５００％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は、０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１０％以上とするのがより好ましい。ここで、ＲＥＭとは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドを示し、ＲＥＭ含有量はこれらの元素の含有量の総量を示す。
ＲＥＭは、ＣａおよびＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭ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る。この結果、却って熱間加工性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量は、０．０８００％以下とする。ＲＥＭ含有量は、０．０６００％以下とするのが好ましく、０．０５００％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は、０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１０％以上とするのがより好ましい。ここで、ＲＥＭとは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドを示し、ＲＥＭ含有量はこれらの元素の含有量の総量を示す。
本発明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、Ｆｅ基合金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。
２．Ｆｅ基合金管の肉厚
本発明に係るＦｅ基合金管では、例えば、後述のように丸形のビレットにマンドレル等を挿入し、熱間押出しして、中空素管を作製して、製造する。しかしながら、本方法に限らず、管を製造する場合、加工精度などの要因により、管の全ての部位で同一の肉厚とすることは難しく、肉厚のばらつきが生じやすい。したがって、一つの合金管においても部位によって、肉厚差が生じてしまう。
本発明に係るＦｅ基合金管では、例えば、後述のように丸形のビレットにマンドレル等を挿入し、熱間押出しして、中空素管を作製して、製造する。しかしながら、本方法に限らず、管を製造する場合、加工精度などの要因により、管の全ての部位で同一の肉厚とすることは難しく、肉厚のばらつきが生じやすい。したがって、一つの合金管においても部位によって、肉厚差が生じてしまう。
肉厚差があると、同一の公称寸法の管を突合せ溶接して、溶接継手を製造したとしても、高温で管を使用した際に割れが発生しやすくなる。これは、溶接する管の端部、すなわち管端の肉厚差に起因して、溶接止端部において段差が形成し、ビードの不整が生じることに起因する。ビードの不整が大きくなると、溶接による残留応力分布が不均一となり、局部的な応力集中が生じ、一方のビード止端部に残留する応力が大きくなる。この結果、高温で管を使用する際に、割れが発生しやすくなる。
ビードの不整を抑制するため、管同士を突き合わせる際に、管同士の肉厚差が小さくなるように、管を回転させて突合せ位置を調整することがある。しかしながら、長尺の管を回転させることは容易ではなく、かつ施工効率を著しく低下させる。同様に、開先の形状および溶接条件を調整することでも、ビードの不整を抑制することができる場合があるが、生産性の観点から望ましくない。
そこで、管同士の肉厚差を低減し、ビードの不整を抑制するために、一つの管の中での肉厚のばらつきを低減するのが望ましい。このため、Ｆｅ基合金管の管端部から軸方向に５０ｍｍの位置までの領域において、下記（ii）式で算出される最大肉厚差Ｄｗが、下記（iii）および（iv）式を満足するのが好ましい。
Ｄｗ＝ＤＭＡＸ－Ｄｍｉｎ ・・・（ii）
Ｄｗ／ＤＭＡＸ×１００≦２０ ・・・（iii）
Ｄｗ≦１．６ ・・・（iv）
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
ＤＭＡＸ（ｍｍ）：最大肉厚
Ｄｍｉｎ（ｍｍ）：最小肉厚
Ｄｗ／ＤＭＡＸ×１００≦２０ ・・・（iii）
Ｄｗ≦１．６ ・・・（iv）
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
ＤＭＡＸ（ｍｍ）：最大肉厚
Ｄｍｉｎ（ｍｍ）：最小肉厚
上記のように、管の肉厚を測定した場合に、測定された最も厚い肉厚を最大肉厚ＤＭＡＸとし、最も薄い肉厚を最小肉厚Ｄｍｉｎとする。そして、（ii）式で算出され、最大肉厚ＤＭＡＸと、最小肉厚Ｄｍｉｎとの差である、最大肉厚差Ｄｗと、最大肉厚ＤＭＡＸとの関係が、上記（iii）式を満足するのが好ましい。（iii）式左辺値が、２０％を超えると、ビードの不整が生じやすくなるからである。（iii）式左辺値は、小さければ小さい程、好ましい。
加えて、最大肉厚差Ｄｗが、（iv）式を満足するのが好ましい。最大肉厚差Ｄｗが１．６ｍｍを超えると、開先面の突合せが困難となり、溶接施工が困難となるからである。最大肉厚差Ｄｗは、小さければ小さい程、好ましい。
本発明に係るＦｅ基合金管は、例えば、溶接継手に用いることができる。溶接継手用Ｆｅ基合金管においては、サイズ調整などの目的で切断された合金管の管端部同士を突合せて溶接される場合がある。この場合には、切断された合金管の管端部、すなわち、溶接時に突合せされる部分が、本発明で規定される「管端部」となる。
なお、少なくとも管端部のみが（iii）および（iv）式を満足すれば、本発明で所望される効果が奏されるが、合金管の全長および全周に渡って（iii）および（iv）式を満足する合金管であれば、いずれの部位で切断されたとしても、本発明の規定を満足することになる。このため、合金管の全長および全周に渡って（iii）および（iv）式を満足することがより好ましい。
ここで、管の肉厚は、超音波探傷を用いて測定してもよい。肉厚ゲージなど測定器具を用いて測定してもよいが、測定方法はこれらに限定されるものではない。
３．溶接継手
上記のＦｅ基合金管の管端を、所定の条件で溶接することで、Ｆｅ基合金管の溶接継手を得ることができる。なお、Ｆｅ基合金管の溶接継手は、溶融金属が凝固し、接合部となった溶接金属と、母材部とを、有する。なお、母材部には、溶接により入熱の影響を受ける溶接熱影響部を含む。溶接熱影響部を除いた母材部は、上記の項目１および２で記載したＦｅ基合金管の化学組成、金属組織、その他特性を受け継ぐ。
上記のＦｅ基合金管の管端を、所定の条件で溶接することで、Ｆｅ基合金管の溶接継手を得ることができる。なお、Ｆｅ基合金管の溶接継手は、溶融金属が凝固し、接合部となった溶接金属と、母材部とを、有する。なお、母材部には、溶接により入熱の影響を受ける溶接熱影響部を含む。溶接熱影響部を除いた母材部は、上記の項目１および２で記載したＦｅ基合金管の化学組成、金属組織、その他特性を受け継ぐ。
４．製造方法
本発明に係るＦｅ基合金管および溶接継手の好ましい製造方法について説明する。本発明に係るＦｅ基合金管および溶接継手は、製造方法によらず、上述の構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法により、安定して製造できる。
本発明に係るＦｅ基合金管および溶接継手の好ましい製造方法について説明する。本発明に係るＦｅ基合金管および溶接継手は、製造方法によらず、上述の構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法により、安定して製造できる。
４－１．Ｆｅ基合金管
最初に、Ｆｅ基合金管の素材となるＦｅ基合金インゴットを製造する、または連続鋳造によりブルームを製造する。Ｆｅ基合金インゴットは、上述した化学組成を有する合金を電気炉等で溶製し、不純物を精錬により取り除いた後、鋳造により製造されるのが好ましい。続いて、得られたインゴットを、熱間鍛造することで、円柱状のビレットとするのが好ましい。その後、得られたビレットを加工することで、管の形状に成形する。
最初に、Ｆｅ基合金管の素材となるＦｅ基合金インゴットを製造する、または連続鋳造によりブルームを製造する。Ｆｅ基合金インゴットは、上述した化学組成を有する合金を電気炉等で溶製し、不純物を精錬により取り除いた後、鋳造により製造されるのが好ましい。続いて、得られたインゴットを、熱間鍛造することで、円柱状のビレットとするのが好ましい。その後、得られたビレットを加工することで、管の形状に成形する。
具体的には、ビレットを熱間押出しした後、冷間圧延または、冷間での引抜き加工を行うのが好ましい。加工の際には、必要に応じて、途中で、軟化熱処理、中間酸洗を行ってもよい。
その後、熱処理として、管に固溶化処理を行うのが好ましい。なお、上述の最大肉厚差Ｄｗが、（iii）および（iv）式を満足するようにするためには、固溶化処理は、９５０℃～１２３０℃の温度域で、１～１５分加熱し、水冷する条件で、行うのが好ましい。加えて、固溶化処理の後、必要に応じて、酸洗を行ってもよい。さらに、管の全長、全周等にグラインダー処理や研削などの機械加工を施してもよい。
４－２．Ｆｅ基合金管の溶接継手
本発明に係るＦｅ基合金管を素材とし、合金管の端部を突合せ溶接することで、溶接継手を得ることができる。溶接方法は、特に、限定しないが、例えば、アーク溶接、により溶接すればよい。また、アーク溶接する場合の条件は、例えば、入熱量を、４～２０ｋＪ／ｃｍの範囲とし、上記Ｆｅ基合金管の溶接継手を作製するのが好ましい。
本発明に係るＦｅ基合金管を素材とし、合金管の端部を突合せ溶接することで、溶接継手を得ることができる。溶接方法は、特に、限定しないが、例えば、アーク溶接、により溶接すればよい。また、アーク溶接する場合の条件は、例えば、入熱量を、４～２０ｋＪ／ｃｍの範囲とし、上記Ｆｅ基合金管の溶接継手を作製するのが好ましい。
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。
表１に示す化学組成を有する合金を溶製し、インゴットを製造した。その後、熱間鍛造、および熱間圧延を行い、合金種ＡおよびＢについては、厚さ１２ｍｍおよび６ｍｍの２種類の板厚とし、それ以外の合金種については６ｍｍの板厚とした。この素材に１２００℃、３分保持後、水冷する固溶化処理を行った。そして、ステンレス鋼管の肉厚差を模擬するために、これらの素材を機械加工により、表２に記載の種々の厚さに減厚した後、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍに切断し、試験材とした。
続いて、作製した試験材の圧延方向の端面に、図１に示す開先加工を施した。そして、最大肉厚を有する部分（「最大肉厚部」ともいう。）を模擬した試験材１と、最小肉厚部（最小肉厚部」ともいう。）を模擬した試験材２の表側の表面の高さを合わせ、裏面側に段差ができるように突き合わせ、自動ガスタングステンアーク溶接により初層溶接した。なお、試験材１および２は、ともに同一の合金種である。
溶接に際しては、溶加材として外径１．２ｍｍのＡＷＳ Ａ５．１４－２００９ ＥＲＮｉＣｒＭｏ－３を用い、入熱を約９ｋＪ／ｃｍとした。また、シールドガスおよびバックシールドガスにはＡｒを用い、流量を１０Ｌ／分とした。
得られた溶接継手について、溶接線全長にわたり、裏面側ビードが形成されたものは、合金管の内面側ビードの形成能に問題がないと判断し、「合格」とした。中でも、溶接線全長にわたり裏面側ビードの幅が２ｍｍ以上となるものを「優」、幅は２ｍｍを下回るが、１ｍｍ以上の裏面側ビードが形成されたものを「可」とした。
内面側ビードの形成能が合格と判断された溶接継手については、ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２００８に規定のＳＭ４００Ｂ相当の市販の鋼板（厚さ２０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）の上に、Ａ５．１１－２００５ ＥＮｉＣｒＭｏ－３に規定の被覆アーク溶接棒を用いて四周を拘束溶接した。その後、自動ガスタングステンアーク溶接により開先内に積層溶接した。溶接には、溶加材として外径１．２ｍｍのＡＷＳ Ａ５．１４－２００９ ＥＲＮｉＣｒＭｏ－３を用い、入熱を約９～１２ｋＪ／ｃｍとした。また、シールドガスおよびバックシールドガスにはＡｒを用い、流量を１０Ｌ／分とした。
溶接ままで、溶接熱影響部に割れが発生していないことを全ての例において確認した。その後、使用状態を想定し、７００℃×５００時間の時効熱処理を行い、溶接継手から横断面を５断面現出し、鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡によって検鏡し、溶接熱影響部の応力緩和割れの有無を調査した。５個の試料のすべてで割れが観察されなかった溶接継手を「優」、１個の試料で割れが観察された溶接継手を「可」とし、「合格」と判断した。２個以上の試料で割れが観察された溶接継手を「不可」と判断した。
表２から、本発明で規定する化学成分を満足する符号Ａ～Ｈを用いて得られた試験体は時効熱処理後の溶接熱影響部の耐割れ性に優れるとともに、内面側ビードの形成能も良好であることがわかる。
また、試験体Ａ９とＡ１０、Ａ１６とＡ１７、Ｂ９とＢ１０およびＢ１６とＢ１７の比較から、裏面側ビード部の不整（段差）が好ましい範囲を満足すると、時効熱処理後の溶接部の割れ性および内面側ビードの形成能により優れることがわかる。
一方、符号Ｉを用いた試験体Ｉ１はＳ含有量が本発明の範囲を超えたため、時効熱処理後の溶接部の全横断面に割れが認められた。また、符号Ｊを用いた試験体Ｊ１は、（ｉ）式を満足せず、規定の範囲より低かった。そのため、板厚方向の溶融が十分ではなく、目標とする内面側ビードの形成能が得られなかった。
さらに、符号Ｋを用いた試験体Ｋ１は、（ｉ）式を満足せず、規定の範囲より高かった。そのため、溶融金属の垂れ下がりが著しく、裏面側ビードの止端が鋭角となったため、応力集中が生じ、時効後の溶接部断面に割れが認められた。以上のように本発明の要件を満足する場合のみ、時効熱処理後の溶接部の耐割れ性と内面側ビードの形成能の両立が可能であることがわかる。
本発明によれば、溶接後の熱処理を行うことなく、管の内面側ビード近傍に生じる割れを抑制しうるＦｅ基合金管および溶接継手を得ることができる。
Claims (5)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４０～０．１００％、
Ｓｉ：０．１０～１．００％、
Ｍｎ：０．６０～１．６０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１～０．００１５％、
Ｎｉ：２９．５～３５．５％、
Ｃｕ：０．０１～０．７５％、
Ｃｏ：０．０１～１．００％、
Ｃｒ：１９．０～２３．０％、
Ｍｏ：０．０１～１．００％、
Ｔｉ：０．１０～０．６０％、
Ｎ：０．００１０～０．０１５０％、
Ａｌ：０．１０～０．６０％、
Ｏ：０．０００４～０．０１５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式を満足する、Ｆｅ基合金管。
０．００１０≦Ｓ＋２Ｏ≦０．０２８０ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、Ｆｅ基合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 前記Ｆｅ基合金管の管端部から軸方向に５０ｍｍの位置までの領域において、下記（ii）式で算出される最大肉厚差Ｄｗが、下記（iii）および（iv）式を満足する、請求項１に記載のＦｅ基合金管。
Ｄｗ＝ＤＭＡＸ－Ｄｍｉｎ ・・・（ii）
Ｄｗ／ＤＭＡＸ×１００≦２０ ・・・（iii）
Ｄｗ≦１．６ ・・・（iv）
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
ＤＭＡＸ（ｍｍ）：最大肉厚
Ｄｍｉｎ（ｍｍ）：最小肉厚 - 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｓｎ：０．０３０％以下を含有する、請求項１または２に記載のＦｅ基合金管。 - 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｗ：１．００％以下、
Ｖ：０．４０％以下、
Ｎｂ：０．４０％以下、
Ｔａ：０．４０％以下、
Ｃａ：０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０１００％以下、
Ｂ：０．０１００％以下、および
ＲＥＭ：０．０８００％以下、
から選択される一種以上を含有する、請求項１～３のいずれかに記載のＦｅ基合金管。 - 請求項１～４のいずれかに記載のＦｅ基合金管を用いた溶接継手。
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