JPH028839B2

JPH028839B2 -

Info

Publication number: JPH028839B2
Application number: JP56075015A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sukegawa; Yoshimitsu Hida; Seishin Kirihara
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1981-05-20
Publication date: 1990-02-27
Also published as: JPS581052A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は高温用オーステナイト系溶接構造物の
製造法に関し、更に詳しくは、化学プラントや発
電プラントおける特に600℃以上の高温部位に好
都合に使用される高温延性及び高温強度の優れた
高温用オーステナイト系溶接構造物の製造法に関
する。従来、アンモニアやエチレンを製造する石油化
学プラントに用いられているインコロイ800〔Ｃ：
0.08％、Cr：20％、Ni：32％、Ti：0.3％、Al：
0.3％、Si：0.5％、Mn：1.0％（重量）〕を構造用
鋼とする溶接構造物の製造には、インコロイ138
（Cr：28％、Ni：38％、Mo：４％、Ｗ：15％、
Fe：残）、インコネル182（Cr：1.5％、Ti：0.5％、
Nb：２％、Mn：７％、Fe：８％、Ni：残）、イ
ンコネル112（Cr：20％、Mo：８％、（Nb＋
Ta）：3.5％、Fe：７％、Ni：残）またはインコ
ウエルドＡ（Cr：15％、Nb：２％、Mo：1.5％、
Fe：８％、Ni：残）などの溶接棒が使用されて
いる。しかしながら、これら溶接棒により製造さ
れた溶接金属の高温クリープ強度は、構造用鋼と
同等程度あるいはそれ以下であり、高温延性も低
く、且つ高温条件にさらすとき組織変化による脆
化が著しい欠点がある。また、高温中では構造物
には熱応力が作用し、上記溶接棒類とインコロイ
800構造用鋼との成分の差異にもとずく構造用鋼
と溶接金属との熱膨張率の差が大きいため、溶接
金属部分に発生する熱応力も大きくなり、割れが
発生する大きな要因となるので溶接金属として極
めて不都合である。一方、かかる現象を回避するために、構造用鋼
母材と熱膨張率が同じ特性を有する溶接金属、特
に構造用鋼と同様な組成をもつ共金系溶接棒を用
いる試みもなされたが、チタン及びアルミニウム
を含むため、これらの酸化物が形成されて溶融金
属の流動性を悪くし、溶接欠陥が生じ易く、また
チタンやアルミニウムを除くと高温での強度が不
足するので溶接材として採用できないという問題
があつた。本発明の目的は、高温において優れたクリープ
破断延性及び強度を有し、且つ高い応力発生を防
止し得るオーステナイト系溶接構造物の製造法を
提供することにある。本発明者らは、従来知られた高温用オーステナ
イト鋼用溶接金属の諸欠点にかんがみ、上記目的
を達成すべく多くの金属類について研究した結
果、極めて優れた且つ実用的価値の高い溶接金属
及び該溶接金属で溶接されたオーステナイト系溶
接構造物を見出した。本発明の高温用オーステナイト系溶接構造物の
製造法は、重量％でＣ：0.1％以下、Si：１％以
下、Mn：1.50％以下，Ni：32〜38％，Cr：21〜
25％，Ti：0.15〜0.6％及びAl：0.15〜0.6％を含
有するオーステナイト構造用鋼の母材に対し、重
量で、Ｃ：0.01〜0.065％，Si：1.25％以下，
Mn：２〜３％，Ni：32〜38％，Cr：20.75〜
24.75％，Mo：1.2〜1.8％，Nb：0.22〜1.12％，
Ti及び／又はZr：0.1〜１％、残部Feよりなる溶
接材料を用いアーク溶接をおこなう構成である。本発明に係る溶接構造物は、例えば化学プラン
ト用リホーマチユーブやボイラー用伝熱管などに
用いられる構造物として好適であり、オーステナ
イト鋼として広く用いられている、例えばインコ
ロイ800を構造用鋼とする溶接構造物で提供され
る。本発明に使用される構造用オーステナイト鋼
は、オーステナイト組織を作るNi及びCrをそれ
ぞれ32〜38重量％及び21〜25重量％含有し、Ti
を0.15〜0.6％、Alを0.15〜0.6％含むことにより
Ni₃（Al、Ti）のγ′相を形成して鋼中に析出し、
オーステナイト鋼の高温強度を高める働きをして
いる。Siは１％以下含まれることにより、オース
テナイト鋼の製鋼時の脱酸を十分に行う。Ｃは0.1％以下含まれることにより耐食性の向
上をはかるとともに、高温強度も向上する。また、本発明の溶接材料において、Ｃは炭化物
形成元素と炭化物を形成するとともにマトリツク
スに固溶して高温強度を向上させるために加える
が、その含有量は0.01〜0.065％である。Ｃが多
すぎると加工性が低下し、また高温延性も低下す
るので不都合であり、少なすぎると望ましい高温
強度が得られない。Si及びMnは溶融時並びに溶
接時の脱酸及び脱硫の目的で、それぞれ1.25％以
下及び２〜３％含有せしめる。この程度の存在で
充分効果が得られ目的が達成されるばかりでな
く、溶接金属に高温割れ現象が生じない利点も確
認された。また、Ni及びCrは共存してオーステ
ナイト組織を作る主要成分で、それぞれNi：32
〜38％及びCr：20.75〜24.75％含有せしめること
が必要である。これらの含有量は構造用鋼の熱膨
張率と同等にすることにより熱応力の発生が可及
的に低減される。Ni量が低いと、含有するNo，
Nb及びTiやZrの存在のために、高温で長時間使
用される間にシグマ相を析出してもろくなり、ま
た多すぎると、柱状晶が粗大になり高温割れが発
生し易く、延性も低下して好ましくない。また
Crは上記範囲量で充分な耐酸化性が得られる。 Moはオーステナイトマトリツクスを固溶強化
し、一部は炭化物として析出するので高温強度を
向上させ、また粒界析出し易いクロム炭化物の析
出を妨げるので結晶粒界を強化させる作用を有
し、本発明に係る溶接材料中に1.2〜1.8重量％加
えられる。その量が多すぎると加工性及び耐酸化
性が低下し、シグマ相が析出し易くなるので不都
合であり、少なすぎると上記の本来有する特性が
具現されない。Nbは溶接金属中に0.22〜1.12％含
させる。炭化物として析出するNbは、この量範
囲で充分な高温強度向上の効果を有するととも
に、粒界析出し易いクロム炭化物の析出を妨げる
ので結晶粒界を強化させる作用を有し、また、溶
接酸素量を低くし高温延性向上の効果を有する。
少なすぎては充分な上記効果が得られず、また多
すぎると加工性が低下して望しくない。また
Ti／及び／またはZrは0.1〜１重量％含有せしめ
ることにより、一部は脱酸剤として作用し、溶接
金属中の酸素量を低くして高温延性を向上させる
とともに、残部は溶接金属中でMC型の炭化物と
して析出して粒界へのM₂₃C₆型の炭化物、特にク
ロム炭化物の析出を抑制し、強度及び延性の向上
が得られる。そして、Mo，Nb，Ti及び／又は
Zrの共存により、この効果はさらに高められる。
Ti量が多すぎると溶接性が悪くなり、溶接割れ
や介在物などの溶接欠陥を生じ易くなる。Zr量
が多すぎると湯流れが悪くなり、溶接ビード表面
が剥離し易くなる。Ｃ量が多いとこの現象が著し
くなる。 Ti及び／又はZrが少なすぎると上記効果が不
充分となる。この場合何れか一方のみを含有させ
る場合には0.1〜0.5％が望ましい。しかし両者を
0.1〜0.3％ずつ用いると一層好ましい結果が得ら
れる。本発明の溶接材料は、上記金属類をそれぞれ特
定範囲量を含有するFe合金で、従つて残部は実
質的にFeから成るが、本発明の溶接材料の所定
の効果を阻外しない程度の微量の不純物が混在す
ることは差し支えない。本発明は溶接材料中に、特にNb，Mo，Ti及
び／又はZrの特定範囲量を含有せしめた点に特
徴を有し、インコロイ800を構造用鋼として溶接
した溶接構造物に優れた高温強度及び延性を付与
し、熱応力の発生を顕著に低減し得るものであ
る。以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説
明する。第１表に示す溶接方法及び各種組成の溶接材料
を用い、オーステナイト構造用鋼としてインコロ
イ800を用いてそれぞれ溶接し、各種比較テスト
を行なつた。その結果、得られた溶接金属の組成
を第２表に示す。なお、表中の成分の数値は重量％である。また
母材（インコロイ800）の700℃、800℃、および
900℃における熱膨張係数はそれぞれ17.5×
10^-6／℃、18.0×10^-6／℃、18.5×10^-6／℃であ
り、本発明材のNo.６〜９の熱膨張係数も母材と同
等であつた。本発明材のNo.６，No.７は被覆アーク溶接によ
り、No.８はTIG溶接により、No.９は溶接の初層部
のみをTIG溶接によつておこなつた。このTIG溶
接に用いられた芯線は後の被覆アーク溶接に用い
られる芯線と同一の成分組成を有する。溶接試験に適用した溶接条件は、TIG溶接の場
合は、溶接電流180A（直流）、電圧10V、溶接速
度10cm／分、被覆アーク溶接の場合は、溶接電流
150A（直流）、電圧21〜23V、溶接速度15cm／分
である。なお、被覆アーク溶接では、芯線のまわりのフ
ラツクスは、本発明の意図する溶接金属の成分組
成には影響を与えないものであつて、本実施例で
は第１表に示す主成分のフラツクスを用いた。

【表】

【表】本発明のオーステナイト鋼と溶接材料より得ら
れる溶接金属の高温割れ感受性を調べる為、フイ
スコ割れ試験を行つた。その試験結果を、比較例の結果も含め第１図に
示す。図から明らかなように、比較例のNo.１〜５
の割れ率は22〜25％であるのに対し、本発明の割
れ率はすべて15％以下で、優れていることが判
る。次に、本発明によつて得られる溶接金属の高温
特性を調べる為、各溶接金属の800℃のクリープ
破断試験を行なつた。クリープ破断時間と応力と
の関係について得られた結果を、比較例の結果を
含め第２図に示す。また、800℃、1000時間での
クリープ破断後の絞りを第３図に示す。図から、従来の溶接金属のクリープ破断強度は
母材であるインコロイ800の平均値より低強度で
あるが、本発明の溶接金属のそれは、インコロイ
800の平均値とほぼ同程度で、目標値の４Kg／mm²
以上であることがわかる。クリープ破断延性については、従来の溶接金属
の800℃、1000時間での破断後の絞りが10％以下
であるのに対し、本発明による溶接金属のそれ
は、No.６及びNo.７で15％、No.８及びNo.９では20％
であり、従来のものよりはるかに高い延性を有し
ている。溶接金属は母材と同等の延性を期待する
ことはできないが、母材の半分以上の延性を有す
ることが理想的とされ、使用中の脆化による割れ
の発生に着目すれば最小限10％の延性が要求され
るので、10％以上を目標値とする。かかる観点か
ら考察すれば、母材の延性が約40％に対し、本発
明の溶接金属はすべて10％以上であり、No.８及び
９は特に満足すべき延性を有している。次に、本実施例で得られた各溶接金属の800℃
1000時間後のクリープ破断強度、絞りと溶接材料
のＣ量との関係を、それぞれ第４Ａ図及び第４Ｂ
図に示す。図中の各数値とＡ，Ｂ，Ｃは試料No.を
示しＡ，Ｂ，Ｃはこの図のためにのみ追加された
比較例であり、その溶接材料の成分を第３表に示
す。

【表】第４Ａ図から、溶接材料のＣ量が0.01〜0.065
％の範囲内でクリープ破断強度が最大値となり、
第４Ｂ図からも、Ｃ量が同じ範囲内で絞りが最大
値となるとともに、これら両図から溶接材料のＣ
量が0.01〜0.065％の範囲内において、従来得ら
れなかつた高いクリープ破断強度と絞りとが得ら
れることが判る。Ｃ量が0.01〜0.065％の範囲内で、クリープ破
断強度、絞りの最大値が得られる理由は次のよう
に考えられる。Ｃと親和力の強い元素、すなわちNb，Mo，
Ti，Zrは溶接金属の凝固前から一部のＣと結合
して炭化物を形成し、粗大化しないまま溶接金属
の粒内に分散して析出する。残つたＣの一部はマトリツクスを固溶強化し、
他の一部はクロム炭化物となつて粒内、粒界に偏
析し易く、さらにそのクロム炭化物は溶接構造物
の高温使用中に粗大化し易く、そのため高温での
強度、絞りを著しく劣化する。従つて、Nb，Mo，Ti及び／又はZrが、本発
明の組成範囲に含有されることにより、上記元素
がもつとも有効に作用して、Ｃ量0.01〜0.065％
中の大部分のＣ量が上記元素と結合して炭化物と
なり、そのため、クロムと結合するＣ量がもつと
も少ない状態になつてクロム炭化物の生成量が最
小におさえられるので、クロム炭化物の粒界析出
がもつとも少ない範囲になつて、高温強度、絞り
の低下がもつとも有効に防止されたものと考えら
れる。なお、本発明の溶接材料をオーステナイト構造
用鋼に適用できるアーク溶接法は、前述のTIG溶
接、被覆アーク溶接の他に、MIG溶接、サブマ
ージドアーク溶接がある。従つて、この溶接材料
を溶接ワイヤとしてMIG溶接に適用してもよく、
さらに、サブマージドアーク溶接に適用しても、
中性フラツクスを併用することにより、溶接金属
の組成を変えることなく上記と同様な効果を得る
ことが出来ることはいうまでもない。このように、本発明の溶接金属は、オーステナ
イト構造用鋼と同等の熱膨張率を示し、しかも溶
接性にも優れたもので、かかる溶接金属で溶接し
た構造物は顕著に改善された高温クリープ破断強
度及びクリープ破断延性を有し、かつ、高い熱応
力が発生せず、実用性の極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、フイスコ割れ率を示す図、第２図
は、溶接金属の800℃におけるクリープ破断時間
と応力の関係を示す図、第３図は、溶接金属の
800℃、1000時間におけるクリープ破断絞りを示
す棒図、第４Ａ図は、Ｃ量が高温破断強度に及ぼ
す影響を示す図、第４Ｂ図は、Ｃ量が高温破断絞
りに及ぼす影響を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量％で、Ｃ：0.1％以下，Si：１％以下，
Mn：1.50％以下，Ni：32〜38％，Cr：21〜25
％，Ti：0.15〜0.6％及びAl：0.15〜0.6％を含有
するオーステナイト構造用鋼の母材に対し、重量
で、Ｃ：0.01〜0.065％，Si：1.25％以下，Mn：
２〜３％，Ni：32〜38％，Cr：20.75〜24.75％、
Mo：1.2〜1.8％，Nb：0.22〜1.12％、Ti及び／
又はZr：0.1〜１％、残部Feよりなる溶接材料を
用いアーク溶接をおこなうこと特徴とする高温用
オーステナイト系溶接構造物の製造法。