JPH028840B2

JPH028840B2 -

Info

Publication number: JPH028840B2
Application number: JP57007548A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sukegawa; Yoshimitsu Hida; Seishin Kirihara; Hisashi Morimoto; Kenichi Usami; Katsuki Iijima
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1982-01-22
Filing date: 1982-01-22
Publication date: 1990-02-27
Also published as: US4443406A; EP0084588A2; EP0084588B1; EP0084588A3; JPS58125396A; DE3273750D1

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はオーステナイト系溶接構造物に係り、
特に化学プラント、火力、原子力プラント、ボイ
ラー等における高温強度及び疲労寿命に優れたオ
ーステナイト系溶接構造物の製造法に関する。従来、クリープの起こりやすい高温領域で使用
される部位にはオーステナイト系ステンレス鋼や
耐熱合金鋼が使用されており、特に600℃以上と
温度が高くなる部位には、クリープ破断強度が優
れているNCF鋼（0.08％Ｃ−20％Cr―32％Ni―
0.3％Al）を構造用鋼として使用する場合がある。
化学プラントが発電プラントの溶接構造物の製作
には、インコロイ138（28％Cr―38％Ni―45Mo―
１％Ｗ―残Fe）やインコネル182（15％Cr―0.5％
Ti―２％Nb―７％Mn―８％Fe―残Ni）、イン
コネル112（20％Cr―８％Mn―33.5％Ta―７％Fe
―残Ni）またはインコウエルドＡ（15％Cr―２％
Nb―1.5％Mo―８％Fe―残Ni）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
より製作された溶接金属は、高温に於る延性が乏
しく、且つ高温温度使用中の組織変化による脆化
が著しい欠点がある。またこれら溶接金属と構造
用鋼NCFの成分の差にもとづく熱膨張率の差が
大きいため、溶接部境界にて熱応力が大きく作用
し、割れ発生の原因となる。このような熱応力による割れの発生を回避する
ために構造用鋼NCFと熱膨張率が同一、すなわ
ち同一組成の溶接棒を用いて、溶接構造物とする
ことも試みられている。しかしこれらの溶接構造
物ではTi及びAlを含むため、これらの金属の酸
化物を形成されて溶接金属の流動性を悪くし、溶
接欠陥を生じやすく、一方、TiやAlを除くと高
温における強度が低下するという欠点がある。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。本発明のオーステナイト系溶接構造物は、重量
で、Ｃ：0.08％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.5％
以下、Ni：32〜38％、Cr：21〜25％、Mo：１〜
1.6％、Nb：0.1〜１％、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：0.01〜0.07
％、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％、残部Feよりなる溶接材料を
用いアーク溶接をおこなうものである。あるいはまた、重量で、Ｃ：0.08％以下、Si：
1.0％以下、Mn：1.5％以下、Ni：32〜38％、
Cr：21〜25％、Mo：１〜1.6％、Nb：0.1〜１
％、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：0.01〜0.07％、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：0.1〜0.5％、残部Feよりなる溶接材料を用い
アーク溶接をおこなうものである。本発明において、Ni及びCrは安定なオーステ
ナイト組織を形成し、耐酸化性及び高温強度を得
るために必要である。特に溶接金属中のNi量が
低いと、含有するMo、Nb及びTiやZr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Ni量が多すぎると凝固時
に柱状晶が粗大になり高温割れが発生しやすい。
従つて構造用鋼及び溶接金属ともにNi量は32〜
38％が必要で、そのため、溶接材料中のNiを32
〜38％とするのが望ましい。たとえばボイラや沸
騰水型原子炉（BWR）等では、構造用鋼のNi量
は35％を上限とする規格があるので、ボイラ、
BWR等では構造用鋼のNi量は32〜38％とするの
が望ましい。Crは所期の酸化性を付与するため
には21〜25％で充分で、そのため、溶接材料中の
Crを20.75〜24.75％とするのが望ましい。 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、又結晶粒界を強化させる。しかし、
Moが多すぎると加工性及び耐酸化性が低下し、
シグマ相が析出しやすくなるので１〜1.6％とす
る。そのため、溶接材料中のMoを1.2〜1.8％と
するのが望ましい。Nbは炭化物を析出し、高温
強度を上げるとともに、溶接酸素量を少なくし高
温延性を向上させる。十分な強度を延性を得るた
めにはNb量は0.1〜1.0％とするのが望ましく、そ
のため溶接材料中のNb量を0.22〜1.12％とするの
が望ましい。上記のようなNi、Cr、Mo及びNbの各添加量
は、構造用鋼及び溶接金属ともに同じとなるよう
に、溶接材料の各元素の含有量を調節するのが望
ましい。構造用鋼の場合、その他の微量成分とし
て、例えば0.08％以下のＣ、1.0％以下のSi、及び
1.5％以下のMnを含有するものが好ましい。Ｃは
0.08％以下含有されることにより耐食性の向上を
はかるとともに、高温強度を向上する。 Si、Mnは構造用鋼の製鋼時と、溶接金属の凝
固時の脱酸作用を十分に行なう。本発明に用いる溶接材料において、Ｃは高温強
度を向上させるために0.01〜0.07％加えるが、Ｃ
が多すぎると加効性が低下し、また高温延性も低
下し、一方少なすぎると望ましい高温強度が得ら
れない。 Siは1.25％以下、Mnは２〜３％含有すること
により、溶接時の脱酸に充分な効果が得られ、所
期の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。次に構造用鋼には、0.1〜0.5％のTi及び／又は
Zrが含まれ、溶接材料には0.1〜0.5％のTiが含ま
れる。 Ti及び／又はZrの含有量の一部は脱酸剤とし
て作用し、構造用鋼及び溶接金属中の酸素を低く
して高温延性を向上させるとともに、残部は溶接
金属の粒内にMC型の炭化物として析出すること
により粒界へのM₂₃C₆型炭化物、特にクロム炭化
物の析出を抑制して結晶粒界を強化し、その結果
高温延性を向上させ、且つ結晶粒を微細化し、高
温強度を向上させる。そして、Mo、Nb、Ti及
び／又はZrが共存すると、この効果はさらに高
められる。ただし溶接金属中にZrが多量含有さ
れると、湯流れが悪くなり溶接割れを起しやすい
ので溶接材料中にはZrは含まれない。本発明における溶接材料は、上記金属をそれぞ
れ特定範囲量を含有するFe合金であるが、本発
明における溶接金属の所定の効果を阻害しない程
度の微量の不純物が混在することは差し支えな
い。以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説
明する。第２表に示す各種構造用鋼（No.９〜No.11）に対
し、第１表に示すNo.１〜No.８の溶接材料を用い
て、それぞれに対応した溶接法により溶接し、各
種比較テストを行つた。No.１については構造用合
金としてNi基合金を用いた。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／分であ
り、被覆アーク溶接の場合は、溶接電流150A、
電圧21〜23V、溶接速度15cm／分である。なお、被覆アーク溶接では、芯線のまわりに被
覆されたフラツクスは、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。第１表中において本発明材のNo.６は、溶接の初
層部のみをTIG溶接により、残層は被覆アーク

【表】

【表】溶接により溶接したものである。本発明のNo.７はTIG溶接により、No.８は被覆ア
ーク溶接によりおこない、得られた溶接金属の成
分組成を第２表に示す。それぞれの溶接金属について熱膨張率を計測し
た結果を第３表に示す。計測温度が700℃、800℃
いずれの場合においても、本発明材である構造用
鋼No.９〜11の熱膨張率は、本発明によつて得られ
た溶接金属の熱膨張率と同一の値を示した。従つ
て、本発明の溶接構造物には、両者の熱膨張率の
差にもとづく熱応力はほとんど生じないことが判
る。第２表の溶接金属についてフイスコ割れ試験、
クリープ破断試験、低サイクル疲労試験を行つた
結果を第４表に示す。第４表において、No.２〜No.
８はそれぞれ構造用鋼No.９に対し、第１表に示し
た溶接材料No.２〜No.８を用いて溶接した溶接構造
物の試験結果である。第４表によつて次のことが判る。フイスコ割れ率は、比較材（No.１〜５）が23

【表】

【表】〜34％あるのに対し、本発明材（No.６〜８）は13
〜18％と少なく、良好な結果が得られた。 800℃、1000時間におけるクリープ破断強度は
本発明材で５Kg／mm²以上と、従来材と同等以上の
強度を示す。なお、900℃、1000時間におけるクリープ破断
強度においても、本発明材では2.40〜2.80Kg／mm²
あり、従来材の2.02〜2.20Kg／mm²に比らべ、大巾
に向上していることが判る。次に800℃、1000時間におけるクリープ破断伸
びは、本発明材で８％以上と、従来材の２倍以上
の延性を示す。また、第２表の構造用鋼No.10、No.11に対し、そ
れぞれ第１表に示したNo.２〜No.８と同じ溶接材
料、溶接法の組合せで溶接した溶接構造物につい
ても、上記同様の効果を得ることができた。特に
構造用鋼にNo.11を用いた場合には、800℃の条件
下、1000時間以上の長時間に亘つてクリープ破断
強度、クリープ破断伸びが優れていた。さらに、低サイクル疲労寿命については、本発
明材では610〜650回であつて、比較材の320〜420
回に比らべ大巾に向上している。なお、この低サ
イクル疲労試験は800℃において、全ひずみ範囲
を0.7％で行つたものである。なお、本発明においては、Ｃ量も重量であるの
で、Ｃ量がクリープ破断強度、伸びに最適の範囲
を占めていることを図に示して説明する。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、伸びと溶接材料中のＣ量との
関係を、それぞれ第１Ａ図及び第１Ｂ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５表に示す。

【表】第１Ａ図から、溶接材料のＣ量が0.01〜0.07％
の範囲内でクリープ破断強度が最大値となり、第
１Ｂ図からも、Ｃ量が同じ範囲内で伸びが最大値
となるとともに、これら両図から溶接材料中のＣ
量が0.01〜0.07％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伸びとが得られ
ることが判る。Ｃ量が0.01〜0.07％の範囲内で、クリープ破断
強度、伸び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、伸びを著しく劣化する。従つてNb、Mo、Ti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0.01〜0.07％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、伸びの低下がもつとも
有効に防止されたものである。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、この溶接棒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。以上のように、本発明によれば、溶接性を低下
させることなく、溶接部に熱応力が集中すること
を防止し、更に高温におけるクリープ破断強度、
延性が優れるとともに、疲労寿命も優れているこ
とから、熱応力の繰返しに耐え得ることができ
る。そして、オーステナイト系溶接構造物寿命を
大きく延長することができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はＣ量とクリープ破断強度との関係を
示す図、第１Ｂ図はＣ量とクリープ破断伸びとの
関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量で、Ｃ：0.08％以下、Si：1.0％以下、
Mn：1.5％以下、Ni：32〜38％、Cr：21〜25％、
Mo：１〜1.6％、Nb：0.1〜１％、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：
0.01〜0.07％、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％、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を特徴とす
るオーステナイト系溶接構造物の製造法。２重量で、Ｃ：0.08％以下、Si：1.0％以下、
Mn：1.5％以下、Ni：32〜38％、Cr：21〜25％、
Mo：１〜1.6％、Nb：0.1〜１％、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：
0.01〜0.07％、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：0.1〜0.5％、残部
Feよりなる溶接材料を用いアーク溶接をおこな
うことを特徴とするオーステナイト系溶接構造物
の製造法。３重量で、Ｃ：0.08％以下、Si：1.0％以下、
Mn：1.5％以下、Ni：32〜38％、Cr：21〜25％、
Mo：１〜1.6％、Nb：0.1〜１％、Ti及び／又は
Zr：0.1〜0.5％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：0.01〜0.07％、
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％、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を特徴とするオーステナイト
系溶接構造物の製造法。４重量で、Ｃ：0.08％以下、Si：1.0％以下、
Mn：1.5％以下、Ni：32〜38％、Cr：21〜25％、
Mo：１〜1.6％、Nb：0.1〜１％、Ti及び／又は
Zr：0.1〜0.5％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：0.01〜0.07％、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：0.1〜0.5％、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を特徴とす
るオーステナイト系溶接構造物の製造法。