JPH0299295A - 高温におけるクリープ破断強度および延性の優れたＮｉ―Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は高温におけるクリープ破断延性の優れたＮｉ−
Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料に関するも
のである。

（従来の技術） 現在開発が進められている高速増殖炉の構造材料には５
ＵＳ３０４．５ｔｌＳ３１６等のオーステナイト系ステ
ンレス鋼が使用されるが、これらの構造材料はクリープ
温度領域で使用される。高速増殖炉の構造材料に負荷さ
れる主要応力は温度変動にともなう熱応力である。この
熱応力による残留応力が高温運転時にクリープにより緩
和される過程が構造材料に繰り返し加えられることから
、クリープ疲労特性が重要視される。ところで、このク
リープ疲労特性はクリープ破断延性と相関関係があるこ
とが明らかにされており、高速増殖炉の構造材料に使用
されるステンレス鋼はクリープ破断延性が優れているこ
とが要求される。このようなステンレス鋼として本発明
者等はクリープ破断延性の優れた３１６系のステンレス
ｆｉＩ厚板を発明した（特開昭６２−２３３４６号公報
）。

しかしながら、高速増殖炉は大型の溶接構造物であるこ
とから、その溶接金属部にだいしてもクリープ破断延性
に優れていることが必要になる。

これまでの高温用溶接材料は、たとえば５ｔｌＳ　Ｙ３
１６系ではクリープ中に炭化物が析出し十分なりリープ
破断延性が得られず、あるいはＳＵＳ　Ｙ３１６Ｌ系で
はクリープ破断延性は優れているがクリープ破断強度が
低く、いずれも高速増殖炉の構造用として十分とは言え
ないものであった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の溶接材料はクリープ破断延性、あるい
はクリープ破断強度の何れかの点で高速増殖炉の構造材
料として不十分なものである。この原因は、ＳＵＳ　Ｙ
３１６系については鋼中に存在するＣが高温での使用中
にδ−フェライトとオーステナイト相の界面に炭化物と
して析出することに関係している。すなわち、界面に析
出する炭化物は界面脆化を引き起こし、延性低下あるい
はクリープ破断強度の劣化原因となる。また、ＳＯ５Ｙ
３１６Ｌ系では強化元素であるＣｉが低いため、クリー
プ破断強度が十分でない。

（課題を解決するための手段） 本発明は以上のような課題を解決するためになされたも
のであってその要旨とするところは下記のとおりである
。

（１）重量％でＣ０．０３０％以下、Ｓｉ　　１．０％
以以下下Ｍｎ３．０％以下、Ｐ　　０．０２〜０．０７
％、Ｃｒ１４．０〜２２．０％、Ｎｉ１０．０〜１４．
０％、門０２．０〜３．０％、Ａｌ　０．０４％以下、
Ｎ０．０６〜０．１８％を含有し、残部は実質的にＦｅ
からなり、かつ溶接金属部のδ−フェライトｉが１％か
ら６％の範囲である高温でのクリープ破断延性の優れた
Ｎｉ−Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。

なお、δ−フェライトｆｆｉの算出は次式による。

δ−フェライトＩ（％）　＝　　７０．２９　＋　３．
２　×Ｃｒｅｑ−０３１Ｘ　（Ｎｉｅｑ）”＋１５．６
６１　ＸＣｒｅｑ／Ｎ１ｅｑＯ、０２０８Ｘ　Ｃｒ　ｅ
ｑ　Ｘ　Ｎ　ｉ　ｅｑ　　−−−−−−−−−−・−弐
−１（Ｃｒｅｑ　＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋　１．５　ＸＳｉ、、
Ｎ１ｅｑ　＝Ｎｉ　＋　０．５×Ｍｎ±３０　Ｘ　（Ｃ
十Ｎ）　） （２）重量％でＣ０．０３０％以下、Ｓｔ　　１．０％
以下、Ｍｎ３．０％以下、Ｐ　　０．０２〜０．０７％
、Ｃｒ１４、０〜２．２．０％、Ｎｉ　　１０．０〜１
４．０％、Ｍｏ２．０〜３．０％、ｊＶｏ、０４％以下
、Ｎ０．０６〜０．１８％を含有し、さらにＷ　３，０
％以下を含有し、残部は実質的にＦｅからなり、かつ溶
接金属部のδ−フェライト量が１％から６％の範囲であ
る高温でのクリープ破断延性の優れたＮｉ−Ｃｒオース
テナイト系ステンレス鋼溶接材料。

なお、δ−フェライト量の算出は次式による。

δ−フェライト量（り　　＝　　７０．２９　＋　３．
２　×Ｃｒｅｑ−０３１Ｘ　（Ｎｉｅｑ）　”　＋　１
５．６６１　×Ｃｒｅｑ／Ｎｉｅｑ−０２０８ＸＣｒｅ
ｑＸＮｉｅｑ　　−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−一式−１（Ｃｒｅｑ　＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋０．　５　
Ｗ　＋　１．５　ＸＳｔ、　Ｎ１ｅｑ　＝Ｎｉ＋　０．
５　ＸＭｎ＋３０　Ｘ　（Ｃ＋Ｎ）　）（作用） 以下本発明の要件の技術的根拠について説明する。発明
者は溶接金属部のクリープ破断特性に対する、化学成分
およびδ−フェライトａについて系統的な調査を行った
。第１図（イ）、（ロ）にクリープ破断特性に対するｃ
ｌとＮｌｉの影響を示す。

この図から低Ｃ化することにより、クリープ破断延性が
向上しクリープ破断強度が低下することがわかる。一方
、Ｎについては、Ｃが０．０５％存在する場合はＮｌの
増加とともにクリープ破断強度は向上するが、クリープ
破断延性は低下する。これに対し、Ｃが０．０１％と低
い系ではＮ量の増加とともにクリープ破断強度は向上す
るが、クリープ破断延性は低下は少ない。すなわち、強
化元素をＣからＮに変えることにより、クリープ破断強
度、クリープ破断延性ともに優れた溶接材料の開発の可
能性が見出された。第２図はこのようなりリープ破断特
性の優れた低Ｃ−高Ｎ系（０，０１％００７％Ｎ−１２
％Ｎｉ　−１８％Ｃｒ　−２，２％Ｍｏ　）の溶接金属
部のクリープ破断特性に対するＰの影響を示したもので
ある。Ｐを添加することによりクリープ破断強度、クリ
ープ破断延性がともに向上することがわかる。

オーステナイト系の溶接施工上の問題として、高温割れ
があり、この対策として通常溶接金属にδ−フェライト
を導入することが行われている。

このδ−フェライトは先に述べたように、クリープ亀裂
の伝播経路となることからクリープ破断特性への影響が
考えられる。第３図はクリープ破断特性に対するδ−フ
ェライトｅの影響を示したもので、クリープ破断特性に
対してδ−・フェライト量に′最適値が存在することが
わかる。すなわち、従来型の０．０６ＣＣ−０，０３％
Ｎ系ではクリープ中に炭化物の析出が生じることからδ
−フェライトの影響が顕著であるが、クリープ破断延性
が改善された０、０１％Ｃ−０，１２％Ｎ系においても
、やや変化量は小さいもののやはり最適δ−フェライト
量が存在する。以上の調査結果から、従来材並のクリー
プ破断強度を有するクリープ破断延性の優れた溶接材料
の可能性を見出したわけであるが、クリープ破断延性を
損なわずに更にクリープ破断強度を高めるための検討を
行った。クリープ破断延性を損なわずに強化する方法と
しては固溶強化が最適であり、その代表元素としてＮを
利用したが、０．１８％超では析出するため他の元素を
考える必要がある。固溶強化能が高くかつ溶解度の大き
い元素とじて−を選定し、その効果について調査した。

第４図はその結果を示したもので、０、Ｏ１％Ｃ−０，
０７％Ｎ−１２％Ｎｉ　−１８％Ｃｒ　−２，２％Ｍｏ
系に−を添加することによりクリープ破断強度が向上す
ることがわかる。しかし、多量に添加するとクリープ破
断延性が低下するが、これは圓を含む金属間化合物が析
出することに起因している。

以下に本発明における各成分の限定理由を述べる。

先ず本発明の成分系において、Ｃは有効な強化元素では
あるが、δ−フェライトとオーステナイト相の界面に炭
化物として析出するため高温長時間使用後のクリープ破
断特性などの高温の機械的性質を損なう元素でもある。

このような観点からｃｌは０．０３０％以下と定めたが
、とくに高いクリープ破断延性が要求される場合は０．
０２０％以下とすることが望ましい。

次にＳ＋は脱酸材として必要であるが、１．０％を超え
て過剰に存在すると高温割れ感受性を高めるのでこの値
を上限とした。

Ｍｎは脱酸元素であると同時に、鋼中のＳを固定するこ
とから熱間加工性を向上させる効果を有するが、３．０
％を超えるとクリープ破断強度を低下させるのでこの値
を上限とした。

Ｐは高温保持中にリン化物として結晶粒内に析出し強化
作用を有し、さらに相界面を強化する作用もあることか
らクリープ破断延性の点から効果的な元素であるが、そ
の効果は０．０２％より生じることから下限を０．０２
％とした。しかし過剰の添加は溶接性および熱間加工性
を著しく損なうことから、その上限を０．０７％とした
。

Ｎｉはオーステナイト生成元素として必須の元素であり
、δ−フェライト量を所定の範囲に制御するために、フ
ェライト生成元素であるＣｒＭに対し成分平衡上、式−
１により調整される元素であるが、クリープ破断特性を
劣化させるσ−相、χ相の析出を抑制する効果を有する
ことから、１０．０％以上とした。１４．０％超の添加
は、δ−フェライト量制御に必要なＣｒ量を増加させる
結果、全体の合金量を大幅に高めることになり、溶接性
を損なうことから、上限を１４．０％とした。

Ｃｒは耐酸化性を高める元素であり、そのためには１４
．０％以上を必要とするが、２２．０％を超えると高温
長時間加熱による脆化を引き起こすことから、上限を２
２．０％とした。

Ｍｏは固溶強化作用を有する元素であるが、２，０％未
満では不十分であり、また３、０％超では高温長時間加
熱による脆化を引き起こすことから、上限を３．０％と
した。

ＡＩは強力な脱酸元素であるが、０．０４％を超えて添
加されると高温長時間加熱により鋼中のＮと結合しＡｌ
Ｎを形成し、クリープ破断延性を損なうことから、上限
を０．０４％とした。

Ｎはオーステナイト系ステンレス鋼において固溶限が大
きく、かつ強力な固溶強化作用を有する元素である。そ
の作用は０．０６％より顕著となることから、下限を０
．０６％とした。また、０．１８％超のＮ添加は高温使
用中に窒化物の析出を引き起こすことから、０．１８％
を上限とした。

以上が本発明における基本成分系であるが、本発明にお
いてはさらに高強度化を図るため臀を所定の範囲で含有
せしめることが有効である。すなわち、ｄはＭｏと同様
に固溶強化作用を有し、かつ固溶限も大きいことから、
クリープ破断延性を損なうことなくクリープ破断強度を
増加させることができる元素である。しかし３．０％を
超えると高温使用中に金属間化合物の析出を引き起こし
クリープ破断延性を低下させることから、この値を上限
とした。

以上の化学成分の他に、δ−フェライｉｔに関してはク
リープ破断延性を確保するためおよび溶接時の高温割れ
を防止するため最低１％が必要である。一方、δ−フェ
ライトを６％を超えて含有するとクリープ破断延性を損
なうことから上限を６％とした。

以下に本発明の効果を実施例に基づいてさらに具体的に
示す。

（実施例） 第１表に本発明溶接材料と比較溶接材料の化学成分を示
す。第２表は第１表の鋼について５５０°Ｃの引張特性
とクリープ破断特性を示したものである。これら特性調
査結果から明らかなように、本発明溶接材料は比較材に
比べ高温長時間使用後のクリープ破断強度およびクリー
プ破断延性がすぐれたものである。

（発明の効果） 以上述べた如く本発明溶接材料は従来の溶接材料に比し
て優れたクリープ破断特性を有する材料となっており、
クリープ領域で使用される高温構造物用の溶接材料のと
して工業的に極めて有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）はクリープ破断特性に対するＣ量の影響を
示す図、第１図（ロ）はクリープ破断特性に対するＮｉ
の影響を示す図、第２図はクリープ破断特性に対するＰ
ｉの影響を示す図、第３図はクリープ破断特性に対する
δ−フェライト量の影響を示す図、第４図はクリープ破
断特性に対するＷ量の影響を示す図である。 １００ＤＪＩ　Ｊｌ断滓ノ゛（％す。 ｔｏｏｏＪｕｌ断お→シーク ５０６Ｃ 健 ト― Ｐ（％９ 、５−ｙｘノイＬ （ｖｏｌ ％り （％ｐ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％でＣ０．０３０％以下、Ｓｉ１．０％以下
   、Ｍｎ３．０％以下、Ｐ０．０２〜０．０７％、Ｃｒ１
   ４．０〜２２．０％、Ｎｉ１０．０〜１４．０％、Ｍｏ
   ２．０〜３．０％、Ａｌ０．０４％以下、Ｎ０．０６〜
   ０．１８％を含有し、残部は実質的にＦｅからなり、か
   つ溶接金属部のδ−フェライト量が１％から６％の範囲
   である高温でのクリープ破断延性の優れたＮｉ−Ｃｒオ
   ーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。 なお、δ−フェライト量の算出は次式による。 δ−フェライト量（％）＝−７０．２９＋３．２×Ｃｒ
   ＿ｅ＿ｑ−０．０３１×（Ｎｉ＿ｅ＿ｑ）＾２＋１５．
   ６６１×Ｃｒ＿ｅ＿ｑ／Ｎｉ＿ｅ＿ｑ−０．０２０８×
   Ｃｒ＿ｅ＿ｑ×Ｎｉ＿ｅ＿ｑ・・・・・式−１〔Ｃｒ＿
   ｅ＿ｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ、Ｎｉ＿ｅ＿ｑ＝Ｎ
   ｉ＋０．５×Ｍｎ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）〕
2. （２）重量％でＣ０．０３０％以下、Ｓｉ１．０％以下
   、Ｍｎ３．０％以下、Ｐ０．０２〜０．０７％、Ｃｒ１
   ４．０〜２２．０％、Ｎｉ１０．０〜１４．０％、Ｍｏ
   ２．０〜３．０％、Ａｌ０．０４％以下、Ｎ０．０６〜
   ０．１８％を含有し、さらにＷ３．０％以下を含有し、
   残部は実質的にＦｅからなり、かつ溶接金属部のδ−フ
   ェライト量が１％から６％の範囲である高温でのクリー
   プ破断延性の優れたＮｉ−Ｃｒオーステナイト系ステン
   レス鋼溶接材料。 なお、δ−フェライト量の算出は次式による。 δ−フェライト量（％）＝−７０．２９＋３．２×Ｃｒ
   ＿ｅ＿ｑ−０．０３１×（Ｎｉ＿ｅ＿ｑ）＾２＋１５．
   ６６１×Ｃｒ＿ｅ＿ｑ／Ｎｉ＿ｅ＿ｑ−０．０２０８×
   Ｃｒ＿ｅ＿ｑ×Ｎｉ＿ｅ＿ｑ・・・・・式−１〔Ｃｒ＿
   ｅ＿ｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋０．５Ｗ＋１．５×Ｓｉ、Ｎｉ＿
   ｅ＿ｑ＝Ｎｉ＋０．５×Ｍｎ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）〕