JPH05269590A

JPH05269590A - クリープ強度の優れた耐熱鋼用溶接材料

Info

Publication number: JPH05269590A
Application number: JP4100601A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ogawa; 和博小川; Atsuro Iseda; 敦朗伊勢田; Shigeru Matsumoto; 茂松本; Toshihiko Mizuta; 俊彦水田
Original assignee: Sumikin Welding Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumikin Welding Industries Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1993-10-19
Anticipated expiration: 2012-06-18
Also published as: JP2622516B2

Abstract

(57)【要約】【目的】５５０℃以上の高温でのクリープ強度が優れ
た低合金鋼ベースの耐熱鋼の溶接において、溶接金属に
優れた高温クリープ強度および靱性を与える。予熱およ
び後熱を不用にする。【構成】重量％でＣ：0.０３〜0.０８％、Ｓｉ：0.３
〜0.７％、Ｍｎ：0.５〜２％、Ｐ：0.０２％以下、Ｓ：
0.００１〜0.００８％、Ｎｉ：0.３〜２％、Ｃｒ：２〜
3.５％、Ｍｏ：0.０１〜0.４％、Ｗ：1.３〜2.５％、Ｎ
ｂ：0.０２〜0.０６％、Ｖ：0.０５〜0.３％、Ｎ：0.０
０５〜0.０５％、Ｏ：0.０３％以下を含み、残部Ｆｅお
よび不可避不純物からなる。Ｗ量を母材より多くし、且
つ、Ｎｂの添加により、高温クリープ強度を確保する。
Ｃ量、Ｎｉ量およびＯ量の規制により、靱性を確保す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、５５０℃以上の高温で
のクリープ強度が優れた耐熱鋼のＴＩＧ溶接等に使用さ
れる耐熱鋼用溶接材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、化学工業、原子力用の耐熱耐圧
部材としては、その 2・1/4 Ｃｒ−１Ｍｏ鋼等の低合金
鋼、９〜１２Ｃｒ鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が
使用されており、一般に、低温低圧の条件では安価な低
合金鋼が、また、５５０℃以上の高温下で使用される耐
圧部材には、Ｖ，Ｎｂにより析出強化を図った９〜１２
Ｃｒ鋼や、オーステナイト系ステンレス鋼が用いられて
いる。

【０００３】しかし、近年、低合金鋼をベースとして５
５０℃以上の高温使用に耐え得るように改良が加えられ
た比較的安価な高温耐熱鋼も開発されている。例えば、
特開平２−２１７４３８号公報に開示されている耐熱鋼
は、Ｃｒが3.５％以下の低合金鋼をベースにＭｏ，Ｗを
複合添加して固溶強化することにより、５５０℃以上の
高温でも９〜１２Ｃｒ鋼に匹敵するクリープ強度を示す
までに至っている。

【０００４】このような耐熱鋼が新しく開発されると、
それらは溶接構造物として発電プラントや化学工業プラ
ント等に使用されるわけであるから、その溶接に適した
溶接材料が必要となる。ところが、前述した低合金鋼ベ
ースの高温耐熱鋼に対する溶接材料は、未だ開発されて
おらず、従って、既存の低合金鋼用溶接材料や、これよ
り高温強度の優れた９％Ｃｒ鋼、オーステナイト系ステ
ンレス鋼、高Ｎｉ合金、更には母材と同じ組成の材料を
代用することになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、既存の
低合金鋼用溶接材料、例えば 2・1/4 Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用
溶接材料は、５５０℃以上の高温でのクリープ強度は、
従来の低合金鋼と同程度であるので、改良された低合金
鋼ベースの高温耐熱鋼に使用することは好ましくない。
また、５５０℃以上の高温で高いクリープ強度を示すＮ
ｂ，Ｖ添加の９％Ｃｒ鋼、オーステナイト系ステンレス
鋼、高Ｎｉ合金を溶接材料として使用することについて
も、以下のような問題がある。

【０００６】Ｎｂ，Ｖ添加の９％Ｃｒ鋼は、溶接熱サイ
クルによる硬化が著しく、溶接割れや脆化を防ぐために
は、溶接施工に際して予熱、後熱が必要となり、工数が
増加する。また、低合金鋼に比べて高価であるという欠
点がある。オーステナイト系ステンレス鋼および高Ｎｉ
合金は、オーステナイト組織であるために、母材として
使用されるフェライト組織の低合金鋼との間の熱膨張差
が大きく、溶接部の強度確保が難しい。また、Ｃの固溶
限が大きくなるため、高温の使用中に溶接部近傍でフェ
ライト組織からオーステナイト組織へのＣ移動が生じ、
脱炭による強度低下も生じる。

【０００７】母材をそのまま線材加工して溶接材料とし
て用いても、充分な溶接部強度は得られない。なぜな
ら、母材は鍛造圧延等の加工を受けた後、適正な熱処理
により好ましい組織に調整されるが、溶接金属は凝固組
織のまま使用され、好ましい組織が得られないのであ
る。溶接後熱処理による組織調整が考えられるが、その
場合は、溶接施工性の低下を招く。

【０００８】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
ので、５５０℃以上の高温でのクリープ強度が優れた低
合金鋼ベースの高温耐熱鋼に使用して、溶接部に優れた
高温クリープ強度および靱性を与え、しかも、低価格で
施工性が良好な耐熱鋼用溶接材料を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】ところで、前記目的の、
特に価格の点を考慮するならば、母材組成に類似した共
金系の材料が不可欠と考えられる。しかしながら、共金
系の材料では、前述したような熱履歴の違いにより、溶
接凝固組織は、母材に比べて低靱性になることが多く、
また、高温でのクリープ強度も低くなる。更に、溶融金
属の流動性が溶接材料としては低すぎ、融合不良等の溶
接欠陥が生じ易い。本発明者らは、かかる問題を解決す
るため、材料組成についての検討を続け、その結果、次
の事実を知見した。

【００１０】凝固組織の靱性低下を防止するには、溶接
ままでの硬さを抑えることが必要であり、そのために
は、Ｃ量を適正範囲内に規制した上で、適量のＮｉを加
えると共に、Ｏ量を抑えることが有効である。溶融金属
の流動性を改善して、融合不良等の溶接欠陥を防止する
ためには、Ｓ量およびＳｉ量を適正範囲内に規制するこ
とが必要である。凝固組織のクリープ強度は、凝固偏析
を考慮してＷ量を母材より多くし、且つ、Ｎｂの添加に
よる析出強化を用いることで確保される。これらの対策
により、５５０℃以上の高温でのクリープ強度が優れた
低合金鋼ベースの高温耐熱鋼を、予熱および後熱なしで
支障なく溶接できる。

【００１１】本発明はかかる知見に基づきなされたもの
で、重量％でＣ：0.０３〜0.０８％、Ｓｉ：0.３〜0.７
％、Ｍｎ：0.５〜２％、Ｐ：0.０２％以下、Ｓ：0.００
１〜0.００８％、Ｎｉ：0.３〜２％、Ｃｒ：２〜3.５
％、Ｍｏ：0.０１〜0.４％、Ｗ：1.３〜2.５％、Ｎｂ：
0.０２〜0.０６％、Ｖ：0.０５〜0.３％、Ｎ：0.００５
〜0.０５％、Ｏ：0.０３％以下と、更に必要に応じて
Ｂ：0.００１〜0.０１％、Ｍｇ：0.００５〜0.１％、Ａ
ｌ：0.００５〜0.０５％の１種または２種以上を含み、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるクリープ強度の優
れた耐熱鋼用溶接材料を要旨とする。

【００１２】

【作用】以下に本発明の溶接材料における各成分の作用
およびその含有量の限定理由を説明する。

【００１３】Ｃ：0.０３〜0.０８％本発明の溶接材料によれば、フェライトにマルテンサイ
トやベイナイトが混合した組織の溶接金属が得られる。
Ｃ量が0.０３％未満では、溶接凝固組織においてマルテ
ンサイトやベイナイトが減少し、フェライトが増すため
に、靱性が低下する。一方、Ｃ量が0.０８％を超える
と、凝固冷却組織において、高Ｃマルテンサイトが生
じ、やはり靱性低下を招く。また、溶接低温割れ感受性
が高くなる。従って、Ｃは0.０３〜0.０８％とした。

【００１４】Ｓｉ：0.３〜0.７％Ｓｉは、溶融金属においては流動性を抑えて、融合不良
等の溶接欠陥防止に寄与し、溶融金属および凝固直後の
溶接金属においては、溶接金属の表面に酸化皮膜を形成
し、溶接中の大気による酸化を防ぐ効果がある。従っ
て、溶接中、特にガスシールドされない溶融池の反対側
の所謂裏波ビードの形成に有効に作用する。しかし、Ｓ
ｉが多くなると、溶接金属の靱性低下を招く。これらの
観点から、Ｓｉは0.３〜0.７％とした。

【００１５】Ｍｎ：0.５〜２％ＭｎはＳを固定し、0.５％以上で溶接割れ、クリープ脆
化といったＳの有害性を抑える効果がある。しかし、２
％を超えると、溶接金属の脆化を招く。従ってＭｎは0.
５〜２％とした。

【００１６】Ｎｉ：0.３〜２％Ｎｉは靱性の改善に有効であるが、過剰の添加はクリー
プ強度を損なう。そのため、0.３〜２％とした。

【００１７】Ｍｏ：0.０１〜0.４％Ｍｏはマトリックスを固溶強化すると共に、微細炭化物
として析出して、クリープ強度に寄与する。その効果
は、Ｗとの複合添加により大きくなる。しかし、0.０１
％未満では、その効果は小さく、一方、0.４％を超える
と靱性が低下する。従って、Ｍｏは0.０１〜0.４％とし
た。

【００１８】Ｗ：1.３〜2.５％ＷはＭｏと同様にマトリックスを固溶強化すると共に、
微細炭化物として析出して、クリープ強度に寄与する。
その効果は、Ｍｏとの複合添加により大きくなる。しか
し、溶接金属では、凝固時にＷがデントライト境界に偏
析するため、母材ほど有効に作用しない。そこで、Ｗ量
を比較的多くし、更に、後述するＮｂの添加による析出
強化でクリープ強度を維持する。ただし、Ｗの過剰な添
加は、溶接金属の靱性を劣化させる。このようなことか
ら、Ｗは1.３〜2.５％とした。

【００１９】Ｃｒ：２〜3.５％Ｃｒは、耐酸化性および高温耐食性の向上に寄与し、こ
れらを確保するために、２％以上を必要とする。ただ
し、3.５％を超えると、靱性が劣化する。従って、Ｃｒ
は２〜3.５％とした。

【００２０】Ｎｂ：0.０２〜0.０６％ＮｂはＮｂ（Ｃ，Ｎ）を形成し、クリープ強度の向上に
寄与する。溶接金属では、Ｗの凝固偏析に伴うマトリッ
クスのクリープ強度低下を補う意味で重要である。しか
し、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）の析出は、一方では硬化を助長し、
靱性を損なう。そのため、Ｎｂは0.０２〜0.０６％とし
た。

【００２１】Ｖ：0.０５〜0.３％ＶはＶ（Ｃ，Ｎ）を形成してクリープ強度に寄与する
が、過剰の添加はかえってクリープ強度を損なうので、
0.０５〜0.３％とした。

【００２２】Ｎ：0.００５〜0.０５％ＮはＮｂ，Ｖと結合して窒化物を析出して、クリープ強
度に寄与する。ただし、過剰の添加は、析出物を粗大化
させ、かえってクリープ強度を損なう。そのため、Ｎは
0.００５〜0.０５％とした。

【００２３】Ｓ：0.００１〜0.００８％Ｓは本来は鋼の不可避不純物として扱われてきた、しか
し、溶融状態の溶接金属の流動性改善に有効であり、溶
接材料では0.００１％以上を必要とする。ただし、0.０
０８％を超える添加は、クリープ強度の低下を招く。従
って、Ｓは0.００１〜0.００８％とした。

【００２４】Ｐ：0.０２％以下Ｐは溶接金属の加熱脆化を招くために、0.０２％以下と
する。下限は特に設けないが、極度の低Ｐ化は多大なコ
スト増を伴う。

【００２５】Ｏ：0.０３％以下Ｏは酸化物として溶接金属に残存し、靱性の低下を招
く。特に、溶接ままで硬化した組織の靱性を確保しよう
とすると低Ｏ化が必要となり、0.０３％以下とした。

【００２６】Ａｌ：0.００５〜0.０５％脱酸剤として添加してもよいが、過剰の添加はクリープ
強度を損なうので、添加する場合は0.００５〜0.０５％
とする。

【００２７】Ｍｇ：0.０００５〜0.１％Ｍｇは線材に加工する際の熱間加工性の改善に有効であ
る他、Ｓを固定する効果が期待されるので、添加しても
よい。ただし、過剰の添加は、溶接金属の清浄度を低下
させる。そのため、添加する場合は0.０００５〜0.１％
とする。

【００２８】Ｂ：0.０００１〜0.０１％Ｂは微量添加により炭化物を分散・安定化させ、クリー
プ強度を高める効果があるため、添加してもよい。添加
する場合は0.０００１〜0.０１％とする。過剰の添加は
加工性を損なう。

【００２９】以上の化学組成を有する本発明の溶接材料
は、５５０℃以上の高温でのクリープ強度が優れた低合
金鋼ベースの高温耐熱鋼に使用して、予熱および溶接後
熱処理なしで、その母材に匹敵する高温クリープ強度お
よび優れた靱性を溶接金属に付与できる。

【００３０】本発明の溶接材料が特に有効な高温耐熱鋼
は、3.５％Ｃｒ以下で、５５０℃以上でのクリープ強度
９〜１２％Ｃｒ鋼と同等の低合金鋼であり、具体的に
は、特開平２−２１７４３８号公報に開示された耐熱鋼
を挙げることができる。

【００３１】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。

【００３２】表１の化学組成をもつ外径８０ｍｍ、厚さ
１２ｍｍの鋼管に開先を設け、種々の溶接材料を用いて
ＴＩＧ溶接法により円周溶接をした。この鋼管は、６０
０℃で１０⁴時間のクリープ強度が約１２ｋｇｆ／ｍｍ
²の耐熱低合金鋼からなる。ＴＩＧ溶接に使用した溶接
材料の化学組成を表２および表３に示す。いずれの溶接
材料も、溶製、熱間加工、線引加工のプロセスにより製
造した外径２ｍｍの線材である。溶接条件は、電流１２
０〜１４０Ａ、電圧１４〜１６Ｖ、溶接速度９ｃｍ／ｍ
ｉｎとした。また、ガスシールド、予熱および溶接後熱
処理は行わなかった。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】

【表４】

【００３７】溶接後、溶接部の裏波形成状況を観察する
と共に、溶接部から図１に示すシャルピー衝撃試験片お
よびクリープ試験片を採取し、０℃でのシャルピー衝撃
試験および６００℃でのクリープ試験に供した。クリー
プ試験では、Ｎｂ、Ｖ析出強化型の９Ｃｒ鋼や、溶接母
材である耐熱低合金鋼が、５０００〜６０００ｈの破断
寿命を示す応力１３ｋｇｆ／ｍｍ²を付加し、クリープ
破断寿命を求めた。各試験結果および裏波観察の結果を
表４に示す。裏波形成○はシワ等の不斉ビードがないこ
とを示し、×は不斉ビードありを示す。

【００３８】Ｂ０は溶接母材を溶接材料に使用したもの
であるが、靱性が低く、裏波形成能に劣る。Ｂ１〜Ｂ６
は、溶接母材と同様、低合金鋼であるが、本発明範囲外
の組成のため、溶接金属の性能は母材に比して著しく劣
る。また、Ｃ１，Ｃ２は、溶接後熱処理を行わない本試
験条件では低靱性である。更に、Ｃ２はガスシールドを
行わなければ裏波形成能が劣る問題もある。これに対
し、本発明の溶接材料Ａ１〜Ａ７は、低合金でありなが
ら、高靱性の溶接金属を得ることができ、且つ、その溶
接金属に母材の８０％以上の優れた高温クリープ強度を
与える。また、良好な裏波を形成する。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の溶接材料は、低合金鋼からなるので、低価格である。
５５０℃以上の高温でのクリープ強度が優れた低合金鋼
ベースの高温耐熱鋼に使用して、溶接金属に優れた高温
クリープ強度および靱性を付与する。予熱および後熱を
必要としないので、溶接施工性がよい。更に、良好な裏
波を形成する効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接金属の性能試験に用いた試験片の寸法図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本茂兵庫県尼崎市扶桑町１番17号住金溶接工業株式会社内 (72)発明者水田俊彦兵庫県尼崎市扶桑町１番17号住金溶接工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ：0.０３〜0.０８％、Ｓｉ：
0.３〜0.７％、Ｍｎ：0.５〜２％、Ｐ：0.０２％以下、
Ｓ：0.００１〜0.００８％、Ｎｉ：0.３〜２％、Ｃｒ：
２〜3.５％、Ｍｏ：0.０１〜0.４％、Ｗ：1.３〜2.５
％、Ｎｂ：0.０２〜0.０６％、Ｖ：0.０５〜0.３％、
Ｎ：0.００５〜0.０５％、Ｏ：0.０３％以下を含み、残
部Ｆｅおよび不可避不純物からなるクリープ強度の優れ
た耐熱鋼用溶接材料。
【請求項２】重量％でＣ：0.０３〜0.０８％、Ｓｉ：
0.３〜0.７％、Ｍｎ：0.５〜２％、Ｐ：0.０２％以下、
Ｓ：0.００１〜0.００８％、Ｎｉ：0.３〜２％、Ｃｒ：
２〜3.５％、Ｍｏ：0.０１〜0.４％、Ｗ：1.３〜2.５
％、Ｎｂ：0.０２〜0.０６％、Ｖ：0.０５〜0.３％、
Ｎ：0.００５〜0.０５％、Ｏ：0.０３％以下と、更に
Ｂ：0.００１〜0.０１％、Ｍｇ：0.００５〜0.１％、Ａ
ｌ：0.００５〜0.０５％の１種または２種以上を含み、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるクリープ強度の優
れた耐熱鋼用溶接材料。