JPH0550287A - クリープ破断特性及び耐脆化性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｎｉ−Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼溶
接材料の長時間クリープ破断強度及び破断延性を向上さ
せ、かつ高温時効による靱性劣化を防止する。 【構成】 重量％でＣ ０．０３０％以下、Ｓｉ １．
０％以下、Ｍｎ ３．０％以下、Ｐ ０．０１〜０．０
７％、Ｃｒ １４．０〜２０．０％、Ｎｉ ６．０〜１
４．０％、Ｍｏ ０．５〜２．０％未満、Ａｌ ０．０
４％以下、Ｎ ０．０６〜０．１８％を含有し、あるい
はこれにさらに３．０％以下のＷ、０．１０％以下のＮ
ｂ、０．３０％以下のＶ、０．０１０％以下のＢのいず
れか一種または二種以上を含有し、残部は実質的にＦｅ
からなり、かつ溶接材料のδ−フェライト量が容積％で
１％から１０％の範囲である高温でのクリープ破断特性
及び耐脆化性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶
接材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高温におけるクリープ破
断特性及び耐脆化性の優れた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。

【０００２】

【従来の技術】高速増殖炉の構造材料であるオーステナ
イト系ステンレス鋼はクリープ温度領域で使用される。
一方、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ため、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、特開昭６２−２３３４６号
公報にはクリープ破断延性の優れた３１６系のステンレ
ス鋼厚板が記載されている。しかしながら、高速増殖炉
は大型の溶接構造物であるため、その溶接金属部に対し
てもクリープ破断延性に優れていることが要求される。
これまでの高温用溶接材料は、たとえばＳＵＳＹ３１６
はクリープ中に炭化物が析出し十分なクリープ破断延性
が得られず、あるいは炭素含有量の低いＳＵＳ Ｙ３１
６Ｌ系はクリープ破断延性は優れ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。さらにこれらの溶接材料では、溶
接時の高温割れを防止するため導入されたδ−フェライ
ト相から脆化相であるシグマ相が析出し、靱性低下を招
く傾向がある。

【０００３】このように、従来のＳＵＳ Ｙ３１６ある
いはＳＵＳ Ｙ３１６Ｌ系の溶接材料は、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及び耐脆
化性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、ＳＵＳＹ３１６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、及びδ
−フェライト相からシグマ相が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
因となり、またＳＵＳ Ｙ３１６Ｌ系では強化元素であ
るＣ量が低いため、クリープ破断強度が十分でない。さ
らに、δ−フェライト相から容易にシグマ相が析出する
ため靱性が低下する。このため、高温長時間特性の優れ
た溶接材料の開発が求められていた。このためクリープ
破断延性と耐時効脆化性にすぐれる溶接材料を発明した
（特願平１−３０６６７２号）。

【０００４】最近、高速増殖炉の経済性を高めるため更
に炉の寿命を延長することが検討されている。そのため
には、さらに高温で長時間に渡る高温特性の安定性が求
められることになり、上記材料を上回る高温長時間特性
が必要になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、高速増殖
炉の長寿命化のためには、上記材料の高温長時間安定性
をさらに向上させる必要がある。高温での使用中の機械
的性質の劣化は、高温保持中の炭化物あるいは金属間化
合物の析出などの金属組織の変化に起因する。このた
め、高温長時間特性を更に向上させるためには、これら
の組織変化の原因となるＭｏ等の金属元素、あるいはδ
−フェライト相等の冶金因子について最適化を図る必要
がある。

【０００６】

【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
は、重量％でＣ ０．０３０％以下、Ｓｉ １．０％以
下、Ｍｎ ３．０％以下、Ｐ ０．０１〜０．０７％、
Ｃｒ １４．０〜２０．０％、Ｎｉ ６．０〜１４．０
％、Ｍｏ ０．５〜２．０％未満、Ａｌ ０．０４％以
下、Ｎ ０．０６〜０．１８％を含有し、あるいはこれ
にさらに３．０％以下のＷ、０．１０％以下のＮｂ、
０．３０％以下のＶ、０．０１０％以下のＢのいずれか
一種または二種以上を含有し、残部は実質的にＦｅから
なり、かつ溶接材料の下記（１）式数３ で算出される
δ−フェライト量が容積％で１％から１０％の範囲であ
る高温でのクリープ破断特性及び耐脆化性の優れたオー
ステナイト系ステンレス鋼溶接材料である。

【０００７】

【数３】 δ−フェライト量（％）＝−７０．２９＋３．２×Ｃｒ_eq−０．０３１× （Ｎｉ_eq）² ＋１５．６６１×Ｃｒ_eq／Ｎｉ_eq− ０．０２０８×Ｃｒ_eq×Ｎｉ_eq …（１）式 〔Ｃｒ_eq＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋０．５×Ｗ＋１．５×Ｓｉ、 Ｎｉ_eq＝Ｎｉ＋０．５×Ｍｎ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）〕

【０００８】

【作用】以下、本発明の要件の根拠について説明する。

【０００９】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−フェライト量の影響について
系統的な調査を行った。図１、２にクリープ破断特性に
対するＣとＮ量の影響を示す。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Ｎ量とともにクリープ破断強
度は増加するが、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しな
い。すなわち、強化元素をＣからＮに変えることによる
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。図３はこのようなク
リープ破断特性の優れた低Ｃ−高Ｎ系（０．０１％Ｃ−
０．０８％Ｎ−８％Ｎｉ−１６％Ｃｒ−１．５％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。

【００１０】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。図４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０．０６％Ｃ−０．０２％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−０．１１％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。図５に高温時効後の常温靱性に及ぼすδ−フェライ
ト量の影響を示す。δ−フェライト量の増加とともに靱
性が低下することが示されており、高温使用中の靱性劣
化を抑制するためにはδ−フェライト量を制限する必要
のあることがわかる。

【００１１】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に優れかつ高温時効
後の靱性劣化の少ない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。

【００１２】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。クリープ破断強度を高める元素
としてＷ、Ｎｂ、Ｖ、およびＢを選定し、その効果につ
いて調査した。図６〜９はその結果を示したもので、
０．０１％Ｃ−０．０７％Ｎ−９％Ｎｉ−１６％Ｃｒ−
１．５％Ｍｏ系に各元素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、いずれの元
素においても多量に添加するとクリープ破断延性が低下
する傾向が認められ、破断延性と破断強度の要求値に応
じた最適点が存在する。

【００１３】以下に、本発明における各成分の限定理由
を述べる。

【００１４】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Ｃ量は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。

【００１５】次にＳｉ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。

【００１６】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％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。

【００１７】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０．０１％より生じることから下
限を０．０１％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。なお、特にクリープ破断延性が必要とさ
れる場合は、Ｐ量を０．０２％以上とすることが望まし
い。

【００１８】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Ｃｒ量に対し成分
平衡上（１）式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、６％以上とした。１４％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％とした。

【００１９】Ｃｒは耐酸化性を高める元素であり、その
ためには１４％以上を必要とするが、２０％を超えると
高温長時間加熱中にδ−フェライト相からシグマ相の析
出が促進されシグマ相による脆化を引き起こすことか
ら、上限を２０％とした。

【００２０】Ｍｏは固溶強化作用を有する元素である
が、金属間化合物を形成する元素であるため、高温長時
間特性を特に重視する本発明においては低めに制限し
た。すなわち、２．０％以上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２．０％とした。一
方、クリープ破断強度の点からは０．５％以上の添加が
必要である。

【００２１】Ａｌ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
と結合してＡｌＮ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。

【００２２】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。

【００２３】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Ｎｂ、
Ｖ、Ｂ、Ｗを所定の範囲で単独あるいは複合して含有さ
せることが有効である。すなわち、Ｎｂは固溶強化ある
いは鋼中のＮやＣと化合し炭窒化物を形成することによ
りクリープ破断強度を高める作用を有する元素である。
しかし、過剰に添加するとクリープ破断延性を損なうた
め０．１０％以下に制限した。ＶもＮｂと同様な作用を
有する元素であるが、Ｎｂに比べクリープ破断延性に及
ぼす影響が小さいため上限を０．３０％とした。Ｂは粒
界を強化しクリープ破断強度を高める元素であるが、過
剰に添加するとクリープ破断延性を損なうため０．０１
０％以下に制限した。Ｗ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。

【００２４】以上の化学成分の他に、δ−フェライト量
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１０％を超えて含有すると高温時
効後の靱性およびクリープ破断延性を損なうことから上
限を１０％とした。なお、δ−フェライト量の算出は
（１）式による。（１）式の計算に用いる各成分濃度は
溶接材料中の濃度を適用する。本発明の溶接材料は組成
が溶接金属組成にほとんど影響しない溶接手段で溶接す
るので、溶接金属組成は溶接材料組成をほぼ反映でき
る。

【００２５】

【実施例】以下に本発明の効果を実施例に基づいて具体
的に示す。

【００２６】表１に本発明溶接材料、比較溶接材料およ
び母材の化学成分を示す。表２に溶接条件および得られ
た溶接金属部のδ−フェライト量の実測値を示す。表３
は表１の鋼について５５０℃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優
れている。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】

【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すぐれたクリープ破断特性を有する
材料であり、クリープ領域で使用される高温構造物用の
溶接材料として工業的に極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】クリープ破断特性に対するＣ量の影響を示す図
である。

【図２】クリープ破断特性に対するＮ量の影響を示す図
である。

【図３】クリープ破断特性に対するＰ量の影響を示す図
である。

【図４】クリープ破断特性に対するδ−フェライト量の
影響を示す図である。

【図５】高温時効後の常温靱性に対するδ−フェライト
量の影響を示す図である。

【図６】クリープ破断特性に対するＷ量の影響を示す図
である。

【図７】クリープ破断特性に対するＮｂ量の影響を示す
図である。

【図８】クリープ破断特性に対するＶ量の影響を示す図
である。

【図９】クリープ破断特性に対するＢ量の影響を示す図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 肇 神奈川県川崎市中原区井田1618 新日本製 鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者 岡田 敬三 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町１−１−１ 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 西田 隆 兵庫県高砂市荒井町新浜２−１−１ 三菱 重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 川口 聖一 兵庫県高砂市荒井町新浜２−１−１ 三菱 重工業株式会社高砂研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＣ ０．０３０％以下、Ｓｉ
   １．０％以下、Ｍｎ ３．０％以下、Ｐ ０．０１
   〜０．０７％、Ｃｒ １４．０〜２０．０％、Ｎｉ
   ６．０〜１４．０％、Ｍｏ ０．５〜２．０％未満、Ａ
   ｌ ０．０４％以下、Ｎ ０．０６〜０．１８％を含
   有し、残部は実質的にＦｅからなり、かつ溶接材料の下
   記（１）式 数１で算出されるδ−フェライト量が容積
   ％で１％から１０％の範囲である高温でのクリープ破断
   特性及び耐脆化性の優れたオーステナイト系ステンレス
   鋼溶接材料。 【数１】 δ−フェライト量（％）＝−７０．２９＋３．２×Ｃｒ_eq−０．０３１× （Ｎｉ_eq）² ＋１５．６６１×Ｃｒ_eq／Ｎｉ_eq− ０．０２０８×Ｃｒ_eq×Ｎｉ_eq …（１）式 〔Ｃｒ_eq＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ、 Ｎｉ_eq＝Ｎｉ＋０．５×Ｍｎ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）〕
2. 【請求項２】 重量％でＣ ０．０３０％以下、Ｓｉ
   １．０％以下、Ｍｎ ３．０％以下、Ｐ ０．０１
   〜０．０７％、Ｃｒ １４．０〜２０．０％、Ｎｉ
   ６．０〜１４．０％、Ｍｏ ０．５〜２．０％未満、Ａ
   ｌ ０．０４％以下、Ｎ ０．０６〜０．１８％を含
   有し、さらに３．０％以下のＷ、０．１０％以下のＮ
   ｂ、０．３０％以下のＶ、０．０１０％以下のＢのいず
   れか一種または二種以上を含有し、残部は実質的にＦｅ
   からなり、かつ溶接材料の下記（１）式数２ で算出さ
   れるδ−フェライト量が容積％で１％から１０％の範囲
   である高温でのクリープ破断特性及び耐脆化性の優れた
   オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。 【数２】 δ−フェライト量（％）＝−７０．２９＋３．２×Ｃｒ_eq−０．０３１× （Ｎｉ_eq）² ＋１５．６６１×Ｃｒ_eq／Ｎｉ_eq− ０．０２０８×Ｃｒ_eq×Ｎｉ_eq …（１）式 〔Ｃｒ_eq＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋０．５×Ｗ＋１．５×Ｓｉ、 Ｎｉ_eq＝Ｎｉ＋０．５×Ｍｎ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）〕