JPH06315775A - 拡散接合方法 - Google Patents

拡散接合方法

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JPH06315775A
JPH06315775A JP12837893A JP12837893A JPH06315775A JP H06315775 A JPH06315775 A JP H06315775A JP 12837893 A JP12837893 A JP 12837893A JP 12837893 A JP12837893 A JP 12837893A JP H06315775 A JPH06315775 A JP H06315775A
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steel
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Masahiko Hamada
昌彦 濱田
Yasuto Fukada
康人 深田
Hisao Iida
久雄 飯田
Fumio Kashimoto
文雄 樫本
Takao Ko
隆夫 高
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋼材の拡散接合において、接合部に優れた靱
性を与える。 【構成】 母材中のTi量を0.005〜0.02%とす
る。N量を0.001〜0.01%とする。Ti/Nを1.5
以上4.0以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は鋼材の拡散接合方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来より、鋼構造物の製造には、アーク
溶接に代表される溶融溶接が用いられており、大型の鋼
構造物の製造には、大入熱溶接が採用されている。
【0003】大入熱溶接では周知のとおり溶接熱影響部
の靱性低下が問題となる。この問題を解決するために、
例えば特開昭60−204863号公報、特開平2−2
50917号公報、特開平4−13846号公報等に
は、Ti量とN量を所定の関係にコントロールした鋼材
が開示されている。
【0004】これらの鋼材は、いずれも鋼中のTiN析
出物を活用することにより、溶接熱影響部の靱性改善を
図ろうとするものである。即ち、鋼中のTiN析出物に
より加熱時のオーステナイト粒の粗粒化が防止され、ま
た冷却時にその析出物がフェライト変態核となると共に
フリーNが低減することにより、大入熱溶接熱影響部の
靱性改善が図られるのである。
【0005】一方、溶融溶接とは別の鋼材接合方法とし
て、インサート材を利用する拡散接合方法が例えば特開
昭60−204863号公報、特開平2−250917
号公報等に開示されている。
【0006】この方法は母材より低融点のインサート材
を接合面間に挟んで、被接合部を母材の融点未満、イン
サート材の融点以上に加熱する方法である。この方法で
は、加熱中にインサート材に含まれた融点降下元素が母
材中に拡散して行くことによりインサート材の融点が徐
々に上昇し、最終的に等温凝固により接合が完了する。
そのため、大面積の接合に対しても一度で接合を完了さ
せることができる利点がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】現在この拡散接合方法
は配管工事等の靱性を特に考慮する必要のない用途に適
用されている(配管技術1989年5月)。しかし、鋼
構造物のような靱性が要求される用途への適用も考えら
れており、その場合には接合部の靱性劣化が問題とな
る。
【0008】なぜなら、拡散接合においては最高加熱温
度こそ1300℃程度以下の比較的低温ではあるが、加
熱保持時間は1分以上(通常1〜3分)の長時間であ
り、オーステナイト粒の粗大化が免れ得ないからであ
る。しかも、拡散接合を行った場合の熱影響部の冷却は
非常に緩やかであり、例えば800℃から500℃まで
の冷却時間は150〜300秒程度となる。
【0009】すなわち、冷却速度を考慮すると、拡散接
合熱影響部は数十万J/cmの超大入熱溶接と同等の熱
サイクルを受けることとなる。従って、その熱影響部の
靱性低下を避け得ない。
【0010】本発明の目的は、このような従来の溶接で
は経験し得なかった特異な熱サイクルを受ける拡散接合
部に優れた靱性を付与する拡散接合方法を提供すること
にある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者らの研究によれ
ば、拡散接合熱影響部の靱性は、1)鋼の化学成分、
2)組織(オーステナイト粒径および硬化相の分布状
態)に大きく依存し、鋼成分の適性化とこれによる組織
の適性化が接合熱影響部の高靱化に不可欠であるとの結
論に達した。そこで各種元素が拡散接合熱影響部の靱性
に及ぼす影響を詳細に検討し、その結果本発明を完成さ
せるに至った。
【0012】すなわち本発明は、重量%で C:0.05〜0.3% Si:0.01〜0.3% Mn:0.5〜2.0% Ti:0.005〜0.02% N:0.001〜0.01% を含有し、さらに必要に応じて Ni:0.5%以下 Cr:0.5%以下 B:0.002%以下 のうちの1種または2種以上および/または Mo:0.1%以下 V:0.1%以下 Nb:0.02%以下 のうちの1種または2種以上を含有し、且つ Ti/N=1.5〜4.0 を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材
を 加熱温度:1000℃以上1400℃未満 保持時間:1分以上 冷却速度:5℃/秒以下 の熱サイクルにより拡散接合することを特徴とする拡散
接合方法を要旨とする。
【0013】
【作用】TiNは先にも述べたとおり鋼中に微細に分散
させることによりオーステナイト粒の微細化を抑制する
効果を持つ。
【0014】本発明も基本的にはこのTiNを利用して
拡散接合熱影響部の靱性低下を抑えるものであるが、こ
のTiNは高温に加熱される部分では母材中に溶解し、
その効果を失うとされており、拡散接合における熱的に
厳しい特異な熱サイクル下では、その効果を維持するこ
とが難しい。
【0015】そこでTi量を0.01%に固定しTi/N
を変化させた鋼材を、1200℃,1300℃,140
0℃の3段階の温度にて180s保持した後1℃/sで
冷却した再現熱サイクル材を作成し、作成された各材料
の−10℃におけるシャルピー吸収エネルギーを測定し
た。
【0016】その結果、図1に示すように、保持温度が
1300℃以下の場合にTi/Nが1.5〜4の範囲で高
靱性を示すことが判明した。そして各々の試験片のオー
ステナイト粒径を測定したところ、保持温度が1300
℃以下でTi/Nが4以下ではオーステナイト粒の粗大
化が抑制されていた。これはNの増加にともないTiN
が析出しオーステナイト粒の成長を抑制し靱性が向上し
たものと考えられる。またTi/Nが1.5未満で靱性が
低下したのはフリーNの増加により靱性が低下したため
と思われる。従って、本発明ではTi/Nを1.5〜4.0
とした。
【0017】次にTi/Nを2.5としてTi量を変化さ
せ同様の検討を行ったところ、Ti量が0.005〜0.0
20%の範囲で靱性改善効果およびオーステナイト粒の
微細化効果が認められた。これは、Ti量が0.005%
未満ではオーステナイト粒の成長を抑制するのに十分な
量のTiNが析出せず、また0.020%を超えるとTi
Nの凝集粗大化が生じたものと考えられる。また、N量
を変化させた場合は、0.001〜0.01%の範囲で靱性
改善効果が認められた。これは、0.001%未満ではオ
ーステナイト粒の成長を抑制するのに十分な量のTiN
が析出せず、また、N量が0.01%を超えて添加される
とフリーNが増加し靱性が低下したものと考えられる。
従って、Ti/Nと合わせて、Ti量およびN量を規定
した。
【0018】すなわち、本発明では鋼材中のTi量およ
びN量、並びにTiとNのバランスを管理することによ
り、拡散接合特有の熱サイクル下でTiNの効果があま
すことなく引き出される。
【0019】さらに、先にも述べたように拡散接合にお
いては、冷却速度が通常の溶接に比べて遅くなるために
靱性に与える添加元素の影響も通常の溶接とは異なった
ものとなる。そこでTi,N以外の元素についても接合
部の靱性に及ぼす影響を検討した。その結果、次のこと
が明らかとなった。
【0020】Cは鋼の強度を最も経済的に確保し得る重
要な元素であるが、通常の大入熱溶接対策鋼では島状マ
ルテンサイトの生成等により溶接熱影響部の靱性を低下
させる原因になるとして0.15%程度が上限とされてい
る。しかしながら拡散接合熱影響部においては図2に示
すようにC量が0.12%から0.35%までほとんど靱性
の低下を生じないことが判明した。これは冷却速度が十
分に遅いためほとんど島状マルテンサイトを生じないこ
とが原因であると考えられる。しかしながら補修等で通
常の溶接で併用する場合のことを考慮し上限を0.30%
とした。下限は強度確保を目的として0.05%とした。
【0021】Siは鋼の脱酸の観点より重要な元素であ
り、0.01%未満ではその効果がなく、また0.30%を
超えて添加すると拡散接合性に悪影響を及ぼす。
【0022】Mnは母材の強度・靱性を確保する上で不
可欠な元素であるが、0.5%未満では効果が十分に得ら
れない。しかし多量に添加し過ぎるとスラブの中心偏析
の原因となるためその上限を2.0%とした。
【0023】本発明では以上の基本成分に必要に応じて
Ni,Cr,B,Mo,V,Nbが添加される。これは
本発明の特徴を損なうことなく母材の靱性・強度等の性
質の向上を図るためである。
【0024】すなわちNiは母材の強度・靱性を、C
r,Bは母材の強度を向上させる元素であり、各々0.
5、0.5、0.002%以下の添加であれば拡散接合部の
靱性を劣化させない。Mo,V,Nbは母材の強度を向
上させる元素であるが、一方では拡散接合部の靱性を低
下させるため、各々の許容限界を0.1%、0.1%、0.0
2%とした。
【0025】次に、拡散接合における熱サイクルについ
て説明する。
【0026】本発明ではこの熱サイクルとして接合熱影
響部の靱性への影響が大きい加熱温度、保持時間および
冷却速度を規定した。
【0027】加熱温度は、靱性面からは低い方が良い
が、拡散接合のために最低でも1000℃を必要とし、
インサート材、特にアモルファスを使用する場合はその
融点を超える温度とする。しかし、1400℃に達する
と、母材の劣化が顕著となり、加圧による変形も大きく
なるので、上限を1400℃未満とした。
【0028】保持時間は、接合熱影響部の靱性低下を防
ぐ観点からは短いほど良い。しかし、インサート材中の
融点降下元素の拡散等に時間を要するため、1分以上を
必要とする。保持時間の上限は接合物の形状および大き
さに左右されるため特に規定しないが、接合熱影響部の
靱性確保および経済性のために極力短い時間で加熱保持
を停止することが望まれ、通常は3分以下とされる。
【0029】冷却速度は、加熱保持時間と共に拡散接合
の熱サイクルを特徴づける条件であり、溶融溶接と異な
り母材が比較的広範囲に加熱され、しかもその熱が加熱
保持中に広がるために5℃/秒以下の低速となる。この
速度は接合部が大きくなるほど遅くなり、鋼構造物の場
合、通常は1〜2℃/秒程度の非常に緩やかな冷却を接
合部は受ける。
【0030】なお、加熱速度は通常60〜100℃/秒
程度で、基本的には速い方が良好な接合性が得られる
が、靱性には大きな影響はない。
【0031】インサート材としては、加熱温度を抑える
ために、融点が1150℃以下となるようにSi,Bの
1種または2種を添加したNi基のものがよい。ただ
し、これらの添加量が多くなると、母材への拡散により
接合部靱性が劣化するので、Siは8%以下、Bは4%
以下とする。また、接合界面の強度を増すために、20
%を上限としてCrを添加してもよい。
【0032】接合雰囲気は接合部の酸化を防ぐために、
不活性ガスまたは減圧雰囲気とするのが良い。また、接
合を促進するために接合面を加熱保持中に加圧してもよ
い。その場合の加圧力は0.5〜2kgf/mm2 が望ま
しい。
【0033】本発明によれば、先に述べたような熱的に
厳しい特異な熱サイクルを接合部が受けるにもかかわら
ず、その接合部に優れた靱性が付与される。
【0034】
【実施例】以下に本発明の実施例および比較例を説明す
る。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】
【表3】
【0038】表1〜表3の組成を有する鋼を熱間圧延に
より厚さが20mmの板とし、各板から12mm角で長
さが800mmの角材を採取して試験片とした。そし
て、拡散接合における熱サイクルを再現するために、採
取した各試験片に高周波誘導加熱装置を用いて加熱温度
1300℃、保持時間180秒、冷却速度1℃/sの条
件で加熱を行い、その後、各試験片を10×10mmの
2mmVノッチ付きシャルピー衝撃試験片に加工し、−
10℃での吸収エネルギーを測定した。結果を表1〜表
3に示す。
【0039】本発明の条件を満足する試験片は、熱的に
厳しい拡散接合特有の熱サイクルを付与されているにも
かかわらず、靱性に優れる。従って、拡散接合熱影響部
の靱性に優れる。実際、No. 5,16,24,32,4
0,42,45,47の試験片を表4の条件で突き合わ
せ接合したところ、接合が完全に行われただけでなく、
熱影響部に表1〜表3と同レベルの優れた靱性が付与さ
れた。
【0040】
【表4】
【0041】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の拡散接合
方法は、拡散接合特有の熱的に苛酷な熱サイクルを接合
部が受けるにもかかわらず、その接合部に優れた靱性を
与えることができる。従って、鋼構造物のような高強度
と共に高靱性が要求される用途に適用することが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】接合部の靱性に及ぼすTi/Nおよび加熱温度
の影響を示すグラフである。
【図2】接合部の靱性に及ぼす炭素量の影響を示すグラ
フである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樫本 文雄 大阪府大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 高 隆夫 大阪府大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で C:0.05〜0.3% Si:0.01〜0.3% Mn:0.5〜2.0% Ti:0.005〜0.02% N:0.001〜0.01% を含有し、且つ Ti/N=1.5〜4.0 を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材
    を 加熱温度:1000℃以上1400℃未満 保持時間:1分以上 冷却速度:5℃/秒以下 の熱サイクルにより拡散接合することを特徴とする拡散
    接合方法。
  2. 【請求項2】 重量%で C:0.05〜0.3% Si:0.01〜0.3% Mn:0.5〜2.0% Ti:0.005〜0.02% N:0.001〜0.01% を含有し、さらに Ni:0.5%以下 Cr:0.5%以下 B:0.002%以下 のうちの1種または2種以上を含有し、且つ Ti/N=1.5〜4.0 を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材
    を 加熱温度:1000℃以上1400℃未満 保持時間:1分以上 冷却速度:5℃/秒以下 の熱サイクルにより拡散接合することを特徴とする拡散
    接合方法。
  3. 【請求項3】 重量%で C:0.05〜0.3% Si:0.01〜0.3% Mn:0.5〜2.0% Ti:0.005〜0.02% N:0.001〜0.01% を含有し、さらに Mo:0.1%以下 V:0.1%以下 Nb:0.02%以下 のうちの1種または2種以上を含有し、且つ Ti/N=1.5〜4.0 を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材
    を 加熱温度:1000℃以上1400℃未満 保持時間:1分以上 冷却速度:5℃/秒以下 の熱サイクルにより拡散接合することを特徴とする拡散
    接合方法。
  4. 【請求項4】 重量%で C:0.05〜0.3% Si:0.01〜0.3% Mn:0.5〜2.0% Ti:0.005〜0.02% N:0.001〜0.01% を含有し、さらに Ni:0.5%以下 Cr:0.5%以下 B:0.002%以下 のうちの1種または2種以上を含有すると共に、 Mo:0.1%以下 V:0.1%以下 Nb:0.02%以下 のうちの1種または2種以上を含有し、且つ Ti/N=1.5〜4.0 を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材
    を 加熱温度:1000℃以上1400℃未満 保持時間:1分以上 冷却速度:5℃/秒以下 の熱サイクルにより拡散接合することを特徴とする拡散
    接合方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08311563A (ja) * 1995-05-19 1996-11-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd マルテンサイト系ステンレス鋼管の接合方法
JP2018096666A (ja) * 2016-12-16 2018-06-21 日新製鋼株式会社 熱交換器の製造方法

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