JPH0636996B2

JPH0636996B2 - ９Ｃｒ−Ｍｏ鋼用潜弧溶接ワイヤ

Info

Publication number: JPH0636996B2
Application number: JP21921686A
Authority: JP
Inventors: 弘之小池; 康俊中田; 等佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: JPS6376789A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は火力発電、原子力発電のボイラー等に使用され
る９Cr-Mo系鋼を溶接する溶接ワイヤに関するものであ
り、さらに詳しくは高温におけるクリープ特性、耐酸化
性、靭性および耐割れ性にすぐれた溶接金属を与える潜
弧溶接用ワイヤに係るものである。

（従来の技術）近年、火力発電所の大型化に伴ない、ボイラーが高温、
高圧下で使用される傾向にあり、５５０℃を超すと耐酸
化性、高温強度の点から通常の２ 1/4 Cr-1 Mo鋼など
の低合金鋼にかわって、１８Cr-8Niステンレス鋼などの
オーステナイト系の高級鋼が使用されてきた。

しかしながら、高級鋼によるボイラの建造はコストが昇
し高価につくため、材料上の問題から操業温度が制約さ
れて、現在では５６０℃が上限となっている。従って、
ボイラの効率を高めるために圧力を高めた超臨界圧ボイ
ラーが使用されている。

この様に状況に対して、２ 1/4 Cr-1 Mo鋼とオーステ
ナイトステンレス鋼の間を埋めるための鋼材開発研究が
かなり行われてきており、高温でのクリープ特性にすぐ
れ、溶接性も良好である９％Cr−１〜２％Mo系鋼が開発
され実用化されつつある。これら９％Cr−１〜２％Mo系
鋼の溶接には、従来被覆アーク溶接、ＭＩＧ溶接法およ
びＴＩＧ溶接法が採用されているが、最近構造物の大型
化、厚肉化が進むにつれ、溶接能率の高い潜弧溶接法が
採用される様になってきた。

９Cr−１〜２％Mo鋼構造材を潜弧溶接する場合、溶接金
属を母材と同一組成の合金系とすれば溶接部の耐酸化
性、耐食性は母材と同程度に維持されるが、潜弧溶接法
による溶接金属はクリープ破断強度が低いため、設計応
力を低目にしなければならず、又溶接構造物の耐久性を
短くしていた。さらに溶接金属は十分に高い靭性を得る
ことが困難であった。

この様な状況から、耐酸化性、クリープ特性を含む高温
強度特性、靭性および耐割れ性にすぐれた潜弧溶接材料
の開発が必要とななり、例えば特開昭59-82189号公報に
開示されている如く、溶接ワイヤ中のＣ，Si，Mn，Cr，
Mo，Ni添加量を限定し、さらにＢおよびＮを必須成分と
して添加し、その他にTi，Zr，Alを１種以上添加するこ
とによって溶接金属の高温強度および低温靭性を高める
技術が提案されている。しかしＢを含む溶接材料では、
溶接条件によっては溶接割れを起こしたり靭性の劣化を
招くことがあり、高温高圧下で使用される構造物の溶接
材料として大幅なクリープ強度の向上および耐割れ性の
改良には至っていない。又特開昭55-30354号公報では９
Cr-Mo系鋼の溶接用ワイヤ中のＣ，Si，Mn，Cr，Mo，Ni
添加量を限定し、強度および靭性を高めた技術を示して
いるが、大幅なクリープ強度を向上しようとするもので
なく、クリープ強度や耐割れ性にすぐれる９％Cr１〜２
％Mo鋼用潜弧溶接ワイヤ円提供するに至っていない。

以上の様な観点から本発明者らが特願昭59-274113号で
すでに提案している如く、溶接ワイヤに適量のNb，Ｖを
共存添加することにより、溶接金属中にNbC，V₄C₃を微
細に析出させて、M₂₃C₆，M₆C（但しＭは金属元素を指
す）の析出状態を長時間にわたって粗大化しないように
コントロールして、クリープ破断強度を格段に高め得る
ことを見出しており、従来から問題とされていた溶接構
造物の耐久性の向上について大きな成果を収めている。
しかしながら、ボイラーの熱効率を高めるため蒸気温度
の一層の上昇と電力需要の変動に対応してボイラーの起
動停止が頻繁に行われることが予想されており、その際
の熱応力を軽減するため、鋼材は高強度薄肉化へと指向
している。これらは継手溶接に用いられる潜弧溶接ワイ
ヤについても例外でなく、さらに高クリープ強度を有す
る潜弧溶接ワイヤの開発が望まれる。

（発明が解決しようとする問題点）本発明はこの様な事情にかんがみ、９％Cr−１〜２％Mo
鋼の溶接において、高クリープ強度を有し靭性のすぐれ
た潜弧溶接ワイヤを提供するものである。

（問題点を解決するための手段）本発明の要旨とするところは、重量％でＣ：0.03〜0.15
％、Si：0.25％以下、Mn：0.4〜2.5％、Cr：8.0〜13.0
％、Ni：0.05〜1.3％、Mo：0.5〜2.8％、Ｗ：0.2〜2.5
％、Ｖ：0.03〜0.30％、Nb：0.02〜0.12％、Ｎ：0.010
〜0.100％の範囲で規定される成分を必須成分として含
有し、さらにMoとＷ量の関係が第１図のＡ点，Ｂ点，Ｃ
点で囲まれる範囲内であることを特徴とする９Cr-Mo鋼
用潜弧溶接ワイヤにある。

９％Cr−１〜２％Mo鋼の溶接において、溶接金属のクリ
ープ強度の低下原因は、溶接金属が高温に長時間加熱さ
れる過程において、初めに溶接金属中のＣとFeが結合し
てFeC₃を析出し、次にこの炭化物がM₂₃C₆，M₆C（Ｍは金
属元素を指す）に変化し、炭化物が粗大化することによ
るものとされている。

そこで本発明者らは鋭意研究の結果、溶接ワイヤに適量
のＷを添加すると同時にＷをMo量との関係で限定共存さ
せることにより、基本的には溶接金属に微細なNbC，お
よびV₄C₃を析出させ、M₂₃C₆，M₆Cの析出状態を長時間に
にわたって粗大化しないようにコントロールしながら、
さらにMo₂C，W₂Cを析出させることによって特に６００
〜６５０℃の高温長時間側のクリープ破断強度の向上に
有効であることを見出した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、以
下に作用とともに本発明を詳細に説明する。

（作用）本発明の最大の特徴は溶接ワイヤ中にＷを添加し、かつ
Mo量との関係で限定共存させたところにあり、溶接して
られる９％Cr−１〜２％Mo鋼溶接金属に析出する炭化物
の粗大化をNbC，V₄C₃の析出で長時間にわたり抑制する
とともに、さらに、Mo₂C，W₂Cの析出を適正なな範囲に
コントロールすることによって６００〜６５０℃での長
時間側のクリープ破断強度を格段に高めたことにある。

次に各成分の限定理由について述べる。

Ｃ：0.03〜0.15％とする。Ｃは強度の保持に必要である
が、耐割れ性の点から上限を0.15％とした。即ち９％Cr
−１〜２％Mo鋼の溶接金属は、後述するCr，Ｖ量との関
係で非常に焼入性が高く、溶接部が著しく硬化し、低温
割れの原因となる。従って溶接を完全に行うために、か
なり高温の予熱を必要とし、溶接作業能率を低下させ
る。しかるにＣを0.15％以下に保てば、溶接部の硬さが
低下し溶接割れの防止が容易に行いうるので上限を0.15
％とした。また下限については、Ｃ量を0.03％未満にす
るとクリープ破断強度の確保が困難になるので、下限を
0.03％とした。

Si：0.25％以下とする。Siは脱酸剤として添加するもの
であるが、また耐酸化性を向上させる元素でもある。し
かし0.25％を超えると靭性の低下を招くので上限を0.25
％と定めた。

Mn：0.4〜2.5％とする。Mnは脱酸のためのみでなく、強
度保持上も必要な成分である。0.4％未満では脱酸効果
は期待できない。上限を2.5％としたのは、これを超す
と靭性の低下が著しくなるからである。

Cr：8.0〜13.0％とする。Crは耐酸化性に不可欠な元素
であり、耐熱鋼には必らず添加されているが、その他に
本発明ではM₂₃C₆，M₆Cの微細析出により高温強度を高め
ているので、下限はM₂₃C₆の析出限である８％とし、１
３％を超すと耐割れ性および靭性の劣化が著しくなるの
で上限は１３％とした。

Ni：0.05〜1.3％とする。Niは使用中の脆化軽減に有効
な元素であり、高温高圧下では長時間使用される本発明
溶接材料のような用途に対しては必須の元素であるが、
0.05％未満ではその効果は得られない。他方1.3％を超
すと高温クリープ特性を劣化させるので上限1.3％とし
た。

Mo：0.5〜2.8％とする。Moは固溶体強化により高温強度
を顕著に高める元素であるので、使用温度、圧力を上昇
させる目的で添加するが、高価であること2.8％を超え
ると耐割れ性、耐酸化性を損うので上限を2.8％とし、
一方Ｗとの共存において、高温強度、特に高温長時間側
でのクリープ破断強度の向上に効果のあるのは0.5％以
上からであるので、下限を0.5％とした。

Ｗ：0.2〜2.5％とする。ＷもMoと同様に固溶体強化およ
び炭化物中に固溶して、粗大化を抑制することにより、
高温強度を高める元素である。特に高温長時間側でのク
リープ破断強度向上の効果は極めて大きい。しかしなが
ら0.2％未満ではMoとの共存効果が得られず、高温強度
を向上させることができないので、下限を0.2％と定め
た。しかし2.5％を超えると溶接金属の靭性が低下し、
溶接作業性も劣化するので上限を2.5％とした。

Ｖ：0.03〜0.30％とする。Ｖは高温強度を著しく高める
元素である。特に析出の場合にはV₄C₃としての他M
₂₃C₆，M₆Cの一部に入り、析出物の粗大化の抑制に著し
い効果を発揮するが、0.03％未満では、その効果が得ら
れない。他方、0.30％を超すと、かえって強度低下を生
ずるので上限を0.30％とした。

Nb：0.02〜0.12％とする。NbはNbCの析出によって高温
強度を高め、後続する微細な分散析出物であるM₂₃C₆，M
₆C等の析出状態を微細にコントロールするため、高温長
時間側のクリープ破断強度の向上に著しい効果がある。
しかし0.02％未満ではその効果がなく、0.12％を超すと
凝集粗大化を招き、強度を低下させるため、下限を0.02
％、上限を0.12％とした。

Ｎ：0.010〜0.100％とする。Ｎは強度保持上必要な元素
であり、適量含有することにより結晶粒を微細化し靭性
を向上させる効果がある。0.010％未満でその効果は小
さく、0.100％を超えると窒化物、炭窒化物が多量析出
して逆に靭性が劣化することと、溶接時にブローホール
を生成し健全な溶接部が得にくい等の問題が生ずるの
で、上限を0.100％、下限を0.010％と定めた。

次にMoとＷ量との関係を示した第１図について述べる。
MoとＷは一定の割合で複合添加することによって、高温
長時間側のクリープ破断強度を著しく向上させることが
分かった。しかし強度、靭性、溶接性を考慮すると、そ
の添加量には最適な範囲があり、第１図のＡ点（0.5％M
o，2.5％Ｗ）Ｂ点（0.5％Mo，0.2％Ｗ）、Ｃ点（2.8％M
o，0.2％Ｗ）で囲まれる範囲でなければならないことが
判明した。即ち直線ＡＢはMo0.5％の線であり、これ未
満ではクリープ強度向上の効果が期待できない。また直
線ＢＣはＷ0.2％の線であり、これ未満ではMoと同様に
クリープ強度を向上させる効果が極めて弱い。直線ＡＣ
はMo＋Ｗ＝3.0％の線であって、これを超えると、溶接
性、靭性に悪影響が現われる。

以下に本発明ワイヤの効果を実施例により説明する。

（実施例）厚さ２０mmのASTM規格Ａ３８７．Gr２２．９Cr−１Mo
鋼、９Cr−１Mo−Nb−Ｖ−Ｗ鋼及び９Cr−２Mo−Nb−Ｖ
−Ｗ鋼を第２図に示すような開先（厚さＴ＝２０mm、開
先角度θ＝２０゜、ルートギャップＬ＝１６mm）を形成
し、第１表に示す成分組成の潜弧溶接ワイヤと第２表に
示す潜弧フラックスとを組合せ、第３表に示す溶接条件
で潜弧溶接実験を実施した。

得られた溶接金属を７５０℃×２時間の後熱処理した
後、６００℃、２０kgf／mm²の応力でのクリープ破断試
験及び衝撃試験を行った。

第１表に上記試験結果および溶接性の調査結果を示す。

ワイヤＷ１〜Ｗ９はいずれも本発明の要件をすべて満た
しており、後熱処理後の靭性およびクリープ破断特性が
良好でかつ溶接性のすぐれた溶接金属を得ることができ
た。ワイヤＷ１０〜Ｗ２０は比較例を示す。ワイヤＷ１
０は通常の耐熱鋼用として使用される２1/4Cr−１％Mo
系ワイヤの例であり、ワイヤＷ１１は更に耐高温腐食性
を向上させたボイラ熱交換器用合金鋼用ワイヤである
が、いずれも本発明ワイヤにくらべ著しくクリープ破断
強度が低い。ワイヤＷ１２は９Cr−１Mo−Nb−Ｖ−Ｗ系
ワイヤの例であるがＣ量が本発明ワイヤにくらべ著しく
高いので溶接時に割れが発生し、耐割れ性および衝撃値
が低下している。ワイヤＷ１３〜１６は個々の成分が本
発明の条件を満足しているものの、ＷとMo量との関係が
第１図に示すＡ点、Ｂ点、Ｃ点で囲まれる範囲内に入っ
ておらず、すなわちＡＣ線の上部に位置し、（Mo＋Ｗ）量が多
すぎるため良好な靭性、溶接性が得られていない。ワイ
ヤＷ１７はＷ量がその下限を切るものであって、充分な
クリープ破断強度が確保できない。ワイヤＷ１８はMo量
がその下限を切るものであって、充分なクリープ破断強
度が得られていない。ワイヤＷ１９はＮ量がその上限を
超えるものであって、溶接金属にブローホールが発生す
るとともに靭性に乏しかった。ワイヤＷ２０はＣ，Ｎ量
が不足しているため、溶接金属のクリープ破断強度が充
分でない。

〔発明の効果〕本発明ワイヤは従来の９％Cr−１〜２％Mo鋼用潜弧溶接
ワイヤと比較して高温でのクリープ破断強度を著しく高
めたものであり、靭性および溶接性等の特性にもすぐれ
ている。第１表に示したように溶接ワイヤ組成が本発明
の要件を満たすものは、本発明の要件を満たさないもの
（比較例）と較べて、高温クリープ特性だけではなく、
靭性および溶接性にすぐれていることは明らかである。
各種発電ボイラ、化学用圧力容器等に使用される９％Cr
−１〜２％Mo鋼を潜弧溶接する場合に本発明に係るワイ
ヤを使用することにより、溶接継手の信頼性を大幅に向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるMoとＷ量との関係を示す線図、
第２図は実施例に用いた溶接部の開先形状を示す断面図
である。１……被溶接材、２……裏当材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−141892（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−224493（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−107788（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ：0.03〜0.15％ Si：0.25％以下 Mn：0.4〜2.5％ Cr：8.0〜13.0％ Ni：0.05〜1.3％ Mo：0.5〜2.8％Ｗ：0.2〜2.5％Ｖ：0.03〜0.30％ Nb：0.02〜0.12％Ｎ：0.010〜0.100％の範囲で規定される成分を必須成分として含有し、さら
にMoとＷ量の関係が第１図のＡ点，Ｂ点，Ｃ点で囲まれ
る範囲内であることを特徴とする９Cr-Mo鋼用潜弧溶接
ワイヤ。