JPH0780679A - 高強度高耐食フェライト鋼用溶接材料 - Google Patents
高強度高耐食フェライト鋼用溶接材料Info
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- JPH0780679A JPH0780679A JP24981993A JP24981993A JPH0780679A JP H0780679 A JPH0780679 A JP H0780679A JP 24981993 A JP24981993 A JP 24981993A JP 24981993 A JP24981993 A JP 24981993A JP H0780679 A JPH0780679 A JP H0780679A
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Abstract
食のフェライト鋼に適用した場合にも、母材と同等の高
温強度・高温耐食性を溶接部に与える。溶接部の靱性低
下を防ぐ。溶接欠陥が少ない幅寸法の均一な溶接ビード
を形成する。 【構成】 重量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.
25〜0.8%、Mn:0.5〜2%、Cr:10〜13
%、Ni:0.1〜1.5%、Cu:3%以下、Mo:0.0
1〜0.4%、W:1〜2.5%、Al:0.005〜0.05
%、Nb:0.02〜0.2%、V:0.05〜0.3%、N:
0.005〜0.07%、S:0.001〜0.008%、P:
0.02%以下、O:0.01%以下を含み、且つ、Cr+
4Si−8.5≦4Ni+Cuを満足し、残部がFeおよ
び不可避的不純物からなる。
Description
食性に優れた高Crフェライト鋼の溶接に使用される高
強度高耐食性フェライト鋼用溶接材料に関する。
いられる高温材料としては、2・1/4Cr−1Mo鋼
等の低合金鋼、9Cr−1Mo鋼等の高Crフェライト
鋼、18Cr−8Ni鋼に代表されるオーステナイト系
ステンレス鋼の3つが、良く知られている。なかでも、
高Crフェライト鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に
比べ、安価であるばかりなてく、応力腐食割れに対する
抵抗が高く、更に熱膨張係数が小さいために、温度変化
に対して歪みが小さいという高温材料としての優れた利
点も有する。
ンサイト等のいわゆるフェライト系組織からなる鋼は、
オーステナイト組織からなる鋼に比べて高温での強度が
低いことが短所とされていた。
鋼をベースに、Mo量、W量、V量、Nb量、Ni量、
Al量等を調整して、優れた高温強度(クリープ強度)
が得られる新しい高Crフェライト鋼が次々と開発され
ている(特開昭61−231139号公報、特開昭62
−297435号公報、特開平2−232345号公
報、特開平3−97832号公報)。
鋼を溶接構造物として使用する際に必要な溶接材料につ
いても、特開昭63−188492号公報および特開昭
63−76789号公報により新しい提案がなされてい
る。また、これらの新しい溶接材料以外にも、市販の1
3Cr系フェライト溶接材料やオーステナイト系高Ni
合金の溶接材料が使用されることがある。
rフェライト鋼では、高温での耐食性を重視する場合
は、Cr量が特に高められる。ところが、そのような高
温材料、特にCr量を10%以上に高めた高強度高耐食
の高Crフェライト鋼(例えば特開平2−232345
号公報)に対して、前述した既知の溶接材料を用いる
と、以下の問題があった。
えばJIS Y430等を用いると、溶接部の高温強度
が母材に比して著しく低下する。市販のオーステナイト
系高Ni合金の溶接材料を用いると、溶接高温割れが発
生しやすい他、高温での使用中に母材中のCが溶接金属
(高Ni合金)の側に移行し、脱炭層が生じてクリープ
強度を低下させる。
63−188492号公報に開示されている溶接材料を
用いると、母材と同等のクリープ強度が得られるもの
の、溶接材料中のCr量が10%未満の場合は、母材に
比べて高温耐食性が劣る。高温耐食性を確保するために
は、Cr量を10%以上に高め、且つSi量を0.25%
以上に高める必要があるが、その場合は、溶接金属にお
いて高い衝撃靱性が得られない。また、Cr量の多少に
かかわらず溶接施工性が良くない。すなわち溶接ビード
の幅変動が大となり、溶接欠陥が生じ易い。
性に優れた高Crフェライト鋼の溶接に際して、母材に
匹敵する高温強度および高温耐食性を溶接部に付与する
と共に、その溶接部の靱性低下を防ぎ、更に、溶接欠陥
が生じ難い幅変動の小さい溶接ビードを得ることができ
る高強度高耐食フェライト鋼用溶接材料を提供すること
にある。
性に優れた高Crフェライト鋼の溶接に際して、母材に
匹敵する高温強度および高温耐食性を溶接部に付与する
ためには、溶接材料の高Cr化、高Si化が不可欠と考
えられる。しかし、高Cr高Siの溶接材料を使用する
と、前述した通り、溶接部、特に溶接金属の衝撃靱性が
低下する。
的には、その主要因である残留フェライト相を生成させ
ないように化学組織を調整することにより防止される
が、溶接材料でこれを具体化することは非常に難しい。
残留フェライト相の生成を抑えてマルテンサイト単相と
することが可能であるが、Niの過剰な添加は、オース
テナイト変態点を低下させ、溶接後熱処理時にオーステ
ナイト変態が生じることによりクリープ強度の低下を招
く。また、Crも残留フェライト相の生成抑制に有効と
されてきたが、高Crフェライト系の溶接金属での効果
影響は未知であった。
間加工および熱処理のプロセスによる組織調整を経ず
に、急冷凝固組織のまま使用される点である。
Siフェライト鋼におけるNi,Cuの効果影響を子細
に調査検討した。その結果、Cr量およびSi量に対応
させてNi,Cuを複合添加することにより、溶接金属
においても残留フェライト相の生成を抑えることがで
き、安定した靱性の得られることが判明した。
強度を得るためには不可欠の元素であるが、これらの元
素も靱性に対しては必ずしも好ましいものとは言えな
い。しかし、前述したNi,Cuの適正添加のもとで
は、高Cr,高Siがクリープ強度と靱性の両立に有効
であることが判った。
S量,Si量,Al量の適正な規制の必要なことが判明
した。すなわち、S量およびAl量を適正範囲に保つこ
とにより、アークプラズマの電流経路が拡大し、且つS
iの添加により溶融池上の酸化物の流動性が高まり、こ
れらにより安定した溶融池移行が行われ、ビード幅の均
一性が確保されるのである。
3−97832号公報に開示された高Crフェライト鋼
(母材)は、8〜14%のCrと0.7%以下のSiを含
み、更に1%以下のNiと1〜5%のCuを含んでいる
ので、Cr量を10%以上に高めた高温高強度および高
温高耐食のフェライト鋼の溶接に使用して、母材に匹敵
する高温強度および高温耐食性を溶接部に付与し、合わ
せて溶接金属の靱性低下を防止し得ることが期待でき
る。
総じてSi量が少なく、溶接材料としては充分とは言え
ないことが判明した。また、Cr量およびSi量に見合
ったNi,Cuの添加がなされていないため、安定な靱
性改善効果が得られないことが判った。更に、ビード幅
の均一化についても、安定な効果が得られなかった。そ
こで、本発明者らは更に実験研究を続け、本発明を完成
させた。
%、Si:0.25〜0.8%、Mn:0.5〜2%、Cr:
10〜13%、Ni:0.1〜1.5%、Cu:3%以下、
Mo:0.01〜0.4%、W:1〜2.5%、Al:0.00
5〜0.05%、Nb:0.02〜0.2%、V:0.05〜0.
3%、N:0.005〜0.07%、S:0.001〜0.00
8%、P:0.02%以下、O:0.01%以下と、更に必
要に応じてMg:0.0005〜0.1%およびB:0.00
01〜0.01%の1種を含み、且つ、Cr+4Si−8.
5≦4Ni+Cuを満足し、残部がFeおよび不可避的
不純物からなることを特徴とする高強度高耐食フェライ
ト鋼用溶接材料を要旨とする。
およびその限定理由を述べる。
し、溶接部の高温強度に寄与する。更には、オーステナ
イト形成元素として、δフェライト相の生成抑制に寄与
する。しかし、溶接金属においては、Cr,Nb,Vと
低融点共晶を形成して溶接高温割れを招く。また、マル
テンサイトを硬化させて溶接低温割れを招く原因にな
る。そのため、Cは0.03〜1.5%とした。
めに不可欠の元素である。また、ビード幅を均一化し、
溶接施工性の改善にも寄与する。しかし、多量の添加
は、本発明ではNi,Cuの増量を伴い、クリープ強度
の低下や長時間使用後の靱性低下を招く。そのため、S
iは0.25〜0.8%とした。
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。
性、耐高温腐食性の確保に不可欠の元素である。しか
し、多量の添加は、本発明ではNi,Cuの増量を伴
い、クリープ強度の低下や長時間使用後の靱性低下を招
く。そのため、Crは10〜13%とした。
r+4Si−8.5 Niはマトリックスの靱性を高めるために0.1%以上を
必要とする。また、残留δフェライト相の生成を抑え、
マルテンサイト単相組織として靱性を確保する観点か
ら、Cuと共に上式を満足する添加を必要とする。しか
し、一方ではオーステナイト変態温度(Ac1 点)を低
下させ、溶接後熱処理時にオーステナイト変態を生じさ
せて、クリープ強度の低下を招く。そのため、上限は1.
5%とした。
生成を抑え、溶接金属の靱性を確保する。しかし、過剰
な添加は長時間使用後の靱性低下を招く。そのため、C
uは上式以上、3%以下とした。
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。
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。また、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1.0〜2.5%とし
た。
均一性を損なう。そのため、Alは0.005〜0.05%
とした。
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0.02〜0.2%とし
た。
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。
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
0.005〜0.07%とした。
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、ビード幅の均一性の低下を招
き、溶接欠陥が出易くなる。従って、Sは0.001〜0.
008%とした。
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。
く。W,Nb,V,Moなどの強化元素の添加により硬
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、0.01%以下とした。
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。
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。
せて、本発明の効果を明らかにする。
の高Crフェライト鋼からなる外径80mm、肉厚12
mmの鋼管を母材とし、この母材に開先を設け、種々の
溶接材料を用いてTIG溶接により円周溶接をした。こ
のフェライト鋼は高Cr、高Siゆえに、600℃−1
万時間のクリープ強度が約17kgf/mm2 と高強度
であり、更には耐酸化性および耐高温腐食性も高い。
を表2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のワイヤで
ある。溶接条件は、電流120〜140A、電圧14〜
16V、溶接速度9cm/min とした。溶接後は740
℃にて30分の溶接後熱処理を行った。
ると共に、その継手から図1に示すシャルピー衝撃試験
片、クリープ試験片および耐食性試験片を採取し、各試
験片を0℃でのシャルピー衝撃試験、600℃でのクリ
ープ試験および高温酸化試験にそれぞれ供した。
ライト鋼で5000〜6000h、汎用鋼であるASM
E T91鋼で約100hの破断寿命を示す応力18.5
kgf/mm2 を付加し、破断寿命が4000h未満を
×、4000h以上を○とした。また、高温酸化試験で
は、水蒸気中で700℃×1000hの加熱を行い、表
面のスケール厚さを測定して、ボイラ用材料としての耐
高温酸化性を評価した。同試験での母材のスケール厚さ
は80μmであった。
した結果を表3に示す。
(A1〜A7)を用いた溶接継手は、幅変動の少ない溶
接ビードを有し、しかも、母材に匹敵するクリープ強度
および高温耐食性を有し、更に靱性も優れる。しかし、
本発明の条件に合致しない溶接材料を用いた溶接継手で
は、そのような優れた溶接施工性と継手性能を兼ね備え
たものは認められなかった。
量が過剰なため、幅の均一なビードが得られなかった。
B1,B2ではCr量,Si量に見合うだけのNi,C
uが添加されていないために、靱性が低下した。B3で
はNiが過剰なため高靱性を示したものの、クリープ強
度が低下した。これはNi量が高いためにオーステナイ
ト変態点が低くなり、740℃での溶接後熱処理の際に
溶接金属の一部がオーステナイト変態したためである。
B4,B5ではCr量,Si量が低いために高温耐食性
が不足した。
i量およびCu量と靱性との関係を示した図表である。
Cr量,Si量が少ないほどkが小さくなり、Cu量,
Ni量の下限が下がることが分かる。
のフェライト鋼用溶接材料は、Cr量が10%以上の高
温高強度・高温高耐食のフェライト鋼に適用した場合に
も、母材に匹敵する高温強度および高温耐食性を溶接部
に付与し、合わせ溶接部の靱性低下を防ぐことができ
る。また、幅変動の少ない溶接ビードを形成でき、溶接
欠陥の防止を図ることができる。
る。
図表である。
Claims (3)
- 【請求項1】 重量%で、C:0.03〜0.15%、S
i:0.25〜0.8%、Mn:0.5〜2%、Cr:10〜
13%、Ni:0.1〜1.5%、Cu:3%以下、Mo:
0.01〜0.4%、W:1〜2.5%、Al:0.005〜0.
05%、Nb:0.02〜0.2%、V:0.05〜0.3%、
N:0.005〜0.07%、S:0.001〜0.008%、
P:0.02%以下、O:0.01%以下を含み、且つ、C
r+4Si−8.5≦4Ni+Cuを満足し、残部がFe
および不可避的不純物からなることを特徴とする高強度
高耐食フェライト鋼用溶接材料。 - 【請求項2】 請求項1に記載の成分に加えて更に、M
g:0.0005〜0.1%を含む高強度高耐食フェライト
鋼用溶接材料。 - 【請求項3】 請求項1に記載の成分に加えて更に、
B:0.0001%〜0.01%を含む高強度高耐食フェラ
イト鋼用溶接材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24981993A JP2928904B2 (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 高強度高耐食フェライト鋼用溶接材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0780679A true JPH0780679A (ja) | 1995-03-28 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24981993A Expired - Fee Related JP2928904B2 (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 高強度高耐食フェライト鋼用溶接材料 |
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JP (1) | JP2928904B2 (ja) |
-
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