JPH0785838B2 - Cr―Mo系低合金耐熱鋼溶接用鋼ワイヤ - Google Patents

Cr―Mo系低合金耐熱鋼溶接用鋼ワイヤ

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JPH0785838B2
JPH0785838B2 JP60240640A JP24064085A JPH0785838B2 JP H0785838 B2 JPH0785838 B2 JP H0785838B2 JP 60240640 A JP60240640 A JP 60240640A JP 24064085 A JP24064085 A JP 24064085A JP H0785838 B2 JPH0785838 B2 JP H0785838B2
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3053Fe as the principal constituent
    • B23K35/308Fe as the principal constituent with Cr as next major constituent

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はCr−Mo系低合金耐熱鋼をガスシールドアーク溶
接するための溶接用鋼ワイヤに関するものである。
(従来の技術) 近年、原子力機器をはじめ、火力発電プラント及び石油
精製等の化学プラントに使用されるCr−Mo系低合金耐熱
鋼容器は、装置の大型化や反応プロセスの進歩によっ
て、極厚肉化及び使用条件の苛酷化の傾向にある。すな
わち、これら鋼材及び溶接部は、極厚化するとともに高
強度、高靭性で、かつ種々の苛酷な環境下で、長時間の
使用に十分耐えることが要求されてきている。
そこでこれらの容器に対する溶接材料としては、材質面
では母材(二鋼材)と同様、極厚化に伴なう長時間の溶
接後熱処理(以下PWHTという)による強度、靭性の低下
や、板厚を少しでも減ずるための高強度設計に対する強
度と、靭性の確保が必要である。
このように、従来から強度向上については、微量のVや
Nb等の添加が有効であることが分っていたが、多量に添
加すると、高強度になるものの靭性低下や焼もどし脆化
が大きくなってしまう。一方靭性確保については、焼も
どし脆化に影響を及ぼすPやSb,Sn,As等の不純物元素
や、これら元素の粒界偏析を助長するSi又はMnを低く抑
えることで努力してきたが、強度増加による靭性確保に
も限界がある。
Cr−Mo系低合金耐熱鋼用ガスシールドアーム溶接鋼ワイ
ヤにおいては、特開昭57−85692号公報、特開昭59−193
789号公報記載のものが提案されている。前者は、焼も
どし脆化改善を低Si化及び低Mn化で対応し、これに伴な
う強度低下をCとNbの調整で補足し、Cの増加に伴なう
ブローホールの多発をZr添加で解消しようとする手段で
あり、後者は、鋼ワイヤ中のTi,N,O及びMn/Si,N/Cr等を
抑制し、V,Bを微量添加により、靭性及び耐ブローホー
ル性を改善したものである。
しかし、容器の高効率化による高温高圧操業ができるた
めにも、従来よりさらに高温で高強度が得られると同時
に、高靭性が確保できる溶接材料の開発については、従
来技術では多くの問題を残しているのが実状である。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明は、ガスシールド溶接用鋼ワイヤの上記従来品の
欠点を解消し、良質の溶接部を得ることができる優れた
ワイヤを提供することを目的としている。
(問題点を解決するための手段) 本発明の要旨は、Ar−CO2混合ガス又はAr−O2混合ガス
をシールドガスとして用いる溶接用鋼ワイヤであって、
重量%でC:0.04〜0.12%、Si:0.25〜0.60%、Mn:0.65〜
1.20%、Cr:2.70〜3.50%、Mo:0.90〜1.20%、V:0.04超
〜0.75%を必須成分とし、Nb:0.02〜0.10%、B:0.006%
以下の1種又は2種を含有し、又はさらにCu:0.40%以
下、N:0.015%以下の1種又は2種を含み残部が鉄及び
不可避の不純物よりなることを特徴とするCr−Mo系低合
金耐熱鋼溶接用鋼ワイヤにある。
すなわち、本発明のワイヤは、その組成を適正に選択限
定し、特にNb:0.02〜0.10%、B:0.006%以下の1種又は
2種を適当量含有せしめ、さらにCu:0.40%以下、N:0.0
15%以下の1種又は2種に規制したことが最も大きな特
徴であって、これによって従来ワイヤで得ることのでき
なかった高強度が得られると同時に、高靭性が確保でき
るという優れた効果を発揮するものである。
(作 用) 以下に、本発明ワイヤの各構成成分の限定理由を詳細に
説明する。
Cは溶接金属の強度を高めるために添加するが、0.12%
を超えると微小なブローホール等溶接欠陥を発生すると
ともに、高温割れ感受性が増加する。一方、0.04%未満
では要求される強度が確保できない。
Siは脱酸剤として不可欠な元素であり、0.60%を超える
と脆化熱処理(例えば、G.E.ステップクーリング処理、
以下S.Cという)後の靭性が著しく低下する一方、0.25
%未満では脱酸不足により、溶接金属中にブローホール
等の溶接欠陥を発生する。
MnはSiと同様な脱酸剤であり、溶接金属の高強度及び高
靭性を得るために有効であるが、1.20%を超えると焼入
れ効果が拡大し、溶接割れを生じやすくするとともに靭
性も劣化する。一方0.65%未満では脱酸不足により、溶
接金属中にブローホール等を溶接欠陥を発生するととも
に、要求される強度、靭性を得ることが困難となる。
Crは耐酸化性、耐水素性及び溶接金属の高温強度の安定
化のために不可欠な元素であり、加工性及び溶接性を考
慮し、さらに対象目的に合せ上下限を3.50%及び2.70%
と定めた。
Moは溶接金属の高温強度の確保と、焼もどし脆化阻止に
不可欠な元素であり、1.20%を超えると焼もどし脆化が
促進され好ましくない。一方、0.90%未満では十分な効
果が得られない。
Vは溶接金属の結晶粒度を微細化する作用があるととも
に、強度上昇をはかるために有効な成分であるが、0.75
%を超えると強度を過大化するとともに、焼もどし脆化
が増大する。一方0.04%以下では十分な効果が得られな
い。
Nbは溶接金属の結晶粒度を微細にし、靭性を向上させ、
焼もどし脆化を減少させる。また脱酸剤としても利用さ
れ、強度を増加させる有効な成分であるが、0.10%を超
えると強度を過大化するとともに、焼もどし脆化が増大
する。一方0.02%未満では十分な効果が得られない。
Bは強力な脱酸性炭化物生成元素であるから、これをワ
イヤに添加することによって、溶接金属における結晶核
生成作用が促進され、柱状晶の成長が阻止される結果、
結晶粒は微細化する。また溶接金属の焼入れ性を高める
が、0.006%を超えると溶接金属に高温割れが発生し易
くなるので、Bは0.006%以下とした。
しかし、Nbの添加は、溶接金属が硬化し過ぎて靭性が低
下する。また同様にBについても溶接金属の耐割れ性能
を低下させる結果となる。ところがVを含有し、Nb,Bの
1種又は2種の複合添加により、高強度、高靭性が安定
して同時に得られるという効果がある。すなわち、強度
を上昇させるにはVが一番有効であり、0.04超〜0.75%
範囲にある時に靭性を改善するNb,Bの1種又は2種を添
加すると、靭性も格段に改善されることが判明した。す
なわちV:0.04超〜0.75%添加し高強度を確保する。但し
V単独では靭性が劣るので靭性を改善するNb及び/又は
Bを添加し強度と靭性の両方を改善した。
さらに、Cuは一般的に耐錆性、耐食性及びワイヤ送給性
向上を目的として、ワイヤ表面へのメッキ等で施される
が、0.40%を超えると高温割れの原因や、靭性低下をま
ねくのでCuは0.40%とした。また原子炉容器用として
は、照射脆化への影響を考慮して、Cuメッキを施さない
で使用する場合もある。
NはCと同じ作用効果を有する元素であって、その有効
量はCとは異なるが、N含有量が多くなると、それに伴
ない靭性低下の傾向があり、0.015%以下と定めた。
このように構成された成分のワイヤを用いて、溶接を行
った溶接金属の機械的性質は、所定の特性を十分満足す
るものである。
以下、本発明の効果を実施例によりさらに具体的に示
す。
(実施例1) 第1表は実験に用いた鋼ワイヤを示す。ワイヤ記号1〜
12が本発明ワイヤで、ワイヤ記号13〜19は、比較のため
に掲げた本発明範囲外のワイヤである。
板厚20mmのASTM A387Gr21(3Cr−1Mo鋼)を第1図に示
す開先形状に加工した後、第1表に示すワイヤを用い、
第2表に示す溶接条件で多層盛溶接を行った。
溶接終了後690℃×24hrのPWHTを施し、試験材の開先中
央部を中心とする位置から、引張試験片(常温引張JIS
Z2241A−2号、高温引張JIS G0567 6φ)及びシャ
ルピー試験片(JIS Z2242 4号)を採取し、試験し
た。またPWHT後のシャルピー試験片については、第2図
に示す条件で脆化熱処理をさらに行った。これらの結果
を第3表に示す。
第1表及び第3表から明らかなように、本発明に属する
ワイヤは、X線透過試験及び溶接作業性は良好なのはも
ちろん、強度、靭性及び焼もどし脆化特性を示す脆化指
数も優れた溶接金属性能が得られる。
これに対して比較例を個々に説明すると、ワイヤ記号13
は高強度、高靭性を得るために、Nb及びBを本発明範囲
を超える0.162%及び0.0071%と含有したものである
が、溶接金属の強度は高くなるものの、靭性値は低く、
溶接金属中に微細に高温割れが発生した。
ワイヤ記号14は高強度を得るために、C,V及びNbを本発
明範囲を超える0.13%,0.86%及び0.121%と含有したも
のであるが、溶接金属の常温強度は90kgf/mm2を超える
値であるものの、靭性が著しく低値となっている。また
Cが多すぎるため、溶接金属に微小なブローホールが発
生した。
ワイヤ記号15は焼もどし脆化特性の向上を得るため、Mn
を本発明範囲以下の0.56%にし、高強度を得るためMoを
本発明範囲を超える1.32%含有したものである。しかし
溶接金属中に脱酸不足によるブローホールが発生し、シ
ャルピー試験片の採取もできなかった。
ワイヤ記号16は、高強度を得るためのSi及びVを本発明
範囲を超える0.65%及び0.90%と含有したものである
が、高強度は得られるもののSiが多いため、焼もどし脆
化特性が低値となった。またVも多く含有しているた
め、スラブはくり性に若干の問題が発生した。
ワイヤ記号17は、焼もどし脆化特性の向上を得るため
に、Siを本発明範囲以下の0.21%にし、なおかつ少量添
加で強度向上が得られるが、V及びNbも本発明範囲以下
の0.025%及び0.018%にしたものである。しかし溶接金
属中においては、脱酸不足によるブローホールが発生
し、V及びNbも必要量に満たないため、高強度も得られ
なかった。
ワイヤ記号18は、高強度を得るためにMn及びNbを本発明
範囲を超える1.26%及び0.152%と含有したものであ
る。常温強度85kgf/mm2以上、482℃高温強度も65kgf/mm
2を超えるが、靭性も低く、焼もどし脆化指数も低値と
なっている。
ワイヤ記号19は、C量を本発明範囲以下の0.03%にし、
Cuを本発明範囲を超える0.45%と含有したものである
が、強度向上に極めて重要な元素であるCが本発明の必
要量に満たないため低強度になっている。
ワイヤ記号20は、Vのみ単独添加したもので、そのVも
本発明範囲の0.045%と含有したもの、ワイヤ記号21は
Bのみ単独添加したもので、そのBも本発明範囲の0.00
56%と含有したものであるが、両ワイヤとも靭性は良好
であるものの、強度が低くなっている。
これらの結果からVを含有しNb,Bの1種又は2種の複合
添加により、優れた効果が発揮されていることが判る。
(実施例2) 板厚50mmのASTM A387Gr21(3Cr−1Mo)鋼板を第3図に
示す狭開先に加工後、第1表に示すワイヤの内、ワイヤ
記号3,12,13,16の4銘柄を用い、第4表に示す溶接条件
で1パス/1層溶接を行った。
溶接終了後、700℃×8hrのPWHTを施し、試験材の板表面
から、12.5mmを中心とする位置から、高温引張試験片及
びシャルピー試験片を採取し、試験した。これらの結果
を第5表に示す。
このように狭開先溶接法で溶接を行った場合でも、本発
明の範囲に属するワイヤ組成であれば、優れた溶接金属
性能が得られるとともに、開先内でアークが安定で、ス
パッタの発生も少なく、スラブはくりも良好な溶接作業
性を示す。
(発明の効果) 以上のように、本発明の組成範囲にある溶接鋼ワイヤで
あれば、溶接作業性が良好なことはもちろん、高強度で
高靭性を同時に有する溶接金属が得られ、Cr−Mo系低合
金耐熱鋼溶接用鋼として、各種溶接分野での適用範囲拡
大に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第3図は実施例に用いた開先形状を示す説明
図、第2図は実施例で用いた脆化熱処理(S.C)条件を
示す説明図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東川 美樹 神奈川県相模原市淵野辺5−10―1 新日 本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−197394(JP,A) 特開 昭59−223195(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Ar−CO2混合ガス又はAr−O2混合ガスをシ
    ールドガスとして用いる溶接用鋼ワイヤであって、 C :0.04〜0.12%(重量%、以下同じ) Si:0.25〜0.60% Mn:0.65〜1.20% Cr:2.70〜3.50% Mo:0.90〜1.20% V :0.04超〜0.75% を必須成分とし、 Nb:0.02〜0.10% B :0.006%以下 の1種又は2種を含有し、残部が鉄及び不可避の不純物
    よりなることを特徴とするCr−Mo系低合金耐熱鋼溶接用
    鋼ワイヤ。
  2. 【請求項2】Ar−CO2混合ガス又はAr−O2混合ガスをシ
    ールドガスとして用いる溶接用鋼ワイヤであって、 C :0.04〜0.12% Si:0.25〜0.60% Mn:0.65〜1.20% Cr:2.70〜3.50% Mo:0.90〜1.20% V :0.04超〜0.75% を必須成分とし、 Nb:0.02〜0.10% B :0.006%以下 の1種又は2種を含有し、かつ Cu:0.40%以下 N :0.015%以下 の1種又は2種を含有し、残部が鉄及び不可避の不純物
    よりなることを特徴とするCr−Mo系低合金耐熱鋼溶接用
    鋼ワイヤ。
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