JPS6051957B2 - ニツケル‐クロム溶加材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はニッケル−クロム溶接材料に関し、より詳し
くは５０％Ｃｒ−５０％Ｎｉ型合金の不活性ガスシール
ドアーク溶接用のニツケルークロムーチタ ーーＬ、、
− 一ーゝ−ｆ、−ＩＬΛ ＾ ｌｒ−、１−一 −１
１−−一、 １−日日一レ る。

５０％Ｃｒ−５０％Ｎｉ合金は多年に亘り、初めに鋳
造用合金としてまたより最近には鍛錬用合金（ｗｏｒｕ
ｇｈｔａｌｌｏｙ）、即ち、何らかの形式の機械加工、
例えば、圧延、引抜、鍛造、押出、プレスを受けた合金
で、鋳造金属と区別される合金として知られている。

５０％Ｃｒ−４９％Ｎｉ−１％Ｔｉの再録変種、即ち、
鍛練用品種の出現によりこの種合金を用いることができ
る分野の数は増加した。

この成長とともに経済的な接合方法の必要が生じた。こ
れらの合金は既存の多数の市販溶接材料で容易に接合さ
れ得るが、しかしながら、これらの溶加材で作られた溶
接部の性質は一般に満足てはなく、それは溶接部の性質
が基材合金の性質よりも一劣るからである。５０％Ｃｒ
−５０％Ｎｉ合金は容易にワイヤ形状に製造できないけ
れども、特殊鋳造法により製造した正確に適合する組成
の溶加ワイヤで作つた溶接部は溶接割れを生ずる性質を
示す。

従つて、ワイヤ形状に製造できまた苛酷な制約をＪ課せ
られる条件の下で健全な接手を生成するのに使用できる
溶接材料が必要である。そのような溶接部はまた適当な
強度及び耐食性を有さなければならない。今回健全な溶
接部が、５０％Ｃｒ−５０％Ｎｉ合金において特殊組成
の、鍛造ニツケルークロムーチタン溶加材を用いて作ら
れることができることが見出された。

特殊の溶加組成物は種々の形状、形態における５０％Ｃ
ｒ−５０％ニッケル合金の不活性ガスシールドアーク溶
接に適しまた異種合金の溶接にも有用てある。本発明の
目的は５０％Ｃｒ−５０％Ｎｉ合金において健全な不活
性ガスシールドアーク溶接部を作るのに適する特殊な組
成の溶加材を提供することである。

本発明の他の目的は鍛線形態に容易に製造できる溶加材
を提供することである。

本発明のなお別の目的は健全な、丈夫な、延性があり、
耐食性の実質的に割れのない溶着金属を５０％Ｃｒ−５
０％Ｎ１合金並びに異種の金属中に提供することである
。

他の目的及び利点は以下の記載から明らかになるであろ
う。

概説すれば本発明、重量で４２〜４６％のクロム、０．
１〜１．８％チタン、０．０１〜０．１％の炭素、及び
残部、付随元素を別として、実質的ニッケルとともに含
有する不活性ガスシールドアーク溶加材を企図し、上記
合金はオーステトナイトのミクロ構造に特徴がある。

溶加材が０．３〜１％のチタンを含有すること及び炭素
含量が０．０２〜１％の範囲内にあることが最適の熱間
及び冷間加工性並びに溶接性を提供するために好ましい
。

さらに、その合金はそれが酸素及び窒素をそれぞれ０．
０５％以上含有しないように真空融解法によつて製造さ
れること及び同様に融解材料、つまり、最終合金を作る
ために融解される材料、特にクロム、の選択に注意し窒
素の不必要な捕捉を避けることが好ましい。高ニッケル
合金に対する標準的な脱酸の実施に通常関連する他の元
素はまた存在しても良いが、しかしながら、マンガン、
ケイ素及びアルミニウム含量はそれぞ−れ０．２％を超
えないこと及びマグネシウム含量は０．０６％を超えな
いことが好ましく、それはこれらの元素が多量であると
溶接割れ又は高温特性の劣化を起すからである。合金の
クロム含量は必要な耐食性、高温強度及びワイヤ形態に
熱間及び冷間加工できる能力を与えるために４２〜４６
％の範囲内に維持すべきである。

４６％以上のクロムを含有する合金は２３００〜２００
００Ｆ又はそれ以下で熱間加工できるけれども、しかし
ながら、好ましくない耳割れ傷、即ち、圧延または引抜
の際に発生する表面の割れを生ずる。

４６％以上のクロムを含有する合金の冷間加工は室温で
、そのような合金が、特に合金が高チタａン含量を有す
るときに、２相、オーステナイト及びα−クロム、を含
有するので避けるべきである。

２相の存在は、正しくオーステナイトであるよりもむし
ろ熱間及び冷間加工中の割れの原因となるように思われ
る。

例えば、市販の、可鍛５０％Ｃｒ−４９％Ｎｉ−１％Ｔ
ｉ合金において、合金が２相を含有するため試験量でも
ワイヤを製造するためには広範な焼なまし処理を用いる
ことが必要である。焼なまし熱処理は、精々約３０％の
圧減（断面積を減少させること）を行なうことに、実施
され゜なければならない。このワイヤ製造法は工業的に
有用ではなくまたこの理由のみのために鍛練した実質的
に適合する組成の溶加材合金を利用することができない
。それ故、α−クロムのような第２相の存在を避けるこ
とが最も重要である。従つて、４６％以下のクロムを含
有し、そして丁度オーステナイトを含有する合金は容易
に熱間及び冷間加工できまた表面割れ又は裂けを示さな
い。４２％以下のクロムを含有する合金て作つた溶着金
属は、耐食性であるけれども、基材合金に適合するほど
腐蝕侵食に対し十分な抵抗を有さない。

さらに、そのような低クロム合金は５０％Ｃｒ−５０％
Ｎｉ基材合金によりも若干低い強度を有する。５０％Ｃ
ｒ−５０％Ｎｉ合金の鋳造用及び可鍛変種、即ち、鍛練
用品種の間の主な差異は鍛練用合金中にチタンが存在す
ることである。

チタンはまた本発明の溶加材中に含有されるけれども溶
接割れに対する抵抗性を与えるためにより少量であるこ
とが好ましい。この元素は溶接プール脱酸に有益であり
また溶着金属内に第２相、α−クロム、を増進する作用
により健全な溶接を促進する。この点において、少量で
しかも有効な量、例えば０．１％、好ましくは０．３％
、が必要である。チタンの効果は十分には理解されてお
らずまた特定の理論に何ら拘束されることはないけれど
も、チタンはγ溶解度曲線を低クロム含量の方へ移動さ
せそれにより熱間及び冷間加工性に必要な単相構造を与
えるために一層高い溶体化温度が必要になると思われる
。

従つて、過度の量のチタン、例えば１％以上は、そして
特に４６％に近づく量のクロムを含有する合金において
、オーステナイトマトリックス中に第２相、α−クロム
、が存在する原因となり、それが熱間加工及び冷間加工
のどちらの作業の間にも割れを生ずることができる。し
かしながら、本発明の鍛練溶加ワイヤで作，つた溶接部
中に、溶接組織中に存在する少量のαークロムを有する
ことが有益である。オーステナイトステンレス鋼のよう
に、この少量の第２相は溶接割れを免れるのを促進する
。溶着金属中に有利に形成するα−クロムは樹枝状晶間
及び粒間の位置にチタンが偏析することに関連すると思
われる。これらの位置におけるチタンの濃度は溶接割れ
のうけ易さを実際上制限するのに役立つ溶着金属内のα
−クロムの有益な形成を生ずる働きをすると思われる。
腐蝕試験はチタンが腐蝕速度を低下させるのにクロムよ
りも一層有効であることを示した。

この付加的理由のためチタンは溶加材合金中に必要であ
る。０．０１％又は０．０２％でもの最低炭素含量が鍛
練用合金における適当な冷間加工性を与えるのに望まし
い。

この少量よりも少ない合金は冷間圧延中の耳割れ傷及ひ
引抜作業中の引張破損を起こし易い。０．１％の上限は
チタン及びクロムの炭化物が過度に形成されるのを避け
るために望ましい、炭化チタンの形成は溶加材の有効チ
タン含量を低下させる作用をなすことができそれにより
溶接部の健全性の特性に悪い影響を与える作用をする。

従つて、本発明によれば、チタンは遊離のチタンであり
、高炭素を含有する合金は比例してより高いチタンを含
有すべきである。チタン含量は好ましくは合金の炭素含
量の少なくとも約６倍であるべきである。同様に炭化ク
ロムの形成は結晶粒界でクロム不足を起しそして腐蝕侵
食を受け易くする。同様に溶加材合金の窒素含量が窒化
クロムの形成を防ぐために制御することが望ましい。

これは低窒素装てん材料の選択と真空下の融解によつて
行なうことができる。溶加材中の窒素含量を０．０８％
以下、好ましくは０．０５％以下に保つことが好ましい
。本発明の溶加材合金に絶対的には必要ではないけれど
も、任意に添加された少量のマグネシウムの添加は熱間
加工特性の改良に有用であることが見出された。

０．１％以下の、好ましくは０．０６％を超えないマグ
ネシウムを添加すべきであり、それは過度の量は熱間加
工作業中に熱間脆性を生ずるかもしれないからである。

マグネシウム脱酸を用いるときは、割れなして約５０％
を超えた冷間圧減を達成するために合金の炭素含量が０
．０２％以上であることが好ましい。従つて、マグネシ
ウムが少量、例えば０．００５％存在すること、及び炭
素含量がこの元素の存在下に０．０２％以上であること
が好ましい。合金の残部は一般に５２〜５８％の範囲の
量のニッケルから成る。

この元素は合金中に含有された他の元素とを協力して望
ましいオーステナイト（面心立方）構造をマトリックス
に与え並びに他の有利な物理的及び治金的性質を与える
働きをする。当業者を理解するように、ニッケル含量を
示すのにここに用いた「残部」又は「残部実質的」の語
は付随元素として普通に存在するような他の元素、例え
ば脱酸及び浄化元素、及び通常それらに関連する不純物
が合金の基本特性に悪い影響を与えない少量存在するこ
とを排除しない。これに関しては、不純物には通常それ
ぞれ０．０１％を超えるべきではないホウ素及びジルコ
ニウム及び普通それぞれ０．０２％を超えることが許さ
れない硫黄及び）リンが含まれる。付随元素の例はアル
ミニウム、コバルト、ニオブ、銅、鉄、マンガン、モリ
ブデン及びケイ素であり、それらは本発明の合金中に少
量、例えば好ましくはそれぞれ０．２％を超えない量存
在できる。しかしながら、ニッケル、クロ５ム、チタン
、マグネシウム及び炭素以外の元素の総量は１％を超え
るべきではない。当業者が本発明を一層良く理解できる
ために以下に例を示す。

例１ ９本例は溶加材の組成範囲を代表する合金（１〜１０）
並びにこの範囲外の合金（Ａ上）の熱間加工性を例示す
る。

溶加材の真空誘導融成物はマグネシアライニングを有す
る３０１喀量炉中で製造された。

電解ニツゲル、真空グレードクロム及び０．０５％の炭
素を貞空下に２９００１まで加熱しそして少量のケイ素
・マンガン母合金の添加により脱酸し次いでチタン及び
アルミニウムを添加した。炉室をアルゴンで１ノｌ気圧
まで戻しそして追加炭素及びマグネシウムを加えた。融
成物を鋳鉄鋳型に鋳込み表１に示す組成を有する４″″
角のインゴットを製造した。熱間加工特性は割れを検査
することにより認定した。４″″角のインゴットを２３
００りＦで３時間ソーキングし、中間加熱しないで２″
角のビレツトに鍛造し、２３００′Ｆまで１時間再加熱
しそして５／８″″の角棒に１２バスで熱間圧延した。

表１において合金番号１〜１０として示す好ましい組成
範囲のヒート、は優れた熱間加工特性を示しそして４″
″角のインゴットから５／８″の角棒に容易に圧減され
た（表■）。

しかしながら本発明外の合成を表わす合金Ａ．．Ｂ及び
Ｅは熱間加工中に種々の程度の割れの受け易さを示した
。チタンを欠き、そして代表的な鋳造５０％Ｃｒ−５０
％ＮＩ合金である表■の合金Ａは好適に熱間加工できな
かつた。

４９％Ｃｒを含有する合金Ｂは、０．８％のチタン添加
にも拘わらず初めの熱間加エニ作業中に破壊を受けた。

これらの結果は鍛練用５０％Ｃｒ−５０％Ｎｉ合金の製
造に関連する困難を明らかに例示している。表■におけ
る合金Ｃ及びＤのようにクロム含量を４５．４％に低下
させしかもチタンを添加しないと−許容できる熱間加工
性を示す合金が得られるが、しかし溶接性に関しては表
■及び関連の本文を参照されたい。

合金Ｅは本発明の溶加材の組成に非常に近いがそれはク
ロムの上限より僅か０．４％多い４６．４％のクロムを
含有するからである。

熱間加工試験はインゴット中の割れがその除去のために
研磨が役立たないほど深いことを示した。これらの例は
約４６％以下のクロム含量が許容できる熱間加工性に必
要であることを示す。例■ 本例は本発明の溶加材の冷間加工特性を記憶しまた冷間
加工性に対するチタンの効果を示す。

冷間加工試験は２３００゜Ｆで１時間焼なまし次いで水
冷した５／８″角棒に行なつた。冷間加工手順は８″″
直径ロールを有する圧延機における１６／マス、次いで
４″直径ロールを有する圧延機における１３／マスで０
．１２″″角ロッドにさらに冷間加工することから成る
。冷間加工能力の迫加試験は０．１２″角ロッドを０．
１０″″丸ロッドにタップすること及び５個の段階的な
小ダイヤモンドダイを通して引抜き０．０６２″直径の
ワイヤを製造することから成る。

冷間加工操作の各段階の間に生じた圧減率を記録した。
９６％の最大冷間圧延圧減と６５％の最大冷間圧減を用
いた。

これらの試験に対して記録した結果において、圧減率が
冷間圧延に対して９６％以下又は引抜きに対して６５％
以下であることが示されるとき、これはその後ロッド又
はワイヤの表面割れ又は裂けが生じた最大圧減を表わす
。比較すると、５０％Ｃｒ−４９％Ｎｉ−１％Ｔｉの鍛
練用合金は割れの始まる前のこれらの条件の下で約３０
％冷間加工できたにすぎなかつた。冷間加工作業から得
たワイヤは溶接ワイヤとして使用する前に清浄にして表
面酸化物及び残留減摩剤を除いた。合金１〜９は満足な
冷間圧延及び引抜き特性を示しそして欠陥を示すことな
く９６％冷間圧延及び６５％引抜きができた（表■）。

好ましい組成範囲の外であり１．３３％のチタンを含有
する合金１０は満足な熱間加工特性を示したが、しかし
ながら冷間圧延作業中、７１％圧減後割れを受け易かつ
た（表■）。

この若干不満な挙動は、一部はより高いチタン含量にま
た一部は低炭フ素含量（４）．０１０％炭素）に起因し
、それは実質的に同じ組成を有するが０．０４８％の炭
素を含有する合金９が満足に冷間圧延できたからである
。従つて、炭素含量が０．０２％以上であること及びチ
タン含量が１％以下であることが冷間加工性に対して好
ましい。例■ 本例は５／８″厚さの板に溶接継手を作るのに用いたと
きの本発明の合金の溶接性を示す。

商業的に融解した鍛造５０％Ｃｒ−４９％Ｎｉ−１％Ｔ
ｉ板をここに示す溶接試験に使用した。板の組成を表■
に示す。５／８″厚さ、３″″幅で８″″長さの板片を
８″縁端の一つを６００の角度で面取りすることにより
溶接の準備をした。

３／３２″のルート面を面取りした縁端上にたてた。

２個の面取りした板を１／８″離して設置し３″″厚さ
の鋼プラテンにクランンプして拘束した。

溶接は手動で約３インチ／分の走行速度で、１／８″直
径タングステン電極を有するガスタングステンアーク溶
接トーチを用いそして２５ｆｔ３／時のアルゴン流速で
行なつた。

約１６ボルトそして約１９０アンペアで継手を完了する
のに合計１６バスが必要であつた。その継手は健全性を
放射線透過検査しそして１／２″幅の横截片を作つた。

これをゴム結合したといし車上で研磨し磨き、王水でエ
ッチングしそして倍率１０て欠陥を調べた。いくらかの
試料はまた次に５０皓までの倍率で金属組織学的標本に
ついて検査した。溶接継手を合金１〜４及び６〜８て作
りそして５０％Ｃｒ−４９Ｎｉ−１％Ｔｉ合金及び異種
合金における溶接試験の結果を表■に示す。

＊３７％Ｃｒｌｌ８％Ｆｅｌ残部Ｎｉ基材板における接
手合金１〜４、６及び８で作つた継手は全く健全つであ
つた。

しかしながら、合金７で作つた溶接部は試験した６横断
面中に１個の小さい割れ、約１／３２″長、を含んでい
た。この合金は貧弱と考えられたが、それはそれがクロ
ム、チタン及び炭素を本発明の溶加材に対する範囲の低
端部で含有７するからである。好ましい組成を表わす合
金５、６及び８を公称３７％Ｃｒ．，ｌ８％ＦｅｌＯ．
５％Ｔｉｌ残部ニッケルを含有する基材合金において溶
接継手を作るのに用いた（表■）。

これらの継手において示された割れのな）いことは本発
明の溶加材が初めに意図した合金以外の溶接する金属に
対して利用できることを示す。チタンを含ます本発明外
の合金を表わす溶加材Ｃ及びＤを用いて作つた５０％Ｃ
ｒ−４９％Ｎｉ−１％Ｔｉ基材合金における溶接継手は
ひどい溶接割れを示した。

これらの試験から本発明の溶加材において溶接割れを避
けるためにチタンが必要なことが示される。合金７に得
られた結果と合金２に得られた結果とを比較するとチタ
ン及び炭素含量が若干増加するときに溶着金属が割れを
生じ易くなることは何ら示されなかつた。従つて合金７
で得られた結果は本発明の合金に示した最低値より若干
多い炭素及びチタン含量を有する合金が好ましいことを
示している。例■ 好ましい組成の溶加材を用いて作つた溶接継手の引張り
特性を表■に示す。

溶接継手から切取つた横断裁片から作つた試料の引張り
特性は５０％Ｃｒ−５０％Ｎｉ基材合金によつて示され
るものと等価であつた。破損が溶着金属中に生じたがし
かしながら得られた引張り値は基材合金に見出されたも
のに等しかつた。合金５及び６を用いて３７％Ｃｒ、１
８％Ｆｅ、残部Ｎｉの基材板中に作つた溶接部は５０％
Ｃｒ−５０％Ｎｉの基材合金の試験で見出されたと同様
の特性的な強度及び延性を有していた。例■本発明の合
金を用いて作つた溶着金属の優れた応力破壊特性を本例
に示す。

全溶着金属の応力破壊試験片を溶加材合金６、及び８を
用いて３７％Ｃｒｌｌ８％Ｆｅｌ残部Ｎｉの基材板にお
いて作つた溶接部から機械加工した。表■は溶着金属の
応力破壊寿命が５０％Ｃｒ−５０％ＮＩ基材板に対する
公表値以上に良好であつたことを示す。例■ 本例は本発明の溶加材で作つた溶接部の耐食性の例示で
ある。

溶着金属の耐食性は合成石炭灰環境中で測定した。この
試験において、０．２″″直径で１″長さの溶着金属試
料を密充てんした合成石炭灰によつて囲まれたアルミナ
燃焼ボート中に置き、１２００′Ｆの煙道ガスに２４時
間さらした。易 合成石炭灰は重量％で３３．６％Ｎａ
２ｓＯ４、４１．３％Ｋ２ＳＯ４、及び２５．１％Ｆｅ
２Ｏ３を含有した。合成煙道ガスを容量％で１４％ＣＯ
２、３．３％０２、０．２６％ＳＯ２、残部Ｎ２を含有
した。煙道ガスの流速は０．５ｃｃ／秒であつた。表■
は好ましい組成の溶接部が５０％Ｃｒ−５０％Ｎ１の基
材板よりも僅かに良好な耐食性を表わすことを示してい
る。これは本発明の合金の溶加材て作つた溶着金属の使
用中に予期される代表的な環境における腐蝕侵食に対す
る優れた耐性を例証するものである。本発明は５０％Ｃ
ｒ−５０％Ｎｉ型合金の溶接に適用できまた１５〜６０
％クロム、４０％までの鉄及び残部実質的ニッケル及び
補助合金添加物を含有するような他の合金の接合に使用
しても良い。

溶加材はまた強化された腐蝕及び酸化特性を有する表面
積を与えるために鋼や他の金属を被せ金するのに使．用
しても良い。本発明の溶加材料は化学及び動力業に特に
有用であり、そこでは製紙バルブ化液体を処理する反応
容器、石油精製加熱器、硝酸を扱う装置、焼却装置部材
、治金熱処理炉、残査燃焼油燃焼加熱器、直化バッフル
、過熱器管支持シールドなどのような品目の溶接に応用
が見出されよう。ここに示した合金に類似する組成のそ
して超塑性挙動、例えば高温引張り試験における約２０
０％を超える伸び、を示すことが知られておりそして超
微細粒径と結合した２相ミクロ構成に特徴がある合金が
他人により記載されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ４２〜４６重量％のクロム、０．１〜１．８重量％
   のチタン、０．０１〜０．１重量％の炭素、及び残部は
   付随元素を別として実質的に、ニッケルを含み且つオー
   ステナイトミクロ構造である不活性ガスシールドアーク
   溶加材。 ２ ０．３〜１重量％のチタンを含む特許請求の範囲第
   １項記載の不活性ガスシールドアーク溶加材。 ３ 少なくとも０．０２重量％の炭素を含有する特許請
   求の範囲第１項記載の不活性ガスシールドアーク溶加材
   。 ４ ０．０２重量％以上の炭素含量及び０．３〜１重量
   ％のチタンを含有する特許請求の範囲第１項記載の不活
   性ガスシールドアーク溶加材。