JPS62170419A - クリ−プ強度の良好な溶接継手の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はＶを単独またはＮ’ｂとの複合で含有する析
出強化型窩Ｏｒフェライ）Ｊｌ母材とする溶接継手の製
造方法に関し、更に詳しくは溶接部の高温クリープ強度
が良好な溶接継手の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

高Ｃｒフェライト鋼としては、ポイッ、原子力および化
学工業用の耐熱材料として開発された９Ｃｒ−ＩＭＯｌ
ｉ４　（５ＴＢＡ２６．５ＴＰＡ２６）が広く使われて
いる。また、高温強度を更に高め、かつ加工性、溶接性
にも憂れた９Ｃｒ−２ＭＯ鋼（ＳＴＢＡ２７）が実用材
として使われ始めてき几。

一方、諸外国では古くからタービン用の耐熱材料として
開発された、Ｖ、Ｎｂなどの析出強化元素を添加した９
〜１２　Ｃｒ系フェライト鋼がある（ｔとえばＤ工ＮＸ
２０ｃｒＭｏｗｖ１２１　）。また近年、米国で高温熱
交換器材料としてＶ、Ｎｂを複合添加し九改良ｔａｃｒ
−ｘＭｏ鋼（ＡＳＴＭ　Ａ２１８−Ｔｅ３）が開発され
ている。

これらの析出強化型窩Ｃｒフェライト鋼は、一般に焼な
らし・焼もどし処理によシ、焼もどしマルテンサイト組
織とし、■、罰の析出強化作用と合せて高い強度レベル
が確保されている。ところが、このようなＭｔ熱交換器
材料として適用しようとした場合、その溶接に起因して
次のような問題を生じる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高Ｃｒフェライト鋼は溶接を受けた後、溶接部の靭性改
善のために熱処理を受ける。ところが、この溶接後熱処
理を受けたＶ、Ｎｂ添加鋼は、溶接熱影響部と母材との
間に顕著な軟化層を形成し、これが原因となって溶接部
の高温クリープ強度を低下させるのである。これは従来
の■、Ｎｂを含まない鋼では問題にならなかったことで
ある。

このことからして、■、Ｎｂ含有鋼で問題となる軟化層
の形成ならびにこれに鵜因する高温クリープ強度の低下
は、溶接後熱処理が大きく影響していると考えられる。

すなわちＶｓ　Ｎｂ添加鋼の場合、母材処理である焼も
どし処理において高い軟化抵抗を示し、溶接熱影響部に
十分な靭性を付与する必要上、高温の厳しい溶接後熱処
理を施さなければならず、溶接時に母材に生じた熱影響
部がさらに溶接後熱処理によシ熱負荷を受は軟化層全形
成すると考えられるのである。

そして大型部材の場合は、一層厳しい溶接入熱と溶接後
熱処理を受けるので、強度低下が一段と懸念される。

不発明の目的は、この軟化層の形成に起因する高温クリ
ープ強度の低下を抑止し得る溶接継手の製造方法を提供
することにある。

〔問題点全解決する几めの手段〕

■、Ｎ′ｂ′ｆ、含んだ析出強化型の高Ｃｒ　７エライ
ト鋼は従来、母材強度を高める観点から焼ならし後比較
的低い温度の焼もどし処理を施し、焼もどしマルテンサ
イト組織とするのが通例であった。その結果、濱温ビッ
カース硬さはおしなべて２２０を超える。

一方、不発明者らの研究によれば、溶接熱影響部と母材
部との間の軟化層の生成原因は、溶接に伴う入熱によシ
先ず母材の溶接熱形［株］部で軟化をおこし、これに続
く溶接後熱処理中に溶接熱影響部と母材部との間でマル
テンサイト組織の再結晶化を伴つ几更に顕著な軟化がお
ころ几めであることが判明し友。この軟化層は母材や溶
接金属に比べて著しく硬さが低く、こつ７℃ｔＭ）に溶
接継手のクリーブ試験中に変形が集中しクリープ強度全
低下゛させると考えられるのである。

本発明者らは、軟化層の生成原因が上述のようにマルテ
ンサイト組織の再結晶化にあることから、焼ならし・焼
もどし処理後に存在するマルテンサイト組織の転位密度
の高式が軟化層の生成に大きく関与していると考え、こ
の転位密度を低下させることで軟化層の形成を抑え、溶
接継手の高温クリープ強度を高めることができると判断
し、本発明を完成させるに至つ几のである。

すなわち、本発明は溶接に供する材料を常温ビッカース
硬さが２２０以下の低転位密度の組織としておくことに
よって、溶接に伴う軟化層の形成を抑制し、ひいては溶
接後熱処理による軟化層の成長を抑えて、溶接継手の高
温クリープ強度を改善するもので、その要旨とするとこ
ろは、重量％でＣ：　０．０１−０．２５ＸＳＳｊ−：
　１．０％以下、血：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０２
％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ　：　５．０〜１５
．０％、ＳＯｌ、Ａｔ　：　０．０８％以下、Ｎ：０．
００５〜０．０７０％、Ｖ：０．０５〜０．４Ｘ、　Ｍ
Ｏ：　０．０１〜８．０％と更に必要に応じてＮｂ　：
　０．８％以下、Ｗ：８．０％以下の一方または双方を
含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる高Ｃｒフ
ェライト系附熱鋼をＡ３変態点以上で均熱保持（焼なら
し）後、軟化処理によシ硬度をＨｖ２２０以下に調整し
た母材を溶接し、しかる後、７２０℃以上で溶接後熱処
理を行うことを特徴とするクリープ強度の良好な溶接継
手の製造方法にある。

ところで、溶接に供する材料の硬さ全低下させ几場合、
一般には母材の強度低下が懸念される。

しかし不発明者らの得友知見ではＶ（Ｃ，Ｎ）、Ｎ１）
（Ｃ，Ｎ）なる５＆細析出物が高温クリープ強度、特に
高温長時間側強度の保持に大きく寄与し、その低下が効
果的に抑止されるのである。したがって、不発明の方法
によれば母材の短時間側高温クリープ強度は若干低下す
るものの、長時間側強度は安定で従来と同等の性能を確
保でき、この点も不発明の大きな特色である。

以下、本発明の方法を成分限定理由、熱処理条件の順で
詳しく説明する。

ａ、成分限定理由 Ｃ：０．０１％未満ではδ−フェライトの生長が促進さ
れ強度を損う。逆に０．２５％を超えると加工性、溶接
性が著しく害される。したがって０．０１〜０．２５％
としｔ。

Ｓｌ：　脱酸剤として添加し、耐水蒸気酸化性に有効で
あるが、１％を超える・と加工性と靭性を害する。した
がって１％以下とした。

Ｍｎ＝熱間加工性を改善するが、０．１％未満では効果
が小さい。逆に１％を超えると組織が硬化して高温クリ
ープ強度を低下させる。したがって０．２〜１％とした
。

ｐ、　ｓ　：いずれも靭性に有害な不純物元素で、上限
金０．０２％とし友が、できる１奴シ少ない方が良い。

Ｃｒ：耐酸化性に有効な元素で、５％未満では効果が小
さいが、１５％を超えるとδ−フェライトの生長が促進
され強度を損う。し次がって５〜１５％とし次。

Ｍｏ：固溶強化元素で、０．０１％未満では高温クリー
プ強度に対する効果が少なく、８％金超えると金属間化
合物を析出して靭性を損つ。したがって０、Ｏ１〜３．
ＯＸとした。

Ｗ：ＭＯと同様、固溶強化元素である。添加されない場
合もあるが、３％を超えて添加した場合は加工性を著し
く損うため、３．０％以下とした。

Ｖ　：　Ｃ，Ｖと結合してＶ（ＣＳＮ）の微細析出物を
形成し、高温クリープ強度の向上に寄与するが、０．０
５％未満では効果が少ない。逆に０．４％を超えるとか
えって高温クリープ強度が低下する。したがって０．０
５〜０．４％とじ九〇 Ｎ’ｂ　：　Ｃ，Ｎと結合して罰（ｃ、Ｎ）を析出し、
組織の微細化と高温クリープ強度の向上とに寄与する。

添加されない場合もあるが、０．３％を超えて添加され
ると、未固溶析出物が多くなり、高温クリープ強度と溶
接性を損う。したがって０．３％以下とした。

ｓｏｔ、Ａｔ　：脱酸剤として添加されるが、０．０４
％を超えると高温クリープ強度を低下させる。したがっ
て０．０４％以下とした。

Ｎ　：　Ｖ、　Ｎｂと結合して高温クリープ強度の向上
に有効な微細析出物を形成するが、ｏ、□　ｏ　５１０
、未満では効果が小さい。逆に０．０７０％を超えると
加工性、溶接性が低下する。したがって０．００５〜０
．０７０％とした。

ｂ、熱処理条件 第１図に従来法と本発明法の熱処理パターンを例示する
。

従来法では前述したように析出強化型の高Ｏｒフェライ
ト鋼に対し、ａ＆な焼もどしマルテンサイト組織を与え
る之め、母材処理としてＡＪ変態点以上の焼ならし後、
Ａ／変態点以下の比較的低温の焼もどし処理を行う（第
１図（イ）膠原）。その結果、母材硬さはＨｖ＞２２０
となる。

これに対し、不発明法では上記母材処理としてＡＪ変態
点以上の均熱保持（焼ならし）後、硬さをＨｖ　２２０
以下に調整する定めの軟化処理を行う。

この軟化処理としては次の３つが適当である。

■　第１図（ロ）に示すように、温度ＴがＡ／変態点以
下７４０　℃以上で、時間℃が（Ｔ＋２７３　）（２０
＋４０ｇｔ）≧２１４００である焼もどし処理。

■　第１図Ｇ／→に示すように、焼ならし温度からの冷
却を２００°つ筑以下の速度で行う徐冷処理（焼なまし
処理）。

■　第１図に）に示すように、焼ならしの冷却過程でＡ
Ｉ変態点以下７００℃以上の温度に１時間以上保持する
保熱処理。

これら軟化処理の効能については後の〔作用〕のところ
で詳しく述べる。

斯かる母材処理によシ硬さがＨｖ≦２２０に調整された
材料は溶接を受け、更にその後、溶接後熱処理を受ける
が、この溶接後熱処理は溶接部の靭性改善を図るため、
７２０″Ｃ以上の温度で行う。

この温度域の溶接後熱処理を施した場合、従来の母材処
理を受は之■、Ｎｌ）含有鋼では溶接熱影響部と母材と
の間に軟化層を形成し、高温クリープ強度を低下させる
が、不発明に係る母材処理を受けたものではこの部分の
高温クリープ強度が著しく改善され、母材部についても
短時間側の高温クリープ強度が若干低下するのみで、長
時間側の強度は事実上低下が見られない。

〔作用〕

すなわち、■の焼もどし処理によれば焼もどしマルテン
サイト組織の軟化安定化が図られ、その後の溶接および
溶接後熱処理の際に溶接熱影響部と母材との間で組織の
再結晶が抑制され、軟化層の形成を抑える結果、この部
分の高温クリープ強度が向上する。

ここで、焼もどし温度が７４０℃未満であると組織の軟
化は生じるものの加熱に長時間を要し熱経済性を悪化さ
せるので、７４０℃以上の焼もどし温度とする。（Ｔ（
”Ｇり＋２７８）（ｔｏｇｔ（ｈｒ）＋２０）≧２１１
００なる条件は■、Ｎｂ含有高Ｏｒ鋼について不発明者
らが得た、Ｈｖ≦２２０とするのに必要な温度、時間関
係式である。

ま几、■の徐冷処理によれば組織が軟質安定なフェライ
ト＋炭化物組織となって■の焼もどし処理の場合と同様
に、溶接および溶接後熱処理の段階で軟化層の形成を抑
える。ここで、冷却速度が２００℃／ｈを超えると冷却
中の炭化物析出が不十分となシ、必要な軟質フェライト
組織が得られなくなるので２０　ｏ’ｃ／ｈ以下の速度
で冷却を行うことが必要である。

■の保熱処理による場合も■の徐冷処理の場合と同様に
フェライト＋炭化物組織が得られ、溶接部の軟化層形成
が抑制される。

この処理はいわゆる焼なまし処理の一種であるが、ＶＳ
Ｎｂ添加鋼の場合、強度に寄与するＶ（Ｃ。

Ｎ）、Ｎ１）（Ｃ，Ｎ）を十分に析出させる必要から、
７００℃以上で１時間以上の保持とした。すなわち、７
００℃未満でｕＶ（Ｃ，Ｎ）、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）の析出が
遅く、必要な析出量を得られない。また、１時間未満の
保持では厚肉部材の場合にその内部がＡ／変態点以上で
保持される危険音生じる。内部がこの温度域で保持後急
冷されると硬質のマルテンサイト組織を生じ、耐熱鋼と
しての使用が困難になるので、部材全体の均熱均質を図
る意味から、１時間以上の保持とする。

また、■■■の処理によって母材を軟化させても６００
℃以上の高温長時間側の高温クリープの低下が阻止され
るのは熱処理で＠細に析出させｔｖ（ｃ、Ｎ）、Ｎ’ｂ
（Ｃ，Ｎ）Ｋ、！：　る強化と、ＭＯｌＷ（７）固溶強
化が有効に寄与する之めである。すなわち、短時間強度
に対しては、母材の転位密度が高い硬質マルテンサイト
組織が有効であるが、高温クリープ中の転位の回復、組
織の軟化とともに初期組織の影響は小さくなり、Ｖ（Ｃ
，Ｎ）やＮｂ（Ｃ，Ｎ）の析出強化とＭｏ、Ｗの固溶強
化がクリープ強度全支配するようになる。本発明では、
軟質焼もどしマルテンサイトまたはフェライト＋炭化物
組織にするものの、長時間強度に有効なＶ（Ｃ，Ｎ）、
Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）の析出を十分させ、かつ、Ｍｏ％Ｗも十
分均質固溶させているため、長時間クリープ強度は安定
である。

本発明の方法における溶接法としては、特に制限はない
。効果が有効にあられれるのは、比較的溶接入熱の大き
い、平棒溶接、サブマージアーク溶接である。

本発明法においては又、溶接後熱処理として、７２０℃
以上の処理を付与することを条件に加える。この理由は
、７２０℃未満の温度で溶接後熱処理される場合は、従
来法でも溶接継手のクリープ強度低下をおこさないため
である。したがってこの場合は本発明法の適用範囲外で
ある。不発明法は７２０℃以上の苛酷な溶接後熱処理金
族してもなお高度の高温クリープ強度を確保するもので
ある。

〔実施例〕

第１表に化学成分および変態点を示す析出強化型窩Ｃｒ
フエライ）ＷＩＡ−Ｆを５０＆９真空加熱炬で溶解し、
インゴットとした後１１５０〜９５０℃で鍛造して厚さ
５ｗｘの各鍾供試板材を得た。

各供試材に母材処理として従来から行われている１０５
０℃Ｘ１ｈ（空冷）の焼ならし処理および７６０℃Ｘ　
ｌｈ　（空冷）の焼もどし処理を施す一方、不発明例と
してＱＡ、Ｂについては１０５０℃の焼ならし後、■の
焼もどし処理として８００℃Ｘ１ｈの熱処理を行い、綱
Ｃ，Ｄについては■の保熱処理として１０５０℃Ｘ１ｈ
の焼ならしの冷却過程で７５０℃保持炬に移し３時間保
持後空冷し、ＭＥｌＦについては■の徐冷処理として１
０５０℃の焼ならし温度から１８０℃／ｈの速度で冷却
金した。

なお、■の焼もどし処理においてその温度Ｔを上述の８
００℃とし之場合、（Ｔ＋２７８　）（２０＋＃ｇｔ）
≧２１１００’に満足する時間ｔは０．５　ｈｒ以上で
ある。

第２表に各鋼の画材処理法と処理後のビッカーヌ硬さを
示す。従来法で処理したものはいずれもＨｖ＞２２０で
あるが、本発明に係る方法で処理したものはＨｖ≦２２
０となっている。

次に、とれら母材処理全党は之供試材に対し、表面をグ
ラインダーで仕上げ、Ｔ工Ｇ溶接機により下記条件でス
トレートビードオン試験のための溶接全施し、しかる後
、全材料に７４０Ｘ５ｈＡＣの溶接後熱処理（ＳＲ熱処
理を施した。

溶接電流：１２０〜１２５Ａ 溶接電圧：１４〜１４．５Ｖ 溶接速度：　５”／ｍｊ−ｎ ）　−ｆ−カ、Ｋ　：　Ａｒ、　１５　ｔ／ｒｒｌｉｎ
第　　　　２　　　　表 全材料について溶接のままの段階と、溶接後熱処理を施
した段階で材断面の硬さ分布を調査するとともに、溶接
後熱処理を施した材料の溶接部と母材部とから厚さ４〜
、幅６履、平行部３０頭の板状クリープ試験片全採取し
、６５０℃においてクリープ試験を行つ几。

第２図（（イ）（ロ）は屑入を従来法と不発明に係る方
法とで母材処理した場合の、溶接後および溶接後熱処理
の後の溶接部近傍の硬さ分布の調査結果を示し友もので
ある（同図（６）が従来法、同図（に）が不発明法）。

従来法では溶接後熱処理の後、溶接熱影響部と母材との
間に母材に対してＨｖが８０以上も低い軟化層が生じて
いるのに対し、不発明法ではこの差が１５程度にとどま
っている。第８図に全ての鋼について、溶接後熱処理の
後の最軟化部と母材の硬度差を調査しｆｃ結果を示すが
、いずれの鋼種についても、ｆ＋１：発明の方法の適用
により軟化層の生成が大巾に抑制されることが明らかで
ある。

また、第４図は従来法と本発明法とで処理しに鋼Ａの溶
接後熱処理の後の、溶接部と母材部のクリープ試験結果
を示したものである。従来法で処理した場合は溶接部の
高温クリープ強度が害されているが、不発明法による場
合は溶接部の高温クリープ強度が時間を問わず良好であ
シ、母材部についても１０’時間までは従来法の場合と
比べて若干劣るが、１０″時間近くからは従来法の場合
に匹敵する高温クリープ強度全確保している。第８表に
全ての鋼の溶接部と母材部についての６５０℃Ｘｌ０″
ｈクリ一プ破断強度を示す。従来法では継善効果が明ら
かである。

第　　　　３　　　　表 注）　餐強度比−溶接継手／母材 〔発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、不発明は■、Ｎｂヲ含
有する析出強化型窩Ｏｒフェライト鋼の溶接において、
母材部の高温クリープ強度を殆ど低下させることなく溶
接継手部の高温クリープ強度を高めるものであシ、これ
により溶接継手全体に均等たつ良好な高温クリープ強度
を付与せしめて、ボイラ、原子力、化学工業用□熱交換
器等の耐久性、信頼性の向上に大きな効果を奏するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法と本発明法の熱処理パターンを例示した
タイムチャート、第２図は従来法と不発明法とで母材処
理した場合の溶接部近傍の硬さ分布図、第３図は溶接後
熱処理の後の最軟化部と母材部の硬度差を供試鋼の全て
について示した図表、第４図は溶接後熱処理の後の溶接
部と母材部のクリープ試験結果を示す図表である。 第　　１　　図 げ）促木５矢

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％でＣ：０．０１〜０．２５％、Ｓｉ：１．
   ０％以下、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０２％以
   下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：５．０〜１５．０％、
   Ｓｏｌ、Ａｌ：０．０３％以下、Ｎ：０．００５〜０．
   ０７０％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｍｏ：０．０１〜
   ３．０％と更に必要に応じてＮｂ：０．３％以下、Ｗ：
   ３．０％以下の一方または双方を含み残部がＦｅおよび
   不可避的不純物からなる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼をＡ
   ＿３変態点以上で均熱保持（焼ならし）後、軟化処理に
   より硬度をＨｖ２２０以下に調整した母材を溶接し、し
   かる後、７２０℃以上で溶接後熱処理を行うことを特徴
   とするクリープ強度の良好な溶接継手の製造方法。
2. （２）硬度をＨｖ２２０以下に調整する軟化処理が、Ａ
   ＿１変態点以下７４０℃以上の温度Ｔと（Ｔ＋２７３）
   （２０＋ｌｏｇｔ）≧２１１００の時間ｔとを満足する
   熱処理であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のクリープ強度の良好な溶接継手の製造方法。
3. （３）硬度をＨｖ２２０以下に調整する軟化処理が、焼
   ならし温度からの冷却を２００℃／ｈ以下の速度で行う
   徐冷処理（焼なまし処理）であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のクリープ強度の良好な溶接継
   手の製造方法。
4. （４）硬度をＨｖ２２０以下に調整する軟化処理が、焼
   ならし温度からの冷却過程でＡ＿１変態点以下７００℃
   以上の温度に１時間以上保持する保熱処理であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のクリープ強度
   の良好な溶接継手の製造方法。