JPWO2019070000A1 - オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属および溶接構造物 - Google Patents

オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属および溶接構造物 Download PDF

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Abstract

化学組成が、質量％で、C：0.01〜0.10％、Si：0.20〜0.70％、Mn：0.8〜2.5％、P：0.035％以下、S：0.0030％以下、Cu：0.01〜0.60％、Co：0.01〜1.00％、Ni：8.0〜12.0％、Cr：14.5〜17.5％、Mo：1.0〜2.2％、N：0.02〜0.10％、Al：0.030％以下、O：0.020％以下、Sn：0〜0.01％、Sb：0〜0.01％、As：0〜0.01％、Bi：0〜0.01％、V：0〜0.10％、Nb：0〜0.10％、Ti：0〜0.10％、W：0〜0.50％、B：0〜0.005％、Ca：0〜0.010％、Mg：0〜0.010％、REM：0〜0.10％、残部：Feおよび不純物であり、［17.5≦Cr+Mo+1.5×Si≦19.5］および［11.0≦Ni+30×(C+N)+0.5×(Mn+Cu+Co)≦17.0］を満足する、オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属。

Description

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属およびそれを有する溶接構造物に関する。
米国機械学会（ＡＳＭＥ）ＳＡ２１３およびＳＡ２１３Ｍに規定されているＴＰ３１６Ｈは、Ｍｏを含有し、高温での耐食性に優れることから、火力発電プラントおよび石油化学プラントにおける伝熱管および熱交換器の素材として広く使用されている。
例えば、特許文献１には、ＴＰ３１６Ｈと同様、Ｍｏを含有し、さらにＣｅを含有させて高温耐食性を高めたオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。また、特許文献２にはＮｂ，Ｔａ，Ｔｉを含有させてさらに高温強度を高めたオーステナイト系ステンレス鋼などが提案されている。
ところで、これらオーステナイト系ステンレス鋼は、一般には溶接金属を有する溶接構造物として使用される。市販のＮｉ基耐熱合金用溶接材料（例えば、ＪＩＳ Ｚ ３３３４（２０１１） ＳＮｉ６０８２）を用いて得られる溶接金属は、クリープ強度および靭性の観点からは、安定して十分な性能が得られるが、Ｎｉを多量に含有するため高価である。一方、市販のＭｏ含有ステンレス鋼用溶接材料（ＪＩＳ Ｚ ３３２１（２０１０） ＹＳ１６−８−２）を用いて得られる溶接金属は、安価ではあるものの、高温での使用中に脆くて硬いσ相を生成し、クリープ強度が大きく低下する問題がある。
そのため、特許文献３には、ＣおよびＮの含有量を規定するとともに、ＮｂおよびＣｕを積極的に活用することにより、クリープ強度を高め、さらにＰおよびＢの含有量を低減し、溶接時の耐溶接割れ性を高めたＭｏ含有オーステナイト系ステンレス鋼用不活性ガスシールド溶接ワイヤが提案されている。また、特許文献４には、Ｃｒ当量およびＮｉ当量のバランスを調整するとともに、ＮｂおよびＣｕを活用した、クリープ強度と熱処理中の耐再熱割れ性とを両立するＭｏ含有オーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料が提案されている。
特開昭５７−２８６９号公報 特開昭６１−２３７４９号公報 特開平９−３０００９６号公報 特開２０００−１０２８９１号公報
しかしながら、特許文献１または２に記載の溶接材料を使用して、得られる溶接金属において、例えば、実際の大型プラントのような厚肉の溶接構造物として使用した場合のように、拘束の強い溶接継手形状では、溶接金属内に溶接割れが内在する場合があることが明らかとなった。そこで、溶接割れを抑制して優れた耐溶接割れ性を実現することが求められている。
またその一方で、溶接割れを抑制した場合でも、溶接構造物が高温環境（例えば６５０℃環境）に晒されるとクリープ強度に劣る場合があり、そのため耐溶接割れ性に加えて高温環境での安定したクリープ強度を実現することが求められている。
本発明は、高温で使用される機器に用いる構造物を構成する溶接金属であって、耐溶接割れ性に優れかつ高いクリープ強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属、およびにそれを有する溶接構造物の提供を目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属および溶接構造物を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｉ：０．２０〜０．７０％、
Ｍｎ：０．８〜２．５％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．００３０％以下、
Ｃｕ：０．０１〜０．６０％、
Ｃｏ：０．０１〜１．００％、
Ｎｉ：８．０〜１２．０％、
Ｃｒ：１４．５〜１７．５％、
Ｍｏ：１．０〜２．２％、
Ｎ：０．０２〜０．１０％、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｓｎ：０〜０．０１％、
Ｓｂ：０〜０．０１％、
Ａｓ：０〜０．０１％、
Ｂｉ：０〜０．０１％、
Ｖ：０〜０．１０％、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｔｉ：０〜０．１０％、
Ｗ：０〜０．５０％、
Ｂ：０〜０．００５％、
Ｃａ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０１０％、
ＲＥＭ：０〜０．１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式および（ii）式を満足する、
オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属。
１７．５≦Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ≦１９．５ ・・・（ｉ）
１１．０≦Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｏ）≦１７．０ ・・・（ii）
但し、上記式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（２）前記化学組成が、質量％で、Ｓｎ、Ｓｂ、ＡｓおよびＢｉから選択される１種以上を合計で０％超０．０１％以下含有する、
上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属。
（３）前記化学組成が、質量％で、
Ｖ：０．０１〜０．１０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、
Ｗ：０．０１〜０．５０％、
Ｂ：０．０００２〜０．００５％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、および、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．１０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属。
（４）上記（１）から（３）までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属を有する、溶接構造物。
本発明によれば、高温で使用される機器に用いる構造物を構成する溶接金属であって、耐溶接割れ性に優れかつ高いクリープ強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属、およびにそれを有する溶接構造物を得ることができる。
実施例において開先加工を施した板材の形状を示す概略断面図である。
本発明者らは、優れた耐溶接割れ性と構造物としての安定したクリープ強度とを両立するために詳細な調査を行った。その結果、以下の知見を得るに至った。
Ｍｏを含有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属に生じた割れについて調査した結果、（ａ）割れは溶接金属の柱状晶の会合部および多層溶接の積層境界から少し離れた位置に発生し、（ｂ）前者はオーステナイト相の安定性が高くなる成分系にて発生しやすいこと、（ｃ）後者はＳ含有量が多くなると発生しやすいことを見出した。
このことから、前者は所謂、凝固割れであり、オーステナイト相の安定性が高まることにより、溶接金属の凝固形態が変化し、ＰおよびＳなどが凝固偏析しやすくなり、残存液相の融点が低下、液膜が柱状晶の会合部に長時間存在し、その部分が熱応力により開口して生じた割れであると考えられた。また、後者は所謂、延性低下割れであり、溶接中の後続パスの熱サイクルで粒界偏析したＳが粒界の固着力を低下させ、熱応力が固着力を上回り、開口して生じた割れであると考えられた。
そして、検討を重ねた結果、本発明の対象とする組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属において、割れを防止するためには、Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉを１７．５以上とし、かつ、Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｏ）を１７．０以下とするとともに、Ｓ含有量を０．００３０％以下に制限する必要があることが判明した。加えて、溶接割れ感受性を低減する効果を十分に得るため、所定量以上のＣｕおよびＣｏを含有させる必要があることが分かった。
ところで、これらの対策で溶接金属の耐溶接割れ性は確保できたものの、Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉが１９．５を超える、または、Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｏ）が１１．０未満となった場合には、逆にオーステナイト相が不安定となり、高温での使用中にσ相が生成し、クリープ強度を大きく下げることが明らかとなった。
また、Ｓは溶接割れには悪影響を及ぼす一方、溶接金属の形成時に溶け込み深さを増大させ、特に初層溶接時の溶接施工性を高める効果を有する。溶接割れの観点から、Ｓ含有量を０．００３０％以下に管理した場合、溶け込み深さが十分に得られない場合もあることが分かった。これを解決するためには、単純には溶接金属の形成時に溶接入熱を増大させればよいが、入熱の増大は溶接割れの感受性を高める。
そのため、この効果を十分に得たい場合には、Ｓｎ、Ｓｂ、ＡｓおよびＢｉから選択される１種以上を所定の範囲で含有させることが有効であることを併せて見出した。これは、これらの元素が溶接金属の形成時に、溶接中の溶融池の対流に影響を与え、また溶融池表面から蒸発して通電経路の形成に寄与することにより、深さ方向の溶融を促進するためであると考えられた。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
（Ａ）化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０１〜０．１０％
Ｃはオーステナイト相を安定にするとともにＣｒと結合して微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物を多量に析出し、脆化を招く。そのため、Ｃ含有量は０．０１〜０．１０％とする。Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．０９％以下であるのが好ましく、０．０８％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．２０〜０．７０％
Ｓｉは脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の確保に必要な元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合にはオーステナイト相の安定性が低下し、クリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量は０．２０〜０．７０％とする。Ｓｉ含有量は０．２５％以上であるのが好ましく、０．３０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．６０％以下であるのが好ましく、０．５０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎ：０．８〜２．５％
ＭｎはＳｉと同様、脱酸作用を有する元素である。また、オーステナイト相を安定にして、クリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｍｎ含有量は０．８〜２．５％とする。Ｍｎ含有量は０．９％以上であるのが好ましく、１．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は２．２％以下であるのが好ましく、２．０％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは不純物として含まれ、溶接中に凝固偏析して残存液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、クリープ延性も低下させる。そのため、Ｐ含有量に上限を設けて０．０３５％以下とする。Ｐ含有量は０．０３２％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料製造時のコストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．０００８％以上であるのがより好ましい。
Ｓ：０．００３０％以下
ＳはＰと同様に不純物として含まれ、溶接中に凝固偏析して残存液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める。また、凝固後も後続パスの熱サイクルにより、粒界偏析して延性低下割れ感受性も高める。そのため、Ｓ含有量に上限を設けて０．００３０％以下とする。Ｓ含有量は０．００２５％未満であるのが好ましく、０．００２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｓ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料製造時のコストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００２％以上であるのがより好ましい。
Ｃｕ：０．０１〜０．６０％
Ｃｕはオーステナイト相の安定性を高めて、クリープ強度の向上に寄与する。また、ＮｉおよびＭｎに比べて、ＰおよびＳなどの偏析エネルギーに与える影響が小さく、凝固偏析を軽減し、溶接割れ感受性を低減する効果が期待できる。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合、延性の低下を招く。そのため、Ｃｕ含有量は０．０１〜０．６０％とする。Ｃｕ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｕ含有量は０．５５％以下であるのが好ましく、０．５０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｏ：０．０１〜１．００％
ＣｏはＣｕと同様、オーステナイト相の安定性を高めて、クリープ強度の向上に寄与する元素である。また、ＮｉおよびＭｎに比べて、ＰおよびＳなどの偏析エネルギーに与える影響が小さく、凝固偏析を軽減し、溶接割れ感受性を低減する効果が期待できる。しかしながら、Ｃｏは高価な元素であるため、過剰の含有は材料の製造コスト増を招く。そのため、Ｃｏ含有量は０．０１〜１．００％とする。Ｃｏ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｏ含有量は０．９０％以下であるのが好ましく、０．８０％以下であるのがより好ましい。
Ｎｉ：８．０〜１２．０％
Ｎｉは長時間使用時のオーステナイト相の安定性を確保するために必須の元素である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有は材料の製造コストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量は８．０〜１２．０％とする。Ｎｉ含有量は８．２％以上であるのが好ましく、８．５％以上であるのがより好ましい。また、Ｎｉ含有量は１１．８％以下であるのが好ましく、１１．５％以下であるのがより好ましい。
Ｃｒ：１４．５〜１７．５％
Ｃｒは高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。また、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。しかしながら、多量の含有はオーステナイト相の安定性を低下させ、逆にクリープ強度を損ねる。そのため、Ｃｒ含有量は１４．５〜１７．５％とする。Ｃｒ含有量は１５．０％以上であるのが好ましく、１５．５％以上であるのがより好ましい。また、Ｃｒ含有量は１７．２％以下であるのが好ましく、１７．０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｏ：１．０〜２．２％
Ｍｏはマトリックスに固溶して高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する元素である。加えて、耐食性の向上にも有効である。しかしながら、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させ、クリープ強度を損ねる。さらに、Ｍｏは高価な元素であるため、過剰の含有は材料の製造コストの増大を招く。そのため、Ｍｏ含有量は１．０〜２．２％とする。Ｍｏ含有量は１．１％以上であるのが好ましく、１．２％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｏ含有量は２．１％以下であるのが好ましく、２．０％以下であるのがより好ましい。
Ｎ：０．０２〜０．１０％
Ｎはオーステナイト相を安定にするとともに、固溶して、または窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する。しかしながら、過剰に含有すると、延性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量は０．０２〜０．１０％とする。Ｎ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０４％以上であるのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．０９％以下であるのが好ましく、０．０８％以下であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．０３０％以下
Ａｌは、多量に含有すると清浄性が劣化し、延性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．０３０％以下とする。Ａｌ含有量は０．０２５％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ａｌ含有量について特に下限を設ける必要はなく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料の製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
Ｏ：０．０２０％以下
Ｏ（酸素）は不純物として含まれる。その含有量が過剰になると靱性および延性の劣化を招く。このため、Ｏ含有量は０．０２０％以下とする。Ｏ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのがより好ましい。なお、Ｏ含有量について特に下限を設ける必要はなく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料の製造コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．０００８％以上であるのがより好ましい。
上述のように、Ｃｒ、ＭｏおよびＳｉは、オーステナイト相の安定性に影響を及ぼす。そのため、各元素の含有量が上記の範囲内となるだけでなく、下記（ｉ）式を満足する必要がある。（ｉ）式中辺値が１９．５を超えると、オーステナイト相の安定性が低下し、高温での使用中に脆いσ相を生成してクリープ強度が低下する。一方、１７．５未満となると、オーステナイト相の安定性は高まるものの、溶接時の高温割れが発生しやすくなる。（ｉ）式左辺値は、１７．８であるのが好ましく、１８．０であるのがより好ましい。一方、（ｉ）式右辺値は、１９．２であるのが好ましく、１９．０であるのがより好ましい。
１７．５≦Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ≦１９．５ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
また、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、Ｍｎ、ＣｕおよびＣｏは、オーステナイト相の安定性に影響を及ぼす。そのため、各元素の含有量が上記の範囲内となるだけでなく、下記（ii）式を満足する必要がある。（ii）式中辺値が１１．０未満となると、オーステナイト相の安定性が十分でなく、高温での使用中に脆いσ相を生成してクリープ強度が低下する。一方、１７．０を超えると、オーステナイト相が過剰に安定となり、溶接時の高温割れが発生しやすくなる。（ii）式左辺値は、１１．２であるのが好ましく、１１．５であるのがより好ましい。一方、（ii）式右辺値は、１６．８であるのが好ましく、１６．５であるのがより好ましい。
１１．０≦Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｏ）≦１７．０ ・・・（ii）
但し、上記式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
本発明の溶接金属の化学組成において、上記の元素に加えて、さらにＳｎ、Ｓｂ、ＡｓおよびＢｉから選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。その理由について説明する。
Ｓｎ：０〜０．０１％
Ｓｂ：０〜０．０１％
Ａｓ：０〜０．０１％
Ｂｉ：０〜０．０１％
Ｓｎ、Ｓｂ、ＡｓおよびＢｉは、溶接金属の形成、すなわち溶接中の溶融池の対流に影響を与え、溶融池の鉛直方向の熱輸送を促進する、または、溶融池表面から蒸発して通電経路を形成してアークの集中度を高めることにより、溶け込み深さを大きくする効果を有する。そのため、これらの元素から選択される１種以上を必要に応じて含有させてもよい。しかし、過剰な含有は、溶接割れ感受性を高めるため、いずれの元素の含有量も０．０１％以下とする。各元素の含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００６％以下であるのがより好ましい。
上記の効果を得たい場合には、上記の元素から選択される１種以上の含有量を０％超とするのが好ましく、０．０００５％以上とするのがより好ましく、０．０００８％以上とするのがさらに好ましく、０．００１％以上とするのがより一層好ましい。また、これらの元素から選択される２種以上を複合的に含有させる場合には、その合計含有量を０．０１％以下とするのが好ましく、０．００８％以下とするのがより好ましく、０．００６％以下とするのがさらに好ましい。
本発明の溶接金属の化学組成において、上記の元素に加えて、さらにＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｗ、Ｂ、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭから選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。各元素の限定理由について説明する。
Ｖ：０〜０．１０％
ＶはＣおよび／またはＮと結合して、微細な炭化物、窒化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は０．１０％以下とする。Ｖ含有量は０．０９％以下であるのが好ましく、０．０８％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｖ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｎｂ：０〜０．１０％
ＮｂはＶと同様、Ｃおよび／またはＮと結合して、微細な炭化物、窒化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０８％以下であるのが好ましく、０．０６％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｔｉ：０〜０．１０％
ＴｉはＶおよびＮｂと同様、Ｃおよび／またはＮと結合して、微細な炭化物、窒化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度に寄与するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量は０．１０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０８％以下であるのが好ましく、０．０６％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｗ：０〜０．５０％
ＷはＭｏと同様にマトリックスに固溶して高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、オーステナイト相の安定性を低下させ、かえってクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｗ含有量は０．５０％以下とする。Ｗ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｗ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましい。
Ｂ：０〜０．００５％
Ｂは粒界炭化物を微細分散させることにより、クリープ強度を向上させるとともに、粒界に偏析して粒界を強化して延性低下割れ感受性を低減することにも一定の効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、逆に凝固割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。Ｂ含有量は０．００４％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましく、０．０００５％以上であるのがより好ましい。
Ｃａ：０〜０．０１０％
Ｃａは熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間での変形能を劣化させる。そのため、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００５％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｃａ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
Ｍｇ：０〜０．０１０％
ＭｇはＣａと同様、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間での変形能を劣化させる。そのため、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、０．００５％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
ＲＥＭ：０〜０．１０％
ＲＥＭはＣａおよびＭｇと同様、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、過剰に含有すると、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間での変形能を劣化させる。そのため、ＲＥＭ含有量は０．１０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０８％以下であるのが好ましく、０．０６％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、ＲＥＭ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましい。
ここで、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。
本発明の溶接金属の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
（Ｂ）製造方法
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属は、オーステナイト系ステンレス鋼の母材を溶接して作製される。なお、母材を溶接する際に溶接材料（溶加材）を用いてオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属を作製してもよい。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属を得るための溶接方法について、特に限定されるものではないが、例えば、ティグ溶接、ミグ溶接、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、レーザー溶接等が挙げられる。
オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属を前記の化学組成を満たすように作製する方法としては、用いるオーステナイト系ステンレス鋼の母材の化学組成を調整することで制御する方法、さらに溶接材料（溶加材）を用いる場合にはその溶接材料の化学組成も併せて調整することで制御する方法、が挙げられる。
例えば、用いるオーステナイト系ステンレス鋼の母材および溶接材料（溶加材）として、前記の化学組成を満たす材料のみを用いることで、得られる溶接金属が前記化学組成を満たすよう作製してもよい。また、オーステナイト系ステンレス鋼の母材および溶接材料（溶加材）の少なくとも一方に、前記の化学組成を満たさない材料を用いつつ、その両者の組成のバランスを調整することで、得られる溶接金属が前記化学組成を満たすよう作製してもよい。
なお、前記オーステナイト系ステンレス鋼母材の好ましい組成としては、特に限定されるものではない。例えば、母材の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．２５〜０．５５％、Ｍｎ：０．７〜２．０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．００１５％以下、Ｃｕ：０．０２〜０．８０％、Ｃｏ：０．０２〜０．８０％、Ｎｉ：１０．０〜１４．０％、Ｃｒ：１５．５〜１７．５％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｎ：０．０１〜０．１０％、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｏ：０．０２０％以下、Ｓｎ：０〜０．０１％、Ｓｂ：０〜０．０１％、Ａｓ：０〜０．０１％、Ｂｉ：０〜０．０１％、Ｖ：０〜０．１０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１０％、Ｗ：０〜０．５０％、Ｂ：０〜０．００５％、Ｃａ：０〜０．０１０％、Ｍｇ：０〜０．０１０％、ＲＥＭ：０〜０．１０％、残部：Ｆｅおよび不純物であることが好ましい。
前記母材の化学組成は、質量％で、Ｓｎ、Ｓｂ、ＡｓおよびＢｉから選択される１種以上を合計で０％超０．０１％以下含有してもよい。さらに、前記母材の化学組成は、質量％で、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、Ｗ：０．０１〜０．５０％、Ｂ：０．０００２〜０．００５％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、および、ＲＥＭ：０．０００５〜０．１０％、から選択される１種以上を含有してもよい。
また、上記のオーステナイト系ステンレス鋼の母材および溶接材料（溶加材）の製造方法について特に制限は設けないが、化学組成が調整された鋼に対して、常法により、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工を順に施すことにより製造することができる。
（Ｃ）溶接構造物
本発明に係る溶接構造物は、上述したオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属を有する構造物である。例えば、溶接構造物は、溶接金属と母材とからなる。母材は、金属からなり、鋼材であることが好ましく、ステンレス鋼であることがより好ましく、オーステナイト系ステンレス鋼であることがさらに好ましい。なお、溶接構造物の具体的形状、溶接構造物を得るための溶接の具体的態様（溶接姿勢）は特に限定されない。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する鋼を溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板材（母材）および板厚４ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍの板材を作製した。さらに、上記の板厚４ｍｍの板材を用い、機械加工により、２ｍｍ角、長さ５００ｍｍのカットフィラーを作製した。これらを用いて、以下に示す各種の性能評価試験を行った。
Figure 2019070000
＜溶接施工性＞
上記母材の長手方向の端部に、図１に示す形状の開先加工を施した。その後、開先を形成した母材を２つ突き合わせ、溶加材を用いずに、ティグ溶接により突き合わせ溶接を行った。入熱８ｋＪ／ｃｍとして、各母材につき２つずつ溶接継手を作製した。得られた溶接継手のうち、２つとも溶接線の全長にわたり、裏ビードが形成されたものを溶接施工性が良好であるとし、「合格」とした。中でも、全長にわたり、裏ビード幅が２ｍｍ以上であったものを「良」、一部でも２ｍｍを下回る部分があったものを「可」と判定した。また、２つの溶接継手のうち一部でも裏ビードが形成されない部分があった場合は「不合格」と判定した。
＜耐溶接割れ性＞
その後、初層のみ溶接した上記溶接継手を、市販の鋼板上に四周を拘束溶接した。なお、上記市販の鋼板は、ＳＭ４００ＢのＪＩＳ Ｇ ３１６０（２００８）に規定の鋼板であり、厚さ３０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍであった。また、上記の拘束溶接は、ＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定の被覆アーク溶接棒ＥＮｉ６６２５を用いて行った。
その後、開先内にティグ溶接により積層溶接を行った。上記の積層溶接は、各母材と同じ板材から得られたカットフィラーを溶加材として用いて行った。入熱９〜１５ｋＪ／ｃｍとし、各母材につき２つずつ溶接継手を作製した。そして、各母材から作製された溶接継手のうちの１体について、５か所から試験片を採取した。採取された試験片の横断面を鏡面研磨してから腐食し、光学顕微鏡により観察して、溶接金属における割れの有無を調査した。そして、５個の全ての試験片で割れのない溶接継手を「合格」、割れが観察された溶接継手を「不合格」と判断した。なお、初層溶接金属は母材を溶融させたままであること、母材とカットフィラーとは同組成であることから、表１の化学組成は溶接金属の化学組成と同義である。
＜クリープ破断強さ＞
さらに、耐溶接割れ性の評価で「合格」となった溶接継手の残り１体から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取し、母材の目標破断時間が約１０００時間となる６５０℃、１６７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。そして、破断時間が母材の目標破断時間の９０％以上となるものを「合格」とした。
それらの結果を表２にまとめて示す。
Figure 2019070000
表２から分かるように、本発明の規定を満足する鋼Ａ〜Ｆを母材および溶加材の双方に用いた試験Ｎｏ．１〜６では、溶接継手の作製時に必要な施工性および耐溶接割れ性を有するとともに、クリープ強度に優れる結果となった。また、試験Ｎｏ．４と試験Ｎｏ．５および６とを比較して分かるように、Ｓを低減した場合、Ｓｎ、Ｓ、ＡｓおよびＢｉから選択される１種以上を含有させることで、溶接施工性の改善が認められた。
それに対して、比較例である鋼ＧはＳ含有量が規定から外れているため、それを用いた試験Ｎｏ．７では、溶接金属の多層溶接の積層境界近傍に延性低下割れと判断される割れが発生した。また、鋼Ｈは（ii）式の下限を下回り、鋼Ｉは（ｉ）式の上限を上回ったため、オーステナイト相の安定性が不十分であった。その結果、それらを用いた試験Ｎｏ．８および９では、高温のクリープ試験においてσ相を生成し、必要なクリープ強度が得られなかった。
また、鋼Ｊは（ii）式の上限を超え、鋼Ｋは（ｉ）式の下限を下回り、鋼Ｌは（ｉ）式の下限を下回るとともに、（ii）式の上限を超えた。そのため、それらを用いた試験Ｎｏ．１０〜１２では、オーステナイト相の安定性が過剰に高まり、溶接金属の凝固時にＳおよびＰの凝固偏析が助長され、溶接金属に凝固割れと判断される割れが発生した。
さらに、鋼Ｍ、ＮおよびＯはＣｕおよびＣｏの一方または両方を含有しないため、それらを用いた試験Ｎｏ．１３〜１５では、ＰおよびＳの粒界偏析軽減効果が得られず、溶接金属に凝固割れと判断される割れが発生した。
表３に示す化学組成を有する鋼を溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板材（母材）を作製した。これを用いて、以下に示す各種の性能評価試験を行った。
Figure 2019070000
＜耐溶接割れ性＞
上記母材の長手方向の端部に、図１に示す形状の開先加工を施した。その後、開先を形成した母材を２つ突き合わせ、裏ビードと干渉しないよう溝加工を施した市販の鋼板上に四周を拘束溶接した。なお、上記市販の鋼板は、ＳＭ４００ＢのＪＩＳ Ｇ ３１６０（２００８）に規定の鋼板であり、厚さ３０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍであった。また、上記の拘束溶接は、ＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定の被覆アーク溶接棒ＥＮｉ６６２５を用いて行った。
その後、開先内にティグ溶接により積層溶接を行った。上記の積層溶接は、鋼Ａの板材から得られたカットフィラーを溶加材として用いて行った。入熱９〜１５ｋＪ／ｃｍとし、各母材につき２つずつ溶接継手を作製した。そして、各母材から作製された溶接継手のうちの１体について、溶接金属から切粉を採取し、化学分析を行うとともに、５か所から試験片を採取した。採取された試験片の横断面を鏡面研磨してから腐食し、光学顕微鏡により観察して、溶接金属における割れの有無を調査した。そして、５個の全ての試験片で割れのない溶接継手を「合格」、割れが観察された溶接継手を「不合格」と判断した。
＜クリープ破断強さ＞
さらに、溶接継手の残り１体から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取し、母材の目標破断時間が約１０００時間となる６５０℃、１６７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。そして、破断時間が母材の目標破断時間の９０％以上となるものを「合格」とした。
それらの結果を表４および５にまとめて示す。
Figure 2019070000
Figure 2019070000
表４および５から分かるように、溶接金属の化学組成が本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．１６〜１８では、溶接継手の作製時に必要な施工性および耐溶接割れ性を有するとともに、クリープ強度に優れる結果となった。
以上のように、本発明の要件を満足する場合のみ、必要な溶接施工性および耐溶接割れ性ならびに優れたクリープ強度が得られることが分かる。
本発明によれば、高温で使用される機器に用いる構造物を構成する溶接金属であって、耐溶接割れ性に優れかつ高いクリープ強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属、およびにそれを有する溶接構造物を得ることができる。

Claims (4)

  1. 化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．０１〜０．１０％、
    Ｓｉ：０．２０〜０．７０％、
    Ｍｎ：０．８〜２．５％、
    Ｐ：０．０３５％以下、
    Ｓ：０．００３０％以下、
    Ｃｕ：０．０１〜０．６０％、
    Ｃｏ：０．０１〜１．００％、
    Ｎｉ：８．０〜１２．０％、
    Ｃｒ：１４．５〜１７．５％、
    Ｍｏ：１．０〜２．２％、
    Ｎ：０．０２〜０．１０％、
    Ａｌ：０．０３０％以下、
    Ｏ：０．０２０％以下、
    Ｓｎ：０〜０．０１％、
    Ｓｂ：０〜０．０１％、
    Ａｓ：０〜０．０１％、
    Ｂｉ：０〜０．０１％、
    Ｖ：０〜０．１０％、
    Ｎｂ：０〜０．１０％、
    Ｔｉ：０〜０．１０％、
    Ｗ：０〜０．５０％、
    Ｂ：０〜０．００５％、
    Ｃａ：０〜０．０１０％、
    Ｍｇ：０〜０．０１０％、
    ＲＥＭ：０〜０．１０％、
    残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    下記（ｉ）式および（ii）式を満足する、
    オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属。
    １７．５≦Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ≦１９．５ ・・・（ｉ）
    １１．０≦Ｎｉ＋３０×（Ｃ＋Ｎ）＋０．５×（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｏ）≦１７．０ ・・・（ii）
    但し、上記式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
  2. 前記化学組成が、質量％で、Ｓｎ、Ｓｂ、ＡｓおよびＢｉから選択される１種以上を合計で０％超０．０１％以下含有する、
    請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属。
  3. 前記化学組成が、質量％で、
    Ｖ：０．０１〜０．１０％、
    Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
    Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、
    Ｗ：０．０１〜０．５０％、
    Ｂ：０．０００２〜０．００５％、
    Ｃａ：０．０００５〜０．０１０％、
    Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、および、
    ＲＥＭ：０．０００５〜０．１０％、
    から選択される１種以上を含有する、
    請求項１または請求項２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属を有する、溶接構造物。
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