WO2000021711A1 - Materiau en poudre pour le recouvrement de plasma en poudre et metal de recouvrement du plasma en poudre - Google Patents

Materiau en poudre pour le recouvrement de plasma en poudre et metal de recouvrement du plasma en poudre Download PDF

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welding
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plasma
test
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Masakazu Matsui
Akira Noutomi
Toshiaki Nishio
Takayuki Maeda
Iwami Ishihara
Tetsuji Yamaguchi
Yoshimi Onitsuka
Yuichi Kojima
Ryoji Miki
Takashi Inami
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Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0285—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding

Definitions

  • the present invention relates to a powder material and a powder plasma material used when performing bright powder plasma overlay welding for the purpose of corrosion resistance, abrasion resistance, etc. of furnace tubes and furnace wall panels of industrial recovery boilers such as paper mills. Sori-weld metal related. Background art
  • 18% C r overlay welding material is used.
  • 18% Cr coated arc welding rods and 18% Cr gas shielded arc welding wires have been used as the overlay material.
  • FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a conventionally known powder plasma overlay welding apparatus. That is, a pilot arc power supply 10 is connected between the tungsten electrode 1 and the nozzle 2, and a DC power supply 12 is connected between the tungsten electrode 1 and the base material 11 to be welded. Outside the nozzle 1, an intermediate nozzle 3 force S is arranged, and outside the intermediate nozzle 3, an outer nozzle 4 is arranged. Plasma gas (for example, Ar gas) is supplied between the tungsten electrode 1 and the nozzle 2, and powder material for overlay welding is supplied between the nozzle 2 and the intermediate nozzle 3 (for example, Ar gas).
  • Plasma gas for example, Ar gas
  • powder material for overlay welding is supplied between the nozzle 2 and the intermediate nozzle 3 (for example, Ar gas).
  • FIG. 2 is a diagram showing a situation where powder plasma welding is performed on a carbon steel pipe. That is, a plasma arc is generated between the carbon steel pipe 5 (for example, JISSTB 410) and the plasma welding torch 6 disposed opposite to the carbon steel pipe 5, and the supplied powder material is melted to form a molten pool 7 in order. By temporarily moving the plasma welding torch 6, the molten pool 7 solidifies to form a weld metal.
  • a shield gas for example, Ar gas
  • the welding amount of the coated arc welding and the MAG welding method is a maximum of about 3 kg Z 1 hr.
  • the force S, and the maximum capacity of 4 to 6 kg Z lhr can be Can be achieved.
  • highly efficient welding can be realized.
  • the powder plasma build-up welding method has a smaller dilution ratio with the base material than the current MAG welding method, so that a decrease in the Cr content in the build-up weld metal can be suppressed.
  • high quality weld metal can be obtained because there are few welding defects such as blowholes and poor fusion.
  • the present invention is directed to the use of powder plasma build-up welding, which is a high-efficiency welding method, for build-up welding performed for the purpose of corrosion resistance, wear resistance, and the like of furnace tubes and furnace wall panels of a recovery boiler.
  • An object of the present invention is to provide a powder material for powder plasma overlay welding, which is excellent in quality.
  • the inventor of the present invention has conducted intensive studies and found that C: 0.06 to 0.15%, Si: 0.2 to 1.0%, Mn: 0.2 to 1.0%, Cr; 17 to 3 ⁇ %, Nb; 0.6 to 1.5%, Ni: 0.5% or less, the balance being Fe and unavoidable impurities.
  • the weld metal has excellent corrosion resistance and bending properties.
  • the present invention basically contains 17 to 30% Cr, the amount of corrosion thinning of the recovered boiler varies depending on the heat load and operating conditions, and also at the position in the boiler.
  • use materials with high Cr content hereinafter sometimes referred to as 25Cr-based materials
  • 25Cr-based materials use materials with high Cr content
  • 18Cr-based material By using a material with a low Cr content (hereinafter sometimes referred to as 18Cr-based material), the cost can be reduced.
  • the 25 Cr-based material is C; 0.06 to 0.15%, Si; 0.2 to: 1.0%, Mn; 0.2 to 1.0%, Cr; 23 to 30%, Nb; 0.6 to: 1.5%, Ni; 0.5% or less, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
  • 8 Cr-based materials include: C; 0.06 to 0.15%, Si; 0.2 to: 1.0%, Mn: 0.2 to 1.0%, Cr; 17 ⁇ 23%, Nb; 0.6 ⁇ : 1.5%, Ni; 0.5% or less And the balance is Fe and inevitable impurities.
  • the powder material of the present invention is not limited to the case of only the alloy powder having the above composition, but finally has the above composition, such as a mixture of metal powder of each constituent element, a mixture of alloy powder of a plurality of elements, and the like. It is not particularly limited as long as it is a combination of metal powder and alloy powder. Further, the powder material of the present invention is usually adjusted to a particle size of about 63 to 500 ⁇ m and supplied to powder plasma overlay welding, but this particle size does not limit the present invention. Absent. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a powder plasma overlay welding apparatus.
  • FIG. 2 is a diagram showing the state of powder plasma overlay welding.
  • FIG. 3 is a diagram showing a shape of a front bending test piece in an example of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a procedure for performing a table bending test in an example of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the conditions of the corrosion test in the example of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a method of obtaining a dilution ratio between a test material and a base material in an example of the present invention.
  • C is an unavoidable element for the purpose of forming carbides such as NbC and TiC to reduce the crystal grain size of the weld metal. If the amount of C is less than 0.06%, the strength of the weld metal becomes poor, so it was decided to contain C in an amount of not less than 0.06%. However, if the content is too large, the weld metal structure is significantly hardened. You. The preferred range of C is 0.06 to 0.12%.
  • Si is an element contained for the purpose of deoxidation, and if it is less than 0.2%, a sufficient deoxidizing effect cannot be obtained. However, if the content is too large, the toughness of the deposited metal is degraded, so it must be suppressed to 1.0% or less.
  • the preferred amount of Si is 0.3 to 0.8%.
  • Mn is an element that is effective in deoxidizing, securing strength, and improving toughness. However, if it is less than 0.2%, the effect of deoxidation cannot be sufficiently obtained, and if it is too large, the structure is hardened and the toughness is reduced, so it must be suppressed to 1.0% or less.
  • the preferred amount of Mn is 0.3% to 0.8%.
  • Cr is a basic component for ensuring corrosion resistance and high-temperature strength. As described above, in the present invention, it is allowed to contain Cr in the range of 17 to 30%. However, in a place where the corrosion thinning is severe, 23 to 30% of Cr is considered in consideration of corrosion resistance. 18 to 23% Cr in consideration of cost and dilution with the base material in places with relatively little corrosion loss 18 It is recommended to use Cr-based materials.
  • the Cr content is preferably set to 23 to 17%.
  • Ni is an austenite forming element like C and Mn.
  • Cr is in the range of 17% to 30%, when Ni is added excessively, a martensite structure is generated, and the structure is hardened and the bending characteristics cannot be obtained. Therefore, it was set to 0.5% or less.
  • Nb combines with C to form fine and stable precipitates (carbides), and reduces the size of the weld metal crystal grains to 1 ⁇ m or less. Good bending characteristics and toughness can be obtained by refining the crystal grains.
  • Nb is related to the welding workability (melt pool flow, arc stability, etc.), and when added in excess of 1.5%, the welding workability is significantly reduced.
  • the content of Nb is set to 0.6 to 1.5%.
  • the preferred amount of Nb is 0.7 to: L. 3%.
  • the above-mentioned materials of the present invention may contain one or two of A1; 0.03 to 0.15% and Ti; 0.08 to 0.18%.
  • a 1 serves as a deoxidizing agent and also contributes to the refinement of crystal grains together with N b.
  • the ratio is less than 0.03%, the crystal grains of the weld metal become coarse, and good bending characteristics cannot be obtained.
  • it exceeds 0.15% the amount of slag in the molten pool is large, and the flow of molten metal deteriorates, deteriorating welding workability. Therefore, it was set to 0.03 to 0.15%.
  • Ti also acts as a deoxidizing agent like A1, and together with Nb, contributes to the refinement of crystal grains.
  • D 1 the content of D 1 is less than 0.08%, the crystal grains of the weld metal become coarse and good bending properties cannot be obtained.
  • the ratio of the porcelain exceeds 0.18%, there is much slag in the molten pool, and the flow of molten metal deteriorates, deteriorating the welding workability. Therefore, it was set to 0.08 to 0.18%.
  • the welding metal using the powder material for powder plasma overlay welding of the present invention described above is as follows: C: 0.06 to 0.15%, Si: 0.2 to 1.0%, Mn: 0.2. To 1.0%, Cr; 17 to 30%, Nb; 0.6 to: 1.5%, Ni; 0.
  • Example 2 the balance is composed of Fe and unavoidable impurities, and the crystal grain size is as fine as 100 ⁇ m or less, so that it has excellent corrosion resistance and excellent bending properties.
  • Example 3 the balance is composed of Fe and unavoidable impurities, and the crystal grain size is as fine as 100 ⁇ m or less, so that it has excellent corrosion resistance and excellent bending properties.
  • Powder plasma cladding was performed as described above using alloy powder materials (particle sizes 63 to 500/111) having the chemical compositions shown in Table 3. Table 3 shows the results of each evaluation and test. Table 3
  • No. 1 in Table 3 —:! The test materials of No. 1 to No. 5 are examples satisfying the requirements of the present invention, and good results are obtained in both welding workability and bending characteristics.
  • No. 1-6 to No. 1-13 are comparative examples lacking any of the specified requirements of the present invention.
  • No. 1-4 is the SUS304 base metal used in the corrosion test described later, and
  • No. 1-15 is the conventional 18Cr overlay material (all weld metal components of the MAG welding wire). It is.
  • No. 1-6 has a C content of 0.17%, which exceeds the upper limit of the present invention, so that the weld metal structure is extremely hardened and the bending properties are poor.
  • No. 1-7 has a Si content of 1.40%, which exceeds the upper limit of the present invention, so that toughness is reduced and bending properties are poor.
  • No. 1 — 8 has an Mn content of 1.51%, exceeding the upper limit of the present invention. As a result, the weld metal structure hardens and the toughness decreases, resulting in poor bending properties.
  • No. 10 and No. 1 — 1 1! [1] exceeds the upper limit of the present invention, the structure is hardened remarkably, and does not have good bending properties.
  • the content of Nb is below 0.42 ⁇ 1 ⁇ 2, which is lower than the lower limit of the present invention, and the crystal grains are coarsened and good bending characteristics cannot be obtained.
  • the content of Nb in No. 1-13 was 1.70%, exceeding the upper limit of the present invention, so that a large amount of fumes were generated during welding and the welding workability was significantly reduced. .
  • Corrosion tests and dilution rates were evaluated for the test materials No. 1-1, 1-3, 1-14 and 1-15 described above.
  • Corrosion test as shown in FIG. 5, by immersing the sample material 35 during the grinding smelt 3 3 of the crucible 3 in 1, test gas (1% SO 2 - 2% O 2 - 1 5% CO 2 - N 2 bal) to 400. C was flowed for 100 hours, and the amount of corrosion loss after that was measured. The smelt collected from the actual machine was used as the attached ash to be attached to the test material 35 during the corrosion test. Further, as shown in FIG.
  • the dilution ratio was calculated by calculating the area a of the weld metal 43 on the base metal 41 and the area b of the weld metal 43 diffused in the base metal 41 in the cross section of the test material.
  • Table 4 shows the corrosion test results and dilution ratio. Due to the dilution with the base metal, the Cr content of the overlay weld metal further decreased, and the Cr content of No. 1-1 and NO. 1-3 became 14.6% and 16.0%, respectively. Was. Conventional 18 Cr overlay material Because of the MAG welding method, a certain No. 1-15 had a higher dilution ratio than the powder plasma overlay welding method, and the Cr content of the single-layer overlay welding metal was 14.0%. . Table 4
  • the amount of corrosion thinning depends only on the amount of Cr, and that the amount of corrosion thinning does not change even if other elements are increased or decreased.Therefore, in the following examples, A 1 and T i Although some are added, it is judged that the corrosion resistance does not change by the addition of these elements.
  • the present invention provides an unprecedented excellent powder plasma overlay welding material, and as a result, achieves high efficiency in the overlay welding of the furnace evaporation tube of the recovery boiler.
  • the dilution rate is smaller than that of the conventional MAG welding method, and high-quality overlay welding can be performed.
  • Powder plasma cladding was performed using an alloy powder material (particle diameter 63 to 500 m) having the chemical composition shown in Table 5. Table 5 shows the results of each evaluation and test.
  • test materials of No. 2-1 to ⁇ 2-5 in Table 5 are examples satisfying the requirements of the present invention, and good results are obtained in both welding workability and bending characteristics.
  • N o. 2- 6 are significantly coarsened crystal grains because the lower limit of the present invention the content of A 1, c nor good bending properties are obtained
  • N o. 2- 7 is A 1 exceeds the upper limit, and the flow of molten metal in the molten pool is poor, and thus the welding workability is poor.
  • Powder plasma cladding was performed using an alloy powder material (particle diameter 63 to 500 ⁇ ) having the chemical composition shown in Table 6. Table 6 shows the results of each evaluation and test.
  • test materials No. 3—l to No. 3—5 in Table 6 are examples satisfying the requirements of the present invention, and good results were obtained in both welding workability and bending characteristics. Have been. On the other hand, in the case of No. 3-6, T i exceeds the upper limit, the slag amount is large and the flow of molten metal in the molten pool is poor, and therefore the welding workability is poor. Table 6
  • Front bending is 6 (T is acceptable if it is above.
  • Powder plasma cladding was performed using an alloy powder material (particle size 63 to 500 m) having the chemical composition shown in Table 7. Table 7 shows the results of each evaluation and test.
  • test materials of No. 4—l to No. 4—5 in Table 7 are examples satisfying the requirements of the present invention, and all have a bending angle of 180 ° and have excellent bending characteristics. Indicated.
  • Example 4 Comparing Example 4 with Example 2 (addition of only A1) and Example 3 (addition of only Ti), it was found that the composite addition of A1 and Ti was more effective than the case where each was added alone. It can be seen that a good bending angle can be obtained in the front bending test.
  • Powder plasma cladding was performed using an alloy powder material (particle diameter 63 to 500 m) having the chemical composition shown in Table 8. Table 8 shows the results of each evaluation and test. For some test materials, the same corrosion test and dilution ratio evaluation as in Example 1 were performed.
  • the test materials of No. 5 to No. 5-5 are examples that satisfy the requirements of the present invention, and good results are obtained in both welding workability and bending characteristics.
  • No. 5-6 to No. 5-13 correspond to any of the present invention. It is a comparative example lacking any of the prescribed requirements.
  • No. 5-14 is the SUS310 comparative base material used for the corrosion test
  • No.5-15 is the SUS304 comparative base material
  • NO.5-16 is the conventional 18Cr.
  • Overlay material all weld metal components of MAG welding wire. Table 8
  • ⁇ up is t to pass more than 60 °
  • Table 9 shows the corrosion test results.
  • the Cr content of the overlay weld metal is lower than the dilution with the base metal, and the weld overlay metal of No. 5-1 and No. 5-3 has a Cr content of 21.2%, respectively. It was 22.0%.
  • Table 9 shows that the No. 5-1 and No. 5-3 single-layer weld-weld metals of the invention material of the present invention are almost the same as the comparative base metal of SUS310 (25Cr-20Ni). Endurance It has excellent corrosion resistance as compared with the conventional 18 Cr welding material of No. 5—16. Table 9
  • the amount of corrosion loss depends only on the amount of Cr and that the amount of corrosion loss does not change even if other elements are increased or decreased.Therefore, in the following examples, A 1, T i Some elements are added, but it is determined that the addition of these elements does not change the corrosion resistance.
  • the present invention provides an unprecedented and excellent powder plasma overlay welding material, and as a result, achieves high efficiency in the overlay welding of the furnace evaporation tube of the recovery boiler.
  • the dilution rate is smaller than that of the conventional MAG welding method, and high quality overlay welding can be performed.
  • the rate of thinning of the furnace tube by smelt can be slowed down, and a longer life can be achieved.
  • test materials of No. 6-1 to ⁇ . 6-5 in Table 10 are examples satisfying the requirements of the present invention, and good results were obtained in both welding workability and bending characteristics.
  • the content of A 1 is less than the lower limit of the present invention, and the crystal grains are remarkably coarsened, so that good bending characteristics cannot be obtained.
  • a 1 exceeds the upper limit, and the flow of molten metal in the molten pool becomes poor, and thus the welding workability is poor.
  • Powder plasma cladding was performed using alloy powder materials (particle diameter 63-500 ⁇ ) having the chemical composition shown in Table 11.
  • Table 11 shows the results of each evaluation and test, and Table 11 shows No. 7— :!
  • the test materials of No. 7 to No. 7-5 are examples satisfying the requirements of the present invention, and good results are obtained in both welding workability and bending characteristics.
  • T i exceeds the upper limit, the amount of slag is large, the flow of molten metal in the molten pool is poor, and thus the welding workability is poor ( Table 11
  • Front bending shall be 60 ° or more.
  • Powder plasma cladding was performed using alloy powder materials (particle diameter 63 to 500 / zm) having the chemical compositions shown in Table 12. The results of each evaluation and test are shown in Table 12.
  • test materials of No. 8 to No. 5 are examples satisfying the stipulated requirements of the present invention, and all had a bending angle of 180 degrees and exhibited excellent bending characteristics.
  • Example 8 Comparing Example 8 with Example 6 (adding only A1) and Example 7 (adding only Ti), it was found that the composite addition of A1 and Ti was more effective than the case where each was added alone. It can be seen that a good bending angle can be obtained in the front bending test.

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Description

粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料及び粉体プラズマ肉盛溶接金属 技術分野
本願発明は製紙工場などの産業用回収ボイラの火炉管、 火炉壁パネル 等の耐食、 耐磨耗などの目的で明粉体プラズマ肉盛溶接を行う際に使用す る粉末材料及び粉体プラズマ肉盛溶田接金属に関する。 背景技術
産業用の回収ボイラにおいては、 高温でのスメルトによる腐食環境下 で耐食性、 耐磨耗性の観点から、 炭素鋼管が複数組み合わさった火炉管 パネルの肉盛溶接を行うべき部材表面に 1 8 % C r の肉盛溶接材料が用 いられている。 この肉盛材料と しては、 従来、 1 8 % C r被覆アーク溶 接棒及び 1 8 % C r ガスシールドアーク溶接ワイヤ （以下、 M A G溶接 ワイヤ） が使用されている。
図 1は、 従来公知の粉体プラズマ肉盛溶接装置の基本構成を示す図で ある。 すなわち、 タングステン電極 1 とノズル 2間にパイロッ トアーク 電源 1 0が、 また、 タングステン電極 1 と被溶接材である母材 1 1 との 間に直流電源 1 2が接続されている。 ノズル 1 の外側には中間ノズル 3 力 S、 また、 中間ノズル 3の外側には外ノズル 4が配置されている。 タン ダステン電極 1 とノズル 2 との間にはプラズマガス （例えば A rガス） 、 ノズル 2 と中間ノズル 3 との間には肉盛溶接用の粉末材料が送給ガ ス （例えば A rガス） とともに、 また、 中間ノズル 3 と外ノズル 4 との 間にはシールドガス （例えば A rガス） が供給された状態で、 ノズルと 母材との間にプラズマアークを発生させることにより、 供給された粉末 材料を溶融して母材 1 1上に溶接金属 1 3 として溶着させるものである。 図 2は炭素鋼管に粉体プラズマ溶接を行っている状況を示す図である。 すなわち、 炭素鋼管 5 (例えば、 J I S S T B 4 1 0 ) とこれに対向 配置したプラズマ溶接トーチ 6間にプラズマアークを発生させ、 順次供 給された粉末材料を溶融して溶融池 7を形成する。 プラズマ溶接トーチ 6を暫時移動することで、 溶融池 7は凝固して溶接金属を形成するとい うものである。
粉体プラズマ肉盛溶接の特徴は以下の通りである。 すなわち、 被覆ァ ーク溶接及び M A G溶接法の溶着量は最大 3 k g Z 1 h r程度である力 S、 粉体プラズマ肉盛溶接法を用いることにより最大 4〜 6 k g Z l h rの 容溶量を達成できる。 このように粉体プラズマ肉盛溶接法を用いること により高能率な溶接が実現できる。
また、 粉体プラズマ肉盛溶接法は現状の M A G溶接法に比べ母材との 希釈率が小さいため、 肉盛溶接金属における C r量の低下を抑えること ができる。 またブローホール、 融合不良等の溶接欠陥が少ないため高品 質な溶接金属が得られる。
近年、 回収ボイラでは高濃度及び高温度化のため、 ますます厳しい腐 食環境にある。 現状の 1 8 % C r肉溶接部の一部では、 スメルトによる 腐食、 磨耗によって火炉管の減肉が激しいため、 より耐食性に優れた肉 盛溶接材料の開発が必要となっている。
1 7〜 3 0 %の C r量を含有する粉末溶接材料を用いてプラズマ肉盛 溶接を行う と、 スメルトによる火炉管の減肉速度を遅く し、 長寿命化を 達成できるものと推測される。
複数の炭素鋼管を組み合わせたパネルに溶接する場合には火炉壁内側 にのみ肉盛溶接を行うため、 溶接入熱による歪みが生じる。 したがって 溶接後のパネルには応力除去焼鈍が施される。 しかし、 工場内での搬送 及び一部加工による曲げ応力を考慮すれば、 応力除去焼鈍後の曲げ特性 の他に溶接ままの曲げ特性の良好な溶接材料の開発が必要である。 発明の開示
そこで、 本願発明は回収ボイラの火炉管、 火炉壁パネル等の耐食、 耐 磨耗などの目的で行われる肉盛溶接において、 高能率溶接法である粉体 プラズマ肉盛溶接法を用い耐食性及び曲げ特性に優れる粉体プラズマ肉 盛溶接用粉末材料を提供するものである。
本願発明者は鋭意研究を重ねた結果、 C ; 0. 0 6〜 0. 1 5 %、 S i ； 0. 2〜 1. 0%、 Mn ; 0. 2〜 1. 0 %、 C r ; 1 7〜 3 ◦ %、 N b ； 0. 6〜 1. 5 %、 N i ； 0. 5 %以下を含み、 残部が F e及び不可避的不純物からなるプラズマ肉盛溶接用粉末材料を用いた溶 接金属が耐食性及び曲げ特性に優れることを知見した。
本願発明は、 基本的には 1 7〜 3 0 %の C rを含有するが、 回収ボイ ラの腐食減肉量は熱負荷及び運転条件によって、 またボイラ内の位置に おいても変わるため、 腐食減肉の激しい箇所には耐食性を重視して C r 含有量の多い材料 （以下、 2 5 C r系材料と言うことがある） を用い、 また、 比較的腐食減肉の厳しくない箇所には C r含有量の少ない材料 (以下、 1 8 C r系材料と言うことがある） を用いることにより コス ト の低減を図ることができる。
すなわち、 2 5 C r系材料は、 C ; 0. 0 6〜 0. 1 5 %、 S i ； 0. 2〜： 1. 0 %、 Mn ; 0. 2〜 1. 0 %、 C r ; 2 3〜 3 0 %、 N b ; 0. 6〜： 1. 5 %、 N i ; 0. 5 %以下を含み、 残部が F e及び不可避 的不純物からなることを特徴と し、 また、 1 8 C r系材料は、 C ； 0. 0 6〜 0. 1 5 %、 S i ； 0. 2〜： 1. 0 %、 M n ； 0. 2〜 1. 0 %、 C r ; 1 7〜 2 3 %、 N b ; 0. 6〜： 1. 5 %、 N i ; 0. 5 %以下を 含み、 残部が F e及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
なお、 本願発明の粉末材料は、 上記組成を有する合金粉末のみからな る場合に限らず、 各構成元素の金属粉末の混合、 複数の元素の合金粉末 の混合等、 最終的に上記組成となる金属粉末、 合金粉末の組合せであれ ば、 特に限定されるものではない。 また、 本願発明の粉末材料は、 通常、 6 3〜 5 0 0 μ m程度の粒径に調整して粉体プラズマ肉盛溶接に供され るが、 この粒径が本願発明を限定するものではない。 図面の簡単な説明
図 1は、 粉体プラズマ肉盛溶接装置の基本構成を示す図である。
図 2は、 粉体プラズマ肉盛溶接の状況を示す図である。
図 3は、 本願発明の実施例における表曲げ試験片の形状を示す図であ る。
図 4は、 本願発明の実施例における表曲げ試験実施要領を示す図であ る。
図 5は、 本願発明の実施例における腐食試験の条件を示す図である。 図 6は、 本願発明の実施例における供試材と母材との希釈率の求め方 を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本願発明に関わる粉末材料の化学組成とその限定理由について 説明する。
Cは N b C、 T i C等の炭化物を形成して溶接金属の結晶粒の微細化 を図る目的で不可避な元素である。 Cの量が 0 . 0 6 %未満では溶接金 属の強度が乏しくなるため、 0 . 0 6 %以上含有することにした。 しか し、 多すぎると溶接金属組織が著しく硬化するので 0 . 1 5 %以下とす る。 なお、 Cの好ましい範囲は、 0. 0 6〜 0. 1 2 %である。
S i は脱酸の目的で含有される元素であり、 0. 2 %未満では十分な 脱酸効果が得られない。 しかし、 多すぎると溶着金属の靱性を劣化させ るので 1. 0 %以下に抑える必要がある。 なお、 好ましい S i の量は、 0. 3〜 0. 8 %である。
Mnは脱酸、 強度確保、 靱性改善に効果のある元素である。 しかし、 0. 2 %未満では脱酸の効果が十分に得られず、 また、 多すぎると組織 が硬化し靱性が低下するので 1. 0 %以下に抑えなければならない。 な お、 好ましい Mnの量は 0. 3 %〜0. 8 %である。
C rは耐食性と高温強度を確保するための基本成分である。 前述の通 り、 本願発明では、 1 7〜 3 0 %の範囲で C rを含むことを許容するが、 腐食減肉の激しい箇所には耐食性を考慮して 2 3〜 3 0 %の C rを含有 する 2 5 C r系材料を、 また、 比較的腐食減肉の少ない箇所にはコス ト 及び母材との希釈率も考慮して 1 7〜 2 3 %の C rを含有する 1 8 C r 系材料を用いることが推奨される。
なお、 2 5 C r系材料においては、 C r含有量が 2 7 %を超えても耐 食性がそれに見合うだけ向上しないことから、 C r含有量を 2 3〜 1 7 %とすることが望ましい。 さらに、 1 8 C r系材料においては、 より コス トを重視しする場合には、 C rの上限を 2 0 %とすることが望まし い。
N i は C， M n と同様にオーステナイ ト生成元素である。 C rが 1 7 〜 3 0 %の範囲では、 N i を過剰に加えるとマルテンサイ ト組織が生じ、 組織が硬化して曲げ特性が得られない。 よって、 0. 5 %以下と した。
N bは Cと結びついて微細かつ安定な析出物 （炭化物） を形成し、 溶 接金属の結晶粒を 1 ◦ 0 μ m以下と微細化する。 結晶粒の微細化により 良好な曲げ特性、 靱性を得ることができる。 N b と Cの比が 8〜 1 0 (N b/C = 8〜 l 0) において、 C ； 0. 0 6〜 0. 1 5 %の範囲に 対応する N bの量は 0. 4 8〜 1. 5 %であるが、 ^^ ^が 0. 6 %未満 の場合、 溶接金属の結晶粒が微細化できず、 良好な曲げ特性、 靱性を得 ることができなレ、。 また 1. 5 %以上の N bを添加すると、 多くのじが 炭化物と して析出してしまうため、 溶接金属中の Cが減少し、 溶接金属 の強度が乏しくなる。 また、 Cと結合しなかった余剰の N bが溶接金属 中に存在することになり、 この余剰 N bが曲げ特性を阻害する。 また、 N bは溶接作業性 （溶融池の湯流れ、 アークの安定性等） と関係があり、 1. 5 %を越えて添加した場合には、 著しく溶接作業性が低下する。 以上の理由により、 N bの含有量は、 0. 6〜 1. 5 %とする。 なお、 好ましい N bの量は、 0. 7〜： L . 3 %である。
以上の本願発明材料においては、 A 1 ; 0. 0 3〜 0. 1 5 %、 T i ； 0. 0 8〜 0. 1 8 %の 1種又は 2種を含有することができる。
A 1 は脱酸剤と して、 また N b とともに結晶粒の微細化に寄与する。 ただし、 八 1 が 0. 0 3 %未満では溶接金属の結晶粒が粗大化し、 良好 な曲げを特性を得ることができない。 一方、 0. 1 5 %を越えると、 溶 融池中のスラグが多く、 湯流れが悪くなって溶接作業性を悪化させる。 したがって、 0. 0 3〜0. 1 5 %と した。
T i も A 1 と同様に脱酸剤と して作用し、 N b とともに結晶粒の微細 化に寄与する。 しかし、 丁 1 が 0. 0 8 %未満では溶接金属の結晶粒が 粗大化し、 良好な曲げ特性を得ることができない。 一方、 丁 1 が 0. 1 8 %を越えると、 溶融池中のスラグが多く、 湯流れが悪くなつて溶接作 業性を悪化させる。 したがって、 0. 0 8〜 0. 1 8 %と した。
なお、 後述の実施例にて示されているように、 A 1 と T i は複合添加 することにより、 その効果が顕著になるので、 添加する場合には複合添 加することが望ましい。 以上の本発明粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料を用いた溶接金属は、 C ； 0. 0 6〜0. 1 5 %、 S i ； 0. 2〜 1. 0 %、 Mn ; 0. 2へ 1. 0%、 C r ; 1 7〜 3 0 %、 N b ； 0. 6〜 ： 1. 5 %、 N i ; 0.
5 %以下を含み、 残部が F e及び不可避的不純物からなる組成を有し、 結晶粒径が 1 0 0 μ m以下と微細であるため、 耐食性に優れるとともに 曲げ特性にも優れる。 実施例
以下本願発明を実施例に基づき説明する。 なお、 以下の実施例は、 表 1 に示す化学組成を有する炭素鋼管 （材質 S T B 4 1 0、 外径 0 6 3. 5 mm, 管厚 6. 3 mm) に、 表 2に示す条件で種々の化学組成を有す る合金粉末材料を粉体プラズマ溶接を施し、 肉盛溶接後の溶接作業性評 価及び表曲げ試験 （曲げ特性） の評価を行った。 なお、 合金粉末材料は ガスァ トマイズ法により得た。 表 1
Figure imgf000009_0001
(重量％) 表 2
Figure imgf000010_0001
溶接作業性の評価はアークの安定性、 ビート形状、 スラグの剥離性、 スパッタの発生状況の各項目について評価し、 総合的に良好な溶接作業 性を持つ場合を〇、 それ以外の良好でない場合を Xと した。
表曲げ試験は図 3に示す形状の試験片を切り出し、 図 4に示すように、 J I S Z 2 2 4 8 「金属材料曲げ試験方法」 に基づき、 溶接金属が 引張側になるように表曲げ試験を行った。 図 3及び図 4において、 符 号 2 1は母材、 符号 2 3は肉盛溶接金属、 符号 2 5は支点、 符号 2 7は押 さえ金属を示している。 試験は、 D = 2 R + 4 tの条件で行った （D ： 支 点間距離、 R ： 押さえ金属先端部の半径、 t ： 肉厚） 。 なお、 ここでは 溶接後の熱応力、 火炉管パネル搬送時の曲げ応力、 さらに火炉底部での パネルの曲げ加工等を考慮して、 溶接ままで曲げ角度 6 0 ° 以上を合格 と した。
(実施例 1 )
表 3に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 / 111 ) を用い て上記に従って粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 3に合わせて示す。 表 3
Figure imgf000011_0001
化学成分 Fe bal 溶接性が良好なもの〇、 良くないものを Xとする < 表曲げは 60β 以上を合格とする。
表 3の N o . 1 — ：！〜 N o . 1 — 5の供試材は本願発明の規定要件を 満たす実施例であり、 溶接作業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得ら れている。 これに対し、 N o . 1 — 6〜N o . 1 — 1 3は本願発明のい ずれかの規定要件を欠く比較例である。 また N o . 1— 1 4は後述する 腐食試験に用いた S U S 3 04比較母材、 N o . 1 - 1 5は従来の 1 8 C r肉盛材料 （MAG溶接ワイヤの全溶着金属成分） である。
N o . 1 — 6は、 Cの含有量が 0. 1 7 %と本願発明の上限を超えて いるため、 溶接金属組織が著しく硬化しており、 曲げ特性が乏しい。
N o . 1 — 7は、 S iの含有量が 1. 4 0 %と本願発明の上限を超え ているために靱性が低下し、 曲げ特性が乏しい。
N o . 1 — 8は、 Mnの含有量が 1. 5 1 %と本願発明の上限を超え ているため、 溶接金属組織が硬化して靱性が低下するので、 曲げ特性が 乏しい結果となっている。
N o . 1 — 9は、 溶接作業性、 曲げ特性は満足する結果となったが、 C r含有量が低いので、 後述する腐食試験において目標とする耐食性が 得られていない。
N o . 1 0及び N o . 1 — 1 1は！[ 1 の含有量が本願発明の上限を超 えており、 組織が著しく硬化し、 良好な曲げ特性を有しない。
N o . 1 — 1 2は N bの含有量が 0. 4 2 <½と本願発明の下限値を下 回っており、 結晶粒が粗大化して良好な曲げ特性が得られない。 N o . 1 一 1 3は逆に N bの含有量が 1. 7 0 %と本願発明の上限を超えてお り、 溶接中のヒユームが大量に発生するとともに溶接作業性が著しく低 下した。
以上の供試材 N o . 1— 1， 1— 3， 1 — 1 4及び 1— 1 5について 腐食試験及び希釈率の評価を行った。 腐食試験は、 図 5に示すように、 るつぼ 3 1 内の粉砕スメルト 3 3中に供試材 3 5を浸漬し、 試験ガス ( 1 % S O 2 - 2 % O 2 - 1 5 % C O 2 - N 2bal) を 4 0 0。Cで 1 0 0時 間流し、 その後の腐食減肉量を測定した。 なお、 腐食試験の際に供試材 3 5に付着させる付着灰と して、 実機より採取したスメルトを用いた。 また、 希釈率は、 図 6に示すように、 供試材の断面における母材 4 1上 の溶接金属 4 3の面積 a と母材 4 1 中に拡散した溶接金属 4 3の面積 b との和に対する面積 bの割合と して、 以下の式により求めた。 希釈率 n (%) = - _ χ i 00
a + b 表 4に腐食試験結果及び希釈率を示す。 母材との希釈により一層肉盛 溶接金属の C r量は低下し、 N o . 1 — 1及び NO. 1— 3はそれぞれ C r量が 1 4. 6 %、 1 6. 0 %となった。 従来の 1 8 C r肉盛材料で ある N o . 1 — 1 5は、 MAG溶接法のため、 粉体プラズマ肉盛溶接法 より も希釈率が大きくなり、 1層肉盛溶接金属の C r量は 1 4. 0 %と なった。 表 4
Figure imgf000013_0001
0内は板材の Cr%
本願発明材料である N o . 1 — 1及び N o . 1 — 3の腐食減肉量は、 従来の 1 8 C r溶接材料とほぼ同等の耐食性を有している。
なお、 腐食減肉量は C r量にのみ依存、 その他の元素を増減させても 腐食減肉量は変化しないことが確認されており、 したがって、 以後の実 施例において A 1 , T i の添加を行っているものがあるが、 これら元素 の添加により耐食性は変化がないものと判断している。
以上のよ うに、 本願発明は従来にない優れた粉体プラズマ肉盛溶接材 料を提供するものであり、 その結果と して回収ボイラの火炉蒸発管の肉 盛溶接施工において高能率化を達成できるとともに、 従来の MAG溶接 法に比べ希釈率が小さく高品質な肉盛溶接施工が行えるため、 スメルト による火炉管の減肉速度を遅く し、 長寿命化を達成できる。 (実施例 2 )
表 5に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 m) を用い て粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 5に合わせて 示す。
表 5の N o . 2— 1〜Ν ο · 2— 5の供試材は本願発明の規定要件を 満たす実施例であり、 溶接作業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得ら れている。 これに対し、 N o . 2— 6は A 1 の含有量が本願発明の下限 を下回ったため結晶粒が著しく粗大化し、 良好な曲げ特性が得られない c また、 N o . 2— 7は A 1 が上限を超えており、 溶融池の湯流れが悪く なり、 したがって溶接作業性が悪い。 表 5
Figure imgf000014_0001
化学成分 f¾ bal 溶接性が良好なもの 0、 良くないものを Xとする：
¾曲げは ¾上を合格とする。
(実施例 3 )
表 6に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 μ πι) を用い て粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 6に合わせて 示す。
表 6の N o . 3— l〜N o . 3— 5の供試材は本願発明の規定要件を 満たす実施例であり、 溶接作業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得ら れている。 これに対し、 N o . 3— 6は T i が上限を超えており、 スラ グ量が多く溶融池の湯流れが悪くなり、 したがって溶接作業性が悪い。 表 6
Figure imgf000015_0001
化学成分 Fe bal 溶接性が良好なもの 0、 良くないものを Xとする:
表曲げは 6(T は上を合格とする。
(実施例 4)
表 7に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 m) を用い て粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 7に合わせて 示す。
表 7の N o . 4— l〜N o . 4— 5の供試材は本願発明の規定要件を 満たす実施例であり、 すべて表曲げ角度は 1 8 0 ° であり、 優れた曲げ 特性を示した。
表 7
Figure imgf000016_0001
化学成分 Fe bal ？ 接性が良好なもの 0、 良くないものを Xとする , 表曲げは 60° 以上を合络とする。
本実施例 4と実施例 2 (A 1 のみ添加） 及び実施例 3 (T i のみ添 加） とを比較すれば、 A 1及び T i を複合添加したほうがそれぞれ単独 で添加した場合に比べて表曲げ試験において良好な曲げ角度が得られる ことがわかる。
N o . 4— 6は A 1 が上限を超えており、 溶融池の湯流れが悪くなり . したがって溶接作業性が悪かった。 N o . 4— 8は T i が上限を超えて おり、 スラグ量が多く溶融池の湯流れが悪くなり、 したがって溶接作業 性が悪かった。
(実施例 5 )
表 8に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 m) を用い て粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 8に合わせて 示す。 また、 いくつかの供試材については、 実施例 1 と同様の腐食試験 及び希釈率の評価を行った。
表 8の N o . 5— ：！ 〜 N o . 5— 5の供試材は本願発明の規定要件を 満たす実施例であり、 溶接作業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得ら れている。 これに対し N o . 5— 6〜N o . 5— 1 3は本願発明のいず れかの規定要件を欠く比較例である。 また N o . 5— 1 4は腐食試験に 用いた S U S 3 1 0比較母材、 N o . 5— 1 5は S U S 3 04比較母材、 NO. 5— 1 6は従来の 1 8 C r肉盛材料 （M A G溶接ワイヤの全溶着 金属成分） である。 表 8
Figure imgf000017_0001
褒曲げは 60° 以上を合格とする t
表 9に腐食試験結果を示す。 母材との希釈より一層肉盛溶接金属の C r量は低下し、 N o . 5— 1及び N o . 5— 3の一層肉盛溶接金属は C r量がそれぞれ 2 1. 2%、 2 2. 0 %となった。
表 9より本願発明材の N o . 5— 1及ぴ N o . 5— 3の一層肉盛溶接 金属は S U S 3 1 0 ( 2 5 C r - 2 0 N i ) の比較母材とほぼ同等の耐 食性を有しており、 N o . 5— 1 6の従来の 1 8 C r溶接材料の溶接金 属と比べ優れた耐食性を有している。 表 9
Figure imgf000018_0001
{) 内は板材の Cr%
なお、 腐食減肉量は C r量にのみ依存し、 その他の元素を増減させて も腐食滅肉量は変化しないことが確認されており、 したがって、 以後の 実施例において A 1 , T i の添加を行っているものがあるが、 これら元 素の添加により耐食性は変化がないものと判断している。
以上のように、 本願発明は従来にない優れた粉体プラズマ肉盛溶接材 料を提供するものであり、 その結果と して回収ボイラの火炉蒸発管の肉 盛溶接施工において高能率化を達成できるとともに、 従来の MAG溶接 法に比べ希釈率が小さく高品質な肉盛溶接施工が行える。 また現状の 1 8 C r肉盛材料より も耐食性に優れているためスメルトによる火炉管の 減肉速度を遅く し、 長寿命化を達成できる。
(実施例 6 )
表 1 0に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 μ ιη) を用 いて粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 1 0に合わ せて示す。
表 1 0の N o . 6— 1〜ΝΟ. 6— 5の供試材は本願発明の規定要件 を満たす実施例であり、 溶接作業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得 られている。 これに対し、 N o . 6— 6は A 1 の含有量が本願発明の下 限を下回っており、 結晶粒が著しく粗大化し、 良好な曲げ特性が得られ ない。 N o . 6— 7は A 1 が上限をこえており、 溶融池の湯流れが悪く なり、 したがって溶接作業性が悪い。 表 1 0
Figure imgf000019_0001
化学成分 Fe bal ? 接性が良好なもの 0、 良くないものを Xとする e
表曲げは 60° 以上を合格とする：
(実施例 7)
表 1 1に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 μ ηι) を用 いて粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 1 1 に合わ 表 1 1の N o . 7—：！〜 N o . 7— 5の供試材は本願発明の規定要件 を満たす実施例であり、 溶接作業性及び曲げ特性ともに良好な結果が得 られている。 これに対し、 N o . 7— 6は T i が上限を超えており、 ス ラグ量が多く溶融池の湯流れが悪くなり、 したがって溶接作業性が悪い ( 表 1 1
Figure imgf000020_0001
化学成分 Fe bal 溶接性が良好なもの 0、 良くないものを Xとする:
表曲げは 60° 以上を合格とする。
(実施例 8 )
表 1 2に示す化学組成の合金粉末材料 （粒径 6 3〜 5 0 0 /z m) を用 いて粉体プラズマ肉盛を実施した。 各評価、 試験の結果を表 1 2に合わ せて示す。
表 1 2の N o . 8 — ：！〜 N o . 8 — 5の供試材は本願発明の規定要件 を満たす実施例であり、 すべて表曲げ角度は 1 8 0度であり、 優れた曲 げ特性を示した。
表 1 2
Figure imgf000021_0001
化学成分 Fe bal 溶接性が良好なもの 0、 良くないものを Xとする,
«曲げは 60° 以上を合格とする。
本実施例 8 と実施例 6 (A 1 のみ添加） 及び実施例 7 (T i のみ添 加） とを比較すれば、 A 1及び T i を複合添加したほうがそれぞれ単独 で添加した場合に比べて表曲げ試験において良好な曲げ角度が得られる ことがわかる。
N o . 8— 6は A 1 が上限を超えており、 溶融池の湯流れが悪くなり . したがって溶接作業性が悪かった。
N o . 8— 8は T i が上限を超えており、 スラグ量が多く溶融池の湯 流れが悪くなり、 したがって溶接作業性が悪かった。 産業上の利用可能性
以上説明のように、 本願発明によれば、 耐食性及び曲げ特性に優れる 粉体プラズマ肉盛溶接金属を得ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. C ； 0. 0 6〜 0. 1 5重量0/。、 S i ； 0. 2〜 1. 0重量0 /0、 M n ； 0. 2〜 1. 0重量。/。、 C r ； 1 7〜 3 0重量％、 N b ； 0. 6 〜 1. 5重量％、 N i ； 0. 5重量％以下を含み、 残部が F e及び不可 避的不純物からなることを特徴とする粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。
2. C r ； 1 7〜 2 3重量％でぁる、 請求の範囲第 1項記載の粉体プ ラズマ肉盛溶接用粉末材料。
3. Α 1 ; 0 · 0 3〜 0. 1 5重量％を含む、 請求の範囲第 2項記載 の粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。
4. T i ； 0. 0 8〜 0. 1 8重量％を含む、 請求の範囲第 2項記載 の粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。
5. A 1 ; 0. 0 3〜 0. 1 5重量％、 T i ; 0. 0 8〜 0. 1 8重 量％を含む、 請求の範囲第 2項記載の粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。
6. C r ； 2 3〜 3 0重量％である、 請求の範囲第 1項記載の粉体プ ラズマ肉盛溶接用粉末材料。
7. A 1 ； 0. 0 3〜 0. 1 5重量％を含む、 請求の範囲第 6項記載 の粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。
8. T i ; 0. 0 8〜 0. 1 8重量％を含む、 請求の範囲第 6項記載 の粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料。
9. A 1 ； 0. 0 3〜 0. 1 5重量％、 T i ; 0. 0 8〜 0. 1 8重 量％を含む、 請求の範囲第 6項記載の粉体プラズマ肉盛溶接用粉末材料 c
1 0. C ； 0. 0 6〜 0. 1 5重量％、 S i ； 0. 2〜 1. 0重量0 /。. M n ； 0. 2〜 1. 0重量％、 C r ； 1 7〜 3 0重量。/。、 N b ； 0. 6 〜 1. 5重量％、 N i ； 0. 5重量％以下を含み、 残部が F e及び不可 避的不純物からなり、 結晶粒径が 1 0 0 m以下であることを特徴とす る粉体プラズマ肉盛溶接金属。
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