WO2012124529A1 - 耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属 - Google Patents

耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属 Download PDF

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秀徳 名古
山下 賢
穣 大津
元一 谷口
幹宏 坂田
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株式会社神戸製鋼所
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Definitions

  • the present invention relates to a weld metal used for welding a high-strength steel material such as Cr-Mo steel, and relates to a weld metal having improved temper embrittlement resistance and a welded structure including such a weld metal. It is.
  • High-strength Cr-Mo steel and its weld metal parts used in boilers and chemical reaction vessels are used in high-temperature and high-pressure environments. Therefore, heat resistance (high-temperature strength) and SR cracking resistance as well as properties such as strength and toughness. It is necessary to have a high level of [no intergranular cracking during stress relief annealing (SR annealing)] and high resistance to temper embrittlement (less embrittlement during use in high-temperature environments). . Particularly in recent years, the heat input during welding has been increasing from the viewpoint of construction efficiency due to the increase in thickness due to the increase in the size of the equipment.
  • the increase in welding heat input causes the structure of the weld metal part to become coarser and increases the toughness (resistance to The required toughness and tempering embrittlement resistance are at a higher level in order to deteriorate the tempering embrittlement characteristic).
  • Patent Document 1 discloses that a weld metal having various properties can be obtained by specifying in detail the steel plate composition, the welding material composition, and the welding conditions.
  • vTr 5.5 temperature at which the absorbed energy after SR annealing becomes 5.5 kgf ⁇ m
  • SR annealing Stress Relief annealing
  • vTr ′ 5.5 indicating the toughness after temper embrittlement treatment (step cooling) (temperature at which the absorbed energy after step cooling becomes 5.5 kgf ⁇ m) is ⁇ 41 ° C. at best. That is not enough.
  • Patent Document 2 discloses to improve toughness, strength, and heat resistance by controlling the contents of C, Mn and Ni in relation to the core wire and the yield of the coating in the coated arc welding rod. Has been proposed. However, the tempering embrittlement resistance is not considered.
  • Patent Documents 3 and 4 A technique that can realize a weld metal that is excellent in toughness, strength, temper embrittlement resistance and SR crack resistance by considering the components of solid wire and bond flux and welding conditions (heat input) (for example, has been proposed) Patent Documents 3 and 4).
  • vTr 55 indicating toughness after SR annealing (temperature at which absorbed energy after SR annealing becomes 55 J)
  • vTr ′ indicating toughness after temper embrittlement treatment (step cooling).
  • Patent Document 5 proposes a technique for improving toughness, strength, and SR cracking resistance by controlling the amount of weld metal components, particularly impurity elements. However, the tempering embrittlement resistance is not considered.
  • Patent Document 6 proposes to improve toughness and strength by controlling the core wire of the welding rod and the coating material component in the coated arc welding.
  • tempering embrittlement resistance is not considered.
  • the assumed welding heat input is small and the restrictions on construction are large.
  • Patent Documents 7 and 8 it has also been proposed to improve toughness and strength by controlling the core wire and covering material component of the welding rod.
  • the recommended welding condition is a welding current of about 140 to 190 A (core) according to Patent Document 7 that defines a weld metal by coated arc welding.
  • the wire diameter is ⁇ 4.0 mm
  • the heat input amount is about 2.0 to 3.6 kJ / mm in Patent Document 8 which defines the weld metal by submerged arc welding, which is sufficiently compatible with the increasing tendency of the welding heat input amount. It can not be said.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to exhibit excellent tempering embrittlement resistance even under welding conditions where the heat input is relatively large, as well as toughness, SR crack resistance, and strength.
  • Another object of the present invention is to provide a weld metal excellent in characteristics such as the above, and a welded structure including such a weld metal.
  • the weld metal according to the present invention capable of solving the above problems is C: 0.05 to 0.15% (meaning “mass%”; the same applies hereinafter), Si: 0.1 to 0.50%, Mn: 0.6 to 1.30%, Cr: 1.8 to 3.0%, Mo: 0.80 to 1.20%, V: 0.25 to 0.50%, Nb: 0.010 to 0.050%, N: 0.025% or less (excluding 0%), O: 0.020 to 0.060%, respectively, the balance is made of iron and inevitable impurities, and the equivalent circle diameter is 1 ⁇ m
  • the number of super oxides is 2000 or less per 1 mm 2
  • the equivalent circle diameter is 2 or less oxides of 100 or less per 1 mm 2
  • the A value defined by the following formula (1) is 5.0.
  • the weld metal of the present invention as other elements, (a) Cu: 1.0% or less (not including 0%) and / or Ni: 1.0% or less (not including 0%), ( b) B: 0.0050% or less (excluding 0%), (c) W: 0.50% or less (not including 0%), (d) Al: 0.030% or less (including 0%) And (e) Ti: 0.020% or less (not including 0%) and the like are also preferable, and the properties of the weld metal are further improved depending on the type of element to be included.
  • the present invention also includes a welded structure including the above weld metal.
  • the number of oxides of a predetermined size is specified, and the respective contents (mass%) of Cr, Mo, Nb and V present as compounds after stress relief annealing and Since the relationship between C and Mo in the weld metal is properly defined, the weld metal exhibits excellent tempering embrittlement resistance and excellent properties such as toughness, SR crack resistance, and strength. realizable.
  • the chemical component composition of the weld metal is appropriately controlled, and the number of oxides having an equivalent circle diameter of more than 1 ⁇ m existing in the weld metal is 2000 or less per 1 mm 2 (2000 pieces / mm 2 or less), with oxides of 2 ⁇ m than a circle equivalent diameter is reduced to 1 mm 2 per 100 or less (100 / mm 2 or less), by controlling the a value defined by the following equation (1) 5.0 below It has been found that various properties including toughness and tempering embrittlement resistance can be combined.
  • a value (100 ⁇ [C] ⁇ 6 ⁇ [insol.Cr] ⁇ 2 ⁇ [insol.Mo] ⁇ 24 ⁇ [insol.V] ⁇ 13 ⁇ [insol.Nb]) ⁇ ([Mo] ⁇ [insol] .Mo])
  • [insol. Cr], [insol. Mo], [insol. Nb] and [insolV] indicate the respective contents (mass%) of Cr, Mo, Nb and V present as compounds in the weld metal after stress relief annealing, and [C] and [Mo] Each content (mass%) of C and Mo in a metal is shown.
  • equivalent circle diameter refers to the diameter of a circle that is assumed to have the same area by paying attention to the size of the oxide particles observed on the observation surface of the optical microscope.
  • each content (mass%) of Cr, Mo, Nb, and V which exists as a compound is calculated
  • [C] and [Mo] show each content (mass%) of C and Mo in a weld metal, these quantity does not change before and after stress relief annealing.
  • the tempering embrittlement resistance of a weld metal is evaluated based on how much the toughness has deteriorated as compared with a weld metal that has been subjected to a heat treatment called step cooling after SR annealing and is subjected to normal SR annealing.
  • the present inventors have newly found that the fine carbide Mo 2 C precipitated during the step cooling causes toughness deterioration by hardening the weld metal by precipitation strengthening, and the A value defined by the above formula (1). By controlling the above, it was possible to suppress the precipitation of Mo 2 C, suppress the deterioration of toughness after step cooling, and realize a weld metal excellent in temper embrittlement resistance.
  • the A value defined by the above equation (1) defines the requirements related to solid solution C and solid solution Mo that contribute to Mo 2 C precipitation during step cooling, and is Mo 2 C thermodynamically. It expresses the driving force of precipitation.
  • the smaller the value A the smaller the amount of Mo 2 C precipitated. Therefore, in order to obtain a weld metal having excellent tempering embrittlement resistance, it is necessary to control the A value to a predetermined value or less. From such a viewpoint, the A value needs to be 5.0 or less, and when it exceeds 5.0, the amount of precipitation of Mo 2 C increases and the tempering embrittlement resistance deteriorates.
  • This A value is preferably 4.5 or less, more preferably 4.0 or less, and even more preferably 3.5 or less.
  • the weld metal of the present invention it is necessary to control the number of oxides having a predetermined size.
  • the microstructure of the weld metal can be refined and the toughness can be improved.
  • the number of oxides having an equivalent circle diameter of more than 1 ⁇ m is preferably 1500 pieces / mm 2 or less, more preferably 1200 pieces / mm 2 or less, and according to the present invention, the oxide is reduced to several hundred pieces / mm 2. it can. Further, the number of oxides having an equivalent circle diameter of more than 2 ⁇ m is preferably 60 / mm 2 or less, and more preferably 40 / mm 2 or less.
  • C 0.05 to 0.15%
  • C is an element necessary for ensuring the strength of the weld metal.
  • the preferable lower limit of the C content is 0.07% or more, more preferably 0.09% or more, and the preferable upper limit is 0.13% or less, more preferably 0.12% or less.
  • Si 0.1 to 0.50%
  • Si is an element effective in improving workability during welding.
  • the Si content is less than 0.1%, welding workability is deteriorated.
  • the Si content is excessive, an excessive increase in strength or an increase in hard structure such as martensite is caused, leading to a decrease in toughness.
  • the minimum with preferable Si content is 0.15% or more, More preferably, it is 0.17% or more, and a preferable upper limit is 0.40% or less, More preferably, it is 0.32% or less.
  • Mn is an element effective in securing the strength of the weld metal.
  • the content is less than 0.6%, the strength at room temperature is lowered and the SR crack resistance is also adversely affected.
  • the Mn content is excessive, the high-temperature strength is lowered, so it is necessary to make it 1.30% or less.
  • the minimum with preferable Mn content is 0.8% or more, More preferably, it is 1.0% or more, and a preferable upper limit is 1.2% or less, More preferably, it is 1.15% or less.
  • Cr 1.8-3.0%
  • the Cr content is lower than 1.8%, film-like coarse cementite is precipitated at the prior ⁇ grain boundaries, and the SR crack resistance is deteriorated.
  • the Cr content is excessive, it causes coarsening of the carbide and causes a decrease in toughness, so it is necessary to make it 3.0% or less.
  • the minimum with preferable Cr content is 1.9% or more, More preferably, it is 2.0% or more, and a preferable upper limit is 2.8% or less, More preferably, it is 2.6% or less.
  • Mo 0.80 to 1.20%
  • Mo is an element useful for ensuring the strength of the weld metal.
  • the Mo content is lower than 0.80%, a predetermined strength cannot be obtained.
  • the Mo content is excessive, the toughness is reduced by an excessive increase in strength, and solid solution Mo is increased after SR annealing, and fine Mo 2 C is precipitated during step cooling, thereby tempering embrittlement resistance. Since the characteristics deteriorate, it is necessary to be 1.20% or less.
  • the minimum with preferable Mo content is 0.9% or more, More preferably, it is 0.95% or more, and a preferable upper limit is 1.15% or less, More preferably, it is 1.1% or less.
  • V 0.25 to 0.50%
  • MC carbide M is a carbide forming element
  • the minimum with preferable V content is 0.27% or more, More preferably, it is 0.30% or more, and a preferable upper limit is 0.45% or less, More preferably, it is 0.40% or less.
  • Nb is an element useful for forming carbide (MC carbide) and ensuring the strength of the weld metal.
  • MC carbide carbide
  • the minimum with preferable Nb content is 0.012% or more, More preferably, it is 0.015% or more, and a preferable upper limit is 0.040% or less, More preferably, it is 0.035% or less.
  • N 0.025% or less (excluding 0%)
  • N is an element useful for ensuring the creep strength of the weld metal.
  • a preferable lower limit is 0.004% or more (more preferably 0.005% or more)
  • a preferable upper limit is 0.020% or less (more preferably 0.018% or less). is there.
  • O is an element useful for improving toughness by forming an oxide and contributing to refinement of the structure. In order to exhibit such an effect, it is necessary to contain 0.020% or more. However, when the O content becomes excessive and exceeds 0.060%, coarse oxides increase and the toughness is lowered by becoming the starting point of brittle fracture.
  • the preferable lower limit of the O content is 0.025% or more (more preferably 0.028% or more), and the preferable upper limit is 0.050% or less (more preferably 0.045% or less).
  • the contained elements specified in the present invention are as described above, and the balance is iron and unavoidable impurities, and the elements (for example, P, S) brought in as raw materials, materials, production facilities, etc. as the unavoidable impurities. Etc.) can be allowed to be mixed.
  • the weld metal of the present invention as other elements, (a) Cu: 1.0% or less (not including 0%) and / or Ni: 1.0% or less (not including 0%), ( b) B: 0.0050% or less (excluding 0%), (c) W: 0.50% or less (not including 0%), (d) Al: 0.030% or less (including 0%) No), (e) Ti: 0.020% or less (not including 0%), and the like are preferably included, and the characteristics of the weld metal are further improved depending on the type of element to be included.
  • the reason for setting the range when these elements are contained is as follows.
  • Cu and Ni are effective elements for improving toughness by refining the structure.
  • the content of Cu or Ni is preferably 1.0% or less. More preferably, each is 0.8% or less, and further preferably 0.5% or less.
  • the preferable minimum for exhibiting the said effect is 0.05% or more (more preferably 0.1% or more) in any case.
  • B 0.0050% or less (excluding 0%)
  • B is an element effective in suppressing the formation of ferrite from the grain boundary and improving the strength of the weld metal.
  • the B content is excessive, the SR cracking resistance is lowered, so 0.0050% or less is preferable. More preferably, it is 0.0040% or less (more preferably 0.0025% or less).
  • the preferable minimum for exhibiting the said effect is 0.0005% or more (more preferably 0.0010% or more).
  • W 0.50% or less (excluding 0%)
  • W is an element effective for improving the strength of the weld metal.
  • the content is preferably 0.50% or less. More preferably, it is 0.3% or less (more preferably 0.2% or less).
  • the preferable minimum for exhibiting the said effect is 0.08% or more (more preferably 0.1% or more).
  • Al 0.030% or less (excluding 0%)
  • Al is an element effective as a deoxidizer.
  • the content is preferably 0.030% or less. More preferably, it is 0.020% or less (more preferably 0.015% or less).
  • the preferable minimum for exhibiting the said effect is 0.001% or more (more preferably 0.0012% or more).
  • Ti 0.020% or less (excluding 0%)
  • Ti is an element effective for improving the strength of the weld metal.
  • 0.020% or less is preferable. More preferably, it is 0.015% or less (more preferably 0.012% or less).
  • the preferable minimum for exhibiting the said effect is 0.005% or more (more preferably 0.008% or more).
  • the welding method for obtaining the weld metal of the present invention is not particularly limited as long as it is an arc welding method.
  • Submerged arc welding (SAW) which is frequently used when a chemical reaction vessel or the like is actually welded, Application of covered arc welding (SMAW) is preferred.
  • the welding material component is naturally constrained by the required welding metal component, and in order to obtain a given oxide form, the welding conditions and the welding material component must be appropriately controlled.
  • preferable welding conditions in SAW are a welding heat input of 2.5 to 5.0 kJ / mm and a preheating-pass temperature of about 190 to 250 ° C. during welding.
  • the Mo content in the welding wire is 1.3% or less
  • the V content is 0.36% or more
  • the Nb content is 0.012% or more.
  • the ratio of Mo content to the total content of V and Nb [Mo / (V + Nb)] is 2.8 or less
  • the concentrations of the metal Ca and Al 2 O 3 in the bond flux are as follows (2 Control may be performed so as to satisfy the formula.
  • the Mo content in the welding wire is preferably 1.2% or less, more preferably 1.1% or less.
  • the V content in the welding wire is preferably 0.37% or more, more preferably 0.38% or more.
  • the Nb content in the welding wire is preferably 0.018% or more, more preferably 0.020% or more. Further, the value of the ratio [Mo / (V + Nb)] is preferably 2.7 or less, more preferably 2.6 or less.
  • the heat input in SAW is less than 2.5 kJ / mm, or if the preheating-pass temperature is below 190 ° C, the cooling rate during welding will increase and sufficient carbide will not be generated during cooling.
  • the A value does not satisfy the predetermined range.
  • the heat input exceeds 5.0 kJ / mm or the preheating-pass temperature exceeds 250 ° C., the weld metal structure becomes coarse, and as a result, the grain boundaries, which are the formation sites of carbides, decrease. The amount of carbide generated at the time decreases, and the A value does not satisfy the predetermined range.
  • preferable welding conditions in SMAW are a welding heat input of 2.3 to 3.0 kJ / mm and a preheating-pass temperature of about 190 to 250 ° C. during welding.
  • the Mo content of the core wire is 1.20% or less (preferably 1.1% or less, more preferably 1.0%) when manufacturing a welding rod. %)
  • the V content of the coating agent is 0.85% or more (preferably 1.0% or more, more preferably 1.3% or more)
  • the Nb content of the coating agent is 0.10% or more. (Preferably 0.11% or more, more preferably 0.13% or more), and the content of MgO in the coating agent may be 2.0% or more.
  • the Mo content of the core wire, the V content of the coating agent, and the Nb content are important requirements for controlling the A value within an appropriate range. If these values are out of the above range, the solid content after SR annealing will be reduced. The amount of dissolved Mo and the amount of dissolved C increase, and the A value cannot be suppressed to 5.0 or less.
  • the coating MgO has the effect of suppressing the formation of coarse oxides. Although the reason for this is not clear, it is considered that the formation of fine oxides is promoted by changing the balance between the deoxidizing element and the free element in the weld metal. In order to exert such effects, the MgO content of the coating agent is preferably 2.0% or more. The MgO content of the coating agent is preferably 2.1% or more, more preferably 2.2% or more.
  • the heat input in SMAW is less than 2.3 kJ / mm or the preheating-pass temperature is less than 190 ° C, the cooling rate during welding increases and sufficient carbide is not generated during cooling.
  • the A value does not satisfy the predetermined range.
  • the heat input exceeds 3.0 kJ / mm or the preheating-pass temperature exceeds 250 ° C. the weld metal structure becomes coarse, and as a result, the grain boundaries, which are the formation sites of carbides, decrease. The amount of carbide generated at the time decreases, and the A value does not satisfy the predetermined range.
  • a weld metal that exhibits excellent tempering embrittlement resistance and excellent properties such as toughness, SR crack resistance, and strength can be obtained.
  • a welded structure with metal can be realized.
  • Base material composition (mass%)] C: 0.12%, Si: 0.23%, Mn: 0.48%, P: 0.004%, S: 0.005%, Cu: 0.04%, Al: ⁇ 0.002%, Ni: 0.08%, Cr: 2.25%, Mo: 0.99%, V: 0.004%, Ti: 0.002%, Nb: 0.005% (the balance: iron and inevitable impurities)
  • composition A (weight%) SiO 2: 8%, Al 2 O 3: 14%, MgO: 31%, CaF 2: 27%, CaO: 10%, Ca: 0.13%, others (CO 2, AlF 3 Etc.): 10%
  • Composition B (wt%) SiO 2: 8%, Al 2 O 3: 14%, MgO: 31%, CaF 2: 27%, CaO: 10%, Ca: 0.08%, others (CO 2, AlF 3 Etc.): 10%
  • composition a (mass%) C: 0.09%, Si: 0.15%, Mn: 0.49%, Cu: 0.04%, Ni: 0.03%, Cr: 2.31%, Mo: 1.10% (balance: iron and inevitable impurities)
  • Composition b (mass%) C: 0.08%, Si: 0.18%, Mn: 0.50%, Cu: 0.03%, Ni: 0.03%, Cr: 2.28%, Mo: 1.22% (balance: iron and inevitable impurities)
  • SR annealing treatment The obtained weld metal was heat-treated at 705 ° C. for 8 hours as an SR annealing treatment.
  • the test material is heated, and when the temperature of the test material exceeds 300 ° C., the heating conditions are adjusted so that the rate of temperature rise is 55 ° C./hour or less.
  • the material was heated until it reached 705 ° C.
  • the rate of temperature rise and the rate of cooling are not defined in the temperature range where the temperature of the specimen is 300 ° C. or lower.
  • FIG. 1 is a graph showing step cooling processing conditions with temperature on the vertical axis and time on the horizontal axis.
  • step cooling heats a test material, and when the temperature of a test material exceeds 300 degreeC, heating conditions are set so that a temperature rise may be 50 degreeC / hour (50 degreeC / hour) or less. Adjust and heat the specimen until it reaches 593 ° C. and hold at that temperature for 1 hour. Then, in the same manner, hold at 538 ° C. for 15 hours, at 524 ° C. for 24 hours, and at 496 ° C. for 60 hours.
  • the specimen is cooled at a temperature of 5.6 ° C. adjust. Further, the test piece held at 496 ° C. is cooled at 2.8 ° C./hour (2.8 ° C./hour) to 468 ° C. and held at this temperature for 100 hours. Then, the sample material is cooled so that the temperature drop is 28 ° C./hour (28 ° C./hour) or less until the temperature of the sample material becomes 300 ° C. or less. In this step cooling process, similarly to the SR annealing process, the temperature raising rate and the cooling rate are not defined in the temperature range where the temperature of the test material is 300 ° C. or lower.
  • a tensile test piece (JIS Z3111 A2) was taken in the weld line direction based on FIG. 2 from a position 10 mm deep from the thickness surface of the weld metal subjected to SR annealing at 705 ° C. for 32 hours, and room temperature (25 C.), the tensile strength TS was measured in accordance with JIS Z 2241. The tensile strength TS> 600 MPa was evaluated as excellent in strength.
  • a Charpy impact test piece (JIS Z31114 V-notch test piece) was taken from the center of the thickness of the weld metal subjected to SR annealing at 705 ° C. for 8 hours and perpendicular to the weld line direction based on FIG.
  • the Charpy impact test was performed in the manner of 2242, and the temperature vTr 54 at which the average value of the absorbed energy of 3 times was 54 J was measured. It was evaluated that the toughness was excellent when vTr 54 was ⁇ 50 ° C. or lower.
  • the temperature vTr ′ 54 at which the average value of absorbed energy was 54 J was measured in the same manner for the weld metal subjected to step cooling after the SR annealing treatment at 705 ° C. ⁇ 8 hours. It was evaluated that the toughness was excellent when vTr ′ 54 was ⁇ 50 ° C. or lower.
  • SR crack resistance From the final pass (original part) of the weld metal, a ring crack specimen having a slit size of 0.5 mm was collected based on the following. When SR annealing treatment of 625 ° C. ⁇ 10 hours was performed and no cracks occurred in the vicinity of the notch bottom of all six test pieces (observation surface 3 ⁇ number of tests 2), the SR crack resistance was excellent (evaluation ⁇ ). The case where cracking occurred was evaluated as being inferior in SR cracking resistance (evaluation x).
  • FIG. 4A shows the sampling position of the test piece
  • FIG. 4B shows the shape of the test piece.
  • the sample is taken from directly under the surface of the final bead so that the structure immediately below the U-notch is the original part, and the slit size (width) is 0.5 mm.
  • the slit width is reduced to 0.05 mm, the slit portion is TIG welded, and a tensile residual stress is applied to the bottom of the notch.
  • the test piece after TIG welding was subjected to SR annealing treatment at 625 ° C.
  • test piece was divided into three equal parts as shown in FIG. 3)
  • the cross section near the notch bottom
  • optical microscope was observed with an optical microscope, and the occurrence of SR cracks was observed.
  • Example 1 The chemical composition of the various welding wires (W1 to 44) used when forming the weld metal with SAW is shown in Tables 1 and 2 below together with the value of the ratio [(Mo / (V + Nb)].
  • the chemical composition of the weld metal is shown in Tables 3 and 4 below along with the welding conditions (welding wire No., heat input conditions, flux used, preheating-pass temperature) and the A value.
  • the results [number of oxides of each size, tensile strength TS, toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ), temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ), SR crack resistance] are shown in Tables 5 and 6 below.
  • No. 1 to 30 are examples satisfying the requirements defined in the present invention, exhibiting excellent tempering embrittlement resistance and excellent weld metal in characteristics such as toughness, SR cracking resistance and strength. Yes.
  • No. 31 to 49 are examples that do not meet any of the requirements defined in the present invention, and any of the characteristics is inferior.
  • No. No. 31 has a large A value due to heat input conditions (heat input is 2.4 kJ / mm), and the tempering embrittlement resistance is deteriorated.
  • No. No. 32 has a large A value due to heat input conditions (heat input is 5.2 kJ / mm), and the tempering embrittlement resistance is deteriorated.
  • the preheating-pass temperature is lower than the appropriate range, the A value is large, and the tempering embrittlement resistance is deteriorated.
  • No. No. 34 has a preheating-pass temperature higher than the proper range and a large A value, and the tempering embrittlement resistance is deteriorated.
  • No. 35 is an example using the composition B in which the concentrations of the metal Ca and Al 2 O 3 in the flux used do not satisfy the relationship of the above formula (2), the number of coarse oxides increases, and the toughness (vTr 54 , VTr ′ 54 ) has deteriorated.
  • No. No. 36 has insufficient C content, and the strength is reduced.
  • No. No. 37 has an excessive C content and a large A value, and deteriorates toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ), temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ), and SR crack resistance.
  • No. No. 38 has a high value of the ratio [Mo / (V + Nb)] in the welding wire (2.93), the Si content in the weld metal is excessive, the Mn content is insufficient, and the A value increases. As the strength decreases, the toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ), temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ), and SR crack resistance all deteriorate.
  • No. No. 39 has an excessive Mn content, and the toughness (vTr ′ 54 ) and the temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) are deteriorated.
  • No. 40 the Ni content in the weld metal is excessive, the A value is large, and the toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ) and the temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) are deteriorated. .
  • No. No. 41 has an excessive Cr content and an Mo content, an excessive Cu content, an increased A value, toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ), and temper embrittlement resistance. ( ⁇ vTr 54 ) has deteriorated.
  • No. 42 the Mo content in the weld metal is insufficient and the Al content is excessive, the number of coarse oxides increases, the strength decreases, and the toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ). Has deteriorated. No.
  • the V content in the weld metal is insufficient, the B content is excessive, the A value is large, the strength is reduced, and the toughness ( vTr ′ 54 ), tempering embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ), and SR cracking resistance are degraded.
  • No. No. 44 has excessive V content and W content in the weld metal, and toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ) is deteriorated.
  • No. In No. 45 the Nb content and Ti content in the weld metal are excessive, and the toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ) and SR crack resistance are deteriorated.
  • Example 2 The chemical composition of the various coating materials used when forming the weld metal with SMAW is shown in Table 7 below (Coating materials Nos. B1 to 24). The chemical composition of the formed weld metal is shown in Table 8 below together with the welding conditions (coating material No., heat input conditions, core wire type, preheating-pass temperature) and A value. Furthermore, evaluation characteristic results [number of oxides of each size, tensile strength TS, toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ), tempering embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ), SR cracking resistance] of each weld metal are shown in the following table. 9 shows.
  • No. 50 to 63 are examples satisfying the requirements defined in the present invention, exhibiting excellent tempering embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ), and excellent weld metal in characteristics such as toughness, SR crack resistance, and strength. Is obtained.
  • no. 64 to 77 are examples that do not meet any of the requirements defined in the present invention. Either property is inferior.
  • No. No. 64 has a preheating-pass temperature lower than the proper range and a large A value, and has deteriorated toughness (vTr ′ 54 ) and tempering embrittlement resistance.
  • No. 65 the preheat-pass temperature is higher than the appropriate range, the A value is large, and the toughness (vTr ′ 54 ) and the temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) are deteriorated.
  • No. No. 66 has a large A value due to heat input conditions (amount of heat input is 2.1 kJ / mm), and toughness (vTr ′ 54 ) and temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) are deteriorated.
  • No. No. 67 has a large A value due to heat input conditions (heat input is 3.2 kJ / mm), and toughness (vTr ′ 54 ) and temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) are deteriorated.
  • No. No. 71 has an excessive Mn content and V content, and has deteriorated toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ) and tempering embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ).
  • No. No. 72 has excessive C content and Mo content, and has a large A value, and the toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ) and the tempering embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) are deteriorated. .
  • No. No. 73 has a large A value due to the Nb content of the coating agent, and the tempering embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) is deteriorated.
  • No. No. 74 has a large A value due to the V content of the coating, and the tempering embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ) is deteriorated.
  • No. No. 75 has an excessive Si content and an insufficient Nb content, and has a large A value, insufficient strength, toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ) and temper embrittlement resistance. ( ⁇ vTr54) has deteriorated.
  • No. No. 76 has a large A value due to insufficient V content, and a coarse oxide is increased due to the MgO content in the coating, resulting in insufficient strength and toughness (vTr 54 , VTr ′ 54 ) and anti-temper embrittlement resistance ( ⁇ vTr 54 ).
  • No. No. 77 has an excessive Nb content and B content, and has deteriorated toughness (vTr 54 , vTr ′ 54 ) and SR crack resistance.
  • the weld metal of the present invention is useful for high-strength Cr—Mo steel used for boilers, chemical reaction vessels and the like.

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Abstract

 本発明の溶接金属は、所定の化学成分組成を有し、大きさに応じた酸化物の個数を制御すると共に、下記式で規定されるA値が5.0以下である。 A値=(100×[C]-6×[insol.Cr]-2×[insol.Mo]-24×[insol.V]-13×[insol.Nb])×([Mo]-[insol.Mo])但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insol.V]は、応力除去焼鈍後において化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。

Description

耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属
 本発明は、Cr-Mo鋼のような高強度鋼材の溶接に使用される溶接金属に関するものであり、耐焼戻し脆化特性を改善した溶接金属、およびこうした溶接金属を備えた溶接構造体に関するものである。
 ボイラーや化学反応容器において用いられる高強度Cr-Mo鋼およびその溶接金属部は、高温高圧環境下において使用されるため、強度および靭性等の特性と共に、耐熱性(高温強度)、耐SR割れ性[応力除去焼鈍(SR焼鈍)時に粒界割れを起こさないこと]、および耐焼戻し脆化特性(高温環境での使用中に脆化が少ないこと)を高レベルで兼備することが必要とされる。特に近年において、装置大型化に伴う厚肉化により、施工効率の観点から溶接時の入熱量は増大しつつあり、一般に溶接入熱の増大は溶接金属部の組織を粗大化させ、靭性(耐焼戻し脆化特性)を劣化させるため、求められる靭性、耐焼戻し脆化特性はいっそう高い水準となっている。
 高強度Cr-Mo鋼を溶接した場合に形成される溶接金属の靭性、耐焼戻し脆化特性に着目した技術として、これまでにも様々提案されている。
 例えば、特許文献1では、鋼板組成、溶接材料組成および溶接条件を詳細に規定することによって、諸特性を兼備した溶接金属が得られることが開示されている。この技術では、一部の実施例で、応力除去焼鈍(SR焼鈍:Stress Relief焼鈍)後の靭性を示すvTr5.5(SR焼鈍後の吸収エネルギーが5.5kgf・mとなる温度)は、-50℃と良好であるものの、焼戻し脆化処理(ステップクーリング)後の靭性を示すvTr’5.5(ステップクーリング後の吸収エネルギーが5.5kgf・mとなる温度)は最良でも-41℃であり、十分な水準とは言えない。
 また特許文献2には、被覆アーク溶接棒において、心線および被覆の歩留まりを考慮しつつC,MnおよびNiの含有量を関連させて規制することで、靭性、強度および耐熱性を改善することが提案されている。しかしながら、耐焼戻し脆化特性については考慮されていない。
 ソリッドワイヤやボンドフラックスの成分、および溶接条件(入熱量)を考慮することによって、靭性、強度、耐焼戻し脆化特性および耐SR割れ性に優れる溶接金属が実現できる技術が提案されている(例えば、特許文献3、4)。これらの技術では、一部の実施例で、SR焼鈍後の靭性を示すvTr55(SR焼鈍後の吸収エネルギーが55Jとなる温度)、焼戻し脆化処理(ステップクーリング)後の靭性を示すvTr’55(ステップクーリング後の吸収エネルギーが55Jとなる温度)がともに-50℃を下回る良好な靭性が得られているものの、焼戻し時の脆化の程度を示すΔvTr55(=vTr’55-vTr55)はいずれも8℃以上と焼戻し脆化を十分抑制できているとは言い難い。
 特許文献5には、溶接金属成分、特に不純物元素量を管理することで、靭性、強度および耐SR割れ性を改善する技術が提案されている。しかしながら、耐焼戻し脆化特性については考慮されていない。
 特許文献6には、被覆アーク溶接において、溶接棒の心線および被覆材成分を制御することで、靭性、強度を改善することが提案されている。しかしながら、耐焼戻し脆化特性は考慮されていない。また、想定している溶接入熱が小さく、施工上の制約が大きいものとなっている。 
 一方、被覆アーク溶接において、溶接棒の心線および被覆材成分を制御することで、靭性、強度を改善ことも提案されている(例えば、特許文献7、8)。これらの技術では、靭性、耐焼戻し脆化特性のいずれも高いレベルにあるものの、推奨される溶接条件は、被覆アーク溶接による溶接金属を規定した特許文献7で溶接電流:140~190A程度(心線径φ4.0mm)であり、サブマージアーク溶接による溶接金属を規定した特許文献8で入熱量:2.0~3.6kJ/mm程度であり、溶接入熱量の増大傾向に十分対応しているとは言えない。
日本国特開平2-182378号公報 日本国特開平2-220797号公報 日本国特開平6-328292号公報 日本国特開平8-150478号公報 日本国特開2000-301378号公報 日本国特開2002-263883号公報 日本国特開2008-229718号公報 日本国特開2009-106949号公報
 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、入熱量が比較的大きい溶接条件においても、優れた耐焼戻し脆化特性を発揮すると共に、靭性、耐SR割れ性、強度等の特性においても優れた溶接金属、およびこのような溶接金属を備えた溶接構造体を提供することにある。
 上記課題を解決することのできた本発明に係る溶接金属とは、C:0.05~0.15%(「質量%」の意味。以下同じ)、Si:0.1~0.50%、Mn:0.6~1.30%、Cr:1.8~3.0%、Mo:0.80~1.20%、V:0.25~0.50%、Nb:0.010~0.050%、N:0.025%以下(0%を含まない)、O:0.020~0.060%を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、円相当直径で1μm超の酸化物が1mm当り2000個以下であると共に、円相当直径で2μm超の酸化物が1mm当り100個以下であり、且つ下記(1)式で規定されるA値が5.0以下である点に要旨を有する。 
 A値=(100×[C]-6×[insol.Cr]-2×[insol.Mo]-24×[insol.V]-13×[insol.Nb])×([Mo]-[insol.Mo])…(1) 
 但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insolV]は、応力除去焼鈍後において溶接金属中に化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。
 本発明の溶接金属においては、更に他の元素として、(a)Cu:1.0%以下(0%を含まない)および/またはNi:1.0%以下(0%を含まない)、(b)B:0.0050%以下(0%を含まない)、(c)W:0.50%以下(0%を含まない)、(d)Al:0.030%以下(0%を含まない)、(e)Ti:0.020%以下(0%を含まない)、等を含むことも好ましく、含有させる元素の種類に応じて溶接金属の特性が更に改善される。 
 本発明は、上記のような溶接金属を備えた溶接構造体をも包含する。
 本発明によれば、化学成分組成と共に、所定大きさの酸化物の個数を規定し、且つ応力除去焼鈍後において化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)と、溶接金属中のCおよびMoとの関係を適切に規定するようにしたので、優れた耐焼戻し脆化特性を発揮すると共に、靭性、耐SR割れ性、強度等の特性において優れた溶接金属が実現できる。
ステップクーリング処理条件を示すグラフである。 引張試験片の採取位置を示す概略説明図である。 シャルピー衝撃試験片の採取位置を示す概略説明図である。 耐SR割れ性試験片の採取位置を示す概略説明図である。 耐SR割れ性試験片の形状を示す概略説明図である。 耐SR割れ性試験片の採取方法を示す概略説明図である。
 本発明者らは、入熱量が比較的大きい溶接条件においても、優れた耐焼戻し脆化特性を発揮すると共に、靭性、耐SR割れ性、強度等の特性においても優れた溶接金属を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、粗大な酸化物を低減すると共に、SR焼鈍後の溶接金属中の全C量、Mo量(上記[C]、[Mo])、化合物として存在するCr,Mo,NbおよびV量(上記[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insol.V])を制御することで、上記諸特性を兼備できることを見出し、本発明を完成した。
 即ち、本発明では、溶接金属の化学成分組成を適切に制御すると共に、溶接金属中に存在する円相当直径で1μm超の酸化物を1mm当り2000個以下(2000個/mm以下)、円相当直径で2μm超の酸化物が1mm当り100個以下(100個/mm以下)に低減するとともに、下記(1)式によって規定されるA値を5.0以下に制御することで、靭性、耐焼戻し脆化特性をはじめとする諸特性が兼備できることを見出した。
 A値=(100×[C]-6×[insol.Cr]-2×[insol.Mo]-24×[insol.V]-13×[insol.Nb])×([Mo]-[insol.Mo])…(1) 
 但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insolV]は、応力除去焼鈍後において溶接金属中に化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。
 上記「円相当直径」とは、光学顕微鏡の観察面上で認められる酸化物粒子の大きさに着目して、その面積が等しくなるように想定した円の直径である。また、化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)は、抽出残渣法によって求められるものである。尚、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示すが、これらの量は、応力除去焼鈍の前後において変化しないものである。
 溶接金属の耐焼戻し脆化特性は、SR焼鈍後に、ステップクーリングと称する熱処理を施し、通常のSR焼鈍を施した溶接金属と比較してどの程度靭性が劣化したかによって評価される。本発明者らは、このステップクーリング時に析出する微細炭化物MoCが、析出強化により溶接金属を硬化させることで靭性劣化をもたらすことを新たに見出し、上記(1)式で規定されるA値を制御することによって、MoCの析出を抑制し、ステップクーリング後の靭性劣化を抑制し、耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属が実現できたのである。
 上記(1)式で規定されるA値は、ステップクーリング時のMoC析出に寄与する固溶C、固溶Moに関連する要件を規定したものであり、熱力学的にはMoC析出の駆動力を表現したものである。このA値が小さくなるほど、MoCの析出量が少なくなる。従って、耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属を得るためには、A値を所定の値以下に制御する必要がある。こうした観点から、A値は5.0以下とする必要があり、5.0よりも大きくなると、MoCの析出量が増加して耐焼戻し脆化特性が劣化する。このA値は、好ましくは4.5以下であり、より好ましくは4.0以下であり、更に好ましくは3.5以下である。
 本発明の溶接金属においては、所定大きさの酸化物の個数を制御する必要がある。このように酸化物の形態を制御することによって、溶接金属の組織微細化が図れ、靭性の向上が図れる。こうした観点から、溶接金属中に存在する円相当直径で1μm超の酸化物を2000個/mm以下、円相当直径で2μm超の酸化物を100個/mm以下に低減する必要があり、これらの上限を超えて酸化物が存在すると、良好な靭性が確保できなくなる。尚、円相当直径で1μm超の酸化物は、好ましくは1500個/mm以下であり、より好ましくは1200個/mm以下であり、本発明によれば数百個/mm程度まで低減できる。また円相当直径で2μm超の酸化物は、好ましくは60個/mm以下であり、より好ましくは40個/mm以下である。
 本発明の溶接金属において、その化学成分組成を適切に制御することも重要な要件であるが、その範囲設定理由は以下の通りである。
[C:0.05~0.15%] 
 Cは、溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。C含有量が0.05%よりも低いと、所定の強度が得られない。しかしながら、C含有量が過剰になると、炭化物の粗大化を招くことで、靭性低下の原因となるので0.15%以下とする。C含有量の好ましい下限は0.07%以上であり、より好ましくは0.09%以上であり、好ましい上限は0.13%以下、より好ましくは0.12%以下である。 
[Si:0.1~0.50%] 
 Siは、溶接時の作業性を良好にする上で有効な元素である。Si含有量が0.1%を下回ると、溶接作業性が劣化する。しかしながら、Si含有量が過剰になると、強度の過大な上昇、またはマルテンサイト等の硬質組織増加をもたらし、靭性低下を招くので、0.50%以下とする。尚、Si含有量の好ましい下限は0.15%以上であり、より好ましくは0.17%以上であり、好ましい上限は0.40%以下、より好ましくは0.32%以下である。
[Mn:0.6~1.30%]
 Mnは、溶接金属の強度を確保する上で有効な元素であり、その含有量が0.6%を下回ると、室温での強度が低下するほか、耐SR割れ性にも悪影響を及ぼす。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、高温強度を低下させるので、1.30%以下とする必要がある。尚、Mn含有量の好ましい下限は0.8%以上であり、より好ましくは1.0%以上であり、好ましい上限は1.2%以下、より好ましくは1.15%以下である。
[Cr:1.8~3.0%]
 Cr含有量が1.8%よりも低くなると、旧γ粒界にフィルム状の粗大セメンタイトが析出するようになり、耐SR割れ性が劣化する。しかしながら、Cr含有量が過剰になると、炭化物粗大化を招くことで靭性低下の原因となるので、3.0%以下とする必要がある。尚、Cr含有量の好ましい下限は1.9%以上であり、より好ましくは2.0%以上であり、好ましい上限は2.8%以下、より好ましくは2.6%以下である。
[Mo:0.80~1.20%]
 Moは、溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。Mo含有量が0.80%よりも低いと、所定の強度が得られない。しかしながら、Mo含有量が過剰になると、強度の過大な上昇により靭性を低下させるとともに、SR焼鈍後の固溶Moの増加をもたらし、ステップクーリング時に微細MoCが析出することで耐焼戻し脆化特性が劣化するので、1.20%以下とする必要がある。尚、Mo含有量の好ましい下限は0.9%以上であり、より好ましくは0.95%以上であり、好ましい上限は1.15%以下、より好ましくは1.1%以下である。
[V:0.25~0.50%]
 Vは、炭化物(MC炭化物:Mは炭化物形成元素)を形成して、溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。V含有量が0.25%を下回ると、所定の強度が得られない。しかしながら、V含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.50%以下とする必要がある。尚、V含有量の好ましい下限は0.27%以上であり、より好ましくは0.30%以上であり、好ましい上限は0.45%以下、より好ましくは0.40%以下である。
[Nb:0.010~0.050%]
 Nbは、炭化物(MC炭化物)を形成して、溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。Nb含有量が0.010%を下回ると、所定の強度が得られない。しかしながら、Nb含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.050%以下とする必要がある。尚、Nb含有量の好ましい下限は0.012%以上であり、より好ましくは0.015%以上であり、好ましい上限は0.040%以下、より好ましくは0.035%以下である。
[N:0.025%以下(0%を含まない)] 
 Nは、溶接金属のクリープ強度を確保する上で有用な元素であるが、N含有量が過剰になると、強度の過大な上昇を招き靭性を低下させるので、0.025%以下とする必要がある。尚、上記効果を発揮させる上で好ましい下限は、0.004%以上(より好ましくは0.005%以上)であり、好ましい上限は0.020%以下(より好ましくは0.018%以下)である。
[O:0.020~0.060%] 
 Oは、酸化物を形成し、組織微細化に寄与することで靭性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、0.020%以上含有させる必要がある。しかしながら、O含有量が過剰になって0.060%を超えると、粗大な酸化物が増加し、脆性破壊の起点となることでかえって靭性は低下する。尚、O含有量の好ましい下限は0.025%以上(より好ましくは0.028%以上)であり、好ましい上限は0.050%以下(より好ましくは0.045%以下)である。
 本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避的不純物であり、該不可避的不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素(例えば、P,S等)の混入が許容され得る。
 本発明の溶接金属においては、更に他の元素として、(a)Cu:1.0%以下(0%を含まない)および/またはNi:1.0%以下(0%を含まない)、(b)B:0.0050%以下(0%を含まない)、(c)W:0.50%以下(0%を含まない)、(d)Al:0.030%以下(0%を含まない)、(e)Ti:0.020%以下(0%を含まない)、等を含有させることが好ましく、含有させる元素の種類に応じて溶接金属の特性が更に改善される。これらの元素を含有させるときの範囲設定理由は下記の通りである。
[Cu:1.0%以下(0%を含まない)および/またはNi:1.0%以下(0%を含まない)]
 CuおよびNiは、組織微細化による靭性向上に有効な元素である。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、強度が過大となって靭性が低下するので、CuまたはNiの含有量は、夫々1.0%以下とすることが好ましい。より好ましくは、夫々0.8%以下、更に好ましくは0.5%以下である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、いずれも0.05%以上(より好ましくは0.1%以上)である。
[B:0.0050%以下(0%を含まない)]
 Bは、粒界からのフェライト生成を抑制し、溶接金属の強度を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、B含有量が過剰になると、耐SR割れ性を低下させるので、0.0050%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.0040%以下(更に好ましくは0.0025%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.0005%以上(より好ましくは0.0010%以上)である。 
[W:0.50%以下(0%を含まない)] 
 Wは、溶接金属の強度を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、W含有量が過剰になると、粒界に析出する炭化物を粗大化させ、靭性に悪影響を及ぼすので、0.50%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.3%以下(更に好ましくは、0.2%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.08%以上(より好ましくは0.1%以上)である。
[Al:0.030%以下(0%を含まない)]
 Alは、脱酸剤として有効な元素である。しかしながら、Al含有量が過剰になると、酸化物粗大化を招き靭性に悪影響を及ぼすので、0.030%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.020%以下(更に好ましくは、0.015%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.001%以上(より好ましくは0.0012%以上)である。
[Ti:0.020%以下(0%を含まない)]
 Tiは、溶接金属の強度を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、Ti含有量が過剰になると、MC炭化物の析出強化が促進されることによる粒内強化の著しい上昇をもたらし、耐SR割れ性を低下させるので、0.020%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.015%以下(更に好ましくは、0.012%以下)である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は、0.005%以上(より好ましくは0.008%以上)である。
 本発明の溶接金属を得るための溶接方法は、アーク溶接法であれば特に限定するものではないが、化学反応容器等を実際に溶接施工する際に多用される、サブマージアーク溶接(SAW)、被覆アーク溶接(SMAW)の適用が好ましい。
 但し、本発明の溶接金属を実現するためには、溶接材料および溶接条件を適切に制御する必要がある。溶接材料成分は、当然ながら必要とされる溶接金属成分により制約を受け、また所定の酸化物形態を得るためには、溶接条件および溶接材料成分が適切に制御されなければならない。
 例えば、SAWにおける好ましい溶接条件は、溶接入熱量が2.5~5.0kJ/mmで、且つ溶接時の予熱-パス間温度が190~250℃程度である。これらの溶接条件において、所定の溶接金属を得るためには、溶接ワイヤ中のMo含有量を1.3%以下、V含有量を0.36%以上、Nb含有量を0.012%以上とした上で、これらVとNbの合計含有量に対するMo含有量の比[Mo/(V+Nb)]を2.8以下とし、更にボンドフラックスの金属CaおよびAlの濃度が、下記(2)式を満足するように制御すれば良い。
 17/9×([Ca]/[Al])≧0.015…(2) 
 但し、[Ca]、[Al]は、夫々ボンドフラックスに含まれる金属Ca、Alの濃度(質量%)である。
 溶接ワイヤ中の溶接ワイヤ中のMo含有量、V含有量およびNb含有量が上記の範囲を外れると、或は比[Mo/(V+Nb)]の値が2.8を超えると、SR焼鈍後の固溶Mo量、固溶C量が増加し、A値を5.0以下に抑制できなくなる。溶接ワイヤ中のMo含有量は、好ましくは1.2%以下であり、より好ましくは1.1%以下である。溶接ワイヤ中のV含有量は、好ましくは0.37%以上であり、より好ましくは0.38%以上である。溶接ワイヤ中のNb含有量は、好ましくは0.018%以上であり、より好ましくは0.020%以上である。また上記比[Mo/(V+Nb)]の値は、好ましくは2.7以下であり、より好ましくは2.6以下である。
 ボンドフラックスの金属CaおよびAlの濃度が、上記(2)式を満足しない場合には[17/9×([Ca]/[Al])<0.015]、凝集・合体により粗大化しやすいAl酸化物が一部残存し、粗大酸化物が規定の範囲を超えてしまう。上記(17/9×([Ca]/[Al])の値は、好ましくは0.017以上であり、より好ましくは0.018以上である。
 SAWにおける入熱量が2.5kJ/mmを下回るか、或は予熱-パス間温度が190℃を下回ると、溶接時の冷却速度が速くなり、冷却中に十分な炭化物が生成しなくなるため、上記A値が所定の範囲を満たさなくなる。また、入熱量が5.0kJ/mmを上回るか、或は予熱-パス間温度が250℃を上回ると、溶接金属組織が粗大となり、炭化物の生成サイトである粒界が減少する結果、SR焼鈍時の炭化物生成量が減少し、上記A値が所定の範囲を満たさなくなる。
 一方、SMAWにおける好ましい溶接条件は、溶接入熱量が2.3~3.0kJ/mmで、且つ溶接時の予熱-パス間温度が190~250℃程度である。これらの溶接条件において、所定の溶接金属を得るためには、溶接棒を製造するに際し、心線のMo含有量を1.20%以下(好ましくは1.1%以下、より好ましくは1.0%以下)とすると共に、被覆剤のV含有量を0.85%以上(好ましくは1.0%以上、より好ましくは1.3%以上)、被覆剤のNb含有量を0.10%以上(好ましくは0.11%以上、より好ましくは0.13%以上)とした上で、被覆剤中のMgOの含有量を2.0%以上とすれば良い。 
 心線のMo含有量、被覆剤のV含有量およびNb含有量は、A値を適正な範囲に制御する上で重要な要件であり、これらが上記の範囲を外れると、SR焼鈍後の固溶Mo量、固溶C量が増加し、A値を5.0以下に抑制できなくなる。被覆剤のMgOは、粗大酸化物の生成を抑制する効果がある。その理由については、明らかではないが、溶接金属中における脱酸元素とフリー元素のバランスを変化させることで、微細酸化物の生成を促進するものと考えられる。こうした効果を発揮させるためには、被覆剤のMgO含有量は、2.0%以上とするのが良い。被覆剤のMgO含有量は、好ましくは2.1%以上であり、より好ましくは2.2%以上である。
 SMAWにおける入熱量が2.3kJ/mmを下回るか、或は予熱-パス間温度が190℃を下回ると、溶接時の冷却速度が速くなり、冷却中に十分な炭化物が生成しなくなるため、上記A値が所定の範囲を満たさなくなる。また、入熱量が3.0kJ/mmを上回るか、或は予熱-パス間温度が250℃を上回ると、溶接金属組織が粗大となり、炭化物の生成サイトである粒界が減少する結果、SR焼鈍時の炭化物生成量が減少し、上記A値が所定の範囲を満たさなくなる。
 上記のような条件に従って溶接金属を形成することによって、優れた耐焼戻し脆化特性を発揮すると共に、靭性、耐SR割れ性、強度等の特性において優れた溶接金属が得られ、このような溶接金属を備えた溶接構造体が実現できる。
 以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
 下記の成分を有する母材を用い、後述の各溶接条件にて溶接金属を作製し、熱処理を施した後、各種特性を評価した。
[母材組成(質量%)]
 C:0.12%、Si:0.23%、Mn:0.48%、P:0.004%、S:0.005%、Cu:0.04%、Al:<0.002%、Ni:0.08%、Cr:2.25%、Mo:0.99%、V:0.004%、Ti:0.002%、Nb:0.005%(残部:鉄および不可避的不純物) 
[溶接条件(SAW)]
 溶接方法:サブマージアーク溶接(SAW)
 母材板厚:25mm
 開先角度:10°(V字型)
 ルート間隔:25mm
 溶接姿勢:下向き
 ワイヤ径:4.0mmφ(ワイヤ組成は下記表1、2に示す)
 入熱条件(AC-ACタンデム)
ア)2.4kJ/mm(L:440A-25V/T:480A-27V,10mm/秒)
イ)2.6kJ/mm(L:480A-25V/T:500A-28V,10mm/秒)
ウ)3.7kJ/mm(L:580A-30V/T:600A-32V,10mm/秒)
エ)4.8kJ/mm(L:440A-25V/T:480A-27V,5mm/秒)
オ)5.2kJ/mm(L:480A-25V/T:500A-28V,5mm/秒)
 但し、L:Leading wire(先行電極)、T:Trailing wire(後行電極) 
 予熱-パス間温度:180~260℃ 
 積層方法:1層2パス(計6層) 
(使用フラックス組成) 
 組成A(質量%) SiO:8%、Al:14%、MgO:31%、CaF:27%、CaO:10%、Ca:0.13%、その他(CO、AlF等):10%
 組成B(質量%) SiO:8%、Al:14%、MgO:31%、CaF:27%、CaO:10%、Ca:0.08%、その他(CO、AlF等):10%
[溶接条件(SMAW)]
 溶接方法:被覆アーク溶接(SMAW)
 母材板厚:20mm
 開先角度:20°(V字型)
 ルート間隔:19mm
 溶接姿勢:下向き
 心線径:5.0mmφ(被覆剤の組成は下記表7に示す)
 入熱条件
カ)2.1kJ/mm(210A-27V,2.7mm/秒)
キ)2.3kJ/mm(215A-27V,2.5mm/秒)
ク)2.7kJ/mm(215A-27V,2.2mm/秒)
ケ)3.0kJ/mm(220A-27V,2.0mm/秒)
コ)3.2kJ/mm(225A-28V,2.0mm/秒)
 予熱-パス間温度:180~260℃
 積層方法:1層2パス(計8層)
(使用心線組成)
 組成a(質量%) C:0.09%、Si:0.15%、Mn:0.49%、Cu:0.04%、Ni:0.03%、Cr:2.31%、Mo:1.10%(残部:鉄および不可避的不純物)
 組成b(質量%) C:0.08%、Si:0.18%、Mn:0.50%、Cu:0.03%、Ni:0.03%、Cr:2.28%、Mo:1.22%(残部:鉄および不可避的不純物)
[熱処理]
(SR焼鈍処理)
 得られた溶接金属に、SR焼鈍処理として705℃で8時間の熱処理を実施した。SR焼鈍処理は、供試材を加熱し、供試材の温度が300℃を超えると、昇温速度が毎時55℃(55℃/時)以下となるように加熱条件を調整し、供試材の温度が705℃に到達するまで加熱した。そして、705℃で8時間保持した後、供試材の温度が300℃以下になるまで、冷却速度が55℃/時以下となるように供試材を冷却した。尚、このSR焼鈍処理において、供試材の温度が300℃以下の温度域では、昇温速度および冷却速度は規定しない。
(ステップクーリング)
 SR焼鈍処理後の供試材に脆化促進処理としてのステップクーリングを実施した。図1は、温度を縦軸にとり、時間を横軸にとって、ステップクーリング処理条件を示すグラフである。図1に示すように、ステップクーリングは、供試材を加熱し、供試材の温度が300℃を超えると、温度上昇が毎時50℃(50℃/時)以下となるように加熱条件を調整して、供試材の温度を593℃に到達するまで加熱し、その温度で1時間保持する。その後、同様の要領で、538℃で15時間、524℃で24時間、496℃で60時間保持するが、これらの冷却段階においては毎時5.6℃の温度で試験片が冷却される様に調整する。更に、496℃で保持された試験片を、毎時2.8℃(2.8℃/時)で冷却して468℃とし、この温度で100時間保持する。そして、供試材の温度が300℃以下となるまで、温度降下が毎時28℃(28℃/時)以下となる様に供試材を冷却する。尚、このステップクーリング処理において、SR焼鈍処理と同様に、供試材の温度が300℃以下の温度域では、昇温速度および冷却速度は規定しない。
[評価特性]
(円相当直径が1μm超の酸化物の個数、および円相当直径が2μm超の酸化物の個数)
 上記で705℃×8時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の最終パス中央部を鏡面研磨し、倍率:1000倍で0.037μmの画像を4枚撮影し、撮影した酸化物のサイズ、個数密度を画像解析ソフト(「Image-Pro Plus」Media Cybernetics社製)により算出し、円相当直径が1μm超または円相当直径が2μm超の酸化物を選択したうえで(円相当直径が2μm超の酸化物の個数は、円相当直径が1μm超の酸化物の個数にも含まれる)、それらの個数を算出した。
(化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの含有量)
 705℃×8時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中心部を、10体積%アセチルアセトン-1体積%テトラメチルアンモニウムクロライド-メタノール溶液により電解抽出し、フィルター孔径:0.1μmのフィルターで濾過して残渣を得た後、この残渣をICP発光分析にかけ、化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの含有量を求めた。
(強度)
 705℃×32時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚表面から10mm深さの位置より、図2に基づき溶接線方向に引張試験片(JIS Z3111 A2号)を採取し、室温(25℃)において、JIS Z 2241の要領で、引張強度TSを測定した。引張強度TS>600MPaを強度に優れると評価した。
(靭性)
 705℃×8時間のSR焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中央部より、図3に基づき溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片(JIS Z31114号Vノッチ試験片)を採取し、JIS Z 2242の要領で、シャルピー衝撃試験を実施し、3回の吸収エネルギーの平均値が54Jとなる温度vTr54を測定した。vTr54が-50℃以下のときに靭性に優れると評価した。また705℃×8時間のSR焼鈍処理後にステップクーリングを施した溶接金属について、同様の要領で、吸収エネルギーの平均値が54Jとなる温度vTr’54を測定した。vTr’54が-50℃以下のときに靭性に優れると評価した。
(耐焼戻し脆化特性)
 上記で測定したvTr54とvTr’54の差ΔvTr54が5℃以下のときに[ΔvTr54=vTr’54-vTr54≦5℃]、耐焼戻し脆化特性靭性に優れると評価した。尚、ΔvTr54が負の値となる場合には、「0℃」として表示した。これは、焼戻脆化がほとんど生じない優れた溶接金属である。
(耐SR割れ性)
 溶接金属の最終パス(原質部)より、スリットサイズ=0.5mmのリング割れ試験片を下記に基づき採取した。625℃×10時間のSR焼鈍処理を施し、試験片6個(観察面3×試験数2)とも、ノッチ底部近傍に割れが発生しなかった場合を耐SR割れ性に優れる(評価○)と評価し、割れが発生した場合を耐SR割れ性に劣る(評価×)と評価した。
 このとき、耐SR割れ性の評価方法として、リング割れ試験の概要を以下に示す。図4Aに試験片の採取位置、図4Bに試験片の形状を示す。Uノッチ直下組織が原質部となるように、最終ビード表面直下から採取し、スリットサイズ(幅)は0.5mmとする。スリット幅が0.05mmとなるまで押し縮め、スリット部をTIG溶接し、ノッチ底部に引っ張り残留応力を負荷する。TIG溶接後の試験片をマッフル炉にて625℃×10時間のSR焼鈍処理を施し、SR焼鈍処理後、図4Cに示すように、試験片を3等分して採取し(観察面1~3)、その断面(ノッチ底部付近)を光学顕微鏡にて観察し、SR割れ発生状況を観察した。
[実施例1]
 SAWで溶接金属を形成したときに用いた各種溶接ワイヤ(W1~44)の化学成分組成を、比[(Mo/(V+Nb)]の値と共に、下記表1、2に示す。また形成された溶接金属の化学成分組成を、溶接条件(溶接ワイヤNo.、入熱条件、使用フラックス、予熱-パス間温度)およびA値と共に、下記表3、4に示す。更に、各溶接金属の評価特性結果[各大きさの酸化物個数、引張強度TS、靭性(vTr54、vTr’54)、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)、耐SR割れ性]を下記表5、6に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 表1~6から次のように考察できる(尚、下記No.は、表3~6の試験No.を示す)。No.1~30は、本発明で規定する要件を満足する例であり、優れた耐焼戻し脆化特性を発揮すると共に、靭性、耐SR割れ性、強度等の特性において優れた溶接金属が得られている。
 一方、No.31~49は、本発明で規定するいずれかの要件を外れる例であり、いずれかの特性が劣っている。このうち、No.31は、入熱条件に原因して(入熱量が2.4kJ/mm)A値が大きくなっており、耐焼戻し脆化特性が劣化している。No.32は、入熱条件に原因して(入熱量が5.2kJ/mm)A値が大きくなっており、耐焼戻し脆化特性が劣化している。
 No.33は、予熱-パス間温度が適正な範囲よりも低く、A値が大きくなっており、耐焼戻し脆化特性が劣化している。No.34は、予熱-パス間温度が適正な範囲よりも高く、A値が大きくなっており、耐焼戻し脆化特性が劣化している。
 No.35は、使用フラックスの金属CaおよびAlの濃度が、上記(2)式の関係を満足しない組成Bを用いた例であり、粗大な酸化物の個数が増加し、靭性(vTr54、vTr’54)が劣化している。No.36は、C含有量が不足しており、強度が低下している。
 No.37は、C含有量が過剰になっており、またA値が大きくなっており、靭性(vTr54、vTr’54)、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)、および耐SR割れ性が劣化している。No.38は、溶接ワイヤ中の比[Mo/(V+Nb)]の値が高く(2.93)、また溶接金属中のSi含有量が過剰でMn含有量が不足しており、A値が大きくなっており、強度が低下すると共に、靭性(vTr54、vTr’54)、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)、および耐SR割れ性のいずれも劣化している。
 No.39は、Mn含有量が過剰になっており、靭性(vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.40は、溶接金属中のNi含有量が過剰になっており、またA値が大きくなっており、靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。
 No.41は、Cr含有量およびMo含有量が過剰であると共に、Cu含有量も過剰になっており、またA値が大きくなっており、靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.42は、溶接金属中のMo含有量が不足しており、またAl含有量が過剰になっており、粗大酸化物の個数が増加し、強度が低下すると共に靭性(vTr54、vTr’54)が劣化している。No.43は、溶接ワイヤの組成に原因して溶接金属中のV含有量が不足すると共に、B含有量が過剰になっており、またA値が大きくなっており、強度が低下すると共に、靭性(vTr’54)、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)および耐SR割れ性が劣化している。
 No.44は、溶接金属中のV含有量およびW含有量が過剰になっており、靭性(vTr54、vTr’54)が劣化している。No.45は、溶接金属中のNb含有量およびTi含有量が過剰になっており、靭性(vTr54、vTr’54)および耐SR割れ性が劣化している。
 No.46は、溶接ワイヤの組成に原因して溶接金属中のNb含有量が不足すると共に、O含有量も不足しており、またA値が大きくなっており、強度が低下すると共に靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.47は、溶接金属中のN含有量が過剰になっており、靭性(vTr54、vTr’54)が劣化している。
 No.48は、溶接金属中のO含有量が過剰になっており、またA値が大きくなっており、各酸化物の個数が増加し、靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.49は、A値が大きくなっており、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。
[実施例2]
 SMAWで溶接金属を形成したときに用いた各種被覆剤の化学成分組成を、下記表7に示す(被覆剤No.B1~24)。また形成された溶接金属の化学成分組成を、溶接条件(被覆剤No.、入熱条件、心線種類、予熱-パス間温度)およびA値と共に、下記表8に示す。更に、各溶接金属の評価特性結果[各大きさの酸化物個数、引張強度TS、靭性(vTr54、vTr’54)、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)、耐SR割れ性]を下記表9に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 表7~9から次のように考察できる(尚、下記No.は、表8、9の試験No.を示す)。No.50~63は、本発明で規定する要件を満足する例であり、優れた耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)を発揮すると共に、靭性、耐SR割れ性、強度等の特性において優れた溶接金属が得られている。
 一方、No.64~77は、本発明で規定するいずれかの要件を外れる例である。いずれかの特性が劣っている。このうち、No.64は、予熱-パス間温度が適正な範囲よりも低く、A値が大きくなっており、靭性(vTr’54)および耐焼戻し脆化特性が劣化している。No.65は、予熱-パス間温度が適正な範囲よりも高く、A値が大きくなっており、靭性(vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。
 No.66は、入熱条件に原因して(入熱量が2.1kJ/mm)A値が大きくなっており、靭性(vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.67は、入熱条件に原因して(入熱量が3.2kJ/mm)A値が大きくなっており、靭性(vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。
 No.68は、心線の成分組成が適切でないbを用いたため、A値が大きくなっており、靭性(vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.69は、C含有量が不足すると共に、強度が不足している。No.70は、Mn含有量が不足すると共に、Cr含有量が過剰になっており、強度が不足すると共に、靭性(vTr54、vTr’54)および耐SR割れ性が劣化している。
 No.71は、Mn含有量およびV含有量が過剰になっており、靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.72は、C含有量およびMo含有量が過剰になっており、またA値が大きくなっており、靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。
 No.73は、被覆剤のNb含有量に原因してA値が大きくなっており、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.74は、被覆剤のV含有量に原因してA値が大きくなっており、耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.75は、Si含有量が過剰になると共にNb含有量が不足しており、またA値が大きくなっており、強度が不足すると共に、靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。
 No.76は、V含有量が不足してA値が大きくなっており、また被覆剤中のMgO含有量に原因して粗大な酸化物が増加しており、強度が不足すると共に、靭性(vTr54、vTr’54)および耐焼戻し脆化特性(ΔvTr54)が劣化している。No.77は、Nb含有量およびB含有量が過剰になっており、靭性(vTr54、vTr’54)および耐SR割れ性が劣化している。
 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
 本出願は、2011年3月11日出願の日本特許出願(特願2011―054648)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
 本発明の溶接金属は、ボイラーや化学反応容器等に用いられる高強度Cr-Mo鋼に有用である。

Claims (3)

  1.  C :0.05~0.15%(「質量%」の意味。以下同じ)、 
     Si:0.1~0.50%、 
     Mn:0.6~1.30%、 
     Cr:1.8~3.0%、 
     Mo:0.80~1.20%、 
     V :0.25~0.50%、 
     Nb:0.010~0.050%、 
     N :0.025%以下(0%を含まない)、 
     O :0.020~0.060%を夫々含有し、
     残部が鉄および不可避的不純物からなり、
     円相当直径で1μm超の酸化物が1mm当り2000個以下であると共に、円相当直径で2μm超の酸化物が1mm当り100個以下であり、且つ下記(1)式で規定されるA値が5.0以下であることを特徴とする耐焼戻し脆化特性に優れた溶接金属。
     A値=(100×[C]-6×[insol.Cr]-2×[insol.Mo]-24×[insol.V]-13×[insol.Nb])×([Mo]-[insol.Mo])…(1) 
     但し、[insol.Cr],[insol.Mo],[insol.Nb]および[insolV]は、応力除去焼鈍後において溶接金属中に化合物として存在するCr,Mo,NbおよびVの夫々の含有量(質量%)を示し、[C]および[Mo]は、溶接金属中のCおよびMoの夫々の含有量(質量%)を示す。
  2.  更に他の元素として、下記元素の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1記載の溶接金属。
     Cu:1.0%以下(0%を含まない)
     Ni:1.0%以下(0%を含まない)
     B :0.0050%以下(0%を含まない)
     W :0.50%以下(0%を含まない)
     Al:0.030%以下(0%を含まない)
     Ti:0.020%以下(0%を含まない)
  3.  請求項1または2に記載の溶接金属を備えた溶接構造体。
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