WO2017002523A1 - オーステナイト系耐熱合金及び溶接構造物 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an austenitic heat resistant alloy and a welded structure including the alloy.
- Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-250783 discloses an austenitic stainless steel excellent in high-temperature strength and corrosion resistance in which N is 0.1 to 0.35%, Cr is more than 22% and less than 30% and a metal structure is defined. Has been proposed.
- Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-084606 proposes an austenitic stainless steel having excellent high temperature strength and corrosion resistance, in which N is 0.1 to 0.35%, Cr is more than 22% and less than 30%, and impurity elements are specified. ing.
- Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-1749 discloses an austenitic heat-resistant steel containing 0.09 to 0.30% of N and excellent in high temperature strength and hot workability by adding a large amount of Mo and W in combination.
- WO 2009/044796 discloses a high-strength austenitic stainless steel that contains 0.03 to 0.35% N and one or more of Nb, V, and Ti. ing.
- An object of the present invention is to provide an austenitic heat-resistant alloy that can stably obtain excellent crack resistance and high-temperature strength.
- the austenitic heat-resistant alloy according to an embodiment of the present invention has a chemical composition of mass%, C: 0.04 to 0.14%, Si: 0.05 to 1%, Mn: 0.5 to 2.5. %, P: 0.03% or less, S: less than 0.001%, Ni: 23 to 32%, Cr: 20 to 25%, W: 1 to 5%, Nb: 0.1 to 0.6%, V: 0.1 to 0.6%, N: 0.1 to 0.3%, B: 0.0005 to 0.01%, Sn: 0.001 to 0.02%, Al: 0.03%
- an austenitic heat-resistant alloy that can stably obtain excellent crack resistance and high-temperature strength.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing the shape of a groove of a plate produced in the example.
- SIPH cracking is caused by precipitation of a large amount of nitride or carbonitride in the grains during use at high temperatures, making the grains difficult to deform, and creep deformation concentrates on the grain boundaries.
- the opening was reached. S segregates at the grain boundary during welding or use, and reduces the bonding force of the grain boundary.
- the larger the crystal grain size the smaller the area of the crystal grain boundary per unit volume.
- the crystal grain boundaries function as nucleation sites for nitrides and carbonitrides. Therefore, when the crystal grain boundary decreases, a larger amount of nitride or carbonitride tends to precipitate in the grains.
- the crystal grain size needs to be less than 7.0 as the crystal grain size number.
- austenitic heat-resistant alloys are often assembled by welding. When these are welded, a filler material is usually used. However, gas shield arc welding may be performed without using a filler material in first layer welding or tack welding even for small thin parts or thick parts. At this time, if the penetration depth is insufficient, the unmelted butted surface remains as a defect, and the required strength cannot be obtained in the welded joint. S has the effect of increasing the penetration depth while decreasing the resistance to SIPH cracking. Therefore, it has been found that if the S content is strictly controlled to less than 0.001% from the viewpoint of resistance to SIPH cracking, the problem of insufficient penetration is likely to be manifested.
- the austenitic heat-resistant alloy according to this embodiment has a chemical composition described below.
- “%” of the element content means mass%.
- C 0.04 to 0.14%
- Carbon (C) stabilizes the austenite structure and forms fine carbides to improve the creep strength during high temperature use. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.04% or more. However, when C is contained excessively, a large amount of carbide precipitates and the SIPH cracking resistance decreases. Therefore, the upper limit is made 0.14%.
- the lower limit of the C content is preferably 0.05%, more preferably 0.06%.
- the upper limit of the C content is preferably 0.13%, more preferably 0.12%.
- Si 0.05 to 1%
- Silicon (Si) is an element that has a deoxidizing action and is effective in improving corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.05% or more. However, when Si is contained excessively, the stability of the structure is lowered, and the toughness and the creep strength are lowered. Therefore, the upper limit is 1%.
- the lower limit of the Si content is preferably 0.08%, more preferably 0.1%.
- the upper limit of the Si content is preferably 0.6%, more preferably 0.5%.
- Mn 0.5 to 2.5%
- Manganese (Mn) like Si, has a deoxidizing action. Mn also contributes to the stabilization of the austenite structure. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.5% or more. However, when Mn is contained excessively, embrittlement of the alloy is caused and creep ductility is further reduced. Therefore, the upper limit is set to 2.5%.
- the lower limit of the Mn content is preferably 0.6%, more preferably 0.7%.
- the upper limit of the Mn content is preferably 2%, more preferably 1.5%.
- P 0.03% or less Phosphorus (P) is contained as an impurity in the alloy and segregates at the grain boundary of the weld heat affected zone during welding to increase the liquefaction cracking sensitivity. P further reduces the creep ductility after long-term use. Therefore, an upper limit is set for the P content to 0.03% or less.
- the upper limit of the P content is preferably 0.028%, more preferably 0.025%.
- the lower limit of the P content is preferably 0.0005%, and more preferably 0.0008%.
- S Less than 0.001% Sulfur (S) is contained in the alloy as an impurity in the same manner as P, and segregates at the crystal grain boundary in the weld heat affected zone during welding to increase the liquefaction cracking sensitivity. Further, S is an element that segregates at the grain boundaries during use for a long time, causes embrittlement, and greatly reduces the resistance to SIPH cracking. In order to prevent these in the chemical composition range of the present embodiment, the S content needs to be less than 0.001%.
- the upper limit of the S content is preferably 0.0008%, and more preferably 0.0005%.
- the S content is preferably reduced as much as possible, but extreme reduction leads to an increase in steelmaking costs. Therefore, the lower limit of the S content is preferably 0.0001%, more preferably 0.0002%.
- Nickel (Ni) is an essential element for ensuring the stability of the austenite phase when used for a long time. In order to sufficiently obtain this effect within the range of the Cr and W contents of this embodiment, it is necessary to contain 23% or more of Ni. However, Ni is an expensive element, and a large amount causes an increase in cost. Therefore, the upper limit is 32%.
- the lower limit of the Ni content is preferably 25%, more preferably 25.5%.
- the upper limit of the Ni content is preferably 31.5%, and more preferably 31%.
- Chromium (Cr) is an essential element for ensuring oxidation resistance and corrosion resistance at high temperatures. Cr also contributes to ensuring creep strength by forming fine carbides. In order to sufficiently obtain this effect within the range of the Ni content of the present embodiment, it is necessary to contain 20% or more of Cr. However, when Cr is excessively contained, the structural stability of the austenite phase at high temperatures deteriorates and the creep strength decreases. Therefore, the upper limit is 25%.
- the lower limit of the Cr content is preferably 20.5%, more preferably 21%.
- the upper limit of the Cr content is preferably 24.5%, more preferably 24%.
- W 1-5% Tungsten (W) greatly contributes to the improvement of creep strength and tensile strength at high temperatures by forming a solid solution in the matrix or forming a fine intermetallic compound. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 1% or more. However, when W is contained excessively, the deformation resistance in the grains is increased, the SIPH cracking resistance is lowered, and the creep strength is sometimes lowered. Furthermore, W is an expensive element, and a large amount causes an increase in cost. Therefore, the upper limit is 5%.
- the lower limit of the W content is preferably 1.2%, more preferably 1.5%.
- the upper limit of the W content is preferably 4.5%, more preferably 4%.
- Niobium (Nb) precipitates as fine MX-type carbonitrides and also precipitates in the grains as a Z phase (CrNbN), which greatly contributes to the improvement of creep strength and tensile strength at high temperatures. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.1% or more. However, when Nb is contained excessively, the strengthening ability by these precipitates is too large, and the resistance to SIPH cracking is lowered, and the creep ductility and toughness are lowered. Therefore, the upper limit is made 0.6%.
- the lower limit of the Nb content is preferably 0.12%, more preferably 0.15%.
- the upper limit of the Nb content is preferably 0.55%, more preferably 0.5%.
- V 0.1-0.6% Vanadium (V) precipitates in the grains as a fine MX-type carbonitride, and contributes to the improvement of creep strength and tensile strength at high temperatures. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.1% or more. However, when V is contained excessively, a large amount of carbonitride precipitates, and the resistance to SIPH cracking is lowered, and the creep ductility and toughness are lowered. Therefore, the upper limit is made 0.6%.
- the lower limit of the V content is preferably 0.12%, more preferably 0.15%.
- the upper limit of the V content is preferably 0.55%, more preferably 0.5%.
- N 0.1-0.3% Nitrogen (N) stabilizes the austenite structure and dissolves in the matrix or precipitates as a nitride, contributing to the improvement of the high-temperature strength. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.1% or more. However, when N is contained excessively, due to solid solution during short-time use, a large amount of fine nitride precipitates within the grains during long-time use, resulting in high intragranular deformation resistance and high resistance to SIPH cracking. descend. Furthermore, creep ductility and toughness are reduced. Therefore, the upper limit is made 0.3%.
- the lower limit of the N content is preferably 0.12%, more preferably 0.14%.
- the upper limit of the N content is preferably 0.28%, more preferably 0.26%.
- B 0.0005 to 0.01% Boron (B) improves the creep strength by finely dispersing grain boundary carbides and segregates at the grain boundaries to strengthen the grain boundaries. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.0005% or more. However, when B is contained excessively, B is segregated in a large amount in the heat affected zone near the melting boundary due to the welding heat cycle during welding, the melting point of the grain boundary is lowered, and the liquefaction cracking sensitivity is increased. Therefore, the upper limit is made 0.01%.
- the lower limit of the B content is preferably 0.0008, and more preferably 0.001%.
- the upper limit of the B content is preferably 0.008%, more preferably 0.006%.
- Tin has the effect of increasing the penetration depth during welding by evaporating from the molten pool and increasing the current density of the arc. In order to obtain this effect sufficiently, it is necessary to contain 0.001% or more. However, when Sn is contained excessively, the liquefaction cracking sensitivity of the weld heat affected zone during welding and the SIPH cracking sensitivity during use are increased. Therefore, the upper limit is made 0.02%.
- the lower limit of the Sn content is preferably 0.0015%, and more preferably 0.002%.
- the upper limit of the Sn content is preferably 0.018%, more preferably 0.015%.
- Al 0.03% or less
- Aluminum (Al) has a deoxidizing action. However, when Al is contained excessively, the cleanliness of the alloy is deteriorated and the hot workability is lowered. Therefore, the upper limit is made 0.03%.
- the upper limit of the Al content is preferably 0.025%, more preferably 0.02%.
- the lower limit of the Al content is preferably 0.0005%, and more preferably 0.001%.
- Al means acid-soluble Al (sol. Al).
- Oxygen (O) is contained as an impurity in the alloy and has the effect of increasing the penetration depth during welding. However, when O is contained excessively, hot workability is deteriorated and toughness and ductility are deteriorated. Therefore, the upper limit is made 0.02%.
- the upper limit of the O content is preferably 0.018%, more preferably 0.015%.
- a lower limit is not particularly required, but extreme reduction leads to an increase in steelmaking costs. Therefore, the lower limit of the O content is preferably 0.0005%, more preferably 0.0008%.
- the balance of the chemical composition of the austenitic heat-resistant alloy according to this embodiment is Fe and impurities.
- An impurity here means the element mixed from the ore and scrap utilized as a raw material, or the element mixed from the environment of a manufacturing process, etc. when manufacturing a heat-resistant alloy industrially.
- the chemical composition of the austenitic heat-resistant alloy according to the present embodiment contains one or more elements selected from any one of the following first to third groups instead of a part of the above-mentioned Fe. Also good.
- the following elements are all selective elements. That is, none of the following elements may be contained in the austenitic heat-resistant alloy according to the present embodiment. Moreover, only a part may be contained.
- only one group may be selected from the groups from the first group to the third group, and one or more elements may be selected from the group. In this case, it is not necessary to select all elements belonging to the selected group.
- a plurality of groups may be selected from the first group to the third group, and one or more elements may be selected from each group. Also in this case, it is not necessary to select all the elements belonging to the selected group.
- First group Ti 0 to 0.5%
- the element belonging to the first group is Ti.
- Ti improves the creep strength of the alloy by precipitation strengthening.
- Ti 0 to 0.5% Titanium (Ti), like Nb and V, combines with carbon or nitrogen to form fine carbides or carbonitrides and contributes to the improvement of creep strength. This effect can be obtained if Ti is contained even a little. However, when Ti is contained excessively, the amount of precipitates increases, and the SIPH resistance and creep ductility deteriorate. Therefore, the upper limit is 0.5%.
- the lower limit of the Ti content is preferably 0.01%, more preferably 0.03%.
- the upper limit of the Ti content is preferably 0.45%, more preferably 0.4%.
- Second group Co: 0-2%, Cu: 0-4%, Mo: 0-4% Elements belonging to the second group are Co, Cu, and Mo. These elements improve the creep strength of the alloy.
- Co 0-2%
- Cobalt (Co) is an austenite-forming element like Ni and contributes to the improvement of creep strength by increasing the stability of the austenite structure. This effect can be obtained if Co is contained even a little.
- Co is an extremely expensive element, and a large amount causes an increase in cost. Therefore, the upper limit is 2%.
- the lower limit of the Co content is preferably 0.01%, more preferably 0.03%.
- the upper limit of the Co content is preferably 1.8%, more preferably 1.5%.
- Cu 0 to 4% Copper (Cu), like Ni and Co, stabilizes the austenite structure and precipitates finely during use, contributing to the improvement of creep strength. This effect can be obtained if even a small amount of Cu is contained. However, when Cu is contained excessively, the hot workability is lowered. Therefore, the upper limit is 4%.
- the lower limit of the Cu content is preferably 0.01%, and more preferably 0.03%.
- the upper limit of the Cu content is preferably 3.8%, more preferably 3.5%.
- Mo 0-4% Molybdenum (Mo), like W, contributes to improving the creep strength and tensile strength at high temperatures by dissolving in a matrix. This effect can be obtained if even a small amount of Mo is contained. However, when Mo is contained excessively, the deformation resistance in the grains is increased, the SIPH cracking resistance is lowered, and the creep strength may be lowered. Furthermore, Mo is an expensive element, and a large amount causes an increase in cost. Therefore, the upper limit is 4%.
- the lower limit of the Mo content is preferably 0.01%, more preferably 0.03%.
- the upper limit of the Mo content is preferably 3.8%, more preferably 3.5%.
- Third group Ca 0 to 0.02%, Mg: 0 to 0.02%, REM: 0 to 0.2%
- Elements belonging to the third group are Ca, Mg, and REM. These elements improve the hot workability of the alloy.
- Ca 0 to 0.02%
- Calcium (Ca) improves hot workability during production. If Ca is contained even a little, this effect is obtained. However, if Ca is contained excessively, it combines with oxygen to significantly reduce the cleanliness of the alloy, and on the contrary, the hot workability is reduced. Therefore, the upper limit is made 0.02%.
- the lower limit of the Ca content is preferably 0.0005%, more preferably 0.001%.
- the upper limit of the Ca content is preferably 0.01%, more preferably 0.005%.
- Mg 0 to 0.02%
- the lower limit of the Mg content is preferably 0.0005%, more preferably 0.001%.
- the upper limit of the Mg content is preferably 0.01%, more preferably 0.005%.
- REM 0 to 0.2%
- the lower limit of the REM content is preferably 0.0005%, more preferably 0.001%.
- the upper limit of the REM content is preferably 0.15%, more preferably 0.1%.
- REM is a generic name for a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid, and the content of REM refers to the total content of one or more elements of REM.
- REM is generally contained in misch metal. Therefore, for example, misch metal may be added to the alloy so that the REM content falls within the above range.
- Nd has a strong affinity with S and P, forms sulfides and phosphides, and particularly has an effect of reducing the susceptibility to liquefaction cracking. Therefore, it is more preferable to use this.
- the austenitic heat-resistant alloy according to the present embodiment has a crystal grain size of 2.0 or more and less than 7.0 as the crystal grain size number defined in ASTM E112. Have an organization.
- the crystal grains of the weld heat-affected zone are subjected to a thermal cycle by welding.
- the crystal grain size of the structure before welding be a fine grain having a grain size number of 2.0 or more as defined by ASTM E112.
- the crystal grain size is set to 2.0 or more and less than 7.0.
- the structure having the above crystal grain size can be obtained by heat-treating an alloy having the above chemical composition under appropriate conditions.
- an alloy having the above chemical composition is formed into a predetermined shape by hot working or cold working, and then held at 900 to 1250 ° C. for 3 to 60 minutes, followed by a solution heat treatment that is cooled with water. Is achieved.
- the solution heat treatment is more preferably held at a temperature of 1120 to 1220 ° C. for 3 to 45 minutes and then water-cooled, more preferably held at a temperature of 1140 to 1210 ° C. for 3 to 30 minutes and then water-cooled.
- the austenitic heat-resistant alloy by one Embodiment of this invention was demonstrated. According to this embodiment, an austenitic heat-resistant alloy is obtained in which excellent crack resistance and high-temperature strength are stably obtained.
- the groove processing shown in FIG. 1 was performed along the longitudinal direction of the plate produced above.
- the plates subjected to the groove processing were butted together, and two joints were butt welded for each symbol by a gas tungsten arc welding method to produce a welded joint.
- Welding did not use a filler material, and the heat input was 5 kJ / cm.
- the welded joint using the austenitic heat-resistant alloys of the symbols A-1 to A-4, B to D, and I as the base material has an appropriate chemical composition, and the initial grain size of the base material is 2. It was 0 or more and less than 7.0.
- the back bead was formed over the entire length in the first layer welding and had good weldability.
- the thickness of the base material was relatively large at 14 mm, even when aging heat treatment was performed, no cracks occurred in the weld heat-affected zone, and excellent crack resistance was obtained. Furthermore, the high temperature creep rupture strength was sufficient.
- the welded joint using the austenitic heat-resistant alloy of A-6 as a base material had excellent crack resistance, the creep rupture time was below the target. This is presumably because the crystal grain size of the austenitic heat-resistant alloy of the symbol A-6 was too fine.
- the welded joint using the austenitic heat-resistant alloy of the symbol H as a base material had good weldability and weld crack resistance, it did not satisfy the required creep strength. This is presumably because the phase stability became unstable because the Ni content of the austenitic heat-resistant alloy of the symbol H was too small.
- the welded joint using the austenitic heat-resistant alloy of the symbol J as a base material also did not satisfy the required creep strength. This is presumably because the amount of V contained in the austenitic heat-resistant alloy of the symbol J is below the lower limit.
- the present invention can be suitably used as an austenitic heat-resistant alloy used as a high-temperature member such as a main steam pipe or a high-temperature reheat steam pipe of a power generation boiler.
Abstract
Description
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、微細な炭化物を形成して高温使用中のクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、0.04%以上含有する必要がある。しかしながら、Cを過剰に含有すると、炭化物が多量に析出し、耐SIPH割れ性が低下する。そのため、上限は0.14%とする。C含有量の下限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.06%である。C含有量の上限は、好ましくは0.13%であり、さらに好ましくは0.12%である。
シリコン(Si)は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性及び耐酸化性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、0.05%以上含有する必要がある。しかしながら、Siを過剰に含有すると、組織の安定性が低下して、靱性及びクリープ強度の低下を招く。そのため、上限は1%とする。Si含有量の下限は、好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.1%である。Si含有量の上限は、好ましくは0.6%であり、さらに好ましくは0.5%である。
マンガン(Mn)は、Siと同様、脱酸作用を有する。Mnはまた、オーステナイト組織の安定化に寄与する。この効果を十分に得るためには、0.5%以上含有する必要がある。しかしながら、Mnを過剰に含有すると、合金の脆化を招き、さらに、クリープ延性が低下する。そのため、上限は2.5%とする。Mn含有量の下限は、好ましくは0.6%であり、さらに好ましくは0.7%である。Mn含有量の上限は、好ましくは2%であり、さらに好ましくは1.5%である。
リン(P)は、不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Pはさらに、長時間使用後のクリープ延性を低下させる。そのため、P含有量には上限を設けて0.03%以下とする。P含有量の上限は、好ましくは0.028%、さらに好ましくは0.025%である。P含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、P含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0008%である。
硫黄(S)は、Pと同様に不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Sはさらに、長時間使用中に結晶粒界に偏析して脆化を招き、耐SIPH割れ性を大きく低下させる元素である。本実施形態の化学組成の範囲においてこれらを防止するためには、S含有量を0.001%未満にする必要がある。S含有量の上限は、好ましくは0.0008%であり、さらに好ましくは0.0005%である。S含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、S含有量の下限は、好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%である。
ニッケル(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。本実施形態のCr、W含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Niを23%以上含有する必要がある。しかしながら、Niは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は32%とする。Ni含有量の下限は、好ましくは25%であり、さらに好ましくは25.5%である。Ni含有量の上限は、好ましくは31.5%であり、さらに好ましくは31%である。
クロム(Cr)は、高温での耐酸化性及び耐食性の確保のために必須の元素である。Crはまた、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。本実施形態のNi含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Crを20%以上含有する必要がある。しかしながら、Crを過剰に含有すると、高温でのオーステナイト相の組織安定性が劣化してクリープ強度が低下する。そのため、上限は25%とする。Cr含有量の下限は、好ましくは20.5%であり、さらに好ましくは21%である。Cr含有量の上限は、好ましくは24.5%であり、さらに好ましくは24%である。
タングステン(W)は、マトリックスに固溶して、又は微細な金属間化合物を形成して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に大きく寄与する。この効果を十分に得るためには、1%以上含有する必要がある。しかしながら、Wを過剰に含有すると、粒内の変形抵抗が高くなって耐SIPH割れ性が低下するとともに、クリープ強度が低下する場合がある。さらに、Wは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は5%とする。W含有量の下限は、好ましくは1.2%であり、さらに好ましくは1.5%である。W含有量の上限は、好ましくは4.5%であり、さらに好ましくは4%である。
ニオブ(Nb)は、微細なMX型炭窒化物として析出することに加え、Z相(CrNbN)として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に大きく寄与する。この効果を十分に得るためには、0.1%以上含有する必要がある。しかしながら、Nbを過剰に含有すると、これら析出物による強化能が大きすぎ、耐SIPH割れ性が低下するとともに、クリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は0.6%とする。Nb含有量の下限は、好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.15%である。Nb含有量の上限は、好ましくは0.55%であり、さらに好ましくは0.5%である。
バナジウム(V)は、微細なMX型炭窒化物として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、0.1%以上含有する必要がある。しかしながら、Vを過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出して耐SIPH割れ性が低下するとともに、クリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は0.6%とする。V含有量の下限は、好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.15%である。V含有量の上限は、好ましくは0.55%であり、さらに好ましくは0.5%である。
窒素(N)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、マトリックスに固溶して、又は窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、0.1%以上含有する必要がある。しかしながら、Nを過剰に含有すると、短時間使用時には固溶によって、長時間使用中には多量の微細窒化物が粒内に析出することによって、粒内変形抵抗が高くなり、耐SIPH割れ性が低下する。さらに、クリープ延性及び靱性が低下する。そのため、上限は0.3%とする。N含有量の下限は、好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.14%である。N含有量の上限は、好ましくは0.28%であり、さらに好ましくは0.26%である。
ボロン(B)は、粒界炭化物を微細に分散させることによって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する。この効果を十分に得るためには、0.0005%以上含有する必要がある。しかしながら、Bを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱サイクルによって溶融境界近傍の溶接熱影響部にBが多量に偏析して粒界の融点が低下し、液化割れ感受性が高くなる。そのため、上限は0.01%とする。B含有量の下限は、好ましくは0.0008であり、さらに好ましくは0.001%である。B含有量の上限は、好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.006%である。
スズ(Sn)は、溶融池から蒸発してアークの電流密度を増大させることによって、溶接時の溶け込み深さを増大させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、0.001%以上含有する必要がある。しかしながら、Snを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱影響部の液化割れ感受性及び使用中のSIPH割れ感受性が高くなる。そのため、上限は0.02%とする。Sn含有量の下限は、好ましくは0.0015%であり、さらに好ましくは0.002%である。Sn含有量の上限は、好ましくは0.018%であり、さらに好ましくは0.015%である。
アルミニウム(Al)は、脱酸作用を有する。しかしながら、Alを過剰に含有すると、合金の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.03%とする。Al含有量の上限は、好ましくは0.025%であり、さらに好ましくは0.02%である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Al含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。なお、本発明においては、Alは酸可溶Al(sol.Al)を意味する。
酸素(O)は、不純物として合金中に含まれ、溶接中の溶け込み深さを増大する効果を有する。しかしながら、Oを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するとともに、靱性や延性が劣化する。そのため、上限は0.02%とする。O含有量の上限は、好ましくは0.018%であり、さらに好ましくは0.015%である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、O含有量の下限は、好ましくは0.0005%、さらに好ましくは0.0008%である。
第1群に属する元素は、Tiである。Tiは、析出強化によって合金のクリープ強度を向上する。
チタン(Ti)は、NbやVと同様、炭素又は窒素と結合して微細な炭化物又は炭窒化物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。Tiを少しでも含有すればこの効果が得られる。しかしながら、Tiを過剰に含有すると、析出物が多量になって耐SIPH性及びクリープ延性が低下する。そのため、上限は0.5%とする。Ti含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Ti含有量の上限は、好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.4%である。
第2群に属する元素は、Co、Cu、及びMoである。これらの元素は、合金のクリープ強度を向上する。
コバルト(Co)は、Niと同様にオーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。Coを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Coは極めて高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は2%とする。Co含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Co含有量の上限は、好ましくは1.8%であり、さらに好ましくは1.5%である。
銅(Cu)は、NiやCoと同様、オーステナイト組織の安定にするとともに、使用中に微細に析出してクリープ強度の向上に寄与する。Cuを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Cuを過剰に含有すると、熱間加工性の低下を招く。そのため、上限は4%とする。Cu含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Cu含有量の上限は、好ましくは3.8%であり、さらに好ましくは3.5%である。
モリブデン(Mo)は、Wと同様、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。Moを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Moを過剰に含有すると、粒内の変形抵抗が高くなって耐SIPH割れ性が低下するとともに、クリープ強度が低下する場合がある。さらに、Moは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は4%とする。Mo含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Mo含有量の上限は、好ましくは3.8%であり、さらに好ましくは3.5%である。
第3群に属する元素はCa、Mg、及びREMである。これらの元素は、合金の熱間加工性を改善する。
カルシウム(Ca)は、製造時の熱間加工性を改善する。Caを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Caを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.02%とする。Ca含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Ca含有量の上限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.005%である。
マグネシウム(Mg)は、Caと同様、製造時の熱間加工性を改善する。Mgを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Mgを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.02%とする。Mg含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Mg含有量の上限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.005%である。
希土類元素(REM)は、CaやMgと同様、製造時の熱間加工性を改善する。REMを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、REMを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は0.2%とする。REM含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。REM含有量の上限は、好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.1%である。
結晶粒度番号:2.0番以上7.0番未満
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、結晶粒径がASTM E112に規定される結晶粒度番号で2.0番以上7.0番未満である組織を有する。
上記で作製した板の長手方向に沿って、図1に示す開先加工を施した。開先加工を施した板同士を突き合わせ、ガスタングステンアーク溶接法によって、各代符につき2継手ずつ、突き合わせ溶接を行って溶接継手を作製した。溶接は、溶加材料を用いず、入熱量は5kJ/cmとした。
初層のみ溶接した上記の溶接継手を、JIS G 3106(2008)に規定のSM400B相当の市販の鋼板(厚さ30mm、幅200mm、長さ200mm)の上に、JIS Z 3224(2010)に規定の被覆アーク溶接棒ENi6625を用いて四周を拘束溶接した。その後、JIS Z 3334(2011)に規定のSNi6625該当のティグワイヤを用いて、入熱10~15kJ/cmでTIG溶接により開先内に積層溶接を行って、各代符につき2継手ずつ溶接継手を作製した。
耐溶接割れ性試験で合格した溶接ままの溶接継手から、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た。母材の目標破断時間が約1000時間となる700℃、167MPaの条件でクリープ破断試験を行った。母材破断し、かつ、その破断時間が母材の破断時間の90%以上(すなわち、900時間以上)となるものを「合格」とした。
性能評価結果を表2に示す。表2には、各代符のオーステナイト系耐熱合金の結晶粒度番号を併せて示す。
Claims (3)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.04~0.14%、
Si:0.05~1%、
Mn:0.5~2.5%、
P :0.03%以下、
S :0.001%未満、
Ni:23~32%、
Cr:20~25%、
W :1~5%、
Nb:0.1~0.6%、
V :0.1~0.6%、
N :0.1~0.3%、
B :0.0005~0.01%、
Sn:0.001~0.02%、
Al:0.03%以下、
O :0.02%以下、
Ti:0~0.5%、
Co:0~2%、
Cu:0~4%、
Mo:0~4%、
Ca:0~0.02%、
Mg:0~0.02%、
REM:0~0.2%、
残部:Fe及び不純物であり、
結晶粒径がASTM E112に規定される結晶粒度番号で2.0番以上7.0番未満である組織を有する、オーステナイト系耐熱合金。 - 請求項1に記載のオーステナイト系耐熱合金であって、
前記化学組成が、質量%で、下記の第1群から第3群までのいずれかの群から選択される1種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱合金。
第1群 Ti:0.01~0.5%
第2群 Co:0.01~2%、Cu:0.01~4%、Mo:0.01~4%
第3群 Ca:0.0005~0.02%、Mg:0.0005~0.02%、REM:0.0005~0.2% - 請求項1又は2に記載のオーステナイト系耐熱合金を備える、溶接構造物。
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