WO2017171049A1 - 溶接構造部材 - Google Patents

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WO2017171049A1
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corrosion
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雅之 相良
孝裕 小薄
伸之佑 栗原
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新日鐵住金株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a welded structural member.
  • Fossil fuels such as oil and coal are used as fuel for boilers for thermal power generation and industrial use.
  • fossil fuel contains sulfur (S)
  • SOx sulfur oxide
  • SOx sulfur oxide
  • the temperature of the exhaust gas is lowered, SOx reacts with moisture in the gas to become sulfuric acid. Therefore, dew condensation occurs on the surface of the member below the dew point temperature, and corrosion (sulfuric acid dew point corrosion) occurs.
  • sulfuric acid dew point corrosion occurs when the temperature decreases.
  • the exhaust gas temperature has been maintained at 150 ° C. or higher.
  • Patent Document 1 describes excellent corrosion resistance in an environment in which high-concentration sulfuric acid condenses (an environment in which 40-70% sulfuric acid is condensed at a temperature of 50 to 100 ° C.).
  • austenitic stainless steel having good hot workability, in mass%, C: 0.05% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 2.0% or less, P: 0.04% or less, S: 0.01% or less, Ni: 12 to 27%, Cr: 15 to 26%, Cu: more than 3.0% to 8.0% or less, Mo: more than 2.0% to 5.0%
  • Nb 1.0% or less
  • W 5.0% or less
  • Zr 1.0% or less
  • Al 0.5% or less
  • N less than 0.05%
  • Ca 0.01% or less
  • B 0.01% or less
  • rare earth elements 0.01% or less in total, the balance being Fe and Austenitic stainless steels have been disclosed comprising a variable avoid impurities
  • Patent Document 3 As an austenitic steel welded joint exhibiting good corrosion resistance in a sulfuric acid environment and having excellent weld crack resistance, mass%, C: 0.08% or less, Mn: 3% or less, P: 0.02% or less, Ni: 4 to 75%, Cr: 15 to 30%, Al: 0.5% or less, N: 0.1% or less, O (oxygen): 0.1 %, At least one of Nb, Ta, Ti and Zr is 0.1 to 5% in total, Mo or W or one or both is 0 to 20% in total, Co: 0 to 5% V: 0 to 0.25%, B: 0 to 0.01%, Ca: 0 to 0.01%, Mg: 0 to 0.01%, REM: 0 to 0.01%, further formula Si satisfying “Si ⁇ 0.15 (Nb + Ta + Ti + Zr) +0.25”, 0 to 8% or less, and formula Cu satisfying Cu ⁇ 1.5 (Nb + Ta + Ti + Z
  • the austenitic stainless steel alone having the chemical composition described in Patent Documents 1 and 2 exhibits good corrosion resistance in a sulfuric acid environment.
  • corrosion of different metals may occur, in which corrosion proceeds at the interface between the base material and the weld metal.
  • An object of the present invention is to provide a welded structural member including an austenitic stainless steel joint that can suppress the corrosion of different metals generated between a base material and a weld metal.
  • the present inventors obtained the following knowledge as a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object.
  • the passive film formed on the surface of the weld metal part contains an unstable oxide film of Mo, and also inhibits the concentration of Ni and Cu in the film, Corrosion resistance in a dissimilar metal contact corrosion environment where high concentration of sulfuric acid condenses deteriorates.
  • the Mo content in the weld metal is 0.10% or less
  • Ni or Cu is concentrated in the Cr-based passive film formed on the surface of the weld metal and exhibits excellent corrosion resistance. Is done. For this reason, it is important to control the Mo content in the base metal to more than 2.0% to 5.0% or less and to limit the Mo content in the weld metal to 0.10% or less.
  • the present invention has been made on the basis of the above findings, and the gist of the present invention is as follows.
  • a welded structural member comprising an austenitic stainless steel joint The chemical composition of the base material is C: 0.05% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 2.0% or less, P: 0.04% or less, S: 0.01% or less, Ni: 12.0-27.0%, Cr: 15.0% or more and less than 20.0%, Cu: more than 3.0% to 8.0% or less, Mo: more than 2.0% and 5.0% or less, Nb: 0 to 1.0%, Ti: 0 to 0.5%, Co: 0 to 0.5% Sn: 0 to 0.1%, W: 0 to 5.0% Zr: 0 to 1.0%, Al: 0 to 0.5%, N: less than 0.05%, Ca: 0 to 0.01%, B: 0 to 0.01% Rare earth elements: 0 to 0.01% in total The balance: Fe and inevitable impurities, The chemical composition of the weld metal is C: 0.10% or less, Si: 0.50% or less, Mn: 3.5% or less, P: 0.03% or less, S
  • an austenitic stainless steel joint is, for example, an austenitic stainless steel pipe joint.
  • % for the content means “% by mass”.
  • C 0.05% or less C is an element effective for increasing the strength. However, C combines with Cr to form Cr carbide at the grain boundary, thereby reducing the intergranular corrosion resistance. For this reason, the content is made 0.05% or less.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction leads to an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.002%.
  • the C content should be low, and is preferably 0.03% or less.
  • Si 1.0% or less Si may not be added, but if added, it has a deoxidizing action. However, if its content exceeds 1.0%, it reduces the hot workability, and if it contains more than 3.0%, it becomes extremely difficult to process the product on an industrial scale. Therefore, the Si content is 1.0% or less. In order to acquire this effect reliably, it is preferable to make it contain 0.05% or more. For the purpose of improving hot workability, when the Al content is extremely low, it is preferable to contain 0.1% or more of Si to sufficiently perform the deoxidation action.
  • Mn 2.0% or less Mn may not be added. However, if Mn is added, it has the effect of fixing S and improving hot workability and stabilizing the austenite phase. However, even if the content exceeds 2.0%, the effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the Mn content is set to 2.0% or less. In order to reliably obtain the above effects, it is preferable that Mn has a content of 0.1% or more.
  • P 0.04% or less Since P deteriorates hot workability and corrosion resistance, its content is preferably as low as possible. Particularly, when P exceeds 0.04%, corrosion resistance in an “environment where high concentration sulfuric acid condenses”. The deterioration of the Therefore, the content of P is set to 0.04% or less.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.003%.
  • S 0.01% or less
  • S is an element that deteriorates hot workability, and its content is preferably as small as possible. In particular, if it exceeds 0.01%, the hot workability is significantly deteriorated. Therefore, the S content is set to 0.01% or less.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.0001%.
  • Ni 12.0-27.0%
  • Ni has the effect of stabilizing the austenite phase, and also has the effect of enhancing the corrosion resistance in the “environment where high concentration of sulfuric acid condenses”.
  • it is necessary to contain Ni in an amount of 12.0% or more.
  • the effect is saturated even if it contains exceeding 27.0%.
  • Ni is an expensive element, the cost is extremely high and it is not economical. Therefore, the Ni content is 12.0-27.0%.
  • Cr 15.0% or more and less than 20.0% Cr is an element effective for ensuring the corrosion resistance of austenitic stainless steel.
  • N is regulated to the content described later
  • 15.0% or more of Cr, preferably 16.0% or more of Cr is contained together with the amounts of Cu and Mo described later, “high concentration” It is possible to ensure good corrosion resistance in an “environment in which sulfuric acid condenses”.
  • Cr is contained in a large amount, the corrosion resistance in the environment deteriorates on the contrary, even in the case of an austenitic stainless steel in which the N content is reduced and Cu and Mo are added in combination. There is also a decline in sex.
  • the Cr content exceeds 26.0%, the corrosion resistance of the austenitic stainless steel in the environment is significantly deteriorated. Also, in order to improve the hot workability of austenitic stainless steel combined with Cu and Mo and to facilitate product processing on an industrial scale, the Cr content should be less than 20.0%. Therefore, the Cr content is set to 15.0% or more and less than 20.0%.
  • Cu more than 3.0% and not more than 8.0%
  • Cu is an essential element for ensuring corrosion resistance in a sulfuric acid environment.
  • the content of Cu is preferably more than 3.5%, more preferably more than 4.0%.
  • a content exceeding 5.0% is more preferable.
  • Mo more than 2.0% to 5.0% or less Mo is an element effective for ensuring the corrosion resistance of austenitic stainless steel.
  • Mo is contained together with a predetermined amount of Cr and Cu
  • a good corrosion resistance is imparted to an austenitic stainless steel containing a predetermined amount of N in an “environment where high concentration of sulfuric acid condenses”. can do.
  • Mo is contained in a large amount, the hot workability is deteriorated.
  • the Mo content exceeds 5.0%, the hot workability is significantly deteriorated even if N is a predetermined content. . Therefore, the Mo content is more than 2.0% and not more than 5.0%.
  • Nb 0 to 1.0%
  • Nb does not need to be added, but if added, it fixes C and enhances the corrosion resistance, especially intergranular corrosion resistance.
  • the Nb content is set to 0 to 1.0%.
  • Nb is preferably set to a content of 0.02% or more.
  • Ti 0 to 0.5%
  • Ti does not need to be added, but if added, it fixes C as in the case of Nb and has an effect of improving corrosion resistance, particularly intergranular corrosion resistance.
  • the Ti content is set to 0 to 0.5%.
  • Ti is preferably contained in a content of 0.01% or more.
  • Co 0 to 0.5%
  • Sn 0 to 0.1%
  • Co and Sn are elements that can reduce the dissolution rate of Fe and Cr in such a dissimilar metal contact corrosion environment, and can drastically improve the corrosion resistance in the dissimilar metal contact corrosion environment. For this reason, it is good to contain 1 or more types of these elements.
  • the above effect becomes remarkable when Co is 0.01% or more and Sn is 0.001% or more.
  • the upper limit of Co is 0.5% and the upper limit of Sn is 0.1%.
  • W 0-5.0% W does not need to be added, but if added, it has the effect of enhancing the corrosion resistance in the “environment where high concentration of sulfuric acid is condensed”. However, even if W is contained exceeding 5.0%, the effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the W content is set to 0 to 5.0%. In order to surely obtain the above effect, W is preferably set to a content of 0.1% or more.
  • Zr 0 to 1.0%
  • Zr does not have to be added, but if added, it has the effect of enhancing the corrosion resistance in the “environment where high-concentration sulfuric acid is condensed”. However, even if it contains Zr exceeding 1.0%, the effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the content of Zr is set to 0 to 1.0%. In order to surely obtain the above effect, the content of Zr is preferably set to 0.02% or more.
  • Al 0 to 0.5%
  • Al need not be added, but if added, it has a deoxidizing action.
  • the Al content is set to 0 to 0.5%.
  • the lower limit of the Al content may be in the range of inevitable impurities.
  • Al has a deoxidizing action, when the Si content is extremely low, it is preferable to contain 0.02% or more so that the deoxidizing action is sufficiently performed. Even when 0.05% or more of Si is contained, the Al content is preferably set to 0.01% or more in order to sufficiently exhibit the deoxidizing action.
  • N Less than 0.05% Conventionally, N has been actively added for the purpose of stabilizing the austenite structure and increasing the resistance to “local corrosion” such as pitting corrosion and crevice corrosion.
  • “local corrosion” such as pitting corrosion and crevice corrosion.
  • the corrosion resistance of the austenitic stainless steel containing 15.0 or more and less than 20.0% Cr is lowered.
  • the hot workability decreases when the N content is 0.05% or more. .
  • the N content is set to less than 0.05%.
  • the lower the N content the better.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.0005%.
  • Ca 0 to 0.01% Ca does not need to be added, but if added, it combines with S and has an effect of suppressing a decrease in hot workability. However, if its content exceeds 0.01%, the cleanliness of the steel is lowered, which causes wrinkles during hot production. Therefore, the Ca content is set to 0 to 0.01%. In order to reliably obtain the above effects, Ca is preferably contained in a content of 0.0005% or more. A more preferable lower limit of the Ca content is 0.001%.
  • B 0 to 0.01%
  • B need not be added, but if added, it has the effect of improving hot workability.
  • the addition of a large amount of B promotes the precipitation of Cr—B compounds at the grain boundaries, leading to deterioration of corrosion resistance.
  • the content of B is set to 0 to 0.01%.
  • B is preferably contained in an amount of 0.0005% or more.
  • a more preferable lower limit of the B content is 0.001%.
  • Rare earth elements 0-0.01% in total
  • the rare earth element need not be added, but if added, it has the effect of improving hot workability. However, if the total content exceeds 0.01%, the cleanliness of the steel is lowered, which causes the generation of flaws during hot production. Therefore, the total rare earth element content is set to 0.01% or less. In order to reliably obtain the above effects, the total content of rare earth elements is preferably 0.0005% or more. It is a generic name for a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid.
  • the chemical composition of the base material contains each of the above elements within a specified range, and the balance is Fe and inevitable impurities.
  • C 0.10% or less
  • C is an element that stabilizes the austenite phase as a matrix.
  • Cr carbonitride is produced by the welding heat cycle, which causes deterioration of corrosion resistance and causes strength reduction.
  • C reacts with Si segregated at the grain boundaries and Fe in the matrix to form a low melting point compound, thereby increasing reheat cracking sensitivity.
  • C content shall be 0.10% or less.
  • a preferable upper limit is 0.03%. Although the C content is preferably as low as possible, extreme reduction leads to an increase in cost, so the lower limit may be 0.005%.
  • Si 0.50% or less Si is added as a deoxidizer, but segregates at the grain boundaries during solidification of the weld metal, reacts with C and Fe of the matrix to form a low melting point compound, and during multi-layer welding Cause reheat cracking. For this reason, Si content shall be 0.50% or less. The lower the Si content, the better. When Al, Mn, etc. sufficient for deoxidation are included, it is not always necessary to add them. When it is necessary to obtain a deoxidizing effect, the content is preferably 0.02% or more.
  • Mn 3.5% or less Mn is added as a deoxidizer to stabilize the austenite phase as a matrix.
  • Mn content shall be 3.5% or less.
  • a preferable upper limit is 2.0%. There is no need to set a lower limit. Further, when Mn is sufficiently deoxidized by other elements (Si, Al), its content may be 0%.
  • P 0.03% or less
  • P is an unavoidable impurity, and segregates in the final solidified part during solidification of the weld metal during welding, lowers the melting point of the residual liquid phase, and causes solidification cracks. For this reason, the P content is set to 0.03% or less.
  • a preferable upper limit is 0.015%.
  • the lower the P content the better as long as there is no problem in the manufacturing cost.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.003%.
  • S 0.03% or less S is an unavoidable impurity similar to P described above.
  • a low melting point eutectic is formed during solidification of the weld metal, causing solidification cracks, and at the grain boundaries. Segregation reduces the adhesion of grain boundaries and causes reheat cracking. For this reason, S content is made into 0.03% or less.
  • a preferable upper limit is 0.015%.
  • the lower the S content the better as long as there is no problem in the manufacturing cost.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.0001%.
  • Cu 0.50% or less Cu is an element effective for improving the corrosion resistance in a high-concentration sulfuric acid environment. However, if the content exceeds 0.50%, the melting point of the liquid phase finally solidified is lowered and solidification cracks are generated. Further, Cu segregates at the crystal grain boundaries during solidification, lowers the adhesion of the grain boundaries, and causes reheat cracking during multilayer welding. For this reason, Cu content shall be 0.50% or less. The lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.01%.
  • Ni 51.0% or more and 80.0% or less
  • Ni is an essential element for stabilizing the austenite phase as a matrix and ensuring corrosion resistance in an environment containing a high concentration of sulfuric acid.
  • excessive addition increases weld cracking susceptibility and causes an increase in cost because Ni is an expensive element.
  • Ni content shall be 51.0% or more and 80.0% or less.
  • Cr 14.5-23.0% Cr is an element effective for securing oxidation resistance and corrosion resistance at high temperatures, and is an essential element for securing corrosion resistance in an environment containing a high concentration of sulfuric acid. In order to ensure sufficient oxidation resistance and corrosion resistance, 14.5% or more is necessary. However, excessive addition, on the contrary, deteriorates the corrosion resistance and remarkably deteriorates the workability. For this reason, the Cr content is 14.5 to 23.0%.
  • Mo 0.10% or less Mo has been conventionally considered to be an element effective for improving the corrosion resistance in a high-concentration sulfuric acid environment if added, but a base material having the above chemical composition is used.
  • Mo in the range of more than 0.10% and less than 6.0% is included in the weld metal, the passive film formed on the surface of the base metal and the passive film formed on the surface of the weld metal A potential difference occurs between the two and different metal corrosion easily proceeds. For this reason, the Mo content is set to 0.10% or less. The less Mo, the better, and it may be 0%. However, since excessive reduction leads to an increase in manufacturing cost, the practical lower limit is 0.01%.
  • Al 0.40% or less Al is added as a deoxidizer, but if it is contained in a large amount, slag is generated during welding, causing deterioration of weld metal flow and weld bead uniformity. Is significantly reduced. Moreover, the welding condition area
  • a preferable upper limit is 0.30%, and a more preferable upper limit is 0.20%. The less Al, the better, and it may be 0%. However, since excessive reduction leads to an increase in manufacturing cost, the practical lower limit is 0.001%.
  • One or more selected from Nb, Ta, and Ti fix C in the weld metal as carbides, and form an oxide containing S
  • carbides are crystallized to complicate the shape of the grain boundaries, and segregation of S and Cu grain boundaries is dispersed to prevent reheat cracking during multi-layer welding.
  • the total content of one or more selected from Nb, Ta, and Ti exceeds 4.90%, the carbides become coarse, leading to deterioration of toughness and workability. For this reason, the total content of one or more selected from Nb, Ta and Ti is set to 4.90% or less.
  • the lower limit of the total content is preferably 2.0%.
  • Co 2.5% or less Co may not be added, but if added, it is an element effective for stabilizing the austenite phase and improving the corrosion resistance in a high-concentration sulfuric acid environment like Ni. It is. However, Co is an extremely expensive element compared to Ni, and adding a large amount causes an increase in cost. For this reason, the Co content is set to 2.5% or less. A preferable upper limit is 2.0%, and a more preferable upper limit is 1.5%. The above effect becomes remarkable at 0.5% or more.
  • V 0.35% or less V does not need to be added, but if added, it is an element effective for improving the high-temperature strength. However, excessive addition causes a large amount of carbonitride to precipitate, leading to a decrease in toughness. For this reason, the V content is preferably 0.35% or less. The above effect becomes remarkable at 0.05% or more.
  • W 4.5% or less W does not need to be added, but if added, it is an element effective for improving the corrosion resistance in a high-concentration sulfuric acid environment. However, if its content exceeds 4.5%, not only the effect is saturated, but also the formation of carbides and intermetallic compounds during use causes corrosion resistance and toughness deterioration.
  • the W content is 4.5% or less. The above effect becomes significant at 1.0% or more.
  • the chemical composition of the weld metal contains each of the above elements within a specified range, with the balance being Fe and inevitable impurities.
  • a welding material for welding a base material having the above chemical composition to obtain a weld metal having the above chemical composition it is preferable to use a welding material having the following chemical composition.
  • the welding material is C: 0.08% or less, Si: 2.0% or less, Mn: 3.1% or less, P: 0.02% or less, S: 0.02% or less, Ni: 4.0-80.0%, Cr: 15.0-30.0%, Al: 0.5% or less, One or more selected from Nb, Ta and Ti: a total of 4.90% or less, Mo: 0.10% or less W: 0 to 4.5% Co: 0 to 5.0%, Cu: 0 to 8.0%, V: 0 to 0.25%, B: 0 to 0.01% Ca: 0 to 0.01%, Mg: 0 to 0.01%, Rare earth elements: 0 to 0.01% in total The balance: it is preferable to use a material having a chemical composition which is Fe and inevitable impurities.
  • the C content is preferably 0.08% or less in order to give sufficient performance to the weld metal.
  • the lower limit may be 0%, but a preferable lower limit for obtaining the above effect is 0.002%.
  • Si 2.0% or less
  • the Si content in the weld metal is increased to cause reheat cracking. Since it increases sensitivity, it is preferably 2.0% or less.
  • the lower limit may be 0%, but a preferable lower limit for obtaining the above effect is 0.02%.
  • Mn 3.1% or less
  • the lower limit may be 0%, but a preferable lower limit for obtaining the above effect is 0.01%.
  • P 0.02% or less P is an inevitable impurity, and segregates in the final solidified portion during solidification of the weld metal during welding, lowers the melting point of the residual liquid phase, and causes solidification cracks. % Or less is preferable.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.003%.
  • S 0.02% or less S, when its content exceeds 0.02%, deteriorates the hot workability at the time of manufacturing the welding material and increases the S content in the weld metal to increase the solidification cracking susceptibility and In order to increase reheat cracking sensitivity, it is preferably 0.02% or less.
  • the lower limit may be 0%, but an excessive reduction causes an increase in manufacturing cost, so a practical lower limit is 0.0001%.
  • Ni 4.0-80.0%
  • Ni is an essential element for stabilizing the austenite phase as a matrix and ensuring corrosion resistance in an environment containing a high concentration of sulfuric acid.
  • the content is set to 4.0 to 80.0%.
  • the Cr content is preferably 15.0 to 30.0% in order to give the weld metal sufficient reheat cracking resistance.
  • Al 0.5% or less Al is added as a deoxidizer, but if it is contained in a large amount, slag is generated during welding, causing deterioration of the weld metal flow and weld bead uniformity. Is significantly reduced. For this reason, it is preferable that Al is 0.5% or less.
  • the lower limit may be 0%, but a preferable lower limit for obtaining the above effect is 0.01%.
  • One or more selected from Nb, Ta, and Ti fix C in the weld metal as carbides, and form an oxide containing S
  • carbides are crystallized to complicate the shape of the grain boundaries, and segregation of S and Cu grain boundaries is dispersed to prevent reheat cracking during multi-layer welding.
  • the total content of one or more selected from Nb, Ta, and Ti exceeds 4.90% in the weld metal, it leads to coarsening of carbides, resulting in deterioration of toughness and workability. Deteriorate. For this reason, it is also necessary to limit the total content of these in the welding material.
  • the total content of one or more selected from Nb, Ta and Ti is 4.90% or less. Is good.
  • the lower limit of the total content is preferably 2.0%.
  • Mo 0.10% or less Mo has been conventionally considered to be an element effective for improving the corrosion resistance in a high-concentration sulfuric acid environment if added, but a base material having the above chemical composition is used.
  • Mo in the range of more than 0.10% and less than 6.0% is included in the weld metal, the passive film formed on the surface of the base metal and the passive film formed on the surface of the weld metal A potential difference occurs between the two and different metal corrosion easily proceeds. For this reason, in order to make Mo content in a weld metal into 0.10% or less, it is necessary to reduce Mo content in welding material as much as possible. Therefore, the Mo content is preferably 0.10% or less. The less Mo, the better, and it may be 0%.
  • W 0 to 4.5%
  • W is an element effective for improving the corrosion resistance in a high-concentration sulfuric acid environment, so W may be contained in the welding material.
  • the W content is preferably 0 to 4.5%. The above effect becomes significant at 1.0% or more.
  • Co 0 to 5.0% Co may not be contained, but the content in the case of inclusion is preferably 5.0% or less in order to give the necessary performance to the weld metal.
  • Cu 0 to 8.0% Cu may not be included, but if included, if its content exceeds 8.0%, the hot workability at the time of manufacturing the welding material is remarkably deteriorated, so the content when included is 8.0%. The following is preferable.
  • V 0 to 0.25% V may not be contained, but the content when V is contained is preferably 0.25% or less in order to give the necessary performance to the weld metal.
  • B 0 to 0.01% B may not be contained, but the content in the case of inclusion is preferably 0.01% or less in order to give the necessary performance to the weld metal.
  • Mg 0 to 0.01%
  • Rare earth elements 0-0.01% in total Ca, Mg and rare earth elements do not have to be included, but the content of each element when included is 0.01% or less in order to give the necessary performance to the weld metal. Is preferred.
  • the above welded joint according to the present invention is manufactured by a welding method such as a gas shielded arc welding method, a covering arc welding method, a submerged arc welding method or the like typified by TIG method, MIG method, etc. Can do. Of these, the TIG method is preferably used.
  • a 50 kg ingot having various chemical compositions shown in Table 1 was produced, and a steel plate having a thickness of 11 mm was obtained from the ingot by hot forging and hot rolling. This steel plate was subjected to solution heat treatment (1100 ° C. ⁇ 30 min) to obtain a plate material of 300 mmL ⁇ 50 mmW ⁇ 10 mmt.
  • TIG welding was performed with the two plate materials butted together to obtain a welded joint.
  • a welding material having a chemical composition shown in Table 2 was used.
  • Table 3 shows the results of analyzing the chemical composition of the weld metal part by fluorescent X-ray analysis.
  • a corrosion test piece (10 mmL ⁇ 70 mmW ⁇ 3 mmt) including a weld metal part in the center was sampled and a corrosion test was performed.
  • the corrosion test piece was immersed in a 50% H 2 SO 4 solution maintained at 100 ° C. for 336 h, and the corrosion rate (corrosion rate of the entire test piece) was calculated from the mass reduction. Further, corrosion thinning (maximum value) at the interface between the base material and the weld metal part was measured. On the other hand, a test piece (7 mmL ⁇ 7 mmW ⁇ 2 mmt) was cut out from the base metal and the molten metal part of the above welded joint, and the corrosion potential was measured in 50% H 2 SO 4 liquid kept at 100 ° C. Corrosion potential of gold part-corrosion potential of base material) was calculated. These results are shown in Table 4.
  • the present invention in austenitic stainless steel joints, it is possible to suppress the corrosion of different metals that occurs between the base metal and the weld metal. Excellent corrosion resistance in an environment where sulfuric acid with a concentration of 40 to 70% is condensed. Therefore, it is optimal as a welded structure member used in such an environment.

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Abstract

母材の化学組成が、質量%で、C≦0.05%、Si≦1.0%、Mn≦2.0%、P≦0.04%、S≦0.01%、Ni:12.0~27.0%、Cr:15.0%以上20.0%未満、Cu:3.0%を超えて8.0%以下、Mo:2.0%を超えて5.0%以下、Nb≦1.0%、Ti≦0.5%、Co≦0.5%、Sn≦0.1%、 W≦5.0%、Zr≦1.0%、Al≦0.5%、N＜0.05%、Ca≦0.01%、B≦0.01%、REM≦0.01%、残部:Feおよび不可避不純物であり、溶接金属の化学組成が、質量%で、C≦0.10%、Si≦0.50%、Mn≦3.5%、P≦0.03%、S≦0.03%、Cu≦0.50%、Ni:51.0~80.0%、Cr:14.5~23.0%、Mo≦0.10%、Al≦0.40%、Ti+Nb＋Ta≦4.90%、Co≦2.5%、V≦0.35%、W≦4.5%、残部:Feおよび不可避不純物である、高濃度の硫酸が凝結する環境での耐食性に優れる溶接構造部材。

Description

溶接構造部材
　本発明は、溶接構造部材に関する。
　火力発電用、産業用などのボイラには、その燃料として石油、石炭などの化石燃料が用いられる。化石燃料は、硫黄（Ｓ）を含むため、燃焼すると排ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成する。排ガスの温度が低下すると、ＳＯｘはガス中の水分と反応して硫酸となる。よって、露点温度以下にある部材表面で結露し、腐食（硫酸露点腐食）が生ずる。同様に、各種産業で使用される排煙脱硫装置においても、ＳＯｘを含む排ガスが流れる場合、その温度が低下すると硫酸露点腐食が生じる。従来、硫酸露点腐食を防止するために、排ガス温度を１５０℃以上に保持していた。
　ところが、近年のエネルギー需要の増大とエネルギー有効利用の観点から、熱エネルギーをできるだけ有効に回収するため、例えば熱交換器からの排ガス温度を硫酸の露点以下まで低くする動きがあり、硫酸に対して抵抗性を有する材料が求められるようになった。
　国際公開第９９／００９２３１号（特許文献１）には、高濃度の硫酸が凝結する環境（５０～１００℃の温度で４０～７０％の濃度の硫酸が結露する環境）での耐食性に優れるとともに良好な熱間加工性を有するオーステナイト系ステンレス鋼として、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：１２～２７％、Ｃｒ：１５～２６％、Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下、Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ｗ：５．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下、Ａｌ：０．５％以下、Ｎ：０．０５％未満、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂ：０．０１％以下、希土類元素：合計で０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。
　特開平４－３４６６３８号公報（特許文献２）には、熱間加工性に優れた耐硫酸露点腐食ステンレス鋼として、質量で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｎｉ：８．０～３０％、Ｃｒ：１５～２８％、Ｍｏ：３％を超え７％以下、Ｃｕ：２％を超え５％以下、Ｎ：０．０５～０．３５％、Ｂ：０．００１５％を超え０．０１０％以下を含有し、Ｏが６０ｐｐｍ以下で、しかも、合金中のＣｕ，Ｍｏ，ＢおよびＯの含有量が１００００×Ｂ／（Ｍｏ＋Ｃｕ＋１０００×Ｏ）＝１．５～１０．０の関係を有するステンレス鋼が開示されている。
　特開２００１－１０７１９６号公報（特許文献３）において、硫酸環境下で良好な耐食性を示す耐溶接割れ性に優れたオーステナイト鋼溶接継手として、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｎｉ：４～７５％、Ｃｒ：１５～３０％、Ａｌ：０．５％以下、Ｎ：０．１％以下、Ｏ（酸素）：０．１％以下、Ｎｂ、Ｔａ、ＴｉおよびＺｒのうちの少なくとも１種以上を合計で０．１～５％、ＭｏまたはＷのいずれか一方または両方を合計で０～２０％、Ｃｏ：０～５％、Ｖ：０～０．２５％、Ｂ：０～０．０１％、Ｃａ：０～０．０１％、Ｍｇ：０～０．０１％、ＲＥＭ：０～０．０１％を含み、さらに式「Ｓｉ≦０．１５（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）＋０．２５」を満たすＳｉ、０～８％以下で、かつ式「Ｃｕ≦１．５（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）＋４．０」を満たすＣｕ、式「Ｓ≦０．００１５（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）＋０．００３」を満たすＳを含有し、残部が実質的にＦｅからなり、Ｎｉ、ＣｏおよびＣｕの合計含有量が式「Ｎｉ＋Ｃｏ＋２Ｃｕ≧２５」を満たす化学組成からなる溶接金属部を有するオーステナイト鋼溶接継手が開示されている。
国際公開第９９／００９２３１号 特開平４－３４６６３８号公報 特開２００１－１０７１９６号公報
　特許文献１および２に記載される化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼単体では、硫酸環境下で良好な耐食性を示す。しかし、このようなオーステナイト系ステンレス鋼材を用いた溶接構造部材の場合には、母材と溶接金属との界面において腐食が進行する、異種金属腐食が生じることがある。
　また、特許文献３に記載される化学組成を有する溶接金属を有するオーステナイト鋼溶接継手であれば、硫酸環境下で良好な耐食性を示す耐溶接割れ性に優れる。しかし、この文献で提案される溶接金属を有するオーステナイト鋼溶接継手であっても、母材の化学組成によっては、異種金属腐食が生じることがある。
　このように、従来、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食について検討された例はない。
　本発明は、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食を抑制することができるオーステナイト系ステンレス鋼材継手を備える溶接構造部材を提供することを目的としている。
　本発明者らは、上記の目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
　（ａ）高濃度の硫酸が凝結する環境において、オーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与するためには、３．０％を超えるＣｕを含有させること、２．０％を超えるＭｏを含有させること、１５．０～２０．０％のＣｒを含有させること、Ｎの含有量を０．０５％未満に管理することにより、鋼材表面に形成される不動態皮膜の組成を調整することが重要である。
　（ｂ）一般に、Ｍｏは、Ｃｒとともに鋼材表面で緻密な不動態皮膜を形成して、鋼材に良好な耐食性を与えることが知られている。しかしながら、上述のように、溶接構造部材が腐食環境に曝されると、異種金属接触腐食の問題が発生する。ここで、溶接構造部材において、溶接金属表面にも酸化皮膜が形成され、その酸化皮膜が緻密な不動態皮膜であればよいが、溶接金属中のＭｏ含有量が０．１０％を超え６．０％未満の範囲にあると、溶接金属部の表面に形成される不動態皮膜が不安定なＭｏの酸化皮膜を含むことになり、また、皮膜へのＮｉおよびＣｕの濃化を阻害し、高濃度の硫酸が凝結する異種金属接触腐食環境における耐食性が劣化する。これに対して、溶接金属中のＭｏ含有量が０．１０％以下の場合には、溶接金属表面には形成するＣｒ主体の不動態皮膜にＮｉまたはＣｕが濃化して、優れた耐食性が発揮される。このため、母材中のＭｏ含有量は２．０％を超えて５．０％以下に管理するとともに、溶接金属中のＭｏ含有量は０．１０％以下に制限することが重要である。
　（ｃ）異種金属接触腐食は、通常の腐食とは異なり、卑な（電位の低い）金属の電位が高くなるため、ＦｅおよびＣｒの溶解が加速される。オーステナイト系ステンレス鋼の母材に所定量のＣｏおよび／またはＳｎが含まれる場合には、このような異種金属接触腐食環境において、ＦｅおよびＣｒの溶解速度を低下させることができ、異種金属接触腐食環境における耐食性を飛躍的に改善することができる。
　本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の発明を要旨とする。
　オーステナイト系ステンレス鋼材継手を備える溶接構造部材であって、
母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：１２．０～２７．０％、
Ｃｒ：１５．０％以上２０．０％未満、
Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下、
Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、
Ｎｂ：０～１．０％、
Ｔｉ：０～０．５％、
Ｃｏ：０～０．５％、
Ｓｎ：０～０．１％、
Ｗ：０～５．０％、
Ｚｒ：０～１．０％、
Ａｌ：０～０．５％、
Ｎ：０．０５％未満、
Ｃａ：０～０．０１％、
Ｂ：０～０．０１％、
希土類元素：合計で０～０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物であり、
溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０％以下、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：３．５％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：５１．０％以上８０．０％以下、
Ｃｒ：１４．５～２３．０％、
Ｍｏ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．４０％以下、
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下、
Ｃｏ：２．５％以下、
Ｖ：０．３５％以下、
Ｗ：４．５％以下、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物である、溶接構造部材。
　本発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼材継手において、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食を抑制することができるので、高濃度の硫酸が凝結する環境（５０～１００℃の温度で４０～７０％の濃度の硫酸が結露する環境）での耐食性に優れる。よって、そのような環境で用いられる溶接構造部材として最適である。オーステナイト系ステンレス鋼材継手とは、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼管継手である。
　以下、本発明の溶接構造部材について詳細に説明する。以下の説明において、含有量についての「％」は「質量％」を意味する。
　１．母材の化学組成
　以下、母材の化学組成について詳しく説明する。
　Ｃ：０．０５％以下
　Ｃは、強度を高めるのに有効な元素である。しかし、Ｃは、Ｃｒと結合して粒界にＣｒ炭化物を形成し、耐粒界腐食性を低下させる。このため、その含有量は０．０５％以下とする。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００２％である。強度を高める必要がある場合には、０．０３％を超えて含有させるのがよい。しかし、耐食性の確保が優先される場合には、Ｃの含有量は低い方がよく、０．０３％以下とすることが望ましい。
　Ｓｉ：１．０％以下
　Ｓｉは、添加しなくてもよいが、添加すれば、脱酸作用を有する。しかし、その含有量が１．０％を超えると熱間加工性の低下を助長し、３．０％を超えるＣｕを含有する場合には工業的規模での製品への加工が極めて難しくなる。したがって、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。この効果を確実に得るには、０．０５％以上の含有させることが好ましい。なお、熱間加工性を高める目的からＡｌ含有量を極めて低くした場合には、０．１％以上のＳｉを含有させて脱酸作用を充分に行わせることが好ましい。
　Ｍｎ：２．０％以下
　Ｍｎは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｓを固定して熱間加工性を高めるとともに、オーステナイト相を安定化させる作用を有する。しかし、２．０％を超えて含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｎの含有量を２．０％以下とした。上記の効果を確実に得るには、Ｍｎは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。
　Ｐ：０．０４％以下
　Ｐは、熱間加工性および耐食性を劣化させるので、その含有量は低いほどよく、特に、０．０４％を超えると「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性の劣化が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０４％以下とした。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
　Ｓ：０．０１％以下
　Ｓは、熱間加工性を劣化させる元素であり、その含有量はできるだけ少ない方がよい。特に、０．０１％を超えると熱間加工性の著しい劣化を招く。したがって、Ｓの含有量を０．０１％以下とした。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
　Ｎｉ：１２．０～２７．０％
　Ｎｉは、オーステナイト相を安定化させる作用を有するとともに、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中での耐食性を高める作用もある。こうした効果を充分確保するためには、１２．０％以上の量のＮｉを含有させることが必要である。しかし、２７．０％を超えて含有させてもその効果は飽和する。更に、Ｎｉは高価な元素であるため、コストが極めて高くなって経済性に欠ける。したがって、Ｎｉの含有量を１２．０～２７．０％とした。なお、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中で充分な耐食性を確保するためには１５．０％を超える量のＮｉを含有させることが好ましく、２０．０％を超える量のＮｉを含有させれば一層好ましい。
　Ｃｒ：１５．０％以上２０．０％未満
　Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保するのに有効な元素である。特に、Ｎを後述の含有量に規制したオーステナイト系ステンレス鋼において、１５．０％以上のＣｒ、好ましくは１６．０％以上のＣｒを後述する量のＣｕおよびＭｏとともに含有させると、「高濃度の硫酸が凝結する環境」で良好な耐食性を確保することができる。しかし、Ｃｒを多量に含有させると、Ｎ含有量を低くし、ＣｕとＭｏとを複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼の場合であっても、前記の環境中における耐食性が却って劣化し、また、加工性の低下も生ずる。特に、Ｃｒ含有量が２６．０％を超えると前記環境中におけるオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性劣化が著しくなる。また、ＣｕとＭｏとを複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を高めて、工業的規模での製品加工を容易にするには、Ｃｒの含有量を２０．０％未満にすることが好ましいので、Ｃｒの含有量を１５．０％以上２０．０％未満とした。
　Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下
　Ｃｕは、硫酸環境中での耐食性を確保するのに必須の元素である。３．０％を超えるＣｕを所定量のＣｒおよび後述する量のＭｏとともに含有させることで「高濃度の硫酸が凝結する環境」において、Ｎを後述の含有量にしたオーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与することができる。ＣｕおよびＭｏと複合添加するＣｕの含有量が多いほど耐食性向上効果が大きいので、Ｃｕは３．５％を超える含有量とすることが好ましく、４．０％を超える含有量とすることがより好ましく、５．０％を超える含有量とすれば一層好ましい。なお、Ｃｕの含有量を増やすことにより前記環境中での耐食性は向上するが熱間加工性が低下し、特に、Ｃｕの含有量が８．０％を超えると、Ｎを後述の含有量にしても熱間加工性の著しい劣化を生ずる。したがって、Ｃｕの含有量は、３．０％を超えて８．０％以下とした。
　Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下
　Ｍｏは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保するのに有効な元素である。特に２．０％を超える量のＭｏを所定量のＣｒおよびＣｕとともに含有させると、「高濃度の硫酸が凝結する環境」において、所定量のＮを含むオーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与することができる。しかし、Ｍｏを多量に含有させると熱間加工性が低下し、特に、Ｍｏの含有量が５．０％を超えると、Ｎを所定の含有量にしても熱間加工性の著しい劣化を生ずる。したがって、Ｍｏの含有量は、２．０％を超えて５．０％以下とした。なお、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中で充分な耐食性を確保するためには３．０％を超える量のＭｏを含有させることが好ましい。
　Ｎｂ：０～１．０％
　Ｎｂは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｃを固定して耐食性、なかでも耐粒界腐食性を高める作用を有する。しかし、その含有量が１．０％を超えると、Ｎを所定の含有量にした場合でも窒化物が生成して却って耐食性が低下し、また、熱間加工性の劣化も招く。したがって、Ｎｂの含有量を０～１．０％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｎｂは、０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。
　Ｔｉ：０～０．５％
　Ｔｉは添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｎｂと同様にＣを固定して耐食性、なかでも耐粒界腐食性を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．５％を超えると、Ｎを所定の含有量にした場合でも窒化物が生成して却って耐食性が低下し、また、熱間加工性の劣化も招く。したがって、Ｔｉの含有量は、０～０．５％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｔｉは、０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。
　Ｃｏ：０～０．５％
　Ｓｎ：０～０．１％
　前述のように、異種金属接触腐食は、通常の腐食とは異なり、卑な（電位の低い）金属の電位が高くなるため、ＦｅおよびＣｒの溶解が加速される。ＣｏおよびＳｎは、このような異種金属接触腐食環境において、ＦｅおよびＣｒの溶解速度を低下させることができ、異種金属接触腐食環境における耐食性を飛躍的に改善することができる元素である。このため、これらの元素の一種以上を含有させるのがよい。上記の効果は、Ｃｏは０．０１％以上、Ｓｎは０．００１％以上で顕著となる。ただし、これらの元素の含有量が過剰な場合には、　製造性を低下させるので、Ｃｏの上限は０．５％、Ｓｎの上限は０．１％とした。
　Ｗ：０～５．０％
　Ｗは、添加しなくてもよいが、添加すれば、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性を高める作用がある。しかし、５．０％を超えてＷを含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｗの含有量は、０～５．０％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｗは、０．１％以上の含有量とすることが好ましい。
　Ｚｒ：０～１．０％
　Ｚｒは、添加しなくてもよいが、添加すれば、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性を高める作用を有する。しかし、１．０％を超えてＺｒを含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｚｒの含有量は、０～１．０％とした、上記の効果を確実に得るには、Ｚｒは、０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。
　Ａｌ：０～０．５％
　Ａｌは、添加しなくてもよいが、添加すれば、脱酸作用を有する。しかし、Ａｌの含有量が０．５％を超えると、Ｎを所定の含有量にしたオーステナイト系ステンレス鋼であっても熱間加工性が低下してしまう。したがって、Ａｌ含有量を０～０．５％とした。Ａｌ含有量の下限は不可避不純物の範囲であってもよい。但し、Ａｌは脱酸作用を有するため、前記したＳｉの含有量を極めて低く抑えた場合には、０．０２％以上を含有させて脱酸作用を充分に行わせることが好ましい。なお、０．０５％以上のＳｉを含有させた場合でも、脱酸作用を充分に発揮させるためには、Ａｌの含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。
　Ｎ：０．０５％未満
　Ｎは、従来、オーステナイト組織の安定化、孔食や隙間腐食などの「局部腐食」に対する抵抗性を高める目的から積極的に添加されてきた。しかし、本発明が対象とする「高濃度の硫酸が凝結する環境」においては、Ｎの含有量が０．０５％以上になると、３．０％を超えるＣｕ、２．０％を超えるＭｏおよび１５．０以上２０．０％未満のＣｒを含有させたオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性が却って低下してしまう。更に、ＣｕとＭｏの含有量の上限をそれぞれ８．０％、５．０％にした場合であっても、Ｎの含有量が０．０５％以上になると熱間加工性が低下してしまう。このため、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性と熱間加工性とをオーステナイト系ステンレス鋼に付与させるために、Ｎの含有量を０．０５％未満とした。なお、Ｎ含有量は低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００５％である。
　Ｃａ：０～０．０１％
　Ｃａは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｓと結合して熱間加工性の低下を抑える効果を有する。しかし、その含有量が０．０１％を超えると鋼の清浄度が低下して、熱間での製造時に疵が発生する原因となる。したがって、Ｃａの含有量は、０～０．０１％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。より好ましいＣａの含有量の下限は０．００１％である。
　Ｂ：０～０．０１％
　Ｂは、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を改善する効果を有する。しかし、Ｂの多量の添加は粒界へのＣｒ－Ｂ化合物の析出を促し、耐食性の劣化を招く。特に、Ｂの含有量が０．０１％を超えると著しい耐食性の劣化をきたす。したがって、Ｂの含有量は０～０．０１％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。より好ましいＢの含有量の下限は０．００１％である。
　希土類元素：合計で０～０．０１％
　希土類元素は、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を高める作用を有する。しかし、その含有量が合計で０．０１％を超えると鋼の清浄度が低下し、熱間での製造時に疵が発生する原因となる。したがって、希土類元素の含有量を合計で０．０１％以下とした。上記の効果を確実に得るには、希土類元素の含有量を合計で０．０００５％以上とすることが好ましい。なお、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称である。
　母材の化学組成は、上記の各元素をそれぞれ規定される範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
　２．溶接金属の化学組成
　次に、溶接金属の化学組成について詳しく説明する。
　Ｃ：０．１０％以下
　Ｃは、マトリックスであるオーステナイト相を安定にする元素である。しかし、過剰に添加すると溶接熱サイクルによりＣｒ炭窒化物を生成し、耐食性の劣化を招くとともに強度低下の原因になる。さらに、Ｃは粒界に偏析したＳｉおよびマトリックス中のＦｅと反応して低融点化合物を生成し、再熱割れ感受性を増大させる。このため、Ｃ含有量は０．１０％以下とする。好ましい上限は０．０３％である。なお、Ｃ含有量はできる限り低い方が好ましいが、極度の低減はコスト上昇を招くので、その下限は０．００５％でもよい。
　Ｓｉ：０．５０％以下
　Ｓｉは、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の凝固時に結晶粒界に偏析し、ＣおよびマトリックスのＦｅと反応して低融点化合物を生成し、多層溶接時の再熱割れの原因となる。このため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｓｉ含有量は低ければ低いほどよく、脱酸に十分なＡｌ、Ｍｎ等を含む場合には、必ずしも添加する必要はない。脱酸効果を得る必要がある場合には０．０２％以上含有させるのがよい。
　Ｍｎ：３．５％以下
　Ｍｎは、脱酸剤として添加され、マトリックスであるオーステナイト相を安定にする。しかし、過剰に添加すると高温かつ長時間の使用中に金属間化合物の生成を促進し、脆化を招く。このため、Ｍｎ含有量は３．５％以下とする。好ましい上限は２．０％である。なお、下限は特に定める必要はない。また、Ｍｎは、他の元素（Ｓｉ、Ａｌ）によって脱酸が十分に行われる場合には、その含有量は０％でもよい。
　Ｐ：０．０３％以下
　Ｐは、不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に最終凝固部に偏析し、残留液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させる。このため、Ｐ含有量は０．０３％以下とする。好ましい上限は０．０１５％である。なお、Ｐ含有量は製造コストに問題がない限り低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
　Ｓ：０．０３％以下
　Ｓは、上記のＰと同様の不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に低融点の共晶物を形成し凝固割れを発生させるとともに、結晶粒界に偏析して粒界の固着力を低下させ、再熱割れ発生の原因となる。このため、Ｓ含有量は０．０３％以下とする。好ましい上限は０．０１５％である。なお、Ｓ含有量は製造コストに問題がない限り低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
　Ｃｕ：０．５０％以下
　Ｃｕは、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．５０％を超えて含有させると、最終凝固する液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させる。また、Ｃｕは凝固時に結晶粒界に偏析して粒界の固着力を低下させ、多層溶接時の再熱割れを招く。このため、Ｃｕ含有量は、０．５０％以下とする。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、　０．０１％である。
　Ｎｉ：５１．０％以上８０．０％以下
　Ｎｉは、マトリックスであるオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するために必須の元素である。しかし、過剰な添加は、溶接割れ感受性を高めるとともに、Ｎｉは高価な元素であるためにコスト上昇を招く。このため、Ｎｉ含有量は、５１．０％以上８０．０％以下とする。
　Ｃｒ：１４．５～２３．０％
　Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素であり、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するためには必須の元素である。十分な耐酸化性および耐食性を確保するためには、１４．５％以上が必要である。しかし、過剰な添加はかえって耐食性を劣化させるとともに、加工性を著しく劣化させる。このため、Ｃｒ含有量は１４．５～２３．０％とする。
　Ｍｏ：０．１０％以下
　Ｍｏは、従来、添加すれば高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であると考えられてきたが、前記の化学組成を有する母材を用いた継手の場合、溶接金属中に０．１０％を超え６．０％未満の範囲のＭｏが含まれると、母材表面に形成される不動態皮膜と溶接金属表面に形成される不動態皮膜との間で電位差が生じ、異種金属腐食が進行しやすくなる。このため、Ｍｏの含有量は、０．１０％以下とした。Ｍｏは少ないほどよく、０％であってもよい。ただし、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０１％である。
　Ａｌ：０．４０％以下
　Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、多量に含まれると溶接中にスラグを生成して溶接金属の湯流れおよび溶接ビードの均一性を劣化させ、溶接施工性を著しく低下させる。また、裏波形成する溶接条件領域を狭くする。このため、Ａｌ含有量は０．４０％以下とする必要がある。好ましい上限は０．３０％、より好ましい上限は０．２０％である。Ａｌは少ないほどよく、０％であってもよい。ただし、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００１％である。
　Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下
　Ｔｉ、ＮｂおよびＴａは、溶接金属中のＣを炭化物として固定し、また、Ｓを含む酸化物を形成して結晶粒界の固着力を向上させるほか、炭化物を晶出して結晶粒界の形状を複雑にし、Ｓ、Ｃｕの結晶粒界偏析を分散させて多層盛り溶接時の再熱割れを防止する。しかし、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量が４．９０％を超える場合には、炭化物の粗大化を招き、靱性の劣化を招くとともに、加工性を劣化させる。このため、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量は、４．９０％以下とする。この合計含有量の下限は２．０％とするのが好ましい。
　Ｃｏ：２．５％以下
　Ｃｏは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｎｉと同様にオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ｃｏは、Ｎｉに比べ非常に高価な元素で、多量添加はコスト上昇を招く。このため、Ｃｏ含有量は２．５％以下とする。好ましい上限は２．０％、より好ましい上限は１．５％である。上記の効果は０．５％以上で顕著になる。
　Ｖ：０．３５％以下
　Ｖは、添加しなくてもよいが、添加すれば、高温強度を向上させるのに有効な元素である。しかし、過剰な添加は多量の炭窒化物を析出させ、靭性の低下を招く。このため、Ｖ含有量は０．３５％以下とするのがよい。上記の効果は０．０５％以上で顕著になる。
　Ｗ：４．５％以下
　Ｗは、添加しなくてもよいが、添加すれば、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が４．５％を超えると、その効果が飽和するばかりか、かえって使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。Ｗ含有量は、４．５％以下とする。上記の効果は、１．０％以上で顕著となる。
　溶接金属の化学組成は、上記の各元素をそれぞれ規定される範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
　３．溶接材料の化学組成
　上記の化学組成を有する母材を溶接し、上記の化学組成を有する溶接金属を得るための溶接材料としては、下記の化学組成を有するものを用いるのがよい。
　すなわち、その溶接材料は、
Ｃ：０．０８％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．１％以下、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：４．０～８０．０％、
Ｃｒ：１５．０～３０．０％、
Ａｌ：０．５％以下、
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以下
Ｗ：０～４．５％
Ｃｏ：０～５．０％、
Ｃｕ：０～８．０％、
Ｖ：０～０．２５％、
Ｂ：０～０．０１％、
Ｃａ：０～０．０１％、
Ｍｇ：０～０．０１％、
希土類元素：合計で０～０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物である化学組成を有するものを用いるのがよい。
　各元素の限定理由は下記の通りである。
　Ｃ：０．０８％以下
　Ｃ含有量は、溶接金属に十分な性能を与えるためには、０．０８％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．００２％である。
　Ｓｉ：２．０％以下
　Ｓｉは、その含有量が２．０％を超えると溶接材料製造時の熱間加工性を著しく劣化させるとともに、溶接金属中のＳｉ含有量を増大させて再熱割れ感受性を増大させるので、２．０％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．０２％である。
　Ｍｎ：３．１％以下
　Ｍｎは、その含有量が３．１％を超えると、溶接材料製造時の熱間加工性を劣化させるとともに、溶接時に多量のヒュームの発生を招くので、３．１％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．０１％である。
　Ｐ：０．０２％以下
　Ｐは、不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に最終凝固部に偏析し、残留液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させるため、０．０２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
　Ｓ：０．０２％以下
　Ｓは、その含有量が０．０２％を超えると溶接材料製造時の熱間加工性を劣化させるとともに、溶接金属中のＳ含有量を増大させて凝固割れ感受性および再熱割れ感受性を増大させるので、０．０２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
　Ｎｉ：４．０～８０．０％
　Ｎｉは、マトリックスであるオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するために必須の元素である。しかし、過剰な添加は、溶接割れ感受性を高めるとともに、Ｎｉは高価な元素であるためにコスト上昇を招く。このため、４．０～８０．０％とする。ただし、Ｎｉ＋Ｃｏ＋２Ｃｕ≧２５を満たす量であることが好ましい。
　Ｃｒ：１５．０～３０．０％
　Ｃｒ含有量は、溶接金属に十分な耐再熱割れ性を与えるためには１５．０～３０．０％であることが好ましい。
　Ａｌ：０．５％以下
　Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、多量に含まれると溶接中にスラグを生成して溶接金属の湯流れおよび溶接ビードの均一性を劣化させ、溶接施工性を著しく低下させる。このため、Ａｌは０．５％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．０１％である。
　Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下
　Ｔｉ、ＮｂおよびＴａは、溶接金属中のＣを炭化物として固定し、また、Ｓを含む酸化物を形成して結晶粒界の固着力を向上させるほか、炭化物を晶出して結晶粒界の形状を複雑にし、Ｓ、Ｃｕの結晶粒界偏析を分散させて多層盛り溶接時の再熱割れを防止する。しかし、溶接金属中において、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量が４．９０％を超える場合には、炭化物の粗大化を招き、靱性の劣化を招くとともに、加工性を劣化させる。このため、溶接材料中のこれらの合計含有量も制限する必要があり、具体的には、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量は、４．９０％以下とするのがよい。この合計含有量の下限は２．０％とするのが好ましい。
　Ｍｏ：０．１０％以下
　Ｍｏは、従来、添加すれば高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であると考えられてきたが、前記の化学組成を有する母材を用いた継手の場合、溶接金属中に０．１０％を超え６．０％未満の範囲のＭｏが含まれると、母材表面に形成される不動態皮膜と溶接金属表面に形成される不動態皮膜との間で電位差が生じ、異種金属腐食が進行しやすくなる。このため、溶接金属中のＭｏの含有量を０．１０％以下とするためには、溶接材料中のＭｏ含有量を極力低減する必要がある。よって、Ｍｏ含有量は０．１０％以下するのがよい。Ｍｏは少ないほどよく、０％であってもよい。
　Ｗ：０～４．５％
　Ｗは、溶接金属中に含まれると、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であるので、溶接材料に含有させてもよい。しかし、その含有量が４．５％を超えると、その効果が飽和するばかりか、かえって使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。よって、Ｗ含有量は、０～４．５％とするのがよい。上記の効果は、１．０％以上で顕著となる。
　Ｃｏ：０～５．０％
　Ｃｏは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには、５．０％以下であることが好ましい。
　Ｃｕ：０～８．０％
　Ｃｕは、含まなくてもよいが、含む場合、その含有量が８．０％超であると溶接材料製造時の熱間加工性を著しく低下させるので、含む場合の含有量は８．０％以下であることが好ましい。
　Ｖ：０～０．２５％
　Ｖは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには、０．２５％以下であることが好ましい。
　Ｂ：０～０．０１％
　Ｂは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには０．０１％以下であることが好ましい。
　Ｃａ：０～０．０１％
　Ｍｇ：０～０．０１％
　希土類元素：合計で０～０．０１％
　Ｃａ、Ｍｇおよび希土類元素は、いずれも含まなくてもよいが、含む場合の各元素の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためにはいずれの元素も０．０１％以下であることが好ましい。
　４．溶接継手の製造方法
　本発明になる上記の溶接継手は、例えば、ＴＩＧ法、ＭＩＧ法などに代表されるガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、潜弧溶接法などの溶接方法により製造することができる。なかでも、ＴＩＧ法を用いるのがよい。
　表１に示す各種化学組成を有する、５０ｋｇのインゴットを製造し、このインゴットから熱間鍛造および熱間圧延により、厚さ１１ｍｍの鋼板を得た。この鋼板に、固溶化熱処理（１１００℃×３０ｍｉｎ）を施し、３００ｍｍＬ×５０ｍｍＷ×１０ｍｍｔの板材とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　板材の片端を開先加工した後、二枚の板材を突合せた状態でＴＩＧ溶接を実施し、溶接継手を得た。溶接材料は、表２に示す化学組成を有するものを用いた。また、溶接金属部の化学組成を蛍光Ｘ線分析法により分析した結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　得られた溶接継手から、溶接金属部を中央に含む腐食試験片（１０ｍｍＬ×７０ｍｍＷ×３ｍｍｔ）を採取し、腐食試験を実施した。
　腐食試験は、腐食試験片を、１００℃に保った５０％Ｈ２ＳＯ４液中に３３６ｈ浸漬し、質量減少から腐食速度（試験片全体の腐食速度）を算出した。また、母材と溶接金属部との界面における腐食減肉（最大値）を測定した。一方で、上記の溶接継手の母材および溶金部から試験片（７ｍｍＬ×７ｍｍＷ×２ｍｍｔ）を切り出し、１００℃に保った５０％Ｈ２ＳＯ４液中で腐食電位を測定し、電位差（溶金部の腐食電位－母材の腐食電位）を算出した。これらの結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４に示すように、比較例１および２は、母材の化学組成が本発明で規定される範囲を外れており、比較例３、４および５は、溶接金属の化学組成（特に、Ｍｏ含有量）が本発明で規定される範囲を外れている。その結果、いずれの比較例でも、母材と溶接金属の電位差が大きく、耐食性が劣化していた。これに対して、実施例１～９はいずれも、母材と溶接金属の電位差が小さく、良好な耐食性を備えていた。特に、母材にＣｏまたはＳｎが含まれる実施例６および７は、より良好な耐食性を備えていた。
　本発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼材継手において、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食を抑制することができるので、高濃度の硫酸が凝結する環境（５０～１００℃の温度で４０～７０％の濃度の硫酸が結露する環境）での耐食性に優れる。よって、そのような環境で用いられる溶接構造部材として最適である。

Claims (2)

  1. 　オーステナイト系ステンレス鋼材継手を備える溶接構造部材であって、
    母材の化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．０５％以下、
    Ｓｉ：１．０％以下、
    Ｍｎ：２．０％以下、
    Ｐ：０．０４％以下、
    Ｓ：０．０１％以下、
    Ｎｉ：１２．０～２７．０％、
    Ｃｒ：１５．０％以上２０．０％未満、
    Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下、
    Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、
    Ｎｂ：０～１．０％、
    Ｔｉ：０～０．５％、
    Ｃｏ：０～０．５％、
    Ｓｎ：０～０．１％、
    Ｗ：０～５．０％、
    Ｚｒ：０～１．０％、
    Ａｌ：０～０．５％、
    Ｎ：０．０５％未満、
    Ｃａ：０～０．０１％、
    Ｂ：０～０．０１％、
    希土類元素：合計で０～０．０１％、
    残部：Ｆｅおよび不可避不純物であり、
    溶接金属の化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．１０％以下、
    Ｓｉ：０．５０％以下、
    Ｍｎ：３．５％以下、
    Ｐ：０．０３％以下、
    Ｓ：０．０３％以下、
    Ｃｕ：０．５０％以下、
    Ｎｉ：５１．０％以上８０．０％以下、
    Ｃｒ：１４．５～２３．０％、
    Ｍｏ：０．１０％以下、
    Ａｌ：０．４０％以下、
    Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下、
    Ｃｏ：２．５％以下、
    Ｖ：０．３５％以下、
    Ｗ：４．５％以下、
    残部：Ｆｅおよび不可避不純物である、溶接構造部材。
  2. 　前記母材の化学組成が、質量％で、
    Ｃｏ：０．０１～０．５％および／または
    Ｓｎ：０．００１～０．１％を含有する、
    請求項１に記載の溶接構造部材。
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