WO2018066573A1 - オーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手 - Google Patents

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WO2018066573A1
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cracking
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伸之佑 栗原
仙波　潤之
岡田　浩一
淳一 樋口
克樹 田中
孝裕 小薄
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新日鐵住金株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an austenitic heat resistant alloy and a welded joint using the same.
  • Patent Document 1 discloses a high-strength austenitic stainless heat-resisting steel that is excellent in the resistance to embrittlement cracking of a welded part that is used in high-temperature equipment such as a power generation boiler. .
  • Patent Document 1 has been studied in detail regarding cracks in HAZ, it has not been studied for cracks in weld metal parts, and there is room for improvement.
  • An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an austenitic heat-resistant alloy suitable for producing a welded joint having low cracking susceptibility of a weld metal part and excellent creep strength.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and provides the following austenitic heat-resistant alloy and a welded joint using the same.
  • the chemical composition is mass%, C: 0.04 to 0.18%, Si: 1.5% or less, Mn: 2.0% or less, P: 0.020% or less, S: 0.030% or less, Cu: 0.10% or less, Ni: 20.0-30.0%, Cr: 21.0 to 24.0%, Mo: 1.0-2.0%, Nb: 0.10 to 0.40%, Ti: 0.20% or less, Al: 0.05% or less, N: 0.10 to 0.35%, B: 0.0015 to 0.005%, Balance: Fe and impurities, Satisfies the following formula (i): Austenitic heat-resistant alloy. P + 6B ⁇ 0.040 (i) However, each element symbol in the formula represents the content (% by mass) of each element contained in the alloy.
  • a heat-resistant alloy used to make a welded joint using a welding material The chemical composition of the welding material is mass%, C: 0.01 to 0.18%, Si: 1.5% or less, Mn: 2.0% or less, P: 0.020% or less, S: 0.030% or less, Cu: 0.15% or less, Cr: 20.0-25.0% Mo: 10.0% or less, Nb: 4.0% or less, Ti: 0.50% or less, Co: 15.0% or less, Al: 2.0% or less, B: 0.005% or less, Fe: 30.0% or less, Balance: Ni and impurities, The austenitic heat-resistant alloy according to (1) above.
  • a base material portion made of the austenitic heat-resistant alloy according to (1) % By mass C: 0.01 to 0.18%, Si: 1.5% or less, Mn: 2.0% or less, P: 0.020% or less, S: 0.030% or less, Cu: 0.15% or less, Ni: 20.0-90.0%, Cr: 21.0 to 24.0%, Mo: 1.0-10.0%, Nb: 0.01 to 4.0%, Ti: 0.20% or less, Co: 15.0% or less, Al: 2.0% or less, N: 0.01 to 0.35%, B: 0.005% or less, Balance: Fe and impurities,
  • an austenitic heat-resistant alloy suitable for producing a welded joint having low cracking susceptibility of the weld metal part and excellent creep strength.
  • C 0.04 to 0.18% C is an element that has the effect of stabilizing the austenite phase and forms fine intragranular carbonitrides together with N and contributes to the improvement of high-temperature strength. However, if the content of C is excessive, coarse carbides are generated during use at high temperatures, leading to a decrease in creep strength and a decrease in corrosion resistance. Therefore, the C content is 0.04 to 0.18%.
  • the C content is preferably 0.05% or more, and preferably 0.13% or less.
  • Si 1.5% or less
  • Si is an element having a deoxidizing action and effective in corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures. However, if the content is excessive, the stability of the austenite phase is lowered, and the creep strength and toughness are lowered. Therefore, the Si content is 1.5% or less.
  • the Si content is preferably 1.0% or less, and more preferably 0.8% or less.
  • the Si content is preferably 0.02% or more.
  • Mn 2.0% or less Mn has a deoxidizing action like Si. Mn also contributes to stabilization of the austenite phase. However, if the content is excessive, embrittlement is caused, and creep ductility and toughness are reduced. Therefore, the Mn content is 2.0% or less. The Mn content is preferably 1.5% or less.
  • the Mn content is preferably 0.02% or more.
  • P and S are elements contained as impurities in the alloy. All of these elements lower the melting point of the final solidified part during solidification of the weld metal, significantly increase the susceptibility to solidification cracking, and cause intergranular embrittlement during high temperature use, leading to a decrease in stress relaxation cracking resistance. It is an element. Therefore, the contents are limited to P: 0.020% or less and S: 0.030% or less, respectively.
  • Cu 0.10% or less
  • Cu is an element that causes embrittlement when excessively contained. Therefore, it is desirable to reduce the Cu content as much as possible, and set it to 0.10% or less.
  • the Cu content is preferably less than 0.05%, and more preferably less than 0.01%.
  • Ni 20.0-30.0%
  • Ni is an effective element for obtaining an austenite structure, and is an essential element for obtaining a desired creep strength while ensuring the structural stability during long-time use. In order to sufficiently obtain the above effects within the range of the Cr content defined in the present invention, it is necessary to contain 20.0% or more. On the other hand, since Ni is an expensive element, if its content exceeds 30.0%, the cost increases. Therefore, the Ni content is 20.0-30.0%. The Ni content is preferably 22.0% or more, and preferably 28.0% or less.
  • Cr 21.0 to 24.0% Cr is an essential element for securing oxidation resistance and corrosion resistance at high temperatures. In order to acquire the effect, it is necessary to contain 21.0% or more. However, if its content becomes excessive, especially exceeding 24.0%, the stability of the austenite phase at high temperatures is lowered, and the creep strength is lowered. Therefore, the Cr content is 21.0 to 24.0%.
  • the Cr content is preferably 21.5% or more, and preferably 23.5% or less.
  • Mo 1.0-2.0%
  • Mo is an element that contributes to the improvement of the high-temperature strength by being dissolved in the matrix, and in particular to the improvement of the creep strength at a high temperature.
  • the Mo content is 1.0 to 2.0%.
  • the Mo content is preferably 1.2% or more, and preferably 1.8% or less.
  • Nb 0.10 to 0.40%
  • Nb is an element that precipitates finely as a carbonitride and contributes to the improvement of creep strength at high temperatures.
  • the Nb content is 0.10 to 0.40%.
  • the Nb content is preferably 0.15% or more, and preferably 0.35% or less.
  • Ti 0.20% or less
  • Ti is an element that precipitates finely as a carbonitride and contributes to the improvement of creep strength at high temperature. However, if its content is excessive, during use at high temperature, Not only does the carbonitride coarsen rapidly, leading to an extreme decrease in creep strength and toughness, but also a significant increase in liquefaction cracking susceptibility during welding. Therefore, the Ti content is 0.20% or less.
  • Al 0.05% or less
  • Al has a deoxidizing action, but a large amount of addition significantly impairs cleanliness and deteriorates workability and ductility. Therefore, the Al content is 0.05% or less.
  • the Al content is preferably 0.0005% or more.
  • N 0.10 to 0.35%
  • N is an austenite stabilizing element, and is an element that forms a fine intragranular carbonitride like C and contributes to ensuring creep strength at a high temperature. It is also an element effective for improving corrosion resistance.
  • the N content is 0.10 to 0.35%.
  • the N content is preferably 0.15% or more, and preferably 0.30% or less.
  • B 0.0015 to 0.005%
  • B is an element contributing to grain boundary strengthening by segregating at grain boundaries and finely dispersing grain boundary carbides.
  • the B content is excessive, the melting point of the final solidified portion is lowered during solidification of the weld metal, the solidification cracking sensitivity is remarkably increased, and intergranular embrittlement occurs during high temperature use, resulting in stress relaxation cracking resistance. Incurs a decline. Therefore, the B content is 0.0015 to 0.005%.
  • the B content is preferably 0.002% or more, and preferably 0.0045% or less.
  • the balance is Fe and impurities.
  • impurities are components mixed in due to various factors of raw materials such as ores and scraps and manufacturing processes when the alloy is industrially manufactured, and are allowed within a range that does not adversely affect the present invention. Means something.
  • each element symbol in the formula represents the content (% by mass) of each element contained in the alloy. Even if the chemical composition of the alloy is within the above range, cracks may occur in the weld metal part. However, by satisfying the above formula (i) in the relationship between the contents of P and B, it is possible to suppress initial layer solidification cracking and reheat cracking in the weld metal part.
  • C 0.01 to 0.18%
  • C is an austenite-forming element and is an element effective for enhancing the stability of the austenite structure when used at high temperatures. Furthermore, C increases the hot crack resistance during welding. Specifically, C is mainly combined with Cr in the solidification process during welding to form a eutectic carbide. As a result, the disappearance of the liquid phase is accelerated, and the structure of the final solidified part is changed to a lamellar structure of (Cr, M) 23 C 6 and austenite. As a result, the remaining form of the liquid phase changes from a planar shape to a point shape, stress concentration on a specific surface is suppressed, and solidification cracking is suppressed. Furthermore, C increases the final solidification interface area that becomes a segregation site of impurities, and thus contributes to the prevention of ductile deterioration cracking during welding and the reduction of the sensitivity of stress relaxation cracking during high temperature use.
  • the C content needs to be 0.01% or more.
  • the C content is set to 0.01 to 0.18%.
  • the C content is preferably 0.02% or more, and more preferably 0.06% or more.
  • the C content is preferably 0.15% or less.
  • Si 1.5% or less Si is contained as a deoxidizer, but segregates at columnar grain boundaries during solidification of the weld metal, lowers the melting point of the liquid phase, and increases the susceptibility to solidification cracking. Therefore, the Si content needs to be 1.5% or less. In addition, it is not necessary to provide a lower limit in particular for the Si content. However, if the Si content is extremely reduced, the deoxidation effect cannot be sufficiently obtained, and the cleanliness of the steel is deteriorated and the manufacturing cost is increased. Therefore, the Si content is preferably 0.02% or more.
  • Mn 2.0% or less Mn is contained as a deoxidizer in the same manner as Si. Mn suppresses the scattering of N from the arc atmosphere by lowering the activity of N in the weld metal, and contributes to securing the strength. However, when Mn is excessively contained, embrittlement is caused, so the Mn content needs to be 2.0% or less. The Mn content is preferably 1.5% or less.
  • the Mn content is preferably 0.02% or more.
  • P and S are contained as impurities, lower the melting point of the final solidified portion when solidifying the weld metal, and remarkably increase the susceptibility to solidification cracking. Therefore, it is necessary that the P content is 0.020% or less and the S content is 0.030% or less.
  • the P content is preferably 0.015% or less, and the S content is preferably 0.020% or less.
  • Cu 0.15% or less
  • Cu is an element that causes embrittlement when excessively contained. Therefore, it is desirable to reduce the Cu content as much as possible, and it is set to 0.15% or less.
  • the Cu content is preferably 0.10% or less.
  • Cr 20.0-25.0%
  • Cr is an essential element for securing oxidation resistance and corrosion resistance at high temperatures. Cr combines with C in the solidification process to produce eutectic carbide, prevents solidification cracking and ductile degradation cracking during welding, and also has the effect of reducing stress relaxation cracking susceptibility during high temperature use. In order to obtain these effects, the Cr content needs to be 20.0% or more. However, if the Cr content is excessive and exceeds 25.0%, the stability of the structure at high temperatures deteriorates, leading to a decrease in creep strength. Therefore, the Cr content is 20.0-25.0%. The Cr content is preferably 20.5% or more, and preferably 24.5% or less.
  • Mo 10.0% or less
  • Mo is an element that contributes to improvement in high-temperature strength by dissolving in a matrix, and in particular, improvement in creep strength at high temperature.
  • the Mo content is 10.0% or less.
  • the Mo content is preferably 9.5% or less.
  • the lower limit is not particularly specified and is 0%.
  • the Mo content is preferably 0.5% or more, and more preferably Mo content or more in the base material.
  • Nb 4.0% or less
  • Nb is an element that precipitates finely as a carbonitride and contributes to an improvement in creep strength at high temperatures.
  • the Nb content is 4.0%.
  • the Nb content is preferably 3.5% or less.
  • the lower limit is not particularly specified and is 0%.
  • the Nb content is preferably 0.1% or more, and more preferably 0.5% or more.
  • Ti 0.50% or less
  • Ti is an element that precipitates finely as a carbonitride and contributes to the improvement of creep strength at high temperature.
  • the Ti content is preferably reduced and is set to 0.50% or less.
  • Co 15.0% or less
  • Co is an austenite-forming element and contributes to the improvement of creep strength by increasing the stability of the austenite structure.
  • the Co content is 15.0% or less.
  • the Co content is preferably 14.0% or less.
  • the lower limit is not particularly specified and is 0%.
  • the Co content is preferably 0.5% or more.
  • Al 2.0% or less
  • Al is an element having a deoxidizing action. However, a large amount of addition significantly impairs cleanliness and deteriorates workability and ductility. Therefore, the Al content is 2.0% or less.
  • the lower limit is not particularly specified and is 0%. However, when it is desired to obtain the above effect, the Al content is preferably 0.5% or more.
  • B 0.005% or less
  • B is an element effective for improving the creep strength by segregating at grain boundaries during use at high temperature, strengthening the grain boundaries, and finely dispersing grain boundary carbides. Therefore, B may be contained in order to obtain this effect. However, excessive inclusion of B increases the susceptibility to solidification cracking during gas shielded arc welding. Therefore, the B content is 0.005% or less.
  • the B content is preferably 0.0045% or less.
  • the lower limit is not particularly specified and is 0%. However, when it is desired to obtain the above effect, the B content is preferably 0.002% or more.
  • Fe 30.0% or less Fe is effective for obtaining an austenite structure, and is an essential element for securing the structure stability during long-time use and obtaining a desired creep strength.
  • the Fe content is set to 30.0% or less.
  • the Fe content is preferably 20.0% or less.
  • the balance is Ni and impurities.
  • impurities are components mixed in due to various factors of raw materials such as ores and scraps and manufacturing processes when the alloy is industrially manufactured, and are allowed within a range that does not adversely affect the present invention. Means something.
  • the weld metal part is in mass%, C: 0.01 to 0.18%, Si: 1.5% or less, Mn: 2.0% or less, P: 0.020.
  • % S: 0.030% or less, Cu: 0.15% or less, Ni: 20.0-90.0%, Cr: 21.0-24.0%, Mo: 1.0-10.0 %, Nb: 0.01 to 4.0%, Ti: 0.20% or less, Co: 15.0% or less, Al: 2.0% or less, N: 0.01 to 0.35%, B: 0.005% or less, balance: Fe and impurities, preferably having a chemical composition satisfying the following formula (ii).
  • the C content is preferably 0.02% or more, and preferably 0.15% or less.
  • the Si content is preferably 0.02% or more, and preferably 1.0% or less.
  • the Mn content is preferably 0.02% or more, and preferably 1.5% or less.
  • the P content is preferably 0.015% or less, and the S content is preferably 0.020% or less.
  • the Cu content is preferably less than 0.10%.
  • the Ni content is preferably 30.0% or more, preferably 80.0% or less, more preferably 70.0% or less, and further preferably 60.0% or less. preferable.
  • the Cr content is preferably 21.2% or more, and preferably 23.5% or less.
  • the Mo content is preferably 2.0% or more, and preferably 9.5% or less.
  • the Nb content is preferably 0.10% or more, and preferably 3.5% or less.
  • the Co content is preferably 0.5% or more, and preferably 14.0% or less.
  • the Al content is preferably 0.01% or more, and preferably 1.5% or less.
  • the N content is preferably 0.02% or more, and preferably 0.15% or less.
  • the B content is preferably 0.0002% or more, and preferably 0.0045% or less.
  • each element symbol in a formula represents content (mass%) of each element contained in a weld metal part.
  • P and B in the weld metal part satisfy the above formula (ii), it is possible to suppress the first layer solidification cracking and reheat cracking in the weld metal part.
  • JIS Z 3224 (2010) as defined in JIS Z 3224 (2010) is used as the covering arc welding rod, and each of the restraint weld crack test specimens obtained as described above is used. Four rounds were restrained and welded on a commercially available steel plate of SM400C specified in G 3106 (2008).
  • first layer TIG welding was performed using a 1.2 mm diameter spool welding material having a chemical composition shown in Table 2 in the groove.
  • the heat input was 9 to 12 kJ / cm and the welding material feed speed was 150 mm / min.
  • the interpass temperature was controlled to 150 ° C. or lower.
  • the composition of the weld metal was measured by EPMA analysis and quantifying the center part of the weld metal. The results are shown in Table 3.
  • a stepped round bar creep test piece was cut out so that the weld metal part was located at the center of the parallel part having a diameter of 6 mm and a length of 10 mm, and a creep rupture test was performed. Then, assuming an actual use environment, the case where the rupture time was 1,000 hours or more at a stress load of 200 MPa at 650 ° C. was designated as “ ⁇ ”, and the case where it was less than 1,000 hours was designated as “X”.
  • the austenitic heat-resistant alloy of the present invention can be suitably used as a material for a device such as a boiler used in a high temperature environment.

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Abstract

化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４～０．１８％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｎｉ：２０．０～３０．０％、Ｃｒ：２１．０～２４．０％、Ｍｏ：１．０～２．０％、Ｎｂ：０．１０～０．４０％、Ｔｉ：０．２０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．１０～０．３５％、Ｂ：０．００１５～０．００５％、残部：Ｆｅおよび不純物であり、［Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０］を満足する、オーステナイト系耐熱合金。

Description

オーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手
　本発明は、オーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手に関する。
　近年、高効率化のために蒸気の温度と圧力とを高めた超々臨界圧ボイラの新設が世界中で進められている。このような高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなってきた。例えば、火力発電用ボイラの分野では、蒸気温度が６５０℃以上になるため、高いクリープ強度が要求される。
　また、材料を構造部材等として使用するためには溶接施工が必須であり、溶接部においても高いクリープ強度が要求されることとなる。そこで、各種合金元素を最適量含有させることにより、クリープ強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が発明されてきた。
　上記の厳しい要求に対して、特許文献１には、発電用ボイラ等の高温機器に用いられる高温使用中の溶接部の耐脆化割れ性に優れる高強度オーステナイト系ステンレス耐熱鋼が開示されている。
国際公開第２００９／０４４７９６号
　特許文献１では、Ｐ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、ＺｎおよびＡｓの含有量を低減するとともに、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、およびＮの含有量を特定の範囲に調整することによって、溶接熱影響部（ＨＡＺ）における割れ感受性が低く、溶接部の耐脆化割れ性に優れる高強度オーステナイト系ステンレス耐熱鋼を得ることが可能となる。
　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＨＡＺでの割れに関しては詳細な検討がなされているものの、溶接金属部での割れに関しては検討がなされておらず、改善の余地が残されている。
　本発明は上記の問題を解決し、溶接金属部の割れ感受性が低く、かつ、クリープ強度に優れる溶接継手を作製するのに好適なオーステナイト系耐熱合金を提供することを目的とする。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手を要旨とする。
　（１）化学組成が、質量％で、
　Ｃ：０．０４～０．１８％、
　Ｓｉ：１．５％以下、
　Ｍｎ：２．０％以下、
　Ｐ：０．０２０％以下、
　Ｓ：０．０３０％以下、
　Ｃｕ：０．１０％以下、
　Ｎｉ：２０．０～３０．０％、
　Ｃｒ：２１．０～２４．０％、
　Ｍｏ：１．０～２．０％、
　Ｎｂ：０．１０～０．４０％、
　Ｔｉ：０．２０％以下、
　Ａｌ：０．０５％以下、
　Ｎ：０．１０～０．３５％、
　Ｂ：０．００１５～０．００５％、
　残部：Ｆｅおよび不純物であり、
　下記の（ｉ）式を満足する、
　オーステナイト系耐熱合金。
　Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０　　　・・・（ｉ）
　但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
　（２）溶接材料を使用して溶接継手を作製するのに用いられる耐熱合金であって、
　前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
　Ｃ：０．０１～０．１８％、
　Ｓｉ：１．５％以下、
　Ｍｎ：２．０％以下、
　Ｐ：０．０２０％以下、
　Ｓ：０．０３０％以下、
　Ｃｕ：０．１５％以下、
　Ｃｒ：２０．０～２５．０％、
　Ｍｏ：１０．０％以下、
　Ｎｂ：４．０％以下、
　Ｔｉ：０．５０％以下、
　Ｃｏ：１５．０％以下、
　Ａｌ：２．０％以下、
　Ｂ：０．００５％以下、
　Ｆｅ：３０．０％以下、
　残部：Ｎｉおよび不純物である、
　上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金。
　（３）上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金からなる母材部と、
　質量％で、
　Ｃ：０．０１～０．１８％、
　Ｓｉ：１．５％以下、
　Ｍｎ：２．０％以下、
　Ｐ：０．０２０％以下、
　Ｓ：０．０３０％以下、
　Ｃｕ：０．１５％以下、
　Ｎｉ：２０．０～９０．０％、
　Ｃｒ：２１．０～２４．０％、
　Ｍｏ：１．０～１０．０％、
　Ｎｂ：０．０１～４．０％、
　Ｔｉ：０．２０％以下、
　Ｃｏ：１５．０％以下、
　Ａｌ：２．０％以下、
　Ｎ：０．０１～０．３５％、
　Ｂ：０．００５％以下、
　残部：Ｆｅおよび不純物であり、
　下記の（ii）式を満足する化学組成を有する溶接金属部と、を含む、
　オーステナイト系耐熱合金の溶接継手。
　Ｐ＋６Ｂ≦０．０３０　　　・・・（ii）
　但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
　本発明によれば、溶接金属部の割れ感受性が低く、かつ、クリープ強度に優れる溶接継手を作製するのに好適なオーステナイト系耐熱合金を得ることが可能になる。
　以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
　１．耐熱合金（母材）の化学組成
　各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
　Ｃ：０．０４～０．１８％
　Ｃは、オーステナイト相を安定にする効果を有するとともに、Ｎとともに微細な粒内炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｃの含有量が過剰になると高温での使用中に粗大な炭化物を生成し、クリープ強度の低下を招くとともに耐食性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０４～０．１８％とする。Ｃ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１３％以下であるのが好ましい。
　Ｓｉ：１．５％以下
　Ｓｉは、脱酸作用を有し、また、高温での耐食性、耐酸化性に有効な元素である。しかしながら、その含有量が過剰であると、オーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度および靱性の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量は１．５％以下とする。Ｓｉ含有量は１．０％以下であるが好ましく、０．８％以下であるのがより好ましい。
　なお、Ｓｉ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
　Ｍｎ：２．０％以下
　Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有する。Ｍｎは、オーステナイト相の安定化にも寄与する。しかしながら、その含有量が過剰であると、脆化を招き、クリープ延性および靱性の低下をきたす。したがって、Ｍｎ含有量は２．０％以下とする。Ｍｎ含有量は１．５％以下であるのが好ましい。
　なお、Ｍｎ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
　Ｐ：０．０２０％以下
　Ｓ：０．０３０％以下
　ＰおよびＳは、合金中に不純物として含まれる元素である。これらの元素はいずれも、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させるとともに、高温使用中に粒界脆化を引き起こして耐応力緩和割れ性の低下を招く元素である。したがって、含有量をそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下およびＳ：０．０３０％以下に制限する。
　Ｃｕ：０．１０％以下
　Ｃｕは、過剰に含有されると、脆化を招く元素である。そのため、Ｃｕ含有量は極力低減することが望ましく、０．１０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．０５％未満であるのが好ましく、０．０１％未満であるのがより好ましい。
　Ｎｉ：２０．０～３０．０％
　Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保して、所望のクリープ強度を得るために必須の元素である。本発明で規定するＣｒ含有量の範囲で前記の効果を十分に得るためには、２０．０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｉは高価な元素であるため、その含有量が３０．０％を超えると、コストの増大を招く。したがって、Ｎｉ含有量は２０．０～３０．０％とする。Ｎｉ含有量は２２．０％以上であるのが好ましく、２８．０％以下であるのが好ましい。
　Ｃｒ：２１．０～２４．０％
　Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。その効果を得るためには、２１．０％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になり、特に、２４．０％を超えると、高温でのオーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２１．０～２４．０％とする。Ｃｒ含有量は２１．５％以上であるのが好ましく、２３．５％以下であるのが好ましい。
　Ｍｏ：１．０～２．０％
　Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温強度の向上、なかでも高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になるとオーステナイト相の安定性が低下するため、却ってクリープ強度を低下させる。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｍｏ含有量は１．０～２．０％とする。Ｍｏ含有量は１．２％以上であるのが好ましく、１．８％以下であるのが好ましい。
　Ｎｂ：０．１０～０．４０％
　Ｎｂは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招く。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０～０．４０％とする。Ｎｂ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．３５％以下であるのが好ましい。
　Ｔｉ：０．２０％以下
　Ｔｉは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、その含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招くだけでなく、溶接時の液化割れ感受性の著しい増大を招く。したがって、Ｔｉ含有量は０．２０％以下とする。
　Ａｌ：０．０５％以下
　Ａｌは、脱酸作用を有するが、多量の添加は清浄度を著しく害し、加工性および延性を劣化させる。したがって、Ａｌ含有量は０．０５％以下とする。Ａｌ含有量の下限は特に設けないが、０．０００５％以上であるのが好ましい。
　Ｎ：０．１０～０．３５％
　Ｎは、オーステナイト安定化元素であり、マトリックスに固溶するとともに、Ｃと同様に微細な粒内炭窒化物を形成し、高温でのクリープ強度の確保に寄与する元素である。また、耐食性の向上にも有効な元素である。しかしながら、Ｎ含有量が過剰になると、窒化物が多量に析出し、クリープ延性を低下させることに加え、熱間加工性を低下させて、母材の表面疵の原因となる。したがって、Ｎ含有量は０．１０～０．３５％とする。Ｎ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．３０％以下であるのが好ましい。
　Ｂ：０．００１５～０．００５％
　Ｂは、粒界に偏析するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、粒界強化に寄与する元素である。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させるとともに、高温使用中に粒界脆化を引き起こして耐応力緩和割れ性の低下を招く。したがって、Ｂ含有量は０．００１５～０．００５％とする。Ｂ含有量は０．００２％以上であるのが好ましく、０．００４５％以下であるのが好ましい。
　本発明のオーステナイト系耐熱合金の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
　Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０　　　・・・（ｉ）
　但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
　合金の化学組成が上述の範囲内であっても、溶接金属部において割れが生じる場合がある。しかしながら、ＰとＢとの含有量の関係において、上記（ｉ）式を満足することにより、溶接金属部における初層凝固割れおよび再熱割れを抑制することが可能になる。
　２．溶接材料の化学組成
　上記母材を溶接する際に用いる溶接材料の組成について、特に制限は設けないが、下記に示す化学組成を有することが好ましい。
　Ｃ：０．０１～０．１８％
　Ｃは、オーステナイト生成元素であり、高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。さらにＣは、溶接時の耐高温割れ性を高める。具体的には、Ｃは、溶接時の凝固過程において主にＣｒと結合して共晶炭化物を形成する。これにより液相の消失を早め、最終凝固部の組織を（Ｃｒ，Ｍ）２３Ｃ６とオーステナイトとのラメラ状組織にする。その結果、液相の残存形態が面状から点状に変化するとともに、特定面での応力集中が抑制され、凝固割れが抑制される。さらにＣは、不純物の偏析サイトとなる最終凝固界面積を増大させることから、溶接中の延性低下割れの防止および高温使用中の応力緩和割れの感受性低減にも寄与する。
　後述するＣｒ含有量の範囲で、上記の効果を十分得るためには、Ｃ含有量を０．０１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃを過剰に含有すると、凝固中に炭化物とならない過剰なＣが高温使用中に炭化物として微細析出し、かえって応力緩和割れ感受性を増大させる。そのため、Ｃの含有量は０．０１～０．１８％とする。Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０６％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。
　Ｓｉ：１．５％以下
　Ｓｉは、脱酸剤として含有されるが、溶接金属の凝固時に柱状晶粒界に偏析し、液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Ｓｉ含有量は１．５％以下とする必要がある。なお、Ｓｉ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
　Ｍｎ：２．０％以下
　Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として含有される。Ｍｎは、溶接金属中のＮの活量を下げることによりアーク雰囲気中からのＮの飛散を抑制して、強度の確保にも寄与する。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有する場合には脆化を招くため、Ｍｎの含有量は２．０％以下とする必要がある。Ｍｎの含有量は１．５％以下とするのが好ましい。
　なお、Ｍｎ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
　Ｐ：０．０２０％以下
　Ｓ：０．０３０％以下
　ＰおよびＳは、不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させる。そのため、Ｐ含有量は０．０２０％以下、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする必要がある。Ｐ含有量は０．０１５％以下、Ｓ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましい。
　Ｃｕ：０．１５％以下
　Ｃｕは、過剰に含有されると、脆化を招く元素である。そのため、Ｃｕ含有量は極力低減することが望ましく、０．１５％以下とする。Ｃｕ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。
　Ｃｒ：２０．０～２５．０％
　Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。Ｃｒは、凝固過程でＣと結合して、共晶炭化物を生成させ、溶接中の凝固割れおよび延性低下割れを防止するとともに、高温使用中の応力緩和割れ感受性を低減する作用も有する。これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有量を２０．０％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になって２５．０％を超えると、高温での組織の安定性が劣化して、クリープ強度の低下を招く。このため、Ｃｒ含有量は２０．０～２５．０％とする。Ｃｒ含有量は２０．５％以上であるのが好ましく、２４．５％以下であるのが好ましい。
　Ｍｏ：１０．０％以下
　Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温強度の向上、なかでも高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になるとオーステナイト相の安定性が低下するとともに高温での局部腐食が大きくなる。したがって、Ｍｏ含有量は１０．０％以下とする。Ｍｏ含有量は９．５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、母材中のＭｏ含有量以上であることがより好ましい。
　Ｎｂ：４．０％以下
　Ｎｂは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招く。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は４．０％とする。Ｎｂ含有量は３．５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、０．５％以上であるのがより好ましい。
　Ｔｉ：０．５０％以下
　Ｔｉは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、その含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招くだけでなく、溶接時の液化割れ感受性の著しい増大を招く。したがって、Ｔｉ含有量は低減することが好ましく、０．５０％以下とする。
　Ｃｏ：１５．０％以下
　Ｃｏは、ＮｉおよびＣｕ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。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、過剰な含有は大幅なコスト増加を招く。したがって、Ｃｏ含有量は１５．０％以下とする。Ｃｏ含有量は１４．０％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
　Ａｌ：２．０％以下
　Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、多量の添加は清浄度を著しく害し、加工性および延性を劣化させる。したがって、Ａｌ含有量は２．０％以下とする。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ａｌ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
　Ｂ：０．００５％以下
　Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析し、粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることによりクリープ強度を向上させるのに有効な元素である。そのため、この効果を得るためにＢを含有させてもよい。しかしながら、Ｂの過剰の含有は、ガスシールドアーク溶接中の凝固割れ感受性を高める。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。Ｂ含有量は０．００４５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．００２％以上であるのが好ましい。
　Ｆｅ：３０．０％以下
　Ｆｅは、オーステナイト組織を得るために有効であり、長時間使用時の組織安定性を確保して、所望のクリープ強度を得るために必須の元素である。しかしながら、Ｎｉ含有量を確保するために、Ｆｅ含有量は３０．０％以下とする。Ｆｅ含有量は２０．０％以下であるのが好ましい。
　上記の溶接材料の化学組成において、残部はＮｉおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
　３．溶接金属の化学組成
　上述した化学組成を有する母材と溶接材料とを用いてなる溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料との流入割合で決定される。したがって、本発明の溶接継手において、溶接金属部は、質量％で、Ｃ：０．０１～０．１８％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．１５％以下、Ｎｉ：２０．０～９０．０％、Ｃｒ：２１．０～２４．０％、Ｍｏ：１．０～１０．０％、Ｎｂ：０．０１～４．０％、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｃｏ：１５．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｎ：０．０１～０．３５％、Ｂ：０．００５％以下、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記の（ii）式を満足する化学組成を有することが好ましい。
　上記のうちでも、Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．１５％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、１．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、１．５％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量は０．０１５％以下、Ｓ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましい。Ｃｕ含有量は０．１０％未満であるのが好ましい。
　また、Ｎｉ含有量は３０．０％以上であるのが好ましく、８０．０％以下であるのが好ましく、７０．０％以下であるのがより好ましく、６０．０％以下であるのがさらに好ましい。Ｃｒ含有量は２１．２％以上であるのが好ましく、２３．５％以下であるのが好ましい。Ｍｏ含有量は２．０％以上であるのが好ましく、９．５％以下であるのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．１０％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
　さらに、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、１４．０％以下であるのが好ましい。Ａｌ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、１．５％以下であるのが好ましい。Ｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．１５％以下であるのが好ましい。Ｂ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましく、０．００４５％以下であるのが好ましい。
　Ｐ＋６Ｂ≦０．０３０　　　・・・（ii）
　但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
　特に、溶接金属部におけるＰとＢとが、上記（ii）式を満足することにより、溶接金属部における初層凝固割れおよび再熱割れを抑制することが可能になる。
　以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　表１に示す化学組成を有する合金を溶解して、熱間鍛造、ならびに熱間圧延および冷間圧延し、１２３０℃で固溶化熱処理を施した。その後、ＪＩＳ　Ｚ　３００１－１（２０１３）の番号１４３４９においてルート半径ｒ＝０．５ｍｍ、ルート面ｂ＝１．２ｍｍ、開先角度θ＝４０°とするＵ開先加工が施された厚さ１５ｍｍ、幅１２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの拘束溶接割れ試験用試験片を作製した。
　上記のようにして得た各拘束溶接割れ試験用試験片を用いて、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳ　Ｚ　３２２４（２０１０）に規定のＥＮｉ６１８２を用いて、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ３００ｍｍのＪＩＳ　Ｇ　３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｃの市販の鋼板上に、四周を拘束溶接した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　その後、開先内を表２に示す化学組成を有する直径１．２ｍｍのスプール溶接材料を用いて初層ＴＩＧ溶接を実施した。入熱は９～１２ｋＪ／ｃｍ、溶接材料の送給速度は１５０ｍｍ／ｍｉｎの条件とした。その後、初層溶接部を半分ほど残して、残部を入熱９～１２ｋＪ／ｃｍの条件にて積層溶接した。その際、パス間温度は１５０℃以下に管理した。そして、溶接金属の中心部分をＥＰＭＡ分析して定量化することで溶接金属の組成を測定した。その結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　上記の溶接施工後、各試験体について、継手の断面ミクロ組織観察用試験片を、初層のみ溶接した部分と、積層溶接した部分とから２個ずつ採取した。そして、断面を鏡面研磨した後クロム酸電解腐食し、割れの発生の有無を、光学顕微鏡を用いて倍率を５００倍として観察した。初層のみ溶接した部分において割れが認められた場合は凝固割れ、積層溶接した部分において割れが認められた場合は再熱割れであると判断した。そして、凝固割れまたは再熱割れが全ての試験片から認められなかった場合を「○」、少なくとも１つの試験片から認められた場合を「×」とした。
　次に、溶接金属部が、直径６ｍｍ、長さ１０ｍｍの平行部の中央に位置するように、段付の丸棒クリープ試験片を切り出し、クリープ破断試験を実施した。そして、実使用環境を想定し、６５０℃にて２００ＭＰａの応力負荷時に破断時間が１，０００時間以上となる場合を「○」、１，０００時間未満である場合を「×」とした。
　それらの結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　本発明の規定を満足する母材を用いた場合、溶接金属部に凝固割れ、再熱割れの双方とも発生せず、さらに良好なクリープ強度を示す結果となった。それに対して、母材のＰ＋６Ｂの値が０．０４０を超え、それに起因して溶接金属部におけるＰ＋６Ｂの値が０．０３０を超えた試験Ｎｏ．７、８、１０および１１では、再熱割れが認められた。また、なかでも母材のＰ＋６Ｂの値が０．０５０を超えた試験Ｎｏ．７および１１では、初層凝固割れが認められた。そして、Ｃ含有量が規定から外れる合金Ｎｏ．８を用いた試験Ｎｏ．９、ならびにＮｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＮｂの含有量が規定から外れる合金Ｎｏ．１１を用いた試験Ｎｏ．１２では、溶接継手のクリープ強度が劣る結果となった。
　本発明によれば、溶接金属部の割れ感受性が低く、かつ、クリープ強度に優れる溶接継手を作製するのに好適なオーステナイト系耐熱合金を得ることが可能になる。そのため、本発明のオーステナイト系耐熱合金は、高温環境下で使用されるボイラ等の装置用材料として好適に用いることができる。

 

Claims (3)

  1. 　化学組成が、質量％で、
    　Ｃ：０．０４～０．１８％、
    　Ｓｉ：１．５％以下、
    　Ｍｎ：２．０％以下、
    　Ｐ：０．０２０％以下、
    　Ｓ：０．０３０％以下、
    　Ｃｕ：０．１０％以下、
    　Ｎｉ：２０．０～３０．０％、
    　Ｃｒ：２１．０～２４．０％、
    　Ｍｏ：１．０～２．０％、
    　Ｎｂ：０．１０～０．４０％、
    　Ｔｉ：０．２０％以下、
    　Ａｌ：０．０５％以下、
    　Ｎ：０．１０～０．３５％、
    　Ｂ：０．００１５～０．００５％、
    　残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    　下記の（ｉ）式を満足する、
    　オーステナイト系耐熱合金。
    　Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０　　　・・・（ｉ）
    　但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
  2. 　溶接材料を使用して溶接継手を作製するのに用いられる耐熱合金であって、
    　前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
    　Ｃ：０．０１～０．１８％、
    　Ｓｉ：１．５％以下、
    　Ｍｎ：２．０％以下、
    　Ｐ：０．０２０％以下、
    　Ｓ：０．０３０％以下、
    　Ｃｕ：０．１５％以下、
    　Ｃｒ：２０．０～２５．０％、
    　Ｍｏ：１０．０％以下、
    　Ｎｂ：４．０％以下、
    　Ｔｉ：０．５０％以下、
    　Ｃｏ：１５．０％以下、
    　Ａｌ：２．０％以下、
    　Ｂ：０．００５％以下、
    　Ｆｅ：３０．０％以下、
    　残部：Ｎｉおよび不純物である、
    　請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金。
  3. 　請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金からなる母材部と、
    　質量％で、
    　Ｃ：０．０１～０．１８％、
    　Ｓｉ：１．５％以下、
    　Ｍｎ：２．０％以下、
    　Ｐ：０．０２０％以下、
    　Ｓ：０．０３０％以下、
    　Ｃｕ：０．１５％以下、
    　Ｎｉ：２０．０～９０．０％、
    　Ｃｒ：２１．０～２４．０％、
    　Ｍｏ：１．０～１０．０％、
    　Ｎｂ：０．０１～４．０％、
    　Ｔｉ：０．２０％以下、
    　Ｃｏ：１５．０％以下、
    　Ａｌ：２．０％以下、
    　Ｎ：０．０１～０．３５％、
    　Ｂ：０．００５％以下、
    　残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    　下記の（ii）式を満足する化学組成を有する溶接金属部と、を含む、
    　オーステナイト系耐熱合金の溶接継手。
    　Ｐ＋６Ｂ≦０．０３０　　　・・・（ii）
    　但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。

     
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