WO2023037921A1 - サブマージアーク溶接用ボンドフラックス及び溶接金属 - Google Patents

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WO2023037921A1
WO2023037921A1 PCT/JP2022/032471 JP2022032471W WO2023037921A1 WO 2023037921 A1 WO2023037921 A1 WO 2023037921A1 JP 2022032471 W JP2022032471 W JP 2022032471W WO 2023037921 A1 WO2023037921 A1 WO 2023037921A1
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mass
less
flux
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arc welding
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PCT/JP2022/032471
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Inventor
英亮 高内
Yoshimasa MURANISHI (村西 良昌)
Original Assignee
株式会社神戸製鋼所
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Publication date
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    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/18—Submerged-arc welding

Definitions

  • the present invention relates to a bond flux and weld metal for submerged arc welding suitable for welding high Cr ferritic heat-resistant steel.
  • Boilers and turbines for thermal power generation, pressure vessels for oil refining, various heat-resistant and pressure-resistant steel pipes, etc. are used in high-temperature and high-pressure environments, so various heat-resistant steel plates are used according to the usage environment.
  • a pressure vessel alloy steel plate A387 Gr. 91 can be mentioned.
  • Many proposals have already been made for welding materials to be used for such heat-resistant steel materials.
  • Patent Document 1 discloses a submerged arc welding method for 9Cr-1Mo steel.
  • the welding method described in Patent Document 1 is a method of welding a combination of a wire with a controlled content of components and a flux, and is capable of preventing cracking and obtaining excellent high-temperature strength and toughness.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a bond flux for submerged arc welding of high Cr ferritic heat-resistant steel that can obtain a weld metal having excellent tensile strength and toughness after PWHT, and an excellent
  • An object is to provide a weld metal having tensile strength and toughness.
  • a bond flux for submerged arc welding for high Cr ferritic heat-resistant steel For the total flux mass, MgO: 25.0% by mass or more and 36.0% by mass or less, Ca: 7.0% by mass or more and 18.0% by mass or less, F: 4.5% by mass or more and 12.0% by mass or less, Al 2 O 3 : 9.5% by mass or more and 21.7% by mass or less, SiO 2 : 8.0% by mass or more and 20.0% by mass or less, CO 2 : 1.0% by mass or more and 8.0% by mass or less, Na: 0.5% by mass or more and 4.0% by mass or less, ZrO 2 : 4.0% by mass or less, Al: 0.80% by mass or less, C: 0.12% by mass or less, and
  • MgO content in the flux is expressed as [MgO] in mass% relative to the total mass of the flux
  • the F content in the flux is expressed as
  • a bond flux for submerged arc welding wherein the value obtained by the following formula (1) is 6.0 or more and 45.0 or less, where [CO 2 ] in mass% is 6.0 or more and 45.0 or less.
  • Formula (1) ([MgO]+2.055 ⁇ [F])/([CO 2 ])
  • Preferred embodiments of the present invention relating to bond flux for submerged arc welding relate to [2] to [5] below.
  • K The bond flux for submerged arc welding according to [1] or [2], characterized by containing 0.5% by mass or more and 3.0% by mass or less.
  • the submerged arc welding wire has, with respect to the total wire mass, C: 0.030% by mass or more and 0.080% by mass or less, Si: 0.05% by mass or more and 0.30% by mass or less, Mn: 0.50% by mass or more and 2.20% by mass or less, Ni: 0.30% by mass or more and 1.00% by mass or less, Cr: 8.00% by mass or more and 10.50% by mass or less, Mo: 0.80% by mass or more and 1.20% by mass or less, V: 0.10% by mass or more and 0.40% by mass or less, Nb: 0.020% by mass or more and 0.095% by mass or less, N: 0.016% by mass or more and 0.065% by mass or less, P: 0.015% by mass or less, S: 0.010% by mass or less,
  • the bond flux for submerged arc welding according to any one of [1] to [4], wherein the balance is Fe and unavoidable impurities.
  • a bonded flux for submerged arc welding of high-Cr ferritic heat-resistant steel which can obtain a weld metal having excellent tensile strength and toughness after PWHT, and a weld metal having excellent tensile strength and toughness are provided. can do.
  • the inventors of the present invention have extensively studied bond fluxes for submerged arc welding for obtaining weld metals having excellent tensile strength and toughness after PWHT.
  • the contents of MgO, Ca, F, CO 2 , Al and C are appropriately controlled, and the parameters using the contents of MgO, F and CO 2 are controlled. It was found that it is effective to
  • the bond flux for submerged arc welding is a bond flux suitable for welding high Cr ferritic heat-resistant steel, and may contain the following elements as essential components or as optional components.
  • MgO is a slag-forming agent, and is a component that has the effect of improving the fluidity of slag and adjusting the bead shape. MgO is also a component that has the effect of reducing the amount of oxygen in the weld metal and ensuring toughness. If the MgO content in the flux is less than 25.0% by mass, the effect of reducing the amount of oxygen in the weld metal is insufficient, resulting in reduced toughness and deteriorated bead appearance.
  • the MgO content with respect to the total mass of the flux is 25.0% by mass or more, preferably 25.5% by mass or more, and more preferably 26.0% by mass or more.
  • the MgO content relative to the total mass of the flux is 36.0% by mass or less, preferably 35.5% by mass or less, and more preferably 35.0% by mass or less.
  • the content of MgO means a value obtained by converting all Mg contained in the flux into MgO.
  • Ca 7.0% by mass or more and 18.0% by mass or less>
  • Ca is a component that acts as a deoxidizing agent and has the effect of reducing the amount of oxygen in the weld metal. If the Ca content in the flux is less than 7.0% by mass, a sufficient deoxidizing effect due to Ca cannot be obtained, resulting in reduced toughness and deteriorated bead appearance. Therefore, the Ca content relative to the total mass of the flux is 7.0% by mass or more, preferably 8.0% by mass or more, and more preferably 9.0% by mass or more. On the other hand, when the Ca content in the flux exceeds 18.0% by mass, the slag removability deteriorates. Therefore, the Ca content relative to the total mass of the flux is 18.0% by mass or less, preferably 17.5% by mass or less, and more preferably 17.0% by mass or less. Ca is contained in the flux in the form of fluorides and carbonates.
  • F is a component that has the effect of reducing the amount of diffusible hydrogen in the weld metal and improving the resistance to cold cracking, as well as having the effect of controlling the amount of oxygen in the weld metal and adjusting the bead shape. If the F content in the flux is less than 4.5% by mass, the amount of oxygen in the weld metal increases and the toughness decreases. Therefore, the F content with respect to the total mass of the flux is 4.5% by mass or more, preferably 5.2% by mass or more, and more preferably 5.8% by mass or more.
  • the F content with respect to the total mass of the flux is 12.0% by mass or less, preferably 11.5% by mass or less, and more preferably 11.0% by mass or less.
  • Al 2 O 3 is a slag-forming agent, and is a component that has the effect of improving the fluidity of slag and adjusting the bead shape. If the Al 2 O 3 content in the flux is less than 9.5% by mass, the bead shape deteriorates. Therefore, the Al 2 O 3 content relative to the total mass of the flux should be 9.5% by mass or more, preferably 11.0% by mass or more, more preferably 11.5% by mass or more. On the other hand, when the Al 2 O 3 content in the flux exceeds 21.7% by mass, slag entrainment increases and welding workability decreases. Therefore, the Al 2 O 3 content with respect to the total mass of the flux is set to 21.7% by mass or less, preferably 21.0% by mass or less, and more preferably 20.5% by mass or less.
  • SiO 2 is a component that has the effect of improving the fluidity of slag and adjusting the bead shape. If the SiO2 content in the flux is less than 8.0% by mass, the bead shape deteriorates. Therefore, the SiO 2 content with respect to the total mass of the flux is 8.0% by mass or more, preferably 9.0% by mass or more, and more preferably 10.0% by mass or more. On the other hand, when the SiO 2 content in the flux exceeds 20.0% by mass, slag entrainment increases and welding workability decreases.
  • the SiO 2 content with respect to the total mass of the flux should be 20.0% by mass or less, preferably 19.0% by mass or less, and more preferably 18.5% by mass or less.
  • the content of SiO 2 means a value obtained by converting all Si contained in the flux into SiO 2 .
  • SiO 2 in the flux also includes SiO 2 derived from water glass used as a binder.
  • CO 2 is a component that has the effect of reducing the amount of diffusible hydrogen in the weld metal and improving the resistance to cold cracking, as well as the effect of controlling the amount of oxygen in the weld metal. If the CO2 content in the flux is less than 1.0 wt%, cold cracking occurs. Therefore, the CO 2 content with respect to the total mass of the flux should be 1.0% by mass or more, preferably 1.2% by mass or more. On the other hand, if the CO2 content in the flux exceeds 8.0% by mass, the amount of oxygen in the weld metal increases and the toughness decreases.
  • the CO 2 content with respect to the total mass of the flux is 8.0% by mass or less, preferably 7.0% by mass or less, and more preferably 6.0% by mass or less.
  • CO 2 is contained in the flux in the form of metal carbonate.
  • Metal carbonates include CaCO 3 , BaCO 3 , MgCO 3 and the like, and similar effects can be obtained as long as the CO 2 conversion values of these metal carbonates are within the above range.
  • Na 0.5% by mass or more and 4.0% by mass or less>
  • Na is a component that has the effect of improving arc stability. If the Na content in the flux is less than 0.5% by mass, the arc stability is lowered and poor welding occurs. Therefore, the Na content relative to the total mass of the flux should be 0.5% by mass or more, preferably 1.0% by mass or more, and more preferably 1.5% by mass or more.
  • the Na content in the flux exceeds 4.0% by mass, the amount of moisture absorbed by the flux increases, so the amount of hydrogen in the weld metal increases and cold cracking occurs. Therefore, the Na content relative to the total mass of the flux is 4.0% by mass or less, preferably 3.6% by mass or less, more preferably 3.2% by mass or less.
  • ZrO 2 is a slag-forming agent and is a component that has the effect of improving the fluidity of slag and adjusting the bead shape, but it is not necessarily contained in the flux.
  • the ZrO 2 content with respect to the total mass of the flux is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more.
  • the ZrO 2 content in the flux exceeds 4.0% by mass, slag entrainment increases and welding workability decreases.
  • the ZrO 2 content relative to the total mass of the flux should be 4.0% by mass or less, preferably 3.5% by mass or less, and more preferably 3.0% by mass or less.
  • the content of ZrO 2 means a value obtained by converting all Zr contained in the flux into ZrO 2 .
  • Al 0.80% by mass or less (including 0% by mass)>
  • Al is a component that combines with N to form AlN, reduces the precipitation amount of Cr, Nb, and V carbonitrides essential for ensuring creep strength, and deteriorates the creep strength. is preferably reduced as much as possible.
  • the Al content in the flux exceeds 0.80% by mass, the beads are seized and the slag removability deteriorates.
  • the toughness deteriorates. Therefore, the Al content with respect to the total mass of the flux is 0.80% by mass or less, preferably 0.75% by mass or less, and more preferably 0.70% by mass or less.
  • Al defined as 0.80% by mass or less is contained in the flux in the form of simple Al and Al alloy, and does not include the form of oxide.
  • C 0.12% by mass or less (including 0% by mass)> Since C is a component that increases the susceptibility to hot cracking, it is preferable to reduce C in the flux as much as possible. When the C content in the flux exceeds 0.12% by mass, the susceptibility to hot cracking increases, and cracking is likely to occur particularly in submerged arc welding in narrow grooves. In addition, the amount of precipitated carbides increases, significantly increasing the strength of the weld metal and deteriorating the toughness of the weld metal. Therefore, the C content with respect to the total mass of the flux is set to 0.12% by mass or less, preferably 0.11% by mass or less.
  • ⁇ Formula (1) 6.0 or more and 45.0 or less>
  • the following formula (1) is a parameterization of the deoxidizing power of the flux component on the weld metal. If the value obtained by formula (1) increases, the deoxidizing power of the flux increases and the amount of oxygen in the weld metal decreases, so toughness can be improved. Welding workability deteriorates because the viscosity becomes too high. That is, by appropriately controlling the value obtained by the formula (1), it is possible to achieve both improvement in toughness and improvement in welding workability. If the value obtained from the formula (1) is less than 6.0, the deoxidizing power will be weak and the toughness of the weld metal will be lowered.
  • the value obtained by the formula (1) should be 6.0 or more, preferably 11.0 or more, more preferably 15.0 or more.
  • the value obtained by the formula (1) exceeds 45.0, the shape of the weld bead deteriorates, such as the center portion of the bead becoming convex. Therefore, the value obtained by the formula (1) is 45.0 or less, preferably 40.0 or less, more preferably 35.0 or less.
  • [MgO] is the value of the MgO content in the flux expressed in mass % with respect to the total mass of the flux
  • [F] is the F content in the flux with respect to the total mass of the flux
  • [CO 2 ] is a value expressed in mass %
  • [CO 2 ] is a value expressed in mass % of the CO 2 content in the flux with respect to the total mass of the flux.
  • the bonded flux for submerged arc welding according to the present embodiment preferably contains the following components in predetermined contents in addition to the above components.
  • Mn is a component having a deoxidizing effect.
  • Mn content is a component having a deoxidizing effect.
  • the Mn content relative to the total mass of the flux is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and even more preferably 0.7% by mass or more.
  • the Mn content in the flux is 2.5% by mass or less, the strength and toughness of the weld metal can be well balanced. Therefore, the Mn content relative to the total mass of the flux is preferably 2.5% by mass or less, more preferably 2.3% by mass or less, and even more preferably 2.1% by mass or less.
  • K is an arc stabilizer and is a component contained in the flux to improve arc stability.
  • the K content with respect to the total mass of the flux is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more.
  • the K content in the flux is 3.0% by mass or less, the moisture absorption amount of the flux is suppressed, and the amount of hydrogen in the weld metal is reduced, so the occurrence of cold cracking can be suppressed. Therefore, the K content relative to the total mass of the flux is preferably 3.0% by mass or less, more preferably 2.7% by mass or less, and even more preferably 2.4% by mass or less.
  • Li is an arc stabilizer and is a component contained in the flux to improve arc stability.
  • the Li content relative to the total mass of the flux is preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.06% by mass or more.
  • the Li content in the flux is 0.20% by mass or less, the moisture absorption amount of the flux is suppressed and the amount of hydrogen in the weld metal is reduced, so that the occurrence of cold cracking can be suppressed. Therefore, the Li content relative to the total mass of the flux is preferably 0.20% by mass or less, more preferably 0.18% by mass or less, and even more preferably 0.17% by mass or less.
  • the total content of MgO, Ca, F, Al 2 O 3 , SiO 2 , CO 2 , Na, ZrO 2 , Al, and C is the total flux mass It is preferably 88% by mass or more, more preferably 91% by mass or more, and even more preferably 93% by mass or more.
  • the bond flux for submerged arc welding according to the present embodiment may contain Fe, Mo, W, Cu, etc., in addition to the above components, within a range that does not hinder the effects of the present invention.
  • these components may exist as a single substance, and may exist as a compound.
  • the bond flux for submerged arc welding according to this embodiment is used together with a wire for submerged arc welding.
  • the reason for adding the components and the reason for limiting the composition of the wire, which is preferably used together with the bond flux for submerged arc welding according to the present embodiment, will be described in detail.
  • C 0.030% by mass or more and 0.080% by mass or less>
  • C is a component that has a large effect on the hardenability and the amount of carbonitride precipitation in the weld metal, functions as an austenite stabilizing element, and has the effect of suppressing the remaining ⁇ ferrite phase in the weld metal.
  • the C content in the wire is set to 0.030% by mass or more, preferably 0.032% by mass or more.
  • the C content in the wire exceeds 0.080% by mass, the susceptibility to hot cracking increases, and cracking is likely to occur particularly in submerged arc welding in a narrow groove.
  • the amount of precipitated carbides increases, significantly increasing the strength of the weld metal and deteriorating the toughness of the weld metal. Therefore, the C content with respect to the total mass of the wire is 0.080% by mass or less, preferably 0.075% by mass or less, and more preferably 0.070% by mass or less.
  • Si 0.05% by mass or more and 0.30% by mass or less> Si is a component that improves the conformability of the weld bead, functions as a deoxidizing agent, and has the effect of improving the strength and toughness of the weld metal. If the Si content in the wire is less than 0.05% by mass, the Si content in the weld metal becomes too small, and welding workability (for example, weld bead conformability and fusibility) deteriorates, and toughness deteriorates. And the creep strength also deteriorates. Therefore, the Si content with respect to the total mass of the wire is set to 0.05% by mass or more, preferably 0.06% by mass or more.
  • the Si content in the wire exceeds 0.30% by mass, the strength of the weld metal is significantly increased and the toughness is deteriorated. Therefore, the Si content with respect to the total mass of the wire is 0.30% by mass or less, preferably 0.25% by mass or less, and more preferably 0.21% by mass or less.
  • Mn 0.50% by mass or more and 2.20% by mass or less>
  • Mn is a component that functions as a deoxidizing agent and has the effect of improving the toughness of the weld metal.
  • Mn is also a component that functions as an austenite stabilizing element and has the effect of suppressing the remaining ⁇ ferrite phase in the weld metal. Furthermore, as will be described later, Mn also has the effect of mitigating the adverse effect of S on hot cracking resistance. If the Mn content in the wire is less than 0.50% by mass, the Mn content in the weld metal is too small to obtain the desired toughness, and the soft ⁇ ferrite phase is formed in the weld metal. It remains inside and the creep strength deteriorates.
  • the Mn content relative to the total mass of the wire is 0.50% by mass or more, preferably 0.55% by mass or more, and more preferably 0.60% by mass or more.
  • the Mn content in the wire exceeds 2.20% by mass, the Mn content in the weld metal becomes too high, destabilizing the carbonitrides and lowering the creep strength. Therefore, the Mn content with respect to the total mass of the wire is 2.20% by mass or less, preferably 2.00% by mass or less, and more preferably 1.50% by mass or less.
  • Ni is a component that dissolves in the matrix of the weld metal and has the effect of improving the toughness of the ferrite itself. If the Ni content in the wire is less than 0.30% by mass, the effect of improving the toughness of ferrite cannot be obtained. Therefore, the Ni content with respect to the total mass of the wire is 0.30% by mass or more, preferably 0.34% by mass or more, and more preferably 0.38% by mass or more. On the other hand, when the Ni content in the wire exceeds 1.00% by mass, Ni concentrates in the final solidified portion during welding, lowering the solidification completion temperature and increasing the susceptibility to hot cracking.
  • the Ni content with respect to the total mass of the wire is 1.00% by mass or less, preferably 0.90% by mass or less, and more preferably 0.85% by mass or less.
  • Cr 8.00% by mass or more and 10.50% by mass or less> Cr is a component that forms carbonitrides during PWHT and has the effect of improving the creep strength of the weld metal. If the Cr content in the wire is less than 8.00% by mass, the precipitation amount of carbonitrides is insufficient, and the desired creep strength cannot be obtained. Therefore, the Cr content with respect to the total mass of the wire is 8.00% by mass or more, preferably 8.10% by mass or more, and more preferably 8.20% by mass or more.
  • the Cr content in the wire exceeds 10.50% by mass, the solidification completion temperature decreases, the susceptibility to hot cracking increases, and the ⁇ ferrite phase remains in the weld metal, resulting in poor creep strength and toughness. descend. In addition, the slag removability is remarkably deteriorated. Therefore, the Cr content with respect to the total mass of the wire is 10.50% by mass or less, preferably 10.00% by mass or less, and more preferably 9.60% by mass or less.
  • Mo is a component that has the effect of improving the creep strength of the weld metal by forming a solid solution in the Cr-based carbide or matrix during PWHT. Desired creep strength cannot be obtained as Mo content in a wire is less than 0.80 mass %. Therefore, the Mo content with respect to the total mass of the wire is 0.80% by mass or more, preferably 0.82% by mass or more, and more preferably 0.85% by mass or more. On the other hand, when the Mo content in the wire exceeds 1.20% by mass, the amount of solid solution in the Cr-based carbides and matrix increases excessively, resulting in a marked increase in the strength of the weld metal and deterioration in toughness. do. Therefore, the Mo content with respect to the total mass of the wire is 1.20% by mass or less, preferably 1.15% by mass or less, and more preferably 1.10% by mass or less.
  • V 0.10% by mass or more and 0.40% by mass or less>
  • V is a component that forms carbonitrides during PWHT and has the effect of improving the creep strength of the weld metal. If the V content in the wire is less than 0.10% by mass, the desired creep strength cannot be obtained. Therefore, the V content with respect to the total mass of the wire is 0.10% by mass or more, preferably 0.14% by mass or more, and more preferably 0.18% by mass or more. On the other hand, if the V content in the wire exceeds 0.40% by mass, the amount of precipitated carbonitrides increases significantly, increasing the strength of the weld metal and degrading toughness. Therefore, the V content with respect to the total mass of the wire is 0.40% by mass or less, preferably 0.35% by mass or less, and more preferably 0.30% by mass or less.
  • Nb is a component that forms carbonitrides during PWHT and has the effect of improving the creep strength of the weld metal. If the Nb content in the wire is less than 0.020% by mass, the desired creep strength cannot be obtained. Therefore, the Nb content with respect to the total mass of the wire is 0.020% by mass or more, preferably 0.040% by mass or more, and more preferably 0.060% by mass or more. On the other hand, if the Nb content in the wire exceeds 0.095% by mass, the amount of precipitated carbonitrides increases significantly, increasing the strength of the weld metal and deteriorating toughness. In addition, the slag removability is greatly deteriorated. Therefore, the Nb content with respect to the total mass of the wire is set to 0.095% by mass or less, preferably 0.093% by mass or less.
  • N 0.016% by mass or more and 0.065% by mass or less>
  • N is a component that combines with Cr, V, Nb, etc. during PWHT to form carbonitrides and has the effect of improving the creep strength of the weld metal.
  • the N content in the wire is less than 0.016% by mass, the desired creep strength cannot be obtained. Therefore, the N content with respect to the total mass of the wire is 0.016% by mass or more, preferably 0.025% by mass or more, and more preferably 0.035% by mass or more.
  • the N content in the wire exceeds 0.065% by mass, the amount of precipitated carbonitrides increases significantly, increasing the strength of the weld metal and deteriorating toughness.
  • the N2 gas generated during the welding process tends to remain in the molten metal, causing blowholes. Therefore, the N content with respect to the total mass of the wire is 0.065% by mass or less, preferably 0.063% by mass or less, and more preferably 0.061% by mass or less.
  • P 0.015% by mass or less (including 0% by mass)>
  • P is a component that forms a low-melting point compound in the final solidification zone during welding, which not only increases the susceptibility to hot cracking, but also embrittles the weld metal and degrades toughness. preferably. If the P content in the wire exceeds 0.015% by mass, hot cracking is likely to occur and toughness deteriorates. Therefore, the P content with respect to the total mass of the wire is 0.015% by mass or less, preferably 0.012% by mass or less, and more preferably 0.009% by mass or less.
  • S 0.010% by mass or less (including 0% by mass)>
  • S is a component that combines with Fe during welding to form a low-melting point eutectic of Fe—FeS in the final solidified portion, which not only increases hot cracking resistance but also embrittles the weld metal and deteriorates toughness. Therefore, it is preferable to reduce S in the wire as much as possible. If the S content in the wire exceeds 0.010% by mass, hot cracking is likely to occur and toughness deteriorates. Therefore, the S content with respect to the total mass of the wire is 0.010% by mass or less, preferably 0.009% by mass or less.
  • the balance is Fe and unavoidable impurities.
  • unavoidable impurities include Sn, As, Sb, Pb, and Bi.
  • Sn, As, and Sb are each preferably, for example, 0.005% by mass or less with respect to the total mass of the wire, and preferably 0.015% by mass or less in total.
  • Pb and Bi are preferably, for example, 0.001% by mass or less with respect to the total mass of the wire.
  • the weld metal according to the present embodiment is the above [1. Bonded Flux for Submerged Arc Welding].
  • various welding conditions other than the use of the bond flux for submerged arc welding according to the present embodiment are not particularly limited. etc., the usual conditions in submerged arc welding processes can be used.
  • Base material ASTM A387 Gr. 91 Plate thickness of base material: 25 mm Groove angle, shape: 10°, V type Root interval: 20mm Polarity: alternating current (AC: Alternating Current) Wire diameter: 4.0mm Welding position: Down Current: 450-550A Voltage: 30-32V Welding speed: 30-36cm/min Preheating and interpass temperature: 250 to 300°C Lamination method: 5-7 layers, 10-14 passes
  • Comparative Example No. 1 to 3 the values calculated by formula (1) based on the contents of MgO, F and CO 2 in the flux were below the lower limit of the range of the present invention, so room temperature strength and toughness decreased.
  • Comparative Example No. 1 and 2 the content of CO 2 in the flux exceeded the upper limit of the range of the present invention, so comparative example Nos. Compared with 3, the toughness was low.

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Abstract

ＰＷＨＴ後に優れた引張強度及び靱性を有する溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを提供する。高Ｃｒフェライト系耐熱鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、フラックス全質量に対する質量％で、ＭｇＯ：２５．０％～３６．０％、Ｃａ：７．０％～１８．０％、Ｆ：４．５％～１２．０％、Ａｌ２Ｏ３：９．５％～２１．７％、ＳｉＯ２：８．０％～２０．０％、ＣＯ２：１．０％～８．０％、Ｎａ：０．５％～４．０％、を含有し、ＺｒＯ２：４．０％以下、Ａｌ：０．８０％以下、Ｃ：０．１２％以下であり、フラックス中のＭｇＯ、Ｆ、ＣＯ２の含有量をそれぞれ［ＭｇＯ］、［Ｆ］、［ＣＯ２］とする場合に、式（１）：（［ＭｇＯ］＋２．０５５×［Ｆ］）／（［ＣＯ２］）により得られる値が６．０～４５．０である。

Description

サブマージアーク溶接用ボンドフラックス及び溶接金属
　本発明は、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の溶接に適したサブマージアーク溶接用ボンドフラックス及び溶接金属に関する。
　火力発電ボイラやタービン、石油精製用圧力容器、各種耐熱耐圧鋼管等は、高温、高圧環境下で使用されるため、その使用環境に応じて、種々の耐熱鋼板が使用されている。例えば、圧力容器合金鋼板としては、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ：米国材料試験協会）規格やＡＳＭＥ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ：米国機械協会）規格に規定される、Ａ３８７Ｇｒ．９１が挙げられる。そして、このような耐熱鋼材を対象として使用される溶接材料について、既に多くの提案がなされている。
　例えば、特許文献１には、９Ｃｒ－１Ｍｏ鋼のサブマージアーク溶接方法が開示されている。上記特許文献１に記載の溶接方法は、含有成分の含有量が制御されたワイヤとフラックスとを組み合わせて溶接する方法であり、割れを防止し、優れた高温強度及び靱性を得ることができることが記載されている。
日本国特開平１－２５８８９４号公報
　しかしながら、近年、溶接金属の機械的性能のさらなる向上が要求されており、上記特許文献１に記載の溶接方法を用いても、要求される機械的性能を満足することができない。具体的には、ＰＷＨＴ（溶接後熱処理：Ｐｏｓｔ　Ｗｅｌｄ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）後に、引張強度と靱性とがより一層優れた溶接金属を得ることができる溶接材料が要求されている。
　本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、ＰＷＨＴ後に優れた引張強度及び靱性を有する溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス、並びに優れた引張強度及び靱性を有する溶接金属を提供することを目的とする。
　本発明の上記目的は、サブマージアーク溶接用ボンドフラックスに係る下記［１］の構成により達成される。
［１］　高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスであって、
　フラックス全質量に対して、
　ＭｇＯ：２５．０質量％以上３６．０質量％以下、
　Ｃａ：７．０質量％以上１８．０質量％以下、
　Ｆ：４．５質量％以上１２．０質量％以下、
　Ａｌ２Ｏ３：９．５質量％以上２１．７質量％以下、
　ＳｉＯ２：８．０質量％以上２０．０質量％以下、
　ＣＯ２：１．０質量％以上８．０質量％以下、
　Ｎａ：０．５質量％以上４．０質量％以下、を含有し、
　ＺｒＯ２：４．０質量％以下、
　Ａｌ：０．８０質量％以下、
　Ｃ：０．１２質量％以下、であり、
　フラックス中のＭｇＯ含有量をフラックス全質量に対する質量％で［ＭｇＯ］とし、フラックス中のＦ含有量をフラックス全質量に対する質量％で［Ｆ］とし、フラックス中のＣＯ２含有量をフラックス全質量に対する質量％で［ＣＯ２］とする場合に、下記式（１）により得られる値が６．０以上４５．０以下、であることを特徴とするサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
　式（１）：（［ＭｇＯ］＋２．０５５×［Ｆ］）／（［ＣＯ２］）
　サブマージアーク溶接用ボンドフラックスに係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］～［５］に関する。
［２］　さらに、フラックス全質量に対して、
　Ｍｎ：０．５質量％以上２．５質量％以下、を含有することを特徴とする［１］に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
［３］　さらに、フラックス全質量に対して、
　Ｋ：０．５質量％以上３．０質量％以下、を含有することを特徴とする［１］又は［２］に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
［４］　さらに、フラックス全質量に対して、
　Ｌｉ：０．０５質量％以上０．２０質量％以下、を含有することを特徴とする［１］～［３］のいずれか１つに記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
［５］　サブマージアーク溶接用ワイヤとともに用いられ、
　前記サブマージアーク溶接用ワイヤは、ワイヤ全質量に対して、
　Ｃ：０．０３０質量％以上０．０８０質量％以下、
　Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
　Ｍｎ：０．５０質量％以上２．２０質量％以下、
　Ｎｉ：０．３０質量％以上１．００質量％以下、
　Ｃｒ：８．００質量％以上１０．５０質量％以下、
　Ｍｏ：０．８０質量％以上１．２０質量％以下、
　Ｖ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下、
　Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．０９５質量％以下、
　Ｎ：０．０１６質量％以上０．０６５質量％以下、を含有し、
　Ｐ：０．０１５質量％以下、
　Ｓ：０．０１０質量％以下、であり、
　残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする、［１］～［４］のいずれか１つに記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
　本発明の上記目的は、溶接金属に係る下記［６］の構成により達成される。
［６］　［１］～［５］のいずれか１つに記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを使用して形成されることを特徴とする、溶接金属。
　本発明によれば、ＰＷＨＴ後に優れた引張強度及び靱性を有する溶接金属を得ることができる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス、並びに優れた引張強度及び靱性を有する溶接金属を提供することができる。
　以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。
　本発明者らは、ＰＷＨＴ後の引張強度及び靱性がいずれも優れた溶接金属を得るためのサブマージアーク溶接用ボンドフラックスについて、鋭意検討を行った。その結果、フラックス中の各成分のうち、特に、ＭｇＯ、Ｃａ、Ｆ、ＣＯ２、Ａｌ及びＣの含有量を適切に制御するとともに、ＭｇＯ、Ｆ及びＣＯ２の含有量を用いたパラメータを制御することが効果的であることを見出した。
　以下、本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスについて、その成分添加理由及び組成限定理由を詳細に説明する。
［１．サブマージアーク溶接用ボンドフラックス］
　本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の溶接に適したボンドフラックスであり、以下の元素を必須成分として含有し、又は、任意成分として含有し得る。
＜ＭｇＯ：２５．０質量％以上３６．０質量％以下＞
　ＭｇＯは、スラグ造滓剤であり、スラグの流動性を向上させ、ビード形状を整える効果を有する成分である。また、ＭｇＯは、溶接金属中の酸素量を低減し、靱性を確保する効果を有する成分でもある。
　フラックス中のＭｇＯ含有量が２５．０質量％未満であると、溶接金属中の酸素量を低減する効果が不足し、靱性が低下するとともに、ビード外観が劣化する。したがって、フラックス全質量に対するＭｇＯ含有量は、２５．０質量％以上とし、２５．５質量％以上であることが好ましく、２６．０質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＭｇＯ含有量が３６．０質量％を超えると、スラグ巻き込みが多くなり、溶接作業性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＭｇＯ含有量は、３６．０質量％以下とし、３５．５質量％以下であることが好ましく、３５．０質量％以下であることがより好ましい。
　なお、本実施形態において、ＭｇＯの含有量とは、フラックス中に含まれるすべてのＭｇをＭｇＯに換算した値を意味する。
＜Ｃａ：７．０質量％以上１８．０質量％以下＞
　Ｃａは、脱酸剤として作用し、溶接金属中の酸素量を低減する効果を有する成分である。
　フラックス中のＣａ含有量が７．０質量％未満であると、Ｃａによる十分な脱酸効果を得ることができず、靱性が低下するとともに、ビード外観が劣化する。したがって、フラックス全質量に対するＣａ含有量は、７．０質量％以上とし、８．０質量％以上であることが好ましく、９．０質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＣａ含有量が１８．０質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＣａ含有量は、１８．０質量％以下とし、１７．５質量％以下であることが好ましく、１７．０質量％以下であることがより好ましい。
　なお、Ｃａは、フッ化物及び炭酸塩の形態でフラックス中に含有される。
＜Ｆ：４．５質量％以上１２．０質量％以下＞
　Ｆは、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性を向上する効果を有するとともに、溶接金属中の酸素量をコントロールし、ビード形状を整える効果を有する成分である。
　フラックス中のＦ含有量が４．５質量％未満であると、溶接金属中の酸素量が増加し、靱性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＦ含有量は、４．５質量％以上とし、５．２質量％以上であることが好ましく、５．８質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＦ含有量が１２．０質量％を超えると、アークが不安定となり、ビード形状やスラグの剥離性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＦ含有量は、１２．０質量％以下とし、１１．５質量％以下であることが好ましく、１１．０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ａｌ２Ｏ３：９．５質量％以上２１．７質量％以下＞
　Ａｌ２Ｏ３は、スラグ造滓剤であり、スラグの流動性を向上させ、ビード形状を整える効果を有する成分である。
　フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が９．５質量％未満であると、ビード形状が劣化する。したがって、フラックス全質量に対するＡｌ２Ｏ３含有量は、９．５質量％以上とし、１１．０質量％以上であることが好ましく、１１．５質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が２１．７質量％を超えると、スラグ巻き込みが多くなり、溶接作業性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＡｌ２Ｏ３含有量は、２１．７質量％以下とし、２１．０質量％以下であることが好ましく、２０．５質量％以下であることがより好ましい。
＜ＳｉＯ２：８．０質量％以上２０．０質量％以下＞
　ＳｉＯ２は、スラグの流動性を向上させ、ビード形状を整える効果を有する成分である。
　フラックス中のＳｉＯ２含有量が８．０質量％未満であると、ビード形状が劣化する。したがって、フラックス全質量に対するＳｉＯ２含有量は、８．０質量％以上とし、９．０質量％以上であることが好ましく、１０．０質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＳｉＯ２含有量が２０．０質量％を超えると、スラグ巻き込みが多くなり、溶接作業性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＳｉＯ２含有量は、２０．０質量％以下とし、１９．０質量％以下であることが好ましく、１８．５質量％以下であることがより好ましい。
　なお、本実施形態において、ＳｉＯ２の含有量とは、フラックス中に含まれるすべてのＳｉをＳｉＯ２に換算した値を意味する。また、フラックス中のＳｉＯ２としては、バインダーとして使用される水ガラスに由来するＳｉＯ２も含まれる。
＜ＣＯ２：１．０質量％以上８．０質量％以下＞
　ＣＯ２は、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性を向上させる効果を有するとともに、溶接金属中の酸素量をコントロールする効果を有する成分である。
　フラックス中のＣＯ２含有量が１．０質量％未満であると、低温割れが発生する。したがって、フラックス全質量に対するＣＯ２含有量は、１．０質量％以上とし、１．２質量％以上であることが好ましい。
　一方、フラックス中のＣＯ２含有量が８．０質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加し、靱性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＣＯ２含有量は、８．０質量％以下とし、７．０質量％以下であることが好ましく、６．０質量％以下であることがより好ましい。
　なお、ＣＯ２は、金属炭酸塩の形態でフラックス中に含有される。金属炭酸塩としては、ＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３等があるが、これらの金属炭酸塩をＣＯ２に換算した換算値が上記範囲であれば、同様の効果を得ることができる。
＜Ｎａ：０．５質量％以上４．０質量％以下＞
　Ｎａは、アーク安定性を向上させる効果を有する成分である。
　フラックス中のＮａ含有量が０．５質量％未満であると、アーク安定性が低下し、溶接不良が発生する。したがって、フラックス全質量に対するＮａ含有量は、０．５質量％以上とし、１．０質量％以上であることが好ましく、１．５質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＮａ含有量が４．０質量％を超えると、フラックスの吸湿量が高くなるため、溶接金属中の水素量が高くなり、低温割れが発生する。したがって、フラックス全質量に対するＮａ含有量は、４．０質量％以下とし、３．６質量％以下であることが好ましく、３．２質量％以下であることがより好ましい。
＜ＺｒＯ２：４．０質量％以下（０質量％を含む）＞
　ＺｒＯ２は、スラグ造滓剤であり、スラグの流動性を向上させ、ビード形状を整える効果を有する成分であるが、必ずしもフラックス中に含有される必要はない。
　フラックス中にＺｒＯ２を含有させる場合に、フラックス全質量に対するＺｒＯ２含有量は、０．０１質量％以上とすることが好ましく、０．１質量％以上とすることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＺｒＯ２含有量が４．０質量％を超えると、スラグ巻き込みが多くなり、溶接作業性が低下する。したがって、フラックス全質量に対するＺｒＯ２含有量は、４．０質量％以下とし、３．５質量％以下であることが好ましく、３．０質量％以下であることがより好ましい。
　なお、本実施形態において、ＺｒＯ２の含有量とは、フラックス中に含まれるすべてのＺｒをＺｒＯ２に換算した値を意味する。
＜Ａｌ：０．８０質量％以下（０質量％を含む）＞
　Ａｌは、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、クリープ強度の確保に必要不可欠なＣｒやＮｂ、Ｖの炭窒化物析出量を低減し、クリープ強度を劣化させる成分であるため、フラックス中のＡｌは、できるだけ低減することが好ましい。
　フラックス中のＡｌ含有量が０．８０質量％を超えると、ビードが焼付き、スラグ剥離性が劣化する。また、溶接金属中の元素の歩留まりが向上し、強度が上昇するため、靱性が劣化する。したがって、フラックス全質量に対するＡｌ含有量は、０．８０質量％以下とし、０．７５質量％以下であることが好ましく、０．７０質量％以下であることがより好ましい。
　なお、ここで０．８０質量％以下として規定されるＡｌは、Ａｌ単体及びＡｌ合金の形態でフラックス中に含有されるものであり、酸化物の形態は含まれない。
＜Ｃ：０．１２質量％以下（０質量％を含む）＞
　Ｃは、高温割れの感受性を高める成分であるため、フラックス中のＣは、できるだけ低減することが好ましい。
　フラックス中のＣ含有量が０．１２質量％を超えると、高温割れ感受性が高まり、特に、狭開先内のサブマージアーク溶接で割れが発生しやすくなる。また、炭化物の析出量が増大して、溶接金属の強度を著しく高め、靱性を劣化させる。したがって、フラックス全質量に対するＣ含有量は、０．１２質量％以下とし、０．１１質量％以下であることが好ましい。
＜式（１）：６．０以上４５．０以下＞
　下記式（１）は、フラックス成分による溶接金属への脱酸力をパラメータ化したものである。式（１）により得られる値が高くなると、フラックスによる脱酸力が高くなり、溶接金属の酸素量が低下するため、靱性を向上させることができるが、過度に高くなると、各温度でのスラグ粘度が高くなりすぎるため、溶接作業性が劣化する。すなわち、式（１）により得られる値を適切に制御することにより、靱性の向上と溶接作業性の向上とを両立させることができる。
　式（１）により得られる値が６．０未満であると、脱酸力が弱くなり、溶接金属の靱性が低下する。したがって、式（１）により得られる値は、６．０以上とし、１１．０以上であることが好ましく、１５．０以上であることがより好ましい。
　一方、式（１）により得られる値が４５．０を超えると、ビードの中央部が凸ビード形状になるなど、溶接ビードの形状が劣化する。したがって、式（１）により得られる値は、４５．０以下とし、４０．０以下であることが好ましく、３５．０以下であることがより好ましい。
　式（１）：（［ＭｇＯ］＋２．０５５×［Ｆ］）／（［ＣＯ２］）
　なお、上記式（１）中、［ＭｇＯ］は、フラックス中のＭｇＯ含有量をフラックス全質量に対する質量％で表した値であり、［Ｆ］は、フラックス中のＦ含有量をフラックス全質量に対する質量％で表した値であり、［ＣＯ２］は、フラックス中のＣＯ２含有量をフラックス全質量に対する質量％で表した値である。
　本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、上記成分の他に、以下の成分を所定の含有量で含有することが好ましい。
＜Ｍｎ：０．５質量％以上２．５質量％以下＞
　Ｍｎは、脱酸効果を有する成分である。
　フラックス中にＭｎを含有させる場合に、Ｍｎ含有量が０．５質量％以上であると、脱酸力を発揮し、溶接金属が低酸素となるため、靱性を向上させることができる。したがって、フラックス全質量に対するＭｎ含有量は、０．５質量％以上であることが好ましく、０．６質量％以上であることがより好ましく、０．７質量％以上であることがさらに好ましい。
　一方、フラックス中のＭｎ含有量が２．５質量％以下であると、溶接金属の強度と靱性のバランスを良好にすることができる。したがって、フラックス全質量に対するＭｎ含有量は、２．５質量％以下であることが好ましく、２．３質量％以下であることがより好ましく、２．１質量％以下であることがさらに好ましい。
＜Ｋ：０．５質量％以上３．０質量％以下＞
　Ｋは、アーク安定剤であり、アーク安定性を良好にするためにフラックス中に含有させる成分である。
　フラックス中にＫを含有させる場合に、Ｋ含有量が０．５質量％以上であると、アーク安定性が向上するため、溶接作業性を良好とすることができる。したがって、フラックス全質量に対するＫ含有量は、０．５質量％以上であることが好ましく、０．６質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＫ含有量が３．０質量％以下であると、フラックスの吸湿量が抑制され、溶接金属中の水素量が低減するため、低温割れの発生を抑制することができる。したがって、フラックス全質量に対するＫ含有量は、３．０質量％以下であることが好ましく、２．７質量％以下であることがより好ましく、２．４質量％以下であることがさらに好ましい。
＜Ｌｉ：０．０５質量％以上０．２０質量％以下＞
　Ｌｉは、アーク安定剤であり、アーク安定性を良好にするためにフラックス中に含有させる成分である。
　フラックス中にＬｉを含有させる場合に、Ｌｉ含有量が０．０５質量％以上であると、アーク安定性が向上するため、溶接作業性を良好とすることができる。したがって、フラックス全質量に対するＬｉ含有量は、０．０５質量％以上であることが好ましく、０．０６質量％以上であることがより好ましい。
　一方、フラックス中のＬｉ含有量が０．２０質量％以下であると、フラックスの吸湿量が抑制され、溶接金属中の水素量が低減するため、低温割れの発生を抑制することができる。したがって、フラックス全質量に対するＬｉ含有量は、０．２０質量％以下であることが好ましく、０．１８質量％以下であることがより好ましく、０．１７質量％以下であることがさらに好ましい。
＜必須成分の合計含有量＞
　本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、上記ＭｇＯ、Ｃａ、Ｆ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣＯ２、Ｎａ、ＺｒＯ２、Ａｌ、及びＣの合計の含有量が、フラックス全質量に対して８８質量％以上であることが好ましく、９１質量％以上であることがより好ましく、９３質量％以上であることがさらに好ましい。
＜残部＞
　本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、上記成分以外に、例えば、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ等を、本発明の効果を妨げない範囲で含有してもよい。なお、これらの成分は、単体として存在してもよいし、化合物として存在していてもよい。
［２．サブマージアーク溶接用ワイヤ］
　本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、サブマージアーク溶接用ワイヤとともに用いられる。以下、本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスにとともに用いることが好ましいワイヤについて、その成分添加理由及び組成限定理由を詳細に説明する。
＜Ｃ：０．０３０質量％以上０．０８０質量％以下＞
　Ｃは、溶接金属中の焼き入れ性と炭窒化物の析出量に大きな影響を及ぼすとともに、オーステナイト安定化元素として機能し、溶接金属中のδフェライト相の残存を抑制する効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＣ含有量が０．０３０質量％未満であると、溶接金属中のＣ含有量が少なくなりすぎて、炭化物の析出量が不十分となる。また、δフェライト相が残存して、所望のクリープ強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＣ含有量は、０．０３０質量％以上とし、０．０３２質量％以上であることが好ましい。
　一方で、ワイヤ中のＣ含有量が０．０８０質量％を超えると、高温割れ感受性が高まり、特に、狭開先内のサブマージアーク溶接で割れが発生しやすくなる。また、炭化物の析出量が増大して、溶接金属の強度を著しく高め、靱性を劣化させる。したがって、ワイヤ全質量に対するＣ含有量は、０．０８０質量％以下とし、０．０７５質量％以下であることが好ましく、０．０７０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下＞
　Ｓｉは、溶接ビードのなじみ性を改善するとともに、脱酸剤として機能し、溶接金属の強度及び靱性を向上させる効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＳｉ含有量が０．０５質量％未満であると、溶接金属中のＳｉ含有量が少なくなりすぎて、溶接作業性（例えば、溶接ビードのなじみ性や融合性）が劣化し、靱性及びクリープ強度も劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量は、０．０５質量％以上とし、０．０６質量％以上であることが好ましい。
　一方、ワイヤ中のＳｉ含有量が０．３０質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく高くなり、靱性が劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量は、０．３０質量％以下とし、０．２５質量％以下であることが好ましく、０．２１質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｍｎ：０．５０質量％以上２．２０質量％以下＞
　Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸剤として機能し、溶接金属の靱性を向上させる効果を有する成分である。また、Ｍｎは、オーステナイト安定化元素として機能し、溶接金属中のδフェライト相の残存を抑制する効果を有する成分でもある。さらに、Ｍｎは、後述するとおり、Ｓによる高温割れ性への悪影響を緩和する効果も有する。
　ワイヤ中のＭｎ含有量が０．５０質量％未満であると、溶接金属中のＭｎ含有量が少なくなりすぎて、所望の靱性を得ることができず、また、軟質なδフェライト相が溶接金属中に残存して、クリープ強度が劣化する。さらに、Ｓによって引き起こされる高温割れを抑制することが困難となる。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｎ含有量は、０．５０質量％以上とし、０．５５質量％以上であることが好ましく、０．６０質量％以上であることがより好ましい。
　一方、ワイヤ中のＭｎ含有量が２．２０質量％を超えると、溶接金属中のＭｎ含有量が多くなりすぎて、炭窒化物が不安定化し、クリープ強度が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｎ含有量は、２．２０質量％以下とし、２．００質量％以下であることが好ましく、１．５０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｎｉ：０．３０質量％以上１．００質量％以下＞
　Ｎｉは、溶接金属のマトリクスに固溶して、フェライトそのものの靱性を向上させる効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＮｉ含有量が０．３０質量％未満であると、フェライトの靱性を向上させる効果を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｉ含有量は、０．３０質量％以上とし、０．３４質量％以上であることが好ましく、０．３８質量％以上であることがより好ましい。
　一方、ワイヤ中のＮｉ含有量が１．００質量％を超えると、Ｎｉが溶接時の最終凝固部に濃化し、凝固完了温度が低温化され、高温割れ感受性が高くなる。また、クリープ変形中に炭窒化物のサイズが粗大化し、クリープ強度が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｉ含有量は、１．００質量％以下とし、０．９０質量％以下であることが好ましく、０．８５質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｃｒ：８．００質量％以上１０．５０質量％以下＞
　Ｃｒは、ＰＷＨＴ時に炭窒化物を形成して、溶接金属のクリープ強度を向上させる効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＣｒ含有量が８．００質量％未満であると、炭窒化物の析出量が不足して、所望のクリープ強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量は、８．００質量％以上とし、８．１０質量％以上であることが好ましく、８．２０質量％以上であることがより好ましい。
　一方、ワイヤ中のＣｒ含有量が１０．５０質量％を超えると、凝固完了温度が低下し、高温割れ感受性が高くなるとともに、δフェライト相が溶接金属中に残留して、クリープ強度及び靱性が低下する。また、スラグ剥離性が著しく劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量は、１０．５０質量％以下とし、１０．００質量％以下であることが好ましく、９．６０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｍｏ：０．８０質量％以上１．２０質量％以下＞
　Ｍｏは、ＰＷＨＴ時にＣｒ系炭化物中又は母相中に固溶して、溶接金属のクリープ強度を向上させる効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＭｏ含有量が０．８０質量％未満であると、所望のクリープ強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｏ含有量は、０．８０質量％以上とし、０．８２質量％以上であることが好ましく、０．８５質量％以上であることがより好ましい。
　一方、ワイヤ中のＭｏ含有量が１．２０質量％を超えると、Ｃｒ系炭化物中及び母相中への固溶量が過剰に増加して、溶接金属の強度が著しく高くなり、靱性が劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｏ含有量は、１．２０質量％以下とし、１．１５質量％以下であることが好ましく、１．１０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｖ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下＞
　Ｖは、ＰＷＨＴ時に炭窒化物を形成して、溶接金属のクリープ強度を向上させる効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＶ含有量が０．１０質量％未満であると、所望のクリープ強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＶ含有量は、０．１０質量％以上とし、０．１４質量％以上であることが好ましく、０．１８質量％以上であることがより好ましい。
　一方、ワイヤ中のＶ含有量が０．４０質量％を超えると、炭窒化物の析出量が著しく増加して、溶接金属の強度が高くなり、靱性が劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＶ含有量は、０．４０質量％以下とし、０．３５質量％以下であることが好ましく、０．３０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．０９５質量％以下＞
　Ｎｂは、Ｖと同様に、ＰＷＨＴ時に炭窒化物を形成して、溶接金属のクリープ強度を向上させる効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＮｂ含有量が０．０２０質量％未満であると、所望のクリープ強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｂ含有量は、０．０２０質量％以上とし、０．０４０質量％以上であることが好ましく、０．０６０質量％以上であることがより好ましい。
　一方、ワイヤ中のＮｂ含有量が０．０９５質量％を超えると、炭窒化物の析出量が著しく増加して、溶接金属の強度が高くなり、靱性が劣化する。また、スラグ剥離性が大幅に劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｂ含有量は、０．０９５質量％以下とし、０．０９３質量％以下であることが好ましい。
＜Ｎ：０．０１６質量％以上０．０６５質量％以下＞、
　Ｎは、ＰＷＨＴ時にＣｒ、Ｖ、Ｎｂ等と結合して、炭窒化物を形成し、溶接金属のクリープ強度を向上させる効果を有する成分である。
　ワイヤ中のＮ含有量が０．０１６質量％未満であると、所望のクリープ強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＮ含有量は、０．０１６質量％以上とし、０．０２５質量％以上であることが好ましく、０．０３５質量％以上であることがより好ましい。
　一方、ワイヤ中のＮ含有量が０．０６５質量％を超えると、炭窒化物の析出量が著しく増加して、溶接金属の強度が高くなり、靱性が劣化する。また、溶接過程で発生するＮ２ガスが溶融金属中に残留しやすくなり、ブローホールが発生する。したがって、ワイヤ全質量に対するＮ含有量は、０．０６５質量％以下とし、０．０６３質量％以下であることが好ましく、０．０６１質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｐ：０．０１５質量％以下（０質量％を含む）＞
　Ｐは、溶接時の最終凝固部に低融点化合物を形成し、高温割れ感受性を高めるだけでなく、溶接金属を脆化させて靱性を劣化させる成分であるため、ワイヤ中のＰは、できるだけ低減することが好ましい。
　ワイヤ中のＰ含有量が０．０１５質量％を超えると、高温割れが発生しやすくなるとともに、靱性が劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＰ含有量は、０．０１５質量％以下とし、０．０１２質量％以下であることが好ましく、０．００９質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｓ：０．０１０質量％以下（０質量％を含む）＞
　Ｓは、溶接時にＦｅと結合して、Ｆｅ－ＦｅＳの低融点共晶を最終凝固部に形成し、高温割れ性を高めるだけでなく、溶接金属を脆化させて靱性を劣化させる成分であるため、ワイヤ中のＳは、できるだけ低減することが好ましい。
　ワイヤ中のＳ含有量が０．０１０質量％を超えると、高温割れが発生しやすくなるとともに、靱性が劣化する。したがって、ワイヤ全質量に対するＳ含有量は、０．０１０質量％以下とし、０．００９質量％以下であることが好ましい。
＜残部＞
　本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスにとともに用いることが好ましいワイヤにおいて、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂｉ等が挙げられる。これらの不純物のうち、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂは、それぞれ、ワイヤ全質量に対して、例えば、０．００５質量％以下であることが好ましく、合計で０．０１５質量％以下であることが好ましい。
　また、Ｐｂ、Ｂｉは、それぞれワイヤ全質量に対して、例えば、０．００１質量％以下であることが好ましい。また、上記不可避的不純物として列挙した元素以外の元素であっても、ワイヤ全質量に対して、それぞれ、０．１０質量％以下であれば、不可避的不純物としてワイヤ中に含有されていてもよく、０．０８質量％以下であることが好ましく、０．０６質量％以下であることがより好ましい。
［３．溶接金属］
　本実施形態に係る溶接金属は、上記［１．サブマージアーク溶接用ボンドフラックス］で説明したボンドフラックスを使用して形成された溶接金属である。
　なお、本実施形態に係る溶接金属において、本実施形態に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを用いること以外の各種溶接条件については特に限定されず、母材の種類、溶接電圧、溶接電流、溶接姿勢等について、サブマージアーク溶接方法における通常の条件を用いることができる。
　以下に、本発明の効果を示す発明例と比較例を参照し、本発明の内容を具体的に説明する。
［サブマージアーク溶接］
　まず、直径が４ｍｍであるワイヤを準備するとともに、種々の化学成分を有するボンドフラックスを製造した。ワイヤ中の化学成分及びその含有量を下記表１に示し、フラックス中の化学成分及びその含有量を下記表２に示す。
　なお、下記表１に示すワイヤ中の化学成分の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。また、下記表２に示すボンドフラックス中の化学成分において、Ａｌは積極的に添加していない成分であるため、「＜０．８０」（０．８０未満）とした。
　次に、上記ワイヤ及びボンドフラックスを使用して、サブマージアーク溶接を実施した後、２種類の条件で溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を実施した。溶接条件及びＰＷＨＴ条件を以下に示す。
（溶接条件）
　母材：ＡＳＴＭ　Ａ３８７　Ｇｒ．９１
　母材の板厚：２５ｍｍ
　開先角度、形状：１０°、Ｖ型
　ルート間隔：２０ｍｍ
　極性：交流（ＡＣ：Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）
　ワイヤ径：４．０ｍｍ
　溶接姿勢：下向
　電流：４５０～５５０Ａ
　電圧：３０～３２Ｖ
　溶接速度：３０～３６ｃｍ／ｍｉｎ
　予熱・パス間温度：２５０～３００℃
　積層法：５～７層１０～１４パス
（ＰＷＨＴ条件）
　Ａ：７５０～７６５℃、４０～４４ｈｒ
　Ｂ：７３５～７５０℃、９～１０ｈｒ
［評価］
　上記サブマージアーク溶接後に、上記ＰＷＨＴ条件にて熱処理を実施し、得られた溶接金属について、室温強度及び靱性を評価した。ＰＷＨＴ条件の具体的な温度（℃）及び時間（ｈｒ）、並びに各試験の評価結果を下記表３に示す。
＜室温強度＞
　条件ＡでのＰＷＨＴ後の溶接金属について、ＪＩＳ　Ｚ３１１１：２００５に規定される溶着金属の引張及び衝撃試験方法に準じて、室温での引張試験を実施し、０．２％耐力（ＹＳ：Ｙｉｅｌｄ　Ｓｔｒｅｓｓ）及び引張強度（ＴＳ：Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を測定した。なお、母材であるＡ３８７　Ｇｒ．９１と同等レベルの強度が得られたものを合格とした。具体的に、ＴＳについては、５８５～７６０ＭＰａであったものを合格とし、５８５ＭＰａ未満又は７６０ＭＰａを超えたものを不合格とした。また、ＹＳについては、４１５ＭＰａ以上であったものを合格とし、４１５ＭＰａ未満であったものを不合格とした。
＜靱性＞
　条件ＢでのＰＷＨＴ後の溶接金属から３本の試験材を採取し、ＪＩＳ　Ｚ２２４２に規定される金属材料のシャルピー衝撃試験方法に準じて、０℃でのシャルピー衝撃試験を実施した。そして、測定された各試験材の吸収エネルギーｖＥ（Ｊ）の平均値を算出し、靱性を評価した。なお、測定により得られた吸収エネルギーの平均値が５４Ｊ以上であったものを合格とし、５４Ｊ未満であったものを不合格とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表２及び３に示すように、発明例Ｎｏ．１～６は、サブマージアーク溶接用ボンドフラックス中の化学成分の含有量が本発明の範囲内であるため、これらのフラックスを使用してサブマージアーク溶接を実施した結果、ＰＷＨＴ後に優れた引張強度及び靱性を有する溶接金属を得ることができた。
　一方、比較例Ｎｏ．１～３は、フラックス中のＭｇＯ、Ｆ及びＣＯ２含有量に基づき、式（１）により算出される値が本発明の範囲の下限未満であったため、室温強度及び靱性が低下した。特に、比較例Ｎｏ．１及び２は、フラックス中のＣＯ２の含有量が本発明の範囲の上限を超えていたため、比較例Ｎｏ．３と比較して靱性が低いものとなった。
　以上、各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
　なお、本出願は、２０２１年９月７日出願の日本特許出願（特願２０２１－１４５７５８）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

Claims (9)

  1. 　高Ｃｒフェライト系耐熱鋼用のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスであって、
    　フラックス全質量に対して、
    　ＭｇＯ：２５．０質量％以上３６．０質量％以下、
    　Ｃａ：７．０質量％以上１８．０質量％以下、
    　Ｆ：４．５質量％以上１２．０質量％以下、
    　Ａｌ２Ｏ３：９．５質量％以上２１．７質量％以下、
    　ＳｉＯ２：８．０質量％以上２０．０質量％以下、
    　ＣＯ２：１．０質量％以上８．０質量％以下、
    　Ｎａ：０．５質量％以上４．０質量％以下、を含有し、
    　ＺｒＯ２：４．０質量％以下、
    　Ａｌ：０．８０質量％以下、
    　Ｃ：０．１２質量％以下、であり、
    　フラックス中のＭｇＯ含有量をフラックス全質量に対する質量％で［ＭｇＯ］とし、フラックス中のＦ含有量をフラックス全質量に対する質量％で［Ｆ］とし、フラックス中のＣＯ２含有量をフラックス全質量に対する質量％で［ＣＯ２］とする場合に、下記式（１）により得られる値が６．０以上４５．０以下、であることを特徴とするサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
    　式（１）：（［ＭｇＯ］＋２．０５５×［Ｆ］）／（［ＣＯ２］）
  2. 　さらに、フラックス全質量に対して、
    　Ｍｎ：０．５質量％以上２．５質量％以下、を含有することを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  3. 　さらに、フラックス全質量に対して、
    　Ｋ：０．５質量％以上３．０質量％以下、を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  4. 　さらに、フラックス全質量に対して、
    　Ｌｉ：０．０５質量％以上０．２０質量％以下、を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  5. 　さらに、フラックス全質量に対して、
    　Ｌｉ：０．０５質量％以上０．２０質量％以下、を含有することを特徴とする請求項３に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  6. 　サブマージアーク溶接用ワイヤとともに用いられ、
    　前記サブマージアーク溶接用ワイヤは、ワイヤ全質量に対して、
    　Ｃ：０．０３０質量％以上０．０８０質量％以下、
    　Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
    　Ｍｎ：０．５０質量％以上２．２０質量％以下、
    　Ｎｉ：０．３０質量％以上１．００質量％以下、
    　Ｃｒ：８．００質量％以上１０．５０質量％以下、
    　Ｍｏ：０．８０質量％以上１．２０質量％以下、
    　Ｖ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下、
    　Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．０９５質量％以下、
    　Ｎ：０．０１６質量％以上０．０６５質量％以下、を含有し、
    　Ｐ：０．０１５質量％以下、
    　Ｓ：０．０１０質量％以下、であり、
    　残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  7. 　サブマージアーク溶接用ワイヤとともに用いられ、
    　前記サブマージアーク溶接用ワイヤは、ワイヤ全質量に対して、
    　Ｃ：０．０３０質量％以上０．０８０質量％以下、
    　Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
    　Ｍｎ：０．５０質量％以上２．２０質量％以下、
    　Ｎｉ：０．３０質量％以上１．００質量％以下、
    　Ｃｒ：８．００質量％以上１０．５０質量％以下、
    　Ｍｏ：０．８０質量％以上１．２０質量％以下、
    　Ｖ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下、
    　Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．０９５質量％以下、
    　Ｎ：０．０１６質量％以上０．０６５質量％以下、を含有し、
    　Ｐ：０．０１５質量％以下、
    　Ｓ：０．０１０質量％以下、であり、
    　残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする、請求項３に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  8. 　サブマージアーク溶接用ワイヤとともに用いられ、
    　前記サブマージアーク溶接用ワイヤは、ワイヤ全質量に対して、
    　Ｃ：０．０３０質量％以上０．０８０質量％以下、
    　Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
    　Ｍｎ：０．５０質量％以上２．２０質量％以下、
    　Ｎｉ：０．３０質量％以上１．００質量％以下、
    　Ｃｒ：８．００質量％以上１０．５０質量％以下、
    　Ｍｏ：０．８０質量％以上１．２０質量％以下、
    　Ｖ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下、
    　Ｎｂ：０．０２０質量％以上０．０９５質量％以下、
    　Ｎ：０．０１６質量％以上０．０６５質量％以下、を含有し、
    　Ｐ：０．０１５質量％以下、
    　Ｓ：０．０１０質量％以下、であり、
    　残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする、請求項４に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  9. 　請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを使用して形成されることを特徴とする、溶接金属。
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