オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料ならびにそれを用いてなる溶接金属および溶接継手
【課題】溶接時に優れた耐高温割れ性を有するγ系耐熱鋼用溶接材料並びに溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性及び良好なクリープ強度を有する溶接金属と溶接継手を提供すること。
【解決手段】（１）C：0.05％超〜0.18％、Si≦0.5％、Mn≦1.5％、Ni：40〜50％、Cr：20〜25％、W：8.0％超〜13.0％、Ti：0.01〜0.2％、N：0.03％超〜0.20％及びAl≦0.0１％を含み、残部がFe及び不純物からなり、不純物としてのO≦0.02％、P≦0.008％及びS≦0.005％の化学組成を有するγ系耐熱鋼用溶接材料。この溶接材料はNb＜0.60％を含んでもよい。（２）上記のγ系耐熱鋼用溶接材料を用いてなる溶接金属。（３）上記溶接金属と高温強度に優れたγ系耐熱鋼の母材からなる溶接継手。
【解決手段】（１）C：0.05％超〜0.18％、Si≦0.5％、Mn≦1.5％、Ni：40〜50％、Cr：20〜25％、W：8.0％超〜13.0％、Ti：0.01〜0.2％、N：0.03％超〜0.20％及びAl≦0.0１％を含み、残部がFe及び不純物からなり、不純物としてのO≦0.02％、P≦0.008％及びS≦0.005％の化学組成を有するγ系耐熱鋼用溶接材料。この溶接材料はNb＜0.60％を含んでもよい。（２）上記のγ系耐熱鋼用溶接材料を用いてなる溶接金属。（３）上記溶接金属と高温強度に優れたγ系耐熱鋼の母材からなる溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料ならびにそれを用いてなる溶接金属および溶接継手に関する。詳しくは、発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いるオーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適な溶接材料ならびにそれを使用して得られる溶接金属および溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラ等では運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められており、それに使用される材料にも、より優れた高温強度を有することが求められている。
【０００３】
このような要求を満たす材料として、例えば、特許文献１に、Ｗを多量に含有させることにより、７００℃以上の高温域において優れたクリープ強度を有するオーステナイト系の耐熱鋼が提案されている。
【０００４】
オーステナイト系の耐熱鋼を構造物として使用する場合、溶接により組み立てるのが一般的である。その際、母材をそのまま溶接材料として使用する場合がある。また、ＡＷＳ Ａ５．１４−２００５ ＥＲＮｉＣｒＣｏＭｏ−１等の高Ｎｉ合金用溶接材料を使用して溶接することもある。
【０００５】
しかしながら、オーステナイト系耐熱鋼からなる溶接金属は、一般的に溶接時の高温割れ感受性が高く、その防止が求められる場合がある。上記「溶接時の高温割れ」には、「凝固割れ」と「延性低下割れ」が含まれる。
【０００６】
さらに、母材が溶製後、圧延および熱処理による組織の調整を受けて高温強度の確保がなされるのに対し、溶接金属はほとんどの場合、凝固ままの組織で使用される。そのため、母材をそのまま溶接材料として使用すると、溶接時に十分な耐高温割れ性が得られない場合が生じたり、母材と同等のクリープ強度等の機械的特性を得ることが困難な場合がある。
【０００７】
また、高Ｎｉ合金用の溶接材料はクリープ強度には優れるものの、高価であることから経済性の観点から好ましくないことがあり、被溶接材料と大きく成分が異なる場合には、十分な耐溶接高温割れ性が得られないこともある。
【０００８】
一方、特許文献２に、Ｎｂ、Ｔｉの共晶炭化物を活用し、溶接時の高温割れ防止とクリープ強度を両立させた、高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料が提案されている。
【０００９】
ところで、高温で使用されるオーステナイト系耐熱鋼からなる溶接構造物には、溶接時の高温割れ以外に、高温での長時間使用によって、溶接部で割れが発生するという問題が生じる。
【００１０】
例えば、非特許文献１および非特許文献２には、１８Ｃｒ−８Ｎｉ系のオーステナイト系耐熱鋼の溶接部において、長時間加熱によって溶接熱影響部（以下、「ＨＡＺ」という。）に粒界割れが生じることが指摘されている。
【００１１】
これらの非特許文献では、ＨＡＺにおける粒界割れに影響する因子として、Ｍ23Ｃ6、ＮｂＣ等の炭化物が示唆されている。
【００１２】
非特許文献３には、Ｎｉ基耐熱合金のＨＡＺにおいて、溶接後熱処理中に粒界割れが生じることが指摘されており、γ’相の析出に加えて、Ｓの粒界偏析が影響することが示唆されている。
【００１３】
また、非特許文献４には、１８Ｃｒ−８Ｎｉ−Ｎｂ系のオーステナイト系耐熱鋼溶接部の長時間加熱時のＨＡＺにおける粒界割れの防止策についての検討が行われている。そして、適正な後熱処理の適用による溶接残留応力の低減が割れ防止に有効であるとの溶接プロセス面からの対策が提案されている。
【００１４】
このように、オーステナイト系耐熱鋼を長時間使用した際、ＨＡＺに割れが生じる現象は古くから知られていたものの、近年、材料の高強度化のために多様の合金元素が含有されるに伴い、溶接金属においても長時間加熱時の割れ発生が顕在化する傾向にある。
【００１５】
しかしながら、長時間使用中に溶接部に発生する割れについては、未だ完全な機構解明には至っておらず、さらには、割れ対策、特に、溶接金属における材料面からの割れ対策は確立されていない。
【００１６】
上記の特許文献２で開示された高強度オーステナイト系耐熱鋼からなる溶接金属は、溶接時の耐高温割れ性には極めて優れるものである。しかしながら、近年の過酷な使用条件の下で、長時間使用中に発生する割れ（以下、「応力緩和割れ」と称する。）に対しては、若干改善すべき余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−３０００号公報
【特許文献２】特開２００８−２０７２４２号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｒ．Ｎ．Ｙｏｕｎｇｅｒら：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、Ｏｃｔｏｂｅｒ（１９６０）、ｐ．１８８
【非特許文献２】Ｒ．Ｎ．Ｙｏｕｎｇｅｒら：Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ（１９６１）、ｐ．５７９
【非特許文献３】井川ら：溶接学会誌、第４７巻（１９７８）第１０号、Ｐ．６７９
【非特許文献４】内木ら：石川島播磨技報、第１５巻（１９７５）第２号、ｐ．２０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、溶接時に優れた耐高温割れ性を有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の提供と、それを用いてなる溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属の提供を目的とする。さらに、この溶接材料を用いてなる溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは、前記した課題を解決するために、先ず、高温で長時間使用中に溶接金属に発生する応力緩和割れについて詳細な調査を行った。その結果、下記（ａ）〜（ｃ）の事項が明らかになった。
【００２１】
（ａ）応力緩和割れは溶接金属の柱状晶境界に発生している。
【００２２】
（ｂ）割れ破面は延性に乏しく、破面上には、Ｐ、Ｓの濃化が確認され、特にＳの濃化が顕著である。
【００２３】
（ｃ）割れ部近傍のミクロ組織には、結晶粒内に微細な炭窒化物および金属間化合物が多量に析出している。
【００２４】
上記（ａ）〜（ｃ）の判明事項から、本発明者らは、次の（ｄ）〜（ｆ）の結論に至った。
【００２５】
（ｄ）応力緩和割れは、溶接時の凝固およびその後の高温での加熱中にＰとＳ、特にＳが偏析することに起因して弱くなった粒界に、溶接残留応力および外部応力が作用することによって開口したものである。
【００２６】
（ｅ）粒内に多量の炭窒化物および金属間化合物が微細析出する場合には、粒内の変形能が低下するため、粒界面への応力集中が生じ、粒界が弱くなったこととの重畳作用によって、割れが発生しやすくなる
（ｆ）上記の機構は、非特許文献３にＨＡＺにおける類似の割れについて示唆されている。そして、非特許文献３には、粒界を弱くさせるＳの低減またはＳを固定するためにＣａおよびＭｇを含有させることがその割れを防止するのに有効であることが示されている。しかしながら、溶接金属は凝固ままの組織で使用されるのが一般的であり、熱処理など調質された母材を元にするＨＡＺとは現象が異なることが予想されるため、非特許文献３で提案されたＨＡＺにおける割れ対策がそのまま、応力緩和割れに対しても適用できる可能性は小さい。具体的には、上記非特許文献３にて提案されているＣａおよびＭｇは酸素との親和力が非常に強いため、溶接中に酸化物を形成しやすく、溶接後の溶接金属への歩留まりは溶接条件の影響を受け、その効果を安定して得るのは難しい。さらに、不純物元素の極端な低減は製鋼コストの大幅な増大を招くため、大量生産する工業製品に対して適用することは難しい。
【００２７】
そこで、本発明者らは応力緩和割れを防止するためにさらに詳細な検討を実施した。その結果、次の（ｇ）および（ｈ）によって応力緩和割れに対する感受性を低下できることが判明した。
【００２８】
（ｇ）粒界に偏析して粒界を弱くさせる溶接金属中のＳおよびＰの含有量を特定の範囲内に規制すること。
【００２９】
（ｈ）微細炭化物または金属間化合物として析出して粒内変形抵抗の増大を招く元素、具体的には、ＴｉおよびＮｂの含有量を特定の範囲内に規制すること。
【００３０】
しかしながら、上記（ｇ）及び（ｈ）の対策を講じても、応力緩和割れを完全に防止するには至らなかった。加えて、析出強化効果を十分に活用できないため、所望の良好なクリープ強度が得られないことが判明した。
【００３１】
そこでさらに、本発明者らが検討を進めた結果、高濃度のＷを含有させることによって、応力緩和割れの防止と所望の良好なクリープ強度の確保を両立させることができることが判明した。その理由は、次の（ｉ）および（ｊ）によるものと考えられる。
【００３２】
（ｉ）Ｗ含有量の増加は高温で長時間使用中のＳの粒界偏析エネルギーを低下させ、粒界へのＳの濃化を軽減して、間接的に粒界が弱くなることを抑制する。
【００３３】
（ｊ）Ｗは固溶強化元素としてクリープ強度の向上に寄与するが、この場合の粒内の変形能の低下は、微細な炭窒化物および金属間化合物が析出する場合に比べて小さい。
【００３４】
しかしながら、高濃度のＷを含有させた場合、高温で長時間使用中に溶接金属に発生する応力緩和割れは防止できるものの、溶接中の凝固割れ感受性が逆に増大することが明らかとなった。
【００３５】
そこで、本発明者らはさらに、溶接中の凝固割れを防止するための検討も実施した。その結果、下記（ｋ）の知見が得られた。
【００３６】
（ｋ）ＣｒとＣの含有量を特定の範囲内に制御することによって、具体的には、質量％で、Ｃｒを２０〜２５％含む場合、Ｃの含有量を０．０５％を超えて０．１８％以下とすることによって、溶接中の凝固割れを防止することができる。
【００３７】
その理由は、溶接金属の組織観察結果から、次の（ｌ）によるものと考えられる。
【００３８】
（ｌ）ＣおよびＣｒの含有量を特定の範囲内に制御した場合、溶接金属の凝固過程でＣが主にＣｒと結合して、（Ｃｒ、Ｍ）23Ｃ6とオーステナイトの共晶凝固が生じる。その結果、凝固時の液相の消失が早まるため、溶接中の凝固割れを防止することができる。
【００３９】
加えて、上記のＣおよびＣｒの含有量の適正範囲への管理は、溶接中の延性低下割れの防止にも有効であることが確認できた。
【００４０】
以上のことから、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料としては、質量％で、Ｃｒ：２０〜２５％およびＮｉ：４０％を超えて５０％以下の合金をベースとし、Ｃ：０．０５％を超えて０．１８％以下およびＷ：８．０％を超えて１３．０％以下を含有させることによって、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および所望の良好なクリープ強度の確保を達成できるとの知見を得たのである。
【００４１】
そして、このオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と、高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材からなる溶接継手を得ることができる。
【００４２】
この溶接材料を用いて溶接継手を得る際に、質量％で、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％を含む高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を母材として用いると、母材においても優れたクリープ強度を確保できることとなるので好ましい。母材として用いる高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼は、本発明に係る溶接材料と同じ化学組成を有するオーステナイト系耐熱鋼であってもよいし、異なってもよい。
【００４３】
なお、上記の母材としては、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を用いることが好ましい。
【００４４】
なお、残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、溶接材料や耐熱鋼を工業的に製造する際に、鉱石あるいはスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入するものを指す。
【００４５】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）および（２）に示す溶接材料、（３）に示す溶接金属、そして（４）〜（６）に示す溶接継手にある。
【００４６】
（１）質量％で、Ｃ：０．０５％超えて０．１８％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：８．０％を超えて１３．０％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．０３％を超えて０．２０％以下およびＡｌ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．００８％以下およびＳ：０．００５％以下の化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【００４７】
（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．６０％未満を含むことを特徴とする、上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【００４８】
（３）上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いてなる溶接金属。
【００４９】
（４）上記（３）に記載の溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材からなることを特徴とする、溶接継手。
【００５０】
（５）高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有することを特徴とする、上記（４）に記載の溶接継手。
【００５１】
（６）高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とする、上記（４）に記載の溶接継手。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、溶接時に優れた耐高温割れ性を有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を提供することができ、また、それを用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属を提供することができる。さらに、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明において、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成を限定する理由は次のとおりである。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００５４】
Ｃ：０．０５％超えて０．１８％以下
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、本発明において、溶接時の高温割れ防止のために重要な元素である。すなわち、Ｃは、凝固過程で主にＣｒと結合して、共晶炭化物を生成させ、液相の消失を早めるとともに、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とする。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、特定面への応力集中が抑制されるので、凝固割れを防止することができる。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。後述する本発明のＣｒ含有量の範囲で、上記の効果を十分得るためには、Ｃを０．０５％を超えて含有する必要がある。しかしながら、Ｃを過剰に含有する場合には、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０．０５％を超えて０．１８％以下とする。Ｃ含有量の望ましい下限は０．０６％であり、望ましい上限は０．１５％である。
【００５５】
Ｓｉ：０．５％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の含有量は０．５％以下とする必要がある。Ｓｉの含有量は、０．３％以下とするのが好ましい。しかしながら、Ｓｉ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。そのため、Ｓｉ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＳｉを０．０１％含んでおれば、脱酸効果を得ることができる。さらに望ましいＳｉ含有量の下限は、０．０２％である。
【００５６】
Ｍｎ：１．５％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−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１．５％以下とする必要がある。Ｍｎの含有量は１．２％以下とするのが好ましい。Ｍｎ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＭｎを０．０１％含んでおれば、上記の効果を得ることができる。さらに望ましいＭｎ含有量の下限は、０．０２％である。
【００５７】
Ｎｉ：４０〜５０％
Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であるとともに、長時間使用時の組織安定性を確保し、十分なクリープ強度を得るために必須の元素である。その効果を得るためには、４０％以上のＮｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、５０％を超えるＮｉの多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｎｉの含有量は４０〜５０％とする。Ｎｉ含有量の望ましい下限は４０．５％であり、望ましい上限は４８．５％である。Ｎｉ含有量のさらに望ましい下限は４１％であり、さらに望ましい上限は４６％である。
【００５８】
Ｃｒ：２０〜２５％
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を２０％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒの含有量が過剰になって２５％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の含有量は２０〜２５％とする。Ｃｒ含有量の望ましい下限は２０．５％であり、望ましい上限は２４．５％である。Ｃｒ含有量のさらに望ましい下限は２１％であり、さらに望ましい上限は２４％である。
【００５９】
Ｗ：８．０％を超えて１３．０％以下
Ｗは、マトリックスに固溶して７００℃を超える高温でのクリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。また、Ｗは、Ｓの粒界偏析エネルギーを低下させ、溶接後熱処理および高温使用中のＳの粒界への濃化を軽減することで粒界が弱くなることを抑制し、間接的に応力緩和割れの防止に寄与する。こうした効果を十分に確保して、高温使用中の耐応力緩和割れ性とクリープ強度を両立させるためには、本発明を構成する他の元素との関係で、８．０％を超えるＷ含有量が必要である。しかし、Ｗを過剰に含有させてもその効果は飽和し、かえって靱性およびクリープ強度を低下させる。さらに、Ｗは高価な元素であり、１３．０％を超えるＷの多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｗの含有量は８．０％を超えて１３．０％以下とする。Ｗ含有量の望ましい下限は８．２％であり、望ましい上限は１２．８％である。Ｗ含有量のさらに望ましい下限は８．５％であり、さらに望ましい上限は１２．５％である。
【００６０】
Ｔｉ：０．０１〜０．２％
Ｔｉは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。その効果を得るためには、０．０１％以上のＴｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になって０．２％を超えると、多量に析出し、粒内の変形抵抗を著しく高め、高温使用中の応力緩和割れ感受性を増大させる。そのため、Ｔｉの含有量は０．０１〜０．２％とする。Ｔｉ含有量の望ましい下限は０．０３％であり、望ましい上限は０．１５％である。
【００６１】
Ｎ：０．０３％を超えて０．２０％以下
Ｎ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Ｎは、マトリックスに固溶し、引張強さの向上に寄与する元素でもある。上記の効果を得るためには、０．０３％を超えるＮ含有量が必要である。しかしながら、Ｎの含有量が過剰になって０．２０％を超えると、長時間使用中に多量に窒化物として析出して粒内の変形抵抗を著しく高め、高温使用中の応力緩和割れ感受性を増大させるとともに、溶接時にはブローホール生成の原因となる。そのため、Ｎの含有量は０．０３％を超えて０．２０％以下とする。Ｎ含有量の望ましい下限は０．０５％であり、望ましい上限は０．１８％である。Ｎ含有量のさらに望ましい下限は０．０７％であり、さらに望ましい上限は０．１７％である。
【００６２】
Ａｌ：０．０１％以下
Ａｌは、脱酸剤として含有されるが、多量に含有すると清浄性を著しく害し、溶接材料の加工性および溶接金属の延性を劣化させる。そのため、Ａｌの含有量は０．０１％以下とする必要がある。Ａｌの含有量は０．００８％以下とするのが望ましい。下限は不純物程度でよい。
【００６３】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の一つは、上述のＣからＡｌまでの元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳの含有量をそれぞれ、次に述べる範囲に制限した化学組成を有するものである。
【００６４】
Ｏ：０．０２％以下
Ｏは、不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、溶接材料の加工性および溶接金属の延性を低下させる。そのため、Ｏの含有量は０．０２％以下とする必要がある。Ｏの含有量は０．０１５％以下とするのが望ましい。
【００６５】
Ｐ：０．００８％以下
Ｐ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。そのため、Ｐの含有量は０．００８％以下とする必要がある。Ｐの含有量は０．００６％以下とするのが望ましい。
【００６６】
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、Ｐと同様、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、凝固割れ感受性を増大させる元素である。さらには、高温使用中に結晶粒界に偏析・濃化し、応力緩和割れ感受性を著しく高める元素である。そのため、Ｓの含有量は０．００５％以下とする必要がある。Ｓの含有量は０．００３％以下とするのが望ましい。
【００６７】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の他の一つは、上記残部としての「Ｆｅおよび不純物」におけるＦｅの一部に代えて、０．６０％未満のＮｂを含む化学組成を有するものである。
【００６８】
以下、任意元素であるＮｂの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。
【００６９】
Ｎｂ：０．６０％未満
Ｎｂは、Ｔｉと同様に微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。このため、必要に応じてＮｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になって０．６０％以上になると、炭窒化物の多量析出または微細な金属間化合物の析出を招き、粒内の変形抵抗を著しく高め、高温使用中の応力緩和割れ感受性を増大させる。そのため、含有させる場合のＮｂの量を０．６０％未満とした。含有させる場合のＮｂの量は、０．５０％以下とすることが望ましい。
【００７０】
一方、前記したＮｂの効果を安定して得るためには、含有させる場合のＮｂの量は、０．０１％以上とすることが望ましく、０．０５％以上とすることがさらに望ましい。含有させる場合のＮｂの量は、０．１０％以上とすれば極めて好ましい。
【００７１】
以上、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成について詳述したが、この溶接材料は、溶接時に優れた耐高温割れ性を有する。そして、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属を得ることができる。さらに、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を得ることができる。
【００７２】
なお、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いて溶接継手を得る際に、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有する高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を母材として用いると、母材においても７００℃以上の高温域において優れた延性およびクリープ強度を有することになるから、好ましい。母材として用いる高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼は、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料と同じ化学組成を有するオーステナイト系耐熱鋼であってもよいし、異なってもよい。
【００７３】
ここで、母材として高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を用いる場合、その母材は、上記のＷ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有するものであることが好ましい理由について詳しく説明する。
【００７４】
Ｗ：６．０〜１０．０％
Ｗは、溶接金属におけると同様に、マトリックスに固溶して７００℃を超える高温でのクリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。母材は凝固ままで使用される溶接金属とは異なり、熱処理によって均質化が図られ、その効果がより得られやすい。このため、母材は、Ｗを含有することが好ましく、その量は６．０％以上であればよい。しかし、Ｗは高価な元素であり、コストの増大を招くため、Ｗを含有する場合のその量は１０．０％以下とすることが望ましい。母材におけるＷ含有量のさらに望ましい下限は７．０％であり、さらに望ましい上限は９．８％である。母材におけるＷ含有量の一層望ましい下限は７．５％であり、一層望ましい上限は９．５％である。
【００７５】
Ｎｉ：４０〜５０％
Ｎｉは、溶接金属におけると同様に、オーステナイト組織を得るために有効な元素であるとともに、長時間使用時の組織安定性を確保し、十分なクリープ強度を得るために有効な元素である。その効果を得るために、母材は、Ｎｉを含有することが好ましく、その量は、溶接金属におけると同様、４０％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉは高価な元素であり、コストの増大を招くため、Ｎｉを含有する場合のその量は５０％以下とすることが望ましい。母材におけるＮｉ含有量のさらに望ましい下限は４０．５％であり、さらに望ましい上限は４８．５％である。母材におけるＮｉ含有量の一層望ましい下限は４２％であり、一層望ましい上限は４７％である。
【００７６】
Ｃｒ：２０〜２５％
Ｃｒは、溶接金属におけると同様に、母材の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る。溶接金属と同等の効果を得るために、母材は、Ｃｒを含有することが好ましく、その量は、２０％以上とすることが好ましい。しかし、Ｃｒの含有量が過剰になると高温での組織の安定性を劣化して、クリープ強度の低下を招く。このため、Ｃｒを含有する場合、その量は２５％以下とすることが望ましい。母材におけるＣｒ含有量のさらに望ましい下限は２０．５％であり、さらに望ましい上限は２４．５％である。母材におけるＣｒ含有量の一層望ましい下限は２１％であり、一層望ましい上限は２４％である。
【００７７】
高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材は、上記範囲のＷ、ＮｉおよびＣｒに加えて、以下に述べる量の元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなるものであることがより好ましい。
【００７８】
Ｃ：０．０４〜０．１２％
Ｃは、溶接金属におけると同様に、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。母材は凝固ままで使用される溶接金属とは異なり、熱処理によって均質化が図られ、その効果がより得られやすく、また、溶接割れ防止に対する対策を必要としない。このため、母材は、Ｃを含有することが好ましく、その量は０．０４％以上であればよい。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、かえってクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃを含有する場合、その量は０．１２％以下とすることが望ましい。母材におけるＣ含有量のさらに望ましい下限は０．０５％であり、さらに望ましい上限は０．１０％である。
【００７９】
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有する。しかしながら、Ｓｉの含有量が過剰になると靱性を低下させる。したがって、母材がＳｉを含有する場合、その量は０．５％以下とすることが望ましく、０．４％以下とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｓｉ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。そのため、母材におけるＳｉ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＳｉを０．０１％含んでおれば、脱酸効果を得ることができる。さらに望ましいＳｉ含有量の下限は、０．０２％である。
【００８０】
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招く。このため、母材がＭｎを含有する場合、その量は１．５％以下とすることが望ましく、１．２％以下とするのがさらに好ましい。母材におけるＭｎ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＭｎを０．０１％含んでおれば、脱酸効果を得ることができる。さらに望ましいＭｎ含有量の下限は、０．０２％である。
【００８１】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として含まれ、Ｐの含有量が過剰になるとクリープ延性の低下を招く。母材は、溶接金属の場合とは異なり、溶接割れ防止に対する対策を必要としないし、Ｐ含有量の極度の低減は製鋼コストの著しい増大を招く。このため、母材におけるＰ含有量は０．０３％以下とすることが望ましく、０．０２％以下とするのがさらに好ましい。
【００８２】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様、不純物として含まれ、Ｓの含有量が過剰になるとクリープ延性の低下を招く。母材は、溶接金属の場合とは異なり、溶接割れ防止に対する対策を必要としないし、Ｓ含有量の極度の低減は製鋼コストの著しい増大を招く。このため、母材におけるＳ含有量は０．０１％以下とすることが望ましく、０．００８％以下とするのがさらに好ましい。
【００８３】
Ｍｏ：０．２％以下
Ｍｏは、Ｗと同様に、マトリックスに固溶して７００℃を超える高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。このため、母材は、Ｍｏを含有することが好ましい。しかしながら、Ｍｏは高価な元素であるともに、相安定性を低下させる元素でもあるため、Ｍｏを含有する場合のその量は０．２％以下とすることが望ましい。母材におけるＭｏ含有量の望ましい下限は０．０２％である。
【００８４】
Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満
Ｎｂは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であり、高温使用中の応力緩和割れ感受性が溶接金属に比べて低い母材では高強度化のために積極的に活用してもよい。このため、母材は、Ｎｂを含有することが好ましく、その量は、０．０５％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると多量に炭窒化物を生成し、靱性の低下を招く。したがって、Ｎｂを含有する場合、その量は０．６０％未満とすることが望ましい。母材におけるＮｂ含有量のさらに望ましい下限は０．１０％であり、さらに望ましい上限は０．５０％である。
【００８５】
Ｔｉ：０．０２〜０．２０％
Ｔｉは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であり、高温使用中の応力緩和割れ感受性が溶接金属に比べて低い母材では高強度化のために積極的に活用してもよい。このため、母材は、Ｔｉを含有することが好ましく、その量は、０．０２％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると多量に炭窒化物を生成し、靱性の低下を招く。そのため、Ｔｉを含有する場合、その量は０．２０％以下とすることが望ましい。母材におけるＴｉ含有量のさらに望ましい下限は０．０５％であり、さらに望ましい上限は０．１５％である。
【００８６】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、オーステナイト相を安定にするのに有効な元素であり、マトリックスに固溶し、引張強さを高めるのに有効な元素である反面、熱間加工性を著しく低下させてしまう。そのため、母材においては、溶接金属に比べて、Ｎ含有量の上限を厳しく管理するのがよく０．０２％以下とすることが好ましい。母材におけるＮ含有量のさらに望ましい上限は０．０１％である。
【００８７】
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析して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って、クリープ強度を向上させるのに有効な元素である。このため、母材は、Ｂを含有することが好ましい。しかしながら、Ｂの含有量が過剰になるとＨＡＺの液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂを含有する場合、その量は０．００５％以下とすることが望ましい。母材におけるＢ含有量の望ましい下限は０．０００２％である。
【００８８】
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは、脱酸作用を有するが、Ａｌの含有量が過剰になると清浄性を著しく害し、母材製造時の加工性を低下させる。しかしながら、母材においては、溶接金属の場合のように溶接中に酸化物を生成してより一層清浄性を低下させる懸念がない。このため、Ａｌを含有する場合、その量は０．０４％以下にすることが望ましい。母材におけるＡｌ含有量のさらに望ましい上限は０．０３％である。
【００８９】
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。
【実施例】
【００９０】
表１に示す化学組成を有する材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板材を溶接母材用として作製した。
【００９１】
さらに、表２に示す化学組成を有する符号Ａ〜Ｆの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延および機械加工により、外径１．２ｍｍ、長さ１０００ｍｍの溶接材料（溶接ワイヤ）を作製した。
【００９２】
【表１】
【００９３】
【表２】
【００９４】
上記の溶接母材用板材の長手方向に、角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した後、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍで長さ２００ｍｍのＳＭ４００ＢのＪＩＳ Ｇ ３１６０（２００８）に規定の市販の鋼板上に、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳ Ｚ３２２４（１９９９）に規定の「ＤＮｉＣｒＦｅ−３」を用いて、四周を拘束溶接した。
【００９５】
その後、上述した符号Ａ〜Ｆの溶接材料を用いて、入熱９〜１５ｋＪ／ｃｍでＴＩＧ溶接により開先内に多層溶接を行って、溶接材料の各符号について２体ずつ溶接継手を作製した。
【００９６】
溶接継手は、各符号について、１体は溶接ままで、残りの１体は７００℃×５００時間の時効熱処理を行ってから、次の試験に供した。
【００９７】
すなわち、各符号について、溶接ままの溶接継手および時効熱処理を施した溶接継手の各５か所から採取した試料の横断面を鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡により検鏡し、溶接金属における割れの有無を調査した。なお、５個の全ての試料で割れのない溶接継手を「合格」とした。
【００９８】
さらに、検鏡の結果、溶接金属に割れの認められなかった溶接ままの溶接継手から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取し、母材板材の目標破断時間が約１０００時間となる７００℃、１４７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、母材破断するものを「合格」とした。
【００９９】
表３に、上記各試験の結果を示す。
【０１００】
表３の「割れ観察結果」欄における「○」は、５個の全ての試料で割れがない「合格」の溶接継手であることを示す。一方、「×」は、５個の試料のうち少なくとも１個の試料に割れが認められたことを示す。
【０１０１】
また、「クリープ破断試験結果」欄における「○」は母材破断した「合格」の溶接継手であることを示す。一方、「×」は母材破断しなかったことを示す。溶接材料符号Ｅの「−」は、溶接ままの溶接継手から採取した試料の溶接金属に割れが認められたため、クリープ破断試験を行わなかったことを示す。
【０１０２】
【表３】
【０１０３】
表３から、化学組成が本発明で規定する範囲にある符号Ａ〜Ｃの溶接材料を用いて溶接した溶接継手の溶接金属には、時効熱処理中の応力緩和割れおよび溶接中の高温割れともに発生せず、高いクリープ強度を有することが明らかである。
【０１０４】
これに対して、化学組成が本発明で規定する範囲から外れた符号Ｄ〜Ｆの溶接材料を用いて溶接した溶接継手の溶接金属には、時効熱処理中の応力緩和割れと溶接中の高温割れのうちの少なくともいずれかの発生が認められた。
【０１０５】
すなわち、ＷおよびＮｂの含有量が本発明で規定する範囲を外れる符号Ｄの溶接材料を用いて溶接した溶接継手は、Ｎｂを含む炭窒化物および金属間化合物が粒内に過剰に生成して、粒内の変形抵抗が高く、かつＳの粒界濃化の軽減効果が得られなかったため、時効熱処理中に応力緩和割れが発生した。
【０１０６】
Ｃの含有量が０．０２％と低く、凝固過程で十分な共晶炭化物を生成するのに必要な量を下回る符号Ｅの溶接材料を用いて溶接した溶接継手は、溶接中に高温割れが発生した。
【０１０７】
Ｗの含有量が本発明で規定する範囲を外れる符号Ｆの溶接材料を用いて溶接した溶接継手は、時効熱処理中に応力緩和割れが発生するとともにクリープ強度を満足しなかった。
【０１０８】
以上述べたように、本発明で規定する範囲内の化学組成を有する溶接材料を用いた場合、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属となることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明によれば、溶接時に優れた耐高温割れ性を有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を提供することができ、また、それを用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属を提供することができる。さらに、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を提供することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料ならびにそれを用いてなる溶接金属および溶接継手に関する。詳しくは、発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いるオーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適な溶接材料ならびにそれを使用して得られる溶接金属および溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラ等では運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められており、それに使用される材料にも、より優れた高温強度を有することが求められている。
【０００３】
このような要求を満たす材料として、例えば、特許文献１に、Ｗを多量に含有させることにより、７００℃以上の高温域において優れたクリープ強度を有するオーステナイト系の耐熱鋼が提案されている。
【０００４】
オーステナイト系の耐熱鋼を構造物として使用する場合、溶接により組み立てるのが一般的である。その際、母材をそのまま溶接材料として使用する場合がある。また、ＡＷＳ Ａ５．１４−２００５ ＥＲＮｉＣｒＣｏＭｏ−１等の高Ｎｉ合金用溶接材料を使用して溶接することもある。
【０００５】
しかしながら、オーステナイト系耐熱鋼からなる溶接金属は、一般的に溶接時の高温割れ感受性が高く、その防止が求められる場合がある。上記「溶接時の高温割れ」には、「凝固割れ」と「延性低下割れ」が含まれる。
【０００６】
さらに、母材が溶製後、圧延および熱処理による組織の調整を受けて高温強度の確保がなされるのに対し、溶接金属はほとんどの場合、凝固ままの組織で使用される。そのため、母材をそのまま溶接材料として使用すると、溶接時に十分な耐高温割れ性が得られない場合が生じたり、母材と同等のクリープ強度等の機械的特性を得ることが困難な場合がある。
【０００７】
また、高Ｎｉ合金用の溶接材料はクリープ強度には優れるものの、高価であることから経済性の観点から好ましくないことがあり、被溶接材料と大きく成分が異なる場合には、十分な耐溶接高温割れ性が得られないこともある。
【０００８】
一方、特許文献２に、Ｎｂ、Ｔｉの共晶炭化物を活用し、溶接時の高温割れ防止とクリープ強度を両立させた、高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料が提案されている。
【０００９】
ところで、高温で使用されるオーステナイト系耐熱鋼からなる溶接構造物には、溶接時の高温割れ以外に、高温での長時間使用によって、溶接部で割れが発生するという問題が生じる。
【００１０】
例えば、非特許文献１および非特許文献２には、１８Ｃｒ−８Ｎｉ系のオーステナイト系耐熱鋼の溶接部において、長時間加熱によって溶接熱影響部（以下、「ＨＡＺ」という。）に粒界割れが生じることが指摘されている。
【００１１】
これらの非特許文献では、ＨＡＺにおける粒界割れに影響する因子として、Ｍ23Ｃ6、ＮｂＣ等の炭化物が示唆されている。
【００１２】
非特許文献３には、Ｎｉ基耐熱合金のＨＡＺにおいて、溶接後熱処理中に粒界割れが生じることが指摘されており、γ’相の析出に加えて、Ｓの粒界偏析が影響することが示唆されている。
【００１３】
また、非特許文献４には、１８Ｃｒ−８Ｎｉ−Ｎｂ系のオーステナイト系耐熱鋼溶接部の長時間加熱時のＨＡＺにおける粒界割れの防止策についての検討が行われている。そして、適正な後熱処理の適用による溶接残留応力の低減が割れ防止に有効であるとの溶接プロセス面からの対策が提案されている。
【００１４】
このように、オーステナイト系耐熱鋼を長時間使用した際、ＨＡＺに割れが生じる現象は古くから知られていたものの、近年、材料の高強度化のために多様の合金元素が含有されるに伴い、溶接金属においても長時間加熱時の割れ発生が顕在化する傾向にある。
【００１５】
しかしながら、長時間使用中に溶接部に発生する割れについては、未だ完全な機構解明には至っておらず、さらには、割れ対策、特に、溶接金属における材料面からの割れ対策は確立されていない。
【００１６】
上記の特許文献２で開示された高強度オーステナイト系耐熱鋼からなる溶接金属は、溶接時の耐高温割れ性には極めて優れるものである。しかしながら、近年の過酷な使用条件の下で、長時間使用中に発生する割れ（以下、「応力緩和割れ」と称する。）に対しては、若干改善すべき余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−３０００号公報
【特許文献２】特開２００８−２０７２４２号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｒ．Ｎ．Ｙｏｕｎｇｅｒら：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、Ｏｃｔｏｂｅｒ（１９６０）、ｐ．１８８
【非特許文献２】Ｒ．Ｎ．Ｙｏｕｎｇｅｒら：Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ（１９６１）、ｐ．５７９
【非特許文献３】井川ら：溶接学会誌、第４７巻（１９７８）第１０号、Ｐ．６７９
【非特許文献４】内木ら：石川島播磨技報、第１５巻（１９７５）第２号、ｐ．２０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、溶接時に優れた耐高温割れ性を有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の提供と、それを用いてなる溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属の提供を目的とする。さらに、この溶接材料を用いてなる溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは、前記した課題を解決するために、先ず、高温で長時間使用中に溶接金属に発生する応力緩和割れについて詳細な調査を行った。その結果、下記（ａ）〜（ｃ）の事項が明らかになった。
【００２１】
（ａ）応力緩和割れは溶接金属の柱状晶境界に発生している。
【００２２】
（ｂ）割れ破面は延性に乏しく、破面上には、Ｐ、Ｓの濃化が確認され、特にＳの濃化が顕著である。
【００２３】
（ｃ）割れ部近傍のミクロ組織には、結晶粒内に微細な炭窒化物および金属間化合物が多量に析出している。
【００２４】
上記（ａ）〜（ｃ）の判明事項から、本発明者らは、次の（ｄ）〜（ｆ）の結論に至った。
【００２５】
（ｄ）応力緩和割れは、溶接時の凝固およびその後の高温での加熱中にＰとＳ、特にＳが偏析することに起因して弱くなった粒界に、溶接残留応力および外部応力が作用することによって開口したものである。
【００２６】
（ｅ）粒内に多量の炭窒化物および金属間化合物が微細析出する場合には、粒内の変形能が低下するため、粒界面への応力集中が生じ、粒界が弱くなったこととの重畳作用によって、割れが発生しやすくなる
（ｆ）上記の機構は、非特許文献３にＨＡＺにおける類似の割れについて示唆されている。そして、非特許文献３には、粒界を弱くさせるＳの低減またはＳを固定するためにＣａおよびＭｇを含有させることがその割れを防止するのに有効であることが示されている。しかしながら、溶接金属は凝固ままの組織で使用されるのが一般的であり、熱処理など調質された母材を元にするＨＡＺとは現象が異なることが予想されるため、非特許文献３で提案されたＨＡＺにおける割れ対策がそのまま、応力緩和割れに対しても適用できる可能性は小さい。具体的には、上記非特許文献３にて提案されているＣａおよびＭｇは酸素との親和力が非常に強いため、溶接中に酸化物を形成しやすく、溶接後の溶接金属への歩留まりは溶接条件の影響を受け、その効果を安定して得るのは難しい。さらに、不純物元素の極端な低減は製鋼コストの大幅な増大を招くため、大量生産する工業製品に対して適用することは難しい。
【００２７】
そこで、本発明者らは応力緩和割れを防止するためにさらに詳細な検討を実施した。その結果、次の（ｇ）および（ｈ）によって応力緩和割れに対する感受性を低下できることが判明した。
【００２８】
（ｇ）粒界に偏析して粒界を弱くさせる溶接金属中のＳおよびＰの含有量を特定の範囲内に規制すること。
【００２９】
（ｈ）微細炭化物または金属間化合物として析出して粒内変形抵抗の増大を招く元素、具体的には、ＴｉおよびＮｂの含有量を特定の範囲内に規制すること。
【００３０】
しかしながら、上記（ｇ）及び（ｈ）の対策を講じても、応力緩和割れを完全に防止するには至らなかった。加えて、析出強化効果を十分に活用できないため、所望の良好なクリープ強度が得られないことが判明した。
【００３１】
そこでさらに、本発明者らが検討を進めた結果、高濃度のＷを含有させることによって、応力緩和割れの防止と所望の良好なクリープ強度の確保を両立させることができることが判明した。その理由は、次の（ｉ）および（ｊ）によるものと考えられる。
【００３２】
（ｉ）Ｗ含有量の増加は高温で長時間使用中のＳの粒界偏析エネルギーを低下させ、粒界へのＳの濃化を軽減して、間接的に粒界が弱くなることを抑制する。
【００３３】
（ｊ）Ｗは固溶強化元素としてクリープ強度の向上に寄与するが、この場合の粒内の変形能の低下は、微細な炭窒化物および金属間化合物が析出する場合に比べて小さい。
【００３４】
しかしながら、高濃度のＷを含有させた場合、高温で長時間使用中に溶接金属に発生する応力緩和割れは防止できるものの、溶接中の凝固割れ感受性が逆に増大することが明らかとなった。
【００３５】
そこで、本発明者らはさらに、溶接中の凝固割れを防止するための検討も実施した。その結果、下記（ｋ）の知見が得られた。
【００３６】
（ｋ）ＣｒとＣの含有量を特定の範囲内に制御することによって、具体的には、質量％で、Ｃｒを２０〜２５％含む場合、Ｃの含有量を０．０５％を超えて０．１８％以下とすることによって、溶接中の凝固割れを防止することができる。
【００３７】
その理由は、溶接金属の組織観察結果から、次の（ｌ）によるものと考えられる。
【００３８】
（ｌ）ＣおよびＣｒの含有量を特定の範囲内に制御した場合、溶接金属の凝固過程でＣが主にＣｒと結合して、（Ｃｒ、Ｍ）23Ｃ6とオーステナイトの共晶凝固が生じる。その結果、凝固時の液相の消失が早まるため、溶接中の凝固割れを防止することができる。
【００３９】
加えて、上記のＣおよびＣｒの含有量の適正範囲への管理は、溶接中の延性低下割れの防止にも有効であることが確認できた。
【００４０】
以上のことから、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料としては、質量％で、Ｃｒ：２０〜２５％およびＮｉ：４０％を超えて５０％以下の合金をベースとし、Ｃ：０．０５％を超えて０．１８％以下およびＷ：８．０％を超えて１３．０％以下を含有させることによって、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および所望の良好なクリープ強度の確保を達成できるとの知見を得たのである。
【００４１】
そして、このオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と、高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材からなる溶接継手を得ることができる。
【００４２】
この溶接材料を用いて溶接継手を得る際に、質量％で、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％を含む高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を母材として用いると、母材においても優れたクリープ強度を確保できることとなるので好ましい。母材として用いる高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼は、本発明に係る溶接材料と同じ化学組成を有するオーステナイト系耐熱鋼であってもよいし、異なってもよい。
【００４３】
なお、上記の母材としては、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を用いることが好ましい。
【００４４】
なお、残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、溶接材料や耐熱鋼を工業的に製造する際に、鉱石あるいはスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入するものを指す。
【００４５】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）および（２）に示す溶接材料、（３）に示す溶接金属、そして（４）〜（６）に示す溶接継手にある。
【００４６】
（１）質量％で、Ｃ：０．０５％超えて０．１８％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：８．０％を超えて１３．０％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．０３％を超えて０．２０％以下およびＡｌ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．００８％以下およびＳ：０．００５％以下の化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【００４７】
（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．６０％未満を含むことを特徴とする、上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【００４８】
（３）上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いてなる溶接金属。
【００４９】
（４）上記（３）に記載の溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材からなることを特徴とする、溶接継手。
【００５０】
（５）高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有することを特徴とする、上記（４）に記載の溶接継手。
【００５１】
（６）高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とする、上記（４）に記載の溶接継手。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、溶接時に優れた耐高温割れ性を有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を提供することができ、また、それを用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属を提供することができる。さらに、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明において、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成を限定する理由は次のとおりである。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００５４】
Ｃ：０．０５％超えて０．１８％以下
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、本発明において、溶接時の高温割れ防止のために重要な元素である。すなわち、Ｃは、凝固過程で主にＣｒと結合して、共晶炭化物を生成させ、液相の消失を早めるとともに、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とする。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、特定面への応力集中が抑制されるので、凝固割れを防止することができる。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。後述する本発明のＣｒ含有量の範囲で、上記の効果を十分得るためには、Ｃを０．０５％を超えて含有する必要がある。しかしながら、Ｃを過剰に含有する場合には、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０．０５％を超えて０．１８％以下とする。Ｃ含有量の望ましい下限は０．０６％であり、望ましい上限は０．１５％である。
【００５５】
Ｓｉ：０．５％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の含有量は０．５％以下とする必要がある。Ｓｉの含有量は、０．３％以下とするのが好ましい。しかしながら、Ｓｉ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。そのため、Ｓｉ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＳｉを０．０１％含んでおれば、脱酸効果を得ることができる。さらに望ましいＳｉ含有量の下限は、０．０２％である。
【００５６】
Ｍｎ：１．５％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−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１．５％以下とする必要がある。Ｍｎの含有量は１．２％以下とするのが好ましい。Ｍｎ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＭｎを０．０１％含んでおれば、上記の効果を得ることができる。さらに望ましいＭｎ含有量の下限は、０．０２％である。
【００５７】
Ｎｉ：４０〜５０％
Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であるとともに、長時間使用時の組織安定性を確保し、十分なクリープ強度を得るために必須の元素である。その効果を得るためには、４０％以上のＮｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、５０％を超えるＮｉの多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｎｉの含有量は４０〜５０％とする。Ｎｉ含有量の望ましい下限は４０．５％であり、望ましい上限は４８．５％である。Ｎｉ含有量のさらに望ましい下限は４１％であり、さらに望ましい上限は４６％である。
【００５８】
Ｃｒ：２０〜２５％
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を２０％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒの含有量が過剰になって２５％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の含有量は２０〜２５％とする。Ｃｒ含有量の望ましい下限は２０．５％であり、望ましい上限は２４．５％である。Ｃｒ含有量のさらに望ましい下限は２１％であり、さらに望ましい上限は２４％である。
【００５９】
Ｗ：８．０％を超えて１３．０％以下
Ｗは、マトリックスに固溶して７００℃を超える高温でのクリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。また、Ｗは、Ｓの粒界偏析エネルギーを低下させ、溶接後熱処理および高温使用中のＳの粒界への濃化を軽減することで粒界が弱くなることを抑制し、間接的に応力緩和割れの防止に寄与する。こうした効果を十分に確保して、高温使用中の耐応力緩和割れ性とクリープ強度を両立させるためには、本発明を構成する他の元素との関係で、８．０％を超えるＷ含有量が必要である。しかし、Ｗを過剰に含有させてもその効果は飽和し、かえって靱性およびクリープ強度を低下させる。さらに、Ｗは高価な元素であり、１３．０％を超えるＷの多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｗの含有量は８．０％を超えて１３．０％以下とする。Ｗ含有量の望ましい下限は８．２％であり、望ましい上限は１２．８％である。Ｗ含有量のさらに望ましい下限は８．５％であり、さらに望ましい上限は１２．５％である。
【００６０】
Ｔｉ：０．０１〜０．２％
Ｔｉは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。その効果を得るためには、０．０１％以上のＴｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になって０．２％を超えると、多量に析出し、粒内の変形抵抗を著しく高め、高温使用中の応力緩和割れ感受性を増大させる。そのため、Ｔｉの含有量は０．０１〜０．２％とする。Ｔｉ含有量の望ましい下限は０．０３％であり、望ましい上限は０．１５％である。
【００６１】
Ｎ：０．０３％を超えて０．２０％以下
Ｎ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Ｎは、マトリックスに固溶し、引張強さの向上に寄与する元素でもある。上記の効果を得るためには、０．０３％を超えるＮ含有量が必要である。しかしながら、Ｎの含有量が過剰になって０．２０％を超えると、長時間使用中に多量に窒化物として析出して粒内の変形抵抗を著しく高め、高温使用中の応力緩和割れ感受性を増大させるとともに、溶接時にはブローホール生成の原因となる。そのため、Ｎの含有量は０．０３％を超えて０．２０％以下とする。Ｎ含有量の望ましい下限は０．０５％であり、望ましい上限は０．１８％である。Ｎ含有量のさらに望ましい下限は０．０７％であり、さらに望ましい上限は０．１７％である。
【００６２】
Ａｌ：０．０１％以下
Ａｌは、脱酸剤として含有されるが、多量に含有すると清浄性を著しく害し、溶接材料の加工性および溶接金属の延性を劣化させる。そのため、Ａｌの含有量は０．０１％以下とする必要がある。Ａｌの含有量は０．００８％以下とするのが望ましい。下限は不純物程度でよい。
【００６３】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の一つは、上述のＣからＡｌまでの元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳの含有量をそれぞれ、次に述べる範囲に制限した化学組成を有するものである。
【００６４】
Ｏ：０．０２％以下
Ｏは、不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、溶接材料の加工性および溶接金属の延性を低下させる。そのため、Ｏの含有量は０．０２％以下とする必要がある。Ｏの含有量は０．０１５％以下とするのが望ましい。
【００６５】
Ｐ：０．００８％以下
Ｐ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。そのため、Ｐの含有量は０．００８％以下とする必要がある。Ｐの含有量は０．００６％以下とするのが望ましい。
【００６６】
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、Ｐと同様、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、凝固割れ感受性を増大させる元素である。さらには、高温使用中に結晶粒界に偏析・濃化し、応力緩和割れ感受性を著しく高める元素である。そのため、Ｓの含有量は０．００５％以下とする必要がある。Ｓの含有量は０．００３％以下とするのが望ましい。
【００６７】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の他の一つは、上記残部としての「Ｆｅおよび不純物」におけるＦｅの一部に代えて、０．６０％未満のＮｂを含む化学組成を有するものである。
【００６８】
以下、任意元素であるＮｂの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。
【００６９】
Ｎｂ：０．６０％未満
Ｎｂは、Ｔｉと同様に微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。このため、必要に応じてＮｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になって０．６０％以上になると、炭窒化物の多量析出または微細な金属間化合物の析出を招き、粒内の変形抵抗を著しく高め、高温使用中の応力緩和割れ感受性を増大させる。そのため、含有させる場合のＮｂの量を０．６０％未満とした。含有させる場合のＮｂの量は、０．５０％以下とすることが望ましい。
【００７０】
一方、前記したＮｂの効果を安定して得るためには、含有させる場合のＮｂの量は、０．０１％以上とすることが望ましく、０．０５％以上とすることがさらに望ましい。含有させる場合のＮｂの量は、０．１０％以上とすれば極めて好ましい。
【００７１】
以上、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成について詳述したが、この溶接材料は、溶接時に優れた耐高温割れ性を有する。そして、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属を得ることができる。さらに、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を得ることができる。
【００７２】
なお、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いて溶接継手を得る際に、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有する高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を母材として用いると、母材においても７００℃以上の高温域において優れた延性およびクリープ強度を有することになるから、好ましい。母材として用いる高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼は、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料と同じ化学組成を有するオーステナイト系耐熱鋼であってもよいし、異なってもよい。
【００７３】
ここで、母材として高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼を用いる場合、その母材は、上記のＷ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有するものであることが好ましい理由について詳しく説明する。
【００７４】
Ｗ：６．０〜１０．０％
Ｗは、溶接金属におけると同様に、マトリックスに固溶して７００℃を超える高温でのクリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。母材は凝固ままで使用される溶接金属とは異なり、熱処理によって均質化が図られ、その効果がより得られやすい。このため、母材は、Ｗを含有することが好ましく、その量は６．０％以上であればよい。しかし、Ｗは高価な元素であり、コストの増大を招くため、Ｗを含有する場合のその量は１０．０％以下とすることが望ましい。母材におけるＷ含有量のさらに望ましい下限は７．０％であり、さらに望ましい上限は９．８％である。母材におけるＷ含有量の一層望ましい下限は７．５％であり、一層望ましい上限は９．５％である。
【００７５】
Ｎｉ：４０〜５０％
Ｎｉは、溶接金属におけると同様に、オーステナイト組織を得るために有効な元素であるとともに、長時間使用時の組織安定性を確保し、十分なクリープ強度を得るために有効な元素である。その効果を得るために、母材は、Ｎｉを含有することが好ましく、その量は、溶接金属におけると同様、４０％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉは高価な元素であり、コストの増大を招くため、Ｎｉを含有する場合のその量は５０％以下とすることが望ましい。母材におけるＮｉ含有量のさらに望ましい下限は４０．５％であり、さらに望ましい上限は４８．５％である。母材におけるＮｉ含有量の一層望ましい下限は４２％であり、一層望ましい上限は４７％である。
【００７６】
Ｃｒ：２０〜２５％
Ｃｒは、溶接金属におけると同様に、母材の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る。溶接金属と同等の効果を得るために、母材は、Ｃｒを含有することが好ましく、その量は、２０％以上とすることが好ましい。しかし、Ｃｒの含有量が過剰になると高温での組織の安定性を劣化して、クリープ強度の低下を招く。このため、Ｃｒを含有する場合、その量は２５％以下とすることが望ましい。母材におけるＣｒ含有量のさらに望ましい下限は２０．５％であり、さらに望ましい上限は２４．５％である。母材におけるＣｒ含有量の一層望ましい下限は２１％であり、一層望ましい上限は２４％である。
【００７７】
高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材は、上記範囲のＷ、ＮｉおよびＣｒに加えて、以下に述べる量の元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなるものであることがより好ましい。
【００７８】
Ｃ：０．０４〜０．１２％
Ｃは、溶接金属におけると同様に、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。母材は凝固ままで使用される溶接金属とは異なり、熱処理によって均質化が図られ、その効果がより得られやすく、また、溶接割れ防止に対する対策を必要としない。このため、母材は、Ｃを含有することが好ましく、その量は０．０４％以上であればよい。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、かえってクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃを含有する場合、その量は０．１２％以下とすることが望ましい。母材におけるＣ含有量のさらに望ましい下限は０．０５％であり、さらに望ましい上限は０．１０％である。
【００７９】
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有する。しかしながら、Ｓｉの含有量が過剰になると靱性を低下させる。したがって、母材がＳｉを含有する場合、その量は０．５％以下とすることが望ましく、０．４％以下とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｓｉ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度が大きくなって清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。そのため、母材におけるＳｉ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＳｉを０．０１％含んでおれば、脱酸効果を得ることができる。さらに望ましいＳｉ含有量の下限は、０．０２％である。
【００８０】
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招く。このため、母材がＭｎを含有する場合、その量は１．５％以下とすることが望ましく、１．２％以下とするのがさらに好ましい。母材におけるＭｎ含有量の下限は特に設けないが、望ましくは０．０１％である。少なくともＭｎを０．０１％含んでおれば、脱酸効果を得ることができる。さらに望ましいＭｎ含有量の下限は、０．０２％である。
【００８１】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として含まれ、Ｐの含有量が過剰になるとクリープ延性の低下を招く。母材は、溶接金属の場合とは異なり、溶接割れ防止に対する対策を必要としないし、Ｐ含有量の極度の低減は製鋼コストの著しい増大を招く。このため、母材におけるＰ含有量は０．０３％以下とすることが望ましく、０．０２％以下とするのがさらに好ましい。
【００８２】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様、不純物として含まれ、Ｓの含有量が過剰になるとクリープ延性の低下を招く。母材は、溶接金属の場合とは異なり、溶接割れ防止に対する対策を必要としないし、Ｓ含有量の極度の低減は製鋼コストの著しい増大を招く。このため、母材におけるＳ含有量は０．０１％以下とすることが望ましく、０．００８％以下とするのがさらに好ましい。
【００８３】
Ｍｏ：０．２％以下
Ｍｏは、Ｗと同様に、マトリックスに固溶して７００℃を超える高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。このため、母材は、Ｍｏを含有することが好ましい。しかしながら、Ｍｏは高価な元素であるともに、相安定性を低下させる元素でもあるため、Ｍｏを含有する場合のその量は０．２％以下とすることが望ましい。母材におけるＭｏ含有量の望ましい下限は０．０２％である。
【００８４】
Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満
Ｎｂは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であり、高温使用中の応力緩和割れ感受性が溶接金属に比べて低い母材では高強度化のために積極的に活用してもよい。このため、母材は、Ｎｂを含有することが好ましく、その量は、０．０５％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると多量に炭窒化物を生成し、靱性の低下を招く。したがって、Ｎｂを含有する場合、その量は０．６０％未満とすることが望ましい。母材におけるＮｂ含有量のさらに望ましい下限は０．１０％であり、さらに望ましい上限は０．５０％である。
【００８５】
Ｔｉ：０．０２〜０．２０％
Ｔｉは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であり、高温使用中の応力緩和割れ感受性が溶接金属に比べて低い母材では高強度化のために積極的に活用してもよい。このため、母材は、Ｔｉを含有することが好ましく、その量は、０．０２％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると多量に炭窒化物を生成し、靱性の低下を招く。そのため、Ｔｉを含有する場合、その量は０．２０％以下とすることが望ましい。母材におけるＴｉ含有量のさらに望ましい下限は０．０５％であり、さらに望ましい上限は０．１５％である。
【００８６】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、オーステナイト相を安定にするのに有効な元素であり、マトリックスに固溶し、引張強さを高めるのに有効な元素である反面、熱間加工性を著しく低下させてしまう。そのため、母材においては、溶接金属に比べて、Ｎ含有量の上限を厳しく管理するのがよく０．０２％以下とすることが好ましい。母材におけるＮ含有量のさらに望ましい上限は０．０１％である。
【００８７】
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析して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って、クリープ強度を向上させるのに有効な元素である。このため、母材は、Ｂを含有することが好ましい。しかしながら、Ｂの含有量が過剰になるとＨＡＺの液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂを含有する場合、その量は０．００５％以下とすることが望ましい。母材におけるＢ含有量の望ましい下限は０．０００２％である。
【００８８】
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは、脱酸作用を有するが、Ａｌの含有量が過剰になると清浄性を著しく害し、母材製造時の加工性を低下させる。しかしながら、母材においては、溶接金属の場合のように溶接中に酸化物を生成してより一層清浄性を低下させる懸念がない。このため、Ａｌを含有する場合、その量は０．０４％以下にすることが望ましい。母材におけるＡｌ含有量のさらに望ましい上限は０．０３％である。
【００８９】
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。
【実施例】
【００９０】
表１に示す化学組成を有する材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板材を溶接母材用として作製した。
【００９１】
さらに、表２に示す化学組成を有する符号Ａ〜Ｆの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延および機械加工により、外径１．２ｍｍ、長さ１０００ｍｍの溶接材料（溶接ワイヤ）を作製した。
【００９２】
【表１】
【００９３】
【表２】
【００９４】
上記の溶接母材用板材の長手方向に、角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した後、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍで長さ２００ｍｍのＳＭ４００ＢのＪＩＳ Ｇ ３１６０（２００８）に規定の市販の鋼板上に、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳ Ｚ３２２４（１９９９）に規定の「ＤＮｉＣｒＦｅ−３」を用いて、四周を拘束溶接した。
【００９５】
その後、上述した符号Ａ〜Ｆの溶接材料を用いて、入熱９〜１５ｋＪ／ｃｍでＴＩＧ溶接により開先内に多層溶接を行って、溶接材料の各符号について２体ずつ溶接継手を作製した。
【００９６】
溶接継手は、各符号について、１体は溶接ままで、残りの１体は７００℃×５００時間の時効熱処理を行ってから、次の試験に供した。
【００９７】
すなわち、各符号について、溶接ままの溶接継手および時効熱処理を施した溶接継手の各５か所から採取した試料の横断面を鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡により検鏡し、溶接金属における割れの有無を調査した。なお、５個の全ての試料で割れのない溶接継手を「合格」とした。
【００９８】
さらに、検鏡の結果、溶接金属に割れの認められなかった溶接ままの溶接継手から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取し、母材板材の目標破断時間が約１０００時間となる７００℃、１４７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、母材破断するものを「合格」とした。
【００９９】
表３に、上記各試験の結果を示す。
【０１００】
表３の「割れ観察結果」欄における「○」は、５個の全ての試料で割れがない「合格」の溶接継手であることを示す。一方、「×」は、５個の試料のうち少なくとも１個の試料に割れが認められたことを示す。
【０１０１】
また、「クリープ破断試験結果」欄における「○」は母材破断した「合格」の溶接継手であることを示す。一方、「×」は母材破断しなかったことを示す。溶接材料符号Ｅの「−」は、溶接ままの溶接継手から採取した試料の溶接金属に割れが認められたため、クリープ破断試験を行わなかったことを示す。
【０１０２】
【表３】
【０１０３】
表３から、化学組成が本発明で規定する範囲にある符号Ａ〜Ｃの溶接材料を用いて溶接した溶接継手の溶接金属には、時効熱処理中の応力緩和割れおよび溶接中の高温割れともに発生せず、高いクリープ強度を有することが明らかである。
【０１０４】
これに対して、化学組成が本発明で規定する範囲から外れた符号Ｄ〜Ｆの溶接材料を用いて溶接した溶接継手の溶接金属には、時効熱処理中の応力緩和割れと溶接中の高温割れのうちの少なくともいずれかの発生が認められた。
【０１０５】
すなわち、ＷおよびＮｂの含有量が本発明で規定する範囲を外れる符号Ｄの溶接材料を用いて溶接した溶接継手は、Ｎｂを含む炭窒化物および金属間化合物が粒内に過剰に生成して、粒内の変形抵抗が高く、かつＳの粒界濃化の軽減効果が得られなかったため、時効熱処理中に応力緩和割れが発生した。
【０１０６】
Ｃの含有量が０．０２％と低く、凝固過程で十分な共晶炭化物を生成するのに必要な量を下回る符号Ｅの溶接材料を用いて溶接した溶接継手は、溶接中に高温割れが発生した。
【０１０７】
Ｗの含有量が本発明で規定する範囲を外れる符号Ｆの溶接材料を用いて溶接した溶接継手は、時効熱処理中に応力緩和割れが発生するとともにクリープ強度を満足しなかった。
【０１０８】
以上述べたように、本発明で規定する範囲内の化学組成を有する溶接材料を用いた場合、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属となることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明によれば、溶接時に優れた耐高温割れ性を有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を提供することができ、また、それを用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属を提供することができる。さらに、この溶接材料を用いて、溶接中の耐高温割れ性、高温で長時間使用中の耐応力緩和割れ性および良好なクリープ強度を有する溶接金属と高温における優れたクリープ強度を有する母材とからなる溶接継手を提供することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０５％超えて０．１８％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：８．０％を超えて１３．０％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．０３％を超えて０．２０％以下およびＡｌ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．００８％以下およびＳ：０．００５％以下の化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．６０％未満を含むことを特徴とする、請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いてなる溶接金属。
【請求項４】
請求項３に記載の溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材からなることを特徴とする、溶接継手。
【請求項５】
高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有することを特徴とする、請求項４に記載の溶接継手。
【請求項６】
高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とする、請求項４に記載の溶接継手。
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０５％超えて０．１８％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：８．０％を超えて１３．０％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．０３％を超えて０．２０％以下およびＡｌ：０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．００８％以下およびＳ：０．００５％以下の化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．６０％未満を含むことを特徴とする、請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いてなる溶接金属。
【請求項４】
請求項３に記載の溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材からなることを特徴とする、溶接継手。
【請求項５】
高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｎｉ：４０〜５０％およびＣｒ：２０〜２５％を含有することを特徴とする、請求項４に記載の溶接継手。
【請求項６】
高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼の母材が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：４０〜５０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：６．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２％以下、Ｎｂ：０．０５％以上で０．６０％未満、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とする、請求項４に記載の溶接継手。
【公開番号】特開２０１１−２５５３９０（Ｐ２０１１−２５５３９０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２９８５８（Ｐ２０１０−１２９８５８）
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【特許番号】特許第４８３５７７０号（Ｐ４８３５７７０）
【特許公報発行日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【特許番号】特許第４８３５７７０号（Ｐ４８３５７７０）
【特許公報発行日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
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