JP6225598B2

JP6225598B2 - オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料

Info

Publication number: JP6225598B2
Application number: JP2013196473A
Authority: JP
Inventors: 孝裕小薄; 越雄旦; 平田　弘征; 弘征平田; 佳奈浄徳
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: JP2015062910A

Description

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料に関する。詳しくは、石油精製、石油化学プラントの加熱炉管等に要求される特性である耐ポリチオン酸応力腐食割れ性および高温強度に優れた溶接継手を得るために用いられ、かつ優れた溶接性を有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料に関する。なお、以下の説明においては、「応力腐食割れ」を「ＳＣＣ」という。

石油精製、石油化学プラントの加熱炉管等の設備は高温環境で稼働し、さらに原料中に含有する硫黄（Ｓ）に起因して硫化鉄が生成する。その硫化鉄が水や空気と接触するとポリチオン酸を生成し、ＳＣＣを誘発するため、これらの設備に使用される材料には優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が求められる。

また、原料によっては６００℃を超えるような高温での触媒反応が図られており、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性だけではなく、優れた高温強度と時効特性も要求される。

そのため、母材となる鋼材はもちろんのこと、溶接継手、特に溶接金属においても優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性、高温強度および時効特性が必要となり、それを得ることができる溶接材料は不可欠である。

そこで本発明者らは、特許文献１にて、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性と高温強度に優れ、さらに液化割れや脆化割れといった溶接割れに対する抵抗性、すなわち耐溶接割れ性にも優れるオーステナイト系ステンレス鋼を提案した。

また、耐ポリチオン酸ＳＣＣのような耐粒界鋭敏化特性を確保するために必要となる低Ｃ域まで考慮したオーステナイト系溶接材料が種々提案されている。

例えば、特許文献２に、Ｃ含有量が０．０１〜０．１５質量％の、耐再熱割れ性とクリープ特性に優れた溶接材料が提案されている。

特許文献３および特許文献４には、Ｃ含有量が０．０１〜０．０５質量％の、また、特許文献５には、Ｃ含有量が０．０１〜０．０７質量％の、いずれも高温強度に優れたＴＩＧ溶接材料が提案されている。

また、特許文献６および特許文献７には、Ｃ含有量が０．０３０質量％以下の低Ｃで、必要に応じてＮｂを含有し、さらに、組織に特定量のフェライトを含む溶接材料が提案されている。

他にも特許文献８および特許文献９にはそれぞれ、Ｃ含有量が０．０１質量％以下の低Ｃにて、耐応力腐食割れ性に優れた溶接材料および耐高温割れ性に優れた溶接材料が提案されているし、特許文献１０および特許文献１１にはいずれも、Ｃ含有量が０．０３０質量％以下の低Ｃであって、溶接金属部のフェライト量が特定の範囲にある溶接材料が提案されている。

さらに、特許文献１２にも、Ｃ含有量が０．０１質量％以下の低Ｃ系の溶接材料が提案されており、特許文献１３には、ＣとＮｂの含有量の比が特定の範囲にある溶接材料が提案されている。

国際公開第２００９／０４４８０２号特開２０００−１０２８９１号公報特開平１１−２８５８８９号公報特開平１０−２２５７９２号公報特開２００１−３００７６３号公報特開平５−５０２８７号公報特開平５−５０２８８号公報特開２０１０−１４２８４３号公報特開平４−２３７５９２号公報特開平２−９９２９５号公報特開平３−１６９４９７号公報国際公開第２０１０／０７１１４６号特開２００４−５８０６２号公報

特許文献１で本発明者らが提案したオーステナイト系ステンレス鋼は、確かに耐溶接割れ性に優れ、しかも、良好な耐ポリチオン酸ＳＣＣ性と高温強度を有するものである。しかしながら、このステンレス鋼を溶接材料として用いるためには、まだ改良すべき点が残されている。

特許文献２で提案された溶接材料は、Ｃｒ含有量に対してＮｉ含有量が１０％以下と低く組織安定性が十分ではないので、時効特性に劣っている。

特許文献３、特許文献４および特許文献５で提案された溶接材料は、高温強度に優れるものではあるが、高価な元素であるＷを必須元素として含有させることで高温強度を上げているため、経済性の面で問題がある。さらに、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性に関する検討も課題として残されている。

特許文献６および特許文献７で提案された溶接材料は、良好な耐粒界鋭敏化特性を有することが期待されるものの、Ｎｉ含有量が低く、組織に特定量のフェライトを含むため、時効特性に劣っており、かつクリープ強度も不十分である。

特許文献８〜１１で提案された溶接材料は、ＮｂのようなＣを固定化する元素が含まれておらず耐ポリチオン酸ＳＣＣ性が不十分であり、さらに、析出強化を生じる元素も含まれていないので高温強度も劣っている。さらに、特許文献１０および特許文献１１で提案された溶接材料は溶接金属部にフェライトが存在する組織のため時効特性にも劣っている。

特許文献１２で提案された溶接材料は、優れた耐粒界鋭敏化特性が期待されるものの、Ｃｒ含有量が高く組織安定性が十分ではないので時効特性に劣る。さらに、クリープ強化元素が含まれていないので、高温強度も不十分である。

特許文献１３で提案された溶接材料は、Ｃｒの含有量が高い。このため、組織安定性の観点からＮｉ含有量も高めざるを得ないので、経済性に劣る。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性と高温強度を有するとともに、優れた時効特性および耐溶接割れ性と経済性も有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記した課題を解決するために検討を重ねた。その結果、下記（ａ）〜（ｅ）の知見を得た。

（ａ）ポリチオン酸ＳＣＣは粒界鋭敏化に起因する応力腐食割れである。したがって、ポリチオン酸ＳＣＣの発生を抑制には、粒界鋭敏化の原因となるＣｒ系炭化物の粒界析出を抑制する必要がある。

（ｂ）Ｃの含有量を極力低減しつつ特定量のＮｂを含有させるこによって、炭化物、Ｃｒ系窒化物などとして、ＣおよびＣｒを固定して活量を低減させれば、優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を発現させることができる。

（ｃ）低Ｃ化による高温強度の低下は経済性に優れるＮ含有量の増加によって補填することができ、さらに、経済性に優れるＣｕを含有させれば、Ｃｕ相による析出強化がなされるので、さらなる高強度化を経済的に実現することができる。

（ｄ）時効特性の点からは、完全オーステナイト組織とするのが最善であり、このためには、Ｃｒ含有量に見合ったＮｉ含有量を確保することが必要である。しかしながら、完全オーステナイト組織化すれば、フェライト量減少によって凝固割れが生じることを避け難い。

（ｅ）ＭＸ系炭窒化物およびＺ相を凝固末期に共晶晶出させて凝固の進行を加速すれば、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を確保しつつ、凝固割れ感受性も低減することが可能で、このためには、Ｎ含有量に見合った量のＮｂを含有させればよい。

そこでさらに本発明者らは、Ｃ、Ｎｂ、Ｎ、Ｃｕ、Ｃｒなど各種合金元素の含有量が、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性、高温強度および時効特性に及ぼす影響について検討し、その結果、下記（ｆ）の知見を得た。

（ｆ）合金元素の含有量が特定の範囲にあり、式中の元素記号を、その元素の質量％での含有量として、下記の(1)式で表されるＦｎ１が、〔４０≧Ｆｎ１≧−２〕であり、かつ下記の(2)式で表されるＦｎ２が、〔Ｆｎ２≧１．３〕である場合に、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料は、優れた時効特性を有するとともに、優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性と高温強度も有する。
Ｆｎ１＝Ｎｉ＋０．３１Ｍｎ＋２２Ｃ＋１４．２Ｎ＋Ｃｕ−Ｃｒ−１．５Ｓｉ−２Ｎｂ・・・(1)、
Ｆｎ２＝Ｃｕ−１０Ｃ−（Ｎｂ／１０）・・・(2)。

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、下記に示すオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２．９８％以下、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｕ：１．５〜５％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．２〜１．０％およびＮ：０．１％を超えて０．４５％以下と、
残部がＦｅおよび不純物とからなり、
下記の(1)式および(2)式で表されるＦｎ１およびＦｎ２が、それぞれ、４０≧Ｆｎ１≧−２およびＦｎ２≧１．３であり、
不純物としてのＰ、ＳおよびＯがそれぞれ、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下およびＯ：０．０２％以下である化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。
Ｆｎ１＝Ｎｉ＋０．３１Ｍｎ＋２２Ｃ＋１４．２Ｎ＋Ｃｕ−Ｃｒ−１．５Ｓｉ−２Ｎｂ・・・(1)
Ｆｎ２＝Ｃｕ−１０Ｃ−（Ｎｂ／１０）・・・(2)
ただし、(1)式および(2)式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。

（２）上記（１）に記載のオーステナイト系溶接材料のＦｅの一部に代えて、下記の［１］〜［４］から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。
［１］：Ｍｏ：５％以下、Ｃｏ：５％以下およびＷ：１．５％以下
［２］：Ｖ：０．３％以下、Ｔｉ：０．３％以下およびＴａ：１％以下
［３］：Ｂ：０．０１％以下
［４］：Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下

本発明によれば、優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性と高温強度を有するとともに、優れた時効特性および耐溶接割れ性と経済性も有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料を得ることができる。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明における各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．０２％以下
Ｃは、オーステナイト組織を安定化する作用を有する。しかしながら、Ｃは、溶接凝固割れ感受性を増大させ、しかも、溶接金属においては、Ｃｒと結合して、後続溶接の熱サイクルにより主に粒界にてＣｒ炭化物として析出し、粒界鋭敏化を生じて耐ポリチオン酸ＳＣＣ性の低下を招き、特にその含有量が０．０２％を超えると、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性の低下が著しくなる。したがって、Ｃの含有量は０．０２％以下にする必要がある。Ｃ含有量のさらなる低減は耐ポリチオン酸ＳＣＣ性の点からより好ましいが、強度確保の点からは、Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．００５％である。

Ｓｉ：２％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有し、さらに、耐食性の向上にも有効な元素である。しかし、Ｓｉの過剰の含有はオーステナイト組織の安定性を低下させて、組織安定性の低下を招くとともに、溶接金属においては凝固時に柱状晶境界に偏析して液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める。したがって、Ｓｉの含有量を２％以下とする。Ｓｉの含有量は、望ましくは１．５％以下、さらに望ましくは１．０％以下である。なお、Ｓｉの含有量には、特に下限を設ける必要はないが、極端な低下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含有量の下限は、望ましくは０．０１％、さらに望ましくは０．０５％である。

Ｍｎ：１０％以下
Ｍｎは、脱酸作用を有し、さらに、オーステナイト組織を安定化するのにも有効な元素である。さらにＭｎは、溶融金属中のＮの溶解度を大きくすることで、高温強度の上昇に寄与する。しかしながら、Ｍｎの過剰の含有は延性の低下を招く。したがって、Ｍｎの含有量を１０％以下とする。Ｍｎの含有量は、望ましくは８％以下、さらに望ましくは６％以下である。なお、Ｍｎの含有量には、特に下限を設ける必要はないが、極端な低下は脱酸効果およびオーステナイト組織安定化の効果が十分に得られない。そのため、Ｍｎ含有量の下限は、望ましくは０．１％、さらに望ましくは０．５％である。Ｍｎ含有量の下限は、０．８％であれば極めて望ましい。

Ｎｉ：１０〜４０％
Ｎｉは、安定なオーステナイト組織を得るために必須の元素であり、その効果を十分に得るためには、１０％以上の含有量が必要である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であるため多量の含有はコストの増大を招くとともに、溶融金属中のＮの溶解度を小さくする。そのためＮｉ含有量の上限は４０％とする。Ｎｉ含有量の下限は、望ましくは１４％、さらに望ましくは１５％である。また、Ｎｉ含有量の上限は、望ましくは３０％、さらに望ましくは２５％である。

Ｃｒ：１５〜２５％
Ｃｒは、使用環境下での耐食性を確保するために必須の元素であり、その効果を十分に得るためには、１５％以上の含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎると、オーステナイト組織の安定性が低下し、高温強度が低下する。そのためＣｒ含有量の上限は２５％とする。Ｃｒ含有量の下限は、望ましくは１６％、さらに望ましくは１７％である。また、Ｃｒ含有量の上限は、望ましくは２２％、さらに望ましくは２０％である。

Ｃｕ：１．５〜５％
Ｃｕは、安定なオーステナイト組織を得るために有効な元素であると同時に、鋼中に微細に析出して高温強度（クリープ強度）を高める効果がある。これらの効果を得るには、１．５％以上のＣｕを含有する必要がある。しかしながら、Ｃｕは粒界に偏析しやすいため、Ｃｕの過剰の含有は熱間加工性や溶接性の低下を招く。したがって、Ｃｕの含有量は１．５〜５％とする。Ｃｕ含有量の下限は、望ましくは２％、さらに望ましくは２．５％である。また、Ｃｕ含有量の上限は、望ましくは４．５％、さらに望ましくは４％である。

Ａｌ：０．０５％未満
Ａｌは、ＳｉおよびＭｎと同様、脱酸作用を有する。しかし、Ａｌを過剰に含有した場合、多量の窒化物を形成して、延性の低下を招く。このため、Ａｌの含有量を０．０５％未満とする。Ａｌの含有量は、望ましくは、０．０４％以下、さらに望ましくは０．０３％以下である。なお、Ａｌの含有量には、特に下限を設ける必要はないが、極端な低下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、Ａｌ含有量の下限は、望ましくは０．００１％、さらに望ましくは０．００２％である。

Ｎｂ：０．２〜１．０％
Ｎｂは、本発明において重要な元素であり、ＭＸ系炭窒化物またはＺ相として析出し、優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を発現させる作用を有する。また、上述した析出物は高温強度（クリープ強度）の向上にも有効である。さらに、適正量のＮとともにＮｂを含有させれば、ＭＸ系炭窒化物およびＺ相が凝固末期に共晶晶出して凝固の進行が加速するので、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を確保しつつ、凝固割れ感受性も低減することができる。これらの効果を得るには、０．２％以上のＮｂ含有量が必要である。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると、溶接金属において、凝固時に柱状晶境界に偏析して液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める。したがって、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性および高温強度の確保と、凝固割れの防止のために、Ｎｂの含有量を０．２〜１．０％とする。Ｎｂ含有量の下限は、望ましくは０．２５％、さらに望ましくは０．３％である。また、Ｎｂ含有量の上限は、望ましくは０．９％、さらに望ましくは０．８％である。

Ｎ：０．１％を超えて０．４５％以下
Ｎは、基質中に固溶して、また、ＮｂとともにＺ相の微細なＣｒ系窒化物を形成して、高い強度を得るために必須の元素である。さらに、適正量のＮｂとともにＮを含有させれば、ＭＸ系炭窒化物およびＺ相が凝固末期に共晶晶出して凝固の進行が加速するので、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を確保しつつ、凝固割れ感受性も低減することができる。こうした効果を十分に得るためには０．１％を超えるＮ含有量が必要である。しかし、Ｎを過剰に含有すると、粒界でのＣｒ系窒化物の析出を誘発することで却って耐ポリチオン酸ＳＣＣ性の低下を招き、また凝固中に粗大なＺ相の共晶窒化物を晶出して凝固割れ感受性も逆に高くなり、さらにはブローホールの生成も誘発する。そのため、Ｎ含有量の上限を０．４５％とする。Ｎ含有量の下限は、望ましくは０．１８％、さらに望ましくは０．２０％である。また、Ｎ含有量の上限は、望ましくは０．４２％、さらに望ましくは０．４０％である。

本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料は、上述の元素と、残部がＦｅおよび不純物とからなり、さらに後述するＦｎ１およびＦｎ２についての条件を満足し、不純物中のＰ、ＳおよびＯの含有量を後述する範囲に制限した化学組成を有するものである。

なお、残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。

Ｆｎ１：−２以上４０以下
ＣからＮまでの各元素の含有量が、上述した範囲にあっても、前記の(1)式で表されるＦｎ１が−２を下回る場合には、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料を用いて得られる溶接金属の組織安定性が低下するため、十分な時効特性が得られない。また、４０を超えるＦｎ１の増加は経済性を劣化させるため、Ｆｎ１について、４０≧Ｆｎ１≧−２であることとした。Ｆｎ１は、−１以上、３０以下であることが望ましい。

Ｆｎ２：１．３以上
また、ＣからＮまでの各元素の含有量が、上述した範囲にあっても、前記の(2)式で表されるＦｎ２が１．３を下回る場合には、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料は、優れた耐ポリチオン酸ＳＣＣ性と高温強度を同時に得ることができない。したがって、Ｆｎ２について、Ｆｎ２≧１．３であることとした。Ｆｎ２は、１．５以上、４．０以下であることが望ましい。

さらに、本発明においては、不純物中のＰ、ＳおよびＯは、その含有量をそれぞれ、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下およびＯ：０．０２％以下に制限する必要がある。

以下、このことについて説明する。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として含まれ、製造時の熱間加工性を阻害するとともに、溶接金属においては凝固時に液相の融点を低下させ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招くため、０．０３％以下とする。Ｐ含有量の上限は、望ましくは０．０２５％、さらに望ましくは０．０２％である。

Ｓ：０．０２％以下
Ｓは、Ｐと同様、不純物として含まれ、製造時の熱間加工性を阻害するとともに、溶接金属においては凝固時に液相の融点を低下させ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Ｓの含有量はＰと同様に可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招くため、上限は０．０２％とする。Ｓ含有量の上限は、望ましくは０．０１５％、さらに望ましくは０．０１％である。

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、製造時の熱間加工性の低下、さらには靱性および延性の劣化を招く。そのため、Ｏの含有量は０．０２％以下とする必要がある。Ｏ含有量の上限は、望ましくは０．０１５％、さらに望ましくは０．０１％である。

本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料は、必要に応じてさらに、下記の元素を含有してもよい。

Ｍｏ：５％以下
Ｍｏは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Ｍｏは、基質中に固溶して高温強度、なかでもクリープ強度を高める。Ｍｏには、粒界でのＣｒ系炭化物の析出を抑制して耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を高める効果もある。このため、これらの効果を得るためにＭｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏの過剰の含有は、組織安定性の低下を招くとともに、高価な元素であるため、経済性の低下も招く。したがって、含有させる場合のＭｏ量の上限を５％とする。Ｍｏ含有量の上限は、望ましくは４％、さらに望ましくは３％である。

一方、前記したＭｏの効果を安定して得るためには、Ｍｏの含有量は０．０５％以上とすることが望ましく、０．１％以上とすればさらに望ましい。

Ｃｏ：５％以下
Ｃｏは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Ｃｏは、Ｎｉと同様にオーステナイト組織を安定化して鋼の高温強度を高める。このため、この効果を得るためにＣｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏは高価な元素であるため、過剰の含有は、経済性の低下を招く。したがって、含有させる場合のＣｏ量の上限を５％とする。Ｃｏ含有量の上限は、望ましくは３％、さらに望ましくは１％である。

一方、前記したＣｏの効果を安定して得るためには、Ｃｏの含有量は０．０３％以上とすることが望ましく、０．１％以上とすればさらに望ましい。

Ｗ：１．５％以下
Ｗは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Ｗは、Ｍｏと同様に基質中に固溶して高温強度、なかでもクリープ強度を高める。このため、この効果を得るためにＷを含有させてもよい。しかしながら、Ｗは高価な元素であるため、過剰の含有は、経済性の低下を招くし、Ｍｏとは異なって、却って高温強度の低下をきたし、さらに耐ポリチオン酸ＳＣＣ性の改善効果も小さい。したがって、含有させる場合のＷ量の上限を１．５％とする。Ｗ含有量の上限は、望ましくは１．２％、さらに望ましくは１．０％である。

一方、前記したＷの効果を安定して得るためには、Ｗの含有量は０．１％以上とすることが望ましく、０．２％以上とすればさらに望ましい。

Ｖ：０．３％以下
Ｖは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Ｖは、基質中に固溶またはＺ相として析出し、高温強度を向上させる。このため、この効果を得るためにＶを含有させてもよい。しかしながら、Ｖの過剰の含有は、炭窒化物を多量析出させ、延性の低下を招く。したがって、含有させる場合のＶ量の上限を０．３％とする。Ｖ含有量の上限は、望ましくは０．２５％、さらに望ましくは０．２％である。

一方、前記したＶの効果を安定して得るためには、Ｖの含有量は０．０５％以上とすることが望ましく、０．１％以上とすればさらに望ましい。

Ｔｉ：０．３％以下
Ｔｉは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Ｔｉは、基質中に固溶またはＭＸ系炭窒化物として析出し、高温強度を向上させる。このため、この効果を得るためにＴｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉの過剰の含有は、粗大な窒化物を生成して、延性の低下を招く。したがって、含有させる場合のＴｉ量の上限を０．３％とする。Ｔｉ含有量の上限は、望ましくは０．２５％、さらに望ましくは０．２％である。

一方、前記したＴｉの効果を安定して得るためには、Ｔｉの含有量は０．０５％以上とすることが望ましく、０．１％以上とすればさらに望ましい。

Ｔａ：１％以下
Ｔａは、高温強度を高める作用を有する。すなわち、Ｔａは、基質中に固溶またはＺ相として析出し、高温強度を向上させる。このため、この効果を得るためにＴａを含有させてもよい。しかしながら、Ｔａの過剰の含有は、経済性の低下を招く。したがって、含有させる場合のＴａ量の上限を１％とする。Ｔａ含有量の上限は、望ましくは０．６％、さらに望ましくは０．５％である。

一方、前記したＴａの効果を安定して得るためには、Ｔａの含有量は０．１％以上とすることが望ましく、０．２％以上とすればさらに望ましい。

Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、粒界に偏析して粒界炭化物を微細分散させて高温強度（クリープ強度）を高める作用を有する。このため、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含有量の増加は粒界でのＣｒ系炭化物の析出を促進して各種耐食性の低下を招き、また溶接金属においては凝固中の粒界に偏析して凝固割れ感受性も高める。したがって、含有させる場合のＢ量の上限を０．０１％とする。Ｂ含有量の上限は、望ましくは０．００５％、さらに望ましくは０．００３％である。

一方、前記したＢの効果を安定して得るためには、Ｂの含有量は０．００１％以上とすることが望ましく、０．００１５％以上とすればさらに望ましい。

Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、いずれも、Ｓとの親和力が高いので、熱間加工性を高める作用を有し、さらに、Ｓの粒界偏析に起因した凝固割れ感受性を低減する作用を有する。このため、より良好な熱間加工性の確保と凝固割れの防止のために、以下の範囲で含有してもよい。

Ｃａ：０．０１％以下
Ｃａは、熱間加工性向上および溶接金属における凝固割れ感受性低減作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＣａを含有させてもよい。しかしながら、Ｃａの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合のＣａ量の上限を０．０１％とする。Ｃａ含有量の上限は、望ましくは０．００７％、さらに望ましくは０．００５％である。

一方、前記したＣａの効果を安定して得るためには、Ｃａの含有量は０．０００１％以上とすることが望ましく、０．０００３％以上とすればさらに望ましい。

Ｍｇ：０．０１％以下
Ｍｇは、Ｃａと同様、熱間加工性向上および溶接金属における凝固割れ感受性低減作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＭｇを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合のＭｇ量の上限を０．０１％とする。Ｍｇ含有量の上限は、望ましくは０．００７％、さらに望ましくは０．００５％である。

一方、前記したＭｇの効果を安定して得るためには、Ｍｇの含有量は０．０００１％以上とすることが望ましく、０．０００３％以上とすればさらに望ましい。

ＲＥＭ：０．１％以下
ＲＥＭも、熱間加工性向上および溶接金属における凝固割れ感受性低減作用を有する。このため、これらの効果を得るためにＲＥＭを含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合のＲＥＭ量の上限を０．１％とする。ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０６％、さらに望ましくは０．０５％である。

一方、前記したＲＥＭの効果を安定して得るためには、ＲＥＭの含有量は０．００１％以上とすることが望ましく、０．００５％以上とすればさらに望ましい。

なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させてもよい。

上記のＣａ、ＭｇおよびＲＥＭは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有させることができる。

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オーステナイト系ステンレス鋼Ａ〜Ｎを３０ｋｇ高周波真空溶解炉によって溶製後、造塊してインゴットを作製した。

なお、表１中の鋼Ａ〜Ｉは化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼Ｊ〜Ｎは化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。

各インゴットの一部を、熱間鍛造および熱間圧延した後、１１００℃で３０ｍｉｎの固溶化熱処理を実施し、水冷した。その後、厚さ４ｍｍ、幅１００ｍｍで長さ１００ｍｍのトランスバレストレイン試験用試験片を採取した。

また、各インゴットの残りを用いて、通常の方法で熱間鍛造した後、途中で固溶化熱処理を繰返しながら冷間加工して、直径が２．０ｍｍのソリッドワイヤからなる溶接材料を作製した。

先ず、各溶接材料の凝固割れ感受性をより詳細に評価するために、前記のトランスバレストレイン試験片を用いて、溶接電流：１００Ａ、溶接電圧：１５Ｖ、溶接速度：１５ｃｍ／ｍｉｎ、付加歪み：２％の条件にてトランスバレストレイン試験を行い、最大割れ長さを測定した。

なお、完全オーステナイト凝固するオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓの溶接金属のトランスバレストレイン試験により評価された最大割れ長さは１ｍｍ以下であることが知られている。したがって、トランスバレストレイン試験により評価された最大割れ長さが１ｍｍ以下のオーステナイト系溶接材料は優れた耐凝固割れ性を有していると考えられるので、これを目標とした。

次に、各溶接材料の時効特性、高温強度（クリープ強度）および耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を評価するために、上記のようにして作製した溶接材料を用いて全溶着金属試験体を作製した。

そして、各溶着金属試験体からＪＩＳＺ２２４２（２００５）に記載の幅５ｍｍのＶノッチ付きサブサイズシャルピー衝撃試験片を採取できる素材を採取した。この素材を７００℃×３００ｈ時効後に上記の試験片を切り出し、０℃にてシャルピー衝撃試験を行って時効特性を評価した。なお、時効特性の評価基準として、シャルピー衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²以上であることを目標とした。

また、各溶着金属試験体から平行部の直径が６ｍｍのクリープ破断試験片を採取して７００℃×１５０ＭＰａの条件下にてクリープ破断寿命を評価した。なお、クリープ破断強度の評価基準として、上記クリープ破断寿命が３００ｈ以上であることを目標とした。

さらに、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性を定量的に評価するために、各溶着金属試験体の残りを６５０℃×１０００ｈ時効により鋭敏化した後、この時効材から、試験面積サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍとなる試験片を採取して、ＪＩＳＧ０５８０（２００３）に規定された方法で、電気化学的再活性化率試験（以下、「ＥＰＲ試験」という。）を実施した。なお、ＥＰＲ試験における良好な耐ポリチオン酸ＳＣＣ性の判断基準は「再活性化率≦５％」であることが知られている。このため、再活性化率が５％以下であることを目標とした。

表２に、上記の各調査結果をまとめて示す。なお、「時効特性」欄における「○」および「×」はそれぞれ、０℃でのシャルピー衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²以上で目標に達したことおよび０℃でのシャルピー衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²未満で目標に未達であったことを表す。また、試験番号１０および試験番号１３の「クリープ破断寿命」蘭の「−」はクリープ破断試験を行わなかったことを表す。さらに、試験番号１３の再活性化率欄の「−」はＥＰＲ試験を行わなかったことを表す。

表２から、化学組成が本発明で規定する条件を満足する鋼Ａ〜Ｉからなる溶接材料を用いた試験番号１〜９の場合、いずれも凝固割れ感受性は低く、また時効特性も優れており、７００℃×１５０ＭＰａの条件下でのクリープ破断寿命は目標の３００ｈ以上を達成して高温強度に優れており、かつＥＰＲ試験にて評価された再活性化率は５％を大きく下回って耐ポリチオン酸ＳＣＣ性にも優れていることが明らかである。

これに対して、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼Ｊ〜Ｎからなる溶接材料を用いた試験番号１０〜１４の場合には、少なくとも耐凝固割れ性、時効特性、高温強度、耐ポリチオン酸ＳＣＣ性のいずれかが目標に達していない。

試験番号１０の場合は、鋼ＪのＣ含有量が０．０４０％であり、本発明で規定する範囲を超えるために、トランスバレストレイン試験での最大割れ長さが１．４４ｍｍで凝固割れ感受性が高く、しかもＥＰＲ試験での再活性化率が１０．４％と非常に高く耐ポリチオン酸ＳＣＣ性も著しく劣っている。

試験番号１１の場合は、鋼ＫのＮ含有量が０．０９５％と、本発明で規定する範囲を下回りＮｂ含有量に対して少ないため、ＭＸ系炭窒化物およびＺ相の晶出による凝固割れ感受性低減効果が不十分であり、耐溶接割れ性に劣っている。

試験番号１２の場合は、鋼ＬのＷ含有量が１．７３％であり、本発明で規定する範囲を超えるために、７００℃×１５０ＭＰａの条件下でのクリープ破断寿命は２８２ｈと短く目標に達していない。このように、高価な元素であるＷの過度の含有は、避けるべきであることが明らかである。

試験番号１３の場合は、鋼ＭのＮｉ含有量が８．７３％さらにＦｎ１が−７．２６で、いずれも本発明で規定する範囲を下回るために、組織安定性が低下して目標とする時効特性が得られていない。

試験番号１４の場合は、鋼ＮのＦｎ２が１．２９と本発明で規定する範囲を下回るために、７００℃×１５０ＭＰａ条件下でのクリープ破断寿命は目標に対して未達であり、且つ再活性化率も目標に未達であることが明らかである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２．９８％以下、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｕ：１．５〜５％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．２〜１．０％およびＮ：０．１％を超えて０．４５％以下と、
残部がＦｅおよび不純物とからなり、
下記の(1)式および(2)式で表されるＦｎ１およびＦｎ２が、それぞれ、４０≧Ｆｎ１≧−２およびＦｎ２≧１．３であり、
不純物としてのＰ、ＳおよびＯがそれぞれ、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下およびＯ：０．０２％以下である化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。
Ｆｎ１＝Ｎｉ＋０．３１Ｍｎ＋２２Ｃ＋１４．２Ｎ＋Ｃｕ−Ｃｒ−１．５Ｓｉ−２Ｎｂ・・・(1)
Ｆｎ２＝Ｃｕ−１０Ｃ−（Ｎｂ／１０）・・・(2)
ただし、(1)式および(2)式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
請求項１に記載のオーステナイト系溶接材料のＦｅの一部に代えて、下記の［１］〜［４］から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料。
［１］：Ｍｏ：５％以下、Ｃｏ：５％以下およびＷ：１．５％以下
［２］：Ｖ：０．３％以下、Ｔｉ：０．３％以下およびＴａ：１％以下
［３］：Ｂ：０．０１％以下
［４］：Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．１％以下