JPWO2018066573A1 - オーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手 - Google Patents
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Abstract
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１８％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｎｉ：２０．０〜３０．０％、Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、Ｍｏ：１．０〜２．０％、Ｎｂ：０．１０〜０．４０％、Ｔｉ：０．２０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．１０〜０．３５％、Ｂ：０．００１５〜０．００５％、残部：Ｆｅおよび不純物であり、［Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０］を満足する、オーステナイト系耐熱合金。
Description
本発明は、オーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手に関する。
近年、高効率化のために蒸気の温度と圧力とを高めた超々臨界圧ボイラの新設が世界中で進められている。このような高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなってきた。例えば、火力発電用ボイラの分野では、蒸気温度が６５０℃以上になるため、高いクリープ強度が要求される。
また、材料を構造部材等として使用するためには溶接施工が必須であり、溶接部においても高いクリープ強度が要求されることとなる。そこで、各種合金元素を最適量含有させることにより、クリープ強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が発明されてきた。
上記の厳しい要求に対して、特許文献１には、発電用ボイラ等の高温機器に用いられる高温使用中の溶接部の耐脆化割れ性に優れる高強度オーステナイト系ステンレス耐熱鋼が開示されている。
特許文献１では、Ｐ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、ＺｎおよびＡｓの含有量を低減するとともに、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、およびＮの含有量を特定の範囲に調整することによって、溶接熱影響部（ＨＡＺ）における割れ感受性が低く、溶接部の耐脆化割れ性に優れる高強度オーステナイト系ステンレス耐熱鋼を得ることが可能となる。
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＨＡＺでの割れに関しては詳細な検討がなされているものの、溶接金属部での割れに関しては検討がなされておらず、改善の余地が残されている。
本発明は上記の問題を解決し、溶接金属部の割れ感受性が低く、かつ、クリープ強度に優れる溶接継手を作製するのに好適なオーステナイト系耐熱合金を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系耐熱合金およびそれを用いた溶接継手を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１０％以下、
Ｎｉ：２０．０〜３０．０％、
Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、
Ｍｏ：１．０〜２．０％、
Ｎｂ：０．１０〜０．４０％、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｎ：０．１０〜０．３５％、
Ｂ：０．００１５〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ｉ）式を満足する、
オーステナイト系耐熱合金。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｃ：０．０４〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１０％以下、
Ｎｉ：２０．０〜３０．０％、
Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、
Ｍｏ：１．０〜２．０％、
Ｎｂ：０．１０〜０．４０％、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｎ：０．１０〜０．３５％、
Ｂ：０．００１５〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ｉ）式を満足する、
オーステナイト系耐熱合金。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（２）溶接材料を使用して溶接継手を作製するのに用いられる耐熱合金であって、
前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１５％以下、
Ｃｒ：２０．０〜２５．０％、
Ｍｏ：１０．０％以下、
Ｎｂ：４．０％以下、
Ｔｉ：０．５０％以下、
Ｃｏ：１５．０％以下、
Ａｌ：２．０％以下、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｆｅ：３０．０％以下、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金。
前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１５％以下、
Ｃｒ：２０．０〜２５．０％、
Ｍｏ：１０．０％以下、
Ｎｂ：４．０％以下、
Ｔｉ：０．５０％以下、
Ｃｏ：１５．０％以下、
Ａｌ：２．０％以下、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｆｅ：３０．０％以下、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金。
（３）上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金からなる母材部と、
質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１５％以下、
Ｎｉ：２０．０〜９０．０％、
Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、
Ｍｏ：１．０〜１０．０％、
Ｎｂ：０．０１〜４．０％、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｃｏ：１５．０％以下、
Ａｌ：２．０％以下、
Ｎ：０．０１〜０．３５％、
Ｂ：０．００５％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ii）式を満足する化学組成を有する溶接金属部と、を含む、
オーステナイト系耐熱合金の溶接継手。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０３０ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１５％以下、
Ｎｉ：２０．０〜９０．０％、
Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、
Ｍｏ：１．０〜１０．０％、
Ｎｂ：０．０１〜４．０％、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｃｏ：１５．０％以下、
Ａｌ：２．０％以下、
Ｎ：０．０１〜０．３５％、
Ｂ：０．００５％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ii）式を満足する化学組成を有する溶接金属部と、を含む、
オーステナイト系耐熱合金の溶接継手。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０３０ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
本発明によれば、溶接金属部の割れ感受性が低く、かつ、クリープ強度に優れる溶接継手を作製するのに好適なオーステナイト系耐熱合金を得ることが可能になる。
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
１．耐熱合金（母材）の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０４〜０．１８％
Ｃは、オーステナイト相を安定にする効果を有するとともに、Ｎとともに微細な粒内炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｃの含有量が過剰になると高温での使用中に粗大な炭化物を生成し、クリープ強度の低下を招くとともに耐食性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０４〜０．１８％とする。Ｃ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１３％以下であるのが好ましい。
Ｃは、オーステナイト相を安定にする効果を有するとともに、Ｎとともに微細な粒内炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｃの含有量が過剰になると高温での使用中に粗大な炭化物を生成し、クリープ強度の低下を招くとともに耐食性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０４〜０．１８％とする。Ｃ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１３％以下であるのが好ましい。
Ｓｉ：１．５％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有し、また、高温での耐食性、耐酸化性に有効な元素である。しかしながら、その含有量が過剰であると、オーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度および靱性の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量は１．５％以下とする。Ｓｉ含有量は１．０％以下であるが好ましく、０．８％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉは、脱酸作用を有し、また、高温での耐食性、耐酸化性に有効な元素である。しかしながら、その含有量が過剰であると、オーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度および靱性の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量は１．５％以下とする。Ｓｉ含有量は１．０％以下であるが好ましく、０．８％以下であるのがより好ましい。
なお、Ｓｉ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有する。Ｍｎは、オーステナイト相の安定化にも寄与する。しかしながら、その含有量が過剰であると、脆化を招き、クリープ延性および靱性の低下をきたす。したがって、Ｍｎ含有量は２．０％以下とする。Ｍｎ含有量は１．５％以下であるのが好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有する。Ｍｎは、オーステナイト相の安定化にも寄与する。しかしながら、その含有量が過剰であると、脆化を招き、クリープ延性および靱性の低下をきたす。したがって、Ｍｎ含有量は２．０％以下とする。Ｍｎ含有量は１．５％以下であるのが好ましい。
なお、Ｍｎ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｓ：０．０３０％以下
ＰおよびＳは、合金中に不純物として含まれる元素である。これらの元素はいずれも、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させるとともに、高温使用中に粒界脆化を引き起こして耐応力緩和割れ性の低下を招く元素である。したがって、含有量をそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下およびＳ：０．０３０％以下に制限する。
Ｓ：０．０３０％以下
ＰおよびＳは、合金中に不純物として含まれる元素である。これらの元素はいずれも、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させるとともに、高温使用中に粒界脆化を引き起こして耐応力緩和割れ性の低下を招く元素である。したがって、含有量をそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下およびＳ：０．０３０％以下に制限する。
Ｃｕ：０．１０％以下
Ｃｕは、過剰に含有されると、脆化を招く元素である。そのため、Ｃｕ含有量は極力低減することが望ましく、０．１０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．０５％未満であるのが好ましく、０．０１％未満であるのがより好ましい。
Ｃｕは、過剰に含有されると、脆化を招く元素である。そのため、Ｃｕ含有量は極力低減することが望ましく、０．１０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．０５％未満であるのが好ましく、０．０１％未満であるのがより好ましい。
Ｎｉ：２０．０〜３０．０％
Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保して、所望のクリープ強度を得るために必須の元素である。本発明で規定するＣｒ含有量の範囲で前記の効果を十分に得るためには、２０．０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｉは高価な元素であるため、その含有量が３０．０％を超えると、コストの増大を招く。したがって、Ｎｉ含有量は２０．０〜３０．０％とする。Ｎｉ含有量は２２．０％以上であるのが好ましく、２８．０％以下であるのが好ましい。
Ｎｉは、オーステナイト組織を得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保して、所望のクリープ強度を得るために必須の元素である。本発明で規定するＣｒ含有量の範囲で前記の効果を十分に得るためには、２０．０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｉは高価な元素であるため、その含有量が３０．０％を超えると、コストの増大を招く。したがって、Ｎｉ含有量は２０．０〜３０．０％とする。Ｎｉ含有量は２２．０％以上であるのが好ましく、２８．０％以下であるのが好ましい。
Ｃｒ：２１．０〜２４．０％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。その効果を得るためには、２１．０％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になり、特に、２４．０％を超えると、高温でのオーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２１．０〜２４．０％とする。Ｃｒ含有量は２１．５％以上であるのが好ましく、２３．５％以下であるのが好ましい。
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。その効果を得るためには、２１．０％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になり、特に、２４．０％を超えると、高温でのオーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２１．０〜２４．０％とする。Ｃｒ含有量は２１．５％以上であるのが好ましく、２３．５％以下であるのが好ましい。
Ｍｏ：１．０〜２．０％
Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温強度の向上、なかでも高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になるとオーステナイト相の安定性が低下するため、却ってクリープ強度を低下させる。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｍｏ含有量は１．０〜２．０％とする。Ｍｏ含有量は１．２％以上であるのが好ましく、１．８％以下であるのが好ましい。
Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温強度の向上、なかでも高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になるとオーステナイト相の安定性が低下するため、却ってクリープ強度を低下させる。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｍｏ含有量は１．０〜２．０％とする。Ｍｏ含有量は１．２％以上であるのが好ましく、１．８％以下であるのが好ましい。
Ｎｂ：０．１０〜０．４０％
Ｎｂは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招く。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０〜０．４０％とする。Ｎｂ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．３５％以下であるのが好ましい。
Ｎｂは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招く。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０〜０．４０％とする。Ｎｂ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．３５％以下であるのが好ましい。
Ｔｉ：０．２０％以下
Ｔｉは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、その含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招くだけでなく、溶接時の液化割れ感受性の著しい増大を招く。したがって、Ｔｉ含有量は０．２０％以下とする。
Ｔｉは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、その含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招くだけでなく、溶接時の液化割れ感受性の著しい増大を招く。したがって、Ｔｉ含有量は０．２０％以下とする。
Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、脱酸作用を有するが、多量の添加は清浄度を著しく害し、加工性および延性を劣化させる。したがって、Ａｌ含有量は０．０５％以下とする。Ａｌ含有量の下限は特に設けないが、０．０００５％以上であるのが好ましい。
Ａｌは、脱酸作用を有するが、多量の添加は清浄度を著しく害し、加工性および延性を劣化させる。したがって、Ａｌ含有量は０．０５％以下とする。Ａｌ含有量の下限は特に設けないが、０．０００５％以上であるのが好ましい。
Ｎ：０．１０〜０．３５％
Ｎは、オーステナイト安定化元素であり、マトリックスに固溶するとともに、Ｃと同様に微細な粒内炭窒化物を形成し、高温でのクリープ強度の確保に寄与する元素である。また、耐食性の向上にも有効な元素である。しかしながら、Ｎ含有量が過剰になると、窒化物が多量に析出し、クリープ延性を低下させることに加え、熱間加工性を低下させて、母材の表面疵の原因となる。したがって、Ｎ含有量は０．１０〜０．３５％とする。Ｎ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．３０％以下であるのが好ましい。
Ｎは、オーステナイト安定化元素であり、マトリックスに固溶するとともに、Ｃと同様に微細な粒内炭窒化物を形成し、高温でのクリープ強度の確保に寄与する元素である。また、耐食性の向上にも有効な元素である。しかしながら、Ｎ含有量が過剰になると、窒化物が多量に析出し、クリープ延性を低下させることに加え、熱間加工性を低下させて、母材の表面疵の原因となる。したがって、Ｎ含有量は０．１０〜０．３５％とする。Ｎ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．３０％以下であるのが好ましい。
Ｂ：０．００１５〜０．００５％
Ｂは、粒界に偏析するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、粒界強化に寄与する元素である。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させるとともに、高温使用中に粒界脆化を引き起こして耐応力緩和割れ性の低下を招く。したがって、Ｂ含有量は０．００１５〜０．００５％とする。Ｂ含有量は０．００２％以上であるのが好ましく、０．００４５％以下であるのが好ましい。
Ｂは、粒界に偏析するとともに粒界炭化物を微細分散させることにより、粒界強化に寄与する元素である。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させるとともに、高温使用中に粒界脆化を引き起こして耐応力緩和割れ性の低下を招く。したがって、Ｂ含有量は０．００１５〜０．００５％とする。Ｂ含有量は０．００２％以上であるのが好ましく、０．００４５％以下であるのが好ましい。
本発明のオーステナイト系耐熱合金の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
合金の化学組成が上述の範囲内であっても、溶接金属部において割れが生じる場合がある。しかしながら、ＰとＢとの含有量の関係において、上記（ｉ）式を満足することにより、溶接金属部における初層凝固割れおよび再熱割れを抑制することが可能になる。
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
合金の化学組成が上述の範囲内であっても、溶接金属部において割れが生じる場合がある。しかしながら、ＰとＢとの含有量の関係において、上記（ｉ）式を満足することにより、溶接金属部における初層凝固割れおよび再熱割れを抑制することが可能になる。
２．溶接材料の化学組成
上記母材を溶接する際に用いる溶接材料の組成について、特に制限は設けないが、下記に示す化学組成を有することが好ましい。
上記母材を溶接する際に用いる溶接材料の組成について、特に制限は設けないが、下記に示す化学組成を有することが好ましい。
Ｃ：０．０１〜０．１８％
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。さらにＣは、溶接時の耐高温割れ性を高める。具体的には、Ｃは、溶接時の凝固過程において主にＣｒと結合して共晶炭化物を形成する。これにより液相の消失を早め、最終凝固部の組織を（Ｃｒ，Ｍ）２３Ｃ６とオーステナイトとのラメラ状組織にする。その結果、液相の残存形態が面状から点状に変化するとともに、特定面での応力集中が抑制され、凝固割れが抑制される。さらにＣは、不純物の偏析サイトとなる最終凝固界面積を増大させることから、溶接中の延性低下割れの防止および高温使用中の応力緩和割れの感受性低減にも寄与する。
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。さらにＣは、溶接時の耐高温割れ性を高める。具体的には、Ｃは、溶接時の凝固過程において主にＣｒと結合して共晶炭化物を形成する。これにより液相の消失を早め、最終凝固部の組織を（Ｃｒ，Ｍ）２３Ｃ６とオーステナイトとのラメラ状組織にする。その結果、液相の残存形態が面状から点状に変化するとともに、特定面での応力集中が抑制され、凝固割れが抑制される。さらにＣは、不純物の偏析サイトとなる最終凝固界面積を増大させることから、溶接中の延性低下割れの防止および高温使用中の応力緩和割れの感受性低減にも寄与する。
後述するＣｒ含有量の範囲で、上記の効果を十分得るためには、Ｃ含有量を０．０１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃを過剰に含有すると、凝固中に炭化物とならない過剰なＣが高温使用中に炭化物として微細析出し、かえって応力緩和割れ感受性を増大させる。そのため、Ｃの含有量は０．０１〜０．１８％とする。Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０６％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１５％以下であるのが好ましい。
Ｓｉ：１．５％以下
Ｓｉは、脱酸剤として含有されるが、溶接金属の凝固時に柱状晶粒界に偏析し、液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Ｓｉ含有量は１．５％以下とする必要がある。なお、Ｓｉ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
Ｓｉは、脱酸剤として含有されるが、溶接金属の凝固時に柱状晶粒界に偏析し、液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Ｓｉ含有量は１．５％以下とする必要がある。なお、Ｓｉ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として含有される。Ｍｎは、溶接金属中のＮの活量を下げることによりアーク雰囲気中からのＮの飛散を抑制して、強度の確保にも寄与する。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有する場合には脆化を招くため、Ｍｎの含有量は２．０％以下とする必要がある。Ｍｎの含有量は１．５％以下とするのが好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として含有される。Ｍｎは、溶接金属中のＮの活量を下げることによりアーク雰囲気中からのＮの飛散を抑制して、強度の確保にも寄与する。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有する場合には脆化を招くため、Ｍｎの含有量は２．０％以下とする必要がある。Ｍｎの含有量は１．５％以下とするのが好ましい。
なお、Ｍｎ含有量には特に下限を設ける必要はないが、極端に低下させると、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｓ：０．０３０％以下
ＰおよびＳは、不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させる。そのため、Ｐ含有量は０．０２０％以下、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする必要がある。Ｐ含有量は０．０１５％以下、Ｓ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましい。
Ｓ：０．０３０％以下
ＰおよびＳは、不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させる。そのため、Ｐ含有量は０．０２０％以下、Ｓ含有量は０．０３０％以下とする必要がある。Ｐ含有量は０．０１５％以下、Ｓ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましい。
Ｃｕ：０．１５％以下
Ｃｕは、過剰に含有されると、脆化を招く元素である。そのため、Ｃｕ含有量は極力低減することが望ましく、０．１５％以下とする。Ｃｕ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。
Ｃｕは、過剰に含有されると、脆化を招く元素である。そのため、Ｃｕ含有量は極力低減することが望ましく、０．１５％以下とする。Ｃｕ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。
Ｃｒ：２０．０〜２５．０％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。Ｃｒは、凝固過程でＣと結合して、共晶炭化物を生成させ、溶接中の凝固割れおよび延性低下割れを防止するとともに、高温使用中の応力緩和割れ感受性を低減する作用も有する。これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有量を２０．０％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になって２５．０％を超えると、高温での組織の安定性が劣化して、クリープ強度の低下を招く。このため、Ｃｒ含有量は２０．０〜２５．０％とする。Ｃｒ含有量は２０．５％以上であるのが好ましく、２４．５％以下であるのが好ましい。
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために必須の元素である。Ｃｒは、凝固過程でＣと結合して、共晶炭化物を生成させ、溶接中の凝固割れおよび延性低下割れを防止するとともに、高温使用中の応力緩和割れ感受性を低減する作用も有する。これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有量を２０．０％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になって２５．０％を超えると、高温での組織の安定性が劣化して、クリープ強度の低下を招く。このため、Ｃｒ含有量は２０．０〜２５．０％とする。Ｃｒ含有量は２０．５％以上であるのが好ましく、２４．５％以下であるのが好ましい。
Ｍｏ：１０．０％以下
Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温強度の向上、なかでも高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になるとオーステナイト相の安定性が低下するとともに高温での局部腐食が大きくなる。したがって、Ｍｏ含有量は１０．０％以下とする。Ｍｏ含有量は９．５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、母材中のＭｏ含有量以上であることがより好ましい。
Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温強度の向上、なかでも高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になるとオーステナイト相の安定性が低下するとともに高温での局部腐食が大きくなる。したがって、Ｍｏ含有量は１０．０％以下とする。Ｍｏ含有量は９．５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、母材中のＭｏ含有量以上であることがより好ましい。
Ｎｂ：４．０％以下
Ｎｂは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招く。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は４．０％とする。Ｎｂ含有量は３．５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、０．５％以上であるのがより好ましい。
Ｎｂは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招く。また、溶接金属部の割れ感受性を高めるおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は４．０％とする。Ｎｂ含有量は３．５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、０．５％以上であるのがより好ましい。
Ｔｉ：０．５０％以下
Ｔｉは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、その含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招くだけでなく、溶接時の液化割れ感受性の著しい増大を招く。したがって、Ｔｉ含有量は低減することが好ましく、０．５０％以下とする。
Ｔｉは、炭窒化物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する元素であるが、その含有量が過剰になると、高温での使用中に炭窒化物が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下を招くだけでなく、溶接時の液化割れ感受性の著しい増大を招く。したがって、Ｔｉ含有量は低減することが好ましく、０．５０％以下とする。
Ｃｏ：１５．０％以下
Ｃｏは、ＮｉおよびＣｕと同様に、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、過剰な含有は大幅なコスト増加を招く。したがって、Ｃｏ含有量は１５．０％以下とする。Ｃｏ含有量は１４．０％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ｃｏは、ＮｉおよびＣｕと同様に、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、過剰な含有は大幅なコスト増加を招く。したがって、Ｃｏ含有量は１５．０％以下とする。Ｃｏ含有量は１４．０％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ａｌ：２．０％以下
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、多量の添加は清浄度を著しく害し、加工性および延性を劣化させる。したがって、Ａｌ含有量は２．０％以下とする。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ａｌ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、多量の添加は清浄度を著しく害し、加工性および延性を劣化させる。したがって、Ａｌ含有量は２．０％以下とする。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ａｌ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析し、粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることによりクリープ強度を向上させるのに有効な元素である。そのため、この効果を得るためにＢを含有させてもよい。しかしながら、Ｂの過剰の含有は、ガスシールドアーク溶接中の凝固割れ感受性を高める。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。Ｂ含有量は０．００４５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．００２％以上であるのが好ましい。
Ｂは、高温での使用中に粒界に偏析し、粒界を強化するとともに粒界炭化物を微細分散させることによりクリープ強度を向上させるのに有効な元素である。そのため、この効果を得るためにＢを含有させてもよい。しかしながら、Ｂの過剰の含有は、ガスシールドアーク溶接中の凝固割れ感受性を高める。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。Ｂ含有量は０．００４５％以下であるのが好ましい。下限は特に規定する必要はなく、０％である。しかし、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．００２％以上であるのが好ましい。
Ｆｅ：３０．０％以下
Ｆｅは、オーステナイト組織を得るために有効であり、長時間使用時の組織安定性を確保して、所望のクリープ強度を得るために必須の元素である。しかしながら、Ｎｉ含有量を確保するために、Ｆｅ含有量は３０．０％以下とする。Ｆｅ含有量は２０．０％以下であるのが好ましい。
Ｆｅは、オーステナイト組織を得るために有効であり、長時間使用時の組織安定性を確保して、所望のクリープ強度を得るために必須の元素である。しかしながら、Ｎｉ含有量を確保するために、Ｆｅ含有量は３０．０％以下とする。Ｆｅ含有量は２０．０％以下であるのが好ましい。
上記の溶接材料の化学組成において、残部はＮｉおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
３．溶接金属の化学組成
上述した化学組成を有する母材と溶接材料とを用いてなる溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料との流入割合で決定される。したがって、本発明の溶接継手において、溶接金属部は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１８％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．１５％以下、Ｎｉ：２０．０〜９０．０％、Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、Ｍｏ：１．０〜１０．０％、Ｎｂ：０．０１〜４．０％、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｃｏ：１５．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｎ：０．０１〜０．３５％、Ｂ：０．００５％以下、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記の（ii）式を満足する化学組成を有することが好ましい。
上述した化学組成を有する母材と溶接材料とを用いてなる溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料との流入割合で決定される。したがって、本発明の溶接継手において、溶接金属部は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１８％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．１５％以下、Ｎｉ：２０．０〜９０．０％、Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、Ｍｏ：１．０〜１０．０％、Ｎｂ：０．０１〜４．０％、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｃｏ：１５．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｎ：０．０１〜０．３５％、Ｂ：０．００５％以下、残部：Ｆｅおよび不純物であり、下記の（ii）式を満足する化学組成を有することが好ましい。
上記のうちでも、Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．１５％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、１．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、１．５％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量は０．０１５％以下、Ｓ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましい。Ｃｕ含有量は０．１０％未満であるのが好ましい。
また、Ｎｉ含有量は３０．０％以上であるのが好ましく、８０．０％以下であるのが好ましく、７０．０％以下であるのがより好ましく、６０．０％以下であるのがさらに好ましい。Ｃｒ含有量は２１．２％以上であるのが好ましく、２３．５％以下であるのが好ましい。Ｍｏ含有量は２．０％以上であるのが好ましく、９．５％以下であるのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．１０％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
さらに、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、１４．０％以下であるのが好ましい。Ａｌ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、１．５％以下であるのが好ましい。Ｎ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．１５％以下であるのが好ましい。Ｂ含有量は０．０００２％以上であるのが好ましく、０．００４５％以下であるのが好ましい。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０３０ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
特に、溶接金属部におけるＰとＢとが、上記（ii）式を満足することにより、溶接金属部における初層凝固割れおよび再熱割れを抑制することが可能になる。
但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
特に、溶接金属部におけるＰとＢとが、上記（ii）式を満足することにより、溶接金属部における初層凝固割れおよび再熱割れを抑制することが可能になる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する合金を溶解して、熱間鍛造、ならびに熱間圧延および冷間圧延し、１２３０℃で固溶化熱処理を施した。その後、ＪＩＳ Ｚ ３００１−１（２０１３）の番号１４３４９においてルート半径ｒ＝０．５ｍｍ、ルート面ｂ＝１．２ｍｍ、開先角度θ＝４０°とするＵ開先加工が施された厚さ１５ｍｍ、幅１２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの拘束溶接割れ試験用試験片を作製した。
上記のようにして得た各拘束溶接割れ試験用試験片を用いて、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定のＥＮｉ６１８２を用いて、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ３００ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｃの市販の鋼板上に、四周を拘束溶接した。
その後、開先内を表２に示す化学組成を有する直径１．２ｍｍのスプール溶接材料を用いて初層ＴＩＧ溶接を実施した。入熱は９〜１２ｋＪ／ｃｍ、溶接材料の送給速度は１５０ｍｍ／ｍｉｎの条件とした。その後、初層溶接部を半分ほど残して、残部を入熱９〜１２ｋＪ／ｃｍの条件にて積層溶接した。その際、パス間温度は１５０℃以下に管理した。そして、溶接金属の中心部分をＥＰＭＡ分析して定量化することで溶接金属の組成を測定した。その結果を表３に示す。
上記の溶接施工後、各試験体について、継手の断面ミクロ組織観察用試験片を、初層のみ溶接した部分と、積層溶接した部分とから２個ずつ採取した。そして、断面を鏡面研磨した後クロム酸電解腐食し、割れの発生の有無を、光学顕微鏡を用いて倍率を５００倍として観察した。初層のみ溶接した部分において割れが認められた場合は凝固割れ、積層溶接した部分において割れが認められた場合は再熱割れであると判断した。そして、凝固割れまたは再熱割れが全ての試験片から認められなかった場合を「○」、少なくとも１つの試験片から認められた場合を「×」とした。
次に、溶接金属部が、直径６ｍｍ、長さ１０ｍｍの平行部の中央に位置するように、段付の丸棒クリープ試験片を切り出し、クリープ破断試験を実施した。そして、実使用環境を想定し、６５０℃にて２００ＭＰａの応力負荷時に破断時間が１，０００時間以上となる場合を「○」、１，０００時間未満である場合を「×」とした。
それらの結果を表４に示す。
本発明の規定を満足する母材を用いた場合、溶接金属部に凝固割れ、再熱割れの双方とも発生せず、さらに良好なクリープ強度を示す結果となった。それに対して、母材のＰ＋６Ｂの値が０．０４０を超え、それに起因して溶接金属部におけるＰ＋６Ｂの値が０．０３０を超えた試験Ｎｏ．７、８、１０および１１では、再熱割れが認められた。また、なかでも母材のＰ＋６Ｂの値が０．０５０を超えた試験Ｎｏ．７および１１では、初層凝固割れが認められた。そして、Ｃ含有量が規定から外れる合金Ｎｏ．８を用いた試験Ｎｏ．９、ならびにＮｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＮｂの含有量が規定から外れる合金Ｎｏ．１１を用いた試験Ｎｏ．１２では、溶接継手のクリープ強度が劣る結果となった。
本発明によれば、溶接金属部の割れ感受性が低く、かつ、クリープ強度に優れる溶接継手を作製するのに好適なオーステナイト系耐熱合金を得ることが可能になる。そのため、本発明のオーステナイト系耐熱合金は、高温環境下で使用されるボイラ等の装置用材料として好適に用いることができる。
Claims (3)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１０％以下、
Ｎｉ：２０．０〜３０．０％、
Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、
Ｍｏ：１．０〜２．０％、
Ｎｂ：０．１０〜０．４０％、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｎ：０．１０〜０．３５％、
Ｂ：０．００１５〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ｉ）式を満足する、
オーステナイト系耐熱合金。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０４０ ・・・（ｉ）
但し、式中の各元素記号は、合金中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。 - 溶接材料を使用して溶接継手を作製するのに用いられる耐熱合金であって、
前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１５％以下、
Ｃｒ：２０．０〜２５．０％、
Ｍｏ：１０．０％以下、
Ｎｂ：４．０％以下、
Ｔｉ：０．５０％以下、
Ｃｏ：１５．０％以下、
Ａｌ：２．０％以下、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｆｅ：３０．０％以下、
残部：Ｎｉおよび不純物である、
請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金。 - 請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金からなる母材部と、
質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．１５％以下、
Ｎｉ：２０．０〜９０．０％、
Ｃｒ：２１．０〜２４．０％、
Ｍｏ：１．０〜１０．０％、
Ｎｂ：０．０１〜４．０％、
Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｃｏ：１５．０％以下、
Ａｌ：２．０％以下、
Ｎ：０．０１〜０．３５％、
Ｂ：０．００５％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記の（ii）式を満足する化学組成を有する溶接金属部と、を含む、
オーステナイト系耐熱合金の溶接継手。
Ｐ＋６Ｂ≦０．０３０ ・・・（ii）
但し、式中の各元素記号は、溶接金属部中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
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