JP2017014576A - オーステナイト系耐熱合金及び溶接構造物 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接施工性、溶接中の溶接熱影響部の耐割れ性、及び高温強度に優れたオーステナイト系耐熱合金を提供する。【解決手段】オーステナイト系耐熱合金は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｎｉ：２３〜３２％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：１〜５％、Ｎｂ：０．１〜０．６％、Ｖ：０．１〜０．６％、Ｎ：０．１〜０．３％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｏ：０．０２％以下、並びにＳｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂの１種又は２種以上の合計：０．００１〜０．０２％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２％、Ｃｕ：０〜４％、Ｍｏ：０〜４％、Ｃａ：０〜０．０２％、Ｍｇ：０〜０．０２％、ＲＥＭ：０〜０．２％、残部：Ｆｅ及び不純物である。【選択図】なし
Description
本発明は、オーステナイト系耐熱合金、及び同合金を備える溶接構造物に関する。
近年、環境負荷低減の観点から、発電用ボイラ等の運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められている。過熱器管や再熱器管に使用される材料には、より優れた高温強度や耐食性が求められている。
このような要求を満たす材料として、多量の窒素を含有させた種々のオーステナイト系耐熱合金が開示されている。
例えば、特開２００４−２５０７８３号公報には、Ｎを０．１〜０．３５％、Ｃｒを２２％超３０％未満とするとともに金属組織を規定した、高温強度と耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
特開２００９−０８４６０６号公報には、Ｎを０．１〜０．３５％、Ｃｒを２２％超３０％未満とするとともに不純物元素を規定した、高温強度耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
特開２０１２−１７４９号公報には、Ｎを０．０９〜０．３０％含み、ＭｏとＷを多量に複合添加した高温強度及び熱間加工性に優れるオーステナイト系耐熱鋼が開示されている。
上記のようなオーステナイト系耐熱合金は、一般的に溶接によって組み立てられる。これらを溶接する場合、通常は溶加材料を使用する。しかし、小型の薄肉部品や、肉厚部品でも初層溶接や仮付け溶接においては、溶加材料を使用せずガスシールドアーク溶接する場合がある。この際、溶け込み深さが不十分であると、未溶融の突き合わせ面が欠陥として残存し、溶接継手において必要な強度が得られない。
溶け込み不良を防止するためには、溶接入熱を大きくすれば良い。しかしながら、近年、多量のＷ、Ｍｏ等を添加して、高温強度等の性能のさらなる向上を測ったオーステナイト系耐熱合金が用いられている。これらのオーステナイト系耐熱合金に対しては、溶接入熱を大きくすると、溶接熱影響部の液化割れ等の溶接割れや、アンダーカット及び溶け落ち等が生じ、溶接継手の健全性がかえって低下する場合があることが判明した。
上述の特許文献には、この課題に関しては記載されていない。一方、特開平８−１２０４１０号公報には、多量のＭｎを含む、溶け込み深さを大きくできるステンレス鋼が開示されている。また、同特許文献中には、材料中のＳが溶け込み深さを増大するとの記載がある。しかしながら、高温で使用されるオーステナイト系耐熱合金において、Ｍｎはクリープ強度を低下させる。さらに、Ｓは溶接中に溶接熱影響部の液化割れと呼ばれる割れの感受性を著しく高める。
本発明の目的は、溶接施工性、溶接中の溶接熱影響部の耐割れ性、及び高温強度に優れたオーステナイト系耐熱合金を提供することである。
本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｎｉ：２３〜３２％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：１〜５％、Ｎｂ：０．１〜０．６％、Ｖ：０．１〜０．６％、Ｎ：０．１〜０．３％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｏ：０．０２％以下、並びにＳｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂの１種又は２種以上の合計：０．００１〜０．０２％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２％、Ｃｕ：０〜４％、Ｍｏ：０〜４％、Ｃａ：０〜０．０２％、Ｍｇ：０〜０．０．０２％、ＲＥＭ：０〜０．２％、残部：Ｆｅ及び不純物である。
本発明によれば、溶接施工性、溶接中の溶接熱影響部の耐割れ性、及び高温強度に優れたオーステナイト系耐熱合金が得られる。
本発明者らは、上記の課題を解決するために詳細な調査を行った。その結果、以下に述べる知見が明らかになった。
すなわち、Ｃ：０．０４〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｎｉ：２３〜３２％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：１〜５％、Ｎｂ：０．１〜０．６％、Ｖ：０．１〜０．６％、Ｎ：０．１〜０．３％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ａｌ：０．０３％以下、及びＯ：０．０２％以下を含むオーステナイト系耐熱合金において、十分な溶け込み深さを得るためには、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＰｂのうち少なくとも１種以上を含有することが必要であることが判明した。
その理由は、次にように考えられた。これらの元素のうち、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＢｉは表面活性化元素として作用し、微量に含有した場合でも、溶融池内の内向きの対流を強くする効果を有する。そのため、アークからの熱を深さ方向に輸送しやすくなり、溶け込み深さの増大に寄与する。一方、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂは、溶接中の溶融池表面から蒸発しやすく、アーク中でイオン化することで通電経路の形成に寄与する。そのため、アークの電流密度が高くなり、溶け込み深さを深くする効果を発現する。
本発明者らは、これらの元素の効果を活用し、十分な溶け込み深さを得るためには、これらの元素の少なくとも１種以上を合計で０．００１％以上含有させることが有効であることを見いだした。一方で、これらの元素は溶接時に溶接熱影響部の割れ感受性を高めるため、これらの元素の合計の含有量を０．０２％以下とする必要があることについても併せて明らかにした。
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱合金を詳述する。
［化学組成］
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
Ｃ：０．０４〜０．１４％
炭素（Ｃ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、微細な炭化物を形成して高温使用中のクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、０．０４％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃを過剰に含有すると、その効果が飽和するとともに、炭化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、上限は０．１４％とする。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０６％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．１３％であり、さらに好ましくは０．１２％である。
炭素（Ｃ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、微細な炭化物を形成して高温使用中のクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、０．０４％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃを過剰に含有すると、その効果が飽和するとともに、炭化物が多量に析出し、クリープ延性が低下する。そのため、上限は０．１４％とする。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０６％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．１３％であり、さらに好ましくは０．１２％である。
Ｓｉ：０．０５〜１％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性及び耐酸化性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、０．０５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有すると、組織の安定性が低下して、靱性及びクリープ強度の低下を招く。そのため、上限は１％とする。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．５％である。
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性及び耐酸化性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、０．０５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有すると、組織の安定性が低下して、靱性及びクリープ強度の低下を招く。そのため、上限は１％とする。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．５％である。
Ｍｎ：０．５〜２．５％
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。Ｍｎはまた、オーステナイト組織の安定化に寄与するとともに、アークの電流密度を高め、溶け込み深さを深くする効果をも有する元素である。この効果を十分に得るためには、０．５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有すると、合金の脆化を招き、さらに、クリープ延性が低下する。そのため、上限は２．５％とする。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．７％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは２％であり、さらに好ましくは１．５％である。
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。Ｍｎはまた、オーステナイト組織の安定化に寄与するとともに、アークの電流密度を高め、溶け込み深さを深くする効果をも有する元素である。この効果を十分に得るためには、０．５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有すると、合金の脆化を招き、さらに、クリープ延性が低下する。そのため、上限は２．５％とする。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．７％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは２％であり、さらに好ましくは１．５％である。
Ｐ：０．０３％以下
リン（Ｐ）は、不純物として合金中に含まれ、溶接中に熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Ｐはさらに、長時間使用後のクリープ延性を低下させる。そのため、Ｐ含有量には上限を設けて０．０３％以下とする。Ｐ含有量の上限は、好ましくは０．０２８％、さらに好ましくは０．０２５％である。Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００８％である。
リン（Ｐ）は、不純物として合金中に含まれ、溶接中に熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。Ｐはさらに、長時間使用後のクリープ延性を低下させる。そのため、Ｐ含有量には上限を設けて０．０３％以下とする。Ｐ含有量の上限は、好ましくは０．０２８％、さらに好ましくは０．０２５％である。Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００８％である。
Ｓ：０．００２％以下
硫黄（Ｓ）は、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれる。Ｓは、溶接時に溶け込み深さを増大する効果を有するものの、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。そのため、上限を０．００２％とする。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．００１８％、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｓ含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。
硫黄（Ｓ）は、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれる。Ｓは、溶接時に溶け込み深さを増大する効果を有するものの、溶接中に溶接熱影響部の結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める。そのため、上限を０．００２％とする。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．００１８％、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｓ含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。
Ｎｉ：２３〜３２％
ニッケル（Ｎｉ）は、長時間使用時のオーステナイト相の安定性を確保するために必須の元素である。本実施形態のＣｒ、Ｗ含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Ｎｉを２３％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は３２％とする。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは２５％であり、さらに好ましくは２５．５％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは３１．５％であり、さらに好ましくは３１％である。
ニッケル（Ｎｉ）は、長時間使用時のオーステナイト相の安定性を確保するために必須の元素である。本実施形態のＣｒ、Ｗ含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Ｎｉを２３％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は３２％とする。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは２５％であり、さらに好ましくは２５．５％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは３１．５％であり、さらに好ましくは３１％である。
Ｃｒ：２０〜２５％
クロム（Ｃｒ）は、高温での耐酸化性及び耐食性の確保のために必須の元素である。Ｃｒはまた、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。本実施形態のＮｉ含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Ｃｒを２０％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃｒを過剰に含有すると、高温でのオーステナイト相の組織安定性が劣化してクリープ強度が低下する。そのため、上限は２５％とする。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは２０．５％であり、さらに好ましくは２１％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２４．５％であり、さらに好ましくは２４％である。
クロム（Ｃｒ）は、高温での耐酸化性及び耐食性の確保のために必須の元素である。Ｃｒはまた、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。本実施形態のＮｉ含有量の範囲でこの効果を十分に得るためには、Ｃｒを２０％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃｒを過剰に含有すると、高温でのオーステナイト相の組織安定性が劣化してクリープ強度が低下する。そのため、上限は２５％とする。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは２０．５％であり、さらに好ましくは２１％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２４．５％であり、さらに好ましくは２４％である。
Ｗ：１〜５％
タングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶して、又は微細な金属間化合物を形成して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に大きく寄与する。この効果を十分に得るためには、１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｗを過剰に含有しても効果は飽和するとともに、かえってクリープ強度が低下する場合もある。さらに、Ｗは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は５％とする。Ｗ含有量の下限は、好ましくは１．２％であり、さらに好ましくは１．５％である。Ｗ含有量の上限は、好ましくは４．５％であり、さらに好ましくは４％である。
タングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶して、又は微細な金属間化合物を形成して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に大きく寄与する。この効果を十分に得るためには、１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｗを過剰に含有しても効果は飽和するとともに、かえってクリープ強度が低下する場合もある。さらに、Ｗは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は５％とする。Ｗ含有量の下限は、好ましくは１．２％であり、さらに好ましくは１．５％である。Ｗ含有量の上限は、好ましくは４．５％であり、さらに好ましくは４％である。
Ｎｂ：０．１〜０．６％
ニオブ（Ｎｂ）は、微細な炭窒化物として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎｂを過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出してクリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は０．６％とする。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５％である。
ニオブ（Ｎｂ）は、微細な炭窒化物として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎｂを過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出してクリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は０．６％とする。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５％である。
Ｖ：０．１〜０．６％
バナジウム（Ｖ）は、Ｎｂと同様、微細な炭窒化物として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｖを過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は０．６％とする。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５％である。
バナジウム（Ｖ）は、Ｎｂと同様、微細な炭窒化物として粒内に析出して、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｖを過剰に含有すると、炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性及び靱性の低下を招く。そのため、上限は０．６％とする。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５％である。
Ｎ：０．１〜０．３％
窒素（Ｎ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、マトリックスに固溶して、又は窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎを過剰に含有すると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出して、クリープ延性及び靱性が低下する。そのため、上限は０．３％とする。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１４％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．２８％であり、さらに好ましくは０．２６％である。
窒素（Ｎ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、マトリックスに固溶して、又は窒化物として析出して、高温強度の向上に寄与する。この効果を十分に得るためには、０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎを過剰に含有すると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出して、クリープ延性及び靱性が低下する。そのため、上限は０．３％とする。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１４％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．２８％であり、さらに好ましくは０．２６％である。
Ｂ：０．０００５〜０．０１％
ボロン（Ｂ）は、粒界炭化物を微細に分散させることによってクリープ強度を向上させるとともに、粒界に偏析して粒界を強化する。この効果を十分に得るためには、０．０００５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｂを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱サイクルによって溶融境界近傍の溶接熱影響部にＢが多量に偏析して粒界の融点が低下し、液化割れ感受性が高くなる。そのため、上限は０．０１％とする。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００８であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。
ボロン（Ｂ）は、粒界炭化物を微細に分散させることによってクリープ強度を向上させるとともに、粒界に偏析して粒界を強化する。この効果を十分に得るためには、０．０００５％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｂを過剰に含有すると、溶接中の溶接熱サイクルによって溶融境界近傍の溶接熱影響部にＢが多量に偏析して粒界の融点が低下し、液化割れ感受性が高くなる。そのため、上限は０．０１％とする。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００８であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。
Ａｌ：０．０３％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、脱酸作用を有する。しかしながら、Ａｌを過剰に含有すると、合金の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０３％とする。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２％である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。なお、本発明においては、Ａｌは酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）を意味する。
アルミニウム（Ａｌ）は、脱酸作用を有する。しかしながら、Ａｌを過剰に含有すると、合金の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０３％とする。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２％である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。なお、本発明においては、Ａｌは酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）を意味する。
Ｏ：０．０２％以下
酸素（Ｏ）は、不純物として合金中に含まれ、溶接中の溶け込み深さを増大する効果を有する。しかしながら、Ｏを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するとともに、靱性や延性が劣化する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｏ含有量の上限は、好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％、さらに好ましくは０．０００８％である。
酸素（Ｏ）は、不純物として合金中に含まれ、溶接中の溶け込み深さを増大する効果を有する。しかしながら、Ｏを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するとともに、靱性や延性が劣化する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｏ含有量の上限は、好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｏ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％、さらに好ましくは０．０００８％である。
Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂの１種又は２種以上の合計：０．００１〜０．０２％、
これらの元素のうち、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＢｉは溶融金属の表面張力の温度依存性に影響を及ぼすことにより、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂは溶融池から蒸発してアークの電流密度を増大させることにより、それぞれ溶接時の溶け込み深さを増大させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、これらの元素の１種又は２種以上を合計で０．００１％以上含有する必要がある。しかしながら、これらの元素を過剰に含有すると、溶接中の溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。そのため、これらの元素の合計の含有量の上限は、０．０２％とする。これらの元素の合計の含有量の下限は、好ましくは０．００１５％、さらに好ましくは０．００２％である。これらの元素の合計の含有量の上限は、好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。
これらの元素のうち、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＢｉは溶融金属の表面張力の温度依存性に影響を及ぼすことにより、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂは溶融池から蒸発してアークの電流密度を増大させることにより、それぞれ溶接時の溶け込み深さを増大させる効果を有する。この効果を十分に得るためには、これらの元素の１種又は２種以上を合計で０．００１％以上含有する必要がある。しかしながら、これらの元素を過剰に含有すると、溶接中の溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。そのため、これらの元素の合計の含有量の上限は、０．０２％とする。これらの元素の合計の含有量の下限は、好ましくは０．００１５％、さらに好ましくは０．００２％である。これらの元素の合計の含有量の上限は、好ましくは０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。
なお、本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金の化学組成は、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂのすべての元素を含んでいる必要はなく、これらの元素の少なくとも１種を含んでいれば良い。
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、耐熱合金を工業的に製造する際に、原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、又は製造過程の環境等から混入する元素を意味する。
本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金の化学組成はさらに、上記のＦｅの一部に代えて、下記の第１群から第３群のいずれかの群から選択される１種以上の元素を含有しても良い。下記の元素は、すべて選択元素である。すなわち、下記の元素は、いずれも本実施形態によるオーステナイト系耐熱合金に含有されていなくても良い。また、一部だけが含有されていても良い。
より具体的には、例えば、第１群から第３群までの群の中から１つの群だけを選択し、その群から１種以上の元素を選択しても良い。この場合、選択した群に属するすべての元素を選択する必要はない。また、第１群から第３群の中から複数の群を選択し、それぞれの群から１種以上の元素を選択しても良い。この場合も、選択した群に属するすべての元素を選択する必要はない。
第１群 Ｔｉ：０〜０．５％
第１群に属する元素は、Ｔｉである。Ｔｉは、析出強化によって合金のクリープ強度を向上する。
第１群に属する元素は、Ｔｉである。Ｔｉは、析出強化によって合金のクリープ強度を向上する。
Ｔｉ：０〜０．５％
チタン（Ｔｉ）は、ＮｂやＶと同様、炭素又は窒素と結合して微細な炭化物又は炭窒化物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。Ｔｉを少しでも含有すればこの効果が得られる。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有すると、析出物が多量になってクリープ延性が低下する。そのため、上限は０．５％とする。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４％である。
チタン（Ｔｉ）は、ＮｂやＶと同様、炭素又は窒素と結合して微細な炭化物又は炭窒化物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。Ｔｉを少しでも含有すればこの効果が得られる。しかしながら、Ｔｉを過剰に含有すると、析出物が多量になってクリープ延性が低下する。そのため、上限は０．５％とする。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４％である。
第２群 Ｃｏ：０〜２％、Ｃｕ：０〜４％、Ｍｏ：０〜４％
第２群に属する元素は、Ｃｏ、Ｃｕ、及びＭｏである。これらの元素は、合金のクリープ強度を向上する。
第２群に属する元素は、Ｃｏ、Ｃｕ、及びＭｏである。これらの元素は、合金のクリープ強度を向上する。
Ｃｏ：０〜２％
コバルト（Ｃｏ）は、Ｎｉ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。Ｃｏを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は２％とする。Ｃｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｏ含有量の上限は、好ましくは１．８％であり、さらに好ましくは１．５％である。
コバルト（Ｃｏ）は、Ｎｉ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。Ｃｏを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は２％とする。Ｃｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｏ含有量の上限は、好ましくは１．８％であり、さらに好ましくは１．５％である。
Ｃｕ：０〜４％
銅（Ｃｕ）は、ＮｉやＣｏと同様、オーステナイト組織の安定にするとともに、使用中に微細に析出してクリープ強度の向上に寄与する。Ｃｕを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有すると、熱間加工性の低下を招く。そのため、上限は４％とする。Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｕ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。
銅（Ｃｕ）は、ＮｉやＣｏと同様、オーステナイト組織の安定にするとともに、使用中に微細に析出してクリープ強度の向上に寄与する。Ｃｕを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有すると、熱間加工性の低下を招く。そのため、上限は４％とする。Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｕ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。
Ｍｏ：０〜４％
モリブデン（Ｍｏ）は、Ｗと同様、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。Ｍｏを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有しても効果は飽和するとともに、かえってクリープ強度が低下する場合がある。さらに、Ｍｏは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は４％とする。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。
モリブデン（Ｍｏ）は、Ｗと同様、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。Ｍｏを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有しても効果は飽和するとともに、かえってクリープ強度が低下する場合がある。さらに、Ｍｏは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限は４％とする。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは３．８％であり、さらに好ましくは３．５％である。
第３群 Ｃａ：０〜０．２％、Ｍｇ：０〜０．０２％、ＲＥＭ：０〜０．０２％
第３群に属する元素はＣａ、Ｍｇ、及びＲＥＭである。これらの元素は、合金の熱間加工性を改善する。
第３群に属する元素はＣａ、Ｍｇ、及びＲＥＭである。これらの元素は、合金の熱間加工性を改善する。
Ｃａ：０〜０．０２％
カルシウム（Ｃａ）は、製造時の熱間加工性を改善する。Ｃａを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃａを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
カルシウム（Ｃａ）は、製造時の熱間加工性を改善する。Ｃａを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｃａを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
Ｍｇ：０〜０．０２％
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、製造時の熱間加工性を改善する。Ｍｇを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｍｇを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｍｇ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｍｇ含有量の上限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、製造時の熱間加工性を改善する。Ｍｇを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｍｇを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．０２％とする。Ｍｇ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｍｇ含有量の上限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
ＲＥＭ：０〜０．２％
希土類元素（ＲＥＭ）は、ＣａやＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する。ＲＥＭを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．２％とする。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１％である。
希土類元素（ＲＥＭ）は、ＣａやＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する。ＲＥＭを少しでも含有すれば、この効果が得られる。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有すると、酸素と結合して合金の清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性が低下する。そのため、上限は０．２％とする。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１％である。
「ＲＥＭ」とはＳｃ、Ｙ及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種又は２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭ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、合金にミッシュメタルを添加して、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるようにしても良い。
以上、本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱合金を説明した。本実施形態によれば、溶接施工性、溶接中の溶接熱影響部の耐割れ性、及び高温強度に優れたオーステナイト系耐熱合金が得られる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されない。
表１に示す化学組成を有するＡ〜Ｉの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットを、１０００〜１１５０℃の温度範囲で熱間鍛造及び熱間圧延し、厚さ１５ｍｍの板とした。なお、表１の「ｆｎ１」は、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂの合計の含有量を示す。この板をさらに冷間圧延して厚さ１２ｍｍにした。この板を１２００℃で１０分間保持した後水冷する固溶化熱処理を実施した。固溶化熱処理の後、機械加工によって厚さ１０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板に成形した。
［溶接施工性］
上記で作製した板の長手方向に沿って、図１に示す開先加工を施した。開先加工を施した板同士を突き合わせ、ガスタングステンアーク溶接法によって、各代符につき２継手ずつ、突き合わせ溶接を行って溶接継手を作製した。溶接は、溶加材料を用いず、入熱量は５ｋＪ／ｃｍとした。
上記で作製した板の長手方向に沿って、図１に示す開先加工を施した。開先加工を施した板同士を突き合わせ、ガスタングステンアーク溶接法によって、各代符につき２継手ずつ、突き合わせ溶接を行って溶接継手を作製した。溶接は、溶加材料を用いず、入熱量は５ｋＪ／ｃｍとした。
得られた溶接継手のうち、２継手とも溶接線の全長にわたって幅が１ｍｍ以上の裏ビードが形成されたものを、溶接施工性が良好であるとして合格とした。合格の継手のうち、全長にわたって裏ビードの幅が２ｍｍ以上であったものを「良」と判定し、一部でも幅が２ｍｍ未満の部分があったものを「可」と判定した。また、２継手のうち一部でも裏ビードが形成されない部分があったもの、及び一部でも裏ビードの幅が１ｍｍ未満の部分があったものを「不可」と判定した。
［耐溶接割れ性］
初層のみ溶接した上記の溶接継手を、ＪＩＳ Ｇ ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ相当の市販の鋼板（厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ）の上に、ＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定の被覆アーク溶接棒ＥＮｉ６６２５を用いて四周を拘束溶接した。その後、ＪＩＳ Ｚ ３３３４（２０１１）に規定のＳＮｉ６６２５該当のティグワイヤを用いて、入熱１０〜１５ｋＪ／ｃｍでＴＩＧ溶接により開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。
初層のみ溶接した上記の溶接継手を、ＪＩＳ Ｇ ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ相当の市販の鋼板（厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ）の上に、ＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定の被覆アーク溶接棒ＥＮｉ６６２５を用いて四周を拘束溶接した。その後、ＪＩＳ Ｚ ３３３４（２０１１）に規定のＳＮｉ６６２５該当のティグワイヤを用いて、入熱１０〜１５ｋＪ／ｃｍでＴＩＧ溶接により開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。
作製した溶接継手の各５カ所から、観察面が継手の横断面（溶接ビードと垂直な断面）になるように試料を採取した。採取した試料を鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡によって検鏡し、溶接熱影響部における割れの有無を調査した。５個の試料のすべてで割れが観察されなかった溶接継手を「良」、１個の試料で割れが観察された溶接継手を「可」として、「合格」と判断した。２個以上の試料で割れが観察された溶接継手を「不可」と判断した。
［クリープ破断強さ］
耐溶接割れ性試験で合格した溶接継手から、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た。母材の目標破断時間が約１０００時間となる７００℃、１６７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。母材破断し、かつ、その破断時間が母材の破断時間の９０％以上（すなわち、９００時間以上）となるものを「合格」とした。
耐溶接割れ性試験で合格した溶接継手から、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た。母材の目標破断時間が約１０００時間となる７００℃、１６７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。母材破断し、かつ、その破断時間が母材の破断時間の９０％以上（すなわち、９００時間以上）となるものを「合格」とした。
［性能評価結果］
性能評価結果を表２に示す。
性能評価結果を表２に示す。
代符Ａ〜Ｅ及びＩのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、化学組成が適切であった。これらの溶接継手は、初層溶接において裏ビードが全長にわたり形成され、良好な溶接施工性を有していた。また、溶接熱影響部に割れが生じず、必要とされる耐割れ性を有していた。さらに、高温のクリープ破断強度も十分であった。
代符Ｆのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、初層溶接において、一部裏ビードに判定基準を満足しない部分があった。これは、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂの合計の含有量が少なすぎたためと考えられる。
代符Ｇのオーステナイト系耐熱合金を母材とする溶接継手は、液化割れと考えられる割れが溶接熱影響部に発生した。これは、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂの合計の含有量が多すぎたためと考えられる。
代符Ｈのオーステナイト系低熱合金を母材とする溶接継手は、溶接施工性及び耐溶接割れ性は良好であったものの、必要とされるクリープ強度を満足しなかった。これは、代符Ｈのオーステナイト系耐熱合金のＮｉ含有量が少なすぎたため、相安定性が不安定になったためと考えられる。
本発明は、発電用ボイラの主蒸気管や高温再熱蒸気管等の高温部材として用いられるオーステナイト系耐熱合金として、好適に用いることができる。
Claims (3)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０４〜０．１４％、
Ｓｉ：０．０５〜１％、
Ｍｎ：０．５〜２．５％、
Ｐ ：０．０３％以下、
Ｓ ：０．００２％以下、
Ｎｉ：２３〜３２％、
Ｃｒ：２０〜２５％、
Ｗ ：１〜５％、
Ｎｂ：０．１〜０．６％、
Ｖ ：０．１〜０．６％、
Ｎ ：０．１〜０．３％、
Ｂ ：０．０００５〜０．０１％、
Ａｌ：０．０３％以下、
Ｏ ：０．０２％以下、並びに
Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、及びＰｂの１種又は２種以上の合計：０．００１〜０．０２％、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｃｏ：０〜２％、
Ｃｕ：０〜４％、
Ｍｏ：０〜４％、
Ｃａ：０〜０．０２％、
Ｍｇ：０〜０．０２％、
ＲＥＭ：０〜０．２％、
残部：Ｆｅ及び不純物である、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であって、
前記化学組成が、質量％で、下記の第１群から第３群までのいずれかの群から選択される１種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱合金。
第１群 Ｔｉ：０．０１〜０．５％
第２群 Ｃｏ：０．０１〜２％、Ｃｕ：０．０１〜４％、Ｍｏ：０．０１〜４％
第３群 Ｃａ：０．０００５〜０．０２％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．２％ - 請求項１又は２に記載のオーステナイト系耐熱合金を備える、溶接構造物。
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