JPH07164182A - 高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料 - Google Patents

高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料

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JPH07164182A
JPH07164182A JP34094293A JP34094293A JPH07164182A JP H07164182 A JPH07164182 A JP H07164182A JP 34094293 A JP34094293 A JP 34094293A JP 34094293 A JP34094293 A JP 34094293A JP H07164182 A JPH07164182 A JP H07164182A
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JP
Japan
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toughness
welding
welding material
strength
present
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JP34094293A
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English (en)
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Akira Hirano
侃 平野
Hiroshi Koyama
汎司 小山
Fumito Umazume
文人 馬詰
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い靱性を有する高強度耐熱鋼の溶接材料に
関するものであり、高温におけるクリープ特性、靱性、
耐割れ性に優れた溶接金属を与える溶接用材料を提供す
る。 【構成】 重量%で、C:0.03〜0.12%、S
i:0.02〜0.3%、Mn:0.3〜1.5%、
V:0.03〜0.40%、Nb:0.01〜0.15
%、N:0.01〜0.08%、Cr:8〜13%、M
o:0.3〜1.6%、W:0.5〜3.5%を含有
し、さらに、Ni:0.05〜1.2%、Cu:0.5
〜4.0%の少なくとも一方を含有し、さらに必要に応
じMo、W、Ni、Cu含有量の間に、(Mo+W)/
(Ni+Cu)≦1.5なる関係が成立する高Crフェ
ライト系耐熱鋼用溶接材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高い靱性を有する高強度
耐熱鋼の溶接材料に関するものであり、さらに詳しくは
高温におけるクリープ特性、靱性、耐割れ性に優れた溶
接金属を与える溶接用材料に係わるものである。
【0002】
【従来の技術】高温高能率型のエネルギープラント用鋼
材として、クリープ強度が極めて優れかつオーステナイ
ト系ステンレス鋼に見られるような応力腐食割れの心配
が少ないフェライト系耐熱鋼が強く要望され始めてい
る。この種の用途を目的として開発されている、例えば
特開昭60−257991号公報に開示されている9C
r−Mo系鋼用溶接ワイヤの如く溶接ワイヤ中のC、S
i、Mn、Cr、Mo、Ni添加量を限定し、さらに必
要に応じてNb、Vの1種または2種を添加して(Nb
+V)で0.3%以下とする溶接ワイヤが提案されてい
る。しかしこのような構成においては、Wを含有しない
ため十分なクリープ強度を得ることができない。
【0003】また、特開平2−280993号公報では
8〜12Cr系溶接材料の如くC、Si、Mn、Cr、
Ni、Mo、W、V、Nb、Al、N、C添加量を限定
し、Creq:13%以下とする溶接材料が提案されてい
る。しかしながら、このような構成においても大幅なク
リープ強度を向上させるものでなく、また靱性について
もマルテンサイト相中にδフェライトの晶出を抑制でき
ずに、高い靱性を得るには不充分である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題点を有せず、高温強度や高温クリープ破断強度等
のクリープ特性、さらには耐割れ性を確保しつつ、フェ
ライト相を減少し、靱性に優れた溶接金属を与える高C
rフェライト系耐熱鋼用溶接材料を提供することを目的
とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、重量%で、C:0.03〜0.12%、Si:
0.02〜0.3%、Mn:0.3〜1.5%、V:
0.03〜0.40%、Nb:0.01〜0.15%、
N:0.01〜0.08%、Cr:8〜13%、Mo:
0.3〜1.6%、W:0.5〜3.5%を含有し、さ
らに、Ni:0.05〜1.2%、Cu:0.5〜4.
0%の少なくとも一方を含有し、さらに必要に応じM
o、W、Ni、Cu含有量の間に、(Mo+W)/(N
i+Cu)≦1.5なる関係が成立し、残部がFe及び
不可避的不純物からなることを特徴とする高Crフェラ
イト系耐熱鋼用溶接材料にある。
【0006】
【作用】本発明の最大の特徴は溶接ワイヤ中にCu、N
iの少なくとも一方を添加し、さらにはMo、W、N
i、Cu量との関係で限定共存させたところにあり、溶
接して得られる溶接金属のδフェライトの生成を抑制
し、クリープ破断強度と靱性を格段に高めたところにあ
る。以下に本発明の各成分の限定理由について述べる。
【0007】C:0.03〜0.12%、 Cは焼き入れ性と強度確保のため0.03%以上必要で
あるが、耐割れ性の観点から上限を0.12%とした。
【0008】Si:0.02〜0.3% Siは脱酸剤として添加するものであるが、また耐酸化
性を向上させる元素でもある。しかし0.3%を超える
と靱性の低下を招くので上限を0.3%と定めた。また
下限の0.02%は脱酸に必要な量として定めた。
【0009】Mn:0.3〜1.5% Mnは脱酸のためのみでなく強度保持上も必要な成分で
ある。上限を1.5%としたのはこれを超すと靱性の点
から好ましくないからであり、下限は脱酸に必要な量と
して0.3%と定めた。
【0010】V:0.03〜0.40% Vは炭窒化物として析出させて強度を確保する上で最低
0.03%が必要であるが、他方0.40%を超えると
かえって強度低下を生じるので上限を0.40%とし
た。
【0011】Nb:0.01〜0.15% NbはVと同様炭窒化物として析出して強度を確保する
ほか、結晶粒を微細化して靱性を与える元素としても重
要であるため最低0.01%が必要であるが、0.15
%を超えるとその効果は飽和してしまうだけでなく溶接
性の低下も招く。したがって上限を0.15%とした。
【0012】N:0.01〜0.08% Nは基地中に固溶しても、また窒化物として析出しても
著しいクリープ抵抗として寄与するため最低0.01%
を必要とする。0.08%を超えると窒化物が多量に析
出して、逆に靱性が劣化することなどの問題が生じるの
で上限を0.08%と定めた。
【0013】Cr:8〜13% Crは耐酸化と焼き入れ性を確保する上で非常に重要な
元素であるため最低8%必要であるが13%を超すと耐
割れ性を損なうと同時にδフェライトを晶出させ靱性の
劣化が著しくなるので上限は13%とした。
【0014】Mo:0.3〜1.6% Moは固溶体強化により、高温強度を顕著に高める元素
であるので使用温度、圧力を上昇させる目的で添加する
が、多量に添加された場合溶接性を損ない、かつδフェ
ライトを晶出させるため靱性の低下を招く。したがって
添加範囲として上限を1.6%とした。一方Wとの共存
において、高温強度、特に高温長時間側でのクリープ破
断強度の向上に効果のあるのは0.3%以上であるので
下限を0.3%とした。
【0015】W:0.5〜3.5% Wはフェライト系溶接金属のクリープ強度に寄与する固
溶体強化元素として最も優れた元素である。特に、高温
長時間側でのクリープ破断強度向上の効果は極めて大き
い。しかしながら0.5%未満ではMoとの共存におい
て効果は発揮できないので下限を0.5%と定めた。し
かし過剰の添加により、δフェライトを晶出させ溶接金
属の靱性が低下し、溶接作業性も劣化するので上限を
3.5%とした。
【0016】Ni:0.05〜1.2% Niはフェライトの生成を抑制し、使用中の脆化軽減に
有効な元素であり、高温で長時間使用される本発明溶接
材料のような用途に対しては有効な元素である。本発明
において、NiまたはCuは必須の元素であるが、Ni
の場合0.05%未満ではその効果は得られない。他方
1.2%を超すと高温クリープ特性を劣化させるので上
限を1.2%とした。
【0017】Cu:0.5〜4.0% CuはNiと同様にMo、W添加によって生じるδフェ
ライトの晶出という問題点を相殺する重要な元素であ
り、その効果を得るには最低0.5%以上を添加するこ
とが好ましい。しかし過剰添加するとAc1 点を下げる
ため、高温焼戻しが不可能となり組織の安定化処理がで
きなくなるという欠点を有するため上限を4.0%とし
た。
【0018】本発明の溶接材料に含有する元素の種類お
よびその最適含有率は上記のとおりであり、上記要件を
満足する限り本発明の目的は達成されるが、各元素の機
能を総合的に考慮し、靱性の所定のレベルを確保しつつ
溶接金属の高温クリープ破断強度を一層効果的に高める
には、下記の式を満足することが最適である。この比が
上限を越えるとクリープ強度が低下すると共に、δフェ
ライトの生成が著しく靱性も劣化する。 (Mo+W)/(Ni+Cu)≦1.5
【0019】本発明の構成によれば、適用する溶接方法
はTIG溶接が最も好ましい。しかしTIG溶接に限定
されるものでなく、たとえば、Ar−CO2 あるいはA
r−O2 をシールドガスとするMIG溶接においても良
好な性能が得られる。またシールドガス組成について
も、ArにHeを混合させるガスシールドアーク溶接に
ついても同様に適用可能である。
【0020】厚さ20mmのASTM規格A387 G
r22、9Cr−1Mo鋼、9Cr−1Mo−Nb−V
−W鋼、9Cr−0.5Nb−V−W鋼、12Cr−N
b−V−W鋼を図1の断面図に示すような開先(被溶接
材1の厚さT=20mm、開先角度θ=20°、裏当材
2使用でルートギャップL=12mm)を形成、表1に
示す成分組成のワイヤ径1.6mmの溶接ワイヤ、表3
に示す溶接条件でTIG溶接を実施した。なお、ワイヤ
は溶解して得られた鋼塊を鍛造、熱延、伸線、焼鈍、め
っき、伸線、巻取りの各工程を経て1.6mmの径に仕
上げたものである。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】得られた溶接金属を740℃−4時間の後
熱処理をした後、600℃、20kgf/mm2 の応力
でのクリープ破断試験および試験温度0℃での2mmV
ノッチ衝撃試験を行った。表2に上記試験結果および溶
接性の調査結果を示す。ワイヤTGS−1〜TGS−1
1はいずれも本発明の要件をすべて満たしており、溶接
金属組織はδフェライトの晶出はなくマルテンサイト単
相組織であり、後熱処理後の靱性およびクリープ破断特
性が良好で、かつ、溶接性の優れた溶接金属を得ること
ができた。
【0025】ワイヤTGS−12〜TGS−18は比較
例を示す。ワイヤTGS−12は通常の耐熱鋼用として
使用されている2 1/4%Cr−1%Mo系ワイヤの例で
あり、ワイヤTGS−13はさらに耐高温腐食性を向上
させた熱交換器用ワイヤであるが、いずれも本発明ワイ
ヤに比べ、著しくクリープ破断強度が低い。TGS−1
4は9Cr−1Mo−Nb−V−W系のワイヤの例であ
るがC量が本発明ワイヤに比べて著しく高いので、溶接
時に割れが発生し、耐割れ性および衝撃値が低下してい
る。
【0026】TGS−15はN量と(Mo+W)/(N
i+Cu)がその上限を超えるものであって、溶接金属
にブローホールが発生するとともに靱性に乏しく、クリ
ープ破断強度も低下した。TGS−16はC、Nが低く
Ni、Cuがないためδフェライトが生じ靱性が低下し
ている。
【0027】TGS−17は9Cr−0.5Mo−Nb
−V−W系でMo、W、Ni、Cuを含有するが、Wが
本発明の条件を外れておりクリープ破断強度が低くδフ
ェライトが生じ靱性が低い。TGS−18は12Cr−
0.5Mo−Nb−V−W系でTGS−16と同様にM
o、W、Ni、Cuを含有するが、Moが本発明の条件
を外れておりクリープ破断強度が低くδフェライトが生
じ靱性が低下している。
【0028】
【発明の効果】本発明溶接材料は従来の9%〜12%C
r鋼用溶接ワイヤと比較して、高温でのクリープ強度を
著しく高めたものであり、靱性および溶接性などの特性
にも優れている。表1、表2に示したように溶接ワイヤ
組成が本発明の要件を満たすものは、本発明の要件を満
たさないもの(比較例)と比べて高温クリープ特性だけ
でなく、靱性および溶接性に優れていることは明らかで
ある。各種発電ボイラ、化学圧力容器などに使用される
9〜12%Cr系鋼を溶接する場合に本発明に係わる溶
接材料を使用することにより、溶接継手の信頼性を大幅
に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例に用いた溶接部の開先形状を示す断面図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 C :0.03〜0.12% Si:0.02〜0.3% Mn:0.3〜1.5% V :0.03〜0.40% Nb:0.01〜0.15% N :0.01〜0.08% Cr:8〜13% Mo:0.3〜1.6% W :0.5〜3.5% を含有し、さらに、 Ni:0.05〜1.2% Cu:0.5〜4.0% の少なくとも一方を含有し、残部がFe及び不可避的不
    純物からなることを特徴とする高Crフェライト系耐熱
    鋼用溶接材料。
  2. 【請求項2】 Mo、W、Ni、Cu含有量の間に、 (Mo+W)/(Ni+Cu)≦1.5 なる関係が成立することを特徴とする請求項1記載の高
    Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料。
JP34094293A 1993-12-10 1993-12-10 高Crフェライト系耐熱鋼用溶接材料 Withdrawn JPH07164182A (ja)

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Effective date: 20010306