JPH0825055B2

JPH0825055B2 - 高Ｃｒフェライト鋼用溶接材料

Info

Publication number: JPH0825055B2
Application number: JP9849989A
Authority: JP
Inventors: 和博小川; 敦朗伊勢田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-04-18
Filing date: 1989-04-18
Publication date: 1996-03-13
Anticipated expiration: 2011-03-13
Also published as: JPH02280993A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、高温用高Crフェライト鋼の溶接に使用され
る溶接材料に関する。

〔従来の技術〕

ボイラ、化学工業または原子力工業用熱交換器管、耐
熱耐圧配管等に用いられる高温材料としては、オーステ
ナイト系ステンレス鋼、2 1/4Cr−1Mo鋼等の低合金鋼、
9Cr−1Mo鋼に代表される高Crフェライト鋼の３種類がよ
く知られている。なかでも高Crフェライト鋼は、高温腐
食や応力腐食割れを生じ難く、しかも安価なために広く
使用され始めている。

この高Crフェライト鋼は、熱処理により組織および機
械的性質を調整して用いられるのが通例である。例えば
特開昭62−89842号公報に開示された高Crフェライト鋼
は、８〜13Crフェライト鋼をベースにMo、Ｗ、Ｖ、Nb、
Ni、Al量等を調整して、優れた高温長時間クリープ強度
が確保できるようにしたものであるが、使用に際しては
700〜800度の焼きもどしを行うことが前提になってい
る。

一方、このような高Crフェライト鋼に溶接を行なう場
合、溶接材料としてはオーステナイト系ステンレス鋼、
Ni基合金、共金の３種類が適用される。このうち、共金
系の溶接材料は溶接金属の靱性が確保し難い一面はある
ものの、熱膨張差による割れや脱炭層形成による割れが
防止でき、材料コストも安いので、溶接後熱処理によっ
て溶接金属の靱性を改善することを前提に、使用環境温
度が比較的低い場合に多く使用されている。従って、高
Crフェライト鋼に対する共金系の溶接材料は、いずれも
溶接後熱処理を前提に設計されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、溶接後熱処理は、溶接施工コストの上昇要因
になっており、さらに変形の原因にもなっている。従っ
て、溶接金属の靱性が確保されるならば溶接後熱処理は
省略されることが望まれる。

本発明は、斯かる要望に応えるもので、溶接金属に特
に優れた耐食性を付与し、なおかつ溶接後熱処理なしで
も優れた靱性をその溶接金属に与えることができる共金
系の高Crフェライト鋼用溶接材料を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

高温用Crフェライト鋼に対して母材と同一成分の溶接
材料を使用した場合、溶接金属は母材と同様にフェライ
ト／マルテンサイトの二相組織となる。しかし、その比
率は母材における比率とは異なる。本発明者らの調査研
究によると、高Crフェライト鋼を共金系の溶接材料で溶
接した場合の溶接金属の靱性は、溶接金属におけるフェ
ライト／マルテンサイトの比率、特に母材におけるこの
比率との違いに強く支配されることが判明した。また、
溶接金属の硬さやＯ量もその靱性に対しての強く影響す
ることが明らかになった。

本発明者らは、このような事実関係に基づいて、共金
系材料における靱性低下防止策を種々検討した結果、溶
接材料においてＯ量を抑える一方で、マルテンサイト量
を増加させ、さらに硬度を低下させることにより、高Cr
により高い耐食性を確保した場合にも溶接後熱処理なし
で溶接金属の靱性を十分に高くできることを知見した。
また、溶接金属は通常は溶接後熱処理を受け、溶接後熱
処理を省略する場合には溶接による熱サイクルしか受け
ない。これに対し、母材は溶接までの間に熱間加工、焼
ならし、焼もどしを受け、溶接時にも加熱される。そし
て、この両者の熱履歴の相違も靱性低下の要因になって
いることが知見された。

本発明は、斯かる知見に基づきなされたもので、重量
％でC:0.01〜0.1％、Si:0.01〜１％、Mn:0.01〜２％、C
r:10.5％超12％以下、Ni:2〜５％、Mo:0.1〜３％、W:0.
3〜３％、V:0.1〜0.5％、Nb:0.01〜0.2％、Al:0.04％以
下、N:0.003〜0.08％、O:0.01％以下、Ca:0.0005〜0.01
％を含み、さらにCr_eq:12％以下ただしCr_eq＝Cr＋6Si＋4Mo ＋1.5W＋11V＋5Nb ＋12Al−40C−30N −4Ni−2Mn〔％〕 Qc:0.15％以下ただしQc＝Ｃ＋Mn/20＋Si/30 〔％〕を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする高Crフェライト鋼用溶接材料を要旨とする。

本発明の溶接材料は、Crの増加により優れた耐食性を
確保したこと、高Cr下で問題となる靱性低下を防ぐため
に、Niの増加によりフェライト／マルテンサイトの比率
を改善したことを重要点としている。すなわち、溶接金
属の靱性改善にはフェライト量を減少させることが有効
であり、そのためにはＣ、Ｎ、Ni量の増大が必要であ
る。しかしＣ、Ｎは硬度上昇を伴う元素であるために主
にNi量の増加によりフェライト／マルテンサイトの比率
改善を図ったのである。なお、Niは硬度上昇を伴わずに
マルテンサイト量を増加させ、フェライト／マルテンサ
イトの比率改善に寄与するが、その一方でクリープ強度
を低下させる作用もある。しかし、他の成分調整と合わ
せれば600℃以下のクリープ強度は確保できることも明
らかになった。

〔作用〕

以下、本発明の溶接材料における各用件限定理由を説
明する。なお、％は特にことわりのない限り重量％を表
わす。

C:Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Nbと結合して炭化物を形成し、溶接
金属のクリープ強度を高める。Ｃが0.01％未満ではこの
効果が十分でなく、逆に0.1％を超えると、溶接熱サイ
クルにより溶接金属が硬化し、溶接後熱処理なしでは十
分な靱性が確保されない。したがって、Ｃは0.01〜0.1
％とする。

Si,Mn:脱酸剤として有効であるが、0.01％未満では経済
的にコストアップとなり、逆に１％,2％をそれぞれ超え
ると靱性が低下する。したがってSiは0.01〜１％、Mnは
0.01〜２％とする。

Cr:高温用高Crフェライト鋼の基本成分の一つであり、
溶接金属の耐酸化性確保の点から10.5％を超える添加が
必要である。図４に、溶接金属を水蒸気酸化させたとき
のスケール層厚と溶接材料のCr量との関係を示すが、Cr
量が約10％より大きい領域で特に優れた耐酸化性が得ら
れる。しかし、12％を超えると、溶接金属中のフェライ
ト量が増加し、靱性を低下させる。したがってCrは10.5
％超12％以下とする。

Ni:オーステナイト形成元素であり、マルテンサイト量
の増加により、溶接金属におけるフェライト／マルテン
サイト比率の適正化に寄与する。また、マトリックスの
靱性向上にも寄与する。そのためには２％以上添加が必
要である。図５に溶接金属のシャルピー衝撃値と溶接材
料のNi量との関係を示す。Cr＞10.5％、溶接後熱処理な
しの条件では、Ni＝約２％を境にして衝撃値が急増す
る。しかし、過度の添加はクリープ強度の低下作用を増
長し、経済性も損なうので、５％以下とする。

Mo,W:いずれも高温長時間クリープ強度を高め、Moにつ
いては0.1％未満、Ｗについては0.3％未満ではその効果
が少ない。しかし、３％を超えると、金属間化合物が析
出し、溶接金属の靱性を低下させる。したがってMoは0.
1〜３％、Ｗは0.3〜３％とする。

V:C,Nと結合し、微細な炭窒化物を析出させて、高温長
時間クリープ強度向上に寄与する。0.1％未満ではこの
効果が小さく、0.5％を超えると炭窒化物が粗大化し、
かえって高温長時間クリープ強度を低下させる。したが
ってＶは0.1〜0.5％とする。

Nb:Vと同様、炭窒化物の微細析出により高温長時間クリ
ープ強度を向上させる。更にNbCを析出させ、組織の微
細化を図ることにより靱性を改善する。0.01％未満では
この効果が小さく、0.2％を超えるとNbCの多量析出によ
り固溶Ｃ量を減少させ、溶接金属の強度を低下させる。
したがってNbは0.01〜２％とする。

Al:脱酸剤として添加されるが、0.04％を超えると溶接
金属の高温長時間クリープ強度を損なう。したがってAl
は0.04％以下とする。

N:V,Nbと結合して炭窒化物を析出し、高温長時間クリー
プ強度向上に寄与する。0.003％未満ではこの効果が小
さく、0.08％を超えると溶接後熱処理なしでは溶接金属
に十分な靱性を与えるのが困難となる。したがってＮは
0.003〜0.008％とする。

O:溶接金属の鉄原子の結合を弱めてマトリックスをもろ
くさせ、その結果として溶接金属の靱性を著しく低下さ
せる。したがってＯは、0.01％以下に制限し、少ないほ
ど望ましい。

Ca:脱酸剤として添加され、溶接金属の低Ｏ化に寄与し
て靱性を向上させる。0.0005％未満ではその効果が少な
く、0.01％を超えると溶接金属中に介在物として残って
かえつて靱性を低下させる。したがってCaは0.0005〜0.
01％とする。

上記成分以外にMg:0.01％以下、Ce:0.02％以下、La:
0.02％以下の１種または２種以上を添加してもよい。こ
れらはCaと同様に溶接金属の低Ｏ化に寄与し、その靱性
を向上させる。

なお、不純物元素であるP,Sのいずれの元素も溶接
性、高温長時間クリープ強度に対して有害な不純物であ
る。この観点からＰは0.025％以下、Ｓは0.015％以下に
し、いずれも少ないほうが望ましい。

Cr_eq：高温用高Crフェライト鋼を共金系の材料で溶接し
た場合、溶接金属は母材と同様、フェライト・マルテン
サイト二相混合組織となる。フェライトとマルテンサイ
トの二相混合組織を有する溶接金属においては、下式で
表わされるCr_eqが大きいほどフェライト量が多くなる。
そして、フェライト量の増大は溶接金属の靱性を低下さ
せる。本発明者らの調査によると、Cr_eqが12を超える
と、溶接金属中のフェライト量が60％以上となり、実用
上十分な靱性（０℃におけシャルピー衝撃値5kgf・m/cm
²以上）が確保できなくなる。よってCr_eqは12％以下に
規制する。

Cr_eq＝Cr＋6Si＋4Mo＋1.5W ＋11V＋5Nb＋12Al−40C −30N−4Ni−2Mn〔％〕 Qc:本発明者らの研究によると、高温用高Crフェライト
鋼を共金系の材料で溶接したときの溶接金属の靱性低下
は、フェライト量の増大による他、溶接金属の熱履歴が
母材の熱履歴と異なることも大きな原因であることが判
明した。すなわち、母材は熱間形成加工後、高温用高Cr
フェライト鋼特有の焼ならし・焼もどし処理を受けて溶
接に供されるのに対し、溶接金属は溶接後熱処理を受け
ない場合は溶接による熱サイクルを受けるのみとなる。
この熱履歴の相違に基づく溶接金属の靱性不足を溶接材
料の成分設計で補うため、本発明者らは下式で表わされ
るQcなるパラメータを導入した。

Qc＝Ｃ＋Mn/20＋Si/30〔％〕本発明者らの調査によると、このQcが高くなるほど溶
接金属中のマルテンサイト相が硬くなり、靱性を低下さ
せる。特にQcが0.15％を超えると、溶接後熱処理なしで
は実用上十分な靱性（０℃におけるシャルピー衝撃値5k
gf・m/cm²以上）が確保されない。したがって、Qcは0.1
5％以下とする。なお、Qcを0.01％未満にするには、Ｃ
を0.01％未満にしなければならず、その結果、高温長時
間クリープ強度が低下する。Ｃは0.01％以上で確保され
るので、QcはＣ量の確保にともなって0.01％以上にな
る。

本発明の溶接材料は溶接後熱処理の省略を前提として
いるが、溶接後熱処理が溶接金属の品質に悪影響を与え
るわけではないので、残留応力、靱性確保、その他の理
由から溶接後熱処理を行なうことは差し支えない。その
場合の温度はマルテンサイトがオーステナイト化してク
リープ強度強度が低下するのを防止するために760℃以
下とすることが望ましい。

〔実施例〕

次に、本発明の溶接材料の特性を比較材料と比べて説
明する。

第１表にA1〜A6およびB1〜B6で示す化学成分の鋼を50
kg真空溶解炉にて溶製し、更に鍛造、圧延して、外径2m
m、長さ1000mmの本発明溶接材料および比較用溶接材料
を製造した。一方、母材として、第２表に示す化学成分
の鋼を50kg真空溶解炉にて溶製し、1150〜950℃で鍛
造、圧延して厚さ10mmの板を製造した。製造された母材
には1050℃×1hr、ACの焼ならしと830℃×0.5hr、ACの
焼もどしとを施した。この母材は特開昭62−89842号に
て提案された高温用高Crフェライト鋼である。

そして、この母材に第１図に示す開先を設け、前記の
各種溶接材料を用いて第３表に示す条件で第１図に併示
する５層のTIG溶接を行った。溶接後、一部の溶接継手
に対しては715℃×0.3hr、ACの溶接後熱処理を行い、他
は溶接後熱処理なしで溶接継手より第２図に示す溶接金
属の中央部に切欠を設けたシャルピー衝撃試験片および
第３図に示すクリープ試験片を切り出し、各試験を行っ
た。また、溶接金属から２×５×25mmの試験片を採取
し、水蒸気中で700℃×1000hの加熱を行い、スケール厚
さが100μｍ未満を良、100μｍ以上を不良とした。

シャルピー衝撃試験は０℃で行い、クリープ試験は温
度600℃、負荷応力14kgfm/mm²の条件で破断までの時間
を調査した。

試験結果を溶接材料に対応させて第４表に示す。

第４表から明らかなように、溶接材料A1〜A6を使用し
た溶接継手は、溶接後熱処理なしにもかかわらず、いず
れも7kgfm/cm²を超える靱性と3500時間を超えるクリー
プ破断時間を示している。しかし、A4,A5以外のもの
は、Cr量が少ないため耐食性が劣る。つまり、A4,A5の
みが高Crであるにもかかわらず、高靱性かつ高高温強度
である。

なお、溶接材料A6を使用した溶接継手は、溶接後熱処
理なしでも9.2kgfm/cm²の靱性を示しているが、溶接後
熱処理を受けることにより靱性が12.8kgfm/cm²まで向上
し、クリープ破断時間は実質的に変わらない。

これらに対し、溶接材料B1を使用した溶接継手は、靱
性は良好なもののクリープ破断時間は1000時間に達しな
い。他の溶接材料（B₄〜B₆）を使用した溶接継手は、高
Crゆえに耐食性は優れるが、そのような高Cr下では溶接
後熱処理なしでは溶接金属の靱性が劣悪で、クリープ破
断試験は省略した。

〔発明の効果〕

本発明の高Crフェライト鋼用溶接材料は、高耐食性を
確保した上で、溶接後熱処理なしでも溶接金属に十分な
靱性を与える。したがって、溶接後熱処理が省略でき、
溶接施工コストの大巾低減を図ると共に、溶接後熱処理
に伴う変形を防止できる。しかも、本発明の溶接材料は
共金系材料であるので、母材との熱膨張差や脱炭相形成
に起因する誘導割れが防止でき、材料コストもNi基系材
料と比べて著しく低い。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接試験における溶接部の開先形状および積層
法を示す断面図、第２図および第３図はシャルピー衝撃
試験片およびクリープ試験片の側面図、第４図は溶接材
料のCr量と溶接金属の耐食性との関係を示すグラフ、第
５図は溶接材料のNi量と溶接金属の靱性との関係を示す
グラフである。図中、1:溶接金属、2:母材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でC:0.01〜0.1％、Si:0.01〜１％、
Mn:0.01〜２％、Cr:10.5％超12％以下、Ni:2〜５％、M
o:0.1〜３％、W:0.3〜３％、V:0.1〜0.5％、Nb:0.01〜
0.2％、Al:0.04％以下、N:0.003〜0.08％、O:0.01％以
下、Ca:0.0005〜0.01％を含み、さらに Cr_eq:12％以下ただしCr_eq＝Cr＋6Si＋4Mo ＋1.5W＋11V＋5Nb ＋12Al−40C−30N −4Ni−2Mn〔％〕 Qc:0.15％以下ただしQc＝Ｃ＋Mn/20＋Si/30〔％〕を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする高Crフェライト鋼用溶接材料。