JPH0760481A

JPH0760481A - 高Ｃｒ高Ｎオーステナイト鋼用溶接材料

Info

Publication number: JPH0760481A
Application number: JP21115393A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ogawa; 和博小川; Yoshiatsu Sawaragi; 義淳椹木; Takao Ko; 隆夫高; Shigeru Matsumoto; 茂松本; Toshihiko Mizuta; 俊彦水田
Original assignee: Sumikin Welding Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumikin Welding Industries Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1995-03-07

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】発電ボイラ用等の高温強度に優れた高Cr高Ｎの
オーステナイト鋼のガスシールドアーク溶接用溶接材料
を提供する。【構成】(1) 重量％で、Ｃ：0.03〜0.1 ％、Si： 0.1〜
0.5 ％、Mn： 1.2〜８％、Cr：23〜28％、Ni：18〜30
％、Nb：0.01〜0.7 ％、Al： 0.5％以下、Ｎ： 0.2〜0.
4％、Mo： 0.5〜1.5 ％、およびＢ：0.01％以下を含有
し、かつ不純物としてＰ、ＳがＰ：0.01％以下ならびに
Ｐ＋Ｓ：0.02％以下を満足し、残部がFeおよび不可避不
純物からなる高Cr高Ｎオーステナイト鋼用ガスシールド
アーク溶接材料。この材料には、必要に応じて更に、１
〜４％のCuを含むことができる。 (2) (1)の材料において、Ｃ： 0.1を超えて0.24％ま
で、Mn：８％以下およびＮ：0.15〜0.35％とした高Cr高
Ｎオーステナイト鋼用ガスシールドアーク溶接材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、発電ボイラ用等の高
温強度に優れた高Cr高Ｎのオーステナイト鋼用ガスシー
ルドアーク溶接に使用される溶接材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高温で使用される発電用ボイ
ラ、化学反応装置等には、主として、18−８系のオース
テナイトステンレス鋼が使用されてきた。しかし、最近
のボイラ等での運転条件の苛酷化（高温化、高圧化）に
伴い、18−８系よりも更に高温強度が高く、耐食性に優
れた材料が必要とされるようになった。このような要求
に応えるために開発されたものとして、高Cr高Ｎを特徴
とするオーステナイト鋼があり、例えば特開昭57−1649
72号および特開昭59− 64752号の両公報には、高Crで、
Ｎ、Nb、Ｂを添加することにより、高温強度および耐食
性の改善を図ったオーステナイト鋼が開示されている。

【０００３】そして、このような高Cr高Ｎオーステナイ
ト鋼の溶接に使用される溶接材料としては、母材をその
まま線材加工したものや、高Ni合金用アーク溶接材料
（例えば JIS溶接棒 DNiCr系) の使用が考えられてお
り、更に、共金系高Cr高Ｎオーステナイト鋼用溶接材料
（特開平５−69187 号公報参照）も提案されている。

【０００４】しかし、高Cr高Ｎオーステナイト鋼の溶接
では、母材は溶製後、圧延、熱処理により組織の調整を
受けて高温強度の確保が図られるのに対し、溶接金属は
殆どの場合、凝固時の組織で使用される。そのため、溶
接金属は、母材に比べ高温強度を高めることが本質的に
容易でない。

【０００５】また、オーステナイト組織では高合金組成
のため割れ感受性が高くなり、溶接高温割れが発生しや
すく、特に、溶接金属では、溶接凝固時に溶接金属内に
発生する凝固割れが問題となる。更に、オーステナイト
鋼材の高温強度を高めるために添加される一部の成分
は、溶接高温割れに悪影響を与え、その防止を一層困難
にしている。

【０００６】そのため、母材をそのまま線材に加工した
溶接材料では、次のような問題がある。

【０００７】例えば、母材の高温強度の改善に有効なＢ
は、溶接金属の溶接高温割れ感受性を高める作用があ
る。また、溶接高温割れ感受性の低減には、Ni量を減じ
てδフェライトを数％晶出させることが有効であるが、
このδフェライトは高温での使用中にシグマ相へ変態し
て脆化の原因になるため、δフェライトの晶出は抑えな
ければならない。一方、δフェライトの晶出を抑えた条
件下で、高温強度の改善に有効なNbを添加すると、割れ
感受性は一層高められることになる。従って、母材をそ
のまま線材に加工した溶接材料では、溶接金属に優れた
高温強度と同時に耐溶接高温割れ性を付与することは困
難であった。

【０００８】一方、高温で使用される発電用ボイラ等の
溶接部の強度は、特にオーステナイト組織において、溶
接時の加熱により軟化し易いので、溶接入熱量、層間温
度等の溶接施工条件の影響を受けるため、従来の高Ni合
金用アーク溶接材料や先に特開平５−69187 号公報で提
案された共金系高Cr高Ｎオーステナイト鋼用溶接材料で
は、広範な溶接条件のもとで、高強度の母材に対して必
ずしも安定した高温強度が得られないという問題があっ
た。また、高Ni合金用アーク溶接材料は、高価であり、
経済性の点でも好ましくない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記のように、従来の
溶接材料では、溶接金属に優れた高温強度と同時に耐溶
接高温割れ性を付与することは困難であった。本発明
は、このような問題に鑑み、溶接部の溶接高温割れ感受
性を高めることなく、安定した高温強度がより広い溶接
施工条件範囲で得られる溶接材料を提供することを目的
としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記の溶接材
料を要旨としている。

【００１１】(1) 重量％で、Ｃ：0.03〜0.1 ％、Si：
0.1〜0.5 ％、Mn： 1.2〜８％、Cr：23〜28％、Ni：18
〜30％、Nb：0.01〜0.7 ％、Al： 0.5％以下、Ｎ： 0.2
〜0.4％、Mo： 0.5〜1.5 ％、およびＢ：0.01％以下を
含有し、かつ不純物としてＰ、ＳがＰ：0.01％以下なら
びにＰ＋Ｓ：0.02％以下を満足し、残部がFeおよび不可
避不純物からなることを特徴とする高Cr高Ｎオーステナ
イト鋼用ガスシールドアーク溶接材料。

【００１２】この材料には、必要に応じて更に、１〜４
％のCuを含むことができる。

【００１３】(2) 重量％で、Ｃ： 0.1％を超えて0.24％
まで、Si： 0.1〜0.5 ％、Mn：８％以下、Cr：23〜28
％、Ni：18〜30％、Nb：0.01〜0.7 ％、Al： 0.5％以
下、Ｎ：0.15〜0.35％、Mo： 0.5〜1.5 ％、およびＢ：
0.01％以下を含有し、かつ不純物としてＰ、ＳがＰ：0.
01％以下ならびにＰ＋Ｓ：0.02％以下を満足し、残部が
Feおよび不可避不純物からなることを特徴とする高Cr高
Ｎオーステナイト鋼用ガスシールドアーク溶接材料。

【００１４】上記 (1)または (2)の材料は、更に、Mg：
0.02％以下または／およびCa：0.02％以下を含有するこ
とが望ましい。

【００１５】

【作用】本発明者は、溶接部の溶接高温割れ感受性を高
めることなく、安定した高温強度がより広い溶接施工条
件範囲で得られるガスシールドアーク溶接材料に関して
詳細に検討した結果、次の知見を得た。ここで言うガス
シールドアーク溶接とは、Ar、He等の不活性ガスにより
アークをシールドして溶接を行う方法である。

【００１６】Ｎの固溶強化により高温強度の改善が
図れるため、溶接材料の高Ｎ化は、溶接金属の高温強度
の向上に有効である。

【００１７】しかし、溶接施工時、溶接材料に含有され
るＮが溶接金属中に残留しない (歩留らない) という問
題がある。これは、特に大入熱溶接において顕著となる
が、Ｎがアーク雰囲気中に飛散するためであり、溶接材
料中に多量のＮが含有されていても、有効なＮが溶接金
属中に歩留らない状況になる。この対策として、Mnの含
有量を 1.2％以上にすることにより、溶接金属中のＮの
活量を下げ、Ｎの歩留り量の向上を図ることができる。
ここで、Ｎの活量とは、溶融金属中でのＮの溶解度のこ
とである。

【００１８】Ｃも固溶強化元素として高温強度の向
上に寄与するため、溶接材料の高Ｃ化は、溶接金属の高
温強度の向上に有効である。しかし、Ｃを過剰に含有さ
せると、Ｃは炭窒化物として多量に析出し、かえって高
温強度の低下を招くことになる。従って、Ｎとの相乗効
果による高温強度の改善をも考慮し、Ｎの含有量との関
係において、Ｃの含有量は適正に調整する必要がある。

【００１９】 Cuも固溶強化元素であるが、固溶強化
とともにCuの富化した化合物相の微細析出による析出強
化の作用を有するので、溶接金属の高温強度には有効で
ある。従って、炭窒化物の析出の問題があるＣの含有量
を増す代わりにCuを添加してもよい。

【００２０】本発明は以上の知見に基づき完成されたも
のである。以下、本発明における溶接材料の成分の含有
量を前記のように限定した理由について述べる。以下、
「％」は「重量％」を意味する。

【００２１】Ｃ：溶接金属の高温引張強さおよびクリー
プ強度の向上に寄与する。しかし、過剰の含有は、前記
の通り炭窒化物として析出しかえって高温強度の低下を
招く。例えば、NbCrＮおよびCr₂₃Ｃ₆型の炭化物の析出
強化とＣのマトリックスの固溶強化が高温引張強さおよ
びクリープ強度の向上に有効である。しかし、Ｃ量を過
剰に含有した場合には、粗大なCr₂₃Ｃ₆が析出し、強度
の向上には寄与しない。一方、微細炭化物の析出により
Crが消費されると、Ｎが Cr₂Ｎとして析出するので、固
溶Ｎが減少し、溶接金属の強度の低下を防ぐことができ
る。そこで、ＣとＮとの相乗効果を狙い、Ｎ量が 0.2〜
0.4 ％のときにＣ量は0.03〜0.1 ％とし、Ｎ量が0.15〜
0.35％のときにＣ量は 0.1〜0.24％とした。

【００２２】Si：脱酸剤として添加されるが、過度の含
有は溶接高温割れ感受性を高めるので、 0.1〜0.5 ％と
した。

【００２３】Mn：脱酸剤として添加されるが、高温脆性
に悪影響を及ぼすＳを固定して、溶接高温割れ感受性の
低減に寄与する。更に、溶接金属中のＮの活量を下げる
ことにより、溶接時にアーク雰囲気中へのＮの飛散を抑
え、溶接金属中のＮの歩留り量を上げ、高温引張強さお
よびクリープ強さの向上に寄与する。そこで、Ｎ量が0.
2〜0.4 ％のときに、Mn量の下限を1.2 ％とする。ただ
し、過度の含有は溶接金属の脆化を招くため、Mn量の下
限は８％とする。望ましいのは 1.2〜６％である。

【００２４】Cr：高温強度、耐酸化性、耐食性の確保の
ために必要であるが、過度の含有は熱間加工性を損な
う。そのため、Cr量は23〜28％とした。

【００２５】Ni：オーステナイト組織の安定化、高温強
度の確保のために必須であるが、δフェライトを晶出さ
せる。δフェライトは溶接高温割れ感受性を低下させる
が、一方、高温使用中での脆化の原因になる。本発明の
溶接材料では、δフェライトの晶出を抑えて高温脆化を
防ぐとともに、Niは高価な元素であるので、多量の添加
は経済性を損なうことも考慮し、Ni量は18〜30％とし
た。

【００２６】Nb：NbCrＮとして炭窒化物を微細析出させ
ることにより、高温強度の向上に有効である。しかし、
Nbの添加は溶接高温割れ感受性を上昇させる。特にδフ
ェライトを晶出させない条件下では、この割れ感受性の
上昇は著しいものとなる。そこで、Nb量は0.01〜0.7 ％
とした。

【００２７】Al：脱酸剤として添加されるが、多く添加
してもその効果は飽和するため、含有量は0.5 ％以下と
した。望ましくは0.01〜0.3 ％である。

【００２８】Ca、Mg：溶接高温割れ感受性の低下および
線材加工時の熱間加工性の改善に有効である。しかし、
過剰の含有は、溶接金属中の介在物を増加させるため好
ましくない。従って、これらを添加する場合でも、その
含有量は0.02％以下とするのがよい。

【００２９】Ｎ：溶接金属の高温強度の確保に不可欠で
ある。即ち、Ｎは凝固組織のマトリックス中に固溶して
これを強化するとともに、一部は窒化物として析出する
ことにより析出強化の作用をもつ。しかし、過度の含有
は、高温での使用中に多量の炭窒化物を析出させて、溶
接金属の脆化の原因となる。そのため、Ｃ量が0.03〜0.
1 ％のときにＮ量を0.2 〜0.4 ％とし、Ｃ量が0.1 〜0.
24％のときにＮ量を0.15〜0.35％とした。

【００３０】Mo：凝固組織のマトリックス中に固溶し
て、溶接金属の高温強度を高めることができる。しか
し、含有量が 0.5％未満ではその効果が小さく、 1.5％
を超えるとその効果が飽和してしまうばかりか、耐食性
の低下を招く。従って、Mo量は 0.5〜1.5 ％とした。

【００３１】Cu：Cu富化相として微細析出するため、高
温引張強さおよびクリープ強さの向上に有効に寄与す
る。従って、炭窒化物の析出の問題があるＣの含有量の
増加の代わりに、Cuを添加するのが望ましい場合があ
る。Cuを添加する場合には、含有量は１％以上とし、過
剰の添加は延性の低下を招くため、上限は４％とする。

【００３２】Ｂ：結晶粒界に偏析して粒界の強度を高め
ることにより、クリープ強さの向上に寄与する。しか
し、過剰の添加は溶接高温割れを助長するため、含有量
は0.01％以下とする。

【００３３】Ｐ、Ｓ：凝固時に低融点の共晶物を生成
し、溶接高温割れの発生原因となるので、Ｐは0.01％以
下でかつＰ＋Ｓで0.02％以下とする。このようにＰおよ
びＳの２成分を同時に規制しているのは、ＰとＳの相乗
効果で共晶物の融点が低下し、割れ感受性が高まるのを
防ぐためであり、これにより、Nb、Ｂの添加に伴う溶接
高温割れ感受性の上昇を抑えることができる。Nb添加鋼
であっても、充分な溶接性が確保され、Nbの添加による
高温強度の確保も容易になる。

【００３４】なお、本発明の溶接材料が対象とする母材
は、主要合金成分がCr:17 〜28％、Ni:18 〜25％、Ｃ:
0.02 〜0.1 ％、Ｎ:0.15 〜0.4 ％、Nb:0.2〜0.8 ％お
よびＢ:0.002〜0.006 ％のいわゆる高Cr高Ｎオーステナ
イト鋼である。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比させ
て、更に詳しく説明する。

【００３６】母材として、表１に示す化学組成の高強度
の高Cr高Ｎオーステナイト鋼を用いて、ガスシールドア
ーク溶接材料の性能比較を行った。この母材は、高Cr系
でＮ、Nb、Ｂの成分を含有し、そのクリープ強度（ 600
℃×100000時間）は18.8kgf/mm²であり、SUS 347Hのク
リープ強度に比べ約 1.6倍に引き上げられている。

【００３７】

【表１】

【００３８】溶接材料は、表２に示す12種類（本発明例
および比較例各６種類）とし、いずれも、実験室にて真
空溶製後、外径２mmの線材に加工することにより作製し
た。

【００３９】

【表２】

【００４０】図１は、溶接試験に用いた開先の形状を示
す図であり、開先は60°とした。また、図２は、溶接試
験で作製した継手の形状を示す図であるが、溶接材料の
評価試験はこの継手を用いて行った。

【００４１】溶接試験では、まず、図１に示す開先を設
けた外形38〜60mmのパイプの母材１を、図２に示すよう
に突き合わせ、炭素鋼からなる拘束棒２上に拘束溶接し
た。

【００４２】次いで、その開先に対して供試溶接材料に
より多層溶接を行って、評価用の継手を作製した。継手
の溶接箇所は拘束溶接部３および開先に対する試験溶接
部４であるが、それぞれの溶接はArをシールドガスとし
たＴＩＧ法を用いた。ここで、拘束溶接を行うのは、母
材の両端を拘束することにより、開先部分の試験溶接部
４の溶接の際に生じた熱応力によって、試験溶接部４に
割れが発生しやすくするためである。

【００４３】図３は、継手から採取した側曲げ試験片の
形状を示す図である。また、図４は、継手から採取した
高温引張試験およびクリープ試験に用いる試験片の形状
を示す図である。

【００４４】継手の溶接後、機械加工によって図３に示
す側曲げ試験片を採取し、これを板厚の２倍の曲げ半径
（８〜14mm) で、角度 180度の曲げ加工を行い、開先部
分の試験溶接部４における溶接高温割れ発生の有無を調
べた。さらに、機械加工によって採取した図４に示す試
験片により高温引張試験およびクリープ試験を行った。

【００４５】高温引張試験は、 600℃にて行い、母材の
設計基準となる許容応力値以上の強度を保証しうる 47k
gf/mm²を判定基準とし、これを超えるものを合格とし
た。

【００４６】クリープ試験では、母材の破断時間が約30
00時間となる温度 600℃および荷重22kgf/mm²の条件で
試験を行い、試験溶接部４の破断時間を調べた。評価の
判断基準は、母材の破断時間の80％として、これに達し
ないものをクリープ強度不足とした。

【００４７】溶接材料の評価にあたり、溶接高温割れに
ついて○は割れなし、×は割れ発生を示し、高温引張試
験について○は 47kgf/mm²の判定基準を超えるものを示
し、×は判定基準に達しないものを示す。更に、クリー
プ強度について○は破断時間が母材の破断時間の80％を
超えるものを示し、×は母材の破断時間の80％に達しな
いものを示す。また、溶接の施工条件は、母材のパイプ
寸法とともに溶接入熱量（KJ/cm ）および層間温度
（℃）を変化させている。ここで、溶接入熱量（KJ/cm
）は｛溶接電流（Ａ）×溶接電圧（Ｖ）／溶接速度（c
m/min）｝× 60 の関係から求め、層間温度（℃）は特
定の温度範囲で変色する示温塗料によって測定してい
る。以上の評価結果を表３に示す。

【００４８】

【表３】

【００４９】表３より明らかなように、本発明例である
溶接材料No. Ａ１〜Ａ６は、大入熱量および高い層間温
度の苛酷な条件でも、いずれも溶接高温割れの発生がな
く、高温引張試験およびクリープ試験においても良好な
成績であった。特に、溶接材料No. Ａ１は、広範な施工
条件に対応すべく、溶接入熱量９〜13KJ/cm 、層間温度
150〜400 ℃およびパイプ寸法38〜60mmの広い範囲の条
件で評価したが、いずれの条件でも、優れた耐高温割れ
性、高温引張強さおよびクリープ強さを有していること
が分かる。

【００５０】一方、比較例において、溶接材料No. Ｂ１
〜Ｂ２は溶接高温割れの発生があり、溶接材料No. Ｂ３
〜Ｂ６は高温引張試験およびクリープ試験において強度
不足であった。

【００５１】

【発明の効果】本発明の高Cr高Ｎオーステナイト鋼用ガ
スシールドアーク溶接材料は、高Cr高Ｎ鋼材であるの
で、高Ni合金用溶接材に比して安価である。

【００５２】また、広範な施工条件のもとで母材に匹敵
する優れた高温強度を溶接金属に与え、更に、溶接高温
割れ感受性を低下させ、溶接割れを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接試験に用いた開先の形状を示す図である。

【図２】溶接試験で作製した継手の形状を示す図であ
る。

【図３】継手から採取した側曲げ試験片の形状を示す図
である。

【図４】継手から採取した高温引張試験およびクリープ
試験用試験片の形状を示す図である。

【符号の説明】

１…母材、２…拘束棒、３…拘束溶接部、４…試験溶接
部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高隆夫大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者松本茂兵庫県尼崎市扶桑町１番17号住金溶接工業株式会社内 (72)発明者水田俊彦兵庫県尼崎市扶桑町１番17号住金溶接工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.03〜0.1 ％、Si： 0.1〜
0.5 ％、Mn： 1.2〜８％、Cr：23〜28％、Ni：18〜30
％、Nb：0.01〜0.7 ％、Al： 0.5％以下、Ｎ： 0.2〜0.
4 ％、Mo： 0.5〜1.5 ％、およびＢ：0.01％以下を含有
し、かつ不純物としてＰ、ＳがＰ：0.01％以下ならびに
Ｐ＋Ｓ：0.02％以下を満足し、残部がFeおよび不可避不
純物からなることを特徴とする高Cr高Ｎオーステナイト
鋼用ガスシールドアーク溶接材料。
【請求項２】重量％で、請求項１に記載の成分に加えて
更に、Cu：１〜４％を含有し、かつ不純物としてＰ、Ｓ
がＰ：0.01％以下ならびにＰ＋Ｓ：0.02％以下を満足
し、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴と
する高Cr高Ｎオーステナイト鋼用ガスシールドアーク溶
接材料。
【請求項３】重量％で、Ｃ： 0.1％を超えて0.24％ま
で、Si： 0.1〜0.5 ％、Mn：８％以下、Cr：23〜28％、
Ni：18〜30％、Nb：0.01〜0.7 ％、Al： 0.5％以下、
Ｎ：0.15〜0.35％、Mo： 0.5〜1.5 ％、およびＢ：0.01
％以下を含有し、かつ不純物としてＰ、ＳがＰ：0.01％
以下ならびにＰ＋Ｓ：0.02％以下を満足し、残部がFeお
よび不可避不純物からなることを特徴とする高Cr高Ｎオ
ーステナイト鋼用ガスシールドアーク溶接材料。
【請求項４】重量％で、請求項１、請求項２または請求
項３に記載の成分に加えて更に、Mg：0.02％以下または
／およびCa：0.02％以下を含有し、かつ不純物として
Ｐ、ＳがＰ：0.01％以下ならびにＰ＋Ｓ：0.02％以下を
満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特
徴とする高Cr高Ｎオーステナイト鋼用ガスシールドアー
ク溶接材料。