特許 6852809 オーステナイト系耐熱鋼溶接金属、溶接継手、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、および溶接継手の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6852809

(24)【登録日】2021年3月15日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】オーステナイト系耐熱鋼溶接金属、溶接継手、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、および溶接継手の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20210322BHJP

   C22C 38/58 20060101ALI20210322BHJP

   C22C 30/02 20060101ALI20210322BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 302Z

   C22C38/58

   C22C30/02

   B23K35/30 320D

【請求項の数】8

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2019-553805(P2019-553805)

(86)(22)【出願日】2018年11月1日

(86)【国際出願番号】JP2018040656

(87)【国際公開番号】WO2019098034

(87)【国際公開日】20190523

【審査請求日】2020年3月6日

(31)【優先権主張番号】特願2017-219656(P2017-219656)

(32)【優先日】2017年11月15日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2017-219657(P2017-219657)

(32)【優先日】2017年11月15日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100174285

【弁理士】

【氏名又は名称】小宮山 聰

(72)【発明者】

【氏名】栗原 伸之佑

(72)【発明者】

【氏名】平田 弘征

(72)【発明者】

【氏名】仙波 潤之

(72)【発明者】

【氏名】浄徳 佳奈

【審査官】 瀧澤 佳世

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１０７１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１６６００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／２０４００５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３８／００

Ｂ２３Ｋ ３５／３０

Ｃ２２Ｃ ３８／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．６％、
Ｍｎ：０．１％〜１．８％、
Ｐ ：０．０２５％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｎｉ：２５％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ ：４．５％を超え７．５％以下、
Ｎｂ：０．０５％〜０．５％、
Ｖ ：０．０５％〜０．４％、
Ｎ ：０．１％〜０．３５％、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ ：０．０８％以下、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｍｏ：０％〜２％、
Ｔａ：０％〜１％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記式（１）で表されるｆｎ１が１０以上である、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
ｆｎ１＝１０（Ｎｂ＋Ｖ）＋１．５Ｗ＋２０Ｎ＋１５００Ｂ−２５Ｓｉ・・・（１）
式（１）中のＮｂ、Ｖ、Ｗ、Ｎ、Ｂ、およびＳｉには、対応する元素の含有量が質量％で代入される。

【請求項2】

請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１％〜０．２５％、
Ｃｕ：０．０１％〜４％、
Ｃｏ：０．０１％〜２％、
Ｍｏ：０．０１％〜２％、
Ｔａ：０．０１％〜１％、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２％、
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２％、および
ＲＥＭ：０．０００５％〜０．０６％、
からなる群から選択される１種または２種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属。

【請求項3】

請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属と、
オーステナイト系耐熱鋼の母材とを備える、溶接継手。

【請求項4】

請求項３に記載の溶接継手であって、
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０２％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．０５％〜１％、
Ｍｎ：０．１％〜３％、
Ｐ ：０．０４％以下、
Ｓ ：０．００２％以下、
Ｎｉ：２６％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２６％、
Ｗ ：１％〜７％、
Ｎｂ：０．０１％〜１％、
Ｖ ：０．０１％〜１％、
Ｎ ：０．１％〜０．６％、
Ｂ ：０.０００５％〜０．００８％、
ＲＥＭ：０.００３％〜０．０６％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｏ ：０．０２％以下、
Ｔｉ：０％〜０．５％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｍｏ：０％〜４％、
Ｔａ：０％〜１％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、溶接継手。

【請求項5】

請求項４に記載の溶接継手であって、
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１％〜０．５％、
Ｃｏ：０．０１％〜２％、
Ｃｕ：０．０１％〜４％、
Ｍｏ：０．０１％〜４％、
Ｔａ：０．０１％〜１％、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２％、および
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２％、
からなる群から選択される１種または２種以上を含有する、溶接継手。

【請求項6】

化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．４％、
Ｍｎ：０．１％〜１．２％、
Ｐ ：０．０１％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｎｉ：２８％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ ：４．５％を超え７．５％以下、
Ｎｂ：０．０５％〜０．５％、
Ｖ ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎ ：０．１％〜０．３５％、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ ：０．０８％以下、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｍｏ：０％〜２％、
Ｔａ：０％〜１％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記式（１）で表されるｆｎ１が１０以上である、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
ｆｎ１＝１０（Ｎｂ＋Ｖ）＋１．５Ｗ＋２０Ｎ＋１５００Ｂ−２５Ｓｉ・・・（１）
式（１）中のＮｂ、Ｖ、Ｗ、Ｎ、Ｂ、およびＳｉには、対応する元素の含有量が質量％で代入される。

【請求項7】

請求項６に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１％〜０．２５％、
Ｃｕ：０．０１％〜４％、
Ｃｏ：０．０１％〜２％、
Ｍｏ：０．０１％〜２％、
Ｔａ：０．０１％〜１％、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２％、
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２％、および
ＲＥＭ：０．０００５％〜０．０６％、
からなる群から選択される１種または２種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。

【請求項8】

請求項４に記載の溶接継手を製造する方法であって、
請求項４に記載の化学組成を有する母材を、請求項６に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いて溶接する、溶接継手の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属、溶接継手、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、および溶接継手の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境負荷軽減の観点から火力発電用ボイラ等では運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められている。過熱器管および再熱器管に使用される材料には、より優れた高温強度、耐食性等の特性を有することが求められている。

【0003】

このような要求を満たす材料として、従来、多量の窒素および多量のニッケルを含有させた種々のオーステナイト系耐熱鋼（以下、多量の窒素および多量のニッケルを含有させたオーステナイト系耐熱鋼を「高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼」とも称する）が開発されてきた。

【0004】

例えば、特許文献１には、Ｎを０．０２％〜０．３％、Ｎｉを１７％〜５０％、およびＣｒを１８％〜２５％とするとともに、Ｎｂを０．０５％〜０．６％、Ｔｉを０．０３％〜０．３％、およびＭｏを０．３％〜５％含有する高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。

【0005】

また、特許文献２には、Ｎを０．１％〜０．３０％、Ｎｉを２２．５％〜３２％、およびＣｒを２０％〜２７％に加え、強化元素としてＷを０．４％〜４％、Ｎｂを０．２０％〜０．６０％含む高温強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。

【0006】

さらに、特許文献３には、Ｎを０．０５％超〜０．３％、Ｎｉを１５％超〜５５％およびＣｒを２０％超〜２８％未満含むとともに、Ｎｂを０．１％〜０．８％、Ｖを０．０２％〜１．５％、およびＷを０．０５％〜１０％含有する、クリープ特性と熱間加工性に優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。

【0007】

さらに、特許文献４には、Ｎを０．１３％超〜０．３５％、Ｎｉを２６％超〜３５％およびＣｒを２０％〜２６％含むとともに、Ｎｂを０．０１％〜０．１％、Ｖを０．０１％〜１％、およびＷを１％〜５．５％含有する、クリープ特性に優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。

【0008】

これらのオーステナイト系耐熱鋼は、一般には溶接構造物として使用される。そのため、これらオーステナイト系耐熱鋼の性能を活用し得る溶接金属や溶接材料についても種々提案されてきた。

【0009】

例えば、特許文献５には、Ｎｂを０．２５％〜０．７％、Ｎを０．１５％〜０．３５％含むとともに、ＮｉをＣｒ、Ｓｉ、Ｃ、およびＮ量に応じて含有し、かつＰ、およびＳを規制したオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度と耐凝固割れ性を両立することが開示されている。

【0010】

特許文献６には、Ｎを０．２％〜０．４％、Ｎｂを０．０１％〜０．７％、Ｍｏを０．５％〜１．５％、およびＮｉを１８％〜３０％含有するとともに、ＰとＳとの合計を０．０２％以下に規制したオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度と溶接性を両立することが開示されている。

【0011】

特許文献７には、Ｎｂ：０．５％〜３．５％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、Ｍｏ：０．２％〜１．８％、およびＮｉ：３０％〜４５％等を含有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、ならびにＮｂ：０．３％〜３．５％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、Ｍｏ：０．２％〜１．８％、およびＮｉ：３５％〜４５％等を含有するオーステナイト系耐熱鋼溶接金属が開示されている。

【0012】

特許文献８には、Ｎｂ：０．８％〜４．５％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、Ｍｏ：０．２％〜１．８％、およびＮｉ：３０％〜５０％等を含有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、ならびにＮｂ：０．５％〜４％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、Ｍｏ：０．２％〜１．８％、およびＮｉ：３０％〜５０％を含有するオーステナイト系耐熱鋼溶接金属が開示されている。

【0013】

特許文献９には、Ｎｂ：０．１５％〜１．５％、Ｗ：０．５％〜３％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、およびＮｉ：１５％〜２５％を含有するオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、ならびにＮｂ：０．１％〜１．５％、Ｗ：０．５％〜３％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、およびＮｉ：１５％〜２５％を含有するオーステナイト系耐熱鋼溶接金属が開示されている。

【0014】

特許文献１０には、Ｎｂ：０．１％〜０．６％、Ｗ：１％〜５％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、およびＮｉ：２３％〜３２％を含有するオーステナイト系耐熱鋼が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開昭５９−１７３２４９号公報

【特許文献2】特表２００２−５３７４８６号公報

【特許文献3】特許第３８３８２１６号公報

【特許文献4】特開２０１７−８８９５７号公報

【特許文献5】特許第２７２２８９３号公報

【特許文献6】特開平０７−０６０４８１号公報

【特許文献7】特許第３３２９２６２号公報

【特許文献8】特許第３９１８６７０号公報

【特許文献9】特許第３３２９２６１号公報

【特許文献10】特開２０１７−１４５７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

特許文献２に開示されているオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、および特許文献１０に開示されているオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、７００℃において優れたクリープ強度を有する。しかしながら、より高温での使用を想定した場合は、特許文献２に開示されているオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料や特許文献１０に開示されているオーステナイト系耐熱鋼溶接金属ではクリープ強度の確保が困難である。

【0017】

また、特許文献７〜９に開示されているオーステナイト系耐熱鋼溶接金属および溶接材料は、析出強化元素としてＮｂを主に活用しているため、確かに優れた高強度、耐食性等の特性を満足する。しかしながら、特許文献７〜９に開示されているオーステナイト系耐熱鋼溶接金属および溶接材料は、強化能が非常に大きいため、高温での使用時に、粒内が過剰強化され、相対的な粒界強度の低下や使用初期の急激な靱性低下、さらには溶接高温割れ感受性増大が生じる場合がある。

【0018】

したがって、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る溶接金属、およびそれを有する溶接継手の開発が待望されていた。

【0019】

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合に、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る、高温割れ感受性が低く、クリープ強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手を提供することを目的とする。本発明はまた、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適な溶接材料、および溶接継手の製造方法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】

【0020】

本発明者らは、ＷやＮｂを含有させた高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼に関して、種々の検討を実施した。その結果、以下に述べる事項が判明した。

【0021】

Ｎｂと同様、炭窒化物を析出するＶを添加することで長時間使用中のクリープ強度を確保し得ることができる。

【0022】

また高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼では、高温域でＣｒ、ＮｉおよびＮからなる窒化物が析出し、母相中の固溶窒素量低下が生じる場合がある。この窒化物は組織安定上、Ｓｉ量が高くなると析出量が多くなることから、Ｓｉ量が高くなると母相中の固溶窒素が低下し、クリープ強度の低下を招く。したがって、Ｓｉ量を低下させることで長時間使用中のクリープ強度を確保し得ることができる。

【0023】

さらに７００℃を超える高温で必要なクリープ強度を確保するには、高含有量のＷを添加させる必要がある。

【0024】

Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、ＮおよびＢはクリープ強度向上に寄与し、Ｓｉは低減させることでクリープ強度向上に寄与する。これら元素について、種々実験を重ねた結果、各元素のクリープ強度への寄与度を係数に当てはめ、クリープ強度を示す指標として、ｆｎ１＝１０（Ｎｂ＋Ｖ）＋１．５Ｗ＋２０Ｎ＋１５００Ｂ−２５Ｓｉで整理できることを知見した。高温でのクリープ強度を確保するためにはｆｎ１で求められる値を１０以上とする必要がある。

【0025】

本発明は、以上の検討を重ねることにより完成するに至ったものである。すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。

【0026】

＜１＞化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．６％、
Ｍｎ：０．１％〜１．８％、
Ｐ ：０．０２５％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｎｉ：２５％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ ：４．５％を超え７．５％以下、
Ｎｂ：０．０５％〜０．５％、
Ｖ ：０．０５％〜０．４％、
Ｎ ：０．１％〜０．３５％、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ ：０．０８％以下、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｍｏ：０％〜２％、
Ｔａ：０％〜１％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記式（１）で表されるｆｎ１が１０以上である、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
ｆｎ１＝１０（Ｎｂ＋Ｖ）＋１．５Ｗ＋２０Ｎ＋１５００Ｂ−２５Ｓｉ・・・（１）
式（１）中のＮｂ、Ｖ、Ｗ、Ｎ、Ｂ、およびＳｉには、対応する元素の含有量が質量％で代入される。

【0027】

＜２＞ ＜１＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１％〜０．２５％、
Ｃｕ：０．０１％〜４％、
Ｃｏ：０．０１％〜２％、
Ｍｏ：０．０１％〜２％、
Ｔａ：０．０１％〜１％、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２％、
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２％、および
ＲＥＭ：０．０００５％〜０．０６％、
からなる群から選択される１種または２種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属。

【0028】

＜３＞ ＜１＞または＜２＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属と、
オーステナイト系耐熱鋼の母材とを備える、溶接継手。

【0029】

＜４＞ ＜３＞に記載の溶接継手であって、
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０２％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．０５％〜１％、
Ｍｎ：０．１％〜３％、
Ｐ ：０．０４％以下、
Ｓ ：０．００２％以下、
Ｎｉ：２６％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２６％、
Ｗ ：１％〜７％、
Ｎｂ：０．０１％〜１％、
Ｖ ：０．０１％〜１％、
Ｎ ：０．１％〜０．６％、
Ｂ ：０.０００５％〜０．００８％、
ＲＥＭ：０.００３％〜０．０６％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｏ ：０．０２％以下、
Ｔｉ：０％〜０．５％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｍｏ：０％〜４％、
Ｔａ：０％〜１％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、溶接継手。

【0030】

＜５＞ ＜４＞に記載の溶接継手であって、
前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１％〜０．５％、
Ｃｏ：０．０１％〜２％、
Ｃｕ：０．０１％〜４％、
Ｍｏ：０．０１％〜４％、
Ｔａ：０．０１％〜１％、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２％、および
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２％、
からなる群から選択される１種または２種以上を含有する、溶接継手。

【0031】

＜６＞化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．４％、
Ｍｎ：０．１％〜１．２％、
Ｐ ：０．０１％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｎｉ：２８％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ ：４．５％を超え７．５％以下、
Ｎｂ：０．０５％〜０．５％、
Ｖ ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎ ：０．１％〜０．３５％、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ ：０．０８％以下、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｍｏ：０％〜２％、
Ｔａ：０％〜１％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記式（１）で表されるｆｎ１が１０以上である、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
ｆｎ１＝１０（Ｎｂ＋Ｖ）＋１．５Ｗ＋２０Ｎ＋１５００Ｂ−２５Ｓｉ・・・（１）
式（１）中のＮｂ、Ｖ、Ｗ、Ｎ、Ｂ、およびＳｉには、対応する元素の含有量が質量％で代入される。

【0032】

＜７＞ ＜６＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１％〜０．２５％、
Ｃｕ：０．０１％〜４％、
Ｃｏ：０．０１％〜２％、
Ｍｏ：０．０１％〜２％、
Ｔａ：０．０１％〜１％、
Ｃａ：０．０００５％〜０．０２％、
Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２％、および
ＲＥＭ：０．０００５％〜０．０６％、
からなる群から選択される１種または２種以上の元素を含有する、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。

【0033】

＜８＞ ＜４＞に記載の溶接継手を製造する方法であって、
＜４＞に記載の化学組成を有する母材を、＜６＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料を用いて溶接する、溶接継手の製造方法。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の溶接に好適な溶接材料、ならびに、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る、高温割れ感受性が低く、クリープ強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手が提供される。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料、ならびに溶接継手およびその製造方法を説明する。本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、特に断りのない限り、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。ただし、「超」および「未満」等の断りがある場合は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値の少なくとも一方として含まないことを意味する。

【0036】

＜溶接金属および溶接材料＞
本発明において、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成を限定する理由は次のとおりである。

【0037】

以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。また、溶接金属の化学組成は、溶接金属のうち母材の希釈の影響が顕著ではない部分の化学組成を定量したものとする。溶接金属の化学組成は、より具体的には、溶接金属の中央部付近の化学組成を定量したものとし、可能な場合には、フュージョンラインから０．５ｍｍ以上離れた部分の化学組成を定量したものとする。また、「不純物」とはオーステナイト系耐熱鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップまたは製造環境などから混入する成分であり、意図的に含有させたものではない成分を指す。

【0038】

Ｃ：０．０６％〜０．１４％（溶接金属）
０．０６％〜０．１４％（溶接材料）
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、高温使用中のクリープ強度を向上させる。これらの効果を十分に得るために、Ｃは０．０６％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が過剰である場合、溶接金属中に炭化物が多量に存在するため、延性および靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量の上限は０．１４％以下とする。Ｃ含有量の下限は、望ましくは０．０７％以上であり、さらに望ましくは０．０８％以上である。Ｃ含有量の上限は、望ましくは０．１３％以下であり、さらに望ましくは０．１２％以下である。

【0039】

Ｓｉ：０．１％〜０．６％（溶接金属）
０．１％〜０．４％（溶接材料）
ケイ素（Ｓｉ）は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。その効果を得るために、Ｓｉは０．１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合には、組織安定上、Ｃｒ、ＮｉおよびＮからなる窒化物が析出し、母相中の固溶窒素量低下が生じ、クリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限は、溶接金属では０．６％以下、溶接材料で０．４％以下とする。Ｓｉ含有量の下限は、溶接金属および溶接材料ともに、望ましくは０．１２％以上であり、さらに望ましくは０．１５％以上である。溶接金属のＳｉ含有量の上限は、望ましくは０．５８％以下であり、さらに望ましくは０．５５％以下であり、さらに望ましくは０．４０％以下である。溶接材料のＳｉ含有量の上限は、望ましくは０．３８％以下であり、さらに望ましくは０．３５％以下である。

【0040】

Ｍｎ：０．１％〜１．８％（溶接金属）
０．１％〜１．２％（溶接材料）
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト組織を安定にし、クリープ強度の向上に寄与する。これらの効果を得るために、Ｍｎは０．１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、クリープ延性の低下も生じる。また、溶接材料として用いられる場合、溶接時の凝固割れ感受性が高まる。そのため、Ｍｎ含有量の上限は、溶接金属では１．８％以下、溶接材料では１．２％以下とする。Ｍｎ含有量の下限は、溶接金属および溶接材料ともに、望ましくは０．１５％以上であり、さらに望ましくは０．２％以上である。溶接金属のＭｎ含有量の上限は、望ましくは１．６％以下であり、さらに望ましくは１．４％以下である。溶接材料のＭｎ含有量の上限は、望ましくは１．１％以下であり、さらに望ましくは１．０％以下である。

【0041】

Ｐ：０．０２５％以下（溶接金属）
０．０１％以下（溶接材料）
リン（Ｐ）は、不純物として含まれ、クリープ延性を低下させる元素である。また、溶接材料として用いられる場合、Ｐは溶接時の凝固割れ感受性を高める。そのため、Ｐの含有量に上限を設けて、溶接金属では０．０２５％以下、溶接材料では０．０１％以下とする。溶接金属のＰ含有量の上限は、望ましくは０．０２３％以下、さらに望ましくは０．０２０％以下である。溶接材料のＰ含有量の上限は、望ましくは０．００８％以下、さらに望ましくは０．００６％以下である。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の下限は、溶接金属および溶接材料ともに、望ましくは０．０００５％以上、さらに望ましくは０．０００８％以上である。

【0042】

Ｓ：０．００３％以下（溶接金属）
０．００３％以下（溶接材料）
硫黄（Ｓ）は、Ｐと同様に、不純物として含まれ、高温での使用初期に溶接金属の柱状晶境界に偏析して靭性を低下させる。さらに、溶接時の凝固割れ感受性をも高める。これらを安定して抑制するためには、Ｓの含有量にも上限を設けて０．００３％以下とする必要がある。Ｓ含有量は、望ましくは０．００２５％以下、さらに望ましくは０．００２％以下である。なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は溶接材料の製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量の下限は、溶接金属および溶接材料ともに、望ましくは０．０００１％以上、さらに望ましくは０．０００２％以上である。

【0043】

Ｎｉ：２５％〜３５％（溶接金属）
２８％〜３５％（溶接材料）
ニッケル（Ｎｉ）は、長時間使用時のオーステナイト組織の安定性を高め、クリープ強度の向上に寄与する。その効果を十分に得るために、溶接金属では２５％以上、溶接材料では２８％以上のＮｉを含有させる必要がある。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、Ｎｉ含有量には上限を設けて、溶接金属および溶接材料ともに、３５％以下とする。溶接金属のＮｉ含有量の下限は、望ましくは２５．５％以上であり、さらに望ましくは２６％以上である。溶接材料のＮｉ含有量の下限は、望ましくは２８．５％以上であり、さらに望ましくは２９％以上である。Ｎｉ含有量の上限は、溶接金属および溶接材料ともに、望ましくは３４．５％以下であり、さらに望ましくは３４％以下である。

【0044】

Ｃｒ：２０％〜２４％（溶接金属）
２０％〜２４％（溶接材料）
クロム（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。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。十分にその効果を得るために、Ｃｒは２０％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が２４％を超えると、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化して著しいクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は、２０％〜２４％とする。Ｃｒ含有量の下限は、望ましくは２０．５％以上であり、さらに望ましくは２１％以上である。Ｃｒ含有量の上限は、望ましくは２３．５％以下であり、さらに望ましくは２３％以下である。

【0045】

Ｗ：４．５％を超え７．５％以下（溶接金属）
４．５％を超え７．５％以下（溶接材料）
タングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。その効果を十分に発揮させるために、Ｗは少なくとも４．５％を超えた含有が必要である。しかしながら、Ｗは高価な元素であるため、Ｗの過剰の含有はコストの増大を招くとともに、組織安定性が低下する。そのため、Ｗ含有量の上限は７．５％以下とする。Ｗ含有量の下限は、望ましくは４．７％以上であり、さらに望ましくは５％以上であり、さらに望ましくは５．５％以上である。Ｗ含有量の上限は、望ましくは７．３％以下であり、さらに望ましくは７％以下である。

【0046】

Ｎｂ：０．０５％〜０．５％（溶接金属）
０．０５％〜０．５％（溶接材料）
ニオブ（Ｎｂ）は、炭素および窒素との親和力が強く、微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属の高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。その効果を十分に得るために、Ｎｂは０．０５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると、高温での使用初期の析出量が増加し、靭性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量の上限は０．５％以下とする。Ｎｂ含有量の下限は、溶接金属および溶接材料ともに、望ましくは０．０８％以上であり、さらに望ましくは０．１％以上である。溶接金属のＮｂ含有量の上限は、望ましくは０．４８％以下であり、さらに望ましくは０．４５％以下である。溶接材料のＮｂ含有量の上限は、０．４７％以下であり、さらに望ましくは０．４％以下である。

【0047】

Ｖ：０．０５％〜０．４％（溶接金属）
０．０５％〜０．３５％（溶接材料）
バナジウム（Ｖ）は、Ｎｂと同様、微細な炭窒化物を形成するが、Ｎｂに比べて、炭素および窒素との親和力が弱い。そのため、Ｖは使用初期の靭性にＮｂほど影響を与えることなく、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与する。この効果を得るために、Ｖは０．０５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｖを過剰に含有すると多量に析出するとともに、析出物の粗大化が著しくなり、クリープ強度および延性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量の上限は、溶接金属では０．４％以下、溶接材料では０．３５％以下とする。Ｖ含有量の下限は、望ましくは０．０８％以上であり、さらに望ましくは０．１％以上である。溶接金属のＶ含有量の上限は、望ましくは０．３８％以下であり、さらに望ましくは０．３５％以下である。溶接材料のＶ含有量の上限は、望ましくは０．３２％以下であり、さらに望ましくは０．３％以下である。

【0048】

Ｎ：０．１％〜０．３５％（溶接金属）
０．１％〜０．３５％（溶接材料）
窒素（Ｎ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶強化または析出強化により高温強度の向上に寄与する。その効果を得るために、Ｎは０．１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎが０．３５％を超えて含有されると、多量の窒化物が析出して、靭性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量は０．１％〜０．３５％とする。Ｎ含有量の下限は、望ましくは０．１２％以上であり、さらに望ましくは０．１５％以上である。Ｎ含有量の上限は、望ましくは０．３２％以下であり、さらに望ましくは０．３％以下である。

【0049】

Ａｌ：０．０８％以下（溶接金属）
０．０８％以下（溶接材料）
アルミニウム（Ａｌ）は、母材の製造時に脱酸剤として含有され、溶接材料の製造時にも脱酸剤として含有される。その結果、溶接金属にもＡｌが含有される。多量のＡｌを含有すると延性が低下する。そのため、Ａｌ含有量の上限は０．０８％以下とする必要がある。Ａｌ含有量の上限は、望ましくは０．０６％以下であり、さらに望ましくは０．０４％以下である。なお、Ａｌ含有量の下限は特に設ける必要はないが、Ａｌ含有量の極端な低減は、製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上であり、さらには望ましい下限は０．００１％以上である。

【0050】

Ｏ：０．０８％以下（溶接金属）
０．０８％以下（溶接材料）
酸素（Ｏ）は、不純物として溶接金属中に含有される。しかしながら、Ｏの含有量が過剰になると、靭性および延性の劣化を招く。そのため、Ｏ含有量の上限は０．０８％以下とする。Ｏ含有量の上限は、望ましくは０．０６％以下であり、さらに望ましくは０．０４％以下である。なお、Ｏの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上であり、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。

【0051】

Ｂ：０．０００５％〜０．００５％（溶接金属）
０．０００５％〜０．００５％（溶接材料）
ホウ素（Ｂ）は炭化物を微細に分散させることにより、溶接金属のクリープ強度を向上させるとともに、粒界を強化して靭性の向上にも寄与する。その効果を発揮させるために、Ｂは０．０００５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｂは、過剰に含有すると、溶接中の凝固割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量の上限は０．００５％以下とする。Ｂ含有量の上限は、望ましくは０．００４％以下であり、さらに望ましくは０．００３％以下であり、さらに望ましくは、０．００２％以下である。Ｂ含有量の望ましい下限は０．０００７％以上であり、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。

【0052】

ｆｎ１＝１０（Ｎｂ＋Ｖ）＋１．５Ｗ＋２０Ｎ＋１５００Ｂ−２５Ｓｉ：１０以上
上述の通り、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、ＮおよびＢはクリープ強度向上に寄与し、Ｓｉは低減させることでクリープ強度向上に寄与する。高温でのクリープ強度を確保するためには、ｆｎ１＝１０（Ｎｂ＋Ｖ）＋１．５Ｗ＋２０Ｎ＋１５００Ｂ−２５Ｓｉで求められる値を１０以上とする必要がある。ｆｎ１は、望ましくは１２以上であり、さらに望ましくは１２．５以上であり、さらに望ましくは１３以上である。

【0053】

本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成の残部は、Ｆｅおよび不純物である。

【0054】

本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃａ、Ｍｇ、およびＲＥＭからなる群から選択される１種または２種以上の元素を含有してもよい。これらの元素は、すべて選択元素である。すなわち、本実施形態のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、これらの元素を含有していなくてもよい。下記に、各成分について説明する。

【0055】

Ｔｉ：０％〜０．２５％（溶接金属）
０％〜０．２５％（溶接材料）
チタン（Ｔｉ）は、ＮｂおよびＶと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、Ｎｂと同様に使用初期に多量に析出し、靭性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量の上限は、０．２５％以下とする。Ｔｉ含有量の上限は、望ましくは０．２３％以下であり、さらに望ましくは０．２％以下である。Ｔｉ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0056】

Ｃｕ：０％〜４％（溶接金属）
０％〜４％（溶接材料）
銅（Ｃｕ）は、オーステナイト組織の安定性を高めるとともに、微細に析出してクリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有すると、延性の低下を招く。そのため、Ｃｕ含有量の上限は４％以下とする。Ｃｕ含有量の上限は、望ましくは３．８％以下であり、さらに望ましくは３．５％以下である。Ｃｕ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0057】

Ｃｏ：０％〜２％（溶接金属）
０％〜２％（溶接材料）
コバルト（Ｃｏ）は、ＮｉおよびＣｕと同様、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、Ｃｏの過剰の含有は大幅なコスト増を招く。そのため、Ｃｏを含有する場合、Ｃｏ含有量の上限は２％以下とする。Ｃｏ含有量の上限は、望ましくは１．８％以下であり、さらに望ましくは１．５％以下である。Ｃｏ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0058】

Ｍｏ：０％〜２％（溶接金属）
０％〜２％（溶接材料）
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および引張強さの向上に寄与する。しかしながら、Ｍｏは、過剰に含有すると組織安定性を低下させ、逆にクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Ｍｏは高価な元素であるため、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｍｏ含有量の上限は２％以下とする。Ｍｏ含有量の上限は、望ましくは１．５％以下であり、さらに望ましくは１．２％以下である。Ｍｏ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0059】

Ｔａ：０％〜１％（溶接金属）
０％〜１％（溶接材料）
タンタル（Ｔａ）は、炭窒化物を形成するとともに固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる。一方、Ｔａ含有量が１％を超えると、鋼の加工性や機械的性質が損なわれる。そのため、Ｔａを含有する場合、Ｔａ含有量の上限は１％以下とする。Ｔａ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０５％以上であり、さらに望ましくは０．１％以上である。Ｔａ含有量の上限は、望ましくは０．７％以下であり、さらに望ましくは０．６％以下である。

【0060】

Ｃａ：０％〜０．０２％（溶接金属）
０％〜０．０２％（溶接材料）
カルシウム（Ｃａ）は、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｃａ含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｃａ含有量の上限は、望ましくは０．０１５％以下であり、さらに望ましくは０．０１％以下である。Ｃａ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上であり、さらに望ましくは０．００１％以上である。

【0061】

Ｍｇ：０％〜０．０２％（溶接金属）
０％〜０．０２％（溶接材料）
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｍｇ含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｍｇ含有量の上限は、望ましくは０．０１５％以下であり、さらに望ましくは０．０１％以下である。Ｍｇ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上であり、さらに望ましくは０．００１％以上である。

【0062】

ＲＥＭ：０％〜０．０６％（溶接金属）
０％〜０．０６％（溶接材料）
希土類元素（ＲＥＭ）は、ＣａおよびＭｇと同様、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、ＲＥＭ含有量の上限は０．０６％以下とする。ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０４％以下であり、さらに望ましくは０．０３％以下である。ＲＥＭ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上であり、さらに望ましくは０．００１％以上である。

【0063】

なお、「ＲＥＭ」とはＳｃ、Ｙ、およ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種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。そのため、例えば、ＲＥＭは、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるように、ミッシュメタルの形で含有させてもよい。

【0064】

ＲＥＭは、溶融した状態で安定して存在させることが困難である。そのため、溶接継手の特性の安定性という観点からは、溶接材料にはＲＥＭを含有させないことが好ましい。

【0065】

本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、通常の方法で製造することができる。例えば、上述した溶接材料の化学組成を有する合金を溶解し、インゴットとし、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延または冷間抽伸、熱処理などの工程を経て、外径数ｍｍ（例えば、１．０ｍｍ〜２．４ｍｍ）の線材とすることで、溶接材料が得られる。

【0066】

本実施形態による溶接金属は、例えば、上述した溶接材料を用いて、オーステナイト系耐熱鋼を溶接することで製造することができる。

【0067】

＜溶接継手＞
本発明の一実施形態による溶接継手は、上述した溶接金属と、オーステナイト系耐熱鋼の母材とを備える。溶接継手は、具体的には、継手部の溶接金属と、溶接金属を挟むオーステナイト系耐熱鋼からなる二つの母材とを有する。溶接継手の具体的形状、溶接継手を得るための溶接の具体的態様（溶接姿勢）は特に限定されず、例えば、鋼管に開先加工した後に突合せ溶接する場合、厚板に開先加工した後に突合せ溶接する場合などに適用すればよい。

【0068】

＜母材＞
本施形態による溶接継手の母材は、下記の化学組成を有することが望ましい。

【0069】

Ｃ：０．０２％〜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、高温使用中のクリープ強度を向上させる。そのため、Ｃ含有量の下限は０．０２％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物が多量に析出し、クリープ延性および靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量の上限は０．１４％以下とすることが望ましい。Ｃ含有量の上限は、さらに望ましくは０．０３％以上であり、さらに望ましくは０．０４％以上である。Ｃ含有量の下限は、さらに望ましくは０．１３％以下であり、さらに望ましくは０．１２％以下である。

【0070】

Ｓｉ：０．０５％〜１％
ケイ素（Ｓｉ）は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。そのため、Ｓｉ含有量の下限は０．０５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合には、組織安定上、Ｃｒ、ＮｉおよびＮからなる窒化物が析出し、母相中の固溶窒素量低下が生じ、クリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限は１％以下とすることが望ましい。Ｓｉ含有量の下限は、さらに望ましくは０．０８％以上であり、さらに望ましく０．１％以上である。Ｓｉ含有量の上限は、さらに望ましくは０．８％以下であり、さらに望ましくは０．５％以下である。

【0071】

Ｍｎ：０.１％〜３％
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト組織の安定化に寄与する。そのため、Ｍｎ含有量の下限は０.１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、クリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎ含有量の上限は３％以下とすることが望ましい。Ｍｎ含有量の下限は、さらに望ましくは０．３％以上であり、さらに望ましくは０．５％以上である。Ｍｎ含有量の上限は、さらに望ましくは２．５％以下であり、さらに望ましくは２％以下である。

【0072】

Ｐ：０．０４％以下
リン（Ｐ）は、不純物として合金中に含まれ、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。さらに、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｐ含有量の上限は０．０４％以下とすることが望ましい。Ｐ含有量の上限は、さらに望ましくは０．０２８％以下であり、さらに望ましくは０．０２５％以下である。なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上、さらに望ましくは０．０００８％以上である。

【0073】

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、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、Ｓ含有量の上限は０．００２％以下とすることが望ましい。Ｓ含有量の上限は、さらに望ましくは０．００１８％以下であり、さらに望ましくは０．００１５％以下である。なお、Ｓ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量の下限は、さらに望ましくは０．０００１％以上であり、さらに望ましくは０．０００２％以上である。

【0074】

Ｎｉ：２６％〜３５％
ニッケル（Ｎｉ）は、長時間使用時のオーステナイト組織の安定性を確保し、クリープ強度を確保するための元素である。そのため、Ｎｉ含有量の下限は２６％以上とすることが望ましい。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、Ｎｉ含有量の上限は３５％以下とすることが望ましい。Ｎｉ含有量の下限は、さらに望ましくは２７％以上であり、さらに望ましくは２８％以上である。Ｎｉ含有量の上限は、さらに望ましくは３４％以下であり、さらに望ましくは３３％以下である。

【0075】

Ｃｒ：２０％〜２６％
クロム（Ｃｒ）は、高温での耐酸化性および耐食性の確保のための元素である。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。そのため、Ｃｒ含有量の下限は２０％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｃｒ含有量が２６％を超えると、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化して、クリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒの含有量は２０％〜２６％とすることが望ましい。Ｃｒ含有量の下限は、さらに望ましくは２０．５％以上であり、さらに望ましくは２１％以上である。Ｃｒ含有量の上限は、望ましくは２５．５％以下であり、さらに望ましくは２５％以下である。

【0076】

Ｗ：１％〜７％
タングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。そのため、Ｗ含有量の下限は１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても、その効果は飽和するか、場合によってはクリープ強度を低下させる。さらに、Ｗは高価な元素であるため、Ｗの過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｗ含有量の上限は７％以下とすることが望ましい。Ｗ含有量の下限は、さらに望ましくは１．２％以上であり、さらに望ましくは１．５％以上である。Ｗ含有量の上限は、望ましくは６．８％以下であり、さらに望ましくは６．５％以下である。

【0077】

Ｎｂ：０．０１％〜１％
ニオブ（Ｎｂ）は、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。そのため、Ｎｂ含有量の下限は０．０１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量の上限は１％以下とすることが望ましい。Ｎｂ含有量の下限は、さらに望ましくは０．０５％以上であり、さらに望ましくは０．１％以上である。Ｎｂ含有量の上限は、さらに望ましくは０．９％以下であり、さらに望ましくは０．８％以下である。

【0078】

Ｖ：０．０１％〜１％
バナジウム（Ｖ）は、Ｎｂと同様、微細な炭窒化物を形成して高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。そのため、Ｖ含有量の下限は０．０１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｖの含有量が過剰になると多量に析出して、クリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量の上限は１％以下とすることが望ましい。Ｖ含有量の下限は、さらに望ましくは０．０５％以上であり、さらに望ましくは０．１％以上である。Ｖ含有量の上限は、さらに望ましくは０．９％以下であり、さらに望ましくは０．８％以下である。

【0079】

Ｎ：０．１％〜０．６％
窒素（Ｎ）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶または窒化物として析出し、高温強度の向上に寄与する。そのため、Ｎ含有量の下限は０．１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｎが過剰に含有されると、長時間使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出して、クリープ延性および靭性の低下も招く。そのため、Ｎの含有量の上限は０．６％以下とすることが望ましい。Ｎ含有量の下限は、望ましくは０．１２％以上であり、さらに望ましくは０．１５％以上である。Ｎ含有量の上限は、望ましくは０．５８％以下であり、さらに望ましくは０．５５％以下である。

【0080】

Ｂ：０.０００５％〜０．００８％
ホウ素（Ｂ）は、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とともに、粒界に偏析して粒界強化に寄与する。そのため、Ｂ含有量の下限は０．０００５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、溶接中の熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量の上限は０．００８％以下とすることが望ましい。Ｂ含有量の上限は、さらに望ましくは０．００６％以下であり、さらに望ましくは０．００５％以下である。Ｂ含有量の下限は、望ましくは０．０００６％以上であり、さらに望ましくは０．０００８％以上である。

【0081】

ＲＥＭ：０.００３％〜０．０６％
希土類元素（ＲＥＭ）は、製造時の熱間変形能の改善に寄与する。そのため、ＲＥＭ含有量の下限は０．００３％以上とすることが望ましい。しかしながら、ＲＥＭの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、逆に熱間変形能を害する。そのため、ＲＥＭ含有量の上限は０．０６％以下とすることが好ましい。ＲＥＭ含有量の上限は、さらに望ましくは０．０４％以下であり、さらに望ましくは０．０３％以下である。ＲＥＭ含有量の下限は、望ましくは０．００５％以上であり、さらに望ましくは０．００７％以上である。

【0082】

Ａｌ：０．３％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、母材の製造時に脱酸剤として含有される。しかしながら、多量のＡｌを含有すると鋼の清浄性が劣化し、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量の上限は０．３％以下とすることが望ましい。Ａｌ含有量の上限は、さらに望ましくは０．２５％以下であり、さらに望ましくは０．２％以下である。なお、Ａｌ含有量の下限は特に設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上であり、さらに望ましくは０．００１％以上である。

【0083】

Ｏ：０．０２％以下
酸素（Ｏ）は、不純物として合金中に含まれ、過剰に含有すると熱間加工性が低下するとともに、靭性および延性の劣化を招く。そのため、Ｏ含有量の上限は０．０２％以下とすることが望ましい。Ｏ含有量の上限は、さらに望ましくは０．０１８％以下であり、さらに望ましくは０．０１５％以下である。なお、Ｏ含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上であり、さらに望ましくは０．０００８％以上である。

【0084】

本実施形態による溶接継手の母材の化学組成の残部は、Ｆｅおよび不純物である。

【0085】

本実施形態による溶接継手の母材は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃａ、およびＭｇからなる群から選択される１種または２種以上の元素を含有してもよい。下記に、各成分について説明する。

【0086】

Ｔｉ：０％〜０．５％
チタン（Ｔｉ）は、ＮｂおよびＶと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、Ｎｂと同様に使用初期に多量に析出し、靭性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量の上限は、０．５％以下とすることが望ましい。Ｔｉ含有量の上限は、さらに望ましくは０．３％以下であり、さらに望ましくは、０．２％以下である。Ｔｉ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0087】

Ｃｏ：０％〜２％
コバルト（Ｃｏ）は、ＮｉおよびＣｕと同様、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。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏは、極めて高価な元素であるため、Ｃｏの過剰の含有は大幅なコスト増を招く。そのため、Ｃｏ含有量の上限は２％以下とすることが望ましい。Ｃｏ含有量の上限は、さらに望ましくは１．８％以下であり、さらに望ましくは１．５％以下である。Ｃｏ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0088】

Ｃｕ：０％〜４％
Ｃｕ（銅）は、オーステナイト組織の安定性を高めるとともに、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。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有すると、延性の低下を招く。そのため、Ｃｕ含有量の上限は４％以下とすることが望ましい。Ｃｕ含有量の上限は、さらに望ましくは３．８％以下であり、さらに望ましくは３．５％以下である。Ｃｕ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0089】

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および引張強さの向上に寄与する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏは、過剰に含有すると組織安定性を低下させ、逆にクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Ｍｏは高価な元素であるため、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｍｏ含有量の上限は４％以下とすることが望ましい。Ｍｏ含有量の上限は、さらに望ましくは２％以下であり、さらに望ましくは１．２％以下である。Ｍｏ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０３％以上である。

【0090】

Ｔａ：０％〜１％
タンタル（Ｔａ）は、炭窒化物を形成するとともに固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる。そのため、必要に応じて含有させてもよい。一方、Ｔａ含有量が１％を超えると、鋼の加工性や機械的性質が損なわれる。そのため、Ｔａ含有量の上限は１％以下とすることが望ましい。Ｔａ含有量の上限は、さらに望ましくは０．７％以下、さらに望ましくは０．６％以下である。Ｔａ含有量の下限は、望ましくは０．０１％以上であり、さらに望ましくは０．０５％以上であり、さらに望ましくは０．１％以上である。

【0091】

Ｃａ：０％〜０．０２％
カルシウム（Ｃａ）は、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃａの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｃａ含有量の上限は０．０２％以下とすることが望ましい。Ｃａ含有量の上限は、さらに望ましくは０．０１５％以下であり、さらに望ましくは０．０１％以下である。Ｃａ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上であり、さらに望ましくは０．００１％以上である。

【0092】

Ｍｇ：０％〜０．０２％
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃａと同様、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｍｇ含有量の上限は０．０２％以下とすることが望ましい。Ｍｇ含有量の上限は、さらに望ましくは０．０１５％以下であり、さらに望ましくは０．０１％以下である。Ｍｇ含有量の下限は、望ましくは０．０００５％以上であり、さらに望ましくは０．００１％以上である。

【0093】

本実施形態による溶接継手は、これに限定されないが、上述した溶接材料を用いて、上述した母材を溶接することで製造することができる。

【実施例】

【0094】

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。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0095】

［溶接材料］
表１に示す化学組成を有する材料（鋼材）を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、次の２種類の板材を作製した。
板材（１）：板厚４ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍ
板材（２）：板厚４ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍ
さらに、板材（２）を用い、機械加工により、２ｍｍ角、５００ｍｍ長さのカットフィラーを作製した。

【0096】

【表1】

【0097】

［トランスバレストレイン試験］
上記の板材（１）から、トランスバレストレイン試験片を採取した。その後、溶接電流１００Ａ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎの条件にてＧＴＡＷによりビードオンプレート溶接を行った。溶融池が試験片の長手方向の中央部に到達したとき、試験片に曲げ変形を加え、溶接金属に付加歪みを与えて割れを発生させた。付加歪みは、最大割れ長さが飽和する２％とした。評価は、溶接金属内に生じた最大割れ長さを測定し、溶接材料が有する凝固割れ感受性の評価指標とした。割れ長さは、完全オーステナイト凝固するＡｌｌｏｙ８００Ｈ溶接金属のトランスバレストレイン試験により評価された最大割れ長さである１．３ｍｍ以下を目標とした。

【0098】

［クリープ破断試験］
板材（２）から作製したカットフィラーを用いて、シールドガスをＡｒとした手動ティグ溶接により開先面へのバタリング溶接後、開先内に積層溶接を行って全溶着金属試験片を作製した。なお、溶接に際しては、入熱を９ｋＪ／ｃｍ〜１２ｋＪ／ｃｍとし、層間温度は１５０℃以下とした。溶接前熱処理（予熱）および溶接後熱処理は実施しなかった。その後、全溶着金属部から丸棒クリープ破断試験片を採取した。そして、７５０℃、１２７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、この条件で目標とされる破断時間が１０００時間を超えるものを「合格」とし、１０００時間以下であるものを不合格とした。

【0099】

表２に、上記各試験の結果を併せて示す。

【0100】

【表2】

【0101】

表２から、化学組成が本発明で規定する範囲にある符号１〜６の溶接材料は、溶接高温割れ感受性が低く、かつ目標とされるクリープ破断時間を満足することが明らかである。

【0102】

これに対して、Ｗ含有量が本発明の範囲より低い符号７の溶接材料、Ｂを含有していない符号８および符号１３の溶接材料、ならびにＳｉ含有量が本発明の範囲より高い符号９の溶接材料は、高温割れ感受性は低いもののクリープ強度が目標を下回った。本発明の成分範囲を満足するもののｆｎ１の値が低かった符号１０の溶接材料は、高温割れ感受性は低いもののクリープ強度が目標を下回った。またＢ含有量が本発明の範囲より高い符号１１の溶接材料、Ｎｂ含有量が本発明の範囲より高い符号１２の溶接材料は、クリープ強度は問題ないものの高温割れ感受性が増大した。

【0103】

このように、本発明の要件を満足する溶接材料は、高温割れ感受性が低く、クリープ強度をも満足することがわかる。これによって、本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適な溶接材料となり得ることが分かる。

【0104】

［溶接金属および溶接接手」
表３に示す化学組成を有する材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、熱処理および機械加工により、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの板材（板材（１））を作製した。板材（１）は溶接用母材とした。

【0105】

さらに、表４に示す化学組成を有する材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚４ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍの板材（板材（２））を作製した。板材（２）から、機械加工により、２ｍｍ角、５００ｍｍ長さのカットフィラーを作製した。

【0106】

【表3】

【0107】

【表4】

【0108】

上記の板材（１）の長手方向に、角度３０°、ルート面（ルートフェイス）１ｍｍのＶ開先を加工した後、市販の鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１６０（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ、厚さ２５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍ）上に、被覆アーク溶接棒（ＪＩＳ Ｚ３２２４（１９９９）に規定の「ＤＮｉＣｒＦｅ−３」）を用いて、四周を拘束溶接した。

【0109】

その後、作製したカットフィラーを用いて、シールドガスをＡｒとした手動ティグ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。なお、溶接に際しては、入熱を９ｋＪ／ｃｍ〜１５ｋＪ／ｃｍとした。

【0110】

得られた溶接継手の溶接金属を長手方向に垂直に切断した断面において、幅方向中央かつ板厚方向中央をドリルで１ｍｍ程度切削して切粉を採取し、溶接金属の化学分析を行った。表５にその結果を示す。

【0111】

【表5】

【0112】

［耐溶接割れ性］
作製した各溶接継手の溶接金属の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、溶接金属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、１個の試料で割れが観察された溶接継手を「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「不合格」と判断した。

【0113】

［クリープ破断試験］
各溶接継手から、溶接金属を平行部中央とした丸棒クリープ破断試験片を採取した。そして、７５０℃、１２７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、その破断時間が母材の目標破断時間のおよそ８０％である１０００時間を超えるものを「合格」とし、１０００時間以下であるものを「不合格」とした。

【0114】

表６に、上記各試験の結果を併せて示す。

【0115】

【表6】

【0116】

表６から、化学組成が本発明で規定する範囲にある符号Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４、およびＤ１〜Ｄ４の溶接金属を有する溶接継手は、溶接高温割れ感受性が低く、かつクリープ破断時間が母材の目標破断時間の８０％以上を満足することが明らかである。

【0117】

これに対して、符号Ａ５およびＢ５の溶接金属を有する溶接継手では、溶接金属のＷ含有量が、本発明の範囲の下限である４．５％超を下回ったため、クリープ強度が目標を下回った。さらに、符号Ａ６およびＢ６の溶接金属を有する溶接継手では、溶接金属のＳｉ含有量が、本発明の範囲の上限である０．６％を超えたため、クリープ強度が目標を下回った。また、符号Ａ７およびＢ７の溶接金属を有する溶接継手では、溶接金属のＢ含有量が、本発明の範囲の上限である０．００５％を超えたため、溶接高温割れ感受性が増大した。さらに、符号Ａ８およびＢ８の溶接金属を有する溶接継手では、溶接金属のＮｂ含有量が、本発明の範囲の上限である０．５％を超えたため、溶接高温割れ感受性が増大した。また、符号Ａ９およびＢ９の溶接金属を有する溶接継手では、ｆｎ１の値が１０．０未満であったため、クリープ強度が目標を下回った。

【0118】

このように、本発明の要件を満足する溶接金属は、高温割れ感受性が低く、溶接構造物として必要なクリープ強度をも満足しているため、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分活用し得ることが分かる。

【産業上の利用可能性】

【0119】

本発明を活用すれば、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する際に、その性能を十分活用し得る、高温割れ感受性が低く、クリープ強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手を提供できる。そのため、本発明の溶接金属とそれを有する溶接継手は、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を、火力発電用ボイラ等、高温で使用される機器に適用される溶接構造物を構成する溶接金属とそれを有する溶接継手として有用である。