(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】
(24)【登録日】2023-11-29
(45)【発行日】2023-12-07
(54)【発明の名称】オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20231130BHJP
B23K 35/30 20060101ALI20231130BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20231130BHJP
C22C 30/00 20060101ALI20231130BHJP
【FI】
C22C38/00 302Z
B23K35/30 320B
C22C38/58
C22C30/00
(21)【出願番号】P 2019175612
(22)【出願日】2019-09-26
【審査請求日】2022-05-12
(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】110002044
【氏名又は名称】弁理士法人ブライタス
(72)【発明者】
【氏名】栗原 伸之佑
(72)【発明者】
【氏名】小薄 孝裕
(72)【発明者】
【氏名】浜口 友彰
【審査官】川口 由紀子
(56)【参考文献】
【文献】特開2015-137419(JP,A)
【文献】特開2009-195980(JP,A)
【文献】特開2015-107500(JP,A)
【文献】特開平07-060481(JP,A)
【文献】特開2006-159226(JP,A)
【文献】中国特許出願公開第106862797(CN,A)
【文献】米国特許出願公開第2015/0129559(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 35/30
C22C 38/00-38/60
C22C 30/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一方向に延びる裏波ビードが形成された溶接継手であって、
前記溶接継手は母材と溶接金属とを有し、
前記母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含み、
前記母材の化学組成は、質量%で、
C:0.03~0.10%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.030%以下、
S:0.002%以下、
Ni:18.0~22.0%、
Cr:22.0~28.0%、
Mo:0.50%以下、
Nb:0.20~0.70%、
B:0.0002~0.0050%、
N:0.10~0.40%、
Al:0.003~0.050%、
O:0.020%以下、
Ca:0~0.020%、
Mg:0~0.020%、
REM:0~0.06%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記溶接金属の化学組成が、質量%で、
C:0.03~0.10%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.020%以下、
S:0.002%以下、
Ni:18.0~25.0%、
Cr:22.0~30.0%、
Mo:0.50~1.50%、
Nb:0.20~0.70%、
B:0.0050%以下、
N:0.10~0.40%、
Cu:1.0~4.0%、
Al:0.050%以下、
O:0.020%以下、
Ca:0~0.020%、
Mg:0~0.020%、
REM:0~0.06%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記一方向に垂直な断面において、前記裏波ビードの止端部における接線と、前記母材表面の延長線とがなす角のうち、前記母材側の角度を裏波開き角度とした場合に、
前記裏波開き角度と前記熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記(i)式を満足する、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
D×G≧600 ・・・(i)
但し、上記(i)式中の各記号は以下により定義される。
D:裏波開き角度(°)
G:熱影響部の平均粒度番号
【請求項2】
前記母材の化学組成が、質量%で、
Ca:0.0005~0.020%、
Mg:0.000
5~0.020%、および
REM:0.000
3~0.06%、
から選択される一種以上を含有する、請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手に関する。
【背景技術】
【0002】
オーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性、高温強度、靭性、および強度等に優れる。そして、オーステナイト系ステンレス鋼においては、上記特性を高めるために、多種類の合金元素が添加される場合がある。
【0003】
例えば、特許文献1には、Cu、Nb、およびNを含有し、高温強度と延性とに優れたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述のような合金元素が添加されたオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する場合、使用環境において高温保持されると、熱影響部で割れが生じやすくなるという課題がある。このような割れは、応力緩和割れと呼ばれる割れである。また、応力緩和割れは、溶接時に溶融金属が凝固収縮すること等で生じる溶接残留応力に起因するとされる。
【0006】
溶接残留応力を除去するために、溶接後、熱処理を行うことが有効である。その一方、オーステナイト系ステンレス鋼においては、通常、溶接後の熱処理を行わないことが多い。これは、熱処理を行った場合、耐食性の低下を招く鋭敏化、またはσ相が析出することによる脆化が生じ、材料特性を損なうからである。
【0007】
以上を踏まえ、本発明は、溶接後に熱処理しないことを前提とし、応力緩和割れを抑制し得る、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手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】
【0008】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手を要旨とする。
【0009】
(1)一方向に延びる裏波ビードが形成された溶接継手であって、
前記溶接継手は母材と溶接金属とを有し、
前記母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含み、
前記母材の化学組成は、質量%で、
C:0.03~0.10%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.030%以下、
S:0.002%以下、
Ni:18.0~22.0%、
Cr:22.0~28.0%、
Mo:0.50%以下、
Nb:0.20~0.70%、
B:0.0002~0.0050%、
N:0.10~0.40%、
Al:0.003~0.050%、
O:0.020%以下、
Ca:0~0.020%、
Mg:0~0.020%、
REM:0~0.06%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記一方向に垂直な断面において、前記裏波ビードの止端部における接線と、前記母材表面の延長線とがなす角のうち、前記母材側の角度を裏波開き角度とした場合に、
前記裏波開き角度と前記熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記(i)式を満足する、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
D×G≧600 ・・・(i)
但し、上記(i)式中の各記号は以下により定義される。
D:裏波開き角度(°)
G:熱影響部の平均粒度番号
【0010】
(2)前記母材の化学組成が、質量%で、
Ca:0.0005~0.020%、
Mg:0.0005%~0.020%、および
REM:0.0003%~0.06%、
から選択される一種以上を含有する、上記(1)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
【0011】
(3)前記溶接金属の化学組成が、質量%で、
C:0.03~0.10%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.020%以下、
S:0.002%以下、
Ni:18.0~25.0%、
Cr:22.0~30.0%、
Mo:0.50~1.50%、
Nb:0.20~0.70%、
B:0.0050%以下、
N:0.10~0.40%、
Cu:1.0~4.0%、
Al:0.050%以下、
O:0.020%以下、
Ca:0~0.020%、
Mg:0~0.020%、
REM:0~0.06%、
残部:Feおよび不純物である、上記(1)または(2)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、応力緩和割れを抑制しうる、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】
図1は溶接部の形状を模式的に示した断面図である。
【
図2】
図2は裏波ビードの形状を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
【0015】
1.溶接継手
本発明に係る溶接継手は、一方向に延びる裏波ビードが形成された溶接継手である。溶接継手は、母材と溶接金属とを有する。また、母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含む。
【0016】
1-1.母材の化学組成
溶接継手母材の各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
【0017】
C:0.03~0.10%
Cは、オーステナイト相を安定にする効果を有する。また、Nとともに微細な粒内炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与する。このため、C含有量は、0.03%以上とする。C含有量は、0.04%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましい。
【0018】
しかしながら、Cを過剰に含有させると、特に0.10%を超えると、高温での使用中に多量の微細炭窒化物が粒内に析出する。この結果、粒界面へ応力集中を生じさせ、割れを引き起こしやすくする。加えて、粒界近傍にCr欠乏層を生じさせ、耐食性の低下を招く場合がある。このため、C含有量は0.10%以下とする。C含有量は、0.09%以下とするのが好ましく、0.08%以下とするのがより好ましい。
【0019】
Si:1.0%以下
Siは、脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。また、Siは、高温での耐食性、および耐酸化性の向上に有効である。しかしながら、Si含有量が1.0%を超えると、オーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度および靱性の低下を招く。このため、Si含有量は1.0%以下とする。Si含有量は、0.8%以下とするのが好ましく、0.6%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Si含有量は0.03%以上とするのが好ましい。
【0020】
Mn:2.0%以下
Mnは、Siと同様に、脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。また、Mnは、オーステナイト相の安定化にも寄与する。さらに、溶接時にSを固定化して、応力緩和割れを抑制する効果も有する。しかしながら、Mn含有量が2.0%を超えると、脆化を招き、クリープ延性および靱性の低下を招く。このため、Mn含有量は2.0%以下とする。Mn含有量は1.5%以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Mn含有量は0.05%以上とするのが好ましい。
【0021】
P:0.030%以下
Pは不純物として、鋼中に含有され、熱間加工性および靭性を低下させる。また、溶接時に液化割れを引き起こす場合がある。このため、P含有量は0.030%以下とする。P含有量は極力低減することが好ましいが、極端なPの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、P含有量は、0.001%以上とするのが好ましい。
【0022】
S:0.002%以下
Sは不純物として、鋼中に含有され、熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。また、Sは、応力緩和割れを生じやすくする。このため、S含有量は0.002%以下とする。S含有量は極力低減することが好ましいが、極端なSの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、S含有量は、0.0002%以上とするのが好ましい。
【0023】
Ni:18.0~22.0%
Niはオーステナイトを安定化させ、クリープ強度を高める。このため、Ni含有量は、18.0%以上とする。Ni含有量は、19.0%以上とするのが好ましい。しかしながら、Niを、過剰に含有させると、上記効果が飽和し、製造コストも高くなる。このため、Ni含有量は22.0%以下とする。Ni含有量は、21.0%以下とするのが好ましい。
【0024】
Cr:22.0~28.0%
Crは、鋼の耐食性を向上させる効果を有する。このため、Cr含有量は22.0%以上とする。Cr含有量は23.0%以上とするのが好ましい。しかしながら、Crを、過剰に含有させると、クリープ強度および靭性が低下する。このため、Cr含有量は28.0%以下とする。Cr含有量は27.0%以下とするのが好ましい。
【0025】
Mo:0.50%以下
Moは、600~700℃での使用環境において、粒界に炭化物が生成するのを抑制する効果を有する。さらに、粒界強度を高め、クリープ強度を高める効果も有する。しかしながら、Moを、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させる。このため、Mo含有量は0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Mo含有量は0.05%以上とするのが好ましい。
【0026】
Nb:0.20~0.70%
Nbは、600~700℃の高温使用環境下において、Cと結合して炭窒化物を形成し、クリープ強度を高める効果を有する。このため、Nb含有量は0.20%以上とする。Nb含有量は0.30%以上とするのが好ましい。しかしながら、Nbを、過剰に含有させると、δフェライトが生成する。この結果、鋼のクリープ強度、靭性を低下させる。また溶接性を低下させることで割れを発生させやすくする。このため、Nb含有量は0.70%以下とする。Nb含有量は0.60%以下とするのが好ましい。
【0027】
B:0.0002~0.0050%
Bは、600~700℃での高温使用環境下において、粒界に偏析し、粒界強度を高める効果を有する。その結果、クリープ延性を高める。このため、B含有量は0.0002%以上とする。B含有量は0.0005%以上とするのが好ましい。しかしながら、Bを過剰に含有させると、高温での熱間加工性が低下する。また、溶接性が低下する。このため、B含有量は0.0050%以下とする。B含有量は0.0040%以下とするのが好ましい。
【0028】
N:0.10~0.40%
Nは母相に固溶することでオーステナイトを安定化させる、または粒内に微細な炭窒化物を形成することで、クリープ強度を高める効果を有する。このため、N含有量は0.10%以上とする。N含有量は0.15%以上とするのが好ましい。しかしながら、Nを、過剰に含有させると、粒界でCr窒化物が形成され、溶接熱影響部での耐食性が低下することから、割れが発生しやすくなる。また、加工性が低下する場合もある。このため、N含有量は0.40%以下とする。N含有量は0.35%以下とするのが好ましい。
【0029】
Al:0.003~0.050%
Alは脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。このため、Al含有量は0.003%以上とする。Al含有量は、0.005%以上とするのが好ましい。しかしながら、Alを過剰に含有させると、却って鋼の清浄性が低下する。また、鋼の加工性および延性も低下する。このため、Al含有量は0.050%以下とする。Al含有量は0.040%以下とするのが好ましい。
【0030】
O:0.020%以下
Oは、不純物として鋼中に含有され、鋼の清浄性、ならびに熱間加工性および靭性といった機械的特性を低下させる。このため、O含有量は0.020%以下とする。O含有量は極力低減するのが好ましいが、極端なOの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、O含有量は、0.001%以上とするのが好ましい。
【0031】
Ca:0~0.020%
Caは、OおよびSを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Caを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。このため、Ca含有量は0.020%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ca含有量は0.0005%以上とするのが好ましい。
【0032】
Mg:0~0.020%
Mgは、OおよびSを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Mgを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を却って低下させる。このため、Mg含有量は0.020%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Mg含有量は0.0005%以上とするのが好ましい。
【0033】
REM:0~0.06%
REMは、OおよびSを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、REMを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。このため、REM含有量は0.06%以下とする。一方、上記効果を得るためには、REM含有量は0.0003%以上とするのが好ましい。
【0034】
ここで、本発明において、REMは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指し、上記REM含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。REMは、工業的には、ミッシュメタルの形で添加される。
【0035】
本発明の化学組成において、残部はFeおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【0036】
1-2.裏波開き角度および熱影響部の平均粒度番号
本発明に係る溶接継手は、後述する、裏波開き角度と、熱影響部の平均粒度番号との関係を規定する。具体的には、裏波開き角度と熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記(i)式を満足する。
D×G≧600 ・・・(i)
但し、上記(i)式中の各記号は以下により定義される。
D:裏波開き角度(°)
G:熱影響部の平均粒度番号
【0037】
裏波開き角度について、
図1および2を用いて説明する。
図1は、溶接部の形状を模式的に示した図であり、裏波ビードが延びる方向に垂直な断面図である。なお、
図1においては、図面が煩雑になることを避けるため、ハッチングは付していない。また、
図2は裏波ビードの形状を説明するための模式図である。
図1および2に示すように、裏波開き角度は、裏波ビード3の止端部8における接線4と、母材表面の延長線5とがなす角のうち、母材側の角度6である。ここで、
図2に示すように裏波ビード3の止端部8における接線4と、母材表面の延長線5とがなす角は、母材側の角度6と、溶接金属2側の角度7との二つがある。本発明においては、母材側の角度6を裏波開き角度とする。
【0038】
裏波ビードの止端部8は、左右両端にあるため、止端部8における接線4は、2本引くことができるが、本発明においては、止端部8における接線4とは、当該接線4により形成される裏波開き角度が小さくなる方の接線のことをいう。
【0039】
なお、母材の厚さは3~15mmの範囲とするのが好ましい。開先形状は、特に限定されないが、裏波ビードを出しやすい開先形状が望ましい。このような開先形状の一例としては、V形開先、逆台形、U形などの開先形状が例示される。
【0040】
熱影響部の平均粒度番号について説明する。熱影響部とは、溶接時の入熱により金属組織が変化する部分のことをいう。熱影響部は、腐食液等によりエッチングを行い、組織観察により確認することができる。そして、組織観察により特定した熱影響部の平均粒度番号を算出する。平均粒度番号は、JIS G 0551:2013に準拠し、測定を行い、具体的には、切断法を用いる。
【0041】
上記(i)式左辺値が600未満であると、応力緩和割れが発生しやすくなる。このため、上記(i)式左辺値は600以上とし、650以上であるのが好ましい。なお、(i)式左辺値の上限は、限定されないが、通常1000以下となると考えられる。
【0042】
2.溶接金属の化学組成
本発明に係る溶接継手において、溶接金属の化学組成は、質量%で、
C:0.03~0.10%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.020%以下、
S:0.002%以下、
Ni:18.0~25.0%、
Cr:22.0~30.0%、
Mo:0.50~1.50%、
Nb:0.20~0.70%、
B:0.0050%以下、
N:0.10~0.40%、
Cu:1.0~4.0%、
Al:0.050%以下、
O:0.020%以下、
Ca:0~0.020%、
Mg:0~0.020%、
REM:0~0.06%、
残部:Feおよび不純物であるのが好ましい。
【0043】
上記のうちでも、C含有量は0.04%以上とするのが好ましく、0.09%以下とするのが好ましい。Si含有量は0.03%以上とするのが好ましく、0.90%以下とするのが好ましい。Mn含有量は0.05%以上とするのが好ましく、1.8%以下とするのが好ましい。P含有量は0.001%以上とするのが好ましく、0.015%以下とするのが好ましい。S含有量は0.001%以下とするのが好ましい。Ni含有量は19.0%以上とするのが好ましく、24.0%以下とするのが好ましい。Cr含有量は23.0%以上とするのが好ましく、29.0%以下とするのが好ましい。Mo含有量は0.6%以上とするのが好ましく、1.40%以下とするのが好ましい。
【0044】
Nb含有量は0.30%以上とするのが好ましく、0.60%以下とするのが好ましい。B含有量は0.0040%以下とするのが好ましい。N含有量は0.15%以上とするのが好ましく、0.35%以下とするのが好ましい。Cu含有量は1.5%以上とするのが好ましく、3.5%以下とするのが好ましい。
【0045】
Al含有量は0.040%以下とするのが好ましい。O含有量は0.015%以下とするのが好ましい。Ca含有量は0.010%以下とするのが好ましい。Mg含有量は0.010%以下とするのが好ましい。REM含有量は0.01%以下とするのが好ましい。
【0046】
なお、本発明において、溶接金属の化学組成とは、溶接金属全体の平均の化学組成を指すものとする。上記の溶接金属の化学組成は、溶接時における母材と溶接材料との流入割合で決定される。以下に、本発明に係る溶接継手を製造するのに用いられる溶接材料の好適な化学組成について説明する。
【0047】
3.溶接材料の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
【0048】
C:0.03~0.10%
Cは、溶接後の溶接金属中の相安定性を高める作用を有するとともに、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効果を有する元素である。さらには、溶接凝固中にCrと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。このため、C含有量は0.03%以上とするのが好ましい。C含有量は0.04%以上とするのがより好ましく、0.05%以上とするのがさらに好ましい。
【0049】
しかしながら、C含有量が過剰であると、炭化物が多量に析出するため、却ってクリープ強度および延性を低下させるおそれがある。このため、C含有量は0.10%以下とするのが好ましい。C含有量は0.09%以下とするのがより好ましく、0.08%以下とするのがさらに好ましい。
【0050】
Si:1.0%以下
Siは、溶接材料の製造時において脱酸に有効であるとともに、溶接後の溶接金属の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。しかしながら、Siが過剰に含有された場合には相安定性が低下して、靭性およびクリープ強度の低下を招くおそれがある。このため、Siの含有量は1.0%以下とするのが好ましい。Si含有量は0.8%以下とするのがより好ましく、0.6%以下とするのがさらに好ましい。
【0051】
なお、Si含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。このため、Si含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.03%以上とするのがより好ましい。
【0052】
Mn:2.0%以下
Mnは、Siと同様、溶接材料の製造時において脱酸に有効な元素である。また、Mnは、溶接後の溶接金属中の相安定性の向上にも寄与する。しかしながら、Mnの含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靭性およびクリープ延性の低下も生じるおそれがある。このため、Mnの含有量は2.0%以下とするのが好ましい。Mnの含有量は1.8%以下とするのがより好ましく、1.5%以下とするのがさらに好ましい。
【0053】
なお、Mnの含有量についても特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、相安定性の向上効果が得難くなり、さらに製造コストも大きく上昇する。このため、Mn含有量は0.02%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましい。
【0054】
P:0.020%以下
Pは、不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、高温で長時間使用した後の溶接金属のクリープ延性を低下させる。このため、P含有量は0.020%以下とするのが好ましい。P含有量は0.015%以下とするのがより好ましく、0.010%以下とするのがさらに好ましい。
【0055】
なお、Pの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。このため、P含有量は0.0005%以上とするのが好ましく、0.001%以上とするのがより好ましい。
【0056】
S:0.002%以下
Sは、Pと同様に不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、Sは、溶接金属において長時間使用中に柱状晶粒界に偏析して脆化を招き、再熱割れ感受性を高める。このため、S含有量は0.002%以下とするのが好ましい。S含有量は0.0015%以下とするのがより好ましく、0.0010%以下とするのがさらに好ましい。
【0057】
なお、Sの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。このため、S含有量は、0.0001%以上とするのが好ましく、0.0002%以上とするのがより好ましい。
【0058】
Ni:18.0~25.0%
Niは、オーステナイトを安定化させ、高温でのクリープ強度を向上させる。このため、Ni含有量は18.0%以上とするのが好ましい。Ni含有量は19.0%以上とするのがより好ましく、20.0%以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ni含有量が25.0%を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなる。このため、Ni含有量は25.0%以下とするのが好ましい。Ni含有量は24.0%以下とするのがより好ましく、23.0%以下とするのがさらに好ましい。
【0059】
Cr:22.0~30.0%
Crは、溶接後の溶接金属の高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素である。また、Crは、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。さらに、溶接中にCと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。このため、Cr含有量は22.0%以上とするのが好ましい。Cr含有量は23.0%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Crの含有量が30.0%を超えると、高温での相安定性が劣化してクリープ強度の低下を招くおそれがある。このため、Cr含有量は30.0%以下とするのが好ましい。Cr含有量は29.0%以下とするのがより好ましく、28.0%以下とするのがさらに好ましい。
【0060】
Mo:0.50~1.50%
Moは、Wと同様に、溶接金属の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を向上させる作用を有する元素である。このため、Mo含有量は0.50%以上とするのが好ましい。Mo含有量は0.60%以上とするのがより好ましく、0.70%以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Moを過剰に含有させても効果は飽和し、かえってクリープ強度を低下させる場合がある。さらに、高価な元素であるため、過剰に含有させることはコストの増大を招く。このため、Mo含有量は1.50%以下とするが好ましい。Mo含有量は1.40%以下とするのがより好ましく、1.30%以下とするのがさらに好ましい。
【0061】
Nb:0.20~0.70%
Nbは、Tiと同様に、CまたはNと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。このため、Nb含有量は0.20%以上とするのが好ましい。Nb含有量は0.30%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Nbの含有量が過剰になると、炭化物または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おそれがある。このため、Nb含有量は0.70%以下とするのが好ましい。Nb含有量は0.60%以下とするのがより好ましい。
【0062】
N:0.10~0.40%
Nは、溶接金属中の組織を安定化させ、クリープ強度を向上させるとともに、固溶して引張強さの確保に寄与する元素である。このため、N含有量は0.10%以上とするのが好ましい。N含有量は0.15%以上とするのがより好ましい。しかしながら、過剰に含有されると、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および靭性の低下を招くおそれがある。このため、N含有量は0.40%以下であるのが好ましい。N含有量は0.35%以下とするのがより好ましい。
【0063】
Cu:1.0~4.0%
Cuは固溶強化により、溶接金属の強度を高める効果を有する。このため、Cu含有量は1.0%以上とするのが好ましい。Cu含有量は1.2%以上とするのがより好ましく、1.5%以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Cuを過剰に含有させると、溶接継手における延性が低下する。このため、Cu含有量は4.0%以下とするのが好ましい。Cu含有量は3.8%以下とするのがより好ましく、3.5%以下とするのがさらに好ましい。
【0064】
上記溶接材料の化学組成において、残部はFeおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【0065】
4.製造方法
本発明に係る溶接継手は、上記構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法を用いれば、安定して、本発明に係る溶接継手を得ることができる。
【0066】
母材の製造方法については特に制限はないが、例えば、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造することができる。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。また、必要に応じて、母材を熱処理してもよい。母材について鋼材の種類は、特に限定されず、例えば、鋼板、鋼管等であればよく、金属組織がオーステナイト相となるように、母材が製造されればよい。
【0067】
得られた母材は、開先加工される。上述した(i)式の規定を満足すれば、開先形状は、特に限定されないが、裏波ビードを出しやすい開先形状である、V形開先、逆台形、U形などの開先形状が望ましい。
【0068】
続いて、上述した溶接材料を用い、母材を突き合わせ溶接する。溶接方法は、アーク溶接であるのが好ましい。アーク溶接の一例としては、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、被覆アーク溶接等が例示される。
【0069】
溶接条件については、溶接材料の供給速度が5cm/min未満であると、良好な裏波ビードが形成できない場合がある。このため、溶接材料の供給速度は、5cm/min以上とするのが好ましく、10cm/min以上とするのがより好ましい。しかしながら、溶接材料の供給速度が80cm/minを超えると、本発明に係る(i)式の規定を満足しない場合がある。このため、溶接材料の供給速度は、80cm/min以下とするのが好ましく、70cm/min以下とするのがより好ましい。
【0070】
なお、溶接材料の供給速度以外の条件については、例えば、溶接電流は50~100Aの範囲とするのが好ましく、溶接電圧は、10~12Vの範囲とするのが好ましい。また、溶接速度は4~10cm/minとするのが好ましい。
【0071】
なお、溶接の際には、アルゴンガス等のバックシールドガスを用いて溶接するのが好ましい。この際のガスの流量は、裏波ビードが形成されやすい流量とすればよい。
【0072】
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。
【実施例】
【0073】
表1に示す化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼の鋼管母材に1100~1250℃の溶体化処理を施した。なお、上記母材は、以下の手順で作成した。具体的には、表1に記載の化学組成を有する鋼片に1150~1250℃の範囲で熱間押出を行い、冷間引抜加工後に1100~1250℃、5分の熱処理等を行い、オーステナイト単相の鋼管を得た。鋼管の肉厚は4.5mmであった。
【0074】
続いて、鋼管母材を
図3に示すような形状のV字形の開先に加工した。開先角度は30°、ルート間隔は2mm、ルート面は0.5mmとした。開先加工を施した母材を、表2に示す溶接材料を用い、突き合わせ溶接し、溶接継手を作製した。溶接方法は、GTAW溶接法を用いた。溶接条件は、溶接材料の供給速度は、5~80cm/minとし、溶接電圧10~12V、溶接電流50~100A、溶接速度は4~10cm/minとした。各試料の溶体化処理条件および溶接条件は表3に示すとおりである。
【0075】
得られた溶接継手について、使用環境を模擬し、650℃、1000hの条件で、時効熱処理を行った。その後、熱影響部の平均粒度番号を以下の手順で測定した。具体的には、溶接部断面を観察面とし、混酸を腐食液等とし、エッチングを行い、観察視野100倍、視野数2視野とし、熱影響部の組織観察を行った。そして、組織観察に基づき、平均粒度番号を算出した。平均粒度番号は、JIS G 0551:2013に準拠し、切断法を用いた。なお、上記時効条件においては、母材の平均粒度番号はほとんど変化しないため、時効熱処理の前に平均粒度番号を調べてもよい。また、溶接継手について、ミクロ組織観察により裏波開き角度を調べ、合わせて応力緩和割れが生じているか確認した。
【0076】
以上の結果を表1~表4に纏めて示す。
【0077】
【0078】
【0079】
【0080】
【0081】
本発明の規定を満足する溶接継手A-1~A-3、A-5、B-1は、時効後も割れが生じておらず、良好な耐応力緩和割れ性を示した。その一方、上記以外の例は、時効後に割れが発生し、耐応力緩和割れ性が不良であった。
【符号の説明】
【0082】
1 母材
2 溶接金属
3 裏波ビード
4 接線
5 母材表面の延長線
6 裏波開き角度
7 溶接金属側の角度
8 溶接止端部