JP2008207242A

JP2008207242A - オーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料並びにそれを用いてなる溶接金属及び溶接継手

Info

Publication number: JP2008207242A
Application number: JP2007049065A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Hirata; 弘征平田; Kazuhiro Ogawa; 和博小川; Takahiro Kousu; 孝裕小薄
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP4998014B2

Abstract

【課題】高温域で優れた耐溶接高温割れ性を有するオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料並びに高温域で優れた延性とクリープ強度を有する溶接金属及び溶接継手の提供。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：５〜８％、Ｎｂ：０．６０〜１．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．１８％、Ｎ：０．１％を超えて０．２％以下、Ａｌ：０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰが０．０１％以下、Ｓが０．０１％以下、Ｏ（酸素）が０．０２％以下の化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。この溶接材料を用いてなる溶接金属及び高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材からなる溶接継手。
【選択図】なし

Description

本発明は、発電ボイラや化学工業用加熱炉等を構成する鋼管、鋼板、棒鋼および鍛鋼品等の素材として好適な高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するのに用いられる溶接材料並びにそれを用いてなる溶接金属及び溶接継手に関する。

近年、環境負荷軽減と高効率化の観点から発電用ボイラや化学工業用の加熱炉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。蒸気の高温高圧化、中でも高温化は、ボイラや化学工業用の加熱炉を構成する部材の温度を上昇させ、その温度は６５０℃以上に達する。このような部材に使用される材料には、６５０℃以上において、さらには７００℃以上において、優れた高温強度を有することが求められている。

オーステナイト系ステンレス鋼は、フェライト系鋼に比べて高温強度に優れる。このため、６５０℃以上の高温域では、オーステナイト系ステンレス鋼が使われる。高温用のオーステナイト系ステンレス鋼としては、２０Ｃｒ以上のオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。例えば、特許文献１にはＷを多量に添加することにより、７００℃以上の高温域において優れたクリープ強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。

高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を構造物として使用する場合には、溶接により組み立てられるのが一般的である。その際、母材をそのまま溶接材料としても使用する場合がある。

一方、オーステナイト系ステンレス鋼用の溶接材料として、一般的に知られている高Ｎｉ合金用溶接材料（例えば、JIS Z3334 YNiCr-3）を用いて、高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を溶接により組み立てて構造物として使用する場合もある。オーステナイト系ステンレス鋼用の溶接材料としては、上述した高Ｎｉ合金用溶接材料のほかに、特許文献２や特許文献３で開示された溶接材料も提案されている。

また、特許文献４には、Ｎ、Ｎｂ、Ｔａ、ＴｉおよびＺｒのうちの少なくとも１種を含有させることにより、耐溶接割れ性と耐硫酸腐食性に優れたオーステナイト鋼溶接継手およびその溶接材料が開示されている。

なお、溶接時には溶接金属に溶接割れが発生することがあり、その溶接割れを防止するための方法として、特許文献５には、溶接材料にＣとＮｂを複合添加することが提案されている。

特開２００４−３０００号公報特開２００１−３００７６３号公報特開平１１―２７７２９２号公報特開２００１−１０７１９６号公報特開２００４−５８０６２号公報

上述のとおり、高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を溶接により組み立てて構造物として使用する場合に母材をそのまま溶接材料としても使用する場合がある。しかしながら、母材は溶製後、圧延や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て、溶接金属はほとんどの場合、凝固ままの組織で使用される。したがって、母材をそのまま溶接材料として使用した場合には、溶接金属には母材と同等のクリープ強度等の機械性能を得ることができない場合が多く、溶接金属の耐高温割れ性が不十分となる場合が多い。特に、オーステナイト系ステンレス鋼用の溶接材料は、一般的に溶接時の高温割れ感受性が高いために、溶接時に優れた耐高温割れ性を有することが必要とされる。

一方、高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を溶接により組み立てて構造物として使用する場合に、母材とは異なる成分系を有する溶接材料を用いて溶接する場合がある。しかしながら、前述した高Ｎｉ合金用溶接材料（例えば、JIS Z3334 YNiCr-3）は十分な耐高温割れ性やクリープ強度を有しておらず、かつ高価であることから経済性の観点からも高Ｎｉ合金用溶接材料を使用することは好ましいことではない。

次に、特許文献２や特許文献３において提案されたオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料は、いずれも、Ｗを多量に添加してなる高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合には、７００℃以上の高温域で十分なクリープ強度が得られない。

また、特許文献４において開示された溶接材料を用いて、Ｗを多量に添加してなる高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合には、溶接時の耐高温割れ性が不十分であるとともに、溶接金属の延性やクリープ強度の低下がみられる。

さらに、特許文献５には、溶接材料にＣとＮｂを複合添加して溶接割れを防止することが提案されているが、Ｗを多量に添加してなる高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合には、溶接時の耐高温割れ性が不十分となる。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、７００℃以上の高温域で優れた耐溶接高温割れ性を有するオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料の提供と、それを用いてなる７００℃以上の高温域において優れた延性とクリープ強度を有する溶接金属の提供を目的とする。また、この溶接材料を用いてなる７００℃以上の高温域において優れた延性とクリープ強度を有する溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材からなる溶接継手の提供を目的とする。

本発明者らは、凝固ままの溶接金属において７００℃以上の高温域でのクリープ強度を確保するためには、ＣｒとＮｉの含有量を所定の範囲に規制するとともに高濃度のＷを含有させることが有効であるとの知見を基にして、さらに検討を加えた結果、このようにＷを多量に含む溶接金属では、高い頻度で溶接割れが発生することを見出した。

種々調査検討を行った結果、溶接金属に発生する割れは、下記の(i)及び(ii)の２種類の割れであることが確認された。

(i) 凝固割れ：凝固時に低融点の液相が面状に残留して生じた柱状晶境界に熱応力や外部応力が作用し、開口することにより生じる割れである。

(ii) 延性低下割れ：Ｓ等の不純物元素が偏析した粒界が、後続の溶接パスの熱サイクルにより加熱され、延性の乏しくなった領域に熱応力や外部応力を受けて開口する割れ（再熱割れ）である。

従来から、これらの溶接割れを防止する手法として、特許文献５に記載されているように、ＣとＮｂを複合添加することが提案されている。しかしながら、強化元素であるＷを多量に含有させた溶接金属にＣとＮｂを複合して含有させても完全には溶接割れを防止することができなかった。この理由は、熱応力や外部応力が作用した場合には、粒内の変形抵抗が大きいことに起因して、柱状晶境界や結晶粒界に応力が集中するためであると考えられた。

そして、種々検討の結果、この２種類の割れを同時に防止するためには、Ｃ及びＮｂに加えてＴｉを適正範囲に含有させることが有効であることを見出した。

その理由は、溶接金属の組織観察から、次のように考えられる。すなわち、Ｃ及びＮｂに加えてＴｉを含有させることにより、溶接金属の凝固過程で、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶凝固が生じる。その結果、凝固時の液相の消失が早まるとともに、最終凝固部の組織が(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶とオーステナイトの層状組織となる。そのため、低融点の液相の残存形態が面状から点状に変化するとともに、応力が特定面に集中せずに分散される。加えて、Ｔｉは凝固過程で融点降下元素であるＳと結合し、ＴｉＳを生成するので、液相の融点自体を高めることにも寄与する。これらの相乗効果により、結果として凝固割れが防止できる。

さらに、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶の生成に伴い、偏析サイトとなる最終凝固部の粒界面積が著しく増大するため、Ｓ等の不純物元素の偏析が軽減されるとともに、応力が分散される。加えて、延性低下割れにもっとも有害であるＳがＴｉと結びついてＴｉＳとして固定されることの重畳効果により、延性低下割れも防止される。

しかしながら、多量のＷを含み、かつＮｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％の範囲の溶接金属では、Ｃ、Ｎｂ及びＴｉを単に含有させただけでは、上述の(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶の形成ならびにＴｉＳの形成が必ずしも容易ではなく、逆に割れ感受性が高くなる可能性があること、さらには、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶の形成量が適正でない場合には、延性やクリープ強度といった溶接金属性能をかえって劣化させることを初めて見出した。

これらの知見に基づき、溶接時の割れ防止と、溶接後の延性やクリープ強度といった溶接金属性能を両立しうる要件を鋭意調査したところ、Ｃ：０．０３〜０.１８％、Ｎｂ：０.６０〜１．４０％及びＴｉ：０.０３〜０.１８％を含有させることが必須要件であることが明らかになった。

その理由は、次の(a)〜(e)に示す機構によると考えられる。すなわち、
(a) Ｎｂのみを含有させた場合、ＴｉによるＳの固定効果が得られないため、十分な割れ防止効果が得られない。したがって、ＮｂとＴｉを複合して含有させることが割れ防止には必要である。

(b) Ｃは溶接金属の凝固過程でＮｂ及びＴｉと結合して共晶炭化物を生成させる。しかし、Ｃ含有量がＮｂとＴｉの共晶炭化物を生成させるのに必要な量より少ない場合、フリーなＮｂやＴｉが存在して割れ感受性が増大する。また、Ｃ含有量が過剰な場合はフリーなＣが割れ感受性を増大させる。

(c) ＮｂとＴｉはいずれも共晶炭化物を生成させる元素であるものの、Ｎｂに対してＴｉを多量に含有させすぎると、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶の晶出温度が高くなる。したがって、凝固過程で液相消失を早める効果が十分に得られず、凝固割れ感受性の低減効果が得られない。

(d) Ｃ、Ｎｂ及びＴｉを多量に含有させることによって、多量の(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶が粒界に形成された場合、マトリックスであるオーステナイト相に比べ、延性に乏しいため、溶接金属延性の低下やクリープ強度の低下が生じる。

(e) 特に、強化元素であるＷを含有させることによって粒内の変形抵抗を大きく向上させた溶接金属の場合には、熱応力や外部応力が粒界面に集中しやすいため、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶の影響が顕著となる。

以上の理由から、高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料としては、Ｗ：５〜８％、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％を含むオーステナイト系ステンレス鋼をベースに、Ｃ：０．０３〜０.１８％、Ｎｂ：０.６０〜１．４０％及びＴｉ：０.０３〜０.１８％を含有させることによって、耐溶接高温割れ性と溶接後の溶接金属の優れた延性やクリープ強度を、７００℃以上の高温域においても両立させることができるとの知見を得たのである。

そして、このオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料を用いて、７００℃以上の高温域において優れた延性とクリープ強度を有する溶接金属と、高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材からなる溶接継手を得ることができる。

この溶接材料を用いて溶接継手を得る際に、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｎｉ:４０％を超えて５０％以下及びＷ：５〜８％を含む高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を母材として用いると、母材においても７００℃以上の高温域において優れた延性やクリープ強度を有することになるから、好ましい。なお、母材として用いる高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼は、本発明に係る溶接材料と同じ化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼であってもよいし、異なってもよい。

本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものであり、その要旨とするところは、次の(1)に示す溶接材料、(2)に示す溶接金属、そして、(3)〜(5)に示す溶接継手である。以下、それぞれ、本発明(1)〜(5)という。総称して、本発明ということがある。

(1) 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：５〜８％、Ｎｂ：０．６０〜１．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．１８％、Ｎ：０．１％を超えて０．２％以下、Ａｌ：０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰが０．０１％以下、Ｓが０．０１％以下、Ｏ（酸素）が０．０２％以下の化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。

(2) 上記(1)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料を用いてなる溶接金属。

(3) 上記(2)に記載の溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材からなる溶接継手。

(4) 高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材が、質量％で、Ｗ：５〜８％、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％を含有することを特徴とする、上記(3)の溶接継手。

(5) 高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材が、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：５〜８％、Ｎｂ：０．６０〜１．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．１８％、Ｎ：０．１％を超えて０．２％以下、Ａｌ：０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰが０．０１％以下、Ｓが０．０１％以下、Ｏ（酸素）が０．０２％以下の化学組成を有することを特徴とする、上記(3)の溶接継手。

本発明によれば、７００℃以上の高温域で優れた耐溶接高温割れ性を有するオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料を提供することができ、また、それを用いて７００℃以上の高温域において優れた延性とクリープ強度を有する溶接金属を提供することができる。さらに、この溶接材料を用いて、７００℃以上の高温域において優れた延性とクリープ強度を有する溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材からなる溶接継手を提供することができる。

本発明において、溶接材料の組成範囲を限定する理由は次のとおりである。なお、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。

Ｃ：０．０３〜０．１８％
Ｎｂ及びＴｉとともに本発明の重要な元素である。すなわち、凝固中にＮｂ及びＴｉと結合して、溶接金属の凝固時に共晶炭化物を生成させ、液相の消失を早めるとともに、最終凝固部の組織として(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶とオーステナイトの層状組織を形成する。その結果、液相の残存形態を面状から点状に変化させるとともに、特定面への応力集中を抑制し、もって、凝固割れを防止に寄与する。また、不純物の偏析サイトとなる最終凝固界面積を増大させることができるので、延性低下割れの防止にも寄与する。しかしながら、Ｃを過剰に含有する場合には、凝固中に炭化物とならない過剰なＣが増加し、逆に液相の融点を低下させ、凝固割れ感受性を増大させる。そのため、Ｃの含有量は０.０３〜０.１８％とする必要がある。Ｃの含有量は０.０５〜０.１５％が好ましい。Ｃの含有量の下限は０.０９％とするのがさらに好ましい。

Ｓｉ：０．５％以下
脱酸剤として添加されるが、溶接金属の凝固時に柱状晶粒界に偏析し、液相の融点を下げ、凝固割れ感受性を増大させる元素である。そのため、０.５％以下とする必要がある。下限は不純物程度でよい。ただし、過度に低減すると、脱酸効果が十分に得られないため、鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの増大を招く。したがって、Ｓｉの含有量の下限は０.０１％とするのが好ましい。

Ｍｎ：１．５％以下
Ｓiと同様、脱酸剤として添加されるが、溶接金属中のＮの活量を下げることによりア−ク雰囲気中からのＮの飛散を抑制して強度の確保にも寄与する。しかしながら、過剰の添加は脆化を招くため、Ｍｎの含有量は１.５％以下とする必要がある。下限は不純物程度でよい。ただし、過度に低減すると、上述の効果が十分に得られない。したがって、上述の効果を得たい場合には、Ｍｎの含有量の下限は０.０１％とすることが好ましい。

Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下
オーステナイト組織を得るために有効な元素であるとともに、長時間使用時の組織安定性を確保し、十分なクリープ強度をするために必須の元素である。その効果を得るためには、４０％を超える量のＮｉを含有させる必要があるが、高価な元素であるため多量に含有させるとコストの増大を招く。そのため、Ｎｉの含有量の上限は５０％とする。なお、Ｎｉの含有量の下限は４１％とするのが好ましい。

Ｃｒ：２０〜２５％
高温での耐酸化性および耐食性の確保のためには必須の元素である。その効果を得るためには、Ｃｒを２０％以上含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させると高温での組織の安定性を劣化させて、クリープ強度の低下を招くため、Ｃｒの含有量の上限は２５％とする必要がある。

Ｗ：５〜８％
マトリックスに固溶して７００℃を超える高温でのクリープ強度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は少なくとも５％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させてもその効果は飽和し、かえってクリープ強度を低下させるとともに、高価な元素であるため、コストの増大を招く。そのため、Ｗの含有量の上限を８％とする。

Ｎｂ：０．６０〜１．４０％
Ｃ及びＴｉとともに、本発明の重要な元素である。すなわち、凝固時にＴｉとともにＣと結合して共晶炭化物を生成することにより、凝固時の液相の消失を早めるとともに、最終凝固部の組織を（Ｎｂ、Ｔｉ）Ｃの共晶とオーステナイトの層状組織とすることにより、低融点の液相の残存形態を面状から点状に変化させるとともに偏析サイトを増大させ、凝固割れおよび延性低下割れを防止することに寄与する。加えて、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に寄与する。これらの効果を両立するためには、溶接材料中にＮｂを０.６０％以上含有させる必要がある。しかし、過剰にＮｂを含有させると、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶が生成しすぎて、かえって溶接金属の延性・クリープ強度の低下を招くとともに、凝固中に炭化物とならない過剰なＮｂが増加するため、かえって凝固割れの原因ともなる。そのため、Ｎｂの含有量の上限は１.４０％とする必要がある。なお、Ｎｂの好ましい含有量は０.７０〜１.２０％である。Ｎｂの含有量の上限は１.１０％とするのがさらに好ましい。

Ｔｉ：０．０３〜０．１８％
Ｃ及びＮｂとともに本発明の重要な元素である。すなわち、凝固時にＮｂとともにＣと結合して共晶炭化物を生成することにより、凝固時の液相の消失を早めるとともに、最終凝固部の組織を（Ｎｂ、Ｔｉ）Ｃの共晶とオーステナイトの層状組織とすることにより、液相の残存形態を面状から点状に変化させるとともに偏析サイトを増大させ、凝固割れおよび延性低下割れを防止することに寄与する。さらに、ＴｉＳを生成し、残存液相の融点を高めるとともに、凝固後は、延性低下割れに最も有害な粒界のフリーＳ量を軽減する。加えて、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に寄与する。これらの効果を両立するためには、溶接材料中にＴｉを０.０３％以上含有させる必要がある。しかし、過剰にＴｉを含有させると、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶が生成しすぎて、かえって、溶接金属の延性・クリープ強度の低下を招くとともに、凝固中に炭化物とならない過剰なＴｉが増加するため、かえって凝固割れ感受性の増大の原因ともなる。そのため、Ｔｉの含有量の上限は０.１８％とする必要がある。なお、Ｔｉの好ましい含有量は０.０５〜０.１５％である。

Ｎ：０．１％を超えて０．２％以下
Ｎは、マトリックスに固溶するとともに微細な窒化物を形成するので、高温でのクリープ強度の確保に必要な元素である。この効果を十分に得るためには、０.１％を超えて含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させると、高温使用中に多量の炭窒化物が析出するため、脆化の原因となるとともに、溶接時にはブロ−ホ−ル生成の原因となる。そのため、Ｎの含有量の上限を０.２％とする必要がある。なお、Ｎの好ましい含有量は０.１１〜０.１８％である。

Ａｌ：０．０１％以下
脱酸剤として添加されるが、多量の添加は清浄度を著しく害し、溶接材料の加工性や溶接金属の延性を劣化させる。そのため、０.０１％以下とする必要がある。下限は不純物程度でよい。

Ｐ：０．０１％以下
不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させる元素である。さらには、結晶粒界に偏析し、再熱割れ感受性をも高める元素である。そのため、上限は０.０１％以下とする必要がある。なお、Ｐは可能な限り低減することが好ましい。ただし、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。

Ｓ：０．０１％以下
Ｐと同様、不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に最終凝固部の融点を低下させ、凝固割れ感受性を著しく増大させる元素である。さらには、結晶粒界に偏析し、再熱割れ感受性をも高める元素である。そのため、上限は０.０１％以下とする必要がある。なお、Ｓは可能な限り低減することが好ましい。ただし、極度の低減はＰの低減と同様に製鋼コストの増大を招く。

Ｏ（酸素）：０．０２％以下
不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、溶接材料の加工性や溶接金属の延性を劣化させる。そのため、０.０２％以下とする必要がある。なお、Ｏは可能な限り低減することが好ましい。ただし、極度の低減はＳ及びＰの低減と同様に製鋼コストの増大を招く。

なお、以上述べてきた成分のほかに、不純物として０.０２％までのＭｏ、Ｃｕ、Ｃｏ等を含んでも、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料の７００℃以上の高温域での優れた耐溶接高温割れ性は失われるものではないし、このような溶接材料を用いて得られる溶接金属も７００℃以上の高温域において優れた延性とクリープ強度が失われるものではない。

以上、本発明に係る溶接材料の化学組成について詳述したが、このオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料を用いて、７００℃以上の高温域において優れた延性とクリープ強度を有する溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材からなる溶接継手を得ることができる。

この溶接材料を用いて溶接継手を得る際に、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｎｉ:４０％を超えて５０％以下、Ｗ：５〜８％を含む高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を母材として用いると、母材においても７００℃以上の高温域において優れた延性やクリープ強度を有することになるから、好ましい。母材として用いる高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼は、本発明に係る溶接材料と同じ化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼であってもよいし、異なってもよい。本発明に係る溶接材料と同じ化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼を用いるのが、より好ましい。

次に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。

性能調査は次の通り行った。表１に示す化学成分を有する７種類の鋼を実験室溶解し、鍛造、圧延および機械加工により、外径１.２ｍｍ、長さ１０００ｍｍの溶接ワイヤを作製し、供試溶接材料とすると共に、鍛造、圧延、熱処理および機械加工により、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの鋼板を作製し、供試母材とした。

供試母材の長手方向に、図１に示す開先加工を加工した後、別途用意した、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋼板（ＳＭ４００）の上に載置し、被覆アーク溶接棒（JIS Z3224 DNiCrFe-3）を用いて、上記供試母材の四周を拘束溶接した。その後、上記供試母材と同組成の上記供試溶接材料をそれぞれ用いてＴＩＧ溶接により開先内に多層溶接を行った。なお、この溶接の際には、溶接材料は拘束されているために、溶接による熱応力が生じて割れが発生し易くなる。

溶接施工後に溶接金属を中央部に有するミクロ試験片、側曲げ試験片及びクリープ試験片を採取し、各種試験に供した。ミクロ試験片は、バフ研磨後、光学顕微鏡にて１００〜５００倍の倍率にて溶接金属を全て観察し、凝固割れ及び延性低下割れの発生の有無を観察し、耐溶接割れ性を評価した。側曲げ試験は板厚の２倍の曲げ半径で１８０゜曲げを行い、溶接金属の割れの発生の有無および延性を調べた。その後、凝固割れおよび延性低下割れがともになく、かつ側曲げ試験にて延性が十分であった溶接継手について、クリ−プ試験を行った。クリープ試験は母材の目標破断時間が約１０００時間となる７００℃、１８ｋｇｆ／ｍｍ^２の条件で試験を行い、溶接金属の破断時間（ｈｒ）を調査した。そして、母材の目標破断時間を上回るものを合格とした。

表２に、ミクロ試験片の凝固割れと延性低下割れ（再熱割れ）の試験結果並びに側曲げ試験及びクリープ試験能の評価結果を示す。表２から明らかなように、Ｃ、Ｎｂ及びＴｉの含有量が本発明に規定の範囲内である代符４〜６では、凝固割れや延性低下割れの発生がともになく、かつ十分な曲げ延性を有していた。加えて、母材を超えるクリープ破断強度を有していた。

しかしながら、Ｎｂの含有量が本発明の規定量に満たない代符７では、(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶の生成量が少なく、偏析サイトの増大による不純物元素の分散が十分でないため、頻度は低いものの、延性低下割れが発生した。逆に、Ｃ及びＮｂの含有量が本発明の規定量を上回る代符１では、過剰の(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶が生成したため、必要なクリープ強度を満足するものではなかった。また、同じく、Ｃ及びＮｂの含有量が含有量が本発明の規定量を上回る代符２及び３では、過剰の(Ｎｂ、Ｔｉ)Ｃの共晶が生成したため、曲げ延性に乏しく、折損が生じた。

以上の結果より、本発明で規定する範囲内の化学組成を有する溶接材料を用いた場合、耐溶接高温割れ性に加えて、十分な延性および７００℃でのクリープ強度を具備する溶接金属となることがわかる。

本発明の効果の確認のために実施した溶接試験で用いた開先形状を示す（単位：ｍｍ）。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：５〜８％、Ｎｂ：０．６０〜１．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．１８％、Ｎ：０．１％を超えて０．２％以下、Ａｌ：０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰが０．０１％以下、Ｓが０．０１％以下、Ｏ（酸素）が０．０２％以下の化学組成を有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
請求項１に記載の溶接材料を用いてなる溶接金属。
請求項２に記載の溶接金属と高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材からなる溶接継手。
高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材が、質量％で、Ｗ：５〜８％、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％を含有することを特徴とする、請求項３に記載の溶接継手。
高温強度に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の母材が、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１８％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：４０％を超えて５０％以下、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｗ：５〜８％、Ｎｂ：０．６０〜１．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．１８％、Ｎ：０．１％を超えて０．２％以下、Ａｌ：０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰが０．０１％以下、Ｓが０．０１％以下、Ｏ（酸素）が０．０２％以下の化学組成を有することを特徴とする、請求項３に記載の溶接継手。