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JP2014148702A - Ni-GROUP HEAT-RESISTANT ALLOY MEMBER - Google Patents

Ni-GROUP HEAT-RESISTANT ALLOY MEMBER Download PDF

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JP2014148702A
JP2014148702A JP2013016897A JP2013016897A JP2014148702A JP 2014148702 A JP2014148702 A JP 2014148702A JP 2013016897 A JP2013016897 A JP 2013016897A JP 2013016897 A JP2013016897 A JP 2013016897A JP 2014148702 A JP2014148702 A JP 2014148702A
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Hiromasa Hirata
弘征 平田
Kana Jotoku
佳奈 浄徳
Tomoaki HAMAGUCHI
友彰 浜口
Mitsuru Yoshizawa
満 吉澤
Toshihide Ono
敏秀 小野
Atsuro Iseda
敦朗 伊勢田
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Abstract

【課題】クリープ強度と多層溶接される場合の溶接時の耐割れ性に優れる厚さが30mmを超えるNi基耐熱合金部材を提供する。
【解決手段】溶体化熱処理を施した部材の表面に、例えば、切削、研磨やロールなどによる強加工を施した後、熱処理を施して再結晶させることによって、〔部材表面から深さ0.2mmまでの領域の平均結晶粒径(μm)≦−5×{2×Al+Ti+(Mo/10)−5×B}+60〕及び〔−4×{10×B+2×Al+Ti+(Mo/10)}+85≦部材厚さの25%となる各表面側を除外した領域の平均結晶粒径(μm)≦−30×{10×B+2×Al+Ti+(Mo/10)}+650〕を満足するNi基耐熱合金部材とする。
【選択図】なし
The present invention provides a Ni-base heat-resistant alloy member having a thickness exceeding 30 mm, which is excellent in creep strength and crack resistance at the time of multi-layer welding.
The surface of a member subjected to solution heat treatment is subjected to strong processing such as cutting, polishing or roll, and then recrystallized by heat treatment [from the member surface to a depth of 0.2 mm. Mean grain size (μm) ≦ −5 × {2 × Al + Ti + (Mo / 10) −5 × B} +60] and [−4 × {10 × B + 2 × Al + Ti + (Mo / 10)} + 85 ≦ member Ni-base heat-resistant alloy member satisfying the average crystal grain size (μm) ≤ -30 x {10 x B + 2 x Al + Ti + (Mo / 10)} + 650] in the region excluding each surface side that is 25% of the thickness .
[Selection figure] None

Description

本発明は、Ni基耐熱合金部材に関する。詳しくは、本発明は、クリープ強度と溶接時の耐割れ性とに優れ、発電用ボイラの主蒸気管などの厚肉の高温部材として好適に用いることができる、Ni基耐熱合金部材に関する。   The present invention relates to a Ni-base heat-resistant alloy member. Specifically, the present invention relates to a Ni-based heat-resistant alloy member that is excellent in creep strength and crack resistance during welding and can be suitably used as a thick high-temperature member such as a main steam pipe of a power generation boiler.

近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラなどでは運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められており、過熱器管や再熱器管の材料として使用されるオーステナイト系耐熱合金には、より優れた高温強度および耐食性を有することが求められている。   In recent years, high-temperature and high-pressure operating conditions have been promoted on a global scale in power generation boilers and the like from the viewpoint of reducing environmental impact, and austenitic heat-resistant alloys used as materials for superheater tubes and reheater tubes Therefore, it is required to have superior high-temperature strength and corrosion resistance.

さらに、従来、フェライト系耐熱鋼が使用されていた主蒸気管や高温再熱蒸気管などの厚肉の部材など種々の部材においても、オーステナイト系耐熱合金の適用が検討されている。   Furthermore, the application of austenitic heat-resistant alloys is also being studied in various members such as thick-walled members such as main steam pipes and high-temperature reheat steam pipes that conventionally used ferritic heat-resistant steel.

このような技術的背景のもと、例えば、特許文献1〜4に、Moおよび/またはWを含有させて固溶強化を図るとともに、AlおよびTiを含有させて金属間化合物であるγ’相、具体的には、Ni3(Al、Ti)の析出強化を活用するNi基合金が開示されている。 Under such technical background, for example, Patent Documents 1 to 4 contain Mo and / or W to enhance solid solution strengthening, and Al and Ti are contained to form an γ ′ phase that is an intermetallic compound. Specifically, a Ni-based alloy that utilizes precipitation strengthening of Ni 3 (Al, Ti) is disclosed.

一方、特許文献5には、AlとTiの添加範囲を調整し、γ’相を析出させることによりクリープ強度を改善した高Niオーステナイト系耐熱合金が提案されている。   On the other hand, Patent Document 5 proposes a high Ni austenitic heat-resistant alloy in which the creep strength is improved by adjusting the addition range of Al and Ti and precipitating the γ 'phase.

また、特許文献6および特許文献7には、CrとMoに加え、さらなる高強度化を目的にCoを含有させたNi基合金も開示されている。   Patent Documents 6 and 7 also disclose Ni-based alloys containing Co in addition to Cr and Mo for the purpose of further strengthening.

さらに、特許文献8に、Cr、BおよびPの含有量ならびにAl、TiおよびNbの含有量をそれぞれ、所定の範囲に管理するとともに、Ndを含有させて、クリープ強度および溶接時の耐液化割れ性を改善した、オーステナイト系耐熱合金が提案されている。   Further, in Patent Document 8, the contents of Cr, B and P and the contents of Al, Ti and Nb are controlled within predetermined ranges, respectively, and Nd is contained so that creep strength and liquefaction cracking resistance at the time of welding are included. An austenitic heat-resistant alloy with improved properties has been proposed.

特開昭51−84726号公報JP-A-51-84726 特開昭51−84727号公報Japanese Patent Laid-Open No. 51-84727 特開平7−150277号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-150277 特表2002−518599号公報JP 2002-518599 A 特開平9−157779号公報JP-A-9-157779 特開昭60−110856号公報JP 60-110856 A 特開平2−107736号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-1077736 国際公開第2011/071054号International Publication No. 2011/071054 特開2000−265249号公報JP 2000-265249 A

前述したオーステナイト系耐熱合金やNi基合金を構造物として使用する場合、一般には、溶接により組み立てられる。その際、溶接部には、主に冶金的要因に起因した様々な割れが発生しやすいことが知られている。   When the above-mentioned austenitic heat-resistant alloy or Ni-based alloy is used as a structure, it is generally assembled by welding. At this time, it is known that various cracks are likely to occur in the welded portion mainly due to metallurgical factors.

しかしながら、前述の特許文献1〜7で開示されている各種合金の場合、構造部材として組み立てる際の「溶接性」という観点からの十分な配慮がなされていない。   However, in the case of the various alloys disclosed in the above-mentioned Patent Documents 1 to 7, sufficient consideration is not made from the viewpoint of “weldability” when assembling as a structural member.

一方、本発明者らが、前述の特許文献8で開示されているオーステナイト系耐熱合金(Ni基耐熱合金)を、主蒸気管などの厚肉の部材、特に、厚さが30mmを超える部材に適用するために、溶接により組み立てて調査した結果、溶接時の液化割れを安定して防止可能なことが確認できた。   On the other hand, the present inventors changed the austenitic heat-resistant alloy (Ni-based heat-resistant alloy) disclosed in Patent Document 8 to a thick member such as a main steam pipe, particularly a member having a thickness exceeding 30 mm. As a result of assembling and investigating for application, it was confirmed that liquefaction cracking during welding could be stably prevented.

しかしながら、その後、本発明者らが実施したさらなる詳細な調査から、単にオーステナイト系耐熱合金の化学組成を管理するだけでは、特許文献8が対象とした割れの発生部位とは異なる部位、具体的には、多層溶接時の初層および最終層の部材表面の溶接部近傍のHAZに、微細な割れが発生する場合があることが明らかとなった。   However, from a further detailed investigation conducted by the present inventors after that, simply managing the chemical composition of the austenitic heat-resistant alloy, a site different from the crack generation site targeted by Patent Document 8, specifically, It has been clarified that fine cracks may occur in the HAZ in the vicinity of the welds on the surface of the first layer and the last layer during multilayer welding.

加えて、特許文献8で開示されているオーステナイト系耐熱合金(Ni基耐熱合金)は、確かに厚さ30mmを下回る部材においては十分なクリープ強度を得られるものの、厚さが30mmを超えると、十分なクリープ強度を安定して得ることが難しくなる場合があることも判明した。   In addition, the austenitic heat-resistant alloy (Ni-based heat-resistant alloy) disclosed in Patent Document 8 can surely obtain sufficient creep strength in a member having a thickness of less than 30 mm, but when the thickness exceeds 30 mm, It has also been found that it may be difficult to stably obtain sufficient creep strength.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、クリープ強度と溶接時の耐割れ性、なかでも表面近傍の耐溶接割れ性、具体的には、厚さが30mmを超える厚肉部材として多層溶接される場合の初層および最終層の部材表面の溶接部近傍のHAZでの耐割れ性に優れ、発電用ボイラの主蒸気管などの厚肉の高温部材として好適に用いることができる、Ni基耐熱合金部材を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described situation. Creep strength and crack resistance during welding, in particular, weld crack resistance in the vicinity of the surface, specifically, a multilayer member as a thick member having a thickness exceeding 30 mm. Ni is excellent in crack resistance in the HAZ near the welded portion on the surface of the first layer and the last layer when welded, and can be suitably used as a thick high-temperature member such as a main steam pipe of a power generation boiler. An object is to provide a base heat-resistant alloy member.

本発明者らは前記した課題を解決するために、先ず、多層溶接した部材表面の溶接部近傍のHAZに生じた微細な割れについて詳細な調査を行った。その結果、下記[i]〜[iii]の事項が明らかになった。   In order to solve the above-described problems, the present inventors first conducted a detailed investigation on minute cracks generated in the HAZ near the welded portion on the surface of the multi-layer welded member. As a result, the following items [i] to [iii] were clarified.

[i]割れは、初層側部材表面では溶接部から数100μm離れたHAZの結晶粒界に、また、最終層側部材表面では溶接部から500〜1000μm程度離れたHAZの結晶粒界に発生した。   [i] Cracks occur at the HAZ crystal grain boundary several hundred μm away from the weld on the first layer side member surface, and at the HAZ crystal grain boundary about 500 to 1000 μm away from the weld part on the final layer side member surface. did.

[ii]割れ破面には溶融痕が認められず、しかも延性に乏しい破面を呈していた。   [ii] No cracks were observed on the fracture surface, and the fracture surface was poor in ductility.

[iii]割れが発生した部位は部材の表面加工時に歪が導入された部位であり、明瞭な硬さの増加が認められた。そして、最終層側では初層側に比して、硬さの増加の程度が小さい場合にも割れが生じることがあった。   [iii] The portion where cracks occurred was a portion where strain was introduced during surface processing of the member, and a clear increase in hardness was observed. Further, cracks may occur on the final layer side even when the degree of increase in hardness is small compared to the initial layer side.

上記[i]〜[iii]から、本発明者らは、多層溶接した部材表面の溶接部近傍のHAZに生じた微細な割れは、下記(a)〜(c)の機構により発生するものと推定した。   From the above [i] to [iii], the present inventors indicate that the fine cracks generated in the HAZ near the welded portion on the surface of the multi-layer welded member are generated by the following mechanisms (a) to (c). Estimated.

(a)溶接部近傍のHAZでは溶接による熱応力が発生する。特に、厚肉部材を多層溶接する場合、初層部は周囲の部材が溶接金属部の厚さに比べて厚いため、溶接時の熱変形が溶接金属と表面部を含む溶接部近傍のHAZに生じ、引張りの熱応力が作用する。一方、最終層側の表面では溶接金属部がほぼ母材厚さに等しくなるため、拘束が大きくなり、溶接部から離れたHAZに大きな引張りの熱応力が作用する。そして、いずれの熱応力も、0.2mm深さ程度までの表面部で特に大きくなる。   (A) Thermal stress due to welding occurs in the HAZ near the weld. In particular, when thick-walled members are welded in multiple layers, the surrounding members of the first layer are thicker than the thickness of the weld metal part, so thermal deformation during welding is caused by the HAZ near the weld part including the weld metal and the surface part. The tensile thermal stress acts. On the other hand, since the weld metal portion is almost equal to the base metal thickness on the surface on the final layer side, the restraint becomes large, and a large tensile thermal stress acts on the HAZ away from the weld portion. And any thermal stress becomes especially large in the surface part to about 0.2 mm depth.

(b)部材表面部は加工により歪が導入され硬さが増大しているため、粒内の変形抵抗が大きくなって、熱応力は結晶粒界に集中する。その結果、熱応力が粒界の強さを上回った場合に粒界が開口し、微細な割れとなる。   (B) Since the surface of the member is strained and increased in hardness by processing, the deformation resistance in the grains increases, and the thermal stress concentrates on the crystal grain boundaries. As a result, when the thermal stress exceeds the strength of the grain boundary, the grain boundary opens and becomes a fine crack.

(c)初層側と最終層側で割れ発生位置に差異があるのは、上記(a)および(b)により、引張り応力が作用する部位が異なるためである。また、初層側に比べて硬さの増加の程度が小さい場合にも最終層側で割れが生じるのは、より低温に晒された部位で割れが発生するため、部材表面部の硬さの影響をより強く受けるためである。   (C) The reason for the difference in crack occurrence position between the first layer side and the last layer side is that the site where the tensile stress acts differs depending on the above (a) and (b). In addition, even when the degree of increase in hardness is small compared to the first layer side, cracks occur on the final layer side because cracks occur at sites exposed to lower temperatures. This is because it is more affected.

なお、上記多層溶接した部材表面の溶接部近傍のHAZに生じる微細な割れは、これまでに確認されている割れ、例えば、前述の特許文献8に述べられている割れとは、発生の位置も機構も全く異なることはいうまでもない。   In addition, the fine crack generated in the HAZ near the welded portion on the surface of the multilayer welded member is a crack that has been confirmed so far, for example, the crack described in Patent Document 8 described above is also the position of occurrence. Needless to say, the mechanism is completely different.

上記の推定の下、本発明者らは前述の微細な割れを防止するために、鋭意検討を繰り返した。その結果、次の事項(d)が明らかになった。   Based on the above estimation, the present inventors repeated intensive studies in order to prevent the fine cracks described above. As a result, the following item (d) became clear.

(d)上述の微細な割れを防止するためには、部材表面から深さ0.2mmまでの領域の平均結晶粒径(μm)(以下、上記領域を「表層」と定義し、表層の平均結晶粒径を「GS」ということがある。)をAl、Ti、MoおよびBの含有量に応じて特定の値以下に管理する必要があること、より具体的には、溶接時の初層側になる部材表面から深さ0.2mmまでの領域と溶接時の最終層側になる部材表面から深さ0.2mmまでの領域の平均結晶粒径が、次の[1]式を満たすように管理する必要がある。
S≦−5×P1+60・・・[1]
ただし、
P1=2×Al+Ti+(Mo/10)−5×B
で、パラメータP1中のAl、Ti、MoおよびBは、その元素の含有量(質量%)を意味する。
(D) In order to prevent the fine cracks described above, the average crystal grain size (μm) of the region from the member surface to a depth of 0.2 mm (hereinafter, the region is defined as “surface layer”, and the average of the surface layer) The crystal grain size is sometimes referred to as “G S ”.) Must be controlled to a specific value or less depending on the contents of Al, Ti, Mo, and B, more specifically, the initial value at the time of welding. The average crystal grain size of the region from the member surface that becomes the layer side to a depth of 0.2 mm and the region from the member surface that becomes the final layer side to the depth of 0.2 mm at the time of welding satisfy the following equation [1]. Need to be managed.
G S ≦ −5 × P1 + 60 [1]
However,
P1 = 2 × Al + Ti + (Mo / 10) −5 × B
Thus, Al, Ti, Mo and B in the parameter P1 mean the content (mass%) of the element.

上記[1]式は、粒内を強化して粒界への応力集中を助長するAl、TiおよびMoの含有量が多く、逆に粒界を強化するBの含有量が少ない場合、すなわち、P1が大きい場合には、特定の粒界への応力集中を抑制するために、表層の平均結晶粒径の上限を小さくする必要があるのに対し、Al、TiおよびMoの含有量が少なく、Bの含有量が多い場合には、表層の平均結晶粒径の上限を大きくしても構わないことを意味する。   The above formula [1] has a large content of Al, Ti, and Mo that strengthens the inside of the grains and promotes stress concentration at the grain boundaries, and conversely, when the content of B that strengthens the grain boundaries is small, that is, When P1 is large, in order to suppress stress concentration at a specific grain boundary, the upper limit of the average crystal grain size of the surface layer needs to be reduced, whereas the contents of Al, Ti and Mo are small, When the content of B is large, it means that the upper limit of the average crystal grain size of the surface layer may be increased.

なお、上記の[1]式は、溶体化熱処理を施した部材の表面に、例えば、切削、研磨やロールなどによる強加工を施した後、熱処理を施して再結晶させることによって、達成することができる。   The above formula [1] is achieved by subjecting the surface of the member subjected to solution heat treatment to, for example, strong processing such as cutting, polishing, or roll, followed by heat treatment and recrystallization. Can do.

また、部材表面部の硬さの影響を受けやすい溶接時の最終層側については、微細な割れを防止するためには、次の(e)の条件を満たすことが好ましいことも明らかになった。   Further, it has also been clarified that the following layer (e) is preferably satisfied on the final layer side during welding that is easily affected by the hardness of the surface portion of the member in order to prevent fine cracks. .

(e)溶接時の最終層側になる部材表面から深さ0.2mmまでの領域における最高硬さHV0.01(以下、簡単のためにHV0.01(max)ということがある。)が380以下であること。
なお、上記の「HV0.01」は、試験力を0.098N(10gf)としてマイクロビッカース硬さ試験を実施した場合の「硬さ記号」を意味する(JIS Z 2244(2009)参照)。
(E) Maximum hardness HV0.01 (hereinafter sometimes referred to as HV0.01 (max) for simplicity) in the region from the member surface on the final layer side during welding to a depth of 0.2 mm is 380. The following.
In addition, said "HV0.01" means the "hardness symbol" at the time of implementing a micro Vickers hardness test by making test force 0.098N (10gf) (refer JISZ2244 (2009)).

次いで、本発明者らは、Ni基耐熱合金において、厚さが30mmを超えると、十分なクリープ強度を安定して得ることが難しくなる場合がある理由について調査した。その結果、下記[iv]および[v]の事項が確認できた。   Next, the inventors investigated the reason why it may be difficult to stably obtain a sufficient creep strength when the thickness exceeds 30 mm in the Ni-base heat-resistant alloy. As a result, the following items [iv] and [v] were confirmed.

[iv]部材厚さが30mmを超える場合、平均結晶粒径にばらつきが生じやすく、クリープ強度が不安定となる。   [iv] When the member thickness exceeds 30 mm, the average crystal grain size tends to vary, and the creep strength becomes unstable.

[v]部材厚さが30mmを超える場合、クリープ強度に有効である一方、溶接割れにも影響を及ぼすB、Al、TiおよびMoの含有量、特に、B、AlおよびTiの含有量が少ない場合に、クリープ強度の不安定さが顕在化しやすい。   [v] When the member thickness exceeds 30 mm, the content of B, Al, Ti, and Mo, particularly the content of B, Al, and Ti, which has an effect on creep strength but also affects weld cracking, is small. In some cases, instability of the creep strength tends to be manifested.

上記[iv]および[v]から、本発明者らは、クリープ強度の不安定が下記(f)および(g)の理由により生じると推定した。   From the above [iv] and [v], the present inventors estimated that the instability of creep strength occurs due to the following reasons (f) and (g).

(f)部材の厚さが30mmを超える場合、Ni基耐熱合金材料の製造時の温度分布、特に溶体化熱処理時の温度不均一などに起因して、平均結晶粒径にばらつきが生じやすい。   (F) When the thickness of the member exceeds 30 mm, the average crystal grain size tends to vary due to the temperature distribution during the production of the Ni-base heat-resistant alloy material, particularly the temperature non-uniformity during the solution heat treatment.

(g)Ni基耐熱合金が、B、Al、TiやMoを十分に含有している場合は、安定したクリープ強度が得られる。しかしながら、溶接割れを防止するために、上述した元素の含有量を低めに管理した場合は、平均結晶粒径の影響が顕在化し、クリープ強度の不安定が生じる。   (G) When the Ni-base heat-resistant alloy sufficiently contains B, Al, Ti and Mo, stable creep strength can be obtained. However, when the above-described element content is controlled to be low in order to prevent weld cracking, the influence of the average crystal grain size becomes obvious, and the creep strength becomes unstable.

上記の推定の下、本発明者らは、厚さ30mmを超える部材において十分なクリープ強度を安定して得るために、鋭意検討を繰り返した。その結果、次の事項(h)および(i)が明らかになった。   Under the above estimation, the present inventors have repeated intensive studies in order to stably obtain a sufficient creep strength in a member having a thickness exceeding 30 mm. As a result, the following items (h) and (i) were clarified.

(h)部材厚さの25%となる各表面側を除外した領域の平均結晶粒径(μm)(以下、上記領域を「部材の厚さ中央部」と定義し、部材の厚さ中央部の平均結晶粒径を「GB」ということがある。)、より具体的には、溶接時の初層側になる表面からの深さが部材厚さの25%を超えるとともに溶接時の最終層側になる表面からの深さも部材厚さの25%を超える領域の平均結晶粒径を、B、Al、TiおよびMoの含有量に応じて特定の値以上に管理することによって、クリープ強度が安定化する。 (H) Average crystal grain size (μm) of the region excluding each surface side that is 25% of the member thickness (hereinafter, the region is defined as “member thickness central part”, and the member thickness center part The average crystal grain size of “G B ” is sometimes referred to as “GB”.) More specifically, the depth from the surface on the first layer side during welding exceeds 25% of the member thickness, and the final By controlling the average crystal grain size in a region where the depth from the surface on the layer side exceeds 25% of the member thickness to a specific value or more according to the contents of B, Al, Ti and Mo, the creep strength Is stabilized.

(i)しかしながら、部材の厚さ中央部の平均結晶粒径を大きくしすぎた場合、溶接時の液化割れの感受性が増大する。このため、部材の厚さ中央部の平均結晶粒径は、B、Al、TiおよびMoの含有量に応じて上限も管理する必要がある。   (I) However, if the average crystal grain size in the central portion of the member is too large, the susceptibility to liquefaction cracking during welding increases. For this reason, it is necessary to manage the upper limit of the average crystal grain size at the central portion of the member according to the contents of B, Al, Ti and Mo.

そこで、本発明者らが、さらに詳細な検討を実施した結果、下記(j)の重要な事項が明らかになった。   Therefore, as a result of further detailed studies by the present inventors, the following important item (j) has been clarified.

(j)部材の厚さ中央部の平均結晶粒径(μm)GBが次の[2]式を満たせば、厚さ30mmを超える部材においても十分なクリープ強度が安定して得られる。
−4×P2+85≦GB≦−30×P2+650・・・[2]
ただし、
P2=10×B+2×Al+Ti+(Mo/10)
で、パラメータP2中のB、Al、TiおよびWは、その元素の含有量(質量%)を意味する。
The average crystal grain size of the thickness of the central portion of the (j) member (μm) G B is satisfies the following formula [2], sufficient creep strength even member of more than 30mm thick can be stably obtained.
−4 × P2 + 85 ≦ G B ≦ −30 × P2 + 650 (2)
However,
P2 = 10 × B + 2 × Al + Ti + (Mo / 10)
In the parameter P2, B, Al, Ti and W mean the content (% by mass) of the element.

上記[2]式は、B、Al、TiおよびMoはクリープ強度の向上に有効な元素であるため、その含有量が多い場合には、クリープ強度安定化のために必要な部材の厚さ中央部の平均結晶粒径の下限は小さくても構わないが、含有量が少なくなるにつれて、部材の厚さ中央部の平均結晶粒径の下限を大きくする必要があること、および、これらの元素は溶接時の液化割れ感受性を高める作用も有するため、これら元素の含有量が増加するにつれて、逆に部材の厚さ中央部の平均結晶粒径の上限を小さくする必要があることを意味する。   In the above formula [2], since B, Al, Ti and Mo are effective elements for improving the creep strength, when the content is large, the thickness center of the member necessary for stabilizing the creep strength is obtained. The lower limit of the average crystal grain size of the part may be small, but as the content decreases, it is necessary to increase the lower limit of the average crystal grain size of the central part of the thickness of the member, and these elements Since it also has the effect of increasing the susceptibility to liquefaction cracking during welding, it means that it is necessary to reduce the upper limit of the average crystal grain size at the center of the thickness of the member as the content of these elements increases.

なお、上記部材の厚さ中央部の平均結晶粒径は、部材の溶体化熱処理時の温度と時間の選定によって管理可能である。このため、適切な溶体化熱処理を施すことによって[2]式を満たすことができる。   Note that the average crystal grain size in the central portion of the thickness of the member can be managed by selecting the temperature and time during the solution heat treatment of the member. For this reason, the formula [2] can be satisfied by performing an appropriate solution heat treatment.

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記に示すNi基耐熱合金部材にある。   The present invention has been completed based on the above findings, and the gist of the present invention is the Ni-base heat-resistant alloy member shown below.

(1)厚さ30mmを超えるNi基耐熱合金部材であって、質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:1%以下、Mn:2%以下、P:0.03%以下、S:0.01%以下、Ni:48〜58%、Co:8〜16%、Cr:18〜25%、Mo:6〜12%、Ti:0.05〜0.8%、Al:0.05〜1.6%、B:0.0001〜0.01%、REM:0.001〜0.1%、N:0.02%以下およびO:0.01%以下を含み、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、かつ下記の[1]式および[2]式を満足することを特徴とするNi基耐熱合金部材。
S≦−5×P1+60・・・[1]
−4×P2+85≦GB≦−30×P2+650・・・[2]
ただし、
P1=2×Al+Ti+(Mo/10)−5×B
P2=10×B+2×Al+Ti+(Mo/10)
で、パラメータP1およびP2中のAl、Ti、MoおよびBは、その元素の含有量(質量%)を意味する。
SおよびGBはそれぞれ、表層の平均結晶粒径(μm)および部材の厚さ中央部の平均結晶粒径(μm)を指す。
(1) Ni-base heat-resistant alloy member having a thickness exceeding 30 mm, and in mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 1% or less, Mn: 2% or less, P: 0.03% Hereinafter, S: 0.01% or less, Ni: 48-58%, Co: 8-16%, Cr: 18-25%, Mo: 6-12%, Ti: 0.05-0.8%, Al : 0.05-1.6%, B: 0.0001-0.01%, REM: 0.001-0.1%, N: 0.02% or less and O: 0.01% or less, A Ni-base heat-resistant alloy member characterized in that the balance has a chemical composition composed of Fe and impurities and satisfies the following formulas [1] and [2].
G S ≦ −5 × P1 + 60 [1]
−4 × P2 + 85 ≦ G B ≦ −30 × P2 + 650 (2)
However,
P1 = 2 × Al + Ti + (Mo / 10) −5 × B
P2 = 10 × B + 2 × Al + Ti + (Mo / 10)
In the parameters P1 and P2, Al, Ti, Mo, and B mean the content (mass%) of the element.
Each G S and G B, refers to a surface layer having an average grain size ([mu] m) and the average crystal grain size of the thickness of the central portion of the member ([mu] m).

(2)Feの一部に代えて、質量%で、下記に示す群から選択される1種以上の元素を含有することを特徴とする上記(1)に記載のNi基耐熱合金部材。
第1群:Ca:0.05%以下およびMg:0.05%以下、
第2群:Cu:1%以下、W:1%以下、V:0.5%以下およびNb:2%以下。
(2) The Ni-base heat-resistant alloy member as described in (1) above, which contains at least one element selected from the group shown below in mass% instead of part of Fe.
First group: Ca: 0.05% or less and Mg: 0.05% or less,
Second group: Cu: 1% or less, W: 1% or less, V: 0.5% or less, and Nb: 2% or less.

(3)溶接時の最終層側になる部材表面から深さ0.2mmまでの領域における最高硬さHV0.01が380以下であることを特徴とする上記(1)または(2)に記載のNi基耐熱合金部材。   (3) The maximum hardness HV0.01 in the region from the member surface on the final layer side during welding to a depth of 0.2 mm is 380 or less, as described in (1) or (2) above Ni-base heat-resistant alloy member.

本発明のNi基耐熱合金部材は、厚さが30mmを超える厚肉部材であるにも拘わらず、溶接時の耐割れ性、なかでも多層溶接時の表面近傍の耐溶接割れ性、より具体的には、初層および最終層の部材表面の溶接部近傍のHAZでの耐割れ性に優れるとともに、安定して優れたクリープ強度を有する。このため、本発明のNi基耐熱合金部材は、発電用ボイラの主蒸気管などの厚肉の高温部材として好適に用いることができる。   Although the Ni-based heat-resistant alloy member of the present invention is a thick member having a thickness of more than 30 mm, the crack resistance during welding, in particular, the weld crack resistance near the surface during multilayer welding, more specifically, In addition to being excellent in crack resistance in the HAZ near the welded portion on the surface of the first and last layer members, it has a stable and excellent creep strength. For this reason, the Ni-base heat-resistant alloy member of the present invention can be suitably used as a thick high-temperature member such as a main steam pipe of a power generation boiler.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明における各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail. In the following description, “%” of the content of each element means “mass%”.

(A)化学組成:
C:0.03〜0.15%
Cは、オーステナイトを安定にするとともに粒界に微細な炭化物を形成し、高温でのクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、0.03%以上のC含有量が必要である。しかしながら、Cが過剰に含有された場合には、炭化物が粗大となり、かつ多量に析出するので、粒界の延性が低下し、さらに、靱性およびクリープ強度の低下も生じる。したがって、上限を設け、Cの含有量を0.03〜0.15%とする。C含有量の望ましい下限は0.04%、さらに望ましい下限は0.05%である。また、C含有量の望ましい上限は0.12%、さらに望ましい上限は0.10%である。
(A) Chemical composition:
C: 0.03-0.15%
C stabilizes austenite, forms fine carbides at grain boundaries, and improves creep strength at high temperatures. In order to sufficiently obtain this effect, a C content of 0.03% or more is necessary. However, when C is contained excessively, the carbide becomes coarse and precipitates in a large amount, so that the ductility of the grain boundary is lowered, and further, the toughness and the creep strength are also lowered. Therefore, an upper limit is provided and the C content is 0.03 to 0.15%. A desirable lower limit of the C content is 0.04%, and a more desirable lower limit is 0.05%. The desirable upper limit of the C content is 0.12%, and the more desirable upper limit is 0.10%.

Si:1%以下
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。しかしながら、Siが過剰に含有された場合には、靱性の低下を招く。そのため、Siの含有量に上限を設けて1%以下とする。Siの含有量は望ましくは0.8%以下、さらに望ましくは0.6%以下である。
Si: 1% or less Si is an element that has a deoxidizing action and is effective for improving corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures. However, when Si is excessively contained, toughness is reduced. Therefore, an upper limit is set for the Si content to 1% or less. The Si content is desirably 0.8% or less, and more desirably 0.6% or less.

なお、Siの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄度が大きくなって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も得難くなるし、製造コストも大きく上昇する。そのため、Si含有量の望ましい下限は0.01%、さらに望ましい下限は0.03%である。   Although there is no need to set a lower limit in particular for the Si content, an extreme reduction does not provide a sufficient deoxidation effect, which increases the cleanliness of the alloy and deteriorates the cleanliness, as well as corrosion resistance and acid resistance at high temperatures. It is difficult to obtain the effect of improving the chemical property, and the manufacturing cost increases greatly. Therefore, the desirable lower limit of the Si content is 0.01%, and the more desirable lower limit is 0.03%.

Mn:2%以下
Mnは、Siと同様、脱酸作用を有する。Mnは、オーステナイトの安定化にも寄与する。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、靱性およびクリープ延性の低下も生じる。そのため、Mnの含有量に上限を設けて2%以下とする。Mnの含有量は望ましくは1.8%以下、さらに望ましくは1.5%以下である。
Mn: 2% or less Mn, like Si, has a deoxidizing action. Mn also contributes to stabilization of austenite. However, when the Mn content is excessive, embrittlement is caused, and the toughness and creep ductility are also reduced. Therefore, an upper limit is set for the Mn content to 2% or less. The Mn content is desirably 1.8% or less, and more desirably 1.5% or less.

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、極端な低減は脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性を劣化させるとともに、オーステナイト安定化効果が得難くなるし、製造コストも大きく上昇する。そのため、Mn含有量の望ましい下限は0.01%、さらに望ましい下限は0.03%である。   In addition, it is not necessary to provide a lower limit for the Mn content. However, an extreme reduction does not provide a sufficient deoxidation effect, deteriorates the cleanliness of the alloy, and makes it difficult to obtain an austenite stabilizing effect. Costs also rise significantly. Therefore, the desirable lower limit of the Mn content is 0.01%, and the more desirable lower limit is 0.03%.

P:0.03%以下
Pは、不純物として合金中に含まれ、溶接中にHAZの結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。さらに、Pは、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Pの含有量に上限を設けて0.03%以下とする。Pの含有量は、望ましくは0.025%以下、さらに望ましくは0.02%以下である。
P: 0.03% or less P is an element which is contained in the alloy as an impurity and segregates at the grain boundary of HAZ during welding to increase the liquefaction cracking sensitivity. Furthermore, P also reduces creep ductility after long-term use. Therefore, an upper limit is set for the P content to 0.03% or less. The P content is desirably 0.025% or less, and more desirably 0.02% or less.

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。そのため、P含有量の望ましい下限は0.0005%、さらに望ましい下限は0.0008%である。   Although the P content is preferably reduced as much as possible, the extreme reduction leads to an increase in manufacturing cost. Therefore, the desirable lower limit of the P content is 0.0005%, and the more desirable lower limit is 0.0008%.

S:0.01%以下
Sは、Pと同様に不純物として合金中に含まれ、溶接中にHAZの結晶粒界に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。さらに、Sは、長時間使用後のクリープ延性および靱性にも悪影響を及ぼす元素である。そのため、Sの含有量に上限を設けて0.01%以下とする。Sの含有量は、望ましくは0.008%以下、さらに望ましくは0.005%以下である。
S: 0.01% or less S is an element which is contained in the alloy as an impurity as in the case of P and segregates at the grain boundaries of HAZ during welding to increase the liquefaction cracking sensitivity. Furthermore, S is an element that adversely affects creep ductility and toughness after long-term use. Therefore, an upper limit is set for the S content to 0.01% or less. The S content is desirably 0.008% or less, and more desirably 0.005% or less.

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。そのため、S含有量の望ましい下限は0.0001%、さらに望ましい下限は0.0002%である。   Although the S content is preferably reduced as much as possible, the extreme reduction leads to an increase in manufacturing cost. Therefore, the desirable lower limit of the S content is 0.0001%, and the more desirable lower limit is 0.0002%.

Ni:48〜58%
Niは、オーステナイトを得るために有効な元素であり、長時間使用時の組織安定性を確保するために必須の元素である。さらに、Niは、AlやTiと結合して微細な金属間化合物相を形成し、クリープ強度を高める作用を有する。後述の18〜25%という本発明のCr含有量の範囲で、上記したNiの効果を十分に得るためには、48%以上のNi含有量が必要である。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、上限を設けて、Niの含有量を48〜58%とする。Ni含有量の望ましい下限は49%、さらに望ましい下限は50%である。また、Ni含有量の望ましい上限は56%、さらに望ましい上限は55%である。
Ni: 48-58%
Ni is an effective element for obtaining austenite, and is an essential element for ensuring the structural stability when used for a long time. Furthermore, Ni combines with Al and Ti to form a fine intermetallic compound phase and has an effect of increasing the creep strength. In order to obtain the above-described effects of Ni sufficiently within the range of the Cr content of the present invention of 18 to 25% described later, a Ni content of 48% or more is necessary. However, Ni is an expensive element, and a large amount causes an increase in cost. Therefore, an upper limit is provided so that the Ni content is 48 to 58%. A desirable lower limit of the Ni content is 49%, and a more desirable lower limit is 50%. The desirable upper limit of the Ni content is 56%, and the more desirable upper limit is 55%.

Co:8〜16%
Coは、Niと同様オ−ステナイト生成元素であり、オーステナイトの安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。この効果を十分得るためには、8%以上のCo含有量が必要である。しかしながら、Coは極めて高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限を設けて、Coの含有量を8〜16%とする。Co含有量の望ましい下限は8.5%、さらに望ましい下限は9%である。また、Co含有量の望ましい上限は15.5%、さらに望ましい上限は15%である。
Co: 8-16%
Co, like Ni, is an austenite-forming element and contributes to the improvement of creep strength by increasing the stability of austenite. In order to sufficiently obtain this effect, a Co content of 8% or more is necessary. However, since Co is an extremely expensive element, a large amount causes an increase in cost. Therefore, an upper limit is set so that the Co content is 8 to 16%. A desirable lower limit of the Co content is 8.5%, and a more desirable lower limit is 9%. The desirable upper limit of the Co content is 15.5%, and the more desirable upper limit is 15%.

Cr:18〜25%
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。上記48〜58%という本発明のNi含有量の範囲で、上記したCrの効果を得るためには、18%%以上のCr含有量が必要である。しかしながら、Crの含有量が25%を超えると、高温でのオーステナイト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の含有量を18〜25%とする。Cr含有量の望ましい下限は18.5%、さらに望ましい下限は19%である。また、Cr含有量の望ましい上限は24.5%、さらに望ましい上限は24%である。
Cr: 18-25%
Cr is an essential element for securing oxidation resistance and corrosion resistance at high temperatures. In order to obtain the effect of Cr described above within the range of the Ni content of the present invention of 48 to 58%, a Cr content of 18% or more is necessary. However, if the Cr content exceeds 25%, the stability of austenite at high temperatures deteriorates and the creep strength decreases. Therefore, the Cr content is 18 to 25%. A desirable lower limit of the Cr content is 18.5%, and a more desirable lower limit is 19%. The desirable upper limit of the Cr content is 24.5%, and the more desirable upper limit is 24%.

Mo:6〜12%
Mo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は、6%以上のMo含有量が必要である。しかしながら、Moを過剰に含有させても上記の効果は飽和し、却って粗大な析出相を生成し、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、上限を設けて、Moの含有量を6〜12%とする。
Mo: 6-12%
Mo is an element that makes a solid solution in the matrix and greatly contributes to the improvement of the creep strength and tensile strength at high temperatures. In order to fully exhibit the effect, a Mo content of 6% or more is necessary. However, even if Mo is excessively contained, the above effect is saturated, and on the contrary, a coarse precipitate phase is generated, and the creep strength may be lowered. Furthermore, since Mo is an expensive element, excessive inclusion causes an increase in cost. Therefore, an upper limit is provided so that the Mo content is 6 to 12%.

なお、Moは、強度を高める効果を有する一方、粒内の変形抵抗を高めて、厚肉の部材の多層溶接時における割れ感受性を少なからず高める元素である。そのため、特に、部材表面の溶接部近傍のHAZに生じる微細な割れの防止および安定したクリープ強度確保のために、Moの含有量は前記の[1]式および[2]式も満足する必要がある。   Mo is an element that has the effect of increasing the strength, while increasing the deformation resistance in the grains, and increasing the cracking susceptibility during multilayer welding of thick members. Therefore, in particular, in order to prevent fine cracks generated in the HAZ in the vicinity of the welded portion on the surface of the member and to ensure stable creep strength, the Mo content needs to satisfy the above formulas [1] and [2]. is there.

Mo含有量の望ましい下限は6.5%、さらに望ましい下限は7%である。また、Mo含有量の望ましい上限は11.5%、さらに望ましい上限は11%である。   A desirable lower limit of the Mo content is 6.5%, and a more desirable lower limit is 7%. The desirable upper limit of the Mo content is 11.5%, and the more desirable upper limit is 11%.

Ti:0.05〜0.8%
Tiは、Niと結合して微細な金属間化合物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。その効果を得るためには0.05%以上のTi含有量が必要である。しかしながら、Tiの含有量が過剰になると金属間化合物が多量に析出して、クリープ延性および靱性の低下を招く。このため、上限を設けて、Tiの含有量を0.05〜0.8%とする。
Ti: 0.05 to 0.8%
Ti combines with Ni and precipitates in the grains as a fine intermetallic compound, which contributes to the improvement of creep strength and tensile strength at high temperatures. In order to obtain the effect, a Ti content of 0.05% or more is necessary. However, when the Ti content is excessive, a large amount of intermetallic compounds are precipitated, resulting in a decrease in creep ductility and toughness. For this reason, an upper limit is set so that the Ti content is 0.05 to 0.8%.

なお、Tiは、強度を高める効果を有する一方、粒内の変形抵抗を高めて、厚肉の部材の多層溶接時における割れ感受性を高める元素である。そのため、特に、部材表面の溶接部近傍のHAZに生じる微細な割れの防止および安定したクリープ強度確保のために、Tiの含有量は前記の[1]式および[2]式も満足する必要がある。   Ti is an element that has the effect of increasing the strength, while increasing the deformation resistance within the grains, and increasing the cracking susceptibility during multilayer welding of thick members. Therefore, in particular, in order to prevent fine cracks generated in the HAZ near the welded portion on the surface of the member and to ensure stable creep strength, the Ti content needs to satisfy the above formulas [1] and [2]. is there.

Ti含有量の望ましい下限は0.07%、さらに望ましい下限は0.1%である。また、Ti含有量の望ましい上限は0.7%、さらに望ましい上限は0.6%である。   A desirable lower limit of the Ti content is 0.07%, and a more desirable lower limit is 0.1%. The desirable upper limit of the Ti content is 0.7%, and the more desirable upper limit is 0.6%.

Al:0.05〜1.6%
Alは、Tiと同様、Niと結合して微細な金属間化合物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。さらに、Alは、脱酸作用も有する元素である。しかしながら、Alの含有量が過剰になると金属間化合物が多量に析出して、クリープ延性および靱性の低下を招くとともに、合金の清浄性が著しく劣化して、熱間加工性および延性が低下する。そのため、Alの含有量に上限を設けて0.05〜1.6%とする。
Al: 0.05 to 1.6%
Al, like Ti, binds to Ni and precipitates in the grains as a fine intermetallic compound, contributing to the improvement of creep strength and tensile strength at high temperatures. Furthermore, Al is an element having a deoxidizing action. However, when the Al content is excessive, a large amount of intermetallic compounds are precipitated, leading to a decrease in creep ductility and toughness, and the cleanliness of the alloy is significantly deteriorated, resulting in a decrease in hot workability and ductility. Therefore, an upper limit is set for the Al content to be 0.05 to 1.6%.

なお、Alは、強度を高める効果を有する一方、粒内の変形抵抗を高めて、厚肉の部材の多層溶接時における割れ感受性を高める元素である。そのため、特に、部材表面の溶接部近傍のHAZに生じる微細な割れの防止および安定したクリープ強度確保のために、Alの含有量は前記の[1]式および[2]式も満足する必要がある。   Al is an element that has the effect of increasing the strength, while increasing the deformation resistance within the grains, and increasing the cracking susceptibility during multilayer welding of thick members. Therefore, in particular, in order to prevent fine cracks generated in the HAZ near the welded portion on the surface of the member and to ensure stable creep strength, the Al content needs to satisfy the above formulas [1] and [2]. is there.

Al含有量の望ましい下限は0.1%、さらに望ましい下限は0.3%である。また、Al含有量の望ましい上限は1.5%、さらに望ましい上限は1.4%である。   A desirable lower limit of the Al content is 0.1%, and a more desirable lower limit is 0.3%. A desirable upper limit of the Al content is 1.5%, and a more desirable upper limit is 1.4%.

B:0.0001〜0.01%
Bは、粒界炭化物を微細分散させることによって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を強化するのに有効な元素である。この効果を得るためには0.0001%以上のB含有量が必要である。しかしながら、Bの含有量が過剰になると、溶接中の溶接熱サイクルにより溶接部近傍の高温HAZにBが多量に偏析して粒界の融点を低下させ、HAZの液化割れ感受性を高める。そのため、上限を設けて、Bの含有量を0.0001〜0.01%とする。
B: 0.0001 to 0.01%
B is an element effective for improving the creep strength by finely dispersing grain boundary carbides and segregating at the grain boundaries to strengthen the grain boundaries. In order to obtain this effect, a B content of 0.0001% or more is necessary. However, if the B content is excessive, B is segregated in a large amount in the high-temperature HAZ in the vicinity of the weld due to the welding thermal cycle during welding, lowering the melting point of the grain boundary, and increasing the HAZ liquefaction cracking susceptibility. Therefore, an upper limit is provided so that the B content is 0.0001 to 0.01%.

なお、Bには上記の作用があるので、特に、部材表面の溶接部近傍のHAZに生じる微細な割れの防止および安定したクリープ強度確保のために、Bの含有量は前記の[1]式および[2]式も満足する必要がある。   In addition, since B has the above-mentioned action, in order to prevent fine cracks generated in the HAZ near the welded portion on the surface of the member and to secure stable creep strength, the content of B is the above-mentioned formula [1]. And [2] must also be satisfied.

B含有量の望ましい下限は0.0005%、さらに望ましい下限は0.001%である。また、B含有量の望ましい上限は0.008%、さらに望ましい上限は0.006%である。   A desirable lower limit of the B content is 0.0005%, and a more desirable lower limit is 0.001%. The desirable upper limit of the B content is 0.008%, and the more desirable upper limit is 0.006%.

REM:0.001〜0.1%
REMは、Sとの親和力が強く、熱間加工性を改善する作用を有するとともに、高温での使用中のクリープ延性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには0.001%以上のREMを含有させる必要がある。しかしながら、REMの含有量が過剰になると、Oと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させるとともに、延性の低下をも招く。このため、上限を設けてREMの含有量を0.001〜0.1%とする。REM含有量の望ましい下限は0.005%、さらに望ましい下限は0.008%である。また、REM含有量の望ましい上限は0.09%、さらに望ましい上限は0.08%である。
REM: 0.001 to 0.1%
REM is an element that has a strong affinity for S, has an effect of improving hot workability, and is effective in improving creep ductility during use at high temperatures. In order to obtain this effect, it is necessary to contain 0.001% or more of REM. However, when the content of REM becomes excessive, it combines with O to remarkably reduce cleanliness, and on the contrary, deteriorate hot workability and also reduce ductility. For this reason, an upper limit is set so that the content of REM is 0.001 to 0.1%. A desirable lower limit of the REM content is 0.005%, and a more desirable lower limit is 0.008%. The desirable upper limit of the REM content is 0.09%, and the more desirable upper limit is 0.08%.

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。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、REMの量が上記の範囲となるように含有させてもよい。   “REM” is a generic name for a total of 17 elements of Sc, Y, and lanthanoid, and the content of REM refers to the total content of one or more elements of REM. Further, REM is generally contained in misch metal. For this reason, for example, it may be added in the form of misch metal and contained so that the amount of REM falls within the above range.

N:0.02%以下
Nは、オーステナイトを安定にするのに有効な元素であるものの、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靱性の低下を招く。そのため、Nの含有量に上限を設けて0.02%以下とする。Nの含有量は望ましくは0.018%以下、さらに望ましくは0.015%以下である。
N: 0.02% or less N is an element effective for stabilizing austenite. However, if it is excessively contained, a large amount of fine nitride precipitates in the grains during use at high temperatures and creeps. It causes a reduction in ductility and toughness. Therefore, an upper limit is set for the N content to 0.02% or less. The N content is desirably 0.018% or less, and more desirably 0.015% or less.

なお、Nの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端な低減はオーステナイトを安定にする効果が得難くなるし、製造コストも大きく上昇する。そのため、N含有量の望ましい下限は0.0005%、さらに望ましい下限は0.0008%である。   In addition, although there is no particular need to set a lower limit for the N content, an extreme reduction makes it difficult to obtain the effect of stabilizing austenite, and the manufacturing cost also increases greatly. Therefore, the desirable lower limit of the N content is 0.0005%, and the more desirable lower limit is 0.0008%.

O:0.01%以下
O(酸素)は、不純物として合金中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、さらに靱性および延性の劣化を招く。このため、Oの含有量に上限を設けて0.01%以下とする。Oの含有量は望ましくは0.008%以下、さらに望ましくは0.005%以下である。
O: 0.01% or less O (oxygen) is contained as an impurity in the alloy, and when its content is excessive, hot workability is lowered, and further, toughness and ductility are deteriorated. For this reason, an upper limit is set for the O content to 0.01% or less. The O content is desirably 0.008% or less, and more desirably 0.005% or less.

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%、さらに望ましい下限は0.0008%である。   Although there is no particular need to set a lower limit for the O content, an extreme reduction leads to an increase in manufacturing cost. Therefore, the desirable lower limit of the O content is 0.0005%, and the more desirable lower limit is 0.0008%.

本発明のNi基耐熱合金部材の一つは、上述の各元素を含み、残部がFeおよび不純物からなる化学組成のものである。   One of the Ni-base heat-resistant alloy members of the present invention has a chemical composition containing each of the elements described above, with the balance being Fe and impurities.

なお、「不純物」とは、Ni基耐熱合金部材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ものを指す。   The “impurity” refers to a material mixed from ore, scrap, or a manufacturing environment as a raw material when an Ni-base heat-resistant alloy member is manufactured industrially.

本発明のNi基耐熱合金部材には、上述のFeの一部に代えて、Ca、Mg、Cu、W、VおよびNbから選択される1種以上の元素を含有させてもよい。
第1群:Ca:0.05%以下およびMg:0.05%以下、
第2群:Cu:1%以下、W:1%以下、V:0.5%以下およびNb:2%以下。
The Ni-base heat-resistant alloy member of the present invention may contain one or more elements selected from Ca, Mg, Cu, W, V, and Nb instead of a part of the above-described Fe.
First group: Ca: 0.05% or less and Mg: 0.05% or less,
Second group: Cu: 1% or less, W: 1% or less, V: 0.5% or less, and Nb: 2% or less.

以下、これら任意元素の作用効果と、含有量の限定理由について説明する。   Hereinafter, the effect of these arbitrary elements and the reason for limiting the content will be described.

第1群の元素であるCaおよびMgは、いずれも熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、これらの元素を含有させてもよい。   Ca and Mg, which are elements of the first group, all have an effect of improving hot workability. For this reason, you may contain these elements.

Ca:0.05%以下
Caは、熱間加工性を改善する作用を有する。このため、Caを含有させてもよい。しかしながら、Caの含有量が過剰になるとOと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。このため、含有させる場合のCaの量に上限を設けて0.05%以下とする。Ca含有量の上限は、望ましくは0.03%である。
Ca: 0.05% or less Ca has an effect of improving hot workability. For this reason, Ca may be contained. However, when the content of Ca is excessive, it combines with O to remarkably reduce cleanliness, and on the contrary, deteriorate hot workability. For this reason, when making it contain, the upper limit is provided in the quantity of Ca, and it is 0.05% or less. The upper limit of the Ca content is desirably 0.03%.

一方、Caの効果を安定して得るためには、Caの含有量は0.0001%以上であることが好ましい。Ca含有量のさらに望ましい下限は0.0005%である。   On the other hand, in order to stably obtain the effect of Ca, the Ca content is preferably 0.0001% or more. A more desirable lower limit of the Ca content is 0.0005%.

Mg:0.05%以下
Mgは、Caと同様、熱間加工性を改善する作用を有する。このため、Mgを含有させてもよい。しかしながら、Mgの含有量が過剰になるとOと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。このため、含有させる場合のMgの量に上限を設けて0.05%以下とする。Mg含有量の上限は、望ましくは0.03%である。
Mg: 0.05% or less Mg, like Ca, has an effect of improving hot workability. For this reason, you may contain Mg. However, when the Mg content is excessive, it combines with O to significantly reduce cleanliness, and on the contrary, deteriorate hot workability. For this reason, the upper limit is set to the amount of Mg in the case of containing 0.05% or less. The upper limit of the Mg content is desirably 0.03%.

一方、Mgの効果を安定して得るためには、Mgの含有量は0.0001%以上であることが好ましい。Mg含有量のさらに望ましい下限は0.0005%である。   On the other hand, in order to stably obtain the effect of Mg, the Mg content is preferably 0.0001% or more. A more desirable lower limit of the Mg content is 0.0005%.

上記のCaおよびMgは、そのうちのいずれか1種のみ、または2種の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は0.1%であってもよい。   Said Ca and Mg can be contained only in any 1 type or 2 types of composites. The total amount when these elements are contained in combination may be 0.1%.

第2群の元素であるCu、W、VおよびNbは、いずれもクリープ強度を向上させる作用を有する。このため、これらの元素を含有させてもよい。   Cu, W, V, and Nb that are elements of the second group all have an effect of improving the creep strength. For this reason, you may contain these elements.

Cu:1%以下
Cuは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Cuは、NiおよびCoと同様オーステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Cuを含有させてもよい。しかしながら、Cuが過剰に含有された場合には熱間加工性の低下を招く。このため、含有させる場合のCuの量に上限を設けて1%以下とする。Cu含有量の上限は、望ましくは0.8%である。
Cu: 1% or less Cu has an effect of improving creep strength. That is, Cu is an austenite-forming element like Ni and Co, and contributes to improvement of creep strength by increasing phase stability. Therefore, Cu may be contained. However, when Cu is contained excessively, the hot workability is lowered. For this reason, when making it contain, the upper limit is provided in the quantity of Cu, and it is 1% or less. The upper limit of the Cu content is desirably 0.8%.

一方、Cuの効果を安定して得るためには、Cuの含有量は0.01%以上であることが好ましい。Cu含有量のさらに望ましい下限は0.03%である。   On the other hand, in order to stably obtain the effect of Cu, the Cu content is preferably 0.01% or more. A more desirable lower limit of the Cu content is 0.03%.

W:1%以下
Wは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Wは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度を向上させる作用を有する。したがって、Wを含有させてもよい。しかしながら、Wが過剰に含有された場合にはオーステナイトの安定性が低下して、却ってクリープ強度の低下を招く。そのため、含有させる場合のWの量に上限を設けて1%以下とする。W含有量の上限は、望ましくは0.8%である。
W: 1% or less W has an effect of improving creep strength. That is, W has a function of improving the creep strength at a high temperature by dissolving in the matrix. Therefore, W may be contained. However, when W is contained excessively, the stability of austenite is lowered, and on the contrary, the creep strength is lowered. Therefore, an upper limit is set for the amount of W in the case of inclusion to 1% or less. The upper limit of the W content is desirably 0.8%.

一方、Wの効果を安定して得るためには、Wの含有量は0.01%以上であることが好ましい。W含有量のさらに望ましい下限は0.03%である。   On the other hand, in order to stably obtain the effect of W, the W content is preferably 0.01% or more. A more desirable lower limit of the W content is 0.03%.

V:0.5%以下
Vは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Vは、CまたはNと結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を向上させる作用を有する。したがって、Vを含有させてもよい。しかしながら、Vが過剰に含有された場合、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、含有させる場合のVの量に上限を設けて0.5%以下とする。V含有量の上限は、望ましくは0.4%である。
V: 0.5% or less V has an effect of improving creep strength. That is, V combines with C or N to form fine carbides or carbonitrides, and has the effect of improving creep strength. Therefore, V may be contained. However, when V is contained excessively, it precipitates in a large amount as a carbide or carbonitride, resulting in a decrease in creep ductility. Therefore, an upper limit is set for the amount of V in the case of inclusion to 0.5% or less. The upper limit of the V content is desirably 0.4%.

一方、Vの効果を安定して得るためには、Vの含有量は0.01%以上であることが好ましい。V含有量のさらに望ましい下限は0.02%である。   On the other hand, in order to stably obtain the effect of V, the V content is preferably 0.01% or more. A more desirable lower limit of the V content is 0.02%.

Nb:2%以下
Nbは、Vと同様にCやNと結合して微細な炭化物や炭窒化物として粒内に析出するとともに、Niとも結合して金属間化合物を生成し、高温でのクリープ強度に寄与する。したがって、Nbを含有させてもよい。しかしながら、Nbの含有量が過剰になると炭化物、炭窒化物や金属間化合物が多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、含有させる場合のNbの量に上限を設けて、2%以下する。Nb含有量の上限は、望ましくは1.8%である。
Nb: 2% or less Nb combines with C and N in the same manner as V and precipitates in the grains as fine carbides and carbonitrides, and also binds with Ni to form an intermetallic compound, and creep at high temperature. Contributes to strength. Therefore, you may contain Nb. However, when the Nb content is excessive, a large amount of carbides, carbonitrides and intermetallic compounds are precipitated, resulting in a decrease in creep ductility and toughness. Therefore, an upper limit is set for the amount of Nb in the case of inclusion, and it is 2% or less. The upper limit of the Nb content is desirably 1.8%.

一方、Nbの効果を安定して得るためには、Nbの含有量は0.01%以上であることが好ましい。Nb含有量のさらに望ましい下限は0.05%である。   On the other hand, in order to stably obtain the effect of Nb, the Nb content is preferably 0.01% or more. A more desirable lower limit of the Nb content is 0.05%.

上記のCu、W、VおよびNbは、そのうちのいずれか1種のみ、または2種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、4.5%であってもよい。   Said Cu, W, V, and Nb can be contained in only 1 type in them, or 2 or more types of composites. The total amount when these elements are contained in combination may be 4.5%.

(B)表層の平均結晶粒径(GS):
前述の(A)項に記載の化学組成を有するNi基耐熱合金部材は、厚さ30mmを超える部材として使用される場合、多層溶接時の初層および最終層の部材表面の溶接部近傍のHAZに、微細な割れが発生する場合がある。本発明者らの推定では、上記の微細な割れは、溶接時の熱応力が、結晶粒界に集中し、粒界の強さを上回るために発生する。
(B) Average crystal grain size (G S ) of the surface layer:
When the Ni-base heat-resistant alloy member having the chemical composition described in the above item (A) is used as a member having a thickness exceeding 30 mm, the HAZ in the vicinity of the welded portion on the surface of the member of the first layer and the last layer in multilayer welding is used. In addition, fine cracks may occur. According to the estimation of the present inventors, the above-mentioned fine cracks are generated because the thermal stress during welding is concentrated on the crystal grain boundary and exceeds the strength of the grain boundary.

上述の微細な割れを防止するためには、部材表面部の熱応力が大きくなる領域の平均結晶粒径を小さくすることが有効である。なお、粒内を強化して、換言すれば、粒内の変形抵抗を高めて、粒界への応力集中を助長するAl、TiおよびMoの含有量ならびに、逆に粒界を強化するBの含有量に応じて、該割れを防止するための平均結晶粒径の上限が異なってくる。   In order to prevent the fine cracks described above, it is effective to reduce the average crystal grain size in the region where the thermal stress of the member surface portion increases. It should be noted that the content of B, which strengthens the grain boundaries, in other words, increases the deformation resistance within the grains, promotes stress concentration at the grain boundaries, and conversely strengthens the grain boundaries. Depending on the content, the upper limit of the average crystal grain size for preventing the cracking varies.

しかしながら、表層の平均結晶粒径であるGS(μm)が、前記の[1]式、つまり、
S≦−5×P1+60・・・[1]
を満たせば、上記した微細な割れを安定して防止することができる。
However, G S (μm), which is the average crystal grain size of the surface layer, is the above formula [1], that is,
G S ≦ −5 × P1 + 60 [1]
If the above is satisfied, the above-described fine cracks can be stably prevented.

なお、既に述べたように、「表層」とは、部材表面から深さ0.2mmまでの領域を指し、
P1=2×Al+Ti+(Mo/10)−5×B
で、パラメータP1中のAl、Ti、MoおよびBは、その元素の含有量(質量%)を意味する。
As already mentioned, the “surface layer” refers to a region from the member surface to a depth of 0.2 mm,
P1 = 2 × Al + Ti + (Mo / 10) −5 × B
Thus, Al, Ti, Mo and B in the parameter P1 mean the content (mass%) of the element.

表層の平均結晶粒径GSは、溶体化熱処理を施した部材の表面に、工具による切削や研磨、レーザーブラストやサンドブラストなどを活用したショットピーニング、ロールや油圧プレスによる冷間圧延、冷間での抽伸などを行って、機械的に表面部に強加工を施した後、熱処理を施して再結晶させることにより制御することができる。 The average grain size G S of the surface layer is obtained by subjecting the surface of the solution heat-treated member to cutting or polishing with a tool, shot peening using laser blasting or sand blasting, cold rolling with a roll or a hydraulic press, It is possible to control by subjecting the surface portion to mechanical processing and then recrystallizing it by heat treatment.

上記「熱処理」の条件としては、900〜1150℃の温度域で0.1〜1.5h保持する条件が好適で、950〜1075℃の温度域で0.5〜1.5h保持する条件がさらに望ましい。   As the condition of the “heat treatment”, a condition of holding for 0.1 to 1.5 h in a temperature range of 900 to 1150 ° C. is preferable, and a condition of holding for 0.5 to 1.5 h in a temperature range of 950 to 1075 ° C. More desirable.

なお、特許文献9には、構造物の表面層として再結晶粒を形成させ、耐粒界腐食性を高めるオーステナイト系合金構造物が開示されているが、該構造物と本発明に係るNi基耐熱合金部材とは、化学組成が全く異なるとともに、解決すべき課題も完全に異なる。このため、特許文献9で開示されている技術からは到底本発明に係るNi基耐熱合金部材が得られないことは自明である。   Patent Document 9 discloses an austenitic alloy structure in which recrystallized grains are formed as a surface layer of a structure to enhance intergranular corrosion resistance. The structure and the Ni base according to the present invention are disclosed. The chemical composition is completely different from that of the heat-resistant alloy member, and the problem to be solved is completely different. For this reason, it is obvious that the Ni-base heat-resistant alloy member according to the present invention cannot be obtained from the technique disclosed in Patent Document 9.

(C)部材の厚さ中央部の平均結晶粒径(GB):
前述の(A)項に記載の化学組成を有するNi基耐熱合金部材は、厚さ30mmを超える部材として使用される場合、十分なクリープ強度を安定して得ることが難しくなる場合がある。本発明者らの推定では、部材の厚さが30mmを超える場合、特に溶体化熱処理時の温度不均一などに起因して、平均結晶粒径にばらつきが生じやすいこと、さらに、クリープ強度に寄与する元素であるB、Al、TiやMoの含有量のばらつきによって、クリープ強度が不安定になる。
(C) an average crystal grain size of the thickness of the central portion of the member (G B):
When the Ni-base heat-resistant alloy member having the chemical composition described in the above item (A) is used as a member having a thickness exceeding 30 mm, it may be difficult to stably obtain a sufficient creep strength. According to the estimation of the present inventors, when the thickness of the member exceeds 30 mm, the average crystal grain size is likely to vary, particularly due to temperature non-uniformity during solution heat treatment, and further contributes to the creep strength. The creep strength becomes unstable due to variations in the contents of B, Al, Ti and Mo, which are the elements to be used.

上述のクリープ強度が不安定になることを解決するためには、部材の平均結晶粒径を大きくすることが有効であるが、クリープ強度の向上に有効なB、Al、TiおよびMoの含有量に応じて、クリープ強度の確保に必要な平均結晶粒径の下限が異なってくる。一方で、B、Al、TiおよびMoは溶接時の液化割れの感受性を高める作用も有するため、併せて平均結晶粒径の上限もこれら元素の含有量に応じて異なってくる。   In order to solve the above-described instability of the creep strength, it is effective to increase the average crystal grain size of the member, but the contents of B, Al, Ti and Mo effective for improving the creep strength Accordingly, the lower limit of the average crystal grain size necessary for ensuring the creep strength varies. On the other hand, since B, Al, Ti, and Mo also have an effect of increasing the susceptibility to liquefaction cracking during welding, the upper limit of the average crystal grain size varies depending on the content of these elements.

しかしながら、部材の厚さ中央部の平均結晶粒径であるGB(μm)が、前記の[2]式、つまり、
−4×P2+85≦GB≦−30×P2+650・・・[2]
を満たせば、厚さ30mmを超える部材においても十分なクリープ強度が安定して得られる。
However, G B (μm), which is the average crystal grain size in the central part of the thickness of the member, is the formula [2], that is,
−4 × P2 + 85 ≦ G B ≦ −30 × P2 + 650 (2)
If the above condition is satisfied, sufficient creep strength can be stably obtained even in a member having a thickness exceeding 30 mm.

なお、既に述べたように、「部材の厚さ中央部」とは、部材厚さの25%となる各表面側を除外した領域を指し、
P2=10×B+2×Al+Ti+(Mo/10)
で、パラメータP2中のB、Al、TiおよびMoは、その元素の含有量(質量%)を意味する。
As already described, the “member thickness central portion” refers to a region excluding each surface side that is 25% of the member thickness,
P2 = 10 × B + 2 × Al + Ti + (Mo / 10)
Thus, B, Al, Ti and Mo in the parameter P2 mean the content (% by mass) of the element.

部材の厚さ中央部の平均結晶粒径GBは、部材の溶体化熱処理時の温度と時間の選定により制御することができる。 The average crystal grain size G B thick central portion of the member can be controlled by the selection of temperature and time during the solution heat treatment of the member.

上記「溶体化熱処理」の条件としては、900〜1240℃の温度域で0.1〜3h保持する条件が好適で、1050〜1210℃の温度域で0.2〜1.5h保持する条件がさらに望ましい。   As conditions for the above-mentioned “solution heat treatment”, conditions for holding for 0.1 to 3 hours in a temperature range of 900 to 1240 ° C. are preferable, and conditions for holding for 0.2 to 1.5 hours in a temperature range of 1050 to 1210 ° C. More desirable.

(D)HV0.01(max):
前述の(A)〜(C)項に記載の要件を満たすNi基耐熱合金部材は、厚さ30mmを超える部材として使用される場合でもその厚さに拘わらず、安定して優れたクリープ強度を有するとともに、多層溶接した場合にも、実用上問題とならない程度の耐割れ性、具体的には、初層および最終層の部材表面の溶接部近傍のHAZでの耐割れ性、ならびに部材肉中の耐液化割れ性を具備する。
(D) HV0.01 (max):
The Ni-base heat-resistant alloy member that satisfies the requirements described in the above items (A) to (C) has a stable and excellent creep strength regardless of its thickness even when used as a member having a thickness exceeding 30 mm. In addition, when multi-layer welding is performed, crack resistance to such an extent that it does not cause a practical problem, specifically, crack resistance at the HAZ near the welded portion of the member surface of the first layer and the last layer, and in the member meat It has the liquefaction cracking resistance.

しかしながら、部材表面の溶接部近傍の割れについては、最終層側は初層側に比べて、低温に晒された位置で発生するため、部材表面部の硬さの影響をより強く受けるので、表面部の硬さを抑えることが好ましい。具体的には、HV0.01(max)、つまり、溶接時の最終層側になる部材表面から深さ0.2mmまでの領域における最高硬さHV0.01を380以下にすることが望ましい。HV0.01(max)は、350以下とすることがより好ましい。   However, since cracks near the welded part on the surface of the member occur at a position exposed to a low temperature on the final layer side compared to the initial layer side, the surface of the surface is more strongly affected by the hardness of the member surface part. It is preferable to suppress the hardness of the part. Specifically, HV0.01 (max), that is, the maximum hardness HV0.01 in the region from the member surface on the final layer side during welding to a depth of 0.2 mm is desirably 380 or less. HV0.01 (max) is more preferably 350 or less.

なお、既に述べたように、上記の「HV0.01」は、試験力を0.098N(10gf)としてマイクロビッカース硬さ試験を実施した場合の「硬さ記号」を意味する。   As described above, the above “HV0.01” means a “hardness symbol” when a micro Vickers hardness test is performed with a test force of 0.098 N (10 gf).

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。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited to these Examples.

表1に示す化学組成を有するNi基耐熱合金を実験室溶解してインゴットを作製した。   An ingot was prepared by melting a Ni-base heat-resistant alloy having the chemical composition shown in Table 1 in a laboratory.

Figure 2014148702
Figure 2014148702

次いで、上記インゴットを用いて、熱間鍛造による成形、溶体化熱処理および一部については切削バイトによる表面研削または冷間で圧延ロールにて表面加工を行い、さらにその後、異なる条件にて熱処理を施して、各Ni基耐熱合金について、厚さ35mm、幅100mm、長さ250mmの合金板を複数枚作製した。   Next, using the above ingot, forming by hot forging, solution heat treatment and partly surface grinding with a cutting tool or cold surface treatment with a rolling roll, and then heat treatment under different conditions For each Ni-base heat-resistant alloy, a plurality of alloy plates having a thickness of 35 mm, a width of 100 mm, and a length of 250 mm were produced.

上記のようにして得た各合金板から、横断面が被検面となるように試験片を切り出して鏡面研磨した。   From each alloy plate obtained as described above, a test piece was cut out and mirror-polished so that the cross section was the test surface.

その後、各試験片について、鏡面研磨した面を王水で腐食し、「表層」となる表面加工した双方の表面から深さ方向に0.2mmまでの領域をそれぞれ、3箇所ずつ光学顕微鏡で観察して、切断法により各領域毎の平均粒切片長さを測定し、上記各領域毎の平均粒切片長さをさらに算術平均し、それを1.128倍して、表層の平均結晶粒径GS(μm)を求めた。同様に、「部材の厚さ中央部」となる表面加工した表面からの深さが8.75mmを超える領域をランダムに3箇所光学顕微鏡で観察して、切断法により平均粒切片長さを求め、次いで、該平均粒切片長さを1.128倍して、部材の厚さ中央部の平均結晶粒径GB(μm)を求めた。 After that, for each test piece, the mirror-polished surface was corroded with aqua regia, and the surface of both surfaces that became the “surface layer” was observed from the two surfaces to 0.2 mm in the depth direction using an optical microscope. Then, the average grain slice length for each region is measured by a cutting method, the average grain slice length for each region is further arithmetically averaged, multiplied by 1.128, and the average crystal grain size of the surface layer G S (μm) was determined. Similarly, a region where the depth from the surface processed surface that becomes the “member thickness central portion” exceeds 8.75 mm is randomly observed with three optical microscopes, and an average grain section length is obtained by a cutting method. Subsequently, the average grain section length was multiplied by 1.128 to determine the average crystal grain size G B (μm) at the center of the thickness of the member.

さらに、上記の各試験片について、表面加工した双方の表面のうちの任意に選んだ片方を溶接時の最終層側になる表面として、表面から深さ0.2mmまでの領域におけるマイクロビッカース硬さを測定した。具体的には、表面からの深さが0.2mm位置までのマイクロビッカース硬さを、試験力0.098N(10gf)にてランダムに20点測定し、最も大きい値を「HV0.01(max)」とした。   Further, for each of the above test pieces, the micro Vickers hardness in the region from the surface to a depth of 0.2 mm is defined as a surface that is arbitrarily selected from the both surfaces subjected to the surface processing and becomes the final layer side during welding. Was measured. Specifically, the micro Vickers hardness up to the position where the depth from the surface is 0.2 mm is randomly measured at a test force of 0.098 N (10 gf) at 20 points, and the largest value is “HV0.01 (max ) ”.

加えて、各合金板について、「部材の厚さ中央部」から、直径6mm、標点距離30mmの丸棒クリープ破断試験片を採取して、母材板材の目標破断時間が1000hとなる700℃、176MPaの条件でクリープ破断試験を行った。なお、クリープ破断時間が、母材板材の目標破断時間である1000h以上となるものを「合格」とし、1000h未満のものを「不合格」とした。   In addition, for each alloy plate, a round bar creep rupture test piece having a diameter of 6 mm and a gauge distance of 30 mm was sampled from “the thickness central portion of the member”, and the target rupture time of the base plate was 700 ° C. A creep rupture test was conducted under the condition of 176 MPa. In addition, the thing whose creep rupture time becomes 1000 h or more which is the target rupture time of a base material board material was set as "pass", and the thing less than 1000 h was set as "fail".

また、各合金板について、上述の各試験片を切り出した残りの部分を用いて、合金板の長手方向に、角度30°、ルート厚さ1mmのV開先を加工した後、厚さ60mm、幅500mmで長さ500mmのJIS G 3106(2008)に規定された市販のSM400Cの鋼板上に、被覆アーク溶接棒としてJIS Z 3224(2010)に規定の「E Ni 6182」を用いて、四周を拘束溶接した。その後さらに、溶接ワイヤ(AWS A5.14 ER NiCrCoMo−1)を用いて、TIG溶接により入熱:9〜15kJ/cmにて開先内に多層溶接を行った。   In addition, for each alloy plate, using the remaining part of each of the test pieces described above, in the longitudinal direction of the alloy plate, after processing a V groove having an angle of 30 ° and a root thickness of 1 mm, a thickness of 60 mm, Using “E Ni 6182” defined in JIS Z 3224 (2010) as a coated arc welding rod on a commercially available SM400C steel plate defined in JIS G 3106 (2008) having a width of 500 mm and a length of 500 mm, four rounds were performed. Restraint welded. Thereafter, multilayer welding was performed in the groove at a heat input of 9 to 15 kJ / cm by TIG welding using a welding wire (AWS A5.14 ER NiCrCoMo-1).

このようにして得た溶接継手を拘束板から外した後、初層側表面および最終層側表面の浸透探傷試験をJIS Z 2343−1(2001)に準じて実施し、指示模様の有無を確認し、指示模様が無いものを「合格」、有るものを「不合格」とした。   After removing the welded joint obtained in this way from the restraint plate, a penetration inspection test on the surface of the first layer side and the surface of the final layer side is performed according to JIS Z 2343-1 (2001), and the presence or absence of the indication pattern is confirmed. In the case where there is no indication pattern, “Pass” is given, and in the case where there is no instruction pattern, “Fail” is given.

さらに、溶接部の横断面が被検面となるように各5個の試験片を切り出して鏡面研磨した。   Further, five test pieces were cut out and mirror-polished so that the cross section of the weld became the test surface.

上記の鏡面研磨した各5個の試験片について、先ず、初層および最終層側の表面近傍を光学顕微鏡により観察した。そして、浸透探傷試験では検出できなかったものの、光学顕微鏡により表面近傍に微小なミクロ割れが観察された場合を「可」、観察されなかった場合を「良」、さらに、浸透探傷試験で指示模様が認められたことに加え表面近傍にミクロ割れが観察された場合を「不可」と分類した。   For each of the five mirror-polished specimens, first, the surface vicinity of the first layer and the last layer was observed with an optical microscope. And although it was not detected by the penetrant flaw test, it is “OK” when a minute microcrack is observed near the surface with an optical microscope. In addition to the fact that micro cracks were observed near the surface, it was classified as “impossible”.

次いで、上記表面近傍以外の部分についても光学顕微鏡観察して、所謂「肉中割れ」の存在を調査した。なお、肉中割れは、光学顕微鏡により検鏡した5断面の全てにおいて割れが観察されなかったものを「合格」とし、1断面でも割れが観察されたものは「不合格」とした。   Subsequently, portions other than the vicinity of the surface were also observed with an optical microscope to investigate the presence of so-called “mesh cracks”. In addition, as for the crack in the meat, the thing in which the crack was not observed in all the five cross sections examined with the optical microscope was set as "pass", and the thing in which the crack was observed also in one cross section was set as "fail".

表2および表3に、各合金板に施した溶体化熱処理、表面加工および熱処理の条件とともに、上記各試験の結果を纏めて示す。   Tables 2 and 3 collectively show the results of the above tests, together with the conditions of solution heat treatment, surface treatment, and heat treatment applied to each alloy plate.

表2および表3の「評価」欄における「◎」は、「クリープ強度」、「浸透探傷試験」および「肉中割れ」の各欄がいずれも「合格」で、さらに「表面近傍ミクロ割れ」欄が「良」であって、クリープ強度に優れるとともに溶接時の耐割れ性に極めて優れることを示す。「○」は、「クリープ強度」、「浸透探傷試験」および「肉中割れ」の各欄がいずれも「合格」で、さらに「表面近傍ミクロ割れ」欄が「可」であって、クリープ強度に優れるとともに溶接時の耐割れ性に優れることを示す。「×」は「クリープ強度」欄が「不合格」でクリープ強度に劣るか、「浸透探傷試験」欄が「不合格」または「浸透探傷試験」欄が「合格」であっても「肉中割れ」欄が「不合格」で溶接時の耐割れ性に劣ることを示す。   “◎” in the “Evaluation” column in Tables 2 and 3 indicates that “Creep Strength”, “Penetration Flaw Test”, and “Crack in Meat” are all “Pass”, and “Micro Crack near the Surface”. The column is “good”, indicating that the creep strength is excellent and the crack resistance during welding is extremely excellent. “○” indicates that “creep strength”, “penetration test”, and “crack in meat” are all “pass”, and “micro crack near surface” is “possible”. In addition to excellent resistance to cracking during welding. “×” indicates that the “creep strength” column is “fail” and the creep strength is inferior, or the “penetration test” column is “fail” or the “penetration test” column is “pass”. The “crack” column is “fail”, indicating that the crack resistance during welding is poor.

Figure 2014148702
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表2および表3から、本発明で規定する条件を満足する合金板を用いた試験体A2、A3、B2〜B7、C2、C3、D2、D3、E2およびE3の場合、浸透探傷試験で表面に指示模様が認められず、また、表面以外の部分でも溶接割れが生じていない実用上健全な溶接継手であることが明らかである。さらに、クリープ破断時間も、母材板材の目標破断時間をクリアして優れたクリープ強度を有することが明らかである。加えて、HV0.01(max)が380を下回る場合には、光学顕微鏡による断面観察において表面近傍に微小なミクロ割れも認められなかった。   From Tables 2 and 3, in the case of specimens A2, A3, B2 to B7, C2, C3, D2, D3, E2, and E3 using alloy plates that satisfy the conditions specified in the present invention, the surface was measured by the penetrant flaw test. It is apparent that the welded joint is practically sound and has no indication pattern, and no weld cracks occur in any part other than the surface. Further, it is clear that the creep rupture time also has excellent creep strength by clearing the target rupture time of the base plate. In addition, when HV0.01 (max) was less than 380, minute microcracks were not observed near the surface in cross-sectional observation with an optical microscope.

これに対して、本発明で規定する条件から外れる合金板を用いた試験体A1、A4、A5、B1、B8、B9、C1、C4、C5、D1、D4、D5、E1、E4およびE5の場合、クリープ強度に劣るか、溶接時の耐割れ性に劣る。   In contrast, the specimens A1, A4, A5, B1, B8, B9, C1, C4, C5, D1, D4, D5, E1, E4, and E5 using alloy plates that deviate from the conditions specified in the present invention. In this case, the creep strength is poor or the crack resistance during welding is poor.

具体的には、試験体A4、B8、C4、D4およびE4は、用いた合金板のGS(表層の平均結晶粒径)が前記の[1]式を満足しなかったため、浸透探傷試験で表面に指示模様が認められるとともに断面観察でも表面に割れが観察され、溶接時の耐割れ性に劣っていた。 Specifically, specimens A4, B8, C4, D4 and E4, because the G S alloy plate used (average crystal grain size of the surface layer) did not satisfy the above equation [1], in penetrant An indication pattern was observed on the surface, and cracks were also observed on the surface in cross-sectional observation, and the crack resistance during welding was poor.

試験体A1、B1、C1、D1およびE1の場合、用いた合金板のGB(部材の厚さ中央部の平均結晶粒径)が前記の[2]式の下限を下回ったため、十分なクリープ強度が得られなかった。 For specimens A1, B1, C1, D1 and E1, since the G B alloy plate used (average crystal grain size of the thickness of the central portion of the member) is below the lower limit of the above formula [2], sufficient creep Strength was not obtained.

一方、試験体A5、B9、C5、D5およびE5の場合、用いた合金板のGB(部材の厚さ中央部の平均結晶粒径)が大きくなりすぎ、前記の[2]式の上限を超えたため、光学顕微鏡による断面観察において肉中に液化割れと判断される割れが発生した。 On the other hand, in the case of specimens A5, B9, C5, D5 and E5, G B (average crystal grain size at the center of the thickness of the member) of the alloy plate used was too large, and the upper limit of the above formula [2] was exceeded. Since it exceeded, the crack judged to be a liquefaction crack generate | occur | produced in the meat in the cross-sectional observation with an optical microscope.

本発明のNi基耐熱合金部材は、厚さが30mmを超える厚肉部材であるにも拘わらず、溶接時の耐割れ性、なかでも多層溶接時の表面近傍の耐溶接割れ性、より具体的には、初層および最終層の部材表面の溶接部近傍のHAZでの耐割れ性に優れるとともに、安定して優れたクリープ強度を有する。このため、本発明のNi基耐熱合金部材は、発電用ボイラの主蒸気管などの厚肉の高温部材として好適に用いることができる。   Although the Ni-based heat-resistant alloy member of the present invention is a thick member having a thickness of more than 30 mm, the crack resistance during welding, in particular, the weld crack resistance near the surface during multilayer welding, more specifically, In addition to being excellent in crack resistance in the HAZ near the welded portion on the surface of the first and last layer members, it has a stable and excellent creep strength. For this reason, the Ni-base heat-resistant alloy member of the present invention can be suitably used as a thick high-temperature member such as a main steam pipe of a power generation boiler.

Claims (3)

厚さ30mmを超えるNi基耐熱合金部材であって、質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:1%以下、Mn:2%以下、P:0.03%以下、S:0.01%以下、Ni:48〜58%、Co:8〜16%、Cr:18〜25%、Mo:6〜12%、Ti:0.05〜0.8%、Al:0.05〜1.6%、B:0.0001〜0.01%、REM:0.001〜0.1%、N:0.02%以下およびO:0.01%以下を含み、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、かつ下記の[1]式および[2]式を満足することを特徴とするNi基耐熱合金部材。
S≦−5×P1+60・・・[1]
−4×P2+85≦GB≦−30×P2+650・・・[2]
ただし、
P1=2×Al+Ti+(Mo/10)−5×B
P2=10×B+2×Al+Ti+(Mo/10)
で、パラメータP1およびP2中のAl、Ti、MoおよびBは、その元素の含有量(質量%)を意味する。
SおよびGBはそれぞれ、表層の平均結晶粒径(μm)および部材の厚さ中央部の平均結晶粒径(μm)を指す。
Ni-based heat-resistant alloy member having a thickness exceeding 30 mm, and in mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 1% or less, Mn: 2% or less, P: 0.03% or less, S : 0.01% or less, Ni: 48-58%, Co: 8-16%, Cr: 18-25%, Mo: 6-12%, Ti: 0.05-0.8%, Al: 0. 05-1.6%, B: 0.0001-0.01%, REM: 0.001-0.1%, N: 0.02% or less and O: 0.01% or less, with the balance being Fe And a Ni-based heat-resistant alloy member having a chemical composition comprising impurities and satisfying the following formulas [1] and [2]:
G S ≦ −5 × P1 + 60 [1]
−4 × P2 + 85 ≦ G B ≦ −30 × P2 + 650 (2)
However,
P1 = 2 × Al + Ti + (Mo / 10) −5 × B
P2 = 10 × B + 2 × Al + Ti + (Mo / 10)
In the parameters P1 and P2, Al, Ti, Mo, and B mean the content (mass%) of the element.
Each G S and G B, refers to a surface layer having an average grain size ([mu] m) and the average crystal grain size of the thickness of the central portion of the member ([mu] m).
Feの一部に代えて、質量%で、下記に示す群から選択される1種以上の元素を含有することを特徴とする請求項1に記載のNi基耐熱合金部材。
第1群:Ca:0.05%以下およびMg:0.05%以下
第2群:Cu:1%以下、W:1%以下、V:0.5%以下およびNb:2%以下
The Ni-base heat-resistant alloy member according to claim 1, wherein the Ni-base heat-resistant alloy member contains at least one element selected from the group shown below in mass% instead of a part of Fe.
First group: Ca: 0.05% or less and Mg: 0.05% or less Second group: Cu: 1% or less, W: 1% or less, V: 0.5% or less and Nb: 2% or less
溶接時の最終層側になる部材表面から深さ0.2mmまでの領域における最高硬さHV0.01が380以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のNi基耐熱合金部材。   The Ni-base heat-resistant alloy member according to claim 1 or 2, wherein a maximum hardness HV0.01 in a region from the member surface on the final layer side during welding to a depth of 0.2 mm is 380 or less.
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