(57)【要約】【課題】高温浸炭環境において、耐浸炭性に優れる合金管を提供する。【解決手段】本開示の溶接継手において、溶接金属２０の初層領域２１は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０１０〜０．１５０％、Ｓｉ：０．８０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、Ｎｉ：２０．００〜８０．００％、Ａｌ：２．５０〜４．５０％、Ｎ：０．０５０％以下、及び、残部がＦｅ及び不純物からなり、初層領域２１において、Ｆ１＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、Ｆ１が０．１６〜１．６０であり、溶接金属２０のうちの初層領域２１以外の１又は複数の層からなる他層領域２２の化学組成において、Ｆ２＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、Ｆ１＞Ｆ２を満たす。【選択図】図８
2020168639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接継手であって、
一対の母材と、
一対の前記母材の間に配置された溶接金属とを備え、
前記母材は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、
Ｎｉ：２０．００〜５０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜３．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜０．２０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜５．００％、
Ｗ：０〜５．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記溶接金属は、
前記溶接金属の延在方向に垂直な断面において、一対の前記母材の開先のルート面の間の領域を含む初層領域と、
前記初層領域以外の他層領域とを備え、
前記初層領域は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．１５０％、
Ｓｉ：０．８０％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、
Ｎｉ：２０．００〜８０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜３．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜０．５０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１５．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記初層領域において、Ｆ１＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、
Ｆ１が０．１６〜１．６０であり、
前記他層領域は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜２．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜１．００％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１２．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、
Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、
残部がＮｉ及び不純物からなり、
前記他層領域において、Ｆ２＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、
Ｆ１＞Ｆ２を満たす、
溶接継手。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接継手であって、
前記母材の前記化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜３．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜５．００％、
Ｗ：０．０１〜５．００％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、及び、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する、
溶接継手。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の溶接継手であって、
前記溶接金属の前記初層領域の前記化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜３．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１５．００％、
Ｗ：０．０１〜１５．００％
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％以下、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、及び、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する、
溶接継手。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の溶接継手であって、
前記溶接金属の前記他層領域の前記化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜２．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜１．００％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１５．００％、
Ｗ：０．０１〜１２．００％
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、及び、
Ｆｅ：０．０１〜２０．００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する、
溶接継手。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手であって、
前記母材は、長手方向に垂直な断面が円形状の管であり、
前記溶接金属は、前記母材の円周方向に延在する、
溶接継手。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の溶接継手であって、
前記溶接継手は、エチレンプラント用途の分解炉管の又は改質炉管である、
溶接継手。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の溶接継手の製造に用いられる溶接材料であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０〜０．２５０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜２．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜１．００％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１２．００％
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、
Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、
残部がＮｉ及び不純物からなる、
溶接材料。
【請求項８】
請求項７に記載の溶接材料であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｎｂ：０．０１〜２．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜１．００％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１２．００％、
Ｗ：０．０１〜１２．００％
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、及び、
Ｆｅ：０．０１〜２０．００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する、
溶接材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、溶接継手及び溶接材料に関し、さらに詳しくは、高温浸炭環境で使用される溶接継手、及び、その溶接継手の製造に用いられる溶接材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
エチレンプラントに代表される化学プラントに利用される合金材には、耐浸炭性及び耐コーキング性が求められる場合がある。たとえば、エチレンプラント用分解炉や改質炉は、ナフサ、プロパン、エタン等の炭化水素原料を８００℃以上の高温で分解又は改質して、エチレンやプロピレン等の石油化学基礎製品を製造する。以下、炭化水素ガスを含有し、温度が８００℃以上の雰囲気を、本明細書では、「高温浸炭環境」という。エチレンプラント用分解炉や改質炉には、溶接構造物が利用される。エチレンプラント用途の溶接構造物には、溶接継手が利用される。溶接継手は、合金管、合金板等の一対の母材と、一対の母材の間に配置される溶接金属とを備える。
【０００３】
上述のエチレンプラントで利用される炭化水素原料は、原料価格の観点から、ナフサからエタンへと代替されつつある。エタンはナフサと比較して、分解工程において硬質なコークを形成する。そのため、エチレンプラント用途の溶接継手には、高温浸炭環境での優れた耐浸炭性及び優れた耐コーキング性が求められる。
【０００４】
従来、エチレンプラント用途の鋼材として、特開昭５７−２３０５０号公報（特許文献１）に開示されているように、Ｓｉ含有量を５％以下とする、高Ｓｉ耐熱鋼材（Ｆｅ基合金）が利用されてきた。高Ｓｉ耐熱鋼材では、高温浸炭環境において、表面にＳｉ酸化皮膜が形成される。これにより、高Ｓｉ耐熱鋼材では、耐浸炭性及び耐コーキング性が高まる。しかしながら、最近では、より優れた耐浸炭性及び優れた耐コーキング性が求められる。
【０００５】
そこで、特開平４−３５８０３７号公報（特許文献２）及び特開平５−２３９５７７号公報（特許文献３）では、Ｆｅ基合金に代えて、Ｎｉ基合金とし、さらに、Ｓｉに代えてＡｌ含有量を高めた耐熱Ｎｉ基合金材が提案されている。特許文献２及び特許文献３では、Ｎｉ基合金材において、Ａｌ含有量を４．５〜１２％とする。これらの文献に開示された耐熱合金材では、高温浸炭環境において、Ａｌ2Ｏ3からなるアルミナ皮膜が表面に形成される。アルミナ皮膜はＳｉ酸化皮膜よりも強固で緻密である。そのため、アルミナ皮膜はＳｉ酸化皮膜よりも優れた耐浸炭性及び耐コーキング性を示す。特許文献２及び特許文献３ではさらに、特許文献１に開示されたＦｅをベースとするＦｅ基合金材に代えて、ＮｉをベースとするＮｉ基合金材を採用している。Ｎｉ基合金材では、高温浸炭環境において、合金中にガンマプライム相（γ’相：Ｎｉ3Ａｌ）が析出する。γ’相の析出により、Ｎｉ基合金材は析出強化され、高温浸炭環境において、高い高温クリープ強度を示す。
【０００６】
Ａｌ含有量の高いＮｉ基合金材は、高温浸炭環境での使用に適しており、高い高温クリープ強度、優れた耐浸炭性、及び、優れた耐コーキング性を有する。しかしながら、γ’相は、Ｎｉ基合金材の製造工程中の熱間加工工程においても析出する。γ’相は熱間加工性を下げてしまう。したがって、特許文献２及び特許文献３の耐熱合金材は、製造性が十分ではない。そこで、製造時においては熱間加工性を担保でき、高温浸炭環境での使用時においては優れた耐浸炭性、及び、優れた耐コーキング性を有する合金材が求められていた。
【０００７】
特開２０１８−００３０６４号公報（特許文献４）は、Ｎｉ基合金材に代えて、Ｆｅ基合金材であって、Ａｌ含有量を高めた耐熱合金材を提案する。特許文献４に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．７％、Ｓｉ：０．０１〜２．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１９％、Ｎｉ：２０〜４０％、Ａｌ：２．５超〜４．５％未満、Ｎｂ：０．０１〜３．５％、Ｎ：０．０３％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、鋼表面から２μｍ深さまでの範囲におけるＣｒ濃度ＣCr´及びＡｌ濃度ＣAl´は、母材のＣｒ濃度ＣCr及びＡｌ濃度ＣAlに対して、０．４≦（ＣCr´／ＣAl´）／（ＣCr／ＣAl）≦０．８を満たす。この文献のオーステナイト系ステンレス鋼は、優れた耐浸炭性及び優れた耐コーキング性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５７−２３０５０号公報
【特許文献２】特開平４−３５８０３７号公報
【特許文献３】特開平５−２３９５７７号公報
【特許文献４】特開２０１８−００３０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の特許文献１〜４では、高温浸炭環境用途の合金材が開示されている。しかしながら、上述のとおり、エチレンプラントでは、合金管や合金板が、溶接された溶接構造物として使用される。つまり、エチレンプラントの溶接構造物では、合金管や合金板からなる母材と、溶接金属とを備える溶接継手が使用される。溶接継手は、エチレンプラントの建設予定地、又は、エチレンプラントの所在地等で、母材を溶接して製造される場合がある。そのような場合であっても、溶接継手の溶接金属において、溶接時における割れが抑制される方が好ましい。
【００１０】
本開示の目的は、溶接時における溶接金属の割れを抑制できる、溶接継手、及びその溶接継手を製造するための溶接材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示による溶接継手は、
一対の母材と、
一対の前記母材の間に配置された溶接金属とを備え、
前記母材は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、
Ｎｉ：２０．００〜５０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜３．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜０．２０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜５．００％、
Ｗ：０〜５．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記溶接金属は、
前記溶接金属の延在方向に垂直な断面において、一対の前記母材の開先のルート面の間の領域を含む初層領域と、
前記初層領域以外の他層領域とを備え、
前記初層領域は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．１５０％、
Ｓｉ：０．８０％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、
Ｎｉ：２０．００〜８０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜３．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜０．５０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１５．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記初層領域において、Ｆ１＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、
Ｆ１が０．１６〜１．６０であり、
前記他層領域は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜２．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜１．００％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１２．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、
Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、
残部がＮｉ及び不純物からなり、
前記他層領域において、Ｆ２＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、
Ｆ１＞Ｆ２を満たす。
【００１２】
本開示による溶接材料は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０〜０．２５０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜２．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜１．００％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１２．００％
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、
Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、
残部がＮｉ及び不純物からなる。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の溶接継手は、溶接時における溶接金属の割れを抑制できる。本開示の溶接材料は、本開示の溶接継手の製造に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態の溶接継手の一例を示す平面図である。
【図２】図２は、図１の溶接継手を溶接金属幅方向で切断した断面図である。
【図３】図３は、図１の溶接継手を溶接金属延在方向で切断した断面図である。
【図４】図４は、図３と異なる、図１の溶接継手を溶接金属延在方向で切断した断面図である。
【図５】図５は、本実施形態の溶接継手の一対の母材の開先形状を示す図である。
【図６】図６は、図５と異なる、本実施形態の溶接継手の一対の母材の開先形状を示す図である。
【図７】図７は、図５及び図６と異なる、本実施形態の溶接継手の一対の母材の開先形状を示す図である。
【図８】図８は、図５のＶ形開先を有する母材を備える溶接継手の、溶接金属延在方向に垂直な断面図である。
【図９】図９は、図６のＵ形開先を有する母材を備える溶接継手の、溶接金属延在方向に垂直な断面図である。
【図１０】図１０は、図７のＸ形開先を有する母材を備える溶接継手の、溶接金属延在方向に垂直な断面図である。
【図１１】図１１は、溶接金属の初層領域の化学組成と他層領域の化学組成の分析位置を説明するための図である。
【図１２】図１２は、実施例で用いた母材の形状を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例において、拘束板上に配置された一対の母材、及び多層盛り溶接により形成された初層領域及び溶接金属を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、高温浸炭環境で使用可能である、つまり、耐浸炭性及び耐コーキング性に優れた溶接継手の検討を行った。
【００１６】
溶接継手のうち、母材としては、特許文献４に類似するＦｅ基合金からなる母材を用いるのが適切であると、本発明者らは考えた。より具体的には、溶接継手の母材の化学組成を、質量％で、Ｃ：０．０１０〜０．２５０％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、Ｎｉ：２０．００〜５０．００％、Ａｌ：２．５０〜４．５０％、Ｎ：０．０５０％以下、Ｎｂ：０〜３．００％、Ｃｕ：０〜５．００％、Ｔｉ：０〜０．２０％、Ｚｒ：０〜０．１０％、Ｍｏ：０〜５．００％、Ｗ：０〜５．００％、Ｂ：０〜０．００５０％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｃａ：０〜０．０２０％、Ｍｇ：０〜０．０２０％、希土類元素：０〜０．１００％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成とすることが適切であると考えた。
【００１７】
なお、本明細書において、Ｆｅ基合金とは、Ｆｅ含有量が質量％で２４．００％以上であり、Ｎｉ含有量が質量％で５０．００％以下である合金を意味する。
【００１８】
次に、溶接継手の溶接金属の検討を行った。通常、溶接継手を製造する場合、溶接金属の化学組成を、母材に近い化学組成とする。そこで、本発明者らは、母材をＦｅ基合金とする場合、母材に近い化学組成のＦｅ基合金からなる溶接材料を用いて、溶接継手を形成するのが適切と考えた。
【００１９】
しかしながら、Ｆｅ基合金からなる溶接材料を用いて多層盛り溶接により溶接継手を製造した結果、次の問題が生じることが判明した。
【００２０】
上述の化学組成を有する母材では、表面にアルミナ皮膜が形成される。このアルミナ皮膜が、耐浸炭性及び耐コーキング性を高める。しかしながら、母材と同様のＦｅ基合金からなる溶接材料を用いて多層盛り溶接を実施して溶接金属を形成した場合、母材と同様のアルミナ皮膜が溶接金属に十分に形成されない。この理由は定かではないが、次の理由が考えられる。多層盛り溶接時に多量の酸素が溶接金属内に入り込む。そのため、Ａｌ2Ｏ3が生成する前に、Ｃｒ2Ｏ3が優先して生成する。その結果、溶接金属の表面にはアルミナ皮膜よりもポーラスなクロミア皮膜が生成する。Ｆｅ基合金材の場合、クロミア皮膜では十分な耐浸炭性及び耐コーキング性が得られない。
【００２１】
さらに、Ｆｅ基合金からなる溶接金属の場合、溶接時における熱膨張及び熱収縮による残留応力が発生しやすい。特に、多層盛り溶接の場合、引張残留応力が大きくなる。そのため、Ｆｅ基合金からなる溶接金属の場合、引張残留応力に起因した凝固割れが発生しやすくなる。
【００２２】
そこで、本発明者らは、従来の発想とは異なるアプローチの溶接継手として、Ｆｅ基合金からなる母材に対して、Ｎｉ基合金からなる溶接材料を用いて溶接金属を形成することを考えた。
【００２３】
ここで、本明細書において、Ｎｉ基合金とは、Ｎｉ含有量が質量％で４０．００％以上であり、かつ、Ｆｅ含有量が質量％で２０．００％未満である合金を意味する。
【００２４】
具体的には、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．２５０％未満、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、Ａｌ：２．５０〜４．５０％、Ｎ：０．０５０％以下、Ｎｂ：０〜２．００％、Ｃｕ：０〜５．００％、Ｔｉ：０〜１．００％、Ｚｒ：０〜０．１０％、Ｍｏ：０〜１５．００％、Ｗ：０〜１２．００％、Ｂ：０〜０．００５０％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｃａ：０〜０．０２０％、Ｍｇ：０〜０．０２０％、希土類元素：０〜０．１００％、Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、残部がＮｉ及び不純物からなる、Ａｌ含有量の高いＮｉ基合金材からなる溶接材料を用いて、多層盛り溶接により、溶接金属を製造する。Ｎｉ基合金材の場合、Ｆｅ基合金材と比較して、浸炭源となるＣの解離吸着反応を抑制する。そのため、Ｆｅ基合金と比較して、耐浸炭性及び耐コーキング性を高めることができる。さらに、溶接金属に対して熱間圧延が実施されることはないため、γ’相の生成による熱間加工性への影響を考慮する必要がない。したがって、上述の化学組成を有するＦｅ基合金からなる母材と、上述の化学組成を有するＮｉ基合金からなる溶接材料を用いて多層盛り溶接により形成された溶接金属とを備えた溶接継手は、高温浸炭環境に適すると考えられる。
【００２５】
しかしながら、上述の化学組成を有するＦｅ基合金からなる母材に対して、上述の化学組成を有するＮｉ基合金からなる溶接材料を用いて多層盛り溶接により溶接金属を形成した場合、溶接金属に、再熱割れが発生することがわかった。そこで、本発明者らは、再熱割れが発生する原因について調査及び検討を行った。その結果、本発明者らは、次の知見を得た。
【００２６】
多層盛り溶接において、最初に溶接して形成される層を「初層領域」と定義する。初層領域以降に形成される１又は複数の層を「他層領域」と定義する。多層盛り溶接の場合、初層領域は、他層領域と比較して、最も多くの熱履歴（多層盛り溶接による入熱及び抜熱の繰り返し回数）を受ける。そのため、Ｎｉ基合金からなる溶接材料を用いて溶接金属を形成した場合、特に、初層領域において、γ’相が多く析出しやすい。γ’相は析出強化により合金材の強化するものの、溶接時における高温での変形能を低下する。その結果、再熱割れが発生する。
【００２７】
さらに、多層盛り溶接の場合、初層領域では、他層領域と比較して、引張残留応力が大きい。初層領域は最初の溶接により形成される層であり、溶接時の凝固過程において、他層領域が存在しない。そのため、凝固過程において残留応力が初層領域以外の他の領域（他層領域）に分散されることがない。そのため、初層領域に係る残留応力が大きくなる。その結果、凝固割れが初層領域で発生しやすい。
【００２８】
以上の知見に基づいて、本発明者らは、溶接金属の初層領域と、初層領域以外の他層領域とで、異なる化学組成にするという、従来とは全く異なるアプローチを試みた。具体的には、溶接金属の初層領域以外の他層領域では、上述の溶接材料と同じ化学組成（Ｎｉ基合金）とする。一方、溶接金属の初層領域では、γ’相の生成による再熱割れを抑制するために、溶接時において、他層領域よりもγ’相が析出しにくい化学組成とする。具体的には、初層領域では、他層領域と比較して、Ｎｉ含有量に対するＦｅ含有量の比率（つまり、Ｆｅ／Ｎｉ）を高くする。Ｎｉ含有量に対してＦｅ含有量の比率を高めた場合、つまり、Ｆｅ／Ｎｉを高めた場合、平衡状態での自由エネルギーの観点では、γ’相に代えて、β相（ＦｅＡｌ）が生成しやすくなる。しかしながら、γ’相は母相と近い結晶構造を有している。そのため、γ’相は整合析出して硬化しやすい。これに対して、β相は母相と異なる結晶構造のため、γ’相と比較すると、整合析出しにくい。したがって、Ｆｅ／Ｎｉを高めて、平衡状態においてγ’相生成領域からβ相生成領域に化学組成をシフトすれば、γ’相の析出が抑えられる。さらにこの場合、β相はそもそも非整合析出する。そのため、β相の析出までの潜伏期間が長く、溶接中での析出量が抑制され、かつ、析出した場合の硬化能も小さい。したがって、これらの金属間化合物の析出に起因した再熱割れを抑制できる。その結果、初層領域において、多層盛り溶接に起因した、割れの発生を抑制できると考えられる。
【００２９】
以上の検討結果に基づいて、本発明者は、多層盛り溶接での初層領域の形成時において、上述の化学組成を有するＦｅ基合金からなる母材の一部を初層領域に溶け込ませて、他層領域と比較して、初層領域でのＦｅ／Ｎｉを高めれば、溶接継手での割れを抑制できると考えた。そして、初層領域でのＦｅ／Ｎｉについて検討した結果、初層領域において、Ｆ１＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、初層領域の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０１０〜０．１５０％、Ｓｉ：０．８０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、Ｎｉ：２０．００〜８０．００％、Ａｌ：２．５０〜４．５０％、Ｎ：０．０５０％以下、Ｎｂ：０〜３．００％、Ｃｕ：０〜５．００％、Ｔｉ：０〜０．５０％、Ｚｒ：０〜０．１０％、Ｍｏ：０〜１５．００％、Ｗ：０〜１５．００％、Ｂ：０〜０．００５０％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｃａ：０〜０．０２０％、Ｍｇ：０〜０．０２０％、希土類元素：０〜０．１００％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなり、Ｆ１＝Ｆｅ／Ｎｉが０．１６以上であれば、溶接時において、γ’相の析出を抑えることができ、再熱割れが抑制できることを見出した。
【００３０】
一方で、検討の結果、Ｆ１が過剰に高すぎれば、初層領域においてＮｉ含有量に対するＦｅ含有量の割合が過剰に高くなり、その結果、凝固割れが発生することが判明した。Ｆｅ含有量の割合が過剰に高くなった場合、オーステナイトの安定性が低下する。オーステナイトでは、Ｐ及びＳは粒内で固溶されるが、オーステナイトの安定性が低下して、フェライトの安定性が高まった場合、Ｐ及びＳは粒内から粒界に吐き出されやすい。その結果、粒界にＰ及びＳが偏析して、凝固割れが発生したと考えられる。
【００３１】
以上の知見に基づいて、本発明者らはさらに、初層領域におけるＦ１の上限について検討を行った。その結果、Ｆ１が１．６０以下であれば、多層盛り溶接時において、溶接金属の再熱割れ及び凝固割れを抑制できることを見出した。
【００３２】
以上のとおり、本実施形態の溶接継手は、従前とは異なるアプローチにより完成したものであって、以下の構成を備える。
【００３３】
［１］の溶接継手は、
一対の母材と、
一対の前記母材の間に配置された溶接金属とを備え、
前記母材は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、
Ｎｉ：２０．００〜５０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜３．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜０．２０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜５．００％、
Ｗ：０〜５．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記溶接金属は、
前記溶接金属の延在方向に垂直な断面において、一対の前記母材の開先のルート面の間の領域を含む初層領域と、
前記初層領域以外の他層領域とを備え、
前記初層領域は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．１５０％、
Ｓｉ：０．８０％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％、
Ｎｉ：２０．００〜８０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜３．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜０．５０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１５．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記初層領域において、Ｆ１＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、
Ｆ１が０．１６〜１．６０であり、
前記他層領域は、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜２．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜１．００％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１２．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、
Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、
残部がＮｉ及び不純物からなり、
前記他層領域において、Ｆ２＝Ｆｅ／Ｎｉと定義したとき、
Ｆ１＞Ｆ２を満たす。
【００３４】
［２］の溶接継手は、［１］に記載の溶接継手であって、
前記母材の前記化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜３．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜５．００％、
Ｗ：０．０１〜５．００％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、及び、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する。
【００３５】
［３］の溶接継手は、［１］又は［２］に記載の溶接継手であって、
前記溶接金属の前記初層領域の前記化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜３．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１５．００％、
Ｗ：０．０１〜１５．００％
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％以下、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、及び、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する。
【００３６】
［４］の溶接継手は、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の溶接継手であって、
前記溶接金属の前記他層領域の前記化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜２．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜１．００％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１５．００％、
Ｗ：０．０１〜１２．００％
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、及び、
Ｆｅ：０．０１〜２０．００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する。
【００３７】
［５］の溶接継手は、［１］〜［４］のいずれか１項に記載の溶接継手であって、
前記母材は、長手方向に垂直な断面が円形状の管であり、
前記溶接金属は、前記母材の円周方向に延在する。
【００３８】
［６］の溶接継手は、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の溶接継手であって、
前記溶接継手は、エチレンプラント用途の分解炉管の又は改質炉管である。
【００３９】
［７］の溶接材料は、［１］〜［６］のいずれか１項に記載の溶接継手の製造に用いられる溶接材料であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３０〜０．２５０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜２．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜１．００％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１２．００％
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、
Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、
残部がＮｉ及び不純物からなる。
【００４０】
［８］の溶接材料は、［７］に記載の溶接材料であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｎｂ：０．０１〜２．００％、
Ｃｕ：０．０１〜５．００％、
Ｔｉ：０．０１〜１．００％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１０％、
Ｍｏ：０．０１〜１２．００％、
Ｗ：０．０１〜１２．００％
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｃａ：０．００１〜０．０２０％、
Ｍｇ：０．００１〜０．０２０％、
希土類元素：０．００１〜０．１００％、及び、
Ｆｅ：０．０１〜２０．００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する。
【００４１】
以下、本実施形態に溶接継手について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００４２】
［本実施形態の溶接継手の用途について］
本実施形態の溶接継手は、高温浸炭環境での使用に適する。ここで、本明細書において、「高温浸炭環境」とは、炭化水素ガスを含有し、温度が８００℃以上の雰囲気を意味する。高温浸炭環境の上限は特に限定されないが、たとえば、１３００℃である。本実施形態の溶接継手は、化学プラント、特に、エチレンプラント用途に適する。本実施形態の溶接継手はたとえば、エチレンプラント用途の分解炉管、又は、改質炉管として好適である。なお、本実施形態の溶接継手は、高温浸炭環境以外の他の環境で使用されてもよい。たとえば、化学プラント設備と同様に高温環境となる火力発電ボイラ設備（たとえばボイラチューブ等）にも、本実施形態の溶接継手は当然に使用可能である。
【００４３】
［本実施形態の溶接継手の構成について］
図１は、本実施形態の溶接継手１の一例を示す平面図である。図１を参照して、本実施形態による溶接継手１は、一対の母材１０と、溶接金属２０とを備える。溶接金属２０は、一対の母材１０の間に配置されている。溶接金属２０は、一対の母材１０の間に配置され、一対の母材１０とつながっている。
【００４４】
具体的には、一対の母材１０は、端部が開先加工されている。溶接金属２０は、端部が開先加工された一対の母材１０の端部同士を付き合わせた後、多層盛り溶接を実施して形成される。多層盛り溶接はたとえば、ティグ溶接（Ｇａｓ  Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＧＴＡＷ）、被覆アーク溶接（Ｓｈｉｅｌｄｅｄ  Ｍｅｔａｌ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＳＭＡＷ）、フラックス入りワイヤアーク溶接（Ｆｌｕｘ  Ｃｏｒｅｄ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＦＣＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（Ｇａｓ  Ｍｅｔａｌ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＧＭＡＷ）、サブマージアーク溶接（Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＳＡＷ）である。
【００４５】
図１において、溶接金属２０が延在する方向を溶接金属延在方向Ｌと定義し、平面視における溶接金属延在方向Ｌと垂直な方向を溶接金属幅方向Ｗと定義し、溶接金属延在方向Ｌ及び溶接金属幅方向Ｗと垂直な方向を溶接金属厚さ方向Ｔと定義する。図２は、図１の溶接継手１を溶接金属幅方向Ｗで切断した断面図である。図１及び図２に示すとおり、溶接金属２０は、一対の母材１０の間に配置されている。
【００４６】
図３は、図１の溶接継手１を溶接金属延在方向Ｌで切断した断面図であり、図４は、図３と異なる、溶接継手１を溶接金属延在方向Ｌで切断した断面図である。図３に示すとおり、母材１０は板材であってもよい。また、図４に示すとおり、母材１０の長手方向に垂直な断面は円状の管であってもよい。図示しないが、母材１０は棒鋼や形鋼であってもよい。以下、溶接継手１の母材１０及び溶接金属２０について説明する。
【００４７】
［母材１０の化学組成について］
本実施形態の溶接継手１の母材１０の化学組成は、次の元素を含有する。
【００４８】
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％
炭素（Ｃ）は、Ｃｒと結合して母材中にＣｒ炭化物を形成し、高温浸炭環境での母材１０の高温クリープ強度を高める。Ｃ含有量が０．０１０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．２５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｃｒ炭化物が過剰に生成し、母材１０の表面にＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化皮膜（アルミナ皮膜という）が十分に生成しない。そのため、高温浸炭環境において、耐浸炭性が十分に得られない。Ｃ含有量が０．２５０％を超えればさらに、鋳造後の母材１０において、粗大な共晶炭化物が生成する。この場合、母材１０の靱性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０１０〜０．２５０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０４５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２２０％であり、さらに好ましくは０．２００％であり、さらに好ましくは０．１５０％であり、さらに好ましくは、０．１００％である。
【００４９】
Ｓｉ：１．００％以下
シリコン（Ｓｉ）は不可避に含有される。つまり、Ｓｉ含有量は０％超である。Ｓｉは、製鋼工程において、母材１０を脱酸する。Ｓｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は１．００％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．７０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
【００５０】
Ｍｎ：１．００％以下
マンガン（Ｍｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｍｎ含有量は０％超である。Ｍｎは、母材１０中のＳと結合してＭｎＳを形成し、母材１０の熱間加工性を高める。Ｍｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｎ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の硬さが高くなりすぎる。この場合、母材１０の熱間加工性及び溶接性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００％以下である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
【００５１】
Ｐ：０．０４０％以下
燐（Ｐ）は不可避に含有される。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐは、母材１０の溶接性及び熱間加工性を低下する。Ｐ含有量が０．０４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の溶接性及び熱間加工性が十分に得られない。したがって、Ｐ含有量は０．０４０％以下である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は、母材１０の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
【００５２】
Ｓ：０．０１００％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓは、母材１０の溶接性及び熱間加工性を低下する。Ｓ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の溶接性及び熱間加工性が十分に得られない。したがって、Ｓ含有量は０．０１００％以下である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、母材１０の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００５０％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。
【００５３】
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％
クロム（Ｃｒ）は、高温浸炭環境での使用時において、アルミナ皮膜の生成を促進する。Ｃｒはさらに、母材１０中のＣと結合して鋼中にＣｒ炭化物を形成し、母材１０の高温クリープ強度を高める。Ｃｒ含有量が１０．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が２７．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温浸炭環境において、母材１０のＣｒが雰囲気ガス（炭化水素ガス）由来のＣと結合し、母材１０の表面にＣｒ炭化物を過剰に多く生成する。これにより、母材１０の表面の固溶Ｃｒが局所的に欠乏する。そのため、母材１０の表面において、アルミナ皮膜の形成が十分に促進されず、母材１０の表面にアルミナ皮膜が均一に形成されない。Ｃｒ含有量が２７．００％を超えればさらに、上述のＣｒ炭化物が、均一なアルミナ皮膜の形成を物理的に阻害する。したがって、Ｃｒ含有量は１０．００〜２７．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１１．００％であり、さらに好ましくは１２．００％であり、さらに好ましくは１３．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は２６．００％であり、さらに好ましくは２５．００％であり、さらに好ましくは２４．００％であり、さらに好ましくは２３．００％である。
【００５４】
Ｎｉ：２０．００〜５０．００％
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイトを安定化させ、母材１０の高温クリープ強度を高める。Ｎｉはさらに、母材１０の耐浸炭性を高める。Ｎｉ含有量が２０．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が５０．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ａｌを含有する金属間化合物（たとえば、γ’相）が過剰に多く生成して、母材１０の高温クリープ強度及び熱間加工性が著しく低下する。したがって、Ｎｉ含有量は２０．００〜５０．００％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は２１．００％であり、さらに好ましくは２１．５０％であり、さらに好ましくは２２．００％であり、さらに好ましくは２２．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は４５．００％であり、さらに好ましくは４０．００％であり、さらに好ましくは３５．００％であり、さらに好ましくは３０．００％である。
【００５５】
Ａｌ：２．５０〜４．５０％
アルミニウム（Ａｌ）は、母材１０の表面にアルミナ皮膜を形成する。Ａｌの酸化物であるＡｌ2Ｏ3は、Ｃｒ2Ｏ3よりも熱力学的に安定である。そのため、高温浸炭環境において、母材表面にＣｒ2Ｏ3を主体とする酸化皮膜ではなく、アルミナ皮膜を形成すれば、高温浸炭環境における溶接継手の耐浸炭性を高めることができる。Ａｌ含有量が２．５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が４．５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、製造工程中において、Ａｌを含有する粗大な金属間化合物（たとえば、γ’相）が過剰に多く生成して、母材１０の高温クリープ強度及び熱間加工性を低下する。したがって、Ａｌ含有量は２．５０〜４．５０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は２．５５％であり、さらに好ましくは２．６０％であり、さらに好ましくは２．６５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は４．４５％であり、さらに好ましくは４．４０％であり、さらに好ましくは４．３５％であり、さらに好ましくは４．３０％であり、さらに好ましくは４．２５％である。本実施形態の母材の化学組成において、Ａｌ含有量は、母材１０中に含有する全Ａｌ量（Ｔｏｔａｌ  Ａｌ含有量）を意味する。
【００５６】
Ｎ：０．０５０％以下
窒素（Ｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｎ含有量は０％超である。Ｎは、オーステナイトを安定化する。Ｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎ含有量が０．０５０％を超えれば、母材１０中に粗大な窒化物及び／又は炭窒化物が生成し、母材１０の靱性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０５０％以下である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、０．０２０％である。
【００５７】
本実施形態の母材１０の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、本実施形態の母材１０を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の母材１０に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００５８】
［任意元素について］
本実施形態の溶接継手１の母材１０の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ及びＶからなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、いずれも母材１０の高温クリープ強度を高める。
【００５９】
Ｎｂ：０〜３．００％
ニオブ（Ｎｂ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｂは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相（Ｆｅ2（Ｎｂ、Ｗ））及び／又はガンマダブルプライム相（Γ’’相（Ｎｉ3Ｎｂ））に代表される金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、母材１０の高温クリープ強度を高める。しかしながら、Ｎｂ含有量が３．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、母材１０の靱性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜３．００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は２．５０％であり、さらに好ましくは２．００％であり、さらに好ましくは１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％である。
【００６０】
Ｃｕ：０〜５．００％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕはオーステナイトを安定化する。Ｃｕはさらに、析出強化により母材１０の常温での強度、及び、高温クリープ強度を高める。Ｃｕ含有量が少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の延性及び熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜５．００％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は４．００％であり、さらに好ましくは３．５０％であり、さらに好ましくは３．００％であり、さらに好ましくは２．５０％である。
【００６１】
Ｔｉ：０〜０．２０％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔｉは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相（Ｆｅ2Ｔｉ）及び／又はＮｉ3Ｔｉに代表される金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、高温浸炭環境において、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、母材１０の高温クリープ強度を高める。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、母材１０の靱性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．２０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、好ましくは０．１２％である。
【００６２】
Ｚｒ：０〜０．１０％
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｚｒ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｚｒは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相等の金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、高温浸炭環境において、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、母材１０の高温クリープ強度を高める。Ｚｒが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．１０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、母材１０の靱性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０〜０．１０％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．０９％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、好ましくは０．０７％である。
【００６３】
Ｍｏ：０〜５．００％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｏは、母相であるオーステナイトに固溶して、固溶強化により、母材１０の高温クリープ強度を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の熱間加工性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜５．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は４．００％であり、さらに好ましくは３．５０％であり、さらに好ましくは３．００％であり、さらに好ましくは２．５０％である。
【００６４】
Ｗ：０〜５．００％
タングステン（Ｗ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗは、母材１０の母相であるオーステナイトに固溶して、固溶強化により、母材１０のクリープ強度を高める。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｗ含有量が５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の熱間加工性が低下する。したがって、Ｗ含有量は０〜５．００％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｗ含有量の好ましい上限は４．００％であり、さらに好ましくは３．００％であり、さらに好ましくは２．００％であり、さらに好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．１８％であり、さらに好ましくは０．１６％である。
【００６５】
Ｂ：０〜０．００５０％
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｂは結晶粒界に偏析して、高温浸炭環境において、結晶粒界での金属間化合物の析出を促進する。これにより、母材１０の高温クリープ強度を高める。Ｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の溶接性及び熱間加工性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．００５０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％である。
【００６６】
Ｖ：０〜０．５０％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは、Ｔｉと同様に金属間化合物を形成し、母材１０の高温クリープ強度を高める。しかしながら、Ｖ含有量が０．５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、母材１０の熱間加工性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．５０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
【００６７】
本実施形態の母材１０の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えてＣａ、Ｍｇ及び希土類元素（ＲＥＭ）からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、母材１０の熱間加工性を高める。
【００６８】
Ｃａ：０〜０．０２０％
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは、Ｓを硫化物として固定して、母材１０の熱間加工性を高める。Ｃａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材１０の靱性及び熱間加工性が低下する。Ｃａ含有量が０．０２０％を超えればさらに、母材１０の清浄性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０２０％である。Ｃａの好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１６％であり、さらに好ましくは０．０１４％である。
【００６９】
Ｍｇ：０〜０．０２０％
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは、Ｓを硫化物として固定して、母材１０の熱間加工性を高める。Ｍｇが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．０２０％を超えれば、母材１０の靱性及び熱間加工性が低下する。Ｍｇ含有量が０．０２０％を超えればさらに、母材１０の清浄性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０〜０．０２０％である。Ｍｇの好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１６％であり、さらに好ましくは０．０１４％である。
【００７０】
希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．１００％
希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、ＲＥＭ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＲＥＭは、Ｓを硫化物として固定し、母材１０の熱間加工性を高める。ＲＥＭはさらに、酸化物を形成して、母材１０の耐食性、高温クリープ強度、及び、高温クリープ延性を高める。ＲＥＭが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、ＲＥＭ含有量が０．１００％を超えれば、酸化物等の介在物が過剰に多くなり、母材１０の熱間加工性及び溶接性が低下する。したがって、ＲＥＭ含有量は０〜０．１００％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、更に好ましくは０．００４％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。
【００７１】
本明細書において、ＲＥＭとは、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称である。本実施形態の合金（母材１０、溶接金属２０の初層領域２１、他層領域２２）に含有されるＲＥＭがこれらの元素のうち１種である場合、ＲＥＭ含有量は、含有されている元素の含有量を意味する。本実施形態に含有されるＲＥＭが２種以上である場合、ＲＥＭ含有量は、それらの元素の総含有量を意味する。ＲＥＭは、一般的にミッシュメタルに含有される。たとえば、製鋼工程において、ミッシュメタルを合金に添加して、ＲＥＭ含有量が上記の範囲となるように調整してもよい。
【００７２】
［溶接金属２０について］
図５〜図７は、本実施形態の溶接継手１の一対の母材１０の開先形状の一例を示す図である。図５はＶ形開先であり、図６はＵ形開先であり、図７はＸ形開先である。図８は、図５のＶ形開先を有する母材１０を備える溶接継手１の、溶接金属延在方向Ｌに垂直な断面図である。図９は、図６のＵ形開先を有する母材１０を備える溶接継手１の、溶接金属延在方向Ｌに垂直な断面図である。図１０は、図７のＸ形開先を有する母材１０を備える溶接継手１の、溶接金属延在方向Ｌに垂直な断面図である。
【００７３】
図８〜図１０を参照して、溶接金属２０は、一対の母材１０の開先１０Ｅの間に形成されている。溶接金属２０は、初層領域２１と、初層領域２１以外の１又は複数の層からなる他層領域２２とを備える。つまり、溶接金属２０は多層盛り溶接により形成されている。図８〜図１０に示すような、溶接金属２０の延在方向（溶接金属延在方向Ｌ）に垂直な溶接継手１の断面において、溶接金属２０の各層は、王水（濃塩酸と濃硝酸とを３：１の体積比で混合した溶液）でエッチングすることにより、その境界ＢＯが明確に現出する。したがって、初層領域２１と、他層領域２２とは明確に区分可能である。
【００７４】
図８に示すように、溶接金属２０の延在方向（溶接金属延在方向Ｌ）に垂直な溶接継手１の断面において、溶接金属２０の複数の層のうち、ルート面ＲＴの間に形成されている層を「初層領域」２１と定義する。上述のとおり、溶接金属２０のうち、初層領域２１以外の１又は複数の層を「他層領域」２２と定義する。図８では、溶接金属２０は、初層領域２１と、第２層２２２、第３層２２３、第４層２２４、第５層２２５、第６層２２６とからなる。第２層２２２〜第６層２２６が、他層領域２２に相当する。図８に示すとおり、溶接金属２０の延在方向（溶接金属延在方向Ｌ）に垂直な断面において、一対の母材１０の開先１０Ｅのルート面ＲＴの間の領域を含む層を、初層領域２１と定義することができる。
【００７５】
本実施形態の溶接継手１の溶接金属２０では、初層領域２１と、他層領域２２とで化学組成が異なる。以下、初層領域２１の化学組成と他層領域２２の化学組成とについて説明する。
【００７６】
［初層領域２１の化学組成について］
溶接金属２０の初層領域２１の化学組成は、次の元素を含有する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００７７】
Ｃ：０．０１０〜０．１５０％
炭素（Ｃ）は、Ｃｒと結合して合金中にＣｒ炭化物を形成し、高温浸炭環境での溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｃ含有量が０．０１０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．１５０％を超えれば、粗大な共晶炭化物が生成する。この場合、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０１０〜０．１５０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０４５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．１２０％であり、さらに好ましくは０．１００％であり、さらに好ましくは０．０９０％である。
【００７８】
Ｓｉ：０．８０％以下
シリコン（Ｓｉ）は不可避に含有される。つまり、Ｓｉ含有量は０％超である。Ｓｉは、溶接金属２０を脱酸する。Ｓｉはさらに、溶接金属２０の酸化皮膜を強化して、耐浸炭性及び耐コーキング性を高める。Ｓｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の高温割れ感受性が高まり、溶接時において、凝固割れや再熱割れが発生する。したがって、Ｓｉ含有量は０．８０％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．７０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
【００７９】
Ｍｎ：１．００％以下
マンガン（Ｍｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｍｎ含有量は０％超である。Ｍｎは、溶接金属２０を脱酸する。Ｍｎはさらに、溶接金属２０中のＳと結合してＭｎＳを形成し、溶接金属２０の凝固割れ及び再熱割れを抑制する。Ｍｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｎ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の酸化皮膜の安定性が低下して、溶接金属２０の耐食性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００％以下である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
【００８０】
Ｐ：０．０４０％以下
燐（Ｐ）は不可避に含有される。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐは、溶接金属２０の溶接性を低下し、凝固割れを発生させる。Ｐ含有量が０．０４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の溶接性が低下し、凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｐ含有量は０．０４０％以下である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は、溶接金属２０の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
【００８１】
Ｓ：０．０１００％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓは、溶接金属２０の溶接性を低下し、凝固割れを発生させる。Ｓ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の溶接性が低下し、凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｓ含有量は０．０１００％以下である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、溶接金属２０の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００５０％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。
【００８２】
Ｃｒ：１０．００〜２７．００％
クロム（Ｃｒ）は、高温浸炭環境での使用時において、酸化皮膜を形成して、溶接金属２０の耐浸炭性及び耐コーキング性を高める。Ｃｒ含有量が１０．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が２７．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温浸炭環境において、溶接金属２０の相安定性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１０．００〜２７．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１１．００％であり、さらに好ましくは１２．００％であり、さらに好ましくは１３．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は２６．００％であり、さらに好ましくは２５．００％であり、さらに好ましくは２４．００％であり、さらに好ましくは２３．００％である。
【００８３】
Ｎｉ：２０．００％〜８０．００％
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイトを安定化させ、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｎｉはさらに、溶接金属２０の耐浸炭性を高める。Ｎｉ含有量が２０．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が８０．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、γ’相が過剰に多く生成して、溶接金属２０の靱性が顕著に低下する。したがって、Ｎｉ含有量は２０．００％〜８０．００％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は２５．００％であり、さらに好ましくは２８．００％であり、さらに好ましくは３０．００％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は７８．００％であり、さらに好ましくは７０．００％であり、さらに好ましくは６５．００％であり、さらに好ましくは６２．００％である。
【００８４】
Ａｌ：２．５０％〜４．５０％
アルミニウム（Ａｌ）は、溶接金属２０の表面にアルミナ皮膜を形成し、高温浸炭環境における溶接金属２０の耐浸炭性を高める。Ａｌ含有量が２．５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が４．５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、製造工程中において、γ’相等が過剰に多く生成して、溶接金属２０の高温クリープ強度及び溶接性を低下する。したがって、Ａｌ含有量は２．５０％〜４．５０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は２．５５％であり、さらに好ましくは２．６０％であり、さらに好ましくは２．６５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は４．４５％であり、さらに好ましくは４．４０％であり、さらに好ましくは４．３５％であり、さらに好ましくは４．３０％であり、さらに好ましくは４．２５％である。本実施形態の初層領域２１の化学組成において、Ａｌ含有量は、全Ａｌ量（Ｔｏｔａｌ  Ａｌ含有量）を意味する。
【００８５】
Ｎ：０．０５０％以下
窒素（Ｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｎ含有量は０％超である。Ｎは、固溶強化及び析出強化により溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎ含有量が０．０５０％を超えれば、溶接時にブローホールが発生する。したがって、Ｎ含有量は０．０５０％以下である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、０．０２０％である。
【００８６】
本実施形態の溶接金属２０の初層領域２１の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、初層領域２１を溶接により形成する際に、溶接材料や母材１０等から混入されるものであって、初層領域２１に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００８７】
［任意元素について］
本実施形態の溶接金属２０の初層領域２１の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ及びＶからなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、いずれも溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。
【００８８】
Ｎｂ：０〜３．００％
ニオブ（Ｎｂ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｂは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相及び／又はガンマダブルプライム相（Γ’’相）に代表される金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。しかしながら、Ｎｂ含有量が３．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜３．００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は２．５０％であり、さらに好ましくは２．００％であり、さらに好ましくは１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％である。
【００８９】
Ｃｕ：０〜５．００％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは析出強化により溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｃｕ含有量が少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０において凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｃｕ含有量は０〜５．００％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は４．００％であり、さらに好ましくは３．５０％であり、さらに好ましくは３．００％であり、さらに好ましくは２．５０％である。
【００９０】
Ｔｉ：０〜０．５０％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔｉは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相（Ｆｅ2Ｔｉ）及び／又はＮｉ3Ｔｉに代表される金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、高温浸炭環境において、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．５０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．４０％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、好ましくは０．２０％である。
【００９１】
Ｚｒ：０〜０．１０％
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｚｒ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｚｒは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相等の金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、高温浸炭環境において、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｚｒが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．１０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０〜０．１０％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．０９％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、好ましくは０．０７％である。
【００９２】
Ｍｏ：０〜１５．００％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｏは、母相であるオーステナイトに固溶して、固溶強化により、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が１５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の高温での変形能が低下し、凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｍｏ含有量は０〜１５．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは１．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は１２．５０％であり、さらに好ましくは１０．００％であり、さらに好ましくは７．００％であり、さらに好ましくは５．００％である。
【００９３】
Ｗ：０〜１５．００％
タングステン（Ｗ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗは、母相であるオーステナイトに固溶して、固溶強化により、溶接金属２０のクリープ強度を高める。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｗ含有量が１５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の高温での変形能が低下し、凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｗ含有量は０〜１５．００％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｗ含有量の好ましい上限は１２．５０％であり、さらに好ましくは１０．００％であり、さらに好ましくは７．００％であり、さらに好ましくは５．００％である。
【００９４】
Ｂ：０〜０．００５０％
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｂは結晶粒界に偏析して、高温浸炭環境において、結晶粒界での金属間化合物の析出を促進する。これにより、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の溶接性が低下し、凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｂ含有量は０〜０．００５０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％である。
【００９５】
Ｖ：０〜０．５０％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは、Ｔｉと同様に金属間化合物を形成し、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。一方、Ｖ含有量が０．５０％を超えれば、溶接金属２０中に上述の金属間化合物が過剰に多く生成し、溶接金属２０の溶接性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．５０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
【００９６】
本実施形態の溶接金属２０の初層領域２１の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えてＣａ、Ｍｇ及び希土類元素（ＲＥＭ）からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、溶接金属２０の高温での変形能を高める。
【００９７】
Ｃａ：０〜０．０２０％
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、溶接金属２０の高温での変形能を高める。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０２０％を超えれば、溶接金属２０の清浄性が低下して、溶接金属２０の高温での変形能がかえって低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０２０％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
【００９８】
Ｍｇ：０〜０．０２０％
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、溶接金属２０の高温での変形能を高める。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．０２０％を超えれば、溶接金属２０の高温での変形能が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０〜０．０２０％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
【００９９】
希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．１００％
希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、ＲＥＭ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＲＥＭは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、溶接金属２０の高温での変形能を高める。しかしながら、ＲＥＭ含有量が０．１００％を超えれば、溶接金属２０の高温での変形能が低下する。したがって、ＲＥＭ含有量は０〜０．１００％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
【０１００】
［Ｆ１について］
本実施形態の溶接継手１の溶接金属２０の初層領域２１の化学組成において、Ｆ１を次の式で定義する。
Ｆ１＝Ｆｅ／Ｎｉ
ここで、Ｆ１中の各元素含有量には、初層領域２１中の対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【０１０１】
Ｆ１は、溶接金属２０の凝固割れ及び再熱割れの抑制度合いを示す指標である。Ｆ１が０．１６未満である場合、初層領域２１において、Ｆｅ含有量のＮｉ含有量に対する比が低い。つまり、Ｆｅ含有量及びＮｉ含有量を対比した場合、Ｆｅ含有量に対してＮｉ含有量が過剰に多い。この場合、溶接時において、熱力学的にγ’相がβ相よりも析出しやすい状態となり、初層領域２１の形成時において、初層領域２１にγ’相が過剰に析出する。そのため、初層領域２１上に、１又は複数の層を形成する場合、初層領域２１が再加熱され、γ’相の存在により、割れ（再熱割れ）が発生しやすくなる。
【０１０２】
一方、Ｆ１が１．６０を超えれば、初層領域２１において、Ｆｅ含有量に対してＮｉ含有量が過剰に多い。この場合、オーステナイトの安定性が低下し、フェライトの安定性が増大する。そのため、固溶Ｐ及び固溶Ｓが粒内にとどまらずに粒界に吐き出される。その結果、Ｐ及びＳが粒界に偏析する。この場合、初層領域２１において、凝固割れが発生しやすくなる。
【０１０３】
初層領域２１中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、Ｆ１が０．１６〜１．６０であれば、多層盛り溶接により溶接金属２０を形成する場合において、再熱割れの発生を抑制でき、かつ、凝固割れの発生も抑制できる。
【０１０４】
Ｆ１の好ましい下限は０．１７であり、さらに好ましくは０．１８であり、さらに好ましくは０．１９であり、さらに好ましくは０．２０であり、さらに好ましくは０．２２であり、さらに好ましくは０．２５である。Ｆ１の好ましい上限は１．５７であり、さらに好ましくは１．５５であり、さらに好ましくは１．５０であり、さらに好ましくは１．４５であり、さらに好ましくは１．４０であり、さらに好ましくは１．３５であり、さらに好ましくは１．３０であり、さらに好ましくは１．２０である。
【０１０５】
［他層領域２２の化学組成について］
溶接金属２０のうち、他層領域２２は、初層領域２１以外の領域である。他層領域２２の化学組成は、次の元素を含有する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。各元素の作用効果は、原則として、初層領域２１の化学組成の各元素の作用効果と同じである。
【０１０６】
Ｃ：０．０１０〜０．２５０％未満
炭素（Ｃ）は、Ｃｒ炭化物を形成し、高温浸炭環境での溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｃ含有量が０．０１０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．２５０％以上であれば、粗大な共晶炭化物が生成する。この場合、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０１０〜０．２５０％未満である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０４５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２２０％であり、さらに好ましくは０．２００％であり、さらに好ましくは０．１９０％であり、さらに好ましくは、０．１５０％である。
【０１０７】
Ｓｉ：１．００％以下
シリコン（Ｓｉ）は不可避に含有される。つまり、Ｓｉ含有量は０％超である。Ｓｉは、溶接金属２０を脱酸する。Ｓｉはさらに、溶接金属２０の酸化皮膜を強化して、耐浸炭性及び耐コーキング性を高める。Ｓｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の高温割れ感受性が高まり、溶接時において、凝固割れや再熱割れが発生する。したがって、Ｓｉ含有量は１．００％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％であり、さらに好ましくは０．７０％である。
【０１０８】
Ｍｎ：１．００％以下
マンガン（Ｍｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｍｎ含有量は０％超である。Ｍｎは、溶接金属２０を脱酸する。Ｍｎはさらに、溶接金属２０中のＳと結合してＭｎＳを形成し、溶接金属２０の凝固割れ及び再熱割れを抑制する。Ｍｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｎ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の酸化皮膜の安定性が低下して、溶接金属２０の耐食性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００％以下である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
【０１０９】
Ｐ：０．０４０％以下
燐（Ｐ）は不可避に含有される。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐ含有量が０．０４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の溶接性及び高温での変形能が十分に得られない。したがって、Ｐ含有量は０．０４０％以下である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は、溶接金属２０の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。
【０１１０】
Ｓ：０．０１００％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓ含有量が０．０１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の溶接性及び高温での変形能が十分に得られない。したがって、Ｓ含有量は０．０１００％以下である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、溶接金属２０の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００５０％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。
【０１１１】
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％
クロム（Ｃｒ）は、高温浸炭環境での使用時において、酸化皮膜を形成して、溶接金属２０の耐浸炭性及び耐コーキング性を高める。Ｃｒ含有量が１０．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が３０．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高温浸炭環境において、溶接金属２０の相安定性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１０．００〜３０．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１１．５０％であり、さらに好ましくは１２．００％であり、さらに好ましくは１２．５０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は２９．５０％であり、さらに好ましくは２８．００％であり、さらに好ましくは２７．５０％であり、さらに好ましくは２６．００％である。
【０１１２】
Ａｌ：２．５０％〜４．５０％
アルミニウム（Ａｌ）は、溶接金属２０の表面にアルミナ皮膜を形成し、高温浸炭環境における溶接金属２０の耐浸炭性を高める。Ａｌ含有量が２．５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が４．５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接中にγ’相（Ｎｉ3Ａｌ）等が過剰に多く生成して、溶接金属２０の高温クリープ強度及び溶接性を低下する。したがって、Ａｌ含有量は２．５０％〜４．５０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は２．５５％であり、さらに好ましくは２．６０％であり、さらに好ましくは２．６５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は４．４５％であり、さらに好ましくは４．４０％であり、さらに好ましくは４．３５％であり、さらに好ましくは４．３０％であり、さらに好ましくは４．２５％である。本実施形態の他層領域２２の化学組成において、Ａｌ含有量は、全Ａｌ量（Ｔｏｔａｌ  Ａｌ含有量）を意味する。
【０１１３】
Ｎ：０．０５０％以下
窒素（Ｎ）は不可避に含有される。つまり、Ｎ含有量は０％超である。Ｎは、固溶強化及び析出強化により溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎ含有量が０．０５０％を超えれば、溶接時にブローホールが発生する。したがって、Ｎ含有量は０．０５０％以下である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、０．０２０％である。
【０１１４】
本実施形態の溶接金属２０の他層領域２２の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、他層領域２２を溶接により形成する際に、溶接材料や母材１０等から混入されるものであって、他層領域２２に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【０１１５】
［任意元素について］
本実施形態の溶接金属２０の他層領域２２の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ及びＶからなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、いずれも溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。
【０１１６】
Ｎｂ：０〜２．００％
ニオブ（Ｎｂ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｂは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相及び／又はΓ’’相に代表される金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。しかしながら、Ｎｂ含有量が２．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜２．００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は１．５０％であり、さらに好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％である。
【０１１７】
Ｃｕ：０〜５．００％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは析出強化により溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｃｕ含有量が少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の延性及び高温での変形能が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜５．００％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は４．００％であり、さらに好ましくは３．５０％であり、さらに好ましくは３．００％であり、さらに好ましくは２．５０％である。
【０１１８】
Ｔｉ：０〜１．００％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔｉは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相（Ｆｅ2Ｔｉ）及び／又はＮｉ3Ｔｉに代表される金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、高温浸炭環境において、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜１．００％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％であり、好ましくは０．７０％である。
【０１１９】
Ｚｒ：０〜０．１０％
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｚｒ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｚｒは、高温浸炭環境において、Ｌａｖｅｓ相等の金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物は、高温浸炭環境において、結晶粒界及び結晶粒を析出強化して、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｚｒが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．１０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の金属間化合物が過剰に多く生成して、溶接金属２０の靱性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０〜０．１０％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．０９％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、好ましくは０．０７％である。
【０１２０】
Ｍｏ：０〜１５．００％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｏは、母相であるオーステナイトに固溶して、固溶強化により、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が１５．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の高温での変形能が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜１５．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは１．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は１４．５０％であり、さらに好ましくは１４．００％であり、さらに好ましくは１３．００％であり、さらに好ましくは１２．５０％であり、さらに好ましくは１２．００％である。
【０１２１】
Ｗ：０〜１２．００％
タングステン（Ｗ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｗ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｗは、母相であるオーステナイトに固溶して、固溶強化により、溶接金属２０のクリープ強度を高める。Ｗが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｗ含有量が１２．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の高温での変形能が低下する。したがって、Ｗ含有量は０〜１２．００％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｗ含有量の好ましい上限は１１．００％であり、さらに好ましくは１０．００％であり、さらに好ましくは９．００％であり、さらに好ましくは８．００％である。
【０１２２】
Ｂ：０〜０．００５０％
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｂは結晶粒界に偏析して、高温浸炭環境において、結晶粒界での金属間化合物の析出を促進する。これにより、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接金属２０の溶接性及び高温での変形能が低下する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．００５０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％である。
【０１２３】
Ｖ：０〜０．５０％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは、Ｔｉと同様に金属間化合物を形成し、溶接金属２０の高温クリープ強度を高める。Ｖが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｖ含有量が０．５０％を超えれば、溶接金属２０中の金属間化合物が過剰に多くなり、溶接金属２０の溶接性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．５０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
【０１２４】
本実施形態の溶接金属２０の他層領域２２の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えてＣａ、Ｍｇ及び希土類元素（ＲＥＭ）からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、溶接金属２０の高温での変形能を高める。
【０１２５】
Ｃａ：０〜０．０２０％
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃａは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、溶接金属２０の高温での変形能を高める。Ｃａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０２０％を超えれば、溶接金属２０の清浄性が低下して、溶接金属２０の高温での変形能が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０２０％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
【０１２６】
Ｍｇ：０〜０．０２０％
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｇ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｇは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、溶接金属２０の高温での変形能を高める。Ｍｇが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｇ含有量が高すぎれば、溶接金属２０の高温での変形能が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０〜０．０２０％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
【０１２７】
希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．１００％
希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、ＲＥＭ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＲＥＭは、Ｏ（酸素）及びＳ（硫黄）を介在物として固定し、溶接金属２０の高温での変形能を高める。ＲＥＭが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、ＲＥＭ含有量が０．１００％を超えれば、溶接金属２０の高温での変形能が低下する。したがって、ＲＥＭ含有量は０〜０．１００％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
【０１２８】
Ｆｅ：０〜２０．００％
鉄（Ｆｅ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｆｅ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｆｅは溶接金属２０の高温での変形能を高める。Ｆｅが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｆｅ含有量が２０．００％を超えれば、溶接金属２０において凝固割れが発生しやすくなる。したがって、Ｆｅ含有量は０〜２０．００％である。Ｆｅ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは１．５０％であり、さらに好ましくは１．７０％である。Ｆｅ含有量の好ましい上限は１８．００％であり、さらに好ましくは１６．００％であり、さらに好ましくは１４．００％であり、さらに好ましくは１２．００％である。
【０１２９】
［Ｆ２について］
本実施形態の溶接継手１の溶接金属２０の他層領域２２の化学組成において、指標Ｆ２を次の式で定義する。
Ｆ２＝Ｆｅ／Ｎｉ
ここで、Ｆ２中の各元素含有量には、他層領域２２中の対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【０１３０】
この場合、Ｆ１とＦ２とは次の関係を満たす。
Ｆ１＞Ｆ２
【０１３１】
上述のとおり、本実施形態の溶接金属２０は多層盛り溶接を実施する。母材１０の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内であり、かつ、溶接金属２０の初層領域２１の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内であり、Ｆ１が０．１６〜１．６０であり、かつ、溶接金属２０の他層領域２２の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内である場合、本実施形態の溶接継手１ではさらに、Ｆ１＞Ｆ２を満たす。
【０１３２】
本実施形態の溶接継手１では、母材１０はＦｅ基合金を採用し、溶接金属２０を製造するために用いる溶接材料には、他層領域２２と同じ化学組成の範囲であるＮｉ基合金を採用する。Ｎｉ基合金材の場合、Ｆｅ基合金材と比較して、浸炭源となるＣの解離吸着反応を抑制する。そのため、Ｆｅ基合金と比較して、耐浸炭性及び耐コーキング性を高めることができる。
【０１３３】
しかしながら、上述の化学組成を有するＦｅ基合金からなる母材１０に対して、上述の化学組成を有するＮｉ基合金からなる溶接材料を用いて多層盛り溶接により溶接金属２０を形成した場合、溶接金属２０の各層のうち、引張残留応力が最も大きく掛かり、かつ、溶接による熱履歴を最も多く受けるのは、初層領域２１である。したがって、引張残留応力と熱履歴とにより凝固割れ及び再熱割れが最も発生しやすいのは、初層領域２１である。一方で、第２層以降の層では、引張残留応力が初層領域２１ほど掛からず、かつ、熱履歴も初層領域２１よりも少ない。したがって、初層領域２１では、Ｎｉ含有量に対するＦｅ含有量の割合を増加させて、γ’相の析出による割れ感受性を抑えることが重要であるものの、他層領域２２では、初層領域２１のような凝固割れ及び再熱割れはそれほど問題にならない。
【０１３４】
したがって、初層領域２１の化学組成と他層領域２２の化学組成では、Ｆ１＞Ｆ２の関係を満せば足りる。要するに、多層盛り溶接において、初層領域２１のＮｉ含有量及びＦｅ含有量を調整して、Ｆ１を０．１６〜１．６０の範囲とすれば、他層領域２２の化学組成が溶接材料と実質的に同等の化学組成であっても、溶接金属２０の凝固割れ及び再熱割れを十分抑制できる。
【０１３５】
以上のとおり、本実施形態の溶接継手１では、母材１０の化学組成の各元素含有量が上述の範囲内であって、溶接金属２０のうち、初層領域２１の化学組成の各元素含有量が上述の範囲内であって、かつ、Ｆ１が０．１６〜１．６０の範囲内であって、他層領域２２の化学組成の各元素含有量が上述の範囲内であって、Ｆ１＞Ｆ２の関係を有する。これにより、母材１０及び溶接金属２０に酸化皮膜を形成することができ、耐浸炭性を高めることができる。さらに、溶接金属２０の形成時において、溶接金属２０に凝固割れ及び再熱割れが発生するのを抑制することができる。
【０１３６】
［溶接金属２０の初層領域２１及び他層領域２２の化学組成分析方法］
溶接金属２０の初層領域２１及び他層領域２２の化学組成は、次の方法で分析できる。始めに、溶接継手１を溶接金属２０の延在方向（溶接金属延在方向Ｌ）に垂直に切断し、図８〜図１０に示す断面（以下、観察面という）を得る。観察面を機械研磨した後、溶接金属２０に対して王水によるエッチングを実施して、溶接金属２０の各層の境界ＢＯを現出させる。これにより、初層領域２１と他層領域２２とを容易に区分することができる。
【０１３７】
図１１を参照して、溶接金属２０の延在方向に垂直な断面（溶接金属厚さ方向Ｔ方向及び溶接金属幅方向Ｗ方向を含む断面）において、溶接金属２０の表面の幅Ｗの中央位置を特定する。このとき、図１１中の上面側（他層領域２２の表面側）の溶接金属２０の表面の幅Ｗの中央位置を特定してもよいし、下面（初層領域２１の表面側）の溶接金属２０の表面の幅Ｗの中央位置を特定してもよい。特定された溶接金属２０の幅Ｗの中央位置であって、かつ、初層領域２１の厚さＴ２１の厚さ中央位置Ｐ２１を特定する。さらに、溶接金属２０の幅Ｗの中央位置であって、かつ、他層領域２２の厚さＴ２２の厚さ中央位置Ｐ２２を特定する。
【０１３８】
位置Ｐ２１の化学組成を、周知の成分分析法により求める。具体的には、位置Ｐ２１に直径５ｍｍのドリルを用いて溶接金属２０の延在方向に平行に穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ＩＰＣ−ＯＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を実施して、化学組成の元素分析を実施する。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法により求める。具体的には、上記溶液を酸素気流中で高周波加熱により燃焼して、発生した二酸化炭素、二酸化硫黄を検出して、Ｃ含有量及びＳ含有量を求める。以上の分析法により、初層領域２１の化学組成を求めることができる。
【０１３９】
位置Ｐ２２の化学組成も、上述の周知の成分分析法により求める。求めた化学組成を、他層領域２２の化学組成とする。なお、母材１０の化学組成についても、上述の周知の成分分析法により求めることができる。母材１０が合金管である場合、肉厚中央位置において、上述の化学分析法を実施する。母材１０が合金板である場合、厚さ中央位置において、上述の化学分析法を実施する。
【０１４０】
［溶接材料について］
上述の溶接金属２０（初層領域２１及び他層領域２２）を製造するための溶接材料の化学組成は、他層領域２２の化学組成と同じである。具体的には、本実施形態の溶接材料の化学組成は、
Ｃ：０．０３０〜０．２５０％未満、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．００％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ｃｒ：１０．００〜３０．００％、
Ａｌ：２．５０〜４．５０％、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０〜２．００％、
Ｃｕ：０〜５．００％、
Ｔｉ：０〜１．００％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｍｏ：０〜１５．００％、
Ｗ：０〜１２．００％
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｃａ：０〜０．０２０％、
Ｍｇ：０〜０．０２０％、
希土類元素：０〜０．１００％、
Ｆｅ：０〜２０．００％、及び、
残部がＮｉ及び不純物からなる。
【０１４１】
なお、溶接材料の化学組成の各元素の作用効果については、他層領域２２の化学組成での対応する元素の作用効果と同じであるため、省略する。また、以下の各元素含有量の好ましい下限及び好ましい上限についても、他層領域２２の化学組成中の対応する元素含有量の好ましい下限及び好ましい上限と同じである。
【０１４２】
［製造方法］
以下、本実施形態の溶接継手１の製造方法を説明する。以降に説明する溶接継手１の製造方法は、本実施形態の溶接継手１の製造方法の一例である。したがって、上述の構成を有する溶接継手１は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態の溶接継手１の製造方法の好ましい一例である。
【０１４３】
本実施形態の溶接継手１の製造方法は、一対の母材１０を準備する工程（母材準備工程）と、一対の母材１０の開先を突き合わせて多層盛り溶接を実施して、溶接金属２０を形成する工程（溶接金属形成工程）とを備える。以下、各工程について詳述する。
【０１４４】
［母材準備工程］
始めに、一対の母材１０を準備する。母材１０の端部は、周知の開先形状が形成されている。開先形状はたとえば、図５に示すＶ形状であってもよいし、図６に示すＵ形状であってもよいし、図７に示すＸ形状であってもよいし、図５〜図７以外の他の形状であってもよい。
【０１４５】
母材１０は第三者から提供されたものであってもよいし、溶接継手１の製造者が、母材１０を製造して準備してもよい。以下、母材１０を製造する場合の母材１０の製造方法の一例を説明する。
【０１４６】
母材１０の製造方法は、母材１０の素材を準備する工程（準備工程）と、必要に応じて、素材に対して熱間加工を実施して中間材を製造する工程（熱間加工工程）と、必要に応じて、熱間加工工程後の中間材に対して酸洗処理を実施した後冷間加工を実施する工程（冷間加工工程）と、必要に応じて、素材準備工程で準備された素材、熱間加工工程後の中間材、又は、冷間加工後の中間材に対して、溶体化熱処理を実施する工程（溶体化熱処理工程）と、必要に応じて、素材又は中間材の表面のスケールを除去する工程（スケール除去工程）とを含む。以下、各工程について説明する。
【０１４７】
［準備工程］
準備工程では、上述の化学組成を有する素材を準備する。素材は第三者から供給されてもよいし、製造してもよい。素材はインゴットであってもよいし、スラブ、ブルーム、ビレットであってもよい。素材を製造する場合、次の方法により、素材を製造する。上述の化学組成を有する溶湯合金を製造する。製造された溶湯合金を用いて、造塊法によりインゴットを製造する。製造された溶湯合金を用いて、鋳造法によりスラブ、ブルーム、ビレット、素管を製造してもよい。製造されたインゴット、スラブ、ブルームに対して熱間加工を実施して、ビレット又は素管を製造してもよい。たとえば、インゴットに対して熱間鍛造を実施して、円柱状のビレットを製造し、このビレットを素材（円柱素材）としてもよい。この場合、熱間鍛造開始直前の素材の温度は特に限定されないが、たとえば、９００〜１３００℃である。また、周知の遠心鋳造法により素材（合金管）を製造してもよい。
【０１４８】
［熱間加工工程］
熱間加工工程は必要に応じて実施する。つまり、熱間加工工程は実施しなくてもよい。実施する場合、素材に対して熱間加工を実施して、所定の形状の中間材を製造する。母材１０が板材である場合、熱間圧延により板状の中間材を製造する。母材１０が合金管である場合、機械加工により、円柱素材の中心軸に沿った貫通孔を形成する。貫通孔が形成された円柱素材に対して、熱間押出を実施して、中間材（管材）を製造する。熱間加工工程での素材の加熱温度は特に限定されないが、たとえば９００〜１３００℃である。
【０１４９】
熱間加工工程では、熱間押出に代えて、円柱素材に対してマンネスマン法による穿孔圧延を実施して、中間材（管材）を製造してもよい。穿孔圧延前の素材の温度はたとえば、９００〜１３００℃である。
【０１５０】
［冷間加工工程］
冷間加工工程は必要に応じて実施する。つまり、冷間加工工程は実施しなくてもよい。実施する場合、中間材に対して、酸洗処理を実施した後、冷間加工を実施する。母材１０が板材である場合、冷間圧延を実施する。母材１０が合金管である場合、冷間抽伸を実施する。冷間加工工程における減面率は特に限定されないが、たとえば、１０〜９０％である。
【０１５１】
［溶体化熱処理工程］
溶体化熱処理工程は必要に応じて実施する。つまり、溶体化熱処理工程は実施しなくてもよい。実施する場合、準備工程で準備された素材、熱間加工工程後の中間材、又は、冷間加工工程後の中間材に対して、溶体化熱処理を実施する。溶体化熱処理により、素材又は中間材の析出物を固溶する。
【０１５２】
溶体化熱処理は、次の方法で実施する。炉内雰囲気が大気雰囲気である熱処理炉内に、素材又は中間材を装入する。ここでいう大気雰囲気は、大気を構成する気体である窒素を体積で７８％以上、酸素を体積で２０％以上含有する雰囲気を意味する。大気雰囲気の炉内において、素材又は中間材を９００〜１３００℃に加熱し、９００〜１３００℃で保持する。保持時間は１〜６０分である。熱処理後の素材又は中間材を急冷する。急冷方法はたとえば、周知の水冷、周知の油冷である。
【０１５３】
［スケール除去工程］
スケール除去工程は必要に応じて実施する。つまり、スケール除去工程は実施しなくてもよい。実施する場合、準備工程で準備された素材、熱間加工工程後の中間材、冷間加工工程後の中間材、又は、溶体化熱処理後の素材又は中間材の表面のスケールを除去する。スケールを除去する方法は、ブラスト加工や研削等によりスケールを除去する方法であってもよいし、酸洗処理によりスケールを除去する方法であってもよい。
【０１５４】
酸洗処理を実施する場合、酸洗条件は特に限定されない。好ましくは、酸洗溶液として、硝酸及び弗酸の混合溶液を用いる。混合溶液はたとえば、体積％で５．０〜８．０％の硝酸と、体積％で５．０〜８．０％の弗酸とを含む水溶液である。酸洗溶液槽内の酸洗溶液の温度を３０〜５０℃に調整し、素材又は中間材を酸洗溶液槽に浸漬する。浸漬時間はたとえば、０．５〜５．０時間である。以上の酸洗処理により、素材表面又は中間材の表面から、スケールが十分に除去される。
【０１５５】
ブラスト加工とは、研削材に運動エネルギーを与えて素材又は中間材の表面に衝突させ、金属表面を切削又は打撃する加工を意味する。ブラスト加工によりスケールを除去する場合、ブラスト加工はたとえば、研削材に砂を用いたサンドブラスト、研削材に鋼粒を用いたショットブラスト、研削材に鋳鉄グリッドや鋳鋼グリッド、アルミナグリッド、炭化珪素グリッド等を用いたグリッドブラスト、研削材に、鋳鉄ショットや鋳鋼ショット、カットワイヤ等を用いたショットブラスト等である。
【０１５６】
以上の工程により、母材１０が製造される。
【０１５７】
準備された母材１０に対して、開先を形成する。具体的には、母材１０の端部に、周知の加工方法により開先を形成する。開先形状は、図５に示すＶ形状であってもよいし、図６に示すＵ形状であってもよいし、図７に示すＸ形状であってもよいし、図５〜図７以外の他の形状であってもよい。
【０１５８】
［溶接金属形成工程］
溶接金属形成工程では、準備された母材１０に対して溶接を実施し、溶接金属２０を形成して、溶接継手１を製造する。具体的には、開先が形成された２つの母材１０を準備する。準備された母材１０の開先同士を突き合わせる。そして、突き合わされた一対の開先部に対して、上述の溶接材料を用いて溶接を実施して、上述の化学組成を有する溶接金属２０を形成する。
【０１５９】
始めに、上述の化学組成を有する溶接材料を用いて溶接を実施して、初層領域２１を形成する。溶接方法はたとえば、ティグ溶接（ＧＴＡＷ）、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、フラックス入りワイヤアーク溶接（ＦＣＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）である。このとき、図５に示すように、突き合わせた母材１０の開先でのルート間隔ＲＤ、開先のルート面ＲＴの厚さ、及び、溶接時の溶接材料の送給量を調整して、初層領域２１の化学組成の各元素含有量を本実施形態の範囲内とし、かつ、Ｆ１を０．１６〜１．６０の範囲内とする。なお、溶接材料の化学組成と、溶接材料の送給量と、ルート間隔ＲＤ及び開先のルート面厚さＲＴに基づく母材１０の希釈量と、を調整することにより、初層領域２１の化学組成の各元素含有量を本実施形態の範囲内とし、かつ、Ｆ１を０．１６〜１．６０の範囲内に調整可能である。
【０１６０】
なお、上述の溶接材料は、第三者から供給されたものであってもよいし、製造したものを用いてもよい。溶接材料を製造する場合、上述の化学組成を有する溶接材料の溶湯を用いて鋳造を実施してインゴットにする。インゴットを熱間加工して溶接材料を製造する。熱間加工後の溶接材料に対して、さらに冷間加工を実施してもよい。また、溶接材料に対して周知の熱処理を実施してもよい。熱処理はたとえば、母材１０と同様の溶体化熱処理である。熱処理は実施しなくてもよい。溶接材料は棒状であってもよいし、小さなブロック状であってもよい。
【０１６１】
以上の製造工程により、本実施形態による溶接継手１を製造できる。なお、本実施形態による溶接継手１の製造方法は、上述の製造方法に限定されない。溶接継手１において、母材１０の化学組成の各元素含有量が上述の範囲内であって、溶接金属２０のうち、初層領域２１の化学組成の各元素含有量が上述の範囲内であって、かつ、Ｆ１が０．１６〜１．６０の範囲内であって、他層領域２２の化学組成の各元素含有量が上述の範囲内であって、Ｆ１＞Ｆ２の関係を有していれば、本実施形態の溶接継手１は、上記製造方法に特に限定されない。
【実施例】
【０１６２】
［溶接継手の製造］
［母材の製造］
表１の化学組成を有する母材用の溶鋼を製造した。
【０１６３】
【表１】
2020168639.tif 000003
【０１６４】
表１中の空白は、対応する元素含有量が検出限界未満であったことを示す。検出限界未満である場合、その元素は含有されていなかったとみなした。
【０１６５】
溶鋼を用いて、外径１２０ｍｍ、３０ｋｇのインゴットを製造した。インゴットに対して熱間鍛造を実施して、厚さ４０ｍｍの鋼板とした。さらに、熱間圧延を実施して、厚さ１５ｍｍの鋼板とした。熱間鍛造前、及び、熱間圧延前の加熱時の加熱温度は１０５０〜１３００℃であり、熱間鍛造時及び熱間圧延時の最終加工温度はいずれも１０５０℃以上であった。熱間圧延後の鋼板に対して、溶体化熱処理を実施した。いずれの鋼板においても、溶体化熱処理温度は１２５０℃であり、溶体化熱処理時間はいずれも１０分であった。溶体化熱処理後の母材を水冷した。
【０１６６】
溶体化熱処理後の母材に対して、スケール除去処理を実施した。本実施例では、母材表面をグラインダにより切削加工して、スケールを除去した。
【０１６７】
［浸炭試験］
表１の各マークの鋼板の耐浸炭性について、次の試験により評価した。各マークの鋼板から、厚さ８ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験片を切り出した。試験片の表面を、＃６００番のエメリー紙で湿式研磨した。湿式研磨後の試験片をアルミナ治具を用いて直立させ、管状炉内に挿入した。試験片を挿入後の炉内に雰囲気ガスを通気しながら、１１００℃で９６時間保持した。雰囲気ガスは、１５体積％のＣＨ4と、３体積％のＣＯ2と、８２％のＨ2とを含有した。雰囲気ガスの流量は、合計で５００ｍＬ／分とした。９６時間経過後の試験片の表面から１ｍｍ深さ位置で切粉を作製した。切粉を用いて、ＪＩＳ
Ｇ１２１１−３（２０１３）に準拠した高周波燃焼赤外吸収法を実施して、Ｃ含有量（質量％）を求めた。試験後のＣ含有量から、試験前の母材のＣ含有量（質量％）を差分した値を、各マークの母材での侵入Ｃ量とした。得られた侵入Ｃ量が１．５質量％以下である場合、耐浸炭性及び耐コーキング性に優れると判断した。表２に、耐浸炭性及び耐コーキング性の評価結果を示す。
【０１６８】
【表２】
2020168639.tif 000004
【０１６９】
表２中の「○」は、侵入Ｃ量が１．５０質量％以下であったことを示す。「×」は、侵入Ｃ量が１．５０質量％を超えたことを示す。表２を参照して、マークＡ〜Ｈ、Ｊ〜Ｏは、化学組成が適切であった。そのため、侵入Ｃ量が１．５０％以下であり、優れた耐浸炭性及び耐コーキング性を示した。一方、マークＩのＡｌ含有量は低かった。そのため、侵入Ｃ量が１．５０％を超え、耐浸炭性及び耐コーキング性が低かった。
【０１７０】
以上の結果に基づいて、以下に示す溶接継手の製造には、母材として、マークＡ〜Ｈ、Ｊ〜Ｏを使用し、マークＩを使用しなかった。
【０１７１】
［溶接材料の製造］
表３に示す化学組成を有する鋼種の化学組成を有する溶鋼を製造した。なお、表３中の空白部分は、対応する元素が含有されていなかった（検出限界未満であった）ことを意味する。
【０１７２】
【表３】
2020168639.tif 000005
【０１７３】
表３の溶鋼を用いて、外径１２０ｍｍ３０ｋｇのインゴットを製造した。インゴットに対して、周知の方法で熱間鍛造及び熱間圧延を実施して、中間線材を製造した。中間線材に対して溶体化熱処理を実施した。溶体化熱処理は１２５０℃であり、保持時間は１０分であった。保持時間経過後の中間線材を水冷した。以上の製造工程により、溶接ワイヤ（溶接材料）を製造した。
【０１７４】
［溶接継手の製造］
表１のマークＡ〜Ｈ、Ｊ〜Ｏの母材から、図１２に示す板材を２枚、機械加工により作製した。図１２において、「ｍｍ」が付属した数値は、母材である鋼板の寸法（単位はｍｍ）を示す。鋼板は、長手方向に延びる側面に開先面を有した。開先面は、開先角度の１／２が２０°のＶ形開先と、開先角度の１／２が２０°のＵ形開先とを準備した。
【０１７５】
図１３に示すように、拘束板３０を準備した。拘束板３０は、厚さ５０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍであり、ＪＩＳ  Ｇ  ３１０６（２００８）に記載の「ＳＭ４００Ｃ」に相当する化学組成を有した。
【０１７６】
拘束板３０上に、一対の母材（板材）１０を配置した。このとき２枚の母材１０の開先面を互いに突き合わせた。２枚の母材１０を配置した後、被覆アーク溶接棒を用いて、一対の母材１０の四周（つまり、一対の母材１０の互いに対向した開先を除く外周部分）を拘束溶接した。被覆アーク溶接棒は、ＪＩＳ  Ｚ  ３２２４（２０１０）に規定の「ＥＮｉＣｒＭｏ−３」に相当する化学組成を有した。
【０１７７】
拘束板３０上に、一対の母材１０を拘束溶接する場合、一対のＶ形開先を有する母材、又は、一対のＵ形開先を有する母材を拘束板３０上に配置した。このとき、図５に示すとおり、ルート間隔ＲＤを変化させた。さらに、一対の母材１０のＶ形開先のルート面ＲＴの厚さ、及び、一対の母材１０のＵ形開先のルート面ＲＴの厚さも変化させた。
【０１７８】
母材１０の四周を拘束溶接した後、表３に示す化学組成を有する溶接ワイヤを用いて、多層盛り溶接を実施した。具体的には、ティグ溶接（ＧＴＡＷ）を実施した。各溶接での溶接条件は、溶接電流を１５０Ａ、溶接電圧を１５Ｖ、溶接速度を１０ｃｍ／分とした。ティグ溶接（ＧＴＡＷ）時には、１００％Ａｒガスをシールドガスに用いた。
【０１７９】
図１３を参照して、図１３中の母材１０の下端から上端に向かって１パス目の溶接を実施して、初層領域２１を形成した。初層領域２１を形成後、母材１０の下端から溶接金属延在方向Ｌに５０ｍｍの範囲Ｄ１では多層盛り溶接を実施せず、残りの母材部分である範囲Ｄ２において、多層盛り溶接を実施して他層領域２２を形成し、溶接金属２０を形成した。以上の製造方法により、溶接継手を製造した。
【０１８０】
［評価試験］
［初層領域２１及び他層領域２２の化学組成分析試験］
溶接金属２０の初層領域２１及び他層領域２２の化学組成を、次の方法で分析した。始めに、溶接継手を溶接金属２０の延在方向（溶接金属延在方向Ｌ）に垂直に切断し、図８又は図９に示す断面（以下、観察面という）を得た。観察面を機械研磨した後、溶接金属２０に対して王水によるエッチングを実施して、溶接金属２０の各層の境界ＢＯを現出させた。これにより、初層領域２１と他層領域２２とを容易に区分することができた。
【０１８１】
図１１を参照して、溶接金属２０の延在方向に垂直な断面（溶接金属厚さ方向Ｔ方向及び溶接金属幅方向Ｗ方向を含む断面）において、溶接金属２０の表面の幅Ｗの中央位置を特定した。このとき、図１１中の上面側（他層領域２２の表面側）の溶接金属２０の表面の幅Ｗの中央位置を特定した。特定された溶接金属２０の幅Ｗの中央位置であって、かつ、初層領域２１の厚さＴ２１の厚さ中央位置Ｐ２１を特定した。さらに、溶接金属２０の幅Ｗの中央位置であって、かつ、他層領域２２の厚さＴ２２の厚さ中央位置Ｐ２２を特定した。
【０１８２】
位置Ｐ２１の化学組成と、位置Ｐ２２の化学組成とを、周知の成分分析法により求めた。具体的には、位置Ｐ２１に直径５ｍｍのドリルを用いて溶接金属２０の延在方向に平行に穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取した。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得た。溶液に対して、ＩＰＣ−ＯＥＳを実施して、化学組成の元素分析を実施した。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法により求めた。具体的には、上記溶液を酸素気流中で高周波加熱により燃焼して、発生した二酸化炭素、二酸化硫黄を検出して、Ｃ含有量及びＳ含有量を求めた。以上の分析法により、初層領域２１の化学組成を求めた。同様に、位置Ｐ２２の化学組成を、位置Ｐ２１と同じ方法により分析して、他層領域２２の化学組成を求めた。各試験番号の初層領域２１の化学組成を表４に示し、他層領域２２の化学組成を表５に示す。
【０１８３】
なお、母材１０の板厚中央位置に対して、直径５ｍｍのドリルを用いて溶接金属２０の延在方向に平行に穿孔加工して切粉を生成し、母材１０の切粉を採取した。採取された切粉を用いて、上述の成分分析（ＩＰＣ−ＯＥＳ及び高周波燃焼法）を実施した。その結果、各マークＡ〜Ｏの化学組成は、表１に示すとおりであった。
【０１８４】
【表４】
2020168639.tif 000006
【０１８５】
【表５】
2020168639.tif 000007
【０１８６】
表４及び表５中の空白部分は、対応する元素が含有されていなかった（検出限界未満であった）ことを示す。表４及び表５中の「Ｆ１」欄には、初層領域２１の化学組成のＦ１＝Ｆｅ／Ｎｉを示し、表５中の「Ｆ２」欄には、他層領域２２の化学組成のＦ２＝Ｆｅ／Ｎｉを示す。
【０１８７】
［溶接性評価試験］
［凝固割れ判定試験］
図１３を参照して、範囲Ｄ１のうち、溶接金属延在方向Ｌに等間隔ピッチで３箇所から、初層領域２１及び一対の母材１０を含むサンプルを採取した。つまり、範囲Ｄ１から３つのサンプルを採取した。そして、各サンプルの初層領域２１に割れが発生しているか否かを目視にて判断した。３つのサンプルの断面（合計６面）において、初層領域２１に１つでも割れが発生している場合、「凝固割れ」が発生したと判断した（表５中の「耐凝固割れ性」欄において「×」）。一方、３つのサンプルの断面（合計６面）のいずれにおいても初層領域２１に割れが発生しない場合、凝固割れが発生しなかったと判断した（表５中の「耐凝固割れ性」欄において「○」）。
【０１８８】
［再熱割れ判定試験］
図１３を参照して、範囲Ｄ２のうち、溶接金属延在方向Ｌに等間隔ピッチで３箇所から、溶接金属２０及び一対の母材１０を含むサンプルを採取した。つまり、範囲Ｄ２から３つのサンプルを採取した。そして、各サンプルの溶接金属２０に割れが発生しているか否かを目視にて判断した。３つのサンプルの断面（合計６面）において、溶接金属２０に１つでも割れが発生している場合、「再熱割れ」が発生したと判断した（表６中の「耐再熱割れ性」欄において「×」）。一方、３つのサンプルの断面（合計６面）のいずれにおいても溶接金属２０に割れが発生しない場合、再熱割れが発生しなかったと判断した（表６中の「耐再熱割れ性」欄において「○」）。
【０１８９】
【表６】
2020168639.tif 000008
【０１９０】
［試験結果］
試験結果を表６に示す。表６を参照して、試験番号１〜６、１１〜１８、２１〜３１では、母材１０の化学組成、初層領域２１の化学組成、及び、他層領域２２の化学組成がいずれも適切であった。そして、初層領域２１において、Ｆ１が０．１６〜１．６０であり、初層領域２１の化学組成のＦ１と、他層領域２２の化学組成のＦ２とが、Ｆ１＞Ｆ２であった。そのため、多層盛り溶接時において、凝固割れ及び再熱割れが発生しなかった。
【０１９１】
一方、試験番号７、８及び１９では、初層領域２１において、Ｆ１が１．６０を超えた。そのため、多層盛り溶接において、凝固割れが確認された。
【０１９２】
試験番号９、１０及び２０では、初層領域２１において、Ｆ１が０．１６未満であった。そのため、多層盛り溶接において、再熱割れが確認された。なお、試験番号９、２０では、Ｆ１＜Ｆ２となった。
【０１９３】
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【図１】
2020168639.tif 000009
【図２】
2020168639.tif 000010
【図３】
2020168639.tif 000011
【図４】
2020168639.tif 000012
【図５】
2020168639.tif 000013
【図６】
2020168639.tif 000014
【図７】
2020168639.tif 000015
【図８】
2020168639.tif 000016
【図９】
2020168639.tif 000017
【図１０】
2020168639.tif 000018
【図１１】
2020168639.tif 000019
【図１２】
2020168639.tif 000020
【図１３】
2020168639.tif 000021