(57)【要約】【課題】Ｎｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制することができるＮｉ基合金用溶接材料を提供する。【解決手段】Ｃ≦０．０５質量％、８質量％≦Ｃｒ≦２５質量％、Ｆｅ≦４．０質量％、Ｗ≦１５質量％、５質量％≦Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）≦２０質量％、Ｃｏ≦２０質量％、０．０１質量％≦Ａｌ＜２．０質量％、０．０１質量％≦Ｔｉ＜２．０質量％、Ａｌ＋１／２Ｔｉ≦３．０質量％、Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦１．５質量％、Ｂ≦０．００７質量％、Ｚｒ≦０．０４質量％、０．０１質量％≦Ｓｉ≦０．５質量％、Ｍｎ≦１．０質量％、Ｐ≦０．０１０質量％、Ｓ≦０．００２質量％、Ｏ≦０．００５質量％、残部がＮｉ及び不可避不純物からなるＮｉ基合金用溶接材料とした。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ≦０．０５質量％、
８質量％≦Ｃｒ≦２５質量％、
Ｆｅ≦４．０質量％、
Ｗ≦１５質量％、
５質量％≦Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）≦２０質量％、
Ｃｏ≦２０質量％
０．０１質量％≦Ａｌ＜２．０質量％、
０．０１質量％≦Ｔｉ＜２．０質量％、
Ａｌ＋１／２Ｔｉ≦３．０質量％、
Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦１．５質量％、
Ｂ≦０．００７質量％、
Ｚｒ≦０．０４質量％、
０．０１質量％≦Ｓｉ≦０．５質量％、
Ｍｎ≦１．０質量％、
Ｐ≦０．０１０質量％、
Ｓ≦０．００２質量％、
Ｏ≦０．００５質量％、
残部がＮｉ及び不可避不純物からなる
ことを特徴とするＮｉ基合金用溶接材料。
【請求項２】
Ｃ≦０．０５質量％、
８質量％≦Ｃｒ≦２５質量％、
Ｆｅ≦４．０質量％、
Ｗ≦１５質量％、
５質量％≦Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）≦２０質量％、
Ｃｏ≦２０質量％
０．０１質量％≦Ａｌ＜２．０質量％、
０．０１質量％≦Ｔｉ＜２．０質量％、
Ａｌ＋１／２Ｔｉ≦３．０質量％、
１．５質量％＜Ｎｂ≦６．５質量％、
Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦６．５質量％、
Ｂ≦０．００７質量％、
Ｚｒ≦０．０４質量％、
０．０１質量％≦Ｓｉ≦０．５質量％、
Ｍｎ≦１．０質量％、
Ｐ≦０．０１０質量％、
Ｓ≦０．００２質量％、
Ｏ≦０．００５質量％、
残部がＮｉ及び不可避不純物からなる
ことを特徴とするＮｉ基合金用溶接材料。
【請求項３】
請求項２に記載のＮｉ基合金用溶接材料において、
さらに、
Ｎ≦０．０３質量％、
Ｃ＋Ｎ≦０．０５質量％
であることを特徴とするＮｉ基合金用溶接材料。
【請求項４】
請求項２に記載のＮｉ基合金用溶接材料において、
さらに、
希土類元素≦０．０１質量％
であることを特徴とするＮｉ基合金用溶接材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基合金に溶接を行うＮｉ基合金用溶接材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、蒸気タービンやガスタービンの高温となるロータにおいては、製造性及び耐熱強度に優れて熱膨張率が小さいフェライト系の１２Ｃｒ鋼が主に用いられている。例えば、図２に示すように、１２Ｃｒ鋼を用いて溶解・鍛造によって一体的に成形してロータ２１０を製造したり（図２Ａ参照）、高温となる本体部２２１を１２Ｃｒ鋼で溶解・鍛造によって成形する一方、軸端部２２２側を低合金鋼で溶解・鍛造によって成形して、上記本体部２２１と上記軸端部２２２とを溶接接合することにより、ロータ２２０を製造したりしている（図２Ｂ参照）。
【０００３】
ところで、近年、例えば、蒸気タービンにおいては、熱効率の向上を図るため、蒸気の温度をさらに高める（６５０℃以上）ことが検討されている。このような６５０℃以上の高温蒸気を適用すると、１２Ｃｒ鋼からなるロータでは十分な耐熱強度を得ることが難しくなってしまう。そこで、例えば、下記特許文献１等においては、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金をロータに用いることを提案している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３２４１２号公報
【特許文献２】特開平３―０７７７９１号公報
【特許文献３】特表２００５−０７０６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したような特許文献１等で提案されているＮｉ基合金は、多様な元素成分を含んでいることから、１２Ｃｒ鋼等のように、溶解・鍛造によって大型のロータを一体的に成形してしまうと、各種元素成分が均一にならずに偏析してしまう可能性がある。
【０００６】
そのため、図１に示すように、複数に分割した本体部１１１Ａ，１１１Ｂを熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金で溶解・鍛造によってそれぞれ成形する一方、６００℃程度の軸端部１１２側を比較的低価格な１２Ｃｒ鋼又は低合金鋼で溶解・鍛造によって成形して、上記本体部１１１Ａ，１１１Ｂと上記軸端部１１２とを溶接接合することにより、ロータ１１０を製造することや（図１Ａ参照）、複数に分割した本体部１２１Ａ，１２１ＢをＮｉ基合金で溶解・鍛造によってそれぞれ成形する一方、軸端部１２２側を低合金鋼で溶解・鍛造によって成形すると共に、中間部１２３を１２Ｃｒ鋼で溶解・鍛造によって成形して、上記本体部１２１Ａ，１２１Ｂと上記軸端部１２２とを上記中間部１２３を介して溶接接合することにより、ロータ１２０を製造すること（図１Ｂ参照）が考えられている。
【０００７】
しかしながら、このような熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等を代表的なＮｉ基合金の溶接材料（例えば、ＡＷＳ規格  Ａ５．１４  「ERNiCrMo-3」等）を用いて溶接すると、脆性温度領域（ＢＴＲ）が大きく（「ERNiCrMo-3」の場合には、２００℃程度）、溶接時の高温割れを起こしやすくなってしまうおそれがあった。
【０００８】
このようなことから、本発明は、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制することができるＮｉ基合金用溶接材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係るＮｉ基合金用溶接材料は、Ｃ≦０．０５質量％、８質量％≦Ｃｒ≦２５質量％、Ｆｅ≦４．０質量％、Ｗ≦１５質量％、５質量％≦Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）≦２０質量％、Ｃｏ≦２０質量％、０．０１質量％≦Ａｌ＜２．０質量％、０．０１質量％≦Ｔｉ＜２．０質量％、Ａｌ＋１／２Ｔｉ≦３．０質量％、Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦１．５質量％、Ｂ≦０．００７質量％、Ｚｒ≦０．０４質量％、０．０１質量％≦Ｓｉ≦０．５質量％、Ｍｎ≦１．０質量％、Ｐ≦０．０１０質量％、Ｓ≦０．００２質量％、Ｏ≦０．００５質量％、残部がＮｉ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１０】
また、第二番目の発明に係るＮｉ基合金用溶接材料は、Ｃ≦０．０５質量％、８質量％≦Ｃｒ≦２５質量％、Ｆｅ≦４．０質量％、Ｗ≦１５質量％、５質量％≦Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）≦２０質量％、Ｃｏ≦２０質量％、０．０１質量％≦Ａｌ＜２．０質量％、０．０１質量％≦Ｔｉ＜２．０質量％、Ａｌ＋１／２Ｔｉ≦３．０質量％、１．５質量％＜Ｎｂ≦６．５質量％、Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦６．５質量％、Ｂ≦０．００７質量％、Ｚｒ≦０．０４質量％、０．０１質量％≦Ｓｉ≦０．５質量％、Ｍｎ≦１．０質量％、Ｐ≦０．０１０質量％、Ｓ≦０．００２質量％、Ｏ≦０．００５質量％、残部がＮｉ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
第三番目の発明に係るＮｉ基合金用溶接材料は、第二番目の発明において、さらに、Ｎ≦０．０３質量％、Ｃ＋Ｎ≦０．０５質量％であることを特徴とする。
【００１２】
第四番目の発明に係るＮｉ基合金用溶接材料は、第二番目の発明において、さらに、希土類元素≦０．０１質量％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るＮｉ基合金用溶接材料によれば、上記組成を有することから、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係るＮｉ基合金用溶接材料の実施形態を以下に説明する。なお、各実施形態において、先に説明した実施形態と同一の内容については、その説明を省略する。
【００１５】
［第一番目の実施形態］
第一番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料は、Ｃ≦０．０５質量％、８質量％≦Ｃｒ≦２５質量％、Ｆｅ≦４．０質量％、Ｗ≦１５質量％、５質量％≦Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）≦２０質量％、Ｃｏ≦２０質量％、０．０１質量％≦Ａｌ＜２．０質量％、０．０１質量％≦Ｔｉ＜２．０質量％、Ａｌ＋１／２Ｔｉ≦３．０質量％、Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦１．５質量％、Ｂ≦０．００７質量％、Ｚｒ≦０．０４質量％、０．０１質量％≦Ｓｉ≦０．５質量％、Ｍｎ≦１．０質量％、Ｐ≦０．０１０質量％、Ｓ≦０．００２質量％、Ｏ≦０．００５質量％、残部がＮｉ及び不可避不純物からなる組成を有するものである。
【００１６】
Ｃ（炭素）は、固溶体を強化して引張強度を増大させる作用がある一方、過剰量になると、炭化物の生成に伴って熱間加工性を低下させてしまうことから、その含有量を０．０５質量％以下としている。
【００１７】
Ｃｒ（クロム）は、耐食性を向上させる作用がある一方、過剰量になると、溶接時の高温割れ感受性の増加及び熱膨張率の増加を引き起こしてしまうことから、その含有量を８〜２５質量％としている。
【００１８】
Ｆｅ（鉄）は、高Ｃｒ量の場合に生じるスケールの発生を抑制する作用がある一方、過剰量になると、高温強度の低下及び熱膨張率の増加を引き起こしてしまうことから、その含有量を４質量％以下としている。
【００１９】
Ｍｏ（モリブデン），Ｗ（タングステン），Ｒｅ（レニウム）は、オーステナイト相に固溶し、固溶体を強化して高温強度を増大させると共に、熱膨張率を低下させる作用がある一方、これらの合計が過剰量になると、熱間加工性の低下及び延性の低下を引き起こしてしまうと共に、Ｗが１５質量％を超えると、α−Ｗが析出して熱間加工性の低下を引き起こしてしまうことから、Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）を５〜２０質量％とすると共に、Ｗを１５質量％以下としている。
【００２０】
Ｃｏ（コバルト）は、オーステナイト相に固溶し、固溶体を強化して強度を増大させる作用がある一方、過剰量になると、熱間加工性及び溶接性の低下を引き起こしてしまうことから、その含有量を２０質量％以下としている。
【００２１】
Ａｌ（アルミニウム），Ｔｉ（チタン）は、溶接の際の脱酸素剤として作用すると共に、Ｎｉと結合してγ’相を形成して析出強化する作用がある。さらに、Ｔｉは、熱膨張率を低下させると共に、γ’相の時効析出硬化を促進させる作用がある。しかしながら、Ａｌ，Ｔｉは、これらの合計が過剰量になると、高温延性が低下して溶接時の高温割れを起こし易くなると共に、それぞれ２質量％以上になると、溶接の際に溶融池の表面にスラグが浮上して、溶接金属の表面にスケール被膜となって強固に密着し、融合不良等の原因となって溶接作業性の低下を引き起こしてしまうことから、Ａｌ及びＴｉをそれぞれ０．０１質量％以上２．０質量％未満とすると共に、Ａｌ＋１／２Ｔｉを３．０質量％以下としている。
【００２２】
Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル）は、炭化物を形成して延性低下割れを抑制する作用があると共に、Ｎｉと結合して析出強化相であるγ’相を形成して炭化物と共に高温強度を増加させる作用がある。しかしながら、Ｎｂ量が多いと、溶接時の凝固割れを起こし易くなり、Ｔａ量が多いと、延性が低下してしまうことから、Ｎｂ＋１／２Ｔａを１．５質量％以下としている。
【００２３】
Ｂ（硼素）は、結晶粒界に偏析して高温強度を高める作用があると共に、熱間加工性を向上させる作用があるだけでなく、Ｔｉの多い合金においてη相の析出を抑える作用がある一方、過剰量になると、溶接性が低下してしまうことから、その含有量を０．００７質量％以下としている。
【００２４】
Ｚｒ（ジルコニウム）は、結晶粒界に偏析して高温強度を高める作用があると共に、熱間加工性を向上させる作用がある一方、過剰量になると、溶接性が低下してしまうことから、その含有量を０．０４質量％以下としている。
【００２５】
Ｓｉ（珪素）は、溶接の際の脱酸素剤として作用する一方、過剰量になると、溶接時の凝固割れを起こし易くなってしまうことから、その含有量を０．０１〜０．５質量％としている。
【００２６】
Ｍｎ（マンガン）は、溶接の際の脱酸素剤として作用すると共に、溶接時の高温割れを引き起こすＳを固定して溶接時の高温割れを抑制する脱硫作用を発揮する一方、過剰量になると、溶接の際にスラグの湯流れを悪くして溶接作業性を低下させてしまうことから、その含有量を１．０質量％以下としている。
【００２７】
Ｐ（リン）は、Ｎｉと低融点の共晶体を形成して、溶接時の凝固割れを起こし易くなってしまうため、その含有量が少ないほど好ましいが、過度に低減させようとすると、経済性を損なうことから、その含有量を０．０１０質量％以下としている。
【００２８】
Ｓ（硫黄）は、Ｎｉと低融点の共晶体を形成して、溶接時の高温割れを起こし易くなってしまう不可避不純物であるため、その含有量が少ないほど好ましいことから、その含有量を０．００２質量％以下としている。
【００２９】
Ｏ（酸素）は、溶加材の溶製中に大気から侵入して、溶接金属の結晶粒界に酸化物となって集まり、結晶粒界の高温強度を低下させると共に、溶接時の高温割れ感受性を増加させてしまうため、その含有量を０．００５質量％以下とすると望ましい。
【００３０】
したがって、本実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、上述したような組成を有することから、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制することができる（具体例は後述する）。
【００３１】
［第二番目の実施形態］
第二番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料は、Ｃ≦０．０５質量％、８質量％≦Ｃｒ≦２５質量％、Ｆｅ≦４．０質量％、Ｗ≦１５質量％、５質量％≦Ｍｏ＋１／２（Ｗ＋Ｒｅ）≦２０質量％、Ｃｏ≦２０質量％、０．０１質量％≦Ａｌ＜２．０質量％、０．０１質量％≦Ｔｉ＜２．０質量％、Ａｌ＋１／２Ｔｉ≦３．０質量％、１．５質量％＜Ｎｂ≦６．５質量％、Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦６．５質量％、Ｂ≦０．００７質量％、Ｚｒ≦０．０４質量％、０．０１質量％≦Ｓｉ≦０．５質量％、Ｍｎ≦１．０質量％、Ｐ≦０．０１０質量％、Ｓ≦０．００２質量％、Ｏ≦０．００５質量％、残部がＮｉ及び不可避不純物からなる組成を有するものである。
【００３２】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、Ｎｂ及びＴａが、「Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦１．５質量％」となる組成を有するものであったが、本実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、Ｎｂ及びＴａが、「１．５質量％＜Ｎｂ≦６．５質量％」であると共に「Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦６．５質量％」となる組成を有するものとなっているのである。この相違点について以下に説明する。
【００３３】
Ｎｂ及びＴａは、先に説明したように、溶接時の延性低下割れを抑制する作用がある一方、Ｎｂ量が多いと、溶接時の凝固割れを起こし易くなってしまう。このため、前述した第一番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、「Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦１．５質量％」とすることにより、溶接時の延性低下割れの大幅な抑制を図るよりも、溶接時の凝固割れの発生を防止するようにしている。
【００３４】
これに対し、本実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、Ｎｂを１．５質量％よりも多く含有させることにより、溶接時の凝固割れを多少許容しながらも、溶接時の延性低下割れを大幅に抑制するようにしている。このとき、Ｎｂ及びＴａの合計量が多過ぎてしまうと、形成されるγ’相の体積割合が多くなり過ぎて熱間加工性が著しく低下してしまうと共に、溶接時の凝固割れが許容できない範囲となってしまうことから、「Ｎｂ≦６．５質量％」とすると共に「Ｎｂ＋１／２Ｔａ≦６．５質量％」としているのである。
【００３５】
したがって、本実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、前述した第一番目の実施形態の場合のように、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制することができる（具体例は後述する）。
【００３６】
［第三番目の実施形態］
第三番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料は、前述した第二番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料において、さらに、Ｎ≦０．０３質量％、Ｃ＋Ｎ≦０．０５質量％からなる組成を有するものである。
【００３７】
Ｎ（窒素）は、Ｃと同様に、固溶体を強化して引張強度を増大させる作用があると共に、窒化物を形成して溶接金属部の組織を微細化することにより溶接時の高温割れ感受性を低下させる作用がある一方、過剰量になると、ブローホールの発生や、引張強度の増加に伴う脆化を引き起こしてしまうことから、その含有量を０．０３質量％以下とすると共に、Ｃと合わせた含有量を０．０５質量％以下としている。
【００３８】
したがって、本実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、前述した第二番目の実施形態の場合のように、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制することができる（具体例は後述する）。
【００３９】
［第四番目の実施形態］
第四番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料は、前述した第二番目の実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料において、さらに、希土類元素≦０．０１質量％からなる組成を有するものである。
【００４０】
Ｌａ（ランタン）やＣｅ（セリウム）等のような希土類元素（ＲＥＭ）は、脱酸素作用及び脱硫作用が大きいため、粒界強化による熱加工時に発生する割れを抑制することができると共に、溶接時の高温割れ感受性を低下させることができる一方、過剰量になると、Ｎｉと低融点の共晶体を形成して溶接時の凝固割れを起こし易くなってしまうことから、その含有量を０．０１質量％以下としている。
【００４１】
したがって、本実施形態に係るＮｉ基合金用溶接材料においては、前述した第二番目の実施形態の場合よりも、溶接時の高温割れをさらに抑制することができる（具体例は後述する）。
【実施例】
【００４２】
本発明に係るＮｉ基合金用溶接材料の効果を確認するために行った確認試験を以下に説明するが、本発明は以下に説明する確認試験のみに限定されるものではない。
【００４３】
［確認試験］
下記の表１，２に示す組成（各値共に質量％）を有するＮｉ基合金用溶接材料の試験体１〜４を作製し、トランス−バレストレイン試験法により、脆性温度領域（ＢＴＲ）を求めた。また、比較のため、代表的なＮｉ基合金の溶接材料（ＡＷＳ規格  Ａ５．１４  「ERNiCrMo-3」／比較体）に対しても、トランス−バレストレイン試験法により、脆性温度領域（ＢＴＲ）を併せて求めた。その結果を下記の表３に示す。
【００４４】
【表１】
2010029914.tif 000002
【００４５】
【表２】
2010029914.tif 000003
【００４６】
【表３】
2010029914.tif 000004
【００４７】
上記表３からわかるように、本発明に係るＮｉ基合金用溶接材料の試験体１〜４は、従来のＮｉ基合金用溶接材料の比較体よりも、ＢＴＲがすべて低かった。このことから、本発明に係るＮｉ基合金用溶接材料は、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係るＮｉ基合金用溶接材料は、熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等に対する溶接性に優れながらも溶接時の高温割れを抑制することができることから、例えば、熱効率の向上を図るために蒸気の温度を高めた（６５０℃以上）蒸気タービンのロータを熱膨張率の小さいオーステナイト系のＮｉ基合金等で製造することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】タービンのロータの本体部にＮｉ基合金を用いる場合のロータの材料説明図である。
【図２】タービンのロータの本体部に１２Ｃｒ鋼を用いる場合のロータの材料説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１０  ロータ
１１１Ａ，１１１Ｂ  本体部
１１２  軸端部
１２０  ロータ
１２１Ａ，１２１Ｂ  本体部
１２２  軸端部
１２３  中間部
【図１】
2010029914.tif 000005
【図２】
2010029914.tif 000006