(57)【要約】  Ｂを含有するフェライト系耐熱鋼を溶接する場合において、高いクリープ強度及び靭性を有する溶接金属を形成できるフェライト系耐熱鋼用溶接材料、フェライト系耐熱鋼用溶接継手、及び、フェライト系耐熱鋼用溶接継手の製造方法を提供する。本実施形態によるフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１０％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．３〜０．７％、Ｃｏ：２．６〜３．４％、Ｎｉ：０．０１〜１．１０％、Ｃｒ：８．５〜９．５％、Ｗ：２．５〜３．５％、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｖ：０．１〜０．３％、Ｔａ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．００７〜０．０１５％、Ｎ：０．００５〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）を満たす化学組成を有する。  ０．５≦Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎ≦１０．０  （１）【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０６〜０．１０％、
Ｓｉ：０．１〜０．４％、
Ｍｎ：０．３〜０．７％、
Ｐ：０．０１％以下、
Ｓ：０．００３％以下、
Ｃｏ：２．６〜３．４％、
Ｎｉ：０．０１〜１．１０％、
Ｃｒ：８．５〜９．５％、
Ｗ：２．５〜３．５％、
Ｍｏ：０．０１％未満、
Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、
Ｖ：０．１〜０．３％、
Ｔａ：０．０２〜０．０８％、
Ｂ：０．００７〜０．０１５％、
Ｎ：０．００５〜０．０２０％、
Ａｌ：０．０３％以下、
Ｏ：０．０２％以下、
Ｃｕ：０〜１％、
Ｔｉ：０〜０．３％、
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、及び、
希土類元素：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）を満たす化学組成を有するフェライト系耐熱鋼用溶接材料。
０．５≦Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎ≦１０．０  （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【請求項２】
請求項１に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接材料であってさらに、質量％で、下記の第１群〜第３群から選択される１種又は２種以上の元素を含有する、フェライト系耐熱鋼用溶接材料。
第１群：Ｃｕ：０．０５〜１．００％、
第２群：Ｔｉ：０．０２〜０．３０％、
第３群：Ｃａ：０．００１〜０．０５０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０５０％、及び希土類元素：０．００１〜０．１０％以下
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接材料であって、
δフェライトの面積率は０．５％以下である、フェライト系耐熱鋼用溶接材料。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の化学組成を有する溶接金属と、
フェライト系耐熱鋼からなる母材とを備え、
前記母材は、質量％で、
Ｃｒ：８〜１０％、
Ｃｏ：２〜４％、
Ｗ：２〜４％、及び、
Ｂ：０．００５〜０．０２０％を含有する化学組成を有する、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。
【請求項５】
請求項４に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接継手であって、
前記母材の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、
Ｍｎ：０．１〜０．８％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｏ：２〜４％、
Ｎｉ：０〜０．４％、
Ｃｒ：８〜１０％、
Ｗ：２〜４％、
Ｎｂ及び／又はＴａ：合計で０．０２〜０．１８％、
Ｖ：０．０５〜０．４０％、
Ｂ：０．００５〜０．０２０％、
Ｎｄ：０．０１〜０．０６％、
Ｎ：０．００２〜０．０２５％、
Ａｌ：０．０３％以下、及び、
Ｏ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。
【請求項６】
請求項５に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接継手であって、
前記母材は、
Ｎｉ：０．０５〜０．４％を含有する、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。
【請求項７】
請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接継手であって、
前記溶接金属中のδフェライトの面積率は０．５％以下である、フェライト系耐熱鋼用溶接継手。
【請求項８】
質量％で、Ｃｒ：８〜１０％、Ｃｏ：２〜４％、Ｗ：２〜４％、及びＢ：０．００５〜０．０２０％を含有する化学組成を有するフェライト系耐熱鋼からなる母材に対して、請求項１又は請求項２に記載のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、溶接入熱６〜２０ｋＪ／ｃｍでガスタングステンアーク溶接を実施して溶接金属を形成する工程と、
前記母材に形成された前記溶接金属に対して、７４０〜７８０℃の熱処理温度で前記母材の厚さ２５．４ｍｍ当たり０．５〜４．０時間の熱処理を実施する工程とを備える、フェライト系耐熱鋼用溶接継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接材料、溶接継手及び溶接継手の製造方法に関し、さらに詳しくは、フェライト系耐熱鋼用溶接材料、フェライト系耐熱鋼用溶接継手及びフェライト系耐熱鋼用溶接継手の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、火力発電では熱効率を高めるために、蒸気条件の高温高圧化が進められている。将来的には６５０℃、３５０気圧という超々臨界圧条件での操業が計画されている。フェライト系耐熱鋼は、オーステナイト系耐熱鋼やＮｉ基耐熱鋼に比べて安価である。フェライト系耐熱鋼はさらに、熱膨張係数が小さいという耐熱鋼としての利点を有する。そのため、フェライト系耐熱鋼は、高温高圧環境において広く利用されている。【０００３】
特開平４−３７１５５１号公報（特許文献１）、特開平４−３７１５５２号公報（特許文献２）、及び、特開２００２−２４１９０３号公報（特許文献３）は、上記のような将来的な条件の過酷化に対応可能なフェライト系耐熱鋼を提案する。特許文献１及び特許文献２に開示されたフェライト系耐熱鋼は、Ｗ及びＭｏ含有量を最適化するとともに、Ｃｏ及びＢを含有する。これにより、これらの文献のフェライト系耐熱鋼は高強度を有する。また、特許文献３に開示されたフェライト系耐熱鋼材は、マルテンサイトラス界面に析出するＭ23Ｃ6炭化物及び金属間化合物相を積極的に活用することにより、高強度を有する。【０００４】
ところで、フェライト系耐熱鋼は溶接されて、溶接継手として構造物に利用される場合がある。この場合、溶接継手の溶接熱影響部（以下、ＨＡＺという）のクリープ強度が低下し得る。そこで、特開２００４−３００５３２号公報（特許文献４）、特開２０１０―７０９４号公報（特許文献５）、及び、国際公開第２００８／１４９７０３号（特許文献６）は、ＨＡＺでのクリープ強度低下を抑制したフェライト系耐熱鋼を提案する。特許文献４に開示されたフェライト系耐熱鋼は、Ｂを０．００３〜０．０３質量％含有することにより、ＨＡＺでの細粒化を抑える。これにより、ＨＡＺでのクリープ強度低下が抑制される。特許文献５及び特許文献６に開示されたフェライト系耐熱鋼は、多量のＢを含有するとともに、溶接入熱又はＢ含有量に応じてＣ含有量を調整する。これにより、ＨＡＺでの強度低下を抑制するとともに、溶接時の液化割れが抑制される。【０００５】
多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼を溶接する場合、一般的に溶接材料を使用する。市販Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料（例えば、ＪＩＳ  Ｚ  ３３３４（２０１１）ＳＮｉ６０８２）を用いて形成された溶接金属は、高いクリープ強度及び靭性を有する。しかしながら、溶接時、特に母材の希釈が大きい初層溶接部では、Ｂが母材から溶接金属中に流入する。この場合、凝固割れが発生する場合がある。したがって、Ｂを含有するフェライト系耐熱鋼を溶接するために使用される溶接材料には、溶接金属での高いクリープ強度及び靭性が求められるだけでなく、溶接時における凝固割れの抑制も求められる。【０００６】
特開平８−１８７５９２号公報（特許文献７）、特開平９−３０８９８９号公報（特許文献８）、及び、特開平９−１２２９７１号公報（特許文献９）は、クリープ強度、靭性及び溶接性に優れたフェライト系耐熱鋼用溶接材料を提案する。特許文献７の溶接材料は、Ｂを０．０００５〜０．００６質量％含有し、かつ（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｎｉ＋Ｃｏ）が０．０４５〜２．０である。特許文献８の溶接材料は、任意でＢを０．０００５〜０．００６質量％含有するとともに、（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｎｉ＋Ｃｏ）及び（０．５×Ｃｏ＋０．５×Ｍｎ＋Ｎｉ）が所定の範囲内であり、さらに、Ｃｒ等量が所定範囲内である。特許文献９の溶接材料は、任意で０．０２質量％以下のＢを含有でき、さらに、Ｍｎ含有量が（０．０９２５−１２．５〔％Ｓ〕）％〜２．０％であり、（Ａｌ＋Ｏ）が０．０２％以下である。【０００７】
しかしながら、これらの溶接材料を多量のＢを含有するフェライト系耐熱材料の溶接に使用した場合、溶接金属の十分なクリープ強度が安定して得られない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−３７１５５１号公報
【特許文献２】特開平４−３７１５５２号公報
【特許文献３】特開２００２−２４１９０３号公報
【特許文献４】特開２００４−３００５３２号公報
【特許文献５】特開２０１０―７０９４号公報
【特許文献６】国際公開第２００８／１４９７０３号
【特許文献７】特開平８−１８７５９２号公報
【特許文献８】特開平９−３０８９８９号公報
【特許文献９】特開平９−１２２９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、Ｂを含有するフェライト系耐熱鋼を溶接する場合において、高いクリープ強度及び靭性を有する溶接金属を形成できるフェライト系耐熱鋼用溶接材料、フェライト系耐熱鋼用溶接継手、及び、フェライト系耐熱鋼用溶接継手の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１０％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．３〜０．７％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃｏ：２．６〜３．４％、Ｎｉ：０．０１〜１．１０％、Ｃｒ：８．５〜９．５％、Ｗ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０１％未満、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｖ：０．１〜０．３％、Ｔａ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．００７〜０．０１５％、Ｎ：０．００５〜０．０２０％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｏ：０．０２％以下、Ｃｕ：０〜１％、Ｔｉ：０〜０．３％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、及び、希土類元素：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）を満たす化学組成を有する。
０．５≦Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎ≦１０．０  （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。【００１１】
本発明による溶接継手は、上述の化学組成を有するフェライト系耐熱鋼用溶接金属と、Ｂを含有するフェライト系耐熱鋼からなる母材とを備える。【００１２】
本発明による溶接継手の製造方法は、フェライト系耐熱鋼からなる母材に対して、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、溶接入熱６〜２０ｋＪ／ｃｍでガスタングステンアーク溶接を実施して溶接金属を形成する工程と、母材に形成された溶接金属に対して、７４０〜７８０℃の熱処理温度で母材の厚さ２５．４ｍｍ当たり０．５〜４．０時間の熱処理を実施する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、Ｂを含有するフェライト系耐熱鋼を溶接する場合において、高いクリープ強度及び靭性を有する溶接金属を形成できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らは、上述の課題を解決するために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。
【００１５】
Ｂを含有するフェライト系耐熱鋼からなる母材に溶接を実施して溶接金属を形成する場合、溶接金属に適量のＢが含まれていれば、溶接金属のクリープ強度が高まる。その理由は次のとおりと考えられる。旧オーステナイト粒界及びマルテンサイトラス境界にＭ23Ｃ6炭化物（Ｍは合金元素）が微細に分散する。このＭ23Ｃ6炭化物によりマルテンサイトラスの回復が遅れ、クリープ強度が高まる。母材のＢ含有量が０．００５〜０．０２０％である場合、溶接金属のＢ含有量が０．００７％以上であれば、母材と同等以上のクリープ強度が得られる。
【００１６】
一方、溶接金属中のＢ含有量が高すぎれば、高いクリープ強度が得られるものの、靭性が低下する。その理由は次のとおりと考えられる。Ｂ含有量が高すぎれば、マルテンサイト変態時にマルテンサイトラスの急激な伸長が生じる。これによりパケットサイズが大きくなり、衝撃に対する破壊単位が大きくなる。さらに、Ｂはフェライト形成元素であるため、溶接金属中のδフェライトの生成を促進して、溶接金属中のδフェライトの面積率が増大する。そのため、溶接金属の靭性が低下すると考えられる。
【００１７】
次の（Ａ）〜（Ｃ）を満たせば、高い靭性を維持できる溶接金属が得られる。
【００１８】
（Ａ）溶接金属のＢ含有量を０．０１５％以下とすれば、マルテンサイトラスの急激な伸長が抑えられる。
（Ｂ）溶接金属の化学組成において、Ｆ１＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎと定義する。Ｆ１が１０．０以下であれば、δフェライトの形成が抑制され、溶接金属中δフェライトの面積率が０．５％以下となる。
（Ｃ）Ｓは、溶接中や溶接後熱処理の過程で偏析し、粒界の固着力を低下させる。そこで、Ｓ含有量を０．００３質量％以下とする。これにより溶接金属の靭性が高まる。
【００１９】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態のフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１０％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．３〜０．７％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃｏ：２．６〜３．４％、Ｎｉ：０．０１〜１．１０％、Ｃｒ：８．５〜９．５％、Ｗ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０１％未満、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｖ：０．１〜０．３％、Ｔａ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．００７〜０．０１５％、Ｎ：０．００５〜０．０２０％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｏ：０．０２％以下、Ｃｕ：０〜１％、Ｔｉ：０〜０．３％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、及び、希土類元素：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）を満たす化学組成を有する。
０．５≦Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎ≦１０．０  （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００２０】
上記溶接材料の化学組成は、第１群〜第３群から選択される１種又は２種以上の元素を含有してもよい。
第１群：Ｃｕ：０．０５〜１．００％、
第２群：Ｔｉ：０．０２〜０．３０％、
第３群：Ｃａ：０．００１〜０．０５０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０５０％、及び希土類元素：０．００１〜０．１０％以下
【００２１】
上記溶接材料中のδフェライトの面積率は、０．５％以下であるのが好ましい。
【００２２】
本発明による溶接継手は、上述の化学組成を有する溶接金属と、フェライト系耐熱鋼からなる母材とを備える。母材は、質量％で、Ｃｒ：８〜１０％、Ｃｏ：２〜４％、Ｗ：２〜４％、及び、Ｂ：０．００５〜０．０２０％を含有する化学組成を有する。
【００２３】
上記母材の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．１〜０．８％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｏ：２〜４％、Ｎｉ：０〜０．４％、Ｃｒ：８〜１０％、Ｗ：２〜４％、Ｎｂ及び／又はＴａ：合計で０．０２〜０．１８％、Ｖ：０．０５〜０．４０％、Ｂ：０．００５〜０．０２０％、Ｎｄ：０．０１〜０．０６％、Ｎ：０．００２〜０．０２５％、Ａｌ：０．０３％以下、及び、Ｏ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物であってもよい。上記母材の化学組成は、Ｎｉ：０．０５〜０．４％を含有してもよい。上記溶接金属中のδフェライトの面積率はたとえば、０．５％以下である。
【００２４】
本発明による溶接継手の製造方法は、質量％で、Ｃｒ：８〜１０％、Ｃｏ：２〜４％、Ｗ：２〜４％、及びＢ：０．００５〜０．０２０％を含有する化学組成を有するフェライト系耐熱鋼からなる母材に対して、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、溶接入熱６〜２０ｋJ／ｃｍでガスタングステンアーク溶接を実施して溶接金属を形成する工程と、母材に形成された溶接金属に対して、７４０〜７８０℃の熱処理温度で母材の厚さ２５．４ｍｍ当たり０．５〜４．０時間の熱処理を実施する工程とを備える。
【００２５】
以下、本発明によるフェライト系耐熱鋼用溶接材料、溶接継手及び溶接継手の製造方法について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００２６】
［フェライト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成］
本実施形態のフェライト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成は、次の元素を含有する。
【００２７】
Ｃ：０．０６〜０．１０％
炭素（Ｃ）は、溶接金属のδフェライト生成を抑制し、溶接金属の主たる組織をマルテンサイト組織とする。Ｃはさらに、高温使用時に微細な炭化物（Ｍ23Ｃ6炭化物）を生成し、クリープ強度を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、粗大な炭化物が多量に析出し、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０６〜０．１０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０７％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０９％である。
【００２８】
Ｓｉ：０．１〜０．４％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、溶接金属の耐水蒸気酸化特性を高める。Ｓｉ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下するとともに、クリープ延性も低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１〜０．４％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．２５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３５％である。
【００２９】
Ｍｎ：０．３〜０．７％
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様に鋼を脱酸する。Ｍｎはさらに、溶接金属の組織のマルテンサイト化を促進する。Ｍｎ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、溶接金属においてクリープ脆化が発生しやすくなる。したがって、Ｍｎ含有量は０．３〜０．７％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は、０．４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．６％である。
【００３０】
Ｐ：０．０１％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは溶接金属の靭性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０１％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．００８％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストの観点から、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００５％である。
【００３１】
Ｓ：０．００３％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。ＳはＢを含有する溶接金属中の旧オーステナイト粒界及びラス界面に偏析し、粒界及びラス界面の固着力を低下する。そのため、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｓの含有量は０．００３％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００２％未満であり、さらに好ましくは０．００１５％未満である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、効果及び材料コストの観点から、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００２％である。
【００３２】
Ｃｏ：２．６〜３．４％
コバルト（Ｃｏ）は、δフェライトの生成を抑制し、マルテンサイト組織を得るのに有効である。母材と異なり、溶接金属は調質処理がされないため、上記効果を十分に得るためのＣｏ含有量の下限は２．６％である。一方、Ｃｏ含有量が高すぎれば、かえってクリープ強度が低下し、クリープ延性も低下する。さらに、Ｃｏは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は２．６〜３．４％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は２．８％である。Ｃｏ含有量の好ましい上限は３．３％である。
【００３３】
Ｎｉ：０．０１〜１．１０％
ニッケル（Ｎｉ）は、δフェライトの生成を抑制し、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Ｎｉはさらに、溶接金属の靭性を高める。Ｎｉ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、クリープ延性が低下する。さらに、Ｎｉは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は０．０１〜１．１０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．０４％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は１．００％である。
【００３４】
Ｃｒ：８．５〜９．５％
クロム（Ｃｒ）は、溶接金属の耐水蒸気酸化性及び耐食性を高める。Ｃｒはさらに、高温での使用中に炭化物として析出し、クリープ強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、炭化物の安定性が低下して、クリープ強度が低下する。Ｃｒ含有量が高すぎればさらに、δフェライトの生成が促進され、靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は８．５〜９．５％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は８．７％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は９．３％である。
【００３５】
Ｗ：２．５〜３．５％
タングステン（Ｗ）は、マトリックスに固溶、又は、金属間化合物として長時間使用中に析出し、溶接金属の高温でのクリープ強度を高める。Ｗ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｗ含有量が高すぎれば、多量の析出物が生成する。さらに、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｗ含有量は２．５〜３．５％である。Ｗ含有量の好ましい下限は２．７％である。Ｗ含有量の好ましい上限は３．３％である。
【００３６】
Ｍｏ：０．０１％未満
モリブデン（Ｍｏ）は本発明の溶接材料においては、不純物である。Ｍｏは、マトリックスに固溶して、溶接金属のクリープ強度を高める。しかしながら、Ｍｏは凝固偏析しやすく、Ｗを含有する金属間化合物及び炭化物の長時間安定性を低下する。したがって、Ｍｏ含有量はなるべく低い方が好ましく、０．０１％未満である。
【００３７】
Ｎｂ：０．０２〜０．０８％
ニオブ（Ｎｂ）は、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。Ｎｂ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｎｂ含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出し、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。さらに、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．０２〜０．０８％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０３％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０７％である。
【００３８】
Ｖ：０．１〜０．３％
バナジウム（Ｖ）はＮｂと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。Ｖ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｖ含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出し、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。さらに、δフェライトの生成が促進され、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｖ含有量は、０．１〜０．３％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．１５％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．２５％である。
【００３９】
Ｔａ：０．０２〜０．０８％
タンタル（Ｔａ）はＮｂ及びＶと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。Ｔａ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｔａ含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出し、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｔａ含有量は、０．０２〜０．０８％である。Ｔａ含有量の好ましい下限は０．０３％である。Ｔａ含有量の好ましい上限は０．０７％である。
【００４０】
Ｂ：０．００７〜０．０１５％
ホウ素（Ｂ）は、焼入れ性を高め、溶接金属においてマルテンサイト組織を得るのに有効である。Ｂはさらに、高温での使用中に炭化物を旧オーステナイト境界及びマルテンサイトラス境界に微細分散させ、組織の回復を抑制し、クリープ強度を高める。Ｂ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｂ含有量が高すぎれば、マルテンサイト変態時にマルテンサイトラスが急激に伸長し、破壊単位が大きくなる。さらに、δフェライトの生成が促進される。そのため、溶接金属の靭性が極度に低下する。したがって、Ｂ含有量は、０．００７〜０．０１５％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．００９％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．０１２％である。
【００４１】
Ｎ：０．００５〜０．０２０％
窒素（Ｎ）は、高温での使用中に微細な窒化物として粒内に微細に析出し、クリープ強度を高める。Ｎはさらに、δフェライトの生成を抑制する。Ｎ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、溶接金属の凝固時に粗大な窒化物が晶出し、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｎ含有量は、０．００５〜０．０２０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００８％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１５％である。
【００４２】
Ａｌ：０．０３％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、清浄性が低下し、溶接材料の加工性及び溶接金属の靭性が低下する。さらに、溶接金属のクリープ強度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は、０．０３％以下である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０１％である。製造コストを考慮すれば、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００１％である。本明細書において、Ａｌ含有量はｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）を意味する。
【００４３】
Ｏ：０．０２％以下
酸素（Ｏ）は、不純物である。Ｏ含有量が高すぎれば、溶接材料の加工性及び溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｏの含有量は０．０２％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．０１％である。効果と製造コストを考慮すれば、Ｏ含有量の好ましい下限は、０．００１％である。
【００４４】
本実施形態によるフェライト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とはフェライト系耐熱鋼用溶接材料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、本実施形態のフェライト系耐熱鋼用溶接材料に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００４５】
［任意元素について］
上述の溶接材料はさらに、次の第１群〜第３群から選択される１種又は２種以上の元素を含有してもよい。以下、これらの元素について詳述する。
【００４６】
［第１群］
Ｃｕ：０〜１％
銅（Ｃｕ）は、任意元素であり含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃｕは、マルテンサイト組織の生成に有効である。しかしながら、Ｃｕ含有量が高すぎれば、溶接金属のクリープ延性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は、０〜１％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．８％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．２％である。
【００４７】
［第２群］
Ｔｉ：０〜０．３％
チタン（Ｔｉ）は、任意元素であり含有されなくてもよい。含有される場合、Ｔｉは、Ｎｂ、Ｖ、及びＴａと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度を高める。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎれば、溶接中に粗大な窒化物として晶出したり、高温での使用中に粗大な窒化物として多量に析出して、溶接金属の靭性を低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．３％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは、０．０５％である。
【００４８】
［第３群］
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、及び、
希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．１％
カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び希土類元素（ＲＥＭ）は、任意元素であり含有されなくてもよい。含有される場合、これらの元素は、溶接材料製造時の熱間加工性を高める。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、これらの元素が酸素と結合し、溶接金属の清浄性を低下する。この場合、溶接金属の熱間加工性を低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０５％であり、Ｍｇ含有量は０〜０．０５％であり、ＲＥＭ含有量は０〜０．１％である。Ｃａ含有量、及びＭｇ含有量の好ましい下限はそれぞれ０．００１％であり、さらに好ましくはそれぞれ０．００２％である。Ｃａ含有量、及びＭｇ含有量の好ましい上限はそれぞれ０．０２％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０６％である。
【００４９】
本明細書におけるＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙ、及び、ランタノイド（原子番号５７番のＬａ〜７１番のＬｕ）の少なくとも１種以上を含有する。ＲＥＭ含有量は、これらの元素の総含有量を意味する。
【００５０】
［式（１）について］
上記化学組成はさらに、式（１）を満たす。
０．５≦Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎ≦１０．０  （１）
Ｆ１＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎ、と定義する。Ｆ１は、クリープ強度及びδフェライト量の指標である。具体的には、Ｆ１が低すぎれば、十分なクリープ強度が得られず、クリープ強度が低い。一方、Ｆ１が高すぎれば、δフェライトの生成量が増加して、溶接金属の組織中のδフェライトの面積率が０．５％を超える。この場合、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｆ１は０．５〜１０．０である。Ｆ１の好ましい下限は１．０である。Ｆ１の好ましい上限は９．０である。
【００５１】
［溶接材料について］
本発明のフェライト系耐熱鋼用溶接材料は、周知の製造方法により製造される。溶接材料はたとえば、溶加棒、ガスタングステンアーク溶接用のフィラーワイヤ、被覆アーク溶接用の溶接棒の芯線等に加工される。
【００５２】
［溶接材料の組織のδフェライトの面積率］
溶接材料の組織は主に焼き戻しマルテンサイト組織からなるが、組織中のδフェライトの面積率は０．５％以下である必要がある。δフェライトの面積率が高い場合、つまり、δフェライト量が多い場合、溶接材料の高温での加工時に、変形能の異なる組織が混在する。その結果、加工性が低下する。さらに、本発明の溶接材料を用いて得られる溶接金属のδフェライトの面積率を０．５％以下とすれば、高い靭性が得られる。これらの効果を安定して得るための、δフェライトの面積率の好ましい上限は０．３％であり、さらに好ましくは０．１％である。
【００５３】
δフェライトの面積率は次の方法で測定される。溶接材料の任意の位置から、横断面サンプルを採取する。採取されたサンプルの表面を研磨する。研磨後、ビレラ（Ｖｉｌｅｌｌａ）試薬を用いて、研磨されたサンプル表面をエッチングする。光学顕微鏡（観察倍率１００倍、観察視野６５０μｍ×８６０μｍ）を用いて、任意の５視野において、エッチングされた表面におけるδフェライトを特定する。特定には、例えば、周知の画像処理ソフトが用いられる。エッチングされた各組織（マルテンサイト、δフェライト等）のコントラストは異なるため、コントラストに基づいてδフェライトを特定する。各視野で特定されたδフェライトの総面積を、５視野の総面積（観察視野６５０μｍ×８６０μｍ×５）で除した値を、溶接材料中のδフェライトの面積率（％）と定義する。
【００５４】
［溶接継手について］
本発明のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて、後述のフェライト系耐熱鋼を母材として溶接すれば、溶接金属と、フェライト系耐熱鋼の母材とを備えた溶接継手が製造される。この溶接継手は優れたクリープ強度及び靭性を有する。以下、溶接継手の母材及び溶接金属について詳述する。
【００５５】
［母材について］
母材は、フェライト系耐熱鋼からなる。母材の化学組成は、次の元素を含有する。
【００５６】
Ｃｒ：８〜１０％
クロム（Ｃｒ）は、溶接材料における場合と同様に、母材の高温での耐水蒸気酸化性及び耐食性を高める。Ｃｒはさらに、高温での使用中に炭化物として析出し、母材のクリープ強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃｒ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、炭化物の安定性が低下して母材のクリープ強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は、８〜１０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は８．５％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は９．５％である。
【００５７】
Ｃｏ：２〜４％
コバルト（Ｃｏ）は、母材の組織をマルテンサイト組織にして、クリープ強度を高めるのに有効である。Ｃｏ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃｏ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃｏ含有量が高すぎれば、母材のクリープ強度及びクリープ延性が低下する。さらに、Ｃｏは高価な元素であるため、材料コストが高くなる。したがって、Ｃｏ含有量は、２〜４％である。Ｃｏ含有量の好ましい下限は２．５％であり、Ｃｏ含有量の好ましい上限は３．５％である。
【００５８】
Ｗ：２〜４％
タングステン（Ｗ）は、溶接材料における場合と同様に、母材のマトリックスに固溶したり、金属間化合物として長時間使用中に析出したりして、高温でのクリープ強度を高める。Ｗ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｗ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｗ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｗ含有量は、Ｗ：２〜４％である。Ｗ含有量の好ましい下限は２．５％である。Ｗ含有量の好ましい上限は３．５％である。
【００５９】
Ｂ：０．００５〜０．０２０％
ホウ素（Ｂ）は、溶接材料における場合と同様に、焼入れ性を高め、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Ｂはさらに、高温での使用中に炭化物を旧オーステナイト境界、マルテンサイトラス境界に微細分散して、組織の回復を抑制し、クリープ強度を高める。Ｂ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｂ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｂ含有量が高すぎれば、溶接金属の場合と同様に、靭性が低下する。したがって、Ｂ含有量は、０．００５〜０．０２０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．００７％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．０１５％である。
【００６０】
母材が上述の元素を含有すれば、母材は、高温域において、高いクリープ強度及び靭性を有する。
【００６１】
好ましくは、上記母材の化学組成はさらに、次の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とはフェライト系耐熱鋼用溶接材料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、本実施形態のフェライト系耐熱鋼からなる母材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００６２】
Ｃ：０．０４〜０．１２％
炭素（Ｃ）は、マルテンサイト組織を得るのに有効である。Ｃはさらに、高温使用時に微細な炭化物を生成し、母材のクリープ強度を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｃ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、クリープ強度向上の効果が飽和する。したがって、Ｃ含有量は、０．０４〜０．１２％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０６％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．１０％である。
【００６３】
Ｓｉ：０．０５〜０．６０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、母材の耐水蒸気酸化特性を高める。Ｓｉ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｓｉ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、母材のクリープ延性及び靭性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は、０．０５〜０．６０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．４０％である。
【００６４】
Ｍｎ：０．１〜０．８％
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様に、鋼を脱酸する。Ｍｎはさらに、母材の組織をマルテンサイトにする。Ｍｎ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｍｎ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、クリープ脆化が発生しやすくなる。したがって、Ｍｎ含有量は、０．１〜０．８％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．７％である。
【００６５】
Ｐ：０．０２％以下
燐（Ｐ）は、不純物である。Ｐ含有量が高すぎれば、クリープ延性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０２％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０１８％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストを考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００５％である。
【００６６】
Ｓ：０．０１％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物である。Ｓ含有量が高すぎれば、クリープ延性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００５％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかし、材料コストを考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００２％である。
【００６７】
Ｎｂ及び／又はＴａ：合計０．０２〜０．１８％
ニオブ（Ｎｂ）及びタンタル（Ｔａ）は、溶接材料における場合と同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。Ｎｂ及び／又はＴａ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、これらの元素の含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｎｂ及び／又はＴａ含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｎｂ及び／又はＴａの合計含有量は０．０２〜０．１８％である。Ｎｂ及び／又はＴａの総含有量の好ましい下限は０．０５％である。Ｎｂ及び／又はＴａの総含有量の好ましい上限は０．１２％である。
【００６８】
Ｖ：０．０５〜０．４０％
バナジウム（Ｖ）はＮｂ及びＴａと同様に、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度を高める。Ｖ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｖ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｖ含有量が高すぎれば、粗大な炭窒化物が多量に析出して、クリープ強度及びクリープ延性が低下する。したがって、Ｖ含有量は、０．０５〜０．４０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．１０％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．３０％である。
【００６９】
Ｎｄ：０．０１〜０．０６％
ネオジム（Ｎｄ）は母材のクリープ延性を改善する。Ｎｄ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。溶接中にスラグとして減少する心配のない母材においては、Ｎｄの上記効果を有効に活用できる。一方、Ｎｄ含有量が高すぎれば、熱間加工性が低下する。したがって、Ｎｄ含有量は、０．０１〜０．０６％である。Ｎｄ含有量の好ましい下限は０．０２％である。Ｎｄ含有量の好ましい上限は０．０５％である。
【００７０】
Ｎ：０．００２〜０．０２５％
窒素（Ｎ）は、高温での使用中に微細な窒化物として粒内に微細に析出し、クリープ強度を高める。Ｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。ただし、母材は溶接金属と異なり、凝固偏析が抑制されており、調質処理された後使用される。そのため、Ｎ含有量は、溶接材料の場合より低くても、上記効果を得ることができる。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、窒化物が粗大化して、クリープ延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は、０．００２〜０．０２５％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００５％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１５％である。
【００７１】
Ａｌ：０．０３％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、溶接材料における場合と同様に、鋼を脱酸する。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎれば、母材の清浄性が低下して加工性が低下する。Ａｌ含有量が高すぎればさらに、クリープ強度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は、０．０３％以下である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０１％である。製造コストを考慮すれば、Ａｌ含有量の好ましい下限は、０．００１％である。本明細書において、Ａｌ含有量はｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）を意味する。
【００７２】
Ｏ：０．０２％以下
酸素（Ｏ）は、溶接材料における場合と同様に不純物である。Ｏ含有量が高すぎれば、母材の加工性が低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０２％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．０１％である。材料コストを考慮すれば、Ｏ含有量の好ましい下限は０．００１％である。
【００７３】
上述の母材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｉを含有してもよい。
Ｎｉ：０〜０．４％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｎｉは、マルテンサイト組織を得るのに有効である。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがってＮｉ含有量は０〜０．４％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．２％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．０５％あり、さらに好ましくは、０．１％である。
【００７４】
以上の化学組成を有する母材は、７００℃以上の高温域においても優れた延性及びクリープ強度を有する。
【００７５】
［溶接金属について］
溶接金属は、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて後述する方法で溶接することにより形成される。本発明の溶接金属は、優れたクリープ強度及び靭性を有する。溶接金属の化学組成は、溶接金属中のどの部位においても、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成で記載した各元素含有量の範囲内である。
【００７６】
［溶接金属の組織］
溶接後の溶接金属の組織は、主としてマルテンサイトからなる。溶接金属の組織中のδフェライトの面積率は０．５％以下である必要がある。δフェライトの面積率が高い場合、つまり、δフェライト量が多い場合、割れ発生の起点が増加し、靭性が低下する。本発明の溶接金属の組織中のδフェライトの面積率は０．５％以下と低い。そのため、溶接金属は高い靭性を有する。δフェライトの面積率の好ましい上限は０．３％であり、さらに好ましくは０．１％である。
【００７７】
δフェライトの面積率は次の方法で測定される。溶接金属の任意の位置から、サンプルを採取する。採取されたサンプルの表面を研磨する。研磨後、ビレラ（Ｖｉｌｅｌｌａ）試薬を用いて、研磨されたサンプル表面をエッチングする。光学顕微鏡（観察倍率１００倍、観察視野６５０μｍ×８６０μｍ）を用いて、任意の５視野において、エッチングされた表面におけるδフェライトを特定する。特定には、例えば、周知の画像処理ソフトが用いられる。エッチングされた各組織（マルテンサイト、δフェライト等）のコントラストは異なるため、コントラストに基づいてδフェライトを特定する。各視野で特定されたδフェライトの総面積を、５視野の総面積（観察視野６５０μｍ×８６０μｍ×５）で除した値を、溶接金属中のδフェライトの面積率（％）と定義する。
【００７８】
［溶接継手の製造方法］
上述の溶接継手の製造方法は、上記母材に対して上記フェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて溶接する工程（溶接工程）と、溶接後の溶接金属に対して熱処理を実施する工程（熱処理工程）とを備える。以下、各工程について詳述する。
【００７９】
［溶接工程］
上述の母材に対して溶接を実施して溶接金属を形成する。母材の形状は特に限定されない。母材は鋼板であってもよいし、鋼管であってもよい。
【００８０】
溶接には、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いる。溶接方法として、ガスタングステンアーク溶接を採用するのが好ましい。ガスタングステンアーク溶接は、溶接時の酸素の混入が少なく、溶接金属の清浄性の低下が抑制されるためである。ガスタングステンアーク溶接時の溶接条件は次のとおりである。
【００８１】
溶接入熱範囲：６〜２０ｋＪ／ｃｍ
ガスタングステンアーク溶接において、溶接入熱が低すぎれば、母材の寸法形状によっては、融合不良が生じやすくなる。溶接入熱が低すぎればさらに、冷却速度が大きくなりすぎて、マルテンサイトラスの成長が促進される。この場合、破壊単位が大きくなり、溶接金属の靭性が低下する。一方、溶接入熱が高すぎれば、Ｂを含有する本発明の溶接材料では、凝固割れが発生する。したがって、溶接入熱は６〜２０ｋＪ／ｃｍである。溶接入熱の好ましい下限は８ｋＪ／ｃｍである。溶接入熱の好ましい上限は１８ｋＪ／ｃｍである。溶接入熱範囲がこの条件を満たせば、優れた靭性が得られやすい。
【００８２】
［熱処理工程］
溶接金属を形成した後、溶接金属に対して熱処理を実施する。熱処理により、溶接金属の硬さを低下して靭性を高める。例えば、溶接金属部を含む溶接部に、バンドヒーター及びインダクションヒーター等の熱処理装置を配置して、熱処理を実施する。又は、溶接構造物全体を加熱炉内で加熱する。熱処理における熱処理温度、及び、その熱処理温度での保持時間（熱処理時間）は次のとおりである。
【００８３】
熱処理温度：７４０〜７８０℃
熱処理時間：母材の厚さ２５．４ｍｍ当たり、０．５〜４．０時間
母材の単位厚さは、溶接施工基準等で規定されることの多い、２５．４ｍｍ（１インチ）とした。熱処理温度が低すぎる場合、又は、母材の単位厚さ当たりの熱処理時間が短すぎれば、マルテンサイト組織の焼戻しが不十分となり、十分な靭性が得られない。一方、熱処理温度が高すぎれば、溶接金属の一部がオーステナイト変態温度を超え、靭性が低下する。また、母材の単位厚さあたりの熱処理時間が長すぎれば、焼戻しが過剰となりクリープ強度が低下する。したがって、熱処理温度は７４０〜７８０℃であり、熱処理時間は母材の厚さ２５．４ｍｍ当たり０．５〜４．０時間である。ここで、母材の厚さは、母材が鋼板の場合は板厚であり、鋼管の場合は肉厚である。熱処理時間の好ましい下限は、母材の厚さ２５．４ｍｍ当たり１．０時間であり、好ましい上限は３．０時間である。熱処理温度及び熱処理時間がこの条件を満たせば、たとえば、上述のフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて製造した溶着金属のクリープ破断時間を３０００時間以上とすることができ、かつ、優れた靭性が得られやすい。
【実施例】
【００８４】
種々の化学組成及び製造条件で溶接継手を製造して、クリープ強度と靭性とを評価した。【００８５】
［母材の製造］
表１に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。溶鋼を用いて、インゴットを製造した。【００８６】
【表１】
2017104815.tif 000002
【００８７】
インゴットに対して、熱間鍛造及び熱間圧延を実施して鋼板を製造した。鋼板に対して焼入れ及び焼戻しを実施して、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの母材鋼板（以下、単に母材という）を製造した。焼入れでは、鋼板を１１００℃で１時間保持した後、空冷した（空冷焼入れ）。焼戻しでは、焼入れ後の鋼板を７７０℃で１．５時間保持した。【００８８】
［溶接材料の製造］
表２に示す化学組成を有する溶鋼を製造し、溶鋼を用いてインゴットを製造した。インゴットに対して熱間鍛造、熱間圧延及び機械加工して、直径２．４ｍｍのフィラーワイヤを製造した。製造されたフィラーワイヤを溶接材料とした。【００８９】
【表２】
2017104815.tif 000003
【００９０】
［溶接材料のδフェライト量の面積率］
上述のフィラーワイヤから、断面ミクロ試験片を採取した。このミクロ試験片を、上述の溶接材料でのδフェライト量の面積率と同様の方法で、研磨、腐食して、組織を現出した。任意の５視野を１００倍で観察して、δフェライトの面積率を求めた。【００９１】
［溶接継手の製造］
上記の母材の長手方向に、角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した。一対の母材のＶ開先同士を突き合わせ、上述の溶接材料を用いて、溶接を実施した。具体的には、シールドガスをＡｒとしたガスタングステンアーク溶接により、溶接材料を開先内に積層溶接して溶接金属を形成し、表３に示す各試験番号の溶接継手を製造した。溶接時における初層溶接の入熱、及び積層溶接の入熱は、表３に示すとおりであった。【００９２】
【表３】
2017104815.tif 000004
【００９３】
得られた溶接継手の溶接金属に対して、組成を測定した。溶接金属の元素組成の測定方法は以下のとおりであった。溶接金属から母材が混入しないように、切粉試験片を採取した。採取した切粉を用いて、誘導結合プラズマ発光分光分析法、高周波燃焼法などを用いて、分析した。得られた溶接金属の元素組成を表４及び表５に示す。なお、表５中のＲＥＭ含有量は、Ｎｄを除くＲＥＭの合計含有量を示す。【００９４】
【表４】
2017104815.tif 000005
【００９５】
【表５】
2017104815.tif 000006
【００９６】
溶接後の溶接継手に対して、表３に示す熱処理温度及び熱処理時間で熱処理を実施した。具体的には、表３に示す熱処理温度で、熱処理時間保持した後、空冷した。【００９７】
［全溶着金属の製造］
上記溶接継手とは別個に、各試験番号において、表３に示す母材の板材上に、表３に示す溶接材料を用いて、シールドガスをＡｒとしたガスタングステンアーク溶接を用いて、表３に示す積層溶接入熱にて、１２ｍｍ厚さとなるまで多層溶接した。これにより全溶着金属を作製した。【００９８】
製造された全溶着金属に対して、表３に示す熱処理条件で熱処理を実施した。【００９９】
［クリープ強度評価試験］
製造された溶接継手から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片（継手試験片という）を採取した。さらに、全溶着金属からも、丸棒クリープ破断試験片（溶接試験片という）を採取した。各試験片に対して、母材の目標クリープ破断時間が約３０００時間となる６５０℃、１４７ＭＰａの試験条件で、溶接継手及び全溶着金属の丸棒クリープ破断試験片に対してクリープ破断試験を実施した。試験の結果より、下記の評価でクリープ強度判定を行った。継手試験片が母材（ＨＡＺ）で破断し、かつ溶金試験片のクリープ破断時間が５０００時間以上のものを「良」とした。継手試験片が母材（ＨＡＺ）で破断し、かつ溶金試験片のクリープ破断時間が３０００時間以上、５０００時間未満となるものを「可」とした。継手試験片において溶接金属部分で破断するか、又は溶金試験片のクリープ破断時間が３０００時間を下回るものを「不合格」とした。【０１００】
［シャルピー衝撃試験］
上述の溶接継手から、溶接金属にノッチを加工した、フルサイズのＶノッチシャルピー衝撃試験片（ノッチ深さ２ｍｍ）を３本採取した。各試験片に対して、０℃にて、ＪＩＳ  Ｚ２２４２（２００５）に準拠したシャルピー衝撃試験を実施した。試験結果に基づいて、次のとおり靭性判定を行った。３本の試験片のシャルピー衝撃試験個値が全て２７Ｊを超えるものを「良」、３本のうち少なくとも１本のシャルピー衝撃試験個値が２７Ｊを下回るが、平均値で２７Ｊを満足するものを「可」、及び、３本の平均値が２７Ｊを下回るものを「不合格」とした。【０１０１】
［δフェライト量の面積率］
上述の全溶着金属から、断面ミクロ試験片を採取した。全溶着金属から採取したミクロ試験片を上述の方法により研磨、腐食して、組織を現出した。任意の５視野を１００倍で観察して、δフェライトの面積率を求めた。【０１０２】
［試験結果］
表３に、上記各試験の結果を併せて示す。【０１０３】
表３を参照して、試験番号１〜１１、１６〜２０及び２２の溶接材料は、適切な化学組成を有し、かつＦ１値が式（１）を満たした。そのため、これらの試験番号の溶接金属は、優れたクリープ強度及び靭性を示した。得られた溶接継手も十分なクリープ強度及び靭性を示した。【０１０４】
一方、試験番号１２で用いた溶接材料では、溶接入熱が低すぎた。そのため、シャルピー衝撃値が２７Ｊを下回り、靭性が不合格となった。【０１０５】
試験番号１３で用いた溶接材料では、溶接入熱が高すぎた。そのため、凝固割れが発生した。したがい、試験を実施しなかった。【０１０６】
試験番号１４で用いた溶接材料では、溶接後の熱処理温度が低すぎた。そのため、シャルピー衝撃値が２７Ｊを下回り、靭性が不合格となった。【０１０７】
試験番号１５で用いた溶接材料では、溶接後の熱処理温度が高すぎた。そのため、シャルピー衝撃値が２７Ｊを下回り、靭性が不合格となった。【０１０８】
試験番号２１で用いた溶接材料では、溶接後の熱処理時間が短すぎた。そのため、シャルピー衝撃値が２７Ｊを下回り、靭性が不合格となった。【０１０９】
試験番号２３で用いた溶接材料では、溶接後の熱処理時間が長すぎた。そのため、溶接継手のクリープ試験では溶接金属で破断するとともに、全溶着金属のクリープ破断時間が目標である３０００時間に到達せず、クリープ強度が不合格となった。【０１１０】
試験番号２４で用いた符号Ｇの溶接材料では、Ｂ含有量が低すぎた。そのため、溶接継手のクリープ試験ではＨＡＺで破断したものの、全溶着金属のクリープ破断時間が目標である３０００時間に到達せず、クリープ強度が不合格となった。【０１１１】
試験番号２５で用いた符号Ｈの溶接材料では、Ｂ含有量が高すぎた。そのため、クリープ強度には優れるものの、平均シャルピー衝撃値が２７Ｊを下回り、靭性が不合格となった。【０１１２】
試験番号２６で用いた符号Ｉの溶接材料では、Ｆ１値が高すぎた。そのため、溶接金属に０．５％を超えるδフェライトが生成したため、シャルピー衝撃値が２７Ｊを下回り、靭性が不合格となった。【０１１３】
試験番号２７で用いた符号Ｊの溶接材料では、Ｆ１値が低すぎた。そのため、溶接継手のクリープ試験では溶接金属で破断するとともに、全溶着金属のクリープ破断時間が目標である３０００時間に到達せず、目標とするクリープ強度が得られなかった。【０１１４】
試験番号２８で用いた母材では、母材に含有されるＢ含有量が低すぎた。そのため、全溶着金属のクリープ破断時間は目標を満足するものの、表４及び表５の試験番号２８のとおり、溶接継手の溶接金属においては、Ｂ量が十分含有されなかったため、溶接金属で破断し、結果、不合格と判断された。【０１１５】
このように本発明の要件を満足する場合のみ、溶接金属は必要なクリープ強度及び靭性を両立することが明らかであり、得られた溶接継手も十分なクリープ強度及び靭性を有する。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明によれば、多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼の溶接に使用可能なフェライト系耐熱鋼用溶接材料が得られる。さらに、これを使用することによりクリープ強度及び靭性に優れた溶接金属及び溶接継手が得られる。【０１１７】
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。
【国際調査報告】
2017104815.tif 000007
2017104815.tif 000008
2017104815.tif 000009
2017104815.tif 000010