(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．８％、
Ｍｎ：０．１％〜１．８％、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｎｉ：２５％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ：２％〜４．５％、
Ｎｂ：０．０５％〜０．４％、
Ｖ：０．０５％〜０．４％、
Ｎ：０．１％〜０．３５％、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ：０．０８％以下
を含み、残部がＦｅおよび意図的に含有させたものではない成分である不純物からなり、
かつ、前記不純物としてのＳ、Ｓｎ、ＰｂおよびＺｎが下記式（１）を満足するオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
式（１）  ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％
（式（１）中、［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｐｂ］、及び［％Ｚｎ］は、前記不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの含有量（質量％）を表す。）
【請求項２】
合金成分としてのＦｅに代えて、質量％で、下記の１種または２種以上の元素を含有する請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
Ｔｉ：０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｍｏ：０％〜２％、
Ｂ：０％〜０．００５％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％
【請求項３】
請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属とオーステナイト系耐熱鋼の母材とからなる溶接継手。
【請求項４】
前記母材が、質量％で、
Ｃ：０．０４％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．０５％〜１％、
Ｍｎ：０．５％〜２．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｎｉ：２３％〜３２％、
Ｃｒ：２０％〜２５％、
Ｗ：１％〜５％、
Ｎｂ：０．１％〜０．６％、
Ｖ：０．１％〜０．６％、
Ｎ：０．１％〜０．３％、
Ｂ：０％〜０．０１％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％
Ａｌ：０．０３％以下、
Ｏ：０．０２％以下、
を含み、残部がＦｅおよび意図的に含有させたものではない成分である不純物からなる請求項３に記載の溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷軽減の観点から発電用ボイラ等では運転条件の高温・高圧化が世界的規模で進められている。過熱器管および再熱器管に使用される材料には、より優れた高温強度、耐食性等の特性を有することが求められている。
このような要求を満たす材料として、従来、多量の窒素及び多量のニッケルを含有させた種々のオーステナイト系耐熱鋼（以下、多量の窒素及びニッケルを含有させたオーステナイト系耐熱鋼を「高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼」とも称する）が開発されてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Ｎを０．０２％〜０．３％、Ｎｉを１７％〜５０％、およびＣｒを１８％〜２５％とするとともに、Ｎｂを０．０５％〜０．６％、Ｔｉを０．０３％〜０．３％、およびＭｏを０．３％〜５％含有する高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
また、特許文献２には、Ｎを０．１％〜０．３０％、Ｎｉを２２．５％〜３２％、およびＣｒを２０％〜２７％に加え、強化元素としてＷを０．４％〜４％、Ｎｂを０．２０％〜０．６０％含む高温強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
さらに、特許文献３には、Ｎを０．０５％超〜０．３％、Ｎｉを１５％超〜５５％およびＣｒを２０％超〜２８％未満含むとともに、Ｎｂを０．１％〜０．８％、Ｖを０．０２％〜１．５％、およびＷを０．０５％〜１０％含有する、クリープ特性と熱間加工性に優れるオーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
これらオーステナイト系耐熱鋼は、一般には、溶接金属を有する溶接構造物として使用される。そのため、溶接構造物として、これらオーステナイト系耐熱鋼の性能を活用し得る溶接金属についても種々提案されてきた。
【０００４】
例えば、特許文献４には、Ｎｂを０．３％〜３．５％、Ｎを０．１％〜０．３５％、およびＭｏを０．２％〜１．８％含有させるとともに、Ｎｉを３５％〜４５％含有させたオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、高温強度、耐食性、及び溶接時の耐溶接割れ性を具備することが開示されている。
【０００５】
特許文献５には、Ｎｂを０．５％〜４％、Ｎを０．１％〜０．３５％、及びＭｏを０．２％〜１．８％含有させるとともに、Ｎｉを３０％〜５０％含有し、さらに、Ｎｂ量に応じてＣ量を適正範囲に調整したオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、溶接時の耐溶接割れ性の改善が図れ、かつ、高温強度と耐食性を両立することが開示されている。
【０００６】
特許文献６には、Ｎｂを０．１％〜１．５％、Ｗを０．５％〜３％、Ｎを０．１％〜０．３５％、及びＮｉを１５％〜２５％含むオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、高温強度に優れることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５９−１７３２４９号公報
【特許文献２】特表２００２−５３７４８６号公報
【特許文献３】特許第３８３８２１６号公報
【特許文献４】特許第３３２９２６２号公報
【特許文献５】特許第３９１８６７０号公報
【特許文献６】特許第３３２９２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、これら特許文献４〜６に開示されているオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、析出強化元素としてＮｂを主に活用しているため、確かに優れた高強度、耐食性等の特性を満足する。しかしながら、特許文献４〜６に開示されているオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、強化能が非常に大きいため、高温での使用開始初期に、靭性の著しい低下が生じる場合がある。したがって、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る溶接金属、及びそれを有する溶接継手の開発が待望されていた。
【０００９】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合に、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る、靭性の低下が抑制されるとともに、クリープ強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手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】
【００１０】
本発明者らは、Ｎｂを含有させた高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼溶接金属における使用中の課題有無を検討した結果、以下に述べる事項が判明した。
（ａ）  高温での使用初期に溶接金属の靭性が低下する。溶接金属中のＮｂ量の増加、及びＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、並びにＺｎのいずれか１種以上の不純物量の増加とともに、その傾向が顕著となる。
（ｂ）  衝撃試験後の溶接金属の破面は柱状晶境界である。
（ｃ）  溶接金属中には微細な炭窒化物が多量に析出している。
【００１１】
上記（ａ）〜（ｃ）の判明事項から、本発明者らは、次の結論に至った。即ち、高温での使用により、溶接金属中には炭素および窒素とＮｂが結合し、使用の初期からＮｂ（Ｃ,Ｎ）、及びＮｂＣｒＮ等の炭窒化物として粒内に多量に析出し、粒内の変形抵抗が増大する。さらに、この過程では不純物として含有されるＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎが柱状晶境界に偏析する。そして、外部からの衝撃を受けた場合、その変形が不純物の偏析により脆化した粒界に集中する結果、溶接金属の靭性が低下すると考えられた。
【００１２】
そこで、本発明者らは、溶接金属の靭性低下の防止策について検討した。その結果、溶接金属中のＮｂと、Ｎｂに比べて炭素および窒素との親和力が弱く、化合物（炭窒化物）の生成傾向の小さいＶとを置換することで、高温での使用初期のＮｂ炭窒化物の析出量を減ずることが明らかとなった。それとともに、長時間側で徐々にＶの炭化物を析出させることにより、使用初期の急激な靭性低下を軽減し、かつ、長時間使用中のクリープ強度を確保し得ることが明らかとなった。加えて、溶接金属中のＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの不純物含有量を厳密に管理することが、溶接金属の靭性低下の軽減には必要であることを併せて明らかにした。具体的には、これら、Ｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎ量を、所定の関係式（式（１）  ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％）を満足するように管理することで、上記の溶接金属の靭性低下の防止が可能であることが明らかとなった。
本発明は、以上の検討を重ねることにより完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
【００１３】
＜１＞  質量％で、
Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．８％、
Ｍｎ：０．１％〜１．８％、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｎｉ：２５％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ：２％〜４．５％、
Ｎｂ：０．０５％〜０．４％、
Ｖ：０．０５％〜０．４％、
Ｎ：０．１％〜０．３５％、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ：０．０８％以下
を含み、残部がＦｅおよび意図的に含有させたものではない成分である不純物からなり、
かつ、前記不純物としてのＳ、Ｓｎ、ＰｂおよびＺｎが下記式（１）を満足するオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
式（１）  ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％
（式（１）中、［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｐｂ］、及び［％Ｚｎ］は、前記不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの含有量（質量％）を表す。）
【００１４】
＜２＞  合金成分としてのＦｅに代えて、質量％で、下記の１種または２種以上の元素を含有する＜１＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属。
Ｔｉ：０％〜０．２５％、
Ｃｕ：０％〜４％、
Ｃｏ：０％〜２％、
Ｍｏ：０％〜２％、
Ｂ：０％〜０．００５％、
Ｃａ：０％〜０．０２％、
Ｍｇ：０％〜０．０２％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％
【００１５】
＜３＞  ＜１＞または＜２＞に記載のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属とオーステナイト系耐熱鋼の母材とからなる溶接継手。
【００１６】
＜４＞  前記母材が、質量％で、
Ｃ：０．０４％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．０５％〜１％、
Ｍｎ：０．５％〜２．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｎｉ：２３％〜３２％、
Ｃｒ：２０％〜２５％、
Ｗ：１％〜５％、
Ｎｂ：０．１％〜０．６％、
Ｖ：０．１％〜０．６％、
Ｎ：０．１％〜０．３％、
Ｂ：０％〜０．０１％、
ＲＥＭ：０％〜０．０６％
Ａｌ：０．０３％以下、
Ｏ：０．０２％以下、
を含み、残部がＦｅおよび意図的に含有させたものではない成分である不純物からなる＜３＞に記載の溶接継手。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合に、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分に活用し得る、靭性の低下を抑制するとともに、クリープ強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手の一実施形態について、説明する。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。ただし、「超」および「未満」等の断りがある場合は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値の少なくとも一方として含まないことを意味する。
【００１９】
＜溶接金属＞
本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、質量％で、Ｃ：０．０６％〜０．１４％、Ｓｉ：０．１％〜０．８％、Ｍｎ：０．１％〜１．８％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｎｉ：２５％〜３５％、Ｃｒ：２０％〜２４％、Ｗ：２％〜４．５％、Ｎｂ：０．０５％〜０．４％、Ｖ：０．０５％〜０．４％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、Ａｌ：０．０８％以下、Ｏ：０．０８％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
そして、不純物としてのＳ、Ｓｎ、ＰｂおよびＺｎが下記式（１）を満足する。
式（１）  ［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％
（式（１）中、［％Ｓ］、［％Ｓｎ］、［％Ｐｂ］、及び［％Ｚｎ］は、不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎの含有量（質量％）を表す。）
【００２０】
なお、本明細書中において、「不純物」とはオーステナイト系耐熱合金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成分であり、意図的に含有させたものではない成分を指す。
【００２１】
本発明において、オーステナイト系耐熱鋼溶接金属の化学組成を限定する理由は次のとおりである。
なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２２】
（Ｃ：０．０６％〜０．１４％）
Ｃ（炭素）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる。これらの効果を十分に得るために、Ｃは０．０６％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が過剰である場合、溶接金属中に炭化物が多量に存在するため、延性および靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量の上限は０．１４％以下とする。Ｃ含有量の望ましい範囲は０．０７％〜０．１３％、さらに望ましい範囲は０．０８％〜０．１２％である。
【００２３】
（Ｓｉ：０．１％〜０．８％）
Ｓｉ（ケイ素）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。その効果を得るために、Ｓｉは０．１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合には、組織の安定性が低下して、靭性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限は０．８％以下とする。Ｓｉ含有量の望ましい範囲は０．１２％〜０．７８％、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．７５％である。
【００２４】
（Ｍｎ：０．１％〜１．８％）
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト組織を安定にし、クリープ強度の向上に寄与する。これらの効果を得るために、Ｍｎは０．１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、クリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎ含有量の上限は１．８％以下とする。Ｍｎ含有量の望ましい範囲は０．１５％〜１．６％、さらに望ましい範囲は０．２％〜１．４％である。
【００２５】
（Ｐ：０．０２５％以下）
Ｐ（リン）は、不純物として溶接金属に含まれ、クリープ延性を低下させる元素である。そのため、Ｐの含有量に上限を設けて０．０２５％以下とする。Ｐ含有量の上限は、望ましくは０．０２３％以下、さらに望ましくは０．０２０％以下である。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、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％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。
【００２６】
（Ｎｉ：２５％〜３５％）
Ｎｉ（ニッケル）は、長時間使用時のオーステナイト組織の安定性を高め、クリープ強度の向上に寄与する。その効果を十分に得るために、Ｎｉは２５％以上含有させる必要がある。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、Ｎｉ含有量は、上限を設けて３５％以下とする。Ｎｉ含有量の望ましい範囲は２５．５％〜３４．５％、さらに望ましい範囲は２６％〜３４％である。
【００２７】
（Ｃｒ：２０％〜２４％）
Ｃｒ（クロム）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。また、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。十分にその効果を得るために、Ｃｒは２０％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｃｒ含有量が２４％を超えると、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化して著しいクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒ含有量は２０％〜２４％とする。Ｃｒ含有量の望ましい範囲は２０．５％〜２３．５％、さらに望ましい範囲は２１％〜２３％である。
【００２８】
（Ｗ：２％〜４．５％）
Ｗ（タングステン）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、Ｗは少なくとも２％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｗは高価な元素であるため、Ｗの過剰の含有はコストの増大を招く。また、Ｗを過剰に含有しても効果が飽和する。そのため、Ｗ含有量の上限は４．５％以下とする。Ｗ含有量の望ましい範囲は２．２％〜４．３％であり、さらに望ましい範囲は２．５％〜４％である。
【００２９】
（Ｎｂ：０．０５％〜０．４％）
Ｎｂ（ニオブ）は、炭素および窒素との親和力が強く、微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属の高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。その効果を十分に得るために、Ｎｂは０．０５％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると、高温での使用初期の析出量が増加し、靭性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量の上限は０．４％以下とする必要がある。Ｎｂ含有量の望ましい範囲は０．０８％〜０．３８％であり、さらに望ましい範囲は０．１％〜０．３５％である。
【００３０】
（Ｖ：０．０５％〜０．４％以下）
Ｖ（バナジウム）は、Ｎｂと同様、微細な炭窒化物を形成するが、Ｎｂに比べて、炭素および窒素との親和力が弱い。そのため、Ｖは使用初期の靭性にＮｂほど影響を与えることなく、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与する。この効果を得るために、Ｖは０．０５％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｖを過剰に含有すると多量に析出するとともに、析出物の粗大化が著しくなり、クリープ強度および延性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量の上限は０．４％以下とする必要がある。Ｖ含有量の望ましい範囲は、０．０８％〜０．３８％、さらに望ましい範囲は０．１％〜０．３５％である。
【００３１】
（Ｎ：０．１％〜０．３５％）
Ｎ（窒素）は、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶または窒化物として析出し、高温強度の向上に寄与する。その効果を少なからず得るために、Ｎは０．１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎが０．３５％を超えて含有されると、多量の窒化物が析出して、靭性の低下を招く。そのため、Ｎの含有量は０．１％〜０．３５％とする。Ｎ含有量の望ましい範囲は０．１２％〜０．３２％であり、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．３％である。
【００３２】
（Ａｌ：０．０８％以下）
Ａｌ（アルミニウム）は、母材の製造時に脱酸剤として含有され、溶接材料の製造時にも脱酸剤として含有される。その結果、溶接金属にＡｌが含有される。しかしながら、多量のＡｌを含有すると延性が低下する。このため、Ａｌ含有量の上限は０．０８％以下とする必要がある。Ａｌ含有量の上限は、望ましくは０．０６％以下、さらに望ましくは０．０４％以下である。なお、Ａｌ含有量の下限は特に設ける必要はないが、Ａｌ含有量の極端な低減は、製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上であり、さらには望ましい下限は０．００１％以上である。
【００３３】
（Ｏ：０．０８％以下）
Ｏ（酸素）は、不純物として溶接金属中に含有される。しかしながら、Ｏ（酸素）の含有量が過剰になると、靭性および延性の劣化を招く。このため、Ｏ（酸素）含有量の上限は０．０８％以下とする必要がある。Ｏ（酸素）含有量の上限は、望ましくは０．０６％以下、さらに望ましくは０．０４％以下である。なお、Ｏ（酸素）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（酸素）含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。
【００３４】
（Ｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎ：［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝≦０．００３０％）
これら元素は、不純物として溶接金属中に含まれ、高温での使用初期に柱状晶境界に偏析して靭性を低下させる。本発明らは、種々実験を重ねた結果、Ｓは偏析エネルギーが大きいため、粒界偏析しやすく、Ｓの延性低下割れを起こす影響度が、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎに比べて、２倍もあることを知見した。
そこで、溶接金属の靭性低下を安定して軽減するためには、式（１）（［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝）で求められる値を０．００３０％以下とする必要があることを知見した。式（１）の値の上限は、望ましくは０．００２５％以下、さらに望ましくは０．００２０％以下である。なお、これらの不純物（Ｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、及びＺｎ）は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、式（１）で求められる値の望ましい下限は、０．０００１％以上、さらに望ましい下限は０．０００２％以上である。
【００３５】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属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。
【００３６】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼溶接金属は、合金成分としてのＦｅに代えて、質量％で、Ｔｉ：０％〜０．２５％、Ｃｕ：０％〜４％、Ｃｏ：０％〜２％、Ｍｏ：０％〜２％、Ｂ：０％〜０．００５％、Ｃａ：０％〜０．０２％、Ｍｇ：０％〜０．０２％、ＲＥＭ：０％〜０．０６％の１種または２種以上の元素を含有してもよい。下記に、各成分について説明する。
【００３７】
（Ｔｉ：０％〜０．２５％）
Ｔｉ（チタン）は、ＮｂおよびＶと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。そのため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、Ｎｂと同様に使用初期に多量に析出し、靭性の低下を招く。そのため、Ｔｉを含有する場合、Ｔｉ含有量の上限は、０．２５％以下とする。Ｔｉ含有量の上限は、望ましくは０．２３％以下、さらに望ましくは、０．２％以下である。なお、Ｔｉを含有する場合、Ｔｉ含有量の望ましい下限は０．０１％以上、さらに望ましい下限は０．０３％以上である。
【００３８】
（Ｃｕ：０％〜４％）
Ｃｕ（銅）は、オーステナイト組織の安定性を高めるとともに、使用中に微細に析出して、クリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有すると、延性の低下を招く。そのため、Ｃｕを含有する場合、Ｃｕ含有量の上限は４％以下とする。Ｃｕ含有量の上限は、望ましくは、３．８％以下、さらに望ましくは、３．５％以下である。なお、Ｃｕを含有する場合、Ｃｕ含有量の望ましい下限は０．０１％以上、さらに望ましい下限は０．０３％以上である。
【００３９】
（Ｃｏ：０％〜２％）
Ｃｏ（コバルト）は、ＮｉおよびＣｕと同様、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃｏは、極めて高価な元素であるため、Ｃｏの過剰の含有は大幅なコスト増を招く。そのため、Ｃｏを含有する場合、Ｃｏ含有量の上限は２％以下とする。Ｃｏ含有量の上限は、望ましくは、１．８％以下、さらに望ましくは、１．５％以下である。なお、Ｃｏを含有する場合、Ｃｏ含有量の望ましい下限は０．０１％以上、さらに望ましい下限は０．０３％以上である。
【００４０】
（Ｍｏ：０％〜２％）
Ｍｏ（モリブデン）は、Ｗと同様、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寄与する元素である。しかしながら、Ｍｏは、過剰に含有すると組織安定性を低下させ、逆に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、Ｍｏを含有する場合、Ｍｏ含有量の上限は２％以下とする。Ｍｏ含有量の上限は、望ましくは１．５％以下、さらに望ましくは１．２％以下である。なお、Ｍｏを含有する場合、Ｍｏ含有量の望ましい下限は０．０１％以上、さらに望ましい下限は０．０３％以上である。
【００４１】
（Ｂ：０％〜０．００５％）
Ｂ（ホウ素）は、炭化物を微細に分散させることにより、溶接金属のクリープ強度を向上させるとともに、粒界を強化して靭性の向上にも寄与する元素である。しかしながら、Ｂは過剰に含有すると、溶接中の凝固割れ感受性を高める。そのため、Ｂを含有する場合、Ｂ含有量の上限は０．００５％以下とする。Ｂ含有量の上限は、望ましくは、０．００３％以下、さらに望ましくは、０．００２％以下である。なお、Ｂを含有する場合、Ｂ含有量の望ましい下限は０．０００３％以上、さらに望ましい下限は０．０００５％以上である。
【００４２】
（Ｃａ：０％〜０．０２％）
Ｃａ（カルシウム）は、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｃａの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｃａを含有する場合、Ｃａ含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｃａ含有量の上限は、望ましくは０．０１５％以下、更に望ましくは０．０１％以下である。なお、Ｃａを含有する場合、Ｃａ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。
【００４３】
（Ｍｇ：０％〜０．０２％）
Ｍｇ（マグネシウム）は、Ｃａと同様、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｍｇの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間変形能を劣化させる。そのため、Ｍｇを含有する場合、Ｍｇ含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｍｇ含有量の上限は、望ましくは０．０１５％以下、更に望ましくは０．０１％以下である。なお、Ｍｇを含有する場合、Ｍｇ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。
【００４４】
（ＲＥＭ：０％〜０．０６％）
ＲＥＭ（希土類元素）は、ＣａおよびＭｇと同様、熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、ＲＥＭの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、ＲＥＭを含有する場合、ＲＥＭ含有量の上限は、０．０６％以下とする。ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０４％以下、更に望ましくは０．０３％以下である。なお、ＲＥＭを含有する場合、ＲＥＭ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。
【００４５】
なお、「ＲＥＭ」とはＳｃ、Ｙ、及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、ＲＥＭは、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるように、ミッシュメタルの形で含有させてもよい。
【００４６】
＜溶接継手＞
本発明の溶接金属と、オーステナイト系耐熱鋼の母材とにより、耐溶接高温割れ性に優れた溶接継手が得られる。溶接継手は、具体的には、継手部の溶接金属と、溶接金属を挟むオーステナイト系耐熱鋼からなる二つの母材とを有する。
なお、溶接継手の具体的形状、溶接継手を得るための溶接の具体的態様（溶接姿勢）は特に限定されず、例えば、鋼管に開先加工した後に突合せ溶接する場合、厚板に開先加工した後に突合せ溶接する場合などに適用すればよい。
以下、溶接継手を構成する母材について説明する。
【００４７】
＜母材＞
以上、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼溶接金属の化学組成について詳述したが、本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼溶接金属を有する溶接継手を得る際に、その母材は下記の化学組成であることが望ましい。
【００４８】
母材の望ましい化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０４％〜０．１４％、Ｓｉ：０．０５％〜１％、Ｍｎ：０．５％〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｎｉ：２３％〜３２％、Ｃｒ：２０％〜２５％、Ｗ：１％〜５％、Ｎｂ：０．１％〜０．６％、Ｖ：０．１％〜０．６％、Ｎ：０．１％〜０．３％、Ｂ：０％〜０．０１％、ＲＥＭ：０〜０．０６％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｏ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
以下、その望ましい理由について述べる。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００４９】
（Ｃ：０．０４％〜０．１４％）
Ｃは、オーステナイト組織を安定にするとともに微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる。Ｃ含有量が０．０４％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物が多量に析出し、クリープ延性および靭性が低下する。そのため、Ｃ含有量の上限は０．１４％以下とすることがよい。Ｃ含有量の望ましい範囲は０．０５％〜０．１３％、さらに望ましい範囲は０．０６％〜０．１２％である。
【００５０】
（Ｓｉ：０．０５％〜１％）
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。Ｓｉ含有量が０．０５％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合には、組織の安定性が低下して、靭性およびクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｃ含有量の上限は１％以下とすることがよい。Ｓｉ含有量の望ましい範囲は０．０８％〜０．８％、さらに望ましい範囲は０．１％〜０．５％である。
【００５１】
（Ｍｎ：０．５％〜２．５％）
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト組織の安定化に寄与する。Ｍｎ含有量が０．５％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、クリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎ含有量の上限は２．５％以下とすることがよい。Ｍｎ含有量の望ましい範囲は０．６％〜２％、さらに望ましい範囲は０．８％〜１．５％である。
【００５２】
（Ｐ：０．０３％以下）
Ｐは、不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部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、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、Ｐ含有量の上限は０．０３％以下とすることがよい。Ｐ含有量の上限は、望ましくは０．０２８％以下、さらに望ましくは０．０２５％以下である。なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが望ましいが、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％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。
【００５３】
（Ｓ：０．００２％以下）
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部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。そのため、Ｓ含有量は、上限を０．００２％以下とすると、これらを防止し得る。Ｓ含有量の上限は、望ましくは０．００１８％以下、さらに望ましくは０．００１５％以下である。なお、Ｓ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、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％以上、さらに望ましい下限は０．０００２％以上である。
【００５４】
（Ｎｉ：２３％〜３２％）
Ｎｉは、長時間使用時のオーステナイト組織の安定性を確保し、クリープ強度を確保するための元素である。Ｎｉ含有量が２３％以上であれば、上記効果が有効に得られる。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、Ｎｉ含有量の上限は３２％以下とすることがよい。Ｎｉ含有量の望ましい範囲は２４％〜３１．５％、さらに望ましい範囲は２５％〜３１％である。
【００５５】
（Ｃｒ：２０％〜２５％）
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のための元素である。また、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。Ｃｒ含有量が２０％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｃｒ含有量が２５％を超えると、高温でのオーステナイト組織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の含有量は２０％〜２５％とすることがよい。Ｃｒ含有量の望ましい範囲は２０．５％〜２４．５％、さらに望ましい範囲は２１％〜２４％である。
【００５６】
（Ｗ：１％〜５％）
Ｗ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。Ｗ含有量が１％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても、その効果は飽和するか、場合によってはクリープ強度を低下させる。さらに、Ｗは高価な元素であるため、Ｗの過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、Ｗ含有量の上限は５％以下とすることがよい。Ｗ含有量の望ましい範囲は１．２％〜４．８％であり、さらに望ましい範囲は１．５％〜４．５％である。
【００５７】
（Ｎｂ：０．１％〜０．６％）
Ｎｂは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。Ｎｂ含有量が０．１％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招く。このため、Ｎｂ含有量の上限は０．６％以下とすることがよい。Ｎｂ含有量の望ましい範囲は０．１２％〜０．５５％であり、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．５％である。
【００５８】
（Ｖ：０．１％〜０．６％）
Ｖは、Ｎｂと同様、微細な炭窒化物を形成して高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する。Ｖ含有量が０．１％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｖの含有量が過剰になると多量に析出して、クリープ延性および靭性の低下を招く。このため、Ｖ含有量の上限は０．６％以下とすることがよい。Ｖ含有量の望ましい範囲は、０．１２％〜０．５５％、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．５％である。
【００５９】
（Ｎ：０．１％〜０．３％）
Ｎは、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶または窒化物として析出し、高温強度の向上に寄与する。Ｎ含有量が０．１％以上であれば、上記効果が有効に得られる。しかしながら、Ｎが過剰に含有されると、長時間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靭性の低下も招く。そのため、Ｎの含有量の上限は０．３％以下とすることがよい。Ｎ含有量の望ましい範囲は０．１２％〜０．２８％であり、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．２５％である。
【００６０】
（Ｂ：０％〜０．０１％）
Ｂは、粒界炭化物を微細分散させることにより、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ため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、溶接中の熱影響部の液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量の上限は０．０１％以下とすることがよい。Ｂ含有量の上限は、望ましくは０．００８％以下、さらに望ましくは、０．００６％以下である。Ｂを含有する場合、Ｂ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。
【００６１】
（ＲＥＭ：０％〜０．０６％）
ＲＥＭは、製造時の熱間変形能を改善する効果を有するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、ＲＥＭの過剰の含有は酸素と結合し、清浄性を著しく低下させて、逆に熱間変形能を害する。そのため、ＲＥＭ含有量の上限は０．０６％以下とすることがよい。ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０４％以下、更に望ましくは０．０３％以下である。なお、ＲＥＭを含有する場合、ＲＥＭ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。
【００６２】
（Ａｌ：０．０３％以下）
Ａｌは、母材の製造時に脱酸剤として含有される。しかしながら、多量のＡｌを含有すると鋼の清浄性が劣化し、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量の上限は０．０３％以下とすることがよい。Ａｌ含有量の上限は、望ましくは０．０２５％以下、さらに望ましくは０．０２％以下である。なお、Ａｌ含有量の下限は特に設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。
【００６３】
（Ｏ：０．０２％以下）
Ｏ（酸素）は、不純物として合金中に含まれ、過剰に含有すると熱間加工性が低下するとともに、靭性および延性の劣化を招く。このため、Ｏ（酸素）含有量は０．０２％以下とすることがよい。Ｏ（酸素）含有量の上限は、望ましくは０．０１８％以下、さらに望ましくは０．０１５％以下である。なお、Ｏ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（酸素）含有量の望ましい下限は０．０００５％以上、さらに望ましい下限は０．０００８％以上である。
【００６４】
以上、母材の主要元素について説明したが、母材には、さらに、必要に応じて、Ｔｉ：０．０１％〜０．５％、Ｃｏ：０．０１％〜２％、Ｃｕ：０．０１％〜４％、Ｍｏ：０．０１％〜４％、Ｃａ：０．０００５％〜０．０２％、Ｍｇ：０．０００５％〜０．０２％を含んでいてもよい。
【実施例】
【００６５】
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。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６６】
表１に示す化学組成（残部はＦｅおよび不純物である）を有する材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、熱処理および機械加工により、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの板材（板材（１））を作製した。板材（１）は溶接用母材とした。
さらに、表２に示す化学組成を有する材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理および機械加工により、板厚４ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍの板材（板材（２））を作製した。板材（２）から、機械加工により、２ｍｍ角、５００ｍｍ長さのカットフィラーを作製した。
【００６７】
【表１】
0006753136.tif 000002
【００６８】
【表２】
0006753136.tif 000003
【００６９】
［シャルピー衝撃試験］
上記の板材（１）の長手方向に、角度３０°、ルート面（ルートフェイス）１ｍｍのＶ開先を加工した後、市販の鋼板（ＪＩＳ  Ｇ  ３１６０（２００８）に規定のＳＭ４００Ｂ、厚さ２５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍ）上に、被覆アーク溶接棒（ＪＩＳ  Ｚ３２２４（１９９９）に規定の「ＤＮｉＣｒＦｅ−３」）を用いて、四周を拘束溶接した。
その後、作製したカットフィラーを用いて、シールドガスをＡｒとした手動ティグ溶接により開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。なお、溶接に際しては、入熱を９ｋＪ／ｃｍ〜１５ｋＪ／ｃｍとした。
得られた溶接継手の溶接金属から切粉を採取し、化学分析を行った。表３にその結果を示す。
【００７０】
【表３】
0006753136.tif 000004
【００７１】
さらに、残った溶接継手から長手方向に５０ｍｍ長さに切断し、７００℃で３００時間の時効熱処理を行った。その後、溶接金属にノッチを加工した２ｍｍＶノッチ  フルサイズシャルピー衝撃試験片を３本採取し、２０℃で衝撃試験を実施した。
そして、３本の試験片の吸収エネルギーの個値がすべて２７Ｊ以上のものを「合格」、３本のうち１本でも吸収エネルギーが２７Ｊ未満であったものを「不合格」とした。
【００７２】
［クリープ破断試験］
上記のシャルピー衝撃試験の結果が「合格」であった溶接継手については、残りの溶接したままの溶接継手から、溶接金属を平行部中央とした丸棒クリープ破断試験片を採取した。そして、７００℃、１７７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、その破断時間が母材の目標破断時間のおよそ８０％である５００時間を超えるものを「合格」とし、５００時間以下であるものを「不合格」とした。
表４に、上記各試験の結果を併せて示す。
【００７３】
【表４】
0006753136.tif 000005
【００７４】
表４から、化学組成が本発明で規定する範囲にある符号Ａ１〜Ａ３、及びＢ１〜Ｂ３の溶接金属を有する溶接継手は、高温での時効熱処理後も必要な靭性を有し、かつクリープ破断時間が母材の目標破断時間の８０％以上を満足することが明らかである。
これに対して、符号Ａ４、Ａ６、Ｂ４およびＢ６の溶接金属を有する溶接継手では、溶接金属の［％Ｓ］＋０．５×｛［％Ｓｎ］＋［％Ｐｂ］＋［％Ｚｎ］｝が０．００３０％を超えたため、時効熱処理後の溶接金属の靭性が必要な性能を満足しなかった。また、符号Ａ５およびＢ５の溶接金属を有する溶接継手では、溶接金属のＮｂ含有量が、本発明の範囲の上限である０．４％を超えたため、時効熱処理後の溶接金属の靭性が不芳であった。
このように、本発明の要件を満足する溶接金属は、時効熱処理後の靭性に優れるとともに、溶接構造物として必要なクリープ強度をも満足しているため、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼の性能を十分活用し得ることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明を活用すれば、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する際に、その性能を十分活用し得る、靭性の低下を抑制するとともに、クリープ強度に優れるオーステナイト系耐熱鋼溶接金属およびそれを有する溶接継手を提供できる。そのため、本発明の溶接金属とそれを有する溶接継手は、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を、発電用ボイラ等、高温で使用される機器に適用される溶接構造物を構成する溶接金属とそれを有する溶接継手として有用である。