(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．２％〜０．６％、
Ｍｎ：０．１％〜１．２％、
Ｐ：０．０１％以下、
Ｓ：０．００３％以下、
Ｎｉ：２８％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ：２％〜４．５％、
Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％、
Ｖ：０．０５％〜０．３５％、
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るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【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用溶接材料。
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％
【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用溶接材料に関する。
【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、多量の窒素及び多量の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％とするともに、Ｎｂを０．０５％〜０．６％、Ｔｉを０．０３％〜０．３％、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％、及びＣｒを２０％〜２７％に加え、強化元素としてＷを０．４％〜４％、及び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％、及びＣｒを２０％超〜２８％未満とするともに、Ｎｂを０．１％〜０．８％、Ｖを０．０２〜１．５％、及び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。
【０００４】
これら、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を使用した構造物とする場合、溶接により組み立てるのが一般的である。そのため、これら高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するための溶接材料も種々提案されてきた。
【０００５】
例えば、特許文献４には、Ｎｂを０．２５％〜０．７％、Ｎを０．１５％〜０．３５％含むとともに、ＮｉをＣｒ、Ｓｉ、Ｃ、及びＮ量に応じて含有し、かつＰ、及びＳを規制したオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度と耐凝固割れ性を両立することが開示されている。
【０００６】
特許文献５には、Ｎを０．２％〜０．４％、Ｎｂを０．０１％〜０．７％、Ｍｏを０．５％〜１．５％、及びＮｉを１８％〜３０％含有するとともに、ＰとＳとの合計を０．０２％以下に規制したオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度と溶接性を両立することが開示されている。
【０００７】
特許文献６には、Ｎｂを０．５％〜３．５％、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％〜４５％含有させたオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度、耐食性、及び耐溶接割れ性を満足することが開示されている。
【０００８】
特許文献７には、Ｎｂを０．８％〜４．５％、Ｎを０．１％〜０．３５％、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量を適正範囲になるよう調整したオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、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。
【０００９】
特許文献８には、Ｎｂを０．１５％〜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用溶接材料は、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】
【００１０】
【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２７２２８９３号公報
【特許文献５】特開平０７−０６０４８１号公報
【特許文献６】特許第３３２９２６２号公報
【特許文献７】特許第３９１８６７０号公報
【特許文献８】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】
【００１１】
ところで、これら特許文献４〜８に開示されているオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、析出強化元素としてＮｂを主に活用しているため、確かに優れた高温強度、耐食性等の特性を満足する。しかしながら、特許文献４〜８に開示されているオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、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を溶接するのに好適な溶接材料が待望されていた。
【００１２】
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する場合に、靱性の低下を抑制するとともに、クリープ強度に優れた溶接金属とそれを有する溶接継手を形成することが可能なオーステナイト系耐熱鋼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】
【００１３】
本発明者らは、Ｎｂを含有させ、多量の窒素及び多量のニッケルを含有する溶接材料を使用して、種々検討を行った結果、十分な高温強度が得られるものの、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。溶接金属中に含まれるＮｂ量の増加およびＳ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。
【００１４】
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、溶接金属中では炭素および窒素とＮｂとが結合し、使用初期から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Ｓ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。
【００１５】
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、溶接材料中のＳ量の管理に加え、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。それに加えて、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が軽減され、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。
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。
【００１６】
＜１＞  質量％で、
Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．２％〜０．６％、
Ｍｎ：０．１％〜１．２％、
Ｐ：０．０１％以下、
Ｓ：０．００３％以下、
Ｎｉ：２８％〜３５％、
Ｃｒ：２０％〜２４％、
Ｗ：２％〜４．５％、
Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％、
Ｖ：０．０５％〜０．３５％、
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るオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【００１７】
＜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用溶接材料。
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％
【発明の効果】
【００１８】
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する場合に、靱性の低下を抑制するとともに、クリープ強度に優れた溶接金属とそれを有する溶接継手を形成することが可能なオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料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。
【００２０】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．０６％〜０．１４％、Ｓｉ：０．２％〜０．６％、Ｍｎ：０．１％〜１．２％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：２８％〜３５％、Ｃｒ：２０％〜２４％、Ｗ：２％〜４．５％、Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％、Ｖ：０．０５％〜０．３５％、Ｎ：０．１％〜０．３５％、Ａｌ：０．０８％以下、Ｏ：０．０８％以下を含む。そして、残部がＦｅおよび不純物からなる。
【００２１】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の化学組成について説明する。
本発明において、オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料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、高温使用中の溶接金属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が過剰に含有された場合、溶接金属中に炭化物が多量に存在するため、延性および靱性が低下する。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％である。さらに望ましくは０．０８％〜０．１２％である。
【００２３】
（Ｓｉ：０．２％〜０．６％）
Ｓｉ（ケイ素）は、脱酸作用を有するとともに、溶接金属の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、０．２％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、靱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０．６％以下とする。Ｓｉ含有量の望ましい範囲は０．２２％〜０．５８％、さらに望ましい範囲は０．２５％〜０．５５％である。
【００２４】
（Ｍｎ：０．１％〜１．２％）
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する。また、Ｍｎは、溶接金属の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１．２％以下とする。Ｍｎ含有量の望ましい範囲は０．１５％〜１．１％、さらに望ましい範囲は０．２％〜１．０％である。
【００２５】
（Ｐ：０．０１％以下）
Ｐ（リン）は不純物として溶接材料中に含まれ、溶接時の凝固割れ感受性を高める元素である。そのため、Ｐの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｐ含有量は、望ましくは０．００８％以下、さらに望ましくは０．００６％以下である。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが望ましいが、Ｐ含有量の極度の低減は溶接材料の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】
（Ｓ：０．００３％以下）
Ｓ（硫黄）は、Ｐと同様に、不純物として溶接材料中に含まれ、高温での使用初期に溶接金属の柱状晶境界に偏析して靭性を低下させる。さらに、溶接時の凝固割れ感受性をも高める。これらを安定して抑制するためには、Ｓの含有量にも上限を設けて０．００３％以下とする必要がある。Ｓ含有量は、望ましくは０．００２５％以下、さらに望ましくは０．００２％以下である。なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は溶接材料の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。
【００２７】
（Ｎｉ：２８％〜３５％）
Ｎｉ（ニッケル）は、長時間使用時の溶接金属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２８％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２８．５％〜３４．５％、さらに望ましい範囲は２９％〜３４％である。
【００２８】
（Ｃｒ：２０％〜２４％）
Ｃｒ（クロム）は、溶接金属の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、Ｃｒは、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クリープ強度の低下を招く。したがって、Ｃｒの含有量は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。
【００２９】
（Ｗ：２％〜４．５％）
Ｗ（タングステン）は、マトリックスに固溶して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とともに、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。
【００３０】
（Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％）
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、靱性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量の上限は０．３５％以下とする必要がある。Ｎｂ含有量の望ましい範囲は０．０８％〜０．３２％であり、さらに望ましい範囲は０．１％〜０．３％である。
【００３１】
（Ｖ：０．０５％〜０．３５％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。このため、Ｖは溶接金属の使用初期の靭性に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０．３５%以下とする必要がある。Ｖ含有量の望ましい範囲は、０．０８％〜０．３２％、さらに望ましい範囲は０．１％〜０．３％である。
【００３２】
（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、固溶状態または窒化物として析出した状態で、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％以上含有する必要がある。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、靱性の低下を招く。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。
【００３３】
（Ａｌ：０．０８％以下）
Ａｌ（アルミニウム）は、製造時に脱酸剤として溶接材料に含有される。しかしながら、多量のＡｌを含有すると、清浄性が劣化し、溶接材料の製造時に熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は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上昇を招く。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。
【００３４】
（Ｏ：０．０８％以下）
Ｏ（酸素）は、不純物として溶接材料中に含まれる。しかしながら、Ｏ（酸素）の含有量が過剰になると製造時に熱間加工性が低下するとともに、靱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）の含有量は、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、Ｏ（酸素）の含有量の極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ（酸素）の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。
【００３５】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料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。
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。
【００３６】
なお、上記に加え、本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、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、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。その効果を得るために、Ｔｉを含有する場合、Ｔｉは０．０１％以上の含有が望ましい。Ｔｉ含有量は、より望ましくは、０．０３％以上であり、さらに望ましくは０．０５％以上である。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、靱性の低下を招く。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。
【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、溶接金属の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、延性の低下を招くため、Ｃｕ含有量の上限は４％以下とする。Ｃｕを含有する場合、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、溶接金属の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、溶接材料の製造時に熱間加工性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、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Ｃａを含有する場合、Ｃａの含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｃａの含有量の上限は、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、溶接材料の製造時に熱間加工性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、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Ｍｇを含有する場合、Ｍｇの含有量の上限は０．０２％以下とする。Ｍｇの含有量の上限は、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、溶接材料の製造時に熱間加工性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の含有量の上限は、０．０６％以下とする。ＲＥＭの含有量の上限は、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】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、通常の方法で製造することができる。例えば、本発明の溶接材料の化学組成となるように、元素材料を含有した鉄合金を溶解し、インゴットとし、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延または冷間抽伸、熱処理などの工程を経て、外径数ｍｍ（例えば、１．０ｍｍ〜２．４ｍｍ）の線材とすることで、溶接材料が得られる。
【００４７】
本発明の溶接材料は、例えば、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するための溶接材料として好適に適用できる。
【実施例】
【００４８】
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。
【００４９】
表１に示す化学組成を有する材料（鋼材）（残部はＦｅおよび不純物である）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、次の２種類の板材を作製した。
板材（１）：板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ
板材（２）：板厚４ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍ
さらに、板材（２）を用い、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。
【００５０】
【表１】
0006756147.tif 000002
【００５１】
［シャルピー衝撃試験］
上記の板材（１）の長手方向に、角度３０°、ルート厚さ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、同組成（例えば、符号Ａの化学組成からなる板材（１）と同じ化学組成）の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。
得られた溶接継手を長手方向に半分に切断し、高温での使用初期を模擬した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。
【００５２】
［クリープ破断試験］
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、この条件で目標とされる破断時間が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２に、上記各試験の結果を併せて示す。
【００５３】
【表２】
0006756147.tif 000003
【００５４】
表２から、化学組成が本発明で規定する範囲にある符号Ａ〜Ｅの溶接材料を用いた溶接継手は、高温での時効熱処理後も優れた靭性を有し、かつ目標とされるクリープ破断時間を満足することが明らかである。
これに対して、符号Ｆの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接材料のＮｂ含有量が本発明の範囲を超えているため、時効熱処理後の靭性が目標を下回った。また、Ｓ含有量が本発明の範囲を超える符号Ｇの溶接材料を用いた溶接継手も同様に、時効熱処理後の靭性が目標を下回った。Ｎ含有量が本発明の範囲を下回った符号Ｈ、及びＶを含有していない符号Ｉの溶接材料を用いた溶接継手は、時効熱処理後の靭性は問題ないものの、クリープ破断時間が目標を満足しなかった。
このように、本発明の要件を満足する溶接材料を用いた溶接継手は、時効熱処理後の靭性に優れるとともに、クリープ強度をも満足することがわかる。これによって、本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適な溶接材料となり得ることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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する場合に、靱性の低下を抑制し、クリープ強度に優れた溶接金属とそれを有する溶接継手を形成することが可能なオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料が提供できる。そのため、本発明の溶接材料は、発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いる高窒素高ニッケル含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接するのに好適である。