(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．５％、
Ｍｎ：０．１％〜０．８％、
Ｐ：０．００８％以下
Ｓ：０．００３％以下、
Ｃｕ：２％〜４％、
Ｎｉ：１２％〜１６％、
Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、
Ｗ：２％〜４．５％、
Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎ：０．００１％〜０．０１％未満、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ：０．０８％以下
を含み、残部がＦｅおよび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。
Ｖ：０％〜０．３５％、
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、多量の窒素を含有させたオーステナイト系耐熱鋼を「高窒素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０．１％〜０．３５％およびＣｒを２２％超〜３０％未満とするともに、特定の金属組織を規定した高温強度と耐食性に優れる高窒素含有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にも、Ｎを０．１％〜０．３５％およびＣｒを２２％超〜３０％未満とするともに、不純物を特定の条件に規定した高温強度と耐食性に優れる高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼が提案されている。
これら高窒素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。
【０００４】
例えば、特許文献３には、Ｎｂを０．２５％〜０．７％、及びＮを０．１５％〜０．３５％含有させるとともに、不純物としてのＰ、並びにＳの規制、及びＭｇを０．００３％〜０．０２％添加させた高窒素含有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。
【０００５】
特許文献４には、Ｎを０．２０％〜０．４０％にするとともに、Ｂを０．０１％以下の範囲で含有させ、さらに、Ｓ、Ａｌ、及びＯ（酸素）の含有量を制限した高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度と溶接作業性を両立することが開示されている。
特許文献５には、Ｎを０．２０％〜０．４０％含有するととともに、必要に応じてＣｕを１％〜４％含有させ、かつ不純物としてのＰとＳとの合計を０．０２％以下に制限した高窒素含有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。
【０００６】
特許文献６には、Ｎｂを０．５％〜３．５％、Ｎを０．１％〜０．３５％含有させるとともに、Ｍｏを０．２％〜０．８％含有させた高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、高温強度と耐食性、及び耐溶接割れ性を満足することが開示されている。
【０００７】
特許文献７には、Ｎｂを０．８％〜４．５％、及びＮを０．１％〜０．３５％含有させるとともに、Ｃ量をＮｂ量により調整した高窒素含有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を図れ、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。
【０００８】
特許文献８には、Ｎｂを０．１５％〜１．５％、Ｗを０．５％〜３％、及びＮを０．１％〜０．３５％含む高窒素含有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】
【０００９】
【特許文献１】特許第４４２４４７１号公報
【特許文献２】特許第４９４６７５８号公報
【特許文献３】特許第２７２２８９３号公報
【特許文献４】特許第２８００６６１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】
【００１０】
ところで、これらの高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼および高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、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、高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼および高窒素含有オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、多量の窒化物を析出するため、時効後の靭性が乏しい。それに加え、長時間使用中に窒化物が成長し、使用条件によってはクリープ強度の低下が生じる場合がある。そのため、窒素の含有量が低いオーステナイト系耐熱鋼（以下、窒素の含有量が低いオーステナイト系耐熱鋼を「低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼」とも称する）の場合でも、高強度を達成し得るオーステナイト系耐熱鋼の開発も進められている。
【００１１】
これら低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼も溶接により構造物として組み立てられて使用される。その際、既存の高Ｎｉ合金用溶接材料（例えば、ＡＷＳ規格  Ａ５．１４−２００５  ＥＲＮｉＣｒ−３、及びＥＲＮｉＣｒＭｏ−３等）を使用して溶接することが可能である。しかしながら、これら既存の高Ｎｉ合金用溶接材料は、クリープ強度には優れるものの、高価であることから経済性の観点で好ましくない。加えて、被溶接材料の成分と大きく異なる場合には、十分な耐溶接高温割れ性（具体的には、耐凝固割れ性）が得られない場合がある。
そのため、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼用溶接材料の開発も、母材の開発と平行して求められており、低窒素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、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接する場合に、耐溶接高温割れ性（具体的には、凝固割れ、及び延性低下割れ）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、高強度を得るために必要な、Ｃ：０．０６％〜０．１４％、Ｓｉ：０．１％〜０．５％、Ｍｎ：０．１％〜０．８％、Ｃｕ：２％〜４％、Ｎｉ：１２％〜１６％、Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、Ｗ：２％〜４．５％、Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％含有させた溶接材料を使用して、種々検討を行った結果、溶接材料の窒素を低減することにより、以下に述べる事項が生じる可能性があることが判明した。
（ａ）  溶接材料中の窒素量を低減することにより、溶接中に生じる割れの感受性が高まる。
（ｂ）  溶接中に発生した割れは、溶接金属の凝固の最終過程で発生する、いわゆる凝固割れ、ならびに多層溶接における後続パスの再熱により発生する、いわゆる延性低下割れである。
（ｃ）  低窒素化により溶接金属の柱状晶境界の形状が、より平滑になるとともに、柱状晶境界に存在する共晶炭窒化物量が減少する。
【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。
すなわち、溶接材料中の窒素の含有量が高い場合、溶接金属の凝固に伴い、ＴｉおよびＮｂなど、ＣおよびＮと親和力の強い合金元素が、固相から液相に排出されて濃化する。さらに、溶接金属の凝固が進行すると、これらの元素（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃ、及びＮ）から構成される炭窒化物と基質との共晶反応が生じる。そのため、液相が早く消失するとともに、最終層の柱状晶境界は複雑となる。
【００１５】
一方、溶接材料中の窒素を低減した場合、共晶反応が低温まで生じ得ない。そのため、溶接金属の凝固末期まで液相が残存する。その結果、融点を降下させるＰおよびＳが凝固偏析し、さらなる液相の残存を促進するとともに、柱状晶境界は平滑となり、単位体積あたりの境界面積が減少する。
【００１６】
その結果、溶接材料中の窒素を低減した場合、液相の残留する特定の境界面に、溶接による熱応力が集中しやすくなるため、凝固割れの感受性が高まる。加えて、粒界固着力を著しく低下させるＳの偏析も大きくなるため、後続パスの再熱による熱応力により生じる延性低下割れ感受性も高まると考えられた。
【００１７】
そこで、本発明者らは、凝固割れ、及び延性低下割れの防止策について検討した結果、これらの割れは、溶接材料中のＰおよびＳの含有量を従来にも増して厳密に管理することで防止可能であることが明らかとなった。具体的には、溶接材料中のＰ含有量を０．００８％以下、及びＳ含有量を０．００３％以下とすれば、窒素量を０．００１％〜０．０１％未満としても、上記の割れを防止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。
【００１８】
＜１＞  質量％で、
Ｃ：０．０６％〜０．１４％、
Ｓｉ：０．１％〜０．５％、
Ｍｎ：０．１％〜０．８％、
Ｐ：０．００８％以下
Ｓ：０．００３％以下、
Ｃｕ：２％〜４％、
Ｎｉ：１２％〜１６％、
Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、
Ｗ：２％〜４．５％、
Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％、
Ｎ：０．００１％〜０．０１％未満、
Ａｌ：０．０８％以下、
Ｏ：０．０８％以下
を含み、残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料。
【００１９】
＜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。
Ｖ：０％〜０．３５％、
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】
【００２０】
本発明によれば、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接する場合に、耐溶接高温割れ性（具体的には、凝固割れ、及び延性低下割れ）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】
【００２１】
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。
【００２２】
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：０．１％〜０．５％、Ｍｎ：０．１％〜０．８％、Ｐ：０．００８％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃｕ：２％〜４％、Ｎｉ：１２％〜１６％、Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％、Ｗ：２％〜４．５％、Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％、Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％、Ｎ：０．００１％〜０．０１％未満、Ａｌ：０．０８％以下、及びＯ（酸素）：０．０８％以下を含む。そして、残部がＦｅおよび不純物からなる。
【００２３】
まず、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。
【００２４】
（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。さらに、Ｃは、溶接金属の凝固過程において、Ｔｉ、及びＮｂなどと結合して共晶炭化物を形成し、液相の早期消失を促し、凝固割れ感受性を低減する。また、Ｔｉ、及びＮｂなどの共晶炭化物は、延性低下割れ感受性の低下にも寄与する。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。
【００２５】
（Ｓｉ：０．１％〜０．５％）
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、０．１％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、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０．５％以下とする。Ｓｉ含有量の望ましい範囲は０．１２％〜０．４８％、さらに望ましい範囲は０．１５％〜０．４５％である。
【００２６】
（Ｍｎ：０．１％〜０．８％）
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０．８％以下とする。Ｍｎ含有量の望ましい範囲は０．１５％〜０．７５％、さらに望ましい範囲は０．２％〜０．７％である。
【００２７】
（Ｐ：０．００８％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。本発明の溶接材料における窒素含有量の範囲において、これを安定して防止するためには、Ｐの含有量に上限を設けて０．００８％以下とする必要がある。Ｐ含有量は、望ましくは０．００７％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。
【００２８】
（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、溶接時の凝固割れ感受性を高めるとともに、後続パスの再熱による延性低下割れ感受性も高める元素である。本発明の溶接材料における窒素含有量の範囲において、これらを安定して防止するためには、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。
【００２９】
（Ｃｕ：２％〜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。その効果を得るために、Ｃｕは、２％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合、延性の低下を招く。そのため、Ｃｕ含有量の上限は４％以下とする。Ｃｕ含有量の望ましい範囲は２．３％〜３．８％、さらに望ましい範囲は２．５％〜３．５％である。
【００３０】
（Ｎｉ：１２％〜１６％）
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１２％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１６％以下とする。Ｎｉ含有量の望ましい範囲は１２．５％〜１５．５％、さらに望ましい範囲は１３％〜１５％である。
【００３１】
（Ｃｒ：１６．５％〜１９．５％）
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１６．５％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｃｒ含有量が１９．５％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含有量は１６．５％〜１９．５％とする。Ｃｒ含有量の望ましい範囲は１７％〜１９％、さらに望ましい範囲は１７．５％〜１８．５％である。
【００３２】
（Ｗ：２％〜４．５％）
Ｗ（タングステン）は、マトリックスに固溶もしくは微細な金属間化合物相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。
【００３３】
（Ｔｉ：０．０５％〜０．３５％）
Ｔｉ（チタン）は、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は０．０５％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量の上限は、０．３５％以下とする必要がある。Ｔｉ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。
【００３４】
（Ｎｂ：０．０５％〜０．３５％）
Ｎｂ（ニオブ）は、Ｔｉと同様、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。
【００３５】
（Ｎ：０．００１％〜０．０１％未満）
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、０．００１％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎが０．０１％以上含有されると、多量の窒化物が析出して、靱性の低下を招く。そのため、Ｎ含有量は０．００１％〜０．０１％未満とする。Ｎ含有量の望ましい範囲は０．００２％〜０．００９％であり、さらに望ましい範囲は０．００３％〜０．００８％である。
【００３６】
（Ａｌ：０．０８％以下）
Ａｌ（アルミニウム）は、脱酸剤として製造時に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含有量の上限は０．０８％以下に制限する必要がある。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、さらに望ましい下限は０．００１％以上である。
【００３７】
（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）の含有量の上限は、０．０８％以下に制限する必要がある。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）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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、Ｖ：０％〜０．３５％、Ｃｏ：０％〜２％、Ｍｏ：０％〜２％、Ｂ：０％〜０．００５％、Ｃａ：０％〜０．０２％、Ｍｇ：０％〜０．０２％、及び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。
【００４０】
（Ｖ：０％〜０．３５％）
Ｖ（バナジウム）は、ＮｂおよびＴｉと同様、微細な炭窒化物を形成し、溶接金属のクリープ強度に寄与するため必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｖは、過剰に含有すると、多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖを含有する場合、Ｖ含有量の上限は０．３５％以下とする。Ｖ含有量の上限は、望ましくは、０．３２％以下、さらに望ましくは０．３％以下である。なお、Ｖを含有する場合、Ｖ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】
（Ｃｏ：０％〜２％）
Ｃｏ（コバルト）は、ＮｉおよびＣｕと同様、オ−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ため含有してもよい。しかしながら、Ｃｏは、極めて高価な元素であるため、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。
【００４２】
（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ので含有してもよい。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。
【００４３】
（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。
【００４４】
（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含有量の上限は、望ましくは０．０１５％以下、さらに望ましくは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。
【００４５】
（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、さらに望ましくは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。
【００４６】
（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の含有量の上限は、０．０６％以下とする。ＲＥＭを含有する場合、ＲＥＭ含有量の上限は、望ましくは０．０４％以下、さらに望ましくは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。
【００４７】
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。
【００４８】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼用溶接材料は、常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。
【００４９】
本発明の溶接材料は、例えば、低窒素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】
【００５０】
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。
【００５１】
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１００ｍｍ
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。
【００５２】
【表１】
0006638552.tif 000002
【００５３】
［耐溶接割れ性試験］
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、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。
その後、得られた溶接継手の５か所から採取した試料の横断面を鏡面研磨、及び腐食し、光学顕微鏡により検鏡して、溶接金属における割れの有無を調査した。
検鏡の結果、溶接金属に割れの認められなかった溶接継手を「合格」、５個の試験片のうち、一つでも割れが認められたものを「不合格」とした。
【００５４】
［クリープ破断試験］
耐溶接割れ性の評価のうち、割れが「合格」であった溶接継手については、残りの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を採取した。そして、７００℃、１９６ＭＰａ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、上記各試験の評価結果を併せて示す。
【００５５】
【表２】
0006638552.tif 000003
【００５６】
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、溶接金属中に割れは発生せず、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となった。
これに対して、窒素の含有量が低い符号Ｆの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接金属に割れは発生しなかったものの、クリープ強度が目標をわずかに下回った。Ｐの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では、溶接金属に凝固割れと判断される割れが発生した。Ｓの含有量が本発明の範囲を超える符号Ｈの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接金属中に延性低下割れと判断される割れが発生した。また、ＰとＳとの含有量が本発明の範囲を超える符号Ｉの溶接材料を用いた溶接継手は、溶接金属に凝固割れ、及び延性低下割れと判断される割れが発生した。
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、耐溶接割れ性に優れるとともに、クリープ強度をも満足することが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、低窒素含有オーステナイト系耐熱鋼を溶接する場合に、耐溶接高温割れ性（具体的には、凝固割れ、及び延性低下割れ）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低窒素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。