(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．１２％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：４２．０〜４８．０％、
Ｃｒ：２０．０〜２６．０％、
Ｗ：４．０〜１０．０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１５％、
Ｎｂ：０．１〜０．４％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
Ｎ：０．０２％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、
ＲＥＭ：０〜０．１％、
Ｃｏ：０〜１．０％、
Ｃｕ：０〜４．０％、
Ｍｏ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜０．５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である化学成分を有する合金母材を、
質量％で、
Ｃ：０．０６〜０．１８％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：４０．０〜６０．０％、
Ｃｒ：２０．０〜２６．０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方の合計：６．０〜１３．０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．６％、
Ａｌ：１．５％以下、
Ｎ：０．１８％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ｃｏ：０〜１５．０％、
Ｎｂ：０〜０．５％、
Ｂ：０〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である化学成分を有する溶接材料を用いて溶接した後、
下記（ｉ）〜（iii）式を満足する条件で溶接後熱処理を施す、オーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
８００≦Ｔ≦１２５０  ・・・（ｉ）
−０．２×Ｔ＋２７０≦ｔ≦−０．６×Ｔ＋８１０  ・・・（ii）
ＲＣ≧０．０５×Ｔ−１０  ・・・（iii）
ただし、上式中の各記号の意味は下記の通りである。
Ｔ：溶接後熱処理温度（℃）
ｔ：溶接後熱処理時間（ｍｉｎ）
ＲＣ：Ｔから５００℃までの平均降温速度（℃／ｈ）
【請求項２】
前記合金母材の化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．１％、
Ｃｏ：０．０１〜１．０％、
Ｃｕ：０．０１〜４．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
から選択される１種以上を含有する、請求項１に記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
【請求項３】
前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
Ｃｏ：０．０１〜１５．０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５％、
から選択される１種以上を含有する、請求項１または請求項２に記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
【請求項４】
前記溶接後熱処理の条件が、さらに下記（iv）式を満足する、請求項１から請求項３までのいずれかに記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
ＲＨ≧４０  ・・・（iv）
ただし、上式中の記号の意味は下記の通りである。
ＲＨ：５００℃からＴまでの平均昇温速度（℃／ｈ）
【請求項５】
前記合金母材の厚さが３０ｍｍを超える、請求項１から請求項４までのいずれかに記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかに記載の製造方法を用いて得られる、オーステナイト系耐熱合金溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電用ボイラの主蒸気管や高温再熱蒸気管などの高温部材として用いられるクリープ強度と使用時の溶接部の耐割れ性とに優れるオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法およびそれを用いて得られ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おり、過熱器管または再熱器管の材料として使用されるオーステナイト系耐熱合金には、より優れた高温強度および耐食性を有することが求められている。
【０００３】
また、従来フェライト系耐熱鋼が使用されていた、主蒸気管、再熱蒸気管等の厚肉の部材を含む種々の部材においても、オーステナイト系耐熱合金の適用が検討されている。
【０００４】
このような技術的背景のもと、例えば、特許文献１には、Ｗを活用し高温強度を高めるとともに、有効Ｂ量を規定することにより、熱間加工性を改善したＮｉ基合金製品が開示されている。また、特許文献２には、Ｃｒ、ＴｉおよびＺｒの活用により、クリープ強度を高めたオーステナイト系耐熱合金が開示されており、特許文献３には、多量のＷを含有させるとともに、ＡｌおよびＴｉを活用し、固溶強化とγ’相による析出強化とによって強度を高めたＮｉ基耐熱合金が開示されている。
【０００５】
これらオーステナイト系耐熱合金を構造物として使用する場合、一般には溶接により組み立てられる。オーステナイト系耐熱合金を使用した溶接継手においては、主として冶金的要因に起因した様々な割れが発生しやすくなることが知られている。特に、高温環境で長時間使用した際に、いわゆる応力緩和割れが発生することが問題となる。応力緩和割れとは、溶接により生じた残留応力が緩和してゆく過程で発生する割れのことである。
【０００６】
特許文献４には、ＭｏとＷとを活用してクリープ強度を高めるとともに、不純物元素ならびにＴｉおよびＡｌの含有量を規定することによって、溶接時の耐液化割れと高温での長時間使用時に発生する割れとを防止することができるオーステナイト系耐熱合金が開示されている。特許文献４によれば、上記のオーステナイト系耐熱合金を主蒸気管または高温再熱蒸気管などの部材に使用した突き合わせ溶接継手では、応力緩和割れを防止することができる。
【０００７】
ところで、非特許文献１に示すように、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金では、溶接後の熱処理を行わないのが一般的である。しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼においては、耐食性および靭性の改善を目的に１０００〜１１５０℃の温度範囲において、また、残留応力除去を目的に８００〜９００℃の温度範囲において溶接後熱処理を行う場合もある。
【０００８】
非特許文献２には、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｎｂ系オーステナイト系ステンレス鋼を、高温で長時間使用した際に発生する割れを防止することを目的として、溶接継手部を６００℃程度に加熱保持したのち１０５０℃で再度保持し、最後に９００℃で保持する３つのステップを踏む熱処理方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４６３１９８６号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／１５４１６１号
【特許文献３】国際公開第２０１０／０３８８２６号
【特許文献４】特開２０１０−１５０５９３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】接合・溶接技術Ｑ＆Ａ１０００編集委員会、「接合・溶接技術Ｑ＆Ａ１０００」、１９９９年８月、ｐ５０２−５０３、６５３−６５４
【非特許文献２】内木虎蔵、岡林久喜、栗林宗孝、森重徳男、「１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｎｂ鋼の応力除去焼きなまし割れ」、石川島播磨技報、昭和５０年３月、第１５巻、第２号、ｐ２０９−２１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１〜３では、高温で長時間使用した際に生じる応力緩和割れの問題について、考慮されていない。上述のように、特許文献４には、主蒸気管または高温再熱蒸気管などの部材に使用した突き合わせ溶接継手において、応力緩和割れを防止することが可能なオーステナイト系耐熱合金が開示されている。しかしながら、実際の構造物では様々な形状および寸法の溶接部が存在する。本発明者らが詳細な調査を実施した結果、溶接部の形状および寸法によって、残留応力の存在状態が異なることが分かった。そして、溶接部の形状または寸法によっては、特許文献４に記載の技術を用いたとしても、応力緩和割れを防止する効果が十分に得られない場合があることが明らかとなった。
【００１２】
また、本発明が対象とするオーステナイト系耐熱合金に対して、非特許文献１または２に記載される溶接後熱処理を単純に付与した場合であっても、残留応力が緩和されることで、応力緩和割れを防止することが可能である。しかしながら、溶接後熱処理の条件によっては、溶接継手のクリープ強度が大きく低下する場合があることが判明した。
【００１３】
本発明は、火力発電用ボイラの主蒸気管または再熱蒸気管などの高温部材として使用され、クリープ強度および耐応力緩和割れ性に優れたオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法と、それを用いて得られる溶接継手と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】
【００１４】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、溶接後熱処理を実施したオーステナイト系耐熱合金溶接継手について詳細な研究を行った。そして、種々の条件で後熱処理を行った溶接継手について、クリープ試験を実施した結果、継手によって、クリープ強度の低下の度合いに大きな違いがあることが分かった。
【００１５】
その原因を調査するため、クリープ試験を行う前後の溶接継手を用いて、組織観察を行い、クリープ強度の低下が大きかったものと小さかったものとで組織の違いを比較した。その結果、クリープ強度が大きく低下した溶接継手には、クリープ試験前に粗大なＭ２３Ｃ６炭化物が疎に析出しており、かつＭ２３Ｃ６炭化物を構成するＣｒ含有量が低かった。さらに、クリープ試験後において、Ｍ２３Ｃ６炭化物が顕著に粗大化していた。
【００１６】
微細なＭ２３Ｃ６炭化物は、粒内に分散することでクリープ強度の向上に大きく寄与する。したがって、高温環境下で長時間使用する際に、Ｍ２３Ｃ６炭化物が著しく粗大化することで、クリープ強度が大きく低下するものと考えられる。Ｍ２３Ｃ６炭化物が粗大化する機構は、以下のように説明することができる。
【００１７】
高温環境で長時間使用すると、粒内に微細な炭化物が析出する。その結果、溶接後熱処理によって元々粒内に粗大な炭化物が存在する溶接継手では、大きさの異なる２種類の炭化物が混在することになる。粒子の大きさの差が著しくなると、粒子間の界面エネルギーの差が大きくなり、その界面エネルギーの差が駆動力となって小さな炭化物が消失し、近傍の粗大な炭化物がより成長するという過程を経る。
【００１８】
加えて、析出物である炭化物中に含まれる主要構成元素量と、平衡状態において基質に含まれるその元素量との差が小さい方が、炭化物が成長しやすいと考えられる。すなわち、Ｍ２３Ｃ６炭化物を構成するＣｒ含有量が低いことが、Ｍ２３Ｃ６炭化物の成長促進の要因になる。
【００１９】
本発明者らが鋭意検討を繰り返した結果、Ｍ２３Ｃ６炭化物の粗大化を防止するためには、溶接後熱処理温度、溶接後熱処理時間および溶接後熱処理温度からＭ２３Ｃ６炭化物が生成しやすい５００℃までの降温速度のそれぞれの条件を、適切に管理することが重要であることを見出した。
【００２０】
本発明は、上記の知見を基礎としてなされたものであり、下記のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法およびそれを用いて得られる溶接継手を要旨とする。
【００２１】
（１）質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．１２％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：４２．０〜４８．０％、
Ｃｒ：２０．０〜２６．０％、
Ｗ：４．０〜１０．０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１５％、
Ｎｂ：０．１〜０．４％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
Ｎ：０．０２％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、
ＲＥＭ：０〜０．１％、
Ｃｏ：０〜１．０％、
Ｃｕ：０〜４．０％、
Ｍｏ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜０．５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である化学成分を有する合金母材を、
質量％で、
Ｃ：０．０６〜０．１８％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：４０．０〜６０．０％、
Ｃｒ：２０．０〜２６．０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方の合計：６．０〜１３．０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．６％、
Ａｌ：１．５％以下、
Ｎ：０．１８％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ｃｏ：０〜１５．０％、
Ｎｂ：０〜０．５％、
Ｂ：０〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である化学成分を有する溶接材料を用いて溶接した後、
下記（ｉ）〜（iii）式を満足する条件で溶接後熱処理を施す、オーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
８００≦Ｔ≦１２５０  ・・・（ｉ）
−０．２×Ｔ＋２７０≦ｔ≦−０．６×Ｔ＋８１０  ・・・（ii）
ＲＣ≧０．０５×Ｔ−１０  ・・・（iii）
ただし、上式中の各記号の意味は下記の通りである。
Ｔ：溶接後熱処理温度（℃）
ｔ：溶接後熱処理時間（ｍｉｎ）
ＲＣ：Ｔから５００℃までの平均降温速度（℃／ｈ）
【００２２】
（２）前記合金母材の化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．０００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．１％、
Ｃｏ：０．０１〜１．０％、
Ｃｕ：０．０１〜４．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
から選択される１種以上を含有する、上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
【００２３】
（３）前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
Ｃｏ：０．０１〜１５．０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５％、
から選択される１種以上を含有する、上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
【００２４】
（４）前記溶接後熱処理の条件が、さらに下記（iv）式を満足する、上記（１）から（３）までのいずれかに記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
ＲＨ≧４０  ・・・（iv）
ただし、上式中の記号の意味は下記の通りである。
ＲＨ：５００℃からＴまでの平均昇温速度（℃／ｈ）
【００２５】
（５）前記合金母材の厚さが３０ｍｍを超える、上記（１）から（４）までのいずれかに記載のオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法。
【００２６】
（６）上記（１）から（５）までのいずれかに記載の製造方法を用いて得られる、オーステナイト系耐熱合金溶接継手。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る製造方法によれば、高温でのクリープ強度と、使用時における溶接部の耐応力緩和割れ性とを両立可能なオーステナイト系耐熱合金溶接継手を安定して得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
【００２９】
１．合金母材の化学組成
本発明に係るオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造に使用する合金母材に含有される各元素の限定理由は下記のとおりである。
【００３０】
Ｃ：０．０４〜０．１２％
Ｃは、オーステナイトを安定化させる作用を有するとともに、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効果を有する元素である。この効果を十分に得るためには、０．０４％以上のＣ含有量が必要である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰であると、炭化物が粗大となり、かつ多量に析出するため、却ってクリープ強度を低下させる。特に、多量のＣを含有する溶接継手に対して溶接後熱処理を施すと、炭化物の成長が促進され、クリープ強度が著しく低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１２％以下とする。Ｃ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．０６％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１１％以下であるのが望ましく、０．０８％以下であるのがより望ましい。
【００３１】
Ｓｉ：１．０％以下
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。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合にはオーステナイト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の含有量に上限を設けて１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は０．８％以下であるのが望ましく、０．６％以下であるのがより望ましい。
【００３２】
なお、Ｓｉの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが望ましく、０．０５％以上であるのがより望ましい。
【００３３】
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸作用を有する元素である。また、Ｍｎは、オーステナイトの安定化にも寄与する。しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靱性およびクリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎの含有量に上限を設けて２．０％以下とする。Ｍｎの含有量は１．８％以下であるのが望ましく、１．５％以下であるのがより望ましい。
【００３４】
なお、Ｍｎの含有量についても特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、オーステナイト安定化効果が得難くなり、さらに製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが望ましく、０．０５％以上であるのがより望ましい。
【００３５】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として合金中に含まれ、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性が著しく低下し、さらに、高温で長時間使用した後のクリープ延性も低下する。そのため、Ｐの含有量に上限を設けて０．０３％以下とする。Ｐの含有量は、０．０２５％以下であるのが望ましく、０．０２％以下であるのがより望ましい。
【００３６】
なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．０００８％以上であるのがより望ましい。
【００３７】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として合金中に含まれ、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性が著しく低下し、さらに、高温で長時間使用した後のクリープ延性も低下する。そのため、Ｓの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｓの含有量は、０．００８％以下であるのが望ましく、０．００５％以下であるのがより望ましい。
【００３８】
なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが望ましく、０．０００２％以上であるのがより望ましい。
【００３９】
Ｎｉ：４２．０〜４８．０％
Ｎｉは、オーステナイトを得るために有効な元素であり、高温での長時間使用時における組織安定性を確保するために必須の元素である。本発明のＣｒ含有量の範囲で十分な効果を得るためには、４２．０％以上のＮｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量に含有させるとコストの増大を招く。そのため、上限を設けて、Ｎｉの含有量を４２．０〜４８．０％とする。Ｎｉ含有量は４２．５％以上であるのが望ましく、４３．０％以上であるのがより望ましい。また、Ｎｉ含有量は４７．５％以下であるのが望ましく、４７．０％以下であるのがより望ましい。
【００４０】
Ｃｒ：２０．０〜２６．０％
Ｃｒ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、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。本発明のＮｉ含有量の範囲で、上記の効果を得るためには、２０．０％以上のＣｒ含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒの含有量が２６．０％を超えると、高温でのオーステナイトの安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。特に、溶接継手に対して溶接後熱処理を施す本発明においては、炭化物の成長が促進されるため、クリープ強度が著しく低下する。したがって、Ｃｒの含有量を２０．０〜２６．０％とする。Ｃｒ含有量は２０．５％以上であるのが望ましく、２１．０％以上であるのがより望ましい。また、Ｃｒ含有量は２５．５％以下であるのが望ましく、２５．０％以下であるのがより望ましい。
【００４１】
Ｗ：４．０〜１０．０％
Ｗは、マトリックスに固溶し、または、微細な金属間化合物相を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。この効果を十分に得るためには、４．０％以上のＷ含有量が必要である。しかしながら、Ｗを過剰に含有させても効果は飽和し、却って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、過剰に含有させるとコストの増大を招く。そのため上限を設けて、Ｗの含有量を４．０〜１０．０％とする。Ｗ含有量は４．５％以上であるのが望ましく、５．０％以上であるのがより望ましい。また、Ｗ含有量は９．５％以下であるのが望ましく、９．０％以下であるのがより望ましい。
【００４２】
Ｔｉ：０．０５〜０．１５％
Ｔｉ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。その効果を十分に得るためには０．０５％以上のＴｉ含有量が必要である。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、上限を設けて、Ｔｉの含有量を０．０５〜０．１５％とする。Ｔｉ含有量は０．０６％以上であるのが望ましく、０．０７％以上であるのがより望ましい。また、Ｔｉ含有量は０．１４％以下であるのが望ましく、０．１３％以下であるのがより望ましい。
【００４３】
Ｎｂ：０．１〜０．４％
Ｎｂは、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度向上に寄与する。その効果を十分に得るためには０．１％以上のＮｂ含有量が必要である。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると炭化物および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、上限を設けて、Ｎｂの含有量を０．１〜０．４％とする。Ｎｂ含有量は０．１２％以上であるのが望ましく、０．１５％以上であるのがより望ましい。また、Ｎｂ含有量は０．３８％以下であるのが望ましく、０．３５％以下であるのがより望ましい。
【００４４】
Ａｌ：０．３％以下
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。しかしながら、Ａｌの含有量が過剰になると合金の清浄性が著しく劣化して、熱間加工性および延性が低下する。そのため、上限を設けて、Ａｌの含有量を０．３％以下とする。Ａｌ含有量は０．２％以下であるのが望ましく、０．１％以下であるのがより望ましい。
【００４５】
なお、Ａｌの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が却って劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ａｌ含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．００１％以上であるのがより望ましい。
【００４６】
Ｂ：０．０００１〜０．０１％
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。この効果を得るためには、Ｂ含有量を０．０００１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｂの含有量が過剰になると、溶接中の溶接熱サイクルにより溶融境界近傍の熱影響部にＢが多量に偏析して粒界の融点が低下し、液化割れ感受性が高まる。そのため、上限を設けて、Ｂの含有量を０．０００１〜０．０１％とする。Ｂ含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．００１％以上であるのがより望ましい。また、Ｂ含有量は０．００８％以下であるのが望ましく、０．００６％以下であるのがより望ましい。
【００４７】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、オーステナイトを安定にするのに有効な元素であるものの、過剰に含有されると、高温での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靱性の低下を招く。そのため、Ｎの含有量に上限を設けて０．０２％以下とする。Ｎの含有量は０．０１８％以下であるのが望ましく、０．０１５％以下であるのがより望ましい。
【００４８】
なお、Ｎの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させるとオーステナイトを安定にする効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｎ含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．０００８％以上であるのがより望ましい。
【００４９】
Ｏ：０．０１％以下
Ｏ（酸素）は、不純物として合金中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、さらに靱性および延性の劣化を招く。このため、Ｏの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｏの含有量は０．００８％以下であるのが望ましく、０．００５％以下であるのがより望ましい。
【００５０】
なお、Ｏ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含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．０００８％以上であるのがより望ましい。
【００５１】
本発明に係るオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造に使用する合金母材は、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を有するものである。
【００５２】
なお、「不純物」とは、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ものを指す。
【００５３】
本発明における合金母材には、上記の元素に加えてさらに、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＭｏおよびＶから選択される１種以上の元素を含有させても良い。
【００５４】
以下に、上記の元素の作用効果および含有量の限定理由について説明する。
【００５５】
Ｃａ：０〜０．０５％
Ｃａは、熱間加工性を改善する作用を有する。このため、Ｃａを含有させても良い。しかしながら、Ｃａの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｃａを含有させる場合には、その含有量を０．０５％以下とする。Ｃａ含有量は０．０３％以下であるのが望ましい。
【００５６】
なお、上記の効果を得たい場合は、Ｃａ含有量を０．０００１％以上とすることが望ましく、０．０００５％以上とすることがより望ましい。
【００５７】
Ｍｇ：０〜０．０５％
Ｍｇは、Ｃａと同様、熱間加工性を改善する作用を有する。このため、Ｍｇを含有させても良い。しかしながら、Ｍｇの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量を０．０５％以下とする。Ｍｇ含有量は０．０３％以下であるのが望ましい。
【００５８】
なお、上記の効果を得たい場合は、Ｍｇ含有量を０．０００１％以上とすることが望ましく、０．０００５％以上とすることがより望ましい。
【００５９】
ＲＥＭ：０〜０．１％
ＲＥＭは、Ｓとの親和力が強く、熱間加工性を改善する作用を有するとともに、高温での使用中のクリープ延性の向上に有効な元素である。このため、ＲＥＭを含有させても良い。しかしながら、ＲＥＭの含有量が過剰になるとＯと結合して、清浄性を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。したがって、ＲＥＭを含有させる場合には、その含有量を０．１％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．０６％以下であるのが望ましい。
【００６０】
なお、上記の効果を得たい場合は、ＲＥＭ含有量を０．０００５％以上とすることが望ましく、０．００１％以上とすることがより望ましい。
【００６１】
なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙおよ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、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させても良い。
【００６２】
上記のＣａ、ＭｇおよびＲＥＭは、いずれも熱間加工性を向上させる作用を有するため、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は０．２％であっても良い。
【００６３】
Ｃｏ：０〜１．０％
Ｃｏは、Ｎｉと同様オーステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。このため、Ｃｏを含有させても良い。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。したがって、Ｃｏを含有させる場合には、その含有量を１．０％以下とする。Ｃｏ含有量は０．８％以下であるのが望ましい。
【００６４】
なお、上記の効果を得たい場合は、Ｃｏ含有量を０．０１％以上とすることが望ましく、０．０３％以上とすることがより望ましい。
【００６５】
Ｃｕ：０〜４．０％
Ｃｕは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｃｕは、ＮｉおよびＣｏと同様オーステナイト生成元素であり、相安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。このため、Ｃｕを含有させても良い。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合には熱間加工性の低下を招く。したがって、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を４．０％以下とする。Ｃｕ含有量は３．０％以下であるのが望ましい。
【００６６】
なお、上記の効果を得たい場合は、Ｃｕ含有量を０．０１％以上とすることが望ましく、０．０３％以上とすることがより望ましい。
【００６７】
Ｍｏ：０〜１．０％
Ｍｏは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｍｏは、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度を向上させる作用を有する。このため、Ｍｏを含有させても良い。しかしながら、Ｍｏが過剰に含有された場合、オーステナイトの安定性が低下して、却ってクリープ強度の低下を招く。したがって、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を１．０％以下とする。Ｍｏ含有量は０．８％以下であるのが望ましい。
【００６８】
なお、上記の効果を得たい場合は、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とすることが望ましく、０．０３％以上とすることがより望ましい。
【００６９】
Ｖ：０〜０．５％
Ｖは、クリープ強度を向上させる作用を有する。すなわち、Ｖは、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を向上させる作用を有する。このため、Ｖを含有させても良い。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性の低下を招く。したがって、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｖ含有量は０．４％以下であるのが望ましい。
【００７０】
なお、上記の効果を得たい場合は、Ｖの含有量を０．０１％以上とすることが望ましく、０．０２％以上とすることがより望ましい。
【００７１】
上記のＣｏ、Ｃｕ、ＭｏおよびＶは、いずれもクリープ強度を向上させる作用を有するため、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、６．５％であっても良い。
【００７２】
２．溶接材料の化学組成
本発明に係るオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造に使用する溶接材料に含有される各元素の限定理由は下記のとおりである。
【００７３】
Ｃ：０．０６〜０．１８％
Ｃは、溶接後の溶接金属中のオーステナイトを安定化させる作用を有するとともに、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効果を有する元素である。さらには、溶接凝固中にＣｒと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。この効果を十分に得るためには、０．０６％以上のＣ含有量が必要である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰であると、炭化物が多量に析出するため、却ってクリープ強度および延性を低下させる。したがって、Ｃ含有量は０．１８％以下とする。Ｃ含有量は０．０７％以上であるのが好ましく、０．０８％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１６％以下であるのが望ましく、０．１４％以下であるのがより望ましい。
【００７４】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、溶接材料の製造時において脱酸に有効であるとともに、溶接後の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。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合にはオーステナイト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の含有量に上限を設けて１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は０．８％以下であるのが望ましく、０．６％以下であるのがより望ましい。
【００７５】
なお、Ｓｉの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０２％以上であるのが望ましく、０．０５％以上であるのがより望ましい。
【００７６】
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接材料の製造時において脱酸に有効な元素である。また、Ｍｎは、溶接後の溶接金属中のオーステナイトの安定化にも寄与する。しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靱性およびクリープ延性の低下も生じる。そのため、Ｍｎの含有量に上限を設けて２．０％以下とする。Ｍｎの含有量は１．８％以下であるのが望ましく、１．５％以下であるのがより望ましい。
【００７７】
なお、Ｍｎの含有量についても特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、オーステナイト安定化効果が得難くなり、さらに製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｍｎ含有量は０．０２％以上であるのが望ましく、０．０５％以上であるのがより望ましい。
【００７８】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、高温で長時間使用した後の溶接金属のクリープ延性を低下させる。そのため、Ｐの含有量に上限を設けて０．０３％以下とする。Ｐの含有量は、０．０２５％以下であるのが望ましく、０．０２％以下であるのがより望ましい。
【００７９】
なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．０００８％以上であるのがより望ましい。
【００８０】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として溶接材料中に含まれ、多量に含まれる場合には、熱間加工性および溶接性を著しく低下させ、さらにＳは、高温で長時間使用する際に、溶接金属において柱状晶粒界に偏析して脆化を招き、応力緩和割れ感受性を高める。そのため、Ｓの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｓの含有量は、０．００８％以下であるのが望ましく、０．００５％以下であるのがより望ましい。
【００８１】
なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが望ましく、０．０００２％以上であるのがより望ましい。
【００８２】
Ｎｉ：４０．０〜６０．０％
Ｎｉは、溶接後の溶接金属中のオーステナイトを安定化させるのに有効な元素であり、高温での長時間使用時における組織安定性を確保するために必須の元素である。その効果を得るためには、溶接材料のＮｉ含有量を４０．０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、小規模製造の溶接材料においても、多量に含有させるとコストの増大を招く。そのため、上限を設けて、Ｎｉの含有量を４０．０〜６０．０％とする。Ｎｉ含有量は４０．５％以上であるのが望ましく、４１．０％以上であるのがより望ましい。また、Ｎｉ含有量は５９．５％以下であるのが望ましく、５９．０％以下であるのがより望ましい。
【００８３】
Ｃｒ：２０．０〜２６．０％
Ｃｒは、溶接後の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有効な元素である。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。さらに、溶接凝固中にＣと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。これらの効果を得るためには、２０．０％以上のＣｒ含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒの含有量が２６．０％を超えると、高温でのオーステナイト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、溶接材料のＣｒの含有量を２０．０〜２６．０％とする。Ｃｒ含有量は２０．５％以上であるのが望ましく、２１．０％以上であるのがより望ましい。また、Ｃｒ含有量は２５．５％以下であるのが望ましく、２５．０％以下であるのがより望ましい。
【００８４】
ＭｏおよびＷの一方または両方の合計：６．０〜１３．０％
ＭｏおよびＷは、溶接金属においてマトリックスに固溶し、または、微細な金属間化合物相を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に大きく寄与する元素である。この効果を十分に得るためには、ＭｏおよびＷの一方または両方を合計で６．０％以上含有させる必要である。しかしながら、これらの元素を過剰に含有させても効果は飽和し、却ってクリープ強度を低下させる。さらに、ＭｏおよびＷは高価な元素であるため、過剰に含有させるとコストの増大を招く。そのため上限を設けて、ＭｏおよびＷの一方または両方の合計含有量を６．０〜１３．０％とする。合計含有量は６．５％以上であるのが望ましく、７．０％以上であるのがより望ましい。また、合計含有量は１２．５％以下であるのが望ましく、１２．０％以下であるのがより望ましい。
【００８５】
Ｔｉ：０．０５〜０．６％
Ｔｉは、溶接金属中に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。その効果を十分に得るためには、Ｔｉ含有量を０．０５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると炭窒化物が多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、上限を設けて、溶接材料のＴｉの含有量を０．０５〜０．６％とする。Ｔｉ含有量は０．０６％以上であるのが望ましく、０．０７％以上であるのがより望ましい。また、Ｔｉ含有量は０．５８％以下であるのが望ましく、０．５５％以下であるのがより望ましい。
【００８６】
Ａｌ：１．５％以下
Ａｌは、溶接材料の製造時において脱酸に有効な元素である。また、溶接金属において微細な金属間化合物相を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。しかしながら、Ａｌの含有量が過剰になると合金の清浄性が著しく劣化して、溶接材料の熱間加工性および延性が低下するため、製造性が悪化する。加えて、溶接金属中で多量の金属間化合物相を形成し、高温で長時間使用した際の応力緩和割れ感受性を著しく高める。そのため、上限を設けて、溶接材料のＡｌの含有量を１．５％以下とする。Ａｌ含有量は１．４％以下であるのが望ましく、１．３％以下であるのがより望ましい。
【００８７】
なお、Ａｌの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が却って劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性の向上効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ａｌ含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．００１％以上であるのがより望ましい。
【００８８】
Ｎ：０．１８％以下
Ｎは、溶接金属中のオーステナイトを安定化させ、クリープ強度を向上させるとともに、固溶して引張強さの確保に寄与する元素である。しかしながら、過剰に含有されると、高温での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靱性の低下を招く。そのため、溶接材料のＮ含有量に上限を設けて０．１８％以下とする。Ｎ含有量は０．１６％以下であるのが望ましく、０．１４％以下であるのがより望ましい。
【００８９】
なお、Ｎの含有量について特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させるとオーステナイトを安定にする効果が得難くなり、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｎ含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．０００８％以上であるのがより望ましい。
【００９０】
Ｏ：０．０１％以下
Ｏ（酸素）は、不純物として溶接材料中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、製造性の劣化を招く。このため、Ｏの含有量に上限を設けて０．０１％以下とする。Ｏの含有量は０．００８％以下であるのが望ましく、０．００５％以下であるのがより望ましい。
【００９１】
なお、Ｏ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含有量は０．０００５％以上であるのが望ましく、０．０００８％以上であるのがより望ましい。
【００９２】
Ｃｏ：０〜１５．０％
Ｃｏは、Ｎｉと同様に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ため、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、Ｃｏは極めて高価な元素であるため、溶接材料といえども過剰の含有は大幅なコスト増を招く。したがって、Ｃｏを含有させる場合には、その含有量を１５．０％以下とする。Ｃｏ含有量は１４．０％以下であるのが望ましく、１３．０％以下であるのがさらに望ましい。なお、上記の効果を得たい場合はＣｏ含有量を０．０１％以上とするのが望ましく、０．０３％以上とするのがより望ましい。
【００９３】
Ｎｂ：０〜０．５％
Ｎｂは、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度向上に寄与するため、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると炭化物および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。したがって、Ｎｂを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。Ｎｂ含有量は０．４８％以下であるのが望ましく、０．４５％以下であるのがより望ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ｎｂ含有量を０．０１％以上とするのが望ましく、０．０３％以上とするのがより望ましい。
【００９４】
Ｂ：０〜０．００５％
Ｂは、溶接金属のクリープ強度の向上に有効であるとともに、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、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、Ｂの含有量が過剰になると、溶接中の凝固割れ感受性が著しく高くなる。したがって、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．００５％以下とする。Ｂ含有量は０．００４％以下であるのが望ましく、０．００３％以下であるのがより望ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ｂ含有量を０．０００１％以上とするのが望ましく、０．０００５％以上とするのがより望ましい。
【００９５】
本発明に係るオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造に使用する溶接材料は、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を有するものである。
【００９６】
３．溶接後熱処理条件
本発明のオーステナイト系耐熱合金溶接継手は、前記合金母材を前記溶接材料を用いて溶接した後、溶接後熱処理を施すことで製造することができる。前述のように、クリープ強度と耐応力緩和割れ性とを両立させるためには、下記（ｉ）〜（iii）式を満足する条件で、溶接後熱処理を行う必要がある。
【００９７】
溶接後熱処理温度Ｔ（℃）：８００≦Ｔ≦１２５０  ・・・（ｉ）
前述のように、溶接後熱処理して得られた溶接継手を高温環境で長時間使用した際に、クリープ強度が低下することを軽減するためには、溶接後熱処理過程での粗大なＭ２３Ｃ６炭化物の生成を抑制すること、および、Ｍ２３Ｃ６炭化物中のＣｒ含有量を高めることが有効である。これらを達成するためには、溶接後熱処理温度を低く設定する必要がある。したがって、溶接後熱処理温度に上限を設け、１２５０℃以下とする。
【００９８】
一方、溶接後熱処理温度が低すぎると、溶接残留応力を十分に緩和させることができず、応力緩和割れ感受性の増大を招く。そのため、溶接後熱処理温度は８００℃以上とする。溶接後熱処理温度は、８５０℃以上であるのが望ましく、９００℃以上であるのがより望ましい。また、溶接後熱処理温度は、１１５０℃以下であるのが望ましく、１０００℃以下であるのがより望ましい。
【００９９】
溶接後熱処理時間ｔ（ｍｉｎ）：−０．２×Ｔ＋２７０≦ｔ≦−０．６×Ｔ＋８１０  ・・・（ii）
溶接後熱処理過程での粗大なＭ２３Ｃ６炭化物の生成を抑制するためには、溶接後熱処理温度を規定するだけでは十分でなく、上記温度との関係で、溶接後熱処理時間を管理する必要がある。クリープ強度が低下することを軽減するためには、溶接後熱処理時間を短く設定する必要があり、［−０．６×Ｔ＋８１０］（ｍｉｎ）以下とする。一方、溶接後熱処理時間が短すぎると、溶接残留応力を十分に緩和させることができず、応力緩和割れ感受性の増大を招く。そのため、溶接後熱処理時間は［−０．２×Ｔ＋２７０］（ｍｉｎ）以上とする。
【０１００】
Ｔから５００℃までの平均降温速度ＲＣ（℃／ｈ）：ＲＣ≧０．０５×Ｔ−１０  ・・・（iii）
上記の溶接後熱処理温度および溶接後熱処理時間の管理だけでは、溶接後熱処理過程での粗大なＭ２３Ｃ６炭化物の生成を完全に抑制することはできない。溶接後熱処理後の降温時においてもＭ２３Ｃ６炭化物が生成するため、溶接後熱処理温度に応じて、その温度から５００℃までの平均降温速度の下限を管理する必要がある。そのため、溶接後熱処理温度から５００℃までの平均降温速度に下限を設け、［０．０５×Ｔ−１０］（℃／ｈ）以上とする。
【０１０１】
なお、本発明に係るオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造方法においては、前記の溶接後熱処理の条件が、さらに下記（iv）式を満足することが望ましい。
【０１０２】
５００℃からＴまでの平均昇温速度（℃／ｈ）：ＲＨ≧４０  ・・・（iv）
溶接後熱処理の昇温過程において、５００℃から溶接後熱処理温度Ｔ（℃）までの平均昇温速度ＲＨが４０℃／ｈを下回ると、昇温過程で、粒内に微細な炭化物、炭窒化物および金属間化合物が析出し、複雑な溶接部形状等の場合、溶接後熱処理の過程で応力緩和割れが発生する場合がある。そのため、５００℃から溶接後熱処理温度までの平均昇温速度に下限を設け、４０（℃／ｈ）以上とすることが望ましい。
【０１０３】
４．その他
本発明に係るオーステナイト系耐熱合金溶接継手の製造に使用する合金母材および溶接材料の形状または寸法について、特に制限は設けない。ただし、本発明に係る製造方法は、特に厚さが３０ｍｍを超える合金母材を用いた場合に効果を発揮する。したがって、合金母材の厚さは、３０ｍｍを超えるのが望ましい。
【０１０４】
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。
【実施例１】
【０１０５】
表１に示す化学組成を有する合金を溶解してインゴットを作製した。上記インゴットを用いて、熱間鍛造により成形した後、１２３０℃での溶体化熱処理を行い、厚さ１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍおよび厚さ３２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの合金板をそれぞれ作製した。そして、それらの合金板を、それぞれクリープ破断試験および応力緩和割れの有無の確認に供した。
【０１０６】
【表１】
0006439579.tif 000002
【０１０７】
さらに、表２に示す化学組成を有する合金を溶解してインゴットを作製した後、熱間鍛造、熱間圧延および機械加工により、外径１．２ｍｍの溶接材料を作製した。
【０１０８】
【表２】
0006439579.tif 000003
【０１０９】
クリープ破断試験は、以下の手順により行った。上記の厚さ１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの合金板の長手方向に、開先角度３０°、ルート厚さ１ｍｍのＶ開先を加工した後、上記の溶接材料を用いてＴＩＧ溶接により開先内に多層溶接を行い、溶接継手を作製した。そして、得られた溶接継手に対して、表３に示す条件で溶接後熱処理を施した。その後、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、母材合金板の目標破断時間が約１０００時間となる７００℃、１４７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。
【０１１０】
【表３】
0006439579.tif 000004
【０１１１】
また、応力緩和割れの有無の確認は、複雑な溶接部形状における厳しい応力状態を再現するため、以下の手順により行った。上記の厚さ３２ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの合金板を用いてＪＩＳ  Ｚ  ３１５８（１９９３）に規定されるｙ型溶接割れ試験方法に準拠して試験片を機械加工により作製した後、上記の溶接材料を用いてＴＩＧ溶接により開先に単層溶接を行い、溶接継手を作製した。そして、得られた溶接継手に対して、上記のクリープ破断試験において実施したのと同じ条件で溶接後熱処理を施した後、７００℃、５００ｈの時効熱処理を行った。処理後の溶接継手の溶接熱影響部について、それぞれ５か所から試験片を採取した。そして、その横断面を鏡面研磨して、王水で腐食した後、倍率５００倍で光学顕微鏡観察し、割れの有無を調査した。
【０１１２】
上記のクリープ破断試験および割れ観察の結果を、表３に合わせて示す。クリープ破断試験結果については、破断時間が母材合金板の目標破断時間を超えるものを「◎」、母材合金板の目標破断時間の８５％を超えるものを「○」とし、それ以外を「×」とした。また、割れ観察結果については、観察に用いた５個全ての試験片で割れが認められなかった溶接継手を「○」とし、１断面のみに割れが認められた溶接継手を「△」とし、合格とした。そして２個以上の試験片で割れが認められた溶接継手を「×」とし、不合格と判断した。
【０１１３】
表３に示すように、溶接後熱処理条件が本発明の規定を満足する試験番号１〜５、７〜２０および２７〜４５は、良好なクリープ強度を有し、かつ厳しい溶接部形状においても優れた耐応力緩和割れ性を有することが明らかである。また、試験番号６は、溶接後熱処理における昇温条件が好ましい範囲を下回ったため、本実施例で適用したような厳しい溶接部形状では、僅か１断面に応力緩和割れが発生したものの、許容される性能を有することが分かる。
【０１１４】
一方、試験番号２１は、後熱処理温度が本発明の規定範囲より低いため、溶接部の残留応力除去が十分ではなく、２断面以上の高い頻度で応力緩和割れが発生した。また、試験番号２２および２３は、後熱処理における保持時間が、後熱処理温度から決まる下限時間を下回ったため、同様に溶接部の残留応力除去が十分ではなく、本実施例で適用したような厳しい溶接部形状では長時間の時効熱処理により２断面以上の高い頻度で応力緩和割れが発生した。
【０１１５】
さらに、試験番号２４および２５は、後熱処理における保持時間が、後熱処理温度から決まる上限時間を超えたため、後熱処理過程で粗大なＭ２３Ｃ６炭化物が生成し、必要なクリープ強度が得られなかった。また、試験番号２６は、後熱処理における冷却速度が、後熱処理温度から決まる下限を下回ったため、後熱処理過程で粗大なＭ２３Ｃ６炭化物が生成し、必要なクリープ強度が得られなかった。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明に係る製造方法によれば、高温でのクリープ強度と、使用時における溶接部の耐応力緩和割れ性とを両立可能なオーステナイト系耐熱合金溶接継手を安定して得ることができる。