(57)【要約】【課題】  耐食性と溶接性に有害に作用するＣの含有量を極低化したＣｒ含有鋼の溶接継手において、満足すべき強度、靭性などの機械的特性が発現される技術を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：≦０．０１０％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｐ：≦０．０５０％、Ｓ：≦０．０１００％、Ｃｒ：６．０〜９．０％、Ａｌ：≦０．１００％、Ｔｉ：３×（Ｃ＋Ｎ）〜０．５０％、Ｎ：≦０．０２０％を含有し、必要に応じてさらにＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖの１種以上を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅからなり、金属組織がポリゴナルフェライトを含有して成り、ビッカース硬さが１１０以上１８０以下であることを特徴とする天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性および機械的特性に優れた溶接構造用鋼板およびその溶接継手。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：≦０．０１０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、
Ｐ  ：≦０．０５０％、
Ｓ  ：≦０．０１００％、
Ｃｒ：６．０〜９．０％、
Ａｌ：≦０．１００％、
Ｔｉ：３×（Ｃ＋Ｎ）〜０．５０％、
Ｎ  ：≦０．０２０％
を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅからなり、金属組織がポリゴナルフェライトを主体として成り、ビッカース硬さが１１０以上１８０以下であることを特徴とする天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性および機械的特性に優れた溶接構造用鋼板。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ  ：≦０．０１０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、
Ｐ  ：≦０．０５０％、
Ｓ  ：≦０．０１００％、
Ｃｒ：６．０〜９．０％、
Ａｌ：≦０．１００％、
Ｔｉ：３×（Ｃ＋Ｎ）〜０．５０％、
Ｎ  ：≦０．０２０％
を含有し、さらに、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｎｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％、
Ｖ  ：０．０１〜０．１％
の１種または２種以上を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅからなり、金属組織がポリゴナルフェライトを含有して成り、ビッカース硬さが１１０以上１８０以下であることを特徴とする天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性および機械的特性に優れた溶接構造用鋼板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の組成からなる鋼板を素材とした溶接継手であって、その溶接熱影響部における最小硬さと母材の硬さの差がビッカース硬さで２０ポイント以下であることを特徴とする天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性および機械的特性に優れた溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性に優れ、十分な機械的特性を発揮する溶接構造用鋼板と、それを用いた溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所などの重油や石炭を燃焼させるボイラーを設置するプラントでは、燃料中の硫黄から生成されるＳＯ3 が凝縮して鋼部材を腐食に至らしめる硫酸露点腐食が問題視されてきた。それに対し、Ｃｕなどを微量含有する低合金系の耐硫酸露点腐食鋼が実用化されてきた。
しかしながら近年では、クリーンエネルギーの代表とされる天然ガスを燃料とするボイラーが増えてきており、天然ガスには硫黄分が極端に少ないことから、従来の石油や石炭を燃料とする場合に比べて排ガス組成が大きく異なり、従来の低合金系耐硫酸露点腐食鋼では耐食性が不十分であった。
【０００３】
すなわち、天然ガス焚きボイラー排ガス環境ではｐＨ：３．５〜５．５の塩素イオンを含む濃厚電解質溶液が形成されたり、脱硝設備を有する場合には酸性硫安が形成されたりするが、これら腐食環境は従来の低合金系耐硫酸露点腐食鋼において問題視された中濃度硫酸あるいは高濃度硫酸と全く異なるため、耐食作用が十分発現されず、従来鋼では激しい腐食を生起するという問題があった。
【０００４】
この天然ガス焚きボイラー周辺設備で生じる腐食問題を克服する手段として、特許文献１〜３に記載の技術が提起されている。これらは、いずれも前記の腐食環境において耐食性改善に大きく寄与するＣｒを数％含有させた鋼である。
特許文献１の技術は、Ｃ：≦０．０５％、Ｍｎ：０．２〜１．６％、Ｃｒ：７〜１３％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％などを含有する耐食性に優れた鋼板であり、また特許文献２の技術は、Ｃ：≦０．０５％、Ｍｎ：０．２〜１．６％、Ｃｒ：４〜９％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％などを含有する耐食性に優れた鋼である。これらの技術は、Ｃ含有量が比較的高いＣｒ含有鋼であるため、特許文献３にも記載されたように、溶接熱影響部にマルテンサイトが生起され靭性が劣化する問題があった。
【０００５】
この問題を解消すべく工夫されたのが特許文献３の技術であり、Ｃ：≦０．０５％、Ｍｎ：０．２〜１．２％、Ｃｒ：０．５〜４％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｍｏ：０．０５〜２．０％などを含有し、耐食性に加えてＰcmを規制して溶接性、ガス切断性を改善した鋼、あるいはＣ：０．０１〜０．１０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜９％、Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ｍｏ：０．０５〜２．０％などを含有し、耐食性に加えてＰcmを規制して溶接性、ガス切断性を改善した鋼である。
【０００６】
しかしながら、本発明者らが研究した結果、溶接性に大きな影響を与えるＣ含有量を極端に低減した場合においては、母材組織によって溶接熱影響部の強度が影響を受けるため、成分のみならず母材組織を最適化すれば熱影響部軟化防止の点で更に望ましいこと、及び母材組織を適性にすることで靭性が更に改善されることを知見した。
【特許文献１】特開平６−１５８２３２号公報
【特許文献２】特開平７−２８６２４１号公報
【特許文献３】特開平８−１４４０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述の問題を克服する技術を提供することを目的とするものであり、特に耐食性と溶接性に有害に作用するＣの含有量を極低化したＣｒ含有鋼の溶接継手において、満足すべき強度、靭性などの機械的特性が発現される技術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】
【０００８】
本発明者らは、耐食性と溶接性を重視して極低Ｃを前提としたＣｒ含有鋼を種々の熱間加工方法で鋼板に加工し、母材の材質と関連付けて溶接継手の機械的特性を調査してきた。その結果、熱影響部において著しい軟化が生じることを知見した。この熱影響部の軟化現象は主に母材の材質に依存することを解明し、これを回避するための母材が具備すべき条件を見出した。
すなわち、従来技術では開示されていなかった金属組織を制御することによって、極低Ｃ系Ｃｒ含有鋼板の溶接継手の機械的特性が実用に供し得るまでに改善されることを知見した。また母材組織の適正化によって、溶接熱影響部のみならず母材の靭性も改善されることを知見した。
【０００９】
本発明は前記知見に基づいて構成したものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ  ：≦０．０１０％、        Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、  Ｐ  ：≦０．０５０％、
Ｓ  ：≦０．０１００％、      Ｃｒ：６．０〜９．０％、
Ａｌ：≦０．１００％、        Ｔｉ：３×（Ｃ＋Ｎ）〜０．５０％、
Ｎ  ：≦０．０２０％
を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅからなり、金属組織がポリゴナルフェライトを主体として成り、ビッカース硬さが１１０以上１８０以下であることを特徴とする天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性および機械的特性に優れた溶接構造用鋼板。
【００１０】
（２）質量％で、
Ｃ  ：≦０．０１０％、        Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、  Ｐ  ：≦０．０５０％、
Ｓ  ：≦０．０１００％、      Ｃｒ：６．０〜９．０％、
Ａｌ：≦０．１００％、        Ｔｉ：３×（Ｃ＋Ｎ）〜０．５０％、
Ｎ  ：≦０．０２０％
を含有し、さらに、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、    Ｎｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、    Ｎｂ：０．０１〜０．１％、
Ｖ  ：０．０１〜０．１％
の１種または２種以上を含有し、残部が不可避的不純物とＦｅからなり、金属組織がポリゴナルフェライトを含有して成り、ビッカース硬さが１１０以上１８０以下であることを特徴とする天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性および機械的特性に優れた溶接構造用鋼板。
【００１１】
（３）前記（１）または（２）に記載の組成からなる鋼板を素材とした溶接継手であって、その溶接熱影響部における最小硬さと母材の硬さの差がビッカース硬さで２０ポイント以下であることを特徴とする天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性および機械的特性に優れた溶接継手。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、天然ガス焚きボイラー排ガス環境での耐食性に優れ、十分な機械的特性を発揮する溶接構造用鋼板と、これを用いた溶接継手が得られ、産業上の効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明において最重要の要件は、金属組織をポリゴナルフェライトを含む組織とし、母材の硬さを適正範囲に規定する点にある。
極低Ｃを前提としたＣｒ含有鋼の熱延板に含まれ得る金属組織としては、ポリゴナルフェライトの他に、定義が曖昧なため種々の呼称で称される転移密度の高いフェライト相  （以下、便宜上ベイナイトと称す）が出現し得る。ベイナイト主体組織となれば硬度が高く、ポリゴナルフェライト主体組織となれば硬度は低くなる。単に母材の強度だけを求めるのであればベイナイト主体の組織が好ましいが、本発明が目的とする溶接構造用鋼板としては、熱影響部が焼鈍効果を受けて軟化するため好ましくない。またベイナイト主体の組織であれば、熱影響部のみならず母材部においても十分な靭性が得られない。
【００１４】
むしろ、母材強度はベイナイト主体組織の鋼板より低くなるが、溶接熱影響部で軟化が生じないポリゴナルフェライト主体の組織が好ましい。好適な母材の金属組織を定量的に規定するのは、前述のようにベイナイトの定義が暖昧であるため困難である。このため金属組織としては、少なくともポリゴナルフェライトを含むこととし、ベイナイトとの組織分率はこれによって母材強度が支配されるので、硬さ（強度）をもって代表させることにした。
【００１５】
本発明者らが組織を種々変化させた板厚６ｍｍの熱延鋼板を用い、一定溶接条件において溶接継手を試作し、溶接熱影響部と母材の硬さを測定して得た結論は、図１に示すように、母材の硬さをビッカース硬度で１１０〜１８０の範囲に規制することによって、熱影響部における軟化問題を実用上無視し得る程度にまで抑制することができるというものである。
【００１６】
このような鋼板母材を溶接して得られる溶接継手において、熱影響部における軟化現象の影響を実用上無視し得るレベルとしては、母材と熱影響部の硬さの差がビッカース硬度で１５ポイントが限界である。これより硬度の差が大きい場合には、継手疲労試験において熱影響部で破壊が生じるようになり、疲労特性が劣化する。また、継手曲げ試験においても熱影響部でネッキングが生じ、正確な評価が不可能になるなどの問題も生じてしまう。
ここで言う母材の硬度とは、板厚中心部において荷重５ｋｇで測定したビッカース硬度１０点の平均値である。
【００１７】
以下、本発明における合金元素の限定理由を述べる。
Ｃ：Ｃは耐食性および溶接性に有害であるため、０．０１０％を上限とした極低レベルに規制する。
【００１８】
Ｓｉ：Ｓｉはポリゴナルフェライトの強化に有効であるため０．０５％以上含有させる。２．０％を超えると熱影響部の靭性が劣化するため、上限を２．０％とした。
【００１９】
Ｍｎ：Ｍｎはフェライトの強化に寄与するため０．０５％以上を含有させるが、ベイナイトを生起させる作用も有するため上限を０．５％とする。
【００２０】
Ｐ，Ｓ：ＰおよびＳは不純物元素であり、耐食性などを劣化させるため可及的低レベルが望ましいが、精錬コストも考慮してＰについては０．０５％、Ｓについては０．０１００％までの含有を許容する。
【００２１】
Ｃｒ：Ｃｒは天然ガス焚きボイラー排ガス環境における耐食性を確保するための最重要元素であり、６．０％を下限として含有させる。９．０％を超えると熱影響部の靭性が劣化するため、これを上限とした。
【００２２】
Ａｌ：Ａｌは製鋼工程における脱酸元素として０．１００％を上限として含有させる。  
【００２３】
Ｔｉ：Ｔｉは溶接性に有害なＣ，Ｎを固定する元素として、（Ｃ＋Ｎ）の３倍量を下限として含有させ、効果が飽和する０．５０％を上限とする。
【００２４】
Ｎ：ＮはＣと同様に溶接性に有害であるため、０．０２０％以下に規制する。
【００２５】
さらに、より望ましい特性を追求する目的で以下の合金元素を活用することができる。  Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ：耐食性をより向上させる目的で、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの１種以上を０．０５％を下限として含有させる。１．０％を超えて含有させると母材材質の制御が困難となるため、上限を１．０％に設定する。
【００２６】
Ｎｂ，Ｖ：熱影響部の靭性改善を目的に０．０１％以上含有させるが、効果が飽和する０．１％を上限としてＮｂ，Ｖの１種または２種を含有させる。
【００２７】
なお前記した元素以外に、本発明の目的に影響を与える元素としてはＢが挙げられる。  熱間加工ままの状態で鋼板母材の材質をより安定化させるためには、Ｂを不純物として扱う必要がある。Ｂは微量でベイナイトを生起させる強い作用を有するため、この作用を防止するための許容量として０．０００５％以下に制限するのが望ましい。
【００２８】
前記の鋼板母材の必要条件を満たすための製造方法は、鋼板の製造プロセスによって種々異なり得るが、例えばホットストリップミルによって熱延鋼帯を製造する場合には、主に鋼帯の巻取温度が重要となる。当該鋼のポリゴナルフェライトの変態ノーズを通過させて冷却する必要があり、このための巻取温度としては、仕上圧延条件にも若干影響されるが、大略６５０℃以上に設定すれば良い。あるいはコスト増を許容するのであれば、圧延後に再加熱して焼鈍を施すという手段もあり、これを活用しても良い。
【００２９】
溶接金属の選択腐食を防止するには、溶接金属の合金組成が重要である。鋼板母材に対し耐食性に有効なＣｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏなどの含有量を高めておく必要がある。このための溶接材料としては、溶接作業性や溶接割れなどの問題を考慮して周知の技術を活用すれぱ良く、オーステナイト系ステンレス、例えば３０９Ｌなどを用いるのが常套である。
【実施例】
【００３０】
表１に示す合金組成の鋼を溶製、鋳造し、板厚６ｍｍまで熱間圧延を施した。その際、巻取温度を５６０℃から７５０℃まで変化させ、鋼板の組織、硬さを変化させた。
この熱延鋼板を素材として溶接継手を作製した。溶接方法としては、入熱：約２０ｋＪ／ｃｍのアーク溶接とし、溶接材料としてはオーステナイト系ステンレス３０９Ｌの被覆アーク溶接棒を用いた。作製した溶接継手について、母材および熱影響部の硬度測定、継手引張、継手曲げ、母材および熱影響部の衝撃試験を行った。
【００３１】
母材の硬度は、継手断面サンプルを採取し、母材部の板厚中心部について荷重５ｋｇでビッカース硬度を１０点測定し、それらの平均値を求めた。熱影響部の硬度は、継手断面サンプルにおける板表面下１ｍｍ位置および肉厚中心部について、溶け込み線を起点として母材側に０．５ｍｍ毎に荷重５ｋｇでビッカース硬度を測定し、その最小値を求めた。  
【００３２】
継手引張は、ＪＩＳ  Ｚ３１２１に準じて試験片を作製して引張試験に供し、引張強度と破断位置を求めた。また、試験前後の標点距離の変化量から伸びを算出した。継手曲げは、ＪＩＳ  Ｚ３１２２に準じてウラ曲げ試験片を作製し、ＪＩＳ  Ｚ３１２４に準じてローラー曲げ試験（曲げ半径６ｍｍ、１８０度曲げ）を行い、割れなどの異常有無を評価した。
【００３３】
母材の衝撃試験は、ＪＩＳ  Ｚ２２０２に規定の幅５ｍｍサブサイスのシャルピー試験片を母材部から採取し、０℃で供試した。３本の試験を行い、延性破面率を評価してその最小値を求めた。熱影響部衝撃試験は、熱影響部がノッチ底に位置するように幅５ｍｍサブサイズのＶノッチシャルピー試験片を採取して、母材部の衝撃試験と同様の評価を行った。
【００３４】
各種試験の結果を表２に示す。
本発明の No.１〜６の例は、いずれも本発明の要件を満たしたため、継手引張、継手曲げ、熱影響部および母材の衝撃試験の全てに満足すべき特性が得られた。
それに対して、比較例 No.１０１の母材組織はベイナイトとフェライトの混合組織であり、 No.１０２〜１０５の例はベイナイト主体の組織である。このため母材硬さが高く、熱影響部の硬さは低く、両者の差異が大きく、いずれも本発明の範囲を外れた。この結果として継手引張では、熱影響部がネッキングを起こして破断し、継手曲げでも熱影響部に変形が集中して所定の形状に曲げることができず、評価に至らなかった。
また熱影響部衝撃試験結果では、軟化部と硬質部が共存したため延性破面率は変動が大きく、０℃で脆性破面を呈する試験片が存在した。さらに、母材部の衝撃試験結果においても十分な靭性が得られない場合が生じた。
【００３５】
また本発明例については、確認のため天然ガス焚きボイラー排ガス環境の腐食条件を模擬した耐食性試験も実施した。
硫酸第２鉄１０水塩：０．９グラム、硫酸アンモニウム：４３．２グラム、塩化ナトリウム４．９グラム、硫酸ナトリウム５４．３グラムの混合塩をビーカーに入れ、この中に前記の溶接継手から採取した試験片を入れた状態で、８０℃，８０％相対湿度の恒温恒湿槽に６ケ月間にわたって暴露し、重量減少を求めた。
比較のために合わせて供試した一般溶接構造用鋼に対し、本発明例は３倍以上の耐食性を示すことを確認した。また、溶接熱影響部に選択腐食が観られないことも確認した。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】母材硬度と溶接熱影響部における硬度低下量の関係を、母材の金属組織を層別して示した図である。
【図１】
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