(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．００５〜１％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１％
を含み、さらに、
Ｍｏ：０．１〜１％、
Ｗ：０．０１〜１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％、
Ｔａ：０．００５〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．００５〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、かつ、残部がＦｅならびに不可避不純物からなる耐火構造用鋼材と、溶接部とからなる耐火構造用溶接継手であって、
該溶接部に形成された溶接金属が、質量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１〜１％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１５％、
Ｏ：０．００５〜０．０６％
を含み、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０２〜２％、
Ｗ：０．０２〜２％、
Ｔａ：０．０１〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計が０．０１〜０．０６％であり、下記（３）式により定義されるＮｂ当量が０．０５〜１％を満足し、かつ、固溶Ｎｂ量が０．００５〜０．１％であり、前記溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計とＮｂ量との関係が下記（４）式を満足し、残部がＦｅならびに不可避不純物からなることを特徴とする高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
Ｎｂ当量＝Ｎｂ％＋０．４７Ｍｏ％＋０．２５Ｗ％＋０．４Ｔａ％＋０．２Ｚｒ％                                                                ・  ・  ・（３）
但し、上記Ｎｂ％、Ｍｏ％、Ｗ％、Ｔａ％、Ｚｒ％は、それぞれ溶接金属中のＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒの含有量（質量％）を示す。
０．３≦（Ｎｂ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）≦５                    ・  ・  ・（４）
但し、上記「Ｎｂ％」、「Ｃ％」、「Ｎ％」は各々溶接金属中のＮｂ、Ｃ、Ｎの含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．００５〜１％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１％
を含み、さらに、
Ｍｏ：０．１〜１％、
Ｗ：０．０１〜１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｔａ：０．００５〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．００５〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、かつ、残部がＦｅならびに不可避不純物からなる耐火構造用鋼材と、溶接部とからなる耐火構造用溶接継手であって、
該溶接部に形成された溶接金属が、質量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１〜１％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１５％、
Ｏ：０．００５〜０．０６％
を含み、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
Ｖ：０．０１〜０．７％
を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０２〜２％、
Ｗ：０．０２〜２％、
Ｔａ：０．０１〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計が０．０１〜０．０６％であり、下記（１）式により定義されるＮｂ当量が０．０５〜１％を満足し、かつ、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が０．００５〜０．１％であり、前記溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計とＮｂとＶとの含有量の合計との関係が下記（２）式を満足し、残部がＦｅならびに不可避不純物からなることを特徴とする高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
Ｎｂ当量＝Ｎｂ％＋０．４７Ｍｏ％＋０．２５Ｗ％＋０．６５Ｖ％＋０．４Ｔａ％
＋０．２Ｚｒ％                                        ・  ・  ・（１）
但し、上記Ｎｂ％、Ｍｏ％、Ｗ％、Ｖ％、Ｔａ％、Ｚｒ％は、それぞれ溶接金属中のＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒの含有量（質量％）を示す。
０．３≦（Ｎｂ％＋Ｖ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）≦５                    ・  ・  ・（２）
但し、上記「Ｎｂ％」、「Ｖ％」、「Ｃ％」、「Ｎ％」は各々溶接金属中のＮｂ、Ｖ、Ｃ、Ｎの含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
【請求項３】
前記鋼材が、さらに、質量％で
Ｃｕ：０．００５〜１．５％、
Ｎｉ：０．０１〜６％、
Ｃｏ：０．０１〜６％、
Ｃｒ：０．００５〜１．５％、
Ｔｉ：０．００２〜０．１％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１％、および、
Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％
のうちの１種または２種以上含むことを特徴とする請求項１または２に記載の高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
【請求項４】
前記溶接金属が、さらに、質量％で
Ｃｕ：０．００５〜１．５％、
Ｎｉ：０．０１〜６％、
Ｃｏ：０．０１〜６％、
Ｃｒ：０．００２〜０．５％、
Ｔｉ：０．００２〜０．１％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１％、および、
Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％
のうちの１種または２種以上含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
【請求項５】
前記溶接金属は、溶接入熱が１０ｋＪ／ｃｍ〜２００ｋＪ／ｃｍの条件で形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に建築鋼構造物に適用され、特に７００〜８００℃の温度における耐火性に優れた耐火構造物用溶接継手に関するものである。なお、本継手は溶接方法によらず、溶接入熱１０〜２００ｋＪ／ｃｍの溶接継手に適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築物などに使用される鋼材は、火災時の鋼構造物の安全性を確保するために、火災時における鋼材表面温度が３５０℃以下で使用するように耐火基準が定められており、鋼材表面にロックウールなどの耐火被覆をする必要があった。しかし、建築鋼構造物の建設において鋼材表面の耐火被覆施工に要する費用低減、その施工工程省略、さらには景観上の点からも、耐火被覆施工を完全に省略したいという要求は非常に高まっている。
【０００３】
このような背景を踏まえ、昭和６２年の防耐火総プロの成果を受けて（３８条認定により）、鋼材の耐火性能を考慮した建築鋼構造物の設計が可能となり、鋼材の高温強度と、実際の建築鋼構造物に加わっている荷重とを考慮して耐火被覆施工の必要性を決定し、場合によっては無耐火被覆で鋼材を使用することも可能となった。
【０００４】
こうした状況から、６００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる耐火性能に優れた鋼材（以下、６００℃耐火鋼という場合もある）が開発された（例えば特許文献１、参照）。また、７００℃あるいは８００℃での高温降伏強度を保証する耐火性能に優れた鋼材（７００℃耐火鋼あるいは８００℃耐火鋼という場合もある）も提案されている（例えば特許文献２、３、参照）。一般に６００℃耐火鋼では、無耐火被覆で使用できる範囲は、比較的可燃物量が少ない立体駐車場や外部鉄骨に限られているため、今後、その使用範囲を建築鋼構造物まで拡大するため、さらに、７００℃および８００℃耐火鋼の実用化が望まれている。
【０００５】
一方、７００℃および８００℃耐火鋼を用いて建築構造物を建設する上で、鋼構造物の溶接部にもその安全性を確保するために溶接部（溶接金属及び溶接熱影響部）にも高い高温降伏強度が要求される。
【０００６】
従来の従来耐火鋼では、高温降伏強度が常温時の２／３となるように耐火性能を定めており、７００℃耐火鋼の溶接継手においてもこの基準を適用していた。しかし、８００℃耐火鋼では、鉄骨構造物の実設計を勘案して溶接継手の高温降伏強度の基準を決定する必要がある。耐火設計では火災継続時間内で高い強度を維持すればよく、従来の耐熱鋼のように長時間の強度を考慮する必要はない。また、８００℃耐火鋼では鉄骨構造物で作用応力の小さな部位に溶接部が設けられる。これらを考慮し、溶接継手（溶接金属および溶接熱影響部）の高温降伏強度は、具体的には、保持時間が３０分程度の比較的短時間で、７００℃では２１７ＭＰａ以上、８００℃では７０ＭＰａ以上の高温降伏強度が維持できれば十分と考えられる。
【０００７】
また、鋼構造物の安全性を確保する上で、溶接継手として、上記高温降伏強度とともに高い靱性が要求される。一般的な構造物であれば０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）は２７Ｊ以上必要であるが、耐震特性も考慮すれば、７０Ｊ以上有する方が好ましい。
【０００８】
上記７００℃または８００℃の耐火鋼の高温強度を確保するためには、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を添加する方法が一般的である。しかし、このような鋼材成分設計のみで、７００℃または８００℃での耐火性能を確保するためには、高温での組織変態や、炭化物等の析出物の粗大化または消失を十分抑制するため、６００℃耐火鋼に比べて多量の合金元素を添加する必要があるため、溶接性の低下や建築構造用鋼で規定される室温降伏強度の上限を上回るなどの問題があった。こうした事情で、従来８００℃まで無耐火被覆での設計が可能な耐火性能を有する建築構造用途の４００ＭＰａ級鋼、４９０ＭＰａ級鋼の実用化はなされていなかったが、最近になって、合金元素、熱間圧延の条件の適正化、Ａｃ１変態温度の向上等により、７００℃、さらには、８００℃までの高温においても耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼が実用化されつつある。
【０００９】
一方、７００℃または８００℃の耐火鋼を用いて耐火建築構造用鋼構造物の建設する場合には、その溶接継手特性として、鋼材と同様に高い高温降伏強度に加えて、高い靭性が要求される。
【００１０】
従来、６００℃耐火鋼の溶接する際に優れた耐火性能を有する溶接部を得るためのアーク溶接ワイヤ、溶接棒、フラックスなどの溶接材料が多数開発、提案されている（例えば特許文献４〜１２、参照）。また、近年、８００℃耐火鋼のサブマージアーク溶接方法およびそのための溶接ワイヤとフラックスが提案されている（例えば特許文献１３、参照）。
【００１１】
溶接部は、鋼材および溶接材料が溶融・凝固して形成された溶接金属と、溶接入熱により組織変化した鋼材の熱影響部とからなるが、７００℃または８００℃の耐火建築構造用鋼構造物では、鋼材および溶接金属中には高温降伏強度を確保するために、靱性に有害な元素、例えばＭｏ、Ｎｂ、Ｖ等の合金元素を多量に含有するため、高温降伏強度を維持しつつ靭性を向上することは困難であった。また、７００または８００℃耐火鋼の熱影響部では、溶接入熱により組織が変化するため、高温降伏強度も鋼材に比べて低下する可能性も生じる。さらに、７００または８００℃耐火鋼の溶接金属には、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ等の合金元素を多量に含有するため、７００℃前後において溶接金属の粒界が脆化して延性が極端に低下する高温脆化あるいは再熱脆化の問題も生じやすい。
【００１２】
以上のように、７００または８００℃の耐火建築構造用鋼構造物の安全性を確保するために、用溶接継手として、７００℃では２１７ＭＰａ以上、８００℃では７０ＭＰａ以上の高温降伏強度を維持し、かつ０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）で７０Ｊ以上を確保できる汎用、包括的な技術の開発が望まれている。
【００１３】
【特許文献１】特開平２−７７５２３号公報
【特許文献２】特開平９−２０９０７７号公報
【特許文献３】特開平１０−６８０１５号公報
【特許文献４】特開平２−５２１９６号公報
【特許文献５】特開平２−２１７１９５号公報
【特許文献６】特開平２−２０５２９８号公報
【特許文献７】特開平２−２７４３９４号公報
【特許文献８】特開平２−６３６９８号公報
【特許文献９】特開平２−２７４３９４号公報
【特許文献１０】特開平２−７５４９４号公報
【特許文献１１】特開平２−２００３９３号公報
【特許文献１２】特開平２−２６８９９４号公報
【特許文献１３】特開２００３−３１１４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は溶接方法によらず、溶接継手全体として、７００〜８００℃までの温度における耐火性に優れ、かつ、構造物の安全性を確保し得る高い靭性を有する耐火構造用溶接継手を提供することを目的とする。さらに、具体的には、本発明は、耐火鋼の継手特性として、溶接金属及び溶接熱影響部ともに、７００℃で２１７ＭＰａ以上、８００℃で７０ＭＰａ以上の高い高温強度を有し、かつ２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ０）で７０Ｊ以上の優れた靭性を有することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
溶接継手は、鋼板（母材）と、溶接熱影響部（ＨＡＺ）及び溶接金属（ＷＭ）とからなる溶接部とで構成される。本発明者らは溶接継手全体におけるそれぞれの部位の耐火特性および靭性と成分組成の支配因子を詳細に調査した。その結果、（ａ）母材と熱意影響部の高温強度と靭性に関しては、鋼材の成分組成そのもので性能はほぼ決定づけられるが、溶接金属については、凝固まま組織であるため、母材、ＨＡＺに比べて高温強度を確保することが困難であること、（ｂ）溶接金属の高温強度と靭性の両方を確保するためには、高温強度発現元素である、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒの個々の含有量だけでなく、その合計量を規定し、かつ、特にＮｂ、Ｖはその固溶量も同時に厳密に規定する必要があることを新たに知見した。
【００１６】
本発明は上記知見に基づいて発明に至ったものであり、その要旨は下記の通りである。
【００１７】
（１）  質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．００５〜１％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１％
を含み、さらに、
Ｍｏ：０．１〜１％、
Ｗ：０．０１〜１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％、
Ｔａ：０．００５〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．００５〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、かつ、残部がＦｅならびに不可避不純物からなる耐火構造用鋼材と、溶接部とからなる耐火構造用溶接継手であって、
該溶接部に形成された溶接金属が、質量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１〜１％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１５％、
Ｏ：０．００５〜０．０６％
を含み、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０２〜２％、
Ｗ：０．０２〜２％、
Ｔａ：０．０１〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計が０．０１〜０．０６％であり、下記（３）式により定義されるＮｂ当量が０．０５〜１％を満足し、かつ、固溶Ｎｂ量が０．００５〜０．１％であり、前記溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計とＮｂ量との関係が下記（４）式を満足し、残部がＦｅならびに不可避不純物からなることを特徴とする高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
Ｎｂ当量＝Ｎｂ％＋０．４７Ｍｏ％＋０．２５Ｗ％＋０．４Ｔａ％＋０．２Ｚｒ％                                                                ・  ・  ・（３）
但し、上記Ｎｂ％、Ｍｏ％、Ｗ％、Ｔａ％、Ｚｒ％は、それぞれ溶接金属中のＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒの含有量（質量％）を示す。
０．３≦（Ｎｂ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）≦５                    ・  ・  ・（４）
但し、上記「Ｎｂ％」、「Ｃ％」、「Ｎ％」は各々溶接金属中のＮｂ、Ｃ、Ｎの含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
（２）  質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．００５〜１％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１％
を含み、さらに、
Ｍｏ：０．１〜１％、
Ｗ：０．０１〜１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｔａ：０．００５〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．００５〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、かつ、残部がＦｅならびに不可避不純物からなる耐火構造用鋼材と、溶接部とからなる耐火構造用溶接継手であって、
該溶接部に形成された溶接金属が、質量％で、
Ｃ  ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１〜１％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１５％、
Ｏ：０．００５〜０．０６％
を含み、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
Ｖ：０．０１〜０．７％
を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０２〜２％、
Ｗ：０．０２〜２％、
Ｔａ：０．０１〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計が０．０１〜０．０６％であり、下記（１）式により定義されるＮｂ当量が０．０５〜１％を満足し、かつ、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が０．００５〜０．１％であり、前記溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計とＮｂとＶとの含有量の合計との関係が下記（２）式を満足し、残部がＦｅならびに不可避不純物からなることを特徴とする高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
Ｎｂ当量＝Ｎｂ％＋０．４７Ｍｏ％＋０．２５Ｗ％＋０．６５Ｖ％＋０．４Ｔａ％
＋０．２Ｚｒ％                                        ・  ・  ・（１）
但し、上記Ｎｂ％、Ｍｏ％、Ｗ％、Ｖ％、Ｔａ％、Ｚｒ％は、それぞれ溶接金属中のＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒの含有量（質量％）を示す。
０．３≦（Ｎｂ％＋Ｖ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）≦５                    ・  ・  ・（２）
但し、上記「Ｎｂ％」、「Ｖ％」、「Ｃ％」、「Ｎ％」は各々溶接金属中のＮｂ、Ｖ、Ｃ、Ｎの含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
【００１８】
（３）  前記鋼材が、さらに、質量％で、
Ｃｕ：０．００５〜１．５％、
Ｎｉ：０．０１〜６％、
Ｃｏ：０．０１〜６％、
Ｃｒ：０．００５〜１．５％、
Ｔｉ：０．００２〜０．１％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１％、および、
Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％
のうちの１種または２種以上含むことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
【００１９】
（４）  前記溶接金属が、さらに、質量％で
Ｃｕ：０．００５〜１．５％、
Ｎｉ：０．０１〜６％、
Ｃｏ：０．０１〜６％、
Ｃｒ：０．００２〜０．５％、
Ｔｉ：０．００２〜０．１％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１％、および、
Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％
のうちの１種または２種以上含むことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
【００２２】
（５）  前記溶接金属は、溶接入熱が１０ｋＪ／ｃｍ〜２００ｋＪ／ｃｍの条件で形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高温強度と靭性に優れた耐火構造用溶接継手。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、７００〜８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火構造において有用な高温強度と靱性に優れ、溶接欠陥が少ない溶接継手を提供することができ、産業上の効果は顕著である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
溶接継手の全体的な特性を確保するためには、特に、溶接金属の特性と溶接熱影響部（ＨＡＺ）の特性とをともに確保する必要がある。鋼材の溶接熱影響部の特性を確保するためには、ほぼ鋼材の化学組成を限定することで達成できる。一方、溶接金属については、溶接金属は溶接材料と鋼材が溶融・凝固して形成されるため、溶接材料の成分組成だけでなく、鋼材の化学組成からの希釈分を考慮する必要がある。一般的は、溶接金属の鋼材の化学組成からの希釈は、溶接方法によってその希釈率が変化し、さらに、溶接金属中のＯ量も数十ｐｐｍ〜数百ｐｐｍまで大きく変化するため、溶接方法ごとに溶接材料の成分組成を調整することが行なわれる。
【００２５】
本発明者らの確認試験による検討結果によれば、溶接入熱１０〜２００ｋＪ／ｃｍの条件で溶接する場合には、溶接方法によらず、溶接金属中の高温強度発現元素である、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒの含有量を最適化し、かつ特に溶接金属の高温強度と靭性の両方を確保するために重要なＮｂ、Ｖの固溶量を最適化することができることを確認した。その結果、従来、７００または８００℃耐火鋼では困難であった、溶接熱影響部と溶接金属における高温強度と靭性の両方の特性を十分に向上することが可能とし、７００〜８００℃耐火構造用溶接継手の安全性を向上させることが可能となった。
【００２６】
つまり、本発明の耐火構造用溶接継手は、後述する成分組成を有し、７００〜８００℃の高温降伏強度が優れた特性を有する耐火鋼を母材とする耐火構造用溶接継手であって、溶接部に形成された溶接金属が、以下に示す成分組成を有することを特徴とする。なお、耐火構造用溶接継手とは、少なくとも一方が７００〜８００℃の耐火鋼を母材とする溶接継手を意味する。
【００２７】
つまり、本発明の耐火構造用溶接継手は、溶接金属の成分組成が、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５〜０．０６％を含み、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、またはＮｂ：０．０１〜０．５％およびＶ：０．０１〜０．７％を含有し、
さらに、
Ｍｏ：０．０２〜２％、
Ｗ：０．０２〜２％、
Ｔａ：０．０１〜０．５％、および、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％
のうちの１種または２種以上含有し、溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計が０．０１〜０．０６％であり、下記（１）式により定義されるＮｂ当量が０．０５〜１％を満足し、かつ、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が０．００５〜０．１％であり、前記溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計とＮｂとＶとの含有量の合計との関係が下記（２）式を満足し、残部がＦｅならびに不可避不純物からなり、さらに必要に応じて、Ｃｕ：０．００５〜１．５％、Ｎｉ：０．０１〜６％、Ｃｏ：０．０１〜６％、Ｃｒ：０．００２〜０．５％、Ｔｉ：０．００２〜０．１％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１％、および、Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％のうちの１種または２種以上含むことを特徴とする。これにより、溶接入熱が１０〜２００ｋＪ／ｃｍの条件であれば溶接方法によらず、優れた高温強度と靱性とを兼ね備えた溶接金属を有する溶接継手を達成できる。
Ｎｂ当量＝Ｎｂ％＋０．４７Ｍｏ％＋０．２５Ｗ％＋０．６５Ｖ％＋０．４Ｔａ％
＋０．２Ｚｒ％                                  ・  ・  ・（１）
但し、上記Ｎｂ％、Ｍｏ％、Ｗ％、Ｖ％、Ｔａ％、Ｚｒ％は、それぞれ溶接金属中のＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒの含有量（質量％）を示す。なお、Ｖが存在しない場合（Ｖ０％）は以下の（３）式となるが、以下両者を含めて１式と標記する。
Ｎｂ当量＝Ｎｂ％＋０．４７Ｍｏ％＋０．２５Ｗ％＋０．４Ｔａ％＋０．２Ｚｒ％
・  ・  ・（３）
０．３≦（Ｎｂ％＋Ｖ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）≦５                ・  ・  ・（２）
但し、上記「Ｎｂ％」、「Ｖ％」、「Ｃ％」、「Ｎ％」は各々溶接金属中のＮｂ、Ｖ、Ｃ、Ｎの含有量（ｍａｓｓ％）を示す。なお、Ｖが存在しない場合（Ｖ０％）は以下の（４）式となるが、以下両者を含めて２式と標記する。
０．３≦（Ｎｂ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）≦５                      ・  ・  ・（４）
なお、上記溶接金属が確実に耐火構造用継手として確実な効果を安定して発揮するためには、溶接方法は全く問わないが、後述するように溶接入熱としては１０〜２００ｋＪ／ｃｍの範囲内であることが好ましい。
【００２８】
以下に、本発明の耐火構造用溶接継手を構成する鋼材および溶接金属の成分組成の限定理由を詳細に説明する。
【００２９】
先ず、耐火構造用溶接継手鋼材（７００〜８００℃耐火鋼）の化学組成の限定理由を示す。
【００３０】
なお、以下に示す「％」は特段の説明がない限り、「質量％」を意味するものとする。
Ｃは、鋼材の室温強度を確保する上で最も有効な元素であり、該効果を発揮するためには、鋼材中に０．００５％以上含有させる必要がある。一方、０．１５％を超えて過剰に含有させると、溶接性が劣化し、かつ母材およびＨＡＺの靱性確保が困難となる。また、鋼材中のＣ含有量が０．１５％超であると、溶接方法によっては溶接金属中のC量も過大となって、溶接金属の靱性、高温特性に悪影響を及ぼす可能性があり、好ましくない。
Ｓｉは脱酸元素であり、鋼の健全性を保つために、少なくとも０．００５％以上の含有が必要である。ただし、１％を超えて過剰に含有させると、ＨＡＺを硬化させてＨＡＺの靱性、低温割れ性を劣化させて好ましくないため、本発明においては、Ｓｉの含有量を０．００５〜１％に限定する。
【００３１】
Ｍｎは、焼入性を確保して強度を高めるために、また、一定量以内であれば、組織を微細化して靱性向上にも有効であるために、鋼材に必須の元素である。強度向上、組織微細化効果を確実に発揮するためには、０．１％以上鋼材に含有させる必要がある。一方、２％超含有させると、粒界脆化感受性が増加して靱性劣化、耐溶接割れ性劣化の可能性が高くなるため、本発明においては、鋼材中のＭｎ含有量は０．１〜２％に限定する。
【００３２】
Ｐは不純物元素であり、靱性を阻害するため極力低減する必要があるが、鋼板中の含有量が０．０２％以下では靱性への悪影響が許容できるため、本発明では鋼板中のＰ含有量は０．０２％以下とする。
【００３３】
Ｓも不純物元素であり、鋼板中に過大に存在すると靱性と延性とをともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。鋼板中の含有量が０．０１％以下では靱性、延性への悪影響が許容できるため、本発明では鋼板中のＳ含有量は０．０１％以下とする。
Ｏも鋼材においては、不純物元素であり、０．０１％を超えて過剰に鋼材中に含有させると、延性と靱性とを劣化させて好ましくないため、本発明においては、鋼材中のＯ含有量は０．０１％以下とする。
【００３４】
Ａｌも脱酸元素であり、Ｓｉと同様、鋼の酸素含有量を低減して健全性を確保するために有効な元素であり、そのためには０．００２％以上含有させる必要がある。一方、０．１％を超えて過剰に含有させると、鋼材中に粗大な酸化物を形成して、靱性を阻害する場合があるため、本発明においては、Ａｌ含有量を０．００２〜０．１％に限定する。
【００３５】
Ｎは、微量では鋼片の加熱時に微細な窒化物を形成して加熱オーステナイト粒径を微細化して靱性に寄与する。そのためには鋼中の含有量として０．００１％以上必要である。一方、０．０１％を超えて含有させると、窒化物が粗大化したり、固溶Ｎ量が増加して却って靱性を劣化させるため、本発明においては、鋼材中のＮの含有量を０．００１〜０．０１％に限定する。
【００３６】
高温強度を発現するためには、鋼材中にさらに、固溶あるいは／および析出状態で高温強度向上に効果のある、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのうちの１種または２種以上を以下の範囲で含有することが必須要件である。
【００３７】
Ｍｏは、鋼材の耐火特性発現に最も重要な役割を果たす元素の一つである。固溶および析出状態で高温での転位の移動を妨げて高温強度を高めるが、効果を発揮するためには０．１％以上含有させる必要がある。一方、１％を超えて含有させると、母材およびＨＡＺにおける靭性が大きく劣化する可能性が大きいため、本発明においては、鋼材中のＭｏ含有量を０．１〜１％に限定する。
【００３８】
Ｗは、鋼材の機械的性質に対してはほぼＭｏと同様の効果を有する。従って、本発明におけるＷの含有量の限定範囲もＭｏと同様、０．０１〜１％とする。
【００３９】
Ｎｂは比較的微量で高温強度を向上させることが可能な元素である。本発明に用いる鋼材中に含有させる場合、高温強度、特に７００℃以上での高温強度向上のためには０．００５％以上必要である。一方、０．２％を超えて鋼材中に過剰に含有させると、粗大析出部を形成して高温強度向上効果が飽和し、かつ、母材ならびにＨＡＺの靭性を著しく劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては、鋼材中のＮｂ含有量を０．００５〜０．２％とする。
【００４０】
ＶもＮｂと類似の元素であるが、効果を発揮させるためには鋼材中に０．０１％以上含有させる必要があり、０．５％超では靭性劣化が顕著となるため、本発明においては、鋼材中にＶを含有させる場合、０．０１〜０．５％に限定する。
【００４１】
ＴａもＮｂ、Ｖと類似の元素であり、高温強度向上に有効である。鋼材中に含有させる場合には、効果を発揮するためには０．００５％以上必要であり、靭性を顕著に劣化させないために上限は０．５％とする必要がある。
【００４２】
ＺｒもＮｂ、Ｖ、Ｔａと類似の元素であり、高温強度向上に有効である。鋼材中に含有させる場合には、効果を発揮するためには０．００５％以上必要であり、靭性を顕著に劣化させないために上限は０．５％とする必要がある。
【００４３】
以上が、本発明における溶接継手に用いる７００〜８００℃耐火鋼材の基本成分の限定要件であり、７００〜８００℃での高温降伏強度を確保し、かつ特に鋼構造物用鋼材としての常温降伏強度、靭性などの基本特性を十分に備えた鋼材となる。
また、本発明では、本願発明が目的とする基本特性の中で、特に強度・靭性の調整や延性改善のために、必要に応じて、さらにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂ、Ｃａ、ＲＥＭ、および、Ｍｇのうちの１種または２種以上を含有させることができる。
【００４４】
Ｃｕは、鋼材の焼入性を高め、また、析出強化により強度を向上する効果を有する。強化しろの割に靭性劣化が顕著でない点で好ましい元素であるが、効果を発揮するためには鋼材中に０．００５％以上含有させる必要がある。一方、１．５％を超えて含有すると鋼片の高温割れを生じたり、靭性劣化が明確となるため、好ましくない。
【００４５】
Ｎｉは、焼入性を高めて強度を高めると同時に靱性を向上させる効果を有する唯一の元素であり、靱性を重視する用途の鋼に対して非常に有効であるが、効果を発揮するためには、０．０１％以上含有させる必要がある。ただし、６％を超えて多量に含有させると、Ａｃ１変態点が極端に低下して、７００℃以上で無視できない程度に逆変態が生じ、高温強度を著しく低下させる恐れがあるため、耐火特性確保の観点からは好ましくない。従って、本発明においては、鋼材中にＮｉを含有させる場合、含有量を０．０１〜６％に限定する。
【００４６】
Ｃｏは他の合金元素量が多く、硬質相が生じて靭性が劣化する場合に含有させると、変態点を高めて硬質相の生成を抑制して靭性劣化を防止する上で効果がある。該効果を発揮するためには最低限０．０１％含有させる必要がある。一方、６％を超えて含有させても効果が飽和し、逆に組織が粗大化して靱性を劣化させる可能性があるため、本発明においては、鋼材中にＣｏを含有させる場合の上限を６％とする。
【００４７】
Ｃｒは、強度を高めたり、耐食性を向上させる場合に有効な元素である。効果を発揮するためには０．００５％以上含有させる必要がある。一方、１．５％超含有させると、靱性が劣化するため好ましくない。従って、本発明においては、鋼中に含有させる場合のＣｒ量の範囲は０．００５〜１．５％とする。
【００４８】
Ｔｉは主として鋼材組織を微細化して靭性を向上する上で有効な元素である。析出強化により弱いながらも高温強度向上効果も有する。これらの効果を発揮させるためには鋼材中に０．００２％以上含有させる必要がある。しかしながら、０．１％を超えて含有させると、粗大な窒化物や酸化物を形成して、鋼板疵の原因となったり、母材およびＨＡＺの靭性劣化原因にもなるため好ましくない。そのため、本発明において、鋼材中にＴｉを含有させる場合は、０．００２〜０．１％の範囲とする。
【００５０】
また、本発明おいては、上記鋼材成分に加えて、さらに、鋼材の延性向上やＨＡＺ靱性向上の目的で、必要に応じて、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０１％、および、Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％のうちの１種または２種以上を含有することができる。
【００５１】
Ｃａ、ＲＥＭ、Ｍｇはいずれもほぼ同様の効果を有し、効果を確実に発揮するためには、Ｃａ、および、ＲＥＭは０．０００５％以上、また、Ｍｇは０．０００２％以上含有させる必要がある。上限は粗大な介在物を形成して、延性、靱性をともに劣化させる含有量から決定され、本発明においては、Ｃａ、および、Ｍｇの含有量の上限は０．００５％、ＲＥＭの含有量の上限は０．０１％とする。
【００５２】
以上が、本発明の耐火構造用溶接継手を構成する鋼材（７００〜８００℃耐火鋼）の化学組成の限定理由である。
【００５３】
次に、上記成分組成を有する７００〜８００℃耐火鋼を母材とする溶接継手の溶接部に形成された溶接金属の成分組成の限定理由を以下に詳述する。
【００５４】
先ず、溶接金属中のＣ含有量は０．０１〜０．１５％とする。これは、Ｃ含有量が０．０１％未満であると、溶接金属の強度が十分でなく、一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えると、溶接金属が硬化し、靭性や耐割れ性が劣化し、かつ炭化物を多く形成して固溶Ｎｂ、Ｖ量が過小となって高温強度確保が困難となるためである。
【００５５】
Ｓｉは脱酸元素であり、溶接金属の清浄性を確保する上で必須の元素である。また、固溶強化により強度を高める効果も有する。溶接金属中のＳｉ含有量が０．１％未満であると、脱酸が不十分でなく、溶接金属中に欠陥が生じる恐れがあるため好ましくない。一方、溶接金属中のＳｉ含有量が１％を超えると、溶接金属中の硬化組織や粗大な酸化物が増加して溶接金属の靱性を劣化させるため好ましくない。そのため、本発明においては溶接金属のＳｉ含有量を０．１〜１％に限定する。
【００５６】
Ｍｎは溶接金属の焼入性を高めて組織の微細化に寄与する範囲では強度、靱性をともに向上させる点で好ましい元素である。溶接金属に含有して効果を発揮するためには溶接金属中に０．３％以上含有させる必要がある。ただし、溶接金属中に２．５％を超えて過大に含有させると、溶接金属が過度に硬化して靱性や低温割れ性が劣化するため、好ましくない。従って、本発明においては、溶接金属中のＭｎ含有量を０．３〜２．５％に限定する。
【００５７】
Ｐは溶接金属の靱性を大幅に劣化させる不純物元素であり、極力低減することが好ましいが、０．０２％以下であれば、靱性劣化は許容できる程度であるため、本発明においては溶接金属中のＰ含有量は０．０２％以下に限定する。
【００５８】
Ｓも溶接金属の靱性および延性を大幅に劣化させる不純物元素であり、極力低減することが好ましいが、０．０１％以下であれば、靱性劣化は許容できる程度であるため、本発明においては溶接金属中のＳ含有量は０．０１％以下に限定する。
【００５９】
Ａｌは強力な脱酸元素であり、溶接金属の酸素量が過剰になるのを防いで溶接金属の清浄性を保つために重要である。効果を発揮するためには０．００１％以上必要であるが、０．１％を超えて過剰に含有させると粗大な介在物を形成して靱性を阻害するため、本発明においては、溶接金属中のＡｌ含有量を０．００１〜０．１％に限定する。
【００６０】
Ｎは微量であれば、ＴｉやＡｌと窒化物を形成してオーステナイト粒径を微細化して靱性向上に寄与し得る。そのためには、溶接金属中に０．００１％以上含有させる必要がある。しかしながら、０．０１５％を超えて過剰に含有させると、窒化物が粗大化して破壊の起点になり、また、固溶Ｎが増加して靱性を劣化させるため、好ましくない。故に本発明においては、溶接金属中のＮ含有量は０．００１〜０．０１５％に限定する。
【００６１】
Ｏは、溶接金属には不可避的に含まれ、また、溶接方法ごとにその含有量範囲がある程度限定される。溶接金属の化学組成に関する要件を満足することにより、溶接方法によらず、溶接金属の特性を確保するためには、Ｏ量を一定範囲内に限定する必要がある。溶接金属中のＯ量は母材ほどに低減することが困難な上、Ｏ量が過小であると組織微細化に有効なアシキュラーフェライト生成核が極端に減少して、靱性に有害な粗大ベイナイトが生成するため、好ましくない。溶接金属中のＯ量が０．００５％以上であれば、溶接方法、溶接入熱によらず、必要最低限のアシキュラーフェライトは生成し得ることから、Ｏ量の下限を０．００５％とする。一方、溶接金属中のＯ量が０．０６％を超えると、酸化物量が増加し、かつ粗大化し、他の要件を満足しても、特に溶接金属靱性の劣化が避けられないため、本発明においては、溶接金属中のＯ量の上限を０．０６％とする。従って、溶接金属中のＯ量を０．０６％以下とすることができない溶接方法は本発明の対象外となる。
【００６２】
ＮｂおよびＶは、本発明における溶接金属の高温強度発現に重要な元素であり、Ｎｂの１種またはＮｂおよびＶの２種を以下の範囲で含有する。
Ｎｂは、溶接金属中に比較的微量で含有することで高温強度を向上させることが可能な元素であり、本発明における溶接金属の高温強度発現に重要な元素である。Ｎｂ単独で溶接金属の、特に７００℃〜８００℃での高温強度を十分に向上させるためには溶接金属中にＮｂを０．０１％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｂを溶接金属中に０．５％を超えて過剰に含有させると、溶接金属中に粗大析出部を形成して高温強度向上効果が飽和し、かつ、母材ならびにＨＡＺの靭性を著しく劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては、溶接金属中のＮｂ含有量を０．０１〜０．５％とする。
【００６３】
なお、後述するように、溶接金属の７００℃〜８００℃での高温強度と靱性とを両立させるためには、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が０．００５〜０．１％とする必要があり、溶接方法によらずに、溶接入熱が１０〜２００ｋＪ／ｃｍの比較的広い溶接入熱範囲で溶接金属の高温強度と靱性とを確保するために、溶接金属中の全Ｎｂ量は０．０１〜０．５％の範囲でＮｂ析出物と固溶Ｎｂとのバランスを調整するのが好ましい。
【００６４】
Ｖは、上記Ｎｂと同様な作用を有し、本発明における溶接金属の高温強度発現に重要な元素である。Ｖ単独で溶接金属の、特に７００℃〜８００℃での高温強度を十分に向上させるためには溶接金属中にＶを０．０１％以上含有する必要がある。一方、Ｖを溶接金属中に０．７％を超えて過剰に含有させると、溶接金属中に粗大析出部を形成して高温強度向上効果が飽和し、かつ、母材ならびにＨＡＺの靭性を著しく劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては、溶接金属中のＶ含有量を０．０１〜０．７％とする。
Ｖも上記Ｎｂと同様に、後述するように、溶接金属の７００℃〜８００℃での高温強度と靱性とを両立させるためには、固溶Ｎｂと固溶Ｖの合計量が０．００５〜０．１％とする必要があり、適正量の固溶Ｖ量を溶接方法によらずに、溶接入熱が１０〜２００ｋＪ／ｃｍの比較的広い溶接入熱範囲で溶接金属の高温強度と靱性とを確保するために、溶接金属中の全Ｖ量は０．０１〜０．７％の範囲でＶ析出物と固溶Ｖとのバランスを調整するのが好ましい。
【００６５】
本発明において、溶接金属中のＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒも、上記Ｎｂ、Ｖに比べて効果の寄与度は低いが、上記Ｎｂ、Ｖと同様に溶接金属の高温強度発現に作用する元素である。本発明において、これらの元素は、７００℃または８００℃耐火鋼材中に含有するため、溶接材料中にこれらの元素を含有させなくとも耐火鋼成分の希釈により溶接金属中に必然的に混入する。しかし、特に本発明のように（１）式で定義されるＮｂ当量および固溶Ｎｂ、固溶Ｖの存在下で、７００℃〜８００℃での高温降伏強度を高める効果を発揮するためには、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｍｏの１種または２種以上を溶接金属中に含有させる場合にその含有量を以下に示すように限定する必要がある。
【００６６】
Ｍｏは、耐火鋼材と同様、溶接金属においても耐火特性発現に最も重要な役割を果たす元素の一つである。
溶接金属中のＭｏは、固溶および析出状態で高温での転位の移動を妨げて安定的に高温降伏強度を高める作用を有し、特に本発明のように（１）式で定義されるＮｂ当量の条件および固溶Ｎｂ、固溶Ｖの存在下で、高温降伏強度を高める効果を発揮するためには、Ｍｏは溶接金属中に０．０２％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｏは溶接金属中に２％を超えて含有させると、溶接金属が過度に硬化して、靱性、耐低温割れ性が著しく劣化するため、本発明においては、溶接金属中のＭｏ含有量を０．０２〜２％に限定する。
【００６７】
Ｗは、溶接金属の機械的性質に対してはほぼＭｏと同様の作用効果を有する。従って、本発明における限定範囲もＭｏと同様、０．０２〜２％とする。
【００６８】
Ｔａも溶接金属中で析出強化により高温強度を高めるのに有効な元素である。溶接金属中に含有させる場合、７００℃以上での高温強度向上のためには０．０１％以上必要である。ただし、０．５％を超えて過剰に含有させると溶接金属の靱性劣化が著しくなるため、本発明においては、溶接金属中にＴａを含有させる場合、その範囲を０．０１〜０．５％に限定する。
【００６９】
ＺｒもＴａと同様、析出強化により高温強度を高めるのに有効な元素である。溶接金属中に含有させる場合、７００℃以上での高温強度向上のためには０．０１％以上必要である。ただし、０．５％を超えて過剰に含有させると溶接金属の靱性劣化が著しくなるため、本発明においては、溶接金属中にＺｒを含有させる場合、その範囲を０．０１〜０．５％に限定する。
【００７０】
本発明では、溶接金属の高温降伏強度の発現に重要な役割を果たすＮｂおよびＶの１種または２種、さらに、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、および、Ｚｒの１種または２種以上をそれぞれ上記範囲で含有するとともに、当該高温降伏強度を維持しつつ靱性を向上するために、下記（１）式で定義されるＮｂ当量と、固溶Ｎｂと固溶Ｖ量の合計量を以下のように限定する必要がある。
すなわち、本発明では、溶接金属の高温降伏強度と靱性を両立するために、溶接金属中のＮｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒの含有量を、これらの合金元素の高温降伏強度と靭性に対する寄与度を勘案した下記（１）式によって定義されるＮｂ当量を０．０５〜１％に限定する必要がある。
Ｎｂ当量＝Ｎｂ％＋０．４７Ｍｏ％＋０．２５Ｗ％＋０．６５Ｖ％＋０．４Ｔａ％
＋０．２Ｚｒ％                                      ・  ・  ・（１）
但し、上記Ｎｂ％、Ｍｏ％、Ｗ％、Ｖ％、Ｔａ％、Ｚｒ％は、それぞれ溶接金属中のＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒの含有量（質量％）を示す。
溶接金属中のＮｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒの含有量により上記（１）式で定義されたＮｂ当量が０．０５％未満であると、個々の元素の含有量が上述した本発明範囲内であっても、溶接金属の７００℃〜８００℃における高温降伏強さを十分に向上することが困難となる。一方、個々の元素の含有量が本発明範囲内であっても、上記（１）式で定義されたＮｂ当量が１％超になると溶接金属の靱性劣化の程度が許容できなくなる。そのため、本発明においては、上記Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒの含有量の限定に加えて、上記（１）式で定義されたＮｂ当量を０．０５〜１％に限定する。
【００７１】
また、本発明者らの確認試験などによる検討の結果、上記Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒはいずれも、溶接金属中で固溶あるいは析出強化により高温強度を高める作用を有する元素であるが、一方、これらの元素中、特にＮｂ、ＶはＮｂ析出物、Ｖ析出物の形態で溶接金属中に存在すると、溶接金属の靱性を大きく劣化させることが判明した。そのため、本発明では、ＮｂおよびＶの１種または２種を溶接金属に含有する場合には、溶接金属の高温降伏強度を高めると同時に靱性を確保するために、溶接金属中でのＮｂおよびＶの析出を抑制し、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量を０．００５〜０．１％の範囲になるようにする必要がある。
【００７２】
溶接金属中の固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が０．００５％未満になると、ＮｂとＶの各々の含有量および／または上記（１）式で定義されるＮｂ当量が低くなるか、或いは、溶接金属中のＮｂとＶの大部分が析出物で存在することになり、高温降伏強度が低くなるか（前者の場合）、靱性が著しく劣化する（後者の場合）恐れが生じる。
【００７３】
一方、溶接金属中の固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が０．１％を超える場合は、通常の溶接入熱が１０〜２００ｋＪ／ｃｍの条件であれば溶接金属の熱履歴から、固溶Ｎｂ、固溶Ｖとともに、Ｎｂ析出物とＶ析出物の量も必然的に過大となるため、大幅な靱性劣化が避けられない。
【００７４】
従って、本発明において、溶接金属の高温強度と靱性とを両立させるために、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量を０．００５〜０．１％とする。
【００７５】
なお、本発明において、溶接金属中の固溶Ｎｂ量、固溶Ｖ量とは、例えば非水溶媒電解法によりＮｂ析出量、Ｖ析出量を測定し、溶接金属中に含有される全Ｎｂ量、全Ｖ量から、前記Ｎｂ析出量、Ｖ析出量を各々差し引いた量と定義する。
【００７６】
溶接金属中の固溶Ｎｂ、固溶Ｖ量を規定することによる溶接金属の高温降伏強度と靭性の両特性の向上効果は、溶接方法、条件は問わず、発揮されるが、溶接金属の固溶Ｎｂと固溶Ｖの合計量を上記本発明の範囲内に確実に満足させるためには、溶接金属中でＮｂ、Ｖの炭窒化物の析出に影響が大きいＣおよびＮの含有量の合計を０．０１〜０．０６％に限定することが好ましい。ＣとＮの含有量の合計が０．０１％未満であると、析出強化により高温強度を発現する元素の析出量が十分でなく、安定的に高温強度確保を確保することが容易でない。一方、ＣとＮの含有量の合計が０．０６％超であると、Ｎｂ、Ｖの析出量が過大となって靱性を劣化させる恐れがあり、また、Ｃ、Ｎ自体による靱性劣化も大きくなるため、好ましくない。
【００７７】
さらに、好ましくは、溶接金属中のＣおよびＮの含有量を、全Ｎｂ量、全Ｖ量との関係から下記（２）式を満足するようにすることが好ましい。
０．３≦（Ｎｂ％＋Ｖ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）≦５                    ・  ・  ・（２）
但し、上記「Ｎｂ％」、「Ｖ％」、「Ｃ％」、「Ｎ％」は各々溶接金属中のＮｂ、Ｖ、Ｃ、Ｎの含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
【００７８】
上記（２）式において、溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計とＮｂとＶとの含有量の合計との比である、（Ｎｂ％＋Ｖ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）が０．３未満であると、溶接金属中でＮｂ、Ｖが炭窒化物を形成しやすくなり、固溶Ｎｂ，固溶Ｖの確保、制御が難しくなる。一方、（Ｎｂ％＋Ｖ％）／（Ｃ％＋Ｎ％）が５超となり、Ｎｂ、ＶがＣ、Ｎに比べて過剰になると、固溶Ｎｂ、固溶Ｖが過剰となり、これによって溶接金属の靭性を劣化させるようになるため好ましくない。
したがって、本発明では、溶接金属中でより安定的に必要十分な固溶Ｎｂ、固溶Ｖが確保できるため溶接金属中のＣとＮとの含有量の合計とＮｂとＶとの含有量の合計との関係が、上記（２）式を満足させることが好ましい。
【００７９】
溶接金属の固溶Ｎｂ量と固溶Ｖ量の合計量を上記本発明の範囲内に確実に満足させるために、さらに好ましくは、溶接入熱を１０ｋＪ／ｃｍ〜２００ｋＪ／ｃｍに限定することがより好ましい。
【００８０】
溶接入熱が１０ｋＪ／ｃｍ未満であると、多層盛溶接により各溶接ビードが前の溶接パスにより比較的高温の再熱を受けるために固溶Ｎｂ、Ｖ量を確保することが困難となる。一方、溶接入熱が２００ｋＪ／ｃｍ超では、溶接金属の凝固後の冷却速度が小さくなり、全Ｎｂ、Ｖ量が多い場合に、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が過大になる場合が生じる。また、溶接入熱が２００ｋＪ／ｃｍ超では溶接金属のミクロ組織が過大となって靱性確保も容易でなくなるため、好ましくない。
【００８１】
また、本発明においては、上記溶接金属の基本成分に加えて、さらに、溶接金属の強度調整、延性改善等の目的で、必要に応じてＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃａ、ＲＥＭ、および、Ｍｇのいずれか１種または２種以上を以下の範囲で選択的に含有させることが可能である。
【００８２】
Ｃｕは、溶接金属の焼入性を高め、また、析出強化により強度を向上する効果を有する。強化しろの割に靭性劣化が顕著でない点で好ましい元素であるが、効果を発揮するためには鋼材中に０．００５％以上含有させる必要がある。一方、１．５％を超えて含有すると溶接金属の高温割れを生じたり、靭性劣化が明確となるため、好ましくない。
【００８３】
Ｎｉは、焼入性を高めて強度を高めると同時に靱性を向上させる効果を有する唯一の元素であり、靱性向上効果が大きい。該効果を発揮するためには、０．０１％以上含有させる必要がある。ただし、６％を超えて過剰に含有させると、Ａｃ１変態点が極端に低下して、７００℃以上で無視できない程度に逆変態が生じ、溶接金属の高温強度を著しく低下させる恐れがあるため、耐火特性確保の観点からは好ましくない。従って、本発明においては、溶接金属中にＮｉを含有させる場合、含有量を０．０１〜６％に限定する。
【００８４】
Ｃｏは他の合金元素量が多く、硬質相が生じて靭性が劣化する場合に含有させると、変態点を高めて硬質相の生成を抑制して靭性劣化を防止する上で効果がある。不安定な残留オーステナイトによる靱性劣化を抑制する効果もある。該効果を発揮するためには最低限０．０１％含有させる必要がある。一方、６％を超えて含有させても効果が飽和し、逆に組織が粗大化して靱性を劣化させる可能性があるため、本発明においては、鋼材中にＣｏを含有させる場合の上限を６％とする。
【００８５】
Ｃｒは、強度を高めたり、耐食性を向上させる場合に有効な元素である。効果を発揮するためには０．００２％以上含有させる必要がある。一方、０．５％超含有させると、靱性が劣化するため好ましくない。従って、本発明においては、鋼中に含有させる場合のＣｒ量の範囲は０．００５〜０．５％とする。
【００８６】
Ｔｉは溶接金属中に適量存在すると、その酸化物、窒化物が粒内変態核となって、微細なアシキュラーフェライト生成させて組織微細化に寄与するため、溶接金属の靱性向上に寄与する。該効果を発揮するためには、溶接金属中に０．００２％以上含有させる必要がある。一方、溶接金属中の含有量が０．１％超になると、酸化物、窒化物が粗大化して靱性を劣化させるため、本発明においては、溶接金属中のＴｉ含有量を０．００２〜０．１％に限定する。
【００８８】
Ｃａを溶接金属中に適量含有させると、介在物の形態制御により組織を微細化して靱性向上や延性向上に効果がある。該効果を発揮させるためにＣａを溶接金属中に含有させる場合、０．０００５％以上含有させる必要がある。一方、含有量が０．００５％超になると粗大な酸化物を形成し、靱性を劣化させるため、好ましくない。従って、本発明において、Ｃａを溶接金属中に含有させる場合の含有量は０．０００５〜０．００５％に限定する。
【００８９】
ＲＥＭもＣａと同様の効果を有し、溶接金属の靱性、延性改善が明確となるためには０．００５％以上含有させる必要がある。ただし、０．０１％を超えて過剰に含有させると粗大な酸化物、硫化物を形成して機械的性質を阻害するため、ＲＥＭを溶接金属中に含有させる場合は、０．０００５〜０．０１％の範囲とすることが好ましい。
【００９０】
Ｍｇも微量で溶接金属の組織微細化に寄与する。溶接金属中にＭｇを含有させる場合、０．０００２％以上であれば、靱性、延性向上効果が明確となる。一方、溶接金属中の含有量が０．００５％超であると粗大な酸化物、硫化物を形成して機械的性質を阻害するため、Ｍｇを溶接金属中に含有させる場合は、０．０００２〜０．００５％の範囲とすることが好ましい。
【実施例】
【００９１】
以上の、本発明の効果・作用を実施例によりさらに詳細に説明する。本発明の基本的効果は溶接方法や溶接入熱によらないが、実施例では、溶接法としてサブマージアーク溶接とＡｒ＋５％ＣＯ２溶接を用いた。
【００９２】
継手に用いた鋼板の化学組成と母材特性を表１に示す。鋼板の板厚は２５ｍｍ一定とし、その組成に応じて製造方法を種々変化させて鋼板を製造している。鋼板番号１〜３、５〜６は鋼板の化学組成が本発明を満足しているため、室温強度だけでなく７００、８００℃高温強度が十分高く、靱性も十分高い。鋼板４、７は参考例である。一方、鋼板８〜１１は鋼板の化学組成が本発明を満足していないため、後述する溶接継手の特性も劣るが、鋼板自体の特性も本発明に比べて劣っている。
【００９３】
【表１】
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【００９４】
すなわち、鋼板番号８は、鋼板中のＣ量が過大であるため、鋼板（母材）の靱性が劣る。また、加熱変態点が低くなり、８００℃における高温強度も低い。
【００９５】
鋼板番号９は、鋼板中のＰ量が過大であるため、特に鋼板の靱性の劣化が著しい。
【００９６】
鋼板番号１０は、鋼板中Ｍｎ量が過大であるため、鋼板（母材）の靱性が劣る。また、加熱変態点が低くなり、８００℃における高温強度も低い。
【００９７】
鋼板番号１１は、高温強度発現元素が全く含有されないため、７００℃、８００℃とも鋼板の高温強度が低く、７００℃、８００℃用耐火鋼として好ましくない。
【００９８】
Ａｒ＋５％ＣＯ２溶接については、表２に示す溶接ワイヤを用い、表３の溶接条件で、種々の鋼板、溶接ワイヤ、溶接入熱の組み合わせで継手を作製した。
【００９９】
【表２】
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【０１００】
【表３】
0004495060.tif 000004
【０１０１】
サブマージアーク溶接については、表４に示す溶接ワイヤ、表５に示すフラックスを用い、表６の溶接条件で、種々の鋼板、溶接ワイヤ、フラックス、溶接入熱の組み合わせで継手を作製した。Ａｒ＋５％ＣＯ２溶接、サブマージアーク溶接とも図１に示す開先形状で多層盛溶接した。
【０１０２】
【表４】
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【０１０３】
【表５】
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【０１０４】
【表６】
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【０１０５】
溶接継手の化学組成を表７に示す。固溶Ｎｂ、Ｖ量は、溶接金属の余盛り部分を除いた部分の平均含有量から同一の領域の抽出残渣分析により求めた析出量を差し引いた量とした。
【０１０６】
【表７】
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【０１０７】
表８は、表７の溶接継手の機械的性質を示している。機械的性質としては室温〜高温引張特性と、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃特性を調査した。引張特性は丸棒引張試験片を用い、図２に示すように、鋼板板厚中心部から一つは溶接ビード長手方向に直角に、平行部が母材、溶接熱影響部（ＨＡＺ）、溶接金属全てを含むように採取し（継手引張特性調査用）、他方は溶接ビード長手方向に平行に採取した（溶接金属特性調査用）。２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片は図３に示すように、鋼板板厚中心部から溶接ビード長手方向に直角に採取した。継手評価用はノッチを溶融線（Ｆｕｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ）に導入し、溶接金属評価用はノッチを溶接金属中央に導入した。
【０１０８】
【表８】
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【０１０９】
表８のうち、継手Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ８〜Ａ１４、Ａ１６およびＡ１７は本発明の要件を満足している継手であり、７００℃、８００℃用耐火鋼構造用溶接継手として十分な高温強度とともに、継手靱性も全て０℃の吸収エネルギーで１００Ｊ以上を安定的に達成できており、本発明によれば、７００℃、８００℃用の耐火構造用溶接継手として極めて良好な特性が得られることが明らかである。なお、Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ７、Ａ１５およびＡ１８は、参考例である。
【０１１０】
一方、表８のうち、継手Ｂ１〜Ｂ１１は本発明の要件を満足していない継手であるため、継手としての特性が７００℃、８００℃耐火構造用として十分でない。
【０１１１】
すなわち、継手Ｂ１は、鋼板のＣ含有量が過大なため、前述したように母材の靱性が劣るのはもちろん、溶接熱影響部の靱性も著しく低く、また母材と同様、継手の８００℃における高温強度も低い。
【０１１２】
継手Ｂ２は、鋼板のＰ含有量が過大なため、前述したように母材の靱性が劣るのはもちろん、溶接熱影響部の靱性も著しく低く、好ましくない。
【０１１３】
継手Ｂ３は、鋼板のＭｎ含有量が過大なため、前述したように母材の靱性が劣るのはもちろん、溶接熱影響部の靱性も低く、また母材と同様、継手の７００℃および８００℃における高温強度も低い。
【０１１４】
継手Ｂ４、Ｂ１１は、各々、Ａｒ＋５％ＣＯ２溶接、サブマージアーク溶接の比較例であるが、どちらも、高温強度発現元素である、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒのいずれも鋼板中ならびに溶接金属中に含有されないため、母材、溶接熱影響部、溶接金属、全ての継手部位において７００℃、８００℃の高温強度が低く、耐火構造用溶接継手として不十分である。
【０１１５】
継手Ｂ５は、溶接金属の化学組成において、高温強度発現元素である、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒは全て含有されているものの、いずれもその含有量が過小で、かつ、Ｎｂ当量も本発明の下限を下回っているため、溶接金属の高温強度が十分でなく、結果、継手高温強度も溶接金属の影響で高温強度が低く、好ましくない。
【０１１６】
継手Ｂ６は、溶接金属中にＭｏ、Ｎｂ、Ｖが本発明の下限以上に含有されているものの、Ｎｂ当量としては過小であるため、溶接金属における高温強度が本発明に比べて劣り、７００℃、８００℃用耐火構造用溶接継手として不十分である。
【０１１７】
継手Ｂ７は、溶接金属における高温強度発現元素の含有量やＮｂ当量は本発明を満足しているが、固溶Ｎｂと固溶Ｖとの合計量が過小であるため、溶接金属の７００℃、８００℃高温強度が低く、また、高温強度が低い割に溶接金属の靱性が低く、好ましくない。
【０１１８】
継手Ｂ８およびＢ９は、溶接金属中のＭｏ含有量が過大で、Ｎｂ当量も過大であるため、溶接金属の靱性が本発明に比べて大きく劣る。
【０１１９】
継手Ｂ１０は、溶接金属中のＮｂ含有量が過大で、Ｎｂ当量も過大であるため、溶接金属の靱性が本発明に比べて大きく劣る。
【０１２０】
以上の実施例の結果から、本発明によれば、溶接継手全体として、７００〜８００℃までの温度における耐火性に優れ、かつ、構造物の安全性を確保し得る靭性を有する耐火構造用溶接継手を提供することが明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の実施例に用いた溶接開先形状を示す模式図である。
【図２】溶接継手からの引張試験片採取要領を説明するための模式図である。
【図３】溶接継手からの引張試験片採取要領を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１  鋼板
２  開先
３  裏当金
４  溶接ビード
５  溶接金属引張試験片
６  継手引張試験片
７  ２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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