(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材および溶接金属が、質量％で、Ｃ：０．３％を超えて２．０％以下、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．１０〜３．０％、Ｐ：０．０５％を超えて０．５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１８〜５０％、Ｎｉ：２０％を超えて８０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜５％、Ｎ：０．３％以下を含有するとともに、ＣおよびＰの含有量が下記の（１）式を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系高合金溶接継手。
Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに、下記第１群および第２群の中から選ばれた１種または２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系高合金溶接継手。
第１群：Ｃｕ：５％以下、Ｍｏ：１０％以下、Ｗ：１０％以下、Ｖ：２％以下、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｔａ：８％以下、Ｚｒ：１％以下、Ｈｆ：１％以下、Ｃｏ：１５％以下およびＢ：０．０３％以下のうちの１種または２種以上
第２群：Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．３％以下のうちの１種または２種以上
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．３％を超えて２．０％以下、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．１０〜３．０％、Ｐ：０．０５％を超えて０．５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１８〜５０％、Ｎｉ：２０％を超えて８０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜５％、Ｎ：０．３％以下を含有するとともに、ＣおよびＰの含有量が下記の（１）式を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系高合金溶接材料。
Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７・・・（１）
ただし、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
【請求項４】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに、下記第１群および第２群の中から選ばれた１種または２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項３に記載のオーステナイト系高合金溶接材料。
第１群：Ｃｕ：５％以下、Ｍｏ：１０％以下、Ｗ：１０％以下、Ｖ：２％以下、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｔａ：８％以下、Ｚｒ：１％以下、Ｈｆ：１％以下、Ｃｏ：１５％以下およびＢ：０．０３％以下のうちの１種または２種以上
第２群：Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．３％以下のうちの１種または２種以上
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系高合金溶接継手およびオーステナイト系高合金溶接材料に関する。詳しくは、鋼管、鋼板等として、クリープ強度や耐食性が求められる用途に幅広く適用できることはもちろん、高い量のＰを含むにも拘わらず優れた耐溶接凝固割れ性も有するオーステナイト系高合金溶接継手およびオーステナイト系高合金溶接材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０４（２００５）に規定されたＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０Ｓ等のように、ＣｒおよびＮｉを主要元素とした耐食性に優れた材料として知られている。
【０００３】
しかしながら、いずれのオーステナイト系ステンレス鋼にも構成元素の含有量には制限が設けられており、なかでも不純物元素であるＰは一般に０．０４５％以下に規制されているのが現状である。
【０００４】
特に、ＳＵＳ３１０Ｓのような完全オーステナイト凝固するオーステナイト系ステンレス鋼におけるＰ含有量の増加は、溶接性、特に溶接凝固過程の終了期に近い、主として結晶粒界に膜状の液相が存在する段階において、凝固収縮または熱収縮により加わる歪みが溶接金属の変形能以上になった場合に発生する割れ（以下、「溶接凝固割れ」と称する。）の発生を著しく誘発させる。このため、例えば非特許文献１において、Ｐの含有量は厳しく制限すべきであることが示されている。
【０００５】
一方、特許文献１〜４で示されているように、本来不純物元素であるＰを高濃度で含有させると、Ｍ23Ｃ6炭化物の微細化による析出硬化に寄与し、クリープ強度を始めとする高温強度が向上することが知られている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１で開示された発明は、Ｐを過剰に含有することによる溶接凝固割れ感受性の著しい増大に関しては何も述べられておらず、溶接を必要とするような鋼材としての使用は極めて困難である。
【０００７】
特許文献２〜４で開示された発明も、Ｐ添加による高温特性改善効果を得るためのものでしかなく、Ｐの過剰添加が溶接性に悪影響を及ぼすことは記載されているものの、初晶オーステナイト凝固特に完全オーステナイト凝固するようなオーステナイト系ステンレス鋼の溶接凝固割れ感受性の低減手法については全く述べられていない。
【０００８】
さらに、前記特許文献１〜４で開示された発明は、Ｎｉ含有量が高々２０％のオーステナイト系ステンレス鋼を対象としたものであり、このため、Ｎｉ含有量が２０％を超える高合金における耐溶接割れの改善については全く検討されていない。
【０００９】
同様に、特許文献５においても、高濃度のＰ含有によりクリープ強度を始めとする高温強度を著しく改善したオーステナイト系ステンレス鋼が提案されているが、溶接時の凝固割れ抑制手法に関しては明示されていない。
【００１０】
また、特許文献６や特許文献７で開示されているように、０．０５％を超えるＰを含有することにより母材の耐食性が向上することが知られている。しかしながら、特許文献６や特許文献７で開示された発明においても、Ｐ含有量の増加による溶接時の凝固割れ感受性の著しい増加に基づく溶接性の劣化に対する対策は何ら検討されていない。
【００１１】
しかも、本願発明を完成させるに当たって本願発明者らが初めて見出したところの、後述する「Ｐ含有量増大の溶接性に対する悪影響をＣ含有量を適正化することによって無害化できる」ということに関しては、特許文献６および特許文献７には全く記載されていない。
【００１２】
したがって、特許文献６や特許文献７で開示された発明は、溶接施工が必要不可欠な場合には、Ｐの高濃度化に起因して溶接時に凝固割れが発生することがあるので、Ｐの高濃度含有という手法によって母材の使用性能が劇的に改善されるとしても、適用し難いものであった。
【００１３】
さらに、特許文献８に、耐メタルダスティング性に優れ、かつ溶接凝固割れ性に優れた溶接継手およびその溶接材料が開示されているが、不純物元素であるＰの含有量は「可能な限り低減することが望ましい」としているように、Ｐの含有量が低い材料の溶接割れ改善を意図した発明であって、クリープ強度を始めとする高温強度や耐食性改善のためにＰの含有量を高めた合金の溶接割れを改善するものではない。
【００１４】
【特許文献１】特公昭３７−１７１１３号公報
【特許文献２】特開昭６２−２４３７４２号公報
【特許文献３】特開昭６２−２４３７４３号公報
【特許文献４】特開昭６２−２６７４５４号公報
【特許文献５】ＷＯ２００６／１０６９４４号公報
【特許文献６】特開２００７−１８６７２７号公報
【特許文献７】特開２００７−１８６７２８号公報
【特許文献８】特開２００６−４５５９７号公報
【非特許文献１】Ｙ．Ａｒａｔａ、Ｆ．Ｍａｔｓｕｄａ  ａｎｄ  Ｓ．Ｋａｔａｙａｍａ：Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ＪＷＲＩ、Ｖｏｌ．６−１（１９７７）ｐｐ１０５−１１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述の特許文献１〜７で開示されたＰの含有量を増加させる技術は、溶接性の低下を招いてしまう。すなわち、Ｐ含有量の増加、なかでも０．０５％を超えるような多量のＰ含有は、溶接凝固割れを著しく誘発する。したがって、特に、０．０５％を超えるような多量のＰ含有は、溶接性という観点からの制限を受けることになるため、特許文献１〜７で開示された高合金鋼の場合、溶接施工が必要不可欠な場合には、必ずしもＰのクリープ強度を始めとする高温強度の向上や耐メタルダスティング性を始めとする耐食性の向上への効果が十分活用されているとは言いがたい。
【００１６】
さらに、特許文献８で開示された溶接継手およびその溶接材料は、Ｐ含有量の高い合金の溶接割れ改善には適用できない。
【００１７】
本発明は、上記現状に鑑みて、Ｐの含有量が高い完全オーステナイト凝固する高合金、換言すれば、完全オーステナイト組織を有する高合金の溶接性の改善、なかでも前記高合金において最も問題となる溶接凝固割れ感受性を低減することを目的とするものであって、Ｐの含有量が高いにも拘わらず耐溶接凝固割れ性に優れた母材および溶接金属から成る高合金溶接継手と高合金溶接材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
既に述べたように、Ｐは、従来クリープ強度を始めとする高温強度の向上や耐食性の向上等鉄鋼材料の特性に良い影響を及ぼすことが知られているにも拘わらず溶接凝固割れ感受性を著しく増大させることから、その含有量が抑制されていた。
【００１９】
そこで、本願発明者らは、Ｐを高い濃度で含有するオーステナイト系ステンレス鋼はもちろんのこと、高濃度のＣｒを含有して耐食性および耐熱性に優れたＮｉ基合金についても溶接凝固割れを防止して、低コストであるＰの上限含有量の制約を大幅に緩和し、それに伴う経済性および機能性に優れた完全オーステナイト組織を有する高合金溶接継手と高合金溶接材料の提供を目的として種々の検討を実施した。
【００２０】
なお、溶接凝固割れは、前述のように、溶接凝固中のデンドライト間に残存する液相が低温域まで膜状に残存する場合に、付加される応力に耐えられずに生じる割れである。
【００２１】
そして、Ｐ含有量の増加によって溶接凝固割れ感受性が増大する、つまり、溶接凝固割れの発生が増えるのは、Ｐが凝固中の液相に著しく濃化して液相の凝固完了温度を大きく低下させるため、液相がより低温域まで残存することに起因するものである。
【００２２】
不純物元素として含まれるＰに起因した溶接凝固割れの発生低減に関する研究は既に種々行われている。
【００２３】
しかしながら、Ｐはオーステナイト中にはほとんど固溶しないため、初晶オーステナイト凝固する場合はもちろん、完全オーステナイトにて凝固する場合に至っては溶接凝固割れ感受性を著しく増大させる。
【００２４】
このため、特に完全オーステナイト凝固するステンレス鋼やＮｉ基合金では、Ｐ含有量に対する規制が設けられており、例えば、上記完全オーステナイト凝固するオーステナイト系ステンレス鋼の代表鋼種であるＪＩＳ  Ｇ  ４３０４（２００５）に規定されたＳＵＳ３１０Ｓでは、Ｐの含有量は０．０４５％以下に制限され、その溶接に用いられる溶接材料は溶接凝固割れを配慮し、ＪＩＳ  Ｇ  ４３１６（１９９１）ではさらに低い０．０３０％以下に制限されているのが実状である。
【００２５】
しかしながら、前述のとおり、Ｐはクリープ強度を始めとする高温強度や耐食性等を向上させる元素として知られているため、完全オーステナイト凝固するオーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金に対して凝固割れ感受性の低減が可能となった場合、低コスト元素として知られているＰを活用することによって経済的にも優れた高機能化された材料開発に大いに寄与することができると考えられる。
【００２６】
そこで、本願発明者らは、Ｐを高い濃度で含み、完全オーステナイト凝固する高合金の溶接凝固割れ感受性低減のための手法に関して検討した。
【００２７】
その結果、先ず、Ｃを高い濃度で含有させて、溶接凝固中に高温にて安定な共晶炭化物を有効に活用することで、系のエントロピーの低減を促進し、凝固の進行を加速できることを知見した。
【００２８】
そして、上記知見から、熱力学的に凝固の進行が加速されているために液相中のＰの濃度が増加しているとしても、凝固割れの起点となる延性の低い少量の液相が残存している領域での滞在時間が短縮され、結果として凝固割れが抑制されることになるとの考えに至った。
【００２９】
そこでさらなる検討を行い、対象とする高合金が高濃度のＣｒを必須元素として含んでいる場合には、Ｃｒを主体とするいわゆる「Ｍ7Ｃ3」型の炭化物が前記した共晶炭化物に相当し得るとの知見を得た。
【００３０】
そこで、本願発明者らは、Ｃ、ＣｒおよびＮｉの含有量を種々変化させたＰ含有量の高い高合金を作製し、実際にＣ含有量が溶接凝固割れ感受性に及ぼす影響について詳細な調査を実施した。
【００３１】
その結果、オーステナイト系合金のように幅広いＮｉ量の範囲において０．０５％を超える高い量のＰを含有する場合でも、ＣおよびＰの含有量が下記の（１）式を満たせば、溶接凝固割れの発生を抑制できることが確認された。
【００３２】
Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７・・・（１）。
ただし、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
【００３３】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）と（２）のいずれかに示すオーステナイト系高合金溶接継手、および下記の（３）と（４）のいずれかに示すオーステナイト系高合金溶接材料にある。
【００３４】
（１）母材および溶接金属が、質量％で、Ｃ：０．３％を超えて２．０％以下、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．１０〜３．０％、Ｐ：０．０５％を超えて０．５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１８〜５０％、Ｎｉ：２０％を超えて８０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜５％、Ｎ：０．３％以下を含有するとともに、ＣおよびＰの含有量が下記の（１）式を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系高合金溶接継手。
Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７・・・（１）。
ただし、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
【００３５】
（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに、下記第１群および第２群の中から選ばれた１種または２種以上の元素を含有することを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系高合金溶接継手。
第１群：Ｃｕ：５％以下、Ｍｏ：１０％以下、Ｗ：１０％以下、Ｖ：２％以下、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｔａ：８％以下、Ｚｒ：１％以下、Ｈｆ：１％以下、Ｃｏ：１５％以下およびＢ：０．０３％以下のうちの１種または２種以上、
第２群：Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．３％以下のうちの１種または２種以上。
【００３６】
（３）質量％で、Ｃ：０．３％を超えて２．０％以下、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：０．１０〜３．０％、Ｐ：０．０５％を超えて０．５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１８〜５０％、Ｎｉ：２０％を超えて８０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜５％、Ｎ：０．３％以下を含有するとともに、ＣおよびＰの含有量が下記の（１）式を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系高合金溶接材料。
Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７・・・（１）。
ただし、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
【００３７】
（４）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに、下記第１群および第２群の中から選ばれた１種または２種以上の元素を含有することを特徴とする上記（３）に記載のオーステナイト系高合金溶接材料。
第１群：Ｃｕ：５％以下、Ｍｏ：１０％以下、Ｗ：１０％以下、Ｖ：２％以下、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｔａ：８％以下、Ｚｒ：１％以下、Ｈｆ：１％以下、Ｃｏ：１５％以下およびＢ：０．０３％以下のうちの１種または２種以上、
第２群：Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．３％以下のうちの１種または２種以上。
【００３８】
なお、「ＲＥＭ」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。
【００３９】
以下、上記（１）および（２）に示すオーステナイト系高合金溶接継手、ならびに（３）および（４）に示すオーステナイト系高合金溶接材料に係る発明を、それぞれ、「本発明（１）」〜「本発明（４）」という。また、総称して「本発明」ということがある。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係るオーステナイト系高合金溶接継手は、Ｐ含有量が高く、しかも、完全オーステナイト凝固するにも拘わらず、溶接凝固割れの発生を抑制できるので、溶接施工が要求される用途に幅広く適用することができる。また、本発明に係るオーステナイト系高合金溶接材料は、上記のオーステナイト系高合金溶接継手を作製するのに最適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明のオーステナイト系高合金溶接継手および溶接材料における成分元素の限定理由について詳しく説明する。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。
【００４２】
Ｃ：０．３％を超えて２．０％以下
Ｃは、本発明において最も重要な元素の一つである。すなわちＣは、高Ｐ化による溶接凝固割れ感受性に対する悪影響を無害化させるのに必要なＣｒを主体とする「Ｍ7Ｃ3」型の炭化物の晶出を促進させるために必要不可欠な元素である。１８％以上のＣｒを含む高合金において、０．０５％を超えるＰを含有する場合に前記した効果を得るためには、０．３％を超える量のＣを含有する必要がある。しかしながら一方、Ｃの含有量が過剰になって、特に、２．０％を超えると、過剰な量のＣｒ炭化物が晶出したり析出したりするために、材料の延性が著しく劣化する。さらに、高温にて延性が無くなる温度が著しく低下するために、熱間加工性が著しく劣化する。したがって、Ｃの含有量を０．３％を超えて２．０％以下とした。Ｃの含有量のより好ましい範囲は、０．４％を超えて１．５％以下であり、さらに好ましい範囲は０．４５％を超えて１．２％以下である。
【００４３】
なお、前記した効果を得るためのＣの含有量は、Ｐの含有量と強い相関があり、Ｐの含有量の増加により凝固割れ抑制に必要となるＣの含有量の下限値が変化する。このため、Ｃの含有量は、上記の範囲において、前記の（１）式、すなわち〔Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７〕をも満たす必要がある。
【００４４】
Ｓｉ：４．０％以下
Ｓｉは、金属材料の溶製時に脱酸作用を有し、また耐酸化性および耐水蒸気酸化性等を高めるのに有効な元素である。上記の効果を得るためには、Ｓｉは０．１％以上含有させるのが望ましい。しかしながら、その含有量が過剰になり、特に、４．０％を超えると、溶接凝固割れ感受性を著しく増大させる。したがって、Ｓｉの含有量は４．０％以下とした。なお、Ｓｉの含有量は３．０％以下であればより好ましく、２．０％以下であればさらに一層好ましい。
【００４５】
Ｍｎ：０．１０〜３．０％
Ｍｎは、金属材料中に不純物として含まれるＳによる熱間加工脆性の抑制の他、溶製時の脱酸効果に有効な元素である。このような効果を得るためには、Ｍｎは０．１０％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が３．０％を超えると、σ相等の金属間化合物相の析出を助長し、高温における組織安定性の劣化に起因した靱性や延性の低下を生じる。したがって、Ｍｎの含有量は０．１０〜３．０％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．３０〜２．０％であればさらに好ましく、０．５０〜１．５％であればさらに一層好ましい。
【００４６】
Ｐ：０．０５％を超えて０．５％以下
Ｐは、従来、溶接凝固割れ感受性を著しく増大させる元素として知られており、特に完全オーステナイト凝固する場合にはその影響はより顕著となるため、その含有量には規制が設けられていた。しかしながら、０．０５％を超える量のＰの含有はクリープ強度を始めとする高温強度や耐食性を向上させる等、材料の特性を向上させる効果を有する。
【００４７】
なお、本発明においては、前述の範囲にあってかつ前記の（１）式、すなわち〔Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７〕をも満たす量のＣを含有させることで、Ｐの溶接凝固割れ感受性に対する悪影響を排除しているものの、Ｐの含有量があまりにも過剰になり、特に、０．５％を超えると、クリープ延性等の母材使用性能自体を劣化させる。
【００４８】
したがって、Ｐの含有量を０．０５％超えて０．５％以下とした。なお、Ｐの含有量は０．０６％を超えて０．３％以下であればさらに好ましく、０．０８％を超えて０．２％以下であればさらに一層好ましい。
【００４９】
なお、上述したように、Ｐの含有量は、上記の０．０５％を超えて０．５％以下という範囲において、前記の（１）式である〔Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７〕をも満たす必要がある。
【００５０】
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素であり、その含有量が多くなると、耐食性の低下を招くとともに、熱間加工性と溶接性も劣化させ、特に、Ｓの含有量が０．０３％を超えると、耐食性の低下、熱間加工性と溶接性の劣化が著しくなる。したがって、Ｓの含有量は０．０３％以下とした。なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが望ましいので、０．０１％以下とすればさらに好ましく、０．００５％以下とすればさらに一層好ましい。
【００５１】
Ｃｒ：１８〜５０％
Ｃｒは、金属材料の表面に薄い酸化皮膜を形成することによって、ステンレス鋼やＮｉ基合金に耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性等を確保させるための必須の元素である。前記した効果を得るためには、Ｃｒを１８％以上含有する必要がある。
【００５２】
なお、本発明においては、Ｐの溶接凝固割れ感受性に対する悪影響を排除するために、Ｃｒを主体とする「Ｍ7Ｃ3」型の炭化物を晶出させる必要があり、しかも、Ｃｒの含有量が多いほど耐食性が向上する。このため、より多くのＣｒを含有していることが望ましい。しかしながら、Ｃｒの含有量が５０％を超えると、Ｎｉ含有量とのバランスから長時間のクリープ強度の確保に必要な完全オーステナイト組織の安定性を確保することが極めて困難となり、かつ粗大な炭化物が多量に析出するために、例えば、時効靱性等の機械的性質が著しく劣化する。したがって、Ｃｒの含有量を１８〜５０％とした。
【００５３】
一方、Ｃｒの含有量が５０％以下であっても、その含有量を３５％以下とした方がオーステナイト組織をより安定化しやすくなり、σ相等の金属間化合物やα−Ｃｒ相を生成しにくくなる。このため、特にクリープ強度の向上を目的にＰを含有させる場合では、Ｃｒ含有量の上限を３５％とすることが望ましい。したがって、Ｃｒの含有量は１８〜３５％とすることがより好ましく、２０〜３２％であればさらに一層好ましい。
【００５４】
Ｎｉ：２０％を超えて８０％以下
Ｎｉは、安定なオーステナイト組織を確保するために必須の元素であり、その必要最少含有量は、オーステナイト系高合金中に含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ等のフェライト生成元素やＭｎ、Ｃ、Ｎ等のオーステナイト生成元素の含有量によって定まる。
【００５５】
本発明では１８％以上のＣｒを含有させる必要があり、このＣｒ量に対してＮｉの含有量が２０％未満の場合には、安定なオーステナイト単相組織にするのが困難であり、さらに、高温での長時間使用でオーステナイト組織が不安定になり、σ相等の脆化相析出に起因して高温強度や靱性が著しく劣化してしまう。また、Ｎｉ含有量の増加によってＰのオーステナイト中の固溶量が低下するので、Ｐの溶接凝固割れ感受性に対する悪影響を排除するためにより多くの量のＣｒを含有することが必要となる。しかしながら、Ｎｉの含有量が８０％を超えると、Ｐの溶接凝固割れ感受性に対する悪影響を排除するために必要な量のＣｒが確保し難くなり、さらに、成分コストも嵩んでしまう。したがって、Ｎｉの含有量は２０％を超えて８０％以下とした。なお、Ｎｉの含有量は２５〜６５％であればより好ましく、３０〜５５％であればさらに一層好ましい。
【００５６】
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜５％
Ａｌは、金属材料の溶製時に脱酸作用を有する。この効果を発揮させるためにはＡｌをｓｏｌ．Ａｌ（「酸可溶性Ａｌ」）として０．００１％以上含有させる必要がある。高濃度のＡｌの含有は、高温にて安定なγ’相を形成し、クリープ強度の向上に寄与するとともに、高温での酸化被膜の形成による耐食性の向上にも寄与する。しかしながら、ｓｏｌ．ＡｌとしてのＡｌの含有量が５％を超えると、高温で過剰な量の金属間化合物が析出するので、靱性を著しく低下させてしまう。したがって、ｓｏｌ．Ａｌの含有量は０．００１〜５％とした。なお、ｓｏｌ．Ａｌの含有量は０．００５〜３％であればさらに好ましく、０．０１〜１％であればさらに一層好ましい。
【００５７】
Ｎ：０．３％以下
Ｎの含有量が０．３％を超えると、熱間加工性の低下をきたす。このため、Ｎの含有量は０．３％以下とした。なお、Ｎの含有量は少ないほど望ましく、より好ましいのは０．２％以下、さらに一層好ましいのは０．１５％以下である。
【００５８】
（１）式について：
上述した範囲のＣからＮまでの元素を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系高合金は、〔Ｃ≧０．６×Ｐ＋０．２７〕、つまり（１）式を満たせば、完全オーステナイト凝固してオーステナイト単相組織になる場合であっても、溶接凝固割れを確実かつ安定して抑制できる。
【００５９】
上記の理由から、本発明（１）に係るオーステナイト系高合金溶接継手は、母材および溶接金属が、上述した範囲のＣからＮまでの元素を含有するとともに、ＣおよびＰの含有量が前記の（１）式を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることと規定した。
【００６０】
同じ理由で、本発明（３）に係るオーステナイト系高合金溶接材料は、上述した範囲のＣからＮまでの元素を含有するとともに、ＣおよびＰの含有量が前記の（１）式を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることと規定した。
【００６１】
なお、本発明（１）に係るオーステナイト系高合金溶接継手は、その母材および溶接金属のＦｅの一部に代えて、また、本発明（３）に係るオーステナイト系高合金溶接材料は、そのＦｅの一部に代えて、それぞれ、必要に応じてさらに、下記第１群および第２群の中から選ばれた１種または２種以上の元素を含有させることができる。
【００６２】
第１群：Ｃｕ：５％以下、Ｍｏ：１０％以下、Ｗ：１０％以下、Ｖ：２％以下、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｔａ：８％以下、Ｚｒ：１％以下、Ｈｆ：１％以下、Ｃｏ：１５％以下およびＢ：０．０３％以下のうちの１種または２種以上、
第２群：Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下およびＲＥＭ：０．３％以下のうちの１種または２種以上。
【００６３】
すなわち、前記第１群および第２群のグループのうちの元素の１種または２種以上を任意元素として含有させてもよい。
【００６４】
以下、上記の任意元素に関して説明する。
【００６５】
第１群：Ｃｕ：５％以下、Ｍｏ：１０％以下、Ｗ：１０％以下、Ｖ：２％以下、Ｎｂ：３％以下、Ｔｉ：３％以下、Ｔａ：８％以下、Ｚｒ：１％以下、Ｈｆ：１％以下、Ｃｏ：１５％以下およびＢ：０．０３％以下のうちの１種または２種以上
第１群の元素であるＣｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＣｏおよびＢは、クリープ強度や耐食性を高める作用を有するので、これらの効果を得るために上記の元素を含有させてもよい。以下、第１群の元素について詳しく説明する。
【００６６】
Ｃｕ：５％以下
Ｃｕは、高温での使用中に微細なＣｕ相としてオーステナイト母相に整合析出し、クリープ強度を大幅に向上させる作用を有する。Ｃｕには、ＣＯの乖離を抑制することによってＣの鋼中への侵入を抑制し、耐食性を大幅に向上させる作用もある。上記の効果を確実に得るには、Ｃｕの含有量は０．０１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｃｕの含有量が多くなり、特に５％を超えると、熱間加工性、溶接性およびクリープ延性の低下を招く。したがって、含有させる場合のＣｕの含有量は、５％以下とした。なお、含有させる場合のＣｕの含有量は、０．０１〜５％とすることが好ましい。含有させる場合のＣｕ含有量の上限は、４．０％とすることがさらに好ましく、３．０％とすればさらに一層好ましい。
【００６７】
Ｍｏ：１０％以下
Ｍｏは、クリープ強度を始めとする高温強度の向上に有効な元素である。上記の効果を確実に得るには、Ｍｏの含有量は０．０５％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｍｏを１０％を超えて含有させても、前記の効果が飽和してコストが嵩むうえに、σ相等の金属間化合物の生成を誘発し、組織安定性および熱間加工性の劣化を招く。したがって、含有させる場合のＭｏの含有量は１０％以下とした。なお、含有させる場合のＭｏの含有量は、０．０５〜１０％とすることが好ましい。
【００６８】
Ｗ：１０％以下
Ｗも、クリープ強度を始めとする高温強度の向上に有効な元素である。上記の効果を確実に得るには、Ｗの含有量は０．０５％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｗを１０％を超えて含有させても、前記の効果が飽和してコストが嵩むうえに、σ相等の金属間化合物の生成を誘発し、組織安定性および熱間加工性の劣化を招く。したがって、含有させる場合のＷの含有量は１０％以下とした。なお、含有させる場合のＷの含有量は、０．０５〜１０％とすることが好ましく、０．０５〜６％とすればより好ましい。
【００６９】
Ｖ：２％以下
Ｖは、炭化物形成元素であり、クリープ強度を始めとする高温強度の向上に有効である。上記の効果を確実に得るには、Ｖの含有量は０．０２％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｖの含有量が２％を超えると、靱性を始めとする機械的性質の大きな劣化を招く。したがって、含有させる場合のＶの含有量は、２％以下とした。なお、含有させる場合のＶの含有量は、０．０２〜２％とすることが好ましく、０．０２〜１．５％とすればさらに好ましい。含有させる場合のより一層好ましいＶの含有量は、０．０４〜１％である。
【００７０】
Ｎｂ：３％以下
Ｎｂは、炭化物形成元素であり、クリープ強度を始めとする高温強度の向上に有効である。上記の効果を確実に得るには、Ｎｂの含有量は０．０５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｎｂの含有量が３％を超えると、靱性を始めとする機械的性質の大きな劣化を招く。したがって、含有させる場合のＮｂの含有量は、３％以下とした。なお、含有させる場合のＮｂの含有量は、０．０５〜３％とすることが好ましく、０．０５〜１．５％とすればより好ましい。
【００７１】
Ｔｉ：３％以下
Ｔｉは、炭化物形成元素であり、クリープ強度を始めとする高温強度の向上に有効である。上記の効果を確実に得るには、Ｔｉの含有量は０．００５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｔｉの含有量が３％を超えると、靱性を始めとする機械的性質の大きな劣化を招く。したがって、含有させる場合のＴｉの含有量は、３％以下とした。なお、含有させる場合のＴｉの含有量は、０．００５〜３％とすることが好ましく、０．００５〜２％とすればより好ましい。
【００７２】
Ｔａ：８％以下
Ｔａも炭化物形成元素であり、クリープ強度を始めとする高温強度の向上に有効である。上記の効果を確実に得るには、Ｔａの含有量は０．０１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｔａの含有量が８％を超えると、靱性を始めとする機械的性質の大きな劣化を招く。したがって、含有させる場合のＴａの含有量は、８％以下とした。なお、含有させる場合のＴａの含有量は、０．０１〜８％とすることが好ましく、０．０１〜７％とすればさらに好ましい。含有させる場合のさらに一層好ましいＴａの含有量は、０．０５〜６％である。
【００７３】
Ｚｒ：１％以下
Ｚｒは、主として粒界強化に寄与し、クリープ強度を向上させる。この効果を確実に得るには、Ｚｒの含有量は０．０００５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｚｒの含有量が１％を超えると、機械的性質や溶接性の劣化を招く。したがって、含有させる場合のＺｒの含有量は、１％以下とした。なお、含有させる場合のＺｒの含有量は、０．０００５〜１％とすることが好ましく、０．０１〜０．８％とすればさらに好ましい。含有させる場合のさらに一層好ましいＺｒの含有量は、０．０２〜０．５％である。
【００７４】
Ｈｆ：１％以下
Ｈｆも主として粒界強化に寄与し、クリープ強度を向上させる。この効果を確実に得るには、Ｈｆの含有量は０．０００５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｈｆの含有量が１％を超えると、機械的性質や溶接性の劣化をきたす。したがって、含有させる場合のＨｆの含有量は、１％以下とした。なお、含有させる場合のＨｆの含有量は、０．０００５〜１％とすることが好ましく、０．０１〜０．８％とすればさらに好ましい。含有させる場合のさらに一層好ましいＨｆの含有量は、０．０２〜０．５％である。
【００７５】
Ｃｏ：１５％以下
Ｃｏは、Ｎｉと同様にオーステナイト組織を安定化し、クリープ強度向上に寄与する。この効果を確実に得るには、Ｃｏの含有量は０．０５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｃｏの含有量が１５％を超えても前記の効果は飽和し、経済性が低下するばかりである。したがって、含有させる場合のＣｏの含有量は、１５％以下とした。なお、含有させる場合のＣｏの含有量は、０．０５〜１０％とすることが好ましい。
【００７６】
Ｂ：０．０３％以下
Ｂは、炭窒化物中に存在して高温での使用中における炭窒化物の微細分散析出を促進するとともに、Ｂ単体で粒界に存在して粒界を強化し粒界すべりを抑制することによって、クリープ強度を改善する。こうした効果を確実に得るには、Ｂの含有量は０．０００５％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ｂの含有量が０．０３％を超えると、溶接性の低下を招く。したがって、含有させる場合のＢの含有量は、０．０３％以下とした。なお、含有させる場合のＢの含有量は、０．０００５〜０．０３％とすることが好ましく、０．００１〜０．１％とすればさらに好ましい。含有させる場合のさらに一層好ましいＢの含有量は、０．００１〜０．００５％である。
【００７７】
なお、上記のＣｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＣｏおよびＢは、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。
【００７８】
第２群の元素であるＣａ、ＭｇおよびＲＥＭは熱間加工性を高める作用を有するので、この効果を得るために上記の元素を含有させてもよい。以下、第２群の元素について詳しく説明する。
【００７９】
Ｃａ：０．０５％以下
Ｃａは、熱間加工性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃａの含有量は０．０００１％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｃａの含有量が０．０５％を超えると、酸化物系介在物を形成し却って熱間加工性が低下し、延性の劣化も生じる。したがって、含有させる場合のＣａの含有量は、０．０５％以下とした。なお、含有させる場合のＣａの含有量は、０．０００１〜０．０５％とすることが好ましく、０．００１〜０．０２％とすればさらに好ましい。含有させる場合のさらに一層好ましいＣａの含有量は、０．００１〜０．０１％である。
【００８０】
Ｍｇ：０．０５％以下
Ｍｇも熱間加工性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｍｇの含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｍｇの含有量が０．０５％を超えると、酸化物系介在物を形成し却って熱間加工性が低下し、延性の劣化も生じる。したがって、含有させる場合のＭｇの含有量は、０．０５％以下とした。なお、含有させる場合のＭｇの含有量は、０．０００５〜０．０５％とすることが好ましく、０．００１〜０．０２％とすればさらに好ましい。含有させる場合のさらに一層好ましいＭｇの含有量は、０．００１〜０．０１％である。
【００８１】
ＲＥＭ：０．３％以下
ＲＥＭは、金属材料中に含まれる不純物元素との親和力、特に、Ｓとの親和力が大きいため、Ｓ含有による熱間加工性の低下を抑制する効果を有する。上記の効果は、ＲＥＭの含有量が０．００５％以上の場合に顕著となる。しかしながら、ＲＥＭの含有量が０．３％を超えると、粗大な酸化物や硫化物を形成して、却って熱間加工性の低下を招き、さらに、表面疵の発生の増加と靱性の劣化が生ずる。したがって、含有させる場合のＲＥＭの含有量は、０．３％以下とした。なお、含有させる場合のＲＥＭの含有量は、０．００５〜０．３％とすることが好ましく、０．００５〜０．１％とすればさらに好ましい。含有させる場合のさらに一層好ましいＲＥＭの含有量は、０．００５〜０．０７％である。
【００８２】
上記のＣａ、ＭｇおよびＲＥＭは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種の複合で含有させることができる。
【００８３】
なお、「ＲＥＭ」が、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、また、ＲＥＭの含有量が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ことは既に述べたとおりである。
【００８４】
上記の理由から、本発明（２）に係るオーステナイト系高合金溶接継手および本発明（４）に係るオーステナイト系高合金溶接材料は、本発明（１）に係るオーステナイト系高合金溶接継手および本発明（３）に係るオーステナイト系高合金溶接材料のＦｅの一部に代えて、上記第１群および第２群の中から選ばれた１種または２種以上の元素を含有することと規定した。
【００８５】
本発明（１）および本発明（２）に係るオーステナイト系高合金溶接継手は、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の種々の溶接方法で作製することができる。
【００８６】
なお、上記のオーステナイト系高合金溶接継手の作製に用いる溶接材料としては、採用する溶接方法と溶接条件に応じて、前記の溶接金属の組成が得られる組成のものを選べばよい。
【００８７】
ＴＩＧ溶接を採用する場合には、溶接材料の組成は実質的に溶接金属の組成と同じでよいので、例えば、本発明（１）に係るオーステナイト系高合金溶接継手の作製に用いる溶接材料としては本発明（３）に係るオーステナイト系高合金溶接材料を用いるのが望ましく、また、本発明（２）に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の作製に用いる溶接材料としては本発明（４）に係るオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料を用いるのが望ましい。
【００８８】
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】
【００８９】
表１に示す化学組成を有するオーステナイト系高合金である合金１〜９および合金Ａ〜Ｄを高周波加熱真空炉を用いて溶解した後、インゴットに鋳造した。
【００９０】
表１中の合金１〜９は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある高合金である。
【００９１】
一方、表１中の合金Ａ〜Ｄは、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の高合金である。なお、合金ＤのＣの含有量の「０．３１」％という値は、「０．３％を超えて２．０％以下」という本発明の規定範囲内にはあるが、前記（１）式の右辺、すなわち〔０．６×Ｐ＋０．２７〕の値である「０．３４」％を下回るものであるため、本発明で規定する条件から外れている。また、合金Ａ〜ＣにおけるＣ含有量の「０．０６」％、「０．０８」％および「０．１５」％という値は、「０．３％を超えて２．０％以下」という規定範囲から外れるだけではなく、それぞれ、前記（１）式の右辺の値である「０．３０」％、「０．３３」％および「０．３３」％を下回るものである。
【００９２】
【表１】
0004941267.tif 000002
【００９３】
各合金のインゴットを通常の方法で熱間鍛造した後、１２００℃で固溶化熱処理を施し、厚さ４ｍｍ、幅１００ｍｍおよび長さ１００ｍｍのトランスバレストレイン試験片を各２枚ずつ作製した。
【００９４】
上記のようにして得た各合金２枚ずつのトランスバレストレイン試験片を用いて、溶接凝固割れ感受性を調査した。
【００９５】
具体的には、溶接電流１００Ａ、溶接電圧１５Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎ、付加歪み２％の条件にてトランスバレストレイン試験を行い、最大割れ長さを測定した。
【００９６】
なお、完全オーステナイト凝固する高耐食耐熱合金（ＡＳＴＭ  Ｂ５１４  ＵＮＳ  ＮＯ８８１０相当材）を用いたトランスバレストレイン試験により評価された最大割れ長さは１．３ｍｍ以下である。
【００９７】
したがって、トランスバレストレイン試験により評価された最大割れ長さが１．３ｍｍ以下のオーステナイト系高合金は優れた耐凝固割れ性を有していると考えられる。
【００９８】
表２に、各合金について、Ｃ含有量および（１）式の右辺、すなわち〔０．６×Ｐ＋０．２７〕の値とともに、上記トランスバレストレイン試験により得られた最大割れ長さを示す。
【００９９】
【表２】
0004941267.tif 000003
【０１００】
表２から、本発明で規定する条件を満たす合金１〜９の場合、０．０５％を超える高い量のＰを含み、しかも、完全オーステナイト凝固するにも拘わらず、適正量のＣを含むとともに式（１）を満足しているので、各２枚ずつの試験片を用いたトランスバレストレイン試験による最大割れ長さが全て１．３ｍｍ以下であり、優れた耐溶接凝固割れ性を有していることが明らかである。
【０１０１】
これに対して、本発明で規定する条件から外れた比較例の合金Ａ〜Ｄは、耐溶接凝固割れ性に劣っている。
【０１０２】
すなわち、合金Ａ〜Ｃの場合、Ｃ含有量が本発明で規定する値を大きく下回るため、高い量のＰを含むことによりトランスバレストレイン試験による最大割れ長さは１．３ｍｍを大きく超えており、非常に高い溶接凝固割れ感受性を有し、耐溶接凝固割れ性に劣っている。
【０１０３】
合金Ｄの場合、Ｃ含有量の「０．３１」％という値は、「０．３％を超えて２．０％以下」という本発明の規定範囲内にはあるが、前記（１）式の右辺、すなわち〔０．６×Ｐ＋０．２７〕の値である「０．３４」％を下回り、Ｐ含有量に対して必要となる量のＣを含んでいない。このため、トランスバレストレイン試験による最大割れ長さは１．３ｍｍを超える結果となって、やはり耐溶接凝固割れ性に劣っている。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の母材および溶接金属から成るオーステナイト系高合金溶接継手は、Ｐ含有量が高く、しかも、完全オーステナイト組織を有するにも拘わらず、優れた耐溶接凝固割れ性を有しているので、溶接施工が要求される用途に幅広く適用することができる。このため、Ｐのクリープ強度を始めとする高温強度の向上や耐食性の向上への効果を十分活用することができ、さらに、溶接施工性を高めることもできる。また、本発明のオーステナイト系ステンレス高合金溶接材料は、上記のオーステナイト系ステンレス高合金溶接継手を作製するのに最適である。