(57)【要約】  Ｂを０．００６質量％〜０．０２３質量％含むフェライト系耐熱鋼母材をＮｉ基耐熱合金用溶接材料で多層溶接する多層溶接工程を有し、前記多層溶接工程での初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融した前記フェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］との比が、前記フェライト系耐熱鋼母材に含有されるＢの質量％［％ＢＢＭ］に対して下記（１）式を満たす溶接条件で初層溶接を行うフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３・・・（１）
2020116588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂを０．００６質量％〜０．０２３質量％含むフェライト系耐熱鋼母材をＮｉ基耐熱合金用溶接材料で多層溶接する多層溶接工程を有し、
前記多層溶接工程での初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融した前記フェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］との比が、前記フェライト系耐熱鋼母材に含有されるＢの質量％［％ＢＢＭ］に対して下記（１）式を満たす溶接条件で初層溶接を行うフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３・・・（１）
【請求項２】
前記フェライト系耐熱鋼母材が、質量％で、
Ｃ：０．０４％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．１０％〜１．００％、
Ｐ：０％〜０．０２０％、
Ｓ：０％〜０．０１０％、
Ｃｒ：８．０％〜１０．０％、
ＭｏおよびＷの少なくとも一種を合計：０．５％〜４．０％、
ＮｂおよびＴａの少なくとも一種を合計：０．０２％〜０．３０％、
Ｖ：０．０５％〜０．４０％、
Ｂ：０．００６％〜０．０２３％
Ｎ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０％〜０．０３０％、並びに
Ｏ：０％〜０．０２０％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる請求項１に記載のフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
【請求項３】
前記フェライト系耐熱鋼母材が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、下記群より選択される少なくとも一種の元素を含有する請求項２に記載のフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
群  Ｃｏ：４．０％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｃａ：０．０５０％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、
ＲＥＭ：０．１００％以下
【請求項４】
前記Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料が、質量％で、
Ｃ：０．００５％〜０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２％〜１．２０％、
Ｍｎ：０．０２％〜４．００％、
Ｐ：０％〜０．０２０％、
Ｓ：０％〜０．０１０％、
Ｃｏ：０％〜１５．０％、
Ｃｕ：０％〜０．８０％、
Ｃｒ：１６．０％〜２５．０％、
Ｍｏ：０％〜１２．０％、
ＮｂおよびＴａの少なくとも一種を合計：０％〜４．５０％、
Ｔｉ：０％〜１．００％、
Ｆｅ：０％〜６．００％、
Ｎ：０％〜０．０５０％、
Ａｌ：０．００２％〜１．８００％、並びに
Ｏ：０％〜０．０２０％を含み、残部がＮｉおよび不純物からなる請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、フェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、火力発電においては熱効率を高めるため蒸気条件の高温高圧化が進められており、将来的には６５０℃、３５０気圧という超々臨界圧条件での操業が計画されている。フェライト系耐熱鋼は、オーステナイト系耐熱鋼またはＮｉ基耐熱鋼に比べて安価であるばかりでなく、熱膨張係数が小さいという高温用鋼としての利点を有するため広く利用されている。【０００３】
フェライト系耐熱鋼については、将来的な蒸気条件の過酷化に対応すべく、例えば、特許文献１または特許文献２のようにＷとＭｏの含有量を最適化するとともに、Ｃｏ、およびＢを含有させることにより高強度化を図った材料が提案されている。また、特許文献３に開示されているようにマルテンサイトラス界面に析出する炭化物または金属間化合物相を積極的に活用することにより、高強度化を図った材料などが種々提案されている。【０００４】
さらに、最近では、フェライト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合の課題である、溶接継手の溶接熱影響部（以下、単に「ＨＡＺ」とも称す）のクリープ強度低下の抑制を目的としたフェライト系耐熱鋼が種々提案されている。例えば、特許文献４には、Ｂを０．００３％〜０．０３％含有させることにより、ＨＡＺでの細粒化を抑えることによりＨＡＺでのクリープ強度低下を抑制できるフェライト系耐熱鋼が開示されている。また、特許文献５および特許文献６には、多量のＢを含有するとともに、溶接入熱またはＢの含有量に応じてＣの含有量を調整することで、ＨＡＺの強度低下を抑制するとともに、溶接時の液化割れを防止できるフェライト系耐熱鋼がそれぞれ開示されている。【０００５】
ところで、これら多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼は溶接して使用されるのが一般的である。そのため、溶接時に使用する溶接材料として、例えば、特許文献７には、Ｂを０．０００５％〜０．００６％含有し、かつ（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｎｉ＋Ｃｏ）を所定の範囲に調整することにより、クリープ強度と靭性の両立を図ったフェライト系耐熱鋼用溶接材料が提案されている。また、特許文献８には、任意でＢを０．０００５％〜０．００６％含有するとともに、（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｎｉ＋Ｃｏ）および（０．５×Ｃｏ＋０．５×Ｍｎ＋Ｎｉ）に加えて、Ｃｒ当量を調整することにより、クリープ強度と靭性の両立を図ったフェライト系耐熱鋼用溶接材料が提案されている。また、特許文献９にはＢ：０．００７％〜０．０１５％を含有するとともに、（Ｃｒ＋６Ｓｉ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１０Ｂ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−２Ｍｎ）を所定の範囲に調整することにより、優れたクリープ強度と靭性を両立するフェライト系耐熱鋼用溶接材料が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許文献１：  特開平４−３７１５５１号公報
特許文献２：  特開平４−３７１５５２号公報
特許文献３：  特開２００２−２４１９０３号公報
特許文献４：  特開２００４−３００５３２号公報
特許文献５：  特開２０１０−７０９４号公報
特許文献６：  国際公開第２００８／１４９７０３号
特許文献７：  特開平８−１８７５９２号公報
特許文献８：  特開平９−３０８９８９号公報
特許文献９：  国際公開第２０１７／１０４８１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、これら多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼の溶接には、安定して優れたクリープ強度が得られるため、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料が用いられることもある。しかしながら、溶接金属に凝固割れが発生する場合がある。【０００８】
本開示は、上記現状に鑑みてなされたもので、多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼母材を多層溶接する際に、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料を用いても安定して凝固割れを抑制することが可能なフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法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】
【０００９】
上述の状況を踏まえて検討を重ねた結果、本発明者らは、以下の手段により上記課題を解決し得ることを見出した。
＜１＞
Ｂを０．００６質量％〜０．０２３質量％含むフェライト系耐熱鋼母材をＮｉ基耐熱合金用溶接材料で多層溶接する多層溶接工程を有し、
前記多層溶接工程での初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融した前記フェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］との比が、前記フェライト系耐熱鋼母材に含有されるＢの質量％［％ＢＢＭ］に対して下記（１）式を満たす溶接条件で初層溶接を行うフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３・・・（１）
＜２＞
前記フェライト系耐熱鋼母材が、質量％で、
Ｃ：０．０４％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．１０％〜１．００％、
Ｐ：０％〜０．０２０％、
Ｓ：０％〜０．０１０％、
Ｃｒ：８．０％〜１０．０％、
ＭｏおよびＷの少なくとも一種を合計：０．５％〜４．０％、
ＮｂおよびＴａの少なくとも一種を合計：０．０２％〜０．３０％、
Ｖ：０．０５％〜０．４０％、
Ｂ：０．００６％〜０．０２３％
Ｎ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０％〜０．０３０％、並びに
Ｏ：０％〜０．０２０％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなる＜１＞に記載のフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
＜３＞
前記フェライト系耐熱鋼母材が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、下記群より選択される少なくとも一種の元素を含有する＜２＞に記載のフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
群  Ｃｏ：４．０％以下、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｃａ：０．０５０％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、
ＲＥＭ：０．１００％以下
＜４＞
前記Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料が、質量％で、
Ｃ：０．００５％〜０．１８０％、
Ｓｉ：０．０２％〜１．２０％、
Ｍｎ：０．０２％〜４．００％、
Ｐ：０％〜０．０２０％、
Ｓ：０％〜０．０１０％、
Ｃｏ：０％〜１５．０％、
Ｃｕ：０％〜０．８０％、
Ｃｒ：１６．０％〜２５．０％、
Ｍｏ：０％〜１２．０％、
ＮｂおよびＴａの少なくとも一種を合計：０％〜４．５０％、
Ｔｉ：０％〜１．００％、
Ｆｅ：０％〜６．００％、
Ｎ：０％〜０．０５０％、
Ａｌ：０．００２％〜１．８００％、並びに
Ｏ：０％〜０．０２０％を含み、残部がＮｉおよび不純物からなる＜１＞〜＜３＞のいずれか一つに記載のフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼母材をＮｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて多層溶接する場合でも、安定して凝固割れを抑制することが可能なフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示に係るフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法における、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面を示す概略断面図である。
【図２】実施例において開先加工を施した板材の形状を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の実施形態に係るフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法について詳述する。
本明細書中の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
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および上限値として含む範囲を意味する。含有量を「０％〜Ｘ％」（Ｘは数値）と記載している元素は任意元素であり、その元素を含まなくてもよいし（すなわち、０％）、０％超〜Ｘ％の範囲で含んでもよいことを意味する。
【００１３】
［フェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法］
本開示に係るフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法は、Ｂを０．００６％〜０．０２３％含むフェライト系耐熱鋼母材をＮｉ基耐熱合金用溶接材料で多層溶接する多層溶接工程を有する。
そして、前記多層溶接工程での初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融した前記フェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］との比が、前記フェライト系耐熱鋼母材に含有されるＢの質量％［％ＢＢＭ］に対して下記（１）式を満たす溶接条件で初層溶接を行う。
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３・・・（１）
【００１４】
本発明者らは、前記した課題を解決するために詳細な調査を行った。その結果、以下に述べる知見が明らかになった。
（１）Ｂを０．００６％〜０．０２３％含むフェライト系耐熱鋼母材をＮｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて溶接する場合、初層の溶接金属に凝固割れが発生しやすい。この理由は、溶接時に母材が溶融することにより、母材に含まれるＢが溶接金属中に流入するためである。
【００１５】
（２）初層溶接金属に発生する凝固割れを抑制するためには、フェライト系耐熱鋼用母材のＢの含有量に応じて、初層溶接金属への母材の溶融量を所定の範囲に管理する必要があることがわかった。具体的には、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融したフェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属（初層溶接金属）の面積［ＳＷＭ］との比を、フェライト系耐熱鋼母材に含有されるＢの量（質量％）［％ＢＢＭ］に対して、｛−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３｝以下とする必要があることを明らかにした。
【００１６】
ここで、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］の上限値を、｛−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３｝との式で規定した理由について説明する。即ち、この関係は、Ｂの含有量［％ＢＢＭ］が異なる様々なフェライト系耐熱鋼母材を用いて試験を行い、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］と凝固割れ発生有無の関係を調査した結果、［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］が｛−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３｝より小さい場合に、凝固割れを抑制できることが実験的に導出されたものである。
【００１７】
（３）フェライト系耐熱鋼母材の溶融を抑えることが、安定した凝固割れの抑制に有効である一方、極端に母材の溶融を抑えた場合、別の溶接欠陥、いわゆる融合不良または裏波不良が生じやすくなることがわかった。そして、これを抑制するためには、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における溶融したフェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属（初層溶接金属）の面積［ＳＷＭ］との比が０．１以上となるよう初層溶接を管理することが有効であることが併せて明らかとなった。
【００１８】
以上の知見から、本開示において、フェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法を限定する理由は次の通りである。
Ｂを０．００６％〜０．０２３％含むフェライト系耐熱鋼母材を、Ｎｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて多層溶接する場合、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面における、溶融したフェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属（初層溶接金属）の面積［ＳＷＭ］との比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］は、フェライト系耐熱鋼母材に含有されるＢの質量％［％ＢＢＭ］に応じて、｛−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３｝以下とする。
【００１９】
比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］が｛−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３｝以下であれば、初層溶接中に母材からＢが溶接金属に流入しても、最終凝固部の残留液相中に濃化するＢ量が少なくなるため、凝固温度の低下が抑えられると考えられる。これにより、初層溶接金属における凝固割れが抑制される。
比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］が、｛−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３｝を上回ると、初層溶接中に母材からＢが溶接金属に過剰に流入する。溶接金属に過剰に流入したＢは、溶接金属の凝固時に最終凝固部の残留液相中に濃化し、凝固温度を低下させ凝固割れを生じさせるものと考えられる。
【００２０】
溶接金属の凝固割れ抑制のためには、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］は、小さくするほど好ましいが、０．１を下回ると、母材の溶融量が小さくなるため、融合不良または裏波不良が発生しやすくなる。そのため、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］を０．１以上とする。さらに好ましくは０．２以上である。
【００２１】
上記理由により、比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］の好ましい範囲を下記（１）式に規定した。
０．１≦［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］≦−５０×［％ＢＢＭ］＋１．３・・・（１）
【００２２】
・比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］の制御方法
比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］は、初層溶接時の溶接条件、例えば、溶接入熱、溶接材料の供給速度、開先形状、ギャップ、溶接方法及びシールドガス種等を適正に管理することにより所定の範囲とすることができる。
【００２３】
・［ＳＢＭ］、［ＳＷＭ］の測定方法
［ＳＢＭ］および［ＳＷＭ］は、以下の通り求められる。
即ち、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の横断面を現出する。例えば、現出した横断面は、図１に示すような断面となる。この横断面について、溶接金属（初層溶接金属）４の面積［ＳＷＭ］および元の開先形状から溶融したフェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］を、画像解析により求めることができる。
【００２４】
なお、前記横断面は、突き合わせた母材２Ａ及び２Ｂ同士の突き合わせ面に直交する方向の断面とする。前記横断面の現出は、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部における定常部、即ち、アークスタート部およびクレーター部を除く、溶接ビードが安定して形成された箇所を切断して現出させる。
溶接金属（初層溶接金属）４の面積［ＳＷＭ］とは、初層溶接後かつ第二層溶接前の溶接部の前記横断面における、溶接金属４（母材２Ａ及び２Ｂの初層溶接によって溶融したと考えられる部分も含む）の面積を指す。
溶融したフェライト系耐熱鋼母材の面積［ＳＢＭ］とは、母材２Ａ及び２Ｂの初層溶接によって溶融したと考えられる部分の、初層溶接前における面積を指す。
【００２５】
横断面の画像解析は、具体的には以下のようにして行う。
前述の現出した溶接部横断面の画像データから溶接金属４部分、即ち、面積［ＳＷＭ］に相当する領域を他の領域とは識別するために色分けする。画像データ上で開先加工時の幾何学情報から、母材２Ａ及び２Ｂにおける初層溶接時に溶融した部分、即ち、面積［ＳＢＭ］に相当する領域を同様に他の領域と識別するために色分けする。そして、それぞれ色分けされた領域の面積を市販の画像解析処理ソフトを用いて測定する。
【００２６】
次に本開示で用いられるフェライト系耐熱鋼用母材の化学組成は、Ｂの含有量が０．００６％〜０．０２３％の鋼組成であれば特に限定されるものではないが、以下に示す組成であることが好ましい。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。
【００２７】
Ｂ：０．００６％〜０．０２３％
Ｂは、マルテンサイト組織を得るのに有効であるとともに、高温での使用中に炭化物を旧オーステナイト境界およびマルテンサイトラス境界に微細分散させ、組織の回復を抑制し、クリープ強度の向上に大きく寄与する。また、溶接熱影響部のクリープ強度の低下の軽減にも有効な元素である。その効果を得るためには、０．００６％以上含有させる。しかしながら、過剰に含有させると、溶接中に溶接金属に流入し、凝固割れ感受性を高めるとともに、靭性低下を招く。そのため、上限を０．０２３％とする。Ｂ含有量の好ましい下限は０．００７％、好ましい上限は０．０１８％、さらに好ましい下限は０．００８％、さらに好ましい上限は０．０１５％である。
【００２８】
Ｃ：０．０４％〜０．１５％
Ｃは、マルテンサイト組織を得るのに有効であるとともに、高温使用時に微細な炭化物を生成し、クリープ強度の確保に寄与する。その効果を十分得るためには、０．０４％以上含有すればよい。しかしながら、０．１５％を超えて含有する場合には、クリープ強度向上の効果が飽和するため、０．１５％以下とする。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、好ましい上限は０．１３％である。さらに好ましい下限は０．０７％、さらに好ましい上限は０．１１％である。
【００２９】
Ｓｉ：０．０５％〜０．８０％
Ｓｉは、脱酸剤として含有されるが、耐水蒸気酸化特性に有効な元素である。その効果を得るためには、０．０５％以上含有させる。しかしながら、過剰に含有する場合、クリープ延性および延性の低下を招く。そのため、Ｓｉの含有量は０．８０％以下とする。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、好ましい上限は０．６０％である。さらに好ましい下限は０．２０％、さらに好ましい上限は０．５０％である。
【００３０】
Ｍｎ：０．１０％〜１．００％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として含有されるが、マルテンサイト組織を得るのにも効果を有する元素である。その効果を得るためには、０．１０％以上含有する。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有する場合、クリープ脆化を招くため、Ｍｎの含有量は１．００％以下とする。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２０％であり、好ましい上限は０．８０％である。さらに好ましい下限は０．３０％、さらに好ましい上限は０．７０％である。
【００３１】
Ｐ：０％〜０．０２０％
Ｐは、不純物として含まれ、過剰に含有するとクリープ延性を低下させる。そのため、Ｐの含有量は０．０２０％以下とする。Ｐの含有量は０．０１８％以下とするのが好ましく、さらには０．０１６％以下とするのがより好ましい。Ｐの含有量は少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料コストを極端に増大させる。そのため、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００５％、さらに好ましい下限は０．００１％である。
【００３２】
Ｓ：０％〜０．０１０％
Ｓは、Ｐと同様に不純物として含まれ、過剰に含有するとクリープ延性を低下させる。そのため、Ｓの含有量は０．０１０％以下とする。Ｓの含有量は０．００８％以下とするのが好ましく、さらには０．００５％以下とするのがより好ましい。Ｓの含有量は少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｓ含有量の望ましい下限は０．０００２％である。
【００３３】
Ｃｒ：８．０％〜１０．０％
Ｃｒは、高温での耐水蒸気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、高温での使用中に炭化物として析出し、クリープ強度の向上にも寄与する。これらの効果を十分に得るためには、８．０％以上のＣｒを含有すればよい。しかしながら、過剰に含有すると、炭化物の安定性を低下させてクリープ強度が低下するため、Ｃｒの含有量は１０．０％以下とする。Ｃｒ含有量の好ましい下限は８．３％であり、好ましい上限は９．８％である。さらに好ましい下限は８．５％、さらに好ましい上限は９．５％である。
【００３４】
ＭｏおよびＷの少なくとも一種を合計：０．５％〜４．０％
ＭｏおよびＷは、いずれもマトリックスに固溶もしくは金属間化合物として長時間使用中に析出し、高温でのクリープ強度確保に寄与する元素である。この効果を得るためには、少なくとも一種を合計で０．５％以上含有すればよい。しかしながら、４．０％を超えて含有すると、クリープ強度向上の効果が飽和するとともに、非常に高価な元素であるため、材料コストを増大させる。そのため、４．０％以下とする。好ましい下限は０．８％であり、好ましい上限は３．８％である。さらに好ましい下限は１．０％であり、さらに好ましい上限は３．５％である。
【００３５】
ＮｂおよびＴａの少なくとも一種を合計：０．０２％〜０．３０％
ＮｂおよびＴａは、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度の向上に寄与する。その効果を得るためには、少なくとも一種を合計で０．０２％以上含有すればよい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、０．３０％を上限とする。含有量の好ましい下限は０．０４％であり、好ましい上限は０．２５％である。さらに好ましい下限は０．０６％、さらに好ましい上限は０．２０％である。
【００３６】
Ｖ：０．０５％〜０．４０％
Ｖは、ＮｂおよびＴａと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、クリープ強度の向上に寄与する。その効果を得るためには、０．０５％以上含有させる。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、Ｖの含有量は０．４０％を上限とする。好ましい下限は０．１０％であり、好ましい上限は０．３５％である。さらに好ましい下限は０．１５％、さらに好ましい上限は０．２５％である。
【００３７】
Ｎ：０．００２％〜０．０２５％
Ｎは、高温での使用中に微細な窒化物として粒内に微細に析出し、クリープ強度の向上に寄与する。この効果を得るためには、０．００２％以上含有させる。しかしながら、過剰に含有すると、窒化物の粗大化を招き、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｎの含有量は、０．０２５％を上限とする。好ましい下限は０．００４％であり、好ましい上限は０．０２０％である。さらに好ましい下限は０．００６％、さらに好ましい上限は０．０１５％である。
【００３８】
Ａｌ：０％〜０．０３０％
Ａｌは、脱酸剤として含有されるが、多量に含有すると清浄性を著しく害し、加工性を劣化させる。また、クリープ強度の観点からも好ましくない。そのため、Ａｌの含有量は０．０３０％以下とする。好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。下限は特に設ける必要はなく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを増大させる。そのため、０％超でもよく、０．００１％以上とするのが好ましい。ここで言うＡｌとはＳｏｌ．Ａｌ（固溶Ａｌ）を指す。
【００３９】
Ｏ：０％〜０．０２０％
Ｏは、不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、加工性を低下させる。そのため、Ｏの含有量は０．０２０％以下とする。好ましくは０．０１８％以下、さらに好ましくは０．０１５％以下である。下限は特に設ける必要はなく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを増大させる。そのため、０％超でもよく、０．００１％以上とするのが好ましい。
【００４０】
さらに、本開示で用いられるフェライト系耐熱鋼用母材は、母材に含まれるＦｅの一部に代えて、下記の第１群から第３群までの少なくとも１つの群に属する少なくとも一種の元素を含有してもよい。下記にその限定理由を述べる。
【００４１】
第１群  Ｃｏ：４．０％以下、Ｎｉ：１．００％以下、Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｏ：４．０％以下（０％〜４．０％）
Ｃｏは、含有量が０％でもよいし、マルテンサイト組織を得、クリープ強度を向上させるのに有効な元素であるため含有させてもよい。しかしながら、過剰に添加すると、クリープ強度およびクリープ延性がかえって低下する。加えて、非常に高価な元素であるため、材料コストを増大させる。そのため、Ｃｏの含有量は４．０％以下とする。好ましい上限は３．８％であり、さらに好ましい上限は３．５％である。含有させる場合の好ましい下限は０．０５％、さらに好ましい下限は０．１％である。
【００４２】
Ｎｉ：１．００％以下（０％〜１．００％）
Ｎｉは、含有量が０％でもよいし、Ｃｏと同様、マルテンサイト組織を得るのに有効であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、上記のＣｏ含有量範囲においては、１．００％を超えて含有しても、その効果は飽和するとともに、高価な元素であるため、１．００％を上限とする。好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６０％以下である。含有させる場合の好ましい下限は０．０５％、さらに好ましい下限は０．１０％である。
【００４３】
Ｃｕ：１．０％以下（０％〜１．０％）
Ｃｕは、含有量が０％でもよいし、ＣｏおよびＮｉと同様、マルテンサイト組織の生成に有効であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、１．０％を超えて含有すると、クリープ延性を低下させるため、１．０％以下とする。好ましい上限は０．８％であり、さらに好ましくは０．６％以下である。含有させる場合の好ましい下限は０．０５％、さらに好ましい下限は０．１％である。
【００４４】
第２群  Ｔｉ：０．３０％以下（０％〜０．３０％）
Ｔｉは、含有量が０％でもよいし、Ｎｂ、ＶおよびＴａと同様、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、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よい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、クリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、０．３０％を上限とする。さらに好ましくは０．２０％以下である。含有させる場合の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましい下限は０．０４％である。
【００４５】
第３群  Ｃａ：０．０５０％以下、Ｍｇ：０．０５０％以下、ＲＥＭ：０．１００％以下
Ｃａ：０．０５０％以下（０％〜０．０５０％）
Ｃａは、含有量が０％でもよいし、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて添加してもよい。しかしながら、過剰の添加は酸素と結合し、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ため０．０５０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。含有させる場合の好ましい下限は０．０００５％である。さらに好ましい下限は０．００１％である。
【００４６】
Ｍｇ：０．０５０％以下（０％〜０．０５０％）
Ｍｇは、含有量が０％でもよいし、Ｃａと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて添加してもよい。しかしながら、過剰の添加は酸素と結合し、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ため０．０５０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下、さらに好ましくは０．０２０％以下である。含有させる場合の好ましい下限は０．０００５％である。さらに好ましい下限は０．００１％である。
【００４７】
ＲＥＭ：０．１００％以下（０％〜０．１００％）
ＲＥＭは、含有量が０％でもよいし、ＣａおよびＭｇと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて添加してもよい。しかしながら、過剰の添加は酸素と結合し、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ため０．１００％以下とする。好ましくは０．０８０％以下、さらに好ましくは０．０６０％以下である。含有させる場合の好ましい下限は０．０１０％である。さらに好ましい下限は０．０２０％である。
【００４８】
「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。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よい。
【００４９】
本開示で用いられるＮｉ基耐熱合金用溶接材料の化学組成は、特に限定されるものではないが、以下に示す組成であることが好ましい。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。
【００５０】
Ｃ：０．００５％〜０．１８０％
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、溶接金属の高温使用時のオーステナイト組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには０．００５％以上含有させる。しかしながら、過剰に含有すると、炭化物として多量に析出し、クリープ延性または高温での耐食性を低下させる。そのため、Ｃの含有量は０．１８０％以下とする。好ましい下限は０．００８％、好ましい上限は０．１５０％である。さらに好ましい下限は０．０１０％、さらに好ましい上限は０．１２０％である。
【００５１】
Ｓｉ：０．０２％〜１．２０％
Ｓｉは、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の耐水蒸気酸化特性に有効な元素である。その効果を得るためには、０．０２％以上含有させる。しかしながら、過剰に含有すると、溶接金属の凝固割れ感受性を増大させるため、Ｓｉの含有量は１．２０％を上限とする。好ましい下限は０．０５％、好ましい上限は１．００％である。さらに好ましい下限は０．１％、さらに好ましい上限は０．８０％である。
【００５２】
Ｍｎ：０．０２％〜４．００％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の高温での組織の安定性を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには０．０２％以上含有させる。しかしながら、過剰に含有すると脆化を招くため、Ｍｎの含有量は４．００％以下とする。好ましい下限は０．０５％、好ましい上限は３．５０％である。さらに好ましい下限は０．０８％、さらに好ましい上限は３．００％である。
【００５３】
Ｐ：０％〜０．０２０％
Ｐは、不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に凝固割れ感受性を増大させるとともに、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｐの含有量は０．０２０％以下とする。Ｐの含有量は０．０１８％以下とするのが好ましく、さらには０．０１６％以下とするのが好ましい。Ｐの含有量は少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料コストを極端に増大させる。そのため、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００５％、さらに好ましい下限は０．００１％である。
【００５４】
Ｓ：０％〜０．０１０％
Ｓは、Ｐと同様に不純物として含まれ、溶接金属の凝固時に凝固割れ感受性を増大させるとともに、クリープ延性の低下を招く。そのため、Ｓの含有量は０．０１０％以下とする。Ｓの含有量は０．００８％以下とするのが好ましく、さらには０．００５％以下とするのが好ましい。Ｓの含有量少ないほどよく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は製造コストを極端に増大させる。そのため、Ｓ含有量の好ましい下限は０．０００１％、さらに好ましい下限は０．０００２％である。
【００５５】
Ｃｏ：０％〜１５．０％
Ｃｏは、溶接材料中に必ずしも含有されなくともよいが、溶接金属の高温での組織を安定化し、クリープ強度を向上させるのに有効な元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に添加すると、クリープ強度およびクリープ延性がかえって低下する。加えて、非常に高価な元素であるため、材料コストを増大させる。そのため、上限を１５．０％とする。好ましい上限は１４．５％、さらに好ましい上限は１４．０％である。含有量が０％であってもよいが、０％超でもよく、含有させる場合の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましい下限は０．０５％である。
【００５６】
Ｃｕ：０％〜０．８０％
Ｃｕは、Ｃｏと同様、溶接材料中に必ずしも含有されなくともよいが、溶接金属の高温での組織を安定化し、クリープ強度を向上させるのに有効な元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰に添加すると、クリープ延性がかえって低下する。そのため、上限を０．８０％とする。好ましい上限は０．６０％、さらに好ましい上限は０．５０％である。含有量が０％であってもよいが、０％超でもよく、含有させる場合の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましい下限は０．０５％である。
【００５７】
Ｃｒ：１６．０％〜２５．０％
Ｃｒは、溶接金属の高温での耐水蒸気酸化性および耐食性に有効な元素である。また、高温での使用中に炭化物として析出し、クリープ強度の向上にも寄与する。これらの効果を得るためには、１６．０％以上含有させる。しかしながら、過剰に含有すると、高温での組織安定性を低下させてクリープ強度が低下するため、Ｃｒの含有量は２５．０％以下とする。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１６．５％であり、好ましい上限は２４．５％である。さらに好ましい下限は１７．０％、さらに好ましい上限は２４．０％である。
【００５８】
Ｍｏ：０％〜１２．０％
Ｍｏは、溶接材料中に必ずしも含有されなくともよいが、マトリックスに固溶し、溶接金属の高温でのクリープ強度確保に寄与する元素であるので含有させてもよい。しかしながら、過剰な含有は、高温での組織安定性を低下させ、クリープ強度をかえって低下させる。そのため、１２．０％以下とする。好ましい上限は１１．５％、さらに好ましい上限は１１．０％である。含有量が０％であってもよいが、０％超でもよく、含有させる場合の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましい下限は０．０５％である。
【００５９】
ＮｂおよびＴａの少なくとも一種を合計：０％〜４．５０％
ＮｂおよびＴａは、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与するため含有させてもよい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、却ってクリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、４．５０％を上限とする。好ましい上限は４．２０％、さらに好ましい上限は４．００％である。含有量が０％であってもよいが、０％超でもよく、含有させる場合の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましい下限は０．０５％である。
【００６０】
Ｔｉ：０％〜１．００％
Ｔｉは、ＮｂおよびＴａと同様、溶接材料中に必ずしも含有されなくともよいが、高温での使用中に微細な炭窒化物として粒内に析出し、溶接金属のクリープ強度の向上に寄与するため含有させてもよい。しかしながら、含有量が過剰になると、多量かつ粗大に析出し、却ってクリープ強度およびクリープ延性の低下を招く。そのため、１．００％を上限とする。好ましい上限は０．９０％、さらに好ましい上限は０．８０％である。含有量が０％であってもよいが、０％超でもよく、含有させる場合の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましい下限は０．０５％である。
【００６１】
Ｆｅ：０％〜６．００％
Ｆｅは、溶接材料中に必ずしも含有されなくともよいが、溶接材料の製造時に熱間での変形能を改善する効果を有するため、含有させてもよい。しかしながら過剰に含有する場合、合金の熱膨張係数が大きくなるとともに、耐水蒸気酸化性も劣化する。その含有量は６．００％を上限とする。好ましくは５．５０％以下、さらに好ましくは５．００％以下である。含有量が０％であってもよいが、０％超でもよく、含有させる場合の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましい下限は０．０２％である。
【００６２】
Ｎ：０％〜０．０５０％
Ｎは、高温での溶接金属組織安定性を高めるのに有効な元素であるが、過剰に含有する場合、高温での使用中に多量の窒化物の析出を招き、靭性および延性を低下させるため、０．０５０％以下とする。Ｎの含有量は０．０３０％以下とするのが好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。Ｎ含有量の下限は特に設けず、つまり含有量が０％であってもよいが、０％超でもよく、好ましい下限は０．０００５％、さらに好ましい下限は、０．００１％である。
【００６３】
Ａｌ：０．００２％〜１．８００％
Ａｌは、Ｎｉと結合して金属間化合物として粒内に微細に析出し，溶接金属のクリープ強度向上に貢献する。この効果を得るためには、０．００２％以上含有する。一方で、過剰に含有すると金属間化合物相の過剰な析出を招き、靭性を低下させる。そのため、Ａｌ含有量は１．８００％以下とする。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、望ましい上限は１．６００％である。さらに好ましい下限は０．０１０％であり、さらに好ましい上限は１．５００％である。
【００６４】
Ｏ：０％〜０．０２０％
Ｏは、不純物として含有されるが、多量に含まれる場合には、溶接金属の延性を低下させる。そのため、０．０２０％を上限とする。Ｏの含有量は０．０１５％以下とするのが好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。Ｏの含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％であってもよいが、極度の低減は材料コストの増大を招くため、０％超でもよく、好ましい下限は０．０００５％である。さらに好ましい下限は、０．００１％である。
【００６５】
本開示に係るフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法を実施する場合、例えば、上述した化学組成を有するフェライト系耐熱鋼母材とＮｉ基耐熱合金用溶接材料を用い、母材の開先形状、ギャップ、溶接方法、溶接材料の供給速度、溶接入熱、シールドガス種などの溶接条件を調整して初層溶接を行う。次いで、初層溶接後の溶接部横断面における、溶融した母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］を画像処理により測定し、その比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］を求めて、式（１）を満たす溶接条件を見出す。
式（１）を満たす溶接条件で初層溶接を行い、続けて第二層以降の溶接を行って多層溶接を行う。
【００６６】
・用途
本開示に係るフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法によって製造されるフェライト系耐熱鋼溶接継手を有する溶接構造物は、例えば発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いられる。
高温で使用される溶接構造物の例としては、例えば石炭火力発電プラント、石油火力発電プラント、ごみ焼却発電プラントおよびバイオマス発電プラント等のボイラ用配管；石油化学プラントにおける分解管；等が挙げられる。
ここで、本開示における「高温での使用」とは、例えば３５０℃以上７００℃以下（さらには４００℃以上６５０℃以下）の環境で使用される態様が挙げられる。
【実施例】
【００６７】
以下、実施例によって本開示に係るフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法をより具体的に説明するが、本開示に係るフェライト系耐熱鋼溶接継手の製造方法はこれらの実施例に限定されるものではない。【００６８】
表１に示す化学組成を有するＡ〜Ｈの材料を実験室にて溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延により成形、焼き入れ、焼き戻しの熱処理を行った後、板厚１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの板材に加工し、溶接母材用として作製した。【００６９】
【表１】
2020116588.tif 000003
【００７０】
上記の溶接母材用板材の長手方向に、図２のＵ開先を加工した後、突き合わせ、表２に示す化学組成を有する外径１．２ｍｍの符号１〜３のＮｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて、シールドガスをＡｒとした自動ガスタングステンアーク溶接により初層溶接した。溶接に際しては、入熱を６〜１０ｋＪ／ｃｍ、溶接材料の供給速度を２．５〜７．５ｍｍ／ｓと種々変化させた。
得られた溶接継手の溶接金属表面について浸透探傷試験を行い、割れの有無を確認した後、溶接部の横断面を前述の方法により現出し、初層溶接後の溶接部横断面における、溶融した母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］を画像処理により測定し、その比［ＳＢＭ］／［ＳＷＭ］を求め、初層溶接金属の割れとの関係を評価した。さらに、裏波形成の有無を目視にて観察した。そして、浸透探傷試験にて割れの指示模様がなく、かつ裏波が形成されている溶接継手を「合格」とした。【００７１】
【表２】
2020116588.tif 000004
【００７２】
加えて、合格した溶接継手符号のうち、いくつかについては、入熱１２ｋＪ／ｃｍ、溶接材料の供給速度を５．５ｍｍ／ｓとし、自動ガスタングステンアーク溶接により積層溶接した。
得られた溶接継手から、溶接金属を平行部中央に有する丸棒クリープ試験片を採取した。そして、６５０℃、１２７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行い、破断時間が１０００時間を超えるものを「合格」とした。結果を表３、表４、及び表５に示す。溶接継手のクリープ破断試験における「−」はクリープ破断試験を行わなかったことを意味する。【００７３】
【表３】
2020116588.tif 000005
【００７４】
【表４】
2020116588.tif 000006
【００７５】
【表５】
2020116588.tif 000007
【００７６】
表３、表４、及び表５に、上記各試験の結果を併せて示す。
表３、表４、及び表５から、本開示で規定する条件を満足する溶接継手符号は初層溶接時に溶接金属割れまたは裏波未形成は発生せず、かつ、溶接継手も高いクリープ強度が得られることがわかる。
これに対して、溶接継手代符Ａ−１、Ａ−１１、Ａ−１６、Ａ−２１、Ｄ−１〜Ｄ−４、Ｄ−６〜Ｄ−７、Ｄ−１１〜Ｄ−１５、およびＧ−１〜Ｇ−３は、溶融した母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］との比の関係式（（１）式）から決まる上限を上回るため、溶接金属に割れが発生した。Ａ−１０、Ｄ−１０、およびＧ−５は、溶融した母材の面積［ＳＢＭ］と溶接金属の面積［ＳＷＭ］との比が０．１を下回ったため、裏波未形成が発生した。
さらに、溶接継手代符Ｅ−１〜Ｅ−１０は、母材のＢ含有量が本開示の範囲を上回ったため、溶接金属割れの抑制と裏波形成を両立しえなかった。
溶接継手代符Ｆ−１〜Ｆ−５は、溶接金属割れは安定して抑制できるものの、母材のＢ含有量が本開示の範囲を下回ったため、高い溶接継手のクリープ強度が得られなかった。【００７７】
このように本開示の要件を満足する場合のみ、健全な溶接継手が得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本開示によれば、多量のＢを含有するフェライト系耐熱鋼母材をＮｉ基耐熱合金用溶接材料を用いて多層溶接する場合に、安定して凝固割れを抑制する製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００７９】
２Ａ、２Ｂ  母材
４  溶接金属（初層溶接金属）
【図１】
2020116588.tif 000008
【図２】
2020116588.tif 000009
【国際調査報告】
2020116588.tif 000010
2020116588.tif 000011
2020116588.tif 000012
2020116588.tif 000013