堆焊體的製作方法

2023-09-19 23:09:55

本發明涉及在母材的表面堆焊有焊接金屬的堆焊體。更詳細地說，是涉及在鐵素體系耐熱鋼的表面形成有堆焊層焊接金屬的堆焊體。

背景技術：

化工廠等的在高溫下使用的壓力容器中，使用鐵素體系的耐熱鋼，其含有作為耐熱結構材料的Cr達2～12質量％左右(例如，參照專利文獻1)。鐵素體系耐熱鋼等的耐熱結構材料，具有由奧氏體相經淬火·回火處理而形成的被稱為回火馬氏體組織的微細的金屬組織。而後，大型的壓力容器便通過如下方式製造，即，由這樣的耐熱構造材料製作多個環狀的結構物，對其沿軸向進行環焊接合而製造。

耐熱材料的耐腐蝕性，強烈依存於鋼中所含有的Cr量。因此，鐵素體系的耐熱鋼，相比例如含有Cr為18質量％以上這樣的奧氏體系不鏽鋼而言，在耐腐蝕性這一點上較差，對於在化工廠產生連多硫酸和硫化氫造成的腐蝕說不上具有充分的耐腐蝕性。另一方面，奧氏體系不鏽鋼，因為熱膨脹率大，所以存在不適於高溫用途的厚壁構件和大型鍛造品等這樣的問題。因此，以往化工廠所使用的大型的壓力容器中，母材使用鐵素體系耐熱鋼，而在其與腐蝕成分的接觸面，則形成由奧氏體系不鏽鋼構成的堆焊金屬。

在這樣的要求有耐熱性的堆焊體中，將母材彼此接合後，會進行焊接後熱處理(Post Weld Heat Treatment：PWHT)，一般經過PWHT，環焊部的斷裂韌性提高。另一方面，使用耐熱性高的母材時，需要以更高溫度進行PWHT，但是若以高溫進行PWHT，則堆焊金屬脆化，存在因高溫下使用中的熱應力的反覆載荷，而導致堆焊部容易發生裂紋這樣的問題。

作為抑制PWHT對焊接部的影響的技術，例如有如下方法，即，通過特定母材的成分組成，從而防止邊界層鄰域的堆焊層不鏽鋼的奧氏體晶粒的粗大化，並且在PWHT中防止碳從母材向不鏽鋼的移動擴散的方法(參照專利文獻2)。

【現有技術文獻】

【專利文獻】

【專利文獻1】日本國特開2014－1702號公報

【專利文獻2】日本國特開平3－264647號公報

但是，專利文獻2所述的技術，是著眼於氫的影響的堆焊金屬的剝離防止技術，並沒有著眼於由母材和焊接金屬構成的焊接部作為機械的性質的變形能力。

技術實現要素：

因此，本發明其主要目的在於，提供一種焊接部的耐撓曲龜裂性優異的堆焊體。

本發明者，對於堆焊體的耐撓曲龜裂性在高溫的PWHT後劣化這一問題進行研究，發現通過改善焊接金屬與母材的界面區域的延展性和焊接金屬自身的延展性這兩方面，則焊接部的耐撓曲龜裂性提高，從而達成本發明。具體來說，因為焊接金屬的Cr與母材的C發生反應而引起界面層的硬化，所以通過使焊接金屬和母材的Cr含量比與C含量比的積處於特定的範圍，則能夠改善界面區域的延展性。另外，通過減少焊接金屬的Mn含量，並且使根據焊接金屬的各成分的含量計算出的參數的值在特定的範圍，則能夠改善焊接金屬的延展性。

即，本發明的堆焊體，是在母材的表面堆焊有焊接金屬的堆焊體，所述母材具有如下組成：含有C：0.07～0.12質量％、Cr：2.0～10質量％、Mo：0.5～1.5質量％、V：0.02～0.5質量％和Nb：0.01～0.2質量％，並且限制如下，Si：0.6質量％以下、Mn：1質量％以下、P：0.04質量％以下、S：0.02質量％以下、Cu：0.3質量％以下、Ni：0.6質量％以下及N：0.1％質量以下，餘量由Fe和不可避免的雜質構成，所述焊接金屬具有如下組成：含有Ni：9～11質量％、Cr：18～21質量％和Nb：0.1～1質量％，並且限制如下，C：0.08質量％以下、Si：1.0質量％以下、Mn：0.9質量％以下、P：0.04質量％以下、S：0.03質量％以下、Cu：0.75質量％以下、Mo：0.75質量％以下、V：0.15質量％以下、N：0.08質量％以下，餘量由Fe和不可避免的雜質構成，設Cr含量(質量％)為[Cr]、Mo含量(質量％)為[Mo]、Si含量(質量％)為[Si]、Nb含量(質量％)為[Nb]、Mn含量(質量％)為[Mn]、Ni含量(質量％)為[Ni]、C含量(質量％)為[C]時，滿足下述數學式1，設所述焊接金屬的Cr含量(質量％)為[Crw]、所述母材的Cr含量(質量％)為[Crm]、所述焊接金屬的C含量(質量％)為[Cw]、所述母材的C含量(質量％)為[Cm]時，滿足下述數學式2。

【數學式1】

[[Cr]+[Mo]+1.5×[Si]+0.5×[Nb]+2.5×[Mn]-0.2×[Ni]+30×[C]≤21.5

【數學式2】

([Crw]/[Crm])×([Cm]/[Cw])≤15

根據本發明，能夠改善焊接部的耐撓曲龜裂性，使高溫PWHT後的堆焊部的變形能力提高。

附圖說明

圖1中，在橫軸取數學式4所表示的焊接金屬和母材的Cr含量比與C含量比的積，在縱軸取數學式3所表示的根據焊接金屬的各成分的含量計算出的參數，圖1是表示實施例和比較例的各試驗體的這些值的關係的圖解圖。

具體實施方式

以下，就用於實施本發明的方式，詳細地加以說明。還有，本發明不受以下說明的實施方式限定。

本實施方式的堆焊體，是像高溫下使用的壓力容器等這樣要求耐熱性的結構物，在母材的表面堆焊有焊接金屬，例如是堆焊接頭。

本實施方式的堆焊體的母材，具有如下組成：含有C：0.07～0.12質量％、Cr：2.0～10質量％、Mo：0.5～1.5質量％、V：0.02～0.5質量％和Nb：0.01～0.2質量％，並且限制如下，Si：0.6質量％以下、Mn：1質量％以下、P：0.04質量％以下、S：0.02質量％以下、Cu：0.3質量％以下、Ni：0.6質量％以下及N：0.1％質量以下，餘量由Fe和不可避免的雜質構成。

另外，作為為了使母材的耐腐蝕性提高而形成的堆焊金屬，存在SUS309和SUS347等，在本實施方式的堆焊體中，是作為使焊接金屬為如下組成的奧氏體系不鏽鋼，其含有Ni：9～11質量％、Cr：18～21質量％及Nb：0.1～1質量％，並且限制如下，C：0.08質量％以下、Si：1.0質量％以下、Mn：0.9質量％以下、P：0.04質量％以下、S：0.03質量％以下、Cu：0.75質量％以下、Mo：0.75質量％以下、V：0.15質量％以下、N：0.08質量％以下，餘量由Fe和不可避免的雜質構成，滿足下述數學式3。

【數學式3】

[[Cr]+[Mo]+1.5×[Si]+0.5×[Nb]+2.5×[Mn]-0.2×[Ni]+30×[C]≤21.5

還有，上述數學式3中的[Cr]是Cr含量(質量％)，[Mo]是Mo含量(質量％)，[Si]是Si含量(質量％)，[Nb]是Nb含量(質量％)，[Mn]是Mn含量(質量％)，[Ni]是Ni含量(質量％)，[C]是C含量(質量％)。

此外，本實施方式的堆焊體，焊接金屬中的Cr和C的含量，與母材中的Cr和C的含量的關係，滿足下述數學式4。還有，下述數學式4中的[Crw]是焊接金屬的Cr含量(質量％)，[Crm]是母材的Cr含量(質量％)。另外，[Cw]是焊接金屬的C含量(質量％)，[Cm]是母材的C含量(質量％)。

【數學式4】

([Crw]/[Crm])×([Cm]/[Cw])≤15

接下來，對於構成本實施方式的堆焊體的母材和焊接金屬中所含有的成分進行說明。

(母材)

母材能夠使用在本實施方式的堆焊體的用途中，通常所使用的母材，具體來說，可使用具有前述的成分組成的鋼材。還有，作為限制成分的Si、Mn、P、S、Cu、Ni和N，也可以完全不包含(即0質量％)，但極端減少會伴隨製造成本的增加，因此從成本效益的觀點出發，下限均不包括0質量％。作為具有這樣的成分組成的鋼，可列舉2.25Cr－1Mo鋼、2.25Cr－1Mo－V鋼和9Cr－1Mo－V鋼等的高溫強度以及長期可靠性優異的耐熱鋼。

(焊接金屬)

＜Ni：9～11質量％＞

Ni是作為不鏽鋼的必須元素之一，具有使奧氏體相穩定化的效果。但是，焊接金屬的Ni含量低於9質量％時，有不能維持奧氏體相的情況。另一方面，若焊接金屬的Ni含量高於11質量％，則招致製造成本的增加，另外，也使焊接金屬中的鐵素體相過度減少。因此，焊接金屬的Ni含量為9～11質量％。

＜Cr：18～21質量％＞

Cr是使耐腐蝕性提高的元素，是作為不鏽鋼的必須元素之一。但是，焊接金屬的Cr含量低於18質量％時，難以發揮作為不鏽鋼的基本的耐腐蝕性，另外，若高於21質量％，則不能維持焊接金屬中的鐵素體相，有帶來高溫裂紋的情況。因此，焊接金屬的Cr含量為18～21質量％。

＜Nb：0.1～1質量％＞

Nb固定焊接金屬中的碳，是使不鏽鋼的耐腐蝕性提高的元素之一。但是，若焊接金屬的Nb含量低於0.1質量％時，碳的固定不充分，若高於1質量％，則固溶Nb增加，有使鐵素體量過度增加的情況。因此，焊接金屬的Nb含量為0.1～1質量％。

＜C：0.08質量％以下＞

C是與Cr結合而形成化合物的元素。那麼，若焊接金屬的C含量高於0.08質量％，則固溶Cr量局部性地減少，招致耐腐蝕性的降低。因此，焊接金屬的C含量限制在0.08質量％以下。還有，C包含在焊接材料和焊劑中，是即使不積極地添加，也在焊接金屬中含有的元素。要使C含量過度地降低，會伴隨極高的成本，因此從成本效益的觀點出發，C含量優選為0.005質量％以上。

＜Si：1.0質量％以下＞

Si一直以來被認為是促進σ相形成的元素，若Si含量高於1.0質量，則焊接金屬脆化。因此，焊接金屬的Si含量限制在1.0質量％以下。但是，從確保液流性的觀點出發，期望也少許量含有Si，Si含量優選為0.1質量％以上，更優選為0.15質量％以上。

＜Mn：0.9質量％以下＞

Mn在用於得到本發明的一部分的效果上是重要的元素，在滿足上述數學式3的焊接金屬中，通過將Mn含量限制在0.9質量％以下，能夠抑制在焊接金屬中發生的裂紋。還有，從改善焊接金屬的延展性的觀點出發，Mn含量優選為0.8質量％以下，更優選為0.7質量％以下。但是，使焊接金屬的Mn含量過度降低，會帶來成本增加，因此Mn含量優選為0.2質量％以上。

＜Mo：0.75質量％以下＞

Mo是使耐腐蝕性提高的元素，而因為本發明以含有Mo的母材為對象，所以伴隨母材的稀釋，焊接金屬便含有Mo，若Mo含量高於0.75質量％，則焊接金屬容易脆化。因此，焊接金屬的Mo含量限制在0.75質量％以下。但是，使焊接金屬的Mo含量過度降低，會帶來成本增加，因此Mo含量優選為0.05質量％以上。

＜V：0.15質量％以下＞

V是使鐵素體強烈穩定化的元素，若V含量高於0.15質量％，則焊接金屬中的鐵素體過度增加。因此，焊接金屬的V含量限制在0.15質量％以下。焊接金屬中也可以完全不含V(即0質量％)，但極端減少伴隨著製造成本增加。因此，從成本效益的觀點出發，V量的下限不包括0質量％。更優選的下限為0.01質量％。

＜P：0.04質量％以下＞

P是不可避免的雜質，若P含量高於0.04質量％，則焊接金屬容易發生焊接裂紋。因此，焊接金屬的P含量限制在0.04質量％以下。焊接金屬中也可以完全不含P(即0質量％)，但因為其不可避免地混入，所以極端地降低會伴隨製造成本增加。因此，從成本效益的觀點出發，P量的下限不包括0質量％。更優選的下限為0.005質量％。

＜S：0.03質量％以下＞

S是不可避免的雜質，若S含量高於0.03質量％，則焊接金屬脆化。因此，焊接金屬的S含量限制在0.03質量％以下。焊接金屬中也可以完全不含S(即0質量％)，但因為其不可避免地混入，所以極端降低會伴隨製造成本增加。因此，從成本效益的觀點出發，S量的下限不包括0質量％。更優選的下限為0.003質量％。

＜Cu：0.75質量％以下＞

Cu是不可避免的雜質，若Cu含量高於0.75質量％，則有焊接金屬過度硬化的情況。因此，焊接金屬的Cu含量限制在0.75質量％以下。還有，優選Cu含量處於0.50質量％以下，更優選為0.20質量％以下，進一步優選為0.05質量％以下。焊接金屬中也可以完全不含Cu(即0質量％)，但是因其不可避免地混入，所以極端降低會伴隨製造成本增加。因此，從成本效益的觀點出發，Cu量的下限不包括0質量％。更優選的下限為0.01質量％。

＜N：0.08質量％以下＞

N是不可避免的雜質之一，若焊接金屬的N含量高於0.08質量％，則形成氮化物，使Cr的固溶量減少。因此，焊接金屬的N含量限制在0.08質量％以下。焊接金屬中也可以完全不含N(即0質量％)，但因其不可避免地混入，所以極端降低會伴隨製造成本增加。因此，從成本效益的觀點出發，N量的下限不包括0質量％。更優選的下限為0.005質量％。

＜餘量＞

焊接金屬的上述以外的成分，即，餘量是Fe和不可避免的雜質。在此，作為不可避免的雜質，除了前述的P、S、Cu及N以外，還可列舉Sn、Pb、Sb、As、Se、Zn、Ca、Al、Mg、Ti、Zr、Y、Ta、Hf、Sc、Co和Ag等，即使焊接金屬中包含這些成分，也不會影響到本發明的效果。

＜Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+2.5Mn－0.2Ni+30C≤21.5＞

焊接金屬的延展性，在使Mn含量為0.9質量％以下的基礎上，能夠通過使焊接金屬成為滿足上述數學式3的組成而加以改善。通過成為滿足上述數學式3的組成，能夠抑制經過更高溫的PWHT後，因彎曲變形而產生的存在於凝固組織中的鐵素體相的龜裂發生。

另一方面，若焊接金屬的組成不滿足上述數學式3，上述數學式3的左邊所示的參數([Cr]+[Mo]+1.5×[Si]+0.5×[Nb]+2.5×[Mn]－0.2×[Ni]+30×[C])的值高於21.5，則PWHT條件為高溫時，焊接金屬的延展性不足，焊接金屬中的鐵素體相容易發生龜裂。還有，從改善焊接金屬的延展性的觀點出發，上述數學式3的左邊所示的參數的值優選為21以下，更優選為20以下。

(母材和焊接金屬的C含量與Cr含量的關係)

即使母材和焊接金屬的成分組成處於前述的範圍，也未必能夠使堆焊體的耐裂紋性充分提高。特別是進行了高溫的PWHT的堆焊體的情況下，母材與焊接金屬的接合界面區域的延展性降低，伴隨彎曲變形，將在該區域發生龜裂。

接合界面區域的延展性降低，是由於焊接金屬的Cr與母材的C發生反應而引起界面層的硬化，因此在本實施方式的堆焊體中，關於Cr含量和C含量，在母材和焊接金屬中分別使之濃度差小。具體來說，使母材的Cr含量和C含量，焊接金屬的Cr含量和C含量，滿足上述數學式4。由此，能夠改善母材與焊接金屬的接合界面區域的延展性。

另一方面，若焊接金屬和母材的組成不滿足上述數學式4，則上述數學式4的左邊所示的{(Crw/Crm)×(Cm/Cw)}的值高於15，進行高溫的PWHT時，母材與焊接金屬的接合界面區域的延展性不足，由於彎曲變形導致在接合界面區域容易發生龜裂。還有，從改善接合界面區域的延展性的觀點出發，上述數學式4的左邊所示的{(Crw/Crm)×(Cm/Cw)}的值，優選為14以下，更優選為13以下。

[形成方法]

接下來，對於本實施方式的堆焊體的形成方法進行說明。本實施方式的堆焊體，能夠通過由例如SAW(埋弧焊)和ESW(電渣焊)，對於前述的組成的母材進行堆焊而形成。還有，焊接方法並不限定為SAW和ESW，只要是通過得到前述的組成的焊接金屬成分的方法即可，能夠適用各種焊接方法。

另外，形成本實施方式的堆焊體時使用的焊接材料，能夠為相當於焊接金屬的成分的組成，但是也有這樣的情況，即焊接中容易氧化消耗的Cr和Nb，通過預先提高其濃度，則能夠更容易得到目標成分。另外，也可以在施工時使用的焊劑中添加原料，由此調節焊接金屬的成分。還有，焊接金屬的組成，也能夠藉助焊劑的種類和原料添加進行調節。

還有，堆焊體是大型的機器時，焊接材料優選使用薄壁且幅寬的帶極堆焊材料。例如，若使用壁厚0.8mm以下，寬15mm以上的帶狀焊接材料，則與直徑2mm的線狀的焊接材料相比，能夠針對大面積高效率地進行施工，此外，可以形成比較平坦的焊接金屬。

此外，母材的製造方法沒有特別限定，但需要進行會成為奧氏體組織的溫度域的淬火處理，和不會奧氏體化的溫度域的回火處理，預先使回火馬氏體組織形成。例如，母材能夠通過如下方式製造：以成為前述成分組成的方式，進行熔煉和鑄造而製作鋼錠後，對於由熱加工成形的板材，以1000℃以上的溫度條件進行淬火處理後，再以600～750℃左右的溫度條件進行回火處理。

如以上詳述，本實施方式的堆焊體，使作為耐熱構造材料的母材和焊接金屬中所含的各成分的含量處於特定的範圍，並且使母材和焊接金屬成為滿足上述數學式3和數學式4的組成，因此能夠改善焊接部的耐撓曲龜裂性。由此，高溫PWHT後的堆焊部的變形能力提高，因此，即使負載因高溫耐熱機器的運轉和停止形成的熱應力，仍能夠實現堆焊接頭的裂紋和剝離難以發生的堆焊體。

【實施例】

以下，列舉本發明的實施例和比較例，對於本發明的效果具體地加以說明。在本實施例中，使用成分組成不同的母材和帶極進行堆焊，評價所得到的堆焊金屬的耐撓曲龜裂性。

[母材的製作方法]

母材通過如下方式製作：經熔煉·鑄造、鍛造加工，製作下述表1的No.A～M所示的成分組成的鋼材，以1020～1060℃進行淬火處理後，再以670～775℃進行回火處理。還有，下述表1所示的母材成分組成的餘量，是Fe和不可避免的雜質。表中沒有Cu的記載，但無論在哪一例中，Cu含量都為0.3質量％以下。另外，No.A～H、J～M的母材具有本發明的範圍內的組成，但No.I的母材是C含量脫離本發明的範圍的比較例。

【表1】

[焊接方法]

在上述表1所示的No.A～M的各母材的表面，通過使用了75mm寬的帶狀電極的ESW(電渣焊)方式的堆焊，形成厚度約5mm的堆焊金屬。焊接條件中，電流為1400A，焊接速度為18cm/分鐘，單層熔敷金屬。而且，在焊接後，作為PWHT以775℃的溫度條件實施32小時的熱處理，作為評價用的焊接試驗體。

[評價方法]

評價中，粗切割由前述方法製作的焊接試驗體，以使母材部分的厚度為10mm，並使相對於焊接方向垂直的方向的寬度為70mm，再對於使焊接方向為試驗片的板厚方向而進行了薄片加工的試驗體進行機械研磨，製作後述厚度的彎曲試驗片。該彎曲試驗片的尺寸為，長70mm，寬15mm，厚3mm，寬15mm之中有5mm是堆焊金屬的部分。

關於彎曲試驗，使用通用的拉伸壓縮試驗機，按3點彎曲的要領實施。將作為受體的2根輥，與試驗機的底座平行且水平設置後，在各輥上設置試驗片，前端為半圓形的衝頭壓入輥間的中央部分，從而施加彎曲變形。這時，試驗片的方向為，長邊(70mm)與輥軸方向相垂直的方向。即，與焊接方向平行地按壓衝頭。

還有，在彎曲試驗中，使試驗片的板厚為1.5mm、2.5mm、3.5mm，使衝頭前端的半徑為2mm、3mm、6mm，通過分別組合，施加曲率不同的彎曲變形。另外，輥間的距離設定為，衝頭前端的直徑與試驗片的厚度的2倍之和，使彎曲變形後處於外側試驗片表面的拉伸應量為彎曲應變，通過前述的板厚與衝頭直徑的組合，使彎曲應變為11％、17％、20％、23％、28％、29％和37％，這樣的試驗針對各個鋼種以N＝2的試驗數進行。

彎曲試驗後有無裂紋發生，由肉眼和實體顯微鏡確認，將試驗數N＝2的試驗片均未發生裂紋的最高應變量作為耐撓曲龜裂性。其結果顯示在下述表2中。另外，在下述表2中，也一併顯示所得到的焊接金屬的成分組成。還有，用於焊接的帶狀電極的成分，與下述表2所示的各焊接金屬的成分大致等同。另外，下述表2所示的焊接金屬的成分組成的餘量，是Fe和不可避免的雜質。還有，表中沒有Cu的記述，但無論哪一例中，Cu含量均為0.05質量％以下。

【表2】

上述表2所示的試驗體No.1～7、9、11、13、15，是本發明的範圍內的實施例，試驗體No.8、10、12、14、16～20是脫離本發明的範圍之外的比較例。另外，圖1中，在橫軸取數學式4所表示的焊接金屬和母材的Cr含量比與C含量比的積，在縱軸取數學式3所表示的根據焊接金屬的各成分的含量計算出的參數，圖1是表示實施例和比較例的各試驗體的這些值的關係的圖解圖。如圖1所示可知，實施例的各試驗體，存在於滿足數學式3和數學式4的範圍內。

如上述表2所示，在比較例的各試驗體中，耐撓曲龜裂性為17以下，相對於此，在實施例的各試驗體中能夠得到20以上的良好的耐撓曲龜裂性。另外，試驗體No.12、14、16是雖然滿足數學式3，但不滿足數學式4的比較例，試驗體No.8、10、19、20是雖然滿足數學式4，但不滿足數學式3的比較例。這些試驗體只具有17以下的耐撓曲龜裂性，比實施例的各試驗體差，由此可知，如果不滿足數學式3和數學式4這兩方，則不能取得本發明的效果。

由以上的結果可確認，通過滿足本發明中規定的成分範圍和條件式，能夠得到耐撓曲龜裂性優異的堆焊體。

詳細並參照特定的實施方式說明了本發明，但不脫離本發明的精神和範圍能夠加以各種變更和修改，這對從業者來說很清楚。

本申請基於2014年6月11日申請的日本專利申請(專利申請2014－120757)，其內容在此參照而編入。

【產業上的可利用性】

本發明的堆焊體，因為高溫PWHT後的焊接部的耐撓曲龜裂性優異，所以對於化工廠的壓力容器等有用。