Ni基耐热合金用焊接材料以及使用其而成的焊接金属及焊接接头的制作方法
【专利摘要】一种Ni基耐热合金用焊接材料，在焊接时具有优异的焊接作业性和耐热裂纹性，其具有下述化学组成：包含C：0.06～0.18％、Si≤0.5％、Mn≤1.5％、Ni：45～55％、Cr：25～35％、W：7.0～13.0％、Ti：超过0.2％且1.5％以下、Al<0.1％以及N：0.002～0.20％、进而根据需要Nb≤1.0％，并且剩余部分为Fe和杂质，杂质中的O≤0.02％、P≤0.008％以及S≤0.005％。
【专利说明】Ni基耐热合金用焊接材料以及使用其而成的焊接金属及焊接接头
【技术领域】
[0001]本发明涉及Ni基耐热合金用焊接材料以及使用其而成的焊接金属及焊接接头。具体而言，涉及适于将发电用锅炉等在高温下使用的设备中使用的Ni基耐热合金焊接的焊接材料以及使用其得到的焊接金属及焊接接头。
【背景技术】
[0002]近年，从环境负荷降低的观点考虑，在全球范围内推进在发电用锅炉等中使运转条件高温、高压化，对于其中使用的材料要求具有更优异的高温强度。
[0003]作为满足这种要求的材料，例如有UNS N06617中规定的Ni基耐热合金。另外，专利文献I?5中公开了各种Ni基合金。这些Ni基合金为了满足作为母材的必要性能，都规定了各种各样的合金元素范围。
[0004]使用这些Ni基耐热合金作为结构物时，通常通过焊接组装。
[0005]但是，通过焊接组装时，若直接使用Ni基合金母材作为焊接材料，则焊接金属中的焊接时的热裂纹敏感性有可能升高。因此，作为焊接材料，并非直接转用具有宽的组成范围的Ni基合金母材，而必须使用进一步严格管理了成分范围的合金来实现防止上述热裂纹。需要说明的是，上述“焊接时的热裂纹”包括“结晶裂纹”和“失塑裂纹”。
[0006]另一方面，作为通过焊接来组装时使用的Ni基耐热合金用焊接材料，已知AWSA5.14-2005ER NiCrCoMo-1。
[0007]进而，专利文献6?8中提出了各种Ni基合金用焊接材料。
[0008]专利文献6中提出了一种氧化物分散强化型合金用焊接材料，其为具有高强度的氧化物分散强化型合金与耐热合金的焊接中使用的焊接材料，通过积极含有Mo、Nb等固溶强化元素来实现强度提高。
[0009]专利文献7中提出了有效利用通过Mo和W实现的固溶强化以及通过Al和Ti实现的析出强化效果来实现高强度化的Ni基合金用焊接材料，
[0010]专利文献8中提出了含有Nb和W来实现兼顾焊接时的结晶裂纹和蠕变强度的Ni基合金用焊接材料。
[0011]然而，虽然使用上述Ni基耐热合金和Ni基耐热合金用焊接材料而成的焊接结构物能够在高温下使用，但是在高温下长时间使用时，有可能在焊接部产生裂纹。
[0012]例如非专利文献I中指出，在Ni基耐热合金的焊接热影响区(以下称为“HAZ”)中，在焊接后热处理中产生晶界裂纹，暗示了除了 Y’相的析出之外，S的晶界偏析也会造成影响。
[0013]另外，非专利文献2中对18Cr-8Ni_Nb系的奥氏体系耐热钢焊接部的长时间加热时的HAZ中的晶界裂纹的防止对策进行了研究。并且从通过适当的后热处理的适用来降低焊接残余应力对于HAZ中的晶界裂纹防止而言是有效的焊接工艺方面提出了对策。
[0014]如此，虽然一直以来已知长时间使用Ni基耐热合金时，在HAZ产生裂纹的现象，但是近年，随着为了材料的高强度化而含有各种合金元素，存在长时间加热时的裂纹产生在焊接金属中明显化的倾向。
[0015]但是，对于长时间使用中焊接部产生的裂纹，仍然没有完全清楚机理，进而，没有确立裂纹对策、特别是没有从焊接金属中的材料方面确立裂纹对策。
[0016]因此，使用上述作为Ni基耐热合金用焊接材料已知的AWS A5.14-2005ERNiCrCoMo-1得到的焊接金属，对于长时间使用中产生的裂纹(以下称为“应力松弛裂纹”)残留问题。
[0017]另外，上述专利文献6和专利文献7完全没有考虑到应力松弛裂纹。因此，使用上述专利文献6和专利文献7中提出的焊接材料得到的焊接金属，对于应力松弛裂纹也残留问题。并且，上述专利文献6和专利文献7中提出的焊接材料含有大量的Ti或/和Al时，还存在焊接时的作业性差的问题。
[0018]另一方面，对于本发明人等在专利文献8中提出的焊接材料而言，由于Ti含量少，在确保更良好的蠕变强度方面存在应该改善的余地。
[0019]现有技术文献
[0020]专利文献
[0021]专利文献1:日本特开昭63-050440号公报
[0022]专利文献2:日本特开平9-157779号公报
[0023]专利文献3:日本特开2004-3000号公报
[0024]专利文献4:国际公开第2009/154161号
[0025]专利文献5:日本特开2010-150593公报
[0026]专利文献6:日本特开平10-193174号公报
[0027]专利文献7:国际公开第2010/013565号
[0028]专利文献8:日本特开2008-207242号公报
[0029]非专利文献
[0030]非专利文献1:井川等:溶接学会誌(焊接学会志)、第47卷(1978)第10号、P.679
[0031]非专利文献2:内木等:石川島播磨技報(石川岛播磨技报)、第15卷(1975)第2号、P.209
【发明内容】
[0032]发明要解决的问题
[0033]本发明是鉴于上述现状而提出的，其目的在于，提供焊接时具有优异的耐热裂纹性的Ni基耐热合金用焊接材料以及使用其而成的具有焊接中的耐热裂纹性、高温下长时间使用中的耐应力松弛裂纹性和良好的蠕变强度的焊接金属。进而，本发明的目的在于，提供由使用该焊接材料而成的焊接金属和高温强度优异的Ni基耐热合金的母材形成的焊接接头。
[0034]用于解决问题的方案
[0035]本发明人等为了解决前述问题，首先对高温下长时间使用中产生于焊接金属的应力松弛裂纹进行了详细调查。其结果可知下述(a)?(C)的事项。
[0036](a)应力松弛裂纹产生于焊接金属的柱状晶边界。[0037](b)裂纹断面缺乏延展性，P和S富集于断面上。
[0038](c)在裂纹部附近的显微组织中，在晶粒内析出大量的微细的金属间化合物。
[0039]由上述(a)~(c)的判明事项，本发明人等得到下述⑷~(f)的结论。
[0040](d)对于应力松弛裂纹而言，对于起因于焊接时的凝固以及此后的高温下的加热中P和S偏析而变弱的晶界，作用焊接残余应力和外部应力，由此开口。
[0041](e)在晶粒内微细析出大量的金属间化合物或/和碳氮化物时，晶粒内的变形能力降低，因此产生应力向晶界面集中，由于与晶界变弱的重叠作用，容易产生裂纹。
[0042](f)非专利文献I中对HAZ中的类似裂纹暗示了上述机理。并且非专利文献I中记载了，为了降低或固定使晶界变弱的S而含有Ca和Mg对于防止这种裂纹而言是有效的。但是，通常焊接金属以凝固原样的组织使用，预想与使得经过热处理等调质的母材恢复到原样的HAZ相比现象不同，因此非专利文献I中提出的HAZ中的裂纹对策可以直接适用于应力松弛裂纹的可能性小。具体而言，上述非专利文献I中提出的Ca和Mg与氧的亲和力非常强，因此在焊接中容易形成氧化物，对焊接后的焊接金属的成品率受到焊接条件的影响，难以稳定地得到其效果。进而，杂质元素的极端降低、特别是P的降低导致制造成本大幅增大，因此难以对于大量生产的工业产品适用。
[0043]因此，本发明人等为了防止应力松弛裂纹而实施了更详细的研究。其结果判明，通过下述(g)和(h)，可以降低对于应力松弛裂纹的敏感性。
[0044](g)将在晶界偏析而使晶界变弱的焊接金属中的S和P的含量限制于特定范围内。 [0045](h)将以金属间化合物或/和碳氮化物形式微细析出而导致晶粒内变形阻力增大的元素、具体而言Ti和Al的含量限制于特定范围内。
[0046]但是，即使采用上述(g)和(h)的对策，也不能完全防止应力松弛裂纹。并且判明，由于不能充分有效利用析出强化效果，得不到所希望的良好蠕变强度。
[0047]因此，本发明人等进一步进行了研究，结果判明，通过含有高浓度的W和Cr，具体而言按质量％计含有7.0~13.0%的W和25~35%的Cr，可以兼顾应力松弛裂纹的防止和所希望的良好蠕变强度的确保。其理由认为为下述(i)~(k)。
[0048](i)W和Cr含量的增加分别使高温下长时间使用中的S和P的晶界偏析能量降低，降低S和P向晶界的富集，间接地抑制晶界变弱。
[0049](j)W作为固溶强化元素有助于蠕变强度的提高，但是此时的晶粒内的变形能力的降低小于微细的金属间化合物和碳氮化物析出的情况。
[0050](k) Cr以α -Cr相形式析出，有助于螺变强度的提高。但是，该α -Cr相析出的情况与微细的金属间化合物和碳氮化物析出的情况相比，晶粒内的变形能力降低小。
[0051]然而可知，含有上述高浓度的W和Cr时，虽然可以防止高温下长时间使用中产生于焊接金属的应力松弛裂纹，但是焊接中的结晶裂纹敏感性反而增大。
[0052]因此，本发明人等进一步为了防止焊接中的结晶裂纹而实施了研究。其结果得到下述⑴的发现。
[0053](I)通过将C含量控制于特定的范围内，具体而言按质量％计为0.06~0.18%，可以防止焊接中的结晶裂纹。
[0054]由焊接金属的组织观察结果，认为其理由为下述(m)。
[0055](m)按质量％计含有25~35%的Cr时，若将C含量控制于上述范围内，则在焊接金属的凝固过程中C主要与Cr结合，产生(ChM)23CdP奥氏体的共晶凝固。其结果，凝固时的液相消失提前，因此可以防止焊接中的结晶裂纹。
[0056]并且可以确认，上述对C和Cr含量的适当范围的管理对于防止焊接中的失塑裂纹而言也是有效的。
[0057]由焊接金属的组织观察结果，认为其理由为下述(η)。
[0058](η)在焊接金属的凝固过程中C与Cr结合而生成的(Cr、M)23C6以层状存在于柱状晶边界。其结果，增大作为杂质元素的偏析部位的最终凝固界面并且上述碳化物(即(Cr、M) 23C6)抑制晶界的滑移，从而可以防止焊接中的失塑裂纹。
[0059]另外，本发明人等对焊接时的焊接作业性也进行了研究。其结果认为下述(O)。
[0060](ο)焊接作业性的降低是由于后续道次不能充分熔融含有大量的生成于前层的焊缝表面的Al的高熔点氧化皮而产生的。
[0061]因此，本发明人等进一步对焊接作业性的改善进行了研究。其结果得到下述(P)的发现。
[0062](P)通过使焊接材料为按质量％计，Ti超过0.2%且为1.5%以下、并且Al不足
0.1 %的焊接材料，可以将生成于焊缝表面的氧化皮，由含有大量Al的氧化皮改变为以Ti为主体的氧化皮，因此焊接作业性改善。并且，还可以在不会对应力松弛裂纹造成不良影响的范围内，确保通过Ti和Al的金属间化合物以及Ti碳氮化物实现的微细析出强化作用。
[0063]由以上发现，作为Ni基耐热合金用焊接材料，按质量％计，以Cr:25~35%和Ni:45~55%的合金作为基体，含有C:0.06~0.18%、W:7.0~13.0%、T1:超过0.2%且为
1.5%以下以及Al:不足0.1%，由此可以确保焊接中的优异的焊接作业性和耐热裂纹性、高温下长时间使用中的耐应力松弛裂纹性和所希望的良好的蠕变强度。
[0064]从而可以使用该Ni基耐热合金用焊接材料，得到由具有焊接中的耐热裂纹性、高温下长时间使用中的耐应力松弛裂纹性和良好的蠕变强度的焊接金属，和高温强度优异的Ni基耐热合金的母材形成的焊接接头。
[0065]使用这种焊接材料得到焊接接头时，若使用按质量％计含有Ni:45~55%、Cr:25~35%和W:3.5~8.5%的高温强度优异的Ni基耐热合金作为母材,则对于母材而言也可以确保优异的蠕变强度，所以优选。用作母材的高温强度优异的Ni基耐热合金可以为具有与本发明的焊接材料相同的化学组成的Ni基耐热合金，也可以为具有与本发明的焊接材料不同的化学组成的Ni基耐热合金。
[0066]需要说明的是，作为上述母材，优选使用按质量％计含有C:0.04~0.12%, Si:
0.5% 以下、Mn:1.5% 以下、P:0.03% 以下、S:0.01% 以下、Ni:45 ~55%、Cr:25 ~35%、W:3.5 ~8.5%,Ti:0.05 ~L 0%,Zr:0.005 ~0.05%,N:0.02% 以下、B:0.005% 以下以及Al:0.05~0.3%，剩余部分由Fe和杂质组成的高温强度优异的Ni基耐热合金。
[0067]需要说明的是，“杂质”指的是工业上制造焊接材料或/和耐热合金时，以矿石或废料等原料为代表，由于制造工序的各种主要原因而混入的成分。
[0068]本发明是基于上述发现而完成的，其主旨在于下述焊接材料、焊接金属和焊接接头。
[0069](I) 一种Ni基耐热合金用焊接材料，其特征在于，其具有下述化学组成:按质量％计包含 C:0.06 ~0.18%, Si:0.5% 以下、Mn:1.5% 以下、Ni:45 ~55%、Cr:25 ~35%、W:7.0 ?13.0%,T1:超过 0.2%且 1.5% 以下、Al:不足 0.1% 以及 N:0.002 ?0.20%，
[0070]并且剩余部分为Fe和杂质，
[0071]杂质中的O、P和S按质量％计分别为O:0.02%以下、P:0.008%以下以及S:0.005% 以下。
[0072](2)上述(I)所述的Ni基耐热合金用焊接材料，其特征在于，其具有下述化学组成:按质量％计含有Nb:1.0%以下来替代Fe的一部分。
[0073](3) 一种焊接金属，其使用上述⑴或(2)所述的Ni基耐热合金用焊接材料而成。
[0074](4) 一种焊接接头，其特征在于，其由上述(3)所述的焊接金属和高温强度优异的Ni基耐热合金的母材形成。
[0075](5)上述(4)所述的焊接接头，其特征在于，高温强度优异的Ni基耐热合金的母材按质量％计含有W:3.5?8.5%, Ni:45?55%以及Cr:25?35%。
[0076](6)上述(4)所述的焊接接头，其特征在于，高温强度优异的Ni基耐热合金的母材按质量％计包含C:0.04?0.12%, S1:0.5%以下、Mn:1.5%以下、P:0.03%以下、S:0.01% 以下、N1:45 ?55%、Cr:25 ?35%、W:3.5 ?8.5%,Ti:0.05 ?1.0%,Zr:0.005 ?0.05%、N:0.02% 以下、B:0.005% 以下以及 Al:0.05 ?0.3%，
[0077]并且剩余部分为Fe和杂质。
[0078]发明的效果
[0079]根据本发明，可以提供焊接时具有优异的焊接作业性和耐热裂纹性的Ni基耐热合金用焊接材料，另外，使用该焊接材料，可以提供具有焊接中的耐热裂纹性、高温下长时间使用中的耐应力松弛裂纹性和良好的蠕变强度的焊接金属。进而，使用该焊接材料，可以提供由具有焊接中的耐热裂纹性、高温下长时间使用中的耐应力松弛裂纹性和良好的蠕变强度的焊接金属和高温强度优异的Ni基耐热合金的母材形成的焊接接头。
【具体实施方式】
[0080]本发明中，限定Ni基耐热合金用焊接材料的化学组成的理由如下所述。需要说明的是，以下的说明中，各元素含量的“ ％ ”表示指的是“质量％ ”。
[0081]C:0.06 ?0.18%
[0082]C是奥氏体生成元素，是对于提高高温使用时的奥氏体组织的稳定性而言有效的元素。进而，C在本发明中对于防止焊接时的热裂纹而言是重要的元素。即，C在凝固过程中主要与Cr结合，生成共晶碳化物，使液相消失提前，并且使最终凝固部的组织为(CinM)23C6和奥氏体的层状组织。其结果，液相的残留形态由面状变化为点状，并且应力向特定面集中得到抑制，因此，可以防止结晶裂纹。进而，C由于使成为杂质的偏析部位的最终凝固界面的面积增大，也有助于防止焊接中的失塑裂纹以及降低高温使用中的应力松弛裂纹的敏感性。在后述的本发明的Cr含量的范围内，为了充分地得到上述效果，需要含有0.06%以上的C。但是，含有过量的C的情况下，在凝固中未形成碳化物的过量的C会在高温使用中以碳化物形式微细析出，反而使应力松弛裂纹敏感性增大。因此，C的含量为0.06?0.18%。C含量的优选下限为0.07%，优选上限为0.15%。
[0083]S1:0.5% 以下
[0084]Si作为脱氧剂含有，但是在焊接金属凝固时在柱状晶晶界偏析，使液相的熔点降低，使结晶裂纹的敏感性增大。因此，需要使Si含量为0.5%以下。Si含量优选为0.3%以下。但是，过度减少Si含量时，不能充分得到脱氧效果，合金的清净性降低，并且导致制造成本增大。因此，虽然对Si含量的下限没有特别设定，但是优选为0.01 %。若至少含有
0.01%的Si则可以得到脱氧效果。进一步优选的Si含量的下限为0.02%。
[0085]Mn:1.5% 以下
[0086]Mn与Si同样地作为脱氧剂含有。但是，含有过量的Mn时导致脆化，因此需要使Mn含量为1.5%以下。Mn含量优选为1.2%以下。对Mn含量的下限没有特别设定，但是优选为0.01%。若至少含有0.01%的Mn则可以得到脱氧效果。进一步优选的Mn含量的下限为0.02%。
[0087]N1:45 ~55%
[0088]Ni对于得到奥氏体组织而言是有效的元素，并且对于确保长时间使用时的组织稳定性、得到充分的蠕变强度而言是必须的元素。为了得到这种效果，需要45%以上的Ni含量。但是，Ni为价格昂贵的元素，超过55%的Ni的大量含有导致成本增大。因此，使Ni含量为45~55 %。Ni含量的优选的下限为45.5%，优选的上限为54.5%。Ni含量的进一步优选的下限为46%，进一步优选的上限为54%。
[0089]Cr: 25 ~35%
[0090]Cr对于确保高温下的耐氧化性和耐蚀性而言是必须的元素。另外，Cr在长时间使用中以α-Cr相形式析出，也有助于蠕变强度。并且，Cr通过以适当的范围与C复合来含有，在凝固过程中与C结合，生成共晶碳化物，防止焊接中的结晶裂纹和失塑裂纹，并且使高温使用中的P的偏析能量降低，间接性地有助于应力松弛裂纹敏感性降低。为了得到这些效果，需要含有25%以上的Cr。但是，若Cr含量过量而超过35%，则高温下的组织的稳定性劣化，导致蠕变强度降低。因此，使Cr含量为25~35%。Cr含量的优选的下限为25.5%，优选的上限为34.5%。Cr含量的进一步优选的下限为26%，进一步优选的上限为34%。
[0091]W:7.0 ~13.0%
[0092]W是固溶于基体而较大地有助于提高超过700°C的高温下的蠕变强度的元素。另外，W通过使S的晶界偏析能量降低、降低高温使用中的S向晶界的富集来抑制晶界变弱，间接性地有助于防止应力松弛裂纹。为了充分确保这种效果、兼顾高温使用中的耐应力松弛裂纹性和蠕变强度，在与构成本发明的其它元素的关系中，需要7.0%以上的W含量。但是，即使含有过量的W，其效果也饱和，反而使韧性和蠕变强度降低。进而，W为价格昂贵的元素，超过13.0%的W的大量含有导致成本的增大。因此，W的含量为7.0~13.0%。W含量的优选的下限为7.2%，优选的上限为11.5%。W含量的进一步优选的下限为7.5%，进一步优选的上限为9.5%。
[0093]T1:超过 0.2%且 1.5% 以下
[0094]Ti与Ni结合而以金属间化合物形式、或者与碳和氮结合而以碳氮化物形式晶粒内析出，有助于高温下的蠕变强度的提高。进而，在本发明的Al含量范围内，通过使生成于焊缝表面的氧化皮以Ti为主体，改善焊接作业性，抑制焊接缺陷的产生。为了得到这种效果，在与构成本发明的其它元素的关系中，需要超过0.2%的Ti含量。但是，若Ti含量过量而超过1.5%，则导致金属间化合物的过量析出，晶粒内的变形阻力显著提高，因此高温使用中的应力松弛裂纹敏感性增大。因此，Ti含量超过0.2%且为1.5%以下。Ti含量的优选的下限为0.3%，优选的上限为1.4%。
[0095]Al:不足 0.1%
[0096]Al与Ti同样地与Ni结合而以金属间化合物形式微细地进行晶粒内析出，有助于高温下的蠕变强度的提高。但是，若Al含量过量而为0.1 %以上，则在焊缝表面生成熔点高的Al主体的氧化皮，导致焊接作业性的劣化。另外，也会由于金属间化合物的析出而非常导致高温使用中的应力松弛裂纹敏感性的增大。因此，Al的含量不足0.1%。Al含量的优选的上限为0.05%。对Al含量的下限没有特别设定，但是由于极端降低导致成本升高，因此优选为0.0002%。若至少含有0.0002%的Al，则可以得到蠕变强度的提高效果。更优选的Al含量的下限为0.0005%。
[0097]N:0.002 ?0.20%
[0098]N是奥氏体生成元素，对于提高高温使用时的奥氏体组织的稳定性而言是有效的元素。进而，N也是固溶于基体并且以氮化物形式析出、有助于拉伸强度和蠕变强度提高的元素。为了得到上述效果，需要0.002%以上的N含量。但是,若N含量过量而超过0.20%,则长时间使用中大量以氮化物形式析出而显著提高晶粒内的变形阻力，增大高温使用中的应力松弛裂纹敏感性，并且在焊接时成为生成气孔的原因。因此，使N含量为0.002?
0.20%。N含量的下限优选超过0.03%，进一步优选的下限为0.035%。N含量的优选的上限为0.18%。
[0099]本发明的Ni基耐热合金用焊接材料之一具有下述化学组成:包含上述C?N的元素和剩余部分，剩余部分为Fe和杂质，杂质中的O、P和S的含量分别限制于以下所述的范围内。
[0100]O:0.02% 以下
[0101]0(氧)作为杂质存在，大量含有时，使焊接材料的加工性和焊接金属的延展性降低。因此，O含量需要为0.02%以下。O含量优选为0.015%以下。
[0102]P:0.008% 以下
[0103]P作为杂质存在，是在焊接金属的凝固时使最终凝固部的熔点降低、使结晶裂纹敏感性显著增大，并且在高温使用中引起晶界脆化而导致耐应力松弛裂纹性降低的元素。因此，P含量需要为0.008%以下。P含量优选为0.006%以下。
[0104]S:0.005% 以下
[0105]S与P同样地作为杂质含有，是在焊接金属凝固时使最终凝固部的熔点降低、使结晶裂纹敏感性增大的元素。进而，S是在高温使用中在晶界偏析-富集，显著提高应力松弛裂纹敏感性的元素。因此，S含量需要为0.005%以下。S含量优选为0.003%以下。
[0106]本发明的Ni基耐热合金用焊接材料的其它之一具有含有1.0%以下的Nb来替代上述Fe的一部分的化学组成。
[0107]以下对作为任意元素的Nb的作用效果和含量的限定理由进行说明。
[0108]Nb:1.0% 以下
[0109]Nb是与Ti同样地以微细的金属间化合物或/和碳氮化物形式在晶粒内析出，有助于高温下的蠕变强度提高的元素。因此，可以根据需要含有Nb。但是，若Nb的含量过量而超过1.0%，则导致它们的大量析出，晶粒内的变形阻力显著提高，使高温使用中的应力松弛裂纹敏感性增大。因此，使含有时的Nb的量为1.0%以下。含有时的Nb的量优选为
0.9%以下。
[0110]另一方面，为了稳定地得到前述Nb的效果，含有时的Nb的量优选为0.005 %以上，进一步优选为0.01%以上。
[0111]以上对本发明的Ni基耐热合金用焊接材料的化学组成进行了详细说明，该焊接材料焊接时具有优异的焊接作业性和耐热裂纹性。从而使用该焊接材料，可以得到具有焊接中的耐热裂纹性、高温下长时间使用中的耐应力松弛裂纹性和良好的蠕变强度的焊接金属。进而，使用该焊接材料，可以得到由具有焊接中的耐热裂纹性、高温下长时间使用中的耐应力松弛裂纹性和良好的蠕变强度的焊接金属和高温强度优异的Ni基耐热合金的母材形成的焊接接头。
[0112]需要说明的是，使用本发明的Ni基耐热合金用焊接材料来得到焊接接头时，若使用含有W:3.5?8.5%、N1:45?55%和Cr:25?35%的高温强度优异的Ni基耐热合金作为母材，则母材在700°C以上的高温区域也具有优异的延展性和蠕变强度，所以优选。用作母材的高温强度优异的Ni基耐热合金可以为具有与本发明的Ni基耐热合金用焊接材料相同的化学组成的Ni基耐热合金，也可以为具有与本发明的Ni基耐热合金用焊接材料不同的化学组成的Ni基耐热合金。
[0113]在此，对使用高温强度优异的Ni基耐热合金作为母材时，该母材优选含有上述W:
3.5?8.5%,Ni:45?55%和Cr:25?35%的理由进行详细说明。
[0114]W:3.5 ?8.5%
[0115]W与焊接金属中的W同样地，是固溶于基体而较大地有助于提高超过700°C的高温下的蠕变强度的元素。母材与以凝固原样形式使用的焊接金属不同，通过热处理而实现均匀化，更容易得到该效果。因此，母材优选含有W，其量为3.5%以上即可，但是，W为价格昂贵的元素，导致成本增大，因此含有W时的其量优选为8.5%以下。母材中的W含量的进一步优选的下限为3.8%，进一步优选的上限为8.2%。
[0116]N1:45 ?55%
[0117]Ni与焊接金属中的Ni同样地对于得到奥氏体组织而言是有效的元素，并且对于确保长时间使用时的组织稳定性、得到充分的蠕变强度而言是有效的元素。为了得到这种效果，母材优选含有Ni，其量与焊接金属中的Ni同样地优选为45%以上。另一方面，Ni为价格昂贵的元素，导致成本增大，因此含有Ni时的其量优选为55%以下。母材中的Ni含量的进一步优选的下限为45.5%，进一步优选的上限为54.5%。母材中的Ni含量的更进一步优选的下限为46%，更进一步优选的上限为54%。
[0118]Cr:25 ?35%
[0119]Cr与焊接金属中的Cr同样地,对于确保母材的高温下的耐氧化性、耐蚀性和蠕变强度而言是有效的元素。为了得到这些效果，母材优选含有Cr，其量与焊接金属中的Cr同样地优选为25%以上。但是若Cr含量过量，则高温下的组织的稳定性劣化，导致蠕变强度降低。因此含有Cr时，其量优选为35%以下。母材中的Cr含量的进一步优选的下限为25.5%,进一步优选的上限为34.5%。母材中的Cr含量的更进一步优选的下限为26%，更进一步优选的上限为34%。
[0120]高温强度优异的Ni基耐热合金的母材更优选除了上述范围的W、Ni和Cr之外，还含有以下所述的量的元素，并且剩余部分由Fe和杂质组成。
[0121]C:0.04 ?0.12%
[0122]C与焊接金属中的C同样地，是奥氏体生成元素，对于提高高温使用时的奥氏体组织的稳定性而言是有效的元素。母材与以凝固原样形式使用的焊接金属不同，通过热处理而实现均匀化，更容易得到该效果，另外，无需对于防止焊接裂纹的对策。因此，母材优选含有C，其量为0.04%以上即可，但是，若C含量过量则高温下使用中生成粗大的碳化物，反而导致蠕变强度降低。因此，含有C时，其量优选为0.12%以下。母材中的C含量的进一步优选的下限为0.05%，进一步优选的上限为0.10%。
[0123]S1:0.5% 以下
[0124]Si具有脱氧作用。虽然对于母材而言无需如上所述对于防止焊接裂纹的对策，但是若Si含量过量而超过0.5%则使韧性降低。因此，母材含有Si时，其量优选为0.5%以下。母材中的Si含量进一步优选为0.4%以下。但是，Si含量的过度降低时，不能充分地得到脱氧效果，合金的清净性降低并且导致制造成本的增大。因此，对母材中的Si含量的下限没有特别设定，但是优选为0.01 %。若至少含有0.01 %的Si则可以得到脱氧效果。进一步优选的Si含量的下限为0.02%。
[0125]Mn:1.5% 以下
[0126]Mn与Si同样地具有脱氧作用。但是，若Mn含量过量则导致脆化。因此，母材含有Mn时，其量优选为1.5%以下，进一步优选为1.2%以下。对母材中的Mn含量的下限没有特别设定，但是优选为0.01%。若至少含有0.01%的Mn则可以得到脱氧效果。进一步优选的Mn含量的下限为0.02%。
[0127]P:0.03% 以下
[0128]P作为杂质含有，若P含量过量则导致蠕变延展性降低。母材与焊接金属的情况不同，无需对于防止焊接裂纹的对策，P含量的极度降低导致制造成本的显著增大。因此，母材中的P含量优选为0.03%以下，进一步优选为0.02%以下。
[0129]S:0.01% 以下
[0130]S与P同样地作为杂质含有，若S含量过量则导致蠕变延展性降低。母材与焊接金属的情况不同，无需对于防止焊接裂纹的对策，S含量的极度降低导致制造成本的显著增大。因此，母材中的S含量优选为0.01%以下，进一步优选为0.008%以下。
[0131]T1:0.05 ?1.0%
[0132]Ti是以微细的金属间化合物和碳氮化物形式在晶粒内析出、有助于提高高温下的蠕变强度的元素。因此，母材优选含有Ti，其量优选为0.05%以上。但是，若Ti含量过量则大量生成金属间化合物和碳氮化物，导致韧性降低。因此，含有Ti时，其量优选为1.0%以下。母材中的Ti含量的进一步优选的下限为0.10%，进一步优选的上限为0.95%。
[0133]Zr:0.005 ?0.05%
[0134]Zr固溶于作为基体的奥氏体、使高温下的强度提高。母材与焊接金属不同，不会熔融。因此，对于母材而言，可以充分有效利用对于焊接金属而言与O结合而形成熔渣的活性的Zr的上述效果。因此，母材优选含有Zr，其量优选为0.005%以上。但是，若Zr含量过量则导致蠕变延展性降低。因此，含有Zr时，其量优选为0.05%以下。母材中的Zr含量的进一步优选的下限为0.01 %，进一步优选的上限为0.04%。[0135]N:0.02% 以下
[0136]N对于使奥氏体相稳定而言是有效的元素，是固溶于基体、对于提高拉伸强度而言有效的元素，另一方面使热加工性显著降低。因此，对于母材而言，与焊接金属相比，严格管理N含量的上限为宜，优选为0.02%以下。母材中的N含量的进一步优选的上限为0.01%。需要说明的是，对母材中的N含量的下限没有特别设定，但是从奥氏体相的稳定方面考虑的下限为0.0005% ο
[0137]B:0.005% 以下
[0138]B是高温下使用中在晶界偏析而使晶界强化并且对于通过使晶界碳化物微细分散来提高蠕变强度而言有效的元素。因此，母材优选含有B。但是，若B含量过量则HAZ的液化裂纹敏感性提高。因此，含有B时，其量优选为0.005%以下。需要说明的是，对母材中的B含量的下限没有特别设定，但是优选为0.0002%。
[0139]Al:0.05 ~0.3%
[0140]Al是与Ni结合而以微细的金属间化合物形式微细地进行晶粒内析出，有助于提高高温下的蠕变强度的元素，对于与焊接作业性没有直接相关的母材而言，为了高强度化，可以积极地有效利用。因此，母材优选含有Al，其量优选为0.05%以上。但是，若Al含量过量则金属间化合物过量析出，导致韧性降低。因此，含有Al时，其量优选为0.3%以下。母材中的Al含量的进一步优选的下限为0.06%，进一步优选的上限为0.25%。
[0141]以下通过实施例对本发明进行更具体的说明，但是本发明不被这些实施例所限定。
[0142]实施例
[0143]将具有表1所示化学组成的材料实验室熔解、浇铸得到钢锭，由该钢锭，通过热锻、热轧、热处理和机械加工，制作板厚12mm、宽度50mm、长度IOOmm的板材作为焊接母材用板材。
[0144]进而，将具有表2所示化学组成的符号A~L的材料实验室熔解、浇铸得到钢锭，由该钢锭，通过热锻、热轧和机械加工，制作外径1.2mm、长度1000mm的焊接材料(焊丝)。
[0145][表 I]
[0146]
【权利要求】
1.一种Ni基耐热合金用焊接材料，其特征在于，其具有下述化学组成:按质量％计包含 C:0.06 ~0.18%, S1:0.5% 以下、Mn:1.5% 以下、Ni:45 ~55%、Cr:25 ~35%、W:.7.0 ~13.0%、T1:超过 0.2%且 1.5% 以下、Al:不足 0.1% 以及 N:0.002 ~0.20%， 并且剩余部分为Fe和杂质， 杂质中的O、P和S按质量％计分别为O:0.02%以下、P:0.008%以下以及S:0.005%以下。
2.根据权利要求1所述的Ni基耐热合金用焊接材料，其特征在于，其具有下述化学组成:按质量％计含有Nb:1.0%以下来替代Fe的一部分。
3.一种焊接金属，其使用权利要求1或2所述的Ni基耐热合金用焊接材料而成。
4.一种焊接接头，其特征在于，其由权利要求3所述的焊接金属和高温强度优异的Ni基耐热合金的母材形成。
5.根据权利要求4所述的焊接接头，其特征在于，高温强度优异的Ni基耐热合金的母材按质量％计含有W:3.5~8.5%、Ni:45~55%以及Cr:25~35%。
6.根据权利要求4所述的焊接接头，其特征在于，高温强度优异的Ni基耐热合金的母材按质量％计包含C:0.04~0.12%, S1:0.5%以下、Mn:1.5%以下、P:0.03%以下、S:.0.01% 以下、N1:45 ~55 %、Cr:25 ~35%、W:3.5 ~8.5%,Ti:0.05 ~1.0%,Zr:0.005 ~.0.05%、N:0.02% 以下、B:0.005% 以下以及 Al:0.05 ~0.3%， 并且剩余部分为Fe和杂质。
【文档编号】B23K9/23GK104023903SQ201280053597
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年10月23日 优先权日:2011年11月2日
【发明者】平田弘征, 净徳佳奈, 小川和博, 仙波润之, 吉泽满, 伊势田敦朗 申请人:新日铁住金株式会社