堆焊体的制作方法

本发明涉及在母材的表面堆焊有焊接金属的堆焊体。更详细地说，是涉及在铁素体系耐热钢的表面形成有堆焊层焊接金属的堆焊体。

背景技术：

化工厂等的在高温下使用的压力容器中，使用铁素体系的耐热钢，其含有作为耐热结构材料的Cr达2～12质量％左右(例如，参照专利文献1)。铁素体系耐热钢等的耐热结构材料，具有由奥氏体相经淬火·回火处理而形成的被称为回火马氏体组织的微细的金属组织。而后，大型的压力容器便通过如下方式制造，即，由这样的耐热构造材料制作多个环状的结构物，对其沿轴向进行环焊接合而制造。

耐热材料的耐腐蚀性，强烈依存于钢中所含有的Cr量。因此，铁素体系的耐热钢，相比例如含有Cr为18质量％以上这样的奥氏体系不锈钢而言，在耐腐蚀性这一点上较差，对于在化工厂产生连多硫酸和硫化氢造成的腐蚀说不上具有充分的耐腐蚀性。另一方面，奥氏体系不锈钢，因为热膨胀率大，所以存在不适于高温用途的厚壁构件和大型锻造品等这样的问题。因此，以往化工厂所使用的大型的压力容器中，母材使用铁素体系耐热钢，而在其与腐蚀成分的接触面，则形成由奥氏体系不锈钢构成的堆焊金属。

在这样的要求有耐热性的堆焊体中，将母材彼此接合后，会进行焊接后热处理(Post Weld Heat Treatment：PWHT)，一般经过PWHT，环焊部的断裂韧性提高。另一方面，使用耐热性高的母材时，需要以更高温度进行PWHT，但是若以高温进行PWHT，则堆焊金属脆化，存在因高温下使用中的热应力的反复载荷，而导致堆焊部容易发生裂纹这样的问题。

作为抑制PWHT对焊接部的影响的技术，例如有如下方法，即，通过特定母材的成分组成，从而防止边界层邻域的堆焊层不锈钢的奥氏体晶粒的粗大化，并且在PWHT中防止碳从母材向不锈钢的移动扩散的方法(参照专利文献2)。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本国特开2014－1702号公报

【专利文献2】日本国特开平3－264647号公报

但是，专利文献2所述的技术，是着眼于氢的影响的堆焊金属的剥离防止技术，并没有着眼于由母材和焊接金属构成的焊接部作为机械的性质的变形能力。

技术实现要素：

因此，本发明其主要目的在于，提供一种焊接部的耐挠曲龟裂性优异的堆焊体。

本发明者，对于堆焊体的耐挠曲龟裂性在高温的PWHT后劣化这一问题进行研究，发现通过改善焊接金属与母材的界面区域的延展性和焊接金属自身的延展性这两方面，则焊接部的耐挠曲龟裂性提高，从而达成本发明。具体来说，因为焊接金属的Cr与母材的C发生反应而引起界面层的硬化，所以通过使焊接金属和母材的Cr含量比与C含量比的积处于特定的范围，则能够改善界面区域的延展性。另外，通过减少焊接金属的Mn含量，并且使根据焊接金属的各成分的含量计算出的参数的值在特定的范围，则能够改善焊接金属的延展性。

即，本发明的堆焊体，是在母材的表面堆焊有焊接金属的堆焊体，所述母材具有如下组成：含有C：0.07～0.12质量％、Cr：2.0～10质量％、Mo：0.5～1.5质量％、V：0.02～0.5质量％和Nb：0.01～0.2质量％，并且限制如下，Si：0.6质量％以下、Mn：1质量％以下、P：0.04质量％以下、S：0.02质量％以下、Cu：0.3质量％以下、Ni：0.6质量％以下及N：0.1％质量以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述焊接金属具有如下组成：含有Ni：9～11质量％、Cr：18～21质量％和Nb：0.1～1质量％，并且限制如下，C：0.08质量％以下、Si：1.0质量％以下、Mn：0.9质量％以下、P：0.04质量％以下、S：0.03质量％以下、Cu：0.75质量％以下、Mo：0.75质量％以下、V：0.15质量％以下、N：0.08质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，设Cr含量(质量％)为[Cr]、Mo含量(质量％)为[Mo]、Si含量(质量％)为[Si]、Nb含量(质量％)为[Nb]、Mn含量(质量％)为[Mn]、Ni含量(质量％)为[Ni]、C含量(质量％)为[C]时，满足下述数学式1，设所述焊接金属的Cr含量(质量％)为[Crw]、所述母材的Cr含量(质量％)为[Crm]、所述焊接金属的C含量(质量％)为[Cw]、所述母材的C含量(质量％)为[Cm]时，满足下述数学式2。

【数学式1】

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

【数学式2】

([Crw]/[Crm])×([Cm]/[Cw])≤15

根据本发明，能够改善焊接部的耐挠曲龟裂性，使高温PWHT后的堆焊部的变形能力提高。

附图说明

图1中，在横轴取数学式4所表示的焊接金属和母材的Cr含量比与C含量比的积，在纵轴取数学式3所表示的根据焊接金属的各成分的含量计算出的参数，图1是表示实施例和比较例的各试验体的这些值的关系的图解图。

具体实施方式

以下，就用于实施本发明的方式，详细地加以说明。还有，本发明不受以下说明的实施方式限定。

本实施方式的堆焊体，是像高温下使用的压力容器等这样要求耐热性的结构物，在母材的表面堆焊有焊接金属，例如是堆焊接头。

本实施方式的堆焊体的母材，具有如下组成：含有C：0.07～0.12质量％、Cr：2.0～10质量％、Mo：0.5～1.5质量％、V：0.02～0.5质量％和Nb：0.01～0.2质量％，并且限制如下，Si：0.6质量％以下、Mn：1质量％以下、P：0.04质量％以下、S：0.02质量％以下、Cu：0.3质量％以下、Ni：0.6质量％以下及N：0.1％质量以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

另外，作为为了使母材的耐腐蚀性提高而形成的堆焊金属，存在SUS309和SUS347等，在本实施方式的堆焊体中，是作为使焊接金属为如下组成的奥氏体系不锈钢，其含有Ni：9～11质量％、Cr：18～21质量％及Nb：0.1～1质量％，并且限制如下，C：0.08质量％以下、Si：1.0质量％以下、Mn：0.9质量％以下、P：0.04质量％以下、S：0.03质量％以下、Cu：0.75质量％以下、Mo：0.75质量％以下、V：0.15质量％以下、N：0.08质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，满足下述数学式3。

【数学式3】

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

还有，上述数学式3中的[Cr]是Cr含量(质量％)，[Mo]是Mo含量(质量％)，[Si]是Si含量(质量％)，[Nb]是Nb含量(质量％)，[Mn]是Mn含量(质量％)，[Ni]是Ni含量(质量％)，[C]是C含量(质量％)。

此外，本实施方式的堆焊体，焊接金属中的Cr和C的含量，与母材中的Cr和C的含量的关系，满足下述数学式4。还有，下述数学式4中的[Crw]是焊接金属的Cr含量(质量％)，[Crm]是母材的Cr含量(质量％)。另外，[Cw]是焊接金属的C含量(质量％)，[Cm]是母材的C含量(质量％)。

【数学式4】

([Crw]/[Crm])×([Cm]/[Cw])≤15

接下来，对于构成本实施方式的堆焊体的母材和焊接金属中所含有的成分进行说明。

(母材)

母材能够使用在本实施方式的堆焊体的用途中，通常所使用的母材，具体来说，可使用具有前述的成分组成的钢材。还有，作为限制成分的Si、Mn、P、S、Cu、Ni和N，也可以完全不包含(即0质量％)，但极端减少会伴随制造成本的增加，因此从成本效益的观点出发，下限均不包括0质量％。作为具有这样的成分组成的钢，可列举2.25Cr－1Mo钢、2.25Cr－1Mo－V钢和9Cr－1Mo－V钢等的高温强度以及长期可靠性优异的耐热钢。

(焊接金属)

＜Ni：9～11质量％＞

Ni是作为不锈钢的必须元素之一，具有使奥氏体相稳定化的效果。但是，焊接金属的Ni含量低于9质量％时，有不能维持奥氏体相的情况。另一方面，若焊接金属的Ni含量高于11质量％，则招致制造成本的增加，另外，也使焊接金属中的铁素体相过度减少。因此，焊接金属的Ni含量为9～11质量％。

＜Cr：18～21质量％＞

Cr是使耐腐蚀性提高的元素，是作为不锈钢的必须元素之一。但是，焊接金属的Cr含量低于18质量％时，难以发挥作为不锈钢的基本的耐腐蚀性，另外，若高于21质量％，则不能维持焊接金属中的铁素体相，有带来高温裂纹的情况。因此，焊接金属的Cr含量为18～21质量％。

＜Nb：0.1～1质量％＞

Nb固定焊接金属中的碳，是使不锈钢的耐腐蚀性提高的元素之一。但是，若焊接金属的Nb含量低于0.1质量％时，碳的固定不充分，若高于1质量％，则固溶Nb增加，有使铁素体量过度增加的情况。因此，焊接金属的Nb含量为0.1～1质量％。

＜C：0.08质量％以下＞

C是与Cr结合而形成化合物的元素。那么，若焊接金属的C含量高于0.08质量％，则固溶Cr量局部性地减少，招致耐腐蚀性的降低。因此，焊接金属的C含量限制在0.08质量％以下。还有，C包含在焊接材料和焊剂中，是即使不积极地添加，也在焊接金属中含有的元素。要使C含量过度地降低，会伴随极高的成本，因此从成本效益的观点出发，C含量优选为0.005质量％以上。

＜Si：1.0质量％以下＞

Si一直以来被认为是促进σ相形成的元素，若Si含量高于1.0质量，则焊接金属脆化。因此，焊接金属的Si含量限制在1.0质量％以下。但是，从确保液流性的观点出发，期望也少许量含有Si，Si含量优选为0.1质量％以上，更优选为0.15质量％以上。

＜Mn：0.9质量％以下＞

Mn在用于得到本发明的一部分的效果上是重要的元素，在满足上述数学式3的焊接金属中，通过将Mn含量限制在0.9质量％以下，能够抑制在焊接金属中发生的裂纹。还有，从改善焊接金属的延展性的观点出发，Mn含量优选为0.8质量％以下，更优选为0.7质量％以下。但是，使焊接金属的Mn含量过度降低，会带来成本增加，因此Mn含量优选为0.2质量％以上。

＜Mo：0.75质量％以下＞

Mo是使耐腐蚀性提高的元素，而因为本发明以含有Mo的母材为对象，所以伴随母材的稀释，焊接金属便含有Mo，若Mo含量高于0.75质量％，则焊接金属容易脆化。因此，焊接金属的Mo含量限制在0.75质量％以下。但是，使焊接金属的Mo含量过度降低，会带来成本增加，因此Mo含量优选为0.05质量％以上。

＜V：0.15质量％以下＞

V是使铁素体强烈稳定化的元素，若V含量高于0.15质量％，则焊接金属中的铁素体过度增加。因此，焊接金属的V含量限制在0.15质量％以下。焊接金属中也可以完全不含V(即0质量％)，但极端减少伴随着制造成本增加。因此，从成本效益的观点出发，V量的下限不包括0质量％。更优选的下限为0.01质量％。

＜P：0.04质量％以下＞

P是不可避免的杂质，若P含量高于0.04质量％，则焊接金属容易发生焊接裂纹。因此，焊接金属的P含量限制在0.04质量％以下。焊接金属中也可以完全不含P(即0质量％)，但因为其不可避免地混入，所以极端地降低会伴随制造成本增加。因此，从成本效益的观点出发，P量的下限不包括0质量％。更优选的下限为0.005质量％。

＜S：0.03质量％以下＞

S是不可避免的杂质，若S含量高于0.03质量％，则焊接金属脆化。因此，焊接金属的S含量限制在0.03质量％以下。焊接金属中也可以完全不含S(即0质量％)，但因为其不可避免地混入，所以极端降低会伴随制造成本增加。因此，从成本效益的观点出发，S量的下限不包括0质量％。更优选的下限为0.003质量％。

＜Cu：0.75质量％以下＞

Cu是不可避免的杂质，若Cu含量高于0.75质量％，则有焊接金属过度硬化的情况。因此，焊接金属的Cu含量限制在0.75质量％以下。还有，优选Cu含量处于0.50质量％以下，更优选为0.20质量％以下，进一步优选为0.05质量％以下。焊接金属中也可以完全不含Cu(即0质量％)，但是因其不可避免地混入，所以极端降低会伴随制造成本增加。因此，从成本效益的观点出发，Cu量的下限不包括0质量％。更优选的下限为0.01质量％。

＜N：0.08质量％以下＞

N是不可避免的杂质之一，若焊接金属的N含量高于0.08质量％，则形成氮化物，使Cr的固溶量减少。因此，焊接金属的N含量限制在0.08质量％以下。焊接金属中也可以完全不含N(即0质量％)，但因其不可避免地混入，所以极端降低会伴随制造成本增加。因此，从成本效益的观点出发，N量的下限不包括0质量％。更优选的下限为0.005质量％。

＜余量＞

焊接金属的上述以外的成分，即，余量是Fe和不可避免的杂质。在此，作为不可避免的杂质，除了前述的P、S、Cu及N以外，还可列举Sn、Pb、Sb、As、Se、Zn、Ca、Al、Mg、Ti、Zr、Y、Ta、Hf、Sc、Co和Ag等，即使焊接金属中包含这些成分，也不会影响到本发明的效果。

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

焊接金属的延展性，在使Mn含量为0.9质量％以下的基础上，能够通过使焊接金属成为满足上述数学式3的组成而加以改善。通过成为满足上述数学式3的组成，能够抑制经过更高温的PWHT后，因弯曲变形而产生的存在于凝固组织中的铁素体相的龟裂发生。

另一方面，若焊接金属的组成不满足上述数学式3，上述数学式3的左边所示的参数([Cr]+[Mo]+1.5×[Si]+0.5×[Nb]+2.5×[Mn]－0.2×[Ni]+30×[C])的值高于21.5，则PWHT条件为高温时，焊接金属的延展性不足，焊接金属中的铁素体相容易发生龟裂。还有，从改善焊接金属的延展性的观点出发，上述数学式3的左边所示的参数的值优选为21以下，更优选为20以下。

(母材和焊接金属的C含量与Cr含量的关系)

即使母材和焊接金属的成分组成处于前述的范围，也未必能够使堆焊体的耐裂纹性充分提高。特别是进行了高温的PWHT的堆焊体的情况下，母材与焊接金属的接合界面区域的延展性降低，伴随弯曲变形，将在该区域发生龟裂。

接合界面区域的延展性降低，是由于焊接金属的Cr与母材的C发生反应而引起界面层的硬化，因此在本实施方式的堆焊体中，关于Cr含量和C含量，在母材和焊接金属中分别使之浓度差小。具体来说，使母材的Cr含量和C含量，焊接金属的Cr含量和C含量，满足上述数学式4。由此，能够改善母材与焊接金属的接合界面区域的延展性。

另一方面，若焊接金属和母材的组成不满足上述数学式4，则上述数学式4的左边所示的{(Crw/Crm)×(Cm/Cw)}的值高于15，进行高温的PWHT时，母材与焊接金属的接合界面区域的延展性不足，由于弯曲变形导致在接合界面区域容易发生龟裂。还有，从改善接合界面区域的延展性的观点出发，上述数学式4的左边所示的{(Crw/Crm)×(Cm/Cw)}的值，优选为14以下，更优选为13以下。

[形成方法]

接下来，对于本实施方式的堆焊体的形成方法进行说明。本实施方式的堆焊体，能够通过由例如SAW(埋弧焊)和ESW(电渣焊)，对于前述的组成的母材进行堆焊而形成。还有，焊接方法并不限定为SAW和ESW，只要是通过得到前述的组成的焊接金属成分的方法即可，能够适用各种焊接方法。

另外，形成本实施方式的堆焊体时使用的焊接材料，能够为相当于焊接金属的成分的组成，但是也有这样的情况，即焊接中容易氧化消耗的Cr和Nb，通过预先提高其浓度，则能够更容易得到目标成分。另外，也可以在施工时使用的焊剂中添加原料，由此调节焊接金属的成分。还有，焊接金属的组成，也能够借助焊剂的种类和原料添加进行调节。

还有，堆焊体是大型的机器时，焊接材料优选使用薄壁且幅宽的带极堆焊材料。例如，若使用壁厚0.8mm以下，宽15mm以上的带状焊接材料，则与直径2mm的线状的焊接材料相比，能够针对大面积高效率地进行施工，此外，可以形成比较平坦的焊接金属。

此外，母材的制造方法没有特别限定，但需要进行会成为奥氏体组织的温度域的淬火处理，和不会奥氏体化的温度域的回火处理，预先使回火马氏体组织形成。例如，母材能够通过如下方式制造：以成为前述成分组成的方式，进行熔炼和铸造而制作钢锭后，对于由热加工成形的板材，以1000℃以上的温度条件进行淬火处理后，再以600～750℃左右的温度条件进行回火处理。

如以上详述，本实施方式的堆焊体，使作为耐热构造材料的母材和焊接金属中所含的各成分的含量处于特定的范围，并且使母材和焊接金属成为满足上述数学式3和数学式4的组成，因此能够改善焊接部的耐挠曲龟裂性。由此，高温PWHT后的堆焊部的变形能力提高，因此，即使负载因高温耐热机器的运转和停止形成的热应力，仍能够实现堆焊接头的裂纹和剥离难以发生的堆焊体。

【实施例】

以下，列举本发明的实施例和比较例，对于本发明的效果具体地加以说明。在本实施例中，使用成分组成不同的母材和带极进行堆焊，评价所得到的堆焊金属的耐挠曲龟裂性。

[母材的制作方法]

母材通过如下方式制作：经熔炼·铸造、锻造加工，制作下述表1的No.A～M所示的成分组成的钢材，以1020～1060℃进行淬火处理后，再以670～775℃进行回火处理。还有，下述表1所示的母材成分组成的余量，是Fe和不可避免的杂质。表中没有Cu的记载，但无论在哪一例中，Cu含量都为0.3质量％以下。另外，No.A～H、J～M的母材具有本发明的范围内的组成，但No.I的母材是C含量脱离本发明的范围的比较例。

【表1】

[焊接方法]

在上述表1所示的No.A～M的各母材的表面，通过使用了75mm宽的带状电极的ESW(电渣焊)方式的堆焊，形成厚度约5mm的堆焊金属。焊接条件中，电流为1400A，焊接速度为18cm/分钟，单层熔敷金属。而且，在焊接后，作为PWHT以775℃的温度条件实施32小时的热处理，作为评价用的焊接试验体。

[评价方法]

评价中，粗切割由前述方法制作的焊接试验体，以使母材部分的厚度为10mm，并使相对于焊接方向垂直的方向的宽度为70mm，再对于使焊接方向为试验片的板厚方向而进行了薄片加工的试验体进行机械研磨，制作后述厚度的弯曲试验片。该弯曲试验片的尺寸为，长70mm，宽15mm，厚3mm，宽15mm之中有5mm是堆焊金属的部分。

关于弯曲试验，使用通用的拉伸压缩试验机，按3点弯曲的要领实施。将作为受体的2根辊，与试验机的底座平行且水平设置后，在各辊上设置试验片，前端为半圆形的冲头压入辊间的中央部分，从而施加弯曲变形。这时，试验片的方向为，长边(70mm)与辊轴方向相垂直的方向。即，与焊接方向平行地按压冲头。

还有，在弯曲试验中，使试验片的板厚为1.5mm、2.5mm、3.5mm，使冲头前端的半径为2mm、3mm、6mm，通过分别组合，施加曲率不同的弯曲变形。另外，辊间的距离设定为，冲头前端的直径与试验片的厚度的2倍之和，使弯曲变形后处于外侧试验片表面的拉伸应量为弯曲应变，通过前述的板厚与冲头直径的组合，使弯曲应变为11％、17％、20％、23％、28％、29％和37％，这样的试验针对各个钢种以N＝2的试验数进行。

弯曲试验后有无裂纹发生，由肉眼和实体显微镜确认，将试验数N＝2的试验片均未发生裂纹的最高应变量作为耐挠曲龟裂性。其结果显示在下述表2中。另外，在下述表2中，也一并显示所得到的焊接金属的成分组成。还有，用于焊接的带状电极的成分，与下述表2所示的各焊接金属的成分大致等同。另外，下述表2所示的焊接金属的成分组成的余量，是Fe和不可避免的杂质。还有，表中没有Cu的记述，但无论哪一例中，Cu含量均为0.05质量％以下。

【表2】

上述表2所示的试验体No.1～7、9、11、13、15，是本发明的范围内的实施例，试验体No.8、10、12、14、16～20是脱离本发明的范围之外的比较例。另外，图1中，在横轴取数学式4所表示的焊接金属和母材的Cr含量比与C含量比的积，在纵轴取数学式3所表示的根据焊接金属的各成分的含量计算出的参数，图1是表示实施例和比较例的各试验体的这些值的关系的图解图。如图1所示可知，实施例的各试验体，存在于满足数学式3和数学式4的范围内。

如上述表2所示，在比较例的各试验体中，耐挠曲龟裂性为17以下，相对于此，在实施例的各试验体中能够得到20以上的良好的耐挠曲龟裂性。另外，试验体No.12、14、16是虽然满足数学式3，但不满足数学式4的比较例，试验体No.8、10、19、20是虽然满足数学式4，但不满足数学式3的比较例。这些试验体只具有17以下的耐挠曲龟裂性，比实施例的各试验体差，由此可知，如果不满足数学式3和数学式4这两方，则不能取得本发明的效果。

由以上的结果可确认，通过满足本发明中规定的成分范围和条件式，能够得到耐挠曲龟裂性优异的堆焊体。

详细并参照特定的实施方式说明了本发明，但不脱离本发明的精神和范围能够加以各种变更和修改，这对从业者来说很清楚。

本申请基于2014年6月11日申请的日本专利申请(专利申请2014－120757)，其内容在此参照而编入。

【产业上的可利用性】

本发明的堆焊体，因为高温PWHT后的焊接部的耐挠曲龟裂性优异，所以对于化工厂的压力容器等有用。