气体保护电弧焊用焊丝的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及主要适用于火力发电锅炉内的配管的高Cr铁素体系耐热钢的焊接所 使用的气体保护电弧焊用焊丝。
【背景技术】
[0002] 作为高Cr铁素体系耐热钢的Mod. 9Cr-lMo钢，因为高温强度和耐腐蚀性优异，所 以适用于高温环境的火力发电锅炉内的配管。但是，Mod. 9Cr-lMo钢若进行气体保护电弧 焊，则在焊接金属的凝固过程中发生裂纹。有所谓的"高温裂纹"。以改善高温裂纹为目的 的发明例如在专利文献1中提出。
[0003] 具体来说，在专利文献1中提出有一种9Cr_lMo钢焊接用焊丝，其特征在于，含 有 C:0.02 ~0? 18% (质量％ :下同）、Si :0.03 ~0.70%、Mn:0.90~2.50%、Cr:8.0~ 11. 0%、Mo :0? 80 ~0? 95%、Ni :1. 5% 以下、Nb :0? 01 ~0? 15%、V :0? 01 ~0? 50%和 N : 0? 004~0? 060%，并且Ti :0? 010%以下，0 :0? 024%以下，La、Ce、Mg的总含量抑制在 0.030%以下，此外满足（Mo+Ni)彡2. 10%的关系，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
[0004] 专利文献1所提出的发明，着眼于影响到高温裂纹的Ni和Mo的协同效果，如上所 述，通过将Mo和Ni的总量抑制在2. 10 %以下，从而使耐尚温裂纹性提尚。
[0005] 另外，对于火力发电锅炉内的配管所适用的Mod. 9Cr_lMo钢进行焊接的气体保护 电弧焊用焊丝，不仅要求有耐高温裂纹性，而且要求高温强度高（蠕变强度高）、韧性高。以 使高温强度和韧性提高为目的的发明例如在专利文献2、3中提出。
[0006] 具体来说，在专利文献2中提出有一种9Cr_lMo钢焊接用焊丝，其特征在于，以质 量％计（下同），含有 C :0? 03 ~0? 18%、Si :0? 06 ~0? 80%、Mn :0? 85 ~2. 00%、Cr :8. 00 ~ 11. 0%、M〇 :0. 80 ~1. 20%、Ni :0. 03 ~1. 00%、Nb :0. 010 ~0. 250%、V :0. 02 ~0. 50%、 N :0? 026 ~0? 10%、0 :0? 002 ~0? 030%，A1 限制在 0? 020% 以下，此外，满足 Mn+2Ni-10N : 3. 00%以下，余量是Fe和不可避免的杂质。
[0007] 专利文献2所提出的发明着眼于影响到蠕变强度和韧性的Mn、Ni及N的影响，如 上所述，通过将Mn+2Ni-10N的值抑制在3. 00%以下，从而使蠕变强度和韧性兼具。
[0008] 另外，在专利文献3中公开有一种改良9Cr-lMo钢用焊接焊丝，具体来说，其特征 在于，含有C :0. 070至0. 150质量％、Si :高于0. 15质量％且在0. 30质量％以下、Mn :0. 30 质量％以上且低于〇. 85质量％、Ni :0. 30至1. 20质量％、Cr :8. 00至13. 00质量％、Mo : 0. 30 至 1. 40 质量％、V :0. 03 至 0. 40 质量％、Nb :0. 01 至 0. 15 质量％ 以及 N :0. 016 至 0. 055 质量％，将Mn和Ni的总量规定在1. 50质量％以下，并且限制为P :0. 010质量％以下、S : 0. 010质量％以下、Cu:低于0. 50质量％、Ti :0. 010质量％以下、A1 :低于0. 10质量％、B: 低于0.0010质量％、W:低于0. 10质量％、Co :低于1.00质量％以及0:0. 03质量％以下， 余量由Fe和不可避免的杂质构成。
[0009] 专利文献3所提出的发明，将P或S、Cu、Ti、Al这样的元素作为杂质处理，通过降 低这些元素的含量，使耐高温裂纹性?蠕变强度?韧性兼具。
[0010] 现有技术文献
[0011] 专利文献
[0012] 专利文献1 :日本特开昭64-11092号公报
[0013] 专利文献2 :日本特开平7-96390号公报
[0014] 专利文献3 :日本特开2005-329415号公报
[0015] 发明要解决的课题
[0016] 但是，在专利文献1所提出的发明中，焊接后热处理（Post Weld Heat Treatment ; PWHT)温度低至750°C，另外保持时间也短达lh。因此，专利文献1所提出的发明中存在这 样的问题，即，特别是与国外的锅炉制作中的PWHT的实际情况背离，不是用于评价机械性 能的恰当条件。
[0017] 另一方面，Mod. 9Cr_lMo钢在焊接时容易发生的高温裂纹，是应该与蠕变强度?韧 性同等对待的项目。但是，专利文献2所提出的发明中存在这样的问题，即对于高温裂纹并 未明确提及，谈不上就实机的焊接性进行了充分的研究。
[0018] 此外，专利文献3所提出的发明中，实施例中所述的高温裂纹，是对于在拘束弱的 状态（埋弧焊（Submerged Arc Welding ;SAW))，或无拘束的状态（气体保护妈极电弧焊 (Gas Tungsten Arc Weld ;GTAW))下进行焊接的全恪敷金属试验材进行评价，与焊接部受 到强拘束的实机焊接的实际情况相背离。因此，在专利文献3所提出的发明中存在这样的 问题，即，谈不上对于焊丝的高温裂纹性进行了充分的研究。另外，专利文献3所提案出的 发明，Cr量宽泛到8.0~13.0质量％，特别是在高于10. 5质量％的&量下，因为S铁素 体相残留在熔敷金属中，所以显然会使蠕变强度劣化。
[0019] 不仅是专利文献1~3所提出的发明，对于气体保护电弧焊用焊丝，都要求没有焊 接部相容不良和熔渣这样的外观不良、伤痕（裂缝）以及融合不良和气孔这样的内部缺陷 等，即要求焊接部健全。
【发明内容】
[0020] 本发明鉴于所述状况而形成，其课题在于，提供一种焊接部健全，焊接时不会发生 高温裂纹，PWHT后的蠕变强度和韧性优异的气体保护电弧焊用焊丝。
[0021] 用于解决课题的手段
[0022] 对于气体保护电弧焊用焊丝，要求焊接性优异，并且使熔敷金属的韧性和蠕变强 度兼具。本发明人等为了使韧性和蠕变强度兼具而潜心研究开发，通过以下的认知和努力 将其解决。
[0023] 气体保护电弧焊用焊丝在焊接时容易发生高温裂纹。特别是在GTAW中容易在弧 坑部发生裂纹，在气体保护金属极电弧焊（Gas Metal Arc Welding ;GMAW)中容易在焊道表 面和内部发生高温裂纹。这是由于，Cr量为比较高的9质量％左右，所以焊接时的凝固结 束温度低温化，伴随着凝固的进行，熔融金属未全面覆盖到最终凝固部，因此在这个地方发 生裂纹。另外，低熔点化合物在最终凝固部浓缩也导致其敏感性增大。
[0024] 另外，由Mod. 9Cr-lMo钢用气体保护电弧焊用焊丝形成的熔敷金属的显微组织是 马氏体主体，在焊接这种状态下硬度高，为低韧性。因此，通过实施PWHT而使组织恢复，并 且使碳氮化物析出，可改善韧性和蠕变强度。
[0025] 因此，本发明人等试图得到在焊接时不发生高温裂纹，PWHT后具有优异的韧性和 蠕变强度的熔敷金属，设计了气体保护电弧焊用焊丝的化学成分。
[0026] 还有，从材料的成分设计的观点出发，为了改善耐高温裂纹性，有效的是（1)减少 在最终凝固部形成低熔点化合物的元素，（2)减少降低凝固结束温度的元素。为了实现所 述（1)，有效的是减少P和S等杂质，但这些杂质在工业上已经以十分低的水平管理，在熔炼 能力上难以进一步减少。
[0027] 另外，为了实现所述（2)，有效的减少C和Cr等的主要合金成分，但无论何种合金 元素都是确保蠕变强度所必不可少的，不能轻易地减少。但是，关于C和Cr以外的合金元 素还留有改善的余地。因此，在本发明中关于所述（2)，针对C和Cr以外的合金元素进行研 究。
[0028] 另外，为了改善蠕变强度，有效的是（3)减少软质的S铁素体相，（4)增加碳氮化 物析出量。
[0029] 为了实现所述（3)，有效的是减少使铁素体相稳定化的Si、Cr和Mo等合金成分，或 增量使奥氏体相稳定化而相对性地使铁素体相不稳定化的Mn、Ni和Co等的合金成分。但 是，这些合金元素会使碳氮化物的析出量发生变化，对熔敷金属的韧性和蠕变性能造成影 响，在这方面必须留意。还有，这里所说的碳氮化物，主要是指Nb、V的碳化物、氮化物形成 的复合化合物。
[0030] 另外，为了实现所述（4)，有效的是增量Cr、Nb和V等的碳氮化物形成元素，但碳 氮化物的析出量增大使韧性劣化。因此，在本发明中，对于不会对碳氮化物的析出量造成影 响而使蠕变强度提高的合金元素进行研究。
[0031] 本发明人等，由各种研究的结果判明，Ni在焊接时的最终凝固部稠化而使凝固结 束温度降低，促进高温裂纹。另外还判明，Ni对于PWHT时的碳氮化物的析出量虽然不造成 影响，但使碳氮化物不稳定化，所谓以尽可能减少被称为奥斯特瓦尔德熟化的每单位体积 的表面积的方式促进生长，促进其粗大化，使蠕变强度劣化。因此，通过对于气体保护电弧 焊用焊丝进行低Ni设计，可成功抑制高温裂纹，不对碳氮化物的析出量造成影响，从而不 会使韧性劣化，通过使碳氮化物稳定化，可成功提高蠕变强度。
[0032] 另外，除所述以外，通过设为Cr量的特定的范围而抑制低Ni化带来的S铁素体 相的增加，而使蠕变强度?韧性?焊接性（耐高温裂纹性）兼具。例如，在专利文献3中规 定"使 Ni 量为 0.30 ~1.20% (优选为 0.40 ~1.00%)，Cr 量为 8. 00 ~13.00%"。
[0033] 相对于此，在本发明中如后所述，具有的特征在于，规定"使Ni量为0. 50%以下 (优选为〇? 20%以下），Cr量为8. 00~10. 50% (优选为8. 00~9. 50% ) "而使各种特性 兼具。
[0034] 根据以上所述的认知和努力而决定了所述课题的本发明的气体保护电弧焊用焊 丝，以质量％计含有c:0? 07 ~0? 13%、Si :0? 10 ~0? 50%、Mn :0? 55 ~1. 00%、S :0? 002 ~ 0. 010%、Cr :8. 00 ~10. 50%、M〇 :0. 85 ~1. 20%、V :0. 15 ~0. 30%、Nb :0. 02 ~0. 10%、 N :0? 03 ~0? 07%，且限制为 Ni :0? 50% 以下、P :0? 010% 以下、Cu :0? 30% 以下、A1 :0? 04% 以下、B :0. 0015%以下、0 :0. 030%以下，含有的Mn量和Ni量的合计量：0. 60~1. 15%，含 有的Mn