本发明涉及奥氏体系耐热钢焊接金属、焊接接头、奥氏体系耐热钢用焊接材料、以及焊接接头的制造方法。
背景技术：
近年来，从减少环境负担的观点出发在全球范围推进在热力发电用锅炉等中使运转条件高温、高压化。要求用于过热器管和再热器管的材料具有更优异的高温强度、耐腐蚀性等特性。
作为满足这种要求的材料，以往开发了含有大量氮和大量镍的各种奥氏体系耐热钢(以下，也将含有大量氮和大量镍的奥氏体系耐热钢称为“含高氮高镍的奥氏体系耐热钢”)。
例如，专利文献1提出了含有n0.02％～0.3％、ni17％～50％、以及cr18％～25％，并且含有nb0.05％～0.6％、ti0.03％～0.3％、以及mo0.3％～5％且高温强度优异的奥氏体系耐热钢。
另外，专利文献2提出了含有n0.1％～0.30％、ni22.5％～32％、以及cr20％～27％，并且作为强化元素含有w0.4％～4％、nb0.20％～0.60％且高温强度优异的奥氏体系耐热钢。
进一步，专利文献3提出了含有n超过0.05％且为0.3％以下、ni超过15％且为55％以下以及cr超过20％且小于28％，并且含有nb0.1％～0.8％、v0.02％～1.5％、以及w0.05％～10％，蠕变特性和热加工性优异的奥氏体系耐热钢。
进一步，专利文献4提出了含有n超过0.13％且为0.35％以下、ni超过26％且为35％以下以及cr20％～26％，并且含有nb0.01％～0.1％、v0.01％～1％、以及w1％～5.5％，蠕变特性优异的奥氏体系耐热钢。
这些奥氏体系耐热钢一般用作焊接构造物。因此，针对能够活用这些奥氏体系耐热钢的性能的焊接金属、焊接材料也提出了各种方案。
例如，专利文献5公开了含有nb0.25％～0.7％、n0.15％～0.35％，并且根据cr、si、c以及n的量含有ni，且限制了p和s的奥氏体系耐热钢用焊接材料兼顾高温强度和耐凝固裂纹性。
专利文献6公开了含有n0.2％～0.4％、nb0.01％～0.7％、mo0.5％～1.5％、以及ni18％～30％，并且将p和s的总量限制在0.02％以下的奥氏体系耐热钢用焊接材料兼顾高温强度和焊接性。
专利文献7公开了含有nb：0.5％～3.5％、n：0.1％～0.35％、mo：0.2％～1.8％、以及ni：30％～45％等的奥氏体系耐热钢用焊接材料、和含有nb：0.3％～3.5％、n：0.1％～0.35％、mo：0.2％～1.8％、以及ni：35％～45％等的奥氏体系耐热钢焊接金属。
专利文献8公开了含有nb：0.8％～4.5％、n：0.1％～0.35％、mo：0.2％～1.8％、以及ni：30％～50％等的奥氏体系耐热钢用焊接材料、和含有nb：0.5％～4％、n：0.1％～0.35％、mo：0.2％～1.8％、以及ni：30％～50％的奥氏体系耐热钢焊接金属。
专利文献9公开了含有nb：0.15％～1.5％、w：0.5％～3％、n：0.1％～0.35％、以及ni：15％～25％的奥氏体系耐热钢用焊接材料、和含有nb：0.1％～1.5％、w：0.5％～3％、n：0.1％～0.35％、以及ni：15％～25％的奥氏体系耐热钢焊接金属。
专利文献10公开了含有nb：0.1％～0.6％、w：1％～5％、n：0.1％～0.35％、以及ni：23％～32％的奥氏体系耐热钢。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭59-173249号公报
专利文献2：日本特表2002-537486号公报
专利文献3：日本专利第3838216号公报
专利文献4：日本特开2017-88957号公报
专利文献5：日本专利第2722893号公报
专利文献6：日本特开平07-060481号公报
专利文献7：日本专利第3329262号公报
专利文献8：日本专利第3918670号公报
专利文献9：日本专利第3329261号公报
专利文献10：日本特开2017-14576号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
专利文献2公开的奥氏体系耐热钢用焊接材料和专利文献10公开的奥氏体系耐热钢焊接金属在700℃下具有优异的蠕变强度。但是，设想在更高温下使用的情况下，专利文献2公开的奥氏体系耐热钢用焊接材料、专利文献10公开的奥氏体系耐热钢焊接金属难以确保蠕变强度。
另外，由于专利文献7～9公开的奥氏体系耐热钢焊接金属和焊接材料中，作为析出强化元素主要使用了nb，的确满足优异的高强度、耐腐蚀性等特性。但是，由于专利文献7～9公开的奥氏体系耐热钢焊接金属和焊接材料的强化能力非常大，因此在高温下使用时，晶粒内被过度强化，有时会发生晶界强度相对下降、使用初期韧性急剧下降、进而焊接高温裂纹敏感性增加。
因此，希望开发一种能够充分利用含高氮高镍的奥氏体系耐热钢的性能的焊接金属以及具有其的焊接接头。
本发明是鉴于上述现状完成的发明，其目的在于，提供一种将含高氮高镍的奥氏体系耐热钢用作焊接构造物时能够充分利用含高氮高镍的奥氏体系耐热钢的性能、高温裂纹敏感性低、蠕变强度优异的奥氏体系耐热钢焊接金属以及具有其的焊接接头。本发明的目的还在于，提供一种适于焊接含高氮高镍的奥氏体系耐热钢的焊接材料、以及焊接接头的制造方法。
用于解决问题的方案
本发明人等针对含有w、nb的含高氮高镍的奥氏体系耐热钢进行了各种研究。其结果，确认了以下事项。
与nb一样，通过添加使碳氮化物析出的v，可以确保长时间使用期间的蠕变强度。
另外，含高氮高镍的奥氏体系耐热钢中，由cr、ni以及n形成的氮化物在高温区域析出，有时会发生母相中的固溶氮量下降。组织稳定方面，如果si量变高，则该氮化物的析出量增加，因此若si量变高则母相中的固溶氮下降，会导致蠕变强度下降。因此，通过降低si量，能够确保长时间使用期间的蠕变强度。
进一步，为了确保在超过700℃的高温下所需的蠕变强度，需要添加高含量的w。
nb、v、w、n以及b有利于改善蠕变强度，通过减少si，有利于改善蠕变强度。针对这些元素进行了各种实验，结果发现，将各元素对蠕变强度的贡献度应用于系数，并且可以利用fn1＝10(nb+v)+1.5w+20n+1500b-25si整理并作为表示蠕变强度的指标。为了确保在高温下的蠕变强度，需要将通过fn1求出的值设为10以上。
本发明是通过反复进行以上研究从而完成的。即，本发明的要旨如下。
<1>一种奥氏体系耐热钢焊接金属，其化学组成以质量％计为
c：0.06％～0.14％、
si：0.1％～0.6％、
mn：0.1％～1.8％、
p：0.025％以下、
s：0.003％以下、
ni：25％～35％、
cr：20％～24％、
w：超过4.5％且为7.5％以下、
nb：0.05％～0.5％、
v：0.05％～0.4％、
n：0.1％～0.35％、
al：0.08％以下、
o：0.08％以下、
b：0.0005～0.005％、
ti：0％～0.25％、
cu：0％～4％、
co：0％～2％、
mo：0％～2％、
ta：0％～1％、
ca：0％～0.02％、
mg：0％～0.02％、
rem：0％～0.06％、
余量：fe和杂质，
下述式(1)所示的fn1为10以上。
fn1＝10(nb+v)+1.5w+20n+1500b-25si(1)
在式(1)中的nb、v、w、n、b、以及si处以质量％代入对应元素的含量。
<2>根据<1>所述的奥氏体系耐热钢焊接金属，其中，
所述化学组成以质量％计含有选自由
ti：0.01％～0.25％、
cu：0.01％～4％、
co：0.01％～2％、
mo：0.01％～2％、
ta：0.01％～1％、
ca：0.0005％～0.02％、
mg：0.0005％～0.02％、以及
rem：0.0005％～0.06％
组成的组中的1种或2种以上的元素。
<3>一种焊接接头，其具备<1>或<2>所述的奥氏体系耐热钢焊接金属和奥氏体系耐热钢的母材。
<4>根据<3>所述的焊接接头，其中，
所述母材的化学组成以质量％计为
c：0.02％～0.14％、
si：0.05％～1％、
mn：0.1％～3％、
p：0.04％以下、
s：0.002％以下、
ni：26％～35％、
cr：20％～26％、
w：1％～7％、
nb：0.01％～1％、
v：0.01％～1％、
n：0.1％～0.6％、
b：0.0005％～0.008％、
rem：0.003％～0.06％、
al：0.3％以下、
o：0.02％以下、
ti：0％～0.5％、
co：0％～2％、
cu：0％～4％、
mo：0％～4％、
ta：0％～1％、
ca：0％～0.02％、
mg：0％～0.02％、
余量：fe和杂质。
<5>根据<4>所述的焊接接头，其中，
所述母材的化学组成以质量％计含有选自由
ti：0.01％～0.5％、
co：0.01％～2％、
cu：0.01％～4％、
mo：0.01％～4％、
ta：0.01％～1％、
ca：0.0005％～0.02％、以及
mg：0.0005％～0.02％
组成的组中的1种或2种以上。
<6>一种奥氏体系耐热钢用焊接材料，其化学组成以质量％计为
c：0.06％～0.14％、
si：0.1％～0.4％、
mn：0.1％～1.2％、
p：0.01％以下、
s：0.003％以下、
ni：28％～35％、
cr：20％～24％、
w：超过4.5％且为7.5％以下、
nb：0.05％～0.5％、
v：0.05％～0.35％、
n：0.1％～0.35％、
al：0.08％以下、
o：0.08％以下、
b：0.0005～0.005％、
ti：0％～0.25％、
cu：0％～4％、
co：0％～2％、
mo：0％～2％、
ta：0％～1％、
ca：0％～0.02％、
mg：0％～0.02％、
rem：0％～0.06％、
余量：fe和杂质，
下述式(1)所示的fn1为10以上，
fn1＝10(nb+v)+1.5w+20n+1500b-25si(1)
在式(1)中的nb、v、w、n、b、以及si处以质量％代入对应元素的含量。
<7>根据<6>所述的奥氏体系耐热钢用焊接材料，其中，
所述化学组成以质量％计含有选自由
ti：0.01％～0.25％、
cu：0.01％～4％、
co：0.01％～2％、
mo：0.01％～2％、
ta：0.01％～1％、
ca：0.0005％～0.02％、
mg：0.0005％～0.02％、以及
rem：0.0005％～0.06％
组成的组中的1种或2种以上的元素。
<8>一种焊接接头的制造方法，其为制造<4>所述的焊接接头的方法，其中，使用<6>所述的奥氏体系耐热钢用焊接材料将具有<4>所述化学组成的母材焊接。
发明的效果
根据本发明，提供一种适于焊接含高氮高镍的奥氏体系耐热钢的焊接材料、以及能够充分利用含高氮高镍的奥氏体系耐热钢的性能且高温裂纹敏感性低，蠕变强度优异的奥氏体系耐热钢焊接金属以及具有其的焊接接头。
具体实施方式
以下，对本发明的一实施方式的奥氏体系耐热钢焊接金属、奥氏体系耐热钢用焊接材料、以及焊接接头及其制造方法进行说明。在本说明书中，对于使用“～”表示的数值范围，若无特别说明，则是指包含“～”的前后所记载的数值作为下限值和上限值的范围。然而，提示了“超过”和“小于”的情况是指不包含作为下限值和上限值中的至少一者的“～”的前后所记载的数值。
<焊接金属和焊接材料>
本发明中，限制奥氏体系耐热钢焊接金属和奥氏体系耐热钢用焊接材料的化学组成的理由如下。
在以下的说明中，各元素的含量的“％”是指“质量％”。另外，焊接金属的化学组成是通过对焊接金属中母材的稀释的影响不显著的部分的化学组成进行定量而确定的化学组成。更具体而言，焊接金属的化学组成是通过对焊接金属的中心部分附近的化学组成进行定量而确定的化学组成，并且如果可能的话，将对距离熔合线0.5mm以上的部分的化学组成进行定量而确定的化学组成作为焊接金属的化学组成。另外，“杂质”是指在工业上制造奥氏体系耐热钢时作为原料的矿石、废料或者从制造环境等混入的成分，并不是有目的的含有的成分。
c：0.06％～0.14％(焊接金属)
0.06％～0.14％(焊接材料)
碳(c)稳定奥氏体组织，并且形成微细的碳化物，改善高温使用期间的蠕变强度。为了充分地获得这些效果，需要含有0.06％以上的c。但是，c含量过多时，会在焊接金属中存在大量的碳化物，因此延性和韧性下降。因此，c含量的上限设为0.14％以下。c含量的下限优选为0.07％以上，更优选为0.08％以上。c含量的上限优选为0.13％以下，更优选为0.12％以下。
si：0.1％～0.6％(焊接金属)
0.1％～0.4％(焊接材料)
硅(si)具有脱氧作用，并且是对改善高温下的耐腐蚀性和耐氧化性有效的元素。为了获得该效果，需要含有0.1％以上的si。但是，过量含有si时，在组织稳定方面，由cr、ni和n形成的氮化物析出，会发生母相中的固溶氮量下降，导致蠕变强度下降。因此，对于si含量的上限，在焊接金属中设为0.6％以下，在焊接材料中设为0.4％以下。对于si含量的下限，在焊接金属和焊接材料中均优选为0.12％以上，更优选为0.15％以上。对于焊接金属的si含量的上限，优选为0.58％以下，更优选为0.55％以下，进一步优选为0.40％以下。对于焊接材料的si含量的上限，优选为0.38％以下，更优选为0.35％以下。
mn：0.1％～1.8％(焊接金属)
0.1％～1.2％(焊接材料)
锰(mn)与si一样，具有脱氧作用。另外，mn使奥氏体组织稳定，有利于改善蠕变强度。为了获得这些效果，需要含有0.1％以上的mn。但是，mn含量过多时会导致脆化，进而也会发生蠕变延性下降。另外，用作焊接材料的情况下，焊接时的凝固裂纹敏感性提高。因此，对于mn含量的上限，在焊接金属中设为1.8％以下，在焊接材料中设为1.2％以下。对于mn含量的下限，在焊接金属和焊接材料中均优选为0.15％以上，更优选为0.2％以上。焊接金属的mn含量的上限优选为1.6％以下，更优选为1.4％以下。焊接材料的mn含量的上限优选为1.1％以下，更优选为1.0％以下。
p：0.025％以下(焊接金属)
0.01％以下(焊接材料)
磷(p)是作为杂质含有，降低蠕变延性的元素。另外，用作焊接材料的情况下，p提高焊接时的凝固裂纹敏感性。因此，对p的含量设定上限，在焊接金属中设为0.025％以下，在焊接材料中设为0.01％以下。焊接金属的p含量的上限优选为0.023％以下，更优选为0.020％以下。焊接材料的p含量的上限优选为0.008％以下，更优选为0.006％以下。需要说明的是，虽然希望尽可能减少p含量，但是极度减少p含量会导致制造成本增加。因此，对于p含量的下限，在焊接金属和焊接材料中均优选为0.0005％以上，更优选为0.0008％以上。
s：0.003％以下(焊接金属)
0.003％以下(焊接材料)
硫(s)与p一样，作为杂质含有，其在高温下的使用初期、在焊接金属的柱状晶界处偏析、降低韧性。进而，也提高焊接时的凝固裂纹敏感性。为了稳定地抑制这些情况，对s的含量也设定上限，需要设为0.003％以下。s含量优选为0.0025％以下，更优选为0.002％以下。需要说明的是，虽然希望尽可能减少s含量，但是极度减少s含量会导致焊接材料的制造成本增加。因此，对于s含量的下限，在焊接金属和焊接材料中均优选为0.0001％以上，更优选为0.0002％以上。
ni：25％～35％(焊接金属)
28％～35％(焊接材料)
镍(ni)提高长时间使用时的奥氏体组织的稳定性，有利于改善蠕变强度。为了充分获得该效果，在焊接金属中需要含有25％以上的ni，在焊接材料中需要含有28％以上的ni。但是，ni是高价元素，大量含有会导致成本增加。因此，对ni含量设定上限，在焊接金属和焊接材料中均设为35％以下。焊接金属的ni含量的下限优选为25.5％以上，更优选为26％以上。焊接材料的ni含量的下限优选为28.5％以上，更优选为29％以上。对于ni含量的上限，在焊接金属和焊接材料中均优选为34.5％以下，更优选为34％以下。
cr：20％～24％(焊接金属)
20％～24％(焊接材料)
铬(cr)是为了确保高温下的耐氧化性和耐腐蚀性所需的元素。另外，其也会形成微细的碳化物而有利于确保蠕变强度。为了充分获得该效果，需要含有20％以上的cr。但是，cr含量超过24％时，高温下的奥氏体组织的稳定性劣化而导致蠕变强度明显下降。因此，cr含量设为20％～24％。cr含量的下限优选为20.5％以上，更优选为21％以上。cr含量的上限优选为23.5％以下，更优选为23％以下。
w：超过4.5％且为7.5％以下(焊接金属)
超过4.5％且为7.5％以下(焊接材料)
钨(w)是固溶于基质，从而大大有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度的元素。为了充分发挥该效果，需要含有至少超过4.5％的w。但是，w是高价元素，因此过量含有w会导致成本增加，并且组织稳定性下降。因此，w含量的上限设为7.5％以下。w含量的下限优选为4.7％以上，更优选为5％以上，进一步优选为5.5％以上。w含量的上限优选为7.3％以下，更优选为7％以下。
nb：0.05％～0.5％(焊接金属)
0.05％～0.5％(焊接材料)
铌(nb)与碳和氮的亲和力强，会作为微细的碳氮化物在晶粒内析出，有利于改善焊接金属的高温下的蠕变强度和拉伸强度。为了充分获得该效果，需要含有0.05％以上的nb。但是，nb的含量过多时，高温下的使用初期的析出量增加，导致韧性下降。因此，nb含量的上限设为0.5％以下。nb含量的下限在焊接金属和焊接材料中均优选为0.08％以上，更优选为0.1％以上。焊接金属的nb含量的上限优选为0.48％以下，更优选为0.45％以下。焊接材料的nb含量的上限为0.47％以下，更优选为0.4％以下。
v：0.05％～0.4％(焊接金属)
0.05％～0.35％(焊接材料)
钒(v)与nb一样，会形成微细的碳氮化物，但是与nb相比，其与碳和氮的亲和力弱。因此，v不会像nb一样对使用初期的韧性造成影响，有利于改善焊接金属的蠕变强度。为了获得该效果，需要含有0.05％以上的v。但是，过量含有v时会大量析出，并且析出物的粗大化变得显著，导致蠕变强度和延性下降。因此，对于v含量的上限，在焊接金属中设为0.4％以下，在焊接材料中设为0.35％以下。v含量的下限优选为0.08％以上，更优选为0.1％以上。焊接金属的v含量的上限优选为0.38％以下，更优选为0.35％以下。焊接材料的v含量的上限优选为0.32％以下，更优选为0.3％以下。
n：0.1％～0.35％(焊接金属)
0.1％～0.35％(焊接材料)
氮(n)使奥氏体组织稳定，并且通过强化固溶或强化析出而有利于改善高温强度。为了获得其效果，需要含有0.1％以上的n。但是，含有超过0.35％的n时，析出大量的氮化物，导致韧性下降。因此，n含量设为0.1％～0.35％。
n含量的下限优选为0.12％以上，更优选为0.15％以上。n含量的上限优选为0.32％以下，更优选为0.3％以下。
al：0.08％以下(焊接金属)
0.08％以下(焊接材料)
铝(al)在制造母材时作为脱氧剂含有，在制造焊接材料时也作为脱氧剂含有。其结果，焊接金属也含有al。含有大量al时，延性下降。因此，al含量的上限需要设为0.08％以下。al含量的上限优选为0.06％以下，更优选为0.04％以下。需要说明的是，对于al含量的下限，不需要特别设定，极度减少al含量会导致制造成本增加。因此，al含量的优选下限为0.0005％以上，更优选下限为0.001％以上。
o：0.08％以下(焊接金属)
0.08％以下(焊接材料)
氧(o)在焊接金属中作为杂质含有。但是，o含量过量时，会导致韧性和延性劣化。因此，o含量的上限设为0.08％以下。o含量的上限优选为0.06％以下，更优选为0.04％以下。需要说明的是，对于o含量，不需要特别设定下限，极度降低o含量会导致制造成本上升。因此，o含量的优选下限为0.0005％以上，更优选下限为0.0008％以上。
b：0.0005％～0.005％(焊接金属)
0.0005％～0.005％(焊接材料)
硼(b)通过使碳化物微细地分散，改善焊接金属的蠕变强度，并且强化晶界而有利于改善韧性。为了发挥其效果，需要含有0.0005％以上的b。但是，过量含有b时，提高焊接中的凝固裂纹敏感性。因此，b含量的上限设为0.005％以下。b含量的上限优选为0.004％以下，更优选为0.003％以下，进一步优选为0.002％以下。b含量的优选下限为0.0007％以上，更优选下限为0.001％以上。
fn1＝10(nb+v)+1.5w+20n+1500b-25si：10以上
如上所述，nb、v、w、n和b有利于改善蠕变强度，通过减少si，有利于改善蠕变强度。为了确保高温下的蠕变强度，需要将通过fn1＝10(nb+v)+1.5w+20n+1500b-25si求出的值设为10以上。fn1优选为12以上，更优选为12.5以上，进一步优选为13以上。
本实施方式的奥氏体系耐热钢焊接金属和奥氏体系耐热钢用焊接材料的化学组成的余量为fe和杂质。
本实施方式的奥氏体系耐热钢焊接金属和奥氏体系耐热钢用焊接材料可以含有选自由ti、cu、co、mo、ta、ca、mg、以及rem组成的组中的1种或2种以上的元素。这些元素都是选择性元素。即，本实施方式的奥氏体系耐热钢焊接金属和奥氏体系耐热钢用焊接材料可以含有这些元素，也可以不含有。下面对各成分进行说明。
ti：0％～0.25％(焊接金属)
0％～0.25％(焊接材料)
钛(ti)与nb和v一样，形成微细的碳氮化物，从而有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度。因此，可以根据需要含有钛。但是，ti含量过多时，与nb一样在使用初期大量析出，导致韧性下降。因此，ti含量的上限设为0.25％以下。ti含量的上限优选为0.23％以下，更优选为0.2％以下。ti含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
cu：0％～4％(焊接金属)
0％～4％(焊接材料)
铜(cu)提高奥氏体组织的稳定性，微细地析出而有利于改善蠕变强度。但是，过量含有cu时，导致延性下降。因此，cu含量的上限设为4％以下。cu含量的上限优选为3.8％以下，更优选为3.5％以下。cu含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
co：0％～2％(焊接金属)
0％～2％(焊接材料)
钴(co)与ni和cu一样，是生成奥氏体的元素，提高奥氏体组织的稳定性，从而有利于改善蠕变强度。但是，co是极其高价的元素，因此过量含有co会导致成本大幅度增加。因此，含有co的情况下，co含量的上限设为2％以下。co含量的上限优选为1.8％以下，更优选为1.5％以下。co含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
mo：0％～2％(焊接金属)
0％～2％(焊接材料)
钼(mo)与w一样，固溶于基质而有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度。但是，过量含有mo时，组织稳定性下降，反而有时导致蠕变强度下降。进而，mo是高价的元素，因此过量含有会导致成本增加。因此，mo含量的上限设为2％以下。mo含量的上限优选为1.5％以下，更优选为1.2％以下。mo含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
ta：0％～1％(焊接金属)
0％～1％(焊接材料)
钽(ta)形成碳氮化物，并且作为固溶强化元素而改善高温强度和蠕变断裂强度。另一方面，ta含量超过1％时，损害钢的加工性、机械性质。因此，含有ta的情况下，ta含量的上限设为1％以下。ta含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.05％以上，进一步优选为0.1％以上。ta含量的上限优选为0.7％以下，更优选为0.6％以下。
ca：0％～0.02％(焊接金属)
0％～0.02％(焊接材料)
钙(ca)具有改善热变形性的效果，因此可以根据需要含有。但是，过量含有ca时，ca会与氧结合，显著降低洁净性，反而使热变形性劣化。因此，ca含量的上限设为0.02％以下。ca含量的上限优选为0.015％以下，更优选为0.01％以下。ca含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。
mg：0％～0.02％(焊接金属)
0％～0.02％(焊接材料)
镁(mg)与ca一样，具有改善热变形性的效果，因此可以根据需要含有。但是，过量含有mg时，mg与氧结合，显著降低洁净性，反而使热变形性劣化。因此，mg含量的上限设为0.02％以下。mg含量的上限优选为0.015％以下，更优选为0.01％以下。mg含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。
rem：0％～0.06％(焊接金属)
0％～0.06％(焊接材料)
稀土元素(rem)与ca和mg一样，具有改善热变形性的效果，因此可以根据需要含有。但是，过量含有rem时，rem会与氧结合，显著降低洁净性，反而使热加工性劣化。因此，rem含量的上限设为0.06％以下。rem含量的上限优选为0.04％以下，更优选为0.03％以下。rem含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。
需要说明的是，“rem”是指，sc、y、以及镧系的总共17种元素的总称，rem的含量是指rem中的1种或2种以上元素的总含量。另外，rem通常包含在混合金属中。因此，例如可以以混合金属的形式含有rem，使rem的含量在上述范围内。
很难以熔融的状态使rem稳定存在。因此，从焊接接头的特性的稳定性角度出发，优选在焊接材料中不含有rem。
本实施方式的奥氏体系耐热钢用焊接材料可以通过常规的方法来制造。例如，熔融具有上述焊接材料的化学组成的合金，制成钢锭，经过热锻、热轧、冷轧或冷拔、热处理等工序，制作外径为数mm(例如1.0mm～2.4mm)的线材，从而得到焊接材料。
可以通过例如使用上述焊接材料，焊接奥氏体系耐热钢来制造本实施方式的焊接金属。
<焊接接头>
本发明的一实施方式的焊接接头具备上述焊接金属和奥氏体系耐热钢的母材。具体而言，焊接接头具有接头部的焊接金属；和由夹着焊接金属的奥氏体系耐热钢形成的2个母材。对于焊接接头的具体形状、用于获得焊接接头的焊接的具体方式(焊接姿势)并不特别限定，例如，在对钢管进行坡口加工后进行对接焊接时，对厚板进行坡口加工后进行对接焊接时等可以使用。
<母材>
本实施方式的焊接接头的母材优选具有下述的化学组成。
c：0.02％～0.14％
碳(c)使奥氏体组织稳定，并且形成微细的碳化物，改善高温使用期间的蠕变强度。因此，优选将c含量的下限设为0.02％以上。但是，过量含有c时，碳化物大量析出，蠕变延性和韧性下降。因此，优选将c含量的上限设为0.14％以下。c含量的上限更优选为0.03％以上，进一步优选为0.04％以上。c含量的下限更优选为0.13％以下，进一步优选为0.12％以下。
si：0.05％～1％
硅(si)具有脱氧作用，并且是对改善高温下的耐腐蚀性和耐氧化性有效的元素。因此，优选将si含量的下限设为0.05％以上。但是，过量含有si时，在组织稳定方面，由cr、ni和n形成的氮化物析出，会发生母相中的固溶氮量下降，导致蠕变强度下降。因此，优选将si含量的上限设为1％以下。si含量的下限更优选为0.08％以上，进一步优选为0.1％以上。si含量的上限更优选为0.8％以下，进一步优选为0.5％以下。
mn：0.1％～3％
锰(mn)与si一样，具有脱氧作用。另外，mn有利于奥氏体组织的稳定化。因此，优选将mn含量的下限设为0.1％以上。但是，mn含量过多时会导致脆化，进而也会发生蠕变延性下降。因此，优选将mn含量的上限设为3％以下。mn含量的下限更优选为0.3％以上，进一步优选为0.5％以上。mn含量的上限更优选为2.5％以下，进一步优选为2％以下。
p：0.04％以下
磷(p)在合金中作为杂质含有，焊接期间在焊接热影响部的晶界处偏析，从而提高液化裂纹敏感性。进而，也使长时间使用后的蠕变延性下降。因此，优选将p含量的上限设为0.04％以下。p含量的上限更优选为0.028％以下，进一步优选为0.025％以下。需要说明的是，虽然希望尽可能减少p含量，但是极度减少p含量会导致制造成本增加。因此，p含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.0008％以上。
s：0.002％以下
硫(s)与p一样，在合金中作为杂质含有，焊接期间在焊接热影响部的晶界处偏析，从而提高液化裂纹敏感性。因此，优选将s含量的上限设为0.002％以下。s含量的上限更优选为0.0018％以下，进一步优选为0.0015％以下。需要说明的是，虽然希望尽可能减少s含量，但是极度减少s含量会导致制造成本增加。因此，s含量的下限更优选为0.0001％以上，进一步优选为0.0002％以上。
ni：26％～35％
镍(ni)是用于确保长时间使用时的奥氏体组织的稳定性、蠕变强度的元素。因此，优选将ni含量的下限设为26％以上。但是，ni是高价元素，大量含有会导致成本增加。因此，优选将ni含量的上限设为35％以下。ni含量的下限更优选为27％以上，进一步优选为28％以上。ni含量的上限更优选为34％以下，进一步优选为33％以下。
cr：20％～26％
铬(cr)是用于确保高温下的耐氧化性和耐腐蚀性的元素。另外，其也会形成微细的碳化物而有利于确保蠕变强度。因此，优选将cr含量的下限设为20％以上。但是，cr含量超过26％时，高温下的奥氏体组织的稳定性劣化，导致蠕变强度的下降。因此，优选将cr的含量设为20％～26％。cr含量的下限更优选为20.5％以上，进一步优选为21％以上。cr含量的上限优选为25.5％以下，更优选为25％以下。
w：1％～7％
钨(w)是固溶于基质而大大有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度的元素。因此，优选将w含量的下限设为1％以上。但是，即使过量含有w，其效果也会饱和或者根据情况蠕变强度下降。进而，w是高价元素，因此过量含有w会导致成本增加。因此，优选将w含量的上限设为7％以下。w含量的下限更优选为1.2％以上，进一步优选为1.5％以上。w含量的上限优选为6.8％以下，更优选为6.5％以下。
nb：0.01％～1％
铌(nb)作为微细的碳氮化物在晶粒内析出，有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度。因此，优选将nb含量的下限设为0.01％以上。但是，nb的含量过多时，会作为碳氮化物大量析出，导致蠕变延性和韧性下降。因此，优选将nb含量的上限设为1％以下。nb含量的下限更优选为0.05％以上，进一步优选为0.1％以上。nb含量的上限更优选为0.9％以下，进一步优选为0.8％以下。
v：0.01％～1％
钒(v)与nb一样，形成微细的碳氮化物，从而有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度。因此，优选将v含量的下限设为0.01％以上。但是，v的含量过多时会大量析出，导致蠕变延性和韧性下降。因此，优选将v含量的上限设为1％以下。v含量的下限更优选为0.05％以上，进一步优选为0.1％以上。v含量的上限更优选为0.9％以下，进一步优选为0.8％以下。
n：0.1％～0.6％
氮(n)使奥氏体组织稳定，固溶或作为氮化物析出，有利于改善高温强度。因此，优选将n含量的下限设为0.1％以上。但是，过量含有n时，在长时间使用期间大量的微细氮化物在晶粒内析出，也会导致蠕变延性和韧性下降。因此，优选将n含量的上限设为0.6％以下。n含量的下限优选为0.12％以上，更优选为0.15％以上。n含量的上限优选为0.58％以下，更优选为0.55％以下。
b：0.0005％～0.008％
硼(b)通过使晶界碳化物微细地分散，改善蠕变强度，并且在晶界偏析而有利于强化晶界。因此，优选将b含量的下限设为0.0005％以上。但是，若b含量过多，则焊接期间的热影响部的液化裂纹敏感性提高。因此，优选将b含量的上限设为0.008％以下。b含量的上限更优选为0.006％以下，进一步优选为0.005％以下。b含量的下限优选为0.0006％以上，更优选为0.0008％以上。
rem：0.003％～0.06％
稀土元素(rem)有利于改善制造时的热变形性。因此，优选将rem含量的下限设为0.003％以上。但是，过量含有rem时，rem会与氧结合，显著降低洁净性，反而损害热变形性。因此，优选将rem含量的上限设为0.06％以下。rem含量的上限更优选为0.04％以下，进一步优选为0.03％以下。rem含量的下限优选为0.005％以上，更优选为0.007％以上。
al：0.3％以下
铝(al)在制造母材时作为脱氧剂含有。但是，含有大量al时，钢的洁净性劣化，热加工性下降。因此，优选将al含量的上限设为0.3％以下。al含量的上限更优选为0.25％以下，进一步优选为0.2％以下。需要说明的是，对于al含量的下限没有必要特别设定，但是极度降低al会导致制造成本增加。因此，al含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。
o：0.02％以下
氧(o)在合金中作为杂质含有，过量含有时热加工性下降，并且导致韧性和延性劣化。因此，优选将o含量的上限设为0.02％以下。o含量的上限更优选为0.018％以下，进一步优选为0.015％以下。需要说明的是，对于o含量不需要特别设定下限，但是极度减少o会导致制造成本的上升。因此，o含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.0008％以上。
本实施方式的焊接接头的母材的化学组成的余量为fe和杂质。
本实施方式的焊接接头的母材可以含有ti、co、cu、mo、ta、ca、以及mg组成的组中的1种或2种以上的元素。下面对各成分进行说明。
ti：0％～0.5％
钛(ti)与nb和v一样，形成微细的碳氮化物，从而有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度。因此，可以根据需要含有钛。但是，ti含量过多时，会和nb一样在使用初期大量析出，导致韧性的下降。因此，优选将ti含量的上限设为0.5％以下。ti含量的上限更优选为0.3％以下，进一步优选为0.2％以下。ti含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
co：0％～2％
钴(co)与ni和cu一样，是生成奥氏体的元素，提高奥氏体组织的稳定性而有利于改善蠕变强度。因此，可以根据需要含有co。但是，co是极其高价的元素，过量含有co会导致成本大幅度增加。因此，优选将co含量的上限设为2％以下。co含量的上限更优选为1.8％以下，进一步优选为1.5％以下。co含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
cu：0％～4％
cu(铜)提高奥氏体组织的稳定性，并且在使用期间微细地析出，从而有利于改善蠕变强度。因此，可以根据需要含有cu。但是，过量含有cu时，导致延性下降。因此，优选将cu含量的上限设为4％以下。cu含量的上限更优选为3.8％以下，进一步优选为3.5％以下。cu含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
mo：0％～4％
钼(mo)与w一样，是固溶于基质而有利于改善高温下的蠕变强度和拉伸强度的元素。因此，可以根据需要含有mo。但是，过量含有mo时，会降低组织稳定性，有时反而降低蠕变强度。进而，mo为高价元素，因此过量含有会导致成本增加。因此，优选将mo含量的上限设为4％以下。mo含量的上限更优选为2％以下，进一步优选为1.2％以下。mo含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。
ta：0％～1％
钽(ta)形成碳氮化物，并且作为固溶强化元素而改善高温强度和蠕变断裂强度。因此，可以根据需要含有ta。另一方面，ta含量超过1％时，则损害钢的加工性、机械性质。因此，优选将ta含量的上限设为1％以下。ta含量的上限更优选为0.7％以下，进一步优选为0.6％以下。ta含量的下限优选为0.01％以上，更优选为0.05％以上，进一步优选为0.1％以上。
ca：0％～0.02％
钙(ca)具有改善热变形性的效果，因此可以根据需要含有。但是，过量含有ca时，ca会与氧结合，显著降低洁净性，反而使热变形性劣化。因此，优选将ca含量的上限设为0.02％以下。ca含量的上限更优选为0.015％以下，进一步优选为0.01％以下。ca含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。
mg：0％～0.02％
镁(mg)与ca一样，具有改善热变形性的效果，因此可以根据需要含有。但是，过量含有mg时，mg会与氧结合，显著降低洁净性，反而使热变形性劣化。因此，优选将mg含量的上限设为0.02％以下。mg含量的上限更优选为0.015％以下，进一步优选为0.01％以下。mg含量的下限优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。
本实施方式的焊接接头不限于此，可以通过使用上述焊接材料，焊接上述母材来制造。
实施例
以下，通过实施例对本发明进行更具体地说明，本发明不限于这些实施例。本领域技术人员能够想到在权利要求所述的思想范畴内进行各种变形例或修改例，这些当然也落入本发明的保护范围。
[焊接材料]
在实验室中将具有表1所示化学组成的材料(钢材)熔融并铸造而得到的钢锭，通过热锻、热轧、热处理和机械加工，制备下面2种板材。
板材(1)：板厚4mm、宽度100mm、长度100mm
板材(2)：板厚4mm、宽度200mm、长度500mm
进一步，使用板材(2)，通过机械加工，制备2mm见方、长度为500mm的切割填料。
[表1]
[可变拘束试验(trans-varestraintest)]
从上述板材(1)采集可变拘束(trans-varestrain)试验片。然后通过gtaw在焊接电流100a、焊接速度15cm/分钟的条件下进行堆焊焊接。当熔池到达试验片长度方向的中心部时，对试验片施加弯曲变形，并且对焊接金属施加附加应变以引起裂纹。附加应变设为最大裂纹长度达到饱和时的2％。对于评价，测定焊接金属内产生的最大裂纹长度，并将其作为焊接材料所具有的凝固裂纹敏感性的评价指标。对于裂纹长度，将通过完全奥氏体凝固的alloy800h焊接金属的可变拘束试验所评价的最大裂纹长度即1.3mm以下作为目标。
[蠕变断裂试验]
使用由板材(2)制备的切割填料，通过将ar作为密封气体进行手动tig焊接而对坡口面进行堆焊焊接后，在坡口内进行层叠焊接以制备完全熔接金属试验片。需要说明的是，焊接时，热输入为9kj/cm～12kj/cm，层间温度设为150℃以下。未实施焊接前热处理(预热)和焊接后热处理。之后，从完全熔接金属部采集圆棒蠕变断裂试验片。并且在750℃、127mpa的条件下进行蠕变断裂试验，在该条件下超过作为目标断裂时间的1000小时的试验片认为“合格”，1000小时以下的试验片认为不合格。
在表2中示出上述各试验的结果。
[表2]
表2
从表2可知，化学组成在本发明所限定的范围内的编号1～6的焊接材料的焊接高温裂纹敏感性低，且满足目标蠕变断裂时间。
与此相对，w含量低于本发明的范围的编号7的焊接材料、不含有b的编号8和编号13的焊接材料、以及si含量高于本发明的范围的编号9的焊接材料虽然高温裂纹敏感性低，但是蠕变强度低于目标蠕变强度。满足本发明的成分范围而fn1的值低的编号10的焊接材料虽然高温裂纹敏感性低，但是蠕变强度低于目标蠕变强度。此外，b含量高于本发明的范围的编号11的焊接材料、nb含量高于本发明的范围的编号12的焊接材料的蠕变强度没有问题，但是高温裂纹敏感性增大。
由此可见，满足本发明的条件的焊接材料的高温裂纹敏感性低，而且也满足蠕变强度。由此可知，本发明的奥氏体系耐热钢用焊接材料能够成为适于焊接含高氮高镍的奥氏体系耐热钢的焊接材料。
[焊接金属和焊接接头]
在实验室中将具有表3所示化学组成的材料熔融并铸造而得到的钢锭，通过热锻、热轧、冷轧、热处理和机械加工，制备板厚12mm、宽度50mm、长度120mm的板材(板材(1))。将板材(1)作为焊接用母材。
进一步，在实验室中将具有表4所示化学组成的材料熔融并铸造而得到的钢锭，通过热锻、热轧、热处理和机械加工，制备板厚4mm、宽度200mm、长度500mm的板材(板材(2))。由板材(2)通过机械加工，制备2mm见方、长度500mm的切割填料。
[表3]
[表4]
在上述板材(1)的长度方向上，将v形坡口加工成角度30°、根部表面(rootface)1mm后，在市售钢板(jisg3160(2008)规定的sm400b、厚度25mm、宽度150mm、长度200mm)上，使用被覆电弧焊接棒(jisz3224(1999)规定的“dnicrfe-3”)，对四周进行拘束焊接。
然后，使用所制备的切割填料，将ar作为密封气体，通过手动tig焊接对坡口内进行层叠焊接，从而制备焊接接头。需要说明的是，焊接时，输入热设为9kj/cm～15kj/cm。
在将所得到的焊接接头的焊接金属以垂直于长度方向的方式切割而得到的截面上，用钻头将宽度方向的中心且为板厚方向的中心切削约1mm左右从而采集切屑，进行焊接金属的化学分析。将结果示于表5。
[表5]
[耐焊接裂纹性]
从所制备的各焊接接头的焊接金属的5处采集试样，使观察面成为接头的横截面(垂直于焊缝的截面)。对采集的试样进行镜面研磨、腐蚀后，用光学显微镜进行检查，调查焊接金属部中有无裂纹。将5个试样中均未观察到裂纹的焊接接头、1个试样中观察到裂纹的焊接接头判断为“合格”。将2个以上的试样中观察到裂纹的焊接接头判断为“不合格”。
[蠕变断裂试验]
从各焊接接头采集将焊接金属作为平行部中心的圆棒蠕变断裂试验片。然后在750℃、127mpa的条件下进行蠕变断裂试验，将其断裂时间超过母材的目标断裂时间的大约80％即1000小时的试验片判断为“合格”，1000小时以下的试验片判断为“不合格”。
将上述各试验结果一并示于表6。
[表6]
表6
从表6可知，具有化学组成在本发明所限定的范围内的编号a1～a4、b1～b4、c1～c4、和d1～d4的焊接金属的焊接接头的焊接高温裂纹敏感性低，且蠕变断裂时间满足母材的目标断裂时间的80％以上。
与此相对，具有编号a5和b5的焊接金属的焊接接头中，焊接金属的w含量低于本发明的范围的下限即“超过4.5％”，因此蠕变强度低于目标蠕变强度。进一步，具有编号a6和b6的焊接金属的焊接接头中，焊接金属的si含量超过本发明的范围的上限即0.6％，因此蠕变强度低于目标蠕变强度。另外，具有编号a7和b7的焊接金属的焊接接头中，焊接金属的b含量超过本发明的范围的上限即0.005％，因此焊接高温裂纹敏感性增大。进一步，具有编号a8和b8的焊接金属的焊接接头中，焊接金属的nb含量超过本发明的范围的上限即0.5％，因此焊接高温裂纹敏感性增大。另外，具有编号a9和b9的焊接金属的焊接接头中，fn1的值小于10.0，因此蠕变强度低于目标蠕变强度。
由此可见，满足本发明的条件的焊接金属的高温裂纹敏感性低，也满足作为焊接构造物所需的蠕变强度，因此能够充分利用含高氮高镍的奥氏体系耐热钢的性能。
产业上的可利用性
利用本发明，能够提供将含高氮高镍的奥氏体系耐热钢用作焊接构造物时可以充分利用其性能、且高温裂纹敏感性低、蠕变强度优异的奥氏体系耐热钢焊接金属和具有其的焊接接头。因此，本发明的焊接金属和具有该焊接金属的焊接接头可以用于：作为适用于将含高氮高镍的奥氏体系耐热钢在热力发电用锅炉等高温下使用的机器的构成焊接构造物的焊接金属和具有该焊接金属的焊接接头。